РАСШИРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА АНАЛИЗАТОРОВ МАЭС НА ОСНОВЕ ЛИНЕЕК ФОТОДЕТЕКТОРОВ БЛПП-2000 И БЛПП-4000

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).Keywords: atomic emission spectrometry, inductively coupled plasma, microwave plasma, spectrum analyzer, MAES, photodetector arrays, extended dynamic range, alternating exposure DOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2021.25.4.011Sergey A. Babin1,2, Vladimir A. Labusov1,2,3, Denis O. Selyunin1,2, and Oleg V. Pelipasov1,21Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, pr. Akademika Koptyuga, 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation2VMK-Optoelektronika, pr. Akademika Koptyuga, 1, Novosibirsk, 630090,Russian Federation3Novosibirsk State Technical University, pr. K. Marksa, 20, Novosibirsk,630073, Russian FederationОдно 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.Ключевые слова: атомно-эмиссионная спектрометрия, индуктивно-связанная плазма, микроволновая плазма, анализатор спектров, МАЭС, линейки фотодетекторов, расширенный динамический диапазон, чередование времён экспозицийDOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2021.25.4.01

АТОМНО-АБСОРБЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР «КОЛИБРИ-ААС» ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА

A desktop continuum source electrothermal atomic absorption spectrometer for the simultaneous multielement determination was developed based on a “Kolibri-2” polychromator and a MAES multichannel spectrum analyzer with a photodetector linear array. The device provided rapid monitoring of absorption spectra in the wavelength range of 190–360 nm with a single exposure time of 5 ms and atomization pulses of 1–2 seconds. The high luminosity of the spectrometer made it possible to use a low-power deuterium lamp as a continuum source. The heat treatment and the atomization of the samples was carried out in a longitudinally heated tube furnace with programmable heating. The processing of the spectral data, including the recording of the absorption, subtraction of the spectral background, linearization of the dependence of absorption on the concentration of atomic vapor, and the construction of the calibration graphs was performed automatically using a modified “Atom” software algorithm. The analysis of the series of multielement solutions had shown that, despite the relatively low spectral resolution, the device allowed for the direct simultaneous determination of elements by resonance lines in a concentration range of up to 4 orders of magnitude. Furthermore, the detection limits of the elements were comparable to or lower than those for the sequential flame atomic absorption spectrometry or the inductively coupled plasma atomic emission analysis. The comparison of the results of direct determination of micro and macro components in water from the rivers of Gorny Altai and the Laboratory of Isotope-Geochemical Methods of Analysis of the Institute of Geology and Mineralogy (IGM), SB RAS confirmed the correctness of the analysis. At this stage of the development, “Kolibri-AAS” spectrometers could replace flame AAS instruments for the sequential determination of elements in solutions in analytical laboratories. In the future, as the atomization technique and software are improved, the spectrometer could be used to analyze solid and liquid organic and inorganic substances.Keywords: atomic absorption spectrometry, spectrometer, electrothermal atomizer, simultaneous multi-element analysis, continuum sourceDOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2018.22.4.002(Russian)S.S. Boldova1,2, *V.A. Labusov1,2,3, D.A. Katskov4, D.O. Selyunin1,2, M.S. Saushkin1,2, I.A. Zarubin1,2,3 and Z.V. Semenov1,21Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, pr. Akademika Koptyuga, 1, Novosibirsk,  630090, Russian Federation2VMK-Optoelektronika, pr. Akademika Koptyuga, 1, Novosibirsk, 630090, Russian Federation3Novosibirsk State Technical University, pr. K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russian Federation4 Tshwane University of Technology, Pretoria, 0001, South AfricaНастольный атомно-абсорбционный спектрометр с источником непрерывного спектра и электротермическим атомизатором для одновременного определения элементов сконструирован на базе полихроматора «Колибри-2» и многоканального анализатора спектров МАЭС с линейкой фотодетекторов. Прибор осуществляет быстрый мониторинг спектра поглощения в диапазоне длин волн 190-360 нм с временем однократной экспозиции 5 мс при 1-2 секундных импульсах атомизации пробы. Высокая светосила спектрометра позволяет использовать в качестве источника излучения непрерывного спектра дейтериевую лампу малой мощности. Термообработка и атомизация пробы проводятся в продольно нагреваемой трубчатой печи с программируемым нагревом. Обработка спектральных данных, включающая регистрацию абсорбции, учет спектрального фона, линеаризацию зависимости абсорбции от концентрации атомного пара и построение градуировочных графиков, производится автоматически с помощью модифицированной программы «Атом». На примере анализа серии многоэлементных растворов показано, что, несмотря на сравнительно низкое спектральное разрешение, прибор позволяет осуществлять прямое одновременное определение элементов по резонансным линиям в диапазоне концентраций до 4 порядков. При этом пределы обнаружения элементов оказываются сравнимыми или ниже аналогичных показателей для последовательного атомно-абсорбционного анализа с пламенной атомизацией или атомно-эмиссионного анализа с индуктивно связанной плазмой. Сопоставление результатов прямого определения микро- и макрокомпонентов в водах рек Горного Алтая с данными лаборатории изотопно-геохимических методов анализа Института геологии и минералогии СО РАН подтвердило правильность анализа. На данном этапе разработки спектрометр «Колибри-ААС» может заменить в аналитических лабораториях пламенные ААС приборы для последовательного определения элементов в растворах. В перспективе, по мере усовершенствования технологии атомизации и программного обеспечения, предполагается использовать спектрометр для анализа твердых и жидких органических и неорганических веществ.Ключевые слова: атомно-абсорбционная спектрометрия, спектрометр, электротермический атомизатор, одновременный многоэлементный анализ, источник непрерывного спектраDOI: http://dx.doi.org/10.15826/analitika.2018.22.4.00

Dynamic-range extension of MAES multichannel analyzers based on BLPP-2000 and BLPP‑4000 photodetector arrays

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)

Transverse-momentum-dependent Multiplicities of Charged Hadrons in Muon-Deuteron Deep Inelastic Scattering

A semi-inclusive measurement of charged hadron multiplicities in deep inelastic muon scattering off an isoscalar target was performed using data collected by the COMPASS Collaboration at CERN. The following kinematic domain is covered by the data: photon virtuality $Q^{2}>1$ (GeV/$c$)$^2$, invariant mass of the hadronic system $W > 5$ GeV/$c^2$, Bjorken scaling variable in the range $0.003 < x < 0.4$, fraction of the virtual photon energy carried by the hadron in the range $0.2 < z < 0.8$, square of the hadron transverse momentum with respect to the virtual photon direction in the range 0.02 (GeV/$c)^2 < P_{\rm{hT}}^{2} < 3$ (GeV/$c$)$^2$. The multiplicities are presented as a function of $P_{\rm{hT}}^{2}$ in three-dimensional bins of $x$, $Q^2$, $z$ and compared to previous semi-inclusive measurements. We explore the small-$P_{\rm{hT}}^{2}$ region, i.e. $P_{\rm{hT}}^{2} < 1$ (GeV/$c$)$^2$, where hadron transverse momenta are expected to arise from non-perturbative effects, and also the domain of larger $P_{\rm{hT}}^{2}$, where contributions from higher-order perturbative QCD are expected to dominate. The multiplicities are fitted using a single-exponential function at small $P_{\rm{hT}}^{2}$ to study the dependence of the average transverse momentum $\langle P_{\rm{hT}}^{2}\rangle$ on $x$, $Q^2$ and $z$. The power-law behaviour of the multiplicities at large $P_{\rm{hT}}^{2}$ is investigated using various functional forms. The fits describe the data reasonably well over the full measured range.Comment: 28 pages, 20 figure

Interplay among transversity induced asymmetries in hadron leptoproduction

In the fragmentation of a transversely polarized quark several left-right asymmetries are possible for the hadrons in the jet. When only one unpolarized hadron is selected, it exhibits an azimuthal modulation known as Collins effect. When a pair of oppositely charged hadrons is observed, three asymmetries can be considered, a di-hadron asymmetry and two single hadron asymmetries. In lepton deep inelastic scattering on transversely polarized nucleons all these asymmetries are coupled with the transversity distribution. From the high statistics COMPASS data on oppositely charged hadron-pair production we have investigated for the first time the dependence of these three asymmetries on the difference of the azimuthal angles of the two hadrons. The similarity of transversity induced single and di-hadron asymmetries is discussed. A new analysis of the data allows to establish quantitative relationships among them, providing for the first time strong experimental indication that the underlying fragmentation mechanisms are all driven by a common physical process.Comment: 6 figure

Longitudinal double spin asymmetries in single hadron quasi-real photoproduction at high pTp_T

We measured the longitudinal double spin asymmetries $A_{LL}$ for single hadron muo-production off protons and deuterons at photon virtuality $Q^2$ < 1(GeV/$\it c$)$^2$ for transverse hadron momenta $p_T$ in the range 0.7 GeV/$\it c$ to 4 GeV/$\it c$ . They were determined using COMPASS data taken with a polarised muon beam of 160 GeV/$\it c$ or 200 GeV/$\it c$ impinging on polarised $\mathrm{{}^6LiD}$ or $\mathrm{NH_3}$ targets. The experimental asymmetries are compared to next-to-leading order pQCD calculations, and are sensitive to the gluon polarisation $\Delta G$ inside the nucleon in the range of the nucleon momentum fraction carried by gluons $0.05 < x_g < 0.2$

The Spin Structure Function g1pg_1^{\rm p} of the Proton and a Test of the Bjorken Sum Rule

New results for the double spin asymmetry $A_1^{\rm p}$ and the proton longitudinal spin structure function $g_1^{\rm p}$ are presented. They were obtained by the COMPASS collaboration using polarised 200 GeV muons scattered off a longitudinally polarised NH$_3$ target. The data were collected in 2011 and complement those recorded in 2007 at 160\,GeV, in particular at lower values of $x$. They improve the statistical precision of $g_1^{\rm p}(x)$ by about a factor of two in the region $x\lesssim 0.02$. A next-to-leading order QCD fit to the $g_1$ world data is performed. It leads to a new determination of the quark spin contribution to the nucleon spin, $\Delta \Sigma$ ranging from 0.26 to 0.36, and to a re-evaluation of the first moment of $g_1^{\rm p}$. The uncertainty of $\Delta \Sigma$ is mostly due to the large uncertainty in the present determinations of the gluon helicity distribution. A new evaluation of the Bjorken sum rule based on the COMPASS results for the non-singlet structure function $g_1^{\rm NS}(x,Q^2)$ yields as ratio of the axial and vector coupling constants $|g_{\rm A}/g_{\rm V}| = 1.22 \pm 0.05~({\rm stat.}) \pm 0.10~({\rm syst.})$, which validates the sum rule to an accuracy of about 9\%.Comment: 19 pages, 8 figures and table

Interplay among transversity induced asymmetries in hadron leptoproduction

In the fragmentation of a transversely polarized quark several left-right asymmetries are possible for the hadrons in the jet. When only one unpolarized hadron is selected, it exhibits an azimuthal modulation known as Collins effect. When a pair of oppositely charged hadrons is observed, three asymmetries can be considered, a di-hadron asymmetry and two single hadron asymmetries. In lepton deep inelastic scattering on transversely polarized nucleons all these asymmetries are coupled with the transversity distribution. From the high statistics COMPASS data on oppositely charged hadron-pair production we have investigated for the first time the dependence of these three asymmetries on the difference of the azimuthal angles of the two hadrons. The similarity of transversity induced single and di-hadron asymmetries is discussed. A new analysis of the data allows to establish quantitative relationships among them, providing for the first time strong experimental indication that the underlying fragmentation mechanisms are all driven by a common physical process.Comment: 6 figure