Способ атомизации веществ в вакууме

1223094 510 25 30 35 50 55 Изобретение относится к методам атомизации веществ и может найти применение в атомно-абсорбционном, флуоресцентном, атомно-ионизационном и других методах спектрального анализа.Цель изобретения - улучшение правильности анализа и уменьшение пределов обнаружения анализируемых атомов.На чертеже прецставлено устройство, обеспечивающее процедуру нагрева атомизатора, реализующее предлагаемый способ.Устройство содержит вакуумированную камеру 1, атомизатор 2, шток 3 для фиксации атомизатора, систему 4 охлаждения штока, линзу 5, источник 6 излучения и зеркало 7.При анализе элементного состава проб, содержащих вещества различной летучести и особенно легколетучих, но трудноатомизируемых веществ, известный способ, в котором используют эффузионный режим истечения атомов и молекул пробы, не дает воэможность обеспечить высокую эффективность атомизации, что отрицательно сказывается на правильности анализа и на пределах обнаружения атомов. Это обусловлено тем, что с помощью известного способа, в котором производят облучение всей поверхности атомизатора, не обеспечивается высокий градиент температуры по длине атомизатора; в начале процесса атомизации наприоФ мер, 500-1000 С в зоне испарения пробы и 2500-3000 С в зоне атомизации.Для атомизации легколетучих, но трудноатомизируемых соединений по известному способу необходимо обеспечить быстрый нагрев атомизатора, что приводит к режиму газодинамического истечения вещества пробы из атомизатора и соответственно к неконтролируемым потерям анализируемого вещества. Согласно предлагаемому способу, чтобы обеспечить эффективную атомизацию легколетучих, но трудноатомизируемых веществ, создают в начале процесса атомизации невысокую температуру в зоне испарения пробы и достаточно высокую температуру атомизатора в зоне атомизации с таким расчетом,чтобы легколетучие вещества при испарении не создавали газодинамического режима истечения, как в зоне атомизации, так и по выходу из трубки атомизатора. При этом сохраняется эффузионный режим истечения атомов и молекул пробы, независимо от степени летучести веществ пробы.В дальнейшем температуру зоны испарения повышают, уменьшая, таким образом, градиент температуры по длине атомизатора, доводя температуру зоны испарения до температуры верхней выходной части атомизатора. Такой режим работы обеспечивает выход в эффуэионном режиме и атомизацию молекул пробы различной летучести,за счет чего улучшается правильность анализа и пределы обнаружения.Указанные режимынагрева атомизатора возможно обеспечить с помощью высокоинтенсивного источника света (чертеж) где с помощью линзы 5 и зеркала 7 проводят формирование светового излучения источника 6 в световой пучок с диаметром в пятне порядка диаметра атомизатора. Пятно излучения, направляют на выбранную зону атомизатора с таким расчетом, чтобы обеспечить максимальную эффективность атомизации и коллимацию атомов пробы.Диаметр пятна светового пучка выбирают меньше диаметра атомизатора в связи с тем, что излучение за пределами указанных размеров проходит мимо атомизатора, не участвуя в его нагреве.В зависимости от типа решаемой задачи пятно светового излучения может быть направлено в одно место на поверхности атомизатора или в несколв. ко таких мест, как диаметрально противоположных, так и по длине атомизатора.Для этой цели можно использовать несколько источников света или один источник со сканирующим по поверхности атомизатора лучом.В качестве источника излучения могут быть использованы непрерывный или импульсный С 02, НР и другие типы лазеров со средней мощностью 50- 200 Вт, или лампы, например ксеноновые, с высокой яркостной температурой и мощностью 2-3 кВт. Предлагаемый способ используют для анализа легколетучих, по трудноатомизирующихся веществ (таких, например, как 81 С 1, С 1 Р , РС 1 , Ть.С 1 и др,).Рассмотрим в качестве примера какие аналитические характеристики получают для изотермического атомизатора и для предлагаемого атомизатора с раздельным испарением и атомизацией.Во избежание рассеяния внутри канала, формирующего атомный или молекулярный пучок, необходимо, чтобы средняя тепловая длина свободного про О бега молекул ( Э ) была больше длины (Ь) самого канала ячейки атомизатора.-20 ТПоскольку Ъ = 7,310 - см, (1). где Р - давление паров исследуемого15вещества, (мм рт.ст);Т - температура паров исследуемого вещества, К,/о - сечение столкновений, см а величина б имеет порядок 10 " 20 -10 см , то тогда, например, для Ь с 1 см значение 2 Т/Р10 - 10 (2), Если соотношения 1) или (2) для случая Ь1 см не выполняются, то вместо эффузионного наблюдается аэродинамический поток с турбулентной газовой струей. При низком давлении Р в источнике молекул интенсивность молекулярного пучка пропорциональна Р. В том случае, когда давление Р возрастает . ЗО до такйх значений, когда ЬЭ , то регистрируемая интенсивность молекулярного пучка увеличивается по мере роста Р крайне незначительно, Этот факт объясняется возрастанием числа столкновений молекул между собой в процессе движения по каналу или непосредственно после вылета из него. При этом перед отверстием канала образуется облако атомов и молекул, причем по мере дальнейшего повышения40 давления Р, размеры этого облака увеличиваются быстрее, чем концентра.ция атомов или молекул в нем, приводя к тому, что молекулярный пучок расширяется, а отношение интенсивнос 45 ти пучка к давлению падает.Расширение пучка хотя и оставляет его полную интенсивность почти без изменения, но зато приводит к ухудшению его направленности, а значит и к снижению числа атомов или молекул, попадаяцих в просвечиваемую . аналитическую зону. Кроме того, поскольку при Ь ) 55 растет число такиих молекул, которые в процессе эффузии через канал соударяются друг с другом, то это приводитк усилению матричных эффектов. Этоозначает, что эффективность атомизации, а значит и аналитический сигналзависит не только от характера атомизации отдельно взятой молекулы, нои от характера столкновений молекули атомов анализируемого элемента между собой и с молекулами и атомамиматрицы пробы,Весь перечень указанных причинприводит к необходимости проводитьиспарение анализируемой пробы в эффузионном режиме, определяемом иэусловия (1) .Соотношение (2) для случая М 1 смс привлечением данных по температурным зависимостям упругости паров веществ приводит к тому, что температура испарения анализируемого веществане должна превышать некоторой предельной температуры Т , выше которой нарушается эффузионный режим истечения молекул. В таблице представлены расчеты Т для ряда соединений,Энергия Т, Кдиссоциациимолекул,эВ Ъ(Т =ЗОООК) / / р Вещество КС 1 4;4 10 -10 900-1000800-900850-950800-9001000-1100 14 7 10 -10 10 -10 4,8 4,4 ЬС 1 КЪС 1 4,4 10 -10 10 -1 О РЬО Из таблицы видно, что даже для таких достаточно труднолетучих (и обычных в химическом анализе) соединений, как хлориды щелочных металлов, Т оказалось намного ниже той максимальной температуры, до которой можно было бы нагреть стенки атомизатора, выполненного, например, из вольфрама или графита, и тем самым осу-ществить более эффективную атомизацию пробы. Это противоречие решается с помощью предлагаемого способа атомизации в вакууме, в котором осуществляется локальный нагрев стенок атомизатора, что позволяет проводить гибкую программу нагрева атомизатора1223 5и тем самым осуществить испарение пробы в оптимальном температурном режиме и создать оптимальные температурные условия атомизации молекул пробы. 5Для проведения численной оценки преимуществ предлагаемого способа атомизации пользуются экспериментально7установленным для низких давлений выражением для константы скорости дис 10 социации К двухатомной молекулы по бимолекулярному механизму столкновений с газом раэбавителем, или со стенками атомнэатора где К - постоянная Больцмана;и - показатель степени, равный0,5 - 0,4 для большинствамолекул.Поскольку частота столкновенийдиссоциирующих молекул со стенкамиатомизатора пропорциональна корнюквадратному из температуры, то вероятность атомизации молекул Р (Т)при ее столкновении со стенкой пропорциональна Т "ах (-ПЬТ).В таблице представлены рассчитанные значения отношений Рпри Т = 3 рЭОООК и Р приИэ таблицы видно, что вероятность.атомизации молекул при единичном стол,кновении со стенкой, имеющей температуру ЗОООК более, чем на 10 порядков,больше вероятности атомизации молекулЗ 5.при единичном столкновении со стенкойимеющей температуру Т .Таким образом, с помощью предлагаемого способа, в том случае, если 4 Онеобходимо сохранить эфФузионный режим истечения пробы более, чем на10 порядков, может быть улучшен нредел обнаружения при анализе сравнительно легколетучих веществ,094 ЬЕсли в пробе присутствуют несколько соединений одного и того же элемента, возникают сложности с эталонированием, поскольку энергии диссоциации, а значит и степени атомизации таких молекул различаются. Причем при высоких температурах атомнзаций, степени атомизации двух различных соединений различаются в меньшей мере, чем при низких температурах. Если при таком составе пробы проводить эталонирование только по одному из этих соединений, то возникает систематическая погрешностьь О/ЫТ, пропорциональная разности энергий диссоциации Ь Э анализируемых соединений.Таким образом, повышение температуры атомизации молекул анализируемого элемента снижает значение возможной систематической погрешности и, следовательно, улучшает правильность анализа. Формула изобретения Способ атомизации веществ в вакууме, включающий внесение пробы в атомизатор, нагрев атомиэатора световым излучением, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения правильности анализа и уменьшения пределов обнаружения определяемых атомов, создают градиент температуры по длине атомизатора с увеличением ее к выходному отверстию атомиэатора путем локального облучения световым пучком эоны атомизатора вблизи выходного отверстия или нескольких зон поверхности световыми пучками, интенсивность которых последовательно увеличивают в направлении к выходному отверстию, при этом размеры сечения световых пучков на поверхности атомизаторов не превышают его диаметра.