Атомизаторы и источники возбуждения в аналитической химии

промышленные гене-раторы ИГ-2; ИГ-З; ИВС-23 и ИВС-27.Стабильность работы и луч-шую управляемость обычной схемы высоковольтной конденсирован-ной искры можно подучить, если ввести в разрядный, контур ме-ханический прерыватель, вращаемый синхронным мотором (рис.2,в). Скорость вращения мотора должна быть такой, чтобы контакты прерывателя замыкали схему в каждый полупериод тока при одном и том же значении фазы. Разряд конденсатора на ана-литическом промежутке происходит при установлений контакта в прерывателе. Для предохранения трансформатора от проникнове-ния а него токов высокой частоты из разрядного контура в схе-му введены дросельные катушки.

Дуговые генераторы. Дуга постоянного тока. На рис.3 а, представлена принципиальная схема генератора дуги постоянного тока. Она состоит из аналитического промежутка (АП), реостата

и клемм, подводящих ток от выпрямителя. Вольтметр и амперметр в этой и других схемах для лучшего восприятия материала упус-каются.

Рис.3. Принципиальные схемы дуговых генераторов: а—генератор дуги постоянного тока; б,в—генераторы активизированной дуги переменного тока с индуктивной (б) и автотрансформаторной (в) связью дугового (I)и высокочастотного (II) контуров. А.п.— аналитический промежуток; Р—разрядник; С—конденсаторы; L—-катушки; Тр—трансформаторы

Из-за высокого сопротивления воздуха в аналитическом промежутке при подаче на него напряжения дуга не загорится. Для поджига дуги аналитический промежуток следует активизиро-вать. Это достигается кратковременным сведением электродов либо с помощью токов высокой частоты, как в генераторе акти-визированной дуги переменного тока. Зажигание дуги и поддер-живание ее горения происходят за счет термоэлектронной эмис-сии с электродов.

При анализе металлических сплавов анализируемый образец обычно подключают к отрицательному полюсу, катоду, а постоян-ный электрод - к аноду. При анализе горных пород и порошко-образных проб угольный электрод, в кратер которого обычно по-мещают пробу, включают анодом, так как его температура на не-сколько сот градусов выше катода.

Активизированная дуга переменного тока. Дуговой разряд переменного тока не может поддерживаться самостоятельно между металлическими электродами, так как направление тока меняется 100 раз в секунду (50 Гц). За такой промежуток времени метал-лические электроды успевают остыть, и термоэлектронная эмис-сия при этом не происходит, а дуга гаснет и не загорается. Для восстановления дуги в начале каждого полупериода тока ее необходимо зажигать с помощью высокочастотного тока(рис.3,б).

Механизм действия высокочастотного контура генератора аналогичен высоковольтной конденсированной искре. Ток от вто-ричной цепи трансформатора заряжает конденсатор Сз, который затем разряжается на дополнительный разрядный промежуток Р. Возникающие при этом высокочастотные колебания с помощью ка-тушек индуктивности L1 и L2 передаются в контур дуги перемен-ного тока, ионизируя аналитический промежуток и способствуя поджигу и стабильному горению дуги.

Если в контуре дуги уменьшить индуктивность катушки L1 и дополнительно включить емкость С2, то получится новый режим возбуждения спектров — режим низковольтной искры, способный возбуждать искровые линии элементов с высокими потенциалами

возбуждения. Связь дугового и высокочастотного контуров может быть осуществлена также и по автотрансформаторной схеме (рис.3в). Для этого катушки индуктивности L1 и L2 заменяют од-ной небольшой индуктивностью L3 и включают емкость C2=l0 мкФ, которая обусловливает жесткий искровой режим. Высокочастотный режим возбуждения спектров получают путем закорачивания кон-денсатора С4 и отключения питания аналитического промежутка током низкой частоты.

Все приведенные режимы реализуются в промышленных гене-раторах активизированной дуги переменного тока ДГ-2, ИВС-20, ИВС-28, ИВС-29. Фотоэлектриче-ские установки типа квантометра комплектуются специальными генераторами с электронным управлением, например ГЭУ и УГЭ-4. Такие генераторы обеспечивают следующие режимы возбуждения спектра: дуга переменного тока, выпрямленная дуга различной полярности и скважности (соотношение времени горения дуги и паузы за полупериод тока) с силой тока от 1,5 до 20 А; дуга постоянного тока (от 1,5 до 20 А); низковольтная искра при напряжении 250—300В, высоковольтная искра при напряжении 7500—15000В; импульсный разряд большой мощности. Во всех ре-жимах обеспечивается электронное управление разрядом и широ-кое варьирование параметров разрядного контура. Источник пи-тания — сеть трехфазного тока 380 В, 50 Гц или однофазного тока 220В, 50 Гц.

Плазматроны. Плазматрон, или плазменная горелка, является сравнительно новым источником возбуждения в спектральном ана-лизе. Интерес к нему обусловлен его универсальностью, высокой чувствительностью определения элементов (10-3—10-6 %), исклю-чительной стабильностью работы, малым влиянием основы анали-зируемого материала и третьих компонентов, возможностью не-прерывного анализа как жидких, так и порошкообразных проб.

Принцип действия плазматрона состоит в том, что при охлаж-дении поверхностного слоя облака дугового разряда происходит сжатие разрядного шнура дуги, в результате чего увеличивается плотность тока в ней. Это достигается помещением графитовых или тугоплавких электродов в камеру, в которую вводят струю инертного газа в направлении касательных к камере. Механизм работы плазматрона ясен из рис.4.

Рис.4. Принципиальная схема дуговой плазменной горелки плазматрона.

В горящую дугу вводят аэрозоль анализируемого раствора. Вихреобразные струи инертного газа охлаждают снаружи облако разряда и выносят образуемую плазму через отверстие в катоде в виде светящейся струи длиной 10—-15 мм. По мере увеличения скорости потока через выходное отверстие возрастает электро-проводность струй, что приводит к повышению плотности тока и увеличению температуры в шнуре разряда (термический пинч-эффект). При больших токах происходит еще дополнительное сжатие плазмы в результате действия сил магнитного давления (электрический пинч-эффект). Ток, текущий в том же направле-нии, что и газ заставляет ионы взаимно притягиваться, что приводят к дальнейшему повышению температуры магнитогидроди-намическими силами.

Среднемассовая температура струи плазмы колеблется в преде-лах 6000—15000 K в зависимости от сил тока дуги, свойств и расхода охлаждающего газа и диаметра сопла. При температуре плазмы более 10 000 К в спектре преобладают искровые линии, соответствующие тем или иным состояниям ионизации атома.

Кроме описанного аэрозольного способа возможно введение анализируемого вещества в виде раствора или порошка в основа-ние струи плазмы, минуя камеру, в которой горит дуга. В каче-стве охлаждающих газов чаще используют аргон и реже — смесь гелия с аргоном, азот. Возможно возбуждение плазмы высокочас-тотными(Вч)и сверхвысокочастотными (СВч) токами. Вч- и СВч- плазматроны дают возможность получить низкотемпературную плазму (3400-—10000 К) в любых газах и смесях. На рис.5 пред-ставлены схемы таких плазматронов. Струя газа и аэрозоля ис-следуемого раствора подается в кварцевую трубку, охлаждаемую водой или газом. Разряд возбуждается с помощью высокочастот-ного индуктора, состоящего из нескольких витков медной трубки или волновода (Свч).

Возбуждение лазером. Мощный лазерный поток, сфокусиро-ванный на небольшой площади, может превратить в пар заметные количества даже труднолетучих соединений. Иногда для возбуж-дения пара с последующим испусканием излучения достаточно од-ной тепловой энергии, а иногда требуется дополнительно ис-пользовать электроразряд. С одной стороны, локализация про-цесса является его достоинством, поскольку позволяет исследо-вать очень малые поверхности ( до 50 мкм в диаметре), но , с другой стороны, она может стать недостатком, потому что ана-лиз крупной пробы оказывается недостаточно представительным. К достоинствам лазерного способа возбуждения следует отнести возможность исследования проб с плохой электропроводностью.