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Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen
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eines Atomnebels und zum Durchführen spektroskopischer Analysen Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Atomnebels oder einer atomaren
Wolke, ferner ein Verfahren zum Erzeugen des Atomnebels, eine Einrichtung zum spektroskopischen
Analysieren einer Substanz unter Verwendung der Vorrichtung und schließlich ein
Verfahren zum spektroskopischen Analysieren einer Substanz unter Verwendung des
erfindungsgeiäßen Verfahrens zun Erzeugen eines Atomnebels.
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Zum qualitativen oder quantitativen Analysieren von Substanzen unter
Anwendung spektroskopischer Techniken, sei es durch Messen der Emission oder Absorption
einer
charakteristischen Strahlung, ist es erforderlich, einen
Atomnebel bzw. eine atomare Wolke zu erzeugen. Ferner ist es für die Emissionstechniken,
die auf der Anwendung der Fluoreszenz des Atomnebels basieren, wünschenswert, daß
der Atomnebel einen niedrigen Wert an Eigenstrahlung besitzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die einen Atomnebel geeigneter Dichte erzeugt, der vorzugsweise einen niedrigen
Wert an Eigen strahlung besitzt.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atomnebels
geschaffen, die gekennzeichnet ist durch ein Gehäuse mit Ein- und Auslässen, um
ein Gas in das Gehäuse einzuführen bzw. aus letzterem zu entnehmen; durch mindestens
eine Kathode mit einer innerhalb des Gehäuses liegenden Entladefläche; durch eine
ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordnete, gegenüber der Kathode beabstandete
und elektrisch isolierte Anode, die derart angeordnet ist, daß eine Entladung zwischen
der Entladefläche der Kathode und der Anode möglich wird; und durch eine Gaslenkeinrichtung,
um einen Gasstrom vom Einlaß nach außen fort von der Entladefläche der Kathode oder
über diese Entladefläche hinaus zu richten, und zwar derart, daß bei der Benutzung,
wenn ein geeignetes Potential über die Anode und die Kathode gelegt ist, eine Glimmentladung
zwischen der Anode und der Entladefläche der Kathode auftritt.
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Die Erfindung richtet sich ferner auf die Schaffung eines Verfahrens
zum Erzeugen eines Atomnebels, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Vorrichtung
zum Erzeugen eines Atomnebels vorgesehen wird, die eine Anode und mindestens
eine
Kathode mit einer innerhalb eines das dichten Gehäuses liegenden Entladefläche aufweist;
daß ein geeignetes Potential über die Anode und die Kathode gelegt wird; und daß
ein Gas nach außen fort von der Entladefläche oder über diese hinaus geleitet wird,
derart, daß eine Glimmentladung zwischen der Anode und der Kathode auftritt.
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Erfindungsgemäß kann die Gaslenkeinrichtung derart ausgebildet sein,
daß bei der Benutzung die aus der Entladefläche der Kathode ausgestoßenen Atome
vom Gas strom von der Entladefläche der Kathode fort in einen Operationsbereich
Jenseits des Kathodenglimmbereichs gezogen werden.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß das Gas über den Umfang der
Entladefläche der Kathode hinaus geleitet wird und/oder daß die Kathode einen Kanal
aufweist, dessen Auslaßöffnung in der Entladefläche der Kathode liegt, wobei die
Gaslenkeinrichtung das Gas durch den Kanal hindurch und aus der Auslaßöffnung herausströmen
läßt.
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Um das Gas über die Peripherie der Entladefläche der Kathode hinausströmen
zu lassen, kann die Vorrichtung erfindungsgemäß ein hohles Gasleitelement aufweisen,
in welchem die Kathode angeordnet ist. Das Gasleitelement besteht vorzugsweise aus
elektrisch isolierendem Material.
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Vorteilhafterweise wird der Gasdurchfluß auf einem geeigneten Wert
gehalten, um einen geeigneten Druck innerhalb des Gehäuses sicherzustellen. Ferner
besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, die Spannungsdifferenz zwischen der Anode
und der Kathode oder aber den Entladestrom zwischen der Anode und der Kathode auf
einem konstanten Wert zu halten.
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Nach der Erfindung kann die Entladefläche der Kathode oben
oder,
zur Erzeugung einer pseudo-hohlen Kathode, schalenförmig ausgebildet sein.
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Vorzugsweise wird während des Betriebs eine normale oder eine abnormale
Glimmentladung zwischen der Anode und der Entladefläche der Kathode erzeugt.
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Vorteilhafterweise besitzt das Gehäuse mindestens zwei Fenster, wobei
diese Fenster nach einem weiteren Merkmal der Erfindung auf senkrecht zueinander
stehenden optischen Achsen liegen können, die sich in dem Bereich Jenseits des Kathodenglimmbereichs,
zu welchem die Atome von dem Gasstrom gezogen werden, schneiden. Strahlung kann
in die Vorrichtung durch eines dieser Fenster eintreten, wobei die sich ergebende
fluoreszente Strahlung das Gehäuse durch das andere Fenster verläßt. Um die Menge
an Hintergrund strahlung, die das Gehäuse durch dieses andere Fenster verläßt, auf
ein-Minimum zu reduzieren, ist vorzugsweise ein Bereich mit geringer Reflektion
auf der optischen Achse des Einlaßfensters vorgesehen, und zwar auf der dem Fenster
gegenüberliegenden Seite des Bereichs, zu dem die Atome gezogen werden.
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Die Vorrichtung kann mit mehr als einer Kathode versehen sein, wobei
diese vorzugsweise unterschiedliche chemische Zusammensetzungen besitzen. Ferner
ist es vorteilhaft, daß die gesamten Kathoden oder mindestens jeweils ein Kathodenteil
leicht herausnehmbar und ersetzbar sind Die Anode kann von jeder geeigneten Gestalt
und Form sein.
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Vorzugsweise handelt es sich um einen Stab, einen Stift, eine Platte
oder dergleichen.
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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal kann die Anode zu einer
Seite der Entladefläche der Kathode angeordnet sein.
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So kann sie erfindungsgemäß seitlich versetzt zu derjenigen Linie
liegen, die die Entladefläche der Kathode mit dem Bereich verbindet, zu dem die
Atome von dem Gasstrom gezogen werden.
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Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Kathode
zylindrisch ausgebildet, wobei der Gasstrom entlang der zylindrischen Wand der Kathode
geleitetwird, und zwar über die Kathodenstirnwand hinaus, welche die Entladefläche
der Kathode bildet.
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Bei dem Gas handelt es sich vorzugsweise um ein inertes Gas, beispielsweise
um Argon.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum spektroskopischen
Analysieren einer Substanz, und zwar unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Erzeugen eines Atomnebels.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum spektroskopischen
Analysieren einer Substanz; das dadurch gekennzeichnet ist, daß nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren ein Atomnebel eines Elements erzeugt wird, dessen Konzentration in der
Substanz bestimmt werden soll; daß der Atomnebel mit einer von der Substanz abgegebenen
Strahlung bestrahlt wird; und daß die Menge an fluoreszenter Strahlung oder Eigenstrahlung
gemessen wird, die von dem Atomnebel abgegeben wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusauenhang mit der beiliegenden Zeichnung.
Die Zeichnung zeigt in:
Figur 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zum Erzeugen eines Atomnebels aus zwei Elementen; Figur 2 einen Schnitt
durch die Vorrichtung entlang der Linie II-II in Figur 1; Figur 3 einen Schnitt
einer abgewandelten Kathodenkonstruktion für die Vorrichtung nach Figur 1 und 2.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Vorrichtung 10 zum Erzeugen eines
Atomnebels oder einer atomaren Wolke aus zwei unterschiedlichen Elementen. Die Vorrichtung
10 besitzt zwei Kathoden 12 und 14 sowie eine Anode 16. Jede Kathode 12 oder 14
besteht aus einem Körper 18 und aus einer aktiven Spitze 20. Jede Spitze 20 ist
kreiszylindrisch ausgebildet und mit dem inneren Ende des Körpers 18 verschraubt.
Die freien Enden 24 der Spitzen 20 besitzen eine schalenförmige Gestalt. Außerdem
bestehen die Spitzen 20 jeweils aus einem der erforderlichen Elemente.
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Die Körper 18 weisen zylindrische Außenabschnitte 26 auf, welche mit
innenliegenden Axialbohrungen 28 versehen sind.
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Die zylindrischen Außenabschnitte 26 erweitern sich zu Befestigungsflanschen
30. Neben den Befestigungsflanschen 30 tragen die Körper 18 kreiszylindrische Flächen
32, die dicker sind als die innenliegenden Endabschnitte 34 der Körper 18. Diese
Endabschnitte 34 besitzen die gleiche Dicke wie die Spitzen 20. Querbohrungen 36
sind an den innenliegenden Endabschnitten 34 vorgesehen und stehen mit den Axialbohrungen
28 in Verbindung.
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Die Kathoden 12 und 14 sind austauschbar in Ausnehmungen eines Zentralteils
37 eines Gehäuses 38 montiert, und zwar unter Verwendung von Hiilsen 40 und Kappen
42. Letztere beaus stehen beide elektrisch isolierendem Material. Die Hülsen 40
besitzen einen dickeren Xörperabscnnitt 44 und einen inneren Halsabschnitt 46, wodurch
sich eine abgestufte Schulter 48 bildet. Die Hülsen 40 haben kreiszylindrische Innenflächen,
deren Innendurchmesser gleich dem Außendurchmesser der Flächen 32 ist. Auf diese
Weise entstehen Ringspalte 50 zwischen den Hülsen 40 und den inneren Endabschnitten
34 der Spitzen 20. Die Ausnehmungen sind abgestuft, um Schultern zu bilden, an welchen
die Schultern 48 anliegen. Dabei berühren die Außenendnder Hülsen 40 die Innenflächen
der Befestigungsflansche 30. Die Ausnehmungen besitzen ferner mit Außengewinde versehene
Halsansätze 52, mit welchen die Kappen 42 im Eingriff stehen. Letztere tragen entsprechende
Innengewinde. Die Kappen 42 weisen geeignete Öffnungen auf, durch die sich die Außenabschnitte
26 der Kathoden 12 und 14 erstrecken.
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Gemäß Figur 1 und 2 haben die Kathoden 12 und 1 eine gemeinsame Achse
54. Sie sitzen an gegenüberliegenden Seiten des Zentralteils 37 des Gehäuses 38,
wobei ihre schalenförmigen freien Enden 24 gegeneinander gerichtet sind.
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Aus Figur 1 geht hervor, daß das Gehäuse 48 zwei rohrförmige Seitenarme
56 und 58 trägt, die in entgegengesetzten Richtungen vom Zentralteil 37 ab stehen.
Die Seitenarme 56 und 58 besitzen eine gemeinsame Achse óO, welche sich senkrecht
zur Achse 54 der Kathoden erstreckt. Die freien Enden der Seitenarme 56 und 58 sind
durch Linsen 62 bzw. 64 verschlossen. Um die Menge an unerwUnschter Strahlung zu
begrenzen, die zwischen der vom Zentralteil 37 gebildeten Kammer
66
und den rohrförmigen Seitenarmen 56 und 58 hindurchgehen könnte, sind dazwischen
enge Öffnungen 68 vorgesehen0 Wie es ferner aus Figur 2 hervorgeht, besitzt das
Gehäuse 38 zwei weitere rohrförmige Seitenarme 70 und 72, die vom Zentralteil 37
ausgehen, Diese Seitenarme 70 und 72 haben ebenfalls eine gemeinsame Achse 74, die
senkrecht zu beiden Achsen 54 und 60 verläuft. Die Achsen 54,60 und 74 stehen also
jeweils rechtwinklig zueinander. Der Seitenarm 70 ist an seinem freien Ende offene
wobei diese Öffnung mit einer Linse 76 abgeschlossen wird. Nahe dem Zentralteil
37 weist der Seitenarm 70 einen Auslaß 78 auf. Gegenüber dem Auslaß 78 liegt die
Anode 16, welche unter Verwendung von Isolierelementen 80 in einer Öffnung des Seitenarms
70 befestigt ist. Pralletemente 82 sind vorgesehen, um die Menge an unerwiinschter
Strahlung zu begrenzen, die zwischen der Kammer 66 und dem Seitenarm 70 hindurchgehen
könnte. Der Seitenarm 72 liegt auf der dem Seitenarm 70 entgegengerichteten Seite
des Zentralteils 37 und ist an seinem Außenende verschlossen.
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Die Innenfläche des Seitenarms 72 besitzt ein geringes Reflexionsvermögen.
Dies erzielt man dadurch, daß man die Innenfläche des Seitenarms 72 mit geeignetem
Material beschicntet oder einer geeigneten Behandlung unterwirft.
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Schließlich sei erwähnt, d sich die Achsen 54, 60 und 74 in der Mitte
der Xammer 66 schneiaen.
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Im Betrieb wird das Gehäuse 38 evakuiert, und es wird ein geeignetes
Gas, wie etwa Argon, in das Gehäuse 38 gepumpt.
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Das Gas gelangt durch die Axialbohrungen 28 in den zylindrischen Außenabschnitten
26 der Kathoden 12 und 14 und durch die Querbohrungen 36 sowie durch die Ringspalte
50 in die Kammer 66. Sodann tritt das Gas in den Seitenarm 70
ein,
um durch den Auslaß 78 abgelassen zu werden. Von einer geeigneten, nicht dargestellten
Spannungsquelle wird über geeignete, ebenfalls nicht gezeigte Anschlüsse eine geeignete
Potentialdifferenz zwischen den Kathoden 12 und 14 und der Anode 16 hergestellt.
Es kommt zu einer anormalen oder einer normalen Glimmentladung zwischen der Anode
16 und den schalenförnigen freien Enden 24 der Spitzen 20 der Kathoden.
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Als Folge davon werden Atome aus den Spitzen 20 ausgestoßen.
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Diese ausgestoßenen Atome werden sodann von den Spitzen 20 abgezogen
und in Richtung auf das Zentrum der Kammer 66 bewegt. Das Potential zwischen der
Anode 16 und den Kathoden 12 und 14 bzw. der Entladungsstrom zwischen ihnen wird
so kontrolliert, daß die Kathodenglimmregionen zwischen den freien Enden 24 und
dem Zentrum der Kammer 66 liegen. Dadurch entsteht ein Atomnebel der beiden hier
betrachteten Elemente im Zentrum der Kammer 66. Dieser Atomnebel besitzt eine geringe
Eigens trahlungscharakt eri st ik.
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Um die Konzentration der beiden hier betrachteten Elemente in einer
Probe einer unbekannten Substanz zu bestimmen, wird die Probe zum Aussenden einer
charakteristischen Strahlung gebracht. Letztere wird in die Kammer 66 durch den
Seitenarm 70 eingeleitet, wobei die Linse 76 die Strahlung auf den im Zentrum der
Kammer 66 befindlichen Atomnebel fokussiert. Dies regt die dort befindlichen Atome
zum Fluoreszieren an, wobei diese Eigenstrahlung die Vorrichtung durch die Seitenarme
56 und 58 verläßt. Die Linsen 62 und 64 fokussieren diese Strahlung auf geeignete
Detektoren oder Meßgeräte.
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Figur 3 zeigt eine weitere Ausfiihrungsform einer Spitze 20.1.
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Diese Spitze 20.1 kann anstelle der Spitzen 20 in der Vorrichtung
10 gemäß Figur 1 und 2 verwendet werden. Die Spitze 20.1 besitzt eine Axialbohrung
84, die mit der Asialbohrung 28 in Körper 18 in Verbindung steht und sich zur gegebenenfalls
schalenförmigen
Stirnfläche der Spitze 20.1 hin öffnet. Im Betrieb wird also das Gas auch durch
diese Bohrung 84 und fort von der Stirnfläche des freien Endes gepumpt.
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Zusammenfassend schafft also die Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen
eines Atomnebels bzw. einer atomaren Wolke wobei diese Vorrichtung ein Gehäuse mit
mindestens einer Kathode und einer Anode darin aufweist. Ferner sind geeignete Kanäle
oder Gaslenkeinrichtungen vorgesehen, um einen Gasstrom nach außen fort von der
Entladungsfläche der Kathode oder über diese Entladungsfläche hinaus zu richten,
so daß dann, wenn ein geeignetes Potential über die Anode und die Kathode gelegt
wird, zwischen der Anode und der Kathode eine Glimmentladung auftritt. Die Gasströmung
zieht vorzugsweise die aus der Kathodenentladefläche herausgeschossenen Atome fort
von der Kathode in einen Bereich jenseits des Kathodenglimmbereichs, um auf diese
Weise einen Atomnebel zu erzeugen, der einen geringen Wert an Eigenstrahlung aufweist.
Die Vorrichtung enthält ferner einen Apparat zur spektroskopischen Analyse von Substanzen
unter Anwendung der Fluoreszenz- oder Eigenstrahlungstechniken.