DE102013214686A1

DE102013214686A1 - Elektromagnetischer Wellenleiter und Plasmaquelle

Info

Publication number: DE102013214686A1
Application number: DE102013214686.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Ron Hammer; John PILLANS
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2014-03-06
Also published as: JP6323849B2; CN103687266B; US20140062299A1; CN103687266A; US9265138B2; JP2014063721A

Abstract

Ein Verfahren weist folgendes auf: Ausrichten eines Plasmabrenners innerhalb eines Irisblendenhohlraums einer Irisblende entlang einer ersten Achse zwischen einem ersten und zweiten Irisblendenschlitz, die Höhen aufweisen, die kleiner sind als 70% des Durchmessers des Brenners; und Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes mit Feldlinien entlang einer zweiten Achse. Das Feld weist eine Komponente auf, die im Wesentlichen quer verlaufend zu der ersten Richtung ist. Eine Vorrichtung ist ebenfalls beschrieben.

Description

Plasmaquellen für eine spektrochemische Analyse umfassen manchmal einen Plasmabrenner, der mit einem elektromagnetischen Wellenleiter so gekoppelt ist, dass elektromagnetische Strahlung (z. B. Mikrowellenstrahlung) verwendet werden kann, um das Plasma zu erzeugen und zu erhalten.
Ein bekannter Typ einer Plasmaquelle umfasst einen Wellenleiter, der so ausgerichtet ist, dass das Magnetfeld der elektromagnetischen Strahlung entlang einer gemeinsamen Achse des Plasmabrenners ausgerichtet ist, und die Magnetfeldstärke an der Position des Plasmabrenners auf einem Maximum ist. Dieser Typ einer Plasmaquelle erzeugt Idealerweise ein Plasma mit einem kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt und mit einem etwas weniger dichten (kühleren) Plasma entlang der axialen Abmessung.
Während diese bekannte Plasmaquelle eine wesentliche Verbesserung gegenüber anderen bekannten Plasmaquellen bereitgestellt hat, hat sich herausgestellt, dass das Verhalten der Plasmaquelle beeinträchtigt wird, wenn die Länge des Wellenleiters auch nur um geringe Beträge von dem Optimum abweicht. Es wurde herausgefunden, dass geringe Abweichungen bei der Länge des Wellenleiters, wie erwartet werden kann, dass sie in einer Routineherstellungsumgebung auftreten, bei der Erzeugung von unerwünschten asymmetrischen Plasmen entstehen, was das analytische Verhalten der Plasmaquelle nachteilhaft beeinflusst.
Es besteht daher ein Bedarf, einen verbesserten elektromagnetischen Wellenleiter und eine Plasmaquelle bereitzustellen, die zumindest die Mängel von bekannten Wellenleitern und Plasmaquellen überwinden, die oben beschrieben wurden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmas mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst.
Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel weist eine Vorrichtung folgendes auf: einen elektromagnetischen Wellenleiter mit einer Länge und einer Höhe; einen ersten Irisblendenschlitz, der den Wellenleiter an einer ersten Position entlang der Länge des Wellenleiters kreuzt, der eine geringere Höhe aufweist als die des Wellenleiters; einen zweiten Irisblendenschlitz, der den Wellenleiter an einer zweiten Position entlang der Länge des Wellenleiters kreuzt, mit einer geringeren Höhe als der des Wellenleiters; und einen Plasmabrenner mit einer Längsachse, die den Wellenleiter an einer Position zwischen dem ersten und dem zweiten Irisblendenschlitz kreuzt. Der erste Irisblendenschlitz und der zweite Irisblendenschlitz sind ausgebildet, um elektromagnetische Felder im Wesentlichen quer zu der Längsachse des Plasmabrenners zu übertragen, um das Plasma in dem Plasmabrenner zu erregen. Zusätzlich dazu sind die Höhen des ersten Irisblendenschlitzes und des zweiten Irisblendenschlitzes kleiner als 70% des Durchmessers des Brenners.
Bei einem anderen, darstellenden Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren folgendes auf: Ausrichten eines Plasmabrenners innerhalb eines Irisblendenhohlraums einer Irisblende entlang einer ersten Achse zwischen einem ersten und zweiten Irisblendenschlitz, die eine Höhe von weniger als 70% des Durchmessers des Brenners aufweisen; und Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes mit Feldlinien entlang einer zweiten Achse. Das Feld weist eine Komponente auf, die im Wesentlichen quer zu der ersten Richtung ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
1B eine perspektivische Ansicht einer Irisblende gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
2 eine Draufsicht, die elektromagnetische Feldlinien einer Mode zeigt, die in dem Wellenleiter getragen wird, gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel;
3 eine Seitenansicht, die elektromagnetische Feldlinien einer gewünschten Mode in den Regionen eines Hohlraums in einer Irisblende gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel zeigt;
4 eine Seitenansicht der Irisblende gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel; und
5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Erzeugen eines Plasmas gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel.
In der nachfolgenden Beschreibung sind zu Zwecken der Erklärung und nicht der Einschränkung darstellende Ausführungsbeispiele ausgeführt, die spezifische Details offenbaren, um ein tiefgreifendes Verständnis der Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren zu geben. Es ist jedoch für eine Person offensichtlich, die die vorliegende Offenbarung kennt, dass andere Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren, die von den spezifischen, hierin offenbarten Details abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche verbleiben. Ferner können Beschreibungen von bekannten Vorrichtungen und Verfahren weg gelassen werden, um die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele nicht zu verunklaren. Solche Verfahren und Vorrichtungen liegen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Lehren.
Im Allgemeinen wird darauf hingewiesen, dass die Ausdrücke „einer, eine, eines”, wie sie in der Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet werden, sowohl Singular- als auch Pluralformen umfassen, außer der Kontext gibt deutlich anderes vor. Somit umfasst z. B. „eine Vorrichtung” eine Vorrichtung und mehrere Vorrichtungen.
Wie sie in der Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet werden und zusätzlich zu ihren üblichen Bedeutungen bedeuten die Ausdrücke „im Wesentlichen” oder „wesentlich” innerhalb akzeptabler Grenzen oder Grade. Zum Beispiel bedeutet „im Wesentlichen gelöscht”, dass ein Fachmann auf dem Gebiet die Löschung als akzeptabel betrachten würde. Als weiteres Beispiel bedeutet „im Wesentlichen entfernt”, dass ein Fachmann auf dem Gebiet die Entfernung als akzeptabel betrachten würde.
Wie er in der Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen verwendet wird und zusätzlich zu seiner normalen Bedeutung bedeutet der Ausdruck „ungefähr” innerhalb einer akzeptablen Grenze oder eines Betrags für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet. Zum Beispiel bedeutet „ungefähr dasselbe”, dass ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet die Elemente, die verglichen werden, als dieselben betrachten würde.
Die vorliegenden Lehren beziehen sich im Allgemeinen auf einen Wellenleiter, der in Kombination mit einem Plasmabrenner nützlich ist, um ein Plasma zu erzeugen und erhalten, das bei einer spektrochemischen Analyse nützlich ist. Im Allgemeinen umfasst der Wellenleiter eine Irisblende, in der ein Plasmabrenner angeordnet ist. Der Wellenleiter (ohne die Irisblende) ist ausgebildet, um die gewünschte Mode zu tragen (z. B. TE₁₀). Die Irisblende stellt eine Impedanzfehlanpassung (eine Störung) dar, die die Form des Feldmusters bzw. der Feldstruktur ändert, wie nachfolgend umfassender beschrieben wird. Wie weiter aus der vorliegenden Beschreibung deutlich werden sollte, wird gemäß den vorliegenden Lehren die Mode, die in dem Wellenleiter getragen wird, so ausgewählt, dass das dominante, elektromagnetische Feld in einem Irisblendenhohlraum quer zu einer Mittel-(Längs-)Achse des Plasmabrenners ist. Dies ist das Gegenteil der Absicht von bekannten Vorrichtungen, wie jenen, die in dem gemeinsam zugewiesenen U.S.-Patent 6,683,272 an Hammer offenbart sind, in dem beabsichtigt ist, ein Feld parallel zu einer Mittelachse des Plasmabrenners zu erzeugen. Als solches sind elektromagnetische Feldlinien, die in der Irisblende erzeugt werden, im Wesentlichen quer zu einer Achse durch die Mitte eines Hohlraums in der Irisblende. Die Länge des Wellenleiters relativ zu dem Hohlraum der Irisblende ist ausgewählt, um die Mitte der elektromagnetischen Feldschleife an der Irisblendenposition einzurichten. Bei bestimmten, nachfolgend beschriebenen, darstellenden Ausführungsbeispielen ist die Mitte der elektromagnetischen Schleife als ein ungeradzahliges Mehrfaches der Viertelwellenlänge n(λ/4) dieser Mode ausgewählt. Vorteilhafterweise weist das resultierende Plasma einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt mit einem vergleichsweise „heißen” Umfang und einer kühleren Mitte auf.
1A ist eine isometrische Ansicht einer Vorrichtung 100 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 weist einen elektromagnetischen Wellenleiter („Wellenleiter”) 101 bei den nachfolgend beschriebenen, darstellenden Ausführungsbeispielen auf. Der Wellenleiter 101 ist ausgebildet, um eine gewünschte Ausbreitungsmode („Mode”) bei einer geeigneten Frequenz zum Erzeugen und Erhalten eines Plasmas zu tragen. Vorteilhafterweise stellt die gewünschte Mode, die durch den Wellenleiter 101 getragen wird, elektromagnetische Feldlinien bereit, die in einer Richtung ausgerichtet sind, die im Wesentlichen orthogonal oder quer zu einer Ausrichtungsachse eines Plasmabrenners sind, wie nachfolgend umfassender beschrieben wird. Ferner, und wie deutlicher wird, wenn die vorliegende Beschreibung weitergeführt wird, sind die gewünschten Moden ausgewählt, um ein Plasma zu erzeugen und zu erhalten, das ferner im Wesentlichen symmetrisch um eine Achse ist.
Auf veranschaulichende Weise ist der Wellenleiter 101 ausgebildet, um eine TE₁₀-Mode mit einer Frequenz in dem Mikrowellenabschnitt des elektromagnetischen Spektrums zu tragen. Zum Beispiel kann die ausgewählte Mode eine charakteristische Frequenz von ungefähr 2,45 GHz aufweisen. Bestimmte Abmessungsdarstellungen, die nachfolgend beschrieben werden, basieren auf dieser darstellenden Frequenz der gewünschten Mode. Es sollte jedoch erwähnt werden, dass die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht auf eine Operation in dem Mikrowellenspektrum begrenzt sind und insbesondere nicht auf eine Operation bei 2,45 GHz beschränkt sind. Genauer gesagt, da der ausgewählte Operationsfrequenzbereich die Wellenlänge der ausgewählten Mode(n) des Betriebs vorgibt und die Betriebswellenlängen primär durch die geometrischen Größen des Brenners und Wellenleiters 101 eingeschränkt sind, ist die Betriebsfrequenz ebenfalls durch die geometrische Größe des Plasmabrenners und des Wellenleiters 101 eingeschränkt. Auf darstellende Weise können die vorliegenden Lehren ohne Weiteres implementiert sein, um Betriebsfrequenzen zu umfassen, die sowohl höher als auch niedriger und in dem Bereich von ungefähr 5,8 GHz oder ungefähr 24,125 GHz sind. Ferner ist die gewünschte Mode nicht auf die beispielhafte TE₁₀ beschränkt und der Wellenleiter 101 (oder der erste und/oder zweite Abschnitt 117, 118, gezeigt in 1A) ist in seiner Abmessung nicht notwendigerweise rechteckig. Eher, wie oben erwähnt wurde, sind die Moden ausgewählt, um elektromagnetische Feldlinien bereitzustellen, die quer zu der Ausrichtungsachse des Plasmabrenners sind. Solche Moden oder Wellenleiterformen oder beides, die diese gewünschte Ausrichtung der elektromagnetischen Feldlinien tragen, sind durch die vorliegenden Lehren berücksichtigt.
Der Wellenleiter 101 ist an einem ersten Ende 102 kurzgeschlossen und ist benachbart zu einer Quelle aus Mikrowellenenergie (nicht gezeigt), die an einem zweiten Ende 104 angeordnet ist. Eine Irisblende 106 ist in dem Wellenleiter 101 angeordnet ist und weist einen Irisblendenhohlraum 108 mit einem ersten Irisblendenschlitz 110, der entlang einer Seite des Irisblendenhohlraums 108 angeordnet ist, und einem zweiten Irisblendenschlitz 112, der auf einer gegenüberliegenden Seite des Irisblendenhohlraums 108 angeordnet ist, auf. Die Erfinder haben entdeckt, dass die Höhe des ersten Irisblendenschlitzes 110 weniger sein sollte als 70% des Durchmessers des Plasmabrenners. Auf ähnliche Weise sollte die Höhe des zweiten Irisblendenschlitzes 112 weniger als 70% des Durchmessers des Plasmabrenners sein. Wie oben erwähnt wurde und wie nachfolgend umfassender beschrieben wird, ist bei darstellenden Ausführungsbeispielen die Mitte der Irisblende 106 (z. B. an der zweiten Achse 116) in einer Distanz (dargestellt als eine erste Länge L1 in 1A) von im Wesentlichen einem ungeradzahligen Mehrfachen der Viertelwellenlänge n(λ/4) einer gewünschten Mode des Wellenleiters 101 von einem Ende (z. B. dem ersten Ende 102) angeordnet. Ferner ist bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel die Mitte der Irisblende 106 (z. B. an einer zweiten Achse 116) in einer Distanz (dargestellt als eine zweite Länge L2 in 1A) von mehr als einer halben Wellenlänge (λ/2) der gewünschten Mode von dem anderen Ende (z. B. dem zweiten Ende 104) des Wellenleiters 101 angeordnet. Als solches ist die Iris 106 zwischen einem ersten Abschnitt 117 des Wellenleiters 101 und einem zweiten Abschnitt 118 des Wellenleiters 101 positioniert. Insbesondere kann der Wellenleiter 101 ein einzelnes Stück sein, das einen ersten und zweiten Abschnitt 117, 118 aufweist, wobei die Iris 106 darin positioniert ist. Alternativ kann der Wellenleiter 101 zwei separate Stücke aufweisen (z. B. einen ersten und zweiten Abschnitt 117, 118, die separate Stücke sind), wobei die Irisblende 106 dazwischen positioniert ist.
Darstellenderweise ist die Mitte (an der zweiten Achse 116) des Irisblendenhohlraums 108 55 mm von dem ersten Ende 102 angeordnet, der erste und zweite Irisblendenschlitz 110, 112 in der Irisblende 106 sind jeweils 6 mm hoch (z-Abmessung in dem Koordinatensystem von 1) mal 50 mm breit (x-Abmessung in dem Koordinatensystem von 1), und der Irisblendenhohlraum 108 weist einen Durchmesser von 13 mm Durchmesser auf. Die Distanz zu der Magnetron-Quelle aus Mikrowellen zu der Irisblende 106 ist ausgewählt, um die Reflexionen von der Irisblende 106 zu minimieren, Plasmabrenner (nicht gezeigt in 1), und die Effizienz der Übertragung von Mikrowellenleistung von der Mikrowellenquelle zu dem Plasma zu optimieren. Wie oben erwähnt wurde, ist bei einer Implementierung des darstellenden Ausführungsbeispiels die Mitte der Irisblende 106 (z. B. an der zweiten Achse 116) in einer größeren Distanz als einer halben Wellenlänge (λ/2) der gewünschten Mode von dem zweiten Ende 104 angeordnet, was benachbart zu der Quelle elektromagnetischer Strahlung ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorgelegten Abmessungen nur darstellend sind und durch die Auswahl von Frequenz/Wellenlänge der ausgewählten Mode vorgegeben sind.
Die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung 100 sind aus einem geeigneten, elektrisch leitfähigen Material hergestellt, wie z. B. einem Metall (z. B. Aluminium) oder einer Metalllegierung, die geeignet zur Verwendung bei der ausgewählten Betriebsfrequenz der Vorrichtung 100 sind. Bestimmte Aspekte des Wellenleiters 101 und der Irisblende 106 sind gleich zu der Irisblende, die in dem gemeinsam zugewiesenen U.S.-Patent 6,683,272 an Hammer beschrieben ist. Die Offenbarung dieses Patents ist hierin spezifisch durch Bezugnahme aufgenommen.
Wie nachfolgend umfassender beschrieben wird, ist ein Plasmabrenner (in 1A nicht gezeigt) innerhalb des Irisblendenhohlraums 108 positioniert, um das erzeugte Plasma zu enthalten und zu formen. Bei einem darstellenden Ausführungsbeispiel ist die erste Länge L₁ des Querschnitts der Vorrichtung 100 von dem ersten Ende 102 zu der Mitte (d. h. der zweiten Achse 116) des Irisblendenhohlraums 108 beispielsweise ungefähr ein ungeradzahliges Mehrfaches von einer Viertelwellenlänge (λ/4) der gewünschten Mode, obwohl vorteilhafterweise bei dieser Abmessung eine beträchtliche Breite in dieser Abmessung vorliegt und die erste Länge L₁ üblicherweise von ungefähr 0,15 Wellenlängen der gewünschten Mode zu ungefähr 0,35 Wellenlängen der gewünschten Mode ist. Ein quer verlaufendes, elektromagnetisches Feld ist in dem ersten und zweiten Irisblendenschlitz 110, 112 in der Irisblende 106 und in dem Irisblendenhohlraum 108 angeordnet. Durch Platzieren eines Plasmabrenners in dem Irisblendenhohlraum 108 kann eine im Wesentlichen quer verlaufende elektromagnetische Erregung eines Plasma bildenden Gases, das zu dem Plasmabrenner geliefert wird, ohne Weiteres erreicht werden.
Vorteilhafterweise jedoch ist die Präzision der ersten Länge L₁ nicht so kritisch für die Gesamtform des Plasmas, das gebildet wird, und für das Verhalten der Plasmaquelle, die die Vorrichtung 100 aufweist, wie es bei bestimmten bekannten Strukturen ist. Stattdessen, und wie oben angemerkt wurde, wird die ausgewählte Mode in einem ungestörten Wellenleiter 101 getragen. Die Irisblende 106 jedoch stellt eine Störung dar, die die Wellenlänge und Form der Mode in dem Wellenleiter 101 ändert. Das Plasma, das gemäß den vorliegenden Lehren erzeugt und erhalten wird, entsteht aus der Störung, und die Änderung der Form der Feldstruktur stellt eine Toleranz bei der ersten Länge L₁ des Wellenleiters 101 bereit. Entsprechend bleibt aufgrund der Struktur des Wellenleiters 101 und der Irisblende 106, die den ersten und den zweiten Irisblendenschlitz 110, 112 umfasst, das elektromagnetische Feld im Wesentlichen quer zu der Achse (z. B. der zweiten Achse 116) des Plasmabrenners, trotz der Abweichung der ersten Länge L₁, was ermöglicht, dass Plasma in einer gewünschten Form erzeugt und beibehalten wird. Als solches ist die Mode, die in dem Wellenleiter 101 getragen wird, so ausgewählt, dass das dominante elektromagnetische Feld in einem Irisblendenhohlraum 108 quer zu einer Mittelachse des Plasmabrenners ist.
Beispielhaft ist der Irisblendenhohlraum 108 zylindrisch geformt, um den Plasmabrenner unterzubringen, der üblicherweise zumindest zwei (und üblicherweise drei) konzentrische Röhren (eine äußere Röhre und zwei konzentrische Innenröhren) eines nicht leitenden Materials aufweist, wie z. B. Quarz oder Keramik, was zwei oder mehr (d. h. üblicherweise drei) separate Gasflüsse bereitstellt. Die konzentrischen Röhren des Plasmabrenners (nicht gezeigt) verwenden eine gemeinsame Mittelachse, die bei dem in 1A gezeigten, darstellenden Ausführungsbeispiel parallel zu der zweiten Achse 116 ausgerichtet wäre. Ein Trägergas mit mitgerissener bzw. eingelagerter Probe fließt normalerweise durch die innerste Röhre und ein separates, Plasma erhaltendes und Brenner kühlendes Gas fließt in dem Zwischenraum zwischen den zwei Röhren. Beispielhaft ist das Plasma erhaltende und Brenner kühlende Gas Stickstoff und Anordnungen sind bereitgestellt zum Erzeugen eines Flusses dieses Gases, das förderlich ist, um ein stabiles Plasma mit einem im Wesentlichen hohlen Kern zu bilden, und das Plasma im Wesentlichen isoliert von jedem Teil des Brenners zu halten, sodass kein Teil des Brenners überhitzt. Zum Beispiel kann das Plasma erhaltende Gas radial außeraxial so injiziert werden, dass der Fluss spiralisiert. Dieser Gasfluss erhält das Plasma und die analytische Probe, die in dem inneren Gasfluss getragen wird, wird durch Strahlung und Leitung von dem Plasma erwärmt, wie in der Technik bekannt ist. Um das Plasma anfänglich zu zünden, kann der Plasma erhaltende und Brenner kühlende Gasfluss temporär und kurz von Stickstoff zu Argon geändert werden. Ein Beispiel eines geeigneten Plasmabrenners ist detailliert in dem gemeinsam zugewiesenen U.S.-Patent 7,030,979 an Hammer beschrieben. Die Offenbarung dieses Patents ist hierin spezifisch durch Bezugnahme aufgenommen.
1B ist eine perspektivische Ansicht einer Irisblende 106 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Die Irisblende 106 weist einen Irisblendenhohlraum 108, einen ersten Irisblendenschlitz 110 und einen zweiten Irisblendenschlitz 112 auf. Wie hierin beschrieben ist, ist die Irisblende 106 in dem Wellenleiter 101 so angeordnet, dass die Mitte des Irisblendenhohlraums 108 (d. h. an der zweiten Achse 116) von einem Ende (z. B. dem ersten Ende 102 oder dem zweiten Ende 104) des Irisblendenhohlraums 108 angeordnet ist, um das elektromagnetische Feld so einzurichten, dass eine quer verlaufende elektromagnetische Erregung eines Plasma bildenden Gases, das zu dem Plasmabrenner geliefert wird, ohne Weiteres erreicht werden kann. Wie oben erwähnt wurde, ist die Distanz von der Mitte des Irisblendenhohlraums 108 (d. h. der zweiten Achse 116) zu einem Ende des Wellenleiters 101 beispielhaft ungefähr ein ungeradzahliges Mehrfaches von einer Viertelwellenlänge (λ/4) der gewünschten Mode.
2 ist eine Draufsicht, die elektromagnetische Feldlinien 201a, b (elektrische Feldlinien 201a und magnetische Feldlinien 201b) einer gewünschten Mode zeigt, die in der Vorrichtung 100 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel getragen wird. Die elektromagnetischen Feldlinien 201a, b der Mode sind im Wesentlichen quer zu der zweiten Achse 116 in der Mitte des Irisblendenhohlraums 108 der Irisblende 106. Die Länge L ist ausgewählt, um ungefähr ungeradzahlige Mehrfache einer Viertelwellenlänge (λ/4) der gewünschten Mode zu sein, was zu Minima des elektromagnetischen Feldes an dem Ort des Plasmabrenners (nicht gezeigt in 2) in dem Irisblendenhohlraum 108 führt.
Wie oben erwähnt wurde, weist die Ausbreitungsmode des ungestörten Wellenleiters 101 (d. h. ohne Irisblende 106) eine bestimmte Form (nicht gezeigt) auf. Die Form der Mode wird durch die Störung geändert, die aus der Irisblende 106 resultiert, aber die elektromagnetischen Feldlinien 201a, b der Mode in der Irisblende 106 bleiben im Wesentlichen quer verlaufend. Im Gegensatz zu einem bekannten Wellenleiter, bei dem die magnetischen Feldlinien mit Absicht in einer axialen Richtung relativ zu der Irisblende und dem Plasmabrenner ausgerichtet sind, hängt die Effektivität der neuen Wellenleiterstruktur nicht kritisch von den physischen Abmessungen ab. Bei dem bekannten Wellenleiter liegt wenig (falls überhaupt) Fehlerspielraum vor. Somit können bei der bekannten Wellenleiterstruktur die Abweichung der Dimensionen bzw. Abmessungen der Elemente des Wellenleiters oder die Abweichung ihrer Platzierung oder beides eine wesentliche und unerwünschte Auswirkung auf Ausrichtung und Position der elektromagnetischen Feldlinien 201a, b relativ zu dem Plasmabrenner haben und auf das resultierende Plasma. Wie aus einer erneuten Betrachtung von 2 ersichtlich ist, haben leichte Abweichungen bei der Platzierung der Irisblende 106, insbesondere in der x-Abmessung des Koordinatensystems von 2, wenig falls überhaupt Auswirkung auf die Ausrichtung der elektromagnetischen Feldlinien 201a, b relativ zu dem Plasmabrenner. Genauer gesagt kann eine leichte Fehlplatzierung der Irisblende 106 in der x-Richtung zu einer Abweichung der Länge L von dem gewünschten ungeradzahligen Mehrfachen von einer Viertelwellenlänge des Wellenleiters 101 haben, aber die elektromagnetischen Feldlinien 201a, b bleiben wünschenswerterweise im Wesentlichen quer verlaufend zu der zweiten Achse 116 und somit dem Plasmabrenner.
Wie nachfolgend umfassender in Verbindung mit 3 beschrieben wird, führt die elektromagnetische Feldverteilung, die durch ein darstellendes Ausführungsbeispiel realisiert wird, zu der Bildung von vier im Wesentlichen halbmondförmigen Lappen aus Plasma in den Regionen 202, 203 und 204, 205. Diese halbmondförmigen Lappen aus Plasma führen zu einem zusammengesetzten Plasma in der Irisblende 106, angeordnet symmetrisch um die zweite Achse 116 in den Regionen 202, 203 und 204, 205. Jedes dieser zusammengesetzten Plasmen weist eine im Wesentlichen hohle, zylindrische Form auf und jedes weist heißes Plasma um dessen Umfang und einen kühleren Mittelkern auf.
3 ist eine Seitenansicht der Irisblende 106 betrachtet abwärts entlang der zweiten Achse 116. Elektromagnetische Feldlinien 301a, b (elektrische Feldlinien 301a und magnetische Feldlinien 301b) einer gewünschten Mode sind in den Regionen des Hohlraums 103 und des ersten und zweiten Irisblendenschlitzes 110, 112 der Irisblende 106 angeordnet. Der erste und zweite Irisblendenschlitz 110, 112 weisen jeweils eine Höhe „H” auf, wie in 3 gezeigt ist. Quer verlaufende, elektromagnetische Felder 301a, b erzeugen und erhalten ein erstes und zweites halbmondförmiges Plasma 304, 305 mit einer größeren Leistung („heißer”) in der ersten und zweiten Region 302, 303. Im Gegensatz dazu wird in der Mitte des Irisblendenhohlraums 108 wenig falls überhaupt Strom erzeugt und wenig falls überhaupt Plasma wird aufrechterhalten.
In Kombination erzeugen das erste und zweite halbmondförmige Plasma 304, 305 ein einzelnes Plasma mit einer im Wesentlichen hohlen, zylindrischen Form mit heißem Plasma um dessen Umfang mit einem kühleren Mittelkern. Schließlich, wie oben angedeutet wurde, wird bei darstellenden Ausführungsbeispielen ein zweiter Satz aus halbmondförmigen Plasmen (nicht gezeigt) gebildet und an einem anderen Ort entlang der zweiten Achse 116 beibehalten (z. B. in den Regionen 202, 203, gezeigt in 2). Wie das erste und zweite halbmondförmige Plasma 304, 305 sind diese halbmondförmigen Plasmen im Wesentlichen symmetrisch um die zweite Achse 116 und bilden ein einzelnes Plasma mit einer im Wesentlichen hohlen, zylindrischen Form, mit heißem Plasma um deren Umfang und mit einem kühleren Mittelkern.
4 ist eine Seitenansicht der Irisblende 106 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Viele Details der Irisblende 106 sind jenen gemeinsam, die oben in der Beschreibung der darstellenden Ausführungsbeispiele vorgelegt wurden und werden im Allgemeinen nicht wiederholt. Ferner ist im Hinblick auf die Symmetrie der Irisblende 106 die Beschreibung des zweiten Irisblendenschlitzes 112 praktisch identisch zu der vorliegenden Beschreibung des ersten Irisblendenschlitzes 110.
Ein Plasmabrenner 401 (siehe 4) ist in dem Irisblendenhohlraum 108 der Irisblende 106 angeordnet und weist konzentrische Zylinder 402, 403, 404 auf, die den zentralen Gasfluss, einen Zwischengasfluss und einen Plasma beibehaltenden und Brenner kühlenden Gasfluss in dem Plasmabrenner 401 liefern. Der Plasmabrenner 401 umfasst eine Spitze 405, die in einer Distanz „D” 406 von der Mittellinie des ersten Irisblendenschlitzes 110 angeordnet ist, wie in 4 gezeigt ist. Ferner weist der erste Irisblendenschlitz 110 eine Länge „L” 407 und eine Höhe „H” 408 auf.
Wie oben erwähnt wurde, ist die Höhe 408 des ersten Irisblendenschlitzes 110 ausgewählt, um eine Begrenzung des elektromagnetischen Feldes der gewünschten Mode zum Erzeugen und Beibehalten des Plasmas bereitzustellen. Diese Begrenzung des elektromagnetischen Feldes führt dazu, dass die gewünschten Feldgradienten schließlich ein im Wesentlichen symmetrisches Plasma erzeugen. Die Höhe 408 und andere Abmessungen der Vorrichtung 100 hängen von der Wellenlänge der gewünschten Mode zum Erzeugen und Beibehalten des Plasmas ab. Auf darstellende Weise ist die Höhe 408 ungefähr 6 mm bis ungefähr 8 mm für eine Mode von 2,4 GHz bei der Vorrichtung 100 und im Allgemeinen weniger als 70% des Durchmessers des Plasmabrenners.
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens 500 zum Erzeugen eines Plasmas gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Bei 501 weist das Verfahren 500 das Ausrichten eines Plasmabrenners entlang einer ersten Achse auf. Bei 502 weist das Verfahren 500 das Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes mit Feldlinien entlang einer zweiten Achse auf.
Gemäß darstellenden Ausführungsbeispielen sind ein elektromagnetischer Wellenleiter und eine Plasmaquelle, die den elektromagnetischen Wellenleiter aufweist, beschrieben. Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet erkennt, dass viele Variationen, die im Einklang mit den vorliegenden Lehren sind, möglich sind und innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche verbleiben. Diese und andere Variationen würden für einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet nach der Untersuchung der Beschreibung, der Zeichnungen und Ansprüche hierin deutlich werden. Die Erfindung soll daher nicht eingeschränkt sein, außer auf das Wesen und den Schutzerbereich der beiliegenden Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6683272 [0020, 0025]
US 7030979 [0028]

Claims

Vorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: einen elektromagnetischen Wellenleiter (101) mit einer Länge und einer Höhe; einen ersten Irisblendenschlitz (110), der den Wellenleiter (101) an einer ersten Position entlang der Länge des Wellenleiters (101) kreuzt und eine Höhe aufweist, die kleiner ist als die des Wellenleiters (101); einen zweiten Irisblendenschlitz (112), der den Wellenleiter (101) an einer zweiten Position entlang der Länge des Wellenleiters (101) kreuzt und eine Höhe aufweist, die kleiner ist als die des Wellenleiters (101); einen Plasmabrenner (401) mit einer Längsachse, die den Wellenleiter (101) an einer Position zwischen dem ersten und dem zweiten Irisblendenschlitz (110, 112) kreuzt; wobei der erste Irisblendenschlitz (110) und der zweite Irisblendenschlitz (112) ausgebildet sind, um elektromagnetische Felder im Wesentlichen quer zu der Längsachse des Plasmabrenners (401) zu übertragen, um das Plasma in dem Plasmabrenner (401) zu erregen; und wobei die Höhen des ersten Irisblendenschlitzes (110) und des zweiten Irisblendenschlitzes (112) kleiner sind als 70% des Durchmessers des Brenners (5010).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die elektromagnetischen Felder im Wesentlichen Stehwellen quer zu der Längsachse des Plasmabrenners (401) sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die elektromagnetischen Felder die Längsachse des Plasmabrenners (401) im Wesentlichen als Wanderwellen quer zu der Längsachse passieren.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Irisblendenhohlraum (108) aufweist, der zwischen dem ersten Irisblendenschlitz (110) und dem zweiten Irisblendenschlitz (112) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der elektromagnetische Wellenleiter (101) einen ersten Abschnitt (117) aufweist und eine erste Länge von einem ersten Ende (102) des elektromagnetischen Wellenleiters (101) zu einer Mitte der Irisblende (106) im Wesentlichen gleich oder größer ist als ungefähr ein ungeradzahliges Mehrfaches von einer Viertelwellenlänge (λ/4) der Mode.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der elektromagnetische Wellenleiter (101) einen zweiten Abschnitt (118) aufweist und eine zweite Länge von einem zweiten Ende (104) des elektromagnetischen Wellenleiters (101) zu einer Mitte der Irisblende (106) größer ist als ungefähr eine Halbwellenlänge (λ/2) der Mode.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der das erste Ende (102) des elektromagnetischen Wellenleiters (101) elektrisch mit Masse verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7, bei der das zweite Ende (104) des elektromagnetischen Wellenleiters (101) elektrisch mit einer Quelle elektromagnetischer Strahlung gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der der Plasmabrenner (401) eine Spitze (405) aufweist, die in dem Hohlraum (103) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, bei der das Plasma in dem Hohlraum (103) im Wesentlichen symmetrisch um die Längsachse des Plasmabrenners (401) erzeugt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, bei der das Plasma einen ersten im Wesentlichen halbmondförmigen Lappen und einen zweiten im Wesentlichen halbmondförmigen Lappen aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums (103) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, die ferner ein anderes Plasma aufweist, das eine axiale Distanz entfernt von dem Plasma angeordnet ist, wobei das andere Plasma einen ersten im Wesentlichen halbmondförmigen Lappen und einen zweiten im Wesentlichen halbmondförmigen Lappen aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums (103) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 12, bei der der erste und zweite halbmondförmige Lappen im Wesentlichen symmetrisch um die erste Achse sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die elektromagnetischen Felder elektrische Felder im Wesentlichen quer verlaufend zu der Längsachse des Plasmabrenners (401) umfassen und bei der die elektrischen Felder das Plasma in dem Plasmabrenner (401) erregen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die elektromagnetischen Felder magnetische Felder im Wesentlichen quer verlaufend zu der Längsachse des Plasmabrenners (401) umfassen und bei der die magnetischen Felder das Plasma in dem Plasmabrenner (401) erregen.
Verfahren (500) zum Erzeugen eines Plasmas, wobei das Verfahren (500) folgende Schritte aufweist: Ausrichten eines Plasmabrenners (401) innerhalb eines Irisblendenhohlraums (108) einer Irisblende (106) entlang einer ersten Achse zwischen einem ersten und zweiten Irisblendenschlitz (110, 112), die Höhen aufweisen, die kleiner sind als 70% des Durchmessers des Brenners (5010); und Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes mit Feldlinien entlang einer zweiten Achse (502), wobei das Feld eine Komponente aufweist, die im Wesentlichen quer verlaufend zu der ersten Richtung ist.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 16, wobei das Verfahren (500) ferner folgende Schritte aufweist: Liefern eines Plasma bildenden Gases zu dem Plasmabrenner (401); Anlegen elektromagnetischer Leistung, um das elektromagnetische Feld einzurichten; und Erzeugen eines Plasmas.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 17, bei dem die elektromagnetische Leistung in einem elektromagnetischen Wellenleiter (101) eingerichtet wird, der benachbart zu der Irisblende (106) angeordnet ist.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 18, bei dem der elektromagnetische Wellenleiter (101) einen ersten Abschnitt (117) aufweist und eine erste Länge von einem ersten Ende (102) des elektromagnetischen Wellenleiters (101) zu einer Mitte der Irisblende (106), die im Wesentlichen gleich oder größer ist als ungefähr ein ungeradzahliges Mehrfaches von einer Viertelwellenlänge (λ/4) der Mode.
Verfahren (500) gemäß Anspruch 19, bei dem der elektromagnetische Wellenleiter (101) einen zweiten Abschnitt (118) aufweist und eine zweite Länge von einem zweiten Ende (104) des elektromagnetischen Wellenleiters (101) zu einer Mitte der Irisblende (106) größer ist als ungefähr eine Halbwellenlänge (λ/2) der Mode.
Verfahren (500) gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, bei dem das Plasma in dem Hohlraum (103) im Wesentlichen symmetrisch um die erste Achse erzeugt wird.