FI97099B - Plasmageneraattori - Google Patents

Description

97099

PLASMAGENERAATTORI

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty plasmageneraattori plasma-5 liekin muodostamiseksi eri tyyppisillä kaasuilla, kuten hiukkaspitoisilla kaasuilla.

Alkuainemäärityksiä kaasu- tai aerosolinäyt-teistä, esim. savukaasuista, tehdään nykyään saattamalla näytekaasuvirta korkeaan lämpötilaan ulkopuolisen 10 energian avulla. Näytekaasun kuumentuessa alkuaineen atomien elektronit virittyvät ja viritystilan lauetessa syntyvän valokvantin eli fotonin aallonpituus on kullekin alkuaineelle ja sen elektronikehälle ominainen. Valokvantteja tutkimalla voidaan määrittää näytteen 15 sisältämät alkuaineet ja alkuaineiden määrä.

Ulkopuolinen energia voidaan muodostaa erityyppisillä plasmajärjestelmillä esim. induktiokuumen-timella, jossa magneettivuon avulla siirretään energia kuumennettavaan kohteeseen. Toisaalta kuumentamiseen 20 voidaan käyttää plasmajärjestelmää, jossa kaasua ionisoidaan sähköenergialla, kunnes tapahtuu läpilyönti ja kaasu muuttuu plasmaksi. Nykyisin plasmakaasuina käytetään heliumia (He) ja argonia (Ar). Helium- ja argon-pohjaiset plasmat ovat helposti hallittavissa ja 25 pienilläkin pitoisuuksilla saatavat signaalit ovat ; voimakkaita.

Tehtäessä alkuainemäärityksiä helium- ja ar-gon-pohjäisillä plasmajärjestelmillä ongelmana on kaasujen korkea hinta. Lisäksi tutkittavat näytteet on 30 johdettava erikseen plasmakaasuun, minkä vuoksi alku-ainemääri tysherkkyys heikkenee.

Jos plasmakaasuna käytetään typpeä, jonka pitoisuudet savukaasuissa ovat suuria, voidaan savukaasuja tutkia reaaliaikaisesti johtamalla näytekaasuvirta 35 savukaasuista suoraan plasmajärjestelmään analysointia varten. Lisäksi typpi on nykyisin käytössä oleviin plasmakaasuihin verrattuna hinnaltaan edullista.

2 97099

Typpeä käyttävillä plasmajärjestelmillä ongelmina ovat yleensä tehon tarpeen raju kasvu, koska typpi vaatii heliumia ja argonia suuremman energian plasma-tilan muodostamiseksi. Tehon kasvaminen myös vaikeuttaa 5 plasman hallintaa ja nostaa taustakohinaa, mikä johtaa epästabiiliin plasmaliekkiin. Lisäksi tarvittavat suur-teholaitteistot ovat kalliita ja suuresta tehontarpeesta sekä korkeista lämpötiloista johtuen generaattorira-kenteiden käyttöikä lyhenee.

10 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on pois taa edellä mainitut ongelmat.

Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin uudentyyppinen plasmageneraattori stabiilin ja helposti hallittavan plasmallekin muodostamiseksi al-15 haisilla tehoilla.

Lisäksi keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin plasmageneraattori, joka mahdollistaa hiukkaspitoisten kaasujen käyttämisen plasmakaasuna.

Keksinnölle tunnusomaisten seikkojen osalta 20 viitataan vaatimusosaan.

Keksinnön mukaiseen plasmageneraattoriin plasman muodostamiseksi analysoitavalla kaasulla kuuluu mikroaaltolaite mikroaaltokentän muodostamiseksi. Mik-roaaltokenttä voidaan muodostaa esim. mikroaaltovirit-25 teisellä resonaattorilla johtamalla mikroaallot pyö-. reänmuotoiseen kammioon värähtelijän tai antennin avul la. Kammion seinämäaine on mikroaaltoja heijastavaa ja muotoiltu siten, että mikroaallot heijastuvat seinämistä olennaisesti kammion keskipisteeseen, jossa mik-30 roaaltokenttä on voimakkaimmillaan. Lisäksi plasma-generaattoriin kuuluu mikroaaltokentän alueelle järjestetty ympäristölle avoin plasmanmuodostustila, jonka avoimeen osaan ja siitä plasmanmuodostustilan ulkopuolelle plasmaliekki muodostuu. Keksinnön mukaiseen plas-35 mageneraattoriin kuuluu myös kaasukanava kaasun johtamiseksi plasmanmuodostustilaan, jolloin kaasu virtaa plasmanmuodostustilan läpi ja plasmanmuodostustilan '1 Iitit ||||< I t -t 3 97099 avoimen osan kautta ulos. Kaasukanava on edullisesti putkimainen ja järjestetty plasmanmuodostustilan vas-, takkaiselle puolelle plasmanmuodostustilan avoimeen osaan nähden.

5 Keksinnön mukaisesti plasmageneraattoriin kuu luu tihennyselin, joka on järjestetty plasmanmuodostus-tilaan mikroaaltokentän vaikutusalueelle mikroaaltoken-tän tihentämiseksi.

Näin keksinnön mukaisella plasmageneraattoril-10 la voidaan muodostaa plasmaliekki, jossa plasmakaasuna käyttökohteesta riippuen voidaan käyttää hiukkaspitois-ta kaasua. Tihennyselin tihentää mikroaaltokenttää plasmanmuodostustilan avoimen osan alueella, jolloin plasmanmuodostustilan läpi virtaava kaasu joutuu mikro-15 aaltokentän vaikutuksesta plasmatilaan muodostaen plasman plasmanmuodostustilan avoimen osan alueelle ja siitä ulos. Käytettävän plasmakaasun virtausnopeus vaikuttaa syntyvän plasman muotoon ja kokoon.

Keksinnön eräässä edullisessa sovellutuksessa 20 plasmanmuodostustilaa rajoittavat sisäseinämä ja pää-tyosa. Edullisesti sisäseinää ympäröi siitä etäisyyden päässä ulkoseinämä, jolloin niiden väliin jää rengasmainen tila. Rengasmaiseen tilaan, olennaisesti plasmanmuodostustilan takaosan alueelle on järjestetty 25 eriste. Eristeen avulla tuetaan sisäseinämä ul- • koseinämään ja eristetään sisäseinämä muusta rakentees ta mikroaaltokentän vaimentumisen estämiseksi.

Edullisesti sisäseinämä ja/tai ulkoseinämä ovat keraamista ainetta. Keraaminen aine vaimentaa mik-30 roaaltokenttää ja keraamisen aineen vahvuutta muuttamalla voidaan mikroaaltokenttää fokusoida plasmallekin säätämiseksi.

Eräässä edullisessa sovelluksessa tihennyselin on pitkänomainen sauva, joka on keskeisesti tuettu 35 toisesta päästään päätyosaan etäisyydelle sisäseinämäs- tä. Edullisesti tihennyselimen vapaa pää ulottuu plasmanmuodostustilan avoimeen päähän mikroaaltokentän 4 97099 alueelle. Näin kaasu virtaa tihennyselimen ja si-säseinämän välissä, jolloin soihtumainen plasmallekkl muodostuu mlkroaaltokentän vaikutuksesta sauvamalsen tihennyselimen vapaaseen päähän plasmanmuodostustllaan 5 ulottuen myös plasmanmuodostustllan ulkopuolelle.

Keksinnön eräässä edullisessa sovelluksessa plasmageneraattorlln kuuluva plasmanmuodostustlla on poikkileikkaukseltaan pyöreä, jolloin plasmanmuodostustlla voidaan järjestää mikroaaltolaitteeseen siten, 10 että mikroaaltokenttä ympäröi sitä tasaisesti. Edullisesti pitkänomaisen tihennyselimen vapaaseen päähän on järjestetty poikkileikkaukseltaan pyöreä laippa, jolloin laipan ja poikkileikkaukseltaan pyöreän si-säseinämän väliin muodostuu rengasmainen tila. Laipan 15 avulla kaasun virtausta muotoillaan rengasmaisen plasmallekin muodostamiseksi. Tällöin plasmaliekki on helpommin hallittavissa ja analysoitavissa. Toinen edullinen tapa kaasun virtauksen ohjaamiseksi on järjestää poikkileikkaukseltaan pyöreänmuotoinen plasmanmuodos-20 tustila suppenevaksi kohden avoimen pään reunaa. Plas-manmuodostustilan supistaminen kasvattaa kaasun virtausnopeutta, jolloin muodostuvan plasmallekin pituus kasvaa.

Edullisesti tihennyselin on korkeisiin lämpö-25 tiloihin soveltuvaa materiaalia, kuten volframia, hiil-. tä tai sen tapaista.

Keksinnön etuna tunnettuun tekniikkaan verrattuna on, että se mahdollistaa plasmallekin muodostamisen käyttämällä plasmakaasuna esim. typpeä, savukaasua 30 ja hiilidioksidia. Keksinnön ansiosta myös ilmaa esim. huoneilmaa käytettäessä saadaan stabiili ja hallittavissa oleva plasmaliekki. Näin ollen esim. savukaasuanalyysin tekeminen reaaliaikaisena on mahdollista.

35 Edelleen etuna aikaisemmin tunnettuun verrat tuna on alhainen tehontarve, joka mahdollistaa kannettavan plasmageneraattorin valmistamisen. Pienentynyt 5 97099 tehonkulutus lisäksi poistaa aikaisemmin esiintyneitä häiriöitä/ kuten taustakohinaa, joka aiheutuu suurista käytettävistä tehoista.

Lisäksi keksinnön ansiosta plasmageneraattorin 5 käyttöikä kasvaa ja plasmageneraattori tulee hinnaltaan edulliseksi valmistaa ja käyttää.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa kuva 1 esittää aksonometrisesti keksinnön mukaista 10 plasmageneraattorin erästä sovellusta, kuva 2 esittää pitkittäisesti leikattua kuvan 1 plasma-generaattoria ilman mikroaaltolaitetta ja kuva 3 esittää aksonometrisen pitkittäisleikkauksen keksinnön mukaisen plasmageneraattorin eräästä toisesta 15 sovelluksesta.

Piirustuksessa esitettyyn erääseen keksinnön mukaiseen plasmageneraattoriin kuuluu sinänsä tunnettu mikroaaltolaite 1, johon kuuluu lieriömäinen kammio 10, kammioon yhdistetty värähtelyelin 11 ja siihen yhdis-20 tetty mikroaaltojen syöttöelin 12.

Mikroaallot muodostetaan ulkopuolisella värähtelypiirillä (ei esitetty piirustuksessa), jonka värähtelytaajuus ja aallonpituus on valittu sopivasti. Tämän jälkeen mikroaallot johdetaan värähtelypiiriin ja vä-25 rähtelyelimeen 11 yhdistetyllä syöttöelimellä 12 kairani -, oon 10, jonka seinämät ovat mikroaaltoja heijastavaa ainetta ja muotoiltu siten, että mikroaallot heijastuvat olennaisesti kammion 10 keskipisteeseen. Lisäksi kammioon 10 on järjestetty ilma-aukko (ei esitetty 30 piirustuksessa), jonka kautta kammioon johdetaan jääh-dytysilmaa. Jäähdytysilma purkautuu kammiosta 10 sen keskipisteeseen järjestetyn kammion läpi kulkevan pitkänomaisen aukon 13 kautta. Jäähdytysilmana voidaan käyttää esim. paineilmaa.

35 Lisäksi plasmageneraattoriin kuuluu plasman- muodostustila 2 ja kaasukanava 3. Plasmanmuodostustila 2 on pitkänomainen, poikkileikkaukseltaan pyöreä ja 6 97099 toisesta päästään avoin. Kaasukanava 3 on yhdistetty plasmanmuodostustilaan 2 avoimen pään vastakkaiseen päähän kaasun johtamiseksi plasmanmuodostustilaan, jolloin kaasu virtaa plasmanmuodostustilan 2 läpi ja 5 sen avoimesta päästä ulos.

Keksinnön mukaisesti plasmageneraattoriin kuuluu tihennyselin 4, joka on järjestetty plasmanmuodostustilaan 2. Tihennyselin 4 on edullisesti pitkänomainen, poikkileikkaukseltaan pyöreä sauva. Tihen-10 nyselin 4 voi olla poikkileikkaukseltaan myös suorakaiteen, ellipsin tai vastaavan muotoinen. Edullisesti tihennyselin 4 on korkeisiin lämpötiloihin soveltuvaa ainetta, kuten volfrämiä tai hiiltä, joka ei absorboi ja vaimenna mikroaaltokenttää.

15 Piirustuksessa esitetyn tihennyselimen 4 va paaseen päähän on järjestetty pyöreänmuotoinen laippa 9, jonka dimensiot on valittu niin, että laipan ja sisäseinämän 5 väliin jää ohut rengasmainen tila, jonka läpi plasmakaasu virtaa ulos plasmanmuodostustilasta 2.

20 Tällöin muodostuva plasmaliekki on rengasmainen ja järjestelyllä varmistetaan se, että mahdollisimman suuri osa näytekaasusta saavuttaa plasmatilan alkuaineiden analysoinnin tehostamiseksi.

Suoran tihennyselimen 4 päähän muodostuu soih-25 tumainen plasmaliekki, jolloin plasmakaasu on pidempään plasmatilassa ja voidaan varmistaa näytekaasun täydellisempi virittyminen. Olennaista keksinnön mukaiselle plasmageneraattorille on, että syntyvä plasmaliekki työntyy plasmanmuodostustilan 2 ulkopuolelle, mikä 30 helpottaa liekin analysointia ja pidentää plasma- generaattorin käyttöikää.

Plasmanmuodostustila 2, joka on järjestetty mikroaaltolaitteessa 1 olevaan aukkoon olennaisesti mikroaaltokentän tiheimmälle alueelle, rajoittuu si-35 säseinämään 5 sekä päätyosaan 6. Sisäseinämää 5 ympäröi etäisyyden päässä ulkoseinämä 7 ja seinämät 5, 7 on tuettu toisiinsa eristeellä 8, joka on järjestetty 7 97099 seinämien välissä olevaan rengasmaiseen tilaan. Eriste 8 ulottuu edullisesti noin puoleen väliin plasmanmuo-dostustilan pituussuunnassa. Ulkoseinämän 7 ja si-säseinämän 5 keraamisen aineen vahvuutta säätämällä 5 voidaan vaikuttaa mikroaaltokentän kohdistumiseen plas-manmuodostustilaan 2 ja näin vaikuttaa plasmallekin muotoon. Lisäksi sisäseinämää 5 ympäröivän ulkoseinämän 7 avulla estetään kammiossa 10 kiertävän ja kammion keskellä olevan aukon 13 kautta poistuvan jäähdytysil-10 man pääsy plasmaliekkiin.

Päätyosa 6 on pyörähdyssymmetrinen kappale, johon on liitetty plasmanmuodostustilaa ympäröivä kak-soisseinämä. Kaksoisseinämä liitetään tiivistettävästi päätykappaleeseen liitoselimen 15 ja päätyosan välisel-15 lä kierreliitoksella 14.

Tihennyselin 4 on tiivistettävästi tuettu päätyosan 6 ja kiinnityskappaleen 18 välisellä kierre-liitoksella päätyosan läpäisevään aukkoon 17, joka on yhteydessä plasmanmuodostustilaan. Liitos on tiivis-20 tetty tiivisterenkaalla 19.

Päätyosaan 6 on lisäksi järjestetty kaasu-kanava 3. Edullisesti kanava 3 on viistossa kulmassa päätykappaleen aksiaalitasoon nähden.

Keksintöä ei rajata pelkästään edellä esitet-25 tyjä sovellusesimerkkejä koskevaksi, vaan monet muun-, nokset ovat mahdollisia pysyttäessä patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (10)

1. Plasmageneraattori, plasmallekin muodostamiseksi erityyppisillä kaasuilla, kuten hiukkaspitoi- 5 silla kaasuilla, johon plasmageneraattoriin kuuluu - mikroaaltolaite (1) mikroaaltokentän muodostamiseksi; - mikroaaltokentän alueelle järjestetty ympäristölle avoin plasmanmuodostustila (2); ja - kaasukanava (3) kaasun johtamiseksi plasmanmuodostus-10 tilaan, jolloin kaasu virtaa plasmanmuodostustilan läpi ja plasmanmuodostustilan avoimen osan kautta ulos, tunnettu siitä, että plasmageneraattoriin kuuluu tihennyselin (4), joka on järjestetty plasmanmuo-dostustilaan (2) mikroaaltokentän vaikutusalueelle 15 mikroaaltokentän tihentämiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen plasma-generaattori , tunnettu siitä, että plasma-generaattoriin kuuluu sisäseinämä (5) ja päätyosa (6), jotka rajoittavat plasmanmuodostustilaa (2), ul- 20 koseinämä (7), joka on järjestetty ympäröimään sisäseinänpä etäisyyden päässä, jolloin sisäseinäthän ja ulkoseinämän väliin muodostuu rengasmainen tila ja eriste (8), joka on järjestetty rengasmaiseen tilaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen plas-25 mageneraattori, tunnettu siitä, että si- . säseinämä (5) ja/tai ulkoseinämä (7) ovat keraamista ainetta.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen plasmageneraattori, tunnettu siitä, että tihen- 30 nyselin (4) on pitkänomainen sauva, joka on keskeisesti tuettu toisesta päästään päätyosaan etäisyyden päähän sisäseinämästä (5).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen plasma-generaattori, tunnettu siitä, että tihennyseli- 35 men (4) vapaa pää ulottuu plasmanmuodostustilan (2) avoimeen osaan mikroaaltokentän alueelle.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen plas- 97099 9 mageneraattori/ tunnettu siitä, että ja että tihennyselimen (4) vapaaseen päähän on järjestetty poikkileikkaukseltaan pyöreä laippa (9), jolloin laipan ja sisäseinämän väliin muodostuu rengasmainen tila.

7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukainen plasmageneraattori, tunnettu siitä, että plas-manmuodostustila (2) on pitkänomainen ja poikkileikkaukseltaan pyöreä.

8. Jonkin patenttivaatimuksista 1-7 mukainen 10 plasmageneraattori, tunnettu siitä, että plas- manmuodostustila (2) on avoimen pään alueella suppeneva kohden plasmanmuodostustilan ulkoreunaa.

8 97099

9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukainen plasmageneraattori, tunnettu siitä, että tihen- 15 nyselin (4) on korkeisiin lämpötiloihin soveltuvaa ainetta, kuten volframia, hiiltä tai sen tapaista.

» 10 97099