Спектрально-аналитические характеристики разряда килогерцового диапазона частот в поперечном синфазном магнитном поле

Суковатый, Алексей Григорьевич

Спектрально-аналитические характеристики разряда килогерцового диапазона частот в поперечном синфазном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Суковатый, Алексей Григорьевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Красноярск МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Спектрально-аналитические характеристики разряда килогерцового диапазона частот в поперечном синфазном магнитном поле»

Автореферат диссертации на тему "Спектрально-аналитические характеристики разряда килогерцового диапазона частот в поперечном синфазном магнитном поле"

На правах рукописи.

1 4 ДЕК

СУКОВАТЫЙ АЛЕКСЕЙ ГРИГОРЬЕВИЧ.

СПЕКТРАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗРЯДА КИЛОГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ В ПОПЕРЕЧНОМ СИНФАЗНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

01.04.01 - " Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований."

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

Красноярск - 1998.

Работа выполнена в Красноярском государственном университете.

Научные руководители:

кандидат физико-математических нау доцент Чурилов Г.Н. кандидат физико-математических нау доцент Сорокин A.B.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ветров С.Я. кандидат физико-математических нау Сухов Л .Т.

Ведущая организация:

Институт химии и химичес технологии СО Р.

Защита состоится ь /993.

12 на заседании диссерташюнн совета К 063.83.04 по защитам диссертаций при Снбира государственном технологическом университете.

Адрес: 660049, г. Красноярск, пр. Мира. 82.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Сибирск государственного технологического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

Маркова О.

Актуальность темы. Эмиссионный спектральный анализ располагает зогатым арсеналом разнообразных источников света. Важное практическое треимушество эмиссионного анализа, заключается в возможности )дновременного; высокочувствительного и точного определения в твердых материалах и жидкостях большого числа элементов в широком интервале их сонцентраций. К числу наиболее современных источников света для 1миссионного спектрального анализа относится разряд с индукционно-:вязанной плазмой. Этот разряд характеризуется наиболее низкими [ределами обнаружения элементов. Но, проблема введения значительной 1ассы твердой пробы в разряд с индукционно-связанной плазмой до сих юр не решена и этот факт ограничивает его широкое применение. в пектральном анализе.

Наиболее распространенным в практике эмиссионной спектроскопии стается дуговой разряд, при атмосферном давлении, вследствие его простоты,

оступности и наибольшей универсальности. Вместе с тем, важнейшей задачей

овершенствования дуговых источников света для эмиссионного спектрального нализа является повышение эффективности и стабильности процессов томизации пробы, достижения полной ее диссоциации и полноты вхождения гомов в зону возбуждения, независимо от состава, массы и свойств нализнруемого материала. Часто и довольно успешно для решения этих роблем применяется стабилизация разряда магнитным полем.

При решении многих аналитических задач эмиссионной спектроскопии ажио возбуждение полноценного спектра, в котором будут возбуждаться, как энные, так и дуговые линии спектра. Учитывая то, что в настоящее время /шествуют источники переменного тока в широком диапазоне мощностей и 1Стот, появилась возможность осуществить разряд переменного тока, в угором будет сочетаться возбуждение искровых и дуговых компонентов 1ектра и магнитная стабилизация плазмы.

Цель работы. Целью работы является разработка и изготовление источника света для эмиссионного спектрального анализа на основе магнетронного разряда килогерцового диапазона частот и исследование его спектрально-аналитических характеристик.

В задачи диссертационной работы входит:

1. Разработка принципиальной схемы и конструкции источника света с разрядом килогерцового диапазона частот в поперечном магиитном поле, синфазном с током разряда;

2. Исследование физических и оптических параметров разряда килогерцового диапазона частот в поперечном магнитном поле, синфазном с током разряда;

3. Изготовление устройств для подачи анализируемой пробы в аналитическую зону разряда, как в виде порошков, так и в виде аэрозоля;

4. Определение чувствительности количественного спектрального анализа твердых порошкообразных проб и аэрозолей при использовании разработанного источника света и устройств пробоподачи.

Научная новизна.

Разработана схема возбуждения разряда килогерцового диапазона частот в поперечном магнитном поле. Разряд создается между двумя электродами -внешним электродом-индуктором и внутренним электродом, выполненным в виде цилиндрического стержня, ось которого перпендикулярна плоскости витка электрода-индуктора. Применена схема возбуждения разряда, в которой ток разряда синфазен с магнитным полем электрода-индуктора. Поэтому сила Лоренца, вызывающая вращение разряда, максимальна вне зависимости от направления течения тока в разрядном промежутке. Отличительной особенностью вольтамперной характеристики генератора плазмы с разрядом килогерцового диапазона частот в поперечном к току разряда магнитном поле.

шлется наличие искровой фазы в начальный момент периода, с последующим ¡реходом в дуговую фазу.

Практическое значение работы. Разработан и изготовлен источник света 1Я эмиссионного спектрального анализа на основе магнетронного разряда шогерцового диапазона частот со схемой питания от одного источника тока, эоведенные исследования спектральных характеристик источника света жазали увеличение интенсивности спектральных линий в 3-5 раз и 1еньшение уровня сплошного бесструктурного фона в 1,5-2 раза, по авнению с угольной дугой (50 Гц). Разработаны системы ввода пробы, аптированные к конфигурации электродов и позволяющие подавать в алитическую область разряда исследуемое вещество, как в виде порошка, так в виде аэрозоля. На примере измерения минимально определяемой" нцентрации золота в твердых пробах и марганца в растворах показано, что юсительные пределы обнаружения составляют 10'" %. Решена задача

¡суждения разряда между нерасходуемыми водоохлаждаемыми медными

¡юродами без использования угольных стержней. Данное обстоятельство 5воляет проводить количественный спектральный анализ содержания (ерода в жидкостях при пределе обнаружения 10"2 %. Пределы обнаружения ¡ледованных элементов на порядок ниже достигаемых при использовании в (естве источника света угольной дуги. На защиту выносятся:

1. Схемное и конструктивное решение источника света для эмиссионного спектрального анализа на основе генератора килогерцового диапазона частот.

2. Данные о температуре и электронной концентрации в плазме разряда. Результаты исследования спектральных характеристик (интенсивность спектральных линий и сплошного фона, стабильность излучения) плазмы.

3. Конструктивное решение подачи пробы в разряд в вид( порошкообразных проб и в виде жидкого аэрозоля.

4. Результаты исследования чувствительности количественной: эмиссионного спектрального анализа твердых порошкообразных проб I жидких аэрозолей при использовании разработанного источника света ^ устройств пробопо'дачи.

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах и были представлены на XXI Съезде по спектроскопии (Москва. 1995) IV Межгосударственном симпозиуме по радиационной плазмодинамикч (Москва, 1997), I Международном симпозиуме по биотехнологии I выщелачивании золота из золотосодержащих руд (Красноярск, 1997).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения. 5 глав заключения и списка цитируемой литературы. Текст диссертации изложен не 97 страницах и включает 25 рисунков. Список литературы содержит 45 наименований.

Содержание работы.

Во введении дан краткий анализ вопросов, рассматриваемых в диссертации.

В первой главе дан краткий обзор современных источников света дл; эмиссионного спектрального анализа. Описываются аналитические I физические характеристики различных источников света.

Во второй главе рассматривается зависимость интенсивности спектрально? линии от основных параметров плазмы и содержания элемента в анализируемо? пробе. Приведен анализ уравнений, связывающих интенсивность линии < температурой плазмы и электронной концентрацией в разряде, описань основные параметры плазмы, влияющие на процессы выноса исследуемо? пробы из зоны разряда.

Третья глава посвящена описанию разработанного и изготовленного сточника света для спектрального анализа на основе разряда килогерцового иапазона частот. Отличительной особенностью предлагаемой схемы, является спользование только одного генератора тока высокой частоты.

На рис. 1 изображена электрическая схема устройства. Разряд создается ежду двумя электродами - внешним электродом-индуктором - 1 и нутренним - 2, выполненным в виде цилиндрического стержня, ось которого ерпендикулярна плоскости витка электрода-индуктора, внешний электрод ыполнен из медной трубки диаметром 8 мм, по которой пропускается вода, тот электрод является нагрузкой объемного витка вторичной обмотки огласующего трансформатора. Центральный электрод - водоохлаждаемый едный держатель, позволяющий использовать в качестве возбуждаемого 1ектрода полые и сплошные стержни из различного материала.

Рис. 1. Электрическая схема устройства плазмотрона.

Генератор - 3 имеет возможность изменения выходной мощности от 0 до 30 Зт и плавной регулировки частоты от 44 до 440 Кгц. Конденсатор - 4, вместе с иуктивностыо - 5, образует последовательный колебательный контур.

собственная частота которого совпадает с частотой генератора и в цепи которого находится последовательно включенная дуга. Трансформатор - 6 обеспечивает согласование сопротивления индуктора с внутренним сопротивлением генератора. При работе на резонансной частоте колебательного контура, сдвиг фаз между током в первичной и вторичной обмотках согласующего трансформатора, т.е. между током дуги и током индуктора составляет 180°. Соответственно, в моменты погасания и начала возбуждения разряда, магнитное поле близко к нулю, что способствует стабильному горению разряда.

Взаимодействие полей в разрядном промежутке: электрического, приложенного между электродами и магнитного поля, создаваемого

Рис. 2. Динамические ВАХ при различных частотах.

индуктором, приводит к вращению разряда и стабилизации электродного пятна На торце центрального электрода, т.е. на исследуемой пробе.

Динамические вольтамперные характеристики (ВАХ) разряда зависят как от частоты (рис. 2), так и от амплитуды тока разряда (рис. 3).

Отличительной особенностью вольтамперной характеристики генератора лазмы с разрядом килогерцового диапазона частот в поперечном к тою, азряда магнитном поле, является наличие искровой фазы. Разряд каждые

Рис. 3 Динамические ВАХ при разных токах.

Время, когда разряд по параметрам аналогичен дуге, много больше емени искровой фазы и это дает основание считать, что большую часть риода плазма находится в состоянии локально-термодинамического вновесня.

В четвертой главе описываются исследования оптических характеристик зряда. Выявлено, что по сравнению с угольной дугой 50 Гц интенсивность ектральных линий возрастает в 2-3 раза, а уровень сплошного сструктурного фона уменьшается в 1,5 раза. Отношение сигнал/фон достигает зчений 25-40.

Вращение плазмы в аналитическом промежутке приводит к пространственной стабилизации дуги и локализации электродного пятна на торце центрального электрода, т.е. на исследуемой пробе. Это дает • существенное увеличение доли исследуемого вещества в составе плазмообразующего газа. В свою очередь сильное магнитодинамическое сжатие в районе центрального электрода препятствует выходу частиц, что приводит к накоплению их этой зоне и противотоку в сторону электрода-индуктора. В результате число частиц и время пребывания в разряде резко увеличивается не только у центрального электрода, но и по всему разрядному промежутку, что и приводит к росту интенсивности линий.

Полученные распределения интенсивности спектральных линий, (рис. 4) и температуры дуги (рис. 5)

§? 70 -1 60 | 50 ш 40 § 30

5 20

<и

1 10 с . о 0 ш

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Расстояние от центрального электрода, мм.

Рис. 4. Распределение интенсивности линии I 2881 А вдоль разрядного промежутка- от торца центрального электрода до плоскости электрода-индуктора (в шкале почернений).

вдоль разрядного промежутка позволили определить рабочую зону разряда, на расстоянии 4-8 мм от центрального электрода, характеризующуюся

эолылей интенсивностью спектральных линий, максимальной

тературой в разрядном промежутке 6500К., электронной концентрацией пе = * 1015 см"3. Разряд обладает высокой стабильностью излучения, ффициент вариации интенсивности спектральных линий составляет 1,5-3 %.

6500 + I

Т' к 6000 - -

5500 - - А 5000 - - / 4500 - -Г-4000 -1 • 3500 - •

3000 -I-1-1-1-1-1-1-1-1-+

2 4 6 а 10 12 14 16 18 20

К, мм.

'не. 5. Распределение температуры разряда в поперечном магнитном поле

ь разрядного промежутка от торца центрального электрода до плоскости

грода-индуктора.

акже в главе рассматривается возможность увеличения интенсивностн й путем совмещения разряда килогерцового диапазона с дутой 50 Гц. Для изации такого типа разряда была разработана следующая схема (рис. 6).

в разрядный промежуток.

Напряжение от автотрансформатора 1 через согласующий трансформатор и катушки индуктивности Ы и 1.2 подается в разрядный промежуток мел центральным графитовым электродом 3 и электродом-индуктором 4. Сила т( измерялась амперметром 5. Сила тока разряда в магнитном поле составляла А, частота тока 66 кГц. Сила низкочастотной составляющей тока, подаваемо разрядный промежуток менялась от 5 до 33 А.

При анализе спектральных характеристик разряда килогерцового диапазс частот при добавлении в разрядный промежуток низкочастотной (50 ] составляющей тока, отмечено увеличение интенсивности спектральных лини 1,5-3 раза и одновременное возрастание уровня сплошного фона в 2-4 раза г изменении силы низкочастотного тока в указанных пределах. Такое измене! спектральных характеристик разряда приводит к ухудшению параме-сигнал/фон, который является определяющим при проведег

количественного спектрального анализа проб с малым содержат: исследуемого элемента.

В пятой главе дано описание оригинальных устройств, разработанных ; введения в аналитическую зону разряда анализируемого материала в В1 порошкообразных проб или жидкого аэрозоля.

Для непрерывной подачи порошкообразной твердой пробы в плазму разр: была разработана следующая конструкция (рис. 7).

Проба помещается в бункер с отверстием - 1, связанный жесткой связьи мембраной, колеблющейся с частотами 130-200 гц, что вызывает вибрац бункера и равномерный выход пробы. Размер выходного отверстия и част( вибрации подбираются в зависимости от размеров частиц пробы и требуем скорости поступления пробы в плазму. Далее через направляющее устройств 2 частицы пробы попадают через канал в медном водоохлаждаемом держат*

Рис. 7. Конструкции для введения сыпучей пробы в аналитическую ну разряда.

рода - 3 в отверстие спектрально чистого графитового электрода - 4 и, ieu, в зону возбуждения разряда - 5.

качестве носителя пробы использовался оксид алюминия с диаметром :ц 80 микрометров. Стандартная масса пробы составили 1 грамм. Время трации спектра излучения 3 минуты.

пя исследования чувствительности изучаемого источника света -при :ионном спектральном анализе в качестве примера было взято золото, что ло с многочисленными задачами определения концентрации этого металла яичных средах. Были приготовлены образцы с массовым содержанием ла от 3-10° % до 3-10"2 %. Для этого использовался 2 % водный раствор эхлористо-водородной кислоты, который был нанесен в соответствующем е на используемую матрицу-носитель AI2O3. В качестве аналитической : использовалась линия золота Au I 2676 А. Полученные данные тили определить предел обнаружения золота в твердых пробах, который шл 1,4-10"5%.

Для исследования возможности применения изучаемого источника . эмиссионного спектрального анализа жидких проб, было разработ; устройство, позволяющее вводить пробу в плазму разряда в виде аэроз' (рис. 8).

вода

Аг

прооа

Рис. 8. Конструкция для подачи жидкой пробы в аналитическую з( разряда.

Конструкция состоит из медного водоохлаждаемого держателя графитового электрода - 2, имеющего Сквозное отверстие диаметром миллиметра. Проба подается через капилляр - 3 диаметром 0,3 миллиметр постоянной скоростью 1 мл/минуту. В качестве плазмообразуюшего / транспортного газа применялся аргон, поступающий в зону возбужде разряда - 4 со скоростью 1 л/минуту. В районе пересечения потоков происхо образование аэрозоля из смеси посту пающей жидкости и аргона и дальней! транспортировка пробы в плазм}'.

Для изучения чувствительности источника при проведении количествен!! спектрального анализа были приготовлены водные растворы соли марга "двухлористого МпС1;*4Н;0 с концентрацией металла в пробе от 5,6*10°

10"* процентов. Объем пробы составил 3 мл. Использование описываемого )чника света для определения марганца при подаче пробы в зону разряда в ком виде позволило достичь предела обнаружения равного 1,2*10"3 %. Большой проблемой при проведении эмиссионного спектрального анализа, пользованием угольных электродов, является высокий уровень фона, как эшного, так и молекулярного, вызванного возбуждение молекул СИ. В главе :ываются два возможных решения задачи снижения интенсивность фона. Эдно решение - это конструкция, позволяющая создавать контролируемую 'новую атмосферу в зоне возбуждения разряда.

'ис. 9. Конструкция для создания аргоновой атмосферы в районе разряда.

1ля достижения подобного эффекта была выполнена следующая доработка сателя центрапьного электрода (рис. 9). На водоохлаждаемый медный гатель - 1 центрального угольного электрода - 2 была надета кварцевая ка - 3, дающая возможность подавать аргон в район возбуждения разряда, м образом, происходит отсечение (хотя и неполное) плазмы от жаюшего разряд воздуха. Чтобы учесть влияние такого изменения трукции, на оптические характеристики разряда, были получены

эмиссионные спектры оксида алюминия в воздушной атмосфере и при под аргона в зону разряда. Скорость поступления газа была равна I л/мин.

Анализируя результаты проведенных экспериментов надо отмет значительно возрастающую стабильность горения разряда. Из спектрапы характеристик наиболее существенно, при проведении эмиссионн спектрального анализа, снижение уровня сплошного фона по всему спею разряда (рис.10), при росте температуры разряда от 6400 до 7000 К уменьшение интенсивности полос СЫ на 30%.

' 2350 2450 2550 2650 2750 2850 2950 3050 3150 3250 Длина волны, А.

Рис. 10. Спектральное распределение интенсивности фона п{ использовании аргоновой атмосферы (в шкале почернений).

Другая конструкция - это плазмотрон с водоохлаждаемыми медны электродами, позволяющий исследовать пробы в виде жидкого аэрозоля избежать недостатков применения угольных электродов. Плазмотрон (рис. 1 состоит из водоохлаждаемого медного электрода - 1. Через ценгральж капилляр - 2 диаметром 1 мм. подается аргон со скоростью 1л/'мин. Чер боковой капилляр - 3 диаметром 0,3 мм. подается жидкая пробы с постоянн скоростью 1мл./мин. В месте пересечения потоков происходит разбрызгнван пробы и дальнейшая ее транспортировка в зону возбуждения разряда

о С-

о Стержень +Аг

стержень

Лг

Вода

Проба

5ис. 11. Конструкция плазмотрона с центральным водоохлаждаемым з!м электродом.

именение медных водоохлаждаемых электродов позволило провести ование чувствительности источника света при определении содержания да в растворах. Были приготовлены водные растворы этилового спирта с !шм содержанием углерода в растворе от 10"2 % до 5 %. В качестве ической линии использовалась атомарная линия углерода С I 2478 А. но, что определению малых концентраций углерода (< 0,1%) мешает ствие в воздухе углекислого газа. Использование аргона в качестве образующего и транспортного газа, позволило уменьшить влияние ющей атмосферы на величину аналитического сигнала и достичь а обнаружения углерода в растворе 2,5* 10'2 %.

оту завершает заключение, в котором изложены основные результаты, :шые в ходе диссертационной работы.

Основные результаты.

1. Разработан источник света для эмиссионного спектрального анализа основе генератора тока килогерцового диапазона частот. Разр возбуждается между электродом-индуктором и центральным электродои поперечном магнитном поле индуктора. Применена схема возбужден разряда, в которой ток разряда синфазен с магнитным полем электро, индуктора. Поэтому сила Лоренца, вызывающая вращение разря, максимальна вне зависимости от направления течения тока в разряди промежутке. Вращение разряда приводит к пространственн стабилизации дуги и локализации электродного пятна на тор центрального электрода, т.е. на исследуемой пробе. Отличитсльн особенностью вольтамперной характеристики генератора плазмы разрядом килогерцового диапазона частот в поперечном к току разря магнитном поле, является наличие искровой фазы в начальный моме периода, с последующим переходом в дуговую фазу.

2. Изучены спектральные характеристики излучения разряда. Выявлено, чт сравнению с угольной дугой 50 Гц интенсивность спектральных л возрастает в 2-3 раза, а уровень сплошного бесструктурного уменьшается в 1,5 раза. Отношение сигнал/фон достигает значений 2 Измерены распределения интенсивности спектральных линий и темпера дуги вдоль разрядного промежутка и определена рабочая зона разряд; расстоянии 4-8 мм. от центрального электрода, характеризую!!) наибольшей интенсивностью спектральных линий, максимал температурой в разрядном промежутке 6500 К, электронной концентра пе = 4,22*1015 см"''. Разряд характеризуется высокой стабильно! излучения. Коэффициент вариации интенсивности спектральных л] составляет 1,5-3 %.

. Исследованы спектральные характеристики комбинированного разряда,, состоящего из высокочастотной составляющей тока (66 кГц) и низкочастотной - 50 Гц. Для данной схемы получено уменьшение параметра сигнал/фон в 2 - 4 раза при снижении температуры разряда до 5500 К и возрастании значения электронной концентрации до 1017 см"3.

4. Изготовлено устройство, позволяющее создавать аргоновую атмосферу , в районе возбуждения разряда и позволяющее снизить интенсивность молекулярного фона СК в спектре разряда на 30 %.

5. Разработаны конструкции для непрерывного введения твердой порошкообразной пробы и жидкого аэрозоля в аналитическую зону разряда при использовании в качестве центрального электрода углеродного стержня со сквозным отверстием. Найден предел обнаружения золота в твердых пробах, составляющий 1,4*10"5 масс.% и марганца в растворах - 1,2* 10"5 масс %.

5. Изготовлен плазмотрон с центральным водоохлаждаемым медным электродом. Определена температура плазмы - 7301) К и величена электронной концентрации - 2,4*1015 см'3. Исследована чувствительность определения содержания углерода в жидкостях. Предел обнаружения составляет 10'2 %.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Суковатый А.Г., Чурилов Г.Н., Мальцева С. С. Установка с генератором зысокой частоты для эмиссионного спектрального анализа и плавки драгоценных металлов. // Приборы и техника эксперимента, 5, 1998, с. 110-116.

2.-Чурилов Г.Н, Суковатый А. Г, Мальцева С.С, Долгополова С.Я. . Установка для эмиссионного совмещенного спектрального анализа и плавки драгоценных металлов на основе генератора высокой частоты. // Труды I

Международного симпозиума "Биотехнология и выщелачивание золота из золотосодержащих руд", Красноярск 1997, с. 58 -64.

3. Суковатый А.Г, Долгополова С.Я. Разряд переменного тока в поперечном синфазном магнитном поле. Динамические и оптические характеристики разряда. // Вестник КГТУ, вып. 9, 1997, с. 188-190.

4. Чурилов Г.Н, Титаренко Я.Н, Суковатый Д'Г. Источник света для эмиссионного спектрального анализа на основе магнетронного разряда килогерцового диапазона частот. // XXI съезд по спектроскопии, Звенигород, 1995, тез. докл. с.218.

5. Суковатый А.Г, Чурилов Г.Н. Динамика плазмы дугового разряда килогерцового диапазона частот. // Региональная научно-техническая конференция. Красноярск 1997, тез. докл с. 77-79.

6. Чурилов Г.Н, Суковатый А.Г, Булина Н.В. Меньшиков В.В. Динамика плазмы дугового разряда килогерцового диапазона частот в синфазном поперечном магнитном поле, его оптические характеристики и технологические возможности. // IV Межгосударствённый симпозиум по радиационной плазмодинамике, Москва 1997, тез. докл. с. 216-217.

7. Суковатый А.Г. Дуговой разряд в поперечном синфазном магнитном поле. // Международная конференция " Студент и научно-технический прогресс", Новосибирск, 1997 , тез. докл., с. 312.

8. Суковатый А.Г, Чурилов Г.Н. Оптические характеристики дугового разряда килогерцового диапазона частот. // Per. Межвузовская конференция Современные проблемы радиоэлектроники, Красноярск 1996.

9. Суковатый А.Г. Разряд килогерцового диапазона частот в поперечном синфазном магнитном поле и его технологические возможности. // Всероссийская научно-практическая конференция "Решетневские чтения", Красноярск 1997, тез. докл. с.28.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Суковатый, Алексей Григорьевич, Красноярск

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СУКОВАТЫЙ АЛЕКСЕЙ ГРИГОРЬЕВИЧ

01.04.01. - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований.

Диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук.

На правах рукописи

Научные руководители: к.ф.-м.н. Чурилов Г.Н., к.ф.-м.н. Сорокин А.В.

Красноярск - 1998

Содержание.

Введение............................................................................................5

Глава 1. Современные источники света для эмиссионного спектрального анализа......................................................13

1.1 Дуговой разряд при атмосферном давлении........................... 15

1.2 Искровой разряд.......................................................................17

1.3 Разряд в полом катоде......................... ..................................... 17

1.4 Пламя горючих газов................................................................20

1.5 Высокочастотная индуктивно-связанная плазма....................21

1.6 Атомно-флуоресцентный анализ............................................24

1.7 Сравнительные характеристики различных

источников света.............................................................................25

Глава 2. Зависимость интенсивности спектральной линии от основных параметров

плазмы и содержания элемента в анализируемой пробе...............28

2.1 Связь интенсивности спектральной линии

с основными параметрами плазмы..................................................29

2.2 Зависимость интенсивности спектральной линии

элемента от его концентрации в анализируемой пробе.................39

2.3 Постановка задачи.................................................................42

Глава 3. Разряд килогерцового диапазона частот в поперечном магнитном поле, синфазном с током разряда....................................................................................43

3.1 Электрическая схема возбуждения разряда килогерцового диапазона частот в поперечном

магнитном поле..............................................................................43

3.2 Вольтамперные характеристики разряда...............................50

3.3 Выводы.....................................................................................53

Глава 4. Спектральные характеристики

разряда в поперечном синфазном магнитном поле........................54

4.1 Интенсивность спектральных линий......................................54

4.2 Интенсивность сплошного фона в

спектре излучения разряда............................................................. 58

4.3 Температура и электронная концентрация............................61

4.4 Стабильность излучения спектральных линий......................64

4.5 Разряд с добавлением нч-составляющей тока дуги...............65

4.6 Выводы.....................................................................................69

Глава 5. Применения разряда килогерцового диапазона частот в поперечном синфазном магнитном

поле для эмиссионного спектрального анализа............................. 72

5.1 Аналитические характеристики разряда при

введении пробы на твердых носителях...........................................72

5.2 Аналитические характеристики разряда

при исследовании жидких проб......................................................79

5.3 Применение разряда с водоохлаждаемым

медным электродом........................................................................83

5.4 Выводы....................................................................................87

6. Заключение...............................................................................90

7. Литература...............................................................................93

Введение.

Эмиссионный спектральный анализ располагает богатым арсеналом разнообразных источников света. Важное практическое преимущество эмиссионного анализа, заключается в возможности одновременного, высокочувствительного и точного определения в твердых материалах и жидкостях большого числа элементов в широком интервале их концентраций. К числу наиболее современных источников света для эмиссионного спектрального анализа относится разряд с индукционно-связанной плазмой. Этот разряд характеризуется наиболее низкими пределами обнаружения элементов. Но, проблема введения значительной массы твердой пробы в разряд с индукционно-связанной плазмой до сих пор не решена и этот факт ограничивает его широкое применение в спектральном анализе.

Наиболее распространенным в практике эмиссионной спектроскопии остается дуговой разряд при атмосферном давлении, вследствие его простоты, доступности и наибольшей универсальности. Вместе с тем, важнейшей задачей совершенствования дуговых источников света для эмиссионного спектрального анализа является повышение эффективности и стабильности процессов атомизации пробы, достижения полной ее диссоциации и полноты вхождения атомов в зону возбуждения, независимо от состава, массы и свойств анализируемого материала. Часто и довольно успешно для решения этих проблем применяется стабилизация разряда магнитным полем [1].

Одни из первых экспериментов по стабилизации дуги наложением поперечного магнитного поля были эксперименты, проведенные Е.А. Сергеевым

в 1947 году [2]. Электроды угольной дуги были расположены горизонтально. На некотором расстоянии ниже дуги помещалась тарелочка, на которую насыпали слой анализируемого материала, под тарелочкой находился сердечник электромагнита. При включении электромагнита, дуга отклонялась магнитным полем вниз, канал дуги касался пробы, порошок испарялся и в спектре дуги появлялись спектральные линии анализируемого материала. В работе [2] указано, что при таком методе повышается стабильность возбуждения спектра и количество минерала, участвующего в процессе возбуждения спектра, значительно больше. Вследствие равномерного перемещения разряда по поверхности пробы, испарение, несмотря на фракционный характер, происходит стабильно в течение всего времени экспозиции.

Е.В. Загорянской [3] была исследована дуга постоянного тока с вращающимися электродами и магнитным дутьем, как источника света для спектрального анализа. Вращение электродов относит разряд в сторону от оптической оси, размывает его и гасит. Для устранения этих недостатков на разрядный промежуток накладывалось постоянное магнитное поле, которое втягивало разряд, относимый вращением, обратно в разрядный промежуток и удерживало его на оптической оси спектрографа.

Большой интерес представляют исследовании времени жизни частиц плазмы в постоянном магнитном поле [4]. Было проведено сравнение интенсивности линий и времени излучения для элементов, вводимых в разряд при помощи специального устройства. Вольфрамовую иголку с исследуемым веществом периодически вносили в плазму через отверстие нижнего электрода. Интенсивность линий регистрировалась фотоэлектрическим методом.

Исследование показало, что магнитное поле увеличивает время жизни частиц плазмы, что в свою очередь приводит к повышению чувствительности анализа.

Позднее были поведены исследования воздействия на дугу вращающегося магнитного поля [5]. Эксперименты показали значительную стабильность горения разряда и рост интенсивности линий при проведении спектрального анализа.

При решении многих аналитических задач эмиссионной спектроскопии важно возбуждение полноценного спектра, в котором будут возбуждаться, как ионные, так и дуговые линии спектра. Учитывая то, что в настоящее время существуют источники переменного тока в широком диапазоне мощностей и частот, появилась возможность осуществить разряд переменного тока, в котором будет сочетаться возбуждение искровых и дуговых компонентов спектра и магнитная стабилизация плазмы.

В настоящей диссертации будут изложены результаты исследований спектрально-аналитических характеристик разработанного нами источника света, на основе разряда килогерцового диапазона частот, в поперечном синфазном магнитном поле.

Цель работы. Целью работы является разработка и изготовление источника света для эмиссионного спектрального анализа на основе плазменного генератора килогерцового диапазона частот и исследование его спектр ально - ана литиче с ких хар актеристик.

В задачи диссертационной работы входит: разработка принципиальной схемы и конструкции источника света с разрядом килогерцового диапазона частот в поперечном магнитном поле, синфазном с током разряда; исследование

физических и оптических параметров разряда килогерцового диапазона частот в поперечном магнитном поле, синфазном с током разряда; изготовление устройств для подачи анализируемой пробы в аналитическую зону разряда, как в виде порошков, так и в виде аэрозоля; определение чувствительности количественного спектрального анализа твердых порошкообразных проб и аэрозолей при использовании разработанного источника света и устройств пробоподачи.

Научная новизна.

Практическое значение работы. Разработан и изготовлен источник света для эмиссионного спектрального анализа на основе магнетронного разряда килогерцового диапазона частот со схемой питания от одного источника тока. Проведенные исследования спектральных характеристик источника света

показали увеличение интенсивности спектральных линий в 3-5 раз и уменьшение уровня сплошного бесструктурного фона в 1,5-2 раза, по сравнению с угольной дугой (50 Гц). Разработаны системы ввода пробы, позволяющие подавать в аналитическую область разряда исследуемое вещество, как в виде порошка, так и в виде аэрозоля. На примере измерения минимально определяемой концентрации золота в твердых пробах и марганца в растворах показано, что относительные пределы обнаружения составляют 10° %.

Решена задача возбуждения разряда между нерасходуемыми водоохлаждаемыми медными электродами без использования угольных стержней. Данное обстоятельство позволяет проводить количественный спектральный анализ содержания углерода в жидкостях при пределе обнаружения 10"" %. Пределы обнаружения исследованных элементов на порядок ниже достигаемых при использовании в качестве источника света угольной дуги.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения. 5 глав, заключения и списка цитируемой литературы.

В первой главе дан краткий обзор современных источников света для эмиссионного спектрального анализа. Описываются аналитические и физические характеристики источников света.

Во второй главе рассматриваются зависимость интенсивности спектральной линии от основных параметров плазмы и содержания элемента в анализируемой пробе. Приведен анализ уравнений, связывающих интенсивность линии с температурой плазмы и электронной концентрацией в разряде, описаны

основные параметры плазмы, влияющие на процессы выноса исследуемой пробы из зоны разряда.

Третья глава посвящена описанию разработанного и изготовленного источника света для спектрального анализа на основе разряда килогерцового диапазона частот. Отличительной особенностью предлагаемой схемы, является использование только одного генератора тока высокой частоты. Разряд возбуждается между электродом-индуктором и центральным электродом, выполненным в виде цилиндрического стержня. Применив схему, в которой ток дуги является током первичной обмотки согласующего трансформатора, получен разряд, синфазный с магнитным полем электрода-индуктора. Взаимодействие полей в разрядном промежутке: электрического, приложенного между электродами и магнитного поля, создаваемого индуктором, приводит к вращению разряда и стабилизации электродного пятна на торце центрального электрода, т.е. на исследуемой пробе. Приводятся динамические вольтамперные характеристики (ВАХ) разряда для различной частоты и величины силы тока. Показано присутствие в ВАХ искровой и дуговой составляющих.

В четвертой главе описываются исследования оптических характеристик разряда. Приводятся результаты измерения интенсивности спектральных линий и отношения сигнал/фон, температуры и электронной концентрации в плазме, исследован вопрос о стабильности излучения спектральных линий. Рассматривается возможность увеличения интенсивности линий путем совмещения разряда килогерцового диапазона с дугой 50 Гц.

В пятой главе дано описание оригинальных устройств, разработанных для введения в аналитическую зону разряда анализируемого материала в виде

порошкообразных проб или в виде жидкого аэрозоля. Приводятся результаты экспериментов по спектральному определению содержания золота в твердых пробах (достигнутый относительный предел обнаружения СШ1|1=1,4* 10° %) и марганца в растворах (Ст|П=1,2*10° %).

Большой проблемой при проведении эмиссионного спектрального анализа, с использованием угольных электродов, является высокий уровень фона, как сплошного, так и молекулярного, вызванного возбуждение молекул СМ. В главе описываются два возможных решения задачи снижения интенсивность фона. Первое решение - это устойство, позволяющее создавать контролируемую атмосферу из инертных газов в зоне возбуждения разряда. Подача аргона в область разряда со скоростью 1 литр/минуту приводит к увеличению температуры плазмы до 7000 К и снижению интенсивности фона в 2-5 раз по всему спектральному диапазону. Вторая конструкция - это плазмотрон с водоохлаждаемыми медными электродами, позволяющий исследовать пробы в виде жидкого аэрозоля и избежать недостатков применения угольных электродов. Показана возможность определения концентрации углерода в жидкостях до 10" % при использовании плазмотрона с медными водоохлаждаемыми электродами.

Работу завершает заключение, в котором изложены основные результаты, полученные в ходе диссертационной работы.

На защиту выносятся:

3. Конструктивное решение подачи пробы в разряд в виде порошкообразных проб и в виде жидкого аэрозоля.

4. Результаты исследования чувствительности количественного эмиссионного спектрального анализа твердых порошкообразных проб и жидких аэрозолей при использовании разработанного источника света и устройств пробоподачи.

Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [24-27, 34, 35, 44-46] и были представлены на XXI Съезде по спектроскопии (Москва, 1995), IV Межгосударственном симпозиуме по радиационной плазмодинамике (Москва, 1997), I Международном симпозиуме по биотехнологии и выщелачивании золота из золотосодержащих руд (Красноярск, 1997).

Глава 1. Современные источники света для эмиссионного спектрального анализа.

Первым источником света, которым пользовались основоположники эмиссионного спектрального анализа Кирхгоф и Бунзен, было пламя газовой горелки. Для возбуждения спектров металлических электродов они также применяли искровой разряд. Позднее стали применять электрический дуговой разряд при атмосферном давлении и газоразрядные трубки низкого давления для анализа газов. Последние десятилетия характеризовались совершенствованием традиционных источников света и созданием новых. В настоящее время в эмиссионном анализе используют около десяти видов источников света и их модификации. В таблице 1.1 приведены аналитические и определяющие их физические характеристики, а также технические параметры источника света.

Следует заметить, что все эти аналитические характеристики применяются для оценки методов спектрального анализа в целом; и зависят они не только от источника света, но и от спектрального прибора, системы регистрации спектров и способа обработки результатов измерений.

Таблица 1.1. Аналитические и физические характеристики источников света для эмиссионного спектрального анализа.

Аналитические характеристики. Физические и технические характеристики.

Число и спектроскопические свойства определяемых элементов (потенциалы ионизации, возбуждения, система энергетических уровней). Температура плазмы (Т), концентрация электронов пс; пространственное распределение Т и пс.

Верхние границы интервала определяемых элементов Самопоглощение спектральных линий, �