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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Spektrometer
zur quantitativen Analyse und genauer auf Brennerglaswaren zum Gebrauch
mit induktiv gekoppelten plasmaoptischen Emissionsspektrometern.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
spektrometrische Analyse ist mit der präzisen Messung der Wechselwirkung
zwischen einer Probe (Analyt) und einer Energiequelle verknüpft, um die
chemische Zusammensetzung des vorher erwähnten Analyten zu bestimmen.
Techniken der spektrometrischen Analyse unterscheiden sich sowohl
im Zustand, in den ein Analyt vor dem Test gebracht wurde, als auch
in der Energieart, der der Analyt ausgesetzt wird. Jedoch beruhen
alle spektrometrischen Techniken darauf, eine Beziehung zwischen dem
energieabhängigen
Verhalten des Analyten und der Quantität und der Qualität seiner
Bestandteile herzustellen.
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In
der Emissionsspektrometrie wird der zu testende Analyt mit Energie
einer nicht strahlenden externen Energiequelle versorgt, normalerweise Wärme von
einer Plasmaflamme oder einem elektrischen Draht. Setzt man den
Analyten einer externen Energiequelle aus, absorbiert er Energie
und strahlt diese Energie typischerweise in Form von Photonen ab.
Die Menge und die Streuverteilung dieser abgestrahlten Photonen
wird dann mit einem lichtempfindlichen Spektrometer gemessen und
quantifiziert, da das Energieemissionsmuster eines Analyten spezifisch
zu den Bestandteilen dieses Analyten ist. Deshalb erlaubt dies eine
quantitative Analyse der elementaren Zusammensetzung des zu untersuchenden
Analyten.
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Das
induktiv gekoppelte plasmaoptische Emissionsspektrometer (ICP-OES)
gehört
zu einer Sorte von Plasmaspektrometern, die verschiedene Proben/Analytentypen
quantitativ analysieren kann, um deren elementare Zusammensetzung
zu bestimmen. Normale Probenquellen beinhalten Wasser, Pflanzen-
und Tiergewebe, geologische Proben und industrielle Proben. Plasmaspektrometer
benützen typischerweise
Hochfrequenz und einen Argonstrom in einem Brenner, um ein Plasma
zu erzeugen, dessen Temperatur 10000°C erreichen kann. Das heißt, Plasma,
das auf diese Weise erzeugt wird, sieht aus wie eine Flamme und
ist so heiß,
wie die Oberfläche der
Sonne. Ein Argonstrom trägt
dann ein Aerosol der Probe, die analysiert werden soll, in den Zentralkanal
des Plasmas. Sobald die Probe auf die heißeren Teile des Plasmas stößt, gehen
die Atome von ihrem Grundzustand in einen angeregten Zustand oder werden
ionisiert, eine Situation, in der einige der Elektronen der Probe
an der äußeren Valenzschale abgestreift
werden. Schließlich
kehren die Elektronen in ihren Grundzustand zurück, und während dieses Wechsels des Energiezustandes
geben sie Licht mit einer charakteristischen Wellenlänge für jedes Element,
das in der Probe vorhanden ist, ab. Es ist dieses charakteristische
oder typische spektrale Lichtmuster, das verwendet wird, um die
Elemente zu identifizieren.
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In 1 wird eine äußere Röhre 10 eines traditionellen
ICP-OES-Brenners dargestellt. Die Röhre 10 ist typischerweise
am Ende offen und kann aus Quarz hergestellt sein. In der Nähe des offenen Endes
umfasst die Röhre 10 eine
im Wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche 12 und
eine im Wesentlichen zylindrische innere Oberfläche 14. Das Plasma,
das durch den Argonstrom im Brenner erzeugt wird, ist, wie vorher
beschrieben, extrem heiß. Es
ist deshalb notwendig, das heiße
Plasma von einem Kontakt mit der Röhre 10 abzuhalten.
Wenn das Plasma die Röhre 10 berührt, kann
die Röhre
zerstört werden
oder die Lebensdauer der Röhre 10 kann stark
reduziert werden. Um dies zu verhindern, wird ein Strom relativ
kalten Inertgases (dargestellt durch Pfeile 16) eingebracht.
Der Strom kalten Inertgases fließt im Allgemeinen radial innerhalb
der inneren Oberfläche 14,
wobei das heiße
Plasma innerhalb des Stroms kalten Gases eingeschlossen ist. So
wird durch dieses „Kissen" von kaltem Inertgas
das heiße Plasma
von einem Kontakt mit der Röhre 10 abgehalten.
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In
einem konventionellen ICP-OES mit radialer Beobachtung wird das
emittierte Licht von der Seite eines vertikal orientierten Plasmas
betrachtet und auf den Eingangsschlitz des Spektrometers fokussiert.
Bezugnehmend nun auf 2 erfordert
dies traditionell, dass das emittierte Licht durch die Seitenwände der äußeren Röhre 20 des
Brenners betrachtet werden kann. Man fand jedoch heraus, dass genauere
Ergebnisse erhalten werden können,
wenn ein Schlitz 22 eingefügt wird, der durch die Seitenwand
der Röhre 20 geht.
Der Schlitz 22 erstreckt sich typischerweise von dem offenen
Ende der Röhre 20 in
Längsrichtung
an der Seitenwand entlang, weit genug, dass der Eingangsschlitz
des Spektrometers nicht durch die Seitenwand abgedunkelt wird.
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Während dieses
Design genauere Ergebnisse liefert, entstehen dadurch neue Probleme.
Die Röhre 20 ist
immer noch definiert durch die im Wesentlichen zylindrische äußere Oberfläche 24 und eine
im Wesentlichen zylindrische innere Oberfläche 26 wobei ein Strom
relativ kalten Inertgases (angezeigt durch einen Pfeil 28),
der im Allgemeinen radial innerhalb der inneren Oberfläche 26 fließt, immer noch
eingebracht wird, um das heiße
Plasma von einem Kontakt mit der Röhre 20 abzuhalten.
Es wurde jedoch entdeckt, dass die Lebensdauer der Röhre 20 dadurch
stärker
verkürzt
wird, verglichen mit einer Röhre 10,
die keinen Schlitz enthält.
Insbesondere wurde entdeckt, dass, wenn eine Röhre 20, die einen Schlitz 22 enthält, benützt wird,
sich in der Nähe
des Schlitzes 22 die Verglasung auflöst, insbesondere entlang der
hinsichtlich des radial fließenden
kalten Inertgases stromabwärts
liegenden Seite des Schlitzes 22. Es wurde entdeckt, dass
dieses Problem durch die Unterbrechung des Flusses kalten Inertgases
durch den Schlitz verursacht wird. Genauer gesagt, da das Gas an
dem Schlitz 22 vorbei fließt, entkommt zumindest ein
Teil des Gases durch den Schlitz 22 (dargestellt durch
den Pfeil 30). Dieses entkommene Gas verursacht den Abbau
des „Kissens" aus kaltem Inertgas
und ein Teil des heißen Plasmas
kann die innere Oberfläche 26 der
Röhre 20 berühren (wie
durch den Pfeil 32 dargestellt). In extremeren Fällen, kann
das heiße
Plasma die Kante 34 des Schlitzes 22 stromabwärts hinsichtlich
des radial fließenden
kalten Inertgases (angezeigt durch den Pfeil 38) berühren oder
sogar insgesamt der Röhre 20 durch
den Schlitz 22 entkommen und die äußere Oberfläche 24 der Röhre 20 berühren. Dieser Kontakt
zwischen dem heißen
Plasma und der Röhre 20 kann
die Lebensspanne der Röhre
ernsthaft verkürzen.
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Was
benötigt
wird ist deshalb Brennerglasware zum Gebrauch mit induktiv gekoppelten
plasmaoptischen Emissionsspektrometern, die eine äußere Röhre und
einen Strom kalten Inertgases beinhaltet, der radial innerhalb von
deren innerer Oberfläche
entlang fließt,
so dass das kalte Inertgas ein „Kissen" zwischen der Röhre und dem heißen Plasma
innerhalb des Stroms des kalten Inertgases erzeugt, die einen Schlitz
beinhaltet, der zur Erzielung optimaler Ergebnisse durch die Seitenwand
der Röhre
hindurch reicht, welcher solchermaßen gestaltet ist, dass das „Kissen" aus kaltem Inertgas
nicht durch den Schlitz abgebaut wird und die eine Lebensdauer ähnlich zur
Lebensdauer einer Brennerglasware ohne Schlitz hat.
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Offenbarung
der Erfindung
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Demgemäss ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennerglasware zum
Gebrauch mit induktiv gekoppelten plasmaoptischen Emissionsspektrometern
bereitzustel len, welche eine äußere Röhre umfasst,
wobei Strom kalten Inertgases tangential innerhalb von deren innerer Oberfläche entlang
fließt,
so dass das kalte Inertgas ein „Kissen" zwischen der Röhre und dem heißen Plasma
innerhalb des Stroms kalten Inertgases erzeugt.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Brennerglasware
bereitzustellen, die die obigen Eigenschaften aufweist und die so
entworfen ist, dass das Kissen aus kaltem Inertgas nicht durch den
Schlitz abgebaut wird.
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Noch
eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Brennerglasware
bereitzustellen, die die obigen Eigenschaften aufweist und die eine Lebensdauer
aufweist ähnlich
zur Lebensdauer einer Brennerglasware ohne Schlitz.
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Diese
Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch Bereitstellung
einer Brennerglasware nach Ansprüch
1 gelöst.
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Die äußere Röhre beinhaltet
eine Seitenwand mit einem offenen Ende und einem dort hindurchragenden
Schlitz. Der Schlitz erstreckt sich in Längsrichtung entlang der Seitenwand,
ausgehend von ihrem offenen Ende, und wird zumindest teilweise von
der ersten Kante in Längsrichtung
und einer zweiten Kante in Längsrichtung
definiert. Die erste Kante in Längsrichtung
ist hin sichtlich der Kante in Längsrichtung
radial nach innen versetzt. Anders ausgedrückt, die Röhre beinhaltet einen festen
Mittelpunkt und der Abstand zwischen dem festen Mittelpunkt und
der ersten Kante in Längsrichtung
ist kleiner als der Abstand zwischen dem festen Mittelpunkt und
der zweiten Kante in Längsrichtung.
Vorzugsweise befindet sich die erste Kante in Längsrichtung hinsichtlich des
kalten Inertgases, das radial innerhalb der inneren Oberfläche der
Röhre fließt stromaufwärts zur
zweiten Kante in Längsrichtung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine solche Anordnung dadurch erreicht, dass ein Teil der Seitenwand
im Wesentlichen in zylindrischer Form ausgebildet wird und dass
ein Teil der Seitenwand in der Nähe
der ersten Kante nach innen gebogen wird. Weiterhin wird der Schlitz
vorzugsweise zumindest zum Teil durch eine axiale Kante definiert und
ein Teil der Seitenwand in der Nähe
der axialen Kante wird ebenfalls nach innen gebogen. Am meisten
bevorzugt ist eine gekrümmte
axiale Kante.
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Die
Erfindung und seine wesentlichen Merkmale und Vorteile werden durch
die folgende detaillierte Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen
offensichtlicher.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Vorderansicht der äußeren Röhre einer
Brennerglasware nach dem Stand der Technik zum Gebrauch mit induktiv
gekoppelten plasmaoptischen Emissionsspektrometern;
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2 ist
eine Vorderansicht der äußeren Röhre einer
anderen Brennerglasware nach dem Stand der Technik zum Gebrauch
mit induktiv gekoppelten plasmaoptischen Emissionsspektrometern, die
einen Schlitz beinhaltet, um ein optimales Resultat zu erreichen;
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3 ist
eine isometrische Seitenansicht der äußeren Röhre einer Brennerglasware zum
Gebrauch mit induktiv gekoppelten plasmaoptischen Emissionsspektrometern
gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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4 ist
eine Vorderansicht der äußeren Röhre der
Brennerglasware von 3.
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Genaue Beschreibung
der Erfindung
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Gemäß den 3 und 4 wird
eine äußere Röhre 100 eines
Brenners aus Glas zum Gebrauch mit induktiv gekoppelten plasmaoptischen Emissionsspektrometern
(ICP-OES) gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Die Röhre 100 wird durch
eine Seitenwand 102 definiert, die eine innere Oberfläche und
eine äußere Oberfläche 106 aufweist.
Die Seitenwand 102 der Röhre 100 hat, wie oben
diskutiert und wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, einen
Schlitz 108, der durch sie hindurch geht und sich vom offenen
Ende 110 der Röhre 100 in
Längsrichtung
bis zur Seitenwand 102 weit genug erstreckt, so dass der
Eingangsschlitz des Spektrometer (nicht gezeigt) nicht von der Seitenwand 102 verdeckt
wird. Der Schlitz wird auf zwei Seiten durch Kanten 112 in
Längsrichtung
definiert und auf einer dritten Seite gegenüber des offenen Endes 110 der Röhre 100 durch
eine axiale Kante 114. Die axiale Kante 114 kann
gekrümmt
(wie gezeigt in 3) oder gerade sein, oder irgendeine
von zahlreichen anderen Konfigurationen aufweisen, wie es aus dem Stand
der Technik bekannt ist.
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Ebenso
wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ein Strom aus relativ
kaltem Inertgas (dargestellt durch Pfeile 116) bereitgestellt.
Der Strom des kalten Inertgases fließt im Allgemeinen tangential
innerhalb der inneren Oberfläche 104 der Röhre 100,
wobei heißes
Plasma innerhalb des Stroms kalten Inertgases eingeschlossen ist.
Auf diese Weise wird das heiße
Plasma durch dieses „Kissen" kalten Inertgases
davon abgehalten, die Röhre 100 zu
berühren.
Da dieser Prozess aus dem Stand der Technik von ICP-OES gut bekannt
ist, wird er hier nicht ausführlich
beschrieben.
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Der
Schlitz 108 sollte weit genug sein, so dass der Eingangsschlitz
des Spektrometers (nicht gezeigt) nicht von der Seitenwand 102 verdeckt
wird. Jedoch sollte man verstehen, dass die Breite des Schlitzes 108 so
klein wie praktikabel sein sollte, um die Störungen des kalten Inertgases
zu minimieren, das im Allgemeinen radial innerhalb der inneren Oberfläche 104 der
Röhre 100 fließt.
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Wie
oben in Zusammenhang mit 2 diskutiert, in welcher eine
Röhre 20 nach
Art der Technik dargestellt ist, wurde entdeckt, dass die Röhre 20 durch
eine Unterbrechung im Fluss des kalten Inertgases, verursacht durch
den Schlitz 22, verschleißt, wenn die Röh re 20 im
Wesentlichen durch eine zylindrische äußere Oberfläche 24 und eine im
Wesentlichen zylindrische innere Oberfläche 26 definiert wird, und
ein Strom relativ kalten Inertgases (dargestellt durch Pfeile 28),
das im Allgemeinen tangential innerhalb der inneren Oberfläche 26 fließt, bereitgestellt wird,
um zu verhindern, dass das heiße
Plasma die Röhre 20 berührt. Genauer,
da das Gas am Schlitz 22 vorbei fließt, entkommt zumindest ein
Teil des Gases durch den Schlitz 22 (dargestellt durch
Pfeile 30). Dieses entkommene Gas verursacht den Abbau
des „Kissens" von kaltem Inertgas
in der Nähe
des Schlitzes 22, und ein Teil des heißen Plasmas kann die innere
Oberfläche 26 der
Röhre 20 berühren (wie
dargestellt durch Pfeile 32).
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Es
wurde entdeckt, dass dieses Problem jedoch behoben werden kann,
wenn die Unterbrechung des Flusses des kalten Inertgases und der
Betrag an Gas, dem es erlaubt ist, aus der Röhre zu entkommen, minimiert
wird. Zu diesem Ende wird die Seitenwand 102 der Röhre 100 so
geformt, dass die Kante 118 des Schlitzes 108 stromaufwärts (d.h.
die Kante 112 des Schlitzes, über die das Gas zuerst strömt) zum
Zentrum der Röhre 100 verschoben wird,
verglichen zur Kante 120 des Schlitzes 108 stromabwärts (d.h.
die Kante 112 des Schlitzes, über die das Gas als zweites
strömt).
Anders dargestellt, der Abstand R1 zwischen einem festen zentralen Punkt
C der Röhre 100 und
der Kante 118 des Schlitzes 108 stromaufwärts ist
kleiner als der Abstand R2 zwischen dem zentralen Punkt C und der
Kante 120 des Schlitzes 108 stromabwärts. Der
Abstand des Versatzes O kann variieren und wird unter anderem definiert
durch die Breite des Schlitzes 108, der Dicke der Seitenwand 102 der
Röhre 100 und
die Geschwindigkeit des Flusses des kalten Inertgases. Vorzugsweise
ist die Verschiebung O jedoch so groß, dass im wesentlichen nichts
von dem kalten Inertgas durch den Schlitz 108 entkommen
kann.
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Der
Versatz der Kante 118 des Schlitzes 108 stromaufwärts verglichen
zur Kante 120 des Schlitzes 108 stromabwärts kann
auf verschiedene Weise erreicht werden. Zum Beispiel kann die Röhre nach einer
nicht abgebildeten Ausbildung so erzeugt werden, dass ein Querschnitt
der Seitenwand 102 der Röhre 100 in der Nähe des offenen
Endes 110 der selben auf einer Spirale liegt. Mit anderen
Worten, die Seitenwand 102 windet sich um einen festen
zentralen Punkt C mit einem kontinuierlich abnehmenden Abstand von
der Kante 120 des Schlitzes 108 stromabwärts zur
Kante 118 des Schlitzes 108 stromaufwärts.
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In
der bevorzugten Ausführungsform,
die in 3 und 4 gezeigt werden, hat jedoch
der größere Teil 122 der
Seitenwand 102 der Röhre 100 grundsätzlich eine
zylindrische Form, wobei nur ein Teil 124 (gezeigt als
gestrichelte Linie in 3) nächstliegend zur Kante 118 des
Schlitzes 108 stromaufwärts
nach innen gebogen wird, so dass der Abstand R1 von einem festen
Zentrumspunkt C der Röhre 100 zur
Kante 118 des Schlitzes 108 stromaufwärts kleiner
ist als der Abstand R2 vom festen Zentralpunkt C zur Kante 120 des
Schlitzes 108 stromabwärts.
Es sollte verstanden werden, dass die Biegung des Teils 124 glatt
sein sollte und dass Teil 124 sich um mindestens einen
Teil der axialen Kante 114 des Schlitzes 108 hinaus
erstrecken kann und diesen einschließen kann, so dass grundsätzlich nichts
von dem kalten Inertgas entkommen kann und so dass jede Störung des
kalten Inertgases, das im Allgemeinen tangential innerhalb der inneren
Oberfläche 104 der
Röhre 100 fließt, minimal
ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt deshalb eine Brennerglasware zum Gebrauch
mit einem induktiv gekoppelten plasmaoptischen Emissionsspektrometer
bereit, welche eine äußere Röhre und
einen Strom kalten Inertgases, der tangential innerhalb der inneren
Oberfläche
derselben fließt,
beinhaltet, so dass das kalte Inertgas ein „Kissen" zwischen der Röhre und dem heißen Plasma,
das innerhalb des Stroms des kalten Inertgases enthalten ist, ausbildet, welche
einen Schlitz beinhaltet, der durch die Seitenwand der Röhre hindurchgeht,
der, um ein optimales Resultat zu erreichen, so entworfen ist, dass
das Kissen des kalten Inertgases nicht durch den Schlitz abgebaut
wird, und welche eine Lebensdauer ähnlich zur Lebensdauer einer
Brennerglasware ohne Schlitz hat.
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Obwohl
die Erfindung hinsichtlich einer bestimmten Kombination von Teilen,
Merkmalen und Ähnlichem
beschrieben wurde, erschöpfen
diese nicht alle möglichen
Ausbildungen oder Merkmale und in der Tat sind viele andere Abwandlungen
und Variationen offensichtlich für
den Fachmann.