Способ лазерной фотоионизационной спектрометрии Советский патент 1993 года по МПК G01N21/39 

Способ лазерной фотоионизационной спектрометрии предназначен для использования в высокочувствительной атомной спектрометрии и, в частности, для измерения содержания следов элементов, может быть использовано в области получения высокочистых веществ, геохимии и аналитической химии.

Целью изобретения является повышение точности измерений. Указанная цель достигается тем, что каждый импульс излучения лазеров подается последовательно на исследуемый, а затем на реперный пучки атомов, образующиеся в этих пучках ионы регистрируются раздельно, и сигнал, получаемый от исследуемого пучка, корректируется на сигнал, получаемый от реперного пучка.

Сущность изобретения состоит в том, что таким образом учитывается спектральная и энергетическая нестабильность лазерных излучателей. Спектральная нестабильность из-за малой ширины атомных спектральных линий вносит основной вклад

в погрешность измерения. Наибольший вклад в ширину линий атомов при работе с атомным пучком вносит доплеровское уши- рение, при этом ширина линии составляет 10 8 от длины волны линии. Если учесть, что ширина линии лазера, обеспечиваемая селективным резонатором, имеет порядок 0,1 - 0,01 см , что шире атомной линии (для ультрафиолетовой области доплеровское уши- рение имеет порядок 0,005 см ), то из этого следует, что даже в предположении об отсутствии механических нестабильностей резонатора, приводящих к уходу центра лазерной линии как в течении процесса измерений так и от импульса к импульсу, возможны вариации спектра за счет изменения модового состава его излучения в пределах достаточных для изменэния интенсивности на каждой ступени на порядок величины. Поскольку измерения в исследуемом и ре- перном пучках осуществляются для одних и тех же импульсов, то влияние вариаций спектра излучения одинаково на сигналы от исследуемого и от реперного источников.

Ј

00

Ю

ел

Гепериый источник атомоп работает в стабильном , обеспечивая достаточно интенсивный стационарный поток атомов через зону взаимодействия с лазерным излучением. Поскольку флуктуации числа час тиц в зоне взаимодействия подчиняются статистике Пуассона, to при достаточно большой плот ности частиц в потоке, средне- квадратическое отклонение числа частиц будет мало по сравнению со средним их количеством, и число частиц взаимодействующих с излучением в реперном пучке можно полагать постоянным. При надлежащем построении измерительных каналов флуктуации сигналов так же могут быть сделаны достаточно малыми

эким образом возможно учесть влияние спектральных нестабильностей на измеряемый сигнал, считая, что вариации сигнала от реперного источника определяются главным образом флуктуациями спектра излучения лазеров.

Установка, на которой может быть реализован предложенный способ, схематически представлена на фиг. 1.

Установка содержит оптический блок, аналитический блок и управляющий измерительно-вычислительный комплекс Оптический блок содержит эксимерный лазер накачки (ЭЛ), три лазера на красителях (ЛК), на первой и третьей ступенях используются оптические усилители, имеется возможность измерения длины во/ты (Л). На первой ступени возможно удвоение частоты на нелинейном кристалле (ПК). Излучение лазеров на красителях направляется в аналитический блок Основу блока составляет вакуумная камера, оснащенная электротермическим атомизатором (ЭТА) Камера соединена с трубой оремя-пролет- ного масс-фильтра, в конце которой расположен вторично-электронный умножитель (ВЭУ). Вакуум в трубе и камере поддерживается турбомолекулярными насосами (ВМН), Сигнал с ВЭУ усиливается предусилителем (У). Схема измерений и управления осуществляет управление лазерным комплексом атомизатором аналитического блока, регистрирует сигнал от ВЭУ и осуществляет обработку информации как в процессе измерений так и по их окончании

На фиг 2 представлен аналитический блок. Показано, что атомный пучок формируемый атомизатором, лазерные лучи и электрическое поле, формируемое отклоняющими электродами взаимно ортогональны.

На фиг 1 показан лишь один аналитический блок Для осуществлен ия способа таких блоков допжно быть два гоопч тглвенно. должно быть два зарядово-чувстви- тельных аналого-цифровых преобразователя (Q-АЦП) и два блока управления питанием атомизаторов (БПА). Лазерное излучение заводится в блоки последовательно путем перехвата излучения, прошедшего один аналитический блок, и его фокусировки во второй. В этом случае используется в каждом из атомных пучков все излучение

лазеров.

Предложенный способ осуществляется следующим образом: вещество, содержащее определяемый элемент 6, например рутений, помещают в атомизатор аналитического блока, а в атомизатор реперного блока помещают чистый металл. Нагревая атомизаторы электрическим током, формируют атомные пучки. Воздействием

излучения трех перестраиваемых лазеров на красителях атомы рутения переводятся в высоковозбужденное состояние и ионизуются высоковольтным импульсом электрического поля, подаваемым на электроды

аналитического блока и реперного блока после окончания действия световых импульсов. Тем же импульсом поля, образовавшиеся ионы, через отверстие в заземленном положительном электроде выталкиваются в дрейфовый промежуток времяполетного масс-фильтра. Ионы, образующиеся в основном и реперном пучках под воздействием одного и того же импульса излучения лазеров, регистрируют раздельно в системах измерения фотоионного сигнала от основного и реперного пучков. Для подавления шума неселективной фотоионизации молекул остаточной атмосферы и макрокомпанентов пробы применяют

стробирование сигнала ВЭУ. Ширина временного окна строба две микросекунды, что позволяет учесть разброс времени пробега фотоионами дрейфового промежутка как за счет наличия нескольких изотопов, так и за

счет технических причин, например неодновременности образования фотоионов. Выделенный сигнал интегрируется по времени и измеряется раздельно по каналам, результаты измерений масштабируются, для компенсации различий между каналами. Для получения масштабных коэффициентов в основном канале создается поток атомов чистого элемента аналогичный реперному, причем температуры основного и реперного

амортизаторов поддерживаются одинаковыми. Если в дальнейшем поток атомов в реперном пучке поддерживается постоянным, все параметры обоих измерительных трактов неизменны, то поток массы в исследуемом (основном) пучке пропорционален

отношению сигналов в основном и репер- ном каналах, причем коэффициент пропорциональности может быть определен обыкновенной процедурой и градуировки прибора по градуировочным растворам и контрольным образцам, Измерение количества определяемого элемента в атомизаторе осуществляется путем интегрирования отношения сигналов от исследуемого и ре- перного пучков. Предложенный способ, позволяя компенсировать влияние спектральных нестабильностей, дает возможность повысить точность измерений. Для способа прототипа стандартное относительное отклонение результатов измере- ния градуировочных растворов изменяется от 15% для содержания рутения 100 пг, до 50% дл 1 пг. В случае применения предложенного способа может быть получена точность от 5% до 30% со- ответственно.

Формула изобретения Способ лазерной фотоионизационной спектрометрии, заключающийся в том, что получают атомный пучок исследуемого вещества и реперный пучок атомов определяемого элемента, облучают их импульсами излучения по крайней мере двух одновременно излучающих лазеров, настроенных в резонанс с последовательными переходами возбуждаемого электрона, ионизируют возбужденные атомы в обоих пучках и регистрируют образовавшиеся ионы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, импульс, прошедший атомный пучок исследуемого вещества, направляют на реперный пучок, ионы, образовавшиеся в каждом пучке, регистрируют одновременно раздельными системами, при этом сигнал, полученный от исследуемого пучка, корректируют по сигналу, полученному от реперногоо пучка.

Область применения: способ предназначен для использования в высокочувствительном элементном спектральном анализе в области производства высокочистых веществ, геохимии и аналитической химии. Сущность, используется техника лазерной фотоионизации и атомного пучка в вакууме. Одновременно формируются и облучаются светом лазеров два атомных пучка: исследуемой пробы и реперный из паров чистого элемента, Фотоионы от пучков регистрируются раздельно и о содержании элемента в исследуемой пробе судят по соотношению этих сигналов. 2 ил

Фиг, 1

АНАЛГПМКНИЙ БЛЖ

«ЯОИОНИЗА

КАМЕРА |

Атомный пучок

Лазерные личи

Отклоняют злектрооы

К насосу

1

Вторичный электродный умножитель

К насосу

Атомизатор 0-Ю В,т А

Фиг