OES ICP 내부 기체 비율에 따른 spectrum intensity 변화
2016.01.22 17:30
안녕하세요,
ICP (13.56MHz,) 에 Argon을 넣고 방전을 하며 spectrum을 찍고 CR model 시뮬레이션과 함께 line-ratio 방법을 이용해 내부의 전자 밀도를 구하려고 합니다. chamber 내부 압력은 300mTorr에서 800mTorr 사이에서 변화시켰습니다.
작성한 CR model은 pure argon을 가정한 rate balance equation을 토대로 작성됐습니다.
그러나 실제 스펙트럼을 찍어보니 777nm의 산소 스펙트럼이 꽤나 크게 찍히며 일부 peak에서 simulation으로 계산된 intensity와 실제 intensity의 값의 차이가 생기는 것을 볼 수 있었습니다. (실제로 chamber 내부의 air의 비율이 약 14퍼센트 이상 존재합니다.)
이런 스펙트럼이 나오는데 대한 이유는 chamber에서 기체가 새어나가고 있기 때문이라고 생각하여 chamber를 다시 조사하고자 했습니다만
이 문제에 관한 논의 중 Argon의 peak intensity 는 다른 기체가 있어도 별 변화가 없을 것 같다는 의견을 들었습니다.
제 생각에는 argon과 타 기체가 섞였을 때는 quenching에 의한 argon의 de-excitation을 무시할 수 없을 것 같은데, 이렇게 되면 intensity 역시 영향을 받지 않는지요?
감사합니다.
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안녕하세요.
저온 플라즈마에서 line-intensity는 주로 전자충돌에 의해 여기된 입자가 빛을 방출하면서 발생합니다.
Rate balance equation은 빛을 방출하는 여기종의 생성/소멸반응을 기반으로 작성하셨을 것 같습니다.
여기종의 생성은 알곤의 기저상태와 가장 낮은 여기준위인 1s2~1s5 준위에서 전자 충돌에 의한 반응이 있고, 소멸반응은 radiative decay와 알곤, 질소, 전자(고밀도 플라즈마)에 의한 de-excitation 반응이 있을 수 있습니다. 또한 방사천이의 경우, radiation trapping 효과에 의해 영향이 있을 수 있습니다.
이를 기반으로 pure 알곤에 비해 질소가 섞였을 때 intensity가 영향을 받을 수 있는 경우는 아래와 같습니다.
1s2~1s5 여기준위들은 약 11.5~11.8 eV의 에너지를 가지므로 질소 분자와 excitation transfer 반응을 일으킬 수 있습니다. 즉, 질소 분자가 섞이는 경우 이들의 밀도가 pure 알곤 보다 작아질 수 있으며, 이는 1s2~1s5 준위에서의 excitation 반응을 줄이게 되므로 intensity의 변화를 유발할 수 있습니다.
de-excitation의 경우, 방사천이율과 비교하여 판단하셔야 할 것 같습니다. de-excitation 반응이 방사천이보다 매우 작은 경우에는 무시 가능하지만 그렇지 않을 경우에는 빛을 방출하는 여기종의 밀도가 감소하므로 intensity의 변화를 유발할 수 있습니다. 또한 주로 높은 에너지 준위로 갈수록 방사천이율이 감소하므로, de-excitation rate는 주로 높은 에너지 준위의 빛의 세기에 더 큰 영향을 줄 수 있습니다. 또한 항목 1에서 1s2~1s5 여기준위의 밀도가 감소하는데, 이 경우 2p state에서 1s state로 천이하는 반응들의 radiation trapping 효과의 변화를 줄 수 있기 때문에 intensity가 변할 수 있습니다.
해당특성들은 운전 압력, 전자밀도, 전자온도에 따른 함수로 나타나므로, 운전하시는 압력 대에서 예상되는 전자밀도, 전자온도를 기반으로 각 반응율의 정량적 판단을 수행하면 도움이 되실 것 같습니다.