Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр
Представлены результаты работы по созданию аппаратуры и программно-алгоритмического обеспечения автоматизированного атомно-эмиссионного спектрометра для проведения анализов элементного состава вещества в лабораторных, заводских и полевых условиях. Представлені результати роботи по створенню апаратур...
Saved in:
| Date: | 2008 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2366 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр / В.А. Егоров, С.А. Егоров // Наука та інновації. — 2008. — Т. 4, № 2. — С. 33-39. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859622273215889408 |
|---|---|
| author | Егоров, В.А. Егоров, С.А. |
| author_facet | Егоров, В.А. Егоров, С.А. |
| citation_txt | Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр / В.А. Егоров, С.А. Егоров // Наука та інновації. — 2008. — Т. 4, № 2. — С. 33-39. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| description | Представлены результаты работы по созданию аппаратуры и программно-алгоритмического обеспечения автоматизированного атомно-эмиссионного спектрометра для проведения анализов элементного состава вещества в лабораторных, заводских и полевых условиях.
Представлені результати роботи по створенню апаратури і програмно-алгоритмічного забезпечення автоматизованого атомно-емісійного спектрометра для проведення аналізів елементного складу речовини в лабораторних, заводських та польових умовах.
The results of equipment and software development for automatic atomic-emission spectrometer allowing analyses of substance element composition in laboratory, factory and geological survey conditions are presented.
|
| first_indexed | 2025-11-29T06:08:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
ВВЕДЕНИЕ
Эмиссионный спектральный анализ — один
из наиболее мощных и распространенных ме�
тодов контроля материалов на металлурги�
ческих и металлообрабатывающих предприя�
тиях, в геологоразведке и при проведении
экологического контроля. Этим объясняется
большая насыщенность предприятий анали�
тической аппаратурой. Как правило, это при�
боры выпуска 1960—80 гг., выполненные на
устаревшей элементной базе, рассчитанные
на работу с мокрым фотопроцессом по уже ус�
таревшим и трудоемким методикам. В связи с
этим все более актуальной становится задача
перевооружения отечественных предприятий
современной аппаратурой, созданной с ис�
пользованием последних достижений электро�
ники, компьютерной техники и современного
программно�алгоритмического обеспечения. В
последние годы была создана элементная база
для перехода от фотографической регистрации
информации к фотоэлектронной, основанной
на использовании фоточувствительных при�
боров с зарядовой связью. Применение этих
приборов для регистрации спектров открыва�
ет дополнительные возможности совершен�
ствования оптических блоков, генераторов
плазмы и других компонентов эмиссионных
спектрометров. Это позволяет выполнить их
разработку в портативном варианте, повы�
сить экспрессность получения результата, его
точность и улучшить другие потребительские
качества. Особенно большое значение фотоэ�
лектронная регистрация имеет при исследова�
нии процессов, которые происходят в самом
ответственном блоке спектрометра — генера�
торе плазмы (атомизаторе). Фотоэлектричес�
кое детектирование сигнала и его компьютер�
ная обработка в режиме реального времени
позволяют эффективно управлять режимом
генератора плазмы, что значительно улучша�
ет его аналитические свойства.
Идея атомно�эмиссионного способа анали�
за состоит в измерении относительных амп�
литуд спектральных линий возбужденных
атомов анализируемых элементов. Обычно
измеряются амплитуды не всех спектральных
линий, а специально подобранных, так назы�
ваемых "гомологических пар" линий. Возбуж�
дение интересующих нас линий обеспечивает
генератор плазмы, который совершает отбор
проб, испарение и преобразование вещества в
плазменное состояние. Точность анализа в ос�
новном зависит от свойств генератора плазмы.
33
Наука та інновації. 2008. Т 4. № 2. С. 33–39.
В.А. Егоров, С.А. Егоров
Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, Харьков
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ
АТОМНО�ЭМИССИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР
Представлены результаты работы по созданию аппаратуры и программно�алгоритмического обеспечения автомати�
зированного атомно�эмиссионного спектрометра для проведения анализов элементного состава вещества в лаборатор�
ных, заводских и полевых условиях.
К л ю ч е в ы е с л о в а: атомно�эмиссионный анализ, спектрометр, фотоэлектрический детектор.
© В.А. ЕГОРОВ, С.А. ЕГОРОВ, 2008
Он должен обеспечивать такой режим рабо�
ты, при котором основная энергия излучается
в "гомологических" линиях, а все остальные
(мешающие) линии подавлены.
Для выделения "гомологических" линий не�
обходимо иметь оптический блок возможно
большей дисперсии и светосилы. Создание та�
кого блока являлось одной из основных задач
настоящей работы.
ДИСПЕРСИОННЫЙ БЛОК СПЕКТРОМЕТРА
Дисперсионный оптический блок предназ�
начен для разложения светового потока на
спектральные составляющие. В спектроско�
пии применяют в основном два типа диспер�
гирующих элементов: призмы и дифракцион�
ные решетки. Обычно призмы применяют в
полосах пропускания стекла и кварца, т.е. в ви�
димом и соседними с ним диапазонах. С уко�
рочением длины волны альтернативу дифрак�
ционной решетке найти трудно. Поэтому при
разработке дисперсионного блока мы исполь�
зовали вогнутую дифракционную решетку.
Вогнутая решетка обладает одновременно и
диспергирующими, и фокусирующими свой�
ствами. Она строит монохроматические изоб�
ражения щели на фокальной поверхности,
имеющей форму кругового цилиндра (круг
Роуланда) [1]. Оптическая схема дисперсион�
ного блока представлена на рис. 1.
Основные параметры блока — спектральное
разрешение, спектральный диапазон, относи�
тельное отверстие, пропускание света — слож�
ным образом связаны друг с другом и опреде�
ляются в основном характеристиками диф�
ракционной решетки.
Для прибора была выбрана дифракционная
решетка со следующими характеристиками:
размер решетки — 40 � 50 мм;
количество штрихов на 1 мм — 1 800;
относительное отверстие — 1:10 при радиусе
кривизны поверхности решетки, равном
500 мм;
дисперсия — 11 A/мм;
спектральный диапазон — 1 700 — 4 500 A;
размер пиксела фотодетектора — 8 � 200 мкм;
дифракционное разрешение в первом по�
рядке Δλ = 0,02 A, что в линейной мере, для
коротковолнового конца диапазона, состав�
ляет 1,8 мкм;
расчетные аберрации для всего спектрально�
го диапазона не превышают 5,6 мкм.
Расчет дифракционной решетки произво�
дился с учетом концепции прибора в целом
для обеспечения согласования спектрального
диапазона прибора, спектрального разрешения
и размера пиксела полупроводниковых фотоп�
риемников. В качестве базовой была взята клас�
сическая схема Пашена—Рунге с расположени�
ем входной щели и фотоприемников на круге
Роуланда [1]. Такая схема обеспечивает макси�
мальную простоту и минимальное количество
отражений, а значит и потерь на поглощение и
рассеяние света, что особенно важно для диа�
пазона вакуумного ультрафиолета. Для расче�
тов использовался пакет оптического модели�
рования ZEMAX. Расчеты показали, что клас�
сическая нарезная дифракционная решетка
обеспечивает необходимую разрешающую
способность только при диаметре круга Роу�
ланда больше метра и светосиле 1/20 и мень�
ше. Для того чтобы обеспечить умеренные га�
бариты прибора и высокую светосилу, были
рассмотрены варианты голографических и на�
резных дифракционных решеток с исправлен�
Науково�технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Наука та інновації. № 2, 200834
Рис. 1. Оптическая схема дисперсионного блока
ными аберрациями. В результате проведенной
работы была рассчитана нарезная вогнутая
дифракционная решетка с переменным шагом
нарезки и криволинейными штрихами.
Внешний вид спектрометра изображен на
рис. 2.
Управление спектрометром осуществляется
в основном с клавиатуры компьютера. На пе�
реднюю панель вынесены только органы управ�
ления и контроля газовой автоматики. Блок га�
зовой автоматики обеспечивает стабильную по�
дачу аргона для продувки электродного блока и
заполнения оптического блока. В верхней час�
ти прибора видно прижимное устройство элект�
родного блока для закрепления вручную иссле�
дуемых образцов.
СИСТЕМА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРОМЕТРА
Система фотоэлектрической регистрации
эмиссионных спектров состоит из аппаратур�
ной и программной частей.
Аппаратурная часть спроектирована с ис�
пользованием в качестве фотоприемников
приборов с зарядовой связью (ПЗС). Подроб�
ные характеристики применяемых в спект�
ральном анализе ПЗС можно найти в [2]. Мы
использовали приборы японского производ�
ства TCD1304AP фирмы TOSHIBA. Каждый
из их содержит 3 648 фотодиодов, имеющих
размеры 8 мкм вдоль направления дисперсии
и 200 мкм поперек. Таким образом, один фо�
топриемник перекрывает 29 мм спектра. Для
регистрации всего диапазона спектрографа
было установлено 9 фотоприемников. Кроме
того, в состав прибора входят схемы синхро�
низации и управления, аналого�цифровые пре�
образователи (АЦП), интерфейсные схемы
для связи с базовым компьютером. Использо�
вание ПЗС фотоприемников имеет преимуще�
ства как перед фотографической регистрацией,
так и перед регистрацией с помощью ФЭУ, а
именно:
получение результатов в режиме реального
времени;
прямое фотоэлектрическое преобразование
света, высокая точность фотометрирования;
прямой ввод в компьютер и автоматическая
обработка спектральных данных;
отсутствие "мокрого" процесса обработки
фотоматериалов с последующим фотомет�
рированием;
широкий диапазон спектральной чувстви�
тельности;
отсутствие ограничений на количество ре�
гистрируемых линий;
возможность анализа формы линии;
возможность анализа фона под линией;
высокая надежность твердотельных элект�
ронных компонентов;
возможность ведения баз данных и архивов.
От параметров применяемых ПЗС сенсоров
зависит разрешающая способность, величина
спектрального и динамического диапазона ре�
гистратора, а также другие характеристики.
Разрешающая способность регистратора за�
висит от соотношения размеров пиксела и по�
луширины спектральной линии. Чем меньше
это соотношение, тем выше разрешающая спо�
собность регистратора. Это обусловлено аппа�
ратной функцией дисперсионного блока, ши�
риной входной щели, а также естественным
уширением спектральной линии. Аппаратная
функция спектрографа составляет в линейной
мере 5,6 мкм, ширина щели — около 10 мкм.
Таким образом, отношение размера пиксела к
полуширине спектральной линии в нашем
случае близко к единице. Такого разрешения
достаточно для решения большинства задач
Науково�технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Наука та інновації. № 2, 2008 35
Рис. 2. Внешний вид спектрометра
практического спектрального анализа. Для ре�
шения задач, связанных с реализацией более
высокого разрешения, нами разработан метод
получения субпикселного разрешения.
Спектральная характеристика фотоприем�
ников определяется теоретическим квантовым
выходом кремния, величиной оптического пог�
лощения, технологическими особенностями
производства сенсоров. В отличие от класси�
ческих ПЗС сенсоров, спектральный диапазон
которых в ультрафиолетовой области опреде�
ляется пропусканием электродов из полисили�
кона, покрывающих фоточувствительную об�
ласть, использованные в нашем регистраторе
линейные ПЗС сенсоров имеют раздельные фо�
точувствительную и транспортную зоны. Это
обеспечило близкий к теоретическому спект�
ральный диапазон для кремния с учетом коэф�
фициента отражения поверхности кристалла.
Динамический диапазон регистратора оп�
ределяется отношением его собственных шу�
мов к максимальному сигналу, регистрируемо�
му в пределах линейного участка передаточной
характеристики. Основными компонентами
шума являются следующие: нестабильность
темнового тока фотодиодов, шумы считыва�
ния и шумы квантования аналого�цифрового
преобразователя (АЦП). Первые две компо�
ненты шума определяются, в основном, пас�
портными характеристиками фотодетектор�
ных линеек, а шумы АЦП определяются его
разрядностью. При 12�разрядном АЦП, ис�
пользуемом в описываемом варианте аппара�
туры, шумы квантования меньше 0,1 %. Это
на порядок меньше вклада двух других ком�
понент, что позволяет многократным считы�
ванием сигнала расширять динамический ди�
апазон прибора. При этом соотношение сиг�
нал/шум растет пропорционально корню
квадратному из числа считываний.
Кроме указанных источников погрешностей
случайного характера могут возникать и систе�
Науково�технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Наука та інновації. № 2, 200836
Рис. 3. Система фотоэлектрической регистрации
матические ошибки при некорректном сгла�
живании результатов измерений. Такого рода
ошибки, связанные с использованием прямоу�
гольного ядра сглаживания, исследованы нами
в работе [3]. Применение прямоугольного ядра
сглаживания при неопределенном положении
спектральной линии относительно пикселов
детектора и неизвестной ее ширине может пов�
лечь за собой потери точности анализа и/или
ухудшить разрешающую способность.
Структурная схема системы фотоэлектри�
ческой регистрации представлена на рис. 3.
Аппаратурная часть комплекса состоит из
таких основных блоков:
1) плата линейных ПЗС фотоприемников;
2) плата аналого�цифровых преобразова�
телей;
3) плата синхронизации и управления;
4) базовый компьютер.
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СПЕКТРОМЕТРА
Прибор, оснащенный программным комп�
лексом Spectra Studio, может производить об�
работку спектров в реальном масштабе време�
ни, рассчитывать и строить градуировочные
графики, формировать диаграммы работы и
архива данных, создавать базу данных спект�
ральных линий, а также выполнять другие
Науково�технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Наука та інновації. № 2, 2008 37
Рис. 4. Экран программы обработки результатов эксперимента
вспомогательные операции. Рабочее окно прог�
раммы представлено на рис. 4.
Программный комплекс Spectra Studio име�
ет основные особенности:
1. В качестве интерфейса связи с компью�
тером используется интерфейс Ethernet, ко�
торый зарекомендовал себя как надежный
универсальный стандартизированный поме�
хозащищенный интерфейс, являющийся про�
мышленным стандартом и поддерживаемый
широким спектром недорогой периферии.
2. В качестве протокола обмена использует�
ся один из протоколов Интернета — UDP, что
гарантирует совместимость программного
обеспечения с будущими реализациями опе�
рационных систем. Кроме того, прибор может
быть легко встроен в существующую сетевую
инфраструктуру.
3. Программное обеспечение поддержива�
ется практически всеми широко известными
операционными системами: Windows 8x, Win�
dows NT, Windows Me, Windows XP, Linux
(RedHat), Free BSD, Solaris.
4. Программно�аппаратный комплекс нечу�
вствителен к температурно�механическим из�
менениям в оптике.
5. Все измеренные спектры хранятся в ком�
пьютере, поэтому можно производить повтор�
ную обработку результатов измерений по изме�
ненным методикам с использованием других
стандартов без повторного прожига образцов.
6. За один проход система выдает результа�
ты по всем занесенным в методику химичес�
ким элементам.
7. Имеется возможность определения одной
концентрации по нескольким аналитическим
линиям с последующей статистической обра�
боткой и выдачей единого результата.
8. Методика может выполнять расчеты по де�
сяти алгоритмам и больше, которые могут вы�
бираться либо автоматически, либо вручную.
9. В систему встроен справочник спектраль�
ных линий с указанием таких характеристик,
как интенсивность, длина волны, потенциал
возбуждения и т.д. (около 100 000 линий).
10. Система автоматически сохраняет свое
состояние и при любом сбое есть возможность
отката к состоянию, записанному в прошлом.
Хранится десять последних состояний систе�
мы, записанных автоматически при входе в
систему или по требованию оператора.
11. Отчеты генерируются системой в стан�
дартном и широко известном формате HTML.
Заготовки для их генерации тоже хранятся в
этом же формате и полностью доступны поль�
зователю.
12. Имеется подсистема ограничения дос�
тупа пользователей к программе в зависимос�
ти от их функций.
Фотометрическая точность системы фотоэ�
лектрической регистрации оценивалась по
эталонному источнику светового потока с ли�
нейчатой структурой спектра и не превышала
1 %. Это значительно ниже уровня флуктуа�
ции дугового источника возбуждения, ис�
пользуемого при эмиссионном анализе.
ВЫВОДЫ
Основные результаты теоретических и экс�
периментальных работ:
1. Классические вогнутые дифракционные
решетки с прямолинейными, равномерно рас�
положенными штрихами не обеспечивают не�
обходимые для нашего прибора величины
аберраций и светосилы. Поэтому был выпол�
нен расчет дифракционной решетки с искрив�
ленными и неравномерно расположенными
штрихами, имеющей приемлемые аберрации.
2. Разработана оптико�механическая схема
оптического блока, изготовлен и испытан его
макет. Разработанный оптический блок эмис�
сионного спектрометра по сравнению с тради�
ционными приборами имеет увеличенную
светосилу и расширенный в сторону вакуум�
ного ультрафиолета спектральный диапазон.
Расширение спектрального диапазона в сто�
рону вакуумного ультрафиолета позволяет с
высокой точностью определять содержание
таких труднодоступных для анализа элемен�
тов, как сера, фосфор и углерод.
Науково�технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Наука та інновації. № 2, 200838
3. Результаты испытаний показали, что в диа�
пазоне 1 750—4 500 A оптический блок имеет
спектральное разрешение не хуже 0,1 A при
относительном отверстии 1/10.
4. Разработаны принципиальные и монтаж�
ные схемы, проведена сборка и наладка элект�
ронного блока эмиссионного спектрометра.
Анализ работы электронного блока открыл но�
вые возможности повышения разрешающей
способности фотоэлектрического детектора.
Осуществлена адаптация программного обеспе�
чения с учетом параметров оптического блока.
5. Предприятия ОАО Харьковский маши�
ностроительный завод "Світло шахтаря",
ООО "Афалина" и "МЕТА" (г. Харьков) осу�
ществили тестирование оптического блока и
системы фотоэлектрической регистрации. На
основании результатов тестирования было
сделано заключение, что спектрометр может
быть рекомендован в качестве измерительно�
го средства при спектральных исследованиях
на металлургических предприятиях.
Работа выполнена в рамках инновационного
проекта НАН Украины "Организация малосе$
рийного производства автоматизированного
спектрометра для эмиссионного спектрально$
го анализа".
ЛИТЕРАТУРА
1. Пейсахсон И.В. Оптика спектральных приборов. — Л.:
Машиностроение, 1975. — 312 с.
2. Лабусов В.А., Попов В.И., Бехтерев А.В., Путьмаков А.Н.,
Пак А.С. Многоэлементные твердотельные детекто�
ры излучения большого размера для атомно�эмисси�
онного спектрального анализа // Аналитика и конт�
роль, 2005. — Т. 9, № 2. — С. 104—109.
3. Егоров А.Д., Егоров В.А., Егоров С.А., Здор Е.В. Фото�
метрирование эмиссионных оптических спектров
фотодиодными линейками // Радиофизика и элек�
троника. — Харьков: Ин�т радиофизики и электро�
ники НАН Украины, 2002. — Т. 7, № 2. — С. 422—
425.
В. А. Єгоров, С. А. Єгоров
АВТОМАТИЗОВАНИЙ
АТОМНО�ЕМІСІЙНИЙ СПЕКТРОМЕТР
Представлені результати роботи по створенню апара�
тури і програмно�алгоритмічного забезпечення автома�
тизованого атомно�емісійного спектрометра для прове�
дення аналізів елементного складу речовини в лабора�
торних, заводських та польових умовах.
К л ю ч о в і с л о в а: атомно�эмісійний аналіз, спект�
рометр, фотоелектричний детектор.
V. Yegorov, S. Yegorov
AUTOMATIC ATOMIC�EMISSION
SPECTROMETER
The results of equipment and software development for
automatic atomic�emission spectrometer allowing analyses
of substance element composition in laboratory, factory and
geological survey conditions are presented.
K e y w o r d s: atomic�emission spectrum analysis, spect�
rometer, photoelectrical detector.
Надійшла до редакції 01.08.07.
Науково�технічні інноваційні проекти Національної академії наук України
Наука та інновації. № 2, 2008 39
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-2366 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1815-2066 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-29T06:08:42Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Егоров, В.А. Егоров, С.А. 2008-09-24T13:27:13Z 2008-09-24T13:27:13Z 2008 Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр / В.А. Егоров, С.А. Егоров // Наука та інновації. — 2008. — Т. 4, № 2. — С. 33-39. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin4.02.033 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2366 Представлены результаты работы по созданию аппаратуры и программно-алгоритмического обеспечения автоматизированного атомно-эмиссионного спектрометра для проведения анализов элементного состава вещества в лабораторных, заводских и полевых условиях. Представлені результати роботи по створенню апаратури і програмно-алгоритмічного забезпечення автоматизованого атомно-емісійного спектрометра для проведення аналізів елементного складу речовини в лабораторних, заводських та польових умовах. The results of equipment and software development for automatic atomic-emission spectrometer allowing analyses of substance element composition in laboratory, factory and geological survey conditions are presented. ru Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр Автоматизований атомно-емісійний спектрометр Automatic atomic-emission spectrometer Article published earlier |
| spellingShingle | Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр Егоров, В.А. Егоров, С.А. Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України |
| title | Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр |
| title_alt | Автоматизований атомно-емісійний спектрометр Automatic atomic-emission spectrometer |
| title_full | Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр |
| title_fullStr | Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр |
| title_full_unstemmed | Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр |
| title_short | Автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр |
| title_sort | автоматизированный атомно-эмиссионный спектрометр |
| topic | Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України |
| topic_facet | Науково-технічні інноваційні проекти Національної академії наук України |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/2366 |
| work_keys_str_mv | AT egorovva avtomatizirovannyiatomnoémissionnyispektrometr AT egorovsa avtomatizirovannyiatomnoémissionnyispektrometr AT egorovva avtomatizovaniiatomnoemísíiniispektrometr AT egorovsa avtomatizovaniiatomnoemísíiniispektrometr AT egorovva automaticatomicemissionspectrometer AT egorovsa automaticatomicemissionspectrometer |