Plazma sprzężona indukcyjnie - Inductively coupled plasma

Rys. 1. Zdjęcie palnika analitycznego ICP

Indukcyjnie sprzężoną plazmą ( ICP ) lub transformator sprzężoną plazmą ( TCP ) jest typu plazmowego źródła, w którym energia jest dostarczana przez prąd elektryczny , które są wytwarzane przez indukcję elektromagnetyczną , to znaczy zmiennych w czasie pól magnetycznych .

Operacja

Rys. 2. Budowa palnika plazmowego sprzężonego indukcyjnie. A: styczny przepływ gazu chłodzącego do zewnętrznej rurki kwarcowej B: przepływ gazu wylotowego (zwykle Ar) C: przepływ gazu nośnego z próbką D: cewka indukcyjna, która tworzy silne pole magnetyczne wewnątrz palnika E: wektory siły pola magnetycznego F : palnik plazmowy (wyładowanie).

Istnieją trzy typy geometrii ICP: płaskie (rys. 3 (a)), cylindryczne (rys. 3 (b)) i półtoroidalne (rys. 3 (c)).

Rys. 3. Konwencjonalne cewki plazmowe

W geometrii płaskiej elektroda jest odcinkiem płaskiego metalu zwiniętego w spiralę (lub cewkę). W geometrii cylindrycznej przypomina sprężynę śrubową . W geometrii półtoroidalnej jest to solenoid toroidalny przecięty wzdłuż głównej średnicy na dwie równe połówki.

Kiedy zmieniający się w czasie prąd elektryczny przepływa przez cewkę, tworzy wokół niej zmienne w czasie pole magnetyczne ze strumieniem

${\ Displaystyle \ Phi = \ pi r ^ {2} H = \ pi r ^ {2} H_ {0} \ cos \ omega t}$ ,

gdzie r jest odległością do środka cewki (i rurki kwarcowej).

Zgodnie z prawem indukcji Faradaya-Lenza , powoduje to azymutalną siłę elektromotoryczną w rozrzedzonym gazie:

${\ Displaystyle U = - {\ Frac {d \ Phi} {dt}}}$ ,

co odpowiada natężeniu pola elektrycznego o wartości

${\ Displaystyle E = {\ Frac {U} {2 \ pi r}} = {\ Frac {\ omega rH_ {0}} {2}} \ sin \ omega t}$ ,

prowadząc do powstania trajektorii elektronów z figury 8 zapewniających generację plazmy. Zależność od r sugeruje, że ruch jonów gazowych jest najbardziej intensywny w zewnętrznym obszarze płomienia, gdzie temperatura jest najwyższa. W prawdziwej pochodni płomień jest chłodzony z zewnątrz przez gaz chłodzący, więc najgorętsza część zewnętrzna jest w równowadze termicznej. Tam temperatura sięga 5 000–6 000 K. Bardziej dokładny opis znajduje się w równaniu Hamiltona – Jacobiego w polach elektromagnetycznych.

Częstotliwość prądu przemiennego wykorzystywanego w obwodzie RLC zawierającym cewkę zwykle 27–41 MHz. Aby zaindukować plazmę, na elektrodach na wylocie gazu wytwarzana jest iskra. Argon jest jednym z przykładów powszechnie używanego gazu rozrzedzonego. Wysoka temperatura plazmy pozwala na oznaczenie wielu pierwiastków, a dodatkowo dla około 60 elementów stopień jonizacji w palniku przekracza 90%. Latarka ICP zużywa ok. 1250-1550 W mocy, ale zależy to od składu pierwiastkowego próbki (ze względu na różne energie jonizacji ).

ICP mają dwa tryby pracy, zwane trybem pojemnościowym (E) z niską gęstością plazmy i trybem indukcyjnym (H) z wysoką gęstością plazmy, a przejście z trybu ogrzewania z E na H następuje przy wejściach zewnętrznych.

Aplikacje

Temperatura elektronów w plazmie może wahać się w granicach od ~ 6000 K do ~ 10000 K (~ 6 eV - ~ 100 eV) i jest zwykle o kilka rzędów wielkości większa niż temperatura gatunków obojętnych. Temperatura wyładowania plazmowego argonu ICP wynosi zazwyczaj od ~ 5500 do 6500 K, a zatem jest porównywalna z temperaturą osiąganą na powierzchni ( fotosferze ) Słońca (~ 4500 K do ~ 6000 K). Wyładowania ICP mają stosunkowo dużą gęstość elektronów, rzędu 10 ¹⁵ cm ^-3 . W rezultacie wyładowania ICP mają szerokie zastosowanie tam, gdzie potrzebna jest plazma o dużej gęstości (HDP).

• ICP-AES , rodzaj atomowej spektroskopii emisyjnej .
• ICP-MS , rodzaj spektrometrii mas .
• ICP-RIE , rodzaj trawienia jonami reaktywnymi .

Inną zaletą wyładowań ICP jest to, że są one stosunkowo wolne od zanieczyszczeń, ponieważ elektrody znajdują się całkowicie na zewnątrz komory reakcyjnej. Z kolei w plazmie sprzężonej pojemnościowo (CCP) elektrody są często umieszczane wewnątrz reaktora, a zatem są wystawiane na działanie plazmy i kolejnych reaktywnych związków chemicznych.

Zobacz też

• Pulsacyjny pędnik indukcyjny
• Technologia plazmy indukcyjnej
• Lista artykułów dotyczących fizyki plazmy
• Plazma sprzężona pojemnościowo

Bibliografia