Способ получения локального электрического разряда в жидкости и устройство для его осуществления (варианты )

 

Изобретение относится к области технической физики, в частности к способам получения локального электрического разряда в жидкости. Сущность: разряд получают путем пропускания электрического тока через жидкость посредством электродов. При этом электроды разделяют перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой, через которую проходит жидкостной токопровод. В одном варианте оба электрода могут быть погружены в жидкость. В другом варианте один из электродов погружен в жидкость, а другой герметично прилегает к диэлектрической стенке корпуса снаружи и сообщается с жидкостью диафрагмой, выполненной в диэлектрической стенке корпуса. Технический результат: повышение удельной мощности, рассеиваемой в единице объема жидкости. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области технической физики, в частности к способам получения высоковольтного электрического разряда для использования при определении элементного состава вещества или для его деструкции при пробоподготовительных операциях.

Известно использование электрических разрядов на свободной поверхности жидкости в качестве источников атомизации и возбуждения в оптических сенсорах для многоэлементного анализа в потоке.

Известен [1-3] капельно-искровой разряд (КИР), возникающий при сближении менисков, напряжение между которыми превышает 600 вольт. Несмотря на высокое напряжение, необходимое для зажигания КИР, благодаря импульсному режиму работы потребляемая мощность устройства не превышает 0,1 Вт. КИР одновременно обеспечивает распыление жидкости и служит источником атомных спектров.

Устройство, реализующее способ атомно-абсорбционного анализа на основе КИР, представлено на фиг.1, где

1 - емкость с электролитом (разбавленной кислотой);

2 - емкость с анализируемой жидкостью;

3 - положительный электрод;

4 - отрицательный электрод;

5 - источник питания (высоковольтного напряжения);

6 - электрическая емкость (конденсатор), обеспечивающая разряд;

7 - средство для сближения менисков электролита и анализируемой жидкости;

8 - фотоэлектронный умножитель;

9 - светофильтр;

10 - оптический спектрометр.

Устройство работает следующим образом. В емкостях с электролитом 1 и анализируемой жидкостью 2 расположены соответственно положительный 3 и отрицательный 4 электроды, на которые подается высокое напряжение (порядка 600 вольт) от источника постоянного тока 5, заряжающего разрядный конденсатор 6 (емкостью порядка 2 мкФ).

При сближении менисков электролита и анализируемой жидкости в устройстве 7 происходит зажигание КИР, обеспечивающего распыление анализируемой жидкости и служащего источником атомного спектра анализируемого вещества, который детектируется с помощью фотоэлектронного умножителя 8 со светофильтром 9 и отображается оптическим спектрометром 10.

Устройство на основе КИР применимо, в частности, для определения в потоке основных катионных компонентов (Na, К, Са, Мg) природных и технологических вод. Аналитическим сигналом при этом служит интегральная интенсивность излучения атомных линий металлов, перешедших путем распыления из католита в положительный столб тлеющего разряда.

Достоинства описанного метода: отсутствие эффекта памяти, низкая потребляемая мощность (благодаря использованию импульсного разряда), отсутствие сложных элементов конструкции.

К недостаткам описанного способа следует отнести:

- сложность подачи жидкости в зону КИР;

- нестабильность разряда;

- уход продуктов анализа в атмосферу.

Предлагаемый способ получения локального электрического разряда в жидкости, будучи использованным для ионизации в эмиссионном анализе или атомизации в атомно-абсорбционном спектральном анализе элементного состава вещества, свободен от перечисленных недостатков. Кроме того, он обладает рядом преимуществ по сравнению с рассмотренным выше способом, в частности, предлагаемый способ может быть использован для анализа жидкости в потоке.

Предлагаемый способ получения локального электрического разряда в жидкости заключается в том, что при пропускании электрического тока через указанную жидкость концентрацию электрической мощности, рассеиваемой в единице объема жидкости, достаточную для получения и поддержания устойчивого разряда, обеспечивают повышением напряжения указанного электрического тока и уменьшением площади поперечного сечения и протяженности жидкостного токопровода в зоне локального разряда.

Предлагаемый способ может быть реализован в двух вариантах: указанным жидкостным токопроводом соединяют электрически изолированные друг от друга объемы указанной жидкости, в которые погружены электроды, либо указанным жидкостным токопроводом соединяют электрически изолированные друг от друга объем указанной жидкости, в который погружен электрод, и электрод противоположного знака.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что ионизацию или атомизацию анализируемой жидкости осуществляют путем поддержания локального высоковольтного разряда в этой жидкости. При этом высокую удельную мощность рассеивают в единице объема жидкости за счет использования электродов, на которые подается высокое напряжение, достаточное для поддержания высоковольтного локального электрического разряда, и разделяющей их перегородки из диэлектрического материала с диафрагмой, площадь отверстия которой в совокупности с толщиной перегородки (осевой протяженностью указанного отверстия) обеспечивает необходимую степень локализации разряда.

Именно, реализуя в совокупности существенные признаки предлагаемого способа, удается обеспечить устойчивый высоковольтный разряд в жидкости. Обеспечение устойчивого локального высоковольтного разряда в жидкости достигается локализацией разряда и повышением электрического напряжения до величины, обеспечивающей поддержание стабильного электрического разряда. Локализация разряда достигается по существу минимизацией объема жидкости, в котором происходит разряд. В варианте устройства, реализующем предлагаемый способ, это обеспечивается за счет выбора площади отверстия диафрагмы и толщины перегородки или стенки корпуса с диафрагмой.

Пределы повышения напряжения и уменьшения объема жидкости, в котором происходит разряд (локализация электрического разряда), определяются получением в локальном объеме жидкости концентрации электрической мощности, достаточной для обеспечения устойчивости этого локального разряда. При этом конкретные значения этих трех величин (толщины и длины жидкостного токопровода и величины напряжения) могут быть различными (в зависимости от характера аналитической задачи) и с известной степенью приближения определяются по общеизвестным формулам

,

где I - ток устойчивого локального электрического разряда;

U - напряжение устойчивого электрического разряда;

R - электрическое сопротивление локального объема вещества, в котором происходит устойчивый электрический разряд;

L - длина жидкостного токопровода, в котором происходит устойчивый электрический разряд (толщина перегородки или стенки корпуса с диафрагмой);

S - площадь поперечного сечения жидкостного токопровода (площадь отверстия диафрагмы);

К - удельное электрическое сопротивление вещества в токопроводе, в котором происходит электрический разряд, зависящее от конкретных условий (включая электропроводность и теплопроводность жидкости с газовыми включениями).

Понятие “жидкостной токопровод” эквивалентно понятию “локальный объем жидкости, в котором происходит разряд”, Уменьшение площади поперечного сечения указанного токопровода (уменьшение площади отверстия диафрагмы) и уменьшение протяженности токопровода (уменьшение толщины перегородки или толщины стенки корпуса с диафрагмой) приводит к уменьшению объема жидкости, в котором происходит разряд, т.е. к локализации разряда и концентрации мощности, рассеиваемой в локальном объеме жидкости, в котором происходит разряд.

Два варианта предлагаемого способа реализуются двумя вариантами конструкций. В первом варианте устройство для реализации способа содержит корпус с электропроводящей жидкостью и электроды, соединенные с источником высокого напряжения. Указанные электроды погружены в жидкость и разделены перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой. Площадь отверстия диафрагмы определяется исходя из толщины перегородки, величины напряжения на электродах, теплопроводности и электропроводности жидкости.

Во втором варианте устройство для реализации способа содержит корпус с электропроводящей жидкостью и электроды, соединенные с источником высокого напряжения. При этом один из электродов погружен в жидкость, а другой герметично прилегает к диэлектрической стенке указанного корпуса снаружи и сообщается с указанной жидкостью диафрагмой, выполненной в указанной диэлектрической стенке корпуса. Площадь отверстия диафрагмы в этом случае определяется исходя из толщины указанной диэлектрической стенки корпуса, величины напряжения на электродах, теплопроводности и электропроводности жидкости.

Вариант конструкции, реализующей предлагаемый способ, представлен на фиг.2, где

1 - корпус;

2 - электроды;

3 - диэлектрическая перегородка;

4 - электропроводящая жидкость;

5 - диафрагма;

6 - источник высокого напряжения.

Устройство работает следующим образом. Высокое напряжение, приложенное к расположенным в корпусе 1 электродам 2, разделенным диэлектрической перегородкой 3, создает электрический разряд в электропроводящей жидкости 4, которой заполнен указанный корпус. Этот разряд, будучи локализованным в малом объеме жидкости, расположенной в отверстии, выполненной в указанной перегородке диафрагмы 5, создает высокую концентрацию рассеиваемой мощности для ионизации или атомизации жидкости. Подача высокого напряжения обеспечивается высоковольтным источником питания 6, стабилизация тока которого является одним из условий стабильности локального электрического разряда.

Несмотря на высокую температуру в зоне разряда за счет интенсивного отвода тепла жидкостью, в которой происходит разряд, обеспечивается долговременная и стабильная работа указанной диафрагмы.

Другой вариант конструктивной реализации способа получения локального электрического разряда в жидкости представлен на фиг.3, где

1 - корпус;

2 - внутренний электрод;

3 - внешний электрод;

4 - электропроводящая жидкость;

5 - диафрагма (в диэлектрической стенке корпуса);

6 - источник высокого напряжения.

Устройство работает следующим образом. Высокое напряжение, приложенное между расположенным внутри корпуса 1 внутренним электродом 2 и расположенным вне корпуса внешним электродом 3, создает электрический разряд в электропроводящей жидкости 4. Этот разряд, будучи локализованным в малом объеме жидкости, расположенной в отверстии диафрагмы 5, выполненной в диэлектрической стенке корпуса, создает высокую концентрацию рассеиваемой мощности для ионизации или атомизации жидкости. Подача высокого напряжения обеспечивается высоковольтным источником питания 6, стабилизация тока которого является условием стабильности локального электрического разряда.

Площадь отверстия диафрагмы определяется исходя из величины напряжения на электродах, теплопроводности и электропроводности жидкости и толщины диэлектрической перегородки или диэлектрической стенки корпуса с диафрагмой.

Зная толщину диэлектрической перегородки (стенки корпуса), величину напряжения на электродах, теплопроводность и электропроводность жидкости с известной степенью приближения по общеизвестным формулам, приведенным выше, можно определить площадь отверстия диафрагмы

Эти параметры выбираются таким образом, чтобы в области диафрагмы выделить основную часть электрической мощности, прикладываемой к электродам. Чем меньше площадь отверстия диафрагмы и выше указанное напряжение, тем полнее выполняется требование по инициализации локального разряда в жидкости. Для получения стабильного локального разряда в жидкости необходимо напряжение в диапазоне значений от 5 до 15 кВ при толщине перегородки или стенки корпуса с диафрагмой от 0,2 до 1,5 мм и диаметре отверстия диафрагмы от 0,1 до 0,5 мм.

Возможность практического осуществления предлагаемого способа подтверждается работой вариантов конструкции устройства, представленных на фиг.2 и 3. Эти конструкции были выполнены и испытаны, что подтверждает не только осуществимость, но и промышленную применимость предлагаемого технического решения.

При практической реализации предлагаемых способа и устройства использовались перегородка и стенка корпуса из кварцевого стекла толщиной от 0,2 до 1,5 мм с диафрагмой, снабженной отверстием диаметром от 0,1 до 0,5 мм, т.е. объем жидкостного токопровода составлял от 0,1 до 0,5 куб.мм. При использовании в качестве источника тока регулируемого источника напряжения 0-10 кВ, подключаемого через балластное сопротивление 20 кОм (необходимого, как и в случае газового разряда, для его стабилизации), напряжение возникновения (зажигания) разряда в зависимости от проводимости используемой жидкости (например, раствора KCl концентрацией от 0,0001 М до 1 М), менялось в пределах от 3 до10 кВ. При этом падение напряжения на разрядном промежутке (жидкостном токопроводе) было от 0,5 до 2 кВ, величина тока - от 0,02 до 0,1 А.

Таким образом, величина удельной мощности, выделяемой в объеме жидкостного токопровода, была в диапазоне значений от десятков до сотен ватт на куб. мм (т.е. до сотен киловатт на куб.см). При больших токах (сотни миллиампер) разряд, оставаясь стабильным, пространственно выходил за пределы диафрагмы.

Испытания показали, что кварцевое стекло является наиболее подходящим материалом, позволяющим реализовать предлагаемый способ, так как перепад температуры между внутренней частью диафрагмы по оси канала и остальным объемом жидкости составляет более тысячи градусов.

Так как величина электрического сопротивления канала (жидкостного токопровода), в том числе и из-за изменения состояния вещества внутри указанного токопровода, меняется нелинейно, привести строгое аналитическое выражение, связывающее электрические величины и геометрические параметры устройства, без обстоятельных исследований не представляется возможным. Можно, однако, отметить, что (в отличие от газоразрядной системы, где инициализация разряда определяется потенциалом ионизации газа, сопровождается значительным уменьшением электрического сопротивления разрядного промежутка и соответственно увеличением тока) в данном случае инициализация разряда определяется переходом жидкости в объеме жидкостного токопровода в газообразное состояние, для чего следует сконцентрировать определенную удельную мощность в жидкостном токопроводе, а величина сопротивления указанного токопровода может при этом как увеличиваться, так и уменьшаться.

Инициализации разряда способствуют пузырьки воздуха (газа, пара), возникающие в жидкостном токопроводе или попадающие в него. Это происходит за счет увеличения сопротивления жидкостного токопровода, что при заданном токе приводит к увеличению падения напряжения на нем и, следовательно, к увеличению удельной мощности, рассеиваемой на жидкостном токопроводе, что в определенной степени нивелирует зависимость мощности, требующейся для инициализации разряда, от проводимости жидкости.

В некотором приближении для жидкой фазы удельная мощность, рассеиваемая в объеме жидкостного токопровода, может быть выражена следующей зависимостью:

,

где U - падение напряжение на жидкостном токопроводе (напряжение разряда);

I - величина тока в цепи (ток разряда);

R - электрическое сопротивление локального объема вещества, в котором происходит разряд;

K - удельное электрическое сопротивление вещества в токопроводе, зависящее от конкретных условий (включая электропроводность и теплопроводность жидкости с газовыми включениями);

V - объем жидкостного токопровода;

S - площадь поперечного сечения жидкостного токопровода (площадь отверстия диафрагмы);

L - длина жидкостного токопровода (толщина перегородки или стенки корпуса с диафрагмой).

Хотя в этом приближении и отсутствует явная зависимость удельной мощности Р от длины L жидкостного токопровода (толщина перегородки или стенки корпуса с диафрагмой), однако при увеличении L ухудшаются условия отвода тепла (в твердом теле диэлектрической перегородки или стенки корпуса), что (при значительном увеличении L) может привести к разрушению диафрагмы.

Высокая удельная мощность, рассеиваемая в единице объема жидкости, позволяет использовать предлагаемый способ не только для ионизации в эмиссионном и атомизации в атомно-абсорбционном спектральном анализе, но и для деструкции (разложения) вещества при пробоподготовительных операциях. При этом высокотемпературная обработка пробы, с одной стороны, обеспечивает ее быструю минерализацию, а с другой, за счет того что процесс идет внутри жидкости, резко сокращает потери анализируемого вещества.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Ягов В.В., Короткое А.С., Зуев Б.К. Доклады РАН. 1998, т.359, №2, с.208.

2. Jagov V.V., Korotkov A.S., Zuev B.K.. Mjasoedov B.F. Mend.Common. 1998, №4, p.161.

3. Ягов В.В., Гецина М.Л. Эк. аналитическ. химии. 1999, т.54, №8, с.817-824.

4. Ягов В.В., Гецина М.Л., Зуев Б.К., Коротков А.С. Тезисы докладов 4-й Всероссийской конференции “Экоаналитика 2000”, Краснодар, 2000. с.79-80.

Формула изобретения

1. Способ получения локального электрического разряда в жидкости, заключающийся в пропускании электрического тока через указанную жидкость посредством электродов, отличающийся тем, что электроды разделяют перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой, через которую проходит жидкостной токопровод.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанным жидкостным токопроводом соединяют электрически изолированные друг от друга объемы указанной жидкости, в которые погружены электроды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанным жидкостным токопроводом соединяют электрически изолированные друг от друга объем указанной жидкости, в который погружен электрод, и электрод противоположного знака.

4. Устройство для получения локального электрического разряда в жидкости, содержащее корпус с электропроводящей жидкостью и электроды, соединенные с источником высокого напряжения, отличающееся тем, что указанные электроды погружены в жидкость и разделены перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой.

5. Устройство для получения локального электрического разряда в жидкости, содержащее корпус с электропроводящей жидкостью и электроды, соединенные с источником высокого напряжения, отличающееся тем, что один из электродов погружен в жидкость, а другой герметично прилегает к диэлектрической стенке указанного корпуса снаружи и сообщается с указанной жидкостью диафрагмой, выполненной в указанной диэлектрической стенке корпуса.

6. Устройство по пп.4 и 5, отличающееся тем, что величина напряжения на электродах находится в диапазоне значений от 5 до 15 кВ, а диаметр отверстия указанной диафрагмы в диапазоне значений от 0,1 до 0,5 мм.

РИСУНКИ