DE3013219C2 - Hohlkatoden- Gasentladungslampe - Google Patents

Description

3</</<6rf

genügt.

30

J5

Die Erfindung betrifft eine Hohlkatoden-Gasentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Die erfindungsgemäße Gasentladungslampe eignet sich besonders zum Einsatz in Atomabsorptions- und Atomfluoreszensspektrofotometern für spektroskopische Untersuchungen.

Es sind Gasentladungslampen mit einer Hohlkatode, die einen mit einem Inertgas gefüllten Kolben mit einem Fenster zum Austritt einer Strahlung eines Linienspektrums chemischer Elemente enthalten bekannt, in denen gegeneinander isolierte Anoden und Katoden angeordnet sind. id

Die Katode ist in den bekannten Lampen mit einem zur Anode hin offenen zylindrischen Hohlraum versehen.

Die Strahlung des Linienspektrums eines jeweiligen chemischen Elements wird in derartigen Lampen durch Zündung einer Glimmentladung in einer Hohlkatode erzielt, die aus einem Metall hergestellt ist, dessen Strahlungsspektrum zu erhalten ist, und der Intensitätsanstieg einer Resonanzstrahlung wird durch Erhöhung eines Entladungsstroms gewährleistet.

Hierbei wird mit dem Anstieg des letzteren am Ausgang des zylindrischen Hohlraumes der Katode infolge der Diffusion von Atomen der chemischen Elemente über die Grenzen des Hohlraumes der Katode hinaus eine Wolke unangeregter Atomdämpfe gebildet.

Das Bestehen dieser Wolke führt in den bekannten Lampen zu einer Selbstabsorption der Resonanzstrahlung, was deren Intensitätsabfall und eine Verzerrung des Profils der Resonanzlinie der Strahlung nach sich zieht

Zur Verminderung dieses und anderer unerwünschter Effekte, d. h. zur Erhöhung der Intensität und zur Verringerung der Breite der Spektrallinien sowie zur Erhaltung von Linien regelmäßiger Form ohne Verzerrungen im Bereich des Maximums, ist in einer der bekannten Gasentladungslampen mit einer Hohlkatcde diese in Form eines massiven Zylinders mit Kühlrippen *.iif einer Seitenfläche ausgeführt

Zusätzlich ist die Lampe mit einer Hilfselektrode — einem zylindrischen Schirm — versehen, der elektrisch mit der Anode gekoppelt und im Kolben zwischen der Anode und Katode in unmittelbarer Nähe des Ausganges des zylindrischen Hohlraumes der Katode angeordnet ist

In dieser Lampe wird wegen einer ineffektiven Wärmeübertragung in einem evakuierten Medium keine nennenswerte Temperaturerniedrigung der Katode erzielt, während das Vorhandensein einer zusätzlichen Entladung zwischen der Katode und dem zylindrischen Schirm keine wesentliche Anregung einer Wolke von Atomdämpfen vor dem Hohlraum der Katode infolge einer geringen Konzentration von Elektronen mit Anregungsenergien von Resonanzniveaus nahen Energien bewirkt

Dies gestattet es eicht, in der Lampe üblichen Aufbaues die Intensität der Resonanzlinien ohne Verzerrung ihrer Form zu erhöhen.

In der US-PS 38 98 501 ist eine Hohlkatodenlampe beschrieben, deren Anode ringförmig ausgebildet ist Bei dieser Hohlkatodenlampe soll durch eine spezielle Wahl des Katodenmaterials eine hohe Analysengenauigkeit erreicht werden.

Aus der US-PS 36 99 383 ist eine Durchfluß-Hohlkatodenspektrallampe bekannt Sie weist eine Anode mit einer trichterförmigen Innenbohrung auf und die Anode ist leitend mit dem Gehäuse der Spektrallampe verbunden. Die Anode und das Gehäuse sir/H geerdet

Mit der trichterförmigen Ausführung der Anode soll in Verbindung mit durch einen Eiülaß einströmenden inerten Gas erreicht werden, daß dieses Gas in Gegenrichtung zur Ausbreitungsrichtung von freien Atomen auf die Katode zuströmt, um eine Selbstabsorption von Licht durch die freien Atome, die zum Fenster der Lampe hin diffundieren, zu verhindern.

Aus der DE-OS 22 28 536 ist eine Hohlkatodenlampe bekannt, die sich insbesondere für spektroskopische Untersuchungen eignet. Die Katode dieser Lampe weist einen nach der Anode zu offenen zylindrischen Hohlraum mit einer umgehenden Stirnfläche auf. Die Anode ist als an beiden Stirnseiten offener Rotationskörper ausgebildet mit einem zylindrischen Bereich, dessen Innendurchmesser D zwischen dem Zweifachen und Vierfachen des Innendurchmessers d des zylindrischen Hohlraumes der Katode liegt. Die Anode und die Katode dieser Lampe sind koaxial zueinander angeordnet.

Mit dieser Anordnung soll erreicht werden, daß Störeinflüsse, wie Änderungen der Katodentemperatur, Rausch- und Drifterscheinungen hinsichtlich der spektralen Ausgangsstrahlung der Hohlkatodenlampe auf ein Minimum reduziert werden.

Bei dieser Anordnung ist jedoch, wie bei den üben beschriebenen Anordnungen die Intensität der Resonanzstrahlung relativ schwach.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Hohlkatoden-Guseniladungslampe zu schaffen, deren neuer Anodenaufbau eine Erhöhung der Volumendichtc

eines Elektronenstroms am Ausgang des Hohlraumes der Katode und dessen Eingrenzung im Bereich einer maximalen Konzentration der Wolke der unangeregten Atomdämpfe gewährleistet, was im Endeffekt zu einem Intensitätsanstieg bei den Resonanzlinien führt, ohne deren Form zu verzerren.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs gelöst.

In der vorliegenden Gasentladungslampe mit einer Hohlkatode ist bei den gewählten Beziehungen der Parameter der Anode und Katode die Volumendichte des Elektronenstroms am Ausgang des zylindrischen Hohlraumes der Katode erhöht.

Dadurch ist die Anzahl strahlender Obergänge vergrößert und die Anregung über die Grenzen der Katode diffundierender neutraler Atome verstärkt.

Hierbei werden die Absorption der Resonanzstrahlung kompensiert und die Intensität der Resonanzlinien ohne Verzerrung ihrer Form erhöht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, deren Figur eine Hoh'katoden-Gasentladungslampe i;i Längsschnitt zeigt

Die Hohlkatoden-Gasentladungslampe enthält einen zylindrischen Glaskolbenl, der mit einem Inertgas gefüllt und mit einem im Spektralbereich von 0,21 bis 2,0 μπι durchsichtigen und zum Austritt von Strahlung des Linienspektrums chemischer Elemente vorgesehenen flachen Fenster 2 versehen ist

Eine Katode 3 der Lampe ist mit einer zylindrischen Aushöhlung 4 mit einem Durchmesser d versehen und weist eine Stirnfläche 5 auf.

Die Katode 3 ist aus einem Werkstoff hergestellt, dessen Spektrum in der Lampenstrahlung zu erhalten ist Es ist auch möglich, diesen Werkstoff auf die Oberfläche des zylindrischen Hohlraumes 4 der Katode 3 aufzutragen.

Die Außenfläche der Katode 3 ist von einem Keraniikisolator 6 umgeben.

Die Anoue 7 der Lampe ist aus einem Metall, beispielsweise aus Nicke!, in Form eines hohlen, von zwei Stirnseiten offenen Rotationskörpers hergertellt und im Kolben 1 gleichachsig zum zylindrischen Hohlraum 4 der Katode 3 seitlich der Stirnfläche 5 der letzteren angeordnet.

Die Anode 7 besieht aus einem in der Nähe der Stirnfläche 5 der Katode 3 liegenden, mit einem mit einer Zentralöffnung 10 versehenen und auf dem Niveau der Stirnfläche 5 der Katode 3 oder darunter angeordneten Boden 9 ausgeführten, hohlen zylindrischen Teil 8 mit einem Durchmesser D.

Diese Anordnung des Bodens 9 des Teiles 8 der Anode 7 ist vorteilhaft, um eine Koaxtalität der Anode 7 mit dem zylindrischen Hohlraum 4 der Katode 3 zu sichern, was eine notwendige Bedingung für die Bildung einer symmetrischen Elektronenlinse ist.

Zur Beseitigung eines Abblendeffektes geht der hohle zylindrische Teil 8 der Anode 7 in derer¹ hohlen Teil 11 variablen Querschnitts über.

Der hohle Teil 11 ist mit einem Hohlraum ausgeführt, dessen Durchmesser in Strahlungsrichtung vom Durchmesserwert D des Hohlraumes des zylindrischen Teiles 8 gleichmäßig zunimmt.

Anode 7, Katode 3, Isolator 6, zentrierende Glimmerscheibe 12, keramische Rohre 13 und Kontaktplatte 14 sind mit Herausführungen 15 eines flachen Glasfußes 16 nach einer üblichen Heistellungstechnologie für Elektrovakuumgeräte aufgebaut.

Der Kolben 1 ist mit einem Inertgas, beispielsweise Neon, mit einem Druck von 5,3 bis 10,6 mbar gefüllt.

Die Höhe /des zylindrischen Teiles 8 der Anode 7, der Durchmesser D seines Hohlraumes und der Durchmesser ddes zylindrischen Hohlraumes 4 der Katode 3 stehen in folgenden Beziehungen zueinander:

2<4<4.
a

Die Auswahl dieser Beziehungen ist auf experimentellem Wege erfolgt. Hierbei sei festgestellt, daß eine weitere Verringerung des Durchmesserverhältnisses

—durch Verringerung des Durchmessers D zu einer a

Abschwächung der Strahlungsintensität infolge eines Abblendeffektes der Anode 7 führt, während eine Ver· größerung des Verhältnisses über d»,' genannten Grenzen hinaus den Elektroncnstrom im Sireich einer maximalen Konzentration der Atomdämpfe delokalisiert, was gleichfalls einen Intensitätsabfall der Resonanzstrahlung bewirkt und die elektrischen Kenndaten der Lampe verschlechtert

Es sei auch festgestellt, daß bei einer Verringerung von / unter die genannte Grenze eine Delokalisierung des Elektronenstroms wegen einer Vergrößerung der Brennweite einer durch den zylindrischen Teil 8 der Anode 7 gebildeten Elektrodenlinse eintritt. Dies hat eine Abschwächung der Intensität der Resonanzstrahlung zur Folge. Bei einer Erhöhung von / über die genannten Grenzen hinaus fällt die Strahlungsintensität auf Grund eines Abblendeffektes ab.

Die Arbeitsweise der Lampe wird im folgenden näher erläutert.

Zwischen der Katode 3 und der Anode 7 wird eine Glimmentladung gezündet. Bei einem Beschüß einer Wand des Hohlraumes 4 der Katode 3 durch positive Ionen werden im Entladungskanal Dämpfe von Atomen dei Werkstoffes dieser Katode 3 gebildet, die angeregt werden und vorwiegend infolge von Elektronenstößen ausstrahlen.

Die Anode 7 und die Katode 3 bilden eine elektronisehe Sammellinse, die einen Elektronenstrom fokussiert, wodurch dessen Volumendichte und die Anzahl strahlender Übergänge wegen einer Eingrenzung des Elektronenstroms auf den Bereich maximaler Konzentration der Atomdämpfe erhöht werden.

so Der Isolator 6 verhindert die Entstehung einer parasitären Glimmentladung von der Außenfläche der Katode

3 und trägt zu einer Intensitätsverstärkung der Resonanz".rcihlung aus dem zylindrischen Hohlraum 4 der Katode 3 bei.

Darüber hinaus hehrt die durch neutrale Atome beim Austritt aus dem zylindrischen Hohlraum 4 absorbierte Strahlung der Katode 3 und eine durch die erstere in allen Richtungen gleichmäßig emittierte Sekundärstrahlung auf Grund einer Reflexion von der Innenfläche der Anode 7 in den Bereich des Austritts aus dem Hohlraum

4 der Katode 3 zurück und regt die neutralen Atome an, wodurch die Strahlungsintensität der Rosonanzlinien verstärkt wird.

Die Schaffung einer symmetrischen Elektronenlinse in der Gasentladungslampe mit einer Hohlkatode 3 gewährleistet bei den gewählten Verhältnissen der Parameter der Anode 7 und der Katode 3 eine Erhöhung der Volumendichte des Elektronenstroms beim Austritt aus

dem zylindrischen Hohlraum 4 der Katode 3.

Dies führt zu einer Vergrößerung der Anzahl strahlender Übergänge und zu einer zusätzlichen Anregung über die Grenzen der Katode 3 hinaus diffundierender neutraler Atome, was eine Absorption des Zentralteiles des Profils der Resonanzlinie der Strahlung ausschließ!.

Hierbei wird nicht nur die eine Selbstabsorption der Linien bewirkende Absorption der Resonan/strahlung kompensiert, sondern auch die Intensität der Resonniizlinien verstärkt. in

In der Hohlkatoden-Gasentladungslampc wird die zusätzliche Intensitätswirkung der Resonanzstrahlung durch Erhöhung des Entladungsstroms um 30% gegenüber den üblichen Lampen erreicht. Hierbei bleibt der Linienzug ohne Verzerrungen. r>

Die Anwendung der Hohlkatoden-Gasentladungslampe in Atomabsorptionsgcrälcn gestattet es, deren Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen für chemische Elemente bsi einer Analyse dsrsk de.™ unver/errien Profil der Resonanzlinie der Strahlung der Lampe und einer Verringerung des Verstärkungsfaktors zu erhöhen.

Hierzu I Blatt Zeichnungen 25

J¹S

55

65

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Hohlkatoden-Gasentladungslampe mit einem ein Fenster für den Austritt von Strahlung mit einem Linienspektrum aufweisenden und mit Inertgas gefüllten Kolben, in dem elektrisch voneinander isoliert eine Katode und eine Anode angeordnet sind, von denen die Katode einen nach der Anode zu offenen zylindrischen Hohlraum mit einer umgebenden Stirnfläche aufweist und die Anode in Form eines an beiden Stirnseiten offenen und einen zylindrischen Bereich mit zwischen dem Zweifachen und dem Vierfachen des Innendurchmessers t/des zylindrischen Hohlraumes der Katode liegenden Innen- durchmesser D aufweisenden, hohlen und zu dem Hohlraum der Katode koaxialen Rotationskörpers ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (7) anschließend an ihren zylindrischen Be,-£^;ch (8), der einen in Strahlungsrichtung gesehen &üi oder unter dem Niveau der Stirnfläche (5) der Katode (3) liegenden Boden (9) mit einer zentralen öffnung (10) aufweist, einen Bereich (11) mit, ausgehend von dem Innendurchmesser D des zylindrischen Bereichs (8). in Strahlungsrichtung gleichmäßig zunehmendem Innendurchmesser aufweist, wobei die Höhe / des zylindrischen Bereichs (8) der Anode gegenüber dem Innendurchmesser d des Hohlraumes (4) der Katode (3) der Bedingung