Induktivt koblet plasma - Inductively coupled plasma

Fig. 1. Bilde av en analytisk ICP-fakkel

Et induktivt koblet plasma ( ICP ) eller transformator koblet plasma ( TCP ) er en type plasmakilde der energien tilføres av elektriske strømmer som produseres ved elektromagnetisk induksjon , det vil si ved tidsvarierende magnetfelt .

Operasjon

Fig. 2. Konstruksjonen av induktivt koblet plasma-fakkel. A: kjølevass tangensiell strøm til det ytre kvartsrøret B: utslippsgassstrøm (vanligvis Ar) C: strøm av bærergass med prøve D: induksjonsspole som danner det sterke magnetfeltet inne i fakkelen E: kraftvektorer til magnetfeltet F : plasmabrenneren (utslippet).

Det er tre typer ICP-geometrier: plan (fig. 3 (a)), sylindrisk (fig. 3 (b)) og halvt toroidal (fig. 3 (c)).

Fig. 3. Konvensjonelle plasmainduktorer

I plan geometri er elektroden en lengde på flat metall som er viklet opp som en spiral (eller spole). I sylindrisk geometri er det som en spiralfjær . I halvt toroidal geometri er det toroidal solenoid kuttet langs hoveddiameteren til to like halvdeler.

Når en tidsvarierende elektrisk strøm føres gjennom spolen, skaper den et tidsvarierende magnetfelt rundt den, med strøm

,

hvor r er avstanden til sentrum av spolen (og av kvartsrøret).

I følge Faraday – Lenzs induksjonslov skaper dette azimutal elektromotorisk kraft i den sjeldne gassen:

,

som tilsvarer elektriske feltstyrker på

,

fører til dannelsen av figur 8 elektronbaner som gir en plasmagenerering. Avhengigheten av r antyder at gassionbevegelsen er mest intens i den ytre regionen av flammen, der temperaturen er størst. I den virkelige fakkelen blir flammen avkjølt fra utsiden av kjølegassen, så den varmeste ytre delen er i termisk likevekt. Der når temperaturen 5 000–6 000 K. For en strengere beskrivelse, se Hamilton – Jacobi-ligning i elektromagnetiske felt.

Frekvensen av vekselstrøm brukt i RLC-kretsen som inneholder spolen, er vanligvis 27–41 MHz. For å indusere plasma produseres en gnist ved elektrodene ved gassutløpet. Argon er et eksempel på en ofte brukt sjeldent gass. Den høye temperaturen i plasmaet tillater bestemmelse av mange grunnstoffer, og i tillegg overstiger graden av ionisering i 60-elementet 90%. ICP-fakkelen bruker ca. 1250–1550 W kraft, men dette avhenger av prøvesammensetningen (på grunn av forskjellige ioniseringsenergier ).

ICP-ene har to driftsmodi, kalt kapasitiv (E) -modus med lav plasmadensitet og induktiv (H) -modus med høy plasmadensitet, og overgang mellom E og H oppvarmingsmodus skjer med eksterne innganger.

applikasjoner

Plasma- elektrontemperaturer kan variere mellom ~ 6000 K og ~ 10.000 K (~ 6 eV - ~ 100 eV), og er vanligvis flere størrelsesordener større enn temperaturen til den nøytrale arten. Argon ICP plasma utslippstemperaturer er vanligvis ~ 5500 til 6500 K og er derfor sammenlignbare med den som nås på overflaten ( fotosfæren ) av solen (~ 4500 K til ~ 6000 K). ICP-utslipp har relativt høy elektrontetthet, i størrelsesorden 10 15 cm -3 . Som et resultat har ICP-utslipp brede applikasjoner der det er behov for et høyt tetthetsplasma (HDP).

En annen fordel med ICP-utslipp er at de er relativt fri for forurensning, fordi elektrodene er helt utenfor reaksjonskammeret. I motsetning til dette, i et kapasitivt koblet plasma (CCP), blir elektrodene ofte plassert inne i reaktoren og blir dermed utsatt for plasmaet og påfølgende reaktive kjemiske arter.

Se også

Referanser