[发明专利]集成微波源和等离子体焰炬、以及相关方法

说明书

相关申请

本申请要求2013年3月15日提交的、名称为“集成微波源和等离子体焰炬、以及相关方法”的、序列号为61/793,320的美国临时专利申请的权益，上述的内容通过引用完整地被合并于本文中。

技术领域

本申请一般地涉及微波感应等离子体，并且特别地涉及在等离子体焰炬中生成微波感应等离子体及其用途。

背景技术

许多基于等离子体的化学分析仪器使用射频（RF，10-100MHz）感应耦合等离子体（ICP）并且使用氩作为工艺气体。尽管氩ICP是相对成熟和有效的技术，但是为这些仪器供应氩明显增加所有者的成本，并且受制于纯化氩气的可用性。为了解决新兴市场（乡村、便携式、发展中国家等）的需要，近期关注的是生产可以用较便宜的、更可用的气体、例如分子氮（N₂）操作的类似功能的仪器。

由于氩和氮等离子体的性质的差异，在若干GHz的范围内的微波辐射（相比于RF辐射）常常更好地适合于为氮等离子体赋能。配置成用于生成这样的等离子体的仪器可以包括将微波功率输送到流动通过管（或嵌套管组）的工艺气体的功率子系统。微波辐射将气体电离成等离子体。由此产生的微波感应等离子体（MIP）可以用于加热、蒸发/干燥/去溶剂化、雾化、电子激发和电离分析物材料，由此允许发射光或离子的后续检测和分析。

微波功率子系统可以包括由功率传递元件、例如自由空间波导或同轴电缆耦合的微波功率源和电磁共振结构。该系统也可能需要用于它的各种部件的阻抗匹配的附加元件，包括手动和/或伺服锁定短线调谐器和可移动短路面。而且，常常包括微波隔离器和循环器以在阻抗失配情况下保护功率源免于反射功率。

已知的微波功率子系统具有缺陷。由于它们的多部件配置，它们相对庞大和昂贵。而且，可能需要自动化调谐算法以获得和保持可接受的性能，并且调谐过程又涉及移动部件。这些因素有损在广受欢迎的“现场”应用市场中的适合性。另外，由于多部件设计的高体积和/或面积，存在主要由引导结构的壁引起的显著的功率损耗（能量损失）。另外，在常用共振结构（例如，矩形波导或同轴电缆）中的电磁（EM）场图案与倾向于产生对于光谱学/光谱法是优选的圆柱形或环形对称性的场图案之间存在失配。这些失配造成当前设计的性能和稳定性降低，这仍然是正在进行的研究的主题。

所以，依然需要用于为各种应用生成MIP的改进系统、设备和方法。

发明内容

为了完全或部分地解决前述问题和/或本领域的技术人员可能观察到的其它问题，本发明提供在下述的实现方式中作为例子描述的方法、工艺、系统、装置、仪器和/或设备。

根据一个实施例，一种用于生成微波感应等离子体的等离子体源包括：微波能量源，所述微波能量源包括在阴极轴线上的阴极，和通过相互作用空间与所述阴极间隔的阳极，其中所述微波能量源包括第一侧、第二侧和沿着所述阴极轴线从所述第一侧到所述第二侧的厚度；以及等离子体焰炬，所述等离子体焰炬定位在所述微波能量源处并且包括在所述第二侧的焰炬出口，其中所述等离子体焰炬建立从所述第一侧到所述第二侧的气体流动路径。

根据另一实施例，一种等离子体处理系统包括：所述等离子体源，其中所述等离子体焰炬包括在所述第一侧的焰炬入口；与所述焰炬入口连通的等离子体形成气体源；以及与所述焰炬出口连通的室。

根据另一实施例，一种用于供应等离子体的方法包括：通过操作包括第一侧和第二侧的微波能量源生成微波能量；通过将等离子体形成气体从所述第一侧流动到等离子体焰炬中生成等离子体，其中所述等离子体形成气体由所述微波能量辐射；以及从所述第二侧的所述等离子体焰炬的出口流动所述等离子体。

根据另一实施例，一种等离子体源或等离子体处理系统配置成用于执行本文中所公开的任何方法。

当阅读以下附图和详细描述时本领域的技术人员将或将要显而易见本发明的其它设备、装置、系统、方法、特征和优点。所有这样的附加系统、方法、特征和优点旨在包括在该描述内、本发明的范围内并且由附带的权利要求保护。

附图说明

通过参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的部件不必按比例绘制，而是强调示出本发明的原理。在附图中，相似的附图标记在不同视图中始终表示相应的部分。

图1A是根据一些实施例的等离子体源的例子的平面图。

图1B是图1中所示的等离子体源的透视图。

图2A和2B是微波能量源的一部分的平面图，示出在周期的交替相位的振荡。

图3A是具有束带段的阳极的一部分的平面图。