Un plasma acoplado inductivamente ( ICP ) o plasma acoplado por transformador ( TCP ) [1] es un tipo de fuente de plasma en la que la energía es suministrada por corrientes eléctricas que se producen por inducción electromagnética , es decir, por campos magnéticos variables en el tiempo . [2]
Hay tres tipos de geometrías ICP: plana (Fig. 3 (a)), cilíndrica [4] (Fig. 3 (b)) y semitoroidal (Fig. 3 (c)). [5]
En geometría plana, el electrodo es un trozo de metal plano enrollado como una espiral (o bobina). En geometría cilíndrica, es como un resorte helicoidal . En geometría semitoroidal, se trata de un solenoide toroidal cortado a lo largo de su diámetro principal en dos mitades iguales.
Cuando una corriente eléctrica variable en el tiempo pasa a través de la bobina, crea un campo magnético variable en el tiempo a su alrededor, con flujo
,
donde r es la distancia al centro de la bobina (y del tubo de cuarzo).
Según la ley de inducción de Faraday-Lenz , esto crea una fuerza electromotriz azimutal en el gas enrarecido :
,
que corresponde a intensidades de campo eléctrico de
, [6]
lo que lleva a la formación de trayectorias de electrones [5] proporcionando una generación de plasma. La dependencia de r sugiere que el movimiento de los iones gaseosos es más intenso en la región exterior de la llama, donde la temperatura es mayor. En la antorcha real, la llama se enfría mediante el gas refrigerante del exterior, por lo que la parte exterior más caliente está en equilibrio térmico. La temperatura allí alcanza los 5 000 – 6 000 K. [7] Para una descripción más rigurosa, consulte la ecuación de Hamilton-Jacobi en campos electromagnéticos.
La frecuencia de la corriente alterna utilizada en el circuito RLC que contiene la bobina suele ser de 27 a 41 MHz. Para inducir plasma se produce una chispa en los electrodos de la salida de gas. El argón es un ejemplo de gas enrarecido de uso común. La alta temperatura del plasma permite la atomización de las moléculas y, por tanto, la determinación de muchos elementos, y además, para unos 60 elementos el grado de ionización en la antorcha supera el 90%. La antorcha ICP consume c. 1250-1550 W de potencia, y esto depende de la composición de elementos de la muestra (debido a las diferentes energías de ionización ). [7]
Los ICP tienen dos modos de funcionamiento, denominado modo capacitivo (E) con baja densidad de plasma y modo inductivo (H) con alta densidad de plasma. La transición del modo de calefacción E al H se produce con entradas externas. [8]
Las temperaturas de los electrones del plasma pueden oscilar entre ~6.000 K y ~10.000 K [ cita necesaria ] y suelen ser varios órdenes de magnitud mayores que la temperatura de las especies neutras [ cita necesaria ] . Las temperaturas de la descarga de plasma de argón ICP suelen ser de ~5500 a 6500 K [ cita necesaria ] y, por lo tanto, son comparables a las alcanzadas en la superficie ( fotosfera ) del sol (~4500 K a ~6000 K). Las descargas de ICP tienen una densidad de electrones relativamente alta, del orden de 10 · 15 cm -3 [ cita necesaria ] . Como resultado, las descargas ICP tienen amplias aplicaciones dondequiera que se necesite plasma de alta densidad (HDP).
Otro beneficio de las descargas ICP es que están relativamente libres de contaminación, porque los electrodos están completamente fuera de la cámara de reacción. Por el contrario, en un plasma acoplado capacitivamente (PCC), los electrodos suelen colocarse dentro de la cámara del reactor y, por tanto, quedan expuestos al plasma y a las especies químicas reactivas posteriores.
