СПОСОБ СОЗДАНИЯ ДУГОВОГО МНОГОПОЛЮСНОГО ИСТОЧНИКА ВОЗБУЖДЕНИЯ АТОМОВ Российский патент 2008 года по МПК G01N21/67 G01J3/443 

Предложение относится к области исследования химических и физических свойств вещества и может быть использовано при проведении эмиссионного спектрального анализа вещества.

Известен способ создания дугового многополюсного источника возбуждения атомов, включающий создание плазмы многополюсного дугового источника возбуждения за счет объединения в общем пространстве нескольких дуговых униполярных разрядов, питаемых от трехфазного источника переменного тока с использованием выпрямителей тока и электрических нагрузок, регулирующей силу тока разрядов, с применением емкостей (электрических конденсаторов), введение исследуемого вещества в источник возбуждения атомов (Патент РФ №1599724, «Способ спектрального анализа», Аполицкий В.Н., 1990 г.)

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту к данному техническому решению является способ создания дугового многополюсного источника возбуждения атомов, включающий создание плазмы многополюсного дугового источника возбуждения за счет объединения в общем пространстве нескольких дуговых униполярных разрядов, питаемых от трехфазного источника переменного тока с использованием выпрямителей тока и электрических нагрузок, регулирующих силу тока разрядов с применением емкостей (электрических конденсаторов), при этом один из электродов многополюсного разряда делают катодным для всех дуг, концы электродов располагают в горизонтальной плоскости, введение в плазму многополюсного дугового разряда исследуемого вещества осуществляют путем его всасывания, при этом струю газа с исследуемым веществом направляют на концы анодных электродов (Патент РФ №2172949, «Способ спектрального анализа», Аполицкий В.Н., 1998 г. - прототип).

Недостатками известных способов создания дугового многополюсного источника возбуждения спектров (аналога и прототипа) является относительно сложный, громоздкий процесс осуществления способа, требующий применения разделительных трансформаторов, приводящих к большим габаритам и весу установок, с помощью которых создают многополюсный разряд, потерям электроэнергии и шумовым эффектам.

Целью данного предложения является снижение стоимости реализации способа создания дугового многополюсного источника возбуждения спектров, получение более комфортных условий при его осуществлении.

Поставленная цель достигается за счет того, что в способе создания дугового многополюсного источника возбуждения атомов, включающего создание плазмы многополюсного дугового источника возбуждения атомов за счет объединения в общем пространстве нескольких дуговых униполярных разрядов, питаемых от трехфазного источника переменного тока с использованием выпрямителей тока и электрических нагрузок, регулирующих силу тока разрядов с применением емкостей (электрических конденсаторов), при этом один из электродов разряда делают катодным для всех дуг, концы электродов располагают в горизонтальной плоскости, введение исследуемого вещества в плазму многополюсного дугового разряда осуществляют с помощью струи газа, отсасываемого сверху вниз, при этом струю всасываемого газа исследуемого вещества направляют сверху вниз на концы анодных электродов, питание дуговых разрядов осуществляют за счет параллельного непосредственного (без трансформаторного) подсоединения отдельных электрических цепей дуговых униполярных разрядов, имеющих свою емкостную нагрузку и свой отдельный двухполупериодный трехфазный выпрямитель тока, к трехфазному источнику переменного тока, создают условия, при которых скорость струи газа, с помощью которой вводится порошковая проба сверху вниз в источник возбуждения атомов, в аналитической зоне источника возбуждения составляла величину, меньшую 4 м/сек, электрический ток в униполярных дуговых разрядах, составляющих многополюсный дуговой источник возбуждения атомов, делают менее 20 А.

Сущность предлагаемого способ создания дугового многополюсного источника возбуждения атомов.

Известные способы создания дуговых многополюсных источников возбуждения атомов относительно сложны, громоздки за счет специального применения для раздельного одновременного горения отдельных дуговых разрядов в общем пространстве разделительных трансформаторов, приводящих к большим габаритам и весу установок, с помощью которых создают многополюсный разряд, потерям электроэнергии и шумовым эффектам в моменты угасания разрядов из-за большого расстояния между электродами или большой скорости отсоса плазмы источника возбуждения спектров вниз.

В случае использования при спектральном эмиссионном атомном анализе наиболее перспективных многополюсных униполярных источников возбуждения атомов, в которых используется общий катодный электрод и несколько анодных электродов (см. прототип), возможно применение способа создания многополюсных источников возбуждения способом, исключающим применение разделительных трансформаторов. Это может быть реализовано путем непосредственного (без трансформаторного) подключения параллельных электрических цепей питания отдельных униполярных дуговых разрядов к общему трехфазному источнику переменного тока. Использование параллельных электрических цепей питания дуговых униполярных разрядов, включающих свои отдельные трехфазные выпрямители переменного тока и свои нагрузки, стоящие перед этим выпрямителями, позволяют осуществить объединение всех отрицательных полюсов выпрямителей и создать многополюсный дуговой разряд с общим катодом и несколькими анодными электродами. При этом электрические потенциалы анодных электродов оказываются близкими, что исключает их электрическое взаимодействия. Отдельные униполярные дуги горят отдельно, имея общий катод и отдельные анодные электроды, плазмы их объединяются в общем пространстве за счет взаимодействия магнитных полей и проводимости плазмы.

Для исключения потерь электроэнергии на активных нагрузках, уменьшения габаритов установки и улучшения условий работы на ней в предлагаемом способе в качестве электрической нагрузки в цепях питания отдельных дуговых разрядов многополюсного источника возбуждения используют емкостные нагрузки (конденсаторы). Чтобы это можно было сделать применяют двухполупериодные выпрямители трехфазного тока, которые стоят в цепи каждого униполярного дугового разряда, а емкостные нагрузки устанавливают перед этими двухполупериодными выпрямителями тока. Эти условия позволяют перезаряжать емкостную нагрузку через двухполупериодный выпрямитель трехфазного тока и создавать униполярную дугу. Использование двухполупериодного и еще трехфазного выпрямления переменного тока позволяет создать условия для стабильного непрерывного униполярного горения дуг многополюсного источника возбуждения атомов.

Устойчивому горению дугового многополюсного источника возбуждения спектров способствует создание условий, при которых скорость струи газа, с помощью которой вводится порошковая проба сверху вниз в источник возбуждения атомов, в аналитической зоне плазмы источника возбуждения составляла величину меньшую 4 м/сек.

Что можно создать за счет регулировки отсоса газа из камеры сгорания, где расположены дуговые электроды многополюсного разряда.

Использование предлагаемого способа создания многополюсного дугового источника возбуждения атомов, имеющего один общий катод и несколько анодов, позволяет снизить общий спектральный фон (шумы) излучения плазмы дугового разряда путем уменьшения тока, протекающего через отдельные униполярные дуговые разряды, до величины, меньшей 16-20 А. При токах дугового разряда, больших 20 А, горение угольной дуги переходит в шипящий режим, из угольного анодного электрода выбрасывается большое количество угольных частиц, создаются струи газа, в плазме дугового источника возбуждения спектров (атомов) появляются молекулярные полосы СО, CN, мешающие спектральному анализу. Эти условия позволяет улучшить, как показали экспериментальные исследования, пространственную устойчивость положения аналитической зоны источника возбуждения, так и увеличить время пребывания исследуемых атомов химических элементов (уменьшить скорость переноса атомов) в аналитической зоне плазмы источника возбуждения атомов.

Предлагаемый способ создания многополюсного источника возбуждения атомов может быть использован не только для эмиссионного спектрального анализа, но и для проведения масспектрометрического анализа, когда атомы в плазме возбуждают до ионного состояния, а также для плавления, резки и сварки вещества.

Предлагаемый способ создания многополюсного источника возбуждения атомов исключает использование разделительных трансформаторов, уменьшает потери электроэнергии, габариты установки и стоимость реализации способа, создает благоприятные условия работы для исполнителей аналитических работ.

Пример реализации и работы предлагаемом способа создания дугового многополюсного источника возбуждения атомов.

Пример 1. Необходимо произвести съемку спектров при проведении спектрального многоэлементного эмиссионного атомного анализа с использованием метода «просыпки-вдувания» порошковых проб в плазму многополюсного дугового источника возбуждения спектров, имеющего один катод и два анода (подобного прототипу).

Для реализации предлагаемого способа создают установку, с помощью которой можно осуществить создание многополюсного дугового источника возбуждения, имеющего общий катод и два анодных электрода, концы которых расположены в горизонтальной плоскости, подобную установке, которая использовалась в вышеуказанном прототипе или аналогах. Установка состоит из генератора многополюсной дуги и устройства для введения порошковой пробы в плазму источника возбуждения методом «просыпки-вдувания» сверху вниз, путем отсоса воздуха из камеры сгорания, в которой находятся электроды многополюсной дуги. При создании генератора многополюсной дуги из электрических цепей, питающих отдельные униполярные разряды, исключают разделительные трансформаторы, в качестве выпрямителей тока униполярных дуг используют двуполупериодные трехфазные выпрямители тока, перед которыми в цепи каждой фазы устанавливают электрические нагрузки в виде электрических емкостей (конденсаторов емкостью 100-300 мкФ). Принципиальная схема питания многополюсного дугового разряда с одним общим катодом и двумя анодными электродами представлена на чертеже. Питание генератора осуществляют от трехфазной 1ф, 2ф и 3ф сети с напряжением 380 В между фазами. Установку силы тока в дугах многополюсного разряда производят с помощью изменения величины нагрузочных конденсаторов С1-С6, стоящих в каждом фазовом проводе перед трехфазным двухполупериодным выпрямителем тока каждой дуги. Провода отрицательных полюсов выпрямителей объединяют и подключают к катодному электроду, находящемуся в камере сгорания устройства для «просыпки-вдувания» порошковых проб в плазму многополюсного источника возбуждения (устройство для «просыпки-вдувания» порошковых проб на чертеж не показано, оно аналогично прототипу). Положительные полюса выпрямителей подсоединяют к каждому из анодных электродов, находящихся около общего катодного электрода в камере сгорания, как это рекомендовано в описании прототипа.

Для осуществления предлагаемого способа создания многополюсного дугового источника возбуждения спектров и съемки спектров проб на транспортере устройства «просыпки-вдувания» располагают дорожкой аналитическую навеску пробы. Затем на входные клеммы 1ф, 2ф и 3ф подают от сети переменного тока трехфазное напряжения величиной 380 В между фазами, при этом с помощью искрового разряда осуществляют поджег дуги (подобно тому, как это делается в прототипе и аналогах). Переменное напряжение проходит через емкостные нагрузки С1-С6 и двухполуперионые выпрямители тока (см. чертеж) 1-й и 2-й, в процессе полуполупериодного трехфазного выпрямления напряжения и горения дуг (катод - 1 анод и катод - 2 анод) происходит периодическая перезарядка нагрузочных конденсаторов С1-С6, что создает возможность использования емкостных нагрузок при выпрямлении тока и создании униполярных дуговых разрядов. Для устойчивого горения дугового многополюсного источника возбуждения спектров создают условия, при которых скорость струи газа, с помощью которой вводится порошковая проба сверху вниз в источник возбуждения спектров, в аналитической зоне плазмы источника возбуждения составляла величину, меньшую 4 м/сек (скорость движения плазмы (газа) в зоне возбуждения может оцениваться по трекам (на фотографиях) угольных частиц, летящих с плазме), а для уменьшения фонового, молекулярного излучения плазмы источника возбуждения атомов ток в отдельных дугах делают менее 20 А. Скорость движения плазмы в аналитической зоне возбуждения регулируется за счет отсоса газа из камеры сгорания, где расположены дуговые электроды многополюсного разряда, а величина тока в отдельных дуговых униполярных разрядах, составляющих многополюсную дугу, устанавливают с помощью изменения величины емкостей C1-С6. После загорания многополюсного дугового разряда, включают транспортер с пробой. В момент попадания порошка пробы в плазму многополюсного дугового разряда осуществляют регистрацию спектрального излучения созданного источника возбуждения атомов. Регистрация спектра исследуемой порошковой пробы осуществляется обычными способами, подобно тому, как это делается в прототипе и аналогах. По своим аналитическим и физическим характеристикам созданный источник возбуждения ничем не уступает прототипу и может успешно использоваться в качестве источника возбуждения спектров при осуществлении эмиссионного спектрального анализа, при этом стоимость реализации способа создания многополюсного источника возбуждения снижается за счет исключения разделительных трансформаторов.

Таким образом, за счет прямого (без трансформаторного) параллельного питания униполярных дуг от источника трехфазного переменного тока и использования двухполупериодных трехфазных выпрямителей токов и электрических емкостных нагрузок дуг (конденсаторов), включенных в цепь каждой из униполярных дуг многополюсного источника возбуждения атомов и создания скорости движения газа менее 4 м/сек в области аналитической зоны плазмы источника возбуждения и силах тока в униполярных разрядах, меньших 20 А, оказалось возможным уменьшить габариты и стоимость установки для создания многополюсного дугового источника возбуждения атомов, осуществлять экономию электроэнергии, создать более благоприятную условия для проведения спектрального анализа, чем это можно сделать с помощью прототипа.

Изобретение относится к геологическим, экологическим, технологическим и др. исследованиям порошковых материалов. Способ заключается в создании плазмы многополюсного дугового источника возбуждения атомов за счет объединения в общем пространстве нескольких дуговых униполярных разрядов. Питание дуговых разрядов осуществляют за счет параллельного непосредственного (безтрансформаторного) подсоединения отдельных электрических цепей дуговых униполярных разрядов, имеющих свою емкостную нагрузку и свой отдельный двухполупериодный трехфазный выпрямитель тока, к трехфазному источнику переменного тока. При этом один из электродов разряда делают катодным для всех дуг, введение исследуемого вещества в плазму многополюсного дугового разряда осуществляют с помощью струи газа, отсасываемого сверху вниз, при этом струю всасываемого газа с исследуемым порошком направляют сверху вниз на концы анодных электродов. Для создания благоприятных условий проведения эмиссионного спектрального атомного анализа скорость струи газа в аналитической зоне источника возбуждения делают меньшей 4 м/сек, а электрический ток в униполярных дугах многополюсного дугового источника возбуждения атомов менее 20 А. Технический результат; повышение экономичности способа за счет исключения разделительных трансформаторов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ создания дугового многополюсного источника возбуждения атомов, включающего создание плазмы многополюсного дугового источника возбуждения за счет объединения в общем пространстве нескольких дуговых униполярных разрядов, питаемых от трехфазного источника переменного тока с использованием выпрямителей тока и электрических нагрузок, регулирующих силу тока разрядов с применением емкостей (электрических конденсаторов), при этом один из электродов разряда делают катодным для всех дуг, концы электродов располагают в горизонтальной плоскости, введение исследуемого вещества в плазму многополюсного дугового разряда осуществляют с помощью струи газа, отсасываемого сверху вниз, при этом струю всасываемого газа с исследуемым порошком направляют сверху вниз на концы анодных электродов, отличающийся тем, что питание дуговых разрядов осуществляют за счет параллельного непосредственного (безтрансформаторного) подсоединения отдельных электрических цепей дуговых униполярных разрядов, имеющих свою емкостную нагрузку и свой отдельный двухполупериодный трехфазный выпрямитель тока, к трехфазному источнику переменного тока.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для устойчивого горения многополюсного дугового источника возбуждения спектров создают условия, при которых скорость струи газа, с помощью которой вводится порошковая проба сверху вниз в источник возбуждения спектров, в аналитической зоне источника возбуждения составляла величину, меньшую 4 м/с.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что электрический ток в униполярных дугах многополюсного дугового источника возбуждения атомов делают менее 20 А.