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ICP光谱仪?用氩气作为工作气体

JOE HUI

2023/07/17

氩在空气中含量仅为0.93%。ICP光源所用的氩气纯度需要99.99%以上。而目前商品ICP光谱仪均用氩气作为工作气体，未采价廉的分子气体如氮气和空气等。其原因有两个：一是氩ICP光源有良好的分析性能，分析灵敏度高且光谱背景较低；二是用氩作等离子体易于形成稳定ICP，所需的高频功率也较低。在ICP光谱技术发展过程中，曾多次探讨用分子气体（氮气，空气，氧气，氩-氮混合气）代替氩气作工作气体。分子气体虽然在较高功率下也能形成等离子体焰炬，所形成的等离子体激发温度也较氩等离子体低。

　　首先看单原子气体和分子气体的电离所需能量与气体温度的关系。把气体加热到同样温度，分子气体氮气和氢气所消耗的热能远高于氩气和氦气。可以看出分子气体形成离子的过程分两步，第一步分子状态N2受热理解为原子，然后第二步才能进行电离反应。N2分子离解所需能量为873KJ/mol，电离过程所需的能量为1402kj/mol。而惰性气体氩以原子态存在，只给予电离能即可。Ar的电离能为1506KJ/mol,所需的能量低于分子气体氮气的离解能和电离能之和。

　　工作气体的电阻率，热熔及热导率等物理性质是影响形成稳定等离子体的另一个重要原因。氩的电阻率，热熔和热导率都是最低的。低的热导率可降低由于热导散热而造成的能量损失；提高等离子体的热效率，热导率的高低对于形成稳定等离子体极为重要。据试验表明，当外管气流量为5L/min氩气时，石英矩管热传导分别损耗总能量的60%，43%及20%。由于前述的原因，氩气最易形成稳定的ICP，如高频电源频率为4MHz时，用氩气为工作气体，维持ICP的最低功率为1.5kW；而用氮气时为28kw,用氢气为250kw。当然，提高电源频率可以相应降低维持ICP所需的功率。用分子气体形成的等离子体，其温度比Ar-ICP和He-ICP要低。

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