ДВУХСТРУЙНЫЙ ДУГОВОЙ ПЛАЗМАТРОН ДЛЯ АТОМНО-ЭМИССИОННОГО СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Полезная модель относится к аналитическому приборостроению, к приборам для атомно-эмиссионного спектрального анализа веществ и материалов, а именно к источникам возбуждения атомно-эмиссионных спектров анализируемых проб.
Источники возбуждения спектра испаряют пробу, проводят диссоциацию (атомизацию) ее молекул, а также возбуждение излучения атомов и ионов пробы. Для этого, они разогревают пробу до температуры несколько тысяч °С. Нахождение количественного содержания элементов таблицы Менделеева осуществляется путем измерения интенсивности аналитических линий элементов в спектре пробы и использования заранее полученных градуировочных зависимостей. Вес пробы обычно составляет 10-100 мг, а время ее возбуждения длится 10-100 с. Для получения высокой оперативной и долговременной воспроизводимости результатов анализа необходимо обеспечить высокую стабильность положения разогреваемой зоны относительно оптической оси спектрального прибора.
Известен плазматрон для нагрева материалов электрической дугой, образующейся между двумя электродами (см. А.С. СССР №503601, МКИ В 05 В 7/00, 1976 г.), содержащий катод, сопло-анод и расположенную между ними межэлектродную камеру, а также коммуникации для подвода плазмообразующего газа. Проба подается в межэлектродную камеру и затем вместе с потоком плазмы истекает через сопло-анод.
Основным недостатком известного устройства является попадание элементов пробы на катод и сопло-анод, что приводит к влиянию на результаты текущего анализа состава ранее анализируемых проб (эффекту «памяти»).
Наиболее близким к заявляемому устройству (прототипом) является двухструйный дуговой плазматрон (ДДП), содержащий анодный и катодный узлы, каждый из которых содержит корпус с соплом, образованным несколькими электрически изолированными диафрагмами с соосными отверстиями, силовой электрод с тугоплавкой вставкой, размещенной на оси сопла, а также устройство для подачи плазмообразующего газа в межэлектродную камеру, образованную силовым электродом и корпусом с соплом (см. Ж.Ж.Жеенбаев и В.С.Энгельшт «Двухструйный плазматрон», стр.12-15, издательство «Илим», г.Фрунзе, 1983 г.). Анодный и катодный узлы располагаются так, чтобы между плазменными струями был угол около 60°. Зона перед слиянием анодной и катодной плазменных струй и далее, после слияния, по линии общего факела, является
аналитическим участком плазмы и используется для возбуждения атомно-эмиссионных спектров. Она располагается на оптической оси спектрального прибора.
Известный ДДП по сравнению с одноструйным плазматроном имеет существенное преимущество. Зона ввода пробы находится на пересечении плазменных струй, т.е. вне анодного и катодного узлов, поэтому элементы анализируемой пробы не попадают на электроды анодного и катодного узлов ДДП и не оказывают влияния на результаты последующих анализов.
Однако известный ДДП имеет существенный недостаток. Газовые струи на выходе сопел носят не достаточно организованный характер, т.к. подача плазмообразующего газа в межэлектродную камеру осуществляется через отверстие силового электрода, размещенное сбоку от тугоплавкой вставки, что не обеспечивает устойчивую локализацию катодного пятна по мере разогрева, оплавления и расходования электродных материалов, а также при изменении скорости потока газа и тока дуги. Соответственно, при смещении катодного пятна изменяются условия формирования и истечения плазменной струи, что приводит к смещениям аналитического участка плазмы и искажениям результатов измерений, т.к. градиент температуры на этом участке достигает около 1000°С/мм.
Задачей заявляемого технического решения является устранение указанного недостатка, а именно, стабилизация положения аналитического участка плазмы.
Эта задача в ДДП для атомно-эмиссионного спектрального анализа, содержащем анодный и катодный узлы, каждый из которых содержит корпус с соплом, силовой электрод с тугоплавкой вставкой размещенной соосно с соплом и устройство для подачи плазмообразующего газа в межэлектродную камеру, образованную силовым электродом и корпусом с соплом, решена тем, что силовой электрод выполнен со сквозным осевым отверстием и снабжен с одной стороны штуцером для подачи плазмообразующего газа, а с другой стороны тугоплавкой вставкой, при этом осевое отверстие соединено с межэлектродной камерой одним или несколькими каналами, огибающими тугоплавкую вставку.
Наличие указанных каналов обеспечивает устойчивую локализацию катодного пятна и стабилизацию положения аналитического участка плазмы.
Выполнение огибающих каналов между сопрягаемыми поверхностями тугоплавкой вставки и осевого отверстия электрода позволяет не только обеспечить дополнительное охлаждение тугоплавкой вставки, но и осуществить дополнительный нагрев газа перед вводом в плазму дуги, что решает задачу его более эффективного использования как плазмообразующего газа.
Аналогичным образом получают эффект при выполнении огибающих каналов в теле силового электрода, что также обеспечивает предварительный нагрев газа и охлаждение силового электрода.
Выполнение огибающих каналов между сопрягаемыми поверхностями тугоплавкой вставки и осевого отверстия, а также в теле силового электрода тоже призвано обеспечить предварительный нагрев газа и охлаждение тугоплавкой вставки и самого силового электрода.
Выполнение огибающих каналов по винтовой линии между сопрягаемыми поверхностями тугоплавкой вставки и осевого отверстия и/или в теле силового электрода создают вихревой газовый поток, который обеспечивает дополнительную локализацию катодного пятна и стабилизацию положения аналитического участка плазмы.
На фиг.1 представлен рисунок, поясняющий принцип работы ДДП.
На фиг.2-4 представлены варианты выполнения каналов, огибающих тугоплавкую вставку.
Двухструйный дуговой плазматрон содержит анодный 1 и катодный 2 узлы, каждый из которых содержит корпус с соплом 3, силовой электрод 4 с тугоплавкой вставкой 5, размещенной соосно с соплом, и устройство для подачи плазмообразующего газа 6.
Двухструйный дуговой плазматрон работает следующим образом. Между электродом 4 и соплом 3 у каждого электродного узла 1 и 2 - возбуждают дуговой разряд. С помощью плазмообразующего газа 6 формируют плазменные потоки 7 и 8, которые образуют зону слияния 9, за счет того, что головки расположены под углом α друг к другу. Анализируемые вещества в виде тонкой струи аэровзвеси 10 вводятся при помощи дозатора между струями плазмы с помощью шихтопровода 11, минуя электродные узлы, а затем попадает в зону аналитического участка плазмы 12, которая находится на оптической оси 13 спектрального прибора, где и происходит возбуждение атомно-эмиссионных спектров.
В зависимости от решаемой аналитической задачи, внутри аналитического участка плазмы выбирают конкретную зону, отстоящую на определенном расстоянии от точки слияния анодной и катодной плазменных струй по линии общего факела. Например, при анализе органических веществ выбирается - участок до слияния газовых струй, а при анализе геологических образцов, выбирают участок после слияния струй.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет за счет стабилизации положения аналитического участка плазмы повысить точность количественного определения содержания элементов в анализируемой пробе.