Đèn cathode rỗng (HCL):

Đèn phát tia bức xạ đơn sắc được dùng sớm nhất và phổ biến nhất trong phép đo ∆S là đèn cathode rỗng (HCL). Đèn này chỉ phát ra những tia phát xạ nhạy của nguyên tố kim loại làm cathode rỗng. Các vạch phát xạ nhạy của một nguyên tố thường là các vạch cộng hưởng. Vì thế đèn cathode rỗng cũng được gọi là nguồn phát tia bức xạ cộng hưởng. Nó là phổ phát xạ của các nguyên tố trong môi trường khí kém.

Về cấu tạo, đèn cathode rỗng gồm có ba phần chính:

− Phần 1 là thân đèn và cửa sổ,

− Phần 2 là các điện cực cathode và anode, và

− Phần 3 là khí chứa trong đèn. Đó là khí trơ He, Ar hay N2.

− Thân và vỏ. Thân đèn gồm có vỏ đèn, cửa sổ và bệ đỡ các điện cực anode và cathode. Bệ đỡ bằng nhựa PVC. Thân và vỏ đèn bằng thuỷ tinh hay thạch anh. Vỏ đèn có hai dạng (hình 11).

Cửa sổ S của đèn có thể là thuỷ tinh hay thạch anh trong suốt trong vùng UV hay VIS là tùy thuộc vào loại đèn của từng nguyên tố phát ra chùm tia phát xạ nằm trong

vùng phổ nào. Nghĩa là vạch phát xạ cộng hưởng để đo phổ hấp thu ở vùng nào thì nguyên liệu làm cửa sổ S phải trong suốt ở vùng đó.

− Điện cực. Điện cực của đèn là cathode và anode. Anode được chế tạo bằng kim loại trơ và bền nhiệt như W hay Pt. Cathode được chế tạo có dạng hình xylanh hay hình ống rỗng có đường kình từ 3 – 5 mm, dài 5 – 6 mm và chính bằng kim loại cần phân tích với độ tinh khiết cao (ít nhất 99,9 %).

Dây dẫn của cathode cũng là kim loại W hay Pt. Cả hai điện cực được gắn chặt trên bệ đỡ của thân đèn và cực cathode phải nằm đúng trục xuyên tâm của đèn (hình 11).

Anode đặt bên cạnh cathode hay là một vòng bao quanh cathode. Hai đầu của hai điện cực được nối ra hai cực gắn chặt trên đế đèn, cắm vào nguồn điện nuôi cho đèn làm việc. Nguồn nuôi là nguồn 1 chiều có thế 220 – 240 V.

− Khí trong đèn. Trong đèn phải hút hết không khí và nạp thay vào đó là một khí trơ với áp suất từ 5 – 15mmHg. Khí trơ đó là argon, heli hay nitơ nhưng phải có độ sạch cao hơn 99.99 %. Khí nạp vào đèn không được phát ra phổ làm ảnh hưởng đến chùm tia phát xạ của đèn và khi làm việc trong một điều kiện nhất định thì tỉ số giữa các nguyên tử đã bị ion hóa và các nguyên tử trung hoà phải là không đổi. Có như thế đèn làm việc mới ổn định.

− Nguồn nuôi đèn. Đèn được đốt nóng đỏ để phát ra chùm tia phát xạ cộng hưởng nhờ nguồn điện một chiều ổn định. Thế làm việc của đèn HCL thường là từ 250 – 220V tùy thuộc vào từng loại đèn của từng hãng chế tạo và tùy thuộc vào từng nguyên tố kim loại làm cathode rỗng.

Cường độ làm việc của các đèn cathode rỗng thường là từ 3 – 50 mA và cũng tùy thuộc vào mỗi loại đèn HCL của mỗi nguyên tố do mỗi hãng chế tạo ra nó.

Thế và cường độ dòng điện làm việc của đèn HCL có liên quan chặt chẽ với công để tách kim loại ra khỏi bề mặt cathode rỗng để tạo ra hơi kim loại sinh ra chùm tia phát xạ của đèn HCL.

Dòng điện qua đèn HCL của mỗi nguyên tố rất khác nhau. Mỗi đèn HCL đều có dòng điện giới hạn cực đại mà đèn có thể chịu đựng được và giá trị này được ghi trên vỏ đèn. Tất nhiên khi sử dụng không bao giờ được phép dùng đến dòng điện cực đại đó, mà thích hợp nhất là trong vùng từ 65 – 85 % giá trị cực đại, vì ở điều kiện dòng cực đại đèn làm việc không ổn định và rất chóng hỏng, đồng thời phép đo lại có độ nhạy và độ lặp lại kém.

Theo lí thuyết và thực nghiệm của thực tế phân tích theo kĩ thuật đo phổ hấp thu nguyên tử, tốt nhất chỉ nên dùng cường độ dòng trong vùng từ 60 – 85 % dòng giới hạn cực đại đã ghi trên đèn HCL.

Muốn có độ nhạy cao, nên sử dụng cường độ dòng ở gần giới hạn dưới. Muốn có độ ổn định cao, nên dùng cường độ dòng ở gần giới hạn trên. Nhưng nên nhớ rằng cường độ dòng làm việc của đèn HCL và cường độ của vạch phổ hấp thu có quan hệ chặt chẽ với nhau.

Nói chung, nhiều trường hợp cường độ của vạch phổ hấp thu là tỷ lệ nghịch với cường độ dòng điện làm việc của đèn HCL (hình 12), tuy nhiên cũng có vài trường hợp không tuân theo quy luật đó.

Hình 11: Cấu tạo đèn cathode rỗng

Hình 12: Quan hệ giữa cường độ vạch phổ và cường độ dòng điện làm việc của đèn HCL

(A) là trường hợp phổ biến (Cd – 228.8 nm), Cu, Ca, Fe. (B) là của Pb 283.3 nm.

(C) là của Al 309.3 nm.

Khi đèn làm việc, cathode được nung đỏ, giữa cathode và anode xảy ra sự phóng điện liên tục. Do sự phóng điện đó mà một số phân tử khí bị ion hóa. Các ion vừa được sinh ra sẽ tấn công vào cathode làm bề mặt cathode nóng đỏ và một số nguyên tử kim loại trên bề mặt cathode bị hóa hơi và nó trở thành những nguyên tử kim loại tự do. Khi đó dưới tác dụng của nhiệt độ trong đèn HCL đang được đốt nóng đỏ, các nguyên tử kim loại này bị kích thích và phát ra phổ phát xạ của nó. Đó chính là phổ vạch của chính kim loại làm cathode rỗng. Nhưng vì trong điều kiện đặc biệt của môi trường khí trơ có áp suất rất thấp, nên phổ phát xạ đó chỉ bao gồm các vạch nhạy của kim loại đó mà thôi. Đó chính là sự phát xạ của kim loại trong môi trường khí kém. Chùm tia phát xạ này là nguồn tia đơn sắc chiếu qua môi trường hấp thu để thực hiện phép đo AAS.

Các đèn cathode rỗng có cấu tạo như đã mô tả ở trên là những đèn HCL đơn nguyên tố, nghĩa là mỗi đèn HCL đó chỉ phục vụ cho phân tích một nguyên tố. Ngày nay ngoài các đèn HCL đơn, người ta cũng đã chế tạo được một số đèn kép đôi, kép ba hay kép sáu nguyên tố. Ví dụ các đèn kép đôi là (Ca+Mg), (Cu+Mn), (Cu+Cr), (Co+Ni), (K+Na), (Cu+Pb); các đèn kép ba như (Cu+Pb+Zn) và đèn kép sáu là (Cu+Mn+Cr+Fe+Co+Ni).

Để chế tạo các đèn kép này, cathode của đèn HCL phải là hợp kim của các nguyên tố đó. Hợp kim này phải có thành phần phù hợp, để sao cho cường độ phát xạ của các

nguyên tố là gần tương đương nhau; nghĩa là sự phát xạ của kim loại này phải không được lấn át sự phát xạ của nguyên tố kia. Do đó phải chế tạo trong điều kiện dung hòa cho tất cả các nguyên tố. Ví dụ: Đèn HCL kép sáu của Cu, Mn, Cr, Fe, Co, và Ni thì hợp kim làm cathode rỗng phải chứa 25% Cu, các nguyên tố khác có thành phần là 15%.

Xét về độ nhạy, nói chung các đèn kép thường có độ nhạy kém hơn các đèn đơn tương ứng, hay tốt nhất cũng chỉ gần bằng là cùng. Mặt khác, về chế tạo lại khó khăn hơn đèn đơn. Vì thế cũng chỉ có một số ít đèn kép và cũng chỉ được dùng trong một số trường hợp khi việc thay đổi đèn có ảnh hưởng đến quá trình phân tích và trong các máy nhiều kênh thì đèn HCL kép là ưu việt hơn đèn đơn.

Đèn HCL làm việc tại mỗi chế độ dòng nhất định thì sẽ cho chùm sáng phát xạ có cường độ nhất định.

Mỗi sự dao động về dòng điện làm việc của đèn đều làm ảnh hưởng đến cường độ của chùm tia sáng phát xạ (hình 12). Do đó trong mỗi phép đo cụ thể phải chọn một giá trị cường độ dòng điện phù hợp và giữ cố định trong suốt quá trình đo định lượng một nguyên tố.