AT523626A4 - Hohlleiter-Einkoppeleinheit - Google Patents

Hohlleiter-Einkoppeleinheit Download PDF

Info

Publication number
AT523626A4
AT523626A4 ATA50453/2020A AT504532020A AT523626A4 AT 523626 A4 AT523626 A4 AT 523626A4 AT 504532020 A AT504532020 A AT 504532020A AT 523626 A4 AT523626 A4 AT 523626A4
Authority
AT
Austria
Prior art keywords
waveguide
antenna
microwave
walls
wall
Prior art date
Application number
ATA50453/2020A
Other languages
English (en)
Other versions
AT523626B1 (de
Inventor
Kotzian Heimo
Wiltsche Helmar
Finsterwalder Paul
Original Assignee
Anton Paar Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anton Paar Gmbh filed Critical Anton Paar Gmbh
Priority to ATA50453/2020A priority Critical patent/AT523626B1/de
Priority to DE102021111188.9A priority patent/DE102021111188A1/de
Priority to US17/323,973 priority patent/US11602040B2/en
Application granted granted Critical
Publication of AT523626A4 publication Critical patent/AT523626A4/de
Publication of AT523626B1 publication Critical patent/AT523626B1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H01J37/32211—Means for coupling power to the plasma
    • H01J37/32229—Waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P3/00—Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/12—Hollow waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/4622—Microwave discharges using waveguides
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/463—Microwave discharges using antennas or applicators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/105—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation, Inductively Coupled Plasma [ICP]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung (100, 200, 300) zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle (101), aufweisend: Antennen-Umgebungswände (103, 105, 107), die einen Innenraum (109) begrenzen, um darin zumindest einen Endbereich (111) einer Antenne (113) einer Mikrowellenquelle (147), insbesondere seitlich ringförmig sowie stirnseitig, zu umgeben; Hohlleiter- Begrenzungswände (115, 117, 119), von denen zumindest zwei (115, 117) parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Hohlleiter-Begrenzungswände (115, 117, 119) einen, insbesondere quaderförmigen, Hohlleiter (121) mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt bilden, wobei eine Querschnittsebene (123) durch eine erste sich entlang einer Längsrichtung der Antenne (113) erstreckende Richtung (125) und eine zweite sich senkrecht zu der ersten Richtung erstreckende Richtung (129) definiert ist, wobei gilt: 25 > a/b > 3, wobei a: eine Breite des Hohlleiters (121) entlang der zweiten Richtung (129) ist, b: eine Höhe des Hohlleiters (121) entlang der ersten Richtung (125) ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, eine Mikrowelle (101) von dem Innenraum (109) der Antennen- Umgebungswände (103, 105, 107) in den Hohlleiter (121) hinein fortschreiten zu lassen.

Description

15
20
25
30
35
A 5028 AT
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle, welche insbesondere ausgebildet ist, durch die in dem Hohlleiter geführte Mikrowelle ein Plasma zu induzieren, um zum Beispiel eine Probe spektroskopisch zu untersuchen. Die vorliegende Erfindung betrifft
ferner ein Verfahren eines Führens einer elektromagnetischen Mikrowelle.
Hintergrund der Erfindung
DE 4028525 A1 offenbart eine Mikrowellen-Plasmaquellenvorrichtung mit einer Kombination eines ebenen Wellenleiters und eines zylindrischen koaxialen Wellenleiters. Dabei wird Mikrowellenleistung einem Körper eines Entladeplasmas effizient zugeführt, das im Inneren einer Entladeröhre erzeugt wird, die entlang der Mittenachse eines inneren Leiters des zylindrischen koaxialen Wellenleiters
angeordnet ist.
DE 4004560 A1 offenbart Mikrowellen-induzierte Plasmaquellen mit einem koaxialen Wellenleiter aus einem zylindrischen äußeren Leiter und einem inneren Leiter, wobei der innere Leiter aus einer spiralförmigen Spule gebildet ist, wobei ein Entladungstubus vorgesehen ist, der eine Doppeltubusstruktur hat und in die spiralförmige Spule in deren axialer Richtung eingesetzt ist.
US 2003/000823 A1 offenbart eine Emissionssteuerung zur Verbrennung von Gasverbindungen mittels einer Mikrowellen-Plasmafackel. Ein
Oxidationsmechanismus in der Plasmaflamme eliminiert Kontaminanten.
US 2005/163696 A1 offenbart eine Synthese von Kohlenstoff-Nanoröhren. Dabei wird eine Massensynthese von Kohlenstoff-Nanoröhren in einer Gasphase durchgeführt, wobei eine Mikrowellen-Plasmafackel bei Atmosphärendruck
verwendet wird.
15
20
25
30
35
A 5028 AT
- 2 US 2007/007257 A1 offenbart einen Mikrowellen-Plasmabrenner, wobei eine Hochtemperatur-Plasmaflamme mittels einer Injektion von gasförmigen, flüssigen oder fest-pulverförmigen Kohlenwasserstoffen in ein Plasma erzeugt
wird, welches durch Mikrowellen erzeugt wird.
US 2017/095787 A1 offenbart eine Mikrowellen-Plasmafackel, wobei ein Plasmagenerator, ein Mikrowellengenerator und zumindest ein Plasmaquellengasinjektor vorgesehen sind. Dabei umfasst der Mikrowellengenerator einen Wellenleiter und der Plasmagenerator umfasst eine Entladeröhre, wobei die Entladeröhre durch einen Wellenleiter senkrecht zu dem
Wellenleiter hindurchtritt.
WO 2011/147230 A1 offenbart einen Mikrowellen-Plasmazünder mit einer Mikrowellen-Resonanzkavität, einer Quarzglasröhre, einem tangentialen Luftzuführgerät und einem Flussgerät für pulverisierte Kohle, wobei ein Bereich mit der größten Mikrowellen-Feldintensität innerhalb der Quarzglasröhre einen Mikrowellen-Plasmaerzeugungsbereich bildet, in welchen ein pulverisierter
Kohlefluss durch das Kohleflussgerät axial geführt wird.
Der Stand der Technik offenbart somit relativ komplexe und voluminöse Ausrüstungen zum Führen einer Mikrowelle einer Mikrowellenquelle zu zum Beispiel einem Mikrowellen-Applikator, in dem die Mikrowelle beispielsweise zur Erzeugung von ionisierten Probenatomen oder Probenmolekülen verwendet wird,
um die Probe spektroskopisch zu untersuchen.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle vorzuschlagen, welche insbesondere geeignet ist, um (in besonderen Ausgestaltungen) die Mikrowelle zu einem Plasmaerzeugungsbereich (z.B. innerhalb eines zylindrischen Hohlleiters) zu führen, um eine Probe für eine spektroskopische Untersuchung zu jonisieren, wobei die Komplexität und die Größe der Vorrichtung im Vergleich zum Stand der Technik vereinfacht bzw. reduziert ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Mikrowellen-Applikator bereitzustellen, welcher
eine kompaktere Dimension aufweist.
15
20
25
30
35
A 5028 AT
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen spezifiziert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle bereitgestellt, aufweisend: Antennen-Umgebungswände, die einen Innenraum begrenzen, um darin zumindest einen Endbereich einer Antenne einer Mikrowellenquelle, insbesondere seitlich ringförmig sowie stirnseitig, zu umgeben; Hohlleiter-Begrenzungswände, von denen zumindest zwei parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Hohlleiter-Begrenzungswände einen, insbesondere quaderförmigen, Hohlleiter mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt bilden, wobei eine Querschnittsebene durch eine erste sich entlang einer Längsrichtung der Antenne erstreckende Richtung und eine zweite sich senkrecht zu der ersten Richtung erstreckende Richtung definiert ist,
wobei gilt: 25 >a/b > 3, wobei a: eine Breite des Hohlleiters entlang der zweiten Richtung ist, b: eine Höhe des Hohlleiters entlang der ersten Richtung ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, eine Mikrowelle von dem Innenraum der
Antennen- Umgebungswände in den Hohlleiter hinein fortschreiten zu lassen.
Die Vorrichtung wird im Kontext der vorliegenden Anmeldung auch als Wellenleiter-Einkoppeleinheit bzw. Hohlleiter-Einkoppeleinheit bezeichnet. Die Hohlleiter-Einkoppeleinheit kann auch als "Launcher" bezeichnet werden. Die Vorrichtung ist insbesondere geeignet, die Mikrowelle zu einem MikrowellenApplikator zu führen, wobei weitere Komponenten vorgesehen sein können. Die Mikrowelle kann zum Beispiel eine Frequenz von 1 GHz bis 300 GHz aufweisen,
was einer Wellenlänge von ca. 1 mm bis 30 cm entspricht.
Der Mikrowellen-Applikator kann zum Beispiel ausgebildet sein, mittels des in der Vorrichtung geführten Plasmas eine zu untersuchende Probe zu ionisieren, um sie nachfolgend spektroskopisch untersuchen zu können, z.B. hinsichtlich Zusammensetzung, Konzentration, etc. In einem Mikrowellen-Applikator, der
ferner in der Vorrichtung umfasst sein kann, kann die Mikrowelle zur Erzeugung
15
20
25
30
35
A 5028 AT
-_ 4 -_ eines Plasmas zur elektronischen Anregung von Probenmolekülen bzw. Probenatomen verwendet werden. Beim Zurückfallen der Elektronen von den angeregten Zuständen wird elektromagnetische Strahlung emittiert, welche charakteristisch für die untersuchte Probe ist. Die charakteristische elektromagnetische Strahlung (z.B. im optischen und/oder infrarot- und/oder ultravioletten Bereich) kann mittels eines Spektrometers in verschiedene Frequenz- bzw. Wellenlängenkomponenten aufgetrennt werden und mittels eines Detektors können die verschiedenen Frequenz- bzw. Wellenlängenkomponenten hinsichtlich ihrer Intensität registriert werden. Daraus kann zum Beispiel eine
Zusammensetzung der Probe bestimmt werden.
Die Vorrichtung (bzw. die erzeugte Mikrowelle) kann jedoch nicht nur zur spektroskopischen Analyse einer Probe verwendet werden, sondern auch für andere Zwecke verwendet werden. Zum Beispiel kann die Mikrowelle zum Heizen
einer Probe in der Synthese- und Aufschlusschemie verwendet werden.
Sowohl die Antennen-Umgebungswände als auch die HohlleiterBegrenzungswände können jeweils einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein. Die Antennen-Umgebungswände können im Rahmen dieser Anmeldung auch als zum Beispiel zylindrische Metallhülle ausgebildet sein. Von der Antenne kann in den Innenraum, welcher von den Antennen-Umgebungswänden begrenzt ist, eine Mikrowelle abgestrahlt werden, welche von der Mikrowellenquelle erzeugt worden ist. Dabei kann die Antenne durch den Hohlleiter hindurch ragen und über diesen hinausstehen, jedoch von den Antennen-Umgebungswänden umgeben sein. Die Antennen-Umgebungswände können insbesondere auf einen zum Beispiel kreisförmigen Rand einer Hohlleiter-Begrenzungswand aufgesetzt sein. Die Hohlleiter-Begrenzungswände können zum Beispiel eine Aussparung (z.B. rechteckig, quadratisch oder kreisförmig) aufweisen, wobei durch die Aussparung die Antenne hindurchtreten kann. Auf den Rand der Aussparung einer der Hohlleiter-Begrenzungswände können zum Beispiel die AntennenUmgebungswände aufgesetzt sein, um zum Beispiel einen Endbereich der Antenne kuppelförmig zu umgeben. Die Antennen-Umgebungswände können den Endbereich der Antenne zu jeder Richtung hin umgeben, zum Beispiel axial sowie auch radial umgeben. Die Antennen-Umgebungswände können zum Beispiel teilweise als Zylindermantelflächen (z.B. als Rohr mit kreisförmiger Querschnittsform) ausgeführt sein, die insbesondere stirnseitig eine
15
20
25
30
35
A 5028 AT
- 5 Abschlusswand bzw. Deckfläche aufweisen. Eine Abschlusswand bzw. Deckfläche kann jedoch auch fehlen, z.B. kann ein die Antennen-Umgebungswände bildendes Rohr in Verlängerung des Endes der Antenne offen sein. Die AntennenUmgebungswände können zum Beispiel eine Zylindersymmetrie aufweisen, wobei
die Symmetrieachse mit einer Längsachse der Antenne zusammenfallen kann.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umschließen die Antennenumgebungswände die Antenne nicht vollständig, sondern können eine oder mehrere Öffnungen und/oder Bohrungen aufweisen. In den Umgebungswänden können z.B. eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sein, um z.B. Temperaturmessungen mittels Pyrometer und/oder Glasfaser-Optik durchführen zu können (z.B. zur Feststellung von Überschlägen).
Die stirnseitige Umgebungswand (sofern vorhanden) der Antenne könnte z.B. Löcher aufweisen, z.B. perforiert sein. Die Antennenumhüllung kann auch als
langer Dämpfungsrohrabschnitt ausgeführt sein, welcher stirnseitig offen bleibt.
Durch eine (etwaig vorhandene) Öffnung(en) in den AntennenUmgebungswänden kann Mikrowellen-Leistung z.B. mittels eines weiteren
Wellenleiters entnommen werden.
Die Längsrichtung der Antenne kann zum Beispiel als die Richtung der größten Ausdehnung der Antenne aufgefasst werden, insbesondere als eine Längsrichtung eines Antennenstabes. Die Antenne kann durch leitendes Material und/oder dielektrisches Material gekennzeichnet sein. Die Antenne kann elektrisch mit einem Teil der Mikrowellenquelle gekoppelt sein, um die elektromagnetische Energie, welche in der Mikrowellenquelle erzeugt ist, als eine Mikrowelle abzustrahlen. Die Antenne sowie die Mikrowellenquelle kann, muss
jedoch nicht Teil der Vorrichtung sein.
Der Hohlleiter kann zum Beispiel einen leicht ovalen Querschnitt aufweisen oder einen zumindest approximativ rechteckigen oder einen genau rechteckigen Querschnitt aufweisen. In herkömmlichen Hohlleitern kann das Verhältnis einer Breite und einer Höhe des Hohlleiters bei dem Wert 2 liegen. Der Hohlleiter gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jedoch eine gegenüber einem herkömmlichen Hohlleiter verringerte Höhe auf. Wenn die
15
20
25
30
35
A 5028 AT
- 6 Vorrichtung zum Beispiel verwendet wird, um in einem Plasmaerzeugungsbereich zum Beispiel im Brennraum einer Plasmaentladungsröhre ein Plasma zu erzeugen, kann die verringerte Höhe b des Hohlleiters vorteilhaft sein, da diese verringerte Höhe einer Ausdehnung entlang der ersten Richtung des Plasmaerzeugungsbereichs entsprechen kann oder gleichen kann. Somit kann auf einen sogenannten "Taper-Bereich" (einen keilförmigen bzw. Höheveränderlichen Kopplungsabschnitt bzw. Hohlleiterabschnitt), in dem sich die Höhe eines Hohlleiters zu dem Mikrowellen-Applikator hin verringert, verzichtet werden. Hierdurch kann die Konstruktion vereinfacht und kompakter gestaltet werden. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen die Hohlleiter-Begrenzungswände ausschließlich ebene Hohlleiter-
Begrenzungswände.
Dadurch ist eine kompakte Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle bereitgestellt, wobei die Mikrowelle jenseits des Hohlleiters für verschiedene Zwecke verwendet werden kann.
Die Höhe b kann z.B. größer oder gleich 5 mm oder 6 mm betragen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Länge (L) der Antenne größer als die Höhe (b) des Hohlleiters, wobei insbesondere die Höhe (b) des Hohlleiters entlang einer Länge des Hohlleiters senkrecht zu der Querschnittsebene im Wesentlichen konstant ist, und/oder wobei insbesondere eine Querschnittsform und -größe des Hohlleiters entlang einer Länge des Hohlleiters senkrecht zu der Querschnittsebene im Wesentlichen konstant ist.
Die Antenne kann sich durch den Hohlleiter hindurch über den Hohlleiter hinaus erstrecken. Damit kann die Antenne in ihrer Länge gemäß den Erfordernissen der abzustrahlenden Mikrowelle dimensioniert werden. In anderen Ausführungsformen kann zum Beispiel die Länge der Antenne kleiner oder gleich der Höhe des Hohlleiters sein. Wenn die Höhe des Hohlleiters entlang einer Länge des Hohlleiters (z.B. auch senkrecht zu der ersten Richtung und senkrecht zu der zweiten Richtung) konstant ist, kann die Konstruktion des Hohlleiters vereinfacht sein, indem der Hohlleiter zum Beispiel als ein quaderförmiger Hohlleiter ausgeführt sein kann. Auch ist eine Herstellung des Hohlleiters vereinfacht, wenn die Querschnittsform entlang der Länge des Hohlleiters im
Wesentlichen konstant ist.
15
20
25
30
A 5028 AT
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die zwei parallel zueinander angeordneten Hohlleiter-Begrenzungswände senkrecht zu der ersten Richtung ausgerichtet und entlang der ersten Richtung beabstandet angeordnet, wobei sich die Antenne von einem Basisbereich zu dem Endbereich erstreckt und wobei eine erste der zwei parallel zueinander angeordneten HohlleiterBegrenzungswände im Basisbereich der Antenne ausgebildet ist und eine zweite der zwei parallel zueinander angeordneten Hohlleiter-Begrenzungswände
zwischen dem Basisbereich und dem Endbereich der Antenne ausgebildet ist.
Zwischen den zwei parallel zueinander angeordneten HohlleiterBegrenzungswänden kann vorteilhaft die Mikrowelle geführt werden, insbesondere gemäß einer gewünschten Mode. Die zwei parallel zueinander angeordneten Hohlleiter-Begrenzungswände können um die Höhe des Hohlleiters voneinander beabstandet sein. Die Breite des Hohlleiters und/oder die Höhe des Hohlleiters kann sich zum Beispiel auf ein Außenmaß oder ein Innenmaß beziehen. Der Basisbereich der Antenne kann zum Beispiel mit der Mikrowellenquelle gekoppelt, insbesondere elektrisch verbunden sein. Die erste der zwei parallel zueinander angeordneten Hohlleiter-Begrenzungswände kann zum Beispiel am Gehäuse der Mikrowellenquelle montiert sein. Diese erste Hohlleiter-Begrenzungswand kann zum Beispiel eine Öffnung bzw. Aussparung aufweisen, durch welche der Basisbereich der Antenne geführt sein kann. Die zweite der zwei parallel zueinander angeordneten Hohlleiter-Begrenzungswände kann ebenfalls eine Aussparung bzw. Öffnung aufweisen, welche insbesondere von gleicher (oder unterschiedlicher) Ausdehnung bzw. Größe und/oder Form ist wie die Öffnung in der ersten Hohlleiter-Begrenzungswand, um ebenfalls die Antenne in einem Bereich zwischen dem Basisbereich und dem Endbereich hindurchführen zu können. Die Antenne kann somit teilweise (zwischen dem Endbereich und dem Basisbereich) in dem Hohlleiter angeordnet sein, welcher durch die Hohlleiter-Begrenzungswände eingeschlossen ist bzw. gebildet ist, und teilweise, insbesondere zumindest in dem Endbereich, innerhalb des Innenraums angeordnet sein, welcher von den Antennen-Umgebungswänden zumindest
teilweise begrenzt ist.
15
20
25
30
35
A 5028 AT
- 8 Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die zwei parallelen Hohlleiter-Begrenzungswände zumindest teilweise durch zumindest eine abgerundete Hohlleiter-Begrenzungswand verbunden und/oder eine dritte und eine vierte Hohlleiter-Begrenzungswand der Hohlleiter-Begrenzungswände sind parallel zueinander angeordnet, sind senkrecht auf der ersten und der zweiten der Hohlleiter-Begrenzungswand orientiert und verbinden die erste Hohlleiter-Begrenzungswand mit der zweiten Hohlleiter-Begrenzungswand.
Die Querschnittsform des Hohlleiters ist nicht auf eine (exakt) rechteckige Querschnittsform begrenzt, sondern kann zum Beispiel auch leicht oval sein bzw. abgerundete Kanten aufweisen, welche zum Beispiel einen gebogenen Abschnitt, zum Beispiel Kreisabschnitt, aufweisen können. In einer besonderen Ausführungsform sind die erste, die zweite, die dritte und eine vierte HohlleiterBegrenzungswand vorgesehen, welche jeweils eben sind und paarweise parallel zueinander angeordnet sind. Damit kann eine besonders einfache herstellbare Ausführung gebildet sein. In diesem Fall hat der Hohlleiter eine exakt rechteckige
Querschnittsform, wobei deren Breite größer ist als deren Höhe.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstrecken sich die Hohlleiter-Begrenzungswände zu einer ersten und einer zweiten Seite der Antenne hin senkrecht zur ersten Richtung, um einen ersten Teil und einen zweiten Teil des Hohlleiters zu bilden, wobei auf der zweiten Seite ein Abschlusswandteil, insbesondere senkrecht zur ersten und zweiten HohlleiterBegrenzungswand orientiert, vorgesehen ist, um den zweiten Teil des Hohlleiters abzuschließen. Das Abschlusswandteil kann als Kurzschlusswand dienen, an welcher die eingekoppelte Mikrowelle reflektiert wird. Der Abstand der Kurzschlusswand zur Antennenachse kann bis zu einem Viertel der Wellenlänge A
der Mikrowelle in dem Hohlleiter betragen.
Durch die Kurzschlusswand bildet sich im Inneren des Hohlleiters eine stehende Welle des Mikrowellenfeldes aus, dessen Wellenlänge von den Dimensionen des Hohlleiters und von der Frequenz der eingespeisten Mikrowelle abhängt. Beträgt der Abstand von der Antennenachse bis zur Abschlusswandteil 1/4, so findet an dem metallischen Abschlusswandteil eine 180° Phasenverschiebung statt, wodurch sich eine konstruktive Überlagerung ergibt. In einem konkreten
15
20
25
30
35
A 5028 AT -_ 9 -_ Ausführungshohlleiterbeispiel beträgt der Abstand Antennenachse -
Abschlusswandteil (Kurzschlusswand) 21,5 mm.
Die erste und die zweite Seite (von der Antenne aus betrachtet) kann sich entlang einer dritten Richtung erstrecken, welche senkrecht sowohl auf der ersten Richtung als auch auf der zweiten Richtung steht. Die dritte Richtung kann entlang einer Länge des Hohlleiters verlaufen bzw. definiert werden. Die in dem ersten Teil des Hohlleiters geführte Mikrowelle kann zur weiteren Verwendung aus dem ersten Teil herausgeführt werden und zum Beispiel einem MikrowellenApplikator zugeführt werden, der je nach der gewünschten Anwendung ausgebildet sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt: 22> a/b >5, und/oder wobei die Breite des Hohlleiters zwischen 70 mm und 120 mm, insbesondere zwischen 80 mm und 110 mm beträgt, und/oder wobei die Höhe des Hohlleiters zwischen 5 mm und 15 mm, insbesondere zwischen 5 mm und 12 mm beträgt, und/oder wobei eine Länge des Hohlleiters senkrecht zu der Querschnittsebene mindestens einem Viertel bis einem Halben der Wellenlänge der Mikrowelle in dem Hohlleiter beträgt. Somit können je nach Anwendungsfall verschiedene Geometrien von Breite, Höhe und Länge des Hohlleiters unterstützt sein. Insbesondere können Höhe und Breite des Hohlleiters gemäß einem Verwendungszweck der Mikrowelle bzw. einer Geometrie nachgeordneter
Komponenten ausgewählt werden.
Bei diesen bevorzugten a/b Verhältnissen ist z.B. ein bevorzugter Hohlleiter mit a=109 mm oder a=86 mm abgebildet, der kleinere als bekannte Höhen aufweist, z.B. b=5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm, 10 mm, 11 mm, 12 mm, 13
mm, 14 mm oder 15 mm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt: 15> a/b >10.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zumindest ein Teil der Antennen-Umgebungswände mit zumindest einem Teil der Hohlleiter-
Begrenzungswände (z.B. unmittelbar) verbunden, und/oder wobei die Antennen-
15
20
25
30
35
A 5028 AT
-_ 10 -_ Umgebungswände eine einen zylinderförmigen Abschnitt und/oder ebene Abschnitte aufweisende Mantelflächenwand und eine (z.B. kreisförmige oder rechteckige) Stirnwand aufweisen, die verbunden sind, und/oder wobei die Antennen-Umgebungswände zusammen mit der Antenne insbesondere als
Koaxialleiter wirken.
Wenn zumindest ein Teil der Antennen-Umgebungswände mit zumindest einem Teil der Hohlleiter-Begrenzungswände (insbesondere unmittelbar) verbunden ist, kann die Konstruktion vereinfacht werden und es kann insbesondere auf einen im Stand im Technik verwendeten keilförmigen Bereich eines Hohlleiters, dessen Querschnittsform bzw. Querschnittsgröße sich entlang einer Längsrichtung verjüngt, verzichtet werden. Eine zylinderförmige oder im wesentlichen zylinderförmige Mantelflächenwand kann vorteilhaft eine zylindersymmetrische Antenne ringförmig umgeben. Die Stirnwand kann den Innenraum, in dem sich die Antenne befindet, in axiale Richtung (d.h. parallel zu der Längsrichtung der Antenne) abschließen bzw. begrenzen. Die Stirnwand kann zum Beispiel als ebene, insbesondere kreisförmige Stirnwand ausgebildet sein, kann jedoch auch eine komplizierte unregelmäßige Form aufweisen. Wenn die AntennenUmgebungswände zusammen mit der Antenne als Koaxialleiter wirken, kann eine effektive Führung der Mikrowelle von der Mikrowellenquelle hin in den Hohlleiter
hinein gewährleistet sein.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein (z.B. radialer) Abstand zwischen einer inneren Oberfläche der zylinderförmigen Mantelflächenwand und einer äußeren Oberfläche der Antenne im Wesentlichen konstant (in Umfangsrichtung um die Längsrichtung der Antenne).
Die Antenne kann in einem geringen Abstand von der Mantelflächenwand umgeben sein, um so auch die Dimension der Vorrichtung gering zu halten. Maßnahmen zur Verhinderung eines elektrischen Überschlages von der Antenne zu einer der Antennen-Umgebungswände können vorgesehen sein, wie etwa Isolationsmaterial, Keramikmaterial, Füllmaterial aus Kunststoff, etc. Das Füllmaterial kann insbesondere durch Polytetrafiuorethen gebildet sein. Ebenso können die inneren Abstände zwischen der Außenoberfläche der Antenne und einer Innenoberfläche der Antennen-Umgebungswände geeignet gewählt
werden.
15
20
25
30
A 5028 AT -11-
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der von den AntennenUmgebungswänden begrenzte Innenraum zumindest teilweise mit Durchschlagsfestigkeit erhöhendem Material, insbesondere Kunststoff, angefüllt, insbesondere als innere Auskleidung an den Antennen-Umgebungswänden. Damit können Störungen und Beschädigungen der Vorrichtung bzw. der Antenne
vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ferner einen Metallkolben auf, welcher entlang der ersten Richtung in dem von den Antennen-Umgebungswänden begrenzte Innenraum verschiebbar ist. Der Metallkolben kann eine Querschnittsfläche aufweisen, welche einer Querschnittsfläche des Innenraums gleicht, welcher durch die AntennenUmgebungswände begrenzt wird. Die Querschnittsfläche und/oder Querschnittsform der Antennen-Begrenzungswände, insbesondere der Mantelflächenwand braucht sich entlang der ersten Richtung nicht zu ändern, sondern kann im Wesentlichen konstant sein. Damit kann durch Verschieben des Metallkolbens entlang der ersten Richtung die Höhe des von den AntennenBegrenzungswänden begrenzten Innenraums eingestellt werden, insbesondere um eine Eingangsimpedanz und eine Ausgangsimpedanz der Kombination des Hohlleiters und des Innenraums zur optimalen Abstrahlung von der Antenne und
Einkopplung der Mikrowelle in den Hohlleiter hinein zu gewährleisten.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Antenne einen für Magnetronantennen üblichen Radius von 8 mm bis 28 mm, insbesondere zwischen 8 mm und 16 mm, und/oder wobei die Antenne eine Länge von 25 mm bis 60 mm, insbesondere zwischen 40 mm und 50 mm hat, und/oder wobei die Antenne im Wesentlichen Zylindersymmetrie aufweist, deren Symmetrieachse mit der der zylinderförmige Mantelflächenwand zusammenfällt. Damit sind verschiedene Geometrien je nach Anwendungsfall unterstützt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Antenne
einen elektrischen Leiter und Dielektrikum, insbesondere ein Keramikmaterial auf, das den Leiter zumindest teilweise umgibt. Das Keramikmaterial kann die
15
20
25
30
35
A 5028 AT -_ 12 -_ Abstrahleigenschaften der Antenne je nach Bedarf anpassen und kann auch zu
einer Vermeidung von Überschlägen beitragen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der elektrische Leiter als Antennenstab ausgebildet, wobei das Keramikmaterial kuppelförmig den Antennenstab einschließlich eines Antennenstabendes umschließt. Diese Ausführungsform kann z.B. bei Mikrowellenleistung von größer als 1,5 kW eingesetzt werden. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der elektrische Leiter als Antennenstab ausgebildet, und wobei das Keramikmaterial ringförmig den Antennenstab in einem Basisbereich umschließt, wobei ferner eine Metallkappe vorgesehen ist, die in einem Endbereich des Antennenstabes auf den Antennenstab aufgesetzt ist. Diese Ausführungsform kann z.B. bei Mikrowellenleistung von kleiner als 1,5 kW eingesetzt werden. Damit sind verschiedene Ausgestaltungen der Antenne unterstützt, die je nach
Anwendungsfall vorgesehen sein können.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Hohlleiter ausgebildet, eine TE-Mode, insbesondere TE10-Mode von Mikrowellen zu führen und/oder wobei eine Summe einer Höhe (H) der Mantelflächenwand und der
Höhe (b) des Hohlleiters größer ist als eine Länge (L) der Antenne.
Insbesondere kann somit eine Stirnwand der Antennen-Begrenzungswände relativ nahe an einem axialen Ende der Antenne angeordnet sein, um die Vorrichtung kompakt zu halten. Der Abstand zwischen einem axialen Ende der Antenne und einer Stirnwand der Antennen-Begrenzungswände muss jedoch so gewählt werden, um Überschläge zwischen Antenne und Antennen-
Begrenzungswand zu vermeiden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestehen die Antennen-Umgebungswände und/oder die Hohlleiter-Begrenzungswände aus Mikrowellen reflektierenden Materialien und weisen zumindest teilweise eines der Folgenden auf: Aluminium; Messing; Edelstahl, Kupfer, Silber, oder Legierungen der vorgenannten. Damit sind herkömmlich verfügbare Materialien unterstützt,
um eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen.
15
20
25
30
35
A 5028 AT
-_ 13 -_ Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ferner eine Mikrowellenquelle auf, insbesondere Magnetron, mit der Antenne, die von den Antennen-Umgebungswänden zumindest teilweise in einem Endbereich der Antenne umgeben ist, und einem Gehäuse, wobei zumindest eine der Hohlleiter-Begrenzungswände, insbesondere die erste HohlleiterBegrenzungswand, zumindest teilweise an dem Gehäuse der Mikrowellenquelle angebracht ist. Die Antenne kann zum Beispiel elektrisch mit einem Inneren der Mikrowellenquelle verbunden sein, etwa mit einem Resonator innerhalb der Mikrowellenquelle. Somit sind herkömmlich verfügbare Magnetrons zur
Erzeugung der Mikrowelle unterstützt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist zumindest eine Maßnahme zur Reduktion einer Wärmeübertragung zwischen der Mikrowellenquelle und dem Mikrowellenapplikator und/oder den HohlleiterBegrenzungswänden vorgesehen ist, insbesondere zumindest eines der Folgenden umfassend: Wärmefalle; Isolationsmaterial; Kühlung. Derartige Maßnahmen können einzeln oder in jeder Kombination vorgesehen sein. Sind derartige Wärmeübertragungsisolationsmaßnahmen vorgesehen, so kann die
Stabilität der Mikrowellenquelle verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ferner einen durch mindestens eine Zylinderwand, insbesondere durch zwei teilweise ineinander angeordnete Zylinderwände, gebildeten (zylindrischen) koaxialen Hohlleiter auf, dessen Zylindersymmetrieachse parallel (oder nicht parallel) zu der Längsachse der Antenne orientiert ist und der mit dem im Wesentlichen rechteckigen Hohlleiter, insbesondere ersten Teil des Hohlleiters, derart verbunden ist, um eine Modustransformation der aus dem im Wesentlichen rechteckigen Hohlleiter in den (zylindrischen) koaxialen Hohlleiter eingeführten Mikrowelle (von TE zu TEM) zu bewirken, wobei durch die in dem (zylindrischen) koaxialen Wellenleiter geführte Mikrowelle in einem Plasmaerzeugungsbereich eine Plasma durch Ionisation eines (z.B. strömenden)
Gases (z.B. Nz2, Ar) gebildet werden kann.
Der (zylindrische) koaxiale Hohlleiter kann als ein Teil eines Mikrowellen-
Applikators angesehen werden. Damit kann eine Probe spektroskopisch
15
20
25
30
35
A 5028 AT
-_ 14 -_ untersucht werden, nachdem sie mittels des Plasmas elektronisch angeregt worden ist, wobei das Plasma mittels der Mikrowelle erzeugt ist, welche durch den im Wesentlichen rechteckigen Hohlleiter in den Plasmaerzeugungsbereich
hinein eingetreten ist.
Insbesondere kann die Höhe des Hohlleiters an eine Ausdehnung des Plasmaerzeugungsbereichs angepasst werden, so dass auf eine Verringerung oder Vergrößerung einer Querschnittsfläche eines Hohlleiters entlang einer Längsrichtung verzichtet werden kann.
Es sollte verstanden werden, dass Merkmale, welche individuell oder in irgendeiner Kombination in Bezug auf eine Vorrichtung zum Führen einer Mikrowelle erläutert, beschrieben, bereitgestellt oder vorgesehen sind, ebenso, individuell oder in irgendeiner Kombination, für ein Verfahren eines Führens einer Mikrowelle angewendet werden können, und umgekehrt, gemäß
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren eines Führens einer elektromagnetischen Mikrowelle (101) bereitgestellt, aufweisend: Erlauben eines Fortschreitens einer Mikrowelle (101) von einem Innenraum (109) in einen Hohlleiter (121) hinein, wobei die Antennen-Umgebungswände (103, 105, 107) den Innenraum (109) begrenzen, um darin zumindest einen Endbereich (111) einer Antenne (113) einer Mikrowellenquelle (147), zumindest teilweise zu umgeben; wobei Hohlleiter-Begrenzungswände (115, 117, 119), von denen zumindest zwei (115, 117) parallel zueinander angeordnet sind, den Hohlleiter (121) mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt bilden, wobei eine Querschnittsebene (123) durch eine erste sich entlang einer Längsrichtung der Antenne erstreckende Richtung (125) und eine zweite sich senkrecht zu der ersten Richtung erstreckende Richtung (129) definiert ist,
wobei gilt: 25 > a/b > 3, wobei a: eine Breite des Hohlleiters (121) entlang der zweiten Richtung (129) ist, b: eine Höhe des Hohlleiters (121) entlang der ersten Richtung (125) ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung von Ausführungsformen. Die Erfindung ist
nicht auf die beschriebenen oder illustrierten Ausführungsformen beschränkt.
15
20
25
30
35
A 5028 AT - 15 -
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Figur 1 illustriert in einer Seitenschnittansicht eine Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
Figur 2 illustriert in einer Seitenschnittansicht eine Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
Figur 3 illustriert in einer Seitenschnittansicht eine Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 illustriert in einer schematischen, perspektivischen Ansicht eine Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Elemente oder Strukturen in den Zeichnungen, welche in ihrer Struktur und/oder Funktion ähnlich sind, sind in den verschiedenen Figuren mit Bezugszeichen bezeichnet, welche sich lediglich in der ersten Ziffer unterscheiden. Die Beschreibung eines Elementes, welches im Zusammenhang mit einer Ausführungsform nicht im Detail beschrieben ist, kann einer Beschreibung dieses entsprechenden Elementes in einer anderen Ausführungsform entnommen
werden.
Die in Figur 1 in einer seitlichen Schnittansicht schematisch illustrierte Vorrichtung 100 zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle 101 weist Antennen-Umgebungswände 103, 105, 107 auf, die einen Innenraum 109
begrenzen, um darin zumindest einen Endbereich 111 einer Antenne 113 zu
15
20
25
30
35
A 5028 AT
-_ 16 -_ umgeben. Die Vorrichtung 100 weist ferner Hohlleiter-Begrenzungswände 115, 117, 119 auf sowie in Figur 1 nicht illustrierte weitere HohlleiterBegrenzungswände, welche (in der Zeichenebene liegend) die Begrenzungswände 115, 117 miteinander verbinden, um somit im Inneren einen Hohlleiter 121 mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt (in einer Schnittebene senkrecht zu der Zeichenebene der Figur 1) zu bilden. Dabei ist eine Querschnittsebene 123 durch eine erste Richtung 125, die sich entlang einer Längsrichtung 127 der Antenne 113 erstreckt, und eine zweite Richtung 129 definiert, welche sich senkrecht zu der ersten Richtung 125 erstreckt und in Figur 1 senkrecht auf der Zeichenebene steht. ‚a‘ bezeichnet eine Breite des Hohlleiters 121 entlang der zweiten Richtung 129 und ‚b‘ bezeichnet eine Höhe des Hohlleiters 121 entlang der ersten Richtung 125. Es gilt 25 > a/b > 3. Die Breite a des Hohlleiters 121 ist somit wesentlich größer als die Höhe b des Hohlleiters 121. Die Vorrichtung 100 ist ausgebildet, die Mikrowelle 101 von dem Innenraum 109 der Antenne-Umgebungswände 103, 105, 107 in den Hohlleiter 121 hinein fortschreiten zu lassen.
In einer nicht dargestellten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine (Durchgangs) Öffnung (z.B. zentral) in der stirnseitigen AntenneUmgebungswand 105 vorgesehen, um einen Temperatursensor innerhalb des Innenraums 109 anzuordnen und ein Kabel (z.B. optisches Kabel), das Temperaturmesssignale führt, aus dem Innenraum durch die Öffnung hindurch nach außen zu einem Steuergerät führen zu können. Eine derartige Öffnung kann
auch für die in Fig. 2, 3 und 4 illustrierten Ausführungsformen vorgesehen sein.
In der in Figur 1 illustrierten Vorrichtung 100 ist die Länge L der Antenne 113 größer als die Höhe b des Hohlleiters 121. Ferner ist die Höhe b des Hohlleiters 121 entlang einer Länge (entlang einer dritten Richtung 131), welche senkrecht ist zu der Querschnittsebene 123, im Wesentlichen konstant. Ferner ändert sich nicht eine Querschnittsform und/oder -größe des Hohlleiters 121 entlang der
Länge des Hohlleiters (d.h. entlang der dritten Richtung 131).
Die Hohlleiter-Begrenzungswände umfassen zwei parallel zueinander angeordnete Hohlleiter-Begrenzungswände, nämlich eine erste HohlleiterBegrenzungswand 115 und eine zweite Hohlleiter-Begrenzungswand 117, welche parallel zueinander angeordnet sind und entlang der ersten Richtung 125
15
20
25
30
35
A 5028 AT
-_ 17 -_ voneinander beabstandet sind, nämlich um die Höhe b des Hohlleiters 121. Die erste Hohlleiter-Begrenzungswand 115 geht von einem Basisbereich 133 der Antenne 113 aus und die zweite Hohlleiter-Begrenzungswand 117 geht von einem Bereich zwischen dem Basisbereich 133 und dem Endbereich 111 der Antenne 113 aus.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine in der Figur 1 nicht dargestellte dritte und eine vierte Hohlleiter-Begrenzungswand, welche ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind und senkrecht auf der ersten HohlleiterBegrenzungswand 115 und der zweiten Hohlleiter-Begrenzungswand 117 stehen und diese erste und die zweite Hohlleiter-Begrenzungswand miteinander
verbinden.
Die Hohlleiter-Begrenzungswände 115, 117 erstrecken sich zu einer ersten Seite 135 der Antenne 113 hin sowie zu einer zweiten Seite 137 der Antenne 113 hin, um einen ersten Teil 139 und einen zweiten Teil 141 des Hohlleiters 121 zu bilden. Auf der zweiten Seite 137 ist ein Abschlusswandteil 119 (z.B. als Kurzschlusswand/-platte für die Mikrowelle wirkend) vorgesehen, um den
zweiten Teil 141 des Hohlleiters 121 abzuschließen.
Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, sind die Antennen-Umgebungswände 103, 107 direkt oder unmittelbar mit der zweiten Hohlleiter-Begrenzungswand 117 verbunden. Die Antennen-Umgebungswände 103, 107 sind zum Beispiel durch eine zylindrische Mantelflächenwand gebildet, können somit einstückig ausgebildet sein. Ferner bildet die Antennen-Umgebungswand 105 eine Stirnwand, um den Innenraum 109 in axialer Richtung 127 (parallel zur ersten Richtung 125) zu verschließen. Der Innenraum 109 kann teilweise oder vollständig mit Durchlagsfestigkeit-erhöhendem Material, insbesondere
Kunststoff, angefüllt sein.
Ein Radius ‚ra‘ der Antenne 113 kann zum Beispiel zwischen 8 mm und 16 mm betragen und die Länge L der Antenne 113 kann zum Beispiel zwischen 40 mm bis 50 mm betragen. Ferner kann die Antenne 113 Zylindersymmetrie haben, wobei die Zylindersymmetrieachse mit der Längsachse 127 der Antenne zusammenfällt. Die Antenne 113 umfasst einen elektrischen Leiter 143 sowie ein Keramikmaterial 145, das den Leiter 143 zumindest teilweise umgibt. In der in
15
20
25
30
35
A 5028 AT -_ 18 -_ Figur 1 illustrierten Ausführungsform umschließt das Keramikmaterial 145 in
Form einer Kuppel den Antennenstab 143 vollständig.
Die Summe einer Höhe H (von der Innenseite des Hohlleiter-Begrenzungswand 117 bis Innenseite der stirnseitigen Antennenumgebungswand 105 gemessen) der Mantelflächenwand 103, 107 und der Höhe b (als Abstand zwischen Innenseiten der Hohlleiter-Begrenzungswände 115, 117 gemessen) des
Hohlleiters 121 ist größer als die Länge L der Antenne 113.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Mikrowellenquelle 147, insbesondere ein Magnetron, mit der Antenne 113, die von den Antennen-Umgebungswände 103, 107, 105 zumindest in dem Endbereich 111 der Antenne 113 umgeben ist. Die Mikrowellenquelle 147 umfasst ferner ein Gehäuse 149, wobei die erste Hohlleiter-Umgebungswand 115 an dem Gehäuse 149 der Mikrowellenquelle 147 angebracht ist. Nicht dargestellt in Figur 1 sind mögliche Maßnahmen zur Reduktion einer Wärmeübertragung zwischen der Mikrowellenquelle 147 und den
Antennen-Umgebungswänden und/oder den Hohlleiter-Begrenzungswänden.
Die Vorrichtung 100 umfasst ferner einen Plasmaapplikator 152, welcher einen durch zumindest eine Zylinderwand 151 gebildeten zylindrischen Hohlleiter 153 umfasst, dessen Zylindersymmetrieachse 155 parallel zu der Längsachse 127 der Antenne 113 (und somit auch parallel zu der ersten Richtung 125) orientiert ist. Der zylindrische Hohlleiter 153 ist mit dem im Wesentlichen rechteckigquerschnittigen Hohlleiter 121 über Verbindungswände 116 verbunden, um eine Modustransformation der aus dem im Wesentlichen rechteckig querschnittigen Hohlleiter 121 in den zylindrischen Hohlleiter 151 eingeführten Mikrowelle 101 zu
bewirken.
Durch die in dem zylindrischen Hohlleiter 153 geführte Mikrowelle 102 wird in einem Plasmaerzeugungsbereich 157 ein Plasma durch Ionisation eines strömenden Plasmagases 167 (z.B. Stickstoff oder Argon) gebildet. Die Probe 161 wird mittels eines Trägergases (z.B. Argon) in einer Quarzglasröhre 163 entlang der ersten Richtung 125 geführt. Das Hilfsgas 159 (z.B. Stickstoff oder Argon) wird in einem Quarzglasführungssystem 165 (um die Quarzglasröhre 163
herum angeordnet) geführt und hält das heiße Plasma von den inneren Rohren
15
20
25
30
35
A 5028 AT -_ 19 -_ 163 und 165 fern. Das strömende Hilfsgas dient auch zur Höhenjustierung des
Plasmas.
Figur 2 illustriert in einer schematischen Schnittansicht eine Vorrichtung 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei ein Plasmaapplikator, wie er in Figur 1 mit Bezugsziffer 152 beschrieben ist, nicht dargestellt ist, jedoch ähnlich ausgeführt sein kann wie der Plasmaapplikator
152, welcher in Figur 1 illustriert ist.
Die Vorrichtung 200, welche in Figur 2 dargestellt ist, zeigt Ähnlichkeiten zu der in Figur 1 illustrierten Vorrichtung 100, wobei jedoch die Antenne 213 anders ausgeführt ist als die in Figur 1 illustrierte Antenne 113. Die Antenne 213 der in Figur 2 illustrierten Vorrichtung 200 umfasst ebenfalls einen Antennenstab 243, jedoch keine Keramikkuppel 145, wie die in Figur 1 illustrierte Antenne 113. Stattdessen umfasst die Antenne 213 einen Keramikring 269 in dem Basisbereich 233, um in diesem Basisbereich 233 den Antennenstab 243 ringförmig zu umgeben, insbesondere einzubetten. Oberhalb des Basisbereiches 233 zu dem Endbereich 211 hin ist eine Metallkappe 271 auf den Antennenstab 243
aufgesetzt. In diesem Bereich umfasst die Antenne 213 keine Keramik.
Figur 3 illustriert in einer schematischen Querschnittsansicht eine weitere Vorrichtung 300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche Ähnlichkeiten mit der in Figur 1 illustrierten Vorrichtung 100 aufweist. Im Unterschied zu der in Figur 1 illustrierten Vorrichtung 100 umfasst jedoch die in Figur 3 illustrierte Vorrichtung 300 ferner einen Metallkolben 373, welcher entlang der ersten Richtung 325 in dem von den Antennen-Umgebungswänden 303, 305, 307 begrenzten Innenraum 309 verschiebbar ist, um somit die Höhe H dieses Innenraums 309 einzustellen. Damit kann eine effektivere Leistungsübertragung der Mikrowelle von der Antenne 313 in den im Wesentlichen rechteckig querschnittigen Hohlleiter 321 bewirkt werden.
Figur 4 illustriert in einer schematischen perspektivischen Ansicht eine Vorrichtung 400 zum Führen einer Mikrowelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der im Wesentlichen rechteckigquerschnittige Hohlleiter 421 umfasst wiederum eine erste HohlleiterBegrenzungswand 415 und eine zweite Hohlleiter-Begrenzungswand 417, welche
15
20
25
30
35
A 5028 AT
- 20 parallel zueinander sind und in der ersten Richtung 425 voneinander beabstandet sind. Diese parallelen Hohlleiter-Begrenzungswände 415, 417 sind jedoch durch abgerundete (d.h. nicht-ebene) Hohlleiter-Begrenzungswände 416 verbunden. In Figur 4 ist die zylinderförmige Antennen-Umgebungswand 403 erkennbar, sowie die Stirnwand 405, welche die zylindrische Mantelflächenwand 403 in axialer
Richtung, d.h. entlang der Längsrichtung 427 der Antenne 413, abschließt.
Die Hohlleiter-Einkoppeleinheit (auch Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle genannt) kann es ohne zusätzliche voluminöse Komponenten, wie beispielsweise ‚Tapern‘ erlauben, direkt in Verbindung mit Mikrowellen-Applikatoren mit einer geringen Hohlleiterhöhe eingesetzt zu werden. Wärmeflüsse vom Mikrowellen-Applikator bzw. dem HohlleiterEinkoppler können durch entsprechende Isolationsmaßnahmen begrenzt werden. Die Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle kann zum Beispiel in der analytischen Chemie in der Elementanalyse eingesetzt werden. Dabei kann ein Mikrowellen-induziertes Plasma in einem entsprechenden Mikrowellen-Applikator, zum Beispiel Mikrowellen-Applikator 152 verwendet werden. Die Elementanalyse stellt typischerweise an eine PlasmaAnregungsquelle hohe Anforderungen an Stabilität der das Plasma aufrecht erhaltenden Strahlungsleistung. Dabei wird der Parameter Leistungsstabilität (power output stability) bei den Hochfrequenzgeneratoren spezifiziert, wobei zu erfüllende Werte bei < 0.1% der aktuell erzeugten Leistung liegen. Die reproduzierbare Erzeugung von Ionen durch das Plasma bei unveränderten Betriebsparametern (Hochfrequenzleistung, Gasflüsse, etc.) über einen ausreichend langen Zeitraum (einige Stunden) ist für das Analyseverfahren wesentlich, damit die durch eine Kalibration zu einem Zeitpunkt hergestellte Beziehung zwischen einer durch die Plasma-Anregung erzeugten Anzahl an Photonen eines Elements einer bestimmten Konzentration bei einer elementspezifischen Wellenlänge stets zur gleichen Anzahl an gesammelten Zählraten an den jeweiligen Detektorpixeln in einem Spektrometer führt.
Durch entsprechende Wärmeisolationsmaßnahmen zwischen der Plasmaquelle und den Hohlleiter-Begrenzungswänden kann die Leistungsstabilität wie gewünscht erreicht werden. Auch kann durch diese Maßnahmen die Kurzzeitstabilität verbessert werden. Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung haben als Vorteil eine Kompaktheit einer Hohlleiter-Einkoppeleinheit,
15
20
25
30
35
A 5028 AT
-_ 21 -_ wobei die Leistungsstabilität der erzeugten Hochfrequenzstrahlung erfüllt ist. Die Leistungen der Plasmaquelle können in der Größenordnung einiger Kilowatt liegen und können zu Temperaturerhöhungen in nachgeordneten oder damit verbundenen Komponenten führen. Die Wärmeisolationsmaßnahmen können diese Temperaturwärmeflüsse vermindern. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Magnetron oder allgemein die Mikrowellenquelle durch eine Luft-Kühlung bzw. eine Wasser-Kühlung gekühlt werden.
Herkömmlich haben für eine Mikrowellenfrequenz von beispielsweise 2,45 GHz Hohlleiter standardisiert eine Hohlleiter-Breite a von 86,36 mm und eine Hohlleiter-Höhe b von 43,18 mm. Herkömmliche Antennen von Magnetronen können eine Höhe von etwa 26 mm bis ca. 47mm aufweisen und ragen in herkömmliche Hohlleiter-Einkoppeleinheiten hinein, ohne darüber hinauszustehen. Herkömmlich erfordert das Anpassen des HohlleiterQuerschnittes b (d.h. der Höhe) für den eigentlichen Plasma-Applikator (in welchem die Höhe zum Beispiel 8 mm beträgt) einen Hohlleiter-Standard (mit einer Höhe von 43,18 mm) mit einem reflexionsarmen kontinuierlichen Übergang über vielfache von halben Wellenlängen (typischerweise 1 bis 3 je nach angestrebter Qualität der Anpassung) in Ausbreitungsrichtung bei gegebener Hohlleiter-Breite a. Somit werden herkömmlich ‚Taper‘ verwendet, um die Standardhohlleiter-Höhe von etwa 43 mm auf die Höhe von etwa 8 mm eines typischen Plasma-Applikators anzupassen. Dies ist mit einem hohen Konstruktionsaufwand verbunden. Die größere Masse und das größere Volumen des herkömmlichen ‚Tapers‘ des Wellen-Applikators führt zu längeren Einschwingzeiten, weswegen eine Wartezeit bis zur Erreichung der spezifizierten
Leistungsstabilität relativ hoch ist.
Daher weist die Hohlleiter-Einkoppeleinheit (auch als Waveguide-Launcher bzw. als Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle bezeichnet) einen Hohlleiter mit verringerter Höhe auf, typischerweise etwa 8 mm, wobei die
Breite bei herkömmlichen z.B. etwa 86 mm bleiben kann.
In einer Ausführungsform wird die Mikrowellenstrahlung von der Antenne am Keramikring des Magnetrons in den Leiter eingekoppelt. Die Neugestaltung der Hohlleiter-Einkoppeleinheit in der erforderlichen reduzierten Hohlleiter-Höhe
erspart große Zusatzaufwände in Form von Komponenten wie Tapern in
15
20
25
30
35
A 5028 AT
- 22 Verbindung mit Standard-Launchern. Somit ist die Kompaktheit der Vorrichtung bzw. der Hohlleiter-Einkoppeleinheit erreicht. Ferner ist ein geringerer Anteil an Wandstromverlusten durch die kleinere gesamte den Mikrowellenraum umgebende metallische Hülle des Hohlleiters erreicht. Die Vorrichtung kann zum
Beispiel über einen Flansch mit einem Magnetron verbunden werden.
Die Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Welle kann mit einem Magnetron verwendet werden, dessen Antenne aus Keramikring und Metallkappe besteht als auch Ausführungen über 1,5 kW Leistung mit Antennenstab und Keramikkuppel. Eine bevorzugte Ausführungsform weist eine vollständige oder eine teilweise Füllung des Mikrowellenraumes mit Dielektrika abweichend von Luft auf.
Thermische Entkopplung bzw. Verminderung des Wärmeflusses vom PlasmaApplikator oder zur Hohlleiter-Einkoppeleinheit bzw. zur Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle bzw. zum Magnetron und dessen Magnetsystem kann durch die Reduktion der für die Wärmeleitung relevanten Querschnitte, abschnittsweise Werkstoffwechsel (Material mit deutlich schlechterer Wärmeleitfähigkeit) und/oder Wärmefallen, mit Luft oder Kunststoff gefüllt, bevorzugt auf der Flanschseite zum Magnetron durch passive Gestaltungsmaßnahmen erreicht werden. Eine Luft- und/oder Wasser-Kühlung können für das Magnetron vorgesehen sein, um Temperaturänderungen an den
Ferrit-Magneten zu reduzieren.
Zum Beispiel können die Lufträume unter dem Magnetron zwischen dem Magnetron und den Hohlleiter-Begrenzungswänden vorgesehen sein, diese können zum Beispiel in die Hohlleiter-Begrenzungswände eingefräst sein. In anderen Ausführungsformen kann eine Schnittstelle für Richtkoppler vorgesehen sein (für Messzwecke, Steuerung oder Regelung). Ferner kann der Hohlleiter zum Beispiel mit Flüssigkeitskühlung gekühlt werden, z.B. können in den HohlleiterBegrenzungswänden Kühlkanäle vorgesehen sein. Teile der HohlleiterBegrenzungswände und/oder der Antennen-Umgebungswände können auch Kühlrippen aufweisen, um einen Teil der Wärmeenergie an die Umgebungsluft
abzuführen.
15
20
25
30
35
A 5028 AT
- 23 Zur Erhöhung der Durchschlagsfestigkeit und damit der Möglichkeit einer weiteren Reduktion der Hohlleiter-Höhe b ist ein Einsatz isolierender Dielektrika im Hohlleiter möglich. Als Mikrowellen-Applikator kann weiters zum Beispiel ein Applikator zum Mikrowellen-Aufschluss, oder zur Mikrowellen-Synthese
vorgesehen sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbaren ein Wellenleiterkonzept zur Einkopplung und Überleitung von Mikrowellen-Strahlung eines Magnetrons in den Brennraum einer Plasma-Fackel. Anwendung findet das Wellenleiter-Konzept bzw. die Hohlleiter-Einkoppeleinheit bzw. die Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle in der optischen Emissionsspektrometrie mit Mikrowellen-induziertem Plasma MIP-OES im Bereich der Spurenanalytik. Mögliche Anwendungen sind Mikrowellen-AufschlussReaktoren, Mikrowellen-Synthese-Reaktoren.
Die Mikrowellen-Leistungseinführung in einen Plasmabrennraum einer Entladeröhre eines Mikrowellen-induzierten Plasma-Gerätes kann eine hohe Leistung aufweisen. Das Plasma kann mit hinreichend hoher Temperatur und Dichte erzeugt werden, um eine direkte Analyse von wässrigen Proben durchzuführen. Dabei kann eine Stelle mit ausreichend hoher MikrowellenFeldstärke innerhalb des Quarzglasrohres bzw. innerhalb des PlasmaErzeugungsbereiches oder innerhalb des zylindrischen Hohlleiters einen Mikrowellen-Plasmaerzeugungsbereich bilden. Übliche Plasmaentladeröhren, welche auch als Plasma-Fackeln bezeichnet werden, können eine kurze Baulänge zwischen den Gasanschlüssen für Kühlgas und Hilfsgas und dem eigentlichen Brennraum des Plasmas haben. Die Baulängen der Plasma-Fackeln können zum Beispiel 140 mm betragen. Die axiale Baulänge der Plasmafackel im Bereich des Plasmaerzeugungsbereichs kann in etwa zwischen 6 und 10 mm betragen. Um eine ausreichend hohe Feldstärke der Mikrowelle in dem MikrowellenPlasmaerzeugungsbereich zu konzentrieren, muss ein die Mikrowelle führender Hohlleiter in etwa diese Höhendimensionen aufweisen. Im Stand der Technik wurde diese Höhenreduktion durch Einführung sogenannter ‚Taper‘, d.h. keilförmiger bzw. kegelförmiger Hohlleiter, bewerkstelligt. Dies führt jedoch zu einer erhöhten Komplexität und Größe der Apparaturen.
24 / 36
15
20
25
30
35
A 5028 AT
-_ 24 -_ Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein HohlleiterAbschnitt mit veränderlicher Querschnittsfläche vermieden. Stattdessen wird ein einziger Hohlleiter (z.B. mit unveränderlicher Querschnittsfläche) mit reduzierter Höhe verwendet (z.B. 8 mm Höhe, z.B. 86 mm Breite) und die Mikrowellenleistung wird direkt in diesen Hohlleiter eingekoppelt. Die Neugestaltung der Hohlleiter-Einkoppeleinheit erspart daher unverhältnismäßig große Zusatzaufwände in Form von Komponenten wie Tapern und StandardLaunchern. Der vorgeschlagene Hohlleiter arbeitet sowohl mit Magnetronen, deren Antenne aus Keramik und Metallkappe besteht als auch mit Ausführungen
über 1,5 kW mit Antennenstab und Keramikkuppel.
Ein im Hohlleiter überstehendes Ende der Antenne kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Metallhülle (auch als Antennen-Umgebungswände genannt) umgeben werden. Die HohlleiterEinkoppeleinheit weist daher im oberen Bereich eine Öffnung zur Einkopplung der Magnetron-Antenne auf. Die Antenne ragt über den Hohlleiter hinaus und ist bevorzugt von einer zylindrischen Metallhülle umgeben. Die Metallhülle bildet mit der metallischen Antenne des Magnetrons bis zum Ende der Antenne im Querschnitt einen Koaxialleiter und somit sind Bedingungen gegeben, die eine Wellenausbreitung ermöglichen. Die Metallhülle kann bevorzugt zylindrisch sein, sie kann jedoch auch rechteckig ausgeführt sein. Der Innendurchmesser d und die Höhe H der Metallhülle können geeignet für den Einsatz von Magnetronen mit Keramikantenne ausgeführt sein. Damit ist eine Mindesthöhe H der Metallhülle durch die Antennenlänge L minus der Hohlleiter-Höhe b gegeben. Der Innendurchmesser d muss ausreichend groß sein, um die Antenne zu umgeben. Der Durchmesser der Antenne kann etwa 28 mm betragen und die Länge der Keramikantenne kann typischerweise 47 mm betragen.
Bei dem Einsatz von Magnetronen bis 1,5 kW können die Dimensionen der Antenne auch geringer ausfallen. Bevorzugt wird bei dieser Ausführungsvariante die Mikrowellen-Strahlung direkt am Keramikring des Magnetrons in den Launcher eingekoppelt. Die Metallhülle kann mit Mikrowellen-geeigneten Kunststoffen wie PTFE gefüllt oder ausgekleidet sein, um eine elektrische Durchschlagsfestigkeit zu erhöhen. Durch eine etwaig vorhandene Keramikkuppel auf einem Antennenstab kann eine Isolation verbessert werden, um somit
Überschläge zu verhindern. Wenn ein Metallkolben zur Veränderung der Größe
15
20
25
30
35
A 5028 AT
- 25 des durch die Antenne-Umgebungswände gebildeten Innenraums vorgesehen ist, kann eine Einstellung der Impedanz erreicht werden, um somit eine effektive
Auskopplung der Mikrowelle in den Hohlleiter zu erreichen.
Die Länge des Hohlleiters kann zum Beispiel einem Viertel bis einem Halben der Hohlleiter-Wellenlänge der Mikrowelle entsprechen. Typischerweise ist nach Durchlaufen dieser Strecke ein Grundmodus im Rechteck-Hohlleiter-Abschnitt ausgebildet. Bei einer Mikrowelle mit einer Frequenz von 2,45 GHz kann die Hohlleiter-Breite a = 86 mm und Hohlleiter-Höhe b = 8 mm betragen. Die Vorrichtung zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle kann die Mode des Generatorausgangs der Mikrowellenquelle in die Mode des Hohlleiters transformieren. Die Antennen-Umgebungswände können einstückig oder mehrstückig mit den Hohlleiter-Begrenzungswänden gebildet sein. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine HohlleiterEinkoppeleinheit bereit mit reduzierter Bauhöhe und mit einer Öffnung zur direkten Einkopplung der Mikrowellen-Leistung über einen Koppelstift/Antenne, die über den Hohlleiter hinausragt und zumindest teilweise von einer
zylindrischen Metallhülle umgeben ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass raumbezogene Begriffe, wie beispielsweise "vorne" und "hinten", "oben" und "unten", "links" und "rechts", etc. verwendet werden, um die Beziehung eines Elements zu einem anderen Element oder zu anderen Elementen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Demnach können die raumbezogenen Begriffe für Ausrichtungen gelten, welche
sich von den Ausrichtungen unterscheiden, die in den Figuren dargestellt sind.
Es wird angemerkt, dass der Begriff "aufweisen" nicht andere Elemente ausschließt und dass das "ein" nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche
beschränkend ausgelegt werden sollen.

Claims (20)

15 20 25 30 35 A 5028 AT - 26 - Patentansprüche
1. Vorrichtung (100, 200, 300) zum Führen einer elektromagnetischen Mikrowelle (101), aufweisend:
Antennen-Umgebungswände (103, 105, 107), die einen Innenraum (109) zumindest teilweise begrenzen, um darin zumindest einen Endbereich (111) einer Antenne (113) einer Mikrowellenquelle (147) zu umgeben;
Hohlleiter-Begrenzungswände (115, 117, 119), von denen zumindest zwei (115, 117) parallel zueinander angeordnet sind, wobei die HohlleiterBegrenzungswände einen, insbesondere quaderförmigen, Hohlleiter (121) mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt bilden, wobei eine Querschnittsebene (123) durch eine erste sich entlang einer Längsrichtung der Antenne erstreckende Richtung (125) und eine zweite sich senkrecht zu der ersten Richtung erstreckende Richtung (129) definiert ist,
wobei gilt: 25 > a/b > 3,
wobei a: eine Breite des Hohlleiters (121) entlang der zweiten Richtung (129) ist,
b: eine Höhe des Hohlleiters (121) entlang der ersten Richtung (125) ist, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, eine Mikrowelle (101) von dem Innenraum (109) der Antennen- Umgebungswände (103, 105, 107) in den Hohlleiter (121)
hinein fortschreiten zu lassen.
2. Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die AntennenUmgebungswände (103, 105, 107) den Endbereich (111) der Antenne (113) seitlich ringförmig sowie stirnseitig umgeben.
3. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei eine Länge (L) der Antenne (113) größer ist als die Höhe (b) des Hohlleiters (121),
wobei insbesondere die Höhe (b) des Hohlleiters (121) entlang einer Länge des Hohlleiters (121) senkrecht zu der Querschnittsebene (123) im Wesentlichen konstant ist, und/oder
wobei insbesondere eine Querschnittsform und -größe des Hohlleiters (121) entlang einer Länge des Hohlleiters senkrecht zu der Querschnittsebene
(123) im Wesentlichen konstant ist.
15
20
25
30
35
A 5028 AT - 27 -
4. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die zwei parallel zueinander angeordneten HohlleiterBegrenzungswände senkrecht zu der ersten Richtung (125) ausgerichtet sind und entlang der ersten Richtung (125) beabstandet angeordnet sind,
wobei sich die Antenne von einem Basisbereich (133) zu dem Endbereich (111) erstreckt und
wobei eine erste (115) der zwei parallel zueinander angeordneten Hohlleiter-Begrenzungswände bei dem Basisbereich (133) ausgeht,
wobei eine zweite (117) der zwei parallel zueinander angeordneten Hohlleiter-Begrenzungswände zwischen dem Basisbereich (133) und dem Endbereich (111) der Antenne (113) ausgeht.
5. Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch,
wobei die zwei parallelen Hohlleiter-Begrenzungswände (415, 417) zumindest teilweise durch zumindest eine abgerundete HohlleiterBegrenzungswand (416) verbunden sind und/oder
wobei eine dritte und eine vierte Hohlleiter-Begrenzungswand der Hohlleiter-Begrenzungswände parallel zueinander angeordnet sind, senkrecht auf der ersten (115) und der zweiten (117) der Hohlleiter-Begrenzungswand orientiert sind und die erste Hohlleiter-Begrenzungswand (115) mit der zweiten Hohlleiter-Begrenzungswand (117) verbinden.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei sich die Hohlleiter-Begrenzungswände (115, 117) zu einer ersten (135) und einer zweiten Seite (137) der Antenne hin senkrecht zur ersten Richtung (125) erstrecken, um einen ersten Teil (139) und einen zweiten Teil (141) des Hohlleiters (121) zu bilden,
wobei auf der zweiten Seite (137) ein Abschlusswandteil (119), insbesondere senkrecht zur ersten und zweiten Hohlleiter-Begrenzungswand orientiert, vorgesehen ist, um den zweiten Teil (141) des Hohlleiters
abzuschließen.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei gilt: 22 > a/b > 5, und/oder
wobei die Breite (a) des Hohlleiters zwischen 70 mm und 110 mm, insbesondere zwischen 80 mm und 110 mm beträgt, und/oder
15
20
25
30
35
A 5028 AT - 28 wobei die Höhe (b) des Hohlleiters zwischen 5 mm und 15 mm, insbesondere zwischen 5 mm und 12 mm beträgt, und/oder wobei eine Länge des Hohlleiters (121) senkrecht zu der Querschnittsebene mindestens einem Viertel bis einem Halben der Wellenlänge der Mikrowelle (101) in dem Hohlleiter (121) beträgt.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei zumindest ein Teil der Antennen-Umgebungswände (103, 105, 107) mit zumindest einem Teil der Hohlleiter-Begrenzungswände (117) verbunden ist, und/oder
wobei die Antennen-Umgebungswände eine einen zylinderförmigen Abschnitt und/oder ebene Abschnitte aufweisende Mantelflächenwand (103, 107; 403) und eine Stirnwand (105) aufweisen, die verbunden sind, und/oder
wobei die Antennen-Umgebungswände (103, 107, 105) zusammen mit der
Antenne insbesondere als Koaxialleiter wirken.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei der von den Antennen-Umgebungswänden (103, 105, 107) begrenzte Innenraum (109) zumindest teilweise mit Durchschlagsfestigkeit erhöhendem Material, insbesondere Kunststoff, angefüllt ist, insbesondere als
innere Auskleidung an den Antennen-Umgebungswänden.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend:
einen Metallkolben (373), welcher entlang der ersten Richtung (325) in dem von den Antennen-Umgebungswänden (303, 307) begrenzte Innenraum (309) verschiebbar ist.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Antenne (113) einen Radius (ra) von 8 mm bis 28 mm, insbesondere zwischen 8 mm und 16 mm hat, und/oder
wobei die Antenne eine Länge (L) von 30 mm bis 60 mm, insbesondere zwischen 40 mm und 50 mm hat, und/oder
wobei die Antenne (113) im Wesentlichen Zylindersymmetrie aufweist, deren Symmetrieachse (127) mit der der zylinderförmige Mantelflächenwand (103, 107) zusammenfällt.
15
20
25
30
35
A 5028 AT - 29
12. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antenne (113) einen elektrischen Leiter (143) und ein Dielektrikum aufweist, das den Leiter zumindest teilweise umgibt.
13. Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei der elektrische Leiter als Antennenstab (143) ausgebildet ist, und wobei das Keramikmaterial (145) kuppelförmig den Antennenstab einschließlich
eines Antennenstabendes umschließt.
14. Vorrichtung gemäß einem der zwei vorangehenden Ansprüche,
wobei der elektrische Leiter als Antennenstab (243) ausgebildet ist, und wobei das Keramikmaterial (269) ringförmig den Antennenstab in einem Basisbereich (233) umschließt, wobei ferner eine Metallkappe (271) vorgesehen ist, die in einem Endbereich (211) des Antennenstabes auf den Antennenstab
aufgesetzt ist.
15. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei der Hohlleiter (121) ausgebildet ist, eine TE-Mode, insbesondere TE10-Mode von Mikrowellen zu führen und/oder
wobei eine Summe einer Höhe (H) der Mantelflächenwand und der Höhe (b) des Hohlleiters größer ist als eine Länge (L) der Antenne.
16. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antennen-Umgebungswände und/oder die Hohlleiter-Begrenzungswände zumindest teilweise eines der Folgenden aufweisen: Aluminium; Messing;
Edelstahl, Kupfer, Silber, oder Legierungen der vorgenannten.
17. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: eine Mikrowellenquelle (147), insbesondere Magnetron, mit der Antenne (113), die von den Antennen-Umgebungswänden (103, 105, 107) zumindest in einem Endbereich der Antenne umgeben ist, und einem Gehäuse (149), wobei zumindest eine der Hohlleiter-Begrenzungswände, insbesondere die erste Hohlleiter-Begrenzungswand (115), zumindest teilweise an dem Gehäuse (149) der Mikrowellenquelle angebracht ist.
18. Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Anspruch,
15
20
25
30
35
A 5028 AT - 30 wobei zumindest eine Maßnahme zur Reduktion einer Wärmeübertragung
zwischen der Mikrowellenquelle und den Antennen-Umgebungswänden und/oder den Hohlleiter-Begrenzungswänden vorgesehen ist, insbesondere zumindest eines der Folgenden umfassend:
Wärmefalle;
Isolationsmaterial;
Kühlung.
19. Vorrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend: einen durch mindestens eine Zylinderwand (151), insbesondere durch zwei teilweise ineinander angeordnete Zylinderwände, gebildeten zylindrischen koaxialen Hohlleiter (153), der mit dem im Wesentlichen rechteckig-querschnittigen Hohlleiter (121), insbesondere ersten Teil (139) des Hohlleiters, derart verbunden ist, um eine Modustransformation der aus dem im Wesentlichen rechteckig-querschnittigen Hohlleiter (121) in den zylindrischen koaxialen Hohlleiter (153) eingeführten Mikrowelle zu bewirken, wobei durch die in dem zylindrischen Wellenleiter geführte Mikrowelle in einem Plasmaerzeugungsbereich (157) eine Plasmafackel durch Ionisation eines Gases (167) gebildet werden kann.
20. Verfahren eines Führens einer elektromagnetischen Mikrowelle (101), aufweisend:
Erlauben eines Fortschreitens einer Mikrowelle (101) von einem Innenraum (109) in einen Hohlleiter (121) hinein,
wobei Antennen-Umgebungswände (103, 105, 107) den Innenraum (109) begrenzen, um darin zumindest einen Endbereich (111) einer Antenne (113) einer Mikrowellenquelle (147), insbesondere seitlich ringförmig sowie stirnseitig, zu umgeben;
wobei Hohlleiter-Begrenzungswände (115, 117, 119), von denen zumindest zwei (115, 117) parallel zueinander angeordnet sind, den Hohlleiter (121) mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt bilden, wobei eine Querschnittsebene (123) durch eine erste sich entlang einer Längsrichtung der Antenne erstreckende Richtung (125) und eine zweite sich senkrecht zu der ersten Richtung erstreckende Richtung (129) definiert ist,
wobei gilt: 25 > a/b > 3,
wobei a: eine Breite des Hohlleiters (121) entlang der zweiten Richtung (129) ist, b: eine Höhe des Hohlleiters (121) entlang der ersten Richtung (125) ist.
ATA50453/2020A 2020-05-22 2020-05-22 Hohlleiter-Einkoppeleinheit AT523626B1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA50453/2020A AT523626B1 (de) 2020-05-22 2020-05-22 Hohlleiter-Einkoppeleinheit
DE102021111188.9A DE102021111188A1 (de) 2020-05-22 2021-04-30 Hohlleiter-Einkoppeleinheit
US17/323,973 US11602040B2 (en) 2020-05-22 2021-05-18 Waveguide injecting unit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ATA50453/2020A AT523626B1 (de) 2020-05-22 2020-05-22 Hohlleiter-Einkoppeleinheit

Publications (2)

Publication Number Publication Date
AT523626A4 true AT523626A4 (de) 2021-10-15
AT523626B1 AT523626B1 (de) 2021-10-15

Family

ID=78049000

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ATA50453/2020A AT523626B1 (de) 2020-05-22 2020-05-22 Hohlleiter-Einkoppeleinheit

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11602040B2 (de)
AT (1) AT523626B1 (de)
DE (1) DE102021111188A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210368611A1 (en) * 2020-05-22 2021-11-25 Anton Paar Gmbh Waveguide injecting unit

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115061235B (zh) * 2022-06-28 2023-08-25 南通先进通信技术研究院有限公司 一种适用于光通信和毫米波通信的InP基绝热导波系统

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19982291C2 (de) * 1998-10-23 2003-11-27 Mitsubishi Heavy Ind Co Mikrowellen-Plasmagenerator und Verfahren zur Zersetzung von organischen Halogeniden
WO2008151335A1 (de) * 2007-06-13 2008-12-18 Ulrich Traxlmayr Vorrichtung zur erzeugung von plasma oder radikalen mittels mikrowellen
WO2011058921A1 (ja) * 2009-11-12 2011-05-19 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理装置およびマイクロ波伝播体
US20130020939A1 (en) * 2011-07-22 2013-01-24 Ik Nyeon Kim C atmospheric plasma equipment and waveguide for the same

Family Cites Families (45)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02215038A (ja) * 1989-02-15 1990-08-28 Hitachi Ltd マイクロ波プラズマ極微量元素分析装置
JP2922223B2 (ja) * 1989-09-08 1999-07-19 株式会社日立製作所 マイクロ波プラズマ発生装置
JPH05251038A (ja) * 1992-03-04 1993-09-28 Hitachi Ltd プラズマイオン質量分析装置
JPH07169590A (ja) * 1993-09-16 1995-07-04 Fujitsu Ltd 電子密度の測定方法及びその装置及び電子密度の制御装置及びプラズマ処理装置
US5565118A (en) * 1994-04-04 1996-10-15 Asquith; Joseph G. Self starting plasma plume igniter for aircraft jet engine
US5625259A (en) * 1995-02-16 1997-04-29 Applied Science And Technology, Inc. Microwave plasma applicator with a helical fluid cooling channel surrounding a microwave transparent discharge tube
JP3225855B2 (ja) * 1996-06-06 2001-11-05 株式会社島津製作所 薄膜形成装置
JPH10241625A (ja) * 1997-02-24 1998-09-11 Hitachi Ltd プラズマイオン源質量分析装置及び方法
US6057645A (en) * 1997-12-31 2000-05-02 Eaton Corporation Plasma discharge device with dynamic tuning by a movable microwave trap
AU741947B2 (en) * 1999-04-12 2001-12-13 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Organic halogen compound decomposing device and operation control method therefor, and organic halogen compound decomposing method
US6401653B1 (en) * 2000-04-18 2002-06-11 Daihen Corporation Microwave plasma generator
US7609731B2 (en) * 2001-01-30 2009-10-27 Board Of Trustees Operating Michigan State University Laser system using ultra-short laser pulses
US6836060B2 (en) * 2001-03-26 2004-12-28 Agilent Technologies, Inc. Air cooled gas discharge detector
US6620394B2 (en) 2001-06-15 2003-09-16 Han Sup Uhm Emission control for perfluorocompound gases by microwave plasma torch
AUPS044202A0 (en) * 2002-02-11 2002-03-07 Varian Australia Pty Ltd Microwave plasma source
US20050163696A1 (en) 2004-01-28 2005-07-28 Uhm Han S. Synthesis of carbon nanotubes by making use of microwave plasma torch
US7005635B2 (en) * 2004-02-05 2006-02-28 Metara, Inc. Nebulizer with plasma source
US20070007257A1 (en) 2005-07-05 2007-01-11 Uhm Han S Microwave plasma burner
US7619178B2 (en) * 2006-02-06 2009-11-17 Peschel William P Directly connected magnetron powered self starting plasma plume igniter
EP2115447A4 (de) * 2007-02-05 2012-08-08 Excellims Corp Verfahren und vorrichtung für ein ionenmobilitätsspektrometer
US8003935B2 (en) * 2007-10-10 2011-08-23 Mks Instruments, Inc. Chemical ionization reaction or proton transfer reaction mass spectrometry with a quadrupole mass spectrometer
US8003936B2 (en) * 2007-10-10 2011-08-23 Mks Instruments, Inc. Chemical ionization reaction or proton transfer reaction mass spectrometry with a time-of-flight mass spectrometer
US8334505B2 (en) * 2007-10-10 2012-12-18 Mks Instruments, Inc. Chemical ionization reaction or proton transfer reaction mass spectrometry
PT2211916E (pt) * 2007-11-06 2016-01-11 Creo Medical Ltd Sistema de esterilização por plasma de micro-ondas e respetivos aplicadores
EP2420113A4 (de) * 2009-04-14 2014-04-02 Rf Thummim Technologies Inc Verfahren und vorrichtung zur erregung von resonanzen in molekülen
JP5710209B2 (ja) * 2010-01-18 2015-04-30 東京エレクトロン株式会社 電磁波給電機構およびマイクロ波導入機構
CA2830480A1 (en) * 2010-03-17 2011-09-22 Rf Thummim Technologies, Inc. Method and apparatus for electromagnetically producing a disturbance in a medium with simultaneous resonance of acoustic waves created by the disturbance
CN101852444B (zh) 2010-05-26 2012-06-13 白野 一种微波等离子体点燃器
JP2012089334A (ja) * 2010-10-19 2012-05-10 Tokyo Electron Ltd マイクロ波プラズマ源およびプラズマ処理装置
US9129778B2 (en) * 2011-03-18 2015-09-08 Lam Research Corporation Fluid distribution members and/or assemblies
JP5368514B2 (ja) * 2011-06-30 2013-12-18 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理装置
JP6010406B2 (ja) * 2012-01-27 2016-10-19 東京エレクトロン株式会社 マイクロ波放射機構、マイクロ波プラズマ源および表面波プラズマ処理装置
US9259798B2 (en) * 2012-07-13 2016-02-16 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Torches and methods of using them
JP2014049667A (ja) * 2012-09-03 2014-03-17 Tokyo Electron Ltd プラズマ処理装置及びこれを備えた基板処理装置
JP6060016B2 (ja) * 2013-03-28 2017-01-11 ブラザー工業株式会社 成膜装置、成膜方法及び成膜プログラム
KR101475822B1 (ko) 2014-03-19 2014-12-23 한국기초과학지원연구원 전자파 플라즈마 토치
US10601125B2 (en) * 2014-07-23 2020-03-24 Georgia Tech Research Corporation Electrically short antennas with enhanced radiation resistance
CN107926107B (zh) * 2015-07-31 2020-07-03 安捷伦科技有限公司 微波等离子体产生室
PL235377B1 (pl) * 2016-04-05 2020-07-13 Edward Reszke Adapter kształtujący mikrofalowe pole elektromagnetyczne nagrzewające toroidalne wyładowanie plazmowe
US9987611B1 (en) * 2017-08-08 2018-06-05 H Quest Vanguard, Inc. Non-thermal plasma conversion of hydrocarbons
US20190186438A1 (en) * 2017-12-20 2019-06-20 Plasma Igniter, LLC Electromagnetic Wave Modification of Fuel in a Power-generation Turbine
US20190186369A1 (en) * 2017-12-20 2019-06-20 Plasma Igniter, LLC Jet Engine with Plasma-assisted Combustion
US20190186437A1 (en) * 2017-12-20 2019-06-20 Plasma Igniter, LLC Electromagnetic Wave Modification of Fuel in a Jet Engine
JP7175238B2 (ja) * 2019-05-13 2022-11-18 東京エレクトロン株式会社 電界センサ、表面波プラズマ源、および表面波プラズマ処理装置
AT523626B1 (de) * 2020-05-22 2021-10-15 Anton Paar Gmbh Hohlleiter-Einkoppeleinheit

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19982291C2 (de) * 1998-10-23 2003-11-27 Mitsubishi Heavy Ind Co Mikrowellen-Plasmagenerator und Verfahren zur Zersetzung von organischen Halogeniden
WO2008151335A1 (de) * 2007-06-13 2008-12-18 Ulrich Traxlmayr Vorrichtung zur erzeugung von plasma oder radikalen mittels mikrowellen
WO2011058921A1 (ja) * 2009-11-12 2011-05-19 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理装置およびマイクロ波伝播体
US20130020939A1 (en) * 2011-07-22 2013-01-24 Ik Nyeon Kim C atmospheric plasma equipment and waveguide for the same

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210368611A1 (en) * 2020-05-22 2021-11-25 Anton Paar Gmbh Waveguide injecting unit
US11602040B2 (en) * 2020-05-22 2023-03-07 Anton Paar Gmbh Waveguide injecting unit

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021111188A1 (de) 2021-11-25
US20210368611A1 (en) 2021-11-25
US11602040B2 (en) 2023-03-07
AT523626B1 (de) 2021-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3905303C2 (de) Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas durch Mikrowellen
DE3915477C2 (de) Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit Mikrowellen
DE19814812C2 (de) Plasmabrenner mit einem Mikrowellensender
DE2548220C2 (de)
DE4136297A1 (de) Vorrichtung zur lokalen erzeugung eines plasmas in einer behandlungskammer mittels mikrowellenanregung
EP0261338B1 (de) Induktiv angeregte Ionenquelle
AU2014240387B2 (en) Microwave plasma spectrometer using dielectric resonator
DE60220952T2 (de) Mikrowellenplasmaquelle
DE4004560A1 (de) Mikrowelleninduzierte plasmaquellen
DE4028525A1 (de) Mikrowellen-plasmaquellenvorrichtung
AT523626B1 (de) Hohlleiter-Einkoppeleinheit
EP3329748B1 (de) Kammern zur mikrowellenplasmaerzeugung und verfahren dazu
WO2018224097A1 (de) Vorrichtung zum erzeugen eines plasmastrahls im mhz- und ghz-bereich mit tem- und hohlleitermoden
EP1063678A2 (de) Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas in einer Kammer durch Mikrowellenanregung
EP0780881A2 (de) Elektrodenlose Entladungslampe
EP3449699B1 (de) Verfahren zur verwendung eines ein elektromagnetisches mikrowellenfeld bildenden adapters, welcher eine ringplasmaentladung erhitzt
DE10341239B4 (de) ECR-Plasmaquelle mit linearer Plasmaaustrittsöffnung
DE3923277C2 (de)
EP0363457A1 (de) Elektromagnet für ein atomabsorptions-spektrometer.
DE3016326A1 (de) Anordnung zur erzeugung einer durch mikrowellen angeregten plasmafackel fuer die licht-emissionsspektrometrie
DE102024102777A1 (de) Mikrowellen-plasmabrenner hoher thermischer leistung
WO2025157921A1 (de) Vorrichtung zum erzeugen eines abgekoppelten mikrowellenplasmas
Frasch et al. Electromagnetic plasma models for microwave plasma cavity reactors