CN111800929A

CN111800929A - 辉光等离子体稳定

Info

Publication number: CN111800929A
Application number: CN202010267949.3A
Authority: CN
Inventors: 马丁·洛佩兹; 巴赫拉姆·阿里扎德; 迈克尔·安东尼·拉特克利夫; 尼基·杰伊·巴特森
Original assignee: Servomex Group Ltd
Current assignee: Servomex Group Ltd
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2020-04-07
Publication date: 2020-10-20
Also published as: US20210310956A1; CA3077841A1; US20200343074A1; GB2583025B; GB2583025A; GB201904896D0; EP3719482A3; US11948774B2; KR20210124083A; GB2593983B; EP3896434B1; JP2021165737A; GB202005079D0; GB2583897A; EP3719482A2; CN113498244A; CA3114186A1; EP3896434A1; GB2593983A; GB202104893D0

Abstract

提供了一种用于稳定来自等离子体的辉光放电的方法、装置和系统。还提供了用于处理来自稳定的辉光等离子体的具有增强的信号到噪声恢复的光学信号的方法、装置和系统。第一方法包括：使用交流激励电压在等离子体单元内产生电场以激励单元中的粒子，从而从所述等离子体单元中的等离子体产生辉光放电；在所述交流激励电压的每个激励周期中监控与来自所述等离子体单元中的所述等离子体的辉光放电光学发射相关的一个或多个信号；以及响应于所述监控，控制所述等离子单元的一个或多个操作条件，以在所述交流激励电压的每个激励周期中将来自所述等离子体的所述辉光放电发射保持在期望的操作范围内。

Description

辉光等离子体稳定

技术领域

本公开涉及等离子体领域，具体地，涉及一种用于稳定来自等离子体的辉光放电的方法、装置和系统。

背景技术

等离子体由离子化的气体分子组成，是自由电子、中性分子和各种波长的光的光子的混合。等离子体可以采取多种形式，既可以天然存在(诸如，在恒星、星云、火焰和闪电中)，也可以人为形成(诸如，在高强度电场中进行电弧放电)。等离子体可以在高压和低压下都出现。与高压等离子体相比，减压等离子体的优点在于需要较低的撞击电压(等离子体的点火)和保持电压(保持等离子体的电压)，且由于较低的物类密度而导致的猝灭发生率降低，但是与获得这种低压相关联的成本和复杂性增加，并且离子化的分子的总量可能会减少。等离子体用于材料加工应用中，诸如表面清洁以制备用于薄膜沉积的衬底。它们还用于等离子体照明、臭氧生产、蚀刻计算机芯片和制造太阳能电池。

US2018/0197643 A1公开了一种使用等离子体的引发作为反应的活化过程来监控和控制放热反应的装置。所述装置在低压下进行操作并使用光子检测设备来监控等离子体以确定其状态，并且针对反应的活化进行调整。等离子体可以是辉光放电、电弧、火花或其他等离子体。

US 2009/0030632 A1公开了监控处理腔室的等离子体稳定性。所描述的用于在半导体衬底等离子体处理腔室之间进行匹配的设备使用光谱仪比较测量，所述光谱仪比较测量使用校准的光谱参考，以允许在过程扰动期间将过程参数与等离子体发射光谱关联起来。

US 2019/0051502 A1公开了一种在低压下进行操作的用于等离子体处理的设备，所述设备使用了光谱信息和预测模型。

US2017/0064806 A1公开了一种用于太空火箭的等离子体推进器，所述等离子体推进器被设计为在低压下进行操作。 US2017/0064806 A1提到了需要控制所供应的电能和气体的量，以及使用通过插入等离子体容器内部的探针的电子密度测量，以实现离子束太空火箭推进器或类似等离子体推进器所需条件的稳定度。

US 8239171 B1公开了一种装置，所述装置主要通过使用陷阱来收集杂质并使用渗透管选择性地添加水分，使用等离子体来减少使用等离子体测量稀有气体(诸如，氦气或氩气)中的痕量气体(诸如，氮气)时背景杂质的影响。

感应反馈技术已被用于改善用于表面处理的辉光等离子体的稳定性和柔韧性，以避免损坏表面。EP 1381257 A2公开了用于在材料的表面处理中在大气压下产生和维持辉光放电等离子体的装置。EP 1381257 A2涉及其与US 5,414,324的电感器和等离子体腔室的区别，该专利也被公开用于表面处理。

EP 3265806 A1公开了使用次级稳定电极来施加横向电场和/或提供电子注入。

在辉光等离子体内，电子和其他离子化物类未达到热平衡，并且电场内与激励粒子相关联的能量可能远高于混合物的平均能量。加速电子与气体分子之间的电场和非弹性碰撞导致产生被激励的且被离子化的物类。随后衰减到较低的能级的辐射会导致发出辐射的特征性光子，起名为“辉光”放电。

发明内容

提供了一种用于稳定来自等离子体的辉光放电的方法、装置和系统。还提供了用于处理来自稳定的辉光等离子体的光学信号和非光学信号的的方法、装置和系统，包括以增强的信号到噪声恢复处理光学信号。

根据本说明书中所描述的方法、装置和系统，可以通过监控一个或多个辉光放电光学发射或与该光学发射相关的一个或多个信号，并且提供对操作条件(诸如用于激励等离子体单元内的粒子(诸如，原子、分子和带电物类)的电场)的动态谐振反馈控制，来保持来自等离子体单元中的等离子体的相对稳定的辉光放电光学发射。辉光等离子体的稳定性可以用于辉光放电光学发射光谱(GD-OES)和气体分析的非光学分析以及其他应用。

本文中所描述的第一方法包括：使用交流激励电压在等离子体单元中产生电场以激励单元中的粒子，从而从等离子体单元中的等离子体产生辉光放电；在交流激励电压的每个激励周期中，监控与来自等离子体单元中的等离子体的辉光放电光学发射相关的一个或多个信号；以及响应于所述监控，在交流激励电压的每个激励周期中控制等离子单元的一个或多个操作条件，以将来自等离子体的辉光放电发射保持在期望的操作范围内。

所述监控可以包括监控等离子体激励电流，或者所述监控可以包括光学地监控来自等离子体的辉光放电发射或监控从辉光放电发射产生并与之相关的电学信号。所述方法可以包括：在交流激励电压的每个激励周期中确定等离子体单元的将来自等离子体的辉光放电光学发射保持在期望的操作范围内的操作条件，然后调节操作条件，以将保持辉光放电光学发射的操作条件保持在期望的操作范围内。

在本文中所描述的示例方法中，通过向等离子体单元中的两个或更多个电极施加输入信号以在电极之间产生电压梯度，测量在等离子体单元上的感应信号并将感应信号与参考信号进行比较以获得差值信号，来在等离子体单元中保持稳定的辉光放电等离子体。该比较在等离子体谐振下执行。如下面所说明的，本文中对“谐振”和“谐振条件”的引用除非明确说明，否则不应被理解为限于峰值谐振。然后基于所获得的差值信号向等离子体单元中的至少两个电极施加控制信号，以实现用于在谐振条件下激励的稳定的辉光所需的电极之间的期望电压梯度。感应信号的测量可以涉及在每个激励周期内对等离子体电流或从等离子体电流产生或与之相关的信号的实时测量。

本文中所描述的示例系统包括：等离子体单元；电场产生器，使用交流激励电压在等离子体单元中产生电场以激励单元中的粒子，以从等离子体单元中的等离子体产生辉光放电；控制器模块，用于在交流激励电压的每个激励周期中监控与辉光放电光学发射相关的一个或多个信号；响应于所述监控，在谐振条件下控制等离子体单元的一个或多个操作条件，以在交流激励电压的每个激励周期中将来自等离子体的辉光放电发射保持在期望的操作范围内。

本文中描述了示例性控制电路，用于控制等离子体单元中的电场以谐振方式进行操作。所述电路包括：感测电阻器(R_s)和用于测量电学信号的仪表，所述电学信号与来自等离子体单元中的等离子体的辉光放电发射相关；高速差分放大器，被配置为产生与所测量的电学信号与参考信号之差成正比的误差信号；变压器(T₁)，被配置为将控制信号施加到电场产生器；以及电场产生器，用于响应于控制信号而产生振幅和/或频率可变的交流激励电压，以激励等离子体单元中的气体粒子；其中控制电路被适配为测量感测电阻器上的电学信号并控制电场发生器以在交流激励电压的每个周期中调节交流激励电压，以保持来自等离子体单元中的等离子体的稳定的辉光放电发射。

上述方法、系统和控制电路的示例用途是使用具有动态反馈谐振控制的辉光放电光学发射光谱(GD-OES)来稳定辉光等离子体，从而进行气体分析。等离子体单元可以操作在大气压力下-无需真空系统就有可能实现稳定的无细丝(filament-free)等离子体。可以进行连续的气体感应操作。

用于供应到等离子体单元的气体的辉光放电光学发射光谱 (GD-OES)的示例方法包括：使用交流激励电压在等离子体单元中产生电场，以激励该单元中的气体粒子，从而在谐振条件下产生来自等离子体单元中的等离子体的辉光放电；在交流激励电压的每个激励周期中，监控与来自等离子体单元中的等离子体的辉光放电光学发射相关的一个或多个信号；响应于所述监控，在交流激励电压的每个激励周期中，控制等离子体单元的一个或多个操作条件，以将来自等离子体的辉光放电发射维持在期望的操作范围内；以及分析光学发射以确定供应到等离子体单元的气体的成分。

在用于GD-OES的示例方法中，来自在等离子体单元中产生的等离子体的光学发射用于测量混合物中的气体的浓度。在限定的频率范围上扫描或线性调频驱动频率，并且使用一个或多个测量参数随频率的变化来确定气体混合物中的气体成分的浓度。可以在限定的频率范围上有规律地或可变地扫描或线性调频驱动频率，并且等离子体激励频率可以被积极适配为基本符合与要分析的物类混合物有关的峰值谐振。

还可以将备选方法用于非光学信号分析，以实现气体混合物中气体浓度的测量，并且将在本专利说明书的后面部分对此进行详细处理。在限定的频率范围内扫描或调频驱动频率，并且使用一个或多个非光学测量参数随频率的变化来确定气体混合物中气体成分的浓度。可以在限定的频率范围上有规律地或可变地扫描或线性调频驱动频率，并且等离子体激励频率可以被积极适配为基本符合与要分析的物类混合物有关的峰值谐振。

示例控制机制可以主动适配或控制以下一个或多个参数，以控制来自等离子单元内等离子体的辉光放电光学发射：

电极的几何形状，例如电极之间的距离和电极的尺寸/形状，如下所述；

电极和等离子体之间的界面，例如介电材料的类型和/或介电材料的厚度，如下所述；

激励信号的频率，以便将激励频率保持在最佳频带(在此称为谐振频带)内，如下所述；

激励波形；

激励电压和/或电流，诸如在谐振电流反馈控制方法中；以及

激励源与等离子体之间的阻抗；和/或

其他示例方法和装置在气体分子进入等离子体室之前控制赋予气体分子的能量(例如，控制温度、压力或预激励/电离)。

因此，控制机构可以涉及对一个或多个电学输入信号的调节；对单元组件的一个或多个物理调节或重新配置，例如一个或多个电极的移动或介电材料的调节；或对诸如温度、压力流速等操作条件的其他改变或改变集合。

本说明书中所描述的示例方法和装置通过使用上述机制之一或上述机制的组合，使得能够在包括不同气体成分、不同气体类型、不同气体浓度和不同流速的广泛操作条件下稳定辉光等离子体。

还提供了用于以增强的信噪比恢复实时地处理来自稳定辉光等离子体的光信号的方法、装置和系统。可以使用振荡电场或振荡磁场或振荡电场与磁场的组合来产生等离子体。产生稳定等离子体的一种示例方法包括：在等离子体单元内产生振荡电场和/或振荡磁场，以激励单元内的粒子(原子、分子或带电物类)，从而在谐振条件下从等离子体单元中的等离子体产生辉光放电，其中在每个激励周期内实时执行对等离子体单元中等离子体的一个或多个辉光放电光学发射的监控。通过以两倍激励频率监控该光学信号，可以改善信号到噪声的恢复(signal to noise recovery)。

以两倍的激励频率(2f)监控信号会导致信噪比的提高，这是因为信号的带宽变窄以及由于频率与激励频率(f)相分离，例如使用陷波滤波器。用于检查和确定2f信号的信号检测技术可以包括以下一项或多项：锁相(lock-in)检测、同步检测、频域分析，例如通过使用快速傅立叶变换(FFT)和时域或频域匹配滤波器技术、整形滤波器或其他适当的检测手段。可以将信号作为峰值高度、峰的面积，作为 2f信号的积分或具有适当滤波(例如中值滤波)和/或集合平均和/或移动平均的任何其他适当技术。光学检测系统的设计和实现适合实时测量信号。例如，用于紫外线或可见光的本质上低电容的硅检测器被用作一种经济有效的测量光的手段，具有快速的响应时间。信号收集可以在通过光学滤波器的传输带之后实现，或者通过使用色散光栅或其他合适的波长选择设备来实现。

上述信号处理方法提供了对来自辉光等离子体的光学发射的测量的改善精度，作为对用于气体分析和其他应用的辉光放电光学发射光谱(GD-OES)技术的增强。

一种示例方法包括：在等离子体单元内产生一个或多个振荡电磁场以激励单元内的粒子，从而在谐振条件下在等离子体单元内产生辉光放电等离子体，并控制等离子体单元的操作条件以将来自等离子体的辉光放电光学发射保持在期望的操作范围内；并监测来自等离子体单元中的等离子体的一种或多种辉光放电光学发射；其中所述对光学发射的监控包括：以两倍的等离子体激励频率测量光学发射或测量与光学发射相关的信号；以及在每个激励周期中实时处理该信号以确定混合气体中的气体的浓度。

一个示例系统包括：等离子体单元；电压发生器，用于在等离子体单元内产生一个或多个振荡电磁场，以激励单元内的粒子，从而在谐振条件下在等离子体单元内产生辉光放电等离子体；电压控制器，用于控制等离子体单元的操作条件，以将来自等离子体的辉光放电光发射保持在期望的操作范围内；以及一个或多个光学检测器，其耦合到一个或多个测量电路，被配置为监控来自等离子体单元中等离子体的辉光放电光学发射，其中，所述光学发射的监控包括以等离子体激励频率的两倍测量光学发射或测量与光学发射相关的信号；其中系统被配置为在每个激励周期期间使用信号处理器实时处理该信号，以确定气体混合物中的气体的浓度。

附图说明

下面仅通过示例的方式，参考附图来描述示例性装置、系统和方法的各种特征，在附图中：

图1是光学发射光谱系统的组件的示意表示，所述光学发射光谱系统可以使用光谱仪和等离子体单元中的介电阻挡放电(DBD)发射的光以进行气体分析；

图2是示例装置的排放副产物的光谱图；

图3是DBD等离子体的电模型的示意表示；

图4是激励周期期间的等离子体电压和电流的图形表示；

图5是等离子体单元的谐振电流反馈控制系统的组件的示意表示；

图6提供了谐振电流反馈控制的电学模型的简化表示；

图7提供了针对大气N₂辉光等离子体绘制出的、使用谐振电流反馈控制的DBD等离子体驱动电压相对于等离子体电流的图形表示；

图8a是用于与图8b比较的常规线绕结构的示意图；

图8b示出了平面变压器的芯部和PCB绕组；

图9表示低电容平面变压器中的PCB绕组结构；以及

图10是表示在大气压下具有各种浓度的O₂的N₂等离子体光谱的图形；

图11是示出了示例发射线强度线性度与O₂浓度的关系的图形；

图12是示出了具有各种浓度的氩的N₂等离子体光谱的图形；

图13是示出了线强度与氩气浓度的关系的图形；

图14是示出了对氩气浓度的响应的线性度的示例的图形；

图15是用于使用线性调频激励刺激信号来实现谐振反馈控制的装置的组件的示意表示，具有代表性的反馈信号响应；

图16是示出了对于诸如图15中所示的谐振电流反馈系统，反馈电压的导数随N₂背景等离子体中氩气浓度的增加而变化的图；

图17a和图17b提供了两个图，其中图17a表示反馈电压谐振系统的谐振峰值频率与氩气浓度的关系，并且图17b示出了该反馈电压谐振系统的等离子体反馈电压积分面积与氩气浓度的关系；

图18是示出了反馈电压的导数随N₂背景等离子体中的氧气浓度的增加而变化的图；

图19示出了使用谐振电流反馈进行气体物类浓度确定的示例方法的步骤。

图20是用于产生辉光等离子体的系统的简化示意图；

图21示出了频率f的激励波形和频率2f的检测光学信号；

图22是锁相检测技术的示意图；

图23示出了使用锁相检测的优点；

图24是氢气/氮气混合物的2f信号幅度的图示；

图25是2f幅度和光谱仪幅度结果之间比较的示意图；

图26是氩气/氮气混合物的信号波形图；以及

图27是氩气/氮气混合物的锁相幅度的图。

具体实施方式

辉光等离子体在气体分析中具有重要的应用。光学发射光谱 (OES)是一种用于物类识别和定量的技术，其中对来自辉光等离子体内的激发态物类的光发射进行分析。发射线在电磁谱中的位置指示物类的身份，且强度指示气体混合物中该气体物类的浓度(如图1中所示)。尽管辉光放电光学发射光谱法(GD-OES)已用于分析固体导电材料的表面，但是GD-OES并不是用于气体分析的优选技术。大多数常规的GD-OES系统使用低压辉光放电等离子体。但是在某些情况下，仍可以在大气压或更高压力下进行测量。在气体分析中，辉光等离子体可用于分析包括污染物在内的各种气体，并且该分析可用于控制工业过程以最小化排放水平和目标气体，从而优化过程效率，减少电力需求并最终减少温室气体的产生。温室气体产物是大多数电力生产和热力生产的一部分。

辉光放电可能会在直流(DC)或交流(AC)激励场中发生。DC 场涉及气体环境内的直接电极接触，这对于电极的性能和寿命可能是不期望的。交流场可以通过介电阻挡物耦合到气体样品，因此电极被屏蔽，从而不与气体直接接触。介质阻挡放电(DBD)等离子体已用于工业臭氧生产。

下面详细描述的示例装置在气体分析中使用辉光放电光学发射光谱。示例使用大气压下改进的辉光等离子体稳定性以进行在线气体分析。无需辅助电极施加横向电场或提供电子注入即可完成此操作，其中辅助电极施加横向电场或提供电子注入将涉及额外的构造并增加操作复杂性。而且，在电子注入的情况下，这种辅助电极在气体流内的存在会使它们受到潜在的污染和腐蚀。当目标气体被带入等离子体时，它会被激励，并且由辐射衰变发射出的光会被光谱仪检测，从而获得独特的波长特征。OES提供非侵入性且非常具体的信息，该信息不仅与等离子体化学有关而且还与物类的相对浓度有关。与常规GD-OES系统不同，气体分析应用通常要求气流本身不与高压电极物理接触，以避免在电极上发生任何溅射效应或化学反应。在许多气体分析应用中，目标气体处于连续流动状态，这需要快速响应才能进行光谱监控和物类识别。

在以下所述的GD-OES系统中，惰性载体或背景气体(诸如、氦气、氩气或其他稀有气体)用于将少量的被测气体传送通过等离子单元。这样可以进行连续分析，但是也可以用于气相色谱系统。对于气体分析应用，存在几个问题，从而阻止了该技术成为用于气体物类分析和确定的完全灵活且可广泛实施的技术。如本文中所描述，可以缓解这些缺点。

先前被认为阻碍实现用于等离子体蚀刻和气体分析的稳定辉光等离子体(特别是在较高压力下(例如，在大气压下))的因素包括以下项：

1、较高的气体流速。

2、较高的被测浓度或较大的组成变化。

3、较高的电压。

4、常规的高纯度稀有载气的高成本和能量密集型生产。

可以如下面所描述地解决这些问题。

在高流速下保持稳定辉光等离子体的能力非常有用，例如，它是产生更多等离子体副产物的手段，或者在要实现对实时浓度变化的快速响应的情况下，尤其是在连续流气体分析应用中，它对气体分析是有用的。在现有方法中，高流速的存在通常将导致等离子体猝灭，从而导致测量质量下降或损失。这是由于等离子体无法补充和重新稳定由于激发态气体分子的流出和冷却的、未激发态的气体分子的流入而损失的能量。

高气体混合物浓度的存在通常会导致背景激发态分子的耗尽或消除。这将转而导致等离子体淬灭。对于任何稳定的背景成分，辉光放电等离子体的条件可能是最佳的，然而当这些条件变化很大时，与最佳状态的偏差可能会很大，从而导致淬灭。

通过在气室内产生强电场以加速离子化物类和自由电子，使用高压来产生和保持辉光等离子体。然而，这里存在两个问题。首先，高电压难以产生，可能需要专业的设计架构。其次，高电压的电平不足将导致等离子体猝灭，而过高的电压则可能会导致等离子体内的丝状放电(击穿)，从而导致光信号不稳定。这两种情况都是不期望的，并且将导致操作不稳定。

由于它们的低电离能，在辉光放电等离子体中广泛使用高纯度氦气和氩气作为载气或背景气体。对于使用大量稀有气体载气的气相色谱应用尤其如此。然而，由于世界上氦气和氩气的需求量已超过其生产能力，因此许多应用面临更高的运行成本。另外，这些气体，特别是氩气和其他稀有气体的生产是高能耗的，这会导致全球变暖。本文中所描述的示例性方法和装置在诸如氮气的其他更丰富的惰性气体中保持稳定的辉光等离子体，以实现较低的成本并减少能量需求。此外，在气体分析中，辉光等离子体可用于分析包括污染物的各种气体，并且该分析可用于控制工业工艺以最小化排放水平和目标气体，从而优化工艺效率，降低电力需求并最终减少温室气体的产生，这是大多数电力生产和热力生产的一部分。

本文所述的示例性方法和装置解决了基本等离子体能量水平下的这些缺点，以使得能够在非常宽范围的条件(例如，成分、气体类型、气体浓度和流速)下产生稳定的辉光等离子体。这是通过控制等离子体的操作条件来实现的。可以使用各种控制机制和控制机制的组合。在示例中，通过逐周期(即，在每个激励周期期间)监控等离子体电流并使用反馈控制来将等离子体电流保持在限定值，从而实现该控制。该反馈可以通过几种方法来实现，诸如通过实时控制等离子体单元两端的电压梯度。此反馈控制可以通过多种方式来实现，例如通过积极调整：

·电极几何形状(例如，电极之间的距离和电极的尺寸/形状)

·电极和等离子体之间的界面(例如，介电材料的类型/性能和/或厚度)

·激励频率

·激励波形

·激励电压和/或电流

·激励源与等离子体之间的阻抗

·在进入等离子体腔室之前赋予气体分子的能量(例如，通过温度或预激励/电离)；

·气体样品压力

·气体样品流速

·或通过上述控制机制中的两个或更多个的组合。

本专利说明书中对“谐振”或“谐振条件”或“谐振频率”的引述是指辉光等离子体的功能性激励频率范围(谐振频带)，其将取决于等离子体单元的气体成分和物理尺寸以及其他因素，诸如环境条件。在此范围内，可以积极保持辉光等离子体，但是在功能性辉光等离子体激励频率范围内，通常会有一个最佳频率或峰值谐振频率，在该频率下会发生等离子体的最大能量传输效率(最大或峰值谐振)。对于固定频率，可以通过反馈机制调整等离子体单元两端的电压梯度，以在气体成分和/或环境条件变化的情况下保持稳定的辉光等离子体。备选地，对于固定的气体成分和/或环境条件，可以扫描频率以找到最佳(最大)谐振峰，或者可以实现两种方法的组合。电学激励源与等离子体单元之间的阻抗应进行优化，以实现稳定和最佳的能量传输。可以从理论上、经验上或两者的组合来确定优化参数。

在等离子体单元两端存在一个成分相关的谐振电压梯度，该电压梯度将保持辉光等离子体，这可以通过调节施加到电极上的电压来实现。例如，如果通过使用反馈电路或其他适当的手段来实时地(逐周期地)主动地调节施加到电极的电压来保持限定的和/或固定的等离子体电流分布，则可以在很大范围的成分和环境条件下稳定并保持辉光等离子体。所使用的反馈电路是能够应对高速反馈实现的电路。

可以将输入的激励波形形状调节为例如正弦波、方波、锯齿波或其他合适的波形或波形的组合。然而，在最实际的高频电学实现方案中，等离子体两端传递的波形的形式可能会变成伪正弦曲线。

例如，可以选择或设计使用诸如伺服电动机、电磁致动器、压电设备、液压力、压力或其他合适的手段的这种装置来调节电极或电介质的位置、形状、性能或这些参数中两个或更多个的组合的物理自适配机制的实现方式，使其能够应对高频操作以移动到精确控制的可重复位置。某些实施方式(诸如，使用电磁驱动来调节等离子单元的操作条件)可以避免材料疲劳，即使是在大量循环中以及存在较大且波动的电场的情况下也是如此。然而，其他实施方式在响应于操作条件的变化(诸如，流速、环境温度或压力的变化)而需要重新配置时，仅在低频模式下使用物理自适应机制，诸如改变电极之间的间隙或在电极之间移动介电材料；这可以提供可以与动态反馈控制机制结合使用的低频调整，诸如激励频率和/或激励电压的调整。这种组合就可以在广泛的操作条件下提供实时调整，只要等离子单元的物理构造具有允许发生此类运动的灵活性即可。也可以例如通过压力、流体交换或其他合适的方式实时地调整电极与等离子体单元之间的介电性能。

调整气体样本压力和/或流速可以用于在需要定量物类信息的情况下，通过使用针对由于气体内的分子密度变化和/或等离子体单元中渡越时间的变化而引起的变化的校正项，来保持限定的等离子体电流分布。

在气体分子进入腔室之前通过合适的方式(诸如，通过使用加热器、珀耳帖或其他合适的工具进行加热或冷却，或者通过光学或辐射预激励)对赋予气体分子的能量进行适配可以用作稳定等离子体的手段。这些方法可以以连续的方式或可变的方式或两者的组合进行使用。

来自等离子体的输出副产物可以用于等离子体蚀刻和/或表面清洁和/或化学生产目的。光学输出可以用于气体物类的物类分析和/或定量和/或作为光源。一个或多个反馈参数可以用于气体混合物内的物类分析和/或定量。另外，可以使用这些功能中的一个或多个功能的组合。

在一个示例装置中，等离子体单元由至少一对电极驱动，所述至少一对电极经由该单元的相对两侧上的介电阻挡物(诸如，陶瓷、玻璃或石英)和等离子单元内部的间隙隔开限定的距离，所述间隙形成了通道，目标气体经由该通道流动并在其中形成等离子体。提供至少一个入口和至少一个出口以允许目标气体进入和排出。电极通常通过机械和/或粘合手段连接到介电阻挡物。例如，如果需要辉光等离子体的扩展区域，则可能期望一对以上的电极。电极的尺寸和形状在某些示例应用中很重要，因为它们定义了等离子体区域的延伸和形状。

示例电极在电极构造中具有限定的不连续性，诸如具有圆形、正方形或其他定义形状的间隙的网状或格状构造。然而，可以使用具有连续表面构造的电极，并且这样的电极更易于设计和组装，并且在相同的外部尺寸下具有更高的电容。格状的电极构造可以降低与丝状形成相关的高电流密度，并且还可以允许在电极后面使用光学检测器，以测量通过电极中的孔的光。可以有利地使用相同的、平面的、连续的、圆形的电极，这是由于对称性对于促进任何等离子体不稳定性(击穿)的局部化没有任何固有倾向。然而，其他形状是可能的并且潜在地有利的，特别是机械和流动配置。

由于使用本文中所描述的方法和装置可实现的增强的稳定性，因此可以实际实现更广范围的电极设计。同样，可以选择电极的形状以修改所形成的等离子体区域的轮廓，这对于优化特定流态的等离子体几何形状和/或光学发射或收集设计可以是有用的。

电极的面积将影响等离子体的横截面积，并因此影响所发射的光的量，较大的面积相应地增加所发射的光，尽管这将以较高的输入电力为代价。另外，较大表面积的电极将增加系统的电容，并且如下面所描述和附图所示的，这将能够增强电流反馈并因此提高性能。理想地，电介质的电学特性和机械特性并因此介电阻挡物的阻抗特性和电容特性是相对时间稳定的，以实现最佳的操作稳定性。另外，在决定介电阻挡的最优厚度时，电介质的材料和电特性是相关因素。如果介电阻挡物太薄，则电流限制特性可能不足，并且如果阻挡物太厚，则将需要增加电压以穿透阻挡物。在诱导等离子体引发和保持时，间隙两端的电压梯度是控制因素。对于固定电压、间隙越小，电压梯度就越大。这意味着，与诱发相同的电压梯度的较大间隙相比，较小间隙使得能够使用较低的电压来诱发等离子体。当试图在高电离能气体(诸如，氮气)中引发等离子体时，应考虑这一点。较低的电压对于电气安全设计是有利的、具有更轻松的变压器构造要求(更少的匝数)和较低的电力使用。此外，较小的间隙将产生较大的电容，这将实现更灵敏的电流反馈并增强灵敏度，特别是在非光学检测的模式下。对于所使用的间隙的尺寸存在实际的限制，这是因为随间隙的减小，单元上的压力释放将更大，尤其是如果使用发射的光，则光学输出可能会变得非常低。因此使用折衷的间隙尺寸，这样做考虑了上述因素以及可制造性和成本。在一些示例中，在电极周围提供绝缘(封装)以避免电晕放电的形成。

如果需要光输出或光测量，则单元中至少存在一个窗口，所述至少一个窗口或光学元件对目标光的波长范围(通常在电磁谱的紫外部分和可见光部分内)透明。如果需要光学输出作为光源或用于光学分析，则可以存在附接到单元或与单元的输出相关联的光学元件，诸如，窗口、光学光学滤波器(中性密度、带通、高通、低通等)、光纤、透镜、反射镜、衍射光栅或光谱仪，以将光导向一个或多个特定目的地或以一些方式修改光学输出。这些光学元件应对紫外线和可见光是光稳定的，并且由于光子吸收，在目标波长范围内也不应发光。光纤可以用于将光学输出传输到非视线目的地和/或从包含等离子单元的高温区域传输到电子器件可以在其操作环境温度限制内运行的较冷区域。另外，光纤允许检测器和/或信号处理电子器件的位置远离等离子单元和高相关联的电磁场。

对于气体监控，可以通过诸如光电检测器(例如，硅或InGaAs 光电二极管)的检测器、或者基于热的检测器(例如，热电检测器、辐射热计或热电堆)来检测输出光，或者备选地可以通过光谱仪来收集输出光，所述光谱仪在发射波长范围上产生光谱图。发射线的强度随气体成分的变化可用于物类分析和定量。在使用光学输出作为光源的情况下，输出将具有取决于气体成分和操作参数的独特光谱，并且可以适用于特定的光谱应用，诸如涉及光的吸收或在辅助气体单元内的激励的应用。等离子体副产物存在于来自单元的废气中。这些可用于等离子体表面蚀刻、清洁、化学生产或其他目的。副产物还可以包含有害的气态物类，这些有害的气态物类可能需要适当的处理或考虑。产生并存在于排放气体中的等离子体副产物的量将取决于气体成分、压力、流速、单元尺寸和电极面积以及其他因素。

用于保持或密封等离子体单元的所有材料应对紫外线和可见光是光稳定的，并且由于光子吸收，在目标波长范围内也不应发光。另外，电磁屏蔽对于从内部或外部电磁干扰源屏蔽或包含等离子体单元和/或相关联的电子装置可以是有用的。尽管已有利地将装置描述为能够在大气压或更高的压力下操作，但是在某些情况下可能期望在低于大气压的条件下操作，例如降低所需的启动和保持电压和/或操作电力或降低有害副产物的密度。对等离子体单元副产物的分析示出了与产生的等离子体中存在的物类之间的预期相互作用具有一致性。通过使用根据来自示例系统实施例的等离子体废气的FTIR(傅立叶变换红外)吸收成分分析获得的数据，图2示出了该结论，其中图2是等离子体单元排放副产物的光谱图。这是在大气压下在氮气等离子背景中由氧气的混合物得到的，在该环境下存在痕量的水分。可以看出，臭氧是等离子体中由氧形成的主要化学副产物，以及其他次级副产物涉及氮气和氧气。

在一些实施例中，等离子体单元可以保持在限定的固定温度。这可以防止冷凝并增强等离子体稳定性。此外，进入单元的气体样品可以保持在限定的固定温度。当保持高于环境温度并向气体样品添加热能时，这样做的优点在于增加进入单元的气体的热稳定性，从而稳定输出并通过降低密度来降低撞击和保持等离子体所需的电压。然而，这两种选项都涉及用于加热的增加电力。为了获得最优稳定性，通过等离子体单元的流速也应通过适当的流速控制装置(诸如，流体控制器)保持在限定的固定流速。

实施例还可以被设计为在等离子体进入之前将一种或多种掺杂剂添加到气体样品。例如，如US8239171中所描述的，由于信号处理的原因，可以添加痕量的水。

介电阻挡放电(DBD)是一种放电形式，其中至少一对的两个电极都与介电材料接触。该介电层用作电流限制器。在某些条件下，DBD 中存在一种独特的放电模式，其中放电表现为扩散辉光，从而均匀地覆盖了整个电极表面。由来自先前的放电的电子和亚稳定物类进行的气体预电离以及等离子体与介电表面之间的相互作用在这种发散辉光模式的形成中起着重要作用。电极的形状、大小和间距以及电极与等离子体之间的任何介电阻挡的特性和厚度对于确定辉光放电模式下的最佳等离子体场是至关重要的。尽管原则上电极可以与待测气体直接接触，但实际上，第一示例的电极受介电阻挡物(例如，玻璃或陶瓷或任何可以承受高温和高电磁场的电介质)保护。另外，取决于要测量的气体，可能存在侵蚀性的腐蚀性成分(例如，自由基、离子化的分子和/或化学腐蚀性的气体/副产物)，因此在这种情况下，介电表面必须具有耐腐蚀性。然而，使用介电阻挡保护该电极，并且阻止使用高压DC场。

使用来自DBD等离子体的AC场意味着波形、频率和幅度是要实现的任何辉光等离子体的稳定性的重要参数。当等离子体用于气体分析时，当存在被测量物时，等离子体产生的信号可以通过例如光学检测(例如，通带滤波器(波长选择)和光学(硅)检测器)确定，所述信号可以在紫外光和/或可见光谱内。在单通带下发射的光的强度指示被测物类和浓度。该要求意味着，在这种光学范围内，等离子体气体单元内必须至少有一个透明窗口或光学元件用于这物类型的气体检测。下面将详细讨论根据本公开的用于气体分析的非光学测量技术。

以下描述了典型DBD等离子体在大气压下的公知缺点。

当气隙两端的电压升高到击穿电压以上时，向电极施加外部AC 高电压会导致放电启动。间隙中的气体击穿导致形成等离子体，并且电极电流迅速上升。在许多传统的DBD中，等离子体电流的这种不受控制的升高可能会导致在此阶段形成丝状放电。其特征在于丝状通道电阻的快速变化，因为快速增长的空间电荷形成了自蔓延的流光。等离子体中产生的带电粒子会堆积在与电极相邻的介电表面上，从而创建与外加场相反的电场。这导致间隙两端的净电场减小，因此等离子体电流迅速减小。在丝状放电结束后，残留在电介质表面上的电荷会产生残余电场，为下一个电场周期做准备，其进一步对减小等离子体电流做贡献。

为了获得稳定的辉光等离子体，控制等离子体电流以避免形成可能导致等离子体瓦解的丝状放电。

随着等离子体单元中气压的增加，有两种过程有助于丝状放电。首先，电子与中性分子之间的碰撞速率增加，从而产生了高能紫外光子和带电物类的雪崩，它们可以更快且更容易地发展成细丝。其次，由于在大气压下的低扩散速率，限制了横向粒子扩散过程，因此促进了电弧放电或丝状辉光的发生。

在光学发射光谱学中，在每个半周期期间存在丝状放电会导致在光学或非光学检测器上产生不希望有的噪声信号。另外，在很长的一段时间内，丝状放电会腐蚀介电阻挡物的表面，例如石英，这反过来会导致介电阻挡物的测量漂移和最终故障。

因此，出于多种原因，希望避免丝状放电。

图3示出了代表DBD等离子体的简化电气模型。在该模型中， DBD由两个串联连接的电容器组成。一个代表介电阻挡物的电容 (C_d)，另一个代表间隙的电容(C_g(t))。间隙电容是高度动态的，并且被表示为时间相关的可变电容器。知道DBD单元的几何形状以及介电材料和/或间隙层的成分和厚度，就可以估算出这些电容。V_a(t) 是施加的RF电压，i_T(t)是DBD的总电流，i_Dd(t)是介电阻挡物中的位移电流，V_d(t)是介电材料中的电压，V_g(t)是间隙中的电压，i_Dg(t) 是间隙中的位移电流，R_f表示丝状通道电阻，且i_fil(t)是代表丝状放电的电流源。

如果施加的等离子体RF驱动电压Va(t)具有正弦波形，则其数学表达式为V_a(t)＝A.sin(ωt)，其中A是施加电压的最大幅度，并且ω 是以rad/sec为单位的操作频率。当施加的电压达到等离子体击穿电压 (V_bd)时，会出现间隙中的击穿，V_bd取决于操作频率、介电材料的相对介电常数、气体以及所使用的间隙长度。随着电荷累积在电介质表面上，介电材料中的电压V_a(t)升高，且介电电场与施加的电场相反，这可以导致等离子电流减小。

在施加的电压V_a(t)的波形的波峰附近，发生了放电的熄灭，其中施加电压的变化率接近于零(dV_a(t)/dt＝0)。针对施加电压的每个半周期重复这些条件。图3示出了丝状放电和所施加的电压的示意正弦波形之间的关系。

图4示出了点火和熄灭条件期间的电压和电流波形的细节，即，丝状放电(微放电)被点火并变成熄灭的“有源区域”的开始和结束。尽管已在低压下报告了无丝辉光等离子体或扩散辉光等离子体，但从上图和以上描述可以明显看出，在大气压(环境空气和压力)下保持扩散辉光等离子体是富有挑战的。

如图4中所示，谐振下的等离子体电流波形提供了一种在每个半周期期间检测丝状放电的存在的方法。因此，通过实施谐振下的等离子体电流的积极控制，可以避免传统DBD中观察到的等离子体电流不可控的增加，并且可以控制或减轻不期望的丝的形成。这种等离子体电流的控制是在逐个周期的基础上执行的(即，在交流激励电压的每个激励周期期间)，具有相当高的带宽。

根据一个示例，DBD等离子体操作的另一重要参数是其RF激励的频率。当激励频率太低时，电介质表面上的电子和带电物类积累得太快，并且相反的电场(V_d(t))过度抑制了等离子体电压的升高。另外，在边界表面上发生了一些放电物类的重组。这些影响加在一起将导致不引发等离子体或等离子体过早淬灭。相反，当激励频率太高时，在等离子体块中产生的电子和带电物类将被限制在电极间的间隙内，并且无法到达介电阻挡物表面以形成必要的相反电场。这也将导致不稳定的大气DBD等离子体。解决方案是控制激励频率，使其保持在等离子体处于稳定辉光操作的最优(相对较窄)频率范围内。在本文中，这被称为反馈系统的谐振频带(f_r)。

提供了一种谐振反馈控制电路，其中在交流激励电压的每个周期期间，该电路能够以逐个周期为基础积极地调整向电极施加到电压，从而控制例如等离子体电流和/或激励频率。

谐振电流反馈控制电路

图5示出了用于等离子体电流控制的反馈电路的基本元件的示例实施方式。

等离子体单元500允许形成等离子体。等离子体单元由至少一对隔开一定距离的电极501驱动。电极501通常通过机械手段和/或粘合手段连接到介电阻挡物(未示出)。电极501之间设置的距离在等离子单元500的内部形成了间隙502，其中间隙502与进气孔503和出气孔504结合形成了通道，目标气体能够经由该通道流过等离子体单元 500。在等离子体单元500的间隙502内形成等离子体。

感测电阻器505被提供作为反馈电路的一部分，以在向电极501 提供交流激励电压并在电极501之间产生电压梯度时测量等离子体单元500两端的信号。感测电阻器505被布置为测量在等离子体单元两端感应的信号，并且瞬时等离子体电流iT(t)流过感测电阻器505 并产生由电表测量的感测电压Vs。感测电阻器505在基本上沿着变压器506的次级绕组或线圈的中间一半的点处(中心抽头处)连接到高压变压器506的次级绕组或线圈，从而允许将感测电阻器505以地为参考。示出了平面变压器，但是变压器506不限于此。变压器506优选地是具有低绕组电容的变压器，并且在下面更详细地讨论。

在放大器507和感测电阻器505之间设置连接，使得放大器507 经由第一放大器输入从感测电阻器505接收感测电压V_s信号。第二放大器输入被提供给放大器507，使得放大器507能够接收参考波形508，该参考波形可以被用来设置等离子体电流的幅度和频率。例如，参考波形可以由示波器提供。示出了正弦参考波形，但是可以利用其他波形轮廓，例如方波、锯齿波、三角波或任何其他适当的波形或波形的组合。

放大器507优选是一个高速放大器，其能够产生正比于参考波形 508和由感测电阻器505检测到的实际等离子体单元波形之差的误差信号509。

放大器507将误差信号509提供给电力驱动级或控制单元，该电力驱动级或控制单元具有谐振LCR网络510，其用于驱动变压器506 的初级绕组或线圈。

误差信号驱动互补的大功率NPN-PNP晶体管推挽配置的基极，后者又通过固定的LCR网络驱动变压器的初级侧。平面变压器的次级绕组和初级绕组之间的紧密磁耦合将这种RF能量逐周期传输到次级侧，次级侧又直接耦合到等离子电极。使整个系统共振运行可确保在每个驱动周期将最大能量传递到等离子体电容。

图5的布置仅仅是谐振电流反馈控制电路的一种实施方式，并且可以使用其他实施方式。如所讨论的，不需要平面变压器，但是它可以提供额外的好处，下面将对此进行详细讨论。不需要用于等离子体电流感测的任何高压隔离电路，这是因为任何隔离电路都会对这种比较的带宽产生不利影响，并且将使其太慢而无法检测到丝状物形成的开始。所使用的反馈电路是一种能够应对高速反馈实现方式的电路。

根据本反馈控制电路，可以将等离子体电流直接与已知参考波形进行比较，该已知参考波形可以用于控制或设置等离子体电流的幅度和/或频率。

参照参考波形，逐周期地调整施加到电极501的交流激励电压，即，基于在激励电压的每个周期期间从等离子体单元测量的感测电压 V_s与参考波形之差来进行调整。实现了逐周期地主动调节施加到电极 501的电压，并且辉光等离子体可以在诸如气体成分和/或环境条件的变化条件的广泛范围内得到稳定。施加到电极501上的电压的调节可以补偿该变化条件，从而可以在交流激励电压的每个周期期间(即，实时地)稳定等离子体。

例如，可以逐周期地测量激励电压的激励频率，并增加该激励频率以避免等离子体的未引发或过早淬灭。或者，可以降低激发频率以防止电子和带电物类在电极间隙内的限制，从而使它们到达介电阻挡物表面并形成相反的电场。换句话说，可以将激发频率控制为保持在使等离子体处于稳定辉光操作下的最佳(相对窄)的频率范围内。

谐振反馈电流回路

图6示出了图5的串联谐振等离子体电流反馈电路的简化表示。

通过变压器506的匝数比传输的等离子体单元的有效阻抗被表示为Z_p。电感器L是电力驱动级的LCR网络的固定电感器和变压器的磁化电感之和。电容器C是通过变压器506的匝数比的有效等离子体电容与电力驱动级的LCR网络的固定电容器之和。

流过等离子体阻抗Z_p的电流为I_o，这是在感测电阻器505两端感测到的，感测电阻器505被示出为R_s。还示出了反馈误差放大器及其通过系统的相关联有效增益A。

使用节点分析，可以得出等离子电流I_o的表达式，其随反馈驱动电压V_i和电路元件(感测电阻器、变压器、放大器和电源)的改变而改变。以下使用的复参数X_C、X_L和Z_p分别是C、L和负载的阻抗。在谐振的条件下，对于频率(f_r)，串联LC电路的感抗X_L和容抗X_C相等。

等式1表明由于反馈误差放大器的高增益，等离子体电流I₀变得与等离子体阻抗Z_p几乎无关，并受参考电压V_r与感测电阻R_s的比值的控制。

X_C＝-X_L

等式1：等离子体控制电流

上面的简化分析表明，可以通过V_r和R_s来设置等离子体电流，其中V_r是参考电压波形，且R_s是感测电阻值，其是一个明确定义的量。如果系统的总环路增益和带宽足够高，则可以在谐振区域中控制等离子体电流，使其与等离子体动态阻抗Z_p无关。

在谐振下逐周期地控制等离子体电流具有稳定辉光等离子体的非常重要的特性，使得可以在很大范围的成分和环境条件下维持稳定。可以减轻不希望有的丝状放电的形成，并且可以在大气压下以稳定的扩散辉光模式在低噪声和低测量漂移的情况下操作DBD等离子体。

重要的是要用实验结果验证上述理论期望。作为特定示例解决方案的说明，图7显示了使用谐振电流反馈控制的以500ml/min的流速在大气压下的100％氮等离子体中的实验等离子体电压和电流的曲线图。值得注意的是，在等离子激励周期的活跃阶段期间的电流波形中没有观察到丝状放电。请注意，这些特性将取决于设计和操作条件而变化。下面提供了进一步的实验结果，以验证反馈电路的性能。

使用低绕组间电容的变压器的优势

为了最佳的反馈校正，应使用低绕组电容的变压器，这是因为由于该电容引起的电流将包括在净测量的等离子体电流中。因此，变压器506的绕组间电容将对用于稳定等离子体的最佳驱动频率产生影响。通过使用平面变压器设计，可以最佳地实现变压器506中的低绕组电容。

为了使任何反馈回路正常运行，重要的是感测到的参数是实际过程的忠实表示。对于等离子体电流反馈，重要的是流过感测电阻器505 的电流仅是等离子体瞬时电流的忠实表示。由于等离子体单元可以表示为大容量电容器，因此与DBD等离子体单元接触的任何其他杂散电路电容都可以产生杂散电流源，必须将杂散电流源最小化。

然而，在许多实际应用中，高压变压器次级绕组的绕组间杂散电容可能很高。这是由于需要大量次级线圈来产生在大气压力下点燃空气或氮气等离子体所需的高压。这些高频铁氧体磁芯变压器的紧凑尺寸意味着导线绕组紧密耦合在一起，从而导致许多常规罗伊尔变压器中的绕组间杂散电容较高。另外，例如用于光学发射光谱的等离子单元的紧凑几何尺寸意味着，变压器的绕组间电容通常可以与等离子体块电容具有相同数量级甚至更大。这种大的杂散电容的存在是实现最佳逐周期等离子体电流反馈控制的重要障碍。

如图8a中所示，传统的绕线变压器采用紧密的几何形状的导线耦合，将导线以分层的方式彼此缠绕在一起，从而产生较大的绕组间电容。传统上已使用通过使用分裂式或分段式线轴来将绕组分成几部分，即，所谓的叠层绕组，但是对于产生高压所需的大量匝数，杂散电容仍然很高。

与图8a所示的传统绕组方法相比，平面变压器(图8b和图9) 在绕组电容方面具有多个明显优势。现在将描述平面变压器的优点。

首先，平面铁氧体磁芯的大横截面面积有助于减少给定频率下的给定匝数比的初级匝数和次级匝数。

其次，在PCB的连续层中的绕组的分段提供了层的自然分离，其中绝缘玻璃纤维的厚度使绕组彼此隔开。

第三，当相对层上的走线以交错形式布置为示意性示出在图9的交错PCB绕组结构图中时，绕组将具有间接几何耦合，这有助于显著减小层间电容。

第四，使用平面变压器具有能够容易地设置在中心抽头配置下的实际优势。这种配置将次级另一绕组分成两个正交绕组，从而允许进一步显着降低绕组间电容。对于双极驱动方法，中心抽头配置的正交定相意味着，当一个次级绕组处于其峰值电压时，另一个次级绕组处于零交叉点，这进一步确保绕组之间的最小耦合。

因此，为了最佳的反馈校正，变压器506优选地具有低的绕组电容，并且更优选地是具有低的绕组间电容的高压平面变压器。

实验结果：

为了验证谐振电流反馈等离子体的性能，以氮气为背景等离子体气体进行了各种实验，以进行说明。这些实验的重点是证明在高流速和气体成分变化很大的情况下等离子体反馈系统的能力。此外，它们还示出了反馈概念在各种应用中的多功能性，例如将其应用于使用光学和非光学手段进行气体感测。光学测量通常用于说明等离子体的特性。

大气条件下氮气背景等离子体中的高浓度氧气

氮气(N₂)和氧气(O₂)的混合气体流过石英单元，所述石英单元具有：一对高压电极；谐振等离子体电流反馈控制电路，与平面高压变压器耦接；光谱仪和PC，用于分析发射光谱；以及示波器，监控等离子体驱动电压和流过等离子体的电流。在大气压下的N₂等离子体中，电子通过电场被加速到高动能级别。这些高能电子与N₂分子的非弹性碰撞导致N₂分子的激发和电离过程。在300至400nm之间观察到N₂的最强发射线。这是由于N₂第二正系统(N₂[C³∏_u]→N₂[B³∏_g]) 和(N₂[B³∏_g]→N₂[A³∑_u])发射带，其主导发射N₂(0，0)带头在337.1nm。通常为11.1eV或更高的N₂[C³∏_u]激发态的总数是由来自基态的直接电子碰撞激励引起的。随后的到N₂[B³∏_g]态的辐射衰减以波长337.1nm发射第二正带头N₂(0，0)的特征光子。

图10示出了以N₂作为背景气体、O₂为被测气体，以％水平的浓度变化和500ml/min的相对较高流速的谐振电流反馈等离子体的实际光谱图。

该图表明，即使存在高％水平的O₂和高流速的情况下，等离子体也将继续以稳定的辉光模式运行。从N₂发射线的强度观察到O₂强淬灭。O₂的猝灭效应在200nm至300nm的UV带尤为明显。即使在存在如此强烈的淬灭的情况下，保持稳定的辉光等离子体并提供混合气体的连续光谱测量在N₂和O₂都以高浓度和变化浓度存在的工业应用中(比如在空气分离应用中)也具有相当重要的实践意义。图11示出了随O₂浓度变化的N₂的337nm线的实际线性响应，尽管也可以使用其他发射线。除上述线外，在实验数据中还记录了O₂(O I)的原子线存在于可以用于直接测量O₂的777.2nm处。原子O₂三重态在777.2nm 的发射线由O₂分子的直接潘宁电离而产生，潘宁电离后进行O₂ ⁺的电子碰撞解离。

大气条件下氮气背景等离子体中的高浓度氩气

在将氩气用作N₂背景中的被测气体时，使用相同的实验设置来研究等离子体性能。以500ml/min的净流速实现气体混合。图12示出了在大气压下，在N₂作为背景气体的情况下，以0至100％的变化氩气浓度使用谐振电流反馈方法而获得的氩气发射带图。在所观察到的光谱仪波长与原子氩的NIST原子光谱数据库之间存在着极好的协同。亚稳物类在氩气混合物中起着重要作用，而来自亚稳原子的强发射主要来自氩气。光学发射主要来自通过多个4p-4s跃迁引起的4p能级的减少，这是众所周知的λ＝750.387nm(Ar750)处的氩跃迁的情况。

在N₂-Ar等离子体混合物中，重要的是要了解气体物类之间的交联，因为可能发生在不同等离子体物类之间的能量转移，这是等离子体诊断的主要特征。氩的电离能比氮低，因此氩亚稳态通过非辐射过程(比如，碰撞)将能量转移到氮中性物。因此，在氩气浓度的下端，随着发生从氩气到N₂的能量传递，Ar750线的强度缓慢增长。然而，随着氩气浓度增加和N₂浓度减小，Ar750线强度会加快增长。这种重要的等离子体动力学在图13中清晰可见，它显示了Ar750线强度随氩气浓度的接近完美的指数上升。此指数关系的数学模型为：

y＝A+Be^Cx

其中x是氩气浓度，y是发射线强度。参数A、B和C是数学模型的系数。基于这个简单的模型，对于给定的Ar750线强度，氩气的浓度可以计算为：

下表1中总结了使用具有不同水平的被测氩气的谐振电流反馈 N₂等离子体的实验装置的结果，其使用根据用图14中所示的对应图进行的指数拟合的系数。这示出了Ar750线的响应的线性度。

分数氩气浓度	计算出的氩气浓度
		0.00	0.00
0.25	0.25
		0.50	0.51
0.75	0.74
		1.00	1.00

表1：实际氩气浓度与估计值

注意，通过亚稳态去激励产生的发射线意味着辉光等离子体也可以用作特定波长的紫外光和可见光的光源。

使用扫频的辉光等离子体气体感应

如前面所描述的，“开环”等离子体系统可能会受到诸如流量、气体浓度、电源电压波动等的外部条件的广泛变化的影响。在内部，“开环”等离子体还会在施加的RF场的激励和去激励周期期间受到激发物类密度的剧烈波动，从而导致丝形成过程中明显的动态阻抗变化事件。如果不尝试补偿这些变化，则等离子体稳定性将受到损害，这将限制等离子体在气体分析中的可用应用范围。使用逐周期谐振电流反馈，从理论上和实验上都证明，这些“开环”变化的影响已消除或至少在很大程度上降低了。

与所有其他反馈系统相似，所使用的反馈信号的实际量表示受控制系统的状态。在等离子体谐振电流反馈的情况下，高增益误差放大器的逐周期反馈信号强度变化直接指示了等离子体单元的宏观阻抗 (Z_p)变化。重要的是要注意，由于其高增益，误差放大器的反馈信号将极大地放大和增强这些阻抗变化，从而使其可以单独用于测量。 OES在其量子力学水平上探测等离子体发射，然而，等离子体复阻抗 (Z_p)是对等离子体“块”特性的“宏观”测量。将被测气体引入背景N₂等离子体将不可避免地改变其宏观阻抗，随着放大的反馈信号的变化，该宏观阻抗应可见。

在频域中测量阻抗的常用技术是将一组不同的激励频率(ω)应用于系统并记录系统响应中的相应变化。通过这种方式，可以获得系统阻抗的频谱(Z_p(ω))。对于DBD等离子体，阻抗的最大变化将归因于间隙的电容(C_g)的变化，其中由于气体浓度变化的电离效应，等离子体块电介质会发生变化。对于该专利中所讨论的谐振反馈系统，等离子体间隙电容的这种变化将通过变压器的匝数比转换到初级侧，并且将导致反馈系统的谐振频率发生很小的移位(Δω_r)。为了预测这种变化的量，我们将等离子体由N₂馈入时的谐振频率表示为ω_rN2，并且将其谐振频率由于块电容的变化ΔC所引起的较小变化表示为 (Δω_r)。

或Δω_r＝const.(-ΔC)

因此，对于较小的正电容变化，谐振频率ωr的变化为：

(a)朝向较低的谐振频率(Δω_r为负)。

(b)将与等离子体块间隙电容的变化ΔC成线性。

重要的是要注意：

(a)如果气体物类(例如，氩气和氦气)对等离子体块的电离和极化过程有贡献，则块电容将发生变化。

(b)如果气体物类对等离子体块内的电离和极化不起作用甚至猝灭(例如O₂)，则块电容将不再发生变化。

实验结果：

使用相同的实验设置来分析向N₂背景等离子体中添加0至100％的各种浓度的氩气的效果。为了获得等离子阻抗的频谱，尽管可以使用除线性扫描之外的其他波形(比如对数扫描)，但是还是将参考波形(V_r)编程为具有频率从ω_low(2πf_low)到ω_hi(2πf_hi)的示例线性扫频。这通常称为频率线性调频。当使用频率线性调频时，线性调频持续时间理想地比典型的等离子气体单元体积交换时间快得多。平均反馈电压(V_fb)的导数比也可以使用的V_fb本身更容易突出显示峰值谐振的位置，并且在此扫描期间对该导数进行连续监测，如图15中示意性地所示。图16显示了在向等离子气体混合物中添加氩气时连续扫描的结果，该图清楚地表明，随氩气浓度的增加，谐振峰值移位至较低频率。图17a和17b中绘制了谐振峰值频率位置和反馈电压的积分面积随氩气浓度的变化，其证实了基于理论预期的谐振频率的变化与氩气浓度之间的近似线性关系。

注意，频率线性调频方法使得可以通过电学、光学或通过单独或组合使用其他合适的方法来观察由于块电容变化而引起的峰值谐振频率的移位。这可以用于以常规或可变方式施加线性调频且等离子体激励频率被积极调整为与该物类混合物相关的谐振峰值的实施例中，从而最大限度地提高了光信号和到等离子体的电力传输效率。

注意，还可以监测其他参数，从中可以看到类似的效果。这些可以是发射光强度或强度，以及上面说明的非光学测量，可以从中测量气体浓度。例如，直接地V_fb、施加到等离子体单元的电压或施加的总电力将产生相似的结果。这意味着我们可以使用多种非光学技术来确定被测物类的浓度。非光学方法可以降低生产成本，简化结构，并且可能提供更鲁棒的结构。另外，由于不需要窗口，因此对于人(视力和/或皮肤损坏)或周围材料(紫外线降解)没有暴露于高强度紫外线的风险。

还请注意，此测量相比于其他更适合某些混合气体。例如，它最适合于二元或伪二元(其中两个成分行为非常相似)混合物。通过使用对所得的频率谱进行化学计量(成分相关)或通过单独测量一种或多种成分并将该信息反馈到校正算法中以确定目标物类的浓度，三种或更多种成分的更复杂的混合物成为可能。可以通过等离子体单元光学地完成对一种或多种物类的单独测量，与纯光学测量相比，仍然可以通过减少光学组件和检测器的数量来实现简化构造和降低成本。另外，等离子体中物类的相互作用也是令人关注的。取决于气体成分的能量状态和可能的化学反应，该技术可能或多或少地有效。对于稀有气体，该技术可能很有用，但是在成分属性存在较大差异的情况下，这可能会使该技术不太适用。

通过在N₂等离子体中添加百分比水平的氧气，示出了成分特性差异很大的例子。在频率线性调频激励期间监控反馈信号，其结果如图18中所示。这表明与N₂中的氩气混合存在明显差异。氧气的强烈淬灭效应的可见程度是对于高于5％的O₂，谐振频率只有很小的可辨别变化。这表明在等离子体中进一步添加O₂水平主要用于提取电离物类的能量并将其转化为氧化化学反应，从而使等离子体间隙内的极化和电离量趋于平稳。但是请注意，即使对于这些物类的混合物，在低水平的氧气变化下也会观察到电容特性的较大变化，这在某些测量系统中可以是很有用的。

图19示出了在优选实施例中实现谐振电流反馈的所描述方法采用的步骤的示例。

由于等离子体是导电的电离气体，因此它能够与外部电场和磁场相互作用。等离子体的主要成分是自由中性原子或分子、带正电的离子或亚稳态物类、自由电子和各种高能光子。这些物类处于不断碰撞的状态。等离子体中的电离度是带电物类与中性物类的数量密度之比。

等离子体中的三个主要的发光过程，如下所述：

i.自由-束缚跃迁或重组辐射：

等离子体中的自由电子也可以被离子捕获，也称为辐射重组。如果此捕获或重组为基态，则会发射能量大于离子或原子的电离势能的光子，从而产生连续光谱。或者，如果重组达到激发能级，则电子通过释放独特波长的光子，来从激发态向下级联至基态，从而产生该离子物类的发射线特征。

ii.束缚-束缚跃迁

当原子或分子中电子的能量发生变化时发生这种跃迁，使得电子在变化之前和之后均保持与原子或分子的附接或结合。在能量增加的情况下，通常吸收漫游等离子体的光子。当能量减少时，发射光子。等离子体中的束缚-束缚跃迁可以产生原子或分子物类所特有的发射线和吸收线。

iii.自由-自由跃迁：轫致辐射(Bremsstrahlung)

在任何等离子体中，都有许多未结合的电子可以自由与其他物类相互作用。当等离子体中的自由电子靠近电离的原子或分子时，它就会加速或减速。这导致该电子的动能的净变化。量子力学指出这种能量变化是通过电子吸收或发射光子来量化和介导的。由于这些光子可以具有任何波长，因此在此过程中产生的辐射具有连续光谱，也称为热轫致辐射。

在等离子体本身内部，发生了几种过程，使得可以实现上述跃迁，其中最重要的过程是物类之间的碰撞。一组重要的碰撞是电子/带电物质与中性离子之间的碰撞，这些碰撞会导致电离。为此，一部分电子或带电物类需要具有超过目标气体电离势能的动能。相反，碰撞也会导致重组过程，其中极性相反的带电物质之间的碰撞会导致产生中性物质。

产生辉光等离子体的一种方法是借助于高压射频(RF)激发在被导电电极包围的介电阻挡容器(通常为玻璃或石英)中流动的气体。这在图20中示意性示出。在每个典型的RF激励周期中，等离子体中的带电物类在电场的相反方向上经历两次峰值加速。在正弦波激励的正侧，此加速在波形顶部附近达到峰值。同样，在正弦波激励的负侧，带电物类在波形波谷附近以相反的极性经历峰值加速。由于上述所有三种发光过程也会在这些高加速事件期间达到峰值，因此由任何辉光等离子体产生的瞬时光在每个单独的RF激发周期中都将显示两个不同的峰和谷。

这已经由发明人通过使用高速光电二极管放大器电路在实验上得到了验证，该电路通过以N₂辉光等离子体中的337nm为中心的狭窄光学带通滤波器检测瞬时光信号。这在图21中清楚地说明，其中激励信号的频率为f，且检测信号的频率为激励频率的两倍(2f)。由于仪器、等离子体物类惯性和其他因素的影响，激励波形和驱动波形之间存在相移，如图21所示。

直到最近，要实时准确地采集和处理这些信号还是非常困难的。还存在一些具体的设计建议，以使检测器足够快，从而在通常使用的驱动频率上进行响应(10s kHz或更高)，然而在标准的光学等离子体测量中通常并不需要这种频率。这就是为什么许多等离子气体检测器使用积分或DC信号作为处理后的检测信号的原因。这也是为什么以前没有考虑过发明人提出的这种非直观方法的主要原因之一。

已知从等离子体发出的光具有与等离子体RF激励波形相关的二次谐波(2f)分量，因此可以从噪声背景中以极高的噪声抑制率将其提取出来。一种实现此目的的常规方法称为锁相(lock-in)检测。锁相检测器的关键优势在于它能够在非常嘈杂的环境中提取信号幅度和相位的能力。实际上，锁相检测就像具有单个频率(2f)分量的傅立叶变换，而所有其他系数都设置为零。通常，它使用零差检测方案，然后进行低通滤波，以提取相对于周期性参考的期望信号幅度和相位 (请参见图22)。2f周期性参考波形的形状可以采取多种形式，包括正弦波、方波或其他适当形状，以最佳地提取所需的过程信号。该检测发生在参考频率附近的定义明确的窄频带中，有效地拒绝了来自其他杂散源的所有其他频率贡献。使用此技术可以使光电二极管或其他合适的检测装置(例如光电倍增管、辐射热计、热电或热电堆检测器) 以极窄的带宽检测等离子体光，从而显着降低来自放大器的热噪声和散粒噪声。对于模拟数据，可以在图23中看到通过使用锁相技术可以实现的改进幅度。曲线图(a)显示了清楚的2f信号，而曲线图(b) 显示了向信号添加大规模随机噪声的效果。即使噪声很大，锁相检测也能够有效恢复原始信号，如曲线图(c)所示。实际上，硅光电二极管是一种既经济又通用的解决方案，可以在很宽的紫外线、可见光和近红外波长范围内进行快速检测。另一个重要的考虑因素是环境光的存在。来自辉光等离子体的大多数光检测发生在近紫外和可见光波段。这也是存在大量杂散环境光源的波段。等离子体光的二次谐波检测增强了对环境源的抑制能力，通常环境源将以较低的频率进行调制，从而使等离子体检测器的遮光任务变得更加容易。

如果要使用辉光等离子体光谱仪测量气体物类的痕量水平，则它必须能够同时实现两个重要的信号处理目标。首先，需要较高的增益才能检测到弱发射。其次，需要更高分辨率的数字化仪来提供测量分辨率。在弱发射组件的情况下，2f信号的后处理非常重要。可以以两种方式处理二次谐波信号，例如在常规设计中通过使用乘法器和低通滤波器的模拟锁相检测。然而，这些模拟电路易于漂移，并带来额外的噪声贡献。或者，在现代电子架构中，二次谐波信号将在快速的低噪声模数转换器(ADC)中直接被数字化。然后从此处开始以数字方式执行所有处理，以限制噪声影响。为了覆盖在工业应用中遇到的所有可能的强度传输范围内的大范围的气体浓度，优选地需要一个16 位或更高分辨率的ADC。二次谐波信号本身可被视为数字帧或扫描。使用微处理器的高速时间关键型实时数据采集算法执行所有数字锁相任务，包括前端帧平均、与参考2f帧相乘、然后可能是使用FFT技术的专有形状恢复算法，以优化计算效率。在实践中，弱2f信号可能会由于随机和系统失真的混合而损坏，因此，弱轮廓的形状辨别可能在信号恢复中起着至关重要的作用。在各种配置的可行性研究中的实验表明，高增益交流耦合模拟前端的独特组合，再加上适当的高速数字信号处理，成功地恢复了微弱的信号。激励波形的形状通常为正弦曲线，这可能很方便，尤其是在执行锁相或FFT技术的情况下，但是，可以使用其他曲线，并且仪器和/或其他因素可能会使激励曲线失真，这可能在任何后期处理中，尤其是关于任何形状或匹配滤波器使用，是显著的。除2f以外的频率处的相位角和/或信号还包含信号增强信息或背景成分数据，并可用于提取额外的信号处理信息。例如，相位角的变化可以与混合物中的目标气体浓度有关和/或与非二元气体混合物的背景混合物组成有关。

总之，由于以下优点，在2f处的光检测优于在DC处的常规光电二极管光检测：

1.改善了信噪比。

2.以极窄的带宽进行检测，从而降低热噪声和散粒噪声。

3.增强了对诸如环境光之类的杂散光源的抑制能力。

但是，以高频率实时检测2f的光具有以下新的设计建议以成功实现性能：

1.光电二极管元件的低电容和高分流电阻。

2.降低结电容的技术，例如光电二极管的反向偏置。

3.高速跨阻放大器。

4.主动消除直流光信号，因为没有该操作无法实现高增益放大。

5.主动抑制1f信号(例如，通过陷波滤波器)，因为没有该操作无法实现高增益放大。

6.快速模数转换(例如，2f信号的超过10倍过采样)。

7.解调和锁相检测，然后在数字域中执行滤波，以避免模拟电路产生额外的噪声。

上述用于信号处理的方法有利于用于辉光放电光发射光谱学中，用于在线气体分析。这种用于信号处理的方法还将为任何其他振荡驱动辉光等离子体格式提供处理增强功能。当如上所述的在大气压力下使用具有增强的辉光等离子体稳定性的上述信号处理方法时，使用 GD-OES可以实现在线气体分析的显着改善。不需要次级电极施加横向电场或提供电子注入即可实现，这会涉及额外的构造和操作复杂性。同样，在电子注入的情况下，在气流中这种次级电极的存在会使它们暴露于潜在的污染和腐蚀。当感兴趣的气体被带入等离子体时，它会被激发，并且由辐射衰减器发出的光会被光谱仪检测到，从而获得独特的波长特征。OES不仅提供有关等离子体化学的信息，而且还提供有关物类相对浓度的非侵入性且非常具体的信息。与常规GD-OES系统不同，气体分析应用程序通常要求气流本身不与高压电极物理接触，以避免在电极上发生任何溅射效应或化学反应。在许多气体分析应用中，目标气体处于连续流动状态，这需要快速响应才能进行光谱检测和物类识别。

示例方法包括：

在等离子体单元中产生一个或多个振荡电磁场，以激励单元中的粒子，从而在所述等离子体单元中产生辉光放电等离子体，并控制所述等离子体单元的操作条件以将来自所述等离子体的辉光放电光学发射保持在期望的操作范围内；以及

监控来自所述等离子体单元中的所述等离子体的一个或多个辉光放电光学发射；

其中对光学发射的所述监控包括：以等离子体激励频率的两倍测量所述光学发射或测量与所述光学发射相关的信号；并在每个激励周期期间实时处理所述信号以确定气体混合物中的气体的浓度。

作为此示例“2f监控”方法的选项，以下功能可以单独使用或组合使用：

·监控包括使用光学检测器实时测量光发射；

·在通过光学滤波器的传输带之后或通过使用色散光栅或其他合适的波长选择设备，完成光学信号的收集；

·使用数字信号处理实时完成信号处理；

·陷波滤波器用于缩小信号的频率带宽并获得与激励频率的频率分离；

·用于检查和确定2f信号的检测技术包括以下一项或多项：锁相检测、同步检测、频域分析，例如使用快速傅立叶变换(FFT)和时域或频域匹配滤波器技术、整形滤波器或其他适当的处理手段；

·信号测量是对2f信号的峰高、峰面积或积分的测量，但是其他技术也是可能的；

·应用适当的后信号滤波，例如中值滤波器和/或集合平均和/或移动平均；

·驱动波形为正弦波，或者驱动波形为方波或平滑的非正弦波函数；

·激励波形和光学信号之间的2f信号的相位角和/或2f以外的频率信号分量的幅度、宽度、面积或其他特征可用于增强对气体浓度和/ 或背景气体成分的确定；

·等离子单元两端的电场是由交流激励电压产生的，并且控制是逐周期进行的，或者磁场是由电磁体中的交流激励电流产生的，而控制则是以周期为基础的，或将电场和磁场结合使用；

·对光信号的监控包括测量2f信号的幅度，并且该监控用于确定气体混合物中的气体的浓度，并且可选地，可以根据理论拟合、多项式、其他适合数据关系或其中两个多个的组合来线性化2f信号幅度随气体浓度的变化。

替代示例系统包括：

等离子体单元；

电压产生器，用于在所述等离子体单元中产生一个或多个振荡电磁场，以激励单元中的粒子，从而在所述等离子体单元中产生辉光放电等离子体，

电压控制器，用于控制所述等离子体单元的操作条件以将来自所述等离子体的辉光放电光学发射保持在期望的操作范围内；以及

一个或多个光学检测器，与一个或多个测量电路相耦接，被配置为监控来自所述等离子体单元中的所述等离子体的辉光放电光学发射，其中对光学发射的所述监控包括：以等离子体激励频率的两倍测量所述光学发射或测量与所述光学发射相关的信号；

其中所述系统被配置为通过使用信号处理器来在每个激励周期期间实时处理所述信号，以确定气体混合物中的气体的浓度。

作为此示例2f监控系统的选项，可以单独使用或结合使用以下附加功能：

·诸如硅光电二极管之类的光电二极管可用于监控光发射，这些光电二极管本质上具有低电容和高分流电阻(shunt resistance)，并且可用于监控紫外线，可见光或近红外光范围内的光发射，以及可选的光电二极管可以反向偏置以减小固有电容；

·通过光滤波器的传输带或使用色散光栅或其他合适的波长选择设备后，即可实现信号收集。

·通过使用Royer变压器以自激方案控制辉光等离子体，以维持稳定的等离子体。这使得可以在狭窄的条件范围内维持受控的辉光等离子体。

·辅助稳定电极用于施加横向电场和/或提供电子注入。

·通过将来自电压发生器的输入信号施加到等离子池中的两个或多个电极，以在电极之间产生电压梯度，使用电表测量整个等离子池的感应信号，从而在等离子池中保持稳定的辉光放电等离子体以及使用比较器将感应信号与参考信号进行比较以获得差值信号；控制器然后确定控制信号，该控制信号然后基于获得的差信号施加到等离子体电池中的至少两个电极上，以实现稳定辉光所需的激发所需电压梯度。该方法在每个周期内都是实时实现的。可选地，感应信号是等离子体电流，参考信号是驱动电流波形。

·交流激励电压产生电场，并且逐周期进行控制；

·控制交流激励电压使其频率在确定的谐振频带内；

·在等离子体单元内的两个或多个电极之间产生电场，控制操作条件包括控制电极之间的电压梯度，以在电极之间获得所需的电流；

·控制包括调整激励波形、频率、电流和/或电压；

·确定包括将与等离子体电流成正比的测量电压与参考电压进行比较；

·响应于改变等离子单元的操作条件，工作条件控制等离子单元的多个不同的操作条件中的每一个，并且可选地，对多个操作条件的控制包括对一个或多个电输入参数的高频调节，和/或低频调整一个或多个物理配置参数；

·该系统适用于在分子进入等离子体单元之前将能量转移至气体分子，例如，控制温度、压力、气体分子的激发或电离；

·在限定的频率范围内规律地或可变地扫描或线性调频驱动频率，并积极调整等离子体激励频率，使其符合与要分析的物类混合物有关的峰值谐振；

·在进入等离子单元之前，将样气保持在确定的受控温度下；

·等离子单元保持在确定的受控温度下；

·通过等离子单元的气体流速保持在确定的受控流速下；或利用反馈系统调整流速，以将等离子体电流维持在确定值；

·在进入等离子单元之前，将一种或多种掺杂剂添加到样气中，其中可选的掺杂剂是水；

·等离子单元处于或保持在大气压下或高于大气压；或等离子单元中的压力与反馈系统相适应，以将等离子体电流维持在确定的值；

·使用电磁体在等离子单元内产生磁场；

·等离子体池至少有一个透光元件，对目标光的波长范围是透明的；可选地，其中所述透光元件是光稳定的且非发光的，并且可选地包括以下中的一个或多个：窗口、透镜、衍射光栅、光学滤波器或光谱仪；和/或

·光纤用于将光学输出传输到非视线目的地和/或从包含等离子单元的高温区域传输到电子器件可以在其操作环境温度限制内运行的较冷区域，和/或允许检测器和/或信号处理电子器件的位置远离等离子单元和高相关联的电磁场。

上述方法、设备和系统使得能够以增强的信噪比恢复处理光学信号。本文所述的各种方法、装置和系统还通过控制等离子体操作条件来减轻先前方法的等离子体稳定性的缺点，以在非常广泛的条件范围 (例如，组成、气体类型、气体浓度和流速)下获得稳定的辉光等离子体。

实验结果：

由于致动器辐射本底辐射，即使不存在任何主动发射的物类，也可能会出现2f光学信号。同样，取决于气体混合物，2f光信号可能是由于被激发的气体物类(例如，氮气中的氩气)的直接光子发射、其他物类(例如，氧气或氢导致的氮气)的发射的淬灭或减少、或存在其他物类(例如氦气中的氮)引起的发射增强、或这些过程中的两个或更多个过程的组合。例如，氦在337nm处增强的氮发射是由于氦具有发光的电离能，因此可以增强氮的激发并因此增强发射(尖端电离 (Penning isoisation))。请注意，气体浓度和2f信号之间的关系(诸如，幅度或积分面积)可以是线性的或非线性的，这取决于气体混合物和浓度范围；在非线性信号的情况下，可以根据经验或理论拟合、多项式、其他适当的数学关系或这些中的两个或多个的组合来线性化输出。

使用新的信号电子器件和软件验证了2f检测方法的性能。图24 示出了氢对337nm处氮发射的影响。结果是绘制了从示波器图转换的 2f峰高与气体浓度的关系图。可以看到氢气以非线性方式淬灭了氮的排放。

这种2f方法与常规DC型测量的对应关系清楚地显示在图25中，其中参考幅度是从光谱仪(使用衍射光栅和光电二极管阵列)的幅度读数中转换的，并示出了其强度与浓度的关系都相同而无论采用了什么方法，但是2f方法提供了信噪比方面的性能改进。

还进行了实验以说明使用2f幅度和锁相检测的2f检测方法，如图26中的(a)至(c)所示。这是对氮气背景下的氩气进行的，用硅检测器以780nm为中心的光学带通滤波器之后监控光学信号。2f信号的不对称是电极不对称和/或检测器位置与朝向的结果。在图26的所有三个图形(a)至(c)中清楚地看到在2f处的光学输出最大值，随着氩气浓度而增大。图27示出了在2f锁相检测之后的幅度与氩气浓度的关系，可以看出在该浓度范围内略微非线性。

Claims

1.一种方法，包括：

使用交流激励电压在等离子体单元内产生电场以激励单元中的粒子，从而从所述等离子体单元中的等离子体产生辉光放电；

在所述交流激励电压的每个激励周期中监控与来自所述等离子体单元中的所述等离子体的辉光放电光学发射相关的一个或多个信号；以及

响应于所述监控，控制所述等离子单元的一个或多个操作条件处于谐振条件，以在所述交流激励电压的每个激励周期中将来自所述等离子体的辉光放电发射保持在期望的操作范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述等离子单元上的两个或更多个电极之间产生所述交流电场，并且控制所述操作条件包括在所述电极之间施加交流激励电压并将所述激励电压控制为具有在所确定的谐振频带内的频率。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中在所述等离子体单元上的两个或更多个电极之间产生所述电场，并且控制所述操作条件包括控制所述电极之间的电压梯度，以在所述电极之间实现稳定的电学电流。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述监控包括监控等离子体激励电流。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述监控包括光学地监控来自所述等离子体的辉光放电发射或监控与所述辉光放电发射相关的电学信号。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述监控包括监控反馈电路中的电学电流，并且所述控制包括响应于所监控的电学电流而修改供应给所述等离子体单元上的电极的电学电压。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述控制包括调节激励电压波形和/或频率。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述监控包括将与所述等离子体电流成正比的测量电压与参考电压进行比较。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，所述方法适配为控制所述等离子体单元的多个不同的操作条件。

10.根据权利要求9所述的方法，其中控制多个操作条件包括对一个或多个电学输入参数的高频调节和/或对一个或多个物理配置参数的低频调节。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括：在气体分子进入所述等离子体单元之前将能量传递给所述分子，诸如，控制所述气体分子的温度、压力、激励或电离。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中在所述等离子体单元中产生的所述等离子体用于生产化学物质。

13.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中在所述等离子体单元中产生的所述等离子体用作蚀刻剂，以从材料中去除污染物或杂质。

14.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中在所述等离子体单元中产生的所述等离子体用于测量混合物中的气体的浓度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述气体通过光学手段进行测量。

16.根据权利要求15所述的方法，其中光学测量包括以下任一项：由一个或多个带通滤波器进行的波长选择和由一个或多个光学检测器进行的检测；或由衍射光栅进行的波长选择和由一个或多个光学检测器进行的检测；或借助于光谱仪的波长选择。

17.根据权利要求14所述的方法，其中通过测量由电学反馈电路产生的一个或多个电学参数，诸如，反馈感测电压或反馈电压的电压梯度，或者通过测量所述等离子体单元的电极之间的激励电压或激励电流，来非光学地测量所述气体。

18.根据权利要求14至17中的任一项所述的方法，其中在限定的频率范围上扫描或线性调频驱动频率，并且使用一个或多个测量参数随频率的变化来确定气体混合物中的气体成分的浓度。

19.根据权利要求14至17中的任一项所述的方法，其中在规律的或可变的基础上在限定的频率范围上扫描或线性调频驱动频率，并且等离子体激励频率被积极地适配为符合与要分析的物类混合物相关的峰值谐振。

20.根据权利要求14至16或权利要求18至19中的任一项所述的方法，其中监控所述光学测量包括以所述激励频率的两倍测量信号。

21.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述辉光等离子体用作光源，所述光源的光谱取决于所述等离子体气体和环境条件。

22.根据权利要求1至20中的任一项所述的方法，其中样品气体在进入所述等离子体单元之前被保持在所确定的受控温度下。

23.根据权利要求1至20中的任一项所述的方法，其中将所述等离子体单元保持在所确定的受控温度下。

24.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中将通过所述等离子体单元的气体的流速保持在所确定的受控流速下。

25.根据权利要求1至23中的任一项所述的方法，其中通过所述等离子体单元的气体的流速与反馈系统相适应，以将所述等离子体单元的等离子体电流保持在所确定的值。

26.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在进入所述等离子体单元之前向样品气体添加一种或多种掺杂剂。

27.根据权利要求26的方法，其中掺杂剂是水。

28.根据权利要求1至27中的任一项所述的方法，其中所述等离子体单元在大气压下或高于大气压下进行操作，或被保持在大气压下或高于大气压。

29.根据权利要求1至28中的任一项所述的方法，其中所述等离子体单元中的压力与反馈系统相适应，以将所述等离子体电流保持在所确定的值。

30.一种系统，包括：

等离子体单元；

电场产生器，使用交流激励电压在所述等离子体单元中产生电场以激励单元中的粒子，从而从所述等离子体单元中的等离子体产生辉光放电；以及

控制器模块，用于：

在所述交流激励电压的每个激励周期中，监控与所述辉光放电光学发射相关的一个或多个信号；以及

响应于所述监控，控制所述等离子单元的一个或多个操作条件处于谐振条件，以在所述交流激励电压的每个激励周期中将来自所述等离子体的所述辉光放电发射保持在期望的操作范围内。

31.根据权利要求30所述的系统，其中所述电场产生器包括至少一对电极，并且其中在所述电极上施加电压以在所述等离子体单元中产生所述电场。

32.根据权利要求31所述的系统，其中所述电极与所述等离子体单元的相对侧上的介电阻挡物相连。

33.根据权利要求32所述的系统，其中所述介电阻挡物由诸如陶瓷、玻璃或石英的介电材料制成。

34.根据权利要求30所述的系统，其中所述控制器模块包括：

光谱仪，用于监控来自所述等离子体单元中的所述等离子体的辉光放电光学发射；和/或

谐振电流反馈电路，用于监控与所述辉光放电光学发射相关的一个或多个信号。

35.根据权利要求34所述的系统，其中所述反馈电路包括：

感测电阻器(R_s)和用于测量所述感测电阻器两端的电压的仪表；

高速差分放大器，被配置为产生与一个或多个测量信号和参考信号之差成正比的误差信号；以及

变压器(T₁)，被配置为基于所获得的误差信号将控制电压施加到所述至少一对电极。

36.根据权利要求35所述的系统，其中由所述感测电阻器(R_s)测量的一个或多个信号是感测电压(V_s)。

37.根据权利要求35所述的系统，其中所述高速差分放大器包括耦合到谐振LRC网络的大功率、高频推挽驱动器级。

38.根据权利要求35所述的系统，其中所述变压器(T₁)是具有低绕组间电容的高压平面变压器。

39.根据权利要求35所述的系统，其中所述变压器(T₁)包括初级绕组和中心抽头次级绕组。

40.根据权利要求38所述的系统，其中所述平面变压器(T₁)包括：

平面铁氧体磁芯，具有较大的横截面积；以及

印刷电路板PCB，具有走线绕组，其中所述PCB上的所述走线绕组在所述PCB的连续层中分段，并使用玻璃纤维彼此隔开。

41.根据权利要求39所述的系统，其中所述感测电阻器(R_s)连接到所述变压器(T₁)的所述中心抽头次级绕组。

42.一种用于控制等离子单元中的电场的控制电路，所述电路包括：

感测电阻器(R_s)和用于测量与来自所述等离子体单元中的等离子体的辉光放电发射相关的电学信号的仪表；

高速差分放大器，被配置为产生与所测量的电学信号和参考信号之差成正比的误差信号；以及

变压器(T₁)，被配置为将控制信号施加到电场产生器；以及

电场产生器，用于响应于所述控制信号，产生交流激励电压以在所述等离子体单元中激励气体粒子；

其中所述控制电路被适配为测量所述感测电阻器两端的电学信号，并控制所述电场产生器在所述交流激励电压的每个周期内调节交流激励电压，以保持来自所述等离子体单元中的所述等离子体的稳定辉光放电发射。

43.根据权利要求42所述的电路，其中调节激励电压包括适配激励电压幅度、波形和/或频率。

44.根据权利要求42所述的电路，其中调节激励电压包括控制所述激励电压具有在所确定的谐振频带内的频率。

45.根据权利要求42所述的电路，其中所述感测信号是感测电压，且所述参考信号是参考电压。

46.根据权利要求42所述的电路，其中所述参考信号的波形形状是正弦波、方波、锯齿波、三角波、伪正弦波或其组合。

47.根据权利要求42所述的电路，其中所述变压器(506)包括初级绕组和中心抽头次级绕组。

48.根据权利要求47所述的电路，其中所述感测电阻器(R)与所述变压器(506)的所述中心抽头次级绕组相连。

49.根据权利要求42所述的电路，其中所述变压器(506)是具有低绕组间电容的高压平面变压器。

50.根据权利要求49所述的电路，其中所述平面变压器(506)包括：

平面铁氧体磁芯，具有较大的横截面积；以及

印刷电路板PCB，具有走线绕组，其中所述PCB上的所述走线绕组在所述PCB的连续层中分段，并由绝缘材料彼此隔开。

51.根据权利要求50所述的电路，其中所述平面变压器的绕组在连续变压器层中分段并交错，以便将绕组彼此隔开。

52.根据权利要求50所述的电路，其中所述绕组没置在相对的变压器层上并具有间接几何耦合。

53.根据权利要求50所述的电路，其中所述平面变压器被设置为具有中心抽头配置，以便将绕组分为两个正交绕组以减小绕组间电容。

54.一种用于针对向等离子体单元供应的气体的辉光放电光学发射光谱学的方法，所述方法包括：

使用交流激励电压在所述等离子体单元内产生电场，以激励单元中的气体粒子，从而从所述等离子体单元中的等离子体产生辉光放电；

在所述交流激励电压的每个激励周期中监控与来自所述等离子体单元中的所述等离子体的辉光放电光学发射相关的一个或多个信号；

响应于所述监控，控制所述等离子单元的一个或多个操作条件处于谐振条件，以在所述交流激励电压的每个激励周期中将来自所述等离子体的辉光放电发射保持在期望的操作范围内；以及

分析光学发射以确定向所述等离子体单元供应的所述气体的组成。

55.根据权利要求54所述的方法，其中在限定的频率范围内对用于产生所述电场的驱动频率进行扫描或线性调频，并且将一个或多个测量参数随频率的变化用于确定气体成分在气体混合物中的浓度。

56.根据权利要求54所述的方法，其中在限定的频率范围内对用于产生所述电场的驱动频率进行扫描或线性调频，并且等离子体激励频率被积极地适配为符合与要分析的物类混合物相关的峰值谐振。

57.根据权利要求54所述的方法，其中监控一个或多个信号是以所述等离子体的激励频率的两倍实施的。

58.一种方法，包括：

59.一种系统，包括：

等离子体单元；