DE1963689A1 - Hohlkathodenlampe - Google Patents

Description

Hohlkatho d enlampe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hohlkathodenlampe als Lichtquelle in Atomabsorptionsspektrometern, speziell für Atomabsorptionsmessungen von Tellur und Zinn, bestehend aus einer becherförmigen Hohlkathode, deren innere Oberfläche von einer metallischen Substanz mit der gewünschten spektralen Emission gebildet wird.

In der Atomabsorptionsspektroskopie wird eine Probe, die ein oder mehrere Metalle enthält, dadurch analysiert, daß bei einer bestimmten, spezifischen Wellenlänge die Absorption durch die Atome gemessen wird, die analytisch bestimmt werden sollen. Im allgemeinen wird dazu eine Probe, die gewöhnlich in Form einer lösung eines Salzes des betreffenden Metalles vorliegt, in der Flamme eines Brenners verdampft, wobei die Probe atomisiert wird. Anschließend wird mit einer sehr intensiven Lichtquelle bestrahlt, die wenigstens eine der charakteristischen Absorptionslinien des gesuchten Metalls enthält. Die bei dieser charakteristischen Wellenlänge durch die Probe hindurchtretende Strahlung fällt auf den Detektor, so daß auf diese Weise die in der Probe absorbierte Lichtmenge gemessen werden kann. Durch den Vergleich dieser gemessenen Intensität mit z.B. der Strahlungs-

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intensität der Lampe in Abwesenheit einer Probe ergibt ein quantitatives Maß für die Absorption und damit auch ein Maß für die Konzentration des speziellen Metalls, die durch die Analyse bestimmt werden soll. In der USA-Patentschrift 2 847 899 vom 19. August 1958, Erfinder: A.Walsh, sind das Prinzip der Atomabsorptionsspektroskopie und Atomabsorptionsspektrometer beschrieben.

Vorzugsweise enthält die Lichtquelle selbst eine relativ hohe Konzentration des zu bestimmenden Metalls, damit die Probe mit einer ausreichend hohen Intensität bei der Wellenlänge der scharfen Absorptionslinie bestrahlt werden kann. Sine typische Lichtquelle dieser Art stellt eine Hohlkathodenlampe dar, bei der ein becherförmiges Teil als negative Elektrode der Lampe fungiert und einen gewissen Prozentsatz des Metalls, das analysiert werden soll, enthält. Diese Hohlkathode und die positive Elektrode werden hermet isch in einen Glaskolben bei niedrigem Druck eines Inertgases eingeschlossen. Hohlka/thodenlampen dieser Art sind in einer USA-Patentschrift (3 361 925 v.2.Jan.1968) vom gleichen Anmelder beschrieben. Vorzugsweise wird die Hohlkathodenanordnung der vorliegenden Erfindung in eine abgeschirmte Hohlkathodenlampe eingebaut, wie sie z.B. in der UoÄ-Patentsehrift 3 390 297 vom 25.Juni 1968 vom gleichen Anmelder beschrieben ist; dabei ist im allgemeinen in koaxialer Anordnung mit der Kathode eine im allgemeinen zylinderförmige Abschirmung aus isolierendem Material vorgesehen.

Wie bereits in dem genannten USA-Patent 3 361 Q25 vom Anmelder angegeben wurde, sollte der strahlende Teil der Hohlkathode so ausgebildet werden, daß eine hohe spektrale Strahlungsintensität, eine lange Benutzungsdauer und eine einfache Herstellung erreicht werden. Darüberhinaus sollte das Material unter allen Betriebsbedingungen mechanisch,, physikalisch und chemisch stabil sein, sowie in seinem aktiv emittierenden Teil bestimmte, gewünschte

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elektrische Eigenschaften aufweisen. So sollte besonders während des Betriebes der Lampe der elektrische Widerstand des Kathodenmaterials relativ niedrig sein, und der Widerstand sollte sich im Bereich zwischen Raumtemperatur und Betriebstemperatur allein stetig ändern.

Reines Tellur ist ein extrem sprödes, metallisches Material, das unter den normalen Betriebsbedingungen innerhalb einer Hohlkathodenlampe sehr hohen Dampfdruck erreicht. Darüberhinaus ist der elektrische Widerstand von Tellur beträchtlich höher als die vorher genannten idealen Werte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Hohlkathodeneinrichtung für Lampen zu schaffen, die das charakteristische Spektrum von Tellur emittieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die innere Oberfläche von Zinntellurid aus ca. 48 Gewichtsprozent Zinn und ca. 52 Gewichtsprozent Tellur geformt ist und daß die spektrale Strahlung der Lampe aus der Emission von Tellur und Zinn besteht. Die hier verwendete teliurhaltige Substanz besitzt eine größere mechanische Formbarkeit, einen niedrigeren Dampfdruck bei der Betriebstemperatur, einen niedrigeren elektrischen Widerstand und einen höheren Schmelzpunkt als das früher verwendete reine Tellur, so daß eine leichtere Herstellung, eine niedrigere Lebensdauer bei einem bestimmten Betriebsstrom, niedrigere Anforderungen hinsichtlich der Spannung für die Stromversorgung der Lampe und höhere Stromstärken im Betrieb und dadurch höhere Strahlungsintensitäten erreicht werien. Dadurch, daß die Lampe nicht nur las charakteristische Spektrum des Tellurs emittiert, sondern auch das eines anderen Metalls, in diesem i'all Zinn, kann iie gleiche La~re auch für die Anal,, se anderer solcher Iletalle verwendet werden.

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Vorteilhafterweise wird bei der Hohlkathodenlampe nach der Erfindung die becherförmige.Hohlkathode aus reinem Kupfer geformt..

Bei der erfindungsgemäßen Hohlkathodenlampe weist die metallische Substanz, die den emittierenden Teil der Lampe bildet, im allgemeinen die Form eines zylindrischen Einsatzes mit einer axialen, allgemein zylinderförmigen Ausnehmung auf, wobei der genannte Einsatz im Inneren der becherförmig en Hohlkathode angeordnet ist.

Die Abbildung zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Hohlkathode nach der Erfindung.

Die Abbildung zeigt eine Hohlkathodeneinrichtung vor ihrem Einbau in eine Lampe eines Typs wie er z.B. in dem USA-Patent 3 361 925 oder vorzugsweise in der Figur 1 des USA-Patents 3 390 297 beschrieben ist. Die Hohlkathodeneinrichtung 20 der vorliegenden Zeichnung besteht aus einem üblichen Kathodenbecher oder -halter 22, der in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus Kupfer hergestellt wird. Das geschlossene Ende (auf der linken Seite der Zeichnung) des Halters 22 weist einen verjüngten Teil 24 auf, dessen koaxiale Ausnehmung 25 Tinter Anwendung von Druck oder durch Kröpfen mit dem Kathodenanschluß der Hohlkathodenlampe nach Art der oben erwähnten beiden Patente des gleichen Anmelders verbunden wird. Der erweiterte, offene Becherteil (rechte Seite der Zeichnung) 26 des Kathodenhalters enthält einen im allgemeinen zylindrischen Einsatz 28 mit einer im allgemeinen zylindrischen, koaxialen Ausnehmung oder "Aushöhlung" 29. Dieser Einsat'z 29 weist das Material auf, das die Strahlungscharakteristik der Lampe bestimmt; in dem hier betrachteter. Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird iieser Einsatz aus Zinntellurid hergestellt.

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üine wesentliche Neuheit der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß der Einsatz 28 aus der aktiv emittierenden Substanz aufgebaut ist. Im Falle der Verwendung von Zinntellurid wird so , eine wesentliche Verbesserung in der Herstellung und in der Charakteristik von lampen erzielt, die als Lichtquelle für die spektrale Emission von Tellur in Frage kommen, wobei auch die Intensität der Strahlung wesentlich höher ist. Zusätzlich stellt die Lampe ebenfalls eine verbesserte Lichtquelle für die spektrale Emission von Zinn dar.' Dies wird dadurch erreicht, daß durch die Verwendung einer Tellurlegierung, speziell Zinntellurid, ein Material von bedeutend höherer mechanischer Verformbarkeit, niedrigerem Dampfdruck bei Betriebstemperatur, sowie geringerem elektrischem Widerstand im Vergleich zu reinem Tellur erhalten wird. Weiterhin liegt der Schmelzpunkt dieser Legierung höher als der von reinem Tellur, so daß die Hohlkathodenlampe mit höheren Strömen betrieben werden kann und so höhere Strahlungsintensitäten liefert. Darüberhinaus erlaubt die Verwendung einer Legierung im Einsatz der Hohlkathode auch eine Verwendung der Lampe als Lichtquelle für das dem Tellur zulegierte Element.

Im folgenden wird die Herstellung einer Hohlkathodeneinrichtung gemäß der Erfindung beschrieben: Eine für einen Einsatz ausreichende Menge von Zinntellurid (ca. 5 gr.) wird durch Legieren von Zinn (4-8,2 Gew.$) mit einer chemisch äquivalenten Menge von Tellur (51 ,8 Gew.$6) in einer inerten Atmosphäre (z.B. unter Argon) in einem Graphittiegel von 0,95 cm innerem Durchmesser) mittels Induktionsheizung hergestellt. Auf diese Weise erhält man einen Rohling aus Zinntellurid mit einem äußeren Durchmesser von 0,95 cm und einer Länge von 1,27 cm. Das Stück wird abgedreht und zentral mit einer Längsbohrung von 0,52 cm versehen, die entspreohend der Ausnehmung 29 in der Zeichnung bis zu einer Tiefe von ca. 1 cm geführt wird. Der Körper wird dann in den Kathoden-

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halter 22 eingebracht, dessen innerer Durchmesser ganz geringfügig größer ist als der äußere Durchmesser des Einsatzes 28. Der Rand des erweiterten Teils 26 des Kathodenhalterβ (der bis dahin nur eine Verlängerung des zylindrischen Teils 26 über die länge des Einsatzes 28 hinaus darstellte) wird, wie unter 30 angezeigt ist, eingesenkt, so daß der Einsatz 28 innerhalb des Kathodenhalters fest angeordnet ist. Das ganze Teil wird anschließend in der Form, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, auf den Kathodenanschluß einer Lampe aufgebracht, entsprechend den Angaben in den vorhergenannten USA-Patenten, be- W sonders 3 390 297.

Hohlkathodenlampen dieser Art sind mit Erfolg erprobt worden und werden zur Zeit kommerziell hergestellt. Dabei hat sich gezeigt, daß man als Füllgas in der fertigen Lampe bevorzugt Neon anstelle von Argon verwenden soll, denn die Strahlungsausbeuten sind sowohl für Tellur (bei 2143 S ), als auch für Zinn (bei 2246 £ und 2863 S ) höher; ein Gasdruck von etwa 8 Torr genügt für diesen Zweck. Die so hergestellten Lampen zeigten bei einer Stromstärke von 30 mA eine Lebensdauer von mehr als 200 Stunden (6 Ah). Damit können diese Lampen bei einem höheren Betriebsstrom (30 mA) betrieben werden als die früheren Lampen, bei denen ein innerer Überzug oder ein Einsatz 28 aus reinem Tellur

verwendet wurde (max. 18 mA). Dadurch besitzen Hohlkathodenlampen gemäß der Erfindung hinsichtlich des reduzierten Dampfdrucks und der erhöhten Schmelztemperatur der Zinn-Tellur-Legierung verbesserte Betriebscharakteristika, zusätzlich sind sie leichter herzustellen, und wegen der besseren Buktilität des Zinntellurids , verglichen mit dem spröden Tellur ist die Gefahr der Bildung von' Rissen oder Sprüngen geringer. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei diesen Lampen ebenfalls die spektrale Strahlungsintensität der Zinnemission größer ist im Vergleich zu früheren Lampen, bei denen das Zinn während des Betriebes der Lampe im

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.Inneren der Kathode geschmolzen ist.

Somit weist die Kathodeneinrichtung der Spektrallampe der vor liegenden Anmeldung eine höhere Stabilität, größere Intensität, einfachere Herstellung und einen größeren Anwendungsbereich (für die spektrale Emission von sowohl Tellur als auch Zinn) auf. In dieser Weise wird die geforderte Aufgabenstellung er füllt, obwohl Eur Herstellung der verbesserten Hohlkathode nur relativ einfache Schritte erforderlich sind. Obwohl hier ein spezielles Ausführungsbeispiel einer Hohlkathodenlampe nach der Erfindung im einzelnen beschrieben worden ist, ist für den Fach mann leicht erkennbar, daß die Erfindung selbst leicht auf andere Beispiele übertragen werden kann·

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Claims (2)

•4T- Patentansprüche

1.- Hohlkathodenlampe als Lichtquelle für Atomabsorptionsmessungen in Atomabsorptionsspektrometern, bestehend aus einer becherförmigen Hohlkathode, deren innere Oberfläche von einer metallischen Substanz mit der gewünschten spektralen Emission gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche von Zinntellurid aus ca. 48 Gewichtsprozent Zinn und ca. 52 Gewichtsprozent !Tellur geformt ist und daß die spektrale Strahlung der Lampe aus der Emission von Tellur und Zinn besteht.

2. Hohlkathodenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die becherförmige Hohlkathode (20) aus reinem Kupfer geformt ist.

Hohlkathodenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Substanz im allgemeinen die Form eines zylindrischen Einsatzes (28) mit einer axialen, allgemein zylinderförmigen Ausnehmung (29) aufweist und daß der genannte Einsatz im Inneren der becherförmigen Hohlkathode (20) angeordnet ist.

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