УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ ИСКРОВАЯ КАМЕРА ДЛЯ ОПТИКО-ЭМИССИОННОГО АНАЛИЗА
IMPROVED SPARK CHAMBER FOR OPTICAL-EMISSION ANALYSIS

Область техники
Это изобретение относится к области искровой оптической эмиссионной спектрометрии. Точнее изобретение касается усовершенствованной искровой камеры для оптико-эмиссионного спектрометра.
Предпосылки к созданию изобретения
Искровая оптическая эмиссионная спектрометрия является широко известной методикой, применяемой для анализа твердых образцов. Оптическая эмиссионная спектрометрия может проводиться, например, либо с искрой, либо с дугой. Для удобства в контексте заявки термин искровая оптическая эмиссионная спектрометрия означает любую оптическую эмиссионную спектрометрию, в которой для возбуждения образца применяется электрический разряд, например искра или дуга, а термин искровая камера означает камеру для проведения любого электрического разряда. Твердый образец, как правило, установлен на столе искрового стенда, также известного как стенд Petrey. Искровой стенд дополнительно содержит искровую камеру, внутри которой находится электрод, ориентированный суженным концом в сторону поверхности образца. Стол искрового стенда содержит апертуру в стенке искровой камеры, поверх которой устанавливается образец, обычно с воздухонепроницаемым уплотнением. Электрод окружен изолятором, за исключением своего суженного конца. Между электродом и образцом вызывается последовательность электрических разрядов, в которой образец действует как противоэлектрод. Изолятор способствует движению разряда к образцу, а не к стенке камеры. Расположенное в области разрядов вещество образца испаряется, и доля испаряемого атомарного вещества переводится в возбужденные состояния. При возвращении в исходное состояние атомарное вещество испускает фотоны, энергия которых является характерной для элементов в веществе. Спектроскопический анализ испускаемых фотонов позволяет установить состав вещества образца. Спектроскопический анализ проводится с применением оптического анализатора, который обычно использует рассеивающее средство, такое как дифракционная решетка, чтобы рассеивать свет в пространстве в соответствии с его длиной волны. Детектор, например матричный детектор, используется для измерения количества света как функции степени дисперсии. Следовательно, доля света, испускаемого при разрядах, передается из искровой камеры в анализатор для спектроскопического анализа.
Для получения информации о широком диапазоне элементов в образцах приспособление должно обладать способностью передавать фотоны менее 190 нм от искрового стенда к детектору, поскольку некоторые элементы испускают фотоны в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне длин волн, когда возвращаются в более низкое энергетическое состояние. Для того чтобы избежать поглощения этих УФ-фотонов воздухом и чтобы избежать сдвигов длины волны, связанных с изменениями показателя преломления газов (который изменяется с давлением газа и составом газа), вещество образца возбуждается в присутствии инертного газа, как правило аргона, который подается в искровую камеру, по меньшей мере, на протяжении того времени, когда вызывается последовательность искровых разрядов. Присутствие инертного газа также предотвращает окисление поверхности образца.
Электрические разряды приводят к тому, что вещество уносится с поверхности образца и некоторая часть этого вещества не находится в атомарном виде. С поверхности образца удаляются некоторые гораздо более крупные агрегаты или частицы вещества, которые бесполезны для спектроскопического процесса и которые называют осколками. Эти осколки вместе с испаряемым атомарным веществом освобождаются с поверхности образца при каждом электрическом разряде. Для того чтобы предотвратить перекрестное загрязнение или так называемые эффекты памяти, предпочтительно, чтобы все вещество, уносимое с одного образца, удалялось из искровой камеры перед анализом следующего образца для того, чтобы устранить любое обратное осаждение вещества с предыдущего образца на следующий образец и чтобы не допустить присутствия любого такого вещества в траектории электрических разрядов. Газ аргон, который омывает образец и траекторию разряда, применяется для того, чтобы выдувать уносимые вещества, включая осколки, из искровой камеры в непрерывном или полунепрерывном процессе. Газ аргон, как правило, предназначен для того, чтобы течь в искровую камеру по меньшей мере через один газоввод и вытекать из искровой камеры по меньшей мере через один отдельный газоотвод, причем поток газа выдувает осколки и испаряемое вещество из камеры. Газовый поток предназначен для того, чтобы присутствовать на протяжении того времени, когда вызывается последовательность электрических разрядов. Газовый поток также может присутствовать на протяжении времени между последовательностями электрических разрядов. Важно избегать осаждения осколков и испаряемого вещества образца на поверхностях смежной оптики, что ухудшило бы перенос фотонов из области образца к оптически дисперсионному элементу спектрометра. Если это происходит, спектрометр приходится отключать, пока не очистят оптику. В некоторых искровых камерах газ вводят по трубке, ведущей из искровой камеры к оптике спектрометра, при этом газовый поток отводят от оптики для того, чтобы снизить вероятность выхода вещества из искровой камеры и его осаждения на поверхностях оптики.
Для анализа содержания азота в образце было обнаружено, что дегазация остаточного азота из вещества на внутренних поверхностях стенок искровой камеры вызывает неустойчивость записываемого сигнала азота и неточность результата измерения с сильным фоновым сигналом азота, регистрируемым после введения нового образца. Выполнение последовательностей электрических разрядов способствует дегазации азота путем нагрева и облучения вещества на стенках камеры УФ излучением. Несколько последовательностей электрических разрядов должно быть выполнено на образце, прежде чем этот остаточный азот снизится в достаточной мере, и это нежелательно для приспособлений с высокой пропускной способностью, в которых желательным является точный и достоверный анализ азота с самого начала. Наличие потока газа аргона сокращает время снижения уровня остаточного азота.
Следовательно, газ аргон применяется для нескольких целей. Однако аргон и другие инертные газы являются дорогими и увеличивают эксплуатационные расходы спектрометра, и желательно, чтобы использовался как можно меньший поток инертного газа, что будет отвечать описанным выше целям.
Патент США 3815995 описывает форму введения газа, которая совпадает с осью с игольчатым электродом, используемым в процессе разряда. Это средство введения газа было разработано для того, чтобы снизить рассеяние позиций по поверхности образца, на которой происходят многократные электрические разряды. Однако этот способ предшествующего уровня техники характеризуется плохим удалением осколков из искровой камеры.
Документы CN 1796983 A и CN 2769882 Y описывают искровую камеру, содержащую два газоввода, каждый из которых устроен, чтобы обеспечивать газовый поток смежно с внутренней стенкой искровой камеры. Это способствует круговому потоку газа внутри камеры. Эта конфигурация обладает тем недостатком, что порождаемый газовый поток вихревого типа переносит частицы вещества в направлении стенок камеры, где оно накапливается, вместо того чтобы выдувать его из камеры.
Документ JP 10160674 A2 описывает четыре газоввода, которые направляют газ в радиальном направлении, направленном вовнутрь, в сторону игольчатого электрода. Симметричное расположение газовводов способствует более стабильному электрическому разряду, но опять же, не достигается эффективное удаление осколков.
Документ EP 00398462 B1 описывает использование импульсов промывочного газа через искровую камеру, чтобы более эффективно удалять осколки в промежутках между электрическими разрядами. Однако этот способ может способствовать послеимпульсам остаточного газового потока, который может переносить частицы осколков в сторону собирающей оптики и тем самым загрязнять ее.
В связи с вышеизложенным было осуществлено данное изобретение.
Краткое описание изобретения
Согласно аспекту настоящего изобретения предоставлена искровая камера для оптического эмиссионного анализатора, содержащая: газоввод, расположенный на первой стороне искровой камеры, для подачи газа в искровую камеру; и газоотвод, расположенный на второй стороне искровой камеры, предназначенный для переноса газа из искровой камеры; где удлиненный электрод, содержащий ось электрода в целом вдоль направления удлинения, расположен внутри искровой камеры; и где: первая и вторая стороны искровой камеры проходят по обе стороны удлиненного электрода в направлениях, в целом перпендикулярных оси электрода; через искровую камеру между газовводом и газоотводом проходит ось газового потока; и при прохождении по оси газового потока от газоввода к газоотводу незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярная оси газового потока, остается постоянной в пределах коэффициента A, где A находится между 1,0 и 2,0.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предоставлена искровая камера для оптико-эмиссионного анализатора, содержащая: газоввод, расположенный на первой стороне искровой камеры, для подачи газа в искровую камеру; газоотвод, расположенный на второй стороне искровой камеры, предназначенный для переноса газа из искровой камеры; и удлиненный электрод, содержащий ось электрода в целом вдоль направления удлинения, расположенный внутри искровой камеры; где: первая и вторая стороны искровой камеры проходят по обе стороны удлиненного электрода в направлениях, в целом перпендикулярных оси электрода; через искровую камеру между газовводом и газоотводом проходит ось газового потока; и при прохождении по оси газового потока от газоввода к газоотводу незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярная оси газового потока, остается по существу постоянной.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения предоставлен способ оптической эмиссионной спектрометрии, включающий: предоставление искровой камеры, причем искровая камера содержит газоввод, расположенный на первой стороне искровой камеры, для подачи газа в искровую камеру и газоотвод, расположенный на второй стороне искровой камеры, предназначенный для переноса газа из искровой камеры; размещение внутри искровой камеры удлиненного электрода, содержащего ось электрода в целом вдоль направления удлинения; где первая и вторая стороны искровой камеры проходят по обе стороны удлиненного электрода, так что через искровую камеру между газовводом и газоотводом проходит ось газового потока, которая в целом перпендикулярна оси электрода; и где при прохождении по оси газового потока от газоввода к газоотводу незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярная оси газового потока, остается постоянной в пределах коэффициента A, где A находится между 1,0 и 2,0.
Способ согласно настоящему изобретению может включать другие, широко известные этапы оптической эмиссионной спектрометрии, такие как любые из следующих: предоставление твердого образца для анализа, который, как правило, установлен так, что поверхность образца обращена к концу электрода и/или, как правило, так что он проходит над апертурой в стенке искровой камеры, обычно с воздухонепроницаемым уплотнением; вызывание, как правило, одной или более последовательности электрических разрядов между электродом и образцом, при которой образец действует как противоэлектрод; испарение вещества из образца и возбуждение, по меньшей мере, доли испаряемого вещества, вследствие чего возбужденное вещество испускает фотоны, энергия которых характерна для элементов в веществе; и выполнение спектроскопического анализа испускаемых фотонов, что позволяет установить состав вещества образца; где газ, предпочтительно такой, как аргон, подают в камеру посредством газоввода во время анализа.
Искровая камера может быть любой формы, такой, чтобы незагороженная площадь поперечного сечения, перпендикулярная оси газового потока, оставалась относительно постоянной, когда газ перемещается, в целом, по оси газового потока от газоввода к газоотводу. Предпочтительно, чтобы при прохождении по оси газового потока там, где незагороженные внутренние размеры искровой камеры уменьшаются в одном или более направлении, в целом, перпендикулярном оси газового потока, незагороженные внутренние размеры искровой камеры увеличивались в одном или более другом направлении, в целом, перпендикулярном оси газового потока, так чтобы сохранять более постоянную незагороженную площадь поперечного сечения, т.е. в пределах коэффициента A. Предпочтительно, незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярная оси газового потока, остается постоянной в пределах коэффициента A, где А находится между 1,0 и 2,0. Значение A может находиться между 1,0 и верхним пределом, выбранным из одного из следующих: 1,9; 1,8; 1,7; 1,6; 1,5; 1,4; 1,3; 1,2 и 1,1. Более предпочтительно, A находится между 1,0 и 1,7. Еще более предпочтительно, A находится между 1,0 и 1,4 и еще более предпочтительно, A находится между 1,0 и 1,3. Наиболее предпочтительно, незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярная оси газового потока, остается, по существу, постоянной.
Предпочтительно, стенки искровой камеры, т.е. радиальные стенки (радиально обращенные к электроду), изогнуты, тем самым определяя внутренний объем искровой камеры с искривленной внешней формой. Более предпочтительно, номинальный внутренний объем искровой камеры является цилиндрическим, т.е. стенки определяют цилиндрическую форму (цилиндрические стенки). Предпочтительно, когда внутренний объем искровой камеры основан на изогнутой, более предпочтительно цилиндрической, форме, и, следовательно, при перемещении по оси газового потока от входного отверстия или выходного отверстия к электроду ширина искровой камеры, перпендикулярная оси газового потока, растет из-за увеличения расстояния от оси потока к изогнутым боковым стенкам цилиндра, длина (т.е. высота) изогнутой стенки или цилиндра уменьшается. В этом типе варианта осуществления удлиненный электрод предпочтительно ориентирован так, что его ось проходит приблизительно по оси цилиндра, и газоввод и газоотвод расположены в изогнутых стенках камеры. Разумеется, кривизна стенок камеры может быть такой, что они образуют одну непрерывную стенку, как в случае, когда, например, стенки определяют цилиндрическую форму.
Незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры может быть выполнена так, чтобы быть постоянной в пределах коэффициента A по оси газового потока, путем изготовления искровой камеры соответствующим образом и/или введения в искровую камеру одного или более компонента, который бы создавал частичное заграждение внутри камеры. В предпочтительных вариантах осуществления изолятор, который по существу окружает удлиненный электрод, используется для того, чтобы частично загораживать газовый поток внутри искровой камеры. Термин «незагороженный объем» в контексте заявки означает объем пространства, которое не загорожено твердыми предметами, и которое может занимать газ, текущий через камеру. Незагороженной площадью поперечного сечения внутри искровой камеры является площадь поперечного сечения, которая является незагороженной твердыми предметами и через которую может течь газ. При перемещении по оси потока от газоввода к газоотводу незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярная оси газового потока, является мерой сопротивления газовому потоку через искровую камеру. В отличие от изоляторов электрода предшествующего уровня техники, предпочтительный изолятор для использования в данном изобретении не является вращательно-симметричным по оси электрода. Предпочтительно, изолятор имеет высоту, которая увеличивается при перемещении по оси газового потока от входного отверстия или выходного отверстия к электроду. Так, в предпочтительном варианте осуществления искровой камеры цилиндрической формы по мере того, как ширина искровой камеры, перпендикулярная оси газового потока, растет, высота изолятора увеличивается, тем самым сохраняя незагороженную внутреннюю площадь поперечного сечения постоянной в пределах коэффициента A.
Газовводом является одно или более отверстие в первой стороне искровой камеры, к которому подсоединен патрубок, подающий газ. Предпочтительно газовводом является одинарное отверстие в первой стороне искровой камеры, к которому подсоединен патрубок, подающий газ. Газоотводом является одно или более отверстий, предпочтительно одинарное отверстие, во второй стороне искровой камеры, к которому подсоединен патрубок для переноса газа из камеры. Отверстия для ввода газа и отвода газа могут иметь любую пригодную форму. Например, одно или более отверстие может быть круглым, яйцевидным, квадратным или прямоугольным по форме. Предпочтительно, одно или более отверстий содержат прямоугольное отверстие, в особенности каждое входное отверстие и выходное отверстие содержит одно прямоугольное отверстие. В предпочтительном варианте осуществления выполнено прямоугольное отверстие для газоввода и/или газоотвода, более предпочтительно прямоугольное отверстие имеет высоту, по существу равную высоте искровой камеры на входном отверстии и/или выходном отверстии, соответственно.
max
min
max
min
Коэффициент A считают путем взятия соотношения максимальной незагороженной внутренней площади поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярной оси газового потока, Area, к минимальной незагороженной внутренней площади поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярной оси газового потока, Area, т.е. Area/Area, причем максимальное и минимальное значения находятся по оси потока от газоввода к газоотводу. Там, где газоввод содержит множество отверстий, незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярная оси газового потока на газовводе, представляет собой сумму площадей поперечных сечений отверстий. Подобные соображения применимы к газоотводу, когда он содержит множество отверстий.
Удлиненный электрод может быть любой формы поперечного сечения (т.е. в поперечном сечении, поперечном по отношению к оси электрода), но предпочтительно цилиндрическим по форме с суженным коническим концом, который проходит внутри искровой камеры в сторону расположения образца. Предпочтительно, удлиненным электродом является иглообразный электрод. Удлиненный электрод содержит ось, которая в контексте заявки называется осью электрода, причем ось проходит, в целом, вдоль направления удлинения, и электрод ориентирован внутри искровой камеры так, чтобы ось была направлена в сторону расположения образца. Ось электрода предпочтительно расположена, по существу, радиально по центру в искровой камере. В предпочтительном варианте осуществления ось электрода также определяет осевое направление искровой камеры, причем газ течет, в целом, в радиальном направлении от входного отверстия на первой стороне искровой камеры к выходному отверстию на второй стороне искровой камеры.
Предпочтительно внутренняя форма искровой камеры и компоненты, помещенные внутрь искровой камеры, таковы, что турбулентность, по существу, устраняется, как будет описано далее.
Термин ось газового потока используется в заявке для описания линии, которая проходит от газоввода к газоотводу через искровую камеру, причем линия в целом проходит в направлении газового потока, который обеспечивается посредством газоввода и который перемещается к газоотводу. Поскольку первая и вторая стороны искровой камеры и, таким образом, входное отверстие и выходное отверстие проходят по обе стороны удлиненного электрода в направлениях, в целом перпендикулярных оси электрода, ось газового потока является, в целом, перпендикулярной оси электрода. Следует понимать, что траектория, по которой течет газ, предпочтительно проходит не только вдоль линии оси газового потока; напротив, предпочтительным признаком настоящего изобретения является то, что газ течет в ламинарном режиме от газоввода к газоотводу, по существу, полностью распространяясь по камере в направлениях, перпендикулярных оси газового потока, по мере того как он течет от газоввода к газоотводу, так чтобы эффективно выдувать осколки из камеры. Следовательно, термин ось газового потока используется в заявке для описания общего направления, принимаемого газом. Газовый поток может разделяться на два потока, так чтобы, по большей части, обходить иглообразный электрод. Газ, как правило, будет протекать поверх и вокруг иглообразного электрода.
Предпочтительно, искровая камера является по существу цилиндрической, и электрод расположен приблизительно по оси цилиндра. Предпочтительно, газоввод и газоотвод расположены на изогнутых внутренних стенках цилиндра и находятся на противоположных сторонах цилиндра, более предпочтительно, по существу, на диаметрально противоположных сторонах. В некоторых вариантах осуществления ось газового потока может быть изогнутой, поскольку газоввод и газоотвод не расположены диаметрально противоположно друг другу на стенке камеры. Предпочтительно, чтобы газоввод и газоотвод были расположены диаметрально противоположно друг другу на стенке камеры и ось газового потока была прямой.
Изобретателями настоящего изобретения было обнаружено, что геометрия внутреннего объема искровой камеры оказывает большое влияние на эффективность, с которой частицы вещества и испаряемое вещество выдуваются из объема камеры. В типичных искровых камерах предшествующего уровня техники выполнены трубки газоввода, диаметр которых относительно мал по сравнению с максимальным незагороженным внутренним диаметром искровой камеры. Газовводу малого диаметра зачастую отдавали предпочтение, чтобы обеспечить высокую скорость газового потока через трубку газоввода, чтобы предотвращать обратное натекание веществ на собирающую оптику анализатора, которая, как отмечалось выше, находится выше по потоку в искровой камере. Относительно малая трубка газоввода резко обрывается в искровой камере. Примеры таких систем предшествующего уровня техники можно найти в документах US 5699155, US 4289402 и CN 1796983 A. В этих системах предшествующего уровня техники незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярная оси потока, быстро увеличивается от газоввода по мере того, как газ перемещается в камеру, поскольку камера является цилиндрической по форме с газовводом, обрывающимся на одной изогнутой стороне цилиндра. Как правило, соотношение максимальной незагороженной внутренней площади поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярной оси потока, к его минимальной площади на газовводе составляет 2,5. Присутствует резкое изменение сопротивления потока газа непосредственно после вхождения в искровую камеру из газоввода и, в виду увеличения незагороженной площади поперечного сечения, скорость потока быстро падает. Эти эффекты часто приводят к турбулентности, завихрениям, в целом, вихревым или рециркулирующим режимам потока и застоям. Такие условия газового потока способствуют обратному осаждению вещества внутри искровой камеры, особенно на стенки камеры, с возможностью обратного натекания вещества вдоль трубки газоввода и осаждения на светособирающую оптику. Низкие скорости газового потока вместе с рециркуляцией могут приводить к тому, что время пребывания паров металла в результате разрядного процесса становится достаточно продолжительным, так что происходит конденсация на открытых поверхностях, таких как стенки камеры и изолятор. Осаждение вещества на поверхности оптики, изолятора или стенки камеры приводит к увеличению времени простоя прибора в результате технического обслуживания. Более того, турбулентный поток снижает стабильность электрического разряда, что может привести к снижению точности измерений.
Изобретатели поняли, что в отличие от условий газового потока, которым способствовали геометрии искровых камер предшествующего уровня техники, ламинарный газовый поток в высшей степени желателен для того, чтобы противодействовать этим эффектам и чтобы получить такой ламинарный газовый поток, незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры должна быть относительно постоянной по оси газового потока, которая проходит от газоввода к газоотводу. Газоввод и газоотвод должны обрываться в искровой камере, имея относительно большие площади поперечного сечения, так чтобы скорость газового потока не изменялась резко в этих областях. Множество газовводов и газовых отверстий могут использоваться для того, чтобы обеспечивать эту характеристику, но предпочтительно применяется одно отверстие газоввода и одно отверстие газоотвода. Одно отверстие газоввода имеет то дополнительное преимущество, что свет от разрядного процесса может эффективно передаваться вдоль газоввода к светособирающей оптике спектрометра, в особенности при одном отверстии газоввода, имеющем относительно большую площадь поперечного сечения. Множество входных отверстий и/или выходных отверстий могут также способствовать возникновению зон, в которых может происходить турбулентность и рециркуляция, расположенных в области входного отверстия или выходного отверстия.
Применение искровой камеры, в которой незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения, перпендикулярная оси газового потока, остается относительно постоянной от газоввода к газоотводу, позволяет настоящему изобретению промывать искровую камеру при значительно сниженных скоростях газового потока, но с усовершенствованными характеристиками очистки от осколков. В типичных искровых камерах предшествующего уровня техники применяется скорость газового потока 5 л/мин; настоящее изобретение позволяет использовать скорость газового потока 3 л/мин, но с более высокими характеристиками промывки. Пониженные скорости газового потока приводят к снижению эксплуатационных расходов. В настоящем изобретении может применяться любой инертный газ, как известно в области техники, предпочтительно аргон. Характеристики ламинарного потока обеспечивают меньшую турбулентность, меньшую рециркуляцию и, следовательно, меньшее осаждение и лучшую очистку от осколков, что приводит к уменьшению времени простоя для чиистки искровой камеры, как правило, в два-три раза. Ламинарный поток также способствует более стабильному электрическому разряду, приводящему к более высокому уровню воспроизводимости, ведущему к усовершенствованной точности анализа. Как отмечалось выше, для анализа содержания азота в образце было обнаружено, что дегазация остаточного азота из вещества на внутренних поверхностях стенок искровой камеры вызывает неустойчивость записываемого сигнала азота и неточности результатов измерений с сильным фоновым сигналом азота, регистрируемым непосредственно после введения образца. Подходящий выбор материалов для внутренней стенки камеры, обеспеченной тонкой отделкой поверхности, устранение мертвых или застойных объемов, а также хорошо организованный режим потока аргона для того, чтобы эффективно промывать камеру, что обеспечивается настоящим изобретением, - все это способствует дегазации остаточного азота до уровня, который позволяет достичь необходимой чувствительности и стабильности с самого начала.
Перечень чертежей
Фигура 1 показывает схематические виды в поперечном сечении искровой камеры предшествующего уровня техники.
Фигура 2 показывает схематический и масштабированный виды в поперечном сечении изоляторов, используемых в вариантах осуществления настоящего изобретения.
Фигура 3 показывает результаты вычислительной гидродинамики потока для газовых потоков в искровой камере, в которой применяется настоящее изобретение.
Фигура 4 показывает результаты измеренных скоростей частиц в газе, текущем через искровую камеру предшествующего уровня техники, вместе с диаграммой, показывающей точки внутри камеры, где были выполнены измерения.
Фигура 5 показывает результаты измеренных скоростей частиц в газе, текущем через искровую камеру, внутри которой расположены три разных изолятора с формами согласно настоящему изобретению.
Подробное описание
max
min
Фигура 1a показывает схематический вид сбоку в поперечном сечении искровой камеры предшествующего уровня техники, в целом, с цилиндрической геометрией 10, содержащей апертуру 15 на верхней строне 20 камеры 10. Газоввод 25 примыкает к камере по изогнутой боковой стенке 30, и газоотвод 35 примыкает к камере по противоположной стороне. Патрубок 26 газоввода соединен с газовводом 25; патрубок 36 газоотвода соединен с газоотводом 35. Внутри камеры находится удлиненный цилиндрический электрод 40, суженный конический конец которого обращен к центру апертуры 15. Цилиндрический электрод 40 содержит ось 42. При использовании образец 45 устанавливают на камеру, так чтобы лицевая поверхность образца покрывала апертуру 15. Электрический разряд наводят между электродом 40 и образцом для того, чтобы испарить вещество образца, как описывалось ранее. Газ аргон, чистота которого превышает 99,997%, подают в камеру посредством газоввода 25 со скоростью 5 сл/мин (стандартных литров в минуту) во время анализа образца. Максимальная незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения искровой камеры 10, перпендикулярная оси газового потока, Area, примерно в 2,5 раза больше, чем площадь поперечного сечения газоввода 25, которая является минимальной незагороженной внутренней площадью поперечного сечения искровой камеры, перпендикулярной оси газового потока, Area. Следовательно, коэффициент А для этой камеры составляет 2,5. Изолятор 50 расположен внутри искровой камеры и окружает часть электрода 40 для того, чтобы предотвращать паразитные разряды на внутреннюю стенку камеры. Изолятор 50 вращательно-симметричен относительно оси 42 электрода.
max
Газовый поток через искровую камеру 10 следует оси 55 газового потока от окрестности газоввода 25 к окрестности газоотвода 35. Газовый патрубок 26 и газоввод 25 содержат площади поперечного сечения, которые, по существу, меньше, чем максимальная незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения, Area, камеры 10. В этой камере предшествующего уровня техники по фигуре 1а сопротивление газовому потоку резко изменяется на газовводе 25 и газоотводе 35, поскольку незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения, перпендикулярная оси газового потока, резко изменяется на газовводе 25 и газоотводе 35.
Фигура 1b представляет собой схематический вид сверху в поперечном сечении камеры по фигуре 1а, причем подобные признаки обозначены такими же ссылочными позициями. Газовый поток в камеру 10 обозначен стрелкой 60. Из-за резкого изменения сопротивления потоку вблизи газоввода 25 некоторая часть газа рециркулирует, что обозначено стрелками 62. Рециркулирующий газ 62 склонен осаждать вещество на стенки камеры 10 и способствует увеличению времени пребывания для вещества, полученного в процессе искрового разряда, содействуя конденсации некоторой части вещества на камере и структурах внутри камеры.
В варианте осуществления настоящего изобретения применяется изолятор, окружающий удлиненный электрод для того, чтобы частично загораживать внутренний объем цилиндрической искровой камеры с целью сохранять более постоянную незагороженную внутреннюю площадь поперечного сечения, предоставляемую газовому потоку. Фигура 2а показывает вид в поперечном сечении изолятора 150 согласно такому варианту осуществления, причем вид в поперечном сечении содержит сечение в направлении, параллельном оси газового потока. Цилиндрический удлиненный электрод 140 содержит ось 142 внутри искровой камеры 110 цилиндрической формы, причем ось 142 приблизительно совпадает с осью искровой камеры цилиндрической формы. Верхняя сторона камеры 110 содержит апертуру (не показана) для того, чтобы принимать образец подобно варианту осуществления предшествующего уровня техники, показанному на фигуре 1. Ось y показывает высоту камеры в мм, а ось x показывает расстояние вдоль камеры от газоввода 125 к газоотводу 135 в мм, причем начало координат расположено на оси 142 электрода. Газоввод 125 и газоотвод 135 характеризуются прямоугольной формой поперечного сечения, 10 мм в направлении y и 10 мм в направлении z (направление z перпендикулярно направлениям x и y и находится вне плоскости фигуры 2а). Входное отверстие и выходное отверстие имеют высоту (в направлении y), которая равняется высоте искровой камеры 110 на входном отверстии и выходном отверстии, соответственно. Изолятор 150 характеризуется такой формой, чтобы незагороженная внутренняя площадь поперечного сечения, перпендикулярная оси газового потока 159 (которая направлена по оси x), оставалась постоянной от газоввода 125 к газоотводу 135, т.е. незагороженная площадь поперечного сечения остается постоянной в пределах коэффициента 1,0. Изолятор 150 характеризуется прямоугольным поперечным сечением в направлении, перпендикулярном оси газового потока, и, следовательно, изолятор 150 не является вращательно-симметричным. Изолятор 150 с формой, параллельной оси газового потока, по фигуре 2а, характеризуясь прямоугольным поперечным сечением в направлении, перпендикулярном оси газового потока, является теоретически оптимальным разрезом для того, чтобы сохранять постоянное поперечное сечение для потока по всей искровой камере 110, причем камера является цилиндрической с диаметром 26 мм и максимальной начальной высотой 10 мм.
Хотя изолятор 150 с разрезом, показанным на фигуре 2а, является вариантом осуществления настоящего изобретения, изобретатели обнаружили, что более предпочтительные варианты осуществления следуют формам, изображенным на фигурах 2b-2d. Эти изоляторы содержат основание высотой 7 мм, как изображено на фигуре, которое расположено внутри основания камеры, и нижнее основание 7 мм этих изоляторов проходит ниже линии y=0 и не внутри самой камеры. Разрезы этих изоляторов выше линии y=0 избегают резкого увеличения и уменьшения высоты, изображенных на фигуре 2а в точках 151 и 153. Формы изоляторов, изображенных на фигурах 2b-2d, содержат плавные переднюю и заднюю поверхности, причем разнящиеся высоты позволяют приспосабливать скорость газа в месте искры в зависимости от применения. Как и с изолятором 150 по фигуре 2а, разрезы изолятора на фигурах 2b-2d не являются вращательно-симметричными, напротив, они представляют собой виды в поперечном сечении изоляторов в плоскости, параллельной оси газового потока. В плоскости, перпендикулярной оси газового потока, все разрезы изолятора по фигурам 2b-2d являются прямоугольными по форме.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления применяется форма изолятора, изображенная на фигуре 2e в изометрическом виде, и 2f, виде в разрезе. Изометрический вид по фигуре 2e показывает подобную общую форму для изоляторов по фигурам 2a-2d, где разрезу придана форма в сечении, параллельном оси газового потока, и разрез в сечении, перпендикулярном оси газового потока, является прямоугольным, однако подробные размеры отличаются. Фигура 2f показывает тот же изолятор по фигуре 2e в сечении, параллельном оси газового потока, причем ось газового потока обозначена направлением G по фигуре 2e. Изолятор по фигурам 2e и 2f содержит основание 160, которое проходит ниже линии y=0 и, следовательно, не находится внутри камеры при ее эксплуатации. Изолятор, изображенный, на фигурах 2e и 2f, также содержит паз 165, известный в предшествующем уровне техники, обеспечивающий зону, защищенную от металлизации, причем металлизация возникает во время процесса разряда. В противном случае эта металлизация нарастала бы и имела тенденцию, в конечном итоге, обеспечивать токопроводящий путь по поверхности изолятора между электродом и стенкой камеры. Другие изоляторы, такие как на фигурах 2a-2d, также могут содержать такой паз, хотя это не показано на этих фигурах.
Трехмерные моделирования потока, использующие вычислительную гидродинамику (CFD), выполнялись для искровой камеры, в которой применяется данное изобретение. Фигура 3 показывает вид сбоку в поперечном сечении камеры 210. В этом примере показаны газоввод 225 и газоотвод 235, и камера 210 была увеличена в области 255, чтобы сделать возможным использование увеличенного газоввода 225, так чтобы способствовать усовершенствованному оптическому сбору фотонов. Образец 245 прикреплен к камере 210 и обращен поверхностью 247 образца в сторону иглообразного электрода 240. Изолятор 250 окружает нижнюю часть электрода 240 для того, чтобы предотвращать паразитный разряд на стенках камеры, и имеет форму согласно изображению на фигуре 2b. Линии 270 потока показывают результаты CFD-моделирования, обнаруживая, по существу, ламинарный поток через камеру 210. Настоящее изобретение образует усовершенствованный ламинарный газовый поток через искровую камеру, в котором скорость газа поддерживается почти постоянной. Накопление частиц осколков и конденсатов, по существу, снижено, что приводит к уменьшению времени простоя прибора.
-1
-1
-1
-1
Были проведены эксперименты с целью определения характеристик газового потока внутри искровой камеры предшествующего уровня техники, подобной той, что показана на фигуре 1. Детекторы частиц, содержащие полые стеклянные сферы диаметром 10 мкм, были введены через трубку, заканчивающуюся плоским соплом, расположенным внутри газоввода 25, и переносились газовым потоком со скоростью 1 сл/мин. Остаток газового потока был направлен через газоввод, как обычно. Искровая камера была оборудована окном вместо образца для того, чтобы покрыть апертуру 15. Снаружи искровой камеры была расположена кольцевая лампа для того, чтобы освещать внутреннюю часть искровой камеры через окно. Камера с кратковременной экспозицией была установлена над окном, и образы индикаторов частиц записывались, пока газ протекал через камеру. При определенной длительности экспозиции образ частиц позволял измерять скорость частиц в точках внутри камеры. Фигура 4а представляет собой график, показывающий скорость частиц (y) в мс по отношению к расположению (x) внутри камеры предшествующего уровня техники, для скоростей газового потока 5 сл/мин (левый график) и 3 сл/мин (правый график). Скорости частиц оценивали в точках внутри камеры 10, как обозначено на фигуре 4b позициями 1-8. Газоввод 25, газоотвод 35 и иглообразный электрод 40 изображены схематически на фигуре 4b, которая также показывает шкалу x. Изолятор 50 не показан для ясности. На фигуре 4a видно, что скорость газа по оси газового потока, которая тянется от газоввода 25 к газоотводу 35 по линии вдоль позиций 1-5, остается относительно постоянной для скорости газового потока 5 сл/мин, и что скорость газа, следующего по траектории, отмеченной позициями 6-8, также остается относительно постоянной и сохраняет скорость ~0,9 мс. Однако если скорость газового потока снижать, чтобы сэкономить газ, до 3 сл/мин, скорость газа падает до ~0,5 мс по оси газового потока, и падает ниже этого до 0,35 мс в точке, обозначенной позицией 7.
-1
-1
Фигура 5 показывает графики, показывающие скорости частиц (y) в мс по отношению к расположению (x) внутри камеры, в которой применяется данное изобретение, для скоростей газового потока 3 сл/мин (графики слева) и 2 сл/мин (графики справа). Результаты по фигуре 5а относятся к варианту осуществления, в котором используют изолятор, изображенный на фигуре 2b; результаты по фигуре 5b относятся к варианту осуществления, в котором используют изолятор, изображенный на фигуре 2c, и результаты по фигуре 5c относятся к варианту осуществления, в котором используют изолятор, изображенный на фигуре 2d. Скорости частиц оценивали в точках внутри камеры, как обозначено на фигуре 4b позициями 1-8. Видно, что для изоляторов, изображенных на фигуре 2c и 2d, скорости частиц ~0,9 мс или более достигаются при скорости потока всего 3 сл/мин. Более того, для изоляторов, изображенных на фигуре 2c и 2d, скорости частиц значительно выше при скорости потока всего лишь 2 сл/мин, по сравнению с конструкцией предшествующего уровня техники при скорости потока 3 сл/мин. Для изолятора, изображенного на фигуре 2b, скорости частиц снова больше по сравнению с конструкцией предшествующего уровня техники при той же скорости потока 3 сл/мин. Более того, скорости частиц относительно постоянны во всех точках внутри камеры для этих скоростей потока.
Будет понятно, что хотя предпочтительные варианты осуществления приспосабливают внутренний объем искровой камеры, частично заполняя его изолятором определенной формы, в альтернативных вариантах осуществления могут применяться стенки определенной формы для камеры или другие компоненты, внесенные в камеру, чтобы частично загораживать газовый поток. Форма компонентов будет варьироваться, если будет варьироваться общая геометрия искровой камеры.
В контексте заявки, включая формулу изобретения, если контекст не указывает на обратное, формы единственного числа терминов должны восприниматься как включающие формы множественного числа, и наоборот. К примеру, если контекст не указывает на обратное, в тексте заявки, включая формулу изобретения, существительные, употребленные в единственном числе, означают «один или более».
По всему тексту описания и формулы этого изложения слова «содержать», «включая», «имеющий» и «содержать в себе» и вариации этих слов, например «содержащий» и «содержит» и т.д., означают «включая, но не ограничиваясь» и не предназначены, чтобы исключать (и не исключают) другие компоненты.
Будет понятно, что вариации вышеупомянутых вариантов осуществления изобретения могут выполняться, не выходя за пределы объема изобретения. Каждый признак, раскрытый в этом изложении, если не указано иначе, может быть замещен альтернативными признаками, служащими той же эквивалентной или подобной цели. Таким образом, если не указано иначе, каждый раскрытый признак является только одним примером обобщенного ряда эквивалентных или подобных признаков.
Использование каких бы то ни было примеров или иллюстративных выражений («к примеру», «такой как», «например» и подобных выражений), предоставленных в заявке, предназначено лишь для лучшей иллюстрации изобретения и не означает ограничения объема изобретения, если не указано иначе. Никакие выражения в описании не должны восприниматься как указывающие на какой-либо не заявленный элемент как на существенный для практического применения изобретения.