格林灯辉光放电使用指南gydF4y2Ba

对于发光放电固体材料的光谱化学研究，格林灯是选择的几何形状。亚博网站下载在20世纪60年代后期，德国哈瑙的RSV Präzisionsmessgeräte GmbH公司的Werner Grimm开发了这种灯，最初的设计被创造出来。gydF4y2Ba^1gydF4y2Ba今年是50周年gydF4y2Ba^thgydF4y2Ba这是这项技术专利的周年纪念，所以有必要看看导致这项发明的洞察力，以及它今天是如何应用的。gydF4y2Ba

Grimm记录了他的专利归档中的火花放电的许多关键缺点，并决定设计不会受到光谱线的自转影响的影响，或者熔化在蒸发和各种组分的偏差中结束的样品表面的源。gydF4y2Ba

相反，他表示，具有空心阴极辉光的许多实验提供了“阴极蒸发”（通常称为溅射）的优点，其中在时间上缓慢地除去材料层。亚博网站下载gydF4y2Ba

然而，难以在感兴趣的样本之间切换，并且这些中空阴极灯（HCls）没有通过放电灯的一致气体流动。HCL排放测量采用最小的采用禁止学术好奇心，尽管与火花放电相比，较好的定量结果。GRIMM的发明试图将HCL的分析性能与火花放电的易用性结合起来。gydF4y2Ba

Grimm’s invention placed the tip of the anode in close proximity to the sample cathode without touching it, as illustrated in Figure 1. This meant that the anode was closer than one mean free path from the sample at lower pressure, restricting the chance of an arc being created between the electrodes and allowing the principle drop in potential to happen over an extremely small distance.

图1:gydF4y2Ba1阳极体包括放电电池的大部分和与样品接触的水冷阴极板。在真空启动之前和之后，一个安装螺丝将样品固定在适当的位置。这个数字比原始版本稍作修改。gydF4y2Ba

格林继续从事各种辉光放电的研究，在他最初的发明之后获得了许多专利。其中包括:gydF4y2Ba

• 格林辉光放电用于原子吸收光谱测定gydF4y2Ba
• GRIMM灯在电线样品批量分析中的应用gydF4y2Ba
• 利用辉光放电聚合有机化合物gydF4y2Ba
• 分析优化更高的样品吞吐量，更多的服务部件，更大的光传输gydF4y2Ba

最后一套研究影响了光泽放电的商业化，以供分光分析。Grimm对电线分析的建议也在扩大和商业上采用。gydF4y2Ba

Grimm公司(RSV Präzisionsmessgeräte, GmbH)于1979年发布了第一台商业可用的辉光放电光谱仪Analymat。由此产生的生产线被LECO在1988年购买，并已生产辉光放电光谱仪。LECO的现代格林灯(图2)和最初的发明之间的相似性是显著的，因为LECO继续利用格林的聪明见解。gydF4y2Ba

为什么格林灯成为标准配置gydF4y2Ba

辉光放电仪器继续被用于固体材料的光谱化学分析，随着火花放电的许多明显的缺点今天继续存在。亚博网站下载gydF4y2Ba

格林几何成功的主要原因之一是样品表面溅射材料形成的弹坑的形状和相关特性。最好的情况是，这些陨石坑底部是平的，是地表物质层连续被清除的结果。gydF4y2Ba

这种火山口的形状从非常平坦的电场实现，在样品表面（即阴极）和环形阳极之间仅在几微米上略有下降。氩离子和原子朝向表面施用，这导致甚至轰击并溅射采样区域。gydF4y2Ba

阳极和样品阴极之间的距离太小，无法形成弧，并排除了放电的其他发光区域，除了分析有用的负辉光。gydF4y2Ba

逐步去除的结果是独立的原始材料的检查，每个阶段的整合，随后，当溅射在样品的相同位置进行批量分析，如格林的工作。由于先前溅射的材料被从电池中移除，这些分离的集成不受靠近表面层的冶金历史的影响。这个过程还创建了数据，将表层从批量中分离出来，以更准确地进行表征。gydF4y2Ba

辉光放电坑面积小，比火花点浅，制备样品所需的研磨量少，消耗的参考材料少。此外，由于石墨材料在辉光放电中没有选择性升亚博网站下载华，因此可以检测铸态材料。gydF4y2Ba

图2:gydF4y2Ba注释LECO示意图的现代辉光放电灯,有许多相似之处格林的原始设计,包括小距离结束的阳极和阴极样品,前面耦合阴极板的样品,在阴极板水冷却,基于“增大化现实”技术的流动方向相同。gydF4y2Ba

就这些仪器的深度分析能力而言，进一步的好处是显而易见的。这些潜力由许多研究人员（包括Boumans）显示gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba和萨巴gydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba在格林发明后的几年里。这些初步的测试强调了知道在放电中使用的精确功率参数和考虑材料溅射率变化的重要性。亚博网站下载gydF4y2Ba

与传统的高真空表面分析技术相比，辉光放电在成分深度分析方面具有以下几个关键优势:gydF4y2Ba

• 对非专业用户来说更简单gydF4y2Ba
• 更快的深度分析分析gydF4y2Ba
• 更多的采样区域导致更大的信号gydF4y2Ba
• 较低的真空要求（灯所需的涡轮分子或扩散泵）gydF4y2Ba
• 更大的区域，同时采样与竞争的深度分辨率和优越的定量gydF4y2Ba

Grimm灯如何改变gydF4y2Ba

尽管在过去的半个世纪中，一般的几何形状保持相似，但为了满足用户的性能和实际采样目标，进行了一些调整。gydF4y2Ba

现代仪器和格林制造的灯之间的主要区别之一是铰刀和面组装，在分析之间自动清洁光源。gydF4y2Ba

这一特点几乎消除了样品的携带，并且不需要像通常使用其他等离子体源那样手动清洗电极。gydF4y2Ba

铰刀还用于将样品固定在合适的位置，从而无需手动使用如图1所示的安装螺丝和支架。在样品安装初期，引入氩气包层，使样品周围具有富氩环境，这是为了减少进入放电室的大气气体的体积。gydF4y2Ba^4gydF4y2Ba

用于分析非导电样品的射频功率引入是发光放电的主要进步，导致灯架构的一些最戏剧性的变化。用于这些样品的灯需要调节，因此它们具有较小的动力区域。gydF4y2Ba

乐高射频灯设计gydF4y2Ba最接近地模拟格林源，因为它最大限度地减少所需的电容耦合，使非导电样品的表面偏置。如图3.5所示，它只包括o形环周围的一个小环形电极来为样品供电。其他的一些努力保留了格林灯的一些元素，比如封闭的环形阳极，但它们对样品的另一侧施加能量的方式是不同的。gydF4y2Ba

图3:gydF4y2BaLECO的直流(左)和射频(右)放电灯照片。直流灯仍然具有许多与原始格林设计相似的特性，而射频灯上的环形电极用于为非导电样品供电进行分析。gydF4y2Ba

灯设计的额外变化对仪器的使用者是有帮助的。例如，至关重要的是，用户拥有更容易更换的阳极，它们会随着时间的推移而磨损。所以LECO灯上的阳极很容易拆卸更换。gydF4y2Ba

为了更可靠的操作，商用仪器包括可更换的陶瓷套管来分离电极。格林最初的设计依赖于阳极尖端外径和阴极块之间非常紧密的间距，物理绝缘最小。gydF4y2Ba

还进行了一些精细调整，通过GRIMM记录阳极深度，以0.2mm最佳，但优化现代仪器以使用更靠近0.12 mm的深度，因此电弧放大。gydF4y2Ba

格林建议分析参数最高可达500ma、3000v和20torr。如今，最大功率参数通常在50ma和1200v左右，压力范围在5到15torr。gydF4y2Ba

现代的灯经过优化，直径为4mm，通过深度剖面分析，可以生成更理想的平底陨石坑(见图4)，而格林的原始灯的取样区域直径为6mm。gydF4y2Ba

控制灯是至关重要的gydF4y2Ba

布曼斯的早期研究gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba表明，电压和电流是Boumans的溅射率和排放定量的基本参数。在过去的三十年中，更多地关注监控和控制Grimm灯中的放电参数。等式1显示了溅射率的计算（Q），其中CgydF4y2Ba_问gydF4y2Ba是一个与材料有关的溅射常数，VgydF4y2Ba_0gydF4y2Ba是否存在溅射的阈值电位gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba和VgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba是放电电流和电压。gydF4y2Ba

Q = CQ•igydF4y2Ba_ggydF4y2Ba•(VgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba- V.gydF4y2Ba_0gydF4y2Ba）gydF4y2Ba方程1gydF4y2Ba

没有溅射速率和功率的准确表征，定量是不可能的。两个具有相同浓度的给定元素的样品的发射与它们的溅射率成正比。当分析不同成分的分层材料时亚博网站下载(图4，左)，只有使用溅射率校正的校准曲线才能获得适当的定量。gydF4y2Ba

这种校准依赖于在分析中维护类似的功率条件，以按预期溅射，通往平底陨石坑（图4，右图）。对于批量分析，样品适合校准曲线需要一致的功率。gydF4y2Ba

图4:gydF4y2Ba深度剖面可以提供深度和元素组成的高精度测量(左图)，但需要精细控制放电参数以获得平底陨石坑(右图是DSX数字3D显微镜下的横截面图像)。gydF4y2Ba

在使用射频功率时，由于灯和电源之间有许多电源损耗，因此灯的监控变得更加重要。LECO的辉光放电团队花费了大量的精力来描述这些损耗，并开发了在分析过程中实时计算它们的机制，以测量和稳定放电参数。gydF4y2Ba^6gydF4y2Ba

这种方法被称为“真正的等离子能量”gydF4y2Ba^®gydF4y2Ba是基本步骤gydF4y2BaLECO对射频功率的精确应用gydF4y2Ba，并且是允许精确表征非导电材料的组成和深度。亚博网站下载对于几个薄层，可以利用对初始供电参数的理解来校正根据等式1完成稳定之前收集的数据。gydF4y2Ba

参考和进一步阅读gydF4y2Ba

1. GRIMM，Werner。美国专利No.3,626,234。1971年12月7日。gydF4y2Ba
2. 布曼斯，P. W. J. M.肛门。Chem.44.7(1972): 1219 - 1228。gydF4y2Ba
3. 多甘，M.，K. LAQUA和H. Massman Spectrochim。Acta B. 26.10（1971）：631-649。gydF4y2Ba
4. 米切尔，乔尔·C和金·a·马歇尔。美国专利No. 5,646,726。1997年7月8日。gydF4y2Ba
5. 米切尔，乔尔·C和泰德·j·卡斯帕。美国专利号5,408,315。1995年4月18日。gydF4y2Ba
6. 等。j .肛门。在。光谱。18.6(2003):637-645。gydF4y2Ba

这些信息已被源，审查和调整Leco Corporation提供的材料。亚博网站下载gydF4y2Ba

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