JP2009516905A - 誘導結合ｒｆ電源 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電結合プラズマ高周波（ＲＦ）電源を実現するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】調節可能な作動周波数で高周波電力信号を発生する電力増幅器を含む電源を実現するためのシステム及び方法。電力増幅器はまた、高周波電力信号から導出される基準位相信号を発生する。インピーダンス整合器は、可変共振条件を有するプラズマコイルに高周波電力信号を供給する。位相プローブは、プラズマコイルに隣接して位置決めされ、調節可能作動周波数に対応するコイル位相信号を発生する。位相固定ループは、次に、基準位相信号とコイル位相信号の間の位相関係に基づいてＲＦ駆動信号を発生する。位相固定ループは、電力増幅器にＲＦ駆動信号を供給して調節可能な作動周波数を制御し、それによって調節可能な作動周波数は、次に、可変共振条件を追跡する。
【選択図】図２

Description

本発明の開示した実現形態は、一般的に電源を実現するための技術に関し、より詳細には、誘電結合プラズマ高周波（ＲＦ）電源を実現するためのシステム及び方法に関する。

分析計装を実現するための有効な方法を実現することは、現代の電子分析装置の設計者及び製造業者にとって重要な問題である。しかし、電子的装置で分析手順を有効に実行することは、システム設計者に対して大きな課題を発生させる場合がある。例えば、増加する装置の機能性及び性能に対する要求の高まりは、より多くのシステム機能性を必要とし、かつ付加的なハードウエアリソースを必要とするであろう。機能性又はハードウエア要件の増加はまた、生産コスト及び運用上の非効率性の増加に起因する相応の経済的悪影響をもたらす場合がある。

更に、様々な高機能作動を実行するための強化されたシステム機能は、システムユーザに付加的な恩典を与えるであろうが、様々な装置構成要素の制御及び管理への増加する要求も提起する場合がある。例えば、ある一定の有機性物質を分析する高度な電子システムは、それに関わる分析の複雑性及び精度の理由で、効率的な実現から利益を得るであろう。

システムリソースへの増大する要求及び分析要件の増大する複雑性により、分析計装を実現するための新規技術を開発することは、関連の電子技術に対する関心事であることは明らかである。従って、以上の全ての理由のために、分析計装を実現するための有効技術を開発することは、現代の分析計器の設計者、製造業者、及びユーザにとって依然として大きな問題である。

本発明により、ＲＦ電源を有効に実現するためのシステム及び方法を開示する。一実現形態では、ＲＦ電源のＲＦ増幅器は、均衡するように実現される固定の密結合インピーダンス整合器に対して可変周波数ＲＦ電力信号を供給する。次に、インピーダンス整合器は、分析対象の試験サンプルを収容するプラズマトーチに隣接して位置決めされたプラズマコイルにＲＦ電力信号を伝達する。ＲＦ電力信号はまた、ローパスフィルタを通して位相固定ループデバイスに基準位相信号として戻される。更に、位相プローブが、プラズマコイルの現在の作動周波数をサンプリングするためにプラズマコイルの近くに位置決めされる。位相プローブの出力は、ローパスフィルタを通じて位相固定ループにコイル位相信号として戻される。

次に、位相固定ループデバイスは、ＲＦ位相比較技術を用いて、プラズマコイルにおけるピーク共振条件を追跡する。実際には、位相固定ループデバイスの位相検出器は、基準位相信号をサンプリングされたコイル位相信号と比較して、現在の作動周波数が、ピーク共振に対して何処にあるかを表す誤差電圧を発生する。次に、位相固定ループデバイスの電圧制御発信器は、誤差電圧を利用して、ＲＦ電力信号の周波数を調節するためにＲＦ増幅器に対して対応するＲＦ駆動信号を発生する。ＲＦ電力信号の調節された周波数は、ピーク共振に向けた方向にプラズマコイルの現在の作動周波数を駆動するように作用する。ピーク共振では、誤差電圧はゼロボルトになる。

従って、プラズマトーチ内の試験サンプルからの負荷が変化する結果としてプラズマコイルのインピーダンスが変化する場合、誤差電圧は、共振に向う方向にプラズマコイルの作動周波数を駆動する極性で生成される。位相固定ループのループ応答は、作動周波数の数十サイクルに過ぎない。従って、ＲＦ電源は、プラズマコイルでのピーク共振条件を急速に追跡し、安定ＲＦ電力を有効に供給して負荷インピーダンスの急速な変化の下でプラズマ状態を維持することができる。少なくとも以上の理由によって、本発明は、誘導結合プラズマＲＦ電源を有効に実現するための改良型システム及び方法を提供する。

本発明の性質及び目的をより良く理解するために、添付図面と共に以下の詳細説明を参照されたい。

同じ参照番号は、図面のいくつかの図を通じて対応する部分を指すものである。

本発明は、分析計装技術の改善に関する。以下の説明は、当業者が本発明を作成し、使用することを可能にするように示し、特許出願及びその要件に関連して提供するものである。開示した実現形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかになると考えられ、本明細書の一般的原理は、他の実現形態に適用することができる。従って、本発明は、図示の実現形態に制限されることを意図したものではなく、本明細書に説明した原理及び特徴に矛盾しない幅広い範囲が与えられるものとする。

本発明は、電源を実現するためのシステム及び方法を含み、かつ調節可能な作動周波数で高周波電力信号を発生する電力増幅器を含む。電力増幅器はまた、高周波電力信号から導出される基準位相信号を発生する。インピーダンス整合器は、可変共振条件を有するプラズマコイルに対してＲＦ電力信号を供給する。位相プローブは、プラズマコイルに隣接して位置決めされ、調節可能な作動周波数に対応するコイル位相信号を発生する。次に、位相固定ループは、基準位相信号とコイル位相信号間の位相関係に基づいてＲＦ駆動信号を発生する。位相固定ループは、電力増幅器にＲＦ駆動信号を供給して、調節可能な作動周波数を制御し、それによって調節可能な作動周波数は、次に、可変共振条件を追跡する。

ここで図１を参照すると、本発明の一実現形態によるプラズマ生成システム１１２のブロック図が示されている。図１の実現形態では、プラズマ生成システム１１２は、以下に限定されるものではないが、高周波（ＲＦ）電源１１６、プラズマコイル１２０、及びプラズマトーチ１２４を含む。代替的な実現形態では、プラズマ生成システム１１２は、図１の実現形態に関連して説明されるこれらの構成要素及び構成のいくつかに加えて又はその代わりの構成要素及び構成を使用して実現することができる。

図１の実現形態では、プラズマ生成システム１１２は、改善された電力供給及び効率特性で試験サンプルをプラズマ状態で開始かつ維持するように作動する。図１の実現形態では、プラズマ生成システム１１２は、あらゆる適切な用途に利用することができる。例えば、ある一定の実現形態では、プラズマ生成システム１１２は、「誘導結合型プラズマ光学発光（ＩＣＰＯＥ）」システム又は「誘導結合型プラズマ質量分析（ＩＣＰＭＳ）」システムと共に利用することができる。

プラズマは、物質の第４の状態として公知であり、電気的に導電性のあるイオン化したガスからなっている。プラズマは、プラズマ内の対応する元素を特定するために分析することができる電磁波を放射する。各元素は、波長の固有のセットを有し、所定の波のセットの特徴は、対応する元素を特定するために利用することができる。波長強度の比率は、分析される試験サンプル内の各元素の濃度を特定するために利用することができる。分析測定の正確性及び動的応答は、プラズマ状態で試験サンプルを開始して維持するために電力を供給する安定性及び方法に依存する。

図１の実現形態では、ＲＦ電源１１６は、プラズマコイル１２０にＲＦ電力を供給する。円筒形のプラズマトーチ１２４は、通常プラズマコイル１２０に隣接して設けられる。プラズマトーチ１２４は、プラズマコイル１２０の中心を軸線方向に貫通してアルゴンのようなガスを誘導する。ＲＦ電源１１６内のインピーダンス整合器は、ＲＦ電源１１６からのＲＦ電力をプラズマコイル１２０に結合するために用いられ、プラズマトーチ１２４通じて流れるガスにＲＦ電力を効率的に伝達する。

次に、高点火電圧は、プラズマトーチ１２４内のガスを通じて放電され、ガスは、自由電子を放出する。分析対象の試験サンプルは、プラズマトーチ１２４内のガス流中に注入される。次に、試験サンプルは、導電状態になり、ＲＦ電源１１６から供給されたＲＦ電力と部分的に結合する。カスケード処理は、完全なプラズマ状態が確立されるまでＲＦ電源１１６からＲＦ電力の結合及び伝達を徐々に増加させることを保証する。初期点火相の間、ＲＦ電源１１６は、完全プラズマ状態に向ってカスケード処理を開始するために高水準のＲＦ電力を供給することが要求される。

完全プラズマ状態が確立されると、プラズマコイル１２０の電気的特性は、全く異なるインピーダンスに遷移する。より低いインピーダンスは、プラズマを維持するために必要とされるＲＦ電力要件を低減する。プラズマコイル１２０の共振周波数は、プラズマトーチ１２４内の特定の試験サンプルに応じて変化する。更に、完全プラズマ状態への遷移は、プラズマコイル１２０及びプラズマトーチ１２４の電気的特性に顕著な変化を発生させる。従って、ＲＦ電源１１６は、この遷移の力学を実質的に支えなければならない。更に、ＲＦ電源１１６の実現及び機能性は、図２から９に関連して以下に説明する。

ここで図２を参照すると、本発明による図１のＲＦ電源１１６の一実現形態に対するブロック図が示されている。代替的な実現形態では、ＲＦ電源１１６は、図２の実現形態に関連して説明されるこれらの構成要素及び構成のいくつかに加えて又はその代わりの構成要素及び構成を含むことができる。更に、ＲＦ電源１１６は、様々な種類のプラズマを開始して維持する関連において以下に説明する。しかし、ある一定の代替的実現形態では、本発明の原理及び技術は、他の適切な状況と用途に適用することができる。

図２の実現形態では、ＲＦ電源１１６は、プラズマ生成システム１１２（図１）のために電力安定性大きくし、かつ作動範囲の拡張を容易にするように実現される。ＲＦ電源１１６における電力安定性は、様々な異なる種類の試験サンプルをより正確に測定することを可能にする。作動範囲を拡張することは、プラズマコイル１２０及びプラズマトーチ１２４における顕著なインピーダンス変化を示す有機物のような特定の試験サンプルを分析することを容易にする。インピーダンス変化に対して応答範囲を拡張することは、より高い濃度の試験サンプル溶液の試験を可能にする。

図２の実現形態では、ＲＦ増幅器（ＲＦアンプ）２１６は、可変周波数ＲＦ電力信号２２０を固定の密結合インピーダンス整合器２２４に供給し、次に、ＲＦ電力信号を経路２２８を通じてプラズマコイル１２０に伝達する。ＲＦ電力信号２２０はまた、濾波されていない基準位相信号２４４（ａ）としてローパスフィルタ（ＬＰＦ）２８０を通じて濾波された基準位相信号２４４（ｂ）として位相固定ループ（ＰＬＬ）２４０に戻される。図２の実現形態では、ＬＰＦ２８０は、基準位相信号２４４（ａ）中に存在し得るある一定の高調波成分を除去するように機能する。更に、位相プローブ２３２は、プラズマコイル１２０の近くに位置決めされて、プラズマコイル１２０における共振条件の現在の作動条件をサンプリングする。代替的な実現形態では、ＲＦ電源１１６は、プラズマコイル１２０における共振条件をサンプリングするためのあらゆる他の適切な技術を利用することができる。例えば、位相プローブ２３２は、プラズマコイル１２０に対してあらゆる有効な場所に配置することができる。位相プローブ２３２の出力は、濾波されていないコイル位相信号２３６（ａ）としてローパスフィルタ（ＬＰＦ）を通り、濾波されたコイル位相信号２３６（ｂ）として位相固定ループ２４０に戻される。図２の実現形態では、ＬＰＦ２８４は、ＬＰＦ２８０と同一であり、共振時９０度の位相関係に維持するためにＬＰＦ２８０と同一の時間／位相シフトを供給するように機能する。

図２の実現形態では、次に、ＰＬＬ２４０は、ＲＦ位相比較技術を用いて、プラズマコイル１２０におけるピーク共振条件を追跡することができる。実際に、ＰＬＬ２４０は、濾波された基準位相信号２４４（ｂ）を濾波されたコイル位相信号２３６（ｂ）と比較し、プラズマコイル１２０における現在の作動周波数がピーク共振に関係する位置を表す誤差信号を発生する。次に、ＰＬＬ２４０は、誤差電圧を利用して、ＲＦ電力２２０の周波数を調節するために対応するＲＦ駆動信号２４８をＲＦアンプ２１６に対して発生させる。ＲＦ電力２２０の調節された周波数は、ピーク共振に向う方向にプラズマコイル１２０の作動周波数を駆動するように作動する。ピーク共振において、誤差電圧はゼロボルトになる。

従って、プラズマトーチ１２４（図１）からの負荷が変化した結果としてプラズマコイル１２０におけるインピーダンスが変化する場合、誤差電圧は、共振に向う方向に作動周波数を駆動する極性で生成される。ＰＬＬ２４０のループ応答は、作動周波数の数十サイクルに過ぎず、これは、ある一定の実現形態では、通常約２７ＭＨｚに設定される。従って、ＲＦ電源１１６は、プラズマコイル１２０におけるピーク共振条件を急速に追跡し、安定したＲＦ電力を実質的に供給して負荷インピーダンスの急速な変化の下でプラズマ状態を達成する。

図２の実現形態では、コントローラ２５２は、ＲＦ電源１１６のある一定の機能をモニタして制御する。例えば、コントローラ２５２は、アルゴン圧力、冷却水流量、電力損失、プラズマ状態、プラズマ・ドア・インターロック、最大電流、及び最高温度のようなプラズマ生成システム１１２（図１）の様々な作動パラメータをモニタすることができる。コントローラ２５２は、あらゆる適切な情報源からパラメータ情報を受信することができる。例えば、図２の実現形態では、プラズマセンサ２７２は、経路２７６を通じてコントローラにプラズマ情報を提供し、１つ又はそれよりも多くの温度センサは、経路２６８を通じてコントローラ２５２に温度情報を提供する。何らかの不適切な作動条件が検出された場合、コントローラ２５２は、安全なシャットダウン手順を開始することができる。ＡＣ電力が喪失した場合、コントローラ２５２は、コントローラ２５２がシャットダウン手順を達成することを可能にする十分な作動電力で実行される。ＲＦ電源１１６は、様々な形式の適切な情報をホストシステム（ホスト分析計器のような）とホストインタフェース２６４を通じて双方向通信することができる。

図２の実現形態では、ＲＦアンプ２１６に対する望ましい作動電力を選択するために、可変電源２６０を利用することができる。ＲＦ電源１１６の全体的設計により、ＲＦアンプ２１６、インピーダンス整合器２２４、コントローラ２５２、可変電源２６０、及び他の回路を含む全て構成要素は、１つのモジュール型ハウジングに収容される統合型のコンパクトなハウジングが可能になる。この独立型構成は、ＲＦ電源１１６を変更することなく様々な分析計器に組み込むことを可能にする。ＲＦ電源１１６の全ての構成要素は、共通のハウジング内に収容され、より効率的にＲＦ放射をシールドする。更に、ＲＦ電源１１６の実現及び利用は、図３から９と関連して以下に説明する。

ここで図３を参照すると、本発明による図２のＲＦアンプ２１６及び図２のインピーダンス整合器２２４の一実現形態に対する概略図を示している。代替的な実現形態では、ＲＦアンプ２１６及びインピーダンス整合器２２４は、図３の実現形態に関連して説明されるこれらの構成要素及び構成のいくつかに加えて又はその代わりの構成要素及び構成を含むことができる。

図３の実現形態では、ＲＦアンプ２１６の前置増幅器段（プリアンプ）３３０は、ＰＬＬ２４０によって判断される所定の調節可能な周波数でＰＬＬ２４０（図１）からＲＦ駆動信号２４８を受信する。次に、プリアンプ３３０は、変圧器１（Ｔ１）３３６、トランジスタＱ１及びＱ２、並びに変圧器２（Ｔ２）３２４を通じてＲＦアンプ２１６の最終段３２８にＲＦ駆動信号２４８を通過させる。トランジスタＱ５、Ｑ６、及びＱ７の第１のトランジスタバンク、並びにトランジスタＱ８、Ｑ９、及びＱ１０の第２のトランジスタバンクは、プッシュプルアンプ構成で配列され、Ｔ２（３２４）からＲＦ信号を受信し、接続２２０（ａ）及び２２０（ｂ）を通じてインピーダンス整合器２２４に対して均衡ＲＦ電力信号を発生する。次に、インピーダンス整合器２２４は、接続２２８（ａ）及び２２８（ｂ）を通じてプラズマコイル１２０にＲＦ電力信号を通過させる。更に、ＲＦアンプ２１６のＲＦ電力出力信号は、接続２２０（ａ）においてサンプリングされ、基準位相信号２４４（ａ）として、ＰＬＬ２４０（図２）に対して帰還ループ中に供給される。

図３の実現形態では、ＲＦアンプ２１６は、電力増幅器バイアスを有し、Ｑ５、Ｑ６、Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９及びＱ１０を完全に飽和させることにより、効率改善のためにクラスＥモードで作動する。電力増幅器はまた、飽和モード中で達成することができるよりも低い電力レベルでプラズマを維持するように、効率を低減するためにＱ５、Ｑ６、Ｑ７、Ｑ８、Ｑ９をより線形又は非飽和のクラスＢモードで作動するように構成することができる。このモードは、質量分光分析のある一定の用途に対して有利である。ＲＦアンプ２１６の設計は、ＲＦ電源１１６（図２）の作動周波数範囲内で一定の電力を供給する平滑な応答を有する広い帯域を示している。電力増幅器２１６は、インピーダンス整合器２２４に直接的に密結合され、従って、同軸ケーブルの必要をなくす。密結合は、５０オームの同軸ケーブルを利用するシステムの特性インピーダンス以外のインピーダンスで作動することを可能にする。従って、電力増幅器２１６は、動的インピーダンスで作動することができ、プラズマコイル１２０及びプラズマトーチ１２４においてより大きな範囲の作動インピーダンスを可能にする。密結合はまた、多くの場合に同軸ケーブルに関連した制限されたダイナミックレンジ及び望まれないＲＦの放射を避ける。

インピーダンス整合器２２４は、多くの場合に低速で扱いにくくかつ高価である可変コンデンサ及びサーボシステムの必要性をなくすために固定される（可変構成要素なしで）。ＲＦアンプ２１６からインピーダンス整合器２２４を通じてのプラズマコイル１２０に対するＲＦ電力の供給は、接地されたセンタータップを有する均衡型構成を利用する。代替的な実現形態では、非均衡構成を利用することができる。図３の実現形態では、Ｔ３（３２０）は、ＲＦ電力要件に応じて、５オーム又はそれ未満のインピーダンスで作動するＲＦフェライト変圧器として実現される。代替的な実現形態では、変圧器Ｔ３は、センタータップ型コイルＬ２で置換することができる。これは、可変電源からＲＦ構成要素を切り離す役割をする。２２０（ａ）及び２２０（ｂ）において電力増幅器に対して存在する負荷は、ＲＦ電力要件に応じて、５オーム又はそれ未満である。接続２２０（ａ）及び２２０（ｂ）におけるＲＦアンプ２１６からのＲＦ電力信号は、均衡ＲＦ電力信号をインピーダンス整合器２２４中に供給するように構成される。同様に、インピーダンス整合器２２４は、接続２２８（ａ）及び２２８（ｂ）において均衡するようにプラズマコイル１２０を駆動するように構成される。結果は、接地電位付近で均衡するＲＦ電界になる。従って、ＲＦ電源１１６に必要とされる最高電圧は、半分に低減される。

ＲＦアンプ２１６及びインピーダンス整合器２２４の作動条件の変動は、電力供給変動を引き起こす望ましくない共振シフトを発生させる場合がある。安定した作動条件を維持するために、インピーダンス整合器２２４は、水冷手段を使用して一定の温度に保たれる。従って、ある一定の実現形態では、インピーダンス整合器２２４は、構成要素の値の変化を低減するために一定の温度に維持される。更に、ＲＦ電源１１６は、図２のコントローラ２５２に温度情報を提供する熱センサ３１６を含む。図３の実現形態では、可変電源２６０（図２）は、ＲＦアンプ２１６の最終段３２８に電力を供給するためにセンタータップ作動電力をインピーダンス整合器２２４に供給する。図３の実現形態では、ＲＦフィルタ３３２は、可変電源２６０中への漏れによる望まれないＲＦを防止する。更に、ＲＦアンプ２１６及びインピーダンス整合器２２４の利用は、図７から９と関連して以下に説明する。

ここで図４を参照すると、本発明による図２の位相固定ループ（ＰＬＬ）２４０の一実現形態に対するブロック図を示している。図４の実現形態では、ＰＬＬ２４０は、以下に限定されるものではないが、位相検出器４１６、積分器４２８、及び電圧制御発振器（ＶＣＯ）４３２を含む。代替的な実現形態では、ＰＬＬ２４０は、図４の実現形態に関連して説明されるこれらの構成要素及び構成のいくつかに加えて又はその代わりの構成要素及び構成を含むことができる。

ＲＦ電源１１６（図１）がプラズマトーチ１２４（図１）に全ＲＦ電力を供給するためには、ＲＦ電力２２０（図２）の作動周波数は、好ましくは、インピーダンス整合器２２４（図３）の自然なピーク共振周波数と一致すべきである。図４の実現形態では、位相検出器４１６及び電圧制御発振器（ＶＣＯ）４３２を有する位相固定制御フィードバックループは、ＲＦアンプ２１６（図２）の出力から供給される基準位相信号２４４（ｂ）と位相プローブ２３２（図２）の出力から供給されるコイル位相信号２３６（ｂ）との間の位相関係（及び従って周波数）を制御するために利用される。

プラズマコイル１２０におけるピーク共振条件を追跡するために、位相検出器４１６は、ゼロ誤差電圧４２４を生成すべきである。位相検出器４１６のある一定の作動特性のために、基準位相信号２４４（ｂ）及びコイル位相信号２３６（ｂ）は、ゼロ誤差電圧４２４を発生させるために、相互に９０度の位相外れでなければならない。位相関係が９０度異なるべきである場合、位相検出器４１６からの誤差電圧４２４は、位相差が９０度よりも大きいか又は小さいかに応じて、正又は負のいずれかであろう。図４の実現形態では、基準位相信号２４４（ｂ）とそれらの位置から導出されるコイル位相信号２３６（ｂ）の間には固有の９０度の位相シフト関係が存在するので、基準位相信号２４４（ｂ）は、ＲＦアンプ２１６からの出力であるＲＦ電力信号２２０から導出され、またコイル位相信号２３６（ｂ）は、位相プローブ２３２の出力から導出される。

図４の実現形態では、誤差電圧４２４が、誤差電圧４２４を増幅し、誤差電圧４２４内の全ての望まれないＲＦ成分を除去する積分器４２８に供給される。次に、積分器４２８は、統合された誤差電圧４２４を経路４３６を通じてＶＣＯ４３２に供給する。ＶＣＯ４３２は、これに応答して、積分器４２８から受信した誤差信号４２４の振幅及び極性によって判断されるＲＦ駆動周波数でＲＦ駆動信号２４８を発生する。次に、ＰＬＬ２４０は、ＲＦ駆動信号２４８をＲＦアンプ２１６（図２）に供給し、インピーダンス整合器２２４（図３）に供給されるＲＦ電力信号２２０の作動周波数を調節する。図４の実現形態では、ＰＬＬ２４０は、位相検出器４１６がこれに応答してＲＦ駆動信号２４８の周波数を調節する位相オフセット４３６を含むように実現することができ、その結果プラズマコイル１２０は、ピーク共振よりむしろ共振の勾配上で作動する。例えば、ある一定の実現形態では、位相オフセット４３６は、基準位相２４４（ｂ）の経路長を変更することにより実現することができる。共振の勾配上で作動するための一例を図６に関連して以下に説明する。更に、ＰＬＬ２４０の利用は、図５から９と関連して以下に説明する。

ここで図５を参照すると、本発明の一実現形態による位相シフトと誤差電圧の相関を示すグラフが示されている。図５のグラフは、例示の目的で示されており、代替的な実現形態では、本発明は、図５の実現形態に関連して説明されるこれらの属性及び特性のいくつかに加えて又はその代わりの属性及び特性を有する位相シフトと誤差電圧の相関を利用することができる。

図５の実現形態では、基準位相信号２４４とコイル位相値（図２）間の位相シフト値が、水平軸５２０上に示されている。更に、ＰＬＬ２４０の位相検出器４１６からの誤差電圧４２４（図２）が、垂直軸５１６上に示されている。線分５２４は、例示的位相シフトと誤差電圧の関係を表すようにプロットされている。例示の目的のために、図５の位相シフトと誤差電圧の関係は、線形であるものとして示されている。しかし、代替的な実現形態では、様々な種類の非線形の関係も同様に考えられる。図４と関連して上述したように、９０度の位相シフトにおいて、ピーク共振条件５２８が、誤差電圧ゼロボルトで図５のグラフ上に示されている。図５の実現例では、位相シフトが９０度を超えて増加すると、誤差電圧が増加し、また位相シフトが９０度未満に減少すると、誤差電圧が減少する。

ここで図６を参照すると、本発明の一実現形態による共振勾配上の作動に対する技術を例示するグラフが示されている。図６のグラフは、例示の目的のために表されており、代替的な実現形態では、本発明は、図６の実現形態に関連して説明されるこれらの値及び技術のいくつかに加えて又はその代わりの値及び技術を使用して共振勾配上で作動することができる。

図６の実現形態では、プラズマコイル１２０（図２）に対する作動周波数値が、水平軸６２０上に示されている。更に、プラズマコイル１２０におけるＲＦ作動電力の振幅が、垂直軸６１６上に示されている。ベル型曲線が、プラズマコイル１２０における例示的共振条件からの値を表すためにプロットされている。図６の実現形態では、ピーク共振条件６２８が、ピーク共振周波数６２４で示されている。ＲＦ電源１１６は、プラズマコイル１２０の作動周波数が、直接的にピーク共振６２８ではない位置において選択的に選ばれるように、共振の勾配上で作動することができる。図６の実現形態では、ＲＦ電源１１６は、周波数６３２における勾配点６３６において作動する。共振の勾配上でＲＦ電源を作動させることは、様々な種類の分析条件の下で望ましく、ＲＦ電源１１６の応答特性をある一定の作動環境内での改善された性能に合わせる機能を提供することができる。

ここで図７を参照すると、本発明の一実現形態によるプラズマ生成処理中の共振条件を追跡する方法段階に関する流れ図が示されている。図７の実現例は、例示の目的で表現されており、代替的な実現形態では、本発明は、図７の実現形態に関連して説明されるこれらの段階及び順序のいくつか以外の段階及び順序を利用することができる。

図７の実現形態では、段階７１２において、ＲＦ電源１１６（図２）は、あらゆる適切な技術を利用することによりプラズマ生成処理を開始する。例えば、ある一定の実現形態では、最初に、ＲＦ電源１１６は、プラズマトーチ１２４（図１）内のガスに高電圧の点火のための電荷を供給することができる。段階７１４において、ＲＦ電源１１６は、プラズマコイル１２０からプラズマトーチ１２４内の部分的プラズマ状態内の試験サンプルにＲＦ信号２２０を印加する。段階７１６において、ＲＦ電源１１６は、プラズマチャージカスケード処理を通じて、プラズマコイル１２０に供給されるＲＦ電力信号２２０の現在の作動周波数を調節することによって、プラズマコイル１２０における共振条件を追跡する。段階７１８において、プラズマトーチ１２４内の試験サンプルは、完全プラズマ状態を達成する。最後に、段階７２０において、ＲＦ電源１１６は、上述の段階７１８中に達成された完全プラズマ状態を維持し、試験サンプルに対する様々な分析手順を容易にする。

ここで図８を参照すると、本発明の一実現形態による誤差電圧４２４（図４）を発生する方法段階の流れ図を示している。図８の実現例は、例示の目的のために表現されるもので、代替的な実現形態では、本発明は、図８の実現形態に関連して説明されるこれらの段階及び順序のいくつか以外の段階及び順序を利用することができる。

図８の実現形態では、段階８１２において、ＲＦ電源１１６は、最初に、誤差電圧４２４を発生させるために基準位相信号２４４をサンプリングする。ある一定の実現形態では、基準位相信号２４４は、ＲＦアンプ２１６（図２）からのＲＦ電力信号２２０から導出される。次に、段階８１４において、ＲＦ電源１１６は、プラズマコイル１２０（図２）に隣接した位相プローブによって発生されるコイル位相信号２３６をサンプリングする。段階８１６において、ＲＦ電源１１６は、基準位相信号２４４及びコイル位相信号２３６を位相固定ループ２４０（図２）の位相検出器４１６に供給する。次に、段階８１８において、位相検出器４１６は、あらゆる適切な手段を利用することにより、基準位相信号２４４及びコイル位相信号２３６を比較する。最後に、段階８２０において、位相検出器４１６は、基準位相信号２４４とコイル位相信号２３６間の位相シフトの方向及びマグニチュードを表す誤差電圧４２４を発生させる。

ここで図９を参照すると、本発明の一実現形態によるＲＦ作動周波数を調節する方法段階の流れ図を示している。図９の実現例は、例示の目的で表現されたものであり、本発明は、図９の実現形態に関連して説明されるこれらの段階及び順序のいくつか以外の段階及び順序を利用することができる。

図９の実現形態では、段階９１２において、ＰＬＬ２４０（図４）の積分器４２８は、図８の段階８２０中に位相検出器４１６（図４）によって発生された誤差電圧４２４を積分し、ある一定の不要高周波成分を除去する。次に、段階９１４において、積分器４２８は、ＰＬＬ２４０の電圧制御発振器（ＶＣＯ）４３２に対する誤差電圧を積分する。段階９１６において、ＶＣＯ４３２は、誤差電圧４２４の振幅及び極性に関連する駆動周波数でＲＦ駆動信号を発生する。段階９１８において、ＰＬＬ２４０は、ＲＦ駆動信号２４８をＲＦ電源１１６のＲＦ電力増幅器２１６に供給する。

最後に、段階９２０において、ＲＦ駆動信号２４８の駆動周波数に応答して、ＲＦ電力増幅器２１６は、プラズマコイル１２０の現在のピーク共振周波数を追跡する周波数でＲＦ電力信号２２０を発生する。上述の図８の誤差電圧発生手順及び図９のＲＦ作動周波数調節手順は、一般的に、継続基準に基づいて反復され、ＲＦ電源１１６が、現在の共振条件における作動パラメータを追跡、維持することを可能にする。少なくとも以上の理由により、本発明は、誘導結合型ＲＦ電源を実現するための改善されたシステム及び方法を提供する。

以上、本発明をある一定の実現形態を参照して説明した。他の実現形態も本発明の開示に照らして当業者には明らかであろう。例えば、本発明は、上述の実現形態に説明したこれらの構成及び技術のいくつか以外の構成及び技術を使用して実現することができる。更に、本発明は、上述したもの以外のシステムと共に有効に使用することができる。従って、説明した実現形態に対するこれらの及び他の変形は、特許請求の範囲によってのみ限定される本発明によって含まれるように意図している。

本発明のある一定の実現形態によるプラズマ生成システムのブロック図である。 本発明による図１のＲＦ電源のある一定の実現形態に関するブロック図である。 本発明による図２のインピーダンス整合器及びＲＦアンプのある一定の実現形態に関する概略図である。 本発明による図２の位相固定ループのある一定の実現形態に関するブロック図である。 本発明のある一定の実現形態による位相シフト−誤差電圧関係を例示するグラフである。 本発明のある一定の実現形態による共振勾配上で作動するための技術を例示したグラフである。 本発明のある一定の実現形態によりプラズマ生成処理中の共振条件を追跡する方法段階の流れ図である。 本発明のある一定の実現形態により誤差電圧を発生する方法段階の流れ図である。 本発明のある一定の実現形態によりＲＦ作動周波数を調節する方法段階の流れ図である。

符号の説明

１１６ ＲＦ電源
２１６ ＲＦ増幅器
２２０ 可変周波数ＲＦ電力信号
２２４ 密結合インピーダンス整合器

Claims (21)

1. 電源を実現するためのシステムであって、
   調節可能な作動周波数で高周波電力信号を発生し、かつ該高周波電力信号から導出される基準位相信号も発生する電力増幅器と、
   可変共振条件を有するプラズマコイルに前記高周波電力信号を供給するインピーダンス整合器と、
   前記プラズマコイルに隣接して位置決めされ、前記調節可能な作動周波数に対応するコイル位相信号を発生する位相プローブと、
   前記基準位相信号と前記コイル位相信号の間の位相関係に基づいて前記電力増幅器に対する駆動信号を発生して前記調節可能な作動周波数を制御し、該調節可能な作動周波数が、次に前記可変共振条件を追跡する位相固定ループデバイスと、
   を含むことを特徴とするシステム。
2. 前記位相固定ループデバイスの位相検出器が、前記基準位相信号及び前記コイル位相信号を受信してそれらを比較し、前記位相関係を判断することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記位相検出器は、前記位相関係のマグニチュード及び極性を表す誤差電圧を発生することを特徴とする請求項２に記載のシステム。
4. 前記誤差電圧は、前記調節可能な作動周波数が前記可変共振条件に等しい場合はゼロボルトに等しいことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記基準位相信号及び前記コイル位相信号は、前記誤差電圧がゼロボルトに等しい時に前記位相関係が９０度の位相外れになるようにサンプリングされることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
6. 前記位相検出器は、前記調節可能な作動周波数が、前記プラズマコイルのピーク共振周波数と異なる共振勾配周波数に設定されるように前記誤差電圧を調節することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
7. 積分器デバイスが、不要高周波成分を除去するために前記誤差電圧に対して濾波処理を実行することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
8. 前記位相固定ループデバイスの電圧制御発振器が、前記誤差信号の振幅及び極性に応答して前記調節可能な作動周波数で前記駆動信号を発生することを特徴とする請求項３に記載のシステム。
9. 前記電力増幅器は、電力消費要件を制限するために「クラスＥ」モードで作動することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
10. 前記電源の前記電力増幅器は、前記インピーダンス整合器に直接に密結合されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
11. 前記インピーダンス整合器は、前記電力増幅器に対して動的可変インピーダンス特性を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
12. 前記インピーダンス整合器は、固定の調節不能電子構成要素で実現されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
13. 前記インピーダンス整合器は、前記高周波電力信号を前記電力増幅器から前記プラズマコイルまで均衡するように伝達し、該インピーダンス整合器は、接地されたセンタータップを有する高周波変圧器を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
14. 前記電源の前記プラズマコイルを利用して、光学発光測定技術及び質量分光測定技術の少なくとも一方による分析のためにプラズマトーチ内で試験サンプルをプラズマ状態で開始し、かつ維持することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
15. 分析されている試験サンプルのプラズマステータスをモニタし、前記電源における熱センサからの温度パラメータもモニタする前記電源のコントローラデバイスを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
16. 前記インピーダンス整合器は、隣接の冷却機構によって供給される温度安定化によって実現されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
17. 前記電源は、前記高周波電力信号に対する作動電圧を選択するように調節可能である可変電源を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
18. 前記電源は、該電源と外部ホストデバイスの間の双方向通信を可能にするホストインタフェースを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
19. 前記電源は、変更なしで該電源をホスト分析計器に組み込むことを容易にする自己完結型モジュール式デバイスとして実現されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
20. 前記電力増幅器は、低電力プラズマ作動を維持するために発電の効率を低減するクラスＢモードで作動することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
21. 電源を実現する方法であって、
    高周波電力信号を、該高周波電力信号から導出される基準位相信号も発生する電力増幅器を利用することにより、調節可能な作動周波数で発生させる段階と、
    インピーダンス整合器を利用して、可変共振条件を有するプラズマコイルに前記高周波電力信号を供給する段階と、
    前記プラズマコイルに隣接して位相プローブを位置決めし、前記調節可能な作動周波数に対応するコイル位相信号を発生させる段階と、
    前記基準位相信号と前記コイル位相信号の間の位相関係に基づいて位相固定ループデバイスから前記電力増幅器に対する駆動信号を発生して前記調節可能な作動周波数を制御し、該調節可能な作動周波数が、次に前記可変共振条件を追跡する段階と、
    を含むことを特徴とする方法。

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