DE3736368A1

DE3736368A1 - Opto-galvanic spectrometer

Info

Publication number: DE3736368A1
Application number: DE19873736368
Authority: DE
Inventors: Dan Dipl Ing Nistor
Original assignee: MSI TECHNIK GmbH
Current assignee: MSI TECHNIK GmbH
Priority date: 1987-10-27
Filing date: 1987-10-27
Publication date: 1989-05-11

Abstract

The opto-galvanic spectrometer comprises a plasma chamber (1) which receives the substance to be examined, a radio-frequency generator (3) which has the plasma coupled to its load circuit and a laser (5), which emits monochromatic light of variable wavelengths, which excites the plasma and can be intensity-modulated. An evaluation device (11) coupled to the radio-frequency generator delivers spectral information dependent on impedance changes in the load circuit of the radio-frequency generator (3). The radio-frequency generator (3) can likewise be modulated and the evaluation device generates the spectral information as a function of impedance changes in the load circuit during modulation both of the laser (5) and of the radio-frequency generator (3) and as a function of reference data which represent the impedance changes in the load circuit of the radio-frequency generator (3) loaded by the plasma in the case of no light excitation of the plasma. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein optogalvanisches Spektro meter zur Spektraluntersuchung einer gasförmigen Substanz, mit einer die zu untersuchende Substanz aufnehmenden Plasmakammer, einem Hochfrequenzgenerator, an dessen Lastkreis das Plasma angekoppelt ist, einem das Plasma mit monochromatischem Licht änderbarer Wellenlänge anregenden, in seiner Intensität modulierbaren Laser und einer an den Hochfrequenzgenerator angekoppelten Auswerteeinrichtung, die abhängig von Impedanzänderungen des Lastkreises des Hochfrequenzgenerators Spektralin formationen liefert.The invention relates to an opto-galvanic spectro meter for spectral analysis of a gaseous substance, with a substance containing the substance to be examined Plasma chamber, a high frequency generator, on the Load circuit the plasma is coupled, one the plasma wavelength changeable with monochromatic light stimulating laser, the intensity of which can be modulated and one coupled to the high frequency generator Evaluation device that depends on changes in impedance of the load circuit of the high-frequency spectral generator formations supplies.

Aus A.M. Prokhorov und I. Ursu "Trends in Quantum Electronics", Springer-Verlag 1986, Seiten 391 bis 442, insbesondere Seiten 391, 392, 404 bis 408 und 412 bis 414, ist es bekannt, daß zwischen der relativen Änderung der elektrischen Impedanz für kleine Amplituden ein Proportionalzusammenhang zur relativen optischen Absorption monochromatischen Lichts besteht, mit welchem das Plasma bestrahlt bzw. angeregt wird. Bei Verwendung eines Lasers mit änderbarer Wellenlänge kann dieser Effekt zur Spektraluntersuchung gasförmiger Substanzen des Plasmas ausgenutzt werden, wobei das Plasma einen elektrisch-optischen Wandler bildet. Bei dem Plasma kann es sich um ein Gasentladungsplasma handeln. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die für die Erzeugung des Entladungsplasmas erforderlichen, vergleichsweise hohen Energien wesentlich verringert werden können, wenn das Plasma Bestandteil des Lastkreises (Schwing kreises) eines Hochfrequenzgenerators ist. In diesem Fall können die Impedanzänderungen des Plasmas aus den Impedanzänderungen des Lastkreises ohne Berührung mit dem eigentlichen Plasma anhand eines Ersatzschaltbildes des durch das Plasma belasteten Generators errechnet werden. Um die Berechnungen der Impedanzänderungen zu erleichtern, wird das Plasma mit einem in seiner Inten sität modulierten Laser angeregt und es wird diese Modulation in der Errechnung der Impedanzänderung des Plasmas aus den an geeigneten Schaltungspunkten des Lastkreises gemessenen Spannungen bzw. Strömen berück sichtigt. Der Hochfrequenzgenerator ermöglicht gegenüber anderen Methoden zur Ermittlung der relativen Impedanz änderungen eine wesentliche Verbesserung des Signal-zu- Rausch-Verhältnisses, was von Vorteil ist, nachdem die Änderungen aufgrund des optogalvanischen Effekts klein sind.From A.M. Prokhorov and I. Ursu "Trends in Quantum Electronics ", Springer-Verlag 1986, pages 391 to 442, especially pages 391, 392, 404 to 408 and 412 to 414, it is known that between the relative change the electrical impedance for small amplitudes Proportional relationship to the relative optical Absorption of monochromatic light exists with which the plasma is irradiated or excited. Using a laser with a changeable wavelength can do this Effect for the spectral investigation of gaseous substances of the plasma can be used, the plasma being a forms electrical-optical converter. With the plasma can be a gas discharge plasma. It has however, it turned out that for the generation of the discharge plasma required, comparatively high energies can be significantly reduced if the plasma is part of the load circuit (oscillating circle) of a high-frequency generator. In this The changes in the impedance of the plasma from the case Impedance changes in the load circuit without touching the actual plasma using an equivalent circuit diagram of the generator loaded by the plasma will. To calculate the impedance changes the plasma with one in its interior intensity modulated laser and it becomes this Modulation in the calculation of the change in impedance of the Plasma from the appropriate circuit points of the Load circuit measured voltages or currents inspects. The high frequency generator enables opposite other methods of determining relative impedance changes a significant improvement in the signal to Noise ratio, which is beneficial after the Small changes due to the opto-galvanic effect are.

Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften des Plasmas haben gezeigt, daß die Impedanz des Plasmas durch ein elektrisches Ersatzschaltbild beschrieben werden kann, das aus der Serienschaltung einer Induk tivität, eines differentiellen Serienwiderstands und einer inneren Spannungsquelle (EMK) sowie eines der Serienschaltung parallel geschalteten, differentiellen Parallelwiderstands besteht. Die innere Spannung EMK ergibt sich aus der Resonanzabsorption von Photonen des das Plasma angeregenden monochromatischen Lichts und ist unmittelbar ein Maß für das Spektrum der zu unter suchenden gasförmigen Substanz. Da die innere Spannung EMK der direkten Messung nicht zugänglich ist, muß sie aus dem Ersatzschaltbild des durch das Plasma belaste ten Hochfrequenzgenerators errechnet werden. Die Be rechnung ist aufgrund der Vielzahl zu berücksichtigender Komponenten des Ersatzschaltbilds vergleichsweise aufwendig und ungenau.Investigations of the electrical properties of the Plasmas have shown that the impedance of the plasma described by an electrical equivalent circuit can be that from the series connection of an inductor tivity, a differential series resistance and an internal voltage source (EMF) and one of the Series connection, differential connected in parallel Parallel resistance exists. The internal tension EMK results from the resonance absorption of photons the plasma exciting monochromatic light and is directly a measure of the spectrum of the under seeking gaseous substance. Because the inner tension EMF is not accessible to direct measurement, it must from the equivalent circuit diagram of the burdened by the plasma th high-frequency generator can be calculated. The Be Due to the large number of invoices to be taken into account Comparative components of the equivalent circuit diagram complex and imprecise.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein optogalvanisches Spektrometer anzugeben, welches bei geringem Leistungs bedarf ein hohes Auflösungsvermögen und eine hohe Empfindlichkeit hat.It is an object of the invention to provide an opto-galvanic Specify spectrometer, which with low power requires a high resolution and a high Has sensitivity.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hochfrequenzgenerator ebenfalls modulierbar ist und daß die Auswerteeinrichtung die Spektralinformationen abhängig von Impendanzänderungen des Lastkreises bei Modulation sowohl des Lasers als auch des Hochfrequenz generators und abhängig von Referenzinformationen bildet, die die Impedanzänderungen des durch das Plasma belasteten Lastkreises des modulierten Hochfrequenzgene rators bei fehlender Lichtanregung bzw. nicht resonanter Lichtanregung des Plasmas repräsentieren.This object is achieved in that the high frequency generator can also be modulated and that the evaluation device the spectral information depending on changes in impedance of the load circuit Modulation of both the laser and the high frequency generator and depending on reference information that forms the impedance changes of through the plasma loaded load circuit of the modulated high-frequency genes rators in the absence of light excitation or not resonant Represent light excitation of the plasma.

Es hat sich gezeigt, daß die für die Spektralverteilung relevante innere Spannung EMK des Plasmas sehr viel genauer bestimmt werden kann, indem bei der Ermittlung der Impedanzänderung von der Differenz des an dem Plasma bei gleichzeitiger Modulation durch das Laser licht und durch den Hochfrequenzgenerator gemessenen optogalvanischen Signals und eines Referenzsignals ausgegangen wird, welches mittels eines Referenzkreises identischer Konfiguration, jedoch bei fehlender oder zumindest nicht resonanter Lichtanregung ermittelt wird.It has been shown that for the spectral distribution relevant internal voltage EMF of the plasma very much can be more accurately determined by identifying the change in impedance from the difference between the two Plasma with simultaneous modulation by the laser light and measured by the high frequency generator optogalvanic signal and a reference signal is assumed, which is by means of a reference circle identical configuration, but missing or at least non-resonant light excitation determined becomes.

Der Referenzkreis kann durch eine Rechenschaltung gebildet sein, die aus dem Ersatzschaltbild des für die Messung verwendeten Hochfrequenzgenerators und des Plasmas die Referenzinformationen bei fehlender Licht anregung errechnet. Alternativ kann der Referenzkreis jedoch auch aus einem identischen, realen Hochfrequenz generator mit angekoppeltem, jedoch nicht lichterregtem Plasma bestehen. In das Plasma des Referenzkreises wird, um identische Plasmaverhältnisse zu schaffen, zweckmäßigerweise ebenfalls die zu untersuchende Sub stanz eingeführt. Soweit vorstehend von fehlender Lichterregung gesprochen wird, so sind hierbei auch solche Zustände gemeint, bei welchen das Plasma zwar mit Laserlicht bestrahlt wird, jedoch keine Resonanz zustände des Plasmas angeregt werden.The reference circuit can be done by a computing circuit be formed from the equivalent circuit diagram for the Measurement used high frequency generator and Plasmas the reference information in the absence of light excitation calculated. Alternatively, the reference circle but also from an identical, real radio frequency generator with coupled but not light-excited Plasma exist. In the plasma of the reference circle is going to create identical plasma ratios expediently also the sub to be examined punching introduced. So far from missing Light excitation is spoken, so are here meant states in which the plasma indeed is irradiated with laser light, but no resonance states of the plasma are excited.

Bei dem Plasma handelt es sich zweckmäßigerweise um ein Niederdruckplasma und der Modulationsgrad des Hochfrequenz generators ist vergleichsweise klein, vorzugsweise kleiner als 10%. Die Modulationsfrequenz liegt vorzugs weise unterhalb einer eventuellen, durch die Modulations frequenz in dem Lastkreis und dem Plasma angeregten Resonanz.The plasma is expediently a Low pressure plasma and the degree of modulation of the high frequency generator is comparatively small, preferably less than 10%. The modulation frequency is preferred way below a possible one, through the modulation frequency in the load circuit and the plasma excited Resonance.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:The following are exemplary embodiments of the invention explained in more detail using a drawing. It shows:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen optogalvanischen Spektrometers; Fig. 1 is a block diagram of an opto-galvanic spectrometer according to the invention;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines in dem Spektrometer nach Fig. 1 für die Ermittlung von Referenzinformationen verwendeten Referenzkreises; und FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a reference circuit used in the spectrometer according to FIG. 1 for determining reference information; and

Fig. 3 ein Detail des Blockschaltbilds einer Variante des Spektrometers nach Fig. 1. Fig. 3 shows a detail of the block diagram of a variant of the spectrometer of FIG. 1.

Das Spektrometer nach Fig. 1 umfaßt eine Plasmakammer 1 für die Aufnahme eines Plasmas des zu untersuchenden Gases und ggf. eines Trägergases. Das Plasma der Plasma kammer 1 bildet die Last eines Hochfrequenzgenerators 3, an den es induktiv oder kapazitiv angekoppelt ist. Der Hochfrequenzgenerator 3 hat einen Ausgangsschwing kreis, dessen Eigenschaften durch die elektrische Impedanz des Plasmas 1 mitbestimmt werden. Das Plasma wird mit monochromatischem Licht eines in seiner Wellen länge steuerbaren Lasers 5, beispielsweise eines Dauer lichtlasers, angeregt, was aufgrund resonanter Absorp tionsvorgänge zu Impedanzänderungen in dem Plasma führt. An einem geeigneten Schaltungspunkt des Hoch frequenzgenerators 3 abgenommene, die Impedanzänderung repräsentierende Signale werden über ein Tiefpaßfilter 7 und einen Synchronisierverstärker 9 nach einer nicht näher dargestellten Analog-Digital-Wandlung einem Rech ner 11 zugeführt, der über eine Schnittstellenschaltung 13 die Wellenlänge des Lasers 5 steuert und die Spektral verteilung der in dem Plasma enthaltenen Gasprobe ermittelt.The spectrometer of Fig. 1 comprises a plasma chamber 1 for receiving a plasma of the gas to be examined and possibly a carrier gas. The plasma of the plasma chamber 1 forms the load of a high-frequency generator 3 , to which it is coupled inductively or capacitively. The high-frequency generator 3 has an output resonant circuit, the properties of which are determined by the electrical impedance of the plasma 1 . The plasma is excited with monochromatic light from a wavelength-controllable laser 5 , for example a continuous light laser, which leads to changes in impedance in the plasma due to resonant absorption processes. At a suitable circuit point of the high-frequency generator 3 , the signals representing the change in impedance are fed via a low-pass filter 7 and a synchronizing amplifier 9 to an analog-digital conversion (not shown in more detail) to a computer 11 which controls the wavelength of the laser 5 via an interface circuit 13 and the spectral distribution of the gas sample contained in the plasma is determined.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des Hochfrequenzgene rators 3 und des an seinen Lastkreis angekoppelten Plasmas. Das Plasma hat eine Impedanz mit induktiver Charakteristik und kann als Serienschaltung einer In duktivität L, eines differenziellen Serienwiderstands r und einer inneren Spannungsquelle E sowie einem der Serienschaltung parallel geschalteten, differenziellen Parallelwiderstand R beschrieben werden. Das Ersatz schaltbild des Hochfrequenzgenerators 3 umfaßt eine Stromquelle ig und parallel zur Impedanz des Plasmas eine Kapazität C sowie eine Konduktanz G. Die innere Spannung E des Plasmas beschreibt die Wechselwirkung des Laserlichts mit dem Plasma und ist abhängig von der Wellenlänge des Laserlichts ein Maß für die Spektral verteilung. Die innere Spannung E ist jedoch nicht direkt zugänglich. Meßbar sind lediglich Parameter des Lastkreises des Hochfrequenzgenerators 3, beispielsweise Werte der Spannung Δ U. Um abhängig von den gemessenen optogalvanischen Spannungen die innere Spannung E bzw. die zur relativen Änderung der Lichtintensität propor tionale, relative Impedanzänderung des Plasmas errechnen zu können, ist im Strahlengang 15 des Lasers 5 eine Zerhackerblende 17 angeordnet, mit deren Rotation der Verstärker 9 synchronisiert ist. Das Plasma wird über eine Strahlexpandereinrichtung 19 mit von der Zerhacker blende 17 impulsmoduliertem Licht angeregt. Die Modu lationsfrequenz liegt im Niederfrequenzbereich. Synchro nisiert mit der Zerhackerblende 17, wird der Hochfre quenzgenerator 3 mit einer Modulationstiefe von weniger als 10% gleichfalls moduliert. Der über die Peripherie geräte 21, wie z. B. Eingabe und Ausgabegeräte, zugäng liche Rechner 11 errechnet in einem das Ersatzschaltbild nach Fig. 2 nachbildenden Referenzprogramm einen Referenzwert für das optogalvanische Signal unter der Bedingung, daß der Hochfrequenzgenerator moduliert wird, das Plasma jedoch nicht durch Licht resonant an geregt wird. Aus dem Vergleich des an dem Plasma der Plasmakammer 1 gemessenen Signalwerts und dem errech neten Referenzsignalwert läßt sich mit hoher Genauigkeit die Spektralverteilung der Probe bei Variation der Wellenlänge des Lasers 5 ermitteln. Fig. 2 shows an equivalent circuit of the high-frequency generator 3 and the plasma coupled to its load circuit. The plasma has an impedance with inductive characteristics and can be described as a series connection of an inductance L , a differential series resistor r and an internal voltage source E and a differential parallel resistor R connected in parallel with the series connection. The replacement circuit diagram of the high-frequency generator 3 includes a current source ig and parallel to the impedance of the plasma, a capacitance C and a conductance G. The internal voltage E of the plasma describes the interaction of the laser light with the plasma and is a measure of the spectral distribution depending on the wavelength of the laser light. However, the internal tension E is not directly accessible. Only parameters of the load circuit of the high-frequency generator 3 can be measured, for example values of the voltage Δ U. In order to be able to calculate the internal voltage E or the relative change in the impedance of the plasma, which is proportional to the relative change in light intensity, depending on the measured optogalvanic voltages, a chopper aperture 17 is arranged in the beam path 15 of the laser 5 , with the rotation of which the amplifier 9 is synchronized . The plasma is excited via a beam expander device 19 with light pulse-modulated by the chopper 17 . The modulation frequency is in the low frequency range. Synchronized with the chopper aperture 17 , the high frequency generator 3 is also modulated with a modulation depth of less than 10%. The peripheral devices 21 , such as. B. Input and output devices, accessible computer 11 calculates in a reference program emulating the equivalent circuit according to FIG. 2, a reference value for the opto-galvanic signal under the condition that the high-frequency generator is modulated, but the plasma is not resonantly excited by light. By comparing the signal value measured on the plasma of the plasma chamber 1 and the calculated reference signal value, the spectral distribution of the sample can be determined with a high degree of variation when the wavelength of the laser 5 is varied.

Bei dem Plasma der Plasmakammer 1 muß es sich nicht um ein von dem Hochfrequenzgenerator angeregtes Entlandungs plasma handeln. Es genügt die Erfassung der Impedanzän derung. Der Hochfrequenzgenerator 3, der beispielsweise eine Trägerfrequenz von 19 MHz hat, kommt mit vergleichs weise geringer Leistung von z.B. 40 mW aus. Der Durch laßbereich des Tiefpaßfilters ist auf die Modulations frequenz des Lasers 5 und des Hochfrequenzgenerators 3 abgestimmt. Die Modulationsfrequenz liegt im Niederfre quenzbereich und vorzugsweise unterhalb einer durch die Modulation angeregten Resonanzstelle des optogalvanischen Signals.The plasma of the plasma chamber 1 does not have to be a discharge plasma excited by the high-frequency generator. It is sufficient to record the change in impedance. The high-frequency generator 3 , which has a carrier frequency of 19 MHz, for example, manages with a comparatively low power of, for example, 40 mW. The pass range of the low-pass filter is tuned to the modulation frequency of the laser 5 and the high-frequency generator 3 . The modulation frequency is in the low frequency range and preferably below a resonance point of the optogalvanic signal excited by the modulation.

Fig. 3 zeigt eine Variante des optogalvanischen Spektro meters, bei welcher der Referenzwert nicht durch den Rechner 11 ermittelt, sondern an einem realen, jedoch nicht von Laserlicht angeregtem Plasma gemessen wird. Zusätzlich zu dem an die Plasmakammer 1 angekoppelten Hochfrequenzgenerator 3 ist in der Fig. 3 eine zweite Plasmakammer 23 dargestellt, die an den Lastkreis eines zweiten Hochfrequenzgenerators 25 angekoppelt ist. Die vorzugsweise identischen Generatoren 3, 25 werden beide in gleicher Weise moduliert, jedoch wird das Plasma in der Plasmakammer 23 nicht mit Laserlicht resonant angeregt. Das Plasma der Plasmakammer 23 enthält eben falls das zu untersuchende Gas, so daß beide Plasmen gleiche Eigenschaften haben. Aus dem Vergleich der an den beiden Generatoren 3, 25 gemessenen optogalvanischen Signale läßt sich bei Variation der Wellenlänge des Lasers 5 die Spektralverteilung der Probe ermitteln. Fig. 3 shows a variant of the optogalvanic spectro meters, wherein the reference value is not determined by the computer 11 but is not measured at a real laser light excited plasma. In addition to the coupled to the plasma chamber 1 high frequency generator 3, a second plasma chamber 23 is shown in FIG. 3, which is coupled to the load circuit of a second high-frequency generator 25.. The preferably identical generators 3 , 25 are both modulated in the same way, but the plasma in the plasma chamber 23 is not resonantly excited with laser light. The plasma of the plasma chamber 23 also contains the gas to be examined, so that both plasmas have the same properties. The spectral distribution of the sample can be determined from the comparison of the optogalvanic signals measured at the two generators 3 , 25 when the wavelength of the laser 5 is varied.

Claims

1. Optogalvanic spectrometer for spectral investigation of a gaseous substance, with a plasma chamber ( 1 ) receiving the substance to be examined, a high-frequency generator ( 3 ), to the load circuit of which the plasma is coupled, one that excites the plasma with monochromatic light of variable wavelength, in its intensity modulatable laser ( 5 ) and a coupled to the high-frequency generator ( 3 ) from evaluation device ( 11 ), which provides spectral information as a function of impedance changes in the load circuit of the high-frequency generator ( 3 ), characterized in that the high-frequency generator ( 3 ) can also be modulated and that Evaluation device ( 11 ) forms the spectral information as a function of impedance changes in the load circuit when modulating both the laser and the high-frequency generator ( 3 ) and as a function of reference information that changes the impedance of the load circuit of the modulated high-frequency genes loaded by the plasma rators ( 3 ) in the absence of light excitation of the plasma.

2. Optogalvanic spectrometer according to claim 1, characterized in that the evaluation device ( 11 ) comprises a computing device which determines the reference information in accordance with an equivalent circuit diagram of the modulated high frequency generator ( 3 ) loaded by the plasma.

3. Optogalvanic spectrometer according to claim 1, characterized in that the evaluation device for determining the reference information is coupled to a second high-frequency generator ( 25 ), the load circuit of which is coupled to the plasma of a second plasma chamber ( 23 ).

4. Optogalvanic spectrometer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the modulation frequency below a stimulated by the modulation low-frequency resonance of the load circuit loaded by the plasma of the high-frequency generator ( 3 ) is selected.