Способ анализа газовой смеси путем атомной абсорбции отраженного света Советский патент 1980 года по МПК G01J3/42 

Изобретение относится к аналитическим методам анализа газовой смеси с помощью оптических атомно-абсорбционньге газоакализаторов, принцип работы которых основан на регистрации эффекта поглощения газакш (парами) света в области ИК, УФ и видимого диапазона излучений. Известен способ атомно-абсорбцион ного анализа мйкроконцентраций газа с предварительным обогащением проб Щ. Недостатком этого способа является невысокая чувствительность. Наиболее близким техническим решением является способ анализа газа путем непрерывной концентрации газа 2J. В этом случае необходимая чувствительность достигается увеличением пути прохождения в. ппти ческой кювете света за счет многократн го направленного отражения луча от сиетемы зеркал. Такой способ измерения на шел применение, например, в ртутном атомно-абсорбционном газоанализаторе, выпускаемом в США для непрерьшного определения на вертолете концентраций паров ртути в атмосфере. В приборе длина прохождения УФ-излучения в кювете с отражающими зеркалами составляет 6 м. Однако, как показывают результаты прогведенных аэросъемок, из-за относительно малой длины прохождения светового луча через газ (оптическая база прибора) достигнутая чувствительность прибора, равная 1О г/м , не позволяет измеpsrib концентрации, близкие к фоновым значениям, составляющим п - 1О г/м . Недостатком этого способа является невысокая чувствительность и селективность способа. Цель изобретения - повышение чувствительности и селективности атомно-аб- сорбционного способа непрерывного анализа газовой смеси. Поставленная цель достигается тем, что облучение исследуемого газа проводится наносекунднымн импульсами света и региэтрируется отраженное от стенок оптической кюветы излучение, испыаьшее многократное поглошениа аналиируемым rai3oM, по заднему фронту кото ого определяют концентрацию исследуеого газа, а также тем, что для веществ характерным вре меней резонансного ысвечивания одновременнй регистрируется интенсивность флуоресцентного излучения,

Световой импульс направляют в замкнутую камеру кюветы (например, в виде сферы) со стенками, покрытыми диффуз- ным отражателем. Этот импульс будет многократно поглощаться анализируемым газом, а также испытывать многократные отражения. Поэтому электрический имгпульс, возникающий на выходе умножителя, регистрирующего световой поток, будет растянут во времени.

На чертеже изображен импульс света 3 и зарегистрированный импульс фотоэлементом, на момент времени Т минимальное число отражений в сферической кю вете диаметром cS составит п мин

где с 3-1О°м/сеЕ - скорость света. При наличии в камере анализируемого газа амплитуда импульса умевьигатся за счет атомной абсорбции света.

Наибольший эффект будет наблюдаться на участке заднего фронта И шупьса, соответствуюгщего многократному рассеянию света.

Способ имеет следующие преимущест- ва по сравнению со способом-прототивом: нет необходимости жесткой юстировки прибора; система не критична к вибрациям и изгибам в силу симметрии изотропного рассеянного излучения в 1сюве-те; простота технологии изготовления KK)BeTaJ кювета имеет относительно малые размеры} метод обгадает вьюокой селективностью газового анализа.

Оценим технические возможности создания абсорбционных кювет, работающих на предлагаемом принципе регистрации энергии многократно отраженной составляющей светового импульса.

Для прсстооы оценок предположим, что точечный импульсный источник мгновенного действи:я расположен в центре сферической камеры с диффузионным поKjjbfTHgM стенок. Поток света, падающий на площадку внутренней отражающей поверхности сферы, при такой геометрической схеме в момент времени Т определяется соотношением

F(t) 3(o)uj Ч(П) где 5э- Мощность источника света; из - телесный

735935

V

.4(h)-- функция, характеризующая

ослабление в результате мно гократных отражений. Очевидно; что при временной задержки Т в кювете существует свет, испытавший t т отражений. Положим, что

f(nl , Р - коэффициент .диффузного отражеркя,

п - среднее число отражений, вызывающее эквивалентный эффект ослабления света. При коэффициенте диффузионного рассеяния р 0,95 ослабление света в 10 и ДО происходит в случае 100 и 23О раз отражений от стенок, соответственно. Если принять, что порог чувствительности светового потока совре Э

менЕьк умножителей 10 Люмен; диагметр сферы 1 м, диаметр окна фотокатода умножителя 2,5 см (угол обзора умножителя tu 1О стерадиан),.мощность истрчника света и о 100 ватт, при ДлатеЛьйости световьрс импульсов 10 , то можно Зарегистрировать сеет, пррщедший дистанцию, равную пер вым coTjttgM метров. Обеспечить такую длину прохождения света в кюветах с HanpaBneHHfeiM отражением практически невозможно.

Расстояние, равное ЗОО м, свет проходит За времся около 10. сек. Отсюда следуeTJ для того, чтобы сформировать задний фровгг, необходимо прим;енять скоростные оптические затворы, прерываюйие свет и приемники излучения с быстродействием . Такая техника в последние годы используется в риментах, связанных с измерением скорости света,...

Предлагаемый способ газового анали за обладает высокой избирательностью. Резковыраженная селективность метода объясняется тем, что в замкнутом объеме кюветы, с отражающими стенками, уменьш ение интенсивности возбуждающего излучения с увеличением пройденного пути будет происходить лишь для некоторых газов, обладающих особыми поглощающе-рассеивающйми свойствами. Так, поглощение света в оптической кювете происходит в следующих случая.х:

1, Энергия облучаемого света при поглощении атомами (молекулами) газа расходуется на различные формы внутренней энергии.

57359356

2, Поглощение энергии сопровождает-Способ Может найти применение в

ся излучением флуоресценции на другойсети гидрометеослужбы, санитарной гичастоте, которое, не регистрируется прием ником. 3, Переизлучение происходит с задер жкой по времени, равной или больше дл тельности импульса на фотоэлеменге. Таким газом является сернистый газ SO - основной антропогенный загрязни тель атмосферно.го воздуха. При облучении сернистого газа УФ-излучением, длиной 2138 А до 4500 А с м симумом излучения в области 3500 А. Таким образом, регистрируя приемни ком излучения только линию 2138 А, будем иметь эффект атомно-абсорбционного поглощения, обусловленного лишь сернистым тасзом. Очевидно, что совокупность СПектрофотометрических. приемов регистрации с учетом цоглошающеизлучающих особенностей анализируемого газа позволит резко увеличить селек тивность атомно-абсорбционйого анализа,: . :. Цри.менение способа возбуждения газа ультра-короткими импульсами света, претерпевшими многократное рассеяние от стенок оптической кюветы является эффективным в разпичнь1 с модификациях атомнр-абсорбцирнного анализа, например, для-флуоресцеетного метода.В ;этом, способе происходит увеличение эффективности возбуждения флуоресценции и помехоустойчивости за счет временной селекции импульсов. Предлагаемый способ позвсатяет создать приборы которые бы обеспечили спектрофотрметрический анализ микро примесей отдеяьныхгазов, находйсдахся в атмосфере. Напротив, исйользуя заявляемый способ, возможно создать высокочувствительный и сёпектийный газоанализатор микроконцентраций сер- HHCTorxi газа. Создание такогр рода приборов позволит более эффективно решать вбпросы, связанные с загрязнением, окружающей среды, переносом загрязняющих веществ через национальные гра ницы. гиены и Минздрава для мониторинга атмосферы; организациях Министерства геологии, занимающихся атмогеахими- ческой развэдкой полезных ископаемых; сторонни х ведомствах, ведущих разработку высокочувствительных газоанализаторов. Формула изобретен.и я 1, Способ анализа газовой смеси путем атомиой абсорбции отраженного света, заключающийся в пропускании света от источника импульсного или непрерывного действия в Многоходовой оптической кювете и регистрации потока света после прохождения объема анализируемой газовой смеси фотоэлементом, о т л ичающийся тем, что, с целью повьшения чувствительности и селективности способа, обучение исследуемой газовой сместя проводят наносекундными кмгпульсами света и регистрируют отраженное от стенок оптической кюветы излу- чейиё, испытавшее многократное погло- . щение анализируемым газом, по заднему фронту которого определяют концентрацию исследуемого газа. 2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю- . щ и и с я тем, что, для газов с харакгериым временем резонансного высвечивания одновременно регистрируют интенсивность флуоресцентного излучения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Зайдель А. Н. и др. Эмиссионный спектральный анализ атомных материалов Л«, Физматиздат, М., 1960, с. 430446.I 2,Bcsrring-er A.R. jnierierence ree Specth.ometere for Hig-Pi-senitivitv Mevcopy AnaPvses of soiQs, ocK and Air AppG EarVh sci 1966), 75, В 120,

:4W eMteit.;:j:nw MRu U.

Д я г н а й и«№ |ц а1йм а г сдда-.УА 1таааа

| а «4а5ь ь| Е-5тег ;

О

отн. ед.

Инпупьс

0.8

/

0.6 0.

0,2

/- чистм ff3dt/x воздух

73SS35

t Mny/ibc (то9/1енента

Т, се к