DD200351A1

DD200351A1 - Plasmabrenner fuer spektroskopische untersuchungen

Info

Publication number: DD200351A1
Application number: DD23382881A
Authority: DD
Inventors: Dieter Rudolph
Original assignee: Dieter Rudolph
Priority date: 1981-10-02
Filing date: 1981-10-02
Publication date: 1983-04-20

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner fuer spektroskopische Untersuchungen, mit dem ein Gleichstromplasma erzeugt wird, in das Aerosole, Gase oder verdampfbare Fluessigkeiten organischen und anorganischen Ursprungs eingebracht werden. Ziel der Erfindung ist es, die emissionsspektroskopische Untersuchung von Stoffen zu verbessern. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Plasmastrahl waehrend der Probeeinbringung zu fixieren, ein Ausweichen der Probeteilchen gegenueber dem Plasmastrahl zu verhindern, sowie ihre Verweilzeit im Plasma und die Laenge der stabilen Plasmasaeule zu erhoehen. Der in Figur 1 dargestellte erfindungsgemaesse Plasmabrenner besitzt einen aus Messingkuehlscheiben gebildeten Anodenraum, der nach innen von zwei oder drei uebereinander angeordneten Einblasscheiben und einer Fokussierungsduese abgeschlossen ist, einen aus Messingkuehlscheiben gebildeten Katodenraum, der nach innen eine Ausstroemduese abschiesst, und einem dazwischen befindlichen Stabilidierungsteil mit Stabilisierungsduese, deren Entfernung von der Fokussierungsduese so gross ist, dass der Fokus des Plasmas naeher an der Stabilisierungsduese liegt. Der Plasmaabrenner kann in der spektrochemischen Spurenanalytik als Lichtquelle angewendet werden.

Description

Titel der.Erfindung

Plasmabrenner für spektroskopische

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner zur Erzeugung eines Plasmastraiiis auf Gleichstrombasis, in den Aerosole_s Gase oder verdampfbar-e Flüssigkeiten organischen und anorganischen Ursprungs sum Zv/ecke: der spektrochemischen Analyse eingebracht werden«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für spektroskopische Untersuchungen, insbesondere zur Emissionsspektralanalyse werden Plasmabrenner auf Gleichstr-ombasis mit Erfolg eingeoetzt. Dabei ist es e-rf order- . lieh, ein Plasma hoher Temperatur und von guter Stabilität zu erreichen, in das sich die Probe reproduzierbar und verunreinigungsfrei einbringen' läßt* Die große Ströiaurigssteifh'eit. des Plasmas wirkt besonders bei hohen Temperaturen' einer günstigen Probeoinbringung entgegen. ;

· Es ist bekannt, daß die Probe in einen abgeschlossenen. Raum swiücnen Anode und Katode gesprüht werden kann, und das Plasma durch eins Düsenöffnung· nach außen brennt. Eine solche Anordnung wnvde von Kran;; (2_e Kranz* Emicsiono-Spektroskopie. Akadfimievo.vlagy Berlin 1964, 3« 160) fur

spektroskpische Untersuchungen vorgeschlagen* Für eine genügende Höhe der für spektroskopieche Zwecke nutzbaren Plasmasäule sind jedoch bei 'dieser Konstruktion relativ hohe Gasdurchflüsse (5-10 l/min) erforderlich. Das führt zu' geringen Verweilzeiten der Teilchen im Bogenplasma und beeinflußt das Hachweisvermögen ungünstig. Außerdem ist bekannt (T)E-OS 1 614.801), daß einem zwischen AnodB und Rohrkatode senkrecht brennenden und durch wassergekühlte Scheiben stabilisierten Plasmastrahl die Probe über einen der Rohrkatode übergestülpten und mit einer Ausströmdüoe versehenen Dosierkopf aufgegeben werden kann«, Bei dieser Anordnung treten hohe Verschleißerscheinungen an der Rohrkatode auf. Außerdem wird dein Plasmastrahl die .Probe von außen aufgezwungen, sodaß sie nur teilweise in den heißen Plasmak'ern gelangt, wo die besten Anregungsbedingungen vorhanden sind.

Die verunreinigungsfreie, verschleißfreie und dabei reproduzierbare Probeneinbringung ist am günstigsten dadurch gelöst, daß die Probe tangential durch einen der Plaamaströmung entgegengerichteten Ringspalt der Plasmasäule aufgezwungen wird (DDR-PS 48060)'. Von Nachteil für ein gutes Emissionsvermögen ist jedoch dabei, daß die tangentiale Proben einführung zu einer Zentrifugalbewegung der Probeteilchen führt, die sich dadurch in die äußeren.Plasmazonen bewegen und den heißen Plasmakern meiden.

Außerdem ist bekannt, daß die Probe durch Anströmen eines zwischen Anode und Katode in einem spitzen Winkel brennenden Plasmas, das die Form eines umgekehrten V besitzt,' eingebracht werden kann CUS-PS 4009413}.. Da am Treffpunkt der ionisierten Gase unterschiedlicher Polarität die Probe auf» trifi'.t 'V tritt..dort. ein Destabili.si.erüngsef f e.kt · d/es Plasmas, durch Auseinandertreten oder '7/andern der 'Reaictionszone auf.

Dieser Mangel wird durch Einführen einer dritten Elektrode mit Bildung eines Y-förmigen Plasmas überwunden (US-PS 4Ϊ4795ΤΚ Für eine solche Anordnung, sind zwei getrennte-Spannungsquollen und mindestens vier Gasströme erforderlich»

Die Anregungszone ist hierbei iedoch sehr klein, sodaß ein spezielles Echelle-Gitter-Spektrometer verwendet werden muß, um diesen Nachteil zu kompensieren.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die emissionsspektroskopische Untersuchung von Stoffen mittels eines Gleichstromplasmas im Sinne eines höheren Anregungsvermögens, einer besseren plasiaastabilität und einer guten Anpassungsfähigkeit an übliche Spektrometersysteme zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

- Die technische Ausgabe

Demgemäß besteht die technische Aufgabe der Erfindung darin, einen Plasmabrenner zn schaffen, der eine Ortsveränderung des Plasmastrahls während der Probeneinbringung und ein Ausweichen der Probeteilchen in die kälteren Plasmarandzonen wirksam verhindert, eine möglichst lange Verweilzeit der Probeteilchen im Plasma bewirkt und eine für übliche Spektrometer ausreichende Höhe der optisch nutzbaren -Plasmasäule garantiert»

- Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die nachstehend beschriebene Gestaltung des Plasmabrenners gelöat« Der.Plasmabrenner wird nach dem Baukastenprinsip' aus wenigen Bauteilen zusammengestellte In wassergekühlten,'' voneinander .durch. Isolierscheibe!!, die. vorzugsweise, aus P_olyte.t;ra_;~. flouräthylen bestehen, elektrisch- getrennten Messingkühlringen gleicher Bauart werden vertikal Kupferanode, Ausströmoder Stabilisierungsdüsen und Kohle- oder Wolframkatode verstellbar angeordnet* Die Einstellbarkeit des Anoden-Katodeii-Abstarides sowie dor. Lage der Stabilisierungsdüsen sichert.eine optimale Anpassung der Plaemaparameter an

die Gasdurchflußraten des Probegabesystems und die Abbildunga- und Intensitätserfordernisse des verwendeten SpektrometersystemSa Anoden- und Katodenraum werden ebenfalls durch Aufsetzen, der oben beschriebenen Messingkühlscheiben gebildet* Die Plasmagas·- und Probenzuführung erfolgt zwischen Anodenraum und Stabilisierungsscheibe durch zwei oder drei„ übereinander angeordnete, luftgekühlte Messingeinblasscheiben mit tangentialer Gaseinspeisung über einen gegen die Plasmaströmung gerichteten Ringspalt, Der Durchmesser der Mitte!bohrung dieser Scheiben muß mindestens so groß sein, daß die Kupferzündsonde, die durch die mit einer Mittelbohrung versehenen Kupferanode geführt wird, noch hindurchgleiten kann« Um die für eine störungsfreie Plasmaströmung notwendigen, laminaren Strömungsverhältnisse zu garantieren, beträgt; der Durchmesser der Mittelbohrung der. dem Anodenraum zugewandten Einblasscheibe in Abhängigkeit: vom Gasdurchsatz des verwendeten Probegabesystems 2 — 5 BMo Die zweite- und dritte: Einblasscheibe ist analog aufgebaut, besitzt jedoch gegenüber der vorhergehenden eine erweiterte Mittelbohrung,, Über diese Scheiben können v/eitere' Gasströme zugeführt, werden» Auf die zweite bzw, dritte Einblasscheibe wird ein luftgekühltes Düsenelement aufgesetzt, das eine über ein Gewinde auswechselbare Ausströmdüse aufnehmen kann, die das Plasma hydrodynamisch fokussiert«» Die sur optischen Abbildung vorgesehene Plasmazone beginnt unmittelbar über der Ausströmdüse. Die abbildbare Plasmazone wird von einer Stabilisierungsdüse begrenzt, die über ein Gewinde in einer wassergekühlten Messingscheibe verstellbar angebracht ist. Die Entfernung der Stabilisierungsdüse von der Fokus si erujigsdüee wird so eingestellt , daß', der Fokus' näher' an der- Stabilisierungsdüse liegt« Die Stabilisierungsdüse sichert, daß Schwankungen, die aus dem Abströmen der Plasmaflamme resultieren), die optisch abgebildete Plasmazone möglichst wenig beeinflußt und hält das Plasma'lagestabil. Der Abstand.zwischen Stabilislerufigsdüse und Katodenraum ist in Abhängigkeit von der Gasdurchflußrate so bemessen,

daß ein ungestörtes radiales Abströmen des Plasmas ermöglicht wird. Er muß mindestens die Hälfte des Abstandes zwischen Fokussierungsdüse und Stabilisierungsdüee betragen. Der Katodenraum ist aus mehreren wassergekühlten Messingscheiben zusammengesetzt, in denen über ein Gewinde verstellbar die Kohle™ oder Wolfrainkatode und eine Ausströmdüse zur Begrenzung der über einen eingeschobenen Zwischenring vorgenommenen Argonspülung angebracht; sind. Die Argonspülung verhindert einen Katodenabbrand und damit eine unbeabsichtigte Änderung des Anoden - Katoden - Abstandes während des Betriebes.

Für eine Funktion des Plasmabrenners ist ein Gleichstrom von 3 -15 A bei einer Ausgangsspannung von mindestens 380 V, vorzugsweise 500 V, erforderlich. Die über die Einblasscheiben eingebrachten Gasdurchflüsse liegen bei 0,5-4 l/min. Als Plasmagas kann technisches Argon verwendet werden» Die Zündung des Plasmas erfolgt dadurch, daß einer Kupfersonde durch die gelochte Kupferanode· bis zur Katode geführt und dann wieder zurückgezogen wird. Die Probe wird dem Plasma in Gas-, Dampf- oder Aerosolform vorzugsweise an der Stelle der stärksten Einschnürung, d.h.- über die dem Anodenraum zugewandten Einblaoscheib© aufgegeben. Auch hohe In;jektionsraten im Bereich von 1 ml/min können realisiert werden, ohne daß das Plasma instabil brennt oder löscht. Der über die zweite Einblas-.scheibe eintretende Gasstrom führt zu einem Einschnüren der Plasmasäule und damit zu einer Temperaturerhöhung im Plasmainneren. Die Probe wird in diesem aufgeheizten Kern mitgeführt. Sie befindet sich damit in einem Bereich günstigster Anregungsbedingungen. Werden Aerosole organischer Flüssigkeiten, verwendet oder organische.Stoffe über ·... einen Verdampfer zugeführt, empfiehlt sich die Anwendung einer dritten Einblasscheibe, über die ein .zusätzlicher Gasstrom zugeführt wird. Die aus einem konischen und einem zylindrischen Teil bestehende Fokussionsdüse fokussiert den Piasinastrahl und bewirkt, eine weitere Aufheizung. Der Kühlgasatrom verhindert die Korrosion·der Fokussierungsdüse und garantiert so die Verschjiiutzungsfreiheit de3 Plasmas.

Der Durchmesser der Stabilisierungßdüse entspricht dem der Fokussierungsdüse. Beobachtet man das Plasma durch ein Kobaltglas, so kann die günstige Lage der Stabilisierungsdüse dadurch ermittelt v/erden, daß man sie.so verstellt, daß die Spitse des heißen Plasmakerns gerade darin verschwindet« Man erhält so je nach Strömungsbedingungen und der im Plasma untergebrachten Energiemenge eine optisch nutzbare Plasmasäule zwischen 1.0 und 50 mm«

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen erläutert werden© In Figur 1 ist ein Längsschnitt der Vor— riehinmg; dargestellt. Der Anodenraum 11 wird durch zwei wassergekühlte Messingscheiben 1 mit einem innneren Durchmesser von 15'mm und einem Außendurchmesser von25 mm gebildet, in die die mit einer Mittelbohrung von 1,5 mm Durchmesser versehene, oben konisch zulaufende Kupferanode über ein Gewinde eingeschraubt wird. Die Wasserkühlung erfolgt über das Zuleitungsrohr 15 durch einen inneren Ringraum 16. Für die Wasserkühlung wird . destilliertes V/aoser einer Tem·= peratur von 30 C verwendet, das durch einen Thermostaten geliefert wird und nacheinander von unten nach oben die Messingkühlscheiben durchströmt. Die Verbindung zwischen den Messingkühlscheiben 1 wird durch PVC-Schläuche hergestellt* Die elektrische Trennung zwischen den Messingkühlscheiben 1 wird durch 3 mm dicke Tsolationsscheiben 2 aus Polytetraflourethylen gebildet_s die am Rand Aufkantungen besitzen und s£ ein seitliches Verschieben der Konstruktion . verhind fern und . der.. er ford erl.ich en Z ent ri erung'. der' -gesamt en ., Konstraktion dienen« Auf. den Anodenraum ist die luftgekühlte Messingeinblasseheibe 3 aufgesetzt. Der Durchmesser ihrer Mittelbohrung beträgt 3 rom. Die Probe wird als Aerosol bzw. in Dampf», oder.Gasform zusammen mit einem Trägergasstrom aus technischem Argon tangential in den Ringraum 14 über den gegen die Plasmastrb'mung gerichteten Ringspalt ins Plasma eingespeist» Der Durchmesser der- Elnblasscheioen 3?

4a und der luftgekühlten Messingoinblasscheiben 5 von 100 mm und die Anzahl und die Fläche der Kühlrippen sind so bemessen, daß unter den üblichen Betriebsbedingungen Temperaturen von 150 - 250 ⁰C an den Scheiben realisiert v/erden, die sum einen eine Verschmutzung des Plasmas mit dem Konstruktionsmaterial verhindern und zum anderen eine Kondensation von Probegut im Ringraum der Einblasscheibe weitgehend vermeiden. Über die luftgekühlte Messingein« blasBcheibe 4a wird ein v/eiterer Argonstrom oder auch ein anderer Kühlgasstrom auf die oben beschriebene Weise zugeführt. Der.Durchmesser der Mittelbohrung der Messingeinblasscheibe. 4a beträgt 5 mm. In die aufgesetzte Messingkühlscheibe 5 ist über ein Gewinde die Pokussierungsdüse aus Kupfer eingesetzt. Die Plasmazone oberhalb der Fo=- kussierungsdüse 6 bis zur Stabilisierungsdüse 7 ist. optisch nutzbar: und wird auf dem Eingangsspalt des Monochromators abgebildet. Sowohl die Stabilisierungsdüse 7» wie auch der gesamte Katodenraum 13 wird von den oben beschriebenen Meseingkühlscheiben 1, die durch Isolierringe 2 elektrisch getrennt sind* gebildet. Der Katodenraum 13 nimmt die in einem Kupfermantel über ein Gewinde verstellbare Kohlekatode 10 und die einschraubbare Ausströmdüse 8 auf» Er wird über den Zwischenring 17 mit einem geringen Argonstrom (30 l/h)"; bespült, um einen Kohleabbrabd zu verhindern» Die Zündung des Plasmas erfolgt nach.Einstellen der Argongasströme (jeweils 60 l/h) durch die Einblasscheiben 3, 4a, indem eine Kupfersonde durch die gelochte Kupferanode bis zur Kohlekatode geschoben und zurückgezogen wird* Es bildet sich ein 25 mm langer stabiler Plasmastrahl mit . einem heißen Kern.b.ei einer Stromstärke zwischen 4 und ΙΟ AV Um ein ruhiges radiales Abströmen zu ermöglichen,' wird zwischen Stabilisierungsteil 12 und der Ausströmdüse des Katodenrauraes 13 ein Abstand von 15 mm gehalten.

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Ausführungsbeispiel 2

In Figur 2 ist ein Längsschnitt der Vorrichtung; dargestellt. Der Anodenraum 11, das Stabilisierungsteil 12 und der Katodenrauni 13 sind, wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben_s aufgebaiit₀ Auf den Anodenraum sind aufeinanderfolgend die drei Messingeinblaescheiben 3» 4a und 4b aufgesetzt» Der Durchmesser der Mittelbohrung der Messingeinblasscheibe 3 beträgt. 3 ma. Durch sie wird ein Trägergasstrom aus technischem Argon geleitet;, der Wasser in Dampf-= oder Aerosolform enthält,» Die Probe, die auch organischen Ursprungs sein kann, wird über die Messingeinblasscheibe 4a zusaimnen mit einem weiteren Argonträgergasstrom zugegebene Der Durchmesser der Mittelbohrung: der Messingeinblasscheibe 4a beträgt, 5 mm_e Der Kühlgasstroin aus technischem Argon oder Stickstoff wird durch die Messingeinblasscheibe 4b eingeleitet» Ihre Mittelbohrung weist einen Durchmesser von 7 mm auf. Wie im Auefülirungsbeispiel 1 wird die oberste Messingeinblasscheibe von einer Messingkühlscheibe 5 abgeschlossen, in die über ein Gewinde die FokussienmgsdüsB β aus Kupfer eingesetzt ist_o

Eine solche Anordnung ermöglicht einen reibungslosen Betrieb bei der Untersuchung organischer Proben« In Verbindung mit einer Spurenanreicherung durch Extraktion ist das von besonderem Vorteil. Im Strömungskanal des Plasmas verbleiben keine organischen Rückstände_c

Claims

Erfindungsanspruch

£-ui-i.-^iAU Cj

Gleichstrombasis rait einem Anodenraum, einem Katodenraum und einem Stabilisierungsteil sowie zwischen den Elektroden befindlicher tangcntialer Gaszuführung über einen gegen die Plasmaströmung gerichteten Ringspalt_s gekennzeichnet dadurch, daß der aus Messingkühlscheiben (1) gebildete Anodenraum (11) nach außen von der Anode (9) und nach innen von zwei oder drei übereinander angeordneten Einblasscheiben (3»4a;4b)' und einer Fokussierungsdüse (6) abgeschlossen ist_s die Einblasscheiben (3;4a;4b)₅ vom Anodenraum (11) beginnend, immer größere Mittelbohrungen aufweisen, die Bohrung der Fokussierungsdüse (6) von einem konischen in einen zylindrischen Teil übergeht, der Katodenraum (13) aus Messingkühlscheinen (1) gebildet wird, nach außen durch eine Katode (10) und nach innen durch eine Ausströmdüse (8) verschlossen ist, zwischen Anodenraum (11) und Katodenraum (13)' das Stabiliaierungsteil (12) mit einer Stabilisierungsdüse (7) angeordnet ist, und die Stabilisierungsdüse (7) von der Pokuesierungsdüse (6) eine solche Entfernung aufweist, daß der Fokus des Plasmas näher an der Stabilisierungsdüse (7) liegt.

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