空心阴极灯元素灯是一种特殊形式的低压辉光放电锐线光源,它在分析化学、物理学、地质学等多个领域具有广泛的应用。其工作原理基于高场电压下的辉光放电。它主要由一个阳极(通常为合金钨棒)和一个空心圆筒形阴极(由被测元素的金属或合金化合物构成)组成,两者密封在带有光学窗口的玻璃管内,并内充低压(几百帕)的惰性气体(如氖气或氩气)。当在两极之间施加200V-500V的电压时,便产生辉光放电。在电场作用下,电子从阴极发出并加速向阳极运动,途中与载气原子碰撞并使之电离,产生的正离子再轰击阴极表面,将被测元素原子从晶格中溅射出来。这些溅射出来的原子在空腔内与其他粒子碰撞而被激发,最终发射出相应元素的特征共振辐射。
1、阴极
材质:通常由被测元素的金属或合金制成,呈空心圆筒状。比如检测铁元素时,阴极材料就是铁;检测铜元素时,阴极材料为铜。
作用:在电场作用下,电子与载气原子碰撞并使之电离,放出二次电子,使电子与正离子数目增加,以维持放电。正离子从电场获得动能,当其撞击在阴极表面时,可以将原子从晶格中溅射出来。除溅射作用之外,阴极受热也会使阴极表面元素发生热蒸发。溅射与蒸发出来的原子进入空腔内,再与电子、原子、离子等发生第二类碰撞而受到激发,发射出相应元素的特征共振辐射。
2、阳极
材质:一般由金属制成。
作用:作为阴极的对应电极,主要作用是收集从阴极发射出的电子,并引导电流流向气体填充区域。
3、填充气体
种类:常见的填充气体有氩气、氖气、氙气等惰性气体。
作用:是产生放电和激发的必要条件。当在两极之间施加一定电压时,电子与填充气体的原子碰撞,使其电离,形成等离子体,从而产生辉光放电。同时,填充气体的种类和压力会影响灯的发光特性,不同种类的填充气体会产生不同的光谱。
4、光学窗口
材质:通常由石英或特制的玻璃材质制成。
作用:为灯的发光提供一个密封的环境,保护灯内部结构不受外界环境的影响,同时也便于观察和测量灯发出的光线。