Plasma acoplado inductivamente - Inductively coupled plasma

Fig. 1. Imagen de una antorcha ICP analítica

Un plasma acoplado inductivamente ( ICP ) o plasma acoplado a transformador ( TCP ) es un tipo de fuente de plasma en la que la energía es suministrada por corrientes eléctricas que son producidas por inducción electromagnética , es decir, por campos magnéticos variables en el tiempo .

Operación

Fig. 2. La construcción de la antorcha de plasma acoplada inductivamente. A: flujo tangencial de gas de enfriamiento al tubo de cuarzo exterior B: flujo de gas de descarga (generalmente Ar) C: flujo de gas portador con muestra D: bobina de inducción que forma el fuerte campo magnético dentro de la antorcha E: vectores de fuerza del campo magnético F : la antorcha de plasma (la descarga).

Hay tres tipos de geometrías ICP: planas (Fig. 3 (a)), cilíndricas (Fig. 3 (b)) y semitoroidales (Fig. 3 (c)).

Fig. 3. Inductores de plasma convencionales

En geometría plana, el electrodo es una longitud de metal plano enrollado como una espiral (o bobina). En geometría cilíndrica, es como un resorte helicoidal . En 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).

De acuerdo con 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

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

conduciendo a la formación de trayectorias de electrones en forma de 8 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 desde el exterior por el gas de enfriamiento, por lo que la parte exterior más caliente está en equilibrio térmico. Allí la temperatura alcanza los 5 000–6 000 K. 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 el 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 determinación de muchos elementos, y además, para unos 60 elementos el grado de ionización en la antorcha supera el 90%. La antorcha ICP consume aprox. 1250-1550 W de potencia, pero esto depende de la composición elemental de la muestra (debido a las diferentes energías de ionización ).

Los ICP tienen dos modos de funcionamiento, llamado modo capacitivo (E) con baja densidad de plasma y modo inductivo (H) con alta densidad de plasma, y ​​la transición del modo de calentamiento E a H se produce con entradas externas.

Aplicaciones

Las temperaturas de los electrones del plasma pueden oscilar entre ~ 6.000 K y ~ 10.000 K (~ 6 eV - ~ 100 eV), y suelen ser varios órdenes de magnitud mayores que la temperatura de las especies neutrales. Las temperaturas de descarga de plasma ICP de argón son típicamente ~ 5500 a 6500 K 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 . Como resultado, las descargas de ICP tienen amplias aplicaciones donde se necesita un plasma de alta densidad (HDP).

• 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 .

Otro beneficio de las descargas de 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 a menudo se colocan dentro del reactor y, por lo tanto, se exponen al plasma y a las especies químicas reactivas posteriores.

Ver también

• Propulsor inductivo pulsado
• Tecnología de plasma por inducción
• Lista de artículos de física del plasma
• Plasma acoplado capacitivamente

Referencias