СПЕКТРАЛЬНАЯ ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЛАМПА ДЛЯ АТОМНОЙ АБСОРБЦИИ
SPECTRAL GAS-DISCHARGE LAMP FOR ATOMIC ABSORPTION

Спектральная газоразрядная лампа для атомной абсорбции предназначена для использования в спектрометрах абсорбционного типа. В методе Атомно-Абсорбционной Спектрометрии концентрация исследуемого элемента определяется по интенсивности поглощения света с характерной длиной волны атомным паром этого элемента. Указанные лампы известны давно и их производство освоено промышленностью. Например, существуют технические условия для изготовления спектральных ламп (Лампы спектральные ЛС-11. Технические условия ТУ 48-18-29-91 АОСЦМА, 1991 г.). Обязательными элементами газоразрядной лампы являются катод, анод, наполненная инертным газом стеклянная колба, в которой происходит разряд. Для увеличения разрядной поверхности катода последний обычно выполняется в виде полого цилиндра, открытого со стороны выхода излучения и закрытого с противоположной стороны. Например, известен патент 1966 года [GB 1032063(A), Discharge Lamps], в котором газоразрядная лампа содержит анод, полый катод, расположенные в цилиндрической колбе, причем выход колбы заканчивается окном из кварцевого стекла, хорошо пропускающего ультрафиолетовое излучение. Полый катод также используется в лампе для атомной абсорбции, предложенной в патенте [US3732454(A), GLOW DISCHARGE TUBE FOR ATOMIC LIGHT-ABSORPTION ANALYSIS, 1973-05-08]. Для спектрального анализа необходимо иметь набор спектральных ламп, каждая из которых имеет свой определенный спектр излучения. Это достигается за счет того, что катод выполняется из того материала, спектр которого необходимо получить, либо катод выполняется из сплава, в котором одним из компонентов является упомянутый материал.
При подключении лампы к источнику питания между анодом и разрядной (внутренней) поверхностью катода в среде газа возникает тлеющий разряд. В результате ионной бомбардировки происходит распыление материала катода, при этом нейтральные атомы материала катода возбуждаются в газовом разряде и излучают линии, принадлежащие спектру элемента катода. Это излучение и используется в методе Атомно-Абсорбционной Спектрометрии. Таким образом, на явлении распыления материала катода основана работа данного типа спектральных газоразрядных ламп. Одновременно, это распыление материала катода является основным недостатком такой спектральной лампы, поскольку очевидна недолговечность работы лампы. Например, в упомянутых выше «Технических условиях» для лампы, излучающей спектр легкоплавкого свинца, гарантийный срок службы составляет 90 часов.
Известна «Спектральная газоразрядная лампа для атомной абсорбции» (патент RU 217047, 10.07.2001), в которой полый катод помимо колбы еще помещен в две концентрические электроизоляционные трубки. Утверждается, что при выборе указанных в патенте соотношений между диаметрами катода и электроизоляционных трубок срок службы спектральной лампы увеличивается в 1,66 раза.
Известно авторское свидетельство СССР (№928467, кл. H01J 61/02, 1980), в котором полый катод окружен электроизоляционной трубкой и дополнительным цилиндрическим экраном. Утверждается, что при выборе определенных соотношений между диаметрами стеклянной колбы лампы и экрана, а также при указанных смещениях торцевых поверхностей катода и экрана можно увеличить срок службы лампы в 2-3 раза.
По взаимному расположению катода и анода в лампе наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является спектральная лампа, предложенная в указанном выше патенте [GB 1032063(A) Discharge Lamps]. В этой лампе штыревой анод расположен, как и в предлагаемом решении несоосно с полым катодом. Основным недостатком этой лампы, а также всех рассмотренных выше ламп является низкий срок службы.
Предлагаемое техническое решение также направлено на увеличение долговечности спектральной лампы, но технический результат заключается в том, что сроки службы спектральных ламп возрастают на несколько порядков по сравнению с долговечностью ламп, указанных в цитируемых выше документах. Это достигается за счет того, что в спектральной лампе для атомной абсорбции, содержащей несоосный с катодом штыревой анод и полый катод, катод длиной L и наружным диаметром D выполнен из оксидированного (окисленного) алюминия и размещен в стеклянной колбе, через стенку которой в полость катода на глубину, равную 1/5 D, входит разрядная трубка протяженностью 6/5L с внешним диаметром, меньшим внутреннего диаметра катода, с двумя разнесенными по длине разрядной трубки отводами, и закрытая с противоположной стороны окном из увиолевого стекла, причем анод расположен в стеклянном отводе, ближайшем к увиолевому стеклу на расстоянии 1/3L от него, а источник паров металла, спектр которого необходимо получить, расположен в другом отводе на расстоянии 1/2L от окна.
Новизна предлагаемого решения заключается в том, что катод спектральной лампы выполнен из оксидированного алюминия, катод служит только для поддержания эмиссией электронов разряда в разрядной трубке и не предназначен для инжекции в газовый разряд нейтральных атомов материала, спектр которого требуется получить. В предлагаемой лампе эти две задачи (поддержание газового разряда и инжекция атомов исследуемого материала) разделены, что в принципе позволяет управлять ими раздельно для целей увеличения долговечности и стабильности спектральной лампы. Новой является конструкция разрядной трубки лампы. Новыми являются зависимости между геометрическими размерами катода и разрядной трубки и взаимным расположением относительно их отводов разрядной трубки, в одном из которых расположен анод, а в другом - источник паров исследуемого материала.
5
Холодные катоды на основе оксидированного алюминия, поставляя в плазму тлеющего разряда вторичные электроны, полученные с поверхности в процессе ионно-электронной эмиссии, в тоже время сами распыляются. Однако благодаря современным технологическим приемам катоды на основе алюминия обеспечивают срок службы (например, в гелий-неоновых лазерах) до 10 часов [Создание эффективных холодных катодов из алюминия и бериллия. Г.Г.Бондаренко, А.П.Коржавый, Д.К.Никифоров, Г.А.Чистяков, «Перспективные материалы», 2007, №2]. Сравнивая эти значения со сроками службы (несколько сотен часов) упоминавшихся выше спектральных ламп, можно сказать, что катоды на основе окисленного алюминия практически не влияют на долговечность в предлагаемой спектральной лампе.
Для получения нейтральных атомов материала, спектр которого требуется получить, этот материал помещают в специальный отвод разрядной трубки на пути тлеющего разряда между катодом и анодом. Для работы лампы необходим материал в виде атомного пара, получаемого, например, с использованием нагреваемой нихромовой проволоки, помещаемой в отвод трубки. Поскольку на количество материала, помещаемого в отвод разрядной трубки, нет принципиальных ограничений, то можно считать, что этот параметр также незначительно влияет на долговечность предлагаемой лампы.
Срок службы спектральных ламп, работа которых основана на явлении распыления материала катода, в основном ограничивается по следующим причинам. Во-первых, при работе лампы на стенках стеклянной колбы постоянно осаждается распыленный материал катода и в результате этого через какое-то время разряд (между катодом и анодом) перебрасывается с катода на стенки колбы и лампа становится неработоспособной. Во-вторых, в процессе работы лампы распыленный материал осаждается так же на выходном окне лампы, происходит его запыление и падает интенсивность выходного излучения. Степень уменьшения срока работоспособности лампы от указанных выше нежелательных явлений полностью определяется концентрацией распыленного материала (атомного пара) в разряде. Определим эту концентрацию в разрядной трубке предлагаемой лампы. Для расчета использованы соотношения и типичные величины некоторых параметров, приведенные в книге «Введение в физику лазеров», Мэйтлэнд А., Данн М., перевод с англ. Батанова В.А. под ред. Анисимова С.И., Издательство «Наука», Главная редакция физ.-мат.литературы, 1978 г., стр.60.
Концентрацию n атомов в единице объема разрядной трубки можно определить из формулы
где n - концентрация испаряемых атомов,
b - длина разрядной трубки,
σ - величина поперечного сечения фотовозбуждения.
Следует заметить, что величина b считается заданной, в нашем случае длина разрядной трубки выбрана равной 10 см. Экспериментально установлено, что при такой длине обеспечивается невысокое напряжение зажигания и горения лампы и не слишком большая концентрация испаряемых атомов. Величина σ определяется из формулы
сп
где τ - естественное излучательное время жизни для перехода,
vd
Δ - доплеровская ширина линии на половине высоты,
λ - длина волны излучения.
сп
vd
m
n
-8
9
-4
-11
2
10
-3
10
-3
16
-8
10
Для типичных величин τ=10 с, Δ=10 Гц, λ=0,78∗10 см (красный свет), в предположении, что g=g=1, из (2) получаем σ≈2∗10 см. Подставляя полученное значение σ в формулу (1), определяем величину n≈0,5∗10 см. Известно, что для разрядной трубки с b=10 см концентрация атомов n, которая обеспечивает одну оптическую толщину, должна быть порядка 10 см. Одновременно следует отметить, что при такой оптической толщине уширение резонансной линии в результате самопоглощения используемого резонансного излучения минимально. Какие выводы можно сделать для полученного в формуле результата. В монослое атомов (слой толщиной в один атом), напыленных на поверхность площадью один квадратный сантиметр, будет содержаться около 10 атомов (при размере атома порядка 10 см). Если теперь испарить этот монослой в вакуум в объем один кубический сантиметр, то концентрация атомного пара будет составлять 1016 на кубический сантиметр, то есть один Торр. Поскольку концентрация атомного пара в разрядной трубке предлагаемой лампы составляет ≈0,5∗10 на сантиметр кубический, что в 2 миллиона раз меньше, чем монослой, то это с гарантией предотвращает замыкание разряда между катодом и внутренней поверхностью разрядной трубки.
Запыление выходного окна в предлагаемой лампе происходит не материалом катода, а атомизируемым материалом. Ясно, что концентрация этого материала падает от разряда к окну по закону, который можно аппроксимировать функцией
-1/d
exp , где l - расстояние между разрядом и окном, a d - внутренний диаметр разрядной трубки. Поэтому концентрация атомизируемого материала вблизи окна становится еще меньше и при этом давления, имеющегося в разрядной трубке, недостаточно для образования одного монослоя атомов на окне, а на образование непрозрачной для света пленки надо порядка 1000 монослоев.
Помимо этого известно, что осаждаемая на стеклянных стенках баллона спектральных газоразрядных ламп металлическая пленка поглощает ионы инертного газа, которым заполняется колба спектральной лампы, и это приводит к уменьшению давления газа и изменению параметров газового разряда, от которых зависит стабильность интенсивности излучения лампы. Этот эффект также сильно подавлен тем обстоятельством, что на стенках может существовать пленка, которая в два миллиона раз меньше монослоя (но даже один монослой атомов не может поглотить заметного количества газа).
В институте автоматики и электрометрии СО РАН была изготовлена экспериментальная модель предлагаемой спектральной лампы. В качестве катода использован катод на основе оксидированного алюминия, применяемый в гелий-неоновых лазерах. Диметр катода D=40 мм, а длина L=100 мм, примерно такие размеры выбирают для изготовления долговечных катодов. Такой катод может отдавать ток порядка 25 мА. Током катода определяется диаметр разрядной трубки спектральной лампы. Чтобы обеспечить плотность тока порядка 100 миллиампер на квадратный сантиметр внутренний диаметр d разрядной трубки равняется 5 миллиметрам. При такой плотности тока достигается пренебрежимо малое уширение спектральных линий по сравнению с уширением линий буферным газом, а помимо этого при диаметре разрядной трубки 5 миллиметров еще довольно малы напряжение зажигания и горения лампы и запыление выходного окна.
Заглубление Z разрядной трубки в полость катода зависит от диаметра катода. Экспериментально установлено, что лучшие результаты получаются при заглублении Z=1/5D (в нашем случае Z=8 мм).
Экспериментально установлено, что расстояние от источника паров исследуемого материала до выходного увиолевого окна должно быть в пределах 5-10 диаметров разрядной трубки. В этом случае достигается минимальное запыление выходного окна, и излучение выходит с минимальными потерями.
Анодный отвод разрядной трубки, находящийся между источником паров и выходным окном, должен располагаться перед источником паров на расстоянии примерно одного диаметра разрядной трубки. В этом случае явление катафореза препятствует распространению атомизируемого материала к выходному окну. Помимо этого расстояние между осями отводов разрядной трубки должно быть не меньше, чем характерный масштаб разряда, то есть не меньше диаметра трубки.
п
Предлагаемая лампа работает следующим образом. На анод лампы подается положительное (относительно катода) постоянное напряжение Ua от высоковольтного источника (Ua=1500 В). После подачи напряжения в ионизированном газе возникает тлеющий разряд, поддерживаемый электронами в результате ионно-электронной эмиссии с катода. Величина потенциала зажигания U определяется известным соотношением Uп=pd, где p - давление газа в колбе лампы, d - расстояние между холодными электродами.
Следует отметить, что в настоящее время производящими фирмами предлагаются высоковольтные источники питания в малогабаритном исполнении, и поэтому необходимость использования высоковольтного источника не является большим недостатком предлагаемой спектральной лампы.
Конструкция лампы схематично представлена на фиг.1. На фиг.1 полый катод 1 с выводным электродом 2 помещен в стеклянную колбу 3. В полость катода входит разрядная трубка 4 с первым отводом 5, где размещен источник 6 паров исследуемого материала. Во втором отводе 7 размещен штыревой анод 8. Разрядная трубка заканчивается окном 9 из увиолевого стекла.
В Институте была изготовлена экспериментальная модель лампы, фотография которой показана на фиг.2. Цифровые обозначения элементов лампы совпадают с обозначениями элементов на фиг.1. Позицией 10 на фотографии помечен вентиль, через который откачивается воздух из колбы лампы. Колба наполнена аргоном, давление газа составляет 10 Торр. В качестве испаряемого материала использовались рубидий, натрий или рубидий и натрий вместе, в этом случае лампа светит резонансными линиями рубидия и натрия одновременно. Для нагрева испаряемого материала использовалась нихромовая спираль. Экспериментальная модель лампы испытывалась в течение 300 часов. Экстраполяция замеченного незначительного снижения мощности излучения лампы в результате запыления выходного окна позволяет сделать вывод, что ожидаемый срок службы лампы может составлять порядка 3000 часов.
В заключение следует отметить, что разработанные нами резонансные лампы несомненно найдут применение в различных областях науки, технике и образовании. Это прежде всего для проведения разного рода научных исследований атомной десорбции и фотодесорбции с различных поверхностей, в области атомного абсорбционного анализа различных смесей, в геологии, в химии, при мониторинге окружающей среды и в медицине. Широкий спектр применения эти лампы могут найти в университетских и школьных лабораторных практикумах.