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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma nach
der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Die
DE 195 03 205 A1 offenbart
eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma, bei welcher in einem
Unterdruckbehälter
mittels elektromagnetischer Wechselfelder ein Plasma erzeugt wird.
Dabei wird das Wechselfeld mittels eines stabförmigen Leiters innerhalb eines
Rohres aus isolierendem Werkstoff, wie Glas, geführt. Damit innerhalb der Zuführung kein Plasma
entsteht, steht das Glasrohr unter Normaldruck. Dadurch muss das
Glasrohr mechanisch dem Druckunterschied zwischen dem Unterdruck außen und
dem auf Normaldruck stehenden Innenraum widerstehen.
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Aus
der
DE 196 28 949
A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma bekannt,
bei welchem mehrere stabförmige
Leiter jeweils innerhalb eines Rohres aus isolierendem Werkstoff
durch einen Unterdruckbehälter
geführt
sind. Die Vorrichtung ist dabei modular aufgebaut.
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Weiterhin
offenbart die
DE 199
55 671 A1 eine Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma, bei
der die Trennung des Niederdruckbereichs von der Mikrowellenzuführung durch
eine flächige
Glasscheibe erfolgt. Dabei befindet sich im Bereich der Mikrowellenzuführung unter
Normaldruck eine Mikrowellenantenne.
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Nachteilig
ist dabei, dass die Glasplatte aufgrund der herrschenden Druckdifferenz
sehr dick ausgebildet sein muss, damit sie den Druckkräften standhalten
kann. Ebenso ist es nachteilig, dass die relativ dick ausgebildete
Glasplatte starken Temperaturschwankungen unterliegt und somit eine
erhöhte Bruchgefahr
besteht.
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Darüber hinaus
offenbart die WO 00/75955 A1 eine Anordnung zur großflächigen Mikrowellenbehandlung
und Plasmaerzeugung. Dabei wird die Mikrowelle mittels eines elliptischen
Hohlraumresonators fokussiert, in welchem sich eine in einem luftgefüllten Rohr
angeordnete Mirowellenantenne befindet. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
dieser Druckschrift wird zur Trennung eine bereits oben beschriebene
Trennwand aus einem Dielektrikum verwendet. Auch hier besteht der
Nachteil, dass der Druckunterschied und die Temperaturbelastung,
die durch das direkt auf dem Dielektrikum brennende Plasma entsteht,
zu einer erhöhten
Wandstärke
und zu einer erhöhten
Bruchgefahr führen.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erzeugung
von Plasma zu schaffen, mit der den beschriebenen Problemen der Trennung
zwischen einem Niederdruckbereich und einem Zuleitungsbereich elektromagnetischer
Wellen begegnet wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erzeugung von Plasma gemäß dem Anspruch
1 sieht vor, dass der Niederdruckbereich als zumindest ein evakuierbarer
erster Kammerbereich und der Zuleitungsbereich elektromagnetischer
Wellen mit zumindest einer Antenne als zumindest ein zweiter Kammerbereich
einer Kammer ausgebildet sind, in der die Kammerbereiche mittels
des Trennelementes abgedichtet getrennt sind, wobei der zweite Kammerbereich
mit einem flüssigen
oder festen Medium gefüllt ist.
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Die
Erfindung weist damit den Vorteil auf, dass die zweite Kammer, welche
mittels eines flüssigen
Mediums oder eines festen Mediums gefüllt ist, die Druckkräfte auf
das Trennelement aufnehmen kann, womit das Trennelement entsprechend
dünn ausgestaltet
werden kann und eine verbesserte Dauerfestigkeit aufweist.
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Gleichzeitig
kann das Trennelement über das
Medium in der zweiten Kammer gekühlt
werden, wodurch eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Stabilität und Dauerfestigkeit
des Trennelementes erzielbar ist.
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Dabei
ist es besonders vorteilhaft, wenn das Medium zur Befüllung der
zweiten Kammer ein flüssiges
Medium ist, mit dem ein geringer Druck seitens der zweiten Kammer
auf das Trennelement und somit eine geringe Druckdifferenz erzielt
werden kann.
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Das
Trennelement ist gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Dielektrikum,
welches typischerweise Glas, Quarz oder Keramik sein kann.
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Weiterhin
vorteilhaft ist es, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung elektromagnetische Welle
eines breiten Wellenbereiches von z. B. 1 kHz bis 150 GHz Anwendung
finden können.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist dabei für
den flächigen
Einsatz von Plasma auch für
große flächige Ausdehnungen
des Plasmabereichs geeignet.
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So
können
bei einer vorteilhaften Anwendung mit der erfindungsgemäß erreichten
Druckentlastung und effizienten Kühlung dielektrischer Materialien,
die in Niederdruck-Mikrowellen- Plasmaquellen zur
Trennung des Antennenraumes vom Niederdruck-Plasmaraum eingesetzt
werden, auf große
Dimensionen skalierbare Niederruck-Mikrowellen-Plasmaquellen ermöglicht werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung
zur Erzeugung von Plasma schematisch vereinfacht dargestellt, welches
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert wird. Dabei zeigt
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1 eine
Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung
von Plasma in einem Blockdiagramm;
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2 eine
schematische dreidimensionale Darstellung einer Vorrichtung zur
Erzeugung von Plasma; und
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3 einen
vereinfachten Querschnitt durch die Vorrichtung nach 2.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Die 1 zeigt
in einem Blockdiagramm den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäß ausgestalteten
Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Plasma.
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Die
Vorrichtung 1 weist dabei einen Generator 2 zur
Erzeugung von elektromagnetischen Wellen auf, welcher bei der gezeigten
Ausführung
als ein Mikrowellengenerator 2 ausgebildet ist. Das von
dem Generator 2 erzeugte Wechselfeld bzw. die elektromagnetische
Mikrowelle wird mittels einer Antenne 3, welche hier eine
Mikrowellenantenne darstellt, abgestrahlt und speist dabei ein Plasma 6.
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Die
Vorrichtung 1 weist dazu eine Kammer 4 auf, die
in einen ersten Kammerbereich 4A, den Plasmabereich, und
in einen zweiten Kammerbereich 4B, den Antennenbereich,
aufgeteilt ist. Die Aufteilung der Kammer 4 erfolgt durch
ein Trennelement 5, das als Dielektrikum ausgestaltet ist.
Das Dielektrikum als Trennelement 5 ist dabei flächig als
Platte ausgebildet und trennt die beiden oben genannten Kammerbereiche 4A, 4B flächig.
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Das
Trennelement hat somit auch die Aufgabe, die Leistung der elektromagnetischen
Welle, d. h. die Mikrowellenleistung, möglichst verlustfrei passieren
zu lassen. Als Dielektrikum kann beispielsweise Glas, Quarz oder
Keramik zum Einsatz kommen.
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Weiterhin
muss das Trennelement 5 dabei den ersten Kammerbereich 4A und
den zweiten Kammerbereich 4B abgedichtet vonein ander trennen.
Dazu wird das Trennelement 5 beispielsweise mittels einer
nicht dargestellten Dichtung abgedichtet in der Kammer 4 angeordnet.
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Der
Generator 2 ist bevorzugt außerhalb der Kammer 4 angeordnet
und die Antenne 3 ist in dem Kammerbereich 4B angeordnet,
wobei die elektromagnetische Welle mittels eines Wellenleiters 7,
hier eines Mikrowellenleiters, von dem Generator 2 zur Antenne 3 geleitet
wird. Dabei tritt der Wellenleiter 7 durch eine Wandung
der Kammer 4 in den Kammerbereich 4B hindurch
und ist dort entsprechend abgedichtet aufgenommen.
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Zum
Zünden
des Plasmas ist der erste Kammerbereich 4A typischerweise
evakuiert, so dass darin nur ein geringer Druck p2 im Bereich von
beispielsweise etwa 0,1 mbar herrscht.
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Der
zweite Kammerbereich 4B, welcher die Mikrowellenantenne 3 aufnimmt,
ist erfindungsgemäß mit einem
flüssigen
oder festen Medium gefüllt, um
das Trennelement 5 zu entlasten. Das flüssige oder feste Medium hat
dabei auch die Aufgabe der Kühlung
des Trennelements 5.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 1 ist ein flüssiges
Medium in den zweiten Kammerbereich 4B eingefüllt. Die
Vorrichtung weist dabei eine Speiseleitung 8 auf, die mit
dem zweiten Kammerbereich 4B verbunden ist. Das flüssige Medium
wird über
die Speiseleitung 8 in den zweiten Kammerbereich 4B eingeleitet,
wobei die flüssigkeitsgefüllte zweite
Kammer 4B in einen Kreislauf für das flüssige Medium integriert sein
kann, so dass das flüssige
Medium beispielsweise in einem geschlossenen Kreislauf umlaufend
geführt
und gekühlt
werden kann.
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Zur
Kühlung
des flüssigen
Mediums kann ein Wärmeübertrager 9 verwendet
werden, der das flüssige
Medium durch die Wärmeübertragung
auf ein weiteres Medium kühlt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmeübertrager 9 an die
Speiseleitung 8 angeschlossen ist.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführung ist die Speiseleitung 8 mit
einem Druckausgleichsbehälter 10 verbunden,
in dem das flüssige
Medium auf einen ähnlich
niedrigen Druck p1 gebracht werden kann, der auch in der ersten
Kammer 4A vorliegt, so dass die Drücke p1, p2 beiderseits des
Trennelements 5 in den beiden Kammerbereichen 4B, 4A auf
etwa den gleichen Wert gebracht werden können, damit die mechanische
Belastung auf das Trennelement aufgrund der vorherrschenden Druckdifferenz
reduzierbar ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das flüssige
Medium keine oder möglichst
wenig Mikrowellen absorbiert. Dadurch wird erreicht, dass die Mikrowellenenergie
möglichst
unvermindert oder möglichst ohne
Verluste oder mit nur geringen Verlusten in den Plasmabereich gelangen
kann und das Plasma möglichst
ohne große
Verluste speisen kann.
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Die
Vorrichtung gemäß 1 kann
auch derart ausgestaltet werden, dass statt eines Kammernbereiches 4B eine
Mehrzahl von Einzelkammerbereichen mit jeweils einer darin angeordne ten
Antenne vorgesehen ist, so dass eine flächige Versorgung eines flächig ausgebildeten
Plasmas gewährleistet
ist. Vorteilhaft sind dazu die jeweiligen Kammerbereiche und die
darin angeordneten Antennen parallel zueinander ausgerichtet.
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Die 2 und 3 zeigen
vereinfacht eine konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung 1 zur
Erzeugung von Plasma, wobei die 3 ein vergrößertes Detail
der Vorrichtung der 2 darstellt.
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Die
Vorrichtung 1 weist einen Flansch 21 auf, mittels
welchem die Vorrichtung 1 in einem nicht dargestellten
Vakuumgefäß abgedichtet
montierbar ist. Dabei wird die Vorrichtung 1 vorzugsweise
in einer Öffnung
des Vakuumgefäßes aufgenommen,
wobei der Flansch 21 die Öffnung abgedichtet verschließt. Dabei
entspricht der Kammerbereich 4A der 1 dem Raumbereich
des Vakuumgefäßes. Der
Flansch 21 ist vorliegend als im Wesentlichen rechteckige Platte
ausgeführt,
die jedoch auch eine andere Gestalt annehmen kann.
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Außerhalb
des Vakuumgefäßes, also
auf der Hochdruckseite des Flansches, welcher der Vakuumseite abgewandt
ist, sind mehrere parallel zueinander angeordnete zweite Kammern 4B mit
jeweils einer koaxialen Mikrowellenzuführung bzw. Antenne 3 vorgesehen.
Ebenfalls auf der Hochdruckseite des Flansches 21 angeordnet
ist ein Anschluss für
die Speiseleitung 8, welcher die Vorrichtung 20 mit
einem Druckausgleichsgefäß und/oder
einem Wärmeübertrager
bzw. mit einer Druckmittelversorgung des flüssigen Mediums verbindet, über welche
das flüssige
Me dium als im Wesentlichen mikrowellentransparente Flüssigkeit
in die Vorrichtung 1 gelangt.
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Das
flächige
Dielektrikum 5 als Trennelement trennt den Bereich der
Mikrowellenzuleitung mit den zweiten Kammern 4B von dem
Vakuumbereich des Vakuumgefäßes, d.
h. der ersten Kammer 4A. Zur Befestigung des Dielektrikums 5 sind
an Stegen 22 zwischen den zweiten Kammern 4B Schrauben 25 vorgesehen,
welche das Dielektrikum 5 sichern, welches mittels Dichtungen 26 gegen
die Stege 22 bzw. ein Gehäuse 27 der Vorrichtung 1 abgedichtet gehalten
ist. Dadurch können
die mit Flüssigkeit
befüllten
zweiten Kammern 4B gegenüber dem Vakuumbereich der ersten
Kammer 4A in dem Vakuumgefäß abgedichtet werden.
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Als
Dichtung 26 kann beispielsweise eine Dichtschnur vorgesehen
sein, die beispielsweise in einer umlaufenden Nut des Gehäuses 27 angeordnet ist.
Die Befestigungsschrauben 25 können gleichzeitig als Einlass
für Arbeitsgase
dienen. Das Plasma zündet
somit flächig
auf der Vakuumseite des Dielektrikums 5.
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In 3 erkennt
man, dass die zweiten Kammern 4B des Antennenbereichs jeweils
in Form eines Kanals beliebigen, z. B. rechteckigen oder halbkreisförmigen Querschnitts
mit der Mikrowellenzuführung 3 ausgebildet
sind. Durch die eingefüllte Flüssigkeit
wird das Dielektrikum 5, auf dessen anderer Seite das Plasma
gezündet
wird, gekühlt.
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Die
Vorrichtung ist nicht auf die Verwendung der beschriebenen Mikrowellen
beschränkt,
wobei vorzugsweise elektromagne tische Wellen mit einer Anregungsfrequenz
zwischen 1kHz und 150 GHz verwendbar sind. In Abhängigkeit
der verwendeten Anregungsfrequenz ist das flüssige Medium hinsichtlich seiner
geringen Absorption bezüglich
der verwendeten Frequenz wählbar.