DE102014202540A1

DE102014202540A1 - Integrierte mikrowellenquelle und plasmabrenner und verwandte verfahren

Info

Publication number: DE102014202540A1
Application number: DE102014202540.0A
Authority: DE
Inventors: Guthrie Partridge
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2014-09-18
Also published as: US9427821B2; GB201402069D0; US20140263202A1; JP2014183049A; CN104064428A; CN104064428B; GB2513439A; JP6329787B2; GB2513439B

Abstract

Eine Plasmaquelle zum Erzeugen von mikrowelleninduziertem Plasma umfasst einen Plasmabrenner, der mit einer Mikrowellenenergiequelle integriert ist. Der Brenner richtet einen Gasflussweg von einer Seite der Plasmaquelle zu der anderen Seite ein. Der Brenner kann mit der Mikrowellenenergiequelle integriert sein, sodass ein plasmabildendes Gas, das durch den Brenner fließt, Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist, was zum Einleiten und/oder Aufrechterhalten von Plasma in dem Brenner dient. Das Plasma kann aus dem Brenner ausgestoßen und in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, die die Verwendung von Plasma beinhalten, einschließlich analytischer Techniken, wie z. B. optischer Emissionsspektrometrie und Massespektrometrie.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der U.S.-Provisional-Patentanmeldung mit der Seriennummer 61/793,320, eingereicht am 15. März 2013, mit dem Titel „Integrated microwave source and plasma torch an related methods” (Integrierte Mikrowellenquelle und Plasmabrenner und verwandte Verfahren), in Anspruch, deren Inhalt hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf mikrowelleninduziertes Plasma und insbesondere auf die Erzeugung von mikrowelleninduziertem Plasma in einem Plasmabrenner, sowie Verwendungen desselben.
Viele chemische Analyseinstrumente auf Plasmabasis verwenden induktiv gekoppeltes Plasma (ICP; ICP = inductively coupled plasma) mit Hochfrequenz (HF, 10–100 MHz) und verwenden Argon als Prozessgas. Während Argon-ICP eine relativ reife und effektive Technologie ist, fügt das Zuführen von Argon für diese Instrumente wesentliche Kosten für den Besitz hinzu, außerdem ist dieselbe abhängig von der Verfügbarkeit von gereinigtem Argongas. Um die Bedürfnisse neuer und entstehender Märkte anzugehen (ländlich, tragbar, Entwicklungsländer usw.), richtet sich das Interesse gegenwärtig auf die Herstellung von Instrumenten mit ähnlicher Funktion, die mit einem weniger teuren, leichter verfügbaren Gas arbeiten können, wie z. B. molekularem Stickstoff (N₂).
Aufgrund der Unterschiede bei den Eigenschaften von Argon- und Stickstoffplasma ist Mikrowellenstrahlung in dem Bereich mehrerer GHz (im Gegensatz zu HF-Strahlung) oft besser geeignet zum Zuführen von Energie in Stickstoffplasma. Ein Instrument, das zum Erzeugen von derartigem Plasma ausgebildet ist, kann ein Leistungs-Teilsystem umfassen, das Mikrowellenleistung an ein Prozessgas liefert, das durch ein Rohr (oder einen Satz verschachtelter Rohre) fließt. Die Mikrowellenstrahlung ionisiert das Gas zu Plasma. Das resultierende mikrowelleninduzierte Plasma (MIP) kann eingesetzt werden, um Analyt-Materialien zu erwärmen, verdampfen/trocknen/entlösen, zerstäuben, elektronisch anzuregen und zu ionisieren, wodurch eine nachfolgende Erfassung und Analyse von emittiertem Licht oder Ionen ermöglicht wird.
Das Mikrowellenleistungs-Teilsystem kann eine Mikrowellenleistungsquelle und eine elektromagnetisch resonante Struktur umfassen, die durch ein Leistungsübertragungselement, wie z. B. einen Freiraumwellenleiter oder ein Koaxialkabel, gekoppelt sind. Dieses System kann auch zusätzliche Elemente zur Impedanzanpassung ihrer verschiedenen Komponenten erforderlich machen, einschließlich manueller und/oder servo-verriegelter Abstimmstichleitungen und bewegbarer Kurzschlusswände. Außerdem sind Mikrowellen-Isolatoren und -Zirkulatoren oft beinhaltet, um die Leistungsquelle in dem Fall einer Impedanzfehlanpassungssituation vor reflektierter Leistung zu schützen.
Bekannte Mikrowellenleistungs-Teilsysteme haben jedoch Nachteile. Aufgrund ihrer Konfiguration mit vielen Komponenten sind diese relativ voluminös und kostspielig. Außerdem werden unter Umständen automatisierte Abstimmungsalgorithmen benötigt, um eine akzeptable Leistung zu erzielen und aufrechtzuerhalten, wobei der Abstimmvorgang wiederum bewegliche Teile beinhaltet. Diese Faktoren beeinträchtigen die Eignung für den angestrebten „vor Ort”-Anwendungsmarkt. Zusätzlich besteht aufgrund des großen Volumens und/oder der Fläche des Entwurfs mit vielen Komponenten eine wesentliche Verlustleistung (Energieverlust), hauptsächlich durch die Wände der Führungsstruktur. Zusätzlich besteht eine Fehlanpassung zwischen dem elektromagnetischen (EM-)Feldverlauf in üblicherweise verwendeten Resonanzstrukturen (beispielsweise rechteckigen Wellenleitern oder Koaxialkabeln) und dem Feldverlauf, der dazu neigt, die zylindrische oder ringförmige Plasma-Symmetrie zu erzeugen, die für Spektroskopie/Spektrometrie-Anwendungen bevorzugt wird. Diese Fehlanpassungen tragen zu einer beeinträchtigten Leistung und Stabilität momentaner Entwürfe bei, was ein laufendes Thema in der Forschung ist.
Deshalb besteht weiterhin Bedarf nach verbesserten Systemen, Vorrichtungen und Verfahren zum Erzeugen von MIP für verschiedene Anwendungen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Plasmaquelle, ein Plasmaverarbeitungssystem und ein Verfahren zum Liefern von Plasma mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Plasmaquelle gemäß Anspruch 1, ein Plasmaverarbeitungssystem gemäß Anspruch 4 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6.
Um vorstehende Probleme insgesamt oder teilweise und/oder andere Probleme, die eventuell durch Fachleute auf diesem Gebiet beobachtet wurden, anzugehen, schafft die vorliegende Offenbarung Verfahren, Prozesse, Systeme, Geräte, Instrumente und/oder Vorrichtungen, wie sie beispielhaft in unten dargelegten Implementierungen beschrieben sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Plasmaquelle zum Erzeugen von mikrowelleninduziertem Plasma folgende Merkmale: eine Mikrowellenenergiequelle, die eine Kathode auf einer Kathodenachse und eine Anode, die von der Kathode durch einen Wechselwirkungsraum beabstandet ist, aufweist, wobei die Mikrowellenenergiequelle eine erste Seite, eine zweite Seite und eine Dicke von der ersten Seite zu der zweiten Seite entlang der Kathodenachse aufweist; und einen Plasmabrenner, der an der Mikrowellenenergiequelle positioniert ist und einen Brennerauslass auf der zweiten Seite aufweist, wobei der Plasmabrenner einen Gasflussweg von der ersten Seite zu der zweiten Seite einrichtet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Plasmaverarbeitungssystem folgende Merkmale: die Plasmaquelle, wobei der Plasmabrenner einen Brennereinlass auf der ersten Seite umfasst; eine plasmabildende Gasquelle, die mit dem Brennereinlass in Verbindung steht; und eine Kammer, die mit dem Brennerauslass in Verbindung steht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Liefern von Plasma folgende Schritte: Erzeugen von Mikrowellenenergie durch Betreiben einer Mikrowellenenergiequelle, die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, die Plasma erzeugt, indem ein plasmabildendes Gas von der ersten Seite in einen Plasmabrenner fließen gelassen wird, wobei das plasmabildende Gas durch die Mikrowellenenergie bestrahlt wird; und Fließenlassen des Plasmas aus einem Auslass des Plasmabrenners auf der zweiten Seite.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Plasmaquelle oder ein Plasmaverarbeitungssystem zum Durchführen beliebiger der hierin offenbarten Verfahren ausgebildet.
Weitere Vorrichtungen, Geräte, Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden für einen Fachmann auf diesem Gebiet nach Durchsicht der folgenden Figuren und der detaillierten Beschreibung ersichtlich werden. Alle derartigen zusätzlichen Systeme, Verfahren, Merkmale und Vorteile sollen in dieser Beschreibung beinhaltet, innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung und durch die folgenden Ansprüche geschützt sein.
Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren besser verständlich. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei stattdessen eine Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung hervorgehoben wird. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen in allen unterschiedlichen Ansichten entsprechende Teile. Es zeigen:
1A eine Draufsicht eines Beispiels einer Plasmaquelle gemäß einigen Ausführungsbeispielen;
1B eine perspektivische Ansicht der in 1 dargestellten Plasmaquelle;
2A und 2B Draufsichten eines Abschnitts einer Mikrowellenenergiequelle, die Oszillationen bei abwechselnden Phasen des Zyklus darstellen;
3A eine Draufsicht eines Abschnitts einer Anode mit Brückenbildungssegmenten;
3B eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A aus 3A;
4 eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Plasmaverarbeitungssystems gemäß einigen Ausführungsbeispielen; und
5 eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Plasmabrenners gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
Die 1A und 1B sind eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Quelle 100 mikrowelleninduzierten Plasmas (MIP-Quelle) gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Die Plasmaquelle 100 kann im Allgemeinen eine Mikrowellenenergiequelle (oder einen Mikrowellenenergieerzeuger) 104 und einen Plasmabrenner, der mit der Mikrowellenenergiequelle 104 integriert ist, umfassen.
Im Allgemeinen kann die Mikrowellenenergiequelle 104 eine beliebige Konfiguration aufweisen, die geeignet ist zum Erzeugen von Mikrowellenenergie mit einer Frequenz und einer Leistung, die die Bildung von Plasma aus einem plasmabildenden Gas, das durch den Plasmabrenner 108 fließt, herbeiführt. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann, wie in den 1A und 1B dargestellt ist, die Mikrowellenenergiequelle 104 ein Magnetron oder eine magnetronartige Struktur aufweisen. Im Allgemeinen kann der Plasmabrenner 108 eine beliebige Konfiguration aufweisen, die geeignet ist zum Leiten eines Gasflusses entlang eines definierten Wegs, sowie die Bildung einer Plasmafahne (oder Plasmaentladung) ermöglicht. Der Plasmabrenner 108 kann in einer beliebigen Weise mit der Mikrowellenenergiequelle 104 integriert sein, die sicherstellt, dass das fließende Gas durch die so erzeugte Mikrowellenenergie bestrahlt wird. Der Plasmabrenner 108 kann ausgebildet sein, um das so erzeugte Plasma, sowie beliebiges Gas und/oder andere fließfähige Komponenten im Inneren des Brenners, zu einem erwünschten Ziel außerhalb der Mikrowellenenergiequelle 104 zu leiten.
Die Mikrowellenenergiequelle 104 umfasst im Allgemeinen eine Kathode 112 und eine Anode 114. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kathode 112 entlang einer Kathodenachse (oder Quellenachse) 118 positioniert. Die Kathode 112 kann beispielsweise zylindrisch sein und kann massiv oder hohl sein. Die Kathode 112 kann aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitfähigen Material bestehen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Kathode 112 oder eine Beschichtung oder Schicht derselben aus einem thermionisch emittierenden Material bestehen, um eine Elektronenquelle bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ kann ein Filament bzw. Faden (z. B. ein Wolfram-Faden, nicht gezeigt) vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann ein anderer Typ von Elektronenquelle (beispielsweise eine Feldemissionsquelle) vorgesehen sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anode 114 ein ringförmiger Block aus elektrisch leitfähigem Material (beispielsweise Kupfer) und umgibt die Kathode 112 koaxial um die Kathodenachse 118 herum. So ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Hauptstruktur (Kathode 112 und Anode 114) der Mikrowellenenergiequelle 104 rotationssymmetrisch um die Kathodenachse 118, die in diesem Fall die Mittelachse ist. Relativ zu der Kathodenachse 118 ist die Anode 114 von der Kathode 112 durch einen Wechselwirkungsraum 122 beabstandet, in dem ein magnetisches und ein elektrisches Feld in Wechselwirkung stehen, um eine Kraft auf die Elektronen zu übertragen. Die Mikrowellenenergiequelle 104 kann man sich als eine erste Seite 126 und eine zweite Seite 128 beinhaltend vorstellen, die aus der Perspektive eines Gases, das durch den Plasmabrenner 108 fließt, auch als eine Eingangsseite und eine Ausgangsseite bezeichnet werden können. Die erste Seite 126 und die zweite Seite 128 können in Ebenen liegen, die orthogonal sind zu der Kathodenachse 118. So kann die Hauptstruktur der Mikrowellenenergiequelle 104 im Allgemeinen planar sein und weist eine Dicke von der ersten Seite 126 zu der zweiten Seite 128 entlang der Kathodenachse 118 auf.
Die Anode 114 kann einen oder mehrere Resonanzhohlräume oder Seitenlappen 132, die durch ihre Dicke hindurch gebildet sind, mit der Funktion als abgestimmte Schaltungen umfassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Anode 114 eine Mehrzahl von Resonanzhohlräumen 132, die in einer oder mehreren radialen Entfernungen von der Kathodenachse 118 positioniert und umfangsmäßig voneinander um die Kathodenachse 118 beabstandet sind. Die Resonanzhohlräume 132 stehen mittels Öffnungen 134, die die Anode 114 in eine Mehrzahl von Anodensegmenten partitionieren, die umfangsmäßig um die Kathodenachse 118 angeordnet sind, in offener Verbindung mit dem gemeinsamen Wechselwirkungsraum 122. Die Anzahl von Resonanzhohlräumen 132, die in den 1A und 1B dargestellt sind, ist lediglich beispielhaft. Die Anzahl und Größe der Resonanzhohlräume 132 kann bei verschiedenen Ausführungsbeispielen variieren. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Außendurchmesser der Anode 114 in der Größenordnung von Zentimetern liegen, wobei es allgemeiner keine bestimmte Grenze für die Größe der Anode 114 gibt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Resonanzhohlräume 132 als Zylinder mit kreisförmigem Querschnitt geformt und die Öffnungen 134 sind als radiale Schlitze geformt. Diese Geometrie ist ein Beispiel eines Loch-und-Schlitz-Magnetrons. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Mikrowellenenergiequelle 104 als Steg-Magnetron, Schlitz-Magnetron oder Sonnenstrahl-Magnetron strukturiert sein, deren Geometrien und Eigenschaften Fachleuten auf diesem Gebiet bekannt sind. Allgemeiner kann die Geometrie symmetrisch, im Wesentlichen symmetrisch oder asymmetrisch um die Kathodenachse 118 sein.
Der Plasmabrenner 108 umfasst allgemein einen Brennereinlass 138 und einen Brennerauslass 140. Wie oben angemerkt wurde, kann der Plasmabrenner 108 mit der Mikrowellenenergiequelle 104 integriert oder an derselben positioniert sein, und zwar in einer beliebigen Weise, die sicherstellt, dass das fließende Gas durch die so erzeugte Mikrowellenenergie bestrahlt wird. Der Plasmabrenner 108 kann derart an der Mikrowellenenergiequelle 104 positioniert oder befestigt sein, dass der Brennereinlass 138 sich auf der ersten Seite 126 befindet und der Brennerauslass 140 auf der zweiten Seite 128. Der Plasmabrenner 108 kann innerhalb der Peripherie der Mikrowellenenergiequelle 104 positioniert sein und kann sich so beispielsweise durch ein Loch, eine Ausnehmung, einen Hohlraum usw. der Mikrowellenenergiequelle 104 hindurch erstrecken. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Plasmabrenner 108 durch zumindest einen der Resonanzhohlräume 132 entlang einer Brennerachse 142 von dem Brennereinlass 138 zu dem Brennerauslass 140. Die Brennerachse 142 kann parallel oder im Wesentlichen parallel zu der Kathodenachse 118 sein. Der Plasmabrenner 108 ist so strukturiert, um zumindest einen Gasflussweg zu definieren oder einzurichten, der durch dessen Inneres (und durch den entsprechenden Resonanzhohlraum 132) von dem Brennereinlass 138 auf der ersten Seite 126 zu dem Brennerauslass 140 auf der zweiten Seite 128 läuft. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Plasmabrenner 108 ein Rohr, das ein Inneres umschließt, durch das Gas fließen kann, oder zwei oder mehr konzentrische Rohre, die koaxial zu der Brennerachse 142 sind. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Außendurchmesser des Rohrs (oder äußersten Rohrs) in der Größenordnung von Zentimetern liegen, allgemeiner jedoch gibt es keine bestimmte Grenze für die Größe des Rohrs. Der Plasmabrenner 108 kann aus geschmolzenem Quarz oder einem anderen geeigneten Material mit Mikrowellentransparenz, hohem Schmelzpunkt und niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Plasmabrenner 108 eine Mehrzahl von Rohren (oder eine Mehrzahl von Sätzen konzentrischer Rohre) umfassen, die sich durch jeweilige Resonanzhohlräume 132 hindurch erstrecken, wodurch mehrere Gasflusswege durch die Plasmaquelle 100 entlang mehrerer Brennerachsen eingerichtet werden.
In der Praxis sollten die Kathode 112 und der Wechselwirkungsraum 122 in einem evakuierten Raum (d. h. einer Vakuumkammer) eingeschlossen sein. So kann es bei einigen Ausführungsbeispielen praktisch sein, die gesamte Mikrowellenenergiequelle 104 in einem evakuierten Raum einzuschließen. Der Plasmabrenner 108 ist in einer Weise in dem Resonanzhohlraum 132 angebracht, die das Brennerinnere von der Vakuumumgebung fluidisch trennt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die breiten Aspekte der vorliegenden Offenbarung die Mikrowellenenergiequelle 104 nicht darauf einschränken, ein Magnetron oder eine magnetronartige Struktur zu besitzen. Allgemeiner kann die Mikrowellenenergiequelle 104 eine beliebige Konfiguration aufweisen, die es ermöglicht, dass der Plasmabrenner 108 durch einen Resonanzraum verläuft und Plasma direkt mit der so erzeugten Mikrowellenenergie gekoppelt wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Mikrowellenenergiequelle 104 beispielsweise eine koaxiale, symmetrische Struktur besitzen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Symmetrieachse der Anode 114 von der Kathodenachse 118 versetzt sein. Für einige Ausführungsbeispiele kann eine derartige Konfiguration die Asymmetrie ausgleichen, die der Plasmabrenner 108 darstellt. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist ein derartiger Ausgleich nicht erforderlich.
Die Mikrowellenenergiequelle 104 umfasst ferner einen Magneten, der ein Permanentmagnet sein kann. Der Magnet kann eine oder mehrere Magnetkomponenten 406 und 410 (4) umfassen, die angeordnet sein können, um eine erwünschte Ausrichtung des statischen Magnetfelds relativ zu dem Rest der Plasmaquelle 100 bereitzustellen. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Magnetkomponenten 406 und 410 derart positioniert, dass die stärksten statischen Magnetfeldlinien parallel zu der Kathodenachse 118 und so auch zu den Achsen der Resonanzhohlräume 132 sind. Das statische Magnetfeld quert in diesem Fall das elektrische Feld, das durch die Mikrowellenenergiequelle 104 erzeugt wird, orthogonal. Zusätzlich kann, wenn der Plasmabrenner 108 so ausgerichtet ist, wie oben beschrieben und in den 1A und 1B dargestellt ist, das oszillatorische Magnetfeld, das während des Betriebs erzeugt wird, auch mit der Brennerachse 142 ausgerichtet sein. Diese Konfiguration ist hilfreich zum Erzeugen einer Plasmafahne, die zylindrisch (oder im Wesentlichen zylindrisch) und symmetrisch (oder im Wesentlichen symmetrisch) um die Brennerachse 142 ist. Ferner können die Parameter des magnetischen und elektrischen Feldes derart eingestellt werden, dass der Querschnitt der Plasmafahne eine erwünschte Form besitzt, wie z. B. kreisförmig oder elliptisch mit einer erwünschten Exzentrizität. Weiterhin kann der Querschnitt der Plasmafahne entlang der Brennerachse 142 „hohl” sein. Die hohle Region oder der hohle Kern kann dadurch gekennzeichnet sein, dass sie/er eine geringe Dichte an Plasmaspezies und eine niedrige Temperatur (d. h. eine „kalte” Region) besitzt. Die hohle Region ist beispielsweise zum Einführen von Probeanalyten oder Prozessreaktanten in das Plasma nützlich. Im Allgemeinen kann das direkte Einführen von Probeanalyten oder Prozessreaktanten in die dichtere, heißere Region des Plasmas schwieriger durchzuführen sein und/oder die erwünschte Wechselwirkung zwischen dem Plasma und Analyten oder Reaktanten ist unter Umständen weniger effektiv. Hohle Plasmafahnen sind in dem U.S.-Patent Nr. 7,030,979 , dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, beschrieben und dargestellt.
In Betrieb wird die Mikrowellenenergiequelle 104 in das Magnetfeld eingetaucht, das durch die Magnetkomponenten 406 und 410 bereitgestellt wird. Eine kontinuierliche oder gepulste Gleichsignal-(DC-)Spannung wird zwischen die Kathode 112 und die Anode 114 angelegt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das radial relativ zu der Kathodenachse 118 ausgerichtet ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine andere DC-Spannung oder eine Wechselsignal-(AC-)Spannung an die Kathode 112 (oder an ein Filament) angelegt werden, um die Kathode 112 oder das Filament zu erwärmen. Die Wärme ist ausreichend, um eine thermionische Emission von Elektronen aus der Kathode 112 zu bewirken. Alternativ kann ein indirektes Erwärmen eingesetzt werden, wie Fachleute auf diesem Gebiet wissen. Alternativ könnte eine separate Elektronenquelle, wie beispielsweise ein Feldemitter, eingesetzt werden. Die Wege der resultierenden emittierten Elektronen werden durch die Kraft des Magnetfelds gebogen, was bewirkt, dass sich die Elektronen spiralförmig nach außen bewegen, was zu einem sich drehenden Raumladungs-„Rad” in dem Wechselwirkungsraum 122 führt. Zusätzliche Elektronen können durch Sekundäremission freigesetzt werden, die aus Elektronen resultiert, die zu der Kathode 112 zurückkehren und diese bombardieren. Die „Speichen” des Raumladungsrads durchstreifen die Öffnungen 134 zu den Resonanzhohlräumen 132 und induzieren in denselben oszillatorische Mikrowellenfrequenzfelder. Die 2A und 2B sind Draufsichten eines Abschnitts der Mikrowellenenergiequelle 104 und stellen die resultierenden Oszillationen zu abwechselnden Phasen des Zyklus dar. Der Wechselstrom (AC-Strom, der bei dem vorliegenden Beispiel Strom im Mikrowellenbereich ist), der sich entwickelt, ist durch gekrümmte Pfeile angezeigt und die Richtungen des alternierenden/oszillierenden Magnetfelds sind durch X-Symbole (in das Blatt der Zeichnung hinein gerichtet), sowie Punkte (aus dem Blatt der Zeichnung heraus gerichtet) angezeigt. Die Wechselwirkung zwischen den Elektronen und den HF-Feldern erzeugt Mikrowellenemission. Die Größen der Resonanzhohlräume 132 bestimmen die Resonanzfrequenz und so die Frequenz der emittierten Mikrowellen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Mikrowellenleistungsausgabe in der Größenordnung von Watt bis Kilowatt liegen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die 2A und 2B den Pi-Modus (oder π-Modus) einer Oszillation darstellen, bei dem jeder Resonanzhohlraum 132 um 180 Grad (π) außer Phase zu jedem benachbarten Resonanzhohlraum 132 schwingt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel könnte der Pi-Modus durch Hinzufügen einer Brückenbildungsstruktur (Strapping-Struktur) (nicht gezeigt) implementiert werden, die abwechselnde Anodensegmente elektrisch miteinander verbindet (d. h. jedes zweite Anodensegment bei Bewegung um die Kathodenachse 118). Die 3A und 3B stellen ein nicht einschränkendes Beispiel einer Brückenbildungsstruktur dar. Insbesondere ist 3A eine Draufsicht eines Abschnitts der Anode 114 und 3B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A aus 3A. Bei diesem Beispiel ist die Brückenbildungsstruktur eine Doppelring-Brückenbildung, die ein Paar von Ringen (Brücken) 346 und 348 auf der ersten Seite und ein weiteres Paar von Ringen 350 und 352 auf der zweiten Seite umfasst. In jedem Paar besitzt einer der Ringe einen größeren Durchmesser als der andere Ring und alle Ringe 346–352 sind koaxial zu der Kathodenachse 118. Die Ringdurchmesser können derart dimensioniert sein, dass die Ringe 346–352 die Öffnungen 134 zwischen dem Wechselwirkungsraum 122 und den Resonanzhohlräumen 132 kreuzen. Die Ringe 346–352 können derart relativ zu der Anode 114 positioniert sein, dass jeder Ring 346–352 abwechselnd aufeinander folgende Anodensegmente umgeht oder mit diesen verbunden ist, was durch die Bildung von Ausnehmungen 354 in den Anodensegmenten ermöglicht werden kann. Für viele magnetronartige Strukturen wird der Pi-Modus als optimal für die Sicherstellung dessen betrachtet, dass Energie mit der höchsten Effizienz an die Oszillationsfelder übertragen wird, was so die erzeugte Mikrowellenleistung maximiert. Bei anderen Ausführungsbeispielen jedoch könnte die Mikrowellenenergiequelle 104 in anderen Modi arbeiten, wie Fachleute auf diesem Gebiet wissen. Resonanzmodi und Brückenbildungsstrategien sind in G. Hok, „The Microwave Magnetron" (Mikrowellen-Magnetotron), Advances in Electronics, Band 2, herausgegeben von L. Maiton, New York, Academic Press, 1950, S. 219–249, weitergehend erläutert, dessen Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Bei einer herkömmlichen Verwendung einer Mikrowellenenergiequelle wird die Mikrowellenleistung durch Abgreifen des AC-Stroms extrahiert, in den 2A und 2B gezeigt. Das herkömmliche Abgreifen kann durch direktes leitfähiges Koppeln oder durch Verwenden einer induktiven Aufnahmeschleife erzielt werden. In letzterem Fall wird die Aufnahmeschleife in einen der Resonanzhohlräume eingeführt. Das oszillierende Magnetfeld in dem Volumen des Resonanzhohlraums 132 (dem oszillierenden Strom um die Innenwand des Resonanzhohlraums 132 zugeordnet) induziert einen AC-Strom in der Aufnahmeschleife, wodurch Energie von dem Magnetron-EM-Feld-Modus zu einer Last übertragen wird, die elektrisch mit der Aufnahmeschleife verbunden ist. Zum Vergleich wird bei Ausführungsbeispielen, die hierin offenbart sind, die Mikrowellenleistung direkt von dem Magnetron-EM-Feld-Modus durch das Plasma abgegriffen (das leitende und induktive Eigenschaften besitzt), das in dem Plasmabrenner 108 erzeugt wird. Auf diese Weise wird Energie direkt in das Plasma gekoppelt, und nicht indirekt mittels dazwischen liegender Übertragungselemente. Dies bedeutet, dass das Plasma selbst als die Leistungskopplungseinrichtung eingesetzt wird anstatt einer Drahtschleife oder eines anderen Typs von Übertragungselement oder Wellenleiter. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Menge an Mikrowellenenergie, die durch das Plasma extrahiert werden kann, größer als 70%, größer als 80% oder größer als 90% sein.
Wieder Bezug nehmend auf die 1A und 1B ist zu erkennen, dass ein beliebiges Medium, das durch den Plasmabrenner 108 fließt, durch die Mikrowellenenergie, die durch die Mikrowellenenergiequelle 104 emittiert wird, bestrahlt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein geeignetes plasmabildendes Gas in den Plasmabrenner 108 geleitet. Die Bestrahlung des plasmabildenden Gases durch die Mikrowellenenergie erzeugt und erhält eine stabile Plasmafahne. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine zusätzliche Energieeingabe eingesetzt werden, um das Plasma zu zünden oder zu treffen, wie beispielsweise ein Bogen/Funke, eine Flamme, eine weitere Plasmaentladung oder ein Licht- oder Laserstrahl. Beispiele plasmabildender Gase, die eingesetzt werden können, umfassen Stickstoff, andere Nicht-Edelgase, Argon und andere Edelgase, sind jedoch nicht darauf eingeschränkt. Die Mikrowellenerzeugung und der Gasfluss durch den Plasmabrenner 108 können für jede beliebige erwünschte Zeitdauer andauern, um kontinuierlich Plasma zu erzeugen. Die so erzeugte Plasmafahne wird durch den Gasfluss aus dem Brennerauslass 140 abgegeben.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können eine oder mehrere Eigenschaften (Amplitude, Frequenz und/oder Phase) der Mikrowellen, die durch die Mikrowellenenergiequelle 104 erzeugt werden, gemessen werden, während das Plasma erzeugt wird. Derartige Mikrowelleneigenschaften können als komplementäre („orthogonale”) Informationen über die Impedanz des Plasmas beinhaltend betrachtet werden. So kann das Messen von Mikrowelleneigenschaften nützlich sein zum Messen von Plasmaeigenschaften, wie beispielsweise der Elektronendichte. Das Messen von Mikrowelleneigenschaften kann außerdem nützlich zum Ableiten von Informationen über den Fluss von Material durch das Plasma sein, wie beispielsweise die Ankunftszeit von Probematerial in den Plasmabrenner 108, den Ionisierungsgrad der Analyte usw. Eine ähnliche Messung kann außerdem Informationen über den Inhalt des Plasmabrenners 108 bereitstellen (insbesondere die Impedanz des Inhalts der Resonanzkammer, die durch den Plasmabrenner 108 eingenommen wird), sogar bei Abwesenheit von Plasma, jedoch während die Mikrowellenenergiequelle 104 aktiv Mikrowellen erzeugt. Eine derartige Messung kann nützlich als nicht destruktives Mittel zum Überwachen eines Fluidflusses oder einer -zusammensetzung durch den Plasmabrenner 108 sein. Im Allgemeinen können die Mikrowellen, die durch die Mikrowellenenergiequelle 104 erzeugt werden, durch jede bekannte Vorrichtung oder Einrichtung, die geeignet ist zur Verwendung mit der Mikrowellenenergiequelle 104, abgetastet und gemessen werden. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann eine Aufnahmeschleife in einen der Resonanzhohlräume 132 eingeführt oder eine andere Energiekopplungsvorrichtung eingesetzt werden, um die Mikrowellen abzutasten, und das extrahierte Signal kann an einen Signalverlaufsanalysierer übertragen werden.
Das Innere des Plasmabrenners 108 kann sich auf atmosphärischem, unteratmosphärischem oder überatmosphärischem Druck befinden. Das Plasma kann aus dem Plasmabrenner 108 in eine offene umliegende Umgebung oder in eine Kammer abgegeben werden. In letzterem Fall kann sich die Kammer auf atmosphärischem, unteratmosphärischem oder überatmosphärischem Druck befinden. Der Kammerdruck kann der gleiche sein wie der Druck in dem Plasmabrenner 108, oder ein anderer, und kann der gleiche sein wie der sehr niedrige Druck oder das Vakuum in dem Gehäuse, das die Mikrowellenenergiequelle 104 umschließt, oder ein anderer. Die Kammer kann von dem evakuierten Raum der Mikrowellenenergiequelle 104 durch eine geeignete Grenze, wie beispielsweise eine fluiddichte Wand, getrennt sein. Der Plasmabrenner 108 kann unter Verwendung einer geeigneten fluidabgedichteten Grenzfläche, wie beispielsweise einer Durchführungsstruktur, durch eine derartige Grenze verlaufen.
Das Plasma kann in einer breiten Vielzahl plasmabasierter Prozesse eingesetzt werden, einschließlich Techniken zum Analysieren von Proben. Potentielle Anwendungen hängen im Allgemeinen von dem Typ von plasmabildendem Gas, das verwendet wird, und so von den aktiven erzeugten Plasmaspezies ab. Beispielsweise kann die Plasmaquelle 100 als eine Zerstäubungs- und/oder Ionisierungsquelle für optische Emissionsspektrometrie (OES) (oder Atomemissionsspektrometrie, AES) oder Massenspektrometrie (MS) eingesetzt werden. Ein Fluss eines Fluids, das Analyte beinhaltet, kann in den Fluss des plasmabildenden Gases eingeführt werden. Während die Mischung aus Gasen und Analyten durch den Plasmabrenner 108 fließt, wird das Plasma erzeugt und zerstäubt und/oder ionisiert die Analyte. Der Brennerauslass 140 kann das Plasma, Gase und Analytmaterial zur weiteren Verarbeitung in das Innere des Spektrometers abgeben. Abhängig von dem Typ von Analyse, der durchgeführt wird, kann das Spektrometer einen Fotodetektor zum Messen optischer Emissionen der zerstäubten oder ionisierten Analyte umfassen, oder einen Ionendetektor, der die Häufigkeit von Masse-Ladung-Verhältnissen der ionisierten Analyte misst.
Als weitere Beispiele von Plasmaprozessen könnte das Plasma eingesetzt werden, um Beschichtungen oder Schichten von einem darunter liegenden Substrat zu entfernen, oder zum Funktionalisieren der Oberfläche einer Schicht oder eines Substrats (z. B. Fördern von Hydrophobie oder Hydrophilie) oder zum Denaturieren von (Bio-)Polymeren. In Anwendungen in Bezug auf die Mikroherstellung von MEMS-Bauelementen (MEMS = mikroelektromechanisches System) oder Halbleiterbauelementen könnte das Plasma als ein Trocken-Ätzmittel zum Entfernen von Schichten, Bilden von Durchgangslöchern für elektrische Verbindungen, usw. eingesetzt werden. Zusätzlich zu Materialentfernungsprozessen könnte das Plasma für additive Prozesse in Mikroherstellungsanwendungen eingesetzt werden, wie beispielsweise plasmagestützte (PE-)Vakuumaufdampfung (PE plasma enhanced) (beispielsweise physikalische PE-Aufdampfung, Magnetron-Sputtern und chemische PE-Aufdampfung). In derartigen Prozessen kann das Plasma lediglich als ein energetisches Medium oder auch als ein reaktives Medium dienen. In derartigen Prozessen kann ein Reagens durch Zusammenführen eines Stroms eines Vorläufermaterials in den plasmabildenden Gasstrom vor einer Erzeugung des Plasmas, zu Zwecken wie beispielsweise Synthese von Nitriden, Oxiden, Carbiden, Sulfiden oder anderen Verbindungen, zu dem Plasma zugegeben werden. Außerdem kann in Mikroherstellungsanwendungen das Plasma zum Ermöglichen einer Ionenimplantation oder eines Dotierungsprozesses eingesetzt werden. Bei einem weiteren Beispiel können Teilchen/Pulver oder gelöste Vorläufermaterialien in einem Trägergas mitgeführt werden, das mit dem plasmabildenden Gasstrom zusammengeführt wird, in dem Verlauf eines Prozesses zum Herstellen von Nanopartikeln, wie z. B. Quantenpunkten. Das Plasma kann auch als Teil eines Plasmavergasungsprozesses erzeugt werden, der beispielsweise zur Abfallverwertung, -behandlung, -entsorgung verwendet wird, oder zur Vergasung von festen/flüssigen Kohlenwasserstoffen, wie es in der Erdölindustrie geschieht. Das Plasma kann auch in Sterilisierungsprozessen Verwendung finden, wie beispielsweise zum Zerstören oder Entgiften von Mikroben, Pilzen und/oder Viren.
4 ist eine schematische Ansicht eines Beispiels eines Plasmaverarbeitungssystems 400 gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Das Plasmaverarbeitungssystem 400 umfasst im Allgemeinen eine Plasmaquelle 402 und eine Quelle plasmabildenden Gases 458. Die Plasmaquelle 402 umfasst eine Mikrowellenenergiequelle 404, einen Plasmabrenner 408 und Magnetkomponenten 406 und 410. Die Quelle plasmabildenden Gases 458 steht mit einem Einlass 438 des Plasmabrenners 408 in Verbindung. Das Plasmaverarbeitungssystem 400 kann außerdem eine Kammer 462 umfassen, die mit einem Auslass 440 des Plasmabrenners 408 in Verbindung steht, und die sich außerhalb der Mikrowellenenergiequelle 404 befindet. Die Kammer 462 kann eine beliebige Vorrichtung, die zum Einsetzen von Plasma 466, das durch die Plasmaquelle 402 geliefert wird, ausgebildet ist, darstellen oder Teil derselben sein. Die Kammer 462 kann beispielsweise ein analytisches Instrument, wie z. B. ein Spektrometer (beispielsweise ein OES, MS usw.), darstellen. Das analytische Instrument kann einen geeigneten Detektor 470, wie beispielsweise oben angemerkt wurde, umfassen. Die Kammer 462 kann außerdem zu Zwecken, wie oben angemerkt, eine Reaktionskammer oder Plasmabehandlungskammer darstellen. Alternativ kann die Kammer 462 eine umliegende Umgebung außerhalb der Plasmaquelle darstellen.
Die Mikrowellenenergiequelle 404 kann eine Kathode 412, eine Anode 414 mit Resonanzhohlräumen 432 und einen Wechselwirkungsraum 422 zwischen der Kathode 412 und der Anode 414 umfassen, wie oben beschrieben wurde. Die Mikrowellenenergiequelle 404 (oder zumindest ihre Kathode 412 und Wechselwirkungsraum 422) ist in einem Vakuumgehäuse 474 eingeschlossen. Das Vakuumgehäuse 474 kann von der Kammer 462 durch eine geeignete Grenze 476, durch die der Plasmabrenner in einer abgedichteten Weise verläuft, getrennt sein. Ebenso schematisch gezeigt sind Spannungsquellen 480 und 482 zum Erwärmen der Kathode 412 bzw. Anlegen eines DC-Potentials zwischen die Kathode 412 und die Anode 414.
Das Plasmaverarbeitungssystem 400 kann ferner eine oder mehrere zusätzliche Fluidquellen 486 umfassen, die mit dem Brennereinlass 438 in Verbindung stellen. Die Fluidquelle(n) 486 kann/können eines oder mehrere Gase oder Flüssigkeiten, die verdampft oder vernebelt werden sollen, liefern. Die Typen zugeführter Fluide hängen davon ab, wie das Plasmaverarbeitungssystem 400 implementiert wird. Ein Fluid kann beispielsweise eine Analytverbindung oder eine Matrix eines Analyts, das in einem Trägergas mitgeführt wird, möglicherweise mit anderen Komponenten, wie beispielsweise Lösungsmitteln, sein. Das Fluid kann ein Trägergas mit Flüssigkeitströpfchen, die in demselben mitgeführt werden, oder ein Aerosol sein. Das Fluid kann ein Zusatzstoff zu dem plasmabildenden Gas sein oder diesen umfassen und dient als eine aktive Spezies des nachfolgend gebildeten Plasmas 466, wie beispielsweise als Ion oder elektronisch angeregtes Molekül. Das Fluid kann ein Reagens, das in der Kammer 462 eingesetzt wird, oder eine chemische Vorläuferverbindung, die durch das Plasma 466 in Vorbereitung für einen Synthetisierungsprozess oder Filmwachstum in der Kammer 462 dissoziiert wird, sein oder umfassen.
Im Allgemeinen kann ein zusätzliches Fluid an einem Punkt in Flussrichtung vor dem Plasmabrenner 408, an einem Punkt innerhalb des Plasmabrenners 408 oder an einem Punkt in Flussrichtung nach dem Plasmabrenner 408 in das Plasmaverarbeitungssystem 400 eingeführt werden. Das zusätzliche Fluid kann mit dem plasmabildenden Gas in Flussrichtung vor dem Plasmabrenner 408 oder innerhalb des Plasmabrenners 408 gemischt werden. 4 stellt schematisch das zusätzliche Fluid und das plasmabildende Gas, das gerade an den Brennereinlass 438 geliefert wird, parallel dar. Beispielsweise kann das zusätzlichen Fluid in ein Mittelrohr des Plasmabrenners 408 eintreten, während das plasmabildende Gas in einen ringförmigen Raum zwischen dem Mittelrohr und einem äußeren Rohr, das das Mittelrohr koaxial umgibt, eintritt. In diesem Fall kann der Auslass des Mittelrohrs an einem Punkt enden, bevor das plasmabildende Gas mittels Energie in Plasma umgesetzt wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das zusätzliche Fluid mit dem plasmabildenden Gas in Flussrichtung davor gemischt oder zusammengeführt werden kann, sodass ein einzelner gemischter Fluss an den Brennereinlass 438 geliefert wird. Alternativ kann das zusätzliche Fluid mit dem Plasma gemischt werden, was innerhalb des Plasmabrenners 408 oder in Flussrichtung nach dem Plasmabrenner 408 geschehen kann. Beispielsweise kann, wie gerade angemerkt, der Plasmabrenner 408 koaxiale Rohre umfassen und der Auslass des Mittelrohrs kann an einem Punkt enden, an dem sich eine stabile Plasmafahne gebildet hat. Als weiteres Beispiel könnte das Plasmaverarbeitungssystem 400 eine Leitung 488 umfassen, die in die Kammer 462 führt und positioniert ist, um einen Fluss 490 von Analyten oder einem anderen fließfähigen Material in Richtung des Plasmas 466 zu richten, das aus dem Brennerauslass 440 emittiert wird.
5 ist eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Plasmabrenners 508 gemäß einigen Ausführungsbeispielen. Der Plasmabrenner 508 umfasst eine Mehrzahl koaxialer Rohre, die eine Mehrzahl von Flusswegen entlang der Brennerachse definieren. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein erstes Rohr 510 an der Brennerachse positioniert, ein zweites Rohr 512 umgibt das erste Rohr 510 und ein drittes Rohr 514 umgibt das zweite Rohr 512. Die Axialpositionen jeweiliger Auslässe 516, 518 und 520 der Rohre 510, 512 und 514 können gleich oder unterschiedlich sein. Eine Plasmafahne 532 ist gezeigt, die gerade aus dem Plasmabrenner 508 abgegeben wird. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich der zweite Rohrauslass 518 innerhalb des dritten Rohrs 514, d. h. der zweite Rohrauslass 518 befindet sich axial in Flussrichtung vor dem dritten Rohrauslass 520. Der erste Rohrauslass 516 kann sich zu einem Zweck, um beispielsweise Kontakt mit dem heißen Plasma zu vermeiden, innerhalb des zweiten Rohrs 512 befinden. Im Allgemeinen können das plasmabildende Gas, ein Fluid, das mit dem plasmabildenden Gas oder mit dem Plasma, das in dem Plasmabrenner 508 erzeugt wird, gemischt werden oder in Wechselwirkung stehen soll (wie beispielsweise ein probehaltiges Trägergas), und optional ein zusätzliches Fluid, jedem beliebigen der Rohre 510, 512 und 514 zugeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird das Fluid, das mit der Plasmafahne 532 gemischt werden oder in Wechselwirkung stehen soll, an das erste Rohr 510 geliefert, sodass das Fluid in eine Mittelregion 532 der Plasmafahne 532 abgegeben wird, die eine kalte oder hohle Region sein könnte, wie oben beschrieben wurde. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das optionale zusätzliche Fluid zu einem Zweck, wie beispielsweise Aufrechterhalten einer erwünschten Flussrate aus dem Brennerauslass, radiales Eingrenzen oder Steuern der Form der Plasmafahne 532 und/oder Fernhalten des heißen Plasmas von Oberflächen des Plasmabrenners 508 zu dem Plasmabrenner 508, geliefert werden.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann/können das Plasmagas/die Plasmagase durch eine Null-Flussrate in dem Plasmabrenner 508 oder durch Beinhaltung in einer geschlossenen oder schließbaren Kammer, die in dem Resonanzhohlraum positioniert ist, in einem oder mehreren der Resonanzhohlräume festgehalten werden. Ein Plasmaprozess kann so in dem Plasmabrenner 508 mit Null-Flussrate oder einem anderen Typ von Kammer ausgeführt werden.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich wird, ermöglichen bestimmte hierin offenbarte Ausführungsbeispiele die direkte Kopplung von Mikrowellenstrahlung, wie z. B. durch ein Magnetron erzeugter Mikrowellenstrahlung, zur Verarbeitung von Gasen, um eine Plasmaentladung zu erzeugen, aufrechtzuerhalten oder anderweitig anzuregen. Dies kann mit einer kleinen Standfläche erzielt werden, und mit nur einigen oder keinen beweglichen Teilen, und in einer derartigen Weise, dass der Bedarf nach Mikrowellen-Hardware außerhalb des Magnetrons oder einer anderen Mikrowellenenergiequelle minimiert oder beseitigt wird. Allgemein wird die Größenordnung von Resonanzmikrowellenkomponenten durch die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung bestimmt, die wiederum durch die Plasmaanforderungen eingestellt wird. Dies führt zu grundlegenden Minimalgrenzen für die Größe von Resonanzstrukturen und Kopplungselementen. Durch Beseitigen des Bedarfs nach derartigen Komponenten können hierin offenbarte Ausführungsbeispiele derartige Einschränkungen größtenteils beseitigen. Die kleinere Größe und die kürzere Teileliste können sich auch in einer Reduzierung von Kosten und Komplexität niederschlagen, was beispielsweise die Entwicklung wirtschaftlicher und tragbarer Spektrometrie/Spektroskopie-Instrumente erleichtern kann.
Ferner nutzen bestimmte hierin offenbarte Ausführungsbeispiele inhärente Rotationssymmetrien, die in Magnetron-EM-Feld-Verlauf vorliegen. Dies kann den Bedarf nach Zwischenkomponenten (beispielsweise Resonanz-Irisen, hochdielektrischen Grenzflächen) zwischen dem Mikrowellenerzeuger und dem Plasma beseitigen und so das traditionelle Problem einer Fehlanpassung der Symmetrie zwischen den EM-Feld-Verteilungen und dem Plasma angehen. Zusätzlich sind bestimmte hierin offenbarte Ausführungsbeispiele gut geeignet für analytische und Plasmaverarbeitungsanwendungen, sowie andere Anwendungen, die von einer kompakten, unempfindlichen und stabilen Plasmaquelle profitieren könnten. Die Plasmaquelle kann zu einem Grad, der Störungen, die dem Vorliegen sich ändernder Plasmabedingungen in dem Plasmabrenner zugeordnet sind, wie sie beispielsweise während Veränderungen an der Zusammensetzung oder Menge von Analyten, die in den Plasmabrenner eingeführt werden, auftreten können, teilweise oder vollständig ausgleichen kann, Auto-Stabilisierung und Auto-Impedanzanpassung besitzen.
Exemplarische Ausführungsbeispiele
Exemplarische Ausführungsbeispiele, die gemäß dem vorliegend offenbarten Gegenstand bereitgestellt werden, umfassen folgende, sind jedoch nicht darauf eingeschränkt:

1. Eine Plasmaquelle zum Erzeugen von mikrowelleninduziertem Plasma, die folgende Merkmale aufweist: eine Mikrowellenenergiequelle, die eine Kathode auf einer Kathodenachse und eine Anode, die die Kathode koaxial umgibt und von der Kathode durch einen Wechselwirkungsraum beabstandet ist, aufweist, wobei die Anode eine Mehrzahl von Resonanzhohlräumen aufweist, die in einer oder mehreren radialen Entfernungen von der Kathodenachse positioniert sind, wobei die Mikrowellenenergiequelle eine erste Seite, eine zweite Seite und eine Dicke von der ersten Seite zu der zweiten Seite entlang der Kathodenachse aufweist; und einen Plasmabrenner, der sich durch zumindest einen der Resonanzhohlräume hindurch erstreckt und einen Brennerauslass auf der zweiten Seite aufweist, wobei der Plasmabrenner einen Gasflussweg von der ersten Seite zu der zweiten Seite einrichtet.
2. Die Plasmaquelle gemäß Ausführungsbeispiel 1, bei der der Plasmabrenner sich entlang einer Brennerachse, die parallel ist zu der Kathodenachse, erstreckt.
3. Die Plasmaquelle gemäß Ausführungsbeispiel 1 oder 2, bei der die Kathode und der Wechselwirkungsraum in einer evakuierten Kammer angeordnet sind und der Plasmabrenner fluidisch von der evakuierten Kammer getrennt ist.
4. Die Plasmaquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 3, bei der die Mehrzahl von Resonanzhohlräumen die Anode in eine Mehrzahl von Anodensegmenten partitioniert, und die ferner eine Brückenbildungsstruktur aufweist, die abwechselnde Anodensegmente elektrisch miteinander verbindet.
5. Die Plasmaquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 4, bei der die Mikrowellenenergiequelle eine Magnetron-Geometrie aufweist.
6. Die Plasmaquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 5, bei der die Mikrowellenenergiequelle eine Geometrie aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die ein Loch-und-Schlitz-Magnetron, ein Steg-Magnetron, ein Schlitz-Magnetron und ein Sonnenstrahl-Magnetron umfasst.
7. Die Plasmaquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 6, bei der der Plasmabrenner eine Mehrzahl von Rohren aufweist, die sich durch eine Mehrzahl jeweiliger Resonanzhohlräume hindurch erstrecken, wobei jedes Rohr einen Gasflussweg von der ersten Seite zu der zweiten Seite einrichtet.
8. Die Plasmaquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 7, die eine Quelle plasmabildenden Gases aufweist, die mit dem Plasmabrenner auf der ersten Seite in Verbindung steht.
9. Die Plasmaquelle gemäß Ausführungsbeispiel 8, die eine zusätzliche Gasquelle aufweist, die mit dem Plasmabrenner auf der ersten Seite in Verbindung steht.
10. Die Plasmaquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 9, bei der der Plasmabrenner einen Brennereinlass auf der ersten Seite und einen in Flussrichtung vorgelagerten Mischer aufweist, der mit dem Brennereinlass in Verbindung steht, und die ferner eine erste Gasleitung und eine zweite Gasleitung aufweist, die mit dem Mischer in Verbindung stehen.
11. Die Plasmaquelle gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 10, bei der der Plasmabrenner ein erstes Rohr und ein zweites Rohr, das das erste Rohr koaxial um die Brennerachse umgibt, aufweist.
12. Ein Plasmaverarbeitungssystem, das folgende Merkmale aufweist: die Plasmaquelle gemäß Anspruch 1, wobei der Plasmabrenner einen Brennereinlass auf der ersten Seite aufweist; eine Quelle plasmabildenden Gases, die mit dem Brennereinlass in Verbindung steht; und eine Vorrichtung mit einer Kammer, die mit dem Brennerauslass in Verbindung steht.
13. Das Plasmaverarbeitungssystem gemäß Ausführungsbeispiel 12, das eine Leitung aufweist, die zum Leiten eines zusätzlichen Gases zu dem Plasmabrenner oder zu der Kammer ausgebildet ist.
14. Ein Plasmaverarbeitungssystem gemäß Ausführungsbeispiel 12 oder 13, bei dem die Kammer aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine Kammer eines optischen Emissionsspektrometers, eine Kammer eines Massenspektrometers, eine Kammer, die zur physischen oder chemischen Verdampfung ausgebildet ist, eine Kammer, die zur Verbindungssynthese ausgebildet ist, und eine Kammer, die zum Trockenätzen ausgebildet ist, umfasst.
15. Ein Verfahren zum Liefern von Plasma, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen von Mikrowellenenergie durch Betreiben einer Mikrowellenenergiequelle, die einen Resonanzhohlraum aufweist, durch den sich ein Plasmabrenner hindurch erstreckt; Erzeugen von Plasma durch Fließenlassen eines plasmabildenden Gases durch den Plasmabrenner, wobei das plasmabildende Gas durch die Mikrowellenenergie bestrahlt wird; und Fließenlassen des Plasmas aus einem Auslass des Plasmabrenners.
16. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 15, das ein Betreiben der Mikrowellenenergiequelle in dem Oszillations-Pi-Modus aufweist.
17. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 15 oder 16, bei dem die Mikrowellenenergiequelle eine Kathode und eine Anode, die in ein Magnetfeld eingetaucht sind, aufweist, wobei die Anode eine Kathode koaxial umgibt und von der Kathode durch einen Wechselwirkungsraum beabstandet ist, und der Resonanzhohlraum durch die Anode hindurch gebildet ist, und bei dem das Erzeugen von Mikrowellenenergie ein Anlegen einer DC-Spannung zwischen die Kathode und die Anode und ein thermionisches Emittieren von Elektronen aus der Kathode aufweist.
18. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 17, bei dem das Erzeugen von Plasma ein Erzeugen einer zylindrischen Plasmafahne aufweist, die im Allgemeinen symmetrisch um eine Achse des Plasmabrenners erzeugt wird, während der Plasmabrenner in ein Magnetfeld eingetaucht ist, das mit der Achse ausgerichtet ist.
19. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 18, bei dem die Plasmafahne entlang der Achse des Plasmabrenners hohl ist und einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist.
20. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 19, bei dem das plasmabildende Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die Stickstoff, andere Nicht-Edelgase, Argon, andere Edelgase und eine Kombination aus zwei oder mehr von Vorstehendem umfasst.
21. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 15 bis 20, das ein Mischen des plasmabildenden Gases mit einem Fluid an einem Punkt in Flussrichtung vor dem Plasmabrenner, in dem Plasmabrenner oder in Flussrichtung nach dem Auslass aufweist.
22. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 21, das ein Fließenlassen des Fluids durch ein Mittelrohr des Plasmabrenners und Fließenlassen des plasmabildenden Gases durch einen ringförmigen Raum zwischen dem Mittelrohr und einem äußeren Rohr des Plasmabrenners aufweist.
23. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 21 oder 22, bei dem das Fluid aus der Gruppe ausgewählt ist, die ein Trägergas, einen Analytdampf oder ein -gas, dem durch das Plasma Energie zugeführt werden kann, ein Trägergas, mit dem Analyte mitgeführt werden, ein Trägergas, mit dem Teilchen mitgeführt werden, und eine Gasphasenverbindung, die ein Vorläufer zur chemischen Synthese oder Filmaufbringung ist, umfasst.
24. Das Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 21 bis 23, bei dem das Mischen eine Mischung des plasmabildenden Gases und eines Trägergases bildet, in dem Analyte mitgeführt werden, und das Fließenlassen des Plasmas ein Fließenlassen des Plasmas mit der Mischung, sodass das Plasma mit den Analyten in Wechselwirkung steht, aufweist.
25. Das Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 24, bei dem das Plasma die Analyte zerstäubt oder ionisiert, während das Plasma und die Mischung durch den Plasmabrenner fließen, und das ferner ein Messen optischer Emissionen der zerstäubten oder ionisierten Analyte oder ein Messen von Masse-Ladung-Verhältnissen der ionisierten Analyte aufweist.

Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke, wie beispielsweise „in Verbindung stehen” und „in ... Verbindung mit” (z. B. „steht” eine erste Komponente „in Verbindung mit” einer zweiten Komponente), hierin verwendet werden, um eine strukturelle, funktionelle, mechanische, elektrische, Signal-, optische, magnetische, elektromagnetische, ionische oder fluidische Beziehung zwischen zwei oder mehr Komponenten oder Elementen anzuzeigen. So soll die Tatsache, dass eine Komponente mit einer zweiten Komponente in Verbindung stehen soll, nicht die Möglichkeit ausschließen, dass zusätzliche Komponenten zwischen der ersten und der zweiten Komponente vorhanden sein und/oder diesen wirksam zugeordnet oder in Eingriff mit denselben sein könnten.
Es wird darauf hingewiesen, dass verschiedene Aspekte oder Details der Erfindung verändert werden könnten, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner dient die vorstehende Beschreibung lediglich Darstellungszwecken und nicht Einschränkungszwecken – die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7030979 [0033]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

G. Hok, „The Microwave Magnetron” (Mikrowellen-Magnetotron), Advances in Electronics, Band 2, herausgegeben von L. Maiton, New York, Academic Press, 1950, S. 219–249 [0035]

Claims

Plasmaquelle (100; 402) zum Erzeugen von mikrowelleninduziertem Plasma, die folgende Merkmale aufweist: eine Mikrowellenenergiequelle (104), die eine Kathode auf einer Kathodenachse und eine Anode aufweist, die von der Kathode durch einen Wechselwirkungsraum beabstandet ist, wobei die Mikrowellenenergiequelle eine erste Seite, eine zweite Seite und eine Dicke von der ersten Seite zu der zweiten Seite entlang der Kathodenachse aufweist; und einen Plasmabrenner (108), der an der Mikrowellenenergiequelle positioniert ist und einen Brennerauslass auf der zweiten Seite aufweist, wobei der Plasmabrenner einen Gasflussweg von der ersten Seite zu der zweiten Seite einrichtet.
Plasmaquelle gemäß Anspruch 1, wobei die Plasmaquelle zumindest eine folgender Konfigurationen aufweist: die Anode weist eine Mehrzahl von Resonanzhohlräumen auf, die in einer oder mehreren Entfernungen von der Kathodenachse positioniert sind, und der Plasmabrenner erstreckt sich durch zumindest einen der Resonanzhohlräume hindurch; die Anode weist eine Mehrzahl von Resonanzhohlräumen auf, die in einer oder mehreren Entfernungen von der Kathodenachse positioniert sind, und die Anode umgibt die Kathode koaxial und die Resonanzhohlräume sind in einer oder mehreren radialen Entfernungen von der Kathodenachse positioniert; und die Kathode und der Wechselwirkungsraum sind in einer evakuierten Kammer angeordnet und der Plasmabrenner ist fluidisch von der evakuierten Kammer getrennt.
Plasmaquelle gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der der Plasmabrenner (108) zumindest eines folgender Merkmale aufweist: einen Brennereinlass auf der ersten Seite und einen in Flussrichtung vorgelagerten Mischer, der in Verbindung mit dem Brennereinlass steht, ferner mit einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung, die mit dem Mischer in Verbindung stehen; und ein erstes Rohr und ein zweites Rohr, das das erste Rohr koaxial umgibt.
Plasmaverarbeitungssystem (400), das folgende Merkmale aufweist: die Plasmaquelle (402) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Plasmabrenner einen Brennereinlass auf der ersten Seite aufweist; eine Quelle plasmabildenden Gases (458), die mit dem Brennereinlass in Verbindung steht; und eine Kammer (462), die mit dem Brennerauslass in Verbindung steht.
Plasmaverarbeitungssystem gemäß Anspruch 4 mit zumindest einer folgender Konfigurationen: das Plasmaverarbeitungssystem weist eine Leitung auf, die zum Leiten eines zusätzlichen Fluids zu dem Plasmabrenner oder zu der Kammer ausgebildet ist; und die Kammer (462) ist Teil eines optischen Emissionsspektrometers oder eines Massespektrometers.
Verfahren zum Liefern von Plasma, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Erzeugen von Mikrowellenenergie durch Betreiben einer Mikrowellenenergiequelle (104), die eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist; Erzeugen von Plasma durch Fließenlassen eines plasmabildenden Gases von der ersten Seite in einen Plasmabrenner, wobei das plasmabildende Gas durch die Mikrowellenenergie bestrahlt wird; und Fließenlassen des Plasmas aus einem Auslass des Plasmabrenners auf der zweiten Seite.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Mikrowellenenergiequelle eine Kathode und eine Anode, die in ein Magnetfeld eingetaucht sind, aufweist, wobei die Anode eine Kathode koaxial umgibt und von der Kathode durch einen Wechselwirkungsraum beabstandet ist, und der Resonanzhohlraum durch die Anode hindurch gebildet ist, und bei dem das Erzeugen von Mikrowellenenergie ein Anlegen einer DC-Spannung zwischen die Kathode und die Anode und ein Bereitstellen von Elektronen in dem Wechselwirkungsraum aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem das Erzeugen von Plasma zumindest einen folgender Schritte aufweist: Erzeugen einer zylindrischen Plasmafahne, die im Allgemeinen symmetrisch um eine Achse des Plasmabrenners ist, während der Plasmabrenner in ein Magnetfeld eingetaucht ist, das mit der Achse ausgerichtet ist; und Erzeugen einer Plasmafahne, die eine Region mit geringer Dichte oder geringer Temperatur entlang der Achse des Plasmabrenners aufweist und einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, das ein Mischen des plasmabildenden Gases mit einem Fluid an einem Punkt in Flussrichtung vor dem Plasmabrenner, in dem Plasmabrenner oder in Flussrichtung nach dem Auslass aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, das zumindest einen folgender Schritte aufweist: Fließenlassen des Fluids durch ein Mittelrohr des Plasmabrenners und Fließenlassen des plasmabildenden Gases durch einen ringförmigen Raum zwischen dem Mittelrohr und einem äußeren Rohr des Plasmabrenners; wobei das Fluid aus der Gruppe ausgewählt ist, die ein Trägergas, einen Analyt-Dampf oder ein -Gas, dem durch das Plasma Energie zugeführt werden kann, ein Trägergas, in dem Analyte mitgeführt werden, ein Trägergas, in dem Teilchen mitgeführt werden, ein Trägergas, in dem Flüssigkeitströpfchen mitgeführt werden, ein Aerosol und eine Gasphasenverbindung, die ein Vorläufer zur chemischen Synthese oder Filmaufbringung ist, umfasst; wobei das Mischen eine Mischung des plasmabildenden Gases und eines Trägergases bildet, in dem Analyte mitgeführt werden, und das Fließenlassen des Plasmas ein Fließenlassen des Plasmas mit der Mischung aufweist, sodass das Plasma mit den Analyten in Wechselwirkung steht; und wobei das Mischen eine Mischung des plasmabildenden Gases und eines Trägergases bildet, in dem Analyte mitgeführt werden, und das Fließenlassen des Plasmas ein Fließenlassen des Plasmas mit der Mischung aufweist, sodass das Plasma mit den Analyten in Wechselwirkung steht, und wobei das Plasma die Analyte zerstäubt oder ionisiert, während das Plasma und die Mischung durch den Plasmabrenner fließen, und ferner mit einem Messen optischer Emissionen der zerstäubten oder ionisierten Analyte oder Messen von Masse-Ladung-Verhältnissen der ionisieren Analyte.