Индуктивно связанная плазма - Inductively coupled plasma

Рис. 1. Изображение аналитической горелки ICP.

С индуктивно связанной плазмой ( ICP ) или трансформатора связанной плазмой ( TCP ) представляет собой тип плазменного источника , в котором энергия подается с помощью электрических токов , которые производятся электромагнитной индукции , то есть, с помощью изменяющихся во времени магнитных полей .

Операция

Рис. 2. Конструкция плазмотрона с индуктивно связанной плазмой. A: тангенциальный поток охлаждающего газа к внешней кварцевой трубке B: поток нагнетаемого газа (обычно Ar) C: поток газа-носителя с образцом D: индукционная катушка, которая формирует сильное магнитное поле внутри горелки E: векторы сил магнитного поля F : плазмотрон (разряд).

Существует три типа геометрии ICP: планарная (рис. 3 (a)), цилиндрическая (рис. 3 (b)) и полутороидальная (рис. 3 (c)).

Рис. 3. Обычные плазменные индукторы.

В плоской геометрии электрод представляет собой кусок плоского металла, намотанный в виде спирали (или катушки). В цилиндрической геометрии это похоже на спиральную пружину. В полутороидальной геометрии это тороидальный соленоид, разрезанный по основному диаметру на две равные половины.

Когда изменяющийся во времени электрический ток проходит через катушку, он создает вокруг нее изменяющееся во времени магнитное поле с магнитным потоком

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

где r - расстояние до центра катушки (и кварцевой трубки).

Согласно закону индукции Фарадея-Ленца , это создает азимутальную электродвижущую силу в разреженном газе:

${\ displaystyle U = - {\ frac {d \ Phi} {dt}}}$ ,

что соответствует напряженности электрического поля

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

приводящие к образованию траекторий электронов в форме восьмерки, обеспечивающих генерацию плазмы. Зависимость от r предполагает, что движение ионов газа наиболее интенсивно во внешней области пламени, где температура наиболее высока. В настоящей горелке пламя охлаждается снаружи охлаждающим газом, поэтому самая горячая внешняя часть находится в тепловом равновесии. Температура достигает 5 000–6 000 К. Более строгое описание см. В уравнении Гамильтона – Якоби в электромагнитных полях.

Частота переменного тока, используемого в цепи RLC, которая содержит катушку, обычно 27–41 МГц. Чтобы вызвать плазму, на электродах на выходе газа образуется искра. Аргон - один из примеров широко используемого разреженного газа. Высокая температура плазмы позволяет определять многие элементы, кроме того, для примерно 60 элементов степень ионизации в горелке превышает 90%. Горелка ICP потребляет ок. 1250–1550 Вт мощности, но это зависит от элементного состава образца (из-за разной энергии ионизации ).

ICP имеют два режима работы: емкостной (E) режим с низкой плотностью плазмы и индуктивный (H) режим с высокой плотностью плазмы, а переход из режима нагрева E в H происходит с внешними входами.

Приложения

Температура электронов в плазме может составлять от ~ 6000 К до ~ 10 000 К (~ 6 эВ - ~ 100 эВ) и обычно на несколько порядков превышает температуру нейтральных частиц. Температура разряда аргоновой плазмы ICP обычно составляет от ~ 5 500 до 6 500 К и, следовательно, сравнима с температурой, достигаемой на поверхности ( фотосфере ) Солнца (от ~ 4500 до ~ 6000 К). Разряды ICP имеют относительно высокую электронную плотность, порядка 10 ¹⁵ см ^-3 . В результате разряды ICP находят широкое применение там, где требуется плазма высокой плотности (HDP).

• ICP-AES , разновидность атомно-эмиссионной спектроскопии .
• ICP-MS , вид масс-спектрометрии .
• ICP-RIE , тип реактивного ионного травления .

Еще одно преимущество ICP-разрядов состоит в том, что они относительно свободны от загрязнений, поскольку электроды полностью находятся вне реакционной камеры. Напротив, в емкостной плазме (CCP) электроды часто помещаются внутри реактора и, таким образом, подвергаются воздействию плазмы и последующих химически активных веществ.

Смотрите также

• Импульсный индуктивный двигатель
• Индукционная плазменная технология
• Список статей по физике плазмы
• Емкостная плазма

Рекомендации