RU190704U1 - Атомно-абсорбционный ртутный анализатор - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к аналитической химии. Атомно-абсорбционный ртутный анализатор на основе зеемановской модуляционной поляризационной спектроскопии содержит оптически связанные фотоприемник, по меньшей мере, одну аналитическую кювету, модулятор поляризации излучения и спектральную лампу, в которую помещены буферный газ и ртуть, и состоящую из образующих единую замкнутую полость разрядной полости, выполненной в форме капилляра, и балластной полости, выполненной в виде колбы или шара, при этом разрядная полость расположена между полюсами магнита и связана со средствами возбуждения электрического разряда, а фотоприемник и модулятор поляризации излучения подключены к соответствующим входам блока управления и обработки сигналов, при этом, содержит систему контролируемого охлаждения и термостабилизации выбранного локального участка балластной полости спектральной лампы, обеспечивающую конденсацию паров ртути в каплю с последующим удержанием образовавшейся капли ртути на выбранном локальном участке, включающую охладитель, датчик температуры охлаждения локального участка балластной полости спектральной лампы, датчик температуры окружающего балластную полость спектральной лампы пространства, при этом датчик температуры охлаждения локального участка балластной полости спектральной лампы и датчик температуры окружающего балластную полость спектральной лампы пространства подключены к соответствующим входам блока управления и обработки сигналов, а охладитель локального участка балластной полости спектральной лампы подключен к одному из выходов блока управления и обработки сигналов. Технический результат заключается в создании ртутного анализатора - атомно-абсорбционного спектрометра, обеспечивающего высокую стабильность измерений, уменьшение дрейфа нулевой линии и предела обнаружения ртути. 1 ил.

Description

Полезная модель относится к аналитической химии, в частности к атомно-абсорбционным ртутным анализаторам на основе зеемановской модуляционной поляризационной спектроскопии с дифференциальной схемой измерения оптической плотности, и предназначена для количественного определения ртути в атмосферном воздухе и других газовых средах.

Известен атомно-абсорбционный анализатор ртути [1], содержащий оптически сопряженные высокочастотную безэлектродную спектральную лампу, наполненную парами ртути, с подключенным к ней высокочастотным генератором, возбуждающим разряд в лампе, поглощающую ячейку с анализируемым воздухом, фотоприемник, выполненный с возможностью регистрации нерезонансного излучения спектральной лампы, и индикатор, при этом, по ходу излучения за поглощающей ячейкой установлена поверхность для отражения прошедшего через ячейку резонансного излучения на спектральную лампу, а фотоприемник оптически сопряжен непосредственно со спектральной лампой.

Недостатком данного технического решения является то, что устройство обладает недостаточной чувствительностью за счет слабого влияния величины вернувшейся в лампу мощности резонансного излучения на мощность испускаемого лампой нерезонансного излучения.

Известен также атомно-абсорбционный ртутный анализатор [2], содержащий оптически связанные источник резонансного излучения, помещенный между полюсными наконечниками постоянного магнита, линзу, оптоакустический модулятор, оптически связанные поляризатор, аналитическую кювету, вторую линзу и фотодетектор, а также систему регистрации и микропроцессор, при этом фотодетектор выполнен в виде фотодиода, введенный преобразователь ток - напряжение соединен по входу с фотодиодом, а по выходу - с системой регистрации, а оптоакустический модулятор оптически связан с поляризатором.

Недостатком данного технического решения является то, что оно не обеспечивает высокую стабильность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является атомно-абсорбционный ртутный анализатор [3], основанный на дифференциальной атомно-абсорбционной спектрометрии (ДААС) [4], включающий оптически связанные фотоприемник, соединенный с блоком управления и обработки сигналов, по меньшей мере, одну аналитическую кювету, модулятор поляризации излучения и спектральную лампу, состоящую из образующих единую замкнутую полость разрядной полости, выполненной в форме капилляра, и балластной полости, выполненной в виде колбы или шара. В спектральную лампу помещены буферный инертный газ и ртуть. Разрядная полость расположена между полюсами магнита и связана со средствами возбуждения электрического разряда (высокочастотным генератором).

Разряд возбуждается высокочастотным генератором в разрядной полости. Под действием тока высокой частоты пары ртути и газ в разрядной полости переходят в состояние низкотемпературной плазмы. Свечение этой плазмы является излучением спектральной лампы. Далее, излучение этой лампы проходит через поляризационный модулятор, аналитическую кювету и регистрируется фотодетектором.

Недостатком данного технического решения является то, что температура капли ртути не постоянна, зависит как от температуры окружающей среды, так и от многих других факторов, например, от наличия конвекционных потоков воздуха вблизи лампы. При изменении температуры капли ртути изменяется равновесная концентрация паров ртути в балластной и разрядной полостях, что приводит к изменению концентрации заряженных частиц в плазме разряда, что, в свою очередь, приводит к изменению параметров излучения и, в итоге, к дрейфу нулевой линии измерений и произвольному изменению мощности излучения.

В источниках информации [5-8] описаны конструкции безэлектродных высокочастотных спектральных ламп, в процессе работы которых формируется «холодная точка» для концентрации в определенных местах испаряемого в лампе вещества. Формирование «холодных точек» необходимо для повышения стабильности и интенсивности излучения указанных ламп. Охлаждение «холодных точек» в них происходит пассивно, путем контакта теплоотвода с внешней стороной колбы лампы. При этом теплоотвод принудительно не охлаждается и температура его не стабилизируется. Конструкции ламп, приведенные в указанных выше источниках, сложны и неприемлемы в портативном приборе.

Задачей полезной модели является создание ртутного анализатора - атомно-абсорбционного спектрометра, обеспечивающего высокую стабильность измерений, уменьшение дрейфа нулевой линии и предела обнаружения ртути.

Поставленная задача решается за счет того, что атомно-абсорбционный ртутный анализатор на основе зеемановской модуляционной поляризационной спектроскопии, включающий оптически связанные фотоприемник, по меньшей мере, одну аналитическую кювету, модулятор поляризации излучения и спектральную лампу, в которую помещены буферный газ и ртуть, и состоящую из образующих единую замкнутую полость разрядной полости, выполненной в форме капилляра, и балластной полости, выполненной в виде колбы или шара, при этом разрядная полость расположена между полюсами магнита и связана со средствами возбуждения электрического разряда, а фотоприемник и модулятор поляризации излучения подключены к соответствующим входам блока управления и обработки сигналов, согласно полезной модели, содержит систему контролируемого охлаждения и термостабилизации выбранного локального участка балластной полости спектральной лампы, обеспечивающую конденсацию паров ртути в каплю с последующим удержанием образовавшейся капли ртути на выбранном локальном участке, включающую охладитель, датчик температуры охлаждения локального участка балластной полости спектральной лампы, датчик температуры окружающего балластную полость спектральной лампы пространства, при этом датчик температуры охлаждения локального участка балластной полости спектральной лампы и датчик температуры окружающего балластную полость спектральной лампы пространства подключены к соответствующим входам блока управления и обработки сигналов, а охладитель локального участка балластной полости спектральной лампы подключен к одному из выходов блока управления и обработки сигналов. Полезная модель поясняется блок-схемой.

Атомно-абсорбционный ртутный анализатор включает в себя оптически связанные спектральную лампу 1, наполненную буферным инертным газом и ртутью, модулятор поляризации излучения 2, аналитическую кювету 3, фотоприемник 4, а также содержит блок управления и обработки сигналов 5, с которым соединены модулятор поляризации излучения 2 и фотоприемник 4. Блок управления и обработки сигналов 5 содержит усилители и детекторы, выделяющие сигналы на частоте модуляции и на постоянном токе. После аналого-цифрового преобразования эти сигналы поступают в микропроцессор для дальнейшей обработки с целью формирования аналитического сигнала и вывода результатов измерений.

Спектральная лампа 1 состоит из образующих единую замкнутую полость разрядной полости 6 и балластной полости 7. Разрядная полость 6, выполненная в форме капилляра, расположена между полюсами постоянного магнита 8 и связана со средствами возбуждения электрического разряда - высокочастотным генератором 9. Выбранный локальный участок поверхности спектральной лампы в области балластной полости 7, выполненной в виде колбы или шара, принудительно охлаждается для создания «холодной точки», в которой конденсируются пары находящейся в спектральной лампе ртути и удерживается образовавшаяся капля ртути 10 в жидкой фазе. Создание «холодной точки» в балластной полости 7 спектральной лампы 1 и последующее удержание капли ртути 10 в указанной «холодной точке», с контролем и поддержанием требуемой температуры капли ртути в зависимости от температуры окружающей среды, осуществляется с помощью системы контролируемого охлаждения и термостабилизации, включающей охладитель 11 локального участка балластной полости 7 спектральной лампы 1, датчик температуры 12 охлаждения локального участка балластной полости 7 спектральной лампы 1, датчик температуры 13 окружающего балластную полость 7 спектральной лампы 1 пространства, при этом датчик температуры 12 и датчик температуры 13 подключены к соответствующим входам блока управления и обработки сигналов 5, а охладитель 11 подключен к одному из выходов блока управления и обработки сигналов 5.

Атомно-абсорбционный анализатор работает следующим образом.

Высокочастотным генератором 9 возбуждается разряд в разрядной полости 6. Излучение спектральной лампы 1 проходит через модулятор поляризации излучения 2, аналитическую кювету 3 и регистрируется фотоприемником 4. Резонансная линия ртути расщепляется на три поляризационные зеемановские линии (π, σ+, σ- компоненты соответственно). При наблюдении излучения вдоль направления силовых линий магнитного поля регистрируется излучение только σ - компонент, причем одна σ - компонента находится под контуром линии поглощения, а другая - вне его. В отсутствие паров ртути в аналитической кювете интенсивности излучения обеих σ - компонент ртути будут равны. При появлении поглощающих атомов в анализируемом газе, присутствующем в аналитической кювете 3, разность интенсивностей σ - компонент будет тем больше, чем больше концентрация ртути в анализируемом газе.

Разделение σ - компонент во времени происходит с помощью модулятора поляризации излучения 2. Спектральное смещение σ - компонент значительно меньше ширины полос поглощения и спектров рассеяния, поэтому неселективное ослабление мешающими компонентами не оказывает влияния на результаты измерений. Можно сказать, что одна из σ - компонент излучения является опорной, а другая - рабочей, при этом обе проходят строго через одни и те же участки оптического тракта (линзы, зеркала, окна), но в разные промежутки времени синхронно с колебаниями модулятора поляризации. Таким образом, на выходе фотоприемника возникает (при наличии паров ртути в аналитической кювете) сигнал переменного тока на частоте колебаний модулятора поляризации, и этот сигнал легко выделяется (регистрируется) синхронным детектором независимо от вариаций оптической плотности, вызванных иными (кроме атомных паров ртути) поглощающими веществами.

Система контролируемого охлаждения и термостабилизации следующим образом влияет на обеспечение высокой стабильности измерений, уменьшение дрейфа нулевой линии и предела обнаружения ртути.

Блок управления и обработки сигналов 5 получает значение текущей температуры окружающей среды от датчика 13 и выбирает необходимую уставку (желаемое значение) температуры выбранного локального охлаждаемого участка балластной полости 7 спектральной лампы 1 («холодной точки»). С помощью датчика температуры 12 блок управления и обработки сигналов 5 получает фактическую температуру «холодной точки». Полученное значение температуры сравнивается с уставкой и, в зависимости от величины и знака отклонения фактической температуры «холодной точки» от уставки, вырабатывается сигнал управления мощностью охладителя 11. Таким образом, температура «холодной точки», измеренная датчиком температуры 12 охлаждения (а, следовательно, и температура капли ртути), поддерживается близкой к значению уставки. Этот процесс повторяется циклично во время работы анализатора.

Выбор величины уставки неоднозначен: с одной стороны ее значение должно быть ниже минимальной возможной температуры окружающей среды, но, с другой стороны, с уменьшением уставки температуры снижается интенсивность свечения разряда в лампе, что приводит к возрастанию шумов в системе регистрации сигнала атомной абсорбции. Для разрешения указанного противоречия предусмотрено адаптивное задание уставки в процессе измерений по определенному алгоритму ее выбора в зависимости от актуальной температуры окружающей среды.

Таким образом, применение заявляемой полезной модели позволяет достичь стабильной концентрации паров ртути в спектральной лампе, а, следовательно, стабильного излучения лампы, снижения дрейфа нулевой линии измерений и предела обнаружения ртути за счет контролируемого поддержания заданной температуры капли ртути в зависимости от температуры окружающей среды.

Источники информации:

1. RU 2038581 С1, МПК G01N 21/61, G01J 3/42, опубл. 1995.06.27.

2. RU6906U1, МПК G01N 21/00, опубл. 1998.06.16.

3. RU 2373522 С1, МПК G01N 21/00, опубл. 2009.11.20.

4. А.А. Ганеев, С.Е. Шолупов, М.Н. Сляднев. Зеемановская модуляционная поляризационная спектроскопия как вариант атомно-абсорбционного анализа: возможности и ограничения. - ЖАХ, 1996, т. 51, №8, с. 855-864.

5. SU 369649, МПК H01J 65/04, опубл. 1973.11.08.

6. SU 396753, МПК H01J 65/04, G01J 3/10, опубл. 1973.08.29.

7. SU 1529315, МПК H01J 65/04, опубл. 1989.12.15.

8. SU 1670720, МПК H01J 65/04, опубл. 1991.08.15.

Claims (1)

1. Атомно-абсорбционный ртутный анализатор на основе зеемановской модуляционной поляризационной спектроскопии, включающий оптически связанные фотоприемник, по меньшей мере, одну аналитическую кювету, модулятор поляризации излучения и спектральную лампу, в которую помещены буферный газ и ртуть, и состоящую из образующих единую замкнутую полость разрядной полости, выполненной в форме капилляра, и балластной полости, выполненной в виде колбы или шара, при этом разрядная полость расположена между полюсами магнита и связана со средствами возбуждения электрического разряда, а фотоприемник и модулятор поляризации излучения подключены к соответствующим входам блока управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что содержит систему контролируемого охлаждения и термостабилизации выбранного локального участка балластной полости спектральной лампы, обеспечивающую конденсацию паров ртути в каплю с последующим удержанием образовавшейся капли ртути на выбранном локальном участке, включающую охладитель, датчик температуры охлаждения локального участка балластной полости спектральной лампы, датчик температуры окружающего балластную полость спектральной лампы пространства, при этом датчик температуры охлаждения локального участка балластной полости спектральной лампы и датчик температуры окружающего балластную полость спектральной лампы пространства подключены к соответствующим входам блока управления и обработки сигналов, а охладитель локального участка балластной полости спектральной лампы подключен к одному из выходов блока управления и обработки сигналов.

Images