電磁波導和等離子體源的製作方法

2023-06-27 18:11:01 1

電磁波導和等離子體源的製作方法
【專利摘要】一種方法包括：沿著第一和第二膜片隙槽之間的第一軸對準膜片的膜片腔內的等離子體焰炬，所述第一和第二膜片隙槽具有小於所述焰炬的直徑的70%的高度；以及沿著第二軸生成具有場線的電磁場。所述場包括基本上橫穿第一方向的分量。還描述了裝置。
【專利說明】電磁波導和等離子體源
【技術領域】
[0001 ] 本技術涉及電磁波導和等離子體源。
【背景技術】
[0002]用於光譜化學分析的等離子源有時候包括耦合到電磁波導的等離子體焰炬，使得電磁輻射(例如，微波輻射)能夠用於生成和維持等離子體。
[0003]一種已知類型的等離子體源包括波導，其如此定向使得電磁輻射的磁場沿著等離子體焰炬的公共軸定向，並且磁場強度在等離子體焰炬的位置為最大值。這種類型的等離子體源理想地建立具有圓形或橢圓形橫截面的等離子體，並且沿著軸維度具有稍小密度(較冷)等尚子體。
[0004]儘管已知的等離子體源相對於其他已知的等離子體源提供顯著的改進，但是如果波導的長度即使偏離最優值少量，則發現等離子體源的性能受到損害。顯然，在常規製造環境中可以預期出現的波導的長度的微小變化被發現導致不期望的非對稱等離子體的建立，其不利地影響等離子體源的分析性能。
[0005]因此，需要提供一種改進的電磁波導和等離子體源，其至少克服上述已知的波導和等離子體源的缺點。

【發明內容】

[0006]在代表性實施例中，一種裝置包括:具有長度和高度的電磁波導；在沿著所述波導的長度的第一位置跨越所述波導的第一膜片隙槽(iris slot)，具有小於所述波導的高度的高度；在沿著所述波導的長度的第二位置跨越所述波導的第二膜片隙槽，具有小於所述波導的高度的高度；在所述第一和第二膜片隙槽之間的位置具有跨越所述波導的縱軸的等離子體焰炬。所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽配置為透射基本上橫穿(transverse to)所述等離子體焰炬的縱軸的電磁場，以便激勵所述等離子體焰炬中的等離子體。此外，所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽的高度小於所述焰炬的直徑的70%。
[0007]在另一代表性實施例中，一種方法包括:沿著第一和第二膜片隙槽之間的第一軸對準膜片的膜片腔內的等離子體焰炬，所述第一和第二膜片隙槽具有小於所述焰炬的直徑的70%的高度；以及沿著第二軸生成具有場線的電磁場。所述場包括基本上橫穿第一方向的分量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]當結合附圖閱讀時，從下面詳細描述中最佳理解代表性實施例。無論在何處應用和實踐，相同參考標號指示相同元件。
[0009]圖1A是根據代表性實施例的裝置的透視圖。
[0010]圖1B是根據代表性實施例的膜片的透視圖。
[0011]圖2是描繪根據代表性實施例的波導中支持的模式的電磁場線的頂視圖。[0012]圖3是描繪根據代表性實施例的膜片中的腔的各區域中的期望模式的電磁場線的側視圖。
[0013]圖4是根據代表性實施例的膜片的側視圖。
[0014]圖5是根據代表性實施例的產生等離子體的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0015]在以下詳細描述中，為了說明和非限制的目的，提出了公開特定細節的說明性實施例，以便提供根據本教導的實施例的徹底理解。然而，對從本公開受益的技術人員明顯的是，偏離在此公開的特定細節的根據本教導的其他實施例維持在所附權利要求的範圍內。此外，已知的設備和方法的描述可以省略，以便不混淆示例實施例的描繪。這樣的方法和設備在本教導的範圍內。
[0016]通常，要理解的是，如在說明書和所附權利要求中使用的，術語「一(a)」、「一個(an)」和「所述」包括單數和複數指示物，除非上下文另外清楚指示。因此，例如，「設備」包括一個設備和多個設備。
[0017]如在說明書和所附權利要求中使用的，並且除了它們的普通含義，術語「基本」或「基本上」意味著在可接受的限定或程度內。例如，「基本上抵消」意味著本領域技術人員將認為該抵消是可接受的。作為另一示例，「基本上移除」意味著本領域技術人員認為該移除是可接受的。
[0018]如在說明書和所附權利要求中使用的，並且除了它們的普通含義，術語「大致」意味著對於本領域技術人員來說在可接受的限定或程度內。例如，「大致相同」意味著本領域技術人員將認為該術語相當於相同。
[0019]本教導通常涉及波導，其可用於與等離子體焰炬組合以生成和維持可用於光譜化學分析的等離子體。通常，波導包括膜片，將等離子體焰炬設置在其中。波導(沒有膜片)配置為支持期望的模式(例如，TE1(I)。膜片表示改變場圖案(pattern)的形狀的阻抗不匹配(擾動)，如下面更完整描述的。隨著本描述繼續將變得更清楚的，根據本教導，選擇波導中支持的模式，使得膜片腔中的主電磁場橫穿等離子體焰炬的中心(縱)軸。這與已知設備(如授予Hammer的共同所有的美國專利6，683，272中公開的那些)的意圖是相反的，其中意圖生成與等離子體焰炬的中心軸平行的場。這樣，在膜片中建立的電磁場線基本上橫穿於通過膜片中的腔的中心的軸。選擇波導相對於膜片的腔的長度，以便在膜片位置建立電磁場環的中心。在下面描述的某些代表性實施例中，選擇電磁場環的中心為該模式的四分之一波長的奇數倍η (λ/4)。有利地，得到的等離子體具有基本上圓形橫截面，具有比較「熱」的周邊和較冷的中心。
[0020]圖1A是根據代表性實施例的裝置100的等距圖。裝置100包括下面描述的代表性實施例中的電磁波導(「波導」)101。波導101配置為在適於生成和維持等離子體的頻率支持期望的傳播模式(「模式」)。有利地，波導101支持的期望模式提供在基本上正交或橫穿等離子體焰炬的定向的軸的方向上定向的電磁場線，如下面將更完全描述的。此外，並且如隨著本公開繼續將變得清楚的，選擇期望的模式以生成和維持同樣基本上關於軸對稱的等離子體。
[0021]如圖所示，波導101配置為支持TEltl模式，其具有在電磁頻譜的微波部分中的頻率。例如，選擇的模式可以具有大致2.45GHz的特徵頻率。下面描述的尺寸的特定說明基於期望的模式的該說明性頻率。然而，要注意的是，在此描述的實施例不限於微波頻譜中的操作，並且當然不限於2.45GHz的操作。具體地，因為選擇的操作頻率範圍指示操作的(各)選擇模式的波長，並且操作波長主要受到焰炬和波導101的幾何尺寸的限制，操作頻率也受到等離子體焰炬和波導101的幾何尺寸的限制。如圖所示，本教導可以容易地實施以包括高於和低於以及在大致5.8GHz或大致24.125GHz的範圍內的操作頻率。此外，期望的模式不限於說明性的TEltl，並且波導101 (或圖1A描繪的第一和/或第二部分117，118)在維度上不一定是矩形。更確切地，如上所述，模式選擇為提供橫穿等離子體焰炬的定向的軸的電磁場線。本教導預期支持電磁場線的該期望定向的這樣的模式或波導形狀或兩者。
[0022]波導101在第一端102短路，並且靠近設置在第二端104的微波能量源(未示出)。膜片106設置在波導101中，並且包括膜片腔108，其中第一膜片隙槽110沿著膜片腔108的一側設置，並且第二膜片隙槽112設置在膜片腔108的相對側。發明人已經發現，第一膜片隙槽110的高度應當小於等離子體焰炬的直徑的70%。類似地，第二膜片隙槽112的高度應當小於等離子體焰炬的直徑的70%。如上所述，並且如下面將更完全描述的，在代表性實施例中，膜片106的中心(例如，在第二軸116)設置在距離一端(例如第一端102)基本上波導101的期望模式的四分之一波長的奇數倍η (λ/4)的距離處(圖1A中表示為第一長度LI)。此外，在代表性實施例中，膜片106的中心(例如，在第二軸116處)設置在距離波導101的另一端(例如，第二端104)大於期望模式的一半波長(λ/2)的距離處(圖1A中表示為第二長度L2)。這樣，膜片106定位在波導101的第一部分117和波導101的第二部分118之間。要注意，波導101可以是包括第一部分117和第二部分118的單個件，並且膜片106定位在其中。可替代地，波導101可以包括兩個分開件(例如，第一部分117和第二部分118為分開件)，並且膜片106定位在它們之間。
[0023]如圖所示，膜片腔108的中心(在第二軸116)位於距離第一端10255mm，膜片106中的第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112每個是6mm高度(圖1的坐標系統中的z維度)乘以50mm寬度(圖1的坐標系統中的x維度)，並且膜片腔108具有13mm的直徑。選擇微波的磁控管源到膜片106的距離，以最小化來自膜片106、等離子體焰炬(圖1中未示出)的反射，並且優化微波功率從微波源到等離子體的傳遞。如上所述，在代表性實施例的一個實現中，膜片106的中心(例如，在第二軸116)設置在距離第二端104大於期望模式的一半波長(λ/2)的距離處，其靠近電磁輻射源。要注意，呈現的維度僅僅是說明性的，並且通過選擇模式的頻率/波長的選擇來指示。
[0024]裝置100的各個組件由適當的導電材料(如適於在裝置100的操作的選擇頻率使用的金屬(鋁)或金屬合金)製成。波導101和膜片106的特定方面與授予Hammer的共同所有美國專利6，683，272中描述的膜片是共同的。
[0025]如下面更完全描述的，等離子體焰炬(圖1A中未示出)定位在膜片腔108內部，以包含和成形生成的等離子體。在代表性實施例中，從第一端102到膜片腔108的中心(SP，第二軸116)的裝置100的部分的第一長度LI說明性地大致為期望模式的四分之一波長(入/4)的奇數倍，儘管有利地，在該尺寸上存在相當大的範圍，並且第一長度LI典型地從期望模式的大致0.15波長到期望模式的大致0.35波長。橫向電磁場位於膜片106中的第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112中和膜片腔108中。通過在膜片腔108中放置等離子體焰炬，可以容易地實現提供給等離子體焰炬的等離子體形成的氣體的基本橫向電磁場激勵。
[0026]然而，有利地，第一長度LI的精度對形成的等離子體的整體形狀和包括裝置100的等離子體源的性能不像在某些已知的結構中那樣嚴格。相反，並且如上所述，在無擾動波導101中支持選擇的模式。然而，膜片106呈現改變波導101中的模式的波長和形狀的擾動。根據本教導生成和維持的等離子體從該擾動得到，並且場圖案的形狀的改變提供波導101中的第一長度LI的容限。相應地，通過波導101和包括第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112的膜片106的結構，電磁場保持基本上橫穿等離子體焰炬的軸(例如，第二軸116)，而不管第一長度LI的變化，使得等離子體以期望的形狀生成和維持。這樣，選擇波導101中支持的模式，使得膜片腔108中的主電磁場橫穿等離子體焰炬的中心軸。
[0027]如圖所示，膜片腔108圓柱形成形以便容納等離子體焰炬，該等離子體焰炬典型地包括至少兩個(以及典型的三個)非導電材料(如石英或陶瓷)的同心管(外管和兩個同心內管)，提供兩個或更多(即，典型的三個)分開的氣流。等離子體焰炬(未示出)的同心管共享共同的中心軸，其在圖1A所示的代表性實施例中將平行第二軸116定向。具有曳出樣本的載氣通常流過最內部管，並且分開的等離子體維持和焰炬冷卻氣體流過兩個管之間的間隙。如圖所示，等離子體維持和焰炬冷卻氣體是氮，並且提供安排用於產生該傳導氣流以便形成具有基本上空芯的穩定等離子體，並且保持等離子體與焰炬的任何部分充分隔離，使得沒有焰炬的部分被過加熱。例如，等離子體維持氣體可以徑向地離軸注入，使得流體螺旋移動。該氣流維持等離子體，並且內氣流中攜帶的分析樣本通過來自等離子體的輻射和傳導加熱，如本領域熟知的。為了最初點火等離子體，等離子體維持和焰炬冷卻氣流可以臨時地和暫時地從氮變為氬。在授予Hammer的共同所有美國專利7，030, 979中詳細描述了適合的等離子體焰炬的示例。該專利的公開內容在此通過引用明確併入。
[0028]圖1B是根據代表性實施例的膜片106的透視圖。膜片106包括膜片腔108、第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112。如這裡描述的，膜片106設置在波導101中，使得膜片腔108的中心(即，在第二軸116)遠離膜片腔108的端部(例如，第一端102或第二端104)設置以建立電磁場，使得能夠容易地實現提供給等離子體焰炬的等離子體形成氣體的橫向電磁激勵。如上所述，從膜片腔108的中心(B卩，第二軸116)到波導101的端部的距離說明性地大致為期望模式的四分之一波長(λ/4)的奇數倍。
[0029]圖2是描繪根據代表性實施例的裝置100中支持的期望模式的電磁場線201a，b(電場線201a和磁場線201b)的頂視圖。該模式的電磁場線201a，b基本上橫穿在膜片106的膜片腔108的中心處的第二軸116。選擇長度L大致為期望模式的四分之一波長(λ /4)的奇數倍，導致在膜片腔108中的等離子體焰炬(圖2中未示出)的位置處的電磁場最小值。
[0030]如上所述，無擾動波導101(8卩，沒有膜片106)的傳播模式具有特定形狀(未示出)。模式的形狀通過由膜片106導致的擾動改變，但是膜片106中的模式的電磁場線201a，b保持基本橫向。與其中磁場線有目的地在相對於膜片和等離子體焰炬的軸向上定向的已知的波導相反，新的波導結構的效率不嚴格依賴於其物理尺寸。在已知的波導中，對於誤差存在極小餘地(如果有的話)。因此，在已知的波導結構中，波導的元件的尺寸的變化或它們的放置的變化或兩者對電磁場線201a，b相對於等離子體焰炬的定向和位置以及對得到的等離子體可能具有顯著的和不期望的影響。如可以從圖2的評論意識到的，膜片106的放置的輕微變化，特別是在圖2的坐標系的X維度中，將對電磁場線201a，b相對於等離子體焰炬的朝向具有極小(如果有的話)影響。具體地，膜片106在X方向上的稍微誤放可能導致長度L偏離波導101的四分之一波長的期望奇數倍的變化，但是電磁場線201a，b保持基本橫穿第二軸116，因此橫穿等離子體焰炬。
[0031]如下面參考圖3更完全描述的，通過代表性實施例實現的電磁場分布導致區域202,203以及204、205中的等離子體的四個基本星月形葉瓣(lobe)的形成。這些等離子體的星月形葉瓣導致區域202、203以及204、205中的圍繞第二軸116對稱設置的膜片106中的合成等離子體。這些合成等離子體的每個具有基本空的圓柱形，並且每個包括圍繞其周邊的熱等離子體和較冷的中間芯。
[0032]圖3是從第二軸116向下看的膜片106的側視圖。期望模式的電磁場線301a，b(電場線301a和磁場線301b)設置在腔103以及膜片106的第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112的各區域中。第一膜片隙槽110和第二膜片隙槽112每個具有高度「H」，如圖3中所示。橫向電磁場301a，b生成和維持第一和第二新月形等離子體304，305，其在第一和第二區域302，303中具有較大功率(「較熱」)。相反，極少(如果有的話)電流生成，並且極少(如果有的話)等離子體維持在膜片腔108的中心。
[0033]結合地，第一和第二新月形等離子體304，305產生具有基本空的圓柱形的單個等離子體，其具有圍繞其周邊的熱等離子體以及較冷的中間芯。最後，如上所述，在代表性實施例中，第二組新月形等離子體(未示出)形成和保持在沿著第二軸116的另一位置處(例如，在圖2所示的區域202，203中)。如同第一和第二新月形等離子體304，305，這些新月形等離子體圍繞第二軸116基本對稱，並且形成具有基本空的圓柱形的單個等離子體，其具有圍繞其周邊的熱等離子體以及較冷的中間芯。
[0034]圖4是根據代表性實施例的膜片106的側視圖。膜片106的許多細節對於說明性實施例的描述中的上述那些是共同的，並且一般不重複。此外，考慮膜片106的對稱性，第二膜片隙槽112的描述事實上等於第一膜片隙槽110的已有描述。
[0035]等離子體焰炬401 (見圖4)設置在膜片106的膜片腔108中，並且具有同心圓柱體402、403、404，其提供等離子體焰炬401中的中心氣流、中間氣流和等離子體維持和焰炬冷卻氣流。等離子體焰炬401包括尖端405，其位於距離第一膜片隙槽110的中心線距離「D」 406，如圖4所示。此外，第一膜片隙槽110具有長度「L」 407和高度「H」 408。
[0036]如上所述，第一膜片隙槽110的高度408選擇為提供用於生成和維持等離子體的期望模式的電磁場的限制。該電磁場的限制導致期望的場梯度，其最終產生基本對稱的等離子體。裝置100的高度408和其他尺寸取決於用於生成和維持等離子體的期望模式的波長。如圖所示，裝置100中高度408對於2.4GHz模式是大致6mm到大致8mm，並且通常將小於等離子體焰炬的直徑的70%。
[0037]圖5是根據代表性實施例的用於產生等離子體的方法500的流程圖。在501，方法500包括沿著第一軸對準等離子體焰炬。在502，方法500包括生成具有沿著第二軸的具有場線的電磁場。
[0038]根據說明性實施例，描述了電磁波導和包括電磁波導的等離子體源。本領域普通技術人員將意識到，根據本教導的許多變化是可能的，並且保持在所附權利要求的範圍內。在這裡的說明書、附圖和權利要求的檢查之後，這些和其他變化對本領域普通技術人員將變得清楚。因此，除了在所附權利要求的精神和範圍內，本發明不受限制。
【權利要求】
1.一種裝置，包括: 具有長度和高度的電磁波導； 在沿著所述波導的長度的第一位置跨越所述波導的第一膜片隙槽，具有小於所述波導的高度的高度； 在沿著所述波導的長度的第二位置跨越所述波導的第二膜片隙槽，具有小於所述波導的高度的高度； 在所述第一和第二膜片隙槽之間的位置具有跨越所述波導的縱軸的等離子體焰炬； 其中，所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽配置為透射基本上橫穿所述等離子體焰炬的縱軸的電磁場，以便激勵所述等離子體焰炬中的等離子體；以及 其中，所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽的高度小於所述焰炬的直徑的70%。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電磁場是基本上橫穿所述等離子體焰炬的縱軸的駐波。
3.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電磁場作為基本上橫穿所述縱軸的行波通過所述等離子體焰炬的縱軸。
4.根據權利要求1所述的裝置，還包括設置在所述第一膜片隙槽和所述第二膜片隙槽之間的膜片腔。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電磁波導包括第一部分，並且從所述電磁波導的第一端到膜片的中心的第一 長度基本上等於或大於大致模式的四分之一波長(λ/4)的奇數倍。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電磁波導包括第二部分，並且從所述電磁波導的第二端到膜片的中心的第二長度大於大致模式的二分之一波長(λ/2)。
7.根據權利要求5所述的裝置，其中所述電磁波導的第一端電連接到地。
8.根據權利要求6所述的裝置，其中所述電磁波導的第二端電耦合到電磁輻射源。
9.根據權利要求4所述的裝置，其中所述等離子體焰炬具有設置在所述腔中的尖端。
10.根據權利要求4所述的裝置，其中在圍繞所述等離子體焰炬的縱軸基本上對稱的所述腔中生成等離子體。
11.根據權利要求4所述的裝置，其中所述等離子體具有第一基本新月形葉瓣和設置在所述腔的對側的第二基本新月形葉瓣。
12.根據權利要求11所述的裝置，還包括遠離所述等離子體一定軸距離設置的另一等離子，其中所述另一等離子體具有第一基本新月形葉瓣和設置在所述腔的對側的第二基本新月形葉瓣。
13.根據權利要求12所述的裝置，其中所述第一和第二新月形葉瓣關於第一軸基本對稱。
14.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電磁場包括基本上橫穿所述等離子體焰炬的縱軸的電場，並且其中所述電場激勵所述等離子體焰炬中的等離子體。
15.根據權利要求1所述的裝置，其中所述電磁場包括基本上橫穿所述等離子體焰炬的縱軸的磁場，並且其中所述磁場激勵所述等離子體焰炬中的等離子體。
16.—種產生等離子體的方法，所述方法包括: 沿著第一和第二膜片隙槽之間的第一軸對準膜片的膜片腔內的等離子體焰炬，所述第一和第二膜片隙槽具有小於所述焰炬的直徑的70%的高度；以及 沿著第二軸生成具有場線的電磁場，其中所述場包括基本上橫穿第一方向的分量。
17.根據權利要求16所述的方法，其中所述方法還包括: 提供等離子體形成氣體給所述等離子體焰炬； 施加電磁功率以建立電磁場；以及 生成等離子體。
18.根據權利要求17所述的方法，其中在鄰近所述膜片設置的電磁波導中建立電磁功率。
19.根據權利要求18所述的方法，其中所述電磁波導包括第一部分，並且從所述電磁波導的第一端到膜片的中心的第一長度基本上等於或大於大致模式的四分之一波長(入/4)的奇數倍。
20.根據權利要求19所述的方法，其中所述電磁波導包括第二部分，並且從所述電磁波導的第二端到膜片的中心的第二長度大於大致模式的二分之一波長(λ /2)。
21.根據權利要求16所述的方法，其中在圍繞所述第一軸基本上對稱的所述腔中生成等離子體。
【文檔編號】H05H1/30GK103687266SQ201310322699
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年7月29日 優先權日:2012年8月28日
【發明者】J.皮蘭斯, M.R.哈默, T.E.普魯斯 申請人:安捷倫科技有限公司