Разработки ООО «МОРС» в области эмиссионной аналитики

Эмиссионный анализ широко применяется в металлургии, геологии, атомной промышленности, криминалистике , искусствоведении и др.областях Для целей эмиссионного анализа в СССР был созданы спектрометры с разнообразными типами источников возбуждения спектров, со спектрографами высокого разрешения ( с дисперсией 2-10 А/мм ) и с устаревшими в настоящее время системами регистрации на фотопластинках и ФЭУ. Особенностью эмиссионных спектрографов является очень большое рабочее поле длиной 180-350 мм ( область участка спектра зависит от дисперсии.

С целью модернизации устаревших спектрометров ООО «МОРС» разработала и выпустила на российский рынок современные системы регистрации на линейных ПЗС (с числом ПЗС от 5 до -12) для регистрации полного рабочего поля спектрографов.

Такие системы регистрации были названы фотоэлектронными кассетами (ФЭК).

В области эмиссионной аналитики ООО «МОРС» работает с 1986 г. В 1987 г. были изготовлены первые ФЭК для спектрографов ПГС-2 и оснащены эмиссионные спектрометры в ИГЕМ РАН, г. Москва, ( применение в геологии ) и в Институте судебной экспертизы, г. Москва,(применение в криминалистике).

К 1997 г были разработаны ФЭК для всех типов российских спектрографов - ИСП-22, ИСП-28, ИСП-30 , ИСП-51 , ДФС-8, ДФС-13, ДФС-452, ДФС-458 и для спектрографы западного производства- ПГС-2 и Термолаб. ФЭК(с 1996 г) были оснащены японскими ПЗС фирмы Тошиба. К ФЭК была разработана специализированная программа, обеспечивающая все этапы эмиссионного анализа: калибровка спектральной шкалы; построение набора градуировочных кривых; проведение рабочих измерений; формирование отчета . Существует возможность качественного анализа неизвестного вещества.Программное обеспечение ( выполненное под WIN 98 и WIN XP) непрерывно совершенствуется; вводятся , в частности , и улучшения по рекомендации и ТЗ Заказчиков.
ФЭК применялись в составе эмиссионных спектрометров, имеющих различные источники возбуждения спектра ( генераторы дуги и искры, лазерно-искровые генераторы, генератор дуги с просыпкой, ИСП, СВЧ-плазматрон, ИСП с вдуванием порошков , дуговой двухструйный плазмотрон , генератор конденсированной искры.). Проведена наработка многочисленных аналитических методик в области металлургии и геологии.

Основные разработчики ФЭК – к. техн. наук Э.Г. Силькис и А.С. Станкевич.

К 2009 г. проведена модернизация 124 спектрометров.

Кроме модернизации спектрометров Заказчиков ООО «МОРС» выпускает и полнокомплектные эмиссионные спектрометры (под аналитические задачи Заказчиков и общего назначения ).

Разработан компактный эмиссионный спектрометр для анализа водорода в титановых сплавах (основной разработчик – Л.И. Григорьев).Совместно с НПО «Тайфун» выпускается эмиссионный спектрометр типа ЛИЭС-2 с лазерно–искровым генератором возбуждения спектров, основным разработчиком является д.техн.наук А.М. Скрипкин.

Режим временной развертки, имеющийся в аналитической программе, позволил развить метод сцинтилляционной спектроскопии. С помощью этого метода д.техн. н. В.Н.Аполицким были созданы эффективные эмиссионные спектрометры, увеличившие пороговую чувствительность на 2-3 порядка. Режим временной развертки позволяет также исследовать динамику испарения при работе «из кратера» и подобрать время рабочей экспозиции.

К 2009 году ООО «МОРС» выпускает следующую продукцию для эмиссионной аналитики:

• Универсальный эмиссионный спектрометр
• Спектрометр для анализа водорода в титановых сплавах
• Спектрометр для анализа свинцовых сплавов
• Спектрометр для анализа медных, стальных и алюминиевых сплавов
• Лазерно-искровой спектрометр (ЛИЭС-2) – совместно с НПО «Тайфун» (г.Обнинск)
• Фотоэлектронные кассеты (ФЭК ) на линейных ПЗС для спектрографов типа ИСП-22, ИСП-28, ИСП-30, ИСП-51, ДФС-8, ДФС-13, ДФС-452, ДФС-458, ПГС-2.

Ниже приводится более подробное описание типов продукции ООО «МОРС»

Универсальный спектрометр для широкого класса задач эмиссионной аналитики

Основные компоненты спектрографа :

Спектрографы типа МФС-8 или ИСП-30.

В спектрографе МФС-8 рабочая область 196-400 нм (дисперсия 5.4 А/мм ) , в спектрографе ИСП-30 – 196- 800 нм. (нелинейная дисперсия). Спектрографы МФС-8 применяются для аналитических задач , в которых не требуется анализ элементов , имеющих аналитические линии в «красной» области спектра ( например, щелочные металлы).

Генераторы возбуждения спектров - могут быть поставлены генераторы ИВС-28, ИВС-29 , УГЭ-4 и серии «Прима» (изготовитель ООО «ИВС»)

ФЭК фирмы ООО «МОРС». Для МФС-8 вся спектральная область перекрывается 12 ПЗС, для ИСП-30 – 8 ПЗС.

Спектрометр используется при решении самых разнообразных аналитических задач Заказчика , поскольку имеет « непрерывную» спектральную область и для различных аналитических методик могут быть использованы любые аналитические линии из данной спектральной области.

Компактный эмиссионный спектрометр для анализа водорода в титановых сплавах.

Состав: генератор конденсированной искры (ГКИ) с системой высоковольтного поджига ; серийный штатив УШТ-4 (ГКИ расположен в штативе); настольный дифракционный спектрограф с системой регистрации на линейном ПЗС LX511; программное обеспечение под WIN XP; управление по шине USB; компьютерный комплекс.

Основные достоинства : позволяет определять содержание водорода в титановых сплавах в диапазоне концентраций 0.002 – 0.02 масс долей процента;.в штативе используются «нерасходуемые» вольфрамовые электроды

Примечание При наличии старых разработок анализаторов ( сделанных в ВИАМ) и базирующахся на спектрографе ИСП-51 возможна их модернизация ( модернизация генератора, поставка системы регистрации с аналитической программой).

Спектрометры поставлялись: в РРК «Энергия» (г.Королев), Московский авиационный технологический Институт (г. Москва), начата модернизация спектрометра в ВИАМ.

Спектрометр для анализа свинцовых сплавов.

Состав: дуговой генератор Прима либо (УГЭ-4 и ИВС-28); спектрограф МФС-8; ФЭК-6/БМЗ , компьютерный комплекс.

Основные достоинства – возможность анализа примесей As,Sb и Sn на уровне 0.0001 масс.долей процента (т.е возможность анализа примесей свинца класса С1)

Производится количественный анализ следующих примесей : Mg, Zn Ag, Ni, Te,Ca, Fe, Cu, Bi в пределах ГОСТ на разные классы свинцов.

Примеси Se и Te анализируется для специальных свинцов.

Примечание. Возможна поставка со спектрографом типа ИСП-30

Спектрометры поставлялись: ООО «ЭТРАС» (г. Владимир), «Мета-5» (г. Щелково), «Волга-Полиметалл» (г.Волгоград) и «Элмет» (г. Вологда), НПП «Экометалл» ( г.Удомля), «Экотехнос» (Рязань) , Рецикл-Старт-Эко ( Скопье , Македония).

Спектрометр для анализа медных, стальных и алюминиевых сплавов.

Состав: генератор УГЭ-4 ; спектрограф МФС-8; ФЭК-12/БМЗ , компьютерный комплекс.

Основные достоинства – возможность анализа примесей в «чистой» меди на уровне 0.0001 масс.долей процента. Разработчик методики – А.А. Белов
Примечание. Возможна поставка с генераторами типа ИВС-28 и серии Прима.

Спектрометры поставлялись: Чувашкабель (г. Чебоксары), ЗАО Элмет (Константиновка)

Эмиссионный спектрометр ЛИЭС-2

Состав – лазерно-искровой генератор (п-во НПО Тайфун) , спектрограф С500250 (фирма ООО «Мониторинг») и ФЭК-12 (ООО «МОРС»). Основной разработчик – НПО Тайфун. Разработан ряд аналитических методик на разнообразный класс веществ. Чувствительность на уровне 0.0001 -0.00001 масс.долей % , возможен локальный анализ включений.
Спектрограф С500/250.( изготовитель фирма ООО «Мониторинг»)

Используемый в спектрометре спектрограф С 500/250 является одним из лучших спектральных приборов, которые производятся в России , и обладает следующими основным достоинствам и преимуществами по сравнению с аналогами:

• широкий спектральный диапазон 170-900 нм, обеспечивающий возможность анализа практически всех элементов таблицы Менделеева от фосфора и серы до рубидия и цезия.
• высокое спектральное разрешение: ширина (на полувысоте) наблюдаемого контура простой спектральной линии (например, Fe 259.940 нм) составляет 0.009 нм (при ширине входной щели 10 мкм).
• компактные размеры: 700*650*190 мм и небольшая масса: до 50 кг (до 100 кг в вакуумном варианте)
• обеспечена практически абсолютная термостабильность в диапазоне 10–40 0С, достигаемая без применения термостабилизирующих систем за счет специальных технологии и материалов.

Для регистрации полного спектрального диапазона (170 – 430) нм с дисперсией 5.4 Амм и (430-900) нм с дисперсией 330 А/мм нужны 14 ПЗС для первого спектрального участка и 2 ПЗС для «красного» участка. Реально система регистрации имеет такое количество ПЗС , которое необходимо для полного набора аналитических методик Заказчика. Например, для анализа алюминиевых сплавов типа нужна система регистрации на 6-9 ПЗС. Для сложных сталей достаточна система на 12 ПЗС

Спектрометры поставлялись: ЦННИХМ (г.Москва ).

Фотоэлектронные кассеты (ФЭК ) для модернизации эмиссионных спектрометров .

Состав ФЭК – блок фотоголовки (различной конструкции для разных типов спектрографов );

управление по шине USB, блок питания фотоголовки; компьютерный комплекс;

программа в среде WIN XP.

Примечание 1. Количество линейных ПЗС в фотоголовке определяется совместно Заказчиком и Исполнителем исходя из аналитических задач Заказчика и минимизируются в связи с этим затраты на модернизацию.

Примечание 2 С 1996 г выпускались ФЭК на шину ISA , с 2000 г – на шину PCI ( с адаптером 1751 фирмы «Advantek»); ; аналитические программы в среде WINDOWS 98. С 2008 г. проводится замена старых ФЭК на ФЭК нового типа электроники под шину USB и программное обеспечение под WIN XP. Замена связана с устареванием компьютеров , работающих с операционной системой WIN 98.

Заказчики ФЭК

Модернизировано 124 эмиссионных спектрометров , работающих в геологии, металлургии, искусствоведении , анализе почв , атомной промышленности,авиационной промышленности , криминалистике и др.

Геология и почвоведение:

ИМГРЭ (Москва) , ВИМС (Москва), ИГЕМ (Москва), ГЕОФАК МГУ(Москва), Уральская центральная лаборатория ( Екатеринбург), Институт геологии и геохимии УРо РАН (Екатеринбург ), Институт геологии и минералогии (Миасс), Институт геологии КОМИ НЦ РАН (Сыктывкар), Белгородский Государственный Университет (Белгород), Верхне-волжское управление по мониторингу (Нижний Новгород),.Артель ООО «Восток» (Хабаровск) ; «Руанда-металл» ( Руанда, Африка), Институт минеральных ресурсов (Ташкент), Кизилтепагеология (Ташкент), Институт геологии (г.Ашхабад) , ГЕОХИ (г. Москва).

Металлургия:

Редмет (Новосибирск) , Металлист (Энгельс), Ливгидромаш (Ливны), Маглюк (Моск.обл.), ООО «Транспневматика»(Первомайск), Заволжский моторный завод (Заволжье), Гидроагрегат (Павлово), Суперметалл (Зеленоград) , Дальэнергомаш (Хабаровск), ЗАО «Сплав» (г.Рязань) , ЗАО «Кузбассэлемент» (г.Ленинск-Кузнецк)., Элмет ( г. Сергиев-Посад) , Этрас (г.Владимир), НПП «Экометалл» ( г.Удомля), , «Мета-5» (г. Щелково), «Волга-Полиметалл» (г.Волгоград) и «Элмет» (г. Вологда).« Экотехнос» (Рязань), Рецикл-Старт-Эко ( Скопье , Македония).

Атомная промышленность

ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», (Саров) , Электрохимприбор (Лесной) , Маяк (Озерск), ФГУП «РФЯЦ» ( Заречный), ВНИИНМ (Москва) , НИИАР (Дмитровград).

Криминалистика:

Таможенное управление (Нижний Новгород), Дальневосточный центр судебной экспертизы (Хабаровск).

Искусствоведение:

Государственный Эрмитаж (Санкт –Петербург)

Другие применения:

ООО «Корунд» (Дзержинск) - комплекс на спектрографе МФС-8 и генераторе «Прима»); –анализ оксида Al для производства корундов Институт химии сверхчистых материалов РАН (Нижний Новгород) ( модернизированы спектрограф СТЭ-1 и спектрограф фирмы «Плазмолаб») - анализ широкого класса сред, РКК «Энергия» (Королев) - модернизированы спектрографы ПГС-2 и ИСП-30, анализ широкого класса сред

Учебные заведения:

МИРЕА (г.Москва) – ФЭК для спектрографа ДФС-452, Университет (г.Санкт –Петербург) – ФЭК для спектрографов ДФС-8 и ИСП-30, Технический Университет (Екатеринбург) – ФЭК для спектрографа ДФС-452, Красноярский Университет ФЭК для спектрографа С/500/250

Системы регистрации для лазерно-искровых спектрометров ЛИЭС -1

(системы на 1 ПЗС ) , ЛИЭС -2 – системы с ФЭК на 12 ПЗС . НПО «Тайфун» (Обнинск) выпустил – 7 спектрометров ЛИЭС-1 и один спектрометр ЛИЭС -2 .

По заказу фирмы Заказчика ООО «МОРС» может провести в Реестр приборов заказанный спектрометр (или ФЭК ) как единичный образец. Возможен и вариант когда введение в Реестр осуществляет фирма –Заказчик , а фирма ООО «МОРС» осуществляет техническую поддержку этого проекта ( подготовка документации ).

Варианты поставки ФЭК- для широко распространенных спектральных приборов типа МФС-8, ИСП-30 ДФС--8 и ПГС-2
ФЭК-12 /БМЗ для спектрального прибора МФС-8. (дисперсия 5.4 А/мм ) ФЭК имеет 12 ПЗС , регистрация без мертвых зон , на участке в 350 мм (полный рабочий участок МФС-8 ) спектр регистрируется с помощью 43000 дискретных элементов ПЗС , при размере элемента 8х200 мкм . При средней ширине линии 5 элементов и защитном интервале в 2 элемента одновременно может быть зарегистрировано более 6000 спектральных линий.

ФЭК –8/БМЗ для спектрографа ИСП-30.

ФЭК имеет 8 ПЗС , регистрация без мертвых зон , на участке в 220 мм (полный рабочий участок ИСП-30 , участок спектра от 195 до 600 нм ) спектр регистрируется с помощью 28800 дискретных элементов ПЗС , при размере элемента 8х200 мкм. При средней ширине линии 5 элементов и защитном интервале в 2 элемента одновременно может быть зарегистрировано более 4100 спектральных линий.

Примечание 1 . Спектрографы ИСП-30 -это призменные спектрографы. В диапазоне от 190 до 600 нм они имеют значение дисперсии от 2 до 11 А/мм. Известно , что для анализа геологических пород желательное значение дисперсии – 2-4 А/мм. Например , на длине волны 250 нм – значение дисперсии составляет 9 А/мм. Начиная с длины волны порядка 235-240 нм – могут быть многочисленные наложения спектральных линий , затрудняющие анализ.
Кроме того , для призменного спектрографа существенно сложнее ресурс программного обеспечения (более сложный вариант калибровки , более сложный вариант автоматической коррекции дрейфа призмы , более сложный вариант качественного анализа )

ФЭК-6/БМЗ для спектрального прибора ДФС--8

ФЭК имеет 6 ПЗС , регистрация без мертвых зон , на участке в 175 мм (общий рабочий участок ДФС-8 – 180 мм ) спектр регистрируется с помощью 21800 дискретных элементов ПЗС , при размере элемента 8х200 мкм . При средней ширине линии 5 элементов и защитном интервале в 2 элемента одновременно может быть зарегистрировано более 3000 спектральных линий.Возможна произвольная установка любой мертвой зоны между соседними ПЗС для исключения спектральных участков, на которых отсутствуют аналитические линии.

Примечание 1 . Спектрографы ДФС-8 могут иметь различное значение дисперсии( 3, 4 и 6 А/мм ), одновременно регистрируемый участок спектра зависит от применяемой Потребителем типом решетки в спектральном приборе.

ФЭК-9БМЗ для спектрографа ПГС-2

ФЭК имеет 9 ПЗС, регистрация без мертвых зон , на участке в 240 мм (полный рабочий участок ПГС-2 ) спектр регистрируется с помощью 32400 дискретных элементов ПЗС , при размере элемента 8х200 мкм . При средней ширине линии 5 элементов и защитном интервале в 2 элемента одновременно может быть зарегистрировано более 4600 спектральных линий.Примечание 1 . Спектрографы ПГС-2 могут иметь различное значение дисперсии
(1.825, 3, 65 и 7.3 А/мм ), одновременно регистрируемый участок спектра зависит от применяемой Потребителем выбора порядка решетки в спектральном приборе.

Аналитические программы фирмы ООО «МОРС», их возможности

Наименование аналитических программ - SM2008 ( под WIN XP) ; SR303-USB-n и SPDA-USB-n ( под WIN XP ); и SR303-PCI-n и SPDA-PCI-n( под WIN 98)

1. Спектроскопист-аналитик может разработать любое число методик, оператор - работать с любой методикой по своему выбору.
2. Постановка методики.

Возможен выбор любых аналитических линий либо аналитических пар из спектрального диапазона прибора с учетом рекомендаций ГОСТ и собственного опыта. Учет фона под линией производится по результатам измерения фона по обе стороны от нее путем аппроксимации. Метод аппроксимации выбирает аналитик.2.1. Для постановки новой методики аналитику предоставляются:

• Обширные базы данных спектральных линий.
• Альбомы спектров различных элементов или сплавов (именно для спектрографа Пользователя).
• Различные методы калибровки спектра и компенсации его термодрейфа.
• Возможность проведения качественного анализа неизвестного сплава.
• Возможность работы в нескольких окнах с параллельными измерениями и опорным спектром.
• Возможность детального рассмотрения каждой аналитической линии в нужном масштабе.
• Возможность оценки спектра в целом (полный спектр с разбивкой на отрезки, фиксируемые каждым ПЗС).
• Возможность архивирования спектров всех эталонов, наборов градуировочных кривых и наборов аналитических линий.
• Возможность после однократной записи спектров эталонов проводить любые методические изыскания без реальных измерений путем импорта этих спектров.
• Возможность проследить за долговременной динамикой графиков выводом всех их на экран монитора.

Программа автоматически строит градуировочные графики при запоминании более одной аналитической точки набора.

Выбором соответствующего полинома можно построить градуировочную кривую для набора аналитических точек, не ложащихся на прямую ни в обычном, ни в логарифмическом масштабе.

2 Работа оператора.

• Возможность оперативной проверки комплекса по 1-2 эталонам с автоматической корректировкой (если необходимо) градуировочных кривых.
• Возможность контролировать процесс измерения по 3 спектральным окнам.
• Возможность снятия серии параллельных измерений без общения с компьютером – программа ждет смены образца оператором и начинает следующее измерение в момент появления оптического сигнала от очередного образца (синхронизации «по вспышке»).
• Возможность автоматического архивирования всех снимаемых спектров.
• Возможность автоматического создания всех отчетов.
• Возможность коррекции заголовка отчета.
• Возможность распечатки спектров из программы или из WORD 98.4. Процесс обработки снимаемых спектров.

Программа автоматически корректирует спектральную шкалу при термодрейфе прибора. В случае отсутствии подтяжки оператор информируется.

Обработка данных и вычисление концентраций полностью автоматизированны.

Сразу после завершения съемки образцов отчет готов к распечатке.

Вид основных окон программы, приведен на Рис. 1. и Рис.2

Фирма ООО МОРС также выполняет :

• Модернизацию спектрографа СТЭ-1
• Замену электроники в ФЭК (работающих под WIN 98 ) для работы под WIN XP
• Переделка спектрографа СТЭ-1

В России широко распространен спектрограф СТЭ-1 со скрещенной дисперсией . Он имеет три рабочих порядка .Изготовление ФЭК для СТЭ-1 для всех трех порядков затруднен , поскольку пространственно спектры трех порядков расположены близко друг от друга, а корпуса ПЗС имеют достаточно большие размеры. ООО «МОРС» изготовила три ФЭК для СТЭ-1 , но это очень сложные конструкции и с ними трудно работать Пользователю.Фактически, без призмы разделения порядков прибор СТЭ-1 превращается в известный прибор ДФС-24. Если установить две решетки 2400 штр /мм ( с разным углом )- можно получить два диапазона 200-325 и 325-450 с дисперсией 5 А/мм. Есть и другие варианты установки решеток. Весь диапазон имеет длину длину 220 мм и может быть перекрыт с помощью ФЭК-9/БМЗ

Реконструкция ФЭК выпущенных до 2007 г.(включительно)

Производится замена электроники ( управление по шине USB вместо ISA и PCI) , и устанавливается новое программное обеспечение под WINDOWS XP.Новая электроника устанавливается в старом корпусе ФЭК и с настроенными ПЗС. Есть возможность использовать программу SR303 ( программа от 2000 года) и программу SM20008 (новая программа от 2008 г). В программе SR303 остаются все наработанные методики. В программу SM2008 можно ввести спектры из программы SR303 и воссоздать наработанные аналитические методики

Для учебных Институтов возможна поставка аналитических программ (по символическим ценам) для практикумов по эмиссионной спектроскопии и предусмотрена существенная скидка при модернизации спектрометра