Jump to content

    

От чего зависит интенсивность линий спектра тлеющего разряда различных газов?

Добрый день,

 

недавно наткнулся на чудо техники под названием 18 канальный оптический спектрометр за 50 бакс (SEN-15050). А мне как раз надобно детектировать химический состав газов, что летят у меня при варке магнитов, а там O2, N2, H2, CO2, Ar, и частицы легко испаряющихся металлов типа висмута, индия в достаточно большом диапазоне давлений (от где-то 1е-6 до 1 бара).

 

Сделать сам разряд вроде труда не составляет, но хочется понять, что легко можно было бы менять, чтоб изменять интенсивность свечения разных линий в спектре у каждого газа. То есть например, если

1. сделать холодный катод или горячий катод,

2. менять ток в области тлеющего разряда,

3. вместо постоянного тока использовать переменный и играться частотой,

 

можно ли разнонаправлено изменить интенсивность линий разных газов, так, чтобы по разнице потом их лучше детектировать, скажите, пожалуйста!

 

Спасибо!

 

ИИВ

Share this post


Link to post
Share on other sites

Интенсивность линий зависит от парциальных давлений каждого газа, то есть от концентрации каждого компонента. Таким образом и можно сравнивать относительную концентрацию отдельных газов.

Share this post


Link to post
Share on other sites
27 minutes ago, alexunder said:

Интенсивность линий зависит от парциальных давлений каждого газа, то есть от концентрации каждого компонента. Таким образом и можно сравнивать относительную концентрацию отдельных газов.

Спасибо! Да, понятно, что от парциальных давлений зависит, но ведь при разном напряжении должно по разному накачиваться, это как во флюоресценции, когда спектр накачки меняет суммарную интенсивность свечения.

Share this post


Link to post
Share on other sites
11 hours ago, alexunder said:

Интенсивность линий зависит от парциальных давлений каждого газа, то есть от концентрации каждого компонента. Таким образом и можно сравнивать относительную концентрацию отдельных газов.

А также от компонентов. Если линии близкое а разрешение фиговое, то по одной интенсивности не разберешься что это.

Поэтому есть такая вещь как статистическое измерение и калибровка по известным образцам. Строится регрессионная модель по характерисичческим участкам спектра. Собственно есть софт, типа Unscrambler, который сам эти участки обнаруживает и строит модель без необходмости оператору углубляться в основы теории. Это несколько участков, это калибровка под отдельный спектрометр в данных условиях (обычно дистанция замера, темпеатура, давление)

Теперь по спектрометрам. AFAIK, газы идентифицировать ой как проблем-но из-за разрежения. Обнаружить легко даже на ИК камере, а вот идентифицировать...
Поэтмоу используют приборы с довольно длинными измерительными участками как правило в трубе. Прецизионные, это несколько сантиметров, промышленные, для открытых работ, метр и более. Поскольку открытый прибор прокалибровать очень сложно из-за помех, рассеянного освещения.. ну это как калибровать монитор фотогамерой при неизвестном источнике света - будет только хуже. Поэтмоу их защищают всяческими способами. Узкополосные акустические фильтры с рефересным сигналом, перестраиваемые лазерные измерители. В открытом пространстве для газов лучше всего наверное лазерные измерители, т.к. они идеально защищены от влияния изменений среды.

 

 

iiv, а можно более точную ссылку на прибор?

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 hour ago, Hale said:

А также от компонентов. Если линии близкое а разрешение фиговое, то по одной интенсивности не разберешься что это.

Да, безусловно. Я в общих чертах ответил. Вопросы калибровки по эталону и спектрального разрешения автору придётся учесть.

 

Поскольку автор хочет смотреть спектры излучения, а не поглощения, то ситуация осложняется ещё и тем, что часть линий будет пропадать или ослабевать из-за возможного поглощения другими компонентами смеси, т.е. будет отличаться от эталонных спектров одиночных компонентов.

Share this post


Link to post
Share on other sites
13 hours ago, iiv said:

Спасибо! Да, понятно, что от парциальных давлений зависит, но ведь при разном напряжении должно по разному накачиваться, это как во флюоресценции, когда спектр накачки меняет суммарную интенсивность свечения.

Я неверно понял Ваш вопрос сначала. Не могли бы Вы подробнее описать установку для изготовления магнитов, т.е. ту часть, что будет излучать?

Share this post


Link to post
Share on other sites
17 hours ago, alexunder said:

Я неверно понял Ваш вопрос сначала. Не могли бы Вы подробнее описать установку для изготовления магнитов, т.е. ту часть, что будет излучать?

при подготовке вещества для варки и при самой варке магнитов мне надо убрать O2, N2, CO2 полностью из самого магнитного материала, а также не превысить содержание H2 (если я его использую для выжигания О2). То есть я делаю вакуум, но только на первой стадии, далее это делать сложно, так как при нагреве начинает испаряться висмут, парциальное давление которого при температуре варки магнитов составляет около 5 атмосфер.

 

Так как сама установка довольно сложная, а некоторые соединения я пока не смог сделать идеально надежными, то бывает так, что пока я вакуумом выкачиваю, у меня где-то образуется подсос и туда воздух попадает. Детектировать как-то я не смог, вроде вакуум-как вакуум, а он то с кислородом, то с аргоном. Понятно, я для таких случаев и аргона, и водорода туда поддуваю, но иногда что-то все-таки не так идет.

 

У меня есть 2 точки, где я могу измерять что есть в потоке перед вакуумным насосом. Мне нужно измерять постоянно, варка длится несколько дней. Большая часть времени - это низкое давление, но с несколько часов давление высокое 1-5бар, понятно там насос выключен и работает превентивная вентиляция по кругу. Собственно хочется знать на протяжении всего времени весь состав газов.

 

То есть конкретно то, что будет излучать - я сам могу сделать и планировал делать там тлеющий разряд и спектр его детектировать.

 

Теперь что мне надобно.

 

Прикрутить быстро IC от Шимамацы с хорошим разрешением, думаю, что не осилю. О том, что спектр очень линейчатый - мне тоже очень понятно.

 

С другой стороны, когда-то я довольно хорошо экспериментировал с безреференсным снятием спектров флюоресценции, улучшая результаты https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/016974399080116N с которым когда-то на эту тему коллаборировал. В настоящее время такие методы перестали именовать прокрустово вращение и называются мультилинейные или тензорные методы.

 

Суть в том, что если в смеси веществ я могу как-то линейно изменить интенсивность излучения разных компонент и снять спектр таких смесей, то смогу на основе только спектров таких смесей получать относительные концентрации самих компонент. Так как датчик давления в магистрали у меня там тоже имеется, то далее проблем быть не должно и я получу то, что хочу.

Причем мне нет необходимости разрешать каждую линию с большой точностью, я могу работать на интегральной характеристике, то есть использовать поделку типа SEN-15050.

Осталось дело за малым, понять что конкретно может разнонаправленно изменить интенсивность спектров излучения в смеси.

Моя гипотеза - изменение подогрева катода может, изменение тока тлеющего разряда - маловероятно, про использование переменного тока - нет понимания, скорей всего, ничего не даст, но может есть что-то еще. Собственно в этом-то и был вопрос, если кто знает, пожалуйста, посоветуйте!

 

Спасибо!

19 hours ago, Hale said:

iiv, а можно более точную ссылку на прибор?

 

SEN-15050: https://www.sparkfun.com/products/15050

C12880MA: https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/type/C12880MA/index.html

или Вы про прибор для варки магнитов имели ввиду, тут сложно со ссылкой, у меня нет чего-то компактно написанного и опубликованного на эту тему.

Share this post


Link to post
Share on other sites
53 minutes ago, iiv said:

понять что конкретно может разнонаправленно изменить интенсивность спектров излучения в смеси.

Моя гипотеза - изменение подогрева катода может, изменение тока тлеющего разряда - маловероятно, про использование переменного тока - нет понимания, скорей всего, ничего не даст, но может есть что-то еще. Собственно в этом-то и был вопрос, если кто знает, пожалуйста, посоветуйте!

Если я правильно понял, то:

  • в Вашей системе создается дуговой разряд, посредством которого свариваются два или более металлов.
  • Вы желаете наблюдать спектр излучения дуги в отдалении от сердцевины дуги.

Тогда, исходя из моих (базовых) познаний, смею заявить, что интенсивность излучения зависит от температуры газа (скорее всего экспоненциально), а следовательно, от и тока разряда. Более того, большую роль будет играть место наблюдения (середина или приэлектродная область), особенно, на постоянном токе.

 

Quote

У меня есть 2 точки, где я могу измерять что есть в потоке перед вакуумным насосом. Мне нужно измерять постоянно, варка длится несколько дней. Большая часть времени - это низкое давление, но с несколько часов давление высокое 1-5бар, понятно там насос выключен и работает превентивная вентиляция по кругу. Собственно хочется знать на протяжении всего времени весь состав газов.

А вот из этого создается впечатление, что Вы хотите смотреть спектры поглощения. Или у Вас горячие (светящиеся) компоненты попадают непосредственно в насос?

Share this post


Link to post
Share on other sites
23 minutes ago, alexunder said:

Если я правильно понял, то:

не-не-не!!!

 

Там, где я измерять хочу, самих магнитов нет в помине - это выхлоп с установки, где магниты варятся. Там температура уже почти комнатная (до 200С, но обычно комнатная). А тлеющий разряд я сам планировал там организовать, так как другим способом анализировать этот газ не получается.

 

То есть я волен хоть тлеющий разряд сделать, хоть дугу, хоть с подогретым катодом, хоть с холодным. Мне, главное, состав измерять. ИМХО, тлеющий разряд, скорей всего будет более информативен, так как в нем можно вариировать ток в больших диапазонах и от этого светимость разных газов будет меняться сильно и по-разному.

 

Где детектировать - да, сам могу придумать, хоть у электрода, хоть по центру. ИМХО, если сделать трубку на 10-20см и в ней тлеющий разряд делать, думаю, что как раз по центру уже вдали от темной зоны можно и детектировать.

 

23 minutes ago, alexunder said:

Или у Вас горячие (светящиеся) компоненты попадают непосредственно в насос?

они не горящие и не светящиеся, но бывает, что попадают, и, в том числе для того, чтоб не убить насос мне желательно понимать, что туда сейчас летит. То есть когда летят газы - все ок, а когда - частицы кобальта или висмута, то насос быстренько портится. По давлению, или визуально, или еще какими-то другими способами увидеть этот момент не представляется возможным и у меня уже есть целый склад двухконтурных убитых вакуумников и одна убитая турбомолекулярка. Ловить частицы висмута - не понятно как, я смотрел их под микроскопом у них размер меньше микрона и сам висмут - парамагнетик, кобальт еще на магнит можно ловить, а висмут и индий - ничем. Но если я вижу, что висмут полетел, то значит у меня что-то точно не так и надо останавливаться или менять режимы работы.

 

Спасибо большое, что советуете!!!

Share this post


Link to post
Share on other sites

имхо свечение в разрядах/дугах и эту оптическую поделку за 50$, калибровать устанете, чтобы вытащить из этого концентрацию висмута/индия/...

с тем же успехом можно фотографировать обычным фотоаппаратом отражение от компакт диска. Так гораздо проще и быстрее попробовать и убедиться что не работает (ну а вдруг получится).

надо собирать что-нибудь вроде этого http://www.rapp-instruments.de/Radioaktivitaet/div/quadropol/quadro.htm или даже просто с дипольным магнитом.

СВЧ печку разобрать, магнетроном газ ионизировать. ну или старый ЭЛТ телевизор, ну чтобы всю эту электронную оптику самому не изобретать заново, а взять готовое.

вакуум какой-никакой и так уже есть.

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 hour ago, iiv said:

Там, где я измерять хочу, самих магнитов нет в помине - это выхлоп с установки, где магниты варятся. Там температура уже почти комнатная (до 200С, но обычно комнатная). А тлеющий разряд я сам планировал там организовать, так как другим способом анализировать этот газ не получается.

теперь-то ясно о чем речь :) Что ж, выхлоп удобнее смотреть на поглощение, как мне кажется, - почему такой вариант не рассматриваете? Пропускать газ можно через стеклянную трубу (в идеале с кварцевыми окнами по бокам) и смотреть спектры Фурье-спектрометром (FTIR), какой-нибудь б/у вариант типа Oriel MIR8000 можно поискать в местных университетах.

В противном случае поискать книжки по спектроскопии тлеющего разряда, но, думаю, можно эмпирически подобрать параметры его возбуждения, чтобы получить хороший сигнал/шум в спектре. Для этого можно "пульнуть" заведомо известную смесь веществ (запустив какой-нибудь стандартный и хорошо изученный Ваш процесс).

 

1 hour ago, iiv said:

 

 

 

1 hour ago, iiv said:

Где детектировать - да, сам могу придумать, хоть у электрода, хоть по центру.

Да, этот вопрос уже не актуален, т.к. я думал о другой установке.

 

1 hour ago, iiv said:

у меня уже есть целый склад двухконтурных убитых вакуумников и одна убитая турбомолекулярка.

Следует поискать некие уловители для таких металлов у поставщиков вакуумного оборудования (Pfeiffer, Varian и т.п.)

 

 

 

12 minutes ago, _pv said:

СВЧ печку разобрать, магнетроном газ ионизировать.

+1

Share this post


Link to post
Share on other sites
8 minutes ago, alexunder said:

Что ж, выхлоп удобнее смотреть на поглощение, как мне кажется, - почему такой вариант не рассматриваете?

понимаю Ваши доводы, но вот тут не соглашусь. Если смотреть по поглощению, надо действительно ИК, и спектры там очень широкие, и, ИМХО, очень не информативные. По поглощению как-то изменить коэффициент поглощения я не смогу, то есть все спектры всегда охапкой и растащить численно на составляющие их будет сложно.

По возбуждению - другое дело. Что-то да должно менять величину интенсивности возбуждения. Например, напряжение тлеющего разряда от вещества зависит, и, как я понимаю, сильно. То есть играюсь подаваемым напряжением, что-то пробило, что-то нет.

Выход с катода, вроде тоже должен чем-то отличаться для разных газов.

Просто мне сейчас хотелось бы по максимуму запланировать чем вариировать это свечение, и потом далее поизмерять. Так как хорошо работающих процессов - тоже много, про которых я ГХ уже что-то да измерил, проверить на сколько хорошо это будет работать я тоже смогу. Другое дело, что если я сейчас понимаю, что горячий катод - это как мертвому припарка, то я его делать не буду, и это сэкономит мне время :) Собственно это-то и спрашивал.

Share this post


Link to post
Share on other sites
2 hours ago, _pv said:

надо собирать что-нибудь вроде этого http://www.rapp-instruments.de/Radioaktivitaet/div/quadropol/quadro.htm или даже просто с дипольным магнитом.

ой, сразу не увидел Ваше сообщение! Черт, не думал, что там все так просто!!! Спасибо большое за интересную идею и ссылку!

Share this post


Link to post
Share on other sites
1 час назад, iiv сказал:

понимаю Ваши доводы, но вот тут не соглашусь. Если смотреть по поглощению, надо действительно ИК, и спектры там очень широкие, и, ИМХО, очень не информативные.

 

Если Вас волнуют частицы, то какие там могут быть ИК-спектры.... Вот когда эти частицы образуются, они очень горячие (за счет выделения энергии связи металл-металл) и светятся как черное тело с очень высокой температурой.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Just now, Tanya said:

Если Вас волнуют частицы, то какие там могут быть ИК-спектры.... Вот когда эти частицы образуются, они очень горячие (за счет выделения энергии связи металл-металл) и светятся как черное тело с очень высокой температурой.

меня там многое волнует... Мне одновременно надобно

1. надо знать сколько O2, CO2, CO, N2 относительно всего остального, и, дополнительно к этому,

2. наличие частиц металлов, и желательно знать что за металл полетел, то, что успел померить другими методами, размер частиц этих металлов бывает меньше микрона и обычно это Co, Bi или In, но я мог чего-то другого и не увидеть.

 

Про квадруполь - в общем-то это классная идея, но я о ней только сейчас задумался. Как я понимаю, для частиц она подойдет идеально, а для самих газов - не факт, так как тогда надо делать еще дополнительно больший вакуум и туда инжектировать исследуемые газы.

 

Если остаться на оптике в тлеющем разряде, то ИМХО, или таки прикручивать тензорные разложения на SEN-15050 (уровень заморочек по обработке данных мне очень понятен и знаком), или купить что-то из бюджетной Хамамацы типа C12880MA.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now