高頻發生器又稱高頻電源或等離子體電源,在ICP光譜分析技術發展初期,多采用高頻電熱設備或塑料熱合機改裝成等離子體電源。改裝后的電源頻率和功率也不相同,一般頻率從1.5~50MHz,功率從1~10kW不等。其性能也有很大差別。經過約20年實踐和研究,已明確并統一了對高頻發生器的要求。
(1)高頻功率應高于1.4kW 這里所說的高頻功率是指輸出到等離子體的功率,經常稱為正向功率(forward power)。反射功率低于10W(reflected power)。一般來說,當電源頻率為27.12MHz或40.68MHz時,功率低至300~500W仍能維持ICP火焰的穩定。但欲獲得良好的分析性能,高頻發生器的功率應高于800W。當分析水溶液樣品時,通常采用800~1200W的正向功率。分析有機溶劑時功率應增加至1350~1500W。
(2)高頻發生器的振蕩,頻率應為27.120MHz或40.68MHz 這是由分析性能和電波管理制度兩者決定的。如果采用更低的頻率維持穩定的ICP放電必須有更高的功率,這不僅要消耗更多的電能,運要耗用更多的冷卻氣體。此外,低頻電源的集膚效應弱,不易形成等離子體中心進樣通道。
(3)功率波動不應超過0.1% 在ICP光譜分析中,高頻功率顯著影響分析線強度和背景光譜強度,是應考慮的主要分析條件之一,功率的波動最終將增加測量誤差及檢出限。目前多數高頻發生器的功率穩定性可達到0.1%,某些類型的發生器可達到0.01%。
(4)頻率穩定性應達到或優于0.1%,頻率對測定的影響要比功率的影響小,但也應有一定要求,以免干擾無線電通訊。此外,頻率的波動也將引起高頻集膚深度的變化,頻率增加會導致集膚深度的降低。
(5)電磁場泄漏輻射強度應符合工業衛生防護的要求 按我國環境電磁波衛生標準(國標GB 9175-88),頻率3~30MHz時一級安全區的電磁波容許強度應小于10V/m,30~300MHz頻率范圍內容許強度小于5V/m。目前ICP電源的電磁輻射場遠低于此標準。
目前有兩種電路可以滿足上述技術要求:自激等離子體高頻電源和它激式高頻電源。自激式電路和它激式電路是根據供給等離子能的那一級的電路性質來分類的。在自激式電路中等離子體的能量是由LC大功率自激振蕩器直接獲得的,通常只有一級,高頻振蕩是靠輸出的一部分正反饋到本級輸入端而形成的,因此它的工作頻率只取決于本級電路參數。等離子體就是振蕩器的負載,負載(等離子體)阻抗的變化會改變振蕩器和負載的匹配狀態,從而引起輸出功率和頻率的變化。而在它激式電路中,等離子所需的功率來自于大功率高頻放大器。放大器的高頻振蕩由前一級,叫做激勵級供給,激勵級的振蕩頻率由石英晶體振蕩器決定,與負載(等離子體)無關。由此可見,本級輸入的能量是通過正反饋自激勵抑或通過外激勵,是兩種電路形式的根本區別,它們的流程分別為:
自激式電路 電源→自激振蕩器→ICP形成
它激式電路 石英晶體振蕩器→電壓及功率方法→ICP形成