DE1673217C - Hohlkathodenentladungsröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlkathodenentla- wird im sogenannten Kathodenglimmlicht zum dungsröhre als Lichtquelle für die Emissionsspektral- 35 Leuchten angeregt; es läßt si..h in diesem Zustand analyse, mit einem wassergekühlten Kathodenteil, der spektralanalytisch nachweisen und quantitativ bedie eigentliche Hohlkathode in Form einer zylindri- stimmen. Wegen des geringen Gasdruckes und der sehen oder konischen Vertiefung enthält. verhältnismäßig kleinen Stromdichte ist das Glimm-

Zweck einer solchen Hohlkathodenentladungs- licht »optisch dünn«, eine Selbstumkehr von Spekröhre ist es, Proben kleiner Abmessung zeitsparend 4» trallinien wird daher nicht beobachtet. Somit herrmit hoher Genauigkeit zu analysieren. Die Förde- sehen in einer Hohlkathodenentladungsröhre wesentrung, schnell und ohne hohen Arbeitsaufwand die lieh günstigere Vorbedingungen für eine quantitative Bestandteile eines Körpers sowie deren Konzentra- Analyse als bei der Funken- und Bogenentladung, tion mit kleiner Fehlerbreite an geringen Substanz- Um auch unerwünschte Bandenspektren durch das mengen zu ermitteln, stellt sich beispielsweise bei der 45 Trägergas zu vermeiden, füllt man die Entladungs-Produktionsuberwachung und der routinemäßigen röhre mit einem atomaren Gas, beispielsweise mit Materialkontrolle. Helium oder Argon.

Für derartige Aufgaben verwendet man heute in Bei den bisher bekanntgewordenen Ausführungs

erheblichem Umfang die optische Spektralanalyse, arten der Hohlkathodenröhren (Zeitschrift für Phywobei am häufigsten die elektrische Bogen-und Fun- 50 sik, Band 93, Jahrgang 1935, Seiten 611 bis 619; kentntladung als Lichtquelle ausgenutzt wird. Als Spectrochimica Acta, Band 5, Jahrgang 1952, Seiten nachteilig erweisen sich bei diesen Analysemethoden 322 bis 326; Spectrochimica Acta, Band 6, Jahrgang die nur schwer erfaßbaren und ungenügend reprodu- 1954, Seiten 169 bis 179; Spectrochimica Acta, Band - - zierbaren physikalischen Verhältnisse, die während 21, Jahrgang 1965, Seiten 423 bis 426; Angewandte der elektrischen Entladung an der Probenoberfläche 55 Chemie, Band 76, Jahrgang 1964, Seite 306) wird und im Plasma herrschen. Sowohl die Bogen- als entweder das zu analysierende Material in Form von auch die Funkenentladung führt nämlich zu einem Pulver oder Spänen in die Bohrung der Kathode geörtlichen Aufschmelzen der Probenoberfläche und bracht oder das Hohlkathodentöpfchen wird aus dem damit zur mehr oder weniger starken partiellen Ver- zu untersuchenden Material selbst hergestellt. Im . dampfung der einzelnen Komponenten; ferner tritt 6o erstgenannten Fall kann die Probe bei ungünstigen bei beiden Entladungsarten die Selbstumkehr be- Wärmeableitungsbedingungen schmelzen, und dann stimmter Spektrallinien auf. Aus diesen Gründen ist verdampfen ihre Bestandteile in mehr oder weniger in der quantitativen Spekralanalyse der relative Feh- unterschiedlichem Ausmaß. Der Vorteil der Glimmler verhältnismäßig groß, er beträgt etwa 3%> und entladung, der kontinuierliche Abbau der zu analydemzufolge wird üblicherweise mit den derzeitigen 65 sierenden Substanz durch Zerstäubung, geht also spektralanalytischen Methoden nur ein auf Gehalte hierbei wieder verloren. Fertigt man andererseits die bis-zu etwa 10% beschränkter Konzentrationsbereich Hohlkathode aus dem zu untersuchenden Material Quantitativ untersucht. selbst an, so können, insbesondere wenn sprödes

Material töpfchenförmig auszuarbeiten ist, erhebliche eine 0,5 mm dicke Glimmerplatte (4), die mit einem Schwierigkeiten technologischer Art bei der T_Orm- zähen Hochvakuumfett auf den Katbodenkörper gegebung auftreten. Stets wird in diesem Fall die Pro- klebt ist. Ein weiche Gummiring (5) schließt die benvorbereirung einen sehr hohen Arbeite- und Zeit- Glimmerplatte gegen den Anodenkörper vakutsnaufwand erfordern. Diese Ausführungsform der Hohl- 5 dicht ab. Das 5 mm dicke, optisch plangeschliffene kathode eignet sich daher nicht für routinemäßige Quarzfenster (6), das die Entladungsröhre anoden-Analysen, wie sie beispielsweise in der Produk- seitig nach außen abschließt, ist ebenfalls durch eine tionsüberwachung und Materialkontrolle notwendig Überwurfmutter (7) und eine Gummidichtung (8) mit sind. · dem Anodenkörper vakuumdicht verschraubt. Die in

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die io die Bohrung des Anodenkörpers ragende Überwurf-Hohlkathodenröhre so auszugestalten, daß sich kleine mutter (9) aus schwer zerstäubbarem Metall (im Aus-Proben mit ebener oder nahezu ebener Oberfläche, führungsbeispiel: Nickel) dient dem fugenlosen Abwie beispielsweise Band- oder Blechabschnitte und Schluß der Glimmerplatte (4). Um unerwünschte EntScheiben, unmittelbar, also ohne zusätzliche Form- ladungen zu unterdrücken, beträgt der Abstand zwigebungsarbeit, analysieren lassen. 15 sehen dieser Überwurfmutter und dem Anodenkör-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- per nur etwa 0,5 mm.

löst, daß der Mantel der Hohlkathode von einem in · Die eigentliche Hohlkathc■'■.-'. bildet das zwecks den Kathodenteil eingepaßten Röhrchen gebildet besserer Wärmeableitung koniscS geformte Röhrwird, das aus einem schwer zerstäubbaren Material eben (10) mit der zu untersuchenden Probe (11) als von hoher Wärmeleitfähigkeit besteht uiid daß der ao Boden. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Länge Boden der Hohlkathode von dem zu analysierenden des Röhrchens 2 cm, dessen anodenseitiger Innen-Festkörper gebildet wird, der mit einer ebenen Flä- durchmesser 0,6 cm und dessen probenseitiger Innenche gegen das der Anode abgewandte Ende des durchmesser 0,65 cm. Über den aus elektrisch isolie-Röhrchens gedrückt wird. rendem Material (Novotex) gefertigten Pumpstutzen

Es hat sich als günstig erwiesen, Kathodenröhr- 35 (12) läßt sich die Probenkammer (13) evakuieren, chen mit einer Länge von 0,5 bis 5 cm und einem Sie wird durch eine Platte (14) abgeschlossen, die der Innendurchmesser von 0,2 bis 1 cm zu verwenden. äußere Luftdruck gegen die Vakuumdichtung (15) Zweckmilßigerweise werden die Röhrchenabmessun- preßt. Die Feder (16) drückt die zu analysierende gen so gewählt, daß das Verhältnis von Länge zu Probe (11) gegen den Kathodenkörper, der über den Durchmesser im Bereich von 2:1 bis 4:1 liegt. Die 30 Kühlwasserstutzen (17) gekühlt wird. Die Kühlung erfindungsgemäße Verwendung eines relativ langen des Anodenkörpers erfolgt über den Stutzen (18).
Röhrcheiis hat zur Folge, daß die zur Aufrechterhai- Das Trägergas strömt durch das Rohr (19) in den tung der Glimmentladung erforderliche Spannung, Anodenhohlraum (20) und wird über den Stutzen (21) die sogenannte Brennspannung, durch das Rohr- kontinuierlich so abgepumpt, daß in dem Anodenmaterial und nicht durch das Probenmaterial fest- 35 hohlraum und in der Brennkammer (22) der ergelegt wird, wünschte Arbeitsdruck von 0,1 bis 5 Torr herrscht.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in der Probenkammer wird hingegen ein Druck auf-

insbesondere darin, daß sich selbst Proben mit Ab- rechterhalten, der etwa dem halben Arbeitsdruck

messungen bis herunter zu etwa 1 cm Durchmesser entspricht. Diese Maßnahme ist notwendig, um Gleit-

ohne großen Aufwand bei der Probenvorbereitung 40 entladungen an der Auflagefläche der Probe zu ver-

mit sehr erheblicher Zeitersparnis und hoher Ge- hindern.

nauigkeit analysieren hassen. Die erfindungsgemäß Die Hohlkathodenröhre wird mit dem auf Nullausgestaltete Hohlkathodenröhre ist daher auch gut potential liegenden Anodenkörper so an einem Spekgeeignet für Routineuntersuchungen, wie sie z. B. in trographen befestigt, daß deren optische Achsen der Produktionsübercvachung und Materialkontrolie 45 zusammenfallen.

erforderlich sind. Die außerordentliche Schärfe der Zum Zünden der elektrischen Entladung in der Spektrallinien, das Fehlen der Selbstumkehr und der Hohlkathodenröhre ist eine Spannung von etwa Wegfall störender Banden führen dazu, daß sich mit 1000 Volt erforderlich. Die von der gewählten Stromder Hohlkathodenröhre geringere Konzentrationen stärke, dem Gasdruck und dem Material des Kathobestimmen lassen als mit der derzeitigen optischen so denröhrchens abhängige Brennspannung liegt zwi-Spektralanalyse, in der die Bogen- bzw. Funkenent- sehen 200 und 600 Volt. Um die Glimmentladung ladung als Lichtquelle benutzt wird. So läßt sich mit zu stabilisieren, wird der Hohlkathode ein Schutzeiner erfindungsgemäß gestalteten Hohlkathoden- widerstand von 1500 Ohm vorgeschaltet,
röhre u. a. noch 0,0005 ^e/o Silizium in Nickel nach- Der Druck des Trägergases und die Stromstärke weisen. 55 bestimmen in der Hohlkathodenröhre die Zerstäu-

Da sich bei der quantitativen Bestimmung von bungsquote der zu analysierenden Probe und damit Legierungselementen mittels der Hohlkathodenröhre auch die Intensität der Spektral'.inien. Sie erhöht

selbst bei hoher Konzentration lineare Eichkurven sich bei vorgegebener Stromstärke mit zunehmendem

ergeben, ist es hiermit ferner möglich, leitproben- Druck des Trä»ergases und steigt bei vorgegebenem

freie Analysen durchzuführen. 60 Gasdruck mit der Stromstärke an. Es hat sich als

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dar- günstig erwiesen, den Arbeitsdruck zwischen 2 und

gestellt und wird im folgenden näher beschrieben: 5 Torr zu wählen und die Entladung mit einer Strom-

Die Hohlkathodenentladungsröhre besteht im stärke zu betreiben, die zwischen etwa 0,3 und 1,0

wesentlichen aus dein Anodenkörper (1) und dem Ampere liegt.

Kathodenkörper (2), die beide durch eine Überwurf- 65 Da auf dem Kathodenröhrchen sich immer mehr

mutter (3) aus nichtleitendem Material miteinander oder weniger zerstäubtes Probenmaterial absetzt,

verschraubt sind. Zur elektrischen Isolierung befin- muß in der Regel mit jedem Probenwechsel auch das

det sich zwischen dem Anoden- und Kathodenkörper Kathodenr öhrchen ausgetauscht werden. Zur Vor-

bereitung der Proben ist nur ein geringer Aufwand erforderlich; es genügt, die Proben auf einer Seite abzuschleifen.
Mit der im Ausführungsbeispiel beschriebenen

Vorrichtung läßt sich ein Probenwechsel in etwa 5 4 Minuten vorliegen.

20 Sekunden vornehmen; weitere 2 bis 3 Minuten sind zum Einbrennen und Belichten erforderlich. Mit Hilfe eines lichtelektrischen Auswertungsgerätes kann also das Analysenergebnis bereits nach etwa

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Einen Weg, die genannten Nachteile auszuschal- p,,(.n((,nmrii„^ ' ten, bietet die Kathodenzerstäubung in einem elek- Fatentanspniche· trischen GasenÜadungsrohr geeigneter Ausführung. In der besonderen Form der Hohlkathodenentla-

1. Hohlkathodenentladungsröhre als Licht- 5 dungsrchre werden derartige Glimmentladungsröhquelle für die Emissionsspektralanalyse, mit einem ren seit längerer Zeit für HyperfeinstniLturuntersuwassergekühlten Kathodenteil, der die eigentliche drangen verwendet (H. S c h ü 1 e r und H. G ο 11 η ο w: Hohlkathode in Form einer zylindrischen oder Über eine lichtstarke Glimmentladungsröhre zur konischen Vertiefung enthält, dadurch ge- spektroskopischen Untersuchung geringer Substanzkennzeichnet, daß der Mantel der Hohl- «> mengen. Zeitschrift für Physik, Band 93, Jahrgang kathode von einem in den Kathodenteil einge- 1935, Seiten 611 bis 619. — H. Schüler und A. paßten Röhrchen gebildet wird, das aus einem Michel: Über zwei neue Hohlkathodenentladungsschwer zerstäubbaren Material von hoher Wärme- röhren. Spectrochimica Acta, Band 5, Jahrgang 1952, leitfähigkeit besteht, und daß der Boden der Hohl- Seiten 322 bis 326), und es ist ferner bereits bekannt, kathode von dem zu analysierenden Festkörper 15 Hohlkathodenentladungsröhren zur qualitativen und gebildet wird, der mit einer ebenen Fläche gegen quantitativen spektrochemischen Analyse zu benutdas der Anode abgewandte Ende des Röhrchens zen (F. T. Birks: The application of the hollow gedrückt wird. cathode source to spectrograph^ analysis. Spectro-

2. Hohlkathodenentladungsröhre nach An- chimica Acta, Band 6, Jahrgang 1954, Seiten 169 sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver- se bis 179).

hältnis von Länge zu Durchmesser des einge- In der Hohlkathodenentladungsröhre ist die Ka-

paßten Röhrchens im Bereich von 2:1 bis 4:1 thode töpfchenförmig ausgebildet; ihr Innendurch-

liegt messer beträgt in der Regel einige Millimeter, ihre

3. Hohlkathodenentladungsröhre nach An- lichte Tiefe etwa 1 bis 2 Cm. Infolge der hohen Feldspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 35 liniendichte wird im Kathodenhohlraum eine wesentdas eingepaßte Röhrchen aus Nickel besteht. lieh größere Leuchtdichte erzielt als in einem

Glimmentladungsrohr mit ebenen, einander parallel gegenüberstehenden Platten. In einem solchen Entladungsrohr findet bei einem Druck zwischen 0,1 und

— 30 10 Torr und hinreichend hoher Spannung zwischen

den Elektroden durch Beschüß mit Ionen des Trägergases ein kontinuierlicher Abbau des Kathodenmaterials statt. Das zerstäubte Kathodenmaterial