Техника спектрального анализа

3.7.1. Источники излучения.

К источникам излучения, применяемым при спектральном анализе, предъявляются высокие требования. Источник должен обеспечивать достаточную яркость, давать хорошую воспроизводимость и точность анализа, работать в необходимом спектральном диапазоне, обеспечивать чистоту спектра.

Источники излучения могут иметь непрерывный и линейчатый спектры.

Для анализа на щелочные и щелочноземельные элементы применяются пламена: ацетиленово-воздушное, ацетиленово-кислородное, пламя светильного газа. Они дают линейчатый спектр при температуре 1500-3300° С. Применяются как для качественного так и для количественного анализа.

Для количественного спектрального анализа металлов и сплавов наибольшее распространение получила конденсированная высоковольтная искра, которая дает не только молекулярные спектры, но и спектры ионизированных атомов. Воспроизводимость анализа достигает 1%.

Простым и распространенным источником для качественного и количественного анализа руд и минералов является электрическая дуга постоянного тока, которая имеет линейчатый спектр и дает температуру паров 3500-8000°С. Она может работать с угольными и металлическими электродами. Однако из-за неустойчивого горения не дает таких воспроизводимых результатов как другие источники, поэтому для количественного анализа используется дуга переменного тока. Она дает спектральные линии с более постоянными и воспроизводимыми относительными интенсивностями.

Значительную группу источников составляют газосветные лампы. Обычно используется инертные газы He, Ne, Ar, дающие линейчатый спектр.

Для работы в ближней ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях используется лампы накаливания, которые дают сплошной спектр и характеризуются равномерным распределением энергии в спектре.

В инфракрасной области используют штифт Нернста и глобар, которые дают сплошной спектр. Штифт Нернста обладает высокой излучательной способностью и при температуре 1500°С спектральное распределение его энергии практически совпадает с распределением энергии АИТ. Глобар при λ>10 мкм имеет большую излучательную способность, чем штифт Нернста.

Для проведения анализа жидкостей по спектрам комбинационного рассеяния применяют ртутные лампы высокого давления. Их основное достоинство – большая яркость излучения; недостаток – значительный непрерывный фон.

Для анализа газов применяются ртутные лампы низкого давления, дающие линейчатый спектр. Для люминесцентного анализа и анализа по спектрам комбинационного рассеяния применяются лазеры.

3.7.2. Осветительные системы.

Осветительная система обычно представляет собой линзовый или зеркальный конденсор, проектирующий изображение источника на входную щель коллиматора. Конденсорные системы бывают большей частью однолинзовые или трехлинзовые. В качестве однолинзовых конденсорных систем используется сферические, цилиндрические и сфероцилиндрические линзы. Недостаток этого способа освещения – неравномерность освещения щели по высоте, поэтому однолинзовые системы используются при качественном спектральном анализе.

Более широкое распространение получила трехлинзовая конденсорная система, которую применяют в тех случаях, когда источник света обладает неравномерной яркостью. Источник излучения первой линзой проектируется на вторую, перед которой установлена диафрагма. Назначение этой линзы – дать изображение первой линзы на щели, равномерно ее освещая. Для устранения диафрагмирования внутри спектрального прибора служит антивиньетирующая линза, расположенная непосредственно перед щелью и, дающая изображение диафрагмы на объективе коллиматора. Трехлинзовая конденсорная система применяется при количественном спектральном анализе, когда необходимо соблюдение условий равномерного освещения щели и ее изображения по всей площади. (Рис.4.13.а).

Для инфракрасной и ультрафиолетовой областей применяют зеркальные осветительные системы. (Рис.4.13.б.).

Сочетание зеркального линзового конденсоров позволяет вдвое увеличить количество света, поступающего в прибор.

При атомно-абсорционном анализе часто возникает задача исследования нескольких резонансных линий. Одним из путей ее решения является оптическое сопряжение излучений различных источников в один световой поток. (Рис.4.13.г.).

В спектрометрах для анализа спектров комбинационного рассеяния, характеризующихся малой интенсивностью рассеянного света, важно максимально использовать энергию исследуемого излучения. Для этого необходимо, чтобы конденсор проецировал переднюю стенку кюветы в плоскость щели. При такой установке свет от стенок кюветы не попадает в монохроматор (Рис.4.14).

3.7.3 Приёмно-регистрирующие системы.

Приёмно-регистрирующая система (ПРС) предназначена для формирования на приемнике разложенного в спектр излучения и его регистрации. ПРС состоит из приемника излучения, электронно-регистрирующего устройства и индикатора.

В современных спектральных приборах используется три основных способа регистрации излучения – визуальный, фотографический и фотоэлектрический.

Визуальный способ применяется для качественной оценки спектра юстировки приборов.

Фотографический способ дает возможность одновременно регистрировать большое число спектральных линий (до 5000 линий на фотопластинке длиной 5 см) и получать объективную регистограмму для последующей обработки. Однако не линейность световой характеристики ограничивает диапазон измерения световых потоков, использование фотопластинок в УФ и длинноволновой ИК областях затруднительно, а ошибки при фотометрической обработке снижают точность измерений интенсивности спектральных линий.

Фотоэлектрический способ обладает более высокой чувствительностью и временным разрешением. При фотоэлектрической регистрации можно непосредственно получать результаты измерений в виде регистограмм, так и, в виде числовых отсчетов. Применение фотоэлектронных и особенно тепловых приемников позволило расширить спектральный диапазон измерений длинноволновую область спектра. Фотоэлектрические измерения легко поддаются автоматизации, а их результаты – машинной обработке.

Вместе с тем эти методы достаточно сложны, большинство их обеспечивает получение в каждый момент времени одного спектрального элемента, а многоканальные фотоэлектрические приборы – квантометры - дороги и сложны.

В качестве приемников излучения для УФ, и видимой ИК (ближней) областях спектра. Наиболее широко используется фотоэмиссионные приемники на внешнем фотоэффекте.

В средней и длинноволновой ИК областях спектра используются тепловые приемники - термоэлементы, болометры, опттико-акустические приемники.

В ПРС находят применение также электронно-оптические преобразователи с помощью которых производится преобразование спектра (чаще всего из ИК в видимую область) и усиление яркости изображения. Разрешающая способность ЭОП достигает значений до ста линий на 1 мм, временное разрешение до сек., коэффициент яркости до.

Регистрирующее устройство спектрометра состоит из приемника излучения, усилителя и стрелочного прибора, измеряющего фотопоток.

При малых световых потоках и нестабильных источниках излучения (дуга или искра) используются электронные схемы с суммированием фототока с помощью конденсатора. Сразу за предусилителем ставят накопительный конденсатор, который заряжается фототоком в течении всей экспозиции после чего напряжение на конденсаторе измеряется электрометром. Напряжение будет пропорционально интенсивности спектральных линий.

В квантометрах накопительные конденсаторы устанавливаются в каждом канале и подключаются к соответствующим приемникам. Одна из измеряемых линий служит внутренним стандартом, остальные линии – аналитические. Накопление фототоков происходит одновременно во всех каналах. После выключения источника излучения проводятся последовательное измерение напряжений во всех аналитических каналах и их сравнение с напряжением на конденсаторе в канале сравнения. Регистрирующий прибор записывает последовательно их значения, которые пропорциональные относительной интенсивности линий.

Регистрирующие системы спектрофотометров построены, как правило по двухканальным схемам (излучение из монохроматора поступает в канал сравнения и в канал с исследуемым образцом).

В качестве индикаторов в спектральных приборах используются электронно-лучевые трубки, стрелочные приборы, самопишущие приборы, цифропечатающие устройства.

Дата добавления: 2014-01-11