DE2705815A1

DE2705815A1 - Verfahren und einrichtung zur spektralanalyse

Info

Publication number: DE2705815A1
Application number: DE19772705815
Authority: DE
Inventors: Derek John Webb
Original assignee: Rank Organization Ltd
Current assignee: Rank Organization Ltd
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1977-02-11
Publication date: 1977-08-18
Also published as: FR2341138A1; FR2341138B3

Description

HW/96/HGA/RC/CEF 8. Februar 1977

U.K.Prov.Spoc.No.5357/76 ' 1OOO7 Dr.ν.Β/Ε Date: Filed 11 February 1976

THE RANK ORGANISATION LIMITED 11 Hill Street, London W1X 8AE/England

Verfahren und Einrichtung zur Spektralanalyse

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens.

Bei der Emissions-Spektralanalyse ist es bekannt, Material von einer Probe zu verdampfen und das charakteristische Emissionspektrum des Dampfes anzuregen, indem man zwischen einer Gegenelektrode und der Probe mittels eines elektrischen Stromes eine elektrische Entladung erzeugt,

• Die elektrische Entladung besteht gewöhnlich in einer gesteuerten Freigabe von in einem Kondensator gespeicherter elektrischer Energie. Die zugehörige Schaltungsanordnung mit den gewöhnlich vorhandenen induktiven und Ohm'sehen Widerständen bestimmt dabei die Charakteristik der Entladung.

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-i-

Die Entladung wird im allgemeinen in regelmäßigen Intervallen solange wiederholt,wie es die Analyse der Probe erfordert.

Die Entladung kann in einer Atmosphäre eines Gases (gewöhnlich Argon) durchgeführt werden, das für die interessierende emittierte Strahlung durchlässig ist und die Zeit, die die Moleküle bzw. Atome des betreffenden Gases benötigen, um nach der durch die Entladung bewirkten Ionisation wieder zu rekombinieren,, bestimmt die Frequenz, mit der die Qtladungen durchgeführt werden können. Eine neue Entladung unter gesteuerten Bedingungen läßt sich nämlich erst dann wieder erzeugen, wenn das ionisierte Gas rekombiniert ist. Wenn man vorher eine Entladung erzeugt, tritt statt des im allgemeinen erwünschten Funkens ein Gleichstrombogen mit ungesteuerten Bedingungen auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe

zugrunde, diese Zeit zu verkürzen und dadurch die Entladungsfrequenz zu erhöhen, so daß sich eine kürzere Analysedauer ergibt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs bzw. einer Einrichtung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Bei einem Verfahren zur Spektralanalyse, bei

welchem in einer Entladungsstrecke zwischen einer Gegenelektrode und einer Oberfläche einer zu untersuchenden Probe wiederholt eine elektrische Entladung erzeugt wird, durch welche ein Teil der Probe verdampft und ein Emissionsspektrum des verdampften Materials angeregt wird, wird also gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gasstrom oder -strahl in

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die Entladungsstrecke, also den Zwischenraum zwischen der Gegenelektrode und der Probe, gerichtet, um nach ihrer einzelnen Entladung Ionen aus dieser Strecke zu entfernen.

Bei einer Einrichtung zur Spektralanalyse,

welche eine Vorrichtung zum Erzeugen wiederholter elektrischer Entladungen in einer Entladungsstrecke zwischen einer Gegenelektrode und einer Oberfläche einer zu untersuchenden Probe enthält, durch welche Entladungen ein Teil der Probe verdampft und ein Emissionsspektrum des verdampften Materials angeregt wird, ist also gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen eines im Verlaufe der Btladungen in die Entladungsstrecke gerichteten Gasstromes oder - Strahles vorgesehen, der nach jeder einzelnen Entladung Ionen aus dem Entladungsbereich entfernt.

Durch die Erfindung wird ferner eine Gegenelektrodenanordnung zur Spektralanalyse geschaffen, die eine nadel- oder stiftartige Gegenelektrode enthält, welche mindestens zum Teil in einem Ende einer Röhre angeordnet ist, welches einen die Elektrode umgebenden ringförmigen Spalt bildet, aus dem die Elektrode herausreicht; die Fläche des ringförmigen Spaltes ist dabei zweckmäßigerweise wesentlich kleiner als die Querschnittsfläche der Röhre bzw. ihrer Bohrung.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Gegenelektrodenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

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Fig. 2 eine Querschnittsansicht der Gegenelektrodenanordnung gemäß Fig. 1 in einer Ebene A-A;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Art und Weise, wie die Gegenelektrodenanordnung gemäß Fig. 1 und 2 in der Praxis verwendet werden kann, und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer praktischen Ausführungsform einer Entladungsvorrichtung, welche die Gegenelektrodenanordnung gemäß Fig. 1 und 2 enthält.

In den Figuren 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer Gegenelektrodenanordnung für die spektrochemische Analyse, insbesondere Funken-Emissionsspaktralanalyse, dargestellt, welche eine stift- oder nadelartige Gegenelektrode 1 enthält, die in einen Halter 2 eingeklemmt ist und durch diesen koaxial im einen Ende einer Metallröhre 3 gehaltert ist. Das Ende der Röhre springt etwas über den Halter vor und ist nach innen gebördelt oder eingedrückt, so daß es einen engen ringförmigen Spalt 4 bildet, der die Elektrode 1 dort umgibt, wo sie aus der Röhre 3 austritt.

Im Betrieb wird Gas in Richtung des Pfeiles 5 durch die Röhre 3 geleitet, das nach Durchlaufen von Ausnehmungen 6 zwischen dem Halter 2 und der Röhre 3 mit hoher Geschwindigkeit durch den ringförmigen Spalt 4 austritt, der die Gegenelektrode 1 umgibt. Hierdurch entsteht ein Gasstrom oder -strahl 7, der von der Gegenelektrode 1 zu einer ihr gegenüberliegenden Stirnfläche 8 einer Probe 9 verläuft, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Bei einer bestimmten kritischen Geschwindigkeit werden ionisierte Teilchen der Probe und dgl. durch den Gasstrahl so rechtzeitig entfernt, daß die nächste Entladung erzeugt werden kann, ohne daß dabei ein kontinuierlicher Lichtbogen entsteht. Hierdurch

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ergeben sich mehrere Vorteile:

Als erstes wird der Angriffsbereich (Fußpunkt) der Entladung auf eine kleinere Fläche der Probenoberfläche begrenzt, was die Verdampfung einer größeren Menge Probenmaterials zur Folge hat.

Zweitens läßt sich bei gewissen Proben, die bei normaler Anregung keine nutzbare Emission zeigen, eine für die Analyse geeignete Emissionsstrahlung erzeugt. Probenmaterialien dieser Art sind z.B. Automatenstähle, die relativ hohe Mengen an Schwefel enthalten, und Gußeisenproben, die oft unreproduzierbare und irreführende Ergebnisse liefern. Diese Materialien enthalten chemische Bindungen und metallurgische Strukturen, die zum Aufbrechen elektrische Entladungen hoher Leistung benötigen, wenn das Atomspektrum angeregt werden soll. Durch Entladungen, die bei angestelltem Gasstrahl erzeugt werden, lassen sich praktisch alle diese Schwierigkeiten vermeiden, die mit einer unvollkommenen Anregung von Materialien dieser Art verbunden sind.

Drittens besteht eine konsistentere Beziehung der Intensität der Spektrallinien und der Konzentration der betreffenden Elemente, so daß Proben sehr unterschiedlicher Formen und metlalurgischer Zustände ähnlichere Eichkurven ergeben, als es bei den bekannten Anregungsmethoden der Fall ist.

Viertens kann man mit einer höheren Entladungs- oder Funken-Wiederholungsfrequenz arbeiten, was die Analysedauer verkürzt.

Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführungsform eines Entladungskopfes, der eine Gegenelektrodenanordnung

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10 des oben beschriebenen Typs enthält. Der Entladungskopf kann in Verbindung mit einem bekannten (nicht dargestellten) Spektrographen verwendet werden. Dieser Spektrograph würde sich rechts von dem in Fig. 4 dargestellten Entladungskopf befinden und die Strahlung von der Entladung längs einer optischen Achse 11 empfangen.

Bei der dargestellten praktischen Ausführungsform der Erfindung ist die Röhre 3 der Gegenelektrodenanordnung aus nichtrostendem Stahl, während die Gegenelektrode 1 aus einem Wolframdraht besteht. Der Halter 2 besteht ebenfalls aus elektrisch leitfähigem Material, so daß der Entladungsstrom der Elektrode 1 über die Röhre 3 zugeführt werden kann.

Die Gegenelektrodenanordnung 10 ist ihrerseits in einem elektrisch leitfähigen Halter 12 montiert, mit dem eine Klemme einer schematisch dargestellten Energiequelle 13 verbunden ist. Der Halter 12 ist seinerseits in einem Isolierkörper 14 angeordnet, der auf einer Schulter 15 eines Rahmens des Gerätes ruht. Die Probe 9 wird durch eine Klemmschraube 16 gegen einen Probentisch 17 gedrückt, der seinerseits auf dem Isolierkörper 14 angeordnet ist. Ein Teil einer ebenen Oberfläche 8 der Probe 9 grenzt in einer Öffnung in der Oberseite des Probentisches 17 an eine Probenkammer 18 an, welche im Probentisch 17 und dem Träger 14 gebildet ist. Die Gegenelektrodenanordnung 10 springt in die Entladungskammer 18 von unten her vor, so daß zwischen ihrer nadelartigen Gegenelektrode 1 und der Oberfläche 8 der Probe eine Funkenstrecke 19 gebildet wird. Die andere Klemme der Spannungs- oder Energiequelle 13 ist mit der Klemmvorrichtung 16 verbunden.

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Da der Lichtweg zwischen der Entladung und dem Eintrittsspalt des Spektrographen frei von Sauerstoff gehalten werden muß, läßt man durch eine Röhre 20, die den Entladungskopf mit dem Spektrographen verbindet, Argon in den Entladungskopf eintreten. Diese Argonströmung, die den Sauerstoff herausspült, vermag zwar bis zu einem gewissen Grade die jeweils von einer vorangegangenen Ladung erzeugten Ionen zu entfernen, das zusätzliche Einführen von Argon bei der Gegenelektrode durch einen ringförmigen Spalt ist jedoch ein sehr viel effektiveres Verfahren. Das Argon wird der Gegenelektrodenanordnung 10 über einen flexiblen Polytetrafluoräthylenschlauch 21 zugeführt und das Gas tritt aus der Entladungskammer 13 durch ein Auslaßrohr 22 aus.

Bei einer typischen Einrichtung der oben beschriebenen Art ist die Funkenstrecke etwa 5 mm lang, die Zündspannung zur Ionisierung der Funkenstrecke beträgt etwa 20 000 Volt und die Spannung bei der anschließenden kontrollierten Entladung beträgt etwa 660 Volt. Der Gasdurchsatz hängt von den Abmessungen des Ringspaltes ab, was angestrebt wird, ist eine ausreichende Gasgeschwindigkeit bei möglichst geringem Durchsatz. Typischerweise ergeben drei bis vier Liter pro Minute die richtige Geschwindigkeit.

Die Rekombinations- oder Erholungszeit der Funkenstrecke beträgt normalerweise etwa 5 Millisekunden, wenn jedoch das Argongas durch die 5mm der Funkenstrecke in weniger als 2,5 Millisekunden strömt, können die Entladungen einander mit einer Frequenz bis zu 400 Hz folgen.

Bei der oben beschriebenen Anordnung kommt es in erster Linie darauf an, einen Gasstrom oder -strahl zu erzeugen, der die Entladungsstrecke derart durchquert, daß

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die Ionen von der vorangegangenen Entladung entfernt werden und dadurch Entladungen mit gesteuerten Parametern einander mit kürzeren Intervallen folgen können als es möglich ist, wenn man sich nur auf die natürliche Rekombination der Ionen verläßt.

Ein weiterer möglicher, jedoch noch nicht experimentell vollständig verifizierter Vorteil besteht in folgendem: Bei den bekannten Spektralanalysegeräten muß die analysierte Oberfläche der Probe eben, glatt und sauber sein. Die hierfür erforderliche Bearbeitung der Probe ist zeitraubend, was besonders bei der Stahlproduktion von Nachteil ist, da dort jede Sekunde zählt. Der intensive Angriff der Argonstrahlentladung macht nun eine sorgfältige Bearbeitung unnötig und man kann unter Umständen sogar den Funken auf die Oberfläche überschlagen lassen, wie sie aus der Form kommt, also ohne jede Bearbeitung. Die sich hieraus ergebende Zeitersparnis ist besonders bei der Stahlanalyse unschätzbar.

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Claims

At-;

Patentansprüche

Verfahren zur Spektralanalyse, bei welchem in einer Entlad'ungsstrecke zwischen einer Gegenelektrode und einer Oberfläche einer zu untersuchenden Probe wiederholt eine elektrische Entladung erzeugt wird, welche einen Teil der Probe verdampft und ein Emissionsspektrum des verdampften Probenmaterials anregt, dadurch gekennzeichnet, daß während der wiederholten Entladungen ein Gasstrahl (7) in den Bereich der Entladungsstrecke (19) geleitet wird, der nach jeder einzelnen Entladung die Ionen aus diesem Bereich entfernt.
2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß der Gasstrahl (7) von der Gegenelektrode (1) zur Oberfläche (8) der Probe (9) durch die Entladungsstrecke (19) gerichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, daß als Gegenelektrode (1) ein nadelartiges Bauteil verwendet wird, das teilweise innerhalb einer hohlen Röhre (3) so angeordnet ist, daß ein Ende der Röhre (3) einen ringförmigen Spalt (4) begrenzt, der die Elektrode (1) dort, wo sie aus der Röhre (3) austritt, umgibt, wobei die Fläche des ringförmigen Spalts (4) wesentlich kleiner ist als die Querschnittsfläche der Bohrung der Röhre (3), und daß Gas (5) durch die Röhre (3) geblasen wird, das in Fon des Strahls (7) aus dem ringförmigen Spalt (4) austritt.
4. Einrichtung zur spektrochemisehen Analyse, bei welcher in einer Entladungsstrecke zwischen einer Oberfläche einer zu untersuchenden Probe und einer Gegenelektrode wiederholt elektrische Entladungen erzeugt werden, welche einen

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Teil der Probe verdampfen und ein Emissionsspektrum des verdampften Materials anregen, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (2 bis 6) zum Erzeugen eines im Verlaufe der Beladungen in die Entladungsstrecke (19) gerichteten Gasstrahles (7), der nach jeder einzelnen Entladung Ionen aus der Entladungsstrecke entfernt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrahl (7) von der Gegenelektrode (1) zur Oberfläche (8) der Probe (9) hin durch die Entladungsstrecke (19) gerichtet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (1) ein nadelartiges Bauteil ist, das zum Teil innerhalb einer Röhre (3) angeordnet ist, deren eines Ende die Elektrode (1) umgibt und dort, wo die Elektrode aus der Röhre (3) austritt, einen ringförmigen Spalt (4) bildet, dessen Querschnittsfläche wesentlich kleiner ist als die Querschnittsfläche der Bohrung der Röhre (3), und daß eine Vorrichtung zum Einspeisen eines Gases in die Röhre (3) vorgesehen ist, welches als Strahl (7) aus dem ringförmigen Spalt (4) austritt.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsstrom der Gegenelektrode (1) über die Röhre (3) zugeführt ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (1) aus Wolfram und die Röhre (3) aus nichtrostendem Stahl bestehen.

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9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas (7) Argon ist.
10. Gegenelektrodenanordnung für die spektrochemische Analyse, insbesondere für eine Einrichtung gemäß Fig. 4, gekennzeichnet durch eine stiftförmige Gegenelektrode (1), die teilweise innerhalb des Hohlraums einer Röhre (3) angeordnet ist, welche einen ringförmigen Spalt (4) bildet, der die Elektrode (1) dort, wo sie aus der Röhre (3) austritt, umgibt, wobei die Fläche des ringförmigen Spalts (4) wesentlich kleiner ist als die Querschnittsfläche des Hohlraums der Röhre (3).
11. Gegenelektrodenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (3) elektrisch leitfähig und elektrisch leitfähig mit der Gegenelektrode (1) verbunden ist.
12. Gegenelektrodenanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (1) aus Wolfram und die Röhre (3) aus nichtrostendem Stahl bestehen.

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