Индуктивно связанная плазма

Тип источника плазмы

Рис. 1. Изображение аналитической горелки ИСП

Индуктивно связанная плазма ( ИСП ) или трансформаторно связанная плазма ( ТСП ) ^[1] — это тип источника плазмы , в котором энергия подается электрическими токами , которые производятся электромагнитной индукцией , то есть изменяющимися во времени магнитными полями . ^[2]

Операция

Рис. 2. Конструкция индуктивно-связанной плазменной горелки. ^[3] A: тангенциальный поток охлаждающего газа к внешней кварцевой трубке B: поток разрядного газа (обычно Ar) C: поток транспортирующего газа с образцом D: индукционная катушка, которая формирует сильное магнитное поле внутри горелки E: векторы силы магнитного поля F: плазменная горелка (разряд).

Существует три типа геометрии ИСП: плоская (рис. 3 (а)), цилиндрическая ^[4] (рис. 3 (б)) и полутороидальная (рис. 3 (в)). ^[5]

Рис. 3. Обычные плазменные индукторы

В плоской геометрии электрод представляет собой отрезок плоского металла, намотанный наподобие спирали (или катушки). В цилиндрической геометрии он похож на винтовую пружину. В полутороидальной геометрии он представляет собой тороидальный соленоид, разрезанный по своему основному диаметру на две равные половины.

Когда через катушку проходит изменяющийся во времени электрический ток, вокруг нее создается изменяющееся во времени магнитное поле с 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

${\displaystyle E={\frac {U}{2\pi r}}={\frac {\omega rH_{0}}{2}}\sin \omega t}$, ^[6]

приводя к формированию электронных траекторий ^[5], обеспечивающих генерацию плазмы. Зависимость от r говорит о том, что движение ионов газа наиболее интенсивно во внешней области пламени, где температура наибольшая. В реальном факеле пламя охлаждается охлаждающим газом снаружи, поэтому самая горячая внешняя часть находится в тепловом равновесии. Температура там достигает 5 000 – 6 000 К. ^[7] Более строгое описание см. в уравнении Гамильтона–Якоби в электромагнитных полях.

Частота переменного тока, используемого в цепи RLC , которая содержит катушку, обычно составляет 27–41 МГц. Для создания плазмы на электродах на выходе газа создается искра. Аргон является одним из примеров широко используемого разреженного газа. Высокая температура плазмы позволяет распылять молекулы и, таким образом, определять многие элементы, и, кроме того, для примерно 60 элементов степень ионизации в горелке превышает 90%. Горелка ICP потребляет около 1250–1550 Вт мощности, и это зависит от элементного состава образца (из-за различных энергий ионизации ). ^[7]

ICP имеют два режима работы, называемые емкостным (E) режимом с низкой плотностью плазмы и индуктивным (H) режимом с высокой плотностью плазмы. Переход из E в H режим нагрева происходит с внешними входами. ^[8]

Приложения

Температура электронов плазмы может находиться в диапазоне от ~6000 К до ~10000 К ^{[ требуется ссылка ]} и обычно на несколько порядков превышает температуру нейтральных частиц ^{[ требуется ссылка ]} . Температура разряда плазмы ICP аргона обычно составляет от ~5500 до 6500 К ^{[ требуется ссылка ]} и, следовательно, сопоставима с температурами, достигаемыми на поверхности ( фотосфере ) Солнца (от ~4500 К до ~6000 К). Разряды ICP имеют относительно высокую плотность электронов, порядка 1015 ^см − ^{3 [ требуется ссылка ]} . В результате разряды ICP широко применяются везде, где требуется плазма высокой плотности (HDP).

• ICP-AES/ICP-OES — разновидность атомно-эмиссионной спектроскопии .
• ИСП-МС , тип масс-спектрометрии .
• ICP-RIE — тип реактивно-ионного травления .

Другим преимуществом разрядов ICP является то, что они относительно свободны от загрязнения, поскольку электроды полностью находятся вне реакционной камеры. Напротив, в емкостно-связанной плазме (CCP) электроды часто размещаются внутри камеры реактора и, таким образом, подвергаются воздействию плазмы и последующих реактивных химических веществ.

Смотрите также

• Емкостно-связанная плазма
• Индукционно-плазменная технология
• Импульсный индуктивный двигатель

Ссылки

1. Высокоплотное травление кремния фторуглеродом в индуктивно связанной плазме: механизм травления через толстый слой фторуглерода в устойчивом состоянии Архивировано 07.02.2016 в Wayback Machine TEFM Standaert, M. Schaepkens, NR Rueger, PGM Sebel и GS Oehrleinc
2. А. Монтасер и Д. В. Голайтли, ред. (1992). Индуктивно связанная плазма в аналитической атомной спектрометрии . VCH Publishers, Inc., Нью-Йорк.
3. Lajunen, LHJ; Perämäki, P. (2004). Спектрохимический анализ методом атомной абсорбции и эмиссии (2-е изд.). Cambridge: RSC Publishing. стр. 205. ISBN 978-0-85404-624-9.
4. Паскаль Шамберт и Николас Брейтуэйт (2011). Физика радиочастотной плазмы . Cambridge University Press, Кембридж. стр. 219–259. ISBN 978-0521-76300-4.
5. Шунько, Евгений В.; Стивенсон, Дэвид Э.; Белкин, Вениамин С. (2014). «Индуктивно связанный плазменный реактор с контролируемой энергией плазменных электронов в диапазоне от ~6 до ~100 эВ». IEEE Transactions on Plasma Science . 42 (3): 774–785. Bibcode :2014ITPS...42..774S. doi :10.1109/TPS.2014.2299954. ISSN  0093-3813. S2CID  34765246.
6. Бабушкин, А. А.; Бажулин, П. А.; Королёв, Ф. А.; Левшин, Л. Б.; Прокофьев, В. К.; Стриганов, А. Р. (1962). «Эмиссионный спектральный анализ». В Гольденберге Г. С. (ред.). Методы спектрального анализа . Москва: Издательство МГУ. п. 58.
7. Dunnivant, FM; Ginsbach, JW (2017). Пламенная атомная абсорбционная и эмиссионная спектрометрия и индуктивно связанная плазма — масс-спектрометрия. Whitman College . Получено 10 января 2018 г.
8. Хё-Чанг Ли (2018) Обзор индуктивно связанной плазмы: наноприложения и физика бистабильного гистерезиса 5 011108 https://doi.org/10.1063/1.5012001