Способ лазерной фотоионизационной спектрометрии

 

Область применения: способ предназначен для использования в высокочувствительном элементном спектральном анализе в области производства высокочистых веществ , геохимии и аналитической химии. Сущность, используется техника лазерной фотоионизации и атомного пучка в вакууме. Одновременно формируются и облучаются светом лазеров два атомных пучка: исследуемой пробы и реперный из паров чистого элемента, Фотоионы от пучков регистрируются раздельно и о содержании элемента в исследуемой пробе судят по соотношению этих сигналов. 2 ил

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУЬЛИК (я)5 G 01 N 21/39

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4954998/25 (22) 24.06.91 (46) 30.06.93. Бюл. М 24 (75) Д.Ю. Пахомов (56) J.Phys. В: At Мо! Phys. 1985, ч. 18, N. 12, р. 2403-2422, Журнал аналитической химии. 1985, т.

40, йв 12, с, 2208-2209, (54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ФОТОИОНИЗАЦИОННОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ (57) Область применения: способ предназначен для использования в высокочувствиСпособ лазерной фотоиониэационной спектрометрии предназначен для использования в высокочувствительной атомной спектрометрии и, в частности. для измерения содержания следов элементов, может быть использовано в области получения высокочистых веществ, геохимии и аналитической химии.

Целью изобретения является повышение точности измерений, Укаэанная цель достигается тем, что каждый импульс излучения лазеров подается последовательно на исследуемый, а затем на реперный пучки атомов, образующиеся в этих пучках ионы регистрируются раздельно, и сигнал, получаемый от исследуемого пучка, корректируется на сигнал, получаемый от реперного пучка, Сущность изобретения состоит в том, что таким образом учитывается спектральная и энергетическая нестабильность лазерных излучателей. Спектральная нестабильность иэ-за малой ширины атомных спектральных линий вносит основной вклад

„„. Ж„„1824544 А1 тельном элементном спектральном анализе в области производства высокочистых веществ. геохимии и аналитической химии.

Сущность: используется техника лазерной фотоионизации и атомного пучка в вакууме.

Одновременно формируются и облучаются светом лазеров два атомных пучка; исследуемой пробы и реперный из паров чистого элемента, Фотоионы от пучков регистрируются раздельно и о содержании элемента в исследуемой пробе судят по соотношению этих сигналов. 2 ил. в погрешность измерения. Наибольший вклад в ширину линий атомов при работе с атомным пучком вносит доплеровское уширение, при этом ширина линии составляет

10 от длины волны линии. Если учесть, что в ширина линии лазера, обеспечиваемая селективным резонатором, имеет порядок 0,10,01 см, что шире атомной линии (для уль-1 трафиолетовой области доплеоовское уширение имеет порядок 0,005 см ), то из этого следует, что даже в предположении об отсутствии механических нестабильностей резонатора, приводящих к уходу центра лазерной линии как в течении процесса измерений. так и от импульса к импульсу, возможны вариации спектра за счет изменения модового состава его излучения в пределах достаточных для изменения интенсивности на каждой ступени на порядок величины.

Поскольку измерения в исследуемом и реперном пучках осуществляются для одних и тех же импульсов, то влияние вариаций спектра излучения одинаково на сигналы от исследуемого и от реперного источников.

1Е24544

10

Геперный источник атомов работает в стабильном режиме, обеспечивая достаточно интенсивный стационарный погок атомов через зону взаимодействия с лаэерны л излучением. Поскольку флуктуации числа частиц в зоне взаимодействия под<иняются статистике Пуассона, to при достаточно большой плот ности частиц в потоке. среднеквадратическое отклонение числа частиц буде мало по сравнению со средним их количеством, и число частиц взаимодействующих с излучением в реперноM пучке, можно полагать постоянным. При надлежащем построении измерительных каналов флуктуации сигналов гак же могут быть сделаны достаточно малыми

1аким образом возможно учесть влияние спектральных нестабильностей на измеряемый сигнал, считая, что вариации сигнала от реперного источника определяются главным образом флуктуациями спектра излучения лазеров, Установка, на которой может быть реализован предложенный способ, схематически представлена на фиг. 1.

Установка содержит оптический блок, аналитический блок и управляющий измерительно-вычислительный комплекс. Оптический блок содержит эксимерный лазер нака«ки (ЭЛ), три лазера на красителях (ЛК). на первои и гретьеи ступенях используются оптические усилители, имеется возможность измерения длины волны (л). На первои ступени возможно удвоение частоты на нелинейном кристалле (НК). Излучение лазеров на красителях направляется в аналитический блок. Основу блока составляет вакуумная камера, оснащенная электротермическим атомизатором (ЭТА).

Камера соединена с трубой время-пролетного масс-фильтра, в конце которой расположен вторично-электронный умножитель (ВЭУ), Вакуум в трубе и камере поддерживается турбомолекулярными насосами (ВМН), Си нал с ВЭУ усиливается предусилителем (У). Схема измерений и управления осуществляет управление лазерным комплексом атомизатором аналитического блока, регистрирует сигнал от ВЭУ и осуществляет обработку информации как в процессе измерений так и по их окончании

На фиг. 2 предсгавлен аналитический блок. Показано. «то атомный пучок формируемый атомизатором. лазерные лучи и электрическое поле, формируемое отклоня ощими электродами, взаимно ор огональ °

I Ibl.

На фиг. 1 показан лишь один аналитический блок. Для осуществлен ия способа

1аких блоков должно быль ptt;I. <.оо «.тст15

55 венно, должно быть два зарядово-чувствительных аналого-цифровых преобразователя (Q-ALI,Ï) и два блока управления питанием атомиэаторов(БПА). Лазерное излучение заводится в блоки последовательно путем перехвата излучения, прошедшего один аналитический блок, и его фокусировки во второй. В этом случае используется в каждом из атомных пучков все излучение лазеров.

Предложенный способ осуществляется следующим образом; вещество, содержащее определяемый элемент 6, например рутений, помещают в атомизатор аналитическогоо блока, а в атомиэатор реперного блока помещают чистый металл. Нагревая атомизаторы электрическим током, формируют атомные пучки. Воздействием излучения трех перестраиваемых лазеров на красителях атомы рутения переводятся в высоковозбужденное состояние и иониэуются высоковольтным импульсом электрического поля, подаваемым на электроды аналигического блока и реперного блока после окончания действия световых импульсов. Тем же импульсом поля, образовавшиеся ионы, через отверстие в заземленном положительном электроде выталкиваются в дрейфовый промежуток времяполетного масс-фильтра. Ионы, образующиеся в основном и реперном пучках под воздействием одного и того же импульса излучения лазеров, регистрируют раздельно в системах измерения фотоионнОго сигнала от основного и реперного пучков.

Для подавления шума неселективной фотоионизации молекул остаточной атмосферы и макрокомпанентов пробы применяют стробирование сигнала В ЭУ, Ширина временного окна строба две микросекунды, что позволяет учесть разброс времени пробега фотоионами дрейфового промежутка как эа счет наличия нескольких изотопов, так и эа счет технических причин, например неодновременности образования фотоионов. Выделенный сигнал интегрируется по времени и измеряется раздельно по каналам, результаты измерений масштабируются, для компенсации различий между каналами, Для получения масштабных коэффициентов в основном канале создается поток атомов чистого элемента аналогичный реперному, причем температуры основного и реперного амортизаторов поддерживаются одинаковыми. Если в дальнейшем поток атомов в реперном пучке поддерживается постоянным, все параметры обоих измерительных трактов неизменны, то поток массы в исследуемом (основном) пучке пропорционален

1824544 имм. ичюниИ ион оптикс;оа ьл к отношению сигналов в основном и реперном каналах, причем коэффициент пропорциональности может быть определен обыкновенной процедурой и градуировки прибора по градуировочным растворам и контрольным образцам, Измерение количества определяемого элемента в атомиэаторе осуществляется путем интегрирования отношения сигналов от исследуемого и реперного пучков. Предложенный способ, позволяя компенсировать влияние спектральных нестабильностей, дает воэможность повысить точность измерений. Для способа прототипа стандартное относительное отклонение результатов измерения градуировочных растворов изменяется от 15ь для содержания рутения 100 пг, до 50 дл 1 пг. 8 случае применения предложенного способа может быть получена точность от 5ь до 30 g, соответственно.

Формула изобретения

Способ лазерной фотоионизационной спектрометрии. заключающийся в том, что получают атомный пучок исследуемого ве5 щества и реперный пучок атомов определяемого элемента, облучают их импульсами излучения по крайней мере двух одновременно излучающих лазеров, настроенных в резонанс с последовательными переходами

10 возбуждаемого электрона, иониэируют воэбужденные атомы в обоих пучках и регистрируют образовавшиеся ионы, о т л и ч а юшийся тем. что. с целью повышения точности измерений, импульс, прошедший

15 атомный пучок исследуемого вещества, направляют на реперный пучок, ионы, образовавшиеся в каждом пучке. регистрируют одновременно раздельными системами, при этом сигнал, полученный от исследуе20 мого пучка, корректируют по сигналу, полученному от реперногоо пучка.

1824544

308.2

f eacocy

Редактор Н.Коляда

Заказ 2221 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ори ГКНТ СССР

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

3Л

Составитель Д.Пахомов

Техред М,Моргентал Корректор М.Ткач

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул. Гагарина, 101

ЫЦ ь!и

ЛЬ