发布时间 : 星期二 文章电感耦合等离子体(ICP)（原理篇） - 图文更新完毕开始阅读f8e83b19c5da50e2524d7fc0
2. 8 双向观察ICP光源
在水平观察ICP光源的基础，增加一套侧向采光光路，实现垂直/水平双向观察，如图所示，当切换反射镜M移开时，ICP为轴向采光，此时等同于水平观察ICP，当切换反射镜M切入时，挡住
了轴向的光。ICP光源由侧向采光，POP
经反镜M1、M2和切换反射镜通过Modified 狭缝，即为垂直观察。切换反射镜MFor Dual Torch with 由计算机控制，可实现全部元素谱线Viewing hole 水平测量，全部元素垂直测寂静，部分元素谱线水平测量，部分元素谱线Quartz Window 垂直测量的工作方式，双向观察能有效解决水平观察中存在的易电易干扰，进一步扩宽线性范围。
Fixed Mirror Lens
2. 9 RF发生器
RF发生器通过工作线圈给等离子体输送能量，维持ICP光源稳定放电，目前ICP的RF发生器主要有两种震荡类型，即自激式和它激式。
2. 9.1 自激式RF发生器
自激式RF发生器又称自由振式RF发生器，它有整流电源、振荡回路和电子管功率放大器三部分组成。
整流电源是由三相电源经升压、三相全波整流及L、C滤波提供电子管功率放大器所需的直流高压（3千伏）。
其振荡回路是由一个电容和一个电感组成的并联回路，当有外加电源时，回路内将
产生振荡信号，回路能量交替地储存在电容和电感上。当回路中电阻很小时，即 R< 2（L/C）1/2，其振荡频率为：f=1/{2?（L/C）1/2 }。
由于回路电阻的存在，每次振荡总要消耗部分能量，使振荡受到阻尼，为了维持等辐振荡，并保持一定的输出功率，使用电子管功率放大器，把L-C振荡回路的信号正反馈一部分供给放大器的栅极，经功放后再输出给L-C回路，这样L-C回路不断地从放大器取得能量，除反馈一部分外，大部分能量用电感耦合方式供给等离子体，从而维持稳定的等辐振荡和功率输出。信号正反馈的形式国外多采用电容反馈型，而国内生产的则多采用电感反馈型。
自激式振荡器的主要特点是结构简单、价格低廉、制造调试比较容易，在技术指标上能基本满足光谱分析要求，但其主要的缺点是频率稳定性及功率稳定性较差，这主要是由于等离子体负载是作为振荡回路的一部分，负载的改变将影响L-C振荡器的频率及回路的工作状态。
2. 9.2它激式RF发生器
它激式RF发生器又称晶体控制型RF发生器，它与自激式不同，它是利用石英晶体的压电效应构成振荡器也取代L-C振荡回路的电容、电感元件。
将石英晶体按一定方位角切制成一块正方形（或长方形或圆形）簿片，在晶片的两个对应表面上喷涂金属板，就可构成石英晶体振荡器。当晶体片上加上一个电场，就会
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使晶片发生机械形变，相反，在晶体片上加一个机械力又会在相应的方向上产生电场，这种现象称石英晶体的压电效应。若在晶片上下的金属板上施加变电压，就会产生相应的机械形变，即机械振动，通常情况下，这种形变振幅很小，当外加交变电压为某一特定频率时，振幅会突然啬，这种现象为压电谐振，这一频率称为晶体的谐振频率，它和晶体的尺寸有关。
在它激式振荡器中，常应用一个频率为27.12MHz或40.68MHz的石英晶体振荡器作为振源，经过两级功率放大，就可得到27.12MHz或40.68MHz，2.0Kw的输出信号。通过匹配网络和同轴电缆传输到负载线圈上。这类发生器频率稳定度高，耦合效率好，功率输出易于自动控制，但放电回路的电学特性的任何微小变化，会导致阻抗失配，需调节至最佳匹配，仪器线路比较复杂，成本较高，但性能较好。
ThermoElemental公司的的ICP均采用晶体控制型RF发生器，其结构框图如下： 晶体控制型RF发生器的高功率输出采用多级放大后才获得，它包括：
1) RF源放大：由石英晶体振荡
器（27.12MHz）和放大电路组成，受来自AGC（自动增益控制）的反馈电压和计算机给定的控制，其输出是稳定的、最大功率为3w的高频信号。
2) RF驱动放大：它介于源放大
和功率放大之间，其作用是放大RF源放大级的高频信号，以驱动功率放大器，并
隔绝源振荡器以改善稳定性，驱动放大级的最大输出功率为65w。
3) RF功率放大：它主要由大功率电子管（3cx1500A）来实现高频信号的进一步放大，
并通过工作线圈把RF功率耦合到等离子体上。功率放大级的最大输出功率可达2Kw。
4) 匹配网络：在以上各级放大器之间均存在阻抗匹配网
络，是为RF功率在各级间传输中获得最高的效率。其中功率放大级的输入、输出匹配网络十分重要，输入匹配采用Л型匹配电路，如右图调整匹配电容Cl和C2，使输入功率放大级的反射功率几乎为零。输出匹配为自动匹配（Auto-Turning），自动跟踪等离子体负截的变化，使等离子体始终获得最高的功率传输效率。 5) 自动增益控制（AGC）：它的作用是自动调整整个RF
发生器的放大倍数，不管等离子体的阻抗以及等离子体与负载线圈耦合有何变化，始终保证等离子体的功率恒定不变。AGC同时又受计算机控制，以实现RF功率的计算机控制。
6) 工作线圈：工作线圈的作用是把RF发生器的高频能量，耦合到等离子体。由于高
频电流倾向于在导体表面流动（即趋肤效应），工作线圈是由2.5圈镀银外层的空心铜管制成，内通冷却水冷却。为了防止其表面腐蚀或匝间高压放电，工作线圈外套一层四氟乙烯。
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7) 电源系统（POWER UNIT）：为RF发生器提供各种电源，包括：+5V、+12V、±15V、
+48V、+3800V和120V AC。 其中+48V提供给RF驱动放大， +3800V提供给RF功率放大。该电源系统具有各种保护，并通过其电源控制单元（Power Unit Control）实现与整个仪器的通讯和控制。 2.9.3固态式RF发生器 固态式RF发生器是用一组固态场效应管（一般是十几只配对）来替代经典RF发生器中的大功率电子管，以获得大功率高频能量输出。固态式RF发生器具有更小的体积，有利于仪器的小型化。
2. 10 ICP光谱分析的干扰
ICP光源从本质说是由一个高温光源（包括RF发生器及炬管等）和一个高效雾化器系统所组成。从ICP问世到如今的大量实践证明，这种光源所进行的分析其所以具有较高精度和准确度，和光源中的干扰较小是分不开的。但是这并不是说它不存在干扰的问题。现就ICP光谱分析中出现的干扰问题分述如下。 1） 物理因素的干扰
由于ICP光谱分析的试样为溶液状态，因此溶液的粘度、比重及表面张力等均对雾化过程、雾滴粒径、气溶胶的传输以及溶剂的蒸发等都有影响，而粘度又与溶液的组成，酸的浓度和种类及温度等因素相关。
溶液中含有机溶剂时，粘试与表面张力均会降低，雾化效率将有所提高，同时有机试剂大部分可燃，从而提高了尾焰的温度，结果使谱线强度有所提高，当溶液中含有有机溶剂时ICP的功率需适当提高，以抑制有机试剂中碳化物的分子光谱的强度。
除有机溶剂外，酸的浓度和种类对溶液的物理性质也有明显的影响，在相同的酸度时，粘度以下列的次序递增HCl≤HNO3 由上述所见，物理因素的干扰是存在而且应设法避免，其中最主要的办法是使标准试液与待测试样无论在基体元素的组成、总盐度、有机溶剂和酸的浓度等方面都保持完全一致。目前进样系统中采用蠕动泵进样对减轻上述物理干扰可起一定的作用，另外采用内标校正法也可适当地补偿物理干扰的影响。基体匹配或标准加入法能有效消除物理干扰，但工作量较大。 2） 光谱干扰 光谱干扰是ICP光谱分析中最令人头痛的问题，由于ICP的激发能力很强，几乎每一种存在于ICP中或引入ICP中的物质都会发射出相当丰富的谱线，从而产生大量的光谱“干扰”。光谱干扰主要分为两类，一类是谱线重叠干扰，它是由于光谱仪色散率和分辨率的不足，使某些共存元素的谱线重叠在分析上的干扰。另一类是背景干扰，这类干扰与基体成分及ICP光源本身所发射的强烈的杂散光的影响有关。对于谱线重叠干扰，采用高分辨率的分光系统，决不是意味着可以完全消除这类光谱干扰，只能认为当光谱干扰产生时，它们可以减轻至最小强度。因此，最常用的方法是选择另外一条干扰少的谱线作为分析线，或应用干扰因子校正法（IEC）以予校正。对于背景干扰，最有效的办法是利用现代仪器所具备的背景校正技术给予扣除。 3） 化学干扰 15 ICP光谱分析中的化学干扰，比起火焰原子吸收光谱或火焰原子发射光谱分析要轻微得多，因此化学干扰在ICP发射光谱分析中可以忽略不计。 4） 电离干扰与基体效应干扰 由于ICP中试样是在通道里进行蒸发、离解、电离和激发的，试样成分的变化对于高频趋肤效应的电学参数的影响很小，因而易电离元素的加入对离子线和原子线强度的影响比其他光源都要小，但实验表明这种易电离干扰效应仍对光谱分析有一定的影响。对于垂直观察ICP光源，适当地选择等离子体的参数，可使电离干扰抑制到最小的程度。但对于水平观察ICP光源，这种易电离干扰相对要严重一些，目前采用的双向观察技术，能比较有效地解决这种易电离干扰。此外，保持待测的样品溶液与分析标准溶液具有大致相同的组成也是十分必要。例如在岩矿分析中，常用碱溶法或偏硼酸里分解样品，给溶液带来大量的碱金属盐类。任何时候，两者在物理、化学各方面性质的匹配是避免包括电离干扰在内的各种干扰，使之不出现系统误差的重要保证。 基体效应来源等离子体，对于任何分析线来说，这种效应与谱线激发电位有关，但由于ICP具有良好的检出能力，分析溶液可以适当稀释，使总盐量保持在1mg/ml左右，在此稀溶液中基体干扰往往是无足轻重的。当基体物质的浓度达到几mg/ml时，则不能对基体效应完全置之不顾。相对而言，水平观察ICP光源的基体效应要稍严重些。采用基体匹配、分离技术或标准加入法可消除或抑制基体效应。 3．光谱仪的分光（色散）系统 复合光经色散元素分光后，得到一条按波长顺序排列的光谱，能将复合光束分解为单色光，并进行观测记录的设备称为光谱仪。无论是在单道扫描型还是多通道型或全谱直读型的任何光谱仪中，通常都希望：(a)有适当的波长范围和波长选择，(b)能从被检测的辐射源的特定区域里采集尽可能多的光。为达到这两个目标，系统将包括：(a)一个入射狭缝；它提供与狭缝尺寸相同的的辐射光带，(b)一个能产生一束平行光的准直器，(c)一个或两个组合的色散元件，(d)一个能使被色散的特定狭窄光带重显的聚焦元件，(e)一个或多个能使所需光带分离的出射狭缝（全谱直读型仪器无需出射狭缝）。在ICP光谱仪的分光系统中，采用的色散元件几乎全都是光栅，在一些高分辨率的系统中，棱镜也是分光系统中的一个组成部件。 3.1 衍射光栅 平行、等宽而又等间距的多缝装置称为衍射光栅。它是利用光的衍射和干涉现象进行分光的一种色散元件，衍射光栅有透射式和反射式两种，光谱仪常用的是反射光栅，它的缝是不透明的反射铝膜。在一块极其平整的毛坏上镀上铝层，刻上许多平行、等宽而又等距的线槽，每条线槽起着一个“狭缝”的作用，每毫米刻线有1200条、2400条或3600条，整块光栅的刻线总数几万条到几十万条。 反射光栅从形状上可分为平面光栅，凹面光栅和阶梯光栅，从制作方法上又可分为机刻光栅和全息光栅。 在一般的反射光栅中，由于光栅衍射中没有色散能力的零级衍射的主极大占去衍射光强的大部分（80%以上），随着主极大的级次增高，光强迅速减弱（见右图）。 16