Термодинамічне моделювання для індуктивно-зв'язаної плазми відкрило нові перспективи в аналітичній хімії.

Роботи опубліковані у Journal of Analytical Chemistry. Індуктивно-зв'язана плазма — це плазма, що утворюється в інертному газі всередині розрядної камери, пальника або іншого плазмового реактора при застосуванні високочастотного змінного магнітного поля. Плазма, що використовується в спектрохімічному аналізі, практично електронейтральна через те, що позитивний іонний заряд компенсується негативним зарядом вільних електронів.

Розуміння ролі первинних фонових іонів у термохімічних процесах стало предметом досліджень у 1980-х та 1990-х роках. Вчені звернули увагу на те, як іони, що утворюються в плазмі, можуть впливати на процеси рекомбінації, іонізації та взаємодії з нейтральними частинками.

У нових статтях російських вчених опубліковані результати дослідження на основі багатокомпонентної квазіравноважної термодинамічної моделі. У них автори аналізують термохімічні процеси, що відбуваються в індуктивно зв'язаній плазмі, та деталі формування фонових іонів, які традиційно викликають значні спектральні перешкоди в аналізах. Роботи проводилися з використанням методу термодинамічного моделювання, що дозволяє визначати склад плазми в залежності від температури та складу її робочого тіла.

В ході експериментів вивчалася концентрація основних фонових іонів, таких як H+, O+, OH+, H2O+, H3O+, NO+, Ar+, ArH+, ArO+ та інших, від температури плазми, концентрації водяного аерозолю, азотної та хлороводневої кислот у тестових системах.

Термодинамічні розрахунки для холодної плазми проводили при атмосферному тиску 0,1 МПа в температурному діапазоні від 2000 до 5000 К з кроком 500 К. Аналогічні розрахунки для нормальною плазми охоплювали температурний інтервал від 5000 до 8000 К. Отримані дані демонструють, що підвищення температури плазми в холодній області до 3500 К призводить до значного зростання концентрації первинних іонів, тоді як для нормальною плазми вище 5000 К спостерігається зниження концентрації іонів H2O+ та H3O+, а також зростання концентрації інших фонових іонів. Все це добре узгоджується з даними експериментів.

Результати показали, що застосування термодинамічного моделювання дозволяє досягти високого ступеня точності (коефіцієнт детермінації R² = 0,92) у прогнозуванні газокінетичної температури плазми. При цьому широкі зміни параметрів, таких як масові співвідношення компонентів системи, не призводили до значних змін у концентраційних залежностях.

«Близькість теоретичних та експериментальних даних підтверджує, що первинні фонові іони в холодній плазмі утворюються безпосередньо в плазмі розряду, що підкреслює важливість розуміння цих процесів для аналітичних застосувань, — розповів Максим Мальцев, співробітник кафедри загальної фізики МФТІ. — Ми запропонували метод для однозначної оцінки газокінетичної температури через порівняння розрахункових та експериментальних даних по первинним іонам. Алгоритм термодинамічного моделювання може бути доповнений умовами для врахування складних взаємодій між усіма первинними фоновими іонами».

Результати дослідження продемонстрували узгодженість між теоретичними розрахунками та реальними експериментальними даними, що підтверджує ефективність термодинамічної моделі, що використовується для аналізу термохімічних процесів в індуктивно-зв'язаній плазмі. Це узгодження відкриває можливості для подальших розрахунків та застосування у вирішенні практичних аналітичних завдань. У роботах брали участь вчені з МФТІ, УрФУ, Інституту металургії РАН, Інституту фізики високих температур РАН, КубГУ.