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Die Erfindung betrifft einen Plasmagenerator.
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In einem Plasma nehmen aufgrund der
hohen Temperatur die Atome und Moleküle hohe Anregungszustände ein
und emittieren charakteristische elektromagnetische Strahlung. Diese
Emission wird in der analytischen Atomspektroskopie für die qualitative
und quantitative Messung von Atom- oder Molekülkonzentrationen verwendet.
Insbesondere wird seit mehreren Jahrzehnten das sog. ICP (Inductive Coupled
Plasma), das sog. MIP (Microwave Induced Plasma) oder das Gleichstrombogenplasma
zur spektralen Elementanalyse eingesetzt. Mit der Erzeugung eines
Plasmas befasst sich auch die vorliegende Erfindung, insbesondere
mit der ICP, bei der ein niederenergetisches Plasma erzeugt wird,
und zwar durch Einkoppelung von Energie im RF- oder HF-Bereich.
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Die Erfindung betrifft insbesondere
einen miniaturisierten Plasmagenerator, also einen Generator mit
sehr geringen Abmessungen, der ein quasi punktförmiges Plasma erzeugt, d.h.
ein Plasma mit sehr geringen Abmessungen.
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Der Stand der Technik kennt vielfältige Plasmageneratoren,
insbesondere unter Verwendung aufwendiger und großer Glasteile
und Netzgeräte
mit mehreren 100 W. Dort ist insbesondere der hohe Gasverbrauch
ein wesentlicher Nachteil.
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Als Detektor für die Gaschromatographie ist seit
einigen Jahren ein Detektorsystem unter der Bezeichnung "AED" (Atom Emission Detector)
der Firma Agilent auf dem Markt. Bei diesem Gerät brennt das Plasma in einem
wassergekühlten,
dünnwandigen
Quarzglasrohr. Der Aufbau dieses Gerätes erlaubt keine Miniaturisierung.
Auch sind der Leistungsbedarf und der Gasverbrauch hoch.
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Der Stand der Technik kennt einige
Vorrichtungen, ein miniaturisiertes Plasma zu erzeugen.
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In der
DE 197 20 278 A1 wird ein
miniaturisiertes Massenspektrometer mit einer Plasmaquelle eingesetzt,
wobei letztere auf der sog. Streifenleitertechnik (micro strip)
basiert. Auch die
DE
198 51 628 A1 beschreibt ein mikrowelleninduziertes Plasma
mit Streifenleitertechnik. In eine Grundplatte aus Saphir oder Quarz
ist eine Bahn einge ätzt
und durch eine besondere Beschichtungstechnik und einen HF-Generator,
der zum Beispiel mit 2.45 GHz betrieben wird, wird an einem bestimmten
Punkt des geätzten Kanals
ein so hohes Feld eingekoppelt, dass ein Plasma erzeugt wird. Bei
diesem Stand der Technik sind die Herstellung, die Wartung und der
Austausch von Verbrauchsteilen höchst
aufwendig.
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Auch die WO 00/32017 zeigt einen
Plasmagenerator mit sehr geringer Baugröße. Mittels Elektroden wird
in einem Plasmaraum ein miniaturisiertes Plasma aufrecht erhalten.
Dabei kommt es jedoch zu dem sog. Elektrodenabbrand (Elektrodenerosion) und
entstehende Verunreinigungen des Plasmas haben Nachteile zur Folge.
Der relativ aufwendige und komplizierte Gesamtaufbau des Systems
lassen es wenig geeignet erscheinen, für z.B. den Einsatz mit einem
tragbaren Gaschromatographen.
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Die
AT 405 472
B und die
EP
0 965 035 B1 zeigen eine andere Anordnung, ein stark miniaturisiertes
Plasma zu erzeugen. Dort sind zwei ringförmige Elektroden vorgesehen
und mittels eines HF-Generators wird in einer zentralen Bohrung
einer Saphirscheibe, die zwischen den Elektroden angeordnet ist,
ein quasi punktförmiges
Plasma erzeugt. Dieser Plasmagenerator zeigt aber noch einen relativ komplexen
Aufbau, was insbesondere Probleme hinsichtlich der Dichtigkeit zur
Folge hat. Wird nämlich ein
Plasmagenerator der hier in Rede stehenden Art für die quantitative chemische
Analyse eingesetzt, kommt es auf höchste Dichtigkeit im Bereich
der Gaszufuhr zum Plasma an, d.h. es dürfen keine unerwünschten
Fremdgase in den Gasstrom gelangen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen miniaturisierten Plasmagenerator bereitzustellen, der mit
relativ wenig Aufwand herzustellen und zu warten ist. Darüber hinaus
soll der Strom- und Gasverbrauch relativ gering sein.
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Zur Lösung dieser Aufgaben weist
der erfindungsgemäße Plasmagenerator
zumindest zwei Elektroden auf, die zumindest teilweise in einen
Körper
aus elektrisch isolierendem Material eingebettet sind, wobei in
dem Körper
ein Hohlraum vorgesehen ist, um darin durch Einkoppeln von elektromagnetischer
Energie das Plasma zu erzeugen.
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Die elektromagnetische Energie wird
bevorzugt im HF-Bereich in das Plasma eingekoppelt. In Betracht
kommt eine Anwendung der Erfindung auch unter Verwendung von elektromagnetischer
Strahlung im RF-Bereich oder auch im Mikrowellenbereich.
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Dadurch, dass die Elektroden, mit
denen die HF-Energie in das Plasma kapazitiv eingekoppelt wird,
zumindest teilweise in einen Körper
aus elektrisch isolierendem Material eingebettet sind, können sie
in einfacher Weise ferngehalten werden vom Plasma und der sog. Elektrodenabbrand
ist wirksam verhindert. Die Elektroden sind also bevorzugt so in einen
Körper
aus elektrisch isolierendem Material, wie z.B. einen Quarz- oder
Keramikkörper,
eingebettet, dass ihre dem Plasma zugekehrten Enden durch das Material
des Körpers
gegenüber
dem Plasma geschützt
sind.
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Bevorzugt hat der Hohlraum in dem
Quarz- oder Keramikkörper
die langgestreckte Form eines Kanals und das Plasma brennt an einem
Ende dieses Kanals. Dadurch ist es möglich, insbesondere eine analytische
Auswerteeinheit, wie z.B. optische Elemente oder dergleichen, sehr
nahe am Plasma anzuordnen und somit die vom Plasma emittierte Strahlung
mit hohem Wirkungsgrad auszuwerten.
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Die Verwendung eines Körpers aus
elektrisch isolierendem Material sowohl für die geschützte Positionierung der Elektroden
nahe am Plasma als auch für
die Zufuhr von zu analysierendem Gas und Plasmagas hat weiterhin
den Vorteil, dass die Dichtungsprobleme, die beim Stand der Technik
noch erheblich waren, in einfacher Weise weitestgehend gelöst sind.
Stromauf des Plasmas können
keine Verunreinigungen in das Plasmagas eintreten.
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Auch kann der Körper integral auf hinreichend
hohen Temperaturen, wie z.B. 200°C
bis 350°C
gehalten werden, um stabile Messzustände zu gewährleisten und insbesondere
durch diese Adsorption an Wänden
bedingte Verunreinigungen zu vermeiden. Diese Aufheizung des Körpers während des
Messbetriebes (und auch hinreichend zuvor) auf eine konstante Temperatur
verhindert auch, dass Messgase an den Wänden im Zufuhrbereich zum Plasma
adsorbieren und somit ist eine Verfälschung des Messergebnisses
aufgrund solcher Effekte weitestgehend verhindert.
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Bevorzugt wird das zu analysierende
Gas über
eine Kapillare, die in den Hohlraum im Körper eingeschoben ist, dem
Plasma zugeführt.
So ist eine Koppelung der Vorrichtung mit einer anderen Messeinrichtung,
wie z.B. einem Gaschromatographen in einfacher Weise möglich.
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Die zumindest zwei Elektroden für die Zündung des
Plasmas und für
die Einkoppelung von HF/RF-Energie haben bevorzugt eine langgestreckte Form,
z.B. eine Stabform. Der Körper
aus elektrisch isolierendem Material, wie z.B. Quarz oder Keramik, ist
bevorzugt im Querschnitt rund und hat eine zentrale Bohrung, die
den genannten Hohlraum bildet. In radialen Bohrungen (Ausnehmungen)
im Körper
können
die Elektroden in einfacher Weise so angeordnet werden, dass sie
nicht bis in den Hohlraum reichen, d.h. die radialen Bohrungen bzw.
Ausnehmungen enden kurz vor dem Hohlraum. Die Elektroden stehen dann
also in Bezug auf den langgestreckten zylindrischen Hohlraum radial,
d.h. senkrecht zu dessen Längsachse,
diametral auf zwei Seiten gegenüberliegend.
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Haben die Elektroden an ihrem dem
Plasma zugekehrten Ende einen runden Querschnitt, z.B. kreis- oder
ellipsenförmig,
so ist der Durchmesser der Elektroden bevorzugt so bemessen, dass
er größer ist
als der Durchmesser des Hohlraumes, in dem das Plasma brennt. Letzterer
Hohlraum kann auch als "Plasmakapillare" bezeichnet werden.
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Kommen Elektroden zum Einsatz, die
an ihrem dem Plasma zugekehrten Ende rechteckig geformt sind, so
ist die Elektrodenabmessung bevorzugt so gewählt, dass die Elektrodenbreite
in Richtung senkrecht zur Längsachse
der Plasmakapillare größer ist
als der Durchmesser der Plasmakapillare.
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Die Geometrie der Elektroden an ihren
dem Plasma zugekehrten Enden ist so gewählt, dass die Stirnfläche einer
Elektrode größer ist
als eine Schnittfläche
durch das Plasma, wobei der Schnitt durch die Längsachse des Plasmas geführt ist.
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Mit der vorstehend beschriebenen
Anordnung kann auch in einfacher Weise eine vollständige Isolierung
der Elektroden erreicht werden, da die Elektroden im Wesentlichen
durch den Körper
abgeschirmt sind, so dass es zu keinen elektrischen Überschlägen oder
dergleichen kommt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausgestaltung ist eine Zufuhrleitung für das Zusatzgas zum Erzeugen
des Plasmas (also typischerweise z.B. ein Edelgas) ebenfalls in
Form eines Kanals in dem genannten Körper ausgebildet. Dies spart
Dichtungen und bringt ebenfalls die oben hinsichtlich der Zufuhr von
zu analysierendem Gas genannten Vorteile.
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Typischerweise wird die elektromagnetische Energie
kapazitiv mit Frequenzen im Bereich von 10 MHz bis 5 GHz in das
Plasma eingekoppelt. Die Leistungen liegen bevorzugt im Bereich
von 5 bis 20 W und das Plasma brennt bevorzugt bei einem Druck im Bereich
von 500 mbar bis 3 bar.
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Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Plasmagenerator
zusammen mit einer Einrichtung für
die spektroskopische Analyse eingesetzt und optische Elemente zum
Erfassen und Abbilden der Strahlung auf einen Detektor können unmittelbar
an dem Körper
in der Nähe
des Plasmas angeordnet werden. Dabei kann ein Spülgas in einfacher Weise zwischen einem
Gehäuse,
welches die optischen Elemente und gegebenenfalls den Detektor aufnimmt,
und dem Körper
strömen,
so dass die optischen Elemente von Verunreinigungen freigehalten
werden.
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Bevorzugt liegen dabei die optische
Achse der genannten optischen Elemente und die Längsachse des Kanals im Körper, an
dessen Ende das Plasma brennt, auf einer geraden Linie.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 schematisch
einen Schnitt durch einen Plasmagenerator mit angeschlossenen Einrichtungen
für die
Spektroskopie;
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2 einen
Schnitt entlang der Linie A-A (1)
durch die Elektroden des Plasmagenerators und einen Körper, in
den diese Elektroden eingebettet sind; und
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3 einen
Schnitt durch die Elektroden und das Plasma, senkrecht zur Zeichnungsebene
von 1.
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Der in den Figuren dargestellte Plasmagenerator
weist einen Körper 10 aus
z.B. Quarz oder Keramik auf. Der Körper 10 ist beim dargestellten
Ausführungsbeispiel
langgestreckt zylinderförmig
(vgl. auch 2).
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Zentrisch im Körper 10 ist ein langgestreckter,
kanalförmiger
Hohlraum 11 ausgeformt. In den Hohlraum 11 ist
eine Kapillare 12 eingeschoben, durch die das zu analysierende
Gas der Vorrichtung zugeführt
wird. Der zylindrisch-rohrförmige
Hohlraum 11 hat bevorzugt einen Durchmesser im Bereich
von 0,2 bis 1,2 mm. Über
einen Auslass 13 strömt
das zu analysierende Gas in den Hohlraum 11. Zwischen der
Kapillare 12 und den Innenwänden des Hohlraumes 11 ist
hinreichend Raum, um ein Zusatzgas über einen Einlass 14 ebenfalls
in den Hohlraum 11 strömen
zu lassen, entsprechend der allgemeinen Strömungsrichtung in 1 von links nach rechts.
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Im Hohlraum 11 soll ein
niederenergetisches Plasma 16 brennen. Hierzu sind beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
gemäß der 1 und 2 zwei Elektroden 18, 20 in
den Körper 10 eingebettet.
Hierzu sind im Körper 10 radial
in Bezug auf die Längsachse
Ax des Hohlraumes 11 Bohrungen ausgeformt, in die die Elektroden
passgenau eingeführt sind.
Die Bohrungen (Hohlräume),
in welche die Elektroden 18, 20 eingeführt sind
reichen nicht bis zum zentralen Hohlraum 11 im Körper, in
welchem das Plasma 16 brennt. Dadurch sind die Elektroden 18, 20 durch
das Material des Körpers 10 gegenüber dem
Plasma 16 geschützt
und ein Elektrodenabbrand ist vermieden. Der Abstand der Elektroden 18, 20 liegt
bevorzugt im Bereich von 0,6 bis 3,0 mm. Die Stärke der Wände im Körper 10 zwischen den
Elektroden 18, 20 und dem Hohlraum liegt jeweils
bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,6 mm.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 haben die Elektroden 18, 20 langgestreckte Stabform
und ihre von dem Plasma abgekehrten Enden ragen aus dem Körper 10 heraus,
so dass die elektrischen Anschlüsse
in einfacher Weise anbringbar sind. In Abwandlung des dargestellten
Ausführungsbeispieles
können
die Elektroden 18 und/oder 20 im Querschnitt auch
von der Kreiszylinderform abweichende Gestalt haben, z.B. können die
Elektroden in Richtung parallel zur Längsachse A eine größere Abmessung
haben als senkrecht dazu. In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann
der Quarz- oder Keramikkörper 10 auch
einen von der Kreiszylinderform abweichenden Querschnitt haben,
z.B. Rechteckgestalt oder dergleichen. Allerdings wird sowohl für die Elektroden
als auch für
den isolierenden Körper 10 die
Kreiszylinderform bevorzugt, sowohl aus herstellungstechnischen
Gründen als
auch mit Blick auf einen möglichst
kompakten Aufbau mit symmetrischen Anordnungen.
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Der Körper 10 bewirkt auch,
dass es trotz des sehr geringen Elektrodenabstandes nicht zum Überschlag
von Funken zwischen den Elektroden kommt. Auch werden bevorzugt
abgerundete oder elektropolierte Elektroden eingesetzt, um Corona-Entladungen zu vermeiden.
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Wie die 1 und 2 zeigen,
brennt das Plasma 10 zentrisch im Hohlraum 11,
und zwar so weit am stromab gelegenen äußersten Ende des Körpers 10 wie
möglich.
Dadurch ist es möglich,
eine Auswerteeinrichtung nahe am Plasma 16 zu positionieren.
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1 zeigt
eine solche Auswerteeinrichtung für die spektrale Elementanalyse.
Ein Gehäuse 22 ist so
in Bezug auf den Körper 10 positioniert,
dass sowohl das Plasma gas als auch ein Spülgas, welches durch eine Öffnung 28 in
das Gehäuse
eintritt, durch einen Austrittsschlitz 30 direkt an der
Stirnwand des Körpers 10 austreten
können.
Im Gehäuse 22 sind eine
Sammellinse 32 und Interferenzfilter 34 sowie ein
Detektor 36 zum Nachweis von elektromagnetischer Strahlung
angeordnet. Ein solcher Spektralapparat ist als solches dem Fachmann
bekannt. Aufgrund der in 1 dargestellten
Kombination des Gehäuses 22 mit
dem Körper 10,
in dem das Plasma 16 brennt, kann die vom Plasma 16 emittierte
Strahlung, deren Strahlengang schematisch mit dem Bezugszeichen 38 angedeutet
ist, sehr wirksam von dem Spektrometer erfasst werden. Die Achse
Ax der Plasmakapillare und die optische Achse A des Gehäuses 22 fallen
zusammen.
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Da das Plasma sehr stark miniaturisiert
ist mit Abmessungen bevorzugt kleiner als einem Millimeter, kann
die Spektroskopie wirksam so durchgeführt werden, dass das Plasma 16 zumindest
annähernd
im Brennpunkt der Sammellinse 32 positioniert wird, so
dass die emittierte Strahlung parallel auf den Detektor 36 fällt.
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Die Interferenzfilter 34 können austauschbar gestaltet
werden, z.B. in Form einer als solches bekannten Drehscheibe mit
mehreren wahlweise einsetzbaren Interferenzfiltern. Auch können mehrere Einheiten
mit jeweils vorgegebenen Interferenzfiltern und zugehörigen Detektoren
austauschbar eingesetzt werden. Es können auch unterschiedliche
Lichtwege vorgesehen werden, z.B. mittels einer Kerr-Zelle, so dass
das emittierte Licht wahlweise durch ein bestimmtes Interferenzfilter
auf einen zugehörigen Detektor
gerichtet wird.
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3 zeigt
schematisch einen Schnitt durch die Elektroden 18, 20 und
das Plasma 16 (der Körper 10 ist
also weggelassen). Ebenfalls in 3 dargestellt
sind die Feldlinien 38 des HF-Feldes. Sobald das Plasma
gezündet
ist, beeinflusst es den Feldlinienverlauf, der die in 3 schematisch dargestellte Form
annimmt. Diese Darstellung zeigt, dass aufgrund der Elektrodengeometrie
und ihres sehr geringen Abstandes zueinander die Feldlinien hauptsächlich senkrecht
zum Plasma verlaufen, was eine Energieeinkoppelung mit hohem Wirkungsgrad
bedeutet. 3 zeigt auch
den Elektrodenabstand B und den Durchmesser A der Elektroden. Die
Elektroden 18, 20 haben einen möglichst
geringen Abstand B voneinander. Bevorzugt sind die Stirnflächen der
Elektroden flach, d.h. eben, und parallel zueinander. Hat die dem
Plasma zugekehrte Stirnfläche
der Elektroden eine runde Ausformung, z.B. Kreisform oder Ellipsenform,
dann beträgt
der Durchmesser A (bei Ellipsen der kleine Durchmesser) der Elektroden
bevorzugt das 1- bis 4-fache des Abstandes B der Elektroden. Sind
die dem Plasma 16 zugekehrten Enden der Elektroden hingegen
rechteckig ausgeformt, so beträgt
die Abmessung A der Elektroden senkrecht zur Längsachse der Plasmakapillare 11 bevorzugt
das 1- bis 4-fache des Abstandes B zwischen den Elektroden 18, 20.
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In Abwandlung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispieles kann der Plasmagenerator bei
Vakuumbedingungen z.B. auch sehr wirksam eingesetzt werden als Elektronenquelle
und die Elektronen können
z.B. zur Ionisierung von zu analysierendem Gas verwendet werden,
z.B. in Kombination mit einem Massenspektrometer.
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Eine andere bevorzugte Anwendung
ist die Kombination des Plasmagenerators als Detektor mit einem
Gaschromatographen.