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使用介质 谐振器的 微波 等离子体谱仪

阅读：1017发布：2020-08-13

专利汇可以提供使用介质谐振器的微波等离子体谱仪专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且介质谐振器在其固有谐振频率被激励，以产生高度均匀的电场用于产生等离子。该等离子体可被用作光谱仪或质谱仪中的去溶剂化器、原子化激发源和电离源。，下面是使用介质谐振器的微波等离子体谱仪专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光学发射光谱仪或质谱仪，包括等离子体发生器，该等离子体发生器包括：
具有中心轴线的介质谐振器结构；以及
射频电源，该射频电源电耦合到该介质谐振器结构以促进在该介质谐振器结构的固有谐振频率下的交变极化电流，该交变极化电流在给定时间内在该介质谐振器结构的整个周向上沿给定周向方向围绕该中心轴线流动，从而在相邻气体中产生等离子体。
2.如权利要求1所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源被电磁耦合到该介质谐振器结构上。
3.如权利要求1所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该介质谐振器结构基本上仅通过感应电耦合到该等离子体上，存在可忽略的电容耦合。
4.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该介质谐振器结构具有大于100的品质因数。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该介质谐振器结构具有大于1×1010Ω·cm的电阻率。
6.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该介质谐振器结构具有比铜的熔点更大的熔点。
7.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该介质谐振器结构具有的介电常数具有小于0.01的损耗角正切。
8.如权利要求7所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该介质谐振器结构具有大于5的介电常数。
9.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该介质谐振器结构的材料选自由氧化铝(Al2O3)和钛酸钙(CaTiO3)组成的组。
10.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该等离子体是在相邻气体中产生的，该相邻气体包括空气。
11.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该介质谐振器结构是具有沿着该中心轴线的中心开口的环或圆柱形环状物。
12.如权利要求11所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该环或圆柱形环状物具有至少一毫米直径的中心开口。
13.如权利要求11所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该环或圆柱形环状物具有中心开口，该中心开口是圆形的并且具有在15mm与25mm之间的直径。
14.如权利要求11所述的光学发射光谱仪或质谱仪，还包括将气体沿该介质谐振器结构的中心轴线引入该中心开口中的气体端口。
15.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源是以加载该介质谐振器结构时该介质谐振器结构的谐振频率的两个半峰全宽(FWHM)带宽内的频率被驱动的。
16.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源自动寻求该介质谐振器结构的固有谐振频率，以便在或基本上在该介质谐振器结构的固有谐振频率下输出射频功率。
17.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源包括磁控管、固态振荡器或真空管振荡器中的一项或多项。
18.如权利要求15所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源的输出频率位于从20兆赫到1000兆赫的范围内。
19.如权利要求15所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源的输出频率位于以下范围内：1MHz至10GHz。
20.如权利要求19所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源的输出频率位于以下范围之一内：30MHz-300MHz，300MHz-3GHz。
21.如权利要求15所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源的输出频率是选自下组，该组由以下各项组成：27MHz、60MHz、430MHz、915MHz、2450MHz。
22.如权利要求15所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源提供0.5kW与2kW之间的功率至该等离子体。
23.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该介质谐振器结构的轴向表面基本没有电屏蔽以便通过其进行电磁耦合。
24.如权利要求1或3所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该射频电源通过穿过波导的辐射电耦合至介质谐振器结构。
25.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪，进一步包括：
气体端口，该气体端口用于引入气体并且用于将待研究的材料引入到由该等离子体发生器产生的等离子体中；以及
光学传感器，该光学传感器用于测量当被该等离子体加热时由该材料发射的光的频率。
26.如权利要求25所述的光学发射光谱仪，其中该光学传感器包括：用于根据由该等离子体发射的光的波长色散该光的色散元件；以及用于检测被色散的该光的光学检测器。
27.如权利要求26所述的光学发射光谱仪，其中该色散元件包括光栅。
28.如权利要求25所述的光学发射光谱仪，还包括以下各项中的一项或多项：一个或多个光学聚焦元件；用于改变一束或多束光的方向的反射镜；焦平面阵列检测器，该焦平面阵列检测器包括多个用于同时检测由该色散元件所色散的光的检测元件，该焦平面阵列检测器形成该光学检测器的至少一部分；用于控制该光谱仪的控制器；和用于接收来自该光学检测器的输出的控制器。
29.如权利要求1至3中的任一项所述的质谱仪，还包括：
歧管，该歧管包括适用于将样品材料递送到由该等离子体发生器产生的等离子体中的气体端口；
采样锥和截取锥；
至少一个离子聚焦元件；
质量分析元件；以及
离子检测器，用于检测由该等离子体电离的样品材料。
30.如权利要求29所述的质谱仪，还包括用于控制该质谱仪的控制器、和用于接收从该离子检测器的输出的控制器。
31.如权利要求1至3中的任一项所述的光学发射光谱仪或质谱仪，其中该等离子体是在相邻气体中产生的，该相邻气体包括氮气。
32.一种分析物质的方法，该方法包括以下步骤：
(a)使用等离子体发生器产生等离子体，该等离子体发生器包括具有中心轴线的介质谐振器结构和射频电源，该射频电源电耦合到该介质谐振器结构以促进在该介质谐振器结构的固有谐振频率下的交变极化电流，该交变极化电流在给定时间内在该介质谐振器结构的整个周向上沿给定周向方向围绕该中心轴线流动，从而在相邻气体中产生等离子体，(b)将气体引入邻近该介质谐振器结构的区域中；
(c)以固有谐振频率激励该介质谐振器结构，以在所引入的气体中产生等离子体；
(d)将待分析物质引入该等离子体中；
(e)根据由该物质发射的光的波长色散该光或根据由该等离子体产生的该物质的离子的质荷比分离这些离子；
(f)根据由该物质发射的光的波长检测该光或根据由该等离子体产生的该物质的离子的质荷比检测这些离子；并且
(g)从所检测的光的波长亦或从所检测的离子的质荷比确定该物质的元素组成。
33.如权利要求32所述的方法，其中在步骤(c)中，该等离子通过电场在所引入的气体中产生，其中该电场基本上仅通过感应耦合，存在可忽略的电容耦合。
34.如权利要求32或权利要求33所述的方法，其中所引入的气体包括空气。
35.如权利要求32或权利要求33所述的方法，其中所引入的气体包括氮气。
36.如权利要求32或权利要求33所述的方法，其中在步骤(c)中，该射频电源自动寻求该介质谐振器结构的固有谐振频率，以便在或基本上在该介质谐振器结构的固有谐振频率下输出射频功率。

说明书全文

使用介质谐振器的 微波 等离子体谱仪

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2013年3月13日提交的美国临时申请61/779,557的权益，该临时申请通过引用结合于此。

技术领域

[0003] 本发明总体上涉及电天线，并且特别涉及产生有效且均匀的电磁场用于产生等离子体等的天线。本发明特别针对向其中引入待分析物质的等离子体的产生，该等离子体引起该物质的原子化、激发和电离，使得它然后发射或吸收的光、或产生的离子可以被分析以确定该物质的特性。

背景技术

[0004] 等离子源用于产生气态等离子体，其独特的物理、化学、光学、热学和生物效应在广泛的科学和工业领域中被广泛使用。高频等离子体源利用射频或微波电能来维持等离子体。高频等离子体源典型地包括射频(RF)屏蔽物，以最小化人体暴露于高强度的非电离辐射并且减少电磁干扰和由于电磁能量辐射的功率损耗。虽然等离子体典型地在RF屏蔽的外壳内产生，等离子体的有益效果可以在射频屏蔽物的内部或外部实现。

[0005] 使用射频或微波能量来维持等离子体的等离子体源通常被分类为属于两大类之一，电容耦合的或电感耦合的。电容耦合等离子体源依赖于存储在电容器板上的电荷以产生加速等离子体中的电子和离子的电场。另一方面，电感耦合等离子体源依赖于由流过线圈的电流产生的变化磁场，来在等离子体中诱导电场，如法拉第感应定律所描述的。电容和电感耦合等离子体源均在半导体晶片加工中找到广泛的应用。虽然电容耦合源适合于在相对大的区域内生产均匀的低压等离子体，电感耦合源是能够在更小的体积内产生更高密度的等离子体。此外，感应源在将大量的电功率耦合至高导电性的等离子体中更有效，如在大气压等离子体焰炬中，该焰炬在许多科学和工业的应用中在大气压下产生非常高温的等离子体。本发明涉及电感耦合等离子体源。用于产生等离子体的高频电场可利用在兆赫至千兆赫范围内振荡的AC电流所驱动的导电线圈(“场施加器”)。线圈内的气体通过电感耦合从该线圈接收能量，从而将该气体激发成等离子体状态。

[0006] 这样的用于产生等离子体的电感耦合技术具有许多显著问题。首先，通常导电线圈必须具有多个“匝”并且每一匝呈现与回路的相邻匝的互电容，从而产生电场(以及因此等离子体)不均匀性，其可以表现为不均匀的等离子体离子的速度、轨迹和密度。

[0007] 等离子体的不均匀性可能不利地影响其中要求均匀的等离子体的应用(例如，用于集成电路工业中的蚀刻)，并且可能在不希望的等离子体工艺上浪费能量。因为具有较高的电子密度的等离子体区域比具有较低的电子密度的区域吸收更大的功率，电离在高密度区域进一步增强并且在低浓度区域减少，这可能导致不稳定性。电场越不均匀，就越有可能的是等离子体将表现出不稳定性，从局部热力学平衡偏离到收缩成丝状放电。此外，等离子体在高电场强度的区域(其通常位于靠近天线)中的不成比例的能量吸收限制了可供用于等离子体的其他区域的能量。互电容也限制了可以被施加到导电线圈的电压，而没有线圈的匝之间的介质击穿。

[0008] 其次，穿过导电线圈所要求的大量的电力以及因此大量的电流产生显著电阻加热，从而要求复杂或庞大的冷却结构。使用高导电性的材料(例如铜)可降低电阻损耗，但使用铜以及类似金属被这种高导电材料易于腐蚀和在等离子体的苛刻环境中的熔解而复杂化。

[0009] 第三，导电回路的有效驱动要求该回路是通过将调谐电容器放置到线圈电路中所实现的谐振结构的一部分。

[0010] 适于此目的的电容器是昂贵并且庞大的，并且调谐电容器可能要求自动化控制以匹配当首先点燃等离子体时以及然后已经形成稳定的等离子体之后不同的负载，从而进一步增加了成本和复杂性。

发明内容

[0011] 在第一实施例中，本发明提供了一种包括等离子体发生器的光学发射光谱仪或质谱仪，该等离子体发生器包括具有中心轴线的介质谐振器结构和射频电源，该射频电源电耦合到该介质谐振器结构以促进围绕该轴线的在该介质谐振器结构的固有谐振频率下的交变极化电流，从而在相邻气体中产生等离子体。

[0012] 在另一个实施例中，本发明提供了一种分析物质的方法，包括以下步骤：使用等离子体发生器产生等离子体，该等离子体发生器包括介质谐振器结构和射频电源，该射频电源电耦合到该介质谐振器结构以促进围绕该轴线的在该介质谐振器结构的固有谐振频率下的交变极化电流，从而在相邻气体中产生等离子体；将气体引入邻近该介质谐振器结构的区域中；以固有谐振频率激励该介质谐振器结构，以在所引入的气体中产生等离子体；根据由该物质发射的光的波长色散该光或根据由该等离子体产生的该物质的离子的质荷比分离这些离子；根据由该物质发射的光的波长检测该光或根据由该等离子体产生的该物质的离子的质荷比检测这些离子；以及从所检测的光的波长亦或从所检测离子的质荷比确定该物质的元素组成。

[0013] 该射频电源优选地电磁耦合到该介质谐振器结构。该介质谐振器结构优选地基本上仅通过感应电耦合至该等离子体上，存在可忽略的电容耦合。

[0014] 优选地，该介质谐振器具有大于100的品质因数。优选地，该介质谐振器具有大于1×1010Ω·cm的电阻率。优选地，该介质谐振器具有比铜的熔点更大的熔点。优选地，该介质谐振器具有小于0.01的损耗角正切。优选地，该介质谐振器具有大于5的介电常数。优选地，该介质谐振器选自由氧化铝(Al2O3)和钛酸钙(CaTiO3)组成的组。优选地，该介质谐振器是具有沿着该轴线的中心开口的环或圆柱形环状物。优选地，该环或圆柱形环状物具有圆形的并且具有在15mm与25mm之间直径的中心开口。

[0015] 优选地，该相邻气体包括氮气或空气。

[0016] 优选地，该射频电源提供在0.5与2kW之间的功率，该功率能够被耦合到该等离子体上。优选地，该射频电源是以加载该谐振器时该介质谐振器结构的谐振频率的两个半峰全宽(FWHM)带宽内的频率被驱动的。优选地，该射频电源自动寻求该介质谐振器结构的固有谐振频率，以便在或基本上在该介质谐振器结构的固有谐振频率下输出射频功率。

[0017] 本发明提供了一种用于通过使用介质天线产生等离子体的天线结构。本发明的诸位发明人已经确定了这样的天线当使用具有高介电常数和低介电损耗的材料制造时可以在谐振下运行，以提供高场强与低功耗。

[0018] 虽然诸位发明人不希望受特定理论的限制，应该理解的是本发明使用介电材料中的电子“极化”电流代替了常规线圈中的电子“传导”电流。极化电流是由于在电场的影响下结合到介电材料的分子上的元电荷的微小位移。这两种类型的电流(传导电流和极化电流)均根据相同的电磁定律产生了磁场和感应电场。然而，由于该介电材料同时其本身是电容器和感应器，电位在该电介质内部和在围绕该电介质的空间内到处是完全为零的。

[0019] 由于既不存在自由电荷也不存在束缚电荷，在宏观水平上，电势在该电介质内和周围是完全为零的，并且电场是纯粹通过感应产生的，该感应是由于根据等式(1)的磁矢势的变化速率：

[0020]

[0021] 其中

[0022] 电场强度的矢量

[0023] 梯度算符

[0024] V-标量电位(或简单地电位、电势或电压)

[0025] 磁矢量势(或简称矢势)。

[0026] 式(1)可在关于电磁的标准教材，如由JD杰克逊，约翰·威利父子出版社(J.D.Jackson,John Willey&Sons)1962年的“经典电动力学”(Classical
Electrodynamics)179页公式631中找到。

[0027] 电场的分量有时被称为静电分量并且分量有时被称为感应分量。

[0028] 公式(1)的右手侧中的第二项是由于法拉第感应定律，并且甚至当V＝0时可以在任何地方存在。在常规的电感耦合等离子体(ICP)线圈中，由于流过该线圈的电流并且由于线圈端部之间的大的电压差，更确切地说，由于线圈表面上存储的电荷V≠0。然而，在如本发明中所用的轴对称的介质谐振器中，由于极化电流但是V＝0，因为既不存
在自由电荷也不存在束缚电荷。

[0029] 寄生电容耦合因此完全消除，并且电场仅通过感应产生。进一步认为是通过在介电材料中缺少“趋肤”效应获得电流分布的改进，该效应将导致与极化电流不同的传导电流流动集中在环结构的最外部分中。极化电流密度是遍布电介质的截面几乎均匀的，非常类似于遍布电容器中电介质的截面均匀地分布电场的方式。趋肤效应或在电磁波穿透到传导材料中时它们的快速衰减在低损耗介电材料内有效地不存在。

[0030] 消除电容耦合是超越ICP源的相当大的优势，在该ICP源中由于其使用多匝线圈经受特别大的电容耦合。降低寄生电容耦合的常规方法是在线圈与等离子体之间插入静电或法拉第屏蔽物。因为固体导电板将阻止电场的感应分量和电容分量两者，该静电屏蔽物通常具有一系列垂直于在线圈中的电流方向的窄槽缝。静电屏蔽物的缺点是它减少了线圈与等离子体之间的电感耦合，有以下几个原因：a)线圈必须更远离等离子放置以便容纳静电屏蔽物，b)筛选与天线电流相反的沿着不具有槽缝的屏蔽物部分流动的电流，c)该屏蔽物与该线圈邻近增加了显著电容负载，其增加了线圈中的电流和欧姆损耗。此外，导体之间的小的间隔由于减少的击穿电压限制了最大功率。最后，电场与理想感应场的偏差在这些槽缝附近是最大的，在那里到等离子体的耦合是最显著的。

[0031] 除了寄生电容耦合以及由静电屏蔽物施加的限制，常规的电感等离子体源受到以下限制：

[0032] a)在线圈导体中的大量电流耗散了显著量的热量，该热量必须由流体冷却去除，从而要求流体歧管和冷却器。在半导体应用中使用破坏环境的介质冷却流体并不少见。增加的冷却系统的复杂性、大小和成本使得常规的电感耦合等离子体源不适合用于设计缩放、便携式应用、以及其中对等离子体源可用的空间是有限的设计。

[0033] b)在一段时间内在线圈的表面上建立的腐蚀会大大增加线圈的电阻损耗并且可能需要线圈更换。

[0034] c)由金属(如铜)制成的线圈在相对低的温度下熔化，被等离子体溅射降解，并且与超高真空过程不相容。因此，在低压等离子的应用中，线圈必须与等离子体由真空室的壁分离开并且在大气压等离子体应用，线圈必须位于距等离子体足够的距离处。这降低了线圈与等离子体之间的电感耦合并且使等离子体源的机械结构复杂化。

[0035] d)该线圈的匝数以及线圈和屏蔽物之间的电势差可能导致介电击穿，从而限制可以处理的最大功率。

[0036] e)该线圈的电感必须用调谐电容器进行谐振，典型地是形成外部阻抗匹配网络的一部分的大体积且昂贵的可变真空电容器，从而增加了等离子体源的尺寸、成本、和复杂性，同时进一步限制了可处理的最大功率并且由于阻抗匹配网络损耗降低了效率。

[0037] 本发明有利地避免了所有这些问题，从而提供了改进的等离子体均匀性，离子速度和轨迹的更好控制，减少的任何等离子体室壁的沉积或溅射，在将电能耦合到有用的等离子体过程中更好的效率，可以耦合到有用的等离子体过程中的功率的更高的极限以及彻底消除了静电或法拉第屏蔽物。

[0038] 具体地，然后，本发明提供了等离子体发生器，该等离子体发生器具有带中心轴线的介质谐振器结构和射频电源，该射频电源电耦合到该介质谐振器结构以促进围绕该轴线的在该介质谐振器结构的固有谐振频率下的交变极化电流，从而在相邻气体中产生等离子体。该射频电源电耦合到该介质谐振器结构。由于还存在磁场，该射频电源是既电耦合又磁耦合到该介质谐振器结构；因此该射频电源可以被说成是电磁耦合到该介质谐振器结构。该耦合促进了以该介质谐振器结构的固有谐振频率的交替极化电流流动。该射频电源以一个频率或一系列频率(如宽带)被驱动，足以将至少一些功率以该介质谐振器结构的固有谐振频率耦合到其上。优选地，该射频电源以与该介质谐振器结构的固有谐振频率相关的频率被驱动。更优选地，该射频电源是以加载该谐振器时该介质谐振器结构的谐振频率的两个半峰全宽(FWHM)带宽内的频率被驱动的。未加载的介质谐振器的带宽很窄，并且当加载有等离子体时可以扩大100倍。

[0039] 因此本发明的至少一个实施例的特征是提供用于产生强而均匀的电场用于等离子体产生的改进的射频天线。

[0040] 该介质谐振器可具有以下品质中任何一个或多个：大于100的品质因数，大于1×1010Ω·cm的电阻率，具有小于0.01的损耗角正切的介电常数，以及大于5的介电常数。

[0041] 因此本发明的至少一个实施例的特征是提供可产生在射频场中极低的损失和高功率水平的介电材料，从而最小化冷却和能量损失的问题。

[0042] 该介质谐振器可以是具有大于铜的熔点的熔点的材料。

[0043] 因此本发明的至少一个实施例的特征是提供对抗极高温等离子体的稳固的材料。

[0044] 该介电材料可以例如是氧化铝(Al2O3)或钛酸钙(CaTiO3)。

[0045] 因此本发明的至少一个实施例的特征是提供可以由相对常见并且可制造的材料构造的装置。

[0046] 该介质谐振器是具有沿着轴线的中心开口的环。

[0047] 因此本发明的至少一个实施例的特征是提供制造比较简单的介质谐振器。

[0048] 该环可具有至少一毫米直径或至少半英寸的中心开口。该环可具有中心开口，该中心开口根据使用介质谐振器的应用的面积而不同。该中心开口可以是圆形的或它可以是便于应用的任何其他形状。优选地，该中心开口是圆形的。当该中心开口是圆形时，它将具有为其直径的特征尺寸。当该中心开口不是圆形的时，该中心开口的尺寸将具有一个或多个特征尺寸，这些特征尺寸代表横跨该开口的宽度。对于光谱和质谱的领域中的使用，该中心开口可具有在1mm与50mm之间的特征尺寸。对于激光领域的使用，该中心开口可具有在1mm与1m之间的特征尺寸。对于电子回旋共振等离子体源领域的使用，该中心开口可具有在
10mm与500mm之间的特征尺寸。对于半导体加工领域的使用，该中心开口可具有在10mm与1m之间的特征尺寸。对于材料加工和推进领域的使用，该中心开口可具有在1mm与1m之间的特征尺寸。对于ICR加热领域的使用，该中心开口可具有在1m与20m之间的特征尺寸。

[0049] 优选地，对于在光谱和质谱领域的使用，该中心开口是圆形的并且有在1mm与50mm之间的直径，更优选在5mm与30mm之间，还更优选在15mm与25mm之间。

[0050] 该介质谐振器可以采取圆柱形环状物的形式，具有与该环状物的外径同心的中心开口。然而，考虑了其他形状的介质谐振器。优选地，该介质谐振器采取圆柱形环状物的形式，具有与该圆柱形环状物的外径同心的中心开口。

[0051] 因此本发明的至少一个实施例的特征是提供可容易适配为在流动气体中形成等离子体的介质谐振器。

[0052] 为此目的，该等离子体发生器可以包括将气体沿环的轴线引入该环中的气体端口。

[0053] 因此本发明的至少一个实施例的特征是提供用于谱学分析或其他应用的等离子体焰炬的元件。

[0054] 该射频电源可以自动寻求该介质谐振器结构的固有谐振频率，以在该介质谐振器结构的固有谐振频率下输出射频功率。这可以通过使用定向耦合器作为检测器在放大器信号与谐振器反射的波之间产生相位锁定来容易地实现。

[0055] 因此本发明的至少一个实施例的特征是提供等离子体发生器，该等离子体发生器可自动调整以适应介质谐振器材料或其环境的变化。此类变化包括由改变等离子体条件所致的变化，如等离子气体，压力，样品类型(含水的或有机的)，以及当本发明应用于如光谱和质谱领域中时气体和样品流速的变化。此外，低损耗的介电材料的电容率以及在介质振荡器环境中的外部部件(例如RF屏蔽物)的尺寸可以随着可能影响应用中的调谐的温度而变化，这些应用要求极端的工作温度，例如微波火箭喷管。

[0056] 优选地，该射频电源自动寻求该介质谐振器结构的固有谐振频率，以便在或基本上在该介质谐振器结构的固有谐振频率下输出射频功率。

[0057] 该射频电源可以是磁控管或固态或真空管振荡器。该射频电源可包括磁控管、固态振荡器或真空管振荡器中的一项或多项。

[0058] 优选地，该介质谐振器结构基本上仅通过感应电耦合至该等离子体上，存在可忽略的电容耦合。

[0059] 因此本发明的至少一个实施例的特征是允许产生极高频等离子体。本发明可以与至少在1MHz到10GHz的范围内工作的射频电源，并且特别是VHF范围内(30MHz-300MHz)和UHF范围内(300MHz-3GHz)工作的射频电源一起使用。

[0060] 等离子体可以在各种气体中维持，包括但不限于氩气、氮气、氦气和空气。等离子体可在各种应用中使用，包括用于等离子切割、焊接、熔融和材料的表面处理的高温等离子，破坏有害物质，废物玻璃化，碳氢燃料的点火；由激发的原子和分子种类发射的光用于光发射光谱和光源；用于质谱分析、离子注入和离子推进器的离子；用于材料球化，合成纳米材料和表面涂层的等离子喷涂的小颗粒；用于气化和生产合成气的反应性等离子体物种；用于科学和太空推进应用的超音速气流；等离子效应与用于稀薄内燃和排气解毒的产品的结合，等离子体辅助燃烧，矿物还原和加工，碳氢燃料重整，空气净化和去除研究设施、医院等的空气中污染物。

[0061] 本发明特别针对物质的激发和电离，使得它们然后发射的光或产生的离子可以被分析以确定该物质的特性。可被确定的重要特性包括物质的元素组成和物质的元素组分的相对量。本发明尤其涉及用于光发射光谱学(OES)和质谱法(MS)领域内的应用，该微波等离子体源替换例如常规的电感耦合等离子体(ICP)源。当等离子体用于激发或电离物质，使得它可以使用谱学或谱法分析该物质时，将待分析的物质引入该等离子体中。与激发或电离待分析物质一样，等离子体也可将该物质原子化并且它可以将该物质去溶剂。作为原子化源，本发明的等离子体发生器可以用于原子吸收(AA)光谱法。

[0062] 本发明的光学发射光谱仪优选包括光学传感器，其中该光学传感器包括用于根据由该等离子体发射的光的波长色散该光的色散元件；以及用于检测该色散光的光学检测器。因此，本发明的光学发射光谱仪优选地包括等离子体发生器，该等离子体发生器包括射频电源和介质共振器；用于根据由该等离子体发射的光的波长色散该光的色散元件；以及用于检测该色散光的光学检测器。优选地，该光学发射光谱仪还包括以下各项中的一项或多项：一个或多个光学聚焦元件，其可以是透镜或反射镜；用于改变一束或多束光的方向的反射镜；焦平面阵列检测器，该焦平面阵列检测器包括多个用于同时检测由该色散元件所色散的光的检测元件，该焦平面阵列检测器形成该光学检测器的至少一部分；用于控制该光谱仪的控制器；和用于接收来自该光学检测器的输出的控制器，其可以是与用于控制该光谱仪的相同的控制器。在优选形式中，该色散元件包括光栅。

[0063] 本发明的质谱仪优选包括适于将样品材料递送进入由等离子体发生器产生的等离子体中的气体端口；采样锥和截取锥；至少一个离子聚焦元件；质量分析元件；以及用于检测由该等离子体电离的样品材料的离子检测器。优选地，该质谱仪还包括用于控制该质谱仪的控制器、和用于接收从该离子检测器的输出的控制器。

[0064] 所描述的特定目的和优点可以适用于落入权利要求范围内的仅一些实施例并且因此不限制本发明的范围。附图说明

[0065] 图1是本发明一个实施例的使用环介质谐振器的等离子体发生器的局部剖面透视图；

[0066] 图2是图1的环介质谐振器的俯视图，示出了极化电流流动的方向；

[0067] 图3是示出了的环介质谐振器中的电场的模型；

[0068] 图4是环介质谐振器的替代实施例的透视图，该环介质谐振器具有支架用于到支撑结构和气流的热传导路径；

[0069] 图5是环介质谐振器的透视图，其由多个单独扇区制作并且示出一个这样的扇区；

[0070] 图6是由多个层叠环制造的介质谐振器的透视图；

[0071] 图7是由杆制造的介质谐振器的透视局部剖面图，该杆具有周向槽和中央轴向孔；

[0072] 图8是盘介质谐振器的透视局部剖面图，示出了外部等离子体区域；

[0073] 图9是盘介质谐振器的透视局部剖面图，提供了阶梯状表面盘，以产生轴向盘形等离子体；

[0074] 图10是用于等离子切割和焊接或等离子体推进器的喷嘴的透视局部剖面图；

[0075] 图11是用于将电功率电感耦合到介质谐振器中的类似于图1中所示的回路功率耦合系统的片段视图；

[0076] 图12是类似于图11的图，示出了使用微波波导的耦合系统；

[0077] 图13是两个相同的环形介质谐振器的透视图，其相对于彼此可移动用于调谐；

[0078] 图14是类似于图13的图，示出了一个介质谐振器可以装配在另一个介质谐振器上用于调谐的替代调谐结构；

[0079] 图15是结合本发明的介质谐振器的光谱仪的简化截面图；

[0080] 图16是结合本发明的介质谐振器的质谱仪的简化示意截面图；

[0081] 图17示出了如通过本发明的光学发射光谱仪测量的，对于存在于测试溶液中的一系列元素，以每秒计数(IR)的信号强度对元素浓度的曲线图；

[0082] 图18示出了如通过本发明的光学发射光谱仪测量的，对于存在于还包含3％的盐基质的测试溶液中的一系列元素，以每秒计数(IR)的信号强度对元素浓度的曲线图；

[0083] 图19A至图19D是峰形曲线图，示出了对于常规的氩ICP源和本发明的用空气操作的等离子源，从多元素标准物测量的峰强度和基线，这些基线是来自测量的空白(去离子水)的背景信号；

[0084] 图20是介质谐振器连同与该介质谐振器的外表面直接接触的RF屏蔽物的透视局部剖面图；以及

[0085] 图21是处于两个同轴陶瓷环形式的介质谐振器连同两个RF屏蔽物的透视局部剖视图。

具体实施方式

[0086] 现在参考图1，本发明的等离子发生器10可提供介质谐振器12，该介质谐振器在本实施例中是以轴线14为中心的圆柱形环状物。

[0087] 如本领域理解的，介电材料基本上是相对于直流电的绝缘体(即当电介质被放置在电场中时，电荷不像它们在导体中那样通过该材料自由地流动)，但可以提供通过在材料中的束缚电子或离子的平衡位置轻微偏移所产生的极化电流。

[0088] 在本实施例中，介质谐振器12可以由氧化铝(Al2O3)制成，并且可以是外径二英寸(0.0508m)、内径一英寸(0.0254m)并且沿轴线14长0.75英寸(0.01905m)，并且具有约2.45千兆赫的电谐振频率的圆形环状物或环。这种材料表现出大于5000的品质因数，9.8的相对介电常数，并且在超过1000摄氏度的温度下保持其电特性和物理完整性。

[0089] 介质谐振器12的替代材料可以是钛酸钙(CaTiO3)，是外径3.13英寸(0.0795m)、内径2.34英寸(0.05944m)、长1.12英寸(0.02845m)并且以大约430兆赫谐振。这个环表现出超过5000的品质因数并且具有200的相对介电常数。

[0090] 许多类型的高级技术陶瓷满足这些要求，但也可以使用其他的具有相似的电特性的介电材料来代替。

[0091] 更一般地，介质谐振器12的介电材料可以具有以下特性：(a)小于0.01的损耗角正切，(b)大于100的品质因数，(c)大于5的相对介电常数。可替代地，品质因数应大于1000。

[0092] 令人希望地，该介电材料可以具有大于1×l010欧姆厘米并且典型地大于1×l014欧姆厘米的电阻率。令人希望地，该介电材料可以具有比铜或其他可比的导电金属更高的熔点。该介电常数优选是大于5，并且更希望的是大于9。这些实施例并不旨在是限制性的。的确，包括具有低至100欧姆厘米的电阻率的材料的介质谐振器可以使用并且似乎对电阻率不存在实际的上限。因此，该介质谐振器优选地具有下列范围之一内的电阻率：100-1000欧姆厘米；1000-10000欧姆厘米；104-105欧姆厘米；105-106欧姆厘米；106-107欧姆厘米；
107-108欧姆厘米；108-109欧姆厘米；109-1010欧姆厘米；1010-1012欧姆厘米；1012-1014欧姆厘米；大于1014欧姆厘米。

[0093] 该介质谐振器的介电常数优选位于下列范围之一内：5-6、6-7、7-8、8-9、或大于9。

[0094] 优选地，该介质谐振器具有的介电常数的损耗角正切位于下列范围之一内：小于10-4；10-4-10-3；10-3-10-2。

[0095] 环的谐振频率为与相对介电常数的平方根大约成反比并且与该环的线性尺寸大约成反比，如果该环的所有三个尺寸改变相同的因子的话，从而使这些实例能够容易地修改为其他的尺寸。

[0096] 给定介质谐振器的精确谐振频率可以利用计算机模拟最好地获得，例如像可以利用ANSYS-HFSS电磁场解算器来实现。然而，一阶估算可通过使用以下忽略任何RF屏蔽效应的近似公式获得：

[0097]

[0098] 其中：

[0099] c0＝3·108m/s-自由空间中的光速度

[0100] εr-介质谐振器的相对电容率

[0101] h-介质谐振器的长度，以[m]计

[0102] t-介质谐振器的厚度，即，(O.D.-I.D.)/2，以[m]计

[0103] R-介质谐振器的平均半径，即，(O.D.+I.D.)/4，以[m]计

[0104] 对于适合于在光学光谱法或质谱法中使用的介质谐振器使用公式(2)，其中该介质包括外径0.0508m(2英寸)的圆柱形环状物，该谐振器具有与该环状物的外径同心的圆形中心开口，该中心开口的直径为0.0254m(1英寸)，该介质谐振器的厚度为(即，圆柱长度)0.01905m(0.75英寸)，并且εγ＝9.8，方程式(2)提供了f0＝2.35GHz的谐振频率。测试时，所测量的谐振频率被发现是2.45GHz，比预测的值高约4％。因此，在实际情况中公式(2)可被用于以有用的精度预测谐振频率。介质谐振器12可定位于邻近耦合天线16，该耦合天线进而附接到射频电源18，后者产生的高频电流以介质谐振器12的谐振频率激励耦合天线16。
射频电源18的频率输出与介质谐振器12的谐振频率的匹配可以通过调整频率设置手动完成，或例如，通过使用检测与谐振相关联的阻抗变化的反馈系统自动地完成。自动调谐也可通过“自谐振”使用从感测天线19的反馈提供，该感测天线的输出驱动射频电源18充当放大器。自谐振是通过保证必要回路相移提供的，如一般在本领域中理解的。通过调节回路的相移，如通过改变电缆的长度或通过使用移相器，人们可以创建用于振荡的条件。该回路应该包含信号限制部件，例如在放大器的输入处的限制器。射频电源18接收电功率21，例如，来自常规来源的线电流。

[0105] 现在参考图1和图14，介质谐振器12的谐振频率可以不仅通过改变介质谐振器12的尺寸，而且通过接近介质谐振器12放置第二介质调谐元件44进行调整。在图14的这个实例中，调谐元件44是比介质谐振器12的外直径大并与轴线14对准的圆柱形环状物。调谐元件44被附连到机构46(例如，齿条和齿轮导螺杆等)上，从而允许它沿移动箭头50所指示的轴线移动来改变调谐元件44和介质谐振器12之间的电感耦合，从而改变介质谐振器12的谐振频率。因为调谐元件44可围绕介质谐振器12装配，可建立紧密耦合用于敏感调谐。调谐元件44的移动可以是手动的或根据反馈控制(例如根据如上所述的感测阻抗)自动的。

[0106] 现在参考图13，在替代实施例中，可以使用两个相同的介质谐振器12a和12b，其中介质谐振器12b用作调谐元件44。使用两个相同的部件提供了大大增加的调谐范围和扩大的均匀电场区域。介质谐振器12a和介质谐振器12b中的一个或两个可提供用于产生等离子体的电场，通过该电场意味着所希望的等离子体可以仅在一个环内或在两个环内形成，这取决于气体的流动条件、焰炬的几何结构、点火源的位置和所选择的谐振模式。

[0107] 作为替代方案，在图13和图14中所示的上述实例任一者中，这些调谐元件44可以是金属，例如铝、铜、或镀银铜，以提供类似的调谐效应。

[0108] 调谐元件44相对于该介质环天线的相对位置改变了该谐振频率。谐振频率可以被表示为介质环与调谐元件44之间的耦合系数k的函数。耦合系数k是在0与1之间的数。在没有RF屏蔽的情况下，定性地，当使调谐元件更靠近该介质环时k增加。下面的公式仅用于定性分析-谐振频率的更准确的估计可以通过电磁场的计算机模拟，如利用ANSYS-HFSS 软件来获得。

[0109] 两个耦合谐振器的谐振频率的通用表达式由下式给出：

[0110]

[0111] 其中：

[0112] fa,fb-平行和反平行模式的谐振频率

[0113] k-耦合系数(0＜k＜1)

[0114] f1-介质环的谐振频率

[0115] f2-调谐元件的谐振频率(f2＝0，如果是金属的话)

[0116] 存在2种特别有意义的情况：

[0117] 1.对于由金属制成的调谐元件44，无论是否与电介质环的尺寸相同或不同(如在图13和图14两者中所示的)，上面的表达式简化为：

[0118] 2.对于两个相同的环，如在图13中，在这些环均是介质时，存在两种可能的操作模式，这取决于工作频率。在较低的频率模式下，在这两个环中的极化电流在同一方向上绕轴线流动，即，它们是平行的或同相的。这种模式的频率大致由给出。作为替代方案，在较高的频率模式中，在这两个环中的极化电流在相反方向上绕轴线流动，即，它们是反平行的或180度异相的。该第二模式的频率大致由给出。

[0119] 这两个频率模式具有不同的场分布。较低频率模式在环之间的空间中是最强的，而较高频率模式在环内部是最强的并在环之间的中点处为零。

[0120] 还参考图2和11，在这个实例中，耦合天线16可以是单一的回路20，该回路端接通往电源18的同轴电缆22并且具有大致平行于轴线14的轴线24以在回路20与介质谐振器12之间感应地耦合电功率，该介质谐振器具有图1所示的磁通线26。单回路20可以如由图11中旋转箭头43所示那样的进行调整，以控制耦合的程度并提供与轴线14的适当对准。结果是在介质谐振器12内的极化电流流动27(图2中示出的)，该极化电流流动围绕轴线14以介质谐振器12的谐振频率周向振荡。

[0121] 现在参考图3，介质谐振器12内的电场28在给定的瞬间时间内是基本上与介质谐振器12的内和外圆周缘相切，从而代表其中寄生电容耦合已被基本消除的纯电感场。电场28被认为是具有如此高品质的，因为介质谐振器同时其本身是电容器和感应器，并且因此电位在介质谐振器12内部和在围绕介质谐振器12的空间内到处是完全为零的。

[0122] 再次参考图1中，气体源32，例如用于基于氩气的等离子体的氩气可以通过调节器34提供给气体端口36，该气体端口引导气体沿着轴线14穿过介质谐振器12的中心。在介质谐振器12中，高电场将该气体转换为可沿轴线14流动的等离子体40。流动的距离由等离子体激发的寿命决定。由于天然存在的背景电离辐射，在气体中总能发现自由电子。当气体被放置在高强度电场的区域中时，电子被加速并与中性分子碰撞，从而由电离产生附加的电子。如果电场足够强，电离的数量呈指数增加，从而导致被称为电子雪崩的过程和等离子体的形成。在低压气体中，等离子体主要由通过电场的持续电子加速和与中性物的电离碰撞来维持。在大气压下的热等离子体中，通过等离子体的电流流动将气体加热到也有助于维持该等离子体的非常高的温度。

[0123] 介质谐振器12可以被放置在射频屏蔽物42内，以降低由于电磁能量辐射的功率损耗，最小化人暴露于高强度的非电离辐射并控制电磁干扰。屏蔽物42可以被连接到同轴电缆22的返回上。

[0124] 利用介质谐振器12而不是由放大器直接驱动的导电金属多或单回路线圈提供了多个益处，包括：

[0125] 在介质谐振器12中的能量损失比常规的线圈中的传导损耗低一到两个数量级。在许多应用中，这可能会完全消除对流体冷却的需要、大大减小了等离子体源的尺寸、成本、和复杂性。在半导体加工应用中，可能有可能消除破坏环境的介质冷却流体。

[0126] 当没有功率被等离子体吸收时，在等离子体点火阶段过程中，将在介质谐振器12中的极低能量损失转化为非常大的电场强度。这导致更容易并且更可靠的等离子放电的点火。

[0127] 介质谐振器12的自谐振性质大大简化或消除了介质谐振器12与电源18之间的外部阻抗匹配网络的需要，从而减小了等离子体源的尺寸、成本、和复杂性。

[0128] 在介质谐振器12中利用陶瓷材料，如氧化铝，提供了与超高真空工艺相容的等离子体发生器，该等离子体发生器可直接被放置在真空室内部，以提高至等离子体的耦合或适应对于等离子体源可用的有限空间。

[0129] 由具有高的热导率的陶瓷材料(如氧化铝)产生介质谐振器12允许通过传导快速除热。如果介质谐振器12是与等离子体直接接触的，这可以使得实现该等离子气体有效冷却，是在气体放电激光器应用中特别重要的特征。

[0130] 对于介质谐振器，利用陶瓷材料(诸如氧化铝)在超过1000摄氏度的极高温度下表现出良好的机械和电特性，这使得介质谐振器12很适合于涉及高温大气等离子体的应用。

[0131] 纯感应场、极低的损耗、高温操作、和高热导率(用本设计是可能的)所有均使能在大大超过现今用常规的电感耦合等离子体技术可能的功率水平下进行操作。最大功率极限将取决于介质谐振器的尺寸、所提供的冷却以及在该RF屏蔽物和耦合结构内的电击穿。据估计，当通过单独自然对流进行冷却时，2英寸外径的环可以在2kW功率水平下操作，在强制空气冷却时，在10kW下操作，并且用水冷却时在100kW下操作。使用可以在几十兆瓦下操作的大的ICR加热天线可以实现远远更大的功率水平。

[0132] 现在参考图4，在替代配置中，介质谐振器12可以提供径向延伸的支架52，这些支架可以例如支撑介质谐振器12抵靠支撑结构，例如在图1中所示的管状屏蔽物42。这些支架的端部54可以用金属电镀，以减少对金属外壳的热阻，从而协助介质谐振器12的冷却，该介质谐振器也可以通过围绕支架52的自然对流或强制空气流动冷却。

[0133] 现在参考图5，特别是对于较大的介质谐振器12，介质谐振器12可以由一起放置在接缝60处的多个环形扇区58组装，这些接缝是镀金属的端面62的接界。少量非介电材料不会显著影响介质的益处。

[0134] 现在参考图6，介质谐振器12可由薄绝缘垫片保持分开的、沿着共同轴线14对准的多个薄环64构成。

[0135] 较小的环可以更易于制造和运输并且端面62之间的间隙可以提供改进的冷却，同时防止在轴向方向上不希望的介质极化电流的流动。

[0136] 现在参考图7，类似的结果可以通过以细长管68的形式制造介质谐振器12来实现，该细长管具有中心轴向孔70和用于防止轴向极化电流的外周凹口72。

[0137] 现在参考图8，应该理解的是介质谐振器12不需要是环，而是可以围绕呈盘74的形式的介质谐振器12的外周产生环形等离子体40。等离子体40的环可以以作为盘74的对称轴线的轴线14为中心。适当选择谐振模式确保在盘74的谐振中的主周向电流分量27。

[0138] 现在参考图9，通过建立一系列具有渐增高度的圆形阶梯76，当一个移向盘74的中心时，等离子体40可以移动到介质谐振器12的盘74的相反面。阶梯76背后的想法是针对以下，在简单的环或盘中，电场在轴线上是零并朝向外半径几乎线性增加。场和等离子体在环附近最强。这些阶梯用来增加在较小半径处的极化电流(通过增加环的总厚度)，使得感应电场在轴线与外半径之间更均匀。据信这可以改善径向等离子体均匀性。至于涉及移动该等离子体，在盘的另一侧上的等离子体将必须由例如高真空或较高的气体压力抑制。

[0139] 现在参考图10，在一个实施例中，介质谐振器12在应用(如等离子切割和焊接或火箭发动机中)中可提供会聚-扩散型喷嘴111，用于加速热亚音速等离子体流80进入超音速等离子体流82中的目的。在这种情况下，介质谐振器12包括中心孔70，该中心孔向内颈缩到较小直径84，例如以便从等离子体产生点下游产生拉伐尔(de Laval)喷嘴。

[0140] 应当理解的是在上述图中所示的许多变体能以各种方式进行组合。例如，图4的支架52可以与图10的火箭喷嘴相结合以便于热量去除，或图7中所示的凹口72可以在图8和图9的盘中，以向下切入盘74的面之一中的周向槽的形式来实施以促进所希望的电流模式。

[0141] 现在参考图12，可以采用其他用于激励介质谐振器12谐振的方法，例如，将介质谐振器12放置在波导89的端部，该波导大致垂直于轴线14定向、由微波源驱动。波导89的开口90可以由光阑(iris)机理来控制，其可以如由箭头92所指示的打开和关闭一对光阑94，以控制微波源与介质谐振器12之间的耦合程度。

[0142] 本发明可以在光学发射光谱仪(OES)中使用，其中其目的是要激发未知的化学样品中的原子和分子种类并且产生光。由该等离子体发射的光的光谱分析被用于确定样品中存在的化学物质的类型和数量。本发明也可以在质谱仪(MS)中使用，其中目的是产生引入到等离子体中的样品材料的离子。这些离子从等离子体中提取并且被运送到真空系统并进行质量分析。等离子体特性就以下项而言严重影响OES的分析性能：在水或有机溶剂中处理样品而不熄灭等离子体的能力，在不同等离子体气体上运行以提高安全性和经济性的能力，检测不同种类的化学品的能力，精确地测量非常大范围的分析物浓度的能力，检测极小浓度的分析物的能力，在短量的时间内处理许多样品的能力，很长一段时间内重复测量时产生稳定的结果的能力，等等。等离子体特性以它们影响光学发射光谱仪的性能的类似方式严重影响MS分析性能。对于MS独特的，在大气压等离子体中产生的离子必须通过所谓的MS 接口部分转移到质谱仪的高真空环境中。该接口包括多个带小孔的金属锥，这些金属锥将不同压力的区域分开。其一侧与大气压等离子体直接接触的锥被称为采样锥。采样锥的性能最严重地受常规的RF线圈的寄生电容耦合影响，从而导致降低的离子传输、电弧放电、和锥体的侵蚀。最常用的用于MS的电感耦合等离子体源在最高达40MHz的射频下操作。

[0143] 该等离子体源也可被用作原子吸收(AA)光谱法的原子化源。

[0144] 用于本申请中的典型的等离子源可在高于40MHz的射频下操作，其中由该设计(即本发明)实施高得多的频率。可替代地，该设计可在微波频率，如915MHz或2450MHz下提供等离子体，使用磁控装置作为大量的微波功率源。

[0145] 现有的微波等离子体发生器的设计是由电容耦合主导的或保留显著量的寄生电容耦合(对等离子体源具有严重的不利影响)，或具有形状因子，这些形状因子将要求显著修改到光谱仪的其余部分的常规的机械、光学和化学接口，在该领域中多年的射频OES的操作中自身已经得到证明的接口(即，如用ICP等离子体生成系统证明的)。存在于现有技术的微波等离子体发生器中的寄生电容耦合，如同轴型表面波等离子体发生器(Surfatron)、宾纳科(Beenakker)腔、冈本(Okamoto)腔、波导型表面波等离子体发生器(Surfaguide)、多螺旋炬管、TIA炬管等，对感应等离子源的性能具有严重的不利影响，从而导致：a)等离子体的不均匀性，b)差的离子速度和轨迹控制，c)等离子室的壁的沉积或溅射，d)在非必要的等离子体工艺中的功率耗散，以及e)对于可有效地耦合到有用的等离子体工艺中的电功率量的限制。

[0146] 相反，本设计的等离子体源可以将常规的射频电感耦合等离子体源操作延伸至微波频率，实际上消除了限制以前设计的寄生电容耦合，同时要求最小修改已建立的与光谱仪的其余部分的机械、光学、以及化学接口。此外，该新颖的场施加器的极低的损失允许完全消除流体冷却系统，从而减小了光谱仪的尺寸、成本、和复杂性并提高了可靠性。本设计的等离子体源还允许使用一系列不同的等离子体气体，包括含氮气或空气的气体。在一个优选的实施例中，等离子体被维持在空气中。在另一个优选的实施例中，等离子体被维持在氮气中。

[0147] 现在参考图15，使用本发明的介质谐振器12、用于光学发射光谱102的微波电感耦合等离子体源，该介质谐振器由高密度氧化铝(Al2O3)陶瓷以圆形环状物的形式制成。介质谐振器12可以被支撑在由金属(如铝)制成的圆柱形射频屏蔽物42内，并且具有若干圆形开口104、106、和108，这些开口各自分别被铝管状延伸部110、112和114包围。这些管状延伸部110-114被设计为具有足够小的直径和足够长的长度，以形成圆柱形截止波导，从而通过这些延伸管大大衰减了微波的传播，如在微波技术领域中充分理解的，以最小化微波能泄漏到屏蔽物42外。

[0148] 来自与磁控管120连通的波导89的微波功率118是以2,450MHz的频率提供并且通过在屏蔽物42内的矩形开口122由耦合器124施加到介质谐振器12。介质谐振器12的谐振频率可通过改变调谐元件44的轴向位置进行微调，该调谐元件被制成铝环的形式，与介质谐振器12的环同轴定位。

[0149] 三轴歧管125沿着开口104内中央的轴线14定向并与介质谐振器12的内径对齐，并由石英或氧化铝管制成。三轴歧管是呈常规炬管的形式，其可以是类似于与电感耦合等离子体一起所使用的那种。将等离子体冷却气体126施加到三轴歧管125的外环，同时将等离子辅助气体128施加到下一个内环并且中心孔从样品源132接收溶解的分析样品或样品130的固体颗粒以进行分析。样品130是处于夹带在气体中的气溶胶或离散颗粒的形式，即可以直接引入等离子体40中。

[0150] 从等离子体40发射的在与轴线14径向的方向上的光134通过管状延伸部112用于由耦合至分析计算机138上的光传感器136分析，该计算机可根据本领域已知的方法确定光134的频率分量。可替代地或并行地，为了所谓的轴向OES的目的，由等离子体40发射的在与轴线14轴向的方向上的光140被传送通过管状延伸部110，用于通过类似的光传感器136(为清楚起见未示出)进行进一步光谱分析。管状延伸部110还将热等离子体气体和化学产物
142引导到排气排放系统(未示出)。开口108和管状延伸部114允许等离子体发生器12通过自然对流或通过强制空气流动的空气冷却。

[0151] 本发明的光学发射光谱仪优选地包括等离子体发生器，该等离子体发生器包括介质共振器；用于根据由该等离子体发射的光的波长色散该光的色散元件；以及用于检测该色散光的光学检测器。

[0152] 图16是结合本发明的介质谐振器的质谱仪的简化示意截面图。最常用的用于MS的电感耦合等离子体源在最高达40MHz的射频下操作。已经提出多种设计方案并进行试验，其目的是将用于MS的等离子源的操作延伸到微波频率，例如915MHz或2,450MHz，其中磁控管装置可以作为大量的微波功率的有效源。现有的分析结果表明微波激发的等离子体提供了补充基于射频的等离子体源的分析能力的独特优势。然而，在微波频率下产生高品质的分析等离子体的能力的关键障碍之一是缺少能够产生至等离子体的纯电感耦合的场施加器。迄今为止提出的所有设计均由电容耦合主导亦或保留显著量的寄生电容耦合，这如先前所概述的对等离子体源的性能具有严重的不利影响。此外，所有的先前设计的需要显著修改到光谱仪的其余部分的常规的机械、光学、以及化学接口，在该领域中多年的射频MS操作中自身已经得到证明的接口。

[0153] 相反，基于根据本发明的场施加器的用于MS的等离子体源将常规的射频电感耦合等离子体源的操作延伸至微波频率，实际上消除了限制以前设计的寄生电容耦合，同时要求最小修改已建立的与光谱仪的其余部分的机械、离子、以及化学接口。此外，该新颖场的施加器的极低的损失允许完全消除流体冷却系统，从而减小了光谱仪的尺寸、成本、和复杂性。

[0154] 图16示出了使用本发明的场施加器12、用于质谱200的微波电感耦合等离子体源的示意简化截面，该场施加器由高密度氧化铝(Al2O3)陶瓷以环的形式制成。用于MS 200的微波电感耦合等离子体源具有许多与图15中所示的OES 102的微波电感耦合等离子体源相同的部件，并且类似的部件具有相同的标识符。现在将对在图16中示出的附加的部件进行说明。采样锥201具有小孔202并且截取锥203具有小孔204。采样锥201与截取锥203之间的区域通过真空泵(未示出)排出气体205保持在低压下。电离样品206通过孔202进入采样锥与截取锥之间的低压区域。离子207通过孔204进一步传送到质谱仪的高真空区域。质谱仪包括离子聚焦部件209，这些离子聚焦部件包含至少一个离子聚焦元件、质量分析器210和离子检测器211。可以存在设置在质谱仪内的两个或更多个泵送阶段(未示出)。该质谱仪由控制器(未示出)控制，该控制器优选地是计算机。优选还使用计算机记录来自离子检测器211的检测信号，该计算机可以是与被用作控制器的相同的计算机。没有穿透孔202的加热的等离子气体208通过RF屏蔽物42与采样锥201之间的环形区域被排出。

[0155] 优选地，该光学发射光谱仪或质谱仪包括根据本发明的等离子体发生器，其中该射频电源提供0.5与2kW之间的功率至该等离子体。

[0156] 将根据本发明的光学发射光谱仪的性能与以径向观测模式操作的常规的ICP光学发射光谱仪的性能进行比较。常规ICP炬管位于介质场施加器的中心孔内，该炬管被连接到光谱仪的气体供应。介质场施加器和炬管被安装为使得介质场施加器的中心孔内形成的等离子体被对齐用于通过高分辨率中阶梯光栅光谱仪在径向观测模式下观测。有利的是，等离子体发生器使用空气和氮气进行操作而无需任何等离子体发生器系统的改变，由于其中陶瓷环可以同时作为电感器和调谐装置工作的独特方式，并且因为电耦合到等离子体是基本上纯电感，具有可忽略的电容耦合。

[0157] 图17示出了对于一系列元素，利用一系列硬线和软线，使用本发明的光学发射光谱仪测量的以每秒计数(IR)的信号强度对元素浓度的曲线图。这五条线的能量总和是：

[0158] Ca3968，9.23eV(激发能3.12eV和电离能6.11eV)；

[0159] Cu2165，5.73eV(激发能)；

[0160] Cu3247，3.82eV(激发能)；

[0161] Mg2802，12.07EV(激发能4.42eV和电离能7.65eV)；

[0162] Mn2794，12.25EV(激发能4.82eV和电离能7.42eV)。

[0163] 对于含3％盐基质的溶液，也检查到线性。所获得的结果在图18中示出，表明保持了线性，尽管存在大浓度的来自盐的钠(更容易被电离)可能改变所检测的离子和原子谱线的分布和谱线发射水平。

[0164] 图19A至图19D是峰形曲线图，示出了对于常规的氩ICP源和本发明的用空气操作的等离子源，从多元素标准物测量的峰强度和基线，这些基线是来自测量的空白(去离子水)的背景信号。多元素标准物包含0.2ppm的钡和镁、1ppm的铜、5ppm的镍。Cu和Ni是软原子谱线并用常规的氩气ICP和本发明的空气等离子源给出几乎相同的性能。Ba是更硬的离子谱线并且在常规的氩气ICP等离子体中表现更好，但空气等离子体中的峰强度只略低于在氩气ICP等离子体中的一半。考虑了其他形式的介质谐振器，在图20和21中呈现了其两个实例。

[0165] 图20是处于陶瓷环形式的介质谐振器900连同与介质谐振器900的外表面直接接触的RF屏蔽物301的透视局部剖面图。此配置提供以下优点：更小的尺寸和热量到RF屏蔽物301更好的传递。与RF屏蔽物301接触的陶瓷环的表面可以镀有金属。

[0166] 图21是呈两个同轴陶瓷环901和902形式的介质谐振器连同两个同心RF屏蔽物的透视局部剖视图。较大的环901的外表面与外RF屏蔽物301a直接接触。较小的环902的内表面与内RF屏蔽物301b直接接触。等离子体40可以在环901与902之间的环形间隙内形成。

[0167] 某些术语在本文中仅用于参考的目的，并且因此不旨在是限制性的。例如，术语如“上”、“下”、“上方”和“下方”是指所参考的附图中的方向。术语如“前部”、“后部”、“后面”、“底部”和“侧面”描述了在一致但任意的参考系内的部件的部分的取向，该参考系通过参考描述所讨论的部件的文本和相关附图变得清楚。此类术语可以包括上面特别提到的词语，它们的衍生词，以及类似重要的词语。同样，术语“第一”、“第二”以及其他涉及结构的此类数字术语并不暗示顺序或次序，除非由上下文清楚地指示。

[0168] 当引入本披露以及示例性实施例的元素或特征时，冠词“一个/种(a/an)”、“该”和“所述”旨在表示存在这些元素或特征中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包容性的并且意思是可存在具体列出的那些以外的其他元素或特征。应当进一步理解的是本文所描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序进行，除非特别指示出进行的顺序。还应理解的是可使用附加的或可替代的步骤。

[0169] 术语“环”应理解为总体上是指具有亏格一的拓扑表面，且不需要也不排除，例如，圆形轮廓，径向对称或具有直径比高度的特定长径比，除非明确指出。

[0170] 确切的意图是，本发明并不限于本文所包含的实施例和图示并且权利要求书应被理解为包括以下实施例的修改形式，这些实例包括如在以下权利要求书的范围内的实施例多个的部分和不同实施例的要素的组合。本文所述的所有出版物，包括专利和非专利出版物在此通过引用以其全文结合在此。

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使用介质谐振器的微波等离子体谱仪

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