Атомно-абсорбційний спектрометр, оснований на ефекті зеємана

Реферат: Винахід належить до аналітичного приладобудування і може бути використаний для визначення вмісту хімічних елементів в пробах різноманітних типів методом атомноабсорбційної спектрометрії. Задачею запропонованого винаходу є підвищення світлосили спектрометра, скорочення тривалості аналізу за рахунок автоматизації процесу вимірювання, а також усунення потенційного джерела помилок у вимірюванні в результаті некоректних дій оператора при ручному настроюванні компенсатора. Поставлена задача досягається тим, що в атомно-абсорбційний спектрометр, оснований на ефекті Зеємана, який містить оптично зв'язані джерело випромінювання з довжиною хвилі, що відповідає резонансному поглинанню визначуваного елемента, поляризатор, оптомодулятор, фазову пластину і атомізатор, розташований в постійному магнітному полі; оптично зв'язані монохроматор і приймач UA 109621 C2 (12) UA 109621 C2 випромінювання; систему реєстрації і обробки сигналу, електрично зв'язану з приймачем випромінювання і синхронізовану з оптомодулятором; введений пристрій перетворення випромінювання, оптично сполучений з атомізатором і монохроматором, виконаний у вигляді оптично сполучених другого поляризатора і джгута світловодів із змінним профілем, причому вхідному торцю джгута світловодів придана форма, яка збігається з профілем перерізу пучка випромінювання, а вихідному торцю придана витягнута форма, і він суміщений з вхідною щілиною монохроматора. UA 109621 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід відноситься до аналітичного приладобудування і може бути використаний для визначення вмісту хімічних елементів в пробах різноманітних типів методом атомноабсорбційної спектрометрії. В атомно-абсорбційних спектрометрах досліджувана проба переводиться у стан атомної пари, крізь яку пропускається пучок випромінювання, яке є резонансним для визначуваного елемента, і за величиною поглинання випромінювання визначається вміст елемента в пробі. Оскільки поглинання випромінювання відбувається як атомами визначуваного елемента (так зване "резонансне" або "селективне" поглинання), так і всілякими іншими частками (так зване "фонове" або "неселективне" поглинання), їх необхідно розділити. Для цього використовуються різноманітні способи корекції неселективного поглинання, наприклад, основані на ефекті Зеємана [1]. Відомий атомно-абсорбційний спектрометр, оснований на ефекті Зеємана, який вибраний в якості прототипу [2]. Пристрій містить оптично зв'язані елементи: джерело випромінювання з довжиною хвилі, яка відповідає резонансному поглинанню елемента, вміст якого в пробі вимірюється; перший поляризатор, оптомодулятор, другий поляризатор, фазову пластину; атомізатор, розташований в постійному магнітному полі; компенсатор, який забезпечує деполяризацію пучка за рахунок додаткового компенсувального фазового зсуву; монохроматор, приймач випромінювання; а також систему реєстрації і обробки сигналу, електрично зв'язану з приймачем випромінювання і синхронізовану з оптомодулятором. Перед початком аналізу за допомогою прототипу оператор вмикає джерело випромінювання з довжиною хвилі, яка відповідає резонансному поглинанню елемента, вміст якого в пробі вимірюється, а також установлює монохроматор на резонансну довжину хвилі визначуваного елемента. Пучок випромінювання від джерела, проходячи послідовно розташовані перший поляризатор, оптомодулятор, другий поляризатор і фазову пластину, придбаває модуляцію за станом поляризації (з частотою оптомодулятора) і амплітудою (з двократною частотою оптомодулятора). Далі, пучок випромінювання прямує крізь атомізатор, в який оператор вводить визначувану пробу. В атомізаторі проба розкладається до стану атомної пари. Через те, що всередині атомізатора створюється постійне магнітне поле, внаслідок ефекту Зеємана, хмара атомізованої проби придбаває поляризаційні властивості (в різному ступені поглинає випромінювання різної інтенсивності). Тому після проходження атомізатора модуляція випромінювання за поляризацією приведе до додаткової модуляції за інтенсивністю. Монохроматор пропускає випромінювання резонансної довжини хвилі визначуваного елемента для подальшої реєстрації за допомогою приймача випромінювання. Далі, за допомогою системи реєстрації і обробки сигналу, синхронізованої з оптомодулятором, з електричного сигналу, який йде з приймача випромінювання, виділяються гармоніки з частотою коливань оптомодулятора і двократною частотою і вимірюються їхні амплітуди. Оскільки електричний сигнал з приймача випромінювання залежить від поляризації падаючого випромінювання, для коректності вимірювань необхідно деполяризувати випромінювання перед його реєстрацією. Для цього в прототипі застосовується компенсатор, який вносить додатковий компенсувальний фазовий зсув, який залежить від довжини хвилі визначуваного елемента. Настроювання компенсатора, який забезпечує необхідний для компенсації фазовий зсув, проводиться оператором вручну. Після настроювання компенсатора оператор вводить в атомізатор визначувану пробу і здійснює вимірювання амплітуд гармонік, з яких знаходиться величина аналітичного сигналу, пропорційного масі визначуваного елемента в пробі. Прототипу властиві два недоліки. Перший полягає в тому, що компенсатор потребує ручного підстроювання при переході від вимірювання одного елемента до другого елемента, оскільки його настроювання, яка забезпечує деполяризацію випромінювання, залежить від довжини хвилі. Ця дія потребує втручання оператора і тому збільшує тривалість аналізу, утрудняє автоматизацію вимірювань і при невірних діях оператора може привести до помилки вимірювання. Іншим недоліком прототипу є великі втрати випромінювання на вхідній щілині монохроматора, пов'язані з тим, що пучок випромінювання на вході в монохроматор має круглий профіль, у той час як сама щілина має витягнуту форму. В результаті незбіжності профілів пучка і вхідної щілини монохроматора лише невелика частина випромінювання попадає в монохроматор і після реєстрації приймачем випромінювання формує аналітичний сигнал. Ця обставина обмежує світлосилу спектрометра. Задачею запропонованого винаходу є підвищення світлосили спектрометра, скорочення тривалості аналізу за рахунок автоматизації процесу вимірювання, а також усунення 1 UA 109621 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 потенційного джерела помилок у вимірюванні в результаті некоректних дій оператора при ручному настроюванні компенсатора. Поставлена задача досягається тим, що в атомно-абсорбційний спектрометр, оснований на ефекті Зеємана, який містить оптично зв'язані джерело випромінювання з довжиною хвилі, яка відповідає резонансному поглинанню визначуваного елемента, поляризатор, оптомодулятор, фазову пластину і атомізатор, розташований в постійному магнітному полі; оптично зв'язані монохроматор і приймач випромінювання; систему реєстрації і обробки сигналу, електрично зв'язану з приймачем випромінювання і синхронізовану з оптомодулятором; введений пристрій перетворення випромінювання, оптично сполучений з атомізатором і монохроматором, виконаний у вигляді оптично сполучених другого поляризатора і джгута світловодів із змінним профілем, причому вхідному торцю джгута світловодів придана форма, яка збігається з профілем перерізу пучка випромінювання, а вихідному торцю придана витягнута форма, і він суміщений з вхідною щілиною монохроматора. Технічний результат запропонованого винаходу, а саме, підвищення світлосили спектрометра, скорочення тривалості аналізу за рахунок автоматизації процесу вимірювання, а також усунення потенційного джерела помилок у вимірюванні в результаті некоректних дій оператора при ручному настроюванні компенсатора, досягається за рахунок того, що зазначена сукупність наведених ознак - викликає додаткову модуляцію за інтенсивністю, необхідну для аналітичних вимірювань; - здійснює ефективне оптичне сполучення пучка випромінювання і вхідної щілини монохроматора; - здійснює деполяризацію пучка перед його введенням в монохроматор. Заявлений винахід пояснюється кресленнями, де: Фіг. 1 - схема запропонованого атомно-абсорбційного спектрометра, основаного на ефекті Зеємана. Фіг. 2 - схема пристрою перетворення випромінювання. Фіг. 3 - схема формування аналітичних сигналів в атомно-абсорбційному спектрометрі, основаному на ефекті Зеємана. Схема атомно-абсорбційного спектрометра, основаного на ефекті Зеємана, показана на фігурі 1. Спектрометр містить оптично зв'язані елементи: джерело випромінювання 1 з довжиною хвилі, яка відповідає резонансному поглинанню елемента, вміст якого в пробі вимірюється, поляризатор 2, оптомодулятор 3, фазову пластину 4 і атомізатор 5, розташований в магнітному полі, утворюваному магнітами 6; пристрій перетворення випромінювання 7, монохроматор 8 і приймач випромінювання 9; а також систему реєстрації і обробки сигналу 10, електрично зв'язану з приймачем випромінювання і синхронізовану з оптомодулятором. Схема пристрою перетворення випромінювання 7, яка показана на фігурі 2, містить оптично зв'язані елементи: другий поляризатор 11 і джгут світловодів 12. Джгут світловодів 12 виконаний із змінним профілем за рахунок того, що його вхідний торець поміщений у вхідну оправу 13, якій придана форма, що збігається з профілем перерізу пучка випромінювання, а вихідний торець поміщений у вихідну оправу 14 витягнутої форми. Вихідний торець джгута світловодів є суміщеним з вхідною щілиною монохроматора 8. Джерелом резонансного випромінювання може бути, наприклад, спектральна лампа з порожнистим катодом або безелектродна спектральна лампа. В атомно-абсорбційному спектрометрі, основаному на ефекті Зеємана, в якості поляризатора 2, оптомодулятора 3, фазової пластини 4, монохроматора 8, приймача випромінювання 9, а також системи реєстрації і обробки сигналу 10 можуть використовуватися елементи, подібні до використовуваних у прототипі або аналогічні. З технологічних і конструктивних міркувань другий поляризатор може бути реалізований різними способами: - як окремий пристрій, - він може бути суміщений з вхідною оправою джгута світловодів в один вузол, - або функцію поляризатора може виконувати зріз пучка світловодів, здійснений під кутом Брюстера по відношенню до падаючого пучка випромінювання. Для обґрунтування принципу роботи запропонованого спектрометра розглянемо змінювання стану поляризації пучка випромінювання відповідно до проходження крізь його елементи, яке показано на фігурі 3. Випромінювання від джерела резонансного випромінювання 1 проходить крізь поляризатор 2, після чого воно придбаває поляризований стан. Для досягнення максимальної ефективності рекомендується орієнтувати поляризатор під кутом 45 градусів по відношенню до напрямку, вибраному в якості системи відліку. 2 UA 109621 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Оптомодулятор 3 здійснює періодичний фазовий зсув, внаслідок чого після проходження оптомодулятора випромінювання стає модульованим за поляризацією (має місце періодична трансформація стану поляризації пучка з лінійної в еліптичну, в окремому випадку кругову). Оптомодулятор може бути реалізований, наприклад, у вигляді фазової пластини, яка має змінний у часі фазовий зсув, здійснюваний за рахунок змінної механічної напруги. Після оптомодулятора випромінювання пропускається крізь фазову пластину 4, вісь якої орієнтована паралельно вибраному напрямку, яка перетворює лінійну поляризацію в кругову і кругову в лінійну. Таким чином, після проходження фазової пластини пучок випромінювання придбаває модуляцію стану поляризації, яка характеризується періодичною зміною наступних станів: - лінійної поляризації, паралельної вибраному напрямку (один раз за період коливань оптомодулятора; - лінійної поляризації, перпендикулярної вибраному напрямку (один раз за період коливань оптомодулятора); - кругової поляризації (двічі за період коливань оптомодулятора). Сформоване таким чином випромінювання пропускається крізь атомізатор 5. В атомізатор заздалегідь вноситься проба, яка під дією фізичних чинників, реалізованих в атомізаторі (наприклад, високої температури, дії полум'я або плазми), перетворюється в хмару атомної пари. В атомізаторі за допомогою магнітів 6 створюється магнітне поле. Магніти орієнтовані таким чином, щоб магнітні силові лінії були паралельними вибраному напрямку. Описане вище взаємне розташування пучка випромінювання і силових ліній магнітного поля приводить до реалізації поперечного ефекту Зеємана, який проявляється в тому, що абсорбційна резонансна лінія розщеплюється на низку -і -компонент (ефект Зеємана), причому - і -компоненти поглинають лінійно поляризоване випромінювання, напрямок поляризації якого є паралельним або перпендикулярним напрямку магнітних ліній, відповідно. Одна з -компонент не зміщується відносно довжини хвилі нерозщепленої лінії (довжина хвилі цієї лінії дорівнює довжині хвилі нерозщепленої лінії абсорбції), у той час як -компоненти зміщуються відносно довжини хвилі нерозщепленої лінії, причому це зміщення збільшується із збільшенням напруженості магнітного поля. Із збільшенням напруженості магнітного поля компоненти зміщуються, і відповідно до їхнього зміщення для них ослаблюється ефект резонансного поглинання випромінювання (при достатньо сильному полі зміщення ліній досягає такого ступеня, що резонансне поглинання припиняє реалізовуватися). У той же час, для незміщеної -компоненти резонансне поглинання буде відбуватися незалежно від напруженості магнітного поля. Оскільки - і -компоненти поглинають випромінювання з різною орієнтацією площини поляризації, це приводить до появи модуляції інтенсивності: у ті моменти часу, коли поляризація випромінювання є лінійною і напрямок поляризації є паралельним напрямку силових магнітних ліній, резонансне випромінювання поглинається -компонентами лінії поглинання. У ті моменти, коли напрямок поляризації є перпендикулярним напрямку силових магнітних ліній, резонансне поглинання є ослабленим (або відсутнім), оскільки -компоненти зміщені відносно лінії випускання, а -компоненти не можуть поглинати випромінювання з даною поляризацією. В результаті буде спостерігатися модуляція інтенсивності випромінювання з періодом коливань оптомодулятора, як це показано на фігурі 3. Причому амплітуда коливань буде визначатися інтенсивністю випромінювання і величиною атомного поглинання, яка залежить від концентрації визначуваного елемента. Після проходження атомізатора випромінювання попадає в пристрій перетворення випромінювання 7. Для досягнення максимальної ефективності другий поляризатор 11, який входить до складу пристрою перетворення випромінювання, рекомендується орієнтувати під кутом 45 градусів по відношенню до напрямку, вибраному в якості системи відліку. Після проходження другого поляризатора 11 оптичне випромінювання придбаває додаткову модуляцію за інтенсивністю з мінімумами в моменти часу, коли поляризація є лінійною, і максимумами в моменти часу, коли поляризація є круговою, як це показано на фігурі 3, тобто з двократною частотою у порівнянні з частотою коливань оптомодулятора. Причому амплітуда коливань буде залежати від інтенсивності випромінювання і сумарного (селективного і неселективного) поглинання. Джгут світловодів 12, який йде за другим поляризатором 11, деполяризує пучок випромінювання за рахунок численних перевідбитків в світловодах, причому ефект деполяризації не залежить від довжини хвилі і не потребує яких-небудь дій з боку оператора. Крім того, джгуту світловодів надається профіль, який забезпечує найкраще узгодження між пучком випромінювання і вхідною щілиною монохроматора. Це досягається тим, що вхідному торцю джгута придана кругла форма, яка співпадає з профілем пучка випромінювання, а 3 UA 109621 C2 5 10 15 20 25 30 вихідному торцю придана витягнута форма, і він суміщений з вхідною щілиною монохроматора. Таким чином, після проходження пристрою перетворення випромінювання 7 пучок випромінювання буде мати модуляцію за інтенсивністю з двома гармоніками: з частотою оптомодулятора і двократною частотою оптомодулятора, і при цьому бути деполяризованим. Завдяки включенню другого поляризатора до складу пристрою перетворення випромінювання, з'являються додаткові (у порівнянні з прототипом) конструктивні і технологічні можливості реалізації другого поляризатора. А саме, другий поляризатор можна реалізувати не тільки у вигляді окремого пристрою (як у прототипі), але й, наприклад, його можна сумістити в один вузол з оправою джгута світловодів; також функцію другого поляризатора може виконувати зріз джгута світловодів, здійснений під кутом Брюстера до падаючого пучка випромінювання. Після проходження пристрою перетворення випромінювання деполяризоване і модульоване за інтенсивністю випромінювання попадає в монохроматор 8, який виділяє область спектра поблизу від резонансної лінії поглинання. Випромінювання, яке виділене монохроматором, реєструють за допомогою приймача випромінювання 9. Далі, за допомогою системи реєстрації і обробки сигналу 10, синхронізованої з оптомодулятором, з електричного сигналу, який йде з приймача випромінювання, виділяються гармоніки з частотою коливань оптомодулятора і двократною частото, вимірюються їхні амплітуди і знаходиться величина аналітичного сигналу, пропорційного масі визначуваного елемента в пробі. Переваги винаходу проявляються в тому, що ефект деполяризації, який має місце, не залежить від довжини хвилі випромінювання, що усуває необхідність яких-небудь дій з боку оператора і, отже, дозволяє автоматизувати процес вимірювання, скоротити тривалість аналізу, і виключає можливість помилки оператора. Крім того, формування з світловодів джгута з різним перерізом на вхідному і на вихідному торцях дозволяє здійснити більш повне сполучення профілів пучка і вхідної щілини монохроматора, і за рахунок цього збільшити світлосилу атомноабсорбційного спектрометра, основаного на ефекті Зеємана. Джерела інформації:: 1. Пупышев А.Л. Атомно-абсорбционный спектральный анализ (Атомно-абсорбційний спектральний аналіз). М: Техносфера, 2009 г, 784 стр. 2. Ганеев А.Л., Шолупов С.Е., Сляднев Н.М. Зеемановская модуляционная поляризационная спектроскопия как вариант атомно-абсорбционного анализа: возможности и ограничения (Зеємановська модуляційна поляризаційна спектроскопія як варіант атомноабсорбційного аналізу: можливості і обмеження) // Журнал аналитической химии. 1996. Т. 51, № 8. С. 855-864. 35 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 50 1. Атомно-абсорбційний спектрометр, оснований на ефекті Зеємана, який містить оптично зв'язані джерело випромінювання з довжиною хвилі, яка відповідає резонансному поглинанню визначуваного елемента, поляризатор, оптомодулятор, фазову пластину; атомізатор, розташований в постійному магнітному полі; оптично зв'язані монохроматор і приймач випромінювання; систему реєстрації і обробки сигналу, електрично зв'язану з приймачем випромінювання і синхронізовану з оптомодулятором, який відрізняється тим, що в спектрометр введений пристрій перетворення випромінювання, виконаний у вигляді оптично сполучених другого поляризатора і джгута світловодів, причому вхідному торцю джгута світловодів придана форма, яка збігається з профілем перерізу пучка випромінювання, а вихідному торцю придана витягнута форма, і він суміщений з вхідною щілиною монохроматора, при цьому пристрій перетворення оптично сполучено з атомізатором і монохроматором. 2. Спектрометр за п. 1, який відрізняється тим, що пристрій перетворення випромінювання виконаний у вигляді єдиного вузла за рахунок конструктивного суміщення другого поляризатора з оправою вхідного торця джгута світловодів. 3. Спектрометр за п. 1, який відрізняється тим, що функцію другого поляризатора виконує зріз вхідного торця джгута світловодів, здійснений під кутом Брюстера по відношенню до падаючого пучка випромінювання. 4 UA 109621 C2 5 UA 109621 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6