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金欽漢:未來MPT有望接替ICP——訪浙江大學金欽漢教授

行業新聞

2015-09-24 03:08:26

來源:儀器信息網


 對很多人來講,也許MPT還不是一個很熟悉的名詞,但它卻是中國具有完全自主知識產權的技術,是我國金欽漢教授課題組于1985年首創的一種新型原子光譜用光源,并于1999年實現了百瓦級MPT光譜儀的商業化。

  MPT,微波等離子體炬(microwave plasma torch)。也許對很多人來講,MPT還不是一個很熟悉的名詞,但它卻是中國具有完全自主知識產權的技術,是我國金欽漢教授課題組于1985年首創的一種新型原子光譜用光源,并于1999年實現了百瓦級MPT光譜儀的商業化。

  2013年9月4日,科技部公示 “國家重大科學儀器設備開發專項2013年度擬立項項目”,其中由浙江中控為承擔單位的“千瓦級MPT光譜儀的開發”入選。此次千瓦級產品與之前的百瓦級產品相比難點在哪里?MPT與ICP(電感耦合等離子體光譜儀)等其它儀器相比具有什么樣的優勢?為此,儀器信息網編輯采訪了浙江大學教授金欽漢,請他為大家介紹MPT的優勢及未來的發展前景。

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  浙江大學教授 金欽漢

  由百瓦級到千瓦級:“我們的千瓦級MPT和安捷倫的MP完全不一樣”

  1985年,吉林大學金欽漢課題組首創了一種全新的微波等離子體激發光源—MPT;

  1996年,金欽漢課題組與北京海光儀器公司合作研制成功了世界上首臺單通道順序掃描MPT原子發射光譜儀;

  1999年,長春吉大-小天鵝儀器公司實現了MPT光譜儀的商品化;

  2000年,金欽漢課題組承擔國家支撐計劃項目“MPT全譜儀的研制”,并于2003年研制成功;

  2011年,MPT全譜儀作為教學儀器在浙江中控實現了商品化;

  2013年,由浙江中控為牽頭單位承擔的“千瓦級MPT光譜儀的開發”入選“國家重大科學儀器設備開發專項2013年度擬立項項目”。

  金欽漢課題組之前已經將百瓦級的MPT光譜儀成功產業化,是什么原因讓其決定開發千瓦級的儀器呢?對此金欽漢介紹到,“之前產業化的百瓦級MPT光譜儀一直是在小功率下工作,在這種情況下樣品溶液霧化后直接進樣時等離子體的穩定性難以保證,由此就存在去溶的問題,而去溶需要加熱、蒸發等步驟,做起來比較麻煩,所以目前只能用作教學儀器。不過,一旦將功率提高到千瓦級就不會存在這個問題了。至于一直以來為什么沒有開發千瓦級的儀器,最大原因就是沒有找到合適的大功率微波源?!卑步輦惞居?011年推出千瓦級MP-AES對金欽漢的激勵很大,他說,“當時我就想,我們中國人有自己的MPT技術,我們為什么不做千瓦級的儀器呢?”

  同時,金欽漢特別強調,“我們要做的千瓦級MPT和安捷倫的儀器完全不一樣,我們不是跟蹤,而是創新。安捷倫采用的是石英管、磁耦合、矩形波導,用的是氮氣;我們用的炬管是銅管、電耦合,氮氣、氬氣、氦氣都可以用?!苯又浣榻B到,“氮和氬的等離子體可以在石英管里形成,但是氦難以獲得有光譜分析應用價值的高密度等離子體,因為氦的分子量很小,一旦形成等離子體,擴散速度太快,瞬間就會充滿整個石英管,等離子體的數目密度不高,粒子間碰撞的機率就會大大減小,此種稀薄等離子體并不是理想的激發光源,就像氦ICP始終未能取得成功應用是一個道理?!?/p>

  “還有一點不同,安捷倫MP-AES固定1200W,不可調。而我們從應用的角度考慮,認為某一固定功率并不會是適于所有元素的最佳條件,因此將設置更多可調節參數,功率將從100W到1500W連續可調?!?/p>

  千瓦級MPT開發難點:微波源、炬管

  讓MPT由百瓦級升至千瓦級,這其中的困難有多少?金欽漢介紹到,“首先要解決的就是以上提到的微波源問題。光譜分析儀器所用的微波源對穩定性要求很高,而現在市面上一千多瓦的微波源大都是工業用的,穩定性都不高。在此次重大專項中,專門有對微波源穩定性的指標要求,我們的目標是穩定度達到千分之一。在之前與美國Hieftje教授的合作研究中,磁控管微波源的穩定度已經達到了千分之六。前段時間四川有家公司說可以做到千分之五,我們將在他們的基礎上進一步提升至千分之一?!?/p>

  “此外,去年6月份,在加拿大召開的一個微波爐展覽會中,我國某知名微波爐公司展出了世界上第一臺全固態微波爐。據了解,他們已經做到了600W。相對于磁控管微波源來說,全固態微波源的穩定性要好很多,而且可以在低壓下工作。我們現在正在和該公司商談合作,希望能進一步提高功率,共同開發出高穩定度千瓦級別的全固態微波源?!?/p>

  除了微波源之外,炬管也是一個難點。金欽漢介紹到,“我們用的是銅質炬管,在一兩百瓦時使用沒有問題。但是功率增大到千瓦級之后,若炬管接頭等位置處理不好容易形成微波反射,長期使用就會出現發熱的問題?!?對于這個問題,金欽漢介紹到他們已經采取了一系列的改進措施,比如將電容耦合改為電導耦合等,未來還會繼續改進以保證儀器可以長期穩定工作。

  雖然有以上各方面的難點,金欽漢依然充滿信心,他說,“MPT是我國具有完全自主知識產權的技術,我們有一定的科研基礎和技術儲備?,F在浙江大學全力支持,浙江中控還準備專門為這個項目成立一個項目公司。我不敢說一定能做到最好,但是我相信我們整個項目組一起努力,項目目標是完全能實現的?!?/p>

  展望:“希望未來MPT可以接替ICP”

  相對MPT來說,目前ICP更為業內人士所熟悉。據金欽漢介紹,“當前進口ICP基本上都采用全固態高頻電源,穩定度為千分之一”。那么,MPT與ICP之間相比有什么優勢呢?對此,金欽漢說,“可以預期,ICP目前能夠做的,MPT將來都可以做到;ICP無法直接引入空氣樣品,而MPT卻可以實現空氣直接進樣分析;氦ICP迄今未能夠實際應用,而氦MPT卻在較小功率下即可實現。相信千瓦級MPT將為實現“全元素”分析創造條件,未來MPT可望接替ICP!”

  接著金欽漢詳細介紹了MPT的諸多優勢,“由于獲得等離子體裝置的結構和耦合方式有區別,ICP是通過開放的環形耦合線圈通過電感耦合獲得等離子體,電磁波能并未全部被等離子體吸收,MPT是在一個諧振腔里進行工作,只要調諧得當,微波能就可差不多全部被等離子體利用,也即MPT的能量利用率遠高于ICP,1200W的MPT就有望達到1600W ICP的效果?!?/p>

  “ICP只能用氬氣工作,而MPT可以用氬氣、氮氣、氦氣三種氣體工作。如果說用氬氣工作的時候MPT與ICP的性能相當,那么用氦氣工作時,MPT的性能顯然就要超過ICP了?!?/p>

  在靈敏度方面,金欽漢介紹到,“帶有去溶系統的100W的MPT對于不少元素的檢測靈敏度就可以達到ppb數量級,千瓦級MPT的分析性能顯然可與ICP相媲美。此外,MPT與AAS(原子吸收光譜法)相比,靈敏度也不差。而且,AAS一次只能測一種元素,MPT可以實現順序掃描或者全譜直讀,一次檢測所有元素,只是在順序掃描測量時所需要的樣品量比較大一點而已?!?/p>

  在應用方面,“MPT可以實現大氣的直接連續實時監測,還可以將有機組分如油樣直接霧化進樣進行分析檢測,這些都是ICP很難實現的。另外,在高溫合金材料中非金屬元素的檢測方面,ICP遇到了困難(ICP檢測鹵素要在真空紫外的條件下),而用氦MPT則可在常壓下在普通可見和紫外光譜區解決問題,包括鹵素的檢測?!贝送?,金欽漢還介紹到,此次重大專項中也配備了強有力的應用開發單位,如中國鋼研科技集團公司、西北核技術研究所等,他們主要承擔MPT光譜儀在相關行業內的應用開發和標準建設等工作。

  對于大家普遍關心的價格問題,金欽漢肯定地說,“MPT的價格不會比ICP貴!” 此外,他還強調到,“MPT是我們中國人的創造,而且相比ICP又具有以上各種優勢,我們沒有理由不將它做好。


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