JP2758165B2 - 誘導形プラズマ発生装置およびその方法 - Google Patents

誘導形プラズマ発生装置およびその方法

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JP2758165B2 JP63051795A JP5179588A JP2758165B2 JP 2758165 B2 JP2758165 B2 JP 2758165B2 JP 63051795 A JP63051795 A JP 63051795A JP 5179588 A JP5179588 A JP 5179588A JP 2758165 B2 JP2758165 B2 JP 2758165B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、誘導形プラズマ発生装置およびその方法に
関する。
発明の背景 典型的な誘導結合形プラズマ装置においては、協力な
高周波電磁界が誘導コイルにより発生され、高周波電磁
界はトーチ装置の中のガスを付勢してプラズマ放電を発
生させる。このようなプラズマ装置は分光器、微粒粉処
理、材料の溶融、化学反応等にて使用される。このよう
にプラズマ装置が使用されるのは、プラズマに固有の例
えば約9000℃台にも達する高温に起因する。
誘導結合形プラズマ放電に必要なガスは通常は、水晶
管から成るトーチの中に導入され、この水晶管の中には
部分的に高温プラズマが存在する。このような水晶管
は、この水晶管を巻回している誘導コイルにより発生さ
れる高周波電磁界により保持されるプラズマを形成する
放電を囲んでいる。
米国再発行特許第29304号及び米国特許第4266113号明
細書には、互いに同心に位置する３つの管を備えている
分光器に使用される、典型的な誘導結合形プラズマトー
チが記載されている。プラズマ形成ガスは、最内部の管
と中間の管との間の管状空間の中を貫流する。最内部管
はプラズマ領域の近傍にて終端し、最内部管の中には、
プラズマの中に噴射される試料物質を含有するキャリア
ガスが流れる。プラズマ形成ガスと同種又は異種であ
る、冷却ガスが最外部管と中間の管との間を流れる。誘
導コイルは通常は銅製管により形成され水冷される。
前述の特許に記載のようにトーチアセンブリは誘導コ
イルに対して位置固定され、従って試料物質は誘導コイ
ルの後方端の近傍で軸方向にて噴射される、即ち誘導コ
イルの下端は、上方向に向かって噴射するプラズマに対
して垂直に位置する。米国特許第4578560号明細書は、
下部マウントのフランジに接続されている管の下端に取
付けられているフランジの使用方法について述べてい
る。接続フランジの間には空間が設けられ、従ってアセ
ンブリを行っている間に調整が可能であり、ひいては作
動時に適切な位置を得ることが可能である。
通常はプラズマ放電は始動装置により発生される。米
国特許第3324334号明細書に高エネルギースパーク源
（第５欄46行）との名称が記載されているが詳細は説明
されていない。米国特許第3296410号明細書には高周波
数発生器からのタップが開示されているが（第２図）、
始動に関するこの機器の信頼性は非常に低い。米国特許
第4482246号明細書はテスラコイルの使用を教示してい
るが、これは比較的高価である。安価な装置は前記米国
特許第292304号明細書に記載され、この装置においては
炭素棒がトーチの開放端の中に導入され、そこで高周波
電磁界により加熱され、次ぎに炭素棒がガスを加熱しプ
ラズマが発生する（第５欄15ないし20行）。しかしこの
装置も信頼性が低いことが分かった。
誘導結合形プラズマ装置に関連する他の問題は高周波
の同調である。このための代表的回路が前記米国特許第
292304号明細書に図示されている（第２図）。主発振器
は、３極真空管と共働するタンク回路即ちLC回路であ
り、３極真空管の陽極に直流電流が供給される。第２の
LC回路は誘導結合プラズマ装置のための誘導コイルを有
し、誘導コイルは第２のLC回路のためのインダクタンス
の少なくとも一部分を発生する。これらの２つの回路間
の結合は容量的又は誘導的に行われる。これらの２つの
回路は、電磁エネルギが相互間にて伝送されるように、
ほぼ同一の周波数に同調されている。
前記米国特許第3296410号明細書に記載のように、プ
ラズマと当該誘導コイルとの間には所定量の結合があ
り、この結合により周波数が変化する（第４欄17行ない
し26行）。周波数変化により、例えば試料物質がプラズ
マの中に導入された時に、プラズマガスが変化すること
がある。プラズマガスの変化により主発振器から第２の
LC回路ひいては誘導結合形プラズマ装置への高周波数エ
ネルギの伝送効率が低下する。前記米国特許第3296410
号明細書はこの問題を、第２の回路に別の１つのインダ
クタンスを設けることにより解決することを試みている
が、このような方法ではこの問題を解決できないことは
明白であり、従ってやむおえず別の周波数を選定する
か、又は再同調を作動中に行う。
米国特許第4629940号明細書は、再同調のために可変
容量の使用することを開示し、再同調は自動的にサーボ
機構によりフィードバック回路を介して行われる。この
ようなシステムは上記問題を解決するが、一般に複雑か
つ高価であり障害が発生し易い。
誘導結合プラズマは、例えば米国特許第3648015号明
細書に記載の、プラズマが容量的に発生される、異なる
型の高周波数プラズマ発生器と区別される。金属製ノズ
ルアセンブリが出力コイルに取付けられ、プラズマはノ
ズルの火口から発生する。プラズマ形成ガスはノズルに
出力コイルの接続点を介して供給され、出力コイルは管
から成る。ガス及び粉末はコイル管の中に別の接続点を
介して導入される。
従って本発明の主課題は、点弧に対する信頼性が改善
され、安定し正しく形成されているプラズマ放電を保持
する新規の誘導結合プラズマシステムを提供することに
ある。
他の１つの課題は、試料物質をプラズマの中に調整可
能な位置にて噴射する手段を有する新規の誘導形プラズ
マ発生装置を提供することにある。
他の１つの課題は、作動条件が変化しても一定である
エネルギを誘導プラズマに入力する手段を提供すること
にある。
発明の構成 上記課題は本発明により、電気絶縁性でありかつ耐熱
性材料から成る管状トーチ部材と、前記管状トーチ部材
の中をプラズマ形成ガスを前方向にて貫流させる手段
と、前記管状トーチ部材の中のプラズマ領域の中にて、
プラズマ放電として前記プラズマ形成ガスを付勢するた
めに、前記管状トーチ部材の外部にそして前記管状トー
チ部材と実質的に同心にて配置され、１つの軸線と前方
端及び後方端を有するヘリカル誘導コイルと、前記管状
トーチ部材の中の前記プラズマ形成ガスの中に試料物質
を噴射する噴射手段と、前記プラズマ形成ガスが付勢さ
れている間、前記ヘリカル誘導コイルに対して軸方向に
前記噴射手段の位置を調整する調整手段とを供え、前記
調整手段は、噴射手段の位置を第１の位置と第２の位置
の間にて変化させる手段を備え、前記第１の位置は、前
記ヘリカル誘導コイルの前記前方端と接している前記ヘ
リカル誘導コイルの軸に垂直に位置する第１の面の近傍
にあり、前記第２の位置は、前記ヘリカル誘導コイルの
前記後方端と接している前記ヘリカル誘導コイルの軸に
垂直に位置する第２の面の近傍にあり、噴射手段が第１
の位置にある間にプラズマ放電を開始させる手段を備
え、さらに調整手段が、プラズマ放電の開始後に前記噴
射手段を前記第１の位置から第２の位置に移動させる手
段を備えるように構成されて解決される。
調整手段は、噴射手段の位置を第１の位置と第２の位
置の間にて変化させる手段を備え、前記第１の位置は、
前記ヘリカル誘導コイルの前記前方端と接している前記
ヘリカル誘導コイルの軸に垂直に位置する第１の面の近
傍にあり、前記第２の位置は、前記ヘリカル誘導コイル
の前記後方端と接している前記ヘリカル誘導コイルの軸
に垂直に位置する第２の面の近傍にある。
有利には本発明の誘導形プラズマ発生装置は、噴射手
段が第１の位置にある間にプラズマ放電を開始させる手
段を備え、調整手段が、プラズマ放電の開始後に前記噴
射手段を前記第１の位置から第２の位置に移動させる手
段を備えている。
有利には本発明の誘導形プラズマ発生装置は、ガスが
管状部材を貫流する前に誘導コイルを冷却しガスに予熱
を加えるために、このガスを前記導体の管の中を貫流さ
せる手段も備えている。
有利には本発明の誘導形プラズマ発生装置は、プラズ
マ開始装置と圧電結晶と、前記圧電結晶を付勢する機械
的手段も備え、前記プラズマ開始装置は、管状部材の中
のプラズマ形成ガスにまで達する高電圧導電体を備え、
前記圧電結晶は前記高電圧導電体に電気的に接続されて
おり、前記機械的手段が前記圧電結晶を付勢すると、前
記圧電結晶から高電圧パルスが発生し、前記プラズマ形
成ガスの中にスパークが発生する。
有利には本発明の誘導形プラズマ発生装置は、プラズ
マ放電に供給する電力を一定に保持する手段も備えてい
る。このような手段は、LC出力回路網と、前記LC出力回
路網に結合され陽極を有する３極電力増幅管とを備えて
いる高周波数発生器と、交流電力を受取る１次巻線を有
する入力トランスを備え、前記３極電力増幅管の前記陽
極に整流電圧を供給する直流電源と、制御信号に応答し
て交流電力をデューティサイクルにて制御する手段を備
え、ライン電圧を受取り前記交流電力を発生する交流回
路と、前記整流電圧に対するフィードバック信号を発生
するフィードバック手段と、前記フィードバック信号を
受取り、前記整流電圧の変化と逆の変化を前記デューテ
ィサイクル制御手段が行い、前記整流電圧の前記変化を
無効にする制御信号を発生する制御手段とを備えてい
る。
発明の効果 本発明により点弧の信頼性が改善され、プラズマ放電
が安定し、そして正しく形成される。
実施例の説明 第１図は、本発明によるプラズマトーチ10を示し、図
中、管状チーチ部材12は、水晶又はその他の電気絶縁物
質により形成されている。巻数が約３・1/2であるヘリ
カル誘導コイル14は銅製チューブから形成され、ヘリカ
ル誘導コイル14と略同心にて位置する管状トーチ部材12
の上部を巻装されている。同様の材質又は有利にはアル
ミニウムから成る小直径管16はプラズマトーチ10の軸線
に沿って位置し、ヘリカル誘導コイル14の近くにて終端
している。これについては以下、詳細に説明する。有利
には管状トーチ部材12と同一の構成である管状中間部材
18は、管状トーチ部材12と小直径管16との間に同心にて
位置し、そして小直径管16の外部に環状内部空間20と、
管状トーチ部材12の内部に比較的幅の狭い環状外部空間
22を形成している。管状中間部材18はヘリカル誘導コイ
ル14の後方の部分の近くで終端している。なお、本明細
書において「前方」及び、これの派生語及び同義語及び
類似語は、ガンから発するプラズマ炎の出る場所を示
し、同様に「後方」等は、その反対の場所を示す。
管状トーチ部材12と管状中間部材18と小直径管16は、
Ｏリング26を有する取付け部材24の中に互いに同心にて
取付けられている。
プラズマ形成ガス発生源40からヘリカル誘導コイル14
の管を介して環状内部空間20の中にプラズマ形成ガスを
供給する第１導管は、管状中間部材18の下部に接続さ
れ、そして管状中間部材18の下部から横方向にて延在し
ている。従ってプラズマ形成ガスは、プラズマトーチ10
に関して前方即ち、本図において上方にて流れる。
同様に、冷却ガス発生源44から冷却ガスを供給する第
２導管は管状トーチ部材12に接続されている。プラズマ
形成ガス発生源40と冷却ガス発生源44とが同一であるこ
とも可能である。プラズマ形成ガスは有利にはアルゴン
であるが、窒素・ヘリウム・水素・酸素・炭化水素・空
気等、任意のガスでもよい。
ヘリカル誘導コイル14の管内にプラズマ形成ガスを流
すことは、ヘリカル誘導コイル14を冷却し、プラズマ形
成ガスに予熱を与える利点を有することが発見された。
1KW以上による高周波数出力の場合にもその冷却効果は
驚く程強い。この予熱により本装置の内部全体にわたり
熱勾配が小さくなり、従って安定性が増加する。
小直径管16の底部は、取付け部材24を貫通して下方へ
突出し、第３導管を介してキャリヤガス発生源48に接続
されている。試料容器50からプラズマの中に導入される
試料物質は、弁52を介してキャリヤガス流の中に液状又
は粉状にて供給される。このような試料物質は、分光写
真分析又は他の所望のプラズマ処理に使用される。キャ
リヤガス自体が試料物質であることもある。流動試料
は、小直径管16の中に供給され、上方（前方）にてオリ
フィス54を貫流してヘリカル誘導コイル14及び管状トー
チ部材12の中に発生するプラズマ領域内に噴射される。
取付け部材24は、取付け部材24及び、管状トーチ部材
12と管状中間部材18と小直径管16から成る、取付け部材
24のアセンブリが垂直に移動可能であるようにトーチ体
56の中にスライド可能に保持されている。上部肩60及び
下部肩62がトーチ体の中に設けられ、上部肩60及び下部
肩62はそれぞれ、取付け部材24の表面64又は66と係合し
て取付け部材24を上方（前方）位置又は下方（後方）位
置に固定する。第１図においては取付け部材24は下方
（後方）位置に固定されている。トーチ体56の中の垂直
スロット57はガス導管38及び42が移動できるようにす
る。
垂直支柱68は、取付け部材24の側面70に取付けられ、
トーチ体56を越えて下方に向かって延在する。垂直に配
列されている歯72が垂直支柱68に形成され、ラックが形
成されている。歯72と噛合しているピニオン74は、軸76
に取付けられ、軸76には制御ノブ78も取付けられてい
る。従って手動・電動機・プーリベルト等（図示せず）
により制御ノブ78を回転させると、支柱68・取付部材24
・管アセンブリ58が上肩60と下肩62との間を垂直に動
く。取付部材24は、例えばステップモータ等の所望の他
の手段にて動かすことができる。
安定な、適切に形成されている放電を確実に点弧する
には水晶トーチを垂直方向に調整することが出来るよう
にする。負荷コイル個所における空気力学的流れが適切
になるので、破壊的環状放電が点弧の間に形成されるこ
とがない。このような調整によりインゼクタチップを、
プラズマが形成される個所又はその近傍に位置させるこ
とが可能であり、従ってプラズマを軸方向にて貫通する
試料通路が容易に形成され、そしてその後に試料が噴射
される時に試料がプラズマ領域を囲むことが阻止され
る。
誘導コイル14は、管状マウント80の円筒部82に密接し
て巻装されて管状マウント80上に保持されている。管状
マウント80の軸方向長は誘導コイル14の軸方向長より充
分に長く、管状マウント80はトーチ体56上の当接面86に
達し、従ってトーチ体56に対する誘導コイル14の位置を
決めている。保持器が管状マウント80を適切な位置に保
持している。管状マウント80は有利には上部フランジ90
を有し、上部フランジ90は、円筒部82の半径方向にて円
筒部82の頂部（前方端部）から外方に向かって延在して
いる。上部フランジ90の外径は誘導コイル14の外径より
大きく、上部フランジ90は誘導コイル14の前方エッジ92
に隣接し、従って高周波障壁が誘導コイル14とトーチ体
56の開放端との間に形成される。誘導コイル14は、上部
フランジ90と下部フランジ91との間に位置する。
引続き第１図について説明する。導電性プローブ94は
スロット96を貫通してトーチ部材12の前方端部まで延在
する。導電性プローブ94は、少なくとも10kV例えば20kV
のパルスを発生することができる圧電結晶98の高電圧出
力側に接続されている。空気圧ピストンアセンブリ100
には圧縮空気が圧縮空気発生源102から弁104を介して供
給され、空気圧ピストンアセンブリ100は圧電結晶98に
棒106を介して機械的に連結されている。弁104が開くと
機械的パルスが棒106から圧電結晶98に達し、その結果
高電圧パルスが発生し、高電圧パルスは、トーチ10にお
けるプローブのチップ108からスパークを発生させる。
プラズマは、先ず初めに高周波電力を誘導コイル14に供
給し次いで圧電結晶98に高電圧パルスを印加することに
より発生する。場合に応じて、圧電結晶98の全回復サイ
クル時間より長い繰返し時間にてこの機械的パルスの印
加を繰返し、その結果充分にイオン化されたガスが断続
的に発生し、あたかも連続的にイオン化されたガス流が
発生したかのように点弧が行われるようにすることも可
能である。このプラズマ発生方法の信頼性は高いことが
分かり、また圧電結晶系が、従来の高信頼性プラズマ発
生器に比して安価となる。
前述のようにプラズマ放電は、通常は誘導コイル14の
中のプラズマ領域の中のトーチ部材12の中にて行われ
る。本発明においてはインゼクタ管、有利にはトーチア
センブリ全体が、プラズマ放電が付勢されている間は誘
導コイル14に対して軸方向にて調整されている。例え
ば、インゼクタ管のオリフィスが、誘導コイルの前方端
縁と接触している誘導コイル14の軸線114に対して垂直
に位置している第１の仮想面112の近傍に位置している
間にプラズマを発生させると有利であることが分かっ
た。インゼクタ管のこのような位置が、第１図において
破線にて示されている。プラズマが発生した後、インゼ
クタチップは、誘導コイルの後方端縁118と接触してい
る誘導コイル14の軸線114に対して垂直に位置している
第２の仮想面116の近傍の、図示されている第２の位置
に後退する。
第２図に示されている高周波装置系200は、40MHZに同
調されている高出力発振器であり、この発振器は、誘導
結合されているプラズマに電力供給を行う、高いＱ値に
同調されている出力回路網と容量結合されている。周波
数は通常は20MHZないし90MHZ、有利には30MHZないし50M
HZ、例えば40MHZである。発振器回路網202は、フィラメ
ント回路204を有する３極管電力増幅器と、インダクタ
ンスLf及びCf及び抵抗Rbを有する、フィードバック及び
グリッドリーク形バイアス発生回路と、コイルLp及び容
量Cpを有する陽極同調回路とを備えている。発振器202
の出力側は、容量CLを有する出力回路網206に容量Ccを
介して容量結合されている。このような容量結合Ccは誘
導結合より好ましい、何故ならば容量結合Ccの方がイン
ピーダンス及び好ましくない熱作用が低いからである。
出力回路網206の負荷コイル14はより高周波電力がプラ
ズマと誘導結合するのに用いられる。
コイルLpは通常は、容量Cpを持ったメタルシートから
成る。発振器202と出力回路網206との間の結合容量Ccも
同様にLp/Ccに近似のメタルシートにより形成される。
第２図において結合容量Ccは、コイルLpからのタップ線
に接続して概略的に示されている。同調可能なコンデン
サCLは、本回路を同調するために使用され、位置調整可
能な第３のメタルシートから成る。この第３のメタルシ
ートを、本装置のアセンブリに対して一度調整すると再
度調整する必要はない。容量Csは、出力回路網が、その
アースされている周囲に近接している為に発生する漂流
容量であり、容量Csを介して負荷コイル14に高周波が戻
る。
本発明においては出力LC回路網206は、試料噴射なし
に発振器回路網202における周波数より高い周波数に同
調され、その際に発振器の出力の内の所定の一部分のみ
が、出力回路網206ひいてはプラズマに結合される。プ
ラズマの発生中は、発振器回路網202の周波数と、出力
回路網206の周波数との周波数の差は0.1MHZないし2MHZ
であるべきである。
通常はこの周波数差は、試料噴射なしのプラズマにお
ける約1MHZから、プラズマへの試料噴射が行われた場合
の0.4MHZへ減少する。出力回路網206の周波数は、所定
の試料を導入することにより発振器202の周波数に接近
するが、不安定になるので発振器202の周波数より低く
なってはならない。試料が噴霧化されたプラズマの中に
噴射されると流れのパターンと組成は変化し、その結果
プラズマを保持するための条件が悪化し、そしてコイル
14のリアクタンス結合係数が変化して皮相インダクタン
スが増加する。これにより出力回路網206の共振周波数
は減少して発振器202の周波数に接近し、そして出力回
路網206に結合する電力が増加し、プラズマを安定化す
る。
プラズマにより消散するエネルギのレベルは、プラズ
マに対する負荷コイルの結合係数の関数であり、プラズ
マに対する負荷コイル14の結合係数は試料に依存する。
これに対して所定の試料条件に対してプラズマに供給さ
れるエネルギは、３極電力増幅管203の高電圧陽極制御
により厳密に制御されている。３極電力増幅管203の陽
極電圧は、プラズマに供給される高周波出力を決める。
有利にも動作電力は、負荷コイル14とプラズマの間の
結合が変化しても一定に保持される。本発明の１つの有
利な実施例においてはこれはフィードバック回路網によ
り、直流陽極電圧を標本化し、そして高電圧トランスの
１次側に供給される交流電力の印加半サイクルのそれぞ
れの部分を変化することにより行われる。この位相制御
（デューティサイクル）により陽極電圧は数百ボルトな
いし4.5kVの直流電圧に調整され、長時間にわたる電圧
変化において一定に保持される。陽極電圧が3kV及び最
大負荷の75％に設定された場合、後述の装置の制御は、
交流ライン電圧が190Vから256Vに変化された場合１％以
上良好であることが分かった。
位相制御器の動作が第３図のブロック回路図により示
されている。波形は第４図に示されている。正確に制御
されている直流電圧が、制御電圧源208から線252を介し
て加算回路210に供給される。３極管203の陽極電圧に比
例するフィードバック信号が加算回路210に供給され、
制御電圧と加算され、そして誤り電圧が形成される。誤
り電圧は、線254と制御制限回路網212と線256とを介し
て電圧制御電流源214に供給され、電圧制御電流源214
は、誤り電圧に比例する一定電流を供給する。線258か
らの電流は時限コンデンサ216に供給される。この充電
は、供給される電流が一定であるので、第４図4bに示さ
れているように、この電流の大きさひいては誤り電流の
大きさにより決まる速度にて行われる。時限コンデンサ
216の電圧は線260を介して電圧比較器218により検出さ
れる。
同期基準パルス発生器224は、ライン電圧源226から線
262と非フィルタリング形全波整流器228と線264とを介
して供給される交流電圧の各半サイクルの始端により駆
動される。同期基準パルス発生器224は、ライン電圧に
より同期されるゼロ交差形パルスを発生する。第４図4a
に示されているようにこれらのパルスは、線266を介し
てパルストラップ222に供給され、パルストラップ222は
各パルスによりリセットされる。
電圧比較器218への入力電圧が所定の電圧に達すると
電圧比較器218は、時限コンデンサ216を出力線268を介
してパルス駆動器220へ放電し、パルス駆動器220は出力
線272を介してトリガパルスを出力する。電圧比較器218
の放電により線270を介してパルストラップ222もトリガ
される。パルストラップ222は、当該サイクルの早期時
点にて、線266からのゼロ交差パルスによりリセットさ
れている。パルストラップ222から出力線268を介して出
力されるパルスは方形パルスであり、この方形パルス
は、ゼロ交差（リセット）時点から、時限コンデンサ21
6により電圧比較器218を介して決められた、当該サイク
ル内の時点迄の長さの持続時間を有する。パルストラッ
プ222の最初のトリガにより、電圧比較器はトリガさ
れ、その結果時限コンデンサ216の充電サイクル（第４
図4c）が開始する。時限コンデンサ216の時限サイクル
の開始時点が常に、同期交差形パルスを基準にすること
により本位相制御器は常にラインと同期する。
パルス駆動器220は1:1:1形パルストランスT1を駆動
し、1:1:1形パルストランスT1は、並列接続されている
一対のシリコン制御整流器SCR1とSCR2のそれぞれの導通
角を決める。シリコン制御整流器SCR1とSCR2との並列接
続は、以下説明するように直流電力供給のための交流電
力源と直列接続されている。このようにしてシリコン制
御整流器SCR1とSCR2の導通角ひいてはデューティサイク
ル（第４図4e）は、高電圧直流電力供給のための交流電
圧入力を決め、ひいては発振器202（第２図）に供給さ
れる直流電圧を決める。デューテイサイクルが３極管20
3の陽極電圧と逆に決まると、例えばプラズマトーチ負
荷又は交流電力供給における変化により発生する電位変
化はいずれも、シリコン制御整流器SCR1とSCR2により形
成されるデューティサイクルにおける逆の変化により無
効にされる。
位相制御器の詳細な回路及び有利な実施例が第５及び
６図に示されている。第５図において、３極管203の陽
極電圧に比例するフィードバック信号が接続端子点Ｉを
介して加算回路210に供給され、演算増幅器U1により−
9.0Vの制御電圧と加算され、そして誤り電圧が発生す
る。位相制御器の応答速度はこの増幅器により決まる。
この増幅器の利得は34dB、折れ点は2Hzで20dB/decadeに
て減少し、50Hzで0dBとなる。
演算増幅器U1からの誤り電圧は、抵抗R13及びR14とツ
ェナーダイオードCR1を備えている制御制限回路網212を
介して、トランジスタQ3を備えている電圧制御電流源21
4に供給される。時限コンデンサ216はトランジスタQ3の
出力側から、定電流が供給されるので線形に充電され
る。
時限コンデンサ216の電圧は接続端子点Ｊを介して、
プログラマブルユニジャクショントランジスタであるト
ランジスタQ4（第６図）を備えている電圧比較器218に
より検出される。トランジスタQ4のアノード電圧が、ゲ
ート電圧より低い0.2Vに充電されるとトランジスタQ4は
導通し、時限コンデンサ216は（接続端子点Ｊから）抵
抗R31を介して、トランジスタQ5から成るパルス駆動器2
20のベースに放電する。トランジスタQ4により発生され
るパルスは、制御整流器CR8から成るパルストラップ222
をトリガする。シリコン制御整流器CR8は抵抗R18を介し
てトランジスタQ4のゲート電圧を0.4Vにクランプし、ト
ランジスタQ4の再導通及び時限コンデンサ216の再充電
を阻止する。
トランジスタQ4へ供給されるパルスは、緩衝電界効果
トランジスタQ6及びツェナーダイオードCR11を備えてい
る同期基準パルス発生器224（第６図）と同期されてい
る。ライン電圧226は全波整流器228により整流され、緩
衝電界効果トランジスタQ6のゲートに供給され、緩衝電
界効果トランジスタQ6はダイオードCR11と共働して、そ
れぞれ半サイクルのゼロ交差パルス（第４図4a）を発生
する。緩衝された信号はダイオードCR11により3.9Vに制
限され、スパイクはゼロ交差時の過渡期の間にアースを
介して除去され、非常にクリップされたパルスが形成さ
れる。ゼロ交差同期パルスはパルストラップCR8をリセ
ットし、トランジスタQ4を導通させ、そしてトランジス
タQ4は時限コンデンサ216の充電を開始させる。
抵抗R13及び14とダイオードCR15とを備えている上限
及び下限制限回路網212（第５図）は、本位相制御器が
最小直流出力電圧に設定された場合にシリコン制御整流
器SCR1及びSCR2が、トランスにおける不平衡状態を阻止
するために各半サイクル導通し、そして本位相制御器が
最大直流出力電圧に設定された場合にシリコン制御整流
器SCR1及びSCR2が、トランスのインダクタンスにより生
ずる電流位相偏移に対する電圧が小さいために早期にタ
ーンオフしないようにするのに使用される。最大誘導移
相偏移は14.4°、最大遅延限界は162°である。加算回
路210内の演算増幅器U1に接続されている抵抗R8は、誤
り電圧を高く保持するためと、高電圧と制御電圧とが遮
断されている場合に始動点を設定するためトランジスタ
Q3を最小充電電流に保持するために使用される。トラン
ジスタQ5を備えているパルス駆動器220はトランスT1を
駆動し、トランスT1はシリコン制御整流器SCR1及びSCR2
をトリガする。シリコン制御整流器SCR1及びSCR2は、最
大定格電流が35A、連続定格ピーク電圧が800Vである。
第７図に示されている直流高電圧源230は高電圧トラ
ンスT2の第２次側から4000Vを取出して、全波整流器ブ
リッジPF6に供給する。この回路網は、6MFの大きい外部
コンデンサを有する。測定抵抗R1及びR2及びR3は、適切
なフィードバック電圧レベルとするための分圧器を備え
ている。３極管（第３図）の陽極電圧は接続端子点Ｈを
介してチョークコイルから供給される。約0.4Vのフィー
ドバック電圧が抵抗R1とダイオードD1の間から取出さ
れ、接続端子点Ｉを介して加算回路210（第５図）に供
給される。
前述のように、各試料による作動のそれぞれの持続時
間にわたり、プラズマに供給される電力を一定に保持す
ることは、試料物質がプラズマの中に噴射されていると
きにおいては特に好ましい。しかし電力レベルは各試料
毎に異なる。
以上、本発明を特別な実施例に基づいて説明したが、
本発明の精神及び添付の特許請求の範囲の枠内から逸脱
することなしに、種々の変形及び変更が可能であること
は当業者には自明である。従って本発明は、特許請求の
範囲のみにより限定される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による、誘導コイルを備えているトー
チの垂直断面の側面図、 第２図は、本発明の発振器回路網の回路略図、 第３図は、本発明によるフィードバック回路網のブロッ
ク回路図、 第４図は、第３図の回路網の中の種々の接続点における
信号の線図、 第５図ないし第７図は、第３図の所定の素子の回路図で
ある。 10……プラズマトーチ、12……管状トーチ部材、14……
誘導コイル、16……小直径管、18……管状中間部材、20
……環状内部空間、22……環状外部空間、24……取付け
部材、26……Ｏリング、38……ガス導管、40……プラズ
マ形成ガス発生源、42……ガス導管、44……冷却ガス発
生源、48……キャリヤガス発生源、50……試料容器、52
……弁、56……トーチ体、58……管アセンブリ、60……
上部肩、62……下部肩、64……表面、66……表面、68…
…垂直支柱、70……側面、72……歯、74……ピニオン、
76……軸、78……制御ノブ、80……管状マウント、82…
…円筒部、86……当接面、90……上部フランジ、92……
前方エッジ、94……導電性プローブ、96……スロット、
98……圧電結晶、100……空気圧ピストンアセンブリ、1
02……圧縮空気発生源、104……弁、106……棒、108…
…チップ、112……仮想面、114……軸線、116……仮想
面、118……後方端縁、200……高周波装置系、202……
発振器、203……３極電力増幅管、206……出力回路網、
208……制御電圧源、210……加算回路、212……制御制
限回路網、214……電圧制御電流源、216……時限コンデ
ンサ、218……電圧比較器、220……パルス駆動器、222
……パルストラップ、224……同期基準パルス発生器、2
26……ライン電圧源、228……全波整流器、252……線、
254……線、256……線、258……線、260……線、264…
…線、266……線、268……線、270……線、SCR1,SCR2…
…シリコン制御整流器、ＨないしＬ……接続端子点。
フロントページの続き (72)発明者 デイビツド・シー・マニング アメリカ合衆国コネチカツト・トランブ ル・オールドフイールド・ロード 61 (72)発明者 ピーター・エイチ・ギヤグン アメリカ合衆国コネチカツト・ブロツク フイールド・フイールドストーン・ロー ド ９ (56)参考文献 特開 昭60−205241（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−44954（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−58799（ＪＰ，Ａ)

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】誘導形プラズマ発生装置において、 電気絶縁性でありかつ耐熱性材料から成る管状トーチ部
    材と、 前記管状トーチ部材の中をプラズマ形成ガスを前方向に
    て貫流させる手段と、 前記管状トーチ部材の中のプラズマ領域の中にて、プラ
    ズマ放電として前記プラズマ形成ガスを付勢するため
    に、前記管状トーチ部材の外部にそして前記管状トーチ
    部材と実質的に同心にて配置され、１つの軸線と前方端
    及び後方端を有するヘリカル誘導コイルと、 前記管状トーチ部材の中の前記プラズマ形成ガスの中に
    試料物質を噴射する噴射手段と、 前記プラズマ形成ガスが付勢されている間、前記ヘリカ
    ル誘導コイルに対して軸方向に前記噴射手段の位置を調
    整する調整手段とを供え、 前記調整手段は、噴射手段の位置を第１の位置と第２の
    位置の間にて変化させる手段を備え、前記第１の位置
    は、前記ヘリカル誘導コイルの前記前方端と接している
    前記ヘリカル誘導コイルの軸に垂直に位置する第１の面
    の近傍にあり、前記第２の位置は、前記ヘリカル誘導コ
    イルの前記後方端と接している前記ヘリカル誘導コイル
    の軸に垂直に位置する第２の面の近傍にあり、 噴射手段が第１の位置にある間にプラズマ放電を開始さ
    せる手段を備え、さらに調整手段が、プラズマ放電の開
    始後に前記噴射手段を前記第１の位置から第２の位置に
    移動させる手段を備えていることを特徴とする誘導形プ
    ラズマ発生装置。
  2. 【請求項２】トーチ部材が１つの軸を有し、誘導形プラ
    ズマ発生装置が、トーチ部材の中に同心にて取付けられ
    ているセラミック管と、試料物質を流体の形にて前記セ
    ラミック管の中を貫流させる手段とを備え、前記セラミ
    ック管は、噴射手段の境界を定めているオリフィスを有
    する前方端を備えることを特徴とする請求項１記載の誘
    導形プラズマ発生装置。
  3. 【請求項３】トーチ部材とセラミック管とを備えている
    トーチアセンブリを備え、前記セラミック管が前記トー
    チ部材に対して固定位置にあり、調整手段が、誘導コイ
    ルに対して軸方向にて前記トーチアセンブリを動かす手
    段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の誘導
    形プラズマ発生装置。
  4. 【請求項４】トーチアセンブリが、管状内部部材と取付
    部材とを備え、前記管状内部部材は、トーチ部材とセラ
    ミック管との間に同心にて取付けられている電気絶縁性
    でありかつ耐熱性材料により形成され、そして前記セラ
    ミック管の前端の近傍にある前記トーチ部材の軸に垂直
    に位置する第３の面にまで延在し、前記トーチ部材と前
    記管状内部部材は共働して外部管状空間の境界を定め、
    前記管状内部部材と前記セラミック管は外部管状空間の
    境界を定め、前記取付部材は、前記トーチ部材と前記管
    状内部部材と前記セラミック管とを互いに密封状態にて
    固定し、前記取付部材は、プラズマ形成ガスを前記管状
    内部部材の中に導入する第１のダクトと、冷却ガスを前
    記内部管状空間の中に導入する第２のダクトを備え、調
    整部材が前記取付部材と係合して前記取付部材の位置を
    変化させることを特徴とする請求項３に記載の誘導形プ
    ラズマ発生装置。
  5. 【請求項５】誘導形プラズマ発生装置において、１つの
    軸を有し、電気絶縁性でありかつ耐熱性材料から成る管
    状トーチ部材と、前記管状トーチ部材の中をプラズマ形
    成ガスを前方向にて貫流させる手段と、前記管状トーチ
    部材の中のプラズマ領域の中にて、プラズマ放電として
    前記プラズマ形成ガスを付勢するために、前記管状トー
    チ部材の外部にそして前記管状トーチ部材と実質的に同
    心にて配置され、１つの軸線と１つの前方端と１つの後
    方端を有するヘリカル誘導コイルと、前記管状トーチ部
    材の中の前記プラズマ形成ガスの中に試料物質を噴射す
    る噴射手段とを備え、前記噴射手段は前記トーチ部材内
    に同軸に取付けられオリフィスを有する前方端を備えた
    セラミック管と前記オリフィスを通して前方に液体の形
    で試料を貫流させる手段とから成り、さらに前記トーチ
    部材とセラミック管とを備えているトーチアセンブリと
    を備え、前記セラミック管はトーチ部材に対して固定位
    置にあり、さらに前記プラズマ形成ガスが付勢されてい
    る間、前記ヘリカル誘導コイルに対して軸方向に前記ト
    ーチアセンブリの位置を調整する調整手段を備え、前記
    調整手段は、噴射手段の位置を第１の位置と第２の位置
    の間にて変化させる手段を備え、前記第１の位置は、前
    記ヘリカル誘導コイルの前記前方端と接している前記ヘ
    リカル誘導コイルの軸に垂直に位置する第１の面の近傍
    にあり、前記第２の位置は、前記ヘリカル誘導コイルの
    前記後方端と接している前記ヘリカル誘導コイルの軸に
    垂直に位置する第２の面の近傍にあり、さらに前記オリ
    フィスが前記第１の位置にある間にプラズマ放電を発生
    させる手段とを備え、前記調整手段は、プラズマ放電の
    開始後に前記オリフィス端部を前記第１の位置から第２
    の位置に移動させる手段を備えていることを特徴とする
    誘導形プラズマ発生装置。
  6. 【請求項６】プラズマ開始装置と圧電結晶と、前記圧電
    結晶を付勢する機械的手段とを備え、前記プラズマ開始
    装置は、管状部材の中のプラズマ形成ガスにまで達する
    高電圧導電体を備え、前記圧電結晶は前記高電圧導電体
    に電気的に接続されており、前記機械的手段が前記圧電
    結晶を付勢すると、前記圧電結晶から高電圧パルスが発
    生し、前記プラズマ形成ガスの中にスパークが発生する
    ことを特徴とする請求項１に記載の誘導形プラズマ発生
    装置。
  7. 【請求項７】誘導コイルが導体の管から成り、誘導形プ
    ラズマ発生装置が、ガスが管状部材を貫流する前に、誘
    導コイルを冷却しガスに予熱を加えるためにこのガスを
    前記導体の管の中を貫流させる手段を備えていることを
    特徴とする請求項１に記載の誘導形プラズマ発生装置。
  8. 【請求項８】プラズマ放電に供給する電力を一定に保持
    する手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載
    の誘導形プラズマ発生装置。
  9. 【請求項９】プラズマ放電に供給する電力を一定に保持
    する手段が、LC出力回路網と、前記LC出力回路網に結合
    され、陽極を有する３極電力増幅管とを備えている高周
    波数発生器と、交流電力を受取る１次巻線を有する入力
    トランスを備え、前記３極電力増幅管の前記陽極に整流
    電圧を供給する直流電源と、制御信号に応答して交流電
    力をデューティサイクルにて制御する手段を備え、ライ
    ン電圧を受取り前記交流電力を発生する交流回路と、前
    記整流電圧に対するフィードバック信号を発生するフィ
    ードバック手段と、前記フィードバック信号を受取り、
    前記整流電圧の変化と逆の変化を前記デューティサイク
    ル制御手段が行い、前記整流電圧の前記変化を無効にす
    る制御信号を発生する制御手段とを備えていることを特
    徴とする請求項８に記載の誘導形プラズマ発生装置。
  10. 【請求項１０】制御整流器がデューティサイクル制御に
    対応する導通角を有するシリコン制御整流器を備え、制
    御手段が、フィードバック信号に対応して時限電流を発
    生する電流手段と、前記時限電流により充電する時限コ
    ンデンサと、交流電流を受取り、この交流電流のサイク
    ルの所定の位相にて前記時限コンデンサを充電する同期
    手段と、前記時限コンデンサが所定の電圧に達すると放
    電パルスを発生させるために、時限コンデンサを放電さ
    せる比較手段と、前記放電パルスを受取り、制御信号を
    形成する制御パルスを発生する手段とを備え、前記導通
    角は制御パルスに応答して制御されることを特徴とする
    請求項９に記載の誘導形プラズマ発生装置。
  11. 【請求項１１】誘導形プラズマ発生装置において、前記
    誘導形プラズマ発生装置が、電気絶縁性でありかつ耐熱
    性材料から成る管状トーチ部材と、プラズマ形成ガスを
    前方向に管状部材の中を貫流させるために、前記管状部
    材と共働するプラズマ形成ガス源と、トーチ部材の中の
    プラズマ領域の中にて前記プラズマ形成ガスをプラズマ
    放電へと付勢するために、前記トーチ部材の外部にそし
    て実質的に同心にて配置されているヘリカル誘導コイル
    と、プラズマを発生させる手段とを備え、前記プラズマ
    発生手段は、前記プラズマ領域の近傍にある管状部材の
    中の前記プラズマ形成ガスにまで達する高電圧導電体
    と、前記高電圧導電体に電気的に接続されている圧電結
    晶と、前記圧電結晶を付勢してこの圧電結晶に高電圧を
    発生させ、ひいては前記プラズマ形成ガスの中にスパー
    クを発生させる機械手段とを備えている、請求項１記載
    の誘導形プラズマ発生装置。
  12. 【請求項１２】誘導形プラズマ発生装置において、前記
    誘導形プラズマ発生装置が、電気絶縁性でありかつ耐熱
    性材料から成る管状トーチ部材と、プラズマ形成ガスを
    前記管状トーチ部材の中を貫流させるために、前記管状
    トーチ部材と共働するプラズマ形成ガス源と、トーチ部
    材の中のプラズマ領域の中にて前記プラズマ形成ガスを
    プラズマ放電へと付勢するために、前記トーチ部材の外
    部にそして実質的に同心にて配置され、そして導体の管
    から成るヘリカル誘導コイルと、前記ヘリカル誘導コイ
    ルを冷却し、前記プラズマ形成ガスに予熱を加えるため
    に、前記プラズマ形成ガスを前記管状部材の中を貫流さ
    せる前にこのプラズマ形成ガスを前記導体の管の中を貫
    流させる手段とを備えている、請求項１記載の誘導形プ
    ラズマ発生装置。
  13. 【請求項１３】電気絶縁性で耐熱性材料から成る管状ト
    ーチ部材と、前記管状トーチ部材外部に該管状トーチ部
    材と実質的に同心に配置され１つの軸線と前方端及び後
    方端を有するヘリカル誘導コイルと、前記管状トーチ部
    材中のガス内へ試料物質を噴射する噴射手段とを備えた
    誘導形プラズマ発生装置を用いてプラズマを発生させる
    方法において、 噴射手段を、前記ヘリカル誘導コイルの前方端と接して
    いる該ヘリカル誘導コイルの軸に垂直に位置する第１の
    面近傍にある第１の位置に配置し、 トーチ部材の中でプラズマ形成ガスを前方向に貫流さ
    せ、 誘導コイルを用いてトーチ部材中のプラズマ領域で前記
    プラズマ形成ガスをプラズマ放電として付勢し、 前記プラズマ形成ガスが付勢されている間、前記噴射手
    段の位置を前記誘導コイルに対して軸方向に第１の位置
    から第２の位置へ調整し、該第２の位置は、前記誘導コ
    イルの後方端と接している該誘導コイルの軸に垂直に位
    置する第２の面近傍にあることを特徴とする方法。
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