Plasma acoplado inductivamente

Tipo de fuente de plasma

Fig. 1. Imagen de una antorcha analítica ICP

Un plasma acoplado inductivamente ( ICP ) o plasma acoplado por transformador ( TCP ) ^[1] es un tipo de fuente de plasma en el que la energía es suministrada por corrientes eléctricas que se producen por inducción electromagnética , es decir, por campos magnéticos que varían en el tiempo . ^[2]

Operación

Fig. 2. Construcción de la antorcha de plasma acoplada inductivamente. ^[3] A: flujo tangencial del gas refrigerante al tubo de cuarzo exterior B: flujo del gas de descarga (normalmente Ar) C: flujo del gas portador con la muestra D: bobina de inducción que forma el fuerte campo magnético en el interior de la antorcha E: vectores de fuerza del campo magnético F: la antorcha de plasma (la descarga).

Hay tres tipos de geometrías ICP: plana (Fig. 3 (a)), cilíndrica ^[4] (Fig. 3 (b)) y semitoroidal (Fig. 3 (c)). ^[5]

Fig. 3. Inductores de plasma convencionales

En la geometría plana, el electrodo es una sección de metal plano enrollada como una espiral (o bobina). En la geometría cilíndrica, es como un resorte helicoidal . En la geometría semitoroidal, es 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

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

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 :

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

que corresponde a las intensidades de campo eléctrico de

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

lo que conduce a la formación de las trayectorias de los electrones ^[5] que proporcionan una generación de plasma. La dependencia de r sugiere que el movimiento de iones de gas 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 es normalmente de 27 a 41 MHz. Para inducir el plasma, se produce una chispa en los electrodos de la salida de gas. El argón es un ejemplo de un gas enrarecido de uso común. La alta temperatura del plasma permite la atomización de las moléculas y, por lo 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 aproximadamente 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, llamados modo capacitivo (E) con baja densidad de plasma y modo inductivo (H) con alta densidad de plasma. La transición del modo de calentamiento E al H se produce con entradas externas. ^[8]

Aplicaciones

Las temperaturas de los electrones del plasma pueden variar entre ~6.000 K y ~10.000 K ^{[ cita requerida ]} y suelen ser varios órdenes de magnitud mayores que la temperatura de la especie neutra ^{[ cita requerida ]} . Las temperaturas de la descarga de plasma ICP de argón son típicamente de ~5.500 a 6.500 K ^{[ cita requerida ]} y, por lo tanto, son comparables a las alcanzadas en la superficie ( fotósfera ) del sol (~4.500 K a ~6.000 K). Las descargas ICP son de densidad electrónica relativamente alta, del orden de 10 ¹⁵ cm ^{−3 [ cita requerida ]} . Como resultado, las descargas ICP tienen amplias aplicaciones donde sea que se necesite un plasma de alta densidad (HDP).

• ICP-OES, un tipo de espectroscopia de emisión atómica
• ICP-AES , un tipo de espectroscopia de emisión atómica .
• ICP-MS , un tipo de espectrometría de masas .
• ICP-RIE , un tipo de grabado de iones reactivos .

Otra ventaja 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 (CCP), los electrodos suelen estar colocados dentro de la cámara del reactor y, por lo tanto, están expuestos al plasma y a las especies químicas reactivas posteriores.

Véase también

• Plasma acoplado capacitivamente
• Tecnología de plasma de inducción
• Propulsor inductivo pulsado

Referencias

1. Grabado de silicio con fluorocarbono de alta densidad en un plasma acoplado inductivamente: mecanismo de grabado a través de una capa gruesa de fluorocarbono en estado estable Archivado el 7 de febrero de 2016 en Wayback Machine TEFM Standaert, M. Schaepkens, NR Rueger, PGM Sebel y GS Oehrleinc
2. A. Montaser y DW Golightly, ed. (1992). Plasmas acoplados inductivamente en espectrometría atómica analítica . VCH Publishers, Inc., Nueva York.
3. Lajunen, LHJ; Perämäki, P. (2004). Análisis espectroquímico por absorción y emisión atómica (2.ª ed.). Cambridge: RSC Publishing. pág. 205. ISBN 978-0-85404-624-9.
4. Pascal Chambert y Nicholas Braithwaite (2011). Física de plasmas de radiofrecuencia . Cambridge University Press, Cambridge. pp. 219–259. ISBN 978-0521-76300-4.
5. Shun'ko, Evgeny V.; Stevenson, David E.; Belkin, Veniamin S. (2014). "Reactor de plasma de acoplamiento inductivo con energía electrónica de plasma controlable en el rango de ~6 a ~100 eV". 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. A.; Бажулин, П. A.; Королёв, Ф. A.; Левшин, Л. B.; Прокофьев, В. k.; Стриганов, А. Р. (1962). "Análisis espectral espectral". En Goldenberg, Г. С. (ed.). Métodos de análisis espectral . Moscú: Издательство МГУ. pag. 58.
7. Dunnivant, FM; Ginsbach, JW (2017). Espectrometría de emisión y absorbancia atómica de llama y plasma acoplado inductivamente: espectrometría de masas. Whitman College . Consultado el 10 de enero de 2018 .
8. Hyo-Chang Lee (2018) Revisión de plasmas acoplados inductivamente: nanoaplicaciones y física de histéresis biestable 5 011108 https://doi.org/10.1063/1.5012001