-
Die
Erfindung betrifft einen Plasmagenerator.
-
In
einem Plasma nehmen aufgrund der hohen Temperatur die Atome und
Moleküle
hohe Anregungszustände
ein und emittieren charakteristische elektromagnetische Strahlung.
Diese Emission wird in der analytischen Atomspektroskopie für die qualitative
und quantitative Messung von Atom- oder Molekülkonzentrationen verwendet.
Insbesondere wird seit mehreren Jahrzehnten das sog. ICP (Inductive Coupled
Plasma), das sog. MIP (Microwave Induced Plasma) oder das Gleichstrornbogenplasma
zur spektralen Elementanalyse eingesetzt. Mit der Erzeugung eines
Plasmas befasst sich auch die vorliegende Erfindung, insbesondere
mit der ICP, bei der ein niederenergetisches Plasma erzeugt wird,
und zwar durch Einkoppelung von Energie im RF- oder HF-Bereich.
-
Die
Erfindung betrifft insbesondere einen miniaturisierten Plasmagenerator,
also einen Generator mit sehr geringen Abmessungen, der ein quasi
punktförmiges
Plasma erzeugt, d.h. ein Plasma mit sehr geringen Abmessungen.
-
Der
Stand der Technik kennt vielfältige
Plasmageneratoren, insbesondere unter Verwendung aufwendiger und
großer
Glasteile und Netzgeräte
mit mehreren 100 W. Dort ist insbesondere der hohe Gasverbrauch
ein wesentlicher Nachteil.
-
Als
Detektor für
die Gaschromatographie ist seit einigen Jahren ein Detektorsystem
unter der Bezeichnung "AED" (Atom Emission Detector)
der Firma Agilent auf dem Markt. Bei diesem Gerät brennt das Plasma in einem
wassergekühlten,
dünnwandigen
Quarzglasrohr. Der Aufbau dieses Gerätes erlaubt keine Miniaturisierung.
Auch sind der Leistungsbedarf und der Gasverbrauch hoch.
-
Der
Stand der Technik kennt einige Vorrichtungen, ein miniaturisiertes
Plasma zu erzeugen.
-
In
der
DE 197 20 278
A1 wird ein miniaturisiertes Massenspektrometer mit einer
Plasmaquelle eingesetzt, wobei letztere auf der sog. Streifenleitertechnik
(micro strip) basiert. Auch die
DE 198 51 628 A1 beschreibt ein mikrowelleninduziertes
Plasma mit Streifenleitertechnik. In eine Grundplatte aus Saphir oder
Quarz ist eine Bahn einge ätzt
und durch eine besondere Beschichtungstechnik und einen HF-Generator,
der zum Beispiel mit 2.45 GHz betrieben wird, wird an einem bestimmten
Punkt des geätzten Kanals
ein so hohes Feld eingekoppelt, dass ein Plasma erzeugt wird. Bei
diesem Stand der Technik sind die Herstellung, die Wartung und der
Austausch von Verbrauchsteilen höchst
aufwendig.
-
Auch
die WO 00/32017 zeigt einen Plasmagenerator mit sehr geringer Baugröße. Mittels
Elektroden wird in einem Plasmaraum ein miniaturisiertes Plasma
aufrecht erhalten. Dabei kommt es jedoch zu dem sog. Elektrodenabbrand
(Elektrodenerosion) und entstehende Verunreinigungen des Plasmas
haben Nachteile zur Folge. Der relativ aufwendige und komplizierte
Gesamtaufbau des Systems lassen es wenig geeignet erscheinen, für z.B. den
Einsatz mit einem tragbaren Gaschromatographen.
-
Die
AT 405 472 B und
die
EP 0 965 035 B1 zeigen
eine andere Anordnung, ein stark miniaturisiertes Plasma zu erzeugen.
Dort sind zwei ringförmige
Elektroden vorgesehen und mittels eines HF-Generators wird in einer
zentralen Bohrung einer Saphirscheibe, die zwischen den Elektroden
angeordnet ist, ein quasi punktförmiges
Plasma erzeugt. Dieser Plasmagenerator zeigt aber noch einen relativ komplexen
Aufbau, was insbesondere Probleme hinsichtlich der Dichtigkeit zur
Folge hat. Wird nämlich ein
Plasmagenerator der hier in Rede stehenden Art für die quantitative chemische
Analyse eingesetzt, kommt es auf höchste Dichtigkeit im Bereich
der Gaszufuhr zum Plasma an, d.h. es dürfen keine unerwünschten
Fremdgase in den Gasstrom gelangen.
-
DE 101 16 502 A1 zeigt
einen Plasmagenerator mit einem Körper aus elektrisch isolierendem Material,
in dem bei den Ausführungsbeispielen
der
1 –
4 ein zentraler länglicher Hohlraum ausgebildet
ist, der als Gasführungskanal
dient. Zur Einkopplung elektromagnetischer Energie in den Hohlraum dienen
bei diesen Ausführungsbeispielen
zwei Drahtelektroden, welche diametral gegenüberliegend in Bohrungen des
Körpers
eingesetzt sind, welche längs
des Hohlraums verlaufen. Das in dem Hohlraum erzeugte Plasma ist
ein länglicher
Plasmastrahl, kein miniaturisiertes, insbesondere kein annähernd punktförmiges Plasma.
-
In
der nachveröffentlichten
JP 2003-133291 A ist eine Anordnung von zwei einander gegenüberliegenden
Elektroden zur Plasmaerzeugung beschrieben. Die Elektroden sind
an ihren einander zugewandten Seiten und an angrenzenden Bereichen ihrer Elektrodenoberfläche mit
dielektrischen Schichten überzogen,
die durch thermisches Spritzen, Sputtern oder chemisches Aufdampfen
aufgebracht sind. Das Hauptaugenmerk dieser Druckschrift liegt auf der
Vermeidung unerwünschter
Entladungen in den Randbereichen der plattenförmigen Elektroden. Hierzu besitzen
die dielektrischen Überzugsschichten
im Zentrum der einander gegenüberliegenden
Elektrodenseiten eine erhöhte
Dielektrizitätskonstante
und zu den Rändern
der Elektroden hin eine niedrigere die Dielektrizitätskonstante.
-
DE 198 51 628 A1 offenbart
einen mikrowelleninduzierten Plasmagenerator, der in Streifenleitungstechnik
geformt ist.
-
DE 198 21 244 A1 betrifft
eine Mikroplasmazelle mit einem Schichtaufbau, der unter anderem zwei
durch eine dielektrische Schicht voneinander getrennte Elektrodenschichten
aufweist. In den Schichtaufbau sind ein Entladungsraum sowie ein Gaszufuhrkanal
eingeformt.
-
Aus
DE 41 01 956 C2 ist
eine Einrichtung zur Untersuchung einer Probe bekannt, bei der die
Probe elektrothermisch verdampft wird und der Probendampf in ein
mittels eines Plasmabrenners erzeugtes induktiv gekoppeltes Plasma
eingebracht wird.
-
Schließlich ist
aus
DE 199 62 160
A1 eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung eines Pinchplasmas
bekannt. Die Elektrodenanordnung weist zwei gegenüberliegende
Elektroden auf, wobei in einem gasgefüllten Zwischenraum zwischen
den Elektroden das Pinchplasma erzeugt wird. Durch Öffnungen
in den Elektroden kann Strahlung ausgekoppelt werden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen miniaturisierten Plasmagenerator
bereitzustellen, der mit relativ wenig Aufwand herzustellen und zu
warten ist. Darüber
hinaus soll der Strom- und Gasverbrauch relativ gering sein.
-
Ein
diese Aufgabe erfindungsgemäß lösender Plasmagenerator
ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
-
Die
elektromagnetische Energie wird bevorzugt im HF-Bereich in das Plasma
einge- koppelt. In Betracht kommt eine Anwendung der Erfindung auch unter
Verwendung von elektromagnetischer Strahlung im RF-Bereich oder
auch im Mikrowellenbereich.
-
Dadurch,
dass die Elektroden, mit denen die HF-Energie in das Plasma kapazitiv
eingekoppelt wird, zumindest teilweise in Einen Körper aus
elektrisch isolierendem Material eingebettet sind, können sie
in einfacher Weise ferngehalten werden vom Plasma und der sog. Elektrodenabbrand
ist wirksam verhindert. Die Elektroden sind also bevorzugt so in einen
Körper
aus elektrisch isolierendem Material, wie z.B. einen Quarz- oder
Keramikkörper,
eingebettet, dass ihre dem Plasma zugekehrten Enden durch das Material
des Körpers
gegenüber
dem Plasma geschützt
sind.
-
Bevorzugt
hat der Hohlraum in dem Quarz- oder Keramikkörper die langgestreckte Form
eines Kanals und das Plasma brennt an einem Ende dieses Kanals.
Dadurch ist es möglich,
insbesondere eine analytische Auswerteeinheit, wie z.B. optische
Elemente oder dergleichen, sehr nahe am Plasma anzuordnen und somit
die vom Plasma emittierte Strahlung mit hohem Wirkungsgrad auszuwerten.
-
Die
Verwendung eines Körpers
aus elektrisch isolierendem Material sowohl für die geschützte Positionierung der Elektroden
nahe am Plasma als auch für
die Zufuhr von zu analysierendem Gas und Plasmagas hat weiterhin
den Vorteil, dass die Dichtungsprobleme, die beim Stand der Technik
noch erheblich waren, in einfacher Weise weitestgehend gelöst sind.
Stromauf des Plasmas können
keine Verunreinigungen in das Plasmagas eintreten.
-
Auch
kann der Körper
integral auf hinreichend hohen Temperaturen, wie z.B. 200°C bis 350°C gehalten
werden, um stabile Messzustände
zu gewährleisten
und insbesondere durch diese Adsorption an Wänden bedingte Verunreinigungen
zu vermeiden. Diese Aufheizung des Körpers während des Messbetriebes (und
auch hinreichend zuvor) auf eine konstante Temperatur verhindert
auch, dass Messgase an den Wänden
im Zufuhrbereich zum Plasma adsorbieren und somit ist eine Verfälschung des
Messergebnisses aufgrund solcher Effekte weitestgehend verhindert.
-
Bevorzugt
wird das zu analysierende Gas über
eine Kapillare, die in den Hohlraum im Körper eingeschoben ist, dem
Plasma zugeführt.
So ist eine Koppelung der Vorrichtung mit einer anderen Messeinrichtung,
wie z.B. einem Gaschromatographen in einfacher Weise möglich.
-
Die
zumindest zwei Elektroden für
die Zündung
des Plasmas und für
die Einkoppelung von HF/RF-Energie haben bevorzugt eine langgestreckte Form,
z.B. eine Stabform. Der Körper
aus elektrisch isolierendem Material, wie z.B. Quarz oder Keramik, ist
bevorzugt im Querschnitt rund und hat eine zentrale Bohrung, die
den genannten Hohlraum bildet. In radialen Bohrungen (Ausnehmungen)
im Körper
können
die Elektroden in einfacher Weise so angeordnet werden, dass sie
nicht bis in den Hohlraum reichen, d.h. die radialen Bohrungen bzw.
Ausnehmungen enden kurz vor dem Hohlraum. Die Elektroden stehen dann
also in Bezug auf den langgestreckten zylindrischen Hohlraum radial,
d.h. senkrecht zu dessen Längsachse,
diametral auf zwei Seiten gegenüberliegend.
-
Haben
die Elektroden an ihrem dem Plasma zugekehrten Ende einen runden
Querschnitt, z.B. kreis- oder ellipsenförmig, so ist der Durchmesser
der Elektroden bevorzugt so bemessen, dass er größer ist als der Durchmesser
des Hohlraumes, in dem das Plasma brennt. Letzterer Hohlraum kann
auch als "Plasmakapillare" bezeichnet werden.
-
Kommen
Elektroden zum Einsatz, die an ihrem dem Plasma zugekehrten Ende
rechteckig geformt sind, so ist die Elektrodenabmessung bevorzugt
so gewählt,
dass die Elektrodenbreite in Richtung senkrecht zur Längsachse
der Plasmakapillare größer ist
als der Durchmesser der Plasmakapillare.
-
Mit
der vorstehend beschriebenen Anordnung kann auch in einfacher Weise
eine vollständige Isolierung
der Elektroden erreicht werden, da die Elektroden im Wesentlichen
durch den Körper
abgeschirmt sind, so dass es zu keinen elektrischen Überschlägen oder
dergleichen kommt.
-
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine Zufuhrleitung für das Zusatzgas
zum Erzeugen des Plasmas (also typischerweise z.B. ein Edelgas)
ebenfalls in Form eines Kanals in dem genannten Körper ausgebildet.
Dies spart Dichtungen und bringt ebenfalls die oben hinsichtlich
der Zufuhr von zu analysierendem Gas genannten Vorteile.
-
Typischerweise
wird die elektromagnetische Energie kapazitiv mit Frequenzen im
Bereich von 10 MHz bis 5 GHz in das Plasma eingekoppelt. Die Leistungen
liegen bevorzugt im Bereich von 5 bis 20 W und das Plasma brennt
bevorzugt bei einem Druck im Bereich von 500 mbar bis 3 bar.
-
Bevorzugt
wird der erfindungsgemäße Plasmagenerator
zusammen mit einer Einrichtung für
die spektroskopische Analyse eingesetzt und optische Elemente zum
Erfassen und Abbilden der Strahlung auf einen Detektor können unmittelbar
an dem Körper
in der Nähe
des Plasmas angeordnet werden. Dabei kann ein Spülgas in einfacher Weise zwischen einem
Gehäuse,
welches die optischen Elemente und gegebenenfalls den Detektor aufnimmt,
und dem Körper
strömen,
so dass die optischen Elemente von Verunreinigungen freigehalten
werden.
-
Bevorzugt
liegen dabei die optische Achse der genannten optischen Elemente
und die Längsachse
des Kanals im Körper,
an dessen Ende das Plasma brennt, auf einer geraden Linie.
-
Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigt:
-
1 schematisch
einen Schnitt durch einen Plasmagenerator mit angeschlossenen Einrichtungen
für die
Spektroskopie;
-
2 einen
Schnitt entlang der Linie A-A (1) durch
die Elektroden des Plasmagenerators und einen Körper, in den diese Elektroden
eingebettet sind; und
-
3 einen
Schnitt durch die Elektroden und das Plasma, senkrecht zur Zeichnungsebene
von 1.
-
Der
in den Figuren dargestellte Plasmagenerator weist einen Körper 10 aus
z.B. Quarz oder Keramik auf. Der Körper 10 ist beim dargestellten
Ausführungsbeispiel
langgestreckt zylinderförmig
(vgl. auch 2).
-
Zentrisch
im Körper 10 ist
ein langgestreckter, kanalförmiger
Hohlraum 11 ausgeformt. In den Hohlraum 11 ist
eine Kapillare 12 eingeschoben, durch die das zu analysierende
Gas der Vorrichtung zugeführt
wird. Der zylindrisch-rohrförmige
Hohlraum 11 hat bevorzugt einen Durchmesser im Bereich
von 0,2 bis 1,2 mm. Über
einen Auslass 13 strömt
das zu analysierende Gas in den Hohlraum 11. Zwischen der
Kapillare 12 und den Innenwänden des Hohlraumes 11 ist
hinreichend Raum, um ein Zusatzgas über einen Einlass 14 ebenfalls
in den Hohlraum 11 strömen
zu lassen, entsprechend der allgemeinen Strömungsrichtung in 1 von
links nach rechts.
-
Im
Hohlraum 11 soll ein niederenergetisches Plasma 16 brennen.
Hierzu sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 zwei
Elektroden 18, 20 in den Körper 10 eingebettet. Hierzu
sind im Körper 10 radial
in Bezug auf die Längsachse
Ax des Hohlraumes 11 Bohrungen ausgeformt, in die die Elektroden
passgenau eingeführt sind.
Die Bohrungen (Hohlräume),
in welche die Elektroden 18, 20 eingeführt sind
reichen nicht bis zum zentralen Hohlraum 11 im Körper, in
welchem das Plasma 16 brennt. Dadurch sind die Elektroden 18, 20 durch
das Material des Körpers 10 gegenüber dem
Plasma 16 geschützt
und ein Elektrodenabbrand ist vermieden. Der Abstand der Elektroden 18, 20 liegt
bevorzugt im Bereich von 0,6 bis 3,0 mm. Die Stärke der Wände im Körper 10 zwischen den
Elektroden 18, 20 und dem Hohlraum liegt jeweils
bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,6 mm.
-
Beim
Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 und 2 haben
die Elektroden 18, 20 langgestreckte Stabform
und ihre von dem Plasma abgekehrten Enden ragen aus dem Körper 10 heraus,
so dass die elektrischen Anschlüsse
in einfacher Weise anbringbar sind. In Abwandlung des dargestellten
Ausführungsbeispieles
können
die Elektroden 18 und/oder 20 im Querschnitt auch
von der Kreiszylinderform abweichende Gestalt haben, z.B. können die
Elektroden in Richtung parallel zur Längsachse A eine größere Abmessung
haben als senkrecht dazu. In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann
der Quarz- oder Keramikkörper 10 auch
einen von der Kreiszylinderform abweichenden Querschnitt haben,
z.B. Rechteckgestalt oder dergleichen. Allerdings wird sowohl für die Elektroden
als auch für
den isolierenden Körper 10 die
Kreiszylinderform bevorzugt, sowohl aus herstellungstechnischen
Gründen als
auch mit Blick auf einen möglichst
kompakten Aufbau mit symmetrischen Anordnungen.
-
Der
Körper 10 bewirkt
auch, dass es trotz des sehr geringen Elektrodenabstandes nicht
zum Überschlag
von Funken zwischen den Elektroden kommt. Auch werden bevorzugt
abgerundete oder elektropolierte Elektroden eingesetzt, um Corona-Entladungen zu vermeiden.
-
Wie
die 1 und 2 zeigen, brennt das Plasma 10 zentrisch
im Hohlraum 11, und zwar so weit am stromab gelegenen äußersten
Ende des Körpers 10 wie
möglich.
Dadurch ist es möglich,
eine Auswerteeinrichtung nahe am Plasma 16 zu positionieren.
-
1 zeigt
eine solche Auswerteeinrichtung für die spektrale Elementanalyse.
Ein Gehäuse 22 ist so
in Bezug auf den Körper 10 positioniert,
dass sowohl das Plasma gas als auch ein Spülgas, welches durch eine Öffnung 28 in
das Gehäuse
eintritt, durch einen Austrittsschlitz 30 direkt an der
Stirnwand des Körpers 10 austreten
können.
Im Gehäuse 22 sind eine
Sammellinse 32 und Interferenzfilter 34 sowie ein
Detektor 36 zum Nachweis von elektromagnetischer Strahlung
angeordnet. Ein solcher Spektralapparat ist als solches dem Fachmann
bekannt. Aufgrund der in 1 dargestellten Kombination
des Gehäuses 22 mit
dem Körper 10,
in dem das Plasma 16 brennt, kann die vom Plasma 16 emittierte
Strahlung, deren Strahlengang schematisch mit dem Bezugszeichen 38 angedeutet
ist, sehr wirksam von dem Spektrometer erfasst werden. Die Achse
Ax der Plasmakapillare und die optische Achse A des Gehäuses 22 fallen
zusammen.
-
Da
das Plasma sehr stark miniaturisiert ist mit Abmessungen bevorzugt
kleiner als einem Millimeter, kann die Spektroskopie wirksam so
durchgeführt
werden, dass das Plasma 16 zumindest annähernd im
Brennpunkt der Sammellinse 32 positioniert wird, so dass
die emittierte Strahlung parallel auf den Detektor 36 fällt.
-
Die
Interferenzfilter 34 können
austauschbar gestaltet werden, z.B. in Form einer als solches bekannten
Drehscheibe mit mehreren wahlweise einsetzbaren Interferenzfiltern.
Auch können
mehrere Einheiten mit jeweils vorgegebenen Interferenzfiltern und
zugehörigen
Detektoren austauschbar eingesetzt werden. Es können auch unterschiedliche
Lichtwege vorgesehen werden, z.B. mittels einer Kerr-Zelle, so dass
das emittierte Licht wahlweise durch ein bestimmtes Interferenzfilter
auf einen zugehörigen Detektor
gerichtet wird.
-
3 zeigt
schematisch einen Schnitt durch die Elektroden 18, 20 und
das Plasma 16 (der Körper 10 ist
also weggelassen). Ebenfalls in 3 dargestellt
sind die Feldlinien 38 des HF-Feldes. Sobald das Plasma
gezündet
ist, beeinflusst es den Feldlinienverlauf, der die in 3 schematisch
dargestellte Form annimmt. Diese Darstellung zeigt, dass aufgrund
der Elektrodengeometrie und ihres sehr geringen Abstandes zueinander
die Feldlinien hauptsächlich
senkrecht zum Plasma verlaufen, was eine Energieeinkoppelung mit
hohem Wirkungsgrad bedeutet. 3 zeigt
auch den Elektrodenabstand B und den Durchmesser A der Elektroden.
Die Elektroden 18, 20 haben einen möglichst
geringen Abstand B voneinander. Bevorzugt sind die Stirnflächen der
Elektroden flach, d.h. eben, und parallel zueinander. Hat die dem
Plasma zugekehrte Stirnfläche
der Elektroden eine runde Ausformung, z.B. Kreisform oder Ellipsenform,
dann beträgt
der Durchmesser A (bei Ellipsen der kleine Durchmesser) der Elektroden
bevorzugt das 1- bis 4-fache des Abstandes B der Elektroden. Sind
die dem Plasma 16 zugekehrten Enden der Elektroden hingegen
rechteckig ausgeformt, so beträgt
die Abmessung A der Elektroden senkrecht zur Längsachse der Plasmakapillare 11 bevorzugt
das 1- bis 4-fache des Abstandes B zwischen den Elektroden 18, 20.
-
In
Abwandlung des in 1 dargestellten Ausführungsbeispieles
kann der Plasmagenerator bei Vakuumbedingungen z.B. auch sehr wirksam
eingesetzt werden als Elektronenquelle und die Elektronen können z.B.
zur Ionisierung von zu analysierendem Gas verwendet werden, z.B.
in Kombination mit einem Massenspektrometer.
-
Eine
andere bevorzugte Anwendung ist die Kombination des Plasmagenerators
als Detektor mit einem Gaschromatographen.