Способ лазерного атомно-абсорбционного спектрального анализа (его варианты)

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистическик

Республик нн1000101 (61) Дополнительное -к авт. свид-ву (22) Заявлено 031280 (21) 3211466/18-25 с присоединением заявки ¹

Р М g> з

G 01 и 21/62

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 280283. Бюллетень ¹ 8 (53) УДК 543. 42 (088.8) Дата опубликования описания 28J3283

А.Д. Широканов и A.A. Ян ффкиа„,.„ ьац„ з

Ордена Трудового Красного Знамени институт фи

AH Белорусской СССР (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО АТОМНО-АБСОРБЦИОННОГО

СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА (ЕГО ВАРИАНТЫ) Изобретение относится к спектральному анализу, в частности к атомноабсорбционному спектральному анализу твердых проб с лазерной атомизацией . и может использоваться в горнодобывающей, металлургической, машиностроительной, радиоэлектронной промышленности, в геологии, криминалистике, в научных исследованиях — там, где необходимо локально определять состав любых твердых предметов.

В известном устройстве для лазерного спектрального анализа пробу испаряют сфокусированным на поверхность образца излучением лазера в режиме свободной генерации 11 .

К недостаткам спектрального анализа с испарением проб излучением лазера в режиме свободной генерации относится: невозможность анализа прозрачных материалов., малая (не более

1Ъ ) доля паров в продуктах лазерной эрозии, высокий относительный предел обнаружения, сравнительно большая

1,сотни микрометров )глубина поражения за один импульс.

Наиболее близким по технической. сущности к предлагаемому является способ лазерного атомно-абсорбционно го анализа, включающий испарение исследуемого образца излучением лазера в моноимпульсном режиме, просвечивание образующегося при этом факела и регистрацию спектров поглощения. 2

Недостаток известного способа высокий относительный предел, составляющий не менее 10 4Ъ.

Причина этого недостатка — малое количество вещества, испаряемого за один импульс лазера, движение и разлет атомного пара в виде факела в большом телесном угле.

Цель изобретения - уменьшение предела обнаружения элементов в веществе путем увеличения плотности паров в факеле.

Поставленная цель достигается согласно способу атомно-абсорбционного спектрального анализа, включающему испарение исследуемого образца излучением лазера в моноимпульсном режиме, просвечивание образующегося при этом факела и регистрацию спект- . ров поглощения, лазерное излучение направляют непосредственно на участок образца, предварительно обработанный до образования лунки, на дно лунки.

Согласно второму варианту способа атомно-абсорбционного спектрального

1000101 анализа укаэанная цель и получение аналитической информации с поверхностных образцов достигается тем, что лазерное излучение направляют на поверхность образца через отверстие в диафрагме, имеющее форму лунки.

Кроме того, размеры лунки удовлетворяют условию: d/х = 0,875-1,14, где Й вЂ” диаметр лунки, х — глубина лунки. сравнению с прототипом, поскольку лазерное излучение направляют на дно лунки. За счет уменьшения угла разлета паров (по примерно постоянной их массе) в лунке оптимальной формы и

15 размеров растет плотность паров в факеле по сравнению с прототипом. Размеры и форма лунок, обеспечивающих максимальное поглощение факела в линиях исследуемых химических элемен20 тов зависят от устройства, в котором реализуется способ, а именно от применяемой системы фокусировки лазерного излучения и от того, где находится фокус этой системы: на поверхности образца, выше или ниже ее.

Для каждого конкретного устройства оптимальные размеры лунки постоянны.

Лунку можно изготовить также лазером, 30 излучение которого испаряет анализируемое вещество. При этом лазерное излучение автоматически направлено в центр лунки. Однако для формирования лунки оптимальных размеров необходимо произвести не менее нескольких35 десятков импульсов. С целью сокращения времени анализа лунку оптимального размера можно изготавливать каким-либо более быстрым способом,.например, механическим, а затем на дно

40 лунки, т.е. перпендикулярно поверхности лунки и образца направлять лазерное излучение.

Чтобы повысить локальность и обеспечить получение аналитической инфор- 45 мации с поверхности образца, необходимо исключить образование лунки в образце. Для этого можно воспользоваться тем фактом, что при действии лазерного излучения материал разрушается и поступает в факел в основном с дна лунки. Роль стенок лунки, уменьшающих телесный угол разлета паров играет в этом случае поверхность сквозного отверстия, выполненного в вице лунки оптимальной формы в пластине, материал которой не содержит исследуемых химических элементов. Пластина герметично присоединяется к поверхности образца, которая в результате этого играет роль дна лунки. На эту поверхность направляется лазерное излучение. Факел, образующийся в результате первого импульса на поверхность образ ца имеет ту же плотность паров, что

Лунка служит для уменьшения телес- 10 ного угла разлета атомного пара по и факел с дна лунки оптимальной фоцмы, и более высокую, чем в прототипе при той же плотности мощности лазерного излучения. Это позволяет использовать для анализа меньшее количество вещества, чем в прототипе, т.е. увеличивать локальность поражения единичным импульсом лазера, уменьшив, например, его энергию.Поскольку лазеры в моноимпульсном режиме имеют высокую локальность по площади поражения, речь идет об увеличении локальности по толщине образца.

На фиг. 1-7 представлены экспериментально полученные зависимости поглощательной способности анализируемых, атомов от параметров лунки.

Пример 1. Измеряют поглощательную способность лазерного факела,получающегося при поражении металлических образцов сфокусированным излучением лазера ЛТИПЧ-8. Для этого лазерное излучение направляют на образец через флюоритовую линзу с фокусным расстоянием равным 30 мм. Лазер работает на основной длине волны генерации 1,06 мкм с частотой 12,5 Гц.

Лазерный факел, возникающий в точке поражения, просвечивают излучением спектральной лампы с полым катодом

ЛСП-1, работающей в импульсном режиме. Прошедшее факел излучение лампы направляется в монохроматор, после которого регистрируется с помощью фотоэлектрической приставки. Факел просвечивают в тот момент, когда излучение линий элементов, по которым проводят измерение поглощения, было на порядок меньше, чем излучение лампы и не оказывает помех в атомной абсорбции. В лазерном факеле атомы меди, хрома, некоторых других элементов поглощают свет в несколько раз большее время,чем излучают. Поэтому абсорбцию измеряют сразу после прекращения свечения факела при вышеуказанном условии.

Интенсивность светового импульса, испытавшего поглощение, измеряют в различные моменты времени после начала поражения образца. В течение

12-20 мин работы лазера в образце с первоначально плоской поверхностью возникает лунка глубиной 0,35-0,4 мм и таким же диаметром. Соответственно возрастает и поглощательная способность. При дальнейшем углублении лунки поглощательная способность уменьшается.

На фиг. 1-3 вдоль оси абсцисс отложено время от начала работы лазера, Лунка углубляется пропорционально ему, но с разной скоростью для различных материалов..От экспериментальных точек отложены: среднеквадратичное отклонение значення и период, за которйй измерялась совокупность точек, 1000101 содержанием и свойствами при испарении их лазером в моноимпульсном режиме растет в 2-6 раэ до максимума.

Пример 2. Измеряют поглощательную способность лазерного факела в линии Си 1324,75 нм от времени поражения образца лазерным иэлу20 чением на той же установке, с теми же параметрами, что в примере 1. Образец поражали в лунку, изготовленную чеканкой металлической иглой на поверхности меди и дюрали (стандартных образцов ).

На фиг. 4 изображена зависимость (кривая 3 ) поглощательной способности для медных образцов при поражении в лунку, размеры которой близки к оп- З0 тимальным, указанным в примере 1: диаметр 0,4 мм, глубина 0,35, там же для сравнения приведена зависимость поглощательной способности при поражении первоначально плоской 35 поверхности (кривая 4 ), на фиг. 5 зависимость поглощательной способности для дюралевых образцов при поражении в лунку с размерами меньше оптимального (кривая 5 ), у которой 40 диаметр на поверхности 0,3 мм, глубина — 0,2 мм, при поражении в лунку с оптимальными размерами (кривая б ), при поражении первоначально плоской поверхности образца (кривая 7). Во всех случаях лазерное излучение на45 правляют перпендикулярно поверхности лунки и образца, т.е. в центр лунки, форма которой близка к конической с вершиной, направленной внутрь образца.

Поглощательная способность факела из искусственной лунки с оптимальными размерами сразу после поражения первыми импульсами лазера имеет примерно то же значение, что для образцов с плоской поверхностью через 1020 мин облучения. Для лунки с меньшими размерами время достижения максимальной поглощательной способности сокращается более чем в 2 раза (фиг. 5, кривая 5). 3а этот период лунка достигает оптимальных размеров.

При механической чеканке лунки с оптимальными размерами время достижения оптимального аналитического сиг. 65 по которым определяли среднее значение, На фиг. 1 представлены; 1 — поглощательная способность линии

Си 1324,75 нм для медного образца ; 2 то же для латуни; на фиг. 2 — той же, 5 для алюминиевого сплава ANI -6 с содержанием меди 0,17%) на фиг.3 — поглощательная способность линии хрома

Сг 1357,9 нм для сплава на основе никеля ЖС-6, хрома 173. 10

Временной ход полного поглощения свидутельствует о том, что с углубле нием лунки поглощательная способность меди и хрома в сплавах с их различным нала сокращается в 5-10 раз по сравнению с временем, необходимым для предварительного облучения лазером

ЛТИПЧ 8.

Пример 3. Проверяют возможность достичь высокой поглощательной способности при анализе поверхностных слоев образца из меди путем присоединения к нему алюминиевой пластинки и поражении в сквозное отверстие этой пластинки, прикчеенной к поверхности образца с помощью битума.

Отверстие в пластине пробивают тек же лазером, который испарял образец для анализа, с теми же параметрами, что в примере 1.

На фиг. 6 приведена зависимость поглощательной способности от времени поражения в случаях, когда толщина алюминиевой пластинки меньше оптимальной глубины лунки — 0,25 мм (кривая 8) и близка к оптимальной глубине лунки — 0,4 мм (кривая 9); там же изображена поглощательная способность факела при поражении чистого плоского медного образца (кривая 10).

Зависимости поглощательной способности (фиг. б кривые 8,9 свидетельствуют о том, что для достижения большей ноглощательной способности размер отверстия в пластинке должен быть близок к оптимальному.

Математический анализ увеличения поглощательной способности факела при углублении лунки показал, что уменьшение телесного угла разлета паров одна из основных причин улучшения поглощательной способности в предлагаемом способе. Причем максимальный эффект достигается при значениях диаметра лунки к ее глубине в пределах

0,875-1 14.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет в 2-6 раз увеличить поглощательную способность лазерного факела, что обеспечивает снижение относительного предела обнаружения в столько же раз.

Кроме того, используя второй вариант способа, можно получать аналитическую информацию с поверхностных слоев образца.

Формула изобретения

1. Способ лазерного атомно-абсорбционного спектрального анализа, включающий испарение исследуемого образца излучением лазера в моноимпульсном режиме, просвечивание образующегося при этом факела и регистрацию спектров поглощения, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения пределов обнаружения элементов в веществе путем увеличения

1000101 плотности паров в факеле, лазерное излучение направляют непосредственно на участок образца, предварительно обработанный до образования лунки, на дно лунки.

2. Способ лазерного атомно-абсорб- ционного спектрального анализа,включающий испарение исследуемого образца излучением лазера в моноимпульсном режиме, просвечивание образующегося при.этом факела и регистрацию спектров поглощения, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью уменьшения пределов обнаружения элементов в веществе путем увеличения плотности паров в факеле и получения анали- 15 тической информации с поверхностных слоев образца, лазерное излучение направляют на поверхность образца череэ отверстие в диафрагме, имеющее форму лунки.

3. Способ по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что размеры лунки удовлетворяют условию 8/к

0,875-1,14, где 8 — диаметр лунки

Х вЂ” глубина лунки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 4182574, кл. G 01 J 3/30, G 01 J 3/42, опублик.

1979.

2. Сухов Л.Т., Золотухин Г.E. Лазерная атомиэация при анализе слоев металла. — "Журнал прикладной спектроскопии", т. 30, 1979, Р 1, с. 1114 (прототип).

1000101

1000101

Составитель О. Матвеев

Редактор И.Ковальчук Техред O.Håöe Корректор С.Шекмар

Заказ 1217/6 Тираж 871 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