DE7204719U

DE7204719U - Fadengenerator zur Atomerzeugung

Info

Publication number: DE7204719U
Application number: DE7204719U
Authority: DE
Original assignee: COMMISSARIA A LENERGIE ATOMIQUE
Current assignee: COMMISSARIA A LENERGIE ATOMIQUE
Publication date: 1972-07-13

Description

Patetanwälte · ;·..· : I* : .* * : OlpL-lng. R. BEETZ «an. I :: I' I *. .* * '· .;'., ~> DIpI-In₃. K. LAMPr-JECHT j>

Dn-Ing. R. BEETZJr.
β Manchen 22, Steiradortar. 10 /

HIO-I8.3O6G 8. 2. 1972

Commissariat ä 1'Energie Atomique, Paris (Frankreich) Fadengenerator zur Atomerzeugung

Die Neuerung bezieht sich auf ein Gerät zur atomaren Absorptionsspektrometrie und insbesondere auf einen Fadengenerator zur Atomerzeugung für die Zwecke der Absorptionsspektrometrie mit einer T-förmigen Rohrzelle, deren transversaler T-Balken für Lichtstrahlen passierbar ist und deren long!tutinaler T-Schaft einen Faden enthält.

Elementspuren lassen sich bekanntlich mit Hilfe der atomaren Absorptionsspektrometrie bestimmen. Die dazu bisher benutzte Methode besteht in der von einer Lösung ausgehenden Erzeugung von Atomen in neutralem Zustand« die eine mono-RhPiritische Strahlung absorbieren; diese Strahlungsabsorption gehorcht dem Gesetz von Beer-Lambert, das sich durch die nachstehende Formel ausdrücken läßt:

I
log -γ=— ₃ k 1 c,

in der I_Q die Intensität der einfallenden Strahlung« 4l0-(B4027.3)-DfF

I die Intensität der gleichen Strahlung nach der Absorption,

k eine Konstante,

1 die Länge des Absorptionsweges und c die Konzentration der Atome auf dem Absorptionswege bedeuten.

Ausgehend von diesem Grundprinzip sind bisher verschiedene Geräte vorgeschlagen worden, die nach Eichung eine Bestimmung von Elementspuren ermöglichen.

So kann man sich einer Flamme bedienen, die im optischen Wege eines Lichtbündels angeordnet ist und in der die das zu bestimmende Element enthaltende Lösung verdampft wird; nachteilig 1st bei in dieser Weise arbeitenden Geräten der hohe verbrauch an Probenlösung, ihre für bestimmte Elemente nur mäßige Empfindlichkeit und die Notwendigkeit zu Sicherheitsmaßnahmen und einer gesonderten Wärmeabfuhr.

Bei anderen Geräten wird die Probe in einem Rohrofen aus Graphit niedergeschlagen, der von einem Lichtstrahl durchquert und von einem Argonstrom durchspült wird; das zu bestimmende Element wird dann mittels Widerstandsheizung vertampft. Die so arbeitenden Geräte besitzen zwar eine hohe Empfindlich· keit, weisen jedoch gleichzeitig eine große Trägheit für den Temperaturanstieg auf und lassen außerdem Emissionserscheinungen auftreten; schließlich verlangen sie auch einen erheblichen Platzbedarf und hohe Gestehungskosten.

Bekannt sind weiter Geräte, bei denen die Verdampfung der Injizierten Lösung an einem Heizfaden erfolgt; diese Geräte arbeiten In einem geschlossenen rohrförmigen Behälter, wobei ein Lichtstrahl den Behälter durch zwei Quarzfenster hindurch

durchquert, der Heizfaden aus Kohlenstoff in der Nachbarschaft des optischen Strahlungsweges angeordnet ist und die Messungen In einer statischen Argonatmosphäre vorgenommen werden. Auch diese bekannten Geräte weisen zahlreiche Nachteile auf, von denen insbesondere ein erheblicher Platzbedarf, eine starke Verminderung der Lichtenergie durch die Quarzfenster, die Notwendigkeit einer Eliminierung auch geringer Spuren von Sauerstoff aus dem Behälter vor der Messung, die mangelnde Empfindlichkeit; and Reproduzierbarkeit wegen der Dispersion in der Atomwolke, die Gefahr einer Störung der Messungen durch vom Heizfaden ausgehende Lichtemission und die Gefahr einer Verseuchung durch Kondensation von Atomen auf der Oberfläche der Quarzfensfeer und der Träger für den Heizfaden zu nennen sind. Diese Geräte eignen sich daher besser für die atomare Fluoreszenzspektroskopie.

Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Fadengenerator zur Atomerzeugung für die Zwecke der Absorptionsspektrometrie zu schaffen, der von den Nachteilen der Geräte mit Heizflamme oder Heizofen frei ist und sich außerdem durch seine hohe Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit und die Möglichkeit zur Vornahme ganzer Meßreihen besonders für die atomare Absorptlonsspektroskopie eignet.

Die gestellte Aufgabe wird ausgehend von einem Fadengenerator der eingangs erwähnten Art gemäß der Neuerung dadurch gelöst, daß der an beiden Enden offene T-Balken in einem Zeilenträger und der T-Schaft mit einem Faden einstellbarer Höhe in einer mit dem Zellenträger zusammengebauten Haube enthalten ist und daß der T-Schaft den Einlaß für einen gleichförmig und permanent am Faden entlangstreiohenden und an den

Enden des T-Balkens In die freie Atmosphäre austretenden SpUlgasstrom aus Edelgas oder Inertgas bildet»

Weitere Merkmale und Vorteile der Neuerung lassen sich aus der nachstehenden Besohrelbung ersehen, die sioh auf die Zeichnung bezieht, in der drei die Neuerung erläuternde, nioht aber ihren Bereloh einschränkende Ausführungsbeispiele für die Neuerung veranschaulicht sind.

Dabei zeigen in der Zeichnung:

Pig. 1 einen quer durch die T-förmige Rohrzelle eines Fadengenerators mit zentraler Gaszuftihrung und einem Metallfaden gelegten Schnitt;

Fig. 2 eine Ausführungsvariante für die Apparatur von Pig. 1 mit seitlicher Oaszuführung;

Fig. 3 einen Aufriß für eine weitere Ausftihrungs-

variante mit einem Faden aus Kohlenstoff und

Fig. 4 einen teilweise geschnittenen Aufriß für einen gemäß der Neuerung gebauten Padengenerator.

In allen dargestellten Ausführungsbeispielen ist die T-förmige Rohrzelle des Fadengenerators invers montiert dargestellt. Außerdem besteht das Gerät aus zwei kleinen Blöcken, nämlich einem Zellenträger und einer Haube, die durch eine Schraubverbindung zusammengehalten sind.

Der Zellenträger 10 ist in einem Stück aus einem Akrylglas oder aus Glas hergestellt; die T-förmige Rohrzelle enthält einen geraden Querbalken 11, der an seinen beiden Enden

naoh entgegengesetzten Seltenwänden des Zellenträgers IO hin optisoh offen ist und dem verwendeten monoohromatlsohen Liohtbttndel freien Durohtritt gewählt; der vertikale Sohaft der T-förmigen Rohrzelle mündet mit seinem oberen Teil mittig am Grunde eines Hohlraumes 13 für die Einsohraubung der Haube 17. Der Zellenträger 10 ist bei 14 mit einer Ausnehmung versehen, so daß seine wand 15 im Vergleich zur Rohrzelle eine sehr geringe Wandstärke aufweist, und kann an dieser Stelle eine kleine Öffnung l6 aufweisen, die in den Balken 12 mündet; diese Anordnung ermöglicht das leichte Ansetzen einer Mikrospritze, die zur Injizierung einer kleinen Menge an das zu bestimmende Element enthaltender Lösung dient.

Die Haube 17, die in den Hohlraum IJ des Zellenträgers eingeschraubt ist, dient als Träger zum einen für einen Metallfaden l8 und zum anderen für eine zentrale Rohrleitung 19 für die Zuführung von Gas, das im allgemeinen Argon ist. Der Faden 18 1st unmittelbar zwischen den Enden von Elektroden 20 aus Wolfram für die Stromzuführung befestigt, und das gesamte Gebilde läßt sich in seiner Höhe mit Hilfe zweier Stäbe 21 aus Messing einstellen, die mit geringer Gewindesteigung zu beiden Selten der Zuleitung 19 nach oben aus der Haube 17 herausgeführt sind: Diese Höhenregelung dient dazu, den Faden l8 der öffnung l6 genau gegenüberzustellen, damit bei Einspritzung der zu dosierenden Lösung mittels der Mikr©spritze auch jede kleinste Menge davon auf den Faden gelangt.

Bei dem in Flg. 2 veranschaulichten Gerät 1st der Zellenträger 1Θ dem Zellenträger In Fig. 1 und 4 gleich, jedoch ist die Zuleitung 19 für die Zuführung von Gas auf die Seite der Haube 17 verlegt; die beiden Gewindestäbe 21 sind dann im Zentrum der Haube 17 montiert und bilden die unmittelbare

Verlängerung der Elektroden 20, die eine Zwischenwand 22 durohqueren, in die vier seitliche Löcher 25 für die Verteilung des Gases eingearbeitet sind.

Die Haube 17 mit ihren Zubehörteilen wird in gleicher Weise duroh Formung erhalten; bei Verwendung eines metallischen Fadens l8 kann sie aus Akrylglas bestehen. Wenn die vom Faden 18 zu erreichende Temperatur höher liegt, wird das Akrylglas zweckmäßig durch normales Glas ersetzt. Dies ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3 der Fall.

Bei diesem letzten Gerät kann der Zellenträger 10 aus zwei Teilen 24 und 25 bestehen, die mittels Schrauben 26 so zusammengebaut sind, daß sie zwischen sich den Querbalken 28 der T-förmigen Rohrzelle 27 einschließen; der Schaft 29 des T ist nach oben zu erweitert, um die Haube 30 aufzunehmen, die mittels Schmirgeln eingepaßt ist; außerdem sieht man in Fig. 3 eine Öffnung 31 für die Einführung der Spitze einer Mikrospritze.

Der Zellenträger IG besteht wieder aus Akrylglas, jedoch ist die T-förmige Rohrzelle 27 ebenso wie die Haube 3© aus Glas hergestellt. Dieses Gerät besitzt einen Faden aus Kohlenstoff, der von zwei Stäben 32 aus Wolfram getragen wird, die zu beiden Selten einer zentralen Zuleitung 33 für die Zuführung von Argon oder einem anderen Gas angeordnet sind.

Das Gerät gemäß der Neuerung läßt sich unabhängig von der jeweils gewählten Ausführungsform auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten Träger anordnen, der einen durch eine Mikrometerschraube mit einem Steuerknopf betätigbaren Schlitten aufweist. Das Gerät gemäß der Neuerung wird dann auf dem Schlitten

montiert, dessen Verschiebungen dann naturgemäß Verschiebungen des Gerätes bedeuten, die sich an einer Skala kontrollieren lassen. Diese Aufbau ermöglicht es, die Symmetrieachse der Rohrzelle mit der Brennebene des optischen Systems zusammenfallen zu lassen, was für die Empfindlichkeit und die Reproduzierbarkeit bei den Messungen wichtig ist.

Diese Anordnung ist praktisch, sie ist jedoch nicht die einzige, das heißt, daß man eine gleiche Einstellung auch mit einem .feststehenden Gerät erzielen kann, wobei sich dann die Lichtquelle entlang der Achse des Querbalkens der T-förraigen Rohrzelle verschieben läßt.

Die Ausführung einer Messung, also die Bestimmung von Spuren eines beliebigen Elementes geschieht dann unter folgenden Bedingungen:

Die Auswahl der verwendeten Oeräteart und Insbesondere von dessen Faden aus Metall oder Kohlenstoff erfolgt in Abhängigkeit von der Art des zu bestimmenden Elementes und der zu untersuchenden Matrix; diese Auswahl berücksichtigt die geringere thermische Trägheit eines Metallfadens, der die schnelle Durchführung von Meßreihen ermöglicht, während ein an Wolframstäben aufgehängter Faden aus Kohlenstoff die Erzielung sehr hoher Temperaturen bis zu 2800°C ermöglicht.

Die Dimensionierung der Fäden erfolgt in folgender Welse;

Metallfaden: 8 mm Länge, 0,5 mm Breite und 5© ax Dicke, Kohlefäden: 10 mm Länge und 1 mm Durchmesser.

Die maximal verbrauchte Leistung liegt in der Größenordnung von 500 Watt bei einer regelbaren Spannung bis zu

-βίο Volt, also einer 50 Ampöre nicht überschreitenden Stromstärke.

Ist das Qerät auf dem oben beschriebenen Träger montiert, so bringt man mit Hilfe der Skala die vertikale Symmetrieachse der Rohrzelle mit der Brennebene für den monochromatischen Lichtstrahl zur Koinzidenz, der für das zu bestimmende Element, das den Querbalken des T durchquert, charakteristisch 1st. Anschließend führt man in die vorgesehene Öffnung mit einem Durchmesser in der Größenordnung eines Millimeters die Spitze der Mikrospritze ein, die eine geringe Menge der Lösung mit dem zu bestimmenden Element enthält, und bringt diese Lösung auf den Faden auf, der zuvor in der oben erläuterten Weise in seiner Höhe eingestellt worden ist: Die erforderliche Menge an Lösung ist sehr gering und variiert zwisohen einem halben und einigen Mikrolitern; lodann beginnt man mit der Spülung der Rohrzelle durch einen Oasstrom aus Edelgas oder Inertgas, der während der ganzen Messung durch einen Dreiwegehahn geregelt und genau konstantgehalten wird, so daß keinerlei Luft eintreten kann.

Nach dem Abnehmen der Mikrospritze wird der Faden leioht aufgeheizt, damit nur das Lösungsmittel verdampft, sodann unterzieht man den Niederschlag einer Voraufheizung, und schließlich wird der Faden im Bruchteil einer Sekunde auf die erforderliche hohe Temperatur gebraohtj das zu bestimmende Element verdampft dann abrupt im Innern der Zelle als atomarer Dampf und wird von dem Oasstrom mitgenommen; die Dampfwolke durchquert den monochromatischen Lichtstrahl, bevor sie aus der R ohr ze He hinausgedrückt wird.

In dem Augenblick, injäem die Atomwolke ohne Dispersion und mit hoher Dichte die Brennebene passiert, kommt es zu einer Absorption von Lichtenergie, die sich bei Registrierung

»til > *

I t 1

des Signals in Abhängigkeit von der Zeit in einem sehr schmalen Pik äußert; die Höhe dieses Piks ist für einen Absorptionswert von weniger als 3©# proportional der Menge des zu bestimmenden Elements, die auf dem Faden niedergeschlagen ist. Jenseits davon gilt das Gesetz von Beer-Lambert (Länge des Absorptionsweges).

Wegen der Vornahme der Messungen in dynamischem Milieu und trotz der geringen Menge an verbrauchter Probe zei/jrgen die erhaltenen Bestimmungsmessungen eine gute absolute Empfindlichkeit und eine ausgezeichnete Reprodiizlerbarkelt, was in einem abgeschlossenen statischen Milieu nicht der Fall 1st. Die Abkühlung des Fadens erfolgt praktisch momentan, was Wartezeiten während der Vornahme einer großen Anzahl von Messungen vermeidet; durch die gleichförmige und dauernde Spülung mit Gas bis zum Ausgang der Rohrzelle in die freie Atmosphäre kann es auf den Innenwänden der Rohrzelle nicht zu einem Niederschlag kommen, der spätere Messungen verfälschen könnte, und da in der Zelle stets eine inerte Atmosphäre herrscht, können die Messungen kontinuierlich erfolgen, was einen erheblichen Zeitgewinn ergibt;! da sich der Faden außerhalb des Gesichtsfeldes für den monochromatischen Lichtstrahl befindet, ist keinerlei Störung der Messungen daduroh zu befürchten, daß auoh der Faden vorübergehend leuchtet.

Der Verbrauch an elektrischer Energie ist sehr gering, das Gerät kommt daher mit einem üb1Jonen Spannungsgenerator aus, was einen Aufbau der gesamten Anlage mit niedrigen Gestehungskosten ermöglicht. Der Platzbedarf ist sehr gering.und wegen der leiohten Montage läßt sich 3er Fadengenerator gemäß der Neuerung ohne weiteres allen handelsüblichen Geräten anpassen.

- ίο -

Die Einsatzmöglichkeiten für die Neuerung sind zahlreich« wie die nachstehende Zusammenstellung zeigt:

a - Bestimmung von Zink» Cadmium und Magnesium.

Die Eichgeraden, die die Höhe des Piks in Abhängigkeit von der Menge an niedergeschlagenem Element ergeben« werden

mit Mengen erhalten« die zwischen 1Θ ^ und 10 g liegen.

-14 Die Bestimmungsgrenze entspricht etwa 5 χ 10 g.

b - Grenzen für die Erkennung einiger Elemente (in Gramm),

Indium l©""⁸

Rubidium 1Θ~^1Θ

Silber l©"¹¹

ο - Das Gerät ermöglicht eine Bestimmung von Gold« Zink und Cadmium in Anwesenheit einer Matrix aus Uran.

d - Wenn der Faden als kleine Teilchen zurückhaltendes Gitter ausgebildet 1st« ermöglicht das Gerät die Analyse von Verunreinigungen in 4inem Gas und läßt sich daher für die überwachung der Luftversohmutzung verwenden.

Claims

Schutzansprüche

1. Fadengenerator zur Atomerzeugur für die Zwecke der Absorptionsspektrometrie mit einer T-förmigen Rohrzelle, deren transversaler T-Balken für Lichtstrahlen passierbar ist und deren longltudinaler T-Schaft einen Fadenjsnthält, dadurch gekennzeichnet, daß der an beiden Enden offene T-Balken (11) in einem Zellenträger (10) und der T-Schaft (12) mit einem Faden (18) einstellbarer Höhe In einer mit dem Zellenträger (10) zusammengebauten Haube (17, 50) enthalten ist und daß der T-Schaft (12) den Einlaß für einen gleichförmig und permanent am Faden (18) entlangstreichenden und tan den Enden des T-Balkens (11) in die freie Atmosphäre austretenden Spülgasstrom aus Edelgas oder Inertgas bildet.

2. Fadengenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenträger (1Θ) einstückig mit bei der Formung in seine Hasse eingepaßter T-fönniger Rohrzelle ausgebildet ist.

3. Fadengenerator nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Zellenträger (10) aus zwei mittels Schrauben (26) zusammengehaltenen und die T-förmige Rohrzelle (27) festlegenden Teilen (24 und 25) zusammengesetzt ist (Fig. 3).

4. Fadengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Haube (17) in einen zylindrischen Hohlraum (13) im oberen Teil des Zellenträgers (10) eingeschraubt ist und daß der T-Schaft (12) der Rohrzelle mittig am Grunde des Hohlraumes (13) mündet (Fig. E).

- 12 -

5. Fadengenerator nach einem der Ansprüche l bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Faden (18) über Wolframstäbe (20) mit einem Halter unmittelbar verbunden ist« dessen Höhe mittels zweier oben aus der Haube (17; 30) austretender Gewindestangen (21; 32) einstellbar ist.

6. Fadengenerator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuleitung (19) für die Einführung des Spülgasstromes koaxial zu Haube (17) und Zellenträger (10) angeordnet ist und in Verlängerung zum T-Schaft 12 der Rohrzelle verläuft (Fig. 1).

7. Fadengenerator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuleitung (19) für die Einfuhr des Spülgasstromes seitlich von oben in die Haube (17) mündet und für die Verteilung des Spülgases mehrere regelmäßig verteilte Löcher (23) in einer in ihrer Mitte vom Halter für den Faden (18) durchsetzten Zwischenwand (22) vorgesehen sind (Fig. 2).

8. Faderlgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der T-Schaft (12) auf der Höbe des Fadens (18) eine Einführungsöffnung (31) für die Einführung von Uhtersuchungsproben aufweist und sich oberhalb des Zellenträgers (10) in einem die Haube (30) aufnehmenden erweiterten Teil (29) fortsetzt (Fig. 3).

9. Fadengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daiB sie auf einem Schlitten montiert ist, der sich auf einer mit einer Gradteilung versehenen Unterlage verschieben läßt.

10. Fadengenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9,dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Achse der Rohrzelle relativ zur Lagd der Brennebene einer monochromatischen Lichtquelle zu gegenseitiger überlagerung einstellbar ist.