Твердые среды
В настоящее время работы по автоматизации анализа твердых сред ведутся в двух направлениях: создание систем периодического контроля с использованием стационарных анализаторов и автоматизированных систем пробоотбора и пробоподготовки; создание средств автоматического контроля вещественного состава твердых сред непосредственно в потоке.
Системы со стационарными лабораторными анализаторами должны выдавать экспрессные анализы вещественного состава в различных точках технологического потока.
Для систем автоматического регулирования и управления в первую очередь необходимы средства автоматического контроля вещественного состава среды в потоке. В этой области наиболее перспективными являются флуоресцентные рентгеновские спектрометры, радиометрические и рентгенорадиометрические анализаторы, а также масс-спектрометры.
Принцип работы флуоресцентного рентгеновского спектрометра основан на следующем. Под воздействием рентгеновского излучения атомы контролируемого вещества переходят в возбужденное состояние, при котором электроны, поглощая порции энергии извне, занимают более высокие энергетические уровни. Обратный переход сопровождается излучением энергии - вторичным ионизирующим излучением. Поскольку каждый элемент имеет свое характеристическое излучение с дискретным энергетическим спектром, можно по спектру вторичного излучения определять наличие инициируемого элемента (качественный анализ), а по плотности потока энергии характеристического излучения - количество элемента (количественный анализ). Разумеется, энергия первичного рентгеновского излучения должна превышать энергию характеристического излучения контролируемого элемента.
Один из методов анализа вторичного ионизирующего излучения состоит в пространственном разложении вторичного излучения в спектр с помощью кристалла анализатора (плоского или изогнутого) и последующем измерении плотности потока ионизирующих частиц или плотности потока энергии ионизирующего излучения в выделенной части спектра блоком детектирования со схемой регистрации. При этом контролируемое вещество облучается от рентгеновской трубки. Вторичное излучение от вещества проходит через коллиматор и попадает на кристалл-анализатор.
Коллиматор необходим для формирования потока излучения, поскольку стабильные результаты измерения могут быть получены только при неизменной геометрии измерения. Он представляет собой блок (обычно свинцовый) с каналом определенного профиля.
Кристалл-анализатор выделяет из всего вторичного излучения только характеристическое излучение контролируемого элемента и посылает его на блок детектирования, установленный за диафрагмой.
Блок детектирования совместно с промежуточным преобразователем измеряет плотность потока энергии характеристического излучения (или плотность потока ионизирующих частиц) и вырабатывают выходной сигнал, пропорциональный содержанию анализируемого элемента в веществе.
Радиометрические анализаторы основаны на принципе поглощения или рассеяния гамма-излучения от состава вещества.
Радиометрический анализатор, базирующийся на принципе поглощения гамма-излучения, включает гамма-источник, помещенный в контейнер с коллимационным каналом, блок детектирования и промежуточный преобразователь.
В рентгенорадиометрическом анализаторе в отличие от флюоресцентного рентгеновского спектрометра в качестве источника первичного излучения используется не рентгеновская трубка, а радиоактивный источник. Это обеспечивает высокую компактность и экономичность аппаратуры, отсутствие высоких напряжений и значительную простоту обслуживания.
Наиболее удобной является геометрия измерений, при которой радиоактивный источник и блок детектирования ионизирующего изучения находятся по одну сторону от анализируемого вещества. Повышение чувствительности измерений при данной геометрии достигается применением двух или более радиоактивных источников, помещенных в защитные экраны. В состав анализатора входят также блок детектирования и промежуточный преобразователь.
Принцип действия масс-спектрометров основан на использовании различия траекторий положительных ионов анализируемого вещества.
Молекулы анализируемого вещества ионизируются в источнике ионов. В зависимости от агрегатного состояния вещества и выбранного типа сменного источника ионов ионизация производится либо электронным ударом, либо методом термоионной эмиссии. В первом случае молекулы анализируемого вещества подвергаются действию электронов, испускаемых накаленным катодом. Во втором случае ионы образуются при испарении молекул (атомов) вещества с накаленной поверхности ленты или коробочки, выполненной из тугоплавкого металла.
Образовавшиеся положительные ионы получают ускорение в электрическом поле и фокусируются в узкий пучок системой электрических линз. Состав ионного пучка соответствует молекулярному составу анализируемой газовой смеси.
Ионный пучок проходит через камеру анализатора, помещенную в поперечном магнитом поле, и под действием этого поля разделяется на отдельные ионные лучи, отличающиеся отношением масс ионов к их зарядам. Пройдя камеру анализатора, ионные лучи попадают на коллектор. В цепи коллектора ионы различной массы создают электрические токи, которые после предварительного усиления измеряются и записываются на диаграммной ленте.
Поскольку масс спектр каждого вещества имеет характерную структуру, зависящую от строения молекул и молекулярного веса, то на диаграммной ленте записывается спектр ионных токов, характеризующий молекулярный состав исследуемого вещества.
Конструктивно масс-спектрометр состоит из аналитической и измерительной частей. В аналитической части создается, формируется и разделяется ионный пучок по массам. Измерительная часть предназначена для питания источников ионов и других элементов системы стабилизированным напряжением, для измерения и регистрации ионных токов, индикации массовых чисел и т. п.
По назначению масс-спектрометры подразделяются на три типа: МИ - для изотопного анализа, МХ - для анализа химического состава, МС - для исследования структуры и свойств вещества.
Масс-спектрометры применяются для анализа газов, паров жидкости и твердых веществ.