JP2014236993A - プラズマを発生させるためのシステム、方法、および装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズマ生成システム、関連する方法、および関連する装置を提供する。
【解決手段】プラズマ生成システム100は、プラズマ発生装置と、可イオン化気体源140と、ドライバネットワーク102とを含む。プラズマ発生装置は、筐体と、電極128,130と、共振回路104とを含む。筐体は、その中で画定された通路を含み、そこを通じる可イオン化気体の流れを誘導する。電極は、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体に連結される。共振回路は、ともに直列に接続された蓄電器124および誘導子122を含む。共振回路は共振振動数を有し、電極に連結される。共振回路はAC信号を受信する。ドライバネットワークは、AC信号が一振動数を有し、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体をプラズマに励起させるようにAC信号を供給する。
【選択図】図1A
【解決手段】プラズマ生成システム100は、プラズマ発生装置と、可イオン化気体源140と、ドライバネットワーク102とを含む。プラズマ発生装置は、筐体と、電極128,130と、共振回路104とを含む。筐体は、その中で画定された通路を含み、そこを通じる可イオン化気体の流れを誘導する。電極は、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体に連結される。共振回路は、ともに直列に接続された蓄電器124および誘導子122を含む。共振回路は共振振動数を有し、電極に連結される。共振回路はAC信号を受信する。ドライバネットワークは、AC信号が一振動数を有し、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体をプラズマに励起させるようにAC信号を供給する。
【選択図】図1A
Description
関連出願に対する相互参照
本出願は、2008年5月30日にスコット(Scott)らにより出願された「共振励起プラズマ噴射機器(RESONANT EXCITED PLASMA JET DEVICE)」という名称の米国仮出願整理番号第61/057,396号、および、2008年5月30日にムーア(Moore)により出願された「電気外科用生成器を制御するためのシステムおよび方法(SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING ELECTROSURGICAL GENERATOR)」という名称の米国仮出願整理番号第61/057,663号の利益、および、同出願に対する優先権を主張し、これらの出願のそれぞれの全体の内容は、本明細書によって参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、2008年5月30日にスコット(Scott)らにより出願された「共振励起プラズマ噴射機器(RESONANT EXCITED PLASMA JET DEVICE)」という名称の米国仮出願整理番号第61/057,396号、および、2008年5月30日にムーア(Moore)により出願された「電気外科用生成器を制御するためのシステムおよび方法(SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING ELECTROSURGICAL GENERATOR)」という名称の米国仮出願整理番号第61/057,663号の利益、および、同出願に対する優先権を主張し、これらの出願のそれぞれの全体の内容は、本明細書によって参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は医療機器に関する。より具体的には、本開示は、例えば、選択的な方法での組織変性のためにプラズマを発生させるためのシステム、方法、および装置に関する。
気体媒質および液体媒質内の放電(「プラズマ」)は、産業的、科学的、および医学的な必要性に代替的な解決策を提供する広範な適用性を有する。プラズマは、大量のイオン、電子、ラジカル、および、励起状態の(例えば、準安定性の)種であって、前記種を用いて高い空間的および時間的な統制を有する材料特性変化を行う種を創出する固有の能力を有する。プラズマは、(レーザー装置を含む光源として作用する)実際量の陽子、および、非平衡性または選択的な化学反応を推進するために両方とも用いることができる、固有の化学種およびラジカルを生成する能力もある。
プラズマは一般的に、適切な生成器、電極、およびアンテナを用いて、(a)直流(DC)電気、あるいは、(b)無線振動数(「RF」、0.1〜100MHz)およびマイクロ波(「MW」、0.1〜100GHz)帯域を含む、単ヘルツ(Hz)からギガヘルツ(GHz)の振動数で交流(AC)である電気の何れかとして運搬される電気エネルギーを用いて生成される。励起振動数の選択により、電気エネルギーを回路に運搬するために用いられるプラズマならびに電気回路の多くの特性および要件が決定される。プラズマの性能および電気的励起回路構成の設計は強く相互に関連する。
本開示は、プラズマを発生させるためのシステム、方法、および装置に関する。本開示の1つの実施形態では、プラズマ生成システムは、プラズマ発生装置と、可イオン化気体源と、ドライバネットワークとを含む。1つの例解的な実施形態では、プラズマ発生装置は医療装置として実装される。プラズマ発生装置は、筐体と、電極と、共振回路とを含む。筐体はその中で画定された通路を含み、そこを通じて可イオン化気体の流れを誘導する。電極は、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体に結合(例えば、容量結合)される。共振回路は共振振動数を有し、かつ、電極に電気的に連結される。共振回路はAC信号を受信する。AC信号が一振動数を有し、かつ、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体をプラズマに励起するように、ドライバネットワークはAC信号を供給する。ドライバネットワークは、プラズマが点火されるか、および/または、ある帯域幅、例えば、所定の帯域幅内で動作を維持することを伴う場合と伴わない場合の両方において、ドライバネットワークの内部インピーダンスを共振回路のインピーダンスに整合させるように、共振回路の共振振動数に近い振動数を有するAC信号を供給することができる。
本開示の別の実施形態では、プラズマ発生装置はその中で画定された通路を含む筐体を含む。通路は、そこを通じて可イオン化気体の流れを誘導するように構成される。プラズマ発生装置は、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体に結合された(例えば、容量結合された)電極を含む。プラズマ発生装置は、電極に電気的に連結された共振振動数での励起を有する共振回路も含む。共振回路は、プラズマを発生させる筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体を励起するように構成された振動数および大きさを有するAC信号を受信する。石英管またはセラミック管により通路を画定することができる。プラズマ発生装置は、可イオン化気体を接地に結合するのに適合した接地極を有する場合がある。加えて、または代替的には、電極はある静電容量を供給するように適合され、誘導子は、共振回路の共振振動数ならびにその帯域幅を実質的に定義する電極の静電容量に電気的に結合される。
本開示のさらに別の実施形態では、一方法は、可イオン化気体の流れを誘導するように構成された流体経路を設けることと、AC信号に電気的に結合された共振振動数を有する共振回路を設けることとを含む。共振回路は、流体経路内を流れる可イオン化気体に結合(例えば、容量結合)される。前記方法は、AC信号の振動数および/または大きさを決定し、共振回路を駆動し、可イオン化気体を励起させ、AC信号を共振回路に印加し、それにより、可イオン化気体をプラズマに励起もさせる。
本明細書に組み込まれ、かつ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本開示の実施形態を例解し、かつ、以上で与えられた本開示の大まかな記載と、以下に与えられた1つまたは複数の実施形態の詳細な記載とともに、本開示の原理を説明するのに役立つ。
図面を参照すると、図1Aは本開示の一実施形態に従うプラズマ生成システム100の概略図を示している。プラズマ生成システム100は、ドライバネットワーク102および共振回路104を含む。ドライバネットワーク102は、共振回路104と電気的に連携してプラズマを発生させる。ドライバネットワーク102は共振回路104に電気的に連結され、節点106を通じて交流(「AC」)信号を前記共振回路に伝える。ドライバネットワーク102は、AC信号が回路104の共振振動数またはその付近にあるようにAC信号を供給する。AC信号の振動数は以下でより詳細に検討される。
プラズマ生成システム100は、2ワット、数ワット、または数十ワット等の、適度な出力度のプラズマを発生させることができ、かつ、一般的に低温プラズマと呼ばれるものを生成することができる。本開示の1つの実施形態では、プラズマ生成システム100は、およそ約1*10−7〜約1*10−4の範囲内のイオン化を有する低温プラズマを発生させる。低温プラズマは、回転温度が約100摂氏温度より低いか50摂氏温度より低い状態の非熱平衡にある場合がある。低温プラズマの回転温度は、低温プラズマの振動温度より実質的に低い場合がある。他の実施形態では、低温プラズマのイオン温度が室温より低いように、可イオン化気体を冷却することができる。選択的化学または粒子衝撃またはそれら両方を利用する下層を損傷せずに上層を除去することができるように、組織処理における選択的な表面変性のためにプラズマを用いることができる。
ドライバネットワーク102は、共振回路104がプラズマを発生させるように、十分な電圧、電流、振動数、および内部インピーダンスを有するAC信号を供給する。ドライバネットワーク102は、電力供給装置108と、AC出力段110と、直接デジタル合成装置112と、センサ構成部114と、インピーダンス整合ネットワーク116と、点火回路144と、制御装置118とを含む。制御装置118はドライバネットワーク102および節点106に供給されるAC信号を制御する。電力供給装置108は、DC信号を用いてAC出力段110を含むドライバネットワーク102に電力を供給する。AC出力段110は、直接デジタル合成装置112からの参照信号を用いるインピーダンス整合ネットワーク116を通じて、電力供給装置108からのDC信号を節点106に供給されるAC信号に変換する。センサ構成部114はセンサ120からデータを受信し、データを制御装置118に伝える。
制御装置118は、マイクロ処理器、マイクロ制御装置、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プログラム可能な論理装置、および同様のものであってよい。制御装置118は、ハードウェア、ソフトウェア、実行中のソフトウェア、ファームウェア、および同様のものの任意の組み合わせで制御アルゴリズムを実行することができる。例えば、制御装置118は、1つ以上の比例−積分−微分制御アルゴリズムを利用するインピーダンス整合ネットワーク116を介して、節点106に供給されるAC信号を制御することができる。比例−積分−微分制御アルゴリズムは、共振回路104に供給されるAC信号の振動数、電流、電圧、帯域幅、パルス放出、および/または負荷周期、またはこれらのいくつかの組み合わせを制御することができる。例えば、制御装置118はパルス幅変調信号を電力供給装置108に送り、AC出力段110に供給されるDC信号の電圧を制御することができ、AC出力段110に供給されるDC信号を制御することも、AC出力段110の1つ以上の切換MOSFETのバイアス電圧をゲート制御するように電源を制御する。1つ以上の切換MOSFETの電源電圧とドレイン電圧との間のレール電圧は、AC出力段110により供給されるAC信号のピーク電圧を制御する。加えて、または代替的には、制御装置118は別個のDC信号を供給し、AC出力段110における増幅器利得(明示せず)を設定することができる。制御装置118は、位相、インピーダンス、電圧、電流、電力、および同様のもののために制御することができる(以下でより詳細に記載される)。
ドライバネットワーク102は電力供給装置108を含む。電力供給装置108は、DC信号を用いてドライバネットワーク102に電力を供給する。電力供給装置108は、AC/DC変換器、DC/DC変換器、切換モード電力供給装置、および同様のものであってよい。内部自己調整した電圧または電流の参照を利用して、制御装置118からのパルス幅変調信号を介して電力供給装置108を制御することができる。例えば、電力供給装置108は壁出口からAC信号を受信し、AC信号を未調整DC信号に整流し、昇圧/高圧変換器を用いて出力に対する未調整DC信号を調整する。AC出力段110内の切換装置に対するバイアス電圧として、電力供給装置108により供給されるDC信号を用いることができる。直接デジタル合成装置112からの参照信号を用いて切換器を制御することができる。
直接デジタル合成装置112は、AC出力段110に供給された参照信号を生成する。参照信号は、共振回路104、あるいはその並列または部分に供給されたAC信号と同じ振動数を有する場合がある。参照信号は、その中で1つ以上のMOSFETを切り換えるためにAC出力段110に供給された切換信号であり得る。直接デジタル合成装置112は、制御装置118により制御される。制御装置118は、直接デジタル合成装置112の振動数または位相の増分登録器に振動数または位相の増分値をデジタル的に伝えることにより、参照信号の振動数を制御することができる。直接デジタル合成装置112は、バイナリステップ当たり約3kHz〜約10kHz以下のデジタル−アナログ変換の分解能を有する場合がある。代替の実施形態では、電圧制御発振器、クロック、数値制御発振器、および同様のものを用いて参照信号を生成することができる。
ドライバネットワーク102は、針電極146に電気的に連結された点火回路144を含む場合もある。制御装置118はセンサ120を利用し、プラズマが消滅されるかどうか/プラズマが消滅される時(例えば、プラズマ電流が零振幅近くまたは零振幅に達する時)を検出することができる。プラズマがもはや生成されていないと制御装置118が断定した時点で、点火回路114は電気信号を針電極146に印加し、プラズマの点火に役立ち得る。点火回路114は、電気信号を針電極146に選択的に接続する1つ以上の切換器を含む場合がある。
共振回路104は、ドライバネットワーク102からAC信号を受信してプラズマを発生させる。共振回路104は、節点126で連続的に一緒に接続された誘導子122および蓄電器124を含む。誘導子122および蓄電器124を何れの順序で構成してもよい。誘導子122を遮蔽しても遮蔽しなくてもよい。共振回路104は、誘導子122により表される1つ以上の誘導子と直列に、蓄電器124により表される1つ以上の蓄電器を含む場合がある共振振動数を有する。加えて、または代替的には、蓄電器124は、物理的容量装置(例えば、蓄電器)からの静電容量と、生成されたプラズマにより生じた静電容量と、任意の寄生静電容量とをモデル化する集中要素モデルであってもよい。例えば、蓄電器124は、物理的な5ピコファラッドの蓄電器と、生成されたプラズマにより生じた任意の静電容量とを含む場合がある。
共振回路104は電極128および130を含む。電極128および/または130は銅の円形の金属細長片であり、石英管138の周辺に配置される。電極128および/または130は、任意の適切な形状および材質であってよい。電極128および/または130は石英管138の周辺に配置され、その中に流れる可イオン化気体に対して容量結合を形成する。いくつかの実施形態では、セラミック、誘電性材料、絶縁材料、および/または他の適切な材料から石英管138を作製することができる。可イオン化気体、例えば、アルゴン、ヘリウム、および他の希ガスに対する共振回路104の容量結合によりプラズマが生成される。共振回路104は、電極128を介して可イオン化気体に容量結合される。可イオン化気体は、管138内で気体源140から受け取られる。電極128は、節点126により電気エネルギーに電気的に結合される。また、電極130を接地して「移動」(時々「浮動」と呼ばれる)接地を防ぐことができる。図のように、電極128は加工対象物(図示せず)の「上流」であり、一方で、電極130は加工対象物(図示せず)に向かう「下流」である。共振回路104からの電気エネルギーは、電極128および130を利用して可イオン化気体に伝達され、可イオン化気体の少なくとも一部を低温プラズマ状態等のプラズマ状態に転換する。
点火後、蓄電器124は生成されたプラズマのさらなる静電容量に起因して増加することになり、例えば、共振回路104は、電極に対するその配置重複のために最初に生成されたプラズマの静電容量に起因して、さらに20ピコファラッド〜120ピコファラッドを含む場合がある。さらなるインピーダンス(例えば、静電容量および抵抗)は、共振回路104の共振振動数を偏移または変化させ得る。共振回路104は、プラズマが点火される際に変化または偏移する多数の共振振動数を有する場合がある。先に述べたように、共振回路104は、可イオン化気体に容量結合されてプラズマを発生させる。共振回路104では、蓄電器124および誘導子122を相互交換することができる。共振回路104は、AC信号および共振回路104が可イオン化気体の励起に適切な励起振動数で駆動されるように、ドライバネットワーク102からAC信号を受信する。加えて、または代替的には、ドライバネットワーク102の振動数は、プラズマから表面までのバイアス電圧またはバルクプラズマ特性の何れかを制御するように、イオンプラズマ振動数または電子−原子衝突振動数もしくはその付近にあってよい。イオンプラズマ振動数は、プラズマ中のイオンが変化する振動数に機械的に応答する減少していく能力を有する振動数である。
図1Bは、プラズマ生成システム100’の別の実施形態を示す。プラズマ生成システム100’は、共振回路104’を形成する誘導子122’および蓄電器124’を含む。誘導子122’および蓄電器124’は、断路器142と接地との間で並列に接続される。断路器142は、電気エネルギーがドライバネットワーク102内の固体素子を損傷するのを防ぐ。断路器142は、循環装置、巻線を有しない変圧器、または他の高電圧保護装置であってよい。図1Bの並列共振回路104’は、図1Aの直列共振回路104で見られるような電圧よりむしろ、電流の「キューイングアップ(Q−ing up)」を経験する。
図面を参照すると、図1Cおよび1Dは、本開示の一実施形態に従う2つのLC回路のインピーダンスのグラフを示している。図1Cは、図1Aの共振回路104のインピーダンス対振動数のグラフ134を示す。例示的な一実施形態では、図1Aの共振回路104は直列共振構成にあり、誘導子122は10マイクロヘンリーの誘導子値を有し、蓄電器124は10ピコファラッドの値を有し、約15.92MHzの直列共振振動数を結果的にもたらす。図1Aの共振回路104により与えられるインピーダンスは、以下の等式(1)で示される:
図1Cで示されるように、ωR,Sの直列共振振動数から数MHzの範囲内において、インピーダンスは非常に線形であり、図1Aの十分に設計されたドライバ回路102の内部インピーダンスに密接に拘束される。
図1Dは、図1Bで示されるような並列共振構成にある共振回路の別の実施形態のインピーダンス対振動数のグラフ136を示す。図1Dは、10マイクロヘンリーの値を有する誘導子と、10ピコファラッドの値を有する蓄電器とを有し、約15.92MHzの並列共振振動数ωR,Pをもたらす、並列共振回路の事例的挙動を示す。並列共振回路のインピーダンスは、以下の等式(2)で示される:
グラフ136により示されるように、並列共振LC回路がωR,Pの並列共振振動数で駆動される場合、インピーダンスは非常に高く(例えば、無限に近づく)、非線形で一振動数を有する強い変動を有し、かつωR,Pで不連続である。振動数がωR,Pの並列共振振動数に差し掛かる時に、位相差は約+90°から約−90°へ急激に変化するか、あるいは逆もまた然りである。並列共振回路の一実施形態は、直列共振する一実施形態で見られるような電圧よりむしろ、電流の「キューイングアップ(Q−ing up)」を経験することになる。プラズマが並列共振LC回路を用いて生成される場合、それは並列共振のLおよびCの構成部に対して並列に抵抗性かつ容量性の負荷を付加し、それにより、回路内で正味の電流の流れを支配する。プラズマ中で実際量の電流を得るには、動作振動数および/またはプラズマ静電容量は十分に高くあるべきであり、それ故、増加した振動数における、かつ/または比較的大きい電極を伴う動作振動数が、並列共振LC回路を用いてプラズマを励起させるのに必須である場合がある。並列共振LC回路を利用する場合、共振回路の全域で引き起こされた電圧は、例えば断路器、循環装置、巻線を有しない変圧器、他の高電圧保護装置、および同様のもの等の十分な保護装置が用いられない限り、連続条件または過渡条件の何れかにおいて、最新の固体電子装置に対する過電圧損傷または過電流損傷の可能性を次々に増加させる電力供給装置に直接回帰する場合がある。
図1Aを再び参照すると、回路理論解析は、ドライバネットワーク102からのAC信号が以下の等式(3)で示されるような値ωRにある場合、共振回路104が共振挙動(ひいては共振振動数)を表示することを規定している:
式中、Lは誘導子122のインダクタンスであり、Cは蓄電器124の静電容量である。しかしながら、負荷、例えば、プラズマは、共振振動数を変化し得ることに留意されたい。本開示の一実施形態では、共振回路104は振動数ωRでAC出力段110により駆動される。以下の等式(4)で示されるように、共振回路104は、
のインピーダンスを有する。
物理的な誘導子および蓄電器の非理想挙動は内部抵抗を含み、等式(4)内のRにより表される等価直列抵抗(ESR)としてモデル化されることがある。誘導子122および蓄電器124のESRは、簡単にするために0としてのみモデル化される。誘導子122および蓄電器124のESRをモデル化することは、当該技術分野における通常の技術を有する者の範囲である。
等式(5)の条件は、誘導子122および蓄電器124内における最大限のエネルギー貯蔵のための条件も表すことに留意されたい。誘導子122および蓄電器124のLおよびCの値の選択にそれぞれ基づき、ωRの共振値に対する解は上記の等式(3)を利用すれば自明である。しかしながら、AC信号がωRの振動数を有する場合、等式(4)の解はZ=0である。誘導子122の無効成分の大きさXLが蓄電器124の無効成分の大きさXCと等しいために共振回路104へのAC信号がωRにある場合、等式(4)を用いてZ=0という解が生じる。典型的に選択される誘導子122および蓄電器124の値を用いる場合、等式(5)は通常約1〜10kΩである|Z|を結果的にもたらし、いくつかの実施形態では、用いられるL/C比は約500〜100,000である。AC回路に関する「最大電力伝達定理」は、有限な内部インピーダンスを有する源から最大限の外部電力を得るには、負荷インピーダンスを内部インピーダンスと整合させるべきであり、例えば、源インピーダンスが負荷インピーダンスと両方とも実数である場合に等しく、これは高振動数電力技術において典型的に50Ωで起こることを明示していることに留意されたい。
従って、本開示の別の実施形態によれば、プラズマ生成システム100はドライバネットワーク102を用い、近共振振動数ωDのAC信号を用いて共振回路104を駆動する。αまたは振動数が同等に偏移したβωR(100*β%)の因数により、ωRに近い振動数ωDで作動される場合の共振回路104が以下の等式(6)で表現される:
近共振ωDで駆動されている場合の共振回路104のX=ωL−(1/ωC)である等式(4)の無効成分は、
を結果的にもたらす。
等式(7)は、共振回路104の反応性インピーダンス挙動の概算を示す。等式(7)は、ドライバネットワーク102からのAC信号により駆動される際に、共振回路104の計算された共振振動数と、実地に用いられる実際の動作振動数との小さい差も計上する。α=1の場合、インピーダンスは上記の等式(4)から算出されるように0であり、αが大きな値である場合、共振回路104のインピーダンスは上記の等式(5)から算出されるように特性インピーダンスより大きくなる。αの能動的な選択および制御は、AC出力段110により経験される負荷インピーダンスを制御する一方法である。
αが1に近いが1に等しくない場合、近共振条件下における共振回路104の合計の無効成分Xの挙動を、β≪1(式中、α=1+β)である値を選択することにより示すことができ、以下の等式(8)を結果的にもたらす:
ドライバネットワーク102が約50Ωの内部インピーダンスを有する実施形態では、ドライバネットワーク102が、例えばωD等の共振振動数ωRに近い振動数で共振回路104を駆動し、共振回路104の同等な負荷インピーダンスが約50Ωに近づくことを確かめる場合があることを等式(8)は規定する。従って、本開示の1つの実施形態では、ドライバネットワーク102は近共振振動数ωDで共振回路104を駆動する。
図1および2を同時に参照すると、図2は、本開示のいくつかの実施形態に従う、共振回路104のインピーダンス対振動数のグラフ200を示している。グラフ200に関して、共振回路104は、共振回路104が13.56MHzの共振回路を形成するように選択された誘導子122および蓄電器124を有する(図1Aを参照されたい)。誘導結合が10〜20MHzの範囲内、特に大気圧で比較的低いことに留意されたい。グラフ200は、1kΩ、2.5kΩ、または5kΩの特性インピーダンスZを含む、いくつかの例示的な特性インピーダンスZ(上記の等式(5)を参照されたい)に対して示されるインピーダンスの絶対値で、13.56MHzに近いいくつかの振動数にて共振回路104を駆動する結果を示す。
データ点202は、特性インピーダンスが1kΩである、共振回路104のインピーダンスの絶対値を示す。データ点204は、特性インピーダンスが2.5kΩである、共振回路104のインピーダンスの絶対値を示す。データ点206は、特性インピーダンスが5kΩである、共振回路104のインピーダンスの絶対値を示す。データ点208は、ドライバネットワーク102の内部インピーダンスを示し、これは50Ωで一定のままである。ωRは13.56MHzにあることに留意されたい。
グラフ200は、減少していく特性インピーダンスが、共振回路104の50Ωの値を得るωRとωDとの差を必要とすることを示す。代替的に、増加していく√L/Cは、ωRからωDまでの差をそれ程必要としないが、振動数により影響されやすい負荷インピーダンスを犠牲にする。
例えば、データ点206を考慮されたく、これは、特性インピーダンスが5kΩである、共振回路104のインピーダンスの絶対値を示す。また、ドライバネットワーク102の内部インピーダンスを示すデータ点208を考慮されたい。データ点206は、50Ωの内部インピーダンスが共振回路104のインピーダンスの絶対値に整合される2つの振動数を含む。これら2つの解はωD,50Ω,1およびωD,50Ω,2として記録され、帯域幅「A」を定義することができる。ドライバネットワーク102の内部インピーダンスが共振回路104のインピーダンスと同程度である、共振回路104の共振振動数の周辺における振動数の範囲としても、帯域幅「A」を定義することができる。ドライバネットワーク102がωD,50Ω,1またはωD,50Ω,2により大まかに境界される振動数範囲で共振回路104を駆動する場合、内部インピーダンスは負荷インピーダンスにほぼ整合される。代替の実施形態では、ドライバネットワーク102は帯域幅「A」の範囲内における振動数で駆動する。本明細書で用いられるような整合は、簡単にするために虚数部分を無視することができる場合に、ドライバネットワーク102の内部インピーダンスの実部を、共振回路104の実効インピーダンスの実部に整合させることを指す場合がある。実効インピーダンスは、ドライバネットワーク102により経験されるインピーダンスである。加えて、または代替的には、整合は、振回路104の実効インピーダンスがドライバネットワーク102の内部インピーダンスの複素共役であるように、共振回路104の実効インピーダンスを作り出すことを伴う。しかしながら、データ点202および204は、共振回路104がドライバネットワーク102に十分に整合される、異なる振動数範囲を有することに留意されたい。
図1Aを再び参照すると、ドライバネットワーク102が共振回路104を近共振振動数ωDで駆動している例示的な一実施形態が示されている。誘導子122が約24μHのインダンクタンスを有し、かつ蓄電器124が約4.7ピコファラッドの静電容量を有し、例解目的のために、15.4MHzの予想される動作振動数を結果的にもたらすことを想定されたい。寄生構成部から計上した後、実際のネットワーク解析器の測定結果は14.99MHzと表示し得る。これらの値は約2.3kΩの特性インピーダンスを示す。例示的な回路が、可変振動数により駆動されるIFI増幅器、例えば、Agilentの信号生成器を用いて、プラズマ生成を伴わずにドライバネットワーク102により駆動される場合、誘導子122と蓄電器124との間の相対電圧(キュード(Q−ed)電圧)を、節点126の近くにあるが接触しないオシロスコープの電圧探針により測定することができる。このようにして測定を行うことにより、空隙は、オシロスコープのLおよびCが共振回路104に影響を及ぼさないように最小の容量結合器としての機能を果たす(探針およびオシロスコープを高電力度から保護もする)。
実際には、電力負荷条件下にてオシロスコープを用いて観測されることは、より高い電力範囲で最も一般的に起こるネットワーク解析器に対するわずかな変動が、共振回路104の共振振動数より200〜300kHz低い近共振振動数を結果的にもたらすことである。以前は、この現象は、電力度が増加するにつれてより作用するようになる近接場効果によるものとされた。X=50Ωを用いて上記の等式(6)を適用すると、得られる結果は1.09%のβ、すなわち、ωRから167kHzの偏移である。本システムの経時安定性は推移すると観測され、これは、誘導子122および蓄電器124のESRのために、共振回路104の中においてωDでより増加したωRでのジュール加熱に起因する。この加熱が誘導子122をその全長に沿って膨張させ、増加した断面積を有する誘導子122を結果的にもたらすことが予測される。誘導子122の断面積における面積の増加はより大きいインダクタンス値Lを結果的にもたらし、それにより、共振回路104の共振振動数をより低く偏移させる。この偏移は、ωRで共振回路104を駆動した数分後に起こる場合があり、ドライバネットワーク102からのAC振動の振動数の再調節を結果的にもたらす。典型的には、13MHz周辺の±200kHz、つまり約3%の調整可能な帯域幅が観測および利用される。
図1Aを再び参照すると、ωDでのような、ωRまたはωR付近での共振状態は、節点106で存在する最高電圧が節点126での最高電圧より大きいように挙動を生じる。節点126での電圧が節点106での電圧を越える程度を、様々な方法で定量化することができる。最も好都合なことには、これらの電圧の比率は線質係数Qにより表現される。すなわち、共振回路104は、電流を「キューイングアップ(Q−ing up)」するよりむしろ、節点126での電圧を「キューズアップ(Q’s−up)」する。回路のQを様々な同等の形態で特定することができるが、基本的には、Qは、共振回路の実数インピーダンスRにより割られる、共振回路104の反応性インピーダンスXを表す(Q=X/R)。実数インピーダンスは、全体の回路の寄生抵抗または等価直列抵抗(ESR)に起因する。振動数に対するQの挙動が図3にグラフ形態で示され、図中、Qの値は共振振動数で最高に達し、Q>Qmax/2である対応する帯域幅がある。Qの最高点は、回路内の節点126で供給される電圧が最大値に達する振動数でもある。帯域幅「BW」内の振動数での動作は共振励起を与える。帯域幅「BW」は最高点から3dB低い。
上記のように、蓄電器124および誘導子122の多くの組み合わせを、Qを最大化するように選択することができる。ω=√(1/LC)である一方で、蓄電器124および誘導子122の値をさらに決定するために、共振回路104のエネルギー含有率を最大化する二次条件、具体的には、共振回路104の特性インピーダンスZが関係Z=√(L/C)により支配される条件が存在する。所定のプラズマ源の設計のパラメータは、特性インピーダンスZを決定する。蓄電器124および誘導子122を大まかに試算することを可能にする場合があるこれらの条件のグラフ表現は、図4Aで示される通りのグラフ400にて示される。
グラフ400は、所定の振動数および所定の特性インピーダンスが共振回路104にプラズマを生成させるように、LおよびCの値を選択するべき大まかな試算を示す。プラズマ点火の後にプラズマを維持するように、電流を制御および/または印加することができる。共振回路104がグラフ400の条件下で作動される場合、共振回路104の「キュードアップ(Q−ed up)」電圧は、プラズマ点火が起こるように最小電圧に達することができる。図4Bのグラフ410は、変化する動的条件が共振振動数および特性インピーダンスの修正を必要とする、図4Aの実用的用途にさらなる見識を与える。実際には、変化する動的条件は、対応するが制限される、共振振動数および特性インピーダンスの変化を引き起こしかつ必要とする。前記制限を実行することにより、グラフ410で領域「B」として表される許容可能なプラズマの動作領域が結果的にもたらされる。2本の線の交点の周辺で点線により示される領域「B」は、共振動作範囲内の十分な「Q」を与え、一方で、特性インピーダンスの好適な範囲を維持することをともに同時に行う、プラズマの動作点を大まかに試算する。図4Aの誘導を用いる、誘導子122および蓄電器124の選択に応じて領域「B」に達する。プラズマが点火された時点で、プラズマの伝導効果および容量効果に起因して、蓄電器124および誘導子122のESRは増加する。共振回路104の実数インピーダンスにおけるこの増加は、共振回路104のQと、プラズマに印加される節点126での対応する最高電圧とを減らす。プラズマ励起電圧は、プラズマを点火するためにより高く、プラズマを持続させるためにより低くあってよい。プラズマが消滅される場合、共振回路104はより高度で効果的なQを再確立し、プラズマの再点火を容易にすることになる。
図1Bを参照すると、共振回路104’は並列共振回路であり、電流は「キュードアップ(Q−ed up)」される。並列共振回路104’内の電流を「キューイングアップ(Q−ing up)」することにより、効果的な回路要素のインピーダンスに依存する回路電圧が結果的にもたらされる。前述したように、LおよびCの値の選択に関する同様の判断基準とともに、しかし振動数およびプラズマ静電容量の両方を増加させる追加の必要性を伴い、図1Bの並列共振する実施形態を用いることができる。共振回路104’では、プラズマを励起させる強い電圧が、ドライバネットワーク102’により経験される高い「電圧定在波比」(本明細書ではVSWRと呼ばれる)を結果的にもたらす。最新の電力供給装置は、最大の許容可能なVSMRを用いて典型的に評価される。従って、プラズマ生成システム100’は循環装置142を利用するが、断路器、循環装置、変圧器、および同様のものを利用する場合もある。
図1Aを再び参照すると、プラズマ生成システム100は、センサ構成部114に連結された制御装置118を含む。制御装置118は、インピーダンス整合ネットワーク116にも連結される。センサ構成部114はセンサ120からデータを受け取る。センサ構成部114はAC出力段110にも連結され、反射電力および前方電力、内部インピーダンスおよび負荷インピーダンスを測定するように構成される。センサ構成部114は、1つ以上の方向性結合器または他の電圧センサおよび電流センサを含む場合があり、これを用いて、電圧および電流の測定結果ならびに電圧波形と電流波形との位相差を決定することができる。その後、電圧および電流の測定結果は、反射電力および前方電力を決定するためにセンサ構成部114により用いられる。センサ構成部114は、測定された電力を、制御装置118に伝達される、対応する低水準の測定信号(例えば、5V未満)に変換する。センサ構成部114は、AD8302の半導体またはAD8316の半導体を含む場合があり、それらの両方は、マサチューセッツ州ノーウッドのAnalog Devices, Inc.により製造されている。
制御装置118は、1つ以上の電力運搬を示す測定信号、すなわち、反射電力および前方電力、電流、電圧、および位相差を示す信号を受け入れる。制御装置118は測定信号を解析し、反射電力と前方電力との差、および/または入力インピーダンスと出力インピーダンスとの差を決定する。1つの実施形態では、電圧と電流との測定された位相差を用い、インピーダンス不整合を決定することができる。加えて、制御装置118は、反射電力と前方電力との差に基づいてインピーダンス不整合を決定する。その後、制御装置118は、ドライバネットワーク102の内部インピーダンスに対する任意の調節が、反射電力および前方電力の測定結果に基づいて、インピーダンスの不整合を補償するために行われる必要があるかどうかを決定する。加えて、制御装置118は、測定されたインピーダンス不整合に基づいて出力電力を調節するように、AC出力段110および/または電力供給装置108に信号を送ることもできる。
ドライバネットワーク102の内部インピーダンスに対する補償を、切換配列132およびインピーダンス整合ネットワーク116を介して行うことができる。インピーダンス整合ネットワーク116は、AC出力段116と負荷(例えば、共振回路104)との間に配置され、誘導子および蓄電器等の1つ以上の反応構成部を含む。インピーダンス整合ネットワークの実施形態は図5A〜5Dに示される。ネットワーク116は、(例えば、分路蓄電器により供給される)分路静電容量500と、(分路誘導子により供給される)分路インダクタンス502と、調整静電容量504とを含む。図5Aは、調整静電容量504が分路静電容量500と分路インダクタンス502との間に配分される、「Pi」構成にあるネットワーク116を例解する。図5Bは、調整誘導子44が直列であり、調整静電容量504がAC出力段116と接地との間に配分される、「L」構成にあるネットワーク116を例解する。図5Cは、分路静電容量500がその間に配分される、「T」構成にあるインダクタンス44と直列に接続された調整静電容量504を有するネットワーク116を示す。図5Dは、インダクタンス44が静電容量38および40の間に配分される、「Pi」構成にあるネットワーク116を例解する。ドライバネットワーク102のインピーダンスに対する組織インピーダンスの値に基づいて、ネットワーク116の適切な構成をドライバネットワーク102のために選択することができる。
1つの実施形態では、調整静電容量504は2つ以上の切換可能な反応構成部600を含む場合があり、それらのそれぞれは蓄電器604と直列に切換要素602を含む。反応構成部600のそれぞれは、AC出力段116および負荷と直列である。それ故、AC出力段116からのACエネルギーまたはAC電力が調整静電容量504を通じて負荷に流れる際に、ACエネルギーは1つ以上の構成部600を通過する。1つの実施形態では、調整静電容量504は蓄電器を含む場合があり、少なくとも1つの回路経路がAC出力段116と負荷との間に存在しなければならないので、AC出力段116を有する閉回路内にある。別の実施形態では、構成部600の1つが作動され、負荷とAC出力段116との間に閉回路を提供する。
切換要素602は、ダイオードスイッチ、電界効果トランジスタ(「FET」)、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(「IGBT」)等のトランジスタ、または同様のものの何れかであってよく、それらの動作は切換配列132により制御される。切換要素602がダイオードスイッチである1つの実施形態では、正−真性−負(「PIN」)ダイオードを用いることができる。様々な様式で切換要素602を操作することができる。所定期間の間切換要素602を「作動」させ、自動的に開状態に戻すことができる。別の実施形態では、任意の所望の期間の間切換要素602を作動させることができる。1つの実施形態では、切換要素602はRF継電器であってよい。
切換配列132は切換要素602を作動および停止させ、それによりネットワーク116内の蓄電器604をトグル切換する。制御装置118は、測定されたインピーダンス不整合に基づいて、特定の切換要素602および作動の特定の持続時間を作動および停止させるように切換配列132に信号を送る。より具体的には、制御装置118は、以上で検討した通りのインピーダンス不整合に基づいて、適当量のインピーダンス補償を決定する。所望のインピーダンス補償を達成するために、所定数の反応構成部600がそれらのリアクタンスに基づいて作動される。その後、制御装置118は、反応構成部600を作動させ、特定の公差に対してインピーダンスの不整合を補償するのに適切であるネットワーク116の合計のリアクタンスを得るように、切換配列132に信号を送る。制御装置118は、個々の反応構成部600の反応値を用いてあらかじめプログラムされる。実施形態では、制御装置118は、反応構成部600の伝送線路等価に基づいて、あるいは、離散集中パラメータ要素を用いて、どの反応構成部600が作動されるかを決定することができる。ネットワーク116、より具体的には、調整静電容量504が任意の数の反応構成部600を含む場合があるため、任意の所望のリアクタンスを確立することができる。
図6で示されるように、調整静電容量504は四つ(4)の反応構成部600を含み、これらは様々なリアクタンスを有する場合があり、それ故、十六(16)個の異なる静電容量値を与える。反応構成部600の数を五(5)個に増やすことにより、組み合わせの数が効果的に2倍にされて三十二(32)個になる。当業者は、任意の所定のリアクタンスを有する反応構成部600の任意の組み合わせを利用することができることを十分に理解されたい。切換要素602がダイオードまたはトランジスタである場合、切換配列132は、切換要素602を動作および停止させるように適合される、ダイオードまたはトランジスタのプッシュプル駆動回路(明示せず)を含む場合がある。
図7は、インピーダンス整合ネットワーク116を制御するための制御システム700の概略ブロック図を示す。制御システム700は、制御装置118、インピーダンス整合ネットワーク116、切換配列132、またはセンサ構成部114の一部であってよく、あるいは、同じもののうち1つ以上を置き換えてよい。制御システム700はAC出力段110から信号を受信し、かつ前方電力および反射電力を決定するための電力測定モジュール702を含む。モジュール702は、測定された前方電力および反射電力に基づいて、インピーダンスの不整合も決定する。モジュール702は、インピーダンスの不整合に対応する測定信号を比較器704に伝送する。1つの実施形態では、モジュール702は、前方電力および反射電力、および/またはそれらの差を表す測定信号を比較器704に伝送することができる。
比較器704は、最大の不整合インピーダンス、または前方電力と反射電力との最大の差を表す所定の設定点を用いてあらかじめプログラムされる。比較器704は、測定信号間の差を設定点値と比較する。測定信号が設定点値より小さい場合、比較器704は、切換要素708が第1反応構成部710を作動させる第1位置に切換要素708(例えば、ダイオードスイッチ、トランジスタ、または同様のもの)を作動させるように、切換組立体706に信号を送る。測定信号が設定点値より大きい場合、比較器704は、切換要素708を第2位置に作動させて第2反応構成部712を作動させるように、切換組立体706に信号を送る。第1反応構成部710および第2反応構成部712は、それぞれ第1蓄電器714および第2蓄電器716を含む。測定信号が所定の設定点値より小さい場合に第1リアクタンスが任意のインピーダンス不整合を補償するのに適切であり、かつ、測定信号が所定の設定点値より大きい場合に第2リアクタンスが任意のインピーダンス不整合を補償するのに適切であるように、反応構成部710および712は対応する第1リアクタンスおよび第2リアクタンスを有する。1つの実施形態では、エネルギーの印加より前に制御装置118により、比較器704の設定点値を自動的に設定することができる。別の実施形態では、使用者により手動で設定点値を設定することができる。
図8は、本開示に従う、図1Aのプラズマ生成システム100のインピーダンス不整合を補償するための方法800を例解する。ステップ802では、プラズマ生成システム100はインピーダンス不整合を決定する。時間とともに反射電力および前方電力を測定すること、または以上で検討した通りの位相差を測定することによりこれを達成することができる。インピーダンス不整合を表す測定信号は様々な時間間隔で制御装置118に伝送され、その後、これは測定結果に基づいてプラズマ生成システム100と負荷との間における最適なインピーダンス整合を(もしあれば)決定する。ステップ804では、制御装置118は、インピーダンス不整合を補償するようにインピーダンス整合ネットワーク116を設定するべきリアクタンスを計算する。制御装置118がインピーダンス整合ネットワーク116の反応構成部600の個々のリアクタンス値を用いてあらかじめプログラムされるために、制御装置118は、インピーダンス不整合を補償するのに適切な所望のリアクタンスを実現するために、反応構成部600のうちどれを作動させるべきかを決定する。ステップ806では、制御装置118は、ステップ804で決定されたように、反応構成部600を作動させるように切換配列132に信号を送る。ステップ808では、切換配列132は、反応構成部600の対応する切換要素602に作動パルスを供給する。切換要素602がトグル切換された時点で、蓄電器604はAC出力段110と直列に接続され、インピーダンス不整合を補償する。別の実施形態では、相対リアクタンスだけが必要とされ、制御装置118は許容可能な整合条件が得られるまで追加されたリアクタンスを増分または減分する。
図1および9を参照すると、図9は、図1Aのプラズマ生成システム100のインピーダンス不整合に対する制御のための方法900の別の実施形態を例解し、図中、インピーダンス整合ネットワークは、共振回路104に対するAC信号の振動数を調整することにより制御される。より具体的には、インピーダンス整合ネットワーク116は図5A〜5Dで示されるような例解される実施形態の何れか1つであってよいか、あるいは整合ネットワークは全く用いられない。インピーダンス整合ネットワーク116は、所定値のインダクタンス506ならびに静電容量500および504を選択し、その後、ドライバネットワーク102のAC信号の振動数を変化させ、インピーダンスを共振回路104に整合させるにより構築される。任意の特定の動作振動数の周辺では、インピーダンス整合ネットワーク116は振動数の小さい変化への準線形応答を有し、インピーダンス整合の際に正確な調節を可能にする。加えて、構成部の選択および構成(例えば、特定のCCL回路を選択すること)に基づく振動数の小さい変化に敏感であるように、インピーダンス整合ネットワーク116を構成することができる。動作振動数を修正することによるインピーダンス整合に対する調節により、インピーダンスの連続的に可変かつ正確な調整(例えば、1,000,000,000分の1の分解能)も可能になる。別の実施形態では、相対リアクタンスだけが必要とされ、制御装置118は許容可能な整合条件が得られるまで振動数を増分または減分する。
センサ構成部114は、以上で検討したように、反射電力または位相差に基づいてインピーダンス不整合を決定する。具体的には、センサ構成部114は負荷に供給される電圧および電流を測定する。センサ構成部114は、ログ検出器、RMS検出器、またはチップ上VNA装置を含む場合がある。その後、センサ構成部114は不整合インピーダンスを制御装置118に伝送し、その後、これは直接デジタル合成装置112を制御することによりAC出力段110の発振器振動数を調節する。制御装置118は、インピーダンス整合情報を処理し、振動数の調節を決定して不整合を補正するためのアルゴリズムmを含む。AC出力段110は可変発振器振動数を受信し、かつ直接デジタル合成(「DDS」)装置112からの制御信号を介して制御される。AC出力段110は、その後電力利得のために増幅され、インピーダンス整合ネットワーク116および負荷に印加される、選択された振動数の波形を提供する。
ステップ902では、センサ構成部114は、以上で検討されたように、反射電力および前方電力または位相偏移の差に基づいてインピーダンス不整合を決定する。ステップ904では、インピーダンス不整合を反映する測定結果が制御装置118に伝送され、その後これは、インピーダンス整合ネットワーク116に供給される電流が、ドライバネットワーク102のインピーダンスを共振回路104に整合させる振動数に対する調節を計算する。ステップ906では、ドライバネットワーク102が、制御装置118により指示された通りの特定振動数のRF電流を印加する。
図8および9を参照すると、方法800および900は連動して機能することができる。例えば、共振回路104に印加される振動数が所定の帯域、例えば、ISM帯域の範囲内に留まるように、方法800はインピーダンス整合ネットワークを制御することができる。その後、方法900は、所定の帯域の範囲内でのみ振動数の調節を行うことができる。ドライバネットワーク102が好適な動作パラメータで共振回路104を駆動し、かつ所定の帯域の範囲内に留まるように、ドライバネットワーク102はインピーダンス整合ネットワーク116を制御する。
図1Aを再び参照すると、以上で検討したように、ドライバネットワーク102は、内部インピーダンスの機能および共振回路104のインピーダンスに応じて、インピーダンス整合ネットワーク116および/または共振回路104の駆動振動数を制御することができる。すなわち、ドライバネットワーク102はインピーダンスに対して制御することができる。加えて、または代替的には、ドライバネットワーク102は、位相角を用いて、節点106を介して共振回路104に印加されるAC信号を制御することもできる。センサ120はデータを測定し、かつ前記データをセンサ構成部114に伝えることができる。センサ120およびセンサ構成部114は共に、プラズマを通じる電流の位相と、プラズマの全体にわたる電圧の位相との間の位相差を伝えることができる。
図1および10を参照すると、図10は、図1Aのプラズマ生成システム100と同等な回路1000を示している。回路1000は、ドライバネットワーク102、誘導子122および蓄電器124を含む駆動共振回路104を示す。プラズマは、値Rplasを有する抵抗器1002および値Cplasを有する蓄電器1004を含む集中要素モデルとして回路1000内に示される。プラズマの負荷は概して1006と示される。ドライバネットワーク102により供給される電圧および電流は、それぞれVacおよびIacと示される。プラズマを通じる電圧および電流は、それぞれVplasおよびIplasと示される。
図10、11A、および11Bに関しては、制御装置118で選択された振動数で運搬される電力を制御することにより、共振回路104の制御を実現することができる。AC信号が共振回路102に印加される場合、プラズマ1006による負荷は、Rplasとして示される抵抗成分Rと、Cplasとして示される無効成分Xとを含み、これは同様に、以下の等式(9)により示される電圧Vplasと電流Iplasとの位相差をもたらす:
Vplas、Iplas(RMS値または最高値を用いることができる)、および/またはθの値を、個別に、またはそれらのいくつかの組み合わせにて用い、共振回路104に印加されるAC信号を制御することができる。制御装置118は、電圧Vplas、電流Iplas、または位相θに対して制御することができる。例えば、制御装置118は絶対位相角θに基づいて制御することができる。図11Bを参照すると、振動数と連動する位相θの変化は、共振振動数に対する動作振動数に応じて正にも負にもなり得ることに留意されたい。制御装置118の適切な設計はこの特徴を与えることになるだろう。制御装置118に対する他の改善は、当該システムが共振振動数を遷移させることを防ぐ能力を含み得るだろう。加えて、または代替的には、回路1006のインピーダンスまたは1006に印加される電力を、制御装置118により制御パラメータとして用いることもできる。インピーダンスまたは電力に対して制御することにより、さらなる計算過程および時間遅延がもたらされる。制御装置118は、所定のインピーダンス、または所定のインピーダンス範囲に対して制御することができる。制御装置118は、電圧、電流、および/または電力度を最大化するようにAC信号を制御することができる。
図11Aおよび11Bを参照すると、図1Aのドライバネットワーク102は、電圧Vplasと電流Iplasとの位相差に応じて共振回路104を制御することができる。本開示の1つの実施形態では、制御装置118は位相のみを利用して共振回路104に印加されるAC信号の振動数を制御し、測定誤差を減らし、較正確度を増加させ、複数入力・複数出力技術(本明細書では「MIMO」と呼ばれ、以下でより詳細に記載される)の使用を可能にする。
以下の例示的な実施形態を考慮されたい:誘導子122は10マイクロヘンリーの値を有し、かつ蓄電器124は10ピコファラッドの値を有し、15.92MHzの共振振動数を有する共振回路104を結果的にもたらす。抵抗器1002および蓄電器1004の集中要素によりモデル化されるプラズマ1006は、共振回路104を介して励起される。プラズマ1006の実効インピーダンスは、図11Aで示されるのと同様に、回路1000の共振振動数の11.2MHzへの下方偏移を引き起こす。図11AはVplas/Vacの伝達関数Hを示す。電圧Vplasと電流Iplasとの位相差を制御することを、図11B中の線1102により示されるような最高点を検出することにより実行することができる。線1102は電圧Vplasと電流Iplasとの位相差を示す。VacとIacとの位相差は線1104により示され、11.2MHzで対応して鋭い最高点を有しないことに留意されたい。制御装置118は、所定の位相差を得るように、線1102により示されるような電圧Vplasと電流Iplasとの位相差に対して制御することができる。所定の位相差は約0でも所定値でもよい。電圧Vplasと電流Iplasとの位相差の測定を、例えば、AD8302の半導体またはAD8316の半導体を利用することにより実現することができ、それらの両方は、マサチューセッツ州ノーウッドのAnalog Devices, Inc.により製造されている。
図1および12をここで参照すると、図12は、本開示に従い、センサ120により測定される通りの決定された位相差に少なくとも応じて、図1Aのドライバネットワーク102を制御する方法1200を示している。方法1200は、インピーダンス整合ネットワーク116を利用することにより位相を制御する。
方法1200はステップ1202〜1210を含む。ステップ1202は、プラズマ(例えば、図10で示される通りのプラズマ1006)の全体にわたる電圧とプラズマの全体にわたる電流との位相差を決定する。ステップ1204はリアクタンスを計算し、これは位相差を補償する。ステップ1204は、約0または所定値である位相差を引き起こすリアクタンス補償を計算する。ステップ1206は反応構成部ネットワークを作動させるように切換配列に信号を送り、例えば、制御装置118はインピーダンス整合ネットワーク116を制御するように切換配列132に信号を送る。ステップ1208は1つ以上の反応構成部を作動させ、例えば、図5A〜5Dおよび6で示される静電容量504が変化される。ステップ1210は共振回路104に印加される電力を調節する。ドライバネットワーク102からの電流または電圧を調節することにより、電力を調節することができる。
図1および13をここで参照すると、図13は、本開示に従い、センサ120により測定される通りの決定された位相差に少なくとも応じて、図1Aのドライバネットワーク102を制御する方法1300を示している。方法1300は、節点106を介して共振回路104に印加される際のドライバネットワーク102からの振動数を変化させることにより位相を制御する。方法1300はステップ1302〜1308を含む。ステップ1302は、プラズマ(例えば、図10で示される通りのプラズマ1006)の全体にわたる電圧とプラズマの全体にわたる電流との位相差を決定する。ステップ1304は、位相差を調整するために振動数を相殺する。ステップ1306は、所定の位相差を維持するように、共振回路104に印加されるようなドライバネットワーク102からの振動数を調節する。制御装置118は、直接デジタル合成装置112の位相増分登録器に位相増分値をデジタル的に伝えることによって参照信号の振動数を制御することにより、ドライバネットワーク102からの振動数を調節することができる。ステップ1308は共振回路104に印加される電力を調節する。ドライバネットワーク102からの電流および電圧を調節することにより、電力を調節することができる。
ここで図14に目を向けると、本開示の一実施形態が、プラズマ発生装置1400を含むプラズマ生成システムとして例解されている。図14は、図1Aのシステム100と実質的に同様の方法で機能し、蓄電器1402と、誘導子1404と、ドライバネットワーク1506とを含む。プラズマを点火する「キュードアップ(Q−ed up)」高電圧が節点1410に現れる。蓄電器1402は、様々な構成で配列された1つ以上の蓄電器を含む場合があり、プラズマ1412により創出される容量効果を含む場合がある。蓄電器1402を固定静電容量を用いて構成することができ、または、その代わりに可変静電容量のために構成することができる。誘導子1404は、様々な構成で配列された1つ以上の誘導子を含む場合がある。誘導子1404を固定インダクタンスを用いて構成することができ、または、その代わりに可変インダクタンスのために構成することもできる。以上で検討したように、蓄電器1402および誘導子1404を相互交換することができる。加えて、蓄電器1402および/または誘導子1404は個別の構成部として示されるが、蓄電器1402および/または誘導子1404は、その代わりに、伝送線実装の際に獲得可能な構成部のような、分散した構成部または同等の構成部であってよい。
プラズマ発生装置1400は、任意の従来の生成器、またはAC信号を生成する能力がある他の適切な電力源を含む1406からのAC信号を受信することができる。加えて、または代替的には、図1Aのドライバネットワーク102と同一または同様の源から、1406を介してAC信号を受信することができる。システム1400は管1408をさらに含む。管1408は、活性プラズマ体積1412を制限および/または限定する物理的構造体である。管1408は、空間的に人員から分離される体積へのプラズマの限定を促進もし、プラズマの点火および作動を容易にするために前記管を抜いて低圧にすることができ、および/または、前記管はプラズマの純度の増加を促進する。加えて、または代替的には、管1408を大気圧で操作することができる。管1408は、可イオン化気体源1411からの可イオン化気体の励起を実現する任意の適切な形状であってよい。1つの実施形態では、管1408は石英管であり、かつ1/8インチ、1/4インチ、または2〜5ミリメートルの範囲内の直径を有する場合がある。
管1408は誘導子1404の内部で受容される。節点1410が管1408の遠位端1408bの近くに位置するように、誘導子1404は管1408の周辺に位置付けられる。このようにして、回路電圧の最大の容量結合が、電極1416を介して容器508の遠位端508b内で経験される。電極1416は節点1410に電気的に連結される。加えて、プラズマ発生装置1400は電極1418を含む場合もある。電極1418は接地に電気的に連結される。容器508は可イオン化気体源1411に接続される。可イオン化気体源1411は、プラズマ1412での処理を受ける加工対象物の温度上昇を制御するように制御可能である。管1408の作動中に、プラズマ流出流1412が遠位端1410bから放出される。
以上で検討したように、蓄電器1402の静電容量Cおよび/または誘導子1404のインダクタンスLは、固定でも可変でもよい。蓄電器1402および誘導子1404は、以上で検討したように、共振回路1414がωRまたはωDの振動数で共振を実現するように選択および/または調節される。共振回路1414の電圧の最大の容量結合は節点1410で経験される。代替的には、蓄電器1402の静電容量および誘導子1404のインダクタンスを固定することができ、共振回路1414に運搬される電力の振動数をωRまたはωDが実現されるまで調整することができる。入力電圧が共振回路1414に印加される場合、回路電圧のプラズマ励起体積(電極1416と電気的に連通している節点1410)への容量結合が最小の電圧および電流を超える場合、管1408の遠位端1408bから流れる気体は点火される。電力の共振回路1414への連続印加が、プラズマ生成を持続させることができる。任意の所定の気体を点火するのに必要な最小の電圧および電流を、パッシェン曲線を用いて大まかに試算することができる。所定の手順の必要に応じて、管1408を通じる気体の流れを調節することができる。例えば、気体の流れを調節すると、プラズマ1408bにより加工対象物中で誘起された温度を制御することができる。慎重に選択された蓄電器1402および誘導子1404を用いることにより、源と負荷との中間にある専用の整合ネットワークの必要性が軽減されるが、それでもこれを利用することはできる。当業者は、金属電極1416中における固有静電容量を通じて、比較的低い静電容量値を得ることができること、すなわち、蓄電器1402は、電極1416から創出された静電容量からの全部でも一部でもよいことも認識する。別個のまたは物理的な容量構成部の文字通りの挿入の必要性がないように、電極1416を設計することができる。
実際には、主としてプラズマ条件の可変性のために、共振回路1414のインピーダンスZの実部Rの大きさおよび挙動を正確に予測するのは困難である場合がある。ここで図15を参照すると、共振回路のインピーダンスZの実部Rを正確に予測するという問題を軽減するために、プラズマ発生装置1500は、蓄電器1506および誘導子1508と直列にある抵抗器1504を有する共振回路1502を含んでいる。抵抗器1504は、固定抵抗器であっても可変抵抗器であってもよい。抵抗器1504は小さい抵抗、典型的には10Ω未満を有する。共振回路1502では、抵抗器1504は実数インピーダンスRの主要源としての役割を果たす。実際には、抵抗器1504により追加される直列抵抗は概して、結合した蓄電器1506および誘導子1508のESRの二(2)倍〜十(10)倍である。
抵抗器1504の共振回路1502への追加は利点および不利点を有し、それらの両方が図16で示されるグラフから明白である。図16で示されるように、Rが増加する際に、同時に起こるQの減少および帯域幅の増加がある。それ故、増加したRはより低く強い回路電圧を最終的にもたらし、従って、プラズマに対する絶縁破壊電圧を得るように電力入力を増加させなければならない。増加したRは増加した帯域幅という有益な効果を有し、従って、プラズマ条件の変化はプラズマの動作に対する有害効果をそれほど有しない。プラズマへのわずかな摂動がプラズマを維持するのに必要とされる電圧より低くキュード(Q−ed)電圧を降下させることになるため、狭帯域幅回路は典型的に使用が限られる。L−C−C回路およびC−L−L回路に対して、これらのQ制御の方法を実施することもできる。
図17および18をここで参照すると、本開示によるプラズマ発生装置1700の一実施形態がある。プラズマ発生装置1700は、可イオン化気体の通路用に構成された内管1702と、プラズマ点火回路1706を維持するように構成された筐体1704とを含む。内管1702および/または筐体1704を、共振回路1706の実効インピーダンスの一部と見なすことができる。図示される通りの回路1706では、内管1702は絶縁材料でできているが、以下で検討されることになるように、内管1702は必ずしも絶縁性である必要はない。内管1702は石英管であってよい。プラズマ点火回路1706は、上文に記載されている図15の回路1502と実質的に同様である。回路1706は、蓄電器(または蓄電器の同等物)1708と、誘導子(または誘導子の同等物)1710と、抵抗器(または抵抗器の同等物)1712と、1714に由来するAC電力源とを含む。蓄電器1708、誘導子1710、および/または抵抗器1712のうち1つ以上は、以上で検討したように、固定でも調節可能でもよい。誘導子1710は、プラズマに実質的に影響を及ぼさない磁場を生み出し、それにより遮蔽の必要性を軽減するが、このような遮蔽を利用することは、当該技術分野における通常の技術を有する者の範囲である。プラズマ発生装置1700は電極1726および/または1728を含む。電極1726は、回路1706をそこを通じて流れる可イオン化気体に容量結合することができ、移動または浮動する接地条件を防ぐために、電極1728を接地することができる。回路1706は、回路1706を作動させるためのボタンつまり切換器1718を含む作動機構1716をさらに含む。プラズマ発生装置1700は、可イオン化気体源1720に操作可能に接続される。
図1Aの回路104、図14の1414、図15の1502を参照して以上で検討したように、蓄電器1708、誘導子1710、および抵抗器1712を、所定の振動数に対してQを最大化するように、調節するか選択するかの何れかをすることができる。代替的には、Qを最大化するように、回路1706に供給される電力の振動数を調節することができる。一旦構成されれば、プラズマ発生装置1700のプラズマジェット1722を、回路1706を作動させることにより点火することができる。ボタン1718の押下により、図示されるように直接、またはドライバネットワーク102と連通している制御を通じて、電力が回路1706に運搬される。以上で検討したように、増加した電圧が蓄電器1708と誘導子1710との間にある回路1706内で経験される。回路1706の容量結合は電極1726を介して起こる。代替の実施形態では、容量結合は電極1728の近くで(または電極1728を介して)下流に起こり得る。最小の電圧および電流が得られた時点で、内管1702を通じて流れる気体は点火される。図18で示されるように、回路1706の連続動作はプラズマジェット1722を持続させる。蓄電器1708と誘導子1710との間にある回路1706に、針電極1724を電気的に接続することができる。蓄電器1708と誘導子1710との間にある回路1706に(例えば、切換器、継電器、および同様のものを介して)、針電極1724を選択可能に接続することができる。本開示の別の実施形態では、針電極1724を断続的または恒久的に接地に接続することができ、例えば、針電極1724を接地に接続してプラズマの点火を促進し、その次に、プラズマの点火が起こった後に切断することができる。本開示のさらに別の実施形態では、針電極1724を断続的または恒久的に472kHzで動作する電気外科用エネルギー源に(例えば、図10の電気外科用生成器2002内で見つかるような電気外科用エネルギー源に)接続することができる。針電極1724は、内管1702の遠位端1702bの中に延在する。プラズマジェット1722の点火を支援するために、針電極1724を含めることができる。
ここで図19に目を向けると、本開示の代替の一実施形態が、概して回路1900として示されるように、回路から横方向に間隔を空けられたプラズマ発生装置を含むLC直列回路の概略図として例解されている。LC直列回路1910はLC回路210と実質的に同様であり、それらの間の差に関連するようにのみ記載されることになる。LC直列回路1910は、蓄電器1920と、誘導子1930と、抵抗器1970と、1940を介するAC電力源とを含む。LC直列回路1910は、帯状電極1945、または、同軸ケーブルのような他の適切な導電部材により、プラズマ生成装置1950に接続される。用いることができるいくつかの他の導電部材としては、針金、導波管、十分な形状を有するPCB板内の金属細長片、十分な形状を有する素材の管、および同様のものが挙げられる。このようにして、回路1910内の節点1955で誘起された電圧は、プラズマ生成装置1950の遠位端1950b内でも経験される。遠位端1950bの細長片1945に対する長さは、特定の過程に必要なプラズマ体積を得るように調節可能である。以上で言及したように、十分な電圧がプラズマ励起体積(遠位端1950b)内で得られる際に、電気外科用器具1950の遠位端1950bを抜け出す気体は発火する。回路1910では、誘導子1930が電気外科用装置1950から物理的に分離されるため、プラズマ装置1950を設計するためのさらなる設計裁量があり、例えば、いくつかの実施形態では、内管が絶縁性でない。
図面を参照すると、図20は、本開示に従う電気外科用システム2000の模式図を示している。本開示による電気外科用生成器2002は、焼灼処置、凝固処置、および血管閉鎖処置を含む、単極および双極の電気外科処置を実行することができる。電気外科用生成器2002は、様々な電気外科用器具(例えば、単極活性電極、戻り電極、双極電気外科用鉗子、フットスイッチ、煙吸引機など)と連動させるための複数の出力を含む場合がある。さらに、電気外科用生成器2002は、様々な電気外科的な様式(例えば、切断、混合、分割など)および処置に適している、無線周波数の電力およびエネルギー準位を生成するために構成された電子回路機構を含む。
本開示による生成器2002を、プラズマを発生させるために利用することができる。電気外科用システム2000はドライバネットワーク102を含む。別の実施形態では、ドライバネットワーク102は電気外科用生成器2002の一部である。加えて、または代替的には、プラズマ発生装置1700により、電気外科用エネルギー生成回路機構を利用してプラズマを発生させることができる。
ドライバネットワーク102は、プラズマ発生装置1700を用いてプラズマを点火する。プラズマ発生装置は、電気外科用生成器2002からの電気外科用エネルギーをプラズマに電気的に結合させる活性電極を含む。電気外科用エネルギーはプラズマを通じて流れ、患者Pを通じ、戻りパッド2004を通じて電気外科用生成器2002に戻る。システム2000は、患者Pとの全接触面積を最大化することにより、組織損傷の可能性を最小化するように配列される、複数の戻り電極2004を有する場合がある。加えて、いわゆる「組織対患者」の電気的接触抵抗を監視し、十分に低い抵抗接触がそれらの間に存在することを保証し、非意図的な加熱による組織損傷の可能性をさらに最小化するために、生成器2002および戻り電極2004を構成することができる。1つの実施形態では、液体環境内で動作するように活性電極を用いることができ、そこで、組織は電解質溶液中に沈められる。
システム2000は、電気外科用生成器2002および可イオン化気体供給装置2006に連結された電気外科用光束として構成することができるプラズマ発生装置1700を利用する。気体供給装置2006は、電気外科用生成器2002からの電気外科用エネルギーの供給と連動している電気外科処置の最中に、管2008を通じる可イオン化気体(例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素)のプラズマ発生装置1700への流れを調整する。システム2000は、可イオン化気体源2006およびプラズマ発生装置1700の通路と流体連通し、かつ可イオン化気体源2006とプラズマ発生装置1700の通路との間に配置された気体冷却装置2010を含む場合もある。気体冷却装置2010は、プラズマ発生装置1700の筐体の通路に流れ込む可イオン化気体を冷却するように構成される。生成器2002は、可イオン化気体を点火し、プラズマ発生装置1700を通じてその後運搬されるプラズマを発生させるのに十分なエネルギーを、患者Pの治療部位に供給するように適合される。
生成器2002は、生成器2002を制御するのに適切な入力制御手段(例えば、ボタン、作動器、切換器、タッチスクリーンなど)を含む。加えて、生成器2002は、使用者に様々な出力情報(例えば、強度設定、治療完了指標など)を提供するための1つ以上の表示画面を含む場合がある。制御手段は、RFエネルギー、波形、ならびに、所望の組織効果および特定の作業(例えば、凝固、組織閉鎖、強度設定など)に適切な所望の波形を得る他のパラメータに応じて変動する、許容される最大のアークエネルギーの度合いの電力またはエネルギーを使用者が調節することを可能にする。プラズマ発生装置1700は、生成器2002の特定の入力制御手段と重複する場合がある複数の入力制御手段を含む場合もある。プラズマ発生装置1700に入力制御手段を設置することにより、生成器2002との連動を必要とすることなく、外科処置の最中にRFエネルギーパラメータのより容易かつより速い修正が可能になる。
本開示の例解的な実施形態が本明細書で添付図面を参照して記載されてきたが、本開示はそうした明確な実施形態に制限されないことと、本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、様々な他の変更および修正を前記実施形態にて当業者により遂行することができることとを理解されたい。
Claims (27)
- プラズマ生成システムであって、
そこを通じて可イオン化気体の流れを誘導するように構成された、その中で画定された通路を含む筐体と、
前記筐体の通路を通じて流れる前記可イオン化気体と連通している電極と、
共に直列に接続された蓄電器および誘導子を含む共振回路であって、前記共振回路は共振振動数を有しかつ前記電極に電気的に接続される、共振回路と、
を含むプラズマ発生装置と、
前記筐体と流体連通している可イオン化気体源と、
前記共振回路の共振振動数と整合する励起振動数を有するAC信号を発生させるように構成されたドライバネットワークであって、前記ドライバネットワークは、前記筐体の通路を通じて流れる前記可イオン化気体をプラズマに励起させるために前記AC信号を供給する、ドライバネットワークと、
を備える、システム。 - 前記システムが、前記共振回路と前記AC信号を供給する前記ドライバネットワークとの間で電気的に連結されたインピーダンス整合ネットワークであって、前記インピーダンス整合ネットワークは、前記ドライバネットワークの内部インピーダンスを、前記可イオン化気体を前記プラズマに励起させる場合は前記共振回路の少なくとも1つの実効インピーダンスに、前記可イオン化気体を前記プラズマに励起させない場合は前記共振回路に整合させるように構成される、インピーダンス整合ネットワーク、
をさらに含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記回路が前記ドライバネットワークと直列に電気的に連結された抵抗器をさらに含み、前記抵抗器がQを減少させかつ前記共振回路の帯域幅を増加させるように選択される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ドライバネットワークが、前記共振回路の共振振動数に近い振動数のAC信号を供給するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ドライバネットワークが、前記ドライバネットワークの内部インピーダンスを所定のインピーダンスに整合させる振動数のAC信号を供給する、請求項4に記載のシステム。
- 前記所定のインピーダンスが、前記共振回路が前記プラズマを発生させる間において前記共振回路の実効インピーダンスである、請求項5に記載のシステム。
- 前記ドライバネットワークが、前記システムの所定の効率を維持する振動数のAC信号を供給する、請求項1に記載のシステム。
- 前記ドライバネットワークが、前記プラズマ中の所定の電力消失を維持する振動数のAC信号を供給する、請求項1に記載のシステム。
- 前記ドライバネットワークが、前記プラズマの生成の最中および前記プラズマの不生成の最中のうち1つである際に、前記ドライバネットワーク内の電力消失を、前記共振回路内の電力消失とほぼ同等であるように維持する振動数のAC信号を供給する、請求項1に記載のシステム。
- 前記ドライバネットワークが、所定の帯域幅の範囲内にある振動数のAC信号を供給する、請求項1に記載のシステム。
- 前記帯域幅が、前記共振回路の共振振動数と別の振動数との振動数差の2倍であり、前記別の振動数が、前記ドライバネットワークの内部インピーダンスが前記共振回路の実効インピーダンスにほぼ整合されるような振動数により定義される、請求項10に記載のシステム。
- そのドライバ回路が、1*10−7より大きいイオン化を有する前記プラズマに前記可イオン化気体を励起させる前記AC信号を供給するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ドライバ回路が、100摂氏温度より低い回転温度を有する前記プラズマに前記可イオン化気体を励起させる前記AC信号を供給するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ドライバ回路が、50摂氏温度より低い回転温度を有する前記プラズマに前記可イオン化気体を励起させる前記AC信号を供給するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記ドライバ回路が、前記プラズマが前記通路内にある場合、前記回転温度がその振動温度より低いように、前記可イオン化気体を前記プラズマに励起させる前記AC信号を供給するように構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記共振回路が、前記共振回路および前記プラズマの内部で1ワットおよび2ワットのうち少なくとも1つを消失させる間、プラズマ点火を維持するのに十分なQの値を有する、請求項1に記載のシステム。
- 前記可イオン化気体源および前記筐体の通路と流体連通しており、かつ前記可イオン化気体源と前記筐体の通路との間に配置された気体冷却機器であって、前記気体冷却機器は前記筐体の通路に流れ込む前記可イオン化気体を冷却する、気体冷却装置、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - プラズマを発生させる方法であって、
可イオン化気体の流れを誘導するための流体経路を提供することと、
ともに直列に接続された蓄電器および誘導子を含む共振回路を提供することであって、前記共振回路は共振振動数を有し、前記共振回路はAC信号を前記共振回路に供給するように構成されたドライバネットワークに連結されることと、
前記共振回路の共振振動数と整合するAC信号の励起振動数を決定することと、
前記AC信号を前記共振回路に印加し、それにより前記可イオン化気体を励起させてプラズマを形成することと、
を含む、方法。 - 前記プラズマを通じて流れる電流の位相と、前記プラズマの全体にわたる電圧の位相との位相差を決定することと、
前記位相差に応じて前記AC信号の振動数を調節することと、
をさらに含む、請求項18に記載の方法。 - 前記AC信号の振動数が前記位相差に応じてのみ調節される、請求項18に記載の方法。
- 所定の位相差を維持する間に、前記AC信号の電力を調節することをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- インピーダンス不整合を決定することをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 前記インピーダンス不整合を補填するように前記AC信号の振動数を調節することをさらに含む、請求項22に記載の方法。
- 前記インピーダンス不整合を補填するように、前記AC信号を供給するドライバネットワークの内部インピーダンスを調節することをさらに含む、請求項22に記載の方法。
- 前記プラズマを通じて流れる電流の位相と、前記プラズマの全体にわたる電圧の位相との位相差を決定することをさらに含む、請求項18に記載の方法。
- 前記位相差を所定の位相差と比較することと、
所定の閾値より大きい前記位相差および前記所定の位相差の比較を補填するように、前記AC信号を供給するドライバネットワークの内部インピーダンスを調節することと、
をさらに含む、請求項25に記載の方法。 - 前記位相差を所定の位相差と比較することと、
前記位相差の所定の位相差との比較を補填するように、前記AC信号の振動数を調節することと、
前記所定の位相差を維持することと、
をさらに含む、請求項22に記載の方法。
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