Высокочастотный индукционный плазмотрон для спектрального анализа

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника возбуждения спектров при спектральном анализе. Целью изобретения является повышение точности анализа путем создания устойчивого соосного разрядной камере тора рециркуляции плазмы в зоне индуктора. Указанная цель достигается за счет того, что внутри кварцевой водоохлаждаемой разрядной камеры, охваченной индуктором, установлена соосно камера и плотно с ней трубка для ввода анализируемого вещества с помощью кольца закрутки из диэлектрического материала. На поверхности кольца закрутки выполнены канавки для подвода плазмообразующего газа в виде многозаходной резьбы. Расстояние H от торца кольца, обращенного в сторону индуктора, до ближайшего витка индуктора, выбрано из соотношения, при котором достигается тор рециркуляции плазмы в зоне индуктора. 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к ВЧ-плазмотронам, используемым в качестве источника возбуждения спектров при спектральном анализе. Целью изобретения является повышение точности анализа путем создания устойчивого соосного разрядной камере образования рециркуляции плазмы в зоне индуктора. На фиг.1 изображен плазмотрон, общий вид; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3-5 траектории движения анализируемых частиц и форма тора рециркуляции плазмы при различных положениях кольца закрутки относительно индуктора. Плазмотрон содержит индуктор 1 с источником питания (на фиг.1 не показан) и диэлектрическую разрядную камеру 2, охваченную отрезком трубы 3 из диэлектрического материала. В пространство 4 между разрядной камерой и отрезком трубы через патрубок 5 подается охлаждающая вода, которая сливается через патрубок 6. Разрядная камера 2 и отрезок трубы 3 уплотняются в корпусах сальников 7 и 8 посредством уплотнений 9-12. Осевая трубка 13 для ввода анализируемого вещества закреплена в коллекторе 14 посредством уплотняющего кольца 15. В свою очередь, коллектор 14 крепится на разрядной камере 2 через уплотнение 16. Патрубок 17 служит для подачи плазмообразующего газа. В разрядной камере 2 трубка 13 плотно укреплена с помощью кольца 18 закрутки, снабженного канавками 19, выполненными в виде многозаходной резьбы на его наружной поверхности. Кольцо 18 закреплено таким образом, чтобы между ним и разрядной камерой 2, а также трубкой 13 не было зазоров. Расстояние от кольца до ближайшего витка индуктора выбирается из условия 0,07 ≅ H ≅ 0,15 При этом плазменное образование 20 представляет собой тор рециркуляции, соосный с осью разрядной камеры. Расположение оси тора рециркуляции внутри индуктора приводит к значительному повышению стабильности горения ВЧИ-разряда. На фиг.3-5 показана зона выделения мощности 21 (скин-слой) и траектории 22 (пунктир) движения анализируемых частиц. Плазмотрон работает следующим образом. Через патрубок 5 подается охлаждающая вода, которая заполняет пространство 4 и отводится через патрубок 6, а через патрубок 17 подается плазмообразующий газ, например, аргон, газ, проходя по канавкам 19 кольца закрутки 18, выполненным в виде многоходовой резьбы, образует в области индуктора симметричный стабильный газовый поток с рециркуляцией. Затем включается источник питания, соединенный с индуктором 1, и с помощью известных средств, например, вспомогательного искрового разряда, в зоне индуктора возбуждается плазменный разряд, имеющий симметричную форму тора рециркуляции. После этого через трубку 13 строго по оси разряда вводится с потоком транспортирующего газа анализируемое вещество, например, аэрозоль соответствующего раствора. Проходя по каналу, образующемуся в плазме на вертикальной оси тора, анализируемое вещество испаряется, ионизируется и возбуждается, благодаря чему оно излучает характерный спектр. Полученный оптический сигнал проектируется, например, с помощью поворотного зеркала, с выходного торца плазмотрона на спектральный прибор. По полученным спектрам может быть получена информация о качественном и количественном составе анализируемой пробы. Расстояние Н выбрано экспериментальным путем и обеспечивает стабильную симметричную форму плазменного образования 20. При этом анализируемое вещество поступает в центральную приосевую зону разряда, в которой не происходит выделение мощности. Нагрев частиц осуществляется за счет процессов конвекции и теплопроводности. Как показали эксперименты, если кольцо 18 расположено на расстоянии Н < 0,07 S_к/S_п, то возникающие вблизи плазменного сгустка обратные потоки препятствуют попаданию частиц анализируемого вещества в центральную зону разряда, и вещество частично обтекает зону разряда, частично попадает в его периферийную область, т.е. в "скин-слой" (см.фиг.3). При этом, во-первых, поток газа, подаваемого в центральную трубку, нарушает стабильность течения газа в "скин-слое", что снижает пространственно-временную стабильность плазмы в зоне выделения мощности. Во-вторых, попадание анализируемого вещества в "скин-слой" изменяет удельное электрическое сопротивление плазмы и, следовательно, ее температуру, а также глубину проникновения тока в плазму. В результате интенсивность излучения анализируемой линии будет зависеть не только от концентрации элемента, но и от состава пробы. Кроме того, при вводе пробы в зону выделения мощности любая нестабильность в системе подачи анализируемого вещества будет сказываться сильнее, чем при вводе вещества в центральную часть разряда. При расположении кольца 18 на расстоянии от индуктора Н > 0,15 S_к/S_п нарушается симметрия газового потока, что ведет к нарушению симметрии плазмы. При этом характер изменений структуры газового потока зависит от соотношения между площадью сечения разрядной камеры S_к и площадью сечения канавок для ввода газа S_п кольца закрутки 18. На фиг.5 показана форма разряда и траектории движения частиц при расположении эластичного кольца на расстоянии Н > 0,15 S_к/S_п. Видно, что плазменный сгусток становится несимметричным, а анализируемое вещество попадает как в центральную зону, так и в "скин-слой". При этом резко снижается точность анализа. Таким образом, при выполнении условия 0,07 ≅ H ≅ 0,15 обеспечивается симметрия плазменного образования (тора) и попадание анализируемого вещества лишь в центральную зону разряда. В этом случае параметры плазмы практически не зависят от состава анализируемого вещества,так как оно не попадает в скин-слой и достигается наиболее высокая точность и достоверность спектрального анализа. Данное устройство обеспечивает относительное стандартное отклонение аналитического сигнала не хуже 0,6-1%

Формула изобретения

ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА, содержащий водоохлаждаемую диэлектрическую разрядную камеру, на одном из торцов которой закреплены коллектор с патрубком подачи плазмообразующего газа и введенная внутрь камеры осевая трубка для подачи анализируемого вещества, охватывающий камеру индуктор и расположенное со стороны коллектора кольцо закрутки газа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности анализа путем создания устойчивого соосного разрядной камере образования рециркуляции плазмы в зоне индуктора, кольцо закрутки газоплотно установлено в разрядной камере между ее стенкой и осевой трубкой и удалено от индуктора по оси камеры на расстояние H, определяемое из соотношения где S_к - площадь поперечного сечения разрядной камеры, см²; S_п - суммарная площадь проходных каналов кольца закрутки, см²; 0,07 и 0,15 - числовые коэффициенты, см.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5