İndüksiyonla birleşmiş plazma

İndüksiyonla birleşmiş plazma (ICP) veya transformatörle birleşmiş plazma (TCP),^[1] enerjinin elektromanyetik indüksiyonla, yani zamanla değişen manyetik alanlarla üretilen elektrik akımlarıyla beslendiği bir tür plazma kaynağıdır.

İşleyiş

Üç tür ICP geometrisi vardır: düzlemsel (Şekil 3 (a)), silindirik^[3] (Şekil 3 (b)) ve yarı toroidal (Şekil 3 (c)).

Düzlemsel geometride, elektrot, bir spiral (veya bobin) gibi sarılmış bir yassı metal uzunluğudur. Silindirik geometride, elektrot sarmal bir yay gibi ile yarı toroidal geometride, ana çapı boyunca iki eşit yarıya kesilmiş toroidal solenoiddir .

Bobinin içinden zamana göre değişen bir elektrik akımı geçtiğinde, bobinin etrafında akı olan ve zamanla değişen bir manyetik alan oluşur.

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

burada r, bobinin merkezine (ve kuvars tüpün merkezine) olan mesafedir.

Faraday-Lenz' in indüksiyon yasasına göre, bu, seyreltilmiş gazda azimut elektromotor gücü yaratır:

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

Bu güç elektrik alan kuvvetlerine karşılık gelir ve

$E={\frac {U}{2\pi r}}={\frac {\omega rH_{0}}{2}}\sin \omega t$ ,

plazma oluşumu sağlayan 8 şeklinde elektron yörüngelerinin oluşumuna öncülük eder. Bu durumun r değerine bağlılığı, gaz iyon hareketinin sıcaklığın en yüksek olduğu alevin dış bölgesinde en yoğun olduğunu göstermektedir. Gerçek bir ICP meşalesinde, alev soğutma gazı tarafından dışarıdan soğutulur, bu yüzden en sıcak dış kısım termal dengededir. Dış kısımın sıcaklığı 5 000-6 000 K' ye ulaşır.^[4]

Bobini içeren RLC devresinde kullanılan alternatif akımın frekansı genellikle 27–41 MHz' dir. Plazmayı tetiklemek için, gaz çıkışındaki elektrotlarda bir kıvılcım üretilir. Argon, yaygın olarak kullanılan bir seyretilmiş gaz örneğidir. Plazmanın yüksek sıcaklığı birçok elementin belirlenmesini sağlar ve ek olarak, yaklaşık 60 element meşalede % 90' ın üzerinde iyonlaşma sergiler. ICP meşale yaklaşık 1250–1550 W güç harcar, ancak bu durum, numunenin temel bileşimine göre değişir (farklı iyonlaşma enerjileri nedeniyle).^[4]

Uygulamalar

Plazma elektron sıcaklıkları ~ 60.000 K ile ~ 100.000 K (~ 6 eV - ~ 100 eV), arasında değişebilir ve genellikle nötr türlerin sıcaklığından birkaç seviye daha sıcaktır. Argon ICP plazma deşarj sıcaklıkları tipik olarak ~ 5.500 ila 6.500 K arasındadır^[5] ve bu nedenle güneşin yüzeyinde (fotosfer) ulaşılan sıcaklık (~ 4,500 K ila ~ 6,000 K) ile karşılaştırılabilir seviyededir. ICP deşarj 10¹⁵ cm⁻³ mertebesinde, nispeten yüksek bir elektron yoğunluğuna sahiptir. Sonuç olarak, ICP deşarjları, yüksek yoğunluklu bir plazmaya (High-density plasma/HDP) ihtiyaç duyulan alanlarda geniş uygulamalara sahiptir.

ICP-AES, bir tür atomik emisyon spektroskopisi .
ICP-MS, bir tür kütle spektrometresi .
ICP-RIE, bir tür reaktif iyon aşındırma işlemi .

ICP deşarjların bir başka faydası, nispeten kontaminasyondan yoksun kalmalarıdır. Bunun sebebi elektrotların reaksiyon odasının tamamen dışında olmasıdır.