تأثیر ناخالصی‌های گازی در رفتار طیفی آرگون فوق‌خالص

ناخالصی‌های گازی حتی در حد ppb می‌توانند از طریق خاموشی تابش و تغییر در ساختار پلاسما، رفتار طیفی آرگون فوق‌خالص را دگرگون سازند و کنترل خلوص گاز کلید حفظ پایداری طیفی است. سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778

آرگون فوق‌خالص (Ultra High Purity Argon) یکی از گازهای نجیب پرکاربرد در حوزه‌های فیزیک، طیف‌سنجی، لیزر، پلاسما و آشکارسازی ذرات است. این گاز به دلیل ساختار اتمی بسته و واکنش‌ناپذیری شیمیایی، به‌عنوان محیطی خنثی برای بررسی‌های طیفی، تابش‌های الکترونی و ایجاد پلاسماهای کنترل‌شده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در چنین کاربردهایی، هر گونه ناخالصی—even در حد چند قسمت در میلیارد (ppb)—می‌تواند رفتار نوری، الکترونی و پلاسمایی آرگون را تغییر دهد.

اهمیت خلوص بالا به‌ویژه در فناوری‌هایی مانند طیف‌سنجی نشری (AES)، طیف‌سنجی جرمی (MS)، طیف‌سنجی فوتوالکترونی (PES) و کاربردهای کرایوجنیک در آشکارسازهای ماده تاریک به‌وضوح آشکار است. از این‌رو شناخت اثر ناخالصی‌های گازی مانند اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن، بخار آب و هیدروکربن‌ها بر رفتار طیفی آرگون فوق‌خالص، یکی از موضوعات کلیدی در کنترل کیفیت و تفسیر داده‌های طیفی به شمار می‌رود.

ماهیت رفتار طیفی آرگون خالص

در آرگون خالص، گذارهای الکترونی اتم‌های گاز از سطوح انرژی بالاتر به سطوح پایین‌تر، خطوط مشخصی در ناحیه مرئی و فرابنفش ایجاد می‌کنند. طیف نشری آرگون در فشار پایین شامل خطوطی با شدت بالا در طول‌موج‌های مشخص (مانند 696.5 nm، 706.7 nm و 738.4 nm) است که مربوط به گذارهای ^2P و ^2D می‌باشند.
در شرایط کنترل‌شده، این خطوط طیفی از ثبات بالایی برخوردارند و می‌توانند برای کالیبراسیون دستگاه‌ها یا مطالعه برهم‌کنش‌های اتمی مورد استفاده قرار گیرند. اما زمانی که ناخالصی‌ها—even در حد چند ppm—در محیط آرگون حضور داشته باشند، پدیده‌هایی چون انتقال انرژی غیرتابشی، تغییر در پهنای نیمه‌قدرت (FWHM) خطوط طیفی، شیفت داپلری و خاموشی تابش (quenching) رخ می‌دهد که تحلیل دقیق طیف را دشوار می‌کند.

انواع ناخالصی‌های مؤثر در آرگون فوق‌خالص

ناخالصی‌های گازی در آرگون را می‌توان به چهار دسته اصلی تقسیم کرد:

ناخالصی‌های الکترون‌دوست (مانند اکسیژن و بخار آب) که تمایل بالایی به گرفتن الکترون آزاد دارند و در پلاسما موجب کاهش چگالی الکترون می‌شوند.

ناخالصی‌های نیتروژنی و هوایی (N₂ و O₂) که علاوه بر جذب انرژی تحریک‌شده از اتم‌های آرگون، موجب ظهور خطوط اضافی در ناحیه فرابنفش می‌شوند.

ناخالصی‌های هیدروکربنی (CH₄، C₂H₂) که با ایجاد ترکیبات نوری ناپایدار در پلاسما، شدت خطوط اصلی آرگون را تغییر می‌دهند.

ناخالصی‌های هیدروژنی که با ایجاد واکنش‌های تبادلی انرژی و تغییر در توزیع دمایی پلاسما، منجر به پهن شدن و جابه‌جایی خطوط طیفی می‌شوند.

در جدول زیر تأثیر برخی از ناخالصی‌های رایج بر ویژگی‌های طیفی آرگون فوق‌خالص آورده شده است:

نوع ناخالصی	غلظت (ppm)	اثر غالب بر طیف آرگون	نتیجه مشاهده‌شده
O₂	1–10	جذب انرژی تحریک‌شده و خاموشی خطوط	کاهش شدت خطوط 696 و 706 nm
N₂	1–5	اضافه شدن خطوط مولکولی و برهم‌کنش تابشی	افزایش نویز زمینه در طیف
H₂	0.1–1	تبادل انرژی و پهن‌شدگی خطوط	افزایش پهنای FWHM خطوط
H₂O	0.5–5	جذب فوتون و تشکیل OH*	کاهش شدت نوری در محدوده مرئی
CH₄	0.1–2	تشکیل ترکیبات رادیکالی	تغییر در موقعیت خطوط فرعی

سازوکار فیزیکی تأثیر ناخالصی‌ها بر تابش طیفی

هنگامی‌که اتم‌های آرگون در یک میدان الکتریکی تحریک می‌شوند، الکترون‌ها به سطوح انرژی بالاتری جهش می‌کنند و در بازگشت، فوتون‌هایی با طول‌موج مشخص منتشر می‌کنند. در حضور ناخالصی‌ها، سه مسیر اصلی در رفتار تابشی اختلال ایجاد می‌کند:

خاموشی تابش (Radiative Quenching):
مولکول‌هایی مانند O₂ و H₂O می‌توانند انرژی برانگیخته‌ی آرگون را بدون تابش فوتون جذب کنند. در این حالت، انرژی به گرما یا ارتعاشات مولکولی تبدیل می‌شود. نتیجه آن، کاهش شدت خطوط نشری و ناپایداری در شدت طیف است.

برهم‌کنش تبادلی (Energy Transfer Collisions):
در حضور مولکول‌های N₂ یا H₂، برخوردهای تبادلی منجر به انتقال انرژی بین گونه‌ها می‌شود. این فرایند ممکن است به تحریک ناخالصی و تابش خطوط جدید بیانجامد که در تحلیل طیف به صورت نویز یا قله‌های اضافی ظاهر می‌شوند.

تغییر در ساختار پلاسما (Plasma Parameter Variation):
ناخالصی‌ها چگالی الکترون، دمای پلاسما و نسبت یون به اتم را تغییر می‌دهند. این تغییرات باعث جابه‌جایی داپلری خطوط طیفی و تغییر پهنا می‌شود که مستقیماً بر دقت اندازه‌گیری و تفسیر طیف تأثیر دارد.

تأثیر ناخالصی‌های اکسیژن و بخار آب

اکسیژن یکی از خطرناک‌ترین ناخالصی‌ها در گازهای نجیب است. در حضور اکسیژن، اتم‌های برانگیخته آرگون در برخوردهای غیرتابشی انرژی خود را از دست می‌دهند. این پدیده شدت خطوط طیفی را به طور چشمگیری کاهش می‌دهد.
بخار آب نیز علاوه بر نقش مشابه در خاموشی تابش، با جذب فوتون‌های فرابنفش باعث تغییر شکل خطوط طیفی در ناحیه 700–800 nm می‌شود. در کاربردهایی مانند اسپکترومتری نشر پلاسمایی (ICP-AES) که شدت خطوط آرگون معیار دمای پلاسما است، این تأثیر می‌تواند منجر به خطاهای چند درصدی در نتایج تحلیلی شود.

نقش نیتروژن و مولکول‌های دو‌اتمی

نیتروژن برخلاف آرگون دارای ساختار مولکولی با سطوح انرژی ارتعاشی و چرخشی است. در نتیجه، در محیط پلاسما یا تابش آرگون فوق‌خالص، نیتروژن می‌تواند انرژی برانگیخته آرگون را دریافت کرده و تابش‌های مولکولی ایجاد کند. این تابش‌ها در محدوده 337 nm و 357 nm قابل مشاهده‌اند و باعث افزایش زمینه طیفی می‌شوند.
همچنین در فشارهای بالاتر از 1 تور، نیتروژن می‌تواند با یون‌های Ar⁺ واکنش داده و ترکیباتی چون ArN⁺ را ایجاد کند که خطوط ضعیف اما قابل تشخیصی در طیف به‌جا می‌گذارند. این پدیده به‌ویژه در طیف‌سنجی لیزری با وضوح بالا اهمیت زیادی دارد، زیرا خطوط اضافی می‌توانند با گذارهای مجاز آرگون هم‌پوشانی داشته باشند.

تأثیر هیدروژن بر پهنای خطوط و رفتار پلاسما

وجود هیدروژن در حد زیر ppm نیز می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی پهنای خطوط طیفی آرگون را افزایش دهد. دلیل آن، برخوردهای پرانرژی بین اتم‌های سبک هیدروژن و اتم‌های آرگون است که موجب افزایش سرعت میانگین و در نتیجه پهن‌شدگی داپلری خطوط می‌شود.
در سیستم‌های طیف‌سنجی پلاسمایی، این پدیده باعث کاهش رزولوشن طیف و افزایش خطای تفکیک خطوط مجاور می‌شود. همچنین، در آرگون فوق‌سرد مورد استفاده در آشکارسازهای ذرات، حضور هیدروژن منجر به افزایش گسیل‌های ناخواسته و افزایش نرخ زمینه (background rate) می‌شود که تشخیص سیگنال‌های واقعی را دشوار می‌سازد.

اثر ترکیبی ناخالصی‌ها و رفتار غیرخطی طیفی

در عمل، آرگون فوق‌خالص به‌ندرت شامل تنها یک نوع ناخالصی است؛ بلکه مخلوطی از چند ناخالصی در سطوح مختلف وجود دارد. برهم‌کنش‌های متقابل بین ناخالصی‌ها می‌تواند اثرات غیرخطی و پیچیده‌ای بر طیف ایجاد کند.
برای مثال، حضور هم‌زمان اکسیژن و نیتروژن موجب تقویت انتقال‌های انرژی و افزایش خطوط مولکولی در ناحیه فرابنفش می‌شود. یا ترکیب هیدروژن و متان می‌تواند سبب تغییرات دینامیکی در ساختار پلاسما و در نتیجه جابه‌جایی تصادفی خطوط طیفی شود. این اثرات غیرخطی باعث می‌شوند که تنها با اندازه‌گیری شدت خطوط نتوان غلظت ناخالصی‌ها را دقیق تعیین کرد و نیاز به مدل‌سازی سینتیکی پیشرفته باشد.

روش‌های تجربی برای آشکارسازی اثر ناخالصی‌ها

برای تشخیص و تحلیل تأثیر ناخالصی‌ها بر طیف آرگون فوق‌خالص، چند روش متداول استفاده می‌شود:

طیف‌سنجی نشر نوری (OES):
با اندازه‌گیری شدت خطوط مشخص آرگون و مقایسه نسبت آن‌ها با خطوط مولکولی (مانند N₂ یا OH)، می‌توان وجود ناخالصی را شناسایی کرد.

طیف‌سنجی جذب لیزری (LAS):
به کمک منابع لیزری تنگ‌باند، جذب خاص مولکول‌هایی مانند O₂ و H₂O در محیط آرگون اندازه‌گیری می‌شود.

کروماتوگرافی گازی با آشکارساز یونش حرارتی (TCD):
برای تعیین کمی ناخالصی‌ها در محدوده ppb، کروماتوگرافی گازی در کنار طیف‌سنجی نشری مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تست‌های تخلیه در پلاسما (Glow Discharge Tests):
در این روش، تغییر رنگ و شدت نور پلاسما در حضور ناخالصی‌ها بررسی می‌شود که بیانگر تغییر در توزیع انرژی الکترون‌ها است.

مدل‌سازی تئوریک و شبیه‌سازی رفتار طیفی

در مدل‌های تئوریک، رفتار تابشی آرگون فوق‌خالص با استفاده از معادلات نرخ (Rate Equations) و در نظر گرفتن برخوردهای تبادلی با ناخالصی‌ها مدل‌سازی می‌شود. پارامترهایی مانند ضریب خاموشی (k_q)، ضریب برانگیختگی (k_ex) و انرژی آستانه برخورد در محاسبه شدت خطوط مورد استفاده قرار می‌گیرند.
شبیه‌سازی‌ها نشان داده‌اند که افزایش حتی 0.5 ppm اکسیژن می‌تواند ضریب تابش کلی را تا 20٪ کاهش دهد. همچنین، افزایش بخار آب به میزان 2 ppm موجب جابه‌جایی میانگین 0.02 nm در موقعیت خطوط می‌شود که در ابزارهای با رزولوشن بالا قابل‌تشخیص است.
این مدل‌سازی‌ها به مهندسان و پژوهشگران کمک می‌کند تا با تعیین دقیق نرخ برخوردها، رفتار واقعی پلاسما و تابش آرگون فوق‌خالص را در شرایط مختلف پیش‌بینی کنند.