Дуга постоянного тока

  Рис. II.4. Принципиальная схема генератора дуги постоянного тока

Электрической дугой называется газовый разряд с большой плотностью тока и малым падением напряжения между электродами. Принципиальная схема генератора дуги постоянного тока представлена на рис. II.4. Для того чтобы зажечь дугу, необходимо замкнуть электроды. Для этого электроды либо сдвигаются до контакта, а затем раздвигаются на необходимое расстояние, либо их замыкают графитовым стержнем. Сопротивление R используется для стабилизации дуги. Ток i, протекающий в такой схеме, равен

i = U /(R + r), (II.11)

где U - приложенная разность потенциалов; R - величина добавочного сопротивления; r - собственное сопротивление дуги. Чтобы сила тока дуги была достаточно стабильной, необходимо, чтобы стабилизирующее сопротивление было много больше сопротивления дуги.

Так как время горения разряда дуги практически неограниченно, то токопроводящий канал расширяется до стационарного сечения диаметром 1 - 2 мм. Это приводит к снижению плотности тока и, соответственно, температуры плазмы до 5000^°С. Непрерывное горение дуги приводит к сильному разогреву поверхности электродов, и поэтому испарение материала пробы обычно происходит из капли расплава. На катоде во время горения дугового разряда можно выделить катодное пятно - источник термоэмиссии электронов. Около этого пятна существует прикатодное пространство, в котором происходит вытягивание ионов из плазменного шнура, разгон их и бомбардировка катода. Эта область обладает сильным градиентом электрического поля и наиболее эффективна для возбуждения спектра.

Температура плазмы дуги в основном определяется ее элементным составом. Увеличение тока мало сказывается на температуре плазмы, так как при этом наблюдается расширение дугового канала. При этом плотность тока, а следовательно, и температура плазмы практически не изменяется. Если анализируемый образец представляет собой многокомпонентную систему, содержащую элементы с различными потенциалами ионизации, то температура плазмы определяется элементом основы с наиболее низким потенциалом ионизации. Присутствие в пробе, а следовательно, и в плазме легкоионизуемых атомов (например, щелочных элементов) приводит к тому, что значительная часть энергии расходуется на ионизацию этих атомов, что приводит к снижению температуры дуги. Заполнение промежутка трудноионизируемым элементом (например, добавление к пробе угольного порошка) позволяет повысить температуру плазмы.

Наблюдается различие температур для катода (около 3900^°С) и анода (около 3200^°С). Благодаря этому можно, меняя полярность дуги, изменять условия испарения пробы с поверхности угольного электрода в зону разряда. Общая концентрация атомов в дуге при той же концентрации элемента в пробе выше, чем в искре, что обеспечивает значительно большую интенсивность спектра.

Дуга постоянного тока относится к очень неравномерным (неоднородным) источникам спектра. Интенсивность линий меняется в зависимости от того, какой участок плазмы выбран для регистрации спектра. Неравномерность интенсивности в плазме дуги объясняется несколькими причинами. Во-первых, температура плазмы не постоянна во всем объеме. В центре она самая высокая, а к периферии постепенно падает. Соответственно в разных частях плазмы различны и условия атомизации и возбуждения. Кроме того, неравномерно распределение атомов и ионов вдоль дуги. В прикатодной области плазмы заметно увеличивается интенсивность линий ионов, что объясняется их повышенной концентрацией у катода.

При практическом анализе дуга постоянного тока чаще всего используется для анализа порошкообразных проб. Этому способствует высокая температура электродов, а также в ряде случаев упрощение стадии пробоподготовки.

К основным недостаткам этого источника можно отнести появление фона - молекулярного спектра CN, C₂ и других соединений в области длин волн более 340 нм, что делает невозможным использование ее для анализа. В видимой области спектра источником значительного фона служат раскаленные концы электродов, а также твердых частиц пробы и материала электродов, попавших в зону разряда.

Для дуги характерно явление фракционного испарения, т.е. раздельного испарения элементов пробы в зависимости от летучести того или другого соединения. Пределы обнаружения в дуге постоянного тока обычно составляют 10^-3 - 10^-4 %.

Дата добавления: 2015-07-11