Дуга постоянного тока.
Дуга постоянного тока широко используется при спектральном анализе. На рисунке 4 показана схема питания дуги.
Рис.4. Схема электрического питания дуги.
Плазма неоднородна на протяжении от катода к аноду. Вблизи катода существует тонкий (≈ 1мм) катодный слой с довольно значительным падением потенциала. Условия возбуждения в нем отличаются от условий в остальной части плазмы. Этот слой может использоваться для повышения чувствительности спектрального анализа.
На поверхности катода хорошо видно яркое "катодное пятно". Температура его значительно выше температуры остальной поверхности электродов. Катодное пятно обеспечивает термоэлектронную эмиссию, поддерживающую разряд.
Напряжение на электродах дуги во время ее горения зависит от материала электродов, силы тока через дугу, величины дугового промежутка, состава и давления атмосферы, в которой горит дуга. Обычно оно равняется 50–90 В. Сила тока дуги меняется от одного до нескольких десятков Ампер в зависимости от характера решаемой задачи. Высокая температура электродов дуги обеспечивает их интенсивное испарение, что приводит к заполнению дугового промежутка парами вещества электродов. Чем ниже потенциал ионизации атомов элементов, находящихся в плазме дуги, тем легче протекает разряд, т.е. необходимые сила тока и напряжение дуги меньше. Например, дуга между железными электродами диаметром 6 мм хорошо горит при силе тока 2-3 А, в то время как для горения дуги между угольными электродами того же диаметра необходим ток 8-10 А.
Кроме самих электродов в дуге постоянного тока испаряются вещества, введенные каким - либо способом в электроды. Анализируемое вещество вводится в отверстие, высверленное по оси угольного или графитового электрода. Электрод разогревается разрядом. Причем, разные части его нагреваются до разных температур.
При одинаковом диаметре электродов температура анода выше – она может дойти до 4000° (температура кипения графита). Обычно температура, до которой нагревается анод, ниже этой.
Стабилизация дуги.
Случайные отклонения внутреннего сопротивления разряда ведут к нестабильности дугового разряда, тем большей, чем меньше балластное сопротивление, включенное последовательно дуге.
Действительно,
i = U / Rб + Uд , (17)
где i – сила тока , протекающего через дугу , U – напряжение источника питания, Rб – балластное сопротивление , Rд – сопротивление дуги.
Отсюда легко найти относительное изменение силы тока при изменении сопротивления дугового промежутка.
.
(18)
Видно, что при увеличении балластного сопротивления увеличивается стабильность дуги (уменьшается d i /i ). Но с увеличением Rб надо увеличивать напряжение питания U.
Увеличение напряжения приводит к стабильности дуги, отсюда – к точности анализа. Уже при переходе от U = 110 В к 220 В заметно повышается точность. Еще лучше пользоваться повышающим трансформатором. С увеличением напряжения растут потери на Rб.
В ряде методов спектрального анализа применяется высоковольтная дуга, питающаяся переменным напряжением в несколько тысяч вольт. Стабильность дуги в таких разрядах немного выше, чем в низковольтных.
Температура плазмы дуги.
Температура плазмы дуги между угольными электродами наиболее высокая – около 7000°С, между медными и железными электродами – около 5500° С.
При введении в электроды примесей, обладающих более низким потенциалом ионизации, температура дуги определяется ими. Так, например, при введении в угольные электроды солей калия температура плазмы падает с 7000 до 4000 °C. Но для этого примесь должна присутствовать в больших количествах. Малые же количества на температуру дуги влияют мало.
Температура плазмы в реальных условиях не постоянна по всему объему. Обычно она монотонно спадает от центра плазмы к ее периферии. В соответствии с этим в центральных зонах наблюдается свечение линий с более высокими энергиями возбуждения, чем во внешних.
Это приводит к тому, что определенные спектроскопическими методами (по отношению интенсивности линий) температуры дуги оказываются различными в зависимости от того, какие линии выбраны для измерений.