Induktivt kopplat plasma (ICP) — definition, princip och användning
Upptäck Induktivt kopplat plasma (ICP): principen bakom elektromagnetisk induktion som skapar och värmer joner, samt användningar inom analys, spektrometri och materialbearbetning.
Ett induktivt kopplat plasma (ICP) är en typ av plasmakälla. Elektromagnetisk induktion används för att tillföra energi till en gas, vilket får fria joner och elektroner att röra sig och bilda plasma. Jonernas och elektronernas rörelse omvandlar energi till värme och ljus, och plasmat kan hålla mycket höga temperaturer.
Princip
Principen bygger på att en växelström i en spol (induktor) runt en kvarts- eller keramikrör skapar ett växlande magnetfält. Detta fält inducerar elektriska virvelströmmar i den gas som passerar genom röret. Elektroner som accelereras i fälten kolliderar med neutrala gasatomer och skapar fler joner och fria elektroner — en process som snabbt kan leda till ett självunderhållande plasma.
Komponenter
- Spol (induktor) — kopplad till en RF-generator som ger växelström.
- Torch/kvartsrör — platsen där gasen joniseras.
- RF-generator och matchningsnätverk — anpassar impedansen så att energi effektivt överförs till plasmat.
- Flödes- och gaskällor — ofta argon används som arbetsgas på grund av dess stabilitet och låga reaktivitet.
- Provintroduktion — i analytiska tillämpningar ingår nebulisator och kammare för provspridning (t.ex. i ICP-OES/ICP-MS).
Användningsområden
- Analytisk kemi: ICP-OES (optiskt emissionsspektrometri) och ICP-MS (masspektrometri) används för kvantitativ bestämning av spårämnen i vätskor och material.
- Materialbehandling: plasmaetsning, rengöring och ytmodifiering i halvledar- och beläggningsindustri.
- Forskning och utveckling: studier av plasmafysik, materialsyntes och höga temperaturer.
- Avfallsbehandling och förbränning: termisk destruktion av organiska föroreningar under kontrollerade förhållanden.
Fördelar och nackdelar
- Fördelar: mycket höga temperaturer och stabilt plasma, ren energitillförsel (ingen elektrod i plasmat), god reproducerbarhet och hög känslighet i analytiska metoder.
- Nackdelar: relativt hög kostnad i drift (t.ex. argonförbrukning), krav på regelbundet underhåll (kvartsrör, spolar, matchningsnätverk) och behov av avskärmning mot RF- och UV-strålning.
Säkerhet och drift
Arbete med ICP kräver försiktighet: plasmat är extremt varmt och avger UV-strålning, så lämplig skyddsutrustning och avskärmning behövs. Argon kan orsaka kvävningsrisk i slutna utrymmen; god ventilation är nödvändig. Regelbundet underhåll av torch, spol och matchningsenhet förlänger livslängden och förbättrar mätstabilitet.
Sammanfattningsvis är induktivt kopplat plasma en flexibel och kraftfull plasmakälla vars egenskaper gör den särskilt lämplig för högtemperaturprocesser och känsliga analytiska metoder.
Bild av en analytisk ICP sedd genom grönt svetsglas
Operation
Induktivt kopplade plasmakällor använder vanligtvis argon som bränsle. Tyvärr kräver de flesta ICP-källor minst 5 l/min argon. Detta gör induktivt kopplad plasma till en ganska dyr källa. Argonatomerna joniseras med en gnista från en teslaspole. Dessa joner kommer att cirkulera på grund av magnetfältet för att producera värme och höga temperaturer. Detta kommer att leda till att ytterligare joner bildas från argonbränslet. Efter en viss tid kommer facklan att nå temperaturer på mellan 6 000 och 10 000 Kelvin.
Applikationer
De höga temperaturer som ICP ger upphov till gör den till en populär källa för många vetenskapliga experiment. Denna källa har den fördelen att den ger starka signaler och endast små mängder brus eller störningar. Dessutom är de data som erhålls från experiment som använder en induktivt kopplad plasmakälla ofta linjära. Detta gör det lätt för forskare att bestämma mängden av något i ett prov. Några av de vanligaste tillämpningarna är följande
- ICP-AES, en typ av atomemissionsspektroskopi.
- ICP-MS, en typ av masspektrometri.
- ICP-RIE, en typ av etsning med reaktiva joner.
ICP-AES
Induktivt kopplad plasma atomemissionsspektroskopi är en av de vanligaste tillämpningarna av ICP. Plasmakällan används för att värma upp ett prov. Vid tillräckligt höga temperaturer får elektronerna i provets atomer tillräckligt med energi för att gå in i ett exciterat tillstånd. Energi frigörs i form av fotoner när elektronerna "faller" från det exciterade tillståndet till en lägre energi. Det lägre energitillståndet brukar kallas atomens grundtillstånd.
Emissionernas våglängd bestäms av en detektor. De flesta atomer avger ljus i olika våglängder, så forskarna kan använda denna information för att identifiera atomer i ett prov. Emissionens intensitet är relaterad till mängden atomer i provet. Forskare kan använda våglängden och intensiteten för att bestämma både identiteten och mängden av en atom. ICP-AES används ofta för att upptäcka gifter, t.ex. tungmetaller. Den kan också användas för kemiska undersökningar.
Uppspårning
En induktivt kopplad plasmakälla kan användas för att detektera cirka 60 olika element. Dessa omfattar de flesta alkalimetaller, alkaliska jordartsmetaller, metalloider, alla övergångsmetaller och vissa f-blockelement.
Relaterade sidor
Sök