DE202020107491U1 - Plasma source for a spectrometer - Google Patents
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- H01J49/105—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation, Inductively Coupled Plasma [ICP]
Abstract
Plasmaquelle (1) zur Verwendung in einem Spektrometer, aufweisend eine Plasmafackel (2) mit zumindest einer Röhre (10) mit
- einem Zuleitungsbereich (11) in den ein erster Gasstrom (15) in die Röhre (10) zugeleitet wird und
- einem lonisierungsbereich (12), in dem induktiv Energie in den ersten Gasstrom (15) durch eine um die Röhre (10) angeordnete Spule (40) zugeführt wird, wobei die Energie den ersten Gasstrom (15) zumindest teilweise ionisiert und ein Plasma (50) gezündet wird und
- einem Austrittsbereich (13) aus dem der erste Gasstrom (15) mit dem Plasma (50) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmaquelle (1) eine Kühlgasführung (60) für einen Kühlgasstrom (61) aufweist, wobei die Kühlgasführung (60) außenseitig der Röhre (10) einen Kühlgaseintritt (62) aufweist und ein Kühlungsabschnitt (14) vorgesehen ist, in dem das Kühlgas in der Richtung des ersten Gasstromes (15) außen an der Röhre (10) zu einem Kühlgasaustritt (63) strömt, wobei sich der Kühlungsabschnitt (14) ringförmig um den Austrittsbereich (13) der Röhre erstreckt.
Plasma source (1) for use in a spectrometer, comprising a plasma torch (2) with at least one tube (10)
- A feed area (11) into which a first gas stream (15) is fed into the tube (10) and
- An ionization area (12) in which inductive energy is fed into the first gas flow (15) through a coil (40) arranged around the tube (10), the energy at least partially ionizing the first gas flow (15) and a plasma ( 50) is ignited and
- An exit region (13) from which the first gas flow (15) with the plasma (50) emerges, characterized in that the plasma source (1) has a cooling gas duct (60) for a cooling gas flow (61), the cooling gas duct (60) on the outside of the tube (10) has a cooling gas inlet (62) and a cooling section (14) is provided in which the cooling gas flows in the direction of the first gas flow (15) on the outside of the tube (10) to a cooling gas outlet (63), wherein the cooling section (14) extends annularly around the outlet region (13) of the tube.
Description
Die Erfindung betrifft eine Plasmaquelle für ein Spektrometer, insbesondere eine Quelle zur Erzeugung eines induktiv gekoppelten Plasmas (ICP) zur Verwendung bei Massenspektrometrie (ICP-MS) oder bei der optischen Emissionsspektroskopie (ICP-OES).The invention relates to a plasma source for a spectrometer, in particular a source for generating an inductively coupled plasma (ICP) for use in mass spectrometry (ICP-MS) or in optical emission spectroscopy (ICP-OES).
Bei Spektrometrievorrichtungen, in denen ein induktiv gekoppeltes Plasma zum Einsatz kommt (beispielsweise ICP-MS oder ICP-OES) wird ein Plasma mittels eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes erzeugt. Das Plasma wird aus einem Edelgasstrom, für den in der Regel Argon eingesetzt wird, gespeist. Hierfür wird im Stand der Technik eine röhrenförmige Plasmafackel vorgesehen, in der das Edelgas zu einer Hochfrequenzspule geleitet wird. Durch die Wechselwirkung des durch die Hochfrequenzspule erzeugten elektromagnetischen Feldes mit dem Edelgas wird das Edelgas auf Temperaturen von 5000 K oder höher erhitzt und das Edelgas geht in den Zustand eines Plasmas über. Das Plasma wird durch eine Hochspannungsentladung gezündet, wodurch geladene Teilchen erzeugt werden. Innerhalb der Plasmafackel findet sich eine Zuleitung für eine Probe, die als Aerosol oder auch gasförmig vorliegen kann. Innerhalb des Plasmas werden die Probenbestandteile verdampft, in ihre atomaren Bestandteile zerlegt, ionisiert und anschließend dem Spektrometer zur weiteren Analyse zugeführt.In spectrometry devices in which an inductively coupled plasma is used (for example ICP-MS or ICP-OES), a plasma is generated by means of a high-frequency electromagnetic field. The plasma is fed from a flow of noble gas, for which argon is usually used. For this purpose, a tubular plasma torch is provided in the prior art, in which the noble gas is conducted to a high-frequency coil. Due to the interaction of the electromagnetic field generated by the high-frequency coil with the noble gas, the noble gas is heated to temperatures of 5000 K or higher and the noble gas changes into the state of a plasma. The plasma is ignited by a high voltage discharge, creating charged particles. Inside the plasma torch there is a feed line for a sample, which can be in the form of an aerosol or also in gaseous form. The sample components are vaporized within the plasma, broken down into their atomic components, ionized and then fed to the spectrometer for further analysis.
Obwohl für die Plasmafackel temperaturbeständige Materialien eingesetzt werden müssen, bedingen die hohen Temperaturen einen erhöhten Verschleiß an der Plasmafackel. Ein erhöhter Verschleiß ist insbesondere in den Bereichen der Plasmafackel zu verzeichnen, die sich in unmittelbarer Nähe zu dem Plasma befinden. Dementsprechend sind im Stand der Technik Kühlkonzepte zur Kühlung der Plasmafackel vorgesehen, wodurch die Lebensdauer der Plasmafackel verlängert werden soll.Although temperature-resistant materials must be used for the plasma torch, the high temperatures cause increased wear on the plasma torch. Increased wear is particularly evident in the areas of the plasma torch that are in the immediate vicinity of the plasma. Accordingly, cooling concepts for cooling the plasma torch are provided in the prior art, which is intended to extend the service life of the plasma torch.
Eine Möglichkeit gemäß
Hierdurch wird die Möglichkeit ausgeschlossen, dass innerhalb des Plasmas, neben dem Edelgas und den Probenbestandteilen ein weiterer Stoff, etwa von der Oberfläche der Plasmafackel, ionisiert wird und die nachfolgende Analyse verwässern würde. Gleichermaßen wird dadurch der Verbrauch von Edelgas erhöht. Insbesondere bei der Verwendung von Argon als Edelgas kann dies nachteilhaft sein, da aufgrund einer geringen Wärmekapazität von Argon ein hoher Argonstrom zu Kühlung benötigt wird. Ebenfalls ergeben sich durch das für eine Analyse zusätzlich für die Kühlung vorzuhaltende Argon weitere Probleme, insbesondere in Hinblick auf die oftmals vorgesehene Versorgung mittels Gasflaschen und deren Austausch und in Hinblick auf die Kosten des Argons als Kühlgas.This eliminates the possibility that within the plasma, in addition to the noble gas and the sample components, another substance, for example from the surface of the plasma torch, is ionized and would dilute the subsequent analysis. This also increases the consumption of noble gas. This can be disadvantageous in particular when using argon as the noble gas, since a high argon flow is required for cooling due to the low heat capacity of argon. The argon, which must also be kept available for cooling for an analysis, also gives rise to further problems, in particular with regard to the often provided supply by means of gas cylinders and their replacement and with regard to the cost of argon as a cooling gas.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe stellt sich daher in einer Verbesserung der Effizienz der Kühlung einer Plasmafackel, insbesondere in Hinblick auf den Verbrauch des zur Kühlung der Plasmafackel notwendigen Gases (Kühlgas).The object on which the invention is based is therefore to improve the efficiency of the cooling of a plasma torch, in particular with regard to the consumption of the gas (cooling gas) necessary for cooling the plasma torch.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Lösung nach den Ansprüchen 1 und 35 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 34 und 36 bis 37.This object is achieved by the solution according to the invention according to
Für eine Plasmaquelle zur Verwendung in einem Spektrometer, aufweisend eine Plasmafackel mit zumindest einer Röhre mit einem Zuleitungsbereich in den ein erster Gasstrom in die Röhre zugeleitet wird und einem lonisierungsbereich, in dem induktiv Energie in den Gasstrom durch eine um die Röhre angeordnete Spule zugeführt wird, wobei die Energie den Gasstrom zumindest teilweise ionisiert und ein Plasma gezündet wird und einem Austrittsbereich aus dem der Gasstrom mit dem Plasma austritt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Plasmaquelle eine Kühlgasführung für einen Kühlgasstrom aufweist, wobei die Kühlgasführung außenseitig der Röhre einen Kühlgaseintritt aufweist und ein Kühlungsabschnitt vorgesehen ist, in dem das Kühlgas in der Richtung des ersten Gasstromes außen an der Röhre zu einem Kühlgasaustritt strömt, wobei sich der Kühlungsabschnitt ringförmig um den Austrittsbereich der Röhre erstreckt.For a plasma source for use in a spectrometer, comprising a plasma torch with at least one tube with a feed area into which a first gas flow is fed into the tube and an ionization area in which energy is inductively fed into the gas flow through a coil arranged around the tube, wherein the energy at least partially ionizes the gas flow and a plasma is ignited and an exit area from which the gas flow with the plasma exits, according to the invention it is provided that the plasma source has a cooling gas duct for a cooling gas flow, the cooling gas duct having a cooling gas inlet on the outside of the tube and a Cooling section is provided in which the cooling gas flows in the direction of the first gas flow on the outside of the tube to a cooling gas outlet, the cooling section extending annularly around the outlet area of the tube.
Durch das Vorsehen einer entsprechenden Kühlgasführung kann das Kühlgas entweder parallel zu dem ersten Gasstrom oder quer zu dem ersten Gasstrom geführt werden. Im Falle einer parallelen Führung des Kühlgases zu dem ersten Gasstrom ist denkbar, dass der Kühlgasstrom im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu dem ersten Gasstrom in der Kühlgasführung geführt ist bzw. strömt. Außerdem ist denkbar, dass der Kühlgasstrom über eine Strecke parallel zu der Röhre im Gegenstrom strömt, während der Kühlgasstrom bei dem Austrittsbereich im Gleichstrom strömt. Aus der Führung des Kühlgases in der Kühlgasführung ergibt sich der Vorteil, dass eine Kühlung bzw. Wärmeaufnahme von der Plasmafackel durch einen zweiten, separaten Gasstrom erfolgt. Dadurch, dass dieser Kühlgasstrom die Wärme zumindest teilweise und vorzugsweise größtenteils aufnimmt, kann der erste Gasstrom innerhalb der Röhre reduziert werden, da die Wärme durch das Kühlgas abtransportiert wird. Hierdurch ergibt sich ein reduzierter Verbrauch des ersten Gases, das gleichzeitig auch das Gas ist, aus dem das Plasma gebildet ist. Auf diese Weise trägt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe bei. Der volumenmäßige Verbrauch des ersten Gases wird reduziert. Vorzugsweise soll die Kühlfunktion des ersten Gases nicht komplett ersetzt werden. Der Volumenstrom des ersten Gases soll, durch eine teilweise Übernahme des Wärmetransports in einem Bereich von 30 bis 70%, bevorzugt in einem Bereich von 40 bis 60 % und besonders bevorzugt um 50 % reduziert werden. Dadurch ergeben sich längere Wechselintervalle für den Fall, dass das für den ersten Gasstrom vorgesehene Gas in Behältern gespeichert wird. Dies trägt zu einem effizienteren Einsatz der Plasmaquelle bei. Es versteht sich von selbst, dass das Kühlgas in Ausführungsformen der Erfindung die Kühlung der Röhre nicht vollständig übernimmt und ein Teil der Wärmeabgabe von der Plasmafackel auch in das Gas des ersten Gasstroms erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass die Röhre dadurch nicht zu schnell verschmutzt und die Plasmafackel somit nicht an Routinefähigkeit verliert. Außerdem wird klar, dass ein Teil der Wärme, die von dem Plasma an die Plasmafackel übergeht, sich innerhalb der Plasmafackel und insbesondere innerhalb der Röhre konduktiv ausbreitet. Auf diese Weise kann die Wärme von dem Kühlgas, das in dem Kühlungsabschnitt der Kühlgasführung um die Röhre strömt, aufgenommen und von der Röhre weg transportiert werden. Insbesondere kann daher vorgesehen sein, dass die Wandstärke der Röhre 0,5 bis 2 mm, bevorzugt 1 mm beträgt. Alternativ kann festgelegt sein, dass ein Wandstärke-zu-Durchmesser-Verhältnis in der Größenordnung von 1:20 liegt. Dadurch, dass sich der Kühlungsabschnitt um den Austrittsbereich der Röhre erstreckt ergibt sich der weitere Vorteil, dass insbesondere dieser Bereich direkt durch das Kühlgas gekühlt wird. Das Plasma tritt ebenfalls in dem Austrittsbereich aus der Röhre aus, weshalb insbesondere dort mit einer intensiven Wärmebelastung der Röhre durch die Strahlungswärme des Plasmas zu rechnen ist und eine Kühlung durch das Kühlgas und ggf. auch durch den ersten Gasstrom angezeigt ist.By providing a corresponding cooling gas duct, the cooling gas can either be guided parallel to the first gas flow or transversely to the first gas flow. In the case of a parallel flow of the cooling gas to the first gas flow, it is conceivable that the cooling gas flow is guided or flows in cocurrent or in countercurrent to the first gas flow in the cooling gas duct. It is also conceivable that the cooling gas flow over a distance flows parallel to the tube in countercurrent, while the cooling gas flow flows in cocurrent at the outlet area. The routing of the cooling gas in the cooling gas duct has the advantage that the plasma torch is cooled or heat is absorbed by a second, separate gas flow. Because this cooling gas flow absorbs the heat at least partially and preferably for the most part, the first gas flow can be reduced within the tube, since the heat is transported away by the cooling gas. This results in a reduced consumption of the first gas, which is at the same time also the gas from which the plasma is formed. In this way the invention contributes to the solution of the problem. The volume consumption of the first gas is reduced. The cooling function of the first gas should preferably not be completely replaced. The volume flow of the first gas should be reduced by partially taking over the heat transport in a range from 30 to 70%, preferably in a range from 40 to 60% and particularly preferably by 50%. This results in longer change intervals in the event that the gas provided for the first gas flow is stored in containers. This contributes to a more efficient use of the plasma source. It goes without saying that the cooling gas in embodiments of the invention does not completely take over the cooling of the tube and part of the heat dissipation from the plasma torch also takes place in the gas of the first gas flow. This has the advantage that the tube does not get dirty too quickly and the plasma torch does not lose its routine capabilities. It is also clear that some of the heat that passes from the plasma to the plasma torch is conductively propagated within the plasma torch and in particular within the tube. In this way, the heat from the cooling gas which flows around the tube in the cooling section of the cooling gas guide can be absorbed and transported away from the tube. In particular, it can therefore be provided that the wall thickness of the tube is 0.5 to 2 mm, preferably 1 mm. Alternatively, it can be specified that a wall thickness-to-diameter ratio is on the order of 1:20. The fact that the cooling section extends around the exit area of the tube results in the further advantage that this area in particular is cooled directly by the cooling gas. The plasma also emerges from the tube in the exit area, which is why an intensive thermal load on the tube from the radiant heat of the plasma is to be expected, and cooling by the cooling gas and possibly also by the first gas flow is indicated.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Gasstrom ein Edelgas umfasst. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Edelgas Argon ist. Das Plasma lässt sich mittels eines elektromagnetischen Feldes vorzugsweise aus einem Edelgas und insbesondere aus Argon erzeugen. Weiter gestaltet sich diese Ausführungsform vorteilhaft, da Analyseverfahren von Spektrometern auf die Verwendung von Argon als Gas für das Plasma abgestimmt sind.According to one embodiment of the invention, it is provided that the first gas flow comprises a noble gas. In a further embodiment of the invention it is provided that the noble gas is argon. The plasma can be generated by means of an electromagnetic field, preferably from a noble gas and in particular from argon. This embodiment is also advantageous since the analysis methods of spectrometers are tailored to the use of argon as the gas for the plasma.
Gemäß einer Ausfügungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Röhre stromabwärts über die Kühlgasführung hinaus erstreckt. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass ein Ausströmen des ersten Gases nicht durch die Kühlgasführung beeinträchtigt wird. Dies trägt in vorteilhafter Weise zu einer Stabilität des Plasmas bei.According to one embodiment of the invention it is provided that the tube extends downstream beyond the cooling gas duct. This has the advantage that an outflow of the first gas is not impaired by the cooling gas flow. This advantageously contributes to the stability of the plasma.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Röhre an ihrem Austrittsbereich satiniert ist. Durch eine Satinierung des Austrittsbereichs der Röhre wird deren Oberfläche vergrößert, wodurch der Wärmeaustausch mit dem ersten Gas und/oder dem Kühlgas verbessert wird. Die Satinierung kann, bezogen auf die Röhre im Innenumfang und/oder im Außenumfang vorgenommen sein. Weiterhin gestaltet es sich vorteilhaft, dass der Austrittsbereich satiniert ist, da dort mit dem höchsten Wärmeeintrag in die Röhre zu rechnen ist.According to a further development of the invention, it is provided that the tube has a satin finish at its exit area. By satinizing the exit area of the tube, its surface area is enlarged, as a result of which the heat exchange with the first gas and / or the cooling gas is improved. The satin finish can be carried out in relation to the tube in the inner circumference and / or in the outer circumference. Furthermore, it is advantageous that the exit area is satinized, since this is where the highest heat input into the tube is to be expected.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Röhre an ihrem Austrittsbereich eine schwarze Beschichtung aufweist. Durch eine schwarze Beschichtung wird in vorteilhafter Weise die Wärmeabgabe von der Röhre zu deren effizienten Kühlung beschleunigt.In one embodiment of the invention it can be provided that the tube has a black coating on its exit area. A black coating advantageously accelerates the heat dissipation from the tube for efficient cooling.
Aus einer Weiterbildung der Erfindung ergibt sich, dass die Röhre Kühlstrukturen aufweist. Durch Kühlstrukturen an der Röhre kann die Wärmeabgabe an das Kühlgas und/oder das erste Gas weiter verbessert werden. Die Kühlstrukturen können in unterschiedlichen Formen, beispielsweise als Kühlrippen, Kühlwendeln usw. oder aus einer Kombination unterschiedlicher Formen vorliegen.A further development of the invention shows that the tube has cooling structures. The heat dissipation to the cooling gas and / or the first gas can be further improved by cooling structures on the tube. The cooling structures can be in different shapes, for example as cooling fins, cooling coils, etc. or from a combination of different shapes.
Ausgestaltend kann vorgesehen sein, dass innerhalb der Röhre eine zweite Röhre angeordnet ist und das Gas des ersten Gasstroms innerhalb der zweiten Röhre und der ersten Röhre strömt. Es kann vorgesehen sein, dass das Plasma im Wesentlichen aus dem Anteil des ersten Gasstromes gespeist wird, der in der zweiten Röhre strömt und der Anteil des ersten Gasstromes, der zwischen der Außenseite der zweiten Röhre und der Innenseite der ersten Röhre strömt, im Wesentlichen zur Kühlung der ersten und zweiten Röhre und zur Stabilisierung des Plasmas eingesetzt wird.In a refinement, it can be provided that a second tube is arranged inside the tube and the gas of the first gas stream flows within the second tube and the first tube. It can be provided that the plasma is fed essentially from the portion of the first gas flow that flows in the second tube and the portion of the first gas flow that flows between the outside of the second tube and the inside of the first tube is essentially fed to Cooling of the first and second tubes and to stabilize the plasma is used.
Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass innerhalb der zweiten Röhre eine dritte Röhre angeordnet ist, durch die ein gasförmiges Analyt oder ein Aerosol aus einem vernebelten Analyt und einem Trägergas strömt. Das Vorsehen einer dritten Röhre zur Zuführung des Analyts bzw. der Probe hat den Vorteil, dass ein stabil über den Fluss des ersten Gases eingestelltes Plasma auch während einer Zuführung des Analyts stabil bleibt. Außerdem kann durch eine konzentrische Anordnung der ersten, zweiten und dritten Röhre vorteilhaft sichergestellt werden, dass das Analyt an den heißesten Teil des Plasmas zugeführt wird, wodurch die Ionisierung des Analyts verbessert wird.In a further development, it can be provided that a third tube is arranged within the second tube, through which a gaseous analyte or an aerosol composed of a nebulized analyte and a Carrier gas flows. The provision of a third tube for supplying the analyte or the sample has the advantage that a plasma set in a stable manner via the flow of the first gas remains stable even while the analyte is being supplied. In addition, a concentric arrangement of the first, second and third tubes can advantageously ensure that the analyte is supplied to the hottest part of the plasma, as a result of which the ionization of the analyte is improved.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gas des ersten Gasstroms das Trägergas für das vernebelte Analyt bildet. Hiermit ist der Vorteil verbunden, dass der Strom des ersten Gases mit zugesetztem oder nicht zugesetztem Analyt im Wesentlichen konstant bzw. gleichbleibend gehalten werden kann. Dies trägt in vorteilhafter Weise zu der Stabilität des Plasmas bei.According to one embodiment of the invention it is provided that the gas of the first gas flow forms the carrier gas for the nebulized analyte. This has the advantage that the flow of the first gas with added or not added analyte can be kept essentially constant or constant. This contributes advantageously to the stability of the plasma.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Gasstrom im Bereich der Plasmafackel durch die Röhre von dem Kühlgasstrom räumlich getrennt ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass sich das erste Gas, das zumindest teilweise ionisiert wird und bei einem Einsatz in einem Spektrometer den Weg in die weitere Analyse findet, nicht durch das Kühlgas, das eine andere Zusammensetzung haben kann, verunreinigt wird. Auf diese Weise wird der Analyse ausschließlich das ionisierte Analyt und das ionisierte Gas des ersten Gasstroms zugeführt.In a further development of the invention it is provided that the first gas flow is spatially separated from the cooling gas flow in the area of the plasma torch by the tube. This advantageously ensures that the first gas, which is at least partially ionized and finds its way into further analysis when used in a spectrometer, is not contaminated by the cooling gas, which may have a different composition. In this way, only the ionized analyte and the ionized gas of the first gas flow are fed to the analysis.
Es kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Röhre eine Quarzröhre ist. Das Vorsehen einer Quarzröhre gestaltet sich vorteilhaft, da diese elektromagnetisch weitestgehend inert ist und so keine Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld der Spule stattfindet. Weiterhin ist Quarz über einen weiten Bereich hitzebeständig, womit der hitzebedingte Verschleiß der Röhre verringert wird. Alternativ kommt eine Röhre aus einer Keramik in Frage.It can be provided that the respective tube is a quartz tube. The provision of a quartz tube is advantageous because it is largely electromagnetically inert and so there is no interaction with the electromagnetic field of the coil. Furthermore, quartz is heat-resistant over a wide range, which reduces the heat-related wear on the tube. Alternatively, a ceramic tube can be used.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Spule in die Kühlgasführung eingelassen ist. Dadurch, dass die Spule in die Kühlgasführung eingelassen ist, wird die Spule in Bezug auf die Plasmafackel positioniert. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass nach einem Austausch der Plasmafackel oder der Röhre(n) eine gleichbleibende Anregung des ersten Gasstroms und eine gleichbleibende Ausbildung des Plasmas zu erwarten ist. Zudem ist durch das Einlassen der Spule die Gefahr verringert, dass die Spule bei einer Wartung der Plasmaquelle beschädigt oder räumlich versetzt wird. Es kann vorgesehen sein, dass die Spule in die Kühlgasführung eingegossen ist.According to a further embodiment, it can be provided that the coil is let into the cooling gas duct. Because the coil is embedded in the cooling gas duct, the coil is positioned in relation to the plasma torch. This results in the advantage that after replacing the plasma torch or the tube (s), constant excitation of the first gas flow and constant formation of the plasma can be expected. In addition, letting in the coil reduces the risk that the coil will be damaged or spatially displaced during maintenance of the plasma source. It can be provided that the coil is cast into the cooling gas duct.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spule in Strömungsrichtung des ersten Gasstroms vor dem lonisierungsbereich liegt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass sich die Baugröße der Plasmaquelle verringern lässt. Außerdem wirkt sich dies konstruktiv günstig auf die Anordnung der Kühlgasführung aus.According to a further development of the invention it is provided that the coil lies in front of the ionization area in the direction of flow of the first gas stream. This has the advantage that the size of the plasma source can be reduced. In addition, this has a structurally favorable effect on the arrangement of the cooling gas duct.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spule in Strömungsrichtung des ersten Gasstroms im Bereich des lonisierungsbereichs liegt. So kann die Spule und das durch die Spule erzeugte elektromagnetische Feld vorteilhaft direkt in an dem lonisierungsbereich anliegt. Auf diese Weise wird die Effizienz der Plasmaerzeugung erhöht.According to one embodiment of the invention it is provided that the coil lies in the direction of flow of the first gas stream in the region of the ionization region. Thus, the coil and the electromagnetic field generated by the coil can advantageously be applied directly to the ionization region. In this way, the efficiency of the plasma generation is increased.
Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass der lonisierungsbereich der Röhre das Plasma zumindest teilweise umgibt. Dadurch, dass das Plasma zumindest teilweise durch die Röhre und deren lonisierungsbereich umgeben ist, ergibt sich der Vorteil, dass die Strömung des ersten Gasstroms in dem Bereich des Plasmas definiert in der Röhre geleitet ist, wodurch sich die Stabilität des Plasmas erhöht.In a further development, it can be provided that the ionization region of the tube at least partially surrounds the plasma. The fact that the plasma is at least partially surrounded by the tube and its ionization region results in the advantage that the flow of the first gas flow in the region of the plasma is guided in a defined manner in the tube, which increases the stability of the plasma.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das Plasma, insbesondere während des Einsatzes der Plasmaquelle, aus dem Austrittsbereich der Röhre erstreckt. Auf diese Weise wird der Vorteil erreicht, dass ein Teil der durch das Plasma erzeugten Wärme nicht direkt an die Röhre abgegeben wird. Dadurch wird der Kühlbedarf der Röhre und auch der Bedarf an einer Kühlung der Röhre von innen etwa durch den ersten Gasstrom verringert.According to one embodiment of the invention, it is provided that the plasma extends out of the exit area of the tube, in particular when the plasma source is in use. In this way, the advantage is achieved that part of the heat generated by the plasma is not given off directly to the tube. This reduces the need for cooling the tube and also the need for cooling the tube from the inside, for example by means of the first gas flow.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlgasstrom Luft umfasst. Das Vorsehen von Luft als Kühlgas oder als Bestandteil des Kühlgasstroms hat den Vorteil, dass Luft einerseits leicht verfügbar ist, und andererseits gegenüber beispielsweise Edelgasen und insbesondere gegenüber Argon eine höhere Wärmekapazität aufweist. Auf diese Weise kann der Verbrauch an Kühlgas verringert werden.According to a further development of the invention it is provided that the cooling gas flow comprises air. Providing air as a cooling gas or as a component of the cooling gas flow has the advantage that air is readily available on the one hand and, on the other hand, has a higher thermal capacity than, for example, noble gases and in particular argon. In this way, the consumption of cooling gas can be reduced.
Dementsprechend kann ausgestaltend vorgesehen sein, dass der Kühlgasstrom aus Luft besteht. Für einen Kühlgasstrom, der aus Luft besteht, ist der weitere Vorteil gegeben, dass das Kühlgas, sofern es nicht anderweitig kontaminiert worden ist, unproblematisch an die Umgebung abgegeben werden kann und somit die Wärme recht schnell aus dem System entfernt werden kann. In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Kühlgas Stickstoff enthält oder aus Stickstoff besteht.Accordingly, it can be provided in a design that the cooling gas flow consists of air. For a cooling gas flow that consists of air, there is the further advantage that the cooling gas, provided it has not otherwise been contaminated, can be released into the environment without any problems and thus the heat can be removed from the system very quickly. In an alternative embodiment it can be provided that the cooling gas contains nitrogen or consists of nitrogen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Kühlgasstrom aus einem Kühlluftstrom der Plasmafackel gespeist wird. Dies gestaltet sich insbesondere vorteilhaft, da ein vorhandenes System mit Zu- und Ableitungen von Kühlluft auch für den Kühlgasstrom verwendet werden kann. Somit ergibt sich eine tiefe Integration der Kühlgasführung in die Plasmafackel unter Ausnutzung von Synergien anderweitiger Luft-Kühleinrichtungen der Plasmafackel.Furthermore, it can be provided that the cooling gas flow is fed from a cooling air flow of the plasma torch. This turns out to be particularly advantageous because an existing system with supply and discharge lines for cooling air also for the cooling gas flow can be used. This results in a deep integration of the cooling gas flow in the plasma torch while utilizing synergies from other air cooling devices of the plasma torch.
In einer optionalen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Kühlgasführung die Röhre ringförmig umschließt und der Kühlgasstrom durch einen zwischen der Röhre und der Kühlgasführung ausgebildeten Raum strömt. Auf diese Weise ist ein optimaler Wärmeaustausch zwischen der durch das Plasma erhitzten Röhre und dem Kühlgas erreichbar. So wird ein Teil der Kühlung der Röhre effektiv durch das Kühlgas übernommen, sodass der erste Gasstrom in Hinblick auf die Kühlung der Röhre entsprechend geringer dimensioniert werden kann.In an optional development, it is provided that the cooling gas duct surrounds the tube in a ring shape and the cooling gas flow flows through a space formed between the tube and the cooling gas duct. In this way, an optimal heat exchange between the tube heated by the plasma and the cooling gas can be achieved. Part of the cooling of the tube is effectively taken over by the cooling gas, so that the first gas flow can be dimensioned correspondingly smaller with regard to cooling the tube.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dementsprechend, dass sich der zwischen der Röhre und der Kühlgasführung ausgebildete Raum in Strömungsrichtung des ersten Gasstroms zumindest von dem lonisierungsbereich bis zu dem Austrittsbereich erstreckt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Bereich der Röhre, der am ehesten der Hitze des Plasmas ausgesetzt ist, durch den Kühlgasstrom von außen gekühlt wird, wodurch der Bedarf einer Kühlung im Inneren der Röhre durch den ersten Gasstrom reduziert wird.According to one embodiment of the invention, the result is accordingly that the space formed between the tube and the cooling gas duct extends in the flow direction of the first gas stream at least from the ionization area to the exit area. This ensures that the area of the tube that is most likely to be exposed to the heat of the plasma is cooled from the outside by the cooling gas flow, as a result of which the need for cooling inside the tube by the first gas flow is reduced.
Gemäß einer Weiterbildung ergibt sich, dass die Kühlgasführung, insbesondere während des Einsatzes der Plasmaquelle, den Kühlgasstrom über den Austrittsbereich der Röhre hinaus leitet. Auf diese Weise wird der Kühlgasstrom über das am meisten der Hitze ausgesetzten Ende am Austrittsbereich der Röhre geleitet, sodass dort eine effektive Kühlung ermöglicht wird.According to a further development, the cooling gas duct, in particular during the use of the plasma source, directs the cooling gas flow beyond the outlet area of the tube. In this way, the cooling gas flow is directed over the end most exposed to the heat at the outlet area of the tube, so that effective cooling is made possible there.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlgasführung Fenster zur Beobachtung oder Beprobung des Plasmas aufweist. Hierdurch wird die Konstruktionsfreiheit für die Kühlgasführung erhöht, indem vorteilhaft sichergestellt wird, dass eine Beprobung oder Beobachtung des Plasmas weiterhin möglich ist.In a further embodiment of the invention it is provided that the cooling gas duct has windows for observation or sampling of the plasma. As a result, the design freedom for the cooling gas guide is increased by advantageously ensuring that sampling or observation of the plasma is still possible.
Nach einer Weiterbildung ergibt sich, dass die Kühlgasführung Kühlstrukturen aufweist. Dadurch, dass das Kühlgas wiederum die von der Röhre aufgenommene Wärme an die Kühlgasführung abgeben kann, gestaltet es sich vorteilhaft, wenn diese Wärme effizient von der Kühlgasführung abtransportiert werden kann. So wird ein Hitzestau im Bereich der Plasmafackel vermieden und der Volumenstrom an Kühlgas und/oder aus dem ersten Gas kann in Hinblick auf die Kühlwirkung reduziert werden.According to a further development, the cooling gas guide has cooling structures. Because the cooling gas can in turn give off the heat absorbed by the tube to the cooling gas duct, it is advantageous if this heat can be transported away efficiently by the cooling gas duct. In this way, a build-up of heat in the area of the plasma torch is avoided and the volume flow of cooling gas and / or from the first gas can be reduced with regard to the cooling effect.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Kühlgasführung aus einem nichtmetallischen, temperaturbeständigen Material besteht oder eine Beschichtung aus einem solchen Material aufweist. Dies gestaltet sich vorteilhaft, da so eine Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld, das durch die Spule erzeugt wird, weitestgehend vermieden wird.It can also be provided that the cooling gas guide consists of a non-metallic, temperature-resistant material or has a coating made of such a material. This is advantageous because an interaction with the electromagnetic field that is generated by the coil is largely avoided.
Dementsprechend kann weiterbildend vorgesehen sein, dass das Material der Kühlgasführung oder deren Beschichtung eine Keramik oder PFA bzw. Teflon ist. In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Material der Kühlgasführung ein Werkstoff aus Perfluorcarbon (PFC) ist. Insbesondere Kunststoffe eignen sich gut für die Kühlgasführung, da sie leicht formbar sind und gegebenenfalls zur Aufnahme der Spule an die Spule anformbar sind oder die Spule in eine solche Kühlgasführung eingießbar ist.Accordingly, it can be provided in a further development that the material of the cooling gas guide or its coating is a ceramic or PFA or Teflon. In a further embodiment it can be provided that the material of the cooling gas guide is a material made of perfluorocarbon (PFC). Plastics, in particular, are well suited for guiding the cooling gas, since they can be easily shaped and, if necessary, can be molded onto the coil to accommodate the coil, or the coil can be cast into such a cooling gas duct.
In einer optionalen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kühlgasstrom um die Röhre parallel zu der Richtung des ersten Gasstromes strömt. Auf diese Weise ist ein optimaler Wärmeaustausch zwischen der durch das Plasma erhitzten Röhre und dem Kühlgas erreichbar. So wird ein Teil der Kühlung der Röhre effektiv durch das Kühlgas übernommen, sodass der erste Gasstrom in Hinblick auf die Kühlung der Röhre entsprechend geringer dimensioniert werden kann.In an optional embodiment it is provided that the cooling gas flow flows around the tube parallel to the direction of the first gas flow. In this way, an optimal heat exchange between the tube heated by the plasma and the cooling gas can be achieved. So part of the cooling of the tube is effectively taken over by the cooling gas, so that the first gas flow can be dimensioned correspondingly smaller with regard to the cooling of the tube.
Nach einer optionalen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kühlgasstrom im Sockelbereich der Plasmafackel in den Kühlgaseintritt der Kühlgasführung strömt. Durch eine solche Konstruktion ist die äußere Kühlung der Röhre besonders platzsparend realisierbar, insbesondere dann, wenn Plasmafackeln mit einem entsprechenden Sockelbereich zum Einsatz kommen, in dem beispielsweise auch das Gas des ersten Gasstroms und/oder das Analyt in die Röhre(n) geleitet wird/werden.According to an optional development, it is provided that the cooling gas flow flows into the cooling gas inlet of the cooling gas duct in the base area of the plasma torch. Such a construction allows the external cooling of the tube to be implemented in a particularly space-saving manner, especially when plasma torches with a corresponding base area are used, in which, for example, the gas of the first gas flow and / or the analyte is also passed into the tube (s) / become.
Zudem kann vorgesehen sein, dass der Kühlgasstrom im Bereich des Kühlungsabschnittes quer zu der Richtung des ersten Gasstromes strömt. Durch den Querstrom kann sich neben konstruktiv günstigen Effekten der Vorteil ergeben, dass sich das Kühlgas im Wege der Zuleitung nicht an der Plasmafackel erwärmen kann, sodass die Wärmeaufnahme im Bereich des Kühlungsabschnittes ideal ist. Auf diese Weise kann der erste Gasstrom zur Kühlung der Röhre von innen weiter reduziert werden.In addition, it can be provided that the cooling gas flow in the area of the cooling section flows transversely to the direction of the first gas flow. In addition to structurally favorable effects, the cross flow can have the advantage that the cooling gas cannot heat up at the plasma torch by way of the supply line, so that the heat absorption in the area of the cooling section is ideal. In this way, the first gas flow for cooling the tube can be further reduced from the inside.
Die Erfindung kann dadurch weitergebildet werden, dass die Kühlgasführung für das Kühlgas einen Strömungskanal um die Röhre ausbildet, der parallel zu dem ersten Gasstrom verläuft. Dies gestaltet sich insbesondere für die oben beschriebenen Plasmafackeln mit Sockelbereich oder ähnliche Konstruktionen vorteilhaft in Hinblick auf den benötigten Bauraum.The invention can be further developed in that the cooling gas duct for the cooling gas forms a flow channel around the tube which runs parallel to the first gas flow. This is particularly advantageous for the above-described plasma torches with a base area or similar constructions with regard to the installation space required.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Strömungskanal in Strömungsrichtung des ersten Gasstromes von dem lonisierungsbereich der Röhre bis zu dem Austrittsbereich der Röhre erstreckt. Auf diese Weise wird das stromabwärtige Ende der Röhre ebenfalls von dem Kühlgas umströmt, selbst, wenn die Kühlgasführung nicht unmittelbar um den Austrittsbereich der Röhre angeordnet ist.According to a further development of the invention it is provided that the flow channel extends in the flow direction of the first gas stream from the ionization area of the tube to the exit area of the tube. In this way, the cooling gas also flows around the downstream end of the tube, even if the cooling gas guide is not arranged directly around the outlet region of the tube.
Nach alledem kann vorgesehen sein, dass der Kühlgasstrom an einer Einhausung der Plasmafackel in den Kühlgaseintritt der Kühlgasführung strömt und an der Einhausung der Plasmafackel aus dem Kühlgasaustritt der Kühlgasführung strömt. Auf diese Weise wird das Kühlgas effizient zu dem Kühlungsabschnitt geleitet und die Wärme wird gleichermaßen rasch aus dem Bereich der Plasmafackel abtransportiert, was sich positiv auf die Kühlung und insbesondere positiv auf den Kühlbedarf der Röhre mittels des ersten Gasstroms auswirkt.After all of this, it can be provided that the cooling gas flow flows into the cooling gas inlet of the cooling gas duct at a housing of the plasma torch and flows out of the cooling gas outlet of the cooling gas duct at the housing of the plasma torch. In this way, the cooling gas is efficiently conducted to the cooling section and the heat is equally quickly transported away from the area of the plasma torch, which has a positive effect on the cooling and, in particular, on the cooling requirement of the tube by means of the first gas flow.
Schließlich kann die Erfindung dadurch ausgestaltet sein, dass ein Teil des Kühlgasstroms entlang einer Außenwandung der Einhausung geleitet wird, um die Außenwandung der Einhausung zu kühlen. So lässt sich eine Synergie zu einem ohnehin für die Kühlung der Einhausung vorhandenen Kühlgasstrom herstellen.Finally, the invention can be embodied in that part of the cooling gas flow is guided along an outer wall of the housing in order to cool the outer wall of the housing. In this way, a synergy can be created with a cooling gas flow that is already available for cooling the housing.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Spektrometer mit einer vorstehend beschriebenen Plasmaquelle.The invention also relates to a spectrometer with a plasma source as described above.
Das Spektrometer kann dadurch weitergebildet sein, dass das Spektrometer ein Massenspektrometer ist und die Plasmaquelle eine Plasmaquelle zur Erzeugung eines induktiv gekoppelten Plasmas ist.The spectrometer can be developed in that the spectrometer is a mass spectrometer and the plasma source is a plasma source for generating an inductively coupled plasma.
Aus einer alternativen Ausgestaltung ergibt sich, dass das Spektrometer ein Spektrometer für die optische Emissionsspektroskopie ist und die Plasmaquelle eine Plasmaquelle zur Erzeugung eines induktiv gekoppelten Plasmas ist.An alternative embodiment results in the spectrometer being a spectrometer for optical emission spectroscopy and the plasma source being a plasma source for generating an inductively coupled plasma.
Weitere Merkmale, Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung Ausführungsbeispielen basierend auf den Zeichnungen.Further features, details and advantages of the invention emerge from the wording of the claims and from the following description of exemplary embodiments based on the drawings.
In den Figuren zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung einer Plasmaquelle nach dem Stand der Technik; -
2 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmaquelle; -
3 : eine schematische Darstellung einer Variante der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmaquelle; -
4 : eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmaquelle; -
5 : eine schematische Darstellung des Austrittsbereichs gemäß der weiteren Ausführungsform der Plasmaquelle; und -
6 : eine schematische Schnittansicht einer Variante der weiteren Ausführungsform der Plasmaquelle.
-
1 : a schematic representation of a plasma source according to the prior art; -
2 : a schematic representation of a first embodiment of the plasma source according to the invention; -
3 : a schematic representation of a variant of the first embodiment of the plasma source according to the invention; -
4th : a schematic representation of a further embodiment of the plasma source according to the invention; -
5 : a schematic representation of the exit area according to the further embodiment of the plasma source; and -
6th : a schematic sectional view of a variant of the further embodiment of the plasma source.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden für die in den jeweiligen Figuren dargestellten Elemente, die ähnlich sind, gleiche Bezugszeichen verwendet, ungeachtet dessen, ob es sich um ein und dieselbe Ausführungsform oder Variante einer Ausführungsform handelt.In the following description of the figures, the same reference symbols are used for the elements shown in the respective figures that are similar, regardless of whether they are one and the same embodiment or a variant of an embodiment.
Der erste Gasstrom
Innerhalb der dritten Röhre
Die Plasmaquelle
In dieser Ausführungsform ist um die Plasmafackel
Die Plasmafackel
In dem Sockelbereich ist ebenfalls ein Kühlgaseintritt
Das Kühlgas tritt neben dem Austrittsbereich
Die Röhre
Oberhalb der Plasmafackel
Die Kühlgasführung
Um die Plasmafackel
Die Kühlgasführung
Die Erfindung ist nicht auf die oben angeführten Ausführungsformen beschränkt. Sie kann auf verschiedene Weisen modifiziert werden.The invention is not restricted to the above-mentioned embodiments. It can be modified in a number of ways.
Sämtliche Merkmale und Vorteile, die sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung ergeben, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl allein als auch in verschiedenen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein.All features and advantages that emerge from the claims, the description and the drawing, including structural details, spatial arrangements and method steps, can be essential for the invention both alone and in various combinations.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- PlasmaquellePlasma source
- 22
- PlasmafackelPlasma torch
- 33
- Raumroom
- 44th
- StrömungskanalFlow channel
- 55
- EinhausungEnclosure
- 66th
- Sockelbereich Base area
- 1010
- Röhretube
- 1111
- ZuleitungsbereichSupply area
- 1212th
- lonisierungsbereichionization area
- 1313th
- AustrittsbereichExit area
- 1414th
- KühlungsabschnittCooling section
- 1515th
- erster Gasstrom first gas stream
- 2020th
- zweite Röhre second tube
- 3030th
- dritte Röhrethird tube
- 3131
- Analyt Analyte
- 4040
- Spule Kitchen sink
- 5050
- Plasma plasma
- 6060
- KühlgasführungCooling gas supply
- 6161
- KühlgasstromCooling gas flow
- 6262
- KühlgaseintrittCooling gas inlet
- 6363
- Kühlgasaustritt Cooling gas outlet
- 7070
- konusförmige Schnittstelleconical interface
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2018/0332697 A1 [0004]US 2018/0332697 A1 [0004]
- US 5066125 [0006]US 5066125 [0006]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |