Способ лазерного атомно-абсорбционного спектрального анализа (его варианты)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СоветскихСоциалистическикРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 03,1280 (21) 3211466/18-25 (31 М. Кл. с присоединением заявки Мо С 01 й 21/62 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытийДата опубликования описания 28 Р 2,83 72) Авторы изобретен(71) Заявите Ордена Трудового Красного ЗнамениАН Белорусской СССР нститу 54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО АТОМНО-АБСОРБЦИОННОГ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА (ЕГО ВАРИАНТЫ) пектраль- атомноанализу мизацией . рнодобы- ашиностров ального анаиэлучениемой генерацииь анализа проая (не болеетах лазернойельный пределно большаябина поражек Изобретение относится к сному анализу, в частности кабсорбционному спектральномутвердых проб с лазерной атои может использоваться в говающей, металлургической, мительной, 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 1).К недостаткам спектрлиза с испарением проблазера в режиме свободнотносится: невозможностэрачных материалов., мал1 ) доля паров в продукэрозии, высокий относитобнаружения, сравнительсотни микрометров )глуния за один импульс.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ лазерного атомно-абсорбционно го анализа, включающий испарение исследуемого образца излучением лазер в моноимпульсном режиме, просвечива ние образующегося при этом факела и регистрацию спектров поглощения.2Недостаток известного способавысокий относительный предел, составляющий не менее 10 4,Причина этого недостатка - малоеколичество вещества, испаряемого за один импульс лазера, движение и раз лет атомного пара в виде факела большом телесном угле.Цель изобретения - уменьшениепредела обнаружения элементов в веществе путем увеличения плотности и ров в факеле.Поставленная цель достигаетсясогласно способу атомно-абсорбцион- О ного 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 участ образца, предварительно обработанный до образования лунки, на дно лун ки Согласно второму варианту способатомно-абсорбционного спектралЬногоанализа укаэанная цель и получениеаналитической информации с поверхностных образцов достигается тем, что лазерное излучение направляют на поверхность образца через отверстие вдиафрагме, имеющее форму лунки. Кроме того, размеры лунки удовлетворяют условию: д/х = 0,875-1,14,где Й - диаметр лунки,х - глубина лунки. сравнению с прототипом, поскольку лазерное излучение направляют на днолунки. За счет уменьшения угла разлета паров по примерно постоянной ихмассе) в лунке оптимальной формы и 15 размеров растет плотность паров в факеле по сравнению с прототипом. Размеры и форма лунок, обеспечивающихмаксимальное поглощение факела в линиях исследуемых химических элемен 20 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 устройстваоптимальные размеры лунки постоянны. 25 Лунку можно изготовить также лазером,30 излучение которого испаряет анализируемое вещество. При этом лазерноеизлучение автоматически направленов центр лунки. Однако для формирования лунки оптимальных размеров необходимо произвести не менее нескольких 35 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 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 55 формы в пластине, материал которой не содержит исследуемых химических элементов. Пластина герметично присоединяется к поверхности образца, которая в результате этого играетроль дна лунки. На эту поверхность направляется лазерное излучение. Факел, образующийся в результате первого импульса на поверхность образ ца имеет ту же плотность паров, что 60 Лунка служит для уменьшения телесного угла разлета атомного пара по и факел с дна лунки оптимальной формы, и более высокую, чем в прототипе при той же плотности мощности лазерного излучения. Это позволяетиспользовать 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 поплощади поражения, речь идет об увеличении локальности по толщине образца.На фиг. 1-7 представлены экспериментально полученные зависимости поглощательной способности анализируемых, атомов от параметров лунки,П р и м е р 1. Измеряют поглощательную способность лазерного факела,получающегося при поражении металлических образцов сфокусированнымизлучением лазера ЛТИПЧ. Для этоголазерное излучение направляют на образец через флюоритовую линзу с фокусным расстоянием равным 30 мм, Лазер работает на основной длине волныгенерации 1,06 мкм с частотой 12,5 Гц.Лазерный факел, возникающий в точке поражения, просвечивают излучением спектральной лампы с полым катодомЛСП, работающей в импульсном режиме. Прошедшее факел излучение лампынаправляется в монохроматор, послекоторого регистрируется с помощьюфотоэлектрической приставки. Факелпросвечивают в тот момент, когда излучение линий элементов, по которымпроводят измерение поглощения, былона порядок меньше, чем излучение лампы и не оказывает помех в атомнойабсорбции. В лазерном факеле атомымеди, хрома, некоторых других элементов поглощают свет в несколькораз большее время,чем излучают. Поэтому абсорбцию измеряют сразу послепрекращения свечения факела при вышеуказанном условии.Интенсивность светового импульса,испытавшего поглощение, измеряют вразличные моменты времени после начала поражения образца. В течение12-20 мин работы лазера в образцес первоначально плоской поверхностьювозникает лунка глубиной 0,35-0,4 мми таким же диаметром. Соответственновозрастает 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 различныхматериалов. От экспериментальных точек отложены: среднеквадратичноеотклонение значення и период, закоторйй измерялась совокупность точек,содержанием и свойствами при испарении их лазером в моноимпульсном режиме растет в 2-6 раэ до максимума.П р и м е р 2, Измеряют поглощательную способность лазерного факела в линии Со 1324,75 нм от времени поражения образца лазерным иэлу 20 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- З 0 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 на 45 правляют перпендикулярно поверхностилунки и образца, т,е. в центр лунки,форма которой близка к коническойс вершиной, направленной внутрь образца. 50 Поглощательная способность Факела из искусственной лунки с оптимальными размерами сразу после пораженияпервыми импульсами лазера имеет при"мерно 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). За 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 Сц 1324,75 нм для медного образца; 2 то же для латуни; на фиг. 2 - той же, 5 для алюминиевого сплава АМГ-б с содержанием меди 0,17) на фиг.3 - поглощательная способность линии хрома Сг 1357,9 нм для сплава на основе никеля ЖС-б, хрома 17. 10Временной ход полного поглощения свидутельствует о том, что суглублением лунки поглощательная способность меди и хрома в сплавах с их различным нала сокращается в 5-10 раз по сравнению с временем, необходимым дляпредварительного облучения лазеромЛТИПЧ 8.П р и м е р 3. Проверяют возможность достичь высокой поглощательнойспособности при анализе поверхностных слоев образца из меди путем присоединения к нему алюминиевой пластинки и поражении в сквозное отверстие этой пластинки, прикчеенной кповерхности образца с помощью битума.Отверстие в пластине пробивают текже лазером, который испарял образецдля анализа, с теми же параметрами,что в примере 1.На фиг. б приведена зависимостьпоглощательной способности от времени поражения в случаях, когда толщина алюминиевой пластинки меньше оптимальной глубины лунки - 0,25 мм(кривая 8) и близка к оптимальнойглубине лунки - 0,4 мм (кривая 9);там же изображена поглощательнаяспособность 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 бытьблизок к оптимальному.Математический анализ увеличенияпоглощательной способности факела приуглублении лунки показал, что уменьшение телесного угла разлета пароводна из основных причин улучшенияпоглощательной способности в предлагаемом способе. Причем максимальныйэффект достигается при значениях диаметра лунки к ее глубине в пределах0,875-114.Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет в 2-6 разувеличить поглощательную способностьлазерного факела, что обеспечиваетснижение относительного предела обнаружения в столько же раз.Кроме того, используя второй вариант способа, можно получать аналитическую информацию с поверхностныхслоев образца.Формула изобретения1. 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 щ и й с я тем, что, с целью уменьшения пределов обнаружения элементов в веществе путем увеличенияплотности 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 образцаизлучением лазера в моноимпульсном режиме, просвечивание образующегося при.этом факела и регистрацию спектров поглощения, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью уменьшения пределов обнаружения элементов в веществе путем увеличения плотности паров в факеле и получения анали тической информации с поверхностных слоев образца, лазерное излучение направляют на поверхность образца череэ отверстие в диафрагме, имеющееформу лунки,3. Способ по пп. 1 и 2, о т л ич а ю щ и й с я тем, что размерылунки удовлетворяют условию ВЬ.-д 0,875-1,14,где д - диаметр лункиХ - глубина лунки. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США Р 4182574,кл. 6 01 3 3/30, О 01 4 3/42, опублик.1979.2. Сухов Л.Т Золотухин Г.Е. Лазерная атомиэация при анализе слоевметалла. - "Журнал прикладной спектроскопии", т, 30, 1979, 9 1, с. 1114 .(прототип),атвее Корректор С.Шек е це одпи а Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектна Составите ор И.Ковальчук Техред О217/6 Тираж 871 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Р