FR2773300A1 - Plasma torch with adjustable injector for gas analysis - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à une torche à plasma, destinée à l'excitation d'un gaz en vue de son analyse. The present invention relates to a plasma torch, intended for the excitation of a gas with a view to its analysis.
L'invention se rapporte également à une installation d'analyse d'un gaz utilisant une telle torche à plasma. The invention also relates to a gas analysis installation using such a plasma torch.
Actuellement, les techniques d'analyse des gaz sont des techniques indirectes, telles que la filtration, l'hydrolyse ou le barbotage, selon lesquelles les impuretés dont il s'agit de déterminer la concentration sont extraites du gaz avant analyse. Currently, gas analysis techniques are indirect techniques, such as filtration, hydrolysis or bubbling, according to which the impurities whose concentration is to be determined are extracted from the gas before analysis.
Ainsi, par exemple, la technique d'analyse par filtration utilise une membrane de filtration du gaz à analyser en vue de retenir les impuretés qu'il contient. Ces dernières sont ensuite dissoutes dans une solution acide, puis analysées, par exemple par spectrométrie, en vue d'en déterminer la nature et la concentration. Thus, for example, the filtration analysis technique uses a membrane for filtering the gas to be analyzed in order to retain the impurities that it contains. The latter are then dissolved in an acid solution, then analyzed, for example by spectrometry, in order to determine the nature and the concentration.
Ces techniques conventionnelles d'analyse présentent un certain nombre d'inconvénients. These conventional analysis techniques have a number of drawbacks.
Tout d'abord, en raison de leur nature, et en particulier de la présence d'une étape d'extraction des particules à analyser, ces techniques ne sont pas adaptées pour permettre une analyse en continu de la qualité d'un gaz. First of all, due to their nature, and in particular to the presence of a step for extracting the particles to be analyzed, these techniques are not suitable for allowing continuous analysis of the quality of a gas.
En outre, elles fournissent des résultats relativement imprécis. En effet, ces techniques permettent seulement d'obtenir une valeur de concentration moyenne correspondant au montant total du prélèvement. Elles ne permettent donc pas la détection de variations instantanées des concentrations. In addition, they provide relatively imprecise results. Indeed, these techniques only make it possible to obtain an average concentration value corresponding to the total amount of the sample. They therefore do not allow the detection of instantaneous variations in concentrations.
De surcroît, certaines particules d'impuretés sont susceptibles de se présenter sous la forme de composés volatiles qui ne peuvent être extraits du gaz à l'aide de telles techniques. Le résultat fourni est ainsi susceptible d'être sous-estimé. In addition, certain particles of impurities are liable to be in the form of volatile compounds which cannot be extracted from the gas using such techniques. The result provided is therefore likely to be underestimated.
Enfin, ces techniques engendrent un risque non négligeable de contamination du gaz et nécessitent un équipement relativement complexe. Finally, these techniques generate a significant risk of contamination of the gas and require relatively complex equipment.
On a tenté de palier ces inconvénients en utilisant une technique d'analyse directe des gaz. Attempts have been made to overcome these drawbacks by using a direct gas analysis technique.
Selon cette technique, un échantillon gazeux à analyser est introduit dans une source thermique, tel qu'un plasma, capable de dissocier en atomes libres les espèces chimiques présentes dans l'échantillon, puis d'exciter et éventuellement d'ioniser les atomes obtenus. Ces atomes excités sont ensuite détectés à partir de la mesure des différentes longueurs d'ondes qu'ils émettent, ou, s'ils sont ionisés, à partir de la mesure de leur masse. According to this technique, a gaseous sample to be analyzed is introduced into a thermal source, such as a plasma, capable of dissociating the chemical species present in the sample into free atoms, then exciting and possibly ionizing the atoms obtained. These excited atoms are then detected from the measurement of the different wavelengths they emit, or, if they are ionized, from the measurement of their mass.
Bien que cette technique permette l'analyse en continu d'un gaz, elle présente également un certain nombre d'inconvénients, notamment en raison des mouvements de recirculation de gaz engendrés sous l'action de forces de
LORENTZ au voisinage de l'inducteur utilisé pour générer le plasma.Although this technique allows the continuous analysis of a gas, it also has a certain number of drawbacks, in particular due to the gas recirculation movements generated under the action of
LORENTZ in the vicinity of the inductor used to generate the plasma.
Ces mouvements de recirculation vont entraîner le gaz vers la périphérie du plasma et provoquer le dépôt des produits de décomposition sur la torche et donc une pollution néfaste de celle-ci génant la détection optique, ainsi qu'une modification du transfert d'énergie entre la bobine d'induction et le plasma. These recirculation movements will entrain the gas towards the periphery of the plasma and cause the deposition of decomposition products on the torch and therefore a harmful pollution of the latter, generating optical detection, as well as a modification of the energy transfer between the induction coil and plasma.
Le but de l'invention est de palier ces inconvénients. The object of the invention is to overcome these drawbacks.
Elle a donc pour objet une torche à plasma pour l'excitation d'un gaz en vue de son analyse, comprenant un injecteur configuré sous la forme d'un tube destiné à être raccordé à une source d'alimentation en gaz à analyser, et un manchon cylindrique externe à double paroi, coaxial à l'injecteur, et délimitant entre sa paroi interne et sa paroi externe un canal annulaire cylindrique d'alimentation en un gaz plasmagène destiné à être raccordé à une source d'alimentation correspondante en vue de la production d'un plasma en sortie dudit manchon, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un tube cylindrique intermédiaire coaxial audit manchon et situé à l'intérieur du manchon, entre sa paroi interne et sa paroi externe, le tube cylindrique intermédiaire et la paroi externe du manchon délimitant un canal d'alimentation en un gaz de protection de la surface interne de la paroi externe de la torche contre des dépôts solides. It therefore relates to a plasma torch for the excitation of a gas for its analysis, comprising an injector configured in the form of a tube intended to be connected to a supply source of gas to be analyzed, and an external cylindrical double-walled sleeve, coaxial with the injector, and delimiting between its internal wall and its external wall an annular cylindrical channel for supplying a plasma gas intended to be connected to a corresponding supply source for the purpose of production of a plasma at the outlet of said sleeve, characterized in that it further comprises an intermediate cylindrical tube coaxial with said sleeve and situated inside the sleeve, between its internal wall and its external wall, the intermediate cylindrical tube and the outer wall of the sleeve defining a supply channel for a protective gas on the inner surface of the outer wall of the torch against solid deposits.
La torche à plasma suivant l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes
- ledit canal d'alimentation en gaz de protection constitue un canal d'alimentation en un gaz contenant un composé chimique adapté pour réagir avec les dépôts solides susceptibles de se former sur la paroi externe de la torche pour former un composé volatile;
- ledit injecteur comporte une double paroi délimitant deux canaux coaxiaux interne et externe destinés respectivement l'un à l'alimentation de la torche en gaz à analyser et l'autre à l'alimentation de ladite torche en gaz de guidage dudit gaz à analyser dans le plasma;
- ledit gaz plasmagène et/ou le ledit gaz de guidage comportent de l'argon et/ou de l'hélium, ou tout autre gaz suceptible de créer un plasma, ou un mélange de tels gaz;
- elle comporte un bobinage disposé au voisinage de la tranche d'extrémité de la paroi externe de la torche et raccordée à une source de courant à haute fréquence en vue de la création, sur le trajet du gaz plasmagène, d'un champ électromagnétique et de créer dans celui-ci ledit plasma.The plasma torch according to the invention may also include one or more of the following characteristics
- Said shielding gas supply channel constitutes a gas supply channel containing a chemical compound suitable for reacting with solid deposits liable to form on the external wall of the torch to form a volatile compound;
- Said injector has a double wall delimiting two internal and external coaxial channels intended respectively one for supplying the torch with gas to be analyzed and the other for supplying said torch with gas for guiding said gas to be analyzed in plasma;
- Said plasma gas and / or said guide gas comprise argon and / or helium, or any other gas liable to create a plasma, or a mixture of such gases;
it comprises a winding disposed in the vicinity of the end edge of the external wall of the torch and connected to a source of high frequency current with a view to creating, on the path of the plasma gas, an electromagnetic field and to create therein said plasma.
L'invention a également pour objet une installation d'analyse d'un gaz, caractérisée en ce qu'elle comporte une torche à plasma telle que définie ci-dessus, reliée à une source d'alimentation en gaz à analyser, à une source d'alimentation en gaz plasmagène et à une source de gaz de protection de la surface interne de la paroi externe de la torche, et des moyens de détection optique aptes à mesurer l'intensité lumineuse émise par les impuretés dans le plasma, reliés à une unité de traitement comportant des moyens de calcul de la concentration en impuretés à partir de la valeur de l'intensité lumineuse mesurée et d'au moins une valeur de référence prédéterminée, stockée dans une mémoire associée à ladite unité de traitement, et obtenue par étalonnage préalable. The invention also relates to a gas analysis installation, characterized in that it comprises a plasma torch as defined above, connected to a supply source of gas to be analyzed, to a source supply of plasma gas and a source of gas to protect the internal surface of the external wall of the torch, and optical detection means capable of measuring the light intensity emitted by the impurities in the plasma, connected to a processing unit comprising means for calculating the concentration of impurities from the value of the measured light intensity and from at least one predetermined reference value, stored in a memory associated with said processing unit, and obtained by calibration prior.
Selon une caractéristique particulière, l'installation comporte une unité d'élaboration d'échantillons étalons, qui comprend
- une source de solutions de sels dissous de un ou plusieurs éléments
- une unité de nébulisation
- une unité de désolvatation
une sortie de l'unité d'élaboration étant reliée au canal d'alimentation en gaz à analyser de la torche.According to a particular characteristic, the installation comprises a unit for preparing standard samples, which comprises
- a source of dissolved salt solutions of one or more elements
- a nebulization unit
- a desolvation unit
an output of the processing unit being connected to the gas supply channel to be analyzed of the torch.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante, donnée à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 représente une vue schématique en coupe axiale d'une torche à plasma suivant l'état de la technique;
- la figure 2 représente une vue en coupe axiale d'une torche à plasma suivant l'invention;
- la figure 3 est une vue schématique d'une installation d'analyse d'un gaz suivant l'invention; et
- la figure 4 représente des courbes montrant la variation de l'intensité lumineuse des particules en fonction de leur concentration.Other characteristics and advantages will emerge from the following description, given by way of example, and made with reference to the appended drawings in which
- Figure 1 shows a schematic view in axial section of a plasma torch according to the prior art;
- Figure 2 shows an axial sectional view of a plasma torch according to the invention;
- Figure 3 is a schematic view of a gas analysis installation according to the invention; and
- Figure 4 shows curves showing the variation of the light intensity of the particles as a function of their concentration.
Sur la figure 1, on a représenté une torche à plasma destinée à dissocier les espèces chimiques d'un gaz comprenant des impuretés, pour générer des atomes libres et exciter les atomes ainsi obtenus en vue de la détermination de la concentration en impuretés. In Figure 1, there is shown a plasma torch intended to dissociate the chemical species from a gas comprising impurities, to generate free atoms and excite the atoms thus obtained with a view to determining the concentration of impurities.
Par exemple, le gaz à analyser est constitué par un gaz utilisé dans le domaine de la fabrication des semiconducteurs, tel qu'un halogène ou un gaz fluoré , et les impuretés sont constituées par des éléments métalliques tels que le nickel, le fer, le manganèse... For example, the gas to be analyzed consists of a gas used in the field of semiconductor manufacturing, such as a halogen or a fluorinated gas, and the impurities consist of metallic elements such as nickel, iron, manganese...
On voit sur la figure 1 que la torche à plasma, désignée par la référence générale numérique 10, comprend : un injecteur central 12 configuré sous la forme d'un tube, un manchon cylindrique externe 14 à double paroi (28/30) et un bobinage 16 raccordé à une source de courant à haute fréquence 18. It can be seen in FIG. 1 that the plasma torch, designated by the general numerical reference 10, comprises: a central injector 12 configured in the form of a tube, an external cylindrical sleeve 14 with double wall (28/30) and a winding 16 connected to a high frequency current source 18.
La paroi 20 de l'injecteur délimite intérieurement un canal 26 destiné à être raccordé à une source d'alimentation de la torche 10 en un gaz à analyser (non représentée sur cette figure). The wall 20 of the injector internally delimits a channel 26 intended to be connected to a supply source of the torch 10 with a gas to be analyzed (not shown in this figure).
On voit donc sur la figure 1 que le manchon 14 comporte une paroi interne 28 et une paroi externe 30 qui se prolonge au-delà de l'extrémité libre de la paroi interne 28. Ces parois sont réalisées en un matériau approprié pour l'utilisation envisagée, c'est à dire capable de résister à des hautes températures, par exemple en verre de silice. It can therefore be seen in FIG. 1 that the sleeve 14 has an internal wall 28 and an external wall 30 which extends beyond the free end of the internal wall 28. These walls are made of a material suitable for use envisaged, that is to say capable of withstanding high temperatures, for example made of silica glass.
Les parois interne et externe du manchon 14 délimitent entre elles un canal annulaire cylindrique 32 raccordé, en fonctionnement, à une source d'alimentation en un gaz plasmagène, par exemple de l'Argon, en vue de la production d'un plasma en sortie du manchon. The internal and external walls of the sleeve 14 delimit between them a cylindrical annular channel 32 connected, in operation, to a supply source of a plasma gas, for example Argon, for the production of an output plasma. of the sleeve.
La paroi externe 30 consécutive du manchon forme la paroi externe de la torche 10 et est équipée, au voisinage de sa tranche d'extrémité, du bobinage 16. Comme mentionné précédemment, ce dernier est raccordé à la source de courant à haute fréquence, de type classique, capable de délivrer au bobinage un courant à une fréquence comprise entre 5 MHZ et 100 MHz. The consecutive external wall 30 of the sleeve forms the external wall of the torch 10 and is equipped, in the vicinity of its end edge, with the winding 16. As mentioned previously, the latter is connected to the high frequency current source, conventional type, capable of delivering to the winding a current at a frequency between 5 MHz and 100 MHz.
Sous l'action de la source de courant 18, le bobinage génère, comme cela est classique, un champ électromagnétique radialement décroissant en direction de l'axe X-X' de la torche 10. Under the action of the current source 18, the winding generates, as is conventional, a radially decreasing electromagnetic field in the direction of the axis XX 'of the torch 10.
Le gaz plasmagène, alimenté par l'intermédiaire du canal annulaire 32, selon un débit par exemple de 20 litres/minute, est délivré dans une zone dans laquelle la valeur du champ électromagnétique est sensiblement maximale. The plasma gas, supplied via the annular channel 32, at a flow rate for example of 20 liters / minute, is delivered to an area in which the value of the electromagnetic field is substantially maximum.
Ce dernier crée un plasma dans le gaz plasmagène par accélération de ses particules chargées.The latter creates a plasma in the plasma gas by acceleration of its charged particles.
Comme mentionné précédemment, et comme représenté sur la flèche F1 de la figure 1, la plasma présente des mouvements de recirculation sous l'effet des forces de Lorentz s'appliquant aux particules chargées. Sous l'effet de ces forces, la vitesse du gaz est négative dans la zone axiale, c'est à dire que les particules sont animées d'un mouvement dirigé vers l'amont de la torChe, en considérant le sens d'écoulement des gaz, qui s'oppose à l'introduction du gaz à analyser. As mentioned previously, and as shown in the arrow F1 in FIG. 1, the plasma exhibits recirculation movements under the effect of Lorentz forces applying to charged particles. Under the effect of these forces, the gas speed is negative in the axial zone, that is to say that the particles are animated by a movement directed upstream of the torch, considering the direction of flow of the gas, which opposes the introduction of the gas to be analyzed.
Par ailleurs, dans une zone radialement décalée par rapport à l'axe X-X', ces forces tendent à diriger le gaz à analyser vers la zone périphérique. Furthermore, in a zone radially offset from the axis XX ′, these forces tend to direct the gas to be analyzed towards the peripheral zone.
Comme on le voit sur la figure 1, le gaz à analyser est introduit dans le canal interne d'alimentation 26 selon la direction représentée par la flèche F2 dans la zone axiale, à un débit couramment de l'ordre de quelques ml/minute à quelques centaines de ml/minute. As can be seen in FIG. 1, the gas to be analyzed is introduced into the internal supply channel 26 in the direction represented by the arrow F2 in the axial zone, at a flow rate commonly of the order of a few ml / minute at a few hundred ml / minute.
On voit enfin sur la figure 1 qu'un détecteur photoélectrique 34 est relié à une unité de traitement 36 effectuant le calcul de la concentration en impuretés dans le gaz à partir de la valeur de la longueur d'onde du rayonnement émis par les particules d'impuretés excitées, comme cela sera décrit en détail par la suite. Finally, it can be seen in FIG. 1 that a photoelectric detector 34 is connected to a processing unit 36 carrying out the calculation of the concentration of impurities in the gas from the value of the wavelength of the radiation emitted by the particles d excited impurities, as will be described in detail later.
On a représenté sur la figure 2 un mode de réalisation de la torche à plasma selon l'invention. FIG. 2 shows an embodiment of the plasma torch according to the invention.
La torche représentée figure 2 comporte un tube intermédiaire 40, coaxial au manchon 42, situé entre les parois externe et interne du manchon (42A et 42B), le tube intermédiaire 40 et la paroi externe 42A du manchon délimitant un canal 45 d'alimentation en un gaz de protection de la paroi externe (42A) de la torche contre des dépôts solides. The torch shown in FIG. 2 comprises an intermediate tube 40, coaxial with the sleeve 42, located between the external and internal walls of the sleeve (42A and 42B), the intermediate tube 40 and the external wall 42A of the sleeve delimiting a channel 45 for supplying a gas for protecting the external wall (42A) of the torch against solid deposits.
En outre, la torche représentée sur la figure 2 est munie d'un bobinage 46 alimenté par une source de courant à haute fréquence 48 et disposé au voisinage de la tranche d'extrémité de la torche, et d'un photodétecteur 50 relié à une unité de traitement 52. In addition, the torch shown in FIG. 2 is provided with a coil 46 supplied by a high frequency current source 48 and arranged in the vicinity of the end edge of the torch, and with a photodetector 50 connected to a processing unit 52.
Le tube cylindrique externe 42A est avantageusement réalisé en un matériau capable de résister à de très hautes températures, par exemple du verre de silice. The external cylindrical tube 42A is advantageously made of a material capable of withstanding very high temperatures, for example silica glass.
Pour des raisons de lisibilité, on a volontairement grossi les espacements successifs 42A/40/42B, le tube 40 étant en pratique très proche de la paroi externe 42A de la e torche (ordre de grandeur du mm voire du 1/love de mm). For reasons of readability, we have voluntarily enlarged the successive spacings 42A / 40 / 42B, the tube 40 being in practice very close to the external wall 42A of the e torch (order of magnitude of mm or even 1 / love of mm) .
Le canal d'alimentation 45 est raccordé à une source d'alimentation en gaz de protection (non représentée) capable de réagir avec les espèces susceptibles de se déposer sur la surface interne de la paroi externe 42A de la torche pour former un composé volatile. The supply channel 45 is connected to a source of protection gas supply (not shown) capable of reacting with the species liable to be deposited on the internal surface of the external wall 42A of the torch to form a volatile compound.
Ainsi à titre d'exemple, si le gaz à analyser comporte du silane (SiH4), gaz utilisé dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs, le gaz de protection comporte du chlore, éventuellement mélangé à de l'argon, réagissant avec le silicium pour former du SiCL4. Ce dernier composé étant une espèce volatile, on évite ainsi tout dépôt à base de silicium. Thus by way of example, if the gas to be analyzed comprises silane (SiH4), a gas used in the field of semiconductor manufacturing, the shielding gas comprises chlorine, possibly mixed with argon, reacting with silicon to form SiCL4. As the latter compound is a volatile species, any deposit based on silicon is thus avoided.
On note que pour le mode de réalisation représenté en figure 2, la torche comporte ici un injecteur central 38 un peu particulier puisqu'il est à double paroi (38A, 38B) pour l'injection d'une part du gaz à analyser et d'autre part d'un gaz que l'on peut qualifier de guidage . Note that for the embodiment shown in Figure 2, the torch here includes a central injector 38 a bit special since it is double-walled (38A, 38B) for the injection of a part of the gas to be analyzed and d 'other part of a gas that can be described as guidance.
Les travaux menés à bien par la Demanderesse ont en effet démontré qu'une telle configuration est avantageuse afin de délivrer le gaz à analyser à l'intérieur du tube interne à la paroi 38B, tandis qu'un gaz de guidage est délivré dans l'espace annulaire intermédiaire entre la paroi 38A et 38B de l'injecteur. The work carried out by the Applicant has indeed demonstrated that such a configuration is advantageous in order to deliver the gas to be analyzed inside the tube internal to the wall 38B, while a guide gas is delivered in the intermediate annular space between the wall 38A and 38B of the injector.
Le gaz de guidage est délivré selon un débit par exemple de l'ordre de quelques ml/minute, et assure donc le guidage du gaz à analyser dans le plasma P. Ce guidage s'oppose ainsi à l'action des forces de Lorentz sur le gaz à analyser en contribuant à éviter que le gaz à analyser ne soit dévié (i.e faire en sorte que la totalité de l'échantillon atteigne le plasma). The guide gas is delivered at a flow rate for example of the order of a few ml / minute, and therefore ensures the guiding of the gas to be analyzed in the plasma P. This guiding thus opposes the action of the Lorentz forces on the gas to be analyzed by helping to prevent the gas to be analyzed from being diverted (ie ensuring that the entire sample reaches the plasma).
En outre, et comme représenté par les flèches F3, le gaz de guidage, dont la composition peut être parfaitement maîtrisée, étant entraîné vers la périphérie de la torche au lieu du gaz à analyser, on évite ainsi des dépôts, sur la paroi externe 42A, des particules entrant dans la constitution du gaz à analyser, en choisissant le gaz de guidage de façon appropriée. Avantageusement, le gaz de guidage comporte de l'hélium ou de l'argon ou un mélange de tels gaz. In addition, and as represented by the arrows F3, the guide gas, the composition of which can be perfectly controlled, being entrained towards the periphery of the torch instead of the gas to be analyzed, deposits are thus avoided on the external wall 42A , particles entering into the constitution of the gas to be analyzed, by choosing the guide gas appropriately. Advantageously, the guide gas comprises helium or argon or a mixture of such gases.
On conçoit que dans ce mode de réalisation, l'injection d'un gaz de guidage à l'intérieur de l'injecteur est optionnelle. It is understood that in this embodiment, the injection of a guide gas inside the injector is optional.
Avantageusement, il est possible d'injecter dans l'intervalle compris entre le manchon et l'injecteur de la torche représentée sur la figure 2, un flux d'argon afin de décaler l'extrémité proximale du plasma P de la tranche d'extrémité du manchon. Advantageously, it is possible to inject in the interval between the sleeve and the torch injector shown in FIG. 2, a flow of argon in order to shift the proximal end of the plasma P from the end edge of the sleeve.
La description d'une installation d'analyse d'un gaz va maintenant être faite en référence à la figure 3. The description of a gas analysis installation will now be made with reference to FIG. 3.
On voit sur cette figure, que l'installation, schématiquement représentée, comporte une torche à plasma 54 conforme à l'invention, par exemple similaire à la torche décrite dans le cadre de la figure 2, associée à un générateur de courant à haute fréquence 56, et à un photodétecteur 58 lui-même relié à une unité de traitement 60. It can be seen in this figure, that the installation, diagrammatically represented, comprises a plasma torch 54 according to the invention, for example similar to the torch described in the context of FIG. 2, associated with a high frequency current generator 56, and to a photodetector 58 itself connected to a processing unit 60.
On voit sur cette figure que le manchon cylindrique externe de la torche 54 est alimenté en Argon (Ar) pour créer un plasma de préférence à pression atmosphérique ou en légère dépression. It can be seen in this figure that the external cylindrical sleeve of the torch 54 is supplied with Argon (Ar) to create a plasma preferably at atmospheric pressure or in slight depression.
Par ailleurs, l'injecteur 62, devant permettre l'introduction dans le plasma du gaz à analyser, est raccordé à un premier mélangeur 64 comprenant une première entrée 66 alimentée en un gaz inerte, tel que de l'Argon, permettant d'augmenter la vitesse d'entraînement du gaz à analyser, et une deuxième entrée 68 raccordée à la sortie d'un deuxième mélangeur 70. Furthermore, the injector 62, which must allow the gas to be analyzed to be introduced into the plasma, is connected to a first mixer 64 comprising a first inlet 66 supplied with an inert gas, such as Argon, making it possible to increase the driving speed of the gas to be analyzed, and a second inlet 68 connected to the outlet of a second mixer 70.
Ce dernier comporte une première entrée 72 alimentée en gaz G à analyser et une deuxième entrée 74 raccordée à la sortie d'une unité 75 d'élaboration d'échantillons étalons, unité qui comporte ici
- une source 80 de solutions de sels dissous de un ou plusieurs éléments
- une unité 78 de nébulisation ;
- une unité 76 de désolvatation
une sortie de l'unité 75 étant reliée au canal d'alimentation en gaz à analyser de la torche.The latter has a first inlet 72 supplied with gas G to be analyzed and a second inlet 74 connected to the outlet of a unit 75 for preparing standard samples, a unit which here comprises
- a source 80 of solutions of dissolved salts of one or more elements
- a nebulization unit 78;
- a desolvation unit 76
an output of the unit 75 being connected to the gas supply channel to be analyzed of the torch.
L'unité 76 comporte une entrée permettant l'admission d'aérosols en provenance de l'unité 78. Unit 76 has an inlet for admitting aerosols from unit 78.
L'unité 78 comporte par ailleurs une entrée 86 de gaz permettant l'admission d'un gaz inerte tel que de l'argon. The unit 78 also includes a gas inlet 86 allowing the admission of an inert gas such as argon.
Pour étalonner l'installation, on introduit les éléments à doser, à une concentration connue et sous une forme donnée (liquide, solide ou gazeuse) la plus proche de celle des éléments à déterminer dans les échantillons de gaz G. Ainsi, dans un gaz, les éléments polluants peuvent être sous forme solide ou gazeuse, et plus rarement liquide. On sait par contre que les particules solides, souvent présentes dans les gaz chimiques ont une dimension inférieure à un micron. To calibrate the installation, the elements to be dosed are introduced, at a known concentration and in a given form (liquid, solid or gaseous) closest to that of the elements to be determined in the gas samples G. Thus, in a gas , the polluting elements can be in solid or gaseous form, and more rarely liquid. On the other hand, it is known that the solid particles, often present in chemical gases, have a dimension of less than one micron.
Pour une telle dimension, ces petites particules sont rapidement volatilisées et engendrent dans un plasma d'Argon une intensité lumineuse identique à celle engendrée par des composés gazeux.For such a dimension, these small particles are rapidly volatilized and generate in an Argon plasma a light intensity identical to that generated by gaseous compounds.
Ainsi à titre illustratif, pour effectuer l'étalonnage de l'installation en un élément métallique donné, on génère, à l'aide de l'unité de nébulisation 78, à partir d'une solution 80 d'un sel de l'impureté métallique considérée, un aérosol comportant typiquement de la vapeur d'eau, des solvants, ainsi que les particules en question. Thus by way of illustration, in order to calibrate the installation in a given metallic element, using the nebulization unit 78, it is generated from a solution 80 of an impurity salt. metallic considered, an aerosol typically comprising water vapor, solvents, as well as the particles in question.
L'arrivée de gaz 86 (par exemple d'argon) transporte cet aérosol vers l'unité de désolvatation. The arrival of gas 86 (for example argon) transports this aerosol to the desolvation unit.
Suit alors une opération de désolvatation dans l'unité 76, consistant à chauffer le gaz aérosol pour permettre l'évaporation puis la condensation de l'eau et du ou des solvants éventuels (éliminés par une sortie 82 de l'unité 76), permettant ainsi de récupérer un gaz transportant les particules initialement introduites, maintenant sèches ou substantiellement sèches, à une teneur maîtrisée, fonction notamment de la concentration des particules dans l'échantillon 80. Then follows a desolvation operation in unit 76, consisting in heating the aerosol gas to allow the evaporation then the condensation of the water and any solvent (s) (eliminated by an outlet 82 of unit 76), allowing thus recovering a gas transporting the particles initially introduced, now dry or substantially dry, at a controlled content, depending in particular on the concentration of the particles in the sample 80.
On se reportera, pour plus de détails concernant l'élaboration d'étalons de particules métalliques par nébulisation/désolvatation aux documents suivants : C. For more details concerning the development of standards for metallic particles by nebulization / desolvation, see the following documents: C.
Hélou, Analyse de traces d'éléments dans les gaz par spectroscopie d'émission utilisant un plasma HF , Thèse de troisième cycle, Université Claude Bernard, Lyon/France, 1981, ou encore à la publication aux noms de C. Trassy et al faite dans la revue High Temperature Chemical Processes, 1993, vol. 2, 439-447. Hélou, Analysis of trace elements in gases by emission spectroscopy using an HF plasma, Postgraduate thesis, Université Claude Bernard, Lyon / France, 1981, or even the publication in the names of C. Trassy et al made in the journal High Temperature Chemical Processes, 1993, vol. 2, 439-447.
Les échantillons étalons ainsi créés sont entraînés dans le plasma P par un gaz similaire au gaz G, mais dépourvu d'impureté, ou encore par de l'Argon. The standard samples thus created are entrained in the plasma P by a gas similar to the gas G, but free from impurity, or by Argon.
L'intensité lumineuse émise par les impuretés est détectée par le photodétecteur 58 (monochromateur et/ou polychromateur) puis stockée dans une mémoire 84 de l'unité d'analyse 60. The light intensity emitted by the impurities is detected by the photodetector 58 (monochromator and / or polychromator) then stored in a memory 84 of the analysis unit 60.
Après avoir étalonné l'installation, le gaz G est présenté en entrée du mélangeur 70 et est injecté dans le plasma P. After calibrating the installation, the gas G is presented at the inlet of the mixer 70 and is injected into the plasma P.
L'intensité lumineuse émise par les impuretés du gaz G est ensuite présentée en entrée de l'unité d'analyse 60. The light intensity emitted by the impurities in the gas G is then presented at the input of the analysis unit 60.
Cette dernière comporte des moyens de calcul de type classique, assurant la comparaison entre l'intensité lumineuse détectée des impuretés à doser et les valeurs de référence préalablement obtenues et stockées dans la mémoire 84. The latter includes conventional calculation means, ensuring the comparison between the detected light intensity of the impurities to be measured and the reference values previously obtained and stored in the memory 84.
La concentration exacte en particules contenues dans le gaz G est ainsi par exemple obtenue par identification de l'échantillon dont le signal correspondant présente une longueur d'onde et une intensité identiques aux valeurs mesurées à partir du gaz G. The exact concentration of particles contained in gas G is thus obtained, for example, by identifying the sample whose corresponding signal has a wavelength and an intensity identical to the values measured from gas G.
Comme bien connu de l'homme du métier (méthode dite des ajouts dosés ) il est également possible, en variante, de déterminer la concentration C des particules dans le gaz G à partir du calcul de la fonction liant l'intensité lumineuse I des particules dans le plasma et la concentration en particules C dans celui-ci (figure 4). As is well known to those skilled in the art (method known as metered additions) it is also possible, as a variant, to determine the concentration C of the particles in the gas G from the calculation of the function linking the light intensity I of the particles in the plasma and the concentration of particles C in it (Figure 4).
On sait en effet que pour un gaz dépourvu d'un type donné de particules, c'est à dire dont la concentration est nulle, l'intensité lumineuse à la longueur d'onde correspondante est nulle. I1 est ainsi possible de déterminer la pente de la courbe A liant l'intensité I et la concentration C à partir d'une seule mesure de l'intensité lumineuse I1 émise par un gaz pur mélangé à un échantillon de concentration C1. It is known in fact that for a gas devoid of a given type of particles, that is to say of which the concentration is zero, the light intensity at the corresponding wavelength is zero. It is thus possible to determine the slope of the curve A linking the intensity I and the concentration C from a single measurement of the light intensity I1 emitted by a pure gas mixed with a sample of concentration C1.
On sait par ailleurs que pour des conditions de plasma identiques, en particulier pour une température de plasma identique, la pente de la courbe B, obtenue à partir d'un gaz, liant l'intensité I et la concentration C en impuretés est identique à celle de la courbe A obtenue à partir du même gaz à l'état pur. We also know that for identical plasma conditions, in particular for an identical plasma temperature, the slope of the curve B, obtained from a gas, linking the intensity I and the concentration C of impurities is identical to that of curve A obtained from the same gas in the pure state.
Ainsi, pour effectuer le dosage du gaz G à analyser, ayant une concentration inconnue Cp en particules, il suffit d'ajouter à ce gaz des particules à une concentration C2 connue, prélevées à partir d'un échantillon 80 et de mesurer l'intensité I2 correspondante. On obtient ainsi la valeur de la concentration Cp par extrapolation de la courbe B à l'aide des moyens de calcul de l'unité d'analyse 60. Thus, to carry out the metering of the gas G to be analyzed, having an unknown concentration Cp in particles, it suffices to add to this gas particles at a known concentration C2, taken from a sample 80 and to measure the intensity I2 corresponding. The value of the concentration Cp is thus obtained by extrapolation of the curve B using the means of calculation of the analysis unit 60.
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Also Published As
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