СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к области технической физики, в частности к способам и устройствам для получения высоковольтного электрического разряда в жидкости, и предназначено для использования при определении элементного состава вещества.

Известно использование электрических разрядов на свободной поверхности жидкости в качестве источников атомизации и возбуждения в оптических сенсорах для многоэлементного анализа в потоке. Например, известен капельно-искровой разряд (КИР), возникающий при сближении менисков, напряжение между которыми превышает 600 вольт [Ягов В.В., Коротков А.С., Зуев Б.К. Доклады РАН. 1998, т.359, №2, с.208]. 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 работает следующим образом. В емкостях с электролитом и анализируемой жидкостью расположены соответственно положительный и отрицательный электроды, на которые подается высокое напряжение (порядка 600 вольт) от источника постоянного тока, заряжающего разрядный конденсатор (емкостью порядка 2 мкФ). При сближении менисков электролита и анализируемой жидкости происходит зажигание КИР, обеспечивающего распыление анализируемой жидкости и служащего источником атомного спектра анализируемого вещества, который детектируется с помощью фотоэлектронного умножителя со светофильтром и отображается оптическим спектрометром.

Устройство на основе КИР применимо, в частности, для определения в потоке основных катионных компонентов (Na, К, Са, Мg) природных и технологических вод [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.]. 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.

Наиболее близким аналогом предлагаемому изобретению является способ получения локального электрического разряда в жидкости, заключающийся в пропускании электрического тока через указанную жидкость посредством электродов, разделенных перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой, через которую проходит жидкостный токопровод [патент РФ на изобретение №2243546, G01N 27/62, 27.12.2004].

В этом способе концентрацию электрической мощности, рассеиваемой в единице объема жидкости, достаточную для получения и поддержания устойчивого разряда, обеспечивают уменьшением объема участвующей в разряде жидкости и повышением напряжения разряда за счет создания в зоне локального разряда жидкостного токопровода малой площади поперечного сечения и протяженности.

Этот способ может быть реализован в двух вариантах [патент РФ на изобретение №2243546, G01N 27/62, 27.12.2004]:

- жидкостным токопроводом соединяют электрически изолированные друг от друга объемы жидкости, в которые погружены электроды;

- либо жидкостным токопроводом соединяют электрически изолированные друг от друга объем указанной жидкости, в который погружен электрод, и электрод противоположного знака.

Ионизацию или атомизацию анализируемой жидкости по указанному способу 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.

Пределы повышения напряжения и уменьшения объема жидкости, в котором происходит разряд (локализация электрического разряда), определяются получением в локальном объеме жидкости такой концентрации электрической мощности, которая достаточна 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).

Два варианта указанного способа реализуются двумя вариантами конструкций [патент РФ на изобретение №2243546, G01N 27/62, 27.12.2004].

В первом варианте устройство 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 также 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.

При всех описанных достоинствах рассматриваемый способ получения локального электрического разряда в жидкости, будучи использованным для атомизации и ионизации в спектральном анализе элементного состава вещества, обладает весьма существенным недостатком:

- при использовании локального электрического разряда в жидкости в качестве источника эмиссионных спектров их интенсивность для большинства элементов, в том числе для щелочноземельных металлов, значительно ниже, чем для щелочных металлов.

Указанный недостаток резко снижает возможности использования в эмиссионном анализе такого способа получения локального электрического разряда в жидкости.

Техническим результатом предлагаемого способа получения локального электрического разряда в жидкости является повышение интенсивности спектральных линий широкого ряда элементов.

Предлагаемый способ получения локального электрического разряда в жидкости заключается в пропускании электрического тока через указанную жидкость посредством электродов, разделенных перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой, через которую проходит жидкостный токопровод, при этом в зону локального электрического разряда вводят элемент из токопроводящего материала, а потенциал указанного элемента из токопроводящего материала выбирают исходя из максимальной интенсивности локального электрического разряда при сохранении его устойчивости.

В частности, потенциал указанного токопроводящего элемента может быть выбран равным потенциалу электрода, находящегося в том объеме жидкости, в который помещен элемент из токопроводящего материала.

Реализуя в совокупности существенные признаки предлагаемого способа, удается обеспечить устойчивый высоковольтный разряд в жидкости, интенсивность свечения которого достаточна для уверенного воспроизведения эмиссионных спектральных линий широкого ряда анализируемых элементов.

Устойчивый разряд в жидкости достигается его локализацией и повышением электрического напряжения до величины, обеспечивающей стабильность разряда. Локализация разряда достигается путем минимизации объема жидкости, в котором происходит разряд. Существенное (более чем на порядок) повышение интенсивности эмиссионных линий разряда обеспечивает введение в зону локального электрического разряда элемента из токопроводящего материала.

Для реализации предлагаемого способа служит устройство для получения локального электрического разряда в жидкости, содержащее диэлектрический корпус с электропроводящей жидкостью и соединенные с источником высокого напряжения электроды, погруженные в указанную жидкость и разделенные перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой, при этом в зоне локального электрического разряда расположен элемент из токопроводящего материала.

Другим вариантом реализации предлагаемого способа служит устройство для получения локального электрического разряда в жидкости, содержащее диэлектрический корпус с электропроводящей жидкостью и соединенные с источником высокого напряжения электроды, один из которых 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, при этом в зоне локального электрического разряда расположен элемент из токопроводящего материала.

Как в одном, так и в другом вариантах предлагаемого устройства токопроводящий элемент может быть выполнен из коррозионно- и температурно-устойчивого материала.

В обоих вариантах устройства элемент из токопроводящего материала может быть электрически изолирован от указанных электродов.

Альтернативно элемент из токопроводящего материала может быть подключен к источнику высокого напряжения и в этом случае он может служить электродом, погруженным в жидкость, т.е. потенциал указанного токопроводящего элемента выбирают равным потенциалу одного из электродов.

Возможность практического осуществления и эффективность предлагаемого способа получения локального электрического разряда в жидкости подтверждается работой двух вариантов конструкции предлагаемого устройства. Эти конструкции были выполнены и испытаны, что подтверждает не только осуществимость, но и промышленную применимость данного технического решения.

На фиг.1 схематически представлен первый вариант устройства для реализации предлагаемого способа, где

1 - корпус;

2а, 2б - электроды;

3 - электропроводящая жидкость;

4 - диафрагма;

5 - диэлектрическая перегородка;

6 - источник высокого напряжения;

7 - зона локального разряда;

8 - элемент из токопроводящего материала;

9 - спектрометр.

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

В зоне 7 локального разряда, которая расположена вблизи отверстия диафрагмы 4, установлен элемент 8 из токопроводящего материала. Этот элемент 8 при соединении его с высоковольтным источником 6 напряжения может выполнять роль электрода 2а или 2б для того объема жидкости 3, в котором он расположен. Излучение из зоны 7 локального разряда вблизи элемента 8 из токопроводящего материала регистрируется спектрометром 9.

На фиг.2 схематически представлен второй вариант устройства для реализации предлагаемого способа получения локального электрического разряда в жидкости, где

1 - корпус;

2а - внутренний электрод;

2б - внешний электрод;

3 - электропроводящая жидкость;

4 - диафрагма;

6 - источник высокого напряжения;

7 - зона локального разряда;

8 - элемент из токопроводящего материала;

9 - спектрометр.

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

В зоне 7 локального разряда, которая расположена вблизи отверстия диафрагмы 4, расположен элемент 8 из токопроводящего материала, который при подключении его к высоковольтному источнику 6 напряжения может выполнять роль электрода 2а. Излучение из зоны 7 локального разряда вблизи элемента 8 из токопроводящего материала регистрируется спектрометром 9.

Несмотря на высокую температуру в зоне 7 разряда, за счет интенсивного отвода тепла жидкостью 3, в которой происходит разряд, обеспечивается долговременная и стабильная работа диафрагмы 4 и элемента 8 из токопроводящего материала.

Площадь отверстия диафрагмы 4 определяется исходя из величины напряжения на электродах 2а и 2б, теплопроводности и электропроводности жидкости 3 и толщины диэлектрической перегородки 5 или диэлектрической стенки корпуса 1 с диафрагмой 4.

В частности, потенциал токопроводящего элемента 8 выбирают равным потенциалу электрода 2а, погруженного в тот объем жидкости 3, в котором находится элемент 8.

Для получения стабильного локального разряда в жидкости 3 необходимо напряжение в диапазоне значений от 5 до 15 кВ при толщине перегородки 5 (или стенки корпуса 1) с диафрагмой 4 от 0,2 до 1,5 мм и диаметре отверстия диафрагмы 4 от 0,05 до 0,5 мм.

При практической реализации предлагаемых способа и устройства перегородка 5 и стенка корпуса 1 были выполнены из кварцевого стекла толщиной от 0,2 до 1,5 мм с диафрагмой 4, снабженной отверстием диаметром от 0,1 до 0,5 мм, т.е. объем жидкостного токопровода составлял от 0,1 до 0,5 куб. мм. В качестве источника 6 использовался регулируемый источник 6 напряжением 0-10 кВ, подключаемый для стабилизации тока через балластное сопротивление 20 кОм и более. При использовании раствора KCl концентрацией от 0,0001 М до 1 М напряжение возникновения (зажигания) разряда в зависимости от проводимости раствора менялось в пределах от 3 до 10 кВ, падение напряжения на разрядном промежутке (жидкостном токопроводе) составляло от 0,5 до 2 кВ, а величина тока изменялась 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 (десятки и более миллиампер) разряд, оставаясь стабильным, пространственно выходил за пределы диафрагмы 4.

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 (десятки и более миллиампер) разряд, оставаясь стабильным, пространственно выходил за пределы диафрагмы 4.

Испытания показали, что и кварцевое стекло, и корунд являются подходящими материалами для изготовления диафрагмы 4, позволяющими реализовать указанный способ, так как перепад температуры между внутренней частью диафрагмы 4 по оси канала и остальным объемом жидкости 3 составляет более тысячи градусов.

На практике использовался токопроводящий элемент 8, выполненный из коррозионно- и температурно-устойчивого материала, например углеродного.

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 и 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.

При экспериментальных исследованиях эффективности использования предлагаемого способа получения локального разряда в качестве источника эмиссионных спектров при спектральном анализе элементного состава вещества использовалась кварцевая ячейка с диафрагмой диаметром 0.1 мм, залитая раствором, содержащим ионы калия, магния и кальция по 10 мг/л. Регистрация излучения из области локального электрического разряда в таком растворе осуществлялась с помощью сканирующего спектрометра AvaSpec 2048 фирмы Avantes. Сравнение спектров, полученных с помощью источника, выполненного в соответствии с заявляемым способом, со спектрами, полученными с помощью источника, описанного в прототипе, показало, что в спектре, полученном от источника в соответствии с заявляемым способом, содержались линии всех введенных в раствор элементов, тогда как в спектре, полученном от источника в соответствии с прототипом, обнаружилась только линия калия, что подтверждает достижение заявленного технического результата.

Изобретение предназначено для использования при определении элементного состава вещества. Предлагаемый способ получения локального электрического разряда в жидкости заключается в пропускании электрического тока через указанную жидкость посредством электродов, разделенных перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой, через которую проходит жидкостный токопровод. В зону локального электрического разряда вводят элемент из токопроводящего материала, при этом потенциал указанного элемента из токопроводящего материала выбирают исходя из максимальной интенсивности локального электрического разряда при сохранении его устойчивости. Согласно одному из вариантов устройство для осуществления предлагаемого способа содержит диэлектрический корпус с электропроводящей жидкостью и соединенные с источником высокого напряжения электроды, погруженные в указанную жидкость и разделенные перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой. Другой вариант этого устройства для получения локального электрического разряда в жидкости содержит диэлектрический корпус с электропроводящей жидкостью и соединенные с источником высокого напряжения электроды, один из которых 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. При этом согласно обоим вариантам устройства в зоне локального электрического разряда расположен элемент из токопроводящего материала. Изобретение обеспечивает повышение интенсивности спектральных линий широкого ряда элементов. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения локального электрического разряда в жидкости, заключающийся в пропускании электрического тока через указанную жидкость посредством электродов, разделенных перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой, через которую проходит жидкостной токопровод, отличающийся тем, что в зону локального электрического разряда вводят элемент из токопроводящего материала, при этом потенциал указанного элемента из токопроводящего материала выбирают исходя из максимальной интенсивности локального электрического разряда при сохранении его устойчивости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что потенциал указанного токопроводящего элемента выбирают равным потенциалу электрода, находящегося в том объеме жидкости, в котором помещен элемент из токопроводящего материала.

3. Устройство для получения локального электрического разряда в жидкости, содержащее диэлектрический корпус с электропроводящей жидкостью и соединенные с источником высокого напряжения электроды, погруженные в указанную жидкость и разделенные перегородкой из диэлектрического материала с диафрагмой, отличающееся тем, что в зоне локального электрического разряда расположен элемент из токопроводящего материала.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанный токопроводящий элемент выполнен из коррозионно- и температурно-устойчивого материала.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанный элемент из токопроводящего материала электрически изолирован от указанных электродов.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанный элемент из токопроводящего материала подключен к указанному источнику высокого напряжения.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что указанный элемент из токопроводящего материала является электродом.

8. Устройство для получения локального электрического разряда в жидкости, содержащее диэлектрический корпус с электропроводящей жидкостью и соединенные с источником высокого напряжения электроды, один из которых 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, отличающееся тем, что в зоне локального электрического разряда расположен элемент из токопроводящего материала.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанный токопроводящий элемент выполнен из коррозионно- и температурно-устойчивого материала.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанный элемент из токопроводящего материала электрически изолирован от указанных электродов.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что указанный элемент из токопроводящего материала подключен к указанному источнику высокого напряжения.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что указанный элемент из токопроводящего материала является электродом, погруженным в жидкость.