CN103687266A

CN103687266A - 电磁波导和等离子体源

Info

Publication number: CN103687266A
Application number: CN201310322699.9A
Authority: CN
Inventors: J.皮兰斯; M.R.哈默; T.E.普鲁斯
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-07-29
Also published as: JP6323849B2; CN103687266B; US20140062299A1; DE102013214686A1; US9265138B2; JP2014063721A

Abstract

一种方法包括：沿着第一和第二膜片隙槽之间的第一轴对准膜片的膜片腔内的等离子体焰炬，所述第一和第二膜片隙槽具有小于所述焰炬的直径的70%的高度；以及沿着第二轴生成具有场线的电磁场。所述场包括基本上横穿第一方向的分量。还描述了装置。

Description

电磁波导和等离子体源

技术领域

本技术涉及电磁波导和等离子体源。

背景技术

用于光谱化学分析的等离子源有时候包括耦合到电磁波导的等离子体焰炬，使得电磁辐射（例如，微波辐射）能够用于生成和维持等离子体。

一种已知类型的等离子体源包括波导，其如此定向使得电磁辐射的磁场沿着等离子体焰炬的公共轴定向，并且磁场强度在等离子体焰炬的位置为最大值。这种类型的等离子体源理想地建立具有圆形或椭圆形横截面的等离子体，并且沿着轴维度具有稍小密度（较冷）等离子体。

尽管已知的等离子体源相对于其他已知的等离子体源提供显著的改进，但是如果波导的长度即使偏离最优值少量，则发现等离子体源的性能受到损害。显然，在常规制造环境中可以预期出现的波导的长度的微小变化被发现导致不期望的非对称等离子体的建立，其不利地影响等离子体源的分析性能。

因此，需要提供一种改进的电磁波导和等离子体源，其至少克服上述已知的波导和等离子体源的缺点。

发明内容

在代表性实施例中，一种装置包括：具有长度和高度的电磁波导；在沿着所述波导的长度的第一位置跨越所述波导的第一膜片隙槽（iris slot），具有小于所述波导的高度的高度；在沿着所述波导的长度的第二位置跨越所述波导的第二膜片隙槽，具有小于所述波导的高度的高度；在所述第一和第二膜片隙槽之间的位置具有跨越所述波导的纵轴的等离子体焰炬。所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽配置为透射基本上横穿（transverse to）所述等离子体焰炬的纵轴的电磁场，以便激励所述等离子体焰炬中的等离子体。此外，所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽的高度小于所述焰炬的直径的70%。

在另一代表性实施例中，一种方法包括：沿着第一和第二膜片隙槽之间的第一轴对准膜片的膜片腔内的等离子体焰炬，所述第一和第二膜片隙槽具有小于所述焰炬的直径的70%的高度；以及沿着第二轴生成具有场线的电磁场。所述场包括基本上横穿第一方向的分量。

附图说明

当结合附图阅读时，从下面详细描述中最佳理解代表性实施例。无论在何处应用和实践，相同参考标号指示相同元件。

图1A是根据代表性实施例的装置的透视图。

图1B是根据代表性实施例的膜片的透视图。

图2是描绘根据代表性实施例的波导中支持的模式的电磁场线的顶视图。

图3是描绘根据代表性实施例的膜片中的腔的各区域中的期望模式的电磁场线的侧视图。

图4是根据代表性实施例的膜片的侧视图。

图5是根据代表性实施例的产生等离子体的方法的流程图。

具体实施方式

在以下详细描述中，为了说明和非限制的目的，提出了公开特定细节的说明性实施例，以便提供根据本教导的实施例的彻底理解。然而，对从本公开受益的技术人员明显的是，偏离在此公开的特定细节的根据本教导的其他实施例维持在所附权利要求的范围内。此外，已知的设备和方法的描述可以省略，以便不混淆示例实施例的描绘。这样的方法和设备在本教导的范围内。

通常，要理解的是，如在说明书和所附权利要求中使用的，术语“一（a）”、“一个（an）”和“所述”包括单数和复数指示物，除非上下文另外清楚指示。因此，例如，“设备”包括一个设备和多个设备。

如在说明书和所附权利要求中使用的，并且除了它们的普通含义，术语“基本”或“基本上”意味着在可接受的限定或程度内。例如，“基本上抵消”意味着本领域技术人员将认为该抵消是可接受的。作为另一示例，“基本上移除”意味着本领域技术人员认为该移除是可接受的。

如在说明书和所附权利要求中使用的，并且除了它们的普通含义，术语“大致”意味着对于本领域技术人员来说在可接受的限定或程度内。例如，“大致相同”意味着本领域技术人员将认为该术语相当于相同。

本教导通常涉及波导，其可用于与等离子体焰炬组合以生成和维持可用于光谱化学分析的等离子体。通常，波导包括膜片，将等离子体焰炬设置在其中。波导（没有膜片）配置为支持期望的模式（例如，TE₁₀）。膜片表示改变场图案（pattern）的形状的阻抗不匹配（扰动），如下面更完整描述的。随着本描述继续将变得更清楚的，根据本教导，选择波导中支持的模式，使得膜片腔中的主电磁场横穿等离子体焰炬的中心（纵）轴。这与已知设备（如授予Hammer的共同所有的美国专利6,683,272中公开的那些）的意图是相反的，其中意图生成与等离子体焰炬的中心轴平行的场。这样，在膜片中建立的电磁场线基本上横穿于通过膜片中的腔的中心的轴。选择波导相对于膜片的腔的长度，以便在膜片位置建立电磁场环的中心。在下面描述的某些代表性实施例中，选择电磁场环的中心为该模式的四分之一波长的奇数倍n（λ/4）。有利地，得到的等离子体具有基本上圆形横截面，具有比较“热”的周边和较冷的中心。

图1A是根据代表性实施例的装置100的等距图。装置100包括下面描述的代表性实施例中的电磁波导（“波导”）101。波导101配置为在适于生成和维持等离子体的频率支持期望的传播模式（“模式”）。有利地，波导101支持的期望模式提供在基本上正交或横穿等离子体焰炬的定向的轴的方向上定向的电磁场线，如下面将更完全描述的。此外，并且如随着本公开继续将变得清楚的，选择期望的模式以生成和维持同样基本上关于轴对称的等离子体。

如图所示，波导101配置为支持TE₁₀模式，其具有在电磁频谱的微波部分中的频率。例如，选择的模式可以具有大致2.45GHz的特征频率。下面描述的尺寸的特定说明基于期望的模式的该说明性频率。然而，要注意的是，在此描述的实施例不限于微波频谱中的操作，并且当然不限于2.45GHz的操作。具体地，因为选择的操作频率范围指示操作的（各）选择模式的波长，并且操作波长主要受到焰炬和波导101的几何尺寸的限制，操作频率也受到等离子体焰炬和波导101的几何尺寸的限制。如图所示，本教导可以容易地实施以包括高于和低于以及在大致5.8GHz或大致24.125GHz的范围内的操作频率。此外，期望的模式不限于说明性的TE₁₀，并且波导101（或图1A描绘的第一和/或第二部分117，118）在维度上不一定是矩形。更确切地，如上所述，模式选择为提供横穿等离子体焰炬的定向的轴的电磁场线。本教导预期支持电磁场线的该期望定向的这样的模式或波导形状或两者。

波导101在第一端102短路，并且靠近设置在第二端104的微波能量源（未示出）。膜片106设置在波导101中，并且包括膜片腔108，其中第一膜片隙槽110沿着膜片腔108的一侧设置，并且第二膜片隙槽112设置在膜片腔108的相对侧。发明人已经发现，第一膜片隙槽110的高度应当小于等离子体焰炬的直径的70%。类似地，第二膜片隙槽112的高度应当小于等离子体焰炬的直径的70%。如上所述，并且如下面将更完全描述的，在代表性实施例中，膜片106的中心（例如，在第二轴116）设置在距离一端（例如第一端102）基本上波导101的期望模式的四分之一波长的奇数倍n（λ/4）的距离处（图1A中表示为第一长度L1）。此外，在代表性实施例中，膜片106的中心（例如，在第二轴116处）设置在距离波导101的另一端（例如，第二端104）大于期望模式的一半波长（λ/2）的距离处（图1A中表示为第二长度L2）。这样，膜片106定位在波导101的第一部分117和波导101的第二部分118之间。要注意，波导101可以是包括第一部分117和第二部分118的单个件，并且膜片106定位在其中。可替代地，波导101可以包括两个分开件（例如，第一部分117和第二部分118为分开件），并且膜片106定位在它们之间。

如图所示，膜片腔108的中心（在第二轴116）位于距离第一端10255mm，膜片106中的第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112每个是6mm高度（图1的坐标系统中的z维度）乘以50mm宽度（图1的坐标系统中的x维度），并且膜片腔108具有13mm的直径。选择微波的磁控管源到膜片106的距离，以最小化来自膜片106、等离子体焰炬（图1中未示出）的反射，并且优化微波功率从微波源到等离子体的传递。如上所述，在代表性实施例的一个实现中，膜片106的中心（例如，在第二轴116）设置在距离第二端104大于期望模式的一半波长（λ/2）的距离处，其靠近电磁辐射源。要注意，呈现的维度仅仅是说明性的，并且通过选择模式的频率/波长的选择来指示。

装置100的各个组件由适当的导电材料（如适于在装置100的操作的选择频率使用的金属（铝）或金属合金）制成。波导101和膜片106的特定方面与授予Hammer的共同所有美国专利6,683,272中描述的膜片是共同的。

如下面更完全描述的，等离子体焰炬（图1A中未示出）定位在膜片腔108内部，以包含和成形生成的等离子体。在代表性实施例中，从第一端102到膜片腔108的中心（即，第二轴116）的装置100的部分的第一长度L1说明性地大致为期望模式的四分之一波长（λ/4）的奇数倍，尽管有利地，在该尺寸上存在相当大的范围，并且第一长度L1典型地从期望模式的大致0.15波长到期望模式的大致0.35波长。横向电磁场位于膜片106中的第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112中和膜片腔108中。通过在膜片腔108中放置等离子体焰炬，可以容易地实现提供给等离子体焰炬的等离子体形成的气体的基本横向电磁场激励。

然而，有利地，第一长度L1的精度对形成的等离子体的整体形状和包括装置100的等离子体源的性能不像在某些已知的结构中那样严格。相反，并且如上所述，在无扰动波导101中支持选择的模式。然而，膜片106呈现改变波导101中的模式的波长和形状的扰动。根据本教导生成和维持的等离子体从该扰动得到，并且场图案的形状的改变提供波导101中的第一长度L1的容限。相应地，通过波导101和包括第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112的膜片106的结构，电磁场保持基本上横穿等离子体焰炬的轴（例如，第二轴116），而不管第一长度L1的变化，使得等离子体以期望的形状生成和维持。这样，选择波导101中支持的模式，使得膜片腔108中的主电磁场横穿等离子体焰炬的中心轴。

如图所示，膜片腔108圆柱形成形以便容纳等离子体焰炬，该等离子体焰炬典型地包括至少两个（以及典型的三个）非导电材料（如石英或陶瓷）的同心管（外管和两个同心内管），提供两个或更多（即，典型的三个）分开的气流。等离子体焰炬（未示出）的同心管共享共同的中心轴，其在图1A所示的代表性实施例中将平行第二轴116定向。具有曳出样本的载气通常流过最内部管，并且分开的等离子体维持和焰炬冷却气体流过两个管之间的间隙。如图所示，等离子体维持和焰炬冷却气体是氮，并且提供安排用于产生该传导气流以便形成具有基本上空芯的稳定等离子体，并且保持等离子体与焰炬的任何部分充分隔离，使得没有焰炬的部分被过加热。例如，等离子体维持气体可以径向地离轴注入，使得流体螺旋移动。该气流维持等离子体，并且内气流中携带的分析样本通过来自等离子体的辐射和传导加热，如本领域熟知的。为了最初点火等离子体，等离子体维持和焰炬冷却气流可以临时地和暂时地从氮变为氩。在授予Hammer的共同所有美国专利7,030,979中详细描述了适合的等离子体焰炬的示例。该专利的公开内容在此通过引用明确并入。

图1B是根据代表性实施例的膜片106的透视图。膜片106包括膜片腔108、第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112。如这里描述的，膜片106设置在波导101中，使得膜片腔108的中心（即，在第二轴116）远离膜片腔108的端部（例如，第一端102或第二端104）设置以建立电磁场，使得能够容易地实现提供给等离子体焰炬的等离子体形成气体的横向电磁激励。如上所述，从膜片腔108的中心（即，第二轴116）到波导101的端部的距离说明性地大致为期望模式的四分之一波长（λ/4）的奇数倍。

图2是描绘根据代表性实施例的装置100中支持的期望模式的电磁场线201a,b（电场线201a和磁场线201b）的顶视图。该模式的电磁场线201a,b基本上横穿在膜片106的膜片腔108的中心处的第二轴116。选择长度L大致为期望模式的四分之一波长（λ/4）的奇数倍，导致在膜片腔108中的等离子体焰炬（图2中未示出）的位置处的电磁场最小值。

如上所述，无扰动波导101（即，没有膜片106）的传播模式具有特定形状（未示出）。模式的形状通过由膜片106导致的扰动改变，但是膜片106中的模式的电磁场线201a,b保持基本横向。与其中磁场线有目的地在相对于膜片和等离子体焰炬的轴向上定向的已知的波导相反，新的波导结构的效率不严格依赖于其物理尺寸。在已知的波导中，对于误差存在极小余地（如果有的话）。因此，在已知的波导结构中，波导的元件的尺寸的变化或它们的放置的变化或两者对电磁场线201a,b相对于等离子体焰炬的定向和位置以及对得到的等离子体可能具有显著的和不期望的影响。如可以从图2的评论意识到的，膜片106的放置的轻微变化，特别是在图2的坐标系的x维度中，将对电磁场线201a,b相对于等离子体焰炬的朝向具有极小（如果有的话）影响。具体地，膜片106在x方向上的稍微误放可能导致长度L偏离波导101的四分之一波长的期望奇数倍的变化，但是电磁场线201a,b保持基本横穿第二轴116，因此横穿等离子体焰炬。

如下面参考图3更完全描述的，通过代表性实施例实现的电磁场分布导致区域202、203以及204、205中的等离子体的四个基本星月形叶瓣（lobe）的形成。这些等离子体的星月形叶瓣导致区域202、203以及204、205中的围绕第二轴116对称设置的膜片106中的合成等离子体。这些合成等离子体的每个具有基本空的圆柱形，并且每个包括围绕其周边的热等离子体和较冷的中间芯。

图3是从第二轴116向下看的膜片106的侧视图。期望模式的电磁场线301a,b（电场线301a和磁场线301b）设置在腔103以及膜片106的第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112的各区域中。第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112每个具有高度“H”，如图3中所示。横向电磁场301a,b生成和维持第一和第二新月形等离子体304，305，其在第一和第二区域302，303中具有较大功率（“较热”）。相反，极少（如果有的话）电流生成，并且极少（如果有的话）等离子体维持在膜片腔108的中心。

结合地，第一和第二新月形等离子体304，305产生具有基本空的圆柱形的单个等离子体，其具有围绕其周边的热等离子体以及较冷的中间芯。最后，如上所述，在代表性实施例中，第二组新月形等离子体（未示出）形成和保持在沿着第二轴116的另一位置处（例如，在图2所示的区域202，203中）。如同第一和第二新月形等离子体304，305，这些新月形等离子体围绕第二轴116基本对称，并且形成具有基本空的圆柱形的单个等离子体，其具有围绕其周边的热等离子体以及较冷的中间芯。

图4是根据代表性实施例的膜片106的侧视图。膜片106的许多细节对于说明性实施例的描述中的上述那些是共同的，并且一般不重复。此外，考虑膜片106的对称性，第二膜片隙槽112的描述事实上等于第一膜片隙槽110的已有描述。

等离子体焰炬401（见图4）设置在膜片106的膜片腔108中，并且具有同心圆柱体402、403、404，其提供等离子体焰炬401中的中心气流、中间气流和等离子体维持和焰炬冷却气流。等离子体焰炬401包括尖端405，其位于距离第一膜片隙槽110的中心线距离“D”406，如图4所示。此外，第一膜片隙槽110具有长度“L”407和高度“H”408。

如上所述，第一膜片隙槽110的高度408选择为提供用于生成和维持等离子体的期望模式的电磁场的限制。该电磁场的限制导致期望的场梯度，其最终产生基本对称的等离子体。装置100的高度408和其他尺寸取决于用于生成和维持等离子体的期望模式的波长。如图所示，装置100中高度408对于2.4GHz模式是大致6mm到大致8mm，并且通常将小于等离子体焰炬的直径的70%。

图5是根据代表性实施例的用于产生等离子体的方法500的流程图。在501，方法500包括沿着第一轴对准等离子体焰炬。在502，方法500包括生成具有沿着第二轴的具有场线的电磁场。

根据说明性实施例，描述了电磁波导和包括电磁波导的等离子体源。本领域普通技术人员将意识到，根据本教导的许多变化是可能的，并且保持在所附权利要求的范围内。在这里的说明书、附图和权利要求的检查之后，这些和其他变化对本领域普通技术人员将变得清楚。因此，除了在所附权利要求的精神和范围内，本发明不受限制。

Claims

1.一种装置，包括：

具有长度和高度的电磁波导；

在沿着所述波导的长度的第一位置跨越所述波导的第一膜片隙槽，具有小于所述波导的高度的高度；

在沿着所述波导的长度的第二位置跨越所述波导的第二膜片隙槽，具有小于所述波导的高度的高度；

在所述第一和第二膜片隙槽之间的位置具有跨越所述波导的纵轴的等离子体焰炬；

其中，所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽配置为透射基本上横穿所述等离子体焰炬的纵轴的电磁场，以便激励所述等离子体焰炬中的等离子体；以及

其中，所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽的高度小于所述焰炬的直径的70%。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁场是基本上横穿所述等离子体焰炬的纵轴的驻波。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁场作为基本上横穿所述纵轴的行波通过所述等离子体焰炬的纵轴。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽之间的膜片腔。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁波导包括第一部分，并且从所述电磁波导的第一端到膜片的中心的第一长度基本上等于或大于大致模式的四分之一波长（λ/4）的奇数倍。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁波导包括第二部分，并且从所述电磁波导的第二端到膜片的中心的第二长度大于大致模式的二分之一波长（λ/2）。

7.根据权利要求5所述的装置，其中所述电磁波导的第一端电连接到地。

8.根据权利要求6所述的装置，其中所述电磁波导的第二端电耦合到电磁辐射源。

9.根据权利要求4所述的装置，其中所述等离子体焰炬具有设置在所述腔中的尖端。

10.根据权利要求4所述的装置，其中在围绕所述等离子体焰炬的纵轴基本上对称的所述腔中生成等离子体。

11.根据权利要求4所述的装置，其中所述等离子体具有第一基本新月形叶瓣和设置在所述腔的对侧的第二基本新月形叶瓣。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括远离所述等离子体一定轴距离设置的另一等离子，其中所述另一等离子体具有第一基本新月形叶瓣和设置在所述腔的对侧的第二基本新月形叶瓣。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述第一和第二新月形叶瓣关于第一轴基本对称。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁场包括基本上横穿所述等离子体焰炬的纵轴的电场，并且其中所述电场激励所述等离子体焰炬中的等离子体。

15.根据权利要求1所述的装置，其中所述电磁场包括基本上横穿所述等离子体焰炬的纵轴的磁场，并且其中所述磁场激励所述等离子体焰炬中的等离子体。

16.一种产生等离子体的方法，所述方法包括：

沿着第一和第二膜片隙槽之间的第一轴对准膜片的膜片腔内的等离子体焰炬，所述第一和第二膜片隙槽具有小于所述焰炬的直径的70%的高度；以及

沿着第二轴生成具有场线的电磁场，其中所述场包括基本上横穿第一方向的分量。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述方法还包括：

提供等离子体形成气体给所述等离子体焰炬；

施加电磁功率以建立电磁场；以及

生成等离子体。

18.根据权利要求17所述的方法，其中在邻近所述膜片设置的电磁波导中建立电磁功率。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述电磁波导包括第一部分，并且从所述电磁波导的第一端到膜片的中心的第一长度基本上等于或大于大致模式的四分之一波长（λ/4）的奇数倍。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述电磁波导包括第二部分，并且从所述电磁波导的第二端到膜片的中心的第二长度大于大致模式的二分之一波长（λ/2）。

21.根据权利要求16所述的方法，其中在围绕所述第一轴基本上对称的所述腔中生成等离子体。