DE4231677A1 - Analysegeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Analysegerät für die chemische Ana­ lyse von elektrisch nicht leitenden Stoffen, wobei ein kleiner Teil der Oberfläche des zu untersuchenden Materials verdampft, ionisiert und angeregt wird und das dabei emittierte Licht ei­ ner Spektralanalyse zugeführt wird oder die dabei gebildeten Pyrolyseprodukte einem Gasanalysesystem, z. B. einem Massen­ Spektrometer, zugeführt werden.

Der Zweck eines solchen Analysegerätes ist die schnelle chemi­ sche Analyse von Materialien, die nicht oder nur gering elek­ trisch leitfähig sind. Die Schnellanalyse z. B. von Kunststof­ fen ist von besonderem Interesse im Hinblick auf Entsorgung und/oder Recycling im Rahmen der modernen Umwelttechnologie.

Erst mit den Hochleistungsimpulslasern ist bekannt geworden, schnelle Analysen mittels Emissionsspektroskopie an elektrisch nicht leitfähigen Körpern durchzuführen. Hierbei wird der La­ serstrahl auf einen Punkt der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts fokussiert, was zu Verdampfung einer geringen Menge Materials führt. Mit einer zusätzlichen elektrischen Gasentla­ dungsanordnung wird die verdampfte Materie durch Elektronen­ stoß angeregt und das emittierte optische Spektrum für die Analyse verwertet (K. Slickers: "Die automatische Atom- Emissions-Spektralanalyse", Brühl′sche Universitätsdruckerei Gießen, 1992, p. 160) oder es wird einfach das im Laserfokus selbst durch Elektronenstoßanregung emittierte Licht spektros­ kopisch analysiert. (K. Laqua: "Emissionsspektroskopie", Ull­ manns Enzyklopädie der technischen Chemie, Band 5, Analysen­ und Meßverfahren, Verlag Chemie, Weinheim, 1980, p. 441-500). In einem Aufsatz von A. Felske, W. D. Hagenah und K. Laqua in Spectrochemica Acta, 27B, 1972, p. 295 mit dem Titel "Über ei­ nige Erfolge bei der spektrochemischen Makrospektralanalyse mit Laserlichtquellen II, Durchschnittsanalyse nichtmetalli­ scher Proben" werden die Laserverfahren wie folgt gewürdigt: "Ganz neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet die Technik der Laserlichtquellen für die Analyse von elektrisch nichtleiten­ den Materialien, z. B. von Gläsern, Keramik, Kristallen und Kunststoffen. Bisher konnte man solche Stoffe nicht im Anlie­ ferungszustand analysieren, sondern erst nach besonderer Probenvorbereitung. Sie mußten entweder für die Anregung in elektrischen Entladungen leitend gemacht werden, z. B. durch Zerkleinern und Mischen mit Kohle- oder Metallpulvern . . . . .".

Diese bekannten Analyseverfahren benötigen teure aufwendige Hochleistungs-Impulslaser.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Analysegerät für elektrisch nicht leitfähige Materialien zu realisieren, das den Hochlei­ stungsimpulslaser nicht benötigt und ähnlich einfach ist, wie die Funken-Emissionsspektrometer zur Analyse elektrisch leit­ fähiger Oberflächen oder zum Sortieren von Stahlblöcken unter­ schiedlicher Legierungen in der Stahlindustrie (z. B. Verwech­ slungsspektrometer oder Mobilspektrometer der Firmen SPEKTRO und BELEG, beschrieben im o.g. Buch von K. Slickers auf den Seiten 498-503 und 524-526).

Als Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsmäßig ein elektri­ scher Gleitfunke auf der Oberfläche des zu analysierenden Ma­ terials erzeugt, der die Verdampfung, Ionisierung und Anregung des zu analysierenden Materials bewirkt.

Der Gleitfunke kann mit zwei Elektroden im Abstand von mehre­ ren Millimetern, die die zu untersuchende Oberfläche berühren, erzeugt werden. Hierbei kann es jedoch vorkommen, daß es zu einem Durchbruch im Gas oberhalb der Oberfläche kommt. In die­ sem Fall muß entweder der Elektrodenabstand vergrößert oder der Spannungsanstieg der Zündspannung verringert werden. Zur besseren Kontrolle solcher "Fehlzündungen" kann es sinnvoll sein, mindestens eine der beiden Elektroden in einem kleinen Abstand von der Oberfläche zu positionieren. Dadurch wird über ein kurzes Stück ein Gasdurchbruch erzwungen, was zu einem ab­ geknickten Funkenkanal führt, der leicht beobachtet werden kann. Ein gerader Funkenkanal weist dann auf eine "Fehlzündung" hin.

Gleitentladungen sind ausführlich untersucht worden für die Anwendung als starke Lichtquellen z. B. für das optische Pumpen von Lasern oder als Materialdampfquelle für CVD- und andere Beschichtungsverfahren. (R.E. Beverly III: "Light Emission from High-Current Surface-Spark Discharges", Progress in Optics, North-Holland, 1978 und "Electrical, gasdynamic, and radiative properties of planar surface discharges", J. Appl. Phys. 60, 1986). Bei diesen Anwendungen wird das den Gleitfun­ ken führende Dielektrikum als dünne Platte präpariert, auf de­ ren Rückseite ein elektrischer Leiter angebracht ist, der mit einer der beiden Elektroden verbunden ist. Dadurch wird die tangentiale Komponente des elektrischen Feldes auch auf der Gleitfunkenseite unterdrückt und es werden die erwähnten "Fehlzündungen" vermieden. Eine solche Elektrodenanordnung, die präparierte Untersuchungsobjekte benötigt, ist für ein Analysegerät jedoch nicht sehr geeignet.

Das vom Gleitfunken emittierte Licht kann mittels eines Lichtleiters, dessen Ende in der Nähe der beiden Elektroden angebracht ist, dem spektral empfindlichen Detektor zugeführt werden.

Für die Schnellanalyse, z. B. beim Sortieren von Kunststoffabfällen, kann die die Elektroden enthaltende Ein­ heit des Analysegerätes in eine handliche pistolenähnliche Form gebracht werden.

Als weitere Ausgestaltung der Erfindung kann ein solches Elek­ trodenmaterial verwendet werden, dessen Abtragung durch ein im Gleitfunken verdampftes Nichtmetall beschleunigt wird und eine Emissionslinie des Elektrodenmaterials zur Erkennung des Nichtmetalls benutzt werden. Z. B. sind beim Abfunken des Kunststoffes PVC mit Elektroden aus Kupfer die Emissionslinien des Kupfers von höherer Intensität als beim Abfunken des Kunststoffes PET. Dieser Effekt, der auf der schnelleren Ab­ tragung des Kupfers unter Einwirkung von Chlor beruht, kann zur Unterscheidung der beiden Kunststoffe herangezogen werden.

Die spektroskopische Verarbeitung der empfangenen Lichtstrah­ lung unterscheidet sich nicht von der der konventionellen Funken-Spektralanalyse.

Untersuchungsobjekte sind neben Kunststoffen, Gläsern, Keramiken, Halbleitern, Flüssigkeiten auch Gewebe, Pulver und biologische Substanzen. Mit Hilfe eines Gewebes z. B. aus Glas­ fasern lassen sich auch Pulver analysieren, die auch Metalle enthalten können. Die Analyse von Stäuben in Filtersieben aus Glasfasergewebe ist schon erfolgreich durchgeführt worden.

Zur Erzielung eines kräftigen Funkenspektrums wird ein strom­ starker Impuls benötigt. Lediglich zur Zündung wird ein Impuls hoher Spannung benötigt. In der konventionellen Funken- Spektralanalyse ist es üblich, zwei Entladekreise zu benutzen und hierdurch dem Zwei-Elektroden-System einen Impuls zuzufüh­ ren der zusammengesetzt ist aus einem Zündimpuls hoher Span­ nung und einem ihm nach der Zündung folgenden Hochstromimpuls relativ niedriger Spannung. Das Einfügen der Sekundärwicklung eines Hochspannungstransformators in den Hochstromkreis, wie es bei den Niederspannungsfunken nach Pfeilsticker üblich ist (Seith und Ruthardt: "Chemische Spektralanlyse" 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin, 1958, p. 145) oder das Einfügen einer Induktivität zur Trennung des kurzen Hochspannungsimpulses von dem Speicherkondensator des Hochstromgenerators, behindern den stromstarken Impuls. Die Entladungsdauer des extern gezündeten Funkens wird durch die Induktivität im Entladungskreis verlängert. Schon bei der konventionellen Funken- Emissionsspektroskopie ist bekannt geworden, daß die Spektral­ linienausbeute um so höher ist, je kürzer die Entladezeit ei­ ner vorgegebenen Energie ist (Slickers: p. 150). Die gewünsch­ ten kurzzeitigen "harten" Funken lassen sich bisher nur mit selbstzündenden Funken wegen der bisher als unvermeidlich geltenden größeren Restinduktivität im Entladekreis des fremd­ gezündeten Funkens herstellen (Slickers: p. 150).

Auch beim kurzzeitigen "harten" Funken beträgt die Brennspan­ nung etwa 50 Volt und nur zur Zündung wird Hochspannung in der Größenordnung von 10 000 Volt benötigt. Um auch "harte" Funken fremdgezündet betreiben zu können, wird in einer weiteren Aus­ gestaltung der Erfindung unmittelbar nach der Zündung der Gleitentladung der Hochstromimpuls über einen schnellen, nie­ derinduktiven und hochspannungsfesten Schalter, z. B. ein Wasserstoffthyratron, zugeschaltet.

Hierdurch ist es möglich, kurzzeitige Hochstromimpulse aus Niederspannungskondensatoren zu entnehmen ohne Behinderung des Stromimpulses durch induktive Bauelemente. Die erfindungsgemä­ ßen Impulsgeneratoren ermöglichen die Erzeugung von fremdge­ zündeten "harten Funken" zur Funken-Spektralanalyse elektrisch leitender wie auch elektrisch nicht leitender Materialien.

Die wesentlichen Teile eines Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung sind in den beiden folgenden Zeichnungen dargestellt:

Fig. 1 zeigt den Funkenkopf, der in einer Abfunkpistole unter­ gebracht ist. Die beiden Kupferelektroden 1 werden gegen das zu untersuchende dielektrische Material 2 angepreßt. Der inne­ re spannungsführende Elektrodenhalter 3 ist mittels eines Fe­ derbalges 4 verschiebbar, so daß die Berührung beider Elektro­ den 1 mit dem dielektrischen Prüfling 2 erleichtert wird. Die beiden Elektroden 1 sind mit Madenschrauben in den Elektroden­ haltern 3 und 5 befestigt und können leicht ausgewechselt werden. Der Halter 5 ist mit dem Außenleiter 6 des Kabels 7 verbunden und ist gleichzeitig der Außenleiter des koaxialen Elektrodensystems, der auf Erdpotential liegt. Der Zündimpuls wie auch der Hochstromimpuls werden über das koaxiale Kabel 7 dem Elektrodensystem mit den Kupferelektroden 1 zugeführt. Der Außenleiter 5 des Elektrodensystems besitzt über der äußeren Elektrode 1b einen Einsatz 8, in der sich das Ende des Licht­ leiters 9 befindet und durch den das Spülgas eingeblasen wird, das über die Gasleitung 10 zugeführt wird. Um die Berührung der äußeren Elektrode 1b mit dem Prüfling sicher zu stellen, ist die Spitze der äußeren Elektrode 1b stets tiefer als der untere Rand des koaxialen Außenleiters 5, so daß stets ein Spalt zwischen Außenleiter 5 und Prüfling 2 vorhanden ist. Die Gummimanschette 11 dichtet den Spalt gegen Einstrahlung von Licht ab.

Fig. 2 zeigt den Schaltplan eines erfindungsgemäßen Impulsgene­ rators nach Patentanspruch 5. Sobald die Funkenstrecke 12 (hier ein Gleitfunke) gezündet worden ist, zündet das Wasser­ stoffthyratron 13 und entlädt die auf 0,5 bis 2 kV negativ auf­ geladene Laufzeitkette 14 über die gezündete Funkenstrecke 12. Der Wellenwiderstand der Laufzeitkette 14 beträgt 2,5 Ohm und ihre Laufzeit 3 Mikrosekunden, so daß ein rechteckförmiger Stromimpuls, einstellbar von 200 bis 800 Ampere, mit einer Dauer von 6 Mikrosekunden erzeugt wird. Die Impulswiederholra­ te ist einstellbar von 20 Hz bis 200 Hz. Die von der Funken­ strecke 12 reflektierte Leistung wird in dem 2,5-Ohm- Widerstand 15 absorbiert. Die Zündung der Funkenstrecke 12 er­ folgt mit einem Hochspannungsimpuls von 20 kV, der mit Hilfe eines Hochspannungs-Impulstransformators 16 mit einem Win­ dungsverhältnis 1 : 20 erzeugt wird, über dessen Primärwicklung ein auf 500 Volt aufgeladener Kondensator 17 (1 µF) mittels ei­ nes Thyristors 18 entladen wird. Hierbei wird die Kapazität des 3 m langen Zuleitungskabels 18 zur Funkenstrecke 12 auf maximal 20 kV negativ aufgeladen. Die Spannungsüberhöhung wird durch die Streuinduktivität der Sekundärwicklung des Transfor­ mators 16 verursacht. Die Zündung des Wasserstoffthyratrons 13 geschieht automatisch, sobald die Funkenstrecke 12 gezündet hat, da dann die aufgeladene Gitter-Anoden-Kapazität des Was­ serstoffthyratrons am Gitter einen hohen positiven Spannungs­ impuls erzeugt.

Claims (5)

1. Analysegerät für die chemische Analyse von elektrisch nicht leitenden Stoffen, wobei ein kleiner Teil der Oberfläche des zu untersuchenden Materials verdampft, ionisiert und angeregt wird und das dabei emittierte Licht einer Spektralanalyse zu­ geführt wird oder die dabei gebildeten Pyrolyseprodukte einem Gasanalysesystem, z. B. einem Massenspektrometer zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Gleitfun­ ke auf der Oberfläche des zu analysierenden Materials erzeugt wird, der die Verdampfung, Ionisierung und Anregung bewirkt.

2. Analysegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Elektrodensystem, mit dem der Gleitfunke erzeugt wird, das Ende eines Lichtleiters angebracht ist, über den das vom Gleitfunken emittierte Licht dem spektral empfindlichen Lichtdetektor zugeführt wird.

3. Analysegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensystem als handliche, mobile Einheit, z. B. in Pistolenform ausgebildet ist und über ein flexibles Kabel mit dem Stromversorgungs- und Analysesystem verbunden ist.

4. Analysegerät nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein solches Elektrodenmaterial verwendet wird, dessen Abtragung durch ein im Gleitfunken verdampftes Nichtmetall beschleunigt wird und eine Emissionslinie des Elektrodenmaterials zur Erkennung des Nichtmetalls benutzt wird.

5. Analysegerät, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der dem Elektrodensystem zugeführte Impuls zusammengesetzt ist aus einem Zündimpuls hoher Spannung und einem ihm nach erfolgter Zündung folgenden Hochstromimpuls re­ lativ niedriger Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu­ schaltung des Hochstromimpulses über einen schnellen, nieder­ induktiven und hochspannungsfesten Schalter, z. B. ein Wasser­ stoffthyratron erfolgt.