DE69830083T2

DE69830083T2 - Elektromagnetische strahlung expositionskammer für verbesserte heizung

Info

Publication number: DE69830083T2
Application number: DE69830083T
Authority: DE
Inventors: T. William JOINES; Michael J. Drozd
Original assignee: Industrial Microwave Systems LLC
Current assignee: Industrial Microwave Systems LLC
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: CA2355152C; EP1145601B1; JP2002532864A; WO2000036879A1; CA2355152A1; EP1145601A1; AU771172B2; AU1814199A; ATE295060T1; DE69830083D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf elektromagnetische Energie und insbesondere auf das Bereitstellen einer gleichmäßigen elektromagnetischen Bestrahlung.
HINTERGRUND DER ERFINDNG
In den letzten Jahren ist das Interesse in den Einsatz von Mikrowellensignalen für Anwendungen in zahlreichen industriellen und medizinischen Umgebungen drastisch angestiegen. Einige dieser Anwendungen umfassen den Einsatz von Mikrowellenenergie zur Erwärmungsbehandlung verschiedener Materialien, zum Aushärten von Polymer und Keramik, zum Sintern, zur Plasmaverarbeitung und zum Bereitstellen von Katalysatoren bei chemischen Reaktionen. Ebenso von Interesse ist die Verwendung von Mikrowellen zum Sterilisieren verschiedener Gegenstände. Diese Anwendungen erfordern elektromagnetische Bestrahlungskammern oder -umhüllungen mit relativ gleichmäßigen Verteilungen. Gleichmäßige Energieverteilungen innerhalb der Kammern tragen dazu bei, „heiße" oder „kalte" Stellen zu verhindern, die eine unnötige Zerstörung oder Verschwendung von Probenmaterial verursachen können. Einige dieser Anwendungen erfordern ebenso, dass Substanzen durch Mikrowellenkammern hindurchgeführt – und nicht nur lediglich darin platziert – werden.
Der Stand der Technik umfasst verschiedene Versuche, eine gleichmäßigere Bestrahlung von Proben mit Mikrowellenfeldern zu erzielen. Gewerbliche Mikrowellenöfen setzen „Modenrührer" („mode stirrers") ein, die im Wesentlichen Paddelräder sind, die dazu beitragen, mehrere Moden innerhalb einer Mikrowellenkammer zu erzeugen. Viele Forscher haben die Verwendung von Multimodenkammern zum Erhöhen der Gleichmäßigkeit der Bestrahlung analysiert. Vgl. Iskander et.
al, FDTD Simulation of Microwave Sintering of Ceramics in Multimode Cavities, IEEE MICROWAVE THREORY AND TECHNIQUES, Vol. 42, No. 5, May 1994, 793-799. Einige haben vorgeschlagen, dass die begrenzte Energiegleichmäßigkeit, die durch Modenrührer bei einer einzelnen Frequenz erzielbar ist, durch Einsatz eines Frequenzbandes verbessert werden kann. Vgl. Lauf et. al, 2 to 18 GHz Broadband Microwave Heating Systems, MICROWAVE JOURNAL, Nov. 1995, 24-34.
Entwerfer haben sich auf Multimodenhohlräume konzentriert, da davon ausgegangen wird, dass Einzelmodenhohlräume unvermeidlich ein Feld mit einer sehr begrenzten Peakregion (Gipfelregion) erzeugen. Vgl. Lauf bei 24. Jedoch müssen Multimodenhohlräume noch sehr gleichmäßige Felder über einen gesamten Querschnitt einer Mikrowellenkammer erzeugen. Obgleich diese Hohlräume zu einer Mehrzahl von Feldpeaks entlang einer Kammer führen, besitzen sie zahlreichen heiße und kalte Stellen. Für jeden Energiepeak in solch einem Hohlraum gibt es ein entsprechendes Tal. Versuche, diese Täler mit den Peaks von Wellen zu füllen, die bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, erzeugen andere Probleme. Der Einsatz von Wobbelfrequenzgeneratoren mit großer Bandbreite macht die Vorrichtung teuer und ineffizient, da Energie bei manchen Frequenzen zu der Quelle zurückreflektiert wird.
Die Möglichkeit einer mit einer dielektrischen Platte geladenen Struktur, welche die Peakfelregion in einem Einzelmodushohlraum verlängert, wurde seit Langem, jedoch nicht verbreitet erkannt. Vgl. A.L. Van Koughnett und W. Wyslouzil, A waveguide TEM Mode Exposure Chamber, JOURNAL OF MICROWAVE POWER 7(4) (1972), 383-383. Koughnett und Wyslouzil offenbarten die theoretische Existenz einer plattengeladenen Kammer, welche die TEM-Modus Propagation fördert. Allerdings offenbarten sie nicht eine Kammer mit Öffnungen, welche das Einführen von Substanzen zur Bestrahlung in ein relativ gleichmäßiges elektromagnetisches Feld erleichtern.
Eine plattengeladene Struktur wurde in wenigen begrenzten Anwendungen als Mikrowellenaplikator eingesetzt. Genauer gesagt wurde eine plattengeladene Führung zum Strahlen von Mikrowellen in gewebeartige Proben getestet. Vgl. G.P. Rine et. al, Comparison of two dimensional numerical approximation and measurement of SAR in a muscle equivalent phantom exposed to a 915 MHz slab-loaded waveguide, INT. J. HYPERTHERMIA, Vol. 6, No. 1, 1990, 213-225.
Obgleich sie im Umfeld von Mikrowellenapplikatoren verwendet worden sind, wurden dielektrische Platten nicht im Umfeld von Mikrowellenkammern vorgesehen. Tatsächlich nimmt der meiste Stand der Technik ein ungleichmäßiges Feld als gegeben an und versucht, eine gleichmäßige Erwärmung durch andere Mittel zu erzielen. Beispielsweise ist ein jüngeres Sinterpatent darauf gerichtet, Proben in einen isolierenden „Susceptor" (Aufnehmer) zu wickeln, um gleichmäßig Energie auf Proben zu verteilen, die in einem ungleichmäßigen Mikrowellenfeld platziert sind. US-Patent 5,432,325.
Neben den mit der Feldungleichmäßigkeit verbundenen Problemen war der Einsatz von Mikrowellen bei einigen Anwendungen durch Bedenken hinsichtlich der Strahlung begrenzt. Drosseln, dies das Austreten elektromagnetischer Energie von den Fugen zwischen den Kontaktflächen verhindern, sind im Stand der Technik bekannt. Insbesondere sind Drosseln, die für Mikrowellenofentüren ausgelegt sind, und Wellenführungskoppler bekannt. Vgl. beispielsweise U.S. Reissue Patent 32,664 (1988). Allerdings erfordern zahlreiche mögliche Anwendungen einen Hohlraum, der Zugriffspunkte besitzt, welche kontinuierlich offen sind. Für diese Anwendungen müssen Substanzen eher durch den Hohlraum geführt werden, als darin platziert werden. Der Stand der Technik hat nicht vollständig den Einsatz von Drosselgeräten erforscht, um eine Energiestrahlung in Strukturen zu verhindern, die kontinuierlich offene Zugriffspunkte besitzen.
In dem Kontext von Mikrowellenapplikatoren stellen kontinuierliche offene Zugriffspunkte kein Problem dar. Das Ziel solcher Geräte besteht darin, Energie auszustrahlen. Allerdings stellen in dem Kontext von Mikrowellenkammern, bei denen das Ziel darin besteht, nur den Raum innerhalb der Kammer mit Energie zu beaufschlagen, kontinuierlich offene Zugriffspunkte potentiell schädliche Strahlungsquellen dar. Das Problem der Strahlung durch die offenen Zugriffspunkte wird durch Versuche vergrößert, eine gleichmäßige Erwärmung durch andere Mittel zu erzielen.
Das Problem der Strahlung durch die offenen Zugriffspunkte wird ebenso vergrößert, wenn die durch die Kammer geführte Substanz Leitfähigkeit besitzt. Solche leitfähigen Substanzen (beispielsweise jegliche ionisierte Feuchtigkeit in Papier, das durch eine Kammer zur Trocknung geführt wird) kann, wenn es durch eine Mikrowellenkammer geführt wird, als eine Antenne wirken und Mikrowellen nach außerhalb des Hohlraums tragen.
In vielen wichtigen Bereichen werden Mikrowellensysteme überhaupt nicht verwendet, und zwar aufgrund der durch ungleichmäßige Felder gestellten Probleme und der Notwendigkeit kontinuierlich offener Zugriffspunkte. Beispielsweise werden medizinische Schläuche noch entweder durch chemische Bäder oder durch Elektronenstrahlbestrahlung sterilisiert. Allerdings besitzen Mikrowellenverfahren deutliche Vorteile gegenüber Elektronenstrahlen-(UV)-Verfahren. Mikrowellen werden mit geringerer Wahrscheinlichkeit den Schlauch strukturell beschädigen. Ebenso können Mikrowellen eine größere Eindringtiefe als UV-Strahlung erzielen. Daher ist ein medizinischer Schlauch gegenüber Mikrowellen stärker durchlässig als gegenüber UV-Strahlung. Ferner können Mikrowellen Organismen töten und dazu beitragen, Schmutz entlang des Schlauches zu zerstören und zu beseitigen. UV-Strahlung kann nur Organismen an oder nahe der Schlauchoberfläche töten, jedoch nicht wirksam Schmutz beseitigen. Dennoch werden Mikrowellen derzeit nicht zur Sterilisation eines medizinischen Schlauchs vor dessen Gebrauch verwendet.
WO 98/49870 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur elektrischen Bestrahlung ebener oder anderer Materialien. Ein diagonaler Schnitt gleicht die Wirkungen einer Signaldämpfung entlang des Fortpflanzungspfades aus. Einstellbare, variable Pfadlängen ermöglichen, dass Peaks (Gipfel) und Täler des elektromagnetischen Felds in einem Bestrahlungssegment die Peaks und Täler in einem anderen Bestrahlungssegment ausgleichen. Dielektrische Platten können verwendet werden, um die Peakfeldregion zwischen der oberen und der unteren, leitfähigen Oberfläche auszudehnen, um eine gleichmäßigere Bestrahlung ebener Materialien zu ermöglichen, die eine signifikante Dicke besitzen. Spezielle Drosselflansche verhindern das Austreten elektromagnetischer Energie. Eine oder mehrere Walzen zwischen den Bestrahlungssegmenten können durch eine äußere Oberfläche eingeschlossen sein, um das Austreten elektromagnetischer Energie zu verhindern.
US 2,543,053 offenbart eine Vorrichtung zum Konzentrieren von Strahlungsenergie in einem kleinen Raum, um eine Masse eines Materials Hitzeextremen auszusetzen. Die Vorrichtung umfasst eine kleine Radioantenne, die in einem Brennpunkt eines ellipsenförmigen Gefäßes montiert ist, wobei das zu erwärmende Objekt in dem anderen Brennpunkt gelegen ist. Das Gefäß ist aus Metall, um Reflektionen mit hoher Effizienz zu erzeugen und die reflektierte Energie in dem Gebrauchspunkt zu fokusieren.
US 3,843,861 offenbart eine Vorrichtung für die Behandlung thermisch behandelbarer Güter, wie extrudierter, langgestreckter Profile aus Gummi oder Synthetikmaterial, die in einem kontinuierlichen Durchgang unter der Wirkung von Mikrowellenenergie durch einen Mikrowellen- Wellenführungskanal geführt werden, umfassend einen Mikrowellen-Wellenführungskanal, der als ein Riefenkanal ausgelegt ist und mit einer niedrigen Grenzfrequenz für die Vulkanisierung für eine intensive Thermobehandlung der erstreckten Profile aus Gummi oder Synthetikmaterial, die einen großen Querschnitt besitzen, arbeitet.
US 4,999,469 offenbart eine Testanhaftvorrichtung mit einer rechteckigen Wellenführung, die ein erstes Paar beabstandeter, gegenüberliegender Seitenwände besitzt, die an einem orthogonalen Paar beabstandeter, gegenüberliegender Seitenwände angebracht sind, die vergleichsweise breiter sind. Die Wellenführung umfasst einen Eingabeabschnitt, einen mittleren Anhaftkammerabschnitt und einen abschließenden Endabschnitt, die in Verbindung miteinander vorgesehen sind. An dem Eingabeabschnitt angekoppelt ist eine Mikrowellenquelle und eine Kühlmittelquelle, um durch den Anhaftkammerabschnitt hindurch konsistent Mikrowellenenergie, die einen mit einer vorbestimmten Wellenlänge verknüpfte, vorherrschende Frequenz besitzt, und einen Strom von Kühlmittelfluid zu führen. Die vergleichsweise breiteren Seitenwände in dem Anhaftkammerabschnitt der Wellenführung besitzen jeweils ausgerichtete Schlitze, die entlang ihrer längsgerichteten Mittellinien angeordnet sind. Jeder der Schlitze besitzt gegenüberliegende Längsränder, die benachbart zu offenen Enden jeweiliger Viertelwellenlängen drosselnd vorgesehen sind, die außerhalb der Wellenführung gelagert sind. Somit wird eine hohe Impedanz an jedem der Schlitze zum Verhindern einer Leckage von Mikrowellenenergie hieraus herbeigeführt. Innerhalb des Anhaftkammerabschnitts ist ein ausgerichtetes Paar dielektrischer Klemmplatten durch jeweilige dielektrische, gitterartige Strukturen gelagert, die einen Durchgang von Mikrowellenenergie und Kühlmittelfluid in Längsrichtung durch den Anhaftkammerabschnitt erlauben. Der abschließende Endabschnitt ist mit einem Anpassungsoptimum (matched load) zum Absorbieren von Mikrowellenenergie mit einer geschirmten Ausgabeöffnung zum Ermöglichen des Austretens von Kühlmittelfluid, das Wärme mit sich trägt, versehen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine elektromagnetische Bestrahlungskammer zum Erwärmen einer Substanz bereit, wobei die Kammer gekennzeichnet ist durch: eine äußere leitende Oberfläche, die zwei im Wesentlichen ebene Oberflächen und ein elliptisches Ende besitzt, wobei das elliptische Ende senkrecht zu den zwei im Wesentlichen ebenen Oberflächen ist, wobei die äußere leitende Oberfläche einen inneren Hohlraum bildet, eine erste Öffnung, die dem elliptischen Ende gegenüberliegt, zum Zuführen eines elektrischen Feldes zu dem inneren Hohlraum, wobei die äußere leitende Oberfläche das elektromagnetische Feld zu einer Brennregion (Fokalregion) des inneren Hohlraums richtet, und eine zweite Öffnung durch jede der zwei im Wesentlichen ebenen Oberflächen der äußeren Oberflächen, wobei die zweite Öffnung zu der Brennregion des inneren Hohlraums ausgerichtet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ermöglichen die Öffnungen zu der Fokalregion, dass Probenmaterial durch diese Region fokusierter Erwärmung hindurchgeführt wird. In bevorzugten Ausführungsformen nutzt die vorliegende Erfindung dielektrische Platten, um ein relativ gleichmäßiges elektromagnetisches Feld zu einem Hohlraum zwischen zwei oder mehr dielektrischen Platten bereitzustellen. Jede dielektrische Platte besitzt eine Dicke gleich oder annähernd gleich einem Viertel einer Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes in der dielektrischen Platte.
In einer besonderen Ausführungsform wird Probenmaterial in den Hohlraum zwischen den zwei dielektrischen Platten eingeführt. Diese Probenmaterial kann durch eine oder mehrere Öffnungen in den dielektrischen Platten eingesetzt werden.
In den weiteren Ausführungsformen verhindern spezielle Drosselflansche die Leckage von Energie aus diesem Hohlraum.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ist eine elektromagnetische Bestrahlungskammer der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine weitere elektromagnetische Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine weitere elektromagnetische Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Veranschaulichung eines gleichmäßigen elektromagnetischen Feldes in einem Querschnitt einer elektromagnetischen Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Veranschaulichung eines relativ gleichmäßigen elektromagnetischen Feldes in einem Querschnitt einer elektromagnetischen Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Veranschaulichung eines weiteren, relativ gleichmäßigen elektromagnetischen Feldes in einem Querschnitt einer elektromagnetischen Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Öffnung in einer dielektrischen Platte mit einem Drosselflansch;
8 ist eine weitere Öffnung in einer dielektrischen Platte mit einem weiteren Drosselflansch;
9 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die besonders nützlich zum Sterilisieren von Schläuchen und andere Anwendungen ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 eine elektromagnetische Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung. Die elektromagnetische Bestrahlungskammer 10 umfasst eine äußere Oberfläche 11, die die dielektrischen Platten 12 und 14 umgibt. Die dielektrischen Platten 12 und 14 können parallel oder nicht parallel sein.
Die äußere Oberfläche 11 und die dielektrischen Platten 12 und 14 bilden einen Hohlraum 16. Der Hohlraum 16 ist mit Luft oder einem anderen dielektrischen Material gefüllt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlraum 16 mit Styroschaum (Styrofoam) gefüllt, um der elektromagnetischen Bestrahlungskammer 10 Stabilität zu verleihen.
Die elektromagnetische Bestrahlungskammer besitzt eine Öffnung 17, durch die elektromagnetische Energie (nicht gezeigt) fortgepflanzt wird. Die Öffnung 17 kann an einer traditionellen Wellenführung (nicht gezeigt) angebracht sein.
2 veranschaulicht eine weitere elektromagnetische Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung. Die elektromagnetische Bestrahlungskammer 20 umfasst eine äußere Oberfläche 12, die die dielektrischen Platten 12, 13, 14 und 15 umgibt. Die dielektrischen Platten 12 und 14 können parallel oder nicht parallel sein. Die dielektrischen Platten 13 und 15 können parallel oder nicht parallel sein. Die dielektrischen Platten 12, 14 und 15 bilden den Hohlraum 16. Die elektromagnetische Bestrahlungskammer 20 besitzt eine Öffnung 17.
3 veranschaulicht eine weitere elektromagnetische Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung. Die elektromagnetische Bestrahlungskammer 30 umfasst eine äußere Oberfläche 11 und dielektrische Platten 12 und 14. Die äußere Oberfläche 11 besitzt eine ähnliche, gekrümmte Seite 18 derart, dass die innere Oberfläche der Seite eine elliptische Oberfläche mit einer Brennregion 19 ist. Die dielektrischen Platten 12 und 14 und die äußere Oberfläche 11 bilden einen Hohlraum 16. Die elektromagnetische Bestrahlungskammer 30 besitzt eine Öffnung 17.
Die dielektrischen Platten 12 und 14 können aus Titan (TiO₂) (εr mit 96,0 ± 5% angegeben) gebildet sein. Die äußere Oberfläche 11 ist aus einem leitfähigen Material wie Aluminium gebildet. Es ist wichtig, dass die Anwesenheit von Luftspalten an den Schnittstellen zwischen der äußeren Oberfläche 11 und den dielektrischen Platten 12 und 14 minimiert ist.
4 veranschaulicht ein gleichmäßiges elektromagnetisches Feld über eine Abmessung einer elektromagnetischen Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Größenordnung des elektrischen Feldes 42, 44 und 46 in 4 ist durch Vektorpfeile veranschaulicht, die in die vertikale Richtung zeigen. Die Frequenz der elektromagnetischen Welle (die Arbeitsfrequenz) kann 915 MHz, 2,45 GHz oder irgendeine andere Frequenz sein, in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung. Es ist im Stand der Technik bekannt, dass die Wellenlänge λ einer elektromagnetischen Welle bei einer gegebenen Frequenz von der relativen dielektrischen Konstante εr des Materials, in welchem die Welle vorhanden ist, abhängt. Diese Abhängigkeit ist angegeben durch die Gleichung λ = (3 × 10⁸m/s) + (f) (εr)^1/2. Da εr der dielektrischen Platten größer ist als εr des Hohlraums, ist die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes 42 und 44 in dem Plattenmaterial 12 und 14 geringer als die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes 46 in dem Material in dem Hohlraum 16.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektromagnetische Bestrahlungskammer für dieselbe Frequenz ausgelegt und in Betrieb (d.h. die Arbeitsfrequenz ist gleich der Auslegungsfrequenz). Die elektromagnetische Bestrahlungskammer ist derart ausgelegt, dass die Dicke t der Platten 12 und 14 jeweils gleich 1/4 der Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes 43 und 44 in den Platten 12 und 14 ist. 1/4 einer Wellenlänge ist der Abstand zwischen einem Punkt in dem Modus (in der Mode), an dem die Größe des elektrischen Feldes gleich Null ist und dem nächstgelegenen Punkt in der Mode, in welchem die Größe des elektrischen Feldes maximal ist.
Das Auswählen einer Platte mit einer Dicke, die etwas größer oder etwas kleiner ist als 1/4 einer Wellenlänge, weicht nicht vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ab. Wie 5 veranschaulicht, falls die Dicke t der Platte 12 oder 14 etwas größer ist als λ/4, tritt der Peak des elektrischen Feldes innerhalb der Platte 12 oder 13 anstelle am Rand der Platte 12 oder 14 auf. Wie 6 veranschaulicht, falls die Dicke t der Platte 12 oder 14 etwas geringer ist als Z/4, überschreitet der Peak des elektrischen Feldes innerhalb des Hohlraums 16 die Größe des Feldes an dem Rand 43 oder 45 des Hohlraums 60, ist jedoch immer noch relativ gleichmäßig über den Hohlraum 16. 5 und 6 veranschaulichen ein relativ gleichmäßiges elektromagnetisches Feld in einem Querschnitt einer elektromagnetischen Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung. Daher soll der Begriff „gleich 1/4 einer Wellenlänge" nachfolgend gleich oder etwa gleich 1/4 einer Wellenlänge bedeuten.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das elektrische Feld an dem inneren Rand 43 oder 45 der dielektrischen Platte 12 oder 14 (den äußeren Rändern des Hohlraums 16) maximal ist und über den Hohlraum 16 gleichmäßig (oder annähernd gleichmäßig) ist. Da das elektrische Feld an den äußeren Rändern 43 und 45 des Hohlraums 16 maximal (oder annährend maximal) ist, wird das nutzbare Volumen des Hohlraums vergrößert. In anderen Worten ist der Peak des elektromagnetischen Feldes breiter. In einem Hohlraum ohne dielektrische Platten 12 und 14 ist der Peak des elektromagnetischen Feldes schmal. D.h., die Größe des elektromagnetischen Feldes nimmt signifikant an den äußeren Rändern 43 und 45 des Hohlraums 16 ab. Es wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass die elektromagnetische Bestrahlungskammer ebenso derart ausgelegt und betrieben werden sollte, dass die elektromagnetische Welle in einer einzelnen Mode ist. Die beste Art, um sicherzustellen, dass die elektromagnetische Welle in einer einzelnen Mode ist, besteht darin die Gesamtbreite w zu begrenzen. (Die Breite w kombiniert die Breite des Hohlraums 16 und die Dicken t der dielektrischen Platten 12 und 14).
Falls die Gesamtbreite w konstant gehalten wird, wird die Breite des Hohlraums 16 (und somit das nutzbare Volumen des Hohlraums 16) durch Minimieren der Breite der dielektrischen Platten 12 und 14 maximiert. Es wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass 1/4 einer Wellenlänge bei einer gegebenen Frequenz relativ geringer ist in einem Material, das eine relativ große dielektrische Konstante besitzt. Daher wird die Breite des Hohlraums 16 maximiert, falls die relative dielektrische Konstante der dielektrischen Platten 12 und 14 erhöht wird. Falls insgesamt die dielektrische Konstante der Platten erhöht wird, wird die Dicke t der dielektrischen Platten 12 und 14 vermindert und die Breite des Hohlraums 16 wird erhöht.
Um sicherzustellen, dass die elektromagnetische Welle in einer einzelnen Mode arbeiten wird, sollte die Gesamtbreite w kleiner oder gleich als 2t[(εr1/εr2 – 1)^1/2] sein, wobei Er1 die dielektrische Konstante der dielektrischen Platten 12 und 14 ist, Er2 ist die dielektrische Konstante in dem Hohlraum 16, und 2t ist die kombinierte Dicke der dielektrischen Platten 12 und 14.
5 veranschaulicht ein relativ gleichmäßiges elektromagnetisches Feld in einem Querschnitt einer elektromagnetischen Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie oben erwähnt sollte die elektromagnetische Bestrahlungskammer annähernd bei derselben Frequenz ausgelegt und betrieben werden. Falls die elektromagnetische Bestrahlungskammer oberhalb der Auslegungsfrequenz betrieben wird (oder falls die dielektrischen Platten 12 und 14 zu dick ausgeführt sind), ist die Größenordnung an dem Rand 43 oder 45 des Hohlraums 16 nicht mehr maximal. Das in 5 gezeigte Feld tritt auf, falls die elektromagnetische Bestrahlungskammer bei einer Frequenz betrieben wird, die etwas größer ist als die Auslegungsfrequenz. Der Peak des elektrischen Feldes tritt innerhalb der Platte 12 oder 14 anstelle an dem Rand 43 oder 45 der Platte 12 oder 14 auf. Das elektrische Feld 46 in dem Hohlraum 16 wird einen leichten Bogen nach unten aufweisen, wird jedoch immer noch relativ gleichmäßig über dem Hohlraum 16 sein.
6 veranschaulicht ein weiteres relativ gleichmäßiges elektromagnetisches Feld in einem Querschnitt einer elektromagnetischen Bestrahlungskammer gemäß der vorliegenden Erfindung. Das in 6 gezeigte Feld tritt auf falls die elektromagnetische Bestrahlungskammer bei einer Frequenz betrieben wird, die etwas geringer ist als die Auslegungsfrequenz (oder falls die dielektrischen Platten 12 und 14 zu dünn ausgeführt sind). Der Peak des elektrischen Feldes 46 innerhalb des Hohlraums 16 überschreitet die Größenordnung des elektrischen Feldes an dem Rand 43 oder 45 des Hohlraums 16, ist jedoch immer noch relativ gleichmäßig über dem Hohlraum 16 sein.
Falls die elektromagnetische Bestrahlungskammer deutlich oberhalb der Auslegungsfrequenz betrieben wird (oder falls die Breite w zu groß ist), wird die elektromagnetische Welle nicht mehr in ihrer einzelnen Mode sein. Falls allerdings die Breite w geringer ist als 2t[(εr1/εr2 – 1)^1/2], wird das elektromagnetische Feld noch in seiner einzelnen Mode sein.
Unter Bezugnahme auf 7 und 8 kann es für viele Anwendungen wünschenswert sein, Substanzen in den Hohlraum 16 durch Öffnungen in einer oder mehreren der dielektrischen Platten 12 und 14 einzuführen. Es kann ebenso wünschenswert sein, zu solchen Öffnungen einen Drosselflansch hinzuzufügen, um das Austreten elektromagnetischer Energie von dem Hohlraum 16 zu verhindern. Das Erzeugen eines offenen Kreislaufs um den äußeren Umfang der Öffnung verhindert das Austreten elektromagnetischer Energie.
7 veranschaulicht einen Drosselflansch 71, der für eine kreisförmige Öffnung 70 geeignet ist. Der Drosselflansch 71 kann aus einer hohlen oder dielektrisch gefüllten, leitfähigen Struktur bestehen. Der Drosselflansch 71 ist an der äußeren leitfähigen Oberfläche 11 in einem Abstand d von λ/4 von dem äußeren Umfang der Öffnung 70 kurzgeschlossen. λ/4 ist in Bezug auf den Wert von εr des Materials innerhalb des hohlen oder dielektrisch gefüllten Drosselflansches 71 gemessen. Obgleich der Abstand d ideal gleich λ/4 sein sollte, wird der Drosselflansch 71 noch gemäß der vorliegenden Erfindung arbeiten, falls d etwas größer oder etwas kleiner ist als λ/4.
8 veranschaulicht einen Drosselflansch 81, der an eine rechteckige Öffnung 80 angepasst ist. Der Drosselflansch 81 kann aus einer hohlen oder dielektrisch gefüllten Struktur bestehen, die entweder in der Form eines Rechtecks (nicht gezeigt), nur einer stückweisen Simulation eines Rechtecks 81 oder eines modifizierten Rechtecks 81 und 82 mit angerundeten Ecken 82 sein kann. Das modifizierte Rechteck 81 und 82 mit abgerundeten Ecken 82 kann aus einem einzelnen Metallstück oder ausgetrennten Metallstücken hergestellt werden. Im Falle separater Metallstücke besitzen die separaten Metallstücke Spalte dazwischen.
Der Drosselflansch 81 ist mit der äußeren leitfähigen Oberfläche 11 in einem Abstand d von λ/4 von dem äußeren Umfang der Öffnung 80 kurzgeschlossen. λ/4 wird in Bezug auf den Wert von εr des Materials innerhalb der leitfähigen Struktur gemessen. Erneut kann der Abstand d etwas größer oder etwas kleiner ist als λ/4. Verluste von den Ecken der Öffnung 80 werden typischerweise vernachlässigbar sein. Falls erwünscht, können diese vernachlässigbaren Verluste allerdings weiter beseitigt werden, indem der Drosselflansch 81 derart ausgelegt wird, dass er abgerundete Ecken 82 mit einem Radius d aufweist, die in einem Abstand d gleich oder annährend gleich λ/4 von den Ecken der Öffnung 80 kurzgeschlossen sind.
Andere Formen für die Kombinationen von Öffnung/Drosselflansch werden von der Anwendung abhängen. Die Wahl der Form des Drosselflansches wird von der Öffnungsform abhängen, die wiederum teilweise von der Form der in den Hohlraum 16 einzuführenden Substanz abhängen wird.
9 veranschaulicht eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die besonders nützlich zum Sterilisieren von Schläuchen und andere Anwendungen ist. Eine Seite 18 der äußeren leitfähigen Oberfläche 11 ist mit einer elliptischen Form ausgebildet. Die elliptische Form der Seite 18 reflektiert das elektromagnetische Feld zu einer Brennregion 19. Eine kreisförmige Öffnung 70 ist an einem distalen Ende der Brennregion 19 gelegen. Eine Substanz wie ein Schlauch kann dann in die Brennregion 19 des Hohlraums 16 zur Bestrahlung mit einem relativ gleichmäßigen elektromagnetischen Feld eingeführt werden. Die in 9 veranschaulichte Ausführungsform ist zum Sterilisieren von Testschläuchen oder anderen länglichen Gegenständen gut geeignet.
Ein elektromagnetisches Feld mit einzelner Mode kann zu dem Hohlraum durch dem Stand der Technik bekannte Mittel zugeführt werden. Um den vollen Nutzen einer gleichmäßigen Bestrahlung in der bevorzugten Ausführungsform zu erzielen, sollte das Feld derart polarisiert sein, dass das elektrische Feld senkrecht zu der Längsachse der Brennregion ausgerichtet ist.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine verjüngte (d.h. graduell in der Breite zunehmende) Wellenführung (nicht gezeigt) verwendet, um die elektromagnetische Welle (nicht gezeigt) von einer traditionellen Wellenführung (nicht gezeigt) zu der Öffnung 17 der elektromagnetischen Bestrahlungskammer zuzuführen. In einigen Ausführungsformen wird die Breite des Hohlraums 16 diejenige der Wellenführung überschreiten.
In einer weiteren Ausführungsform erstrecken sich die dielektrischen Platten 12 und 14 in die gekrümmte Wellenführung, in welchem Falle die dielektrischen Platten 12 und 14 nicht parallel sind. Falls die dielektrischen Platten 12 und 14 nicht parallel sind, erhöht dies das nutzbare Volumen des Hohlraums 16 und verlängert die Brennregion 19.
Diese Ausführungsform und weitere Ausführungsformen sind ebenso nützlich zum Sintern. Ein Sintern erfordert oftmals die Erwärmung von Substanzen mit relativ hohen Schmelzpunkten. Eine Mikrwowellenerwärmung bietet die Möglichkeit, dass die zum Sintern erforderlichen Erwärmungszeiten signifikant vermindert werden können. Allerdings muss eine zu sinternde Substanz relativ gleichmäßig erwärmt werden, um eine gleichmäßige Verdichtung zu ermöglichen und eine Rissbildung zu vermeiden. Für eine Diskussion von Temperaturen und Haltezeiten, die mit dem Sintern ausgewählter Substanzen verbunden sind vgl. die Offenbarung des US Patents 5,432,325, das hier durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
Eine weitere spezialisierte Anwendung der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Bestrahlen von Substanzen mit einem elektromagnetischen Feld zur Förderung der Dünnfilmablagerung. Beispielsweise erfordert die schnelle thermische Verarbeitung (rapid thermal processing – RTP) von Halbleiterwafern eine relativ gleichmäßige, jedoch schnelle Erwärmung. Für eine Diskussion der Waferverarbeitung vgl. S. Wolf und R.N. Tauber SILICONPROCESSING FOR THE VLSI ERA (1986). Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine verbesserte Feldgleichmäßigkeit um dazu beizutragen, eine gleichmäßigere Dünnfilmablagerung im Umfeld der Halbleiterverarbeitung und in anderen Umfeldern der Dünnfilmablagerung zu fördern.
Zahlreiche Variationen oder Modifikationen der offenbarten Erfindung werden dem Fachmann ersichtlich sein. Es ist daher vorgesehen, dass die vorhergehende Beschreibung der Erfindung und die veranschaulichenden Ausführungsformen im breitesten Sinne und nicht in einem begrenzenden Sinne verstanden werden.

Claims

Elektromagnetische Bestrahlungskammer (10) zum Erwärmen einer Substanz, wobei die Kammer gekennzeichnet ist durch: eine äußere leitende Oberfläche (11), die zwei im Wesentlichen ebene Oberflächen und ein elliptisches Ende (18) besitzt, wobei das elliptische Ende senkrecht zu den zwei im Wesentlichen ebenen Oberflächen ist, wobei die äußere leitende Oberfläche einen inneren Hohlraum (16) bildet; eine erste Öffnung (17), die dem elliptischen Ende gegenüber liegt, zum Zuführen eines elektrischen Feldes zu dem inneren Hohlraum, wobei die äußere leitende Oberfläche das elektrische Feld zu einer Brennregion (19) des inneren Hohlraums richtet; und eine jeweilige zweite Öffnung (70; 80) durch jede der zwei im Wesentlichen ebenen Oberflächen der äußeren leitenden Oberfläche, wobei die zweiten Öffnungen zu der Brennregion des inneren Hohlraums ausgerichtet sind.
Elektromagnetische Bestrahlungskammer nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch zwei dielektrische Platten (12, 14), wobei sich jede Platte von einer gegenüberliegenden der zwei im Wesentlichen ebenen Oberflächen in den inneren Hohlraum um einen Abstand von etwa gleich 1/4 einer Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes erstreckt.
Elektromagnetische Bestrahlungskammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner gekennzeichnet durch einen jeweiligen Drosselflansch, der selektiv von einem äußeren Umfang der zweiten Öffnung um einen Abstand etwa gleich 1/4 einer Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes beabstandet ist.
Elektromagnetische Bestrahlungskammer nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet durch einen äußeren Umfang des Drosselflansches, der selektiv von dem äußeren Umfang der zweiten Öffnung um einen Abstand etwa gleich 1/4 einer Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes beabstandet ist.
Elektromagnetische Bestrahlungskammer nach Anspruch 4, bei der der Drosselflansch mit der äußeren leitenden Oberfläche verbunden ist, um einen Kurzschluss an dem äußeren Umfang des Drosselflansches und eine Leiterbahnunterbrechung an der zweiten Öffnung zu erzeugen.
Elektromagnetische Bestrahlungskammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die zweiten Öffnungen ein kontinuierliches Einführen einer Substanz in den inneren Hohlraum ermöglichen.
Elektromagnetische Bestrahlungskammer nach Anspruch 6, bei der die zweiten Öffnungen ermöglichen, dass sich die Substanz entlang der Brennregion durch den inneren Hohlraum bewegt.
Elektromagnetische Bestrahlungskammer nach Anspruch 1, ferner mit einem Kurzschluss zum Enthalten eines elektromagnetischen Feldes.