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Hochintensitäts-Atomspektrallampe Die Erfindung betrifft die Erzeugung
von Atomspektren und insbesondere elektrische Entladungslampen, die zur Erzeugung
von Spektren mit scharfen Spektrallinien hoher Intensität verwendet werden. Diese
Spektrallampen werden in vielen Gebieten der Spektroskopie angewandt, insbesondere
Atomabsorptionsspektroskopie, und bilden auch ein bequemes Mittel zur Herstellung
von Bezugsspektren zur Wellenlängenkalibrierung oder zur Linienidentifizierung.
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Es ist bekannt, Atomspektren mit Entladungslampen von zwei allgemeinen
Typen zu erzeugen. Beim ersten Typ wird ein atomisierter Dampf desjenigen Elementes,
dessen Spektrum gefordert wird, dadurch erzeugt, daß eine kleine Menge des Elementes
mittels einer elektrischen Entladung genügender Intensität erzeugt wird, die zwischen
den beiden Elektroden des Entladungsgefäßes entsteht. Dieses Verfahren ist nur für
die Erzeugung von Atomspektren von Elementen geeignet, die merkbare Dampfdrücke
bei Temperaturen unterhalb des Erweichungspunktes des Entladungsgefäßes aus Glas
oder Kieselsäure haben. Solche Elemente sind z. B. Natrium und Quecksilber. Es ist
bisher als nicht möglich gefunden worden, diese Entladungslampentype für die Emission
von Atomspektren hochschmelzender Metalle zu verwenden, wie Eisen, Nickel, Mangan,
Kupfer u. a.
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Die zweite zur Zeit verwendete Entladungslampentype ist die Entladungslampe
mit Hohlkathode, bei der die Kathode die Form eines Hohlzylinders hat und aus einem
Material hergestellt ist, das ganz oder teilweise aus dem Element besteht, dessen
Spektrum erzeugt werden soll. Bei dieser Lampentype tritt der prinzipielle Nachteil
auf, daß die elektrische Entladung zwischen der Anode und der Kathode sowohl dazu
dient, einen Atomdampf durch Zerstäubung der Kathode zu erzeugen, als auch dazu,
die Anregung zu liefern, die zur Erzeugung von Atomspektren erforderlich ist, und
zwar an wenigstens einige der Atome im Dampf. Diese beiden Funktionen der Entladung
können nicht getrennt geregelt werden, und eine Veränderung in einem Entladungsparameter,
insbesondere Strom oder Druck, beeinflußt beide Funktionen. Die Menge des erzeugten
Atomdampfes muß auf relativ kleine Quantitäten begrenzt werden, wenn die Breite
der Spektrallinien nicht durch Selbstabsorption und Resonanzverbreiterung vergrößert
werden soll. Damit sind die verwendbare Entladungsstromstärke und damit der Anregungsgrad,
der dem Atomdampf aufgedrückt werden kann, in gleicher Weise begrenzt. Dementspre-
chend
sind die Intensitäten der von solchen Entladungslampen emittierten Spektren notwendigerweise
schwach, wenn scharfe Linien erforderlich sind.
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Erfindungsgemäß soll eine Atomspektrallampe verfügbar gemacht werden,
bei der die Erzeugung eines Atomdampfes durch Kathodenzerstäubung und die Anregung
der Atome im Dampf getrennt und unabhängig voneinander geregelt werden können. Diese
Eigenschaft ist ganz besonders nützlich, wenn Atomresonanzlinien hoher Intensität
erzeugt werden sollen.
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Der Ausdruck »Resonanzlinie« kann an Hand des bekannten Standes der
Technik erläutert werden. Es ist bekannt, daß, wenn Strahlung von einer Atomspektrallichtquelle
mit der Charakteristik eines bestimmten Elementes oder von Elementen auf einen Atomdampf
des gleichen Elementes bzw. der gleichen Elemente fällt, bestimmte Linien im von
der Lichtquelle emittierten Spektrum vom Atomdampf teilweise absorbiert werden.
In technischer Ausdrucksweise werden diese Linien als Resonanzlinien bezeichnet.
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Zur Lösung des Problems wird erfindungsgemäß von einer Atomspektrallampe
mit einem ein Edelgas unter niedrigem Druck enthaltenden Kolben, in welchem ein
Elektrodenpaar angebracht ist, dessen Kathode mit demjenigen Element bzw. denjenigen
Elementen versehen ist, dessen bzw. deren Dampf durch
Kathodenzerstäubung
erzeugt werden soll, ausgegangen. Eine solche Atomspektrallampe wird erfindungsgemäß
dadurch verbessert, daß ein gegenüber dem ersten Elektrodenpaar isoliertes zweites
Elektrodenpaar im Lampenkolben angeordnet ist, das zur Erzeugung einer zweiten elektrischen
Entladung geeignet ist, wobei die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares geometrisch
so angeordnet sind, daß die zweite elektrische Entladung den in einer ersten Entladung
erzeugten Atomdampf erfaßt, derart, daß die Anzahl der angeregten Atome im Dampf
und damit die Intensität des von der Lampe ausgesandten Lichtes unabhängig von der
Dampferzeugung durch die erste Entladung bleibt.
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Die Kathode des ersten Elektrodenpaares kann an sich beliebig aufgebaut
sein, vorzugsweise wird jedoch eine Hohlkathode verwendet.
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Die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares sind vorzugsweise so
angeordnet, daß die zweite elektrische Entladung auf einen eng begrenzten Strahl
beschränkt ist.
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Eine besonders vorteilhafte Wirkungsweise ergibt sich, wenn die zweite
Entladung so angeordnet ist, daß sie in der Nähe der Hohlkathode durch den Atomstrahl
in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zur Achse der Hohlkathode erfolgt.
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Um den Niederschlag von zerstäubtem Material auf den Elektroden und
eine entsprechende Verunreinigung zu verhindern, werden in weiterer Ausbildung der
Erfindung die Elektroden des zweiten Paares teilweise in Schutzhüllen eingeschlossen.
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Solche Schutzhüllen sind zweckmäßigerweise mit Öffnungen zum Durchtritt
der zweiten Entladung versehen; diese Öffnungen haben dann eine solche Größe, daß
sie dazu dienen, die Entladung auf einen Strahl zu begrenzen.
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Bei Verwendung von runden Entladungsgefäßen hat es sich zur leichteren
Ausblendung des erwünschten Spektrallichtes als besonders vorteilhaft erwiesen,
wenn die Elektroden des zweiten Elektrodenpaares mit Bezug auf den Umfang des Gefäßes
einander diametral gegenüberliegen.
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Vorzugsweise ist auch die Kathode des zweiten Elektrodenpaares eine
Hohlkathode.
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Eine erfindungsgemäße Atomspektrallampe ermöglicht es, die Menge
des in der Lampe erzeugten Atomdampfes unabhängig von dem den Dampfatomen aufgedrückten
Anregungsgrad zu regeln. Es ist damit möglich, die Anregung ohne Erhöhung der Atomdampfmenge
zu verstärken, so daß intensive Spektren von Atomdämpfen unter niedrigen Partialdrücken
erzeugt werden können, so daß eine Erhöhung der Breite der emittierten Spektrallinien
auf Grund der Selbstabsorption oder Resonanzverbreiterung vermieden wird. In der
Praxis können Atomspektren mit Intensitäten bis zu dem tausendfachen Wert der bisher
mit bekannten Vorrichtungen erzielbaren erzeugt werden, während die Linienbreite
der Spektrallinien auf Werten gehalten wird, die größenordnungsmäßig gleich der
der bisher nur mit niedrigeren Intensitäten erzielbaren ist.
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Die Erfindung soll an Hand von zwei in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen erläutert werden; es zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht
einer erfindungsgemäßen Atomspektrallampe, F i g. 2 und 3 Schnitte längs den Linien
2-2 bzw.
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3-3 in Fig. 1,
F i g. 4 eine perspektivische Ansicht einer anderen
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Atomspektrallampe und Fig. 5 und 6 Schnitte
längs den Linien 5-5 bzw.
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6-6 in Fig. 4.
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Die Lampe nach Fig. 1, 2 und 3 umfaßt ein im allgemeinen zylindrisches,
transparentes Glasgefäß 10, welches zwei Elektrodenpaare enthält. Die Elektroden
sind in der Endfläche 11 des Gefäßes 10 dicht befestigt, während die andere Endfläche
12 als Betrachtungsfenster dient, durch welches die im Gefäß auftretenden Erscheinungen
beobachtet werden können. Ein Saugrohr 13 ist ebenfalls in der Endfläche 11 gebildet.
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Das Gehäuse 10 enthält ein erstes Elektrodenpaar 14, 15 sowie ein
zweites Elektrodenpaar 16, 17; jede der Elektroden ist in der Längsrichtung des
Gefäßes angeordnet. Die Elektrode 14 ist zentral innerhalb der Endfläche 11 montiert
und hat Zylinderform. Sie besteht ganz oder teilweise aus dem Element oder den Elementen,
dessen bzw. deren Spektrum von der Lampe erzeugt werden soll. Die Elektrode 15 hat
die Form eines Stabes und ist dicht an der zylindrischen Elektrode 14 angeordnet.
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Die Elektroden 16, 17 des zweiten Elektrodenpaares sind so in derEndflächell
derLampemontiert, daß sie einander diametral gegenüberliegen. Beide Elektroden haben
die Form von Stäben, deren innere Enden oder Spitzen 18, 19 leicht abgebogen sind,
so daß sie aufeinander zu weisen, und sie sind auf ihrer ganzen Länge von rohrförmigen
Schutzhüllen 20, 21 umgeben. Jede dieser rohrförmigen Hüllen besteht aus Glas und
ist an einem Ende an die Endfläche 11 angeschmolzen, ist am anderen Ende aber offen,
d. h. mit dem Ende, welches zum Betrachtungsfenster 12 weist. Eine Öffnung 22 ist
in der Wand jeder rohrförmigen Hülle 20 bzw. 21 gebildet, und zwar in der Nähe der
Spitze 18 bzw. 19 der beiden Elektroden 16, 17. Auf der Außenseite jeder Hülle ist
ein Schutzschirm 23 vorgesehen, der über der Öffnung 22 angeordnet ist. Der Schirm
23 hat eine allgemein zentral angeordnete Öffnung 24; die Anordnung ist dabei so
getroffen, daß die Elektrodenspitzen 18, 19, die Öffnungen 22 in den rohrförmigen
Hüllen 20, 21 und die Öffnungen 24 in den Schirmen 23 alle in einer geraden Linie
ausgefluchtet sind, wie aus F ig. 2 ersichtlich ist.
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Um die Lampe zum Gebrauch vorzubereiten wird zunächst durch den Stutzen
13 die Luft abgesaugt, und anschließend wird das Gefäß mit Edelgas, wie Helium,
Neon, Argon oder Mischungen davon, unter einem Druck in der Größenordnung von 1
Torr gefüllt. Nach dem üblichen »Entgasen« und anderen üblichen Vorbereitungen für
Entladungsgefäße wird der Absaugstutzen verschlossen, wie in der Zeichnung dargestellt,
und dann ist die Lampe betriebsbereit.
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Eine Spannung von mehreren hundert Volt wird jetzt an die Elektroden
14, 15 in der Weise angelegt, daß die Elektrode 14 die negative Elektrode oder Kathode
ist, während die Elektrode 15 die positive Elektrode, d. h. die Anode ist. Dadurch
wird eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden gezündet, und der Entladungsstrom,
der gewöhnlich im Bereich von 1 bis 100 Milliampere liegt, wird aufrechterhalten.
Unter den erwähnten Druckverhältnissen im Gefäß 10 der Lampe hat die Entladung die
Wirkung, daß eine Kathodenzerstäubung eintritt,
bei der die Atome
der Kathode 14 zerstäubt werden und einen Atomdampf im Interelektrodenraum 25 bilden.
Diese Erscheinung wird als »Hohlkathodenentladung« bezeichnet, weil bei Betrachtung
durch das Betrachtungsfenster 12 das Innere der Kathode 14 leuchtend erscheint,
und der leuchtende Atomdampf, der wenigstens einige Atome enthält, die durch die
Entladung genügend angeregt sind, um Spektren zu erzeugen, Atomspektrallinien zeigt,
die charakteristisch für das Element oder die Elemente sind, aus denen die Kathode
hergestellt ist.
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Eine zweite elektrische Entladung wird dann zwischen den Elektroden
16, 17 gezündet. Diese Entladung kann entweder wechselnd, pulsierend oder in einer
Richtung gerichtet sein. Eine Spannung von mehreren hundert Volt wird zwischen den
Elektroden 16, 17 aufrechterhalten, um die Entladung zu erzeugen, während der Entladungsstrom,
der zwischen den Elektroden fließt, im Bereich zwischen 100 und 1000 Milliampere
liegt. Ersichtlich ist die Entladung zwischen den Elektroden 16, 17 durch die geometrische
Anordnung der Elektrodenspitzen 18, 19, der Öffnungen 22 in den Schutzrohren 20,
21 und der Öffnungen 24 in den Schirmen 23 auf einen engen Strahl beschränkt, der
über und durch den durch Kathodenzerstäubung im Interelektrodenraum 25 erzeugten
Atomdampf passiert.
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Die zweite Entladung dient dazu, viel mehr Atome im durch die erste
Entladung erzeugten Dampf anzuregen und damit die Intensität der Strahlung zu vergrößern,
die ausgestrahlt wird, wenn diese angeregten Atome auf einen niedrigeren Anregungszustand
oder den Grundzustand zurückkehren. Weil die zweite Entladung die Gesamtzahl der
Atome im Dampf nicht merkbar beeinflußt, ergibt sich keine Vergrößerung der Breite
der Spektrallinien auf Grund der Selbstabsorption oder Resonanzverbreiterungseffekten,
was der Fall sein würde, wenn die Intensität der Atomspektrallinien lediglich durch
Vergrößerung der Stärke der ersten Entladung erreicht werden soll.
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Das Gefäß der Entladungslampe besteht gewöhnlich aus Glas oder Kieselsäure,
und das Betrachtungsfenster kann aus irgendeinem transparenten Material bestehen,
wie Glas, Quarz, geschmolzener Kieselsäure, Natriumchlorid usw., je nach dem Spektralbereich,
in dem das Emissionsspektrum betrachtet werden soll. Erforderlichenfalls können
die von der Lampe erzeugten Emissionsspektren dadurch betrachtet werden, daß quer
zur Lampenachse, wie durch den Pfeil 26 in Fig. 3 angedeutet, in den Interelektrodenraum
25 geblickt wird. In der Praxis wurde jedoch festgestellt, daß beide Gefäßwandungen
und jedes Betrachtungsfenster in der unmittelbaren Nähe der Kathode 14 schnell durch
eine dichte Schicht aus zerstäubtem Kathodenmaterial bedeckt wird. Das Endfenster
12 ist jedoch weit genug von der Zerstäubungsquelle entfernt, so daß es durch diesen
Niederschlag nicht beeinflußt wird, und vorzugsweise wird deshalb zur Betrachtung
ein solches Fenster verwendet.
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In Fig. 4, 5 und 6 ist eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Spektrallampe dargestellt. Wie im Falle der ersten Ausführungsform enthält das Gefäß
30 einen ersten Elektrodensatz und einen zweiten Elektrodensatz. Der zweite Satz
umfaßt eine hohle, zylindrische Kathode 31 und eine Anode 32, die beide an der Basis
33 des Gefäßes 30
befestigt sind. Die stabartigen Elektroden 34, 35 des zweiten Elektrodensatzes
sind quer zur Gefäßachse angeordnet und sind in einander gegenüberliegenden einspringenden
Teilen 36, 37 montiert, die in den Seitenwänden des Gefäßes gebildet sind. Die Elektroden
34, 35 selbst liegen in rohrförmigen Schutzhüllen 38, 39, die über die Spitzen 40,
41 der Elektroden hinausragen und an ihren inneren Enden offen sind. Wie im Falle
der soeben beschriebenen Ausführungsform sind die Spitzen 40, 41 des zweiten Elektrodensatzes
mit Bezug auf den Querschnitt des Gefäßes 30 diametral einander gegenüber angeordnet.
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Die Grundfläche 33 weist auch einen Absaugstutzen42 auf, der zugeschmolzen
wird, wenn die Lampe betriebsbereit gemacht worden ist. Die andere Endfläche 43
wird als Betrachtungsfenster verwendet und ist genügend weit von der Kathode 31
entfernt, um den Niederschlag von zerstäubtem Kathodenmaterial zu vermeiden.
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Der Betrieb der Atomspektrallampe nach F i g. 4, 5 und 6 ist genau
gleich der oben beschriebenen Betriebsweise und braucht deshalb hier nicht nochmals
erläutert zu werden. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel dienen die rohrförmigen
Schutzhüllen 38, 39 dazu, die Elektroden 34, 35 gegen Verunreinigung durch Niederschlag
von zerstäubtem Material zu schützen, und dienen ferner dazu, die zweite Entladung
in einen begrenzten Strahl zu konzentrieren, der durch den Dampf aus zerstäubten
Atomen passiert.
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Gemäß einem bevorzugten Aspekt der Erfindung besteht die Kathode
des zweiten Elektrodensatzes ebenfalls aus einer Hohlkathode. Es wurde praktisch
beobachtet, daß bei dieser Anordnung die Stabilität der zweiten Entladung verbessert
wird. Wenn die zweite Entladung wechselnd ist, können beide Elektroden des zweiten
Elektrodensatzes hohl sein, d. h. die Form von Hohlzylindern haben, die an einem
Ende geschlossen sind.
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Die Erfindung wurde in Verbindung mit zwei speziellen Konstruktionen
von Atomspektrallampen beschrieben, offensichtlich kann jedoch das Prinzip, eine
elektrische Entladung zur Erzeugung eines Atomdampfes eines Elementes oder von Elementen
durch Kathodenzerstäubung zu verwenden, und eine zweite elektrische Entladung dazu
zu verwenden, den Atomdampf anzuregen, auch auf Lampen mit anderen Formen und Elektrodenanordnungen
angewandt werden.