DE112005000603T5

DE112005000603T5 - System und Verfahren zum Erzeugen einer Entladung in Gasen

Info

Publication number: DE112005000603T5
Application number: DE112005000603T
Authority: DE
Inventors: Ju Champaign Gao; Joseph T. Savoy Verdeyen
Original assignee: Advanced Lighting Technologies Inc
Current assignee: Advanced Lighting Technologies Inc
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2007-02-08
Also published as: JP2007529754A; WO2005089473A2; WO2005089473A3

Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Entladung in einem Gas, welches in einer Umschließung, die eine dielektrische Wand aufweist, eingeschlossen ist, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:
ein längliches elektrisch leitendes Gehäuse,
eine dielektrische Kappe, die ein Ende des Gehäuses schließt,
einen elektrisch leitenden Draht, der eine Helix bildet, die axial in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Draht an einem Ende, welches nahe der dielektrischen Kappe angeordnet ist, eine Elektrode bildet und einen Abgriff, der HF-Leistung empfängt, in der Nähe des anderen Endes aufweist, und
eine HF-Leistungsquelle, die mit dem Abgriff verbunden ist und HF-Leistung bereitstellt, um ein HF-Feld in der Nähe der Elektrode zu erzeugen, welches eine ausreichende Stärke hat, um eine Entladung in dem Gas zu bewirken, welches in der Umschließung eingeschlossen ist.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional Patent Applications mit den Nummern 60/553,971 und 60/648,417, deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird. Die vorliegende Anmeldung ist eine Continuation in Part der US Patentanmeldung Nr. 10/939,338, welche eine Continuation der US Patentanmeldung Nr. 10/112,349 ist, die als US Patent Nr. 6,791,280 erteilt wurde. Der Inhalt all dieser verwandten Anmeldungen wird durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.
ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft die Analyse von Gaszusammensetzungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die zerstörungsfreie Analyse von Hochdruckgas, welches in dielektrischen Umschließungen enthalten ist, durch Emissionsspektroskopie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Metallhallogenlampen und andere Hochintensitätsentladungs-Lampen („High Intensity Discharge", im folgenden HID) haben eine breite Akzeptanz zum Beleuchten großer Innen- und Außenräume gefunden. Bei der Herstellung von HID-Lampen ist es oft notwendig, eine kontrollierte Atmosphäre für viele der Komponenten der Lampe bereitzustellen, um ein frühzeitiges Versagen der Komponenten zu verhindern und dadurch die Lebensdauer der Lampe zu verlängern. Wenn beispielsweise die Bogenentladungsröhre einer HID-Lampe während des Lampenbetriebs geringen Mengen von Sauerstoff ausgesetzt wird, wird dies die Komponenten wesentlich verschlechtern, was zu einem Versagen der Lampe führt, wodurch die Lebensdauer der Lampe verkürzt wird. Wenn die Bogenentladungsröhre, um ein weiteres Beispiel zu nennen, Wasserstoff ausgesetzt wird, kann dies zu einer Diffusion von Wasserstoff in die Bo genentladungsröhre führen, was zu hohen Start- und Wiederentzündungsspannungen führt und schließlich zu einer verringerten erwarteten Lebensdauer der Lampe. Um zu verhindern, daß solche Komponenten den schädlichen Atmosphären ausgesetzt sind, ist es bekannt, eine kontrollierte Atmosphäre für die Komponenten vorzusehen, indem die Komponenten in eine erwünschte Atmosphäre gehüllt werden, die in einem äußeren Mantel der Lampe enthalten ist. Beispielsweise ist der äußere Mantel einer HID-Lampe mit einem inerten Gas wie beispielsweise Stickstoff gefüllt.
In Anbetracht der schädlichen Effekte des Vorliegens von Verunreinigungen ist es erstrebenswert, die Zusammensetzung und den Verunreinigungsgehalt der gasförmigen Atmosphären, welche innerhalb der äußeren Lampenmäntel enthalten sind, zerstörungsfrei zu analysieren. Die Gasanalyse durch Emissionsspektroskopie ist für das Analysieren der Zusammensetzung und des Verunreinigungsgehaltes von gasförmigen Atmosphären bei niedrigem Druck (< ungefähr 0,1 atm) wohl bekannt. Jedoch befindet sich die gasförmige Atmosphäre, die innerhalb eines äußeren Mantels einer HID-Lampe enthalten ist, typischerweise auf einem relativ hohen Druck (ungefähr 0,1–2,0 atm). Es verbleibt ein Bedarf für eine zerstörungsfreie Gasanalyse durch Emissionsspektroskopie in gasförmigen Atmosphären bei hohem Druck.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Nachteile des Standes der Technik auszuräumen und ein neues System und ein neues Verfahren für eine zerstörungsfreie Hochdruckgas-Analyse bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues System und Verfahren zum Erzeugen einer Entladung in einem Hochdruckgas anzugeben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues System und Verfahren für das Erzeugen einer stabilen elektrischen Entladung in einem Hochdruckgas anzugeben, welches in einer abgedichteten Umschließung enthalten ist, so daß die Zusammensetzung und der Verunreinigungsgehalt des Gases spektroskopisch analysiert werden kann, ohne die Umschließung zu zerstören.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues System und Verfahren für die Emissionsspektroskopie von gasförmigen Atmosphären anzugeben.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues System und Verfahren für eine zerstörungsfreie Analyse von HID-Lampen anzugeben.
Diese und viele andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind dem Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, aus der Durchsicht der Ansprüche, der beigefügten Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unmittelbar ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist ein schematisches Diagramm, welches eine HF-Entladungsquelle gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 und 3 sind schematische Diagramme, die einen exemplarischen Helixspulenresonator zeigen.
4 ist ein Graph, der die Impedanz eines Helixspulenresonators als Funktion der Frequenz am Antriebspunkt zeigt.
5 ist ein Graph, der ein Spektrum von einer Entladung in reinem N₂-Gas bei 0,3 atm (300 Torr) zeigt.
6A ist ein Graph, der ein typisches Emissionsspektrum von einer HF-Entladung mittels eines Helixspulenresonators in N₂-Gas mit 1 Prozent Wasserstoff bei 0,3 atm (300 Torr) zeigt.
6B ist ein Graph, der ein typisches Emissionsspektrum von einer HF-Entladung mittels eines Helixspulenresonators in N₂-Gas mit 1 Prozent Sauerstoff bei 0,3 atm (300 Torr) zeigt.
7 ist eine Darstellung eines Systems für eine spektroskopische Atomemissionsanalyse des gasförmigen Gehalts von Behältern gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Draufsicht auf das in 7 gezeigte System.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung findet allgemein beim Erzeugen einer Entladung in einem Hochdruckgas Anwendung. Nur um ein Beispiel zu geben, werden gewisse Aspekte der Erfindung im Zusammenhang mit der Emissionsspektroskopie für die zerstörungsfreie Analyse des gasförmigen Inhalts von Hochintensitätsentladungs-Lampen (sogenannte „High Intensity Discharge Lampen", im folgenden HID Lampen genannt) beschrieben.
Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Hochfrequenz (HF)-Entladungsquelle mit hohem Q Faktor und einer einzigen Frequenz zum Erzeugen einer kleinen, lokalisierten und stabilen elektrischen Entladung (Plasma) in einem Hochdruckgas (0,1 atm bis 2 atm) innerhalb des äußeren Mantels einer HID-Lampe bereit. Die Entladungsquelle umfaßt einen Helixspulenresonator („Helical Coil Resonator", im folgenden HCR genannt) zum Bereitstellen ausreichender Hochfrequenzenergie, um die Entladung zu erzeugen. Das optische Emissionsspektrum des Plasmas kann dann spektroskopisch analysiert werden, um die Zusammensetzung des Gases und den Gehalt an Verunreinigung innerhalb des eingeschlossenen Raums zu bestimmen. Es können Verunreinigungskonzentrationen von weniger als ungefähr 0,1 Vol.-% detektiert werden. Typischerweise umfaßt die gasförmige Atmosphäre N₂, und sie kann gasförmige Verunreinigungen wie beispielsweise O₂, H₂, CO₂, CO, H₂O, CH₄ und ähnliche Verunreinigungen enthalten, die Elemente wie beispielsweise O, H, C und/oder eine beliebige Kombination derselben enthalten. Die HF-Entladungsquelle der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, eine Entladung in einem Hochdruckgas herzustellen und beizubehalten, und sie verbraucht sehr wenig Leistung, wodurch sie sowohl in Labor- als auch Fabrikationsanwendungen nützlich ist.
Die HF-Entladungsquelle erzeugt eine elektrische Entladung innerhalb des eingeschlossenen Raums bzw. der Umschließung, indem sie ein elektromagnetisches (elektrisches) HF-Feld erzeugt, welches durch die dielektrische Wand der Umschließung dringt. Das für die Entladung benötigte elektrische Feld ist proportional zu E/N, wobei E die elektrische Feldstärke und N die Anzahldichte bzw. Teilchendichte des Gases ist. Der Gasdruck innerhalb des äußeren Mantels einer HID-Lampe beträgt typischerweise ungefähr 0,5 atm bei Zimmertemperatur, was eine Feldstärke von ungefähr 7 kV/cm erforderlich macht, um eine Entladung herzustellen. Wenn eine Entladung hergestellt ist, verringert die Wärme, die durch die Entladung erzeugt wird, die Anzahldichte bzw. Teilchendichte (N) des Gases, wodurch eine geringere elektrische Feldstärke (E) benötigt wird, um die Entladung aufrechtzuerhalten.
Das optische Emissionsspektrum des Plasmas, d.h., die atomare und molekulare Emission der Spezies in dem angeregten Plasma wird unter Verwendung herkömmlicher spektroskopischer Verfahren analysiert, um die Zusammensetzung und den Verunreinigungsgehalt des Hochdruckgases in der Umschließung zu bestimmen. Dies umfaßt typischerweise das Aufzeichnen des optischen Emissionsspektrums des Plasmas bei UV-Wellenlängen, Wellenlängen sichtbaren Lichts und Nah-IR-Wellenlängen bei einer ausreichend hohen Auflösung, um die atomaren Linien der interessierenden Verunreinigungen aufzulösen. Das Spektrum wird mittels einer visuellen/graphischen und/oder einer computerunterstützten Datenmanipulation analysiert, um die Größe der interessierenden spektralen Spitzen zu messen. Diese Daten werden mit ähnlichen Daten verglichen, die aus bekannten Standards der interessierenden Verunreinigungen gesammelt wurden. Die Konzentrationen der Verunreinigungen werden dann durch Vergleich mit den bekannten Standards berechnet.
1 zeigt schematisch die HF-Entladungsquelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die HF-Entladungsquelle 10 ist in der Lage, die mehreren tausend Volt zu erzeugen, die benötigt werden, um eine Entladung in einem Hochdruckgas auszulösen, welches in einer abgedichteten Umschließung enthalten ist. Die HF-Entladungsquelle 10 umfaßt einen HF-Leistungsgenerator 12, ein Impedanzanpassungs-Netzwerk („Impedance-Matching Network") 20 und einen HCR 22. Der HF-Leistungsgenerator 12 umfaßt einen HF-Signalgenerator 14, einen HF-Leistungsverstärker 16 und ein Leistungsmeßgerät 18. Der HF-Leistungsgenerator 12 gibt typischerweise ungefähr einige hundert Volt aus und treibt den HCR 22 bei HF-Frequenzen von ungefähr 100 kHz bis zu mehr als 100 MHz, und typischerweise mit ungefähr 10 MHz an. Der HCR 22 arbeitet wie eine Kombination aus einer offenen Viertel-Wellenlängen-Leitung („Transmission Line") parallel zu einem Induktor zurück zur Erde, um die Spannung von dem HF-Leistungsverstärker 16 um Faktoren von 20 bis 100 oder mehr zu steigern.
Der HCR 22 umfaßt typischerweise eine Drahthelix 24 und einen elektrisch leitenden Schirm 34. Wie in 2 gezeigt ist, ist die Drahthelix 24 durch eine leitende Schraubenspule 26 gebildet, die ein erstes Ende 28 hat, welches mit der Erde verbunden ist, und ein zweites gegenüberliegendes Ende 30, welches als eine Elektrode dient. Ein Eingangs-Abgriff 32 ist an der Spule 26 zwischen der Erde (dem ersten Ende der Spule 28) und einem Punkt in der Nähe der Erde angeordnet.
Unter Bezugnahme wiederum auf 1 befindet sich die Umschließung oder der äußere Mantel 40, der zu analisieren ist, in Kontakt mit der Elektrode 30, an der die HF-Spannung am höchsten ist. Das elektrische HF-Feld dringt durch die dielektrische Wand der Umschließung 40 ein, um eine sehr stabile Entladung innerhalb der Umschließung 40 zu erzeugen. Eine Entladung innerhalb des äußeren Mantels einer HID-Lampe kann erzeugt werden, ohne die gasförmigen Inhalte der Bogenentladungsröhre (nicht gezeigt) anzuregen, die typischerweise ein Niederdruckgas wie beispielsweise Ar und einen Niederdruckdampf wie beispielsweise Hg enthält. Die Hochspannung an der Elektrode 30 ist ein Resultat der HF-Leistung, die an einem Abgriff in der Nähe des Erdungs-Punkts zugeführt wird. In einer Ausführungsform sammelt eine Glasfaseroptik-Lichtsammelvorrichtung 36 das optische Emissionsspektrum des Plasmas in den Wellenlängenbereichen UV, sichtbar und nah-IR zur Analyse.
Wie oben diskutiert wurde, ist die Arbeitsweise des HCR 22 ähnlich zu einem Transformator, wobei die Spannung durch das Verhältnis der Wicklungen der Spule 26 heraufgesetzt wird. Jedoch ist der Betrieb des HCR 22 frequenzabhängig, und sein Betrieb kann am besten durch einen Übertragungsleitungshohlraum („Transmission Line Cavity") modelliert werden, der eine Kabellänge von L in der Spule aufweist (in 2 dargestellt gemessen von dem Abgriffspunkt oder ersten Ende 28 der Spule 26 zur Elektrode oder zweiten Ende 30 der Spule 26), die etwas geringer als ein Viertel einer HF-Wellenlänge ist. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Spulenlänge L von ungefähr 5,5 Metern geeignet für eine Betriebsfrequenz von ungefähr 13,6 MHz (die gewählt ist, um innerhalb der erlaubten FCC-Bandbreite zu arbeiten). Es versteht sich, daß die Spulenlänge und die Betriebsfrequenz nicht auf diese Werte beschränkt sind.
Der elektrisch leitende Schirm 34 ist typischerweise aus Metall gebildet, um die Spule 26 wie in 3 gezeigt einzuschließen, und stellt einen Rückschlußpfad für den HF-Strom dar. Die Kombination des HF-Schirms 34, der Spule und der Auswahl des Abgriffspunkts 32 gestatten es, daß der HCR 22 einen Q-Faktor von zwischen 500 und 900 aufweist.
Unter Bezugnahme wiederum auf 2 wird das Eingabesignal mit dem Eingangsabgriff 32 zwischen der Erde und einem Punkt in der Nähe der Erde verbunden. Da die Gesamtlänge L der Spule ungefähr eine Viertelwellenlänge des elektrischen HF-Felds beträgt, befindet sich die höchste elektrische Feldstärke an der Elektrode 30, die durch das andere Ende der Spule 26 gebildet wird. Die elektrische Feldstärke kann erhöht oder abgesenkt werden, indem die elektrische Feldstärke an dem Eingangsabgriff 32 erhöht oder abgesenkt wird.
Das Impedanzanpassungsnetzwerk 20 paßt die Eingangsimpedanz des HCR 22 an die Ausgangsimpedanz des HF-Leistungsgenerators 12 bei der Betriebsfrequenz an. In einer Ausführungsform kann die Anpassungsimpedanz ungefähr 50 Ohm betragen. Bei HF-Frequenzen umfaßt die Eingangsimpedanz sowohl den Widerstand als auch die Reaktanz. Das Anpassungsnetzwerk 20, welches aus Induktivität und Kapazität besteht, kann so ausgelegt sein, daß es die Eingangsimpedanz des HCR so modifiziert, daß sie ungefähr 50 Ohm beträgt. Darüberhinaus sollte auch der Ort des Eingangsabgriffspunkts 32 bei dem Anpassen der Eingangsimpedanz des HCR 22 an die Ausgangsimpedanz des HF-Leistungsgenerators 12 in Betracht gezogen werden.
Insbesondere kann die offene (open-circuit) Spule als eine offene Übertragungsleitung angesehen werden, deren Länge ungefähr eine Viertel-Wellenlänge beträgt. Da die Spule 26 offen ist, ist die Antriebspunktimpedanz Z_d des offenen Teils der Schaltung ungefähr wie folgt gegeben: Yd = +jY0tanβ1, Zd = –jZ0cotβ1wobei Y₀ = 1/Z₀, Z₀ = charakterstische Impedanz der helixförmigen Übertragungsleitung, 1 die Länge von dem Antriebspunkt zur Spitze der Elektrode ist und β die Phasenkonstante ist. Die Impedanz als Funktion der Frequenz am Antriebspunkt wurde gemessen und in 4 aufgetragen. Diese Z_d enthält sowohl den Realteil als auch den Imaginärteil. Um die Ausgangsimpendanz der HF-Quelle (50 Ohm) anzupassen, ist ein auf geeignete Weise konstruiertes Impedanz-Anpassungsnetzwerk, welches aus Kapazitäten und Induktivitäten besteht, zwischen die HF-Quelle und den Antriebspunkt des HCR gesetzt, um eine maximale Übertragung von Leistung von der HF-Quelle zum HCR zu erhalten.
Die HF-Entladungsquelle 10 kann betätigt werden, indem zuerst die Frequenz des HF-Signalgenerators 14 so eingestellt wird, daß sie mit der Resonanzfrequenz des HCR 22 übereinstimmt. Alternativ können der Abgriffspunkt, der Spulenzwischenraum oder andere Abmessungen des HCR 22 eingestellt werden, um Übereinstimmung mit der (festen) Frequenz des HF-Signalgenerators 14 zu erreichen. In einer Ausführungsform produziert die Kombination des HF-Signalgenerators 14 und des HF-Leistungsverstärkers 16 des HF-Leistungsgenerators 12 eine sinusförmige Spannung von ungefähr 300 Volt (Effektivwert). Die an dem Ausgang des Verstärkers 16 erzeugte Leistung passiert die Leistungsmeßvorrichtung 18, die in der Lage ist sowohl vorwärts gerichtete als auch reflektierte Wellenleistungen zu messen.
Die Leistung gelangt danach durch das Anpassungsnetzwerk 20, bevor sie in den HCR 22 eingekoppelt wird. Das Anpassungsnetzwerk 20 umfaßt einen variablen Kondensator (nicht gezeigt), der es gestattet, daß die Anpassungsimpedanz des Anpassungsnetzwerks 20 selektiv eingestellt wird, indem der Kondensator eingestellt wird, damit die Elektrode 30 der Spule 26 ihre höchste Spannung erreicht. Das Impedanzanpassungsnetzwerk 20 ist so eingestellt, daß es die reflektierte Leistung minimiert und die „Vorwärts"-Leistung in die Plasmaladung maximiert und die physikalische und zeitliche Stabilität des Plasmas maximiert.
Ein Aufnehmer 38 für das elektrische Feld kann vorgesehen sein, um die Elektrodenspannung zu überwachen. Der Aufnehmer 38 für das elektrische Feld umfaßt eine Metallplatte, die an den Mittelleiter eines Koaxialverbinders gelötet ist, der in der Nähe der Elektrode 30 angeordnet ist. In einer Ausführungsform kann das Signal von dem Kapazitäts-Aufnehmer verwendet werden, um die Spannung an der Elektrode 30 zu maximieren, wenn die Komponenten des Anpassungsnetzwerks geändert werden.
Es kann in manchen Fällen notwendig sein, den Erwärmungseffekt der HF-Entladung auf die dielektrische Fläche der Umschließung zu verringern, die das zu analysierende Gas umfaßt. Der HF-Signalgenerator 14 kann eine Gateeinrichtung umfassen, die es gestattet, daß eine HF-Wellenform gemäß einem Tastverhältnis bzw. pulsförmig moduliert wird. Eine geeignete Modulationsfrequenz kann zwischen 10 und 1000 Hz betragen und beträgt typischerweise ungefähr 120 Hz, und ein Tastverhältnis beträgt zwischen 1 Prozent und 99 Prozent, und typischerweise ungefähr 10 Prozent. Die gepulste HF-Entladung verringert den Heizeffekt der Entladung auf die dielektrische Umschließung. Zusätzlich zum Verringern des Tastverhältnisses der kontinuierlichen HF-Wellenform gestattet die gepulste bzw. „gegatete" HF die Analyse von optischer Emission von angeregten Atomen oder Molekülen, die während des Nachleuchtens während der Periode, wenn die HF-Quelle in den „AUS"-Zustand geschaltet ist, noch vorliegt und strahlt.
Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß zum Erzeugen einer Entladung in Gasen bei Drücken von über 300 Torr eine Tesla-Spule (nicht gezeigt) geeignet ist, die Entladung zu initiieren.
7 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 7 umfaßt das System 100 für die spektroskopische Atomemissionsanalyse des gasförmigen Inhalts eines Behälters die Vorrichtung 110 zum Erzeugen einer elektrischen Entladung, einen oder mehrere Behälter bzw. Gefäße 130, einen faradayschen Käfig 135, eine Faseroptik 140 zum Sammeln der spektralen Information und ein Spektrophotometer (nicht gezeigt) zum Messen der spektralen Information.
Die Vorrichtung 110 umfaßt ein elektrisch leitendes Gehäuse 112. Das Gehäuse 112 ist typischerweise im Querschnitt kreisförmig, aber es kann eine beliebige geeignete Form aufweisen. Das Gehäuse 112 ist an einem Ende durch einen elektrisch leitenden Verschluß 114 und an dem anderen Ende durch eine dielektrische Kappe 116 verschlossen. Die dielektrische Kappe 116 kann aus einem beliebigen geeigneten Material, wie beispielsweise Teflon, bestehen. Eine elektrisch leitende Drahthelix 120 ist in dem Gehäuse 112 angeordnet. Die Drahthelix 120 bildet an einem Ende, welches in der Nähe der dielektrischen Kappe 116 angeordnet ist, eine Elektrode 122. In der in 7 gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Elektrode 122 durch die dielektrische Kappe 116 hindurch und ist elektrisch mit einem leitenden Element 124 verbunden, welches außerhalb des Gehäuses 112 angeordnet ist. Das Element 124 kann aus einem beliebigen geeigneten elektrisch leitenden Material gebildet sein.
In einer Ausführungsform kann das Element 124 so geformt sein, daß es den Kontakt mit einem Behälter 130 erleichtert, welcher darauf für die Messung gehalten wird. Die Form des Elements 124 kann außerdem die Positionierung des Behälters 130, der darauf gehalten wird, relativ zur Faseroptik 140 erleichtern, um beim Einkoppeln des von dem Behälter 130 emittierten Lichtes in die Faseroptik 140 zu helfen. Beispielsweise kann die Oberfläche des Elements 124 konkav sein und dabei eine Schüssel bilden, so daß ein Gefäß, welches darauf gehalten wird, auf dem Boden der Schüssel ruhen wird.
Die Drahthelix 120 umfaßt einen HF-Leistung empfangenden Abgriff 126 in der Nähe des anderen Endes des Drahtes, welches der Elektrode 122 gegenüberliegt. Die HF-Leistungsquelle 128 ist mit dem Abgriff 126 verbunden.
Die Vorrichtung 110 ist zum Erzeugen einer elektrischen Entladung in Behältern geeignet, die eine dielektrische Wand und einen gasförmigen Inhalt haben, mit einem Druck von so wenig wie einem Bruchteil eines Torr bis zu 2 Atmosphären oder mehr. Die Vorrichtung 110 ist insbesondere für die spektroskopische Analyse von Atomemissionen von Bogenentladungsröhren für HID-Lampen geeignet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das System 100 verwendet werden, um den Inhalt von einer Mehrzahl von Behältern gleichzeitig zu analysieren. Wie in 8 gezeigt ist, kann eine Mehrzahl von Behältern 145 (beispielsweise HID-Bogenentladungsröhren) auf der dielektrischen Kappe 116 in ausreichender Nähe zu der Elektrode 122 und dem Element 124 angeordnet sein, um in einem jeden Gefäß eine Entladung zu erzeugen. In einem Beispiel wurde eine elektrische Entladung erzeugt, die ausreichend für die spektroskopische Analyse in einer Bogenentladungsröhre war, die Argon bei einem Druck von 50 Torr enthielt und 2 cm von dem Element 124, welches mit der Elektrode 122 in Kontakt ist, angeordnet war.
Ein einziger Faseroptiksammler (nicht gezeigt) kann von Behälter zu Behälter bewegt werden, um nacheinander die spektrale Information von einem jeden Behälter zu sammeln. Alternativ kann das System einen Faseroptiksammler umfassen, der in der Nähe zu einem jeden gemessenen Behälter angeordnet ist, so daß die spektrale Information gleichzeitig von einem jeden Behälter gesammelt werden kann.
EXPERIMENTELLE ERGEBNISSE
Es wurden Emissionsspektren unter Verwendung eines Acton SpectraPro 300i Spektrometers über einem Bereich von 350 nm bis 900 nm mit einer Auflösung von 0,4 nm aufgenommen. 5 zeigt ein Spektrum für eine Entladung in reinem N₂ Gas bei 300 Torr. 6A zeigt die analytisch nutzbaren Linien von atomarem Wasserstoff (656 nm) und 6B zeigt die analytisch nutzbaren Linien von atomarem Sauerstoff (777 nm) von Standards von bekannten 1% Wasserstoff und 1% Sauerstoff in Stickstoff bei 300 Torr. Diese atomaren Linien können als relativ scharfe Spitzen beobachtet werden, die den komplexen molekularen Stickstoffbandspektren überlagert sind. Die Detektionsgrenzen für Sauerstoff und Wasserstoff in einer Füllung, die Stickstoff bei 500 Torr umfaßt, umfassen ungefähr 0,3 Vol.-% bzw. 0,1 Vol.-%.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, daß die beschriebenen Ausführungsformen nur illustrativ sind und daß der Rahmen der Erfindung nur durch die anhängenden Ansprüche definiert werden soll, wenn ihnen ein vollständiger Äquivalenzbereich zugebilligt wird, wobei dem Fachmann bei deren Durchsicht viele Variationen und Modifikationen in den Sinn kommen werden.
Zusammenfassung
Beschrieben wird ein Verfahren zum Erzeugen einer elektrischen Entladung in einem Gas, welches in einer abgedichteten Umschließung enthalten ist. Das Verfahren umfaßt das Antreiben eines Helixspulen-Resonators mit einer HF-Frequenz, um ein elektromagnetisches HF-Feld zu erzeugen, welches ausreicht, um eine elektrische Entladung in dem Hochdruckgas zu erzeugen. Die elektrische Entladung verursacht ein Emissionsspektrum, welches spektroskopisch analysiert werden kann, um die Zusammensetzung und den Verunreinigungsgehalt des Gases zu bestimmen.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Entladung in einem Gas, welches in einer Umschließung, die eine dielektrische Wand aufweist, eingeschlossen ist, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: ein längliches elektrisch leitendes Gehäuse, eine dielektrische Kappe, die ein Ende des Gehäuses schließt, einen elektrisch leitenden Draht, der eine Helix bildet, die axial in dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Draht an einem Ende, welches nahe der dielektrischen Kappe angeordnet ist, eine Elektrode bildet und einen Abgriff, der HF-Leistung empfängt, in der Nähe des anderen Endes aufweist, und eine HF-Leistungsquelle, die mit dem Abgriff verbunden ist und HF-Leistung bereitstellt, um ein HF-Feld in der Nähe der Elektrode zu erzeugen, welches eine ausreichende Stärke hat, um eine Entladung in dem Gas zu bewirken, welches in der Umschließung eingeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Länge des Drahtes zwischen der Elektrode und dem Abgriff ungefähr ein Viertel der Wellenlänge der HF-Leistung beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Spannung der HF-Leistung an der Elektrode mindestens zwanzigmal so groß ist wie die Spannung der HF-Leistung an dem Abgriff.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Spannung der HF-Leistung an der Elektrode mindestens hundertmal so groß ist wie die Spannung der HF-Leistung an dem Abgriff.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die dielektrische Kappe Teflon umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gehäuse eine elektrisch leitende im wesentlichen zylindrische Wand umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektrode sich durch die dielektrische Kappe hindurch erstreckt und mit einem elektrisch leitfähigen Element verbunden ist, welches außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das elektrisch leitende Element eine konkave Fläche umfaßt.
System zum Erzeugen einer Entladung in einem gasförmigen Inhalt eines Behälters, wobei das System folgendes umfaßt: einen Behälter, der eine dielektrische Wand hat, ein oder mehrere Gase, die in dem Behälter enthalten sind, einen HF-Generator zum Erzeugen eines HF-Feldes, welches ausreicht, um eine Entladung in dem Gas zu bewirken, wobei der Generator folgendes umfaßt: eine HF-Leistungsquelle, und einen Helixspulenresonator, wobei der Resonator an einem Ende mit der HF-Leistungsquelle verbunden ist und an seinem anderen Ende eine Elektrode bildet, wobei die Elektrode ausreichend dicht an der dielektrischen Wand des Behälters liegt, um eine Entladung in dem Gas herzustellen.
System nach Anspruch 9, das eine Mehrzahl von Behältern umfaßt, die eine dielektrische Wand und einen gasförmigen Inhalt aufweisen, wobei ein jeder der Behälter in ausreichender Nähe zu der Elektrode angeordnet ist, um eine Entladung in dem Gas, welches in dem Behälter enthalten ist, herzustellen.
System nach Anspruch 9, bei dem der Druck des Gases, welches in dem Behälter enthalten ist, mindestens 20 Torr beträgt.
System nach Anspruch 11, bei dem der Druck des Gases, welches in dem Behälter enthalten ist, mindestens 50 Torr beträgt.
System nach Anspruch 9, bei dem ein Abschnitt der dielektrischen Wand des Behälters innerhalb einer Entfernung von ungefähr 2 cm von der Elektrode angeordnet ist.
System für eine spektroskopische Atomemissions-Analyse eines gasförmigen Inhalts eines Behälters, das folgendes umfaßt: einen oder mehrere Behälter, die eine dielektrische Wand haben und einen gasförmigen Inhalt enthalten, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Entladung in dem gasförmigen Inhalt des Behälters, wobei die genannte Vorrichtung folgendes umfaßt: ein längliches elektrisch leitendes Gehäuse, eine dielektrische Kappe, die ein Ende des Gehäuses schließt, einen elektrisch leitenden Draht, der eine Helix bildet, die axial innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Draht eine Elektrode an einem Ende bildet, welches nahe an dem Ende des Gehäuses liegt, welches durch die dielektrische Kappe geschlossen wird, und einen Abgriff zum Empfangen von HF-Leistung in der Nähe des anderen Endes aufweist, eine HF-Leistungsquelle, die mit dem Abgriff verbunden ist, und ein Spektrophotometer, wobei der Behälter in ausreichender Nähe zu der Elektrode angeordnet ist, so daß das an der Elektrode erzeugte HF-Feld eine Entladung in dem gasförmigen Inhalt des Behälters bewirkt.
System nach Anspruch 14, das eine Mehrzahl von Behältern umfaßt, die jeweils in ausreichender Nähe zu der Elektrode angeordnet sind, so daß das an der Elektrode erzeugte HF-Feld eine Entladung in dem gasförmigen Inhalt der Behälter bewirkt.
System nach Anspruch 14, bei dem sich die Elektrode durch die dielektrische Kappe erstreckt und mit einem elektrisch leitenden Element verbunden ist.
System nach Anspruch 16, bei dem das elektrisch leitende Element einen einen Behälter haltenden Abschnitt umfaßt, der eine gekrümmte Fläche hat.
System nach Anspruch 16, bei dem das elektrisch leitende Element einen einen Behälter haltenden Abschnitt umfaßt, der eine V-förmige Rinne aufweist.
System nach Anspruch 16, das eine Mehrzahl von Behältern umfaßt, die jeweils in ausreichender Nähe zu dem elektrisch leitenden Element angeordnet sind, so daß das an dem Element erzeugt HF-Feld eine Entladung in dem gasförmigen Inhalt der Behälter bewirkt.
System für eine spektroskopische Atomemissions-Analyse eines gasförmigen Inhalts eines Behälters, wobei das System folgendes umfaßt: einen oder mehrere Behälter, die eine dielektrische Wand aufweisen und einen gasförmigen Inhalt enthalten, eine Vorrichtung zum Erzeugen einer elektrischen Entladung in dem gasförmigen Inhalt des Behälters, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: ein im wesentlichen zylindrisches elektrisch leitendes Gehäuse, eine dielektrische Kappe, die ein Ende des Gehäuses schließt, einen elektrisch leitenden Draht, der eine Helix bildet, die axial innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wobei der Draht an einem Ende, welches sich durch die dielektrische Kappe erstreckt, eine Elektrode bildet, und in der Nähe des anderen Endes einen Abgriff zum Empfangen von HF-Leistung aufweist, ein elektrisch leitendes Element, welches mit der Elektrode verbunden ist, wobei das Element auf der äußeren Fläche der dielektrischen Kappe angeordnet ist und einen einen Behälter haltenden Abschnitt aufweist, welcher eine gekrümmte Fläche hat, eine HF-Leistungsquelle, die mit dem Abgriff verbunden ist, ein Spektrophotometer, und eine Faseroptik zum Transportieren von Licht, welches von dem Behälter emittiert wird, zum Spektrophotometer, wobei der eine bzw. die mehreren Behälter in ausreichender Nähe zu dem elektrisch leitenden Element angeordnet ist bzw. sind, daß das an der Elektrode erzeugte HF-Feld eine Entladung im gasförmigen Inhalt der Behälter erzeugt.
System nach Anspruch 20, bei dem der Behälter durch die gekrümmte Fläche des elektrisch leitenden Elementes gehalten wird.
System nach Anspruch 20, bei dem eine Mehrzahl von Behältern auf der äußeren Fläche der dielektrischen Kappe gehalten werden.