Особенности стабилизации излучения ртутной капиллярной лампы в анализаторе паров ртути на основе зеемановской атомной абсорбционной спектроскопии
Экспериментально исследована возможность повышения чувствительности анализатора паров ртути в атмосферном воздухе, использующего в качестве источника излучения капиллярную лампу с естественным изотопным составом ртути при поперечном эффекте Зеемана. Стабилизация режима излучения лампы обеспечивается за счет раздельного контроля температуры капилляра и колбы лампы. Достигнутая чувствительность анализатора составляет 14 нг/м3 на временном интервале более 40 мин.
Stabilization features of a mercury capillary lamp radiation in a mercury vapor analyzer based on the Zeeman atomic abso.pdf Введение В обзоре последних достижений по созданию оперативных анализаторов для измерения концентрации паров атомарной ртути в атмосферном воздухе [1] показано, что наиболее быстродействующими и высокочувствительными являются анализаторы, основанные на методе атомно-абсорбционной спектроскопии с использованием в качестве источника ртутной капиллярной лампы (РКЛ) при эффекте Зеемана [2]. Нами была исследована возможность применения в таком анализаторе в качестве источника излучения РКЛ с естественным изотопным составом [3-5] при поперечном эффекте Зеемана и на ее основе разработана новая модификация анализатора паров ртути ДОГ-07 [6]. При этом дифференциальная методика реализуется за счет того, что интенсивности излучения I всех -компонент зеемановского расщепления изотопов ртути в излучении РКЛ остаются внутри суммарного контура линии поглощения смеси изотопов, содержащихся в атмосферной ртути, а суммарные интенсивности излучения I всех +- и --компонент смещаются на края этого контура (вправо и влево) [3]. Кроме того, все излучения -, +- и --компонент являются линейно-поляризованными, что позволяет упростить схемно-технические решения анализатора ДОГ-07 по сравнению с анализатором РА-915+, серийно выпускаемым ООО «Люмэкс» и использующим в качестве источника излучений РКЛ с изотопом 204Hg при продольном эффекте Зеемана [7]. При этом излучаемые +- и --компоненты зеемановского расщепления имеют круговую поляризацию, которая затем для дальнейшего использования преобразовывается в линейную. Однако в созданном анализаторе [6] сохранился недостаток, присущий анализатору РА-915+ - долговременная нестабильность излучения и дрейф нулевого уровня измеряемой концентрации паров ртути, что ограничивает его чувствительность в пределах ±30 нг/м3. В настоящей работе показана возможность дополнительной стабилизации излучения РКЛ и, соответственно, повышения чувствительности анализатора. Установка и методика исследований В [5, 6] было показано, что выравнивание интенсивностей Iσ и Iπ, излучаемых РКЛ, и обеспечение их долговременной стабильности уменьшает дрейф нулевого уровня измеряемой концентрации паров ртути при использовании для ее вычисления соотношения NHg = K ln (I / I ), (1) где K - коэффициент пропорциональности (аппаратурная постоянная), который составляет величину порядка n105 (в нашем случае 1.8105); I и I - интенсивности излучений суммы +- и --компонент и -компоненты соответственно, прошедших через измерительную кювету. Большая величина K налагает высокие требования к погрешностям измерения значений I и I . Простым термостатированием РКЛ не удалось достигнуть необходимой стабильности отношения интенсивностей Iσ и Iπ, излучаемых РКЛ. Проведенные исследования показали, что стабилизации температуры РКЛ в пределах ±0.01 С недостаточно, поскольку РКЛ имеет в разных частях капилляра и колбы различную температуру. При этом, как показано в [8], интенсивность излучения РКЛ определяется температурой ее наиболее холодной части. Для стабилизации интенсивностей Iσ и Iπ в разработанный анализатор ДОГ-07, схема которого приведена на рис. 1 и детально описана в [6], был введен опорный канал (28, 29), в который отводились потоки I0σ и I0π из основного потока излучения РКЛ, направляемого в измерительную кювету анализатора. Отведенные потоки направлялись на фотодетектор опорного канала и детектировались. На основе этих сигналов по соотношению N0Hg = K ln (I0σ / I0π) (2) в микроконтроллере 27 рассчитывалась величина N0Hg, пропорциональная концентрации паров ртути в опорном канале. Эта величина являлась дополнительным управляющим сигналом для термостата РКЛ 10. При предварительном выравнивании интенсивностей излучений Iσ и Iπ, а также соответственно излучений I0σ и I0π в отсутствие паров ртути на трассе изолированного от внешней среды опорного канала величина N0Hg стремится к нулю. Кроме того, в схему был дополнительно введен датчик температуры капилляра РКЛ 30. Рис. 1. Функциональная схема анализатора: 1 - источник излучения; 2 - модулятор; 3 - измерительная многоходовая кювета; 4 - фотоприемник измерительного канала; 5 - блок регистрации; 6 - внешний пульт управления; 7 - ноутбук; 8 - поперечное сечение РКЛ; 9 - источник высокочастотного возбуждения РКЛ; 10 - система термостабилизации; N, S - полюса магнита; 11, 18, 24, 25 - линзы; 12 - поляризационный компенсатор; 13 - фазовая пластинка; 14 - электромотор; 15 - синхронизатор; 16 - призма Глана; 17 - эталонная кювета; 19, 23 - диафрагмы; 20, 21, 22 - зеркала; 26, 29 - АЦП; 27 - микроконтроллер; 28 - фотоприемник опорного канала; 30 - датчик температуры капилляра РКЛ Для реализации дополнительного канала стабилизации схема термостатирования РКЛ, в отличие от [6], была изменена (рис. 2). Капилляр 1 РКЛ находится между полюсами магнита внутри магнитопровода 2. На его поверхности расположен нагреватель 3, который обеспечивает нагрев магнитопровода (в том числе и части капилляра РКЛ, расположенного между полюсами магнита). Рис. 2. Схема термостатирования РКЛ (вид сбоку): 1 - капилляр РКЛ; 2 - магнитопровод; 3 - нагреватель магнитопровода; 4 - датчик температуры; 5 - колба РКЛ; 6 - нагреватель колбы РКЛ; 7 - линза Управление нагревом магнитопровода осуществляется сигналом с цифрового датчика температуры 4 типа DS1821 (30), расположенного между полюсами магнита непосредственно рядом с капилляром. Стабилизация температуры капилляра осуществляется в пределах 0.007 С (1 дискрет датчика). Колба РКЛ 5 помещена в дополнительный нагреватель 6. Управление его температурой осуществляется сигналом N0Hg. Результаты измерений и их обсуждение На рис. 3 показано изменение величины N0Hg, рассчитываемой по соотношению (2), на временном интервале 2.7 ч после включения питания РКЛ. Значение NHg, регистрируемое в измерительной кювете (в отсутствие в ней паров ртути), практически повторяет эту зависимость. Как видно из рисунка, время выхода РКЛ на стационарный режим излучения не превышает 18 мин. Таким образом, управление термостатом РКЛ обеспечивает стабилизацию отношения I0σ / I0π в опорном канале и, как следствие, стабилизацию отношения Iσ / Iπ в потоке излучения, направляемого в измерительный канал, который включает вдвигаемую эталонную кювету 17 и внешнюю измерительную кювету 3 (рис. 1) анализатора. Рис. 3. Измеряемая концентрация N0Hg при выходе анализатора на рабочий режим и последующая стабильность дрейфа нулевого уровня измеряемой концентрации На рис. 4 представлены в увеличенном масштабе уровни концентрации паров ртути: фоновый, зарегистрированный в измерительной кювете, и нулевой, зарегистрированный в изолированном опорном канале газоанализатора, на временном интервале, превышающем 40 мин. Рис. 4. Уровни концентрации паров ртути, регистрируемые в измерительной кювете (кр. 1) и опорном канале (кр. 2) анализатора Оценка среднеквадратического отклонения сигнала N0Hg не превышает 10 нг/м3, а NHg - 14 нг/м3. Флуктуации в регистрируемых значениях N0Hg и NHg обусловлены шумами электронных схем усилителей низкой частоты в фотоприемниках 4 и 28 (рис. 1) и самими фотоприемниками, поскольку полной корреляции между регистрируемыми значениями N0Hg и NHg не наблюдается. При этом интенсивности излучений I σ, I π и I0σ, I0π регистрируются с частотой 200 Гц при последующем усреднении за 1 с [6]. Ненулевое среднее значение NHg обусловлено остаточной загрязненностью измерительной кюветы атомами ртути при предыдущих измерениях (после введения в нее паров ртути). Заключение Проведенные исследования показали, что уменьшение дрейфа нулевого уровня измеряемой концентрации паров ртути и повышение стабильности работы анализатора, использующего в качестве источника излучения ртутную капиллярную лампу с естественным изотопным составом при поперечном эффекте Зеемана, обеспечивается двумя факторами: стабильностью амплитуды источника возбуждения газового разряда и стабильностью температуры капилляра и колбы РКЛ. Введение в конструкцию анализатора опорного канала для контроля интенсивности излучений - и суммы -компонент, излучаемых РКЛ, и дополнительной термостабилизации разных ее частей (капилляра и колбы) обеспечило повышение чувствительности прибора до 14 нг/м3.
Ключевые слова
анализатор паров ртути,
ртутная капиллярная лампа,
естественный изотопный состав,
поперечный эффект Зеемана,
излучение,
стабилизацияАвторы
Абрамочкин Александр Иванович | Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН | к.т.н., ведущ. конструктор ИМКЭС СО РАН | asa@imces.ru |
Татур Валерий Владимирович | Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН | к.т.н., ведущ. науч. сотр. ИМКЭС СО РАН | tatur@imces.ru |
Тихомиров Александр Алексеевич | Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН | д.т.н., профессор, гл. науч. сотр. ИМКЭС СО РАН | tikhomirov@imces.ru |
Всего: 3
Ссылки
Pierce A., Obrist D., Moostmüller H., et al. // Atmos. Meas. Tech. - 2023. - V. 6. - No. 6. - P. 1477-1489. DOI: 10.5194/atm-6-1477-2013.
Альтман Э.Л., Свешников Г.Б., Туркин Ю.И., Шолупов С.Е. // Журн. прикл. спектр. - 1982. - Т. 37. - Вып. 5. - С. 709-722.
Абрамочкин А.И., Татур В.В., Тихомиров А.А. // Изв. вузов. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 9. С. 14-16.
Абрамочкин А.И., Татур В.В., Тихомиров А.А. // Изв. вузов. Физика. - 2017. - Т. 60. - № 7. С. 159-160.
Абрамочкин А.И., Татур В.В., Тихомиров А.А. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 10. С. 20-24.
Татур В.В., Тихомиров А.А., Абрамочкин А.И. и др. // Оптика атмосферы и океана. - 2019. - Т. 32. - № 7. - С. 576-580.
Ганеев А.А., Шолупов С.Е., Пупышев А.А. и др. Атомно-абсорбционный анализ: учеб. пособие. - СПб.: Лань, 2011. - 304 с.
Шолупов С.Е.// Патент 2373522 Российская Федерация, МПК G01 21/00 (2006.01); ООО «ВИНТЕЛ». - № 2008121928/28. Заявл.26.05.2008; Опубл. 20.11.2009. - Бюл № 32.