Термодинамическое моделирование индуктивно-связанной плазмы открыло новые возможности для аналитической химии.

Исследования опубликованы в Journal of Analytical Chemistry. Индуктивно-связанная плазма представляет собой плазму, формирующуюся в инертном газе внутри разрядной камеры, горелки или другого плазменного реактора при воздействии высокочастотного переменного магнитного поля. Плазма, используемая в спектрохимическом анализе, практически электронейтральна, поскольку положительный заряд ионов компенсируется отрицательным зарядом свободных электронов.

Изучение роли первичных фоновых ионов в термохимических процессах стало актуальным в 1980-х и 1990-х годах. Исследователи проанализировали, как ионы, возникающие в плазме, могут оказывать влияние на процессы рекомбинации, ионизации и взаимодействия с нейтральными частицами.

В новых статьях российских ученых представлены результаты исследований, основанных на многокомпонентной квазиравновесной термодинамической модели. Авторы рассматривают термохимические процессы, происходящие в индуктивно связанной плазме, а также детали формирования фоновых ионов, которые традиционно вызывают значительные спектральные помехи в анализах. Исследования проводились с использованием метода термодинамического моделирования, позволяющего определять состав плазмы в зависимости от температуры и состава рабочего тела.

В ходе экспериментов была проанализирована концентрация основных фоновых ионов, таких как H+, O+, OH+, H2O+, H3O+, NO+, Ar+, ArH+, ArO+ и других, в зависимости от температуры плазмы, концентрации водяного аэрозоля, азотной и хлороводородной кислот в тестовых системах.

Термодинамические расчеты для холодной плазмы проводились при атмосферном давлении 0,1 МПа в диапазоне температур от 2000 до 5000 К с шагом 500 К. Аналогичные расчеты для нормальной плазмы охватывали температурный интервал от 5000 до 8000 К. Полученные данные показывают, что повышение температуры плазмы в холодной области до 3500 К приводит к значительному увеличению концентрации первичных ионов, в то время как для нормальной плазмы выше 5000 К наблюдается снижение концентрации ионов H2O+ и H3O+ при одновременном увеличении концентрации других фоновых ионов. Все это хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Результаты продемонстрировали, что использование термодинамического моделирования позволяет достичь высокой точности (коэффициент детерминации R² = 0,92) в предсказании газокинетической температуры плазмы. При этом значительные изменения параметров, таких как массовые соотношения компонентов системы, не приводили к заметным изменениям в концентрационных зависимостях.

«Сходство теоретических и экспериментальных данных подтверждает, что первичные фоновые ионы в холодной плазме образуются непосредственно в плазме разряда, что подчеркивает значимость понимания этих процессов для аналитических приложений, — отметил Максим Мальцев, сотрудник кафедры общей физики МФТИ. — Мы предложили метод для однозначной оценки газокинетической температуры путем сравнения расчетных и экспериментальных данных по первичным ионам. Алгоритм термодинамического моделирования может быть дополнен условиями для учета сложных взаимодействий между всеми первичными фоновые ионами».

Результаты исследования продемонстрировали согласие между теоретическими расчетами и реальными экспериментальными данными, подтверждающее эффективность термодинамической модели, используемой для анализа термохимических процессов в индуктивно-связанной плазме. Это согласие открывает новые горизонты для дальнейших расчетов и применения в решении практических аналитических задач. В исследованиях принимали участие ученые из МФТИ, УрФУ, Института металлургии РАН, Института физики высоких температур РАН, КубГУ.