Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции_НМ_СП.docx
Скачиваний:
352
Добавлен:
30.03.2015
Размер:
779.39 Кб
Скачать

Атомно-эмиссионный спектральный анализ с электротермическим возбуждением

Если для возбуждения атомов энергии пламени недостаточно, то используют дуговые и искровые электротермические источники.

Наиболее известные электротермические источники—дуга по­стоянного или переменного тока и искровой разряд. Дуга возникает при пропускании постоянного или переменного тока (1—30 А при напряжении 200 В) между двумя электродами. Для получения искрового разряда на пару электродов налагают напряжение до 40 кВ. При этом возникает разряд, повторяющийся 120 раз в секунду. Сила тока при искровом разряде сначала очень высока, затем она падает до 1 А и меньше.

Электроды обычно изготавливают из графита, спектр которого беден линиями. В углубление одного из электродов помещают пробу (рис. 6,а—в). Если проба представляет собой раствор, то ее наносят по каплям и выпаривают после нанесения каждой капли. Твердую пробу смешивают с порошком графита и набивают в углубление. Второй электрод в виде конусообразного стержня называют противоэлектродом. Металлическая проба (чистый металл или сплав) сама может выполнять роль электрода, противоэлектро­дом при этом служит медный или графитовый стержень.

В пространстве между электродами при дуговом и искро­вом разрядах образуется плазма, состоящая из атомов, ионов и свободных электронов с температурой,

Рис. 6. Формы электродов в эмиссионном спектральном анализе: а—для металлических проб; б—для порошков; в—для растворов

достигающей 4000—5000 К в дуге и 40000 К в искре.

В дуговой и особенно в искровой плазме в атомах и ионах осуществляется бо­льшое число энергетических переходов, поэтому спектры состоят из множества спек­тральных линий. В элект­рических источниках можно возбудить практически все элементы.

Электротермическое воз­буждение лежит в основе конструкции плазмотро­нов — источников возбужде­ния, В которых плазма, образующаяся при дуговом или искровом разряде, стабили­зируется инертным газом. Температура в плазмотронах достигает 5000—7000° С и до 10000° С в источниках с индуктивно связанной плазмой (ИСП). Высокая температура обеспечивает возбуждение также трудновозбуждаемых элементов, например неметаллов. Для предотвращения ионизации атомов в плазму вводят аргон, более легко ионизирующийся, чем исследуемые элементы (рис. 7),

Рис.7. Плазмотрон с индуктивно

связанной плазмой (ИСП)

Приборы.

В атомно-эмиссионной спектроскопии принимается непосредственно аналитический сигнал—-излучение, испускаемое возбужденными атомами. Излучение воспринимают визуально (в спектроскопах и стилоскопах), регистрируют на фотопластинке (в спектрографах), преобразуют в электрический сигнал с по­мощью фотоэлементов и фотоумножителей (в квантометрах). Оптическая схема

Рис. 8. Схема спектрального прибора для эмиссионного анализа: 1—источник возбуждения; 2—конденсорные линзы; 3 — входная щель; 4—диспергирующая призма; 5—фокальная плоскость, в которой помещают объектив (при визуальном наблюдении спектра), фотопластинку (при фотографической регистрации спектра), фотоэлемент или фотоумножитель при фотоэлектрическом детектировании сигнала

всех приборов идентична, различия имеются лишь в способе детектирования сигнала (рис. 8).

Спектроскоп прямого зрения.

Это простейший оптический визуальный прибор с диапазоном длин волн 400—760 нм, в котором монохроматизация проводится дисперсионной призмой. В объективе, помещенном в фокальной плоскости, наблюдают спектральные линии (форма их имеет форму выходной щели). Прибор снабжен шкалой длин волн, по которой можно иден­тифицировать спектральные линии (табл. 1). В пламя вносят раствор исследуемого компонента и сухие вещества. Для увеличе­ния летучести добавляют к пробе каплю соляной кислоты.

Таблица 1. Длины волн спектральных линий и минимально

определяемая концентрация элементов

Элемент

Длина волны, нм

Цвет

Определяемый

ми­нимум, мкг/мл

Литий

670,8

Карминово-красный

0,2

Натрий

589

Желтый

0,001

Калий

769

Фиолетовый

0,05

Кальций

554

Зеленый

662

Красный

(422,7)

0,08

Стронций

610

Оранжевый

655—688

(группа линий и

полос) (460,7)

Красные

0,07

Барий

553,6

Зеленый

1,0

Стилоскоп.

Для экспрессного анализа и сортировки сталей и сплавов используют визуальные спектроскопы, называемые стилоскопами. Помимо идентификации примесей на стилоскопе проводят полуколичественный анализ сравнением яркости линий основы образца и примеси. Для возбуждения используют дуговой или искровой разряд, для монохроматизации света—призмы. Спектр наблюдают в объективе, снабженном шкалой длин волн.

Спектр стали или сплава состоит из множества линий основы (например, железа), среди которых трудно найти нужную линию примеси. Для ориентировки служит спектр чистого железа, хорошо изученный и описанный в атласах. В спектре железа имеются характерные группы линий, которые служат вехами для нахождения линий других элементов, например в фиолетовой части спектра три линии 425,0; 426,0; 427,2 нм, расположенные на одинаковом расстоянии, или в голубой части спектра три яркие линии 452,5; 452,8 и 453,1 нм.

Сравнив линии элементов-примесей в сталях и сплавах по яркости с линией железа, полуколичест­венно оценивают содержание примесей. Две линии, одна из которых принадлежит элементу основы, а другая — определя­емому элементу, называют гомологической парой. Например, если интенсивности линий Fe(l) и Сr(1) равны, то содержание хрома в стали не превышает 0,1%.

Спектрографы.

В спектрографах для монохроматизации из­лучения используют призмы и дифракционные решетки, а сигнал регистрируют на фотопластинке, которую помещают в фокальной плоскости прибора. После облучения пластинку проявляют и по­лучают линии. При определении состава образца на одной и той же пластинке регистрируют спектр анализируемого образца и спектр чистого железа. Проявленную пластинку помещают на прозрачный столик-экран, под которым находится осветитель— лампочка накаливания. С помощью специального винта вдоль пластинки перемещается микроскоп, а на экране имеется шкала длин волн. По шкале на экране находят характерные линии в спектре железа и с точностью до 0,01 мм определяют длины волн линий в спек­тре образца. Пользуясь атласами спе­ктральных линий, устанавливают эле­мент, которому принадлежат линии.

Для полуколичественной оценки содержания элементов в образце при­меняют метод гомологических пар. Метод заключается в том, что используют пару спектральных линии, относительная яркость которых не зависит от условий возбуждения спек­тра и фотографирования. Одна из линий принадлежит определяемому элементу, а другая—элементу основы или специальной добавке (внутренний стандарт), заранее введен­ной в образец. Сравнивают яркость обеих линий. При определен­ной концентрации примеси яркость обеих линий одинакова.

Количественный эмиссионный спектральный анализ основан на зависимости интенсивности спектральной линии от концент­рации вещества в пробе, выражаемой формулой Ломакина — Шайбе:

I = acb ,

где а и b — коэффициенты, зависящие от процессов в плазме и условий детектирования. В логарифмической форме интенсив­ность линии связана прямолинейной зависимостью с логарифмом концентрации:

I = lga + b∙lgc = const + blgc Iан Iст

Для проведения количественного анализа на одной и той же пластинке снимают спектр исследуемого образца и спектры эталонов (не менее трех). Эталоны должны быть как можно ближе по составу к анализируемому образцу. Эталоны готовят в лаборатории по определенным правилам; для некоторых материалов эталоны изготавливают специальные службы.

После проявления измеряют интенсивность спектральных ли­ний на пластинке, при этом абсолютную интенсивность линий измерять нецелесообразно, так как на нее влияют многие неконтролируемые факторы. Поэтому измеряют относительную интенсивностьI, обозначаемую S, т. е. разность между интенсивностями линий сравнения Sср и определяемого элемента S. Такие две линии называют аналитической парой. Для сравнения служит линия основы образца или внутреннего стандарта или фон спектра.

Значение S получают на микрофотометре. По устройству микрофотометр напоминает фотоэлектроколориметр: свет, про­шедший через линию, частично поглощается и поступает на фотоэлемент; возникающий фототок регистрируют гальваномет­ром (рис. 9), по отклонению стрелки которого можно судить о почернении спектральной линии. По полученным значениям строят градуировочный график в координатах Slgc (рис. 10). Для количественных определений помимо метода градуировочного графика применяют и другие способы, например метод добавок.

Рис. 9. Схема микрофотомет­ра МФ-2:

1 — электролампа; 2—конденсоры; 3—фотопластинка; 4—щель; 5 — фотоэлемент; 6—экран; 7—зеркала; 8 - объективы

Рис. 10. Градуировочный гра­фик для определения концент­раций методом атомно-эмиссионной спектроскопии

Квантометры (спектрометры). В этих приборах для приема сигнала используют фотоэлектрические детекторы (фотоумножи­тели). При этом для каждой линии нужен свой фотоумножитель и соответствующее устройство для регистрации электрического сигнала. В квантометрах бывает до 12 фотоумножителей (соот­ветственно столько же выходных щелей), которые одновременно регистрируют излучение от 12 линий различных длин волн. Атомизацию и возбуждение проводят в дуге постоянного тока.

Применяют при серийных анализах однотипных образцов в заводских лабораториях металлургических предприятий.