Hollow cathode lamps as excitation sources for analytical atomic spectroscopy

Zusammenfassung

Obwohl die Anwendungen der Hohlkathodenentladung (HKE) nicht auf die Analytik beschränkt sind, hat sie auf diesem Gebiet ihre größte Popularität errungen. Atomabsorptions-, Atomfluorescenz- und Atomemissionsspektroskopie ziehen großen Nutzen aus den Eigenschaften der HKE wie hohe Entladungsstabilität, schmale Profile von Spektrallinien, niedrige Untergrundstrahlung, Anwendbarkeit auf Proben verschiedener Art und leichte Bestimmung von Nichtmetallen.

Außer in der Atomabsorptionsspektrometrie hat die HKE über Jahre hinweg nicht die erwartete Verbreitung gefunden. Auch Gerätehersteller wurden kaum von den verhältnismäßig niedrigen Kosten für Produktion und Betrieb von auf HKE basierenden Geräten angezogen. Einer der Gründe, der einer weiten Verbreitung dieser Quelle entgegensteht, ist die niedrige Strahlungsintensität, die erreicht wird, wenn die Entladung derart betrieben wird, daß ihre grundlegenden Eigenschaften völlig erhalten bleiben. Starke Einschränkungen behindern somit die Anwendung der HKE bei der Bestimmung von Elementen im Spuren- und Ultraspurenbereich.

Es ist daher kein Wunder, daß in jüngster Zeit große Anstrengungen unternommen wurden, neue Versionen von HKE zu entwickeln, bei denen die Strahlungsintensität erhöht werden kann. Sie arbeiten nach folgenden Prinzipien: Kopplung mit einem Magnetfeld, Verstärkung durch eine elektrische Hilfsentladung, veränderte Kathodengeometrie, Anwendung von Hochfrenquenz- und Mikrowellenfeldern, Anwendung von gepulsten Strömen und Trennung von Atomisierung und Anregung. Durch das Anwachsen des Signal-Rauschverhältnisses, das bei den sich nicht im thermischen Gleichgewicht befindlichen Hohlkathodenentladungen ohnehin schon sehr günstig ist, wird die analytische Leistungsfähigkeit der HKE weiter erhöht. Einige repräsentative analytische Anwendungen der genannten verbesserten Hohlkathodenentladungen werden vorgestellt.

Summary

Although the applications of the Hollow Cathode Discharge (HCD) are not confined to the analytical field, it is here that this low-pressure excitation source has gained most of its popularity. Atomic absorption, atomic fluorescence and atomic emission spectrometry greatly benefit from HCD properties such as high stability of discharge, sharp profile of spectral lines, low background intensity, applicability to samples in various physical forms and ease of determination for non-metals.

With the obvious exception for atomic absorption spectrometry, there has not been the expected widespread utilization of the HCD over the years, nor have manufacturers been significantly attracted by the relatively low costs of production and maintainance of HCD-based instruments. One of the factors hampering a wider distribution of this source could be the somewhat limited intensity output achievable when the discharge is operated under conditions which fully preserve its basic features. Thus, the exploitation of the HCD for the analysis of trace and ultratrace elements, is severely limited.

No wonder therefore that so much effort has been recently prompted for developing new versions of the HCD capable of promoting radiation intensity enhancement. The most promising of these comprise coupling with magnetic field, boost through auxiliary electric discharge, modifications of the cathode geometry, application of radiofrequency bursts, use of pulse-current regime, superposition of microwave field and separation of the atomization and excitation processes. The consequent increase in signal-tonoise ratio, already very favourable in the HCD as it is not in local thermal equilibrium, further expands its analytical potential. Some representative analytical applications of the improved HCD tubes are illustrated.