EP0965253A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines plasmas - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines plasmas

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EP0965253A1
EP0965253A1 EP98905135A EP98905135A EP0965253A1 EP 0965253 A1 EP0965253 A1 EP 0965253A1 EP 98905135 A EP98905135 A EP 98905135A EP 98905135 A EP98905135 A EP 98905135A EP 0965253 A1 EP0965253 A1 EP 0965253A1
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EP
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plasma
insulator
electrodes
gas
passage opening
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Bernhard Platzer
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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
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    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3431—Coaxial cylindrical electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a method for generating an RF / HF-induced, low-energy plasma, in particular noble gas plasma, and to a device for generating an RF / HF-induced, low-energy plasma, in particular noble gas plasma, with a generator and a feed for the plasma gas.
  • Methods and devices for generating a plasma are known in various embodiments, it being possible for such a plasma to be used, for example, as a radiation source, in particular in emission spectrometry. Further possibilities of using such a plasma when a sample is provided in the plasma are, for example, in the area of investigations in connection with atomic emission, chemiluminescence, ion mobility and as an ion source for mass spectrometry. Without using a sample, such a plasma can be used, for example, as a source for slow, thermalized electrons.
  • a gas component is also ionized with the aid of an electrical discharge, normally a corona tip discharge, this gas component in turn ionizing the sample molecule.
  • an electrical discharge normally a corona tip discharge
  • a microplasma can be used in connection with ozone generation if the total gas flow during ozone generation must be very low in applications, for example if the ozone is to be introduced into the vacuum of an analysis device.
  • a plasma is generally used, for example, to produce redox reagents when small amounts are introduced into gaseous or liquid systems.
  • Other possible uses of such a plasma include wise in a VUV light source for surface treatment, especially at atmospheric pressure.
  • pipes made of an electrically non-conductive, high-temperature-resistant material are used to separate the gas or plasma from the remaining parts of the apparatus, it being immediately apparent that by providing such inclusion elements for the plasma as well as beyond A great need is required for corresponding cooling devices, which makes it very difficult or impossible to generate a plasma of small spatial extent and preferably one that is essentially idealized to be referred to as a punctiform, such a Device is known for example from US Pat. No. 4,654,504.
  • DE-A 26 46 785 has disclosed a plasma panel, a discharge path being delimited by insulator layers and ring electrodes being provided for generating the plasma, which are fed with a DC voltage.
  • devices for etching and for coating surfaces using a plasma are known, reference being made, for example, to EP-A 303 508 or JP-A 8274069.
  • a plasma processing device can also be found, for example, in _rp-A 8273894.
  • DE-A 38 14 330 or DE-OS 25 25 939 can be found in plasma arc burners, which, however, are not directly comparable with applications in the low-energy range due to their high-energy plasma.
  • the present invention now aims to create a method and a device for generating a low-energy plasma based on the prior art mentioned at the outset, with which the generation of a low-energy plasma is made possible in a simple and stable manner from a procedural point of view.
  • the aim is to achieve a plasma with a small spatial expansion while at the same time simplifying the heat dissipation.
  • the method according to the invention for generating an RF / HF-induced, low-energy plasma, in particular noble gas plasma is essentially characterized in that, in a manner known per se, the energy is provided by two, in particular special annular or disc-shaped electrodes are introduced, each with at least one passage opening, that the plasma is limited by at least one insulator arranged between the electrodes with at least one, in particular circular, passage opening assigned to the passage opening of the electrode, and that the pressure of the plasma gas is limited to at least 0 , 01 bar, preferably between 0.1 and 5 bar.
  • the plasma is delimited by at least one insulator arranged essentially parallel to one another, in particular ring-shaped or disk-shaped electrodes, enables the desired dimensions of the plasma to be defined in accordance with the intended use, which dimensions can be selected in accordance with the requirements. Furthermore, a safe limitation of the plasma can be achieved directly via the insulator, in whose circular passage opening in particular the plasma is generated and maintained, and without providing additional inclusion elements, such as tubes in known designs, while at the same time ensuring heat dissipation from the immediate area of the plasma can be achieved.
  • the plasma be generated at atmospheric pressure, so that a further simplification can be achieved when carrying out the method for generating the low-energy plasma with low gas consumption.
  • the power of the plasma is chosen to be less than 30 W, preferably less than 10 W, so that even with simple means a safe and sufficient heat dissipation can be achieved without the provision of complex cooling mechanisms, with an array of plasma discharges Performance can be achieved for each individual discharge.
  • the frequency is chosen to be at least 5 kHz, preferably in the range between 50 kHz and 5 GHz, in particular at least 10 MHz, the upper limit being essentially given by the fact that the electromagnetic energy can be generated with discrete components and transported over lines. It is particularly preferred for electronic components to be simple and inexpensive to use, for example in the range between approximately 25 and 45 MHz and also above 1000 MHz, in particular at approximately 2450 MHz.
  • the plasma gas is selected from helium or argon, helium in particular being preferred as the plasma gas because of its low atomic mass, since it hardly causes erosions on the electrodes.
  • a helium plasma offers the best excitation conditions for halogens and other non-metals, while argon can be used primarily in technical applications.
  • the plasma gas is admixed with a maximum of 35
  • Vol .-% preferably max. 25 vol .-%, is admixed, the admixing gas in particular from CO2, air, hydrogen and
  • Oxygen is selected, as this corresponds to a further preferred embodiment.
  • water Substance can be buried in a relatively high proportion at reduced pressure, with hydrogen also being particularly important for photoionization.
  • Oxygen is used as an admixing gas, in particular for generating ozone or for generating oxygen atom emission radiation in a photoionization detector, or as an admixing gas in gas chromatography for preventing soot deposits during the decomposition of organic compounds.
  • a device for generating an RF / HF-induced, low-energy plasma, in particular noble gas plasma, with a generator and a feed for the plasma gas is essentially characterized in that the generator with two at a distance in a manner known per se Arranged parallel to one another, in particular ring-shaped or disk-shaped electrodes, each having at least one passage opening, that between the electrodes at least one insulator with at least one, in particular circular, passage opening assigned to the passage opening of the electrode for limiting the pressure of a plasma gas of at least 0.01 bar, preferably between 0.1 and 5 bar, formed plasma is arranged and that the inside diameter of the passage opening of the electrodes is at least twice, in particular about four to eight times, the inside diameter of the opening in the insulator Limitation of the plasma is.
  • the design is such that the electrodes are each formed with an essentially central, in particular cylindrical or frustoconical, passage opening, whereby a narrowly defined, spatially stable discharge zone can be formed with a compact design.
  • the passage openings of the electrodes are designed with rounded edges .
  • the formation of a small spatial extent and idealized as a punctiform plasma with a narrowly defined, spatially stable discharge zone is aimed, whereby in this connection it is particularly preferred that the clear width of the passage opening in the Plasma-limiting insulator is at most 1 mm, preferably at least 0.01 mm, in particular about 0.05 to 0.3 mm, the thickness of the electrodes in this case being between 0.1 and 1.5 mm.
  • a further insulator with a passage opening essentially corresponding to the passage opening in the insulator arranged between the electrodes for limiting the plasma is connected upstream of the first electrode.
  • a further insulator connected upstream of the first electrode in the direction of supply of the gas with a correspondingly narrow passage Opening is shielded in the direction of the supply of the plasma gas, so that an impairment of the plasma gas to be supplied is avoided in front of the location of the actual plasma generation defined between the electrodes with any undesirable side effects that may occur.
  • the first electrode as seen in the direction of supply of the gas, is formed in one piece with the upstream insulator in a common component and that the passage opening in the insulator for limiting the plasma is corresponding Passage opening connects a particularly conically widening recess.
  • an additional insulator is connected downstream of the second electrode, as seen in the direction of supply of the gas , the passage opening of which is preferably slightly smaller than the passage opening of the adjacent electrode, as this corresponds to a further preferred embodiment of the device according to the invention.
  • this additional, downstream insulator is slightly smaller than the passage opening of the immediately adjacent electrode in turn improves the protection of the surface of the electrodes and in particular achieves a spatial limitation of the glow discharge on the electrode, as a result of which the energy consumption the entire plasma as well as the analytically interesting zone in the opening of the middle isolator is stabilized.
  • an adaptation to downstream devices is possible, as can be essential, for example, when using the plasma in connection with detectors regarding the opening angle of the emitted radiation and the field of view of the downstream optics, whereby the downstream insulator should have the largest possible opening if the large opening angle of the radiation emitted by the plasma is to be fully used.
  • the insulator delimiting the plasma be disc-shaped and in its central region, which has the passage opening, is of reduced thickness compared to the edge regions. Because the insulator has a greater thickness in its edge region, reliable protection against electrical flashovers of the unit essentially formed by the electrodes and the interposed insulator for generating the plasma is achieved, with a small thickness in the middle region of the insulator Choosing a suitable geometry, an essentially punctiform plasma can be achieved with a correspondingly low power under atmospheric pressure.
  • the reduction in the thickness of the insulator in the central region in cross section runs along an arcuate, in particular circular arc, parabolic or conical, generatrix, with such arcuate boundaries of the tapered or reduced central section causing a any existing abrasion of the insulator and the electrodes can be reduced and at the same time a defined geometry of the glow immediately upstream or downstream of the plasma discharges can be achieved.
  • the arcuate tapering of the insulator in the central region improves in particular the flow profile of the gas and, moreover, the electrodes are better exposed to the UV radiation of the plasma due to such a structure of the insulator.
  • the geometry of the electrodes and the insulators proposed according to the invention makes it possible to use the device according to the invention for a wide variety of purposes.
  • the upstream electrode in particular can be essentially disk-shaped, with any opening for the plasma gas supply having to be provided, which is a modification of the geometry the insulators can, for example, also be arranged laterally or can optionally be formed by pores.
  • the narrow spatial limitation of the discharge of the plasma which can ideally be regarded as point-like, enables a steep temperature gradient, this in particular when the plasma gases cool down when they exit from the plasma nozzle or the downstream insulator is important, and the associated formation of thermodynamically unstable reaction products by quenching.
  • an outlet nozzle or a downstream insulator can be used, which is a narrow insulator nozzle or can be a metal nozzle connected downstream of the second insulator, but for Extraction of ions an electrical insulator is advantageous.
  • the supply of an admixing or auxiliary gas can be provided, for example in the area between the insulator arranged between the electrodes and the downstream insulator which defines the outlet nozzle, in order to increase the pressure in the plasma.
  • a sample or a reagent gas to be examined can also be introduced in such an essentially lateral area downstream of the actual plasma.
  • the arrangement according to the invention of the electrodes and of the insulators enables the electrodes or, in particular, their cylindrical inner surface to be illuminated as directly as possible by the plasma, thereby stabilizing the discharge by releasing photoelectrons from the metal surface.
  • the material of the electrode is selected from gold, platinum, tantalum, niobium, iridium, Aluminum, platinum / iridium alloys, gold-plated metal or base metals galvanically coated with precious metals.
  • the insulator delimiting the plasma from disks made of aluminum oxide ceramic, quartz, sapphire, ruby, diamond or electrically non- or electrically poorly conductive oxide, nitride or carbide ceramic is formed, as this corresponds to a further preferred embodiment of the invention.
  • the central area consisting of the electrodes and the insulators for example being able to be prefabricated for plasma generation, it is furthermore preferably proposed that the electrodes and insulators be pressed together either mechanically, for example by spring action, or by means of known metal-ceramic compounds, in particular by soldering in a vacuum or under a hydrogen atmosphere, are connected to one another.
  • the electrodes and the insulator (s) are accommodated in holders and stored gas-tight. Due to the fact that in particular the spatial dimensions of the plasma are extremely small, it is moreover preferably proposed that the holders are designed with centering devices for the electrodes and / or insulators in order to to achieve even introduction of the energy for ignition and maintenance of the plasma.
  • the holders have discharge and / or flushing openings, in particular for the supply of an admixing gas, as a result of which, in addition to the supply of admixing gases, any reaction products which may occur, which, for example, when the plasma is used in the Connection with analysis or detector devices in the area of the plasma generating unit can occur, can be easily removed.
  • the mountings are coated, for example gold-plated, at least in the area of their sealing surface which is adjacent to the electrodes and / or insulators.
  • the holders for the electrodes are designed with connections for the supply of the RF / HF energy.
  • the plasma-isolating insulator may be made from materials which are extremely complex to manufacture and costly in order to obtain the desired properties of the essentially punctiform, low-energy plasma, so that the aim is to use the insulator in as little material as possible immediate area of plasma generation to find enough.
  • the insulator delimiting the plasma be surrounded by a further insulator which surrounds the Centered insulator and shields the electrodes from each other, whereby this further insulator can be made from a correspondingly cheaper material, such as boron nitrate, polyimide, depending on the temperature.
  • such a plasma can be used for a wide variety of purposes, with it being particularly preferred in this connection that the plasma generation is followed by a device for analyzing materials to be examined which have been introduced into the plasma.
  • 1 shows a section through a first embodiment of a device according to the invention for generating an RF / HF-induced, low-energy plasma for carrying out the method according to the invention
  • 2 shows, on an enlarged scale, a partial illustration of a modified embodiment of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention
  • 3 shows a further modified embodiment of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention in a representation similar to FIG. 2
  • 4 shows a section through a further modified embodiment of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention when the device is used as a plasma reactor;
  • FIG. 5 shows a section through a further modified embodiment of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention when the device is used in conjunction with a mass spectrometer; and
  • FIG. 6 shows a section through a further modified embodiment of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention.
  • 1 denotes two disk-shaped or ring-shaped electrodes arranged parallel to one another, between which an insulator 2, for example made of ruby, sapphire or generally a non-conductive or poorly conductive oxide ceramic, is arranged, the insulator 2 having a passage opening 3, in which a plasma with small dimensions, which are ideally considered to be punctiform, is subsequently generated.
  • Each electrode 1 has a through opening 4, which considerably exceeds the dimensions of the through opening 3 of the insulator, which define the dimensions of the plasma to be generated, indicated schematically by 17, and about two to ten times the inside width of the opening 3 - wearing.
  • the electrodes 1 are mounted in schematically indicated brackets 5 and 6, respectively, via which a connection to a generator for supplying the energy for ignition and maintaining in the passage opening 3 of the insulator 2 is connected in a manner not shown, for example via a spring-loaded contact pin generating plasma takes place, with a supply for a sample is designated 7.
  • a further insulator 9 is provided upstream of the first electrode in the feed direction 8 or 19 of the sample and the plasma gas, the passage opening 10 having dimensions which are essentially the dimensions of the passage opening 3 of the insulator 2, in which the plasma 17 is generated correspond.
  • This insulator 9 connected upstream in the direction of flow 8 essentially serves to prevent the plasma from breaking through into the Avoid feed 7 and damage to the surrounding elements.
  • the second electrode 1 is followed by a further insulator 11, the passage opening 12 of which is slightly smaller than the clear opening of the immediately adjacent electrode 1.
  • This insulator 11 succeeds in optimizing or, depending on the requirements precise definition of the radiation generated by the plasma 17 in the opening 3.
  • the electrode surface is protected, and in particular a spatial limitation of the glow discharge is achieved on the electrode, whereby the energy consumption of the entire plasma as well as the analytically interesting zone in the Opening of the middle insulator is stabilized.
  • the electrodes 1 may be rounded at their edges or they may not have any sharp burrs.
  • the insulator 2 is delimited on its rear surface as seen in the direction of flow 8 by an arcuate generatrix 13, so that a reduced cross section results in the middle region of the insulator 2, so that the dimensions of the passage opening are essentially square in cross section 3 a spherical plasma 17, which can be idealized as a point-like plasma, can be generated.
  • the diameter of the passage opening 3 in the insulator 2, which defines the dimensions of the plasma to be generated, can be less than 0.5 mm and, for example, approximately 0.1 to 0.2 mm.
  • the diameter 4 of the openings of the electrodes 1 is, for example, approximately 0.5-1 mm.
  • the thickness of the electrodes 1 and also of the insulators 2, 9 and 11 can be, for example, approximately 0.5 mm, it being possible to achieve a correspondingly reduced thickness by tapering the insulator 2 in a central region.
  • brackets 5 and 6 and the additional insulator 14 surrounding the insulator 2 By providing the brackets 5 and 6 and the additional insulator 14 surrounding the insulator 2, the individual elements, which have only small dimensions, can be securely fixed, and in addition care must be taken for a corresponding gas-tight fixing of the individual elements.
  • the brackets 5, 6 are in this case designed with centering devices or themselves serve to center the passage openings 3, 10, 12 of the individual elements which are to be coordinated, a surrounding, electrically insulating housing being indicated schematically by 16.
  • brackets 5 and 6 are coated, for example gold-plated, at least in the area of the sealing surfaces adjacent or adjacent to the electrodes 1 and / or insulators 2, 9 and 11.
  • connection of the electrode 1 to the insulators 2, 9 and 11 can, for example, take place mechanically with the provision of appropriate springs which bring the electrodes 1 and insulators 2, 9 and 11 together
  • Metal-ceramic connections known per se such as, for example, soldering in a vacuum or under a hydrogen atmosphere, can be used to ensure a correspondingly dense unit of the electrodes 1 and the insulators 2, 9 and 11 in the holders 5 and 6 or between them to achieve.
  • all insulators 2, 9 and 11 are essentially disc-shaped with an essentially constant thickness, while in the embodiment according to FIG. 3 the insulator 2 delimiting the plasma 17 is in its central region is tapered in that a cross-sectional reduction along arcuate generatrix 13 takes place on both side surfaces. A completely central positioning of the plasma between the two electrodes 1 adjoining the insulator 2 is possible in this way.
  • the electrodes 1 are inclined towards the insulator 2 in order to achieve the highest possible field strength in the region of the plasma, i.e. frustoconical, formed.
  • two essentially ring-shaped electrodes 1 are again provided for plasma generation, which insulators 2, 9 and 11 with very small passage cross sections between or before or are connected downstream.
  • the unit formed by the electrodes 1 and the insulators 2, 9 and 11 is again stored in holders 5 and 6.
  • the electrode 1 lying downstream in the feed direction 8 and 19 is coupled to the holder 6 with an optionally cooled, further holder 21 essentially to earth potential, while the RF energy is applied to the holder 5, in which the first electrode 1 is mounted in the direction of flow.
  • the brackets 5 and 6 are at least partially overlapped by further electrical insulators 22 and 23.
  • a sample is supplied via a central feed 7, while in the recess 18 surrounding the sample tube 7, according to arrow 19, a plasma gas and optionally an admixing gas is supplied.
  • an upstream holder 24, via which the sample and the plasma gas are guided, can optionally be heated.
  • an additional admixing gas is additionally carried out in the region of the electrodes 1 and insulators 2, 9 and 11 against the supply direction 8 and 19 of both the sample and the plasma gas Can, this admixing gas, for example, fulfills cooling purposes, raises the pressure in the area of plasma generation and at the same time serves as a transport gas.
  • the reaction products which are subsequently used, for example, for mass spectrometry or chemiluminescence, are optionally discharged into a vacuum area or for a more detailed analysis via an outlet 26, for example in turn formed by a quartz capillary tube, according to arrow 27.
  • a connection of the supply source to the electrode which is modified compared to the illustration according to FIG. 4 can be selected, for example by exchanging the connection for the earth potential and for feeding in the RF energy.
  • the reference numerals of the previous prospective figures have been retained.
  • the insulators 2, 9 and 11 are in particular designed with very small passage openings, the electrode 1 in the feed direction 8 or 19, in turn, being at ground potential via the holder 21, while the first electrode 1 is also connected with the holder 5 interposed RF / HF energy is fed.
  • the area of plasma generation as defined by the electrodes 1 and the insulators 2, 9 and 11, is followed by a schematically indicated shielding device 28, with a forevacuum in front of this shielding device 28 for use in a mass spectrometer according to the arrow 29 is built up, while a correspondingly higher vacuum is to be provided in the area of the reaction products applied according to arrow 30.
  • a supply of an admixing gas can also be provided in the area immediately upstream of the last insulator 11 seen in the flow direction.
  • the upstream holder 24 can in turn be provided with corresponding heating devices (not shown in more detail).
  • the insulator 2 has a passage opening 3, in which the plasma 17 is subsequently limited.
  • the supply for a sample is designated 7.
  • the insulator 2 for delimiting the plasma 17 is in turn arranged between two ring-shaped or disk-shaped electrodes, the electrode 1 connected downstream in the feed direction again being configured similarly to the preceding embodiments.
  • the electrode connected upstream in the feed direction is formed together with an insulator connected upstream of the first electrode, this unit being designated by 31.
  • the unit 31 is similar to the previous embodiments again an entry or passage opening 10, which essentially corresponds to the passage opening 3 of the insulator 2 for delimiting the plasma 17.
  • this is formed with a conically widening or essentially pot-shaped recess 32, so that, in total, a configuration essentially corresponding to the previous embodiments results again for the field lines to be formed between the electrodes for delimiting the plasma 17.
  • the conically widening or pot-shaped recess 32 can be designed to achieve the corresponding geometric requirements with a depth which corresponds approximately to twice the diameter thereof.
  • brackets which are designated 33 and 34 in the embodiment shown in FIG. 6.
  • the insulator 2 extends to the holders 33 and 34 to limit the plasma 7, so that in the embodiment shown in FIG. 6 overall with a reduced number of one another the parts to be coordinated or to be connected with each other can be found.
  • both the electrodes and the insulator 2 for limiting the plasma are each formed with a large number of coordinated passage openings, these passage openings being arranged such that a concentration of the individual plasma sources output can be achieved on a common center or focus point.

Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Erzeugen eines RF/HF-induzierten, niederenergetischen Plasmas (17), insbesondere Edelgasplasmas, mit einem Generator und einer Zufuhr für das Plasmagas ist vorgesehen, dass in an sich bekannter Weise der Generator mit zwei in Abstand parallel voneinander angeordneten, insbesondere ring- bzw. scheibenförmigen Elektroden (1) mit jeweils wenigstens einer Durchtrittsöffnung gekoppelt ist, dass zwischen den Elektroden (1) wenigstens ein Isolator (2) mit wenigstens einer der Durchtrittsöffnung der Elektrode zugeordneten, insbesondere kreisförmigen, Durchtrittsöffnung (3) zur Begrenzung des von einem Plasmagas unter einem Druck von wenigstens 0,01 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 bar, gebildeten Plasmas (17) angeordnet ist und dass die lichte Weite der Durchtrittsöffnung (4) der Elektroden (1) wenigstens das Zweifache, insbesondere etwa das Vier- bis Achtfache, der lichten Weite der Durchtrittsöffnung (3) im Isolator (2) zur Begrenzung des Plasmas (17) beträgt.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ERZEUGEN EINES PLASMAS
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen eines RF/HF-induzierten, niederenergetischen Plas- mas, insbesondere Edelgasplasmas, sowie auf eine Vorrichtung zum Erzeugen eines RF/HF-induzierten, niederenergetischen Plasmas, insbesondere Edelgasplasmas, mit einem Generator und einer Zufuhr für das Plasmagas.
Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen eines Plasmas, insbesondere eines Edelgasplasmas, sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt, wobei ein derartiges Plasma beispielsweise als Strahlungsquelle, insbesondere in der Emis- sionsspektrometrie, verwendet werden kann. Weitere Möglich- keiten des Einsatzes eines derartigen Plasmas bei Vorsehen einer Probe im Plasma liegen beispielsweise im Bereich der Untersuchungen im Zusammenhang mit Atomemission, Chemilumi- neszenz, der Ionenmobilität und als Ionenquelle für Massen- spektrometrie. Ohne Verwendung einer Probe kann ein derar- tiges Plasma beispielsweise als Quelle für langsame, therma- lisierte Elektronen verwendet werden. Im Bereich der Ionisierungstechnik für die Massenspektrometrie wird darüberhinaus mit Hilfe einer elektrischen Entladung, normalerweise einer Corona-Spitzenentladung, ein Gasbestandteil ionisiert, wobei dieser Gasbestandteil seinerseits das Probenmolekül ionisiert, im Zusammenhang mit einem Photoionisationsdetektor läßt sich ein derartiges Plasma insbesondere als punktförmige Lichtquelle für VUV-Strahlung verwenden. Im Zusammenhang mit der Ozonerzeugung kann ein Mikroplasma zum Einsatz gelangen, falls bei Anwendungen der gesamte Gasfluß während der Ozonerzeugung sehr gering sein muß, beispielsweise wenn das Ozon ins Vakuum eines Analysengerätes eingebracht werden soll. Weiters dient ein derartiges Plasma beispielsweise allgemein zur Erzeugung von Redoxreagentien beim Einbringen kleiner Mengen in gasförmige oder flüssige Systeme. Weitere Einsatzmöglichkeiten eines derartigen Plasmas liegen beispiels- weise in einer VUV-Lichtquelle zur Oberflächenbehandlung, insbesondere bei Atmosphärendruck.
Zur Plasmaerzeugung sind unterschiedliche Methoden bekannt, wobei neben der Möglichkeit einer Plasmaerzeugung durch einen Lichtbogen insbesondere Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden, bei denen die zur Plasmaerzeugung und -aufrechterhaltung notwendige Energie durch elektromagnetische Schwingungen dem Gas zugeführt wird. Ein derartiges Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen eines HF-induzierten Edelgasplasmas ist hiebei beispielsweise der DE-OS 36 38 880 zu entnehmen, wobei eine kapazitive Einkopplung der Energie in das Plasma vorgenommen werden soll. Betreffend ein Mikrowellen-induzier- tes Edelgasplasma kann beispielsweise auf die EP-A 0 184 912 verwiesen werden, wobei bei dieser bekannten Ausführung das durch Mikrowellen erzeugte Plasma in weiterer Folge für eine P otoionisationsdetektion eingesetzt werden soll.
Problematisch bei derartigen bekannten Verfahren und Vorrich- tungen ist einerseits die Einkopplung der elektromagnetischen Energie in das Plasmagas, wobei bei den bekannten Verfahren die aufgewendete Leistung beispielsweise im Bereich von etwa hundert Watt liegt. Es ist somit die einzukoppelnde Leistung sehr hoch, wobei darüberhinaus naturgemäß eine entsprechende Wärmeabfuhr in unmittelbarer Nachbarschaft des erzeugten Plasmas vorgenommen werden muß, um eine Beschädigung von Teilen der Apparatur zu vermeiden. Zu diesem Zweck werden beispielsweise Rohre aus einem elektrisch nicht-leitenden, Hochtemperatur-beständigen Material verwendet, um das Gas bzw. Plasma von den verbleibenden Teilen der Apparatur zu trennen, wobei unmittelbar einsichtig ist, daß durch Vorsehen derartiger Einschlußelemente für das Plasma als auch darüberhinaus für entsprechende Kühlvorrichtungen ein großer Bedarf erforderlich ist, welcher die Erzeugung eines Plasmas gerin- ger räumlicher Ausdehnung und vorzugsweise eines im wesentlichen idealisiert als punktförmig zu bezeichnenden Plasmas sehr erschwert bzw. unmöglich macht, wobei eine derartige Einrichtung beispielsweise aus der US-PS 4 654 504 bekannt ist.
Darüberhinaus ist der DE-A 26 46 785 ein Plasmapaneel bekannt geworden, wobei eine Entladungsstrecke von Isolatorschichten begrenzt ist und zur Erzeugung des Plasmas Ringelektroden vorgesehen sind, welche mit einer Gleichspannung gespeist werden.
Weiters sind Einrichtungen zum Ätzen als auch zum Beschichten von Oberflächen unter Verwendung eines Plasmas bekannt, wobei beispielsweise auf die EP-A 303 508 oder die JP-A 8274069 verwiesen wird. Eine Plasmabearbeitungseinrichtung läßt sich darüberhinaus beispielsweise der _rp-A 8273894 entnehmen.
Neben oben ausführlich erörterten Einsatzmöglichkeiten für ein niederenergetisches Plasma sind beispielsweise der DE-A 38 14 330 oder der DE-OS 25 25 939 Plasmalichtbogenbrenner zu entnehmen, welche jedoch aufgrund ihres hochenergetischen Plasmas nicht unmittelbar mit Anwendungen im niederenergetischen Bereich vergleichbar sind.
Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen eines niederenergetischen Plasmas zu schaffen, mit welchen in aus verfahrenstechnischer Sicht einfacher und stabiler Weise die Erzeugung eines niederenergetischen Plasmas ermöglicht wird. Hiebei wird insbesondere auf die Erzielung eines eine geringe räumliche Aus- dehnung aufweisenden Plasmas unter gleichzeitiger Vereinfachung der Wärmeabfuhr abgezielt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines RF/HF-induzierten, niederenergetischen Plasmas, insbesondere Edelgasplasmas, im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Energie über zwei in Abstand parallel voneinander angeordnete, insbe- sondere ring- bzw. scheibenförmige Elektroden mit jeweils wenigstens einer Durchtrittsöffnung eingebracht wird, daß das Plasma von wenigstens einem zwischen den Elektroden angeordneten Isolator mit wenigstens einer der Durchtrittsöffnung der Elektrode zugeordneten, insbesondere kreisförmigen, Durchtrittsöffnung begrenzt wird und daß der Druck des Plasmagases mit wenigstens 0,01 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 bar, gewählt wird. Dadurch, daß erfindungsgemäß das Plasma von wenigstens einem zwischen im wesentlichen parallel zueinander angeordneten, insbesondere ring- bzw. scheibenförmigen Elektroden angeordneten Isolator begrenzt wird, gelingt entsprechend dem Einsatzzweck eine Definierung der gewünschten Abmessungen des Plasmas, welche entsprechend den Anforderungen gewählt werden können. Weiters kann unmittelbar über den Isolator, in dessen insbesondere kreisförmiger Durchtrittsöffnung das Plasma erzeugt und aufrechterhalten wird, in einfacher Weise und ohne Vorsehen von zusätzlichen Einschlußelementen, wie beispielsweise Röhren bei bekannten Ausbildungen, eine sichere Begrenzung des Plasmas bei gleich- zeitiger Sicherstellung der Wärmeabfuhr aus dem unmittelbaren Bereich des Plasmas erzielt werden. Durch die zu beiden Seiten des Isolators angeordneten, insbesondere ring- bzw. scheibenförmigen Elektroden mit einer gegenseitigen Abstimmung der Positionierung der Durchtrittsöffnungen gelingt weiters auf kleinstem Raum die Einbringung der zur Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas notwendigen Energie, sodaß insgesamt ein einfaches Verfahren zur Erzeugung eines derartigen niederenergetischen Plasmas, insbesondere Edelgasplasmas, bei geringer Leistungsaufnahme und geringem Gasver- brauch zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung wird hiebei vorgeschlagen, daß das Plasma bei atmosphärischem Druck erzeugt wird, sodaß eine weitere Vereinfachung bei Durchführung des Verfahrens zum Erzeugen des niederenergetischen Plasmas bei geringem Gasverbrauch erzielbar ist. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß die Leistung des Plasmas unter 30 W, vorzugsweise unter 10 W, gewählt wird, sodaß auch mit einfachen Mitteln eine sichere und ausreichende Wärmeabfuhr ohne Vorsehen von aufwendigen Kühlmechanismen erzielbar ist, wobei bei einem Array von Plasmaentladungen die Leistung für jede einzelne Entladung erzielbar ist.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird darüberhinaus weiters bevorzugt vorgeschlagen, daß die Frequenz mit wenigstens 5kHz, vorzugsweise im Bereich zwischen 50 kHz und 5 GHz, insbesondere mindestens 10 MHz, gewählt wird, wobei die obere Grenze im wesentlichen dadurch gegeben ist, daß die elektromagnetische Energie mit diskreten Komponenten erzeugt und über Leitungen transportiert werden kann. Besonders bevorzugt ergeben sich hiebei beispielsweise im Bereich zwischen etwa 25 und 45 MHz als auch über 1000 MHz, insbesondere bei etwa 2450 MHz, einfache und günstig einsetzbare, elektronische Bauteile.
Als Plasmagas wird gemäß einer weiteren bevorzugten Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, daß das Plasmagas gewählt ist aus Helium oder Argon, wobei insbesondere Helium als Plasmagas aufgrund seiner niedrigen Atommasse bevorzugt wird, da es kaum Erosionen an den Elektroden verursacht. Außerdem bietet ein Heliumplasma die besten Anregungsbedingungen für Halogene und andere Nichtmetalle, während Argon vor allem in technischen Anwendungen vorgesehen sein kann.
Zum Aufbau des Plasmas kann neben der Verwendung von Plasmagas für unterschiedliche Einsatzzwecke vorgesehen sein, daß dem Plasmagas ein Zumischgas in einer Menge von maximal 35
Vol.-%, vorzugsweise max. 25 Vol.-%, zugemischt wird, wobei das Zumischgas insbesondere aus CO2, Luft, Wasserstoff und
Sauerstoff gewählt wird, wie dies einer weiteren bevorzugten Ausführungsform entspricht. Hiebei kann insbesondere Wasser- stoff bei vermindertem Druck in einem relativ hohen Anteil beigesetzt werden, wobei darüberhinaus Wasserstoff insbesondere für die Photoionisation wichtig ist. Als Zumischgas findet Sauerstoff insbesondere zur Ozonerzeugung oder zur Erzeu- gung von Sauerstoffatom-Emissionsstrahlung Verwendung in einem Photoionisationsdetektor oder als Zumischgas in der GasChromatographie zur Verhinderung von Rußablagerungen bei der Zersetzung organischer Verbindungen Verwendung.
Zur Lösung der obengenannten Aufgaben ist weiters eine Vorrichtung zum Erzeugen eines RF/HF-induzierten, niederenergetischen Plasmas, insbesondere Edelgasplasmas, mit einem Generator und einer Zufuhr für das Plasmagas im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Generator mit zwei in Abstand parallel voneinander angeordneten, insbesondere ring- bzw. scheibenförmigen Elektroden mit jeweils wenigstens einer Durchtrittsöffnung gekoppelt ist, daß zwischen den Elektroden wenigstens ein Isolator mit wenigstens einer der Durchtrittsöffnung der Elektrode zuge- ordneten, insbesondere kreisförmigen, Durchtrittsöffnung zur Begrenzung des von einem Plasmagas unter einem Druck von wenigstens 0,01 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 bar, gebildeten Plasmas angeordnet ist und daß die lichte Weite der Durchtrittsöffnung der Elektroden wenigstens das Zweifache, insbesondere etwa das Vier- bis Achtfache, der lichten Weite der Durchtrittsöffnung im Isolator zur Begrenzung des Plasmas beträgt. Derart gelingt eine äußerst kleinbauende Ausbildung einer Vorrichtung zur Erzeugung des niederenergetischen Plasmas, dessen Abmessungen und Leistung in einfacher Weise an die Erfordernisse angepaßt werden können, wobei gleichzeitig mit aufeinander abgestimmten Elementen einfacher geometrischer Form das Auslangen gefunden werden kann. Dadurch, daß die lichte Weite der Durchtrittsöffnung der Elektroden wenigstens das Zweifache, insbesondere etwa das Vier- bis Acht- fache, der lichten Weite der Durchtrittsöffnung im Isolator zur Begrenzung des Plasmas beträgt, ist darüberhinaus bei kleiner Bauweise und zuverlässiger Einbringung der für die Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas erforderlichen Energie ein Schutz des Elektrodenmaterials vor dem Plasma ohne zusätzliche Einschlußelemente für das Plasma erzielbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist hiebei die Ausbildung so getroffen, daß die Elektroden mit jeweils einer im wesentlichen zentrischen, insbesondere zylindrischen oder kegelstumpfförmigen, Durchtrittsöffnung ausgebildet sind, wodurch sich bei kompakter Bauweise eine eng begrenzte, räumlich stabile Entladungszone ausbilden läßt.
Zur Verringerung von Sputter-Effekten an den Elektroden bei gleichzeitiger Erzielung einer ausreichenden Elektroden- Innenfläche, um die Stromdichte niedrig zu halten und gleich- zeitig die Kapazität der Glimmhaut zu erhöhen, ist darüberhinaus bevorzugt vorgesehen, daß die Durchtrittsöffnungen der Elektroden mit abgerundeten Kanten ausgebildet sind.
Wie oben bereits mehrfach angedeutet, wird erfindungsgemäß auf die Ausbildung eines eine geringe räumliche Ausdehnung und idealisiert als punktförmig zu bezeichnenden Plasmas mit einer eng begrenzten, räumlich stabilen Entladungszone abgezielt, wobei in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt vorgeschlagen wird, daß die lichte Weite der Durchtrittsöffnung im das Plasma begrenzenden Isolator maximal 1 mm, vorzugsweise mindestens 0,01 mm, insbesondere etwa 0,05 bis 0,3 mm, beträgt, wobei die Dicke der Elektroden in diesem Fall zwischen 0,1 bis 1,5 mm beträgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß in Zufuhrrichtung des Gases gesehen der ersten Elektrode ein weiterer Isolator mit einer der Durchtrittsöffnung im zwischen den Elektroden angeordneten Isolator zur Begrenzung des Plasmas im wesentlichen entsprechenden Durch- trittsöffnung vorgeschaltet ist. Durch einen in Zufuhrrichtung des Gases gesehen der ersten Elektrode vorgeschalteten, weiteren Isolator mit einer entsprechend engen Durchtritts- Öffnung wird eine Abschirmung in Richtung zur Zufuhr des Plasmagases erzielt, sodaß eine Beeinträchtigung des zuzuführenden Plasmagases vor dem durch den zwischen den Elektroden definierten Ort der tatsächlichen Plasmaerzeugung mit ge- gebenenfalls auftretenden, unerwünschten Nebeneffekten vermieden wird. Weiters wird vermieden, daß derart den Elektroden und dem Isolator vorgeschaltete Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung einem Verschleiß bzw. einer Beeinflussung ausgesetzt sind, welche eine Änderung der tatsäch- liehen Zusammensetzung des Plasmagases bewirken könnten. Der dem Plasma vorgeschaltete Isolator könnte, wenn diese Seite auf Erdpotential liegt, auch aus Metall, beispielsweise Pt/lr, bestehen. Zur Verringerung der Anzahl der Bauteile wird in diesem Zusammenhang gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, daß die in Zufuhrrichtung des Gases gesehen erste Elektrode mit dem vorgeschalteten Isolator in einem gemeinsamen Bauteil einstückig ausgebildet ist und daß an die der Durchtrittsöffnung im Isolator zur Begrenzung des Plasmas entsprechende Durchtrittsöffnung eine sich insbesondere konisch erweiternde Ausnehmung anschließt.
Für einen Schutz von der Einheit aus den zwei Elektroden und dem zwischengeschalteten Isolator zur Erzeugung des Plasmas nachgeschalteten, operativen Einrichtungen wird, insbesondere wenn der Einheit eine optische Analyseeinrichtung nachgeschaltet ist, vorgeschlagen, daß in Zufuhrrichtung des Gases gesehen der zweiten Elektrode ein zusätzlicher Isolator nachgeschaltet ist, dessen Durchtrittsöffnung vorzugsweise geringfügig kleiner ist als die DurchtrittsÖffnung der benach- barten Elektrode, wie dies einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung entspricht. Dadurch, daß die Durchtrittsöffnung dieses zusätzlichen, nachgeschalteten Isolators geringfügig kleiner ist als die Durchtrittsöffnung der unmittelbar benachbarten Elektrode wird wiederum der Schutz der Oberfläche der Elektroden verbessert und insbesondere eine räumliche Begrenzung der Glimmentladung auf der Elektrode erzielt wrd, wodurch die Energieaufnahme des gesamten Plasmas als auch der analytisch interessanten Zone in der Öffnung des mittleren Isolators stabilisiert wird. Durch Wahl der Geometrie und der Abmessungen der Durchtrittsöffnung des nachgeschalteten Isolators gelingt eine An- passung an nachgeschaltete Einrichtungen, wie sie beispielsweise bei Verwendung des Plasmas im Zusammenhang mit Detektoren betreffend den Öffnungswinkel der ausgesendeten Strahlung als auch das Blickfeld der nachgeschalteten Optik wesentlich sein kann, wobei der nachgeschaltete Isolator eine möglichst große Öffnung aufweisen soll, wenn der große Öffnungswinkel der vom Plasma ausgesendeten Strahlung voll genutzt werden soll.
Für eine . entsprechend einfache Ausbildung und exakte räum- liehe Begrenzung des zu erzeugenden Plasmas wird weiters bevorzugt vorgeschlagen, daß der das Plasma begrenzende Isolator scheibenförmig ausgebildet ist und in seinem die Durchtrittsöffnung aufweisenden mittleren Bereich mit gegenüber den Randbereichen verringerter Dicke ausgebildet ist. Da- durch, daß der Isolator in seinem Randbereich eine größere Dicke aufweist, gelingt ein zuverlässiger Schutz gegen elektrische Überschläge der im wesentlichen von den Elektroden und dem zwischengeschalteten Isolator gebildeten Einheit zur Erzeugung des Plasmas, wobei durch eine geringe Dicke im mittleren Bereich des Isolators bei Wahl einer geeigneten Geometrie tatsächlich ein im wesentlichen punktförmiges Plasma bei entsprechend niedriger Leistung unter atmosphärischem Druck erzielbar ist. in diesem Zusammenhang wird darüberhinaus bevorzugt vorgeschlagen, daß die Verringerung der Dicke des Isolators im mittleren Bereich im Querschnitt längs einer bogenförmigen, insbesondere kreisbogenförmigen, para- belförmigen oder kegeligen, Erzeugenden verläuft, wobei durch derartige bogenförmige Begrenzungen des verjüngten bzw. verkleinerten, mittleren Abschnittes eine gegebenenfalls bestehende Abrasion des Isolators und der Elektroden reduziert werden kann und gleichzeitig eine definierte Geometrie der dem Plasma unmittelbar vor- bzw. nachgeschalteten Glimm- entladungen erzielbar ist. Durch die bogenförmigen Verjüngungen des Isolators im mittleren Bereich wird insbesondere das Strömungsprofil des Gases verbessert und überdies werden durch eine derartige Struktur des Isolators die Elektroden besser der UV-Strahlung des Plasmas ausgesetzt.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Geometrie der Elektroden als auch der Isolatoren wird es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung für unterschiedlichste Einsatz- zwecke zu verwenden. So kann beispielsweise bei Anwendungen ohne Analysenproben im Plasma, bei denen es auf ein vergleichsweise geringes Totvolumen nicht in erster Linie ankommt, vor allem die stromaufwärtige Elektrode im wesentlich scheibenförmig sein, wobei eine beliebige Öffnung für die Plasmagaszufuhr vorgesehen sein muß, welche in Abwandlung der Geometrie der Isolatoren beispielsweise auch seitlich angeordnet sein kann oder gegebenenfalls von Poren gebildet sein kann.
Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Plasmareaktor, beispielsweise für eine Ionenmobilitätsspek- trometrie oder zur Ozonerzeugung, ermöglicht die enge räumliche Begrenzung der Entladung des Plasmas, welche idealisiert als punktförmig betrachtet werden kann, einen steilen Temperaturgradienten, wobei dies insbesondere beim Abkühlen der Plasmagase beim Austritt aus der Plasmadüse bzw. dem nachgeschalteten Isolator wichtig ist, und damit verbunden die Bildung thermodynamisch instabiler Reaktionsprodukte durch Quenchen. Demgegenüber kann bei Verwendung der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Mikroplasmas , beispielsweise zur Ozon- oder zur Wasserstoffatomerzeugung, eine Austrittsdüse bzw. ein nachgeschalteter Isolator verwendet werden, welche eine enge Isolatordüse ist oder eine dem zweiten Isolator nachgeschaltete Metalldüse sein kann, wobei jedoch zur Extraktion von Ionen ein elektrischer Isolator vorteilhaft ist. Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich der Massenspektrometrie kann durch Verwendung einer kleinen Durchtrittsöffnung des in Zufuhrrichtung letzten Isolators zusammen mit einem entsprechend hohen Gasfluß eine große Druckdifferenz an dem Übergang zwischen Plasma und Vakuum eingestellt werden, wobei in diesem Fall die Öffnung der von dem Isolator gebildeten Austrittsdüse typischerweise kleiner ist als die der verwendeten Durchtrittsöffnung des vor den Elektroden vorgesehenen Isolators. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäß vorgesehene, enge räumliche Begrenzung des Plasmas sowie der Durchtrittsöffnung des nachgeschalteten Isolators, welcher eine Durchtrittsdüse definiert, die Verwendung kleiner Gasflüsse bei gleichzeitig hohem Druck im Plasma unter exakter räumlicher Begrenzung. Derartig kleine Gasflüsse resultieren in weiterer Folge in vergleichsweise niedrigen Anforderungen an Vakuumpumpen, wobei darüberhinaus für eine Optimierung der Energiezufuhr bei einer derartigen Ausbildung die dem Vakuumbereich näher liegende Elektrode vorzugsweise auf oder nahe Erdpotential gehalten wird, wäh- rend ein Einspeisen der RF-Leistung an der anderen Elektrode erfolgt. Weiters kann insbesondere für eine weitere Druckerhöhung im Plasma die Zufuhr eines Zumisch- oder Hilfsgases, beispielsweise im Bereich zwischen dem zwischen den Elektroden angeordneten Isolator und dem nachgeschalteten isola- tor, welcher die Austrittsdüse definiert, vorgesehen sein, um den Druck im Plasma zu erhöhen. Für spezielle Einsatzzwecke kann auch in einem derartigen, im wesentlichen seitlichen Bereich stromabwärts des eigentlichen Plasmas eine zu untersuchende Probe bzw. ein Reagensgas eingebracht werden.
Weiters ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden sowie der Isolatoren, daß die Elektroden bzw. insbesondere deren zylindrische Innenfläche vom Plasma möglichst direkt beleuchtet werden, wodurch sich eine Stabilisierung der Entladung durch Freisetzung von Photoelektronen aus der Metalloberfläche ergibt. Um mit kleinbauenden Elektroden die zur Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas erforderliche Energie einbringen zu können und eine entsprechende Widerstandsfähigkeit der Elektroden zu erhalten, wird erfindungsgemäß bevorzugt vorge- schlagen, daß das Material der Elektrode gewählt ist aus Gold, Platin, Tantal, Niob, Iridium, Aluminium, Platin/ Iridium-Legierungen, vergoldetem Metall oder mit Edelmetallen galvanisch beschichteten, unedlen Metallen. Für die Erzielung der erforderlichen elektrischen Isolationseigenschaften und einer ausreichenden Wärmeleitfähigkeit der das Plasma begrenzenden Elemente bei gleichzeitiger Möglichkeit einer exakten Bearbeitung wird weiters vorgeschlagen, daß der das Plasma begrenzende Isolator von Scheiben aus Aluminiumoxidkeramik, Quarz, Saphir, Rubin, Diamant oder elektrisch nicht- bzw. schlecht leitender Oxid-, Nitrid- oder Carbidkeramik gebildet ist, wie dies einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht.
Zur Erleichterung des Zusammenbaues der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei der aus den Elektroden und den Isolatoren bestehende, zentrale Bereich zur Plasmaerzeugung beispielsweise vorgefertigt werden kann, wird darüberhinaus bevorzugt vorgeschlagen, daß die Elektroden und Isolatoren entweder mechanisch, beispielsweise durch Federwirkung, miteinander zusammengepreßt sind oder durch an sich bekannte Metall-Keramik-Verbindungen, insbesondere durch Löten im Vakuum oder unter Wasserstoffatmosphäre, miteinander verbunden sind.
Für eine besonders einfache Lagerung der Einheit zur Plas a- erzeugung wird darüberhinaus bevorzugt vorgeschlagen, daß die Elektroden sowie der bzw. die Isolatoren in Halterungen aufgenommen und gasdicht gelagert sind. Aufgrund der Tatsache, daß insbesondere die räumlichen Abmessungen des Plasmas äußerst gering sind, wird darüberhinaus bevorzugt vorge- schlagen, daß die Halterungen mit Zentriereinrichtungen für die Elektroden und/oder Isolatoren ausgebildet sind, um eine gleichmäßige Einbringung der Energie zur Zündung und Aufrechterhaitung des Plasmas zu erzielen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist darüber- hinaus vorgesehen, daß die Halterungen Abführ- und/oder Spülöffnungen, insbesondere für die Zufuhr eines Zumischgases , aufweisen, wodurch insbesondere neben der Zufuhr von Zumisch- gasen gegebenenfalls entstehende Reaktionsprodukte, welche beispielsweise bei Verwendung des Plasmas im Zusammenhang mit Analyse- oder Detektoreinrichtungen im Bereich der plasmaerzeugenden Einheit auftreten können, einfach abgeführt werden können.
Für die Frzielung einer entsprechenden Dichtheit bei hoher Temperatur zwischen den einzelnen Elementen wird darüberhinaus bevorzugt vorgeschlagen, daß die Halterungen wenigstens im Bereich ihrer an den Elektroden und/oder Isolatoren anliegenden bzw. angrenzenden Dichtfläche beschichtet, beispielsweise vergoldet, sind.
Zur Erzielung einer äußerst kleinbauenden Einheit bei entsprechender Sicherstellung der Einkopplung der elektrischen Energie ist darüberhinaus bevorzugt vorgesehen, daß die Halterungen für die Elektroden mit Anschlüssen für die Zufuhr der RF/HF-Energie ausgebildet sind.
Wie oben angedeutet, ist der das Plasma begrenzende Isolator unter Umständen aus äußerst aufwendig herstellbaren und kostspieligen Materialien gefertigt, um die gewünschten Eigen- Schäften des im wesentlichen punktförmigen, niederenergetischen Plasmas zu erhalten, sodaß darauf abgezielt wird, mit möglichst geringem Materialeinsatz für den Isolator im unmittelbaren Bereich der Plasmaerzeugung das Auslangen zu finden. Für eine weitere Wärmeabfuhr und Isolierung bzw. Halterung des die DurchtrittsÖffnung aufweisenden Isolators wird darüberhinaus vorgeschlagen, daß der das Plasma begrenzende Isolator von einem weiteren Isolator umgeben ist, welcher den Isolator zentriert und die Elektroden voneinander abschirmt, wobei dieser weitere Isolator aus entsprechend kostengünstigerem Material, wie beispielsweise Bornitrat, Polyimid, je nach Temperatur hergestellt werden kann.
Wie oben bereits angedeutet, läßt sich ein derartiges Plasma für unterschiedlichste Einsatzzwecke verwenden, wobei in diesem Zusammenhang besonders bevorzugt vorgeschlagen wird, daß der Plasmaerzeugung eine Einrichtung zur Analyse von in das Plasma eingebrachten, zu untersuchenden Materialien nachgeschaltet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der beiliegenden Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungs orm einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen eines RF/HF-induzierten, niederenergetischen Plasmas zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ; Fig. 2 in vergrößertem Maßstab eine teilweise Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ; Fig. 3 in einer zu Fig. 2 ähnlichen Darstellung eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Verwendung der Vor- richtung als Plasmareaktor;
Fig. 5 einen Schnitt durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Verwendung der Vorrichtung in Verbindung mit einem Massenspektrometer; und Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 1 sind mit 1 zwei parallel zueinander angeordnete, scheibenförmige bzw. ringförmige Elektroden bezeichnet, zwischen welchen ein Isolator 2, beispielsweise aus Rubin, Saphir oder allgemein einer nicht- bzw. schlecht leitenden Oxidkeramik, angeordnet ist, wobei der Isolator 2 eine Durchtrittsöffnung 3 aufweist, in welcher in weiterer Folge ein Plasma mit geringen Abmessungen, welche idealisiert als punktförmig zu betrachten sind, erzeugt wird. Jede Elektrode 1 weist hiebei eine Durchtrittsöffnung 4 auf, welche die Abmessungen der Durchtrittsöffnung 3 des Isolators, welche die Abmessungen des zu erzeugenden, schematisch mit 17 angedeuteten, Plasmas definieren, beträchtlich übersteigt und etwa das Zwei- bis Zehnfache der lichten Weite der Öffnung 3 be- trägt. Die Elektroden 1 sind in schematisch angedeuteten Halterungen 5 bzw. 6 gelagert, über welche in nicht näher dargestellter Weise, beispielsweise über einen gefederten Kontaktstif , eine Verbindung mit einem Generator zur Zufuhr der Energie zur Zündung und Aufrechterhaltung des in der Durchtrittsöffnung 3 des Isolators 2 zu erzeugenden Plasmas erfolgt, wobei eine Zufuhr für eine Probe mit 7 bezeichnet ist. Die Zufuhr 7, welche beispielsweise von einem Quarz- Kapillarrohr gebildet ist, wird von einer weiteren rohrför- migen Öffnung 18 umgeben, über welche entsprechend den Pfei- len 19 eine Zufuhr eines Plasmagases, wie beispielsweise Helium oder Argon, und gegebenenfalls eines Zumischgases , wie beispielsweise CO2, Luft, Wasserstoff oder Sauerstoff, in den
Bereich der Elektroden und Isolatoren erfolgt.
Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der in Zufuhrrichtung 8 bzw. 19 der Probe und des Plasmagases ersten Elektrode vorgeschaltet ein weiterer Isolator 9 vorgesehen ist, dessen Durchtrittsöffnung 10 Abmessungen aufweist, welche im wesentlichen den Abmessungen der Durchtrittsöffnung 3 des Isolators 2, in welchem das Plasma 17 erzeugt wird, entsprechen. Dieser in Strömungsrichtung 8 vorgeschaltete Isolator 9 dient hiebei im wesentlichen dazu, um ein Durchschlagen des Plasmas in die Zuführung 7 sowie eine Beschädigung der umliegenden Elemente zu vermeiden. Weiters ist ersichtlich, daß in Zufuhrrichtung 8 des Plasmagases gesehen der zweiten Elektrode 1 ein weiterer Isolator 11 nachgeschaltet ist, dessen Durchtrittsöffnung 12 geringfügig kleiner ist als die lichte Öffnung der unmittelbar benachbarten Elektrode 1. Durch diesen nachgeschalteten Isolator 11 gelingt entsprechend den Erfordernissen eine Optimierung bzw. genaue Definition der durch das Plasma 17 in der Öffnung 3 erzeugten Strahlung. Dadurch, daß die Durchtrittsöffnung 12 zumindest geringfügig kleiner ist als die Durchtrittsöffnung 4 der benachbarten Elektrode 1, wird die Elektrodenoberfläche geschützt, und insbesondere eine räumliche Begrenzung der Glimmentladung auf der Elektrode erzielt, wodurch die Energieaufnahme des gesamten Plasmas als auch der analytisch interessanten Zone in der Öffnung des mittleren Isolators stabilisiert wird. Zur Vermeidung von Sputter-Effekten können die Elektroden 1 an ihren Kanten abgerundet sein bzw. dürfen sie keine scharfen Grate aufweisen. Weiters ist vorgesehen, daß der Isolator 2 an seiner in Strömungsrichtung 8 gesehen hinteren Oberfläche von einer bogenförmigen Erzeugenden 13 begrenzt ist, sodaß sich im Isolator 2 in seinem mittleren Bereich ein verringerter Querschnitt ergibt, sodaß durch die im Querschnitt gesehen im wesentlichen quadratischen Abmessungen der Durchtrittsöffnung 3 ein kugelförmiges und idealisiert als punktförmig zu bezeichnendes Plasma 17 erzeugbar ist.
Der Durchmesser der Durchtrittsöffnung 3 im Isolator 2, welcher die Abmessungen des zu erzeugenden Plasmas definiert, kann hiebei unter 0,5 mm und beispielsweise bei etwa 0,1 bis 0,2 mm liegen. Demgegenüber beträgt der Durchmesser 4 der Öffnungen der Elektroden 1 beispielsweise etwa 0,5 - 1 mm. Die Dicke der Elektroden 1 als auch der Isolatoren 2, 9 und 11 kann beispielsweise etwa 0,5 mm betragen, wobei durch die Verjüngung des Isolators 2 in einem mittleren Bereich eine entsprechend verringerte Dicke erzielbar ist. Es gelingt somit, mit baulich einfachen Mitteln eine Plasmaquelle zur Verfügung zu stellen, bei welcher die räumlichen Abmessungen des Plasmas sehr klein und exakt definierbar sind, sodaß bei Atmosphärenbedingungen ein niederenerge- tisches Plasma mit einer Leistung von beispielsweise unter 20 W und vorzugsweise zwischen 5 und 10 W erzielbar ist. Aufgrund der geringen Leistung wird es darüberhinaus möglich, über den Isolator 2 sicher die entstehende Wärme abzuführen, wobei, wie aus Fig. 1 ersichtlich, der Isolator 2 von einem weiteren Isolator 14 umgeben ist, welcher sowohl der weiteren Wärmeableitung dient als auch eine sichere Abschirmung der beiden Elektroden 1, welche zu beiden Seiten des Isolators 2 angeordnet sind, ermöglicht. Weiters sind insbesondere in der Halterung. 6 Abführ- oder Spülöffnungen 15 angedeutet, über welche entsprechend den Pfeilen 20 ein Austrag erfolgt.
Durch Vorsehen der Halterungen 5 und 6 sowie des den Isolator 2 umgebenden, zusätzlichen Isolators 14 gelingt eine sichere Festlegung der lediglich geringe Abmessungen aufweisenden Einzelelemente, wobei darüberhinaus für eine entsprechende gasdichte Festlegung der einzelnen Elemente Sorge getragen werden muß. Die Halterungen 5, 6 sind hiebei mit Zentriereinrichtungen ausgebildet oder dienen selbst als Zentrierung der aufeinander abzustimmenden Durchtrittsöffnungen 3, 10, 12 der einzelnen Elemente, wobei ein umgebendes, elektrisch isolierendes Gehäuse schematisch mit 16 angedeutet ist.
Zur Erzielung einer entsprechenden Dichtheit kann darüberhinaus vorgesehen sein, daß die Halterungen 5 bzw. 6 wenig- stens im Bereich der an den Elektroden 1 und/oder Isolatoren 2, 9 und 11 anliegenden bzw. angrenzenden Dichtflächen beschichtet, beispielsweise vergoldet, sind.
Die Verbindung der Elektrode 1 mit den Isolatoren 2, 9 bzw. 11 kann beispielsweise mechanisch unter Vorsehen von entsprechenden Federn, welche ein Zusammenpressen der Elektroden 1 und Isolatoren 2, 9 und 11 mit sich bringen, erfolgen oder es können an sich bekannte Metall-Keramik-Verbindungen, wie beispielsweise Löten im Vakuum oder unter Wasserstoffatmosphäre, eingesetzt werden, um eine entsprechend dichte Einheit der Elektroden 1 sowie der Isolatoren 2, 9 und 11 in den Halte- rungen 5 und 6 bzw. zwischen denselben zu erzielen.
Bei den Darstellungen gemäß den Fig. 2 und 3, welche in größerem Maßstab lediglich den Teilbereich der Elektroden 1 sowie des Isolators 2 und der gegebenenfalls vor- bzw. nach- geschalteten Isolatoren 9 und 11 darstellen, sind für gleiche Elemente die Bezugszeichen der vorangehenden Figur beibehalten worden.
So ist bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 2 vorgesehen, daß sämtliche Isolatoren 2, 9 und 11 im wesentlichen scheibenförmig mit im wesentlichen gleichbleibender Dicke ausgebildet sind, während bei der Ausbildung gemäß Fig. 3 der das Plasma 17 begrenzende Isolator 2 in seinem mittleren Bereich dadurch verjüngt ausgebildet ist, daß an beiden Seitenflächen jeweils eine Querschnittsverminderung entlang von bogenförmigen Erzeugenden 13 erfolgt. Derart ist eine vollkommen mittige Positionierung des Plasmas zwischen den zwei an den Isolator 2 anschließenden Elektroden 1 möglich. Die Elektroden 1 sind hiebei zur Erzielung einer möglichst hohen Feldstärke im Bereich des Plasmas in Richtung zu dem Isolator 2 geneigt, d.h. kegelstumpfförmig, ausgebildet.
Bei der in Fig. 4 dargestellten, abgewandelten Ausführungsform einer Vorrichtung, welche als Plasmareaktor verwendet wird, sind zur Plasmaerzeugung wiederum zwei im wesentlichen ringförmige Elektroden 1 vorgesehen, welchen Isolatoren 2, 9 bzw. 11 mit sehr geringen Durchtrittsquerschnitten zwischen- bzw. vor- oder nachgeschaltet sind. Die Lagerung der von den Elektroden 1 und den Isolatoren 2, 9 bzw. 11 gebildeten Ein- heit erfolgt wiederum in Halterungen 5 und 6. Dabei liegt die in Zufuhrrichtung 8 bzw. 19 stromabwärts liegende Elektrode 1 unter Kopplung mit der Halterung 6 mit einer gegebenenfalls gekühlten, weiteren Halterung 21 im wesentlich auf Erdpotential, während an der Halterung 5, in welcher die in Strömungsrichtung erste Elektrode 1 gelagert ist, die RF-Energie angelegt wird. Die Halterungen 5 und 6 sind von weiteren elektrischen Isolatoren 22 und 23 wenigstens teilweise übergriffen. Bei Einsatz der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung als Plasmareaktor erfolgt über eine zentrale Zufuhr 7 die Zufuhr einer Probe, während in der das Probenrohr 7 umgebenden Ausnehmung 18 entsprechend dem Pfeil 19 die Zufuhr eines Plasmagases und gegebenenfalls eines Zumischgases erfolgt. Hiebei kann weiters eine vorgeschaltete Halterung 24, über welche die Probe und das Plasmagas geführt werden, gegebenenfalls beheizt sein.
Weiters ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß über in der Halterung 21 vorgesehene Zuführöffnungen 25 darüberhinaus zusätzlich ein Zumischgas in den Bereich der Elektroden 1 und Isolatoren 2, 9 bzw. 11 entgegen der Zufuhrrichtung 8 bzw. 19 sowohl der Probe als auch des Plasmagases erfolgen kann, wobei dieses Zumischgas beispielsweise Kühlzwecke erfüllt, den Druck im Bereich der Plasmaerzeugung anhebt und gleichzeitig als Transportgas dient. Die Reaktionsprodukte, welche in weiterer Folge beispielsweise zur Massenspektrometrie oder Chemilumi- neszenz verwendet werden, werden über eine beispielsweise wiederum von einem Quarz-Kapillarrohr ausgebildete Ausfuhr 26 entsprechend dem Pfeil 27 gegebenenfalls in einen Vakuumbereich bzw. für eine nähere Analyse ausgebracht.
Für entsprechende Einsatzzwecke, insbesondere als Ionen- quelle, kann ein gegenüber der Darstellung gemäß Fig. 4 abgeänderter Anschluß der Versorgungsquelle an der Elektrode, beispielsweise unter Tausch des Anschlusses für das Erdpotential, und für die Einspeisung der RF-Energie gewählt werden.
Bei der Ausbildung gemäß Fig. 5, welche insbesondere im Zusammenhang mit einem Massenspektrometer einsetzbar ist, sind für gleiche Bauteile wiederum die Bezugszeichen der vor- angehenden Figuren beibehalten worden. Auch bei dieser Ausbildung sind insbesondere die Isolatoren 2, 9 und 11 mit sehr geringen DurchtrittsÖffnungen ausgebildet, wobei wiederum die in Zufuhrrichtung 8 bzw. 19 zweite Elektrode 1 über die Halterung 21 auf Erdpotential liegt, während unter Zwischenschaltung der Halterung 5 die erste Elektrode 1 mit RF/HF-Energie gespeist wird. Dem Bereich der Plasmaerzeugung, wie er durch die Elektroden 1 sowie die Isolatoren 2, 9 bzw. 11 definiert wird, ist eine schematisch angedeutete Abschirm- einrichtung 28 nachgeschaltet, wobei vor dieser Abschirmeinrichtung 28 für die Verwendung in einem Massenspektrometer entsprechend dem Pfeil 29 ein Vorvakuum aufgebaut wird, während in weiterer Folge im Bereich der gemäß dem Pfeil 30 ausgebrachten Reaktionsprodukte ein entsprechend höheres Vakuum vorzusehen ist.
Gegebenenfalls kann auch in den Bereich unmittelbar vor dem in Strömungsrichtung gesehen letzten Isolator 11 eine Zufuhr eines Zumischgases vorgesehen sein. Weiters kann die vorge- schaltete Halterung 24 wiederum mit entsprechenden, nicht näher dargestellten Heizeinrichtungen versehen sein.
Bei der in Fig. 6 dargestellten, abgewandelten Ausführungsform sind wiederum die Bezugszeichen der vorangehenden Dar- Stellungen für gleiche Bauteile beibehalten worden. So weist wiederum der Isolator 2 eine Durchtrittsöffnung 3 auf, in welcher in weiterer Folge das Plasma 17 begrenzt wird. Die Zufuhr für eine Probe ist mit 7 bezeichnet. Der Isolator 2 zur Begrenzung des Plasmas 17 ist wiederum zwischen zwei ring- bzw. scheibenförmigen Elektroden angeordnet, wobei die in Zufuhrrichtung nachgeschaltete Elektrode 1 wiederum ähnlich zu den vorangehenden Ausführungsformen ausgebildet ist. Im Gegensatz zu vorangehenden Ausführungsformen ist die in Zufuhrrichtung gesehen vorgeschaltete Elektrode gemeinsam mit einem der ersten Elektrode vorgeschalteten Isolator ausgebildet, wobei diese Einheit mit 31 bezeichnet ist. Die Einheit 31 weist ähnlich den vorangehenden Ausführungsformen wiederum eine Eintritts- bzw. Durchtrittsöffnung 10 auf, welche im wesentlichen der Durchtrittsöffnung 3 des Isolators 2 zur Begrenzung des Plasmas 17 entspricht. Ausgehend von der Durchtrittsöffnung 10 der Einheit 31 ist diese mit einer sich konisch erweiternden bzw. im wesentlichen topfförmigen Ausnehmung 32 ausgebildet, sodaß sich insgesamt für die zwischen den Elektroden auszubildenden Feldlinien zur Begrenzung des Plasmas 17 wiederum eine im wesentlichen den vorangehenden Ausführungsformen entsprechende Konfiguration ergibt. Hiebei kann die sich konisch erweiternde bzw. topfförmige Ausnehmung 32 zur Erzielung der entsprechenden geometrischen Erfordernisse mit einer Tiefe ausgebildet sein, welche etwa dem zweifachen Durchmesser derselben entspricht.
Die von den Elektroden und den Isolatoren gebildete Einheit ist wiederum in Halterungen aufgenommen, welche bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform mit 33 und 34 bezeichnet sind. Aus Fig. 6 ist weiters ersichtlich, daß sich ungleich den vorangehenden Ausführungsformen der Isolator 2 zur Be- grenzung des Plasmas 7 bis zu den Halterungen 33 bzw. 34 erstreckt, sodaß insgesamt bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform mit einer verringerten Anzahl von aufeinander abzustimmenden bzw. miteinander zu verbindenden Einzelteilen das Auslangen gefunden werden kann.
Für eine erhöhte Gesamtleistung kann darüberhinaus allgemein vorgesehen sein, daß sowohl die Elektroden als auch der Isolator 2 zur Begrenzung des Plasmas jeweils mit einer Vielzahl von aufeinander abgestimmten Durchtrittsöffnungen ausgebildet sind, wobei diese Durchtrittsöffnungen hiebei derart angeordnet sind, daß eine Konzentration der von den einzelnen Plasmaquellen abgegebenen Leistung auf einen gemeinsamen Mittelpunkt bzw. Fokussierungspunkt erzielbar ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Erzeugen eines RF/HF-induzierten, niederenergetischen Plasmas (17), insbesondere Edelgasplasmas, da- durch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Energie über zwei in Abstand parallel voneinander angeordnete, insbesondere ring- bzw. scheibenförmige Elektroden (1, 31) mit jeweils wenigstens einer Durchtrittsöffnung (4, 32) eingebracht wird, daß das Plasma (17) von wenigstens einem zwischen den Elektroden angeordneten Isolator (2) mit wenigstens einer der Durchtrittsöffnung (4, 32) der Elektrode (1, 31) zugeordneten, insbesondere kreisförmigen, Durchtrittsöffnung (3) begrenzt wird und daß der Druck des Plasmagases mit wenigstens 0,01 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 bar, gewählt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma (17) bei atmosphärischem Druck erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung des Plasmas (17) unter 30 W, vorzugsweise unter 10 W, gewählt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Frequenz mit wenigstens 5 kHz, vorzugsweise im Bereich zwischen 50 kHz und 5 GHz, insbesondere mindestens 10 MHz, gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Plasmagas gewählt ist aus Helium oder
Argon.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plasmagas ein Zumischgas in einer Menge von maximal 35 Vol.-%, vorzugsweise max. 25 Vol.-%, zugemischt wird, wobei das Zumischgas insbesondere aus CO2, Luft,
Wasserstoff und Sauerstoff gewählt wird.
7. Vorrichtung zum Erzeugen eines RF/HF-induzierten, niederenergetischen Plasmas, insbesondere Edelgasplasmas, mit einem Generator und einer Zufuhr (7) für das Plasmagas, dadurch ge- kennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Generator mit zwei in Abstand parallel voneinander angeordneten, insbesondere ring- bzw. scheibenförmigen Elektroden (1, 31) mit jeweils wenigstens einer Durchtrittsöffnung (4, 32) gekoppelt ist, daß zwischen den Elektroden (1, 31) wenigstens ein Iso- lator (2) mit wenigstens einer der Durchtrittsöffnung der Elektrode (1) zugeordneten, insbesondere kreisförmigen, Durchtrittsöffnung (3) zur Begrenzung des von einem Plasmagas unter einem Druck von wenigstens 0,01 bar, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 bar, gebildeten Plasmas (17) angeordnet ist und daß die lichte Weite der Durchtrittsöffnung (4, 32) der Elektroden (1) wenigstens das Zweifache, insbesondere etwa das Vier- bis Achtfache, der lichten Weite der Durchtrittsöffnung (3) im Isolator (2) zur Begrenzung des Plasmas (17) beträgt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 31) mit jeweils einer im wesentlichen zentrischen, insbesondere zylindrischen oder kegelstumpfför- migen, Durchtrittsöffnung (4, 32) ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen (4, 32) der Elektroden (1) mit abgerundeten Kanten ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Weite der Durchtrittsöffnung (3) im das Plasma (17) begrenzenden Isolator (2) maximal 1 mm, vorzugsweise mindestens 0,01 mm, insbesondere etwa 0,05 bis 0,3 mm, beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Zufuhrrichtung (8) des Gases gesehen der ersten Elektrode (1) ein weiterer Isolator (9) mit einer der DurchtrittsÖffnung (3) im zwischen den Elektroden (1) angeordneten Isolator (2) zur Begrenzung des Plasmas (17) im wesentlichen entsprechenden Durchtrittsöffnung (10) vorge- schaltet ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in Zufuhrrichtung des Gases gesehen erste Elektrode mit dem vorgeschalteten Isolator in einem gemeinsamen Bauteil (31) einstückig ausgebildet ist und daß an die der Durchtrittsöffnung (3) im Isolator (2) zur Begrenzung des Plasmas (17) entsprechende Durchtrittsöffnung (10) eine sich insbesondere konisch erweiternde Ausnehmung (32) anschließt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in Zufuhrrichtung (8) des Gases gesehen der zweiten Elektrode (1) ein zusätzlicher Isolator (11) nachgeschaltet ist, dessen Durchtrittsöffnung (12) vorzugs- weise geringfügig kleiner ist als die Durchtrittsöffnung (4) der benachbarten Elektrode ( 1 ) .
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der das Plasma begrenzende Isolator (2) scheibenförmig ausgebildet ist und in seinem die Durchtrittsöffnung (3) aufweisenden mittleren Bereich mit gegenüber den Randbereichen verringerter Dicke ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung der Dicke des Isolators (2) im mittleren Bereich im Querschnitt längs einer bogenförmigen, insbesondere kreisbogenförmigen, parabelförmigen oder kegeligen, Erzeugenden (13) verläuft.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Elektroden (1, 31) gewählt ist aus Gold, Platin, Tantal, Niob, Iridium, Aluminium, Platin/Iridium-Legierungen, vergoldetem Metall oder mit Edelmetallen galvanisch beschichteten, unedlen Metallen.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der das Plasma begrenzende Isolator (2) von Scheiben aus Aluminiumoxidkeramik, Quarz, Saphir, Rubin, Diamant oder elektrisch nicht- bzw. schlecht leitender Oxid-, Nitrid- oder Carbidkeramik gebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 31) und Isolatoren (2, 9, 11) entweder mechanisch, beispielsweise durch Federwirkung, miteinander zusammengepreßt sind oder durch an sich bekannte Metall-Keramik-Verbindungen, insbesondere durch Löten im Vakuum oder unter Wasserstoffatmosphäre, miteinander verbunden sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (1, 31) sowie der bzw. die Isolatoren (2, 9, 11) in Halterungen (5, 6, 21, 22, 23, 24, 33, 34) aufgenommen und gasdicht gelagert sind.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (5, 6) mit Zentriereinrichtungen für die Elektroden (1) und/oder Isolatoren (2, 9, 11) ausgebildet sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (6) Abführ- und/oder Spülöff- nungen (15), insbesondere für die Zufuhr eines Zumischgases , aufweisen.
22. Vorrichtung nach Anspruch 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (5, 6) wenigstens im Bereich ihrer an den Elektroden (1) und/oder Isolatoren (2, 9, 11) anliegenden bzw. angrenzenden Dichtfläche beschichtet, beispielsweise vergoldet, sind.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungen (5, 6) für die Elektroden
(1) mit Anschlüssen für die Zufuhr der RF/HF-Energie ausge- bildet sind.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß der das Plasma (17) begrenzende Isolator
(2) von einem weiteren Isolator (14) umgeben ist, welcher den Isolator (2) zentriert und die Elektroden (1) voneinander abschirmt.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmaerzeugung eine Einrichtung zur Analyse von in das Plasma (17) eingebrachten, zu untersuchenden Materialien nachgeschaltet ist.
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