DE4436821A1 - Funkengenerator sowie Verfahren zur Mikropartikel-Probenentnahme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Funkengenerator sowie ein Verfahren, bei denen eine Probenentnahme über ein schnelles Entladen eines elektrischen Stroms in eine feste Probe erfolgt, so daß ein Aerosol erzeugt wird, das kleine Partikel des zu analysierenden Feststoffs enthält, und bei denen diese Partikel für eine abgesetzte Spektralanalysevorrichtung vorgesehen werden.

Die atomare spektrochemische Analyse wurde üblicherweise durch das Bestimmen des geeigneten Lösungsmittels, das Lösen der zu analysierenden Probe und das Einspritzen der Lösung in einen Zerstäuber durchgeführt, der zum Ausbilden eines die Probe enthaltenden Aerosols einen Vernebler verwendet. Die Aerosolpartikel werden dann behandelt, um eine spektroskopische Anzeige der vorliegenden atomaren Bestandteile zu liefern. Das Löseverfahren kann eine Hintergrundüberlagerung erzeugen, falls keine geeigneten Lösungsmittel und Verfahren verwendet werden. Dementsprechend war die Probenaufbereitung im allgemeinen eine zeitraubende und langwierige Aufgabe. Auch können viele Materialien nicht zu einer stabilen Lösung umgewandelt werden, beispielsweise Oxide, Karbide, Nitride und andere. Beim Stand der Technik wurde es anerkannt, daß es vorteilhaft, praktischer und weniger teuer wäre, eine Vorrichtung und Verfahren zum direkten Einführen fester Proben in das Spektrometer vorzusehen, ohne daß der Lösungsschritt erforderlich ist. Ein Verfahren, das verwendet wurde, besteht darin, eine elektrische Entladung zum Erzeugen von Aerosolen, die Partikel von leitenden und nicht-leitenden Materialien bzw. Stoffen enthalten, zu verwenden. Varianten dieses Verfahrens verwenden einen Hochspannungsfunken und umfassen das Steuern der Funkenspannung und der Stromwellenformen.

Funken mit kurzer Impulsdauer, hoher Folgefrequenz und hoher Energie sind bekannt, um feinere Partikel zu erzeugen und eine reproduzierbarere Probenentnahme vorzusehen. Es ist auch bekannt, eine sehr hohe Spannung und kurzzeitige Impulse zum Ionisieren der Luft in einem Spalt zwischen einer Probe und einer Elektrode zu verwenden und dann einen oder mehrere gesteuerte Stromwellenform-Impulse entsprechender Dauer vorzusehen, so daß Partikel erzeugt werden, um das Aerosol herzustellen. Ein Dokument, das über ein solches Verfahren berichtet, ist Mohamed et al., "Direct Sample Introduction of Solid Material into a Pulse Operation MIP", Appl. Spectrsc., Bd. 43, Nr. 5, Seiten 793 (1989).

Die gegenwärtigen Verfahren und Vorrichtungen zum direkten Erzeugen von Partikeln aus einer festen Probe mit Hilfe von Funkenablation können nicht die gleiche Präzision und Genauigkeit bieten, wie die älteren, zeitaufwendigeren Lösungs-/ Zerstäubungsverfahren. Dementsprechend besteht ein Bedarf an effizienteren und kostengünstigeren, und zudem verbesserten Verfahren und Vorrichtungen zur direkten Festprobenentnahme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Funkenentladungsverfahren und eine verbesserte Funkenentladungsvorrichtung zum Erzeugen von Proben- Mikropartikeln aus einer festen Probe vorzusehen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Merkmale der Patentansprüche 1, 5, 10 bzw. 13 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung mit einer elektrischen Schaltung vorgesehen, die den Strom für die Funken besser formt und steuert, um aus dem Feststoff mittels Ablation Partikel mit reproduzierbaren Größen zu erzeugen, wobei Hochfrequenz-Leistungstransistoren als Schaltelemente verwendet werden.

Ein zusätzliches Merkmal der elektrischen Schaltung besteht darin, daß sie bei einstellbarer Folgefrequenz sehr stabile, steuerbar hohe Werte von Strömen bei einem ausreichend hohen Energiepegel vorsieht, um die Ablation des Feststoffs zur Erzeugung von Mikropartikeln sicherzustellen, die während des Stromimpulses von der Stelle des Ablationskraters mit Hilfe eines Inertgasstroms weggetragen werden.

Noch ein weiteres Merkmal besteht darin, daß die Mikropartikel-Erzeugungsvorrichtung für den Benutzer weniger gefährlich ist, da die Schaltung ein wiederholtes Laden und Entladen eines Kondensators vorsieht, wobei der Kondensator lediglich mit einer für eine Entladung ausreichenden Energiemenge aufgeladen wird.

Noch ein weiteres bedeutendes Merkmal besteht darin, daß Transistoreinrichtungen mit hoher Schaltgeschwindigkeit in der Stromsteuerschaltung in einer modularen Anordnung verwendet werden, so daß der Gesamtfunkenstrom durch paralleles Einschalten zusätzlicher Module im benötigten Maße wahlweise erhöht werden kann, wobei jedes der Module ein unabhängig gesteuertes Teil der Gesamteinrichtung vorsieht, ohne daß die Transistoren in den einzelnen Modulen überlastet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird beispielsweise nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Verbindung zwischen einem Spektrometersystem und der erfindungsgemäßen Mikropartikel-Erzeugungsvorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt der Funkenzelle der Mikropartikel-Erzeugungsvorrichtung,

Fig. 3A, 3B und 3C Schaltdiagramme, die das Schalten des Stromflusses bei der vorliegenden Erfindung darstellen,

Fig. 4A eine Zeichnung des zeitabhängigen Stromverlaufs im Funkenspalt,

Fig. 4B ein Zeitdiagramm, das die typischen Steuerwellenformen und ihre Zeitbeziehungen zueinander darstellt,

Fig. 4C ein Zeitdiagramm, das typische Spaltströme für das Einbrennen und die Analyse bei einem Gesamtexperiment erläutert,

Fig. 5A ein schematisches Schaltdiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispieles der Stromerzeugungseinrichtung und des der Schalteinrichtung der Mikropartikel- Erzeugungsvorrichtung und

Fig. 5B ein Blockdiagramm der vollständigen Zeitsteuerschaltung, die bei der Mikropartikel- Erzeugungsvorrichtung verwendet wird.

Die Funkenerzeugungsvorrichtung 10 zur Probeentnahme von Mikropartikeln ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Erzeugte Mikropartikel werden zu einem energiegeladenen Mittel, beispielsweise einem induktiv gekoppelten Plasma (I.C.P.) befördert, um die Partikel in Atome zu trennen und diese Atome für eine spektroskopische Analyse anzuregen, wie sie nach einer Überführung durch eine Röhre 12 in einem Spektrometer 11 durchgeführt wird. Beim Betrieb befindet sich in der Röhre 12 ein Gasfluß mit Mikropartikeln aus einem Feststoff einer Probe 3, wobei die Mikropartikel von der Probenmasse durch Ablation abgetragen und mit dem Gasfluß mitgerissen werden. Die Probepartikel werden durch Ablation mit Hilfe von elektrischen Impulsen abgetragen, die in einer Probenkammer 23 der Mikropartikel- Erzeugungsvorrichtung konzentrierte Energie zur Probenoberfläche liefern. Das Gas besteht vorzugsweise aus einem Inertgas, beispielsweise Argon, das aus einer Gaszufuhreinrichtung 5 geliefert wird und verwendet wird, um die abgetragenen Mikropartikel von einem Funkenspalt 63 zum energiegeladenen Mittel mitzunehmen, um die Partikel in Atome zu trennen und um die Atome spektroskopisch anzuregen, wie dies in einem induktiv gekoppelten Plasmaspektrometer (I.C.P.) stattfindet. Wahlweise kann ein Absetzbehälter 9 (oder Sortierfilter) im Weg zum Spektrometer 11 verwendet werden, um diejenigen Partikel zu entfernen, die zu groß sind, um zum Beispiel in dem I.C.P. zur gleichen Zeit verarbeitet zu werden, in der Partikel analysiert werden, die mit einer normalen Größe erzeugt wurden. Es ist bekannt, daß große Partikel in einem I.C.P. nicht in Atome zerlegt werden können und beim Aufrechterhalten des Plasmas stören können.

Die bevorzugte Vorrichtung zum physischen Anlegen des Funkenstroms an die Probe 3 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Probe 3, die vorzugsweise in Form einer flachen Scheibe vorliegt, ist mittels einer Klemmbacke 24 an einem kreisförmigen Ring 20 der oberen Fläche der Probenkammereinrichtung 1 gegen einen O-Ring 21 gespannt, um einen gas- bzw. fluidundurchlässig verschlossenen, eine Kammer 23 ausbildenden Hohlraum 23 zwischen der Probe 3 und dem Körper der Probenkammereinrichtung 1 auszubilden (wobei Rohrleitungen 35, 36 und 37 ausgenommen sind). Eine Elektrode 7 aus schwerschmelzendem Metall, beispielsweise Wolfram, die ein angespitztes, vorderes Ende und eine Einrichtung zum Einstellen der Länge des Spalts 63 zwischen der Probe 3 und der Elektrodenspitze aufweist, ist in dem Hohlraum bzw. der Kammer 23 angeordnet. Die Probenkammereinrichtung 1 ist aus einem elektrisch nicht­ leitfähigen Material hergestellt und weist mehrere Rohrleitungen 35, 36 und 37 für einen Spülgasfluß auf, um die Mikropartikel von der Kammer 23 zum Spektrometer 11 zu transportieren. Dadurch wird auch das Aufrechterhalten des Funkens unterstützt.

Die Wolframstab-Elektrode 7 ist mittels einer Feststellschraube 39 in einem Metallzylinder 30 festgelegt, der in einer isolierten, innen mit einem Gewinde 23 versehenen Lagerbuchse 31 gleiten, sich aber nicht drehen kann. Der Metallzylinder 30 ist mit mindestens einem Vorsprung 32 ausgestattet, der in das Gewinde 33 der Lagerbuchse 31 eingreift, so daß der Zylinder 30 und die darin festgelegte Elektrode 7 durch eine Drehung der Lagerbuchse 31, beispielsweise über einen von ihr wegragenden Kragen 38, axial bewegt werden können, um den Abstand des Spalts 63 einzustellen. Ein ringförmiger Zwischenraum 27, der vom Boden der Kammer 23 in Richtung der Lagerbuchse 31 verläuft und den Schaft der Elektrode 7 unterhalb der Kammer 23 teilweise umgibt, ist mittels eines O-Rings 34 zur Lagerbuchse 31 hin verschlossen. Der Zwischenraum 27 steht mit der Rohrleitung 35 in Verbindung. Gas wird über eine Öffnung der Rohrleitung 35 in die Kammer 23 eingeführt, um den über Öffnungen der Röhren 36 bzw. 37 erfolgenden Spülgasfluß durch die Kammer zu unterstützen. Die Spanneinrichtung 24 ist beim Betrieb geerdet und berührt den Körper der Probe 3, so daß der Körper der Probe 3 die Gegenelektrode zur stangenförmigen Elektrode 7 ausbilden kann.

Es wurde festgestellt, daß Funkenimpulse, die mit Hilfe eines gleichförmigen Stroms mit einer sehr steilen Einsetzflanke und einer sehr steilen Ausschaltflanke erzeugt werden, die gleichmäßigsten analytischen Ergebnisse liefern. Es wird gefordert, daß die hohe Stromdichte während des Stromflusses in die Probenoberfläche eine äußerst große, örtliche Energieansammlung erzeugt, die eine Verlagerung von Mikropartikeln von der Oberfläche des Probenmaterials bewirkt. Es wurde gezeigt, daß es erforderlich ist, zuerst Initiationsionen in dem im Spalt befindlichen Gas vorzusehen, bevor der Hochstromfunken ausgelöst werden kann. Es wurde herausgefunden, daß die Stromstärke in dem Funken für bestmögliche Ergebnisse steil ansteigen und geregelt sein sollte. Das hier bevorzugte Verfahren umfaßt einen Grundzustand für einen Schalter 61, der einen Nebenschluß zum Spalt 63 bildet, wobei der Schalter 61 anfänglich geschlossen ist, damit ein Stromregler 60 eine Stabilisation durchführen kann, und danach geöffnet wird, damit der geregelte Strom in dem Spalt 63 sehr schnell aufgebaut werden kann, während die Initiationsionen in dem Spalt 63 verbleiben. Dieses Verfahren sieht eine kostengünstige Einrichtung vor, um hohe Ströme schnell in den Spalt 63 zu schalten. Es hat sich gezeigt, daß frühere Techniken der Stromregelung während des schnellen Änderns von Strompegeln sehr schwierig und teuer sind.

Unter Bezug auf Fig. 3A und für eine relativ lange Zeitdauer von etwa einer Millisekunde wird ein Kondensator C1 von einer 160 V-Spannungsquelle 76 über eine Diode D1 und einen Widerstand R geladen. Während dieser Anfangsperiode sind der Schalter 61 und ein Schalter 62 geöffnet und eine Zündeinrichtung ist ausgeschaltet, so daß in dem Spalt 63 kein Strom fließt.

Im nächsten Zeitintervall werden der Stromregler 60 aktiviert und der Schalter 62 für den Stromfluß und der Schalter 61 für den Funkenspalt geschlossen. Wie in Fig. 3B dargestellt, ist der Kondensator C1 nun die Hauptstromquelle für die Schaltung und der Stromregler 60 erzeugt einen geregelten Hochstromwert, beispielsweise 20 A, in der Schaltung. Da im Spalt 63 kein elektrischer Durchbruch vorliegt und der Schalter 61 zu Spalt 63 einen Nebenschluß bildet, fließt während dieses Zeitabschnitts kein Strom über Dioden D2 in den Spalt 63.

Im nächsten Zeitabschnitt wird die Zündeinrichtung aktiviert und eine sehr hohe Spannung von beispielsweise bis zu 10 kV wird an den Spalt 63 angelegt. Diese hohe Spannung leitet eine Ionisierung des Gases im Spalt 63 ein und verringert die Spaltimpendanz in hohem Maße. Kurz nachdem die Zündeinrichtung zündet, d. h. im Bereich von einer Mikrosekunde, öffnet der Schalter 61 für den Funken und der geregelte Strom, der zuvor durch den Schalter 61 floß, wird über Dioden D2 mit einer hohen Schaltgeschwindgkeit in den Spalt 63 umgeleitet.

Durch das Schalten mit sehr hohen Geschwindigkeiten, wie es mit Hochfrequenz-MOSFET-Leistungstransistorschaltern möglich ist, wurde es möglich, sehr glatte, schnell ansteigende und abfallende Spaltstromimpulse mit einstellbarer Impulsdauer zu erzeugen, die die in Fig. 4A dargestellte Gestalt aufweisen.

Unter Bezug auf Fig. 4C ist die Dauer dieser einzelnen, kurzen Stromimpulse in Beziehung zu den Mikropartikel- Erzeugungsabfolgen dargestellt. Im allgemeinen wird ein Experiment mit einem Einbrenn-Zeitabschnitt eingeleitet, der eine auswählbare Dauer hat, die jedoch üblicherweise etwa 60 Sekunden beträgt. Es wurde festgestellt, daß dieser Ein- bzw. Vorbrennvorgang zuverlässigere Analysen erzeugt. Während diesem Vorbrenn-Zeitabschnitt wird der Stromimpuls üblicherweise mit einem höheren Pegel, beispielsweise 80 A ausgewählt. Die Impulsperiodendauer ist auch auswählbar, liegt jedoch üblicherweise bei etwa 1 ms. Nach der Einbrenndauer beginnt ein Analysezeitabschnitt, wobei der Strompegel während dieser Zeit üblicherweise geringer gewählt wird. Es wurde festgestellt, daß Impulse mit einem niedrigeren Pegel, die mit einer geringeren Frequenz geliefert werden, bessere spektroskopische Ergebnisse ergeben. Die Impulsdauer, die Impulsperiodendauer und die Länge der Analysezeit sind alle für jedes Experiment auswählbar. Wie es ersichtlich ist, ist der Abtastzyklus mit der Größenordnung von 1/100 gering, was zwischen den Impulsen mehr Zeit liefert, als erforderlich ist, um den Kondensator mit der Energie zu laden, die beim folgenden Impuls erforderlich ist. Die relativ geringe, gespeicherte Gesamtladung ermöglicht es, den Sicherheitsvorteil zu bieten, daß keine sehr hohe Energiespeicherung erforderlich ist.

Es wird angemerkt, daß zum Vorsehen des Hochgeschwindigkeitsschaltens die MOSFET- Hochleistungstransistoren verwendet wurden, die als IRF640 bezeichnet werden und von International Rectifier Corporation und anderen erhältlich sind. Diese Transistoren sind nicht in der Lage, den vollen 80 A-Hochstrom für den Funken zu liefern, wie es für diese Anwendung erforderlich ist, und zwar nicht einmal bei dem niedrigen Tastverhältnis. Dementsprechend wurde ein modularer Entwurf vorgesehen, bei dem jede Einheit einen separat geregelten Strom von 20 A liefern kann. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden vier Module 50, 51, 52, 53 vorgesehen, die wahlweise parallel geschaltet werden können, um für die Einbrennzeitspanne 80 A zu liefern.

Unter Bezug auf Fig. 5A wird das detaillierte, bevorzugte Ausführungsbeispiel von einem der Module der geregelten Impulsleistungs-Steuereinrichtung dargestellt. Beim zuvor beschriebenen Modul 1 (50) steuern Leistungstransistoren als Schalter 61 bzw. 62 das Schalten eines geregelten Stroms in den Spalt 63. Module 51, 52 und 53 sind identisch zum Modul 50 aufgebaut, das in Einzelheiten dargestellt wird.

Der Transistor 61 ist mit der positiven Klemme der Stromquelle 76 verbunden, wobei sie auch geerdet ist. Die negative Klemme der Stromquelle 76 ist mit einem strombegrenzenden 200 Ω, 10 W-Ladewiderstand R3 verbunden, dessen andere Seite mit dem 10 µf, 200 V-Kondensator C1 verbunden ist, der hohe Stromstöße vorsehen kann. Ein zwischen diesen befindlicher Knoten steht auch mit der Source des Hochstrom-Schalt-MOSFET-Transistors 62 in Verbindung. Vom Gate des Transistors 62 zu dessen Source ist ein Parallel-Netzwerk aus einem 470 Ω-Widerstand und einer als Schutz dienenden 15 V-Zener-Diode geschaltet. Zwischen den Drain des Transistors 62 und die Systemerde ist ein 0,39 Ω-Bezugswiderstand R4 geschaltet, dessen drainseitiges Ende über ein Widerstand-/Kondensator- Netzwerk mit dem Emitter eines Transistors 73 in Verbindung steht. Das geerdete Ende des Widerstands R4 steht auch mit der Basis des Transistors 73 in Verbindung. Das am 0,39 Ω- Bezugswiderstand R4 anliegende Signal repräsentiert den gelieferten Strom und wird zu einem Fehlersteuersignal für den Regelverstärker, dessen Verstärkungsgrad durch den Transistor 73 und einen Transistor 74 bestimmt wird. Der Kollektor des Transistors 73 steht mit dem Emitter des Transistors 74 in Verbindung. Die Basis des Transistors 74 ist mit einer +5 V-Quelle verbunden und der Emitter des Transistors 74 ist über einen 200 Ω-Widerstand mit einer +12 V-Quelle gekoppelt. Der Emitter des Regeltransistors 74 ist auch mit dem Ausgang eines invertierten ODER-Glieds 70 verbunden. Das ODER-Glied 70 schaltet den Regler und den Stromschalter 62 durch wahlweises Stromumleiten vom 200 Ω- Widerstand ein/aus. Dabei ist der Kollektor des Transistors 74 mit der Basis des als Schalter 62 dienenden Transistors verbunden.

Der Drain des anderen Leistungstransistors 61 steht mit einem gemeinsamen Knoten zwischen der Diode D1 und einer Kette aus 7 Dioden D2 in Verbindung. Die Dioden D2 sind vorgesehen, um die Schaltung vor der hohen Zündeinrichtungsspannung zu schützen. Die geerdete bzw. mit der +-Klemme der Stromquelle 76 verbundene Diode D1 ist zum Unterstützen des Ladens des Kondensators C1 mit diesem gekoppelt und entsprechend gepolt, wie dies in Zusammenhang mit Fig. 3A erläutert wurde. Mit dem Gate des Transistors 61 ist eine Zeitsteuereinrichtung TIMER 2 über ein UND- Glied 71 und über einen 47 Ω-Widerstand verbunden. Die 12 V-Quelle steht auch über einen Widerstand mit dem Ausgang des UND-Glieds 71 in Verbindung, um Impulse mit einer schnellen Anstiegszeit zur Verfügung zu stellen.

Der Verstärkungstransistor 73 und der Regeltransistor 74 stellen in Verbindung mit dem Leistungstransistor 62 den Stromregler 60 dar. Der Strom, der durch den Transistor 62 fließt, fließt auch durch den Bezugswiderstand R4. Falls der Strom größer als 20 A wird, wird der beim Transistor 73 aufgenommene Strom erhöht, wodurch die Spannung am Emitter des Transistors 74 verringert wird. Während dies auftritt, nimmt die Leitfähigkeit des Transistors 74 ab und die Vorspannung zwischen Gate und Source am Transistor 62 wird verringert, was zu einer Verringerung des Stromflusses führt.

Eine einzelne Zündeinrichtungsschaltung sieht einen schnellen Schaltstrom über die Primärspule eines Transformators 79 vor, was einen 10 kV-Impuls an einem Ausgang 80 der Sekundärspule des Transformators bewirkt. Der Ausgang 80 ist mit der spitzen Elektrode 7 gekoppelt, wodurch diese Hochspannung an der Elektrode angelegt wird, um so in dem Spalt 63 die Ionisierung für alle Funkenstromeinstellungen einzuleiten.

Fig. 4B ist ein Zeitdiagramm, das die Impulse für die Steuerung des Funkenbetriebs darstellt. Nachdem der Kondensator C1 während des AUS-Teils des Arbeitszyklus geladen wurde, in dem er sich im Aus-Zustand befindet, erzeugen die Impulssteuerschaltungen die Abläufe der Fig. 4B. Entsprechend Fig. 3B wird der Stromregler 60 eingeschaltet und der Stromregler 60 wird über die gleiche Zeit aktiviert, über die der Schalter 61 geschlossen ist. Bei diesem Schritt wird ein geregelter 20 A-Strom in die den Schalter 61 enthaltende Schaltung geliefert. Als nächstes, etwa 1,5 µs später, wird der Zündeinrichtungs- Impuls ausgegeben und etwa 0,5 µs später öffnet der Schalter 61 und der vorstabilisierte Strom wird über die ultraschnell schaltenden Dioden D2 schnell in den Spalt 63 geschaltet. Nachdem eine vorgewählte Zeit, üblicherweise 4 bis 10 µs, verstrichen ist, wird der Strom im Spalt 63 in den Transistor 61 rückgeschaltet, da dieser zu diesem Zeitpunkt schließt. Dies unterbricht den Stromimpuls im Spalt und bestimmt so die Funkenimpulsdauer. Danach wird der Stromregler 60 ausgeschaltet, woraufhin auch der Schalter 61 in den geöffneten Zustand zurückgeschaltet werden kann. Unter Verwendung der vorliegenden Verfahren und Schaltungen kann der Stromimpuls im Spalt 63 bei einer schnellen Anstiegsflanke und einer schnellen Abfallflanke als sehr glatt, scharf und in hohem Maße steuerbar angesehen werden.

Eine Standardzeitsteuerschaltung kann zum Erzeugen von Transistorsteuerimpulsen 40, 41 und 42 der Fig. 4B verwendet werden.

Die hier eingesetzte Zeitsteuerschaltung verwendet ein EPROM, um die Zeitprofile zu speichern, die für die Auswahlmöglichkeiten verfügbar sind. Das EPROM wird durch das Auswählen höherwertiger Adressbit mittels einer Schaltereinstellung in Abschnitte segmentiert. Mittels der höherwertigen Adressen werden programmierte Impulsabfolgen entsprechend der Schalterauswahl durch die Bedienungsperson aufgerufen. Unter Verwendung von 16 Bit eines adressierbaren Speichers und des Vorsehens von 8 Bit für jeden Abschnitt wird es ermöglicht, bis zu 256 programmierte Abfolgen auszuwählen. Bei der vorliegenden Einrichtung wird nur eine geringe Anzahl der verfügbaren Abschnitte verwendet. Unter Bezug auf Fig. 5B werden ein 4 MHz-Oszillator 80A und ein serielles Zählregister 81 verwendet, um einen inkrementierenden 8-Bit-Ausgangswert zu erzeugen, der zum Vorsehen der Adressenbit für das EPROM verwendet wird. Der Bedienungsperson stehen an der Frontplatte der Mikropartikel-Erzeugungsvorrichtung 10 Wähleinrichtungen 86 und 86′ für die Vorbrenn- bzw. die Analysezeitdauer zur Verfügung, was bestimmte Impulsdauer- Auswahlmöglichkeiten bietet. Diese Auswahlmöglichkeiten werden als hohe Bitadressen in Busleitungen und in das EPROM 82 eingegeben. Der Bedienungsperson steht auch eine Wähleinrichtung 84 und 84′ zum Auswählen der Folgefrequenzen für die Vorbrenn- bzw. die Analysedauer zur Verfügung. Das Auswählen der gewünschten Folgefrequenz steuert einen programmierbaren Teiler 83. An der Zählklemme dieses Teilers wird ein einzelnes Ausgangssignal, das über 256 Taktimpulse andauert, an den Freigabeausgang (ENABLE) des EPROM 83 geliefert, um eine einzelne Funkenabfolge freizugeben. Diese zum EPROM 83 gesendeten Adressenbit mit hoher Adresse steuern, welcher Abschnitt auf Datenleitungen des EPROM 83 ausgegeben wird, während die untere Adresse mittels des 4 MHz-Takts inkrementiert wird. Für jede Adresse werden drei gleichzeitige Ausgangssignale vom EPROM auf diesen Datenleitungen verwendet. Die Ausgangsspannung auf jeder dieser drei Datenleitungen wird durch ein binäres Ein-Bit-Signal vorgesehen, was eine Steuerleitung aktiviert, an die es über einen Puffer 85 angelegt wird. Die Aufgabe des Puffers besteht darin, den Steuerleitungen reine Signale zu liefern.

Verschiedene Frontplattenschalter der Mikropartikel- Erzeugungsvorrichtung 10 sind vorgesehen, um die Parameter des Vorbrenn- bzw. des Analysezyklus zu steuern. Die Auswahl wird über zwei Sätze von Diodenmatrizen unter Steuerung der beiden Frontplatten-Zeitgebereinrichtungen vorgesehen, die für den Vorbrenn- bzw. den Analysezyklus geliefert werden. Jede durch Wähler 87 und 87′ bestimmte Zeitdauer kann durch die Bedienungsperson voreingestellt werden. Wenn ein Betrieb eingeleitet wird, wird die Abfolge von der ersten Zeitgebereinrichtung zur zweiten Zeitgebereinrichtung automatisch ausgeführt.

Claims (13)

1. Funkenerzeugungsvorrichtung zum Abtragen einer Probe von einem zu analysierenden Feststoff, um Mikropartikel von dem Stoff unter Verwendung elektrischer Funken mit hoher Intensität zu erzeugen und die Mikropartikel zu einer Analysiervorrichtung zu bewegen, mit

• (a) einer Einrichtung zum Befestigen des Stoffs, von dem Proben genommen werden sollen, an der Funkenerzeugungsvorrichtung,
• (b) einer Einrichtung zum teilweisen Ionisieren des Gases im Raum zwischen der Funkenerzeugungsvorrichtung und der Probe und
• (c) einer Einrichtung zum Steuern des in dem ionisierten Gas fließenden elektrischen Stroms, gekennzeichnet durch
• (d) eine Einrichtung zum Einstellen eines stabilisierten Stromwerts in einer Schaltung außerhalb des ionisierten Raums,
• (e) eine Kondensatoreinrichtung zum Speichern einer ausreichenden Energiemenge in der außenliegenden Schaltung für einen Funkenimpuls, wobei der Kondensator während der Zeitdauer aufgeladen wird, bevor der stabilisierte Strom in der außenliegenden Schaltung vorliegt,
• (f) wobei die Einrichtung zum Vorsehen eines stabilisierten Stroms eine Einrichtung zum Erhalten der Energie für den Strom vom Kondensator aufweist,
• (g) eine Schalteinrichtung zum Schalten des stabilisierten Stroms von der außenliegenden Schaltung, so daß dieser in den Gasionen-enthaltenden Raum fließt, wobei die Schalteinrichtung zum Schalten des stabilisierten Stroms in den Ionen-enthaltenden Raum ferner einen Anstieg der Ionisation bewirkt und einen Fluß eines hohen Stroms ermöglicht, und
• (h) eine Einrichtung zum Ausschalten des stabilisierten Stroms in dem Gasionen-enthaltenden Raum und Rückschalten in die außenliegende Schaltung, nachdem eine vorbestimmte, auswählbare Zeitdauer verstrichen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung zum Schalten des in einer Schaltung außerhalb des ionisierten Raums befindlichen Stroms mit stabilisiertem Wert ein Paar Leistungstransistoren mit einer hohen Schaltgeschwindigkeit aufweist, wobei jeder dieser Transistoren einen zulässigen Maximalstromwert aufweist und wobei der zulässige Maximalstromwert nicht hoch genug ist, eine optimale Ablation der Probe zu bewirken, und wobei die Schalteinrichtung zum Schalten des Stroms mit dem stabilisierten Wert eine Einrichtung zum Vorsehen eines ausreichenden Stromflusses zum Durchführen der Ablation der Probe umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Vorsehen des ausreichenden Stromflusses zum Durchführen der Ablation der Probe eine Einrichtung zum Parallelverbinden zusätzlicher Module aufweist, die zusätzliche Paare von Leistungstransistoren mit hoher Schaltgeschwindigkeit umfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Module identisch aufgebaut ist und daß ein gewünschter Spaltstrom erhalten wird, indem eine Vielzahl von diesen Modulen parallel vorgesehen wird, bis der gewünschte Spaltstrom ohne das Überschreiten des zulässigen Maximalstromwerts für irgendeinen Leistungstransistor in irgendeinem Modul erreicht wird.

5. Verfahren zum Erzeugen von Mikropartikeln aus einem in einem Spektrometer zu analysierenden Stoff mit den Schritten:

• (a) Befestigen des zu untersuchenden Stoffs in einer fluiddichten Beziehung in einer Funkenerzeugungsvorrichtung, wobei die Funkenerzeugungsvorrichtung einen Hohlraum mit einer darin angeordneten, spitz zulaufenden Elektrode aufweist,
• (b) Vorsehen eines stabilisierten Stroms in jeder von einer Vielzahl identischer Schaltungen, die sich außerhalb des Hohlraums befinden,
• (c) Ionisieren eines Gases in dem Hohlraum mit einem Hochspannungsimpuls, der an der Elektrode angelegt wird,
• (d) Schalten des stabilisierten Stroms in einen Spalt, der sich zwischen dem Stoff und der Elektrode befindet, während der Hochspannungsimpuls beendet wird, der Spalt aber noch ionisiert bleibt, durch gleichzeitiges Zuschalten des Stroms von einer ausgewählten Anzahl der Vielzahl identischer Schaltungen in den Spalt und
• (e) Abschalten der stabilisierten Ströme in dem Spalt und Zurückschalten der stabilisierten Ströme in die Vielzahl identischer Schaltungen zum Beenden des Ablationsverfahrens.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Schaltens eines vorbestimmten Betrags des stabilisierten, impulsförmigen Stroms in den Spalt eine erste sogenannte Vorbrennperiode und eine zweite sogenannte Analyseperiode umfaßt und wobei dabei eine unterschiedliche Anzahl der Vielzahl identischer Schaltungen während der ersten und der zweiten Periode mit dem Spalt zusammengeschaltet wird und wobei mehrere solcher Schaltungen während der ersten Vorbrennperiode mit dem Spalt zusammengeschaltet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der stabilisierte Strom für einen geringen Anteil jeder Impulsperiode in den Spalt geschaltet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der geringe Anteil im Bereich von 0,2% bis 1% liegt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Kondensator mit einem großen Wert in jeder der Vielzahl identischer Schaltungen vor dem Schritt des Vorsehens eines stabilisierten Stroms in der funkenerzeugenden Vorrichtung außerhalb des Spalts aufgeladen wird, und
daß jeder der Kondensatoren mit großem Wert den stabilisierten Strom während der Zeitdauer, während der der stabilisierte Strom von der Vielzahl identischer Schaltungen in den Spalt geschaltet wird, von jeder der identischen Schaltungen in den Spalt schaltet.

10. Funkenerzeugende Schaltung zum Erzeugen von Mikropartikeln, gekennzeichnet durch

• (a) eine Probenkammer, die eine erste, spitze Elektrode und eine zweite, aus einer festen, zu analysierenden Probe bestehende Elektrode einschließt, wobei die erste und die zweite Elektrode durch einen Raum voneinander getrennt sind und die Probe einer Ablation mittels elektrischer Funken unterzogen werden kann,
• (b) eine Zündeinrichtung, die mit der ersten, spitzen Elektrode zum Vorsehen eines zum Ionisieren eines Gases in dem Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ausreichenden Hochspannungsimpulses mit kurzer Dauer verbunden ist,
• (c) einen ersten Leistungstransistorschalter mit einem Gate, einem Drain und einer Source,
• (d) und einen Kondensator, der eine erste und eine zweite Klemme aufweist,
• (e) eine Kette aus von in Reihe verbundenen Dioden, die mit der ersten, spitzen Elektrode an einem Ende der Kette aus Dioden und mit einer ersten Klemme des Kondensators und mit dem Drain des ersten Leistungstransistorschalters an dem gegenüberliegenden Ende der Kette aus Dioden verbunden ist,
• (f) eine Gleichstromquelle, die mit einer ersten Klemme eines ersten, strombegrenzenden Widerstands verbunden ist, wobei die positive Klemme der Gleichstromquelle mit der Source des ersten Leistungstransistorschalters und der zweiten Elektrode der Probenkammer verbunden ist, und
• (g) einen zweiten Leistungstransistorschalter mit einer Source, einem Drain und einem Gate, wobei die Source des zweiten Leistungstransistorschalters mit der zweiten Klemme des ersten, strombegrenzenden Widerstands und der zweiten Klemme des Kondensators verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain des zweiten Leistungstransistorschalters mit einem Bezugswiderstand verbunden ist, wobei der Kondensator über den Raum entladen wird, wenn der erste Leistungstransistorschalter den nicht leitenden Zustand annimmt und wobei die Schaltung zum Entladen des Kondensators einen Weg über den Bezugswiderstand und den zweiten Leistungstransistorschalter umfaßt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein Paar Verstärkertransistoren zum Regeln des Stroms in dem zweiten Leistungstransistorschalter in Erwiderung auf den durch den Bezugswiderstand fließenden Strom.

13. Mikropartikelproben-Erzeugungsvorrichtung, bestehend aus

• (a) einer Probenkammer, die eine erste, spitze Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die zweite Elektrode aus einer in der richtigen Lage angeordneten festen Probe besteht und die erste und die zweite Elektrode um einen einstellbaren Abstand voneinander getrennt sind,
• (b) einer Einrichtung zum Anzeigen, wenn der einstellbare Abstand gleich Null ist,
• (c) einem gleitfähigen Element, wobei das gleitfähige Element koaxial zur ersten, spitzen Elektrode verläuft, und
• (d) einer Einrichtung zum Festlegen der ersten, spitzen Elektrode an dem gleitfähigen Element, wenn der einstellbare Abstand Null beträgt.