ICP-AES讲座：4. ICP的结构

ICP具有环状结构，如图1-b所示，它是ICP具有良好光谱分析性能的关键。它的形成，一般认为是由于高频电流的趋肤效应及内管载气的气体动力学双重作用所致。当高频电流流经导体时，电流有趋向集中在导体外表层的现象，这种效应称为“趋肤效应”。在等离子体中，电流以密闭的环形线路流动，因此在高频时的涡电流是在靠近等离子体外圈的有限的通路内流动的，这样就形成了一个环状等离子体。其轴部的温度比外缘相对要低些。环形放电能使等离子体比较容易被低流量的载气流穿通形成中心通道，因此样品可沿中心通道引人等离子体。

    根据电磁波传播理论，对于非磁性物质趋肤深度δ由下式表示：

                              

式中：f——高频电流的频率（s^-1）；

     σ一电导率；

     μ一磁导率。

 趋肤深度δ值的大小与电流频率f的方根（ ）成反比，因此增大频率将使趋肤效应加剧，电流密度及功率密度将更集中在等离子体的表层，更有利于等离子体环状结构的形成。因此，所选用的高频电流频率必须足够高（如大于5MHz），使得趋肤深度比等离子体半径小的多，以保证等离子体的轴向通道在电学上是屏蔽的，这对于保证ICP放电的稳定性是完全必要的。

图 3 不同形状ICP放电样品粒子的行径

Figure 3  The pathway of discharged sample particles for ICP with different shapes

(a)   泪滴状等离子体； (b) 环状等离子体

 增大载气（中心气流）流速，对于通道的形成可能起着更重要的作用。一般载气流速过小，将引起轴向通道的收缩，并导致样品导人的稳定性变坏。

 炬管的形状及尺寸对于等离子体环状结构的形成同样具有重要意义。如果直径太小，就很难形成环状结构，因为在此场合，高频趋肤效应不足以造成中心“薄弱环节”（即电流密度及功率密度很小），而注入的载气流可能“扰乱”靠近等离子体边缘的能量输入区（即感应区或环形外区），可能使放电不稳或者熄灭。

 此外，加大外管气流的涡流速度，以造成较大的中心负压，对于等离子体轴向通道的形成，同样是有益的。

 显然，当形成等离子体环状结构的条件一旦遭到破坏，如频率太低、中心气流太小、炬管直径太小等）自然将导致环状结构的消失，而形成泪滴状的实心等离子体（如图3（a））。在这时，由于等离子体的高度粘滞性，使得样品（常以气溶胶形式）注入等离子体发生困难：由于等离子体的膨胀和等离子体表面大的温度梯度，对注入的样品形成气体动力学屏障，结果使样品粒子从等离子体表面反射回来，或者沿着等离子体外层表面滑过。因此，泪滴状等离子体是人们所不希望的。

在ICP放电中，由于趋肤效应使等离子体半径具有扩大的倾向，当其扩大因炬管的外管及冷却气流的限制和“热箍缩”及“磁箍缩”作用（后者系由自感磁场的相互作用所引起）而受到抑制，使得等离子体的电流及功率在其表面更加集中。因此，即使较低的功率，等离子体表层（感应区）亦可能达到很高的能量密度，其放电温度可达10000K以上，这是一般非箍缩的电弧放电所无法实现的。在频率低时，由于趋肤深度大，功率将消耗在一个较大的体积内，如要达到同样的能量密度则需要增大功率。因此低频时常采用大功率的发生器。