DE1614801A1 - Beschmutzungsfreier Plasmabrenner mit hohem Wirkungsgrad fuer spektroskopische Lichtquellen - Google Patents

Beschmutzungsfreier Plasmabrenner mit hohem Wirkungsgrad fuer spektroskopische Lichtquellen

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Description

-«uilUGIt WfI UC)
München, dem 13. April 1967 Patentanwälte , 13 =
Dipl. Ing. Walter Meissner 161 4801
Dipl. Ing. Herbert Tischer
Büro München München 2, Tal 71 ·
INTfIZET1
Budapest (Ungarn)
BRSOHIfUTZUNSSPRSIER PLASHABRBNKSR MIT HOHEM WIRKUNGSGRAD PUR SPEKTROSKOPISCHE LICHTQUELLEN
Die Erfindung betrifft einen besehmutzungefreien Plasmabrenner mit hohem Wirkungsgrad für spektroskopie sehe Lichtquellen.
Die Plasmabrenner sind in der Wissenschaft und * in der Technik verhältnismäasig neue und nicht zu allge· mein bekannte Geräte. Das Wesen aller Plasmabrenner liegt darin, dass in einen Gasstrahl von ausβen her Energie eingespeist wird, und dadurch die äueeeren Elektronen Atome dea Gasstrahles entzogen und die Atome in PIeamesustand gebracht werden. Dieser Plasjasitrahl hoher
Temperatur -die Temp·«* tür kenn auch 1Ο·Ο0βίΚ schreiten - welcher grosso Energie Übertrügt, wird in Plasmabrennern verwendet·
Vor etwa sehn Jahren sind die ersten Mitteilungen Über die Verwendung von Piasaabrennern erschienen. Plasmastrahlen hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur wurden zuerst vielleicht in der supersonischen Aerodynamik rerwendet. (Literatur 1, 2, 3,?·
Fast gleichzeitig wurde der Plasmastrahl auch zur üfetallschweissung und Trennung verwendet. CLiteratur 4, 5«) Auf diesem Gebiet ist die Verwendung des Plasmastrahles auch darum vorteilhaft, denn bei Verwendung eines entsprechenden Gases zugleich auch die Schutzgasatmosphäre gesichert wird. Zuletst wurde der Plasmastrahl auch als spektroskopisch^ Lichtquelle verwendet« (Literatur 6, 7·^
Xn den auf verschiedenen Gebieten verwendeten Plasmsbrennern werden die Plasmastrahlen in Wesen auf zweierlei Art erzeugt· Sin neutraler Gasstrahl wird entweder ■ ·
a.) durch ein Hochfrequenzfeld oder
b.) durch das Feld eines Gleichstromlichtbogens durchgeführt.
Das Verfahren nach a#) ist insbesondere bei hohan Leistungen vorteilhaft« nämlich die zur Herstellung not· wendige elektronische Einrichtung ist nur bei besonderen Erford«rungen rentabel* Bine derartige Einrichtung 1st sehe»tiach in Pig. % dargestellt. Bin Generator 1
'00*112/06*? ^
gibt bei 3,4 me Frequenz und elnar Aaegeegsielstung. ▼on 9 kW dlo Energie um das bei» Pfeil 2 eintretende Argon mittels einer Hochfrequensspulo 3 In su bringen« In das entstehende Plasma 4 wird die eerstaubte Probe durch das Rohr 5 geleitet» wobei des bein Pfeil 6 in grosser Menge hineinströmende Argon (etwa Liter/Minute) die Kühlung und stabilisierung bewirkt« Die vollständige Vorrichtung wird aus durchsichtigem Quere aufgebeut.
Die spektroskopisch^ Vorwendung dieses Typus wurde neuerlich durch Wendt und Fessel beschrieben (Literatur 8). Bei Varwendung eines GIeIchstromlichtbo*ana 1st die Hilfeeinrichtung bedeutend einfacher und billiger, dasu lat auch die Instandhaltung leichter und dia Einrichtung betriebaaicherer·
Ein prinzipielles Schema 3lner derartigen Bin» richtung let in Flg. 2 dargestellt. Ein Gleichrichter gibt mindestens eine Leistung von 45 V und 15 Amp. ab und diese «lrd an die Anode θ und an die Katode 9 geleitet* Dia Elektroden werden durch einen Ieolierring 10 in entsprechendem Abstand von einender gehalten und an die« sea Isolierung ist beim Pfoil 11 das Gassuleltungsroni· engeordnet. Die Zuführung der »tratβübten Probe in den Plaamastrahl 4 kann auch durch dieses Rohr erfolgen·
Der erfindungagenäase Plasmabrenner gehört in dia Gruppe der mit Gleichstromlichtbogen betätigten Plasmabrennern und wird ausechliessllch im Gebiet der Spektroskopie verwendet. Im weiteren wird nur diese Gruppe behandelt. ,Ii?ί·^
BADORK3IN/U. 009 8 52/0662 -
16H801
Die auf diesem Gebiet erschienenen Veröffentlichungen beschreiben im Wesen die oben dargestellten Einrichtungen, eventuell mit geringfügigen Aendeinuigen, in welchen stabilisierende Scheiben verwendet werden. (Literatur 9.) Es gibt auch einen Verfasser, der zu Lasten der stabilen Konstruktion im ausströmenden Plasmastrahl eine äuseore Elektrode und einen stabilisierenden Ring anordnet (Literatur lo.)·
E.Kranz (Literatur 11, 12^ beschreibt einen Brennertyp mit einem waagerechten Lichtbogen und einem darauf senkrecht strömenden verschmutzungsfreien Plasmastrahl, bzw. auf diese 'Veise wird die Zuführung der zu prüfenden Proben in den Plasmastrahl durchgeführt. Die Leistungsaufnahme dieser Einrichtung beträgt 4 bis 12 kW und kann jin nutzbarer Plasmastrahl von max. β bis IO cm Länge beim Grundtyp erzeugt werden.
In der gpektroskopischen Prexie wurden zwei Typen dieser Ausführung verwendet: für Grundforschungen ein grosser Plasmabrenner mit 10 bis 14 kW Leistungsaufnahme (bei 400 V) und für praktische Zwecke ein kleinerer Brenner mit 3 bis 5 kW Leistungsaufnahme Tboi 200 Y). .· ... ~
Der grös^erc Brenner erzeugt einen nutzbaren v Plasmastrahl von etwa 10 cm Länge und der kleinere einen etwa 2 cm langen Plasmpstrahl* (Aus der Literatur ist nicht ersichtlich, ob die Benennung "die Länge des nutzbaran Plasmastrahles" nur die Länge des Strahlenkernes betrifft.)
In den erwähnten Mitteilungen sind die Konstruktionen nur schematiseh und ohne Erörterung des Wesens
Αλλαζα ι **. ** ^ λ, Gf\LJ η^αγίη%5IιiYr«·»
-4- 009862/0562 __,
16U801
der kritischen Teile beschrieben. Auf Grund von theoretischen Erwägungen und der Literatur werden untenstehend die wichtigsten Forderungen, welche ein Plasmabrenner für spektroskopische Zwecke erfüllen muss, zusammengefasst.
a.) Das Plasma soll keine metallischen Verschmutzungen, die aus den Konstruktionsmaterialien stammen, enthalten und soll auch keine Spektrallinien dieaer metellischan Verschmutzungen emittieren, d.h. das Plasma soll verschmutzungsfrei sein (die Karbonlinien der im allgemeinen als Hilfselektrode varwendeten Kohlenelektroj» den werden röcht als Verschmutzungen betrachtetN,
b.) Der 3etrieb soll den Spektroskopieehen Zielsetzungen entsprechend genügend stabil und reproduzierbar sein.
c.) Das Plasma soll einen freien Kern ven mindestens 1 cm Länge, welcher für Messzwecke geeignet ist» aufweisen.
d.) Die in Gas-, Flüssigkeits- oder Pulverzustand befindlichen Proben müssen derart in den Plasmastrahl eingeführt werden, dass aie inzwischen keine Verschmutzung erleiden, wobei die durch diese Proben hervorgerufenen Verschmutzungen in die nachfolgend θα Pro« ben nicht gelangen können.
e·) Der dia Forderung d.) sichernde ^Dosierkopf" soll derart ausgebildet werden, desa je grössere Oberfläche deB Materials mit dem Plasma in Berührung kommt, d.h. der relptive Erreger-Virkungsgraä soll unter den gegebenen physikrf-chemischen Umständen der Grö3ste sein.
BAD ORIGINAL - 5 -
f.) Eo soll ein Probenspeiehoyteil v<x»g«aeliea ' werden, in welchem die zu untersuchenden Proben verschmutzungsfrei aufbewahrt und in gewünschtem Zeitpunkt in den Dosierkopf eingeführt werden können, ohne die Form und die Stabilität des Plasmastrahlas zu verderben.
g.) Die schwindenden oder sich verschmutzenden Bauteile müssen leicht auswechselbar und ersetzbar sein.
h.) Der verschmutzungsfreie Plasraastrehl mit entsprechender Abmessung muss mit gutem 'Wirkungsgrad in Verhältnis zu der eingespeisten Energie erhalten werden.
i.) Der Plasmabrenner muss derart ausgebildet werden, dass derselbe in die bei den Spektrografen üblichen ülektrodengerüste eingefpast, werden kann.
Dia Erfindung ermöglicht die Hs rstallung von Plasmabrennarn, welchö die oben angeführten Forderungen vollständig erfüllen.
Der erfindungsgemässe Brenner arbeitet bei entsprechender Ausbildung bei einer Lichtbogenspannung von 45 V mit 20 bis 40 Amp Stromaufnahme, d.h. bei einer Leistung von 0,9 bis 1,8 kW kann ein von metallischen Verschmutzungen freier Plasmastrehl mit 10 bis 30 mn freier, nutzbarer Kernlänge und mit 150 mm voller Länge erzeugt werden. Der sieh ergebende Wirkungsgrad entspricht mindestens dem dreifachen fert des beim Kranz* sehen Brenner erhaltenen 'Virkungagrades, wobei der genannte Brenner als der fortschrittlichste zu betrachten ist. Sin weiterer Vorteil besteht darin, dass der Aufbau des erfindumjogemässen Brenners.wesentlich einfacher ist·
Ä BAD ORIGiNAt,
- *~ 001152/0562
Der erflndungagemässe Branner kann mit beliebigem Üblichem neutralem Jas, bei 5 bis Io Liter/Minute Gasverbrauch betrieben werden. Durch Aunderung der Abmessungen kenn die Leistung in grosserem Bereich geändert werden.
Eine beispielsweise acheraatische Darstellung des erfindungsgemassen Plasmabrenners in senkrechter Anordnung ist in Fig. 3 geneigt.
Der Lichtbogen entsteht zwischen der Anode 12 und der Rohrkatode 13. Diο Zündung erfolgt über die Pleanw-Austritteöffnung und die Bohrung der Rohrkatode mittels eines Grsphitstäbshens. Die Länge und die Richtung des Lichtbogankpnals wird in erster Linie durch die wassergekühlten StPbilisierungsscheiben 14 und 13 bestimmt. Die Hohrketode bildet eine Einheit mit der Katoden.Uocko 18, welche eine Plnsraaauatrittsöffnung und ein Probezufuhrrohr 17 aufweist; zu gleicher Einheit gehört ein Schutzring 20, zum Schlitzen der Reinheit des Ketodenblocke 19. Diese ilamsnte (13, 16, 17, 18» 19 und 20) bilden zu3emmen den Doslarkopf. Die bei pulverisier* ten und im flüssigen Zustand befindlichen Proben sich
und verschmutzende und verbrauchende Rohrkptode der sich verschmutzende Schutzring müssen bei jeder neuen Probe ausgetauscht werden. Auch das Probezuführungsrohr 17 und die Kßtodenglocke IB müssen ausgetauscht werden, diese können aber nach jiner Reinigung wieder benutzt werden«
Eine sich en einen Isolierring 22 stützende, wassergekühlte Ketodenhalterungsschaibe 21 hält die Bauteile des Dosierkopfes in ihrem Nest fest. Eine wassergekühlte
BADORIe1NAL 009862/0562
16H801
Anodenhaltorungsscheibe 23 hält in ihrem Nest, an einen Isolierring 24 gestutzt, die Anode 12 mit Bohrungen 34» welche zur Zuführung des das Plasma bildenden Gases dienen, wobei in der Mitte der Anode zur Stabilisierung des Lichtbogens ein auswechselbarer Einseta 25 vorgesehen j ist. Unterhalb der Anode ist eine Anodenkammer 26 angeordnet, durch welche eventuell eine 'feine Filterung des zugeführt en Gasos und die gleichmäßige 3esorgung der Bohrungen mit Gas erfolgt. Ihre Form und ihr Charnkter wird in erster Linie durcu einen Anodenkammereinsatz 27 bestimmt, welcher durch eine, mit Gewinde versehene Be« festi^ungskappe 28, gemeinsam mit dem Geszuleitungsrohr 29 festgehalten ist. Das das Piname bildende Gas wird in Richtung des Pfeiles 3o zugeführt.
Die Lags der stabilisierenden Scheiben wird durch einen Matallring 31 festgelegt. Der vollständige Brennerkopf wird durch zwei, in der Zeichnung nicht dargestellten, aus Isoliermaterial hergestellten, bzw· isolierten Klemmschrauben zusammengefasst; diese werden durch Bohrungen 32 hindurchgeführt und in die Gewindebohrungen 33 eingeschraubt.
Zweckmässig werden die Bauteile 12, 13, 17, 18, 19, 20 und 25 aus spektralreinem Graphit, die Bau« teile 14, 15, 21, 23, 28, 31 aus Kupfer, und die Bauteile 27 und 29 aus Tafion verfertigt.
- β - 0098S2/0562
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2. G.Gic-mnini: Sei. American 197» No.2.8ο, 06 (1957)
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BAD ORIQlNAi.
00885270562

Claims (1)

  1. P/.TENT/iNSPRÜOHE 1 6 1 A 8 0
    1. Senkrecht angeordneter, mit. Gleichstromlichtbogen erregter Plasmabrenner, welcher zwei Elektroden, mindestens eine Stabilisiärungsscheiba, ein GaszufUhrungarohr, sowie einen Dosierungskopf mit Ausführungaöffnung für den Plasmastrahl aufweist, dadurch gekennzeichnet , dass der Dosierungekopf und die Katode in eine Einheit zusammengebaut sind, wobei die als Lichtbogen- und PlasraafUhrungsmittel ausgebildete, pus Platten oder aus einem Rohr bestehende Katode (13) in einem Katodenblock (19) pustauschbpr befestigt ist und die Katode durch eine ebenfalle mit Ketodenblock austauschbar befestigte Katodengloeke (18) umgeben ist, derart, dass ge^en das obere Austrittsende der Katode hineinreichender und in der Linie der Ketodenaustrittsöffnung eine Plasmaaustrittsöffnting Clß) bildender Lnap.tζ vorgesehen ist, weite»» in der Glocke ein in Seitonrichtung angeschlossenes Probesuführungarohr (l?) befestigt ist, waiters zweokmässig zwischen der Kptode (13) und der Glocke (18) ein Schutzring (2o) angeordnet ist.
    2» PlRsma.brenner nach Anspruch 1, dadurch ge» kennzeichnet , dass die Anode (12) als »*ne mit Öffnungen (34) versehene Scheibe ausgebildet 1st,
    3. Plasmabrenner naeh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die «ateren Bintritts- und oberen / uatrittaöffnungen «for Bohrungen (34) an die Umgebung von Krelaent deren Mittelpunkte in dar,
    -Io ^ 0018fS 2/0562 Bad original
    16U801
    durch den Anodenmittelpunkt hindurchgehenden eenkreohten Achse liegen und die Ebenen der Kreise parallel sind, und die aneinander «umordneten Bin· und Aus· trittsöffnungen längs der Umgebung der Kreise gegen« einender in gleicher Richtung verschoben (verdreht) sind.
    4« Plasmabrenner nach Anspruch 3,, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius des Kreises der Auetritteöffnungen geringer als der Radius der Ein· trittaöffnungen 1st.
    5. Plasmabrenner nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 4» dadurch gekennzeichnet, dass im mittleren Teil der Anode sin ausragender und aus· tPuschbar angeordneter Anodendinsati, welcher die Aus· ^angsbnsLe des Llchtbogena bildet, vorgesehen 1st·
    6* Plasmabrenner nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, dndurch ge k β nnze 1 ebne t , dass unterhalb der /node eine, die GßSBUfUhrungsrühre (29) umgebende /.nodenkeamer, d.h. eine Gneproben-Mischkaamer vorgesehen lat.
    009852/0562
    Leerseite
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Date Code Title Description
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