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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Mikrowellengenerator und insbesondere einen Mikrowellengenerator zum präzisen Erhitzen von Objekten und kleinvolumigen chemischen Proben, sowie Verfahren zu seiner Verwendung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Besonders in der analytischen Chemie müssen oft viele kleine Probenvolumina rasch, präzise und homogen erhitzt werden. Auch hat der Einsatz von Verfahren auf Grundlage einer DNA-Analyse in vielen Lebensbereichen eine starke Ausweitung erfahren, bspw. in der Kriminaltechnik und klinischen Analytik und in der Lebensmittelchemie. Gemeinsam ist diesen DNA-Analysen, dass aus gewonnenen Proben (beispielsweise Lebensmittelproben, medizinischen Proben, Tatortspuren) die DNA freigesetzt und isoliert werden muss. Dazu werden den Proben Reagenzien (Salze, Säuren, Fällungsmittel, Tenside usw.) zugesetzt und das Gemisch in der Regel in einem geschlossenen Gefäß über eine vorgebene Zeit auf eine Zieltemperatur erwärmt (die je nach Anforderung unterschiedliche Zeitspannen mit verschiedenen Temperaturen oder Temperaturverläufen ein- oder mehrmals durchlaufen werden), wobei ein Schmelzen der DNA (Polymerase-Kettenreaktion usw.) oder einer Freisetzung der zu untersuchenden DNA aus der Probenmatrix in die Untersuchungslösung erfolgt.
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Für die Probenerwärmung werden zurzeit äußere Wärmequellen eingesetzt, die das Gemisch durch Wärmeleitung und Konvektion und/oder durch Wärmestrahlung erwärmen. Auch kennt man die Erwärmung durch Mikrowellen, wobei die Wärme direkt in der Probenmischung selbst entsteht. Nachteilig bei der Erwärmung der Probenmischung durch Wärmeleitung/Konvektion/Wärmestrahlung ist der hohe Zeitbedarf, bis die Wärme die Gefäßwandung durchdrungen hat, sich durch Wärmeleitung und/oder Konvektion im Probenmaterial verteilt und das Probengemisch auf die Solltemperatur erwärmt hat. Die Wärmeleitung ist unsicher und nicht gut verfolgbar, insbesondere bei mehreren Phaseübergangen. Aus Kosten- und Effektivitätsgründen will man den ganzen Vorgang der DNA-Analyse rasch durchführen und den Zeitbedarf eines jeden Einzelschritts minimieren. Dies trifft auch für viele Vorgänge in Wissenschaft und Technik zu, bei denen Objekte präzise und räumlich homogen für eine bestimmte Zeit auf eine Temperatur erwärmt werden müssen oder ein bestimmtes Temperaturprofil in Abhängigkeit von der Zeit „gefahren“ werden muss. Das Zeitproblem versucht man bei der DNA-Analyse durch eine Mikrowellenerwärmung zu lösen, denn die Probe enthält Ionen, Wasser und andere polare Moleküle und ist damit prinzipiell für eine Energieaufnahme aus dem elektrischen Feld von Mikrowellen geeignet ist (kapazitive Hochfrequenzerwärmung). Verwendet man Gefäße, die für Mikrowellen durchlässig sind und Mikrowellenenergie nur in vernachlässigbarem Umfang absorbieren und/oder reflektieren, so gelangt im Wesentlichen die gesamte Mikrowellenenergie in die Probe und erhitzt diese unverzögert. Durch eine geeignete Leistung der eingestrahlten Mikrowelle bezüglich der thermischen Eigenschaften der Probe könnte man prinzipiell die Probe in einer kurzen Zeitspanne erwärmen; siehe
WO 97/13136 (CEM Corp., [US]),
EP 0 387 161 A1 (ProLabo SA [FR]),
EP 0 549 495 (ProLabo SA, FR),
EP 0 496 684 A1 (ProLabo SA [FR]),
WO 01/19963 A2 (Motorola Inc. [US]),
ORSINI et al, : „A microwave-based method for nucleic acid isolation from environmental samples", LETT. APPLIED MICROBIOL. 2001, 33(1):17-20,
US 5 187 083 A (Mullis KB [US]),
FR 2 868 082 A1 (Amenagement Urbain & Rural [FR]).
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In der praktischen Umsetzung treten jedoch zahlreiche technisch-physikalische Probleme auf, die nicht oder nicht völlig befriedigend gelöst sind. Verwendet man, um beim Beispiel der DNA-Analyse und der PCR zu bleiben, für die Probenerwärmung einen haushalts- oder laborüblichen Mikrowellenofen mit einem Magnetron als Mikrowellenquelle, so sind im Ofenraum weder die räumliche Verteilung noch die zeitliche Intensität der Mikrowellen konstant. Die Leistungs- und Frequenzschwankungen der Mikrowellen des Magnetrons sind nicht unvorhersehbar und nicht regelbar. In Verbindung mit einem Drehteller oder einem rotierenden Metallpropeller, der die Mikrowellen „durchmischt“, ist dies bei der Zubereitung von Speisen kein Problem. Bei der Erwärmung von wässrigen Proben geringer Volumina - mit weniger als 100 µl und bis wenigen Millilitern - tritt jedoch schnell ein Explodieren der Lösungen auf. Mit anderen Worten: die wässrige Probe beginnt wegen der nicht beherrschbaren räumlich und zeitlich schwankenden Mikrowellenverteilung explosionsartig zu sieden und der Dampfdruck kann den Behälter sprengen. Das Probenmaterial ist damit verloren und parallele im Anwendungsraum erhitzte Proben sind kontaminiert. Zudem geht das Magnetron kaputt, wird seine Leistung nur von wenigen Proben oder Objekten im Ofenraum abgenommen wird. Der größte Teil der eingestrahlten Mikrowellenleistung geht dann nicht in die Proben oder Objekte, sondern wird auf das Magnetron rückreflektiert.
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Es werden üblicherweise Maßnahmen getroffen, die diese Probleme beheben sollen. So werden in Mikrowellenöfen beispielsweise Absorber bereitgestellt, welche die Im Anwendungsraum nicht von den Proben aufgenommene und reflektierte Mikrowellenleistung absorbieren, in Wärme umsetzen und die Wärme abführen. Dadurch soll das Magnetron vor Überlastung geschützt sein. Bei vielen Mikrowellen-Laborgeräten wird auch ein Referenzbehälter mit Probenaufschlusslösung bzw. dem zu erwärmenden Objekt angeordnet. Dieser ist mit Druck- und Temperatursensoren versehen. Je nach Messwerten der Sensoren wird die zugeführte Mikrowellenleistung nachgeregelt, um in den Proben einen exakten Temperaturverlauf über die Zeit und reproduzierbare Aufschluss- bzw. Erwärmungsbedingungen zu gewährleisten. Diese Vorgehensweise ist mit großem Aufwand und Kosten verbunden, und die erzielte Genauigkeit ist begrenzt durch die veränderlichen Eigenschaften der Mikrowellen, die von einem Magnetron erzeugt werden.
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In einem anderen Ansatz wird eine Kammer aus Mikrowellen-reflektierendem Material bereitgestellt. In der Kammer ist eine Anzahl ortsfester Aufnahmen für Probengefäße angebracht. Die Aufnahmen sind in Längsrichtung durch Intervalle mit vorbestimmter Entfernung voneinander getrennt. Die Kammer ist so bemessen, dass sich die eingespeiste elektromagnetische Strahlung innerhalb der Kammer als stehende Welle ausbreitet. Die Intervalle (Abstände) der Probenaufnahmen entsprechen der Wellenlänge der stehenden Welle. Die Orte der Aufnahmen entsprechen den Feldstärkemaxima des erzeugten stehenden Mikrowellenmusters. Die Probenröhrchen werden so in die Aufnahmen eingesetzt, dass sie nur mit einer bestimmten Länge in die stehende Mikrowelle hineinragen und somit nur ein Teil der Probenlösung durch die Mikrowelle erhitzt wird. Dadurch kann die Temperatur in der Probenlösung auf einen engen Bereich beschränkt werden, und ein Bersten der Probengefäße wird vermieden; siehe
WO2016/170185 ; PCT/
EP2016/059176 . Nachteilig ist, dass die Probenröhrchen abgestimmt auf die Wellenlänge der Mikrowellen angeordnet werden müssen, und dass die vertikale Positionen und die Eintauchtiefen in die stehende Mikrowelle eingehalten werden müssen. Zudem muss der Mikrowellenraum auch dann vollständig befüllt werden, wenn nur wenige Proben erwärmt und untersucht werden sollen.
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Der Stand der Technik stellt sich damit als Problem dar. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Gerät bereitzustellen, bei dem die oben beschriebenen Nachteile nicht gegeben sind bzw. nicht auftreten.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Lösung wird repräsentiert durch einen Mikrowellengenerator, der die Mikrowellenleistung nicht durch ein Magnetron erzeugt, sondern durch einen oder mehrere in der Frequenz verstellbare Hochfrequenz-Oszillatoren und nachgeschaltete Verstärkerstufen mit Leistungs-Halbleiterbauteilen, wobei eine Verstärkerstufe einen einstellbaren Verstärkungsfaktor besitzt. Hierdurch kann der Mikrowellengenerator räumliche Inhomogenität und zeitliche Schwankungen des Mikrowellenfelds im Anwendungsraum beseitigen, so dass man den Temperaturverlauf in den zu erwärmenden Objekten genau regeln und steuern kann, und zwar auch dann, wenn sich während des Erwärmungsvorgangs die Mikrowellen-Absorptionseigenschaften der erwärmten Objekte ändern und der Mikrowellengenerator entsprechend adaptiert werden muss.
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Der erfindungsgemäße adaptive Halbleiter-Mikrowellengenerator umfasst einen oder mehrere parallel geschaltete Mikrowellen-Leistungsverstärkerkanäle, wobei ein einzelner Mlkrowellen-Leistungsverstärkerkanal aufweist einen Oszillator, dessen Frequenz in einem bestimmten Bereich abhängig von einer Stellgröße kontrollierbar ist; mehrere hintereinander geschaltete Verstärkerstufen, die das Oszillatorsignal verstärken, wobei eine Verstärkerstufe einen einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweist, der abhängig von einer Stellgröße kontrollierbar ist; ein einstellbares Phasenverschiebungsglied, das die Phasenlage des Mikrowellensignals abhängig von einer Stellgröße verändern kann; eine Pulsungseinrichtung, durch die das Ausgangssignal des Mikrowellengenerators gepulst abgegeben werden kann, wobei die Impulsfrequenz und das Tastverhältnis der Impulse über eine Stellgröße in einem breiten Bereich einstellbar sind; einen oder mehrere Sensoren, die die Leistung erfassen können, die der Leistungsverstärkerkanal abgibt, und/oder die Leistung, die auf den Mlkrowellen-Leistungsverstärkerkanal zurückreflektiert wird; wobei der Mikrowellengenerator eine Steuerung ausweist ist, die Signale von dem einen bzw. den mehreren Sensoren in jedem Verstärkerkanal und/oder von äußeren Größen aufnimmt und den Oszillator, die einstellbare Verstärkerstufe, das einstellbare Phasenverschiebungsglied und die Pulsurigseinrichtung in jedem Verstärkerkanal über die Stellgrößen so beeinflusst, dass jeder Verstärkerkanal ein Mikrowellensignal entsprechend einer Vorgabe abgibt.
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Eine bevorzugte Ausführungsformen betrifft einen mehrkanaligen Mikrowellengenerator, der die Frequenzen der Oszillatoren in den jeweiligen Kanälen exakt synchronisiert. Die Steuerung kann so sein, dass man im Fall eines mehrkanaligen Mikrowellengenerators bei synchronisierten Frequenzen die gegenseitigen Phasenlagen der einzelnen Kanäle einstellen kann. Alternativ kann man die Steuerung bei einem mehrkanaligen Mikrowellengenerator die Frequenzen der Oszillatoren in den jeweiligen Kanälen unterschiedlich einstellen. Es ist vorgesehen, dass die Steuerung die Frequenz, die Mikrowellenleistung und die Phasenlage periodisch oder gemäß einer äußeren Vorgabe verändert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Mikrowellenleistung von zwei oder mehreren Mikrowellengeneratoren mittels eines HF/Mikrowellen-Combiners (Stripleitungs-Mikrowellencombiners) überlagert und addiert. Dies kann vorteilhaft sein, denn es kann günstiger sein, zwei Leistungen zu überlagern und zu addieren also einen Mikrowellengenerator der addierten Leistung zu bauen.
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Eine besondere Ausführungsform betrifft einen gattungsgemäßen Mikrowellengenerator, der zusammen mit der zu erwärmenden Last ein regelbares System bildet, wobei die Steuerung Veränderungen der Lasteigenschaften erfasst und den Mikrowellengenerator so nachführt, dass die Leistungsaufnahme der Last konstant bleibt oder einer Vorgabe folgt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Mikrowellengerät einen einzigen Verstärkerkanal auf und gibt seine Mikrowellenleistung über eine Abstrahleinrichtung (Antenne) in die Applikationskammer ab.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Mikrowellengerät zur Leistungserhöhung mehrere parallel geschaltete Verstärkerkanäle auf und gibt seine Leistung über mehrere Abstrahleinrichtungen (Antennen) in die Applikationskammer ab. Jede Abstrahleinrichtung wird von einem eigenen Verstärkerkanal gespeist. Die einzelnen Verstärkerkanäle enthalten einstellbare Einrichtungen, die die Phasenlagen der einzelnen Kanäle untereinander verändern. Durch die somit einstellbare Phasenfront des Mikrowellenfelds, die auch zyklisch verändert werden kann, lassen sich Mikrowellen im Anwendungsraum örtlich verschieben, wodurch die Feldinhomogenität, die sich bei der Verwendung eines Magnetrons zwangsläufig ergibt, weitgehend beseitigt werden kann. Dadurch ist der Halbleiter-Mikrowellengenerator in der Lage, großflächig homogene Felder im Anwendungsraum herzustellen.
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Gemäß einem anderen Aspekt weist der Halbleiter-Mikrowellengenerator zudem die Möglichkeit auf, die Ausgangsleistung des Mikrowellengenerators mit hoher Frequenz und einstellbarem Tastverhältnis zu pulsen und bietet damit eine weitere Stellgröße, mit der die Leistungsabgabe des Mikrowellengenerators und damit die Temperatur und/oder Leistungsaufnahme des zu erwärmenden Objekts exakt kontrolliert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt weist der Halbleiter-Mikrowellengenerator zudem einen oder mehrere Sensoren oder Messstrukturen in jedem Verstärkerkanal und/oder im Anwendungsraum auf, die die Größe der von der Last aufgenommenen bzw. der reflektierten Leistung und weitere Größen bestimmen können. Die Arbeitsfrequenz und/oder die Leistungsabgabe und/oder die Pulsung des Mikrowellengenerators und/oder die Einstellung der Phasenverschiebungsglieder wird abhängig von der gemessenen aufgenommenen und/oder reflektierten Leistung und/oder den weiteren Größen nun so verändert, dass Zielvorgaben erreicht werden, beispielsweise ein zu jeder Zeit maximaler Leistungseintrag in das zu erwärmende Objekt oder ein konstanter Leistungseintrag während des gesamten Erwärmungsvorgangs oder ein Leistungseintrag mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf oder eine Anpassung an sich ändernde Eigenschaften der Last während des Erwärmungsvorgangs.
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Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen, Modifikationen und Vorteile anhand von Beispielen und mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen näher beschrieben. Diese dienen der Erläuterung der Erfindung und nicht ihrer Beschränkung. Der begehrte Schutz für die Erfindung ist den Ansprüchen zu entnehmen.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 ein Prinzipschaltbild (Blockdiagramm) des Halbleiter-Mikrowellengenerators der Erfindung in einer einkanaligen Ausführungsform zusammen mit einer Mikrowellen-Applikationskammer; und
- 2 ein Prinzipschaltbild (Blockdiagramm) des Halbleiter-Mikrowellengenerators der Erfindung in einer mehrkanaligen Ausführungsform zum Erzielen einer höheren Leistungsabgabe zusammen mit einer Mikrowellen-Applikationskammer für den mehrkanaligen Betrieb.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfindung wird nun im Detail beschrieben. Die für die Erwärmung von Objekten benötigte Mikrowellenleistung wird ja dadurch erzeugt, dass man einen oder mehrere parallel geschaltete Mikrowellen-Verstärkerkanäle verwendet und in jedem Verstärkerkanal einen Halbleiteroszillator bereitstellt, der auf der gewünschten Mikrowellenfrequenz schwingt. Das Oszillatorsignal wird je nach benötigter oder gewünschter Ausgangsleistung in einer oder mehreren Halbleiter-Verstärkerstufen verstärkt. Die Leistungshalbleiterbauteile der letzten Verstärkerstufe geben dann die benötigte Mikrowellenleistung ab. Zur Erhöhung der Leistungsabgabe können, wenn ein Verstärkerkanal nicht ausreicht, wie erwähnt auch mehrere Verstärkerkanäle parallel angeordnet werden. Verwendet man in jedem Kanal eine Verstärkerstufe mit einstellbarer Verstärkung, so kann auch die abgegebene Leistung des Mikrowellengenerators gemäß einer Vorgabe stufenlos oder praktisch stufenlos zeitlich verändert, und sie kann sehr rasch an sich ändernde äußere Bedingungen (Veränderungen der Last wie Leistungsaufnahme oder Volumen) angepasst werden. Zum Beispiel, indem man diese mit einem geeigneten Sensor erfasst. Man kann also die abgegebene Leistung des Mikrowellengenerators steuern oder regeln, und man kann den Mikrowellengenerator in einem Erwärmungssystem einsetzen, in dem die abgegebene Leistung der abgenommenen Last nachgeführt wird.
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Die Verwendung von Halbleiterbauteilen bedingt zahlreiche Vorteile. So lassen sich Halbleiteroszillatoren sehr frequenzstabil aufbauen. Ferner kann man sie so gestalten, dass ihre abgegebene Frequenz in einem gewissen Abstimmbereich durch eine äußere Stellgröße (beispielsweise eine angelegte Spannung oder ein digitales Signal) geregelt werden kann. Dies bietet die Möglichkeit, neben der abgegebenen Leistung - siehe oben - die abgegebene Frequenz des Mikrowellengenerators in einem gewissen Bereich stufenlos oder nahezu stufenlos zu verstellen. Es ist somit möglich, die abgegebene Frequenz des Mikrowellengenerators zu steuern oder zu regeln, und man kann den Mikrowellengenerator in einem Erwärmungssystem verwenden, in dem die Frequenz der Mikrowelle gesteuert oder unter Einbeziehung des Verhaltens der äußeren Last geregelt wird. Daher kann man den erfindungsgemäßen Halbleiter-Mikrowellengenerator an Veränderungen der Last während des Erwärmungsvorgangs adaptieren, und zwar sowohl bezüglich der Leistungsabgabe als auch der Betriebsfrequenz.
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Die Erfindung macht von den beiden genannten Einflussmöglichkeiten auf Leistung und Frequenz des Mikrowellengenerators beispielsweise dann Gebrauch, wenn sich die dielektrischen Eigenschaften oder die Abmessungen einer Last und damit die aufgenommene Mikrowellenleistung abhängig von der Temperatur oder inneren Veränderungen der Last im Fortgang des Erwärmungsprozesses verändern. Eine automatische mitlaufende Leistungsanpassung oder -stabilisierung wird so problemlos möglich. Es kann zudem sichergestellt werden, dass die emittierte und in einen Applikator eingegebene Mikrowellenleistung über der Prozessdauer konstant bleibt oder exakt einer Vorgabe folgt. Durch diese Möglichkeit lässt sich eine exakte Reproduzierbarkeit der Erwärmungsvorgängen garantieren.
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Der Mikrowellengenerator weist hierzu einen oder mehrere Eingänge auf, die die Signale eines oder mehrerer Sensoren im Mikrowellenapplikator und/oder in den Verstärkerkanälen aufnehmen. Die Sensoren dienen beispielsweise der Erfassung der Leistung, die die zu erwärmende Last aufnimmt. Abhängig von den Signalen dieser Sensoren kann beispielsweise die Leistungsabgabe des Mikrowellengenerators so verstellt werden, dass ein zeitlich konstanter Leistungseintrag in die Last erfolgt oder die Leistungsabgabe über der Zeit einer Vorgabe folgt und die Reproduzierbarkeit der Erwärmungsprozesse sichergestellt ist.
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Die Sensoren können auch die Höhe der Leistung im Applikator messen, die nicht von der Last absorbiert und damit reflektiert wird. Abhängig von der Größe der reflektierten Leistung kann die Leistung und/oder die Frequenz, auf der der Mikrowellengenerator arbeitet, mit Hilfe des einstellbaren Oszillators und/oder der Pulsung (siehe unten) so verstellt werden, dass die Leistungsaufnahme der Last nachgeführt wird und man eine konstante Erwärmung der Last erzielt oder eine zeitabhängige Erwärmung, die einer Vorgabe folgt.
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Ferner weist der erfindungsgemäße Mikrowellengenerator die Möglichkeit auf, die abgegebene Leistung auch mit hoher Frequenz zu pulsen, beispielsweise in Abhängigkeit von den Sensorsignalen. Man kann dies beispielsweise dadurch erreichen, dass man die Oszillatorschaltung ein- und ausschaltet oder die nachgeschalteten Verstärkerstufen im Takt der gewünschten Impulse sperrt und freigibt. Durch die Wahl der Taktfrequenz und des Tastverhältnisses der abgegebenen Mikrowellenimpulse bietet der Mikrowellengenerator der Erfindung einen weiteren Freiheitsgrad zum Beeinflussen des Erwärmungsgeschehens in der Last.
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Der erfindungsgemäße Mikrowellengenerator bietet zudem die Möglichkeit, die abgegebene Leistung über mehrere Abstrahleinrichtungen (Antennen) in den Anwendungsraum einzukoppeln. An geeigneter Stelle in jedem Verstärkerkanal sind zudem Phasenverschiebungsglieder mit einstellbarer Phasenverschiebung geschaltet. Durch die gezielte Einstellung der Phasenverschiebung, beispielsweise in Abhängigkeit von den Sensorsignalen, und von verschiedenen Frequenzen in einer bestimmten Reihenfolge ist der Aufbau von stabilen und großflächig homogenen Mikrowellenfeldern möglich. So lassen sich beispielsweise unabhängig von der jeweiligen Wellenlänge absolut homogene Mikrowellenfelder auf einer Fläche von 300x300 mm realisieren.
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Für die oben genannte Anwendung bei der DNA-Analyse hat dies die Wirkung, dass in einem einzigen Mikrowellenapplikator problemlos eine große Anzahl von Probengefäßen gleichzeitig behandelt werden kann, beispielsweise 96 Stück. Die Probenröhrchen müssen nicht mehr abgestimmt auf die Wellenlänge angeordnet werden, und die konkreten Abmessungen des Applikators verlieren an Bedeutung. Da durch die neuartigen Merkmale des Halbleiter-Mikrowellengenerators die Leistung stufenlos oder faktisch stufenlos (beispielsweise mit einer Auflösung von 0,2 Watt) verstellt werden kann, spielt die Eintauchtiefe der Probenröhrchen in das Mikrowellenfeld keine Rolle mehr. Zudem ist es nicht mehr nötig, die Probenröhrchen vertikal anzuordnen. Man kann sie auch liegend oder in Schräglage erwärmen, ohne dass ein Bersten erfolgt. Zudem ist durch die extrem genaue Leistungsregelung und Stabilität des Mikrowellenfelds, das der Halbleiter-Mikrowellengenerator der Erfindung erzeugt, eine vollständige Beschickung des Mikrowellen-Erwärmungsgeräts mit Probenröhrchen nicht länger erforderlich.
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Es werden nun zwei Beispiele für Ausführungsformen des Mikrowellengenerators beschrieben.
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BEISPIEL 1
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1 zeigt eine einkanalige Ausführungsform des Halbleiter-Mikrowellengenerators zusammen mit einer Mikrowellen-Applikationskammer 200 (Application), in der sich eine zu erwärmende Last 230 befindet. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet den Halbleiter-Mikrowellengenerator. Die Steuerung 110 des Mikrowellengenerators (Microcontroller) steuert den gesamten Betrieb des Mikrowellengenerators 100 einschließlich der Adaption an sich verändernde Eigenschaften der Last 230 in der Applikationskammer 200. Die Steuerung 110 steuert den Oszillator 120 und schaltet ihn ein und aus und/oder verändert die Schwingfrequenz des Oszillators. Der Oszillator 120 gibt sein Ausgangssignal in den mehrstufigen Verstärker ein, der das Oszillatorsignal auf die gewünschte Mikrowellenleistung verstärkt. Der mehrstufige Verstärker umfasst einen Vorverstärker (MPA) 122, der je nach benötigter Mikrowellenleistung nicht immer erforderlich ist. Der mehrstufige Verstärker umfasst ferner eine Verstärkerstufe 124 mit einstellbarer Verstärkung (VGA). Der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe 124 wird von der Steuerung 110 des Mikrowellengenerators 100 bestimmt. Die Steuerung 110 kann damit die Gesamtverstärkung des mehrstufigen Verstärkers beispielsweise abhängig von Sensorsignalen und anderen externen Größen einstellen. Der mehrstufige Verstärker umfasst schließlich noch einen Leistungsverstärker 126 (HPA), der das eigentliche Hochleistungsverstärker-Element darstellt. Abhängig von der benötigten Ausgangsleistung und dem verwendeten Frequenzbereich ist dieses Bauelement technisch unterschiedlich gestaltet. Die Steuerung 110 wirkt auch dadurch auf den mehrstufigen Verstärker ein, dass sie über den schnellen Schalter 128 (blanking) zwischen der einstellbaren Verstärkerstufe 124 und dem Leistungsverstärker 126 das Verstärkersignal bei Bedarf ein- und ausschaltet. Damit ist beispielsweise das genannte Pulsen der Ausgangsleistung des Mikrowellengenerators 100 möglich. Das Signal im mehrstufigen Verstärker durchläuft auch das Phasenverschiebungsglied 140 (Phase Shifter) zwischen dem Vorverstärker 122 und der einstellbaren Verstärkerstufe 124. Die Steuerung 110 kontrolliert das Phasenverschiebungsglied 140 und bestimmt die Größe der Phasenverschiebung. Ebenso wie das Schalten des Verstärkersignals kann die Steuerung 110 die Größe der Phasenverschiebung beispielsweise abhängig von Sensorsignalen und anderen externen Größen einstellen. Die erzeugten Mikrowellen werden vom Ausgang des Generators 100 über eine Kopplungsleitung in die Mikrowellen-Applikationskammer 200 eingegeben. Im Mikrowellengenerator 100 befinden sich noch ein oder mehrere Sensoren oder Messstrukturen 220, in 1 hinter dem Ausgang der Leistungsverstärkerstufe 126 dargestellt, die die abgegebene Leistung des Mikrowellengenerators 100 und/oder die zurückreflektierte Leistung messen können. Die Signale der Sensoren 220 werden auf die Steuerung 110 des Mikrowellengenerators 100 zurückgeführt, die daraufhin die Abgabe des Mikrowellengenerators 100 (z. B. Leistung, Frequenz, Pulsdauer und/oder Tastverhältnis, Einstellung des Phasenverschiebungsglieds 140) gemäß einer vorgegebenen Forderung adaptieren kann.
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Die Mikrowellen werden von der Abstrahleinrichtung 210 in den Innenraum des Mikrowellen-Applikators 200 abgestrahlt. Die Darstellung der Last 230 in einem Block ist nur symbolisch zu verstehen. Die Last 230 muss nicht aus einem einzigen Teil bestehen, sondern kann auch aus zahlreichen einzelnen (gleichartigen oder ungleichartigen) im Applikator verteilten Bestandteilen bestehen, beispielsweise einer großen Anzahl Proberöhrchen für die DNA-Analyse. Von der Last 230 können Messwerte (z. B. die Temperatur in einem Proberöhrchen) auf die Steuerung 110 des Mikrowellengenerators 100 zurückgeführt werden (die Sensoren im Applikator und die Rückführung der Applikator-Sensorsignale auf die Steuerung 110 sind in 1 zur Vereinfachung nicht dargestellt), die abhängig von den Zuständen der Last 230 die Ausgabe des Mikrowellengenerators 100 verändern kann.
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BEISPIEL 2
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2. zeigt ein Prinzipschaltbild (Blockdiagramm) des Halbleiter-Mikrowellengenerators 100 der Erfindung zusammen mit einer Mikrowellen-Applikationskammer 320 in einer mehrkanaligen Ausführungsform zum Erzielen einer höheren Leistungsabgabe. In 2 sind vier parallel geschaltete Kanäle dargestellt. Die Anzahl der Kanäle ist jedoch grundsätzlich beliebig; über eine geeignete Kanalanzahl lässt sich die maximale Gesamtleistung des Systems einfach einstellen. Aufgrund der mehrkanaligen Anordnung und des dadurch entstehenden Abstimmungsbedarfs der Kanäle untereinander unterscheiden sich die Einzelkanäle geringfügig im Aufbau vom Verstärkerkanal in 1. So ist die Verstärkerstufe 122 hinter dem Oszillator 120 in 1 in den Kanälen in 2 vor den jeweiligen Leistungsverstärker gewandert. In dem dargestellten Mehrkanalsystem können die Frequenzen der Einzelkanalgeneratoren miteinander synchronisiert werden. Die Frequenzsynchronisation der einzelnen Kanäle erfolgt dabei an den Synthesizern 300 (PLL/VCO), die untereinander verbunden sind und jeweils von der Steuerung 110 angesteuert werden. Ist die Frequenz der einzelnen Kanäle exakt synchronisiert, so kann die Phasenlage der Kanäle gegeneinander eingestellt werden. Im Schaltbild in 2 werden zur Phasensteuerung I/Q-Modulatoren 310 in jedem Kanal verwendet. Diese ersetzen das Phasenverschiebungsglied 140 der einkanaligen Ausführungsform in 1. Die I/Q-Modulatoren 310 sind jeweils mit der Steuerung 110 verbunden und werden jeweils von ihr angesteuert. Die einstellbaren Verstärker 124 und die Schalter 128 der mehrkanaligen Ausführungsform unterscheiden sich nicht vom einkanaligen Fall.
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Im Inneren des mehrkanaligen Mikrowellen-Applikators 320 in 2 ist für jeden Verstärkungskanal eine Abstrahleinrichtung 210 vorhanden. Die Applikationskammer 320 mit ihren leitenden Wänden stellt einen Resonator für Mikrowellen dar, in dem sich Stehwellen ausbilden können. Durch die gezielte Beeinflussung der gegenseitigen Phasenlagen der Mikrowellen, die von den jeweiligen Abstrahleinrichtungen 210 abgegeben werden, ändern sich die Resonanzbedingungen der Stehwellen, und das Stehwellenmuster kann in seiner räumlichen Ausbildung beeinflusst werden. Durch eine zyklische Veränderung der Phasenlagen lässt sich somit eine im zeitlichen Mittel gleichverteilte Energiedichte in der Applikationskammer 320 erzielen, wodurch auch der Energieeintrag in die Last 230 gleichmäßig verteilt wird. Eine wichtige Rolle spielt dabei natürlich die Art und die Geometrie der Last 230, die ihrerseits die Verteilungsmuster der Mikrowellen in der Applikationskammer 320 beeinflussen. Abhängig von diesen Größen können die Phasenlagen entsprechend nachgesteuert werden, um eine homogene Energiedichte herzustellen. Eine verbesserte Homogenität der Mikrowellen-Energieverteilung kann auch durch eine gemeinsame periodische Frequenzveränderung des HF-Signals in allen Verstärkerkanälen erreicht werden. Hierdurch verändern sich die Resonanzbedingungen in der Applikationskammer 320 und damit das Stehwellenmuster. Zudem ist es möglich, jeweils die einzelnen Verstärkerkanäle mit unterschiedlichen Frequenzen und Ausgangsleistungen zu betreiben, um die Homogenität der Energieverteilung zu verbessern.
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Die Sensoren 220, siehe 1, können (sowohl in der einkanaligen als auch der mehrkanaligen Ausführungsform) Richtkoppler sein, die die „Vorwärtsleistung“, also die in die Applikationskammer 200 bzw. 320 eingestrahlte Leistung, und/oder die „Rückwärtsleistung“, also die aus der Kammer auf den Mikrowellengenerator 100 zurückreflektierte Leistung, messen. Über eine Steuerlogik, die die reflektierte Leistung minimiert, kann die Einstrahlungseffizienz bestmöglich nachgeführt werden. Ändert sich das Verhalten der Last 230 während des Einstrahlungsvorgangs (Leistungsaufnahme, Volumen usw.), so können die oben genannten internen Stellgrößen des Mikrowellengenerators 100 (Phasenlage, Frequenzen, Pulsung) so verändert werden, dass die reflektierte Leistung so klein wie möglich wird. Dieser Nachführvorgang kann praktisch in Echtzeit erfolgen, da die zur Verfügung stehenden Mikrocontroller schnell genug arbeiten.
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In der obigen Beschreibung der Erfindung wurde als Beispielobjekt 230, das mit dem Halbleiter-Mikrowellengenerator 100 erwärmt wird, meist eine Probenlösung für die DNA-Extraktion genannt. Es sei ausdrücklich festgestellt, dass der Mikrowellengenerator der Erfindung keineswegs auf diese Anwendung eingeschränkt ist. Vielmehr kann der Generator der Erfindung zur Erwärmung sämtlicher Objekte verwendet werden, die mit einer kapazitiven Hochfrequenzerwärmung erwärmbar sind und einen räumlich homogenen Leistungseintrag und/oder eine exakte zeitliche Steuerung des Leistungseintrags und/oder Temperaturverlaufs verlangen.
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Es wurde somit beschrieben einen adaptiver Halbleiter-Mikrowellengenerator, umfassend einen oder mehrere parallel geschaltete Verstärkerstränge mit jeweils einem Oszillator, dessen Frequenz durch ein Steuersignal kontrollierbar ist; mehrere hintereinander geschaltete Verstärkerstufen, wobei eine Verstärkerstufe einen einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweist, der durch ein Steuersignal kontrollierbar ist; ein einstellbares Phasenverschiebungsglied, dessen Verschiebung durch ein Steuersignal kontrollierbar ist; Sensoren, die die abgegebene und die reflektierte Leistung im Verstärkerkanal erfassen; und eine Pulsungseinrichtung, durch die das Ausgangssignal des Verstärkerkanals gepulst abgegeben werden kann, wobei die Impulsfrequenz und das Tastverhältnis der Impulse durch ein Steuersignal einstellbar sind. Der Mikrowellengenerator umfasst zudem eine Steuerung, die die Sensorsignale und äußere Signale beispielsweise aus der Mikrowellen-Applikationskammer aufnehmen und die genannten Steuersignale erzeugen kann. Damit kann ein geregeltes System aus dem Mikrowellengenerator und dem zu erwärmenden Objekt aufgebaut werden, mit dem ein homogener Leistungseintrag in das zu erwärmende Objekt und/oder ein gewünschter zeitlicher Verlauf der Leistungsaufnahme in der Last erzeugt werden kann. Dadurch kann sich das geregelte System leicht an sich ändernde Eigenschaften des Objekts während der Erwärmung adaptieren.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Halbleiter-Mikrowellengenerator
- 110
- Steuerung
- 120
- Hochfrequenz-Oszillator in einkanaliger Ausführung
- 122
- Vorverstärker
- 124
- Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor
- 126
- Leistungsverstärker
- 128
- Schalter
- 140
- Phasenverschiebungsglied
- 200
- Mikrowellen-Applikationskammer in der einkanaligen Ausführungsform
- 210
- Abstrahleinrichtung
- 220
- Sensor(en) oder Messstrukturen
- 230
- Last
- 300
- Hochfrequenz-Oszillator in der mehrkanaligen Ausführungsform
- 310
- I/Q-Modulator
- 320
- Mikrowellen-Applikationskammer in mehrkanaliger Ausführung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9713136 [0003]
- EP 0387161 A1 [0003]
- EP 0549495 [0003]
- EP 0496684 A1 [0003]
- WO 0119963 A2 [0003]
- US 5187083 A [0003]
- FR 2868082 A1 [0003]
- WO 2016/170185 [0006]
- EP 2016/059176 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ORSINI et al, : „A microwave-based method for nucleic acid isolation from environmental samples“, LETT. APPLIED MICROBIOL. 2001, 33(1):17-20 [0003]
