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Atomspektrallampe
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Die Erfindung betrifft eine Atomspektrallampe mit einem Gehäuse, das
zumindest teilweise aus elektrisch leitenden Wandungen besteht, in dem ein Stoßgas
mit einem gegenüber Atmosphärendruck verminderten Druck zur Erzeugung einer Gasentladung
enthalten ist, und das ein Lichtaustrittsfenster aufweist, mit einer innerhalb des
Gehäuses angeordneten und gegenüber diesem elektrisch isolierten Elektrode, die
eine Höhlung zur Aufnahme des zur spektralen Emission anzuregenden Materials enthält
und mit Anschlüssen zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Elektrode und
die elektrisch leitenden Wandungsteile.
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Eine Atomspektrallampe dieser Art wird in der USrPS 4 263 533 beschrieben.
Ein Metallgehäuse bildet eine Vakuumkammer, die über eine Pumpe evakuiert werden
kann. über einen Gaseinlaß kann z. B.
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Argon mit einem Druck von 0,5 bis lo mbar eingelassen werden.
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Innerhalb des Gehäuses stehen sich zwei Elektroden gegenüber, an die
ein elektrisches Potential gelegt werden kann. Die Elektroden sind gegenüber dem
Gehäuse elektrisch isoliert. Die Elektrode mit dem positiven Potential dient als
Anode, während die auf Massepotential liegende Elektrode die Kathode ist. Sowohl
die Anode als auch die Kathode gind soweit von Keramikröhrchen umgeben, daß eine
elektrische Entladung zum Gehäuse hin verhindert wird.
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Die Kathode ist in Form einer Hohlkathode ausgebildet, in die z.B.
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verdampfbare Elemente eingefüllt sind, deren Spektrallinien beobachtet
werden sollen. Sie kann aber auch die Form eines Tellers haben, dessen Material
durch die Gasentladung zerstäubt und zum Leuchten angeregt wird.
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An die Elektroden kann eine Gleichspannung und zusätzlich eine Wechselspannung
gelegt werden. Beide Spannungsquellen sind regelbar, um die Entladungsstromdichte
und die Elektronenenergie dem zur spektralen Emission anzuregenden Kathodenmaterial
optimal anpassen zu können.
Die Lampe ist insbesondere zum Betrieb
in einem starken Magnetfeld geeignet, so daß eine Zeeman-Aufspaltung der Spektrallinien
erzeugt werden kann.
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Bei gekreuztem elektrischen und magnetischen Feld ist eine starke
Einschnürung des Lichtbogens zwischen Anode und Kathode zu beobachten. Diese Einschnürung
führt .,zu einem erheblich verstärkten Ionenbeschuss der Kathodenoberfläche. Er
ist so stark, daß eine tellerformige Kathode'nach wenigen Betriebsstunden durchschnitten
wird.
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Aber auch becherförmige Hohlkathoden werden so stark eingeschnitten,
daß das anzuregende Material ausfließen kann, bzw. in den Schnittkerben starker
zerstäubt wird, so daß die Lebensdauer der Lampe erheblich vermindert wird.
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In der praktischen Anwendung wird die Atomspektrallampe so angeordnet,
daß sich die Gasentladung im Fokus einer Optik befindet. Durch die eben beschriebene
Einkerbung der Kathode wandert das Leuchtzentrum sehr schnell aus dem Fokus der
Optik heraus, so daß eine häufige Nachjustierung für eine optimale Lichtausbeute
erforderlich ist.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Atomspektrallampe mit
einem vereinfachten Aufbau anzugeben, der eine stabile Gasentladung mit verbesserter
Lichtintensität und spektraler Reinheit ermöglicht und der außerdem den Betrieb
in einem starken Magnetfeld mit erhöhter Lebensdauer der Lampe zulaßt.
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Diese Aufgabe wird bei einer Atomspektrallampe der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Gehäuse nur eine einzige Elektrode
vorgesehen ist und ihr elektrisches Potential niedriger ist als das irgendeines
der elektrisch leitenden Wandungsteile.
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Die elektrisch leitenden Wandungsteile sollten zumindest teilweise
der Öffnung der Höhlung in der Elektrode gegenüber liegen. Dabei können die Wandungsteile
sowohl senkrecht als auch parallel zur Öffnung der Höhlung stehen.
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Die spektrale Reinheit der Emission wird wesentlich verbessert, wenn
zumindest der die Höhlung bildende Teil der Elektrode aus Graphit besteht. Beim
Betrieb im Magnetfeld zeigt eine solche Elektrode auch einen deutlich geringen Abbrand
im Bereich der magnetisch eingeschnürten Gasentladung. Dieser Effekt wird weiter
verbessert, wenn sich die Öffnung der Höhlung in einer scheibenförmigen Elektrodenfläche
befindet. Der geringere Abbrand des die Höhlung bildenden Elektrodenmaterials verhindert
darüber hinaus ein Ausfließen des in der Gasentladung schmelzenden, zur spektralen
Emission anzuregenden Materials, so daß das Zentrum der Lichtemission örtlich weitgehend
stabil bleibt. Die Gasentladung in Richtung auf die Öffnung der Höhlung in der Elektrode
wird verbessert, wenn die der Öffnung der Höhlung abgewandte Seite der Elektrode
und/oder des Gehäuses aus elektrisch isolierendem Material besteht. Die elektrisch
leitenden Wandungsteile können gleichzeitig als Polschuhe eines Magneten ausgebildet
sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Stirnflächen der Polschuhe senkrecht oder
parallel zur Öffnung der Höhlung liegen. Auch das Lichtaustrittsfenster im Gehäuse
wird zweckmaßigerweise senkrecht oder parallel zur Öffnung der Höhlung und dieser
gegenüberliegend angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, die Lichtemission insbesondere
senkrecht und parallel zur Richtung der Gasentladung und/oder eines angelegten Magnetfeldes
zu beobachten, so daß die Atomspektrallampe insbesondere für die Zeeman-Atom-Absorptions-Spektroskopie
geeignet ist.
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In der Höhlung der Graphitelektrode kann dabei ein Gemisch aus verschiedenen
spektral reinen Materialien, wie z.B. Cd, Zn und Cu eingefüllt sein, so daß eine
Multielementanalyse möglich ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Spektrallampe
schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen Fig. 1 eine Anordnung, bei der die
elektrisch leitenden Wandungsteile senkrecht zur Öffnung der Höhlung in der Elektrode
liegen,
Fig. 2 eine Anordnung mit der Öffnung der Höhlung parallel
gegenüberliegenden elektrisch leitenden Wandungsteilen, Fig. 3 eine Anordnung mit
scheibenförmiger Elektrode und Beobachtung der Lichtemission senkrecht zur Gasentladungsrichtung,
wie in Fig. 2, Fig. 4 eine Anordnung wie in Fig. 1, bei der die elektrisch leitenden
Wandungsteile die Polschuhe eines Magenten sind, Fig. 5 eine weitere Anordnung mit
Magnetfeld, bei der elektrisches und magnetisches Feld parallel zueinander liegen
und die Lichtemission in Richtung der Feldlinien beobachtet wird, Fig. 6 a, b eine
weitere Ausgestaltung entsprechend Fig. 4 in zwei verschiedenen Schnittdarstellungen.
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Die Atomspektrallampe nach Fig. 1 besitzt ein topfförmiges, zylindrisches
Metallgehäuse 10, das auf Erdpotential liegt. Durch den Boden des Gehäuses ist eine
Elektrode 11 in das Innere eingeführt. Die Elektrode besteht aus einem elektrisch
isolierenden Sockel 12, in dessen Spitze ein Napf 13 aus Graphit eingelassen ist.
Über eine Leistung 14 ist an den Napf 13 ein negatives elektrisches Potential angelegt.
In dem Napf 13 befindet sich das zur spektralen Emission anzuregende Material 15.
Das Gehäuse 10 ist durch eine Quarzglasplatte 16 abgeschlossen. In dem Gehäuse befindet
sich eine Edelgasfüllung z.B. aus Helium oder Argon mit einem Druck von etwa 0,1
bis 100 mbar. Zur Aufrechterhaltung der Stoßgaskonzentration kann das Gehäuse an
einem nicht dargestellten Vorratsbehälter angeschlossen sein.
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Bei einer ausreichenden Potentialdifferenz zwischen den elektrisch
leitenden Wandungsteilen 10 und dem Napf 13 zündet in bekannter Weise eine Gasentladung
in dem Gehäuse. Positiv geladene Ionen werden etwa entlang der Feldlinien 17 durch
die Öffnung 18 des Napfes 13 auf das Material 15 hin beschleunigt und erzeugen einen
entsprechenden Atomdampf,
der durch Elektronenstoß zu spektralen
Emissionen angeregt wird.
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Die zu beachtenden Gasentladungsbedingungen sind in der bereits genannten
US-PS 4 263 533 ausführlich beschrieben. Die Quarzglasplatte 16 dient als Fenster,
durch das die Lichtemission 19 beobachtet werden kann.
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In Fig. 2 besteht das Gehäuse der Atomspektrallampe z.B. aus einem
Glaszylinder 20. Das Gehäuse iat durch eine Metallplatte 21 abgeschlossen, die auf
einem positiven Potential liegt. Der Napf 13 der Elektrode 11 ist auf den Sockel
12 aufgesetzt. Die elektrischen Feldlinien 17 sind im wesentlichen auf die Öffnung
18 des Napfes 13 gerichtet, so daß vorwiegend das Material 15 durch die Gasentladung
zerstäubt wird. Es wird jedoch auch ein Teil des Materials zerstäubt, aus dem der
Napf 13 geformt istt Auch dessen Atome werden zum Leuchten angeregt. Ihr Emissions-Spektrum
überlagert sich dem des Materials 15. Wenn Graphit für den Napf 13 verwendet wird,
ist das Stark spektrum vernachlässigbar. Die Lichtemission wird in diesem Ausführungsbeispiel
senkrecht zu den elektrischen Feldlinien beobachtet.
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In Fig. 3 weist das Gehäuse 30 eine elektrisch isolierende Bodenplatte
31 auf. Darauf ist eine Graphitscheibe 32 befestigt, an die über eine Leitung 14
wiederum ein negatives Potential gelegt ist. In der Graphitscheibe 32 befindet sich
eine Höhlung 33 zur Aufnahme des zu zerstäubenden Materials 15. Im Bereich der Öffnung
18 der Höhlung 33 bildet sich ein homogenes elektrisches Feld aus, das eine besonders
gleichmäßige und stabile Gasentladung erzeugt. Die Lichtemission wird durch ein
Fenster 34 in dem Gehäuse 30 senkrecht zu den Feldlinien .17 beobachtet. Selbstverständlich
kann ein Beobachtungsfenster auch der Öffnung 18 gegenüberliegend in der Gehäusewand
30 vorgesehen sein Die Gasfüllung in dem Gehäuse 30 kann in diesem Fall über Rohrleitungen
35, 36 erneuert werden. Die Pfeile deuten die Durchflußrichtung an.
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Das Gasvorratsverhältnis mit Dosiereinrichtung und eine Absaugpumpe
mit Absperrventil gehören zum Stand der Technik und sind nicht besonders dargestellt.
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Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung entspricht prinzipiell der in
Fig. 1 dargestellten und ist speziell für den Einsatz in einem Magneten vorgesehen.
Das Gehäuse der Lampe besteht zunächst aus einem Grundkörper 40 aus elektrisch isolierendem
Material, wie z.B. Keramik. Eine zentrale Bohrung 41 bildet den gasgefüllten Entladungsraum.
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In radialer Richtung ist eine weitere Bohrung 42 vorgesehen, in die
eine Quarzlinse 43 eingesetzt ist. Ihr gegenüber befindet sich eine weitere Bohrung
in dem Grundkörper 40, in die eine napfförmige Graphitelektrode 13 eingesetzt ist.
Der Brennpunkt der Linse 43 liegt in der Öffnung 18 der Elektrode 13 und erzeugt
damit ein paralleles Lichtstrahlenbündel.
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In den Grundkörper 40 sind kegelförmige Magnetpolschuhe 44, 45 eingesetzt.
Der gesamte Lampenkörper kann in ein Magnetjoch 46 eingefügt werden.
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Fig. 5 zeigt., wie der anhand Fig. 3 beschriebene Aufbau für eine
Verwendung im Magnetfeld modifiziert werden kann. Der eine Polschuh 50 ist auf seiner
Stirnfläche mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung 51 versehen. Darauf ist
die scheibenförmige Elektrode 32 befestigt.
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Der andere Polschuh 52 enthält eine zentrale Bohrung 53, die auf einer
Seite durch ein Quarzglasfenster 54 verschlossen ist. Die Stirnfläche dieses Polschuhs
52 ist konzentrisch zur Bohrung 53 teilweise ebenfalls mit einer elektrisch isolierenden
Beschichtung 51 versehen. Der Luftspalt zwischen den Polschuhen 50, 52 wird durch
ein ringförmiges Bauteil 55 verschlossen, das gleichzeitig die Polschuhe gegeneinander
abstützt. Das Material für dieses Bauteil muß magnetisch neutral sein und wird zweckmaßigerweise
elektrisch isolierend gewählt. Die eingezeichneten elektrischen Feldlinien 17 zeigen,
daß diese parallel zu dem magnetischen Feld verlaufen, wenn die dargestellte Baueinheit
auf das Joch eines Magneten aufgesetzt wird. Die Beobachtung der Lichtemission erfolgt
in der Richtung der Feldlinien.
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In den Fig. 6 a und b ist eine Ausführungsform für eine Atomspektrallampe
in zwei verschiedenen Schnittdarstellungen gezeigt, die insbesondere zum Betrieb
mit gekreuzten elektrischen und magnetischen Feldern geeignet ist,
Im
Gegensatz zu dem in Fig. 4 beschriebenen Aufbau ist hier der Grundkörper 60 aus
elektrisch leitendem Material, das aber nicht magnetisierbar sein darf. Die in eine
zentrale Bohrung 61 eingesetzten Polschuhe 62, 63 sind auf ihren Stirnflächen mit
einer elektrisch isolierenden Beschichtung 64 versehen, so daß die elektrischen
Feldlinien zwischen dem Grundkörper 60 und der Elektrode 65 senkrecht zu den magnetischen
Feldlinien zwischen den Polschuhen 62, 63 verlaufen. Die Elektrode 65 ist in radialer
Richtung verschiebbar in ihrer elektrisch isolierenden Durchführung 66 gehalten.
Auf diese Weise kann einmal die Elektrode leicht ausgewechselt werden und zum anderen
kann das Zentrum der Lichtemission gegenüber dem Fokus der Linse 67 nachjustiert
werden. Unabhängig davon kann auch die Linse 67 in radialer Richtung gegenüber dem
Grundkörper 60 verschiebbar gehalten sein. Die Beobachtung der Lichtemission erfolgt
somit senkrecht zu den magnetischen Feldlinien.
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Quer zur Gasentladung sind in dem Grundkörper 60 noch Anschlüsse 68,
69 für eine Durchspülung des Gasentladungsraumes mit einem Stoßgas vorgesehen.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele machen deutlich, daß durch
äußerst einfache konstruktive Maßnahmen die Feldverteilung zwischen der auf negativem
Potential liegenden Elektrode und der umgebenden Gehäusewandung beeinflußt werden
kann. In jedem Fall ergibt sich eine gegenüber bekannten Atomspektrallampen mit
zwei Elektroden wesentlich erhöhte Gasentladungskonzentration im Bereich der Öffnung
der Höhlung in der Elektrode und damit eine beträchtliche Steigerung der Lichtintensität.
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Das zu zerstäubende Material kann in allen denkbaren Modifikationen
in die Höhlung der Elektrode eingebracht werden. Bevorzugt ist pulverförmiges Material,
das nach kurzer Einbrenndauer in die Höhlung eingeschmolzen wird. Insbesondere bei
hochreinen Metallen können jedoch auch Folienstreifen verwendet und in aufgewickelter
Form in die Höhlung eingebracht werden. Diese Art erweist sich bei den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 3 und 5 als besonders vorteilhaft.
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Wie bereits erwähnt, ist es besonders vorteilhaft., die Höhlung in
der Elektrode aus Graphit zu fertigen, da dann das Emissionspektrum des zerstäubten
Materials praktisch kein überlagertes Störspektrum aufweist. Diese Eigenschaft ist
für die Verwendung der Lampe in der Atom-Absorptions-Spektroskopie besonders wichtig,
da hierbei ausschließlich solche Spektrallinien eingestrahlt werden sollen, die
mit den Resonanzlinien des nachzuweisenden Elementes übereinstimmen.
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Es ist daher in der Regel für jedes nachzuweisende Element eine entsprechende
Atomspektrallampe vorzusehen. Sucht man jedoch solche Elemente aus, deren Linienspektren
sich nicht überlappen, wie z.B. die Spektren von Cadmium, Zink und Kupfer, so können
diese ohne gegenseitige Beeinflussung gleichzeitig angeregt werden. Füllt man z.B.
ein Pulvergemisch dieser Elemente in die aus Graphit geformte Höhlung in der Elektrode
der erfindungsgemäßen Atomspektrallampe, so erhält man tatsächlich diskret nebeneinander
liegende Spektrallinien, die den einzelnen Elementspektren eindeutig zuzuordnen
sind. Mit einer solchen Lampe kann dann in einfacher Weise eine Multi-Element-Analyse
durchgefuhrt werden, d.h. man kann in einer einzigen Messung das Vorhandensein von
z.B. Cadmium, Zink und Kupfer nachweisen.
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