KR102226852B1 - 유전체 공진기를 이용하는 플라즈마 발생기 - Google Patents

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Abstract

유전체 공진기는 플라즈마 발전을 위해 매우 균일한 전기장을 제공하도록 그것의 고유 공진 주파수로 여기된다. 플라즈마는 광학 및 질량 분광기에서 이용될 수 있다.

Description

유전체 공진기를 이용하는 플라즈마 발생기 {PLASMA GENERATOR USING DIELECTRIC RESONATOR}
본 출원은 2013년 3월 13일에 출원되고 여기에 참조로 포함되는 미국 가출원번호 제 61/779,557호의 이익을 수반한다.
본 발명은 일반적인 전기 안테나(antennas)들 및 특히 플라즈마 발생(plasma generation) 등을 위한 효율적이고 균일한 전자기장을 발생시키는 안테나에 관한 것이다.
플라즈마의 발생을 위한 높은 주파수의 전기장(electrical fields)들은 MHz에서 GHz의 범위로 진동하는 AC전류에 의해 구동되는 전도성 코일(conductive coil "필드 어플리케이터")을 이용할 수 있다. 코일 내부의 가스(gas)는 플라즈마 상태로 유도결합(inductive coupling)을 여기하는(exciting) 가스를 통해 코일로부터 에너지를 수용한다.
플라즈마를 생성하기 위한 이러한 유도결합 기술들은, 다수의 상당한 문제점들을 가지고 있다. 첫째로, 일반적인 전도성 코일은 다수의 "회전들(turns)"을 반드시 구비해야 하고, 각각의 회전체는 불 균일한(nonuniform) 플라즈마 이온(ion) 속도(speeds), 궤도(traject) 및 밀도(densities)들로 명백하게 고리로 조성된 장(loop creating field 따라서, 플라즈마)의 인접한 회전체들과 상호용량(mutual capacitance)을 나타낸다. 플라즈마 내의 불 균일성은 필요한(예를 들어, 통합 회로산업의 에칭 etching을 위한) 균일 플라즈마 응용에 불리한 영향을 줄 수 있으며, 원치 않는 플라즈마 공정(processes)들에서 에너지를 낭비할 수 있다. 상호용량은 또한 코일의 회전체들 사이에서 유전체의 파손(breakdown) 없이 전도성 코일이 응용될 수 있도록 전압을 제한한다.
둘째로, 전도성 코일을 통해 지나가도록 다량의 요구 전력, 따라서 다량의 전류는 복잡한 또는 부피가 큰 냉각 구조들을 요구하며 상당한 저항 열을 생산한다. 구리(copper)와 같은 높은 전도성 물질(conductive materials)의 이용은 저항 손실(resistive losses)을 줄일 수 있지만, 구리 및 유사한 물질의 이용은 플라즈마의 거친 환경(harsh environment)에서 녹거나 부식할 수 있는 이러한 높은 전도성 물질들의 민감성으로 인해 복잡해질 수 있다.
셋째로, 전도성 고리의 효과적인 구동은 코일 회로(circuit)의 내부로 조율하는(tuning) 축전지(capacitor)의 배치로 구현된 공진구조의 일부인 고리를 요구한다. 이러한 목적에 적합한 축전기들은 비싸고, 부피가 크다.
본 발명은 유전체의 안테나 이용에 의한 플라즈마 발생을 위하여 안테나 구조를 제공한다. 본 발명자들은 낮은 전력소비와 높은 장의 세기를 제공하기 위해 공진(resonance)이 작동될 수 있는 높은 유전상수(dielectric constant) 및 낮은 유전손실(dielectric losses)을 가지는 물질을 제조할 때, 이러한 안테나들을 결정하였다.
발명자들은 특정이론에 제한되기를 원하지 않으며, 이것은 유전체 물질에서 전자들의"분극(polarization)"전류와 일반적인 코일에서 전자들의 "유도(conduction)" 전류를 대체하는 발명이라는 것이 이해된다. 분극 전류는 전기장의 영향 하에서 유전체 물질의 분자들로 묶인 원소의 전하 (elementary charges)의 작은 변위(minor displacement)에 기인한다. 전류의 두 타입들(유도 전류 및 분극 전류)은 자기장(magnetic field)을 생성하고, 동일한 전자기 법칙들(laws of electromagnetism)을 따라 전기장을 야기한다. 그러나, 유전체 재료(dielectric material)들 스스로가 축전기이며 유도기(inductor)와 같기 때문에, 전위(electric-potential)는 유전체 내부 및 유전체 주위의 공간에서 어디에서나 정확히 0이다. 기생용량결합(Parasitic capacitive coupling)은 그러므로 완전히 배출되고, 전기장은 단지 유도로 인해 생산된다. 향상된 전류 분포는 분극 전류와 다르게, 링 구조의 최 외측 일부들에서 집중되도록 야기되는 전도성 전류 흐름인 유전체 공진기에서의 "스킨(skin)" 효과들의 부족을 통하여 얻어짐이 더 믿어진다.
구체적으로, 본 발명은 중심축을 구비한 유도체 공진기 구조를 구비하는 플라즈마 발생기 및 인접한 가스에서 플라즈마가 발생하도록 축 주위의 유도체 공진기 구조의 고유공진 주파수(natural resonant frequency)에서 교류 분극 전류(alternating polarization current)를 촉진하는 유전체 공진기 구조와 전기적으로 결합되는 무선주파수 전력원(radiofrequency power source)을 제공한다.
따라서, 플라즈마 생성을 위한 강렬한 하지만 균일한 전기장들의 발생을 위한 향상된 무선주파수 안테나를 제공하는 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다.
유전체 공진기는 : 100보다 높은 양호도(quality factor), 1x1010 慕cm보다 높은 전기 저항력(electrical resistivity), 0.01보다 낮은 손실 탄젠트(loss tangent)와 유전상수(dielectric constant) 및 5보다 큰 유전상수 중 임의의 하나 이상의 특질들(qualities)을 구비한다.
따라서, 에너지 손실 및 냉각의 문제를 최소화하는 고전력 수준(high power levels)들 및 무선주파수의 장들에서 매우 낮은 손실들을 산출하는 유전체 물질을 제공하는 것은 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다.
유전체 공진기는 구리의 녹는점보다 높은 녹는점을 구비한 물질일 수 있다.
따라서, 플라즈마의 매우 높은 온도에 대비하는 강한 물질을 제공하는 것은 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다.
유전체 물질은 예를 들어, 알루미늄(Al2O3) 또는 칼슘 티타네이트(CaTiO3)일 수 있다.
따라서, 상대적으로 일반적인 및 제작 가능한 물질들로 구성된 기구를 제공하는 것은 본 발명의 적어도 하나의 실시예들의 특징이다.
유전체 공진기는 축을 따라 중심개구를 구비하는 링일 수 있다.
따라서, 제조하기에 상대적으로 간단한 유전체 공진기를 제공하는 것은 본 발명의 적어도 일 실시예의 특징이다.
링은 적어도 0.5인치 또는 적어도 1밀리미터 직경의 중심개구를 구비한다.
따라서, 흐르는 가스에서 플라즈마의 쉽게 맞출 수 있도록 형성하는 유전체 발진기를 제공하는 것은 본 발명은 적어도 하나의 실시예의 특징이다.
마지막으로, 플라즈마 발생기는 링의 축을 따라 링 내부로 유입하는(introducing) 가스의 가스포트(gas port)를 포함할 수 있다.
따라서, 다른 응용들(applications) 또는 분광기조사(spectroscopic)를 위한 플라즈마 토치(plasma torch)의 요소들을 제공하는 것은 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다.
무선주파수 전력원은 유전체 공진기구조의 고유 공진 주파수에서 무선주파수 전력을 방출하도록 유전체 공진기 구조의 고유 공진 주파수를 자동적으로 찾을 수 있다.
따라서, 유전체 공진 물질 또는 그것의 환경(environment)에서 변화하도록 자동으로 조정하는 플라즈마 발생기를 제공하는 것은 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다.
무선주파수 전력원은 마그네톤(magnetron) 또는 고체상태 혹은 진공튜브 발진기(vacuum tube oscillator)가 될 수 있다.
따라서, 매우 높은 주파수 플라즈마의 발생을 허락하는 것은 본 발명의 적어도 하나의 실시예의 특징이다.
이러한 특정 목적들 및 이점들은 청구범위 내에 속하는 오직 몇몇 실시예들로 쓰여졌으며, 따라서 발명의 범위를 한정하지 않는다.
본 명세서에 포함되어 있음.
도 1은 본 발명의 일 실실시예의 링 유전체 공진기를 이용하는 플라즈마 발생기의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 2는 분극 전류 흐름의 방향을 도시하는 도1의 링 유전체 공진기의 평면도이다.
도 3은 도2의 링 유전체 공진기 내의 전기장을 도시한 모델이다.
도 4는 지지구조 및 공기흐름의 열 전도 경로에 대한 스탠드 오프들을 구비하는 링 유전체 공진기의 다른 실시예의 사시도이다.
도 5는 각각의 섹터들 및 도시된 하나의 섹터로 제작된 링 유전체 공진기의 사시도이다.
도 6은 다중의 적층된 링들로 제작된 유전체 공진기의 사시도이다.
도 7은 원주방향의 그루브들 및 중심 축의 보어를 구비한 막대로 만들어진 유전체 공진기의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 8은 외부 플라즈마 범위를 도시하는 디스크 유전체 공진기의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 9는 축 디스크-모양의 플라즈마로 제작된 계단식 표면의 디스크를 제공하는 디스크 유전체 공진기의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 10은 플라즈마 절단 및 용접 또는 플라즈마 추진기들에서 이용되기 위한 노즐의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 11은유전체 공진기의 내부로 유도결합 전력을 위한 도1에서 도시되는 것과 유사한 고리 전력 결합시스템를 도시한다.
도 12는 마이크로파의 도파관을 사용하는 결합시스템을 도시한 도11과 유사한 도면이다.
도 13은 조율을 위하여 서로에 대하여 이동 가능한 두 동일한 링-모양의 유전체 공진기의 사시도이다.
도 14는 조율을 위한 다른 유전체 공진기에 맞출 수 있는 하나의 유전체 공진기인 교류 조율 구조를 도시하는 도13과 유사한 도면이다.
도 15는 유전체 공진기의 외부표면에 직접적으로 연결된 RF쉴드를 함께 구비한 유전체 공진기의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 16은 두 RF쉴드들을 모두 구비한 두 동축의 모양인 세라믹 링들의 유전체 공진기의 부분적으로 절단된 사시도이다.
도 17은 본 발명의 유전체 공진기를 결합하는 분광계(spectrometer)의 간략한 단면도이다.
도 18은 본 발명의 유전체 공진기를 포함하는 질량분광계의 간략한 개략적인 단면도이다.
도 19a 및 19b는 본 발명의 플라즈마 시스템을 사용하는 소형 마이크로파 가스 방전 레이저들의 간략한 단면도이다.
도 20은 본 발명에 따라 냉각된 동축의 마이크로파 가스 방전 레이저 확산의 간략한 단면도이다.
도 21은 본 발명에 따라 대류 냉각 동축의 마이크로파 가스 방전 레이저의 간략한 단면도이다.
도 22는 본 발명의 지식을 이용하여 전자-사이클로트론 공진 플라즈마 소스의 간략한 단면도이다.
도 23은 본 발명에 따라 넓은 영역(area), 고밀도, 불 균일한 플라즈마 소스의 간략한 단면도이다.
도 24는 본 발명에 따라 넓은 영역, 고밀도, 불 균일한 플라즈마 소스의 간략한 단면도이다.
도 25는 본 발명을 이용하는 마이크로파 플라즈마 토치의 간략한 단면도이다.
도 26은 로켓엔진의 기초를 형성할 수 있음과 같은 마이크로파 플라즈마 토치의 간략한 단면도이다.
도 27a 및 도 27b는 이온 사이클로트론 공진 플라즈마 가열 시스템의 평면도 및 측단면도들이다.
도1을 참조하여, 본 발명의 플라즈마 발생기(plasma generator 10)는 축(axis 14)에 대해 중심(centered)이 된 원통형 고리(cylindrical annulus)를 본 실시예에서 유전체 공진기(dielectric resonator 12) 를 위해 제공할 수 있다.
당 업자들에게 이해되는 바와 같이, 유전체 물질들(dielectric materials)은 직류전류(direct currents)들(전기장에 유전체가 위치될 때, 전하들(electrical charges)은 도체(conductor)에서 하는 바와 같이 물질을 통하여 자유롭게 흐를 수 없다. )에 대하여 실질적으로 절연체들이지만, 물질의 이온들 또는 묶인(bound) 전자들의 평형 위치(equilibrium positions)들에서 근소한 이동으로 인해 제조되는 분극 전류들을 제공할 수 있다.
본 실시예에서 유전체 공진기(12)는 알루미늄(Al2O3)으로 구성될 수 있고 2인치인 외부직경의 원형고리 또는 링일 수 있으며, 내부직경은 1인치, 축(14) 방향 길이는 0.75인치 및 대략 2.45GHz의 전기공진을 구비한다. 이 물질은 이 물질은 5000보다 큰 양호도를 나타내며, 9.8의 비유전상수 (relative dielectric constant)및 섭씨(centigrade) 1000도를 초과하는 온도들에서 물리적 무결성(physical integrity) 및 전기적 특성들(electrical properties)을 유지한다.
유전체 공진기(12)를 위한 대안물질은 칼슘 티타네이트(CaTiO3)로 이루어 졌으며, 외부직경 3.13인치, 내부직경 2.34인치 및 1.12인치의 길이와 대략 430MHz로 공진된다. 이 링은 200의 비유전상수를 구비하고, 5000의 양호도를 나타낸다.
진보된 세라믹 기술의 다양한 종류는 이러한 요구를 만족시키지만, 유사한 전기적 특성들을 구비한 다른 유전체 물질이 대신 이용될 수 있다.
더 일반적으로, 유전체 공진기(12)의 유전체 재료는 다음의 특성들을 구비한다.
(a)0.01보다 작은 손실탄젠트(loss tangent), (b) 100보다 높은 양호도, (c) 5보다 높은 비유전상수. 그렇지 않으면, 양호도가 1000보다 높아야 한다.
바람직한 유전체 물질은 1x1010옴 센티미터보다 높고 일반적으로 1x1014 옴 센티미터보다 높은 저항력을 구비할 수 있다. 바람직하게, 유전체 물질은 구리 또는 다른 유사한 전도성 물질들보다 높은 녹는점을 구비한다. 유전상수는 5보다 높은 것 보다 바람직하게 9보다 높은 것이 선호된다. 이 예시들이 제한을 의도하는 것은 아니다.
링의 공진주파수는 링의 선형 크기에 대략적으로 반비례하고, 비 유전상수의 제곱근에 대략적으로 반비례하며, 링의 모든 세 치수들(dimensions)이 같은 인자(factor)으로 변경되면, 이러한 예시들은 다른 치수들로 쉬운 변경이 허락된다.
유전체 공진기(12)는 유전체 공진기(12)의 공진주파수에서 커플링 안테나(coupling antenna 16)를 여기하는(exciting) 고 주파수 전기 전류를 생성하는 무선 주파수 전력공급장치(radiofrequency power supply 18)에 회전되게 부착된 커플링 안테나(16) 근처에 위치될 수 있다. 유전체 공진기(12)의 공진주파수로의 무선주파수 전력공급장치(18)의 주파수 방출 매칭은, 예를 들어 공진과 연관된 임피던스(impedance) 변화를 검출하는 시스템의 이용으로 인해, 세팅 또는 자동적으로 조절하는 주파수로 인해 수동으로 수행될 수 있다. 자동적인 조율은 또한 증폭기(amplifier) 같은 역할의 무선주파수 전원공급장치(18)를 구동하는 방출이 센싱 안테나(sensing antenna 19)로부터 피드백을 이용하여 "자기 공진(self resonance)"하도록 제공 될 수 있다. 자기공진은 당 업계에서 일반적으로 이해되는 바와 같은 안전한 필수 고리형 위상변위(ensuring a necessary loop phase shift)가 제공된다. 무선주파수 전력 공급장치(18)은 전력 예를 들어 일반적인 소스(source)로부터 선 전류(line current) 를 수용한다.
무선 주파수 전력원은 유전체 공진기와 전기적으로 결합될 수 있다. 또한 본원의 자기장과 같이, 무선주파수 전력원은 유전체 공진기 구조와 전기적 및 자기적으로 둘 모두 결합할 수 있고, 따라서, 무선주파수 전력원은 유전체 공진기 구조와 전자기적으로 결합 되었다고 말할 수 있다. 결합은 유전체 공진기 구조의 고유공진 주파수에서 교류 분극 전류의 흐름을 촉진시킬 수 있다. 일반적으로 무선주파수 전력원은 유전체 공진기 구조 안으로 그것의 고유 공진 주파수에서 적에도 약간의 전력을 결합시키기에 충분한 주파수 및 주파수들의 범위(예를 들어 브로드밴드)로 구동될 수 있다. 바람직하게 무선주파수 전력원은 유전체 공진기 구조의 고유 공진 주파수와 연관된 주파수로 구동될 수 있다. 더 바람직하게 무선 주파수 전력원은 공진기가 결속(loaded)될 때, 유전체 공진기 구조의 공진 주파수의 두 반값전폭(FWHM : full width at half maximum) 대역폭(bandwidths) 내부 주파수로 구동된다. 해제된(unloaded) 유전체 공진기의 대역폭은 플라즈마와 결속될 때, 100의 인자로 인해 폭이 매우 좁아지고 넓혀질 수 있다.
도1 및 도14를 참조하여, 유전체 공진기(12)의 공진 주파수는 유전체 공진기(12)의 치수들을 변경뿐만 아니라, 유전체 공진기(12)의 근처에서 제2 유전체 조율 요소(44)를 배치시키도록 조정될 수 있다. 도 14의 예에서, 조율요소(44)는 유전체 공진기(12)의 외부직경보다 크고, 축(14)에 정렬된 원통형 고리이다. 조율요소(44)는 유전체 공진기(12)의 공진주파수를 변경하는 조율요소(44) 및 유전체 공진기(12) 사이의 유도결합을 변경하는 이동화살표(50)로 표시된 바와 같이 축을 따라 이동됨이 허락되는 메커니즘(mechanism 46)(예를 들어, 스크류( screw) 또는 스크류와 같이 이끄는 랙( rack) 과 피니언( pinion))이 부착된다. 조율요소(44)는 유전체 공진기(12) 주위로 맞춰질 수 있기 때문에, 근접 결합(close coupling) 민감한 조율을 위해 확립(established)된다. 조율요소(44)의 이동은 피드백 조절에 따라서, 예를 들어 앞서 기술한 바와 같이 센스 임피던스에 따라서, 수동 또는 자동이 될 수 있다.
도 13을 참조하여, 다른 실시예에서, 두 동일한 공진기(12a, 12b)는 조율요소(44)와 같이 작동하는 유전체 공진기(12b)와 함께 이용될 수 있다. 동일한 구성의 이용은 균일한 전기장의 연장된 범위 및 증가된 조율 범위를 제공할 수 있다. 유전체 공진기(12a) 및 유전체 공진기(12b)중 하나 혹은 둘 모두는 플라즈마를 발생시키는 전기장들을 위해 제공될 수 있다.
또한, 상기 예들 중 하나에서, 조율요소(44)는 유사한 조율 효과를 제공하는 알루미늄, 구리 또는 은도금된 구리와 같은 메탈일 수 있다.
도2 및 도 11을 또한 참조하여, 본 예시에서, 커플링 안테나(16)는 자기 플럭스 선들(flux lines 26)을 구비한 유전체 공진기(12) 및 고리(20) 사이에서 전기적 전력이 유도적으로 결합되도록 축(14)으로 일반적으로 평행한 축(24)을 구비하고 전력 공급장치(18)로 이끄는 동축 케이블(22)을 끝내는 단일 고리(20)가 될 수 있다. 단일 고리(20)는 축(14)과 적당히 일직선(proper alignment)으로 제공하고 결합각도를 조절하도록 회전하는 화살표(43)로 표시된 바와 같이 조정된다. 그 결과, 유전체 공진기(12)의 공진 주파수에서 축(14)에 대하여 원주방향으로 진동하는 유전체 공진기(12, 도2에 도시된) 내부로 분극 전류가 흐른다.
도3을 참조하여, 시간이 주어진 순간의 유전체 공진기(12) 내부의 전기장(28)은 실질적으로 제거된 커플링의 기생용량결합인 순수 유도 장을 표현하는(representing) 유도체 공진기(12)의 내부 및 외부 원주방향 주변부로 실질적으로 접한다. 전기장(28)은 이러한 높은 품질(quality)로 여겨지기 때문에, 유전체 공진기는 동시에(at once) 축전기 및 유도기이고 그러므로 전위는 유전체공진기(12)의 내부 및 유전체 공진기(12)의 주위공간 어느 곳에서도 정확히 0이다.
도1을 다시 참조하여, 예를 들어, 아르곤(argon) 기반의 플라즈마를 위한 아르곤과 같은 가스 소스(gas source 32)는 유전체 공진기(12)의 중심을 통해 축(14)을 따라 곧장 가스를 가스포트(36)로 제어기(regulator 34)를 통하여 제공된다. 유전체 공진기(12)의 내부에서, 높은 전기장은 축(14)을 따라 흐를 수 있는 플라즈마(40)로 가스를 변환한다. 흐름의 거리는 플라즈마 자극(excitation)의 수명(lifetime)으로 인해 결정된다. 유전체 공진기(12)는 전자기장 에너지의 방사선로 인한 전력손실을 줄이도록 무선주파수 쉴드(shield 42)에 위치되고, 높은 세기의 비 이온화 방사선(non-ionizing radiation)의 인체 노출을 최소화 하며 전자기의 간섭을 최고화 한다. 쉴드(42)는 동축 케이블(coaxial cable 22)의 복귀(return)에 연결될 수 있다.
유전체 공진기의 이용 대신에 증폭기로 즉시 구동되는 멀티 또는 단일 고리형 코일은 다향한 이점을 포함함을 제공한다.
a) 유전체 공진기(12)의 에너지 손실은 일반적인 코일의 유도손실 보다일 내지 이 등급의 크기보다 낮다. 많은 응용에서, 크기, 비용 및 플라즈마 소스의 복잡성을 크게 줄이고 유체를 냉각의 필요성을 완전히 제거할 수 있다. 반도체 처리 과정에서, 환경적으로 영향을 주는 유전체 냉각수들의 필요성을 제거하는 것은 가능할 수 있다.
b) 전력이 플라즈마에 의해 흡수되지 않을 때, 유전체 공진기에서의 극단적으로 낮은 에너지 손실은 플라즈마 점화단계 동안 매우 큰 자기장 세기의 내부로 변환된다. 플라즈마 방전(discharge)의 점화(ignition)는 더욱 쉽고 믿을 수 있게 만들어 진다.
c) 유전체 공진기(12)의 고유 자기공진(self-resonant nature)은 전력 공급장치(18) 및 유전체 공진기(12) 사이에서 외부 임피던스 매칭 네트워크(matching network)의 필요성을 크게 간소화 하거나 제거할 수 있고, 그러므로 크기, 가격 및 플라즈마 소스의 복잡성을 줄일 수 있다.
d) 유전체 공진기(12)에서, 예를 들어 알루미늄과 같은, 세라믹 물질들의 이용은 플라즈마 소스를 이용할 수 있는 한정된 공간(limited space)에 수용하도록 또는 플라즈마의 결합을 향상시키기 위하여, 진공챔버(vacuum chamber)의 내부에 직접 위치될 수 있는 초고 진공 공정(ultra-high-vacuum processes)과 융화(compatible)할 수 있는 플라즈마 발생기를 제공한다.
e) 높은 열 전도성을 구비한 알루미늄과 같은 세라믹 물질들로부터 유전체 공진기(12)의 제품은 유도(conduction)로 인한 급속도로 열을 제거하기 위하여 허용된다. 만일 유전체 공진기(12)가 플라즈마와 직접 접촉된다면, 그것은 가스 방전 레이저(gas-discharge laser) 응용들에서 특히 중요한 특징 및 플라즈마 가스의 냉각효과를 이용할 수 있다.
f) 유전체 공진기를 위해 알루미늄과 같은 세라믹 물질들의 이용은 섭씨 1000도를 초과하는 매우 고온에서 좋은 기계적 및 전기적 특성을 유지하고, 이는 고온의 공기(atmospheric) 플라즈마를 포함하는 응용에 매우 적합한 유전체 공진기(12)를 만든다.
g) 매우 적은 손실, 고온 작동 및 높은 열 전도성, 순수 유도 장은 본원에서 설계가 가능하며, 일반적인 유도결합 플라즈마 기술을 구비하여 오늘날 가능한 것의 전력수준 초과에서 모두 작동 가능하다.
도4를 참조하여, 대안의 구성에서 유전체 공진기(12)는 반지름 방향(radially)으로 연장하는 스탠드오프(standoffs 52)들을 제공할 수 있고, 이것은 예를 들어 도1에서 도시된 관형 쉴드(42)와 같은 지지구조에 대한 유도체 공진기(12)를 지지할 수 있다. 스탠드오프들의 단부들(ends of the standoffs)은 스탠드오프(52)들 주위의 공기의 강제흐름(forced flow)에서 자연대류(natural convection)에 의하여 또한 냉각되는 유전체 공진기의 냉각을 지원하기 위한 금속 인클로저(enclosure)로 열 저항을 감소시키기 위해 금속이 도금(plated)될 수 있다.
도5를 참조하여, 특히 더 큰 유전체 공진기(12)들을 위하여, 유전체 공진기(12)는 금속 도금된 단부 표면들(62)의 접합된 경계(seams 60)들 모두가 배치된 복합 고리부분(58)들로부터 조립될 수 있다. 비유전체(non-dielectric) 물질의 소량은 유전체의 이점에 실질적으로 영향을 주지 않는다.
도6을 참조하여, 유전체 공진기(12)는 얇은 절연 스페이서들(insulating spacers 66) 간격으로 고정된 일반적인 축(14)을 따라 맞춰진 다중의 얇은 링들(64)로 구성될 수 있다. 작은 링들은 축 방향에서 유전체 분극 전류들의 바람직하지 않는 흐름을 방지하는 동안 향상된 냉각을 제공할 수 있는 단부 표면들(62) 사이에서 제조, 이동, 간극이 용이할 수 있다.
도 7을 참조하여, 유사한 결과는 중심축 보어(central axial bore 70) 및 축 분극 전류(axial polarization currents)들을 방지하도록 제공하는 외부 원주방향 노치(outer circumferential notches 72)를 구비하는 긴 튜브(elongated tube 68)의 형태로 유전체 공진기(12)의 제작을 달성할 수 있다.
도8을 참조하여, 유전체 공진기(12)는 링이 될 필요가 없지만, 고리형 플라즈마(40)가 디스크(74)의 형태에서 유전체 공진기(12)의 외부 끝단(periphery)의 주위로 발생될 수 있도록 인식될 것이다. 플라즈마(40)의 고리형태는 디스크(74)의 대칭축(axis of symmetry)인 축(14)에 대하여 중심이 될 수 있다. 공진모드의 적당한 선택은 디스크의 공진에서 초기 원주방향 전류의 구성을 보장한다.
도 9를 참조하여, 디스크(74) 중심의 방향으로 하나가 이동할 시 증가된 높이의 원형 계단(steps 76)의 연속을 설정함으로써, 플라즈마(40)는 유전체 공진기(12) 디스크(74) 의 반대면(opposite face)으로 배치된다. 계단(76)의 기본적인 개념은 단순한 링 또는 디스크의 실상에 대응하며, 전기장은 축 방향에서 0이고 외부 반경의 가까운 선 방향으로 증가한다. 장 및 플라즈마는 링 근처에서 가장 강하다. 계단들은 작은 반지름에서(증가 하는 두께로 인해) 분극 전류를 증가시키도록 제공되어서, 유도된 전장은 외부반경 및 축 사이에서 더욱 균일해진다. 이것은 균일한 방사형 플라즈마를 향상시킬 수 있도록 믿어(believed)진다. 종래의 플라즈마의 배치는 우려되어, 예를 들어 디스크의 다른 측면의 플라즈마는 높은 진공 또는 더 높은 가스 압력으로 억제되어야(suppressed)할 것이다.
도 10을 참조하여, 일 실시예에서, 유전체 공진기(12)는 플라즈마 절단(plasma cutting) 용접(welding) 또는 로켓엔진들(rocket engines)과 같은 응용에서 초음속(supersonic)의 플라즈마 흐름(82) 내부로 음속 이하의 뜨거운 플라즈마 흐름을 가속화하는 목적을 위한 수렴-발산(convergent-divergent) 노즐을 위하여 제공될 수 있다. 이러한 경우에, 유전체 공진기(12)는, 예를 들어 플라즈마 발생기의 한 지점(a point)에서 드 라발 노즐(de Laval nozzle)을 제작하도록, 보다 작은 직경(smaller diameter 84) 내부의 넥(neck)인 중심보어(70)를 포함한다.
다양한 방법이 결합된 상기 도면들에서 도시된 바와 같은 많은 변형(variants)들은 인식(appreciated) 될 것이다. 예를 들어, 도4의 스탠드오프(52)들은 열의 제거를 용이하게 하기 위한 도 10의 로켓 노즐과 결합될 수 있고, 또는 도7에서 도시된 노치들(72)은 바람직한 전류흐름을 촉진하는 디스크(74)의 면들 중 하나의 하단 안으로 절단하는 원주형 그루브들 형태로 및 도8 및 도9의 디스크들에서 구현될 수 있다.
도 12를 참조하여, 공진으로 여기하는 유전체 공진기(12)의 다른 방법들은, 예를 들어 마이크로파 소스로 인해 구동되는 축(14)으로 일반적으로 수직방향인 도파관(waveguide 89)의 단부에 유전체 공진기(12)를 배치하도록 사용된다. 도파관(89)의 개구(90)는 마이크로파 소스 및 유전체 공진기(12)의 사이에 결합의 각도를 조절하도록 화살표(92)로 지시하는 바와 같은, 열릴 또는 닫힐 수 있는 조리개(iris 94)인 조리개 메커니즘으로 조절될 수 있다.
도15를 참조하여, RF쉴드(42)는 유전체 공진기(12)의 외부표면과 바로 접촉될 수 있다. 이 구성은 보다 작은 크기의 이점 및 보다 나은 RF쉴드(42)의 열 전달을 제공한다. RF쉴드(42)와 접촉되는 세라믹 링(12)의 표면은 금속으로 도금될 수 있다.
도 16을 참조하여, 플라즈마(40)는 두 중심이 같은(concentric) 세라믹 링들(12c, 12d)의 사이 고리형 간극에 형성될 수 있다. 보다 큰 링(12c)의 외부표면은 외부 RF쉴드(42a)와 직접 접촉될 수 있다. 중심이 같은 링들(12c, 12d) 사이의 고리형 간극은 가장 높은 강도의 전기장인 반경위치나 근처에 바람직하게 위치될 수 있다.
예1 - 광학 방출 분광법(Optical Emission Spectroscopy)
본 발명은 광 생산과 알려지지 않은 화학 시료(chemical sample)의 원자(atomic) 및 분자(molecular)의 종(species)들을 여기하는 목적으로 광학방출 분광기(OES optical emission spectrometer)에서 이용될 수 있다. 플라즈마로 인해 방출된 빛의 분광조사 분석은 시료에서 화학물질 존재의 양과 종류를 검출하도록 이용될 수 있다. 플라즈마 특성은 플라즈마의 소멸 없이 수성 또는 유기용매들에서 시료를 처리하는 능력, 향상된 안전 및 경제성을 위하여 다른 플라즈마 가스로 작동할 수 있는 능력, 화학물질의 다른 종류들을 검출할 수 있는 능력, 분석물질 농도들(concentrations)의 매우 큰 범위를 정확하게 측정할 수 있는 능력, 짧은 시간 동안 많은 시료들을 처리할 수 있는 능력, 긴 시간 동안 측정들을 되풀이 할 때 정적인 결과를 도출할 수 있는 능력 등의 측면에서OES 분석 성능(analytical performance)을 중요한 영향을 줄 수 있다.
본 응용을 위한 전형적인 플라즈마 소스는 본원의 설계(design)로 구현된 40MHz이상의 무선주파수와 매우 높은 주파수들에서 작동할 수 있다. 또한, 설계는 파이크로파 전력의 다량의 소스와 같은 마그네톤 장치(magnetron device)를 이용하여 915MHz 내지 2450MHz 와 같은 마이크로파 주파수에서 플라즈마를 제공할 수 있다. 플라즈마 발생기의 여기하는 설계들은 플라즈마 소스의 심각한 부정적인 영향 또는 여분의 분광기의 종래의 기계적, 광학적 및 화학적 인터페이스(interface)로 상당한 변경들을 필요로 하는 형성 인자(form factors)들, 장에서 무선주파수 OES의 작동 중 많은 해 동안 스스로 증명된 인터페이스를 구비하는 기생용량결합의 상당한 양을 용량결합(capacitive coupling) 또는 유지로 인해 억제할(dominated) 수 있다.
대조적으로, 본 설계의 플라즈마 소스는 여분의 분광기(rest of the spectrometer)와 기계적, 광학적 및 화학적 인터페이스로 확립된 최소변경이 요구되는 동안, 이전의 설계들에서 제한된 기생용량결합을 실질적으로(practically) 제거하는 마이크로파 주파수들로 플라즈마 소스들이 유도 결합된 종래의 무선주파수의 작동을 연장할 수 있다. 추가적으로, 새로운 필드 어플리케이터의 매우 낮은 손실은 필드 냉각시스템의 완전한 제거를 허락하고, 그러므로 분광기의 크기, 가격, 및 복잡성을 줄인다.
도17을 참조하여, 마이크로파는 본 발명의 유전체 공진기(12)를 이용하는 광학 방출 분광법(102)를 위한 플라즈마 소스와 유도 결합되고, 원형고리 형태의 고밀도 알루미늄(Al2O3) 세라믹들로 제작된다. 유전체 공진기(12)는 알루미늄과 같은 금속으로 이루어진 원통형 무선주파수 쉴드(42) 내부에 지지될 수 있고, 각각으로 알루미늄 관형 연장부들(tubular extensions 110, 112, 114)를 구비하여 각각 둘러 싸인 몇몇의 원형 개구들(circular openings 104, 106, 108)을 구비한다. 관현연장부들(110, 112, 114)은 쉴드(42) 마이크로파 에너지 외부의 누설(leakage)을 최소화하기 위하여 상당히 작은 직경 및 컷오프(cutoff) 아래에 원통형 도파관(waveguides)을 형성하도록 상당히 긴 길이, 연장된 튜브들을 통해 마이크로파들의 매우 가늘어진 전파를 구비하도록 설계된다.
마그네톤(120)을 전달하는 도파관으로부터의 마이크로파 전력(118)은2,450MHz의 주파수로 제공되고, 커플러(coupler 124)의 수단(means)들로 인해 쉴드(42)에서 직사작형의 개구(90)를 통해 유전체 공진기(12)로 응용된다. 유전체 공진기(12)의 공진 주파수는 유전체공진기(12)의 링과 동축으로 위치된 알루미늄 링 형태로 만들어진 조율요소(44)의 축 방향 이동의 변화로 인해 미세하게 조정될 수 있다.
3축 매니폴드는(triaxial manifold 125) 개구(104) 내부의 중심 축을 따라 유도되며, 유전체 공진기(12)의 내부직경에 맞추어 조정되고, 쿼츠(quartz) 또는 알루미나 튜빙(alumina tubing)으로 제작된다. 플라즈마 냉각가스(126)는 플라즈마 보조가스(128)가 분석되는 시료소스(sample source 132)로부터 용해된 분석시료(analytical sample 130)를 수용하는 다음의 내부링 및 중심보어가 응용되는 반면(while) 3축 매니폴드의 외부링으로 응용(applied)된다. 시료(130)는 플라즈마(40)의 내부로 곧장 도입될 수 있는 에어로졸 형태이다.
광센서(136)로 분석하기 위해 관형 연장부(112)를 통과하여 축의 방사선 방향에서 플라즈마(40)로부터 방출되는 빛(134)은 당 업계에 알려진 방법들을 따라 빛(134)의 주파수 구성요소(components)들을 검출할 수 있는 분석 컴퓨터로 결합된다. 대신에 또는 병렬되게, 일명 축방향 OES의 목적을 달성하기 위해, 축(14)의 축 방향에서 플라즈마(40)에 의해 방출된 광(140)은 유사한 광센서(미도시된)로 인한 더 나은 분광분석을 위해 관식 연장부(110)을 통해 이동된다. 관형 연장부(110)은 또한 배기 환기 시스템(미도시된)으로 가열된 플라즈마 가스 및 화학물질(142)을 인도(directs)한다. 개구(108) 및 관형 연장부는 공기의 강제흐름으로 인해 또는 자연대류로 인해 플라즈마 발생기(12)의 공기냉각을 위해 허락된다.
예2 - 질량 분광법(Mass Spectroscopy)
본 발명은 이온의 속도에 대해 향상된 조절의 질량 분광조사 응용들에서 추가된 이점들, 증가된 이온 포집 효율(ion collection efficiency), 및 감소된 샘플러 콘(sampler cone)의 스퍼팅(sputtering)을 구비한 광학 및 질량 분광법(MS mass spectroscopy) 둘 모두에서 유사한 이점을 제공하며, 증가된 이온 포집 효율(ion collection efficiency) 및 감소된 샘플러 콘(sampler cone)의 스퍼팅(sputtering)
도 18을 참조하여, 질량분광기(mass spectrometry 200)를 위한 마이크로파 유도결합 플라즈마 소스는 본 발명의 필드 어플리케이터(field applicator 12)를 이용하고, 링 형태의 고밀도 알루미늄(Al203)으로 제작된다. MS(200)을 위한 마이크로파 유도결합 플라즈마 소스는 도17에 도시된 OES(102)를 위한 마이크로파 유도결합 플라즈마 소스를 일반적으로 구비한 많은 구성요소들과 같은 동일한 식별자(identifiers)를 구비한 구성요소들을 구비한다. 추가적으로 도18에 도시된 구성요소들은 지금 기술된다. 샘플러 콘(201)은 작은 구멍(orifice 202)를 구비하고 스킴머 콘(skimmer cone 203)은 작은 구멍(204)를 구비한다. 샘플러 콘(201) 및 스킴머 콘(203)의 사이의 구역은 진공펌프(미도시된)에 의해서 소모되는 가스(205)로 인해 낮은 압력을 유지한다. 이온화된 시료(ionized sample 206)는 구멍(202)을 통해 시료와 스킴머콘의 사이 낮은 압력의 구역으로 들어간다. 이온들(207)은 질량 분광기의 고진공 범위 내부를 향해 구멍(204)를 통해 더 전도(transmitted) 된다. 질량분광기는 적어도 하나의 이온 포커싱 요소(ion focusing element), 질량 분석기(mass analyser 210) 및 이온검출기(ion detector 211)를 포함하는 이온 포커싱 구성요소들(ion focusing components 209)을 포함한다. 질량분광기 내부로 배치된 펌핑단계(stages of pumping 미도시된)는 2 이상일 수 있다. 질량 분광기는 바람직한 컴퓨터인 조절기로 인해 조절될 수 있다. 이온검출기(211)로부터 검출된 신호는 기록되고, 바람직하게 또한 컴퓨터로 이용하며, 조절기의 이용에서와 같이 동일한 컴퓨터가 될 수 있다. 구멍(202)에 투과(penetrated)되지 않는 가열된 플라즈마 가스(208)는 RF쉴드(42) 및 샘플러 콘(201) 사이의 고리형 범위를 통해서 소모된다.
예3 - 대류 냉각 마이크로파 가스 방전 레이저(Convection Cooled Microwave Gas Discharge Laser)
본 발명의 플라즈마 발생기는 광전력(optical power)의 수백 와트의 고품질 광선(high-quality beam)을 제공하는 작은, 중-전력(medium-power)의, 가스-방전 레이저를 제작하도록 이용될 수 있다. 설계는 마이크로파 주파수에서 냉각 및 순수 유도결합 가스-방출의 대류에 기초한다.
도 19a 및 19b는 각기 본 발명의 유전체 공진기(12)에 기초한 중 전력 소형 가스-방전 레이저(300)의 평면도 및 단면도를 도시한다. 유전체 공진기(12)는 축(14)을 구비한 긴 튜브(68) 형태이고, 중심축 보어(70) 및 외부 원주형 노치(72)들(도7에 도시된)을 구비한다. 유전체 공진기(12)는 고밀도의 알루미나(Al2O3)로 제작될 수 있다. 원통형 RF쉴드(42)는 플라즈마 가스 유입구(302) 및 플라즈마 가스 배출구(304)를 포함한다. 냉각 가스(306)는 가스 유입구(302)를 통해 유입되고, 중심축 보어(70)을 통해 흐르며, 가스 배출구(304)를 통해 가열된 가스(heated gas 308)가 배출된다. 유입구(302) 및 배출구(304)는 당업자에게 잘 알려진 바와 같은 송풍기(blower) 및 가스를 냉각하기 위한 열교환기(heat exchanger) 포함하는 가스 순환 시스템(미도시된 gas circulation system)으로 접촉된다. 2,450MHz마그네트론(미도시된)으로 제공된 것과 같은 마이크로파 전력(118)은 한 쌍(a pair)의 조리개들로 정의된 개구(90)를 구비하는 RF쉴드(42)에서 도파관 포트(waveguide por 124)에 의해 레이저(300)와 결합된다. 유도결합 플라즈마(40)는 유전체 공진기(12)의 내부보어(70)에 형성된다. 윈주형 쉴드(42)의 평면 단부들(Flat ends)은 광학 공동(optical cavity) 형태인 구형 반사거울(reflective spherical mirror 310) 및 구형 반투명 거울(312)을 지지한다. 플라즈마(40)는 내부 광학 구성요소들이(미도시된) 알맞도록 매우 작은 지점에 집중될 수 있는 수백 와트의 고 품질의 축 대칭적인 광학 광선(optical beam 314)의 방사의 결과는 거울들(310, 312)로 형성된 광학 공동 내부의 광 이동 매체(optical gain medium)이다. 금속 쉴드(42)와 접촉된 유전체공진기(12)의 표면들은 바람직하게 도금된 금속이다.
예4 - 확산 냉각 동축 마이크로파 가스 방전 레이저(Diffusion Cooled Coaxial Microwave Gas Discharge Laser)
본 발명의 플라즈마 발생기는 확장 가능한 설계의 고-전력 가스 방전 레이저를 제작에 이용될 수 있고, 몇 킬로와트(several kilowatts)의 광전력을 구비한 고품질 광학 광선 제작이 가능하다. 광학설계는 동축 및 당업자에게 잘 알려진 확산 냉각 구성으로 맞춘다. 확산 레이저들은 최소 가스량을 소비하고, 송풍기를 필요로 하지 않는다. 그러나, 종래의 동축레이저에 플라즈마는 용량결합 플라즈마에서 고유 불안정한 성질의 방전(discharge instabilities inherent) 때문에 전력 제한을 설정하는 내부 및 외부 동축의 전극들(coaxial electrodes) 사이에서 방전되는 순수 용량 RF(pure capacitive RF)로 인해 지속되는 반면, 현재의 발명은 더 편리하고 작으며 효율적인 전력원으로 이용될 수 있는 고 전력 마그네톤들(magnetrons)인 마이크로파 주파수에서 동일한 시간 동안 작동하는 더 높은 전력수준의 정적인 방전이 존재하도록 유도결합 플라즈마를 이용한다. 추가적으로, 레이저 가스와 직접 접촉된 세라믹 필드 어플리케이터의 고온 전도성 때문에, 냉각 확산의 효과(effectiveness of the diffusion cooling)는 보호된다.
도 20은 세라믹 링(12c, 12d) 형태의 본원의 발명의 유전체 공진기를 이용하는 고-전력 확산-냉각 동축 레이저(400)의 단면도를 도시한다. 원통형 RF쉴드는 일반적인 축(14)을 구비한 보다 작은 금속튜브(42b) 및 보다 큰 직경의 금속 튜브(42a)로 구성된다. 튜브들(42a, 42b) 사이의 공간은 carbon-dioxide (CO2), nitrogen (N2), and helium (He)의 화합물(mixture)과 같은 레이징(lasing) 가스로 채워진 평단부 플레이트들(42c, 42d)에 의해 밀폐되도록 밀봉된다. 반사 토릭거울(reflective toric mirror 402) 및 반투과성 토릭거울(semi-transparent toric mirror 404) 각각의 플레이트(42d, 32c)에 거치되고, 동축 광학동공을 형상한다. 내부 RF쉴드(42b)는 물 유입구(408) 및 물 배출구(410)를 포함하는 워터재킷(406)으로 둘러 싸진다. 차가운 물(412)은 유입구(408)로 유입되고 데워진 물(414)은 물 배출구(410)을 통해 제거된다. 외부 RF쉴드(42a)는 물 유입구(424) 및 물 배출구(420)를 포함하는 워터재킷(416)으로 둘러 싸진다. 차가운 물(422)은 유입구(418)로 유입되고 데워진 물(424)은 배출구(420)을 통해 제거된다. 구간(sections)들 AA' 및 BB' 사이에 도시된 부분들(parts)은 레이저의 광선전력 방출을 한 번이상 증가시키도록 축 방향(14)에서 되풀이 될 수 있는 모듈러 어셈블리(modular assembly) 형상을 한다. 도3에서 도시된 이러한 동일한 모듈러스들의 셋 중 하나는 지금 기술된다. 외부 RF쉴드(42a)는 또한 조리개들(94)의 쌍으로 정의된 개구들(90)을 구비한 도파관 포트(124)들을 구비한다. 마이크로파 전력(118)은 산업용 가열 응용들을 위해 일반적으로 이용되는 고-전력 915MHz 또는 2,450MHz 마그네톤들로부터와 같이 분리한 마이크로파 전력(미도시된)으로 인해 각각의 도파관 포트(124)를 공급할 수 있다. 두 링들 외부링 (12c) 및 내부링(12d)으로 구성된 유전체 공진기는 고밀도 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 물질로 제작된다. 외부링(12c)의 내부표면 및 내부링(12d)의 외부표면 사이의 간극은 가스로부터 세라믹 링들(12c, 12d)로 열 확산으로 인하여 효과적으로 열을 전달하기 위한 단지 적은 밀리미터의 폭이다. 세라믹 링들의 높은 열 전도성은 냉각재킷(406, 416)들의 내부에서 플라즈마 가스로부터 흐르는 물 열을 급속으로 전달한다. 순수 유도결합으로 지속되는 플라즈마(40)는 토릭거울들(402, 404)로 형성된 광학 공동 내부의 광 이동 매체를 형성한다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 고-전력, 원통형 대칭(cylindrically symmetric), 고품질의 축 방향 광학 광선(426)의 방사의 이러한 결과는 작은 크기의 지점(spot)으로 외부 광학 구성들(미도시된)로 인해 집중될 수 있다. 금속링들(428, 430)은 모듈러스들 사이의 유도결합을 최소화하고 가스로부터 냉각재킷들(406, 416)의 내부에 흐르는 물의 열 전달 확산이 용이하도록 제공한다. 링의 두께가 링의 내부 및 외부반지름 사이에서 다르게 정의될지라도, 도 20은 대략 동일한 두께를 구비한 두 링들(12c, 12d)를 도시한다. 그러나 본 발명은 같은 두께의 링들을 제한하지 않는다.
예5 - 대류 냉각 동축 마이크로파 가스 방전 레이저
본 발명의 플라즈마 발생기는 확장 가능한 설계의 매우 고-전력 가스-방전 레이저를 제작함에 이용될 수 있고, 수십 킬로와트의 전력을 구비한 고품질 광학광선을 제공할 수 있다. 설계는 동축 및 당업자에게 잘 알려진 대류 냉각 구성으로 맞춘다. 확산 레이저들은 최소 가스량을 소비하고, 송풍기를 필요로 하지 않는다. 그러나, 종래의 동축레이저에 플라즈마는 용량결합 플라즈마에서 고유 불안정한 성질의 방전(discharge instabilities inherent) 때문에 전력 제한을 설정하는 내부 및 외부 동축의 전극들(coaxial electrodes) 사이에서 방전되는 순수 용량 RF(pure capacitive RF)로 인해 지속되는 반면, 현재의 발명은 더 편리하고 작으며 효율적인 전력원으로 이용될 수 있는 고 전력 마그네톤들(magnetrons)인 마이크로파 주파수에서 동일한 시간 동안 작동하는 더 높은 전력수준의 정적인 방전이 존재하도록 유도결합 플라즈마를 이용한다.
도 21은 세라믹 링들(12c, 12d)의 형태의 본 발명의 유전체 공진기를 이용하는 대류) 냉각 유도결합 동축 가스 방전 레이저의 단면도를 도시한 것이다. RF쉴드는 일반적인 축(14)를 구비한 내부 금속 튜브(42b) 및 외부 금속튜브(42a)로 형성된다. 튜브들(42a. 42b)의 사이 공간은 반투과성 토릭거울(404) 및 반사 토릭거울을 지지하는 평플레이트들(42c, 42d)를 밀폐되게 닫는다. 거울들(402, 404)은 고 전력 가스방전 레이저들의 동업자에게 잘 알려진 바와 같이 동축 광학 공동을 형성한다. 구간들 AA' 및 BB' 사이에 도시된 부분들은 레이저의 광선전력 방출을 한 번 이상 증가시키도록 축 방향(14)에서 되풀이 될 수 있는 모듈러 어셈블리 형상을 한다. 도19에서 도시된 이러한 동일한 모듈러스들의 셋 중 하나는 지금 기술된다.외부 RF쉴드(42a)는 가스 유입구들(302) 및 배출구들(304)을 제공한다. 냉각 플라즈마 가스(306)는 가스 유입구들(302)을 통해 레이저(500)로 유입되고, 가열된 플라즈마 가스(308)은 배출구(304)를 통해 떠난다. 유입구들(302) 및 배출구들(304)는 당업자에게 잘 알려진 바와 같은 냉각가스를 위하여 열 전달 시스템 및 매우 높은 흐름 비율의 송풍기를 포함하는 가스 순환 시스템(미도시된)과 접촉한다. 가스 흐름의 방향은 화살표(502)로 표시된다. 외부 RF쉴드(42a)는 또한 조리개들(94)의 쌍들로 정의된 개구(90)들을 구비하는 도파관 포트들(124)응 포함한다. 마이크로파 전력(118)은 산업용 마이크로파 가열 응용을 위하여 일반적으로 고-전력 915MHz 마그네톤들과 같은 분리 마이크로파 소스(미도시된)로 각각의 포트들을 공급한다. 외부링(12c) 및 내부링(12d), 두링으로 구성된 유전체 공진기는 고밀도 알루미나(Al2O3)와 같이 세라믹 물질로 제작된다. 내부링(12d)의 외부표면 및 외부링의 내부표면 사이의 간극은 열을 제거하는 목적의 플라즈마 가스의 높은 유속(high flow-rate)을 위해 충분한 단면구역을 제공하는 대략 1 내지 2센티미터의 폭이다. 순수 유도결합으로 지속되는 플라즈마(40)는 토릭거울들(402, 404)로 형성된 광학 공동 내부의 광 이동 매체를 형성한다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 고-전력, 원통형 대칭(cylindrically symmetric), 고품질의 축 방향 광학 광선(426)의 방사의 이러한 결과는 작은 크기의 지점(spot)으로 외부 광학 구성들(미도시된)로 인해 집중될 수 있다.둥근 모서리를 구비한 금속링들(504, 506)은 삼중목적(three-fold purpose)을 구비한다 : 링들(12c, 12d)이 차지하는 영역에 전자기장을 가두는 것, 인접한 모듈러스 들의 사이에 유도결합을 최소화하는 것, 플라즈마 가스(306, 308)의 높은 유속 가이드(guide)를 돕는 것. 금속쉴드들(42a, 42b) 및 금속링들(504, 506)와 접촉된 세라믹 링들(12c, 12d)의 표면들은 바람직하게 도금된다. 만약 링의 두께가 링의 외부 및 내부 반경 사이에서 다르도록 정의된다면, 도21은 대략 동일한 두께를 구비하는 바와 같은 두 링들(12c, 12d)를 도시한다. 그러나, 본 발명은 같은 두께의 링들을 제한하지 않는다.
예 6 - 전자-사이클로트론-공진 플라즈마 소스 (Electron-Cyclotron-Resonance Plasma Source)
본 발명의 플라즈마 발생기는 전자-사이클로트론-공진 플라즈마 소스의 제작에 이용될 수 있다. 소스는 이온소스와 같은, 또는 우주(in-space)로 추진(propulsion)을 위한 이온-쓰러스터(ion-thruster) 같은 반도체 웨이퍼들(semiconductor wafers)의 플라즈마 처리를 위해 이용될 수 있다.
도 22는 링 형태의 본 발명의 유전체 공진기(12)를 사용하는 전자-사이클로트론-공진 플라즈마 소스를 도시한다. 유전체 공진기(12)는 calcium-titanate (CaTiO3) 세라믹들과 같은 높은 비유전상수 및 매우 낮은 유전체 손실을 구비하는 진보된 기술의 세라믹물질로 만들어 진다. ECR플라즈마 소스가 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 스테인리스 스틸(stainless steel)과 같이 비-자성 물질(non-magnetic material)로 만들어진 원통형 RF쉴드(42)는 전자-사이클로트론-공진(ECR) 플라즈마의 생산에 알맞은 정적의 자기장을 생성하기 위해 영구자석(602)들 또는 전자석들의 구성(set)로 둘러 싸여진다. 무선주파수 전력(150)은 결합 고리(20)에 의해 종결된 동축 전달선(22)을 통해 공급된다. 결합 고리(20)의 일 단부는 동축케이블(22)의 중심도체에 연결되고, 고리의 다른 단부는 RF쉴드(42)와 연결된다. 쿼츠튜브(604) 및 RF쉴드(42)가 가스가 채워진 인클로져를 형성해서 쿼츠튜브(604)의 내부 공간은 낮은 압력으로 유지될 수 있고 플라즈마 소스의 여분은 대기압에 있다.대기압 차가운 공기 및 냉각 유체(606)는 필드어플리케이터(12), 쿼츠튜브(604) 및 RF쉴드(42)로부터 열을 제거하고, 가열된 공기 또는 유체(608)가 배출된다. 낮은 압력의 플라즈마 가스(610)는 플라즈마가 전환되어있는 쿼츠튜브(604)로 들어간다. 플라즈마는 전기 또는 영구자석(602)의 정적인 자기장 및 필드 어플리케이터(12)의 순수 유도 RF쉴드의 결합된 역할(action)로 유지된다. 사용된 가스(612)는 진공 용기(614)와 연결된 진공펌프(미도시된)의 동작으로 인해 제거된다. 우주로 추진하는 이온-쓰러스터들에서, 용기(614)는 행성간 공간의 진공으로 대체될 수 있다. 그리드 전극들(618)의 시스템으로 인한 플라즈마(40)로부터 추출한 이온(616)은 당업자에게 잘 알려진 이온소스들과 같이, 외부 DC 전력 공급장치(미도시된)로 인한 다양한 정전위로 유지한다.
도 22에서 도시된 ECR플라즈마 소스(600)의 상기 상세한 설명은 RF에너지 형태의 여기(excitation 150)를 가정한다. 그러나, 본 발명의 유전체 공진기(12)는 넓은 범위의 주파수에서 작동을 위하여 맞춰질 수 있다. 예를 들어, 고-밀도 알루미나(Al2O3)로 필드 어블리케이터(12)의 금속을 바꿈으로써, 도22의 ECR플라즈마 소스는 마이크로파 주파수에서 작동되도록 제작될 수 있으며, 제공된 전자석(602)들의 정적인 자기장은 주파수에 비례하게 증가된다. 선택적으로, 마이크로파 주파수의 작동을 위해서, 동축케이블(22) 및 고리형 커플러(loop coupler 20)는 각각 도파관 및 조리개 커플러를 대체할 수 있다.
이온들의 소스(616)와 같이 도 22에 도시된 ECR플라즈마 소스(600)의 첫 번째 기능은 예시의 목적으로만 선택되었다. 진공 용기(vacuum vessel 614) 내부로 플라즈마(40)의 직접 침투(direct penetration)를 허락하고, 그리드 전극(618)을 제거 함으로써, 화학-기상-증착(chemical-vapor-deposition), 플라즈마 에칭, 플라즈마 에슁(plasma ashing), 진공 이온펌프와 같이 많은 다른 펌프들을 위한 ECR 플라즈마소스(600)의 이용이 가능하게 된다.
몇몇 응용들에서는 전자석들(602)없이 도22에 도시된 플라즈마 소스(600)의 작동하는 것이 유지할 수 있다. 이러한 경우에 ECR 효과로 플라즈마 밀도의 향상이 될 수 없지만, 본 발명의 필드 어플리케이터(12)의 높은 효율 및 순수 유도결합은 종래의 RF 유도결합 소스들의 우수한 고-밀도 균일 플라즈마(40)의 생산을 가능하게 한다.
예 7 - 넓은 영역, 고-밀도, 균일한 플라즈마 소스(Large Area, High-Density, Uniform Plasma Source)
본 발명의 플라즈마 발생기는 반도체 웨이퍼들의 처리에 알맞은 고-밀도, 플라즈마 소스의 제작에 이용될 수 있다.
도23은 스페이서에 의해 분리된(held apart) 하나 이상의 링들(64)의 더미(stack)가 형성되도록 제작된 본 발명의 유전체 공진기를 이용하는 플라즈마 소스(700)를 도시한다. 원통형 RF쉴드(42)는 냉각수재킷(cooling water jacket 416)을 구비한다. 차가운 물(422)은 RF쉴드(42)로부터 열을 제거하고, 가열된 물(424)은 폐쇄된 냉각시스템의 일부인 냉각장치(chiller 미도시된)로 옮겨진다. RF쉴드(42)만을 냉각수와 접촉시키기 때문에, 종래의 유도결합 플라즈마 소스의 코일을 냉각 시킬 때 요구되는 바와 같이 유전체 환경적으로 유해한 냉각유체는 필요하지 않다. RF쉴드(42) 내부에 발생된 열은 RF쉴드(42)에 직접 접촉되어있는 외부 원통형 표면인 유전체 공진기 링들(64)의 높은 열전도성 세라믹 재료로 인한 RF쉴드의 벽들로 전도(conducted)된다. RF 전력(150)은 RF쉴드(42)와 꽉 맞는 가스의 형상인 쿼츠 또는 세라믹 캡(cap 704)으로 인한 거친 플라즈마 환경(harsh plasma environment) 으로부터 보호되는 고리형 커플러(20)로 끝나는(terminated) 동축 전달 선(22)을 통해 공급된다. 낮은 압력의 플라즈마 가스(610)는 터보-분자(turbo-molecular) 진공펌프(미도시된)로 제거된 사용된 가스(612) 및 유전체 공진기(64)의 더미의 동작으로 인해 플라즈마(40)로 여기된다. 플라즈마(40)는 척(chuck 708)으로 고정된 반도체 웨이퍼(706)의 플라즈마의 처리를 용이하게 한다. 척(708)은 플라즈마를 견디도록 이용된 RF 전력(150)의 일반적으로 다른 주파수 형태인 RF 전력(714)를 구비한 동축의 전달 선(712)으로 인해 공급된 RF 비스듬한(bias) 전극(710)을 포함할 수 있다.
예 8 - 매우 넓은 영역, 고-밀도, 균일한 플라즈마 소스(Very Large Area, High-Density, Uniform Plasma Source)
본원의 플라즈마 발생기는 큰 반도체 웨이퍼들 및 솔라 패널(solar panels)들의 처리에 알맞은 매우 넓은 영역의 균일한 플라즈마를 생산하는 고-밀도 플라즈마 소스의 제작에 이용될 수 있다.
도 24는 다양한 두께의 계단(76)을 구비한 세라믹 디스크(74) 형태의 본발명의 유전체 공진기를 이용하는 플라즈마 소스(800)를 도시한다. 계단들(76)의 두께는 가장 균일한 플라즈마(40)인 유전체 내부의 유전체 분극전류의 방사상 분포를 얻도록(obtain) 최대한 활용(optimized)된다. 원통형 RF쉴드(42)는 냉각 워터 자켓(416)을 구비한다. 차가운 물(422)은 RF쉴드(42)로부터 열을 제거하고, 가열된 물(424)은 폐쇄된 냉각시스템의 일부인 냉각장치(chiller 미도시된)로 옮겨진다. RF쉴드(42) 내부에 발생된 열은 RF쉴드(42)에 직접 접촉되어있는 외부 원통형 표면인 유전체 공진기(74)의 높은 열전도성 세라믹 재료로 인한 RF쉴드의 벽들로 전도(conducted)된다. 플라즈마 가스(610)는 디스크(74)의 상부 공간에 수용되고(admitted)디스크(74)의 표면을 고르게 분포되게 가로지르는 좁은 모세관 구멍(narrow capillary holes 802)을 통해 흐르며, 샤워꼭지(showerhead) 효과를 생성한다. 좁은 구멍들을 가로질러 압력이 떨어지기 때문에, 디스크(74) 상부의 압력은 충분히 높아져서, 플라즈마 소스(800)의 일부에는 플라즈마의 형태가 없어진다. 디스크(74)의 하단 외부로 흐르는 플라즈마 가스(610)은 터보-분자 진공펌프(미도시된)로 인해 제거된 사용된가스(612) 및 균일한 플라즈마(40), 고-밀도, 넓은 범위로 여기된다. 플라즈마(40)은 척(708)로 고정된 솔라판넬(706) 또는 넓은 직경의 반도체 웨이퍼의 플라즈마 처리를 용이하게 한다. 척(708)은 플라즈마를 견디도록 이용된 RF 전력(150)의 일반적으로 다른 주파수 형태인 RF 전력(714)를 구비한 동축의 전달 선(712)으로 인해 공급된 RF 비스듬한(bias) 전극(710)을 포함할 수 있다.
예 9 - 마이크로파 플라즈마 토치(Microwave Plasma Torch)
본원의 플라즈마 발생기는 유도 결합 마이크로파 에너지에 의해 동작하는 전극 없는 대기 플라즈마 토치들의 제작에 이용될 수 있다. 이러한 토치들은 제조, 환경, 화학, 합성, 공간 및 과학적 응용들로 이용될 수 있다.
도 25는 본 발명의 유전체 공진기(12)를 사용하는 플라즈마 소스에 기초하는 대기 마이크로파 플라즈마 토치(850)를 도시한다. 원통형 RF쉴드(42)는 가열된 물(424)을 위한 배출구 및 차가운 물(422)을 위한 유입구 를 구비한 냉각수 재킷(416)으로 둘러싸여진다. 유전체 공진기는(12)는 열을 효과적으로 제거하기 위한 RF쉴드(42)에 직접 접촉되어있는 외부 원통형 표면인 세라믹 링의 형태로 만들어진다. RF쉴드(42)는 또한 조리개들(94)의 쌍들로 정의된 개구(90)를 구비한 도파관 포트(124)를 포함한다. 마이크로파 전력(118)은 마그네톤(미도시된)으로부터 도파관 포트(124)로 공급될 수 있다. 알루미나 세라믹들 또는 쿼츠로 제작된 3축 매니폴드(852)는 유전체 공진기 링(12)의 중심개구를 통해 냉각가스(854), 보조가스(856) 및 분무된(sprayed) 재료(858)의 일부들을 이끈다. 고온의 대기압 플라즈마(40)는 표면치료(surface treatment)를 견디는 오브젝트(object 862)의 표면 위에 배치되고 주입된 녹는 물질(molten material 860)의 분사가 발생하도록 물질을 녹인다. 대기 플라즈마 토치가 당 업자들에게 잘 알려진 바와 같이, 도 23의 플라즈마-분사 적용은 고온의 플라즈마 치료(plasma treatment)를 견디는(undergoing) 오브젝트(862) 및 다른 물질(858)들 이용하여 실현되는 많은 적용들 중 오직 하나이다.
도 26은 수렴-발산 노즐(111) 형상인 보다 작은 직경의 내부방향 넥(84)들인 중심보어(70)를 구비하는 유전체 공진기(12)에 기초한 마이크로파 플라즈마 토치(870)을 도시한다. 원통형 RF쉴드(42)는 차가운 물(422)을 위한 유입구 및 가열된 물(424)을 위한 배출구를 구비한 냉각수 재킷(416)으로 둘러 싸여진다. 유전체 공진기(12)의 외부표면은 열의 효과적인 전달을 위한 RF쉴드(42)에 접촉해 있다. RF쉴드(42)는 또한 조리개들의 쌍으로 정의된 개구(90)를 구비한 도파관 포트(124)를 포함한다. 마이크로파 전력(118)은 마그네톤(미도시된)으로부터 마이크로파 포트(124)로 공급될 수 있다. 쿼츠 또는 알루미나로 제작된 2축의 매니폴트(872)는 중심보어(70) 내부로 냉각가스(854) 및 플라즈마가스(874)를 이끈다. 플라즈마 가스(874)는 플라즈마를 변환되고, 고온의 음속이하의 흐름(80)을 통해 마이크로파 에너지의 흡수로 인한 고온으로 가열된다. 음속이하 흐름(80)의 큰 열 에너지는 수렴-발산 노즐의 동작으로 인해 초음속 흐름(82)의 운동에너지로 변환된다. 초음속 흐름(82)은 플라즈마 용접 및 절단과 같은 것 뿐만 아니라 우주로 추진하기 위한 열 로켓에도 진보한 제작 응용이 가능하다.
예 10 - 이온 사이클로트론 공진 플라즈마 가열
본 발명의 플라즈마 발생기는 우주로의 추진을 위한 융합 원자로(fusion reactors) 가변-특정-충격 자기플라즈마 로켓(VASIMR variable-specific-impulse magnetoplasma rocket)와 같은 응용으로 이온-사이클로트론 가열(ICRH ion-cyclotron heating)의 제작에 이용될 수 있다.
도 27a 및 27b는 본 발명의 유전체 공진기(12)를 이용하는 토카막(tokamak) 융합 원자로(900) 각각의 A-A 및 B-B단면을 도시한다. 진공 용기(42)는 또한 RF쉴드와 같이 제공하고, 플라즈마(40)의 자기 구성요소를 위해 고리형(toroidal) 정적 자기장을 생성(create)하는 초전도 전자석들(superconducting electromagnets 902)에 둘러 싸진다. 유전체 공진기(12)는 큰 상대 유전상수(relative dielectric constant)을 구비하는 유전체 세라믹 물질로부터 링 형태로 제작된다. ICRH의 전형적인 10MHz 및 100MHz 사이의 주파수에서 수백만 와트의 RF전력(150)은 RF쉴드(42)의 일부를 형성하는 공동(904)의 내부에 배치된 고리형 커플러(20)로 끝나는 동축의 전달선(22)를 통해 공급된다.
특정 용어는 오직 참조의 목적으로 본원에서 사용되었으며, 그러므로 제한을 의도하는 것은 아니다. 예를 들어, "상부", "하부", "위" 및 "아래"와 같은 용어는 도면에서의 방향을 참조하기 위하여 만들어진 것이다. "앞", "뒤", "뒤쪽", "하단" 및 "측면"과 같은 용어는 일관된 구성요소들의 일부의 기술을 지향한며, 글자로 참조를 명확하게 하고 의견에 속하는 구성요소를 기술하는 도면들과 연계하도록 만들어진 참조의 임의의 틀이다. 이러한 전문용어는 특히 상기 언급된 것에 대해 파생된, 유사하게 중요한 단어들을 포함할 수 있다. 유사하게, 구성을 참조하는 용어 " 제1", "제2" 및 이러한 수적 용어는 분명히 문맥에 의해 명시되지 않는 한
및 다른 이러한 숫자적인 용어들 연속 도는 순서를 의미하지 않는다.
본원 및 모범적인 실시예들의 요소 또는 기능들을 설명할 때, 관사 a", "an", "the" 및 "said"는 하나 이상의 이러한 기능 및 구성요소들을 의미하도록 의도된다. 용어 “포함하다”, “갖는다”, 및 “구비하다”는 특별한 언급은 포괄적 및 특별한 업급 이외에 요소 또는 기능을 추가할 수 있는 의미를 의도한다. 성능의 향상이 구체적으로 확인되지 않는 한, 단계들, 공정들, 작동들의 방법이 논의되고 묘사된 특정 순서의 실행을 반드시 요구와 같이 해석 되지는 않게 본원에 기술된 것이 더 이해되어야 한다. 또한 추가적이거나 대안적인 단계들은 이용될 수 있음이 이해되어야 한다.
용어"링"은 예를 들어 명백히 언급된 바와 같은 높이를 제외하는 직경을 구비한 원형 윤곽, 방사상의 대칭 또는 특히 종횡비와 같은 특수한 하나의 위상표면을 일반적으로 의미하고, 필요도 배제하지 않음이 이해되어야 한다.
청구항들을 따르는 범위 내에서 실시예들의 일부들을 포함하는 실시예들의 변형된 모양 및 다른 실시예들 요소들의 결합을 포함하도록 이해 되어야 하는 청구항들 및 본원에 억제된 실시예들과 도면들이 제한되지 않도록 본 발명은 명확하게 의도된다.
10 : 플라즈마 발생기
12 : 유전체 공진기
12a : 유전체 공진기
12b : 유전체 공진기
12c : 외부링
12d : 내부링
14 : 축
16 : 커플링 안테나
18: 무선주파수 전력 공급장치
19 : 센싱 안테나
20 : 커플러
21: 전력
22 : 동축케이블
24 : 평행축
28: 전기장
32: 가스 소스
34: 제어기
36 : 가스포트
40 : 플라즈마
42 : 무선주파수 쉴드
42a : 금속튜브
42b : 금속튜브
42c : 플레이트
42d : 플레이트
43 : 화살표
44 : 조율요소
46 : 메커니즘
50 : 이동 화살표
52 : 스탠드오프
54 : 스탠드오프의 단부
58 : 고리부분
60 : 경계
62 : 단부표면
64 : 링
66 : 스페이서
68 : 긴 튜브
70 : 중심축 보어
72 : 노치
74 : 디스크
76 : 계단
82 : 플라즈마 흐름
84 : 직경
89 : 도파관
90 : 개구
92 : 화살표
94 : 조리개
102 : 광학 방출 분광기
104 : 원형개구
106 : 원형개구
108 : 원형개구
110 : 연장부
112 : 연장부
114 : 연장부
118 : 전력
120 : 마그네톤
124 : 커플러
125 : 3축 매니폴드
126 : 플라즈마 냉각가스
128 : 플라즈마 보조가스
130 : 분석시료
132 : 시료소스
134 : 빛
136 : 광센서
138 : 컴퓨터
142 : 화학물질
150 : 자극
200 : 질량분광기
201 : 샘플러 콘
202 : 구멍
203 : 스킴머콘
204 : 구멍
205 : 가스
206 : 이온화된 시료
207 : 이온
208 : 플라즈마 가스
209 : 이온 포커싱 구성요소
210 : 질량 분석기
211 : 이온 검출기
300 : 가스-방전 레이저
302 : 가스 유입구
304 : 가스 배출구
306 : 냉각가스
308 : 가열된 가스
310 : 반사거울
312 : 반투명 거울
314 : 광학 광선
400 : 동축레이저
402 : 반사 토릭거울
404 : 반투과성 토릭거울
406 : 재킷
408 : 물 유입구
410 : 물 배출구
412 : 차가운 물
414 : 데워진 물
416 : 재킷
418 : 물 유입구
420 : 물 배출구
422 : 차가운 물
424 : 데워진 물
500 : 레이저
600 : 플라즈마 소스
602 : 전자석
604 : 쿼츠튜브
606 : 냉각유체
608 : 가열된 유체
610 : 플라즈마 가스
612 : 사용된 가스
614 : 진공용기
616 : 이온소스
618 : 그리드전극
704 : 캡
706 : 웨이퍼
708 : 척
710 : 전극
712 : 동축 전달선
714 : 전력
800 : 플라즈마 소스
802 : 모세관 구멍
850 : 마이크로파 플라즈마 토치
852 : 3축 매니폴드
854 : 냉각가스
856 : 보조가스
858 : 분무된 재료
860 : 녹는물질
862 : 오브젝트
872 : 2축 매니폴트
900 : 융합 원자로
902 : 초전도 전자석
904 : 공동

Claims (21)

  1. 플라즈마 발생기에 있어서,
    중심축을 구비하는 유전체 공진기 구조; 및
    인접한 가스에서 플라즈마를 발생시키는 축 주위로 유전체 공진기 구조의 고유 공진 주파수에서 교류분극전류 흐름를 촉진하도록 구성하는 유전체공진기와 결합되는 전기적인 무선주파수 동력소스;
    를 포함하는 플라즈마 발생기.

  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 에너지를 플라즈마에 유도적으로 결합하는 플라즈마 발생기.

  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기의 축 표면들은 전기 쉴딩에 의하여 영향을 받지 않는 플라즈마 발생기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 100보다 높은 양호도를 구비하는 플라즈마 발생기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 1x1010 Ωㆍcm보다 높은 전기저항을 구비하는 플라즈마 발생기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 구리의 녹는점보다 높은 녹는점을 구비하는 플라즈마 발생기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 0.01보다 작은 손실탄젠트를 갖는 유전율을 구비하는 플라즈마 발생기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 5보다 높은 유전율을 구비하는 플라즈마 발생기.
  9. 제1항에 있어서,
    유전체 물질은, 칼슘 티타네이트(CaTiO3) 및 알루미나(Al2O3)로 구성된 그룹으로부터 선택된 플라즈마 발생기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 축을 따라 중심개구를 구비하는 링인 플라즈마 발생기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 링은 적어도 0.5인치의 직경의 중심개구를 구비하는 플라즈마 발생기.
  12. 제10항에 있어서,
    링의 축을 따라 링 내부로 가스를 유입하는 가스포트를 더 포함하는 플라즈마 발생기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 무선주파수 동력소스는 유전체 공진기 구조의 고유 공진 주파수에서 무선주파수 동력을 방출하도록 유전체 공진기 구조의 고유 공진 주파수를 자동으로 검색하는 플라즈마 발생기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 무선주파수 동력소스는 자전관인 플라즈마 발생기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 무선주파수 동력소스는 20내지 1000MHz 범위의 동력을 방출하는 플라즈마 발생기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 무선주파수 동력소스는 13.56MHz, 27MHz, 40MHz, 60MHz, 430MHz, 915MHz 및 2450MHz의 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 주파수를 포함하는 범위에서 동력을 방출하는 플라즈마 발생기.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기는 옵티칼 레이저, 플라즈마 토치, 로켓 엔진, 전자 사이클로트론 플라즈마 또는 이온소스, 반도체 공정을 위한 유도 결합된 플라즈마 소스, 또는 이온 사이클로트론 플라즈마 히터의 구조에 포함되는 플라즈마 발생기.
  18. 광학 분광기에 있어서,
    인접한 가스에서 플라즈마를 발생하는 축에 대하여 유전체 공진기 구조의 고유 공진 주파수에서 교류 분극 전류의 흐름을 촉진하도록 유전체 공진기 구조와 전기적으로 결합되는 유전체 공진기 구조 및 무선주파수 동력소스을 포함하는 플라즈마 발생기;
    플라즈마 발생기에 의해 발생된 플라즈마 안으로 검토되는 가스 및 물질을 유입하기 위한 유입기 노즐; 및
    플라즈마에 의해 가열될 때, 물질에 의한 반사된 빛의 주파수를 측정하기 위한 광학 센서;
    를 포함하는 광학 분광기.
  19. 질량 분광기에 있어서,
    인접한 가스에서 플라즈마를 발생하는 축에 대하여 유전체 공진기 구조의 고유 공진 주파수에서 교류 분극 전류의 흐름을 촉진하도록 유전체 공진기 구조와 전기적으로 결합되는 유전체 공진기 구조 및 무선주파수 동력소스를 포함하는 플라즈마 발생기;
    플라즈마 발생기로 인하여 발생된 플라즈마가 검토되는 가스 및 물질의 유입을 위한 유입기 노즐; 및
    플라즈마에 의해 가열될 때, 생산된 물질의 이온들의 비율을 충전하는 질량을 측정하기 위한 이온센서;
    를 포함하는 질량 분광기.
  20. 플라즈마 발생기를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 방법에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기는 인접한 가스에서 플라즈마를 발생하도록 축에 대하여 유전체 공진기 구조의 고유 공진 주파수에서 교류 분극 전류의 흐름을 촉진하도록 유전체 공진기 구조와 전기적으로 결합되는 유전체 공진기 구조 및 무선주파수 전력원을 포함하고,
    상기 방법은,
    (a) 유전체 공진기 구조에 인접한 구역 내로 가스를 유입시키는 단계; 및
    (b) 유입된 가스에서 플라즈마를 발생하도록 고유 공진 주파수에서 유전체 공진기 구조를 여기시키는 단계;
    를 포함하는 방법

  21. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기 및 무선주파수 동력 소스는 도파관 내에 위치되고 상기 무선주파수 동력 소스는 상기 도파관을 통해 방사선에 의해 상기 유전체 공진기 구조에 전기적으로 결합되는 플라즈마 발생기.
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