PL221507B1

PL221507B1 - Sposób i układ do wytwarzania plazmy

Info

Publication number: PL221507B1
Application number: PL385484A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Jankowski; Andrzej Ramsza; Edward Reszke
Original assignee: Edward Reszke
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2016-04-29
Also published as: PL385484A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do wytwarzania plazmy, która jest zdolna do przyjmowania próbek przeznaczonych do plazmowej obróbki chemicznej lub termicznej, wzbudzanych lub jonizowanych dla celów analizy emisyjnej lub analizy masowej, pochodzących z zewnętrznego układu podawania próbek: podajnika, parownika, rozpylacza itp.

Problem penetracji plazmy cząstkami materiałów proszkowych rozwiązany został w znanych plazmotronach-pistoletach do natryskiwania plazmowego, w które są wyposażane w usytuowaną prostopadle względem dyszy plazmotronu, rurkę do wstrzykiwania cząstek przyśpieszonych w dodatkowym strumieniu gazu. Moce plazmotronów do natryskiwania plazmowego zazwyczaj przekraczają poziom 10-20 kW dzięki czemu plazma nie gaśnie nawet wtedy, gdy wstrzykiwane cząstki zakłócają przepływ prądu anodowego znajdując się na drodze pomiędzy katodą i anodą plazmotronu.

Plazmą o z góry przewidzianym i wcześniej wyznaczonym obszarze, przez który nie przepływa prąd elektryczny, jest znana z techniki wielkich częstotliwości plazma sprzężona indukcyjnie ICP (Inductively Coupled Plasma). Plazma ta jest wytwarzana w układzie, w którym generator jest dołączony do kilkuzwojowego induktora, który może stanowić obciążenie wzmacniacza liniowego lub element obwodu oscylatora mocy, zaś wewnątrz induktora umieszczona jest rura kwarcowa z przepływającym gazem. W układzie tym wyładowanie zachodzi bez udziału jakichkolwiek elektrod i posiada charakterystyczny naskórkowy rozkład prądów wielkiej częstotliwości (w.cz) z zerem na osi plazmy. Materiał do plazmy ICP podawany jest wzdłuż osi plazmy, czyli właśnie tam, gdzie indukowany prąd ma wartość zerową. Przepływ gazu i materiału wzdłuż osi plazmy indukcyjnej powoduje powstanie poosiowo-usytuowanego chłodniejszego kanału. Z uwagi na ten chłodniejszy kanał i rozkład prądu o plazmie indukcyjnej mówi się jako o plazmie toroidalnej. Dzięki toroidalnemu kształtowi wyładowania spektrometry ICP z plazmą sprzężoną indukcyjnie przy mocach poniżej 1 kW gwarantują wysoki stosunek sygnału do szumu pozwalając na oznaczanie śladów pierwiastków. Łatwość wprowadzania materiałów do plazmy sprawia także, że urządzenia plazmy indukcyjnej o mocach powyżej 1 MW, są z powodzeniem stosowane w przemyśle.

Próby stworzenia korzystnych warunków wprowadzania próbek są podejmowane także w innych źródłach plazmy. Znane są doniesienia nt. uzyskiwania toroidalnego kształtu plazmy w źródłach mikr ofalowych. W pracy: M.R. Hammer'a, A magnetically excited microwave plasma source for atomic emission spectroscopy with performance approaching that of the inductively coupled plasma, Spectrocimica Acta Part B 2008 vol. 63, s. 456-464, rurka z plazmą umieszczona została w falowodzie prostokątnym w obszarze maksimum pola magnetycznego, prostopadle do węższej ścianki falowodu. Jednak tak uzyskana plazma nie może być krótsza od połowy fali (ok. 6 cm), co stanowi niekorzystne ograniczenie gęstości energii. Generowanie bardziej skupionego wyładowania w polu magnetycznym mikrofal nie jest proste. Gdyby podjąć próbę zastąpienia falowodu induktorem, czyli gdyby spróbować powtórzyć warunki ICP, to przy grubości ścianek rurki wyładowczej rzędu 1 mm przy minimalnej praktycznej średnicy rurki ok. 6 mm, obwód jednego zwoju induktora musiałby mieć długość prawie 30 mm. Taki jednozwojowy induktor nie może być uznany za skupiony, gdyż przy typowej częstotliwości grzewczej 2, 45 GHz długość 30 mm stanowi już ćwiartkę długości fali.

Spośród innych znanych źródeł plazmy, charakteryzujących się wysoką stabilnością wyładowania trzeba tutaj przypomnieć palnik współosiowy, w którym plazma jest wytwarzana jako przedłużenie przewodu środkowego w linii współosiowej. Rożne konstrukcje palników współosiowych znane są z literatury drugiej połowy XX wieku. Przy niskich mocach plazmę zainicjowaną na końcu linii współosiowej stosuje się jako źródło wzbudzenia dla celów analitycznych. Okazało się bowiem, że sprzężenie plazmy z przewodem środkowym nie wymaga emisji elektronów z metalu i nawet bez stosowania chłodzenia sprzężenie z plazmą ma charakter pojemnościowy. Dlatego tak generowaną plazmę zalicza się do plazm typu CMP (Capacitive Microwave Plasma). Plazma generowana na końcu elektrody znalazła zastosowanie szerokie zastosowanie w procesach CVD (Chemical Vapour Deposition) m.in. do wytwarzania sztucznych diamentów.

Zastosowanie jednoelektrodowych palników współosiowych do celów analityki chemicznej jest generalnie ograniczone, gdyż toroidalny kształt plazmy CMP uzyskuje się jedynie w pobliży powierzchni elektrody tam, gdzie cząstki są wprowadzane do plazmy przez specjalnie ukształtowaną dyszę.

Znane są też ze stosowania, układy bez-elektrodowych wnęk plazmowych zwanych MIP (Microwave Induced Plasma) stanowiących strojone wnęki rezonansowe wyposażone w rurkę wył adowczą wewnątrz której wytwarzane jest wysokie natężenie pola dostateczne do zainicjowania

PL 221 507 B1 i utrzymania plazmy, zwykle stabilizowanej przepływem gazu poruszającym się symetrycznym strumieniem, którego jedna składowa jest skierowana wzdłuż rurki. Próby uzyskania toroidalnego kształtu plazmy w różnych układach MIP są liczne, zwłaszcza dotycząc uzyskania plazmy helowej [Jankowski i inni, Proc. Winter Conference on Plasma Spectroscopy 2008].

Problemy wprowadzania do plazmy materiałów stałych w postaci proszków lub granulatów, ciekłych w postaci cieczy lub aerozoli, czy też par lub gazów o różnym składzie chemicznym, które mają być poddawane analizie lub obróbce termicznej i chemicznej, w plazmie o z góry zadanym kształcie, są w znacznym stopniu nierozwiązane zwłaszcza w przypadku tzw. plazmy zderzeniowej. W warunkach plazmy zderzeniowej wymiana energii plazmy z otoczeniem powoduje, że zamiast plazmy wypełniającej naczynie reaktora lub rurę wyładowczą, mamy zwykle do czynienia z pojedynczym skupionym plazmoidem, który nie wypełnia całego obszaru i do utrzymania jego stabilnego położenia jest potrzebny specjalnie ukształtowany wymuszony przepływ gazu. Podawanie materiałów próbek czy reagentów do takiej plazmy jest zawsze trudne, gdyż zakłóca jej stan termodynamiczny i prowadzi do powstawania niestabilności lub takiej zmiany geometrii plazmy, że wymiana energii z zewnętrznymi cząstkami staje się mało efektywna. Dzieje się to w ramach tzw. samouzgadnialnego układu plazmapole, w których plazma obdarzana obcymi cząstkami przyjmuje stan minimum energii, co powoduje jednoczesną zmianę rozkładu pola elektromagnetycznego, a co za tym idzie zmienia przestrzenny rozkład gęstości plazmy, czyli zmienia jej geometrię lub położenie. Ponieważ plazma jest ośrodkiem o gęstości energii znacznie wyższej od otoczenia i dopóki nie uformuje się w niej co najmniej jeden kanał o obniżonej temperaturze, do którego można wprowadzać cząstki z zewnątrz, dopóty wszelkie materiały omijają wyładowanie, są od niego odbijane lub są roznoszone po jego peryferiach, co stanowi trudność dostarczania jakichkolwiek materiałów do plazmy. Ponadto ustalony stan minimum energii układu, ustala się samoistnie, jednak zwykle wtedy, gdy cząstki nie penetrują plazmy w dostatecznym stopniu.

Jednym z kierunków poszukiwań rozwiązania tego problemu, są miniaturowe źródła wzbudzenia znajdujące zastosowanie w spektroskopii. W przypadku spektroskopii mas źródło plazmy ma za zadanie jonizację próbki. W źródłach dla analityki chemicznej ważny jest stosunek sygnału analitycznego do szumu (S/N). Wysoki stosunek S/N zwykle daje się uzyskać wtedy, gdy plazma posiada własności tzw. plazmy toroidalnej, która jest stabilna i posiada chłodniejszy kanał przez który wraz z gazem może być podawany materiał próbki, który następnie podlega wzbudzeniu wskutek wymiany energii cząstek znajdujących się w kanale z otaczającą go gorętszą plazmą.

Drugim kierunkiem poszukiwań są źródła plazmy większej mocy przydatne do prowadzenia procesów technologicznych, w których materiał poddawany procesowi musi się do plazmy skutecznie dostać i ulec tam nagrzaniu i przereagowaniu. W tych przypadkach nie maksymalizuje się stosunku S/N, lecz sprawność energetyczną. Chodzi to aby ilość przekazywanej do procesu energii była zbliżona do całkowitej energii wydzielanej w plazmie. Ostatecznie jednak ocenie podlega wydatek energii dostarczanej do plazmy mierzony w stosunku do masy produktu wyjściowego z uwzględnieniem jego ceny rynkowej.

Z przytoczonej analizy znanych rozwiązań wynika, że realizacja skupionego induktora, który mógłby być użyty do zrealizowania źródła plazmy sprzężonej indukcyjnie ICP, na mikrofalach stanowi nierozwiązany problem techniczny. Technicznym celem realizowanym dzięki zastosowaniu wynalazku jest generowanie takiego układu plazmy składającej się z jednego lub większej liczby wyładowań plazmowych, w którym konfiguracja geometryczna oraz rozpływ prądów pozwalają na zaistnienie, co najmniej jednego kanału, zwłaszcza toroidalnego, przeznaczonego do wprowadzania cząstek z zewnątrz bez zgaszenia plazmy, czy zaburzania jej stabilności.

Istota sposobu wytwarzania plazmy, według wynalazku, polega na tym, że co najmniej trzy fale elektromagnetyczne doprowadza się co najmniej trzema identycznymi elementami generatora plazmy do punktów rozmieszczonych symetrycznie na okręgu wokół generowanej plazmy, przy czym w geometrycznym środku okręgu i prostopadle do tego okręgu, wprowadza się gaz z cząstkami z zewnątrz, przez co tworzy się chłodniejszy kanał plazmy, która przyjmuje kształt toroidu.

Korzystnie, co najmniej trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jedn ocześnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy.

Korzystnym jest gdy, co najmniej trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się sekwencyjnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elementów sprzęgających albo do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elektrod, przy czym okres powtarzania sekwencji jest współmierny z czasem życia plazmy.

PL 221 507 B1

Korzystnie, w generatorze mocy generuje się jedną szybkozmienną falę elektromagnetyczną, którą w dzielniku mocy dzieli się na co najmniej trzy identyczne szybkozmienne fale elektromagnetyczne.

Korzystne jest to, że w jednym generatorze mocy generuje się jedną szybkozmienną falę elektromagnetyczną, którą w dzielniku mocy dzieli się na co najmniej trzy identyczne szybkozmienne fale elektromagnetyczne, po czym w przesuwnikach fazy przesuwa się ich fazy tych fal o kąt równy ilorazowi kąta pełnego przez ilość wydzielonych fal elektromagnetycznych.

Korzystne jest również to, że co najmniej trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elektrod sym etrycznie zanurzonych w plazmie i rozmieszczonych na okręgu usytuowanym na peryferiach generowanej plazmy.

Korzystnie, szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elementów sprzęgających rozmieszczonych wzdłuż co najmniej jednej linii, wzdłuż której emituje się jednorodne współfazowe pole elektromagnetyczne wytwarzające plazmę.

Korzystnie, szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elektrod zanurzonych w plazmie i rozmieszczonych wzdłuż co najmniej jednej linii, wzdłuż której emituje się jednorodne współfazowe pole elektromagnetyczne wytwarzające plazmę.

Korzystnie, co najmniej trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się do co najmniej trzech elementów generatora plazmy, rozmieszczonych symetrycznie na okręgu, z których każdy jest indywidualnym źródłem plazmy wyposażonym w elektrody, po czym co najmniej trzy tak wygen erowane plazmy łączą się w jedną większą plazmę, w wyniku czego, przyjmuje ona kształt toroidu, którego środkiem podaje się cząstki z zewnątrz.

Układ do wytwarzania plazmy według wynalazku, ma co najmniej jeden generator mocy połączony z co najmniej trzema identycznymi i symetrycznie na okręgu rozmieszczonymi elementami generatora plazmy.

Korzystnie, elementami generatora plazmy są elementy sprzęgające rozmieszczone symetrycznie względem osi generowanej plazmy lub elektrody zanurzone w plazmie i rozmieszczone sym etrycznie względem osi generowanej plazmy.

Elektrody korzystnie, są elektrodami paskowymi pozostającymi w kontakcie z plazmą.

Korzystnym jest również, gdy elementami generatora plazmy są indywidualne źródła plazmy rozmieszczone symetrycznie względem osi generowanej plazmy.

Układ korzystnie, ma jeden generator mocy, który połączony jest poprzez rozdzielacz mocy z co najmniej trzema elementami generatora plazmy, korzystnie poprzez co najmniej dwa przesuwniki fazy.

Korzystnym jest, gdy przesuwniki fazy stanowią odcinki prowadnic falowych.

Korzystnie, jest również gdy generatory mocy są generatorami wysokonapięciowymi.

Korzystne jest to, że pomiędzy dzielnik mocy i co najmniej trzy elementy generatora plazmy włączone są elementy odwracalne hybrydowe i/lub nieodwracalne pasywne i/lub czynne, korzystnie wzmacniacze mocy. Korzystnie elementem odwracalnym hybrydowym jest sprzęgacz mocy z obciążeniem dopasowanym, elementem nieodwracalnym pasywnym jest izolator ferrytowy lub cyrkulator pracujący w układzie izolatora z obciążeniem dopasowanym, a elementem czynnym jest wzmacniacz mocy.

Korzystnie, obwód separujący stanowi człon separujący lub układ kluczujący korzystnie zawi erający przełączniki.

Korzystnym jest to, że elementy generatora plazmy rozmieszczone są symetrycznie wzdłuż co najmniej jednej linii.

Główną zaletą techniczną wynalazku, jest otrzymywanie plazmy toroidalnej przez co rozwiązuje problem techniczny występujący przy stosowaniu plazm wyładowań elektrycznych, zwłaszcza dot yczący plazm pobudzanych energią wielkich częstotliwości lub mikrofal i generowanych przy wyższych niż próżnia, ciśnieniach i rozwiązuje problem wprowadzania do plazmy materiałów stałych (proszków, granulatów) lub ciekłych (cieczy, aerozoli), które mają być poddawane analizie lub obróbce termicznej i chemicznej a także uzyskiwanie wyładowań o zadanym kształcie. Sposób pozwala też na uzyskanie bardzo stabilnej plazmy już przy mocach 200 W i to w helu, który jako gaz plazmo-twórczy jest szczególnie kapryśny. Potwierdziły to eksperymenty z trzema elektrodami wolframo wymi przy częstotliwości 2450 MHz (mikrofale) a także przy częstotliwości 27 MHz (fale w.cz. zakresu fal krótkich) Sposobem według wynalazku, generuje się plazmę, która jest zasilana z wielu źródeł mocy w taki

PL 221 507 B1 sposób aby uzyskać korzystny toroidalny kształt plazmy, która dzięki temu może przyjmować obce cząstki z zewnątrz.

Dostatecznie symetryczne wytwarzanie plazmy toroidalnej zapewnia składowa magnetyczna pola mikrofalowego wytwarzana za pomocą wielo-zwoju cylindrycznego lub o kształcie lejka, którego długość liniowa może być większa od ćwierci długości fali, dzięki symetrycznie po obwodzie rozłożonemu zasilaniu z kolejnych generatorów. Zastosowanie generatorów prądów szybkozmiennych utworzonych poprzez podział mocy, które są połączone z plazmą za pomocą kontaktów pojemnościowych metal-plazma w bardzo malej wzajemnej odległości, pozwala na wytworzenie plazmoidów zlewających się w jedną plazmę o kształcie toroidalnym.

Sposób pozwala też na otrzymanie plazmy toroidalnej o własnościach zbliżonych do plazmy ICP, a wytwarzanej za pomocą pola mikrofalowego, którego składowa magnetyczna jest indukowana współfazowo w symetrycznie względem osi plazmy rozmieszczonych obszarach poprzez ułożenie w tych obszarach dostatecznie krótkich względem długości fali odcinków przewodów-pętli z prądem, oddzielonych od plazmy barierą dielektryczną, które są podłączone do generatorów mocy mikrofalowej, zwłaszcza zsynchronizowanych ze sobą co do fazy. W tym przypadku zastosowane zostały niepełne zwoje wykonane z przewodu, którego całkowita długość równa np. 10 mm, które zostały rozmieszczone symetrycznie ponieważ pojedynczy niepełny zwój, nie mógł by wytworzyć pola magnetycznego o dostatecznym stopniu symetrii.

Układ do wytwarzania plazmy pozwala także na uzyskanie innej plazmy, zwłaszcza generowanej w polu mikrofalowym w celu uzyskania określonej na przykład płaskiej lub liniowej geometrii wyładowania, w której jeden wymiar plazmy jest porównywalny z długością fali mikrofalowej. W takim przypadku uzyskiwanie plazmy bez niekontrolowanych obszarów przegrzań (ang. hot spots) i niedogrzać jest problematyczne. Zastosowanie podziału mocy, izolatorów ferrytowych i płaszczyzn minikondensatorów o wymiarach dużo mniejszych od długości fali pozwala, wykorzystując wynalazek, na zbudowanie układów, w których elektrody podzielone na elementarne płytki, zapewniają generowanie jednorodnego pola plazmowego, niezależnego dla każdej płytki i nie zniekształcanego falami odbitymi, które są pochłaniane w izolatorach.

W układzie według wynalazku, następuje skuteczne oddziaływanie plazmy z materiałem próbki, która jest dostarczana do obszaru plazmy bez jej wygaszenia i zakłócenia stabilności nagrzania oraz pozwala na uzyskanie dostatecznej energii wymaganej w procesie fizykochemicznym. Układ nadaje się do miniaturyzacji w postaci układu scalonego z trzema paskowymi liniami (strip-lines) schodzącymi się do wspólnej dziurki wydrążonej w centralnym punkcie płytki szafirowego podłoża tak, że wyładowanie powstające w trójkącie pomiędzy narożami przykrywa dziurkę, do której doprowadzane są reagenty. Wyładowanie może być tutaj także bezelektrodowe wówczas, gdy schodzące się paskowe linie pokrywa się cienką płytką kwarcową, ewentualnie z dziurką pośrodku.

Układ nadaje się, w szczególności do podgrzewania plazmy stosowanej zarówno do obróbki materiałów, jak również w spektroskopii i do analizy masowej. W takiej nowo wytworzonej wielofazowej plazmie, rozpływ gęstości prądów następuje pomiędzy elementy generatora plazmy. Ponadto pole to rotuje, czyli jakby otacza plazmę z każdej strony, zawsze pozostawiając wolny środek, co ma szczególnie duże znaczenie, w źródłach wzbudzenia dla spektroskopii emisyjnej, w której próbki podawane są środkiem i mocno podgrzewane w plazmie, a następnie poza plazmą świecą swoim wi dmem emisyjnym, podobnie zachowują się próbki podczas dostarczania jonów do analizy masowej. Rozwiązanie to, w odpowiedniej skali, nadaje się również do niszczenia dioksyn, rozbijania niepożądanych związków, czy też syntezy chemicznej. Sposobem według wynalazku uzyskuje się pożądane rozproszenie lub znaczne skupienie energii w punkcie z jednoczesną rotacja pola. Przykładowo dla fali TEM skupianie pola może zachodzić między przewodami odległymi o przykładowo 0,1 mm, co w innych układach współmiernych z długością fali nie jest zwykle możliwe gdyż minimalne odległości pomiędzy minimum a maksimum fali przy częstotliwościach 915 MHz i 2450 MHz (czyli w obrębie tzw. grzewczych pasm mikrofalowych) wynoszą po kilka centymetrów.

Przedmioty wynalazku są objaśnione w przykładach realizacji i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu do wytwarzania plazmy z przekrojem przez generator plazmy i jego widokiem w rzucie aksonometrycznym, fig. 2 - generator plazmy zasilany czterema pętlami magnetycznymi w widoku aksonometrycznym i z góry, fig. 3 - generator plazmy zasilany sześcioma pętlami magnetycznymi, fig. 4 - generator plazmy z układem pętli magnetycznych w postaci pięciozwoju, fig. 5 - generator plazmy z układem pętli magnetycznych w postaci czterozwoju zasilanego liniami paskowymi naniesionymi na wspólne podłoże, fig. 6 - generator plazmy z układem pętli

PL 221 507 B1 magnetycznych w postaci trójzwoju w kształcie leja, fig. 7 - generator plazmy z czterema elektrodami zasilanymi z dzielnika usytuowanego wewnątrz linii współosiowej, fig. 8 - generator plazmy z trzema elektrodami zasilanymi z dzielnika usytuowanego wewnątrz linii współosiowej, fig. 9 - układ do wytwarzania plazmy z dziesięcioma elektrodami do wywarzania pola wzdłuż plazmy wzbudzanej w laserze gazowym, fig. 10 - układ do wytwarzania plazmy z czterdziestoma elektrodami do wywarzania pola z dużą powierzchnią plazmy jednorodnej, fig. 11 - generator plazmy z czterema współosiowymi palnikami wyposażonymi w elektrody, fig. 12 - generator plazmy z trzema prowadnicami falowymi w postaci linii paskowych, fig. 12a - generator plazmy zawierający dwa zestawy przesunięte względem siebie wzdłuż rury wyładowczej z trzema elektrodami usytuowanymi planarnie każdy, fig. 13 - generator plazmy z trzema elementami sprzęgającymi, fig. 14 - generator plazmy z czterema elektrodami usytuowanymi planarnie, fig. 15 - schemat blokowy układu do wytwarzania plazmy zasilany generatorami o różnych częstotliwościach, fig. 16 - schemat blokowy układu do wytwarzania plazmy zasilany jednym generatorem z podziałem mocy, fig. 17a - schemat blokowy układu do wytwarzania plazmy wyposażony w człon separujący, fig. 17b - schemat blokowy układu do wytwarzania plazmy wyposażony w układ kluczujący, a fig. 18 - schemat blokowy układu do wytwarzania tzw. zimnej plazmy wyposażony w przełącznik palcowy zasilający sześć elektrod wysokonapięciowych.

P r z y k ł a d 1

Sposób wytwarzania plazmy polega na tym, że w generatorze G o częstotliwości 915 MHz generuje się falę elektromagnetyczną o mocy P = 900 W, którą w dzielniku mocy S dzieli się na trzy identyczne fale elektromagnetyczne, każda o mocy mikrofalowej równej wartości mocy P₁ = P₂ = P₃ = 300 W, wynikającej z podziału całkowitej mocy P, przy czym fale te doprowadza się z zachowaniem kąta φ₁, φ₂ = φ₁ i φ₃ = φ₁ fazowego za pomocą linii współosiowych składających się z ekranu i przewodu środkowego, do złącza trzech podobnych linii współosiowych będących elementami generatora plazmy, aż do punktów rozmieszczonych symetrycznie na okręgu wokół generowanej plazmy PL. W osi symetrii rozgałęzienia trzech linii generatora plazmy, wykonany jest otwór, przez który przeprowadzona jest rurka wyładowcza RW. Zwarte do ekranu odcinki przewodów środkowych trzech linii są połączone do trzech wyjść dzielnika mocy S i zasilane równymi, współfazowymi porcjami mocy Pi, P₂ = Pt, P₃ = Pt, co wywołuje współfazowy przepływ prądu przez przewody środkowe przebiegające przy ścianie rurki wyładowczej RW i powstanie wewnątrz rurki współfazowego pola magnetycznego o orientacji wektora indukcji magnetycznej wzdłuż osi rurki RW, w wyniku czego w geometrycznym środku okręgu wskutek przepływu gazu prostopadle przez środek okręgu, tworzy się chłodniejszy kanał plazmy PL, natomiast plazma PL przyjmuje kształt toroidu, którego środkiem podaje się próbki cząstek z zewnątrz.

P r z y k ł a d 2

Sposób wytwarzania przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą że moc P wygenerowaną w generatorze mocy Gi, w dzielniku mocy S dzieli się na cztery identyczne fale elektromagnetyczne o jednakowych mocach P₁, P₂ = P₁, P₃ = P₁ i P₄ = P₁, po czym w czterech przesuwnikach fazy PF₁, PF₂, PF₃ i PF₄, przesuwa się ich fazę o kąt φ₁, φ₂, φ₃ i φ₄, każdy równy 90° odpowiadający ilorazowi kąta pełnego przez ilość wydzielonych fal elektromagnetycznych. Następnie wygenerowane szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się do czterech elementów generatora plazmy w postaci elementów sprzęgających CE₁, CE₂, CE₃, CE₄ które są rozmieszczone symetrycznie i generują plazmę PL.

P r z y k ł a d 3

Sposób wytwarzania przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą że trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się sekwencyjnie do trzech elementów generatora plazmy w postaci elektrod E₁, E₂, E₃, przy czym okres powtarzania sekwencji jest współmierny z czasem życia plazmy PL. Ponadto elektrody E₁, E₂, E₃ są symetrycznie zanurzone w plazmie PL i rozmieszczone na okręgu usytuowanym na peryferiach generowanej plazmy PL.

P r z y k ł a d 4

Sposób wytwarzania plazmy polega na tym, że w generatorze mocy G generuje się szybkozmienną falę elektromagnetyczną, którą w dzielniku mocy S dzieli się na dziesięć identycznych fal elektromagnetycznych, które następnie doprowadza się jednocześnie do dziesięciu elementów gen eratora plazmy w postaci elementów sprzęgających CE₁, CE₂, CE₃, ..., CE₁₀ rozmieszczonych wzdłuż jednej linii, wzdłuż której emituje się jednorodne współfazowe pole elektromagnetyczne wytwarzające plazmę PL. Sposób ten jest szczególnie przydatny do stosowania w laserze gazowym.

PL 221 507 B1

P r z y k ł a d 5

Sposób wytwarzania przebiega jak w przykładzie czwartym z tą różnicą, że szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do dziesięciu elektrod Ei, E₂, E₃, ..., E₁₀ zanurzonych w plazmie PL i rozmieszczonych wzdłuż jednej linii, wzdłuż której emituje się jednorodne współfazowe pole elektromagnetyczne wytwarzające plazmę PL.

P r z y k ł a d 6

Sposób wytwarzania przebiega jak w przykładzie czwartym z tą różnicą że szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do czterdziestu elementów sprzęgających CE₁, CE₂, CE₃, ..., CE₁₀ rozmieszczonych symetrycznie po osiem wzdłuż pięciu linii prostych względem siebie równoległych, a emituje się jednorodne współfazowe pole elektromagnetyczne i wywarza pole o dużej powierzchni z plazmą PL jednorodną.

P r z y k ł a d 7

Sposób wytwarzania przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą że cztery szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się do czterech elektrod E₁, E₂, E₃ i E₄, indywidualnych źródeł plazmy P₁, P₂, P₃, P₄, po czym cztery tak wygenerowane plazmy łączą się w jedną większą plazmę PL, w wyniku czego, przyjmuje ona kształt toroidu, którego środkiem podaje się cząstki z zewnątrz.

P r z y k ł a d 8

Układ do wytwarzania plazmy, ma generator G₁ o częstotliwości 915 MHz o mocy P = 900 W, połączony z wejściem dzielnika mocy S dzielącego moc P z generatora G na trzy identyczne fale elektromagnetyczne każda o mocy mikrofalowej P₁, P₂, P₃ równej 300 W. Trzy wyjścia dzielnika mocy S połączone są za pomocą linii współosiowych składających się z ekranu i przewodu środkowego do złącza trzech podobnych linii współosiowych, przy czym przewody środkowe każdej z linii współosi owej są połączone wewnątrz linii z ekranem w punktach wzajemnego połączenia kolejnych ekranów tych trzech linii. W osi symetrii rozgałęzienia trzech linii wykonany jest otwór, przez który przeprow adzona jest rurka wyładowcza RW. Zwarte do ekranu odcinki przewodów środkowych trzech linii są połączone do trzech wyjść dzielnika mocy S i zasilane równymi, współfazowymi o fazowych kątach φι, φ₂ = φι i φ₃ = φ₁, z porcjami mocy P₁, P₂, P₃, co wywołuje współfazowy przepływ prądu przez przewody środkowe przebiegające przy ścianie rurki wyładowczej RW i powstanie wewnątrz rurki RW współfazowego pola magnetycznego o orientacji wektora indukcji magnetycznej wzdłuż osi rurki RW, w wyniku czego tworzy się plazma PL, która przyjmuje kształt toroidu z chłodniejszym kanałem wytworzonym wskutek przepływu gazu. Środkiem toroidalnej plazmy PL podaje się próbki w postaci cząstek z zewnątrz.

P r z y k ł a d 9

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym z tą różnicą, że cztery równe wartości mocy mikrofalowej P₁, P₂, P₃, P₄ z czterech wyjść dzielnika mocy S połączonego torami z ekranem o przekroju prostokątnym, doprowadzane są do ścianki rurki wyładowczej RW. Zastosowanie torów z ekranem o przekroju prostokątnym ułatwia praktyczną realizację układu.

P r z y k ł a d 10

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym z tą różnicą że sześć równych wartości mocy mikrofalowej P₁, P₂, P₃, P₄, P₅, P₆ z sześciu wyjść dzielnika mocy S połączonego sześcioma liniami mikrofalowymi zasila współfazowo sześć pętli. Współosiowe linie mikrofalowe połączone są wspólnym ekranem, wewnątrz którego jest umieszczona rurka wyładowcza RW z plazmą PL toroidalną ułożoną wzdłuż osi rurki RW. Przewody środkowe linii mikrofalowych są maksymalnie zbl iżone do rurki wyładowczej RW i tworzą pętle o płaszczyznach prostopadłych do osi rurki wyładowczej RW ponadto przewody te są zwarte do ekranu w miejscu dołączenia ekranu następnej linii współosiowej. Pętle są źródłami pola o dominującej składowej wektora pola magnetycznego skierowanego wzdłuż osi plazmy PL.

P r z y k ł a d 11

Układ do wytwarzania plazmy ma generator plazmy z układem pętli magnetycznych w postaci pięciozwoju, do którego doprowadzanych jest pięć równych wartości mocy mikrofalowej z dzielnika mocy S. W układzie tym pobudzenie plazmy PL realizuje się za pomocą induktora o ułamkowej ilości zwojów usytuowanego wewnątrz ekranowanej linii współosiowej. Moc mikrofalowa P z generatora G poprzez gniazdo współosiowe jest dołączona do wydrążonego przewodu wewnętrznego, wewnątrz którego jest umieszczona rurka wyładowcza z plazmą PL wytwarzaną w argonie domieszkowanym próbką w postaci aerozolu wodnego. Na odcinku krótszym od % długości fali, wydrążony przewód linii współosiowej jest pozbawiony części ścianki tak, że tworzy regularny pięciozwój o wysokości równej %

PL 221 507 B1 obwodu wydrążonego przewodu. W miejscu przyłączenia pięciozwoju od strony zasilania mikrofalowego powstaje naturalnie uformowany dzielnik mocy S, który dzieli moc P na pięć równych części, które następnie są propagowane wzdłuż poszczególnych zwojów pięciozwoju o ułamkowej ilości zwojów. Każdy ze zwojów wytwarza pole magnetyczne sumujące się wewnątrz rurki wyładowczej RW, zbliżone rozkładem do pola skupionego induktora.

P r z y k ł a d 12

Układ do wytwarzania plazmy stanowi urządzenie do wytwarzania plazmy ICP przy częstotliwości mikrofalowej 2450 MHz, i jest wykonany jak w przykładzie jedenastym z tą różnicą, że cztery równe wartości mocy mikrofalowej P₁, P₂, P₃, P₄ z czterech wyjść dzielnika mocy S, czterema torami paskowymi ułożonymi symetrycznie na okrągłym, ceramicznym podłożu dielektrycznym DI, kierowane są do czterech pasków metalu nawiniętego na kwarcową rurkę wyładowczą RW lub naniesionymi w postaci czterech pasków warstwy złota, na rurkę RW. Paski te tworzą czterozwój, przy czym sumaryczna długość pojedynczego przewodu jest równa około % długości fali (6 cm). Ponadto układ generatora plazmy jest obudowany ekranem EK.

P r z y k ł a d 13

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie jedenastym albo dwunastym z tą różnicą, że plazmę PL wytwarza się wewnątrz trójzwoju stanowiącego układ elektrod E₁, E₂ i E₃o kształcie spiralnego leja, za pomocą prądów z trzech generatorów G₁, G₂ i G₃ o przesuniętych częstotliwościach lub fazach. Korzystne jest zastosowanie mocy mikrofalowej P₁, P₂, P₃ o częstotliwości roboczej 2450 MHz lub 915 MHz. Cechą charakterystyczną takiej konfiguracji przewodów jest inicjacja wyładowania w miejscu zbliżenia elektrod E₁, E₂ i E₃ oraz szybki około 10 m/s ruch plazmy PL w kierunku trzech źródeł zasilania. Za pomocą opisanego układu elektrod E₁, E₂ i E₃ otrzymuje się też stabilne wyładowanie w argonie płynącym wewnątrz rurki wyładowczej RW kwarcowej o średnicy 10 mm usytuowanej na wspólnej osi ze spiralnym lejem.

P r z y k ł a d 14

Układ do wytwarzania plazmy, w którym generator plazmy ma cztery elektrody E₁, E₂, E₃ i E₄zasilane mocą P z generatora mocy G poprzez dzielnik mocy S. Generator plazmy w tym układzie otoczony jest ekranem EK i stanowi układ czterech palników plazmowych, których elektrody E₁, E₂, E₃i E₄ są rozmieszczone symetrycznie i równolegle do osi generowanej plazmy PL. Układ ten jest szczególnie przydatny do wytwarzania plazmy, w mieszaninie metanu i wodoru przy ciśnieniu roboczym 80 mbar i przepływie metanu 0,10 l/min oraz wodoru 2,5 l/min w obecności śladów pary wodnej.

P r z y k ł a d 15

Układ do wytwarzania plazmy, który stanowi wnęka CMP (Capacitive Microwave Plasma), w ykonany jak w przykładzie czternastym z tą różnicą, że ma generator plazmy z trzema elektrodami E₁, E₂ i E₃ wykonanymi z prasowanego wolframu spawalniczego o średnicy drutu 1,5 mm i zasilanymi z dzielnika mocy S usytuowanego wewnątrz linii współosiowej. Elektrody E₁, E₂ i E₃ ustawione są w stos i na rozwartym końcu tworzą równoboczny trójkąt o boku 2,5 mm, osadzony u podstawy na metalowej wywiniętej rurce, która stanowi element toru współosiowego. Próbka przepływa rurką ceramiczną poprzez metalową rurkę, która jest wywinięta na zewnątrz na długości 27 mm i do której d ochodzi energia z anteny A umocowanej w bocznej ściance ekranu elektrycznego EK. W tej samej płaszczyźnie umocowany jest strójnik pojemnościowy TU służący do zestrojenia częstotliwości wnęki do rezonansu. Gaz roboczy hel podawany jest w ilości 300 ml/min, za pomocą stycznie do ekranu przymocowanej rurki o średnicy 5 mm.

P r z y k ł a d 16

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym, z tą różnicą że generator plazmy ma dziesięć elektrod E₁, E₂, E₃, ..., E₁₀ do wytwarzania plazmy PL, przy czym elektrody E₁, E₂, E₃, ..., E₁₀ usytuowane są wzdłuż plazmy PL. Układ ten jest szczególnie przydatny do stosowania w laserze gazowym.

P r z y k ł a d 17

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym, z tą różnicą, że szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do czterdziestu elementów sprzęgających CE₁, CE₂, CE₃, ..., CE₁₀ rozmieszczonych symetrycznie po osiem wzdłuż pięciu linii prostych względem siebie równoległych, i emituje jednorodne pole o dużej powierzchni wytwarzające plazmę PL.

P r z y k ł a d 18

Układ do wytwarzania plazmy o podwyższonej mocy, ma generator plazmy z czterema współosiowymi palnikami plazmowymi wyposażonymi w elektrody E₁, E₂, E₃ i E₄. Generator plazmy wykonaPL 221 507 B1 ny jest w postaci cylindrycznej rury reaktora plazmowego z radialnie do jego ściany umocowanymi czterema plazmowymi palnikami współosiowymi. Strumienie plazmy wytwarzane w każdym z palników są sumowane w kanale reaktora i poruszają się zgodnie z kierunkiem przepływu gazu roboczego, zaś próbka jest podawana za pomocą rurki umieszczonej na osi reaktora.

P r z y k ł a d 19

Układ do wytwarzania plazmy ma generator plazmy z trzema prowadnicami falowymi w postaci linii paskowych L₁, L₂, L₃ doprowadzającymi moc mikrofalową P₁, P₂, P₃, naniesionymi na kołowe ceramiczne podłoże dielektryczne DI, na które od dołu naniesiona jest metalizacja ME, na podłożu umieszczona jest płytka kwarcowa PK, a nad nią ekran EK. Układ ten stanowi wnękę trój paskową MIP.

P r z y k ł a d 20

Układ do wytwarzania plazmy, w którym generator plazmy ma sześć elektrod E₁, E₂, E₃ i E,, E₅i E₆ zestawionych wzdłuż rury wyładowczej RW na dwóch piętrach po trzy elektrody E₁, E₂, E₃na pierwszym piętrze i trzy elektrody E₄, E₅, E₆, na drugim. Elektrody E₁, E₂, E₃ i E,, E₅ i E₆ zasilane są mocą mikrofalową P₁, P₂, P₃, P₄, P₅ i P₆ z przesunięciem kąta fazowego φ₁, φ₂, φ₃, φ₄, φ₅ i φ₆. Układ ten w szczególności przeznaczony jest do plazmowego reformingu paliw. Atmosfera w węglowodorach jest redukcyjna i nie przeszkadza kontakt elektrod E₁, E₂, E₃ i E,, E₅ i E₆ z plazmą PL nawet przy dużych (10-20 kW) mocach w wyładowaniu. Zamiast elektrod E₁, E2, E3 i E,, E₅ i E₆ prętowych można tutaj użyć elektrod w kształcie spiral lejkowych.

P r z y k ł a d 21

Układ do wytwarzania plazmy ma generator plazmy z trzema elementami sprzęgającymi ES₁, ES₂, ES₃ doprowadzającymi moc mikrofalową P₁, P₂, P₃ symetrycznie z trzech stron plazmy PL. Układ ten jest układem trzyfazowym typu MIP.

P r z y k ł a d 22

Układ do wytwarzania plazmy ma generator plazmy z czterema elektrodami E₁, E₂, E₃, E₄ usytuowanymi planarnie, w którym prostopadle do układu elektrod E₁, E₂, E₃, E₄ umieszczona jest rurka podajnika próbek osadzona w rurce wyładowczej RW i od niej krótsza. Układ ten jest czterofazowym układem elektrodowym.

P r z y k ł a d 23

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym albo dziesiątym z tą różnicą, że ma N = 6 generatorów mocy G₁, G₂, G₃, ..., G_N, połączonych poprzez N = 6 elementów nieodwracalnych pasywnych w postaci izolatorów ferrytowych IS₁, IS₂, IS₃, ..., IS_N, z sześcioma identycznymi i symetrycznie na okręgu rozmieszczonymi elementami generatora plazmy.

P r z y k ł a d 24

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym albo dziesiątym z tą różnicą, że ma sześć generatorów mocy G₁, G₂, G₃, ..., G₆ połączonych poprzez sześć elementów nieodwracalnych pasywnych w postaci cyrkulatorów CI₁, CI₂, CI₃, ..., Cl₆ pracujących w układzie izolatora, z sześcioma identycznymi i symetrycznie na okręgu rozmieszczonymi elementami generatora plazmy.

P r z y k ł a d 25

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym albo dziesiątym z tą różnicą że cztery wyjścia dzielnika mocy S poprzez przez cztery przesuwniki fazy PF₁, PF₂, PF₃, PF₄, połączone szeregowo z czterema cyrkulatorami Cl₁, CI₂, CI₃, CI₄ pracującymi w układzie izolatora, połączone są z czterema identycznymi i symetrycznie na okręgu rozmieszczonymi elementami generatora plazmy, przy czym cztery cyrkulatory Cl₁, CI₂, CI₃, CI₄ podłączone są za pomocą czterech linii współosiowych o takiej samej długości L₀, z czterema elementami generatora plazmy zasilanymi mocą mikrofalową P₁, P₂, P₃, P₄, z przesunięciem kąta fazowego φ₁, φ₂, φ₃, φ₄. Ponadto każdy cyrkulator Cl₁, CI₂, CI₃, CI₄ mikrofalowy jest wyposażony w takie samo obciążenie dopasowane Z₀, zdolne do pochłonięcia całej mocy odbitej w danym torze. Jeden z torów jest wyposażony w detektor mocy odbitej PR, która przy symetrii obciążeń jest jednakowa w pozostałych torach. Korzystnie przesunięcie fazowe pomiędzy poszczególnymi wyjściami wynosi 360/4 stopni kątowych.

P r z y k ł a d 26

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym albo dziesiątym z tą różnicą, że na wejściu ma lokalny oscylator LO połączony z wejściem członu separującego SE, którego N = 10 wyjść połączonych jest przez N = 10 przesuwników fazy PF₁, PF₂, PF₃, ..., PF_N i N = 10 elementów czynnych w postaci wzmacniaczy mocy PA₁, PA₂, PA₃, ..., PA_N z N = 10 elementami generatora plazmy zasilanych mocą mikrofalową P₁, P₂, P₃, ..., P_N.

PL 221 507 B1

P r z y k ł a d 27

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie dwudziestym szóstym z tą różnicą, że wyposażony jest w układ kluczujący sterujący sześcioma sygnałami kluczującymi SY₁, SY₂, SY₃, ..., SY₆kierowanymi przez sześć przełączników K₁, K₂, K₃, ..., K6 do sześciu kluczowanych generatorów KG₁, KG₂, KG₃, ..., KG₆, z których sześcioma liniami transmisyjnymi LS₁, LS₂, LS₃, ... LS₆ moc mikrofalowa P₁, P₂, P₃, ..., P₆ jest podawana do sześciu elementów generatora plazmy.

P r z y k ł a d 28

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie dwudziestym szóstym z tą różnicą, że przesuwniki fazy PF₁, PF₂, PF₃, PF₄, ..., PF₁₀ stanowią odcinki prowadnic falowych L₁, L₂, L₃, L₄, L₁₀.

P r z y k ł a d 29

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym albo dziesiątym z tą różnicą, że na wejściu ma przetwornicę wysokonapięciową HV, która przez przełącznik K₁ palcowy zasila sześć elektrod E₁, E₂, E₃,..., E₆ generatora plazmy, korzystnie z barierą dielektryczną.

P r z y k ł a d 30

Układ do wytwarzania plazmy wykonany jak w przykładzie ósmym albo dziesiątym z tą różnicą, że generatory mocy G₁, G₂, G₃, G₆ są generatorami wysokonapięciowymi.

Do zasilania elementów generatora plazmy według wynalazku, stosuje się jako źródło mikrofalowe zarówno jeden generator G połączony z dzielnikiem mocy jak też źródło złożone z wielu gener atorów mocy G₁, G₂, G₃, G_N o jednakowych lub przypadkowo różnych częstotliwościach f₁, f₂, f₃, f_N(fig. 15). Generatory mocy G₁, G₂, G₃, ..., G_N wyposażone na przykład w magnetrony mikrofalowe i zabezpieczone przed falą odbitą izolatorami ferrytowych IS₁, IS₂, IS₃, ..., IS_N, dostarczają na wyjściu moce P₁, P₂, P₃, ..., P_N, które zasilają elementy generatora plazmy, powodują przypadkową rotację pola, które generuje plazmę PL. Zastosowanie jednego generatora mocy G₁ z dzielnikiem mocy S daje równe porcje mocy mikrofalowej P₁, P₂, P₃, ..., P_N, o tej samej fazie, natomiast włączenie przesuwników fazy PF₁, PF₂, PF₃, ..., PF_N sprawia, że fazy pomiędzy porcjami mocy mikrofalowej P₁, P₂, P₃, ..., P_N, zawsze zachowują stałe odstępy, co pozwala na uzyskanie stabilnej i toroidalnej plazmy PL. Realizację źródeł równych mocy wyjściowych przesuniętych w fazach w technice charakterystycznej dla nadajników radiowych przedstawia Fig. 17a. Sygnał z lokalnego oscylatora LO stanowiący źródło sygnału małej lub średniej mocy jest poprzez człon separujący SE doprowadzony za pośrednictwem przesuwników fazy PF₁, PF₂, PF₃, ..., PF_N do wzmacniaczy mocy PA₁, PA₂, PA₃, ..., PA_N, na których wyjściu osiąga równe poziomy mocy P₁, P₂, P₃, ..., P_N, korzystnie o fazach rozłożonych równomiernie w kącie pełnym, co powoduje rotację pola wytwarzającego plazmę PL toroidalną. Efekt pseudo-rotacji pola można zrealizować poprzez cykliczne i sekwencyjne kluczowanie sygnałów dostarczanych do wejść kolejnych wzmacniaczy mocy PA₁, PA₂, PA₃, ..., PA_N (fig. 17b). Lokalny oscylator LO o dowolnym przebiegu czasowym, może być tutaj wykonany bezpośrednio jako źródło mocy odseparowane od kolejnych wyjść na przykład za pomocą transformatorów. Za pomocą kluczowanych generatorów KG₁, KG₂, KG₃, ..., KG_n zakończonych liniami transmisyjnymi LS₁, LS₂, LS₃, ..., LS_N na kolejnych wyjściach torów mocy P₁, P₂, P₃, ..., P_N otrzymuje się ciągi impulsów mono- lub bipolarnych zwłaszcza wysokonapięciowych w odpowiedzi na sygnały sterujące SY₁, SY₂, SY₃, ..., SY_N przełączane przełącznikami elektronicznymi K₁, K₂ ,K₃, ..., K_N. Podobne działanie uzyskuje się poprzez zastosowanie wielofazowego źródła mocy złożonego z kluczowanych generatorów mocy KG₁, KG₂, KG₃, ..., KG_N, również wysokonapięciowych, sterowanych odpowiednimi sygnałami sterującymi, kluczowanymi elektronicznie. Sygnały SY₁, SY₂, SY₃, ..., SY_N mogą stanowić poziomy logiczne np. TTL lub być bezpośrednio źródłami napięć zasilania generatorów.

W układzie idea wielofazowej plazmy PL łukowej wraz z koncepcją bezprądowego centralnego obszaru plazmy PL, została przeniesiona do zakresu częstotliwości radiowych lub mikrofal. Tak zdecydowane podniesienie częstotliwości pracy układu wytwarzania plazmy przede wszystkim pozwala uniknąć luku elektrycznego oraz pozbawia elektrody E₁, E₂, E₃, ..., E_N zanurzone w plazmie PL spełniania roli emiterów. W układzie możliwe jest także stosowanie płaszczyzn pojemnościowych lub elementów bez-elektrodowych, działających na przykład poprzez ścianę rury wyładowczej RW, sprzęgających dostarczaną moc P₁, P₂, P₃, ..., P_N z plazmą PL. Przy symetrycznym rozmieszczeniu elektrod E₁, E₂, E₃, ..., E_n lub elementów bez-elektrodowych oraz przy zabezpieczeniu równomiernego przesunięcia o kąt φ₁, φ₂, φ₃, ..., <p_N fazowy napięć je zasilających, otrzymuje się wirujące pole elektryczne wraz z korzystnym ograniczeniem do minimum prądów wewnątrz generowanej plazmy PL. Układ umożliwia też, budowanie generatora plazmy wyposażonego w co najmniej trzy palniki plazmowe większych mocy, z których każdy jest zasilany z innej fazy. Łatwo wykazać geometrycznie, że w ukłaPL 221 507 B1 dzie przy ilości faz większej od 6 gros prądów plazmy PL, będzie przepływać pomiędzy elektrodami E₁, E₂, E₃, ..., E_n, jeśli będą one równomiernie rozłożone na okręgu. Dzięki możliwości zaistnienia bezprądowego obszaru na osi takiego układu, daje się wprowadzić do środka plazmy przeznaczony do obróbki materiał nawet przy znacznych poziomach mocy. Istnieje też możliwość budowania układów wielofazowych piętrowych, które mogą zapewnić zarówno pracę przy przemysłowych poziomach energii jak też gwarantować możliwość przeprowadzania wysokoenergetycznych objętościowych procesów chemii plazmowej.

Wymaganą częstotliwość pracy mogą już zapewnić generatory G₁, G₂, G₃, ..., G_N małej mocy, zaś przesunięcia fazowe można wytworzyć za pomocą różnorodnych przesuwników fazy, których rolę mogą także spełniać odcinki linii transmisyjnych. Napięcia poszczególnych faz można do wymagan ego poziomu wzmocnić za pomocą półprzewodnikowych wzmacniaczy mocy PA₁, PA₂, PA₃, ..., PA_N, w układzie według wynalazku, zabezpieczonych izolatorami ferrytowymi IS₁, IS₂, IS₃, ..., IS_N. Drugim sposobem jest zastosowanie generatora G₁, G₂, G₃, ..., G_N dużej mocy i zastosowanie dzielnika mocy S a następnie przesuwników fazy PF₁, PF₂, PF₃, PF_N. Rolę dzielników mocy a zarazem przesuwników fazy PF₁, PF₂, PF₃, PF_N, zwłaszcza przy parzystej ilości faz mogą spełniać sprzęgacze kierunkowe.

Zastosowanie izolatorów IS₁, IS₂, IS₃, ..., IS_N lub cyrkulatorów Cl₁, CI₂, CI₃, ..., CI_N pozwala całkowicie uniezależnić się od fal odbitych tak w zakresie utrzymania zadanych stałych wartości kątów φ·ι, φ₂, φ₃, ..., φ_Ν fazowych jak i niezakłóconej precyzji dzielników mocy S. Nie mniej ważne jest także osiągnięcie stabilnej i bezpiecznej pracy generatora mocy G₁, który dzięki izolatorom IS₁, IS₂, IS₃, ...IS_N lub cyrkulatorom Cl₁, CI₂, CI₃, ..., CI_N nigdy „nie zobaczy” mocy odbitej, nawet przy całkowitym braku obciążenia na przykład przed zapłonem plazmy PL wyładowania. Jedno z dopasowanych ramion cyrkulatora Cl₁, CI₂, CI₃, ..., CI_N zastosowanego w układzie wielofazowym według wynalazku można dodatkowo wyposażyć w detektor i użyć go jako monitora dopasowania energetycznego. Pełna izolacja ramion dzielnika i niezakłócony podział mocy oraz kontrolowany kąt φ₁, φ₂, φ₃, ..., φ_Ν fazowy, pozwalają na wykorzystanie sposobu do wytwarzania pól elektromagnetycznych współfazowych zapewniających pobudzanie układów liniowych takich jak na przykład wyładowczy laser gazowy lub rozległych płaskich generatorów plazmy PL, a generalnie stwarzających możliwość wymuszania pola elektrycznego w plazmie PL, zwłaszcza pola współfazowego.

Wykaz oznaczeń na rysunku:

CE₁, CE₂, CE₃, CE_n - element sprzęgający

E₁, E₂, E₃, ..., E_n - elektroda

G₁, G₂, G₃, ..., GN - generator mocy

S - dzielnik mocy

PF₁, PF₂, PF₃,..., PF_n - przesuwnik fazy φι, φ2, φ₃, ..., φΝ - kąt

P₁, P2, P3, ..., P_N - moc

IS₁, IS₂, IS₃, ..., IS_N - izolator ferrytowy

PA₁, PA₂, PA₃, ..., PA_n - wzmacniacz mocy

L₁, L₂, L₃, ..., L_n - prowadnica falowa

P - moc generatora

Cl₁, CI₂, CI₃, ..., CI_N - cyrkulator mikrofalowy

PR - detektor mocy odbitej

LO - lokalny oscylator

SE - człon separujący

KG₁, KG₂, KG₃,..., KG_n - kluczowany generator

LS₁, LS₂, LS₃,..., LS_n - linia transmisyjna

SY₁, SY₂, SY₃, ..., SY_N - sygnał sterujący

K₁, K₂, K₃, ..., K_N - przełącznik f₁, f₂, f₃,..., f_N - częstotliwość

HV - przetwornica wysokonapięciowa

TU - strojnik pojemnościowy

EK - ekran

RW - rurka wyładowcza

TP - tor paskowy

ME - metalizacja

DI - podłoże dielektryczne

PL 221 507 B1

WR - obszar wzbudzenia PK - płytka kwarcowa PL - plazma

Z₀ - obciążenie dopasowane L0 - długość linii A - antena

Claims

1. Sposób wytwarzania plazmy za pomocą fali elektromagnetycznej, znamienny tym, że co najmniej trzy fale elektromagnetyczne doprowadza się co najmniej trzema identycznymi elementami generatora plazmy do punktów rozmieszczonych symetrycznie na okręgu wokół generowanej plazmy (PL), przy czym w geometrycznym środku okręgu i prostopadle do tego okręgu, wprowadza się gaz z cząstkami z zewnątrz, przez co tworzy się chłodniejszy kanał plazmy (PL), która przyjmuje kształt toroidu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się sekwencyjnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elementów sprzęgających (CE₁, CE₂, CE₃, ..., CE_N), przy czym okres powtarzania sekwencji jest współmierny z czasem życia plazmy (PL).

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się sekwencyjnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elektrod (E₁, E₂, E₃, ..., E_N), przy czym okres powtarzania sekwencji jest współmierny z czasem życia plazmy (PL).

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w generatorze mocy (G₁) generuje się jedną szybkozmienną falę elektromagnetyczną, którą w dzielniku mocy (S) dzieli się na co najmniej trzy identyczne szybkozmienne fale elektromagnetyczne.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w jednym generatorze mocy (G₁) generuje się jedną szybkozmienną falę elektromagnetyczną, którą w dzielniku mocy (S) dzieli się na co najmniej trzy identyczne szybkozmienne fale elektromagnetyczne, po czym w przesuwnikach fazy (PF₁, PF₂, PF₃, ..., PF_n) przesuwa się fazy tych fal o kąt (φ_χ, φ₂, φ₃, ..., φ_Ν) równy ilorazowi kąta pełnego przez ilość wydzielonych fal elektromagnetycznych.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elektrod (E₁, E₂, E₃, ..., E_N) symetrycznie zanurzonych w plazmie i rozmieszczonych na okręgu usytuowanym na peryferiach generowanej plazmy (PL).

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elementów sprzęgających (CE₁, CE₂, CE₃, ..., CE_N) rozmieszczonych wzdłuż co najmniej jednej linii, wzdłuż której emituje się jednorodne współfazowe pole elektromagnetyczne wytwarzającego plazmę (PL).

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się jednocześnie do co najmniej trzech elementów generatora plazmy w postaci elektrod (E₁, E₂, E₃, ..., E_n) zanurzonych w plazmie (PL) i rozmieszczonych wzdłuż co najmniej jednej linii, wzdłuż której emituje się jednorodne współfazowe pole elektromagnetyczne wytwarzające plazmę (PL).

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że co najmniej trzy szybkozmienne fale elektromagnetyczne doprowadza się do co najmniej trzech elementów elementów generatora plazmy, ro zmieszczonych symetrycznie na okręgu, z których każdy jest indywidualnym źródłem plazmy wyposażonym w elektrody (E₁, E₂, E₃, ..., E_N), po czym co najmniej trzy tak wygenerowane plazmy (PL) łączą się w jedną większą plazmę (PL), w wyniku czego, przyjmuje ona kształt toroidu, którego środkiem podaje się cząstki z zewnątrz.

11. Układ do wytwarzania plazmy wyposażony w generator mocy, znamienny tym, że ma co najmniej jeden generator mocy (G₁, G₂, G₃, ..., G_N) połączony z co najmniej trzema identycznymi i symetrycznie na okręgu rozmieszczonymi elementami generatora plazmy.

PL 221 507 B1

12. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że elementami generatora plazmy są elementy sprzęgające (CE₁, CE₂, CE₃, ..., CE_N), rozmieszczone symetrycznie względem osi generowanej plazmy (PL).

13. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że elementami generatora plazmy są elektrody (E₁, E₂, E₃, ..., E_n) zanurzone w plazmie i rozmieszczone symetrycznie względem osi generowanej plazmy (PL).

14. Układ według zastrz. 13, znamienny tym, że elektrody (E₁, E₂, E₃, ..., E_N) są elektrodami paskowymi w kontakcie z plazmą (PL).

15. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że elementami generatora plazmy są indywidualne źródła plazmy rozmieszczone symetrycznie względem osi generowanej plazmy (PL).

16. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że ma jeden generator mocy (G₁), który połączony jest poprzez rozdzielacz mocy (S) z co najmniej trzema elementami generatora plazmy.

17. Układ według zastrz. 15, znamienny tym, że pomiędzy dzielnik mocy (S) i elementy generatora plazmy, włączone są co najmniej dwa przesuwniki fazy (PF₁, PF₂, PF₃, ..., PF_N).

18. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że generatory mocy (G₁, G₂, G₃, ..., G_N) są generatorami wysokonapięciowymi.

19. Układ według zastrz. 15, znamienny tym, że pomiędzy dzielnik mocy (S) i co najmniej trzy elementy generatora plazmy włączone są elementy odwracalne hybrydowe i/lub nieodwracalne pasywne i/lub czynne, korzystnie wzmacniacze mocy.

20. Układ według zastrz. 18, znamienny tym, że elementem odwracalnym hybrydowym jest sprzęgacz mocy z obciążeniem dopasowanym (Z₀).

21. Układ według zastrz. 18, znamienny tym, że elementem nieodwracalnym pasywnym jest izolator ferrytowy (IS₁, IS₂, IS₃, ..., IS_N) lub cyrkulator (Cl₁, CI₂, CI₃, ..., CI_N) pracujący w układzie izolatora z obciążeniem dopasowanym (Z₀).

22. Układ według zastrz. 18, znamienny tym, że elementem czynnym jest wzmacniacz mocy (PA1, PA₂, PA3, ..., PAn).

23. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że generator mocy (G) jest lokalnym oscylatorem (LO), a rozdzielaczem mocy (S) jest człon separujący (SE).

24. Układ według zastrz. 23, znamienny tym, że człon separujący (SE) stanowi układ kluczujący, korzystnie zawierający przełączniki (K₁, K₂, K₃, ..., K_N).

25. Układ według zastrz. 11, znamienny tym, że elementy generatora plazmy rozmieszczone są symetrycznie wzdłuż co najmniej jednej linii.