Дуговой разряд постоянного тока

Участие в использовании метода нахождения анализируемого вещества в источнике света при проведении химического анализа.

Дуговой разряд постоянного тока

Дуговой разряд - самостоятельный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях, превышающих 10^-2-10^-4 мм. рт. ст., при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 103Гц) разности потенциалов между электродами и отличающийся высокой плотностью тока на катоде и низким катодным падением потенциала. При дуговом разряде ток на катоде стянут в малое очень яркое катодное пятно, беспорядочно перемещающееся по всей поверхности катода.

Температура поверхности в пятне достигает величины температуры кипения(или возгонки) материала катода. Поэтому значительную (иногда главную) роль в катодном механизме переноса тока играет термоэлектронная эмиссия.

Над катодным пятном образуется слой положительного объѐмного заряда, обеспечивающего ускорение эмитируемых электронов до энергий, достаточных для ударной ионизации атомов и молекул среды.

Нагретый до высокой температуры и ионизованный газ в столбе находится в состоянии плазмы. Выделяющаяся джоулева теплота восполняет все потери энергии из столба плазмы, поддерживая неизменным её состояние.

Для спектрально-аналитических целей преимущественно используют дугу низкого напряжения между угольными (графитовыми) электродами (ток– 5-15 А, питающее напряжение – 220 В, ток ограничивают балластным сопротивлением RБ).

В методах спектрального анализа электрический разряд постоянного тока является одним из первых источников света. Он не утратил своего значения в настоящее время и широко применяется для качественного и количественного анализа порошкообразных материалов – руд, минералов, особо чистых веществ и др.

В дуге постоянного тока возбуждаются практически все элементы, за исключением трудновозбудимых, например, инертных газов.

Рисунок 1 – Схема дуги постоянного тока

На рисунке 1 показана схема дуги постоянного тока. Зажженный разряд поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности раскаленного катода. Падение напряжения на электродах обычно составляет 30–70 В и зависит от многих факторов: материала электрода, силы тока через дугу, дугового промежутка, состава и давления атмосферы. Максимальное падение напряжения наблюдается при использовании угольных электродов; введение в дуговой разряд легко ионизующихся элементов снижает напряжение. В рабочем режиме сила тока, питающего дугу, изменяется от нескольких единиц до нескольких десятков ампер в зависимости от поставленной задачи.

При использовании дуги постоянного тока навеску пробы помещают в канал электрода из угля или графита, испарение вещества происходит за счет теплообмена между материалом электрода и веществом. Температура электрода зависит от многих факторов: теплопроводности материала, его конфигурации, электрических параметров дугового разряда и определяется общим балансом мощности для электрода.

Максимальная температура дуги между угольными электродами – около 7000 °К, между железными или медными – 5500 °К.

Как уже отмечалось, основным механизмом испарения пробы из канала электрода является термическое парообразование вещества в результате передачи тепла от стенок электрода к пробе. Кинетика парообразования элементов определяется температурой электрода, теплофизическими свойствами пробы. Испарение носит фракционный характер. Так как температура анода выше температуры катода, то испарение пробы чаще всего ведут из канала анода.

Детальное изучение фракционного испарения из канала электрода позволило составить так называемые ряды летучести для элементов, находящихся в различных химических формах. Эти сведения очень важны при анализе проб сложного состава и использовании дуги в качестве источника света.

Твердые пробы вводят в канал нижнего электрода, которым чаще всего является стержень из спектрально чистого графита. При подсоединении нижнего электрода к положительному полюсу источника тока на его конце получают особо высокую температуру, достаточную для испарения даже труднолетучих соединений. Ввиду хорошего испарения исследуемых веществ в дуге постоянного тока достигается чрезвычайно высокая чувствительность определения (что особенно ценно при анализе следов) при более или менее хорошей воспроизводимости результатов измерений. Жидкие пробы в плазму дуги вводят в виде аэрозоля. Стабилизированные дуговые разряды можно использовать для количественного определения трудновозбуждаемых элементов так же хорошо, как газовое пламя для определения легковозбуждаемых элементов.

Дуга постоянного тока является нестабильным источником света. Для ее стабилизации и достижения лучших метрологических характеристик используются разные приемы:

Внесение спектроскопических буферов и добавок, позволяющих изменять температуру и скорость испарения отдельных компонентов пробы.

Стабилизация путем обдува инертным газом, применения магнитного поля и др.

Наиболее эффективно применение дуги постоянного тока при определении малых количеств тугоплавких соединений.

Для ряда элементов абсолютные пределы обнаружения равны 10-7–10-9 г., однако погрешность определения при этом может достигать 20 – 30%.