DE2219594B1

DE2219594B1 - Vorrichtung zur Atomisierung einer Probe fur die flammenlose Atom absorptions Spektroskopie

Info

Publication number: DE2219594B1
Application number: DE2219594A
Authority: DE
Inventors: Klaus Joachim Braun; Kurt Manthey; Klaus-Peter Rogasch; Rolf Guenter Arnold 7771 Mimmenhausen Tamm
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1972-04-21
Filing date: 1972-04-21
Publication date: 1973-10-11
Also published as: GB1431450A; JPS5410275B2; JPS4922184A; FR2181418A5; DE2219594C2; DE2219594A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Atomisierung einer Probe für die flammenlose Atomabsorptions-Spektroskopie, bei welcher ein die zu atomisierende Probe aufnehmender Körper elektrisch auf eine hohe Temperatur aufheizbar ist. Eine solche Vorrichtung ist z. B. in Form eines Graphitrohres bekannt, das durch elektrischen Stromdurchgang auf Glühtemperatur gebracht wird. Nachteilig sind die hohen Abstrahlungsverluste, insbesondere bei hohen Atomisierungstemperaturen, die einen entsprechend hohen elektrischen Leistungsaufwand bedingen. Besonders bei hohen Temperaturen steigen die Abstrahlungsverluste sehr schnell mit zunehmender Temperatur an, so daß mit einer kräftigen Erhöhung der Leistung nur eine relativ geringe Temperaturzunahme zu erzielen ist.

Es ist weiterhin bereits bekannt, die abgestrahlte Leistung mindestens teilweise wieder auf dasJjraphitrohr zurück zu reflektieren. Dazu ist die Kammer, welche das Graphitröhrchen enthält, innen metallisch spiegelnd oder diffus reflektierend ausgebildet. Die Reflexion ist jedoch nicht vollkommen. Gegenüber geschwärzten Kammern läßt sich damit bei hohen Atomisierungstemperaturen bestenfalls eine Temperaturerhöhung um etwa 100⁰C erreichen.

Außerdem schwärzt sich die Kammer sehr schnell von selbst, da das hochaufgeheizte Graphitröhrchen Graphitpartikeln aussendet, die sich an den Kammerwänden niederschlagen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Ver-. hältnis zwischen erreichter Temperatur der Atomisierungsvorrichtung und aufgewendeter Leistung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die der Probe bzw. Atomwolke abgewandten Oberflächen des Körpers von wenigstens einem Strahlungsabsorbierenden, eine geringe Wärmeableitung aufweisenden Schutzmantel umgeben sind.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens werde zunächst einmal angenommen, ein glühendes Graphitrohr der Temperatur T_R befinde sich in einer Kammer, deren Innenwände geschwärzt seien und durch Kühlwasser auf der Temperatur T₀ gehalten werden. Die Abstrahlungsverluste S betragen dann

wobei K eine Konstante ist, die unter anderem die strahlende Oberfläche des Graphitrohres enthält.

Über das Graphitrohr wird jetzt konzentrisch dazu ein Schutzmantel aus Graphit geschoben. Der Schutzmantel absorbiert die auftreffende Strahlung, erhitzt sich dadurch selbst, emittiert einen Teil der Wärme-.energie in Form von Strahlung auf das Graphitröhrchen zurück und einen anderen Teil nach außen zu den Kammerwänden hin. Im Gleichgewicht sei die Temperatur des Schutzmantels T₁. Vom Graphitrohr zum Schutzmantel wird dann ein Strahlungsfluß aufrechterhalten der Größe

ο __ ΐτίψ^ 7""H (Ύ)

Zwischen Schutzrohr und Kammerwänden entsteht ein Strahlungsfluß der Größe

Die strahlende Oberfläche des Schutzmantels soll nur unwesentlich größer sein als die des Graphitrohres, so daß ohne wesentlichen Fehler K₁ = K gesetzt werden kann.

Vernachlässigt man ferner die Wärmeleitung im Schutzrohr, dann müssen im Gleichgewicht beide Strahlungsströme gleich groß sein:

Daraus folgt

Tt=-

Setzt man diesen Wert in Gleichung (2) ein, dann findet man für die Strahlungsverluste des Graphitröhrchens S₁, wobei der Index 1 die Verwendung eines Schutzrohres kennzeichnen soll:

Die Strahlungsverluste des Graphitrohres wurden also auf die Hälfte reduziert.

Werden mehr als ein Schutzrohr im Abstand konzentrisch zueinander angeordnet, dann werden die Strahlungsverluste noch stärker reduziert. Auch hier müssen bei Vernachlässigung der Wärmeableitung im Schutzrohr die Strahlungsflüsse von einem Schutzrohr zum nächsten jeweils einander gleich sein. Numeriert man die Schutzrohre von außen nach innen, bezeichnet man also die Temperatur des äußeren Schutzrohres mit T₁, des nächstinneren T₂ usw., dann gilt

Der Strahlungsfluß ohne Schutzrohr ist proportional zu T\ — Tq, derjenigen mit π Schutzrohren proportional zu Tr — T*_n. Rein rechnerisch findet man

+ (T\ - TU)

(8)

Unter Berücksichtigung der Gleichung (7) ergibt sich daraus

η - Tt = (n + 1) (Tt - Tt₁) (9)

oder, wenn S_n die Strahlungsverluste mit η Schutzrohren und S die Strahlungsverluste ohne Schutzrohr darstellt _c

O

(10)

Man kann also durch die Verwendung mehrerer Schutzrohre die Abstrahlungsverluste ganz wesentlieh reduzieren. Allerdings ist es nicht sinnvoll, die Anzahl der Schutzrohre übermäßig groß zu wählen, denn einmal wächst damit auch die aufzuheizende Masse an. was sich nachteilig auf die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs auswirkt, und zum anderen wird durch Wärmeableitung in den inneren Schutzrohren schon eine gewisse Temperaturdifferenz aufrechterhalten, die sich durch zusätzliche Schutzrohre weiter außen kaum noch reduzieren läßt.

Die Abstrahlungsverluste der Atomisierungsvorrichtung, z. B. des Graphitröhrchens. werden dadurch reduziert, daß den nach außen abstrahlenden Flächen dieser Atomisierungsvorrichtung eine andere absorbierende Fläche gegenübergestellt wird, deren Temperatur nur wenig unterhalb der Temperatur der Atomisierungsvorrichtung liegt und die einen Teil der aufgenommenen Strahlung durch Emission wieder auf die Atomisierungsvorrichtung zurückstrahlt. Je größer die Anzahl der Schutzmäntel ist, um so geringer ist die Temperaturdifferenz zwischen Atomisierungsvorrichtung und erster Schutzmantelfläche, um so geringer sind also die Abstrahlungsverluste.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich von den früheren Versuchen zur Verbesserung des Verhältnisses von Temperatur und elektrischer Leistung, daß die Wärme, die von dem Graphitrohr abgestrahlt wird, nicht von dem gekühlten Gehäuse zurück auf das Graphitrohr reflektiert wird. Vielmehr soll der Schutzmantel die abgestrahlte Wärme absorbieren und sich dabei ebenfalls erhitzen, so daß er Wärmestrahlung auf das Graphitrohr od. dgl. hin emittiert.

Es hat sich experimentell gezeigt, daß sich die Maximaltemperatur eines Graphitrohres bei gleicher elektrischer Leistung durch Verwendung eines das Graphitrohr umtzebendcn rohrförmigen Schutzmantels um 300' C erhöhen läßt.

Es kann wenigstens ein massiver Schutzmantel den Körper mit Abstand umgeben. In weiterer Ausbildung kann vorgesehen sein, daß der Schutzmantel aus einem porösen Material, z. B. poröser Kohle, besteht. Ein solcher poröser Schutzmantel entspricht in der Wirkung einer Vielzahl von Schutzmänteln.

Die Wärmeleitung ist durch die poröse Struktur stark reduziert. Ein großer Teil des Wärmeübergangs geschieht innerhalb der Poren durch Wärmestrahlung. Aber auch der Wärmetransport durch Strahlung ist sehr gering, da innerhalb einer jeden Pore nur geringe Temperaturdifferenzen auftreten.

Um die Wärmeabstrahlung des Schutzmantels nach außen zu vermindern, kann der Schutzmantel auf der Außenseite reflektierend ausgebildet sein.

Die Erfindung ist nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Graphitrohrküvette mit einem Schutzmantel aus Graphit;

F i g. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Graphitrohrküvette mit porösem Schutzmantel.

F i g. 1 zeigt schematisch eine Graphitrohrküvette im Längsschnitt. Dem Graphitrohr 1 wird der elektrische Strom über Kontaktkonen 2 aus Graphit zugeführt, die in Kühlkammern 3 gehalten sind. Der linke Kontaktkonus enthält eine ringförmige Eindrehung 4, in welche das Schutzrohr 5 eingesetzt ist. das ebenfalls aus Graphit gefertigt ist. Für die Probeneingabe enthält das Schutzrohr 5 eine seitliche Bohrung 6, die über der entsprechenden Bohrung 7 des Graphitrohres 1 liegt.

Eine Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, das Schutzrohr 5 nicht aus Graphit, sondern aus einem reflektierenden Material, z. B. aus Metall, zu fertigen. Das Schutzrohr wird sich dann durch emittierte Graphitteilchen auf der Innenseite schwärzen, auf der Außenseite jedoch blank bleiben. Dadurch wird die Abstrahlung des Schutzrohres nach außen reduziert. Die Temperatur des Schutzrohres steigt an, und die dem Graphitrohr zugestrahlte Leistung nimmt zu, so daß der resultierende Strahlungsübergang vom Graphitrohr zum Schutzrohr reduziert wird. Auch hier besteht der wesentliche Erfindungsgedanke nicht darin, die vom Graphitrohr ausgesandte Strahlung zurückzureflektieren, sondern den Schutzmantel durch Strahlungsabsorption so stark aufzuheizen, daß möglichst viel Strahlung nach innen emittiert und vom Graphitrohr wieder absorbiert wird.

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführung. Hier ist das Schutzrohr 5 durch einen hohlzylindrischen Körper 10 aus poröser Kohle ersetzt. Der Körper 10 enthält eine seitliche öffnung 11 für die Probeneingabe und für die Zuleitung von Schutzgas. Zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses ist auf der rechten Seite außen eine isolierende Schicht 12 vorgesehen, außerdem ein ringförmiger Isolierkörper 13.

Zwischen dem porösen Kohlekörper 10 und dem Graphitrohr 1 ist ein schmaler Gasraum 14 vorgesehen. Ist der poröse Körper 10 so locker aufgebaut, daß nur eine vernachlässigbar kleine elektrische Leitung auftritt, dann kann der Kohlekörper 10 auch direkt, d. h. mit Berührung über das Graphitrohr 1 geschoben werden. Das gleiche gilt für den Schutzmantel 5, wenn dieser aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

COPY

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Atomisierung einer Probe für die flammenlose Atomabsorptions-Spektroskopie, bei welcher ein die zu atomisierende Probe aufnehmender Körper elektrisch auf eine hohe Temperatur aufheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die der Probe bzw. Atomwolke abgewandten Oberflächen des Körpers (1) von wenigstens einem Strahlungsabsorbierenden, eine geringe Wärmeableitung aufweisenden Schutzmantel (5; 10) umgeben sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein massiver Schutzmantel (5) den Körper (1) mit Abstand umgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzmantel (10) aus einem porösen Material, z. B. poröser Kohle besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzmantel (5) auf der Außenseite reflektierend ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper ein Graphitrohr (1) ist, welches an jedem Ende einen Kontaktkonus (2) aufweist und mit diesen Kontaktkonen (2) in entsprechend konischen Flächen von kühlmitteldurchfiossenen Gehäuseteilen (3) gehalten ist, über welche der Heizstrom zugeführt wird und welche von beiden Seiten her das Graphitrohr (1) mantelartig umgeben, und daß ein rohrförmiger Schutzmantel (5) das Graphitrohr (1) umschließt und zwischen diesem und den Gehäuseteilen (3) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,-daß der Schutzmantel ein massives Rohr (1) ist, welches das Graphitrohr im Abstand umgibt und einseitig in einem Kontaktkonus (2) gehaltert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzmantel ein im Vergleich zu dem Graphitrohr (10) dickes poröses Rohr ist, welches das Graphitrohr im Abstand umgibt und in einem der kühlmitteldurchflossenen Gehäuseteile (2) direkt, im anderen Gehäuseteil über eine Isolation (12; 13) gehaltert ist.