KR20080094655A - 플라즈마 발생 유도 장치 - Google Patents

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Abstract

토치에서 플라즈마를 유지하는 장치가 제공된다. 특정 실시예에서, 장치는 전원에 연결되도록 구성되고, 상기 토치의 방사면을 따라 루프 전류를 제공하도록 구성되고 배열된 제 1 전극을 포함한다. 임의의 실시예에서, 상기 토치의 방사면은 상기 토치의 종축에 실질적으로 수직이다.
플라즈마 발생 장치, 전극, 접지 플레이트, 토치

Description

플라즈마 발생 유도 장치{INDUCTION DEVICE FOR GENERATING A PLASMA}
본 발명은 플라즈마를 발생시키는데 사용되는 장치 및 방법과, 이러한 장치에 의해 발생된 플라즈마로 도입된 샘플을 분석하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
많은 유도 결합 플라즈마 광방출 분광계(ICP-OES) 시스템, 유도 결합 플라즈마 원자 흡수 분광계(ICP-AAS) 시스템, 및 유도 결합 플라즈마 질량 분광계(ICP-MS) 시스템은 플라즈마를 형성하는 RF 전자 회로의 수용 솔레노이드를 이용한다. 그러나, 전자장에 의해 발생된 유도 전류는 불안정하게 되고, 솔레노이드의 나선형 구조 때문에 솔레노이드 내부의 길이가 동일하지 않다. 이러한 비동일성은 플라즈마에서의 샘플 여기 및 이온 탄도에 영향을 끼칠 수 있는 플라즈마 내의 다양한 온도 분포를 야기한다. 게다가, 솔레노이드는 전자장 및 플라즈마/샘플 여기에 의해 형성되는 유도 결합 전류를 제어하는데 있어서 유연성이 부족한 단일 구성 요소이다.
제 1 실시형태에 있어서, 플라즈마를 발생시키는데 이용되는 장치가 제공된다. 특정 실시예에서, 토치의 작동 시에 가스류가 도입되는 종축 및 상기 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 갖는 토치에서 플라즈마를 발생시키는 장치가 개시된다. 특정 실시예에서, 장치는 전원에 결합되도록 구성되며, 토치의 방사면을 따라 루프 전류를 제공하도록 구성되고 배열되는 제 1 전극을 포함한다. 특정 실시예에서, 장치는 전원에 결합되도록 구성되며, 토치의 방사면을 따라 루프 전류를 제공하도록 구성되고 배열되는 제 2 전극을 더 포함한다. 임의의 실시예에서, 각각의 제 1 및 제 2 전극은 대칭적인 내단면 예를 들면, 원형 내단면을 포함하는 플레이트를 포함한다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 스페이서가 제 1 및 제 2 전극을 분리시킨다. 다른 실시예에서는, 제 1 전극은 본 명세서에서 기술하는 바와 같이 토치에서 대칭적인 플라즈마 또는 실질적으로 대칭적인 플라즈마를 유지하도록 형성된다. 특정 실시예에서, 제 1 전극, 제 2 전극 또는 둘 다는 RF 전력을 하나 이상의 전극에 제공하도록 형성되는 무선 주파수원과 함께 전기적으로 통신할 수 있다. 임의의 실시예에서, 제 1 전극 및 제 2 전극 각각은 자체 무선 주파수원을 가진다. 특정 실시예에서, 제 1 전극, 제 2 전극 또는 둘 다는 접지 플레이트와 전기적으로 통신한다. 장치는 유도 결합 플라즈마 광방출 분광계, 유도 결합 플라즈마 원자 흡수 분광계, 유도 결합 플라즈마 질량 분광계, 또는 다른 적절한 기기에서 이용되도록 형성된다.
다른 실시형태에 있어서, 토치의 작동 시에 가스류가 도입되는 종축 및 상기 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 갖는 토치에서 플라즈마를 발생시키는 장치가 개시된다. 특정 실시예에서, 장치는 토치의 방사면을 따라 루프 전류를 제공하는 매체를 포함한다. 임의의 실시예에서, 매체는 전극 또는 토치의 방사면을 따라 무선 주파수 전류를 제공할 수 있는 동등한 구조일 수 있다. 특정 실시예에서, 매체는 본 명세서에서 기술하는 바와 같이, 플레이트 전극일 수 있다.
부가적인 실시형태에 있어서, 종축을 가지고 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 갖는 토치 내에 플라즈마를 유지하는 방법이 제공된다. 특정 실시예에서, 방법은 토치의 종축을 따라 가스의 유동을 제공하고, 토치 내에 가스류를 점화하며, 토치 내에 플라즈마를 유지하도록 방사면을 따라 루프 전류를 제공하는 것을 포함한다. 임의의 실시예에서, 방법은 실질적으로 대칭적인 플라즈마를 형성하는 것을 더 포함한다.
다른 실시형태에 있어서, 실질적으로 대칭적인 플라즈마가 개시된다. 특정 실시예에서, 실질적으로 대칭적인 플라즈마는 토치 내의 가스류의 점화 및 실질적으로 대칭적인 플라즈마를 유지하도록 토치의 종축에 실제로 수직인 방사면을 따라 루프 전류를 제공함으로써 형성된다.
추가적인 실시형태 및 실시예는 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 구현될 수 있으며, 특정 실시형태 및 실시예는 이후에 상세하게 기술된다.
특정 실시예는 이후에 첨부된 도면을 참조하여 기술된다.
도 1은 특정 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 광방출 분광계의 개략적인 다이어그램이며,
도 2는 특정 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 질량 분광계의 개략적인 다이러그램이며,
도 3은 특정 실시예에 따른 ICP 토치 및 플라즈마의 다이어그램이며,
도 4는 특정 실시예에 따른 ICP 토치와 플라즈마 두 전극의 측면도이며,
도 5는 특정 실시예에 따른 구멍을 포함하는 전극인 플라즈마를 유지하는 제 1 전극의 전면도이며,
도 6은 특정 실시예에 따른, 구멍을 포함하는 전극인 플라즈마를 유지하는 제 2 전극의 전면도이며.
도 7은 특정 실시예에 따른 도 6의 전극의 측면도이며,
도 8은 특정 실시예에 따른 하나의 전극의 투시도이며,
도 9는 특정 실시예에 따른 도 8의 전극의 전면도이며,
도 10은 특정 실시예에 따른 도 8의 전극의 측면도이며,
도 11은 특정 실시예에 따른 도 8의 전극의 평면도이며,
도 12는 특정 실시예에 따른 루프 전류로부터 발생되는 전자장의 투시도이며,
도 13은 특정 실시예에 따른 솔레노이드의 나선형 특성을 나타내는 ICP 토치의 다이어그램이며,
도 14는 특정 실시예에 따른 유동적인 교류 전류의 교차적인 반 사이클 동안 단일 RF 전원에 의해 구동되는 복수의 루프 전류의 다이어그램이며,
도 15A 및 15B는 특정 실시예에 따른 루프 전류를 발생시키도록 형성되는 토치 및 유도 장치를 도시하며,
도 16A 및 16B는 특정 실시예에 따른 유도 장치를 도시하며,
도 16C 및 16D는 특정 실시예에 따른 유도 장치를 도시하며,
도 17은 특정 실시예에 따른 유도 장치의 횡단면도이며,
도 18은 특정 실시예에 따른 도 17의 유도 장치의 수직 단면도이며,
도 19는 특정 실시예에 따른 용접 유리의 조각을 통해 보이는 도 17 및 도 18의 유도 장치를 이용하여 발생되는 플라즈마를 도시하며,
도 20은 특정 실시예에 따른 도 17 및 도 18의 유도 장치를 이용하여 발생되는 플라즈마를 도시하며,
도 21은 특정 실시예에 따른 플레이트 전극과 함께 유도 장치를 이용하여 발생되는 대칭적인 플라즈마의 실시예를 도시하며,
도 22는 특정 실시예에 따른 플레이트 전극과 함께 유도 장치의 수직 단면 및 표준 나선형 로드 코일의 수직 단면을 도시하며,
도 23은 특정 실시예에 따른 도 22의 플레이트 전극과 함께 유도 장치의 횡단면 및 도 22의 표준 나선형 로드 코일의 수직 단면을 도시하며,
도 24는 특정 실시예에 따른 3 턴 유도 장치를 도시하며,
도 25는 특정 실시예에 따른 잡음 및 다양한 금속 종을 위한 표준 나선형 로드 코일의 기능을 도시하는 그래프이며,
도 26은 특정 실시예에 따른 잡음 및 다양한 금속 종을 위한 표준 나선형 로드 코일을 기능을 이용하여 정규화된 1S4T 유도 장치(1 스페이서,4 턴)의 기능을 도시하는 그래프이며,
도 27은 특정 실시예에 따른 잡음 및 다양한 금속 종을 위한 표준 나선형 로 드 코일을 기능을 이용하여 정규화된 1-2S4T 유도 장치(2 스페이서,4 턴)의 기능을 도시하는 그래프이며,
도 28은 특정 실시예에 따른 산화물 및 로듐 샘들을 위한 다양한 유도 장치의 기능을 비교하는 그래프이며,
도 29는 특정 실시예에 따른 다양한 유도 장치로부터의 로듐 신호를 비교하는 그래프이며,
도 30은 특정 실시예에 따른 마그네슘 샘플을 위한 다양한 로드 코일의 기능을 비교하는 그래프이며,
도 31은 특정 실시예에 따른 다양한 로드 코일의 고질량 기능을 비교하는 그래프이다.
반드시 비례적일 필요없이 도면에 도시된 예시적인 유도 장치 및 다른 장치들은 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 구현될 수 있다. 유도 장치의 특정 특징이나 크기, 토치 등과 같은 것들은 본 명세서에 개시된 양상 및 예시들의 더 나은 이해를 위해 다른 특징들에 비례하여 확장, 감소, 및 왜곡이 가능하다.
특정 실시예들은 본 명세서에 개시된 다양한 응용들의 일부와 유도 장치 기술의 이용을 예시하기 위해 이후에 기술된다. 이러한 그리고 다른 이용들은 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 손쉽게 선택된다. 숫자와 같이 문맥으로부터 명확하게 알 수 없는 부분은 다른 도면의 유사한 구조를 참조하 여 알 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 대칭적인 또는 실질적으로 대칭적인 플라즈마를 발생시키는 장치가 개시된다. 본 명세서에서 사용되는 것처럼 "대칭적인 플라즈마"는 선택된 방사면을 위해 플라즈마의 중앙에서부터 방사상적으로 확장하면서 대칭적인 기온의 연직 구조를 가지는 플라즈마를 언급한다. 예를 들면, 플라즈마 방사의 일부는 방사의 일부와 결합되는 토러스(torus) 방전 형상의 라이프 세이버(life-saver)를 가질 수 있다. 임의의 주어진 토러스 중앙으로부터의 방사선에서, 기온은 임의로 주어진 방사선 중앙의 주변의 측정각을 위해 일정하다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "실질적으로 대칭적인 플라즈마"는 선택된 방사면을 위해 플라즈마의 중앙에서부터 방사상적으로 확장하면서 대칭적인 기온의 연직 구조를 가지는 플라즈마를 언급하지만, 기온 연직 구조는 토러스 방전의 중앙으로부터의 임의로 주어진 방사선이 약 5% 정도로 변화할 수 있다. 대칭적인 플라즈마 또는 실질적으로 대칭적인 플라즈마의 이용은 토치에 보다 적은 탄소 및 보다 적은 토치 유지, 축 방향에 실질적으로 평행인 즉, 토치의 종축에 실제로 평행인 이온 탄도와 같은 이점들을 제공할 수 있지만 이에 한정되지 않으며, 더욱 효과적인 샘플들을 플라즈마의 중앙으로 운송하며, 냉각 가스의 양을 줄이거나 냉각 가스를 전혀 사용하지 않도록 할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "실질적으로 수직"은 약 5 등급내로 수직인 것을 언급한다. 토치의 종축에 수직인 다수의 방사면을 포함하는 토치, 및 방사면을 따른 루프 전류가 토치의 종축에 따른 임의의 특정한 위치에서의 루프 전류의 위치를 암시하거나 제시하는 것이 아니라는 것에 대한 본 명세서에서의 언급은 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 인지될 수 있다.
도 1을 참조하여, 예시적인 유도 결합 플라즈마 광방출 분광계(ICP-OES)(100)의 개략적인 다이어그램이 도시된다. 특정 실시예에서, ICP-OES(100)는 일반적으로 운반 가스(102)가 열플라즈마(116)(예를 들면, 5,000-10,000K 또는 그 이상)를 형성하기 위해 운반 가스(102)가 이온화되는 토치(114)로 운반 가스(102)를 이끄는 시스템을 포함한다. 임의의 실시예에서, 플라즈마(116)는 예열대(190), 유도 지역(192), 초기 방사 지역(194), 분석 지역(196), 및 플라즈마 후단(198)(도 3 참조)을 포함한다. 원자화된 샘플(104)은 펌프(106), 네뷸라이저(108), 및 스프레이 챔버(162)를 통해 플라즈마(116)로 이끌려질 수 있다. 도 1에 도시된 예시적인 구성에서, RF 전원(110)은 유도 장치(112)를 이용하여 RF 전력을 플라즈마(116)에 제공한다. 플라즈마(116)에서, 여기된 샘플 원자(104)는 더 낮은 상태로 여기된 원자가 붕괴되도록 광(134)을 방출할 수 있다. 방출된 광(134)은 집광부(118)에 의해 모아지고 스펙트럼으로 분해된 분광계(120)로 이끌릴 수 있다. 검출부(122)는 스펙트럼으로 분해된 광(134)을 검출하고, 분석을 위해 마이크로 프로세서(122) 및 컴퓨터 네트워크(124)에 신호(138, 140)를 제공하는데 영향을 끼칠 수 있다. 종(the species)이 광을 방출하지 않는 실시예에서, 유도 결합 원자 흡수 분광계는 광을 원자화된 종에 제공하고, 검출부는 원자화된 종에 의한 광흡수를 검출하기 위해 이용될 수 있다. 실례가 되는 원자 흡수 분광계는 PerkinElmer 사로부터 이용될 수 있으며, 예시적인 원자 흡수 분광계는 예를 들면, 통상 "그들을 이용하는 플라 즈마 및 장치" 라는 제목의 미국 소유의 임시 번호 60/661,095에 기술되어 있으며, 2005년 3월 11일에 제출되어, 명세서 전문은 모든 목적을 위해 참조됨으로써 구체화된다.
도 1에서, 플라즈마(116)는 플라즈마(116)의 종축에 직각 방향으로부터 보여지는 즉, 방사상으로 보여지거나 방사상축을 따라 보여지는 것을 도시한다. 그러나, 플라즈마(116)의 종축(126)을 따른 방향 즉, 축 방향으로 보여지는 플라즈마(116)의 보여짐 또한 수행될 수 있는 것으로 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 이해된다. 축 방향에서의 광방출 검출은 상당한 신호 대 잡음 이점을 제공할 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 유도 결합 플라즈마 질량 분광계(ICP-MS)(100)의 사중극자 질량 분석기와 같은 질량 분광계(MS)(180)와 함께 유도 결합 플라즈마가 사용될 수 있는 것으로 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에게 이해될 수 있다. RF 전원(110)은 일반적으로 약 1MHz ~ 약 500MHz의 범위 내에서, 특히 20MHz ~ 50MHz 예를 들면, 27MHz ~ 40MHz 범위에서 작동하고, 약 100Watts ~ 약 10kiloWatts 출력의 전자장을 발생시키도록 전극에 공급된다. 실례가 되는 질량 분광계는 PerkinElmer 사로부터 상업적으로 이용가능 하고, 예시적인 질량 분광계는 예를 들면, 통상 "그들을 이용하는 플라즈마 및 장치" 라는 제목의 미국 소유의 임시 번호 60/661,095에 기술되어 있으며, 2005년 3월 11일에 제출되었다.
도 3은 도 1 및 도 2의 플라즈마(116)의 좀 더 상세한 개략도를 도시한다. 토치(114)는 세 개의 동심튜브(114, 150, 및 148)를 포함한다. 가장 안쪽 튜브(148)는 샘플의 원자화된 유동(146)을 플라즈마(116) 내에 제공한다. 중간 튜브(150)는 플라즈마(116)에 보조 가스류(144)를 제공한다. 가장 바깥쪽의 튜브(114)는 플라즈마를 유지하도록 운반 가스류(128)를 제공한다. 운반 가스(128)는 중간 튜브(150)에 대한 레머너 유동의 플라즈마(116) 쪽으로 이끌릴 수 있다. 보조 가스류(144)는 중간 튜브(150) 내의 플라즈마(116) 쪽으로 이끌릴 수 있고, 원자화된 샘플 유동(146)은 가장 안쪽 튜브(148)을 따라 스프레이 챔버(162)로부터 플라즈마(116) 쪽으로 이끌릴 수 있다. 로드 코일(112)의 RF 전류(130, 132)는 거기에 플라즈마(116)를 한정하기 위해 로드 코일(112) 내에 전자장을 형성할 수 있다.
도 1 내지 도 3 및 본 명세서에 기술된 다른 도면에 도시된 플라즈마는 다수의 상이한 전극 구성을 이용하여 발생할 수 있다. 도 4 내지 도 11은 다양한 전극(152, 156, 및 158)의 구성을 도시한다. 도 4에서 전극(152)은 서로로부터 'L' 만큼 이격되어 배치된 두 개의 실질적으로 평행인 플레이트(152a, 152b)를 포함한다. 특정 예에서, 실질적으로 평행인 플레이트는 약 20mm ~ 약 200mm 범위 예를 들면, 약 40mm의 넓이, 및 약 30mm ~ 약 90mm 범위 예를 들면, 약 70mm의 길이를 가진다. 각각의 평행 플레이트(152a, 152b)는 토치(114), 가장 안쪽 튜브(148), 중간 튜브(150), 및 구멍(154)이 축(126)을 따라 정렬되어 있는 곳에 배치되어 있는 토치(114)를 통하는 구멍(154)을 포함한다. 구멍의 정확한 넓이 및 모양은 변할 수 있으며, 토치를 수용할 수 있는 임의의 적절한 넓이 및 모양일 수 있다. 예를 들면, 구멍은 약 10mm ~ 약 60 mm의 지름을 가지는 원형일 수도 있고, 약 20mm ~ 약 100mm의 길이 및 약 20mm ~ 약 60mm의 넓이를 가지는 직사각형 및 정사각형일 수 있으며, 삼각형, 타원형, 알모양 또는 다른 적당한 형상일 수 있다. 작은 지름의 토치가 "저수류" 토치로서 이용된다면 구멍의 지름이 토치에 순응하도록 비례적으로 줄어들 수 있다. 특정 실시예에서, 구멍은 토치보다 약 0%에서 50% 또는 전형적으로 약 3%정도 더 크고, 반면에 다른 실시예에서 토치는 임의의 물질의 조직상의 문제없이 토치의 일부가 플레이트의 표면에 접촉하는 것과 같이 플레이트에 접촉할 수 있다. 실질적으로 평행인 플레이트(152a, 152b)는 't' 만큼의 두께를 가진다. 임의의 실시예에서, 각각의 플레이트(152a, 152b)는 동일한 두께를 가지는 반면에 다른 실시예에서 플레이트(152a, 152b)는 상이한 두께를 가질 수 있다. 특정 실시예에서, 플레이트의 두께는 약 0.025mm(절연체 상에 금속화된 플레이트와 같이 예를 들면, 세라믹 기판상에 구리, 니켈, 은 또는 금으로 된 플레이트)에서 약 20 mm, 더욱 구체적으로 약 0.5mm ~ 약 5mm 또는 이러한 예시적인 범위 안에서의 임의의 특정 두께이다. 전극(152)의 구멍(154)은 그것의 주변과 통신하는 'w' 폭의 슬랏(164)을 또한 포함한다. 슬랏의 폭은 약 0.5mm ~ 약 20mm까지, 더욱 구체적으로 약 1mm ~ 약 3mm까지 예를 들면, 약 1mm ~ 약 2mm로 변경될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 전극은 동일한 또는 상이한 물질로 제조될 수 있다. 특정 실시예에서 전극은 예를 들면, 알루미늄, 금, 구리, 황동, 강철, 스테인레스 강철, 전도성 세라믹 및 그들의 혼합 및 합금과 같은 전도성 물질로 제조된다. 다른 실시예에서, 전극은 하나 이상의 전도성 물질을 도금하거나 코팅한 비전도성 물질로 제조된다. 임의의 실시예에서, 전극은 플라즈마를 발생시키기 위해 요구되는 고순환 전류에 노출될 때 고온을 견딜 수 있고, 용해되지 않는 물질로 제조된다. 전극을 제조하는 이러한 물질 및 다른 적절한 물질들은 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여, 전극(152)은 도 12에 도시된 바와 같이 전선이 있을지라도, 일반적으로 평면 정사각형 또는 직사각형의 형상으로 제조될 수 있다. 특정 실시예에서, 평면 전극으로부터 공급되는 RF 전류는 구멍(154)을 통해 도넛형의 전자장을 발생시키는 평면 루프 전류(172)를 생성하는 평면 전극에 공급된다(도 12 참조). 평면 루프 전류는 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면에 실질적으로 평행이다. 도넛형 전자장은 도 3에 도시된 토치(114)와 같은 토치 내에 플라즈마를 발생시키고 유지하는데 영향을 미칠 수 있다. 통상적인 플라즈마에서, 아르곤 가스는 분당 약 15 내지 20 리터의 유속으로 토치 내에 유입될 수 있다. 플라즈마는 아르곤 가스를 점화하는 스파크 또는 아크를 이용하여 발생할 수 있다. 도넛형의 전자장은 플라즈마를 형성하도록 약 5,000K ~ 10,000K 또는 그 이상으로 과열되도록 아르곤 원자 및 이온을 충돌시킨다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 전극(156)은 외지름 D1 및 내 구멍 지름 D2를 가지는 원형 일 수 있다. 임의의 실시예에서, 외지름의 범위는 약 10 mm ~ 약 20 cm, 더욱 구체적으로 약 25 mm ~ 약 10 cm 예를 들면, 약 30 mm ~ 약 50 mm이고, 내지름의 범위는 약 10 mm ~ 약 15 cm, 더욱 구체적으로 약 5 mm ~ 약 5 cm 예를 들면, 약 20 mm ~ 약 24 mm이다. 특정 실시예에서, 도 4 내지 도 7의 전극(152, 156)은 RF 전기 전류(172)와 독립적으로 공급되며, 통상적으로 반대 극성을 가지는(동작을 위해 반대 극성이 요구되지 않더라도) 개별적인 요소이다. 다른 실시예에서, 도 4 내지 도 7의 전극(152, 156)은 전기적으로 통신하고 전자장을 발생시키기 위해 원하는 극성을 제공하기에 적절하도록 각각 설계될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 전극(152)의 제 1 부분(176)은 전극(152)의 제 2 부분(178)이 접지(174)되면서 RF 전력과 함께 공급된다. 임의의 실시예에서, 전극이 기계 섀시(chassis)에 접지되는 반면에, 다른 실시예에서 전극은 자체가 적절한 방법으로 접지되는 접지 플레이트에 탑재되거나 접지될 수 있다. 플라즈마(116)의 아크가 점화하는 동안, 아크 점화가 전극(152)에 접촉되면, 전극(152)에 설정된 원하지 않는 전자 전류가 RF 전력 공급원(110)을 통하지 않고 접지점(174)으로 향할 수 있다. 각각의 전극(152)에 공급되는 RF 전력 및 주파수는 독립적으로 제어할 수 있으며, 최적의 기능 수행을 위해 변경될 수 있다. 예를 들면, 각 전극(152)은 플라즈마 방출 및 여기를 최적화하기 위해 상이한 주파수에서 작동될 수 있다. 게다가, 다른 전극이 변조되는 되면서(예를 들면, 펄스되거나 게이트됨) 연속적인 전력 모드에서 나머지 전극(또는, 전극 둘 다)이 작동될 수 있다. 특정 실시예에서, 전극(152) 사이의 거리 'L'은 전극(152)이 서로 연결되어 있지 않기 때문에 조절가능하며, 이는 플라즈마(116) 내의 전력 분포가 조절될 수 있도록 한다. 더구나, 구멍(154)의 지름 D2는 RF 전력 공급원(110) 및 플라즈마(116) 간의 결합 특성을 조절하도록 독립적으로 조절될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 전극 간의 거리를 제어하도록 스페이서는 전극의 특정 부분에 배치될 수 있다. 특정 실시예에서, 스페이서는 전극을 제조하는데 이용 된 동일한 물질을 이용하여 제조된다. 임의의 실시예에서, 상이한 온도에서 전극이 확장하고 수축함에 따라 동일한 비율로 스페이서도 확장하고 수축하도록 스페이서는 전극 물질과 실질적으로 동일한 열팽창 계수를 갖는 물질로 제조된다. 임의의 실시예에서, 스페이서는 스테인레스 강철 세척기, 브레쉬(brash) 세척기, 구리 세척기 또는 다른 적절한 전도성 물질로 제조된 세척기이다. 특정 실시예에서, 스페이서는 전극에 연결되는 볼트 또는 너트를 수용하기에 적절한 크기이다. 하나 이상의 스페이서를 이용하면서, 전극 간의 거리는 용이하게 감소 및/또는 변경될 수 있다. 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자는 본 발명에 개시된 전극에 이용되는 스페이서의 적절한 물질 및 형상을 선택할 수 있다.
도 8 내지 도 11을 참조하여, 유도 장치(158)는 공통 전기 접지(170)에 연결되어 있는 두 개의 전극(166, 168)을 포함하는 것으로 도시된다. 유도 코일(158)은 서로 전기적으로 통신하는 전극(166, 168)과 함께 나선형 코일로 형성될 수 있다. RF 전류(172)가 유도 장치(158)에 공급되면, 루프 전류(172a)가 발생하여, 도넛형 전자장을 형성한다. 루프 전류(172a)는 전극(166, 168)의 평면 표면에 실질적으로 평행이며, 토치의 종축에 실질적으로 수직일 수 있다. 유도 코일(158)은 원하지 않는 아킹을 방지하기 위해 공통 전지 접지(170)에 접지될 수 있으며(도 10 참조), 이는 전극(166, 168)을 용해할 수 있다. 특정 실시예에서, 전극(166, 168)은 서로 거리 'L'만큼 이격되어 있다(도 8 및 도10 참조). 전극(166, 168) 간의 정확한 거리는 변경될 수 있으며, 예시적인 거리는 약 1mm ~ 약 5cm, 더욱 구체적으로 약 2mm ~ 약 2cm, 예를 들면, 약 5mm ~ 약 15mm의 범위를 포함하며, 이에 한정되지 않 는다. 특정 실시예에서, 전극(166, 168)은 탑재 표면에 실질적으로 수직으로 배열된다. 다른 실시예에서, 토치의 축면 및 전극의 방사면이 실질적으로 수직이 되도록 하는 각으로 전극(166, 168)은 경사가 질 수 있다. 임의의 실시예에서, 각 전극(166, 168)은 동일한 방향으로 경사지는 반면에 다른 실시예에서 전극(166, 168)은 반대방향으로 경사질 수 있다. 본 발명에 개시된 예시적인 유도 장치의 전극을 위한 적절한 구성 및 각도가 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 선택될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 토치를 감싸고 있는 유도 장치의 예시적인 구성이 도 13에 도시되어 있다. 유도 장치(112)는 동심 유도체관(114, 150 및 148)에 의해 둘러싸여 있을 수 있다. 운반 가스의 유동(128)은 유도 장치(112)를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 가스를 제공하도록 토치 내로 유입될 수 있다. 보조 가스의 유동(144)은 연료 분사 장치(148)에 대응하는 플라즈마 위치를 제어하는 가스를 제공하도록 동심 튜브(150)로 유입될 수 있다. 샘플 유동(146)은 유도 장치(112)에 의해 발생되는 플라즈마 내로 분사되는 분무기관(148)으로 유입될 수 있다. 다양한 가스 종의 정확한 유속은 변경될 수 있다. 예를 들면, 운반 가스는 전형적으로 약 10 L/min ~ 약 20 L/min, 예를 들면, 약 15-16 L/min의 유속으로 유입된다. 보조 가스는 전형적으로 약 0 L/min ~ 약 2 L/min의 유속으로 유입된다. 샘플은 샘플의 비용매화 및/또는 원자화를 제공하도록 적절한 유속으로 유입될 수 있다. 임의의 실시예에서, 샘플은 약 0.1 L/min ~ 약 2 L /min의 유속으로 유입된다. 운반 가스, 보조 가스 및 샘플의 추가적인 유속은 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야 의 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있다.
도 14를 참조하여, 복수의 루프 전류(184a, 184b)는 단일 RF 전기 전류원(110)으로부터 발생하여 도시된다. 설명의 명확성을 위해, 전극은 도 14로부터 생략된다. 루프 전류(184a, 184b)는 반대 극성을 가지는 전류를 나란한 전극에 적용함으로써 발생한다. 루프 전류(184a, 184b)는 유동적인 교류 전류의 교차적인 반 사이클 동안 제 2 루프 전류(184b)에서의 교류 전기 전류(172b)와 동일한 방향으로 제 1 루프 전류(184a)의 교류 전기 전류(172a)가 흐르는 것과 같은 소정의 방법으로 서로에 대하여 방향이 결정될 수 있다. 이러한 구성은 복수의 루프 전류(184a, 184b)가 동일한 공간적 방향을 갖는 전자장(182a, 182b)을 발생시키기 위하여 단일 전원(110)으로부터 구동된다. 이러한 예시는 도 17 및 도 18에 도시될 수 있으며, 여기서 대각선으로 나란한 각 코일(1002, 1004)의 다리가 하위 부분에 직접 위치하고 있는 단일 RF원으부터 구동되며, 대각선으로 나란히 잔존하는 두 다리 또한 접지되어 있는 플레이트(1006)에 공통적으로 연결된다. 루프 전류(184a, 184b)의 면은 또한 토치의 종축(126)에 실질적으로 수직이며, 토치의 방사면에 실질적으로 평행하다. 특정 실시예에서, 장치는 대칭적이거나 실질적으로 대칭적인 플라즈마를 유지하는 전자장을 발생시키기 위해 구성되고 배열된 두 개 이상의 전극을 포함한다. 특정 예시적인 전극들은 도 1 내지 도 14를 참조하여 상술되었고, 이후에 다른 예시적인 전극들이 설명된다.
특정 실시예에 있어서, 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 따라 제 1 루프 전류를 제공하도록 구성되고 배열된 제 1 전극을 포함하는 플라즈마를 발생 시키는 장치가 개시된다. 도 15A 및 도 15B를 참조하여, 장치(400)는 토치(410)를 수신하는 슬랏(404) 및 구멍(406)을 가지는 전극(402)을 포함한다. 전극(420)은 실질적으로 대칭적인 원형 내단면을 가진다. 특정 실시예에서, 내단면의 지름은 약 10mm ~ 약 60mm, 더욱 구체적으로 약 20mm ~ 약 30mm, 예를 들면, 약 20mm ~ 약 23mm이다. 임의의 실시예에서 내단면의 지름은 전극(402) 내부의 일부로부터 토치(410)의 외표면이 약 1mm 정도 이격되도록 선택된다. 전극(402)은 토치(410)의 종축(도 15B의 점선)에 실질적으로 수직이 되도록 배치된다. 전극(402)의 슬랏(404)은 전극(402)에 제공된 전류가 도 15B에 도시된 루프 전류(412)와 같이 루프를 형성하도록 구성될 수 있다. 임의의 실시예에서, 루프 전류(412)는 토치(410)의 종축에 실질적으로 수직이며 예를 들면, 루프 전류의 면이 토치(410)의 종축에 실질적으로 수직이다. 실질적으로 수직인 루프 전류의 이용은 선택된 방사면을 위하여 나선형 로드 코일을 이용하여 발생되는 플라즈마보다 훨씬 더 대칭적인 온도 분포를 갖는 플라즈마를 발생 및/또는 유지할 수 있다. 특정 실시예에서, 대칭적인 플라즈마 또는 실질적으로 대칭적인 플라즈마는 토치(410)의 종축에 실질적으로 수직으로 배치된 전극(402)과 같은 전극을 이용하여 유지된다. 특정 실시예에서, 선택된 전극의 전체적인 형상은 변경될 수 있다. 예시 및 도 15A에 도시된 바와 같이, 전극(402)은 전체적으로 직사각형 형상으로 구성되어 있다. 그러나, 원형, 삼각형, 환형, 타원형, 도넛형과 같은 다른 소정의 형상 또한 이용될 수 있다. 제 1 전극은 본 명세서에 설명된 바와 같이 접지 플레이트에 탑재될 수 있다.
특정 실시예에서, 도 15A의 전극(402)과 유사한 제 2 전극 또한 토치(410)의 종축에 실질적으로 수직인 방사면에 평행하게 구성되거나 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 제 2 루프 전류의 면은 제 1 루프 전류의 면에 실질적으로 평행일 수 있다. 임의의 실시예에서, 제 1 및 제 2 루프 전류는 동일한 방향으로 흐를 수 있는 반면에, 다른 실시예에서 제 1 및 제 2 루프 전류는 반대 방향으로 흐를 수 있다. 하나 이상의 전극이 이용된 실시예에서, 도 15A에 도시된 RF원과 같은 단일 RF원은 각각의 제 1 및 제 2 전극에 RF 전력을 제공할 수 있거나 개별적인 RF원은 RF 전력을 제 1 및 제 2 전극에 제공할 수 있다. 임의의 실시예에서, 스페이서는 제 1 및 제 2 전극을 분리시키기 위해 이용된다. 단일 RF원이 제 1 및 제 2 전극에 RF 전력을 제공하도록 이용되고 스페이서가 이용된 실시예에서, 스페이서는 구리, 황동, 금과 같은 전도성 물질로 제조될 수 있다. 개별적인 RF원이 제 1 및 제 2 전극에 RF 전력을 제공하도록 이용되고 스페이서가 이용된 실시예에서, 스페이서는 제 1 전극으로부터 제 2 전극으로 전류가 흐르는 것을 방지하도록 유리, 플라스틱 등과 같은 비전도성 물질로 제조될 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 제 1 전극, 제 2 전극 또는 둘 다는 접지 플레이트에 접지될 수 있다. 예를 들면, 도 16A 및 도 16B을 현재 참조하여, 유도 장치(500)는 접지 플레이트(506)에 각각 탑재된 제 1 전극(502) 및 제 2 전극을 포함할 수 있다. 도 16A 및 도 16B에 도시된 실시예에서, 전극(502, 504)은 각각 지원대(503, 505)를 이용하여 접지 플레이트(506)에 탑재될 수 있다. 특정 실시예에서, 대각선으로 나란한 각 전극(502, 504)의 다리는 하위 부분에 직접 위치하는 단일 RF원으로부터 구동될 수 있으며, 잔존하는 대각선으로 나란한 두 개의 다리 또한 접지 플 레이트(506)에 공통적으로 연결되어 있으며, 모든 컴포넌트는 전형적으로 503 및 505로 식별되는 4개의 동일한 마운트를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 지원대(503, 505)는 플라즈마의 아크가 점화하는 동안, 아크 점화가 전극(502, 504)에 접촉되면 전극(502, 504)에 설정된 임의의 원하지 않는 전자 전류가 전극(502, 504)과 전기적으로 통신하는 RF 전력 공급원(도시되지 않음)을 통하지 않고 접지 플레이트(506)로 향하는 전극(502, 504) 및 접지 플레이트(506) 간에 전기적인 통신을 제공한다. 접지 플레이트(506)와 함께 전극(502, 504)의 사용은 나선형 로드 코일을 이용하여 발생되는 플라즈마 보다 좀 더 대칭적인 플라즈마를 제공할 수 있으며, 이는 특정 종의 검출 한계를 개선할 할 수 있다(본 명세서의 실시예에서 좀 더 구체적으로 설명한 바와 같이). 예를 들면, 실존하는 나선형 로드 코일을 이용하는 것은 비균질 플라즈마 방전을 일으키는 나선형 로드 코일을 따르는 플라즈마의 경향 때문에 온도가 감소되고, 비용해 및 원자화에서 비효율적인 플라즈마 영역이 존재할 수 있다. 본 명세서에서 개시된 유도 장치의 예시를 이용하면서, 좀 더 대칭적인 온도 분포를 가지는 플라즈마는 선택된 방사면을 위하여 발생하여, 훨씬 더 평등한 비용해 및 원자화를 제공할 수 있으며, 이는 유기체가 이용될 때, 개선된 기능, 연장된 토치 수명 및 더 적은 탄소가 형성되도록 한다.
특정 실시예에서, 본 명세서에서 개시된 유도 장치는 종래의 나선형 로드 코일보다 훨씬 더 적은 출력으로 작동될 수 있다. 예를 들면, 약 800Watts ~ 약 1250Watts, 예를 들면, 약 900Watts ~ 약 1050Watts 출력이 예를 들면 화학 분석용 기구용으로 적절한 플라즈마를 유지하기 위해 본 명세서에 개시된 유도 장치에 이 용될 수 있다. 비교만을 목적으로, 통상적으로 종래의 나선형 로드 코일은 화학 분석용으로 적절한 플라즈마를 유지하기 위해 약 1450 Watts 이상의 출력을 이용한다. 임의의 실시예에서, 본 명세서에서 제공된 유도 장치는 나선형 로드 코일보다 약 10% 내지 20%의 출력을 덜 이용하도록 구성된다.
특정 실시예에 있어서, 전극 및 접지 플레이트의 정확한 두께는 예를 들면, 장치의 의도된 사용, 플라즈마의 원하는 형상 등에 따라 변경할 수 있다. 특정 실시예에서, 전극은 약 0.05mm ~ 10mm 두께, 좀 더 구체적으로, 약 1mm ~ 7mm 두께, 예를 들면,약 1, 2, 3, 4, 5, 또는 6mm 두께 또는 이러한 예시적인 두께 중 임의의 두께일 수 있다. 유사하게, 접지 플레이트의 정확한 면적 및 두께는 변경할 수 있다. 예를 들면, 접지 플레이트는 약 5 mm ~ 약 500 mm의 넓이, 약 5 mm ~ 약 500mm의 길이 또는 전체 기구 섀시 그 자체만큼의 크기일 수 있으며, 약 0.025 mm ~ 약 20 mm의 두께를 가질 수 있다. 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자는 원하는 플라즈마 형상을 제공하기 위해 적절한 전극 및 접지 플레이트의 면적 및 두께를 선택할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 유도 장치의 각 전극은 독립적으로 턴 및 제어될 수 있다. 도 16C를 참조하여, 유도 장치(600)는 지원대(603, 605)를 통하여 각각 접지 플레이트(606)와 전기적으로 통신하는 전극(602, 604)을 포함한다. 접지 플레이트(606)는 원하지 않는 아크를 방지하도록 구성될 수 있으며, 이는 전극(602, 604)을 용해시킬 수 있다. 특정 구성에서, 접지 플레이트(606)는 기구 섀시에 접지된 그 자체일 수 있다. RF원(610)은 전극(602)에 전류를 제공하도록 구성될 수 있으 며, RF원(620)은 전극(604)에 전류를 제공하도록 구성될 수 있다. 전극(602, 604)에 공급된 전류는 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 전류는 또한 플라즈마의 형상 및/또는 온도를 변경하기 위해 플라즈마가 작동하는 동안 변형되거나 변할 수 있다. 다른 실시예에서, 단일 RF원은 전극(602, 604) 둘 다에 전류를 제공하도록 구성될 수 있다. 예시 및 도 16D를 참조하여, 유도 장치(650)는 지원대(603, 605)를 통하여 각각 접지 플레이트(606)와 전기적으로 통신하는 전극(602, 604)을 포함한다. RF원(660)은 전극(602, 604) 각각에 전류를 제공하도록 구성될 수 있다. 단일 RF원이 전극(602, 604)에 전류를 제공하도록 이용될지라도 각 전극에 공급된 전류는 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들면, 소정의 전자 회로는 상이한 전류를 전극 중 하나에 공급하도록 구현될 수 있다. 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자는 하나 이상의 RF원을 이용하는 소정의 유도 장치를 설계할 수 있다.
특정 실시예에 있어서, 토치의 작동 시에 가스류가 도입되는 종축 및 상기 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 갖는 토치에서 플라즈마를 발생시키는 장치가 제공된다. 특정 실시예에서, 장치는 토치의 방사면을 따라 루프 전류를 제공하는 수단을 포함한다. 소정의 수단은 본 명세서에 개시된 임의의 하나 이상의 전극을 포함하거나 방사면을 따라 루프 전류가 제공될 수 있는 다른 적절한 장치를 포함할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
특정 실시예에 있어서, 종축 및 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 갖는 토치 내에 유지하는 방법이 개시된다. 특정 실시예에서, 방법은 토치의 종축 을 따라 가스류를 제공하고, 토치 내에 가스류를 점화하며, 토치 내에 플라즈마를 유지하도록 방사면을 따라 루프 전류를 제공하는 것을 포함한다. 루프 전류는 본 명세서에 개시된 임의의 하나 이상의 전극 또는 방사면을 따라 루프 전류를 제공하는 다른 적절한 전극 구성을 이용하여 제공될 수 있다. 특정 실시예에서, 본 명세서에 개시된 방법을 이용하여 유지되는 플라즈마는 실질적으로 대칭적인 플라즈마이다.
특정 실시예에 있어서, 플라즈마로부터의 신호는 유도 장치의 두 개 이상의 전극들 사이에서 감시될 수 있다. 임의의 실시예에서, 전극들 간에 또는 전극들 상에 여기된 종의 광방출의 방사 검출은 표준 광검출부를 이용하여 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 축 검출은 플라즈마 또는 플라즈마 내의 종으로부터의 신호를 감시하는데 이용될 수 있다.
전극에 전류를 제공하는 소정의 전극 컴포넌트는 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있다. 예를 들면, 예시적인 RF원 및 발진기는 미국 특허 번호 6,329,757에서 발견될 수 있으며, 개시된 전문은 모든 목적을 위해 참조됨으로써 구체화된다.
특정 구체적인 예시는 좀 더 예시적인 기술의 양상 및 예시를 참조하여 이후에 더욱 구체적으로 설명된다.
실시예 1 - 플레이트 유도 코일
유도 장치(1000)는 각각 접지 플레이트(1006)에 접지되어 있는 두 개의 전극(1002, 1004)으로 구성되었다(도 17 및 도 18 참조). 전극(1002, 1004)은 50 ~ 52 시트 알루미늄으로 기계화된 각각 2mm 두께의 플레이트였다. 수정된 플레이트 전면은 옵티마(2000) 및 옵티마(4000) 상에 설치되어 평가되며, PerkinElmer 사에서 이용가능하였다. 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 이러한 플레이트 전면은 접지 플레이트(1006), 유도 장치(1002, 1004), 및 마운트와 함께 나선형 로드 코일의 대체품을 포함하였다. 아주 사소한 변형이 탑재 블록을 안전하게 하는 볼트를 위해 필요한 크리어 런스홀을 포함하는 플레이트 전면에 필요하였다. 발전기는 기능상으로 변경이 되지 않았다. 변형된 기구는 약 15L/min의 유속에서 모든 기구의 설계를 만족하는 것을 확실하게 하기 위해 실험되었다[도 19 및 도 20에 도시된 플라즈마(용접 유리를 통해 보여짐) 참조]. 발전기 열 싱크의 온도는 동일한 입력 출력이 표시되는 나선형 로드 코일에서 사용될 때보다 훨씬 더 냉각되었다. 더 많은 출력을 가리키는 더 낮은 발전기 열 싱크 온도가 플라즈마에 인가되었다. 플라즈마는 또한 종래의 나선형 로드 코일(약 1450Watts)에서 이용된 출력보다 더 낮은 출력(약 1250Watts)에서 유지될 수 있었다. 게다가, 1450Watts에서 기구가 작동될 때, 유도 장치는 동일한 출력이 설정된 나선형 코일에서보다 더 나은 샘플 로딩을 수행할 수 있었다.
실시예 2 - 대칭적인 플라즈마 방전
유도 장치는 도 21에 도시된 바와 같이, 실질적으로 대칭적인 플라즈마 방전을 발생시키도록 구성되었다. 도 22 및 도 23을 참조하여, 유도 장치[1102(3개 플레이트), 1104(2개 플레이트)]는 실질적으로 대칭적인 플라즈마 방전을 발생시키기 위해 각각 이용되었고, 종래의 나선형 로드 코일[1106(3 턴), 1108(2턴)]은 비교 목적으로 도시된다. 또한, 발전기에 나선형 로드 코일을 탑재하기 위해 이용된 블록은 플레이트 전면의 블록을 유지하기 위해 존재하는 하드웨어(나사)를 포함한다. 이러한 나사들은 나선형 코일이 제거된 후, 유도 장치 다리를 블록에 연결하기 위해 이용되었다. 추가적인 수정이 필요하지 않았다. 종래의 나선형 로드 코일과 함께, 방전 전류 및 결과적인 플라즈마 온도는 나선형 로드 코일을 따르는 경향이 있으며, 이는 비균질 플라즈마 방전을 야기한다. 이러한 비균질 방전은 평평하지 않은 플라즈마 바닥 및 덜 한정된 이온화 구역 때문에 굽은 이온 궤도, 샘플의 비균질 가열, 플라즈마 바깥 부분의 샘플 흩어짐을 포함하는 많은 단점들을 가진다. 나선형 로드 코일에 감긴 구리튜브 대신에 본 명세서에 개시된 유도 장치를 이용함으로써 플라즈마의 온도 증감을 더 잘 제어하고, 더 대칭적인 플라즈마를 제공하는 것이 가능하다. 추가적인 튜브는 유도 장치의 플레이트 간의 공간을 변경함으로써 본 명세서에 개시된 유도 장치를 이용하여 제공될 수 있다. 예를 들면, 유도 장치의 플레이트 간의 공간을 진동시키는데 유리할 수 있다. 로드 코일 턴 간의 공간의 증가에 의해 종래의 코일과 함께 공간의 변경이 시도되면, 플라즈마는 훨씬 더 비대칭적으로 되는 경향이 있다.
본 명세서에 개시된 감도가 개선된 유도 장치의 이용은 특히 저질량 범위[5-60 원자 질량 유닛(AMU)], 저 산화율, 저작용 압력에서 발견되었다. 대칭적인 플라즈마는 예를 들면, 플라즈마의 측면 주위를 벗어나는 샘플을 가지지 않고 휘발성의 샘플을 실행시키는 것을 또한 가능하게 하며, 더 잘 한정된 이온화 영역을 제공하고, 로드 코일이 플라즈마 플럼프(plump)의 상부로부터 박리되는 고잡음 스파이크 를 제거한다. 도 24는 PerkinElmer 사에서 이용 가능한 Elan(6000) ICP 질량 분광계가 실험된 예시적인 플레이트 유도 장치(700)를 도시한다. 유도 장치(700)는 튜브 및 고체 상태 RF 발전기 둘 다와 함께 작동되었고, ICP 질량 분광계 및 ICP-OES 발전기 둘 다 상에서 작동되었다.
실시예 3 - 스페이서 결합
ICP 질량 분광계를 이용하여 상이한 수의 턴 및 상이한 스페이서를 갖는 다양한 유도 장치가 실험되었다. 표준 Elan 발전기는 8분의 1이 구리 튜브로 제조되고 Swaglock 부속품을 이용하여 발전기에 전기적으로 연결되는 3 턴 로드 코일을 이용한다. 유도 장치가 이용되었을 때, 유도 장치는 Swaglock 부속품의 위치에 실존하는 전극에 직접적으로 볼트로 죄어졌다. 이러한 유도 장치에서, 유닛[PerkinElmer 사에서 상업적으로 이용되는 ELAN(6000)]은 최적화된 후, 데이터는 마그네슘(Mg), 로듐(Rh), 리드(Pb), 세륨(Ce), 산화 세륨(CeO), 바륨(Ba), 바륨+2(Ba++), 및 잡음 신호[BG (220)]을 포함하는 상이한 흡입 종을 위해 모아졌다. 데이터는 감도 신호를 극대화하기 위해 정규화되고, 도 25 내지 도 31에 도시된 결과와 함께 점을 이어 표시되었다. 다양한 감도는 나선형 로드 코일(3 턴되는 8/1인치 지름의 구리 튜브)을 갖는 표준 ELAN(6000)을 이용하여 검출하는 신호를 극대화하기 위해 정규화된다. 실험된 유도 장치의 결합은 플레이트 간에 상이한 수의 스페이서와 함께 표준 5 턴 L2 유도 장치, 4 턴 L2 유도 장치 및 0.875 지름 플레이트 유도 장치가 혼합되었다. 본 명세서에서 약어로 사용되는 "L2 유도 장치"라는 용어 는 RF 발전기 내부에 위치하는 내부 임피던스 매칭 코일의 일부를 나타낸다. 표준 구동 출력(구체적이지 않다면)은 약 1000watts였다. 각 스페이서는 황동 세척기(632)였다. 실험된 유도 장치의 결합의 리스트는 아래와 같다. 약어는 도 25 내지 도 31에서 참조된다.
1. 표준 5 턴 L2 유도 장치를 갖는 표준 로드 코일.
2. 1S5T - 플레이트 유도 장치, 플레이트 및 표준 5 턴 L2 유도 장치 사이의 하나의 스페이서.
3. 1S4T - 플레이트 유도 장치, 플레이트 및 4 턴 L2 유도 장치 사이의 하나의 스페이서.
4. 1-2S4T - 플레이트 유도 장치, 하나의 후위 스페이서, 2개의 전면 스페이서 및 4 턴 L2 유도 장치.
5. 1-2S5T - 플레이트 유도 장치, 하나의 후위 스페이서, 2개의 전면 스페이서 및 5 턴 표준 L2 유도 장치.
6. 2S5T - 플레이트 유도 장치, 플레이트 및 5 턴 표준 L2 유도 장치 사이의 두 개의 스페이서.
7. 2S4T - 플레이트 유도 장치, 플레이트 및 4 턴 L2 유도 장치 사이의 두 개의 스페이서.
8. 3S4T - 플레이트 유도 장치, 플레이트 및 4 턴 L2 유도 장치 사이의 3 개의 스페이서.
9. 3S5T - 플레이트 유도 장치, 플레이트 및 5 턴 표준 L2 유도 장치 사이의 3 개의 스페이서.
데이터가 점을 이어 표시될 때, 핀치를 가리키는 2개의 정점을 갖는 플레이트 유도 장치 및 표준 5 턴 L2 유도 장치가 산출한 데이터가 표시되었다. 핀치는 플라즈마 플럼프 및 샘플링 인터페이스 간의 제 2 차적인 방전을 언급한다. 핀치 방전은 원뿔형 인터페이스에서 플라즈마 전위를 최소화하도록 제거될 수 있다.
도 25는 모든 산출된 것들이 비교되는 표준 ELAN(6000) 질량 분광계를 이용하여 검출된 각 샘플들을 점으로 이어 표시한 것이다. 좌축은 정규화된 강도, 횡축은 분당 흐르는 네뷸라이저 유동을 리터 단위로 나타내고, 우축은 카운트/초[BG(220) 산출을 위한)나 산화율(CeO/Ce 및 Ba++/Ba 산출을 위한)을 나타낸다. 상이한 구성 요소들의 최대 감도 피크는 상이한 네뷸라이저 유속으로 발생한다. 산화물의 다른 종의 산출을 방해하는 경향에 따라, 감도의 이유로 세륨 산화물과 같은 산화물 최대 감도를 관찰하기 위해 이용되는 유속보다 더 저속의 유속에서 구성 요소의 최대 감도가 발생되는 것이 바람직하다.
이제 도 26을 참조하면, 4 턴 L2 내부 임피던스 매칭 유도 장치 및 구성(1S4T)의 실험 결과가 도시된다. 1S4T 장치를 이용하면서, 상이한 구성 요소(Mg, Rh, 및 Pb)의 최대 감도 피크가 동일한 네뷸라이저 유동(약 0.84)에서 발생하였다. 단일 스페이서는 고중간 질량 감도를 보였다(중간 질량은 전형적으로 60 ~ 180AMU 사이에 원자 질량 유닛을 갖는 종을 언급하고, 고질량은 180 ~ 238 AMU로부터 원자 질량 유닛을 갖는 종을 언급한다).
이제 도 27을 참조하면, 이중 전면 단일 후위 스페이서 4 턴 L2 유도 장치(1-2S4T)의 실험 결과가 도시된다. 1-2S4T 장치를 이용하면서, Ce/CeO와 함께 관찰되는 산화물 탑재 상부(TOM)로부터 마그네슘, 로듐, 및 납 신호를 분리시키는 것이 가능하였다.
이제 도 28을 참조하면, 다양한 로드 코일은 세륨 산화물/세륨 신호와 비교하기 위해 로듐 감도를 실험하였다. 실험 장치는 표준 나선형 로드 코일 및 하나의 후위 스페이서, 2개의 전면 스페이서, 및 4 턴 L2 유도 장치(1-2S4T)를 갖는 플레이트 유도 장치를 포함하였다. 1-2S4T 장치를 이용하면서, 로듐의 최고 감도 피크는 표준 코일보다 더 나은 로듐 감도를 제공하는 1-2S4T 장치를 가리키면서 세륨 산화물/세륨 신호의 최고 감도 피크로부터 저속 유동 비율로 이동되었다.
이제 도 29를 참조하면, 로듐 신호는 ELAN(6000)으로부터의 최고 표준 신호를 위해 정규화되었다. 1S4T 장치의 이용은 표준 나선형 로드 코일과 비교하여 30%의 신호 증가를 제공하였다. 1-2S4T 장치의 이용은 표준 코일과 함께 관찰된 산화물 탑재를 분리하였다.
이제 도 30을 참조하면, 마그네슘은 다양한 장치의 성능을 측정하도록 이용되었다. 1-2S4T 장치는 모든 장치에서 실험된 가장 좋은 저질량 수행을 보였다.
이제 도 31을 참조하면, 납은 다양한 장치의 고질량 성능을 측정하도록 이용되었다. 모든 플레이트 유도 장치는 0.96 이상의 네뷸라이저 유속에서 표준 ELAN(6000)보다 더 낮은 고질량 성능을 보였다. 그러나, 더 저속 네뷸라이저 유속에서 모든 플레이트 유도 장치는 표준 ELAN(6000)보다 더 나은 고질량 성능을 보이 며, 이는 감소된 샘플량을 이용하여 고질량 종을 검출가능하게 할 수 있다.
실시예 4 - 플레이트 유도 코일을 이용하는 광방사 검출 한정
광방출 분광계[PerkinElmer사로부터 획득되는 옵티마(3000)]는 비소(As), 카드뮴(Cd), 크롬(Cr), 망간(Mn), 납(Pb), 및 셀레늄(Se)의 검출 한계를 측정하는 나선형 로드 코일 또는 플레이트 유도 장치 중 하나에 설비되었다. 나선형 로드 코일은 표준 3/16" 지름 구리 코일이였다. 플레이트 유도 장치는 토치를 수신하기 위한 구멍을 갖는 두 개의 원형 전극을 각각 포함하였다. 비교 목적으로만, 나선형 로드 코일 및 플레이트 유도 장치를 이용하는 검출 한계가 아래의 테이블 I에 도시된다.
테이블 I
Figure 112008024102416-PCT00001
새로운 기구 상에서의 검출 한계가 상기 테이블 I의 이러한 리스트보다 더 향상된 반면에, 검출 한계의 상대적인 비교는 플레이트 유도 장치를 이용하는 검출 한계가 일관적으로 나선형 로드 코일을 이용하여 획득한 검출 한계보다 더 낮다는 것을 드러낸다.
본 명세서에 개시된 예시적인 구성 요소를 설명하면서, 관사 "어(a)", "언(an)", "더(the)", 및 "상기(said)"는 하나 이상의 구성 요소를 뜻하는 것으로 의도된다. "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", 및 "갖는(having)"이라는 용어는 나열된 구성 요소 외에 추가적인 구성 요소가 포함될 수 있으며, 변경 가능함을 나타내는 것으로 의도된다. 본 명세서의 이점이 주어지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 예시들의 다양한 컴포넌트가 다른 예시들의 다양한 컴포넌트와 교환되거나 대체될 수 있다. 특허의 임의의 용어를 의미할 수 있는 참조를 위해 본 명세서에 포함된 특허 응용 또는 간행물은 본 명세서에서 이용된 용어의 의미와 상충될 수 있으며, 본 명세서에서 이용된 용어의 의미는 제어하는 것으로 의도된다.
특정 양상, 예시 및 실시형태가 상술 되었을지라도, 본 발명에서 이점을 가지는 이 기술 분야의 당업자에 의해 개시된 예시적인 양상, 예시, 및 실시형태의 첨가, 대체, 변경, 및 개조가 가능하다.

Claims (22)

  1. 토치의 작동 시에 가스류가 도입되는 종축 및 상기 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 갖는 토치에서 플라즈마를 발생시키는 장치에 있어서:
    전원에 연결되도록 구성되고, 상기 토치의 방사면을 따라 루프 전류를 제공하도록 구성되고 배열된 제 1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    전원에 연결되도록 구성되고, 상기 토치의 방사면을 따라 루프 전류를 제공하도록 구성되고 배열된 제 2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극 각각은 대칭적인 내단면을 포함하는 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 대칭적인 내단면은 원형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극을 분리시키기는 하나 이상의 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극은 상기 토치에서 대칭적인 플라즈마 또는 실질적으로 대칭적인 플라즈마를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극과 전기적으로 통신하는 무선 주파수원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 무선 주파수원은 약 10Watts ~ 약 10,000Watts 출력의 약 1MHz ~ 약 1,000MHz의 무선 주파수를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 전극과 전기적으로 통신하는 제 2 무선 주파수원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 통신하는 무선 주파수원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 무선 주파수원은 약 10Watts ~ 약 10,000Watts 출력의 약 1MHz ~ 약 1,000MHz의 무선 주파수를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극과 전기적으로 통신하는 접지 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전극, 제 2 전극, 및 접지 플레이트는 유도 결합 플라즈마 광방출 분광계에 사용되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전극, 제 2 전극, 및 접지 플레이트는 유도 결합 플라즈마 원자 흡수 분광계에 사용되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 전극, 제 2 전극, 및 접지 플레이트는 유도 결합 플라즈마 질량 분광계에 사용되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  16. 토치의 작동 시에 가스류가 도입되는 종축 및 상기 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 갖는 토치에서 플라즈마를 발생시키는 장치에 있어서:
    상기 토치의 방사면을 따라 루프 전류를 제공하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 방사면을 따라 루프 전류를 제공하는 수단은 하나 이상의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 방사면을 따라 루프 전류를 제공하는 수단은 무선 주파수원을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 전극은 플레이트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
  20. 종축 및 상기 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 갖는 토치에서 플라즈마를 발생시키는 방법에 있어서:
    상기 토치의 종축을 따라 가스류를 제공하는 단계;
    상기 토치에서 가스류를 점화하는 단계; 및
    상기 토치에서 플라즈마를 유지하도록 방사면을 따라 루프 전류를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    실질적으로 대칭적인 플라즈마가 되도록 플라즈마를 구성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.
  22. 토치에서 가스류를 점화하고, 실질적으로 대칭적인 플라즈마를 유지하도록 상기 토치의 종축에 실질적으로 수직인 방사면을 따라 루프 전류를 제공함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 실질적으로 대칭적인 플라즈마.
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