DE1801767A1 - Verfahren und Vorrichtung zur spektroskopischen Untersuchung einer Materialprobe in einem Hochfrequenzplasma - Google Patents

Description

• RADYNE LIMITED Eastheath Avenue Wokingham, Berkshire / England und ALBRIGHT & WILSON (MFG) LIMIT Oldbury, Warley, Worcestershire / England Verfahren und Vorrichtungen zur spektroskoplschen Untersuchung einer Materialprobe in einem Hochfrequenzplasma Zusatz zum Patent . 0.. ... (Patentanmeldung P 14 98 964.1) Diese Erfindung ist eine Weiterbildung der Erfindung, die in der Anmeldung P 14 98 964.1 beschrieben und beansprucht wurde. In dieser Anmeldung ist ein Verfahren zur spektroskopischen Untersuchung einer Probe beschrieben, bei dem ein Gas strom längs der Achse einer elektrisch leitenden Spule geführt wird, in der ein Hochfrequenzwechselstrom fließt, so daß das hochfrequente elektrische Wechselstromfeld ein Plasma in dem Gasstrom aufrechterhält0 Die Probe wird in das Plasma eingeführt und das Plasmaspektrum hinter dem Einspritzpunkt der Probe untersucht. Das Plasma wird al so in Abwesenheit einer Elektrode in dem Gasstrom gehalten und deshalb ist bei diesem Verfahren die Plasmasäule auch frei von Verunreiniguflgen durch die Elektroden wie in den bekanten Vorrichtungen, bei denen die Probe durch ein Gasplasma aufgeheizt wird0 Die Erfindung bezieht sich auf die Absorptionsspektroskopie und besteht aus einem Verfahren, bei dem Licht aus einer Lichtquelle, die eine schmalbandige, einen für das Probenmatsrial ausgesuchten charakteristischen Wellenbereich enthaltende Strahlung erzeugt, durch ein Plasma geführt wird, das von einem das Probenmaterial in einem lichtabsorbierenden atomaren Zustand haltenden Plasmagenerator erseugt wird. Die Lichtmenge des ausgewählten Wellenbereichs wird nach dem Durchlaufen des Plasma gemessen, um die Absorption der Probe zu bestimmen, dabei sind mindestens die Lichtquelle oder der Plasmagenerator ein Plasmabrenner, in dem ein Plasma in einem Gasstrom durch Induktion aufrecht erhalten wird, indem das Gas entlang der Achse einer elektrisch leitenden Spule geführt wird, durch die ein Hochfrequenzwechselstrom fließt.
• In der ersten Ausführungsform ist ein Plasmabrenner mit einem koaxial von einer mit einer Hochfrequenzquelle verbundenen Spule umgebenen Gefäß und mit Mitteln zur Rührung eines Gasstroms entlang der Spulenachse und zur Einbringung der Probe in das vom Gas aufgebaute Plasma, angeordnet so, daß der die Plasmaschwanzflamme aufweisende Brennerteil im Lichtweg zwischen der Lichtquelle und dem Spektralphotometer liegt. Die durch das in das Plasma eingebrachte PeBtsaterlal hervorgerufene Absorption wird dann als die Differenz zwischen der Emission beim Fehlen einer solchen Absorption durch das Testmaterial und der Emission bei stattfindender Absorption bestimmt.-Die Anmelder haben entdeckt, daß die Schwanzflamme des Plasma-umgelenkt werden kann, z.30 um 900, wenn der die Schwanzflamme enthaltende Brennerendteil in einem gewünschten Winkel zum Brennerkörper steht. Dieser Endteil kann dann der Länge nach in den erwähnten Lichtweg angeordnet werden und so die Weglänge des Lichtes durch die Schwanzflamme erhöhten, Allgemein gesagt, kann die Schwanzflamme durch das Verlängern dieses Endteils des Brennere in die Länge gezogen werden. Als Lichtquelle ist eine Hohlkathodenlampe besondere geeignet und sie wird ausgewählt, um die Emission der Wellenlänge sicherzustellen, die das Testmaterial absorbieren kann.
• In der früheren Anmeldung derselben Anmelder ist eine Verwendungsform flir den Plasmabrenner beschrieben, bei der der hochfrequente elektrische Strom mit einer Frequenz von z.B 100 Iz moduliert war.
• Das hatte den Vorteil, daß das Ausgangseignal des Spektralphotometers mit Sicherheit ein Wethseletromsignal war, das leichter verstärkt werden kann als ein Gleichstromsignal, ohne daß ein mechanischer Unterbrecher oder irgendein anderer periodischer Unterbrecher im Lichtweg benutzt werden mußte. Eierdurch erzielte man auch eine zyklische Temperaturänderung, die mit Hilfe eines Stroboskops zur Messung bei verschiedenen Temperaturen benutzt werden konnten Die Modulation wird zweckmäßigerweise durch die Versorgung des Oszillators mit einer gleichgerichteten Netzspannung erreicht, die vollständig geglättet ist.
• Wenn die Modulation nach der oben beschriebenen Weise zur Anwendung gebracht wird und das Spektralphotometer auf die Frequenz der Quelle eingestellt worden ist, so muß notwendigerweise zu der -mission der Lichtquelle Jedwede Emission addiert werden, die durch die Temperatur schwankungen des Plasma hervorgerufen wird, wenn das Testmaterial eingebracht worden ist.
• Bei der bevorzugten Ausführungsform zur Nutzung der Erfindung hat der Plaxmabrenner die Form eines T, dessen Stamm aus einem Plasmabrenner von im wesentlichen der in der früheren Anmeldung beschriebenen Fors besteht. Das Ausgangsende diese Brenners öffnet sich in den Mantel einer senkrecht zum Brennerkörper verlaufenden R6hre, die den Querbalken des T bildet.
• Die Röhre kann an beiden Seiten offen sein, dann spaltet sich die Schwanzflamme beim Eintritt durch die Seitenwand des Rohres und erstreckt sich innerhalb der Röhre in entgegengesetzten Richtungen. Andererseits -kann die Röhre an einem Ende durch eine plane Glasscheibe verschlossen sein, in diesem Falle wird sich die SchwanzPlamme beim Eintritt in das Querrohr um 900 von dem mit der planen Glassc-heibe verschlossenen Ende wegbiegen. Wenn beide Enden offen sind, kann ein leichtes Einbrennen der Röhre genau über dem Hauptkörper des Brenners eintreten, und deshalb bevorzugen die Anmelder ein an einem Ende verschlossenes Rohr.
• Die Röhre wird am besten aus Siliziumdioxyd hergestellt0 Zum besseren Verständnis der Vorrichtung werden nun zwei Ausführungsformen der Erft ndung in Sorm von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung unter Verwendung eines Plasmabrenners in der Absorptionsstufe und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung unter Verwendung eines Plasmabrenners als Lichtquelle.
• In Fig. 1 ist die Lichtquelle einer mit dem zu untersuchenden Materiaeschickte Hohlkathodenlampe 1.
• Das Licht von der Hohlkathodenlampe geht durch eine als Lichtunterbrecher dienende rotierende Scheibe 2 und wird durch eine Linse 3 auf den Spalt 4 eines Spektralphotometers fokussiert. Zwischen der Linse 3 und dem Spalt 4 liegt ein Plasmabrenner, der ein röhrenförmiges Gefäß 6 einschließt, das koaxial von einer mit einem Hochfrequenzgenerator 8 verbundenen Spule 7 umgeben ist, Ein Zuführungsrohr 9 erlaubt den Durchfluß eines Gasstromes längs der Spulenachse.
• Ein Zuführungsrohr 10 dient der Zuführung eines Kühlmittels. Dieser Teil der Rohre ist dem in der oben erwähnten früheren Anmeldung derselben Anmelder ausführlich beschriebenen ähnlich. Die Probelösung wird durch das Zuführungsrohr 11 eingespritzt.
• Dieser -in Fig. 1 gezeigte Plasmabrenner unterscheidet sich von dem aus der früheren Anmeldung dadurch, daß seine rohrförmigen Teile ein g bilden, wobei der Stiel 6 des T die Zuführung enthält, von der Spule umgeben ist und mit seiner offenen Ausgangsöffnung in die Seitenwand einer Röhre 12 führt, die den Stel 6 im rechten Winkel schneidet und den Querstrich des T bildet. Bei dem gezeigten Beispiel ist das der Lichtquelle abgewandte Ende des Querrohrs mit einer planen Glasscheibe 15 verschlossen. Deshalb biegt sich die Schwanzflamme beim Eintritt in das Querrohr um 900 vom abgeschlossenen Ende fort. Das Signal von dem Spektralphotometer wird Fieber einen Wechselstromverstärker 16 einem geeigneten Anzeigegerät zugeführt.
• Um eine Messung der atomaren Absorption mit dem in Fig. 1 gezeigten Gerät durchzuführen, wird zunächst Wasser in das Plasma gesprüht und daß von der Hohlkathodenlampe stammende Signal registriert. Als nächstes wird eine wässerige Lösung des zu untersuchenden Materials in das Plasma gesprüht und das neue Ausgangssignal registriert. Zum Schluß wird die Zohlkathodenlampe abgeschaltet, um dem Signal des im Plasma vernebelten Elements Rechnung zu tragen, das durch die Temperaturschwankungen des Plasmas auf Grund der unvollständigen Glättung der Energieversorgung verursacht wird.
• Die atomare Absorption erhält man, wenn man das bei brennender Lampe und Vernebelung der wässerigen Lösung des Elements im Plasma erhaltene Signal von der Summe der Signale abzieht, die durch die Lampe allein und durch das bei abgeschalteter Lampe im Plasma vernebelte Element bestimmt werden. Nach Wunsch kann eine zweite Plasmaquelle als Emissionsquelle dienen.
• Der Strahl von der Hohlkathodenlampe(oder einer anderen Emissionsquelle) kann in das Siliziumdioxydrohr unter einem Winkel gegen die optische Achse des Brenners eingestrahlt werden, um die Weglänge des Lichtes durch die Plasmaschwanzflamme mit Hilfe von inneren Mehrfachreflexionen an den Rohrwänden zu vergrößern.
• In einer weiteren Ausführungsform wird ein Plasmabrenner der in der früheren Anmeldung beschriebenen Art an seinem Boden mit einer planen Glasscheibe verschlossen und waagerecht aufgestellt. Wie zuvor, wird die wässerige Lösung in das Plasma gebracht und ermöglicht atomare Absorption.
• In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die Lichtquelle ein Plasmabrenner 20 von der in der früheren Anmeldung gezeigten Art0 Eine Probe des zu untersuchenden Materials wird in das Plasma eingebracht und das resultierende Licht fällt durch eine offaung 21 und eine Linse 3. Die Linse 3 fokussiert das Licht auf den Spalt 4 des Spektralphotometers 5.
• Zwisehen der Linse und dem Spektralphotometer liegt ein Brenner zur Erhitzung des Untersuchungsmaterials, um atomare Absorption des Lichtes der Emieslonsquelle zu ermöglichen, Der Brenner kann. z.B. vom Luftazetylentyp sein.
• Bei Durchführung dieser Messung wird die Minimalemission durch das Durchströmen von Wasser durch die Zerstäuber der Emissionsquelle und der Absorptionseinheit bestimmt, und die Maximalemission erhält man durch das Einbringen einer geeigneten Normallösung (die normaler Weise eine Normallösung des Elements in der Testlösung ist) in die Plasmaemissionsquelle. Als nächstes wird die Testlösung in die Absorptionsfackel oder den -brenner eingebracht und die Veränderung des angezeigten Wertes registriert, diese Änderung ist ein Maß für die atomare Absorption.
• In Fig. 2 steht kein Unterbrecher im Lichtes und die durch eine unvollkommen geglättete Energieversorgung hervorgerufenen Schwankungen sind v erantwortlich für den wechselnden Charakter des Ausgangssignals, das deshalb in einem Wechselstromverstärker 16 verstärkt werden kann. Das Spektralphotometer kann von der mit Unicam SP.900. bezeichneten und von der Pye Unicam Limited, Cambridge, England, hergestellten Art sein.

Claims (6)

1. RADYNE LIMITED
2. Eastheath Avenue, Wokingham, Berkshire / England und ALBRIGHT & WILSON (MFG) LIMITED Oldbury, Warley, Worcestershire / England Patent ansprüche 1. Verfahren zur spektroskopischen Untersuchung einer Materialprobe in einem Hochfrequenzplasma, bei dem in einem Gasstrom das Plasma erzeugt, die Probe in das Plasma eingeführt und das Spektrum des Plasmas stromabwärts der Einführungsstelle der Probe untersucht wird, wobei der Gasstrom axial durch eine von hochfrequentem Wechselstrom durchflossene Spule geleitet und das Plasma infolge der Aufheizung des Gases durch das hochfrequente elektrische Wechsel feld ohne die Anwesenheit einer Elektrode im Gasstrom aufrecht-erhalten wird, nach Patent (Patentanmeldung P 14 98 964.1),gekennzeichnet durch die Erzeugung einer schmalbandigen einen ausgesuchten für das Probenmaterial charakteristischen Wellenbereich enthaltenden Lichtstrahlung, lenkung der Strahlung durch ein von einem Plasmagenerator erzeugtes Plasma, Einspritzen des Probenmaterials in da. Plasma und walten desselben in einem lichtabsorbierenden atomaren Zustand, Messen der Lichtintensität des durch das Plasma gelassenen ausgesuchten Wellenbandes, um den Wert der Lichtabsorption durch die Probe zu bestimmen, wobei entweder das Licht oder das Plasma durch das Halten eines Plasmas in einem Gas strom durch Induktion erzeugt wird, indem das Gas entlang der Achse einer elektrisch leitenden Spule geführt wird, durch die ein Hochfrequenzwechselstrom fließt.
3. 20 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der in der Materialprobe enthaltenen Substanzmenge durch das Einsprühen von Wasser in das Plasma und das Messen des durch dae Plasma gehenden von einer Emissionsquelle ausgestrahlten Lichte# bewirkt wird, durch das Vernebeln einer wässerigen Lösung der Materialprobe in das Plasma hinein und das Messen der Lidhausbeute, durch das Messen der Matedurch das Verneheln der/rialprobe im Plasma bestimmten Lichtausbeute bei abgeschalteter Lichtquelle, durch das Absiehen des Meßwertes, der bei eingeschalteter Lichtquelle und bei der im Plasma vernebelten wässrigen Lösung der Materialprobe gemessen wird, von der Summe der Meßwerte, die einmal von der Lichtquelle allein und zus anderen vom im Plasma vernebelten Element bei abgeschalteter Lichtquelle bestimmt werden.
4. 30 Verfahren der atomaren Absorptionsspektroskopie zur Messung der in einer Materialprobe enthaltenen Substanzmenge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasma in einem Gas strom gehalten wird, indem das Gas entlang der Achse einer elektrisch leitenden Spule geführt wird, durch die ein Hochfrequenzwechselstrom fließt, eine Materialprobe in das Plasma eingebracht und die Strahltung durch ein von einem Plasmagenerator erzeugtes Plasma geführt wird, Probenmaterial in das letztgenannte Plasma eingebracht und dort in einem lichtabsorbierenden atomaren Zustand gehalten wird, die Intensität des Lichtes des ausgewählten Wellenbereiches zur Bestimmung des Liohtabsorptionswertes durch die Probe gemessen wird, nachdem das Licht das Plasma durchlaufen hat.
5. 5. Verfahren nach Anspruch + dadurch gekennzeichnet, daß der das Probenmaterial in einen lichtabeorbierenden atomaren Zustand haltende Plasmagenerator ein Luftazetylenbrenner ist.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle und der Plasmagenerator Plasmabrenner sind, in denen das Plasma in einem Gas gehalten wird, indem das Gas entlang der Achse einer elektrisch leitenden Spule geführt wird, in der ein Hochfrequenzwechselstrom fließt, 7o Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 - 5, gekennzeichnet durch eine eine schmalbandige einen ausgesuchten für das Probenmaterial charakteristischen Wellenbereich enthaltende Lichtetrahlung erzeugende Lichtquelle (1), einen Plasmagenerator, Mittel zur Probeneinfthrung in das Plasma, Mittel zur Messung der durch das Plasma laufenden Lichtmenge aus der Lichtquelle (1) zur Bestimmung des Lichtabsorptlonstertes der Probe vorgesehen sind, wobei entweder die Lichtquelle (1) oder der Plasmagenerator oder beide aus einem Plasmabrenner (12) bestehen, der ein außen und koaxial von einer mit einer Hochfrequenzquelle (8) vorbundenen Spule (7) umschlossenes Gefäß (6) einschließt, und Mittel zur Führung eihes Gasstroms, der entlang der Spulenachse ein Plasma aufbauen soll.

   8o Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) eine Hohlkathodenlampe ist und der Plasiabrenner (8) die Mittel zur Erzeugung eines Plasma darstellt, in das das Probenmaterial eingebracht wird.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator aus einem Plasmabrenner (81 besteht und das von der Spule (7) umgebend Gefäß (6) einen Ausgang hat, der mit dem von der Spule (7) umgeben-en Teil einen Winkel bildet und in den die Schwansflamme des Plasma bei Betrieb der Vorrichtung hineinragt 100 Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (6) T-förmig ist und der von der Spule (7) umgebene Teil den Stamm des T's bildet und as Schwanzflamme bei Betrieb der Vorrichtung in den Querbalken des Tts reicht.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Querbalken des T's an einer Seite verschlossen ist.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator, in den das Probenmaterial eingebracht wird, aus einem Luftazetylenbrenner besteht.

   13. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 7 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine nur teilweise geglättete Stromversorgung vorgesehen ist, und ein Wechselstromverstärker, der die Signale der Keßmittel aufnimmt0 L e e r s e i t e