В зеркале прессы

Плазменная струя из прототипа атомно-эмиссионного спектрометра

Ядерно-физические методы исследований впервые позволили создать уникальный метод абсолютного измерения примесей в микроскопических количествах.

Эти методы основаны на ядерных реакциях, происходящих в примесях при их облучении различными пучками частиц (электроны, протоны, тяжелые ионы, нейтроны). В результате ядерных реакций образуются радиоактивные ядра, которые в процессе своего распада испускают вторичные частицы, регистрируемые разнообразными счетчиками. Наиболее чувствителен нейтронно-активационный анализ, в котором исследуемый образец облучается медленными нейтронами в реакторе. Для примера - возможно определение абсолютной концентрации золота и платины в руде на уровне 10-10 процентов.

ОИЯИ, обладая уникальными базовыми установками (ускорители, реактор), широко проводит исследования в этой области. Составляются целые карты неблагополучных регионов по содержанию в почве тяжелых металлов. Однако, активационные методы, будучи очень чувствительны к тяжелым металлам, обладают существенными недостатками.

Все это приводит к бурному развитию оптических методов исследования примесей. На их основе реализован целый класс приборов, которые обладают широкими возможностями - это экспрессность, высокая чувствительность, значительно более низкая цена одного анализа по сравнению с активационным.

В основе этих приборов лежит процесс возбуждения оптических спектров примесью внутри плазменного факела, который образуется высокочастотным разрядом в атмосфере плазменно-образующего газа аргона. Возбужденные примеси испускают оптическое излучение с определенной длиной волны. Каждый элемент имеет свою длину волны, свой цвет, который регистрируется спектральным прибором. В настоящее время во всем мире интенсивно производятся подобные приборы с индуктивно связанной плазмой, которые получили название ICP. Название появилось за счет процесса формирования плазмы в разряде, который индуктивно связан с высокочастотным генератором. Впервые экспериментально этот разряд наблюдался русским физиком Г.И.Бабатом в 1941 году. А широкое практическое использование этот метод получил на Западе. И с 1960 года на его основе интенсивно развиваются приборы для атомно-эмисионного анализа.

С их помощью проводятся аналитические исследования практически во всех областях - медицине, экологии, криминалистике, химии, материаловедении. Достигнута рекордная чувствительность по большому числу элементов - от лития до урана - на уровне 10-10-10-11 грамм/грамм, однако, и стоимость этих приборов рекордна - от 100 тысяч до 200 тысяч долларов США в зависимости от комплектации. Из-за высокой стоимости эти приборы на российском рынке практически не востребованы, объем продаж в Россию ICP-спектрометров за 2000-2002 гг. составляет не более 10 комплексов при практической потребности страны на уровне нескольких тысяч. Объем производства западных фирм составляет несколько сотен экземпляров в год.

В начале 90-х годов к нам обратился изобретатель оригинального плазменного устройства А.С.Тоболкин из Института физики атмосферы в Томске с просьбой измерить параметры плазмы в его разряде. Это был очень оригинальный генератор, который формировал в воздухе устойчивый плазменный факел с минимальными энергозатратами. Пробивная напряженность в воздухе около 20 кВ/см, а в этом генераторе при напряжении 3 кВ устойчиво горел плазменный факел длиной до 10 см.

В результате проведенных исследований мы определили основные свойства этого плазменного образования. Нас генератор очень привлек своими исключительными свойствами: компактность, большая импульсная мощность. Сравнение с разрядом с индуктивно связанной плазмой показывает, что разряд Тоболкина обладает такими же параметрами плазмы, то есть электронная температура Тe=6500oС, плотность электронов ne~2*1016 электр/см3. То, что разряд импульсный, а не постоянный, позволяет при энергетических затратах, на порядок меньших при ICP, получить те же яркостные характеристики.

Сейчас только в Минске активно работает фирма "Солар ТИИ", которая специализируется на разработке и изготовлении спектрометров, монохроматоров, детектирующих систем. Благодаря этому у нас появилась реальная возможность создать спектрально-аналитический комплекс на основе разработки А.С.Тоболкина. В рамках исследовательской программы Научного центра прикладных исследований ОИЯИ в 2002 году было принято решение о создании прототипа прибора для аналитических целей. Основная задача, поставленная перед коллективом, - от макетных исследований перейти к созданию конкурентоспособного прибора. Были объединены усилия нашего центра с белорусским партнером "Солар ТИИ", создающего для нашей разработки уникальный спектрограф, позволяющий за считанные доли секунды измерять эмиссионный спектр для всех длин волн. Задача специалистов ОИЯИ - создание главного узла: атомизатора, высокочастотного генератора, блока подготовки пробы. К настоящему времени она успешно решается.

Проведенные испытания показали, что достигнутые параметры по чувствительности по основным элементам: Mg, Pb, Li, Sr, Zn, Cu, Fe - не уступают западным образцам. А стоимость конкурентоспособного прибора по нашим оценкам будет в 2-2,5 раза дешевле. Есть еще одно отличие - это значительно меньшие энергетические затраты: 300 Вт вместо 1500 и общий вес прибора, который может быть доведен до 50-60 кг. Это дает возможность создать мобильный вариант прибора для полевых и экспедиционных исследований.

Таким образом, в результате сотрудничества Научного центра прикладных исследований ОИЯИ и фирмы "Солар ТИИ" разработан новый прибор, который, как мы надеемся, займет достойное место в научных лабораториях промышленности, медицинских и других учреждениях России и Белоруссии. Уже появляются контакты с возможными потребителями. Мы понимаем, что предстоит большая работа по внедрению прибора в практику. Мы планируем применить его в основных разработках ОИЯИ, где требуется работа с ультрамикроскопическими количествами вещества. Эти направления, прежде всего, связаны с мониторингом окружающей среды, исследованию эффективности трековых мембран.

В Объединенном институте ядерных исследований впервые в мире были созданы трековые мембраны, которые стали основой фильтров для очистки жидкостей, газов от разных примесей. Во время лабораторных испытаний прототипа атомно-эмисионного спектрометра для анализа примесей в воде, а также различных фильтров мы получили результаты, свидетельствующие о высоких абсорбционных свойствах трековых фильтров. Мы надеемся, что первыми потребителями наших приборов будут лаборатории ОИЯИ и предприятия нашего города.

Подобный прибор разрабатывается и изготавливается в кратчайшие сроки. Без сотрудничества между Россией и Белоруссией это было бы невозможно. Такие деловые отношения стали возможны благодаря постоянной помощи дирекции ОИЯИ и полномочного представителя Республики Беларусь в ОИЯИ академика А.И.Лесниковича.

В. Самойлов,
С. Тютюнников