Способ контроля степени чистоты раствора Советский патент 1982 года по МПК G01N21/64 

Изобретение относится к спектро.скопни и квантовой электронике и может быть использовано в научных и прикладных исследованиях для контроля степени чистоты растворов.

Известен способ контроля чистоты растворов, основанный на измерении спектров поглощения смеси и ее компонентов и определении по числу и интенсивности полос поглощения концентрации одной из компонент 11.

Недостаток способа заключается в его слабой чувствительности (им можно измерить концентрацию примеси, если ее величина отличается от концентрации раствора не более чем на два порядка). Кроме того компоненты в растворе не должны взаимодействовать, а их спектры поглощения должны быть сильно разнесены. Все это существенно ограничивает круг изу-чаемых объектов.

Наиболее близким к рредлагаемому по техническому решению является способ контроля степени чистоты раствора путем импульсного возбуждения, регистрации временных характеристик люминесцентного свечения эталонного и исследуемого растворов и определения концентрации примеси. Известный

способ основан на сравнении раздельно определяемых времен жизни возбуждаемых состояний люминесцирующих молекул в эталонном и исследуемом растворах С21.

Недостатком способа является низкая чувствительность контроля.

Цель изобретения - повышение чувствительности контроля.

10

Цель достигается благодаря тому, что согласно способу контроля степени чистоты раствора путем импульсного возбуждения,регистрации временных характеристик люминесце тно15го свечения эталонного и исследуемого растворов и определения концентрации примеси, предварительно измеряют и выравнивают амплитуды импульсов свечения обоих растворов, а за20тем измеряют временные характеристики разности между интенсивностями свечения эталонного и исследуемого растворов и по форме первого экстремума этой разности определяют концен25трацию примеси.

На фиг.1 изображен набор разностных сигналов свечения эталонного и исследуемлх растворов; на фиг.2 зависимость амплитуды разностного

30 сигнала, нормированной к амплитуде импульса свечения, от разности времени жизни -возбуждаемых люминесцирующих молекул в эталонном и исследуемом растворах; на фиг.З - схема экспериментальной установки для реализации способа. Установка состоит из лазера 1 на азоте, лазера 2 на красителях, кювет для растворов 3 и 4, монохроматоров 5 и б, фотоумножителей 7 и 8, блоков электрических задержек 9 и 10, осциллографа 11, самописца 12 и дискриминатора 13 шума. Для пояснения основной- идеи способа, допустим, что имеется два типа экспоненциально затухающих свечений (два флуоресцирующих раствора) с временами затухания Т и С и одинаковыми начальны ми амплитудами. Задача состдит в том чтобы Измерить разницу времен затуха ния (времен жизни возбужденного состояния) /51 Т - С, , которое много меньше Т и С. (-иL« LI Л .Естественно, что при непосредственном измерении кривых затухания различия между временами С и ti . обнаружить не удается, так как нельзя измерить отличие по амплитуде обо их импульсов флюоресценции, которая ; и самой амплитуды. Покажем, что эта задача может быть решена, если регистрировать разность двух сигналов FT.- FI .Разностный сигнал F F,() (1) представляет собой импульс с максимумом момент времени L Т т X - v:±.gni - (2) так дТ V Характеризуя длительность импульса ut удвоенным временным расстоянием от максимума до точки перегиба (в точке перегиба -т 0 ) , получаем, что длительность импульса разностно. го сигнала равна , «Н-) / .я t-nvwh- t ) Как видно из СЗ), при сокращении дь величина ut уменьшается, однако при лТ«Г длительность измеряемого сигнала перестает зависеть от tsK и становится равной. V«4. . С4) Это означает, что даже при очень малом различии времен затухания дву процессов (лС« f) разностный импуль имеет достаточно ббльшую длительнос ut с 2 т и -может быть измерен аппаратурой с временным рйзрешением йГ«9 Как видно из предыдущего, длител ность измеряемого разностного импул са ut при dt«t не несет информации об искомой величине дТ . Такая информация может быть получена при измерении относительной амплитуды разностного импульса/ которая при этом условии, согласно (1) и (2), прямо пропорциональна A... Из сказанного следует, что минимально измеримая разность двух вре- мен определяется не временным разрешением аппаратуры (на которое накладывается значительно более простое требование ), а ее амплитудным разрешением. Поскольку в данном методе используется Дифференциальный способ измерения разностного сигнала, можно легко обеспечить измерение веЬичин лР/Р0 10 и менее. Следовательно, определяемая таким способом разность времен затухания составляет; лГ,-.2, Это означает, что в случае наносекундных времен затухания свечения можно надежно измерять разницу времен затухания в несколько десятков пикосекунд. Способ реализуется следующим образом (фиг.З). Возбуждение свечения осуществляется лазером 1 на азоте ( МВт; 2,4 не; Гц) или накачиваемым им лазером 2 на красителях. Свечение объектов 3 и 4 проходит через монохроматоры 5 и 6 (дисперсия 14А/ММ) и регистрируется фотоумножителями 7 и 8 (18ЭЛУ-ФС, временное разрешение 1 не). Электрический сигнал с фотоумножителей через электрические задержки 9 и 10 поступает на двухканальный стробоскопический осциллограф 11 (С7-11, полоса пропускания б ГГц). Часть сигнала с фотоумножителя поступает на вход синхронизации осциллографа 11. Вычитание импульсов свечения обоих образцов , осуществляется либо осциллографом, работающим в необходимом режиме (при этом она регистрируе.тся на экране осциллографа и самописце 12 (К-201), либо самописцем, на вход которого оба импульса поступают в противофазе через дискриминатор 13 шума . Измерение производится следуюгцим образом: в обе кюветы 3 и 4 заливается эталонный (чистый) раствор; путем подбора электрических 9 и 10 задержек добиваются, чтобы; сигналы с фотоумножителей 8 и 7 точно совпадали по фазе; выравнивают алтлитуду обоих импульсов; регистрируется их разность (она должна равняться нулю, если оба фотоэлемента не искажают импульс возбуждения); заливают исследуе№1й раствор в кювету 3; уравнивают амплитуду сигналов, идущих с фотоумножителей 7 и 8; регистрируют разность си налов с фотоумножителей 7 и 8; определяют амплитуду этой разности измеряют амплитуду импульсов РЙ; нормируют лр к амплитуде импульса свечения FO (т.е. находят параметр др /FO) i из теоретически рассчитанной зависимости А (1;)фиг.2) по экспериментально определенному лр / Р находят аТ; из известной зависимости Штерна-Фольмера, записанной в виде . „-,

(Г -лт;Ц - КС

(где , - время жизни возбужденного состояния эталонного раствора; к константа), определяют С - концентрацию добавки..

Пример. Данный способ экспериментально реализован для измерения концентрации тушителя KI в растворе родамина В в этаноле. Время жизни возбужденного состояния t чистого раствора родамина В в этаноле (С ) .составило 4,2 не. При . -добавлении тушителя KI в раствор -. родамина В его время жизни возбужденного состояния сократилось на 0,1 не ,что и было измерено разностным способом. Рассчитанная из зависимости Штерна-Фольмера концентрация KI со. ставила 5 1СГм.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить точность измерения UL и, следовательно, повысить чувствительность контроля степени чистоты раствора. Если по известному способу при t-, .10 не минимальное по величине отличие Т/ от f , которое можно измерить, составляет Д НС, то по предлагаемому способу можно зарегистрировать лС 0,07 (фиг.1) т.е. чувствительность измерения dt , а, Ьледовательно, и контроля степени чистоты раствора возрастает в 10-100 раз.

Формула изобретения

Способ контроля степени чистоты раствора путем импульсного возбуждения, регистрации временных характери|стик люминесцентного свечения эталонного и исследуемого растворов и определения концентрации примеси, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности контроля, предварительно измеряют и выравнивают амплитуды импульсов свечения обоих растворов, а затем измеряют временные характеристики разности между интенсивностями свечения эталонного и исследуемого растворов, и по форме первого экстремума этой разности определяют концентрацию примеси.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Степанов Б.И., Грибковский В.П. Введение в теорию люминесценции. Минск, изд-во АН БССР, 1963, с.224.

2.Теренин А.Н. Фотоника молекул красителей. Л.,Наука, 1976, с.452 (прототип).

xJ . е

S ff 7 g

.1

Р

/ от, ест.

рт

.о,0гд

-о,ог

-0,ff/i

-ff.ffO

o,f а,1 ff,3 ff. r,r

0tfg.2

Фуг.