RU2467311C1 - Method for integral-scintillation element-phase survey of substance with its fractional evaporation into plasma - Google Patents
Method for integral-scintillation element-phase survey of substance with its fractional evaporation into plasma Download PDFInfo
- Publication number
- RU2467311C1 RU2467311C1 RU2011115370/28A RU2011115370A RU2467311C1 RU 2467311 C1 RU2467311 C1 RU 2467311C1 RU 2011115370/28 A RU2011115370/28 A RU 2011115370/28A RU 2011115370 A RU2011115370 A RU 2011115370A RU 2467311 C1 RU2467311 C1 RU 2467311C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substance
- evaporator
- frame
- contents
- elements
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Предложение относится к области исследования химических и физических свойств вещества и может быть использовано при геологических, металлургических, технологических и др. исследованиях и производственных работах.The proposal relates to the field of research of chemical and physical properties of a substance and can be used in geological, metallurgical, technological and other research and production work.
Известен способ интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового исследования вещества с фракционным испарением его в плазму, включающий плавление и фракционное испарение вещества, путем нагревания сверху вертикального цилиндрического испарителя, на дне которого размещают исследуемое вещество, введение паров вещества в плазму, атомизацию и возбуждение его атомов в плазме, регистрацию фракционных сцинтилляционных спектральных сигналов, определение по ним элементного состав вещества с использованием образцов сравнения, выбор оптимальных условий проведения исследований в зависимости от решаемых задач (Основы количественного спектрального анализа руд и минералов, Русанов А.К., М.: Недра, 1978 г., с.38-74; Физические основы спектрального анализа. Райхбаум Я.Д., М.: Наука, 1980 г., с.37-78).A known method of integral-scintillation elemental-phase research of a substance with fractional evaporation of it into a plasma, including melting and fractional evaporation of a substance by heating from above a vertical cylindrical evaporator at the bottom of which a test substance is placed, introducing vapor of the substance into the plasma, atomization and excitation of its atoms into plasma, registration of fractional scintillation spectral signals, determination by them of the elemental composition of a substance using comparison samples, selection of optim conditions of research depending on the tasks being solved (Fundamentals of the quantitative spectral analysis of ores and minerals, Rusanov AK, M .: Nedra, 1978, p. 38-74; Physical fundamentals of spectral analysis. Raikhbaum Y.D., M .: Nauka, 1980, p. 37-78).
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту к данному техническому решению является способ интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового исследования вещества с фракционным испарением его в плазму, включающий плавление и фракционное испарение вещества путем нагревания сверху вертикального цилиндрического испарителя с дном, на котором размещают исследуемое вещество так, чтобы оно находилось на расстоянии более 2 мм от верхнего открытого края испарителя и полностью испарялось из испарителя в процессе сгорания его боковых стенок, введение паров вещества в плазму, атомизацию и возбуждение его атомов в плазме, создание условий для получения фракционных сцинтилляциоцных аналитических спектральных сигналов и регистрацию спектральных сигналов с применением интегрально-сцинтилляционного метода регистрации спектров, при котором осуществляют покадровую синхронную регистрацию спектральных сигналов с прерывистым периодическим кратковременным накоплением спектральных сигналов, в процессе расчета результатов исследования проводят сортировку сигналов с учетом соотношения «сигнал-шум» и времени появления сигналов, используя каждое периодическое накопления сигнала, определение по полезным аналитическим сигналам элементного состава вещества с использованием образцов сравнения и метода расчета содержаний химических элементов по «соотношению условных содержаний» большого числа элементов без знания массы исследуемого вещества, выбор оптимальных условий проведения исследований в зависимости от решаемых задач (патент РФ №2368890, Способ интегрально-сцинтилляционного эмиссионного анализа с испарением вещества из кратера дугового разряда. Аполицкий В.Н., 2009 г. - прототип).The closest technical solution and the achieved effect to this technical solution is the method of integral scintillation elemental-phase research of a substance with fractional evaporation of it into a plasma, including melting and fractional evaporation of a substance by heating from above a vertical cylindrical evaporator with a bottom on which the test substance is placed so so that it is more than 2 mm from the upper open edge of the evaporator and completely evaporates from the evaporator during combustion its side walls, the introduction of substance vapors into the plasma, the atomization and excitation of its atoms in the plasma, the creation of conditions for obtaining fractional scintillation analytical spectral signals and the registration of spectral signals using the integrated scintillation method of recording spectra in which frame-by-frame synchronous registration of spectral signals with intermittent periodic short-term accumulation of spectral signals; in the process of calculating the results of the study, sorting with signals taking into account the signal-to-noise ratio and the time of the appearance of signals, using each periodic signal accumulation, determination of the elemental composition of a substance using useful analytical signals using comparison samples and a method for calculating the contents of chemical elements from the "ratio of conditional contents" of a large number of elements without mass knowledge the test substance, the choice of optimal research conditions depending on the tasks to be solved (RF patent No. 2368890, Integrated scintillation emission method analysis of a substance from evaporation crater arc discharge. Apolitsky V.N., 2009 - prototype).
Недостатками способов анализа вещества (аналога и прототипа) является не возможность детального исследования фазовых характеристик вещества, процессов плавления, испарения и термодинамических взаимодействий веществ.The disadvantages of the methods of analysis of substances (analogue and prototype) is not the possibility of a detailed study of the phase characteristics of the substance, the processes of melting, evaporation and thermodynamic interactions of substances.
Целью данного предложения является создание возможности одновременного проведения интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового спектрального изучения вещества, его термодинамических свойств и протекающих химических взаимодействий молекулярных соединений в его расплаве.The aim of this proposal is to create the possibility of simultaneously conducting an integrated scintillation elemental-phase spectral study of a substance, its thermodynamic properties and the ongoing chemical interactions of molecular compounds in its melt.
Поставленная цель достигается за счет того, что способ интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового исследования вещества с фракционным испарением его в плазму, включающий плавление и фракционное испарение вещества путем нагревания сверху вертикального цилиндрического испарителя с дном, на котором размещают исследуемое вещество так, чтобы оно находилось на расстоянии более 2 мм от верхнего открытого края испарителя и полностью испарялось из испарителя в процессе сгорания его боковых стенок, введение паров вещества в плазму, атомизацию и возбуждение его атомов в плазме, создание условий для получения фракционных сцинтилляционных аналитических спектральных сигналов и регистрацию спектральных сигналов с применением интегрально-сцинтилляционного метода регистрации спектров, при котором осуществляют покадровую синхронную регистрацию спектральных сигналов с прерывистым периодическим кратковременным накоплением спектральных сигналов, расчет результатов исследования, при котором проводят сортировку сигналов с учетом соотношения «сигнал-шум» и времени появления сигналов, используя каждое периодическое накопления сигнала, определение по полезным аналитическим сигналам элементного состав вещества с использованием образцов сравнения и метода расчета содержаний химических элементов по «соотношению условных содержаний» большого числа, элементов без знания массы исследуемого вещества, выбор оптимальных условий проведения исследований в зависимости от решаемых задач, расстояние от верхнего края испарителя до его дна делают более 5 мм, а дно изготовляют в виде конуса с вершиной вниз, исследуемые вещества с массой меньшей 2-3 мг располагают в нижней части дна испарителя так, чтобы оно находилось в центре дна и при его нагревании не соприкасалось с боковыми стенками испарителя, которое полностью испаряют из испарителя в процессе сгорания его боковых стенок, при этом в процессе исследования ведут покадровое измерение температуры нагрева вещества, лежащего на дне испарителя, а после расчета содержаний химических элементов, входящих в состав исследуемого вещества, производят фазовую диагностику или идентификацию вещества путем сравнения соотношения содержаний химических элементов в исследуемом веществе и покадровых термодинамических характеристика исследуемого вещества, получаемых в процессе изучения зависимости количества попадаемых атомов химических элементов в плазму от покадровой температуры расплава вещества, с соотношением содержаний этих элементов и термодинамических характеристик в хорошо известных и изученных веществах с помощью известных и предлагаемого метода.This goal is achieved due to the fact that the method of integral-scintillation elemental-phase research of a substance with fractional evaporation of it into a plasma, including melting and fractional evaporation of a substance by heating from above a vertical cylindrical evaporator with a bottom on which the test substance is placed so that it is on a distance of more than 2 mm from the upper open edge of the evaporator and completely evaporated from the evaporator during the combustion of its side walls, the introduction of vapor of a substance into a plasma, atom the generation and excitation of its atoms in the plasma, the creation of conditions for obtaining fractional scintillation analytical spectral signals and the registration of spectral signals using the integrated scintillation method of recording spectra, in which frame-by-frame synchronous registration of spectral signals with intermittent periodic short-term accumulation of spectral signals is performed, calculation of the results of the study, in which the signals are sorted taking into account the signal-to-noise ratio and the time signals using each periodic signal accumulation, determination of the elemental composition of the substance using useful analytical signals, using comparison samples and a method for calculating the contents of chemical elements by the “ratio of conditional contents” of a large number of elements without knowing the mass of the substance under study, choosing optimal conditions for research depending from the tasks to be solved, the distance from the upper edge of the evaporator to its bottom is made more than 5 mm, and the bottom is made in the form of a cone with the top down, substances with a mass of less than 2-3 mg are placed in the lower part of the bottom of the evaporator so that it is in the center of the bottom and when it is heated does not come into contact with the side walls of the evaporator, which completely evaporate from the evaporator during the combustion of its side walls, while in the process the studies conduct a frame-by-frame measurement of the heating temperature of the substance lying on the bottom of the evaporator, and after calculating the contents of the chemical elements that make up the test substance, phase diagnostics or identification of the substance is carried out by changes in the ratio of the contents of chemical elements in the test substance and the single-frame thermodynamic characteristics of the test substance obtained in the process of studying the dependence of the number of atoms of chemical elements entering the plasma on the frame-by-frame temperature of the melt of the substance, with the ratio of the contents of these elements and thermodynamic characteristics in well-known and studied substances using well-known and the proposed method.
С целью получения информации о процессах взаимодействия химических элементов в расплаве вещества, диагностики молекулярных химических соединений, находящихся или появляющихся в расплаве в процессе нагревания его, при расчете результатов исследования производят покадровый расчет содержаний химических элементов в виртуальных микронавесках вещества, поступающих в плазму в различные моменты (кадры) времени испарения вещества, с использованием метода расчета содержаний элементов в виртуальных микронавесках неизвестной массы по «соотношению условных содержаний» элементов в микронавесках, и по соотношению содержаний химических элементов в микронавесках, отражающих характерный состав испаряющихся молекулярных соединений, а также по покадровой измеренной температуре расплава вещества проводят диагностику или идентификацию этих химических молекулярных соединений, сопоставляя соотношение покадровых содержаний химических элементов в виртуальных микронавесках, состоящих из испаряющихся фракционно молекул, с соотношением содержаний этих элементов в известных химических соединениях, а также сравнения температуру кипения изучаемых молекул с температурой кипения известных молекулярных соединений или проводят дополнительные исследования наиболее близких по молекулярному составу расплавов веществ с целью выявления близости соотношений содержаний элементов и термодинамических характеристик исследуемого молекулярного соединения с аналогом. При исследовании легко летучих химических молекулярных соединений в расплаве вещества выбирают оптимальный режим охлаждения дна испарителя снизу, а при изучении труднолетучих молекулярных соединений наоборот ухудшают теплопроводность электрода под дном испарителя.In order to obtain information about the processes of interaction of chemical elements in the melt of a substance, to diagnose molecular chemical compounds that are or appear in the melt during its heating, when calculating the results of the study, a frame-by-frame calculation of the contents of chemical elements in virtual micro-particles of the substance entering the plasma at various times is performed ( frames) of the time of evaporation of a substance, using the method of calculating the contents of elements in virtual microwaves of unknown mass at The conditional contents ”of elements in micronarities are compared, and the ratio of chemical elements in micronavities reflecting the characteristic composition of evaporating molecular compounds, as well as by the measured melt temperature of a substance by frame, is used to diagnose or identify these chemical molecular compounds by comparing the ratio of the frame contents of chemical elements in virtual microhangers consisting of fractionally evaporating molecules, with a ratio of the contents of these elements in known chemistries eskih compounds, as well as comparisons of the boiling point of the studied molecule with a boiling point of known molecular compounds or conduct further studies closest molecular composition melts substances with a view to detecting proximity relationships between the elemental and molecular thermodynamic characteristics of the test compound with the analog. When studying volatile chemical molecular compounds in a melt of matter, the optimal cooling mode for the bottom of the evaporator from the bottom is chosen, and when studying difficult volatile molecular compounds, on the contrary, the thermal conductivity of the electrode under the bottom of the evaporator is impaired.
Для изучения химических и физических взаимодействий веществ в испаритель помещают совместно различные вещества.To study the chemical and physical interactions of substances, various substances are placed together in an evaporator.
Сущность предлагаемого способа исследования вещества.The essence of the proposed method for the study of substances.
Существуют различные способы исследования вещества с фракционным испарением вещества в плазму электрического разряда с постепенным повышением его температуры (испарение частиц пробы в самой плазме, испарением навески вещества из кратера дугового электрода в плазму, испарение вещества в графитовых кюветах и различных печах). В процессе таких исследований в качестве аналитического сигнала, характеризующего процесс поступления вещества во времени при нагревании вещества в плазму разряда, используется появление в ней различного количества атомов химических элементов вещества в плазме разряда, которое обнаруживают с помощью известных аналитических методов, изучающих элементный атомный состав плазмы. Процесс испарения вещества зависит от конструкции испарителя вещества, от температуры испарителя, от атмосферного давления газа, находящегося в испарителе, химического состава газа, материала, из которого сделан испаритель и элементного, фазового состава исследуемого вещества.There are various methods for studying a substance with fractional evaporation of a substance into an electric discharge plasma with a gradual increase in its temperature (evaporation of sample particles in the plasma itself, evaporation of a sample of a substance from an arc electrode crater into plasma, evaporation of a substance in graphite cells and various furnaces). In the process of such studies, the appearance of a different number of atoms of the chemical elements of the substance in the discharge plasma, which is detected using known analytical methods that study the elemental atomic composition of the plasma, is used as an analytical signal characterizing the process of the substance entering over time when the substance is heated to the discharge plasma. The process of evaporation of a substance depends on the design of the evaporator of the substance, on the temperature of the evaporator, on the atmospheric pressure of the gas in the evaporator, on the chemical composition of the gas, the material of which the evaporator is made and the elemental phase composition of the substance under study.
В качестве испарителя предлагается использовать вертикальный полый цилиндрический испаритель, изготовленный из трудно испаряемого материала, с дном, нагреваемым сверху плазмой за счет теплопроводности боковых стенок испарителя. Исследуемое вещество размещают на дне испарителя, изготовленного в виде конуса с вершиной вниз, так чтобы вещество не имело контакта с боковыми стенками испарителя, температура которых выше, чем температура дна испарителя, при этом тепло веществу передают только через контакт вещества с дном испарителя в центральной части. Процесс постепенного нагревания вещества ведут при медленном сгорании боковых стенок испарителя, с приближение плазмы к веществу до полного сгорания стенок и дна. При этих условиях пары вещества свободно попадают через верхнее отверстие цилиндрического испарителя в аналитическую зону плазмы в процессе пространственно-временного исследования вещества. При изучении на одной и той же экспериментальной установке малых масс вещества (менее 1 мг), располагаемых на дне испарителя, создаются условия для испарении вещества из испарителе и атомизации его паров в плазме разряда, слабозависящие от элементного и фазового состава вещества в течение всего времени его исследования.It is proposed to use a vertical hollow cylindrical evaporator made of hard to evaporate material with a bottom heated from above by plasma due to the thermal conductivity of the side walls of the evaporator. The test substance is placed on the bottom of the evaporator, made in the form of a cone with the top down, so that the substance does not have contact with the side walls of the evaporator, whose temperature is higher than the temperature of the bottom of the evaporator, while heat is transferred to the substance only through the contact of the substance with the bottom of the evaporator in the central part . The process of gradual heating of the substance is carried out with slow combustion of the side walls of the evaporator, with the plasma approaching the substance until the walls and bottom are completely burned. Under these conditions, the vapor of the substance freely flows through the upper hole of the cylindrical evaporator into the analytical zone of the plasma during the spatio-temporal study of the substance. When studying at the same experimental setup small masses of matter (less than 1 mg) located at the bottom of the evaporator, conditions are created for the evaporation of the substance from the evaporator and the atomization of its vapor in the discharge plasma, which are weakly dependent on the elemental and phase composition of the substance during the whole time research.
В процессе нагревания вещества происходит вначале разрушение кристаллической решетку вещества, его плавление, которые проявляются в виде первого появления паров вещества, испаряющихся в аналитическую плазму из расплава в виде молекулярных соединений химических элементов, которые атомизируются. Количество атомов, попадающих в плазму, регистрируется с помощью выбранного атомного элементного спектрального метода анализа. В процессе нагревания вещества из его расплава происходит фракционное испарение в плазму химических молекулярных соединений элементов разной летучести, при этом возникают сцинтилляционные фракционные аналитические спектральные сигналы различной амплитуды и формы, которые дают информацию о химическом составе молекулярных соединений, испаряющихся в плазму из расплава в различные моменты времени исследования вещества. Если в процессе исследования вещества измерять температуру нагревания вещества, то появляется возможность оценить по появлению аналитических спектральных сигналов химических элементов температуру разрушения кристаллической решетки вещества, его температуру плавления, молекулярный химический состав расплава вещества, температуру кипения химических соединений, изучать химические и физические взаимодействия в расплаве вещества в процессе нагревания веществ в испарителе.In the process of heating a substance, the crystal lattice of a substance first breaks down, it melts, which appear as the first appearance of vapor of a substance evaporating into an analytical plasma from a melt in the form of molecular compounds of chemical elements that are atomized. The number of atoms entering the plasma is recorded using the selected atomic elemental spectral analysis method. In the process of heating a substance from its melt, fractional evaporation into the plasma of chemical molecular compounds of elements of different volatility occurs, and scintillation fractional analytical spectral signals of various amplitudes and shapes arise, which provide information on the chemical composition of molecular compounds evaporating into the plasma from the melt at different times substance research. If the heating temperature of a substance is measured during the study of a substance, then it becomes possible to evaluate the breakdown temperature of the crystal lattice of a substance, its melting point, the molecular chemical composition of the melt of a substance, the boiling point of chemical compounds by the appearance of analytical spectral signals of chemical elements, and study the chemical and physical interactions in a melt of a substance in the process of heating substances in the evaporator.
Предлагаемый способ основан на интегрально-сцинтилляционном пространственно-временном исследовании вещества, при котором производят фракционное испарение вещества по частям (с испарением виртуальных микронавесок вещества) в плазму, в которой возникают аналитические спектральные сигналы, регистрируемые интегрально-сцинтилляционным способом с использованием какого-либо из известных аналитических методов (атомного эмиссионного анализа, масс-спектрометрического анализа, атомно-абсорбционного анализа и др.), при которых проводится интегрально-сцинтилляционная периодическая кратковременная покадровая регистрация аналитических спектральных сигналов. Особенности и возможности предлагаемого способа можно продемонстрировать на примере с использованием прямого эмиссионного атомного спектрального метода анализа вещества с фракционным испарением его из испарителя (кратера электрода) в плазму дугового разряда постоянного тока.The proposed method is based on the integral-space-time scintillation study of a substance, in which fractional evaporation of the substance is carried out in parts (with the evaporation of virtual micro-particles of the substance) into a plasma in which analytical spectral signals are recorded, recorded by the integral-scintillation method using any of the known analytical methods (atomic emission analysis, mass spectrometric analysis, atomic absorption analysis, etc.), in which tegra-scintillation periodic short-term frame-by-frame registration of analytical spectral signals. The features and capabilities of the proposed method can be demonstrated by an example using the direct emission atomic spectral method for analyzing a substance with fractional evaporation of it from an evaporator (electrode crater) into a direct current arc plasma.
В качестве испарителя используется относительно глубокий кратер, высверленный в верхней части угольного цилиндрического электрода дугового разряда, горящего вертикально с размещением этого электрода внизу. Глубину кратера делают более 5 мм, а дно в виде конуса с вершиной вниз. Исследуемые вещества в малых количествах помещают в центральной части дна кратера, чтобы при нагревании расплав вещества в испарителе не касался горячих боковых стенок испарителя. Повышение температуры дна кратера электрода происходит в зависимости от времени горения дугового разряда по мере сгорания боковых стенок кратера, с приближением плазмы к дну кратера, до полного сгорания стенок кратера (температура нагрева вещества изменяется от десятков градусов до величины, большей 5000°C). Сам процесс исследования осуществляют подобно прототипу с определением содержаний всех химических элементов, находящихся в веществе, без знания массы вещества, за счет осуществления расчета содержаний элементов в веществе или в его малых частях по «соотношению условных содержаний» элементов подобно прототипу.A relatively deep crater drilled in the upper part of the carbon cylindrical arc discharge electrode burning vertically with the placement of this electrode below is used as an evaporator. The depth of the crater is more than 5 mm, and the bottom is in the form of a cone with the top down. The test substances in small quantities are placed in the central part of the bottom of the crater, so that when heated, the melt of the substance in the evaporator does not touch the hot side walls of the evaporator. An increase in the temperature of the bottom of the electrode crater occurs depending on the burning time of the arc discharge as the side walls of the crater burn, as the plasma approaches the bottom of the crater, until the crater walls burn completely (the heating temperature of the substance varies from tens of degrees to a value greater than 5000 ° C). The research process itself is carried out like a prototype with the determination of the contents of all chemical elements in the substance, without knowing the mass of the substance, by calculating the contents of elements in the substance or in its small parts according to the "ratio of conditional contents" of elements like a prototype.
Если исследуемое вещество (например, зерно минерала или его частица) монофазное и определены все химические элементы, входящие в состав вещества, как это делается в прототипе, для диагностики или идентификации вещества предлагается провести сравнение полученных содержаний химических элементов в исследуемой частице вещества с содержанием элементов в известных фазах, веществах (используя, например, справочную литературу) и в зависимости от близости их содержаний осуществить диагностику или идентификацию вещества. Для более точной диагностики вещества рационально использовать дополнительную информацию о внешнем виде, цвете сравниваемых веществ (как это делают минералоги при изучении зерен минералов).If the test substance (for example, a grain of a mineral or its particle) is monophasic and all the chemical elements that make up the substance are determined, as is done in the prototype, it is proposed to compare the obtained contents of chemical elements in the studied particle of the substance with the content of elements in known phases, substances (using, for example, reference books) and, depending on the proximity of their contents, diagnose or identify the substance. For a more accurate diagnosis of a substance, it is rational to use additional information about the appearance and color of the substances being compared (as mineralogists do when studying mineral grains).
Для более точной диагностики вещества и получения новой информации о веществе предлагается изучить характер фракционного испарения молекулярных соединений химических элементов из расплава вещества и физико-химические процессы, происходящих в расплаве, в зависимости от температуры нагревания вещества от дна испарителя, на котором расположено вещество. Для оценки температуры вещества в процессе его исследования, температуры плавления вещества Тпл и кипения химических соединений элементов Тк необходимо применить измерение температуры вещества в процессе его испарения (например, как это делается в аналогах с помощью термопары, оптических методов и др.). Удобно создать калиброванную покадровую шкалу температуры нагрева вещества, используя испарение из кратера хорошо известных химических соединений, для которых установлена достаточно точно температура плавления и кипения (например, испаряя с дна испарителя чистые металлы различных химических элементов). Калиброванную одновременно по кадрам и температуре шкалу можно использовать для оценки температуры испарения различных химических соединений из расплава вещества, находящегося в испарителе. Используя «временную (покадровую) развертку» аналитических спектральных сигналов - зависимость количества атомов элемента, попадающих в плазму, от времени регистрации кадра и связь временного номера кадра с температурой дна испарителя (кратера) можно оценить температуру начала испарения расплава вещества (температуру плавления вещества Тпл) и температуру кипения химического соединения в расплаве вещества Ткип по резкому возрастанию количества атомов элемента в плазме дуги. Это позволяет более правильно диагностировать исследуемое вещество (частицу) и изучать термодинамические процессы, происходящие в расплаве.To more accurately diagnose the substance and obtain new information about the substance, it is proposed to study the nature of fractional evaporation of molecular compounds of chemical elements from the melt of the substance and the physicochemical processes occurring in the melt, depending on the heating temperature of the substance from the bottom of the evaporator on which the substance is located. To assess the temperature of a substance during its investigation, the melting point of a substance Tm and the boiling of chemical compounds of Tk elements, it is necessary to apply a measurement of the temperature of a substance during its evaporation (for example, as is done in analogs using a thermocouple, optical methods, etc.). It is convenient to create a calibrated frame-by-frame temperature scale for heating a substance using the evaporation of well-known chemical compounds from the crater, for which the melting and boiling points are set fairly accurately (for example, by evaporating pure metals of various chemical elements from the bottom of the evaporator). A scale calibrated simultaneously by frames and temperature can be used to estimate the temperature of evaporation of various chemical compounds from the melt of a substance in the evaporator. Using a “temporary (frame-by-frame) scan” of analytical spectral signals — the dependence of the number of element atoms entering the plasma on the time of registration of the frame and the relationship of the temporary number of the frame with the temperature of the bottom of the evaporator (crater), we can estimate the temperature of the onset of evaporation of the melt of the substance (melting point of the substance Tm) and the boiling point of a chemical compound in the melt of the TPK substance according to a sharp increase in the number of element atoms in the arc plasma. This allows you to more correctly diagnose the test substance (particle) and to study the thermodynamic processes occurring in the melt.
С целью исследования молекулярных соединений расплава вещества предлагается оценивать элементный химический состав виртуальных микронавесок, фракционно испаряющихся из расплава вещества, в различные моменты времени исследования, производить покадровый расчет содержаний элементов в микронавесках с использованием метода расчета содержаний по «соотношению условных содержаний» без знания массы виртуальной микронавески. Диагностику молекулярных соединений, фракционно испаряющихся из расплава, предлагается осуществлять по синхронности попадания атомов различных химических элементов в плазму, сравнением содержаний элементов в микронавесках расплава с содержаниями этих элементов в известных молекулярных соединениях с использованием данных справочников или путем исследования выбранного известного аналога (вещества) с помощью предлагаемого способа исследования. При этом рационально осуществлять перевод массовых процентов элементов, находящихся в микронавесках вещества, в атомные соотношения элементов, входящих в состав молекул, для получения химической формулы химического соединения. Так как методы атомного спектрального анализа не позволяют определять содержания всех химических элементов в веществах (например, элементов, которые входят в состав анионной части молекулярных соединений O, S, H и т.п.), то рационально при диагностике или идентификации вещества производить сравнение только определяемых содержаний химических элементов в веществе.In order to study the molecular compounds of the melt of the substance, it is proposed to evaluate the elemental chemical composition of virtual micro-particles, fractionally evaporating from the melt of the substance, at different points in time of the study, to perform frame-by-frame calculation of the contents of elements in micro-curtains using the method of calculating the contents by the “ratio of conventional contents” without knowing the mass of the virtual micro-suspension . It is proposed to diagnose molecular compounds fractionally evaporating from the melt by synchronizing the ingress of atoms of various chemical elements into the plasma, by comparing the contents of the elements in the micron-particles of the melt with the contents of these elements in known molecular compounds using these handbooks or by studying the selected known analogue (substance) using the proposed research method. At the same time, it is rational to translate the mass percent of the elements contained in the micro-particles of the substance into the atomic ratios of the elements that make up the molecules to obtain the chemical formula of the chemical compound. Since atomic spectral analysis methods do not allow determining the content of all chemical elements in substances (for example, elements that are part of the anionic part of molecular compounds O, S, H, etc.), it is rational to compare only determined contents of chemical elements in the substance.
Создания новых способов для изучения термодинамических свойств вещества и термодинамических химических реакций, происходящих в широком интервале температур, для современного производства является актуальной задачей.The creation of new methods for studying the thermodynamic properties of substances and thermodynamic chemical reactions occurring over a wide temperature range is an urgent task for modern production.
Примеры реализации предлагаемого способа.Examples of the implementation of the proposed method.
Пример. Необходимо провести изучение физико-химических свойств частиц вещества с крупностью менее 1 мм латунно-желтого цвета, с неизвестной массой, и определить их элементно-фазовый состав.Example. It is necessary to study the physicochemical properties of particles of a substance with a particle size of less than 1 mm in brass-yellow color, with an unknown mass, and determine their elemental phase composition.
Для проведения исследований использовалась конструкция установки, с помощью которой осуществлялся прямой интегрально-сцинтилляционный эмиссионный спектральный атомный метод анализа порошкового вещества с использованием фракционного испарения вещества из глубокого кратера нижнего анодного электрода дуги постоянного тока, которая изложена в описании прототипа. Для уменьшения температуры дна кратера угольного анодного электрода его глубина была увеличена до 7 мм, а дно кратера делалась на конус, так чтобы исследуемое вещество и его расплав располагались в вершине конуса, толщина стенок кратера была 1,3 мм, а угольный анодный электрод диаметром в 6 мм вставлялся в зажим держателя электрода, охлаждаемого водой. Исследуемое вещество с массой менее нескольких мг помещают в центре дна кратера анодного электрода, так чтобы оно и его расплав не касались боковых стенок кратера. В качестве катодного верхнего электрода использовали угольный электрод, заточенный на усеченный конус. Покадровая регистрация спектров производилась интегрально-сцинтилляционным методом с периодическим синхронным покадровым накоплением аналитических сигналов (подобно прототипу) при использовании ПЗС-линеек (время одного кадра - 1000 мс, для детального исследования процессов испарения молекулярных соединений из расплавах - около 100 мс). Регистрировались спектральные аналитические линии более 50 химических элементов. Время регистрации спектров около 200 кадров, до полного испарения стенок кратера электрода.For research, the installation design was used, with which a direct integral-scintillation emission spectral atomic method was used to analyze the powder substance using fractional evaporation of the substance from the deep crater of the lower anode electrode of the DC arc, which is described in the description of the prototype. To reduce the temperature of the bottom of the crater of the carbon anode electrode, its depth was increased to 7 mm, and the bottom of the crater was made into a cone, so that the test substance and its melt were located at the top of the cone, the wall thickness of the crater was 1.3 mm, and the carbon anode electrode with a diameter of 6 mm was inserted into the clamp of the holder of the electrode, cooled by water. The test substance with a mass of less than a few mg is placed in the center of the bottom of the crater of the anode electrode so that it and its melt do not touch the side walls of the crater. A carbon electrode sharpened on a truncated cone was used as the cathode upper electrode. The spectra were recorded frame-by-frame using the integral-scintillation method with periodic synchronous frame-by-frame accumulation of analytical signals (similar to the prototype) using CCD arrays (time of one frame is 1000 ms, for a detailed study of the processes of evaporation of molecular compounds from melts - about 100 ms). Spectral analytical lines of more than 50 chemical elements were recorded. The registration time of the spectra is about 200 frames, until the walls of the electrode crater are completely evaporated.
Расчет содержаний химических элементов в веществе и микронавесках расплава осуществлялся аналогично тому, как это делалось в прототипе с использованием расчета содержаний по «соотношению условных содержаний» элементов без знания массы исследуемой навески. Сам экспериментальный интегрально-сцинтилляционный процесс регистрации спектров выполняется подобно прототипу, отличием его является не наполнение кратера анодного электрода веществом, а расположение вещества малой массы в центральной части дне кратера так, чтобы расплав вещества при его нагревании не соприкасался с боковыми стенками кратера, температура которых выше, чем температура дна кратера. Такие условия позволяют исключить влияние на испарение вещества горячих боковых стенок испарителя, температура которых существенно выше температуры дна, создать более стандартные условия нагревания вещества и исключить конденсацию паров расплава на стенках кратера при их движении вверх в плазму разряда. В процессе горения дуги стенки кратера анодного электрода постепенно сгорают, в результате температура дна кратера медленно возрастает от десятков градусов до более 5000°C, когда полностью сгорают боковые стенки кратера и плазма сама испаряет вещество. В процессе нагревания дна кратера сверху через его стенки в веществе вначале разрушается кристаллическая решетка, происходит плавление вещества, фракционное испарение компонентов расплава - испарение молекулярных химических соединений различных элементов, находящихся в расплаве, в зависимости от летучести этих соединений, и кипение расплава с интенсивным испарением из него характерного молекулярного соединения расплава. Особенность такого процесса нагревания вещества, лежащего на дне кратера, является слабая зависимость этого процесса исследования от элементного и фазового состава относительно малого количества изучаемого вещества. Это создает условия для стандартизированного способа исследования вещества и использования постоянной покадровой шкалы температур дна кратера испарителя.Calculation of the contents of chemical elements in the substance and the microprobe of the melt was carried out similarly to how it was done in the prototype using the calculation of the contents of the "ratio of the relative contents" of the elements without knowing the mass of the test sample. The experimental integral scintillation spectral registration process itself is carried out similarly to the prototype, its difference is not filling the anode electrode crater with a substance, but the location of a small mass substance in the central part of the crater bottom so that the melt of the substance does not come into contact with the side walls of the crater, whose temperature is higher than the temperature of the bottom of the crater. Such conditions make it possible to exclude the effect on the evaporation of matter from the hot side walls of the evaporator, the temperature of which is significantly higher than the bottom temperature, to create more standard conditions for heating the substance, and to prevent condensation of the melt vapor on the walls of the crater when they move up into the discharge plasma. During burning of the arc, the walls of the crater of the anode electrode gradually burn out, as a result, the temperature of the bottom of the crater slowly increases from tens of degrees to more than 5000 ° C, when the side walls of the crater completely burn and the plasma itself evaporates the substance. In the process of heating the bottom of the crater from above through its walls in the substance, the crystal lattice first breaks down, the substance melts, the fractional evaporation of the melt components — the evaporation of molecular chemical compounds of various elements in the melt, depending on the volatility of these compounds, and boiling of the melt with intense evaporation from of a characteristic molecular compound of the melt. A feature of such a process of heating a substance lying at the bottom of the crater is the weak dependence of this research process on the elemental and phase composition of a relatively small amount of the studied substance. This creates the conditions for a standardized method for studying the substance and using a constant frame-by-frame temperature scale for the bottom of the evaporator crater.
Процесс интегрально-сцинтилляционного элементно-фазового предлагаемого способа исследования вещества начинается с температурной калибровки покадровой временной шкалы исследования вещества, с создания шкалы зависимости температуры нагреваемого вещества, лежащего на дне испарителя, от времени (номера кадра) исследования вещества. Эта операция может быть выполнена различными способами (см. аналоги) с применением термопар, оптических методов и др., при которых проводят исследования различных веществ, для которых хорошо известны температура плавления Тпл и кипения Тк вещества, по которым осуществляют температурную калибровку покадровой шкалы (зависимость температуры вещества от временного номера кадра). На Фиг.1 показана «временная развертка»- зависимость спектрального излучения атомов элементов I усл. от времени исследования t, номеров кадров и температуры вещества T°C в случае исследования чистых металлов химических элементов. Калибровка шкалы кадров по температуре осуществляется по температурам плавления и кипения исследуемых чистых металлов. Температуру плавления вещества оценивают по первому появлению атомов вещества, которые испаряются в момент начала плавления вещества, температуру кипения металла оценивают по температуре, при которой начинается покадровое резкое возрастание количества атомов в плазме, входящих в состав металла или вещества.The process of the integrated scintillation elemental-phase of the proposed method for studying the substance begins with the temperature calibration of the frame-by-frame timeline for the study of the substance, with the creation of a scale for the temperature of the heated substance lying at the bottom of the evaporator on the time (frame number) of the study of the substance. This operation can be performed in various ways (see analogues) using thermocouples, optical methods, etc., in which various substances are studied, for which the melting point Tm and boiling temperature Tk of the substance are well known, according to which the temperature calibration of the frame-by-frame scale is performed (dependence substance temperature from the temporary frame number). Figure 1 shows the "time scan" - the dependence of the spectral radiation of atoms of elements I srvc. from the study time t, frame numbers and substance temperature T ° C in the case of studies of pure metals of chemical elements. Calibration of the frame scale by temperature is carried out according to the melting and boiling points of the investigated pure metals. The melting point of a substance is estimated by the first appearance of the atoms of the substance, which evaporate at the beginning of the melting of the substance, the boiling point of the metal is estimated by the temperature at which a sharp increase in the number of atoms in the plasma that make up the metal or substance begins.
После создания покадровой температурной шкалы начинают осуществлять изучение исследуемого вещества подобно тому, как это делается в прототипе. После получения 200 покадровых спектров микронавесок вещества за время полного испарения вещества из кратера осуществляют расчет условных содержаний химических элементов в исследуемом веществе с использованием калибровочных графиков элементов, построенных по образцам сравнения с известной массой, как это делается в прототипе. Получают условные содержания элементов в неизвестной массе вещества и, применяя способ расчета содержаний в веществе по «соотношению условных содержаний», оценивают содержания химических элементов во всей неизвестной навеске вещества (в частице) (см. прототип). Результаты такого расчета для пяти частиц массой менее 1 мг исследуемого вещества разной крупности представлены в табл.1. Некоторые расхождения в результатах анализа связаны в первую очередь с природной неоднородностью вещества, с исследованием малых масс вещества. Основными матричными химическими элементами исследуемого вещества являются медь (58%) и железо (41%) без учета анионной элементной части молекулярного соединения вещества (атомы этих элементов не регистрировались). По справочнику таким веществом может быть минерал халькопирит - содержание меди и железо в нем без учета анионной элементной части его химической формулы соответственно составляет 54% и 46%. Учитывая природную неоднородность минералов и их внешнее сходство, цвет, исследуемые частицы, можно диагностировать исследуемое вещество как частицы минерала халькопирит, что подтверждают специальные исследования вещества.After creating a frame-by-frame temperature scale, they begin to study the analyte in a similar way as in the prototype. After 200 frame-by-frame spectra of substance micro-samples were obtained during the complete evaporation of the substance from the crater, the conditional contents of chemical elements in the test substance are calculated using calibration graphs of elements constructed from reference samples with a known mass, as is done in the prototype. The conditional content of elements in an unknown mass of the substance is obtained and, using the method of calculating the contents in the substance according to the “ratio of conditional contents”, the content of chemical elements in the entire unknown sample of the substance (in particle) is evaluated (see prototype). The results of this calculation for five particles weighing less than 1 mg of the test substance of different sizes are presented in table 1. Some discrepancies in the results of the analysis are primarily associated with the natural heterogeneity of the substance, with the study of small masses of matter. The main matrix chemical elements of the substance under study are copper (58%) and iron (41%) without taking into account the anionic element of the molecular compound of the substance (atoms of these elements were not registered). According to the reference book, such a substance may be the mineral chalcopyrite - the copper and iron content in it, excluding the anionic elemental part of its chemical formula, are respectively 54% and 46%. Considering the natural heterogeneity of the minerals and their external similarity, color, and particles under investigation, the substance under investigation can be diagnosed as particles of the chalcopyrite mineral, which is confirmed by special studies of the substance.
Следующим достоинством предлагаемого способа является возможность одновременно с определением содержаний химических элементов в веществе и диагностикой вещества получить фазовые характеристики вещества и исследовать физико-химические процессы, происходящие в расплаве вещества - для этого используются аналитические спектральные сигналы, зарегистрированные с помощью интегрально-сцинтилляционной покадровой регистрации спектрального излучения исследования вещества. Характерные «временые (покадрово-температурные) развертки» фракционного испарения для трех частиц различной крупности изучаемого вещества при нагревании дна кратера анодного электрода дуги постоянного тока показаны на Фиг.2. Известно из теоретических и экспериментальных исследований, что скорость испарения вещества возрастает с повышением температуры нагревания вещества, а при температуре кипения вещества Тк эта скорость резко возрастает, при этом фракционные аналитические спектральные сигналы в плазме резкого возрастают. Если рассматривать «временные развертки», ранее полученные исследователями (см. аналоги), то их вид резко отличается от полученных (см. фиг.1 и 2). На «временных развертках» четко виды фракционные сцинтилляционные спектральные сигналы, имеющие различную форму, которые появляются в различные моменты времени и зависят от элементов, входящих в состав вещества (его расплава), от температуры его нагревания в испарителе. Момент первого появления аналитического спектрального сигнала (излучения спектральной линии химического элемента вещества в плазме) сообщает о разрушении кристаллической решетки исследуемого вещества, образовании расплава вещества, о том, что вещество нагрето до температуры его плавления Тпл. Первыми после разрушения кристаллической решетки изучаемого вещества из испарителя (кратера анодного электрода) начинают испарятся в плазму пары молекулярного соединения атомов меди (см. наиболее чувствительная спектральная линия Cul), которая является матричным элементом исследуемого вещества, в состав этого соединения не входит матричный элемент Fe. По кадровой шкале температур начало плавления вещества начинается в кадре №4 при температуре, близкой к 1000°C, она близка к температуре плавления металлической меди. Дальнейшее нагревание расплава приводит к постепенному возрастанию интенсивностей спектральных линии атомов меди, входящих в состав вещества, в зависимости от содержания элементов в веществе и молекулярных форм их нахождения в расплаве. Обычно спектральное излучения атомов с повышением температуры расплава монотонно возрастает и, достигнув критического значения (температуры кипения молекулярного соединения элемента Тк), резко возрастает, достигает максимального излучения и после чего уменьшается за счет уменьшения содержания испаряющегося молекулярного соединения в объеме расплава. Эти закономерности видны на «временных развертках» чистых металлов и исследуемого вещества (см. Фиг.1 и Фиг.2).The next advantage of the proposed method is the possibility, simultaneously with determining the contents of chemical elements in the substance and diagnostics of the substance, to obtain the phase characteristics of the substance and to investigate the physicochemical processes occurring in the melt of the substance — analytic spectral signals recorded using integrated scintillation frame-by-frame registration of spectral radiation are used for this substance research. Typical “temporary (frame-by-temperature) scans” of fractional evaporation for three particles of different sizes of the substance under study when the bottom of the crater of the anode electrode of the DC arc is heated are shown in FIG. 2. It is known from theoretical and experimental studies that the rate of evaporation of a substance increases with increasing temperature of heating of a substance, and at the boiling point of a substance Tk this speed increases sharply, while the fractional analytical spectral signals in a sharp plasma increase. If we consider the "temporary sweeps" previously obtained by the researchers (see analogues), then their appearance differs sharply from those obtained (see Figs. 1 and 2). On “time scans”, clearly visible types of fractional scintillation spectral signals having various shapes that appear at different points in time and depend on the elements that make up the substance (its melt), on the temperature of its heating in the evaporator. The moment of the first appearance of the analytical spectral signal (the emission of the spectral line of the chemical element of a substance in a plasma) indicates the destruction of the crystal lattice of the substance under study, the formation of a melt of the substance, and that the substance is heated to its melting point Tm. After the destruction of the crystal lattice of the studied substance from the evaporator (the crater of the anode electrode), the first pair of molecular compounds of copper atoms (see the most sensitive spectral line Cul), which is the matrix element of the substance under study, begin to evaporate into the plasma; the Fe matrix element is not part of this compound. According to the personnel temperature scale, the beginning of the melting of a substance begins in frame No. 4 at a temperature close to 1000 ° C, it is close to the melting temperature of metallic copper. Further heating of the melt leads to a gradual increase in the intensities of the spectral lines of copper atoms that make up the substance, depending on the content of elements in the substance and the molecular forms of their presence in the melt. Usually, the spectral emission of atoms increases monotonically with increasing melt temperature and, having reached a critical value (the boiling point of the molecular compound of the Tk element), increases sharply, reaches maximum radiation, and then decreases due to a decrease in the content of the evaporating molecular compound in the melt volume. These patterns are visible in the "time scans" of pure metals and the test substance (see Figure 1 and Figure 2).
Приведенные экспериментальные исследования вещества с помощью предлагаемого интегрально-сцинтилляционного метода изучения вещества во многих случаях согласуются с вышеизложенным, но процесс кипения расплавов чистых металлов и исследуемых веществ, как показывают исследования, не всегда наблюдается на «временных развертках» (например, при испарении малых масс вещества - см. Фиг.2а - медь, чувствительная спектральная линия Cu1-n и малочувствительная пиния Cu2-n или Фиг.2б, в - серебро, чувствительная линия Ag hal-n и Ag hal-к). Это связано с тем, что температура нагрева расплава, вещества не достигает критической температуры кипения, медь и серебро полностью испаряются из расплава вещества до температуры их кипения (температура кипения, как отмечают исследователи, в ряде случаев зависит и от внешних условий и свойств изучаемого молекулярного химического соединения). При нагревании исследуемых частиц халькопирита процесс кипения молекулярного соединения меди в расплаве по каким-то причинам затягивается до температуры кипения второго матричного элемента халькопирита железа, молекулярное химическое соединение которого начинает испарятся в кадре №49 при покадровой температуре 1600°C (температура плавления железа 1540°C), а закипает это соединение при температуре, близкой к 2900°C (температура кипения железа 2870°C, температура кипения халькопирита не известна), и обычно полностью испаряется из расплава за очень короткое время, за 2-4 кадра. Возможно процесс кипения соединения железа несколько повышает скорость испарения меди, но после испарения железа медь еще продолжает испарятся из расплава. Фракционные импульсы кипения соединений меди и железа происходят почти одновременно, но всегда фракционное кипение меди начинается перед кипением железа (на Фиг.2б, в они неразличимы) Такое явление, по-видимому, является характерной особенностью испарения частиц халькопирита. Характерным является и странное фракционное испарения некоторых примесных элементов исследуемого вещества в момент кипения соединения железа. Приместные элементы синхронно с железом испаряются в отдельных кадрах в течение его кипения. Это такие элементы, как никель, марганец и затянувшееся импульсное испарение серебра (см. Фиг.2в). В тоже время испарение соединений серебра и магния происходит независимо от испарения матричных элементов.The experimental studies of the substance given using the proposed integrated scintillation method for studying the substance are in many cases consistent with the foregoing, but the process of boiling of pure metal melts and the studied substances, as the studies show, is not always observed on “time scans” (for example, during the evaporation of small masses of matter - see Fig.2a - copper, the sensitive spectral line Cu1-n and the insensitive pin Cu2-n or Fig.2b, c - silver, the sensitive line Ag hal-n and Ag hal-k). This is due to the fact that the heating temperature of the melt, the substance does not reach the critical boiling point, copper and silver completely evaporate from the melt of the substance to the boiling point (the boiling point, as the researchers note, in some cases depends on the external conditions and properties of the studied molecular chemical connections). When the chalcopyrite particles under study are heated, the boiling process of the molecular compound of copper in the melt is delayed for some reason to the boiling point of the second matrix element of iron chalcopyrite, the molecular chemical compound of which begins to evaporate in frame No. 49 at frame temperature 1600 ° C (iron melting point 1540 ° C ), and this compound boils at a temperature close to 2900 ° C (the boiling point of iron is 2870 ° C, the boiling point of chalcopyrite is not known), and usually it completely evaporates from the melt in Hb short time frame of 2-4. Perhaps the boiling process of the iron compound slightly increases the evaporation rate of copper, but after the evaporation of iron, copper still continues to evaporate from the melt. The fractional boiling pulses of copper and iron compounds occur almost simultaneously, but the fractional boiling of copper always begins before the boiling of iron (in FIG. 2b, they are indistinguishable). This phenomenon is apparently a characteristic feature of the evaporation of chalcopyrite particles. The strange fractional evaporation of some impurity elements of the test substance at the moment of boiling of the iron compound is also characteristic. The relevant elements synchronize with the iron in separate frames during its boiling. These are elements such as nickel, manganese and prolonged pulsed evaporation of silver (see Fig.2c). At the same time, the evaporation of silver and magnesium compounds occurs independently of the evaporation of matrix elements.
Для более детального изучения физико-химических процессов, происходящих на молекулярном уровне в расплаве, предлагается применить покадровый расчет содержаний химических элементов в виртуальных микронавесках расплава, в молекулярных соединениями расплава, фракционно испаряющихся в течение одного кадpa в плазму, с применением расчета содержаний элементов по «соотношению условных содержаний» в испаренной в течение одного кадра виртуальной микронавеске вещества. Покадровый расчет содержаний химических элементов в микронавесках вещества, фракциоино испаренных из расплава вещества, представлен частично в Таблице 2 для относительно небольшого числа зарегистрированных кадров. Соотношение содержаний химических элементов в молекулярных соединениях, фракционно испаряющихся из расплава, как правило, не изменяется в течение фракционного испарения и однозначно характеризует испаряющееся молекулярное соединения. Расчет содержаний химических элементов в виртуальных микронавесках испаренного вещества в отличие от «временных разверток» интенсивностей излучения атомов исключает неравномерность испарения молекулярных соединений элементов из расплава и позволяет четко наблюдать (обнаруживать) покадровое изменения химического состава молекулярных соединений, испаряющихся из расплава в различные моменты времени (см. Табл.2).For a more detailed study of the physicochemical processes occurring at the molecular level in the melt, it is proposed to use the frame-by-frame calculation of the contents of chemical elements in virtual micronavements of the melt, in molecular compounds of the melt fractionally evaporating within one frame into the plasma, using the calculation of the contents of elements according to the "ratio conditional contents ”in a virtual micronast of a substance evaporated over one frame. A frame-by-frame calculation of the contents of chemical elements in the micronaves of a substance fracioino evaporated from the melt of the substance is presented partially in Table 2 for a relatively small number of registered frames. The ratio of the contents of chemical elements in molecular compounds fractionally evaporating from the melt, as a rule, does not change during fractional evaporation and uniquely characterizes the evaporating molecular compound. Calculation of the contents of chemical elements in virtual microweaks of evaporated matter, in contrast to the “time scans” of atomic radiation intensities, eliminates the uneven evaporation of molecular compounds of elements from the melt and allows one to clearly observe (detect) frame-by-frame changes in the chemical composition of molecular compounds evaporating from the melt at different times (see Table 2).
На фиг.3 эта таблица представлена в виде «временной покадровой развертки» содержаний химических элементов, находящихся в виртуальных микронавесках испаренного из расплава вещества. Как это видно из табл.2 и фиг.3 покадровый состав микронавесок испаряемого вещества из расплава длительное время мало изменяется и состоит из одного матричного элемента, содержание которого в микронавесках близко к 100%, - в начале это медь, а в момент бурного кипения вещества - железо. Так как четкого детального кипения молекулярных соединений на «временных развертках» не наблюдается, то сложно диагностировать наблюдаемое в кадрах соединение меди. В халькопирите медь связана с железом и серой и из теоретических соображений при нагревании сульфит меди должен потерять серу и превратиться в металл. Вид «временной развертки», полученный при испарении металлической чистой меди, очень похож на «временную развертку» молекулярного соединения меди при испарении исследуемого вещества - это относительно быстрый (в отличие от испарения металлического железа) процесс испарения молекул расплава до момента его кипения. Есть основания утверждать, что из расплава испарялась металлическая медь. Железо в халькопирите так же связано с серой, а сульфит железа при нагревании должен разлагаться, с потерей серы и образованием металлического железа, что хорошо согласуется с покадровой температурой кипения железа (см. Табл.2 - это номера кадров 101, 102). Для подтверждения в центральной части дна кратера размещались металлические частицы меди и железа одинаковой крупности (размером в 1 мм) и испарялись по предлагаемому способу. Полученные «временные развертки» излучения атомов меди и железа оказались похожими на «временные развертки» этих излучений при исследовании халькопирита.In Fig. 3, this table is presented in the form of a “time-lapse scan” of the contents of chemical elements located in virtual microweights of the substance evaporated from the melt. As can be seen from Table 2 and Fig. 3, the frame-by-frame composition of the microweights of the evaporated substance from the melt changes little for a long time and consists of one matrix element, the content of which in the microhangers is close to 100% - at the beginning it is copper, and at the moment of rapid boiling of the substance - iron. Since there is no clear detailed boiling of molecular compounds in “time scans”, it is difficult to diagnose the copper compound observed in the frames. In chalcopyrite, copper is bound to iron and sulfur, and from theoretical considerations, when heated, copper sulfite should lose sulfur and turn into metal. The type of “temporary sweep” obtained by evaporation of pure metallic copper is very similar to the “temporary sweep” of a molecular compound of copper during the evaporation of the test substance — this is a relatively fast (unlike the evaporation of metallic iron) process of evaporation of the melt molecules until it boils. There is reason to say that metallic copper evaporated from the melt. The iron in chalcopyrite is also associated with sulfur, and iron sulfite should decompose when heated, with the loss of sulfur and the formation of metallic iron, which is in good agreement with the frame-by-frame boiling temperature of iron (see Table 2 - these are frame numbers 101, 102). To confirm, in the central part of the bottom of the crater, metal particles of copper and iron of the same size (1 mm in size) were placed and evaporated by the proposed method. The obtained "time scans" of the radiation of copper and iron atoms turned out to be similar to the "time scans" of these radiations in the study of chalcopyrite.
При проведении интегрально-сцинтилляционных исследований расплавов различных веществ могут наблюдаться аналитические сцинтилляционные спектральные сигналы, связанные с фазовой неоднородностью исследуемых веществ, со случайными загрязнениями его в процессе подготовки объекта к исследованию, при взаимодействии молекулярных соединений в расплаве, с окружающей его средой, что не только осложняет процесс изучения вещества, но и дает возможность получить важную информацию о фазовых неоднородности вещества, о специфических физико-химических процессах, происходящих в расплаве вещества. Для изучения молекулярного состава расплавов веществ, осуществления различных химических реакций в глубоком кратере при этом на его дно лучше помещать небольшие массы вещества (частицы размером менее 100 мкм) и исследовать «временную развертку» до кипения молекулярных соединений (см. Фиг.2а). Это дает возможность изучать монофазные вещества и исследовать частицы малого размера до 30-20 мкм и ниже, если использовать, например, масс-спектрометрический метод анализа.When conducting integral scintillation studies of melts of various substances, analytical scintillation spectral signals can be observed associated with the phase inhomogeneity of the studied substances, with random contamination of it during the preparation of the object for study, during the interaction of molecular compounds in the melt with its environment, which not only complicates the process of studying a substance, but it also makes it possible to obtain important information on the phase inhomogeneities of a substance, on specific physicochemical processes occurring in the melt of matter. In order to study the molecular composition of the melts of substances, to carry out various chemical reactions in a deep crater, it is better to place small masses of the substance (particles smaller than 100 microns) on its bottom and examine the “temporary scan” to the boiling of molecular compounds (see Fig. 2a). This makes it possible to study monophasic substances and to investigate particles of small size up to 30-20 microns and below, if, for example, the mass spectrometric method of analysis is used.
Таким образом за счет использования интегрально-сцинтилляционного пространственно-временного метода исследования вещества, при котором производится изучение большого числа виртуальных частей (микронавесок) вещества, помещаемого на дно испарителя с исключением возможности появления контакта расплава вещества с боковыми стенками испарителя, нагреваемого сверху плазмой электрического разряда, используется периодическая прерывистая кратковременная регистрации аналитических сигналов, осуществляется расчет содержаний химических элементов во всем веществе и отдельных виртуальных микронавесках фракционно испаряющегося расплава вещества без знания исследуемых масс с использованием расчета содержаний элементов по «соотношению условных содержаний» химических элементов, что позволило одновременно определять не только содержания химических элементов в изучаемом веществе неизвестной массы, но и получать информацию о фазовом составе изучаемого объекта и молекулярных химических соединениях, находящихся в расплаве исследуемого вещества, проводить диагностику и идентификацию веществ, оценивать температуру плавления и кипения различных химических соединений и более детально изучать химические и физические процессы, происходящие при плавлении и испарении веществ, что сделать с помощью прототипа не возможно.Thus, due to the use of the integral-scintillation spatio-temporal method for studying the substance, in which a large number of virtual parts (micro-particles) of the substance are placed on the bottom of the evaporator, with the exception of the possibility of contact between the substance melt and the side walls of the evaporator heated from above by the electric discharge plasma, periodic intermittent short-term registration of analytical signals is used, the calculation of the contents of chemical elec elements in the whole substance and individual virtual micro-particles of the fractionally evaporating melt of the substance without knowledge of the studied masses using the calculation of the contents of elements according to the “ratio of conditional contents” of chemical elements, which made it possible to simultaneously determine not only the contents of chemical elements in the studied substance of unknown mass, but also to obtain information on the phase composition of the studied object and molecular chemical compounds located in the melt of the test substance, to conduct diagnostics and ide the use of substances, to evaluate the melting and boiling points of various chemical compounds, and to study in more detail the chemical and physical processes that occur during the melting and evaporation of substances, which is not possible using the prototype.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011115370/28A RU2467311C1 (en) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Method for integral-scintillation element-phase survey of substance with its fractional evaporation into plasma |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011115370/28A RU2467311C1 (en) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Method for integral-scintillation element-phase survey of substance with its fractional evaporation into plasma |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2467311C1 true RU2467311C1 (en) | 2012-11-20 |
Family
ID=47323322
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011115370/28A RU2467311C1 (en) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Method for integral-scintillation element-phase survey of substance with its fractional evaporation into plasma |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2467311C1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2056629C1 (en) * | 1992-06-30 | 1996-03-20 | Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им.А.П.Карпинского | Method of phase analysis of composition of mineral formations |
| RU2172949C2 (en) * | 1998-03-17 | 2001-08-27 | Аполицкий Валентин Николаевич | Method of spectral analysis |
| RU2368890C1 (en) * | 2008-04-21 | 2009-09-27 | Валентин Николаевич Аполицкий | Method of integral-scintillation emission analysis with evaporation of substance from crater of arc discharge electrode |
-
2011
- 2011-04-20 RU RU2011115370/28A patent/RU2467311C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2056629C1 (en) * | 1992-06-30 | 1996-03-20 | Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им.А.П.Карпинского | Method of phase analysis of composition of mineral formations |
| RU2172949C2 (en) * | 1998-03-17 | 2001-08-27 | Аполицкий Валентин Николаевич | Method of spectral analysis |
| RU2368890C1 (en) * | 2008-04-21 | 2009-09-27 | Валентин Николаевич Аполицкий | Method of integral-scintillation emission analysis with evaporation of substance from crater of arc discharge electrode |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bonta et al. | Elemental mapping of biological samples by the combined use of LIBS and LA-ICP-MS | |
| Liang et al. | Determination of trace elements in granites by inductively coupled plasma mass spectrometry | |
| St-Onge et al. | Quantitative analysis of pharmaceutical products by laser-induced breakdown spectroscopy | |
| Ferretti et al. | In situ study of the Porticello Bronzes by portable X-ray fluorescence and laser-induced breakdown spectroscopy | |
| ConradáGrÚgoire et al. | Electrothermal vaporization for inductively coupled plasma mass spectrometry and atomic absorption spectrometry: symbiotic analytical techniques. Invited lecture | |
| Zoriy et al. | Determination of uranium isotopic ratios in biological samples using laser ablation inductively coupled plasma double focusing sector field mass spectrometry with cooled ablation chamber | |
| Rawat et al. | X‐Ray fluorescence and comparison with other analytical methods (AAS, ICP‐aes, la‐ICP‐ms, IC, LIBS, SEM‐EDS, and XRD) | |
| Newbury et al. | Measurement of trace constituents by electron-excited X-ray microanalysis with energy-dispersive spectrometry | |
| Xu et al. | Temporal-resolved characterization of laser-induced plasma for spectrochemical analysis of gas shales | |
| Xie et al. | U–Th–Pb geochronology and simultaneous analysis of multiple isotope systems in geological samples by LA-MC-ICP-MS | |
| RU2368890C1 (en) | Method of integral-scintillation emission analysis with evaporation of substance from crater of arc discharge electrode | |
| Laurent et al. | Advantages of a fast-scanning quadrupole for LA-ICP-MS analysis of fluid inclusions | |
| Wang et al. | Comparative study of magnesium and calcium in Codonopsis pilosula samples detected by CF-LIBS and LCGD-AES | |
| RU2467311C1 (en) | Method for integral-scintillation element-phase survey of substance with its fractional evaporation into plasma | |
| Volzhenin et al. | Determination of gold and palladium in rocks and ores by atomic absorption spectrometry using two-stage probe atomization | |
| Broz et al. | Specially-adapted type of Netzsch STA Instrument as a tool for Knudsen effusion mass spectrometry | |
| RU2515131C2 (en) | Method for integrated scintillation investigation of substance with fractional evaporation thereof into plasma | |
| Baker et al. | Analysis of silicon nitride bearings with laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry | |
| Marshall et al. | Investigation of graphite-probe atomisation for carbon-furnace atomic emission spectrometry | |
| Rao et al. | Studies on the isotopic analysis of boron by thermal ionisation mass spectrometry using NaCl for the formation of Na2BO2+ species | |
| Mohamed et al. | Study of the matrix effect on the plasma characterization of heavy elements in soil sediments using LIBS with a portable echelle spectrometer | |
| Hitchcock et al. | Spectrographic techniques as applied to the analysis of sea water | |
| Pereira-Filho et al. | Metals distribution and investigation of L'vov platform surface using principal component analysis, multi-way principal component analysis, micro synchrotron radiation X-ray fluorescence spectrometry and scanning electron microscopy after the determination of Al in a milk slurry sample | |
| Hannachi et al. | Spectroscopic analysis of a laser-induced NaCl–water plasma. The influence of self-absorption | |
| Mohamed | Fast LIBS identification of aluminum alloys |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180421 |