IT202000007039A1

IT202000007039A1 - Metodo e apparato per l’analisi atomico molecolare di un fluido allo stato gassoso

Info

Publication number: IT202000007039A1
Application number: IT102020000007039A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Carugno
Original assignee: Istituto Naz Fisica Nucleare
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-10-02
Also published as: EP4127680A1; US20230154739A1; WO2021198979A1

Description

METODO E APPARATO PER L?ANALISI ATOMICO MOLECOLARE DI

UN FLUIDO ALLO STATO GASSOSO

DESCRIZIONE

CAMPO TECNICO

La presente invenzione si riferisce al settore delle analisi atomico molecolari, ed in particolare all?analisi dei gas residui presenti in fluidi allo stato gassoso. In particolar modo, l?invenzione si riferisce a un metodo e a un apparato per l?analisi atomico molecolare di un fluido allo stato gassoso, attraverso un approccio opto-elettronico

STATO DELL'ARTE

Al giorno d?oggi, il controllo della contaminazione di processi in fase gassosa ? sempre pi? spinto e richiede performance degli analizzatori di gas residui (RGA) sempre maggiori.

Nel seguito, con il termine ?eccitare?, riferito a uno o pi? elettroni, si intende indicare l?azione di realizzare un disturbo dello stato energetico dell?elettrone, rispetto al suo stato di riposo.

In generale, gli RGA in commercio utilizzano una tecnologia a quadrupolo che analizza e gestisce gli ioni, dopo che questi sono stati resi attivi elettricamente attraverso un processo di ionizzazione generato da elettroni prodotti per effetto termoionico e accelerati a energie di qualche KeV. L?RGA utilizza una sorgente di ioni che pu? essere aperta (tecnologia nota come OIS ? Open Ions Source) o chiusa (tecnologia nota come CIS ? Closed Ions Source).

I limiti degli attuali RGA sono dettati dal livello di vuoto iniziale necessario per consentire di operare mediante il dispositivo di misura a quadrupolo; tale parametro governa la sensibilit? della rivelazione dei gas residui nonch? il tempo di scanning della radiofrequenza per individuare una specie atomica. Come noto, la generazione di elettroni energetici ? infatti compiuta mediante la tecnica del filamento caldo, la quale pu? essere messa in opera solo a pressioni inferiori a 10<-2 >Pa, tale limite essendo dettato dalla necessit? di mantenere integro il filamento stesso.

Ad oggi pertanto, gli RGA con tecnologia OIS richiedono una pressione massima di 10<-2 >Pa e permettono di rivelare specie atomiche con pressioni parziali che possono arrivare (nel caso ad esempio di N2 con numero di massa atomica pari a 28) a 10<-12 >Pa.

Gli RGA con tecnologia CIS, invece, permettono di lavorare con pressione compresa tra 1 Pa e 10<-2 >Pa, ma richiedono una pompa per il vuoto in grado di generare un vuoto spinto (dell?ordine di 10<-3 >Pa) per preservare il filamento che produce la corrente termoionica che ionizza le specie atomiche presenti nella camera oggetto di controllo. Il limite di pressione parziale rilevabile si attesta a circa 10<-7 >Pa.

Da quanto detto si evince che uno dei limiti della testa RGA ? legata alla delicatezza della gestione del filamento termoionico, che inizia ad operare a pressioni inferiori a 10<-2 >Pa e che ? un elemento delicato della testa stessa.

Una metodologia alternativa di analisi degli elementi costituenti un materiale, operante con efficienza su materiali solidi, si avvale della tecnologia che va sotto il nome di LIBS ovvero Laser Induced Breakdown Spectroscopy. Secondo tale tecnica si utilizza un dispositivo laser pulsato ad alta potenza con il quale si irradia un campione di materiale, tramite un fascio avente un waist (w) che pu? variare da circa 10 ?m a circa 100 ?m, ed un?energia di impulso dell?ordine di diversi mJ. Il campo elettrico generato da tale fascio ? tale da eccitare e ionizzare gli atomi presenti nel volume di materiale-campione, portando alla formazione di un plasma in espansione ad alta temperatura (5.000 - 20.000 K) in seguito alla quale viene effettuata un?analisi dello spettro ottico emesso da tale plasma, mediante uno spettrometro ottico e elettrico.

Come detto, tale tecnica ? -per sua natura intrinseca - efficiente su analisi di campioni solidi poich? il processo di trasferimento di energia dal fascio laser al materiale, atto alla generazione del plasma, dipende dalla densit? del mezzo su cui il fascio laser viene concentrato per effetto della radiazione di frenamento.

? dunque sentita l?esigenza di un metodo ed un apparato per l?analisi atomico/molecolare di campioni allo stato gassoso, che consenta di operare in condizioni di pressione diversificate, ovvero tra valori che possono variare dalla pressione atmosferica o superiore fino a valori dell?ordine di 10<-7 >Pa, e di condurre differenti tipologie di analisi del campione, ovvero impieganti segnali ottici e/o elettrici, mediante un unico apparato.

SCOPI E RIASSUNTO DELL'INVENZIONE

? scopo della presente invenzione quello di superare gli inconvenienti dell?arte nota.

In particolare ? scopo della presente invenzione presentare un metodo per condurre un?accurata analisi atomico molecolare di un campione di fluido allo stato gassoso, cos? da rilevare eventuali gas residui in esso presenti, in condizioni di pressione variabile da valori prossimi o superiori a pressione atmosferica, fino a valori di vuoto dell?ordine di 10<-7 >Pa.

Un altro scopo della presente invenzione ? presentare un metodo per condurre un?analisi atomico e molecolare che sia di semplice implementazione ed impiego.

Ulteriore scopo della presente invenzione ? presentare un apparato per condurre un?analisi atomico e molecolare su un campione di fluido, che sia di dimensioni contenute e adatto al trasporto, cos? da consentire di condurre detta analisi sul posto.

Questi ed altri scopi della presente invenzione sono raggiunti mediante metodo ed un apparato incorporanti le caratteristiche delle rivendicazioni allegate, le quali formano parte integrante della presente descrizione.

Secondo un primo aspetto, la presente invenzione ? diretta a un metodo per l?analisi atomico molecolare di un fluido allo stato gassoso, comprendente introdurre un fluido allo stato gassoso in una camera di raccolta avente un volume interno V predeterminato. Il metodo prevede inoltre di generare un fascio laser mediante un dispositivo laser e focalizzare tale fascio sul fluido presente nella camera di raccolta, in modo da creare in almeno una porzione V? del volume interno V un campo elettrico tale da eccitare gli elettroni che risiedono sugli atomi e molecole di detto fluido allo stato gassoso, la cui energia di legame ? compresa tra circa 1 eV e circa 10 eV, provocando un?alterazione atomico/molecolare del fluido stesso in detta porzione V?. Il metodo prevede quindi di rilevare gli elementi emessi a seguito della focalizzazione del fascio su detto fluido, attraverso mezzi di rilevazione e analizzare gli elementi rilevati dai mezzi di rilevazione per mezzo di un?unit? di elaborazione. Nel metodo secondo l?invenzione detto generare un fascio laser comprende variare almeno una volta la frequenza del fascio emesso; l?unit? di elaborazione ? configurata per operare detto variare la frequenza del fascio laser emesso dal dispositivo laser sulla base delle condizioni di pressione del fluido presente nella camera di raccolta.

Secondo tale soluzione, ? vantaggiosamente possibile condurre un?accurata analisi atomico molecolare di un campione di fluido allo stato gassoso in condizioni di pressione variabile, da valori prossimi o superiori a pressione atmosferica, fino a valori di vuoto dell?ordine di 10<-7 >Pa.

In accordo con un ulteriore aspetto, l?invenzione riguarda un apparato per l?analisi atomico molecolare di un fluido allo stato gassoso comprendente un dispositivo laser, una lente di focalizzazione e una camera di raccolta configurata per accogliere un fluido gassoso. L?apparato comprende inoltre mezzi di rilevazione comprendenti elementi in fibra ottica, associati a un reticolo di diffrazione, e/o almeno due elettrodi posti a una differenza di potenziale il cui valore ? compreso tra 1 KV e 10 KV. L?apparato comprende ulteriormente una unit? di elaborazione, collegata a detti elementi di rilevazione, e comprendente almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettroscopica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione, e almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettrometrica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione.

Tale soluzione consente di realizzare un unico apparato attraverso il quale l?analisi del campione di fluido allo stato gassoso ? svolta in maniera altamente efficiente su un fluido in diverse condizioni di densit? atomico/molecolare e di pressione.

La presente invenzione pu? presentare almeno una delle caratteristiche preferite che seguono, prese singolarmente o in combinazione con una qualsiasi delle altre caratteristiche preferite descritte.

Preferibilmente, l?unit? di elaborazione ? configurata per operare detto variare la frequenza del fascio emesso in frequenze IR, al verificarsi di una pressione del fluido presente nella camera di raccolta il cui valore ? compreso tra circa 10<5 >Pa e circa 3.3<3 >Pa, e/o in frequenze UV, al verificarsi di una pressione del fluido presente nella camera di raccolta il cui valore ? compreso tra circa 10<-1 >Pa e circa 10<-8 >Pa.

Preferibilmente, l?unit? di elaborazione ? configurata per operare detto variare la frequenza del fascio emesso tramite il dispositivo laser in frequenze VIS, al verificarsi di una pressione del fluido presente nella camera di raccolta, il cui valore ? compreso tra circa 3.3<3 >Pa a circa 10<-1 >Pa.

Preferibilmente il dispositivo laser ? un laser pulsato, con energia di impulso compresa tra 1 mJ e circa 300 mJ, un impulso compreso tra 0,1 ns e 10 ns e in cui il fascio emesso ? focalizzato in un?area variabile tra 0,01 mm<2 >e 1 mm<2>.

In una forma di realizzazione preferita, il dispositivo laser ? un laser pulsato, con energia di impulso compresa tra circa 10 mJ e circa 100 mJ; preferibilmente l?impulso ? compreso tra circa 1 ns e circa 8 ns; preferibilmente il fascio emesso ? focalizzato in un?area variabile tra circa 0,01 mm<2 >e circa 1 mm<2>.

Secondo tale configurazione ? pertanto vantaggiosamente possibile operare su differenti frequenze ottiche, ovvero infrarosso (IR), visibile (VIS) e ultravioletto (UV). Il metodo e l?apparato secondo l?invenzione pertanto, rendono possibile sfruttare vantaggiosamente le caratteristiche proprie delle differenti frequenze di emissione, per compiere un?analisi completa e accurata del fluido allo stato gassoso.

Preferibilmente, detto focalizzare un fascio laser sul fluido comprende realizzare un percorso ottico che attraversa in successione una lente di focalizzazione posta esteriormente alla camera di raccolta, una sezione di ingresso della camera di raccolta ed una sezione di uscita della camera stessa, per terminare in corrispondenza di un dispositivo di assorbimento del fascio.

Preferibilmente, i mezzi di rilevazione comprendono elementi in fibra ottica associati a un reticolo di diffrazione.

Preferibilmente, i mezzi di rilevazione comprendono almeno due elettrodi posti a una differenza di potenziale il cui valore ? compreso tra 1 KV e 10 KV, detti mezzi di rilevazione essendo collegati con detta unit? di elaborazione.

Preferibilmente, l?unit? di elaborazione comprende almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettroscopica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione e almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettrometrica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione.

Ci? consente vantaggiosamente di condurre un?analisi su un campione di fluido allo stato gassoso in base alle specifiche esigenze, utilizzando un segnale ottico o elettrico.

Preferibilmente il dispositivo di analisi comprende uno spettrometro impiegante almeno un dispositivo ad accoppiamento di carica, avente una risoluzione spettrale da 0,1 nm a 1 nm, e una copertura di banda compresa tra 200 nm e 1.700 nm, detto dispositivo ad accoppiamento di carica essendo configurato per analizzare gli elementi rilevati mediante gli elementi in fibra ottica.

Secondo tale configurazione, il metodo e l?apparato secondo l?invenzione consentono vantaggiosamente di registrare lo spettro emesso e di individuare le specie atomiche e molecolari presenti nel fluido in esame, sulla base della loro composizione atomica, sia a pressione atmosferica che in vuoto fino a pressioni prossime ad un valore di 10<-7 >Pa.

Vantaggiosamente, il metodo descritto non presenta limitazioni sulle operazioni per generare il vuoto, normalmente necessario per innescare l?analisi ottica e pu? quindi essere usato per individuare atomi/molecole anche a pressione atmosferica.

Preferibilmente il dispositivo di analisi ? configurato per analizzare gli elementi, rilevati per mezzo degli almeno due elettrodi, mediante la determinazione di un parametro tempo di volo, per ogni elemento emesso.

Preferibilmente, l?unit? di elaborazione ? configurata per selezionare il dispositivo di analisi sulla base dei dati rilevati mediante i mezzi di rilevazione.

Preferibilmente, l?unit? di elaborazione ? configurata per variare la frequenza del fascio emesso dal dispositivo laser, sulla base dei dati rilevati mediante i mezzi di rilevazione.

Tale configurazione permette vantaggiosamente di regolare le caratteristiche del fascio laser emesso dal dispositivo laser in base a differenti approcci di analisi, impiegando un unico apparato.

Preferibilmente la camera di raccolta presenta una conformazione cilindrica, avente un diametro il cui valore ? compreso tra circa 30 mm e circa 50 mm. Preferibilmente la camera di raccolta presenta una lunghezza il cui valore ? compreso tra 100 mm e 300 mm.

Tale configurazione permette di ottenere un apparato per l?analisi di un campione di fluido, che sia di dimensioni contenute e adatto al trasporto, in modo da poter vantaggiosamente condurre detta analisi anche sul posto.

Ulteriori caratteristiche e scopi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione che segue.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

L?invenzione verr? descritta qui di seguito con riferimento ad alcuni esempi, forniti a scopo esplicativo e non limitativo, ed illustrati nei disegni annessi. Questi disegni illustrano differenti aspetti e forme di realizzazione della presente invenzione e, dove appropriato, numeri di riferimento illustranti strutture, componenti, materiali e/o elementi simili in differenti figure sono indicati da numeri di riferimento similari.

La Figura 1 illustra uno schema di un apparato per l?analisi atomico molecolare di un campione di fluido allo stato gassoso, operante il metodo della presente invenzione;

la Figura 2 illustra schematicamente un particolare dell?apparato di figura 1, con alcune parti rimosse per meglio evidenziarne altre;

la Figura 3 illustra schematicamente una ulteriore particolare dell?apparato di figura 1, con alcune parti rimosse per meglio evidenziarne altre; e

la Figura 4 ? un diagramma di flusso di un metodo per l?analisi atomico molecolare di un fluido allo stato gassoso, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL?INVENZIONE

Mentre l?invenzione ? suscettibile di varie modifiche e costruzioni alternative, alcune forme di realizzazione preferite sono mostrate nei disegni e saranno descritte qui di seguito in dettaglio. Si deve intendere, comunque, che non vi ? alcuna intenzione di limitare l?invenzione alla specifica forma di realizzazione illustrata, ma, al contrario, l?invenzione intende coprire tutte le modifiche, costruzioni alternative, ed equivalenti che ricadano nell?ambito dell?invenzione come definito nelle rivendicazioni.

L?uso di ?ad esempio?, ?ecc.?, ?oppure? indica alternative non esclusive senza limitazione a meno che non altrimenti indicato. L?uso di ?include? significa ?include, ma non limitato a? a meno che non sia altrimenti indicato.

Con riferimento alle Figure 1-3, con 10 ? stato complessivamente indicato un apparato per l?analisi atomico molecolare di un campione di fluido allo stato gassoso, secondo la presente invenzione.

L?apparato 10 comprende un dispositivo laser 11, una lente di focalizzazione 13 e una camera di raccolta 12 comprendente una sezione di ingresso 14 e una sezione di uscita 15. La camera di raccolta presenta un volume interno V ed ? configurata per accogliere un fluido gassoso da sottoporre ad analisi atomico/molecolare.

L?apparato 10 comprende inoltre mezzi di rilevazione 17, 18 e un dispositivo di assorbimento 16 del fascio emesso dal dispositivo laser 11.

Secondo la presente invenzione, il dispositivo laser 11 ? preferibilmente un laser pulsato ad alta potenza, ovvero dell?ordine di qualche decina di MW, configurato per creare, in almeno una porzione V? del volume interno V, un campo elettrico tale da eccitare gli elettroni che risiedono sugli atomi e molecole di detto fluido allo stato gassoso, la cui energia di legame ? generalmente compresa tra 1 eV e 10 eV, provocando un?alterazione atomico/molecolare del fluido stesso in detta porzione V?.

Secondo una forma preferita dell?apparato 10 secondo la presente invenzione, ? vantaggiosamente impiegato un dispositivo laser 11 del tipo Q-switch, operante a diverse frequenze (ad esempio tale da consentire un?emissione di fasci con lunghezza d?onda pari a 1064 nm, 532 nm, e 266 nm), e configurato per emettere un impulso dell?ordine dei nanosecondi con frequenza di ripetizione degli impulsi da circa 10 Hz a circa 10 KHz. Grazie a questa tipologia di laser, ? pertanto vantaggiosamente possibile operare su tre differenti frequenze ottiche: infrarosso (IR), visibile (VIS) e ultravioletto(UV).

Preferibilmente il fascio laser ? generato dal dispositivo laser 11 con un?energia di impulso di circa 100 mJ, un impulso di qualche ns (nano secondo) ed il fascio emesso ? focalizzato in un?area della frazione del mm<2>.

L?apparato 10 comprende inoltre un?unit? di elaborazione 20, collegata ai mezzi di rilevazione 17, 18, e configurata per elaborare i dati rilevati da tali mezzi di rilevazione 17,18; preferibilmente l?unit? di elaborazione 20 ? collegata al dispositivo laser 11 ed ? configurata per il controllo dello stesso.

Preferibilmente, i mezzi di rilevazione comprendono elementi in fibra ottica 17, associati a un reticolo di diffrazione, e almeno due elettrodi 18 posti a una differenza di potenziale il cui valore ? compreso tra 1 KV e 10 KV; secondo l?invenzione, gli elementi in fibra ottica 17 e gli elettrodi 18sono collegati con detta unit? di elaborazione 20.

Secondo una forma di realizzazione preferita, l?unit? di elaborazione 20 comprende almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettroscopica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione 17. Tale dispositivo di analisi spettroscopica ? preferibilmente costituito da uno spettrometro impiegante almeno un dispositivo ad accoppiamento di carica avente una risoluzione spettrale da 0,1 nm a 1 nm e una copertura di banda compresa tra 200 nm e 1700 nm.

Secondo una forma di realizzazione preferita, l?unit? di elaborazione 20 comprende almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettrometrica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione 18.

Preferibilmente il dispositivo di analisi spettrometrica ? configurato per analizzare gli elementi rilevati dagli elettrodi 18, mediante la determinazione di un parametro tempo di volo (TOF) per ogni elemento emesso.

Preferibilmente qualsiasi sia la forma realizzativa dell?apparato 10 secondo la presente invenzione, la camera di raccolta 12 presenta una conformazione allungata. Preferibilmente la camera di raccolta 12 ha una conformazione sostanzialmente cilindrica, presentante un valore del diametro compreso tra circa 30 mm e circa 50 mm. Ancora pi? preferibilmente la camera di raccolta 12 presenta una lunghezza compresa tra 10 cm e 30 cm.

? comunque chiaro che altre possibili forme della camera di raccolta 12 sono possibili, in particolare potranno variare le dimensioni della stessa in funzione delle specifiche esigenze di impiego.

Avendo descritto la struttura dell?apparato 10 si descrive ora un metodo per l?analisi atomico/molecolare di un fluido allo stato gassoso, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

Il metodo 900 secondo la presente invenzione prevede di introdurre (blocco 901) un fluido gassoso nel volume interno V della camera di raccolta 12, cos? da costituire un campione di fluido presentante un volume circoscritto.

Successivamente, il metodo prevede di generare (blocco 902) un fascio laser, mediante il dispositivo laser 11, sul campione di fluido presente all?interno della camera di raccolta 12, e focalizzare (blocco 903) tale fascio in modo da realizzare un percorso ottico che attraversa nell?ordine: la lente di focalizzazione 13, la sezione di ingresso 14 della camera di raccolta 12 e la sezione di uscita 15 della camera stessa, per terminare in corrispondenza del dispositivo di assorbimento 16 del fascio.

La focalizzazione di detto fascio laser sul campione di fluido gassoso presente nel volume interno della camera di raccolta 12, produce un?alterazione atomico/molecolare del fluido stesso, causando sia l?eccitazione che la ionizzazione degli elementi presenti nel volume di interazione e che a loro volta vengono rilevati (blocco 904) dai mezzi di rilevazione 17, 18 posti internamente alla camera di raccolta 12 e/o in prossimit? della camera stessa.

In fase di progettazione dei parametri specifici del dispositivo laser 11, tramite il vettore di Poynting ? possibile calcolare il valore del campo elettrico nel volume irraggiato dal fascio laser; tale campo deve essere confrontato con il campo degli elettroni presenti nelle orbite di atomi/molecole in condizioni di equilibrio. Se tali campi sono confrontabili, allora il campo elettrico generato dal fascio laser riesce a eccitare e ionizzare gli atomi o le molecole presenti nella regione di interazione. Questi due stati della materia, eccitazione e ionizzazione, possono essere vantaggiosamente utilizzati per conoscere quali atomi o molecole siano presenti nel volume di indagine attraverso due analisi differenti, una prima svolta mediante approccio ottico ed una seconda mediante approccio elettronico.

In particolare, ? possibile determinare le propriet? della fase di generazione e focalizzazione del fascio laser tale per cui si venga a creare, in almeno una porzione V? del volume interno V, un campo elettrico tale da eccitare gli elettroni che risiedono sugli atomi e molecole di detto fluido allo stato gassoso, la cui energia di legame ? generalmente compresa tra circa 1 eV e circa 10 eV, provocando un?alterazione atomico/molecolare del fluido stesso in detta porzione V? del volume interno V.

Il metodo della presente invenzione prevede pertanto vantaggiosamente di generare il fascio laser e focalizzarlo sul fluido presente all?interno della camera di raccolta 12, provocando l?alterazione atomico/molecolare del fluido stesso come sopra descritta.

Pi? in particolare il metodo secondo l?invenzione, sfrutta le caratteristiche delle diverse frequenze emesse attraverso il dispositivo laser 11, per analizzare il campione di fluido, presente nel volume interno V della camera di raccolta 12, in diverse possibili condizioni di densit? atomico/molecolare e di pressione. L?indagine di cui sopra si basa sull?assunzione che la composizione del fluido allo stato gassoso ? costante all?interno del volume interno V della camera di raccolta 12.

Secondo una configurazione preferita, sono possibili tre differenti frequenze del fascio laser emesso, impiegate per esaminare il campione di fluido allo stato gassoso in tre rispettive condizioni differenti, ovvero:

A - regime turbolento o condizioni di basso vuoto, in cui la pressione pu? variare da circa 10<5 >Pa a circa 10<3 >Pa;

B - regime viscoso o condizioni di medio vuoto, in cui la pressione pu? variare da circa 10<3 >Pa a circa 10<-1 >Pa; e

C - regime molecolare o condizioni di alto vuoto e ultra alto vuoto, in cui la pressione pu? variare da circa 10<-1 >Pa a 10<-8 >Pa.

Secondo tale configurazione, le frequenze del laser nello spettro IR e VIS sono rispettivamente impiegate per l?analisi di un fluido allo stato gassoso nelle condizioni di regime turbolento e viscoso (A e B) per generare campi elettrici prossimi ai campi elettrici in cui risiedono gli elettroni sugli orbitali degli atomi. La frequenza relativa a un fascio laser UV viene invece impiegata per l?analisi del fluido nelle condizioni di regime molecolare (C) e/o per generare un impulso di fotoelettroni che, previa accelerazione, vengono iniettati nella regione del fluido allo stato gassoso da investigare, in modo da ionizzare ed eccitare gli atomi e molecole incontrate in tale regione.

Preferibilmente, l?emissione del fascio laser ? vantaggiosamente gestita dall?unit? di elaborazione 20, la quale opera la variazione della frequenza del fascio laser emesso tramite il dispositivo laser 11, a seconda delle condizioni di pressione alle quali si trova il fluido allo stato gassoso presente nella camera di raccolta 12. Tale unit? di elaborazione 20 ? configurata infatti per gestire la variazione della frequenza del fascio, sulla base dei dati rilevati mediante i mezzi di rilevazione 17, 18.

Il metodo 900 secondo l?invenzione comprende inoltre vantaggiosamente variare (blocco 906) almeno una volta la frequenza del fascio emesso. Preferibilmente, il variare la frequenza del fascio emesso ? attuato per mezzo dell?unit? di elaborazione 20 in modo da generare un fascio laser in frequenze IR al verificarsi di condizioni di pressione proprie del regime turbolento del fluido presente nella camera di raccolta 12, ovvero valori di pressione compresi nell?intervallo da circa10<5 >Pa a circa 3.3<3 >Pa, e/o in frequenze UV, al verificarsi di condizioni di pressione proprie del regime molecolare del fluido presente nella camera di raccolta 12, ovvero valori di pressione compresi nell?intervallo da circa 10<-1 >Pa a 10<-8 >Pa.

Secondo una forma di realizzazione preferita, detto variare la frequenza del fascio emesso ? attuata dall?unit? di elaborazione 20 in modo da generare un fascio laser in frequenza VIS, al verificarsi delle condizioni di pressione proprie del regime viscoso, ovvero circa 3.3<3 >Pa a circa 10<-1 >Pa. Tale variazione pu? essere compiuta sia a partire da frequenze laser IR che UV. In altre parole, l?invenzione non si limita alla variazione di frequenza del laser secondo un ordine prestabilito.

Secondo il metodo 900 ? previsto inoltre analizzare (blocco 905) gli elementi rilevati dai mezzi di rilevazione 17, 18 per mezzo dell?unit? di elaborazione 20 la quale, come detto, ? configurata vantaggiosamente per operare un?analisi di tipo ottico e/o di tipo elettronico, grazie alle diverse tipologie dei dispositivi di analisi in essa presenti.

Pi? in particolare, gli elementi rilevati, sono associati a rispettivi segnali che vengono inviati all?unit? di elaborazione 20, configurata per compiere un?analisi degli stessi e a fornire indicazioni riguardanti la struttura degli elementi presenti nel campione in esame nonch? la loro quantit?.

Secondo un primo approccio di analisi di tipo ottico operato secondo il metodo 900, viene analizzato lo spettro di emissione emesso dal campione di fluido presente all?interno della camera di raccolta 12, eccitato tramite fascio laser; tale spettro di emissione viene rilevato attraverso i mezzi di rilevazione 17 che, come detto, comprendono preferibilmente elementi in fibra ottica, associati ad un reticolo di diffrazione. Lo spettro di emissione raccolto, oltre ad un continuo dovuto alla temperatura di plasma, possiede anche una serie di linee dovute all?eccitazione degli atomi/molecole presenti nel fluido gassoso che sono peculiari delle specie eccitate, con conseguente ritorno al loro stato fondamentale.

Attraverso la registrazione dello spettro emesso e l?invio del relativo segnale all?unit? di elaborazione 20, si individuano le specie atomiche e molecolari presenti nel sistema sulla base della loro composizione atomica, sia a pressione atmosferica che in vuoto fino a pressioni prossime ad un valore di 10<-7 >Pa.

Vantaggiosamente, il metodo descritto non presenta limitazioni sulle operazioni per generare il vuoto normalmente necessario per innescare l?analisi ottica e pu? quindi essere usato per individuare atomi/molecole in ambiente a pressione atmosferica. Infatti con il metodo sopra descritto non si ha necessit? di accedere nel regime di alto vuoto per innescare l?emissione di elettroni termoionici, permettendo cos? di iniziare a raccogliere lo spettro di emissione gi? in alta pressione.

Secondo tale tipologia di analisi di tipo ottico, l?unit? di elaborazione20 comprende preferibilmente uno spettrometro impiegante dispositivi ad accoppiamento di carica CCD (Charge-Coupled Device), avente una risoluzione spettrale da 0,1 nm a 1 nm e con una copertura di banda compresa tra 200 nm e 1700 nm.

Secondo un approccio di analisi di tipo elettronico operato secondo il metodo 900, l?unit? di elaborazione 20 comprende ulteriormente almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettrometrica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione 18.

Tale modalit? sfrutta il fatto che il fascio laser generato dal dispositivo laser 11, secondo la parametrizzazione sopra evidenziata, comprende una radiazione nel campo degli ultravioletti; gli ultravioletti consentono infatti di produrre un impulso di elettroni, tramite effetto fotoelettrico, che segue lo stesso impulso temporale del fascio laser incidente sul fluido gassoso da analizzare, e che comporta un?ulteriore eccitazione degli atomi/molecole ivi presenti.

Pi? in particolare, come detto in occasione della descrizione dell?apparato 10, secondo una forma preferita di realizzazione sono presenti almeno due elettrodi 18 all?interno della camera di raccolta 12. Secondo tale configurazione, il metodo 900 consente di utilizzare il fascio laser emesso secondo due possibili modalit?: una prima che si avvale della generazione degli ioni mediante l?elevato campo laser generato nella frequenza dell?infrarosso o del visibile, la seconda che si avvale della generazione di fotoelettroni generati dalla sorgente UV, a loro volta accelerati ad una energia tale da riuscire a ionizzare le molecole del mezzo presenti nella regione di interazione. Nella zona esplorata dal fascio laser ad alta intensit? o dagli elettroni accelerati il sistema di elettrodi 18 consente di far confluire gli ioni generati su un dispositivo di analisi (non mostrato nelle figure) che ne rileva la loro presenza in maniera individuale.

Gli ioni prodotti dall?interazione tra fascio laser o i fotoelettroni accelerati e gli atomi/molecole presenti nel campione di fluido gassoso, seguendo le linee di campo elettrico, possono essere raccolti sugli elettrodi stessi o altrimenti su un dispositivo atto a misurare la singola presenza dello ione. Queste due modalit? di raccolta permettono di decidere, tramite l?unit? di elaborazione 20, di operare secondo la metodologia di integrazione degli ioni o secondo la metodologia che vede l?impiego di uno spettrometro di massa.

Grazie alle differenze del tempo di arrivo delle varie specie atomiche e molecolari presenti nella zona di interazione tra fluido e fascio laser o elettroni, e sfruttando il fatto che sono state prodotte tutte nello stesso istante e nella stessa zona spaziale, ? possibile risalire alla ricostruzione dello spettro delle specie presenti tramite un?analisi del tempo di volo (TOF) delle particelle emesse, svolta dall?unit? di elaborazione 20.

Il metodo secondo la presente invenzione prevede vantaggiosamente che l?unit? di elaborazione 20 sia configurata per selezionare il dispositivo di analisi sulla base dei dati rilevati mediante in mezzi di rilevazione 17, 18.

Secondo tale configurazione, l?unit? di elaborazione 20 ? in grado di confrontare l?energia e la frequenza del fascio emesso con i dati rilevati dai mezzi di rilevazione 17, 18 e decidere conseguentemente la frequenza di emissione del fascio laser in modo da ottimizzare l?indagine del campione di fluido allo stato gassoso all?interno della camera di raccolta 12. Nel corso dell?analisi, le condizioni del suddetto campione di fluido muteranno fino a quando, in corrispondenza del verificarsi di condizioni di alto vuoto, l?unit? di elaborazione 20 provvede alla generazione di un fascio laser UV, il quale produce per effetto fotoelettrico un pacchetto (bunch) di elettroni che seguiranno all?incirca il profilo temporale del fascio laser (ad esempio circa 10 nanosecondi). Tali elettroni possono cos? essere estratti ad esempio da un fotocatodo metallico posto a tensione negativa (non illustrato nelle figure), atto ad accelerare gli elettroni fino a qualche KeV di energia. Gli elettroni cos? energizzati possono in questo modo costituire il mezzo di indagine per il fluido che si trova nelle condizioni di ultraalto vuoto, cos? da effettuare un?analisi accurata dello stesso, mantenendo l?integrit? dell?apparato 10 operante il metodo secondo l?invenzione.

Il metodo 900 secondo l?invenzione permette pertanto vantaggiosamente di regolare le caratteristiche del fascio laser emesso dal dispositivo laser 11 in base a differenti approcci di analisi, impiegando un unico apparato 10.

Il metodo 900, consentendo di condurre un?analisi su un campione di fluido allo stato gassoso, in base alle specifiche esigenze, un segnale ottico o elettrico, comporta molteplici possibili applicazioni.

? ad esempio possibile utilizzare il metodo e l?apparato secondo la presente invenzione per compiere misurazioni di pressione, oppure della composizione del gas, cos? come ricerche di righe spettrali o segnali di spettrometria di massa per rilevare ad esempio elementi contaminanti presenti nel campione di fluido gassoso (es. CO2, metano, stirene, frazioni di gas nocivi).

Grazie alla possibilit? di operare a pressione atmosferica ? inoltre possibile impiegare l?apparato secondo l?invenzione per la rilevazione di perdite/fuoriuscite non controllate di gas/fluidi da condotti, in particolare predisponendo un?attrezzatura portatile comprendente detto apparato, il quale potr? essere vantaggiosamente impiegato nella manutenzione di tubazioni gas (es. metano in terra) o nello studio della spettrometria di massa di molecole biologiche quali le proteine o i loro costituenti.

L?invenzione cos? concepita ? suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell?ambito della presente invenzione quale risulta dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per l?analisi atomico molecolare di un fluido allo stato gassoso, comprendente: - introdurre (901) un fluido allo stato gassoso in una camera di raccolta (12) avente un volume interno predeterminato V; - generare (902) un fascio laser mediante un dispositivo laser (11) e focalizzare (903) tale fascio sul fluido presente nella camera di raccolta (12), in modo da creare in almeno una porzione V? del volume interno V un campo elettrico tale da eccitare gli elettroni che risiedono sugli atomi e molecole di detto fluido allo stato gassoso, la cui energia di legame ? compresa tra circa 1 eV e circa 10 eV, provocando un?alterazione atomico/molecolare del fluido stesso in detta porzione V?; - rilevare (904) gli elementi emessi a seguito della focalizzazione del fascio su detto fluido, attraverso mezzi di rilevazione (17, 18); - analizzare (905) gli elementi rilevati dai mezzi di rilevazione (17, 18) per mezzo di un?unit? di elaborazione (20); in cui detto generare un fascio laser comprende variare (906) almeno una volta la frequenza del fascio emesso; e in cui detta unit? di elaborazione (20) ? configurata per operare detto variare (906) la frequenza del fascio laser emesso dal dispositivo laser (11) sulla base delle condizioni di pressione del fluido presente nella camera di raccolta (12).
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta unit? di elaborazione (20) ? configurata per operare detto variare (906) la frequenza del fascio emesso in frequenze IR, al verificarsi di una pressione del fluido presente nella camera di raccolta (12) il cui valore ? compreso tra circa 10<5 >Pa e circa 3.3<3 >Pa, e/o in frequenze UV, al verificarsi di una pressione del fluido presente nella camera di raccolta (12) il cui valore ? compreso tra circa 10<-1 >Pa e circa 10<-8 >Pa.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta unit? di elaborazione (20) ? configurata per operare detto variare (906) la frequenza del fascio emesso tramite il dispositivo laser (11) in frequenze VIS, al verificarsi di una pressione del fluido presente nella camera di raccolta (12), il cui valore ? compreso tra circa 3.3<3 >Pa a circa 10<-1 >Pa.
4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto dispositivo laser (11) ? un laser pulsato, con energia di impulso compresa tra 10 mJ e 100 mJ, un impulso compreso tra 0,1 ns e 10 ns e in cui il fascio emesso ? focalizzato in un?area variabile tra 0,01 mm<2 >e 1 mm<2>.
5. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto focalizzare un fascio laser sul fluido comprende realizzare un percorso ottico che attraversa in successione una lente di focalizzazione (13) posta esteriormente alla camera di raccolta (12), una sezione di ingresso (14) della camera di raccolta (12) e una sezione di uscita (15) della camera stessa, per terminare in corrispondenza di un dispositivo di assorbimento (16) del fascio.
6. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di rilevazione comprendono elementi in fibra ottica (17), associati a un reticolo di diffrazione, e almeno due elettrodi (18) posti a una differenza di potenziale il cui valore ? compreso tra 1 KV e 10 KV, detti elementi in fibra ottica (17) e detti almeno due elettrodi (18) essendo collegati con detta unit? di elaborazione (20).
7. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?unit? di elaborazione (20) comprende almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettroscopica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione (17) e/o almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettrometrica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione (18).
8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui il dispositivo di analisi comprende uno spettrometro impiegante almeno un dispositivo ad accoppiamento di carica avente una risoluzione spettrale da 0,1 nm a 1 nm e una copertura di banda compresa tra 200 nm e 1700 nm, detto dispositivo ad accoppiamento di carica essendo configurato per analizzare gli elementi rilevati mediante gli elementi in fibra ottica (17).
9. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui il dispositivo di analisi ? configurato per analizzare gli elementi rilevati dagli elettrodi (18), mediante la determinazione di un parametro tempo di volo (TOF) per ogni elemento emesso.
10. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, in cui in cui detta unit? di elaborazione (20) ? configurata per selezionare il dispositivo di analisi sulla base dei dati rilevati mediante i mezzi di rilevazione (17, 18).
11. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detta unit? di elaborazione (20) ? configurata per variare la frequenza del fascio emesso dal dispositivo laser (11) sulla base dei dati rilevati mediante i mezzi di rilevazione (17, 18).
12. Apparato (10) per l?analisi atomico molecolare di un fluido allo stato gassoso comprendente: - un dispositivo laser (11), una lente di focalizzazione (13) e una camera di raccolta (12) configurata per accogliere un fluido gassoso; -mezzi di rilevazione comprendenti elementi in fibra ottica (17), associati a un reticolo di diffrazione, e/o almeno due elettrodi (18), posti a una differenza di potenziale il cui valore ? compreso tra 1 KV e 10 KV, - una unit? di elaborazione (20) collegata a detti elementi di rilevazione (17, 18); in cui detta unit? di elaborazione (20) comprende almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettroscopica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione (17) e almeno un dispositivo di analisi per effettuare un?analisi spettrometrica degli elementi rilevati mediante i mezzi di rilevazione (18).
13. Apparato (10) secondo la rivendicazione 12, in cui detto dispositivo laser (11) ? costituito da un laser pulsato, configurato per emettere fasci laser a diverse frequenze, con energia di impulso compresa tra 10 mJ e 100 mJ e un impulso compreso tra 0,1 ns e 10 ns.