Temporally and spatially resolved characterisation of flexible micro-Tube Plasmas as ionisation sources for analytical applications
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Date
2025
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Abstract
Helium ist ein häufig verwendetes Entladungsgas in plasma-basierten Ionisierungsquellen. Der Ionisierungsmechanismus wurde lange Zeit als ähnlich dem von Ionisierungsquellen bei atmosphärischem Druck angesehen. Plasmen, die mit Argon betrieben werden, erhalten zunehmend Aufmerksamkeit. Die Ionisierungseffizienz von Argonplasmen kann mit der von Heliumplasmen konkurrieren und diese teilweise sogar übertreffen. Der Ionisierungsmechanismus von Argonplasmen bleibt jedoch eine Herausforderung.
Um diese Herausforderung anzugehen, untersucht die vorliegende Arbeit systematisch die Anregungs- und Ionisierungsmechanismen von Plasmen, die mit Helium, Argon sowie Neon, Krypton und Xenon betrieben werden, durch spektroskopische Charakterisierung. Der Fokus liegt auf der Ausbreitung dieser Plasmen in einem Mikroröhrchen sowie auf ihrer Ausbreitung in die Umgebungsluft. Zudem wurde ein sogenanntes Diagnosegas mit definierten Emissionswellenlängen eingeführt, um die Umgebungsluft zu ersetzen und detaillierte Simulationen und Untersuchungen der Anregung und Ionisierung der Umgebungsluft zu ermöglichen.
Es wird eine alternative Erklärung für die Produktion von Reaktandionen in plasma-basierten Ionisationsquellen vorgeschlagen, die neue Einblicke bietet und langjährige Erklärungen des sanften Ionisierungssmechanismus infrage stellt. Diese umfassende Untersuchung der grundlegenden Entladungseigenschaften von Plasmen trägt nicht nur zum besseren Verständnis der für analytische Anwendungen kritischen Ionisierungsmechanismen bei, sondern eröffnet auch neue Möglichkeiten für miniaturisierte Ionisierungsquellen in analytischen Plattformen.
Helium is a common discharge gas in modern plasma-based ionisation sources. The ionisation mechanism has long been assumed to be like the classical atmospheric pressure chemical ionisation source. Plasmas operated with argon has been obtaining increasing attention. The ionisation efficiencies of argon plasmas can compete with helium plasmas and argon is additionally less expensive. However, the ionisation mechanism of argon plasmas is unknown or incorrect and remains challenging. To address this challenge, the present work systematically investigates the excitation and ionisation mechanisms of Helium, Argon, Neon, Krypton and Xenon driven plasmas through spectroscopic characterisation. The focus is on the propagation of the named plasmas within a micro tube as well as their propagation to ambient air. Furthermore, another gas called diagnosis gas with well-defined emission wavelengths is introduced later to replace the surrounding ambient air, enabling detailed simulation and examination of the excitation and ionisation of ambient air. An alternative explanation to produce reactant ions in plasma-based ionisation sources is proposed, providing new insights that challenge long-standing explanations of soft ionisation mechanisms. This comprehensive investigation into the fundamental discharge properties of plasmas not only enhances the understanding of ionisation mechanisms critical to analytical applications but also opens new miniature ionisation sources for analytical platforms.
Helium is a common discharge gas in modern plasma-based ionisation sources. The ionisation mechanism has long been assumed to be like the classical atmospheric pressure chemical ionisation source. Plasmas operated with argon has been obtaining increasing attention. The ionisation efficiencies of argon plasmas can compete with helium plasmas and argon is additionally less expensive. However, the ionisation mechanism of argon plasmas is unknown or incorrect and remains challenging. To address this challenge, the present work systematically investigates the excitation and ionisation mechanisms of Helium, Argon, Neon, Krypton and Xenon driven plasmas through spectroscopic characterisation. The focus is on the propagation of the named plasmas within a micro tube as well as their propagation to ambient air. Furthermore, another gas called diagnosis gas with well-defined emission wavelengths is introduced later to replace the surrounding ambient air, enabling detailed simulation and examination of the excitation and ionisation of ambient air. An alternative explanation to produce reactant ions in plasma-based ionisation sources is proposed, providing new insights that challenge long-standing explanations of soft ionisation mechanisms. This comprehensive investigation into the fundamental discharge properties of plasmas not only enhances the understanding of ionisation mechanisms critical to analytical applications but also opens new miniature ionisation sources for analytical platforms.
Description
Table of contents
Keywords
Flexible micro-Tube Plasma, Characterisation ionisation source, Discharge mechanism
Subjects based on RSWK
Plasma, Gasentladung