Устройство для лазерного атомно-абсорбционного и молекулярного абсорбционного анализа Советский патент 1987 года по МПК G01N21/39 

Изобретение относится к аналити- ческому приборостроению и может найти применение для анализа ульт- рамалых концентраций атомов и молекул.

Целью является уменьшение пределов обнаружения атомов и молекул.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит лазер , делитель 2 луча, модулятор 3 дополнительного луча, вакуумированная поглощающая ячейка 4 с атомами или молекулами того же типа, что и анализируемые, ячейка 5 анализи{;г уемого вещества, регистрируюп1ее устройство 6.

При наличии в ячейке 5 частиц, рассеивающих излучение дополнительного луча за счет релеевского рассеяния света, в телесном угле основного луча будет появляться промоду- лированное с частотой f шумовое рассеянное излучение, которое будет попадать в регистрирующее устройство.

В предложенном устройстве существенное уменьшение или даже практическое полное подавление шумового сигнала, обусловленного рассеянным дополнительным излучением, достигается путем размещения на пути дополнительного луча ячейки 4 с достаточно высокой концентрацией атомных или молекулярных паров и регистрацией полезного сигнала в частотном диапазо не (; меньшем, чем полуширина линии

15

ного излучения равна , должна быть йеличина Ф для различных соотношений полуширины линий ) .

Запишем условие равновесия для 5 двухуровневой системы в ячейке 5

OttW

« тТ-б JTCS) ) 4 JOd))) di

о .

. где ш п - концентрация соответствен JO но невозбужденных и возбужденных анализируемых атомов или молекул в ячейке 5; f среднее время жизни возбужденного состояния; G- сечение резонансного .поглощения в центре

;1

линии поглощения; () )

контур линии поглощения; Т ()di) - плотность мощности дополнительного излучения в спектральном интервале di) .

Для идеального случая плотность мощности дополнительного излучения сосредоточена в бесконечно малой ус окрестности точки , :

9 4o) S(J-,)J,

где В()-)д) - дельта функция.

Лазерное излучение Ф ()), направ- ленное в поглощающую ячейку 4 и настроенное на частоту 1 , описыва-- ется выражением

20

30

Ф(0)(1).), где (v))

uVpVJl

. ..

,Лазерное излучение () ) после

поглощения ЛУ-,, атомов или молекул в,

ячейке 4. Концентрация атомных поглощения в ячейке 4 по закону Буили молекулярньпс паров п„ в ячейке 4,. гера-Ламберта-Бера преобразуется к

при которой „.,(гтюттятт,гп ппгтп-- ВИДУ Ф ()) И поступает в ячейку 5

будет наблюдаться поло жительный эффект,должна составлять п„ /( Т., где б - сечение резонансного поглощения атомами или молекулами излучения лазера в центре аналитической линии, 1 - длина поглощающей ячейки.

Поскольку дополнительный луч пропускают через поглощающую ячейку и его плотность мощности Ф из-за

о

этого уменьшается, то для достижения заданного уровня просветление анализируемой среды с помощью дополнительного из лучения, его платность мощности Фд должна быть больше, чем в обычных условиях измерений.

Рассмотрим, какая по сравнению с идеальными условиями, когда требуемая плотность мощности дополнительФ, (V) 9 . I

.,, -Eh ir2(J-OJ т2 где Ч ())е L---j- -J -Ho6o f- foC)

контур

45

линии поглощения атомами или молекулами в ячейке 4.

Найдем отношение /ф для од- ного и того же уровня просветления анализируемой среды, подставив в условие равновесия (1) значение /) . из формул (2, 4)

55г

- I г К

ООЧч1п пР О k l2

J ех21-Гп2-К. о) -PInlO-e Jdu)f )

ного излучения равна , должна быть йеличина Ф для различных соотношений полуширины линий ) . :

Запишем условие равновесия для двухуровневой системы в ячейке 5

OttW

« тТ-б JTCS) ) 4 JOd))) di,

о .

где ш п - концентрация соответствен- но невозбужденных и возбужденных анализируемых атомов или молекул в ячейке 5; f среднее время жизни возбужденного состояния; G- сечение резонансного .поглощения в центре

;1

линии поглощения; () )

контур линии поглощения; Т ()di) - плотность мощности дополнительного излучения в спектральном интервале di) .

Для идеального случая плотность мощности дополнительного излучения сосредоточена в бесконечно малой окрестности точки , :

9 4o) S(J-,)J,

где В()-)д) - дельта функция.

Лазерное излучение Ф ()), направ- . ленное в поглощающую ячейку 4 и настроенное на частоту 1 , описыва-- ется выражением

Ф(0)(1).), где (v))

uVpVJl

..

Ф, (V) 9 . I

.,, -Eh ir2(J-OJ т2 где Ч ())е L---j- -J -Ho6o f- foC)

контур

линии поглощения атомами или молекулами в ячейке 4.

Найдем отношение /ф для од- ного и того же уровня просветления анализируемой среды, подставив в условие равновесия (1) значение /) . из формул (2, 4)

55г

- I г К

ООЧч1п пР О k l2

J ех21-Гп2-К. о) -PInlO-e Jdu)f )

где К,/дЛ , , 1/ /1п10 18 Ф,,/Ф,(о1, ..1

uv).

переменная интегf

рирования.

Отношение I параметрически зависит от отношений полупшрины линий К и b и от подавления Р лазерного излучения в ячейке 4 в центре линии.

Значения I вычислены по формуле (5) на ЭВМ МК-56 для различных К, b и Р. При постоянных b и Р найдены значения К , такие, что отноhiihi

шение I минимизируется к I. . Даже

Tlin

если отношение Ь полуширин линий поглощения в ячейках 5 и 4 равно двум, необходимая для просветления (или насыщения) рабочего перехода мощность лазерного излучения, при его подавлении в центре линии на 6 порядков, увеличивается по сравнению с идеальными условиями не более чем в 8 раз. При этом оптимальная полу Г1ирина линии спектра генерации лазера дО (0,77-2,1)

Устройство возможно и целесообразно применять также и во внутри- резонаторном варианте измерения слабых линий поглощения. В таком варианте ячейка 5 устанавливается внутри резонатора основного лазера, а ячейка 4 - дополнительного, модули3039084

рующего. Во внутрирезонаторном варианте шумовой сигнал, обусловленный рассеянием излучения дополнительного лазера, будет значительно г выше за счет его усиления в активной среде.

Формула изобретения

Устройство для лазерного атомно- абсорбционного и молекулярного абсорбционного анализа, содержащее источник лазерного излучения, светоде- лител.ь, два оптических канала - основной и дополнительный, в основном установлена исследуемая ячейка, в дополнительном установлены модулятор луча, причем оптическая ось дополнительного канала проходит через центр исследуемой ячейки, а выход основного канала соединен с блоком регистрахщи интенсивности лазерного излучения, о т л и ч а ю- D; е е с я тем, что, с уменьшения пределов обнаружения атомов и молекул, в дополнительном канале за модулятором установлена вакуумиро- ванная термостатированная поглощающая ячейка с атомами или молекулами того же вида, что и анализируемые, а блок регистрации выполнен в виде резонансного детектора фотонов с ва- куумированной ячейкой.

Ч

Изобретение относится к области аналитического приборостроения. Цель - уменьшение пределов обнаружения атомов и молекул. На пути дополнительного луча установлена вакуумированная ячейка с атомами или молекулами того же сорта, что и анализируемые. Регистрирукяций детектор снабжен вакуумированной ячейкой. ил. со о со СО

Составитель О.Баттиева Редактор А.Долинич Техред М.Ходанич

Заказ 1300/43 Тираж 777Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород,ул. Проектная, 4

Корректор М.Демчик