JPH0646359U - プラズマ放出源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高周波電力発生器からプラズマ・トーチへ伝
達されるエネルギーを最大にするプラズマ放出源を提供
する。 【鋼性】 高周波電力発生器１２、高周波負荷コイル２
８と組み合わせられたプラズマ・トーチ１４、および高
周波電力発生器１２から高周波負荷コイル２８へ伝送さ
れる電力を自動的かつ連続的に最大にする手段が設けら
れている。上記の手段は、直列位相検出器と分路位相検
出器とを備えインピーダンス整合を連続的に監視するた
めの２位相検出回路網４２と、インピーダンスを自動的
に整合するための可変インピーダンス回路網４４ならび
に制御ユニット４６を有している。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、一般にプラズマ放出源、たとえば電力伝達率が連続的にかつ自動的 に最大にされるプラズマ放出源に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

プラズマ放出源は、サンプルを原子化かつ励振して、サンプルの原子構造の特 徴を示す波長の光を放出させるのに使用される。放出された光は分析プロセスを 完全にするために分光光度計によって検出、測定される。

【０００３】 慣用のプラズマ放出源では、高周波（ＲＦ）エネルギーが高周波発生器からプ ラズマ・トーチへ誘導結合される。液状サンプルは溶剤と混合され、霧状にされ 、かつプラズマ・トーチの炎へ供給される。通常、プラズマ・トーチはアルゴン ・プラズマ放電であり、サンプルおよび溶剤はアルゴン流によってプラズマ・ト ーチの中に運ばれる。

【０００４】 どの高周波発生装置でも同じであるが、高周波数発生器から負荷（すなわちプ ラズマ・トーチ）へ伝達されるエネルギーの効率は両者間のインピーダンス整合 に依存する。従って、最近のプラズマ放出源は、高周波発生器とプラズマ・トー チの間にインピーダンス整合回路網を含む。

【０００５】 たまたま、周知のように、プラズマ・トーチのインピーダンス（詳しく負荷コ イル）は、プラズマ放出源の静的動作パラメータおよび動的動作パラメータの両 方に依存する。プラズマ・トーチのインピーダンスに影響する若干のパラメータ は、サンプルと溶剤の少なくとも一方、プラズマ・トーチの所望の動作温度およ び噴霧器の効率の変化を含む。このような変化を更新するには、オペレータがイ ンピーダンス整合回路網を手動で微細調整することが必要だった。その上、所要 の手動調整を最少にするのを助けるためには、噴霧器の流量調整は極めて重要だ った。それにもかかわらず、変化が通常動的でありかつ実際の測定時間中起るの で、連続的に最大の電力伝達を維持することを極めて難しい。

【０００６】 その結果、プラズマ放出源は、現在では、プラズマ・トーチへの比較的貧弱な 電力伝達を補償するのに過剰の高周波電力入力レベルを必要とし、また特に溶剤 が変更されるときにしばしば調整を必要とする問題点があった。

【０００７】

【考案が解決しようする課題】

したがって本考案の課題は、高周波電力発生器からプラズマ・トーチへ伝達さ れるエネルギーを最大にするプラズマ放出源を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案によればこの課題は以下の構成により解決される。すなわち、 高周波信号を発生するための発信器を有する高周波電力発生器と、前記高周波 信号を増幅する手段と、プラズマを形成するためのガスの入口、および前記プラ ズマ中で原子化されるサンプル混合物の入口を有し、前記高周波電力発生器から 高周波電力を受け取る高周波波負荷コイルが組み合わされたプラズマ・トーチと 、前記高周波電力発生器から前記高周波負荷コイルへ伝送される高周波電力を自 動的にかつ連続的に最大にする手段とが設けられており、該手段は、前記高周波 発生器と前記高周波負荷コイルの間のインピーダンス整合を連続的に監視してイ ンピーダンスの不整合を表わす信号を発生する手段と、該信号に応動して前記高 周波電力発生器のインピーダンスと前記高周波負荷コイルのインピーダンスを自 動的に整合する手段とを有しており、インピーダンス整合を連続的に監視する前 記の手段は２位相検出回路網を有しており、該２位相検出回路網は、直列位相検 出器と分路位相検出器を有しており、前記直列位相検出器は直列不整合信号を発 生し、前記分路位相検出器は分路不整合信号を発生し、インピーダンスを自動的 に整合する前記の手段は、可変インピーダンス回路網と制御ユニットを有してお り、該制御ユニットは、前記の信号に応動して前記可変インピーダンス回路網の インピーダンスを制御し、前記可変インピーダンス回路網は、直列可変インピー ダンス回路網と分路可変インピーダンス回路網を有しており、前記制御ユニット は、前記直列位相検出器の信号に応動する直列可変インピーダンス回路網制御モ ータと、前記分路位相検出器の信号に応動する分路可変インピーダンス回路網制 御モータを有しており、前記直列可変インピーダンス回路網は、固定されたコン デンサと並列に、２つの直列接続された可変コンデンサを有しており、前記分路 可変インピーダンス回路網は、並列接続された２つの可変コンデンサを有してお り、前記直列可変コンデンサおよび前記分路可変コンデンサは空気誘電体形コン デンサである構成を有するプラズマ放出源により解決される。

【０００９】 次に、図面を参照して本考案を詳細に説明する。

【００１０】

【実施例】

図１に示すように、本考案のプラズマ放出源１０は、高周波電力発生器１２、 アルゴン・プラズマ・トーチ１４、およびこれらの間のインピーダンス整合回路 網１６を含む。

【００１１】 高周波電力発生器１２は水晶制御発信器１８を含み、この発信器１８は高周波 エネルギーを高周波ドライバ２０へ供給する。このドライバ２０は、５０Ωの出 力インピーダンスをもつことが望ましい高周波電力増幅器２２へ高周波電力を供 給する。望ましい実施例では、高周波電力発生器１２が２００〜２０００ワット の高周波電力を供給するように設計される。この実施例では、５０Ωの出力イン ピーダンスは同軸線路２４へ接続するのに適する。発振器１８、ドライバ２０お よび電力増幅器２２は全て直流電源２６（整流した交流で動作する）から駆動さ れる。この直流電源２６は、多出力型の単一ユニットでもよいし或は２つの以上 の周知の電源でよい。

【００１２】 プラズマ・トーチ１４は、そのガラス室３０を取り囲む高周波負荷コイル２８ を含む。ガラス室３０は、この実施例では、アルゴン入口３２およびサンプル混 合物入口３４を含む。高周波負荷コイル２８は、４ターンの３．１７ｍｍ（１／ ８インチ）Ｏ．Ｄ．銅またはステンレス鋼製チューブでありかつ低いインピーダ ンスをもつことが望ましい。高周波電力発生器１２はインピータンス整合回路網 １６を通してプラズマ・トーチ１４の高周波負荷コイル２８へ高周波電力を供給 する。すなわち、高周波電力発生器１２の出力端子３６はインピーダンス整合回 路網１６の入力端子３８へ接続され、インピーダンス整合回路網１６の出力端子 ４０は高周波負荷コイル２８へ直接接続されている。

【００１３】 インピーダンス整合回路網１６は、図２により詳細に示されており、２位相検 出回路網４２、可変インピーダンス回路網４４および制御ユニット４６を含む。 ２位相検出回路網４２はインピーダンス整合回路網１６の入力端子３８へ接続さ れかつ可変インピーダンス回路網４４と直列に接続される。この可変インピーダ ンス回路網４４は高周波負荷コイル２８に給電する。

【００１４】 ２位相検出回路網４２は、図３に詳しく示す直列位相検出器４８および分路位 相検出器５０を含む。直列位相検出器４８、分路位相検出器５０は、電圧の位相 および電流の位相を検知するそれぞれピックアップ・コイル５２，５４を含む。 もし位相差がなければ、高周波負荷コイル２８は高周波電力発生器１２へ正確に 整合され、最大電力が伝達される。しかしながら、例えば動作パラメータの変化 のせいで位相が変ると、信号は直列位相発生器４８、分路位相検出器５０のそれ ぞれ出力端子５６，５８に発生される。これらの信号は制御ユニット４６への入 力信号として働く。

【００１５】 可変インピーダンス回路網４４は、直列コンデンサ回路網６０、および分路コ ンデンサ回路網６２を含む。

【００１６】 望ましい実施例では、直列コンデンサ回路網６０は２位相検出回路網４２と高 周波負荷コイル２８の入力端子との間で直列に接続される。直列コンデンサ回路 網６０は、固定コンデンサ６６を有する第１分枝路６４、および直列接続された ２個の可変コンデンサ７０を有する第２分枝路６８を含む。第１分枝路６４と第 ２分枝路６８は互いに並列に接続されている。

【００１７】 分路コンデンサ回路網６２の一方の側７２は２位相検出回路網４２と直列コン デンサ回路網６０の間に接続されている。分路コンデンサ回路網６２の他方の側 は高周波負荷コイル２８の出力端子と一緒にアースされている。分路コンデンサ 回路網６２は、互いに並列に接続された方の可変コンデンサ７６および第２の可 変コンデンサ７８を含む。

【００１８】 望ましい実施例では、直列コンデンサ回路網６０の可変コンデンサ７０は５〜 ５０ピコフアラッドの定格動作範囲をもつが、分路コンデンサ回路網６２の可変 コンデンサ７６および７８は２０〜２００ピコフアラッドの定格動作範囲をもつ 。可変コンデンサ７０，７６および７８は、マサチューセッツ州、マルデン所在 のケイウッド（Ｃａｙｗｏｏｄ）社から製造、販売されているような空気誘電体 型のものが望ましい。

【００１９】 制御ユニット４６は、直列位相検出器４８の出力端子５６へ接続されたサーボ ・アップ８２によって制御される第１モータ８０を含む。この第１モータ８０は 、直流モータが望ましく、歯車列８４を介して可変コンデンサ７０を駆動する。 制御ユニット４６はまた、分路位相検出器５０の出力端子５８へ接続されたサー ボ・アンプ８８によって制御される第２モータ８６も含む。この第２モータ８６ は歯車列９０を介して可変コンデンサ７６および７８を駆動する。サーボ・アン プ８２，８８は第１モータ８０、第２モータ８６の回転方向がそれぞれ出力端子 ５６，５８での信号の極性に依存するように配設される。従って、第１モータ８ ０、第２モータ８６はそれぞれ直列位相検出器４８、分路位相検出器５０に完全 に応答する。従って、可変インピーダンス回路網４４のインピーダンス不整合に 対する応答は連続的かつ自動的である。

【００２０】 動作時、直列位相検出器４８および分路位相検出器５０はそれぞれ高周波電圧 および高周波電流をサンプリングする。これら２つのパラメータはそれらの位相 関係に応じて加算され、そして整流したときにインピーダンス整合回路網１６を 通過する入射電力および反射電力によりインピーダンス不整合を示す直流電圧を 発生する。プラズマ・トーチ１４が高周波は電力発生器１２と完全に整合される ときに、入射電力は最大でありそしてプラズマ・トーチ１４からの反射電力は零 である。もし動作パラメータの変化または噴霧器の動作出力の変化のせいでプラ ズマ・トーチ１４に不整合が起るならば、高周波負荷コイル２８の両端間のイン ピーダンスは変化する。これが起るときに、分路位相検出器５０、直列位相検出 器４８は反射電力によりそれぞれ第２モータ８６、第１モータ８０を作動させ、 これは分路コンデンサ回路網６２および直列コンデンサ回路網６０のインピーダ ンス値を変化させて反射電力を零まで低減させる。位相検出器からの信号の極性 は、インピーダンスを整合するために各モータがどちらの方向に回転されるかを 示す。

【００２１】

【考案の効果】

上述したインピーダンス整合回路網１６の結果として、高周波電力発生器１２ からプラズマ・トーチ１４への最大電力の伝達維持は充分に自動化されかつこれ によりオペレータによる手動機器の調節の必要性をなしにする。プラズマ・トー チ１４へ伝達される電力の最大化は、全ての状態での反射電力を除去し、従って プラズマ・トーチからの最大エネルギー強度を確保し、これにより分光光度計へ の分析信号をより高度で有用なものにする。インピーダンス整合回路網１６は、 空気誘電体型コンデンサを使用することにより真空コンデンサを使用した場合よ りも更に速く調節できる別な利点を呈する。従って、応答時間の最大化は動的動 作状態のせいでのエラーを少なくする。更に、プラズマ・トーチが最大電力伝達 で常に動作しているので、動作状態が変るとき例えば水溶剤の使用を有機溶剤の 使用に変えたとき、インピーダンス整合回路網の複雑な手動再調節の必要がない 。

【００２２】 本考案をその一実施例について説明したが、本考案は実用新案登録請求の範囲 の記載および解釈のみによって制限されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の原理を具体化したプラズマ放出源のブ
ロック図である。

【図２】図１中のインピーダンス整合回路網の詳しい回
路図である。

【図３】図２中の２位相検出回路網の詳しい回路図であ
る。

【符号の説明】

１０ プラズマ放出源 １２ 高周波電力発振器 １４ プラズマ・トーチ １６ インピーダンス整合回路網 １８ 発振器 ２２ 電力増幅器 ２８ 高周波負荷コイル ３０ ガラス室 ３２ アルゴンの入口 ３４ サンプル混合物の入口 ４２ ２位相検出回路網 ４４ 可変インピーダンス回路網 ４６ 制御ユニット ４８ 直列位相検出器 ５０ 分路位相検出器 ６０ 直列コンデンサ回路網 ６２ 分路コンデンサ回路網 ６６ 固定コンデンサ ７０，７６，７８ 可変コンデンサ ８０ 第１モータ ８６ 第２モータ

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマ放出源において、 高周波信号を発生するための発振器を有する高周波電力
   発生器と、 前記高周波信号を増幅する手段と、 プラズマを形成するためのガスの入口、および前記プラ
   ズマ中で原子化されるサンプル混合物の入口を有し、前
   記高周波電力発生器から高周波電力を受け取る高周波負
   荷コイルが組み合わされたプラズマ・トーチと、 前記高周波電力発生器から前記高周波負荷コイルへ伝送
   される高周波電力を自動的にかつ連続的に最大にする手
   段とが設けられており、 該手段は、前記高周波発生器と前記高周波負荷コイルの
   間のインピーダンス整合を連続的に監視してインピーダ
   ンスの不整合を表わす信号を発生する手段と、該信号に
   応動して前記高周波電力発生器のインピーダンと前記高
   周波負荷コイルのインピーダンスを自動的に整合する手
   段とを有しており、 インピーダンス整合を連続的に監視する前記の手段は２
   位相検出回路網を有しており、該２位検出回路網は、直
   列位相検出器と分路位相器を有しており、前記直列位相
   検出器は直列不整合信号を発生し、前記分路位相検出器
   は分路不整合信号を発生し、 インピーダンスを自動的に整合する前記の手段は、可変
   インピーダンス回路網と制御ユニットを有しており、該
   制御ユニットは、前記の信号に応動して前記可変インピ
   ーダンス回路網のインピーダンスを制御し、 前記可変インピーダンス回路網は、直列可変インピーダ
   ンス回路網と分路可変インピーダンス回路網を有してお
   り、 前記制御ユニットは、前記直列位相検出器の信号に応動
   する直列可変インピーダンス回路網制御モータと、前記
   分路位相検出器の信号に応動する分路可変インピーダン
   ス回路網制御モータを有しており、 前記直列可変インピーダンス回路網は、固定されたコン
   デンサと並列に、２つの直列接続された可変コンデンサ
   を有しており、前記分路可変インピーダンス回路網は、
   並列接続された２つの可変コンデンサを有しており、 前記直列可変コンデンサおよび前記分路可変コンデンサ
   は空気誘電体形コンデンサであるプラズマ放出源。