Способ контроля степени чистоты раствора

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (nj957074 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 12.01.81 (21) 3235315/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (54) М. Кл..3

G 01 N 21/64

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет—

Опубликовано 0709.82. Бюллетень ¹ 33

t53) УДК 535. 37 (088. 8) Дата опубликования описания 0709.82

1 .у

Н.A. Немкович, В. И.Томин и A.Н. Рубинов (72) Авторы изобретения

C (71) Заявитель

Ордена Трудового Красного Знамени институт физики Белорусской ССР (54) СПОСОБ .КОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ЧИСТОТЫ

РАСТВОРА

Изобретение относится к спектроскопии 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 долж, ны быть сильно разнесены. Все это существенно ограничивает круг изу-чаемых объектов °

Наиболее близким к 1тредлагаемому 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 52l.

Недостатком способа является низкая чувствительность контроля.

Цель изобретения — повышение чув10. ствительности контроля.

Цель достигается благодаря тому, что согласно способу контроля степени чистоты раствора путем импульсного возбуждения, регистрации временных характеристик люминесцентного свечения эталонного и исследуемого растворов и определения концентрации примеси, 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.

На фиг.1 изображен набор разностных сигналов свечения эталонного и исследуемых растворов; на фиг.2 зависимость амплитуды разностного сигнала, нормированной к амплитуде

957074 импульса свечения, от разности времени жизни возбуждаемых люминесцирующих молекул в эталонном и исследуемом растворах; на фиг.3 — схема экспериментальной установки для реализации способа. 5

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

-1/Г

"= F e и y = е (два флуорес3

I цирующих раствора) с временами затухания т и С и одинаковыми начальными амплйтудами. Задача состоит в том,20 чтобы измерить разницу времен затухания (времен жизни возбужденного состояния) d i = — С, которое много меньше „и (.д « „ )

Естественно, что при непосредст- 25 венном измерении кривых затухания различия между временами „ и 7 обнаружить не удается, так как нельзя измерить отличие по амплитуде обоих импульсов флюоресценции, которая 30

<<и самой амплитуды. Покажем, что эта задача может быть решена, если регистрировать разность двух сигналов F g — Г„ .Разностный сигнал =F (e " )

-ф (, -+j cy (1) 35 представляет собой импульс с максимумом момент времени г I) I )

* 4 = †.,„. 0n „. (2)

1 Я.

Д7 С. 4О характеризуя длительность импульса at удвоенным временным расстоянием от максимума до точки перегиба (в

Фг точке перегиба - — =0 ), получаем, 45 что длительность импульса разностно. го сигнала равна

bi

1Т„ ) l as! д = (в - - е о <ц

Р ФС(Х д 7 ч 50

Как видно из (3), при сокращении

d величина dt уменьшается, однако при д «т„длительность измеряемого сигнала переотает зависеть от h7 и становится равной дф,. «л (д «,-, < "-" 1 (4)

Это означает, что даже при очень малом различии времен затухания двух процессов (д Г « ) разностный импульс имеет достаточно ббльшую дтЬи ельность

dt 2i и может быть измерен аппаратурой с временным разрешением a i<<8V.

Как видно из предыдущего, длительность измеряемого разностного импуль- 65 са at при д7«Т 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

/F0= Е "

Из сказанного следует, что минимально измеримая разность двух временд „,„„определяется не временным разрешением аппаратуры (на которое накладывается значительно более простое требование 8 < i ), а ее амплитудным разрешением. Поскольку в данном методе используется дифференциальный способ измерения разностного сигнала, можно легко обеспечить измерение величин ДР/Рв.10 и менее.

Следовательно, определяемая таким способом разность времен затухания . составляет:

Это означает, что в случае наносекундных времен затухания свечения можно надежно измерять разницу времен затухания в несколько десятков пикосекунд.

Способ реализуется следующим образом (фиг.3).

Возбуждение свечения осуществляется лаэером 1 на азоте (Рщ„д-=0,5 МВт; 4 нс max=150 Гц) или накачйваемым им лазером 2 на красителях.

Свечение объектов 3 и 4 проходит через монохроматоры 5 и б (дисперсия

14A/мм) и регистрируется фотоумножителями 7 и 8 (18ЭЛУ-ФС, временное разрешение 1 нс). 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.синхро-, низации осциллографа 11. Вычитание импульсов свечения обоих образцов осуществляется либо осциллографом, работающим в необходимом режиме (при этом она регистрируется на экране осциллографа и самописце 12 (K-201), либо самописцем, на вход которого оба импульса поступают в противофазе через дискриминатор 13 шума

Измерение производится следующим 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 амплитуду обоих импульсов; регистрируется их разность (она должна равняться нулю, если оба фотоэлемента не искажают импульс возбуждения); заливают ис957074 6 вестному способу при „ = .10 нс минимальное по величине отличие 7 от которое можно измерить, состав- ляет,1 нс, то по предлагаемому спо- собу можно зарегистрировать ь - 0,07

5 (фиг.1) т.е. чувствительность измерения ь, а,: следовательно, и контроля степени чистоты раствора возрастает в 10-100 раз.

Формула изобретения следуеьжй раствор в кювету 3; уравнивают амплитуду сигналов, идущих с фотоумножителей 7 и 8; регистрируют разность сигналов с фотоумножителей

7 и 8; определяют амплитуду этой разности hF ;измеряют амплитуду импульсов Fy нормируют ьР к амплитуде импульса свечения Рв (т.е. находят параметр дЕ /Ррп ); из теоретически рассчитанной завйсимости Ь F /F =

Х()фиг.2) по экспериментально определенному аЕ / F< находят а ; из известной зависимости Штерна-Фольмера, записанной н аиде (с па с = н

1 1 (где ь1 - время жизни возбужденного состояния эталонного раствора; к — . константа), определяют С вЂ” концен.трацию добавки.

Пример . Данный способ экспериментально реализован для измерения концентрации тушителя К1 в растворе родамина В в этаноле. Время жизни возбужденного состояния „ чистого раствора родамина В в этаноле (C = 10 M) .составило 4,2 нс. При

-добавлении тушителя KI в раствор родамина В его время жизни возбужденного состояния сократилось на 0,1 нс,,что и было измерено разностным способом. Рассчитанная из зависимости

Штерна-Фольмера концентрация KI составила 5 1(Г M.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить точность измерения ь и, следовательно, новысить чувствительность контроля степени чистоты раствора. Если по из»

Способ контроля степени чистоты раствора путем импульсного возбужде15,ния, Регистрации временных характери. стик люминесцентного свечения эта лонного и исследуемого растворов и определения концентрации примеси, отличающийся тем, что, 2О с целью повышения чувствительности контроля, предварительно измеряют и выравнивают амплитуды импульсов свечения обоих растворов, а затем измеряют временные характеристики разности между интенсинностями свечения эталонного и исследуемого растворов, и по форме первого экстремума этой разности определяют концентрацию примеси.

Источники информации, -ЗО принятые во внимание при экспертизе

1. Степанов Б.И., Грибковский В.П.

Введение в теорию люминесценции .

Минск, изд-во AH БССР, 1963, с.224.

2. Теренин А.Н. Фотоника молекул

З5 красителей. Л.,"Наука", 1976, с.452 (прототип).

ЦО1У

957074 аг 4

8uz.

Составитель В.Филиппов

Редактор Н.Егорова ТехредЛ.Пекарь КорректорГ.Решетник

Заказ 6586/31 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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