PL235377B1

PL235377B1 - Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe

Info

Publication number: PL235377B1
Application number: PL416758A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Jankowski; Kowski Krzysztof Jan; Andrzej Ramsza; An Drzej Ramsza; Edward Reszke
Original assignee: Edward Reszke
Priority date: 2016-04-05
Filing date: 2016-04-05
Publication date: 2020-07-13
Also published as: CA3020093A1; PL416758A1; WO2017176131A1; AU2017246939B2; EP3449699B1; US20190159329A1; AU2017246939A1; JP6873152B2; JP2019514168A; EP3449699A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe, przeznaczony do stosowania w palnikach źródeł wzbudzenia plazmy dla spektrometrów.

Palnik do rotacyjnego źródła wzbudzenia plazmy znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr 4.08615. Palnik składa się z rurki wewnętrznej, usytuowanej współosiowo rurki zewnętrznej, i co najmniej trzech elektrod, których końce są równo rozmieszczone wokół osi palnika wewnątrz rurki zewnętrznej. Na końcu rurki zewnętrznej są wykonane równo rozmieszczone szczeliny na elektrody, przebiegające równolegle do osi palnika od krawędzi końca rurki zewnętrznej. Ponadto w skład palnika wchodzi cylindryczna nasadka, dopasowana do zewnętrznej średnicy rurki zewnętrznej, w której jest wykonana taka sama ilość szczelin na elektrody W innym wykonaniu palnik ma co najmniej sześć elektrod, rozmieszczonych w dwóch płaszczyznach prostopadłych do osi palnika, a nasadka ma taką samą ilość szczelin, przy czym różnica głębokości co drugiej szczeliny jest równa odległości między płaszczyznami.

Źródło plazmy indukowanej mikrofalami znane z opisu patentowego nr US5086255 ma współosiowy falowód cylindryczny utworzony przez zewnętrzny przewód i wewnętrzny przewód, przy czym przewód wewnętrzny jest utworzony w postaci cewki spiralnej, w której osiowo umieszc zona jest rurka do wprowadzania gazu plazmowego oraz współosiowo z nią rurka do wprowadzania próbki. Rurki umieszczone są w komorze, do której doprowadzany jest gaz chłodzący przepływający równolegle od osi rurek oraz we wnęce mikrofalowej do której falowodem koncentrycznym doprowadzana jest energia mikrofalowa. Przenikaniu energii mikrofalowej z falowodu koncentrycznego na zewnątrz zapobiega tarcza. Za tarczą umieszczony jest spektrometr masowy do przeprowadzania analizy metodą spektrometrii masowej jonów emitowanych z plazmy, które są wytwarzane w źródle plazmy indukowanej mikrofalowo.

Źródło plazmy dla spektrometru znane z opisu patentowego nr US6683272, przeznaczone jest do spektrochemicznej analizy próbki z zastosowaniem plazmy wzbudzanej energią mikrofalową. Źródło obejmuje wnękę falowodową zasilaną mocą mikrofalowa rodzaju TE10. Palnik plazmowy przechodzi przez wnękę i jest ustawiony współosiowo z kierunkiem maksimalnego pola magnetycznego.

Palnik plazmowy ze wzbudzeniem mikrofalowym EP1421832 zawiera wewnątrz wnęki uzwojenie współosiowe z zewnętrzną prowadnicą i plazmą, współosiowy wewnętrzny przewodnik nadający się do przenoszenia mikrofal w rejon palnika plazmowego z uwzględnieniem parametrów impedancji i szerokości pasma transmisji, nawet przy znacznych wahaniach ciśnienia w gazie procesowym i odpowiednich do tego zmiennych warunkach przewodności. Wspomniany palnik plazmowy charakteryzuje się generowaniem stabilnej plazmy i bardzo dobrymi właściwościami zapłonu plazmy i ponownego zapłonu po zastrojeniu palnika.

W publikacji Jankowski K., Reszke E.: Microwave induced plasma analytical spectrometry. RSC Monograph Series 2011 opisane są mikrofalowe wnęki plazmowe jako źródła plazmy w inżynierii materiałowej, jako źródła światła EDL (electrode-less discharge lamp), jako źródła wzbudzenia w spektroskopii emisyjnej czy wreszcie jako źródła jonizacji w spektroskopii mas. Warto zauważyć, że przez ostatnie pół wieku konstruktorzy oferują różne konstrukcje wnęk plazmowych mikrofalowych. Jednocześnie zoptymalizowane źródła plazmy ICP (inductively coupled plasma) pracujące przy częstotliwościach radiowych ze sprzężeniem typu H okazały się na tyle dobre, że prawie całkowicie zdominowały one rynek komercyjnych spektrometrów, chociaż główną ich wadą jest bardzo wysokie zużycie drogich gazów atomowych o dużej czystości oraz trudność uzyskiwania niskoenergetycznych wyładowań w gazach molekularnych. Przy częstotliwościach mikrofalowych plazmę gazów molekularnych stosunkowo łatwo uzyskać, niemniej istnieją poważne problemy techniczne uzyskiwania wyładowań o toroidalnej geometrii, tzn. takich, w których możliwe jest stabilne utrzymywanie chłodniejszego kanału na osi plazmy. Taka geometria plazmy okazała się bowiem optymalna, pozwalając uzyskiwać najlepszy stosunek sygnału użytecznego do szumów. Praktycznie wszystkie konstrukcje źródeł mikrofalowych opierają się na elektrycznym pobudzaniu zjonizowanego gazu polem o składowej poosiowej względem kolumny plazmy. Przy takiej konfiguracji gęstość energii w plaźmie jest ograniczona gdyż możliwa jest propagacja fali wzdłuż kolumny plazmy. Umieszczenie plazmy w polu magnetycznym o takiej konfiguracji byłoby rozwiązaniem problemu, ale jedynym naturalnym generatorem takiej symetrycznej konfiguracji pola byłby wytwarzany w rezonatorze kołowym rodzaj TE011, który w paśmie grzewczym S, przy długości fali 12 cm miałby najmniejsze wymiary dłuższe od 6 cm , a ponadto strojenie do rezo

PL 235 377 B1 nansu musiałoby się odbywać poprzez zmianę średnicy rezonatora i to jest przyczyną, że takie konstrukcje wnęki plazmowej nie są stosowane jako niepraktyczne. W falowodzie o podstawowym rodzaju pola istnieje możliwość uzyskania skupionego pola o dominującej składowej magnetycznej i taka koncepcja znana jest z patentu US6683272B2. Konstrukcja stanowiąca rozwinięcie koncepcji wnęki wyładowczej z polem E przedstawiona jest w opisie patentowym US5086255 proponuje się tam dołączenie induktora włączonego jako zwarte do ekranu przedłużenie środkowego przewodu współosiowej części wnęki ale zastosowanie tego rozwiązania dla praktycznie stosowanych średnic rurki wyładowczej z wyżej wymienionych powodów wymiarowych nie znalazło praktycznego zastosowania i najlepsze wyniki analityczne uzyskiwano wyłącznie dla konfiguracji, w których pobudzenie plazmy odbywało się bez udziału induktora. Powstałe ograniczenie wynika z faktu, że praktyczne średnice rurek wyładowczych są większe od 10 mm. Przy takiej średnicy długość nawet pojedynczego zwoju jest rzędu % długości fali, co oznacza zmianę amplitudy od zera do 100% i w konsekwencji wprowadza bardzo silną niesymetrię pobudzenia. W publikacji Jankowski K., Reszke E.: Microwave induced plasma analytical spectrometry. RSC Monograph Series 2011, podane zostały także inne metody generowania toroidalnej plazmy takie, jak przy zastosowaniu tzw. loop-gap rezonatora znanego ze spektrometrii EPR, czy rezonatora dielektrycznego znanego z techniki świetlnej. Konstrukcja źródła wzbudzenia z wykorzystaniem rezonatora dielektrycznego, nazwanego MICAP (Microwave Inductively Coupled Atmospheric Plasma) znana jest ze zgłoszenia patentowego US2016029472.

Istota adaptera, polega na tym, że ma co najmniej dwa elementy kształtujące pole elektromagnetyczne, które są osadzone pomiędzy tuleją górną przyłącza mikrofalowego i tuleją dolną przyłącza mikrofalowego, przy czym element kształtujący pole elektromagnetyczne (1) jest ustawiony względem tworzącej tulei pod kątem w zakresie od 0 stopni do 90 stopni.

Korzystnie, tuleja dolna przyłącza mikrofalowego wyposażona jest w zewnętrzne przyłącze współosiowe.

Korzystnie, tuleja górna przyłącza mikrofalowego połączona jest trwale z tuleją dolną przyłącza mikrofalowego 1 za pomocą elementów kształtujących pole elektromagnetyczne w postaci równoległych względem siebie prętów przewodzących prąd elektryczny.

Korzystnie, pręt ma kształt odcinka spirali.

Korzystnie, tuleja górna przyłącza mikrofalowego połączona jest trwale z tuleją dolną przyłącza mikrofalowego za pomocą elementów kształtujących pole elektromagnetyczne w postaci równoległych względem siebie pierścieni, pomiędzy którymi osadzone są przekładki dielektryczne dystansujące.

Korzystnie, elementy kształtujące pole elektromagnetyczne osadzone pomiędzy tuleją górną przyłącza mikrofalowego i tuleją dolną przyłącza mikrofalowego wykonane są z rurki, w której techniką wycinania uformowane są elementy kształtujące pole elektromagnetyczne.

Korzystnie, elementy kształtujące pole elektromagnetyczne osadzone pomiędzy tuleją górną przyłącza mikrofalowego i tuleją dolną przyłącza mikrofalowego wraz z tulejami, naniesione są na powierzchnię dielektrycznego cylindra, w postaci warstwy metalowej naniesionej techniką metalizacji.

Korzystnie, w tulejach pomiędzy elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne wykonane są pionowe wycięcia.

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe według wynalazku pozwala na kształtowanie wyładowania w polu typu H ze sprzężeniem energii z plazmą przy zapewnieniu osiowej symetrii pobudzenia. W innym skrajnym przypadku zamiast wyładowania w polu typu H możliwe jest pobudzanie wyładowania w polu typu E w polu elektrycznym odpowiednio stukturalizowanym za pośrednictwem układu pierścieni. Dzięki takiej strukturalizacji pole elektryczne na brzegu plazmy jest znacznie wyższe niż na jej osi podobnie jak to ma miejsce przy pobudzeniu typu H, gdy pole na osi plazmy z definicji przyjmuje wartości minimalne. Adaptery kształtujące pole mogą być przewidziane jako integralna część mikrofalowej wnęki plazmowej jednak konstrukcja układów, w którym istnieje pewna liczba przewodników z prądem, które muszą zapewniać symetrię sprzężenia z plazmą w konfiguracji zbliżonej do tzw. obwodów skupionych zawierających induktory i kondensatory będących jednocześnie integralnymi z rezonatorami mikrofalowymi o stałych rozłożonych jest ze wszechmiar trudne. Wprowadzenie adapterów kształtujących pole jako elementów zewnętrznych skupionych odpowiednio sprzężonych z polem oryginalnych wnęk mikrofalowych jest rozwiązanie posiadającym liczne zalety, do których trzeba zaliczyć możliwość wykorzystania wnęk plazmowych o znanych konstrukcjach, a także ułatwionemu optymalizowaniu samych adapterów w kierunku celowych modyfikacji wymiarów plazmy uzyskiwanej z różnych gazów roboczych.

PL 235 377 B1

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia adapter z czterema pionowymi elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne wykonane z prętów przewodzących prąd elektryczny, fig. 2 - adapter ze skośnymi elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne w postaci sześciu odcinków spiral, fig. 3 - adapter ze skośnymi elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne w postaci czterech elementów spiral uformowanych techniką wycinania lub nanoszenia metalu na dielektryczny cylinder, fig. 4 - adapter z elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne w postaci równoległych względem siebie pierścieni oddzielonych przekładkami dielektrycznymi dystansującymi, fig. 5 - adapter z elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne w postaci równoległych względem siebie pierścieni oddzielonych przekładkami dielektrycznymi dystansującymi o różnych średnich, a fig. 6 - adapter z elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne w postaci elementów spiral usytuowanych prostopadle do tworzącej tulei.

P r z y k ł a d 1

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe ma pomiędzy tuleją górną przyłącza mikrofalowego 2 i tuleją dolną przyłącza mikrofalowego 3 osadzone cztery elementy kształtujące pole elektromagnetyczne 1, które są ustawione względem tworzącej tulei 2, 3 pod kątem w zakresie od 0 stopni. W rozwiązaniu tym elementy kształtujące pole elektromagnetyczne 1 w postaci równoległych względem siebie czterech prętów przewodzących prąd elektryczny.

P r z y k ł a d 2

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe wykonane jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że elementy kształtujące pole elektromagnetyczne wykonane są w postaci sześciu odcinków spiral, które są ustawione skośnie względem tworzącej tulei 2, 3.

P r z y k ł a d 3

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe wykonane jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że elementy kształtujące pole elektromagnetyczne wykonane są w postaci sześciu odcinków spiral, które są ustawione są pod kątem 90 stopni względem tworzących tulei 2, 3.

P r z y k ł a d 4

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe wykonane jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą, że tuleja dolna przyłącza mikrofalowego 3 wyposażona jest w zewnętrzne przyłącze płaskie 4 pozycjonujące adapter we wnęce mikrofalowej.

P r z y k ł a d 5

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe wykonane jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą że elementy kształtujące pole elektromagnetyczne 1 osadzone pomiędzy tuleją górną przyłącza mikrofalowego 2 i tuleją dolną przyłącza mikrofalowego 3 wykonane są z rurki, w której techniką wycinania uformowane są elementy kształtujące pole elektromagnetyczne 1. Ponadto pomiędzy elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne 1 wykonane są w tulejach 2, 3 pionowe wycięcia 7.

P r z y k ł a d 6

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe wykonane jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą że elementy kształtujące pole elektromagnetyczne 1 osadzone pomiędzy tuleją górną przyłącza mikrofalowego 2 i tuleją dolną przyłącza mikrofalowego 3 wraz z tulejami naniesione są techniką metalizacji, w postaci warstwy metalowej naniesionej na powierzchnię dielektrycznego cylindra.

P r z y k ł a d 7

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe wykonane jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą że w tulejach 2, 3 pomiędzy elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne 1 wykonane są pionowe wycięcia 7.

P r z y k ł a d 8

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe wykonane jak w przykładzie pierwszym albo drugim z tą różnicą że tuleja górna przyłącza mikrofalowego 2 połączona jest trwale z tuleją dolną przyłącza mikrofalowego 3 za pomocą elementów kształtujących pole elektromagnetyczne 1 w postaci równoległych względem siebie pierścieni 8, pomiędzy

PL 235 377 B1 którymi osadzone są przekładki dielektryczne dystansujące 9, przy czym średnice pierścieni 8 i przekładek dielektrycznych dystansujących 9 są równe.

P r z y k ł a d 9

Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe wykonane jak w przykładzie ósmym z tą różnicą że średnice pierścieni 8 są większe od średnic przekładek dielektrycznych dystansujących 9.

Wykaz oznaczeń na rysunku:

1. element kształtujący pole,

2. tuleja górna przyłącza mikrofalowego,

3. tuleja dolna przyłącza mikrofalowego,

4. zewnętrzne przyłącze płaskie,

5. warstwa izolatora,

6. wnęka mikrofalowa,

7. wycięcie,

8. pierścień,

9. przekładka dielektryczna dystansująca.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe, znamienny tym, że ma co najmniej dwa elementy kształtujące pole elektromagnetyczne (1), które są osadzone pomiędzy tuleją górną przyłącza mikrofalowego (2) i tuleją dolną przyłącza mikrofalowego (3), przy czym element kształtujący pole elektromagnetyczne (1) jest ustawiony względem tworzącej tulei (2, 3) pod kątem w zakresie od 0 stopni do 90 stopni.
2. Adapter, według zastrz. 1, znamienny tym, że tuleja dolna przyłącza mikrofalowego (3) wyposażona jest w zewnętrzne przyłącze cylindryczne (4).
3. Adapter, według zastrz. 1, znamienny tym, że tuleja górna przyłącza mikrofalowego (2) połączona jest trwale z tuleją dolną przyłącza mikrofalowego 1 (3) za pomocą elementów kształtujących pole elektromagnetyczne (1) w postaci równoległych względem siebie prętów przewodzących prąd elektryczny.
4. Adapter, według zastrz. 3, znamienny tym, że pręt ma kształt odcinka spirali.
5. Adapter, według zastrz. 1, znamienny tym, że tuleja górna przyłącza mikrofalowego (2) połączona jest trwale z tuleją dolną przyłącza mikrofalowego (3) za pomocą elementów kształtujących pole elektromagnetyczne (1) w postaci równoległych względem siebie pierścieni (8), pomiędzy którymi osadzone są przekładki dielektryczne dystansujące (9).
6. Adapter, według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy kształtujące pole elektromagnetyczne (1) osadzone pomiędzy tuleją górną przyłącza mikrofalowego (2) i tuleją dolną przyłącza mikrofalowego (3) wykonane są z rurki, w której techniką wycinania uformowane są elementy kształtujące pole elektromagnetyczne (1).
7. Adapter, według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy kształtujące pole elektromagnetyczne (1) osadzone pomiędzy tuleją górną przyłącza mikrofalowego (2) i tuleją dolną przyłącza mikrofalowego (3) wraz z tulejami (2, 3) naniesione są na powierzchnię dielektrycznego cylindra, w postaci warstwy metalowej naniesionej techniką metalizacji.
8. Adapter, według zastrz. 1, znamienny tym, że w tulejach (2, 3) pomiędzy elementami kształtującymi pole elektromagnetyczne (1) wykonane są (2,3) pionowe wycięcia (7).