一、等離子的形成
電感耦合等離子是通過將射頻( radio frequency,RF)發生器產生的能量在電磁場中耦合至等離子支持氣所形成的。其中電磁場是通過對負載線圈施加一定RF功率(典型值為700~1500W)而產生。負載線圈是由直徑為3mm粗銅管,環繞成2匝或3匝3cm大小的銅環,繞石英炬管安裝并將所形成的等離子限制在炬管內。所產生的交變電流場振蕩頻率與調諧RF發生器一致。點火時,利用特斯拉( Tesla)線圈放電或壓電啟動器使線圈附近的等離子支持氣電離,形成“種子”電子,將等離子點燃。等離子點燃后,通過感應耦合得以維持。“種子”電子在電磁射頻場中加速,與中性氣體原子碰撞,形成電離媒介(常壓下氬氣氛圍中加速電子的平均自由程約為1pm。)電子與原子的碰撞產生更多電子,造成“雪崩”效應,進而維持等離子。氣體一旦電離后,只要負載線圈上施加有RF功率,氣體粒子將進行自我維持。等離子體(ICP)是外形像明亮的火球狀的放電體。
1)負載線圈
負載線圈,作為自由運行發生器中RF振蕩電路的組合部分或晶控振蕩系統的調諧網絡組成部分,通常是由2~3匝、直徑3mm粗的銅管繞成3cm大小螺旋環組成。冷卻液或冷卻氣通過銅管,帶走熱量,將銅管過度受熱形變降至最低。銅線圈,起到類似天線的作用,形成電磁場,用以維持等離子。可以這樣認為,線圈是RF轉換器的“初級”繞組,等離子為“二級”繞組,因此能將能量轉移,維持等離子。且等離子主要集中在負載線圈內部。線圈相鄰匝之間不可接觸,且必須盡量接近及統一,才能形成均一場。
負載線圈通常具有三種接地方式:前端接地(距炬管底端最近),后端(最接近樣品注射管),或中間接地。接地位置影響采樣接口二次放電,而二次放電嚴重影響離子束中分子氧化物及雙電荷離子的形成。有制造廠商采用交錯式線圈,其中一個線圈前端接地,另一個線圈后端接地。
2)射頻發生器
通常采用兩種基本電路,產生ICP所需的RF能量:
①固定頻率晶控振蕩器;
②自由可變振頻振蕩器。
兩種電路均可用來形成等離子進行電離。射頻發生器,用于形成ICP,是由有限組件構成的簡單電路,產生一定頻率的交變電流。這些發生器的輸出功率必須達到2kW,以有效維持氬氣等離子氣壓。
3)炬管
炬管是用于包含并輔助等離子形成的器件。通常由不吸收FR輻射的材料制成,因此不會降低負載線圈形成的磁場。可以采用陶瓷或氮化硼制備炬管,但目前大多采用石英制成,因石英熔點足夠高,能夠在高溫氬氣ICP中工作。
石英炬管位于負載線圈中心,當炬管各層通入氬氣,對其施加一定的RF功率且提供“種子”電子時,將形成扁長橢球狀等離子體火焰。若施加功率過大,則等離子體溫度升高,足以熔化炬管。此種功率不完全適合用于光譜分析。由于過大功率條件下,等離子表面存在勢壘,造成趨膚效應,很難有效地將樣品氣溶膠引入等離子體中。此勢壘傾向于將氣溶膠粒子阻隔在等離子外圍,而不是將粒子引入等離子內部。除非樣品能夠達到等離子最佳激發區,否則靈敏度明顯受限。
二、等離子布局
射頻電磁場主要與等離子外層耦合(即最接近炬管外層管區域),有利于環狀等離子火焰的形成。此區域溫度最高,可達10000K(基于電離能力的平衡溫度)。與此相反,等離子中心區域(環面中心,通常稱為軸向通道),即引入樣品區域,溫度低得多,通常為5000~7000K。軸向通道內,除了氬氣外,還包含待測元素,樣品基體組分以及所有進入進樣系統的溶劑。