Типы детекторов атомно-эмиссионных спектрометров. Принцип их действия

Способы выделения аналитических спектральных линий элементов из полихроматического излучения анализируемого образца. Схема и принцип действия монохроматора дисперсионного типа.

Анализаторы (монохроматоры или спектральные приборы) - устройства, предназначенные для разделения светового пучка на вхо­дящие в него монохроматические компоненты. Основными элемента­ми этих устройств являются призмы или дифракционные решетки. В самых простых приборах, предназначенных для анализа 1-3 элеме­нтов с простыми спектрами, применяют анализаторы со светофильт­рами, имеющими узкую полосу пропускания.

Задача спектрального прибора состоит в том, чтобы из излуче­ния, испускаемого анализируемым веществом, выделить характерис­тические спектральные линии, принадлежащие отдельным элементам, входящим в его состав.

Дисперсионные спектральные приборы (анализаторы) состоят из 3-х частей: входного коллиматора, диспергирующего элемента и выходного коллиматора с фокусирующим объективом.

Свет от источника 1 проходит через входную щель 2 в виде расходящегося пучка на калиматорный объектив 3. Щель располо­жена в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива 3 на расстоянии его главного фокуса, поэтому расходящиеся лучи от каж­дой точки щели, становятся параллельными. Параллельные пучки лучей падают на преломляющую грань призмы 4 или на дифракционную решетку. Пройдя через призму или отражаясь от решетки, эти пучки распадаются на множество параллельных пучков света различной длины волны. Диспергирующее действие призмы основано на зависимости ее показателя преломления от длины волны. Показатель преломления с увеличением длины волны уменьшается, поэтому

призма отклоняет короткие волны λ1, больше чем λ3. На дифракционной решетке, представляющей собой совокупность боль­шого числа регулярно расположенных штрихов (канавок, щелей, выступов), нанесенных тем или иным способом на плоскую или во­гнутую поверхность, падающий на нее фронт световой волны разби­вается штрихами на отдельные (когерентные) пучки, которые претер­пев дифракцию на штрихах, интерферируют под различными углами относительно угла падения всего неразложенного излучения, образуя реезультирующее распределение света по длинам волн - спектр излучения. (Когерентность света - взаимная согласованность протекания во времени световых колебаний в разных точках пространства и времени, характеризующая их способность к интерференции).

Существуют отражательные и прозрачные дифракционные решетки. В отражательных дифракционных решетках штрихи нанесены на зеркальную металлическую поверхность, и результирующая интерференционная картина образуется в отраженном от решетки свете. На прозрачных решетках штрихи нанесены на прозрачную стеклянную поверхность, и интерференционная картина образуется в проходящем свете. Дифракционная решетка в большей степени отклоняет длинные волны.

Фокусирующий объектив 5 собирает лучи каждой длины волны в соответствующих местах своей фокальной поверхности 6, на которой получается ряд изображений освещенного участка входной щели 2 в виде узких прямоугольников, параллельных друг другу и самой щели. Если входная щель 2 достаточно узкая, харак­теристическое излучение атомов представлено рядом узких отдельных полосок, являющихся монохроматическими изобра­жениями входной щели, т.е. спектральными линиями.

Если в фокальной плоскости 6 расположена фотопластинка, то можно зарегистрировать все линии широкой области спектра.

Детектирование излучения в атомно-эмиссионных приборах может проводиться тремя методами: визуально, с использованием фотографических детекторов (пленки или стеклянные пластинки с нанесенным на них слоем фотоэмульсии-слоя желатина), с использованием фотоэлектрических детекторов (преобразуют световую энергию в электрический сигнал).

Визуальное детектирование используется в простейших прибо­рах — стилоскопах, стилометрах. Глаз человека как детектор ограничен по диапазону воспринимаемого излучения и субъективен.

Фотографические детекторы — это пленки или стеклянные пластинки с нанесенным на них слоем фотоэмульсии - слоя желатина, в котором распределена взвесь кристаллов AgBr. Под действием излучения в эмульсии формируется т.н. скрытое изображение, а после проявления и закрепления вследствие выделения металисеского се­ребра в местах, на которое попало освещение, наблюдается почерне­ние эмульсии.

Обычные фотопластинки чувствительны к спектральным интер­вале от 230 до 500 нм. В более широкой спектральной области (≈ до 1000 нм) применяются т.н. сенсибилизированные пластинки.

Достоинства: -возможность одновременно регистрировать широкий спек­тральный интервал длин волн; -документальность; -кумулятивность, т.е. способность суммиронать во времени количество излучения, которое приводит к выделению серебра. Недостатки: низкая оперативность регист­рации, дополнительный расход реактивов, изменение параметром эмульсии при длительном хранении, нелинейность зависимости почернения от освещенности и времени экранирования, влияние почернения трудно учитываемых факторов (λ, Т, состав проявителя).

Фотоэтлектрическое детектирование основано на преобразо­вании световой энергии в электрический сигнал. Мерой интенсивности спектральной линии служит величина этого сигнала — сила тока или напряжение. Фотоэлектрические приемники реагируют на число фотонов, падающих на приемный элемент, и подразделяются на:

— приемники с внешним фотоэффектом, основанным на отрыве электрона от поверхности, на которую падает фотон. Это фотоэле­менты, фотоумножители^' (ФЭУ), электронно-оптические преобразо­ватели (ЭОП);

- приемники с внутренним фотоэффектом (увеличение электрической проводимости проводника под действие света) —фоторезисторы, фотогальванические приемники, фотодиоды.

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом состоит из фотокатода и анода, помещенных в колбу.

Под действием света из катода, покрытого слоем соединения щелочного металла (Cs₂O, Cs₃Sb, K₂CsSb и др.), вырываются электроны, которые, попадая на анод, за­мыкают цепь — гальванометр показывает наличие тока. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом чувствительны в широкой области спектра, имеют линейные световые характеристики и практически безынерционны. Однако чувствительность фотоэлементов с внешним фотоэффектом невелика, они хрупки и имеют т.н. темновой ток.

В фотоэлементах с запирающим слоем используется внутренний фотоэффект запирающего слоя, который образуется на границе между полупроводником и металлом или между двумя полу­проводниками. Запирающий слой пропускает электроны практически лишь в одном направлении и не пропускает в другом.

излучение Сu₂O

Cu

Например, в купроксном фотоэлементе электроны, находящиеся в оксиде меди, возбуждаются под действием света и через запирающий слой переходят в медь, однако обратному переходу электронов запирающий слой препятствует. Это приводит к тому, что медь заряжается отрицательно, а оксид — положительно. При замыкании такой системы во внешней цепи появляется ток. Характерным свойством фотоэлементов с запорным слоем является возникновение тока под действием света без участия постороннего источника напряжения. Характерным свойством фотоэлементов с запорным слоем является возникновение тока под действием света без участия постороннего источника напряжения. Достоинства: высокая чувствительность, безынерционносгь, широкий спектраль­ный диапазон и простота конструкции. Недостатки: нелинейность световой характеристики, температурная зависимость фототока.

Более высокую чувствительность имеют фотоумножители, действие которых основано на внешнем фотоэффекте и вторичной электронной эмиссии. Фотоумножитель состоит из фотокатода и нескольких дополнительных электродов (динодов, эмиттеров), соединненых между собой.

На каждый динод подается напряжение на 90 В большее, чем на предыдущий. Электрон, выбитый из фотокатода под действием фотона, попадает на первый динод и вызывает эмиссию электронов, которые устремляются ко второму диноду и снова вызывают испус­кание электронов и т.д. Фотоумножители дают усиление в 105-106 раз. В заводских и научно-исследовательских лабораториях наиболее часто применяются трехпризменный спектрограф ИСП-30, спе­ктрометр ИСП-51, стилометр СТ-7 с тремя призмами и окуляром­фотометром, стилометр фотоэлектрический ФЭС-1, кваптометры ДФС-8, ДФС-10, ДФС-13. В последнее время появился прибор «Спектр-3-П1», который может работать как в режиме атомно-эмис­сионного, так и в режиме атомно-абсорбционного спектрометра. В нашей лаборатории есть прибор AAS-1, также способный работать в обоих режимах.

Дата добавления: 2015-06-04