Способ спектрального анализа гелия на содержание неона Советский патент 1985 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к аналитике н может быть использовано для анализа гелия на содержание в нем неона. Цель изобретения - снижение нижней гранихцл определения неона в гелии при концентрации неона в гелии менее 10 мол.%. Способ осуществляется следующим образом. В предварительно вакуумированную разрядную трубку вводится при заранее установленном давлении порция анализируемого газа. С помощью источ ника питания в нем возЗулздается импульсный разряд, частота следования импульсов в котором задается системой управления, При этом происходит заселение метастабильного уровня неона РЗ в фазе разряда. Затем включается импульсный оптический квантовый генератор, частота следова ния импульсов которого и их сдвиг от носительно фазы обрыва импульса разряда устанавливают системой управления. Лазерное излучение на длине вол ны ( 7 588,2 нм) перехода между уровнями неона 2p3S 4j и ЛрЗпР с помощью оптической системы вводится в разрядную трубку, где оно возбужда ет импульсы флуоресценции на длине волны ( f( 616,4 нм) перехода между уровнями неона 2рЗрР., и 2p3S Р Аналитический сигнал флуоресценции пропорционален в этом случае заселен ности уроЬня 2p3S Pji которая в послесвечении разряда (т,е. после обры ва импульса тока через разрядную тру ку) уменьшается медленно, а в некото рых условиях может даже возрастать. Фоновое излучение самого гелия в послесвечении уменьшается быстрее, поэтом отношение флуоресцентного сигнала к шуму излучения самой гелиевой плазмы лимитирукяцее нижнюю границу определе ния, в послесвечении в определенных случаях и в определенные моменты вре мени становится больше, чем в стацио нарном разряде. Импульсы флуоресценции, сдвинутые относительно фазы обрыва импульса разряда на оптимальный т.е. соответствующий максимальному отношению полезного сигнала флуорес ценции к шуму излучения плазмы, отре зок времени, системой сбора флуоресценции подаются на синхронный детект сумматор, который накапливает сигнал за определенное заранее установленное число импульсов лазера. При этом синхронизация детектора-сумматора с импульсным лазером осуществляется с помощью фотоэлемента. По величине сигнала флуоресценции судят о концентрации неона в гелии. На фиг. 1 изображена структурная схема установки для реализации предлагаемого способа; на фиг, 2 - зависимость интенсивности шума от задержки лазерного импульса, возбуждающего флуоресценции;- на фиг, 3 - зависимость величины сигнала флуоресценции от задержки лазерного возбуждающего импульса; на фиг. 4 - зависимость отношения сигнала к от времени задержки возбуждающего лазерного импульса; на фиг, 5 - зависимость оптимальной задержки от концентрации анализируемого газа; на фиг. 6 - график по результатам измерений для каждого примера использования предлагаемого способа. Установка состоит из вакуумной системы 1, соединенной с разрядной трубкой 2, импульсного источника 3 питания газового разряда, подключенного к электродам разрядной трубки, импульсного лазера на красителе 4 для накачки флуоресценции, оптической системы 5 для ввода излучения лазера в газоразрядную трубку и запуска системы синхронного детектирования флуоресценции, фотоэлектрической системы 6 сбора флуоресценции, расположенной перпендикулярно разрядной трубке, фотоэлемента 7, запускающего синхронный детектор - сумматор 8 интенсивности импульсов флуоресценции, системы 9 управления и синхронизации импульсного лазера и импульсного источника питания разряда (фиг. 1), С целью нахождения оптимальной величины задержки импульса флуоресценции относительно времени обрыва импульса разряда предварительно проведено исследование величины отношения флуоресцентного аналитического сигнала неона к шуму излучения плазмы после обрыва разряда, т.е. в послесвечении, в зависимости от времени задержки возбуждающего флуоресценцию лазерного импульса относительно времени обрыва газового разряда и от концентрации определяемой примеси при заданных геометрии разрядной трубки (внутренний диаметр 12-13 мм, длина 200 мм), давлении гелия в трубке 28 - 32 торр, силе тока в импульсе 50 - 53 мА, длитель ности импульсов тока 8-10 мкс, ча тоте их следования 130 - 155 Гц, сум мированйи сигнала и шума за 2000 им пульсов лазера. Исследования включают в себя построение зависимости величины сигна ла флуоресценции и величины шума излучения плазмы в послесвечении в зависимости от времени задержки импульса флуоресценции относительно момента обрыва импульса разряда при различных концентрациях неона, Найденное таким образом время задержки, при котором отношение сигнала флуоресценции к шуму излучения плазмы оказывается максимальным, называемое оптимальным, устанавлива ется затем в измерительном устройстве посредством системы управления при проведении анализов. Результаты анализа гелия на содержание примеси неона состоят в следующем. Интенсивность суммарного шума, вы ванного флуктуациями излучения самог гелия и неселективно рассеянного лазерного излучения самого гелия и неселективно рассеянного лазерного изл чения в послесвечении, всегда меньше чем в стадии разряда (фиг, 2), Сигнал флуоресценции в послесвече нии при определенных временах задерж ки лазерного импульса относительно времени обрыва газового разряда может быть существенно больше, чем в стадии самого разряда (фиг, 3). В послесвечении отношение полезного сигнала флуоресценции к суммарному шуму является функцией времени задержки и в определенных интервалах времени задержки существенно превышает указанное отношение в стадии самого разряда (фиг, 4), Оптимальное время задержки, при котором достигается наибольшее отношение сигнала флуоресценции к шуму излучения плазмы, зависит от концент 15ации неона в гелии при относительно ВЫСОКИХ концентрациях неона (С/д 10 но практически не зависит от неё при более низких концентрациях и состав ляет 160 - 240 МКС (фиг. 5). При использовании оптимальных вре мен задержки сигнала флуоресценции относительно времени обрьгоа разряда вьшгрьш в величине отношения сигнала флуоресценции к шуму излучения по сравнению с измерениями в фазе разряда достигает в случае определения неона в гелии -- 100 раз. Наблюдаемые эффекты повьш1ения отношения сигнала флуоресценции к шуму излучения плазмы в условиях послесвечения, а также зависимости опти мального времени задержки возбуждения флуоресценции относительно времени обрыва разряда от концентрации при1г1еси неона могут быть объяснены совокупностью процессов дезактивации возбужденных состояний атомов основы и примеси в условиях распадающейся плазмы. Пример 1, В разрядную трубку при давлении 30 торр вводят анализируемый гелий с содержанием в нем неона менее 10 мол,%, возбуждают в трубке импульсный газовый разряд с частотой следования импульсов 140 Гц, длительностью импульса 9 мкс и силой тока в импульсе 52 мА. В паузах между импульса.МИ тока распадающуюся плазму облучают импульсами лазерного излучения на длине волны 588, 2 нм. Время задержки лазерного импульса относительно времени обрыва ргмпульса разрядного тока устанавливается равным 200 мкс. Возникающие при импульсном лазерном облучении импульсы флу- , оресценции неона на длине волны 616,4 нм измеряют импульсным фотоэлектрическим детектором-сумматором, Количество суммируемых импульсов флуоресценции 2000. Используя набор эталонных проб гелия с различными заданными концентрациями неона, по результатам измерения флуоресценции этик проб строят градуировочный график, который линеен при любых концентрациях неона в гелии, не тфевьш1ающих .% (фиг. 6, кривая 10), Пользуясь этим графиком по измеренной для анализируемых гелиевых проб флуоресценции неона, определяют в них искомую концентрацию неона. Пример 2. В разрядную трубку вводят порцию анализируемого гелия при давлении 28 торр и возбуждают в трубке газовый импульсный разряд с частотой следования импульсов 130 Гц, длительностью импульса 8 мкс силой тока в импульсе 50 мА, В пазухах между импульсами тока распаающуюся плазму обдучают импульсами

лазерного излучения на длине волны 588,2 им. Время задержки лазерного импульса относительно времени обрыва импульса разрядного тока устанавливается равным 160 мкс. Возникающие при импульсном лазерном облучении импульсы флуоресценции неона на. длине волны 616,4 нм измеряют импульсным фотоэлектрическим детекторомсумматором. Количество суммируемых импульсов флуоресценции 2000. Используя набор эталонных проб гелия с различными заданными концентрациями неона, по результатам измерения флуоресценции этих проб строят градуировочный график, который линеен при любых концентрациях неона в гелии, не превышающих 10 мол.% (фиг. 6, кривая 11). Пользуясь этим графиком по измеренной для анализируемых гелиевых проб флуоресценции неона, определяют в них искомую концентрацию неона. Пример З.В разрядную трубку вводят анализируемый гелий при давлении 32 торр и возбуждают в нем импульсный газовый разряд с частотой следования импульсов 155 Гц, длительностью импульсов 10 мкс и силой тока в импульсе 53 мА, В паузах между импульсами тока распадающуюся гелиевую плазму облучают импульсами лазерного излучения на длине волны 588,2 нм. задержки лазерного импульса относительно времени обрыва импульса разрядного тока устанавливается равным 240 мкс. Возникающие при импульсном лазерном облучении импульсы флуоресценции неона на длине Q волны 616,4 нм измеряют импульсным фотоэлектрическим детектором-суммато-t ром. Количество суммируемых импульсов флуоресценции 2000. Используя набор эталонных проб гелия с различ- 45 ными заданными концентрациями неона, по результатам измерения флуоресценции этих проб строят градуировочный график, который линеен при любых концентрациях неона в гелии, не превы- JQ шающих 10 мол.% (фиг. 6, кривая 12). Пользуясь этим графиком по измеренной для анализируемых гелиевых проб флуоресценции неона, определяют в них искомую концентрацию неона. Результаты измерений концентрации неона в пробах, приведенных в примерах 1-3, даны в таблице. (фи 1 скообх ров ся рый вия ков пол оложение градуировочного графика . 6) при указанных в примерах 3 рабочих условиях анализа неько смещается, что приводит к неимости работать при стабилизинных условиях анализа и пользоватьем градуировочным графиком, котоадекватен соответствующим услоанализа. Однако любой из графипрямолинеен, что позволяет исзовать минимальное количество эталонов для его построений. Как следует из таблицы, анализы гелиевых проб, проведенные в различных рабочих условиях по соответствующим этим условиям градуировочным графикам дают результаты, расхождение которых не превышает случайных ошибок анализа. Нижний предел определения неона в гелии составляет 31ГГ мол,%, что примерно на два порядка ниже, чем в случае определения неона в гелии по известному способу.

СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ГЕЛИЯ НА СОДЕРЖАНИЕ НЕОНА , заключающийся в возбуждении газового разряда Б гелии, облучении его излучением лазера и измерении флуоресценции неона, по которой судят о содержании неона в гелии, отличающийся тем, что, с целью снижения нижней границы определения неона в гелии при концентрации неона в гелии менее 10 мол.%, возбуждают импульсный разряд при длительности импульсов тока 8-10 МКС, силе тока в импульсе 50 - 53 мА, давлении геg лия 28 - 32 торр в разрядной трубке диаметром 12 - 13 мм и облучают плазму в послесвечении газового разряда при времени задержки на 160-240 мкс, импульса возбуждающего флуоресценцию относительно времени обрыва разряда.

I

20I

Время задержки, мкс

т Фиг.2

I

Гч

N

f

I

I

§

l7 fH3 0dllof) VDHZn

Концентрация неона, % ммьн Фи$.5