DE1764857A1 - Niederdruckgasentladungslampe zum Erzeugen von Resonanzstrahlung - Google Patents

Description

FHH. 2654. Dipl.-Ing. HORST AUER Kte / wx.

PHU- 2654
19. Aug. 1968

¹¹Ni ederdruck^as entladunga lampe zum Erzeugen mn Reaonanastrahlung".

Die Erfindung bezieht sioh auf Nitderdruekga3entladungslampen zum Erzeugen von Resonanzstrahlung, Solche Lampen finden häufige Verwendung in der Spektroskopie, insbesondere in der Resonanssabsorptionespektroskopie.

Es ist bekannt, zum Erzeugen Ton Resonanzstrahlung Gasentladungslampen mit einer Anode und einer hohlen zylindrischen Kathode, die ganz oder teilweise aus dem Material , dessen Resonanzstrahlung gewünscht iat_f besteht, zu verwenden. Durch Ionenbesohuss wird Kathodennaterial zerstaubt, wodurch die Konzentration der Atome des erwähnten Materials in der hohlen Kathode stark zunimmt. Diese Atome können durch di· Elektronen d«r Entladung angeregt worden und emittieren dann u.a. ihre Reaonanzstraalung. Dieee Strahlung wird für Absorptionsspektroskopie benutzt, wobei die zu untersuchende Probe in Flucht mit der Achse der hahlen

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Kathode angeordnet ist. Die Linienf^rct der Resonanz3trahlun2 dieser bekannten Lampen wird vorwiegend durch die sogenannte Dopplerverbreiterung ■bestimmt. Die Dopplerverbreiterung, die von der Temperatur des atomaren Dampfes abhängig ist, kann bei diesen Lampen gering sein und führt zum dieser Temperatur entsprechenden Dopplerprofil.

Infolge von Absorption von Resonanzetrahlung durch nichtangeregte Atome wird iaa schmale Dopplerprofil jedoch erheblich verbreitert lind abgestumpft. Weil liaaa Abuorption in der Lampe selbst stattfindet, wird sie oft als Selbatabaorptlon bezeichnet. Ee lassen dich zwei Gebiete in der Lampe unterscheiden, in denen diese Selbstabaorption auftritt.

a. Das Gebiet, in dem die Entladung stattfindet und in den somit auch eine Anregung möglich ist. Im Fall der erwähnten bekannten Lampen handelt es sich hauptsächlich um den Raum innerhalb der hohlen Katho ie. Weil Strahlung mit der Resonanzfrequenz bevorzugt absorbiert wird, wird las Profil der von einem bestimmten Punkt innerhalb der hohlen Kathode herrührenden Strahlung in Abhängigkeit vom in der hohlen Kathode zurückzulegenden Weg beim Heraustreten mehr oder weniger abgestumpft. Weil die Strahlung mit Frequenzen neben der zentralen Frequenz des Dopplerprofile weniger absorbiert wird_t werden die Flanken des Profils der gesamten austretenden Strahlung verstärkt, wodurch sich eine erhebliche Verbreiterung ergibt. Diese Erscheinung wird als Absorptionsverbreiterung bezeichnet.

b. Das Gtbiet ausserhalb der Entladung, in dem nur Absorption möglich ist. Hier wird das Profil abgestumpft und möglicherweise sogar ausgehöhlt, wodurch mit der Absorptionsverbreiterun^ bei der Reaonansfrequen* ein relatives Minimum in Jar Intensität entsteht.

Die Abjorption3verbreiterung ist «ine Funktion dea Produkts au3 der Länge der hohlen Kathode und dem Absorptiorwkoeffizientan,

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der proportional der Atomkonzentration ist. Die Intensität der Strahlung ist proportional den Produkt aus der Elektronenkonzentration und der Atomkonzentration. Bei der Absorptionsspektroskopi« ist es erwünscht, eine Strahlung alt hoher Intensität und schmalen Linienprofil zur Verfugung zu haben. Um ein« derartige Strahlung zu erhalten, Bussen somit eine grosse Elektronenkonzentration und eine klein« Atomkonzentration angestrebt veröden. Im Falle der hohlen Kathode sind diese Konzentrationen nicht unabhängig Yoneinander regelbar, weil sie beide durch die Entladung zwischen der hohlen cathode und der Anode bestimmt werden.

Ub diesen Naohteil zu beheben, ist es bekannt, senkrecht zur Achse der Hohlkathode eine positire Säulenentladung zwischen zwei zusätzlichen Elektroden an einer Stelle in der Lampe zu erzeugen, an der siel Atome des Material«, dessen Strahlung gewünscht wird, befinden. In der Säulenentladung lassen sich die Elektronenkonzentration mit Hilfe des Säulen entiadungsstroms und die Atomkonzentration mit Hilfe des Hohlkathodenetroms regeln. Die Kutzatrahlung, die in der Richtung der Achse der Hohlkathode aus der Lampe austritt, besteht aus der Summe der durch Anregung Ton Atomen in der positiren Säule erhaltenen Strahlung und der in der Hohl· kathode erzeugten Strahlung. Der erste Anteil fügt dem Profil eine schmale Spitze bei der Resonanzfrequenz zu, welche die Aushöhlung des ron der Hohl· kathode herrührenden Strahlungaprofile verringert und die Gesamtintensität erhöht. Die Profilbreite der gesamten Strahlung bleibt genau so ungünstig wie im Falle der Hohlkathode. Auch diese bekannte Lampe weist den zusätzlichen Nachteil d«r Selbstabsorption ausserhalb des Qitladungsgebiete u.a. zwischen der Äitladung und dem Fenster der Hülle, auf.

Die Erfindung bezweokt, ein« Hiederdruokgasentladungslampe zu schaffen, bei der dl« vorstehend beschriebenen Nachteile stark

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rerringert werden und die eine Hesonanzstrahlung mit hoher Intensität und sehr schmalem Linienprofil emittiert.

Eine Niederdruckgasentladungalampe zum Erzeugen von Resonanzstrahlung gemäss der Erfindung hat einen mit Edelgas gefüllten EhtIadungsraum mit einer Hülle, in der sich ein Fenster befindet, das durchlässig fur die erzeugte Strahlung ist, und zwei Elektroden, zwischen denen in Betrieb der Lampe eine positive Säulenentladung aufrechterhalten wird, sowie eine Atomquelle, die ein Element enthält, dessen Resonanzstrahlung gewünscht wird, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der positiven Säulenentladung das Fenster schneidet, dass die Atomquelle die positive Säule umgibt und dass eioh um die Entladungsstrecke zwisohen Atonquelle und Fenster herum ein Ring befindet, der sich bis in die Nähe der Atomquelle erstreckt und dessen Innenfläche einen senkrechten Querschnitt hat, der kleiner als der senkrechte Innenquerschnitt der Atoraquelle ist, während seine Länge mindestens gleich der grossten Abmessung seines senkrechten Innenquerschnitte ist.

Die Hülle des Entladungsraums besteht z.ü. aus Glas oder Quarzglas. Der Raum ist mit Edelgas, z.B. Argon oder Aeon oder einem Ge-Bisch dieser beiden Gase, gefüllt. Vorzugsweise ist der Druck des Edelgas θ a nicht grosser als 5 nim Hg» weil bei höheren Drücken das Spektralprofil infolge der Lorentzverbreiterung eine ungünstige Verbreiterung erfährt. Die Elektroden, zwisohen denen die Säulenentladung erfolgt, sind eine Anode und eine Kathode, vorzugsweise eine Glühkathode. Die Atomquelle besteht wenigstens teilweise aus den Element bzw. den Elementen, dessen bzw. deren Hesonanzstrahlung erwünscht wird, und ist meistens eine Zerstaubungselektrode, die im Betrieb der Lampe auf ein in bezug auf das Plasmapotential der positiven Säule negatives Potential gebracht wird. Die Zersta'ubungs-

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elektrode ist vorzugsweise dadurch zylindrisch ausgebildet, dass eine Platte oder 3az» zu einem Zylinder gebogen virdf es ist jedoch auch möglich, einen zylindrischen Käfig mit Stäben aus dem gevünsohten Material zu bauen.

Von Elementen ait hohem Dampfdruck bei Temperaturen unter der Betriebstemperatur der Lampe oder mit einem Schmelzpunkt in der Nähe dieser Temperatur können Verbindungen hergestellt warden, die einen viel niedrigeren Dampfdruck und/oder eine höhere Schmelztemperatur als das betreffende Element haben. Die Zersiaubungselektrode kann dann dieee Verbindungen enthalten» Die Zerstäubungselektrode kann a.ü. ein poröses, hochschmelzendes und elektrisch leitendes Material, wie gesintertes wickel, Wolfram oder Molybdän, enthalten, in dem die Elemente ait hohem Dampfdruck oder niedrig«« Schmelzpunkt oder Verbindungen dieser Element· aufgenommen sind. Manchmal ist es dabei gewünscht, die Zerstäubungselektrode mit einem für diese Elemente undurohdriagbare» Mantel su umgeben. Auch kann man die Zerstaubungselektrode auf di« für Vorratskathode?! übliche Weise ausbilden.. Auch ist es aöglioh, dass die Atomquelle durch Erhitzung eines das betreffend· Material enthaltenden Trägers den gewünschten Dampf liefert. In diesem Fall kann die Atomquell· z.iJ. als Spule mit eirser oder mehreren Windungen ausgebildet werden, welche die Shtladungsetraoke umgibt und von einem elektrischen Strom erhitzt wird.

D«r Hing ist meistens zylindrisch ausgebildet« er kann

jedoch auch di· Gestalt ein·» Gebildes aus Blenden annehmen. Auf jeden Fall anfasen di· d«dlngung«n erfüllt werden, dass der Innendurchmesser des Hinf«s kleiner als der d«r Atoaquelle ist und dass die Länge des Hinges mindestens gleich seines Innendurchmesser ist. Unter dem Ausdruck "der Hing •ratrvokt sich bis in di· Näh· der Atomquelle" ist zu rerat*hen, dass dor

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Abstand zwischen Ring und Atomquelle kleiner als die Länge der Atomquelle ist. Der Hing kaum jedoch teilweise innerhalb der Atomquelle liegen. Vorzugsweise berührt der Ring die Atomquelle nicht. Wenn die Atowiuelle ale Zersta'u^ungselektrode ausgebildet ist, ibt eiie derartige Berührung unerwünscht, weil Bonet nicht mir die an Ring absorbierten Atome durch Tc~ beschuss zur Zerstäubung beitragen können, sondern auch Material dee Ringes in die Entladung gebracht werden kann.

Ein wichtiger Vorteil einer erfindungsgemessen Laape ist der, dass die Strahlung in der Richtung der Achse der poaitiren Säuleηentladung austritt, Infolgedessen geht die erzeugte Strahlung nicht durch Goblet« in der Lampe hindurch, in denen eine starke Absorption auftreten kann, ohne dass aueh eir.e Anregung durch Elektronen erfolgt, wie dies bei den bekanBten Lampen der Pail ist.

Obgleich auoh ohne Ring ein· Verbesserung gegenüber den bekannten Lae.pen erhalten wird, ist es meistens vorteilhaft, auf beiden Seiten der Atomquelle einen Ring anzuordnen. Zunächst wird dadurch erreicht, dass die Atomkonzentration ausaerhalb der Atomquelle und insbesondere ausserhalb der Atoraquelle in der Richtung der Säulenentladung rasüb abnimmt, Bas Cebiet, in den eine Absorptionsverbreiteruug auftritt, wird dadurch praktisch auf den Rasuc innerhalb der Atomquelle beschränkt und ©ine Absorption ir. Gebieten, in denen keine Anregung durch Elektronen BÖglich ist, wird praktisch völlig ausgeschlossen. Dor zweite Ring auf der Kathodenseite der Saulenentladung dient ferner zum Verhüten einer Vergiftung der Kathode durch den Atomdampf.

Die Hinge haben den weiteren Vorteil, dass sie dl· positive Säulenentladung zu einen schmalen Bündel konzentrieren, in den die Elektronenkonzsxitration hoch ist. In der Atomquelle wird die höchste Elek-

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tronenkonzentration längs der Achse gefunden, während dort die Atomkonzentration an niedrigsten iat. Letzteres ist die Folge der Ionisation der Dampf atome, die auf der Achse infolge der dort herrschenden grossen Elektronendichte am stärksten ist. Weil der ambipolare Diffusionskoeffizient der Dampfionen, die zur Wand wandern, viel grosser als der Diffu-8ionskoeffizient der neutralen Dampfatome ist, die sich zur Achse bewegen, um den dort entstandenen tongel zu beheben, ist die Abnahme der Dichte der neutralen Dampfatome auf der Achse viel grosser als die Zunahme der Dichte der Ionen auf der Achse.

Während die ganze Atomquelle mit Strahlung gefüllt ist, werden in der Umgebung der Aohse die Bedingungen für Strahlung mit hoher Intensität und einem schmalen Profil also am besten erfüllt. Die Ringe haben den weiteren Vorteil, dass sie gerade die Strahlung aus der Umgebung der Aohse durchlassen und die ron Stellen längs der Wand der Atomquelle herrührende Strahlung sperren. Die Spektralverteilung der austretenden Strahlung weicht sodann fast nicht rom Dopplerprofil ab.

Der Sing oder die Hinge ist bzw. sind vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material i.B. Glas oder keramischen Material, hergestellt. Bei einigen Ausruhrungsfomen werden die Ringe durch scheibenförmige, sich an die Hülle des ihtladungsrauma anschliessende Platten getragen, die Torzugsweise aus elektrisch isolierendem Material z.B. Glas einem keramischen Material oder Glimmer, bestehen. Bine sehr rorteilhafte Ausfuhrungsform iat die, bei der mehrere Atomquellen rorgesehen sind, die je den Dampf eines anderen Elementes erzeugen können und die durch RinfJ Toneinander getrennt sind. Dabei kann man ohne Auswechslung der Lr up· die Resonanzstrahlung verschiedener Elemente gesondert dadurch erzeugen, dass die betreffende Atomquelle in Betrieb gesetzt vird, ent-

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weder durch Anlegen eines negativen Potentiale oder durch die Zufuhrung eines Heizstromes. Duroh daa Vorhandensein der Ringe wird die Gefahr eines Niederschlags ron Atomen aus einer bestimmten Atomiuelle in einer anderen Atonquelle vermieden.

Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden na'her beschrieben. Ee aeigen·

Fig. 1 sohenatisch einen Sohnitt durch einen Ausfuhrungs~ fors) einer erfindungsgemassen Lampe,

Fig. 2 einen Schnitt duroh eine andere Ausfuhrungsform,

Fig. 3 einen Sohnitt durch eine Ausführungsform, in der ηehrere Atomquellen vorgesehen sind«

Fig. 4 eine graphische Darstellung, in der die Absorptionsempfindlichkeit einer erfindungsgema'ssen Lampe und einiger bekannter Lampen über der Intensität aufgetragen ist.

In den Figuren sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen.

Die Lampe nach Fig. 1 hat eine Olaehulle 1 «it einen Quarzglasfenster 2 und ist mit Argon unter einem Druck ron 3 nm Quecksilbersäule gefüllt. Die Kathode 3 ist ein· mit Bnissionaaaterial überzogene Glühkathode. Die Anode 4 ist ein WoIframetab. Di« Atomquelle 5 ist in diesem Ausführungsbeiepiel «ine Zerstaubungeelektrode in Form eines Kupferzylinders mit einem Innendurchmesser ron 1 cm und einer Lfinge von 2 cm. Die ron der positiven Saulenentladung zwisohen den Elektroden 3 und 4 herrührend·« Argonionen eohlagen Kupferatom· aus der Zerstäubung« elektrode 5 heraus, v«nn di·»· auf negativ·· Potential gebracht ist* Auf beiden Seiten der Zeretaubuneselektrod· 5 sind »jlindrisoh· Ringe 6 aus Olas angeordnet. Di··· Ringe haben ·1η·η Innendurchmesser

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τοπ 8 mm. Sie ragen etwa 3 mm in die Zerstäubungselektrode 5 hinein, berühren sie jedoch nicht. Die Lange der Ringe 6 ist 2 cm. Dia Ringe 6 werden durch keramische Platten 7, die sich bis zur Lampenhülle 1 erstrecken, gehaltert. Die Ringe 6 beschränken den Kupferdampf auf den Raun innerhalb der Zerstäubungselektrode 5·

Die Ausführungaform nach Fig. 2 weicht insofern von derjenigen nach Fig. 1 ab, dass hier die drei Elektroden 3, 4 und 5 in einer Achse angeordnet sind und dass die Anode 4 ein Loch 8 aufweist, das die Strahlung durchlasst. Die Ringe 6 sind dabei in Form einer Blende mit einem zylindrischen Teil ausgebildet·

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei Zerstaubungselektroden Anwendung finden, und zwar eine, 9 t für Calcium und eine, 10, fur Magnesium. Zwischen iknen ist ein Qlasring 11 angeordnet, der rerhindert, dass sich Magnesiumdampf auf der Innenseite der Caloium enthaltenden Zerstäubung*elektrode niederschlägt, und umgekehrt. In der Lampe nach Fig. 3 weilt der Ring 12 auf der Kathoden·eite eine Erweiterung auf, die sich an die Hülle 1 der Laape anaohliesst, wodurch verhindert wird, dass die Säulenentladung unter Umgehung der Atomquelle stattfindet.

Mit einer erfindungsgema'ssen Lampe und mit einigen bekannten Lampen, in denen die Resonansstrahlung des Elements Kupfer erzeugt wird, sind Absorptionsrersuche durchgeführt, und die Ergebnisse für die verschiedenen Lampen werden in der graphisohen Darstellung der Fig. 4a miteinander Tergliohen. Die durch eine Lampe erzeugte Strahlung wird duroh «inen Ofen hindurohgesohickt, der Kupferdampf mit konstantem Dampf· ftruok und Argon mit einem Druck ron 3 mm Qu ecke über säule enthält. Diesel absorbierend· Medium hat ein Absorptionsprofil, Aass nioht erheblich ron

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dew der Temperatur des Ofens (etwa 5°0° -) entsprechenden Dopplerprofil abweicht. Die Intensität der vjo Ofen hiniurabgelassenen Strahlung, I,, wurde gemessen} in der graphischen Darstellung ist die Ab^orpti.on*empfindlichkeit der Lampen in erwähnten Medium, die als o_~ J^ definier

1st) über der Intensita't I der von der Lampe erzeugten Strahlung aufgetragen.

In einer erfindungsgemiesen Laape von der an .land der SU*. 2 besohriebenen Ausführung^form ist dl· Resonanaatrahlung des Elemente Kupfer erzeugt, und lie Intensita't I der Strahlung wird alt Hilfe des Zerstaubungselektrodenstroas variiert. Die Kurve a 3tollt die Variation der Absorptionsempfin-Uiohkeit der erfindungogema'ssen Lampe in Abhängigkeit von I dar} es zeigt sich, dass dies· Empfindlichkeit bis zu sehr hohen Werten von i praktLsch konstant bleibt.

Die Kurve b stellt ο " 1 als Punktion von T₀ für aine

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Laarpe mit einer hohlen Kupferkathode dar. Als Absorptionsmediuni ist der gleiche Ofen benutzt. I wird in diesem Fall mit Hilfe des Hohlkathoienstroms variiert. Es stellt sich heraus, dass die Absorptionaempfindlich-

keit bei zunehmendes I rasch abnimmt.

Für eine Lamp· mit einer hohlen Kupferkathode und einer positiven Sautenentladung in einer Richtung quer zur Anns· der Hohlkathode ist ο " 1 als Punktion von I duroh die Kurve ο dargestellt. Auch

¹O

hler ist der Kupferofen al· Abeorptioneeedtum benutzt uni I_Q ist wieder mit Hilfe des Hohlkathodenatrom· variiert. Auch hler stellte es sioh her* aus, dass die Absorptionsempfindlichkeit von I_Q abhängt, wenn auch in geringerem Kasse.

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In Fig. 4b werden die Absorptionstepfindlichkeiten der erwähnten Laapen in eines anderen Medium und zwar in einer atmosphärischen ₍ Flaume, die bei Absorptionsmessungen häufig Vervendung findet, miteinander Tergliohen. Die Temperatur der Flammt beträgt etwa 2500° C und da« Abeorptionsprofil ist somit riel breiter als Aas des Kupferofens. Bie3 hat zur Folge, dass die Unterschiede in der Absorptionaempfindlichkeit der Lampen jetzt kleiner aind.

Sämtliche Quellen (a), (b) und (cj geben bei niedriger Intensität die gleiche Absorption im gleicher, fcedüw. Weil bei niedriger Intensität die Selbstabsorption reraachläasigbar ist, zeigen im Grenz·

wert I 5*Ό sämtliche Quellen ein Depplerprofil. Aus den graphischen

Darstellungen der Figuren 4a und 4b geht herrcr, dass das Linienprofil der erfindungagemäsaen Lampe praktisch das Dopplerprofil beibehält, während das Profil der bekannten Lampen sogar bei niedrigem I bereits erheblich rom Dopplerprofil abweicht.

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Claims (4)

- 12 PATENTANSPHOCHE.

1.) Niederdruckgasentladungalampe zum Erzeugen ron Resonanz-

strahlung, bestehend aus einem mit Edelgas gefüllten Entladungaraum nit einer Hülle, in der eich ein Fenster befindet, das durchlässig für die erzeugte Strahlung ist, und zwei Elektroden, zwischen denen im Betrieb der Lampe eine positire Säulenentladung aufrechterhalten wird, und die mit einer Atomquelle rersehen ist, die ein Element enthält, dessen Hesοnanζstrahlung gewünscht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der poeitiren Säulen entladung das Fenster schneidet, dass die A toniquelle die positire Säule umgibt, und dass si oh um die Entladungebahn zwischen der Atomquelle und dem Fenster herum ein Ring befindet, der eich bis in die Nähe der Atomquelle erstreckt und dessen Innenoberfläche einen senkrechten Querschnitt hat, der kleiner als der senkrechten Innenquersohnitt der Atonquelle ist, während seine Lange mindestens gleich der gröesten Abmessung seines senkrechten Innenquereohnitte ist.

2. Niederdruckgaeentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden die Achse der positiren Säulenentladung schneidet und die Strahlung durchläset. 3· Nieaerdruckgasentladungslaape nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich um die Entladungestreoke auoh an der rom

Fenster abgekehrten Seite der Atomquelle ein Ring befindet.

4. Niederdruokgasentladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3,

dadurch gekennzeichnet, dass der Ring aus elektrisch isolierenden Material besteht.

5· NiederdruoKgasentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, da·· dl· Ringe duroh scheibenförmige Träger au· Isoliermaterial, di· sich an die Hülle des Entladungsraumes anschließen, gehaltert sind,

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δ. Niederdruckgaeentladungalampe nach Anspruoh 1, 2, 3, 4 oder

5, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als eine Atomquelle in der Lampe vorgesehen ist, während sämtliche Atonquellen auf der gleichen Aohee liegen und durch Binge, die eich bis in die Nähe der nächstliegenden Atomquellen erstrecken, voneinander getrennt sind.

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