-
Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mittel für die Erzeugung eines Plasmas
durch Mikrowellenenergie zum Erwärmen
einer Probe für
die spektrochemische Analyse, beispielsweise durch optische Emissionsspektrometrie
oder Massenspektrometrie.
-
Hintergrund
-
Die
frühere
Internationale Patentanmeldung Nr.
PCT/AU01/00805 (
WO
02/04930 A1 ) der Anmelderin offenbart zur Anregung eines
Plasmas ein axiales Ausrichten eines Plasmabrenners auf das Magnetfeldmaximum
eines angelegten, elektromagnetischen Mikrowellenfeldes. Dies erzeugt
ein hohles, im Allgemeinen ringförmiges,
zylinderförmiges
Plasma aufgrund des wohlbekannten "Skineffekts". Ein Plasma dieser Form ist wünschenswert,
da es einfacher ist, eine Probe zum Erwärmen in dessen kühleren Kern
zu injizieren. Die bei steigenden Frequenzen abnehmende Skintiefe
dieses Plasmas ist ziemlich dünn
(beispielsweise wurde bei 2455 MHz gemessen, dass die Skintiefe
eines Argonplasmas ungefähr
1 mm beträgt),
und daher ist die Verwendung eines polyatomaren, plasmabildenden
Gases (das eine größere Skintiefe
ergibt) offenbart, um die Erwärmung
im Kernbereich des Plasmas zum Erwärmen der Probe innerhalb dieses
Bereiches zu verbessern.
-
Aufmerksamkeit
wird auch auf die Offenbarungen der
EP-A-1,093,847 ,
US
5,349,154 ,
US 5,453,125 und
der
US 4,933,650 gelenkt.
-
Eine
weitere Recherche durch die Anmelderin hat gezeigt, dass, im Vergleich
zur Erfindung der
PCT/AU01/00805 ,
verbesserte Ergebnisse erzielt werden, indem das Plasma durch gleichzeitige
Anwendung eines bei Mikrowellenfrequenz oszillierenden, elektrischen
und magnetischen Feldes erregt wird. Die verbesserten Ergebnisse
gehen aus besserer Erwärmung
in den Kernbereich des Plasmas und damit besserer thermischer Kopplung
zwischen der Probe und dem Plasma hervor, was zu einem verbesserten
Analyseergebnis (Empfindlichkeit) führt.
-
Die
Erörterung
des Hintergrunds der Erfindung ist hier eingefügt, um den Zusammenhang der
Erfindung zu erklären.
Dies soll nicht als Zugeständnis
gelten, dass jedes Material, auf das Bezug genommen wird, veröffentlicht,
bekannt oder Teil des allgemein bekannten Fachwissens am durch die
vorliegende Erfindung festgelegten Prioritätsdatum in Australien war.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Plasmaquelle für ein Spektrometer vorgesehen,
die aufweist
einen Plasmabrenner mit zumindest einem Durchlass
für die
Zufuhr von plasmabildendem Gas,
Mittel zum Anlegen eines elektromagnetischen
Mikrowellenfeldes an den Plasmabrenner,
wobei das Mittel dem
Plasmabrenner sowohl für
die elektrische als auch die magnetische Feldkomponente des angelegten,
elektromagnetischen Mikrowellenfeldes zugeordnet ist, um ein Plasma
des plasmabildenden Gases anzuregen,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Plasmabrenner relativ zu dem Mittel zum Anlegen eines elektromagnetischen
Mikrowellenfeldes so angeordnet ist, dass er von einem Maximum der
magnetischen Feldkomponente beabstandet ist.
-
Gemäß einem
zweiten Aspekt, sieht die Erfindung ebenso ein Verfahren zum Erzeugen
eines Plasmas für
die spektrochemische Analyse einer Probe vor, umfassend das relative
Anordnen eines Plasmabrenners innerhalb eines elektromagnetischen
Mikrowellenfeldes sowohl für
die elektrische als auch für
die magnetische Feldkomponente des elektromagnetischen Mikrowellenfeldes,
das mit beiden Feldkomponenten gleichzeitig an den Plasmabrenner
anzulegen ist, um ein Plasma in einem durch den Brenner strömenden,
plasmabildenen Gas anzuregen, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldkomponente
kein Feldmaximum ist.
-
Bei
beiden Aspekten der Erfindung ist der Plasmabrenner in einem Bereich
angeordnet, wo elektrische und magnetische Felder vorhanden sind.
Dies kann durch Anordnen des Brenners an einer Zwischenposition zwischen
dem elektrischen und magnetischen Feldmaximum innerhalb eines Wellenleiters
erreicht werden. Sowohl die elektrische als auch die magnetische
Feldkomponente der angewandten Mikrowellenleistung tragen zur Aufrechterhaltung
des Plasmas bei.
-
Der
Effekt der elektrischen Feldkomponenten für das Plasma ist, dass dieses
die Form eines zur elektrischen Feldrichtung ausgerichteten Bandes
annimmt, und der Effekt der magnetischen Feldkomponente für das Plasma
ist, dass dieses eine hohle Zylinderform annimmt. Die Kombination
der zwei orthogonalen Feldkomponenten sorgt dafür, dass die hohle Zylinderform
(von der magnetischen Feldkomponente) im Querschnitt generell elliptisch
wird, und dass sich das Plasma in den Kernbereich ausdehnt, jedoch
bei einer geringeren Intensität
im Vergleich zu den Außenbereichen.
Daher kann ein Plasmabrenner des Vorrichtungs- oder Verfahrensaspekts
der Erfindung wahlweise so innerhalb eines elektromagnetischen Mikrowellenfeldes
angeordnet werden, dass die relativen Intensitäten der elektrischen und magnetischen
Feldkomponenten einen gewünschten,
niedrigeren Wert der Plasmaintensität im Kern gegenüber dem
Skinbereich des Plasmas ergeben, das heißt, eine reduzierte Kernintensität ergeben,
die ausreicht, um eine Injizierung der Probe dorthinein zu ermöglichen,
aber die dennoch genügend
hoch ist, um eine gute Anregung der Probe für gute Analyseergebnisse zu
ergeben.
-
Vorzugsweise
ist der Plasmabrenner axial zum Magnetfeld ausgerichtet. Diese bevorzugte
Anordnung, bei der der Brenner axial zur Magnetfeldkomponente ausgerichtet
ist, bedeutet, dass die Richtung der elektrischen Feldkomponente
orthogonal oder quer zur Achse des Brenners ist. Mit dieser Anordnung
erzeugt das elektrische Feld ein Plasma in Form eines "Bandes" (das heißt, wie
ein sich axial erstreckender Streifen mit geringem Querschnitt).
Das Magnetfeld sorgt dafür,
dass der Bandquerschnitt sich zweiteilt und bei Betrachtung in Achsenrichtung
eine schmale Ellipse ausbildet. Eine Anpassung der relativen Intensitäten der zwei
Feldkomponenten (beispielsweise durch Anordnen des Brenners an verschiedenen
Stellen innerhalb des elektromagnetischen Mikrowellenfeldes in einem
Hohlraum) weitet oder verengt den Zwischenraum zwischen den zwei
Seiten des die Ellipse ausbildenden Bandes und ermöglicht daher
eine Optimierung des Kompromisses zwischen der Fähigkeit, eine Probe in das
Plasma zu injizieren und dabei dennoch eine gute thermische Kopplung
zwischen dem Plasma und der Probe zu erreichen.
-
Vorzugsweise
umfasst das Mittel zum Anlegen eines elektromagnetischen Mikrowellenfeldes
an den Brenner eine Resonanzblende, innerhalb der der Brenner angeordnet
ist. Die Wahl der relativen Intensität jeder Feldkomponente kann
durch Verändern
des relativen Höhe-Breite-Verhältnisses
der Blendenöffnung
erreicht werden, wobei eine derartige Veränderung dennoch die Gesamtresonanz
bei der Frequenz der angelegten Mikrowellenenergie beibehält.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann das Mittel zum Anlegen des elektromagnetischen Mikrowellenfeldes ein
Wellenleiter oder ein Hohlraum sein oder umfassen, innerhalb welchem
der Brenner auf einer Teilstrecke zwischen der Position eines elektrischen
Feldmaximums und der Position eines magnetischen Feldmaximums innerhalb
des Wellenleiters oder des Hohlraums angeordnet ist. Geeignete Hohlräume sind
in der oben genannten Anmeldung
PCT/AU01/00805 offenbart.
Beispielsweise kann der Plasmabrenner innerhalb eines Hohlraumes
angeordnet sein, der von einem eine Wellenlänge langen Abschnitt des Wellenleiters
auf einer Teilstrecke zwischen der Position der maximalen Magnetfeldstärke und
der Position der maximalen elektrischen Feldstärke ausgebildet ist. Ein Verändern der
Position des Plasmabrenners zwischen diesen beiden Feldmaxima ermöglicht eine
Auswahl der relativen Intensität
jeder Feldkomponente und damit der elliptischen Querschnittform
des Plasmas und damit der Plasmakernintensität.
-
Wenn
das Mittel zum Anlegen des elektromagnetischen Mikrowellenfeldes
ein Hohlraum ist, vorzugsweise liefert eine Mikrowellenquelle (beispielsweise
ein Magnetron) die Mikrowellenenergie direkt in den Hohlraum, ist
der Brenner (das heißt,
die Plasmalast) auch innerhalb des Hohlraums angeordnet. Dies vermeidet eine übliche Stand-der-Technik-Anordnung,
bei der ein Mikrowellengenerator (typischerweise ein Magnetron) in
einem Einführ-Wellenleiter
angeordnet ist und bezüglich
der Impedanz an einen Einspeis-Wellenleiter oder ein Koaxialkabel
angepasst ist, der bzw. das verwendet wird, um die Mikrowellenenergie
zur Last zu führen;
in diesem Fall dem Plasmabrenner, wobei die Last im Allgemeinen
bezüglich
der Impedanz an den Einspeis-Wellenleiter oder das Koaxialkabel
angepasst ist. Diese Eigenschaft der Erfindung umgeht die Notwendigkeit
von einem oder zwei zusätzlichen,
Impedanzangepassten Netzwerken, die ansonsten zur Größe und zu
den Kosten des gesamten Systems hinzukämen. Es ist eine mögliche Anordnung
gemäß der Erfindung,
einen Hohlraum aus einer Länge
eines an beiden Enden abgeschlossenen Wellenleiters auszubilden
und ein Magnetron vorzusehen, das auf dieser Länge des Wellenleiters auf herkömmliche
Weise montiert ist. Ein Anpassen des Realteils der Impedanz zwischen
dem Magnetron und dem Plasma wird durch das Einstellen des Abstandes zwischen
dem Magnetron und dem Plasmabrenner erreicht. Ein Aufheben der Blindwiderstands-Impedanz, einschließlich des
Blindwiderstands des Magnetrons, wird durch das Einstellen des Abstandes
vom Magnetron zum nahen abgeschlossenen Ende erreicht. Die exakt
erforderlichen Abstände
können
entweder durch Versuch und Irrtum oder durch Verwendung eines Mikrowellennetzwerkanalysators
bestimmt werden, wie es einem Fachmann bekannt wäre. In der Praxis hat man herausgefunden,
dass die optimale Magnetronposition ziemlich nahe an einem Punkt
mit niedriger Impedanz liegt (nahe der Hälfte einer Wellenlänge von
der Brennerposition). Damit bestimmen die Anpassungserfordernisse
bis zu einem gewissen Grad die Gesamtlänge des Hohlraums. Man hat
in der Praxis ebenso herausgefunden, dass Variationen bei der Brennerimpedanz
bei verschiedenen Leistungspegeln oder Probenströmungen nicht groß genug
sind, um den durch das obige Verfahren erreichten Impedanzabgleich
merklich zu beeinflussen, so dass ein dynamisches Anpassen der Impedanzanpassung
nicht erforderlich ist.
-
Ein
weiterer Aspekt dieser Erfindung bezieht sich auf die thermische
Kühlung
eines Hohlraums zum Anlegen des elektromagnetischen Mikrowellenfeldes
an den Brenner. Eine beträchtliche
Leistung wird innerhalb des Plasmabrenners abgeführt und der Brenner und ein
Hohlraum, innerhalb dem er angeordnet ist, werden höchstwahrscheinlich
gekühlt
werden müssen.
Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung kann jeder derartige Hohlraum als Kühlkanal
verwendet werden. Damit kann Kühlluft
in den Hohlraum eingeführt
werden und durch Rohre extrahiert werden, die einen Durchmesser
aufweisen, der unterhalb der Absperr-Grenze der verwendeten Mikrowellenfrequenz
liegt, und deren Länge
ausreichend ist, um die abklingende Welle auf einen akzeptablen
Grad zu dämpfen.
-
Zum
besseren Verständnis
der Erfindung und um zu zeigen, wie dieselbe verwirklicht werden
kann, werden nun deren bevorzugte Ausführungsbeispiele lediglich mittels
eines nicht-einschränkenden
Beispiels mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die 1a bis 1o stellen
schematisch Feldrichtungen und daraus resultierende Plasmaformen für einen
Plasmabrenner dar.
-
2 stellt
eine Resonanzblende dar, die nicht Teil der Erfindung ist, aber
vorgesehen ist, um zum Verständnis
der Erfindung beizutragen.
-
3 ist
eine Querschnittsansicht eines Plasmabrenners, für die Verwendung bei einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, innerhalb einer Resonanzblende innerhalb eines Wellenleiters,
die vorgesehen ist, um zum Verständnis
der Erfindung beizutragen.
-
4 stellt
schematisch einen Hohlraum für
einen Plasmabrenner gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar und stellt dar, dass der Brenner darin an verschiedenen
Positionen angeordnet sein kann.
-
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
-
Die 1a,
d, g, j und m stellen bezüglich
eines Plasmabrenners 10 (schematisch als Zylinder dargestellt)
elektrische E und magnetische H Feldrichtungen dar, wobei die Felder
derart sind, dass sie ein Plasma in einem durch den Brenner 10 strömenden,
plasmabildenden Gas anregen. Der Plasmabrenner 10 ist nur schematisch
in den Figuren als ein Zylinder dargestellt, da Plasmabrennerstrukturen
für Spektrometer
wohlbekannt sind. Üblicherweise
werden bei Plasmabrennern zumindest zwei konzentrische Rohre (typischerweise
aus Quartz) verwendet. Ein Trägergas
mit mitgeführter
Probe strömt
normalerweise durch das innerste Rohr, und ein separates plasmaerhaltendes
und brennerkühlendes
Gas strömt
im Zwischenraum zwischen den zwei Rohren. Typischerweise wird das
plasmabildende und -erhaltende Gas ein Inertgas sein, wie z.B. Argon
oder Stickstoff, und Anordnungen sind vorgesehen, um eine Strömung von
diesem Gas zu erzeugen, die es unterstützt, ein stabiles Plasma mit
einem hohlen Kern auszubilden und um das Plasma ausreichend isoliert von
jedem Teil des Brenners zu halten, so dass kein Teil des Brenners überhitzt
wird. Beispielsweise kann die Strömung außeraxial injiziert werden,
so dass sich die Strömung
spiralartig windet. Diese letztere Gasströmung erhält das Plasma und die in der
inneren Gasströmung
transportierte Probe wird durch Strahlung und Leitung aus dem Plasma
erwärmt.
Ein Beispiel eines geeigneten Plasmabrenners ist hier nachstehend
mit Bezug auf 3 im Detail beschrieben. Die 1b,
e, h, k und n stellen Plasmaformen dar, wenn man vom Ende des Brenners 10 her
hineinschaut, und die 1c, f, i, l und o sind Seitenansichten
der Plasmaform (die die gleiche Ebene wie die 1a,
d, g, j und m zeigen, beispielsweise sind beide Figuren vertikale
Aufrisse).
-
Die 1a,
b und c zeigen, dass für
ein elektromagnetisches Mikrowellenfeld, dessen elektrischen Feldkomponente 12 axial
zum Brenner 10 ausgerichtet ist, ein stabförmiges Plasma
erzeugt wird. Dies ist die anerkannte Vorgehensweise, und das erzeugte
Plasma 14 ist sehr heiß,
aber leider ist es extrem schwierig, eine Probe in den Plasmakern
zu injizieren. Folglich ist es schwierig, eine gute thermische Kopplung
zwischen dem Plasma 14 und der Probe zu erhalten, was zu
geringer Erwärmung
der Probe und damit zu einem schlechten Analyseergebnis führt.
-
Die
1d,
e und f und die
1g, h und i zeigen, dass, wenn
der Plasmabrenner
10 axial zur magnetischen Feldkomponente
16 beim
Magnetfeldmaximum eines elektromagnetischen Feldes ausgerichtet
ist (wie bei
PCT/AU01/00805 ),
die Plasmaform ein hohler, im Allgemeinen richtig ringförmiger Zylinder
ist. Bei
1e ist das richtig ringförmige, zylinderförmige Plasma
18 dünnwandig,
wie es bei Argon als plasmabildendes Gas auftritt. Das heißt, die
Skintiefe ist so gering, dass der zentrale Kern des Plasmas nicht
nur bzgl. der Temperatur vermindert ist, sondern in der Tat auch
relativ kalt sein kann. Während
es einfach ist, Proben in einen derartigen Kernbereich zu injizieren,
gibt es kaum Erwärmung
und daher eine sehr schlechte Analyseempfindlichkeit. Bei
1h weist
das im Allgemeinen ringförmige,
zylinderförmige
Plasma
20 eine dickere Skintiefe auf, als es mit Stickstoff
als plasmabildendes Gas auftritt. Es ergibt sich jedoch immer noch
eine unzureichende Erwärmung
einer Probe innerhalb des Kernbereichs des Plasmas
20,
um zufriedenstellende Analyseergebnisse zu ergeben.
-
1j stellt
dies für
ein quer verlaufendes, elektrisches Feld 22 dar, ein bandförmiges Plasma 24 wird erzeugt.
Mit Bezug auf 1m: wenn ein elektromagnetisches
Mikrowellenfeld so angelegt ist, dass sowohl dessen elektrische 24 als
auch dessen magnetische 26 Feldkomponente Energie zum Anregen
des Plasmas vorsehen, wobei eine Magnetfeldkomponente 26 axial
zum Brenner 10 ausgerichtet ist, wird ein generell im Querschnitt
ellipsenförmiges
Plasma 28 erzeugt. Es ist Teil der Erfindung, dass, durch
selektives Anordnen eines Plasmabrenners 10 innerhalb eines
elektromagnetischen Mikrowellenfeldes in der Art, dass die relativen Intensitäten der
elektrischen 24 und magnetischen 26 Feldkomponenten
bei gewünschten
Werten liegen, die Form des elliptischen Querschnitts so ausgewählt werden
kann, dass eine gewünschte
Balance zwischen dem Grad der Erwärmung der Probe innerhalb des
Kerns des Plasmas und der Einfachheit der Injektion der Probe ins
Plasma gehalten werden kann.
-
Mit
Bezug auf 2 kann eine Resonanzblende 30 zum
Aufnehmen eines Plasmabrenners 10 aus einem Metallabschnitt 32 mit
einer Öffnung 34 hergestellt
sein. Diese Blende kann innerhalb eines Wellenleiters angeordnet
sein, wobei die Breite und Höhe
des Wellenleiters an der Resonanzblende gleichzeitig reduziert sind.
Die reduzierte Höhe
repräsentiert
einen Kondensator und die reduzierte Breite repräsentiert eine Spule. Die Kombination
aus einem Kondensator und einer parallelen Spule bildet einen Schwingkreis
aus. Die ungefähren
Bedingungen für
die Resonanz sind, dass der Umfang der die Blende 30 ausbildenden Öffnung 34 ein
ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge lang ist. Dies ist nur
eine ungefähre
Angabe, weil die Resonanzfrequenz auch von der Dicke t des Abschnitts 32 abhängt (das
heißt
dessen Abmessung in Richtung eines Wellenleiters). In der Praxis
ist das vorteilhafteste Verfahren, um die exakt benötigte Größe zu finden, eine
Versuchsöffnung
mit einem Umfang der Öffnung
zu machen, der n-mal Halb-Wellenlängen lang ist, wobei n eine
ganze Zahl ist; die exakte Resonanzfrequenz zu messen und dann die
Länge L
oder die Höhe
H der Öffnung 34 zur
exakt benötigten
Frequenz linear zu skalieren. Idealerweise sollte eine derartige Öffnung keine scharfen
Ecken haben, da diese unerwünschte
Feld- und Oberflächenströmungskonzentrationen
verursachen. Eine Lösung
hierfür
ist, die Enden 36 der Öffnung 34 entweder
abgerundet oder halbrund auszubilden. Ein Verhältnis, das sich bei der Verwendung
von Stickstoff als Trägergas
als akzeptabel erwiesen hat, ist eine Länge L, die das 2,6-fache der
Höhe H
beträgt,
obwohl klar ist, dass andere Verhältnisse ebenso effektiv sein können, sowohl
unter Verwendung von Stickstoff als plasmabildendes Gas, als auch
wenn andere plasmabildende Gase verwendet werden.
-
Ein
Plasmabrenner 10 für
die Verwendung bei der Erfindung kann einem bekannten "Mini-Brenner" ähneln, der für ICP-Anwendungen
verwendet wird, mit Ausnahme seines der Länge nach erweitertem Außenrohr.
Daher besteht ein Brenner 10 (der in 3 innerhalb
eines Abschnitts 32 angeordnet dargestellt ist und der
eine Resonanzblende innerhalb des Wellenleiters 40 vorsieht)
aus drei konzentrischen Rohren 42, 44 und 46.
Das Rohr 42 ist das Außenrohr,
Rohr 44 ist das Zwischenrohr und Rohr 46 ist das
Innenrohr. Das Rohr 44 umfasst einen Endteil mit größerem Durchmesser,
um einen schmalen, ringförmigen
Zwischenraum zwischen den Rohren 42 und 44 für den Durchgang
des plasmabildenden Gases vorzusehen, das durch den Einlass 48 geleitet
wird. Der schmale Zwischenraum verleiht dem plasmabildenen Gas eine
erwünscht
hohe Geschwindigkeit. Eine zusätzliche
Gasströmung
wird durch einen Einlass 50 zum Rohr 44 geleitet
und dient dazu, ein aus dem plasmabildenen Gas ausgebildetes Plasma 54 einen
angemessenen Abstand entfernt von den nahe gelegenen Enden der Rohre 44 und 46 zu
halten, so dass diese Enden nicht überhitzen. Ein Trägergas,
das darin mitgeführtes
Probenaerosol enthält,
wird durch einen Einlass 52 zum Innenrohr 46 zugeführt und
beim Anregen bildet der Auslass des Rohres 46 einen Kanal 56 durch
das Plasma 54 für
das Probenaerosol, damit es durch die Wärme des Plasmas 54 verdampft,
atomisiert und spektrochemisch angeregt wird. Wie bekannt ist, ist
der Durchmesser des Innenrohrs 46 so ausgewählt, dass
er der Strömungsrate
des Trägergases
und dem mitgeführten,
durch einen Vernebler (oder andere Probeneinführungsmittel) erzeugten Probenaerosol
angepasst ist, die bei dem Brenner 10 verwendet werden.
Die Geschwindigkeit des Aerosol-beladenen Trägergases, das aus dem Innenrohr 46 austritt,
muss genügend
groß sein,
um einen Kanal 56 durch das Plasma 54 zu bilden,
aber nicht so groß,
dass zu wenig Zeit bleibt, damit das Aerosol richtig verdampft,
atomisiert und spektrochemisch angeregt wird. Man hat herausgefunden,
dass ein Vernebler und eine Sprühkammer
eines herkömmlichen,
induktiv gekoppelten Argon-Plasmasystems zufriedenstellend mit der
vorliegenden Erfindung arbeiten, wenn der Innendurchmesser des Rohrs 44 eines
Brenners 10 im Bereich von 1,5 bis 2,5 mm liegt.
-
Der
Brenner 10 kann aus Quartzglas ausgebildet sein und einen
Außendurchmesser
von ungefähr 12,5
mm aufweisen. Sein Außenrohr 42 kann
in der Länge
verlängert
sein, so dass es ein kurzes Stück
von einem Wellenleiter hervorragt. 3 zeigt
einen Brenner, bei dem die drei Rohre 42, 44 und 46 dauerhaft
miteinander verschmolzen sind, jedoch kann eine mechanische Anordnung
vorgesehen sein, bei der die drei Rohre in ihren erforderlichen
Positionen gehalten werden, wobei ein Rohr oder mehrere der Rohre entfernt
und ersetzt werden kann/können,
wie bekannt ist. Eine derartige Anordnung nennt man einen zerlegbaren
Brenner. Der Brenner 10 kann aus anderen Materialen als
Quarz ausgebildet sein, wie z.B. Aluminiumoxid, Bornitrid oder anderen
wärmeresistenten
Keramiken. Ein Ausführungsbeispiel
wie in 3 versorgt ohne weiteres ein analytisch nützliches
Plasma in einem plasmabildenen Gas bei Leistungspegeln, die von
unter ungefähr
200 Watt bis über
1 kW reichen.
-
4 zeigt
einen Wellenleiter 60, der an beiden Enden 62, 64 abgeschlossen
und so bemessen ist, dass ein Resonanzhohlraum vorgesehen ist, innerhalb
dem ein Plasmabrenner 10 angeordnet ist (nur schematisch
in dieser Figur gezeigt). Ein Magnetron 66 ist angeordnet,
um die Mikrowellenenergie bei einer niedrigen Impedanzposition direkt
in den Hohlraum 60 einzuführen, das heißt, nahe
einer Position der Maximum-Magnetfeldstärke, wobei sich das Ende 64 eine
Wellenlänge
(λ) von
dieser Position befindet und wobei das Ende 62 so angepasst
ist, dass es den Blindwiderstand des Magnetrons aufhebt (beispielsweise
kann das Ende 62 ungefähr
0,078 λ vom
Magnetron 66 sein). Bei dieser Anordnung arbeitet der Wellenleiterhohlraum 60 im
TE10n-Modus (wobei n eine ganze Zahl ist,
die von der Hohlraumlänge
abhängt),
wobei der Plasmabrenner 10 axial zur Richtung der Magnetfeldkomponente
ausgerichtet ist. Der Plasmabrenner 10 ist so angeordnet,
dass ein Plasma sowohl durch die magnetische als auch die elektrische
Feldkomponente angeregt wird. Die relativen Intensitäten jeder
Komponente kann durch Verändern
des Ortes des Plasmabrenners 10 geändert werden, wie durch 10' dargestellt.
Wie hier vorstehend erläutert,
hat dies eine Veränderung
der Form des elliptischen Plasmas, das sowohl durch die elektrischen
als auch die magnetischen Feldanregungskomponenten erzeugt wird,
zur Folge, was somit eine Optimierung des Kompromisses zwischen
der Möglichkeit,
eine Probe in ein Plasma zu injizieren, und einer guten thermischen
Kopplung zwischen dem Plasma und der Probe ermöglicht.
-
Experimentelle Ergebnisse
-
Das
durch Okamoto in Japan entwickelte System ist wahrscheinlich der
relevanteste Stand der Technik für
die vorliegende Erfindung (und wird im Allgemeinen als das beste
herkömmliche
Mikrowellenplasmasystem erachtet). (Yukio Okamoto, "Annularshaped microwave
induced nitrogen Plasma at atmospheric Pressure for emission spectroscopy
of solutions", Analytical
Sciences, 7(1991) 283-288; Yukio Okamoto,
US-Patent
4,933,650 (12. Juni 1990); Yukio Okamoto,
US-Patent 5,063,329 (5. November 1991)).
Dies ist ein Mikrowellenplasmasystem auf Stickstoff-Basis, das bei
einer Leistung von ungefähr
1 Kilowatt arbeitet. Eine Probeneinführung erfolgt über feuchtes
(desolvatisiertes) Aerosol aus einem pneumatischen Vernebler. Das
Analyseergebnis eines Okamoto-Systems für die Emissionsspektroskopie
ist durch Ohata und Furta dargestellt (Masski Ohata und Naoki Furuta, "Evaluation of the
detection capability of a high Power nitrogen microwave-induced
Plasma for both atomic emission and mass spectrometry", Journal of Analytical
Atomic Spectroscopy, 13 (1998) 447-453). Typische, berichtete Ergebnisse
sind nachstehend in Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1
| ELEMENT | ERFASSUNGSGRENZE
Mikrogramm/Liter |
| Aluminium | 12 |
| Arsen | 840 |
| Kadmium | 24 |
| Kupfer | 2,3 |
| Mangan | 12 |
| Molybdän | 180 |
| Blei | 80 |
| Selen | 430 |
| Zink | 50 |
-
Zum
Vergleich sind nachstehend in Tabelle 2 experimentell gemessene
Erfassungsgrenzen für
ein optisches Spektroskopiesystem gezeigt, das die vorliegende Erfindung
verwendet. Das verwendete optische Spektrometer war ein Varian Vista
MPX Polychromator. Dies ist ein 0,5 Meter Echellepolychromator mit
einem 20 Picometer Bandpass. Der vorstehend beschriebene Mikrowellenhohlraum
wurde an der Stelle angeordnet, die gewöhnlich durch den herkömmlichen,
induktiv gekoppelten Plasmabrenner besetzt ist. Die Mikrowellenleistung
betrug 1 Kilowatt. Die äußere Gasströmung betrug
15 l/min, wobei die Zwischen- und Probengasströmungsraten jeweils ungefähr 1 l/min
betrugen. TABELLE 2
| ELEMENT | ERFASSUNGSGRENZE
Mikrogramm/Liter |
| Aluminium | 0,28 |
| Arsen | 140 |
| Kadmium | 9,6 |
| Kupfer | 1,3 |
| Mangan | 4,2 |
| Molybdän | 2,0 |
| Blei | 5,0 |
| Selen | 67 |
| Zink | 12 |
-
Wie
aus einem Vergleich der Ergebnisse in den Tabellen 1 und 2 ersichtlich,
bietet die Verwendung der vorliegenden Erfindung deutlich geringere
Erfassungsgrenzen im Vergleich zum herkömmlichen System von Okamoto.
-
Außerdem bietet
die vorliegende Erfindung die Möglichkeit
an Luft zu arbeiten, wenn auch mit etwas schlechteren (d.h. höheren) Erfassungsgrenzen.
Dies bietet den beträchtlichen
Vorteil, dass die Notwendigkeit jeglicher Flaschengasversorgung
eliminiert ist. Dieser Vorteil ist insbesondere wichtig in Fällen, bei
denen das Spektrometerinstrument an entlegenen Orten betrieben wird,
wie z.B. Bergbaustätten,
oder in Ländern,
wo es schwierig sein kann, eine Versorgung mit Flaschengas zu erhalten.
Erfassungsgrenzen für
einige Elemente wurden für
ein derartiges System bestimmt und sind nachstehend in Tabelle 3
gezeigt. TABELLE 3
| Element | Emissionslinie,
nm | Erfassungsgrenze,
Mikrogramm/Liter |
| Aluminium | 396,152 | 0,54 |
| Barium | 455,783 | 0,59 |
| Kadmium | 228,803 | 67 |
| Kupfer | 324,754 | 2,1 |
| Nickel | 341,482 | 5,6 |
| Blei | 405,783 | 21 |
| Strontium | 421,552 | 2,1 |
-
Die
hier beschriebene Erfindung ist anwendbar auf Variationen, Modifikationen
und/oder Zusätze,
abgesehen von den speziell beschriebenen, und es ist klar, dass
die Erfindung all solche Variationen, Modifikationen und/oder Zusätze umfasst,
die in den Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche fallen.