СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА В ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF OBTAINING LOCAL ELECTRIC DISCHARGE IN LIQUID AND DEVICE TO THIS END (VERSIONS)

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.