Способ атомно-эмиссионного анализа и устройство для его осуществления

Способ и устройство относятся к области спектрального анализа. Способ включает термическую атомизацию пробы и возбуждение атомов при помощи электронов, эмитируемых катодом-атомизатором. Ускоряющее напряжение выбирают ниже порога зажигания самостоятельного разряда, а напряжение нагрева катода-атомизатора - выше порога его разрушения. Предотвращение его разрушения и стабилизацию заданной температуры атомизации осуществляют ограничением тока нагрева с помощью отрицательной обратной связи по потоку излучения катода-атомизатора. Устройство содержит камеру с электродами, нагреваемый электрод оптически связан с фотоприемником, последний - с усилителем фототока. Усилитель фототока связан отрицательной обратной связью со стабилизатором тока, включенным между источником нагрева электрода и нагреваемым электродом. Технический результат - снижение предела обнаружения элементов и улучшение воспроизводимости анализа. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к спектральному анализу и может быть использовано в различных отраслях науки и техники при анализе веществ на содержание микропримесей.

Известны способ и устройство для атомно-эмиссионного анализа (патент ГДР №143178, 1980 г.). Способ включает термическую атомизацию пробы, возбуждение атомов электрическим разрядом в полом катоде и регистрацию аналитического сигнала. Устройство для его осуществления содержит камеру с электродами, один из которых выполнен с возможностью нагрева, источник тока для нагрева электрода, источник питания электрического разряда и систему регистрации аналитического сигнала. Однако известные способ и устройство имеют недостаточно низкий предел обнаружения анализируемых элементов, главным образом из-за высокой интенсивности сплошного фона, излучаемого электрическим разрядом.

Наиболее близким к заявляемому является способ эмиссионного спектрального анализа (патент Украины №2919, 1994 г.), включающий термическую атомизацию пробы, возбуждение атомов при помощи электронов, эмитируемых катодом-атомизатором при ускоряющем напряжении ниже порога зажигания самостоятельного разряда и фотоэлектрическую регистрацию аналитического сигнала.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является устройство для эмиссионного спектрального анализа (патент Украины №25039, 1998 г.), содержащее камеру с электродами, из которых по крайней мере один выполнен с возможностью нагрева, а зазор между электродами выбран из условия протекания между ними электрического тока при нагреве электрода, источник нагрева электрода, источник ускоряющего напряжения и систему регистрации аналитического сигнала.

Известные способ и устройство для эмиссионного спектрального анализа дают возможность уменьшить интенсивность сплошного фона, вызванного взаимодействием электронов с положительными ионами, и за счет этого снизить предел обнаружения анализируемых элементов.

Однако известные способ и устройство имеют и недостатки. Они не обеспечивают получения потенциально возможного предела обнаружения элементов и имеют недостаточную воспроизводимость анализа. Это вызвано недостаточной скоростью нагрева катода-атомизатора и недостаточной стабильностью его температуры.

Недостаточно высокая скорость нагрева катода-атомизатора сказывается на максимальной концентрации атомов этого элемента в зоне возбуждения. Это объясняется тем, что концентрация атомов в зоне возбуждения в каждый момент времени является результирующей двух противоположно направленных процессов: испарения атомов с катода-атомизатора и поступления их в зону возбуждения и удаления атомов из зоны возбуждения, например, путем диффузии. Очевидно, что при прочих равных условиях концентрация атомов в зоне возбуждения будет тем выше, чем выше скорость поступления их в зону возбуждения или выше скорость нагрева катода-атомизатора.

Для легколетучих элементов относительно высокий предел обнаружения имеет и другие причины. Они заключаются в том, что время от включения нагрева катода-атомизатора до получения максимальной концентрации паров анализируемого элемента в зоне возбуждения не совпадает со временем достижения достаточной концентрации свободных электронов, эмитируемых катодом-атомизатором и необходимых для возбуждения анализируемых элементов. Например, температура кипения ртути и кадмия составляет 356 и 770°С соответственно. А температура катода-атомизатора, при которой эмиссия электронов достаточна для возбуждения анализируемых атомов, составляет 1600-2000°С. При скорости нагрева катода-атомизатора, например, 20000°С/с максимальная концентрация этих элементов в зоне возбуждения достигается примерно через 18-40 мс, а время, при котором происходит эффективное возбуждение атомов, наступает только через 80-100 мс, т.е. тогда, когда концентрация анализируемого элемента, из-за ограниченного размера пробы, значительно меньше, чем в максимуме. Естественно, это влечет за собой повышение предела обнаружения элементов по сравнению с потенциально возможным.

Недостаточная воспроизводимость анализа вызывается нестабильностью заданной температуры атомизации, которая в известном способе и устройстве задается напряжением источника нагрева. В процессе работы масса катода-атомизатора уменьшается из-за испарения и окисления материала катода-атомизатора. При изменении режима работы или внешних условий, например давления газа в камере или температуры, изменяется теплоотдача или начальная температура катода-атомизатора, что влечет за собой неконтролируемое изменение температуры атомизации. Температура атомизации, кроме прямого назначения, влияет на эмиссионную способность катода-атомизатора. Известно, например, что изменение температуры вольфрама на 100°С вызывает изменение эмиссионного тока примерно в 2 раза. Поэтому даже небольшое изменение температуры атомизации влечет за собой изменение количества свободных электронов, эмитируемых катодом-атомизатором, и, тем самым, оказывает влияние на процесс возбуждения и, следовательно, на величину аналитического сигнала.

В основу изобретения поставлена задача создать такой способ атомно-эмиссионного анализа, в котором новое выполнение процессов атомизации и возбуждения позволило бы максимально увеличить скорость нагрева катода-атомизатора и стабилизировать температуру атомизации на заданном уровне и за счет этого снизить предел обнаружения и улучшить воспроизводимость анализа.

Поставленная задача решается тем, что в способе атомно-эмиссионного анализа, включающем термическую атомизацию пробы, возбуждение атомов при помощи электронов, эмитируемых катодом-атомизатором при ускоряющем напряжении ниже порога зажигания самостоятельного разряда, и фотоэлектрическую регистрацию аналитического сигнала, согласно изобретению атомизацию и возбуждение пробы проводят путем подачи на катод-атомизатор напряжения, превышающего порог разрушения катода-атомизатора, а температуру атомизации стабилизируют путем ограничения тока нагрева с помощью отрицательной обратной связи по потоку излучения катода-атомизатора.

Благодаря подаче относительно высокого напряжения на катод-атомизатор его нагрев происходит с высокой скоростью, пропорциональной подаваемому напряжению. Неизбежного разрушения катода-атомизатора при этом не происходит благодаря ограничению тока нагрева при достижении катодом-атомизатором заданной температуры при помощи отрицательной обратной связи по потоку излучения катода-атомизатора, величина которого зависит от его температуры.

Благодаря высокой скорости нагрева катода-атомизатора повышается максимальная концентрация анализируемых элементов в зоне возбуждения, а также уменьшается разрыв во времени достижения максимальной концентрации анализируемых атомов и времени достижения оптимальной концентрации свободных электронов в зоне возбуждения при анализе легколетучих элементов, вследствие чего снижается предел обнаружения элементов. Изменение параметров катода-атомизатора, например массы, начальной температуры, теплоотдачи и пр., практически не оказывает влияния на заданную температуру атомизации, которая определяется величиной потока излучения. Это значительно повышает стабильность заданной температуры и, следовательно, воспроизводимость анализа.

В основу изобретения поставлена задача создания такого устройства для атомно-эмиссионного анализа, в котором новое выполнение источника нагрева электрода позволило бы увеличить скорость нагрева электрода и стабилизировать его температуру на заданном уровне и за счет этого снизить предел обнаружения элементов, а также улучшить воспроизводимость анализа.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для атомно-эмиссионного анализа, содержащем камеру с электродами, из которых по крайней мере один выполнен с возможностью нагрева, а зазор между электродами выбран из условия протекания между ними электрического тока при нагреве электрода, источник нагрева электрода, источник ускоряющего напряжения и систему регистрации аналитического сигнала, согласно изобретению введен по крайней мере один фотоприемник, оптически связанный с нагреваемым электродом, усилитель фототока, связанный отрицательной обратной связью с управляемым стабилизатором тока, включенным между источником нагрева электрода и нагреваемым электродом.

Введение фотоприемника, усилителя фототока и стабилизатора тока, охваченных отрицательной обратной связью по потоку излучения нагреваемого электрода, дает возможность стабилизировать температуру нагреваемого электрода на заданном уровне и, кроме того, увеличить скорость нагрева электрода путем увеличения напряжения источника нагрева.

Несколько повысить скорость нагрева электрода путем повышения напряжения источника нагрева можно и в известном устройстве. Например, путем одновременного вместе с повышением напряжения источника нагрева уменьшения емкости зарядного конденсатора для предотвращения разрушения электрода. Но в этом случае сокращается время нагрева электрода и многие элементы, особенно труднолетучие, не успевают полностью испариться с его поверхности, что, в конечном итоге, не дает выигрыша в пределе обнаружения этих элементов.

В прелагаемом же устройстве время нагрева ничем не ограничено и определяется при использовании конденсатора только его емкостью.

На чертеже представлена блок-схема устройства для атомно-эмиссионного анализа.

Устройство содержит камеру 1 с окном для вывода излучения на спектральный прибор 2, который связан с регистратором 3. Внутри камеры расположены катод-атомизатор 4 и анод 5. Камера выполнена с возможностью ее продувки гелием при задаваемом давлении и, кроме того, имеет люк для подачи пробы на катод-атомизатор. Нагрев катода-атомизатора производится от источника нагрева 6, который через управляемый стабилизатор тока 7 связан с катодом-атомизатором. С катодом-атомизатором оптически связан фотоприемник 8, который подключен к усилителю фототока 9, выход которого связан с управляемым стабилизатором тока отрицательной обратной связью. Ускоряющее напряжение между анодом и катодом-атомизатором подается от источника ускоряющего напряжения 10, в качестве которого может быть использован источник постоянного, переменного или пульсирующего напряжения.

Устройство работает следующим образом. Через люк подают анализируемую пробу на катод-атомизатор 4, выполненный в виде спирали из вольфрамовой проволоки. Производят сушку и при необходимости озоление пробы. Устанавливают заданное давление гелия в камере и подают определенное ускоряющее напряжение на катод-атомизатор и анод. Напряжение выбирают ниже порога зажигания самостоятельного разряда. Устанавливают напряжение источника нагрева 6 выше номинального рабочего напряжения катода-атомизатора. Включают нагрев катода-атомизатора. Благодаря относительно высокому напряжению катод-атомизатор с высокой скоростью нагревается и при этом излучает свет. Часть потока излучения поступает на фотоприемник 6, где преобразуется в электрический ток, который поступает на усилитель фототока 9. Выходное напряжение усилителя подается на управляемый стабилизатор тока 7. Благодаря отрицательной обратной связи усилителя фототока со стабилизатором тока при достижении заданной температуры катода-атомизатора и связанного с температурой потока излучения стабилизатор тока ограничивает ток, поступающий на катод-атомизатор, и поддерживает его на уровне, обеспечивающем стабилизацию определенного потока излучения и связанной с ним температуры катода-атомизатора. Анализируемая проба при этом атомизируется, концентрация атомных паров в зоне возбуждения приближается к максимально возможной, а катод-атомизатор излучает свободные электроны, которые под действием ускоряющего напряжения приобретают энергию, достаточную для возбуждения атомов. Световое излучение атомов поступает на спектральный прибор 2, где характеристические линии анализируемых элементов выделяются и преобразуются в электрический ток, который фиксируется регистратором 3.

1. Способ атомно-эмиссионного анализа, включающий термическую атомизацию пробы, возбуждение атомов при помощи электронов, эмитируемых катодом-атомизатором при ускоряющем напряжении ниже порога зажигания самостоятельного разряда и фотоэлектрическую регистрацию аналитического сигнала, отличающийся тем, что атомизацию и возбуждение пробы проводят путем подачи на катод-атомизатор напряжения, превышающего порог разрушения катода-атомизатора, а температуру атомизации стабилизируют путем ограничения тока нагрева с помощью отрицательной обратной связи по потоку излучения катода-атомизатора.

2. Устройство для атомно-эмиссионного анализа, содержащее камеру с электродами, из которых по крайней мере один выполнен с возможностью нагрева, а зазор между электродами выбран из условия протекания между ними электрического тока при нагреве электрода, источник нагрева электрода, источник ускоряющего напряжения и систему регистрации аналитического сигнала, отличающееся тем, что оно содержит по крайней мере один фотоприемник, оптически связанный с нагреваемым электродом, усилитель фототока, связанный отрицательной обратной связью с управляемым стабилизатором тока, включенным между источником нагрева и нагреваемым электродом.