应用于光谱仪的等离子体源和光谱仪制造技术

一种应用于光谱仪的等离子体源(1)，具有包含至少一个管道(10)的等离子体炬(2)，所述管道具有供给区域(11)、电离区域(12)，以及出口区域(13)，所述等离子体源(1)具有用于冷却气流(61)的冷却气体导引装置(60)，其中所述冷却气体导引装置(60)在冷却气体入口(62)与冷却气体出口(63)之间的所述管道(10)外侧具有冷却段(14)，所述冷却气体在所述冷却段中横向于第一气流(15)的方向在外部围绕所述管道(10)流动。(10)流动。(10)流动。

【技术实现步骤摘要】
应用于光谱仪的等离子体源和光谱仪


[0001]本专利技术涉及一种用于光谱仪的等离子体源，特别是用于产生应用于质谱(ICP
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MS)或光学发射光谱(ICP
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OES)的电感耦合等离子体(ICP)的源。

技术介绍

[0002]在使用电感耦合等离子体的光谱装置(例如ICP
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MS或ICP
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OES)中，借助于高频电磁场产生等离子体。等离子体由惰性气流供给，通常将氩气用于惰性气流。为此，在现有技术中，设有管道状等离子体炬，在此等离子体炬中将稀有气体导引至高频线圈。由于高频线圈产生的电磁场与稀有气体相互作用，稀有气体被加热至5000K或更高的温度，且此稀有气体转变为等离子体状态。通过高压放电将等离子体点燃，从而产生带电粒子。在等离子体炬内部设有样品进线，样品可以以气溶胶或气态形式存在。将样品成分在等离子体中汽化、分解成原子成分、电离，随后输往光谱仪进行进一步分析。
[0003]尽管等离子体炬必须使用耐高温材料，但高温会增加等离子体炬的磨损。在等离子体炬的紧邻等离子的区域内，磨损的增加尤为明显。相应地，现有技术中提出用于冷却等离子体炬的冷却方案，借此延长等离子体炬的使用寿命。
[0004]根据US 2018/0332697A1中的方案，等离子体炬内部的惰性气流的一部分不用于产生等离子体，而是用于冷却等离子体炬。这部分惰性气流在等离子体炬内部流动并吸收其热量。用于冷却的惰性气流并不主要转变为等离子体，而是围绕等离子体流动并且从等离子体炬逸出，且相应地富含等离子体炬中的热量。
[0005]这样就排除在等离子体内部除了稀有气体和样品成分之外，有另一物质(例如等离子体炬表面的物质)被电离并削弱后续分析的可能性。这同样也增加了稀有气体的消耗。这一点在使用氩气作为稀有气体的情况下尤为不利，因为由于氩气的热容较小，需要较大的氩气流量来进行冷却。同样地，特别是在通常采用的借助于气瓶的供应和气瓶的更换方面，以及在氩气作为冷却气体的成本方面，用于分析且额外用于冷却的氩气会产生进一步的问题。
[0006]US 5,066,125揭示过一种用于在使用等离子体炬后去除等离子体炬管道上的沉积物或冷凝物的装置。为此，通过分配管道导引气流从等离子体炬管道旁边经过。这个气流可以为管道输送热量以去除冷凝物，或者也可以抽走热量。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术目的是，特别是在冷却等离子体炬所需的气体(冷却气体)的消耗方面改进等离子体炬的冷却效率。
[0008]针对一种应用于光谱仪的等离子体源，包括具有至少一个管道的等离子体炬，所述管道具有供给区域、电离区域和出口区域，在所述供给区域内将第一气流供给至所述管道，在所述电离区域内通过围绕所述管道布置的线圈将能量以感应方式输入所述气流，其中所述能量至少部分地使所述气流电离并且将等离子体点燃，带有所述等离子体的所述气
流从所述出口区域排出，本专利技术提出，所述等离子体源具有用于冷却气流的冷却气体导引装置，其中所述冷却气体导引装置在所述冷却气体入口与所述冷却气体出口之间的管道外侧具有冷却段，所述冷却气体在所述冷却段中横向于所述第一气流的方向在外部围绕所述管道流动。
[0009]在冷却气体导引装置中导引冷却气体的优点在于，等离子体炬的冷却或热量吸收由单独的第二气流实施。冷却气体的绝大部分或全部以与在管道中流动的第一气流的交叉流的形式流动。这个冷却气流吸收了至少部分且优选大部分的热量，因此，可以减少管道内的第一气流，因为热量被冷却气体运走。由此，第一气体的消耗减少，该第一气体同时也是用来形成等离子体的气体。本专利技术以这种方式达成上述目的。第一气体的体积消耗减少。第一气体的冷却功能优选不应被完全替代。由于部分地承担热运输功能，第一气体的体积流量应以30至 70％的范围减少、优选以40至60％的范围减少，特别优选减少50％。这使得在用于第一气流的气体储存在容器中的情况下，更换间隔更长。这有助于更高效地使用等离子体源。当然，本专利技术的实施方式中的冷却气体不完全承担管道的冷却功能，等离子体炬也将一部分热量释放至第一气流的气体中。其优点在于，管道不会很快被污染，因而等离子体炬的常规功能不会丧失。此外，显然地，从等离子体传递至等离子体炬的热量的一部分在等离子体炬内部且特别是在管道内部以传导的方式传播。这样就能吸收在冷却气体导引装置的冷却段中围绕管道流动的冷却气体的热量，并且将其从管道运走。因此，管道的壁厚特别是可以为0.5至2mm，优选1mm。替代地，可以将壁厚与直径的比例规定为1:20。冷却段围绕管道的出口区域延伸，从而产生另一优点，即特别是该区域被冷却气体直接冷却。等离子体同样在出口区域内从管道排出，因此，特别是在该处因等离子体的辐射热预计会对管道形成强烈的热负荷，并且通过冷却气体，视情况还通过第一气流进行冷却。
[0010]根据本专利技术的一种技术方案，所述第一气流包括稀有气体。在本专利技术的另一技术方案中，所述稀有气体为氩气。等离子体可以借助于电磁场优选由稀有气体并且特别地由氩气产生。此外，这个实施方式是有利的，因为光谱仪的分析方法适用于氩气作为等离子体的气体的应用。
[0011]在本专利技术的一种实施方式中，所述管道向下游延伸超过所述冷却气体导引装置。这样就产生第一气体的流出不受冷却气体导引装置影响的优点。这一点有利地有助于等离子体的稳定性。
[0012]根据本专利技术的一种改进方案，所述管道在其出口区域处上釉。通过为管道的出口区域上釉，管道的表面扩大，从而使得与第一气体和/或冷却气体的热交换得到改进。可以在管道的内周和/或外周上上釉。此外，出口区域上釉是有利的，因为进入管道的热输入预计在该处达到最大值。
[0013]在本专利技术的一种技术方案中，所述管道在其出口区域处可以具有黑色涂层。黑色涂层有利地加速了管道的热量释放，从而使得管道高效地冷却。
[0014]根据本专利技术的一种改进方案，所述管道具有冷却结构。通过管道上的冷却结构，可以进一步改进对冷却气体和/或第一气体的热量释放。冷却结构可以具有不同的形状，例如充当散热片、冷却盘管等，或者具有不同形状的组合。
[0015]在一种技术方案中，在所述管道内可以布置有第二管道，且所述第一气流的气体在所述第二管道和所述第一管道内流动。等离子体基本上可以由在第二管道中流动的第一
气流的分量供给，并且在第二管道的外侧与第一管道的内侧之间流动的第一气流的分量基本上用于冷却第一管道和第二管道，并且用于稳定等离子体。
[0016]在一种改进方案中，在所述第二管道内可以布置有第三管道，气态分析物或由雾化分析物和载气组成的气溶胶流过所述第三管道。设置用于输送分析物或样品的第三管道的优点在于，通过第一气体的流动稳定地设定的等离子体在输送分析物期间同样保持稳定。此外，通过第一管道、第二管道和第三管道的同心布置，可以有利地确保将分析物输往等离子体最热的部分，从而改善分析物的电离。
[0017]根据本专利技术的一种技术方案，所述第一气流的气体形成所述雾化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于光谱仪的等离子体源（1），具有包含至少一个管道（10）的等离子体炬（2），所述管道具有
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供给区域（11），在所述供给区域内将第一气流（15）供给至所述管道（10），以及
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电离区域（12），在所述电离区域内通过围绕所述管道（10）布置的线圈（40）将能量以感应方式输入所述第一气流（15），其中所述能量至少部分地使所述第一气流（15）电离并且将等离子体（50）点燃，以及
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出口区域（13），带有所述等离子体（50）的所述第一气流（15）从所述出口区域排出，其特征在于，所述等离子体源（1）具有用于冷却气流（61）的冷却气体导引装置（60），其中所述冷却气体导引装置（60）在冷却气体入口（62）与冷却气体出口（63）之间的所述管道（10）外侧具有冷却段（14），所述冷却气体在所述冷却段中横向于所述第一气流（15）的方向在外部围绕所述管道（10）流动。2.根据权利要求1所述的等离子体源（1），其特征在于，所述第一气流（15）包括稀有气体。3.根据权利要求2所述的等离子体源（1），其特征在于，所述稀有气体为氩气。4.根据上述权利要求中任一项所述的等离子体源（1），其特征在于，所述管道（10）向下游延伸超过所述冷却气体导引装置（60）。5.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述管道（10）在其出口区域处上釉。6.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述管道（10）在其出口区域具有黑色涂层。7.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述管道（10）具有冷却结构。8.根据权利要求1所述的等离子体源（1），其特征在于，在所述管道（10）内布置有第二管道（20），且所述第一气流（15）的气体在所述第二管道（20）和管道（10）内流动。9.根据权利要求8所述的等离子体源（1），其特征在于，在所述第二管道（20）内布置有第三管道（30），气态的分析物（31）或由雾化的分析物（31）和载气组成的气溶胶流过所述第三管道。10.根据权利要求9所述的等离子体源（1），其特征在于，所述第一气流（15）的气体形成所述雾化的分析物（31）的载气。11.根据权利要求1所述的等离子体源（1），其特征在于，所述第一气流（15）在所述等离子体炬（2）的区域内通过所述管道（10）与所述冷却气流（61）在空间上隔开。12.根据权利要求1所述的等离子体源（1），其特征在于，所述管道（10)，第二管道(20)，第三管道(30）为石英管。13.根据权利要求1所述的等离子体源（1），其特征在于，所述线圈（40）被嵌入所述冷却气体导引装置（60）。14.根据权利要求1所述的等离子体源（1），其特征在于，所述线圈（40）在所述第一气流（15）的流动方向上处于所述电离区域（12）的前方。15.根据权利要求1所述的等离子体源（1），其特征在于，所述线圈（40）在所述第一气流（15）的流动方向上处于所述电离区域（12）的区域内。
16.根据权利要求1所述的等离子体源（1），其特征在于，所述管道（10）的电离区域（12）至少部分地包围所述等离子体（50）。17.根据权利要求1所述的等离子体源（1），其特征在于，所述等离子体（50）从所述管道（10）的出口区域（13）延伸出来。...

【专利技术属性】
技术研发人员：HJ，
申请(专利权)人：塞莫费雪科学不来梅有限公司，
类型：新型
国别省市：