DE2045134A1 - Atomic fluorescence spectrometer - Google Patents

Atomic fluorescence spectrometer

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DE2045134A1 DE19702045134 DE2045134A DE2045134A1 DE 2045134 A1 DE2045134 A1 DE 2045134A1 DE 19702045134 DE19702045134 DE 19702045134 DE 2045134 A DE2045134 A DE 2045134A DE 2045134 A1 DE2045134 A1 DE 2045134A1
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Description

H12 P1O DH12 P1O D

HEWIETT-PACEAED COMPANY Palo Alto / California, USAHEWIETT-PACEAED COMPANY Palo Alto / California, USA

AtomfluoreszenzspektroiiieterAtomic fluorescence spectrometer

Priorität: 12. September 1969; USA; Ser0NOo 857 360Priority: September 12, 1969; UNITED STATES; Ser 0 NOo 857 360

Ausgangspunkt der Erfindung;Starting point of the invention;

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Gerät für die Atomfiuoreszenzspektroskopie (A.IV.S.), wie es z.B. bei chemischen Untersuchungen verwandt wird, um die Konzentration eines bestimmten Elementes in einer Probe zu bestimmen. Kurz gesagt, wird bei einem typischen A.F.S„-System einer Probe thermisch Energie zugeführt, um diese in atomaren Dampf umzuwandeln, der eine beträchtliche Zahl von freien Atomen aufweist, die sich ■ in ihren G-rundenergiezuständen befinden. Von einer Lichtquelle, die Wellenlängen besitzt, die für eine ausgewählte Atomart in der Probe charakteristisch sind, wird Strahlungsenergie durch die in Form eines atomaren Dampfes vorliegende Probe geleitet, um die ausgewählten Atome in höhere Energieniveaus zu bringen. Danach kehren die angeregten Atome in den Grundzustand zurück und geben ihre Energie in Form von emittierter Strahlung ab. Die emittierte Strahlung wird durch einen Detektor festgestellt, dessen Ausgang einen Hinweis auf die Konzentration der ausgewählten Atomart in der Probe gibt. Der Detektor ist so angeordnet, daß er lediglich Strahlung aufnimmt, die von der Probe emittiert wird, und keine Strahlung von der Lichtquelle empfängt«The present invention relates generally to an apparatus for the Atomic fluorescence spectroscopy (A.IV.S.), as used e.g. in chemical investigations, to determine the concentration of a to determine a certain element in a sample. In a nutshell, becomes thermal in a typical A.F.S "system of a sample Energy supplied to convert this into atomic vapor, the has a considerable number of free atoms that ■ are in their G-round energy states. From a source of light has wavelengths which are characteristic of a selected atomic species in the sample, radiation energy is transmitted through the sample, which is in the form of an atomic vapor, is conducted to bring the selected atoms to higher energy levels. Then the excited atoms return to the ground state and give off their energy in the form of emitted radiation. The emitted radiation is detected by a detector, the output of which is an indication of the concentration of the selected atomic species in the sample. The detector is arranged so that it only picks up radiation from the Sample is emitted, and no radiation from the light source receives "

109Ö12/U32109Ö12 / U32

20 4 513a20 4 513a

Die gesamte von der ausgewählten Atomart emittierte Strahlung umfaßt sowohl die gewünschte Fluoreszenzstrahlung, die durch die lichtquelle bewirkt wird, und eine unerwünschte thermische Strahlung, die auf der thermischen Energie "beruht, die zur Herstellung des Atomdampfes verwandt wird. Die auf einer thermischen Anregung "beruhende Untergrundstrahlung wird von der Fluoreszenzstrahlung dadurch unterschieden, daß man das Licht der Lichtquelle moduliert und synchron lediglich die Strahlung feststellt, die durch die modulierte Lichtquelle erzeugt wird. Das sich ergebende nutzbare Signal, das von dem Detektor erhalten wird, gibt die Fluoreszenzstrahlung an und ist gleich der Differenz zwischen der Gesamtstrahlung und der thermischen Strahlung,,All of the radiation emitted by the selected atomic species includes both the desired fluorescent radiation emitted by the light source is caused, and an undesirable thermal radiation, which is based on the thermal energy "the is used to produce atomic vapor. The background radiation "based on a thermal excitation" is from The fluorescence radiation is distinguished by modulating the light of the light source and synchronously only the Detects radiation generated by the modulated light source. The resulting usable signal received from the Detector is obtained, indicates the fluorescence radiation and is equal to the difference between the total radiation and the thermal radiation ,,

Damit der Detektor selektiv und möglichst empfindlich auf die Fluoreszenzstrahlung anspricht, sollte die thermische Strahlung, die von dem Detektor empfangen wird, gegenüber der Fluoreszenzstrahlung möglichst klein gehalten werden. Dies wurde dadurch zu erreichen versucht, daß man ein Filter oder einen Monochromator zwischen den Dampf der Probe und den Detektor eingebracht hat, um lediglich ein schmales Wellenlängenband durchzulassen, das um eine Resonanzlinie der ausgewählten Art von Elementen herumliegt, und um andere Spektrallinien zu sperren, die von dem Dampf der Probe abgestrahlt werden«,So that the detector is selective and as sensitive as possible to the Fluorescent radiation responds, the thermal radiation that is received by the detector should be opposite to the Fluorescence radiation can be kept as small as possible. This has been attempted to achieve by using a filter or has placed a monochromator between the vapor of the sample and the detector to only select a narrow band of wavelengths passing around a resonance line of the selected type of elements and around other spectral lines to block, which are emitted by the steam of the sample «,

Durch die Verwendung eines Filters oder eines Monoehromators am Detektoreingang ergeben sich zahlreiche beträchtliche Schwierigkeiten. Der Monochromator muß ζ„Β. ein hohes Auflösungsvermögen besitzen, wenn nicht die Untersuchungeempfindlichkeit verringert werden soll. Aus der Tatsache, daß der Monochromator oder das Filter bei einer Wellenlänge arbeitet, entstehen andere Nachteile. Die Untersuchungsempfindlichkeit wird durch die thermische Strahlung in dem optischen BandpaßBy using a filter or a monaural generator Numerous significant difficulties arise at the detector entrance. The monochromator must be ζ "Β. a high resolution possess, if not, the insensitivity to examination should be reduced. From the fact that the monochromator or filter operates at one wavelength, other disadvantages arise. The sensitivity of the examination is caused by the thermal radiation in the optical bandpass

109812/1532 original in*109812/1532 original in *

2ΪΚ51342,5134

des Monochromators begrenzte Darüberhinaus werden durch bestimmte Elemente, wie Kupfer, Nickel und Eisen eine Vielzahl von Spektrallinien erzeugt; es geht jedoch nur eine dieser Linien durch den Monochromator und wird durch den Detektor festgestellt, wodurch sich eine weitere Verringerung der Empfindlichkeit ergibt. Weiterhin erfordert jedes Element, das festgestellt werden soll, die Verwendung eines Monochromator, der auf eine besondere Wellenlänge anspricht. Deshalb muß, wenn eine Probe auf mehrere Elemente untersucht werden soll, der Monochromator für jedes zu bestimmende Element ausgetauscht werden. Die Verwendung von mehreren Monochromatoren ist sowohl kostspielig als auch zeitraubend. Weiterhin ist bei einem A.IVS,-System, bei dem sich die Probe verbraucht, wenn sie in atomaren Dampf umgewandelt wird, die Untersuchung einer kleinen Menge der Probe auf mehrere Elemente nur möglich, wenn ein ausgearbeitetes System vorliegt, mit dem eine schnelle Umschaltung von einem Monochromator zu einem anderen vorgenommen werden kann. Ein derartiges System ist wirtschaftlich undurchführbareof the monochromator are also limited by certain Elements such as copper, nickel, and iron produce a variety of spectral lines; however, only one of these is possible Lines through the monochromator and is detected by the detector, further reducing sensitivity results. Furthermore, each element that to determine the use of a monochromator, that responds to a particular wavelength. Therefore, if a sample is to be examined for several elements, the monochromator can be exchanged for each element to be determined. The use of multiple monochromators is both costly and time consuming. Furthermore, in an A.IVS system, in which the sample is consumed, If it is converted into atomic vapor, the examination of a small amount of the sample for several elements is only possible when there is an elaborate system that allows rapid switching from one monochromator to another can be made. Such a system is economical impracticable

Zusammenfassung der Erfindung:Summary of the invention:

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Atomfluoreszenzspektrometer, bei dem keine Filter oder Monochromatoren zwischen dem Probendampf und dem Detektor erforderlich sind. Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird eine Probe, die untersucht werden soll, durch Energie von zoB„ einer Hochfrequenz energie quelle angeregt, um die Probe in atomaren Dampf umzuwandeln, der freie Atome eines ausgewählten, zu untersuchenden Elementes enthalte Durch eine Lichtquelle wird ein Strahlungsstrahl erzeugt, der Spektrallinien besitzt, die charakteristisch für das ausgewählte Element sind, und dieser Strahl wird in den Probendampf eingestrahlt, um die Atome des ausgewählten Elementes anzuregen. Auf einen Detektor fälltThe present invention relates to an atomic fluorescence spectrometer which does not require filters or monochromators between the sample vapor and the detector. In the illustrated embodiment of the invention, a sample to be investigated is excited by energy from z o B "of a high frequency power source to the sample in the atomic vapor to convert the free atoms of a selected, to be examined element contained by a light source generates a radiation beam having spectral lines characteristic of the selected element, and this beam is radiated into the sample vapor to excite the atoms of the selected element. Falls on a detector

• - 4 -• - 4 -

109812/1532 original inspected.109812/1532 originally inspected.

2 O Ä 5 1 32 O Ä 5 1 3

sowohl Fluoreszenzstrahlung von den besonderen Atomen, die durch den Lichtstrahl angeregt worden sind, als auch thermische Strahlung von allen Atomen der Probe, die durch die Anregungsenergie erzeugt worden sind.both fluorescent radiation from the particular atoms excited by the light beam and thermal radiation Radiation from all atoms of the sample caused by the excitation energy have been generated.

Das gewünschte Ausgangssignal von dem Detektor ist dasjenige : Ausgangssignal, das der Fluoreszenzstrahlung des Probendampfes entspricht. Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung "besteht darin, daß die Fluoreszenzstrahlung direkt von dem Probendampf festgestellt werden kann, ohne daß ein Filter oder ein Monochromator hierzwisehen eingefügt zu werden braucht, wodurch nicht nur eine sondern alle Resonanzlinien der Fluoreszenzstrahlung zu dem gewünschten Ausgangssignal beitragen können. Die Fluoreszenzstrahlung wird nicht von der thermischen Strahlung überschattet, da diese letztere wesentlich verringert ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Anregungsenergie, die zur Verdampfung der Probe verwandt wird, gepulst wird und daß der Detektor synchron betrieben wird, so daß lediglich während der Zeitintervalle zwischen den Energieimpulsen die Fluoreszenzstrahlung festgestellt wird. Während jedes dieser Zeitintervalle fällt die thermische Strahlung der Probe schnell auf einen sehr niedrigen Wert im Verhältnis zu der Fluoreszenzstrahlung ab, die durch die Wirkung des Lichtstrahles erzeugt wird, wodurch erreicht wird, daß das Detektorausgangssignal hauptsächlich auf der gewünschten Fluoreszenzstrahlung beruht, die durch den Lichtstrahl erzeugt wird, mit dem die freien Atome bestrahlt werden, und daß nur ein kleiner Anteil an thermischer Strahlung vorhanden ist.The desired output from the detector is: Output signal that of the fluorescence radiation of the sample vapor is equivalent to. An essential feature of the present invention "is that the fluorescence radiation directly from the sample vapor can be detected without inserting a filter or monochromator here needs, whereby not just one but all resonance lines of the fluorescence radiation to the desired output signal can contribute. The fluorescence radiation is not overshadowed by the thermal radiation, since the latter is essential is decreased. This is achieved by the fact that the excitation energy, which is used to vaporize the sample, is pulsed and that the detector is operated synchronously, so that the fluorescence radiation is detected only during the time intervals between the energy pulses. While at each of these time intervals the thermal radiation of the sample falls rapidly to a very low value in relation to it the fluorescent radiation generated by the action of the light beam, whereby it is achieved that the detector output signal is mainly based on the desired fluorescence radiation generated by the light beam, with which the free atoms are irradiated, and that only a small proportion of thermal radiation is present.

Die Fluoreszenzstrahlung wird von der thermischen Strahlung dadurch unterschieden, daß das Licht der Lichtquelle gechoppt bzw, zerhackt wird, und daß die Strahlung festgestellt wird, die synchron mit dem Chopper von dem Probendampf emittiert wird. Die Frequenz des Choppers ist niedriger als dieFluorescent radiation is differentiated from thermal radiation in that the light from the light source is chopped or, is chopped, and that the radiation is determined, which emitted synchronously with the chopper from the sample vapor will. The frequency of the chopper is lower than that

- 5 -10 9817/1^32- 5 -10 9817/1 ^ 32

0RIQ.l 0RIQ . l

MAL M AL

2 O 4 5132 O 4,513

Frequenz, mit der die thermische Energie gepulst wird, so daß während jeder Chopperperiode an dem Ausgang des Detektors mehrere Impulssignale erzeugt werden, die der Strahlung von dem Probendampf zwischen den Anregungsimpulsen Z0B. von der Hochfrequenzenergiequelle entsprechen. Es werden zwei verschiedene Detektorausgangssignale erzeugt, die der Strahlung von dem Probendampf entsprechen, je nachdem ob ein Strahl von der Lichtquelle eingestrahlt wird oder nicht. Diese beiden Signale werden getrennt gemittelt, und es wird die zwischen diesen Signalen bestehende Differenz gebildet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Konzentration des ausgewählten Elementes in der Probe anzeigt.Frequency with which the thermal energy is pulsed so that several pulse signals are generated at the output of the detector during each chopper period which correspond to the radiation from the sample vapor between the excitation pulses Z 0, for example, from the high-frequency energy source. Two different detector output signals are generated which correspond to the radiation from the sample vapor, depending on whether a beam is radiated from the light source or not. These two signals are separately averaged and the difference between these signals is formed to produce an output signal indicative of the concentration of the selected element in the sample.

Wie oben bereits bemerkt wurde, besteht ein Merkmal der vorliegenden Erfindung darin, daß die Pluoreszenzstrahlung festgestellt werden kann, ohne daß Filter oder Monochromatoren verwandt werden, durch die ausgewählte Spektrallinien zu dem Detektor gelangen, und stattdessen wird das gesamte Spektrum der Strahlung der Probe festgestellt. Hieraus ergibt sich eine hohe Untersuchungsempfindlichkeit besonders für Elemente» die eine Strahlung erzeugen, die auf mehrere Spektrallinien verteilt ist. Darüberhinaus kann eine Untersuchung einer Probe auf mehrere Elemente dadurch ausgeführt werden, daß lediglich von einer lichtquelle auf eine andere umgeschaltet wird. Es müssen keine Filter oder Monochromatoren verändert oder ausgewechselt werden, wenn verschiedene Elemente festgestellt werden sollen. Es können mehrere Elemente in kurzer Zeit allein dadurch festgestellt werden, daß schnell zwischen verschiedenen Lichtquellen umgeschaltet wird. Es kann deshalb eine Analyse auf mehrere Elemente durchgeführt werden, wenn lediglich eine kleine Probenmenge zur Verfügung steht.As noted above, a feature of the present invention is that the fluorescent radiation is detected without the need for filters or monochromators be used by the selected spectral lines to the Detector arrive, and instead the entire spectrum of radiation from the sample is determined. This results in a high examination sensitivity especially for elements »the generate radiation that is distributed over several spectral lines. In addition, an examination of a sample on several elements by simply switching from one light source to another. No filters or monochromators need to be changed or be exchanged when different elements are to be determined. There can be multiple items in a short amount of time can only be determined by the fact that quickly between different Light sources is switched. An analysis of several elements can therefore be carried out if only a small amount of sample is available.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von einer in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsform erläutert werden. In der Zeichnung zeigen?In the following the invention will be described in more detail with reference to one in the Drawing illustrated preferred embodiment explained will. Show in the drawing?

ORIGINAL INSPECTED»ORIGINAL INSPECTED »

1098 12/1 B 32 *" 6 ~1098 12/1 B 32 * " 6 ~

2 O 4 S Ί 3 - 6 - 2 O 4 S Ί 3 - 6 -

Pig« 1 eine kombinierte schematische Darstellung in Form einer Blockbilddarstellung einer vorzugsweisen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,Pig «1 a combined schematic representation in the form of a Block diagram of a preferred embodiment of the present invention,

Figo 2a~e graphische Darstellungen, in denen verschiedene Wellenformen dargestellt sind, die beim Betrieb der vorliegenden Erfindung auftreten, und2a-e are graphs showing various waveforms used in the operation of the present invention Invention occur, and

Fig» 3a-c Diagramme von Spektrallinien, in denen die Strahlung dargestellt ist, die von einer zu untersuchenden Probe emittiert wird.FIGS. 3a-c show diagrams of spectral lines in which the radiation is shown which is emitted by a sample to be examined will.

Beschreibung einer vorzugsweisen AusführungsformDescription of a preferred embodiment tt

In Fig. 1 ist eine Kammer 11 dargestellt, die eine Probe einer Substanz aufnehmen kann, die in Bezug auf die Konzentration einer oder mehrere in dieser Probe enthaltener, ausgewählter Elemente untersucht werden soll. Durch eine Probeneinführvorrichtung 13 wird die Probe in die Kammer 11 in solcher Form eingeführt, daß sie in freie Atome dissoziiert werden kann. Wenn die Probe aus einem Gas besteht, so kann die Probeneinführvorrichtung aus einem einfachen Sparventil bestehen, um in die Kammer eine kontinuierliche Gasströmung unter einem erforderlichen Druck einzuleiten«, Bei flüssigen Proben sollte die Probeneinführvorrichtung 13 eine Einrichtung enthalten, um die Probe zu verdampfen oder zu vernebeln, wobei die Probe gegebenenfalls mit einem Trägergas gemischt werden kann, und um die Probe in einer Suspension in die Kammer einzuleiten. Feste Proben können direkt auf die Innenwände der Probenkammer selbst aufgebracht und sodann durch z„Be einen Zerstäubungsvorgang verdampft werden» Die Kammer 11 wird durch eine Vakuumpumpe 15 auf einem niedrigen und konstanten Druck, der typischerweise im Bereich von 1-10 mmHg liegt, gehalten.1 shows a chamber 11 which can receive a sample of a substance which is to be examined with regard to the concentration of one or more selected elements contained in this sample. Through a sample introduction device 13, the sample is introduced into the chamber 11 in such a form that it can be dissociated into free atoms. If the sample consists of a gas, the sample introduction device can consist of a simple economy valve in order to introduce a continuous flow of gas into the chamber under a required pressure nebulize, the sample can optionally be mixed with a carrier gas, and to introduce the sample in a suspension into the chamber. Solid samples may be applied directly to the inner walls of the test chamber itself, and then sputtering are vaporized by z "B s" The chamber 11 is a vacuum pump 15 at a low and constant pressure which is typically in the range of 1-10 mmHg, maintained .

ORIGIHALORIGIHAL

- 7 -109812/1632- 7 -109812/1632

; * 204513a; * 204513a

Durch den niedrigen Druck in der Kammer wird das Arbeitsverfahren verbessert, was im folgenden noch beschrieben werden soll« ■The working process is improved by the low pressure in the chamber, which will be described below should «■

Energie von einer Hochspannungsquelle 17 wird über einen gesteuerten Schalter 19 einer Wicklung 20 zugeführt, die um die Kammer 11 gewickelt ist, um in der Kammer ein elektrisches Feld zu erzeugen und um dadurch die Probe anzuregen, so daß eine große Zahl von Molekülen der Probe in Dampf oder ein Plasma aus freien Atomen dissoziiert, die sich in ihrem Grundenergie zustand befinden« Die Hochfrequenzenergie, .durch die die Probe angeregt wird, um sie zu dissoziieren, kann bei einer ausgewählten Frequenz innerhalb eines breiten Frequenzbereiches abgestrahlt werden, der, z.Bo in der Größenordnung von 10 - 2500 MHz liegt. Obgleich in der Zeichnung lediglich eine einzige Spule 20 vorgesehen ist, um dem Plasma in der Kammer 11 Hochfrequenzenergie zuzuführen, können auch andere Einrichtungen unter Verwendung von normalen kapazitiven oder induktiven Kopplungstechniken verwandt werden. Z,B0 kann, wenn die Hochfrequenzanregungsquelle im Mikrowellenbereich liegt, die Probenkammer in einem Resonanzhohlraum angeordnet werden«Energy from a high voltage source 17 is supplied via a controlled switch 19 to a winding 20 which is wound around the chamber 11 to create an electric field in the chamber and thereby to excite the sample so that a large number of molecules of the sample in be steam or a plasma of free atoms is dissociated, the state in their basic energy are "the RF energy, .by which the sample is excited to dissociate them, can at a selected frequency within a wide frequency range radiated, which, for example, o in of the order of 10-2500 MHz. Although only a single coil 20 is shown in the drawing to deliver radio frequency energy to the plasma in chamber 11, other means using normal capacitive or inductive coupling techniques may be used. Z, B 0 , if the high-frequency excitation source is in the microwave range, the sample chamber can be arranged in a resonance cavity «

Es können auch andere Einrichtungen verwandt werden, um die Probe zu einem Plasma von freien Atomen anzuregen. Z.B0 kann die Energiequelle 17 durch einen Hochspannungsgleichspannungsentladungskreis ersetzt werden, und die Spule 20 kann durch zwei Entladungselektroden ersetzt werden, die im Inneren der Probenkammer 11 angeordnet sind.Other devices can also be used to excite the sample into a plasma of free atoms. For example, 0, the power source 17 are replaced by a high-voltage DC discharge circuit, and the coil 20 may be replaced by two discharge electrodes which are arranged inside the sample chamber. 11

Mehrere elektrodenlose Metalldampfentladungslampen 21, 23, sind so miteinander ausgerichtet, daß jede dieser lampen einen Strahlungsstrahl erzeugt, der auf einem gemeinsamen, in die Probenkammer 11 führenden Strahlenweg liegt«, Jede dieser Lam-Several electrodeless metal vapor discharge lamps 21, 23, are aligned with each other so that each of these lamps has a Radiation beam generated on a common, in the Sample chamber 11 leading beam path lies ", each of these lam-

- 8 -1 0 9 8 1 ?/ 1 6 3 2 ORiGiMAL INSPECTED - 8 - 1 0 9 8 1 ? / 1 6 3 2 ORiGiMAL INSPECTED

2 ü 4 b 1 3 4.2 ü 4 b 1 3 4.

pen besteht aus einer kleinen Glasampulle, in der eine kleine Menge des "besonderen Elementes oder einer Zusammensetzung, die dieses Element enthält, zusammen mit einem inerten Gas eingeschlossen ist«. Das jeweils in einer Lampe enthaltene Element ist so gewählt, daß es einem Element in dem Probenplasma entspricht, das untersucht werden soll. Wenn somit in der Probe drei verschiedene Elemente festgestellt werden sollen, so enthalten die drei Lampen 21, 23, 25 jeweils ein verschiedenes dieser drei -Elemente. Ein Typ einer Metalldampflampe, die in der vorliegenden Erfindung verwandt werden kann, " 1st in der USA-Patentschrift 3 319 119 beschriebenepen consists of a small glass ampoule in which a small amount of the "special element or composition, which contains this element is enclosed together with an inert gas «. The one contained in each lamp Element is chosen to correspond to an element in the sample plasma that is to be examined. So if in If three different elements are to be found in the sample, the three lamps 21, 23, 25 each contain a different one of these three elements. One type of metal halide lamp that can be used in the present invention is "1st described in U.S. Patent 3,319,119

Die Entladungslampen werden in ähnlicher Weise mit Energie gespeist, wie die Probenkammer 11. Im einzelnen sind die drei Lampen 21, 23, 25 jeweils durch Spulen 27, 29, 31 und Schalter 33, 35, 37 an die Hochfrequenzquelle 17 angekoppelt. Die Schalter 33> 35, 37 werden so betätigt, daß sie in irgendeiner ausgewählten Folge Hochfrequenzenergie an die Ampullen abgeben,, Die Schalter 33, 35, 37 sind ebenso wie der Schalter 19 in gestrichelten Linien angedeutet, um anzuzeigen, daß sie in irgendeiner geeigneten Weise so ausgebildet sein'können, daß sie für die besondere Frequenz und die Höhe der Spannung der durch die Energiequelle 17 zugeführten Energie geeignet sind. Wenn z.B. durch die Energiequelle 17 Energie im Mikrowellen* bereich erzeugt wird, so können diese Schalter aus Mikrowellen-Wellenleiterzirkulatoren bestehen»The discharge lamps are fed with energy in a similar way, like the sample chamber 11. In detail, the three lamps 21, 23, 25 are each provided with coils 27, 29, 31 and switches 33, 35, 37 coupled to the high-frequency source 17. The switches 33> 35, 37 are operated to deliver radio frequency energy to the ampoules in any selected sequence. The switches 33, 35, 37, like the switch 19, are indicated in dashed lines to indicate that they are in be designed in any suitable way so that they are suitable for the particular frequency and the voltage level of the energy supplied by the energy source 17. If, for example, energy in the microwave range is generated by the energy source 17, then these switches can be made from microwave waveguide circulators exist"

Durch die Hbchfrequenzenergie von der Energiequelle 17 wird das Gas in einer ausgewählten Ampulle ionisiert und es werden die Atome des darin enthaltenen Elementes angeregt, so daß Licht mit solchen Wellenlängen emittiert wird, wie sie das charakteristische Spektrum des Elementes aufweist. Der von der ausgewählten Entladungslampe ausgesandte Strahl mit der charakteristischen Strahlung wird durch einen Fensterteil am EndeBy the high frequency energy from the energy source 17, the gas in a selected ampoule is ionized and there are the atoms of the element contained therein are excited, so that light is emitted with wavelengths such as those has characteristic spectrum of the element. The beam emitted by the selected discharge lamp with the characteristic Radiation is through a window part at the end

- 9 109817/1P32 _..- .v.. — = - 9 109817 / 1P32 _..-. v .. - =

_ 9 ■-_ 9 ■ -

der Kammer 11 in die Probenkammer 11 eingestrahlte Der Strahl kann dadurch in der Probenkammer verstärkt werden, daß an bei~ den Enden der Probenkammer Fensterteile und zwei Spiegel 39, 4-1 vorgesehen werden, um die Strahlung in die Probenkammer zu reflektieren, wie es gezeigt ist«. Der von den Entladungslampen ausgestrahlte Strahl mit der charakteristischen Strahlung wird durch die entsprechende Art von Atomen des ausgewählten Elementes in dem Probenplasma absorbiert, wodurch die Atome von ihren G-rundenergieniveaus zu höheren Energieniveaus angeregt werden. Hierauf kehren viele der angeregten Atome zu ihrem Grundenergiezustand zurück und emittieren in zufälligen Richtungen wieder Strahlung. Dieses Phänomen wird als Atomfluoreszenz bezeichneteThe beam radiated into the sample chamber 11 from the chamber 11 can be strengthened in the sample chamber by the fact that window parts and two mirrors 39, 4-1 can be provided to reflect the radiation into the sample chamber as shown «. The one from the discharge lamps Radiated beam with the characteristic radiation is selected by the corresponding type of atoms of the Element in the sample plasma is absorbed, causing the atoms to move from their G-round energy levels to higher energy levels will. Many of the excited atoms then return to their basic energy state and emit in random Directions again radiation. This phenomenon is known as atomic fluorescence

Das Probenplasma emittiert zusätzlich zu der charakteristischen Wellenlänge der ausgewählten Art von Atomen, die durch die Lichtquelle angeregt werden, auch eine Strahlung bei einer Zahl von Wellenlängen« Dies beruht darauf, daß durch die Hochfrequenzanregungsenergie von der Energiequelle 17, durch die die Probe dissoziiert, gleichfalls zufällig alle Atome in der Probenkammer auf Energieniveaus oberhalb des G-rundenergieniveaus angeregt werden. Bei der willkürlichen Verteilung der Atome, die in dieser Weise angeregt worden sind, fallen die Atome nachfolgend auf niedrigere Energieniveaus herunter und geben Energie in einer Vielzahl von Wellenlängen ab. Die Energie, die zufällig von allen Atomen abgegeben wird, wird thermische Strahlung genannt und diese wird ebenso wie die Fluoreszenzstrahlung in allen Richtungen emittiert. Eine thermische Strahlung ist unerwünscht, da diese die Untersuchungsempfindlichkeit und die Untersuchungsselektivität nachteilig beeinflußt. Diese Strahlung wird in Bezug auf die Fluoreszenzstrahlung jedoch, wie es weiter unten beschrieben wird, so klein wie möglich gehalten.The sample plasma emits in addition to the characteristic Wavelength of the selected type of atoms that are excited by the light source, including radiation at a Number of wavelengths «This is due to the fact that by the high frequency excitation energy from the energy source 17, through which dissociates the sample, likewise randomly all atoms in the sample chamber at energy levels above the G-round energy level be stimulated. At the arbitrary distribution of the atoms that have been excited in this way, fall the atoms subsequently down to lower energy levels and emit energy in a variety of wavelengths. The energy that is given off randomly by all atoms is called thermal radiation and this is just like which emits fluorescence radiation in all directions. Thermal radiation is undesirable because it reduces the sensitivity of the examination and adversely affects examination selectivity. This radiation is related to the However, as will be described below, fluorescence radiation is kept as small as possible.

- 10 109817/1532 ORlGJNALiNSPECTED- 10 109817/1532 ORlGJNALiNSPECTED

Die gesamte von der Probe erhaltene Strahlung, d.h. sowohl die Fluoreszenzstrahlung als auch die thermische Strahlung, wird durch einen Fensterteil auf der Seite der Probenkammer 11 einem Detektor 43 zugestrahlt0 Geeignete Lichtsammellinsenelemente (nicht gezeigt) können zwischen der Probenkammer und dem Detektor angeordnet werden. Die Fenster auf der Seite und den Enden der Kammer sind aus einem Material hergestellt, das für die charakteristische Strahlung aller der in der Probe zu untersuchenden Elemente durchlässig ist. Fyr die meisten Elemente reichen Glasfenster aus; für bestimmte Elemente sind jedoch Fenster aus Quarz, Saphir, Lithiumfluorid oder aus anderen Materialien erforderlich. Das Fenstermaterial muß die Plasmatemperaturen aushalten, die in den Probenkammern erzeugt werden und typischerweise bei 10000G oder höher liegen.Both the fluorescent radiation are arranged between the sample chamber and the detector, the total radiation received from the sample, that is, as the thermal radiation is supplied irradiated through a window part on the side of the sample chamber 11 to a detector 43 0 Suitable light collecting lens elements (not shown). The windows on the side and ends of the chamber are made of a material that is transparent to the characteristic radiation of all of the elements to be examined in the sample. For most of the elements, stained glass windows suffice; however, certain elements require windows made of quartz, sapphire, lithium fluoride or other materials. The window material must withstand the plasma temperatures that are generated in the sample chambers, and typically at 1000 0 G or higher.

Durch die Vakuumpumpe 15 wird das Plasma in der Probenkammer auf einem niedrigen Druck gehalten, der niedriger als Atmosphärendruck ist, um die Ausbeute der Fluoreszenzstrahlung zu erhöhen und die durch Druck hervorgerufene Verbreiterung der Spektrallinien zu verringern. Hierdurch wird andererseits die gesamte Untersuchungsempfindlichkeit und die Selektivität des Systems verbessert» Auf Grund des Hiederdruckplasmas erhält man auch eine Strahlungsdurchlässigkeit im fernen Ültraviolettbereich des Spektrums, wodurch der Untersuchungsbereich auf eine größere Zahl von Elementen, einschließlich von einigen Nichtmetallen, ausgedehnt werden kann.The plasma in the sample chamber is kept at a low pressure, which is lower than atmospheric pressure, by the vacuum pump 15 is to increase the yield of fluorescence radiation and the broadening of the pressure-induced Decrease spectral lines. On the other hand, this reduces the overall sensitivity of the examination and the selectivity of the System improved »Due to the low pressure plasma, one also obtains a radiation permeability in the far ultraviolet range of the spectrum, reducing the investigation area to a greater number of elements, including some Non-metals, can be expanded.

Die von der Probe erhaltene Strahlung wird direkt auf den Detektor 43 gegebene Es brauchen keine Filter oder Monochromatoren zwischen die Probenkammer 11 und den Detektor 43 eingesetzt zu werden, so daß der Detektor das ganze, sieh über einen weiten Wellenlängenbereich erstreckende Strahlungsspektrum empfängt. Der Detektor umfaßt vorzugsweise einen oder mehrere Photomultiplier, die so gewählt sind, daß sie eine spektraleThe radiation received from the sample is sent directly to the detector 43 given There is no need to insert filters or monochromators between the sample chamber 11 and the detector 43 so that the detector can see the entire radiation spectrum extending over a wide range of wavelengths receives. The detector preferably comprises one or more photomultiplier, which are chosen so that they have a spectral

- 11 1098 12/1 532 ofüCtfJAL inspected - 11 1098 12/1 532 ofüCtfJAL inspected

Anspreehempfindlichkeit aufweisen, die von dem Infrarotbereich bis zum fernen Ultraviolettbereich, Z0B. von Wellenlangen in der Größe von 8000 - 1000 S, reicht. Der Detektor 43 ist so angeordnet, daß er nur Strahlung aufnimmt, die von dem Plasma emittiert wird, und keine direkte Strahlung von den Entladungslampen 21, 23, 25 empfängt.Have Anspreehempfindlichkeit, the 0 example of wave-lengths in the size of 8000 from the infrared region to the far ultraviolet region, Z - 1000 S ranges. The detector 43 is arranged in such a way that it only picks up radiation which is emitted by the plasma and does not receive any direct radiation from the discharge lamps 21, 23, 25.

Das von. dem Detektor 43 erhaltene Signal wird durch einen Verstärker 45 verstärkt und sodann wahlweise über einen ersten gesteuerten Schalter 47 und einen zweiten gesteuerten Schalter 49 einem ersten bzw0 zweiten, das Signal mittelnden Kreis 51 bzwo 53 zugeführt. Wie noch weiter unten erläutert werden wird, entspricht das Ausgangssignal von dem das Signal mittelnden Kreis 51 der Strahlung von der Probe, die größtenteils auf Fluoreszenzstrahlung beruht und einen kleinen Anteil an thermischer Strahlung besitzt; während das Ausgangssignal von dem das Signal mittelnden Kreis 53 lediglich der thermischen Untergrundstrahlung entspricht„ Das Untergrundsignal wird von dem Ausgangssignal des Mittelungskreises 51 durch eine Subtraktionsschaltung 55 subtrahiert, um ein Signal zu erzeugen, das lediglich der Fluoreszenzstrahlung proportional isto Das Ausgangssignal von der Subtrahierschaltung 55 wird durch eine Schaltung 57 in ein Signal umgewandelt, das proportional der Konzentration eines besonderen ausgewählten Elementes in der Probe ist. Die Schaltung 57 ist im Grunde ein Generator für eine logarithmische Punktion; es können jedoch zusätzliche komplexe Umwandlungsfunktionen vorgesehen werden, um den Bereich der Elementkonzentrationen zu erweitern, der erfaßt werden kann. Es können zusätzliche Einrichtungen, die durch die leitung 58 angedeutet sind, verwandt werden, um die logarithmische Schaltung 57 mit dem Schalter in einer Rückkopplungsschaltung zu koppeln, um die Schaltgeschwindigkeit, mit der die Hochfrequenzenergie an die Probenkammer angelegt wird, zu steuern, um somit eine Übererregung des Plasmas zu verhindern0 That from. the detector 43 obtained signal is amplified by an amplifier 45 and then either via a first controlled switch 47 and a second controlled switch 49 to a first or second 0, the signal averaging circuit 51 or 53 o supplied. As will be explained further below, the output signal from the signal averaging circuit 51 corresponds to the radiation from the sample, which is largely based on fluorescence radiation and has a small proportion of thermal radiation; while the output signal of the signal averaging circuit 53, only the thermal background radiation corresponds to "The background signal is subtracted by a subtraction circuit 55, to generate from the output signal of the averaging circuit 51 to a signal that is o proportional only the fluorescent radiation The output signal from the subtracter circuit 55 is converted by circuit 57 to a signal proportional to the concentration of a particular selected element in the sample. Circuit 57 is basically a logarithmic puncture generator; however, additional complex conversion functions can be provided to expand the range of elemental concentrations that can be detected. Additional means, indicated by line 58, can be used to couple logarithmic circuit 57 to the switch in a feedback circuit to control the switching speed at which the radio frequency energy is applied to the sample chamber, thus controlling a Prevent overexcitation of the plasma 0

109817/1532109817/1532

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204513/,204513 /,

Der Probe wird von der Hochfrequenzenergiequelle 17 Anregungsenergie in Impulsen zugeführt, die mit einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenz, Z0B0 500 Hz, auftreten. Dies wird dadurch erreicht, daß der Schalter 19 unter der Steuerung einer Zeitgeberschaltung oder eines Taktgebers 59 periodisch geöffnet und geschlossen wird. Während eines Teils jeder Taktgeberperiode wird Hochfrequenzenergie auf die Probe gegeben, um die Atome der Probe anzuregen,, Während eines nachfolgenden Teiles derselben Taktgeberperiode wird die Hochfrequenzenergie an dem Probenplasma abgeschaltet, wodurch die thermische Strahlung von den Atomen in der Probe schnell abfällt. Es existiert ein Zeitraum nach diesem Abfall, typischerweise 1-10 msec, währenddessen die Atome in der Probe noch in ihrer dissoziierten Form vorliegen. Während dieser Zeit kann die Probe von einer der Entladungslampen, die das charakteristische Spektrum der ausgewählten Atomart aufweist, mit Licht beleuchtet werden, und nur die freien Atome dieser Atomart können Licht absorbieren. Wie bereits oben beschrieben wurde, strahlen die Atome, die das Licht absorbieren, dieses sodann wieder aus, wodurch eine Fluoreszenzstrahlung erzeugt wirdo Folglich erhält man während dieses Zeitraumes von der Probenkammer ein großes Fluoreszenzsignal mit einer verhältnismäßig kleinen thermischen Strahlung»The sample is supplied from the high-frequency energy source 17 with excitation energy in pulses which occur with a predetermined repetition frequency, Z 0 B 0 500 Hz. This is accomplished by opening and closing switch 19 periodically under the control of a timer circuit or clock 59. During a portion of each clock period, radio frequency energy is applied to the sample to excite the atoms of the sample. During a subsequent portion of the same clock period, the radio frequency energy is turned off on the sample plasma, causing the thermal radiation from the atoms in the sample to fall off rapidly. There is a period of time after this drop, typically 1-10 msec, during which the atoms in the sample are still in their dissociated form. During this time, the sample can be illuminated with light by one of the discharge lamps, which has the characteristic spectrum of the selected atomic type, and only the free atoms of this atomic type can absorb light. As already described above, the atoms that absorb the light then emit it again, which generates fluorescence radiation.

Der Detektorausgang wird lediglich während der Zeiträume zwischen den Anregungsimpulsen von der Energiequelle 17 aufgetastet, wodurch der größte Teil der durch die thermische Untergrundstrahlung hervorgerufenen unerwünschten Effekte ausgeschaltet wird. Im einzelnen wird der Schalter 47 geschlossen, um das von dem Detektor erhaltene Ausgangssignal während eines vorbestimmten Zeitraumes während jeder Periode, wenn der Hochfrequenzschalter 19 geöffnet ist, weiterzuleiten. Die beiden Schalter ^9, 47 werden synchron durch den TaktgeberThe detector output is only gated open by the energy source 17 during the time periods between the excitation pulses, whereby most of the undesired effects caused by the thermal background radiation are switched off. Specifically, the switch 47 is closed to pass the output signal obtained from the detector for a predetermined period of time during each period when the high frequency switch 19 is opened. The two switches ^ 9, 47 are synchronized by the clock

- 13 109817/1S32 - 13 109817 / 1S32

2Ö451342Ö45134

betätigt. Der Schalter 47 wird nach dem anfänglichen Abfall der thermischen Strahlung durch die Betätigung eines monostabilen Terzögerungsmultivibrators 61 geschlossen. Der größte Teil des Ausgangssignals von dem Schalter 47 beruht auf der Fluoreszenzstrahlung von dem Plasma; es liegt jedoch auch noch ein kleiner Anteil einer thermischen Strahlung vor. Wie oben bereits ausgeführt wurde, beruht der Anteil des Fluoreszenzstrahlungssignals auf der Anregung des Probendampfes durch den lichtstrahl von einer der Entladungsröhren 21, 23, 25, während der Anteil des thermischen Strahlungssignals auf den Restwirkungen der Hochfrequenzanregungsenergie beruht. Diese beiden Bestandteile werden voneinander dadurch unterschieden, daß der Lichtstrahl mit Hilfe eines mechanischen Chopperrades 63, das um eine Achse 65, die parallel zu der Figurenebene verläuft, durch geeignete, nicht dargestellte Antriebseinrichtungen gedreht wird, moduliert oder periodisch unterbrochen wird. Das Chopperrad 63 weist geeignete Segmente auf, so daß der Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Frequenz in der Größenordnung von zoB. 50 Hz, unterbrochen wirdo Der gesteuerte Schalter 49 wird synchron mit dem Chopperrad betätigt, was durch den in gestrichelter Linie gezeichneten Pfeil zwischen diesen beiden YqttIchtungen angedeutet wird, so daß, wenn sieh der Chopper 63 in einer solchen Stellung befindet, daaB Licht in das Plasma fallen kann, das Detektorsignal zu dem Signalmittelungskreis 51 durchgelassen wird und daß, wenn der Lichtstrahl nicht in das Plasma fallen kann, das Detektorsignal zu dem Signalmittelungskreis 53 geleitet wird. Folglich erzeugt der Signalmittelungskreis 51 ein Ausgangssignal, das · der gesamten Plasmastrahlung entspricht, während der Signalmittelungskreis 53 ein Ausgangssignal erzeugt, das der thermischen Untergrundemissionsstrahlung entspricht. Wie oben bereite erwähnt wurde, besteht das gewünschte Signal aus der Differenz zwischen den Ausgängen der Signalmittelungskreise 51 und 53, und diese Differenz wird durch die Subtrahierschal-actuated. After the initial drop in thermal radiation, the switch 47 is closed by the actuation of a monostable third delay multivibrator 61. Most of the output from switch 47 is due to fluorescent radiation from the plasma; however, there is also a small proportion of thermal radiation. As already explained above, the portion of the fluorescence radiation signal is based on the excitation of the sample vapor by the light beam from one of the discharge tubes 21, 23, 25, while the portion of the thermal radiation signal is based on the residual effects of the high-frequency excitation energy. These two components are distinguished from each other in that the light beam is modulated or periodically interrupted with the aid of a mechanical chopper wheel 63 which is rotated about an axis 65 which runs parallel to the plane of the figure by suitable drive devices (not shown). The chopper wheel 63 comprises suitable segments, so that the light beam having a predetermined frequency on the order of, for o example, 50 Hz, wirdo interrupted The controlled switch 49 is operated in synchronism with the chopper, as indicated by the drawn in broken line arrow between these both directions , so that when the chopper 63 is in such a position that light can fall into the plasma, the detector signal is passed to the signal averaging circuit 51 and that if the light beam cannot fall into the plasma, the Detector signal is passed to the signal averaging circuit 53. Consequently, the signal averaging circuit 51 generates an output signal corresponding to the total plasma radiation, while the signal averaging circuit 53 generates an output signal corresponding to the thermal background emission radiation. As already mentioned above, the desired signal consists of the difference between the outputs of the signal averaging circuits 51 and 53, and this difference is determined by the subtraction circuit.

- 14 1098T271532 ■ original inspected- 14 1098T271532 ■ originally inspected

204513/,204513 /,

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Obgleich bei der in Figo 1 dargestellten Ausführungsform ein mechanischer Chopper verwandt wird, so dürfte dennoch leicht einzusehen sein, daß auch andere Einrichtungen verwandt werden können, um das Licht von der Lichtquelle zu modulieren. Z0B. können die Lichtquellen selbst durch zeitlich gesteuerte Schaltungen, durch die ausgewählte Schalter der Schalter 33» 35, 37 betätigt werden können, oder einen anderen Schalter (nicht dargestellt^ der in Reihe mit der Erregungsschaltung für eine Lampe geschaltet ist, periodisch ein- und ausgeschal tet werden» In diesem Falle würde der gesteuerte Schalter 49 synchron mit den Zeitgeberschaltungen betätigt, die die Lampenschalter betätigenAlthough a mechanical chopper is used in the embodiment shown in FIG. 1, it should nevertheless be easily understood that other devices can also be used to modulate the light from the light source. Z 0 as the light sources may even by timed circuits, through the selected switch of the switch 33 »35, 37 may be actuated, or another switch (not shown ^ which is connected in series with the excitation circuit for a lamp periodically In this case, the controlled switch 49 would be operated in synchronism with the timer circuits that operate the lamp switches

Der Gesamtbetrieb des in Fig. 1 gezeigten Systems kann am besten anhand der Diagramme in den Fig. 2 und 3 verstanden werden. Figo 2a zeigt den .Durchschnittswert der Hochfrequenzenergie impulse, die am Ausgang des gesteuerten Schalters 19 erzeugt werden. Diese Impulse beginnen in Intervallen von 2 msec, entsprechend der Taktgebergeschwindigkeit von 500 Hz. In dieser Figur entspricht die Nutzungsbreite jedes Impulses einer halben Periode der Zeitgeberfrequenz; es können jedoch auch kürzere Nutzungsbreiten gewählt werden. Fig· 2b zeigt das mittlere Ausgangssignal an dem Detektor 43, das auf der gesamten Strahlung von dem Probenplasma beruht. Die Strahlung ist während der Hochfrequenzanregungsimpulse maximal. Während der Zeitintervalle zwischen den Anregungsimpulsen hängt die von dem Probendampf emittierte Strahlung davon ab, ob der Lichtstrahl in das Plasma eingestrahlt oder gesperrt wird. Bei Abwesenheit des Lichtstrahls fällt die Probenetrahlung schnell auf einen niedrigen Wert ab, der der thermischen Emis sionsstrahlung entspricht, was durch den Teil 67 der Wellenform der Figo 2b dargestellt ist. Wenn der Lichtstrahl einge-Overall operation of the system shown in FIG. 1 can begin on can be best understood with reference to the diagrams in FIGS. Fig. 2a shows the average value of the high frequency energy pulses at the output of the controlled switch 19 be generated. These pulses begin at intervals of 2 msec, corresponding to the clock speed of 500 Hz. In this figure, the width of use of each pulse corresponds to half a period of the timer frequency; it can, however shorter usage widths can also be selected. Fig. 2b shows the mean output signal from the detector 43, which is based on the all radiation from the sample plasma is based. The radiation is maximal during the high frequency excitation pulses. While the time intervals between the excitation pulses depends on the radiation emitted by the sample vapor depends on whether the light beam is radiated into the plasma or blocked. In the absence of the light beam, the sample radiation falls rapidly to a low value corresponding to the thermal emission radiation, which is indicated by the part 67 of the waveform the Figo 2b is shown. When the light beam arrives

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109812/1532 original er109812/1532 original er

strahlt wird, so ergibt sich eine Probenstrahlung, die durch den gestrichelt gezeichneten Wellenformteil 69 angedeutet ist; und wie in der Zeichnung dargestellt ist, entspricht die emittierte Strahlung weitgehend der Fluoreszenzstrahlung der ausgewählten Art von Atomen und diese Strahlung ist größer und fällt mit geringerer Geschwindigkeit ab als die Strahlung in Abwesenheit des Lichtstrahls«is emitted, the result is a sample radiation which is indicated by the waveform part 69 shown in dashed lines; and as shown in the drawing, the emitted radiation largely corresponds to the fluorescent radiation of the selected type of atoms and this radiation is larger and falls off at a slower rate than the radiation in the absence of the ray of light "

Wie aus Fig. 2c zu ersehen ist, ist der Schalter 47 lediglich während eines vorbestimmten Zeitintervalls zwischen den Hochfrequenzenergieimpulsen geschlossen. Die in dieser Figur dargestellten Impulse entsprechen den Ausgangsimpulsen des monostabilen Verzögerungsmultivibrators 61. Jeder Impuls wird so verzögert, daß er nach einem vorbestimmten Zeitintervall t, nach dem Ende des Hochfrequenzanregungsenergieimpuls beginnt» Die Signale, die übertragen werden, während der Schalter 47 geschlossen ist, sind in Hg0 2d gezeigt0 Es ist zu ersehen, daß die Detektorausgangssignale, die übertragen werden, solchen. Signalen entsprechen, die auftreten, nachdem die thermische Strahlung etwas abgesunken isto As can be seen from Fig. 2c, the switch 47 is closed only during a predetermined time interval between the high frequency energy pulses. The pulses shown in this figure correspond to the output pulses of the monostable delay multivibrator 61. Each pulse is delayed so that it begins after a predetermined time interval t, after the end of the high frequency excitation energy pulse. The signals transmitted while switch 47 is closed are shown in Hg 0 2d 0 It can be seen that the detector output signals which are transmitted are such. Signals correspond to that occur after the thermal radiation has dropped slightly o

Figo 2e stellt den Ausgang des Schalters 47 in einer etwas größeren Zeitskala dar. Wenn der Lichtstrahl abgeschaltet ist, deho wenn er durch das Chopperrad 63 gesperrt wird, so daß er nicht in die Probenkammer 11 fällt, so werden mehrere Ausgangssignalimpulse 67 erzeugt, da das Chopperrad den Lichtstrahl mit einer Geschwindigkeit bzw« Frequenz unterbricht, die kleiner als die Geschwindigkeit ist, mit der die Hochfrequenzenergie gepulst wird«, In ähnlicher Weise werden während •der Zeit, während der der Lichtstrahl durch das Chopperrad in die Probenkammer 11 fallen kann, von dem Detektor mehrere Signalimpülse 69 übertragen. Da der Schalter 49 synchron mit dem Chopper 63 betätigt wird, werden die Signalimpulse 67 dem Signalmittelungskreis 53 und die Signalimpulse 69 demFigo 2e represents the output of the switch 47 in a somewhat larger time scale. When the light beam is turned off, so that it does not fall into the sample chamber 11 d e ho when it is locked by the chopper wheel 63, so a plurality of output signal pulses 67 are generated, since the chopper wheel interrupts the light beam at a speed or "frequency that is less than the speed at which the high-frequency energy is pulsed." A plurality of signal pulses 69 are transmitted from the detector. Since the switch 49 is operated synchronously with the chopper 63, the signal pulses 67 are the signal averaging circuit 53 and the signal pulses 69 the

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109817/1532109817/1532

^AL SWSPSCTED^ AL SWSPSCTED

2 O 4 5 ">. 3 7t - 16 - 2 O 4 5 ">. 3 7 t - 16 -

Signalmittelungskreis 51 zugeführt» Wenn die gemittelten Werte dieser Signalimpulse voneinander abgezogen worden sind, so ist der durch die thermische Untergrundemissionsstrahlung hervorgerufene Effekt ausgeschaltet.Signal averaging circuit 51 supplied »If the averaged values of these signal pulses have been subtracted from one another, then is the one caused by the thermal background emission radiation Effect turned off.

Wie oben bereits bemerkt wurde, sind bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Atomfluoreszenzspektrometers keine Filter- oder Monochromatorelemente erforderlich, die zwischen die Probenkammer 11 und den Detektor 43 eingesetzt werden müssen. Aus diesem Grunde entfallen die oben beschriebenen Nachteile, die mit der Verwendung von Filtervorrichtungen verbunden sindo Ungeachtet dieser Nachteile kann, wenn in dem erfindungsgemäßen System ein Filter oder ein Monochromator verwandt wird, die Untersuchungsempfindlichkeit noch weiter erhöht werdenοAs has already been noted above, in the embodiment of an atomic fluorescence spectrometer shown in FIG. 1, no filter or monochromator elements are required which have to be inserted between the sample chamber 11 and the detector 43. For this reason, the above described disadvantages associated with the use of filtering devices accounted o Despite these disadvantages, when a filter or a monochromator is used in the inventive system, werdenο further increased assay sensitivity

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser anhand der graphischen Darstellungen der Fig. 3a-c verständlich. In Fig. 3a ist die spektrale Verteilung der Strahlung von der Probenkammer 11 in dem System der Fig0 1 dargestellt, wenn das Plasma erzeugt ist, d.h0, wenn das Plasma durch einen Impuls von der Hochfrequenzenergiequelle 17 geschaffen wird. Die Intensität I der spektralen Peaks ist willkürlich in Einheiten bis zu 400 dargestellt. Das besondere festzustellende Element besitzt bestirnte charakteristische spektrale Fluoreszenzpeaks, die mit E bezeichnet sind. Die anderen Spektrallinien stellen die nicht fluoreszierenden Übergänge des ausgewählten Elementes wie auch anderer Arten von Atomen in der Probenkammer dar. Wenn das Plasma erzeugt wird, so entsprechen die Spektrallinien im wesentlichen der thermischen Strahlung, die auf der Hochfrequenzanregung beruht. Die Strahlung der Lichtquelle ist für das ausgewählte Element charakteristisch und trägt zu der Erzeugung der "E"-Peaks bei. Diese Peaks schwanken in ihrer In-The advantages of the present invention can be better understood from the graphical representations of Figures 3a-c. FIG. 3a shows the spectral distribution of the radiation from the sample chamber 11 in the system of FIG. 0 1 when the plasma is generated, ie 0 when the plasma is created by a pulse from the high-frequency energy source 17. The intensity I of the spectral peaks is shown arbitrarily in units up to 400. The particular element to be detected has certain characteristic spectral fluorescence peaks, which are denoted by E. The other spectral lines represent the non-fluorescent transitions of the selected element as well as other types of atoms in the sample chamber. When the plasma is generated, the spectral lines correspond essentially to the thermal radiation based on the high frequency excitation. The radiation from the light source is characteristic of the selected element and contributes to the generation of the "E" peaks. These peaks fluctuate in their

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original ■;■:·.:s-ücted 109817/1532 original ■; ■: ·.: s-ücted 109817/1532

204513/;204513 /;

tensität je nach der Geschwindigkeit, mit der das Licht der Lichtquelle gechoppt bzw. zerhackt wird.intensity depending on the speed with which the light is Light source is chopped or chopped.

Die Fig. 3b und 3c stellen das Spektrum der Strahlung von der Probe dar, wenn die Erzeugung des Plasmas ausgeschaltet ist, doho während der Zeitintervalle zwischen den Anregungsimpulsen von der Hochfrequenzenergiequelle 17. Der in diesen beiden Figuren gezeigte Wellenlängenbereich ist derselbe wie der in der Pig. 3a; die Lichtintensität I ist jedoch in einem Maßstab dargestellt, der einer lOOmal größeren Empfindlichkeit entspricht als der Maßstab in Pig. 3a. In den Pig. 3b und 3c ist eine Probenstrahlung dargestellt, wenn das Licht eingeschaltet bzw. ausgeschaltet ist, d.h. wenn der Lichtstrahl gesperrt oder unterbrochen ist bzw„ wenn der Lichtstrahl in das Plasma einfällt. Wie aus der Pig« 3b zu ersehen ist, ist die gesamte Strahlung von der Probe sehr klein, wenn sowohl das Plasma nicht erregt wird und das Licht abgeschaltet ist. Wenn jedoch, wie es in Figo 3c dargestellt ist, das Licht eingeschaltet ist, so werden durch die Strahlung des Lichtes lediglich die ausgewählten Atome angeregt, wodurch die genau definierten spektralen Peaks erzeugt werden. Da die Anregung des Plasmas zu dieser Zeit abgeschaltet ist, so ist die thermische Untergrundemissionsstrahlung von der Probe sehr niedrig im Vergleich zu der charakteristischen Strahlung des ausgewählten Elementes,, Wie oben bereits beschrieben wurde, wird der Detektor 43 während der Zeiten aufgetastet, während der die Erzeugung des Plasmas abgeschaltet ist„ Das gesamte in den graphischen Darstellungen der Pig. 3b und 3c gezeigte Spektrum der Strahlung wird direkt auf den Detektor 43 gegeben, so daß alle charakteristischen Spektrallinien zu dem nutzbaren Ausgangssignal beitragen. Weiterhin wird, wie oben bereits beschrieben wurde, die Fluoreszenzstrahlung, die auf der Wirkung der Lichtquelle beruht, von dem niedrigen Anteil an thermischer Strahlung dadurch getrennt, daß die gemittelten3b and 3c show the spectrum of the radiation from the sample when the generation of the plasma is switched off, d o ho during the time intervals between the excitation pulses from the radio frequency energy source 17. The wavelength range shown in these two figures is the same as that in FIG the pig. 3a; however, the light intensity I is shown on a scale which corresponds to a sensitivity 100 times greater than the scale in Pig. 3a. In the pig. 3b and 3c show sample radiation when the light is switched on or switched off, ie when the light beam is blocked or interrupted or when the light beam is incident on the plasma. As can be seen from Figure 3b, the total radiation from the sample is very small when both the plasma is not excited and the light is switched off. If, however, as shown in FIG. 3c, the light is switched on, only the selected atoms are excited by the radiation of the light, as a result of which the precisely defined spectral peaks are generated. Since the excitation of the plasma is switched off at this time, the thermal background emission radiation from the sample is very low compared to the characteristic radiation of the selected element. As already described above, the detector 43 is gated open during the times during which the Generation of the plasma is switched off “The whole in the graphs of the Pig. The spectrum of the radiation shown in FIGS. 3b and 3c is applied directly to the detector 43, so that all characteristic spectral lines contribute to the usable output signal. Furthermore, as already described above, the fluorescence radiation, which is based on the action of the light source, is separated from the low proportion of thermal radiation in that the averaged

■ ' . - 18 10 9 812/1532 ORIGINAL■ '. - 18 10 9 812/1532 ORIGINAL

2 ΰ 4 5 ι 3 /,2 ΰ 4 5 ι 3 /,

Werte der beiden verschiedenen Ausgangssignale, die durch den Detektor erzeugt werden, voneinander subtrahiert werden. Da die thermische Strahlung auf einem niedrigen Wert gehalten wird, und da das gesamte Strahlungsspektrum auf den Detektor gegeben wird, ist die Untersuchungsempfindlichkeit ohne die Verwendung von Filtern sehr hocho Es können eine Vielzahl von Elementen in der Probe dadurch festgestellt wer den, daß lediglich die lichtquellen geändert werden, doh„ dadurch, daß die Entladungsröhren wahlweise eingeschaltet werden, um sie aufeinanderfolgend in Betrieb zu setzen»Values of the two different output signals generated by the detector are subtracted from one another. Since the thermal radiation is kept at a low value and since the entire radiation spectrum is applied to the detector, the examination sensitivity is very high without the use of filters can be changed, that is , "by the fact that the discharge tubes are optionally switched on in order to put them into operation one after the other"

ORIGINAL INSPECTED - 19 ~ORIGINAL INSPECTED - 19 ~

109812/1532109812/1532

Claims (1)

2 O 4 5 Ί 32 O 4 5 Ί 3 Pa t ent ans ρ rü ehePa t ent ans ρ rühe to) Atomfluoreszenzspektrometer mit einer Einrichtung zur Aufnahme einer Probe und Umwandlung dieser Probe in einen Dampf, der freie Atome einer ausgewählten Art von Atomen in der Probe enthält; mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Strahlungsstrahls zur Bestrahlung des Probendampfes, wobei der Strahlungsstrahl Spektrallinien aufweist, die charakteristisch für die ausgewählte Art von Atomen ist; und mit einer Einrichtung zur Feststellung der Strahlung, die von den Atomen des Probendampfes emittiert wird , gekennzeichnet durch eine in der die Probe aufnehmenden und umwandelnden Einrichtung (11) enthaltene Quelle zur Erzeugung von Energieimpulsen, um die Probe periodisch mit einer ersten vorbestimmten Frequenz anzuregen; durch eine Schaltungsanordnung (59,61,47), die mit der Feststelleinrichtung (43) gekoppelt ist und mit der Quelle zur Erzeugung der Energieimpulse synchronisiert ist, um ein Ausgangssignal entsprechend der Strahlung zu erzeugen, die von der Probe auf Grund der Anregung der Probe durch den Strahlungsstrahl während der Zeiträume zwischen den Impulsen von der Quelle zur Erzeugung der Energieimpulse emittiert wird, wobei das Ausgangssignal eine Anzeige für die ausgewählte Art von Atomen in dieser Probe bildet.to) atomic fluorescence spectrometer with a device for Taking a sample and converting that sample into a vapor that contains free atoms of a selected type of atoms in the sample contains; with a light source for generating a radiation beam for irradiating the sample vapor, wherein the radiation beam has spectral lines that are characteristic is for the selected type of atoms; and with a device for determining the radiation emitted by the Atoms of the sample vapor is emitted, characterized by one in the absorbing the sample and converting means (11) contained source for generation pulses of energy to periodically excite the sample at a first predetermined frequency; by a circuit arrangement (59,61,47), which is coupled to the locking device (43) and to the source for generating the energy pulses is synchronized to an output signal accordingly of the radiation to be generated by the sample due to the excitation of the sample by the radiation beam during the Periods between the pulses emitted by the source for generating the energy pulses, the output signal being forms an indication of the selected type of atoms in that sample. 2ο Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Schaltungsanordnung gekennzeichnet ist durch eine Einrichtung (63), um den Strahlungsstrahl zu modulieren, der mit einer zweiten vorbestimmten Frequenz, die niedriger als die erste Frequenz ist, auf die Probe eingestrahlt wird; durch eine erste Auftasteinrichtung (47), die mit der Quelle zur Erzeugung der Energieimpulse synchronisiert ist, um den Ausgang2ο device according to claim 1, wherein the circuit arrangement is characterized by a facility (63) in order to modulate the radiation beam, which with irradiating the sample with a second predetermined frequency lower than the first frequency; by a first scanning device (47) associated with the source for generating the energy pulse is synchronized to the output - 20 -- 20 - 109817/1532 «*»,nal iKSFeciBJ109817/1532 "*", nal iKSFeciBJ ZöÄb'i 3/, - 20 - ZöÄb'i 3 /, - 20 - der Feststelleinrichtung (43) nur während der Zeitintervalle zwischen den Energieimpulsen aufzutasten; durch eine zweite Auftasteinrichtung (49), die mit der Modulationseinrichtung (63) synchronisiert ist, um den Ausgang der Feststelleinrichtung abwechselnd zu einer ersten und einer zweiten Mittelungseinrichtung (51,53) zu leiten, um dadurch die Strahlung, die von dem Probendampf bei der Abwesenheit und bei der Gegenwart des StrahlungsStrahls emittiert wird, getrennt zu mitteln; und durch eine Einrichtung (55) zur Erzeugung der Differenz zwischen den Ausgangssignalen von der ersten und der zweiten Mittelungseinrichtung zur Erzeugung des Ausgangssignals, das für die ausgewählte Art von Atomen bezeichnend ist.the locking device (43) only during the time intervals to key in between the energy pulses; by a second scanning device (49) connected to the modulation device (63) is synchronized in order to pass the output of the detection device alternately to a first and a second averaging device (51,53), in order to thereby transmit the radiation which from the sample vapor emitted in the absence and presence of the radiation beam, to average separately; and by means (55) for producing the difference between the output signals from the first and second Averaging device for generating the output signal that is indicative of the type of atoms selected. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Auftasteinrichtung (47,49) in Reihe zwischen die Feststelleinrichtung (43) und die erste und die zweite Signalmittelungseinrichtung (51,53) geschaltet sind.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the first and the second Auftasteinrichtung (47, 49) in series between the locking device (43) and the first and second signal averaging devices (51,53) are switched. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (61), die mit der ersten Auftasteinrichtung (47) verbunden ist, um die Auftastung der Feststelleinrichtung zu verzögern, bis ein vorbestimmtes Zeitintervall nach dem Ende jedes Energieimpulses vergangen ist.4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized by a device (61) with the first Auftasteinrichtung (47) is connected to delay the gating of the locking device until a predetermined Time interval has passed after the end of each energy pulse. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Funktionsgenerator (57) vorgesehen ist, um das von der die Differenz bildenden Einrichtung (55) erhaltene Signal in ein Signal umzuwandeln, das direkt der Konzentration der ausgewählten Art von Atomen in dieser Probe proportional ist.5. Device according to one of claims 2-4, characterized in that a function generator (57) is provided in order to convert the signal received from the device (55) forming the difference into a signal, which is directly proportional to the concentration of the selected type of atoms in that sample. !1 -!1 - 109817/1632109817/1632 ASAS 204513/,204513 /, 6o Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge ken n ζ e i c h η e t , daß eine Rückkopplung (58) zwischen dem Punktionsgenerator (57) und der Quelle (17,19) zur Erzeugung der Energieimpulse vorgesehen ist, um die Impulsfolge der Energieimpulse zu steuern, um eine Übererregung des Probendampfes zu verhindern.6o device according to A n demanding 5, characterized in that a feedback and the source (17,19) is open ken n ζ calibration η et (58) between the puncture generator (57) provided for generating the power pulses to the pulse train of energy pulses to control to prevent overexcitation of the sample vapor. 7« Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (45), um die von der Feststelleinrichtung auf die erste und die zweite Mittelungseinrichtung gegebenen Ausgangssignale zu verstärken β 7 «A device according to any of claims 2-6, characterized by means (45), to enhance the given from the detection means to the first and second averaging means output signals β 8<, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet , daß die die Probe aufnehmende und umwandelnde Einrichtung eine Kammer (11), die einen ersten Fensterteil zur Einstrahlung des StrahlungsStrahls und einen zweiten Fensterteil besitzt, der außerhalb des Strahlenganges dTesasStrahlungsstrahls angeordnet ist, um Strahlung, die von dem Probendampf emittiert worden ist, zu der Feststelleinrichtung durchzulassen, und eine Einrichtung (13) enthält, um die Probe in diese Kammer einzuführen und daß . die Quelle (17) zur Erzeugung der Energieimpulse eine Einrichtung (20) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in der Kammer enthält, um in der Kammer ein Plasma zu erzeugen und auf diese Weise die Probe in freie Atome zu dissoziieren.8 <, device according to one of claims 1-7, characterized characterized in that the receiving the sample and converting means a chamber (11) having a first window part for irradiating the radiation beam and has a second window part, which is arranged outside the beam path dTesas radiation beam in order to emit radiation, which has been emitted from the sample vapor to pass to the detection device, and a device (13) contains to introduce the sample into this chamber and that. the source (17) a device for generating the energy pulses (20) for generating an electric field in the chamber to generate a plasma in the chamber and in this way the sample dissociates into free atoms. 9c Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η ζ ei ohne t , daß eine Einrichtung (15) vorgesehen ist, um in der Kammer ein Vakuum zu erzeugen.9c device according to claim 8, characterized in that g e k e η η ζ ei without t that a device (15) is provided, to create a vacuum in the chamber. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes eine Hochfrequenzenergiequelle (17)10. Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that the means for generating an electric field a high frequency energy source (17) - 22 -- 22 - 109817/1532 owginal ιι««ηβ109817/1532 owginal ιι «« ηβ 2 0 4 513 /+ 2 0 4 513 / + umfaßt, die mit der Kammer (11) gekoppelt ist»which is coupled to the chamber (11) » 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadureh. gekennzeichnet , daß die Quelle zur Erzeugung der Energieimpulse eine Torschaltung (19) umfaßt, die in Reihe zwischen die Hochfrequenzenergiequelle (17) und die Kammer (11) geschaltet und mit der ersten vorbestimmten Frequenz betätigbar ist»11. Device according to one of claims 1-10, dadureh. characterized in that the source for generating the energy pulses comprises a gate circuit (19) which is shown in Series connected between the radio frequency energy source (17) and the chamber (11) and at the first predetermined frequency can be operated » 12„ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadureh gekennzeichnet , daß die Lichtquelle mehrere Dampfentladungslampen (21,23»25) aufweist, durch die Strahlungsstrahlen erzeugbar sind, die Spektrallinien aufweisen, die charakteristisch für verschiedene Arten von Atomen sind, und daß die Röhren so angeordnet sind, daß die Strahlung von jeder Röhre auf die die Probe aufnehmende und umwandelnde Einrichtung gerichtet ist, und daß Einrichtungen (33»35,37) vorgesehen sind, um die verschiedenen Dampfentladungsröhren aufeinanderfolgend in Betrieb zu setzen»12 "Device according to one of claims 1-11, dadureh characterized in that the light source comprises a plurality of vapor discharge lamps (21,23 »25) through which radiation beams can be generated that have spectral lines that are characteristic of different types of atoms, and in that the tubes are arranged so that the radiation from each tube is directed to that receiving and converting the sample Facility is directed, and that facilities (33 »35.37) are provided around the various vapor discharge tubes to be put into operation consecutively » ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED LeerseiteBlank page
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