Вакуум или аргон В оптичните системи на искровите спектрометри
Искровата оптична емисионна спектроскопия е важна област на техническия анализ.
В същото време има чести случаи на прекомерно изпъкване на определени предимства, които всъщност се оказват напълно тривиални или просто излишни решения, което служи като основа за надценяване. Именно тази категория включва вакуумирани оптични системи („традиционно безкомпромисни“), които са оборудвани със спектрометри от много производители.
Смята се, че такова решение елиминира грешките, свързани с разликите в чистотата на аргона, повишава чувствителността в ултравиолетовата област и намалява разходите за работа. Нека се опитаме да разберем предимствата и недостатъците на аргоновите и вакуумираните оптични системи.
Би било полезно да си припомним, че аргонът се използва във всички искрови спектрометри. Именно в аргона се образува разряд (плазма) между волфрамовия електрод и пробата, която служи като източник на светлина. Ако оптичната система не е вакуумирана, тя също трябва да се продуха с аргон, за да се отстранят кислородът и влагата от въздуха, които силно абсорбират късовълновите ултравиолетови лъчи. Адептите на прахосмукачката смятат това за основен аргумент.
Нека разгледаме по-отблизо тежестта и легитимността на този аргумент. Абсорбцията на газовете в ултравиолетовата област е доста добре проучена.
На фиг. Таблица 1 показва коефициентите на поглъщане за кислород, водна пара, въглероден диоксид и озон в диапазона на дължината на вълната 100–220 nm.
Ориз. 1. Коефициенти на поглъщане на някои газове в ултравиолетовата област на спектъра.
Интересуваме се от лявата координатна ос - коефициентът на поглъщане k, cm -1, който характеризира поглъщането на радиация с дадена дължина на вълната, преминала през слой газ с дебелина 1cm при нормални условия (температура 0°C и налягане 1 atm).
Съгласно закона на Бугер, който описва затихването на светлината, когато тя преминава през абсорбираща среда,
където I0 и Ix са интензитетите на светлината преди и след преминаване през абсорбиращия слой, x е пътят на светлината (дебелината на слоя), вижте фиг.
След като начертаете координатна мрежа, е възможно да се намери с приемлива точност затихването на светлината за дължини на вълните 143 и 165 nm (максимумите на абсорбция на кислород и водна пара):
Нека зададем следните дебелини на абсорбиращите слоеве: 30, 50 и 75 см. Тези цифри съответстват на фокусните разстояния на три различни устройства. По пътя ще намерим коефициента на поглъщане на озона за 143 nm: той е равен на 180 cm -1. Освен това е необходимо да има стойности на обемните фракции на тези газове в аргон. С концентрацията на озон е напълно неясно, но има информация за кислорода и водните пари: някои производители придружават своя аргон с данни от хроматографски анализ.
Например Linde Uraltekhgaz OJSC (Екатеринбург) в паспорта за качество дава следните цифри:
Газообразен аргон с висока чистота
| Метрики за качество | TU | Факт |
| Обемна фракция на аргон,%, не по-малко от | 99,998 | 99,999 |
| Обемна част на кислорода,%, не повече | 0,0002 | 0,00015 |
| Обемна част на азота,%, не повече | 0,0006 | 0,00024 |
| Обемна част на водната пара,%, не повече | 0,0003 | 0,0002 |
| Обемна част на въглеродния диоксид,%, не повече | 0,00002 | 0,00002 |
| Обемна част на въглероден окис, %, не повече | 0,0001 | |
| Обемна фракция на метан, %, не повече | 0,0001 | |
| Обемна част на водорода, %, неПовече ▼ | 0,0002 |
От тази таблица следва, че при всяко общо налягане обемните фракции на кислорода и водните пари ще бъдат 0,0000015 и 0,000002. Оптичната система се продухва при атмосферно налягане или малко повече.
Тези безразмерни количества (нека ги обозначим със символа "c") трябва да бъдат заменени като фактор в експонентата и законът на Бугер ще приеме формата:
При съвместно присъствие на няколко газа в абсорбиращия обем, общият коефициент на затихване се определя чрез умножаване на показателите, изчислени за всеки газ.
За да извършим сравнителни изчисления, ще разгледаме и системи с евакуация. Ако говорим за предни помпи, тогава на практика от тях не трябва да се очаква вакуум по-добър от 10 -2 mm. rt. Изкуство. (1,33 Pa). Декларираното от производителите гранично остатъчно налягане е на ниво (2÷10) × 10 -3 mm. rt. чл., но това важи зановипомпи, при това работещи сами за себе си - със запушен вход. Струва си да свържете помпата към истинска вакуумна система - и техният обем може да достигне няколко десетки литра - ситуацията ще се промени по най-плачевния начин. Дори при липса на външен теч, помпата може да не успее да се справи с вътрешния, особено ако много PMT са поставени в вакуумирания обем, заедно със записваща и преобразуваща електроника (!).
Наистина безкомпромисно решение може да бъде система с висок вакуум, включваща двустепенно изпомпване с турбомолекулярна помпа във втория етап, но колко е необходимо и колко ще струва?
Нека се спрем на числото 1,33 Pa. Всъщност може да има и повече. В първото приближение може да се приеме, че съставът на остатъчната газова смес съответства на атмосферния въздух, т.е. налягане на кислородае 0,21 × 1,33 = 0,28 Pa. Всъщност никой не познава този състав без сензори за кислород и влага, без сложна измервателна система и освен това постоянно се променя (нагряване на помпата, теч). Но нека е 0,28 Pa. Това е 0,0000028 атмосферно налягане. Почти два пъти повече от аргона! Ние също ще заместим тази цифра в степента. Няма данни за остатъчното налягане на водните пари, но това не означава, че липсва. Несигурност.
Сега има всички данни за конкретни количествени изчисления на абсорбцията. Резултатите са обобщени в таблица, в третия ред на която за вакуум 10 -2 мм. rt. Изкуство. стойностите на абсорбция са дадени само поради кислород, а за аргон - общо, поради кислород и водни пари.
| Фокусно фокусно разстояние, cm | тридесет | 50 | 75 | ||||||
| сряда | Вакуум | Ар | Ар | Вакуум | Ар | Ар | Вакуум | Ар | Ар |
| Дължина на вълната, nm | 143 | 143 | 165 | 143 | 143 | 165 | 143 | 143 | 165 |
| Абсорбция, % | 4.92 | 2,75 | 1.04 | 8.06 | 4.54 | 1.73 | 11.8 | 6.74 | 2.59 |
Резултатите са обезкуражаващи. Ако дори и без да отчитаме влиянието на влагата, получаваме абсорбция във вакуум, по-голяма от общата абсорбция в аргон, тогава защо ни е необходим вакуум? Но ние използвахме в изчисленията доста "божествено" разреждане. Но какво пишат самите производители? На един от добре познатите сайтове откриваме, че остатъчното налягане във вакуумната система на спектрометъра с диаметър на кръга на Rowland 33 cm (оптичен път около 50 cm) е 2 × 10 -4 atm, т.е. 0,15 мм. rt. Изкуство.[2]. Изчислението за тези условия вместо 8,06 вече дава 71,6%. И така, къде са предимствата на вакуума?
Но може би нещо важно е пропуснато от дискусията? Може би самият аргон абсорбира добре? За участъка 100 ÷ 220 nm не бяха намерени данни в интернет. Разбира се, аргонът абсорбира, както всяка газообразна среда, и тези данни ги има някъде в научните периодични издания. Но аргонът със значителното си съдържание във въздуха - 0,9 об. % - по някаква причина изобщо не се интересува от спектрометрията на атмосферата. Интересува се от кислород, водна пара, озон, въглероден диоксид, азот и дори азотни оксиди, въглеводороди - всичко друго, но не и аргон. Така че абсорбира много малко. И ако е силен, тогава естабилна абсорбция, за разлика от вакуума. И дори не е необходима корекция на това поглъщане: всичко е включено в калибрирането.
Може би електрониката, термично стабилизирана във вакуум, работи по-добре? Голям въпрос. Най-вероятно ще се повреди по-лошо и по-бързо, поне поради периодично променящите се механични напрежения в кутиите. Да, и поддържането на стабилна температура на устройството във вакуум е много по-трудно, отколкото в газ при атмосферно налягане. Във всеки случай софтуерната или чисто инструменталната термична компенсация може перфектно да реши проблема без евакуация.
Остава въпросът за консумацията на аргон. Наистина, за добро продухване на камера с обем, да речем, 30 литра аргон, ще са необходими многократно повече. Трудно ни е да дадем дори приблизителна цифра. Разбира се, възможно е да работите през този период, но ще е необходимо често повторно калибриране. Също разход. След пълно прочистване и достигане на стабилен състав, той може да бъде значително намален, но за периоди на престой трябва или да херметизирате системата, или постепенно да пропускате постоянно аргон. Но прахосмукачката също е решение, така да се каже, „на челото“. Както в известния виц -— Трябва да се разклатиш! Освен това може да влоши ситуацията.
Така че защо да плащате допълнителни няколкостотин хиляди за система с висок вакуум? Или организирайте затворена чистка с почистване? Също така много пари. За щастие, отдавна съществува по-просто решение: да се сведе до минимум издуханият обем чрез отделяне на ултравиолетовата оптика в отделна единица. Има такива спектрометри и те показват отлични метрологични характеристики. Например M5000, произведен от Focused Photonics inc.
Качеството на спектрометъра се определя от точността и повторяемостта на резултатите, надеждността на работа и възможността за създаване на персонализирани калибрации. Както показва горното изчисление, това качество не винаги се определя от сложността и съответно от цената. Опитайте се да анализирате вашите проби на различни инструменти. Тези, които желаят да намалят оперативните разходи поради аргон, могат да бъдат посъветвани да изчислят средната му консумация на анализ. Естествено, като се вземат предвид всички възможни забавяния, неизбежна работа по настройка на програми, рекалибриране, дефектни анализи и т.н. Може спокойно да се каже, че никой производител на вакуумни спектрометри няма да ви даде такива данни. Можете да намерите хитри формулировки „Консумация на аргон за изгаряне в Fe-матрица макс. 2,4 l" или "Разход на аргон в режим на капилярен покой". Ако в същото време знаете, че друго устройство с прочистена оптика има същото или по-малко разпространение на данни, ако същите 2,4 l са необходими за едно изгаряне, което включва 0,2 l / min за прочистване на оптиката, и това устройство струва, да речем, тридесет процента по-евтино, тогава, според нас, това е причина сериозно да се замислите: имате ли нужда от известна марка и вечно тракаща вакуумна помпа?
Сервизен отдел "RUSPROMTEHSNAB". Арчугов С.А., д-р.