Расширение динамического диапазона анализаторов МАЭС на основе линеек фотодетекторов БЛПП-2000 и БЛПП-4000

Abstract

Одно из направлений развития метода атомно-эмиссионного спектрального анализа с источниками возбуждения спектров, имеющими низкую интенсивность уровня спектрального фона, таких как индуктивно связанная или микроволновая плазма, является увеличение динамического диапазона систем регистрации спектров на основе линеек фотодетекторов. Для достижения низких пределов обнаружения необходимо использовать линейки с малым значением СКО шума чтения. Динамический диапазон одиночного чтения таких линеек фотодетекторов обычно не превышает четырех порядков. Увеличение динамического диапазона за счет многократной регистрации и накопления спектров приводит к квадратичному росту времени измерения. Такой способ не позволяет перекрыть весь динамический диапазон интенсивностей спектральных линий индуктивно связанной и микроволновой плазмы, который может достигать 7 порядков, при сохранении приемлемого полного времени регистрации спектра образца. В качестве альтернативы предложено увеличение динамического диапазона в сторону регистрации бόльших интенсивностей линий за счёт регистрации спектров в течение времени измерения с попеременным чередованием накоплений двух различных продолжительностей. Цель работы - внедрение предложенного режима в анализаторы МАЭС с линейками фотодетекторов БЛПП-2000 и БЛПП-4000 для увеличения динамического диапазона регистрируемых спектральных линий. В работе получены формулы зависимости отношения сигнал-шум и динамического диапазона регистрации спектральных линий в интегральной атомно-эмиссионной спектрометрии в зависимости от продолжительности накопления, полного времени измерения, уровня спектрального фона и параметров линеек. Теоретически показано, что применение режима регистрации с чередованием накоплений различной продолжительности должно увеличить динамический диапазон измерения линеек фотодетекторов БЛПП-2000 и БЛПП-4000 на два порядка. Экспериментально показано увеличение динамического диапазона измерения интенсивности спектральных линий лампы полого катода на два порядка до 5 порядков величины.

One trend in the development of integral atomic emission spectral analysis with low spectral background excitation sources, such as inductively coupled or microwave plasma, is to increase the dynamic range of spectrum recording systems based on photodetector arrays. To achieve low detection limits, it is necessary to use photodetector arrays with low reading noise. The dynamic range of a single readout of such photodetector arrays usually does not exceed four orders of magnitude. The dynamic range increase due to the accumulation of spectra from multiple acquisition leads to a quadratic increase in the measurement time. This method does not allow one to cover the entire dynamic range of spectral line intensities of inductively coupled or microwave plasma (which can reach seven orders of magnitude) while maintaining an acceptable total measurement time of a sample spectrum. As an alternative, it is proposed to increase the dynamic range toward higher line intensities by using two different alternating accumulation times during measurement. The objective of this study is to implement the proposed recording mode in MAES analyzers based on BLPP-2000 and BLPP-4000 photodetector arrays in order to increase the dynamic range of recorded spectral lines. Dependences of the signal-to-noise ratio and the dynamic range of spectral lines recorded in integral atomic emission spectrometry on the accumulation time, the total measurement time, the spectral background level, and the photodetector array parameters are obtained. It is shown theoretically that the use of the recording mode with alternating different accumulation times should increase the dynamic range of BLPP-2000 and BLPP-4000 photodetector arrays by two orders of magnitude. The dynamic range of spectral line intensities of a hollow-cathode lamp is shown experimentally to increase by two orders of magnitude (to five orders of magnitude).