DE2539184C2 - Atomabsorptions-Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Atomabsorptions-Spektrometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit der Atomabsorptions-Spektroskopie können Elemente untersucht bzw. gemessen werden, indem eine Probe in einer Flamme oder einer anderen Einrichtung zerstäubt wird. Dabei wird ein Strahl, der eine Spektrallinie des zu untersuchenden Elementes enthält, durch die Flamme geschickt, so daß die Strahlungsabsorption bei dieser bestimmten Wellenlänge gemessen werden kann. Diese Absorption ist charakteristisch für das Element, so daß das Vorhandensein und die Menge des zerstäubten Elementes bestimmt werden kann. Andere Materialien können jedoch auch Licht bei dieser, für die Untersuchung geeigneten Wellenlänge absorbieren 5 oder streuen. Dieser Effekt wird als »Untergrund«-Absorption bezeichnet und verursacht eine relativ große Ungenauigkeit des Analyseergebnisses.

Um diese Untergrund-Absorption zu korrigieren, sind bereits mehrere Vorrichtungen vorgeschlagen

ίο worden, z. B. in der DE-AS 22 54 744.

Dieses bekannte Spektrometer arbeitet so, daß ein erster Strahl, der die geeignete Spektrallinie enthält, erzeugt wird, sowie ein zweiter Strahl aus einer geeigneten Lichtquelle, wie beispielsweise eine Wasserstofflampe oder eine Deuteriumlampe, die ein Strahlungskontinuum erzeugt Der erste Strahl wird abwechselnd mit dem Strahlungskontinuum durch die Probe und durch den Vergleichsbereich geschickt, wobei dies mit Hilfe eines drehenden, als Unterbrecher wirkenden Spiegels herbeigeführt wird.

Das zu untersuchende Element absorbiert die geeignete Spektrallinie, jedoch die Strahlung von dem Wasserstoffkcntinuum praktisch nicht Aus dem elektronischen Erfassen des Verhältnisses der beiden Strahlen läßt sich daher die Wirkung der Hintergrundabsorption praktisch eliminieren.

Bei der aus der DE-AS 22 54 744 bekannten Vorrichtung werden die beiden Strahlen nacheinander durch den Proben- bzw. den Vergleichsbereich geschickt. Um hier vergleichbare Ergebnisse erhalten zu können, ist es unumgänglich, daß beide Lichtquellen äußerst stabil arbeiten müssen, weil die Messungen von dem Verhältnis von zwei einzelnen Strahlen abhängen, die jeweils von unterschiedlichen Lichtquellen ausgehen.

Zur Modulation der Ausgangssignale der Lichtquellen ist es bekannt, entweder Lichtquellen zu verwenden, die im Pulsbetrieb, also nicht kontinuierlich, arbeiten oder aber, die Lichtquellen kontinuierlich zu betreiben (also nicht gepulst) und dann die Modulation dadurch herbeizuführen, daß der Strahl zerhackt wird. Hierzu kann als Lichtunterbrecher (Chopper) entweder eine reflektierende oder eine mit Öffnungen versehene, sonst lichtundurchlässige Scheibe sowie ein Verschluß im Strahlengang verwendet werden. Die mit einer reflektierenden Scheibe erreichbare Modulation ist im allgemeinen nur halb so groß wie die Modulation, die sich mit einer mit öffnungen versehenen, sonst lichtundurchlässigen Scheibe oder einem Verschluß im Strahlengang erreichen läßt. Für Elemente, die sich nur mit großen Schwierigkeiten untersuchen lassen, kann die Modulation jedoch nur 25% betragen, wobei dieser Wert für bestimmte Lampen bis auf 10% absinken kann.

Ein weiteres Problem bei bekannten Geräten liegt darin, daß sie mit hoher Empfindlichkeit auf die Emission der Flamme oder einer anderen Zerstäubungsquelle ansprechen, wodurch ebenfalls die Gefahr besteht, daß das Meßergebnis verfälscht wird. Reflektierende Chopper, wie sie in der DE-AS 22 54 744 verwendet werden, sind gegenüber mit Öffnungen versehenen Choppern wesentlich teuerer. Darüber hinaus ist ein Chopper, der auch als Reflektor wirkt, hinsichtlich der Justierung empfindlich, weil er immer sehr genau ausgerichtet sein muß. Das verteuert die Herstellungs- und Wartungskosten weiterhin.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Atomabsorptions-Spektrometer zu schaffen, daß mit Zweistrahl-Hintergrundkorrektur arbeitet und bei dem aus Schwankungen der Quellen und durch die Verwen-

dung von reflektierenden Choppem verursachte Meßfehler vermieden werden sollen.

Diese Aufgabe wird bei einem Atomabsorptions-Spektrometer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch dessen kennzeichnenden Merkmale gelöst

Die Erfindung schafft somit den Vorteil, daß automatisch ein Korrektur des Zweistrahl-Hintergrundes immer erreicht ist, weil die beiden Strahlen vor dem Passieren des Probenbereichs bzw. des Vergleichsbereichs miteinander vereinigt werden, so daß evtl. auftretende Schwankungen der Quellen bei der Differenzbildung zwischen den Signalen eliminiert werden.

Wenn die Strahlen gleichzeitig durch den Probenbereich und durch den Vergleichsbereich jeweils gemeinsam geschickt werden, ist es nicht notwendig, reflektierende Chopper zu verwenden, sondern es können einfachs, mit öffnungen versehene Chopper zum intermittierenden Betrieb des kombinierten Strahl" verwendet werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Darstellung des Atomabsorptions-Spektrometers

F i g. 2 eine Darstellung der Abtastfolge und der Wellenform des Ausgangssignals.

In F i g. 1 ist ein Atomabsorptions-Spektrometer 10 mit einer Strahlungsquelle 12 dargestellt, die ein Linienspektrum mit einer Wellenlänge emittiert, die für die jeweiligen Untersuchungen geeignet ist; als Strahlungsquelle 12 kann beispielsweise eine Hohlkathodenlampe oder eine elektrodenlose Entladungslampe verwendet werden. Die Strahlungsquelle 12 richtet einen Strahl aus einer solchen, im wesentlichen monochromatischen Strahlung (I₀) auf einen Planspiegel 14, von dem er zurück auf einen toriodischen bzw. Ring-Fokussierungsspiegel 16 gerichtet wird. Der Spiegel 16 lenkt die Strahlung auf einen stationären Strahlteiler 18, der einen Teil der Strahlung in einen Probestrahl Steilt; dabei entsteht in dem Probebereich 20 eine Abbildung der Quelle. Der übrige Teil der Strahlung pflanzt sich durch den Strahlteiler 18 zu einem Planspiegel 22 fort, der parallel zu, jedoch versetzt von dem Probenstrahl einen Bezugsbzw. Vergleichsstrahl R bildet.

Eine zur Korrektur des Hinter- bzw. Untsrgrundes dienende Anordnung 24 weist eine Deuteriumlampe oder eine andere Kontinuumsquelle 26, Linsen 28, 30 und einen Planspiegel 32 auf. Das Strahlungskontinuum von der Kontinuumsquelle 26 enthält auch die oben erwähnte, für die Untersuchung geeignete Weilenlänge. Diese Korrekturanordnung richtet die Strahlung von der Kontinuumsquelle 26 auf den Strahlteiler 18, den ein Teil des Strahls durchläuft, der mit dem Probenstrahl S kombiniert und in dem gleichen Punkt im Probenbereich 20 fokussiert wird. Der übrige Teil des Strahlungskontinuums wird an dem Strahlteiler 18 reflektiert, der den Vergleichsteil der Strahlung von der Strahlungsquelle 12 durchläßt; dieser kombinierte Strahl von dem Strahlteiler 18 wird dann von dem Planspiegel 22 umgelenkt.

Nach dem Durchgang durch den Probenbereich 20 wird der Probenstrahl (I) von einem Planspiegel 34 auf einen zweiten, stationären Strahlteiler 36 gerichtet, der sich auch in dem Vergleichsstrahl R befindet. Der Vergleichs- und Probenstrahl werden dadurch wieder kombiniert, wobei ein toriodischer bzw. Ringspiegel 38 die Strahlung auf einen Planspiegel 40 und von dort durch ein Lichtloch- bzw. Pupillenblende 44 lenkt Anschließend wird der Strahl mit Hilfe des Planspiegels 42 auf eine Abbildung am Eintrittsspalt 46 eines Monochromators 48 gerichtet Der Monochromator 48 arbeitet auf die übliche Weise, wobei ein Kollimatorspiegel 50 und ein Gitter 52 dazu verwendet werden, ein schmales Wellenlängenband zu isolieren und an dem Austrittsspalt 54 ίο eine Abbildung zu erzeugen; die durch den Austrittsspalt austretende Strahlung fällt auf einen Sekundärelektronenvervielfacher bzw. Photomultiplier 56. Das elektronische Signal von dem Sekundärelektronenvervielfacher 56 wird zu einer elektronischen, logischen Schaltung 58 geführt, die auf die im folgenden zu beschreibende Weise arbeitet, um die als Kontinuumsquelle dienende Lampe 26 pulsierend zu betreiben. Ein Motor 59 treibt einen Zerhacker 60 an, der so angeordnet ist, daß er sowohl den Proben- als auch den Vergleichsstrahl unterbricht, bevor sie durch die Proben- bzw. Vergleichsbereiche verlaufen. Eine dem Zerhacker zugeordnete Steueranordnung führt der logischen Schaltung 58 Steuersignale zu, um den Pulsbetrieb der Lampe 26 und die elektronischen Abtastzeiten der logischen Schaltung 58 zu steuern, indem beispielsweise herkömmliche, elektronische Verknüpfungsglieder in der logischen Schaltung betätigt werden; als Steueranordnung des Zerhackers können beispielsweise Löcher in der Zerhackerscheibe und eine Lichtquelle sowie ein Photodetektor auf gegenüberliegenden Seiten der Zerhackerscheibe eingesetzt werden; als Alternative hierzu können auch andere optische oder mechanische Fühlanordnungen verwendet werden.

Der Zerhacker ist so ausgelegt, daß er mit der folgenden Schrittfolge arbeitet:

1. Sowohl der Proben- als auch der Vergleichsstrahl werden blockiert;

2. der Probenstrahl wird durchgelassen;

3. sowohl der Probenstrahl als auch der Vergleichsstrahl werden blockiert;
4. der Vergleichsstrahl wird durchgelassen.

Wenn sie auf die Zerhackerccheibe fallen, enthalten sowohl der Proben- als auch der Vergleichsstrahl kontinuierliches, monochromatisches Licht von der Strahlungsquelle 12 und ein gepulstes Strahlungskontinuum von der Deuteriumlampe 26. Nur die Strahlung in dem Proben- und Vergleichsstrahl wird zerhackt, so daß die aus dem Probenstrahl 20 austretende Strahlung den Sekundärelektronenvervielfacher in unzerhackter Form erreicht.

F i g. 2 stellt die Funktionsweise des Atomabsorptions-Spektrometers im einzelnen dar, wobei ein Zeitdiagramm der Wellenform des Ausgangssignals als Funktion der Zeit gezeigt ist; dieser Wellenform sind die Zyklen der Deuteriumlampe D₂), des Zerhackers und der elektronischen Abtastzeiten überlagert. Herkömmliche elektronische Momentanwertspeicher bzw. sample-and-hold-Schaltungen messen das Ausgangssignal des Sekundärelektronenvervielfachers an den angezeigten Punkten. Das Hintergrundsignal in dem Probenstrahl wird durch elektronische Subtraktion des Signals /von dem Signal (D₂)_s + /erhalten. Das Hintergrundsignal in dem Vergleichsstrahl wird durch elektronische Subtraktion des Signals Io von dem Signal (D₂)R + Io erhalten. Dadurch ergeben sich also die gesuchten Signale (D₂)s, (D₂)rI, Io\ durch entsprechende elektroni-

sehe Verarbeitung dieser Signale kann dann die Probenkonzentration angegeben werden. Die elektronische Schaltung verarbeitet nur die gepulsten Wellenformen, berücksichtigt jedoch nicht die stabilen bzw. stationären Dauersignale, die sich aus der Emission des Probenbereichs ergeben.

Aus der obigen Beschreibung.ergibt sich, daß die Kontinuumsquelle 26 zu einem Zeitpunkt ihren Impulsbetrieb beginnt, bei dem sowohl der Probenstrahl als auch der Vergleichstrahl blockiert sind. Wenn die Kontinuumslampe beim ersten Einschalten zunächst etwas instabil bzw. ungenau arbeitet, so kann die kurze Zeitspanne als Stabilisierungsperiode verwendet werden, die vergeht, bevor der Zerhacker die Strahlen durchläßt.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Atomabsorptions-Spektrometer mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines ersten Strahls, der eine monochromatische Strahlung einer geeigneten Wellenlänge enthält, mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Strahls aus einer gepulsten, nicht-monochromatischen Strahlung, die die geeignete Wellenlänge enthält, mit einem ersten Strahlenteiler zur Erzeugung eines Vergleichsstrahls zum Durchstrahlen eines Vergleichsbereichs und eines Probenstrahls zum Durchstrahlen eines Probenbereichs, mit einem Zerhacker für den Proben- und Vergleichsstrahl, mit einem zweiten Strahlenteiler zur Vereinigung des Proben- und Vergleichsstrahls, mit einer Einrichtung zur Isolierung eines schmalen Wsllenlängenbereichs mit der geeigneten Wellenlänge aus dem durch die Vereinigung von Proben- und Vergleichsstrahl erzeugten Strahl und mit einer durch den Zerhacker gesteuerten Anordnung zur Messung der Intensität des isolierten Wellenlängenbereichs, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung des ersten und zweiten Strahls auf den ersten Strahlenteiler (18) gerichtet ist, der diese Strahlung kombiniert und diese kombinierte Strahlung in den Proben (S) — und in den Vergleichsstrahl (R) aufteilt und diese durch den Probenbereich (20) und den Vergleichsbereich lenkt und daß der Zerhacker so angeordnet ist, daß er die in den Proben (S) — und in den Vergleichsstrahl (R) aufgeteilte, kombinierte Strahlung zerhackt.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strahl nicht gepulst ist.

3. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerhacker ein mechanisch angetriebener Zerhacker (60) vorgesehen ist.

4. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch angetriebene Zerhacker (60) so ausgebildet ist, daß er wiederholt und in der angegebenen Reihenfolge sowohl den Vergleichsstrahl (R) als auch den Probenstrahl (S) blockiert, einen der Strahlen durchläßt, sowohl den Vergleichsstrahl (R) als auch den Probenstrahl (S) blockiert und den anderen der Strahlen durchläßt.

5. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung der gepulsten Strahlung (26) zu einem Zeitpunkt den Impulsbetrieb beginnt, wenn sowohl der Vergleichsstrahl (R) als auch der Probenstrahl (S) durch den Zerhacker blockiert sind und während der Zeitspanne nicht arbeitet, wenn ein Strahl durchgelassen wird.