БЕЗЭЛЕКТРОДНАЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СПЕКТРАЛЬНАЯ ЛАМПА В ВАКУУМНОЙ РУБАШКЕ Российский патент 1996 года по МПК G01J3/10 

Изобретение относится к источникам резонансного излучения, предназначенным для использования в атомно-абсорбционной и атомно-флуоресцентной спектрометрии, и может найти применение в другой спектральной аппаратуре.

Известна спектральная лампа с индукционным способом возбуждения. Баллон лампы выполнен из кварцевого стекла, имеет шарообразную форму с отростком, в котором находится рабочий элемент-наполнитель (металл). Баллон наполнен инертным газом при давлении 100-500 Па. Для возбуждения разряда лампа помещается в катушку индуктивности контура ВЧ-генератора [1] Основным недостатком лампы является нестабильность излучения.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является устройство [2] которое содержит безэлектродную высокочастотную спектральную лампу, размещенную на ножке, колба которой наполнена буферным газом, а отросток содержит элемент-наполнитель, катушку индуктивности контура ВЧ-генератора, охватывающую безэлектродную лампу, втулку, расположенную соосно с катушкой индуктивности. Однако такое устройство имеет недостаток, заключающийся в невозможности уменьшения релаксационных колебаний интенсивности излучения. Для обеспечения функционирования безэлектродной лампы необходимо создание в колбе лампы паров металла-наполнителя с определенным парциальным давлением, при котором существует ВЧ-разряд. Это обеспечивается нагревом колбы и отростка ВЧ-разрядом. При этом если между отростком и колбой существует градиент температуры (температура отростка меньше), то давление в лампе стабилизируется через некоторое время после включения и остается неизменным при постоянной величине подводимой мощности. В конструкции за счет использования вакуумной рубашки устраняются влияния конвекционных потоков воздуха, изменяющих температуру лампы в целом, а следовательно, являющиеся причиной изменения интенсивности излучения (дрейфа). Создание необходимого градиента температуры в конструкции обеспечивается отводом тепла от отростка лампы за счет его жесткого крепления к ножке лампы, при этом температура отростка определяет парциальное давление паров в лампе. Оптимальным значением давления является 133 · 10^-1 133 · 10^-3 Па (в зависимости от элемента), при котором обеспечивается максимальная интенсивность при узких несамообращенных резонансных линиях излучения. Однако в этом случае на колбе лампы при использовании в качестве наполнителя легколетучих химических элементов возникает конденсация паров металла. Она происходит на холодных участках колбы. Такими участками являются центральная часть колбы по оси катушки индуктивности вследствие неоднородности поля и участки поверхности колбы, которые имеют большую толщину, чем соседние участки (разнотолщинность колбы, свили и другие дефекты стекла). Вследствие такого перемещения металла по поверхности происходит изменение пропускания стекла и, как следствие, возникают релаксационные колебания интенсивности излучения. Устраняются релаксационные колебания интенсивности более равномерным прогревом колбы лампы. При увеличении подводимой ВЧ-мощности можно устранить влияние разнотолщинности колбы на распределение температуры по поверхности колбы лампы, но при этом не устраняется неравномерность распределения поля по диаметру катушки индуктивности и, следовательно, температуры колбы лампы. Кроме того, увеличение мощности ведет к увеличению температуры отростка и, следовательно, к увеличению парциального давления паров в колбе лампы, приводящие к уширению линии или ее самообращению, а в некоторых случаях к срыву разряда, особенно для ламп с галоидным наполнением. При увеличении отвода тепла от отростка лампы можно увеличить градиент температуры и также исключить влияние разнотолщинности стекла, но при этом уменьшаются парциальное давление паров металла-наполнителя и интенсивность излучения. При этом влияние распределения температуры по диаметру лампы на миграцию металла по поверхности колбы может быть также исключено, если температуру отростка существенно уменьшить по сравнению с самой холодной центральной областью баллона лампы. Однако это ведет к еще более значительному уменьшению интенсивности излучения лампы, а в некоторых случаях к срыву разряда.

Технической задачей изобретения является уменьшение релаксационных колебаний интенсивности излучения путем выравнивания температуры по поверхности колбы лампы.

Цель достигается за счет применения втулки, которая укреплена на ножке с помощью держателя и выводов, внутри которой размещены безэлектродная лампа и катушка индуктивности анодного контура ВЧ-генератора, причем баллон безэлектродной лампы находится внутри катушки, а отросток вне его, при этом торцы катушки индуктивности и втулки, обращенные в сторону ножки, лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси катушки индуктивности.

На чертеже приведена принципиальная конструкция высокочастотной спектральной лампы с вакуумной рубашкой.

Лампа содержит оптически прозрачное окно 1,рубашку 2, колбу 3 безэлектродной лампы, отросток 4 безэлектродной лампы с металлом-наполнителем или его соединением, катушку 5 индуктивности контура ВЧ-генератора, керамическую втулку 6, охватывающую эту катушку, и ножку 7, на держателе и выводах которой закреплены отросток 4, катушка 5 индуктивности и втулка 6. Рубашка 2 спектральной лампы откачана до давления примерно 133х10^-3Па. Безэлектродная лампа наполнена инертным газом и несколькими миллиграммами металла индия или галоидного соединения металла.

Высокочастотная спектральная лампа с вакуумной рубашкой работает следующим образом.

При включении ВЧ-генератора зажигается разряд в инертном газе, находящемся в колбе безэлектродной лампы. По мере разогрева колбы безэлектродной лампы испаряется металл или его соединения и по достижении определенного давления в разряде преимущественно возбуждаются нейтральные атомы этого металла. Излучение лампы представляет собой линейчатый спектр атомов элемента-наполнителя. После прогрева лампы в течение нескольких минут устанавливается необходимый градиент температуры между колбой безэлектродной лампы и отростком. При этом, как показали экспериментальные исследования, если индуктор размещен внутри электроизоляционной (керамической) втулки и торцы их, обращенные в сторону ножки, лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси индуктора, а отросток располагается вне индуктора и его длина (l₁) и длина втулки (l₂) находятся в соотношении
l₁= (0,5-1)l₂, то на поверхности колбы лампы исключается конденсация металла и релаксационные колебания излучения лампы в этом случае не наблюдаются. Этот эффект объясняется выравниванием температуры, происходящим за счет размещения нагpевателя катушки индуктивности и колбы лампы внутри частично замкнутого объема. Электроизоляционная втулка используется при наполнении ламп чистыми металлами. В случае выполнения втулки из электропроводного материала осуществляется дополнительный и равномерный нагрев внутренней полости этой втулки за счет нагрева ее стенок в ВЧ-поле катушки индуктивности. Такая конструкция необходима при наполнении ламп галоидами металлов.

Таким образом, размещение безэлектродной лампы и катушки индуктивности внутри керамической или металлической втулки, расположение торцов цилиндра и катушки, обращенных в сторону ножки, в одной плоскости, перпендикулярной оси катушки индуктивности, размещение колбы безэлектродной лампы внутри катушки индуктивности, а отростка вне ее при выполнении определенного соотношения между длинами отростка и втулки позволяют получить качественно новый эффект уменьшить релаксационные колебания интенсивности излучения, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "существенные отличия". Проверка предложенной конструкции лампы проводилась путем сравнения ламп на индий и кадмий, изготовленных в соответствии с [2] и в соответствии с изобретением. Во втором случае релаксационные колебания не наблюдались и кратковременная нестабильность излучения резонансных линий составляла 0,1-0,2% в то время как в конструкции [2] наблюдаются кратковременные выбросы интенсивности в пределах 1%
Предложенная конструкция лампы найдет применение в аппаратуре атомно-абсорбционного и атомно-флуоресцентного анализа и позволит проводить анализ концентрации легколетучих элементов или элементов, спектры которых возбуждаются при наполнении ламп галоидами, с высокой степенью точности, так как серийно выпускаемые лампы на эти элементы не обладают необходимой стабильностью.

Экономический эффект реализован за счет увеличения числа определяемых элементов, повышения точности и снижения пределов обнаружения элементов.

Изобретение относится к спектральным источникам света, предназначенным для работы в атомно-абсорбционных и атомно-флуоресцентных спектрофотометрах. Сущность изобретения: безэлектродная высокочастотная спектральная лампа в вакуумной рубашке содержит оптически прозрачное окно 1, рубашку 2, колбу 3 безэлектродной лампы, отросток 4 безэлектродной лампы, катушку 5 индуктивности ВЧ-генератора, втулку 6 (керамический цилиндр), ножку 7. Катушка индуктивности анодного контура ВЧ-генератора размещена внутри втулки. Колба безэлектродной лампы размещена в катушке индуктивности, а отросток - вне ее. Нижние торцы катушки индуктивности и втулки лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси катушки индуктивности. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. БЕЗЭЛЕКТРОДНАЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СПЕКТРАЛЬНАЯ ЛАМПА В ВАКУУМНОЙ РУБАШКЕ, включающая оптически прозрачную колбу с буферным газом и размещенным в отростке колбы элементом-наполнителем, катушку индуктивности контура ВЧ-генератора, охватывающую колбу так, что колба расположена внутри катушки соосно с ней, при этом колба вместе с катушкой заключена в вакуумную рубашку и жестко закреплена на ножке рубашки, а в рубашке размещена втулка, отличающаяся тем, что катушка расположена во втулке, а колба размещена в катушке внутри втулки так, что ее отросток расположен вне катушки, торцы катушки и втулки, обращенные в сторону ножки, лежат в одной плоскости, перпендикулярно оси катушки, при этом l₁ = (0,5 - 1,0)l₂, где l₁ - длина отростка, l₂ - длина втулки. 2. Лампа по п. 1, отличающаяся тем, что втулка выполнена из электроизоляционного материала. 3. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что втулка выполнена из проводящего материала.