Способ атомизации веществ в вакууме Советский патент 1986 года по МПК G01N21/71 

Изобретение относится к методам атомизации веществ и может найти применение в атомно-абсорбционном, флуоресцентном, атомно-ионизационном и других методах спектрального анализа .

Цель изобретения - улучшение правильности анализа и уменьшение пределов обнаружения анализируемых атомов .

На чертеже представлено устройство, обеспечивающее процедуру нагрева атомизатора, реализукицее предлагаемый способ.

Устройство содержит вакуумирован- ную камеру 1, атомизатор 2, шток 3 для фиксации атомизатора, систему .4 охлаждения штока, линзу 5, источник 6 излученияи зеркало 7.

При анализе элементного состава проб, содержащих вещества различной летучести и особенно легколетучих, но трудноатомизируемых веществ, известный способ, в котором используют эффузионный режим истечения атомов и молекул пробы, не дает возможность обеспечить высокую эффективность атомизации, что отрицательно сказывается на правильности анализа и на пределах обнаружения атомов. Это рбус- ловлено тем, что с помощью известного способа, в котором производят облучение всей поверхности атомизатора, не обеспечивается высокий градиент температуры по длине атомизатора; в начале процесса атомизации, например, 500-1000 С в зоне испарения пробы и 2500-3000°С в зоне атомизации.

Для атомизации легколетучих, но трудноатомизируемых соединений по известному способу необходимо обеспечить быстрьй нагрев атомизатора, что приводит к режиму газодинамического истечения вещества пробы из атомизатора и соответственно к неконтролируемым потерям анализируемого вещества.

Согласно предлагаемому способу, чтобы обеспечить эффективную атомиза- цкю легколетучих, но трудноатомизируемых веществ, создают в начале процесса атомизации невысокую температуру в зоне испарения пробы и достаточно высокую температуру атомизатора в зоне атомизации с таким расчетом,чтобы легколетучие вещества при испарении не создавали газодинамического.

0

5

режима истечения, как в зоне атомизации, так и по выходу из трубки атомизатора. При этом сохраняется эффузионный режим истечения атомов и мол-екул пробы, независимо от степени летучести веществ пробы.

В дальнейшем температуру зоны испарения повьшают, уменьшая, таким образом, градиент температуры по длине атомизатора, доводя температуру зоны испарения до температуры верхней выходной части атомизатора. Такой режим работы обеспечивает выход в эффузионном режиме и атомизацию молекул пробы различной летучести,за счет чего улучшается правильность анализа и пределы обнаружения.

Указанные режимы нагрева атомизатора возможно обеспечить с помощью высокоинтенсивного источника света (чертеж)где с помощью линзы 5 и зеркала 7 проводят формирование светового излучения источника 6 в световой пучок с диаметром в пятне порядка диаметра атомизатора. Пятно излучения, направляют на выбранную зону атомизатора с таким расчетом, чтобы обеспечить максимальную эффективность атомизации и коллимацию атомов пробы.

Диаметр пятна светового пучка выбирают меньше диаметра атомизатора в связи с тем, что излучение за пределами указанных размеров проходит мимо атомизатора, не участвуя в его нагреве.

В зависимости от типа решаемой задачи пятно светового излучения может быть направлено в одно место на поверхности атогдазатора или в. несколв- ко таких мест, как диаметрально противоположных, так и по длине атомизатора.

Для этой цели можно использовать несколько источников света или один источник со сканирующим по поверхности атомизатора лучом.

В качестве источника излучения могут быть использованы непрерывный или импульсный СО, HF и другие типы лазеров со средней мощностью 50- 200 Вт, или лампы, например ксеноно- вые, с высокой яркостной температурой и мощностью 2-3 кВт.

0

5

0

5

0

Предлагаемый способ используют для анализа легколетучих, по трудноато- мизирукяцихся веществ (таких, например, как SiCl,, ClFg, PCI,, TiCl и др.).

Рассмотрим в качестве примера какие аналитические характеристики получают для изотермического атомизатора и для предлагаемого атомизатора с раздельным испарением и атомизаци- ей.

Во избежание рассеяния внутри канала, формирующего атомный или молекулярный пучок, необходимо, чтобы средняя тепловая длина свободного пр бега молекул ( А ) была больше длины (L) самого канала ячейки атомизатора

2о т Поскольку Л 7,3-10 - см),

где Р

PC;

(1)

- давление паров исследуемого

вещества, (мм рт.ст,); Т - температура паров исследуе мого вещества, К ; о - сечение столкновений, см , а величина б имеет порядок 10 см, то тогда, например, для L«1 см значение ZТ/Р 10 - Ю (2) Если соотношения (1) или (2) для случая см не выполняются, то вместо эффузионного наблюдается аэродин мический поток с турбулентной газово струей. При низком давлении Р в истонике молекул интенсивность молекулярного пучка пропорциональна Р. В том

случае, когда давление Р возрастает до таких значений, когда L -Я , то регистрируемая интенсивность молекулярного пучка увеличивается по мере роста Р крайне незначительно. Этот факт объясняется возрастанием числа столкновений молекул между собой в процессе движения по каналу или непосредственно после вылета из него. При этом перед отверстием канала образуется облако атомов и молекул, причем по мере дальнейшего повьппения давления Р, размеры этого облака увеличиваются быстрее, чем концентра .ция атомов или молекул в нем, приводя к тому, что молекулярный пучок расширяется, а отношение интенсивности пучка к давлению падает.

Расширение пучка хотя и оставляет его полную интенсивность почти без изменения, но зато приводит к ухудшению его направленности, а значит и к снижению числа атомов или молекул, попадающих в просвечиваемую аналитическую зону.

Кроме того, поскольку при L Л растет число такиих молекул, которые в процессе зффузии через канал соударяются друг с другом, то это приводит

5

Ю

20

25

230944

к усилению матричных эффектов. Это . означает, что эффективность атомиза- ции, а значит и аналитический сигнал зависит не только от характера атоми- зации отдельно взятой молекулы, но и от характера столкновений молекул и атомов анализируемого элемента между собой и с молекулами и атомами матрицы пробы.

Весь перечень указанных причин приводит к необходимости проводить испарение анализируемой пробы в эф- фузионном режиме, определяемом из условия (1).

Соотношение (2) для случая А 1 см с привлечением данных по температурным зависимостям упругости паров веществ приводит к тому, что температура испарения анализируемого вещества не должна превьш1ать некоторой пре15

дельной температуры Т. , вьш1е которой нарушается эффузионный режим истечения молекул. В таблице представлены расчеты „„ для ряда соединений.

зо

35

зо

40

Из таблицы видно, что даже для таких достаточно труднолетучих (и обычных в химическом анализе) соединений, как хлориды щелочных металлов Т„р оказалось намного ниже той максимальной температуры, до которой можно было бы нагреть стенки атомизато

ра, выполненного, например, из вольфрама или графита, и тем самым осу- ществить более эффективную атомиза- цию пробы. Это противоречие решается с помощью предлагаемого способа ато- мизации в вакууме, в котором- осуществляется локальный нагрев стенок атомизатора, что позволяет проводить гибкую программу нагрева атомизатора

и тем самым осуществить испарение пробы в оптимальном температурном режиме и создать оптимальные температурные условия атомизации молекул пробы.

Для проведения численной оценки преимуществ предлагаемого способа атомизации пользуются экспериментально установленным для низких давлений вьфажением для константы скорости диссоциации К двухатомной молекулы по бимолекулярному механизму столкновений с газом разбавителем5 или со стенками атомизатора

К.тЧхр(-0/кт),

где k - постоянная Больцмана;

п - показатель степени, равный 0,5 - 0, большинства молекул.

Поскольку частота столкновений диссоциирующих молекул со стенками атомизатора пропорциональна корню квадратному из температуры, то вероятность атомизации молекул Р (Т) при ее столкновении со стенкой пропоциональна еяр (-D/kT).

В таблице представлены рассчитанные значения отношений Р.- при Т

ЗОООК и Р при Тлр .

Из таблицы видно, что вероятность атомизации молекул при единичном стол- кновении со стенкой, имекяцей температуру ЗОООК более, чем на 10 порядков, больше вероятности атомизации молекул при eAHHg4HOM столкновении со стенкой - имеющей температуру „. .

Таким образом, с помо щью предлагаемого способа, в том случае, если 40 необходимо сохранить эффузионный режим истечения пробы более, чем на 10 порядков, может быть улучшен предел обнаружения при анализе сравнительно легколетучих веществ.

30

5

5

0

Если в пробе присутствуют несколько соединений одного и того же элемента, возникают сложности с эталонированием, поскольку энергии диссоциации, а значит и степени атомизации таких молекул различаются. Причем при высоких температурах атомизации, степени атомизации двух различных соединений различаются в меньшей мере, чем при низких температурах. Если при таком составе пробы проводить эталонирование только по одному из этих соединений, то возникает систематическая погрешность 5 л. д D/kT, пропорциональная разности энергий диссоциации Л D анализируемых соединений.

Таким образом, повышение температуры атомизации молекул анализируемого элемента снижает значение возможной систематической погрешности и, следовательно, улучшает правильность анализа.

25 Формула изобретения

Способ атомизации веществ в вакууме, включающий внесение пробы в атомизатор, нагрев атомизатора световым излучением, отличающий- с я тем, что, с целью улучшения правильности анализа и уменьшения пределов «бнаружения определяемых атомов, создают градиент температуры по длине атомизатора с увеличением ее к выходному отверстию атомизатора путем локального облучения световым пучком зоны атомизатора вблизи выходного отверстия или нескольких зон поверхности световыми пучками, интенсивность которых последовательно увеличивают в направлении к выходному отверстию, при этом размеры сечения световых пучков на поверхности атомизаторов не превышают его диаметра.

ВНЮШИ

Заказ 2202

Тираж 778

Подписное

Производств.-полиграф. п.ред-е, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 778

Подписное

Изобретение относится к методам атомизации веществ и может найти применение в атомно-абсорбционном, флуоресцентном, атомно-ионизационном и других методах спектрального анализа. Целью изобретения является улучшение правильности анализа и уменьшение пределов обнаружения .анализируемых атомов за счет того, что эффузи- онный режим истечения атомов и молекул пробы создают путем создания градиента температуры по длине атомизатора с увеличением ее к выходному отверстию атомизатора. Данное у.словие реализуется локальным облучением световым пучком зоны атомизатора вблизи выходного отверстия или нескольких зон поверхности световыми щгчками, интенсивность которых последовательно увеличивают в направлении к выходному отверстию. 1 ил.,1 табл. (Л