DE69533647T2

DE69533647T2 - Vorrichtung und verfahren zur mikrowellenbearbeitung von materialien

Info

Publication number: DE69533647T2
Application number: DE69533647T
Authority: DE
Inventors: C. Arvid JOHNSON; J. Robert LAUF; W. Don BIBLE; J. Robert MARKUNAS
Original assignee: UT Battelle LLC
Current assignee: UT Battelle LLC
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2015-03-31
Also published as: KR970702681A; JPH10505702A; AU2275795A; EP0753240A4; AU696862B2; KR100363602B1; CA2186883A1; WO1995027388A1; ATE279848T1; JP3001261B2; EP0753240B1; CN1166262A; EP0753240A1; CN1150800C; DE69533647D1; CA2186883C

Description

Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung gemacht unter Vertrag Nr. DE-AC05-84OR21400, zuerkannt von dem US-Amt für Energie der Martin Marietta Energy Systems, Inc., und die Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
Diese Anmeldung beschreibt und beansprucht teilweise einen Gegenstand, der in den früher eingereichten anhängigen Anmeldungen, Seriennr. 08/219,098, eingereicht am 29. März 1994, und Seriennr. 08/221,188, eingereicht am 31. März 1994, beschrieben wurden, wobei beide einen Gegenstand beschreiben und beanspruchen, der bereits in der früher eingereichten Anmeldung mit der Seriennr. 07/792,103, eingereicht am 14. November 1991, beschrieben wurde, auf die ein US-Patent Nr. 5,321,222 am 14. Juni 1994 erteilt wurde, welche einen Gegenstand beschreibt, der zumindest von einem Erfinder der vorliegenden Erfindung erfunden wurde.
Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft das Gebiet der Mikrowellenstrahlung. Genauer gesagt betrifft diese Erfindung einen Mikrowellenofen mit der Fähigkeit, selektiv die Frequenz und die Leistung der Mikrowellenquelle zu variieren.
Technischer Hintergrund
Auf dem Gebiet der Mikrowellenstrahlung ist es bekannt, daß Mikrowellenöfen typischerweise mit einer festen Betriebsfrequenz ausgelegt sind. Es ist seit langem bekannt, daß die Wechselwirkungen von verschiedenen Materialien mit Mikrowellen frequenzabhängig sind. Diese Wechselwirkungen können das Aushärten bzw. Vulkanisieren von Kautschuk bzw. Gummi und das Sintern von Keramiken beinhalten. Es ist daher wünschenswert, einen Mikrowellenofen zu haben, der über einen breiten Frequenzbereich betrieben werden kann.
Die meisten Mikrowellenquellen haben eine sehr schmale Bandbreite, da sie eine Resonanzkavität einsetzen. Mikrowellenöfen, die für den Heimgebrauch konstruiert sind, werden mit einem Magnetron bereitgestellt, das bei 2,45 Gigahertz (GHz) arbeitet, was eine effiziente Frequenz für das Aufheizen von Wasser ist. Aufgrund der Koppelfähigkeit einer 2,45 GHz Mikrowelle mit Wasser werden diese Öfen für das Kochen von Nahrungsmitteln, das Trocknen und für andere Zwecke verwendet, wo das Hauptmaterial, auf das eingewirkt wird, Wasser ist. Es ist jedoch bekannt, daß Frequenzen in diesem Bereich nicht in allen Situationen geeignet sind, wie z. B. beim Heizen von Plasma, dem Sintern von Materialien, wie z. B. Siliciumdioxid, und dem Präparieren von Filmen, wie z. B. Diamantfilmen.
Die Verwendung eines Frequenzdurchlaufs über einen großen Bereich als ein Mittel der Modendurchmischung hat wichtige Implikationen auf die Verwendung der Mikrowellenleistung, um me dizinisches Gerät oder kontaminierte Abfälle zu sterilisieren. Bei solchen Verwendungen ist es äußerst wichtig, "Totbereiche" in der Kavität, in denen keine ausreichende Leistung für die vollständige Sterilisierung erreicht wird, zu eliminieren. Der elektronische Frequenzdurchlauf kann mit einer hohen Geschwindigkeit durchgeführt werden, wodurch eine viel gleichmäßigere zeitgemittelte Energiedichte innerhalb der Ofenkavität erzeugt wird. Der gewünschte Frequenzdurchlauf kann verwirklicht werden durch die Verwendung einer Vielzahl von Mikrowellenelektronengeräten. Eine Helix-Wanderfeldröhre (TWT) erlaubt beispielsweise das Durchlaufen, um eine große Bandbreite (z. B. 2–8 GHz) im Vergleich mit Geräten, wie z. B. dem spannungseinstellbaren Magnetron (2,45 ± 0,05 GHz) abzudecken. Andere Geräte haben andere charakteristische Bandbreiten, wie im folgenden beschrieben wird.
Weiterhin ist von Mikrowellenöfen fester Frequenz, die typischerweise im Heimbereich angetroffen werden, bekannt, daß sie kalte und heiße Punkte haben. Solche Phänomene werden dem Verhältnis der Wellenlänge zu der Größe der Mikrowellenkavität zugeschrieben. Mit einer relativ niederfrequenten Mikrowelle, die in eine kleine Kavität eingekoppelt wird, treten stehende Wellen auf und somit füllt die Mikrowellenleistung nicht den gesamten Raum innerhalb der Kavität gleichförmig aus und die nicht-beeinflußten Bereiche werden nicht erwärmt. Im Extremfall wird die Ofenkavität praktisch eine "Single-Mode-Kavität".
Versuche wurden durchgeführt zur Modenmischung oder dem zufälligen Ablenken des Mikrowellen-"Strahls", um die stehenden Moden aufzubrechen und dadurch die Kavität mit der Mikrowellenstrahlung zu füllen. Ein solcher Versuch ist das Hinzufügen von sich drehenden Lüfterblättern am Strahleingang der Kavität.
Ein anderes verwendetes Verfahren, um die negativen Effekte von stehenden Wellen zu überwinden, ist es, absichtlich eine stehende Welle innerhalb einer Single-Mode-Kavität zu erzeugen, so daß das Werkstück an dem Ort plaziert wird, der mit der höchsten Energie bestimmt wurde (der heiße Fleck). Nur der Abschnitt der Kavität, in dem die stehende Welle am meisten konzentriert ist, wird somit verwendet.
Es wurde gezeigt, daß das Sinterverhalten von verschiedenen Materialien sich bei höheren Frequenzen verbessert, obgleich die exakten Gründe nicht bekannt sind. Bestehende Technologie des Standes der Technik hat jedoch Schwierigkeiten, die Aufgabe zu erfüllen, eine Reihe von identischen Sinterexperimenten, in denen sich nur die Frequenz ändert, durchzuführen. Dies liegt zum Großteil an der Tatsache, daß jede Mikrowellenquelle mit einer anderen Ofenkavität verbunden ist. Es ist bekannt, daß die Geometrie der Ofenkavität ein Parameter ist, der in solchen Experimenten betrachtet werden muß.
Öfen, die Gyrotron-Oszillatoren beinhalten, um festfrequente Mikrowellen bei 28 GHz zu erzeugen, wurden in der Literatur beschrieben. Die Gyrotron-Öfen sind in der Lage, einige Materialien effizienter zu sintern als diejenigen Öfen, die mit den 2,45 GHz Magnetrons ausgestattet sind. Die Gyrotron-Öfen haben spezifische Anwendungen in Sintermaterialien, wie z. B. Keramiken. 28 GHz ist jedoch keine effiziente Frequenz, mit der alle Materialien gesintert werden. Es ist wün schenswert, die effizientesten Frequenzen zu bestimmen, um sie an ein gegebenes Material in einem Ofen mit einer Kavität mit einer ausgewählten Konfiguration anzulegen.
Die Frequenz für die effektivste Verarbeitung kann für ein gegebenes Material variieren, wenn der Heizprozeß auftritt. Wenn ein Material die Phasen wechselt, kann eine veränderte Frequenz erforderlich sein. Es kann somit wünschenswert sein, die Fähigkeit zu haben, die Frequenz während des Heizprozesses zu variieren, was es dem Tester erlaubt, das Heizen einer Probe bei einer Frequenz zu starten und dann die Frequenz zu verändern, um eine gute Kopplung beizubehalten, wenn die Temperatur ansteigt. Dies kann ebenso wünschenswert sein, wenn zusammengesetzte Materialien aufgeheizt werden, wo die verschiedenen Materialien effizient bei unterschiedlichen Frequenzen reagieren.
Andere Geräte wurden erzeugt, um die Parameter des Heizprozesses von ausgewählten Materialien zu verändert. Typisch im Stand der Technik sind die Geräte, die in den folgenden US-Patenten beschrieben sind:
Der Gegenstand der durch MacKay ('332) beschrieben wird, wird weiter beschrieben in einem Artikel von MacKay B. et al. mit dem Titel "Frequency Agile Sources for Microwave Ovens", Journal of Microwave Power, 14(1), 1979. Ein Mikrowellenofen mit einem breiten Frequenzbereich wurde jedoch nicht beschrieben, außer in der oben genannten, ebenfalls anhängigen US-Anmeldung mit der Seriennr. 07/792,103.
Der von der US 4,714,812 beschriebene Inhalt weist eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Verarbeiten dielektrischer Materialien auf. Die Vorrichtung weist eine Anzahl von einstellbaren Kavitätsvorrichtungen auf, die vertikal eine über der anderen angeordnet sind, wobei jede einen bewegbaren Kolben hat, um die Kavitätengröße einzustellen. Die Anordnung von modularen Kavitäten erlaubt die Einstellung der Größe der Mikrowellenleistung, der Frequenz und der Kavitätsgröße, wobei jede Kavität effektiv zu einer bestimmten Zeit eine Festfrequenzvorrichtung ist. Die reflektierte Leistung wird gemessen, wobei nur eine Frequenz zu jedem gegebenen Moment gemessen wird, und wird verwendet für die Steuerung der Energiemenge, die zu jeder Kavität geliefert wird.
Die US 4,771,153 beschreibt eine Vorrichtung für das Heizen von Keramiken auf hohe Temperaturen und mit einer mit Hilfe von Mikrowellen gesteuerten Geschwindigkeit. Das beschriebene Verfahren verwendet eine Resonatorkavität mit einer einstellbaren Iris für das Einfügen bzw. Einkoppeln der Mikrowellenleistung. Die Temperaturerfassung an der Probe innerhalb der Kavität liefert Signale, um die Frequenz und die Energie in der Kavität einzustellen. Die Steuereinrichtung erlaubt die Steuerung der Größe der Öffnung der Iris und der Frequenz.
Die US 5,033,478 beschreibt eine Heizvorrichtung für die Hyperthermie unter Verwendung von elektromagnetischen Wellen für das lokale Erhitzen karzinogener Zellen innerhalb eines lebenden Körpers. Die Vorrichtung arbeitet bei einer festen Frequenz für die erforderlichen Konditionen. Sie lehrt das Zeitmultiplexen, um verschiedene Proben gleichzeitig zu bestrahlen. Das Niveau der Ausgangsleistung der Mikrowellengeneratoren wird variiert.
Die US 4,314,128 beschreibt eine Vorrichtung für das Errichten eines gleichförmigen Temperaturgradienten über einer Probe, wie er erzeugt wird durch Hindurchziehen durch eine Schmelze. Das beschriebene System stellt die separate Steuerung des Frequenzdurchlaufbereichs und der Leistung an verschiedenen Orten in der Probe zur Verfügung, um die gewünschten lateralen Temperaturen zu erzielen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz bereitgestellt für das Verarbeiten ausgewählter Materialien, die aufweist: einen Mikrowellenofen einschließlich einer Multimodenkavität für das Verarbeiten der ausgewählten Materialien, eine Einrichtung für das gleichzeitige Bestrahlen der ausgewählten Materialien mit zumindest zwei Mikrowellensignalen mit zumindest zwei Frequenzen, die von den zumindest zwei Mikrowellensignalen festgelegt werden, um eine Mehrzahl von reflektierten Frequenzen zu erzeugen, eine Einrichtung für das Messen von Mikrowellensignalen innerhalb der Multimodenkavität, wobei die gemessenen Signale zumindest zwei der Mehrzahl von reflektierten Frequenzen beinhalten, um eine diagnostische Information zu erhalten, eine Einrichtung für die Verarbeitung der diagnostischen Information, die aus den gemessenen Mikrowellensignalen erhalten wurde, und eine Einrichtung für das Steuern zumindest einer der zumindest zwei Frequenzen basierend auf den Ergebnissen der verarbeiteten diagnostischen Information, die aus den gemessenen Mikrowellensignalen erhalten wurde.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren für das Verarbeiten eines ausgewählten Materials bereitgestellt, das die Schritte aufweist: a) Plazieren des ausgewählten Materials in einer Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz, die einen Mikrowellenofen beinhaltet, der eine Multimodenkavität beinhaltet, b) simultanes Bestrahlen des ausgewählten Materials mit zumindest zwei Mikrowellensignalen mit zumindest zwei Frequenzen, die durch die zumindest zwei Mikrowellensignale festgelegt werden, um eine Mehrzahl von reflektierten Frequenzen zu erzeugen, c) Messen der Mikrowellensignale innerhalb der Multimodenkavität, wobei die gemessenen Mikrowellensignale zumindest zwei der Mehrzahl von reflektierten Frequenzen beinhal ten, um eine diagnostische Information zu erhalten, d) Verarbeiten der diagnostischen Information, die in dem Schritt des Messens der Mikrowellensignale erhalten wurde, und e) Steuern zumindest einer der zumindest zwei Frequenzen basierend auf Ergebnissen des Schritts der Verarbeitung der diagnostischen Information, die in dem Schritt der Messung der Mikrowellensignale erhalten wurde.
Keine der Referenzen des Standes der Technik, die oben beschrieben wurden, einschließlich der ebenfalls anhängigen US-Anmeldung Seriennr. 07/792,103, erkennt explizit den diagnostischen Wert des gleichzeitigen Bereitstellens von mehreren Mikrowellenfrequenzen für das signifikante Verbessern der Effizienz von der Mikrowellenverarbeitung und für das Erreichen eines hohen Grades von Verarbeitungssteuerung durch Extrahieren nützlicher Information aus den mehreren Mikrowellenfrequenzen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erlauben die Modulation der Frequenz der Mikrowellen, die in die Ofenkavität eingefügt werden, für das Testen oder für andere ausgewählte Anwendungen. Einige anwendbare Prozesse beinhalten die Wärmebehandlung, die Sterilisation, das Sintern, die Plasmaverarbeitung, die Erzverarbeitung, die Polymerisation, das Ätzen und das Präparieren von Filmen. Vorzugsweise erlaubt das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Überwachung eines Mikrowellenprozesses, um die Resonanzfrequenz, bei der das Targetmaterial verarbeitet wird, zu optimieren.
Ein Mikrowellensignalgenerator wird bereitgestellt für das Erzeugen eines niedrigenergetischen Mikrowellensignals für den Eingang zu einem Mikrowellenverstärker. Der Signalgenerator der bevorzugten Ausführungsform ist in der Lage, einen gegebenen Frequenzbereich zu durchlaufen, im Pulsmodus zu arbeiten, die Frequenz des Mikrowellensignals zu modulieren und verschiedene komplexe Wellenformen zu erzeugen. Der Mikrowellensignalgenerator der bevorzugten Ausführungsform kann im Pulsmodus unter Verwendung eines internen Impulsgenerators betrieben werden oder er kann extern gepulst werden. Ein interner Modulator wird für die Breitbandmodulation bereitgestellt. Der interne Modulator kann in dem AM-Modus oder in dem FM-Modus arbeiten.
Ein Spannungscontroller dient dazu, die Amplitude des mikrowellenspannungsgesteuerten Oszillators zu modulieren. Der mikrowellenspannungsgesteuerte Oszillator kann neben dem Mikrowellensignalgenerator verwendet werden, um die Frequenz und die Amplitude der erzeugten Mikrowelle zu modifizieren.
Ein erster Verstärker kann bereitgestellt werden, um die Größe des Signalausgangs von dem Mikrowellensignalgenerator oder dem mikrowellenspannungsgesteuerten Oszillator zu verstärken. Der erste Verstärker der bevorzugten Ausführungsform ist spannungsgesteuert, daher ist die Verstärkung einstellbar, so daß die Größe des Ausgangs durch den Benutzer auswählbar ist.
Ein zweiter Verstärker wird bereitgestellt für das Verarbeiten des Signalausgangs durch den ersten Verstärker oder von dem Mikrowellensignalgenerator oder dem mikrowellenspannungsgesteuerten Oszillator, wenn ein erster Verstärker nicht eingesetzt wird. Der zweite Verstärker gibt ein Hochleistungsmikrowellensignal zu der Ofenkavität aus, wobei das Werkstück dieser ausgesetzt wird. In der bevorzugten Ausführungsform kann der zweite Verstärker irgendeiner der folgenden sein: Helix-Wanderfeldröhre (TWT), TWT mit gekoppelter Kavität, Ringschleifen-TWT, Ringbalken- TWT, Klystron, Twystron oder ein Gyroton. Diese Vorrichtungen beinhalten eine innere Kühleinrichtung, die konstruiert ist, um die Wärme, die von dem Verstärker während des Normalbetriebs angesammelt wird, abzuleiten.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der Oszillator und der erste und der zweite Verstärker mit einem frequenzbeweglichen Koaxial-Magnetron ersetzt werden, wobei die Frequenz hiervon manuell, mechanisch oder elektrisch eingestellt werden kann.
Eine Energieversorgung wird für den Betrieb des zweiten Verstärkers bereitgestellt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Energieversorgung eine direkte Stromquelle, die aus einer präzisionsregulierten Helix-Energieversorgung und einer weniger regulierten Kollektorhochspannungsversorgung besteht.
Ein direktionaler Koppler wird für das Erfassen der Richtung eines Signals und für das Weiterleiten des Signals abhängig von der erfaßten Richtung bereitgestellt. Ein Signal, das von der Mikrowellenquelle empfangen wird, wird in die Mikrowellenkavität gerichtet. Ein Signal, das von der Richtung der Mikrowellenkavität empfangen wird, wird zu einem Verbraucher für reflektierte Energie gerichtet. Der direktionale Koppler stellt somit eine Einrichtung zur Verfügung, durch die reflektierte Energie von der Mikrowellenquelle weg verteilt wird, um die Mikrowellenquelle gegenüber nicht von dem Werkstück absorbierter Leistung zu schützen. Der direktionale Koppler der bevorzugten Ausführungsform ist wassergekühlt für das Abführen von Wärme, die sich durch die Transmission von Leistung von der Mikrowellenquelle und der Reflexion von Energie von der Mikrowellenkavität angesammelt hat.
Ein erster Energiemesser wird bereitgestellt für das Messen der Energie, die zu der Mikrowellenkavität geliefert wird. Der erste Energiemesser wird in Verbindung mit einem zweiten Energiemesser, der derart positioniert ist, daß er die reflektierte Energie von der Mikrowellenkavität mißt, verwendet, um die Effizienz der Mikrowellenkavität zu überwachen und sicherzustellen, daß die reflektierte Leistung in dem Verbraucher für reflektierte Leistung und nicht in dem zweiten Verstärker dissipiert wird.
Der Verbraucher für reflektierte Leistung kann ebenso verwendet werden, um die Funktionalität des Systems zu testen durch Entfernen aller Werkstücke aus der Ofenkavität, wodurch somit das gesamte Signal von dem zweiten Verstärker zu dem Verbraucher für reflektierte Energie gerichtet wird. Vergleiche zwischen von dem Verbraucher für reflektierte Energie empfangener Leistung und der Energie, die von dem zweiten Verstärker geliefert wird, können durchgeführt werden, um jegliche Systemverluste zu bestimmen.
Die Größe der reflektierten Energie wird von dem zweiten Energiemesser erfaßt. Diese Größe kann verwendet werden, um die Effizienz der Momentanfrequenz der Mikrowelle, die in die Mikrowellenkavität eingefügt wird, zu bestimmen. Eine niedrige bzw. geringe reflektierte Leistung wird eine effizientere Arbeitsfrequenz anzeigen aufgrund der höheren Absorptionsrate des ausgewählten Werkstücks.
Ein sich verjüngender Übergang kann bereitgestellt werden, um die Effizienz zu verbessern, mit der die Breitbandmikrowellenenergie in die Mikrowellenkavität gekoppelt wird. Durch das Fungie ren als ein Impedanzwandler zwischen der Übertragungsleitung und der Mikrowellenkavität erhöht dieser Übergang die prozentuale Leistung, die in die Kavität gekoppelt wird. Zusätzlich stellt dieser sich verjüngende Übergang für Anwendungen, in denen die Mikrowellenenergie in eine Kavität gekoppelt werden muß, in der sich reaktive Gase befinden, eine Einrichtung zur Reduktion der Energiedichte der Mikrowellenenergie an der Schnittstelle zwischen dem Fenster und den reaktiven Gasen zur Verfügung, wodurch das Bilden von Plasmaentladung an dem Eingangsfenster verhindert wird.
Die verschiedenen Ausführungsformen der Mikrowellenheizvorrichtungen, wie sie bis hierher beschrieben wurden, werden in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der zweite Verstärker als erstes bei einem niedrigen Energieniveau betrieben, während die Mikrowellenkavität leer bleibt. Der zweite Verstärker wird verwendet, um die leere mikrowellenverarbeitende Kavität über dem Frequenzbereich zu durchlaufen, der untersucht wird. Die durch den direktionalen Koppler reflektierte Leistung wird dann gemessen, um einen Prozentsatz der Energie, die zu der Kavität übertragen und zurück zu dem zweiten Verstärker reflektiert wurde, zu bestimmen. Messungen werden vorgenommen, um die reflektierte Energie als eine Funktion der Frequenz zu bestimmen, von der die resonanten Moden der mikrowellenverarbeitenden Kavität schnell und genau bestimmt werden. Durch Vergleichen der reflektierten Energie bei den verschiedenen Kavitätsmoden kann die optimale Kavitätsmode unmittelbar identifiziert werden.
Die zu verarbeitende Probe wird dann in der Mikrowellenkavität plaziert. Der Frequenzbereich wird erneut bei einem niedrigen Energieniveau durchlaufen. Die Anwesenheit der Probe in der Mikrowellenkavität hat den Effekt der Verschiebung des Modenmusters zu tieferen Frequenzen. Zusätzlich erscheinen neue Moden. Die ursprüngliche Resonanzfrequenz, bei der die Probe verarbeitet wird, wird als die Frequenz bestimmt, bei der die effizienteste Mode auftritt. Die Ausgangsleistung wird dann erhöht, um die Mikrowellenverarbeitung zu beginnen. Unter Hochleistungsbedingungen kann das Gas oder die Probe stark unterschiedliche Eigenschaften zeigen, als wenn das System kalt ist. Diese veränderten Bedingungen können das Modenmuster innerhalb der Kavität beeinflussen, was veranlaßt, daß die Frequenz der gewünschten resonanten Mode driftet. Somit erzielt das Überwachen solcher reflektierter Leistung die Fähigkeit, eine optimale Kopplung beizubehalten. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die prozentuale reflektierte Energie über einen engen Frequenzbereich nahe der gewünschten Mode überwacht, was somit erlaubt, daß die Effizienz des Prozesses bei einem Maximum gehalten wird.
Durch Verwendung der Fähigkeit des TWT, mehrere simultane Signale bei unterschiedlichen Frequenzen zu handhaben, während das Plasma angetrieben oder die Probe mit einem hohen Energieniveau geheizt wird unter Verwendung der ursprünglichen bewegten Resonanzfrequenz, wird die Mikrowellenkammer gleichzeitig mit einem Niedrigenergiesignal über den gesamten Frequenzbereich untersucht. Die prozentuale reflektierte Energie gegenüber der Frequenz wird dann für dieses niederenergetische Untersuchungssignal bestimmt. Das Hochenergiemodenspektrum wird dann mit dem Niedrigenergiemodenspektrum verglichen, was der Grundzustand ist. Ein Vergleich der Modenspektren stellt die Effektivität der ausgewählten Resonanzfrequenz dar. Somit kann eine geeignetere Hochleistungsresonanzfrequenz gewählt werden. Dieses Verfahren wird in manchen Fällen die Entdeckung und die Verwendung einer Mode beinhalten, die unter der ursprünglichen niederenergetischen Bedingung nicht existent ist oder die unter der Niedrigenergieuntersuchung nicht optimal erscheint.
Während fortgesetzt wird, eine ausgewählte Mode unter Verwendung des ursprünglichen Niedrigenergiekriteriums anzutreiben, kann eine zweite resonante Frequenzcharakteristik des heißen Plasmas oder der Probe simultan mit hoher Leistung angetrieben werden. Die Verarbeitung der Probe kann somit gleichzeitig bei zwei Moden durchgeführt werden im Gegensatz zu der Verwendung einer Mode für die Verarbeitung und der anderen grundsätzlich für die Überwachung.
In einem mikrowellenunterstützten Abscheidungsprozeß für Abscheidungsmaterialien, wie z. B. Diamant, die eine Resonanz innerhalb des Frequenzbereichs des TWT haben, kann eine Niedrigenergiefrequenzuntersuchung als direkter Sensor verwendet werden, um das Filmwachstum zu überwachen. Gleichzeitig wird ein Hochenergiesignal verwendet, um die Abscheidung zu erzielen. Durch Korrelieren der Stärke der Absorption bei dieser Frequenz mit der Filmdicke wird eine in situ-Erfassung des Niveaus der intelligenten Prozeßsteuerung erzielt.
Alternativ zu der direkten Erfassung des Filmwachstums, wie angezeigt, können indirekte Verfahren ebenso verwendet werden. Solche Fälle treten insbesondere auf, wenn die optimale Resonanzfrequenz für den Film außerhalb des Frequenzbereichs des zweiten Verstärkers liegt. Eine indirekte Technik für das Erfassen der Filmabscheidung beinhaltet das Plazieren einer Probe eines dielektrischen Materials in der Mikrowellenkammer, so daß das Material eine Resonanzfrequenz innerhalb des Frequenzbereichs des zweiten Verstärkers hat. Wenn das dielektrische Material beschichtet wird, wird die Veränderung in der Resonanzfrequenz als ein Maß der Beschichtungsdicke verwendet.
In einem anderen Verfahren der indirekten Erfassung der Filmabscheidung wird ein piezoelektrischer Kristall verwendet. Der piezoelektrische Kristall hat eine Resonanzfrequenz, die sich verändert, wenn sich die abgeschiedene Filmdicke erhöht. Der Kristall wird direkt durch den zweiten Verstärker oder durch eine externe elektronische Einrichtung angeregt, wobei die Antwort während des Niedrigenergiemikrowellendurchlaufs gemessen wird.
Die Werte der reflektierten Energie bei jeder der n Frequenzen können als ein Vektor der Dimension n ausgedrückt werden. Jede Anzahl solcher Vektoren oder Signaturen ist meßbar, wobei jede einen anderen Satz von Prozeßbedingungen darstellt. Diese Signaturen werden dann verwendet, um ein neuronales Netzwerk oder einen anderen Musterklassifizierer auszubilden bzw. zu trainieren. Der Musterklassifizierer überwacht den Prozeß in Echtzeit und stellt ein Niveau der aktiven Kontrolle durch das automatische Einstellen der Prozeßparameter zur Verfügung, um die Konditionen beizubehalten, die die Signaturcharakteristik des gewünschten Arbeitsbereichs erzielen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die oben erwähnten Merkmale der Erfindung lassen sich leichter verstehen anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zusammen mit den Figuren, in denen:
1 ein schematisches Diagramm der bevorzugten Ausführungsform des Mikrowellenofensystems variabler Frequenz der vorliegenden Erfindung ist,
2 ein schematisches Diagramm einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Mikrowellenofensystems mit variabler Frequenz der vorliegenden Erfindung darstellt,
3 eine perspektivische Ansicht der Wanderfeldröhre ist, teilweise im Schnitt gezeigt, die in dem Mikrowellenofensystem variabler Frequenz der vorliegenden Erfindung enthalten ist,
4 ein schematisches Diagramm einer Wanderfeldröhre ist, die in dem Mikrowellenofensystem variabler Frequenz der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist,
5 eine Endansicht auf die Wanderfeldröhre ist, gezeigt im Querschnitt, die in dem Mikrowellenofensystem variabler Frequenz der vorliegenden Erfindung aufgenommen ist,
6 ein schematisches Diagramm einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz der vorliegenden Erfindung darstellt,
7 ein schematisches Diagramm einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz der vorliegenden Erfindung darstellt,
8 eine graphische Darstellung eines Modenmusters einer leeren Mikrowellenkavität ist, die eine prozentuale reflektierte Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt,
9 eine graphische Darstellung eines Modenmusters einer Mikrowellenkavität mit einer darin plazierten Belastung ist, die die prozentuale reflektierte Energie in Abhängigkeit von der Frequenz darstellt und als Überlagerung die Darstellung von 8, wodurch somit die Variation der Modenmuster innerhalb einer Mikrowellenkavität als abhängig von der darin plazierten Last dargestellt wird, und
10 eine Ansicht einer Ofenkavität ist, in der ein dielektrischer Körper zusammen mit dem Werkstück während eines mikrowellenunterstützten Beschichtungsprozesses plaziert ist, wobei Veränderungen in den Resonanzeigenschaften des dielektrischen Körpers die Dicke der Beschichtung, die auf sowohl dem dielektrischen Körper als auch dem Werkstück abgeschieden wurde, anzeigt.
Bester Modus für das Ausführen der Erfindung
Eine Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz, die verschiedene Merkmale der vorliegenden Erfindung aufnimmt, ist, allgemein mit 10 bezeichnet, in den Figuren gezeigt. Die Mikrowellenheizvorrichtung 10 wird eingesetzt, um das Mikrowellenverarbeitungsverfahren der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Die Mikrowellenheizvorrichtung 10 ist ausgelegt, um die Modulation der Frequenz der Mikrowellen, die in einer Mikrowellenkavität für die Untersuchung oder für andere ausgewählte Anwendungen eingefügt wird, zu erlauben. Solch eine Modulation ist nützlich in Untersuchungsprozeduren, um die effizientesten Frequenzen zu bestimmen, bei denen ein bestimmtes Material verarbeitet werden kann. Die Frequenzmodulation ist ebenso nützlich als ein Verfahren der Modendurchmischung als eine Maßnahme, um eine gleichförmigere Energieverteilung in einer relativ kleinen Ofenkavität zu erzeugen.
Die Frequenzmodulationsüberprüfung ist nützlich nicht nur bei der Bestimmung von effizienten Sinterfrequenzen eines ausgewählten Materials, sondern ebenso bei der Bestimmung der effizientesten Sinterfrequenzen für die einzelnen Phasen eines ausgewählten Materials. In derselben Art ist die Frequenzmodulation nützlich bei der Verarbeitung eines Materials, das Phasenübergänge durchläuft, wobei jede Phase des Materials effizienter an eine Frequenz koppelt, die sich von der der anderen Phasen unterscheidet. Weiterhin ist die Frequenzmodulation nützlich, wenn zusammengesetzte Materialien verarbeitet werden, wobei jede Komponente an eine andere Frequenz als die anderen Komponenten koppelt.
1 stellt schematisch die bevorzugte Ausführungsform der Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz 10 der vorliegenden Erfindung dar, wobei ein ausgewähltes Werkstück 36 zu verarbeiten ist. Anwendbare Prozesse beinhalten – sind jedoch nicht begrenzt auf – die Wärmebehandlung, die Sterilisation, das Sintern, die Plasmaverarbeitung, die Erzverarbeitung, die Polymerisation, das Ätzen und das Präparieren von Filmen. Es versteht sich, daß der Begriff "Werkstück", so wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, sich auf ein ausgewähltes Material oder eine Zusammensetzung von Materialien bezieht. Der Ausdruck "Werkstück" kann weiterhin solch ein ausgewähltes Material oder eine Zusammensetzung von Materialien beinhalten, bei denen zumindest eines der Materialien zumindest einen Phasenübergang durchläuft, und ist daher zu einer gegebenen Zeit in mehr als einer Phase.
Ein spannungsgesteuerter Mikrowellenoszillator 14 wird bereitgestellt für das Erzeugen eines niederenergetischen Mikrowellensignals für die Eingabe in den Mikrowellenofen 32. Ein komplexer Wellenformerzeuger 12 stellt dem spannungsgesteuerten Oszillator 14 die Steuerspannung zur Verfügung, was den spannungsgesteuerten Oszillator veranlaßt, einen gegebenen Bereich von Frequenzen zu durchlaufen, im Pulsmodus zu arbeiten, die Frequenz des Mikrowellensignals zu modulieren und verschiedene komplexe Wellenformen zu erzeugen.
Der komplexe Wellenformgenerator 12 der bevorzugten Ausführungsform kann im Pulsmodus betrieben werden unter Verwendung eines internen Pulsgenerators oder er kann extern gepulst werden. Ein interner Modulator ist für die Breitbandmodulation bereitgestellt. Der interne Modulator kann im AM-Modus oder in dem FM-Modus arbeiten.
Der spannungsgesteuerte Mikrowellenoszillator 14 erzeugt ein Mikrowellensignal einer Frequenz, die durch die Spannung, die an den spannungsgesteuerten Oszillator 14 durch den Wellenformgenerator 12 angelegt wird, bestimmt wird. Es kann wünschenswert sein, die Frequenz der Mikrowelle zu modulieren, wenn ein ausgewähltes Material effizient mit einer bestimmten Frequenz koppeln kann und ein hohes Spannungsniveau erfordert, während ein zweites Material effizienter mit einer anderen Frequenz und bei einem niedrigeren oder höheren Spannungsniveau koppeln kann. Der spannungsgesteuerte Mikrowellenoszillator 14 kann in Verwendung mit dem komplexen Wellenformgenerator 12 verwendet werden, um die Frequenz der erzeugten Mikrowelle zu modifizieren.
Man wird sehen, daß die Anzahl von möglichen Kombinationen von Frequenzen und Energieniveaus zahlreich ist. Weiterhin mit der Verfügbarkeit solcher Frequenzen und der Amplitudenmodulation wird man sehen, daß die Verarbeitung eines Werkstücks 36 verwirklicht werden kann durch Verändern der Frequenz und der Amplitude der Mikrowelle, um eine maximale Verarbeitungseffizienz zu erzielen. Die Modulationen können mit solchen Geschwindigkeiten auftreten, daß sie durch das Werkstück 36 nicht erfaßbar sind, jedoch eine maximale Verarbeitungseffizienz für jedes Material und jede Materialphase erzeugen.
Ein erster Verstärker 18 kann bereitgestellt werden, um die Leistung des Signalausgangs von dem spannungsgesteuerten Mikrowellenoszillator 14 zu verstärken. Der erste Verstärker 18 der bevorzugten Ausführungsform ist spannungsgesteuert, daher ist die Verstärkung einstellbar, so daß die Amplitude des Ausgangs von dem Benutzer auswählbar ist. Während des Betriebs der Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz 10 kann der Benutzer gleichzeitig den ersten Verstärker 18 einstellen, so daß die Amplitude der Mikrowelle entsprechend eingestellt ist. Die Steuerspannung für den ersten Verstärker 18 kann ebenso von dem komplexen Wellenformgenerator 12 geliefert werden, was es erlaubt, daß die Amplitude des Signalausgangs auf jede gewünschte Art moduliert wird.
Ein zweiter Verstärker 20 wird bereitgestellt für die Verarbeitung des Signalausgangs durch den ersten Verstärker 18 oder von dem spannungsgesteuerten Mikrowellenoszillator 14, wenn ein erster Verstärker 18 nicht eingesetzt wird. Der zweite Verstärker 20 gibt den Mikrowelleneingang zu der Multimodenofenkavität 34 aus, wobei das Werkstück 36 dem Signal ausgesetzt ist. In den bevorzugten Ausführungsformen kann der zweite Verstärker 20 irgendeiner der folgenden Verstärker sein: Helix-Wanderfeldröhre (TWT), TWT-gekoppelte Kavität, Ringschleifen-TWT, Ringbalken-TWT, ein Klystron, ein Twystron oder ein Gyrotron.
Das TWT 20 ist eine Linearstrahlvorrichtung, bei der ein Signal mit einer ausgewählten Frequenz und Wellenform verstärkt und ausgegeben wird. Der TWT 20 hat die Fähigkeit des Verstärkens irgendeiner ausgewählten Frequenz oder Wellenform innerhalb eines Bereichs oder einer Bandbreite, die durch die Konfiguration des TWT 20 festgelegt wird. Genauer gesagt begrenzt die physikalische Geometrie des TWT 20 den Frequenzbereich, so daß ein hohes Limit erreicht wird. Auf ein gegenwirkendes Signal wird gestoßen, was die Erscheinung einer zweiten Welle ergibt.
Um eine Frequenz, die höher oder niedriger ist als die, die das TWT 20, das in einer bestimmten Konfiguration aufgenommen ist, verarbeiten kann, zu erzielen, wird die interne Geometrie des TWT 20, insbesondere die Steigung der Helix 40, verändert. In dem zuletzt erwähnten TWT 20 wird ein neuer Frequenzbereich festgelegt. Man wird sehen, daß daher eine Vielzahl von Konfigurationen von TWTs 20 möglich ist, so daß ein breiterer Bereich von Frequenzen erreicht werden kann. Zu diesem Zweck werden die TWTs 20 der vorliegenden Erfindung derart ausgelegt, daß sie selektiv aus der Mikrowellenheizvorrichtung 10 variabler Frequenz entfernbar sind und mit anderen solchen TWTs 20 austauschbar sind. Infolgedessen können ein einzelner spannungsgesteuerter Mikrowellenoszillator 14, ein Mikrowellenofen 32 und eine Mikrowellenofenkavität 34 mit einer Vielzahl von TWTs 20 verwendet werden, was somit erlaubt, daß eine Reihe von identischen Tests mit der Mikrowellenfrequenz als im wesentlichen einzigen Variable durchgeführt werden können. Ein TWT 20 kann einen Frequenzbereich von 4 GHz bis 8 GHz festlegen, während ein anderes TWT 20' einen Frequenzbereich von 8 GHz bis 16 GHz festlegt. Noch ein anderes TWT 20'' kann einen dritten Frequenzbereich festlegen. Die Wechselwirkung des TWT 20 mit dem TWT 20' legt einen Gesamt bereich von 4 GHz bis 16 GHz fest. Ein solches TWT 20, das einen Bereich von 4 GHz bis 8 GHz festlegt, ist das Modell T-1096G/H Bandhelix-TWT, das von Microwave Laboratories, Inc. hergestellt wird. Die Spezifikationen für das Modell T-1096 sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Wie früher erwähnt wurde, ist die Wanderfeldröhre 20 eine lineare Strahlvorrichtung, die durch ein wanderndes elektrisches Feld charakterisiert wird, welches kontinuierlich Energie longitudinal entlang des Pfades eines Elektronenstrahls extrahiert. Wie graphisch in 3 und schematisch in 4 gezeigt ist, wird ein typischer TWT 20 mit einem Elektronenkanonenaufbau 44, der an dem ersten Ende 46 einer Einzeldrahthelix 40 befestigt ist, konstruiert. Der Kanonenaufbau 44 erzeugt einen fokussierten Elektronenstrahl, der durch das Zentrum der Helix 40 gerichtet ist. Sich verjüngende Kohlenstoffabschwächer 50, die integral mit der Helix 40 sind, dienen als direktionale Koppler, die Reflexionen daran hindern, zurück zu dem Rohreingang geleitet zu werden. Die RF-Eingangs- und -Ausgangswicklungen 52, 54 sind an der Kathode bzw. dem Kollektorende 46, 48 der Helix 40 plaziert.
Ein Kollektor 56, der positiv geladen ist, ist an dem zweiten Ende 48 der Helix 40 lokalisiert. Der Kollektor 56 stellt die Quelle der Energie für den Betrieb des TWT 20 bereit. Strahlfokussierende und einschließende Magnete 58 umgeben den gesamten Aufbau des TWT 20.
Elektronen, die die Achse der Helix 40 überqueren, wechselwirken mit der RF-Welle, die sich entlang der Helix 40 ausbreitet, so daß Energie von dem Elektronenstrahl zu der RF-Welle übertragen wird. Diese Wechselwirkung ist kontinuierlich und kumulativ, was die Amplitude des RF-Signals erhöht, wenn sie sich entlang der Helix 40 ausbreitet.
Der zweite Verstärker 20 der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet eine interne Kühlvorrichtung 38, die derart ausgelegt ist, daß sie die Wärme dissipiert, die von dem zweiten Verstärker 20 während des Normalbetriebs angesammelt wird. Genauer gesagt werden in dem Fall einer helixförmigen TWT die Helix der TWT 20 und die Helixunterstützungen 42 aus ausgewählten Materialien hergestellt, um diese Funktion durchzuführen. Die Helix-TWT 20 der bevorzugten Ausführungsform ist mit einer Helix 40 ausgestattet, die aus flachem Kupferdraht hergestellt ist. Eine Mehrzahl von Haltern 42 sind in einer parallelen Art und Weise um die longitudinale Achse der Helix-TWT 20 positioniert, um die Kupferdraht gewickelt ist, wobei die Halter 42 dazu dienen, die Helix 40 zu halten, die durch den Kupferdraht festgelegt wird, und weiterhin die Wärme, die zu dem Kupferdraht während des Betriebs der Helix-TWT 20 übertragen wird, zu dissipieren. In der bevorzugten Ausführungsform legen die Halter 42 einen Querschnitt mit zumindest einer im wesentlichen flachen Seite 43 fest, wobei die flache Seite 43 im wesentlichen in Kontakt mit dem Kupferdraht ist.
Weiterhin werden die Halter 42 der bevorzugten Ausführungsform aus Berylliumoxid hergestellt. Es ist bekannt, daß, obgleich Berylliumoxid ein elektrischer Isolator ist, es ebenso ein exzellenter Wärmeleiter ist. Der Kupferdraht, der einen flachen Querschnitt festlegt und im wesentlichen die flache Seite 43 der Halter 42 kontaktiert, stellt eine effiziente und gründliche Dissipation der Wärme, die zu dem Kupferdraht übertragen wurde, zur Verfügung, was somit eine Kühlvorrichtung 38 für den internen Teil der Helix-TWT 20 bereitstellt und somit die Lebensdauer der Helix-TWT verlängert.
Eine Energieversorgung 22 ist für den Betrieb des zweiten Verstärkers 20 bereitgestellt. Obgleich nicht einzeln in den Figuren dargestellt, ist die bevorzugte Energieversorgung 22 eine Gleichstromquelle, die aus einer präzisionsregulierten Kathodenenergieversorgung und einer weniger regulierten Kollektorhochspannungsversorgung besteht. Die Ausgangsregulierung für die Kathodenversorgung wird verwirklicht durch einen Rohrregulatorkreis unter Verwendung einer Tetrodenröhre. Eine solche Röhre ist die Eimac 4PR400A-Röhre. Die Regulierung für die Kollektorversorgung und die Kathodenrohversorgung wird verwirklicht mit einem elektromechanischen Regulierer. Die Kollektorversorgung der bevorzugten Ausführungsform ist mit zwei Schaltplatten für die Auswahl der Ausgangsbereiche ausgestattet. Eine typische Energieversorgung 22, die verwendet wird, um den zweiten Verstärker 20 anzutreiben, ist die Hochspannungsenergieversorgung Universal Voltronics Modell BRE-15-140-ML. Die Spezifikationen der Universal Voltronics Energieversorgung sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Wie in 2 gezeigt ist, kann die Mikrowellenheizvorrichtung 10 variabler Frequenz ohne die Verwendung eines spannungsgesteuerten Mikrowellenoszillators 14 und eines ersten Verstärkers 18 betrieben werden. In dieser Ausführungsform wird der Mikrowellensignalgenerator 12 unabhängig eingesetzt, um ein ausgewähltes Signal zu erzeugen, das direkt ohne weitere Modifikationen ausgegeben wird. Ein solcher Mikrowellensignalgenerator 12 ist der Modell 672-Signalgenerator, der von Wiltron hergestellt wird. In dieser Ausführungsform wird die Amplitudenmodulation innerhalb der Energieversorgung 22 des zweiten Verstärkers 20 durchgeführt.
Unter Bezug auf die 1 und 2 wird ein direktionaler Koppler 24 bereitgestellt für das Erfassen der Richtung eines Signals und weiterhin für das Richten des Signals abhängig von der erfaßten Richtung. Der direktionale Koppler 24 wird in der Nähe des Kollektorendes des zweiten Verstärkers 20 bereitgestellt. Ein Signal, das von dem zweiten Verstärker 20 empfangen wird, wird zu der Mikrowellenkavität 32 gerichtet. Ein Signal, das aus der Richtung der Mikrowellenkavität 32 empfangen wird, wird zu einer reflektierten Energielast 28 gerichtet. Der direktionale Koppler 24 stellt somit Mittel bereit, wobei ein reflektiertes Signal – d. h. Energie, die nicht von dem Werkstück 36 absorbiert wurde und daher zurück zu der Quelle 20 gerichtet wird – von dem zweiten Verstärker 20 abgelenkt wird, um den zweiten Verstärker 20 gegenüber der nicht von dem Werkstück 36 absorbierten Energie zu schützen. Die reflektierte Energielast 28 der bevorzugten Ausführungsform ist wassergekühlt für die Dissipation der Wärme, die durch die Reflexion der Energie durch die Mikrowellenkavität 32 angesammelt wurde.
Ein erster Energiemesser 30 wird bereitgestellt für das Messen der Energie, die zu der Mikrowellenkavität 32 geliefert wird. Der erste Energiemesser 30 wird in Verbindung mit einem zweiten Energiemesser 26 verwendet, der positioniert ist, um die reflektierte Energie von dem Mikrowellen ofen 32 zu messen, um die Effizienz des Mikrowellenofens zu überwachen und um sicherzustellen, daß reflektierte Energie in dem Verbraucher für reflektierte Energie 28 dissipiert wird und nicht durch den zweiten Verstärker 20.
Der Signalausgang von dem zweiten Verstärker 20 wird in die Mikrowellenkavität 34 für die Absorption durch das ausgewählte Werkstück 36 eingefügt. Typischerweise wird das eingefügte Signal nicht vollständig durch das Werkstück 36 absorbiert und wird daher zurück zu dem zweiten Verstärker 20 reflektiert mit keinem anderen Pfad, dem es folgen kann.
Das reflektierte Signal erreicht den direktionalen Koppler 24 und wird dort zu dem zweiten Energiemesser 26 und schließlich zu dem Verbraucher für reflektierte Energie 28 umgeleitet. Die reflektierte Energie wird in dem Verbraucher für reflektierte Energie 28 dissipiert, wie vorher erwähnt, in einem Versuch, die Langlebigkeit des zweiten Verstärkers 20 zu schützen. Der Verbraucher für reflektierte Energie 28 kann ebenso verwendet werden, um die Funktionalität des Systems zu untersuchen durch Entfernen aller Werkstücke 36 aus der Ofenkavität 34, wodurch somit die gesamte Last von dem zweiten Verstärker 20 zu dem Verbraucher für reflektierte Energie 28 gerichtet wird. Vergleiche der Energie, die von dem Verbraucher für reflektierte Energie 28 empfangen wird, und der Energie, die von dem zweiten Verstärker 20 geliefert wird, können durchgeführt werden, um jegliche Systemverluste zu bestimmen.
Die Größe der reflektierten Energie wird von dem zweiten Energiemesser 26 erfaßt. Diese Größe kann verwendet werden, um die Effizienz der Momentanfrequenz der Mikrowelle, die in die Mikrowellenkavität 34 eingefügt wird, zu bestimmen. Eine niedrige reflektierte Energie wird eine effizientere Arbeitsfrequenz anzeigen aufgrund der höheren Absorptionsrate des ausgewählten Werkstücks 36.
In 6 ist eine alternative Ausführungsform der Mikrowellenheizvorrichtung 10' variabler Frequenz gezeigt. In dieser Ausführungsform empfängt eine Energie- und Temperaturanzeige und ein Controller 60 einen Eingang von einem Energiemonitor 62 und einem Temperatursensor 64. Der Energiemonitor 62 empfängt einen Eingang von dem direktionalen Koppler 24' und bietet dieselben Basisfunktionen wie die Energiemesser 26, 30 für die reflektierte und weitergeleitete Energie, die in der vorher beschriebenen Ausführungsform inkorporiert sind. Die Energie- und Temperaturanzeige und der Controller 60 dienen weiterhin dazu, den Mikrowellenoszillator 14', die Energiesteuerung des Vorverstärkers 18' und die TWT-Energieversorgung 22' zu steuern. Ein Kühlsystem 66 wird für die Kühlung zumindest des TWT 20 während dessen Betrieb bereitgestellt.
Ein sich verjüngender Wellenleiterkoppler 68 kann bereitgestellt werden, um die Effizienz zu verbessern, mit der die Breitbandmikrowellenenergie in die Mikrowellenkavität gekoppelt wird. Durch Fungieren als ein Impedanztransformator zwischen der Übertragungsleitung von dem direktionalen Koppler 24' und der Mikrowellenkavität 32' erhöht dieser Übergang die prozentuale Leistung, die in die Mikrowellenkavität 32' gekoppelt wird. Zusätzlich stellt der sich verjüngende Wellenleiter 68 für Anwendungen, in denen die Mikrowellenenergie in eine Mikrowellenkavität 32', in der reaktive Gase präsent sind, eingekoppelt werden muß, ein Mittel zum Reduzieren der Energiedichte der Mikrowellenenergie an der Schnittstelle zwischen dem Mikrowelleneingangsfenster und den reaktiven Gasen zur Verfügung, was somit das Bilden von Plasmaentladungen an dem Mikrowelleneingangsfenster verhindert.
Die Mikrowellenheizvorrichtung 10, die oben beschrieben wurde, beinhaltet einen Helix-TWT-Verstärker 20. Es versteht sich jedoch, daß viele andere Mikrowellenquellen 20 in Übereinstimmung mit anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Tabelle 3 unten gibt typische Merkmale von einigen anderen geeigneten Mikrowellenquellen 20.
Tabelle 3 – Charakteristika von einigen geeigneten Mikrowellenquellen
In 7 ist eine alternative Ausführungsform der Mikrowellenheizvorrichtung 10 variabler Frequenz der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser alternativen Ausführungsform wird ein Hochleistungsoszillator 114, wie z. B. ein frequenzbewegliches Koaxial-Magnetron, für den Mikrowellenoszillator 18 und den TWT 20 der vorher beschriebenen Ausführungsformen substituiert. Das Magnetron 114 der bevorzugten Ausführungsform hat eine verwendbare Bandbreite von zumindest 5% seiner Zentralfrequenz. Das Magnetron 114 ist frequenzgesteuert entweder manuell oder vorzugsweise über ein spannungsbasiertes Rückkopplungssteuersystem mit geschlossener Schleife. In solch einem Rückkopplungssteuersystem wird ein Niedrigniveausignal (0–10 V) verwendet, um einen Servomechanismus in dem Magnetron 114 zu aktivieren, der das Magnetron 114 von einer Frequenz zu einer anderen durch präzise Repositionierung einer Kolbenplatte in der koaxialen Kavität des Magnetrons "feineinstellt".
Aus der vorhergehenden Beschreibung werden die Fachleute erkennen, daß eine Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz 10, die Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bietet, bereitgestellt wurde. Genauer gesagt stellt die Mikrowellenheizvorrichtung 10, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine Einrichtung für das Einstellen der Frequenz der Mikrowelle, die in die Kavität 34 eingefügt wird, für Sinterzwecke, oder wenn aus anderem Grund erfordert, zur Verfügung. Man sieht, daß die Mikrowellenheizvorrichtung 10 nützlich ist bei der Untersuchung der Verarbeitungscharakteristika von ausgewählten Materialien in Bezug auf die Mikrowellenfrequenz. Solch eine Untersuchung wird die Konstruktion eines Mikrowellenofens 32 mit einer Mikrowellenquelle ermöglichen, die Mikrowellen an der bestimmten Frequenz erzeugt.
Man sieht weiterhin, daß die Mikrowellenheizvorrichtung 10 nützlich ist als ein Produktionswerkzeug, bei dem die Frequenz der Mikrowellen für unterschiedliche Materialien oder Materialphasen variiert werden kann. Die Frequenzmodulation kann während des Betriebs der Mikrowellenheizvorrichtung 10 durchgeführt werden, um die Frequenz an verschiedene Materialien und Materialphasen anzupassen. Weiterhin dient die Frequenzmodulationsfähigkeit der vorliegenden Erfindung als ein Verfahren der Modenmischung für das Erzeugen einer gleichförmigeren Energieverteilung in relativ kleinen Mikrowellenkavitäten 34.
Die Effizienz der Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz 10 wurde in verschiedenen Untersuchungen, die im Entwicklungsprozeß durchgeführt wurden, angezeigt. Typische Testkonfigurationen und Ergebnisse wurden beschrieben in der oben erwähnten, ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Seriennr. 07/792,193, die hier durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Die verschiedenen Ausführungsformen von Mikrowellenheizvorrichtungen 10, die bis hierher beschrieben wurden, werden in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet. Für die Zwecke des vorliegenden Verfahrens ist der zweite Verstärker 20 der bevorzugten Ausführungsform in der Lage, zwei Mikrowellensignale gleichzeitig auszugeben, wobei das erste ein Niedrigenergiesignal und das zweite ein Hochenergiesignal ist. Das Niedrigenergiemikrowellensignal wird in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung als ein diagnostisches Signal verwendet, während das Hochleistungssignal für die Ver- bzw. Bearbeitung des Werkstücks 36 verwendet wird. Alternativ dazu können die Niedrigenergie- und Hochenergiesignale von getrennten Quellen abgeleitet werden.
In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der zweite Verstärker 20 als erstes auf einem niedrigen Leistungsniveau betrieben, während die Mikrowellenkavität 34 leer bleibt. In dem Fall der Helix-TWT 20 kann beispielsweise das ursprüngliche Arbeitsleistungsniveau in der Größenordnung von einem bis zehn Watt (1–10 W) sein. In diesem Fall wird die Helix-TWT 20 verwendet, um die leere Mikrowellenverarbeitungskavität 34 entlang des Frequenzbereichs, der untersucht wird, zu durchlaufen. Die durch den direktionalen Koppler 24 reflektierte Leistung wird dann gemessen, um einen Prozentsatz von zu der Kavität 34 übertragener und zurück zu der Helix-TWT 20 reflektierter Leistung zu bestimmen. Messungen werden gemacht, um die reflektierte Leistung als eine Funktion der Frequenz zu bestimmen, von denen die resonanten Moden der mikrowellenverarbeitenden Kavität 34 schnell und genau bestimmt werden. Typische dieser Messungen sind graphisch in 8 dargestellt. Weiterhin kann die optimale Kavitätsmode durch Vergleichen der reflektierten Leistung bei den verschiedenen Kavitätsmoden unmittelbar identifiziert werden, wie z. B. mit A in 8. Die optimale Kavitätsmode wird bestimmt durch den minimalen Prozentsatz von reflektierter Leistung oder den maximalen Prozentsatz von innerhalb der Mikrowellenkavität 34 absorbierter Energie.
Die zu verarbeitende Probe 36, ob ein Gas, eine Flüssigkeit oder eine feste Probe, wird dann in der Mikrowellenkavität 34 plaziert. Die Frequenzen werden erneut durchlaufen, jedoch nur bei einem niedrigen Energieniveau. Die Anwesenheit der Probe in der Mikrowellenkavität 34 hat den Effekt der Verschiebung des Modenmusters zu tieferen Frequenzen hin, was der Anwesenheit eines Volumens einer Mikrowellenkavität, dessen dielektrische Konstante größer als 1 ist, zuzuschreiben ist. Zusätzlich zu dem zu tieferen Frequenzen gerichteten Modenshift werden zusätzliche Moden erkennbar, die die Resonanzfrequenzen des Werkstücks 36 reflektieren. Die neuen Moden bestehen aufgrund molekularer Resonanzen für gasförmige Werkstücke 36 und aufgrund von Formfaktoren und Formresonanzen für flüssige und feste Werkstücke 36 und repräsentieren effiziente Frequenzen, bei denen sie die Mikrowellenenergie in die Reaktionschemie oder in die Probe koppeln. 9 stellt den Effekt der Hinzufügung des Werkstücks 36 in die Mikrowellenkavität 34 dar. Wie dargestellt und wie vorher erörtert, wurde das Modenmuster der leeren Kavität 34 zu tieferen Frequenzen hin verschoben und zusätzliche Moden aufgrund des Werkstücks 36 wurden erfaßt. Die neu erfaßten Moden B und C werden der Hinzufügung des Werkstücks 36 zugeschrieben, wobei die Mode C die effizientere ist in Bezug auf die prozentuale reflektierte Leistung.
Die ursprüngliche Resonanzfrequenz, bei der das Werkstück 36 verarbeitet wird, wird in den bevorzugten Verfahren als die Frequenz bestimmt, bei der die effizienteste Mode auftritt. Die Ausgangsleistung wird dann erhöht, um die Mikrowellenverarbeitung zu beginnen. Um beispielsweise das Plasma zu erzeugen oder das Werkstück 36 zu erwärmen, kann das oben beschriebenen MLI-Modell T-1096 TWT bis zu 3 kWh einer Dauerstrich-(CW-)Wellenleistung erzeugen. Unter Hochleistungsbedingungen kann das Werkstück 36 sehr unterschiedliche Eigenschaften aufzeigen im Vergleich dazu, wenn das System kalt ist. In dem Fall des Plasmas sind große Dichten von Elektronen und Ionen sowie ein Spektrum von Produktspezies, die die Gleichgewichtskonzentrationen repräsentieren, jedoch ebenso mögliche metastabile Spezien im Nichtgleichgewicht darstellen, vorhanden. Zusätzlich ist das Gas "heiß" und die verschiedenen Spezien sind nicht homogen innerhalb der Mikrowellenkavität 34 verteilt. In dem Fall der aufzuwärmenden Probe ist die dielektrische Konstante des Materials eine Funktion der Temperatur des Materials und verändert sich somit, wenn die Probe aufgeheizt wird. In beiden Fällen können diese veränderten Bedingungen das Modenmuster innerhalb der Kavität 34 beeinflussen, was verursacht, daß die Frequenz der gewünschten resonanten Mode driftet.
Aufgrund des Drifts der optimalen resonanten Mode werden sich die graphischen Darstellungen der prozentualen reflektierten Leistung gegenüber der Frequenz entsprechend verändern. Somit führt die Überwachung solcher reflektierter Leistungen zu der Fähigkeit, eine optimale Kopplung beizubehalten. In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird die prozentuale, reflektierte Leistung über einen engen Frequenzbereich nahe der gewünschten Mode überwacht, was somit erlaubt, daß die Effizienz des Prozesses bei einem Maximum gehalten wird.
Unter Verwendung der Fähigkeit der TWT 20, gleichzeitig mehrere Signale bei unterschiedlichen Frequenzen zu handhaben, während das Plasma angetrieben wird oder das Werkstück 20 bei einem hohen Leistungsniveau aufgeheizt wird unter Verwendung der ursprünglich ausgewählten Resonanzfrequenz, wird die Mikrowellenkammer 34 gleichzeitig mit einem Niedrigenergiesignal über den gesamten Frequenzbereich untersucht. Die prozentuale reflektierte Leistung über der Frequenz wird für dieses Niedrigenergieuntersuchungssignal bestimmt. Das Hochleistungsmodenspektrum wird dann mit dem Niedrigleistungsmodenspektrum, was den Grundzustand darstellt, verglichen. Ein Vergleich der Modenspektren stellt die Effektivität der ausgewählten Resonanzfrequenz dar. Somit kann eine geeignetere Hochleistungsresonanzfrequenz ausgewählt werden. Dieses Verfahren wird in manchen Fällen die Deckung und Verwendung einer Mode beinhalten, die unter der ursprünglichen Niederenergiebedingung nicht existent ist oder die unter der Niedrigenergieuntersuchung als nicht optimal erscheinen könnte. In dem Fall des Plasmas kann die Nicht-Existenz der nun optimalen Mode an der relativ schwachen Absorptionsfähigkeit bei niedriger Leistung aufgrund der Population der relevanten Spezien liegen. Wie der Fachmann erkennen wird, können viele andere Faktoren die optimale Resonanzfrequenz ebenso beeinflussen.
Während fortgesetzt wird, eine Mode, die unter Verwendung des ursprünglichen Niedrigenergiekriteriums ausgesucht wurde, anzutreiben, kann gleichzeitig eine zweite Resonanzfrequenz, die für das heiße Plasma oder die Probe charakteristisch ist, gleichzeitig mit hoher Leistung angetrieben werden. Für ein TWT 20 mit einer Ausgangsleistung von 3 kW können zwei Signale mit einem Leistungsgrad im Bereich von 1–1,5 kW gleichzeitig angetrieben werden. Somit kann die Verarbeitung des Werkstücks 36 bei zwei Moden gleichzeitig durchgeführt werden im Gegensatz zu einer Mode, die verwendet wird für die Verarbeitung, während die anderen strikt für die Überwachung verwendet werden.
In einem mikrowellenunterstützten Abscheidungsprozeß für abgeschiedene Materialien, wie z. B. Diamant, die eine Resonanz innerhalb des Frequenzbereichs des TWT 20 haben, kann eine Niedrigenergiefrequenzuntersuchung verwendet werden als ein direkter Sensor, um das Filmwachstum zu überwachen. Gleichzeitig wird ein Hochleistungssignal verwendet, um die Abscheidung durchzuführen. Wie vorher beschrieben wurde, kann ein TWT 20 mit der Fähigkeit der Ausgabe von gleichzeitig zwei Signalen zu diesem Zweck verwendet werden. Durch Korrelieren der Stärke der Absorption an dieser Frequenz mit der Filmdicke wird eine in situ-Erfassung für das Niveau der intelligenten Prozeßsteuerung erreicht.
Alternativ zu der direkten Erfassung des Filmwachstums, wie angezeigt, können indirekte Verfahren ebenso verwendet werden. Solche Fälle treten insbesondere auf, wenn die optimale Resonanzfrequenz für den Film außerhalb des Frequenzbereichs des TWT 20 liegt. Ein solches Beispiel einer indirekten Technik für das Erfassen der Filmabscheidung beinhaltet das Plazieren eines Körpers eines dielektrischen Materials 37 in der Mikrowellenkavität 34, so daß der dielektrische Körper 37 eine Resonanzfrequenz innerhalb des Frequenzbereichs des TWT 20 hat. Wenn der dielektrische Körper 37 mit einer Schicht 39 beschichtet wird, wird die Veränderung in der Resonanzfrequenz als ein Maß der Beschichtungsdicke 39' auf dem Werkstück 36 verwendet.
In einem anderen Verfahren der indirekten Erfassung der Filmabscheidung wird ein piezoelektrischer Kristall für den dielektrischen Körper 37 verwendet. Der piezoelektrische Kristall hat eine Resonanzfrequenz, die sich verändert, wenn sich die abgeschiedene Filmdicke erhöht. Der Kristall wird direkt angeregt durch den TWT 20 oder durch eine externe Elektronikvorrichtung, wobei die Antwort während des Niedrigenergiemikrowellendurchlaufs gemessen wird.
Der Frequenzbereich des TWT 20 erlaubt einen hohen Grad der Prozeßsteuerinformation, die abgeleitet werden kann durch Untersuchen der reflektierten Leistung bei vielen Frequenzen gleichzeitig. Die Werte der reflektierten Leistung bei jeder der n Frequenzen kann als ein Vektor der Dimension n ausgedrückt werden. Beispielsweise können die graphischen Darstellungen der reflek tierten Leistungsspektren, die in den 8 und 9 gezeigt sind, leicht als Vektoren irgendeiner gewünschten Dimensionalität, begrenzt nur durch die Frequenzauflösung des verwendeten Meßsystems, dargestellt werden. Wie in den Figuren gezeigt ist, können diskrete Frequenzen ausgewählt werden (angezeigt als f₁, f₂, ..., f₁₉) und die Werte der reflektierten Leistung an diesen Frequenzen legen einen Vektor im "Frequenzraum" fest. Um dieses Verfahren darzustellen, könnte man Vektoren festlegen, die die reflektierte Leistung bei den Frequenzen f₂, f₃, f₆, f₈, f₉, f₁₂, f₁₅ und f₁₆ verwenden. Die leere Kavität würde dem Vektor [95, 75, 95, 60, 70, 95, 95, 80] entsprechen, während die beladene Kavität dem Vektor [75, 95, 80, 20, 90, 55, 95, 65] usw. entsprechen würde. Der Fachmann wird erkennen, daß die beiden oben gegebenen Vektoren leicht voneinander zu unterscheiden sind. Jede Anzahl solcher Vektoren oder Signaturen ist meßbar, wobei jede einen anderen Satz von Prozeßbedingungen repräsentiert. Diese Signaturen werden dann verwendet, um ein neuronales Netzwerk oder einen anderen Musterklassifizierer zu trainieren. Der Musterklassifizierer überwacht den Prozeß in Echtzeit und stellt ein Niveau der aktiven Steuerung zur Verfügung durch automatisches Einstellen der Prozeßparameter, um diese Bedingungen beizubehalten, die die Signaturcharakteristik des gewünschten Betriebsregimes erzielt. Es versteht sich für den Fachmann, daß viele geeignete Musterklassifizierungstechniken existieren, einschließlich denjenigen, die analoge und digitale neuronale Netzwerke verwenden. Es versteht sich weiterhin, daß diese Musterklassifizierungstechniken entweder als applikationsspezifische Hardware oder als Software, die innerhalb eines Allzweckcomputers oder -geräts arbeitet, implementiert sein kann.
Während verschiedene bevorzugte Ausführungsformen der Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz gezeigt und beschrieben wurden, versteht es sich, daß solche Beschreibungen nicht dafür vorgesehen sind, die Offenbarung zu begrenzen, sondern es stattdessen beabsichtigt ist, alle Modifikationen und alternativen Verfahren, die in den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den angefügten Ansprüchen definiert wird, fallen, abzudecken.

Claims

Mikrowellenheizvorrichtung (10) mit variabler Frequenz für das Verarbeiten ausgewählter Materialien, die aufweist: einen Mikrowellenofen (32) einschließlich einer Mehrfachmodenkavität (34) für die Verarbeitung der ausgewählten Materialien, eine Einrichtung (12) für das gleichzeitige Bestrahlen der ausgewählten Materialien mit zumindest zwei Mikrowellensignalen mit zumindest zwei Frequenzen, die durch die zumindest zwei Mikrowellensignale festgelegt werden, um eine Mehrzahl von reflektierten Frequenzen zu erzeugen, eine Einrichtung (26) für das Messen der Mikrowellensignale innerhalb der Mehrfachmodenkavität (34), wobei die gemessenen Signale zumindest zwei der Mehrzahl von reflektierten Frequenzen beinhalten, um diagnostische Informationen zu erhalten, eine Einrichtung für die Verarbeitung der diagnostischen Informationen, die aus den gemessenen Mikrowellensignalen erhalten werden, und eine Einrichtung für das Steuern (24) von zumindest einer der zumindest zwei Frequenzen basierend auf den Ergebnissen der verarbeiteten diagnostischen Informationen, die aus den gemessenen Mikrowellensignalen erhalten werden.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung für das gleichzeitige Bestrahlen der ausgewählten Materialien aufweist: einen Mikrowellensignalgenerator (12) für das Erzeugen zumindest eines ersten Signals mit einer ausgewählten Wellenform, Frequenz und Amplitude, und eines zweiten Signals mit einer ausgewählten Wellenform, Frequenz und Amplitude, einen Signalverstärker (20) für das Verstärken des ersten und des zweiten Signals, wobei der Signalverstärker einen ersten Satz und einen zweiten Satz Mikrowellen innerhalb eines ausgewählten Frequenzbereichs erzeugt und eine Zentralfrequenz festlegt, wobei der erste Satz von Mikrowellen eine zugehörige Leistung mit einer ausgewählten Amplitude hat, wobei der zweite Satz von Mikrowellen eine zugehörige Leistung mit einer ausgewählten Amplitude hat, wobei der Signalverstärker eine Mikrowellenelektroneneinrichtung (20, 20', 20'') aufweist, eine Energieversorgung (22) für das Bereitstellen von Energie zu dem Signalverstärker (20), eine Übertragung für das Weiterleiten des ersten und des zweiten Satzes von Mikrowellen in den Mikrowellenofen, einen Signalleiter (24) für das Leiten des ersten und des zweiten Satzes von Mikrowellen in den Mikrowellenofen (32) und für das Leiten der Mikrowellen, die von dem Mikrowellenofen (32) reflektiert werden, in eine Einrichtung zum Ableiten der reflektierten Last (28), wobei die Einrichtung zum Ableiten der reflektierten Last für das Abführen der von dem Mikrowellenofen (32) reflektierten Mikrowellen vorgesehen ist, wobei die von dem Mikrowellenofen (32) reflektierten Mikrowellen eine verknüpfte Leistung und Stärke haben, wobei die Einrichtung für das Messen der Mikrowellensignale einen Systemmonitor (26) aufweist für das Überwachen der Größe der Leistung, die mit dem ersten und dem zweiten Satz von Mikrowellen verknüpft ist, die zu dem Mikrowellenofen (32) übermittelt werden, wobei der Systemmonitor dazu dient, die reflektierte Leistung bei einer Mehrzahl von Frequenzen zu messen, wobei die Prozeßdiagnostikinformation von zumindest zwei der Mehrzahl von Frequenzen erhalten werden kann, und wobei die Einrichtung für das Verarbeiten der diagnostischen Information einen Datenprozessor für das Verarbeiten des Ausgangs von dem Systemmonitor aufweist.
Mikrowellenheizvorrichtung (10) mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, wobei der Signalverstärker (20) eine nutzbare Bandbreite von zumindest 5% der Zentralfrequenz des Verstärkers festlegt.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, wobei der Mikrowellensignalgenerator (12) aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus einer Wanderwellenröhre, einem Twystron, einem Klystron, einem Kreuzfeldverstärker, einem koaxialen Magnetron und einem Gyrotron.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, bei der der Datenprozessor zumindest ein neuronales Netzwerk beinhaltet.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, bei der der Systemmonitor zumindest eine Vorrichtung für das Messen von Mikrowellensignalen bei einer Mehrzahl von Frequenzen aufweist und der Datenprozessor zumindest einen Wandler für das Umwandeln der gemessenen Mikrowellensignale in unterschiedliche Signaturen und eine Einrichtung für das zumindest Klassifizieren der Signaturen beinhaltet.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 6, bei der die Vorrichtung für das Messen der Mikrowellensignale zumindest einen Analog-Digital-Wandler beinhaltet.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 6, bei der die Einrichtung für das zumindest Klassifizieren der Signaturen zumindest ein neuronales Netzwerk beinhaltet.
Heizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, bei der der Systemmonitor zumindest eine Antenne beinhaltet, die in der Mehrmoden-Kavität aufgenommen ist, wobei die Antenne bereitgestellt wird für das Übertragen von Mikrowellenenergie in die Mehrmoden-Kavität und für das Empfangen von Mikrowellenenergie aus der Mehrmoden-Kavität.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, bei der der Systemmonitor einen Frequenzunterscheider beinhaltet.
Mikrowellenheizeinrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 10, bei der der Frequenzunterscheider eine Einrichtung aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus Hochpassfiltern, Tiefpassfiltern, Bandpassfiltern, Bandsperrfiltern, Spektrumanalysatoren, Abtastbandfiltern, Abtastbandsperrfiltern, skalaren Netzwerkanalysatoren, Vektornetzwerkanalysatoren und Frequenzsynthesizern.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, bei der die Energieversorgung einstellbar ist, wobei die Amplitude des Signals, das von dem Signalgenerator erzeugt wird, selektiv moduliert wird.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, die weiterhin einen Signalamplitudencontroller aufweist für das selektive Modulieren der Amplitude des Signals, das von dem Signalgenerator erzeugt wird.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, wobei die Ausgabe von dem Systemmonitor Information betreffend zumindest eine physikalische Eigenschaft der ausgewählten Materialien, die verarbeitet werden, beinhaltet.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 14, wobei das ausgewählte Material, das verarbeitet wird, ein Polymer ist und die zumindest eine ausgewählte physikalische Eigenschaft zumindest eine Eigenschaft beinhaltet, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus dem Grad der Polymerisierung, dem Grad der Aushärtung und dem Grad der Kreuzvernetzung der Polymere.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 14, wobei das ausgewählte Material, das verarbeitet wird, eine Keramik ist und die zumindest eine ausgewählte physikalische Eigenschaft zumindest eine Eigenschaft beinhaltet, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die besteht aus der Dichte, der Temperatur, der Korngröße und der Verteilung der Phasen.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 14, bei der zumindest ein Teil des ausgewählten Materials, das verarbeitet wird, in einen Plasmazustand übertragen wird und die zumindest eine ausgewählte physikalische Eigenschaft Zustandseigenschaften des Plasmas beinhaltet.
Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz nach Anspruch 2, bei der der Signalleiter mit einer Kühleinrichtung ausgestattet ist für das Dissipieren von Wärme, die sich während des Betriebs des Signalleiters ansammelt.
Verfahren zur Verarbeitung eines ausgewählten Materials, das die Schritte aufweist, a. Plazieren des ausgewählten Materials in einer Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz (10), die einen Mikrowellenofen (32) einschließlich einer Mehrfachmodenkavität (34) beinhaltet, b. gleichzeitiges Bestrahlen des ausgewählten Materials mit zumindest zwei Mikrowellensignalen mit zumindest zwei Frequenzen, die durch die zumindest zwei Mikrowellensignale festgelegt werden, um eine Mehrzahl von reflektierten Frequenzen zu erzeugen, c. Messen der Mikrowellensignale innerhalb der Mehrmodenkavität, wobei die gemessenen Mikrowellensignale zumindest zwei der Mehrzahl von reflektierten Frequenzen beinhalten, um diagnostische Informationen zu erhalten, d. Verarbeiten der diagnostischen Information, die in dem Schritt des Messens der Mikrowellensignale erhalten wurde, und e. Steuern von zumindest einer der zumindest zwei Frequenzen basierend auf den Ergebnissen des Schritts der Verarbeitung der diagnostischen Information, die in dem Schritt des Messens der Mikrowellensignale erhalten wurden.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der Schritt des Bestrahlens des ausgewählten Materials mit Mikrowellen variierender Frequenzen innerhalb der Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz durchgeführt wird, wobei die Mikrowellenheizvorrichtung mit variabler Frequenz aufweist: einen ersten Mikrowellensignalgenerator für das Erzeugen von zumindest einem ersten Signal mit einer ausgewählten Wellenform, Frequenz und Amplitude, einen zweiten Mikrowellengenerator für das Erzeugen zumindest eines zweiten Signals mit einer ausgewählten Wellenform, Frequenz und Amplitude, einen ersten Signalverstärker für das Verstärken des ersten Signals, wobei der erste Signalverstärker einen ersten Satz von Mikrowellen innerhalb eines ausgewählten Frequenzbereichs erzeugt und eine Zentralfrequenz festlegt, wobei der erste Satz von Mikrowellen eine verknüpfte Leistung mit einer ausgewählten Amplitude hat, wobei der erste Signalverstärker eine erste Mikrowellenelektroneneinrichtung aufweist, einen zweiten Signalverstärker für das Verstärken des zweiten Signals, wobei der zweite Signalverstärker einen zweiten Satz von Mikrowellen innerhalb eines ausgewählten Frequenzbereichs erzeugt und eine Zentralfrequenz festlegt, wobei der zweite Satz von Mikrowellen eine verknüpfte Leistung mit einer ausgewählten Amplitude hat, wobei der zweite Signalverstärker eine zweite Mikrowellenelektroneneinrichtung aufweist, eine erste Energieversorgung für das Bereitstellen von Energie zu dem ersten Signalverstärker, eine zweite Energieversorgung für das Bereitstellen von Energie zu dem zweiten Signalverstärker, einen Übertrager für das Weiterleiten des ersten und zweiten Satzes von Mikrowellen in den Mikrowellenofen, einen Signalleiter für das Leiten des ersten und zweiten Satzes von Mikrowellen in den Mikrowellenofen und der Mikrowellen, die von dem Mikrowellenofen reflektiert wurden, in einen reflektierten Lastabführer für das Abführen der von dem Mikrowellenofen reflektierten Mikrowellen, wobei die von dem Mikrowellenofen reflektierten Mikrowelten eine verknüpfte Energie und Größe haben, einen Systemmonitor für das Überwachen der Größe der Energie, die mit dem ersten und dem zweiten Satz von Mikrowellen verknüpft ist, die zu dem Mikrowellenofen geleitet werden, und mit der Größe der Energie, die mit den Mikrowellen, die von dem Mikrowellenofen reflektiert werden, verknüpft sind, wobei der Systemmonitor dazu dient, eine Effizienz der Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz zu überwachen, und einen Datenprozessor für das Verarbeiten der Ausgabe von dem Systemmonitor.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem der Schritt des Bestrahlens des ausgewählten Materials mit Mikrowellen variierender Frequenz innerhalb der Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz durchgeführt wird, wobei die Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz aufweist: einen Mikrowellensignalgenerator für das Erzeugen zumindest eines ersten Signals mit einer ausgewählten Wellenform, Frequenz und Amplitude und eines zweiten Signals mit einer ausgewählten Wellenform, Frequenz und Amplitude, einen Signalverstärker für das Verstärken des ersten und des zweiten Signals, wobei der Signalverstärker einen ersten Satz und einen zweiten Satz von Mikrowellen innerhalb eines ausgewählten Frequenzbereichs und unter Festlegung einer Zentralfrequenz erzeugt, wobei der erste Satz von Mikrowellen eine verknüpfte Energie mit einer ausgewählten Amplitude hat, wobei der zweite Satz von Mikrowellen eine verknüpfte Energie mit einer ausgewählten Amplitude hat, wobei der Signalverstärker eine Mikrowellenelektroneinrichtung aufweist, eine Energieversorgung für das Bereitstellen von Energie zu dem Signalverstärker, einen Übertrager für das Übertragen des ersten und zweiten Satzes von Mikrowellen in den Mikrowellenofen, einen Signalleiter für das Leiten des ersten und zweiten Satzes von Mikrowellen in dem Mikrowellenofen und das Leiten der von dem Mikrowellenofen reflektierten Mikrowellen in eine Einrichtung zum Ableiten der reflektierten Last für das Dissipieren der von dem Mikrowellenofen reflektierten Mikrowellen, wobei die von dem Mikrowellenofen reflektierten Mikrowellen eine verknüpfte Energie und Größe haben, einen Systemmonitor für das Überwachen der Größe der Energie, die mit dem ersten und zweiten Satz von Mikrowellen verknüpft ist, die zu dem Mikrowellenofen geleitet werden, und für das Überwachen der Größe der Energie, die mit den von dem Mikrowellenofen reflektierten Mikrowellen verknüpft ist, wobei der Systemmonitor dazu dient, eine Effizienz der Mikrowellenheizvorrichtung variabler Frequenz zu überwachen, und einen Datenprozessor für das Verarbeiten des Ausgangs von dem Systemmonitor.