DE2641618A1 - Stabilisierte lichtbogenvorrichtung zur spektroskopischen analyse - Google Patents
Stabilisierte lichtbogenvorrichtung zur spektroskopischen analyseInfo
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Description
PATENTANWALT
DIPL-ING.
6 Frankfurt am Main 70 β
Schneckenhofstr. 27 - Tel. 617079
15. September 1976 Gzq/Ra.
Wisconsin Alumni Research Foundation, Madison, Wisconsin / USA
Stabilisierte Li clitbogenvorrichtung zur spektroskopischen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines stabilisierten elektrischen Lichtbogens, v/elcher zur Verdampfung
von Probenmaterialien zur spektroskopischen Analyse verwendet werden kann. Das Verdampfen von Probenmaterial
erzeugt Spektrallinien und andere Ausbildungen, welche analysiert werden können, um die Bestandteile des Probenmaterials
sehr genau und schnell zu bestimmen. Aufgrund der Stabilität des Lichtbogens sind die durch die Spektroskopisehe Analyse
erhaltenen Ergebnisse sehr zuverlässig und reproduzierbar,
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue und verbesserte
Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens zur Verfügung zu stellen, v/elche stabilisiert wird
durch einen ständigen Fluß von metastabilem Argon oder irgendeinem anderen stabilisierenden Gas.
Dieses Ziel wird erreicht durch Schaffung eines Gehäuses, welches darin eine Lichtbogenkammer besitzt, von welcher ein
Strom von Argon oder irgendeinem anderen stabilisierenden Gas durch eine Öffnung in einer das Gas formenden Düse ausströmt.
Ein elektrischer Lichtbogen ist zwischen einer Kathode inner-
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_ ν? —
halb der Kammer und einer Anode außerhalb der Kammer vorgesehen und zwar gegenüber der Düse. Der Lichtbogen wird gesteuert
und stabilisiert durch den Argonstrom, welcher über die Anode hinüberstreicht und diese teilweise umgibt. Das
Argon wird durch den Lichtbogen innerhalb des Gehäuses in seinen metastabilen Zustand umgewandelt. Der metastabile
Zustand kann mit dem neutralen Atom' (Ar°) oder dem ersten Ion (Ar+) verbunden werden. Einige Vermischungen dieser zwei
Arten können auch auftreten. Das Vorhandensein des neutralen metastabilen Zustandes, welcher selbst sehr leicht ionisiert,
oder des ionisierten metastabilen Zustandes, welcher wiederum lange lebt (selbst bei atmosphärischem Druck), verstärkt die
stabilisierende V/irkung des Argonstroms, weil es den vollen Lichtbogenstrom zwischen die Kathodenelektrode innerhalb der
Lichtbogenkammer und der Anodenelektrode außerhalb der Lichtbogenkammer führt. Vorzugsweise ist das Probenmaterial ein
Festkörper. Dieses kann ein feiner, pulverförmiger Stoff sein, eine Sammlung von Abschabungen oder Bohrungen eines Metalls,
eine Mischung verschiedener Pulver, wie z.B. Graphit und anderen Pulvern, oder eine flüssige Probe, die bis zudem Trägerpulver
verdampft wird. Es können auch andere Festkörper als Pulver verwendet werden, wobei sie lediglich eingeschränkt
sind bezüglich ihres makroskopischen Verhaltens und ihrer Schmelzcharakteristika unter dem Einfluß des Lichtbogenstroms
und des darauf erfolgenden Erhitzens. Das Probenmaterial kann auch mit anderen Substanzen vermischt werden, mit welchen es
bei hohen Temperaturen reagiert, wie z.B. kationische Halogenide oder Oxide oder Karbide, und bildet eutektische Materialien
oder etwas ähnliches, um die Bildung von besonderem atomarem oder molekularem Dampf aufgrund des thermischen
Heizens durch den Lichtbogen zu unterstützen oder zu ver-
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hindern JIn solchen Fällen kann es wünschenswert sein, die
Anodenelektrode in einer oder mehreren der Formen auszubilden, die bei einem Hochtemperaturοfen verwendet werden.
Der Fluß des Lichtbogengases quer durch,rundherum und über die
Anodenelektrode bewirkt, daß sie sehr stark erhitzt wird, so daß das Probenmaterial in und auf der Elektrode verdampft
wird. Das verdampfte Probenmaterial wird gewöhnlich leicht abgestrahlt, wodurch es spektroskopisch analysiert werden
kann, aber es kann auch in dem dampfförmigen Zustand in einer . nicht angeregten Form vorliegen, so daß es Licht absorbieren
kann. Somit kann die ausgewählte Linien- oder molekulare Bandbreitenabsorption spektroskopisch überwacht werden
für eine chemische Analyse der Probe. Beim Verfahren des Absorbierens von Licht von einer anderen (Primär-) Lichtquelle
kann die verdampfte Probe zum Fluoreszieren angeregt werden und diese Fluoreszenzemission kann wiederum für eine chemische
Analyse der Probe spektroskopisch analysiert werden. Es ist verständlich, daß nur wegen der sehr genauen Steuerung und
des beständigen Verdampfens der Probe von der Anode, und der
Tatsache, daß der Strom von metastabilem Argon über die Anode hinüberstreicht, diese spektroskopischen Analysierverfahren
möglich sind in einer derart richtungsweisenden, reproduzierbaren und genauen Art und Weise.
Die Kathode und die Düse sind vorzugsweise entlang der Achse der Lichtbogenkammer angeordnet, welche wiederum vorzugsweise
symmetrisch um diese Achse angeordnet ist. Das Argon wird der Kammer durch eine Anzahl von Einlassen zugeführt, welche
symmetrisch um die Achse angeordnet sind und ausgerichtet sind in Winkeln, die tangentiale und periphere Komponenten aufweisen,
so daß dem Argon in der Kammer eine wirbelnde Bewegung erteilt wird. '
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Die gasformende Düse in dem Gehäuse ist vorzugsweise als nicht geerdete Elektrode ausgebildet, welche elektrisch von
der Kathode isoliert ist. Die Kathode kann zusätzlich zu einer derartigen Düse in dem Gehäuse mit einer Öffnung versehen sein,
die zu einer Kathodenballastkammer führt, die eine kleine Entlastungsöffnung aufweist. Diese Konstruktion bewirkt die Stabilität
des Lichtbogens.
Um das Zünden des Lichtbogens zu erleichtern, kann eine schmale, längliche Zündstange an der Anode befestigt sein. Eine
Fassung zur Aufnahme des Zündstabes kann in dem Boden des Hohlraumes in der Anode ausgebildet sein. Die Zündstange wird
verwendet, indem sie durch die Öffnung in die neutrale Elektrode und in die Lichtbogenkammer eingeführt wird. Vorzugsweise ist
ein elektrisch leitendes Gewinde an dem Ende der Zündstange befestigt, so daß das Gewinde mit der Kathode in Eingriff tritt,
wenn das Ende der Zündstange in die Ballast öffnung in der Kathode eingesetzt wird. Die Zündstange und das Gewinde sind
vorzugsweise aus Graphit. Die extreme Hitze, die durch den Lichtbogenstrom erzeugt wird, verdampft das Gewinde und die
Zündstange sehr schnell, so daß.sich der Lichtbogen zwischen der Kathode und der Anode befindet. Andere Einrichtungen zum
Zünden des Lichtbogens können verwendet werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das in den Fig. 1 bis dargestellt ist.
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Es zeigen:
Fig. 1 einen diagrammartigen Längsschnitt einer stabilisierten Lichtbogenvorrichtung in einer Ausführungsform zur
Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 einen Teillängsschnitt, ähnlich dem der Fig. 1, zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der Zündstange zum
Zünden des Lichtbogens,
Fig. 3 einen vergrößerten Teillängsschnitt des Endes der Zündstange
und des elektrisch leitenden Gewindes daran*
Fig. 4 einen Teillängsschnitt zur Veranschaulichung der Bewegung des Argons, wie es in der Lichtbogenkammer herumwirbelt
und durch die axiale gasbildende Düse ausströmt,
Fig. 5 einen Teilquerschnitt genommen entlang der Linie 5-5 in Fig. 1.
Wie gerade angedeutet, veranschaulichen die Zeichnungen eine Vorrichtung 10 zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens
12 zwischen ersten und zweiten Elektroden 14 und 16. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bildet die Elektrode
14 vorzugsweise die Kathode, während die Elektrode 16 die Anode bildet.
Die Elektroden 14 und 16 sind geeignet, um durch ein Paar von
Klemmbacken 18 und 20 getragen zu werden, welche bewegbar sind auf eine jede der anderen zu und von dieser weg. Diese Bewegung
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ermöglicht es, den Lichtbogen zu zünden und die Länge des Lichtbogens
zu regulieren.
Der elektrische Strom zur Erzeugung des Lichtbogens wird von einer geeigneten Stromversorgung 22 geliefert, deren Gleichstromausgang
mit den Klemmbacken 18 und 20 verbunden ist. Wie gezeigt,ist, ist der negative Ausgangspol der Stromversorgung
22 mit der oberen Klemmbacke 18 durch eine .elektrische Leitung 24 verbunden, während der positive Pol mit 'der unteren Klemmbacke
20 durch eine elektrische Leitung 26 verbunden ist.
Die veranschaulichte Kathode 14 ist in einem Kathodengehäuse 28 befestigt, welches aus rostfreiem Stahl oder irgendeinem
anderen geeigneten Material besteht, welches vorzugsweise elektrisch leitend ist. Das dargestellte Gehäuse 28 besitzt
einen zylindrischen Stamm oder Vorsprung 3O5, welcher sicher
innerhalb einer kreisförmigen Öffnung 32 in der oberen Klemmbacke 18 befestigt ist.
Eine Lichtbogenkammer 34 ist in dem Kathodengehäuse 28 ausgebildet
und wird im allgemeinen kreisförmig in einem horizontalen Querschnitt dargestellt. Es ist zu sehen, daß die
Kathode 14 in dem Gehäuse 28 an einem Ende der Kammer 34 befestigt ist. In diesem Fall besitzt die Kathode 14 die
Form eines Ringes oder einer Scheibe und ist am oberen Ende der Kammer 34 befestigt, welche eine vertikale Achse besitzt.
Die Kathode 14 kann aus Graphit oder irgendeinem anderen Material bestehen, welches sehr hitze- und erosionsbeständig
ist, was durch den elektrischen Lichtbogen erzeugt wird.
Eine gasformende Düse 36 ist vorzugsweise an dem entgegengesetzten
Ende der Lichtbogenkammer 34 in dem Gehäuse 28 ange-
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bracht. Somit befindet sich die Düse 36 in diesem Fall am
unteren Ende des Gehäuses 34. Die Düse 36 ist mit einer Öffnung
38 versehen, welche den Lichtbogen 12 einschnürt und formt, wenn dieser zv/ischen der Kathode 14 und der Anode 16
hindurchtritt. Die Düse 36 kann aus Graphit oder irgendeinem
anderen Material, welches gegen Hitze sehr beständig ist, hergestellt werden. Die Düse 36 wird vorzugsweise aus einem
elektrisch leitenden Material hergestellt, aber sie wird von dem Gehäuse 28 isoliert, wie es durch die Einrichtung eines
Isolierringes 37 veranschaulicht ist, so daß die Düse als eine Zv/ischenelektrode wirken kann. In diesem Fall ist die Düse
36 sicher in einer Öffnung 39 in dem Gehäuse 28 eingepaßt. Der Isolierring 37 besteht aus einem isolierenden hitzebeständigen
Material, was beispielsweise Bornitrid oder ein geeignetes keramisches Material sein kann.
Die Düse oder Zv/ischenelektrode 36 besitzt vorzugsweise die elektrische Eigenschaft, daß sie das elektrische Potential
des Teiles des Lichtbogens 12, welches durch die Öffnung
in der Düse 36 tritt, annimmt. Bei dieser Betriebsweise ist
das Potential der Düse oder Elektrode 36 unbestimmt. Das Potential der Düse oder Elektrode 36 hängt von den Bedingungen
ab, unter welchen der Lichtbogen/betrieben wird. Wie jetzt
etwas näher erläutert werden wird, kann die Spannung, die von der Düse 36 angenommen wird, durch ein geeignetes Voltmeter
gemessen werden. Die gemessene Spannung gibt einen Hinweis über die Betriebsbedingungen des Lichtbogens. Die Düse
36 kann, wenn es gewünscht wird, mit einer bestimmten Betriebsspannung von der Stromversorgung 22 oder von einer getrennten
Stromversorgung versehen werden. Die Spannung, die an die Düse 36 angelegt wird, ist im allgemeinen eine Zwischenspan-
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nung, die kleiner ist als die volle Spannung, die zwischen der
Kathode 14 und der Anode 16 liegt. Die Spannung, die an die
Düse 36 gelegt wird, hat einen Einfluß auf den Betrieb des
Lichtbogens 12.
Ein Stabilisationsgas, vorzugsweise Argon, wird in die Lichtbogenkammer
34 eingeführt, so daß ein gleichmäßiger Gasstrom durch die Öffnung 38 in der Düse 36 austritt. Es ist wünschens··
wert, eine laminare Strömung in dem Argonstrom aufrechtzuerhalten. Die Anode 16 ist entgegengesetzt zur Öffnung 38 in
der Düse 36 angeordnet, so daß der Gasstrom direkt auf die Anode 16 gerichtet ist. Das Argon strömt über die Anode 16
und umhüllt diese teilweise. Der elektrische Lichtbogen 12 folgt dem Gasstrom, welcher den Lichtbogen ausrichtet lind
stabilisiert, so daß er ruhig und fest betrieben wird, ohne ein Stottern, Flattern oder andere Anzeichen von Instabilität.
Die Durchflußrate des Argongases wird bestimmt durch die Größe der Öffnung 38 in der Düse 36 und den Druck des Gases in der
Lichtbogenkammer 34. Innerhalb der Kammer 34 überführt der Lichtbogen 12 das Argon in seinen metastabilen Zustand, mit
dem Ergebnis, daß die Stabilität des Lichtbogens erhöht wird.
Wenn der Düse 36 erlaubt wird, sich elektrisch anzupassen,
wird das Potential, welches durch die Düse angenommen worden ist, durch das Fließen des Argons durch die Düse 36 auf die
Anode 16 zu beeinflußt. Das elektrische Potential der Düse kann, wenn es gewünscht wird, mit einem geeigneten Voltmeter
gemessen werden, um den Fluß des Argons durch die Düse 36 zu der Anode 16 zu optimieren»
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Es ist auch möglich, eine variable Stromversorgung zu verwenden, um eine regelbare Spannung an die Düse 36 zu legen, um
die Bildung des Argonstrahles zu unterstützen, wenn er durch die Düse hindurchtritt.
Das Argongas wird' vorzugsweise durch eine Anzahl von Einlassen oder Leitungen 40 zu der Kammer 34 gebracht, wobei sich die
Einlasse 40 in die Lichtbogenkammer 34 durch eine ringförmige Seitenwand 41 erstrecken, welche im Querschnitt vorzugsweise
kreisförmig ist. Die Einlaßrohre 40 sind vorzugsweise in gleichen Intervallen rund um die ringförmige Seitenwand 41
beabstandet angeordnet und sind ausgerichtet in Winkeln, die tangentiale und periphere Komponenten aufweisen, so daß dem
Argongas eine wirbelnde Bewegung in der Kammer 34 verliehen wird. Das Argon kann zu den Einlaßrohren 40 von einem Argontank
oder irgendeiner anderen Quelle 42 zugeführt werden durch eine Reguliervorrichtung 44, welche die Argonmenge steuert,
die zu der Kammer 34 zugeführt wird. Die Reguliervorrichtung 44 ist einstellbar, um die Durchflußrate des Argons zu verändern.
Das Anbringen einer Anzahl von Einlaßrohren 40 stellt sicher, daß das Argon gleichförmig zu allen Teilen der Kammer 34 zugegeben
wird, so daß das Argon durch die Öffnung 38 mit einem hohen Stabilitätsgrad ausgestoßen wird. Das Einstellen der
Einlaßrohre 40 zur Erzeugung einer wirbelnden Bewegung des Argons verbessert auch die Beständigkeit, mit der das Argon
durch die Öffnung 38 in der Düse 36 ausgestoßen wird.
Dieses wird bevorzugt beim Ausstoßen von einigem Argon durch die Kathode 14. Für diesen Zweck wird die Kathode 14 mit einer
axialen Ballastöffnung 48 versehen. Das untere Ende der Öff-
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nung 48 steht in Verbindung mit der Lichtbogenkammer 34, während das obere Ende mit einer Kathodenballastkammer 50 innerhalb des
Stammteils 30 in Verbindung steht, welches im allgemeinen röhrenförmig ist. Am oberen Ende des Stammteils 30 verengt sich die
Ballastkammer 50 nach unten, um eine kleinere Öffnung 52 zu bilden. Zur Einschränkung des Argonausstoßes wird vorzugsweise
ein Kathodenballastkammer-Entlastungsstopfen oder Reduzierstück 54 in der Öffnung 52 befestigt. Der Stopfen 54 besitzt eine
kleine axiale Öffnung 56, welche den Fluß des Argons beträchtlich einschränkt und dosiert, so daß nur einem kleinen Betrag
erlaubt wird, durch die Kathodenballastöffnung 48 in die Elektrode 14 auszuströmen.
Wie es veranschaulicht ist, besitzt die Kathodenballastöffnung 48 in der Kathode 14 eine im allgemeinen zylindrische Form,
hat aber auffallende obere und untere Teile 58 und 60, welche stumpf-konisch sind.
Die ringförmige Seitenwand 41 der Lichtbogenkammer 34 ist im
allgemeinen zylir)drisch. Die zylindrische Seitenwand 41 ist
mit oberen und unteren stumpf-konischen Wänden 62 und 64 verbunden, welche die Endwände der Lichtbogenkammer 34 bilden.
Eine Öffnung 39 für den Isolierring 37 ist in dem zentralen Teil der unteren stumpf-konischen Wand 64 ausgebildet. Die
Kathode 14 ist sicher in einer Öffnung 66 eingepaßt, die in dem zentralen Teil der oberen stumpf-konischen Wand 62 ausgebildet
ist,
Es wurden Vorkehrungen getroffen, damit Wasser oder irgendein anderes Kühlmittel durch das Gehäuse 28 um die Wände 41, 62
und 64 der Lichtbogenkammer 34 fließen kann, um viel von der
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vr -
Hitze abzuführen, die durch den elektrischen Lichtbogen erzeugt wird. Daher ist das Gehäuse 28 mit einem hohlen ringförmigen
Zwischenraum oder Durchgang 68 rund um die Wände 41, 62 und
64 herum angeordnet. Einlaß- und Auslaßrohre oder Rohrleitungen 70 und 72 sind mit dem ringförmigen Zwischenraum 68 so verbunden,
daß Wasser oder irgendein anderes Kühlmittel durch den Zwischenraum 68 zirkulieren kann.
Die äußere Anode 16 ist vorzugsweise mit einer Einrichtung zum Aufnehmen einer Zuführung für das Probenmaterial, welches
analysiert werden soll, versehen. In diesem Fall hat die Elektrode 16 die Form eines im allgemeinen zylindrischen
Stabes, welcher mit einem Hohlraum oder Trichter versehen ist, der dargestellt ist als eine im allgemeinen zylindrische Bohrung
76 mit einem konisch zusammenlaufenden unteren Endteil
oder Boden 78. Der Hohlraum 76 wirkt als Behälter, um eine
Menge des Materials 80, welches analysiert werden soll, aufzunehmen. Die Anode 16 besteht vorzugsweise aus Graphit oder
irgendeinem anderen elektrisch leitenden Material, welches sehr widerstandsfähig gegen Hitze ist.
Wie bereits oben gesagt worden ist, ist das Probenmaterial vorzugsweise ein Festkörper, welcher gepulvert oder auf eine
andere Art und Weise fein zerteilt werden kann. Das Probenmaterial kann auch in flüssigem Zustand analysiert werden,
wobei es verdampft werden kann bis zu einem festen Substrat, welches aus einem Material besteht, welches die gewünschten
thermischen Eigenschaften unter dem Einfluß des Lichtbogens hat.
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'Die Anode wird geeignet an der unteren Klemmbacke 20 gehalten.
Die Anode 16 -wird, wie es gezeigt ist, durch einen Ständer 82 getragen, v/elcher sicher in einer Hülse 84 aufgenommen ist,
die in dem unteren Ende der Anode 16 ausgebildet ist. Der Ständer 82 ist sicher in einer Öffnung 86 aufgenommen, die
in der Klemmbacke 20 ausgebildet ist.
Wie oben beschrieben worden ist, kann der Lichtbogen auf verschiedene
Arten gezündet v/erden. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird vorzugsweise ein elektrisch leitender Zündstab 90 verwendet,
um das Zünden des Lichtbogens 12 zwischen den Elektroden 14 und 16 zu unterstützen. Der dargestellte Zündstab 90 ist dünn
und länglich und im Querschnitt vorzugsweise kreisförmig. Der Zündstab 90 besteht vorzugsweise aus Graphit oder irgendeinem
anderen elektrisch leitenden Material.
Der Zündstab 90 ist den feinen Graphitstäben ähnlich, die für mechanische Bleistifte verwendet werden·. In der Tat kann die
gleiche Art eines Graphitstabes, der für mechanische Bleistifte verwendet wird, für den Zündstab 90 verwendet werden.
In der.Fig. 2 ist zu sehen, daß der Zündstab 90 an der Anode
16 befestigt und angepaßt ist, um nach oben durch die Öffnung
38 in die- Düse 36 eingesetzt zu werden. Die dargestellte
Anode 16 ist versehen mit einer Fassung oder Öffnung 92 zur Aufnahme und zum Tragen des Zündstabes 90. Die Fassung 92
kann zentral im Boden des Hohlraumes 76 in der Anode 16 angeordnet sein.
Der Zündstab 90 ist im Durchmesser kleiner als die Öffnung 38 in der Düse 36, so daß der Stab 90 leicht durch die Öff-
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nung eingesetzt und in einen elektrischen Kontakt mit der Kathode- 14 gebracht werden kann. Um die Herstellung eines
solchen Kontaktes zu erleichtern, ist vorgesehen, ein elektrisch leitendes Gewinde 94 an dem oberen Endteil der Zündstange 90
anzubringen, Das Gewinde 94 besteht vorzugsweise aus Graphit.
Wie es am besten in Fig. 3 zu sehen ist, kann das Graphitgewinde 94 durch ein querverlaufendes Loch oder Öffnung 96 eingesetzt
werden, die gebildet wird durch das obere Endteil des Zündstabes 90. Es kann auch eine andere Einrichtung zum Befestigen
des Gewindes 94 an dem Stab 90 verwendet werden. Beispielsweise
kann das Gewinde 94 in einen engen Schlitz eingesetzt werden, der quer zürn oberen Ende des Zündstabes
90 ausgebildet ist.
Das obere Endteil des Zündstabes 90 kann in die Kathodenballastöffnung
48 in der ringförmigen Kathode 14 eingesetzt werden. Wenn der Stab 90 in die Öffnung 48 eingesetzt wird,
kommt das Graphitgewinde 94 in einen elektrischen Kontakt mit der Kathode 14.
Vor dem Einsetzen des Zündstabes 90 wird die Stromversorgung
22 vorzugsweise mit Energie versehen, so daß eine Spannung zwischen der Kathode und Anode 14 und 16 erzeugt wird. Wenn
das Graphitgewinde 94 mit der Kathode 14 in einen Eingriff tritt, fließt ein Strom entlang des Zündstabes 90 und des
Gewindes 94 zwischen der Anode 16 und der Kathode 14. Der
Strom kann recht groß sein, so daß eine beträchtliche Hitze in dem Gewinde 94 und dem Zündstab 90 erzeugt wird, aufgrund
des elektrischen Widerstandes dieser Komponenten. Die Hitze verdampft schnell das Graphitgewinde, so daß ein elektrischer
Lichtbogen zwischen der Kathode 14 und dem Zündstab 90 ge-
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-Umschlagen wird. Die Kitze des Lichtbogens und das Erhitzen
aufgrund des Widerstandes während des Fließens des Lichtbogenstromes entlang des Zündstabes 90 verdampft schnell den Zündstab,
so daß der elektrische Lichtbogen zwischen der Kathode 14 und der Anode 16 geschlagen wird. Der Lichtbogen gelangt
durch die Öffnung 38 in die Düse 36. Der Lichtbogen bildet einen Kathodenort 98 innerhalb der Ballastöffnung 48 in dem
Kathodenring 14, was weiter unten ausführlich erläutert wird.
Im allgemeinen ist es vorzuziehen, den Fluß des Argongases von einer Quelle 42 zu beginnen, bevor der Lichtbogen zündet.
Der Fluß des Argons wird genau durch eine Reguliereinrichtung 44 gesteuert. Das Argon strömt in die Lichtbogenkammer 34
durch die Einlasse 40, welche in verschiedenen VTinkeln zueinander
ausgerichtet sind mit peripheren Komponenten, so daß dem Gas innerhalb der Kammer 34 eine wirbelnde Bewegung erteilt
wird, wie es in der Fig. 4 gezeigt ist. Das Argongas füllt die Lichtbogenkammer 34 und strebt nach außen durch die
Öffnung 38 in die Düse 36. Das Argon strömt von der Öffnung 38 zu der Anode 16 und umströmt zumindest teilweise die Anode.
Zwischen der Düse 36 und der Anode 16 folgt der Lichtbogen 12 dem Argonstrom und wird durch das Argon stabilisiert und
ausgerichtet. ·
Innerhalb der Kammer 34 wird das Argon durch den elektrischen Lichtbogen in seinen metastabilen Zustand gehoben. Der metastabile
Zustand des Argons ist, während er aus der Lichtbogenkammer 34 durch die Öffnung 38 in die Düse 36 ausströmt, ein
wichtiger Faktor für eine effektive Stabilisierung des Lichtbogens .
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Ein kleiner Betrag des Argongases gelangt nach oben durch die Käthodenballastöffnung 48 in die Kathode 14 und entweicht
durch eine kleine Öffnung 56 in einem Entlastungsstopfen 54. Dieses Entweichen des Argons durch die Kathode 14 bewirkt,
daß die gesamte Luft in der Kammer 34 mit Argon angefüllt ist, und daß der Lichtbogen in einer Argonatmosphäre gezündet wird.
Die Stabilität des Lichtbogens wird dadurch gewährleistet, daß die gesamte Lichtbogenkammer 34 gleichförmig mit dem Argongas
gefüllt ist.
Die Bildung und Aufrechterhaltung des Kathodenortes 98 an der Innenseite des Kathodenringes 14 muß als einzigartiges und
wesentliches vorteilhaftes Kennzeichen der vorliegenden Erfindung aufgrund des großen Beitrages zur Stabilität des Lichtbogens
12 betrachtet v/erden. Bei einer herkömmlichen Lichtbogenentladung wird beobachtet, daß der Kathodenort schnell
über einen großen Bereich auf der Kathodenelektrode wandert. Es wird beobachtet, daß die Lichtbogensäule bei einer herkömmlichen
Lichtbogenentladung dieserWänderung des Kathodenortes
folgt, so daß die Instabilität ein Problem bei der herkömmlichen Lichtbogenentladung darstellt. Bei der Lichtbogenvorrichtung
der vorliegenden Erfindung wurde dieses Problem der Instabilität überwunden durch Ausbilden der Kathode 14 in
der Form eines- Ringes und aufgrund der Tatsache, daß der Kathodenort 98 innerhalb des Kathodenringes 14 angeordnet
wird und dort verbleibt. Yfenn der Lichtbogen 12 gezündet wird,
wird der Kathodenort 98 an der Innenseite des Kathodenringes errichtet, wie es weiter oben beschrieben worden ist. Der
Lichtbogen wird an der Innenseite des Kathodenringes 14 durch den kleinen nach oben gerichteten Argonfluß durch die Käthodenballastöffnung
48 in dem Kathodenring 14 gehalten. Dieser
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Fluß wird durch die kleine Öffnung 56 in dem Entlastungsstopfen 54 dosiert. Während der normalen Bedienung des Lichtbogens
12.wird die Wanderung des Kathodenortes 98 von der
kleinen Öffnung 48 in dem Kathodenring 14 begrenzt. Diese kleine Wanderung hat nur einen vernachlässigbaren Einfluß
auf den Lichtbogen 12. Wenn der Lichtbogen aus der Öffnung 38 in der Düse 36 heraustritt, wird der Lichtbogen somit
durch das Argonflußmuster gesteuert und nicht durch die kleine Wanderung des Kathodenortes 98.
Es können sehr viel verschiedene Probenmaterialien verwendet werden.
Vorzugsweise ist das Probenmaterial in einem festen Zustand. Das Probenmaterial kann ein feingepulverter Festköx-per sein,
eine Ansammlung von Spänen oder Borspänen von Metall, eine Pulvermischung, wie z.B. Graphit und andere Pulver, oder eine
Flüssigprobe, die bis zu einem Trägerpulver verdampft worden ist. Es können auch andere Festkörper anstatt Pulver verwendet
werden, wobei entscheidend ihr makroskopisches Verhalten und Schmelzeigenschaften unter dem Einfluß des Lichtbogenstromes
und der daraus folgenden Erhitzung ist. Das Probenmaterial kann auch mit anderen Substanzen vermischt werden, mit Vielehen
es bei hohen Temperaturen reagiert, wie z.B. kationische Halogenide oder Oxide oder Karbide, und Eutektika oder etwas
ähnliches bildet, um die Bildung von besonderem atomarem oder molekularem Dampf aufgrund des thermischen Heizens durch den
Lichtbogen zu unterstützen oder zu unterdrücken. In solchen Fällen kann es wünschenswert sein, die Anodenelektrode in der
einen oder anderen Form auszubilden, die bei einem Hochtemperaturofen verwendet werden kann.
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Beispielsweise kann ein festes Probenmaterial zu einem feinen
Pulver reduziert werden und mit gepulvertem Graphit und einem Fraktionsdestillationsmaterial, wie z.B. Natriumfluorid, gemischt
v/erden. Die Mischung kann dann in dem Hohlraum 76 der Anode 16 eingesetzt und an dem Platz festgestampft v/erden.
Der Fluß des Argongases quer durch, rundherum und über die Anodenelektrode 16 bewirkt, daß diese intensiv beheizt wird,
so daß -das Probenmaterial in und auf der Elektrode verdampft wird. Das verdampfte Probenmaterial wird gewöhnlich Licht
emittieren, welches spektroskopisch analysiert werden kann, aber es kann auch in seinem Dampfzustand in einem unangeregten
Zustand vorliegen, so daß es Licht absorbieren wird. Somit kann die selektive Linien- oder Molekularbandabsorption zur
spektroskopischen chemischen Analyse der Probe verwendet v/erden. Bei der Absorption von Licht von einer anderen primären Lichtquelle
kann die verdampfte Probe zum Fluoreszieren angeregt v/erden, und die Fluoreszenzemission kann spektroskopisch analysiert
werden zur chemischen Analyse der Probe. Es ist verständlich, daß nur aufgrund der genauen Steuerung und des
beständigen Verdampfens der Probe von der Anode, während der
metastabile Argonstrom über die Anode streicht, diese Methoden einer spektroskopischen Analyse möglich sind in ihrer leicht
verständlichen,· reproduzierbaren und genauen Art.
Die charakteristische Lichtemission durch das Probenmaterial erscheint primär in dem Teil des Lichtbogens 12 in dem Zwischenraum
zwischen der Anode 16 und der Düse 26. Die charakteristische
Lichtemission ist am intensivsten in dem Bereich nahe der Anode 16, der durch die Pfeile 100 gekennzeichnet ist, zum
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Ausstrahlen von diesem Bereich des Lichtbogens 12 in Fig. 1.
Zur spektroskopischen Analyse des Lichtes, welches von dem Lichtbogen 12 emittiert worden ist, können irgendwelche geeigneten
Arten von Spektroskopieranlagen verwendet werden.
Die Kathodenballastkammer 50 kann in Größe und Forin variieren.
Die Entlastungsöffnung oder das Loch 56 führt aus der Kathodenballastkammer 50 heraus, aber es kann auch in der Größe variieren.
Der Zündstab 90 kann einen kleineren Durchmesser haben, so daß er schnell durch den Lichtbogenstrom verdampft wird. Zum Bei-.
spiel kann der Graphitzündstab 90 einen Durchmesser von ungefähr 0,2 bis 0,3 mm haben.
Während die Verwendung des dünnen Zündstabes 90 zum Zünden des Lichtbogens sehr vorteilhaft ist, ist es möglich, in einigen
Fällen den Lichtbogen auf andere Weise zu zünden. Beispielsweise kann die Öffnung 38 in der gasformenden Düse 36 groß
genug gemacht werden, damit die Anodenelektrode 16 durch die öffnung 38 hindurchgeführt werden kann in die Lichtbogenkammer 34,
bis die
/Anodenelektrode den Kathodenelektrodenring 14 körperlich berührt,
oder sie ist so nah an der Kathode, daß ein elektrischer Funken die Distanz zwischen der Anode und der Kathode überbrücken
kann, um einen elektrisch leitenden Weg für den Lichtbogen herzustellen, der dazwischen entsteht.
Ein anderer Weg zum Zünden des Lichtbogens besteht darin, die Anode 16 direkt außerhalb der Öffnung 38 in der gasformenden
Düse 36 anzuordnen und eine Hochspannungsfunkenentladung oder eine Radiofrequenzentladung zwischen den Elektroden zu erzeugen
in Verbindung mit einem einheitlich geformten Gasfluß aus der
Düse gegen
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die Anode. Es Ist auch möglich, den Lichtbogen durch Verwendung einer dritten, dazwischenliegenden "Tickler" (Rückkopplungsspule
im Anodenkrejs) -Elektrode zwischen der Anode und der Kathode zu zünden, um beim Auslösen eine Hochspannungsfunkenentladung
oder Radiofrequenzentladung zu unterstützen. Eine Hochspannung für die Entladung kann zwischen der Tickler-Elektrode
und der Kathode oder Anode, vorzugsweise der Kathode, vorgesehen werden.
Diese verschiedenen Methoden zum Zünden des Lichtbogens sind
abhängig von dem Erfordernis einer einzigen Form der Lichtbogenkammer oder der gasbildenden Düse, um die Entladung auszulösen.
Ein Erfordernis dieser Art ist nicht wünschenswert, da es entschieden vorzuziehen ist, derartige verschiedene
Eigenschaften wie Form, Volumen und Größe der Lichtbogenkammer, des Kathodenelektrodenringes und der gasformenden Düse zur
Steuerung der Form, Richtung und Laminarität des metastabilen Argon-"Stromes", der aus der gasformenden Düse austritt, zu
verwenden. Solche verschiedenen Eigenschaften werden vorzugsweise verwendet, um die Art, in welche der Lichtbogen auf die
die Probe enthaltende Anodenelektrode stößt, festzulegen, so daß diese Faktoren bezüglich der Probenverdampfungsrate gesteuert
und verändert werden können.
Die Verwendung der dünnen- Zündstange, die wie eine Verlängerung
der Anodenelektrode wirkt, ermöglicht es, den Lichtbogen dadurch zu zünden, daß der Zündstab in einen Berührkontakt mit
der Kathode gebracht wird, ohne Rücksicht auf die Größe und Form der gasbildenden Düse, der Lichtbogenkammer und der
Kathodenelektrode. Die Zündstange hat den Vorteil, daß sie schnell durch die Widerstandshitze zerstört wird, die durch
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-20 -
den Lichtbogenstrom erzeugt wird, wenn der Lichtbogen einmal
zwischen den Stab und die Kathode gebracht worden ist. Noch wichtiger ist, daß der Lichtbogen gezwungen wird, dem Weg
zu folgen, der durch den verdampften Zündstab aufgezeigt wird, aus der Kammer heraus durch die Öffnung in der das Gas formenden
Düse und zur Anode, unabhängig von der Fließrate des metastabilen Argons, und/oder der Form der Lichtbogenkammer
und/oder der Form der gasformenden Düse. Als Ergebnis können diese Eigenschaften, ebenso wie die des Gases ausge\/ählt werden,
um die Lichtbogeneigenschaft an der Anode zu optimieren. Dabei ist es nicht notwendig, bezüglich dieser Eigenschaften einen ■
Kompromiß einzugehen, um die Lichtbogenentladung zu zünden.
Während es in einigen Fällen möglich ist, die Gasbogenentladung ohne Verwendung eines Zündstabes zu zünden, ist es vorteilhafter,
einen derartigen Zündstab zu verwenden, da der Lichtbogen wesentlich leichter gezündet werden kann, und da der
Betrieb des Lichtbogens viel besser gesteuert werden kann, nachdem der Lichtbogen gezündet worden ist.
Es wurde eine Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens beschrieben, welche durch einen Strom von metastabilen
Argon oder irgendeinem anderen stabilisierenden Gas stabilisiert wird. Der Lichtbogen kann eingesetzt werden zur
Verdampfung eines Probenmaterials, um Licht zur spektroskopischen Analyse zu erzeugen. Die Verdampfung geschieht schnell,
so daß die Bestandteile des Probenmaterials sehr schnell und genau bestimmt werden können. Der Lichtbogen ist sehr stabil,
so daß er ohne Zerstäuben, Umherspringen oder irgendwelche andere Anzeichen von Instabilität arbeitet. Somit sind die
Ergebnisse, die man mit diesem Lichtbogen enthält, sehr genau
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und reproduzierbar. Der Lichtbogen wird erzeugt zwischen einer Kathode an einem Ende einer Lichtbogenkammer und einer Anode
außerhalb des entgegengesetzten Endes dieser Kämmer.' Der Lichtbogen gelangt aus dieser Kammer durch eine Öffnung in
eine gasformende Düse. Das Argongas wird in die Kammer durch eine Vielzahl von Gaseinlässen eingegeben, welche vorzugsweise
in Winkeln ausgerichtet sind, und periphere Komponenten aufweisen,
so^daß dem Gas eine wirbelnde Bewegung erteilt wird,
wenn es in die Kammer eintritt. Das Gas tritt gleichmäßig aus der Kammer aus durch die Düse und zu der Anode in einer
beschränkten, geformten und gesteuerten Menge, so daß das Gas in einem dosierten Strom über die Anode hinwegstreicht. Zum
Zünden des Lichtbogens kann ein dünner länglicher Zündstab an der Anode derart befestigt werden, daß der Stab durch die
Düse in die Kammer eingesetzt werden kann, um mit der Kathode in Eingriff zu treten, um den Lichtbogen zu zünden. In einigen
Fällen kann ein elektrisch leitendes Gewinde an dem Ende der Zündstange befestigt werden, um mit der Kathode einen Kontakt
herzustellen. Vorzugsweise werden beide, das Gewinde und der Zündstab, durch die Hitze, die durch den Lichtbogenstrom erzeug*
wird, schnell verdampft, so daß der Lichtbogen zwischen der Anode und der Kathode angeordnet wird. Das Probenmaterial,
welches analysiert werden soll, befindet sich vorzugsweise innerhalb "eines Hohlraumes in der Anode, welche durch den
Lichtbogen zu einer sehr hohen Temperatur erhitzt wird, so daß das Probenmaterial verdampft wird. Eine Fassung zur Aufnahme
des Zündstabes ist vorzugsweise im Boden des Hohlraumes in der Anode ausgebildet. Der Lichtbogen kann durch einen
Hochspannungsfunken oder durch irgendeine andere geeignete
Einrichtung geschlagen werden, abhängig von der Gestalt der Kathode, der Lichtbogenkammer und der Anode.
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Claims (1)
1.1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet; daß die Kammer im allgemeinen symmetrisch um die Achse herum
angeordnet ist, und daß die Gasversorgungseinrichtung symmetrisch um diese Achse verteilt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet5 daß
die Katliodenelektrode eine axiale Öffnung aufweist, um den Austritt des stabilisierenden Gases zu beschränken, damit
der Kathodenort des Lichtbogens innerhalb der Öffnung gehalten wird.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daS
die Anodenelektrode im allgemeinen eine zylindrische Form besitzt und derart angeordnet ist, daß ihre zylindrische
Achse mit der gemeinsamen Achse zusammenfällt.
14. Stabilisierte Lichtbogenvorrichtung zur spektroskopischen Analyse 9 gekennzeichnet durch ein Gehäuse, mit einer
im allgemeinen kreisförmigenKammer- darin;
durch eine erste Elektrode und eine Düse, die an dem Gehäuse an entgegengesetzten Enden der Kammer befestigt sind: durch
die Düse, durch die sich eine Öffnung erstreckt, durch die ein elektrischer Lichtbogen hindurchtritt; durch eine Einrichtung
zum Versorgen der Kammer mit einem stabilisierenden Gas, welches aus dieser Kammer durch die Öffnung heraustritt;
und eine zweite Elektrode, die außerhalb des Gehäuses und in einem Abstand von der Düse entgegengesetzt zu der
Öffnung angeordnet ist; wobei die erste Elektrode eine
Öffnung darinnen aufweist, um den Austritt des Gases durch die Öffnung zu begrenzen, damit der Elektredenort des Lichtbogens
innerhalb der Öffnung bleibt.
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15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Begrenzen des Austrittes des Gases durch
diese Öffnung.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine
Einrichtung zum Versorgen der Kammer mit Argon, um einen Argonstrom zu erzeugen, der aus der Öffnung auf die zweite
Elektrode ausgerichtet ist, um einen elektrischen Lichtbogen zwischen der ersten und zweiten Elektrode zu stabilisieren.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünner länglicher Zündstab an der zweiten Elektrode
befestigt ist und sich durch die Öffnung in die Kammer erstreckt, um mit der ersten Elektrode in Eingriff zu
treten, um einen elektrischen Lichtbogen zu zünden; daß der Zündstab einen genügenden elektrischen Widerstand
aufweist, damit der Zündstab schnell verdampft, um einen elektrischen Lichtbogen zwischen der ersten und zweiten
Elektrode auszubilden.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündstab ein Endteil aufweist, welches in die Öffnung
in der ersten Elektrode eingeführt wird und daß das Endteil ein leitendes Gewinde besitzt, um mit der ersten
Elektrode innerhalb der Öffnung in Eingriff zu treten, um den elektrischen Lichtbogen zu zünden.
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19· Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zündstab und das Gewinde aus Graphit "bestehen.
20. Stabilisierte Lichtbogenvorrichtung zur spektroskopischen Analyse, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer im
allgemeinen kreisförmigen Kammer darinnen; eine Einlaßeinrichtung zum Versorgen der Kammer mit einem stabilisierenden
Gas; eine erste Elektrode und eine Düse, die an entgegengesetzten Enden der Kammer angeordnet sind;
und dadurch gekennzeichnet, daß die Düse eine Öffnung darinnen aufweist, um Gas abzulassen; daß eine zweite
■ Elektrode außerhalb des Gehäuses und in einem Abstand von der Düse entgegengesetzt zur Öffnung angeordnet ist;
und daß ein elektrisch leitender Zündstab am Anfang auf der zweiten Elektrode befestigt ist und sich durch die Öffnung
in die Kammer erstreckt, um mit der ersten Elektrode in Eingriff zu treten, um einen elektrischen Lichtbogen
zu zünden.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zündstab einen genügenden elektrischen Widerstand hat, damit dieser Zündstab schnell verdampft, um einen
Lichtbogen zwischen der ersten und zweiten Elektrode auszubilden.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünds.tab aus Graphit besteht.
23. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Elektrode mit einer Fassung zur Aufnahme des Zündstabes versehen ist.
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24. Vorrichtung nach Anspruch 20» dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Elektrode mit einer Öffnung zur Begrenzung des Gasaustrittes versehen ist; daß der Zündstab ein Endteil
zum Einsetzen in die Öffnung aufweist; und daß das Endteil ein elektrisch leitendes Gewinde besitzt, um mit der ersten
Elektrode zum Zünden des Lichtbogens in Eingriff zu treten.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zündstab und das Gewinde aus Graphit bestehen.
26. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode mit einem Hohlraum zur Aufnahme eines
Probenmaterials versehen ist; daß die zweite Elektrode eine Fassung aufweist, die innerhalb des Hohlraumes angeordnet
ist, um den Zündstab aufzunehmen und zu halten.
27- Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die negativen und positiven Ausgangsanschlüsse einer
elektrischQi Stromversorgung mit den entsprechenden ersten
und zweiten Elektroden verbunden sind, um die Elektroden
als Kathode und Anode auszubilden.
28. Stabilisierte Lichtbogenvorrichtung zur spektroskopischen Analyse, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit einer darin
befindlichen Kammer; eine erste Elektrode innerhalb der Kammer; eine zweite Elektrode außerhalb der Kammer
und in einem Abstand von dem Gehäuse angeordnet; eine Öffnungseinrichtung zum Ausbilden einer Öffnung in dem
Gehäuse zwischen der ersten und zweiten Elektrode, um einen elektrischen Lichtbogen durch die Öffnung und zwischen die
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Elektroden hindurchtreten zu lassen; wobei die Elektroden
und die Öffnung sich im allgemeinen längs einer gemeinsamen Achse befinden; wobei die Kammer im allgemeinen
symmetrisch um die Achse herum angeordnet ist? und wobei
die Gasversorgungseinrichtung im allgemeinen symmetrisch um die Achse verteilt ist, um ein stabilisierendes Gas
in die Kammer einzuführen und aus der Kammer durch die Öffnung austreten zu lassen, um den Lichtbogen zu stabilisieren.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gasversorgungseinrichtung eine Anzahl von Gaseinlässen aufweist, die sich in die Kammer hinein erstrecken und
gleichförmig in einem Abstand um die Achse herum angeordnet sind.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gaseinlässe in ¥inkeln angeordnet sind und periphere
Komponenten aufweisen, um dem Gas innerhalb der Kammer
eine wirbelnde Bewegung zu erteilen.
31. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die GasVersorgungseinrichtung eine Einrichtung zum Versorgen
der -Kammer mit Argon aufweist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Elektrode mit einer Öffnung zum zusätzlichen Ablassen von Gas versehen ist.
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