Способ контроля степени чистоты раствора

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик н 11957074(61) Дополнительное к авт. сеид-ву - (22) Заявлено 12.01. 81 (21) 3235315/18-25 с присоединением заявки Мо -51 М. Клз С 01 И 21/64 Государственный комитет СССР но делам изобретений и открытий(088.8) Дата опубликования описания 0709,82(72) Авторы изобретения 1с 71) Заявитель Ордена Трудового Красного Знамениинститут физики Белорусской ССР) СПОС ОНТРОЛЯ СТЕПЕНИ ЧИСТО РАСТВОРА 2 уж- мов зу-. люмии иния 5Изобретение 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 однойиз 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 и чаемых объектовНаиболее близким к предлагаемому по техйическому решению является способ контроля степени чистоты раствора путем импульсного возбуждения, регистрации временных характеристикнесцентного свечения эталонногосследуемого растворов и определеконцентрации примеси . Известный способ основан на сравнении раздельно определяемых времен жизни возбдаеьых состояний люминесцирующихлекул в эталонном и исследуемомрастворах 121.Недостатком способа является низкая чувствительность контроля.Цель изобретения - повышение чу О. 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 интенсивностямисвечения эталонного и исследуемогорастворов и по форме первого экстремума этой разности определяют концентрацию примеси.На фиг.1 изображен набор разностных сигналов свечения эталонного иисследуемых растворов; на фиг.2зависимость амплитуды разностногосигнала, нормированной к амплитудеимпульса свечения, от разности времени жизни возбуждаемых люминесцирующих молекул в эталонном и исследуемом растворах; на фиг,З - схема экспериментальной установки для реализации способа. 5Установка состоит из лазера 1 наазоте, лазера 2 на красителях, кювет для растворов 3 и 4, монохроматоров 5 и б, фотоумножителей 7 и 8,блоков электрических задержек 9 и 1 О10, осциллографа 11, самописца 12 и дискриминатора 13 шума.ДЛя пояснения основной идеи способа, допустим, что имеется два типа экспоненциально затухающих свеченийциР: р еи Г = Р е (два Флуорес 31цирующих 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) д = " - С, которое много меньше ,и(д Г, С).Естественно, что при непосредственном измерении кривых затухания различия между временамии 7 обнаружить не удается, так как нельзя измерить отличие по амплитуде обоих импульсов флюоресценции, которая Зоси самой амплитуды. Покажем, что эта задача может быть решена, если регистрировать разность двух сигналов Е- Г,Разностный сигнал-Ф,/, - Ь/С 1 (1) 35 представляет собой импульс с максимумом момент времениГг: в ,. 1 п , (2)1 Я.щах 4 Охарактеризуя длительность импульсадй удвоенным временным расстоянием от максимума до точки перегиба (вйточке перегиба =0 ), получаем,45что длительность импульса разностно. го сигнала равнад1 фгф 1д.1 "= - " (=Й йс(х дГ 50Как видно из (3), при сокращении д величина д 1 уменьшается, однако при д с тдлительность измеряемого сигнала переотает зависеть от дТ и становится равнойдФ,.л г"(дс,) "" у " ф. "1 (4)Это означает, что даже при очень малом различии времен затухания двух процессов (дГ) разностный импульс имеет достаточно ббльшую длительность М в 2 Г и может быть измерен аппаратурой с временным разрешением д 8 ь.Как видно из предыдущего, длительность измеряемого разностного импульса дС при д 7 7 не несет информации об искомой величине д" . Такая информация может быть получена при измерении относительной амплитуды разностного импульса, которая при этом условии, согласно (1) и (2), прямо пропорциональна4 "о=е-" -(5) Из сказанного следует, что минимально измеримая разность двух временд,определяется не временным разрешением аппаратуры (на которое накладывается значительно более простое требование О), а ее амплитудным разрешением. Поскольку в данном методе используется цифференциальный способ измерения разностного сигнала, можно легко обеспечить измерение величин дР/Рв"10 и менее.Следовательно, определяемая такимспособом разность времен затухания составляет:гЭто означает, что в случае наносекундных времен затухания свечения можно надежно измерять разницу времен затухания в несколько десятков пикосекунд.Способ реализуется следующим образом (фиг.З).Возбуждение свечения осуществляется лаэером 1 на азоте (Рщр.=0,5 МВт;2,4 нс; К,п=150 Гц) или накачйваемым им лазером 2 на красителях. Свечение объектов 3 и 4 проходит через монохроматоры 5 и б (дисперсия 14 А/мм) и регистрируется фотоумножителями 7 и 8 (18 ЭЛУ-ФС, временное разрешение 1 нс). Электрический сигнал с фотоумножителей через электрические задержки 9 и 10 поступает надвухканальный стробоскопический осциллограф 11 (С 7-11, 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 (К), либо самописцем, на вход которого оба импульса поступают в противофазе через дискриминатор 13 шумаИзмерение 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 6вестному способу при= .10 нс минимальное по величине отличие 7 отС, , которое можно измерить, состав-ляет,1 нс, то по предлагаемому спо-собу можно зарегистрировать д,075 (фиг.1) т.е. чувствительность измерения ьь, а,: гледовательно, 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 дР;измеряют амплитуду импульсов Р,нормируют ьР к амплитуде импульса свечения Ро (т.е. находят параметр дР /Грд); из теоретически рассчитанной завйсимости Ь Г/Е =Хфиг.2) по экспериментально определенному ьГ / Гоп находят д 7; из известной зависимости Штерна-ФольмеРа, записанной в виде" аае1 1 (где ь 1 - время жизни возбужденного состояния эталонного раствора; к - . константа), определяют С - концен.трацию добавки.П р и м е р . Данный способ экспериментально реализован для измерения концентрации тушителя К 1 в растворе родамина В в этаноле. Время жизни возбужденного состояния т чистого раствора родамина В в этаноле (С = 10М) .составило 4,2 нс. При добавлении тушителя К 1 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 К 1 составила 5 1(ГМ.Таким образом, предлагаемый способ позволяет увеличить точность измерения ьт и, следовательно, новы- сить чувствительность контроля степени чистоты раствора. Если по из Способ контроля степени чистотыраствора путем импульсного возбужде 15,ния, Регистрации временных характеристик люминесцентного свечения эталонного и исследуемого растворов иопределения концентрации примеси,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения чувствительностиконтроля, предварительно измеряюти выравнивают амплитуды импульсовсвечения обоих растворов, а затемизмеряют временные характеристикиразности между интенсивностями свечения эталонного и исследуемого растворов, и по форме первого экстремума этой разности определяют концентрацию примеси.Источники информации,ЗО принятые во внимание при экспертизе1. Степанов Б.И., Грибковский В.П.Введение в теорию люминесценции .Минск, изд-во АН БССР, 1963, с.224,2. Теренин А.Н. Фотоника молекул35 красителей, Л.,фНаука", 1976, с.452Заказ д,4 иал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная,4 586/31 ТирВНИИПИ ГосУдарспо делам изоб 13035, Москва, Ж 887 Подпиенного комитета СССРтений и открытий5, Раушская наб /