Способ локального спектрального определения углерода в твердых образцах Советский патент 1984 года по МПК G01N21/63 

Изобретение относится к устройствам для определения углерода в твердых образцах, в частности высоколегированных сталях. Известно устройство для локального спектрального определения углерода в твердых образцах, включающее электроды, расположенные друг против друга,один из которых является образцом, а другой (верхний) постоянный в виде цилиндрического стержня, генератор высокочастотной искры для электропитания электродов спектрограф и приспособление для подачи инертного газа - гелия одним потоком в зону испаред1ия и возбуждения образца,- выполненного в ви де обдувателя, в котором установлен верхний электрод. В атмосфере гелия ослабляется интенсивность линий основы, накладывающихся на аналитичес кую линию углерода, а интенсивность линий углерода усиливается, разряд горит стабильно. Это позволяет проводить определение углерода с чувст вительностью 0,03% при локальности несколько миллиметров Cl. Недостатком данного устройства я ляется низкая локальность. j Наиболее близким к предлагаемому является способ локального спектрал ного анализа углерода в твердых, образцах, вкличакщий испарение образца с помощью лазерного луча в искровом высоковольтном разряде между двумя электродами в .потоке инертного газа - гелия С23. Недостатком известного способа является низкая чувствительность ан лиза. Цель изобретения - повышение чув ствительности анализа. Для достижения поставленной цели согласно способу локального с;пек рального определения углерода в твердых образцах, включающему испа рение образца с помощью лазерного луча в искровом высоковольтном разряде между двумя электродами в пото ке инертного газа - гелия, увеличивают количество продуктов лазерной эрс5зйи в разрядном промежутке с помощью эжектирующего эффекта, возникающего в результате подачи инертного газа - гелия со скоростью, отличной от нуля, в зону разряда тремя потоками симметрично оси элек рода под углом 120°. На фиг. 1 показано устройство для реализации предлагаемого cnoco ба; на фиг. 2 - электрод, через который производится подача инертного газа - гелия, продольный разрез; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - кривые зависимости инт нсивност 1 линии углерода от скорости истечения газа - гелия при различном количестве отверстий на выходе электрода, где лS - разность почернения линий углерода и фона (величина, определяющая чувствительность анализа), а V - скорость истечения гелия, л/мин. Устройство для лазерного локального определения углерода в твердых образцах содержит лазер 1, объектив 2 для фокусировки лазерного луча, электроды 3, образец 4, генератор 5 искры, спектрограф 6, конусообразный конец 7 электрода, полость 8 в электроде, отверстия 9 в электроде. Кроме того, на фиг. 1 обозначено: 10 - лазерный луч, 11 - факел испарившегося вещес тва под действием лазерного излучения, 12 - струя инертного .газа - гелия, 13 - излучение плазмы, возбуждаемой между электродами. Устройство работает следующим образом. В зону испарения и возбуждения образца через полость 8 и три выходные отверстия 9 одного из электродов 3 подают гелий со скоростью 1,5 л/мин. На.электроды подают напряжение от генератора, недостаточное для пробоя искрового .разряда при отсутствии внешнего ионизатора. Затем включают лазер 1. Лазерный луч 10 фокусируется объективом 2 на поверхность образца 4, в результате чего происходит испарение анализируемого образца. Факел 11 испарившегося вещества поступает в межэлектг родньай промежуток, после чего происходит его ионизация и осуществляется искровой разряд между электродами 3. Спектр искрового разряда фо.тографируется на спектрографе Q-24 {не показан). Воздействие на образец лазерного излучения с мощностью светового потока выше 10 Вт/см приводит к разрушению образца и выбросу его вещества в виде паров и конденсированной фазы (капель расплава и твердых частиц).. Доля паров в продуктах лазерной эрозии металлов незначительна и в случае использования лазеров, работающих в режиме свободной лгенерации, составляет всего 0,1%. Существуют два способа локального спектрального анализа с применением лазеров. Согласно первому способу в качестве источника возбуждения спектров используется плазма, образующаяся в лазерном факеле. В этом случае эффективность использования вещества анализируемой пробы мала, так как основная честь продуктов лазерной эрозии выбрасывается в конденсированной фазе и не участвует в формировании спектров. Кроме того качество последних в этом случае очень низко. Согласно второму способу лазеры используются в сочетНИИ с генераторами электрических разрядов. Вещество, выброшенное под действием лазерного излучения, попадает в межэлектродный промелуток электрического разряда. В электрическом разряде происходит испарение и возбуждение частиц конденсирован ной фазы, а также дополнительное .возбуждение паров лазерной плазмы. При этом интенсивность спектра увеличивается на несколько порядков по сравнению с интенсивностью спектра чисто лазерной плазмы. Этот вариант лазерного локального спектрального анализа используется в предлагаемом устройстве.

количество продуктов лазерной эрозии, попадающее в межэлектродный промежуток электрического разряда, зависит от,ряда факторов: параметров источника лазерного излучения/ физико-химических свойств анализируемых материалов. Существенную рой при этом играет состав окружающей атмосферы.

В случае локального спектрально- го анализа различных материалов наибольшая чувствительность определения углерода достигается в атмос фере гелия по.сравнению с другими газами. Это объясняется тем, что благодаря близости потенциалов возбуждения ионных линий углерода и метастабильных урбвней атогжэв гелия происходит усиление Интенсивности линий углерода в результате соударения 2-го рода, интенсивность же линий основы и других примеснь1Х элементов, которые могу накладываться на аналитические линии углер да и тем самым мешать проведению анализа, при этом значительно ос+лабляется.

В предлагаемом устройстве подача гелия осуществляется-через полость в электроде и три выходных отверстия, расположенные симметрично оси электрода под углом 120 относительно друг друга. Чувствительность определения углерода в этом случае доставляет 0,005% или в 6 раз въте, чем для прототипа. Точность определения, оцененная по величине отно- / сительного стандартного отклонения единичного определения, составляет 0,15 (в прототипе 0,2). Локальность 60 мкм.

Повышение чувствительности определения углерода при использовании приспособления для подачи гелия можно объяснить следукицим образом. Струи 12, выходящие из отверстия 9 в конусообразном конце 7 электрода 3, разбиваются о поверхность обраэца -4 и распространяются вдоль его поверхности (фиг. 1). В этом случае электрод с отверстиями является газовым эжектором т.е. аппаратом, в котором скорость газового потока увеличивается под действием давления . Рабочие параметры (диаметр отверстия, их количество, форма и размеры электродов, величина давления газа)-подобраны эмпирически.

0

Для оптимального режима (электроды медные диаметром 5 мм, зато, ченные на конус , угол между электродами и осью лазерного луча 60°, три отверстия диаметром 1 мм) скорость потока гелия 1,5 л/мин определена из зависимости величины почернения д S от скорости истечения газообразного гелия V, представленной на фиг. 4; кривая 14 снята

0 при истечении гелия тремя потоками, кривая 15 - при истечении гелия двумя и четырьмя потоками с наблюдающимся эффектом усиления интенсивнос-: ти л-ний углерода.

5

Гелий состоит из невзаимодействующих атомов и вязкость его близка нулю, поэтому к нему применим закон нераздавности (сплошности) . потока

0

5. .

где V - скорость истечения гелия ,на входе в полость электрода;У„ - скорость истечения гелия

на выходе; S - сечение входного отверстия; S - сечение выходного отверс тия; S S г 1 Г; 2,5 мм,г 2 1,5 мм/ V 1 ,.;5 л/мин.

Как видно из формулы V2 в 3 раза превосходит V. Таким образом, поток Газа на выходе ускоряется и в межэлектродном промежутке создается зона пониженного давления. За счет разности давлений в межэлектродном промежутке втягивается газ из окружающей атмосферы. Это приводит к увеличению количества атомов углерода в межэлёктродном промежутке, увеличений интенсивности его линии и чувствительности его определения. :

Электроды в этом случае целесообразно располагать так, чтобы их конусообразные концы были наклонены под углом бО к оси лазерного луча. При углах 45 и 85° струи инертного газа проходят мимо лазерного факела, поэтому электрод не будет являться эжектором. Кроме того.

при угле возникает опасность аэряда койленсатора между электродйми и поверхностью образца, В качестве оптимального выбран угол между электродом и осью лазерного луча ..

СПОСОБ ЛОКАЛЬНОГО СПЕКТ:РЙЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДА В ТВЕРДЫХ ОВРАЗЦАХу включакяций испарение образца с помощью лазерного луча в искровом высоковольтном между двумя электродами в потоке инертного газа - гелия, о тл и ч а ю щ и и с я тем, с целью повьнаения чувствительности определения углерода, увеличивают коли. чество продуктов лазерной эрозии в разрядном промежутке в результате подачи инертного газа - гелия со скоростью, отличной от нуля, в зону разряда тремя потоками симметрично оси электрода; под углом . (Л о: ел 4 4

0,1 Uf

J.O г.о JO .0 &е w f iy;%m

9

Фиг.