Введение к работе
Актуальность темы исследования
В спектральном анализе со времени его возникновения использовался метод определения состава исследуемого вещества, который практически без изменения дошёл и до наших дней. Этот метод заключается в выделении спектральных линий, характерных для известных компонентов (химических элементов или соединений) и определению по интенсивности этих линий (в случае эмиссионного анализа) или её изменению (в случае абсорбционного анализа) концентраций указанных компонентов.
Время показало эффективность и информативность описанного метода, нашедшего применение во многих частных приложениях (астрономия, археология, криминалистика, металлургия и др.), но и вскрыло проблемы, связанные с его использованием. Основной проблемой этого метода является трудность выделения характерных спектральных линий, так как ввиду их множественности плотность расположения линий такова, что расстояние между ними меньше ширины самих линий. Часто линии просто "сливаются" друг с другом, и решить задачу об их разделении удаётся лишь в определённых частных случаях с применением априорной информации о составе исследуемого вещества. Таким образом, в общем виде задача спектрального анализа остаётся нерешённой.
С другой стороны, в последнее время возникла необходимость применения спектральных методов к анализу проб экологического мониторинга. Особенность этой задачи заключается в том, что практически отсутствует априорная информация о составе проб, которые могут содержать в себе почти все известные компоненты, что приводит к неприменимости метода выделения спектральных линий в данном случае. Поэтому особую актуальность приобретает задача создания новых методов получения, обработки и анализа спектрометрических данных.
Состояние и краткая история вопроса
Ранее уже было создано некоторое количество подходов, нацеленных на преодоление указанной проблемы, каждый из которых в определённой мере способствовал улучшению ситуации. Работы, в основном, велись в трёх направлениях: улучшение разрешающей способности спектральных приборов; разработка источников света, дающих узкие спектральные линии; создание методов обработки и
расшифровки спектров с широкими линиями, а также полосатых и сплошных спектров.
Несмотря на обилие теоретических и экспериментальных работ в области спектрометрии на сегодняшний день остаётся нерешённой проблема расшифровки спектров проб произвольного состава, возбуждаемых посредством электрической дуги - наиболее удобного источника света для передвижных лабораторий экологического мониторинга. Кроме того, эти лаборатории ввиду жёстких условий эксплуатации могут быть оснащены только приборами малой разрешающей способности, что ещё усложняет ситуацию.
Цель работы состоит в создании методов получения, обработки и анализа данных атомно-эмиссионной спектрометрии, позволяющих извлекать количественную информацию об элементном составе исследуемой пробы в условиях неразличимости отдельных спектральных линий.
Задачи работы:
О Теоретическая разработка методов, получение конечных
формул и оценка погрешностей. 1 Реализация этих методов в виде схем, а также
алгоритмов и программных модулей, предназначенных
для обработки спектрометрических данных с
применением ЭВМ. 2 Апробация разработанных методов на данных
спектрометрии загрязнения снегового покрова г.
Барнаула.
Научная новизна и значимость
Научная новизна характеризуется следующими полученными результатами:
1. Создан метод обеспечения аддитивности эмиссионных спектров
химических элементов, входящих в состав вещества электродов
электрической дуги, посредством стабилизации мощности дуги.
Разработана электрическая схема стабилизатора мощности для дуги
постоянного тока. Предложена методика расчёта этой схемы.
2. Разработан способ создания условий горения электрической дуги,
при которых реализуется линейная зависимость интенсивностей
спектральных линий от концентрации химических элементов в плазме,
а формы спектров элементов остаются практически неизменными.
3. Создан метод расшифровки спектров атомно-эмиссионного анализа,
возбуждённых посредством электрической дуги постоянной мощности,
основанный на разложении спектра исследуемого образца по базисным
спектрам химических элементов. На основе принципов этого метода
создано и апробировано программное обеспечение, предназначенное
для анализа спектрометрических данных на ЭВМ.
4. Теоретически разработан способ реализации указанного метода
расшифровки с помощью аналогового регистрационно-
вычислительного устройства на основе многоэлементного
фоторезисторного приёмника.
5. Создано и апробировано программное обеспечение, предназначенное
для предварительной обработки спектрометрических данных
(калибровки спектров, фильтрации шумов фотоприёмника, выделения
спектральных линий и определения их длин волн).
Получены результаты, подтверждающие эффективность векторного подхода в представлении и анализе спектров, а также разработаны методы получения и расшифровки спектрометрических данных, позволяющие проводить элементный эмиссионный спектральный анализ многокомпонентных экологических проб с применением приборов малой разрешающей силы.
Публикации
Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 11 научных работах, в том числе в одной статье в рецензируемом научном издании, входящем в перечень ВАК.
Достоверность полученных результатов достигается корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью; объёмом экспериментальных данных и их статистической обеспеченностью; согласием расчётных и экспериментальных характеристик, воспроизводимостью полученных результатов.
Положения, выносимые на защиту
1. Стабилизация мощности, выделяемой на электрической дуге, приводит к существенному уменьшению зависимости температуры её плазмы от химического состава электродов. При этом взаимное влияние химических элементов на их спектры излучения уменьшается настолько, что практически обеспечивается аддитивность эмиссионных спектров химических элементов, входящих в состав вещества электродов.
2. Обдув дугового разряда потоком воздуха позволяет уменьшить
концентрацию химических элементов электродного вещества в плазме
настолько, что реализуется линейная зависимость интенсивностей
спектральных линий от концентрации, а формы спектров элементов
остаются практически неизменными.
3. Массовые содержания химических элементов при исследовании
пробы вещества методом атомно-эмиссионного спектрального анализа
с возбуждением спектра в плазме дуги постоянной мощности с
обдувом могут быть вычислены как весовые коэффициенты
разложения спектра исследуемого образца по базисным спектрам
химических элементов.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений; изложена на 137 страницах, включая 28 рисунков, 3 таблицы.
