Люминесцентный фотометр

 

Использование устройства для оптического спектрального определения элементного состава веществ по спектрам люминесценции. Сущность изобретения: люминесцентный фотометр, содержащий канал возбуждения, включающий оптически связанные источник света, устройство, выделяющее спектральную область возбуждения, и средство формирования пучка возбуждающего излучения дополнительно содержит n кювет, установленных с возможностью последовательной замены их относительно оптической оси канала возбуждения, поворотное зеркало, установленное между устройством, выделяющим спектральную область люминесценции, и приемником излучения видимого диапазона, и приемник излучения инфракрасного диапазона, расположенный на оптической оси канала люминесценции. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для оптического спектрального определения элементного состава веществ по спектрам люминесценции кристаллофосфоров и может быть использовано, в частности для определения малых концентраций актинидных элементов в объектах окружающей среды и технологических растворах.

Известен фотометр (флуориметр) для измерения люминесцентного свечения образцов [1] Фотометр содержит источник света, возбуждающий люминесценцию исследуемого вещества, первичный спектральный светофильтр, выделяющий необходимую спектральную область излучения источника света, кювету с исследуемым веществом, вторичный светофильтр, выделяющий спектральную область люминесцентного излучения, фотоприемник и измерительное устройство. Для уменьшения светового фона фотоприемник расположен под углом 90^o к оси возбуждающего излучения. Недостатком известного фотометра является невозможность измерения люминесцентного свечения непрозрачных веществ, в частности кристаллофосфоров.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является фотометр, описанный в [2] Фотометр содержит источник возбуждающего света, устройство, выделяющее спектральную область возбуждения и выполненное в виде первичного светофильтра, узлы формирования пучка возбуждающего излучения, выполненные в виде поворотного зеркала и диафрагмы и расположенные по вертикальной оси перпендикулярно поверхности исследуемого образца, расположенного в измерительной камере, в которой установлено также устройство, выделяющее спектральную область люминесцентного излучения, выполненное в виде светофильтра и устройство формирования пучка люминесцентного излучения - сферическое зеркало с отверстием в центре, через которое возбуждающее излучение проходит к образцу. Излучение люминесценции с поверхности образца собирается сферическим зеркалом и через вторичный светофильтр направляется на приемник излучения (фотоэлемент), подключенный к системе регистрации. Фотометр содержит также канал сравнения.

Достоинством описанного фотометра является возможность измерения люминесцентного свечения непрозрачных объектов, а недостатком низкая спектральная селективность регистрации. Последнее объясняется тем, что сферическое зеркало формирует сильносходящийся световой пучок и поэтому в качестве вторичного светофильтра можно применять только абсорбционные светофильтры, характеризующиеся спектральной избирательностью, и не резко селективные интерференционные светофильтры.

Задачей изобретения является создание прибора, позволяющего из одной пробы проводить многоэлементный анализ малых содержаний, в частности, актинидных элементов в любых объектах окружающей среды.

Задача решается тем, что люминесцентный фотометр, содержащий канал возбуждения, включающий оптически связанные источник света, устройство, выделяющее спектральную область возбуждения, и средство формирования пучка возбуждающего излучения, измерительную камеру с размещенными в ней кюветой с исследуемым веществом и каналом люминесценции, включающим оптически связанные по вертикальной оси средство формирования пучка люминесцентного излучения, и устройство, выделяющее спектральную область люминесценции, приемник излучения видимого диапазона и систему регистрации, связанную с приемником, дополнительно содержит n кювет, установленных с возможностью последовательной замены их относительно оптической оси канала возбуждения, поворотное зеркало, установленное между устройством, выделяющим спектральную область люминесценции, и приемником излучения видимого диапазона, и приемник излучения инфракрасного диапазона, расположенный на оптической оси канала люминесценции, кювета выполнена в виде конического стакана, оптические оси каналов возбуждения и люминесценции расположены в одной вертикальной плоскости и образуют между собой угол, превышающий сумму полуширин апертур пучков каналов, при этом апертуры пучков входят в угловую апертуру конического стакана кюветы, устройство, выделяющее спектральную область люминесценции, содержит светофильтры видимого и инфракрасного диапазона и средства их перемещения и фиксации относительно оптической оси канала люминесценции, система регистрации включает два предусилителя, двухполюсный переключатель, основной усилитель, синхронный детектор, источник опорного напряжения синхронного детектора, аналого-цифровой преобразователь и блок индикации, при этом выходы приемника излучения видимого диапазона и приемника излучения инфракрасного диапазона соединены со входами соответственно первого и второго предусилителей, выходы последних соединены через двухполюсный переключатель со входом основного усилителя, его выход соединен с первым входом синхронного детектора, выход детектора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока индикации, выход источника опорного напряжения соединен со вторым входом синхронного детектора.

Люминесцентный фотометр отличается тем, что дополнительно содержит n кювет, установленных с возможностью последовательной замены их относительно оптической оси канала возбуждения, поворотное зеркало, установленное между устройством, выделяющим спектральную область люминесценции, и приемником излучения видимого диапазона, и приемник излучения инфракрасного диапазона, расположенный на оптической оси канала люминесценции, каждая кювета выполнена в виде конического стакана, оптические оси каналов возбуждения и люминесценции расположены в одной вертикальной плоскости и образуют между собой угол, превышающий сумму полуширин апертур пучков каналов, при этом апертуры пучков входят в угловую апертуру конического стакана кюветы, устройство, выделяющее спектральную область люминесценции снабжено несколькими светофильтрами видимого и инфракрасного диапазона и средствами их перемещения и фиксации оптической оси одного из светофильтров относительно оптической оси канала люминесценции, система регистрации включает два предусилителя, двухполюсный переключатель, основной усилитель, синхронный детектор, источник опорного напряжения синхронного детектора, аналого-цифровой преобразователь и блок индикации, при этом выходы приемника излучения видимого диапазона и приемника излучения инфракрасного диапазона соединены со входами соответственно первого и второго предусилителей, выходы последних соединены через двухполюсный переключатель со входом основного усилителя, его выход соединен с первым входом синхронного детектора, выход детектора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока индикации, выход источника опорного напряжения соединен со вторым входом синхронного детектора.

Кроме того, кюветы размещены в обойме, закрепленной на штоке возвратно-поступательного перемещения и установленной в направляющих, выполненных на дне камеры и снабженных фиксатором. Устройство, выделяющее спектральную область люминесцентции, выполнено в виде набора светофильтров, турели, имеющей гнезда для их размещения, и механизма поворота и фиксации; аналого-цифровой преобфразователь выполнен в виде преобразователя напряжение - частота, а также блок индикации выполнен в виде счетчика импульсов с устройством отображения результатов счета.

На фиг. 1 представлена общая схема люминесцетного фотометра; на фиг.2 - функциональная схема системы регистрации.

Люминесцентный фотометр содержит канал возбуждения, включающий источник света, в качестве которого может быть использована ртутная лампа 1, питающаяся от сети через балластный дроссель, состоящее из кварцевого конденсора 2, кюветы 3 и светофильтра 4. Конденсор 2 удален от лампы 1 приблизительно на величину фокусного расстояния. Его оптическая ось проходит через середину разрядного промежутка лампы 1. На оптической оси конденсора 2 установлены также кювета 3 с дистиллированной водой и светофильтр 4 (стекло УФС-6). Канал возбуждения содержит также средство формирования пучка возбуждающего излучения, состоящее из установленных на оптической оси конденсора 2, длиннофокусной кварцевой линзы и поворотного зеркала 6. Канал возбуждения обеспечивает фокусировку изображения разрядного промежутка лампы 1 на поверхность кристаллофосфора в кювете 7. Кювета 7 размещена в измерительной камере (не показана) и выполнена в виде конического кварцевого стакана, который также выполняет роль тигля и в котором производится приготовлением кристаллофосфора: в него вносится основа кристаллофосфора, анализируемый раствор и растворы с необходимыми добавками, а затем производится спекание в муфельной печи.

В измерительной камере расположено n кювет с анализируемыми кристаллофосфорами. С целью быстрой смены кювет, последние размещены в обойме, закрепленной на штоке возвратно-поступательного перемещения. Обойма установлена в направляющих, выполненных на дне измерительной камеры и снабженных фиксаторами (на чертеже не показаны).

В измерительной камере расположен канал люминесценции, включающий оптически связанные по вертикальной оси средство формирования пучка люминесцентного излучения, и устройство, выделяющее спектральную область люминесценции. Ось конического стакана кюветы 7 вертикальна и совмещена с оптической осью канала люминесценции, оптические оси каналов возбуждения и люминесценции расположены в одной вертикальной плоскости и образуют между собой угол, превышающий сумму полуширин апертур пучков каналов, при этом апертуры пучков входят в угловую апертуру конического стакана кюветы 7. Средство формирования пучка люминесцентного излучения выполнено в виде стеклянной линзы 8, расположенной от поверхности кристаллофосфора в кювете 7 на расстоянии, равном двойному фокусному расстоянию этой линзы. Устройство, выделяющее спектральную область люминесценции, содержит светофильтры 9 видимого и инфракрасного диапазона и средства их перемещения и фиксации относительно оптической оси канала люминесценции.

Например, средство перемещения и фиксации светофильтров может быть выполнено в виде турели 10, имеющей гнезда для их размещения, и механизма поворота и фиксации. Над средством, выделяющим спектральную область люминесценции, закреплено поворотное зеркало 11, направляющее излучение люминесценции на приемник излучения 12 видимого диапазона. На оптической оси расположен также приемник излучения 13 инфракрасного диапазона. Приемники излучения электрически соединены с системой регистрации 14. В систему регистрации 14 (фиг.2) входят предусилители 15 и 16, соединенные соответственно с приемниками излучения 12 и 13 видимого и инфракрасного диапазона. Выходы предусилителей 15 и 16 через двухполюсный переключатель 17 соединены со входом основного усилителя 18. На входе усилителя 18 включен синхронный детектор 19, управляемый источником опорного напряжения 20. Выход синхронного детектора 19 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 21, в качестве которого использован преобразователь "напряжение-частота". Выход аналого-цифрового преобразователя 21 соединен со входом блока индикации 22, выполненного на базе счетчика импульсов с внутренним таймером (на схеме не показан).

Работа фотометра происходит следующим образом.

Излучение ртутной лампы 1 собирается конденсатором 2 в слабосходящийся пучок. Длинноволновая составляющая этого излучения (с длиной волны более 1000 нм) поглощается в кювете 3 с дистиллированной водой, светофильтр 4 из стекла УФС-6 пропускает только излучение в интервале 320-380 нм. Излучение, прошедшее через светофильтр, фокусируется кварцевой линзой 5 и с помощью поворотного зеркала 6 направляется на кювету 7 кристаллофосфором. Излучение люминесценции кристаллофосфора собирается стеклянной линзой 8, оптическая ось которой совмещена с оптической осью кюветы 7.

Это излучение проходит один из установленных в турели 10 интерференционных светофильтров 9, выделяющий необходимый спектральный интервал люминесценции. При работе в видимом диапазоне турель 10 устанавливается в положение, при котором на оптической оси линзы 8 находится светофильтр 9, после которого установлено зеркало 11. В этом излучении люминесценции поворачивается зеркалом 11 и фокусируется на чувствительной площадке приемника излучения 12 видимого диапазона. При работе в инфракрасном диапазоне излучение люминесценции после прохождения соответствующего светофильтра 9 фокусируется на чувствительной площадке приемника излучения 13 инфракрасного диапазона, т.е. зеркало 11 не находится на оптической оси линзы 8.

Электрический сигнал от одного из приемников излучения 12 или 13, модулированный по амплитуде ввиду того, что источник света 1 ртутная лампа - питается от силовой сети без выпрямителя и сглаживающих факторов, усиливается одним из предусилителей 15 или 16 и через двухполюсный переключатель 17 поступает на вход основного усилителя 18 и далее на синхронный детектор 19, управляемый источником опорного напряжения 20. Постоянное напряжение с выхода синхронного детектора 19 преобразуется в последовательность импульсов преобразователем 21 типа "напряжение-частота". Величина частоты измеряется и индицируется счетчиком 22.

При практическом осуществлении фотометра возможно введение в его состав канала сравнения, выполненного по общеизвестным схемам, что повысит долговременную стабильность.

Описанный фотометр позволяет с высокой селективностью определять концентрации актинидных и некоторых других химических элементов.

Предложенный фотометр предназначен для определения малых содержаний урана, плутония и нептуния в объектах окружающей среды (почва, природные воды), технологических растворах, местах хранения радиоактивных отходов. При соответствующей доработке фотометр можно использовать для определения других актинидных элементов (америций, кюрий), редкоземельных элементов и некоторых металлов (например, рений, осмий, вольфрам).

Фотометр по сравнению с прототипом может определять из одной пробы объема 0,02-0,2 мл два элемента: нептуний или плутоний или нептуний и уран с пределами обнаружения: Прямое определение Растворы почвы Уран 2·10^-9 г/мл 2·10^-8 г/г Плутоний 2·10^-9 г/мл 2·10^-8 г/г Нептуний 2·10^-10 г/мл 2·10^-9 г/г При применении методов концентрирования (в частности мембранной экстракции) пределы обнаружения для плутония и нептуния снижаются до 5·10^-13г/г.

Высокая селективность люминесцентного излучения кристаллофосфоров позволяет определять малые содержания урана, плутония и нептуния без их предварительного разделения и очистки от других актинидов. Не требуется также очистка от щелочных, щелочно-земельных и рездкоземельных элементов. Такие элементы как железо, никель, хром, кобальт практически также не влияют на результаты анализа (метод добавок позволяет вести определение актинидов при превышении содержаний мешающих элементов до 10⁶ 10⁷ раз). Анализ возможен в кислых, щелочных, карбонатных и органических средах, причем в последнем случае вследствие особенностей приготовления кристаллофосфора (спекание в муфеле при 800-1000^oC) полностью отсутствует влияние величины содержания органических веществ на результаты анализа.

Формула изобретения

1. Люминесцентный фотометр, содержащий канал возбуждения, включающий оптически связанные источник света, устройство, выделяющее спектральную область возбуждения, выполненное в виде светофильтра, и средство формирования пучка возбуждающего излучения, измерительную камеру с размещенными в ней кюветой с исследуемым веществом и каналом люминесценции, включающим оптически связанные по вертикальной оси средство формирования пучка люминесцентного излучения и устройство, выделяющее спектральную область люминесценции, приемник излучения видимого диапазона и систему регистрации, связанную с приемником, кюветы размещены в обойме, закрепленной на штоке возвратно-поступательного перемещения и установленной в направляющих, выполненных на дне камеры и снабженных фиксатором.

2. Фотометр по п. 1, отличающийся тем, что устройство, выделяющее спектральную область люминесценции, выполнено в виде набора светофильтров, турели, имеющей гнезда для их размещения, и механизма поворота и фиксации.

3. Фотометр по п.1, отличающийся тем, что аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде преобразователя напряжение частота.

4. Фотометр по п.1, отличающийся тем, что блок индикации выполнен в виде счетчика импульсов с устройством отображения результатов счета.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2