DE112022001817T5

DE112022001817T5 - Induktiv gekoppelter Plasmabrenneraufbau mit geschütztem Injektor

Info

Publication number: DE112022001817T5
Application number: DE112022001817.8T
Authority: DE
Inventors: Daniel R. Wiederin; Gary J. Barrett; Kevin Wiederin
Original assignee: Elemental Scientific Inc
Current assignee: Elemental Scientific Inc
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2022-04-21
Publication date: 2024-01-18
Also published as: KR20240004586A; KR20240004587A; US20220353983A1; US20220346215A1; TW202249537A; DE112022001795T5; WO2022231939A1; JP2024517697A; TW202300893A; US20220344142A1; JP2024515961A; WO2022231938A1

Abstract

Ein induktiv gekoppelter Plasmabrenner (ICP-Brenner) wird beschrieben, der einen Injektorschutz zum Abschirmen eines Injektorendes enthält. Eine System-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf einen rohrförmigen Probeninjektor, ausgelegt, eine aerosolierte Probe in einem Inneren aufzunehmen, das durch Wände des rohrförmigen Probeninjektors umschlossen ist; einen Injektorschutz, der zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors umgibt; ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des Injektorprotektors so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und dem Injektorschutz bildet, wobei das Innenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert; und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert.

Description

Querverweis auf in Zusammenhang stehende Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorrang unter 35 U.S.C. §119(e) der vorläufigen US-Anmeldung, Serien-Nr. 63/179,715 , eingereicht am 26. April 2021, mit dem Titel „INDUCTIVELY COUPLED PLASMA TORCH STRUCTURE FOR LOW COOLING GAS FLOWS“, der vorläufigen US-Anmeldung, Serien-Nr. 63/179,759 , eingereicht am 26. April 2021, mit dem Titel „ICP TORCH ASSEMBLY WITH PROTECTED INJECTOR“ und der vorläufigen US-Anmeldung, Serien-Nr. 63/179,827 , eingereicht am 26. April 2021, mit dem Titel „FLARED LOW-FLOW TORCH FOR ICP AND ICPMS“. Die vorläufigen US-Patentanmeldungen, Serien-Nr. 63/179,715 , 63/179,759 und 63/179,827 , sind hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme darauf einbezogen.
Hintergrund
Die induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektroskopie (ICP-Massenspektroskopie) ist eine Analysetechnik, die verbreitet zur Bestimmung von Spurenelementkonzentrationen und Isotopenverhältnissen in Flüssigkeitsproben verwendet wird. Die ICP-Massenspektroskopie benutzt elektromagnetisch erzeugtes, partiell ionisiertes Argonplasma, das eine Temperatur von ungefähr 7000 K erreicht. Wenn eine Probe dem Plasma zugeführt wird, bewirkt die hohe Temperatur, dass Probenatome ionisiert werden oder Licht aussenden. Da jedes chemische Element ein charakteristisches Massen- oder Emissionsspektrum erzeugt, ermöglicht eine Messung dieser Spektren das Bestimmen der elementaren Zusammensetzung der ursprünglichen Probe.
Probenzufuhrsysteme können benutzt werden, um die Flüssigkeitsproben der ICP-Massenspektroskopieeinrichtung (z.B. einem induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometer [ICP/ICPMS], einem induktiv gekoppelten Plasma-Atomemissionsspektrometer [ICP-AES] oder dergleichen) zur Analyse zuzuführen. Zum Beispiel kann ein Probenzufuhrsystem eine Teilprobe einer Flüssigkeitsprobe aus einem Behälter abziehen und danach die Teilprobe zu einem Zerstäuber transportieren, der die Teilprobe in ein polydisperses Aerosol umwandelt, das zur Ionisierung im Plasma durch die ICP-Massenspektroskopieeinrichtung geeignet ist. Das Aerosol wird dann in einer Sprühkammer sortiert, um die größeren Aerosolpartikel zu entfernen. Nach dem Verlassen der Sprühkammer wird das Aerosol den ICPMS- oder ICPAES-Einrichtungen zur Analyse zugeführt. Oft wird die Probenzufuhr automatisiert, um ein Zuführen einer großen Anzahl von Proben in die ICP-Massenspektroskopieeinrichtung in effizienter Weise zu ermöglichen.
Zusammenfassung
Ein induktiv gekoppelter Plasmabrenner (ICP-Brenner) wird beschrieben, der eine laminare Strömung eines Kühlgases ermöglicht, das über eine Vielzahl von Eintrittsöffnungen zwischen einem Außenrohr und einem Innenrohr zugeführt wird, die ausgelegt sind, einen Injektor zum Zuführen einer aerosolierten Probe zu einem Plasma zu umgeben. Eine System-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf ein Innenrohr; und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr eine Vielzahl von Einlassöffnungen zum Zuführen eines Kühlgases in den ringförmigen Raum als eine laminare Strömung über jede Einlassöffnung aus der Vielzahl von Einlassöffnungen definiert.
Eine System-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf einen rohrförmigen Probeninjektor, ausgelegt, eine aerosolierte Probe in einem Inneren aufzunehmen, das durch Wände des rohrförmigen Probeninjektors umschlossen ist; ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und den Wänden des rohrförmigen Probeninjektors bildet, wobei das Innenrohr eine erste Vielzahl von Einlassöffnungen zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert; und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr eine zweite Vielzahl von Einlassöffnungen zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum als eine laminare Strömung definiert.
Eine Verfahrens-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf ein Zuführen einer aerosolierten Probe zu einem Inneren eines rohrförmigen Probeninjektors eines induktiv gekoppelten Plasmabrenners, wobei der induktiv gekoppelte Plasmabrenner enthält: ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und den Wänden des rohrförmigen Probeninjektors bildet, wobei das Innenrohr eine erste Vielzahl von Einlassöffnungen zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert, und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr eine zweite Vielzahl von Einlassöffnungen zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert; ein Zuführen des Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum des induktiv gekoppelten Plasmabrenners über die erste Vielzahl von Einlassöffnungen; und ein Zuführen des Kühlgases mit einer Durchflussrate von weniger als 12 L/min in den zweiten ringförmigen Raum des induktiv gekoppelten Plasmabrenners über die zweite Vielzahl von Einlassöffnungen.
Ein induktiv gekoppelter Plasmabrenner (ICP-Brenner) wird beschrieben, der einen Injektorschutz zum Abschirmen eines Injektorendes während des Betriebs des Brenners bei niedrigem Kühlgas enthält. Eine System-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf einen rohrförmigen Probeninjektor, ausgelegt, eine aerosolierte Probe in einem Inneren aufzunehmen, das durch Wände des rohrförmigen Probeninjektors umschlossen ist; einen Injektorschutz, der zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors umgibt; ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des Injektorschutzes so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und dem Injektorschutz bildet, wobei das Innenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert; und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert.
Eine System-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf einen rohrförmigen Probeninjektor, ausgelegt, eine aerosolierte Probe in einem Inneren aufzunehmen, das durch Wände des rohrförmigen Probeninjektors umschlossen ist; einen Injektorschutz, der zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors umgibt; ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des Injektorschutzes so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und dem Injektorschutz bildet, wobei das Innenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert; ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert; und eine Gaszufuhrhülse, gekoppelt mit einem Einlassende von jeweils dem rohrförmigen Probeninjektor und dem Injektorschutz, zum Zuführen eines Gases zwischen den rohrförmigen Probeninjektor und den Injektorschutz, wobei die Gaszufuhrhülse eine Gaseinlassöffnung umschließt, ausgelegt, das Gas zum Zuführen zu einem dritten ringförmigen Raum zu empfangen, der zwischen dem Injektorschutz und dem rohrförmigen Probeninjektor gebildet ist.
Eine Verfahrens-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf ein Zuführen einer aerosolierten Probe zu einem Inneren eines rohrförmigen Probeninjektors eines induktiv gekoppelten Plasmabrenners, wobei der induktiv gekoppelte Plasmabrenner enthält: einen Injektorschutz, der zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors umgibt, ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des Injektorschutzes so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und dem Injektorschutz bildet, wobei das Innenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert, und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert; ein Zuführen des Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum des induktiv gekoppelten Plasmabrenners über die mindestens eine Einlassöffnung des Innenrohrs; und ein Zuführen des Kühlgases mit einer Durchflussrate von weniger als 12 L/min in den zweiten ringförmigen Raum des induktiv gekoppelten Plasmabrenners über die mindestens eine Einlassöffnung des Außenrohrs.
Ein induktiv gekoppelter Plasmabrenner (ICP-Brenner) wird beschrieben, der ein verjüngtes Außenende eines Außenrohrs enthält, um dem Außenende während des Betriebs des Brenners bei niedrigem Kühlgas einen Abstand weg von dem Plasma zu verleihen. Eine System-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf einen rohrförmigen Probeninjektor, ausgelegt, eine aerosolierte Probe in einem Inneren aufzunehmen, das durch Wände des rohrförmigen Probeninjektors umschlossen ist; ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und den Wänden des rohrförmigen Probeninjektors bildet, wobei das Innenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert; und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert und das Außenrohr einen aufgebördelten Bereich an einem Auslass des Außenrohrs aufweist.
Eine System-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf ein Innenrohr, ausgelegt, zumindest einen Teil eines rohrförmigen Probeninjektors aufzunehmen; und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den ringförmigen Raum definiert, wobei das Außenrohr einen aufgebördelten Bereich an einem Auslass des Außenrohrs aufweist, wobei der aufgebördelte Bereich stromabwärts von einem Auslassende des Innenrohrs angeordnet ist und das Auslassende des Innenrohrs im Außenrohr angeordnet ist.
Eine Verfahrens-Ausführungsform enthält, aber ist nicht beschränkt auf ein Zuführen einer aerosolierten Probe zu einem Inneren eines rohrförmigen Probeninjektors eines induktiv gekoppelten Plasmabrenners, wobei der induktiv gekoppelte Plasmabrenner enthält: ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und den Wänden des rohrförmigen Probeninjektors bildet, wobei das Innenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert, und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert und das Außenrohr einen aufgebördelten Bereich an einem Auslass des Außenrohrs aufweist; ein Zuführen des Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum des induktiv gekoppelten Plasmabrenners über die mindestens eine Einlassöffnung des Innenrohrs; und ein Zuführen des Kühlgases mit einer Durchflussrate von weniger als 12 L/min in den zweiten ringförmigen Raum des induktiv gekoppelten Plasmabrenners über die mindestens eine Einlassöffnung des Außenrohrs.
Diese Zusammenfassung ist vorgesehen, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die im Folgenden in der genauen Beschreibung näher beschrieben sind. Diese Zusammenfassung hat nicht die Absicht, entscheidende Eigenschaften oder wesentliche Besonderheiten des beanspruchten Gegenstands festzulegen, noch ist beabsichtigt, dass sie als Hilfe zur Bestimmung des Umfangs des beanspruchten Gegenstands verwendet wird.
Zeichnungen
Die genaue Beschreibung nimmt Bezug auf die begleitenden Figuren.

1 ist eine schematische Darstellung eines Probenanalysesystems, das einen ICP-Brenner gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung verwendet.
2 ist eine Seitenansicht eines ICP-Brenners gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine seitliche Teil-Schnittansicht des ICP-Brenners von 2.
4 ist eine End-Schnittansicht des ICP-Brenners von 2 entlang der in 3 gezeigten Linie 4-4.
5 ist eine isometrische Teilansicht eines ICP-Brenners gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung.
6A ist eine seitliche Schnittansicht eines ICP-Brenners mit einem Injektorschutzrohr gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung.
6B ist eine seitliche Schnittansicht des ICP-Brenners von 6A mit einem Ende des Injektorschutzrohrs, das im Wesentlichen bündig mit einem Ende des Injektors ist, gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung.
6C ist eine seitliche Schnittansicht des ICP-Brenners von 6A mit einem Ende des Injektorschutzrohrs, das sich über ein Ende des Injektors hinaus erstreckt, gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung.
6D ist eine seitliche Schnittansicht des ICP-Brenners mit einem Ende eines verjüngten Injektorschutzrohrs, das sich über ein Ende eines verjüngten Injektors hinaus erstreckt, gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung.
7A ist eine isometrische Teilansicht des ICP-Brenners von 6C mit einer Gaszufuhrhülse, die mit einem Probenzufuhrende des ICP-Brenners gekoppelt ist, gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung.
7B ist eine seitliche Schnittansicht des ICP-Brenners von 7A.
8A ist eine isometrische Ansicht eines ICP-Brenners mit einem aufgebördelten Auslass gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung.
8B ist eine seitliche Schnittansicht des ICP-Brenners von 8A.
9A ist eine Fotografie von Versuchsergebnissen eines ICP-Brennerauslasses mit einem zylindrischen, nicht aufgebördelten Auslass, die eine Entglasung und Ablagerung nach einem Betriebsgebrauchszeitraum darstellt.
9B ist eine Fotografie von Versuchsergebnissen eines ICP-Brenners mit einem aufgebördelten Auslass, die einen minimierten Schaden darstellt, nachdem der Brenner demselben Betriebsgebrauchszeitraum unterworfen wurde, wie er beim Brenner von 9A durchgeführt wurde.

Genaue Beschreibung
Übersicht
ICP-Massenspektroskopieeinrichtungen, wie etwa induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometer (ICP/ICPMS), induktiv gekoppelte Plasma-Atomemissionsspektrometer (ICP-AES) und optische Emissionsspektrometer mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES), verwenden Argongas (Ar), um das Plasma aufrechtzuerhalten, das erzeugt wird, um eine aerosolierte Probe zu ionisieren, und um den Brenner gegen die hohen Temperaturen zu kühlen, die durch den Brenner zum Analysieren der Proben erzeugt werden. Zum Beispiel kann die Temperatur des ICP 8000 K überschreiten, was über dem Schmelzpunkt des Brennermaterials liegt, das aus Werkstoffen, wie etwa Quarz, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder anderen keramischen oder glasartigen Werkstoffen aufgebaut sein kann. Der Haupt-Argongasstrom, manchmal als Plasmagas oder Kühlgas bezeichnet, tritt in einen ringförmigen Spalt zwischen zwei Brennerrohren ein und hilft dabei, das Brennermaterial thermisch gegen das Plasma zu isolieren, um eine frühe Degradierung (manchmal als Entglasung bezeichnet), ein Schmelzen oder eine andere Schädigung zu verhindern, die ein Ersetzen erforderlich machen oder möglicherweise während der Analyse Verunreinigungen in eine Probe einbringen würde. Falls jedoch die Durchflussrate des Gases zu niedrig ist, kann das durch den Brenner gebildete Plasma auf das Ende der Brennerrohre oder auf das Ende des konzentrisch in den Brennerrohren angeordneten Probeninjektors übergreifen, was eine Entglasung oder andere Schädigung der Brennerrohre und/oder des Probeninjektors verursachen kann.
Ferner kann die ICP-Einrichtung verwendet werden, um während Massen-Probenanalysezeiträumen große Zahlen von Proben zu verarbeiten, die bewirken können, dass der ICP-Brenner andauernde oder im Wesentlichen andauernde Betriebszeiträume aufweist. Diese Betriebszeiträume können ständige oder im Wesentlichen ständige Ströme an Gas, wie etwa Argongas, und elektrische Leistung zum Aufrechterhalten des Plasmas im ICP-Brenner aufweisen, was Betriebskosten der ICP-Einrichtung mit sich bringt. Darüber hinaus ist im Allgemeinen, wenn sich die Ionisierungsleistung des ICP-Brenners erhöht, mehr elektrische Leistung erforderlich, um das Plasma aufrechtzuerhalten, was die Betriebskosten des ICP-Brenners erhöht, verglichen mit dem Betrieb des ICP-Brenners über dieselbe Zeitdauer bei einer niedrigeren Ionisierungsleistung. Die Kosten zum Betreiben von ICP-Brennern werden oft verschlimmert, wenn die Brenner andauernden oder im Wesentlichen andauernden Betriebszeiträumen bei Gasdurchflussraten unterzogen werden, die ausreichend hoch sind, um das Plasma weit genug vom Austrittsende des Brenners zu positionieren, um Schäden zu verhindern. Somit kann eine Verwendung herkömmlicher ICP-Brenner über lange Betriebszeiträume zu einem hohen Argonverbrauch führen, der erforderlich ist, um Schaden an dem Brenner aus der Anordnung des Plasmas zu verhindern.
Demgemäß richtet sich die vorliegende Offenbarung in einem Aspekt auf Systeme und Verfahren zum Steuern des Stroms an ICP-Brennergas während der Zufuhr des Gases zum ICP-Brenner und im Brennerhauptteil. Zum Beispiel kann sich die vorliegende Offenbarung auf einen Betrieb eines ICP-Brenners richten, der niedrige Ar-Kühlgasdurchflussraten verwendet, um einen Betrieb des ICP bei niedrigerer Ionisierungsleistung zu ermöglichen, verglichen mit einem ICP-Brenner, der das Kühlgas in einer im Wesentlichen turbulenten Weise zuführt. In Umsetzungen enthält der Brenner eine Vielzahl von Einlassöffnungen, die im Wesentlichen tangential zu dem ringförmigen Raum zwischen einem Außenrohr und einem Innenrohr des Brenners ausgerichtet sind, um Kühlgas als eine im Wesentlichen laminare Strömung in dem ringförmigen Raum zuzuführen, wenn das Kühlgas von einem ersten Ende zu einem zweiten Ende des Brenners strömt. Die Einlassöffnungen können längs entlang dem Außenrohr des Brenners angeordnet sein. In Umsetzungen enthält der Brenner eine zweite Vielzahl von Einlassöffnungen, die im Wesentlichen tangential zu dem ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und einem Injektor des Brenners ausgerichtet sind, um dem Brenner Plasmagas zuzuführen.
Beispielhafte Umsetzungen
Allgemein mit Bezugnahme auf 1 bis 5 sind Systeme 100 für die Analyse von Proben unter Verwendung eines ICP-Brenners zum Aufbereiten der Probe für analytische Bestimmungen gezeigt. Zum Beispiel ist unter Bezugnahme auf 1 das System 100 gezeigt, das einen ICP-Brenner (hier als „Brenner 102“ bezeichnet) enthält, der eine Probe 104 und ein oder mehrere Gase 106 zur Aufbereitung der Probe für die Analyse durch eine ICP-Analyseeinrichtung 108 empfängt. Die Probe 104 kann eine aerosolierte Probe zum Zuführen zu einem Injektor des Brenners 102 enthalten. Zum Beispiel kann die Probe 104 aus einer Sprühkammer übertragen werden, die verwendet wird, um größere Aerosolteilchen zu entfernen, die die Plasmaflamme beeinträchtigen können, während sie das Hindurchtreten der aerosolierten Probe zum Brenner 102 zulässt. Die Gase 106 können Plasmagas (z. B. Ar), Kühl- oder Hilfsgas (z. B. Ar, Stickstoff [N₂] und dergleichen), Übertragungsgase und dergleichen umfassen. Während die Gase 106 Ar zur Verwendung als eins oder mehrere aus dem Plasmagas, dem Kühlgas und den Übertragungsgas umfassen können, ist in Betracht gezogen, dass in bestimmten Umsetzungen andere Gase anstelle von oder zusätzlich zu Ar verwendet werden können. Beispielhafte Umsetzungen zum Zuführen der Gase 106 zum Brenner 102 sind mit Bezugnahme auf 2-4 beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 2-5 ist der Brenner 102 gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Der Brenner 102 enthält allgemein ein Innenrohr 110 und ein Außenrohr 112, aufgebaut, die Strömung von Gasen zu steuern, die dem Brenner 102 zugeführt werden. Das Innenrohr 110 umschließt ein Inneres 114, ausgelegt, einen Injektor 116 aufzunehmen, der verwendet wird, um die aerosolierte Probe dem Brenner 102 zuzuführen. Das Außenrohr 112 umgibt zumindest einen Teil des Innenrohrs 110, wobei ein ringförmiger Bereich 118 zwischen einer Außenfläche 120 des Innenrohrs 110 und einer Innenfläche 122 des Außenrohrs 112 gebildet ist. Der ringförmige Bereich 118 ist ausgelegt, einen Strom von Gas (z. B. Kühlgas, Plasmagas usw.) in den Brenner 102 aufzunehmen, wie etwa um die Plasmaerzeugung zu ermöglichen und das Material des Auenrohrs 112 vor der durch den Brenner 102 erzeugten Wärme des Plasmas zu schützen. Das Außenrohr 112 enthält eine Vielzahl von Einlassöffnungen 124, ausgebildet in einer Wand des Außenrohrs 112 zwischen der Innenfläche 122 und einer Außenfläche 126 des Außenrohrs 112. Während 2-5 vier im Außenrohr 112 ausgebildete Einlassöffnungen 124 zeigen, ist die Offenbarung nicht auf vier Einlassöffnungen 124 beschränkt und kann weniger als vier Einlassöffnungen 124 (z. B. zwei Einlassöffnungen, drei Einlassöffnungen) oder mehr als vier Einlassöffnungen 124 (z. B. fünf Einlassöffnungen, sechs Einlassöffnungen, sieben Einlassöffnungen und so weiter) enthalten. Vielfache Einlassöffnungen 124 können eine erhöhte Stärke von in den Brenner 102 zugeführtem Gas ermöglichen, um eine tangentiale Strömung vorzusehen, während sie vielfache Einlässe für dieses Zuführen unter laminaren Strömungsbedingungen vorsehen.
Die Einlassöffnungen 124 sind aufgebaut, das Kühlgas in den ringförmigen Bereich 118 zwischen dem Innenrohr 110 und dem Außenrohr 112 in einer Ausrichtung zu leiten, die eine laminare Strömung des Kühlgases im Brenner 102 zulässt. In Umsetzungen sind eine oder mehrere der Einlassöffnungen 124 im Wesentlichen tangential zu dem ringförmigen Bereich 118 angeordnet. (Z. B. liegt ein Ende der Einlassöffnung 124 im Wesentlichen tangential zur Innenfläche 122 des Außenrohrs 112.) In Umsetzungen ist jede der Einlassöffnungen 124 im Wesentlichen tangential zu dem ringförmigen Bereich 118 angeordnet. Der Brenner 102 kann die so durch das Außenrohr 112 gerichteten Einlassöffnungen 124 enthalten, dass sie einen Auslass im ringförmigen Bereich 118 aufweisen, der in einem Winkelbereich (z. B. in 4 als α gezeigt) ausgerichtet ist, um das Kühlgas in dem ringförmigen Bereich 118 zuzuführen. In Umsetzungen kann der Wert von α etwa 10 Grad bis etwa 20 Grad betragen.
In Umsetzungen enthält der Brenner 102 die Einlassöffnungen 124 im Wesentlichen längs entlang dem Brenner 102 zwischen einem Einlassende 128 und einem Auslassende 130 des Brenners 102 angeordnet. Zum Beispiel zeigen 2-5 die in einem im Wesentlichen linearen Muster längs entlang dem Außenrohr 112 angeordneten Einlassöffnungen 124. Während die Einlassöffnungen als im Wesentlichen kreisförmige Querschnitte, angeordnet in einem im Wesentlichen linearen Muster, gezeigt sind, ist der Brenner 102 nicht auf eine solche Anordnung beschränkt und kann andere Formen und Anordnungsmuster (z. B. nichtlineare Anordnungen) enthalten, um Kühlgas zum ringförmigen Bereich 118 zu liefern, ohne vom Geltungsbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Das Innenrohr 110 und der Injektor 116 bilden einen ringförmigen Bereich 132 im Inneren 114, wenn der Injektor 116 im Inneren 114 angeordnet ist. In Umsetzungen sind der Injektor 116 und das Innenrohr 110 fest miteinander gekoppelt, wie etwa als einstückiger Aufbau miteinander vereinigt. In Umsetzungen sind der Injektor 116 und das Innenrohr 110 abnehmbar miteinander gekoppelt, wie etwa durch ein Vorsehen eines demontierbaren Injektors (z.B. eines demontierbaren Injektors mit Gewinde), der ein oder mehrere passende Merkmale enthält, um ihn in das Innenrohr 110 zu schrauben oder anderweitig abnehmbar daran zu koppeln. Der Injektor 116 kann in dem Innenrohr 110 geschützt sein, was eine Optimierung der Zentralkanal-Gasströmung unabhängig von der Probenaerosol-Strömung zulassen kann.
Das Innenrohr 110 enthält ein oder mehrere Merkmale, um Hilfsgas in dem ringförmigen Bereich 132 zu empfangen, um die Bildung des Plasmas durch den Brenner 102 zu unterstützen. Zum Beispiel ist das Innenrohr 110 mit einer Vielzahl von Einlassöffnungen 134 gezeigt, die in einer Wand des Innenrohrs 110 zwischen der Außenfläche 120 des Innenrohrs 110 und einer Innenfläche 136 des Innenrohrs 110 ausgebildet sind, ausgelegt, einen Strom von Hilfsgas in dem Brenner 102 zu empfangen, wie etwa, um die Bildung des Plasmas durch den Brenner 102 durch ein Justieren der Position des Plasmas zu unterstützen. Während 2-5 vier im Innenrohr 110 ausgebildete Einlassöffnungen 134 zeigen, ist die Offenbarung nicht auf vier Einlassöffnungen 134 beschränkt und kann weniger als vier Einlassöffnungen 134 (z. B. zwei Einlassöffnungen, drei Einlassöffnungen) oder mehr als vier Einlassöffnungen 134 (z. B. fünf Einlassöffnungen, sechs Einlassöffnungen, sieben Einlassöffnungen und so weiter) enthalten. Alternativ ist eine einzige Einlassöffnung 134 im Innenrohr 110 enthalten. In Umsetzungen sind eine oder mehrere der Einlassöffnungen 134 im Wesentlichen tangential zu dem ringförmigen Bereich 132 angeordnet (liegt z. B. ein Ende der Einlassöffnung 134 im Wesentlichen tangential zur Innenfläche 136 des Innenrohrs 110), um eine im Wesentlichen laminare Strömung des Hilfsgases im ringförmigen Bereich 132 vorzusehen. In Umsetzungen ist jede der Einlassöffnungen 134 im Wesentlichen tangential zu dem ringförmigen Bereich 132 angeordnet. Ähnlich der Ausrichtung der Einlassöffnungen 124 kann der Brenner 102 die so durch das Innenrohr 110 gerichteten Einlassöffnungen 134 enthalten, dass sie einen Auslass in dem ringförmigen Bereich 132 aufweisen, der in einem Winkelbereich ausgerichtet ist, um das Hilfsgas in dem ringförmigen Bereich 132 zuzuführen. In Umsetzungen erweitert sich das Innenrohr 110 nach außen zur Innenfläche 122 des Außenrohrs 112 hin so, dass der ringförmige Bereich 118 eine kleinere Fläche aufweist, während der Brenner 102 vom Einlassende 128 zum Auslassende 130 verläuft. Zum Beispiel zeigt 3 eine Umsetzung des Innenrohrs 110, die einen tulpenförmigen Teilbereich 138 enthält, der sich zum Außenrohr 112 hin ausweitet, und einen kleineren ringförmigen Bereich 118 nach dem tulpenförmigen Teilbereich 138 zum Auslassende 130 hin vorsieht. In Umsetzungen bildet das Innenrohr 110 einen Spalt zwischen der Außenfläche 120 des Innenrohrs 110 und der Innenfläche 122 des Außenrohrs 112 nach dem tulpenförmigen Teilbereich 138 zum Auslassende 130 hin, der ein Maß von etwa 0,5 mm aufweist. Da der Brenner 102 einen Betrieb bei niedrigen Kühlgasdurchflussraten in die Einlassöffnungen 124 ermöglicht (z. B. weniger als 12 L/min), kann der relativ enge Spalt zwischen der Außenfläche 120 des Innenrohrs 110 und der Innenfläche 122 des Außenrohrs 112 die Geschwindigkeit des Gases nach dem tulpenförmigen Teilbereich 138 erhöhen, um die Plasmabildung bei den niedrigen Kühlgasdurchflussraten aufrechtzuerhalten, und dadurch den Kühlgasverbrauch zum Betrieb des Brenners 102 verringern, verglichen mit Brennern, die Kühlgasdurchflussraten von mehr als 12 L/min zum Betrieb benötigen.
In Umsetzungen können Teilbereiche des Brenners 102 einstückig ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Außenrohr 112 an einem Teilbereich des Innenrohrs 110 fixiert sein, um das Außenrohr 112 bezüglich des Innenrohrs 110 festzuhalten. Alternativ oder zusätzlich kann das Innenrohr 110 an einem Teilbereich des Injektors 116 fixiert sein.
In Umsetzungen, die in 5 gezeigt sind, kann der Brenner 102 ein im Außenrohr 112 ausgebildetes Zündloch 140 enthalten, um Zugang zu einem Inneren des Brenners 102 für einen Funken oder eine andere Zündquelle zum Zünden des Plasmas zum Betrieb des System 100 vorzusehen. In Umsetzungen können die Gesamtheit oder Teile des Brenners 102 aus einem dotierten Quarzglasmaterial ausgebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Cer-dotierten Quarz. Alternativ oder zusätzlich können die Gesamtheit oder Teile des Brenners 102 aus anderen Materialien ausgebildet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Aluminiumoxid, Platin, Saphir und dergleichen.
Der Brenner 102 hat ein hohes Maß an Plasmafestigkeit während niedrigen Gasströmungen bewiesen, wie etwa während niedrigen Durchflusses des Kühlgases in die Einlassöffnungen 124. Zum Beispiel kann der Brenner 102 mit Kühlgasdurchflussraten in die Einlassöffnungen 124 von weniger als 12 L/min verwendet werden. In Umsetzungen beträgt die Durchflussrate von Kühlgas in die Einlassöffnungen 124 etwa 5 L/min bis etwa 12 L/min. Der Brenner 102 hat ein hohes Maß an Plasmafestigkeit während niedriger HF-Leistung bewiesen, die einer den Brenner 102 umgebenden Spule zugeführt wurde. Zum Beispiel sah der Brenner eine Ionisierungsleistung bei etwa 1000 W vor. Der Brenner 102 hat ein hohes Maß an Plasmafestigkeit während niedriger HF-Leistung, die einer den Brenner 102 umgebenden Spule zugeführt wurde, in Kombination mit niedriger Gasströmungszufuhr zum Brenner 102 bewiesen. In Umsetzungen ermöglicht es die Plasmafestigkeit, dass der Brenner 102 keinen Sichtschlitz enthält, was einen kürzeren Brenner 102 (z. B. eine kürzere Länge des Brenners) vorsehen kann, verglichen mit Brennern, die einen Sichtschlitz enthalten. In Umsetzungen ermöglicht es die Plasmafestigkeit, dass der Brenner 102 einen einzigen Injektor für organische und anorganische Anwendungen verwendet, was eine erhöhte Verweilzeit für organische Anwendungen vorsieht, die typischerweise einen engeren Injektor verwenden. Zum Beispiel kann der für die Verwendung bei dem Brenner 102 ausgelegte Injektor eine verringerte Injektionsgeschwindigkeit für organische Proben vorsehen, was die Verweilzeit im ICP für verbesserte Matrixtoleranz erhöht.
In Umsetzungen kann der Brenner 102 ein Injektorschutzrohr im Innenrohr 110 enthalten, das zumindest einen Teil des Injektors 116 umgibt, um den Injektor 116 gegen das Plasma zu isolieren und abzuschirmen, und dadurch die Möglichkeit verringern, dass sich der Injektor 116 überhitzt und/oder anderweitig mögliche messbare Verunreinigungen zum ICPMS-Massenspektrum beiträgt. Zum Beispiel ist in 6A bis 6D der Brenner 102 gezeigt, der einen Injektorschutz 600 im Innenrohr 110 aufweist, der zumindest einen Teil des Injektors 116 umgibt, wobei der Injektorschutz 600 zwischen dem Injektor 116 und dem Innenrohr 110 liegt und das Innenrohr 110 zwischen dem Injektorschutz 600 und dem Außenrohr 112 liegt. In Umsetzungen sind das Außenrohr 112, das Innenrohr 110, der Injektorschutz 600 und der Injektor 116 konzentrisch angeordnet, aufgeführt in ihrer Reihenfolge von außen nach innen.
Der Injektorschutz 600 kann den Injektor 116 vor Energie schützen, die mit dem durch den Brenner erzeugten Plasma verknüpft ist, und kann bei der relativen Positionierung des Plasmas unterstützen, indem er das Plasma weg von der Auslassspitze des Injektors 116 drückt. Im Allgemeinen ist der Injektorschutz 600 aus einem Material ausgebildet, das chemisch beständig und in der Lage ist, längerem Aussetzen gegenüber hohen Temperaturen zu widerstehen (z. B. ohne Schmelzen oder Zersetzen), einschließlich, aber nicht beschränkt auf Siliziumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Zirkonoxid (ZrO₂). Durch ein Abschirmen des Injektors 116 gegen das Plasma kann der Injektorschutz 600 einen falschen Hintergrund von Material verhindern, das von dem Injektor 600 während des Betriebs des Brenners 102 abgegeben wird. In Umsetzungen ist der Injektorschutz 600 aus demselben Material ausgebildet wie das Innenrohr 110 und/oder das Außenrohr 112. In Umsetzungen ist der Injektorschutz 600 aus anderem/n Material(ien) ausgebildet als das Innenrohr 110 und/oder das Außenrohr 112. In Umsetzungen sind der Injektor 116 und der Injektorschutz 600 fest miteinander gekoppelt, wie etwa als einstückiger Aufbau miteinander vereinigt. In Umsetzungen sind der Injektor 116 und der Inj ektorschutz 600 abnehmbar gekoppelt, wie etwa durch ein Vorsehen eines demontierbaren Injektors (z.B. eines demontierbaren Injektors mit Gewinde), der ein oder mehrere passende Merkmale enthält, um ihn in den Injektorschutz 600 zu schrauben oder anderweitig abnehmbar daran zu koppeln.
Der Injektorschutz 600 kann mit dem Innenrohr 110 so angeordnet sein, dass der ringförmige Bereich 132 zwischen dem Innenrohr 110 und dem Injektorschutz 600 gebildet ist. Der Injektorschutz 600 enthält ein Austrittsende 602, angeordnet im Außenrohr 112 benachbart einem Austrittsende 604 des Innenrohrs 110 und einem Austrittsende 606 des Injektors 116. Zum Beispiel ist in 6A bis 6D der Brenner 102 gezeigt, bei dem das Austrittsende 602 des Injektorschutzes 600 im Wesentlichen bündig mit dem Austrittsende 604 des Innenrohrs 110 ist; jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht auf diese relative Anordnung beschränkt. Die Position des Austrittsendes 602 des Injektorschutzes 600 bezüglich des Austrittsendes 606 des Injektors 116 kann in einer Vielfalt von Auslegungen vorgesehen sein. Zum Beispiel ist das Austrittsende 602 des Injektorschutzes 600 in 6A so gezeigt, dass es sich nach außen zum Brennerauslass hin bezüglich des Austrittsendes 606 des Injektors 116 erstreckt. In 6B ist das Austrittsende 602 des Injektorschutzes 600 so gezeigt, dass es im Wesentlichen bündig bezüglich des Austrittsendes 606 des Injektors 116 ist. (Z. B. enden das Austrittsende 602 und das Austrittsende 606 an im Wesentlichen derselben Längsposition zwischen dem Einlassende 128 und dem Auslassende 130 des Brenners 102.) In 6C ist das Austrittsende 602 des Injektorschutzes 600 so gezeigt, dass es sich über das Austrittsende 606 des Injektors 116 hinaus in einer Richtung zum Brennerauslass hin erstreckt. Eine solche zurückgesetzte Position des Austrittsendes 606 des Injektors 116 bezüglich des Austrittsendes 602 des Injektorschutzes 600 kann einen Schutz des Austrittsendes 606 des Injektors 116 vor dem durch den Brenner 102 gebildeten Plasma vorsehen, was verhindern kann, dass das Material des Injektors 116 (z. B. Platin, Saphir oder anderes Material) durch das Plasma beschädigt wird, in das Plasma freigesetzt wird (was z. B. den ICPMS-Hintergrund während der Analyse beeinträchtigen kann), oder dass Kombinationen davon auftreten.
Der Injektorschutz 600 ist in 6A bis 6C als ein im Wesentlichen zylindrischer Rohraufbau ausgebildet gezeigt; jedoch ist der Injektorschutz 600 nicht auf eine solche Gestaltung beschränkt. In Umsetzungen kann der Injektorschutz 600 einen gekrümmten Bereich, einen aufgebördelten Bereich, einen verjüngten Bereich oder Kombinationen davon enthalten, um Teilen des Injektors 116 zu entsprechen, sich ihnen anzupassen oder sie anderweitig zu umgeben. Zum Beispiel ist der Injektorschutz 600 in 6D mit einem verjüngten Querschnitt 608 gezeigt, um einem verjüngten Injektor 116 zu entsprechen. Der verjüngte Injektorschutz 600 kann das Austrittsende 602 zurückgesetzt, bündig oder sich über das Austrittsende 606 des Injektors 116 hinaus erstreckend aufweisen, wie hinsichtlich 6A bis 6C gezeigt. Zum Beispiel zeigt 6D ein Beispiel des Brenners 102, bei dem das Austrittsende 602 des verjüngten Injektorschutzes 600 bezüglich des Austrittsendes 606 des Injektors 116 zurückgesetzt positioniert ist.
In Umsetzungen kann der Brenner 102 einen Gasstrom zwischen den Injektorschutz 600 und den Injektor 116 zuführen, um den Schutz des Austrittsendes 602 des Injektorschutzes 600 vor dem durch den Brenner 102 gebildeten Plasma zu ermöglichen. Zum Beispiel ist in 7A und 7B gezeigt, dass der Brenner 102 eine mit dem Brenner 102 gekoppelte Gaszufuhrhülse 700 enthält. Die Gaszufuhrhülse 700 ist ausgelegt, Einlassenden des Injektors 116 und des Injektorschutzes 600 aufzunehmen, und enthält eine Gaseinlassöffnung 702, ausgelegt, ein Gas zum Zuführen zu einem ringförmigen Raum 704 zwischen dem Injektorschutz 600 und dem Injektor 116 zu empfangen. Das der Gaseinlassöffnung 702 zugeführte Gas kann Argon, Stickstoff oder dergleichen oder Kombinationen davon enthalten, ist aber nicht darauf beschränkt.
Im Allgemeinen ist das Auslass- oder Austrittsende eines ICP-Brenners gewöhnlich der erste Bestandteil des Brenners, der während des Betriebs unter Verwendung von niedrigen Kühlgasströmen beschädigt wird. Wenn sich der Brennerauslass erhitzt und entglast, beginnen die angrenzenden Bestandteile des Brenners distal vom Brennerauslass, sich zu überhitzen und zu degradieren und verringern somit die Nutzlebensdauer des Brenners. Jedoch beschränken Entwurfseinschränkungen verfügbare Lösungen, da ein einfaches Verkürzen des Brenners nicht praktisch durchführbar ist: Viele ICP- und ICPMS-Einrichtungen erfordern, dass der Brenner lang genug ist, um das Plasma während der Plasmazündung von einer Ladespule oder externen HF-Platte zu isolieren, und die Brennerlänge muss lang genug sein, um die Plasmaform nicht zu beeinträchtigen oder die Beobachtung schädlicher Wirkungen durch ein Mitreißen von Außenluft zu ermöglichen. In Umsetzungen kann der Brenner 102 andere Merkmale enthalten, die den Brenner 102 vor den Wirkungen der Nähe zu dem durch den Brenner 102 gebildeten Plasma schützen.
Zum Beispiel ist in 8A und 8B gezeigt, dass der Brenner 102 einen aufgebördelten Auslass 800 aufweist. Der aufgebördelte Auslass 800 ist ausgebildet durch das Außenrohr 112 benachbart zum Auslassende 130 des Brenners 102 und kann beim Betrieb des Brenners 102 mit niedriger Gasströmung unterstützen, während er einen Schaden am Brenner 102 aufgrund von Plasmaauswirkungen verhindert. Der aufgebördelte Auslass 800 entfernt das Außenrohr 112 weg von dem durch die kombinierten, in den Brenner (z. B. in die ringförmigen Bereiche 118 und 132) eingeführten Gase gebildeten Plasma, durch das die aerosolierte Probe über ein Trägergas durch den Injektor 116 geführt wird. Durch das Positionieren des Endes des Außenrohrs 112 weg vom Plasma wird dem Außenrohr 112 zusätzlicher Schutz vor den Auswirkungen des Plasmas gewährt, was wesentlich den Entglasungsschaden an dem Brenner 102 verringert, aber immer noch eine Umgebung laminarer Strömung für zum ringförmigen Bereich 118 zugeführtes Kühlgas vorsieht, was einen Betrieb des Brenners 102 mit niedriger Gasströmung (z. B. mit Kühlgasdurchflussraten von weniger als etwa 12 L/min) ermöglicht. Der aufgebördelte Auslass 800 behält eine Länge des Brenners 102 bei, um eine gute Positionierung in der ICP-Ladespule zu ermöglichen, um die Zündung (z. B. über die Zündöffnung 802) zu ermöglichen, und um ein effektiv kürzeres Brennerprofil vorzusehen, während er das Mitreißen von Außenluft während des Betriebs des Brenners 102 steuert, wobei er immer noch einen Betrieb des Brenners 102 unter Bedingungen niedriger Kühlgasströmung (z. B. Durchflussraten von weniger als etwa 12 L/min) zulässt. Der Betrieb des Brenners 102 erbringt einen verringerten Argonverbrauch, einen verringerten Stromverbrauch (durch niedrigere Ionisierungsenergie), während er Hintergrundstörungen oder andere Verunreinigungen aufgrund von Brennerentglasung und insgesamt Schäden am Injektor 116 vermeidet.
In Umsetzungen ist der aufgebördelte Auslass 800 stromabwärts (d. h. in einer Richtung zum Auslassende 130) von einem Auslassende 804 des Innenrohrs 110 ausgebildet. Zum Beispiel ist in 8B der Brenner 102 gezeigt, wo das Außenrohr 112 eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist, die sich von einem Verbindungsbereich 806 mit dem Innenrohr 110 zu einem aufgebördelten Bereich 808 stromabwärts von dem Auslassende 804 des Innenrohrs 110 erstreckt. An dem aufgebördelten Bereich 808 vergrößert sich das Außenrohr 112 in der Weite von einer ersten Rohrweite 810 zu einer zweiten Rohrweite 812 am Auslassende 130, um das Ende des Außenrohrs 112 weg von dem durch den Brenner 102 gebildeten Plasma zu positionieren. Die Differenz zwischen der ersten Rohrweite 810 zu einer zweiten Rohrweite 812 kann auf Grundlage der Gesamtmaße des Brenners 102 variieren. Zum Beispiel ist in Umsetzungen die zweite Rohrweite 812 zwischen etwa 10 Prozent bis etwa 20 Prozent größer als die erste Rohrweite 810. In Umsetzungen ist der Übergang zwischen der ersten Rohrweite 810 und der zweiten Rohrweite 812 eine konstante Vergrößerung. In Umsetzungen enthält der Übergang zwischen der ersten Rohrweite 810 und der zweiten Rohrweite 812 eine nichtlineare Vergrößerung der Weite. In Umsetzungen enthält der Übergang zwischen der ersten Rohrweite 810 und der zweiten Rohrweite 812 einen oder mehrere Abschnitte mit derselben Weite. Der aufgebördelte Bereich 808 umschließt im Allgemeinen einen Teilbereich der Längslänge des Außenrohrs 112. Zum Beispiel kann der aufgebördelte Bereich 808 etwa 4 Prozent bis etwa 10 Prozent der Längslänge des Außenrohrs 112 betragen.
In einem beispielhaften Versuch wurden zwei Brenner denselben Betriebsbedingungen mit niedriger Kühlgasströmung über dieselbe Dauer mit einer HF-Leistung von 1600 W unterzogen. Ein in 9A gezeigter erster Brenner 900 enthielt ein im Wesentlichen zylindrisches Auslassende (d. h., ein nicht aufgebördeltes Ende). Nach der Testdauer entwickelte der Brenner 900 einen bedeutenden Entglasungsschaden, befindlich im Bereich 902 nahe dem Ende des nicht aufgebördelten Auslasses. Ein in 9B gezeigter zweiter Brenner 904 war gemäß beispielhaften Umsetzungen der vorliegenden Offenbarung aufgebaut. Zum Beispiel enthielt der Brenner 904 den durch das Außenrohr gebildeten aufgebördelten Auslass 800, während er dieselben Maße und Merkmale des Innenrohrs und des Injektors beibehielt, wie sie beim Brenner 900 vorgesehen waren. Nach der Testdauer (d. h. derselben Dauer wie durch den ersten Brenner 900 erfahren) zeigte der zweite Brenner 904 wenig bis keinen Schaden beim Außenrohr, ohne den bedeutenden Entglasungsschaden, der durch den ersten Brenner 900 zur Schau gestellt wurde.
In einem weiteren beispielhaften Versuch wurde ein Brenner 102 mit dem aufgebördelten Auslass 800 verwendet, um Proben mit einem ICPMS-Analysesystem über einen etwa 8-stündigen Zeitraum zu analysieren, um die Matrixstabilität des Brenners 102 zu bestimmen. Der Brenner 102 wurde bei 1200 W HF-Leistung und 13 L/min Kühlgas betrieben. Die Kalibrierung umfasste eine 1%ige Salpetersäure blind, eine Aufstockung von 50 ppb mit 100 ppm Mg, Al, Ca, K, Fe und Na in 1%iger Salpetersäure und eine Aufstockung von 100 ppb mit 100 ppm Mg, Al, Ca, K, Fe und Na in 1%iger Salpetersäure. Mehrere Proben wurden beladen mit 100 ppm Mg, Al, Ca, K, Fe und Na in 1 %iger Salpetersäure, wobei ein Probenlauf etwa 8 Stunden dauerte (ca. 2 min Zeit von Probe zu Probe und ca. 50 s Analysezeit). Nach dem Zeitraum von 8 Stunden zeigte der Brenner 102 keine erkennbaren Anzeichen von Entglasung, während er Werte der relativen Standardabweichung (RSD) von 1,9 % bis 2,9 % für alle analysierten Sorten (Bi, Ce, Cd, Co, Ga, In, Pb, U, Ho, Tb, Cu, Mg, Al, Fe) bei 50 ppb und von 0,8 % bis 2,0 % für alle analysierten Sorten (Bi, Ce, Cd, Co, Ga, In, Pb, U, Ho, Tb, Cu, Mg, Al, Fe) bei 100 ppb lieferte.
In einem weiteren beispielhaften Versuch wurde ein Brenner 102 mit dem aufgebördelten Auslass 800 verwendet, um Proben mit einem ICPMS-Analysesystem zu analysieren, um Mengen von Be, In, Ce und U in gegebenen Proben zu bestimmen. Der Brenner 102 wurde bei 1000 W HF-Leistung und 10 L/min Kühlgas betrieben. Der tägliche Abstimmungsbericht des ICPMS stellte eine durchschnittliche RSD von 0,6 % für alle analysierten Sorten im Laufe von vier Betriebstagen zur Schau.
In einem weiteren beispielhaften Versuch wurde ein Brenner 102 mit dem Injektorschutz 600 (in einer mit Bezugnahme auf 6C beschriebenen zurückgesetzten Anordnung) verwendet, um Proben mit einem ICPMS-Analysesystem zu analysieren, das unter NH₃-Kaltplasmabedingungen mit einem Platin-Injektor von 2 mm Innendurchmesser und einem Perfluoralkoxyalkan-(PFA-)Zerstäuber arbeitete. Ein erster Test umfasste 0,1 mL/min NH₃ und 1,0 mL/min H₂ und ergab eine äquivalente Hintergrundkonzentration (BEC) von 0,2 ppb für Si (28/28). Ein zweiter Test umfasste 0,1 mL/min NH₃ und 1,5 mL/min H₂ und ergab eine äquivalente Hintergrundkonzentration (BEC) von 0,1 ppb für Si (28/28). Ein dritter Test umfasste 0,1 mL/min NH₃ und 1,0 mL/min H₂ und ergab eine äquivalente Hintergrundkonzentration (BEC) von 0,1 ppb für Si (28/44). Ein vierter Test umfasste 0,1 mL/min NH₃ und 1,0 mL/min H₂ und ergab eine äquivalente Hintergrundkonzentration (BEC) von 0,5 ppb für Si (28/28). Ein fünfter Test umfasste 0,1 mL/min NH₃ und 1,5 mL/min H₂ und ergab eine äquivalente Hintergrundkonzentration (BEC) von 0,5 ppb für Si (28/28). Ein sechster Test umfasste 0,1 mL/min NH₃ und 1,0 mL/min H₂ und ergab eine äquivalente Hintergrundkonzentration (BEC) von 0,3 ppb für Si (28/44).
In einem weiteren beispielhaften Versuch wurde ein Brenner 102 mit dem Injektorschutz 600 (in einer mit Bezugnahme auf 6C beschriebenen zurückgesetzten Anordnung) mit einem Standard-Brenner ohne vorhandenen Injektorschutz verglichen. Jeder Brenner wurde verwendet, um Si-28-Hintergrund auf einem vierfachen ICPMS unter denselben Bedingungen zu analysieren, wobei der Injektorschutz 600 der primäre Unterschied in dem Versuch war. Der Standard-Brenner ohne Injektorschutz ergab eine Erfassungsgrenze (DL) von 0,35 ppb mit einer äquivalenten Hintergrundkonzentration (BEC) von 9,3 ppb. Der Brenner 102 mit dem Injektorschutz 600 ergab eine Erfassungsgrenze (DL) von 0,3 ppb mit einer äquivalenten Hintergrundkonzentration (BEC) von 3,6 ppb und zeigte eine drastische Verbesserung bei der Silizium-Hintergrundstörung für die Verwendung von Brennern für die Analyse hochreiner Materialien.
Die hier beschriebenen Brenner 102 können alle hier beschriebenen Merkmale oder Kombinationen von Untermengen der hier beschriebenen Merkmale enthalten. Zum Beispiel kann der Brenner 102 die Vielzahl von Einlassöffnungen 124 und/oder 134 in Kombination mit dem Injektorschutz 600 und in Kombination mit dem aufgebördelten Auslass 800 enthalten. Als weiteres Beispiel kann der Brenner 102 eine einzige Einlassöffnung 124 und eine einzige Einlassöffnung 134 in Kombination mit dem Injektorschutz 600 und in Kombination mit dem aufgebördelten Auslass 800 enthalten. Als weiteres Beispiel kann der Brenner 102 die Vielzahl von Einlassöffnungen 124 und/oder 134 in Kombination mit dem Injektorschutz 600 ohne den aufgebördelten Auslass 800 enthalten. Als weiteres Beispiel kann der Brenner 102 die Vielzahl von Einlassöffnungen 124 und/oder 134 in Kombination mit dem aufgebördelten Auslass 800 ohne den Injektorschutz 600 enthalten.
Schlussbemerkung
Obwohl der Gegenstand der Offenbarung sprachlich spezifisch bezüglich Aufbaumerkmalen und/oder Verfahrensvorgängen beschrieben ist, versteht es sich, dass der in den angehängten Ansprüchen definierte Gegenstand nicht unbedingt auf die oben beschriebenen spezifischen Merkmale und Arbeitsgänge beschränkt ist. Vielmehr sind die oben beschriebenen spezifischen Merkmale und Vorgänge als beispielhafte Ausführungsformen der Ansprüche offenbart.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63/179715 [0001]
US 63/179759 [0001]
US 63179827 B [0001]
US 63179715 B [0001]
US 63179759 B [0001]

Claims

Induktiv gekoppelter Plasmabrenner, umfassend: einen rohrförmigen Probeninjektor, ausgelegt, eine aerosolierte Probe in einem Inneren aufzunehmen, das durch Wände des rohrförmigen Probeninjektors definiert ist; einen Injektorschutz, der zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors umgibt; ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des Injektorschutzes so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und dem Injektorschutz bildet, wobei das Innenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert; und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 1, wobei ein Ausgangsende des rohrförmigen Probeninjektors, des Injektorschutzes und/oder des Innenrohrs innerhalb des Außenrohrs angeordnet ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 1, wobei ein Ausgangsende von jeweils dem rohrförmigen Probeninj ektor, dem Inj ektorschutz und dem Innenrohr innerhalb des Außenrohrs angeordnet ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 1, wobei ein Ausgangsende des Injektorschutzes im Wesentlichen bündig mit einem Ausgangsende des Innenrohrs ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 4, wobei sich ein Ausgangsende des rohrförmigen Probeninjektors über das Ausgangsende des Injektorschutzes hinaus erstreckt.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 4, wobei ein Ausgangsende des rohrförmigen Probeninjektors im Wesentlichen bündig mit dem Ausgangsende des Injektorschutzes ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 4, wobei sich das Ausgangsende des Injektorschutzes über ein Ausgangsende des rohrförmigen Probeninjektors hinaus erstreckt.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Teil von jeweils dem rohrförmigen Probeninjektor und dem Injektorschutz in einer Richtung von einem Einlassende des induktiv gekoppelten Plasmabrenners und einem Auslassende des induktiv gekoppelten Plasmabrenners nach innen verjüngt ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Gaszuführungshülse, die mit einem Einlassende des induktiv gekoppelten Plasmabrenners gekoppelt ist, wobei die Gaszuführungshülse ausgelegt ist, Eingangsenden des rohrförmigen Probeninjektors und des Injektorschutzes zum Zuführen von Gas zwischen den rohrförmigen Probeninjektor und den Injektorschutz aufzunehmen.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 9, wobei die Gaszuführungshülse eine Gaseinlassöffnung definiert, ausgelegt, das Gas zum Zuführen zu einem dritten ringförmigen Raum aufzunehmen, der zwischen dem Injektorschutz und dem rohrförmigen Probeninjektor definiert ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner, umfassend: einen rohrförmigen Probeninjektor, ausgelegt, eine aerosolierte Probe in einem Inneren aufzunehmen, das durch Wände des rohrförmigen Probeninjektors definiert ist; einen Injektorschutz, der zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors umgibt; ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des Injektorschutzes so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und dem Injektorschutz bildet, wobei das Innenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Einführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert; ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert; und eine Gaszuführungshülse, die mit einem jeweiligen Eingangsende des rohrförmigen Probeninjektors und des Injektorschutzes gekoppelt ist, zum Zuführen eines Gases zwischen den rohrförmigen Probeninjektor und den Injektorschutz, wobei die Gaszuführungshülse eine Gaseinlassöffnung definiert, ausgelegt, das Gas zum Zuführen zu einem dritten ringförmigen Raum aufzunehmen, der zwischen dem Injektorschutz und dem rohrförmigen Probeninjektor definiert ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 11, wobei ein Ausgangsende des rohrförmigen Probeninjektors, des Injektorschutzes und/oder des Innenrohrs innerhalb des Außenrohrs angeordnet ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 11, wobei ein Ausgangsende von jeweils dem rohrförmigen Probeninj ektor, dem Inj ektorschutz und dem Innenrohr innerhalb des Außenrohrs angeordnet ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 11, wobei ein Ausgangsende des Injektorschutzes im Wesentlichen bündig mit dem Ausgangsende des Innenrohrs ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 14, wobei sich ein Ausgangsende des rohrförmigen Probeninjektors über das Ausgangsende des Injektorschutzes hinaus erstreckt.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 14, wobei ein Ausgangsende des rohrförmigen Probeninjektors im Wesentlichen bündig mit dem Ausgangsende des Injektorschutzes ist.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 14, wobei sich das Ausgangsende des Injektorschutzes über ein Ausgangsende des rohrförmigen Probeninjektors hinaus erstreckt.
Induktiv gekoppelter Plasmabrenner nach Anspruch 11, wobei zumindest ein Teil von jeweils dem rohrförmigen Probeninjektor und dem Injektorschutz in einer Richtung von einem Einlassende des induktiv gekoppelten Plasmabrenners und einem Auslassende des induktiv gekoppelten Plasmabrenners nach innen verjüngt ist.
Verfahren zum Betreiben eines induktiv gekoppelten Plasmabrenners, umfassend: Zuführen einer aerosolierten Probe zu einem Inneren eines rohrförmigen Probeninjektors eines induktiv gekoppelten Plasmabrenners, wobei der induktiv gekoppelte Plasmabrenner enthält: einen Injektorschutz, der zumindest einen Teil des rohrförmigen Probeninjektors umgibt, ein Innenrohr, das zumindest einen Teil des Injektorschutzes so umgibt, dass es einen ersten ringförmigen Raum zwischen dem Innenrohr und dem Injektorschutz bildet, wobei das Innenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum definiert, und ein Außenrohr, das zumindest einen Teil des Innenrohrs umgibt, um einen zweiten ringförmigen Raum zu bilden, wobei das Außenrohr mindestens eine Einlassöffnung zum Zuführen eines Kühlgases in den zweiten ringförmigen Raum definiert; Zuführen des Hilfsgases in den ersten ringförmigen Raum des induktiv gekoppelten Plasmabrenners über die mindestens eine Einlassöffnung des Innenrohrs; und Zuführen des Kühlgases mit einer Durchflussrate von weniger als 12 L/min in den zweiten ringförmigen Raum des induktiv gekoppelten Plasmabrenners über die mindestens eine Einlassöffnung des Außenrohrs.
Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend ein Zuführen eines dritten Gases in einen dritten ringförmigen Raum, der zwischen dem Injektorschutz und dem rohrförmigen Probeninjektor definiert ist.