Институт в фотографиях

Научные и прикладные результаты тем. группы 05-1

2019 г.

Увеличение разрешающей способности быстродействующего анализатора оптических спектров

С целью увеличения спектральной разрешающей способности метода сцинтилляционного атомно-эмиссионного анализа веществ разработан быстродействующий анализатор МАЭС на основе беззазорной термостабилизированной гибридной сборки из 14 линеек КМОП БЛПП-4000 с шагом структуры фотоячеек 7 мкм. Получено практически двукратное увеличение спектральной разрешающей способности в сравнении с ранее применяемой линейкой БЛПП-2000, что позволяет существенно уменьшить степень спектральных наложений на аналитические линии определяемых элементов. Однако такое преимущество достигается ценой ухудшения пределов обнаружения сцинтилляционного атомно-эмиссионного анализа из-за уменьшения отношения сигнал/шум.

2018 г.

Повышение чувствительности и быстродействия анализатора оптических спектров для сцинтилляционного атомно-эмиссионного анализа

Создан действующий макет быстродействующего анализатора МАЭС на основе беззазорной (без «мёртвых» зон) термостабилизированной гибридной сборки из 14 линеек ПЗС с обратной засветкой БЛПП-2000 с минимальным временем экспозиции 0,9 мс. Анализатор испытан в составе спектрометра «Гранд» в режиме сцинтилляционного атомно-эмиссионного анализа. Подтверждено десятикратное снижение пределов обнаружения прибора в сравнении с линейками фотодиодов БЛПП-369М1, что позволило увеличить количество регистрируемых вспышек аналитической линии золота. Анализатор МАЭС использован при сцинтилляционном атомно-эмиссионном анализе образцов руд ряда месторождений РФ. Полученные данные о валовых содержаниях благородных металлов (Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Os, Rh и Ru) удовлетворительно согласуются с результатами масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой.

2017 г.

Разработка комбинированной гибридной сборки на основе линеек фотодетекторов БЛПП-369М1 и БЛПП-2000 и создание анализатора спектров на ее основе

Создан действующий макет быстродействующего анализатора атомно-эмиссионных спектров МАЭС для спектрометра «Гранд» с комбинированной гибридной сборкой из 12 линеек фотодетекторов БЛПП-369М1 и одной линейки БЛПП-2000. Экспериментально показано, что отношение сигнал/шум вспышек спектральной линии золота Au 267,595 нм при её регистрации линейкой БЛПП 2000 в среднем в 10 раз выше значений, полученных с использованием линейки БЛПП-369М1, что должно дать соответствующее снижение пределов обнаружения элементов. Проведена оценка аналитических возможностей анализатора в составе спектрометра «Гранд» путём определения валового содержания золота и серебра в 16 стандартных образцах различного состава с содержанием золота от 0,002 до 34 г/т и серебра от 0,05 до 34 г/т. Полученные коэффициенты корреляции измеренных и аттестованных результатов определения валовых содержаний золота составили 0,96, серебра – 0,95.

2016 г.

Разработка комплекса для сцинтилляционного атомно-эмиссионного анализа на основе высокоскоростного многоканального анализатора эмиссионных спектров, спектрометра высокой дисперсии и установки с вводом порошковых проб методом просыпки-вдувания

Экспериментально измерены светосила и спектральное разрешение спектрометров «Гранд», «Гранд-1500» и СТЭ-1 в спектральном диапазоне 235 - 344 нм. Показано, что спектрометр СТЭ-1 уступает спектрометрам «Гранд» и «Гранд-1500» по светосиле и спектральному разрешению. Спектрометр «Гранд» превосходит рассматриваемые спектрометры по светосиле от 5 до 20 раз и обладает достаточным разрешением. Благодаря большой интенсивности спектральных линий он более чувствителен к слабым сигналам, и, соответственно, будет иметь меньшие пределы обнаружения элементов, поэтому он выбран для создания комплекса.

 Создан комплекс для сцинтилляционного атомно-эмиссионного анализа на основе высокоскоростного анализатора МАЭС, спектрометра «Гранд» и электродуговой установки для анализа порошковых проб по способу просыпки-вдувания «Поток». Его испытания показали, что он обеспечивает надёжную сцинтилляционную регистрацию спектров при введении порошковой пробы в плазму дуги по способу просыпки-вдувания c содержанием золота 0,1 г/т и ниже.

 

2015 г.

Разработка высокоскоростного многоканального анализатора эмиссионных спектров на основе линейки фотодетекторов БЛПП-2000 и интерфейса GigabitEthernet

Создан образец высокоскоростного анализатора спектров для спектрографа СТЭ-1, позволившего провести исследование работы линейки фотодетекторов БЛПП-2000 в режиме сцинтилляционного атомно-эмиссионного спектрального анализа. Получены уравнения для оценки: а) отношения сигнал/шум вспышки спектральной линии (определяет пределы обнаружения элементов периодической системы); б) оптимального времени экспозиции многоэлементных твердотельных детекторов излучения по их паспортным данным, фототоку спектрального фона и продолжительности вспышки. Показано хорошее согласие экспериментальных зависимостей отношения сигнал/шум от времени экспозиции с расчётными данными.

 

2014 г.

Разработка, совершенствование и исследование аналитических возможностей источников возбуждения и анализаторов для атомно-эмиссионной спектрометрии

Созданы образцы быстродействующих анализаторов МАЭС со сборками из 4-х линеек БЛПП 2000 c минимальным временем экспозиции 0.4 мс для сцинтилляционного атомно-эмиссионного спектрального анализа. Экспериментально показано, что отношение сигнал-шум вспышек спектральной линии золота Au 267.595 нм, зарегистрированных новым анализатором более чем 10 раз выше, чем существующим.

Разработан новый алгоритм обработки последовательности спектров для сцинтилляционного атомно-эмиссионного спектрального анализа, реализованный в модуле «Расширенный 2014» программы «Атом». Модуль имеет меньше настроек, более корректно определяет маску фона, сохраняет больше точек фона, используемых для определения его формы. Благодаря этому улучшены результаты обработки последовательностей спектров, в том числе статистические: СКО градуировочного графика, дисперсии сходимости и адекватности. Повышено отношение сигнал-шум вспышек спектральных линий.

 

Разработка и исследование характеристик проблемно-ориентированной быстродействующей линейки фотодиодов

Из результатов исследований экспериментальных образцов новой фотодиодной линейки (4320 фотодиодов размером 7.6 мкм × 1 мм) следует, что: а) максимальная зарядовая емкость фотоячейки, диапазон выходного напряжения, коэффициент преобразования заряд/напряжение, остаточный сигнал (память), нелинейность фотоотклика и пространственная разрешающая способность соответствуют предъявляемым требованиям; б) максимальная частота выходного сигнала на порядок ниже требуемой, но является приемлемой на начальном этапе применения линеек; в) шум считывания выходного сигнала фотоячеек, их квантовая эффективность в диапазоне 190 – 500 нм и аппертурные характеристики не соответствуют требуемым. Линейка требует дальнейшей доработки: корректировки схемы и топологии. Область применения: оптическая спектроскопия в металлургии, геологии, экологии и криминалистике.

 

2013 г.

Метод автоматического определение наличия элементов Периодической таблицы в пробе по одному её атомно-эмиссионному спектру

Метод основан на вычислении для каждого элемента функции кросс-корреляции зарегистрированного спектра и набора спектральных линий этого элемента из базы данных программы «Атом», предварительно преобразованных к специальному виду. Наличие элемента в пробе определяется по соотношению амплитуды корреляционного пика к шуму. Метод реализован в программе «Атом» и позволяет менее чем за секунду определить перечень элементов, присутствующих в пробе, благодаря чему он может использоваться в экспрессных методиках.

 

  1. Панкратов С.В., Лабусов В.А., Неклюдов О.А. Качественный элементный анализ вещества с использованием функции кросс-корреляции // Аналитика и контроль, 2013, т. 17, № 1. С. 33-40. Полный текст:

    http://aik-journal.urfu.ru/periodical/2013/AiK-2013-17-33.pdf

 

Оценка оптимальных параметров многоэлементных твердотельных детекторов для сцинтилляционного атомно-эмиссионного спектрального анализа

Впервые предложена модель регистрации вспышки спектральной линии определяемого элемента таблицы Менделеева фотоячейками многоэлементного твердотельного детектора излучения с критерием обнаружения этой линии по значению отношения выходного сигнала при вспышке к его шуму при отсутствии вспышки (ОСШ). Показано, что оптимальное время экспозиции для получения максимальных значений ОСШ при регистрации вспышки продолжительностью 1 мс составляет 0.8 мс для БЛПП-4000, 1.1 мс – БЛПП-369М1 и 1.2 мс – TCD1304DG. Ожидаемое снижение пределов обнаружения элементов при использовании линейки TCD1304DG в сцинтилляционном анализе относительно интегрального составляет 30 раз, БЛПП-369M1 – 50 раз, а БЛПП-4000 – 110 раз.

 

  1. Бабин С.А., Лабусов В.А. Оценка оптимальных параметров многоэлементных твердотельных детекторов для сцинтилляционного атомно-эмиссионного спектрального анализа // Аналитика и контроль, 2014, т. 18, № 1. С. 1-10.

 

2012 г.

Высокоскоростной многоканальный анализатор для сцинтилляционного атомно-эмиссионного анализа

Разработан высокоскоростной анализатор МАЭС с параллельным считыванием сигналов линеек фотодиодов в сборке с использованием интерфейса Gigabit Ethernet для регистрации последовательности атомно-эмиссионных спектров порошковых проб во времени с минимальным временем экспозиции 3 мс, содержащий 12 линеек фотодиодов расположенных по дуге с радиусом 500 мм. Предложенный подход позволяет создавать анализаторы с минимальным временем экспозиции 3 мс, содержащие до 50-ти линеек фотодиодов в сборке. Прибор в составе спектрометра «Гранд» используется в Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН для определения низких содержаний благородных металлов в геологических пробах.

 

  1. Селюнин Д.О., Бабин С.A., Лабусов В.А. Высокоскоростные анализаторы МАЭС с интерфейсом Gigabit Ethernet // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2012, Т. 78, № 1-II. С. 39-43. Полный текст:

    http://zldm.ru/news/2012-78(01-2).pdf

 

Алгоритм автоматического профилирования линеек фотодиодов анализаторов МАЭС

Предложен алгоритм автоматического профилирования – установления соответствия длины волны регистрируемого излучения номеру фотодиода многокристальных сборок линеек фотодиодов анализаторов МАЭС, входящих в состав многоканальных спектрометров. Алгоритм основан на подборе коэффициентов степенного полинома, обеспечивающих максимальное совпадение линий из базы данных с зарегистрированными спектральными линиями элемента таблицы Менделеева с использованием функции кросс-корреляции. Алгоритм реализован в программном обеспечении «Атом». Время автоматического профилирования составляет 1 – 5 минут, что намного меньше временных затрат при профилировании в «ручном» режиме. При этом погрешность автоматического профилирования составляет ± 0,3 шага фотодиодов, что сопоставимо с результатами «ручного» профилирования.

 

  1. Шаталов И.Г., Лабусов В.А., Неклюдов О.А., Панкратов С.В. Автоматическое профилирование многоканальных спектрометров с анализаторами МАЭС // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2012, Т. 78, № 1-II. С. 74-77. Полный текст:

    http://zldm.ru/news/2012-78(01-2).pdf

2007 - 2011 гг.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Предложен алгоритм обработки последовательности атомно-эмиссионных спектров во времени с целью снижения пределов обнаружения элементов таблицы Менделеева путём определения и подавления спектрального фона. Алгоритм позволяет получать зависимости интенсивности спектральных линий от времени с отношением сигнал-шум, более чем в 2 раза превышающему аналогичное значение, полученное с помощью типовой программы «Атом» (http://www.vmk.ru/prod-atom.htm). Алгоритм введён в программу «Атом».

  1. Шаталов И.Г., Косых В.П., Лабусов В.А., Неклюдов О.А. Алгоритм обработки последовательности атомно-эмиссионных спектров во времени для снижения пределов обнаружения элементов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2011. Т. 77. № 7. С. 38-43.

 

Создан многоканальный анализатор атомно-эмиссионных спектров МАЭС с многокристальной сборкой из 4-х линеек фотодиодов для спектрографа СТЭ-1, обеспечивающий регистрацию последовательности из нескольких тысяч спектров с временем экспозиции 1 – 4 мс в процессе возбуждения пробы. Анализатор предназначен для регистрации спектров природных порошковых проб с использованием электродуговой установки просыпки-вдувания «Поток». Показано, что несмотря на отсутствие линии золота 267,594 нм в «усредненном» спектре, получаемом по всем спектрам последовательности, во время «вспышек» интенсивность такой линии превышает случайный шум более чем на порядок. Это даёт возможность снизить пределы обнаружения золота в порошковой пробе.

  1. Селюнин Д.О., Лабусов В.А., Гаранин В.Г., Неклюдов О.А., Бабин С.А. Анализаторы МАЭС для получения последовательности атомно-эмиссионных спектров с временем экспозиции 1 мс // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2011. Т. 77. № 6. С. 21-25. Полный текст http://vmk.ru/files/zavlab2011-1ms.pdf

 

Предложен метод электронной калибровки измерительных каналов многоканальных анализаторов спектров, который предусматривает: измерение зависимости Uвых(U) в отсутствии излучения, аппроксимацию преобразованной зависимости U (Uвых) полиномом Чебышёва 37 степени методом наименьших квадратов и использование полученной зависимости при измерении интенсивности спектральных линий. Для реализации калибровки  разработаны специализированные блок электронной регистрации и программное обеспечение. Нелинейность зависимости калиброванного фотоотклика не превышает 0,5 %, что на порядок меньше некалиброванного.

  1. Селюнин Д.О., Лабусов В.А., Петроченко Д.В., Мирошниченко В.Л., Неклюдов О.А., Речкин Г.В. Метод электронной калибровки измерительных каналов многоканальных анализаторов атомно-эмиссионных спектров МАЭС // Автометрия, 2010, т. 46, № 5. C. 67-76. Полный текст http://www.iae.nsk.su/images/stories/5_Autometria/5_Archives/2010/5/08.pdf

 

Разработан малогабаритный многоканальный спектрометр с повышенной фотометрической точностью на основе оптической схемы Черни-Тёрнера с плоской дифракционной решёткой и термостабилизированной линейкой фотодиодов. Количество измерительных каналов – 2612, динамический диапазон – 104, нелинейность фотоотклика – 1 %, уровень фонового излучения – 0,05 %, относительное отверстие – 1/6, габариты – 150´200´80 мм3. Повышенная фотометрическая точность достигнута за счёт оптимизации параметров оптической схемы, использования бескорпусной линейки фотодиодов и электронной калибровки измерительных каналов. Выбор рабочей спектральной области в интервале 190-1100 нм осуществляется путём смены и поворота дифракционных решёток. Ввод излучения проводится с помощью волоконно-оптического кабеля или конденсора. С помощью спектрометра на Новосибирском заводе химических концентратов решена задача одновременного определения щелочных и щелочноземельных металлов в литии методом пламенной фотометрии. Пределы обнаружения для Na и K составляют 1 мг/т.

  1. Лабусов В.А., Путьмаков А.Н., Саушкин М.С., Зарубин И.А., Селюнин Д.О. Многоканальный спектрометр «Колибри-2» и его использование для одновременного определения щелочных и щелочноземельных металлов методом пламенной фотометрии //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Специальный выпуск. 2007. Т. 73. С. 35-39. Полный текст http://zldm.ru/upload/iblock/62e/10286861200773s035.pdf

 

Разработаны методы построения термостабилизированных многокристальных сборок линеек фотодиодов (плоских, многострочных, по кругу Роуланда), в том числе сборок без «мертвых» зон, позволившие решить проблему создания ряда линейных детекторов оптического излучения (спектральный диапазон 160 – 1100 нм, шаг размещения фотоячеек – 12,5 мкм, динамический диапазон – 104, количество фотоячеек до 62000 и более) для спектральных приборов, применяемых в атомно-эмиссионном анализе. В отличие от известных решений бескорпусные кристаллы линеек с односторонними полиамидными шлейфами размещены на едином термостабилизированном основании. Корпус сборки наполнен инертным газом с избыточным давлением. Использование многокристальных сборок в спектральных приборах позволило получить атомно-эмиссионные спектры без «мёртвых» зон, повысить динамический диапазон регистрируемых интенсивностей и надёжность работы таких приборов.

  1. Лабусов В.А. Многокристальные сборки многоканальных анализаторов атомно-эмиссионных спектров //Заводская лаборатория. Диагностика материалов. Специальный выпуск. 2007. Т. 73. С. 13-17. Полный текст http://zldm.ru/upload/iblock/28f/10286861200773s013.pdf

 

Результаты получены совместно с сотрудниками компании «ВМК-Оптоэлектроника» (http://www.vmk.ru/).

 

ПРИКЛАДНЫЕ РАЗРАБОТКИ

Внедрёны в производство многокристальные сборки линеек фотодиодов в составе анализаторов МАЭС (http://www.vmk.ru/prod-MAES.htm) и малогабаритный спектрометр «Колибри-2» (http://www.vmk.ru/prod-colibri.htm). Приборы широко применяются в атомно-эмиссионном спектральном анализе.