JP6732006B2 - マイクロ波プラズマ生成用チャンバ及びプラズマ生成方法 - Google Patents

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Description

本開示は、包括的には、マイクロ波チャンバと、こうしたマイクロ波チャンバを含むマイクロ波プラズマシステムと、こうしたマイクロ波チャンバ及びマイクロ波プラズマシステムにおいてマイクロ波エネルギーを用いてプラズマを生成しかつ維持する方法とに関する。幾つかの実施形態では、本開示は、こうしたマイクロ波チャンバ、システム、及び分光法での使用方法に関する。
以下、実施形態について、以下に簡単に記載する添付図面を参照して、例として更に詳細に記載する。
幾つかの実施形態による、マイクロ波プラズマ生成システムのブロック図である。 図１のマイクロ波プラズマ生成システムの概略図である。 幾つかの実施形態による、図１及び図２のマイクロ波プラズマ生成システムのマイクロ波チャンバの部分断面斜視図である。 図３ａのマイクロ波チャンバの端面図である。 幾つかの実施形態による、マイクロ波チャンバの部分断面斜視図である。 図４ａに示すマイクロ波チャンバの上面断面図である。 図４ａ及び図４ｂに示すマイクロ波チャンバの端面図である。 図３ａ及び図３ｂのマイクロ波チャンバの容量性負荷（capacitive loaded）セクションの等角図である。 図５ａの容量性負荷セクションの上面図である。 図５ｂの線５Ｂ−５Ｂに沿った容量性負荷セクションの断面図である。 図５ａ〜図５ｃの容量性負荷セクション内のマイクロ波定在波の電界強度の例示的なプロットである。 図５ａ及び図５ｃの線５Ａ−５Ａに沿った図５ａ〜図５ｃの容量性負荷セクションの断面図である。 図５ｅの容量性負荷セクション内のマイクロ波定在波の電界強度の例示的なプロットである。 幾つかの実施形態によるマイクロ波チャンバの一セクションの断面図である。 線６Ａ−６Ａに沿った図６ａのマイクロ波チャンバのセクションの断面図である。 幾つかの実施形態によるマイクロ波チャンバの容量性負荷セクションの断面図である。 図７ａの容量性負荷セクション内のマイクロ波定在波の電界強度の例示的なプロットである。 幾つかの実施形態による、マイクロ波空洞の容量性負荷セクションの断面図である。 幾つかの実施形態による、マイクロ波空洞の容量性負荷セクションの断面図である。 幾つかの実施形態による、マイクロ波空洞の容量性負荷セクションの断面図である。 幾つかの実施形態によるマイクロ波チャンバの部分断面斜視図である。 図９ａに示すマイクロ波チャンバの容量性負荷セクションの側面図である。 幾つかの実施形態による、図５ａの容量性負荷セクション内に配置されたプラズマトーチの断面端面図である。 マイクロ波刺激プラズマ生成の方法のプロセスフロー図である。
本開示は、包括的には、マイクロ波チャンバと、こうしたマイクロ波チャンバを含むマイクロ波プラズマシステムと、こうしたマイクロ波チャンバ及びマイクロ波プラズマシステムにおいてマイクロ波エネルギーを用いてプラズマを生成しかつ維持する方法とに関する。幾つかの実施形態は、こうしたマイクロ波チャンバ、システム、及び分光法での使用方法に関する。
プラズマは、化学的試料を、その試料が、試料に存在する各元素に特徴的な光を放出し、この元素のイオンを生成するように、霧化、イオン化及び／又は励起される程度まで、加熱するのに好都合である。そして、この光を分光計によって分析して、存在する各元素の濃度を求めることができ、又は、質量分光計においてイオンを分析して、存在する各元素の濃度を求めることができる。これは、分光化学分析としても知られ、プラズマは、分光化学分析用の原子分光分析器（atomic emission spectrometers）、発光分光分析器（optical emission spectrometers）及び原子質量分光計（atomic mass spectrometers）等の分光システムで使用することができる。
幾つかの実施形態は、プラズマ生成用のマイクロ波チャンバであって、
マイクロ波エネルギーを生成するマイクロ波源を収容する、前記マイクロ波チャンバの第１の端部における発射構造体と、
前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部と反対側の第２の端部における終端セクションであって、前記チャンバの前記第２の端部からの前記マイクロ波エネルギーの伝播を実質的に阻止するように構成された終端セクションと、
前記第１の端部において前記マイクロ波チャンバ内に受け取られる前記マイクロ波エネルギーを前記第２の端部に向かって誘導する内壁構造体であって、空洞を画定し、
前記第１の端部及び前記第２の端部の中間のインピーダンス整合セクションと、
前記インピーダンス整合セクション及び前記第２の端部の中間の容量性負荷セクションであって、前記チャンバの縦軸に沿って延在する少なくとも１つの隆起部を備える容量性負荷セクションと、
を備える内壁構造体と、
を備え、
該マイクロ波チャンバは、前記容量性負荷セクションの第１の壁を通って延在する第１の開口部と、該容量性負荷セクションの第２の壁を通って延在する第２の開口部とを画定し、該第２の壁は該第１の壁と対向し、
前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、互いに協働して、第１の開口部及び第２の開口部を通って延在しかつ該チャンバの前記縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記容量性負荷セクション内にプラズマトーチを受け入れるように構成され、
容量性負荷セクションは、第１の大壁及び第２の大壁と第１の小壁及び第２の小壁とを備える実質的矩形セクションを含み、前記壁構造体の前記少なくとも１つの隆起部は、前記第１の大壁及び前記第２の大壁のうちの少なくとも一方に沿って配置され、前記第１の小壁及び前記第２の小壁は、それぞれ、対向する前記第１の壁及び前記第２の壁を含む、マイクロ波チャンバに関する。
前記少なくとも１つの隆起部は、前記チャンバの中心線に沿って配置することができる。前記少なくとも１つの隆起部は、前記空洞内に突出する第１の隆起部と、該空洞内に突出する第２の隆起部とを備えることができ、該第２の隆起部は該第１の隆起部と対向する。
前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションに沿って、かつ前記インピーダンス整合セクションの少なくとも一部に沿って延在することができる。例えば、前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する容量性負荷セクション部分を備えることができる。前記少なくとも１つの隆起部は、前記インピーダンス整合セクションの長さに沿って延在しかつ前記発射構造体に向かってテーパー状になっているテーパー状部分を備えることができる。前記隆起部の前記テーパー状部分は、その長さに沿って高さ及び幅のうちの少なくとも一方がテーパー状になっていることができる。
幾つかの実施形態では、前記インピーダンス整合セクションは、前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部において受け取られるマイクロ波エネルギーが前記容量性負荷セクション内に伝播するのを促進するように、該容量性負荷セクションに向かってテーパー状になっていることができる。幾つかの実施形態では、前記インピーダンス整合セクションは、該インピーダンス整合セクション内の前記空洞のインピーダンスが選択的に調整されるのを可能にする、該空洞内に配置されたスタブ又はポストのうちの少なくとも一方を備えることができる。
前記少なくとも１つの隆起部は、容量性負荷セクション部分を備えることができ、該隆起部の該容量性負荷セクション部分は、前記プラズマトーチの少なくとも一部を受け入れる凹部を画定することができ、前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、前記凹部と協働して前記プラズマトーチを収容する。前記凹部は、該凹部を横切る非対称の電界強度を補償するような形状とすることができる。例えば、前記凹部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を通って延在する前記軸を中心に回転非対称性を有するような形状とすることができる。前記凹部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を通って延在する前記軸と実質的に平行でありかつ該軸からずれている中心軸を有する、丸い形状の少なくとも一部を画定することができる。
幾つかの実施形態では、前記少なくとも１つの隆起部は、前記空洞内に突出しかつ前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する第１の容量性負荷セクション部分を含む第１の隆起部と、前記空洞内に突出しかつ前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する第２の容量性負荷セクション部分を含む第２の隆起部とを備えることができ、前記第１の容量性負荷セクション部分は、前記第２の容量性負荷セクション部分と対向し、前記第１の容量性負荷セクション部分は第１の凹部を画定し、前記第２の容量性負荷セクション部分は第２の凹部を画定し、該第１の凹部及び該第２の凹部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部と協働して前記プラズマトーチを受け入れる。例えば、前記第１の凹部及び前記第２の凹部は、互いに協働して、円、多角形、弓、鈍い三角形、及び半円形又は矩形の組合せの形態の形状を画定することができる。
マイクロ波チャンバは、前記終端セクションに配置された観察ポートを更に備えることができ、該終端セクションは、該観察ポートを通して可視光及び紫外光の通過を可能にするように更に構成することができる。幾つかの実施形態では、前記観察ポートは、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に延在する前記プラズマトーチの一部の側面からの観察を可能にするように、前記空洞の一部のみにわたることができ、前記終端セクションは、実質的にＣ字型の断面輪郭を有する。
マイクロ波チャンバは、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に延在するプラズマトーチを更に備えることができる。
幾つかの実施形態は、プラズマ生成用のマイクロ波チャンバであって、
マイクロ波エネルギーを生成するマイクロ波源を収容する、前記マイクロ波チャンバの第１の端部における発射構造体と、
前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部と反対側の第２の端部における終端セクションであって、前記チャンバの前記第２の端部からの前記マイクロ波エネルギーの伝播を実質的に阻止するように構成された終端セクションと、
前記第１の端部において前記マイクロ波チャンバ内に受け取られる前記マイクロ波エネルギーを前記第２の端部に向かって誘導する内壁構造体であって、空洞を画定し、
前記第１の端部及び前記第２の端部の中間のインピーダンス整合セクションと、
前記インピーダンス整合セクション及び前記第２の端部の中間の容量性負荷セクションであって、前記チャンバの縦軸に沿って延在する少なくとも１つの隆起部を備える容量性負荷セクションと、
を備える内壁構造体と、
を備え、
該マイクロ波チャンバは、前記容量性負荷セクションの第１の壁を通って延在する第１の開口部と、該容量性負荷セクションの第２の壁を通って延在する第２の開口部とを画定し、該第２の壁は該第１の壁と対向し、
前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、互いに協働して、該第１の開口部及び該第２の開口部を通って延在しかつ該チャンバの前記縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記容量性負荷セクション内にプラズマトーチを受け入れるように構成され、
前記インピーダンス整合セクションは、該マイクロ波チャンバの前記第１の端部において受け取られるマイクロ波エネルギーの前記容量性負荷セクション内への伝播を促進するように、該容量性負荷セクションに向かってテーパー状になっている、
マイクロ波チャンバに関する。
幾つかの実施形態では、前記容量性負荷セクションは、第１の大壁及び第２の大壁と第１の小壁及び第２の小壁とを備える実質的矩形セクションを含み、前記壁構造体の前記少なくとも１つの隆起部は、前記第１の大壁及び前記第２の大壁のうちの少なくとも一方に沿って配置され、前記第１の小壁及び前記第２の小壁は、それぞれ、対向する前記第１の壁及び前記第２の壁を含む。
幾つかの実施形態は、マイクロ波チャンバにおけるマイクロ波刺激プラズマ生成方法であって、
マイクロ波チャンバの実質的に矩形の容量的に負荷がかけられたセクションに、プラズマ形成ガスを含むプラズマトーチを配置することであって、その際、該プラズマトーチは、前記チャンバの空洞の幅を横切って延在し、前記チャンバの縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記実質的矩形の容量的に負荷がかけられたセクションの対向する第１の小壁及び第２の小壁にそれぞれ配置された、協働する第１の開口部及び第２の開口部によって受け入れられ、前記容量的に負荷がかけられたセクションは、前記縦軸に沿って延在する１つ以上の隆起部を備えることと、
前記チャンバの第１の端部にマイクロ波エネルギーを供給することと、
前記マイクロ波チャンバ内のマイクロ波エネルギーを前記第１の端部から前記容量性負荷セクション及び前記プラズマトーチに伝播させて、該プラズマトーチ内でプラズマを生成しかつ維持することと、
を含む、方法に関する。
方法は、前記マイクロ波チャンバの第２の端部を通るマイクロ波エネルギーの伝播を実質的に防止する一方で、該第２の端部に配置された端部アパーチャを通る可視光及び紫外光の通過を可能にすることを更に含むことができる。
幾つかの実施形態では、前記容量的に負荷がかけられたセクションに前記プラズマトーチを配置することは、前記容量性負荷セクションにおける前記１つ以上の隆起部と該容量性負荷セクションの壁との間に前記プラズマトーチの少なくとも一部を配置することを含む。幾つかの実施形態では、前記容量的に負荷がかけられたセクションに前記プラズマトーチを配置することは、前記１つ以上の隆起部によって画定される凹部内に前記プラズマトーチの少なくとも一部を配置することを含む。幾つかの実施形態では、前記容量的に負荷がかけられたセクションに前記プラズマトーチを配置することは、該プラズマトーチの内側チューブの端部が、前記容量性負荷セクションの壁と前記１つ以上の隆起部との間に実質的に位置するように、前記容量性負荷セクション内に前記プラズマトーチを配置することを含む。
幾つかの実施形態は、上記のマイクロ波チャンバにおけるマイクロ波刺激プラズマ生成方法であって、
前記マイクロ波チャンバの容量的に負荷がかけられたセクションに、プラズマ形成ガスを含むプラズマトーチを配置することであって、その際、該プラズマトーチは、前記チャンバの空洞の幅を横切って、前記チャンバの縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って延在することと、
前記チャンバの第１の端部にマイクロ波エネルギーを供給することと、
前記マイクロ波チャンバ内のマイクロ波エネルギーを前記第１の端部から前記容量性負荷セクション及び前記プラズマトーチに伝播させて、該プラズマトーチ内にプラズマを生成しかつ維持することと、
を含む、方法に関する。
ここで図１を参照すると、全体として１０で示すプラズマ生成システムを含む分光システム１０００のブロック図が示されており、分光システム１０００は、分光法において、マイクロ波エネルギーを吸収するプラズマ形成ガス（窒素等）からプラズマを生成するために使用することができる。プラズマ生成システム１０は、電磁導波路等のマイクロ波チャンバ２００に結合されたマイクロ波源１００（マグネトロン等）を含む。マイクロ波チャンバ２００は、マイクロ波チャンバ２００の第１の端部２２０においてマイクロ波源１００から受け取ったマイクロ波が、第１の端部２２０とは反対側のマイクロ波チャンバ２００の第２の端部２３０に向かって伝播するのを促進する。
マイクロ波チャンバ２００は、第１の端部２２０と第２の端部２３０との間の位置でプラズマトーチ３００を受け入れるように構成されている。プラズマトーチ３００は、（プラズマトーチの上流端にある）受端部３１０と、受端部３１０と反対側の下流端部３２０とを備える。プラズマトーチ３００は、細長く、マイクロ波チャンバ２００を通って延在しかつマイクロ波チャンバ２００の幅にわたることができ、プラズマトーチ３００の下流端部３２０の少なくとも一部は、マイクロ波チャンバ２００から突出することができる。プラズマトーチ３００の受端部３１０は、ガス源４００からプラズマ形成ガスを受け取り、試料源５００から試料を含有するキャリアガスを受け取るように配置されている。マイクロ波チャンバ２００内でマイクロ波からのプラズマを維持するために、プラズマトーチ内のプラズマ形成ガス内にエネルギーが結合される。
プラズマトーチ３００の下流端部３２０に又はその近くに分光計６００を結合することができる。プラズマ生成システム１０が、原子分光分析器又は発光分光分析器の一部を形成する場合、プラズマトーチ３００は、光学分光計がプラズマトーチ３００内の霧化した試料の試料成分から放出される光を受け取るように、光学分光計に結合される。プラズマ生成システム１０が質量分光計に使用される場合、プラズマトーチ３００は、質量分光計に結合され、それにより、質量分光計は、プラズマトーチからの霧化した試料のイオン化成分を分析することができる。
システム１０の使用時、プラズマ形成ガス、キャリアガス及び試料は、プラズマトーチ３００の受端部３１０から下流端部３２０に向かって移動する。マイクロ波チャンバ２００によってマイクロ波源１００からプラズマトーチ３００に誘導されるマイクロ波は、プラズマトーチ３００内のプラズマ形成ガスと相互作用し、それにより、マイクロ波エネルギーがプラズマ形成ガスによって吸収されてプラズマを生成することができるようにする。プラズマは、マイクロ波からのエネルギーの大部分がプラズマ形成ガスによって吸収されてプラズマを生成するプラズマトーチ内の開始部分３１５（図４ｂ及び図５ｅを参照）においてプラズマ形成ガスから形成される。プラズマは、したがって試料を加熱し励起する。
ここで図２を参照すると、幾つかの実施形態による、プラズマを生成しかつ維持するのに好適な周波数で所望のマイクロ波伝播モードを支持するように構成されたマイクロ波チャンバ２００を含む、プラズマ生成システム１０の概略図が示されている。
マイクロ波チャンバ２００は、空洞２１４を形成するか又は画定する内壁構造体２１２を備える。内壁構造体２１２は、マイクロ波源１００から放出されかつマイクロ波チャンバ２００の第１の端部２２０において受け取られるマイクロ波エネルギーを、空洞２１４を通ってマイクロ波チャンバ２００の第２の端部２３０に向かって誘導するように構成されている。幾つかの実施形態では、マイクロ波チャンバ２００、特にマイクロ波チャンバ２００の内壁構造体２１２は、より詳細に後述するように、プラズマトーチ３００内に形成されたプラズマの所望の特性（形状又は位置等）をもたらすようにマイクロ波の電磁界を最適化するように設計することができる。
図２及び図３ａに示すように、マイクロ波チャンバ２００は、第１の端部２２０と第２の端部２３０との間に延在する縦軸（図３ａに示すｚ軸）と、チャンバの断面の最も広い内寸である、縦軸に対して垂直にかつ空洞２１４の横幅（ＷＣ）と実質的に平行に延在する横軸（ｘ）と、チャンバ２００の断面の最も狭い内寸である、縦軸及び横軸（ｘ）に対して垂直であり、空洞２１４の横高さ（ＨＣ）と実質的に平行に延在する横軸（ｙ）とを有する、実質的に細長い導波路とすることができる。
幾つかの実施形態では、第１の端部２２０は、横断（ｘ−ｙ）面における断面の形状を実質的に矩形とすることができる内壁構造体２１２の第１の端部セクション２２０ａを含むことができる。第１の端部セクション２２０ａは、最大の空洞横高さ（ＨＣ）より大きい最大の空洞横幅（ＷＣ）を有することができる。これにより、導波路は、ＴＥ０１モードで動作することができる。マイクロ波源１００から受け取られるマイクロ波の伝播に好適な空洞寸法は、マイクロ波の周波数に依拠することができる。マイクロ波チャンバ２００を通して２．４５ＧＨｚマイクロ波が伝播するべきである例示的な実施形態では、第１の端部セクション２２０ａの理論上の最小の空洞横幅ＷＣは、およそ６１ｍｍである。幾つかの実施形態では、第１の端部セクション２２０ａの空洞横幅は、およそ７０ｍｍから８６ｍｍの範囲とすることができる。幾つかの実施形態では、マイクロ波チャンバ２００の第１の端部セクション２２０ａは、米国電子工業会（ＥＩＡ）標準規格に従ってＷＲ３４０矩形導波路の寸法を有することができる。幾つかの実施形態では、マイクロ波チャンバ２００の第１の端部セクション２２０ａは、８６ｍｍの空洞横幅（ＷＣ）と３４ｍｍの空洞横高さ（ＨＣ）とを有することができる。
再び図２を参照すると、マイクロ波チャンバ２００の第１の端部２２０は、マイクロ波アンテナ１０２を収容するか又は受け入れるように開口部２２１を画定することができ、マイクロ波アンテナ１０２は、マイクロ波源１００に結合され、マイクロ波源１００からのマイクロ波を空洞２１４内に送信するか又は送出するように構成されている。幾つかの実施形態では、マイクロ波チャンバ２００の第１の端部２２０は、導電壁２１５を備え、導電壁２１５は、空洞２１４からのマイクロ波放射線の通過を軽減、防止、又は阻止して、マイクロ波放射線を第２の端部２３０に向かって反射するように、短絡部（short circuit）として作用する。幾つかの実施形態では、第１の端部２２０は、マグネトロン（図示せず）のマイクロ波チャンバ２００への結合を可能にするマイクロ波発射構造体を備えることができる。
幾つかの実施形態では、第２の端部２３０は、例えば、図３ａ及び図３ｂに示すように、内壁構造体２１２の第２の端部セクション２３１を含む。幾つかの実施形態では、第２の端部２３０は、第２の端部２３０内に電磁界を形成することにより、空洞２１４の第２の端部２３０から出るマイクロ波エネルギーの伝播を実質的に軽減、防止又は阻止する、終端セクション又はマイクロ波遮断構造体２３２を備えることができる。例えば、マイクロ波遮断構造体２３２は、内壁構造体２１２からマイクロ波エネルギーの危険な又は望ましくない漏れを防止することができる。
幾つかの実施形態では、マイクロ波遮断構造体２３２は、内壁構造体２１２の第２の端部セクション２３１の空洞幅にわたることができる。幾つかの実施形態では、マイクロ波遮断構造体２３２は、第２の端部セクション２３１の空洞幅及び高さにわたる導電性材料のシートを備えることができ、シートは、メッシュ構造体（図示せず）を形成するように複数の孔を画定する。
幾つかの実施形態では、図２及び図３ｂに示すように、マイクロ波チャンバ２００の第２の端部２３０は、空洞２１４内に形成されたプラズマをマイクロ波チャンバ２００の外側から視覚的に及び／又は装置ベースで観察するのを可能にするように、端部アパーチャ又は観察ポート２４０を画定することができる。遮断構造体２３２は、端部アパーチャ２４０を通る可視光及び紫外光、例えば、１６０ナノメートル〜３０００ナノメートルの波長の光の通過を可能にすることができる。幾つかの実施形態では、端部アパーチャ２４０は、マイクロ波遮断構造体２３２を通って延在することができ、プラズマからの光学的な光（例えば、遠赤外線から紫外線のスペクトルにわたる光）は、マイクロ波遮断構造体２３２を通って端部アパーチャ２４０から漏れ出ることができ、それにより、分光計の操作者がプラズマトーチ３００内のプラズマを安全に視覚的に観察することができる。代替的に又はさらに、光検出器又はカメラを用いて、端部アパーチャ２４０を通るプラズマを観察することができる。
マイクロ波チャンバ２００は、導電性材料から形成されるため、通常、光透過性ではない。例えば、幾つかの実施形態では、マイクロ波チャンバ２００は、アルミニウム、銅又は真鍮から形成される。端部アパーチャ２４０を設けることにより、プラズマトーチの長さに沿った軸方向（例えば、下流端部）から以外の方向からプラズマを観ることができるようにすることができる。これにより、プラズマ発光の分光分析とともに、プラズマの問題解決又は最適化のためにプラズマの形状及び形態の単純な視覚的検査について、プラズマを観察するか又はモニタリングすることを可能にすることができる。上述したように、開始部分３１５は、プラズマがプラズマトーチ３００内部で最初に形成される位置である。幾つかの実施形態では、端部アパーチャ２４０は、開始部分３１５がマイクロ波チャンバ２００の外側から観察可能であるような形状とされるか又はそのように配置される。
幾つかの実施形態では、端部アパーチャ２４０は、プラズマの改善された安全な観察を可能にするように、第２の端部２３０において第２の端部セクション２３１によって画定された空洞２１４の幅の大部分に沿って延在することができる。例えば、端部アパーチャ２４０は、チャンバ３００によって受け取られるプラズマトーチ３００の側面からの観察を可能にするように、空洞２１４の少なくとも一部又は大部分にわたることができる。これは、プラズマ発光の分光分析とともにプラズマの形状及び形態の単純な視覚的検査に対して価値がある可能性がある。他の実施形態では、端部アパーチャ２４０は、丸い形状を画定することができる。
幾つかの実施形態では、マイクロ波遮断構造体２３２は、遮断をはるかに上回って動作する、高さの低減した矩形導波路として挙動する短絡部に対する近似であるか、又はそうした短絡部として作用することができる。したがって、マイクロ波は、マイクロ波遮断構造体２３２を通過して伝播することができず、縦軸に沿って指数関数的に減衰する、遮断構造体２３２内で生成されるエバネッセント波のみがある可能性がある。したがって、遮断構造体２３２の長さを十分に長くする場合、エバネッセント波は、マイクロ波チャンバ２００の外部の環境へのエネルギーの漏れが許容可能に低いレベルとなる程度まで、減衰することになり、こうしたマイクロ波遮断構造体２３２は、端部アパーチャ２４０を通る空洞２１４内のプラズマの側面からの観察を安全に可能にすることができる。マイクロ波遮断構造体２３２の長さを調整することにより、プラズマの観察可能性を維持しながら、エバネッセント波の指数関数的な減衰の速度を調整することができる。
マイクロ波遮断構造体２３２は、固定形状を有することができ、又は、構造体２３２の連続的な若しくは周期的な調整によりインピーダンス整合がプラズマ状態の変化に適応するのを可能にするように、縦長さを調整可能とすることができる。したがって、第１の端部２２０に最も近い遮断構造体２３２の縁とプラズマトーチ３００との間の距離を調整することができる。例えば、マイクロ波遮断構造体２３２は、マイクロ波遮断構造体２３２が同調調節部として作用するのを可能にする摺動短絡部を備えることができる。遮断構造体２３２の選択的同調により、マイクロ波チャンバ２００のプラズマ生成器としての性能の最適化を可能にすることができる。
幾つかの実施形態では、図２、図３ａ及び図３ｂのマイクロ波遮断構造体２３２及び端部アパーチャ２４０を備える第２の端部２３０とは対照的に、図４ａ、図４ｂ及び図４ｃに示すように、チャンバ３００は、マイクロ波遮断構造体４２３２及び端部アパーチャ４２４０を備える第２の端部４２３０を備えることができる。端部アパーチャ２４０と同様に、端部アパーチャ４２４０は、チャンバ３００の縦軸に沿ってマイクロ波遮断構造体４２３２を通って延在して、プラズマからの光学的な光が空洞２１４から端部アパーチャ４２４０を通って漏れ出るのを可能にする。しかしながら、端部アパーチャ４２４０は、プラズマトーチ３００が受け入れられる軸に対して実質的に平行に、チャンバの横ｘ軸に沿った空洞２１４の幅の一部のみにわたる。例えば、アパーチャ４２４０は、第２の端部セクション４２３１からマイクロ波遮断構造体４２３２の壁４２４１まで延在することができ、マイクロ波遮断構造体４２３２は、実質的にＣ字型の断面輪郭を有することができる。幾つかの実施形態では、端部アパーチャ４２４０は、チャンバ２００によって受け入れられるプラズマトーチ３００のプラズマのみの観察を可能にするように構成され、マイクロ波遮断構造体４２３２は、プラズマトーチ３００の一部、例えば、プラズマが存在しない、開始部分３１５から上流のプラズマトーチ３００の部分の（マイクロ波チャンバ２００の外側からの）視界を妨げる。
チャンバ３００に、空洞の一部のみにわたる端部アパーチャ４２４０（例えば、空洞幅ＷＣより小さい幅ＷＡを有する端部アパーチャ４２４０）を画定するマイクロ波遮断構造体４２３２を含む第２の端部４２３０を設けることにより、遮断構造体４２３２内に生成されるエバネッセント波のより迅速な減衰が達成される。その結果、使用されるマイクロ波遮断構造体４２３２は、端部アパーチャ２４０が空洞幅ＷＣ全体にわたるマイクロ波遮断構造体２３２より、縦ｚ軸に沿って短くすることができる。
再び図３ａを参照すると、マイクロ波チャンバ２００の内壁構造体２１２は、第１の端部セクション２２０ａと、第１の端部セクション２２０ａ及び第２の端部セクション２３１の中間のインピーダンス整合セクション（又は遷移セクション）２２２と、インピーダンス整合セクション２２２及び第２の端部セクション２３１の中間の容量性負荷セクション２２４とを備えることができる。
容量性負荷セクション２２４は、静電容量が空洞内の他の領域とは異なる空洞２１４の領域を有し、そこでは、それらの領域のマイクロ波の電界強度が増大する。容量性負荷セクション２２４は、インピーダンス整合セクション２２２から受け取られるマイクロ波エネルギーが、容量性負荷セクション２２４を通り、容量性負荷セクション２２４によって受け入れられるプラズマトーチ３００まで伝播するのを促進するように構成されている。幾つかの実施形態では、容量性負荷セクション２２４は、隆起導波路又は二重隆起導波路を備えることができる。例えば、容量性負荷セクション２２４は、より詳細に後述するように、チャンバ２００の縦軸に沿って延在する１つ以上の隆起部２１８を備えることができる。例えば、１つ以上の隆起部２１８は、金属又は誘電性材料から構成することができる。
図２、図３ａ及び図３ｂに示すように、マイクロ波チャンバ２００の容量性負荷セクション２２４は、プラズマトーチ３００の一部を受け入れるように構成された第１の開口部２２６を画定し、プラズマトーチ３００の一部を受け入れるように構成された第２の開口部２２８を画定する。第１の開口部２２６は、容量性負荷セクション２２４の第１の壁２２４ａを通って空洞２１４内に延在し、第２の開口部２２８は、容量性負荷セクション２２４の第２の壁２２４ｂを通って空洞２１４内に延在し、第２の壁２２４ｂは第１の壁２２４ａと対向する。幾つかの実施形態では、第２の開口部２２８は、プラズマトーチの一部が第２の開口部２２８を通って空洞２１４から出るように突出するのを可能にする。第１の開口部２２６及び第２の開口部２２８は、互いに協働して、第１の開口部２２６及び第２の開口部２２８を通って延在しかつチャンバ２００の縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、容量性負荷セクション２２４内にプラズマトーチ３００を受け入れるように構成されている。第１の開口部２２６及び第２の開口部２２８は、プラズマトーチ３００が容量性負荷構造体２２４の空洞幅を横切って延在しかつそれにわたるようにプラズマトーチ３００を受け入れるように構成されている。例えば、第１の開口部２２６及び第２の開口部２２８を互いに位置合わせするか又は見当合わせすることができ、それらにより、プラズマトーチ３００の長さが、マイクロ波チャンバ２００によって誘導されるマイクロ波エネルギーの伝播の方向に対して実質的に横切る構成において、容量性負荷セクション２２４がプラズマトーチ３００を受け入れることができるようにすることができる。
幾つかの実施形態では、容量性負荷セクション２２４は、第１の大壁及び第２の大壁と第１の小壁及び第２の小壁とを備える実質的に矩形であり、第１の壁２２４ａ及び第２の壁２２４ｂは第１の小壁及び第２の小壁に一致し、内壁構造体２１２の壁２１２ａ、２１２ｂは、容量性負荷セクション２２４のそれぞれ第１の大壁及び第２の大壁を含み、それに沿って、少なくとも１つの隆起部２１８の容量性負荷セクション部分２１８ａが配置されている。
既存の市販のマイクロ波プラズマ源では、導波路は、マイクロ波エネルギーを伝播させるためにマイクロ波波長の少なくとも０．５倍の空洞幅を有するように制限されている。約２．４５５ＧＨｚのマイクロ波周波数での従来の矩形導波路の場合、最小（内部）導波路空洞幅は、６１ｍｍを超える幅であるように限られている。例えば、２．４５５ＧＨｚマイクロ波伝播に対して推奨されるＷＲ３４０の従来の矩形導波路は、８６．４ｍｍ（３．４インチ）の空洞幅を有する。チャンバ２００の内壁構造体２１２の１つ以上の隆起部２１８は、空洞２１４内にマイクロ波の電磁界を形成するように構成され、それにより、特定の周波数のマイクロ波の、その特定の周波数の伝播に好適な従来の矩形導波路の空洞幅より小さい空洞幅を有するマイクロ波チャンバ２００内での伝播を可能にする。したがって、１つ以上の隆起部２１８を備える容量性負荷セクション２２４を設けることにより、特定の周波数でのマイクロ波の伝播を依然として可能にしながら、容量性負荷セクション２２４における空洞幅（容量性負荷セクション空洞幅ＷＲＣ）を低減させることができる。容量性負荷セクション２２４に１つ以上の隆起部２１８を含めることにより、容量性負荷セクション２２４の遮断周波数が低減する。
容量性負荷セクション２２４において空洞幅が低減することは、分光計６００をプラズマトーチ３００に結合することができ、それにより、分光計６００と開始部分３１５との間の距離が低減することを意味する。これにより、より有効な元素分析を可能にすることができる。例えば、プラズマトーチ３００内のプラズマ及び試料は、開始部分３１５からトーチ３００の下流端部３２０までの距離にわたって流れる際、著しく温度が低下し、それにより、形成されたイオンの多くが原子状態に戻るように崩壊し、励起した中性原子の多くは接地状態に戻るように崩壊して、自己吸収をもたらす。したがって、光学分析の場合、プラズマの高温領域から発している観察される光は、検出することができる前に非励起原子の雲を通過する。この通過中、光の一部は、非励起原子によって再吸収される可能性があり、受け取られる光の強度が低下する。こうした場合、試料内の化学物質に対する分光計６００の感度が結果として低下し、受け取られる光の強度と試料内に存在する元素の濃度との間の線形関係から逸脱する可能性がある。質量分析の場合、収集されるイオンの著しい部分が、中性原子に戻るように崩壊している可能性があり、又は、酸素等の他の元素と結合されて、測定される質量スペクトルの分析を複雑にする荷電化合物を形成している可能性がある。しかしながら、チャンバ２００の容量性負荷セクション２２４の空洞幅（ＷＲＣ）が従来の導波路幅より小さいため、結果として、開始点３１０と分光計６００を結合することができるプラズマトーチ３００の下流端部３２０との間の距離が短くなる。その結果、プラズマ及び試料は、従来の矩形マイクロ波導波路空洞に形成されたプラズマと比較して短いこの距離にわたって、それほど温度が低下せず、それにより、改善された元素分析が可能になる。
プラズマトーチ３００内のプラズマは、通常、マイクロ波に対して、従来の矩形導波路より著しく低いインピーダンスを有する。容量性負荷セクション２２４の空洞幅（ＷＲＣ）は、特定の周波数のマイクロ波に対して従来の導波路の空洞幅より小さいため、容量性負荷セクション２２４もまた、マイクロ波に対して従来の矩形導波路より低いインピーダンスを有する。したがって、容量性負荷セクション２２４にプラズマトーチ３００を配置することにより、プラズマにおけるマイクロ波インピーダンスと空洞２１４内のマイクロ波インピーダンスとの間のより密な整合がもたらされ、マイクロ波とプラズマとの間の結合が促進される。より密なインピーダンス整合により、マイクロ波エネルギーのより多くがプラズマによって吸収され、より少ないマイクロ波エネルギーがプラズマによって反射される。幾つかの実施形態では、容量性負荷セクション２２４により、絞り構造体を不要にすることができ、それにより、プラズマ生成システム１０の構造が簡略化する。
幾つかの実施形態では、第２の端部２３０においてマイクロ波チャンバ２００の第２の端部２３０において短絡部として作用するマイクロ波遮断構造体２３２に対して比較的近接してプラズマトーチ３００を位置決めすることにより、更に改善されたインピーダンス整合を達成することができる。幾つかの実施形態では、マイクロ波遮断構造体２３２に対するプラズマトーチ３００の位置決めを調整することにより、磁界強度に対する電界強度の比を制御することができる。マイクロ波遮断構造体２３２は、短絡部においてゼロインピーダンス点（導波路の幅に沿って位置合わせされたゼロ電界及び最大磁界）を有し、インピーダンスは、第２の端部２３０から第１の端部２２０に向かって徐々に上昇し、電界Ｅを増大させ磁界Ｈを低減させる。上述したように、マイクロ波遮断構造体２３２は調整可能とすることができ、プラズマトーチを受け入れる容量性負荷セクション２２４における位置の間の距離の選択を可能にし、それにより、トーチ位置における局所インピーダンスをプラズマインピーダンスに整合させる。この距離は、比較的小さく、例えば、１ｍｍ〜３０ｍｍである。こうした配置には、プラズマが短絡部に近接しており、それにより、磁界成分が、本質的にプラズマトーチ３００の中心横軸と軸方向に位置合わせされ、そのためプラズマに対して軸方向である、という利点がある。軸方向磁界（ｘ軸に沿って位置合わせされている）は、単独で又は横電界と組合せて、分光法のための発光源及びイオン源として作用するための正確な形状のプラズマを形成するのに非常に望ましい。
幾つかの実施形態では、容量性負荷セクション２２４の空洞幅（ＷＲＣ）は、第１の端部セクション２２０ａにおける空洞幅（ＷＣ）より小さい。例えば、容量性負荷セクション２２４の空洞幅（ＷＲＣ）は、第１の端部セクション２２０ａにおける空洞幅（ＷＣ）より２．５分の１以上小さい可能性がある。第１の端部セクション２２０ａは、容量性負荷セクション２２４の空洞幅より大きい空洞幅を有する場合、より大きいマイクロ波インピーダンスも有することになる。大きいインピーダンスの領域とより低いインピーダンスの領域との間のインピーダンスの不連続性により、不連続部においてマイクロ波の反射がもたらされる可能性がある。インピーダンス整合セクション２２２は、第１の端部セクション２２０ａのインピーダンスを容量性負荷セクション２２４のインピーダンスと整合させることにより、第１の端部セクション２２０ａから容量性負荷セクション２２４内へのマイクロ波エネルギーの伝播を促進するように構成されている。このように、反射されるパワーを低減させることができ、パワーの伝送を改善し、場合によっては最適化することができる。
幾つかの実施形態では、内壁構造体２１２の空洞幅（ＷＣ）がチャンバ２００の縦軸に沿って容量性負荷セクション２２４に向かって徐々に低減するように、インピーダンス整合セクション２２２を構成することができる。したがって、空洞幅（ＷＣ）は、第１の端部セクション２２０ａにおける空洞横幅から容量性負荷セクション２２４における空洞横幅（ＷＲＣ）まで低減させることができる。例えば、インピーダンス整合セクション２２２は、第１の端部セクション２２０ａから容量性負荷セクション２２４に向かって実質的に内向きにテーパー状とすることができ、それにより、空洞横幅（ＷＣ）は、チャンバ２００の縦軸に沿って容量性負荷セクション２２４に向かって線形に低減する。幾つかの実施形態では、インピーダンス整合セクション２２２は、形状を実質的に矩形とすることができ、インピーダンス整合セクション２２２の小壁のうちの少なくとも一方は、チャンバ２００の縦軸に沿って容量性負荷セクション２２４に向かってテーパー状となることができる。例えば、幾つかの実施形態では、インピーダンス整合セクション２２２は、空洞幅（ＷＣ）を低減させるように傾斜しているか又はテーパー状であるインピーダンス整合セクション２２２の小壁のうちの一方を有するのみである場合があり、インピーダンス整合セクション２２２の対向する小壁は、実質的に直線状であるか又は平面であり、容量性負荷セクション２２４の隣接する壁と実質的に連続した壁を形成することができる。
幾つかの実施形態では、チャンバの縦軸に沿って延在するインピーダンス整合セクション２２２の長さは、約２００ｍｍのマイクロ波波長に対して約８０ｍｍ〜１００ｍｍであって、第１の端部セクション２２０ａと容量性負荷セクション２２４との間に好適な結合を達成することができる。
幾つかの実施形態では、インピーダンス整合セクション２２２は、第１の端部セクション２２０ａのインピーダンスを容量性負荷セクション２２４のインピーダンスと整合させる、１／４波長インピーダンス変成器等のマイクロ波インピーダンス変成器（図示せず）を備えることができる。幾つかの実施形態では、インピーダンス整合セクション２２２は、セクションインピーダンス整合セクション２２２における空洞２１４のインピーダンスが選択的に調整されるのを可能にするように、空洞２１４内に配置されたスタブ又はポスト（図示せず）を備えることができる。
図に示すように、空洞２１４の高さ（ＨＣ）は、第１の端部２２０と第２の端部２３０との間で（インピーダンス整合セクション２２２及び容量性負荷セクション２２４を含む）マイクロ波チャンバ２００を通して実質的に均一である。しかしながら、幾つかの実施形態では、空洞高さＨＣは、第１の端部２２０と第２の端部２３０との間で変化する可能性があることが理解されよう。幾つかの実施形態では、空洞高さＨＣは、チャンバ２００の第１の端部２２０における空洞幅ＷＣのおよそ半分とすることができる。
上述したように、１つ以上の隆起部２１８は、マイクロ波チャンバ２００の縦軸に沿ってかつ空洞２１４内に延在し、隆起部２１８の近くの空洞２１４の領域に対して容量的に負荷をかけ（capacitively load）、それにより、それらの領域におけるマイクロ波の電界を増大させる。
ここで図３ａ、図５ａ及び図５ｂを参照すると、１つ以上の隆起部２１８は、各々、マイクロ波チャンバ２００の内壁構造体２１２のそれぞれの壁から空洞２１４内に延在することができ、マイクロ波チャンバ２００の中心線に沿って延在することができる。１つ以上の隆起部２１８は、横方向における隆起部高さ（ＨＲ）、別の横軸に沿った隆起部幅（ＷＲ）、及びチャンバ２００の縦軸に沿った隆起部長さ（ＬＲ）を有することができる。隆起部の高さ（ＨＲ）は、隆起部表面２１８ｃとそれが延在する起点であるそれぞれの壁２１２ａ、２１２ｂとの間の最大の垂直離隔距離によって画定することができる。
幾つかの実施形態では、マイクロ波チャンバ２００は、二重隆起導波路を備えることができる。例えば、２つの隆起部２１８は、内壁構造体２１２の２つの対向する壁２１２ａ及び２１２ｂから突出することができる。例えば、第１の隆起部２１８は、内壁構造体２１２の第１の壁２１２ａから突出し、チャンバの縦軸に沿って延在することができ、第１の隆起部２１８と対向する第２の隆起部２１８が、内壁構造体２１２の第２の壁２１２ｂから突出し、チャンバ２００の縦軸に沿って延在することができる。第１の隆起部２１８の高さ（ＨＲ）は、第２の隆起部２１８の高さ（ＨＲ）と実質的に同じである場合もあれば異なる場合もある。同様に、第１の隆起部２１８の長さ（ＬＲ）は、第２の隆起部２１８の長さ（ＬＲ）と実質的に等しい場合もあれば異なる場合もある。
１つ以上の隆起部２１８は、容量性負荷セクション２２４の長さに沿って延在することができ、インピーダンス整合セクション２２２の全長又は少なくともその長さの一部に沿って延在することができる。例えば、図３ａに示すように、１つ以上の隆起部２１８は、実質的テーパー状部分２１８ａと容量性負荷セクション部分２１８ｂとを備えることができる。例えば、内壁構造体２１２のインピーダンス整合セクション２２２は、１つ以上の隆起部２１８のテーパー状部分２１８ａを備えることができ、内壁構造体２１２の容量性負荷セクション２２４は、容量性負荷セクション部分２１８ｂを備えることができる。幾つかの実施形態では、隆起部２１８のテーパー状部分２１８ａは、インピーダンス整合セクション２２２の全長に沿って延在することができ、容量性負荷セクション部分２１８ｂは、容量性負荷セクション２２４の全長に沿って延在することができる。
再び図３ａを参照すると、インピーダンス整合セクション２２２における空洞幅（ＷＣ）は、容量性負荷セクション２２４に向かってチャンバ２００の縦軸に沿って低減するため、インピーダンス整合セクション２２２のテーパー状隆起部２１８ａは、外側に広がるか又はテーパー状となり、それにより、その幅は、チャンバ２００の縦軸に沿って増大する。幾つかの実施形態では、隆起部２１８の隆起部幅（ＷＲ）は、チャンバ２００の縦軸に沿ってインピーダンス整合セクション２２２から容量性負荷セクション２２４に向かって延在するに従って増大する。例えば、テーパー状隆起部２１８ａは、容量性負荷セクション２２４における容量性負荷セクション部分２１８ｂの幅と一致するように外側に広がることができる。インピーダンス整合セクション２２２のテーパー状隆起部２１８ａもまた、外側に広がるか又はテーパー状となり、それにより、その高さは、チャンバ２００の縦軸に沿って増大する。幾つかの実施形態では、隆起部２１８の隆起部高さ（ＨＲ）は、チャンバ２００の縦軸に沿ってインピーダンス整合セクション２２２から容量性負荷セクション２２４に向かって延在するに従って増大する。幾つかの実施形態では、チャンバ２００の縦軸に沿ってテーパー状隆起部２１８ａの寸法が増大することにより、チャンバ２００の空洞幅（ＷＣ）がチャンバ２００の縦軸に沿って低減していても、第１の端部セクション２２０ａからのマイクロ波が、インピーダンス整合セクション２２２を通り容量性負荷セクション２２４内に伝播することができる。したがって、インピーダンス整合セクション２２２は、マイクロ波エネルギーが第１の端部セクション２２０ａから容量性負荷セクション２２４内に伝播するのを促進することができる。外側に広がるか又はテーパー状になることによって高さ及び幅がチャンバ２００の縦軸に沿って増大するテーパー状隆起部２１８ａを設けることにより、幅のみがテーパー状となるテーパー状隆起部２１８ａを有するインピーダンス整合セクション２２によってもたらされる可能性のある空気中の絶縁破壊に起因するスパークの生成を軽減することができる。
幾つかの実施形態では、チャンバ２００の縦軸に沿って幅及び高さの両方が増大するテーパー状隆起部２１８ａとは対照的に、図６ａ及び図６ｂに示すように、内壁構造体２１２のインピーダンス整合セクション２２２の１つ以上の隆起部２１８は、高さのみが増大する１つ以上のテーパー状隆起部６２１８ａを備えることができる。テーパー状隆起部６２１８ａは、チャンバ３００の縦軸に沿って高さ（横ｙ次元における隆起部高さ）を増大させることができるが、実質的に均一の幅を維持する。インピーダンス整合セクション２２２におけるテーパー状隆起部６２１８ａの隆起部高さは、容量性負荷セクション２２４における容量性負荷セクション部分２１８ｂの隆起部高さ（ＨＲ）と一致するまで増大することができる。インピーダンス整合セクション２２２における隆起部高さを増大させることにより、上記で記載したように、空洞２１４のインピーダンスを徐々に変化させ、第１の端部セクション２２０ａから容量性負荷セクション２２４内へのマイクロ波の伝播を促進することができる。
他の実施形態では、テーパー状隆起部２１８ａは、インピーダンス整合セクション２２２に沿って隆起部横幅（ＷＲ）及び隆起部横高さの両方を増大させることができる。幾つかの実施形態では、１つ以上の隆起部２１８は、空洞２１４の中心に面する側が湾曲形状を有する、多角形断面又は断面形状を有することができる。例えば、隆起部２１８は、正方形、矩形、台形又は半円形として成形された横断面を有することができる。
図５ａ〜図５ｆを参照すると、幾つかの実施形態では、容量性負荷セクション２２４は、隆起部２１８の容量性負荷セクション部分２１８ｂを備え、容量性負荷セクション部分２１８ｂは、空洞２１４内に横ｘ軸に沿って実質的に中心に配置され、内壁構造体２１２の第１の壁２１２ａ及び第２の壁２１２ｂから延在し、チャンバ２００の縦軸ｚに沿って延在している。図５ａに最もよく示すように、横断（ｘ−ｙ）面における容量性負荷セクション２２４の断面は、概して、Ｈ字型を有する空洞２１４の領域を画定し、空洞２１４における容量性負荷セクション部分２１８ｂは、間隙２１３ａによって分離されている。ここでまた図５ｂも参照すると、隆起部２１８の容量性負荷セクション部分２１８ｂは、（ｙ−ｚ面において）側壁２１９ａ及び２１９ｂを備え、側壁２１９ａ、２１９ｂは、内壁構造体２１２とともに、容量性負荷セクション部分２１８ｂを分離する間隙２１３ａの両側に空洞アーム領域２１３ｂも画定する。
幾つかの実施形態では、プラズマトーチ３００と１つ以上の隆起部２１８との間の間隙２１３ａの一部に、誘電体材料を配置することができる。幾つかの実施形態では、マイクロ波遮断構造体２３２の高さは、隆起部の高さ（ＨＲ）と実質的に一致することができ、マイクロ波遮断構造体２３２によって画定される端部アパーチャ２４０は、隆起部２１８の間に設けられた間隙２１３ａとサイズが対応することができる。
図５ａ、図５ｂ及び図５ｃに示すように、幾つかの実施形態では、１つ以上の隆起部２１８の容量性負荷セクション部分２１８ｂは、凹部２２７を画定する。凹部２２７は、第１の開口部２２６及び第２の開口部２２８と協働してプラズマトーチ３００を収容するように構成することができる。例えば、凹部２２７は、プラズマトーチ３００の長さを受け入れるように配置することができる。図５ｃに示すように、２つの隆起部２１８ｂが設けられる幾つかの実施形態では、第１の主面２１２ａから突出する第１の隆起部は第１の凹部２２７ａを画定し、第２の主面２１２ｂから突出する第２の隆起部は第２の凹部２２７ｂを画定する。第１の凹部２２７ａ及び第２の凹部２２７ｂは互いに協働して、円の形状の少なくとも一部を画定することができる。単一の隆起部２１８がある実施形態では、プラズマトーチ３００の少なくとも一部を隆起部２１８と対向する内壁構造体２１２の対向する主面２１２ｂと隆起部２１８の凹部２２７との間に配置することができるように、第１の開口部２２６及び第２の開口部２２８を配置することができる。
内壁構造体２１２は、ｘ軸と、したがってプラズマトーチ３００と軸方向に位置合わせされる横磁界成分（縦Ｚ軸に対して横切る）と、ｙ軸と位置合わせされ、したがってトーチ３００と位置合わせされない横電界成分（縦Ｚ軸に対して横切る）とを生成する。しかしながら、磁界及び電界はともに、トーチ３００内のプラズマと結合し、エネルギーをプラズマ内に伝達する。
図５ｆは、図５ｅに断面が示されている容量性負荷セクション２２４における横電界（ＴＥ０１モード）を有する定在波成分に対する電界強度を示す。図５ｆは、隆起部２１８間の間隙２１３ａにおけるプラズマの予測された電界強度が、空洞２１４内の隣接する空洞アーム領域２１３ｂにおけるより高いことを示す。隆起部間のより高い電界強度を有する間隙２１３ａにおいてプラズマトーチ３００の少なくとも一部を配置することにより、電磁界とトーチ３００内部のプラズマとのより優れた結合を得ることができる。
図５ｄは、定在波マイクロ波電界強度が、空洞２１４に沿って縦ｚ方向において低減することを示す。例えば、第２の端部２３０が短絡している実施形態では、定在波の電界強度は、短絡部からマイクロ波波長の１／４だけ離れた位置で最大であり、短絡部においてゼロになるまで低減する。図５ｃ及び図５ｄに示すように、プラズマトーチ３００が配置される容量性負荷セクション部分２１８ｂの間の凹部２２７における間隙２１３ａでは、プラズマにおけるマイクロ波の電界強度は、凹部２２７に隣接する容量性負荷セクション部分２１８ｂの部分２１８ｃの間の間隙２１３ｃにおける電界強度と比較して更に低減する。
トーチ３００は有限の幅を有するため、図５ｃに示すように、凹部２２７の形状が、トーチ３００の長さに平行な縦軸（ｘ）を中心に対称である場合、トーチ幅（ｚ方向における）を横切る（定在波成分の）電界強度は非対称である。プラズマトーチ３００内の非対称電界強度により、望ましくない非対称なプラズマ断面がもたらされる可能性がある。例えば、この非対称は、プラズマがマイクロ波源に近い方の側でより高温となるようにし、この不均衡が非常に大きく、プラズマの断面形状が完全な輪の代わりに三日月として形成されるようにする可能性があるため、望ましくない。
幾つかの実施形態では、凹部２２７は、ｚ方向に沿った非対称な電界強度を補償し、それにより、凹部２２７を横切るより均一な電界強度をもたらす形状で、形成することができる。したがって、プラズマトーチ３００が容量性負荷セクション２２４（又は容量的に負荷がかけられたセクション）に配置されると、凹部がプラズマトーチ３００の縦軸を中心に対称であった場合より、均一な電界強度が達成される。例えば、より均一な電界強度は、同じ電界強度を有する、凹部におけるその３つ以上の領域において、凹部を横切って少なくとも部分的に均一な電界強度を含むことができる。
図２〜図６の実施形態は、凹部２２７を半円形又は湾曲している（それにより、概して、ｙ−ｚ面において円形状の断面を画定する）ものとして示すが、代わりに、隆起部２１８は、図７ａ、図７ｂ、図８ａ、図８ｂ、図８ｃ、図９ａ及び図９ｂに関連して後述するような他の形状の断面を有する凹部を備えることができることが理解されよう。
図７ａ及び図７ｂは、凹部２２７の一例を示し、それは、凹部２２７の間にプラズマの均一な電界強度をもたらすように、第１の開口部２２６及び第２の開口部２２８を通って延在する横軸を中心とする回転非対称を有するように成形されている。図７ａの図示する実施形態では、容量性負荷セクション部分２１８ａにおける凹部２２７ａは、３つの実質的に平坦な面によって画定され、それらの面は、対向する隆起部２１８ｂにおける対応する凹部２２７ｂとともに、（ｙ−ｚ面、又はプラズマトーチの縦軸に対して垂直な平面における）隆起部２１８の長手方向断面が取り出されるとき、五角形（半五角形又は半菱形状の形状）の少なくとも一部を画定する。
図８ａ、図８ｂ及び図８ｃは、チャンバの縦軸に対して平行な平面に沿った容量性負荷部分２１８ｂの断面を示し、そこでは、凹部２２７は、以下の形状、すなわち弓（図８ａ）、鈍い三角形（図８ｂ）並びに半円形及び矩形の組合せ（図８ｃ）の少なくとも一部を画定する。しかしながら、対向する隆起部２１８の凹部２２７が、多角形の形状等、任意の好適な形状を画定することができることが理解されよう。
幾つかの実施形態では、図９ａ及び図９ｂに示すように、凹部２２７は、第１の開口部２２６と第２の開口部２２８との間の軸２２６ａと実質的に平行でありかつそれに対してｚ軸に沿ってずれている回転軸２２７ｄを有する、半円形の形状の断面を画定することができる。例えば、凹部２２７を通って延在する回転軸２２７ｄは、マイクロ波チャンバ２００の第１の端部２２０及び軸２２６ａの中間であるようにずらすことができる。図９ｂを参照すると、プラズマトーチ３００が開口部２２６、２２８及び凹部２２７に受け入れられるとき、第１の端部２２０（上流側）に近い方のトーチ３００の長手方向面又は壁（及び、したがってトーチ内のプラズマ）は、第１の端部２２０に近い方の凹部２２７の側から、第２の端部２３０（下流側）に近い方のトーチ３００の壁又は側と第２の端部２３０に近い方の凹部２２７の部分との間の距離より大きい距離だけ、分離されるか又は変位する。再び図５ｄを参照すると、（更にｚ方向に沿った）第２の端部２３０に近い方の側におけるプラズマの電界強度の変動は、第１の端部２２０に近い方の側における変動よりはるかに小さい。したがって、凹部２２７が図９ａ及び図９ｂに示すように配置されている実施形態では、プラズマにより均一な電界強度がある可能性がある。こうした実施形態では、凹部２２７によって画定される形状は、凹部２２７内にトーチ３００を受け入れるために、トーチ３００の断面積より大きい面積を有することができる。
図１０を参照すると、例示的なプラズマトーチ３００が示されている。プラズマトーチ３００は、複数の別個のガス流を生成し方向づけるように、石英又はセラミック等の高誘電性材料の幾つかの同心チューブを含むことができる。図示するように、プラズマトーチ３００は、トーチ３００の長さに沿って延在しかつプラズマを受け入れるように配置された外側チューブ３３０を備える。プラズマトーチ３００は、外側チューブ３３０内にかつ実質的に同心状に配置された内側チューブ３５０を備える。内側チューブ３５０は、受端部３１０から外側チューブ３３０を少なくとも部分的に通って延在する。幾つかの実施形態では、プラズマトーチ３００は、外側チューブ３３０内に配置された中間チューブ３４０を備えることができ、内側チューブ３５０は、中間チューブ３４０内に配置することができる。外側チューブ３３０、内側チューブ３００及び中間チューブ３４０は、同心状に位置合わせすることができる。中間チューブ３４０は、受端部３１０から外側チューブ３３０を部分的に通って延在することができ、それにより、中間チューブ３４０の開放した下流端部は、内側チューブ３５０の開放した下流端部に近接しかつそれより更に下流にある。外側チューブ３３０は、ガス源４００からプラズマ形成ガスを受け取るように適合される。内側チューブ３５０は、分析対象の試料を同伴しているキャリアガスを外側チューブ３３０内に供給する。内側チューブ３５０の誘電率は、その周囲の誘電率より高く、したがって、内側チューブ３５０の近くの電界強度は増大する。中間チューブ３４０は、内側チューブ３５０及び中間チューブ３４０の開放した下流端部からプラズマ３１６を隔離するのに役立つように、外側チューブ３３０内に補助ガスを供給するように適合させることができる。プラズマトーチ３００は、例えば、ファッセル（Fassel）トーチとすることができる。
場合によっては、トーチ３００が従来の矩形導波路内部に配置される場合、形成されるプラズマ３１６は、内側チューブ３５０の端部と接触する可能性があり、それによって端部が腐食し、最終的に内側チューブ３５０、したがってトーチ３００が破壊される。しかしながら、マイクロ波チャンバ２００の容量性負荷セクション２２４内にプラズマトーチ３００を配置することにより、図８に示すように、（開始部分３１５に隣接する）内側チューブ３５０の開放した下流端部は、隆起部２１８ｂの上流縁２１８ｃのすぐ手前で停止する。形成されたプラズマ３１６の開始部分３１５は、高電界領域２１３ａに又はその近くに配置することができ（図５ｅ及び図５ｆを参照）、一方で、トーチの内側チューブ３５０は、より電界の低い領域で、プラズマ３１６から分離されたままである。近くの電界強度を増大させるトーチチューブ３３０及び３５０を更に可能にすることにより、電界強度は、プラズマ３１６が内側チューブ３５０と接触するリスクを大幅に低減するのに十分に低いままであり続けることができる。
図１１を参照すると、幾つかの実施形態によるマイクロ波刺激プラズマ生成の方法が示されている。本方法は、上述したマイクロ波チャンバ２００内で実施することができる。方法７００は、７０２において、マイクロ波チャンバ２００の容量性負荷セクション又は容量的に負荷がかけられたセクション２２４に、プラズマ形成ガスを含むプラズマトーチ３００を配置することと、７０４において、マイクロ波エネルギーをチャンバ２００の第１の端部２１０に供給することと、７０６において、マイクロ波エネルギーを第１の端部２１０から容量性負荷セクション２２４及びプラズマトーチ３００まで伝播させて、プラズマトーチ３００内でプラズマを生成しかつ維持することとを含む。
幾つかの実施形態では、本方法は、７０８において、チャンバの第２の端部２３０を通るマイクロ波エネルギーの伝播を実質的に阻止する一方で、第２の端部に配置された端部アパーチャ２４０を通る光学的な光の通過を可能にすることを更に含む。
幾つかの実施形態では、容量的に負荷がかけられたセクション２２４にプラズマトーチ３００を配置することは、プラズマトーチが、チャンバ２００の空洞の幅を横切り、チャンバ２００の縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って延在するように、プラズマトーチを容量性負荷セクション２２４内に配置することを含む。幾つかの実施形態では、容量的に負荷がかけられたセクション２２４にプラズマトーチ３００を配置することは、容量性負荷セクション２２４内に配置された１つ以上の隆起部２１８のうちの少なくとも１つによって画定された凹部２２７内に、プラズマトーチ３００の一部を配置することを更に含む。例えば、幾つかの実施形態では、プラズマトーチ３００の少なくとも一部を、容量性負荷セクション２２４内の第１の隆起部２１８と第１の隆起部２１８と対向する第２の隆起部２１８との間に配置することができる。
プラズマを開始しかつ維持することができる磁界パターン及び電界パターンの組合せは、第１の開口部２２６及び第２の開口部２２２８を通って延在する軸、すなわち、空洞のｘ軸寸法の大部分の長さにわたって存在するが、隆起部２１８の外側より隆起部２１８を含む領域の方が比較的強力である。プラズマが開始する開始部分３１５は、トーチ３００の位置及びトーチ３００内のガス流によって決まり、プラズマトーチをｘ軸に沿って空洞２１４内外に更に移動させることによって調整することができる。中間チューブ３４０がチャンバ２００の外壁と隆起部２１８の最も近い縁との間に配置されるようにトーチ３００が配置される場合、中間チューブ３４０は、磁界及び電界が比較的低い領域にある。それが隆起部２１８から遠すぎないと想定すると、プラズマは、磁界及び電界が隆起部２１８の開始部において急峻に上昇する点において形成される可能性が高くなり、したがって、プラズマは、内側チューブに戻るように移動して内側チューブを過熱する可能性は低くなる。トーチ３００が引き出されるのが遠すぎる（内側チューブ３５０が、例えば、完全に空洞の外側に配置されている）場合、トーチ３００内のガス流は、プラズマの形成に役立つ可能性が低くなり、プラズマは発光しない可能性がある。幾つかの実施形態では、開始点は、トーチ３００の内側チューブ３５０からおよそ０ｍｍ〜５ｍｍであり、したがって、トーチ３００の内側チューブ３５０を隆起部２１８の縁からおよそ０ｍｍ〜５ｍｍに配置することにより、プラズマは、隆起部２１８の縁において形成される可能性がある。
幾つかの実施形態では、容量的に負荷がかけられたセクション２２４にプラズマトーチ３００を配置することは、図１０に示すように、（開始部分３１５に隣接する）プラズマトーチ３００の内側チューブ３５０の開放した下流端部が、１つ以上の隆起部２１８ｂの上流縁２１８ｃのすぐ手前で停止するように、プラズマトーチを配置することを含む。例えば、プラズマトーチ３００の内側チューブの端部が、容量性負荷セクション２２４の第１の壁２１２ａと第１の壁２１２ａに最も近い１つ以上の隆起部２１８との間に実質的に位置するように、プラズマトーチ３００を配置することができる。
マイクロ波チャンバ２００が、約２．４５ＧＨｚの周波数でマイクロ波を受け取りかつ伝播させるように構成されている例示的な実施形態では、隆起部２１８の容量性負荷セクション部分２１８ｂは、約１４ｍｍの隆起部幅（ＷＲ）を有することができ、容量性負荷セクション２２４は、２４ｍｍ〜３６ｍｍの空洞幅（ＷＲＣ）と約３４ｍｍの空洞高さ（ＨＲＣ）とを有することができる。隆起部２１８は、隆起部高さが約１４ｍｍ（ＨＲ）であり、それにより、対向する隆起部の間に約６ｍｍの間隙２１３ａを残すように、内壁構造体２１２の大壁２１２ａ、２１２ｂから延在することができる。プラズマの開始部分３１５と、分光計６００によってプラズマをサンプリングすることができる位置との間の距離（したがって、プラズマの温度が低下する可能性がある距離）は、わずか約２４ｍｍ〜２８ｍｍ（３ｍｍのチャンバ壁厚さを想定する）まで低減する。これは、トーチが、７２ｍｍ幅の空洞及び３ｍｍの壁厚さを備えた従来の矩形導波路に配置された場合に、プラズマの温度が低下する可能性がある５０ｍｍ〜６０ｍｍの距離よりはるかに小さい。空洞２１４内でマイクロ波エネルギーを吸収するプラズマトーチ３００の最も近い部分からわずかに８ｍｍ〜１０ｍｍの離隔距離で、容量性負荷セクション２２４内に生成されたプラズマに分光計６００を結合することができる。この離隔距離は、プラズマトーチ３００が、７２ｍｍ幅の空洞及び３ｍｍの壁厚さを備えた従来の矩形導波路に配置された場合、２０ｍｍ〜３０ｍｍである。
幾つかの実施形態では、マイクロ波チャンバ２００は、金属のブロックからの機械加工若しくは鍛造、鋳造又は３Ｄ印刷等の既知の技法を用いて、一体的に形成することができる。隆起部２１８及びマイクロ波遮断構造体２３２は、合わせて一体的に形成することができ、又は別個に形成して空洞２１４の壁に取り付けることができる。隆起部２１８及び／又はマイクロ波遮断構造体２３２が別個に形成される幾つかの実施形態では、隆起部２１８及び／又はマイクロ波遮断構造体２３２は、空洞２１４の残りとは異なる材料から形成することができる。幾つかの実施形態では、隆起部２１８は、誘電体材料から別個に形成される。誘電体材料は、マイクロ波に対し透過的である場合、幾つかの実施形態では、マイクロ波チャンバ２００は、空洞の高さ（ＨＲＣ）全体にわたる単一の誘電体隆起部を含むことができる。誘電体はマイクロ波に対して透過的であるが、誘電体隆起部は、静電容量に依然として影響を与える可能性があり、それにより、容量性負荷セクション２２４は、プラズマ生成に対してマイクロ波を提供することができる。マイクロ波に対して透過的である誘電体材料から隆起部２１８が形成される実施形態では、空洞２１４の高さにわたる単一の隆起部２１８がある場合があり、それにより、プラズマトーチ３００を収容するために凹部２２７が設けられる場所を除き、主面２１２ａ、２１２ｂの間に間隙がない。
幾つかの実施形態では、容量性負荷セクション２２４は、別個の又は分離した構成要素として提供することができる。容量性負荷セクション２２４は、本明細書に記載したように、第１の端部２２０、遷移セクション又はインピーダンス整合セクション２２２及び第２の端部２３０等、チャンバ２００の他の構成要素に取り付けることができる。それらの構成要素は、各構成要素の内壁構造体２１２の間の電気伝導を可能にする任意の好適な手段によって、互いに取り付けることができる。幾つかの実施形態では、容量性負荷セクション２２４は、ボルト又はねじ等の固定構成要素を収容するフランジ（図示せず）を設けることにより、他の構成要素に結合されるように適合される。代替的に、容量性負荷セクション２２４は、第１の端部２２０、インピーダンス整合セクション２２２及び第２の端部２３０のうちの任意の１つ又は全てと一体的に形成することができる。
幾つかの実施形態では、マイクロ波チャンバ２００は、例えば、図３ａ、図６ａ及び図９ａに示す断面のうちの任意のものと一致する別個の横方向セクションから組み立てられる。横方向セクションは、別の横方向セクションに接続される。図６ａ及び図９ａに示す実施形態では、他のセクションは、その鏡像とすることができる。横方向セクションは、例えば、ボルト又はねじ等の固定構成要素を収容するようにフランジ、リップ及び／又はタップ付き孔を設けることにより、互いに取り付けられるように適合させることができる。他の実施形態では、横方向セクションは、互いに半田付け又は溶接することができる。
当業者には、本開示の広い全体的な範囲から逸脱することなく、上述した実施形態に対して多数の変形及び／又は変更を行うことができることが理解されよう。したがって、本実施形態は、全ての点において、限定的ではなく例示的なものとしてみなされるべきである。
本明細書を通して、「備える、含む（comprise）」という用語又は「備える、含む（comprises）」若しくは「備えている、含んでいる（comprising）」等の変形は、述べられている要素、完全体若しくはステップ、又は要素、完全体若しくはステップの群の包含を意味するが、他のいかなる要素、完全体若しくはステップ、又は要素、完全体若しくはステップの群の排除も意味しないことが理解されよう。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
請求項１：
プラズマ生成用のマイクロ波チャンバであって、
マイクロ波エネルギーを生成するマイクロ波源を収容する、前記マイクロ波チャンバの第１の端部における発射構造体と、
前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部と反対側の第２の端部における終端セクションであって、前記チャンバの前記第２の端部からの前記マイクロ波エネルギーの伝播を実質的に阻止するように構成された終端セクションと、
前記第１の端部において前記マイクロ波チャンバ内に受け取られる前記マイクロ波エネルギーを前記第２の端部に向かって誘導する内壁構造体であって、空洞を画定し、
前記第１の端部及び前記第２の端部の中間のインピーダンス整合セクションと、
前記インピーダンス整合セクション及び前記第２の端部の中間の容量性負荷セクションであって、前記チャンバの縦軸に沿って延在する少なくとも１つの隆起部を備える容量性負荷セクションと、
を備える内壁構造体と、
を備え、
該マイクロ波チャンバは、前記容量性負荷セクションの第１の壁を通って延在する第１の開口部と、該容量性負荷セクションの第２の壁を通って延在する第２の開口部とを画定し、該第２の壁は該第１の壁と対向し、
前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、互いに協働して、第１の開口部及び第２の開口部を通って延在しかつ該チャンバの前記縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記容量性負荷セクション内にプラズマトーチを受け入れるように構成されている、マイクロ波チャンバ。
請求項２：
前記少なくとも１つの隆起部は、前記チャンバの中心線に沿って配置されている、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項３：
前記少なくとも１つの隆起部は、前記空洞内に突出する第１の隆起部と、該空洞内に突出する第２の隆起部とを備え、該第２の隆起部は該第１の隆起部と対向する、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項４：
容量性負荷セクションは、第１の大壁及び第２の大壁と第１の小壁及び第２の小壁とを備える実質的矩形セクションを含み、前記壁構造体の前記少なくとも１つの隆起部は、前記第１の大壁及び前記第２の大壁のうちの少なくとも一方に沿って配置され、前記チャンバの前記第１の小壁及び前記第２の小壁は、それぞれ、対向する前記第１の壁及び前記第２の壁を含む、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項５：
前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションに沿って、かつ前記インピーダンス整合セクションの少なくとも一部に沿って延在している、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項６：
前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する容量性負荷セクション部分を備え、前記少なくとも１つの隆起部は、前記インピーダンス整合セクションの長さに沿って延在しかつ前記発射構造体に向かってテーパー状になっているテーパー状部分を備える、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項７：
前記隆起部の前記テーパー状部分は、その長さに沿って高さ及び幅のうちの少なくとも一方がテーパー状になっている、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項８：
前記インピーダンス整合セクションは、前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部において受け取られるマイクロ波エネルギーが前記容量性負荷セクション内に伝播するのを促進するように、該容量性負荷セクションに向かってテーパー状になっている、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項９：
前記インピーダンス整合セクションは、該インピーダンス整合セクション内の前記空洞のインピーダンスが選択的に調整されるのを可能にする、該空洞内に配置されたスタブ又はポストのうちの少なくとも一方を備える、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１０：
前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する容量性負荷セクション部分を備え、該容量性負荷セクション部分は、前記プラズマトーチの少なくとも一部を受け入れる凹部を画定し、前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、前記凹部と協働して前記プラズマトーチを収容する、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１１：
前記凹部は、該凹部を横切る非対称の電界強度を補償するような形状である、請求項１０に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１２：
前記凹部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を通って延在する前記軸を中心に回転非対称性を有するような形状である、請求項１０に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１３：
前記凹部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を通って延在する前記軸と実質的に平行でありかつ該軸からずれている中心軸を有する、丸い形状の少なくとも一部を画定する、請求項１０に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１４：
前記少なくとも１つの隆起部は、前記空洞内に突出しかつ前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する第１の容量性負荷セクション部分を含む第１の隆起部と、前記空洞内に突出しかつ前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する第２の容量性負荷セクション部分を含む第２の隆起部とを備え、前記第１の容量性負荷セクション部分は、前記第２の容量性負荷セクション部分と対向し、前記第１の容量性負荷セクション部分は第１の凹部を画定し、前記第２の容量性負荷セクション部分は第２の凹部を画定し、該第１の凹部及び該第２の凹部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部と協働して前記プラズマトーチを受け入れる、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１５：
前記第１の凹部及び前記第２の凹部は、互いに協働して、円、多角形、弓、鈍い三角形、及び半円形又は矩形の組合せのうちの任意の１つの形態の形状を画定する、請求項１４に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１６：
前記終端セクションに配置された観察ポートを更に備え、該終端セクションは、該観察ポートを通して可視光及び紫外光の通過を可能にするように更に構成されている、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１７：
前記観察ポートは、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に延在する前記プラズマトーチの一部の側面からの観察を可能にするように、前記空洞の一部のみにわたり、前記終端セクションは、実質的にＣ字型の断面輪郭を有する、請求項１６に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１８：
前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に延在するプラズマトーチを更に備える、請求項１に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項１９：
プラズマ生成用のマイクロ波チャンバであって、
マイクロ波エネルギーを生成するマイクロ波源を収容する、前記マイクロ波チャンバの第１の端部における発射構造体と、
前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部と反対側の第２の端部における終端セクションであって、前記チャンバの前記第２の端部からの前記マイクロ波エネルギーの伝播を実質的に阻止するように構成された終端セクションと、
前記第１の端部において前記マイクロ波チャンバ内に受け取られる前記マイクロ波エネルギーを前記第２の端部に向かって誘導する内壁構造体であって、空洞を画定し、
前記第１の端部及び前記第２の端部の中間のインピーダンス整合セクションと、
前記インピーダンス整合セクション及び前記第２の端部の中間の容量性負荷セクションであって、前記チャンバの縦軸に沿って延在する少なくとも１つの隆起部を備える容量性負荷セクションと、
を備える内壁構造体と、
を備え、
該マイクロ波チャンバは、前記容量性負荷セクションの第１の壁を通って延在する第１の開口部と、該容量性負荷セクションの第２の壁を通って延在する第２の開口部とを画定し、該第２の壁は該第１の壁と対向し、
前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、互いに協働して、該第１の開口部及び該第２の開口部を通って延在しかつ該チャンバの前記縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記容量性負荷セクション内にプラズマトーチを受け入れるように構成され、
前記インピーダンス整合セクションは、該マイクロ波チャンバの前記第１の端部において受け取られるマイクロ波エネルギーの前記容量性負荷セクション内への伝播を促進するように、該容量性負荷セクションに向かってテーパー状になっている、
マイクロ波チャンバ。
請求項２０：
前記容量性負荷セクションは、第１の大壁及び第２の大壁と第１の小壁及び第２の小壁とを備える実質的矩形セクションを含み、前記壁構造体の前記少なくとも１つの隆起部は、前記第１の大壁及び前記第２の大壁のうちの少なくとも一方に沿って配置され、前記第１の小壁及び前記第２の小壁は、それぞれ、対向する前記第１の壁及び前記第２の壁を含む、請求項１９に記載のマイクロ波チャンバ。
請求項２１：
マイクロ波チャンバにおけるマイクロ波刺激プラズマ生成方法であって、
マイクロ波チャンバの実質的に矩形の容量的に負荷がかけられたセクションに、プラズマ形成ガスを含むプラズマトーチを配置することであって、その際、該プラズマトーチは、前記チャンバの空洞の幅を横切って延在し、前記チャンバの縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記実質的に矩形の容量的に負荷がかけられたセクションの対向する第１の小壁及び第２の小壁にそれぞれ配置された、協働する第１の開口部及び第２の開口部によって受け入れられ、前記容量的に負荷がかけられたセクションは、前記縦軸に沿って延在する１つ以上の隆起部を備えることと、
前記チャンバの第１の端部にマイクロ波エネルギーを供給することと、
前記マイクロ波チャンバ内のマイクロ波エネルギーを前記第１の端部から前記容量性負荷セクション及び前記プラズマトーチに伝播させて、該プラズマトーチ内でプラズマを生成しかつ維持することと、
を含む、方法。
請求項２２：
前記マイクロ波チャンバの第２の端部を通るマイクロ波エネルギーの伝播を実質的に防止する一方で、該第２の端部に配置された端部アパーチャを通る可視光及び紫外光の通過を可能にすることを更に含む、請求項２１に記載の方法。
請求項２３：
前記容量的セクションに前記プラズマトーチを配置することは、前記容量性負荷セクションにおける前記１つ以上の隆起部と該容量的に負荷がかけられたセクションの壁との間に前記プラズマトーチの少なくとも一部を配置することを含む、請求項２１に記載の方法。
請求項２４：
前記容量的セクションに前記プラズマトーチを配置することは、前記１つ以上の隆起部によって画定される凹部内に前記プラズマトーチの少なくとも一部を配置することを含む、請求項２３に記載の方法。
請求項２５：
前記容量的に負荷がかけられたセクションに前記プラズマトーチを配置することは、該プラズマトーチの内側チューブの端部が、前記容量性負荷セクションの壁と前記壁に最も近い前記１つ以上の隆起部との間に実質的に位置するように、前記容量性負荷セクション内に前記プラズマトーチを配置することを含む、請求項２３に記載の方法。
請求項２６：
請求項１〜２０のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバにおけるマイクロ波刺激プラズマ生成方法であって、
前記マイクロ波チャンバの容量的に負荷がかけられたセクションに、プラズマ形成ガスを含むプラズマトーチを配置することであって、その際、該プラズマトーチは、前記チャンバの空洞の幅を横切って、前記チャンバの縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って延在することと、
前記チャンバの第１の端部にマイクロ波エネルギーを供給することと、
前記マイクロ波チャンバ内のマイクロ波エネルギーを前記第１の端部から前記容量性負荷セクション及び前記プラズマトーチに伝播させて、該プラズマトーチ内にプラズマを生成しかつ維持することと、
を含む、方法。

Claims (22)

  1. プラズマ生成用のマイクロ波チャンバであって、
    マイクロ波エネルギーを生成するマイクロ波源を収容する、前記マイクロ波チャンバの第１の端部における発射構造体と、
    前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部と反対側の第２の端部における終端セクションであって、前記チャンバの前記第２の端部からの前記マイクロ波エネルギーの伝播を実質的に阻止するように構成された終端セクションと、
    前記第１の端部において前記マイクロ波チャンバ内に受け取られる前記マイクロ波エネルギーを前記第２の端部に向かって誘導する内壁構造体であって、空洞を画定し、
    前記第１の端部及び前記第２の端部の中間のインピーダンス整合セクションと、
    前記インピーダンス整合セクション及び前記第２の端部の中間の容量性負荷セクションであって、前記チャンバの縦軸に沿って延在する少なくとも１つの隆起部を備える容量性負荷セクションと、
    を備える内壁構造体と、
    を備え、
    該マイクロ波チャンバは、前記容量性負荷セクションの第１の壁を通って延在する第１の開口部と、該容量性負荷セクションの第２の壁を通って延在する第２の開口部とを画定し、該第２の壁は該第１の壁と対向し、
    前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、互いに協働して、第１の開口部及び第２の開口部を通って延在しかつ該チャンバの前記縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記容量性負荷セクション内にプラズマトーチを受け入れるように構成され、
    前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する容量性負荷セクション部分を備え、該容量性負荷セクション部分は、前記プラズマトーチの少なくとも一部を受け入れる凹部を画定し、前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、前記凹部と協働して前記プラズマトーチを収容し、
    前記凹部は、該凹部を横切る非対称の電界強度を補償するような形状である、マイクロ波チャンバ。
  2. プラズマ生成用のマイクロ波チャンバであって、
    マイクロ波エネルギーを生成するマイクロ波源を収容する、前記マイクロ波チャンバの第１の端部における発射構造体と、
    前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部と反対側の第２の端部における終端セクションであって、前記チャンバの前記第２の端部からの前記マイクロ波エネルギーの伝播を実質的に阻止するように構成された終端セクションと、
    前記第１の端部において前記マイクロ波チャンバ内に受け取られる前記マイクロ波エネルギーを前記第２の端部に向かって誘導する内壁構造体であって、空洞を画定し、
    前記第１の端部及び前記第２の端部の中間のインピーダンス整合セクションと、
    前記インピーダンス整合セクション及び前記第２の端部の中間の容量性負荷セクションであって、前記チャンバの縦軸に沿って延在する少なくとも１つの隆起部を備える容量性負荷セクションと、
    を備える内壁構造体と、
    を備え、
    該マイクロ波チャンバは、前記容量性負荷セクションの第１の壁を通って延在する第１の開口部と、該容量性負荷セクションの第２の壁を通って延在する第２の開口部とを画定し、該第２の壁は該第１の壁と対向し、
    前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、互いに協働して、第１の開口部及び第２の開口部を通って延在しかつ該チャンバの前記縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記容量性負荷セクション内にプラズマトーチを受け入れるように構成され、
    前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する容量性負荷セクション部分を備え、該容量性負荷セクション部分は、前記プラズマトーチの少なくとも一部を受け入れる凹部を画定し、前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、前記凹部と協働して前記プラズマトーチを収容し、
    前記凹部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を通って延在する前記軸を中心に回転非対称性を有するような形状である、マイクロ波チャンバ。
  3. プラズマ生成用のマイクロ波チャンバであって、
    マイクロ波エネルギーを生成するマイクロ波源を収容する、前記マイクロ波チャンバの第１の端部における発射構造体と、
    前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部と反対側の第２の端部における終端セクションであって、前記チャンバの前記第２の端部からの前記マイクロ波エネルギーの伝播を実質的に阻止するように構成された終端セクションと、
    前記第１の端部において前記マイクロ波チャンバ内に受け取られる前記マイクロ波エネルギーを前記第２の端部に向かって誘導する内壁構造体であって、空洞を画定し、
    前記第１の端部及び前記第２の端部の中間のインピーダンス整合セクションと、
    前記インピーダンス整合セクション及び前記第２の端部の中間の容量性負荷セクションであって、前記チャンバの縦軸に沿って延在する少なくとも１つの隆起部を備える容量性負荷セクションと、
    を備える内壁構造体と、
    を備え、
    該マイクロ波チャンバは、前記容量性負荷セクションの第１の壁を通って延在する第１の開口部と、該容量性負荷セクションの第２の壁を通って延在する第２の開口部とを画定し、該第２の壁は該第１の壁と対向し、
    前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、互いに協働して、第１の開口部及び第２の開口部を通って延在しかつ該チャンバの前記縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記容量性負荷セクション内にプラズマトーチを受け入れるように構成され、
    前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する容量性負荷セクション部分を備え、該容量性負荷セクション部分は、前記プラズマトーチの少なくとも一部を受け入れる凹部を画定し、前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、前記凹部と協働して前記プラズマトーチを収容し、
    前記凹部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部を通って延在する前記軸と実質的に平行でありかつ該軸からずれている中心軸を有する、丸い形状の少なくとも一部を画定する、マイクロ波チャンバ。
  4. プラズマ生成用のマイクロ波チャンバであって、
    マイクロ波エネルギーを生成するマイクロ波源を収容する、前記マイクロ波チャンバの第１の端部における発射構造体と、
    前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部と反対側の第２の端部における終端セクションであって、前記チャンバの前記第２の端部からの前記マイクロ波エネルギーの伝播を実質的に阻止するように構成された終端セクションと、
    前記第１の端部において前記マイクロ波チャンバ内に受け取られる前記マイクロ波エネルギーを前記第２の端部に向かって誘導する内壁構造体であって、空洞を画定し、
    前記第１の端部及び前記第２の端部の中間のインピーダンス整合セクションと、
    前記インピーダンス整合セクション及び前記第２の端部の中間の容量性負荷セクションであって、前記チャンバの縦軸に沿って延在する少なくとも１つの隆起部を備える容量性負荷セクションと、
    を備える内壁構造体と、
    を備え、
    該マイクロ波チャンバは、前記容量性負荷セクションの第１の壁を通って延在する第１の開口部と、該容量性負荷セクションの第２の壁を通って延在する第２の開口部とを画定し、該第２の壁は該第１の壁と対向し、
    前記第１の開口部及び前記第２の開口部は、互いに協働して、第１の開口部及び第２の開口部を通って延在しかつ該チャンバの前記縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記容量性負荷セクション内にプラズマトーチを受け入れるように構成され、
    前記終端セクションに配置された観察ポートを更に備え、該終端セクションは、該観察ポートを通して可視光及び紫外光の通過を可能にするように更に構成されている、マイクロ波チャンバ。
  5. 前記観察ポートは、前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に延在する前記プラズマトーチの一部の側面からの観察を可能にするように、前記空洞の一部のみにわたり、前記終端セクションは、実質的にＣ字型の断面輪郭を有する、請求項４に記載のマイクロ波チャンバ。
  6. 前記少なくとも１つの隆起部は、前記チャンバの中心線に沿って配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  7. 前記少なくとも１つの隆起部は、前記空洞内に突出する第１の隆起部と、該空洞内に突出する第２の隆起部とを備え、該第２の隆起部は該第１の隆起部と対向する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  8. 容量性負荷セクションは、第１の大壁及び第２の大壁と第１の小壁及び第２の小壁とを備える実質的矩形セクションを含み、前記壁構造体の前記少なくとも１つの隆起部は、前記第１の大壁及び前記第２の大壁のうちの少なくとも一方に沿って配置され、前記チャンバの前記第１の小壁及び前記第２の小壁は、それぞれ、対向する前記第１の壁及び前記第２の壁を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  9. 前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションに沿って、かつ前記インピーダンス整合セクションの少なくとも一部に沿って延在している、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  10. 前記少なくとも１つの隆起部は、前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する容量性負荷セクション部分を備え、前記少なくとも１つの隆起部は、前記インピーダンス整合セクションの長さに沿って延在しかつ前記発射構造体に向かってテーパー状になっているテーパー状部分を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  11. 前記隆起部の前記テーパー状部分は、その長さに沿って高さ及び幅のうちの少なくとも一方がテーパー状になっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  12. 前記インピーダンス整合セクションは、前記マイクロ波チャンバの前記第１の端部において受け取られるマイクロ波エネルギーが前記容量性負荷セクション内に伝播するのを促進するように、該容量性負荷セクションに向かってテーパー状になっている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  13. 前記インピーダンス整合セクションは、該インピーダンス整合セクション内の前記空洞のインピーダンスが選択的に調整されるのを可能にする、該空洞内に配置されたスタブ又はポストのうちの少なくとも一方を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  14. 前記少なくとも１つの隆起部は、前記空洞内に突出しかつ前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する第１の容量性負荷セクション部分を含む第１の隆起部と、前記空洞内に突出しかつ前記容量性負荷セクションの長さに沿って延在する第２の容量性負荷セクション部分を含む第２の隆起部とを備え、前記第１の容量性負荷セクション部分は、前記第２の容量性負荷セクション部分と対向し、前記第１の容量性負荷セクション部分は第１の凹部を画定し、前記第２の容量性負荷セクション部分は第２の凹部を画定し、該第１の凹部及び該第２の凹部は、前記第１の開口部及び前記第２の開口部と協働して前記プラズマトーチを受け入れる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  15. 前記第１の凹部及び前記第２の凹部は、互いに協働して、円、多角形、弓、鈍い三角形、及び半円形又は矩形の組合せのうちの任意の１つの形態の形状を画定する、請求項１４に記載のマイクロ波チャンバ。
  16. 前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に延在するプラズマトーチを更に備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバ。
  17. 前記容量性負荷セクションは、第１の大壁及び第２の大壁と第１の小壁及び第２の小壁とを備える実質的矩形セクションを含み、前記壁構造体の前記少なくとも１つの隆起部は、前記第１の大壁及び前記第２の大壁のうちの少なくとも一方に沿って配置され、前記第１の小壁及び前記第２の小壁は、それぞれ、対向する前記第１の壁及び前記第２の壁を含む、請求項１２に記載のマイクロ波チャンバ。
  18. マイクロ波チャンバにおけるマイクロ波刺激プラズマ生成方法であって、
    マイクロ波チャンバの実質的に矩形の容量的に負荷がかけられたセクションに、プラズマ形成ガスを含むプラズマトーチを配置することであって、その際、該プラズマトーチは、前記チャンバの空洞の幅を横切って延在し、前記チャンバの縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って、前記実質的に矩形の容量的に負荷がかけられたセクションの対向する第１の小壁及び第２の小壁にそれぞれ配置された、協働する第１の開口部及び第２の開口部によって受け入れられ、前記容量的に負荷がかけられたセクションは、前記縦軸に沿って延在する１つ以上の隆起部を備えることと、
    前記チャンバの第１の端部にマイクロ波エネルギーを供給することと、
    前記マイクロ波チャンバ内のマイクロ波エネルギーを前記第１の端部から前記容量性負荷セクション及び前記プラズマトーチに伝播させて、該プラズマトーチ内でプラズマを生成しかつ維持することと、
    前記マイクロ波チャンバの第２の端部を通るマイクロ波エネルギーの伝播を実質的に防止する一方で、該第２の端部に配置された端部アパーチャを通る可視光及び紫外光の通過を可能にすることと、
    を含む、方法。
  19. 前記容量的セクションに前記プラズマトーチを配置することは、前記容量性負荷セクションにおける前記１つ以上の隆起部と該容量的に負荷がかけられたセクションの壁との間に前記プラズマトーチの少なくとも一部を配置することを含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記容量的セクションに前記プラズマトーチを配置することは、前記１つ以上の隆起部によって画定される凹部内に前記プラズマトーチの少なくとも一部を配置することを含む、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記容量的に負荷がかけられたセクションに前記プラズマトーチを配置することは、該プラズマトーチの内側チューブの端部が、前記容量性負荷セクションの壁と前記壁に最も近い前記１つ以上の隆起部との間に実質的に位置するように、前記容量性負荷セクション内に前記プラズマトーチを配置することを含む、請求項１９に記載の方法。
  22. 請求項１〜１７のいずれか一項に記載のマイクロ波チャンバにおけるマイクロ波刺激プラズマ生成方法であって、
    前記マイクロ波チャンバの容量的に負荷がかけられたセクションに、プラズマ形成ガスを含むプラズマトーチを配置することであって、その際、該プラズマトーチは、前記チャンバの空洞の幅を横切って、前記チャンバの縦軸に対して実質的に垂直な軸に沿って延在することと、
    前記チャンバの第１の端部にマイクロ波エネルギーを供給することと、
    前記マイクロ波チャンバ内のマイクロ波エネルギーを前記第１の端部から前記容量性負荷セクション及び前記プラズマトーチに伝播させて、該プラズマトーチ内にプラズマを生成しかつ維持することと、
    を含む、方法。
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