【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于对等离子体中的样品进行光谱分析的系统。该系统利用开口环谐振器来形成等离子体，样品可以被引入到该等离子体中。来自等离子体的输出被引导至用于质谱分析(ms)或用于光发射光谱分析(oes)的光谱仪。还描述了用于对等离子体中的样品进行光谱分析的方法以及等离子体源。
技术介绍
1、在许多情况下需要快速和准确地识别样品内的化学物质。例如，对水样品的快速筛查可允许识别特定分析物的污染，否则该污染可能对健康有害。土壤样品的化学分析可以提供有助于作物的管理和栽培的信息。当开采矿物时，关于岩石样品的化学成分的信息可能是有帮助的。许多应用将受益于现场对样本快速而精确的评估，而无需等待发送到实验室的样品的测试结果。
2、等离子体中样品的光谱分析(或等离子体光谱分析)涉及一系列用于检测化学元素的分析技术。它描述了使用等离子体来电离和/或产生样品的受激原子和离子的光谱分析的形式。在一个示例中，等离子体通过将电功率电感耦合到等离子体来生成，尽管可使用其他类型的等离子体(包括辉光放电、微波等离子体、电容耦合射频(rf)等离子体、激光生成的等离子体等)。在等离子体光发射光谱分析(oes)中，在等离子体中激发的样品离子或原子以特定元素特有的波长发射电磁辐射。通过检测所发射的电磁辐射(例如，在光谱的可见光或uv区域中)，可以识别样品内的物质。另选地，在等离子体质谱分析(icp-ms)中，将等离子体中生成的样品原子或分子离子传送至质量分析器，在质量分析器中基于离子的质荷比分离离子。离子然后被向前引导至检测器，该检测器被布置成感测与具有
3、分析应用(诸如光谱分析)所需的等离子体必须维持高激发温度并且相对稳定。具有这些类型特性的等离子体最容易在实验室中形成，并且用于对等离子体中的样品进行光谱分析的仪器往往位于实验室或专门的测试设施中。因此，用于测试的样品将最经常被收集并运送到实验室进行分析。这可能导致获得结果的延迟。
4、小型化等离子体源用于各种应用中，包括用于灭菌或作为离子源。一种类型的小型化等离子体源是开口环谐振器10，该开口环谐振器具有夹在金属微带线11和接地平面14之间的电介质基板12，如图1a所示。如图1b所示，微带线11包括芯柱16和臂(另选地称为腿)18、20，臂被布置成形成在臂的远端之间具有小的放电间隙22的回路或环。臂18、20提供对应于半波长微波谐振器的偶极子。芯柱16是馈线，其可用于从传输线向偶极子供应高频功率。
5、在谐振时，开口环谐振器10的臂18、20的远端处的电势异相180°。这生成在偶极子中产生的驻波，其中，在微带线的臂18、20的远端处电势处于最大值或最小值，尽管异相180°。这使得跨过放电间隙22的电场的幅度非常高。结果，在相对低的输入功率的情况下，跨放电间隙22产生大的电势差，这可用于点燃和维持间隙中的等离子体。
6、为了有效地操作开口环谐振器10，环18、20的输入阻抗应该匹配芯柱16处的传输线的阻抗。环18、20的特性阻抗取决于微带的宽度以及电介质的厚度和相对介电常数。当等离子体存在时，环的阻抗往往会显著改变，使得难以有效地将所有功率从传输线耦合到等离子体中。
7、在美国专利9,784,712和美国专利8,736,174中讨论了基于微带开口环谐振器的小型化等离子体源的具体示例。美国专利9,784,712描述了布置在第一电介质层和第二电介质层以及第一导电接地板和第二导电接地板之间的开口环谐振器。在开口环谐振器的放电间隙的区域中的第一电介质层和第二电介质层以及第一导电接地板和第二导电接地板中形成孔径，使得可以在间隙中生成等离子体。所描述的开口环谐振器可以用于光电流光谱学，其中分析物位于放电间隙中的等离子体中，并且其中激光辐射被布置为穿过位于等离子体中的分析物。美国专利8,736,174描述了一种开口环谐振器，其具有在放电间隙处连接到带状线谐振环的一对电极延伸部，以及基本上至少包围包括放电间隙和电极延伸部的区域的外壳。气流被布置为穿过外壳。外壳被布置成在开口环谐振器处包含等离子体。
8、在开口环谐振器中形成的微等离子体本质上非常稳定和有效，但已发现展示比使用更长期的方法形成的一些等离子体(诸如由直流(dc)或脉冲dc功率源驱动的等离子体)更低的离子温度。miura和hopwood(eur.phys.j.d(2012)66：143)表明，在开口环谐振器的放电间隙中最初点燃的等离子体的离子温度可以通过紧邻放电间隙提供接地的电路径而显著增加。通过提供这样的电路径(这里，以靠近放电间隙的接地引脚的形式)，从放电间隙处的等离子体生成的种子电子可以点燃开口环谐振器的臂与接地引脚之间的新的放电。发现这种新的放电(表示为“高密度模式”)支持更高功率、更强的等离子体，具有更高的电子密度和更高的温度。
9、鉴于上述内容，寻求一种用于对等离子体中的样品进行光谱分析的改进的系统和方法。
技术实现思路
1、在第一方面，提供了一种用于对等离子体中的样品进行光谱分析的系统，该系统包括：具有放电间隙的开口环谐振器；电极，该电极被布置成接近放电间隙但与放电间隙间隔开，使得当向在放电间隙中生成的等离子体供应足够的功率时，等离子体朝向电极延伸并与电极耦合，使得在放电间隙和电极之间的区域中建立等离子体；和递送系统，用于将样品引入到在放电间隙和电极之间的区域中建立的等离子体中，其中，该系统被配置为将来自等离子体的输出引导至光谱仪以进行分析。
2、在第二方面，提供了一种用于对等离子体中的样品进行光谱分析的方法，包括：在开口环谐振器的放电间隙中生成等离子体；增加供应给等离子体的功率，以使等离子体朝向电极延伸并与电极耦合，该电极布置为接近放电间隙但与放电间隙间隔开，使得在放电间隙和电极之间的区域中建立等离子体；将样品引入到在放电间隙和电极之间的区域中建立的等离子体中；以及将来自等离子体的输出引导至光谱仪以进行分析。
3、在第三方面，提供了一种等离子体源，该等离子体源包括：
4、开口环谐振器，该开口环谐振器具有放电间隙并形成为微带或带状线，
5、其中，开口环谐振器包括穿过微带或带状线的金属条布置的中空通道，该中空通道被配置为向放电间隙供应气体；并且
6、其中，在使用中，开口环谐振器被配置为在放电间隙处生成等离子体。等离子体源可以是在用于对等离子体中的样品进行光谱分析的系统或方法内使用的开口环谐振器，如上所述。
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1.一种用于对等离子体中的样品进行光谱分析的系统，所述系统包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述递送系统包括所述电极，所述电极被配置为将所述样品引入到在所述放电间隙和所述电极之间的所述区域中建立的所述等离子体中。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电极具有近端和远端，所述近端布置成更靠近所述放电间隙，并且所述近端包括样品架。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电极具有穿过其中的端部开口的孔，所述孔用于传导流体或气溶胶样品穿过其中以将所述样品供应到在所述放电间隙和所述电极之间的所述区域中建立的所述等离子体中。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述递送系统包括用于使所述样品通过其中的导管，以将所述样品供应到在所述放电间隙和所述电极之间的所述区域中建立的所述等离子体中。
6.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述开口环谐振器包括穿过其中布置的中空通道，所述中空通道被配置为向所述放电间隙供应气体。
7.根据任一前述权利要求所述的系统，所述系统还包括光谱仪，所述光谱仪被布置成接收来自所述等
8.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，来自所述等离子体的所述输出是电磁辐射或离子。
9.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述系统用于光发射光谱分析(OES)，或者所述系统用于质谱分析(MS)。
10.根据任一前述权利要求所述的系统，所述系统还包括光学器件，所述光学器件被布置成将来自所述等离子体的所述输出引导至所述光谱仪。
11.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述电极与所述放电间隙间隔开0.2mm至20mm，诸如0.5mm至10mm。
12.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，供应到在所述放电间隙中生成的所述等离子体以使所述等离子体朝向所述电极延伸并与所述电极耦合的功率是由供应到所述开口环谐振器的功率提供的，供应到所述开口环谐振器的所述功率大于5瓦，诸如大于8瓦。
13.根据任一前述权利要求所述的系统，所述系统还包括将能量施加到所述开口环谐振器的功率源。
14.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述电极是用于在所述系统使用时传导电流的布置，所述布置包括导电金属部件或用于导电流体的导管。
15.一种对等离子体中的样品进行光谱分析的方法，所述方法包括：
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述样品通过递送系统被引入到所述等离子体中，并且所述递送系统包括所述电极，其中，所述电极具有近端和远端，所述近端包括样品架，所述方法还包括将固体样品在所述电极的近端处插入到所述样品架中，并且将所述电极布置成接近所述开口环谐振器的所述放电间隙但与所述放电间隙间隔开，所述近端被布置成比所述远端更靠近所述放电间隙。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述样品通过递送系统被引入到所述等离子体中，并且所述递送系统包括所述电极，其中，所述电极具有穿过其中的端部开口的孔，并且所述方法还包括通过使流体或气溶胶样品通过穿过所述电极布置的所述端部开口的孔而将所述样品引入到所述等离子体中。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述样品通过递送系统被引入到所述等离子体中，并且所述递送系统包括用于使所述样品通过其中的导管，并且所述方法还包括通过使流体或气溶胶样品通过所述导管而将所述样品引入到所述等离子体中。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，所述开口环谐振器包括穿过其布置的中空通道，所述方法还包括使气体通过所述中空通道，以向所述放电间隙供应所述气体。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中，所述方法用于光发射光谱分析(OES)，或者所述方法用于质谱分析(MS)。
21.一种等离子体源，所述等离子体源包括：
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于对等离子体中的样品进行光谱分析的系统，所述系统包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述递送系统包括所述电极，所述电极被配置为将所述样品引入到在所述放电间隙和所述电极之间的所述区域中建立的所述等离子体中。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电极具有近端和远端，所述近端布置成更靠近所述放电间隙，并且所述近端包括样品架。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述电极具有穿过其中的端部开口的孔，所述孔用于传导流体或气溶胶样品穿过其中以将所述样品供应到在所述放电间隙和所述电极之间的所述区域中建立的所述等离子体中。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述递送系统包括用于使所述样品通过其中的导管，以将所述样品供应到在所述放电间隙和所述电极之间的所述区域中建立的所述等离子体中。
6.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述开口环谐振器包括穿过其中布置的中空通道，所述中空通道被配置为向所述放电间隙供应气体。
7.根据任一前述权利要求所述的系统，所述系统还包括光谱仪，所述光谱仪被布置成接收来自所述等离子体的所述输出。
8.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，来自所述等离子体的所述输出是电磁辐射或离子。
9.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述系统用于光发射光谱分析(oes)，或者所述系统用于质谱分析(ms)。
10.根据任一前述权利要求所述的系统，所述系统还包括光学器件，所述光学器件被布置成将来自所述等离子体的所述输出引导至所述光谱仪。
11.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，所述电极与所述放电间隙间隔开0.2mm至20mm，诸如0.5mm至10mm。
12.根据任一前述权利要求所述的系统，其中，供应到在所述放电间隙中生成的所述等离子体以使所述等离子体朝向所述电极延伸并与所述电极耦合的功率是由供...
【专利技术属性】
技术研发人员：肖恩·凯洛格，汉斯于尔根·舒鲁特，帕特里克·兰库巴，
申请(专利权)人：FEI公司，
类型：发明
国别省市：
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