ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 76-79
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 661.666.4+546.261
УСТАНОВКА ДЛЯ АТОМНО-ЭМИССИОННОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА И МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СПЕКТРОВ
© 2004 г. Д. П. Сыченко, Н. Г. Внукова, В. А. Лопатин, Г. А. Глущенко, А. В. Марачевский, Г. Н. Чурилов
Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН Россия, 660036, Красноярск, Академгородок Поступила в редакцию 03.10.2003 г.
Описана установка для атомно-эмиссионного анализа с источником света на основе дугового разряда килогерцового диапазона частот. Приведена методика получения спектральной информации, сочетающая в себе достоинства фотографической регистрации и компьютерной обработки.
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ
Атомно-эмиссионный спектральный анализ является одним из наиболее популярных методов анализа элементного состава вещества [1]. Установка для спектрального анализа состоит из трех основных блоков: источника света, позволяющего переводить исследуемое вещество в состояние излучающей плазмы, оптического блока, позволяющего излучение разложить по длинам волн, и блока регистрации спектральной информации. Наряду с получением спектральной информации важной частью задачи является также ее регистрация и обработка. Существуют три системы регистрации: фотографическая; с помощью фотоэлектронных устройств; с помощью фотодиодных оптических датчиков. К недостаткам фотографической регистрации можно отнести необходимость трудоемкой химической обработки фотоматериалов. К слабым местам системы фотоэлектрической регистрации относятся трудность выделения слабых спектральных линий, а также недостаточно высокое разрешение. Использование фотодиодных оптических датчиков обычно приводит к снижению чувствительности регистрирующей системы. К достоинствам электронных методов регистрации можно отнести получение информации в цифровом виде. Это, в свою очередь, позволяет использовать персональные компьютеры и соответствующее программное обеспечение. Поэтому с учетом характеристик выпускаемых фотоприемников фотографическая регистрация остается пока наиболее предпочтительным методом. Актуальной остается задача совмещения системы регистрации с компьютерными технологиями. В данной работе мы приводим методику, позволившую нам совместить фотографическую регистрацию и обработку полученной информации в цифровом виде.
Исследования были выполнены на разработанной нами установке для атомно-эмиссионного спектрального анализа. Установка состоит из генератора переменного тока с частотой 44 кГц, устройства для подачи пробы, спектрографа PGS-2 и сканера для обработки полученной информации (рис. 1). Спектрограф PGS-2 с фотографической регистрацией имеет плоскую дифракционную решетку с 651 штрих/мм (дисперсия 7.4 А/мм). Сканер UMAX PowerLook 3000 обладает оптическим разрешением 3048 точек на дюйм.
В качестве источника света использован плаз-матрон, изготовленный из меди. Внешний электрод - одновитковый индуктор, внутренний - во-доохлаждаемый стержень [2].
Установка для атомно-эмиссионного спектрального анализа позволяет анализировать вещества как в жидком, так и в твердом состоянии. Для анализа жидких образцов объем проб обычно составляет 1-10 мл, а для твердых - 10-160 мг.
Си л ■ стема инз
Установка для подачи пробы
и
Ar
Сканер
Рис. 1. Структурная схема установки для атомно-эмиссионного спектрального анализа.
Наименование устройства Оптическая разрешающая способность, точек/мм Число градаций серого Динамический диапазон
UMAX PowerLook 3000 120 16384 (14 бит) 9
Микрофотометр ИФО-451 100 180 5
Фотодиодная линейка ФЭК-9 80 8192 (12 бит) 8.3
Фотодиодная линейка МАЭС-10 60 4096 (10 бит) 7.6
В данной установке плазмообразующий газ (аргон) является также и транспортным газом. Скорость подачи газа при анализе проб в твердом состоянии 1.5 л/мин, при анализе проб в жидком состоянии - 2 л/мин.
Устройство для подачи порошковых проб методом вдувания описано ранее [3]. Устройство позволило повысить точность анализа и воспроизводимость результатов: коэффициент вариации, рассчитанный по линии углерода на длине волны 2478 А, составил 1.6%.
Мы разработали также устройство для подачи пробы в жидком состоянии. Устройство включает в себя электродвигатель и механическое устройство, переводящее вращательное движение вала двигателя в поступательное движение поршня шприца, содержащего анализируемую пробу. Шприц заключен в ограничивающую камеру. Подача жидкости в разрядный промежуток осуществляется через металлический капилляр. Коэффициент вариации, рассчитанный по линии углерода в бензоле на длине волны 2478 А, составил 5%.
Способы регистрации и методы обработки спектров. Использование спектрографа PGS-2 позволяет применять как фотографическую регистрацию, так и регистрацию с помощью фотодиодных линеек. Были рассмотрены возможности следующих устройств: сканер UMAX PowerLook 3000, двухлучевой регистрирующий микрофотометр ИФО-451 и фотодиодные линейки (многоканальная оптическая регистрирующая система ФЭК-9, многоканальный анализатор атомно-эмиссион-ных спектров МАЭС-10). Были оценены оптическая разрешающая способность, число градаций серого и динамический диапазон. Под динамическим диапазоном здесь подразумевается величина, соответствующая десятичному логарифму отношений максимальной интенсивности к минимальной интенсивности точки, получаемой с устройства. Результаты сравнения приведены в таблице, откуда видно, что сканер UMAX PowerLook 3000 превосходит по характеристикам как микрофотометр ИФО-451, так и фотодиодные линейки.
3. ОПИСАНИЕ ВЫБРАННОЙ МЕТОДИКИ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Для автоматизации обработки спектральной информации, полученной фотографической регистрацией, мы разработали программу интерпретации оптических спектров (ПИРОС).
Для перевода спектрограммы в цифровую форму использовался сканер UMAX PowerLook 3000, работающий в режиме сканирования на просвет с оттенками серого.
Атомно-эмиссионный спектр можно представить как сумму гауссовых кривых. Гауссова кривая имеет четыре перегиба, для минимальной передачи каждого из этих перегибов требуется по три точки, соответственно для передачи формы кривой требуется, как минимум, 12 точек.
Экспериментально было установлено, что самые узкие линии на пленке имеют ширину не более 100 мкм. Значит на 100 мкм должно приходиться 12 точек при сканировании, что соответствует 120 точкам/мм. При сканировании спектра с меньшим разрешением не будет передаваться форма линии, т.е. будут вноситься искажения.
Число градаций серого или количество разрядов на точку желательно выбирать наибольшим (в данном случае 14 бит). Для предварительной обработки спектра можно использовать 8 бит на точку, что ускоряет процесс обработки спектра.
Программа ПИРОС позволяет выделять спектральные линии из спектра двумя методами.
Первый метод находит максимумы по интен-сивностям, полученным при обработке спектра сканером. Этот метод является достаточно быстрым, но не позволяет выделить плохо разрешенные линии.
Второй метод представляет спектр как сумму гауссовых кривых и подбирает параметры каждой гауссовой кривой так, чтобы их сумма совпадала с полученным спектром со сканера. Данный метод позволяет разделить слившиеся линии.
Программа ПИРОС позволяет выполнять обработку спектров, сохраненных в графическом формате TIF.
78
СЫЧЕНКО и др.
Рис. 2. Графическое изображение анализируемого спектра.
ш ШШВ
1 0« Operations bdp Hi
fx; ...........;...........
! 125; 26
1
1
I т 49; A---49; 23 f 63; 9
! .....1. "it" J / t 24; 135
i TV J \ A T 1 \ 9 J. ; 118 \J ^ J
Рис. 3. Изображение спектра, полученное после обработки программой ПИРОС. Цифры у вершин пиков - соответственно амплитуда и полуширина в относительных единицах.
Почернение, отн. ед. з581 195 а
Длина волны, А
Рис. 4. График зависимости почернения от длины волны в области линии Ре (3581.195 А) в следующих спектрах: 1 - пустой спектр (полученный без введения пробы в плазму); 2 - спектр фуллерена, синтезированного без Ре; 3 - спектр фуллерена, синтезированного с Ре.
Процесс обработки спектра включает три этапа: выделение области спектра, поиск спектральных линий, установка шкалы длин волн по двум известным линиям. Также имеется возможность поиска линий элементов в базе данных и пополнения базы данных.
Было установлено, что применение сканера UMAX PowerLook 3000 для обработки полученных данных позволило сократить время, затрачиваемое на обработку результатов, в 4 раза по сравнению со стандартной методикой обработки спектров на регистрирующем микрофотометре. На рис. 2 и 3 представлены разные этапы обработки спектра при помощи программы ПИРОС версии 1.24.
4. КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АТОМНО-ЭМИССИОННЫЙ АНАЛИЗ
Разработанная нами методика была использована для анализа фуллереновых производных, синтезированных с различными химическими элементами. Синтез фуллереновых производных был выполнен в установке, описанной ранее [4]. Поскольку фуллерены и фуллереновые производные растворяются в неполярных растворителях, в случае анализа вещества в жидком виде были проанализированы их бензольные растворы. На рис. 4 и 5 представлены профили линии Fe и линий В соответственно.
Методом количественного атомно-эмиссионно-го анализа было установлено следующее содержание элементов в фуллереновых производных: B в количестве 0.01% и Fe в количестве 0.03%.
Почернение, отн. ед.
Длина волны, А
Рис. 5. График зависимости почернения от длины волны в области линий В (2496.778 и 2497.733 А) в спектрах: 1 - пустой спектр; 2 - спектр бензола; 3 -спектр фуллерена, синтезированного с В.
Почернение, отн. ед.
Длина волны, А
Рис. 6. График зависимости почернения от длины волны в области линии Бе (4246.83 А) в спектрах: 1 -пустой спектр; 2 - спектр фуллерена, синтезированного с Бе; 3 - спектр фуллеренсодержащей сажи, синтезированной с Бе.
Также был выполнен анализ фуллереновых производных при подаче вещества в твердом виде. Следует отметить, что фуллереновые производные
являются новыми веществами, и процесс
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.