ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2007, том 41, № 4, с. 319-324
-- ПЛАЗМОХИМИЯ
УДК 543.423
СРАВНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ИНТЕНСИВНОСТЕЙ АНАЛИТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ В ДВУХСТРУЙНЫХ ДУГОВЫХ ПЛАЗМОТРОНАХ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В АТОМНО-ЭМИССИОННОМ АНАЛИЗЕ
© 2007 г. С. Б. Заякина, Г. Н. Аношин
Институт геологии и минералогии Сибирского отделения Российской академии наук 630090, Новосибирск, просп. Академика В.А. Коптюга, 3 E-mail: zayak@uiggm.nsc.ru Поступила в редакцию 12.05.2006 г.
Приведены результаты исследования аргоновых двухструйных дуговых плазмотронов ДГП-50 и нового ЭДП-355, применяемых в атомно-эмиссионном анализе геологических проб. Для каждого плазмотрона проведено измерение распределений по высоте факела температуры и интенсивно-стей аналитических линий благородных металлов (БМ). Показано, что при одинаковых расходах плазмообразующего газа в плазмотроне ЭДП-355 достигается более высокая температура, чем в плазмотроне ДГП-50. Уменьшение расхода плазмообразующего газа в плазмотроне ЭдП-355 приводит к усилению аналитических линий БМ в 1.5-2 раза. Исследования показали, что плазмотрон ЭДП-355 представляется перспективным источником для эмиссионного спектрального анализа при определении благородных металлов.
Атомно-эмиссионный спектральный анализ -самый информативный метод исследования вещества. Результаты анализа во многом определяются параметрами плазмы источников, применяемых для атомизации и возбуждения спектра определяемого элемента. Настоящая работа посвящена определению температуры возбуждения в двухструйных дуговых плазмотронах различной конструкции и установлению влияния этого параметра плазмы на аналитические возможности источника возбуждения спектров.
При геологических и геохимических исследованиях особый интерес вызывают установки, позволяющие проводить элементный анализ непосредственно из твердофазных порошковых образцов. Высокая температура плазмы двухструйного плазмотрона дает возможность определять широкий круг элементов одновременно.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Оригинальная экспериментальная установка для атомно-эмиссионного анализа геологических проб подробно описана нами в работах [1-4]. В нее входят следующие основные блоки: источник возбуждения спектров (аргоновый дуговой двухструйный плазмотрон), два спектрографа: модернизированный дифракционный спектрограф ДФС-458-С, диапазон длин волн 190-370 нм для решетки 1800 шт/мм (АХ/1 = 0.5 нм/мм) [5] и дифракционный спектрограф ДФС-8 (АХ/1 = 0.3 нм/мм).
В кассетных частях спектрографов помещены многоканальные анализаторы эмиссионных спектров (МАЭС) на основе фотодиодных линеек для преобразования оптических сигналов в цифровую форму, которая затем передается для дальнейшей обработки в компьютер.
МАЭС выпускаются ООО "ВМК - Оптоэлек-троника" (г. Новосибирск). МАЭС зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений (№ 21013-01 сертификат RU.C27.003A. № 9760). Работа установки поддерживается пакетом прикладных программ "АТОМ" (подробно комплект программ и его возможности описаны в [1-3]).
Отличие данной установки от аналогичной [6] заключается в том, что два дифракционных спектрографа расположены на одной оптической оси. Применение двух спектрографов позволяет одновременно регистрировать участки спектра с различным разрешением, исключая наложения от матричных элементов. Факел плазмотрона находится на общей оптической оси спектрографов.
ПЛАЗМОТРОНЫ
Часть исследований выполнена на дуговом двухструйном плазмотроне ДГП-50 мощностью 10-15 кВт, конструкция которого разработана в 1970-х годах в Институте физики АН КиргССР [7]. Подробно плазмотрон и порядок работы с ним описаны в [8-10].
Плазмотрон ДГП-50 представляет собой две расположенные под углом 115-120° электродные головки. Каждая головка состоит из электрода (анода или катода) и сопла из трех медных охлаждаемых водой электрически изолированных диафрагм, обеспечивающих поджиг и формирование плазменных струй. Регулирование мощности плазмотрона производится изменением тока дугового разряда. Источник питания плазмотрона - стандартный выпрямитель с напряжением холостого хода 300 В, ток 90 А. Основными его недостатками являются недостаточная стабилизация выходного тока, обусловленная изменением сопротивления дуги со временем и нестабильностью сети; низкий КПД (20-30%), связанный с большими потерями мощности на стабилизирующем элементе.
Автоматизированный плазмотрон ЭДП-355 для атомно-эмиссионного спектрального анализа порошковых проб изготовлен малым предприятием "Медтех", входящим в ООО "ВМК-Опто-электроника", г. Новосибирск.
Конструкция электродных головок плазмотрона ЭДП-355 разработана в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН [11], некоторые конструктивные доработки и усовершенствования внесены В.А. Герасимовым (Институт неорганической химии СО РАН). Плазмотрон ЭДП-355 состоит из двух электродных головок, каждая из которых представляет собой однокамерный плазмотрон линейной схемы и состоит из двух основных узлов: водоохлаждаемого корпуса со сменным промежуточным (пусковым) электродом и блока основного электрода (катода или анода) В пусковом электроде формируется струя плазмообразующего газа.
Технические характеристики плазмотрона ЭДП-355: мощность до 12 кВт, максимальный ток дуги 120 А, напряжение на дуге до 100 В, расход рабочего газа (Аг) > 0.05 г/с, расход охлаждающей воды 100-150 г/с.
Система питания двухструйного плазмотрона ЭДП-355 обеспечивает: поджиг дугового разряда в аналитическом промежутке, регулирование и стабилизацию тока дуги разряда, генерирование искровых импульсов для устройства подачи пробы.
Компьютерное управление позволяет оперативно задавать режимы работы системы питания двухструйного плазмотрона. Оптоволоконная связь с управляющим компьютером обеспечивает гальваническую развязку по цепям управления и полную защиту от электромагнитных помех.
Мы провели исследование распределение температуры возбуждения по высоте в факелах обоих конструкций плазмотронов и сравнили распреде-
ления интенсивностей аналитических линий благородных металлов.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
Температуру во всех случаях измеряли по относительной интенсивности линий (метод Орн-штейна). Этот метод широко применяется для характеристики плазмы, находящейся в локальном термодинамическом равновесии [12-14]. Основное уравнение этого метода получается из уравнения интенсивности линии. Формула для определения температуры по паре линий одного элемента одной степени ионизации с учетом значения атомной константы к и переходом к десятичным логарифмам, имеет вид:
Т = 5040Е - £х)Л8 {(ад/МЬ
где а1 = ; а2 = Л2<?2/^2, индекс 1 относится к
линии с меньшей энергией возбуждения, 2 - ко второй линии в термометрической паре.
Точность определения тем выше, чем больше разница Е2 - Ех. Для определения температуры мы взяли несколько пар атомных линий железа, атомные константы которых приведены в [15].
РЕЗУЛЬТАТЫ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ФАКЕЛА ПЛАЗМОТРОНА ДГП-50
Как установлено нами в [16], факел двухструй-ного плазмотрона неоднороден по температуре. При анализе это проявляется в том, что интенсивность спектральной линии одного и того же элемента в разных по высоте участках факела различна. Для уточнения этого факта нами проведено сканирование излучения центральной осевой части факела по высоте. Особые возможности для исследования факела двухструйного плазмотрона обеспечивает использование двухстрочного МАЭС, который позволяет одновременно регистрировать два спектра от участков плазменного факела, отличающихся по высоте на 2 мм. Программное обеспечение позволяет получать результаты как по каждой строчке отдельно, так и усреднять результаты обоих измерений. За основание факела принято положение электродных головок, при котором на нижней линейке регистрируется спектр на уровне фона, а на второй линейке регистрируется интенсивный спектр.
Осветительной системой добивались четкого изображения факела в плоскости щели спектрографа. Щелью спектрографа вырезалась вертикальная осевая часть изображения факела. Ширина щели составляла 15 мкм, высота 3 мм. С помощью микрометрического винта горелку плазмотрона перемещали в вертикальном направлении с шагом 2 мм, ре-
гистрируя спектр излучения в каждом положении. При изучении распределений использовали стандартный образец СОГ-13-4, содержащий железо и благородные металлы в концентрации 10-4 мас. % каждого элемента.
Проведя расчеты по нескольким парам линий железа, мы получили распределение температуры по высоте факела в центральном сечении. Результаты представлены в табл. 1. Средние значения температуры Гсред приведены с симметричными границами доверительного интервала А для уровня
значимости а = 0.05: А = ^ аа/ТП, где t, а - коэффициент Стьюдента, / - число степеней свободы (количество термометрических пар линий), п - число единичных измерений в каждой термометрической паре линий, стандартное отклонение а = {£(Гсред -- Т)2/(П - 1)}-05, коэффициент вариации (относительное стандартное отклонение) V, % = 100а/Тсред.
Измерения по парам линий вольфрама дают близкие значения температур. Определив распределения температур, можно выбрать оптимальные зоны свечения факела, где интенсивность аналитических линий определяемого элемента будет максимальной и, следовательно, более высокой чувствительность анализа. Очевидно, что изменение интенсивности линии в большей степени зависит от изменения условий возбуждения и, в первую очередь, от температуры плазмы.
Одновременно с определением температуры регистрировали распределения интенсивностей аналитических линий золота, палладия и платины (рис. 1.) Из рисунка видно, что максимальная интенсивность линий благородных металлов наблюдается на высоте 9-12 мм от основания факела. Это вблизи зоны слияния плазменных струй, где наблюдается максимум в распределении температур.
Таблица 1. Распределение температуры по высоте факела плазмотрона ДГП-50. Н - высота от основания, N -число пар линий, V - коэффициент вариации (относительное стандартное отклонение)
H, мм ^сред ± ^ К N V, %
3 4500 ± 300
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.