Безэлектродные разрядные трубки с микроволновым возбуждением

Некоторые из недостатков ламп с полым катодом, а именно сравнительно низкую интенсивность резонансного излучения и высокую стоимость ламп, оказалось возможным устранить с помощью безэлектродных разрядных трубок. Как и лампы с полым катодом, этот источник света не нов - он был известен в течение многих лет. Основной областью применения безэлектродного разряда было изучение структуры спектров различных элементов. Вайнфорднер и Стааб предложили использовать этот интенсивный источник света для целей изучения атомной флуоресценции.

Безэлектродные разрядные трубки изготавливают из плавленого кварца. Трубки обычно имеют длину 3-8 см и внутренний диаметр около 1 см или менее. В трубку вводят несколько миллиграммов элемента в виде металла или летучей соли и инертный газ до давления в несколько миллиметров ртутного столба. Добавка инертного газа необходима для поджигания разряда и поддержания его путем столкновений второго рода. Энергия электромагнитного поля микроволновой частоты подводится к трубке с помощью волновода. Найдено, что возбуждение спектров полем микроволновой частоты более эффективно, чем радиочастотным полем. По мнению некоторых исследователей, срок службы разрядных трубок возрастает с повышением частоты колебаний возбуждающего поля. Для большинства работ, выполняемых в настоящее время, для питания безэлектродных трубок используют сравнительно недорогие медицинские установки для диатермии, работающие на частоте 2450 МГц и обеспечивающие выходную мощность до 200 Вт. Связь генератора с трубкой осуществляется с помощью волноводов и антенн различной конфигурации.

Необходимое условие успешной работы трубки состоит в том, что упругость паров вещества, помещаемого в трубку, должна быть ~ 1 мм рт. ст. при температуре 200-400 °С. Только в этом случае трубки могут работать в сочетании с упомянутыми генераторами и волноводами. Упругость паров определяет, в каком виде должен вводиться тот или иной элемент в трубку: непосредственно в виде металла или в виде летучих солей металла - хлоридов и иодидов. В случае необходимости применения иодидов удобно получать их непосредственно в трубке, дозируя в нее небольшое количество металла и незначительный избыток элементарного иода. Считается также, что добавка 1-2 мг ртути или ее паров в трубку улучшает надежность «поджигания» лампы, действуя как носитель начального разряда. Эта добавка, кроме того, удлиняет срок службы ламп, поскольку в какой-то степени предотвращает адсорбцию основного элемента на стенках кварцевой трубки.

Высокая термическая однородность разряда и наличие скин-эффекта (концентрирование разряда вблизи стенок трубки) обусловливают низкий уровень самопоглощения испускаемых трубкой резонансных линии, а иногда и полное отсутствие самопоглощения. Однако для этого трубка должна иметь достаточно малые размеры, исключающие перемещение паров из более холодных частей трубки. Таким образом, для каждого элемента существуют оптимальные размеры трубки, которые определяются давлением паров используемого вещества и конфигурацией полости резонатора волновода. Отсюда же следует, что трубка, содержащая одновременно два элемента, может успешно работать только тогда, когда эти элементы или их соединения имеют близкую величину упругости паров при рабочей температуре трубки.

Используемые резонаторы должны быть снабжены устройствами для подстройки на рабочую частоту генератора, а их конфигурация должна допускать возможность воздушного охлаждения. Подстройка резонатора может быть осуществлена с помощью измерителя отраженной мощности, если есть уверенность в том, что отраженная мощность еще недостаточна для пробоя магнетрона. Однако, если выходная мощность генератора не превышает 75 Вт, вполне достаточно ручной подстройки резонатора по свечению разряда (на максимум свечения).

При правильном изготовлении и эксплуатации безэлектродная разрядная трубка должна испускать только основные линии элемента, введенного в трубку, линию иода 206,2 нм и некоторые наиболее интенсивные линии ртути (имеется в виду, что при изготовлении трубки используются иодиды металлов, а ртуть введена или намеренно, или случайно из диффузионного насоса, применявшегося для вакуумирования трубки). Конечно, при этом могут наблюдаться и линии примесей, присутствующих в используемых материалах. Интенсивность резонансных линий некоторых элементов, достигаемая с помощью высокочастотного разряда, может превышать интенсивность излучения ламп с полым катодом в 10- 100 раз.

По утверждению Дагнала, высокочастотные безэлектродные разрядные трубки обладают большей стабильностью свечения, чем лампы с полым катодом. Очень высокая стабильность излучения для некоторых элементов, особенно для мышьяка, была достигнута и при промышленном изготовлении трубок. Однако фактически такая высокая стабильность и надежность работы этого источника света характерны для сравнительно небольшого числа элементов, главным образом для элементов, обладающих высокой упругостью паров, таких, как мышьяк, сурьма, висмут, селен и теллур. Опыт многих исследователей говорит о том, что трубки, прекрасно работающие в одном случае, могут дать менее чем удовлетворительные результаты в другом. Неустойчивость работы трубок может объясняться некоторым различием в расположении трубок внутри резонатора или вариациями параметров возбуждения. Такое непредсказуемое поведение трубок делает их ненадежным инструментом в руках химика-аналитика, не обладающего большим опытом работы с высокочастотной техникой. В настоящее время становится очевидным, что более высокая стабильность работы трубок может быть, по-видимому, достигнута за счет некоторого проигрыша в интенсивности излучения.

Высокочастотные разрядные трубки могут использоваться для возбуждения спектров примерно 50 элементов, но лучше всего этот способ получения резонансного излучения подходит для пяти элементов, перечисленных выше. По счастливой случайности, а скорей всего по причине высокой летучести именно эти пять элементов заслужили репутацию наиболее «трудных» при изготовлении ламп с полым катодом. Таким образом, безэлектродные разрядные лампы являются весьма полезным инструментом в руках аналитика-исследователя, который может при необходимости изготавливать их сам, избегая затрат на приобретение ламп с полым катодом.

В настоящее время по крайней мере одна из фирм выпускает такие трубки в комплекте с улучшенным стабилизированным источником питания. Если окажется возможным повысить надежность работы трубок при выполнении серийных анализов, безэлектродные разрядные трубки, несомненно, смогут конкурировать с лампами с полым катодом как наилучшими источниками резонансного излучения для целей атомной абсорбции [3].

Заключение

В данной работе были рассмотрены различные виды источников излучения в атомно-абсорбционном анализе, к ним относятся:

разрядные трубки с парами металлов;

разборные лампы с полым катодом;

отпаянные лампы с полым катодом;

лампы с повышенной яркостью излучения;

многоэлементные лампы;

безэлектродные разрядные трубки с микроволновым возбуждением.

Для целей атомной абсорбции современные лампы с полым катодом несомненно лучше как с точки зрения стабильности излучения, так и в отношении ширины линий для кадмия, цинка, таллия и даже ртути. В настоящее время стали выпускаться высококачественные лампы с полым катодом для натрия и калия. В связи с этим разрядные трубки с парами металлов, по-видимому, окончательно сдают свои позиции.

Недостаток ламп с полым катодом - возможность определения только одного элемента. Существуют многоэлементные лампы, где катод выполнен из сплава нескольких элементов, однако они обладают более плохими эксплуатационными характеристиками, по сравнению с обычными одноэлементными лампами. Они особенно удобны, если выполняется серийный анализ на 3-4 элемента и эти элементы совместимы в одном катоде, так как в этом случае удается сократить затраты времени на смену и прогрев ламп.

Основной областью применения безэлектродного разряда было изучение структуры спектров различных элементов. Высокочастотные безэлектродные разрядные трубки обладают большей стабильностью свечения, чем лампы с полым катодом.