EP2642833A2 - Device and method for generating a plasma - Google Patents

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EP2642833A2
EP2642833A2 EP13159136.4A EP13159136A EP2642833A2 EP 2642833 A2 EP2642833 A2 EP 2642833A2 EP 13159136 A EP13159136 A EP 13159136A EP 2642833 A2 EP2642833 A2 EP 2642833A2
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EP
European Patent Office
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coupling means
resonator
waveguide
plasma
plasma source
Prior art date
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EP13159136.4A
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German (de)
French (fr)
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EP2642833B1 (en
EP2642833A3 (en
Inventor
Silvio Kühn
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Forschungsverbund Berlin FVB eV
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin FVB eV
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Publication date
Application filed by Forschungsverbund Berlin FVB eV filed Critical Forschungsverbund Berlin FVB eV
Publication of EP2642833A2 publication Critical patent/EP2642833A2/en
Publication of EP2642833A3 publication Critical patent/EP2642833A3/en
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Publication of EP2642833B1 publication Critical patent/EP2642833B1/en
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/46Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2242/00Auxiliary systems
    • H05H2242/20Power circuits
    • H05H2242/24Radiofrequency or microwave generators

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for generating a plasma.
  • the present invention relates to plasma processes using microwave capillary discharges and to a system suitable for this purpose.
  • the object of the invention is therefore to improve the control of the micro-plasma sources for these applications.
  • a plasma generating apparatus comprising a plasma source formed as a cavity and a resonator comprising a waveguide and the plasma source, the waveguide being operatively connected to the plasma source; a device having a first coupling means for energy supply and a second coupling means for energy decoupling, each coupling means is energy and signal leading to the waveguide operatively connected; a device having an active element for powering the resonator, which is operatively connected to the first and the second coupling means; wherein the plasma source is at least partially integrated in a portion of the waveguide extending between the first coupling means and the second coupling means.
  • the waveguide On one side of the resonator, still belonging to the resonator, there is a first line termination. There, the waveguide is closed to ground, so short-circuited, so that the wave is totally reflected at this point and therefore changes their direction of propagation. Then the wave runs against the plasma and is partially reflected there. Part of the energy goes into the plasma, the other part of the energy goes back to the short circuit with the wave, where again a reflection occurs. Again another part of the wave passes over the plasma towards a second end of the line, where again a reflection takes place. The wave thus runs back and forth several times and is partially absorbed by the plasma, which corresponds to the output into the plasma active power. By going back and forth running creates a resonance / standing wave with voltage increase in the plasma electrodes.
  • the wave also runs into the plasma and is thereby partially reflected, absorbed and additionally transmitted. That is, a part of the wave, the transmitted part, is available for the feedback of the oscillator. What is new is that the plasma is thus actively involved in the feedback in the oscillator and thus has considerably more influence on the oscillator than is the case in the prior art.
  • the advantage of this device is that the performance of microwave plasma sources with respect to the plasma-dependent tracking of the frequency and the feedback required for the oscillator is improved.
  • the feedback is not only via direct coupling to the standing wave of the resonator, but according to the invention via the plasma.
  • the conductivity of the Plasmas increased with its ignition, thus increasing the degree of feedback.
  • This is the gist of the invention and is the advantage of this oscillator type.
  • Connectedness in the aforementioned sense means preferably be operatively connected, z.
  • a surands or states For example, an electric and / or magnetic field may be detected, preferably near the plasma or in or on the resonator or at / through a coupling site.
  • an electrical current and / or an electric power could be detected in, at the edge or close to the aforementioned functional elements and the elements for detecting are located there and / or located by directing the physical quantities away from the location of the detection.
  • a dynamic and / or static pressure can be detected. It is also possible to exert optical control of the plasma by means of glass fiber cables and preferably to monitor frequency, phases and performance.
  • the wiring of the elements according to the principle of a crossbar, Umschaltbox, matrix switch, switch, selector, crossover switch or matrix switch is configured, so a controller is used for switching through various signal sources, preferably resonators, to one or several consumers, preferably plasma sources. It is also possible that this switching takes place in the time division multiplex and / or in the local multiplex. It is also possible that the superposition principle is used in order to temporarily superimpose individual resonators in combination with the preferred crossbar principle in order to preferably produce or maintain breakdown voltages or operating points on the part of preferably dedicated plasma sources by spatially and temporally targeted superimposition.
  • the plasma source is integrated in the resonator.
  • the resonator may be part of the plasma source.
  • the feed can, without detour via the resonator, be directly operatively connected to the plasma source.
  • the plasma source may comprise the resonator or itself be a part of the resonator.
  • the plasma source may be completely integrated in a region of the waveguide which extends between the first coupling means and the second coupling means.
  • the extension of the waveguide may take any route through the room, e.g. B. meandering.
  • the plasma source is the supply on the left side and the decoupling on the right side, wherein the plasma source is preferably contacted by waveguides on both sides and the input or output takes place at the waveguide.
  • the waveguide between the first coupling means and the second coupling means is continuous, and the plasma source is arranged in the course of the waveguide.
  • continuous does not mean that the waveguide is the same type and / or the same dielectric at each point of the waveguide. Rather, differently constructed path sections are conceivable, wherein continuously means in this context that one and the same wave propagates along a continuous path.
  • the resonator is a microwave resonator, so that this generates electromagnetic waves in the frequency range typical for microwaves. It is also possible that in the resonator microwaves in the range of 1 to 300 GHz, preferably 1 to 100 GHz, more preferably 1 to 50 GHz and more preferably 1 to 10 GHz are generated.
  • the resonator comprises a cavity resonator or a descendant of the cavity resonator. It is also possible that the resonator comprises a klystron or a derivative of the klystron. It is also possible that the resonator comprises a cathode ray tube or a derivative of the cathode ray tube. It is also possible that the resonator comprises a Gunn diode or a Gunn element or a derivative of the Gunn element. It is also possible that the resonator is an avalanche diode or a derivative of the avalanche diode, such.
  • an Impatt, Trapatt, Suppressor, Zener or Avalanche photo diode comprises. It is also possible that the resonator is a Dovett diode or a derivative of the Dovett diode, z. B. a Baritt diode includes. It is also possible for the feed means and the resonator to be combined in one component and / or to cooperate so closely that they preferably can not be regarded as separate components and / or must be considered.
  • the plasma source is formed as a cavity with opening for gas supply and gas discharge. This would have the advantage of being able to do additional mechanical work with the plasma, such as. B. selectively ablate surfaces or workpieces.
  • the plasma source has a gas supply, which is connected to a first end of the hollow cylindrical tube.
  • the plasma source prefferably has a gas supply which is not connected to a first end of the hollow-cylindrical tube but feeds the gas between both ends of the tube, preferably through annularly arranged inlet holes, inlet nozzles or gas-directional formers which are defined by appropriate formation of the inner surface become.
  • this gas supply is fed not only once, but regularly with gas, the regular forwarding of gas accordingly belongs to the preferably regular operating condition and expressly not for one-off technological construction.
  • the plasma source has a hollow cylindrical tube whose longitudinal axis extends within the microwave resonator perpendicular to the propagation direction of the microwaves.
  • a rectangular section through the hollow cylindrical tube not necessarily exactly, but typically, to represent the sectional surface of a polygon, square, triangle, ellipse or rectangle, the section surface reproducing the inner region of the hollow cylindrical tube similar.
  • the active element comprises a transistor.
  • the transistor operates in positive feedback, so as to use frequency and phase for the time-correct feed.
  • the nonlinearity of the transistor in order to avoid impermissible swinging, so that the nonlinearity acts as a negative feedback despite coupling in positive feedback and thus exerts a certain control function.
  • the waveguide may comprise a conductor carrying the electrical potential of the shaft, which conductor is through-contacted by means of coupling means and is operatively connected to the energy supply and to the energy decoupling.
  • wavelength is meant that wavelength of the standing wave in the resonator, which is typical for the corresponding dimensioning of the resonator, wherein z. B. the length of the path over all sections of the waveguide and the size of the plasma source influence the resulting wavelength.
  • the first coupling means for energy supply is thus arranged at that point of a path of the waveguide whose distance from a line termination is different from the sum of a quarter of the wavelength and an integer multiple of half the wavelength; wherein the course path is to be understood as the sum of all path sections, starting at the first line termination with reflection, away via waveguide sections, via the plasma source, via a further waveguide section, up to the second line termination, for reflection where the pathway ends.
  • the advantage of this method is that the performance of microwave plasma sources with respect to the plasma-dependent tracking of the frequency and the feedback required for the oscillator is improved. Furthermore, this results in advantages when adjusting the plasma load. The performance, the efficiency, the stability of the oscillation and the reliability are also significantly improved.
  • the electrical power it is also possible for the electrical power to be determined as the physical parameter of the plasma source.
  • an electrical current, the temperature, the static and / or dynamic pressure, a magnetic field, an electrical voltage, an electric field, a light intensity, a particle velocity or a force to be determined as the physical parameter of the plasma source.
  • the aforementioned variables change their values as a function of time, ie are dynamic variables.
  • those aforementioned variables, which are not scalar quantities, the direction vectors and / or their temporal change are detected.
  • quantities derived from the aforementioned variables are detected, eg. B. from current and voltage, a resistance is derived or from an AC resistance of a capacitance, the frequency is derived.
  • the method steps a) to d) are repeated within a predefinable time interval. It is also possible that the method steps a) to d) run continuously. It is also possible that the method steps a) to d) do not run continuously but at discrete points in time, for example due to digital processing.
  • the repetitive time interval is less than 1 s and preferably even less than 0.1 s.
  • FIG. 1 shows a conventional device 100 for generating a plasma 141 according to the prior art.
  • the dashed line 101 indicates the limit of the resonator concept according to the prior art.
  • 121 and 122 line terminations which lead to the reflection of the electromagnetic wave and thus represent the basis of the vibration in the resonator 101, symbolized as electrical ground.
  • the standing wave builds up whose wave peak, energy maximum, is formed at the location of the plasma source 141, since there largest field strength is needed for ignition and maintenance of the plasma.
  • the coupling site 132 is a contact of the waveguide 110, 111 such that energy is coupled out 152 to be routed to the active element 161.
  • the active element preferably comprising a transistor connected in preferably positive feedback, thus receives information about frequency and phase in the resonator 101, amplifies the energy and supplies the energy 151 by means of coupling point 131, located at the waveguide 111, 112, the resonator 101 to the To advance the vibration. It is typical of this prior art resonator concept that the coupling points for energy feed 131 and energy decoupling 132 are disposed only between the first line termination 121 and the plasma source 141 and just not between plasma source 141 and second line termination 122th
  • FIG. 2 shows the inventive device 200 for generating a plasma 241.
  • the dashed line 201 indicates the limit of the resonator concept according to the invention.
  • 221 and 222 line terminations which lead to the reflection of the electromagnetic wave and thus represent the basis of the vibration in the resonator 201, symbolized as electrical ground.
  • the standing wave whose wave peak, energy maximum, is formed at the location of the plasma source 241, builds up, because there the largest field strength for ignition and maintenance of the plasma is needed.
  • a section 211, 212, 241, 213 of the waveguide can be recognized by being delimited by a coupling point 231, 232, the plasma source 241 or the line termination 221, 222, ie, the homogeneity of the medium of the waveguide changes along the propagation path of the wave or is interrupted.
  • the decoupling 252 of energy from the resonator 201 takes place at the coupling point 232 and the supply 251 of energy into the resonator 201 takes place at the coupling point 231, the plasma source 241 being arranged according to the invention between the A-231 and the decoupling point 232.
  • the active element 261 preferably comprises a transistor in circuitry, preferably for positive feedback, to amplify the applied signal 252. It is also possible to use a further active element, which does not work in positive feedback but in negative feedback in order to improve the stability of the oscillation process in the resonator and thus in the plasma. It is also possible to effectively connect the further active element 261 to a further coupling point for coupling out 232 from the resonator 201, and / or to connect the further active element in turn to a further coupling point to the feed 231. Thus, the possibilities of controlling or even controlling the vibration state in the resonator and plasma can be improved.
  • the waveguide outside the cavity of the plasma source preferably takes place via integrated components with stripline (microstrip) manufactured by monolithic microwave integrated circuit (MMIC) technology.
  • stripline microwavestrip
  • MMIC monolithic microwave integrated circuit
  • Other types of lines are possible in principle, for. B. coaxial line, ribbon cable or hollow conduit.
  • the coupling point for feeding into the resonator is preferably outside the lambda quarter range with respect to the conduction path of the plasma wave in the resonator, since at lambda quarter plus an integer multiple of half the wavelength, there is a vibroend.
  • the feed signal would have to have an amplitude corresponding to the antinode. This is no longer necessary and thus an advantage when coupled outside of the quarter-wave range.
  • the coupling point is preferably designed as an electrical line, through-contacted to the waveguide.
  • other coupling forms and a combination of those based on other physical quantities are possible, such as: B. coupling by magnetic field, coupling by electric field, coupling by electrical voltage or by electric current.
  • the coupling site for the extraction of energy could even detect other physical conditions, such. B. light output, pressure, temperature, magnetic field strength, stray fields and other physical quantities, which are derived directly or indirectly from states in the resonator. Therefore, it is conceivable that a coupling site for decoupling does not directly touch the waveguide of the plasma wave, but is located away from the waveguide of the plasma wave.
  • the plasma wave is the standing wave in the resonator which drives the plasma source.
  • a coupling point for decoupling is located in or at the plasma source and the feedback information 252 is obtained directly or indirectly from the plasma state. It is also possible that the aforementioned principle of non-direct contact of the waveguide analogously applies to the coupling point for coupling.

Abstract

The device (200) has a coupling unit (231) for energy introduction (251), and another coupling unit (232) for energy extraction (252). A resonator (201) comprises waveguides (211-213) operatively connected with a microwave plasma source (241) that is designed as a hollow space. Each coupling unit is in an energy- and/or signal-carrying operative connection with the waveguides. An active element (261) supplies energy to the resonator and is operatively connected with the coupling units. The source is partially integrated into a section of the waveguides that extends between the coupling units. The active element includes a transistor. An independent claim is also included for a method for generating a plasma.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas.The present invention relates to an apparatus and a method for generating a plasma.

Stand der TechnikState of the art

Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Plasmaprozesse unter Nutzung von Mikrowellen-Kapillar-Entladungen sowie eine dazu geeignete Anlage.The present invention relates to plasma processes using microwave capillary discharges and to a system suitable for this purpose.

Für Vakuumanwendungen existieren viele Ausgestaltungen von Plasmaquellen, deren Entwicklung durch die Forderung nach Erzeugung von immer kleineren Strukturen bei geringster Schädigung der Substrate durch das Plasma, nach der homogenen Bearbeitung immer größerer Flächen und nach kurzen Bearbeitungszeiten vorangetrieben wurde. Im Kern geht es darum, eine für die Bearbeitung optimale Plasmazusammensetzung zu erreichen und diese zeitlich und örtlich zu steuern. Angesichts der ständig wachsenden Anforderungen besteht auch künftig dringender Bedarf, die Plasmaquellen weiterzuentwickeln.For vacuum applications there are many designs of plasma sources whose development has been driven by the demand for production of ever smaller structures with minimal damage to the substrates by the plasma, after the homogeneous processing of ever larger areas and after short processing times. The core of the project is to achieve an optimal plasma composition for processing and to control it in time and place. In the face of ever-increasing demands, there is an urgent need to further develop plasma sources in the future.

Nachteil des Standes der Technik ist, dass die Stehwelle abnimmt, wenn das Plasma zündet, und somit auch die Auskopplung über das Kopplungsmittel abnimmt, bis die Auskopplungsenergie nicht mehr ausreicht, um eine stabile Welle mit Plasma aufrecht zu erhalten.Disadvantage of the prior art is that the standing wave decreases when the plasma ignites, and thus also the coupling over the coupling means decreases until the coupling-out energy is no longer sufficient to maintain a stable wave with plasma.

Aufgabe der Erfindung ist deshalb, die Ansteuerung der Mikro-Plasmaquellen für diese Anwendungen zu verbessern.The object of the invention is therefore to improve the control of the micro-plasma sources for these applications.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas zur Verfügung gestellt, die eine als Hohlraum ausgebildete Plasmaquelle sowie einen Resonator aufweist, welcher einen Wellenleiter und die Plasmaquelle umfasst, wobei der Wellenleiter mit der Plasmaquelle wirkverbunden ist; eine Vorrichtung, die ein erstes Kopplungsmittel zur Energie-Einspeisung und ein zweites Kopplungsmittel zur Energie-Auskopplung aufweist, wobei jedes Kopplungsmittel energie- und signalführend mit dem Wellenleiter wirkverbunden ist; eine Vorrichtung, die ein aktives Element zur Energieversorgung des Resonators aufweist, welches mit dem ersten und mit dem zweiten Kopplungsmittel wirkverbunden ist; wobei die Plasmaquelle zumindest teilweise in einem Bereich des Wellenleiters integriert ist, der sich zwischen dem ersten Kopplungsmittel und dem zweiten Kopplungsmittel erstreckt.According to the invention, there is provided a plasma generating apparatus comprising a plasma source formed as a cavity and a resonator comprising a waveguide and the plasma source, the waveguide being operatively connected to the plasma source; a device having a first coupling means for energy supply and a second coupling means for energy decoupling, each coupling means is energy and signal leading to the waveguide operatively connected; a device having an active element for powering the resonator, which is operatively connected to the first and the second coupling means; wherein the plasma source is at least partially integrated in a portion of the waveguide extending between the first coupling means and the second coupling means.

Auf der einen Seite des Resonators, noch zum Resonator gehörend, befindet sich ein erster Leitungsabschluss. Dort ist der Wellenleiter gegen Masse geschlossen, also kurz geschlossen, so dass die Welle an dieser Stelle total reflektiert wird und daher ihre Ausbreitungsrichtung ändert. Dann läuft die Welle gegen das Plasma und wird dort teilweise reflektiert. Ein Teil der Energie geht ins Plasma über, der andere Teil der Energie läuft mit der Welle wieder zurück in Richtung Kurzschluss, wo dann wiederum eine Reflexion auftritt. Wiederum ein weiterer Teil der Welle geht über das Plasma hinweg in Richtung eines zweiten Leitungsabschlusses, wo wiederum eine Reflexion stattfindet. Die Welle läuft demnach mehrfach hin und her und wird teilweise vom Plasma aufgenommen, was der ins Plasma abgegebenen Wirkleistung entspricht. Durch das Hin-und-Her-Laufen entsteht eine Resonanz/Stehwelle mit Spannungsüberhöhung im Bereich der Plasmaelektroden.On one side of the resonator, still belonging to the resonator, there is a first line termination. There, the waveguide is closed to ground, so short-circuited, so that the wave is totally reflected at this point and therefore changes their direction of propagation. Then the wave runs against the plasma and is partially reflected there. Part of the energy goes into the plasma, the other part of the energy goes back to the short circuit with the wave, where again a reflection occurs. Again another part of the wave passes over the plasma towards a second end of the line, where again a reflection takes place. The wave thus runs back and forth several times and is partially absorbed by the plasma, which corresponds to the output into the plasma active power. By going back and forth running creates a resonance / standing wave with voltage increase in the plasma electrodes.

In der erfindungsgemäßen Ausführung läuft die Welle ebenfalls ins Plasma und wird dabei teilweise reflektiert, absorbiert und aber zusätzlich auch transmittiert. Das heißt, ein Teil der Welle, der transmittierte Teil, steht für die Rückkopplung des Oszillators zur Verfügung. Neu ist, dass somit das Plasma aktiv an der Rückkopplung im Oszillator beteiligt ist und dadurch erheblich mehr Einfluss auf den Oszillator hat, als es dem Stand der Technik gemäß ist.In the embodiment of the invention, the wave also runs into the plasma and is thereby partially reflected, absorbed and additionally transmitted. That is, a part of the wave, the transmitted part, is available for the feedback of the oscillator. What is new is that the plasma is thus actively involved in the feedback in the oscillator and thus has considerably more influence on the oscillator than is the case in the prior art.

Der Vorteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass die Performance von Mikrowellen-Plasmaquellen in Bezug auf das plasmaabhängige Nachführen der Frequenz und der für den Oszillator notwendigen Rückkopplung verbessert wird.The advantage of this device is that the performance of microwave plasma sources with respect to the plasma-dependent tracking of the frequency and the feedback required for the oscillator is improved.

Die Rückkopplung erfolgt nicht nur über direkte Kopplung zur Stehwelle des Resonators, sondern erfindungsgemäß über das Plasma. Da sich die Leitfähigkeit des Plasmas mit dessen Zündung erhöht, steigt damit auch das Maß der Rückkopplung. Das stellt den Kern der Erfindung dar und ist der Vorteil dieses Oszillator-Typs. Weiterhin ergeben sich Vorteile beim Anpassen der Plasmalast. Auch die Leistung, der Wirkungsgrad, die Stabilität der Oszillation und die Zuverlässigkeit werden ebenfalls deutlich verbessert.The feedback is not only via direct coupling to the standing wave of the resonator, but according to the invention via the plasma. As the conductivity of the Plasmas increased with its ignition, thus increasing the degree of feedback. This is the gist of the invention and is the advantage of this oscillator type. Furthermore, there are advantages in adjusting the plasma load. The performance, the efficiency, the stability of the oscillation and the reliability are also significantly improved.

Verbundensein im vorgenannten Sinne meint vorzugsweise ein wirkverbunden sein, z. B. durch Leitung einer/mehrerer Messgröße(n) oder Zustände(n). Beispielsweise kann ein elektrisches und/oder magnetisches Feld detektiert werden, vorzugsweise nahe des Plasmas oder im oder am Resonator oder bei/durch eine(r) Kopplungsstelle. Ebenso könnte in, am Rand oder nahe bei den vorgenannten Funktionselementen ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Leistung detektiert werden und sich die Elemente zum Detektieren dort befinden und/oder durch Leitung der physikalischen Größen entfernt vom Ort der Detektion befinden. Ebenso kann im Bereich der Plasmaquelle ein dynamischer und/oder statischer Druck detektiert werden. Auch ist es möglich, mittels Glasfaserleitung eine optische Kontrolle über das Plasma auszuüben und vorzugsweise Frequenz, Phasen sowie Leistungsverhalten zu überwachen. Auch ist es möglich, dass die Beschaltung der Elemente nach dem Prinzip einer Kreuzschiene, Umschaltbox, Matrix-Schalter, Umschalter, Selektor, Crossover Switch oder Matrix Switch ausgestaltet wird, also ein Steuergerät verwendet wird zum Durchschalten verschiedener Signalquellen, vorzugsweise Resonatoren, an einen oder mehrere Verbraucher, vorzugsweise Plasmaquellen. Auch ist es möglich, dass diese Umschaltung im Zeitmultiplex und/oder im Ortsmultiplex stattfindet. Auch ist es möglich, dass das Superpositionsprinzip verwendet wird, um in Kombination mit dem bevorzugten Kreuzschienen-Prinzip vorzugsweise zeitweilig einzelne Resonatoren zu überlagern, um durch örtlich und zeitlich gezielte Überlagerung vorzugsweise Durchbruchspannungen oder Arbeitspunkte seitens vorzugsweise dedizierter Plasmaquellen herzustellen bzw. aufrecht zu erhalten. Mit anderen Worten: es ist möglich, das gezielte Ansteuern von Plasmaquellen u. a. durch Kombination des Superpositionsprinzips, Zeitmultiplex und Kreuzschienen-Prinzip zu erreichen. Auch ist es möglich, dass die Plasmaquelle im Resonator integriert ist. Auch kann der Resonator Teil der Plasmaquelle sein. Auch kann das Einspeisemittel, ohne Umweg über den Resonator, direkt wirkverbunden sein mit der Plasmaquelle. Die Plasmaquelle kann dabei den Resonator umfassen oder selbst ein Teil des Resonators sein.Connectedness in the aforementioned sense means preferably be operatively connected, z. By conducting one or more measurands or states. For example, an electric and / or magnetic field may be detected, preferably near the plasma or in or on the resonator or at / through a coupling site. Likewise, an electrical current and / or an electric power could be detected in, at the edge or close to the aforementioned functional elements and the elements for detecting are located there and / or located by directing the physical quantities away from the location of the detection. Likewise, in the area of the plasma source, a dynamic and / or static pressure can be detected. It is also possible to exert optical control of the plasma by means of glass fiber cables and preferably to monitor frequency, phases and performance. It is also possible that the wiring of the elements according to the principle of a crossbar, Umschaltbox, matrix switch, switch, selector, crossover switch or matrix switch is configured, so a controller is used for switching through various signal sources, preferably resonators, to one or several consumers, preferably plasma sources. It is also possible that this switching takes place in the time division multiplex and / or in the local multiplex. It is also possible that the superposition principle is used in order to temporarily superimpose individual resonators in combination with the preferred crossbar principle in order to preferably produce or maintain breakdown voltages or operating points on the part of preferably dedicated plasma sources by spatially and temporally targeted superimposition. In other words, it is possible to achieve the targeted activation of plasma sources, inter alia, by combining the superposition principle, time multiplex and crossbar principle. It is also possible that the plasma source is integrated in the resonator. Also, the resonator may be part of the plasma source. Also, the feed can, without detour via the resonator, be directly operatively connected to the plasma source. The plasma source may comprise the resonator or itself be a part of the resonator.

Auch ist es möglich, dass die Plasmaquelle vollständig in einem Bereich des Wellenleiters integriert ist, der sich zwischen dem ersten Kopplungsmittel und dem zweiten Kopplungsmittel erstreckt. Das Erstrecken des Wellenleiters kann eine beliebige Wegführung durch den Raum nehmen, z. B. mäanderförmig. Beispielsweise ist linksseitig der Plasmaquelle die Zuführung und rechtsseitig die Auskopplung, wobei die Plasmaquelle vorzugsweise mittels Wellenleiter beidseitig kontaktiert ist und die Ein- bzw. Auskopplung am Wellenleiter stattfindet.It is also possible for the plasma source to be completely integrated in a region of the waveguide which extends between the first coupling means and the second coupling means. The extension of the waveguide may take any route through the room, e.g. B. meandering. For example, the plasma source is the supply on the left side and the decoupling on the right side, wherein the plasma source is preferably contacted by waveguides on both sides and the input or output takes place at the waveguide.

Auch ist es möglich, dass der Wellenleiter zwischen dem ersten Kopplungsmittel und dem zweiten Kopplungsmittel kontinuierlich verläuft, und die Plasmaquelle im Verlauf des Wellenleiters angeordnet ist. Kontinuierlich meint in diesem Fall nicht, dass es sich an jeder Stelle des Wellenleiters um die gleiche Bauart und/oder das gleiche Dielektrikum handelt. Vielmehr sind unterschiedlich konstruierte Wegabschnitte denkbar, wobei kontinuierlich in diesem Zusammenhang meint, dass sich ein und dieselbe Welle entlang eines kontinuierlichen Weges ausbreitet.It is also possible that the waveguide between the first coupling means and the second coupling means is continuous, and the plasma source is arranged in the course of the waveguide. In this case, continuous does not mean that the waveguide is the same type and / or the same dielectric at each point of the waveguide. Rather, differently constructed path sections are conceivable, wherein continuously means in this context that one and the same wave propagates along a continuous path.

Auch ist es möglich, dass der Resonator ein Mikrowellen-Resonator ist, dass dieser also elektromagnetische Wellen im für Mikrowellen typischen Frequenzbereich erzeugt. Auch ist es möglich, dass im Resonator Mikrowellen im Bereich von 1 bis 300 GHz, vorzugsweise 1 bis 100 GHz, bevorzugter 1 bis 50 GHz und noch bevorzugter 1 bis 10 GHz erzeugt werden.It is also possible that the resonator is a microwave resonator, so that this generates electromagnetic waves in the frequency range typical for microwaves. It is also possible that in the resonator microwaves in the range of 1 to 300 GHz, preferably 1 to 100 GHz, more preferably 1 to 50 GHz and more preferably 1 to 10 GHz are generated.

Auch ist es möglich, dass der Resonator einen Hohlraumresonator oder einen Abkömmling des Hohlraumresonators umfasst. Auch ist es möglich, dass der Resonator ein Klystron oder einen Abkömmling des Klystrons umfasst. Auch ist es möglich, dass der Resonator eine Elektronenstrahlröhre oder einen Abkömmling der Elektronenstrahlröhre umfasst. Auch ist es möglich, dass der Resonator eine Gunndiode oder ein Gunn-Element oder einen Abkömmling des Gunn-Elements umfasst. Auch ist es möglich, dass der Resonator eine Avalanche-Diode oder einen Abkömmling der Avalanche-Diode, wie z. B. eine Impatt-, Trapatt-, Suppressor-, Zener-oder Avalanche-Photo-Diode umfasst. Auch ist es möglich, dass der Resonator eine Dovett-Diode oder einen Abkömmling der Dovett-Diode, z. B. eine Baritt-Diode, umfasst. Auch ist es möglich, dass das Einspeisemittel und der Resonator in einem Bauelement vereint sind und/oder so eng zusammenwirken, dass diese vorzugsweise nicht als separate Bauelemente betrachtet werden können und/oder betrachtet werden brauchen.It is also possible that the resonator comprises a cavity resonator or a descendant of the cavity resonator. It is also possible that the resonator comprises a klystron or a derivative of the klystron. It is also possible that the resonator comprises a cathode ray tube or a derivative of the cathode ray tube. It is also possible that the resonator comprises a Gunn diode or a Gunn element or a derivative of the Gunn element. It is also possible that the resonator is an avalanche diode or a derivative of the avalanche diode, such. For example, an Impatt, Trapatt, Suppressor, Zener or Avalanche photo diode comprises. It is also possible that the resonator is a Dovett diode or a derivative of the Dovett diode, z. B. a Baritt diode includes. It is also possible for the feed means and the resonator to be combined in one component and / or to cooperate so closely that they preferably can not be regarded as separate components and / or must be considered.

Auch ist es möglich, dass die Plasmaquelle als Hohlraum mit Öffnung zur Gas-Zuführung und Gas-Ausleitung ausgebildet ist. Dies hätte den Vorteil, mit dem Plasma zusätzlich mechanische Arbeit verrichten zu können, wie z. B. Oberflächen von Werkstücken selektiv abzutragen oder zu gestalten.It is also possible that the plasma source is formed as a cavity with opening for gas supply and gas discharge. This would have the advantage of being able to do additional mechanical work with the plasma, such as. B. selectively ablate surfaces or workpieces.

Auch ist es möglich, dass die Plasmaquelle eine Gaszufuhr aufweist, die mit einem ersten Ende des hohlzylinderförmigen Rohrs verbunden ist.It is also possible that the plasma source has a gas supply, which is connected to a first end of the hollow cylindrical tube.

Auch ist es möglich, dass die Plasmaquelle eine Gaszufuhr aufweist, die nicht mit einem ersten Ende des hohlzylinderförmigen Rohrs verbunden ist sondern zwischen beiden Enden des Rohres das Gas zuführt, vorzugsweise durch ringartig angeordnete Einlasslöcher, Einlassdüsen oder Gasrichtungsformer, welche durch entsprechende Ausbildung der Innenoberfläche definiert werden.It is also possible for the plasma source to have a gas supply which is not connected to a first end of the hollow-cylindrical tube but feeds the gas between both ends of the tube, preferably through annularly arranged inlet holes, inlet nozzles or gas-directional formers which are defined by appropriate formation of the inner surface become.

Auch ist es möglich, dass diese Gaszufuhr nicht nur einmalig, sondern regelmäßig mit Gas beschickt wird, das regelmäßige Nachschicken von Gas demnach zum vorzugsweise regulären Betriebszustand gehört und ausdrücklich nicht zur einmaligen technologischen Errichtung.It is also possible that this gas supply is fed not only once, but regularly with gas, the regular forwarding of gas accordingly belongs to the preferably regular operating condition and expressly not for one-off technological construction.

Auch ist es möglich, dass die Plasmaquelle ein hohlzylinderförmiges Rohr aufweist, dessen Längsachse sich innerhalb des Mikrowellen-Resonators senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen erstreckt.It is also possible that the plasma source has a hollow cylindrical tube whose longitudinal axis extends within the microwave resonator perpendicular to the propagation direction of the microwaves.

Auch ist es möglich, dass ein rechtwinkliger Schnitt durch das hohlzylinderförmige Rohr, nicht notwendigerweise exakt, sondern typischerweise, die Schnittfläche eines Polygons, Quadrats, Dreiecks, einer Ellipse oder eines Rechtecks darstellt, wobei die Schnittfläche den Innenbereich des hohlzylinderförmigen Rohres wiedergibt bzw. diesem typischerweise ähnelt.It is also possible for a rectangular section through the hollow cylindrical tube, not necessarily exactly, but typically, to represent the sectional surface of a polygon, square, triangle, ellipse or rectangle, the section surface reproducing the inner region of the hollow cylindrical tube similar.

Auch ist es möglich, dass eine Abweichung vom rechten Winkel stattfindet bei der ansonsten vorzugsweise senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen stehenden Längsachse des hohlzylinderförmigen Rohres.It is also possible that a deviation from the right angle takes place in the otherwise preferably perpendicular to the propagation direction of the microwave longitudinal axis of the hollow cylindrical tube.

Auch ist es möglich, dass das aktive Element einen Transistor umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Transistor in Mitkopplung, um somit Frequenz und Phase für die zeitrichtige Einspeisung zu nutzen. Auch ist es denkbar, die Nichtlinearität des Transistors zu nutzen, um ein unzulässiges Aufschwingen zu vermeiden, so dass die Nichtlinearität als Gegenkopplung trotz Beschaltung in Mitkopplung wirkt und somit eine gewisse Regelfunktion ausübt. Auch ist es denkbar die Einflüsse einer Mitkopplung und Gegenkopplung auf separate Bauteile oder separate Bauteilgruppen zu verteilen und diese in kombinierter Weise gemeinsam auf den Resonator wirken zu lassen, z. B. auch über weitere Kopplungsstellen.It is also possible that the active element comprises a transistor. In a preferred embodiment, the transistor operates in positive feedback, so as to use frequency and phase for the time-correct feed. It is also conceivable to use the nonlinearity of the transistor in order to avoid impermissible swinging, so that the nonlinearity acts as a negative feedback despite coupling in positive feedback and thus exerts a certain control function. It is also conceivable to distribute the influences of a positive feedback and negative feedback on separate components or separate groups of components and to let them act together in a combined manner on the resonator, z. B. also via other coupling sites.

Auch ist es möglich, dass der Wellenleiter einen das elektrische Potential der Welle führenden Leiter umfasst, welcher mittels Kopplungsmittel durchkontaktiert und wirkverbunden ist zur Energie-Einspeisung und zur Energie-Auskopplung.It is also possible for the waveguide to comprise a conductor carrying the electrical potential of the shaft, which conductor is through-contacted by means of coupling means and is operatively connected to the energy supply and to the energy decoupling.

Auch ist es möglich, dass das erste Kopplungsmittel außerhalb einer dedizierten Stelle in einem Bereich des Wellenleiters angeordnet ist, wobei die dedizierte Stelle von einem ersten Leitungsabschluss beabstandet ist und für diesen Abstand folgende Bildungsvorschrift gilt: Abstand = ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge + ein Viertel der Wellenlänge. Mit Wellenlänge ist jene Wellenlänge der stehenden Welle im Resonator gemeint, die für die entsprechende Dimensionierung des Resonators typisch ist, wobei z. B. die Länge des Verlaufsweges über alle Abschnitte des Wellenleiters und die Größe der Plasmaquelle Einfluss auf die entstehende Wellenlänge nehmen.It is also possible for the first coupling means to be arranged outside a dedicated location in a region of the waveguide, the dedicated location being at a distance from a first line termination and for this distance having the following formation specification: distance = integer multiple of a half wavelength + one quarter of the wavelength Wavelength. By wavelength is meant that wavelength of the standing wave in the resonator, which is typical for the corresponding dimensioning of the resonator, wherein z. B. the length of the path over all sections of the waveguide and the size of the plasma source influence the resulting wavelength.

Das erste Kopplungsmittel zur Energie-Einspeisung ist folglich an jener Stelle eines Verlaufsweges des Wellenleiters angeordnet, deren Entfernung von einem Leitungsabschluss verschieden ist von der Summe aus einem Viertel der Wellenlänge und einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge; wobei als Verlaufsweg die Summe aller Wegabschnitte zu verstehen ist, beginnend am ersten Leitungsabschluss mit Reflexion, hinweg über Wellenleiterabschnitte, über die Plasmaquelle, über einen weiteren Wellenleiterabschnitt, bis hin zum zweiten Leitungsabschluss, für Reflexion, wo der Verlaufsweg endet.The first coupling means for energy supply is thus arranged at that point of a path of the waveguide whose distance from a line termination is different from the sum of a quarter of the wavelength and an integer multiple of half the wavelength; wherein the course path is to be understood as the sum of all path sections, starting at the first line termination with reflection, away via waveguide sections, via the plasma source, via a further waveguide section, up to the second line termination, for reflection where the pathway ends.

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch geregelte und/oder gesteuerte Einspeisung von Energie in einen eine Plasmaquelle umfassenden Resonator mit folgenden Verfahrensschritten:

  1. a) Auskopplung von Energie in Form eines zeitlich und/oder spektral modulierten Signals mit direkter und/oder indirekter Information über den momentanen Schwingungszustand an einem zweiten Kopplungsmittel des Resonators ;
  2. b) Zuführung des Signals zu einem aktiven Element;
  3. c) Verstärkung des Signals durch das aktive Element in Abhängigkeit vom Schwingungszustand im Resonator;
  4. d) Zuführung des verstärkten und zeitlich und/oder spektral modulierten Signals als Speise-Energie in den Resonator an einem ersten Kopplungsmittel;
wobei die Plasmaquelle zwischen dem ersten und dem zweiten Kopplungsmittel angeordnet ist.The invention describes a method for generating a plasma by regulated and / or controlled supply of energy into a resonator comprising a plasma source, having the following method steps:
  1. a) decoupling energy in the form of a temporally and / or spectrally modulated signal with direct and / or indirect information about the instantaneous vibration state at a second coupling means of the resonator;
  2. b) supplying the signal to an active element;
  3. c) amplification of the signal by the active element as a function of the vibration state in the resonator;
  4. d) supplying the amplified and temporally and / or spectrally modulated signal as feeding energy into the resonator at a first coupling means;
wherein the plasma source is disposed between the first and second coupling means.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Performance von Mikrowellen-Plasmaquellen in Bezug auf das plasmaabhängige Nachführen der Frequenz und der für den Oszillator notwendigen Rückkopplung verbessert wird. Weiterhin ergeben sich dadurch Vorteile beim Anpassen der Plasmalast. Auch die Leistung, der Wirkungsgrad, die Stabilität der Oszillation und die Zuverlässigkeit werden ebenfalls deutlich verbessert.The advantage of this method is that the performance of microwave plasma sources with respect to the plasma-dependent tracking of the frequency and the feedback required for the oscillator is improved. Furthermore, this results in advantages when adjusting the plasma load. The performance, the efficiency, the stability of the oscillation and the reliability are also significantly improved.

Auch ist es möglich, dass als physikalischer Parameter der Plasmaquelle die elektrische Leistung bestimmt wird.It is also possible for the electrical power to be determined as the physical parameter of the plasma source.

Weiterhin ist es möglich, dass als physikalischer Parameters der Plasmaquelle ein elektrischer Strom, die Temperatur, der statische und/oder dynamische Druck, ein Magnetfeld, eine elektrische Spannung, ein elektrisches Feld, eine Lichtstärke, eine Teilchengeschwindigkeit oder eine Kraft bestimmt wird. Ebenso ist es möglich, dass die vorgenannten Größen in Abhängigkeit von der Zeit ihre Werte verändern, also dynamische Größen sind. Ebenso ist es möglich, dass von jenen vorgenannten Größen, welche keine skalaren Größen sind, auch die Richtungsvektoren und/oder deren zeitliche Änderung erfasst werden. Auch ist es möglich, dass von den vorgenannten Größen abgeleitete Größen detektiert werden, z. B. aus Strom und Spannung ein Widerstand abgeleitet wird oder aus einem Wechselstromwiderstand einer Kapazität die Frequenz abgeleitet wird.Furthermore, it is possible for an electrical current, the temperature, the static and / or dynamic pressure, a magnetic field, an electrical voltage, an electric field, a light intensity, a particle velocity or a force to be determined as the physical parameter of the plasma source. It is also possible that the aforementioned variables change their values as a function of time, ie are dynamic variables. Likewise, it is possible that of those aforementioned variables, which are not scalar quantities, the direction vectors and / or their temporal change are detected. It is also possible that quantities derived from the aforementioned variables are detected, eg. B. from current and voltage, a resistance is derived or from an AC resistance of a capacitance, the frequency is derived.

Auch ist es möglich, einen zeitabhängigen, also dynamischen, komplexen Widerstand eines Zweipols zu bestimmen. Ein Zweipol in diesem Sinne kann z. B. die Plasmaquelle, der Resonator oder das Einspeisungsmittel oder eine Serienschaltung aus diesen Elementen sein. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Vorherbestimmbarkeit bzw. Wiedererkennbarkeit anhand von gelernten bzw. bekannten Punkten und Mustern im Frequenz- und/oder Zeitbereich des komplexen Widerstandes.It is also possible to determine a time-dependent, ie dynamic, complex resistance of a two-pole. A bipolar in this sense can z. Example, the plasma source, the resonator or the feeding means or a series circuit of these elements. This advantageously leads to predeterminability or recognizability based on learned or known points and patterns in the frequency and / or time domain of the complex resistor.

Auch ist es möglich, in einer LUT, Lookup-Table, den für die Regelung nötigen Zusammenhang zwischen Regelgröße und Stellgröße abrufbar abzulegen. Dies hat den Vorteil eines schnellen Zugriffs ohne Rechenzeitverlust.It is also possible, in a LUT, lookup table, to store the connection between controlled variable and manipulated variable which is necessary for the control. This has the advantage of fast access without any loss of computing time.

Auch ist es möglich, durch in FPGA fest verankerte Rechenwege, durch einen Mikrocontroller oder einen Mikroprozessor oder einer Kombination aus einigen oder allen vorgenannten Elementen (inklusive LUT-Interpolation), die Regelaufgaben zu lösen.It is also possible to solve the control tasks by means of calculation paths firmly anchored in FPGA, by a microcontroller or a microprocessor or a combination of some or all of the aforementioned elements (including LUT interpolation).

Auch ist es möglich, dass die Verfahrensschritte a) bis d) innerhalb eines vorgebbaren Zeitintervalls wiederholt werden. Auch ist es möglich, dass die Verfahrensschritte a) bis d) kontinuierlich verlaufen. Auch ist es möglich, dass die Verfahrensschritte a) bis d) nicht kontinuierlich, sondern zu diskreten Zeitpunkten, beispielsweise infolge digitaler Verarbeitung, verlaufen.It is also possible that the method steps a) to d) are repeated within a predefinable time interval. It is also possible that the method steps a) to d) run continuously. It is also possible that the method steps a) to d) do not run continuously but at discrete points in time, for example due to digital processing.

Auch ist es möglich, dass das sich wiederholende Zeitintervall kleiner als 1 s und bevorzugt sogar kleiner als 0,1 s ist.It is also possible that the repetitive time interval is less than 1 s and preferably even less than 0.1 s.

Zeichnungendrawings

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und nachfolgender Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1
eine konventionelle Oszillatorvorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas für Mikrowellen-Plasmaquellen nach dem Stand der Technik,
Figur 2
eine erfindungsgemäße Oszillatorvorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas für Mikrowellen-Plasmaquellen.
The invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
FIG. 1
a conventional oscillator device for generating a plasma for microwave plasma sources according to the prior art,
FIG. 2
an oscillator device according to the invention for generating a plasma for microwave plasma sources.

Figur 1 zeigt eine konventionelle Vorrichtung 100 zur Erzeugung eines Plasmas 141 nach dem Stand der Technik. Die gestrichelte Linie 101 deutet die Grenze des Resonator-Konzepts gemäß Stand der Technik an. Dabei sind 121 und 122 Leitungsabschlüsse, welche zur Reflexion der elektromagnetischen Welle führen und somit die Grundlage der Schwingung im Resonator 101 darstellen, symbolisiert als elektrische Erde. Zwischen dem ersten Leitungsabschluss 121, entlang der Wellenleiterabschnitte 110, 111, 112, durch das Plasma 141, bis hin zum zweiten Leitungsabschluss 122, baut sich die stehende Welle auf, deren Wellenbauch, Energiemaximum, am Ort der Plasmaquelle 141 gebildet wird, da dort die größte Feldstärke zur Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas benötigt wird. Die Kopplungsstelle 132 ist eine Kontaktierung des Wellenleiters 110, 111 derart, dass Energie ausgekoppelt 152 wird, um an das aktive Element 161 geleitet zu werden. Das aktive Element, vorzugsweise umfassend einen Transistor in vorzugsweise Mitkopplung beschaltet, erhält somit Information über Frequenz und Phase im Resonator 101, verstärkt die Energie und führt die Energie 151 mittels Kopplungsstelle 131, befindlich beim Wellenleiter 111, 112, dem Resonator 101 zu, um die Schwingung voran zu treiben. Typisch für dieses Resonator-Konzept gemäß Stand der Technik ist es, dass die Kopplungsstellen für Energie-Einspeisung 131 und Energie-Auskopplung 132 nur zwischen dem ersten Leitungsabschluss 121 und der Plasmaquelle 141 angeordnet sind und eben nicht auch zwischen Plasmaquelle 141 und zweitem Leitungsabschluss 122. FIG. 1 shows a conventional device 100 for generating a plasma 141 according to the prior art. The dashed line 101 indicates the limit of the resonator concept according to the prior art. Here are 121 and 122 line terminations, which lead to the reflection of the electromagnetic wave and thus represent the basis of the vibration in the resonator 101, symbolized as electrical ground. Between the first line termination 121, along the waveguide sections 110, 111, 112, through the plasma 141, up to the second line termination 122, the standing wave builds up whose wave peak, energy maximum, is formed at the location of the plasma source 141, since there largest field strength is needed for ignition and maintenance of the plasma. The coupling site 132 is a contact of the waveguide 110, 111 such that energy is coupled out 152 to be routed to the active element 161. The active element, preferably comprising a transistor connected in preferably positive feedback, thus receives information about frequency and phase in the resonator 101, amplifies the energy and supplies the energy 151 by means of coupling point 131, located at the waveguide 111, 112, the resonator 101 to the To advance the vibration. It is typical of this prior art resonator concept that the coupling points for energy feed 131 and energy decoupling 132 are disposed only between the first line termination 121 and the plasma source 141 and just not between plasma source 141 and second line termination 122th

Figur 2 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung 200 zur Erzeugung eines Plasmas 241. Die gestrichelte Linie 201 deutet die Grenze des erfindungsgemäßen Resonator-Konzepts an. Dabei sind 221 und 222 Leitungsabschlüsse, welche zur Reflexion der elektromagnetischen Welle führen und somit die Grundlage der Schwingung im Resonator 201 darstellen, symbolisiert als elektrische Erde. Zwischen dem ersten Leitungsabschluss 221, entlang der Wellenleiterabschnitte 211, 212, durch das Plasma 241, entlang des Wellenleiters 213, bis hin zum zweiten Leitungsabschluss 222, baut sich die stehende Welle auf, deren Wellenbauch, Energiemaximum, am Ort der Plasmaquelle 241 gebildet wird, da dort die größte Feldstärke zur Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas benötigt wird. FIG. 2 shows the inventive device 200 for generating a plasma 241. The dashed line 201 indicates the limit of the resonator concept according to the invention. Here are 221 and 222 line terminations, which lead to the reflection of the electromagnetic wave and thus represent the basis of the vibration in the resonator 201, symbolized as electrical ground. Between the first line termination 221, along the waveguide sections 211, 212, through the plasma 241, along the waveguide 213, up to the second line termination 222, the standing wave whose wave peak, energy maximum, is formed at the location of the plasma source 241, builds up, because there the largest field strength for ignition and maintenance of the plasma is needed.

Ein Abschnitt 211, 212, 241, 213 der Wellenleitung ist dadurch erkennbar, dass er von einer Kopplungsstelle 231, 232, der Plasmaquelle 241 oder dem Leitungsabschluss 221, 222, begrenzt wird, also die Homogenität des Mediums der Wellenleitung entlang des Ausbreitungsweges der Welle wechselt bzw. unterbrochen wird.A section 211, 212, 241, 213 of the waveguide can be recognized by being delimited by a coupling point 231, 232, the plasma source 241 or the line termination 221, 222, ie, the homogeneity of the medium of the waveguide changes along the propagation path of the wave or is interrupted.

Die Auskopplung 252 von Energie aus dem Resonator 201 erfolgt an Kopplungsstelle 232 und die Zuführung 251 von Energie in den Resonator 201 erfolgt an Kopplungsstelle 231, wobei die Plasmaquelle 241 erfindungsgemäß zwischen der Ein-231 und der Auskopplungsstelle 232 angeordnet ist.The decoupling 252 of energy from the resonator 201 takes place at the coupling point 232 and the supply 251 of energy into the resonator 201 takes place at the coupling point 231, the plasma source 241 being arranged according to the invention between the A-231 and the decoupling point 232.

Das aktive Element 261 umfasst vorzugsweise einen Transistor in Beschaltung, vorzugsweise zur Mitkopplung, um das zugeführte Signal 252 zu verstärken. Auch ist es möglich, ein weiteres aktives Element zu verwenden, welches nicht in Mitkopplung sondern in Gegenkopplung arbeitet, um die Stabilität des Schwingungsvorgangs im Resonator und damit im Plasma zu verbessern. Auch ist es möglich, das weitere aktive Element 261 mit einer weiteren Kopplungsstelle zur Auskopplung 232 aus dem Resonator 201 wirkzuverbinden, oder/und auch das weitere aktive Element wiederum mit einer weiteren Kopplungsstelle zur Einspeisung 231 zu verbinden. Somit können die Möglichkeiten einer Steuerung oder gar Regelung des Schwingungszustands im Resonator und Plasma verbessert werden. Die Wellenleitung außerhalb des Hohlraumes der Plasmaquelle erfolgt vorzugsweise über durch monolythic microwave integrated circuit (MMIC) Technologie gefertigte integrierte Bauelemente mit Streifenleitung (Microstrip). Auch andere Leitungsformen sind grundsätzlich denkbar, z. B. Koaxialleitung, Bandleitung oder Hohlleitung. Auch ist es denkbar, die Plasmaquelle in geringerem Volumenanteil als Hohlraum auszubilden, nämlich räumliche Abschnitte der Wellenleitung durch ein nichtgasförmiges Dielektrikum auszubilden, welches zum Gasbereich hin die Energie in das Plasma auskoppelt und somit das Plasma initiiert und treibt.The active element 261 preferably comprises a transistor in circuitry, preferably for positive feedback, to amplify the applied signal 252. It is also possible to use a further active element, which does not work in positive feedback but in negative feedback in order to improve the stability of the oscillation process in the resonator and thus in the plasma. It is also possible to effectively connect the further active element 261 to a further coupling point for coupling out 232 from the resonator 201, and / or to connect the further active element in turn to a further coupling point to the feed 231. Thus, the possibilities of controlling or even controlling the vibration state in the resonator and plasma can be improved. The waveguide outside the cavity of the plasma source preferably takes place via integrated components with stripline (microstrip) manufactured by monolithic microwave integrated circuit (MMIC) technology. Other types of lines are possible in principle, for. B. coaxial line, ribbon cable or hollow conduit. It is also conceivable to form the plasma source in a smaller volume fraction as a cavity, namely Forming spatial sections of the waveguide by a non-gaseous dielectric, which decouples the energy into the plasma towards the gas region and thus initiates and drives the plasma.

Die Kopplungsstelle zur Einspeisung in den Resonator befindet sich bezüglich des Leitungsweges der Plasmawelle im Resonator vorzugsweise außerhalb des Lambda-Viertel-Bereichs, da bei Lambda-Viertel plus einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge ein Schwingungsbauch herrscht. Somit müsste das Einspeisungssignal eine dem Schwingungsbauch entsprechende Amplitude besitzen. Dies ist nicht mehr nötig und somit ein Vorteil, wenn außerhalb des Lambda-Viertel-Bereiches eingekoppelt wird.The coupling point for feeding into the resonator is preferably outside the lambda quarter range with respect to the conduction path of the plasma wave in the resonator, since at lambda quarter plus an integer multiple of half the wavelength, there is a vibroend. Thus, the feed signal would have to have an amplitude corresponding to the antinode. This is no longer necessary and thus an advantage when coupled outside of the quarter-wave range.

Die Kopplungsstelle ist vorzugsweise als elektrische Leitung ausgeführt, durchkontaktiert zum Wellenleiter. Auch sind andere Kopplungsformen und eine Kombination derer möglich, die sich auf andere physikalische Größen stützen, wie z. B. Kopplung durch magnetisches Feld, Kopplung durch elektrisches Feld, Kopplung durch elektrische Spannung oder durch elektrischen Strom.The coupling point is preferably designed as an electrical line, through-contacted to the waveguide. Also, other coupling forms and a combination of those based on other physical quantities are possible, such as: B. coupling by magnetic field, coupling by electric field, coupling by electrical voltage or by electric current.

Die Kopplungsstelle zur Auskopplung von Energie könnte sogar noch weitere physikalische Zustände detektieren, wie z. B. Lichtleistung, Druck, Temperatur, magnetische Feldstärke, Streufelder und weitere physikalische Größen, welche direkt oder indirekt aus Zuständen im Resonator abgeleitet sind. Daher ist es denkbar, dass eine Kopplungsstelle zur Auskopplung nicht unmittelbar die Wellenleitung der Plasmawelle berührt, sondern sich entfernt von der Wellenleitung der Plasmawelle befindet. Als Plasmawelle sei jene stehende Welle im Resonator bezeichnet, welche die Plasmaquelle treibt. Auch ist es denkbar, dass eine Kopplungsstelle zur Auskopplung sich in oder an der Plasmaquelle befindet und die Rückkopplungs-Information 252 direkt oder indirekt aus dem Plasmazustand gewonnen wird. Ebenso ist es möglich, dass das vorgenannte Prinzip der nicht direkten Berührung der Wellenleitung in analoger Weise für die Kopplungsstelle zur Einkopplung gilt.The coupling site for the extraction of energy could even detect other physical conditions, such. B. light output, pressure, temperature, magnetic field strength, stray fields and other physical quantities, which are derived directly or indirectly from states in the resonator. Therefore, it is conceivable that a coupling site for decoupling does not directly touch the waveguide of the plasma wave, but is located away from the waveguide of the plasma wave. The plasma wave is the standing wave in the resonator which drives the plasma source. It is also conceivable that a coupling point for decoupling is located in or at the plasma source and the feedback information 252 is obtained directly or indirectly from the plasma state. It is also possible that the aforementioned principle of non-direct contact of the waveguide analogously applies to the coupling point for coupling.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Konventionelle Vorrichtung zur Erzeugung eines PlasmasConventional device for generating a plasma
101101
Resonator nach Stand der TechnikResonator according to the prior art
110110
Wellenleiterwaveguides
111111
Wellenleiterwaveguides
112112
Wellenleiterwaveguides
121121
Leitungsabschluss für ReflexionLine conclusion for reflection
122122
Leitungsabschluss für ReflexionLine conclusion for reflection
131131
Kopplungsmittel für EinkopplungCoupling means for coupling
132132
Kopplungsmittel für AuskopplungCoupling means for extraction
141141
Plasmaquelleplasma source
151151
Energie-EinspeisungEnergy supply
152152
Energie-AuskopplungEnergy extraction
161161
Aktives ElementActive element
200200
Erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines PlasmasInventive device for generating a plasma
201201
Resonator mit erfindungsgemäßer AuskopplungResonator with inventive output
211211
Wellenleiterwaveguides
212212
Wellenleiterwaveguides
213213
Wellenleiterwaveguides
221221
Leitungsabschluss für ReflexionLine conclusion for reflection
222222
Leitungsabschluss für ReflexionLine conclusion for reflection
231231
Kopplungsmittel für EinkopplungCoupling means for coupling
232232
Kopplungsmittel für AuskopplungCoupling means for extraction
241241
Plasmaquelleplasma source
251251
Energie-EinspeisungEnergy supply
252252
Energie-AuskopplungEnergy extraction
261261
Aktives ElementActive element

Claims (10)

Vorrichtung (200) zur Erzeugung eines Plasmas, aufweisend: - eine als Hohlraum ausgebildete Plasmaquelle (241); - einen Resonator (201), welcher einen Wellenleiter (211, 212, 213) und die Plasmaquelle (241) umfasst, wobei der Wellenleiter (211, 212, 213) mit der Plasmaquelle (241) wirkverbunden ist; - ein erstes Kopplungsmittel (231) zur Energie-Einspeisung (251) und ein zweites Kopplungsmittel (232) zur Energie-Auskopplung (252), wobei jedes Kopplungsmittel (231, 232) energieführend und/oder signalführend mit dem Wellenleiter (211, 212, 213) wirkverbunden ist; - ein aktives Element (261) zur Energieversorgung des Resonators (201), welches mit dem ersten Kopplungsmittel (231) und mit dem zweiten Kopplungsmittel (232) wirkverbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass
die Plasmaquelle (241) zumindest teilweise in einem Bereich des Wellenleiters (211, 212, 213) integriert ist, der sich zwischen dem ersten Kopplungsmittel (231) und dem zweiten Kopplungsmittel (232) erstreckt.
A device (200) for generating a plasma, comprising: - A trained as a cavity plasma source (241); - a resonator (201) comprising a waveguide (211, 212, 213) and the plasma source (241), the waveguide (211, 212, 213) being operatively connected to the plasma source (241); - A first coupling means (231) for energy supply (251) and a second coupling means (232) for energy extraction (252), each coupling means (231, 232) energy-conducting and / or signal-carrying with the waveguide (211, 212, 213) is operatively connected; - an active element (261) for powering the resonator (201), which is operatively connected to the first coupling means (231) and to the second coupling means (232); characterized in that
the plasma source (241) is at least partially integrated in a region of the waveguide (211, 212, 213) extending between the first coupling means (231) and the second coupling means (232).
Vorrichtung (200) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Plasmaquelle (241) vollständig in einem Bereich des Wellenleiters (211, 212, 213) integriert ist, der sich zwischen dem ersten Kopplungsmittel (231) und dem zweiten Kopplungsmittel (232) erstreckt.
Device (200) according to claim 1,
characterized in that
the plasma source (241) is fully integrated in a portion of the waveguide (211, 212, 213) extending between the first coupling means (231) and the second coupling means (232).
Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wellenleiter (211, 212, 213) zwischen dem ersten Kopplungsmittel (231) und dem zweiten Kopplungsmittel (232) kontinuierlich verläuft, und die Plasmaquelle (241) in diesem kontinuierlich verlaufenden Bereich des Wellenleiters (211, 212, 213) angeordnet ist.
Device (200) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the waveguide (211, 212, 213) runs continuously between the first coupling means (231) and the second coupling means (232), and the plasma source (241) is arranged in this continuously extending region of the waveguide (211, 212, 213).
Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Resonator (201) ein Mikrowellen-Resonator ist.
Device (200) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the resonator (201) is a microwave resonator.
Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Plasmaquelle (241) als Hohlraum mit Öffnung zur Gas-Zuführung und Gas-Ausleitung ausgebildet ist.
Device (200) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the plasma source (241) is formed as a cavity with opening for gas supply and gas discharge.
Vorrichtung (200) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Plasmaquelle (241) einen Hohlleiter aufweist, dessen Längsachse sich innerhalb des Mikrowellen-Resonators (201) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen erstreckt.
Device (200) according to claim 4,
characterized in that
the plasma source (241) has a waveguide whose longitudinal axis extends within the microwave resonator (201) perpendicular to the propagation direction of the microwaves.
Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das aktive Element (261) einen Transistor umfasst.
Device (200) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the active element (261) comprises a transistor.
Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wellenleiter (211, 212, 213) einen elektrischen Leiter umfasst, wobei der elektrische Leiter das erste Kopplungsmittel (231) direkt kontaktiert und/oder das zweite Kopplungsmittel (232) direkt kontaktiert.
Device (200) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the waveguide (211, 212, 213) comprises an electrical conductor, wherein the electrical conductor directly contacts the first coupling means (231) and / or directly contacts the second coupling means (232).
Vorrichtung (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wellenleiter (211, 212, 213) einen ersten Leitungsabschluss (221) zur Reflexion einer Welle und einen zweiten Leitungsabschluss (222) zur Reflexion einer Welle aufweist, wobei das erste Kopplungsmittel (231) zwischen den Leitungsabschlüssen (221, 222) angeordnet ist, und der Abstand A des ersten Kopplungsmittels (231) vom ersten Leitungsabschluss (221) der Bedingung A n * λ / 2 + λ / 4
Figure imgb0001
genügt, wobei n eine ganze Zahl und λ die Resonanzwellenlänge des Resonators (201) ist.
Device (200) according to one of the preceding claims,
characterized in that
the waveguide (211, 212, 213) has a first line termination (221) for reflecting a wave and a second line termination (222) for reflecting a wave, wherein the first coupling means (231) is arranged between the line terminations (221, 222), and the distance A of the first coupling means (231) from the first line termination (221) of the condition A n * λ / 2 + λ / 4
Figure imgb0001
is sufficient, where n is an integer and λ is the resonant wavelength of the resonator (201).
Verfahren zur Erzeugung eines Plasmas durch Einspeisung von Energie in einen eine Plasmaquelle (241) umfassenden Resonator (201), wobei die Plasmaquelle (241) zwischen einem ersten (231) und einem zweiten (232) Kopplungsmittel angeordnet ist, mit folgenden Verfahrensschritten: a) Auskopplung (252) von Energie in Form eines modulierten Signals mit Information über den Schwingungszustand am zweiten Kopplungsmittel (232) des Resonators (201); b) Zuführung des Signals (252) zu einem aktiven Element (261); c) Verstärkung des Signals (252) durch das aktive Element (261) in Abhängigkeit vom Schwingungszustand im Resonator (201); d) Zuführung (251) des verstärkten Signals in den Resonator als Speise-Energie (201) am ersten Kopplungsmittel (231). A method of generating a plasma by injecting energy into a resonator (201) comprising a plasma source (241), the plasma source (241) being arranged between a first (231) and a second (232) coupling means, comprising the following method steps: a) coupling (252) of energy in the form of a modulated signal with information about the vibration state at the second coupling means (232) of the resonator (201); b) supplying the signal (252) to an active element (261); c) amplifying the signal (252) by the active element (261) as a function of the vibration state in the resonator (201); d) supplying (251) the amplified signal into the resonator as feed energy (201) at the first coupling means (231).
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