DE19518598A1 - Method for evaluating spectral lines emitted from inductively coupled plasma - Google Patents

Method for evaluating spectral lines emitted from inductively coupled plasma

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Abstract

The method involves at least one spectrometer with which its optical direction of incidence (a2,a3) encloses an angle alpha to the plasma axis (a1), with 0< alpha <45 deg . To control the signal/noise ratio of the spectral lines under investigation the position of the point of intersection of the optical direction of incidence with the plasma axis is varied.

Description

Zur Auswertung der in einem induktiv gekoppelten Plasma (ICP) bei Zuführung einer Probe entstehenden spektralen Verteilung ist es bekannt, der Plasmaflamme eine spektrometrische Anordnung zuzuordnen, die die von der Anregungsquelle emittierte Strahlung in separate Wellenlängen aufspaltet, wobei die Intensität ausgewählter Wellenlängen bestimmt wird. Es sind zwei Arten der Zuordnung der Plasmaflamme zu den dispergierenden optischen Systemen bei verschiedenen ICP- Spektrometern bekannt:For the evaluation of the in an inductively coupled plasma (ICP) spectral distribution arising when a sample is supplied it is known that the plasma flame is spectrometric Assign the arrangement to that of the excitation source emitted radiation splits into separate wavelengths, whereby the intensity of selected wavelengths is determined. There are two ways of assigning the plasma flame to the dispersing optical systems in various ICP Spectrometers known:

  • a) Die Spektrometerachse und die durch die Ausbreitungsrichtung der Argongasströme aus ihren Zuführungsrohren definierte Plasmaachse stehen im rechten Winkel zueinander (side- on-Beobachtung).
    (G.L. MOORE; Introduction to ICP- AES; Elsevier Amsterdam - Oxford - New York - Tokio 1989, S. 112, 115), wobei die Abnahme des Spektrallichtes auch über Lichtleiter erfolgen kann, die senkrecht zur Plasmaachse stehen (SPECTROFLAME, Fa. SPECTRO)
    a) The spectrometer axis and the plasma axis defined by the direction of propagation of the argon gas streams from their feed pipes are at right angles to one another (side-on observation).
    (GL MOORE; Introduction to ICP-AES; Elsevier Amsterdam - Oxford - New York - Tokyo 1989, pp. 112, 115), whereby the spectral light can also be taken off via light guides that are perpendicular to the plasma axis (SPECTROFLAME, SPECTRO )
  • b) Die Spektrometerachse stellt die verlängerte Plasmaachse dar (end-on-Beobachtung).
    (G.L. MOORE; Introduction to ICP- AES; Elsevier Amsterdam - Oxford - New York - Tokio 1989, S. 128)
    b) The spectrometer axis represents the extended plasma axis (end-on observation).
    (GL MOORE; Introduction to ICP- AES; Elsevier Amsterdam - Oxford - New York - Tokyo 1989, p. 128)

Der Vorteil der Abbildungsart a) ist die einfache und betriebssichere Anordnung der Komponenten für die Plasmaerzeugung und das dispergierende optische System (DOS) Nachteilig ist es, daß neben der Strahlung der interessierenden chemischen Elemente eine intensitätsstarke Strahlung des Plasmatoroids mit erfaßt wird.The advantage of type a) is the simple and reliable arrangement of the components for the Plasma generation and the dispersing optical system (DOS) The disadvantage is that in addition to the radiation of interest chemical elements an intense radiation of the Plasmatoroids is detected with.

Wird entsprechend b) das Plasma in gerader Linie auf ein DOS gerichtet, dann wird ein höheres Nachweisvermögen als bei den beiden ersten Arten erreicht, aber es bestehen auch Nachteile:
Die heißen Plasmagase sind direkt auf die Abbildungsoptik des Spektrometers gerichtet und können diese thermisch beeinflussen.
If, according to b), the plasma is directed in a straight line onto a DOS, a higher detection capacity is achieved than with the first two types, but there are also disadvantages:
The hot plasma gases are aimed directly at the imaging optics of the spectrometer and can influence this thermally.

Es ist nur ein DOS ankoppelbar, wenn nicht mit optischen Mitteln ( Strahlteiler) unter Hinnahme von Verlusten mehrere Systeme versorgt werden.Only a DOS can be connected, if not with an optical one Averaging (beam splitter) taking losses into account Systems are supplied.

Es tritt Selbstabsorption auf, da die in einer heißen Zone emittierte Strahlung auf dem Weg zum DOS eine relativ kalte Zone durchläuft, in der die gleichen Atome wie in der heißen Anregungszone sind.Self absorption occurs because it is in a hot zone emitted radiation on the way to DOS a relatively cold one Passes through in the same atoms as in the hot one Are excitation zone.

Diese kalte Zone wird noch dadurch verstärkt, daß einmal zum Schutz der Abbildungsoptik und zum anderen um die Transmission für Wellenlängen unter 190 nm zu ermöglichen ein Gasstrom gegen das Plasma geblasen wird. Die Selbstabsorption begrenzt den möglichen analysierbaren Konzentrationsbereich nach oben.This cold zone is reinforced by the fact that once to Protection of the imaging optics and secondly about the transmission allow gas flow for wavelengths below 190 nm is blown against the plasma. The self absorption limits the possible analyzable concentration range upwards.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, eine Anordnung zu finden, die alle obengenannten Nachteile umgeht oder mindestens reduziert und trotzdem ein gegenüber a) erhöhtes Nachweisvermögen ermöglicht.The object of the invention is now to an arrangement find that circumvents all of the above disadvantages or at least reduced and still a higher than a) Evidence enabled.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß dem ersten Anspruch sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is achieved by an arrangement according to the first claim and a method according to claim 9 solved. Preferred developments are the subject of the dependent Expectations.

Erfindungsgemäß werden die Nachteile der bekannten Lösungen dadurch umgangen, daß die Abbildung nicht exakt in Richtung der Achse des Plasmas erfolgt, sondern unter einem kleinen Winkel von vorzugsweise etwa 6 bis 20°.According to the invention, the disadvantages of the known solutions circumvented by the fact that the illustration is not exactly in the direction of Axis of the plasma takes place, but at a small angle preferably about 6 to 20 °.

Bei kleinem Öffnungswinkel der Abbildungsoptik ist gewährleistet, daß nur ein unmerklich kleiner Anteil an Untergrundstrahlung aus dem Toroid des Plasmas erfaßt wird. Diese schräge Abbildung gestattet es darüber hinaus , mehrere DOS über jeweils eine eigene Abbildungsoptik an ein Plasma anzukoppeln.With a small opening angle of the imaging optics ensures that only an imperceptibly small proportion of Background radiation from the toroid of the plasma is detected. This oblique figure also allows for several DOS each has its own imaging optics on a plasma to couple.

Das ist besonders wichtig, wenn eines dieser DOS für den Vakuum-UV-Bereich oder den nahen IR-Bereich verwendet werden soll, da für die letzteren Systeme spezielle Bauelemente erforderlich sind, die in anderen Spektralbereichen nachteilig sein können. This is especially important if one of these DOS is for the Vacuum UV range or the near IR range used should be, since special for the latter systems Components are required that are in other spectral ranges can be disadvantageous.  

Von der im Anregungskanal emittierten Spektrallinienstrahlung wird ein größerer Anteil als bei side-on erfaßt und gleichzeitig der spektrale Untergrund mit geringerem Rauschen registriert.From the spectral line radiation emitted in the excitation channel a larger proportion is recorded than with side-on and at the same time the spectral background with less noise registered.

Dadurch verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis um einen Faktor 5 bis 10.This improves the signal-to-noise ratio a factor of 5 to 10.

Die erfindungsgemäße Anordnung gewährleistet weiterhin, daß der Abbildungsstrahlengang nicht durch die kalte Spitze des Plasmas geht, sondern daß sich zwischen dem Anregungskanal und der Abbildungsoptik eine Plasmaschicht befindet. Damit wird bewirkt, daß die intensive Spektrallinienstrahlung keinen Bereich mit wesentlich kälteren Atomen der Analysensubstanz durchläuft, wodurch die Selbstabsorption reduziert und damit ein größerer Dynamikbereich erzielt wird.The arrangement according to the invention further ensures that the Image beam path not through the cold tip of the plasma goes, but that between the excitation channel and the Imaging optics a plasma layer is located. So that will causes the intense spectral line radiation none Area with significantly colder atoms of the analyte passes through, which reduces self-absorption and thus a larger dynamic range is achieved.

Der oben beschriebene Spülgasstrom für die Abbildungsoptik ist auch bei der schrägen Abbildung unter dem o. g. Winkel erforderlich. Er trifft aber nicht auf die Atome der Analysensubstanz ,sondern auf den Mantel des Plasmas, der wie ein Schutzschild den Anregungskanal umgibt.The purge gas flow described above for the imaging optics is also in the oblique illustration below the above angle required. But it does not hit the atoms of the Analytical substance, but on the mantle of the plasma, which like a protective shield surrounds the excitation channel.

Erstmals kann ein ICP-Spektrometer realisiert werden, das in allen Spektralbereichen maximales Nachweisvermögen und optimalen Dynamikbereich gewährleistet.For the first time, an ICP spectrometer can be realized, which in maximum detection capacity in all spectral ranges and optimal dynamic range guaranteed.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert.The invention is described below with reference to the schematic Illustrations explained in more detail.

Es zeigen beispielhaft:The following are examples:

Fig. 1 Eine erfindungsgemäße Anordnung mit zwei DOS Fig. 1 An arrangement according to the invention with two DOS

Fig. 2 Eine detailliertere Darstellung der Plasmaumgebung Fig. 2 shows a more detailed representation of the plasma environment

Fig. 1 zeigt die Anordnung zweier nicht näher ausgeführter dispergierender optischer Systeme (DOS) 1 und 2 mit Eintrittsspalten 10 an einem Plasma 4. Fig. 1 does not show the arrangement of two nearer executed dispersing optical systems (DOS) 1 and 2 with entry columns 10 to a plasma. 4

Ein System 1 kann beispielsweise in einer Paschen-Runge- Anordnung ausgeführt sein und ist für den Vakuum-UV- Spektralbereich von 163 nm bis 196 nm optimiert und das andere System 2 kann ein Echellespektrometer für den UV-VIS- Bereich von 193 bis 852 nm sein.For example, a system 1 can be designed in a Paschen-Runge arrangement and is optimized for the vacuum UV spectral range from 163 nm to 196 nm and the other system 2 can be an Echelle spectrometer for the UV-VIS range from 193 to 852 nm his.

Beide Systeme sind unter einem Winkel α von hier etwa 10° gegen die Achse a1 des Plasmas 4 angeordnet. Der Winkel α kann für beide Systeme auch unterschiedlich sein. Die Schnittpunkte der Achsen a2, a3 der beiden DOS mit der des Plasmas 4 liegen an einer für die Spektrallinienpalette des jeweiligen Systems günstigen Stelle innerhalb des Plasmas 4 und können gegebenenfalls auch zusammenfallen.Both systems are arranged at an angle α from here about 10 ° to the axis a1 of the plasma 4 . The angle α can also be different for both systems. The points of intersection of the axes a2, a3 of the two DOS with that of the plasma 4 lie at a point within the plasma 4 which is favorable for the spectral line range of the respective system and can also coincide if necessary.

Zur Spülung des VUV-Strahlengangs wird ein mit Inertgas ( Argon, Stickstoff ) durchspültes Rohr 3 soweit wie möglich an das Plasma 4 herangeführt, wobei der Spülgasstrom auf den Mantel des Plasmas trifft.To purge the VUV beam path, a tube 3 flushed with inert gas (argon, nitrogen) is brought as far as possible to the plasma 4 , the flushing gas stream hitting the jacket of the plasma.

Fig. 2 zeigt einen Plasmabrenner 8 umgeben von einer die Hochfrequenzleistung einkoppelnden Induktorspule 9 und das erzeugte Plasma 4. Fig. 2 shows a plasma torch 8 surrounded by a high frequency power coupled-inductor 9 and the plasma generated. 4

Die beiden optischen Achsen a2, a3 der Abbildungsoptiken der DOS 1 und 2 liegen innerhalb des Plasmas und schneiden sich mit der Plasmaachse a1 in den Schnittpunkten 6 und 7. Dabei liegt der Schnittpunkt 6 so, daß die Spektrallinien, die mit dem DOS 1 empfangen werden, in einem oder mehreren analytisch relevanten Parametern wie Nachweisvermögen, Reproduzierbarkeit, Richtigkeit oder Dynamikbereich in der Mehrheit optimal sind, während der Schnittpunkt 7 für die Abbildungsoptik des DOS 2 bezüglich der mit ihm empfangenen Spektrallinien optimiert ist.The two optical axes a2, a3 of the imaging optics of DOS 1 and 2 lie within the plasma and intersect with the plasma axis a1 at the intersections 6 and 7 . The intersection 6 is such that the spectral lines that are received with the DOS 1 are optimal in one or more analytically relevant parameters such as detection capability, reproducibility, accuracy or dynamic range, while the intersection 7 for the imaging optics of the DOS 2 is optimized with regard to the spectral lines received with it.

Erfindungsgemäß kann die Lage des jeweiligen Schnittpunktes der optischen Achse eines DOS der Plasmaachse verändert werden, bis für die mit diesem DOS untersuchte Elementegruppe ein maximales Nachweisvermögen erzielt wird, d. h. der Mittelwert des Verhältnisses der gemessenen Intensität zum Signalrauschen der Einzelelemente ein Maximum annimmt.According to the invention, the location of the respective intersection the optical axis of a DOS, the plasma axis can be changed, to for the element group examined with this DOS maximum evidence is achieved, d. H. the mean the ratio of the measured intensity to the signal noise of the individual elements takes a maximum.

Claims (10)

1. Anordnung zur Auswertung der von einem induktiv gekoppelten Plasma (ICP) emittierten Spektrallinien, wobei mindestens ein Spektrometer vorgesehen ist, das bezüglich seiner optischen Einfallsrichtung mit der Plasmaachse einen Winkel α mit 0<α<45 Grad einschließt.1. Arrangement for evaluating the inductively coupled Plasma (ICP) emitted spectral lines, wherein at least one spectrometer is provided that with regard to its optical direction of incidence with the plasma axis includes an angle α with 0 <α <45 degrees. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse einer auf den Eintrittsspalt des Spektrometers abbildenden Abbildungsoptik mit der Plasmaachse einen Winkel α mit 0<α<45 einschließt.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the optical axis of one on the entrance slit of the spectrometer imaging optics with the plasma axis an angle α with 0 <α <45. 3.3rd Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Winkel zur Plasmaachse in einem Bereich von 6-20 Grad.Arrangement according to one of claims 1 or 2, characterized by an angle to the plasma axis in a range of 6-20 Degree. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spektrometer vorgesehen sind.4. Arrangement according to one of claims 1-3, characterized characterized in that several spectrometers are provided. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittpunkte der optischen Einfallsrichtungen mehrerer Spektrometer mit der Plasmaachse in einem Punkt zusammenfallen. 5. Arrangement according to one of claims 1-4, characterized in that the intersections of the optical directions of incidence of several The spectrometer coincides with the plasma axis at one point.   6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittpunkte der optischen Einfallsrichtungen mehrerer Spektrometer mit der Plasmaachse zur Anpassung an die jeweils von den einzelnen Spektrometern zu erfassenden Sektrallinien an verschiedenen Stellen auf der Plasmaachse liegen.6. Arrangement according to one of claims 1-5, characterized characterized in that the intersection of the optical Directions of incidence of several spectrometers with the plasma axis to adapt to each of the individual spectrometers capturing spectral lines at different points on the Plasma axis. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein dispergierendes System für den Vakuum-UV-Bereich und eine mit Inertgas gespülte Abbildungsoptik vorgesehen ist, wobei der Spülgasstrom für die Abbildungsoptik unter einem Winkel von 6 bis 20° zur Plasmaachse auf das den Anregungskanal umgebende Plasma des Toroids gerichtet ist.7. Arrangement according to one of claims 1-6, characterized in that a dispersing system for the vacuum UV range and imaging optics flushed with inert gas is provided, wherein the purge gas flow for the imaging optics under one Angle from 6 to 20 ° to the plasma axis on the Excitation channel surrounding plasma of the toroid is directed. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet,daß Mittel zur Änderung des Schnittpunktes mit der Plasmaachse vorgesehen sind.8. Arrangement according to one of claims 1-7, characterized characterized in that means for changing the intersection with the plasma axis are provided. 9. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Auswertung der von einem induktiv gekoppelten Plasma (ICP) emittierten Spektrallinien, die mindestens ein Spektrometer aufweist, das bezüglich seiner optischen Einfallsrichtung mit der Plasmaachse einen Winkel α mit 0<α<45 Grad einschließt, wobei die Lage des Schnittpunktes der optischen Einfallsrichtung mit der Plasmaachse zur Einstellung des Signal /Rauschverhältnisses der untersuchten Spektrallinien verändert wird.9. Method for operating an arrangement for evaluating the an inductively coupled plasma (ICP) Spectral lines, which has at least one spectrometer, the with regard to its optical direction of incidence with the plasma axis encloses an angle α with 0 <α <45 degrees, where the location of the intersection of the optical Direction of incidence with the plasma axis to adjust the Signal / noise ratio of the spectral lines examined is changed.
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