АТОМНО-АБСОРБЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР, ОСНОВАННЫЙ НА ЭФФЕКТЕ ЗЕЕМАНА
NUCLEAR-ABSORPTION SPECTROMETER, BASED ON ZEEMAN EFFECT

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано для определения содержания химических элементов в пробах различных типов методом атомно-абсорбционной спектрометрии.
В атомно-абсорбционных спектрометрах анализируемая проба переводится в состояние атомного пара, сквозь который пропускается пучок излучения, резонансного для определяемого элемента, и по величине поглощения излучения определяется содержание элемента в пробе. Поскольку поглощение излучения происходит как атомами определяемого элемента (так называемое «резонансное» или «селективное» поглощение), так и прочими частицами (так называемое «фоновое» или «неселективное» поглощение), их необходимо разделить. Для этого используются различные способы коррекции неселективного поглощения, например, основанные на эффекте Зеемана [1].
Известен атомно-абсорбционный спектрометр, основанный на эффекте Зеемана, выбранный в качестве прототипа [2]. Устройство включает: оптически связанные элементы: источник излучения с длиной волны, соответствующей резонансному поглощению элемента, содержание которого в пробе измеряется; первый поляризатор, оптомодулятор, второй поляризатор, фазовую пластину; атомизатор, расположенный в постоянном магнитном поле; компенсатор, обеспечивающий деполяризацию пучка за счет дополнительного компенсирующего фазового сдвига; монохроматор, приемник излучения; а также систему регистрации и обработки сигнала, электрически связанную с приемником излучения и синхронизованную с оптомодулятором.
Перед началом анализа с помощью прототипа, оператор включает источник излучения с длиной волны, соответствующей резонансному поглощению элемента, содержание которого в пробе измеряется, а также устанавливает монохроматор на резонансную длину волну определяемого элемента.
Пучок излучения от источника, проходя последовательно расположенные первый поляризатор, оптомодулятор, второй поляризатор и фазовую пластину, приобретает модуляцию по состоянию поляризации (с частотой оптомодулятора) и амплитуде (с двукратной частотой оптомодулятора).
Далее пучок излучения направляется сквозь атомизатор, в который оператор вводит определяемую пробу. В атомизаторе проба разлагается до состояния атомного пара. Из-за того, что внутри атомизатора создается постоянное магнитное поле, вследствие эффекта Зеемана, облако атомизованной пробы приобретает поляризационные свойства (в различной степени поглощает излучение разной поляризации). Поэтому после прохождения атомизатора модуляция излучения по поляризации приведет к дополнительной модуляции по интенсивности.
Монохроматор пропускает излучение резонансной длины волны определяемого элемента для дальнейшей регистрации с помощью приемника излучения. Далее, с помощью системы регистрации и обработки сигнала, синхронизованной с оптомодулятором, из электрического сигнала, идущего с приемника излучения, выделяются гармоники с частотой колебаний оптомодулятора и двукратной частотой и измеряются их амплитуды. Поскольку электрический сигнал с приемника излучения зависит от поляризации падающего излучения, для корректности измерений необходимо деполяризовать излучение перед его регистрацией. Для этой цели в прототипе применяется компенсатор, вносящий дополнительный компенсирующий фазовый сдвиг, зависящий от длины волны определяемого элемента. Настройка компенсатора, обеспечивающая необходимый для компенсации фазовый сдвиг, производится оператором вручную. После настройки компенсатора оператор вводит в атомизатор определяемую пробу и осуществляет измерение амплитуд гармоник, из которых находится величина аналитического сигнала, пропорционального массе определяемого элемента в пробе.
Прототипу свойственны два недостатка. Первый состоит в том, что компенсатор требует ручной подстройки при переходе от измерения одного элемента к другому элементу, так как его настройка, обеспечивающая деполяризацию излучения, зависит от длины волны. Это действие требует вмешательства оператора, а поэтому увеличивает время анализа, затрудняет автоматизацию измерений и при неверных действиях оператора может привести к ошибке измерения.
Другим недостатком прототипа являются большие потери излучения на входной щели монохроматора, связанные с тем, что пучок излучения на входе в монохроматор имеет круглый профиль, в то время как сама щель имеет вытянутую форму. В результате несовпадения профилей пучка и входной щели монохроматора только небольшая часть излучения попадает в монохроматор, и после регистрации приемником излучения формирует аналитический сигнал. Это обстоятельство ограничивает светосилу спектрометра.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение светосилы спектрометра, сокращение времени анализа за счет автоматизации процесса измерения, а также устранение потенциального источника ошибок в измерении в результате некорректных действий оператора при ручной настройке компенсатора.
Поставленная задача достигается тем, что в атомно-абсорбционном спектрометре, основанном на эффекте Зеемана, содержащем: оптически связанные источник излучения с длиной волны, соответствующей резонансному поглощению определяемого элемента, поляризатор, оптомодулятор, фазовую пластину и атомизатор, расположенный в постоянном магнитном поле; оптически связанные монохроматор и приемник излучения; систему регистрации и обработки сигнала, электрически связанную с приемником излучения и синхронизованную с оптомодулятором, введено устройство преобразования излучения, оптически сопряженное с атомизатором и монохроматором, выполненное в виде оптически сопряженных второго поляризатора и жгута световодов с переменным профилем, причем входному торцу жгута световодов придана форма, совпадающая с профилем сечения пучка излучения, а выходному торцу придана вытянутая форма и он совмещен с входной щелью монохроматора.
Технический результат предлагаемого изобретения, а именно повышение светосилы спектрометра, сокращение времени анализа за счет автоматизации процесса измерения, а также устранение потенциального источника ошибок в измерении, в результате некорректных действий оператора при ручной настройке компенсатора достигается за счет того, что указанная совокупность приведенных признаков:
- вызывает дополнительную модуляцию по интенсивности, необходимую для аналитических измерений;
- осуществляет эффективное оптическое сопряжение пучка излучения и входной щели монохроматора;
- осуществляет деполяризацию пучка перед вводом его в монохроматор.
Заявленное изобретение поясняется чертежами, где:
Фиг.1 - схема предлагаемого атомно-абсорбционного спектрометра, основанного на эффекте Зеемана;
Фиг.2 - схема устройства преобразования излучения;
Фиг.3 - схема формирования аналитических сигналов в атомно-абсорбционном спектрометре, основанном на эффекте Зеемана.
Схема атомно-абсорбционного спектрометра, основанного на эффекте Зеемана, показана на Фиг.1. Спектрометр содержит: оптически связанные элементы: источник излучения 1 с длиной волны, соответствующей резонансному поглощению элемента, содержание которого в пробе измеряется, поляризатор 2, оптомодулятор 3, фазовую пластину 4 и атомизатор 5, расположенный в магнитном поле, создаваемом магнитами 6; устройство преобразования излучения 7, монохроматор 8 и приемник излучения 9; а также систему регистрации и обработки сигнала 10, электрически связанную с приемником излучения и синхронизованную с оптомодулятором.
Схема устройства преобразования излучения 7, показанная на Фиг.2, содержит оптически связанные элементы: второй поляризатор 11 и жгут световодов 12. Жгут световодов 12 выполнен с переменным профилем за счет того, что его входной торец помещен во входную оправу 13, которой придана форма, совпадающая с профилем сечения пучка излучения, а выходной торец помещен в выходную оправу 14 вытянутой формы. Выходной торец жгута световодов совмещен с входной щелью монохроматора 8,
Источником резонансного излучения может являться, например, спектральная лампа с полым катодом или безэлектродная спектральная лампа.
В атомно-абсорбционном спектрометре, основанном на эффекте Зеемана, в качестве поляризатора 2, оптомодулятора 3, фазовой пластины 4, монохроматора 8, приемника излучения 9, а также системы регистрации и обработки сигнала 10 могут использоваться элементы, подобные используемым в прототипе, или аналогичные.
По технологическим и конструктивным соображениям второй поляризатор может быть реализован различными способами:
- как отдельное устройство,
- он может быть совмещен с входной оправой жгута световодов в один узел,
- либо функцию поляризатора может выполнять срез пучка световодов осуществленный под углом Брюстера по отношению к падающему пучку излучения.
Для обоснования принципа работы предлагаемого спектрометра рассмотрим изменение состояния поляризации пучка излучения по мере прохождения через его элементы, показанное на Фиг.3. Излучение от источника резонансного излучения 1 проходит сквозь поляризатор 2, после чего приобретает поляризованное состояние. Для достижения максимальной эффективности рекомендуется ориентировать поляризатор под углом в 45 градусов по отношению к направлению, выбранному в качестве системы отчета.
Оптомодулятор 3 осуществляет периодический фазовый сдвиг, вследствие чего после прохождения оптомодулятора излучение становится модулированным по поляризации (имеет место периодическая трансформация состояния поляризации пучка из линейной в эллиптическую, в частном случае круговую). Оптомодулятор может быть реализован, например, в виде фазовой пластины, имеющей переменный во времени фазовый сдвиг, осуществляемый за счет переменного механического напряжения.
После оптомодулятора излучение пропускается через фазовую пластину 4, ось которой ориентирована параллельно выбранному направлению, которая преобразовывает линейную поляризацию в круговую и круговую в линейную. Таким образом, после прохождения фазовой пластины пучок излучения приобретает модуляцию состояния поляризации, характеризующуюся периодической сменой следующих состояний:
- линейной поляризации, параллельной выбранному направлению (один раз за период колебаний оптомодулятора);
- линейной поляризации, перпендикулярной выбранному направлению (один раз за период колебаний оптомодулятора);
- круговой поляризации (два раза за период колебаний оптомодулятора).
Сформированное таким образом излучение пропускается через атомизатор 5. В атомизатор предварительно вносится проба, которая под воздействием физических факторов, реализованных в атомизаторе (например, высокой температуры, воздействия пламени или плазмы), превращается в облако атомного пара. В атомизаторе с помощью магнитов 6 создается магнитное поле. Магниты ориентированы таким образом, чтобы магнитные силовые линии были параллельны выбранному направлению.
Описанное выше взаимное расположение пучка излучения и силовых линий магнитного поля приводит к реализации поперечного эффекта Зеемана, проявляющегося в том, что абсорбционная резонансная линия расщепляется на ряд π- и σ-компонентов (эффект Зеемана), причем π- и σ-компоненты поглощают линейно поляризованное излучение, направление поляризации которого параллельно или перпендикулярно направлению магнитных линий, соответственно. Одна из π-компонент не смещается относительно длины волны нерасщепленной линии (длина волны этой линии равна длине волны нерасщепленной линии абсорбции), в то время как σ-компоненты смещаются относительно длины волны нерасщепленной линии, причем это смещение увеличивается с увеличением напряженности магнитного поля. По мере увеличения напряженности магнитного поля σ-компоненты смещаются, и по мере их смещения для них ослабляется эффект резонансного поглощения излучения (при достаточно сильном поле смещение линий достигает такого уровня, что резонансное поглощение перестанет реализовываться). В то же время для несмещенной π-компоненты резонансное поглощение будет происходить независимо от напряженности магнитного поля. Поскольку π- и σ-компоненты поглощают излучение с разной ориентацией плоскости поляризации, это приведет к появлению модуляции интенсивности: в те моменты времени, когда поляризация излучения линейна и направление поляризации параллельно направлению силовых магнитных линий, резонансное излучение поглощается π-компонентами линии поглощения. В моменты, когда направление поляризации перпендикулярно направлению силовых магнитных линий, резонансное поглощение ослаблено (или отсутствует), т.к. σ-компоненты смещены относительно линии испускания, а π-компоненты не могут поглощать излучение с данной поляризацией. В результате будет наблюдаться модуляция интенсивности излучения с периодом колебаний оптомодулятора, как показано на Фиг.3. Причем амплитуда колебаний будет определяться интенсивностью излучения и величиной атомного поглощения, зависящей от концентрации определяемого элемента.
После прохождения атомизатора излучение попадает в устройство преобразования излучения 7. Для достижения максимальной эффективности рекомендуется ориентировать входящий в состав устройства преобразования излучения второй поляризатор 11 под углом в 45 градусов по отношению к направлению, выбранному в качестве системы отчета.
После прохождения второго поляризатора 11 оптическое излучение приобретет дополнительную модуляцию по интенсивности, с минимумами в моменты времени, когда поляризация линейна, и максимумами в моменты времени, когда поляризация круговая, как показано на Фиг.3, т.е. с частотой, двукратной по сравнению с частотой колебаний оптомодулятора. Причем амплитуда колебаний будет зависеть от интенсивности излучения и суммарного (селективного и неселективного) поглощения.
Следующий за вторым поляризатором 11 жгут световодов 12 деполяризует пучок излучения за счет многочисленных переотражений в световодах, причем эффект деполяризации не зависит от длины волны и не требует каких-либо действий со стороны оператора. Кроме того, жгуту световодов придается профиль, обеспечивающий наилучшее согласование между пучком излучения и входной щелью монохроматора. Это достигается тем, что входному торцу жгута световодов придана круглая форма, совпадающая с профилем пучка излучения, а выходному торцу придана вытянутая форма и он совмещен с входной щелью монохроматора. Таким образом, после прохождения устройства преобразования излучения 7 пучок излучения будет иметь модуляцию по интенсивности с двумя гармониками: с частотой оптомодулятора и двукратной частотой оптомодулятора и при этом быть деполяризованным.
Благодаря включению второго поляризатора в состав устройства преобразования излучения, появляются дополнительные (по сравнению с прототипом) конструктивные и технологические возможности реализации второго поляризатора. А именно второй поляризатор можно реализовать не только в виде отдельного устройства (как в прототипе), но и, например, его можно совместить в один узел с оправой жгута световодов, также функцию второго поляризатора может выполнять срез жгута световодов, осуществленный под углом Брюстера к падающему пучку излучения.
После прохождения устройства преобразования излучения деполяризованное и модулированное по интенсивности излучение попадает в монохроматор 8, который выделяет область спектра, вблизи резонансной линии поглощения. Излучение, выделенное монохроматором, регистрируют с помощью приемника излучения 9. Далее с помощью системы регистрации и обработки сигнала 10, синхронизованной с оптомодулятором, из электрического сигнала, идущего с приемника излучения, выделяются гармоники с частотой колебаний оптомодулятора и двукратной частотой, измеряются их амплитуды и находится величина аналитического сигнала, пропорционального массе определяемого элемента в пробе.
Преимущества изобретения проявляются в том, что имеющий место эффект деполяризации не зависит от длины волны излучения, что исключает необходимость каких-либо действий со стороны оператора, а значит, позволяет автоматизировать процесс измерения, сократить время анализа и исключить ошибки оператора. Кроме того, формирование из световодов жгута с различным сечением на входном и на выходном торце позволяет осуществить более полное сопряжение профилей пучка и входной щели монохроматора и за счет этого увеличить светосилу атомно-абсорбционного спектрометра, основанного на эффекте Зеемана.
Литература
1. Пупышев А.А. Атомно-абсорбционный спектральный анализ. М.: Техносфера, 2009 г., 784 стр.
2. Ганеев А.А., Шолупов С.Е., Сляднев Н.М. Зеемановская модуляционная поляризационная спектроскопия как вариант атомно-абсорбционного анализа возможности: и ограничения//Журнал аналитической химии. 1996. Т.51, №8. С.855-864.