Введение к работе
Актуальность темы
Определение состава вещества и контроль его чистоты является одним из важных
іементов производства в различных отраслях промышленности. Поэтому
пвитие методов анализа вещества имеет большое практическое значение.
Вследствие своих уникальных свойств для анализа вещества широко
пользуются спектральные методы. Под спектральным методом анализа обычно
)нимается физический метод определения состава вещества, основанный на
хледовании спектров испускания (эмиссии) или поглощения (абсорбции)
іектромагнитного излучения атомами, молекулами или конденсированным
:ществом как целой системой. Соответственно, по типу регистрируемого спектра
іализ может быть эмиссионным или абсорбционным. В данной работе под
шесионным анализом понимается спектральный метод, использующий любые
іектрьі излучения, в том числе и люминесцентный анализ, являющийся особым
учаем эмиссионного анализа. Эмиссионный анализ обладает более высокой
'вствительностыо по сравнению с абсорбционным анализом. В настоящий момент
'вствительность эмиссионных методов в некоторых случаях достигает Ю-10 г/см3.
ри прочих равных условиях, чувствительность . метода определяется
ітенсивностью излучения, которая, в свою очередь, зависит от плотности
ізбужденньїх с .тояний. Следовательно, за счет повышения плотности
ізбужденньїх состояний можно увеличить чувствительность метода. Кроме того, в
ом случае становится возможным наблюдение излучательных переходов из
стояний с высокой вероятностью безызлучателыюго расселения и получение
івой информации об объекте исследования. Повышение плотности возбужденных
стояний в стационарном случае имеет как технические ограничения, так и
раничения физического плана. Использование импульсного возбуждения
зволяет в значительной мере снять эти ограничения, поэтому оно более
рспективно для эмиссионного анализа.
Традиционно для элементного (атомного) эмиссионного спектрального анализа пользуются электрическая дуга или искра высоковольтного разряда. Несмоіря на остоту реализации этих видов возбуждения, их использование ограничивает
возможности анализа. Значительное развитие элементный эмиссионный анали получил за счет использования лазерного излучения для возбуждени анализируемого вещества. При этом лазерный эмиссионный анализ позволяе изучать вещество в очень чистых условиях. В этом случае исключается полностъ* появление в спектре излучения линии элементов электродной системы, обычн затрудняющие проведение анализа. Однако и этот метод не лишен определенны недостатков. В этом случае, спектрофамма испаренной и возбужденной лазерньи излучением пробы представляет собой, как правило, спектр сплошного излучения наложенными на него самообращенными линиями элементов пробы и элементе атмосферы [1]. Поэтому плазма, созданная лазерным излучением, неудобна да непосредственного спектрального анализа. Не исключено, что этот эффект связан использованием лазерного излучения с не оптимальными характеристиками. О существенно офаничивает возможности метода анализа элементного состав вещества с использованием лазерного излучения. Поэтому задача расширени возможностей этого принципиально перспективного метода представляете актуальной.
Прикладные задачи требуют определения молекулярного состава и структурі исследуемого объекта. Для этих видов анализа, в отличии от элементного анализ; необходимо, чтобы возбуждение осуществлялось без изменения и разрушени связей атомов в веществе. Наиболее распространенным эмиссионны спектральным методом решения этих задач является люминесцентный анализ, настоящее время одним из перспективных спектральных методов определени молекулярного и структурного состава конденсированного вещества являете анализ, в котором для возбуждения люминесценции используются сильноточнь импульсные электронные пучки (СИЭП) длительностью в несколько наносекунд плотностью тока до 1 кА/см2. Хотя возбуждаемая СИЭП люминесценция обладас рядом новых свойств, она попадает под определение данное впервые в работа [2,3]. Поэтому для ее обозначения был использован термин "импульенг катодолюминесценция" (ИКЛ). Далее в этой работе под ИКЛ будет пониматы импульсная катодолюминесценция, возбуждаемая именно СИЭП. положительным особенностям такой ИКЛ можно отнести, в частности, то, что пр комнатной температуре была получена тонкая структура полос ИКЛ, глубиі
інтенсивно излучающего (т.е. анализируемого) слоя составляет 250-500 мкм, что ,ущественно больше, чем при традиционной катодолюминесценции. интенсивность ИКЛ на 5-6 порядков выше люминесценции, возбуждаемой іругими способами. При таком способе возбуждения анализ проводится, как іравило, в естественных условиях и без предварительной обработки образца. В >аботах [4,5] была показана возможность прикладного применения номинесценции, возбуждаемой СИЭП, в геммологии, геологии, системах епарации алмазов. Таким образом, анализ, основанный на использовании СИЭП, іерспективен для практических приложений. Однако в литературе отсутствуют йнные о применении ИКЛ для количественного анализа конденсированного іещества.
Так же была показана возможность возбуждения с помощью СИЭП интенсивной іюминесценции в веществах, считавших ранее не люминесцирующими, однако ЖЛ не использовалась до сих пор для определения энергетической структуры іримесньїх центров, нелюминеширующих при других методах возбуждения. )нергетическая структура таких примесных центров до сих пор слабо изучена, хотя акие центры могут образовываться неконтролируемыми примесями в лазерных ристаллах и сцинтилляторах и ухудшать их оптические и механические свойства. Іозтому исследование таких центров имеет важное практическое значение.
ИКЛ - метод до сих пор не применялся для анализа веществ в жидком фазовом остоянии. Отличительной особенностью такого вещества является малые ффективные времена существования возбужденных состояний из-за высокой ероятности безызлучательного расселения. Поэтому в большинстве случаев арегистрировать люминесценцию удавалось при снижении вероятности процессов евозбуждения путем охлаждения вещества до криогенных температур и/или за счет сследования твердых растворов этих веществ. Однако известно, что структура ногих молекул чувствительна, к температуре, фазовому состоянию и астворителю. Поэтому важно получать информацию об этих объектах в условиях, низких к условиям их практического использования. Решение это проблемы эзможно за счет создания высокой плотности возбужденных состояний за эемена, сравнимые с характерными временами существования молекул жидкого ццества в возбужденном состоянии (10' - Ю-8 с). Поэтому применение СИЭП для
решения этой задачи является перспективным.
Таким образом, несмотря на перспективность использования СИЭП дл эмиссионного спектрального анализа конденсированного вещества, ег применение для целого ряда практических задач остается не вполне обоснованным Следовательно, представляется актуальным исследовать возможност использования СИЭП для количественного структурного анализа, определени энергетической структуры примесных центров, эффективно поглощающи люминесценцию, для молекулярного анализа вещества в жидкой фазе.
Цель работы:
Исследование возможностей эмиссионного анализа конденсированного вешествг возбуждаемого лазерными и электронными пучками папосск) ндной длительности.
Для.достижения этой цели необходимо решить следующие задачи исследований:
-
Создать комплекс аппаратуры для определения основных причи возникновения эффектов, осложняющих традиционный импульсный эмиссионны лазерный анализ элементного состава вещества. Определить область параметре лазерного излучения, для которых влияние этих явлений минимально. Создат экспериментальный образец анализатора, использующий лазерное излучение найденными характеристиками.
-
Разработать и обосновать расчетную методику количественного ИКЛ-анализ и показать ее работоспособность.
-
Выбрать модельные объекты исследования с примесными центрамі эффективно поглощающими люминесценцию. Зарегистрировать спектры ИК. этих объектов. На основании полученных данных определить знергетическуі структуру таких центров.
-
Обосновать выбор тестовых веществ для молекулярного ИКЛ-аналн; вещества в жидкой фазе. Выяснить соответствие ИКЛ таких веществ даиньп получаемым другими методами. На основании этого показать возможное! проведения спектрального анализа этих веществ ИКЛ методом.
Научная новизна работы
- Реализован количественный ИКЛ анализ состава твердого тела.
- Определена энергетическая структура примесных центров, образованных ионами Со2+ в иттрий алюминиевом гранате (ИАГ).
-Зарегистрированы в люминесценции верхние триплетные состояния и колебательная структура полос люминесценции бензола, толуола и спиртовых растворов нафталина и антрацена при комнатной температуре.
Научная и практическая значимость работы определяется:
возможностью использования созданного лазерного анализатора для определения элементного состава вещества в чистых условиях без контакта с анализируемой пробой, без оптического пробоя ее паров и атмосферы,
возможностью использования ИКЛ для определения и уточнения энергетической структуры примесных центров в кристаллах, которые плохо люминесцируют или не люминесцируют при других способах возбуждения,
возможностью использования ИКЛ для сортировки и выбраковки сырья для производства огнеупоров,
возможностью использования ИКЛ для молекулярного анализа веществ в жидкой фазе в условиях, близких к условиям их использования.
Достоверность полученных экспериментальных результатов
тодтверждается их соответствием известным теоретическим и экспериментальным данным в той области, где таковые данные имеются, и воспроизводимостью жеперименталън, л результатов.
Іичпьін вклад автора состоит в:
создании экспериментального комплекса для измерения спектральных я
пространственно-временных характеристик плазмы, возникающей при
взаимодействии с твердым телом лазерного излучения с длиной волны 10.6 мкм и
0.308 мкм и плотностью мощности ~ і О8 Вт/см2;
разработке расчетных методик и алгоритмов;
проведении измерений, результаты которых представлены в данной работе;
обработке, анализе и обобщении экспериментальных данных.
)сновные положения, представляемые к защите:
.При воздействии на твердое тело импульсного лазерного излучения с длиной волны 0.308 мкм и нлоптстыо мощности 5- 10х Вт/ем* тпіоіюрогоньїй
оптический пробой не возникает, а создаваемая лазерная плазма обладает следующими отличительными особенностями:
в спектре ее излучения отсутствует составляющая компонент атмосферы,
плазма описывается моделью плазмы высоковольтной конденсированной электрической искры, что позволяет использовать эту модель для количественного элементного анализа вещества.
-
Предложена и обоснована методика структурного количественного анализа твердого тела н показана возможность молекулярного анализа органических соединений ароматического ряда при комнатных температурах с использованием для возбуждения люминесценции импульсных наносекундных электронных пучков с энергией электронов - 100 кэВ и плотностью мощности - Ю8 Вт/см2.
-
Определена энергетическая структура и координационное положение примесных центров, образованных ионами Со2+ в ИАГ.
Апробация работы и публикации
Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на следующих конференциях: VII Конференция по физике газового разряда (21-24 июня 1994, Самара, Россия), 11-th International Conference on High Power Particle Beams (10-14 июня 1996, Прага, Чешская Республика); 1 Всероссийский симпозиум по твердотельным детекторам ионизирующих излучения ТТД-97 (28 ноября -2 декабря 1997, Екатеринбург, Россия) Международная конференция по органической химии памяти И.Я. Постовского (17-20 марта, 1998, Екатеринбург, Россия).
Основное содержание диссертации опубликовано в 13 работах. Список этих работ приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации
Данная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Полный ее объем составляет ИЗ страниц, включая 38 рисунков, 12 таблиц, список литературы, насчитывающий 85 наименования, и 2 приложения.
