автори:
працівники компанії
Застосування аргону в сфері емісійного спектрального аналізу обумовлено двома напрямками використання газу. По-перше, він використовується як плазмообразующий газ, а по-друге, як газ, що витісняє повітря з оптичних систем спектральних приладів.
Як плазмообразующего газу, як видно з назви, аргон утворює плазму. Що це таке і навіщо вона потрібна в емісійних спектрометрах? Плазма - це частково або повністю іонізований газ. У нашому випадку - частково іонізований. Вона складається з нейтральних і заряджених частинок: атомів аргону, позитивно заряджених іонів аргону і негативно заряджених електронів. Щоб отримати деяке уявлення про те, які процеси відбуваються всередині штатива іскрового емісійного спектрометра, зупинимося на цьому докладніше.
Плазма знаходиться в електричному полі, яке утворюється завдяки прикладеному між двома електродами напрузі. Негативно заряджений електрод - це зразок, який лежить на предметному столику (столик штатива заземлений), а позитивно заряджений вольфрамовий протівоелектрод знаходиться всередині штатива.
Предметний столик іскрового спектрометра. Зразок - негативно заряджений електрод
Позитивно заряджений вольфрамовий електрод знаходиться всередині штатива
Як відомо зі шкільних курсів фізики, на заряджені частинки в електричному полі діє сила і вони отримують прискорення. Електрони рухаються до вольфрамовому електроду, а позитивно заряджені іони аргону рухаються в бік нашого зразка. Іони аргону великі і важкі (в порівнянні з електронами), при розгоні вони набувають високу кінетичну енергію і врізаються в поверхню зразка, як болід з космосу в поверхню землі. При цьому вся збережена енергія йде на руйнування поверхні зразка, або на його локальний нагрів в точці попадання. Таким чином, вся поверхня зразка бомбардируется розігнаними іонами аргону. При цьому відбувається нагрів і випар, а так само в плазму вилітають осколки (вони називаються кластери, так як складаються з величезного числа атомів) і бризки розплавленого зразка. Ми говоримо - відбувається абляція, або пробовідбір. Фрагменти нашої проби потрапили в плазму.
У плазмі все це справа продовжує посилено рухатися і зіштовхуватися з летять іонами аргону і електронами, які продовжують повідомляти цим фрагментами проби енергію, руйнуючи їх в кінцевому підсумку на окремі атоми, а іноді навіть відриваючи від них електрон або приєднуючи його, створюючи іони. Ми говоримо - відбувається атомізація. Після цього при подальших зіткненнях частинок плазми один з одним, атоми і іони нашого зразка збуджуються. Що це означає?
Згідно планетарної моделі атома Бора-Резерфорда, атом складається з позитивно зарядженого ядра, навколо якого на стаціонарних енергетичних орбітах перебувають електрони. При отриманні атомом енергії, вона витрачається на переклад електрона на більш високу енергетичну орбіту. Ми говоримо - атом перейшов в збуджений стан. Це стан хиткий і через деякий час електрон повернеться назад на більш низьку енергетичну орбіту (в збудженому стан). При цьому переході атом випромінює енергію (ми говоримо - відбувається емісія кванта світла тому, що ця енергія знаходиться в оптичному діапазоні). Набір енергій, який може випромінювати атом при переході із збудженого стану в збудженому строго індивідуальний для кожної речовини. Атоми світяться тільки своїм унікальним світлом. Вивчивши його, ми можемо однозначно сказати, які саме атоми світилися, а по яскравості світла навіть можемо судити про кількість тих чи інших атомів в плазмі.
На цьому і побудований принцип роботи атомних оптичних емісійних спектрометрів. Емісійний тому, що відбувається емісія (випромінювання); оптичний тому, що емісія відбувається в оптичному діапазоні, а атомний тому, що випромінюють атоми досліджуваного речовини. Нарешті, спектрометр тому, що світло (випромінювання) розкладається в спектр і параметри цього спектру вимірюються.
Використання аргону в спектрометрах
Чому саме аргон переважно використовується в спектрометрах? На це є кілька причин.
По-перше, аргон це інертний газ, практично не вступає у взаємодію з іншими елементами завдяки своїй будові (належить до восьмої групи головної підгрупи періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва).
По-друге, як сказано на початку статті, аргон займає третє місце в атмосфері землі. Його багато, його легко отримувати, він дешевше багатьох інших газів з аналогічними фізико-хімічними властивостями (наприклад, гелію або ксенону).
По-третє, він легко віддає електрон - легко іонізується (в порівнянні з іншим поширеним газом, азотом, приблизно в 3 рази легше). Це означає що плазму легше запалити і менше енергії необхідно витрачати на її підтримку.
Не отруйний, не вибухонебезпечний ... Кругом одні плюси. Сукупність усіх цих причин робить подається в спектрометр аргон найбільш підходящим газом для плазмоутворення.
Якої якості газ потрібен для використання в емісійних приладах? Необхідний аргон високої чистоти не гірше марки 4.8 (99,998%) для того, щоб надійно працював ваш спектрометр. Аргон марки 5.0 (99,999%) і більш високих марок можна назвати надмірними для використання в цій сфері. Їх звичайно ж можна використовувати, але вони коштують дорожче, а як помітного виграшу не дадуть. При використанні аргону низької якості плазма буде виходити слабкою і її енергії буде недостатньо для абляції досліджуваного речовини. Основний забруднювач, істотно знижує якість аргону - це кисень. Кисень і все, куди він входить: водяна пара, вуглекислий газ і т.п. Кисень дуже сильний окислювач і він легко «краде» з плазми електрони. Кількість заряджених частинок різко падає і, відповідно, знижується ефективність впливу плазми на поверхню зразка. Це призводить до зниження якості результатів аналізу, і навіть до їх відсутності.
«Погані» і «хороші» плями випалу.
Найпоширеніша причина появи «поганих», або «сліпих», плям випалу при вимірюванні на искровом спектрометрі - низька якість використовуваного плазмообразующего газу, в даному випадку аргону.
«Хороші» плями відрізнити просто: в центі плями розташовується так званий «око». Вічко - це результат абляції (саме в цьому місці відбувався нагрів, випаровування і «вишкрібання» фрагментів зразка в плазму).
Сліпі ж плями очка не мають, або він у них дуже маленький. Це результат поганої абляції - в плазму потрапляє недостатня кількість проби. Поганими плями так називаються тому, що коли у вас при обіскріваніі виникають такі плями, ви маєте погані результати вимірювань.
Тому якщо ви отримуєте погані результати вимірювань (велике СКО, підозрілі результати, ніяк не вкладаються в розумні рамки і т.п.), обов'язково перевіряйте плями випалу.
Друге основне застосування аргону в спектрометрах - видалення повітря з оптичного тракту приладу. Це пов'язано з необхідністю видалення кисню. Молекули кисню поглинають жорсткий ультрафіолет з довжиною хвилі нижче 185 нм. Це не дозволяє вимірювати деякі речовини, які випромінюють в цьому діапазоні. Щоб мати можливість працювати і з цими речовинами - молекули кисню з оптичного шляху необхідно прибрати. Серед інших способів для цього може використовуватися і аргон. Більш докладно про це на нашому сайті можна почитати в цій статті .
PS Прохання врахувати, що стаття має науково-популярний характер. Тому деякі фізичні явища і процеси, описані в ній представлені в спрощеному вигляді, щоб не ускладнювати виклад зайвими подробицями і нагромадженням понять і визначень. Нехай вчені нас пробачать за це.
Зберігання та транспортування аргону
Газоподібний аргон зберігається і поставляється в балонах високого тиску.
Згідно ГОСТ 949-73 випускаються балони з ємністю від 0.4 до 50 л. Для зберігання і транспортування аргону в основному використовують балони ємністю 5, 10 і 40 л. Найбільш поширені сорокалітрового балони з робочим тиском 150 кгс / см2 (15Мпа) з об'ємом закачується в них газу 6 м³. Менш поширені балони ємністю 50 літрів з тиском 200 кгс / см2 (20МПа). Їх використання значно економічніше, тому що скорочує витрати на транспортування через помітно більшої місткості балона - 10 м³ аргону.
Так як балони високого тиску при транспортуванні є об'єктом потенційної небезпеки, їх перевезення повинно здійснюватися спеціалізованим транспортом, і компаніями, що мають необхідні дозволи. Правила перевезення і техніки безпеки регламентуються відповідними наказами Мінтрансу.
Техніка безпеки
Аргон не відноситься до розряду небезпечних, отруйних або вибухонебезпечних газів. Небезпека він може представляти в двох випадках:
- Перший - витік і заповнення собою приміщення без припливу повітря.
- Другий, не має безпосереднього відношення до самого газу аргон, а виходить безпосередньо від способу зберігання - балонів знаходяться під високим тиском. Правила поводження, використання, зберігання і т.п. регламентуються ГОСТом, наприклад ГОСТ 12.2.085-2002.
Чи можна встановлювати балон з аргоном прямо в лабораторії поряд з приладом?
<Початок статті р>
Що це таке і навіщо вона потрібна в емісійних спектрометрах?Що це означає?
Якої якості газ потрібен для використання в емісійних приладах?