RU2191368C2 - Способ индуцированного лазером спектрального анализа и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к импульсному лазеру, используемому для количественного спектрального анализа галогенсодержащих неметаллических или максимум частично металлических веществ, связанному с съемочным приспособлением, спектрометром и камерой ПЗС, причем интенсивность света, испускаемого, по меньшей мере, одним дискообразным участком конуса расширения плазмы, запоминают, суммируют и оценивают, причем предпочтительно определяют градиенты температуры и плотности. Технический результат - улучшение способа регистрации спектрального аналитического сигнала. 2 с. и 21 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для спектрального анализа путем лазерной эмиссии неметаллических или максимум частично металлических веществ, содержащих галоген, в частности хлор, причем на вещество направляют импульсный лазерный луч для образования плазмы, свет, в виде конуса испускаемый плазмой в направлении расширения, оптически концентрируют, направляют в спектрометр и подвергают анализу по истечении предопределенного времени после создания лазерного луча, при этом импульсный лазерный луч имеет плотность энергии примерно от 10⁸ до 10¹² Вт/см².

Такой способ и устройство для его осуществления относительно спектрального анализа стали описаны, например, в заявке ЕР 176 625, причем свет, испускаемый в основном точечной плазмой, одномерно принимается фотопленкой, фотодиодом или фотоэлектронной умножительной трубкой и подвергается оценке. При осуществлении данного известного способа необходимо введение инертного газа для повышения точности результатов анализа. Известные способ и устройство не пригодны для спектрального анализа галогенов.

Принципиально спектральный анализ основан на том факте, что интенсивность спектральных линий пропорциональна плотности n_i, испускающих атомов вещества в состоянии i и постоянной Больцмана е^-Ei/kT, причем Е_i - энергия возбуждения и Т - температура. В случае газа или плазмы постоянных плотности и температуры при этом возможно простым образом осуществлять и количественный анализ. Ситуация значительно более сложна в случае плазмы, созданной импульсным лазерным лучом, потому что в плазме имеется сильные временные и пространственные градиенты плотности и температуры, то есть плазма не является гомогенной, причем градиенты зависят не только от условий создания, а также от индивидуальных веществ.

Поэтому в основу изобретения положена задача с учетом вышеизложенного улучшать способы и устройства для индуцированного лазером спектрального анализа металлических или максимум частично металлических веществ, содержащих галоген, в частности хлор.

Поставленная задача решается путем способа вышеописанного типа за счет того, что осуществляют временное и пространственное усреднение градиентов плотности и температуры плазмы в определенной области для получения стабильной и воспроизводимой информации в виде спектральных линий для анализа путем суммирования и усреднения всех значений интенсивности света, исходящего, по меньшей мере, из дискообразного участка конуса расширения.

Так как данный способ осуществляют в течение определенного краткого периода, когда температура жидкой плазмы и тем самым специфическое испускание света хлором, достаточно высоки, можно полностью использовать большой объем плазмы для анализа, в частности и для количественного спектрального анализа.

Особенное преимущество предлагаемого способа и соответствующего устройства заключается в возможности надежной и воспроизводимой, относительно простой, быстрой и гибкой индикации галогенов, в частности хлора, в составах веществ.

Главная причина того, что до сих пор не удалось осуществлять индуцированный лазером спектральный анализ хлора, заключается в том, что состояние возбуждения галогенов находится на очень высоком энергетическом уровне, составляющем примерно 10 электрон-вольт. Согласно постоянной Больцмана поэтому сильная эмиссия имеется лишь в области фокуса горячей плазмы, где имеется температура примерно 10⁵ К. Однако в этой области плотность электронов плазмы очень высока, так что эмиссия линий целиком перекрывается интенсивным тормозным излучением одинаковой длины волн, имеющихся там с большой плотностью электронов, что делает невозможным проведение анализа. Кроме того, резонансные переходы в случае галогенов типично находятся в области длины волн, составляющей 100 нм, и поэтому их индикация возможна лишь с применением намного более сложного способа спектроскопии в вакуум-ультрафиолетовой области с λ<250 нм.

На осуществлении способа сказывается положительно тот факт, что дискообразный участок (в виде разреза конуса или с игольчатой формой) можно создать путем одного единственного лазерного "выстрела", и неожиданно он является достаточным для проведения спектрального анализа. Согласно дальнейшему аспекту предлагаемого способа дискообразный участок изображают через впускную щель спектрометра и разлагают спектрально и спектр дискообразного участка принимается двухмерно с помощью съемочной системы в виде матрицы. Кроме того, предпочтительным является использование в качестве съемочного приспособления камеры ПЗС, включающей, по меньшей мере, чип с 10 строками. Благодаря этому можно использовать как можно больше данных, относящихся к длине волн, путем сложения информации о соответствующей интенсивности света в соответствующей строке или колонке съемочного приспособления или чипа камеры ПЗС.

Это связано с тем преимуществом, что а) в отличие от обычной записи, осуществляемой в лучшем случае по строкам (например, с применением строчной камеры), интенсивность повышается в соответствии с числом слагаемых строк или колонок n, и б) одновременно получается улучшенная статистика согласно n 1/2 (корень n).

Это также позволяет сократить требуемое для анализа время. В том случае, если n=500, улучшение статистики составляет примерно фактор 22, а при n=2000 фактор составляет уже 44, то есть вдвойне больше. Однако на практике камера ПЗС с 500 строками является достаточной.

Оказалось неожиданно выгодным выбирать для анализа определенный, достаточно большой дискообразный участок конуса расширения. Таким образом, имеется возможность пространственного и временного усреднения через испускание света всего имеющегося на нем негомогенного диапазона плотности и температуры плазмы. В результате этого весь способ анализа становится относительно нечувствительным относительно всегда имеющихся колебаний распределения плотности и температуры плазмы между индивидуальными выстрелами, например, когда берут другое вещество и/или при проведении анализа в разных дополнительных областях спектра. При этом продольное направление дискообразного участка (определяемое продольным направлением щели спектрометра) может проходить или в направлении расширения, или же предпочтительно вертикально направлению расширения. По сравнению с усреднением в небольшом диапазоне, которое также имеется при анализе с использованием строчных камер, улучшение в данном случае составляет примерно два порядка (оно типично определяется отношением высоты щели спектрометра к его ширине = 5 мм/0,01 мм = 500). Среднее расстояние фокусов между подлежащим анализу веществом и дискообразным участком в случае индикации хлора может составлять примерно от 3 до 6 мм.

Серийное получение величин интенсивности для нескольких плазм возможно при использовании нескольких дискообразных участков при последовательных выстрелах.

Согласно дальнейшему варианту предлагаемого способа импульсный лазерный луч обладает гауссовым распределением, предпочтительно создаваемым лазером, работающим в режиме ТЕМ_оо. Такие лазеры обладают особенно высокой стабильностью относительно энергии и формы луча, благодаря чему достигается высокая воспроизводимость с выстрела к выстрелу в области фокуса, а также в плазме.

Предопределенное временное замедление в случае анализа хлора при указанных расстояниях фокусов предпочтительно составляет 4 мкс, так как в этот момент образования плазмы тормозное излучение больше не мешает, и одновременно степень испускания важной для анализа линии хлора является максимальной примерно при 838 нм.

Предпочтительно интенсивность света измеряют в течение временного окна, составляющего, по меньшей мере, 100 нс, после истечения предопределенного временного замедления.

Временное окно съемочной системы (усилителя, выключателя с часовым механизмом, съемочного приспособления) предпочтительно можно оптимировать относительно подлежащих анализу спектральных линий с помощью электронной схемы управления, в сочетании с усилителем изображения, с разрешением по времени порядка 10 нс. Оптимация зависит от связи лазера и предмета (вида лазера, вид подлежащего анализу вещества), положения соответствующей характерной спектральной линии и расстояния подлежащего анализу участка от фокуса. В конкретном устройстве подобное матрице съемочное приспособление может представлять собой камеру ПЗС, по меньшей мере, с чипом с 10 строками. Более выгодными и дешевыми являются стандартные камеры (примерно с 500-600 строками и колонками), однако еще более выгодной для осуществления способа является специальная камера с большим числом строк и, в частности, колонок, составляющим, например, 2000.

Кроме того, глубина запоминания цифровой запоминающей логики и логики оценки предпочтительно составляет, по меньшей мере, 4 бита, причем имеется, по меньшей мере, 15•15 ячеек памяти. Желательны, однако, большая глубина запоминания порядка примерно от 8 до 12 битов и приспособленное в соответствии с съемочной системой количество ячеек памяти.

Дальнейшего улучшения способа достигают путем специфического дополнительного возбуждения образующейся плазмы с помощью дополнительного электрического разряда, причем испускаемый свет вышеописанным образом направляют в спектрометр.

Таким образом можно повысить чувствительность индикации галогена, в частности хлора, примерно на фактор 10. Например, с помощью описанного устройства достигается порог индикации хлора ниже 1%, даже до 0,5%.

Предпочтительно для индикации хлора используют спектральные линии в диапазоне примерно от 480 нм до 550 нм, или же у 837,594 нм, или у 858,597 нм.

Таким образом используют выраженные линии, лежащие в области спектра, соответственно, по меньшей мере в области, способной к обнаружению стеклооптическими элементами, в диапазоне примерно от 300 нм до 3000 нм, предпочтительно в видимой соответственно близкой инфракрасной области, которые не перекрываются другими выраженными линиями остальных компонентов (например, водорода, кислорода, азота, углерода, неметаллических веществ). Как особенно выгодная оказалась линия в близкой инфракрасной области у 837,594 нм (примерно 838 нм), однако, и остальные линии в области примерно между 480 и 550 нм и у 858,597 нм (примерно 859 нм) привели к хорошим результатам анализа.

Вышеописанный способ согласно изобретению можно выгодным образом осуществлять с помощью предлагаемого устройства, обладающего следующими признаками.

Устройство включает импульсный лазер, в частности, работающий в режиме ТЕМ_оо, причем его лазерный луч, обладающий плотностью энергии (интенсивностью) примерно от 10⁸ до 10¹² Вт/см², направлен на неметаллическое или частично металлическое вещество, оптическое фокусирующее приспособление для направления испускаемого плазмой света в щель спектрометра и его фокусирования, подобное матрице съемочное приспособление для спектрального разрешения интенсивности изображенного через щель спектрометра дискообразного участка испускаемого света после прохода через спектрометр и ее временного и пространственного суммирования с помощью приспособления для запоминания изображения и оценки, и управляющее приспособление, включенное между лазером, спектрометром, памятью изображения и приспособлением для оценки и служащее для запоминания и анализа спектральных сигналов испускаемого света в правильном временном промежутке.

Приспособления для запоминания изображения и оценки предпочтительно содержат цифровые логические компоненты, и они включены после съемочного приспособления. Таким образом, получается выгодное устройство с весьма пригодным импульсным типом лазера, представляющего собой, например, лазер с модулированной добротностью или связанный с модемом лазер Nd-YAG, с простым оптическим фокусирующим приспособлением и приспособлением для временного управления, причем последнее после отдачи лазерного импульса управляет предопределенным временным замедлением между отдельными анализами, временным окном съемочной системы и системы запоминания и оценки изображения и тем самым приемом спектральных сигналов и их цифровым запоминанием и оценкой, перед отдачей последующего лазерного импульса. Это приводит к оптимальному использованию времени в устройстве для осуществления анализа.

Согласно предпочтительной форме выполнения устройства подобное матрице съемочное приспособление представляет собой камеру ПЗС, по меньшей мере, с 10 строками, в частности примерно с 500-600 строками (горизонтальных и вертикальных сенсорных мест).

Для создания временного окна предпочтительно перед памятью изображения включен усилитель изображения. Предпочтительно спектрометр содержит элементы для исправления поля изображения (Falt Field Imit).

Улучшения чувствительности способа и устройства достигают путем использования приспособления для дополнительного возбуждения, которое предпочтительно состоит из запускаемого искрового разрядника с медними электродами, напряжением примерно 4 кВ, емкостью примерно 2 мкФ и индуктивностью примерно 100 мкГн, при искровой энергии, составляющей примерно 25 Втс. Это позволяет индикацию хлора до объемной доли, составляющей 0,5%.

Другие выгодные признаки заключаются в фокусировании лазерного луча на цель с большим фокусным расстоянием, с одной стороны, с тем, чтобы делать возможным большое рабочее расстояние, а с другой стороны, для достижения формы луча с большой релеевской длиной. Благодаря этому снижается влияние неровностей подвергаемого анализу объекта. Кроме того, если не желают осуществлять микроанализ, то является выгодной большая точка фокуса размером примерно от 0,1 мм до 1 мм, так как тогда проводится усреднение в случае разниц на предмете, и достигается более сильное одномерное (в нормальном направлении предмета) расширение плазмы, что приводит к улучшенным возможностям анализа.

Для индикации галогена важную роль играет высокая температура плазмы. Для обеспечения высокой температуры плазмы выгодна высокая абсорбция подаваемого лазерного света на подлежащем анализу веществе и в расширяющейся плазме, чего можно достичь путем использования лазера с как можно более короткой длиной волн, например, основную длину волн Nd-YAG с умноженной частотой, от 1,06 мкм до ультрафиолетовой области, например 250 нм. Выгодно целенаправленное повышение начальной абсорбции (в частности, в случае длинного лазерного импульса, составляющего, например, порядка нс) путем снабжения объекта с тонким покрытием из вещества, сильно абсорбирующего используемую длину волн лазера, однако, не мешающего анализу, например графита.

В нижеследующем примеры выполнения предлагаемого устройства поясняются со ссылкой на схемы, представленные на фиг.1 и 2, а на фиг.3 представлены примеры спектральных линий анализа.

Блок управления SC возбуждает лазер L к отдаче лазерного импульса Р. Последний с помощью оптического приспособления FL фокусируется на подлежащее анализу неметаллическое или максимум частично металлическое вещество Т и там образует плазму РА, расширяющуюся, например, в виде конуса расширения. В направление спектрометра SP имеется изображающее ахроматическое оптическое приспособление LE, изображающее дискообразный участок V плазмы, находящийся на среднем расстоянии

от предмета Т, на впускную щель SL спектрометра SP. При этом положение выбираемого дискообразного участка (в направлении у или z) подлежащей изображению области плазмы определяется продольным направлением щели. На фиг.1 и 2 показано направление, вертикальное основному направлению расширения плазмы Р (направление у). Диаметр анализируемого дискообразного участка определяется продольной длиной щели SL, типично составляющей 5 мм, и изображающим оптическим приспособлением LE, а толщина дискообразного участка и, прежде всего, спектральное разрешение - изменяющейся шириной щели, типично составляющей примерно 10 мкм. Поэтому ширину щели SL можно свободно выбрать лишь в пределах необходимого разрешения (типично в худшем случае несколько нм) для повышения интенсивности света. Признаки предлагаемых способа и устройства в основном основаны на все-таки имеющейся возможности изменения размера дискообразного участка путем его увеличения в подольном направлении, свободного выбора положения дискообразного участка и полного или частичного использования дискообразного участка для проведения анализа.

С помощью оптического приспособления LE дискообразный участок V плазмы в виде конуса РА изображается на щели SW спектрометра SP, и затем он подвергается спектральному разложению.

Принцип и направление сложения градиентов интенсивности указаны стрелками А1 и А2 для показанного на чертеже положения щели в направлении y.

Задача предлагаемого устройства заключается в обеспечении возможности проведения стандартных исследований галогенсодержащих веществ в нормальной атмосфере без необходимости специфических лабораторных затрат. Компоненты представленных на фиг.1 и 2 вариантов устройства выбраны с учетом этой цели.

В качестве спектрометра SP используют монохроматор f/4.0 с простой решеткой с 600 лб/мм, с зеркалами М1, М2 и М3 и пригодной длиной волн, составляющей 500 нм. Со съемочным приспособлением 1/2" ВА (CCD) можно тогда охватывать спектральный диапазон примерно 60 нм в фокусной плоскости. Путем изменения впускной щели интенсивность света оптимируют по мере, допускаемой разрешением. Высоту щели устанавливают в соответствии с масштабом изображения и размером подвергаемого исследованию участка плазмы в продольном направлении (типичная высота составляет от 5 до 10 мм). Спектральную информацию в плоскости изображения спектрометра SP можно контролировать на экране РМ непосредственно перед дальнейшей обработкой, у выхода приспособления для запоминания изображения BS, включенного после съемочного приспособления ВА, и, таким образом, их можно легко оптимировать, например, на стадии юстировки. На фиг.1 и 2 на маленьком рисунке это показано схематически для двух спектральных линий, причем интенсивность I можно изображать в виде изображения в серых тонах, в ложных цветах или в виде псевдотрехмерного изображения. Используемое для съемки съемочное приспособление ВА предпочтительно обладает как можно более широким динамическим диапазоном, составляющим примерно 1000, и широким, способным к использованию, спектральным диапазоном. На практике является выгодной камера ПЗС, по меньшей мере, с 10 строками. Предпочтительно, однако, используют (как в данном случае) стандартную камеру с чипом, например, 752х582 (колонки х строки). При этом глубина запоминания должна составлять, по меньшей мере, 4 бита, а в данном приборе она составляет 8 битов, при этом предпочтительными являются, по меньшей мере, 10 битов.

Спектральную информацию, содержащуюся в продольном направлении дискообразного участка (на фиг.1 и 2 это направление у), суммируют в последовательно включенном приспособлении для оценки DM отдельно для каждой длины волн, и обычно их предоставляют в виде спектра согласно фиг.3 для дальнейшей автоматизированной оценки. Размер и положение используемой для анализа части дискообразного участка V (которая на фиг.1 и 2 показана в направлении у) можно оптимально устанавливать, например программировать, в приспособлении для оценки DM. В наиболее простом случае для этого служит микропроцессор или персональный компьютер. То же самое относится и к управляющему приспособлению SC, служащему для управления всем устройством, в частности для управления лазером для отдачи дальнейших импульсов, запуска искрового разрядника В (фиг.2) и съемочного приспособления ВА, выбора длины волн для спектрометра и активации приспособления для оценки DM.

В качестве лазера принципиально пригодна любая система, обладающая достаточной мощностью для обеспечения фокусной интенсивности, требуемой для испарения материала и образования плазмы (примерно 10⁸-10¹² Вт/см²). Простым вариантом является лазер Nd-YAG с модулированной добротностью с длиной импульсов в порядке нс при основной длине волны, составляющей 1,06 мкм. Для обеспечения воспроизводимости лазер предпочтительно работает в режиме ТЕМ_оо. Выгодным является повышение температуры плазмы и, таким образом, интенсивности спектральных линий путем удвоения частоты в зеленую область (530 нм) или даже дальнейшего умножения до ультрафиолетовой области (например, 265 нм). Подобное относится и к используемому короткому импульсу продолжительностью 4 нс. Дальнейшего улучшения достигают путем использования еще более короткого импульса, например импульса, связанного с модемом лазера с продолжительностью импульсов в области 10 пикосекунд. При длинных импульсах выгодным образом предмет снабжают не мешающим анализу покрытием (например, из графита) для повышения начальной абсорбции перед образованием плазмы.

Предпочтительно оптическое приспособление LE, изображающее плазму в щели спектрометра, состоит из ахромата. Его масштаб изображения, рабочее расстояние и фокусное расстояние, а также разрешение и ширина впускной щели спектрометра выбраны с обеспечением возможности оптимации подвергаемого исследованию участка плазмы и спектрального диапазона. Соответствующее данным требованиям съемочное приспособление предпочтительно включает камеру ПЗС, по меньшей мере, с 10 строками, в частности примерно с 500-600 строками (сенсорными местами в горизонтальном направлении) и примерно 500-600 колонками (сенсорными местами в вертикальном направлении). На практике выгодно, если съемочная система (ВА, BS, BV) содержит электронный оптический спектрально широкополосный, бедный ошибками изображения, двухмерный усилитель изображения BV с вентильным управлением временем с разрешением в области нс для создания временного окна для съемки, усиление которого регулируемо, и интегрированное съемочное приспособление (ВА) (камеру ПЗС).

Согласно выгодной и простой форме выполнения съемочное приспособление (фотокатод усилителя изображения или, в случае без усилителя, чип камеры ПЗС) без промежуточного включения другого изображающего оптического приспособления находится непосредственно в плоскости изображения спектрометра. Последний предпочтительно содержит исправляющие поле изображения элементы (плоскость изображения Flat Field), которые не представлены на чертеже.

В случае индикации хлора в поливинилхлориде с использованием линии у 837,6 нм и при интенсивности лазера, составляющей примерно 10¹¹ Вт/см², длине волн 530 нм и фокусном расстоянии

, составляющем 4 мм, причем продольное направление дискообразного участка расположено в направлении у, оптимальная величина временного замедления составила 4 мкс, а временное окно съемочного приспособления - 100 нс. Однако само вариабельное фокусное расстояние

, которое может лежать примерно между 3 и 6 мм, и временное замедление выбраны с обеспечением как можно более высокой степени возбуждения в месте дискообразного участка (стрелка А1), однако с учетом того, что непрерывное тормозное излучение значительно не мешало съемке линий. Оптимацию фокусного расстояния, временного замедления и временного окна необходимо всегда осуществлять с учетом условий лазера и предмета (например, мощности лазера, поверхности предмета и т.д.).

Для фокусирования лазерного луча выгодно использовать оптическое приспособление FL с большим фокусным расстоянием, при этом в данном случае фокусное расстояние составляет f=200 мм. Этим достигается, с одной стороны, выгодное рабочее расстояние, а с другой стороны, большая релеевская длина приводит к значительному повышению воспроизводимости индивидуальных импульсов. Кроме того, связанный с этим большой диаметр фокуса F имеет эффект усреднения по определенному участку поверхности предмета. Из-за в данном случае плоской геометрии конуса расширения плотность в расширяющейся плазме РА остается высокой более длительное время и уменьшаются радиальные градиенты.

Для повышения чувствительности анализа, например для обеспечения возможности обнаружения маленькой доли объемного процента хлора или остальных галогенов, в определенных случаях необходимо дополнительное возбуждение плазмы во время расширения, как показано схематически на фиг.2 с помощью искрового разрядника В. Искровой разрядник В снабжен, например, медными электродами, причем между их кончиками имеется напряжение U, составляющее максимум примерно 5 кВ. Разрядная энергия, составляющая максимум примерно 25 Втс, происходит из емкости примерно 2 мкФ. Для формирования импульса служит индуктивность примерно 100 мкГн. Вследствие дополнительного поперечного возбуждения (в направлении, вертикальном направлению расширения плазмы РА) в области перед веществом Т дополнительно усиливаются ионизация и возбуждение частиц плазмы РА, что приводит к значительному увеличению количества испускаемого плазмой света, также в месте дискообразного участка А2, благодаря чему достигается улучшение способности индикации подлежащих анализу, незначительных количеств галогена, в частности хлора. Фокусное расстояние

и временное окно при этом необходимо заново эмпирически приспосабливать.

На фиг. 3 показана диаграмма анализа I=f(λ), причем представлен также сравнительный анализ, показывающий преимущества предлагаемого способа по сравнению с известной строчной спектроскопией. Обе кривые на фиг.3 получены в тех же самых условиях, что касается лазера, предмета и индикации (материала (поливинилхлорид), свойств поверхности, фокусного расстояния, интенсивности лазера, спектрального диапазона, спектрального разрешения (в приборах) и т.д.). В верхнем спектре было осуществлено усреднение по всему поперечному сечению конуса расширяющейся плазмы, которое было изображено на примерно 500 строках камеры. Наряду с другими заместителями поливинилхлорида у 837,6 нм четко видна выделенная линия хлора Cl. В нижнем спектре строчную камеру устанавливали так, что усреднение осуществляли лишь по 20 строкам камеры. Это примерно до фактора 10 больше, чем действительно охватывалось бы настоящей однострочной камерой. Все-таки линия хлора видна лишь весьма слабо, хотя линии остальных компонентов и в данном случае хорошо видны. Кроме того, в верхнем спектре статистика лучше. Сравнение также показывает, что в верхнем спектре ширина линий больше, что также обусловлено ошибками изображения спектрометра SP (без установки для плоского поля) и усреднением через зоны плазмы разной плотности. Однако в отношении линии хлора у 837,6 нм это не является отрицательным.

Кривые I и II снимали с глубиной запоминания, составляющей 8 битов.

Описанные варианты и формы выполнения предлагаемых способа и устройства использовали для количественного спектрального анализа хлора, причем они привели к неожиданно хорошим результатам (до содержания хлора, составляющего 0,5% ! ). Их можно выгодным образом использовать также для количественной индикации остальных галогенов, а именно брома, фтора и йода. Диапазоны длины волн спектральных линий остальных галогенов можно аналогичным образом (область видимого света или инфракрасная область, см. выше, без перекрытия другими сильными спектральными линиями) найти в соответствующих таблицах спектральных линий и среди них особенно пригодные диапазоны спектральных линий можно определять с помощью опытов.

Предлагаемые способ и устройство в особенной степени пригодны для индикации хлора в неметаллических или максимум частично металлических веществах любого рода, в частности в пластмассе. Определение содержания хлора особенно необходимо в случае винилсодержащих веществ (поливинилхлорида и т. п. ), например потому, что в процессе обработки для вторичного использования выделяют данные вещества. Содержание хлора очень отрицательно сказывается на коррозионностойкости в случае способных ко вторичному использованию пластмасс, предназначенных для переработки путем литья под давлением.

Предлагаемые способ и устройство можно также выгодно использовать в случае невоспламеняющихся веществ из-за содержания брома в таких веществах, которое при вторичном использовании также является проблематичным. Кроме того, известны также способные ко вторичному использованию пластмассы, при которых важно и определение содержания фтора и йода.

Согласно изобретению способ индуцированного лазером спектрального анализа модифицируют с обеспечением возможности анализа галогенов в веществах. Этого достигают путем создания плазмы на подлежащем анализу предмете с помощью лазера с высокой мощностью, и для анализа воспользуются интенсивностью света дискообразного участка плазмы, размер и положение которого можно свободно выбрать, в сочетании со спектрометром и двухмерным съемочным приспособлением, чувствительность, временное управление и время открытия затвора которого можно регулировать. Путем усреднения по относительно большому объему по диапазону градиентов плотности и температуры повышают чувствительность и воспроизводимость по сравнению с обычными одномерными методами индикации, которые решающим образом влияют на возможность анализа галогенов.

Claims (23)

1. Способ спектрального анализа путем лазерной эмиссии галогенсодержащих, в частности, хлорсодержащих неметаллических и частично металлических веществ, согласно которому импульсный лазерный луч (Р) направляют на вещество (Т) для образования плазмы (РА), оптически фокусируют и направляют в спектрометр (SР) свет, испускаемый плазмой по направлению испускания в виде конуса, и осуществляют анализ по истечении определенной временной задержки после запуска импульсного лазерного луча (Р), причем импульсный лазерный луч (Р) имеет плотность энергии примерно от 10⁸ до 10¹² Вт/см², отличающийся тем, что осуществляют временное и пространственное усреднение по диапазону градиентов плотности и температуры плазмы (РА) для получения стабильной и воспроизводимой информации в виде спектральных линий для анализа путем суммирования и усреднения всех значений интенсивности света, испускаемого, по меньшей мере, из одного дискообразного участка указанного конуса, при этом выбирают дискообразный участок (V), образуемый одним единственным импульсным лазерным лучом (Р), и спектрально разрешенный свет, испускаемый дискообразным участком, снимают двухмерно с помощью подобного матрице съемочного приспособления после прохождения света через спектрометр.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбирают дискообразный участок, полученный в результате разреза конуса и расположенный вертикально относительно направления расширения плазмы.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выбирают дискообразный участок, расположенный по направлению расширения плазмы.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что конус испускаемого света изображают на входную щель спектрометра и щелью спектрометра вырезают дискообразный участок.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что интенсивность света усредняют по временному окну, составляющему, по меньшей мере, 100 нс после истечения времени задержки, и подвергают анализу.

6. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что среднее фокусное расстояние (е) между неметаллическим или частично металлическим веществом и дискообразным участком (V) составляет примерно от 3 до 6 мм.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что в случае хлора предопределенное время задержки к образованию плазмы (РА) составляет 4 мкс или меньше.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что импульсный лазерный луч (Р) имеет гауссово распределение, создаваемое лазером (L), работающим в режиме ТЕМ_OO.

9. Способ по п.4, отличающийся тем, что подобное матрице съемочное приспособление (ВА) представляет собой камеру ПЗС (CCD), по меньшей мере, с чипом с 10 строками, в частности, с чипом примерно с 500 или 600 строками, причем интенсивность света принимается через щель в продольном направлении (SL) в строках, а спектральное разрешение (длина волн) - в колонках матрицы, или же наоборот.

10. Способ по п.4 или 9, отличающийся тем, что за подобным матрице съемным приспособлением (ВА) включено цифровое приспособление для оценки (DM), по меньшей мере, с глубиной запоминания 4 бита и, по меньшей мере, 10 строками и числом колонок, соответствующим основной ширине подлежащей анализу спектральной линии, то есть, примерно с 200 ячейками памяти.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что образуемую плазму (РА) конуса расширения возбуждают дополнительно с помощью дополнительного траверсального запускаемого искрового разрядника (В), после чего испускаемый свет подают в спектрометр (SP).

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что для анализа хлора используют спектральные линии в области длины волн примерно от 480 до 550 нм, в частности примерно 480, 490, 500, 510, 520, 530, 540, 550 нм, или примерно 838 нм, или примерно 859 нм.

13. Способ по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что одновременно по параллельным каналам или же последовательно снимают несколько спектральных областей, при этом для дальнейшей оценки используют лишь часть данных областей.

14. Устройство для осуществления лазерного эмиссионного спектрального анализа, включающее импульсный лазер (L), обладающий плотностью энергии примерно от 10⁸ до 10¹² Вт/см², причем импульсный лазерный луч указанного лазера направлен на металлическое или частично металлическое вещество (Т), при этом устройство снабжено оптически фокусирующим приспособлением (LE) для направления испускаемого плазмой (РА) света в щель спектрометра и его фокусирования, отличающееся тем, что устройство снабжено подобным матрице съемочным приспособлением (ВА) для спектрального разрешения интенсивностиизображенного через щель спектрометра дискообразного участка конуса испускаемого света, прошедшего через спектрометр (SP), приспособлением для запоминания изображения и оценки для временного и пространственного суммирования указанной интенсивности и управляющим приспособлением, включенным между лазером, спектрометром, съемочным приспособлением, приспособлением для запоминания изображения и оценки, и служащим для запоминания и анализа спектральных сигналов испускаемого света в скорректированном временном промежутке.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что включает приспособление для оценки (DM), содержащее цифровые логические компоненты, в которые подают спектральные сигналы, запомненные в памяти изображения (BS).

16. Устройство по п.14 или 15, отличающееся тем, что подобное матрице съемочное приспособление (ВА) выполнено в качестве камеры ПЗС (CCD), по меньшей мере, с 10, в частности, примерно с 500 или 600 строками и одинаковым числом колонок.

17. Устройство по любому из пп.14-16, отличающееся тем, что включает приспособление для дополнительного возбуждения, состоящее из запускаемого искрового разрядника (В) с медными электродами, напряжением примерно 5 кВ, емкостью примерно 2 мкФ и индуктивностью примерно 100 мкГн.

18. Устройство по п.16, отличающееся тем, что перед съемочным приспособлением (ВА) включен усилитель изображения (BV), управляемый временно, относительно времени затвора и замедления, с разрешением примерно до 10 нс, для создания временного окна, составляющего, по меньшей мере, 100 нс, и для установки времени замедления примерно 4 мкс.

19. Устройство по п.14, отличающееся тем, что спектрометр (SP) содержит исправляющие после изображения элементы (установка для плоского поля).

20. Устройство по любому из пп.14-19, отличающееся тем, что импульсный лазер работает в режиме ТЕМоо.

21. Устройство по любому из пп.14-19, отличающееся тем, что в качестве изображающего плазму оптического приспособления (LE, FL) включает ахромат.

22. Устройство по любому из пп.14-19, отличающееся тем, что в качестве изображающего плазму оптического приспособления включает оптическое приспособление с переменным фокусным расстоянием (FL) для регулирования рабочего расстояния (е) и масштаба изображения.

23. Устройство по любому из пп.14-19, отличающееся тем, что для изображения в две стадии включает две последовательно включенные цилиндрические линзы (FL), изображающие в направлениях у и z, благодаря чему можно, например, определять размер подвергаемого анализу объема плазмы отдельно в направлениях у и z.

Images