DE1185304B - Plasmaflammen-Generator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H Ol j

Deutsche Kl.: 21g-21/01

Nummer: 1185 304

Aktenzeichen: K 49188 VIII c/21 g

Anmeldetag: 13. März 1963

Auslegetag: 14. Januar 1965

Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung von Plasmaflammen-Generatoren und betrifft insbesondere Generatoren mit einer zentral angeordneten, kegelförmig zugespitzten Elektrode und einer innen trichterförmig die Elektrode umgebenden Gegenelektrode, deren Arbeitsgas längs der Elektrode durch den Trichterraum einströmt, vorzugsweise für Spektroskopie.

Üblicherweise sind Plasmaflammen-Generatoren derart ausgebildet, daß zwecks Vermeidung einer schädlichen Aufzehrung ihrer Elektroden ein Gleichstromentladungsbogen in einem inaktiven Gas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, auftritt. In bestimmten Fällen jedoch, beispielsweise wenn ein derartiger Plasmaflammen-Generator als Lichtquelle für spektralanalytische Zwecke verwendet wird, ergibt sich die Notwendigkeit, Substanzen in das Plasma einzubringen, die bei Berührung mit den Elektroden eine Erosion hervorrufen können. In einem solchen Fall muß deshalb dafür Sorge getragen werden, daß die Probematerialien die eine hohe Temperatur aufweisenden Bogenansatzstellen der Elektroden keinesfalls berühren und gleichzeitig ein unregelmäßiges Wandern der Lage der Bogenansatzstellen auf den die elektrische Entladung hervorrufenden Elektroden verhindert wird. Wenn die Bogenansatzstellen an den Elektroden unregelmäßigen Verschiebungen unterworfen sind, wird nämlich die Entladung instabil und die Emissionsintensität der zu analysierenden Probe schwanken, womit sich die Genauigkeit der Spektralanalyse vermindert. Das Vermeiden derartiger unregelmäßiger Wanderungen der Bogenansatzstellen auf den Elektroden ist von großer Bedeutung, und zwar nicht nur im Fall von Plasma-Generatoren als Lichtquelle für die Spektralanalyse, sondern auch bei allen anderen derartigen Generatoren, die innerhalb eines weiten Anwendungsbereiches verwendet werden.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb ein neuer und verbesserter Plasmaflammen-Generator, der eine stabile, leicht zu steuernde Plasmaflamme erzeugt und dessen Elektroden eine lange Lebensdauer aufweisen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an der Innenwand der trichterförmigen Gegenelektrode, und zwar an derjenigen Stelle, an der der kegelförmige Teil des Trichters in den zylindrischen Teil des Plasmaausgangs übergeht, in Sacklöchern Magnete angeordnet sind, und zwar über dem Ansatzpunkt der Plasmaflamme an der Elektrodenspitze der Plasmaflamme gegenüber, die der Stabilisierung des Flammenansatzes dienen.

Plasmaflammen-Generator

Anmelder:

Kabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho, Tokio

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,

München 22, Widenmayerstr. 4

Als Erfinder benannt:

Manabu Yamamoto, Odawara-Shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 14. März 1962 (9242)

Für die Verwendung zur Spektralanalyse kann der Trichter der Gegenelektrode einen Gaszuführungskanal aufweisen, der etwa gegenüber der Plasmaflamme beim Übergang des kegelförmigen Trichterteiles in den Zylinderteil und etwa normal zum Kegelmantel einmündet.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen. In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt die einzige Figur im Querschnitt die wesentlichen Teile des Plasmaflammen-Generators.

Gemäß der Zeichnung besteht der erfindungsgemäße Plasmaflammen-Generator im wesentlichen aus einer zylindrischen Elektrode 1 aus nichtmagnetischem, elektrisch leitendem Material, einer zylindrischen Düse 2 in der senkrechten Mittellinie der Elektrode 1, und zwar an deren oberem Teil, einem konischen Durchgangsteil 3, dessen enges oberes Ende mit dem unteren Ende der Düse 2 und dessen anderes Ende mit nicht gezeigten Zuführungsorganen zum Zuführen eines Stromes 7 aus inaktivem Gas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, verbunden ist, einer stabförmigen Elektrode 4 mit spitzem Ende, die im konischen Durchgangsteil 3 gegenüber der Elektrode 1 angeordnet und elektrisch isoliert gehaltert ist, einem Gaszuführungskanal S, der von der Außenseite der Elektrode 1 in den konischen Durchgangsteil 3 führt, und aus einem kleinen Stabmagneten 6, dessen einer Magnetpol sich an der inneren Oberfläche des konischen Durchgangsteiles 3 befindet.

409 768/298

Mit der obigen Anordnung wird bei Zuführen elektrischer Energie zu den Elektroden 4 und 1 über geeignete, in der Zeichnung nicht gezeichnete Mittel eine Entladungssäule 9 erzeugt, wobei die Spitze der Stabelektrode 4 und die innere Oberfläche des konischen Durchgangsteiles 3 die Bogenansatzstellen der Säule 9 an den Elektroden darstellen. Es wird somit ein Entladungsplasma erzeugt und dieses durch den Strom 7 aus inaktivem Gas durch die Düse 2 hindurchgetrieben, so daß ein Plasmastrahl 10 entsteht, der nach außen abströmt.

Da die Bogenansatzstellen der Bogenentladung während des Betriebs einem Gasstrom 7 hoher Geschwindigkeit ausgesetzt sind, besteht die Möglichkeit, daß der Bogenansatzpunkt an der inneren Oberfläche des Teiles 3 gestört und damit die Entladungssäule instabil wird. Diese Gefahr wird jedoch durch den Magneten 6 verhindert, dessen Magnetfeld zum Festhalten des Bogenansatzpunktes an der konischen Innenfläche des Teiles 3 an einem bestimmten Punkt 11 dient. Diese Haltekraft ergibt sich aus der »Linken-Hand-Regel« von Fleming. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Fall ist es zusätzlich zu der gezeichneten Lage auch möglich, daß sich der Bogenansatzpunkt 11 an der entgegengesetzten Seite in einem stabilen Zustand befindet, d. h. an der symmetrisch gegenüberliegenden Stelle bezüglich der Zeichenebene. Die tatsächliche Stellung wird dabei durch die Polarität des Magneten festgelegt.

Wenn die Bogenansatzstelle auf diese Weise an einem bestimmten Punkt festgelegt ist, wird die erzeugte Piasmafiamme extrem stabil sein, und auch Schwankungen der Intensität des ausgestrahlten Lichtes sind nur sehr gering. Um diesen Generator als Lichtquelle für die Spektralanalyse zu verwenden, wird ein Gasstrom 8, der die zu analysierende Probe enthält, durch den Gaszuführungskanal 5 zugeführt. Proben in Pulverform oder feinverteilter Form eignen sich dabei zum Zuführen innerhalb eines Gases. Selbst wenn die Probe ein chemisch aktiver Stoff ist, der an den Hochtemperatur-Bogenansatzstellen eine Erosion der Elektroden hervorrufen könnte, besteht keine Erosionsgefahr, da die Probe für die Spektralanalyse durch den Gasstrom 7 hinweggespült und durch die Düse 2 ausgestoßen wird. Die Probe wird an einer Stelle inmitten des Plasmas

10 zu einer Emission von Licht angeregt. Demgemäß besteht keinerlei Gefahr einer Erosion der Elektroden an den Bogenansatzstellen.

Wenn die Strömungsmenge des inaktiven Gasstromes erhöht wird, neigt die Bogenansatzstelle 11 dazu, gegen die Düse 2 geblasen zu werden. Da jedoch diese Neigung durch die elektromagnetischen Kräfte unterdrückt wird, bewirkt diese Gasströmungsmenge eine Unterdrückung von Schwankungen der Bogenlänge und der Spannung.

Die Anzahl an Magneten muß nicht auf einen einzigen beschränkt sein. Durch Anordnung einer geeigneten Zahl von Magnetpolen in geometrischer Weise und gemäß der Stärke und Verteilung des gewünschten Magnetfeldes ist es möglich, die Bogenansatzstelle an einem für den jeweiligen Zweck geeigneten Punkt festzulegen. Beispielsweise hat es sich bei Untersuchungen gezeigt, daß für spektralanalytische Zwecke eine Fixierung der Bogenansatzstelle

11 so nahe wie möglich an der Mündung des Probenzuführkanals und darüber hinaus um den Umfang dieser Mündung herum von größtem Vorteil für eine Erhöhung der Analysenempfindlichkeit ist. Bei einer derartigen Anordnung ist es jedoch wesentlich, eine genaue Einstellung bezüglich etwa der festen Lage der Ansatzstelle des Bogens, der Lage und Ausbildung der Probenmündung und der Gasstromzuführmenge vorzunehmen, um zu verhindern, daß die Probe die Bogenansatzstelle der Elektrode berührt.
Es ist ein einzigartiges und vorteilhaftes Merkmal

ίο des Generators nach der Erfindung, daß eine äußerst genaue Justierung durch Ausbildung und Anordnung von Magnetpolen, wie oben beschrieben, durchgeführt werden kann, und zwar auf einfachste Weise. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist ein Stabmagnet in eine der Elektroden eingebettet, es können aber auch einer oder mehrere Magnete an der Außenseite einer düsenartigen Elektrode zur Erleichterung einer äußeren Justierung verwendet werden. Da Schwankungen der Geschwindigkeit des Strömungsflusses, der Temperatur, der Flammenlänge und anderen Gegebenheiten des aus der Düse ausgestoßenen Plasmas bei Verändern der Intensität des Magnetfeldes auftreten, ist es somit leicht möglich, durch eine derartige Maßnahme das Ausstoßen des Plasmastrahles beliebig zu steuern. Eine Änderung bzw. Steuerung der erzeugten Plasmaflamme ist auch durch Aufprägen eines magnetischen Wechselfeldes möglich.

Um die Eignung des Generators nach der Erfindung zum Erzeugen einer stabilen Plasmaflamme noch klarer darzulegen, soll ein Zahlenbeispiel gegeben werden. Bei einem in der Praxis ausgeführten Generator wurde zunächst eine Schwankung der Bogenspannung von etwa 10% festgestellt, wobei kein Magnetfeld angelegt war. Es war leicht, und zwar durch das bloße Auge zu erkennen, daß diese Schwankung eine Folge der Verschiebung der Lage der Elektrodenansatzsteile war. Nach Anlegen eines magnetischen Feldes an die Elektrode verminderte sich die Schwankung auf 2%, auch wurde die Intensität *des ausgestrahlten Lichtes stabil.

Der Plasmaflammen-Generator nach der Erfindung hält somit eine stabile Entladung aufrecht und ermöglicht gleichzeitig eine Steuerung des Zustandes der erzeugten Plasmaflamme gemäß den jeweiligen Erfordernissen. Der Generator nach der Erfindung ist deshalb insbesondere als Lichtquelle für die Spektroskopie geeignet, kann jedoch auch mit großer Wirksamkeit als Plasmaflammen-Generator für andere Zwecke Verwendung finden.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene und in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind diesem gegenüber zahlreiche Abwandlungen möglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Plasmaflammen-Generator mit einer zentral angeordneten, kegelförmig zugespitzten Elektrode und einer innen trichterförmig die Elektrode umgebenden Gegenelektrode, deren Arbeitsgas längs der Elektrode durch den Trichterraum einströmt, insbesondere für Spektroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand der trichterförmigen Gegenelektrode (1), und zwar an derjenigen Stelle, an der der kegelförmige Teil des Trichters (3) in den zylindrischen Teil des Plasmaausgangs (10) übergeht,

in Sacklöchern Magnete (6) angeordnet sind, und zwar über dem Ansatzpunkt der Plasmaflamme (9) an der Elektrodenspitze der Plasmaflamme gegenüber, die der Stabilisierung des Flammenansatzes dienen.

2. Plasmaflammen-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ihre Verwendung zur Spektralanalyse der Trichter (3) der Gegenelektrode (1) einen Gaszuführungskanal (5) aufweist, der etwa gegenüber der Plasmaflamme (9) beim Übergang des kegelförmigen Trichterteiles (3) in den Zylinderteil (10) und etwa normal zum Kegelmantel einmündet.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 929 952; »Die Umschau«, Nr. 23 vom 1. Dezember 1961, S. 713, 714, 742, 743, insbesondere Bild 5.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 768/298 1.65 © Bundesdruckerei Berlin