Способ атомизации веществ в вакууме

 

Изобретение относится к методам атомизации веществ и может найти применение в атомно-абсорбционном, флуоресцентном, атомно-ионизационном и других методах спектрального анализа . Целью изобретения является улучшение правильности анализа и уменьшение пределов обнаружения .анализируемых атомов за счет того, что эффузионный режим истечения атомов и молекул пробы создают путем создания градиента температуры по длине атомизатора с увеличением ее к выходному отверстию атомизатора. Данное у.словие реализуется локальным облучением световым пучком зоны атомизатора вблизи выходного отверстия или нескольких зон поверхности световыми щгчками, интенсивность которых последовательно увеличивают в направлении к выходному отверстию. 1 ил.,1 табл. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) 00 (ю4 (01 N 21/71

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

М

J ф (21) 3549454/24-25 (22) 09.02.83 (46) 07 .04.86. Бюл. У 13 (72) О.И.Матвеев, В.А.Прибытков и А.К.Диброва (53) 543.42(088.8) (56) Talmi Y., Morrison С.Н. induction furnace method in atomic absorption. -"Апа1. СЬеа." 1972, v.44. У 8, рр. 1455-1466, Матвеев О.И. Исследование много- . ступенчатой фотоионизации атомов как аналитического спектрального метода.

Дис. на соиск. уч. ст. канд.хим.наук.

М.: МГУ, 1979, с.28. (54) СПОСОБ АТОМИЗАЦИИ ВЕЩЕСТВ В ВАКУУМЕ (57) Изобретение относится к методам атомизации веществ и может найти применение в атомно-абсорбционном, флуоресцентном, атомно-ионизационном и других методах спектрального анализа. Целью изобретения является улучшение правильности анализа и уменьшение пределов обнаружения .анализируемых атомов за счет того, что эффузионный режим истечения атомов и молекул пробы создают путем создания градиента температуры по длине атомизатора с увеличением ее к выходному отверстию атомизатора,Данное условие реализуется локальным облучением све- товым пучком зоны атомиэатора вблизи выходного отверстия или нескольких зон поверхности световыми пучками, ин- Е тенсивность которых последовательно увеличивают в направлении к выходному отверстию. 1 ил., t табл. С:

1223094

10

35

55

Изобретение относится к методам атомизации веществ и может найти применение в атомно-абсорбционном, флуоресцентном, атомно-ионизационном и других методах спектрального анализа.

Цель изобретения — улучшение правильности анализа и уменьшение пределов обнаружения анализируемых атомов.

На чертеже прецставлено устройство, обеспечивающее процедуру нагрева атомизатора, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит вакуумированную камеру 1, атомизатор 2, шток 3 для фиксации атомизатора, систему 4 охлаждения штока, линзу 5, источник

6 излучения и зеркало 7.

При анализе элементного состава проб, содержащих вещества различной летучести и особенно легколетучих, но трудноатомизируемых веществ, известный способ, в котором используют эффузионный режим истечения атомов и молекул пробы, не дает воэможность обеспечить высокую эффективность атомизации, что отрицательно сказывается на правильности анализа и на пределах обнаружения атомов. Это обусловлено тем, что с помощью известного способа, в котором производят облучение всей поверхности атомизатора, не обеспечивается высокий градиент температуры по длине атомизатора; в начале процесса атомизации наприо

t мер, 500-1000 С в зоне испарения пробы и 2500-3000 С в зоне атомизации.

Для атомизации легколетучих, но трудноатомизируемых соединений по известному способу необходимо обеспечить быстрый нагрев атомизатора, что приводит к режиму газодинамического истечения вещества пробы из атомизатора и соответственно к неконтролируемым потерям анализируемого вещества.

Согласно предлагаемому способу, чтобы обеспечить эффективную атомизацию легколетучих, но трудноатомизируемых веществ, создают в начале процесса атомизации невысокую температуру в зоне испарения пробы и достаточно высокую температуру атомизатора в зоне атомизации с таким расчетом,чтобы легколетучие вещества при испарении не создавали газодинамического режима истечения, как в зоне атомизации, так и по выходу из трубки атомизатора. При этом сохраняется эффузионный режим истечения атомов и молекул пробы, независимо от степени летучести веществ пробы.

В дальнейшем температуру зоны испарения повышают, уменьшая, таким образом, градиент температуры по длине атомизатора, доводя температуру зоны испарения до температуры верхней выходной части атомизатора. Такой режим работы обеспечивает выход в эффуэионном режиме и атомизацию молекул пробы различной летучести,за счет чего улучшается правильность анализа и пределы обнаружения.

Указанные режимынагрева атомизатора возможно обеспечить с помощью высокоинтенсивного источника света (чертеж) где с помощью линзы 5 и зеркала 7 проводят формирование светового излучения источника 6 в световой пучок с диаметром в пятне порядка диаметра атомизатора. Пятно излучения, направляют на выбранную зону атомизатора с таким расчетом, чтобы обеспечить максимальную эффективность атомизации и коллимацию атомов пробы.

Диаметр пятна светового пучка выбирают меньше диаметра атомизатора в связи с тем, что излучение за пределами указанных размеров проходит мимо атомизатора, не участвуя в его нагреве.

В зависимости от типа решаемой задачи пятно светового излучения может быть направлено в одно место на поверхности атомизатора или в. несколв ко таких мест, как диаметрально противоположных, так и по длине атомизатора.

Для этой цели можно использовать несколько источников света или один источник со сканирующим по поверхности атомизатора лучом.

В качестве источника излучения могут быть использованы непрерывный или импульсный СО, HF и другие типы лазеров со средней мощностью 50200 Вт, или лампы, например ксеноновые, с высокой яркостной температурой и мощностью 2-3 кВт.

Предлагаемый способ используют для анализа легколетучих, по трудноатомизирующихся веществ (таких, например, Kaz SiCl<, С1Р, РС1, Т С1 и др,)..

1223094

Рассмотрим в качестве примера какие аналитические характеристики получают для изотермического атомизатора и для предлагаемого атомизатора с раздельным испарением и атомизацией.

Во избежание рассеяния внутри канала, формирующего атомный или молекулярный пучок, необходимо, чтобы средняя тепловая длина свободного про-10 бега молекул (A ) была больше длины (1.) самого канала ячейки атомизатора.

-20 Т

Поскольку h = 7,3 ° 10 — (см), (1). где P — - давление паров исследуемого 15 вещества, (мм рт.ст);

Т вЂ” температура паров исследуемого вещества, К ./

v — сечение столкновений, см

Ф а величина б имеет порядок 10 " 20

-10 см, то тогда, например, для

L а1 см значение ZT/Р > 10 — 10 (2), Если соотношения (1) или (2) для случая L 1 см не выполняются, то вместо эффузионного наблюдается аэродина-25 мический поток с турбулентной газовой струей. При низком давлении P в источнике молекул интенсивность молекулярного пучка пропорциональна P. В том случае, когда давление Р возрастает Зб до такйх значений, когда L > h, то регистрируемая интенсивность молекулярного пучка увеличивается по мере роста Р крайне незначительно. Этот факт объясняется возрастанием числа .столкновений молекул между собой в процессе движения по каналу или непосредственно после вылета из него.

При этом перед отверстием канала образуется облако атомов и молекул, причем по мере дальнейшего повышения

40 давления P размеры этого облака увеличиваются быстрее, чем концентра.ция атомов или молекул в нем, приводя к тому, что молекулярный пучок расширяется, а отношение интенсивнос45 ти пучка к давлению падает.

Расширение пучка хотя и оставляет его полную интенсивность почти без изменения, но зато приводит к ухудшению его направленности, а значит и к снижению числа атомов или молекул, попадакяцих в просвечиваемую . аналитическую зону.

Кроме того, поскольку при растет число такиих молекул, которые в процессе эффузии через канал соударяются друг с другом, то это приводит к усилению матричных эффектов. Это означает, что эффективность атомизации, а значит и аналитический сигнал зависит не только от характера атомизации отдельно взятой молекулы, но и от характера столкновений молекул и атомов анализируемого элемента между собой и с молекулами и атомами матрицы пробы.

Весь перечень указанных причин приводит к необходимости проводить испарение анализируемой пробы в эффузионном режиме, определяемом иэ условия (1) .

Соотношение (2) для случая М1 см с привлечением данных по температурным зависимостям упругости паров веществ приводит к тому, что температура испарения анализируемого вещества не должна превышать некоторой предельной температуры Т„, выше которой нарушается эффузионный режим истечения молекул. В таблице представлены расчеты T для ряда соединений, Рсг (Т

=3000K) /

/ р

Энергия Т„, К диссоциа ции молекул, эВ

Вещество

4,4

900-1000

800-900

850-950

800-900

1000-1100

10 -10

KCl

14 !7

10 -10

10 -10

4,8

4,4

LiC1

КЪС1

4,4

CsC1

10 -10

10 -1О

Pb0

Из таблицы видно, что даже для таких достаточно труднолетучих (и обычных в химическом анализе) соединений, как хлориды щелочных металлов, Т„ оказалось намного ниже той максимальной температуры, до которой можно было бы нагреть стенки атомизатора, выполненного, например, из вольфрама или графита, и тем самым осу- ществить более эффективную атомизацию пробы. Это противоречие решается с помощью предлагаемого способа атомизации в вакууме, в котором осуществляется локальный нагрев стенок атомизатора, что позволяет проводить гибкую программу нагрева атомизатора

1223 к"-т" еир(%,), S и тем самым осуществить испарение пробы в оптимальном температурном режиме и создать оптимальные температурные условия атомизации молекул пробы. 5

Для проведения численной оценки преимуществ предлагаемого способа атомизации пользуются экспериментально

) установленным для низких давлений выражением для константы скорости дис.10 социации К двухатомной молекулы по бимолекулярному механизму столкновений с газом раэбавителем, или со стенками атомнэатора где k - постоянная Больцмана;

n - показатель степени, равный

0,5 — 0,4 для большинства молекул.

Поскольку частота столкновений диссоциирующих молекул со стенками атомизатора пропорциональна корню квадратному из температуры, то вероятность атомизации молекул Р (Т) при ее столкновении со стенкой пропорциональна Т е (-D kT) .

В таблице представлены рассчитанные значения отношений Р при Т = 3О

= 3000K и P при Tä

Иэ таблицы видно, что вероятность .атомизации молекул при единичном стол;кновении со стенкой, имеющей температуру 300ОК более, чем на 10 порядков, больше вероятности атомизации молекулЗ5

-при единичном столкновении со стенкой„. имеющей температуру Т„

Таким образом, с помощью предлагаемого способа, в том случае, если 46 необходимо сохранить эф@узионный режим истечения пробы более, чем на 10 порядков, может быть улучшен нредел обнаружения при анализе сравнительно легколетучих веществ.

094 Ь

Если в пробе присутствуют несколько соединений одного и того же элемента, возникают сложности с эталонированием, поскольку энергии диссоциации, а значит и степени атомизации таких молекул различаются. Причем при высоких температурах атомнзаций, степени атомизации двух pasличных соединений различаются в меньшей мере, чем при низких температурах. Если при таком составе пробы проводить эталонирование только по одному из этих соединений, то возникает систематическая погрешность

$ a D/kT, пропорциональная разности энергий диссоциации h D анализируемых соединений.

Таким образом, повышение температуры атомизации молекул анализируемого элемента снижает значение возможной систематической погрешности и, следовательно, улучшает правильность анализа.

Формула изобретения

Способ атомизации веществ в вакууме, включающий внесение пробы в атомизатор, нагрев атомиэатора световым излучением, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения правильности анализа и уменьшения пределов обнаружения определяемых атомов, создают градиент температуры по длине атомизатора с увеличением ее к выходному отверстию атомиэатора путем локального облучения световым пучком эоны атомизатора вблизи выходного отверстия или нескольких зон поверхности световыми пучками, интенсивность которых последовательно увеличивают в направлении к выходному отверстию, при этом размеры сечения световых пучков на поверхности атомизаторов не превышают его диаметра.

ВНИИПИ Заказ 2202 Тираж 778 Подписное

Производств.-полиграф. пред-е, r. Ужгород, ул. Проектная, 4