Источник света с индуктивно связанной плазмой для спектрометра

 

Использование: в спектроскопии, в качестве источника света с индуктивно связанной плазмой для спектрометров. Сущность изобретения: источник содержит высокочастотный генератор 1, фазовый детектор 2, исполнительный электродвигатель 3, ионизатор 4, первый 5 и второй 6 постоянные конденсаторы связи, конденсатор 7 переменной емкости, катушку 8 индуктивности, первый 9 и второй 10 замыкающие контакты, реле 11 времени с нормально разомкнутыми контактами 12. 2 ил.

Изобретение относится к спектроскопии и может быть использовано в качестве источников индуктивно связанной плазмы для спектрометров.

Известен источник света для спектрального анализа [1], состоящий из генератора переменного тока, выход которого соединен с входами усилителя мощности и фазовращателя, выход которого через последовательно соединенные усилитель мощности переменного тока и последовательный колебательный контур подключен к центральному электроду индуктора, выводы обмотки которого трансформаторно связаны с вторым последовательным колебательным контуром, вход которого соединен с выходом усилителя мощности.

Наиболее близким к изобретению является устройство для возбуждения высокочастотной плазмы в инертном газе [2], содержащее схему поджига плазмы, датчик магнитного поля, выход которого соединен с входом управляющей схемы, и последовательно соединенные высокочастотный генератор и колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и параллельно включенных конденсатора постоянной емкости и подстроечного конденсатора, ротор которого механически соединен с выходом управляющей схемы.

Последовательно соединенные высокочастотный генератор и нагрузочный колебательный контур, внутри катушки индуктивности которого (как в устройстве-аналоге) или внутри обкладок конденсатора (как в прототипе) возбуждается плазма, является классической схемой источника света со связанной плазмой.

Основной задачей, которую приходится решать при разработке источников света для спектрометров, является задача обеспечения стабильности частоты в различных режимах работы устройства и поддержания стабильности выходной мощности в различных режимах работы с различными анализируемыми элементами.

В устройстве-прототипе задача подстройки колебательного контура на заданную частоту решается путем изменения емкости подстроечного конденсатора контура управляющей схемой по сигналу датчика магнитного поля. Этот датчик вырабатывает сигнал, определяемый режимом работы устройства: режимом зажигания плазмы или рабочим режимом. В зависимости от того, каков режим устройства, датчик устанавливает соответствующее значение емкости подстроечного конденсатора, согласуя нагрузочный контур с выходом высокочастотного генератора.

Недостатком прототипа является сложность схемы управления настройкой загрузочного контура в зависимости от режима работы устройства, внесение ею дополнительных погрешностей согласования генератора и нагрузочного контура. Сложность схемы обусловлена прежде всего аномальными условиями работы датчика: работа при наличии чередования обычной и очень высокой температур в режиме зажигания и в режиме плазмообразования, наличие высокочастотных вибрационных воздействий, обусловленных плазмой. Все это предъявляет очень высокие требования к конструкции датчика, которая должна обеспечивать прежде всего механическую устойчивость к указанным воздействиям. Кроме того, недостатками прототипа являются появление дополнительных погрешностей установки нагрузочного контура из-за воздействия указанных температур и вибраций на датчик, отсутствие дополнительного согласования контура и источника высокочастотного сигнала при изменении анализируемого элемента, необходимость этого дополнительного согласования обусловлена тем, что при изменении состава пробы, вводимой в плазму, изменяется эквивалентное сопротивление контура, что приводит к нежелательному изменению мощности источника сигнала, передаваемой в контур.

Технической задачей, которая решалась при разработке устройства является задача разработки источника света для спектрометра с индуктивно связанной плазмой, обладающего более высокими техническими характеристиками, чем известные устройства.

Сущность изобретения заключается в следующем: разработан источник света для спектрометра с индуктивно связанной плазмой, более простотой по конструкции и обеспечивающий согласование высокочастотного генератора и нагрузочного контура в режимах работы плазмообразования и поджига плазмы с исключением погрешностей согласования, вызванных температурным и вибрационным воздействиями плазмы, и погрешностей, обусловленных изменением объекта анализа, вносимого в плазму.

Технический результат от использования разработанного источника заключается в повышении стабильности выходной мощности источника света вследствие обеспечения автоматического согласования высокочастотного генератора и нагрузки при изменении объекта анализа.

Дополнительный технический результат заключается в упрощении конструкции схемы управления режимами работы устройства и исключении температурных и вибрационных погрешностей согласования высокочастотного генератора и нагрузочного контура.

Этот технической результат достигается за счет того, что источник света для спектрометра с индуктивно связанной плазмой, состоящий из высокочастотного генератора, первого постоянного конденсатора связи, одна обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, исполнительного электродвигателя, ротор которого механически связан с ротором конденсатора переменной емкости, одна обкладка которого соединена с первым выводом катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, ионизатора, выход которого расположен в зоне поджига плазмы катушки индуктивности, дополнительно содержит второй постоянный конденсатор связи, реле времени, фазовый детектор и два замыкающих контакта, причем выход высокочастотного генератора соединен с входом фазового детектора, первый выход которого соединен с управляющим входом исполнительного электродвигателя, одна обкладка второго постоянного конденсатора связи через первый замыкающий контакт подключена к шине нулевого потенциала, а другие обкладки первого и второго постоянных конденсаторов связи и другая обкладка конденсатора переменной емкости соединены с вторым выходом фазового детектора, первый вывод обмотки реле времени соединен с шиной нулевого потенциала, второй вывод обмотки реле времени через второй замыкающий контакт подключен к шине источника напряжения, а через собственный нормально разомкнутый контакт - к входу ионизатора, первый и второй замыкающий контакты механически связаны между собой.

На фиг.1 приведена схема источника света; на фиг.2 - схема ионизатора.

Источник содержит высокочастотный генератор 1, фазовый детектор 2, исполнительный электродвигатель 3, ионизатор 4, первый 5 и второй 6 постоянные конденсаторы связи, конденсатор 7 переменной емкости, катушку 8 индуктивности, первый 9 и второй 10 замыкающие контакты, реле 11 времени с нормально разомкнутыми контактами 12.

Выход генератора 1 соединен с входом фазового детектора 2, первый выход которого соединен с входом исполнительного электродвигателя 3. Ротор последнего механически связан с ротором конденсатора 7, одна обкладка которого подключена к первому выводу катушки 8 индуктивности, в зоне поджига плазмы которой размещен выход ионизатора 4. Другой вывод катушки 8, одна обкладка конденсатора 5 и первый вывод обмотки реле 11 соединены с шиной нулевого потенциала, контакты 9 и 10 механически связаны между собой. Одна обкладка конденсатора 6 через контакт 9 подключена к шине нулевого потенциала, а шина источника напряжения через контакт 10 соединена с вторым выводом обмотки реле 11 и через нормально разомкнутый контакт 12 реле 11 времени с входом ионизатора 4.

Схема ионизатора 4, приведенная на фиг.2, является одним из возможных вариантов его осуществления и представляет собой схему широко известного ионизатора ТЕСЛА.

Катушка 8 индуктивности представляет собой цилиндрическую 3...5-витковую спираль, внутри которой расположена плазменная горелка.

Колебательный контур из конденсаторов 5, 6, 7 и катушки 8 индуктивности, являющейся нагрузкой высокочастотного генератора 1, в резонанс настраивается путем перестройки конденсатора 7, осуществляемой исполнительным электродвигателем 3 по сигналу фазового детектора 2. Фазовый детектор вырабатывает сигнал управления, пропорциональный разности фаз между полым током и напряжением сигнала высокочастотного генератора 1. Конструктивно фазовый детектор может быть выполнен по известной схеме трансформатора тока, к выводам вторичной обмотки которого через выпрямительные элементы подключен делитель напряжения. Сигналы, снимаемые с выхода делителя напряжения, и являются управляющими сигналами для исполнительного электродвигателя. Один вывод первичной обмотки подключен к выходу генератора 1, а другой вывод первичной обмотки трансформатора тока соединен с нагрузкой - элементами нагрузочного колебательного контура. Такая конструкция согласования генератора сигнала и нагрузки широко применяется в радиопередающих устройствах.

Конденсаторы 5 и 6 служат для согласования выхода высокочастотного генератора 1 с нагрузкой при различных режимах работы: с отсутствием плазмы и с возбужденной плазмой.

Контакты 9 и 10 в исходном состоянии разомкнуты, поэтому конденсатор 6 отключен, а реле 11 обесточено и его нормально разомкнутым контактом 12 ионизатор 4 отключен от источника питания. Контакты 9 и 10 механически связаны между собой, а их управление может быть ручным или автоматическим.

Реле 11 предназначено для задержки подключения ионизатора 4 по отношению к подключению конденсатора 6. Величина задержки зависит от частоты генератора 1 и от вида ионизируемого газа и может изменяться от долей до единиц секунд. Вместо реле времени может быть использовано и обычное реле, если задержка времени при замыкании контактов при подключении реле удовлетворяет необходимому условию.

Для возбуждения плазмы в потоке газа, проходящего через горелку, требуется создание мощного магнитного поля в катушке индуктивности. При отсутствии плазмы контур "разгружен" и положение конденсатора 6 безразлично, так как мощность от генератора в контур не поступает. При необходимости возбуждения плазмы контур "нагружается" и емкость конденсатора связи должна быть максимальной и равной суммарной емкости конденсаторов 5 и 6. Поэтому в режиме запуска контакты 9 и 10 замыкаются. Подключение конденсатора 6 обеспечивает необходимое согласование источника сигнала - генератора 1 и нагрузки в режиме запуска.

По окончании переходных процессов в режиме поджига срабатывает реле 11 и своим контактом 12 подключает к источнику питания ионизатор 4, возбуждающий плазму в ионизированном газе. После возбуждения плазмы значение емкости конденсатора связи в рабочем режиме должно быть уменьшено, поэтому контакты 9 и 10 размыкаются, отключая конденсатор 6 и ионизатор 4. В рабочем режиме подстройка контура в резонанс осуществляется путем подстройки конденсатора 7. В процессе работы при введении проб различных материалов в поток плазмы происходит некоторое изменение настройки контура из-за изменения эквивалентного сопротивления нагрузки. Это изменение автоматически компенсируется перестройкой конденсатора 7 по сигналам фазового детектора 2, обеспечивая стабильность мощности источника при изменении нагрузки.

Как следует из рассмотрения работы источника и из его конструкции, в нем обеспечивается автоматическое согласование нагрузки с выходом высокочастотного генератора при изменении проб, вносимых в плазму. Результатом этого согласования является повышение стабильности выходной мощности источника света, т.е. обеспечивается достижение основного технического результата при использовании источника. Кроме этого, в источнике отсутствует сложная система перестройки нагрузочного контура при изменении режимов работы: режима поджига и режима работы с плазмой, а сама перестройка обеспечивается просто коммутацией конденсатора 6. Поскольку в источнике также отсутствуют элементы, входящие в цепи управления и расположенные в непосредственной близости плазмы, то в нем исключены погрешности настройки и согласования, обусловленные воздействиями плазмы на датчик в устройстве-прототипе.

Изготовленные опытные экземпляры источника света обеспечили стабильность мощности 0,5% при выходной мощности до 2 кВт и стабильность частоты не хуже 0,05% во всех режимах работы. Эти характеристики существенно выше, чем у любых других выпускаемых источников света аналогичного назначения.

Формула изобретения

ИСТОЧНИК СВЕТА С ИНДУКТИВНО СВЯЗАННОЙ ПЛАЗМОЙ ДЛЯ СПЕКТРОМЕТРА, состоящий из высокочастотного генератора, первого постоянного конденсатора связи, одна обкладка которого соединена с шиной нулевого потенциала, исполнительного электродвигателя, ротор которого механически связан с ротором конденсатора переменной емкости, одна обкладка которого соединена с первым выводом катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с шиной нулевого потенциала, ионизатора, выход которого расположен в зоне поджига плазмы катушки индуктивности, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй постоянный конденсатор связи, реле времени, фазовый детектор и два механически связанных замыкающих контакта, причем выход высокочастотного генератора соединен с входом фазового детектора, первый выход которого соединен с управляющим входом исполнительного электродвигателя, одна обкладка второго постоянного конденсатора связи через первый замыкающий контакт подключена к шине нулевого потенциала, а другие обкладки первого и второго постоянных конденсаторов связи и другая обкладка конденсатора переменной емкости соединены с вторым выходом фазового детектора, первый вывод обмотки реле времени соединен с шиной нулевого потенциала, второй вывод обмотки реле времени через второй замыкающий контакт подключен к шине источника напряжения, а через собственный нормально разомкнутый контакт - к входу ионизатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2