DE2900715C2 - Plasmastrahlgerät - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Plasmastrahlgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Plasmastrahlgerät ist aus der US-PS 31542 bekannt, bei dem die ersten Elektroden Anoden sind und die zweite Elektrode eine Kathode ist Die Anoden liegen in einer Horizontalebene und ihre verlängerten Achsen schneiden sich in einem Punkt um den sie symmetrisch angeordnet sind. Unterhalb der von den Anoden aufgespannten Horizontalebene ist die Kathode in einer Vertikalebene angeordnet, so daß ihre verlängerte Achse durch den Schnittpunkt der verlängerten Anodenachsen läuft. Dadurch entsteht im Betrieb eine senkrechte Plasmasäule, die sich im Bereich des Schnittpunkts der Anodenachsen zu den einzelnen Anoden verzweigt und eine Anregungszone bildet Zu untersuchende "Proben werden mittels einer die Kathode umgebenden Düse zusammen mit dem von der Kathode ausgehenden Plasmastrahl zur Anregungszone geführt Dabei ist eine Beeinflussung des Probenmaterials noch vor Eintritt in die Anregupgszone nicht auszuschließen. Außerdem läßt sich eine Verwirbelung des Probenmaterials bei der Geometrie der bekannten Anordnung nicht vermeiden.

Die US-PS 40 09 413 beschreibt ferner ein Plasmastrahlgerät für spektrometrische Untersuchungen mit einer Anode und einer Kathode, die im Abstand zueinander angeordnet sind und deren verlängerte Längsachsen sich unter einem Winkel schneiden. Jede der Elektroden besitzt einen koaxialen Mantel, durch den ionisierbares Gas strömt Im Betrieb bildet das ionisierbare Gas den Plasmastrahl und liefert eine zusammenhängende Säule von ionisiertem Gas zwischen der Anode und der Kathode, wobei dieser Plasmastrahl die Form eines: umgekehrten V hat. Im unteren Teil des Keuzungsbereichs der verlängerten Anoden- und Kathodenachsen besitzt der Plasmastrahl eine Reaktions- oder Anregungszone. Eine zu untersuchende Probe, die typischerweise in Form eines Nebels vorliegt ist extern, vorzugsweise in einem ionisierbaren Trägergas oberhalb von Anode und Kathode einbringbar, so daß diese Probe unmittelbar in die Reaktionsoder Anregungszone des Plasmabogens gelangt

Für den bekannten umgekehrt V-förmigen Plasmastrahl gemäß US-PS 40 09 413 hat es sich gezeigt daß er von einem äußerst starken Magnetfeld umgeben ist das insbesondere am Treffpunkt der ionisierten Gase, nämlich an der Schnittstelle, eine äußerst hohe Feldstärke hat Aufgrund der unterschiedlichen Polaritäten besteht nun aber eine Neigung des Abstoßens der ionisierten Gasströme oder Plasmaströme in der Anregungs- oder Reaktionszo^. Treffen nun die ionisierten Gassäulen unterschiedlicher Polarität an der Schnittstelle des umgekehrten V in Gegenwert des Magnetfelds zusammen, dann tritt ein Auseinanderdrängeffekt an den Gassäulen auf, der die Reaktionsoder Anregungszone destabilisiert bzw. wandern läßt.

Wird das Plasmastrahlgerät mit einer Einrichtung zur Einführung einer Aerosolprobe in die Reaktionszone gemäß US-PS 40 09 413 betrieben, dann wirkt ein derartiger Aerosol-Nebelbildner zusätzlich auf die Plasmaströme und drückt sie unter Destabilisierung der Plasmastrahllage auseinander. Bei Verwendung einer Aerosolproben-Einführeinrichtung, insbesondere bei der Einführung der Probe in einen ionisierten Gasstrahl -unterhalb der Reaktionszone und bei verhältnismäßig hoher Gasgeschwindigkeit wird zusammen mit in unterschiedlich gepolten Gasströmen im Magnetfeld eine Destabilisierung des Plasmastrahls bewirkt so daß die erhaltenen spektrometrischen Daten sowohl an Qualität als an Intensität nicht konstant sind.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Gerätes liegt darin, daß sich die Lage des Plasmabogens verändert, wodurch die Lage der Anregungs- oder Reakiionszone wandert Bei einer derartigen Wanderung der Anregungszone ergibt sich eine Intensitätsschwankung für das Spektrum der in die Zone eingebrachten Probe und damit eine Schwankung in der Qualität und Quantität der Spektroineterdaten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Plasmastrahlgerät mit einer stabilen Anregungszone zu schaffen, in die

Probenmateria·, unmittelbar und ohne vorherige Kontaktierung mit dem Plasmastrahl einbringbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Plasmastrahlgerät der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprfiche.

Das erfindungsgemäße Plasmastrahlgerät weist die Elektroden umgebende koaxiale LJmmantelungen auf, durch die ein ionisierbares Gas zur Bildung der umgekehrten Y-förmigen ionisierten Gassäule einströmt. Als Gas wird vorzugsweise Argon oder ein ähnliches ionisierbares Gas verwendet.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden wird im Betrieb des Plasmastrahlgeräts ein orts- bzw. lagestabilisierter Plasmabogen erzielt. Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung stabilisiert den Plasmabogen deshalb, weil die Elektroden-»Beine« des umgekehrten Y die gleiche Polarität haben und weil sich die von den ersten und zweiten Elektroden emittierten ionisierten Gassäuien gemeinsam in die. gleiche Richtung bewegen und nicht auseinandergedrängt werden, so daß an der Verbindungsstelle der Plasmastrahlen eine stabilisierte Reaktions- oder Anregungszone gebildet ist. Dies führt zu einer besseren Lagestabilität, bei der selbst unter Verwendung einer Aerosol-Einführeinrichtung eine in das ionisierte Trägergas unmittelbar in die Anregungszone eingeleitete Probe keine Destabilisierung der Plasmastrahllage bewirkt

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt außerdem in der Verwendbarkeit von Graphitanoden anstelle von Wolframanoden, obgleich auch Wolframelektroden verwendbar sind. Bevorzugte Verwendung finden jedoch Graphitanoden, da sie lediglich eine geringe Anzahl von Kohlenstofflinien zum Spektrum beitragen.

Als Gleichspannungsquellen sind alle geeigneten Spannungsquellen verwendbar, vorzugsweise verwendet man jedoch zwei Spannungsquellen mit einer gemeinsamen /Cathode. Demnach sind in einer bevorzugten Ausführung die beiden Gleichspannungsquellen gemeinsam an dieselbe Kathode angeschlossen, die üblicherweise eine Wolfram- oder Metallelektrode ist, um die sehr großen Ströme auszuhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher erläutert:

Ein Plasmastrahlgerät 10 umfaßt blockförmige Elektrodenträger 12,14 und 16 sowie erste Elektroden, und zwar Anoden 20 und 22 aus Graphit oder Wolfram, deren verlängerte Achsen sich unter einem Winkel schneiden. Dieser Winkel beträgt in einer Ausführung etwa 75°. Eine zweite Elektrode aus Wolfram bildet die Kathode 18. Die Elektroden 18,20 und 22 sind jeweils in zu den Elektroden koaxialen keramischen Gehäusen 24, 26 und 28 untergebracht, welche auf den Elektroden trägern 12, 14 und 16 sitzen. Ein ionisierbares Gas, beispielsweise Argon, wird an einem Ende jedes

Keramikgehäuses eingeleitet und zur Bildung des Plasmastrahls um die Elektroden geführt. Zur axialen Verschiebung der Elektroden in den Keramikgehäusen für ein Vorschieben und Austauschen der Elektroden sowie zur Einstellung einer gewünschten Betriebslage sind nicht dargestellte Einrichtungen vorgesehen.

Unmittelbar unter der Schnittstelle der Elektrodenachsen der ersten Elektroden 20 und 22 ist eine Aerosolproben einleitende Probeneinführeinrichtung 30, z.B. ein Nebelerzeuger mit einem Auslaß 32 angeordnet durch den ein aerosolförmiger Probenstrahl 34 in eine Anregungszone 38 des gebildeten Plasmastrahls einleitbar ist. Die Einleitung der Probe erfolgt somit aus dem Auslaß 32 unmittelbar in die Anregungszone 38. Der in der Figur dargestellte Plasmastrahl 36 hat die Form eines umgekehrten Y. Außerdem sind zwei konstante Gleichspannungsquellen 40 und 46 vorgesehen, die beide an die Kathode 18 angeschlossen sind und wobei ihre anderen Anschlüsse jeweils an eine der Anoden 20 bzw. 22 führt, und ^rwar von der Spannungsqueiie 40 an die Anode 22 -aid von der Spannungsquelle 46 an die Anode 20. Die über dem Auslaß 32 des Nebelerzeugers 30 dargestellten Pfeile verdeutlichen schematisch den Strömungspfad der in die Anregungszone 38 eingespeisten Probe.

Im Betrieb wird um die Elektroden 18,20 und 22 eine laminare Strömung eines ionisierten Gases aufrechterhalten, während durch den Nebelerzeuger 30 und dessen Auslaß 32 ein Probenstrahl 34 in Form einer Aerosol-Laminarströmung unmittelbar in die vom Plasmastrahl 36 gebildete Anregungszone 38 eingeleitet wird. Der gebildete Plasmastrahl 36 folgt der Strömung des ionisierten Gases aus den Gehäusen 26 und 28 der Anoden 20 und 22, da sich die von jeder der Anoden 20 bzw. 22 in die gleiche Richtung bewegenden Ströme aufgrund der dabei erzeugten Magnetfelder anziehen. Wie dargestellt liegt die Anregungszone 38 zwischen und unmittelbar unterhalb der Stelle, an der die beiden Plasmasäulen des von den Anoden 20, 22 stammenden ionisierten Argons sich vereinigen.

Gekündet wird der ionisierte Plasmastrahl 36 durch Vorschieben der Kathode 18 und der Anoden 20 und 22 aus ihren Gehäusen 24_S 26, 28 so daß die Kathode 18 eine der Anoden 20 oder 22 berührt, wähcend die jeweils andere Anode 20 oder 22 in geringem Abstand dazu liegt, die beiden sich berührenden Elektroden jedoch nicht berührt. Wird die Kathode 18 nach der Berührung mit einer der Anoden zurückgezogen und sind dabei die Elektroden in der dargestellten Weise an Spannungsquellen angeschlossen, während gleichzeitig Argon strömt, dann bildet das ionisierte Argongas einen Plasmastrahl, durch den auch die zunächst unbeteiligte zweite Anode leitend wirkt. Schließlich werden alle drei Elektroden 18, 20, 22 in ihre gewünschte Betriebsstelhmg zurückgezogen, wobei die Enden etwas innerhalb der Gehäuse 24,26 und 28 liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

29 OO Patentansprüche:

1. Plasriiastrahlgerätrmit zwei erstea Elektroden (20, 22) erster Polarität deren Achsen sich unter einem Winkel schneiden, dabei eine Ebene aufspannen und im Bereich des Schnittpunkts im Betrieb eine Anregungszone (38) bilden, mit einer zweiten Elektrode (18) von zur ersten Polarität entgegengesetzter Polarität, die im Abstand zu der von den ersten Elektroden (20, 22) aufgespannten Ebene angeordnet ist, wobei sich im Betrieb sich vereinigende Plasmastrahlen ergeben, und niit einer unterhalb der Anregungszone (38) angeordneten Probeneinfflhreinrichtung (30) zur Einführung einer Probe, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elektroden (20, 22) in einer Vertikalebene liegen und die Achse der zweiten Elektrode (18), die von den ersten Elektroden (20, 22) aufgespannte Vertikalebene derart im Abstand über dem Schnittpunkt dg,-'Achsen der ersten Elektroden (20, 22) schneid«, daß die sich vereinigenden Plasmastrahlen die Form eines umgekehrten Y haben, und daß die Probeneinführeinrichtung(30) in der Vertikalebene zwischen den ersten Elektroden (20,22) liegt

2. Plasmastrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten Elektroden (20, 22) an eine eigene Spatinungsquelle (40, 46) angeschlossen ist

3. Plasmastrahlgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die ersten Elektroden jo (20, 22) Anoden sind und die zweite Elektrode (18) eine Kathode ist

4. Plasmastrahlgöfät naci> Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (20, 22) Graphitelektroden sind und daß die Kathode (18) eine Wolframelektrode ist.

5. Plasmastrahlgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Probeneinführeinrichtung (30) ein Nebelerzeuger für die Einführung einer Aerosolprobe ist

6. Plasmastrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (18) im wesentlichen senkrecht zu der von den ersten Elektroden (20, 22) aufgespannten Vertikalebene liegt.

7. Plasmastrahlgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Achsen der ersten Elektroden (20,22) in einem Winkel von etwa 60° bis etwa 90° schneiden.

8. Verwendung des Plasmastrahlgeräts gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 als Strahlungsquelle in einem Spektrometer.