Применение аргона в сфере эмиссионного спектрального анализа обусловлено двумя направлениями использования газа. Во-первых, он используется как плазмообразующий газ, а во-вторых, как газ, вытесняющий воздух из оптических систем спектральных приборов.
В качестве плазмообразующего газа, как видно из названия, аргон образует плазму. Что это такое и зачем она нужна в эмиссионных спектрометрах? Плазма — это частично или полностью ионизированный газ. В нашем случае — частично ионизированный. Она состоит из нейтральных и заряженных частиц: атомов аргона, положительно заряженных ионов аргона и отрицательно заряженных электронов. Чтобы получить некоторое представление о том, какие процессы происходят внутри штатива искрового эмиссионного спектрометра, остановимся на этом подробнее.
Плазма находится в электрическом поле, которое образуется благодаря приложенному между двумя электродами напряжению. Отрицательно заряженный электрод — это образец, который лежит на предметном столике (столик штатива заземлён), а положительно заряженный вольфрамовый противоэлектрод находится внутри штатива.
Предметный столик искрового спектрометра. Образец — отрицательно заряженный электрод |
Положительно заряженный вольфрамовый электрод находится внутри штатива |
Как известно из школьных курсов физики, на заряженные частицы в электрическом поле действует сила и они получают ускорение. Электроны двигаются к вольфрамовому электроду, а положительно заряженные ионы аргона двигаются в сторону нашего образца. Ионы аргона большие и тяжёлые (по сравнению с электронами), при разгоне они приобретают высокую кинетическую энергию и врезаются в поверхность образца, как болид из космоса в поверхность земли. При этом вся запасённая энергия идёт на разрушение поверхности образца, или на его локальный нагрев в точке попадания. Таким образом, вся поверхность образца бомбардируется разогнанными ионами аргона. При этом происходит нагрев и испарение, а так же в плазму вылетают осколки (они называются кластеры, так как состоят из огромного числа атомов) и брызги расплавленного образца. Мы говорим — происходит абляция, или пробоотбор. Фрагменты нашей пробы попали в плазму.
В плазме всё это дело продолжает усиленно двигаться и сталкиваться с летящими ионами аргона и электронами, которые продолжают сообщать этим фрагментам пробы энергию, разрушая их в конечном итоге на отдельные атомы, а иногда даже отрывая от них электрон или присоединяя его, создавая ионы. Мы говорим — происходит атомизация. После этого при дальнейших столкновениях частиц плазмы друг с другом, атомы и ионы нашего образца возбуждаются. Что это значит?
Согласно планетарной модели атома Бора-Резерфорда, атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого на стационарных энергетических орбитах находятся электроны. При получении атомом энергии, она тратится на перевод электрона на более высокую энергетическую орбиту. Мы говорим — атом перешёл в возбуждённое состояние. Это состояние неустойчиво и через некоторое время электрон вернётся обратно на более низкую энергетическую орбиту (в невозбуждённое состояние). При этом переходе атом излучает энергию (мы говорим — происходит эмиссия кванта света потому, что эта энергия находится в оптическом диапазоне). Набор энергий, который может излучать атом при переходе из возбуждённого состояния в невозбуждённое строго индивидуален для каждого вещества. Атомы светятся только своим уникальным светом. Изучив его, мы можем однозначно сказать, какие именно атомы светились, а по яркости света даже можем судить о количестве тех или иных атомов в плазме.
На этом и построен принцип работы атомных оптических эмиссионных спектрометров. Эмиссионный потому, что происходит эмиссия (излучение); оптический потому, что эмиссия происходит в оптическом диапазоне, а атомный потому, что излучают атомы исследуемого вещества. Наконец, спектрометр потому, что свет (излучение) раскладывается в спектр и параметры этого спектра измеряются.
Использование аргона в спектрометрах
Почему именно аргон преимущественно используется в спектрометрах? На это есть несколько причин.
Во-первых, аргон это инертный газ, практически не вступающий во взаимодействие с другими элементами благодаря своему строению (принадлежит к восьмой группе главной подгруппы периодической системы элементов Д.И.Менделеева).
Во-вторых, как сказано в начале статьи, аргон занимает третье место в атмосфере земли. Его много, его легко получать, он дешевле многих других газов с аналогичными физико-химическими свойствами (например, гелия или ксенона).
В-третьих, он легко отдаёт электрон — легко ионизируется (по сравнению с другим распространённым газом, азотом, примерно в 3 раза легче). Это означает что плазму легче зажечь и меньше энергии необходимо тратить на её поддержание.
Не ядовит, не взрывоопасен... Кругом одни плюсы. Совокупность всех этих причин делает подаваемый в спектрометр аргон наиболее подходящим газом для плазмообразования.
Какого качества газ нужен для использования в эмиссионных приборах? Необходим аргон высокой чистоты не хуже марки 4.8 (99,998%) для того, чтоб надёжно работал ваш спектрометр. Аргон марки 5.0 (99,999%) и более высоких марок можно назвать избыточными для использования в этой сфере. Их конечно же можно использовать, но они стоят дороже, а сколь заметного выигрыша не дадут. При использовании аргона низкого качества плазма будет получаться слабой и её энергии будет недостаточно для абляции исследуемого вещества. Основной загрязнитель, существенно снижающий качество аргона — это кислород. Кислород и всё, куда он входит: водяной пар, углекислый газ и т.п. Кислород очень сильный окислитель и он легко «ворует» из плазмы электроны. Количество заряженных частиц резко падает и, соответственно, снижается эффективность воздействия плазмы на поверхность образца. Это приводит к снижению качества результатов анализа, и даже к их отсутствию.
«Плохие» и «хорошие» пятна обжига.
|
Самая распространенная причина появления «плохих», или «слепых», пятен обжига
при измерении на искровом спектрометре —
низкое качество используемого плазмообразующего газа, в данном случае аргона.
«Хорошие» пятна отличить просто: в центе пятна располагается так называемый «глазок». Глазок — это результат абляции (именно в этом месте происходил нагрев, испарение и «выскребание» фрагментов образца в плазму). Слепые же пятна глазка не имеют, или он у них очень маленький. Это результат плохой абляции — в плазму попадает недостаточное количество пробы. Плохими пятна так называются потому, что когда у вас при обискривании возникают такие пятна, вы имеете плохие результаты измерений. Поэтому если вы получаете плохие результаты измерений (большое СКО, подозрительные результаты, никак не укладывающиеся в разумные рамки и т.п.), обязательно проверяйте пятна обжига. |
Второе основное применение аргона в спектрометрах — удаление воздуха из оптического тракта прибора. Это связано с необходимостью удаления кислорода. Молекулы кислорода поглощают жёсткий ультрафиолет с длинной волны ниже 185 нм. Это не позволяет измерять некоторые вещества, которые излучают в этом диапазоне. Чтобы иметь возможность работать и с этими веществами — молекулы кислорода с оптического пути необходимо убрать. Среди прочих способов для этого может использоваться и аргон. Более подробно об этом на нашем сайте можно почитать в этой статье.
P. S. Просьба учесть, что статья имеет научно-популярный характер. Поэтому некоторые физические явления и процессы, описанные в ней представлены в упрощённом виде, дабы не усложнять изложение излишними подробностями и нагромождением понятий и определений. Пусть учёные нас простят за это.
Хранение и транспортировка аргона
Газообразный аргон хранится и поставляется в баллонах высокого давления.
Согласно ГОСТ 949-73 выпускаются баллоны с емкостью от 0.4 до 50 л. Для хранения и транспортировки аргона в основном используют баллоны емкостью 5, 10 и 40 л. Наиболее распространены сорокалитровые баллоны с рабочим давлением 150 кгс/см2 (15Мпа) с объемом закачиваемого в них газа 6 м³. Менее распространены баллоны емкостью 50 литров с давлением 200 кгс/см2 (20Мпа). Их использование значительно экономичнее, т.к. сокращает затраты на транспортировку из-за заметно большей вместимости баллона – 10 м³ аргона.
Так как баллоны высокого давления при транспортировке являются объектом потенциальной опасности, их перевозка должна осуществляться специализированным транспортом, и компаниями, имеющими необходимые разрешения. Правила перевозки и техники безопасности регламентируются соответствующими приказами Минтранса.
Техника безопасности
Аргон не относится к разряду опасных, ядовитых или взрывоопасных газов. Опасность он может представлять в двух случаях:
- Первый — утечка и заполнение собой помещения без притока воздуха.
- Второй, не имеет непосредственного отношения к самому газу аргон, а исходит непосредственно от способа хранения – баллонов находящихся под высоким давлением. Правила обращения, использования, хранения и т.п. регламентируются ГОСТом, например ГОСТ 12.2.085-2002.
Можно ли устанавливать баллон с аргоном прямо в лаборатории рядом с прибором?
