Способ спектрального анализа гелия на содержание неона

 

СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ГЕЛИЯ НА СОДЕРЖАНИЕ НЕОНА , заключающийся в возбуждении газового разряда Б гелии, облучении его излучением лазера и измерении флуоресценции неона, по которой судят о содержании неона в гелии, отличающийся тем, что, с целью снижения нижней границы определения неона в гелии при концентрации неона в гелии менее 10 мол.%, возбуждают импульсный разряд при длительности импульсов тока 8-10 МКС, силе тока в импульсе 50 - 53 мА, давлении геg лия 28 - 32 торр в разрядной трубке диаметром 12 - 13 мм и облучают плазму в послесвечении газового разряда при времени задержки на 160-240 мкс, импульса возбуждающего флуоресценцию относительно времени обрыва разряда.

СОЮЗ СОНЕТСНИХ

СОЩИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1< SVO3e (sl)4 G 01 N 21 64 ф у

/!

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ф °

ГОСУДАРСТНЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3734518/24-25 (22) 24.04.84 .(46) 23. f0.85. Бюл. ¹ 39 (72) A.À. Большаков, С.В. Ошемков и А.А. Петров (71) Ленинградский ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. А.А. Жданова (53) 543.42(088.8) (56) Бочкова О.П., Шрейдер Е.Я, Спектральный анализ газовых смесей.—

М.: Из-во физ;мат.лит-ры, 1963, с.308.

Большаков А.А. и др. Определение микроконцентрации неона в гелии при лазерном возбуждении перехода 2р

3s — 2р Зр неона в ВЧ разряде.-М.:

Журнал прикладной спектроскопии, т. 39, вып.5, 1983, с. 757 †7. (54) (57) СПОСОБ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА ГЕЛИЯ НА СОДЕРЖАНИЕ НЕОНА, заключающийся в возбуждении газового разряда в гелии, облучении его излуче— нием лазера и измерении флуоресценции неона, по которой судят о содержании неона в гелии, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью снижения нижней границы определения неона в гелии при концентрации неона в re—

-Б лии менее 10 мол.Е, возбуждают импульсный разряд при длительности импульсов тока 8 — 10 мкс, силе тока в импульсе 50 — 53 мА давлении геС

Ф лия 28 — 32 торр в разрядной трубке у диаметром 12 — 13 мм и облучают плазму в послесвечении газового разряда при времени задержки на 160-240 мкс, (. импульса возбуждающего флуоресценцию относительно времени обрыва разряда.

1187034

Изобретение относится к аналитике и может быть использовано для анализа гелия на содержание в нем неона.

Цель изобретения — снижение нижней границы определения неона в гелии при концентрации неона в гелии менее 10 мол.X.

Способ осуществляется следующим образом.

В предварительно вакуумированную разрядную трубку вводится при зараФ нее установленном давлении порция анализируемого газа. С помощью источ1S ника питания в нем воз5уждается импульсный разряд, частота следования импульсов в котором задается системой управления. При этом происходит заселение метастабильного уровня не20 она 2р Зз Г, в фазе разряда, Затем включается импульсный оптический ,квантовый генератор, частота следования импульсов которого и их сдвиг относительно фазы обрыва импульса раз25 ряда устанавливают системой управления ° Лазерное излучение на длине волны (= 588,2 нм) перехода между уровнями неона 2 83S Р2 и ?р3р Р с помощью оптической системы вводится в разрядную трубку, где оно возбужда-З0 ет импульсы флуоресценции на длине волны (9 = 616,4 нм) перехода между уровнями неона 2 3 Р, и 2p3S Р

Аналитический сигнал луоресценции пропорционален в этом случае заселен-35

5 ности уровня 203S P, которая в послесвечении разряда (т,е. после обрыва импульса тока через разрядную трубку) уменьшается медленно, а в некоторых условиях может даже возрастать. 40

Фоновое излучение самого гелия в послесвечении уменьшается быстрее, поэтому отношение флуоресцентного сигнала к шуму излучения самой гелиевой плазмы, лимитирующее нижнюю границу определе-45 ния, в иослесвечении в определенных случаях и в определенные моменты времени становится больше, чем в стационарном разряде. Импульсы флуоресценции, сдвинутые относительно фазы об- 5о рыва импульса разряда на оптимальный, т.е. соответствующий максимальному отношению полезного сигнала флуоресценции к шуму излучения плазмы, отрезок времени, системой сбора флуорес- 55 ценции подаются на синхронный детекторсумматор, который накапливает сигнал за определенное заранее установленное число импульсов лазера, При этом синхронизация детектора-сумматора с импульсным лазером осуществляется с помощью фотоэлемента. По величине сигнала флуоресценции судят о концентрации неона в гелии.

На фиг. 1 изображена структурная схема установки для реализации предлагаемого способа; на фиг, 2 — зависимость интенсивности шума от задержки лазерного импульса, возбуждающего флуоресценции на фиг, 3 — зависимость величины сигнала флуоресценции от задержки лазерного возбуждающего импульса; на фиг. 4 — зависимость отношения сигнала к ш"му от времени задержки возбуждающего лазерного импульса; на фиг, 5 — зависимость оптимальной задержки от концентрации анализируемого газа; на фиг. 6 — график по результатам измерений для каждого примера использования предлагаемого способа, Установка состоит из вакуумной системы 1, соединенной с разрядной трубкой 2, импульсного источника 3 питания газового разряда, подключенного к электродам разрядной трубки, импульсного лазера на красителе 4 для накачки флуоресценции, оптической системы 5 для ввода излучения лазера в газоразрядную трубку и запуска системы синхронного детектирования флуоресценции, фотоэлектрической системы 6 сбора флуоресценции, расположенной перпендикулярно разрядной трубке, фотоэлемента 7, запускающего синхронный детектор — сумматор 8 интенсивности импульсов флуоресценции, системы 9 управления и синхронизации импульсного лазера и импульсного источника питания разряда (фиг. 1), С целью нахождения оптимальной величины задержки импульса флуоресценции относительно времени обрыва импульса разряда предварительно проведено исследование величины отношения флуоресцентного аналитического сигнала неона к шуму излучения плазмы после обрыва разряда, т,е. в послесвечении, в зависимости от времени задержки возбуждающего флуоресценцию лазерного импульса относительно времени обрыва газового разряда и от концентрации определяемой примеси при заданных геометрии разрядной трубки (внутренний диаметр

Оптимальное время задержки, при котором достигается наибольшее отношение сигнала флуоресценции к шуму излучения плазмы, зависит от концент-5О

11ации неона в гелии при относительно высоких концентрациях неона (Сц о 10 А) но йрактически не зависит от нее при более низких концентрациях и составляет 160 — 240 мкс (фиг. 5), 55

При использовании оптимальных времен задержки сигнала флуоресценции относительно времени обрыва разряда э 1187

12 — 13 мм, длина 200 мм), давлении гелия в трубке 28 — 32 торр, силе тока в импульсе 50 — 53 мА, длительности импульсов тока 8 — 10 мкс, частоте их следования 130 — 155 Гц, сум— мировании сигнала и шума за 2000 импульсов лазера.

Исследования включают в себя построение зависимости величины сигнала флуоресценции и величины шума излучения плазмы в послесвечении в зависимости от времени задержки импульса флуоресценции относительно момента обрыва импульса разряда при различных концентрациях неона.

Найденное таким образом время задержки, при котором отношение сигнала флуоресценции к шуму излучения плазмы оказывается максимальным, называемое оптимальным, устанавлива— ется затем в измерительном устройстве посредством системы управления при проведении анализов.

Результаты анализа гелия на содержание примеси неона состоят в

1следующем.

Интенсивность суммарного шума, вызванного флуктуациями излучения самого гелия и неселективно рассеянного лазерного излучения самого гелия и неселективно рассеянного лазерного излучения в послесвечении, всегда меньше, чем в стадии разряда (фиг, 2).

Сигнал флуоресценции в послесвечении при определенных временах задержки лазерного импульса относительно

35 времени обрыва газового разряда может быть существенно больше, чем в стадии самого разряда (фиг, 3).

В послесвечении отношение полез40 ного сигнала флуоресценции к суммарному шуму является функцией времени задержки и в определенных интервалах времени задержки существенно превышает укаэанное отношение в стадии самого разряда (фиг, 4).

034 4 выигрыш в величине отношения сигнала флуоресценции к шуму излучения плазмы по сравнению с измерениями в фазе разряда достигает в случае определения неона в гелии 100 раз, Наблюдаемые эффекты повышения отношения сигнала флуоресценции к шуму излучения плазмы в условиях послесвечения, а также зависимости оптимального времени задержки возбуждения флуоресценции относительно времени обрыва разряда от концентрации при меси неона могут быть объяснены совокупностью процессов дезактивации возбужденных состояний атомов основы и примеси в условиях распадающейся плазмы.

Пример 1. В разрядную трубку при давлении 30 торр вводят анализируемый гелий с содержанием в нем не-6 она менее 10 мол.7., возбуждают в трубке импульсный газовый разряд с частотой следования импульсов 140 Гц, длительностью импульса 9 мкс и силой тока в импульсе 52 мА. В паузах между импульсаии тока распадающуюся плазму облучают жапульсами лазерного излучения на длине волны 588, 2 нм.

Время задержки лазерного импульса относительно времени обрыва импульса разрядного тока устанавливается равным 200 мкс, Возникающие при импульсном лазерном облучении импульсы флуоресценции неона на длине волны

616,4 нм измеряют импульсным фотоэлектрическим детектором-сумматором.

Количество суммируемых импульсов флуоресценции 2000. Используя набор эталонных проб гелия с различными заданными концентрациями неона, по результатам измерения флуоресценции этих проб строят градуировочный график, который линеен при любых концентрациях неона в гелии, не превышающих 10 мол,X (фиг. 6, кривая 10).

Пользуясь этим графиком по измеренной для анализируемых гелиевых проб флуоресценции неона, определяют в них искомую концентрацию неона.

Пример 2. В разрядную трубку вводят порцию анализируемого гелия при давлении 28 торр и возбуждают в трубке газовый импульсный разряд с частотой следования импульсов

130 Гц, длительностью импульса 8 мкс и силой тока в импульсе 50 мА. В пазухах между импульсами тока распа- дающуюся плазму облучают импульсами

1187034 лазерного излучения на длине волны

588,2 нм. Время задержки лазерного импульса относительно времени обрыва импульса разрядного тока устанавли5 вается равным 160 мкс. Возникающие при импульсном лазерном облучении импульсы флуоресценции неона на длине волны 616,4 нм измеряют импульсным фотоэлектрическим детектором- 10 сумматором. Количество суммируемых импульсов флуоресценции 2000. Используя набор эталонных проб гелия с различными заданными концентрациями неона, по результатам измерения флу- 15 оресценции этих проб строят градуировочный график, который линеен при любых концентрациях неона в гелии, не превышающих 10 мол, (фиг. 6, -5 кривая 11). Пользуясь этим графиком 2б по измеренной для анализируемых гелиевых проб флуоресценции. неона, определяют в них искомую концентрацию неона.

Пример 3, В разрядную труб- 25 ку вводят анализируемый гелий при давлении 32 торр и возбуждают в нем импульсный газовый разряд с частотой следования импульсов 155 Гц, длительностью импульсов 10 мкс и силой тока в импульсе 53 мА, В паузах между импульсами тока распадающуюся гелиевую плазму облучают импульсами лазерного излучения на длине волны

588,2 нм. Время задержки лазерного импульса относительно времени обрыва импульса разрядного тока устанавливается равным 240 мкс. Возникающие при импульсном лазерном облучении импульсы флуоресценции неона на длине 40 волны 616,4 нм измеряют импульсным фотоэлектрическим детектором-суммато- ром, Количество суммируемых импульсов флуоресценции 2000. Используя набор эталонных проб гелия с различ- 45 ными заданными концентрациями неона, по результатам измерения флуоресценции этих проб строят градуировочный график, который линеек при любых концентрациях неона в гелии, не превышающих 10 мол.Х (фиг. 6, кривая 12).

Пользуясь этим графиком по измеренной для анализируемых гелиевых проб флуоресценции неона, определяют в них искомую концентрацию неона.

Результаты измерений концентрации неона в пробах, приведенных в примерах 1 — 3, даны в таблице.

Концентрация неонав гелии,мол X(xl0 ) Определение по примеру

Введено

1 ) 2 3

3,2

3,1

2,9

3,1

3,1

2,8

2,8

3,0

3,0

3,2

3,2

3,3

3,1

2,9

3,2

3,0

Среднее

3,1

3,0

3,0

0,9

0,8. 1,?

t,1

0,8

0,8

1,0

0,8

1,0

0,8

0,8

0,9

0,9

1,0

0,9

1,0

Среднее

0,44

0,50

0,52

0,53

0,44

0,50

0 40

0,42

0,42

0,53

0,41

0,36

0 35

О, 48.

0,38, 0,42

0,42

0,45

0,46

Среднее

0,15

0,09

0,12

0,11

0,12

0,11

0,09

0,08

0,09

0,11

О, 13

0,14

0,12

С,11

0,12

0,13

О, 14

0,09

0,11

Среднее

Положение градуировочного графика (фиг, 6) при указанных в примерах

1 — 3 рабочих условиях анализа несколько смещается, что приводит к необходимости работать при стабилизированных условиях анализа и пользоваться тем градуировочным графиком, который адекватен соответствующим условиям анализа, Однако любой из графиков прямолинеен, что позволяет использовать минимальное количество эта7 1f лонов для его построений. Как следует из таблицы, анализы гелиевых проб, проведенные в различных рабочих условиях по соответствующим этим условиям градуировочным графикам дают результаты, расхождение которых не превы87034 8 шает случайных ошибок анализа. Нижний предел определения неона в гелии составляет 3 10 мол.7, что примерно г на два порядка ниже, чем в случае определения неона в гелии по известному способу.

Вугмя зиФржю, мыс

Фиг.2

3187034 ллинатэбоЫсЬ чпнгл

1187034 бОО

М

3 м6 ф

Вреия suoepxer, иаэс в- 10

Юнценярация неена ммьи

11ВП>34 Ф

l б

gpá Г ф ,гФ /б

Г / бФ

34 д-7

1О10

Концентраиия неона, % иольн.

4ьг.б

Составитель Б. Широков

Редактор С. Саенко Техред А,Бабинец

Заказ 6541/48 Тираж 896

Корректор О.Луговая

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета CCCP по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4