Применение анализатора МАЭС для аналитического контроля урановой продукции в центральной заводской лаборатории Новосибирского завода химконцентратов
Спектральное оборудование компании «ВМК-Оптоэлектроника» внесло значительный вклад в развитие приборного обеспечения метода атомно-эмиссионной спектрометрии. Сотрудничество центральной заводской лаборатории ПАО «Новосибирский завод химконцентратов» (НЗХК) с этой компанией началось в середине 90‑х годов с модернизации спектрографов и квантометров. В настоящее время для аналитического контроля урановой продукции в лаборатории внедрен спектрометр «Экспресс». Гибкость настройки параметров разряда генератора и использование возможностей программы «Атом 3.3» позволяют получать результаты анализа порошковых проб урановой продукции методом испарения из кратера графитового электрода с высокими метрологическими характеристиками.
в центральной заводской лаборатории Новосибирского завода химконцентратов
И. Р. Нуреева
Спектральное оборудование компании «ВМК-Оптоэлектроника» внесло значительный вклад в развитие приборного обеспечения метода атомно-эмиссионной спектрометрии. Сотрудничество центральной заводской лаборатории ПАО «Новосибирский завод химконцентратов» (НЗХК) с этой компанией началось в середине 90‑х годов с модернизации спектрографов и квантометров путем замены устаревших систем регистрации на основе фотопластинок и ФЭУ на многоканальные анализаторы эмиссионных спектров МАЭС с программой обработки спектров «Атом», а устаревших дуговых генераторов на генератор «Везувий». Один из спектральных комплексов на основе квантометра МФС‑8 до сих пор используется для решения аналитических задач лаборатории. В настоящее время для аналитического контроля урановой продукции в лаборатории внедрен спектрометр «Экспресс», в состав которого входят универсальный генератор «Везувий‑3» и спектроаналитический штатив «Кристалл». Гибкость настройки параметров разряда генератора и использование возможностей программы «Атом 3.3» – запись последовательности спектров в течение экспозиции (кривых выгорания) для использования фракционного поступления элементов пробы из кратера угольного электрода, учет спектральных наложений при измерении интенсивности линий определяемых элементов – позволяют получать результаты анализа порошковых проб урановой продукции методом испарения из кратера графитового электрода с метрологическими характеристиками, удовлетворяющие нормативным документам. Штатив «Кристалл», в комплект которого входят три сменных держателя электродов, дополнительно дает возможность анализа металлических образцов произвольной формы весом до двух килограмм. Наличие в программе «Атом 3.3» базы данных сплавов существенно облегчает идентификацию неизвестного образца. Спектрометр «Экспресс» позволяет полностью справляться с задачами аналитического контроля урановой продукции и других объектов анализа Центральной заводской лаборатории.
Ключевые слова: атомно-эмиссионный спектрометр, анализатор спектров, МАЭС, «Экспресс», спектральные наложения, программа «Атом»
Атомно-эмиссионную спектрометрию (АЭС) широко используют для входного контроля, контроля технологических процессов и готовой продукции на предприятиях, специализирующихся в различных областях. На сегодняшний день АЭС признан одним из самых информативных и многоэлементных методов анализа для оперативного определения состава веществ и материалов. Большой вклад в развитие метода атомно-эмиссионной спектрометрии внесли приборы компании «ВМК – Оптоэлектроника».
История сотрудничества Новосибирского завода химконцентратов с компанией «ВМК-Оптоэлектроника» берет свое начало с середины 90‑х годов, когда на имеющиеся в лаборатории спектральные приборы производства «ЛОМО» – спектрографы ДФС‑8 и ДФС‑13, работающие на фотопластинках, и квантометры МФС‑8, регистрирующие спектральные линии с помощью ФЭУ – были установлены многоканальные анализаторы эмиссионных спектров МАЭС [1]. В этих приборах спектры регистрируются с помощью линеек фотодиодов, которые разработаны в компании. А использование фотопластинок осталось далеко в прошлом.
Анализаторы МАЭС работают под управлением программы «Атом» [2], которая реализует практически все известные алгоритмы обработки спектральных данных и способна решать большинство задач количественного, полуколичественного и качественного анализа с использованием баз данных по спектральным линиям, сплавам, нормативам и образцам сравнения.
Для эффективного возбуждения излучения в спектральных комплексах дуговой генератор УГЭ‑4 заменили на малогабаритный универсальный генератор дугового разряда «Везувий» с электронной стабилизацией тока дуги и управлением из компьютера. Однако параметры электрической дуги задавались с помощью переключателей на передней панели генератора. Один из этих генераторов все еще продолжает работать на предприятии в составе модернизированного квантометра МФС‑8.
Но время и технологии не стоят на месте, и на смену старым приборам приходят новые, более совершенные. Таким приобретением для Центральной заводской лаборатории ПАО «НЗХК» стал спектрометр «Экспресс», в состав которого входят универсальный генератор «Везувий‑3» и спектроаналитический штатив «Кристалл» [3]. Внешний вид спектрометра показан на рис. 1. Он создан по оптической схеме Пашена – Рунге с неклассической отражательной вогнутой дифракционной решеткой с переменным шагом и криволинейными штрихами, благодаря чему появилась возможность достичь высокого разрешения с минимальной спектральной интерференцией в широком диапазоне длин волн. Спектры регистрируются анализатором МАЭС с двумя сборками по десять линеек фотодиодов [4].
Благодаря широкому рабочему спектральному диапазону 195–540 нм спектрометр позволяет выполнять анализ и работу с теми спектральными линиями, которые раньше были не доступны. Использование неклассической дифракционной решетки с большой площадью заштрихованной части обеспечило высокую светосилу прибора, что позволило уменьшить время базовой экспозиции до 100 мс с соответствующим увеличением количества накоплений спектров, и увеличило динамический диапазон регистрируемых спектров.
Закись-окись урана – основная продукция, которая анализируется на спектрометре. К пробе массой 1 г добавляют 50 мг внутреннего стандарта, состоящего из оксидов кобальта и индия, которые при дальнейших измерениях дают линии сравнения для ряда элементов. В него также входит фторид натрия, который помогает «сдерживать» спектр урана во время экспозиции и дает возможность измерить интенсивность других элементов.
Для построения градуировочных графиков используется комплект стандартных образцов закиси-окиси урана ГСО 7678–99, в состав которого входят шесть образцов, изготовленных Уральским федеральным университетом имени первого Президента России Б. Н. Ельцина.
Возбуждение спектров эмиссии анализируемых веществ осуществляется универсальным генератором электрического разряда «Везувий‑3», который входит в состав спектрометра «Экспресс». Этот генератор обладает широким набором параметров электрического разряда (длительность и величина импульсов тока, изменение параметров разряда в процессе одной экспозиции и др.) с возможностью их задания из компьютера.
Программа «Атом 3.3» позволяет записывать последовательность спектров в течение экспозиции (кривые выгорания), что дает возможность выбрать оптимальный режим для анализа с учетом фракционного поступления элементов из кратера угольного электрода с пробой. Параметры выбранного в ходе ряда экспериментов режима, который позволил получить наилучшие метрологические характеристики результатов анализа, приведены на рис. 2. При установке нулевой паузы между токовыми импульсами в генераторе отсутствует импульс поджига при переключении полярности тока, что способствует уменьшению интенсивности линий основы в регистрируемом спектре.
Сложность анализа проб с основой, имеющей богатый спектр эмиссии, состоит в спектральных наложениях линий основы на аналитические линии определяемых элементов. В нашем случае основу проб составляет уран, а также кобальт, входящий в состав внутреннего стандарта согласно ранее в ОСТ 95 959-2003, а затем и в СТК‑32–2013 «Уран, его соединения и сплавы. Спектральная атомно-эмиссионная методика измерения содержания примесей». Возможность измерения интенсивности линий определяемых элементов с учетом спектральных наложений реализована в программе «Атом 3.3».
На рис. 3 приведен пример способа компенсации влияния кобальта на линию кадмия путем соответствующих установок в окне «Настройки анализа».
На следующих рисунках градуировочный график для линии Cd I 228,8022 нм без коррекции спектрального наложения приведен на рис. 4а, а с коррекцией – на рис. 4б.
В ходе набора статистических данных с помощью ГСО 7678-99, используемых для построения графика, и ГСО 7679-99 – для контроля правильности, для таких элементов как B, Cd, Мо, Pb, Sn было установлено, что оптимальным режимом измерения является использование кривых выгорания для вычисления интенсивностей способом «старт+накопление», который устанавливается в окне «Настройки анализа» (рис. 5).
Благодаря спектроаналитическому штативу «Кристалл», в комплект которого входят три сменных держателя электродов для установки проб, появилась возможность анализа не только порошковых проб из канала графитового электрода, но и металлических образцов произвольной формы весом до двух килограмм. Наличие в программе «Атом 3.3» баз данных сплавов и образцов сравнения упрощает и ускоряет идентификацию неизвестного образца.
В заключение отметим, что с помощью спектрометра «Экспресс» с универсальным генератором «Везувий‑3», спектроаналитическим штативом «Кристалл» и программным обеспечением «Атом 3.3» мы полностью справляемся с задачами аналитического контроля урановой продукции, стоящими перед Центральной заводской лабораторией, а также с другими вопросами, возникающими в процессе непрерывной работы лаборатории.
В перспективе планируется набрать статистический материал на пробах с уменьшенным количеством оксида кобальта с дальнейшей обработкой полученных результатов и присвоением метрологических характеристик, соответствующих скорректированной методике.
Литература
Путьмаков А. Н., Попов В. И., Лабусов В. А., Борисов А. В.
Новые возможности модернизированных спектральных приборов. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007;73(S):26–28.
Гаранин В. Г., Неклюдов О. А., Петроченко Д. В., Семёнов З. В., Панкратов С. В., Ващенко П. В. Программное обеспечение атомного спектрального анализа «Атом». Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2019;85(1(II)):103–111. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-1-II‑103-111.
Лабусов В. А., Гаранин В. Г., Зарубин И. А. Новые спектральные комплексы на основе анализаторов МАЭС. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017;83(1-II):15–20. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2018-83-1-II‑15-20.
Лабусов В. А. Многокристальные сборки многоканальных анализаторов атомно-эмиссионных спектров. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2007;73(S):13–17.
Лабусов В. А., Гаранин В. Г., Шелпакова И. Р. Многоканальные анализаторы атомно-эмиссионных спектров. Современное состояние и аналитические возможности. Журнал аналитической химии. 2012;67(7):697–707. https://doi.org/10.1134/S1061934812070040.
Боровиков В. М., Петроченко Д. В., Путьмаков А.Н, Селюнин Д. О. Универсальный генератор «Везувий‑3». Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012;78(1–2):62–66.
Путьмаков А. Н., Печуркин В. И., Попков В. А., Селюнин Д. О. Универсальный спектроаналитический штатив «Кристалл». Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012;78(1–2):66–68.
Попов В. И. Оборудование для атомно-эмиссионного анализа – основное направление деятельности «ВМК-Оптоэлектроника». Аналитика и контроль. 2005;9(2):99–103.
Панкратов С. В., Лабусов В. А., Неклюдов О. А., Ващенко П. В. Автоматическая градуировка спектрометров с анализаторами МАЭС по длинам волн
(профилирование). Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015;81(1–2):128–134.
Домбровская М. А., Лисиенко Д. Г., Кубрина Е. Д. Создание методик определения содержания основных компонентов в реактивах, используемых для синтеза стандартных образцов состава. Стандартные образцы. 2017;13(2):27–36.
Зарубин И. А., Лабусов В. А., Бокк Д. Н. Оптимальная система освещения входной щели многоканальных спектрометров «Гранд» и «Экспресс». Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2015;81(1–2):114–116.
References
Putmakov A. N., Popov V. I., Labusov V. A., Borisov A. V. New possibilities of modernized spectral instruments. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2007;73(S):26–28. [in Russian].
Garanin V. G., Neklyudov O. A., Petrochenko D. V., Semenov Z. V., Pankratov S. V., Vashchenko P. V. Atom software for atomic spectral analysis. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2019;85(1(II)):103–111. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2019-85-1-II‑103-111 [in Russian].
Labusov V. A., Garanin V. G., Zarubin I. A. New Spectral Complexes Based on MAES Analyzers. Inorganic Materials. 2018;54(14):1443–1448. https://doi.org/10.1134/S0020168518140133.
Labusov V. A. Multichip assemblies of multichannel analyzers of atomic emission spectra. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2007;73(S):13–17. [in Russian].
Labusov V. A., Garanin V. G., and Shelpakova I. R. Multichannel Analyzers of Atomic Emission Spectra: Current State and Analytical Potentials. Journal of analytical chemistry. 2012;67(7):632–641. https://doi.org/10.1134/S1061934812070040.
Borovikov V. M., Petrochenko D. V., Putmakov A. N., Selyunin D. O. Vesuvius‑3 universal generation. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2012;78(1–2):62–66. [in Russian].
Putmakov A. N., Pechurkin V. I., Popkov V. A., Selyunin D. O. Universal spectroanalytical holder Crystal. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2012;78(1–2):66–68. [in Russian].
Popov V. I. Atomic-emission spectrometry equipment as the main activities direction of VMK-Optoelektronika. Analytics and control. 2005;9(2):99–103. [in Russian].
Pankratov S. V., Labusov V. A., Nekludov O. A., Vaschenko P. V. Automatic wavelength calibration of the spectrometers with MAES analyzers (profiling). Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2015;81(1–2):128–134. [in Russian].
Dombrovskaya M. A., Lisienko D. G., Kubrina E.D. Creating procedures for determining the content of main components in reagents used for synthesizing certified reference materials for composition. Standard samples. 2017;13(2):27–36. [in Russian].
Zarubin I. A., Labusov V. A., Bock D. N. Optimum system for illuminating the entrance slit of Grand and Ekspress multichannel spectrometers. Industrial laboratory. Diagnostics of materials. 2015;81(1–2):114–116. [in Russian].
Статья получена 12.01.2022
Принята к публикации 12.02.2022