DE1648893C3 - Vorrichtung zur Bestimmung der spezifischen atomaren Absorption - Google Patents

Description

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durch Absorption weitestgehend entfernte Resonanzlinie aus dem Absorber austritt. Dadurch, daß das Licht der zweiten Lichtquelle die diskrete Wellenlänge des monochromatischen Lichtes der ersten Lichtquelle gerade nicht enthält, lassen sich die beiden Messungen mit dem Licht der ersten Lichtquelle und mit dem Licht der zweiten Lichtquelle gleichzeitig durchführen, so daß Zeit gespart wird. Außerdem entfällt infolge der Tatsache, daß die zweite Lichtquelle Licht in Form einer verbreiterten Resonanzlinie ohne Zentrallinie aussendet, ein Monochromator oder eine ähnliche Einrichtung, so daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in handlicher und tragbarer Form für den Gebrauch, beispielsweise bei mineralogischen Untersuchungen oder atmosphärischen Messungen, besonders gut geeignet ist.

Die Intensitäten beider Arten Licht werden zweckmäßigerweise gleich groß gemacht, so daß der Unterschied in den empfangenen Intensitäten direkt ein Maß für die atomare Absorption im Unterschied zur nichtatomaren Absorption ergibt. Hütte die Absorption lediglich niehtatomaie Ursachen, wäre der IntenMtäisveriust beiderlei Lichtes im wesentlichen derselbe und würde einem Zustand mit fehlendem Unterschied zwischen den empfangenen Intensitäten nahekommen. Wenn jedoch bei Betrachtung des anderen Extrems das (las vollständig aus demDampf der /u betrachtenden Atome bestünde, würde das monochromatische Licht absorbiert werden, während das andere nichtmonochroinatische Licht keine merkliche Schwächung erfahren würde. Der Unterschied /wischen den empfangenen Intensitäten wä-e deshalb im letzteren Fall relativ groß.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine weitere Erregerquelle vorgesehen, deren Licht eine in einer Resonanzkammer enthaltene Dampimenge zur Resonanzfluoreszenz anregt, deren Strahlung ""das Licht der ersten Lichtquelle bildet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Verbreiterungseinrichtung der zweiten Lichtquelle und die Resonanzkammer der ersten Lichtquelle durch eine einzige Erregcrquelle anzuregen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindutigsgcmäßcn Vorrichtung ist vorgesehen, daß das Licht der /weiten Lichtquelle durch die in seinem Strahlengang hinter dem Absorber gelegene Resonanzkammer geht, ehe -;s in einen Für beide Strahlengänge hinter dieser angeordneten Behälter mit dem Frcmdgas-Dampf-Gcmisch eintritt. Dadurch wird sichergestellt, daß eine etwa noch vorhandene Komponente des Lichtes der zweiten Lichtquelle mit der Rei.onanzwcllenlängc unterdrückt wird, wodurch sich die Meßgenauigkeit erhöht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist als Einrichtung zur spektralen Verbreiterung eine mit einem inerten das gefüllte Resonanzkammer vorgesehen. Damit wird in einfacher Weise durch cnergiercichc Stöße zweiter Art. welche die Atome oder Moleküle des inerten Gases gcj,en die Atome oder Moleküle des Dampfes führen und die scnsibilisierte Fluoreszenz hervorrufen, mit Hilfe des Dopplereffektes eine Linienverbreiterung bewirkt, welche das nicht monochromatische Licht der zweiten Lichtquelle erzeugt. Der Gesatiitcffekt wird auch als Lorentz-Verbrciterung bezeichnet.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der durch die Zeichnung beispielhaft dargestellten bevorzugten AusfüJtrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im einzelnen erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schemalische Darstellung der Ausfühi ungsform.

Die Zeichnung zeigt einen Behälter 5 in im wesentlichen zylindrischer Form, bei dem zumindest die Stirnflächen für das Licht mit den Wellenlängen durchlässig sind, das von zwei Lichtquellen ausgesendet wird. Der Behälter 5 enthält ein Fremdgas und Quecksilberdampf, dessen spezifische atomare Absorption gemessen werden soll.

Für eine erste Lichtquelle 1 ist vorgesehen, daß sie das Fremdgas-Dampf-Gemisch durch die durchlässige Stirnfläche 6 des Behälters 5 bestrahlt. Eine Quecksilberdampf enthaltende, hohe Strahlungsenergie erzeugende Resonanzkammer 7 stellt eine Hochvakuum-Quecksilber-Resonanzlampe dar. Die zur ersten Lichtquelle 1 gehörende Resonanzkammer 7 wird von einer zugehörigen Erregerquelle 8 bestrahlt. Zwiscnen der Erregerquelle 8 und der Resonanzkammer 7 befindet sich ein Grauelement 9, ein einen im wesentlichen parallelen Strahl e.zeugendes Linsensystem 10 und eine Blende 11, die entsprechend einem vorbestimmten Zeitplan geöffnet und geschlossen werden kann. Bei geöffneter Blende 11 regt das von der Erregerquelle 8 stammende Liehl den Quecksilberdampf in der Resonanzkammer 7 an. wodurch eine Vt)Ii den Quecksilberatomen ausgehende Lumincszenzstrahlung mit der atomaren Resonanzfrequenz verursacht wird. Diese Resonanzlumines/enz bildet das Licht der ersten Lichtquelle, das in das Fremdgas-Dampf-Gemisch im Behälter S dringt.

Das von einer zweiten Lichtquelle 2 ausgehende Licht stammt zunächst von einer vorgeschalteten, monochromatisches Licht mit der Resonanzwellenlänge abgebenden Erregerquelle 12. von der das Licht ausgehend durch ein Linsensystem 13 in eine Resonanzkammer 14 als Einrichtung zur spektralen Verbreiterung der Rcsonanzlinie gelangt, vobei der Strahlengang durch eine Blende 15 entsprechend einem vorbestimmten Zeitplan freigegeben werden kann. Die Resonanzkammer 14 enthält nicht nur Quecksilberdampf, sondern auch eine gewisse Menge eines inerten Gases, wie spektroskopisch reines Argon unter Normaldrück. Normalerweise würde die Resonanzkammer 14 Strahlung mit der Resonanzwellenlänge des Quecksilbers aussenden. Da aber das inerte Gas in der Resonanzkammer 14 anwesend ist, ergibt sich ein Effekt der spektralen Verbreiterung nach Lorentz, der die Seitenbänder neben der Resonanzwellenlänge des Quecksilbers etwas verbreitert.

Das von der Resonanzkammer 14 ausgehende I.i.ht dringt durch einen als Absorber wirkenden Behälter 16, der Quecksilberdampf und Stickstoff enthält und dahei eine von dem Dampf erfüllte Zone bildet. Dieser kann durch Einbringen eines Tropfens Quecksilber in eine Stickstoffatmosphäre erhalten werden. Der Quecksilberdampf absorbiert bei der Rcsonanzwellenlängc des Quecksilbers praktisch vollständig, so daß das von dem Behälter 16 ausgehende Licht, dessen Quecksilber-Resonanzlinie praktisch vollständig absorbiert worder ist, nun nicht mehr durch den Quecksilberdampf im Behälter 5 beeinflußt wird, tobei dieses das Licht der zweiten Lichtquelle 2 bildzt, die diesen Behälter 5 bestrahlt. Im Ausführungsbeispiel durchdringt das vom Behälter 16 ausgehende Licht die Strahlungsenergie erzeugende Resonanzkammer 7, ehe es in das Gemisch in

Behälter 5 gelangt. Dadurch wird sichergestellt, daß eine etwa noch vorhandene Komponente des lichtes der zweiten Lichtquelle bezüglich der Ucsonanzwellenlänge des Quecksilbers unterdrückt wird.

Die Strahlcngängc von den Crregcrquellcn 8 und 12 über die Resonanzkanimcrn 7 bzw. 14 zum Behälter 5 verlaufen im rechten Winkel oder einem anderen passenden Winkel. Dadurch wird die Wahr scheinlichkeit verringert, das Licht mit unerwünschten Wellenlängen, z. B. direktes Licht von der Lrrcgcrquelle 8 oder 12, den Behälter 5 erreicht.

Nach dem Durchdringen des Behälters 5 gelangt das Licht durch die durchlässige hintere Behälterwand zu einem Photomultiplier 17. Mit Hilfe der Blenden 11 und 15 ist es möglich, daß das Licht jeder Lichtquelle einzeln durch den Behälter 5 gelangt. Die verbreiterte Resonanzlinic des Lichtes der zweiten Lichtquelle 2 unterliegt nur der nichtator.i:iren Absorption, während die scharfe Rcsonanzlinie im Licht der ersten Lichtquelle der gesamten atomaren und nichtatomaren Absorption unterliegt.

Die Berücksichtigung der nichtatoniaren Absorption kann bei dieser Anordnung einfach durch die Lrhöhung der Hochspannung am Photomultiplier erreicht werden. Die Hochspannung wird erhöht, bis «.las dem l.icht der zweiten Lichtquelle entsprechende Signal dem Wert K)O¹Vn entspricht. Das eiern Licht der cr.itcn Lichtquelle entsprechende Signal «-teilt

m dann eine prozentuale Angabe des Maßes der atomaren Absorption dar. Die Vorrichtung kann natürlich vor Gebrauch durch eine Null-Messung überprüfl werden.

Als Errcgerqucllc 8 oder 12 hat sich die übliche Niedcrdruck-Quecksilbcr-Bogcnlampe ah ausreichend erwiesen. Durch geeignete Maßnahmen bc der optischen Anordnung ist es sogar möglich, die Resonanzkamniern 7 und 14 durch eine einzige Hr regcrqiicllc anzuregen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

I 648 893 ι 2 das ein ausschließlich aus Atomen eines bestimmten Patentansprüche: Elementes bestehender Dampf einen merklichen Be trug an Energie elektromagnetische)· Strahlung (hier

1. Vorrichtung zur Bestimmung der spezifi- kurz mit Licht bezeichnet) in einem sehr engen Freschen atomaren Absorption des mit einem 5 quenzbereich absorbiert, der eine fur das betrachtete Fremdgas vermischten Dampfes eines Elementes, Element charakteristische Frequenz enthalt. Diese mit einer ersten Lichtquelle, die monochromati- Frequenz wird üblicherweise als Resonanzfrequenz schcs Licht mit einer für die Resonanzabsorption des Elementes bezeichnet und die entsprechende durch den Dampf geeigneten Wellenlänge aus- Wellenlänge als Resonanzwellenlange. Die atomare sendet, und mit einer zweiten Lichtquelle, von io Absorption ist hierbei insbesondere von molekularen der nichtmonochromatisches Licht in einem für Phänomenen zu trennen, bei denen die Moleküle den Nachweis geeigneten, die diskrete Wellen- Energie aus Bändern mit solchen Frequenzen absorlänge enthaltenden Wellenlängenbereich ausgeht, bieren, die mit gewissen atomaren Resonanzfrewobei die Intensität des Lichtes der ersten Licht- quenzen zusammenfallen oder deren Bänder überlapquelle gleich der Gesamtintensität des Lichtes der 15 pen. Schwefeldioxyd, Azeton und Toluol absorbieren zweiten Lichtquelle ist, dadurch gekenn- z.B. stark in einem breiten Frequenzband, das die zeichnet, daß die zweite Lichtquelle (2) unter sichtbare Quecksilber-Resonanzlinie mit 2537 A entanderem aus einer monochromatisches Licht mit hält, so daß solche Moleküle, die in der Gasphase der Resonanzwellenlange abgebenden Erreger- neben dem zu analysierenden Dampf vorliegen, quelle (12). einer Einrichtung 04) zur spektralen 20 Energie des Lichtes mit. einer der Resu.u^/ircqucnz Verbreiterung iler Resonanzhnie und einem eine der Quecksilberatome entsprechenden Frequenz abvon dem Dampf erfüllte Zone bildenden Absor- sorbieren und dadurch die rein atomare Absorption her (16) besteht, wobei das monochromatische verschleiern. Es ist auch bekannt, daß Licht von Par-Licht nacheinander durch die Verbreiterungsein- tikeln gestreut wird und dadurch weitere Nebenefrichtung (14) und den Absorber (16) geht, so daß 23 fekte entstehen, die die eigentliche atomare Absorpes als Licht der zweiten Lichtquelle (2) ohne die tion verschleiern. Beispielsweise wird in der Zeitdureh Absorption weitestgehei-.d entfernte Rcso- schrift Analytical Chemistry 34 (1966), S. 614 bis nanzlinie aus dem Absorber (16) lustritt. 617. das Phänomen der nicht atomaren Absorption

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- auf die Streuung des einfallenden Lichtes an Fremdkennzeichnet, daß eine weitere Erregerquelle (8) 30 gasalomen oder -molekülen zurückgeführt. Es wird vorgesehen is., deren Licht eine in einer Reso- hier im folgenden unter atomarer Absorption eine nanzkammer (7) enthaltene Dampfmenge zur Re- spezifische atomare Absorption verstanden, bei der sonanzfluoreszenz anregt, de:en Strahlung das Licht einer bestimmten, für die Art der betrachteten Licht der ersten Lichtquelle (1) bildet. Atome charakteristischen Wellenlänge absorbiert

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch ge- 35 wird. Der Anteil an der gesamten Absorption, der kennzeichnet, daß das Licht der zweiten Licht- andere Wellenlängen betrifft, wird als nichtatomar quelle (2) durch die in seinem Strahlengang hin- bezeichnet und, wie noch näher deutlich wird, erfolgt ter dem Absorber (16) gelegene Resonanzkam- die nichtatomare Absorption durch Moleküle und' mer (7) geht, ehe es in einen für beide Strahlen- oder Teilchen im Strahlengang.

gänge hinter dieser angeordneten Behälter (5) mit 40 Bei einer aus der Zeitschrift Analytical Chemistry dem Fremdgas-Dampf-Gemisch eintritt. 38 (1966), S. 5S5 bis 587, im wesentlichen bekannten

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i Vorrichtung der eingangs genannten Art enthält das bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß als Einrich- niehtmonochromatische Licht der zweiten Lichttung zur spektralen Verbreiterung eine mit einem quelle die diskrete Wellenlänge, welche für die Reincrten Gas gefüllte Resonanzkammer (14) vor- 45 sonanzabsorption geeignet ist und auch im Licht der gesehen ist. ersten Lichtquelle enthalten ist. Es ist daher erforderlich, die zwei Messungen mit dem Licht der ersten Lichtquelle und dem Licht der zweiten Lichtquelle nacheinander auszuführen und einen Monochroma-

50 tor oder eine ähnliche Einrichtung vorzusehen. Die

bekannte Vorrichtung hat demnach den Nachteil, daß die Meßdaucr und der Aufwand größer sind als notwendig.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Be- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

Stimmung der spezifischen atomaren Absorption des 55 eine Vorrichtung zur Bestimmung der spezifischen mit einem Fremdgas vermischten Dampfes eines Eic- atomaren Absorption zu schaffen, die schnelle Mesmentes, mit einer ersten Lichtquelle, die monochro- sungen auszuführen gestattet, und handlich ist.
matisehes Licht mit einer für die Resonanzabsorp- Diese Aufgabe ist, ausgehend von einer Vorrichtion durch den Dampf geeigneten Wellenlänge aus- tung der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß sendet, und mit einer zweiten Lichtquelle, von der 60 dadurch gelöst, daß die zweite Lichtquelle unter an« nichtmonochromatisches Licht in einem für den derem aus einer monochromatisches Licht mit der Nachweis geeigneten, die diskrete Wellenlänge ent- Resonanzwellenlange abgebenden Erregerquelle, haltenden Wellenlängenbereich ausgeht, wobei die einer Einrichtung zur spektralen Verbreiterung der Intensität des Lichtes der ersten Lichtquelle gleich Resonanzlinie und einem eine von dem Dampf erder Gesamtintensität des Lichtes der zweiten Licht- 65 füllte Zone bildenden Absorber besteht, wobei das quelle ist. monochromatische Licht nacheinander durch die

Bei der spektroskopischen Analyse der atomaren Verbreiterungseinrichtung und den Absorber geht, so Absorption macht man sich den Umstand zunutze, daß es als Licht der zweiten Lichtquelle ohne die