JP6873152B2 - マイクロ波周波数においてトロイダルプラズマ放電を加熱する電磁場を成形するアダプタ - Google Patents

Description

本発明は、分光測定用途におけるプラズマ励起源としての使用を意図される、トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を形成するアダプタに関する。

回転するプラズマ励起源は、特許文献１から既知である。トーチは、外管と同軸に位置合わせされる内管と、その端がトーチ軸の周りに均等に分散されかつ外管内に配置される少なくとも３つの電極と、から成る。外管の端には、電極が外管の末端縁を始点にトーチの軸に平行して延びるにつれて通過するための、等間隔のスロットが生成される。さらに、トーチアッセンブリは、外管の外径に適合化される、電極用と同数のスロットを含む円筒カップを含む。別の表現において、トーチは、その軸に垂直な２つの平面内に配置される少なくとも６つの電極を特徴とする。この場合、キャップは、同数のスロットを有し、１つ置きのスロットの深さは、平面間の距離に等しい。

特許文献２から知られるマイクロ波誘導プラズマ源は、内部および外部導体により形成される同軸導波管を特徴としていて、内部導体は、螺旋コイル状に形成され、軸方向に置かれる管は、プラズマ形成ガスを導入する働きをし、かつ同軸的に置かれる管は、サンプル入口として機能する。管は、冷却ガスが供給されるチャンバ内に配置され、冷却ガスは、マイクロ波エネルギーを供給する、同軸導波管が連結されるマイクロ波空胴において管の軸に平行して流れる。同軸導波管からマイクロ波エネルギーが漏れる可能性を防止するために、シールドが使用される。シールドの裏には、マイクロ波誘導プラズマ源が生成するプラズマから放出されるイオンの測定を実行するための質量分析計が置かれる。

特許文献３から知られる別のプラズマ源は、マイクロ波エネルギーにより誘導されるプラズマを印加することによるサンプルの分光分析に用いるためのものである。この源は、ＴＥ１０タイプのマイクロ波電力により給電される方形導波管から成る。プラズマトーチは、空胴を通過し、その最大で磁場と同軸に置かれる。

特許文献４に記載されている、マイクロ波励起を用いるプラズマトーチは、プラズマの導電性に影響する可能性もあるプロセスガスにおける著しい圧力変動の状態にあっても、インピーダンスおよび伝送帯域幅等のパラメータが考慮されるプラズマトーチエリアへのマイクロ波の伝送に適する、放電管の周りの単層同軸巻線、外部シールドおよびプラズマ軸と同軸の空胴、同軸の内部導体、を特徴とする。前記プラズマトーチは、安定したプラズマ発生、および極めて良好な調整後点火および再点火特性を可能にする。

非特許文献１において、ＪａｎｋｏｗｓｋｉおよびＲｅｓｚｋｅは、材料工学におけるプラズマ源として、光源−ＥＤＬ（無電極放電灯）として、ならびに発光分光における励起源として、かつ最後に、質量分光におけるイオン化源として使用されるマイクロ波プラズマ空胴について記述している。過去５０年間に渡り、設計者は、マイクロ波プラズマ空胴の様々なモデルを提供してきている。しかしながら、最も効果的であることが判明していて、市販の分光計市場で実質的に優位を占めているものは、高価な高純度原子ガスを残念ながら大量に消費しかつ分子ガスにおける低エネルギー放電の達成が困難であるにも関わらず、Ｈフィールド型カップリングによって高周波で動作する最適化されたプラズマ源ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）である。分子ガスプラズマは、マイクロ波周波数において比較的容易に保全されることが可能であるが、トロイダル形状の放電、すなわちより低温のチャネルをプラズマ軸に保全することができるもの、を達成するとなると、深刻な技術的課題が残る。このようなプラズマ形状は、最良の信号対雑音比を見込むことから、最適なものであることが分かる。実際には、マイクロ波源の構成は全て、プラズマ柱に沿った軸方向電界成分に対するイオン化ガスの電界励起に基づいている。このような構成では、プラズマにおけるエネルギー密度が、プラズマ柱に沿った波動の可能性に起因して制限される。この課題に対しては、このような構成の磁界内にプラズマを置くことがソリューションになると思われるが、対称性のＨフィールド構成を唯一自然に発生できるものは、円形のＴＥ０１１型共振器であり、その最小サイズは、マイクロ波Ｓにおいてその波長における加熱帯域が約１２ｃｍであるものとして、６ｃｍを超えなければならなくなる。さらに、共振器の調整は、その直径の変更を伴わざるを得なくなる。このようなプラズマ空胴構造がどちらかと言えば非実用的とされる理由は、これらの点にある。

特許文献３に示されているように、基本的な発振モードを用いて、方形導波管内に支配的な磁気成分を有する集束場を得ることができる。Ｅフィールド空胴の概念の展開を表す、よりコンパクトな構造は、特許文献２に記載されていて、この場合、同軸−導波管遷移の内部導体のコンパクトな延長としてインダクタが組み込まれる。しかしながら、任意の許容可能な放電管直径に対してこのソリューションを実装することは、実用的でないことが分かっていて、最良の分析結果は、インダクタの関与なしにプラズマ励起が行われる構成でしか得られていない。制限は、ほとんど、実用的な放電管直径が通常１０ｍｍ超であるという事実から生じる。このような直径では、一巻きのソレノイドでも長さが波長の１／４に近く、これは、電流振幅が０から１００％へ変化して、結果的に攪拌の非対称性が大きくなることを含意する。Ｊａｎｋｏｗｓｋｉ、Ｒｅｓｚｋｅ共著の刊行物、非特許文献１は、ＥＰＲ分光法から知られるいわゆるループギャップ共振器、ならびに照明技術からも知られる誘電体共振器を用いるもの等のトロイダルプラズマを発生する他の方法についても記述している。米国特許出願第２０１６０２９４７２号明細書には、ＭＩＣＡＰ（マイクロ波誘導結合大気圧プラズマ）とラベルされる、誘電体共振器を用いる励起源の実用的設計が提案されている。

ポーランド特許第Ｐ．０８６１５号明細書 米国特許第５０８６２５５号明細書 米国特許第６６８３２７２号明細書 欧州特許第１４２１８３２号明細書 米国特許出願第２０１６０２９４７２号明細書

Ｊａｎｋｏｗｓｋｉ、Ｒｅｓｚｋｅ共著「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｌａｓｍａ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ」ＲＳＣ Ｍｏｎｏｇｒａｐｈ Ｓｅｒｉｅｓ ２０１１

本出願に記載するアダプタの本質は、下側と上側のマイクロ波結合接続ブッシング間に延伸される、電磁場を形成する少なくとも２つのエレメントを有することに存し、電磁場の成形は、０〜９０度の範囲の角度で、ピッチ面生成器に対する場成形エレメントの傾斜に対して相対的である。効果的には、下側の接続ブッシングは、同軸線の内部ワイヤへ直に固定（例えば、ねじ止め）されるマイクロ波コネクタを装備する。

効果的には、上側のマイクロ波接続ブッシングは、下側のマイクロ波接続ブッシングへ、互いに平行する導電ロッドの形態である電磁場成形エレメントによって恒久的に付着される。

効果的には、これらのロッドは、螺旋形状である。効果的には、マイクロ波接続部の上側終端のブッシングは、互いに平行するリング（金属ワッシャ）の形式であるマイクロ波電磁場成形エレメントにより、間に誘電体スペーサ（誘電ワッシャ）を挟んで下側の接続部のブッシングと一体化される。

効果的には、マイクロ波接続部の下側および上側のブッシングポートの間に取り付けられる電磁場成形エレメントは、金属管から作られ、前記エレメントは、金属管壁を切断（または、ミリング）することによって形成される。

効果的には、マイクロ波接続部の下側および上側のブッシングポートの間に取り付けられる磁場形成手段は、金属層の形式である誘電体円筒の表面へ、クラッディング（金属化）によって塗布される。

効果的には、磁場成形エレメント間のブッシングは、垂直カット（例えば、ミリング）によって形成される。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形する、ここで提案するアダプタは、励起の軸対称性の最大可能精度を保証しながらＨ型エネルギーをプラズマへ結合することにより、放電形成を可能にする。極端に異なるシナリオでは、Ｈフィールドにおける放電の代わりに、平行リングワッシャの使用により適宜構成されるＥ型電場を用いて放電を励起することが可能である。これらの構造化ワッシャに起因して、プラズマ表面における電場の強さは、プラズマ軸における定義された場の強さが最小値を想定するＨ型刺激の場合がそうであるように、その軸における電場の強さより略高いままである。適切な磁場成形に使用されるアダプタは、実際には、共振空胴の一体部分として考えられる可能性もある。しかしながら、インダクタおよびキャパシタを有する集中回路に類似しかつ分散パラメータを有するマイクロ波共振空胴と一体である構成においてプラズマ励起の対称性を保証しなければならない幾つかの電流導体を有するプラズマシステムの構築には、大きな困難が存在すると思われる。このようなモデルは、おそらくは、複雑な３Ｄプリントを介してより達成可能となり得る。現時点では、外部エレメントとして考えられ、元のマイクロ波空胴構造に集中されかつ結合される場形成アダプタの導入に優位点を認めるほかはない。このようなアダプタは、既存のプラズマ空胴構造体に使用され、かつ、異なる作動ガスを基礎として、目標とするプラズマの寸法、形状および密度に向かって適切に最適化されることが可能である。

導電ロッド（ワイヤ）製の４つの垂直な電磁場形成エレメントを有するアダプタ。 ６つの螺旋セクションから成るＥＭ場形成エレメントを有するアダプタ。 誘電体円筒（金属化）をカットまたは金属クラッディングを塗布することにより形成された４つの螺旋状コンポーネントから成る傾斜した電磁場形成エレメントを有するアダプタ。 誘電体スペーサにより分離された互いに平行するリング（ワッシャ）形状の電磁場形成エレメントを有するアダプタ。 誘電体スペーサにより分離された互いに平行するリング（ワッシャ）形状の電磁場形成エレメントを有するアダプタ。 ブッシングのピッチ面生成に垂直な螺旋コンポーネントで構成される、電磁界成形の電磁場形成エレメントを有するアダプタ。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するためのアダプタは、ブッシング２と下側のマイクロ波コネクタ３との間に取り付けられる４つの磁場形成エレメント１を特徴とする。４つのエレメントは、ブッシング面ピッチ発生器２、３に対して角度０で位置合わせされる。この実施形態において、電磁場形成エレメント１は、互いに平行する導電ロッド（ワイヤ）として現出している。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタは、実施例１と同様に動作するが、この場合、磁場形成エレメントは、ブッシング２、３のピッチ表面発生器に対して傾斜される６つの螺旋セクションであることが相違する。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタは、実施例１と同様に動作するが、この場合、磁場形成エレメントは、ブッシング２、３のピッチ表面発生器に対して９０度の角度で配置される６つの平行するワッシャから成る。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタは、実施例１または実施例２と同様に動作するが、この場合、マイクロ波接続部の下側のブッシング３は、マイクロ波空胴内にアダプタを位置合わせする平坦な外部コネクタ４を装備する。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタは、実施例１または実施例２と同様に動作するが、マイクロ波接続部の上側のブッシング２とマイクロ波コネクタの下側のブッシング３との間に延伸される場成形エレメント１は、管から作られ、電磁場形成エレメント１は、ミリングを介して曲げられる。さらに、電磁場１を成形するエレメントの間では、ブッシング２、３内に垂直な切欠き７が作られる。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタは、実施例１または実施例２と同様に動作するが、マイクロ波接続部の上側のブッシング２とマイクロ波接続部の下側のブッシング３との間に電磁場を形成するエレメント１は、誘電体円筒の表面へ金属化を介して、すなわち金属形式の直接的圧着によって貼付される。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタは、実施例１または実施例２と同様に動作する。しかしながら、場形成エレメント間のブッシング２、３には、垂直な切れ目７が作られる。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタは、実施例１または実施例２と同様に動作するが、マイクロ波接続部の上側のブッシング２は、マイクロ波接続部の下側のブッシング３へ、間に誘電体スペーサ９を有して互いに平行するリング（ワッシャ）８の形状で現出する電磁場形成エレメント１によって永続的に接続され、ここで、リングワッシャ８の直径は、誘電体スペーサ９の直径に等しい。

トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタは、実施例８と同様に動作するが、リングワッシャ８の直径が誘電体スペーサ９のそれより大きいことが相違する。

１・・・場形成エレメント、２・・・マイクロ波接続部の上側のブッシング、３・・・マイクロ波接続部の下側のブッシング、４・・・平坦な外部接続部、５・・・絶縁層、６・・・マイクロ波空胴、７・・・切れ目、８・・・リングワッシャ、９・・・誘電体スペーサ距離ワッシャ

Claims (6)

1. トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタであって、マイクロ波接続部の上側のブッシング（２）とマイクロ波接続部の下側のブッシング（３）との間に延伸される少なくとも２つの電磁場形成エレメント（１）を備え、
   前記マイクロ波接続部の上側のブッシング（２）は、前記マイクロ波接続部の下側のブッシング（３）へ、互いに平行しかつ導電性であるロッドの形状を有する前記電磁場形成エレメント（１）によって固定的に接続され、
   前記ロッドは、螺旋セクションの形状に曲げられる、アダプタ。
2. トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタであって、マイクロ波接続部の上側のブッシング（２）とマイクロ波接続部の下側のブッシング（３）との間に延伸される少なくとも２つの電磁場形成エレメント（１）を備え、
   前記マイクロ波接続部の上側のブッシング（２）は、前記マイクロ波接続部の下側のブッシング（３）へ、互いに平行しかつ誘電体スペーサ（９）により分離されるリングワッシャ（８）の形式の前記電磁場形成エレメント（１）によって固定的に接続される、アダプタ。
3. 前記リングワッシャ（８）の直径は、前記誘電体スペーサ（９）の直径と等しいかまたはそれより大きい、請求項２に記載のアダプタ。
4. トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタであって、マイクロ波接続部の上側のブッシング（２）とマイクロ波接続部の下側のブッシング（３）との間に延伸される少なくとも２つの電磁場形成エレメント（１）を備え、前記電磁場形成エレメント（１）は、前記ブッシング（２、３）のピッチ表面発生器に対して０〜９０度の角度で位置合わせされ、
   前記ブッシュ（２、３）内には、前記電磁場形成エレメント（１）の間に垂直なスロット（７）が製造される、アダプタ。
5. 前記マイクロ波接続部の下側のブッシング（３）は、円筒形の外部接続部（４）を装備する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のアダプタ。
6. トロイダルプラズマ放電を加熱するマイクロ波電磁場を成形するアダプタであって、マイクロ波接続部の上側のブッシング（２）とマイクロ波接続部の下側のブッシング（３）との間に延伸される少なくとも２つの電磁場形成エレメント（１）を備え、
   前記マイクロ波接続部の上側のブッシング（２）は、前記マイクロ波接続部の下側のブッシング（３）へ、互いに平行しかつ導電性であるワイヤの形状を有する前記電磁場形成エレメント（１）によって固定的に接続される、アダプタ。

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