DE10259831A1 - Plasmagenerator - Google Patents

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    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32Gas-filled discharge tubes

Abstract

Ein miniaturisierter Plasmagenerator weist zumindest zwei Elektroden (18, 20) auf, die in einen Körper (10), aus z. B. Quarz oder Keramik, so eingebettet sind, dass die Elektroden nicht in direktem Kontakt stehen mit dem durch Ankoppelung von elektromagnetischer Energie im HF-Bereich erzeugten Plasma (16).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Plasmagenerator.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Stand der Technik kennt einige Vorrichtungen, ein miniaturisiertes Plasma zu erzeugen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:
  • 1 schematisch einen Schnitt durch einen Plasmagenerator mit angeschlossenen Einrichtungen für die Spektroskopie;
  • 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A (1) durch die Elektroden des Plasmagenerators und einen Körper, in den diese Elektroden eingebettet sind; und
  • 3 einen Schnitt durch die Elektroden und das Plasma, senkrecht zur Zeichnungsebene von 1.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine andere bevorzugte Anwendung ist die Kombination des Plasmagenerators als Detektor mit einem Gaschromatographen.

Claims (12)

  1. Plasmagenerator mit zumindest zwei Elektroden (18, 20), die zumindest teilweise in einen Körper (10) aus elektrisch isolierendem Material eingebettet sind, in dem ein Hohlraum (11) vorgesehen ist, um darin durch Einkoppeln von elektromagnetischer Energie das Plasma (16) zu erzeugen.
  2. Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (11) in dem Körper (10) eine langgestreckte Form hat und das Plasma (16) an einem Ende des langgestreckten Hohlraumes (11) erzeugt wird.
  3. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei runder Stirnfläche (18', 20') der Eletrodenenden, der Durchmesser (A) der Elektroden das 1- bis 4-fache des Abstandes (B) der Elektroden beträgt, während bei einer rechteckigen Ausformung des Endes der Elektroden (18, 20) die Abmessung (A) der Elektroden senkrecht zur Achse (Ax) des Hohlraumes (11) im Körper (10) das 1- bis 4-Fache des Abstandes (B) der Elektroden beträgt.
  4. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapillare (12) zum Zuführen von zu analysierendem Gas in den Hohlraum (11) eingeführt ist.
  5. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektroden (18, 20) diametral gegenüberliegend auf beiden Seiten der Längsachse (A) des Hohlraums (11) angeordnet sind.
  6. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (14) für Zusatzgas zum Erzeugen des Plasmas (16) in dem Körper (10) ausgeformt ist.
  7. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Energie kapazitiv mit Frequenzen im Bereich von 10 MHz bis 5 GHz in das Plasma eingekoppelt wird.
  8. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Energie im Leistungsbereich von 5 bis 20 W eingekoppelt wird.
  9. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (18, 20) eine anggestreckte Form haben und senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasmagases stehen.
  10. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (18, 20) voneinander einen Abstand im Bereich von 0,6 bis 3,0 mm haben.
  11. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ende des Körpers (10) ein Gehäuse (30) angeordnet ist, mit optischen Elementen (32, 34), und einem Detektor (36) für elektromagnetische Strahlung, um vom Plasma (16) abgegebene elektromagnetische Strahlung zu analysieren.
  12. Plasmagenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (A') der optischen Elemente mit der Längsachse (A) des Hohlraumes (11) im Körper (10) zusammenfällt und dass diese Achse das Plasma (16) zentral durchläuft.
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