DE2900715A1

DE2900715A1 - Plasmastrahlgeraet

Info

Publication number: DE2900715A1
Application number: DE19792900715
Authority: DE
Inventors: Karl J Hildebrand
Original assignee: Spectrametrics Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1978-01-13
Filing date: 1979-01-10
Publication date: 1979-07-19
Also published as: US4147957A; GB2014413B; CA1116247A; JPS54116993A; JPS5810694B2; FR2414843B1; GB2014413A; DE2900715C2; FR2414843A1

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Plasmastrahlgerät, insbesondere zum Einsatz in einem Spektrometer.

Es sind bereits mit Gleichstrom und einem ionisierten Gas betriebene Plasmastrahlgeräte bekannt, die zur Spektrometeranalyse oder zum Studium von chemischen und physikalischen Hochtemperaturereignissen verschiedener Stoffe einen Plasmastrahl erzeugen. Insbesondere werden Plasmastrahlgeräte häufig in Verbindung mit Spektrometern verwendet, bzw. gemäß US-PS 3 658 423 in Verbindung mit einem Echelle-Spektrometer, bei dem ein Prisma und ein Echelle-Gitter in zwei Richtungen drehbar angeordnet sind und dadurch eine Einstellung der vertikalen und horizontalen Komponenten gestatten. Dadurch ist die abgestrahlte Energie in der Brennebene des Spektrometers fokusierbar. Plasmastrahlgeräte sind aber auch in Verbindung mit anderen Spektrometerarten oder anderen Vorrichtungen bekannt, bei denen beispielsweise eine Hochtemperaturanregung einer Stoffprobe erforderlich ist.

Die US-PS 3 596 128 beschreibt eine beispielsweise bei der spektroskopischen Analyse verwendbare Anregungsquelle oder ein Plasmastrahlgerät mit einer eine Anode umgebenden Wirbelkammer, in die eine zu untersuchende, zuvor vermischte Nebelprobe sowie ein ionisierendes Trägergas eingeleitet werden. In der Kammer

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ist eine Anode angeordnet, die gegenüber einer Öffnung liegt. Außerhalb der Kammer sitzt eine Kathode im Abstand zu dieser und ist im Winkel auf die entstehende Plasmasäule ausgerichtet, so daß sie gegenüber dieser versetzt ist. Nach dem Austritt aus der Wirbelkammer durch deren öffnungen wird das Plasma im Winkel zur Plasmasäulenlängsachse abgelenkt, um auf die Kathode zu treffen. Ein Nachteil dieses Gerätes liegt in seinem unvorteilhaften und aufwendigen Aufbau.

Die US-PS 4 009 413 beschreibt ferner ein Plasmastrahlgerät mit einer Anode und einer Kathode, die im Abstand zueinander angeordnet sind und deren verlängerten Längsachsen sich unter einem Winkel schneiden. Jede der Elektroden besitzt einen koaxialen Mantel, durch den ionisierbares Gas strömt. Im Betrieb bildet das ionisierbare Gas den Plasmastrahl und liefert eine zusammenhängende Säule von ionisiertem Gas zwischen der Anode und der Kathode, wobei dieser Plasmastrahl die Form eines umgekehrten V hat. Im unteren Teil des Kreuzungsberexchs der verlängerten Anoden- und Kathodenachsen besitzt der Plasmastrahl eine Reaktions- oder Anregungszone. Eine zu untersuchende Probe, die typischerweise in Form eines Nebels vorliegt, ist extern, vorzugsweise in einem ionisierbaren Trägergas oberhalb von Anode und Kathode einbringbar, so daß diese Probe unmittelbar in die Reaktions- oder Anregungszone des Plasmabogens gelangt.

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Ein Nachteil der bekannten Geräte liegt darin, daß sich die Lage des Plasmabogens verändert, wodurch die Lage der Anregungsoder Reaktionszone wandert. Bei einer derartigen Wanderung der Anregungszone ergibt sich eine Intensitätsschwankung für das Spektrum der in die Zone eingebrachten Probe und damit eine Schwankung in der Qualität und Quantität der Spektrometerdaten. Diese sind somit von der Ortsstabilisierung des Plasmabogens abhängig.

Ferner erfordern die bekannten Geräte WoIfram-Anoden und die Verwendung einer Wolframanode anstelle beispielsweise einer Graphitanode in Verbindung mit einer Wolframkathode verursacht unter anderem deswegen Schwierigkeiten, weil das Spektralniveau von Wolfram sehr hoch ist und eine beträchtliche Anzahl von bis zu 4000 interferierenden Wolframlinien liefert, die mit den erhaltenen Analysedaten interferieren können. Demgegenüber liefert eine Graphitanode jedoch nur wenige Interferenzlinien zum Spektrum.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Plasmastrahlgerät zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Plasmastrahlgerät gemäß Hauptanspruch, das sich durch einen umgekehrt Y-förmigen, austretenden ionisierenden Plasmastrahl und durch die Verwendung

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einer Anzahl von Elektroden einer ersten Polarität mit einer geringeren Anzahl von Elektroden der entgegengesetzten zweiten Polarität auszeichnet. Insbesondere schafft die Erfindung ein verbessertes Plasmastrahlgerät sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb, bei dem der Plasmastrahl unter Verwendung von zwei Anoden in seiner Lage stabilisiert ist, welche sich bei Verlängerung ihrer Längsachsen unter einem Winkel schneiden würden und wobei eine dritte Elektrode als Kathode im Abstand sowie versetzt zur Ebene der beiden Anoden angeordnet ist. Der dadurch gebildete Plasmastrom ist für die Bildung eines stabilisierten Plasmabogens im Winkel zur Achse der Plasmasäule geneigt und es sind Graphitelektroden als Anoden einsetzbar.

Es hat sich gezeigt, daß man Lage stabilisiertes Plasmastrahlgerät mit einer Reaktions- oder Anregungszone durch Verwendung von ersten und zweiten Elektroden einer Polarität in Verbindung mit einer dritten Elektrode anderen bzw. umgekehrter Polarität als die beiden ersten Elektroden erhält und wobei die erste und zweite Elektrode derart im Abstand zu einander angeordnet sind, daß ihre verlängerten Achsen sich unter einem Winkel schneiden würden; dieser Winkel beträgt beispielsweise 60 bis 90° und vorzugsweise ungefähr 75°, während die dritte Elektrode im Abstand zum Schnittpunkt der ersten und zweiten Elektrodenachsen liegt und bezüglich der von den sich schneidenden Elek-

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trodenachsen aufgespannten Ebene versetzt ist, und zwar typischerweise in einer bevorzugten Ausführung im wesentlichen in einem rechten Winkel zu dieser Ebene, so daß im Betrieb ein Plasmastrahl in Form einer Säule von ionisiertem Gas zwischen den Elektroden vohanden ist, welche die Form eines umgekehrten Y hat. Die Anregungs- oder Reaktionszone im Y-förmigen Plasmastrahl wird im unteren Bereich der Kreuzungszone der verlängerten Elektrodenachsen der ersten und zweiten Elektroden gebildet. Ein derart gebildeter Plasmastrahl hat eine lagestabilisierte Anregungs- oder Reaktionszone, so daß beispielsweise beim Einsatz in einem Emissionsspektroskop ein Spektrum konstanter Intensität aufrechterhaltbar ist. Gleichzeitig ist die Driftneigung der spektrometrischen Daten wesentlich reduziert, die bei einer unstabilisierten Zone auftreten würde.

Das erfindungsgemäße Plasmastrahlgerät umfaßt die Elektroden umgebende koaxiale Ummantellungen, die ein ionisierbares Gas zur Bildung der umgekehrten Y-förmigen ionisierten Gassäule enthalten. Als Gas wird vorzugsweise Argon oder ein ähnliches ionisierbares Gas verwendet. Das erfindungsgemäße Gerät umfaßt ferner eine stabilisierte Gleichstromquelle und vorzugsweise zwei getrennte Spannungsquellen, wobei die einzelne Elektrode einer ersten Polarität mit jeder der beiden getrennten Spannungsquellen in Verbindung steht, die jeweils aber nur an eine der

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Elektroden anderer Polarität angeschlossen sind. Vorzugsweise sind die Elektroden der größeren Anzahl einer Polarität Anoden, während die kleinere Anzahl der anderen Polarität, in einer Ausführung die Einzelelektrode eine Kathode ist. Als Kathode verwendet man üblicherweise eine Wolframelektrode, während die Anoden aus Graphit oder Wolfram bestehen.

Es hat sich gezeigt, daß der umgekehrt Y-förmige Plasmastrahl des erfindungsgemäßen Plasmastrahlgeräts äußert lagestabil ist. Für den bekannten umgekehrt V-förmigen Plasmastrahl gemäß US-PS 4 009 413 hat sich gezeigt, daß er von einem äußerst starken Magnetfeld umgeben ist, daß insbesondere am Treffpunkt der ionisierten Gase, nämlich an der Schnittstelle, eine äußerst hohe Feldstärke hat. Aufgrund der unterschiedlichen Polaritäten besteht nun aber eine Neigung des Abstoßens der ionisierten Gasströme oder Plasmaströme in der Anregungs- oder Reaktionszone. Wie erwähnt ist diese Zone von der Schnittstelle der ionisierten Gassäule gebildet. Treffen nun die ionisierten Gassäulen unterschiedlicher Polarität an der Schnittstelle des umgekehrten V mit dem Magnetfeld zusammen, dann tritt ein Auseinanderdrängeffekt an den Gassäulen auf, der die Reaktions- oder Anregungszone destabilisiert bzw. wandern läßt.

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Wird das Plasmastrahlgerät zusätzlich mit einer Einrichtung zur Einführung einer Aerosolprobe in die Reaktionszone gemäß US-PS 4 009 413 betrieben, dann wirkt ein derartiger Aerosol-Nebelbildner zusätzlich auf die Plasmaströme und drückt sie unter DeStabilisierung der Plasmastrahllage auseinander. Die Verwendung einer Aerosolproben-Einführeinrichtung, insbesondere bei der Einführung der Probe in einen ionisierten Gasstrahl unterhalb der Reaktionszone und bei verhältnismäßig hoher Gasgeschwindigkeit wird zusammen mit in unterschiedlich gepolten Gasströmen im Magnetfeld eine Destabilisierung des Plasmastrahls bewirkt, so daß die erhaltenen spektromefrischen Daten sowohl an Qualität als an Intensität nicht konstant sind.

Die erfindungsgemäße Verwendung einer dritten Kathoden-Elektrode, die gegenüber der von den sich schneidenden Elektrodenachsen aufgespannten Ebene versetzt ist, wird ein orts- bzw. lagestabilisierter Plasmabogen erzielt. Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung stabilisiert den Plasmabogen deshalb, weil die Elektroden-Beine des umgekehrten Y die gleiche Polarität haben und weil sich die von den ersten und zweiten Elektroden emittierten ionisierten Gassäulen gemeinsam in die gleiche Richtung bewegen und nicht auseinandergedrängt werden, so daß an der Verbindungsstelle der Plasmastrahlen eine stabilisierte Reaktionsoder Anregungszone gebildet ist. Dies führt zu einer besseren

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Lagestabilität, bei der selbst unter Verwendung einer Aerosol-Einleiteinrichtung eine in das ionisierte Trägergas unmittelbar in die Reaktionszone eingeleitete Probe keine Destabilisierung der Plasmastrahllage bewirkt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendbarkeit von Graphitanoden anstelle von Wolframanoden, obgleich auch Wolframelektroden verwendbar sind. Bevorzugte Verwendung finden jedoch Graphitanoden, da sie lediglich eine geringe Anzahl von Kohlenstofflinien zum Spektrum beitragen.

Gemäß Erfindung soll die dritte Elektrode oder die Kathode nicht unmittelbar oberhalb des von der ersten und zweiten gebildeten umgekehrten V liegen, sondern bezüglich der von den sich schneidenden ersten und zweiten Elektrodenachsen aufgespannten Ebene versetzt sein. Die dritte Elektrode ist üblicherweise derart angeordnet, daß eine Ablenkung des Plasmastrahls erfolgt, vorzugsweise eine senkrechte Ablenkung aus der Elektrodenachsenebene. . Liegt die dritte Elektrode nämlich in der Elektrodenachsenebene dann treten Schwierigkeiten aufgrund von Verunreinigungen auf, die bei einer versetzten und abgelenkten Anordnung bei gleichzeitiger guter Stabilisierung des Plasmastrahls nicht vorhanden sind.

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Als Gleichspannungsquellen sind alle geeigneten Spannungsquellen verwendbar, vorzugsweise verwendet man jedoch Spannungsquellen mit einer gemeinsamen Kathode. Demnach sind in einer bevorzugten Ausführung die Gleichspannungsquellen gemeinsam an dieselbe Kathode angeschlossen, die üblicherweise eine Wolfram- oder Metallelektrode ist, um die sehr großen Ströme auszuhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher erläutert:

Ein Plasmastrahlgerät 10 umfaßt blockförmige Elektrodenträger 12, 14 und 16 sowie erste und zweite Anoden 20 und 22 aus Graphit oder Wolfram, deren verlängerte Achsen sich unter einem Winkel schneiden. Dieser Winkel beträgt in einer Ausführung etwa 75 . Eine dritte Elektrode aus Wolfram bildet die Kathode 18. Die Elektroden 18, 20 und 22 sind jeweils in zu den Elektroden koaxialen keramischen Gehäusen 24, 26 und 28 untergebracht, welche auf den Elektrodenträgern 12, 14 und 16 sitzen. Ein ionisierbares Gas, beispielsweise Argon, wird an einem Ende jedes Keramikgehäuses eingeleitet und zur Bildung des Plasmastrahls um die Elektroden geführt. Zur axialen Verschiebung der Elektroden in den Keramikgehäusen für ein Vorschieben und Austauschen der Elektroden sowie zur Einstellung einer gewünschten Betriebslage sind nicht dargestellte Einrichtungen vorgesehen.

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Unmittelbar unter der Schnittstelle der Elektrodenachsen der Elektroden 20 und 22 ist ein Aerosolproben einleitende Nebelerzeuger 30 mit einem Auslaß 32 angeordnet durch den ein aerosolförmiger Probenstrahl 34 in die Anregungszone 38 des gebildeten Plasmastrahls einleitbar ist. Die Einleitung der Probe erfolgt somit aus der Öffnung 32 unmittelbar in den Anregungsbereich 38. Der in der Figur dargestellte Plasmastrahl 36 hat die Form eines umgekehrten Y. Außerdem sind zwei konstante Gleichstromquellen 4o und 46 vorgesehen, die beide an die Kathode 18 angeschlossen sind und wobei ihre anderen Anschlüsse jeweils an eine der Anoden führt, und zwar von der Spannungsquelle 40 an die Anode 22 und von der Spannungsquelle 46 an die Anode 20. Die über dem Auslaß 32 des Nebelerzeugers 30 dargestellten Pfeile verdeutlichen schematisch den Strömungspfad der in die Anregungszone 38 eingespeisten Probe.

Im Betrieb wird um die Elektroden 18, 20 und 22 eine laminare Strömung eines ionisierten Gases aufrechterhalten, während durch den Nebelerzeuger 30 und dessen Auslaß 32 eine Probe 34 in Form einer Aerosol-Laminarströmung unmittelbar in die vom Plasmastrahl 36 gebildete Anregungszone 38 eingeleitet wird. Der gebildete Plasmastrahl folgt der Strömung des ionisierten Gases aus den Elektrodengehäusen 26 und 28 der Anoden 20 und 22, da sich die von jeder der Anoden in die gleiche Richtung bewegenden

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Ströme aufgrund der dabei erzeugten Magnetfelder anziehen. Wie dargestellt liegt die Anregungszone zwischen und unmittelbar unterhalb der Stelle, an der die beiden Plasmasäulen des von den Anoden stammenden ionisierten Argons sich vereinigen.

Gezündet wird der ionisierte Plasmastrahl durch Vorschieben der Kathode 18 und der Anoden 20 und 22 aus ihren Elektrodengehäusen, so daß die Kathode 18 eine der Anoden 20 oder 22 berührt, während die jeweils andere Anode 20 oder 22 in geringem Abstand dazu liegt, die beiden sich berührenden Elektroden jedoch nicht berührt. Wird die Kathode 18 nach dei Berührung mit einer der Anoden zurückgezogen und sind dabei die Elektroden in der dargestellen Weise an Spannungsquellen angeschlossen, während gleichzeitig Argon strömt, dann bildet das ionisierte Argongas einen Plasmastrahl, durch den auch die zunächst unbeteiligte zweite Anode leitend wirkt. Schließlich werden alle drei Elektroden in ihre gewünschte Betriebsstellung zurückgezogen, wobei die Enden etwas innerhalb der Elektrodengehäuse 24, 26 und 28 liegen.

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Claims

Ansprüche

Plasmastrahlgerät, insbesondere zum Einsatz in einem
Spektrometer, gekennzeichnet durch:

erste und zweite Elektroden (20, 22) einer ersten
Polarität;

mindestens eine dritte Elektrode (18) anderer Polarität als die ersten und zweiten Elektroden (20, 22);

eine unsymmetrische Anordnung der ersten und zweiten Elektroden (20, 22), bei der sich die verlängerten Elektrodenachsen der im Abstand zueinanderliegenden ersten
und zweiten Elektroden (20,22) unter einem spitzen Winkel schneiden;

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eine zu der von den sich schneidenden Elektrodenachsen aufgespannten Ebene versetzte Anordnung der dritten Elektrode (18) , die im Abstand zum Schnittpunkt der Elektrodenachsen liegt;

die Elektroden (18, 20, 22) umgebende Elektrodengehäuse (12, 14, 16) zur Führung eines ionisierbaren Gasstroms um die Elektroden (18, 20, 22) sowie zur Bildung eines Plasmastrahls zwischen den Elektroden (18, 20, 22); uund

eine zwischen den einen spitzen Winkel bildenden Elektroden (20, 22) liegende und auf die Schnittstelle der Elektrodenachsen gerichtete Einführeinrichtung (3O7 für das Einführen einer zu untersuchenden Probe in die bei im Betrieb sich vereinigenden, umgekehrt Y-förmigen Plasmaströmen gebildete Anregungszone (38).
2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Spannungsquellen (40, 46), die an jede der Elektroden (18, 20_r 22) angeschlossen sind.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquellen (40, 46) zwei getrennte, konstante Gleichspannungsquellen sind, von denen jede an die dritte Elektrode der anderen Polarität angeschlossen ist.

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4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektrode (20, 22) jeweils Anoden und die dritten Elektroden (18) Kathoden sind.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden (20, 22) Graphitelektroden sind und daß die Kathode (18) eine Wolframelektrode ist.
6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Einführeinrichtung (30) ein Nebelerzeuger für die Einführung einer Aerosoiprobe von unten in die Anregungszone (38) ist.
7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (18) im wesentlichen senkrecht zu der von den Elektrodenachsen der ersten und zweiten Elektrode (20, 22) aufgespannten Ebene liegt.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektrodenachsen der ersten und
zweiten Elektrode (20, 22) in einem Winkel von etwa 60° bis etwa 90 schneiden.
9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Elektrode (20, 22)

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Graphitelektroden sind und die dritte Elektrode (18) eine Kathode ist, und daß diese Elektroden die einzigen im Plasmastrahlgerät verwendeten Elektroden sind.
10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Prisma und ein Echelle-Gitter, die zur Einstellung der Vertikal- und Horizontel-Komponenten der gestreuten Spektralenergie in der Ausgangsbrennebene des Spektrometers in zwei Richtungen drehbar montiert sind.
11. Verfahren zum Einleiten einer spektrometrisch zu untersuchenden Probe in einen Plasmastrahl, dadurch gekennzeichnet,

daß zwei im Abstand zueinander angeordnete Elektroden der gleichen Polarität einen spitzen Winkel bildend angeordnet werden;

daß eine dritte Elektrode entgegengesetzter Polarittät im Abstand zu der ersten und zweiten Elektrode sowie versetzt zu der von der ersten und zweiten Elektrodenachse aufgespannten Ebene angeordnet wird;

daß ein Strom ionisierbaren Gases zur Bildung eines Plasmastrom in Form einer zwischen den Elektroden verlaufenden, ununterbrochenen ionisierten Gassäule um die Elektrodenachsen geleitet wird)

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daß ein Plasmastrom in Form eines umgekehrten Y gebildet wird, der im unteren Bereich der sich schneidenden Elektrodenachsen eine bogenförmige Anregungszone besitzt, die im Plasmastrahl lagestabilisiert ist;

daß eine spektrometrisch zu analysierende Probe unmittelbar in den unteren Bereich der Anregungszone zwischen der ersten und zweiten Elektrode eingeführt wird; und

daß die von der in die stabilisierte Anregungszone eingebrachten Probe erhaltenen Spektren spektrometrisch analysiert werden.
12. Verfahren nach Anspruch τ 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode zu der von der ersten und zweiten Elektrodenachse aufgespannten Ebene versetzt und im wesentlichen senkrecht angeordnet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als Elektrode anderer Polarität eine Kathode und als erste und zweite Elektrode Anoden verwendet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man für die Kathode Wolfram und für die Anoden Wolfram- oder Graphit-Elektroden verwendet.

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15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man an die Kathode und die erste Anode Gleichstrom einer ersten Quelle und an die Kathode und die zweite Anode Gleichstrom von einer getrennten zweiten Quelle legt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Aerosolprobe in einen ionisierbaren Gasstrom in die stabilisierte Anregungszone des Plasmastrahls einführt.

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