DE1589207A1

DE1589207A1 - Plasmabrenner

Info

Publication number: DE1589207A1
Application number: DE19671589207
Authority: DE
Inventors: Haas Karl Heinz; Klaus Roetger
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1967-01-20
Filing date: 1967-01-20
Publication date: 1970-05-14
Also published as: US3501665A; GB1171593A; FR1551521A

Description

Plasmabrenner

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner für spektralanalytische Untersuchungsverfahren,

Für spektralanalytische Untersuchungsverfahren sind in den letzten Jahren Plasmabrenner vorgeschlagen worden, bei denen die Analysensubstanzen in einen elektrischen Lichtbogen eingebracht werden.. Im elektrischen Lichtbogen sind wesentlich höhere Temperaturen erreichbar als in den bisher für derartige Untersuchungsverfahren verwendeten chemischen Flammen. Das hat den Vorteil, daß infolge der höheren Temperaturen größere Energien zur Dissoziation und Anregung der Analysensubstanzen zur Verfügung stehen, so daß die spektralanalytischen Methoden auf wesentlich mehr Substanzen als bisher anwendbar sind.

Es sind bereits verschiedene Plasmabrenner für diese Zwecke beschrieben worden. Als besonders vorteilhaft haben sich dabei solche Brenner gezeigt, bei denen das Plasma des elektrischen Lichtbogens durch zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Blenden stabilisiert wird. Durch Anwendung eines geringen Überdruckes wird dabei ein Plasmastrahl senkrecht zur Achse des Bogens durch eine Öffnung einer Kammer, in der der Bogen selbst brennt, herausgedrückt«, Die Beobachtung erfolgt dann in diesem Plasmastrahl. Dabei können Temperaturen in der Achse dieses Plasmastrahles bis zu 6.5OO°K erreicht werden. Erhebliche Schwierigkeiten.

0 0MJ 2 0 /011 0 ORIGINAL INSPECTED -2- / "■-■■■■ - o-

treten dabei allerdings beim Einbringen der Analysensubstanzen in den Kern des Plasmastrahles auf.

Der Plasmabrenner nach, der Erfindung, der mit seinem grundsätzlichen Aufbau eine große Ähnlichkeit mit den zuletzt erwähnten Brennern hat, vermeidet diesen Nachteil und läßt darüber hinaus Beobachtungen im Plasmakern bei Temperaturen bis zu 17.OOO°K zu. Erfindungsgemäß sind die stabförmige Kathode und die ringförmige Anode in einem Gehäuse angeordnet, das durch zwei scheibenförmige Stabilisierungsblenden in drei Kammern unterteilt ist, von denen mindestens die beiden äußeren mit tangentialen Einlaßöffnungen für ein Schutzgas, beispielsweise Argon, versehen sind und von denen die mittlere eine Beobachtungsöffnung aufweist, vor der in an sich bekannter Weise eine spektralanalytische Untersuchungseinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise bestehen die Stabilisierungsblenden aus Graphitringen, die in von einer Kühlflüssigkeit durchströmten, hohlen Messing- oder Kupferscheiben gehaltert sind. Es ist zweckmäßig, auch die ringförmige, aus spektralreiner Kohle bestehende Anode in einem von einer Kühlflttssigkeit durchströmten, scheibenförmigen Halter anzuordnen. Die Kathode besteht zweckmäßig aus einem thorierten Wolframstift, der in einem stabförmigen metallischen Halter befestigt ist. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist der stabförmige Halter für die Kathode in einer Teleskop-Feder befestigt und axial verschiebbar. Ein Teil der Führung für den stabförmigen Halter der Kathode besteht ebenfalls vorzugsweise aus einer von

009820/0710 _₃_

A 1537 / B 2395

19.1.1967. 1589207

einer Kühlflüssigkeit durchströmten, hohlen Messing- oder Kupferscheibe, die gleichzeitig zum elektrischen Anschluß der Kathode an ein nach außen geführtes Kabel dient.

Um eine leichte Auswechselbarkeit aller Teile des Brenners zu ermöglichen, ist dieser im wesentlichen aus scheiben- oder ringförmigen Einzelteilen aufgebaut, die in an sich bekannter Weise mittels zweier schwenkbarer Bügel zusammengehalten sind. Dabei bestehen die von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Halterungen für die Anode und die Stabilisierungsblenden sowie die Führung für den Kathodenhalter aus scheibenförmigen Elementen, die durch Isolierringe voneinander getrennt werden. Dabei ist es wichtig, daß die Isolierringe zwischen den elektrisch leitenden Teilen auch gegen die auftretenden relativ hohen Temperaturen widerstandsfähig sind. Es hat sich gezeigt, daß die einzelnen Kühlkammern ohne weiteres hintereinandergeschaltet werden können, wenn als Verbindungsmittel zwischen den einzelnen Kühlkammern Schläuche aus isolierendem Material verwendet sind* Es ist dann möglich, als Kühlflüssigkeit Leitungswasser zu verwenden, obwohl dadurch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der Kathode und der Anode des Brenners im Nebenschluß hergestellt wird. Die Leitfähigkeit des Wassers ist jedoch so gering, daß dadurch keine Beeinträchtigung des Bogenstromes, der zwischen 30 und 60 Ampere liegen kann, erfolgt· Die Analyseneubstanz wird in an sich bekannter Weise mittels eines konzentrisch zur Anode angeordneten Zerstäubers axial in das Plasma eingeblasen· Durch die Verwendung

009820/0710 _/*_

A 1537 / B 2395

eines in die äußeren Kammern eingeblasenen Schutzgases ist der Abbrand der Kathode und der Anode so gering, daß er praktisch vernachlässigbar ist. Durch das Einblasen eines Schutzgases auch in die mittlere Kammer ist es möglich, ein Ansetzen von Analysensubstanzen an die Kammerwände zu verhindern.

Dadurch, daß die Beobachtung im Kern des Plasmas im Innern der mittleren Kammer erfolgt, sind Beobachtungen bei den bereits oben erwähnten hohen Temperaturen von bis zu 17.000 K möglich. Dadurch lassen sich die spektralanalytischen Methoden noch k±h in einem weit größeren Umfang, als bisher bekannt, anwenden.

In den beigefügten Zeichnungen ist ein Beispiel für den Plasmabrenner nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Plasmabrenner nach der Linie I-I der

Fig. 2 die eine Aufsicht auf den Plasmabrenner darstellt.

Zwischen zwei je eine zentrale Bohrung aufweisenden Scheiben 1 und 2 aus elektrisch nicht leitendem, wärmeisolierendem Material, die mittels zweier schwenkbarer Bügel 3 void k zusammengehalten werden können, sind vier hohle, von einem Kühlmittel durchströmte Scheiben 5» 6, 7 und 8 angeordnet, die durch Isolierringe 12, 13, lh voneinander getrennt sind. Diese Isolierringe bestehen aus einem wärmefesten Material, beispielsweise Asbestzement. In den Scheiben 6, 7 und 8 sind

009 820/07 1 Ü -5-

A 1537 / B 2395

zentrale Bohrungen angebracht, in denen jeweils Kohleringe 9, 10, 11 gelagert sind. Die Kohleringe 9 und 10 dienen als Stabilisierungsblenden, während der Kohlering 11, der über die vorzugsweise aus Messing bestehende Scheibe 8 elektrisch leitend mit einem nicht dargestellten Anschluß für die Stromquelle versehen ist, als Anode dient. Im Innern einer Teleskop-Feder 15 ist in einem die Teleskop-Feder abschliessenden Deckel 16 aus elektrisch nicht leitendem Material der stabförmige Kathodenhalter 17 gelagert und in einem in die

18/
Scheibe 1 eingesetzten Rohrstück aus Isoliermaterial geführt.

Der Kathodenhalter 17 erstreckt sich durch eine zentrale Bohrung in der metallischen Scheibe 5 und trägt an seinem inneren Ende den thorierten Wolframstift 19» der außerdem bis in Höhe seiner kegelförmigen Spitze von einem Messingring 20 umgeben ist. Die metallische Scheibe 5 ist mittels eines Kabels 21 mit dem anderen Pol der Gleichspannungsquelle verbunden. Der Messingring 20 dient einmal zur Verbesserung der elektrischen Verbindung des Kathodenstiftes mit der Scheibe 5 und bewirkt außerdem einen besseren Wärmeübergang. Die Hohlräume der Scheiben 5» 6,7 und 8 sind über Schlauchanschlüsse 22, 23, 2k, 25, 26 und 27 mit einer Ktihlmittelquelle, beispielsweise Leitungswasser, untereinander verbunden. Bs ist dabei zweckmäßig, das Kühlmittel zunächst den Hohlraum der Kathodenscheibe 5 und anschließend die anderen Hohlräume durchfließen zu lassen, da die Kathode der stärksten Wärmebelastung ausgesetzt ist. Unterhalb der ringförmigen Anode 11 ist konzentrisch zu ihrer Bohrung ein ίgestrichelt dargestellter) Zerstäuber 28 zur Einführung

-6-009820/0710

"ü "" A 1537 / B 2395

des Analysenmaterials in das Plasma des im Betrieb zwischen der Kathode 19 und der Anode 11 brennenden Lichtbogens angeordnet. In den ringförmigen Isoliersoheiben 12 und Ik sind Bohrungen mit tangentialen Einlaßöffnungen 29 und 31 angebracht, die mit Gaseinführungsstutzen 32 bzw. 3^ in Verbindung stehen. Durch diese Bohrungen wird im Betrieb ein Schutzgas, beispielsweise Argon, in die die Kathode bzw. Anode enthaltenden Kammern eingeblasen. In der mit Kühlrippen versehenen rohrförmigen Verlängerung der Scheibe 7 ist ebenfalls eine Bohrung mit tangentialer Einlaßöffnung angebracht, die mit einem Gaseinlaßstutzen 33 in Verbindung steht. In der rohrförmigen Verlängerung der Scheibe 7 ist außerdem eine nicht dargestellte Bohrung angebracht, durch die ein Einblick in die mittlere Kammer des Brenners möglich ist. Die Einbliokrichtung ist in der Pig.2 angegeben.

Der Lichtbogen in dem Plasmabrenner wird dadurch gezündet, daß der Kathodenhalter gegen den Druck der Teleskop-Feder axial in Richtung auf die Anode verschoben wird, bis der die Kathode 19 umgebende Messingring 20 die ringförmige Anode 11 berührt. Dann führt die Teleskop-Feder 15 die Kathode 19 in die Betriebe«tellung zurück, wobei sich der elektrische Lichtbogen zwischen Kathode 19 und Anode 11 ausbildet.

&· ist zweckmäßig, in der nicht dargestellten spektralfotometrie chen Beobachtungseinrichtung eine verstellbare Lochblende vorzusehen, um dadurch eine Auswahl des Beobaohtungs-Plasmas au ermög

009820/0710

punk.ts.sfinι Innern des Plasmas au ermöglichen.

Claims

A 1537 / B 2395

19.1.1967. 1589207

"Ansprüche

1. J Plasmabrenner für spektralanalytische Untersuchungsverfahren mit den Lichtbogen stabilisierenden Blenden, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Kathode (19) und die ringförmige Anode (11) in einem Gehäuse angeordnet sind, das durch zwei scheibenförmige Stabilisierungsblenden (9, 10) in drei Kammern unterteilt ist, von denen mindestens die beiden äußeren mit tangentialen Einlaßöffnungen (29, 30) für ein Schutzgas, beispielsweise Argon, versehen sind und von denen die mittlere eine Beobachtungsöffnung aufweist, vor der in an sich bekannter Weise eine spektralanalytische Untersuchungseinrichtung angeordnet ist.

2. Plasmabrennen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsblenden (9» 10) aus Graphitringen bestehen, die in von einer Kühlflüssigkeit durchströmten, hohlen Messing- oder Kupferscheiben (6, 7) gehaltert sind.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Anode (11) aus spektralreiner Kohle besteht und in einem von einer Kühlflüssigkeit durchströmten, scheibenförmigen Halter (8) angeordnet ist.

k. Plasmabrenner nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (19) aus einem thorierten Wolframstift besteht, der in einem stabförmigen metallischen Halter (17) befestigt ist.

-8-

009820/0710

° A 1537 / B 2395

5* Plasmabrenner nach. Anspruch. h_t dadurch, gekennzeichnet, daß der stabförmige Halter (17) für die Kathode (19) in einer Teleskop-Feder (15) befestigt und axial verschiebbar ist.

6. Plasmabrenner nach Anspruch k oder 5t dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Führung für den stabförmigeη Halter (17) der Kathode (19) aus einer von einer Kühlflüssigkeit durchströmten, hohlen Messing- oder Kupferscheibe (5) besteht, die gleichzeitig zum elektrischen Anschluß der Kathode (19) an ein mit der Spannungsquelle verbundenes Kabel (21) dient.

7* Plasmabrenner nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner aus scheiben- und ringförmigen Einzelteilen aufgebaut ist, die in an sich bekannter Weise mittels zweier schwenkbarer Bügel (3, 4) zusammengehalten sind.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmigen Teile mit von einem Kühlmittel durchströmten Hohlräumen versehen und daß die Hohlräume mittels nichtleitender Schlauchverbindungen hintereinandergeschaltet sind.

9« Plasmabrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Leitungswasser benutzt ist.

009820/0710

Leerseite