DE3813700A1 - Entladevorrichtung fuer spektrallicht mit hohlkathode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Entladevorrichtung für Spektrallicht mit Hohl­ kathode nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Lichtquellen mit Hohlkathoden werden in der atomaren Absorptions- Spektroskopie verwendet. Die Lichtquellen liefern Licht mit sehr hoher Inten­ sität für einen scharf definierten Spektralbereich für viele analytische An­ wendungen. Durch die US-PS 32 64 511 ist eine derartige Lichtentladevor­ richtung bekannt. Dabei wird das Spektrallicht durch eine konzentrierte Ent­ ladung erzeugt, die zwischen einer Anode und einer Hohlkathode bzw. der Bohrung einer Hohlkathode entsteht. In der Bohrung der Hohlkathode ist ein spezielles Material angebracht, das für das Licht mit der gewünschten spektralen Linie ursächlich ist. Es ist wünschenswert, daß die Entladung auf den Bereich der Bohrung in der Kathode begrenzt ist, damit man einen mög­ lichst stabilen und effizienten Betrieb erhält.

Durch die US-PS 40 71 802, 38 55 491, 37 25 716 und 35 63 655 sind der­ artige Entladevorrichtungen zur Lichterzeugung bekannt. Alle diese Vorrich­ tungen verwenden eine Glimmerscheibe, die innerhalb eines Glasgehäuses quer verlaufend angeordnet ist und in der ein Abschirmring zwischen einem Anodenring und der Kathode gehalten ist. Ferner sind die Anschlußleitungen mit isolierenden Hülsen versehen.

Kommerziell sind auch Entladevorrichtungen erhältlich, bei denen die Hohl­ kathode in einer Glashülse angeordnet ist, die die zylindrische Kathode lose umgibt und sich nach unten halsförmig bis zur Kathodenzuleitung verjüngt und diese dicht umschließt. Auf diese Weise können auch Störentladungen zwischen dem Anoden- und Kathodenaufbau verringert bzw. beseitigt werden.

Nichtsdestotrotz sind in derartigen Entladevorrichtungen immer noch Störent­ ladungen zwischen den Seitenflächen und der Basisfläche der Kathode sowie der Innenseite der Glashülse feststellbar. Auch die Stirnfläche um die Bohrung der Hohlkathode ist derartigen unerwünschten Entladungen ausgesetzt. Da das Spektrallicht primär von der Entladung innerhalb der Bohrung ausgehen soll, sind derartige Störentladungen innerhalb der Glashülse unerwünscht, da sie das Licht verändern und auch die maximale Ausbeute bis zu 50% verschlech­ tern können.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Entladevorrichtung durch Spektrallichterzeugung zu schaffen, bei der durch geeignete Abschirmung dafür gesorgt wird, daß unerwünschte Störentladungen weitgehend unterdrückt werden können und daß die erwünschte Entladung im wesentlichen im Innern der Bohrung der Hohlkathode erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfol­ genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Kathoden-Entladevorrichtung mit einer keramischen Abschirmung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2-5 Schnitte durch weitere Ausführungsformen der keramischen Abschir­ mung.

In Fig. 1 ist eine Entladevorrichtung 10 mit einer Hohlkathode dargestellt, die in einem zylindrischen und hermetisch abgedichteten sowie lichtdurchlässigen Gehäuse 12 untergebracht ist. Im Innenraum ist das Gehäuse mit einem Schutzgas, z. B. Neon oder Argon, gefüllt, das unter einem Druck von mehreren Torr stehen kann. Das Gehäuse 12 besteht aus einem glasartigen Material und hat einen Bodenbereich 14 am einen Ende und einen hoch lichtdurchlässigen Fensterbereich 16 am anderen Ende. Typischerweise wird hierfür Borsilikat, Glas oder Quarzglas benutzt.

Die Hohlkathode 18 ist an ihrem einen Ende 20 mit einer Bohrung 22 versehen, die in Richtung auf den lichtdurchlässigen Fensterbereich 16 ausgerichtet ist und auf ihrer anderen Seite aus einem Massivteil 24 besteht. Die elektrische Zuleitung 26 stützt die Hohlkathode 18 und stellt gleichzeitig den elektrischen Anschluß zur Außenseite der Entladevorrichtung her. In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist eine einzige Anodenanschlußleitung 30 gezeigt, die jedoch nur bei­ spielsweise derart ausgeführt ist und auch als zweifache oder mehrfache Anoden­ leitung, wie beim Stand der Technik, ausgeführt sein kann.

Der Anodenaufbau umfaßt einen Anodenring 28, der mit der Anodenanschluß­ leitung 30 verbunden ist und auch von dieser abgestützt wird. Diese Anoden­ anschlußleitung stellt den elektrischen Anschluß zur Außenseite des Gehäuses 12 dar. Alle diese beschriebenen Teile sind konventionelle Technologie.

Eine im wesentlichen becherförmige Glashülse 32 hat einen nach oben offenen und im Durchmesser größeren becherartigen Teil 34, der die Hohlkathode lose umgibt. Ein unterer halsartiger Abschnitt 36 mit geringerem Durchmesser um­ gibt die elektrische Zuleitung 26 und isoliert diese gegen den Innenraum. Gleichzeitig trägt sie zur Abstützung der Hohlkathode bei.

Der becherartige Teil der Glashülse 32 ist in seiner axialen Abmessung der­ art gestaltet, daß der obere Rand 38 über die obere Stirnfläche 40 der Hohl­ kathode hinausragt. Die Hohlkathode 18 ist innerhalb des becherartigen Teils lose gehalten, so daß beim Erhitzen oder Abkühlen innerhalb des Gehäuses keine ernsthaften Wechselwirkungen entstehen, so daß ein unterschiedliches Expansionsverhalten der einzelnen Elemente ausgeglichen wird.

Eine keramische Abschirmung 42 hat die Form einer Ringscheibe, von der zu­ mindest ein Teil 44 einen geringfügig kleineren Durchmesser als der Innen­ durchmesser des becherartigen Teils 34 der Glashülse 32 hat. Dieser Teil 44 der Abschirmung greift in den vorstehenden oberen Rand 38 der Glashülse 32 ein und hat einen Durchmesser bezogen auf den oberen Rand 38, der eine freie Verschiebung der Abschirmung innerhalb der Glashülse zuläßt, so daß die Abschirmung leicht an die verwendete Hohlkathode angepaßt werden kann. Diese Hohlkathode kann unterschiedliche Höhe haben. Mit der in Fig. 1 dar­ gestellten Formgebung der Abschirmung sitzt diese auf dem oberen Ende bzw. der oberen Stirnfläche 40 der Hohlkathode auf. Die Abschirmung 42 ist ebenfalls mit einer zentrischen Bohrung 46 versehen, die in der montier­ ten Position mit der Bohrung 22 der Hohlkathode fluchtet.

Da die Abschirmung 42 in der Glashülse frei verschiebbar ist, sind an der Ano­ denanschlußleitung Haltevorrichtungen angebracht, um die Abschirmung in der richtigen Position zu halten. Diese Haltevorrichtungen können unterschiedlichste Form haben, wobei die in Fig. 1 verwendete Ausführungsform aus einer ver­ hältnismäßig dünnen, flachen, ringförmigen Glimmerscheibe 48 besteht, die mit Hilfe eines an der Anodenanschlußleitung angeschweißten Ösenpaares 50 fest­ gehalten ist. Die Glimmerscheibe 48 ist als Kreisringscheibe ausgebildet und hat eine zentrische Bohrung 52, die mit einem Kreis 54 der Abschirmung 42 zusammenwirkt und über den Rand 38 der Glashülse 32 übersteht. Ferner ist eine Schulter 56 vorgesehen, die in die zentrale Bohrung 52 der Glimmer­ scheibe 48 eingreift. Mit dieser Anordnung erlaubt die leicht zu fixierende Glimmerscheibe der Abschirmung, sich in axialer Richtung zu verschieben, so daß damit die thermische Bewegung kompensiert werden kann, die sich während des Betriebs einstellen kann.

Während des Betriebs der Entladevorrichtung kann sich durch Spratzen Material auf der isolierenden Oberfläche der Abschirmung und der Glimmer­ scheibe aufbauen. Dadurch kann schließendlich die Lebensdauer der Entlade­ vorrichtung verkürzt werden, insbesondere, wenn der Materialniederschlag sich stetig bis zu einem Punkt zwischen Anode und Kathode ausbreitet.

Nach einem langen Betrieb ist die Glimmerscheibe mit verspratztem Material bedeckt. Auch an der Abschirmung kann sich verspratztes Material aufbauen. Deshalb ist die Abschirmung mit einer Oberflächenform versehen, die die Möglichkeit einer Brückenbildung und Streuentladung verringert. Deshalb hat der Kreis 44 der Abschirmung, der in die Glashülse eingreift, eine Oberfläche 58, die gegen die hohle Kathodenstirnfläche ausgerichtet ist und zwar in der Weise, daß zumindest im zentralen Öffnungsbereich der Bohrung 46 diese Bohrung wesentlich weiter von der Stirnebene der Hohlkathode entfernt ist als die Randbereiche der Abschirmung. Das heißt, daß derjenige Teil der Abschirmung, welcher sich in der unmittelbaren Nähe der Bohrung 46 be­ findet, nicht das gleiche Kathodenpotential hat, solange der Materialaufbau an der Abschirmung nicht bis zur zentralen Bohrung reicht. Dies steht im Gegensatz zu den Verhältnissen, die sich bei einer zentralen, auf Kathoden­ potential liegender Bohrung, ergeben, wenn die Bodenfläche an der Abschir­ mung flach ausgebildet ist. Die Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 bis 5 zeigen dasselbe Prinzip mit unterschiedlich ausgeformten Bodenflächen für die einzelnen Ausführungsformen der Abschirmung.

Es ist außerdem bekannt, daß sich verspratztes Material sehr viel leichter auf einer Oberfläche niederschlägt, von der aus eine geradlinige Verbindung zu dem Sprühpunkt liegt. Um daher den Materialaufbau zu verhindern oder zumindest zu verzögern, ist die obere Fläche der Abschirmung, die auf den Anodenring 28 ausgerichtet ist, in einer Form ausgeführt, daß zwischen der zentrischen Bohrung 46 der Abschirmung und der Peripherie der Abschirmung Teile vorhanden sind, die scharfwinklig ineinander übergehen, so daß die Ent­ stehung eines Spaltes bei der Ablagerung des Materials auf der Abschirmung begünstigt wird, das sonst dazu tendieren würde, in Richtung auf die Anode eine Brückenbildung zu begünstigen. Der Ort, an der eine scharfwinklige Oberflächenänderung einen Luftspalt begünstigt, ist in allen Ausführungsfor­ men mit Bezugszeichen 60 bezeichnet.

Alternative Formen der keramischen Abschirmung sind in den Fig. 2 bis 5 dar­ gestellt, aus welchen die einzelnen Figuren selbsterklärend hervorgehen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 hat die Abschirmung einen umlaufenden Flansch 62, der auf dem oberen Rand 38 der Glashülse aufliegen kann.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von den anderen Formen der Abschirmung darin, daß sie aus zwei Teilen besteht, einem unteren Teil 64 und einem oberen Teil 66. Die zweiteilige Form kann wünschenswert sein, aus Gründen der leichteren Herstellung.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 im wesentlichen durch das Fehlen des Flansches 62. Bei der Aus­ führungsform gemäß Fig. 4 ist die Abschirmung topfartig nach unten offen und hat im oben liegenden Bodenbereich die zentrische Bohrung, die mit einem Rand über die Oberfläche des Bodenbereiches vorsteht, der in die Glimmer­ scheibe eingreift.

Die verschiedenen offenbarten Formen der Abschirmung wurden getestet, wo­ bei sich vorteilhafte Ergebnisse in Abhängigkeit von den speziellen verwende­ ten atomaren Stoffen ergaben, die zur Erzeugung eines gewünschten Spektral­ lichtes Verwendung fanden.

Mit einer Kathode aus Zinn ließ sich das ausgangsseitige Geräusch um mehr als 50% verringern. Bei einem Entladestrom von etwa 15 Milliampere ver­ größerte sich die Intensität der Spektrallinie bei 2246 Ångstrom von 60 auf 130, wogegen ein Intensitätsanstieg von 140 auf 290 bei einer bei 2863 Ångstrom liegenden Spektrallinie festgestellt wurde.

Bei der Verwendung von Kobalt als Kathodenmaterial arbeitet die Entlade­ vorrichtung bei einem Strom von 20 Milliampere, wobei sich die Intensität von 540 auf 700 für die Spektrallinie bei 2407 Ångstrom vergrößern ließ.

Die Verwendung von Bor als Kathodenmaterial bewirkte, daß sehr ernst­ hafte Lichtbogenprobleme entlang dem äußeren Umfang der Kathode eli­ miniert werden konnten und daß sich die relative Intensität bei 20 Milliampere Strom von 44 auf 70 für die Spektrallinie bei 2469 Ångstrom anheben ließ.

Die Verwendung von Selen für die Kathode führte zu einer Verringerung der für die Aufwärmung erforderlichen Driftzeit auf weniger als ¹/₃ derjenigen Zeit, die bei älteren Lösungen festgestellt wurde. Die Intensität bei 10 Milliampere war etwa dieselbe wie bei vorausgehenden konstruktiven Lösungen mit einem Strom von 14 Milliampere.

Die vorteilhafteste Ausführungsform wird in der keramischen Abschirmung be­ schrieben, wie sie vorausstehend in Verbindung mit einer Glimmerscheibe er­ läutert wurde. Innerhalb der erfinderischen Maßnahmen kann die Abschirmung auch mit anderen Mitteln als beschrieben, befestigt und gehaltert werden, wie z. B. unter Verwendung von Halteringen, Haltefedern und sogar unter Ver­ wendung einer vom Anodenring ausgehenden Armes oder einer Haltehülse, die an der Abschirmung anliegt.

Claims (6)

1. In einer Entladevorrichtung für Spektrallicht mit Hohlkathode, welche in ein vorzugsweise zylindrisches Gehäuse hermetisch versiegelt eingebaut ist, wird die Hohlkathode auf einer Kathodenanschlußleitung, die durch die Wand des Gehäuses nach außen verläuft, und der Anodenaufbau mit einem Anodenring auf einer ebenfalls durch die Wand des Gehäuses verlaufenden Anodenanschlußleitung gehaltert, wobei der Anodenring vor der mit einer Bohrung versehenen Stirnfläche der Kathode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine oben offene Glashülse (32), die zylindrische Kathode (18) becherförmig umgibt und in einem unteren, den Kathodenanschluß dicht umgebenen Teil übergeht, der im Durchmesser kleiner ist,
• - daß der obere Rand (38) der Glashülse (32) über die obere Stirnfläche (40) der Kathode (18) übersteht,
• - daß eine grundsätzlich ringscheibenförmige keramische Abschirmung (42) in das obere Ende der Glashülse lose eingreift, wobei der vom überstehenden Rand (38) aufgenommene Teil einen geringeren Durch­ messer als die Glashülse hat und eine zentrale Bohrung (46) umfaßt, die auf die Bohrung (22) der Hohlkathode ausgerichtet ist und
• - daß mit dem Anodenanschluß verbundene Halteeinrichtungen (48) die Abschirmung in Ausrichtung auf die Glashülse festhalten.

2. Entladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Abschirmung mit einem umlaufenden Flansch (62) ver­ sehen ist, der über den oberen Rand (38) der Glashülse (32) über­ steht und eine Auflage der Abschirmung auf dem oberen Rand zu­ läßt.

3. Entladevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß sich die Oberfläche der Abschirmung (42) in radialer Richtung zwischen zentrischer Bohrung (46) und der äußeren Peripherie der Abschirmung erstreckt und einen durch scharfe Übergangswinkel gebildeten Abschnitt umfaßt, der eine Spaltbildung in dem auf der Abschirmung abgelagerten und zu einer Brückenbildung zum Anoden­ aufbau tendierenden Material begünstigt.

4. Entladevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die auf die mit der Bohrung versehene Stirnfläche (40) ausge­ richtete Oberfläche (58) der Abschirmung im Bereich der zentrischen Bohrung (46) wesentlich weiter von der Stirnfläche entfernt ist als dieser Oberflächenteil (58) der Abschirmung von deren Peripherie.

5. Entladevorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Halteeinrichtungen aus einer im wesentlichen flachen Ringscheibe (48) bestehen, die eine zentrische Bohrung (52) auf­ weist und zwischen der Anode und der Abschirmung angeordnet ist, daß diese Scheibe an der Anodenanschlußleitung (30) abge­ stützt ist und einen an die zentrische Bohrung (46) anschließenden Teil umfaßt, der die Abschirmung auf die Glashülse ausgerichtet hält.

6. Entladevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die keramische Abschirmung (42) auf der Stirnfläche der Hohlkathode aufsitzt.