JPH0429039A - 誘導結合プラズマ原子分光分析用出力制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【技術分野］ この発明はプラズマ原子発光分析、更に詳しくはプラズ
マ原子発光分析の電力制御回路に関する。 【発明の背景と課題１ 誘導結合プラズマ原子発光分析（ＩＣＯ−ＡＥＳ）は液
体試料中の多量、少量ならびに痕跡程度存在する構成成
分元素に対する分析技術である。 この技術は高周波（ＲＦ）エネルギーを利用して誘導加
熱されたプラズマの放射発生に基礎をおく。 液体試料はネプライザ（噴霧器、噴射器）を利用してエ
アロゾルに変換された後プラズマ中に噴射される。試料
がプラズマに入ると、融解、発揮、霧化１．’１ｉｊＪ
　ｆａが起り最後には試料中の元素の種類によって異る
が特定の波長をもったホトン（光子）を放射する、この
特定波長の発生は試料中の元素の１度を固定でき、その
一方でこの波長そのもので存在する元素の種類が決定で
きる。 プラズマは基本的にアルゴンカスで支持されているが他
種のガスであってもさしつかえなく用いうる。プラズマ
を維持する上で最も一般的に用いられる周波数は２７．
１２ＭＨｚであるが、最近では、４０．６８ＭＨ２など
他の周波数を含めて用いられている。 今日、かかる分光分析用にプラズマトーチを励磁するた
めに用いられている装置には、単一周波数励磁システム
があり、この装置は、ある種の試料に対してはかなり良
く作動するか、各種の試料に対して適正なプラズマ励磁
を得ようとするとその融通性に難がある。従って、例え
ば、ナトリウム、リチウムそしてカリウムなどのアルカ
リ元素は、６．０００〜８．０００°にのプラズマ温度
を提供して、２７．１２ＭＨｚの周波数で充分に励磁で
きるのだが、アルミニウム、タングステン、モリブデン
そして鉄などの金属は、　６．０００〜１０．０００″
にの範囲のプラズマ温度を提供する励磁周波数が４０．
６８ＭＨｚをもつより高温のプラズマで、更に良好な励
磁をすることができる。二重周波数システムもまた、水
とか有機溶剤など各種の溶剤に溶けた試料について分析
が応用自在に行える。かかる分析装置に適用可能な周波
数はＦＣＣ規則の制約をうける、しかし励磁周波数に関
する実験に対しては大部分の融通性はある。過去におい
て、商業的に利用できる機器５例えば、Ｈｅｎｒｙ　Ｒ
ａｄｉｏ社によって製造されたもので、型式番号がＨｅ
ｎｒｙ−２０００−Ｄ−４０があるが、これは単一励磁
周波数を提供している。これまでに提供された多重周波
数操作のいくつかは、タンク回路構成成分を物理的に変
えるものであり、このものは、時間がかかり、高価であ
り、励磁の出力に関しては若干むづかしく、また、多重
周波数のために、プラズマが残留しているプラズマ用の
誘導コイルの中に電力制御回路が入っている。 このように、異った種類の元素と異った溶剤に対して適
正なプラズマ励磁をするために二重周波数特性を具備し
た単一機器を提供することは、これまで極めて困難であ
った。 【発明の概要】 この発明のシステムは各種試料に対して適切な操作周波
数を利用して使用者があらゆる電源条件を適正化して用
いることが可能な多重周波数システムを提供するこζ１
：によって先行技術のもつ問題点を解決するものである
。 この発明の好適実施態様においては、プラズマ発生装置
の構成要素を物理的に変えたすせずに、二重周波数シス
テムを提供する。この発明の好適実施態様においては、
このシステムはこの揚げた目標を達成するのにドライバ
ー組立を提供しているのであって、このものは信号を一
対の独立した電力増幅器に適用しているスプリッター組
立に連結されており、この電力増幅器はその出方がコン
バイナー組立に、従って順次誘導負荷を有するトーチボ
ックスに適用されている。点火検出組立は信号をシステ
ム・マイクロプロセッサ−に送っており、順次インピー
ダンス整合装置を適正化し点火用に最大負荷コイル電流
を流す。前進ならびに反転電力を監視し誘導負荷に対す
る励磁周波数信号の適正連結を保証している。 従って、かかるシステム↓こより、多重周波数操業が可
能となり、その一方で、選定した周波数におけるプラズ
マの制御が入念に維持される。 ■発明の構成・効果】 初めに第１図を参照すると、このシステム用の電力は、
電力制御システムからのＲＦ（高周波）エネルギーが２
３０ボルト線路に入るのを阻止するＲＦＩ（無線周波妨
害）フィルタ１２を用い、主電力開閉器１４に連結され
た、２３０ボルト交流線路１０により供給される。交流
電圧は低電圧源１６と高電圧源１８とに供給され、これ
ら両電圧源はブロック図に示すバス線路のような各種電
気導管によって関連の回路構成部品に連結され。 しかも図示のような端子板とコネクターを利用して在来
のやり方で連結される。低電圧源は電気回路に対して、
＋５ＶＤＣ１ｆ１５ＶＤｃ及び＋２４ＤＣを供給し、一
方高電圧源は、２５〜５゜ＶＤＣの電流を、ＲＦ励振が
励起された場合にだけ励振回路と電力増幅器に供給する
。２３０ボルトＡＣ電力は、また、第２図に示すように
、２３０　ＶＡＣ電力を発電機の熱交換器と冷却ファン
に与えるのを制御しているリレー（継電器）１１を設け
て成る図に示すようにリレー１１．１３．１５及び１７
に連結されている。リレー１３は第２図に示すガスバー
ナ入れ（Ｔｏｒｃｈ　６０Ｘ）への２３０ｖ電力の供給
を制御するのに用いる。 一方、リレー１５と１７とは、このシステムの何れかの
インターロックが破られ、あるいは冷却水の流れが不充
分であることが検出された場合、このシステムを作動不
能状態とするためにインターロック回路に連結する。リ
レー１３によりトーチボックスに与えられた電力は、Ｒ
Ｆフィルターによってろ過され、一方リレー１１からの
熱交換器への電力はＲＦＩフィルター２１によりろ過さ
れる。冷却ファン２３は、また電力システムが中に装着
されているキャビネット（庫）を冷却するためにリレー
１１に連結される。 低電圧源（１６）は低電圧を個々の回路に分配する電力
分配回路２２に連結される。また回路２２はこのシステ
ム内の全てのＤＣ電流の接地標準として作用する。個々
の回路に対する電力供給連結器は図面の明示のために除
いであるが図示のバスの系統連系を利用して在来のやり
方で設けられている。 この制御システムの心臓部は、８０８８ＣＰＵ（中央演
算装置）３０であって、このものはＲＯＭ（読取り専用
記憶装置）／逐次プログラム記憶装置、ならびにインタ
ーフェース回路３２に相互連結されこのインターフェー
ス回路３２は順に４線路式計数型表示回路３４に連結さ
れる。２つの入出力ポートカード３６．３８のそれぞれ
は、出力信号を制御するための１６本の計数出力線路と
、監視信号用の１６本の計数出力線路を具備する。 デジタルからアナログへの変換器４０はアナログ情報の
１２以下の出力チャンネルを有し、一方アナログからデ
ジタルへの変換器の一対、４２と４４とのそれぞれは１
６の入力チャンネルを具備する。３２〜４４の各回路は
マイクロプロセッサ３ｏに連結され、以下に述へる各種
の回路部品からの制御用出力信号ならびにデータ入力信
号を提供する。 第１図の電力制御回路は、複数の異る周波数信号の内の
１つをスプリンタ−回路６０に提供する励振器組立を有
し、このスプリンタ−回ｇ６ｏは入力信号を、電力増幅
器７ｏと８０とに与える２つの等しい振幅をもった出方
信号に分割し、これらの電力増幅器７０と８０とはそれ
らの出方信号を別々にコンバイナー回路９ｏに適用し検
出器組立１００を介して系統連系ＪＪを通りトーチボッ
クスに適用する。電力制御回路１１０は、電力制御回路
の説明に関連して以下に更に詳細に述べるように、トー
チ誘導コイル２００　（第２図）に適用されたＲＦ倍信
号制御するために検出器組立１００ならびに励振器組立
５ｏに連結される。第２図に示されている分光器にはト
ーチ１２０が含まれ、このトーチ１２０は商業的に用い
ることが可能でありまた＊＊的に、プラズマを制御しま
た自身でプラズマを含むのに用いられる同軸石英管の複
合体を有している。噴霧器（ｎｅｂｕｌｉｚｅｒ）１２
２及び噴射室１２４を介してプラズマ中に試料を噴射す
るためにこのトーチは用いられる。試料は制御モータ１
２７により駆動される螺動ポンプ１２６により噴霧器内
に噴射される。モータ１２７は、第１図の制御回路に、
そして特にインターフェイス回路３３〜４４に対して相
互連結導線により示されるように連結されたトーチボッ
クスインターフェイス回路１２９に連結された分配盤を
介して制御される。 トーチ１２０内でプラズマを発生しこれを保持するよう
にＲＦエネルギーを提供する負荷コイル２００と、回路
内で連結する負荷コンデンサー１３０があり、このもの
は、モータ同調された１Ｏ−３００ＰＦ１０．０ＯＯＶ
（７）真空ｍ１．／デンサーであって、コンデンサーの
位置がインターフェイス１２９ならびに分配盤１２８を
介してコンピューターに供給されるように連結された位
置感知抵抗器１３４をもっモータ１３２によりｉ整され
る。コンデンサー１３０は、第１図及び第２図の回路に
相互連結する伝送回路のインピーダンス特性を同調して
エネルギーの最大限の伝送のための負荷コイルインピー
ダンスとする。同調コンデンサー１３４は直列にＲＦ供
給導線１３３及びコイル２００と連結され、そしてモー
タ調整による１０〜３００ＰＦ１５．０ＯＯＶ真空コン
デンサであった位置感知抵抗器１３６に連結されたモー
タ１３５により駆動される。コンデンサー１３４は、第
２図の１２１で略示するプラズマに移送された電力を最
大化するために、第１図の電力回路を介して適用されて
いるＲＦ周波数をもつ負荷コイル２００と共振するよう
に選択的に廃動される。 第２図に示すトーチ制御装置には、また第２図に示すよ
うな各種の２次的制御器や監視用検出器やスイッチや表
示器があるが、これらの機能については詳細説明を加え
ずとも図から容易に明らかであり、この明細書中の特許
請求の範囲にとっても周辺の事項である。結果的に言っ
て、これらについては明確には説明されない。このシス
テムは、図示してないキャビネット３００を有しこのも
のは光学路１４０を有しプラズマ１２１に対する分光計
１５０の光学的連結を許している。負荷コイル組立３０
０は、プラズマの異る部分を見るために、以下に説明す
るような調整機構３１０により。 第２図の矢印ＡとＢで見られるように光学的軸線に対し
て垂直である２本の軸線に沿って動かされる。全体に及
ぶシステムの構成部品についてこれまで説明を簡単にし
たが、このシステム全体に及ぶ主要電気回路の詳細説明
を以下に展開しよう。 複合周波数制御システムの心臓部はドライバー回路５０
であり、このものは好適実施態様ではプラズマ活性化用
に２つの異った周波数を提供する。 他の実施態様では、他の異った周波数が用いられるかあ
るいは２種類以上の周波数が供給できる。 ドライバー組立には、好適実施態様においては、２７．
１２ＭＨｚの水晶安定化周波数をもつ水晶制御発振器５
１から成る第１周波数源と、そして、４０．６８ＭＨｚ
の水晶安定化周波数をもつ第２水晶制御発振器５２を包
有している。二九らの発振器は、これら２つの操作周波
数を決めるために在来の水晶制御発振器でよく、シかも
それぞれの発振器は、大体１ミリワット出力信号を提供
し、この出力信号は、所定の試料に対してこれら２つの
周波数の内の何れかを周波数選定スイッチ５３が選ぶか
という場合に、第１図に示されている制御器の作動に呼
応してコンピュータ制御器を介して操作員が選定できる
。 選定された周波数は、信号を大体１ワツト水準まで増幅
する励磁増幅器５４の入力に適用される。 励磁増幅器５４からの出力信号は、プラズマ負荷変動な
らびにこのシステム内の他の利得の変動に対する補償を
するために増幅器の利得を変えるために、制御入力端子
５７をもつ可変利得プレドライバー増幅器５６に適用さ
れる。プレドライバー増幅器用の標準的出力電力は、第
３図に関連して２次に詳細説明するように操作する電力
制御回路１１０から来るプレドライバー増幅器の利得を
調節するための入力信号を伴って大体３ワツトである。 プレドライバー増幅器５６からの出力信号はドライバー
増幅器５８に適用され、この増幅器は。 大体１２０ワツトまで周波数を活性化する選定されたプ
ラズマの電力を増加する電力増幅器である。 このドライバー増幅器は、出力変圧器同調コンデンサー
と小形直列インダクターとの組込みを介し高調波抑制を
含んでおり、２７．１２ＭＨｚ信号の第２高調波は所望
の信等から３０ｄＢ以下にまで減ぜられる。増幅器５４
〜５８を含むドライバー組立は疑似発振に対して増幅器
を安定化するために適当な抵抗帰還を含んでいる。用い
られた負の帰還は、所望の周波数において最大の利得を
提供するために、そして他の周波数では優れた安定性を
提供するために帯域消去フィルターの使用を介して操作
周波数に減じられる。ドライバー組立５０からの合成励
磁信号は同軸ケーブル５９を用いてスプリッター回路６
０の入力に適用される。 スプリッター回［６０に適用されたドライバー５８から
の励磁信号は、電力増幅器７０及び８０に適用するため
に、２つの同相同振幅信号に分割される。プラズマ自体
の特性により負荷が変る限り、１個もしくは他の電力増
幅器による電力ホッギングを減するように増幅器の出力
が緊密に合致していることを保証するために同相である
ということが重要である。かくして、スプリッター回路
は、増幅器７０と８０との入力と同相同振幅な出力信号
であることを保証するように設計される。 このスプリッター回路は、端子６１及び６３におけるＲ
Ｆ信号出力は互いに他と同相であることを保証するよう
に設計された変圧器型スプリッタ−回路である。 スプリッター回路６０からの２つの出力信号は。 各増幅器用に１０７２ワツトの電力８力水準を提供する
ように電力増幅器７０と８０によって増幅される。回路
７０と８０との各回路は固体素子と過負荷に対する熱防
御回路を含む。これらの回路は高調波をも最小化するた
めにプッシュプル増幅器を利用する。同一周波数で同一
位相をもつ１０７２ワツトの出力信号は、２つの入力信
号を。 第２図の負荷コイル２００に適用される２０００ワット
出力信号の中に結合するコンバイナー回路９０の入力端
子９１と９３に適用される。このコンバイナー回路９０
には所望の担体周波数よりも４０ｄＢより少ない値だけ
下廻った値となるように信号に残っている高調波エネル
ギーを抑止するのに必要なフィルター回路を含む。プッ
シュプル電力増幅器７０と８０に用いられるトタンシス
ター電力増幅器のトランジスタ特性を介して、信号の調
和量は、４５ｄＢより少い値だけ１００ＭＨｚより多い
値であり、そしてフィルターは、従ってｌｏＯＭＨｚの
周波数に対して必要となる。 コンバイナーにおいては、しかし高調波ろ過は基本的に
低域フィルターを用いて実施され、そのような高出力用
途において生ずる電流と電圧の水準は高めとし、維持す
るために極端に高価な部品を必要とする。低帯フィルタ
ーの損失は、また増輻機７０及び８０からの余分な電力
を必要とする。 結果として、一対の直列トラップが、コンバイナー回路
の変圧器の結合された出力巻線とその出力端子との間に
挿入される。トラップの１つは５４．２４ＭＨｚに同調
されこの周波数は信号を励磁する２７ＭＨｚの第２の高
調波であり、この第２高調波は８１．３６ＭＨｚに同調
され、この周波数は励磁信号の第３の高調波であり、ま
たこの周波数は、２０００ワット担体信号の下の、４０
ｄＢあるいはこれより大きい値だけ下った値におけるコ
ンバイナーの出力水準に高調波を維持するように信号を
励磁する４０ＭＨｚをもつ第２の高調波である。二重ト
ラップ法とコンバイナー変圧器の挿入損失は０．３ｄＢ
以下である。５４ＭＨｚｔ−ランプは一対の並列２００
ｐＦ　コンデンサーを伴った並列の２２ｎＨコイルから
成る。８１ＭＨｚトラップは、３４ｎＨコイルがら成り
しがも５６ｐＦコンデンサーを連結した一対の並列回路
と並列である。２つのフィルター・トラップは直列に、
スプリント変圧器の２次側巻線に連結される。合成信号
は、スイッチ５３の位置で決められる選択周波数の１つ
における２０００ワット担体周波数信号であり、しかも
この合成信号は検出器組立９０に適用され、この検出器
９０は前方型カブローフｌ　Ｏ２と反射層カブローブ１
０４を含ンテおり、これらはそれぞれ、負荷コイル２０
０に適用されるエネルギーの実在彼氏を指示する電力制
御回路１１．０に入力信号を提供する。ＤＣ制御信号を
提供するために、ＲＦダイオード１０３と１０５とが、
制御器１１０の電力用にＤＣ制御信号を提供するために
、プローブ１０２と１０４とに関連して提供される。し
かし、第３図の回路構成を説明するために電力制御モジ
ュールが第３図に示しである；高電力増幅器を保護する
ために用いられる全体的方法の簡単な説術が展開される
。 供給電流、供給電圧ならびに実際の出力電力が原因で起
るＲＦ電力装置の破壊を防止する１つの方法が開示され
ている。回路１００からの前進ＲＦ主電力反転ＲＦ電力
を表わす信号ならびに供給電流及び供給電圧源１６と１
８からの信号が帰還として用いられ、ＲＦ電力増幅器７
０と８０とを所望の、しかも安全な範囲に維持する。検
出器１０４からの反転ＲＦ電力を表わす電圧は、また全
ＲＦシステムを安全な電流と電圧の水準に保持する上で
用いられる。もし電力の散逸ならびに反転電力が限界内
にあれば、プローブ１０２からの前進ＲＦ主電力示す電
圧は所望のＲＦ高出力外部に指令された水準に維持する
ために使われる。 固体デバイスの平均寿命はその操作温度に反比例するこ
とがよく理解されよう。従って固体デバイスの最大接合
温度は長寿命を保証するために増幅器７０及び８０で使
用されたように限定することが望ましい。一般にＲＦ増
幅器は５ｏオーム抵抗負荷の中に操作するように設計さ
れている。もしこの抵抗負荷が値を変えるならば、増幅
器の操作も変る。ＲＦ増幅器に連結されたある程度の負
荷インピーダンスにより、電力変換効率は、このデバイ
スの最大接合温度が超えたため失敗を生ずるような点に
まで減らすことができる。 接合温度を制限する１つの一般的方法は、熱スィッチを
用いる方法である。しがしこの方法は、スイッチ自体の
熱的量ならびに周囲構造物に起因する瞬間的温度変化に
対応しない。もう１つの保護方法はこのデバイスへの供
給電流を制限することが実施できる。この方法は、デバ
イスがらの出力電力が知られていないため、安全な操作
温度を保証できない。 しかし、正しい帰還信号を合併することによって、電流
制限の方法が、負荷インピーダンスに無関係にデバイス
の最大操作温度を限定することを達成できる。 デバイス内で散逸された電力は次式に関係することを示
すことができる： （１）　　Ｐｄ１ｓ　　：＝　　Ｖ”　Ｉ＋　　Ｐｄｒ
ｖ　　−Ｐｆｏｒ　　＋　　Ｐｒｅｖここで： Ｐｄ１ｓ　＝デバイス中で散逸した電力■　＝供給電圧 ■　　＝供給電流 Ｐｄｒｖ　＝入力ＲＦ励振電力 Ｐｆｏｒ　＝負荷に対して動＜ＲＦ高出電力Ｐｒｅｖ　
＝負荷における不整合によりデバイに返戻したＲＦ電力 デバイスの熱抵抗ならびにヒートシンクの熱抵抗から、
Ｐｄ１ｓの値は、デバイスの最大接合温度を満たすであ
ろうという結果を算出できる。 （２）　　Ｔｊ　　＝　　Ｐｄ１ｓ零　（Ｒｊｃ　　＋
　　Ｒｃｓ　　＋　　Ｒｓａ）　　＋　　Ｔａここで： Ｔｊ　　＝　　デバイスの接合温度 Ｒｊｃ　＝　　デバイスの熱抵抗 Ｒｃｓ　＝　　ヒートシンクインターフェイスのケース
の熱抵抗 装着表面から大気へのヒートシンクの 熱抵抗 周辺の室温 Ｒｓａ　　＝ Ｔａ　　　＝ 式（２）を再整理し、Ｐｄ１ｓについて解くと次式をう
る： （３）　Ｐｄ１ｓ　＝　（Ｔｊ　−Ｔａ）／（Ｒｊｃ　
＋　Ｒｃｓ　＋Ｒｓａ）式（３）による最悪な場合の値
を用いると、得られる解で最大の電力は、所望の接合温
度を超えることなしにデバイス内に散逸さすことができ
る。 所望の最大操作温度を達成する筈の電流に対する式（１
）を解くと次式をうる： （５）　　Ｉ　＝　（Ｐｄｉｓ　−Ｐｄｒｖ　−Ｐｒｅ
ｖ　＋　Ｐｆｏｒ）／Ｖ以下に説明するように、第３図
の電力制御モジュール１１０は式（５）と同期化ししが
も励振水準を電力増幅器に調節し式（６）を満足する。 （６）■≦（Ｐｄｉｓ　−Ｐｄｒｖ　−Ｐｒｅｖ　＋　
Ｐｆｏｒ）／Ｖもし、　Ｐｄｒｖに対する最悪の場合が
決められるならば、（一般には、励振段階は最大圧カを
もつので、これは達成できる）　、（６）式の初めの２
つの項は連合できる。 （７）工　　≦（Ｐｄｉｓｔ　−Ｐｒｅｖ　＋　Ｐｆｏ
ｒ）／Ｖここで：　　Ｐｄ１ｓｔ　＝　Ｐｄ１ｓ　＋　
Ｐｄｒｖ各項を分けると（７）式は次のようになる：（
８）　　Ｉ　Ｓ　Ｐｆｏｒ／Ｖ　＋　Ｐｄ１ｓｔ／Ｖ　
−Ｐｒｅｖ／Ｖ１つのシステムにおける高反射電力は、
ＲＦシステム内にホットスポットと高圧点を生じさせる
。 従って、反射電力の大きさはシステム構成部品の破壊を
生じさせない。電力制御モジュール１１０は反射電力値
を安全操作範囲に制限する。この安全操作範囲は、もし
以下の様な場合が生ずれば短期間だけ超えることになる
：すなわち、１、　システム内のピークＲＦ電圧が依然
として全構成要素の安全操作範囲以下にある場合。 ２、　全構成要素の温度が、熱時間定数及び熱抵抗値に
より算出したような安全操作範囲の中にとどまっている
場合、 電力制御モジュールは反射電力限界に対しては短期間だ
け増大されることを許容する。この特性は、プラズマ発
生時によく見られる高電力短期間持続バーストを要求す
る用途に有用である。電力制御の電流調整器は、たとえ
反射限界が増しても電力力トランジスターに対して電流
の損傷水準を絞り込むことは許されない。 固体ＲＦＦ力発生で遭遇するもう１つの頻度の高い問題
点は、過剰なＲＦ高出に因る燃えつき現象である。この
問題は、ＲＦ出出力シカリミッタ−用いることにより電
力制御モジュール内で解決できる。このリミッタ−はＲ
ＦＦ力電力を、操作員の過誤の場合、燃えつき点もしく
は燃えつき意思下の水準に保持する。固体増幅手段の背
景となる理論と、プラズマ発生にとって要求される保護
について述べたので、第３図の制御回路の説明は、入呂
力信号の説明から以下のとおり開始する。 棗要人カニ ＰＦＯＲ＝保護するデバイスの前進ＲＦ比出力表わす電
圧信号、　注：多重デバイスシステムに対しては、この
信号は、全てのデバイスの分担が等しい限り、全結合電
力でありうる。（同相もしくは１８ｏ°結合。）この信
号は商業的に利用可能な連結器及び検出器を用いて発信
できる。 ＰＲＥＶ＝反射したＲＦ電力を表わす電圧信号。 （インピーダンスの不整合による負荷からデバイスへの
返戻電力。）　注：多重デバイスシステムに対しては、
この信号は全てのデバイスの分担が等しい限り、全反射
電力でありうる。（同期もしくは１８０”結合。）これ
らの信号は商業的に利用可能な連結器及び検出器１０２
〜１ｏ５（第１図）を用いて発信できる。 ＩＡ＝保護するデバイスの電流引出しを表わす差動電圧
。この差動電圧のマイナス側は供給出力電圧と等しい電
圧でなければならない。この信号は小値抵抗器をＤＣ供
給線路に挿入して発信される。 ＩＢ＝保護する第２のデバイスの電流引出しを表わす差
動電圧。（多重デバイスシステムに対して使われる。） ＰＳＥＴ＝所望のＲＦＦ力電力であって設定値は操作員
によって決められる。 ＩＧＮＩＴＥ＝点火ブーストを可能にするために用いる
制御電圧。 遇ノｕ１号− ＰＩＮ＝監視装置または計測装置に送られたデバイスも
しくはシステムの計測された前進８力電力。 ＰＲＥＦ＝監視装置または計測装置に送られたデバイス
もしくはシステムの計測された反射電力。 ＰＷＲＣＮＴ＝デバイスもしくはシステムの中へのＲＦ
Ｆ振電力の大きさを制御するために用いた誤差出力電力
。 彌Ｊ１１１３− 第３図を参照すると、増幅器４００はＰＦＯＲＦ号の振
幅を、アナログ式計算装置４０２に対する適用が好都合
な水準まで増大する。増幅器４０４はＰＲＥＶ信号の振
幅を、第２のアナログ式計算装置４０６に対する適用が
好都合な水準まで増大する。増幅器４０８と４１０とは
電力監視装置もしくは計測器に対するバッファーとして
作用している。 通常の操作条件下では、（電流限界、ＶＳＷＲ限界及び
ＰＦＯＲＦ大限界が存在しない。）、加算増幅器４１２
．４１４、及び４１６の出力はマイナスであり、ダイオ
ード４１３．４１５、及び４１７をそれぞれ通して増幅
器４１８から電気的に断線される。もしプラスの標準出
力がＰＳＥＴに与えられると、増幅器４２０の出力は増
幅器４１８の加算分岐点に適用される。これによりＰＷ
　ＲＣＮ　Ｔ　信号はプラスにされ、順にＲＦデバイス
に対する励振電力を増大する。ＲＦ励振におけるこの増
大はＲＦ高出を生じ、順に検出器１００において電圧を
生ずる。（ＰＦＯＲ）Ｐ、ＦＯＲは増幅器４００により
増幅され、増幅器４１８の加算分岐点において差引かれ
る。ＰＷＲＣＮＴの値はこれ自身を調節し、増幅器４０
０及び４２０の出力に整合させる。ＰＦＯＲの値は、Ｐ
ＷＲＣＮＴがＲＦシステムの利得を変更可能な限り、Ｐ
ＳＥＴを追跡する。 増幅器４２２と４２４は高い共通モード拒絶帯をもった
差動増幅器である。増幅器４２２の出力は最初の電力増
幅器７０に対する電流入力に比例する。同様に、増幅器
４２４の出力は第２の増幅器８０への電流入力に比例す
る。増幅器４２６と４２８とは、８力電圧すなわち、従
ってデバイス電流に比例する出力を提供するために増幅
器４２２及び４２４の出力をそれぞれ増幅する。用いた
感知抵抗器の値と、増幅器４２６と４２８との利得は、
デバイス電流とこれら増幅器の電圧出力との間のアンペ
ア／ボルト関係を確立する；この場合。 （９）　　Ｖ（４２６）　＝　Ｒｓ”Ｉ”ＧＡＩＮ（４
２６）。 （１０）　Ｖ　（４２８）　＝　　ＲｓｊＩ　’　ＧＡ
ＩＮ（４２８）、ここで：Ｒｓ＝感知抵抗器の値、 増幅器４３０はＤＣ供給電圧を、もう１つのアナログ式
計算装置４３２に適用するために、従来の値に分割した
。増幅器４３０の出力は、従ってＤＣ供給電圧に正比例
する。装置４０２，４０６及び４３２は、乗法、除法、
・累乗及び乗根の計算機能をもつ、実時間アナログ式計
算装置である。 これらの装置はそれらの数学計算を、電力制御システム
の所望の応答時間よりももっと短時間で行なう。装置４
３２は供給電圧に反比例する信号を出し、また上記（７
）式に対する分母の値を提供する。装置４３２の出力電
圧は、製造業者が規定した限界値以下にデバイス電流が
納まるように制限される。 累乗ならびに乗根機能は回路４０２と４０６とにおいて
利用されて、ＲＦ累乗変化が２であると出力電圧が２倍
になるように検出器特性を直線化する。この直線化され
た累乗曲線は回路４３２の出力によって倍加される。４
０２の出力は従って前進高力電力に比例しＤＣ供給電圧
に反比例する。 同様に回路４０６はＤＣ供給電圧に反比例する反射電力
に比例する信号を出力する。 スケーリングならびに加算増幅器４３４が用いられ、式
（８）を完全に同期化する。これは電流監視回路４２２
〜４２６もしくは４２４〜４３２などのすでに説明した
回路に等価なアンペア／ボルト利得を供給する要因によ
って式の項のそれぞれをスケーリングすることによって
実施される。 個々の項は、要因Ｘ、Ｙ、及びＺによってスケールされ
る。これらの信号のスケーリングと加算とは、それぞれ
の入力が異った利得値をもつ入力をもつ加算増幅器によ
り実施される。回路４３４の出力が発生する関数は： （１１）　■（４３４）　＝　Ｘ”（２５／Ｖｓ）”Ｐ
ＦＯＲ″′Ｖｎ＋Ｙ”（２５／Ｖｓ）　＋　Ｚ”（２５
／Ｖｓ）”ＰＲＥＶＡｎ式（１１）における“２５”は
回路４３２の内部標準電圧である。この値は都合のよい
値であれば何れでもよい。 従って回路４３４の出力は、式（８）の解であり、−旦
、Ｘ−Ｙ、及びＺは特定用途のために選定される。この
式の右辺の各項は互いに他に依存関係がないから、Ｘ、
Ｙ及びＺに対する解は独立に見出される。例えば、もし
所望のアンペア／ボルト比が１であるならば、Ｘの値は
式（８）の第１項を満足しなければならない。 （１２）　　Ｖｓ　＝　Ｖ／１０ へ （１３）　　ＰＦＯＲｎ　　＝　　Ｐｆｏｒ従って、Ｐ
ｆｏｒによる工への寄与は：（１４）　　Ｖ　（４３４
）　＝　　Ｘ　”　（２５０／Ｖ）”　Ｐｆｏｒもし１
ボルト当り１アンペアの利得が維持されるならば、Ｘは
１／２５０の値を採らねばならず、ここで次式を生ずる
： （１５）　　Ｖ　（４３４）　＝　Ｐｆｏｒ　／　ｖ同
様にＹ及び２の利得は、電流監視装置のアンペア／ボル
ト比利得と共に式（８）を満足するように調整される。 式（１５）はただ１つの操作中のデバイスを仮定してい
ることを注意すべきである。もし多重デバイスが用いら
れるならば、式（１３）におけるＰＦＯＲｎの値は、多
くの部品及びコンバイナーにおける損失に対し調整され
る。 また１式（１３）はＰＦＯＲｎならびに実際の出力電力
において１：１の対応を仮定している。これは通常の場
合ではないので、式（１３）はこの要因のために調整さ
れねばならない。 回路４２６の出力は、ダイオード４３６及び４３８を用
いて回路４２８の出力と比較される。回路４１６の加算
分岐点にはもっと大きい値が適用される。また、回路４
３４の出力は、ダイオード４３６もしくは４３８の電圧
降下を倍加するために使われるダイオード４４０を介し
て回路４１６の加算分岐点に適用される。回路４１６の
出力は従って、電流監視信号と、最大安全操作電流に対
する計算値との間の差である。もし電流監視水準が、こ
の最大安全操作電流より上であるならば。 回路４１６の出力は、このようにＰＷＲＣＮＴ電圧を、
監視電流と回路４３４の出力とが等価となるまで滅じ、
プラス値となる。もし監視した電流が最大安全操作電流
以下となれば、回路４１６の出力はマイナス値となり、
ダイオード４１７は回路４１６を回路４１８から分離独
立させる。 増幅器４０４の出力は、増幅器４１４の加算分岐点に適
用される。この電圧は、増幅器４０４が多分、所望の最
大反射電力限界値において生ずる電圧に等しい値をこの
値から差引いである。例えば、最大反射電力水準が、増
幅器４０４に対して出力１ボルトとなれば、■ボルト信
号がその出力から差引かれる。従って、もし増幅器４０
４の出力がＶＳＷＲ限界設定点より低いと、回路４１４
の出力はマイナスとなり、ダイオード４１５により回路
４１８から電気的に断たれる。増幅器４０４の出力が、
ＶＳＷＲ限界設定点よりも大きければ、回路４１４の出
力はプラス側に動き、かくしてＰＷＲＣＮＴの値を減す
る。ＰＷＲＣＮＴは、従って、降下を続け、増幅器４０
４の出力が、Ｖ　Ｓ　ＷＲ限界設定点、すなわち、好適
実施態様において、３００ワツトという最大反射出力の
ために選定された設定点に等しくなるまで続けられる。 短期持続用として増大ＶＳＷＲ限界を付加するには回路
４１４内の適当な電圧を引算すればよい。 時間スイッチを用いることによって、連続的に適用され
ている点火ブースト設定点に関する全てを除くことかで
きる。 最大出力電力を限定するには、同様なやり方で達成でき
る。所望の出力電力限界値における増幅器４００の出力
電圧は、ＰＦＯＲ最大設定点に適用されるへきである。 増幅器４００の出力がもし限界電圧値よりも小さけおば
、回路４１２はマイナス値に移動し、ダイオード４１３
によって回路４１８から電気的に断たれる。もしＰＦＯ
Ｒの値が過剰となれば、増幅器４００の出力は増して、
ＰＦＯＲ最大設定点より上になり、回路４１２はプラス
側に移動しＰＷＲＣＮＴを減する。ＰＷＲＣＮＴは、増
幅器４００の出力が、ＰＦＯＲ最大設定点に等しくなる
まで減少を続ける。 第３図に示す電力制御用モジュールに適用するものとし
ては、第１図及び第２図のプラズマ制御器があり、これ
らの図では、ＩＣＰ　（誘導結合プラズマ）電源に用い
られる複合周波数プラズマ発生装置を示している。検出
された信号ＰＦＯＲ及びＰＲＥＶはＢＩＲＤ電力計構成
要素によって発信される。ＲＦモジュールに対するＤＣ
電力は高電圧ｇ１８（第１図）において生じる。供給電
圧は２５〜５０ボルトの間に設定できる。差動電流信号
Ｉ　ＡとＩＢとは、０．００５オーム抵抗器を横切って
伝えられる。ＰＷＲＣＮＴ信号は、電力ＭＯ５ＦＥＴ　
（酸化金属半導体電界効果トランジスター）の利得を制
御するために使われる。ＰＡモジュール７０と８０のそ
れぞれは、ブツシュ・プル形態で作動する２ケの６００
ワツトトランジスターを有する。全ＲＦ出力電力は、Ｐ
ＦＯＲ最大設定点により２１００ワツトに限定される。 反射電力限界値は、１つの第２パルス値６２５ワツトを
もって３００ワツトに設定される。 負荷コイルに供給される電力を制御することに更に加え
て、プラズマ火焔１２１の異る部分が光学経路中に位置
するように、トーチ組立を動かすことができる。このよ
うな目的のために、トーチ１２０、コイル２００．噴射
室１２４及び噴射装置１２２は互いに他と固定し合う形
で固設され。 これは、プラズマの発生を検出する信号をもっている光
学ファイバー感知装置１２３の場合と同じである。ブロ
ック図で示すように、機構的な調整制御装置３１０は３
１２で組立３００に連結され、この二重軸ｊＡ整を提供
する。この制御装置は、例えばランク・ピニオン式駆動
、ねじジヤツキ式調節あるいは他の適当な、在来からあ
る機械的調節手段など、各種形態で実施される。 負荷コイル２００を導線１３３ならびに返戻導体１３７
に連結し、作動自在とするためには、可撓性、１手２１
０と２１２とが用いられ、これらは、損失を晟小化する
ために銀めっきを施しである編組構造の銅の３つの部分
から成っている２インチの可撓性ひもから成っている。 このひもは可動性トーチ組立３００の調整をなし、この
トーチ組立３００はインピーダンス整合器に対して負荷
コイル２００を有し、二の整合器はコンデンサー１３４
と１３０とを有し、トーチ組立が分光器１５０に対し動
くことができるようになっており、プラズマ１２１から
の光学エネルギー１５５は、所望の光学信号情報に対し
て選定できるようになっている１分光器１５０は標準的
な光学分光器であれば何れでもよく、これはこの発明の
一部を形成しない。 これま−でに述べて来たようにこの発明の好適実施態に
対する各種の改変は特許請求の範囲で定めたこの発明の
精神と範喀とを逸脱することなしに実施可能であること
は同業技術者の良く理解するところであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の電気制御システムの電気回路のブロ
ック図であり；第２図はこの発明に係るプラズマトーチ
ばらびにその関連の制御システムのブロック図による電
気的そして機構的図であり、第２図の回路構成と境界面
をもつ。第３図は第１図にブロック図示した電力制御回
路の電気的回路の略図である。 １０・・・交流線路 １２・・・ＲＦＩフィルター １１．１３．１５．１７・・・リレー １６・・・低電圧源 １８・・高電圧源 ２２・・・電力分配回路 ３０−　ＣＰ　Ｕ ３３〜３４・・・インターフェイス回路３６．３８・・
出力ポー１−カート ４２．４４・・・変換器 ５０・・ドライバー組立 ６０　スプリッター回路 ７０．８０・・増幅器 ９０・・・コンバイナー回路 １００・・・検出器 １１０・・・制御器 １２０・・トーチ １２２．１２４・・・噴射器 １３０・・・コンデンサー ２００・・・コイル ６００・・・スプリッタ回路 ４０２・・・アナログ式計算装置 ４１３．４１５，４１７．４３６．４３８．４４０・・
・ダイオード ４００． ４０８． ４１０． ４１８・・・増幅器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少くとも第１ならびに第２の周波数信号が少くとも
   第１ならびに第２のプラズマ特性を提供するために選定
   されたそれぞれの周波数と異った周波数をもつ前記少く
   とも第１ならびに第２励磁周波信号の電源と； 前記第１もしくは第２の周波数信号の何れか一方を選択
   するために前記電源に連結された手段と；選定した周波
   数信号をプラズマトーチ内にプラズマを発生しこれを維
   持するのに充分な水準にまで増幅するために前記選定手
   段に連結された手段と；そして、 プラズマトーチに関連する誘導コイルと前記誘導コイル
   を信号増幅手段に連結する手段とから成ることを特徴と
   する誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）発生装置用複合周波数
   活性化回路。 ２、前記電源が前記第１及び第２の励磁周波数信号を提
   供するための少くとも２分割された発振器から成り前記
   選定手段が前記発振器の１つを前記増幅手段に選択的に
   連結するためのセレクタスイッチから成ることを特徴と
   する請求項１に記載の回路。 ３、前記増幅手段が制御用入力端子のついた少くとも１
   つの可変利得増幅器部分を有する前置増幅器とこのシス
   テムにおける利得の変動及びプラズマ負荷の変動に対す
   る補償をするために前記可変利得増幅器の前記端子に制
   御信号を送るための手段とを有することを特徴とする請
   求項２に記載の回路。 ４、前記前置増幅器が増幅器の３つの直列連結段を有し
   前記可変利得増幅器が増幅器の前記段の第２増幅器とな
   っていることを特徴とする請求項３に記載の回路。 ５、前記増幅器手段が選定された周波数信号を分割して
   ２つの実質的に等しい振幅をもった信号にするための信
   号スプリッターを有することを特徴とする請求項１に記
   載の回路。 ６、前記増幅手段が更にそれぞれが入力ならびに出力の
   端子をもつ一対の電力増幅器を有ししかも前記等価振幅
   をもつ信号の１つが前記電力増幅器の１つの入力端子に
   適用され前記等価振幅をもつ信号の他の１つが前記電力
   増幅器の他の１つの入力端子に適用されることを特徴と
   する請求項５に記載の回路。 ７、前記増幅手段が更に一対の入力端子と出力端子とを
   もつコンバイナー回路を有ししかも前記コンバイナー回
   路の前記入力端子の１つが前記電力増幅器の１つの前記
   出力端子に連結され前記コンバイナー回路の前記入力端
   子の他の１つが前記電力増幅器の他の１つの前記出力端
   子に連結されて成ることを特徴とする請求項６に記載の
   回路。 ８、前記コンバイナー回路が前記第１ならびに第２の励
   磁周波数信号の内の少くとも１つの高調波周波数を捕え
   るためのトラップ回路を有して成ることを特徴とする請
   求項７に記載の回路。 ９、前記トラップ手段が前記励磁周波数信号の内の少く
   とも１つの第２高調波周波数に対応する周波数をもつ第
   １ならびに第２のトラップフィルターから成ることを特
   徴とする請求項８に記載の回路。 １０、プラズマトーチと； 前記トーチに連結された噴射室と； 前記噴射室に連結された試料噴射器と； 前記トーチに連結され励磁電気信号を受入れる端子を有
   する誘導コイルと； 励磁信号を前記誘導コイルの前記端子に提供する手段と
   ； 前記トーチ、噴射室、噴射器及び前記誘導コイルを収納
   するキャビネットと； 前記トーチと一線上にある光学路を有する前記キャビネ
   ットと； 光学的情報を前記路を介して受入れるために設けられた
   光学的分光器と；そして、 前記トーチ組立及び分光器の内の１つを他の１つに関し
   て移動し前記分光器を前記トーチの中に発生したプラズ
   マの異る部分を観察できるように設定する手段とから成
   ることを特徴とするプラズマ発生装置と分光器。 １１、前記移動手段が前記トーチ組立を前記分光器に関
   して移動する手段から成ることを特徴とする請求項１０
   に記載の装置。 １２、励磁信号を提供する前記手段が励磁信号を提供す
   るために前記コイルを前記手段に関して移動させるよう
   に前記誘導コイルの前記端子に連結された可撓性導体を
   有することを特徴とする請求項１１に記載の装置。 １３、励磁信号を提供する前記手段が更に少くとも第１
   ならびに第２の異る周波数の励磁周波数信号の電源を有
   ししかもそれぞれの周波数が少くとも第１ならびに第２
   のプラズマ特性を提供するように選定される前記電源と
   ；前記第１もしくは第２の周波数信号の内の１つを選定
   するために前記電源に連結された手段と；選定した周波
   数の信号をプラズマトーチの中でプラズマを発生させこ
   れを維持するために充分な水準にまで増幅するために前
   記選定手段に連結された手段と；そして、前記可撓性導
   体を前記信号増幅手段に連結する手段とを有することを
   特徴とする請求項１２に記載の装置。 １４、前記可撓性導体が銀めっきを施した編組構造の銅
   製導体であることを特徴とする請求項１３に記載の装置
   。 １５、少くとも第１ならびに第２の周波数信号が少くと
   も第１ならびに第２のプラズマ特性を提供するために選
   定されたそれぞれの周波数と異った周波数をもつ前記少
   くとも第１ならびに第２の励磁周波数信号の電源と； 前記第１もしくは第２の周波数信号の何れか一方を選択
   するために前記電源に連結された手段と；選定した周波
   数の信号をプラズマトーチの中でプラズマを発生させこ
   れを維持するために充分な水準にまで制御自在に増幅す
   るために前記選定手段に連結された手段と； プラズマトーチに関連する誘導コイルと前記誘導コイル
   を信号増幅手段に連結する手段と；前記コイルに送られ
   た電力を表わす信号を提供するために前記増幅手段に連
   結された検出手段と；そして、 前記コイルに対して所望の出力電力を維持するように前
   記増幅手段の利得を制御するために前記検出手段及び前
   記増幅手段に連結された電力制御回路とから成ることを
   特徴とする誘導結合プラズマ発生装置用複合周波数活性
   化回路。 １６、前記増幅手段が前記第１ならびに第２の周波数信
   号の少くとも１つの高調波周波数信号をろ過するために
   トラップ回路手段を有することを特徴とする請求項１５
   に記載の回路。 １７、プラズマトーチと；前記トーチに連結された噴射
   室と、前記噴射室に連結された試料噴射器と；前記トー
   チ、噴射室、噴射器及び前記誘導コイルを収納するキャ
   ビネットと； 前記トーチと一線上にある光学路を有する前記キャビネ
   ットと；光学的情報を前記路を介して受入れるために設
   けられた光学的分光器と；そして、前記トーチ組立及び
   分光器の内の１つを他の１つに関して移動し前記分光器
   を前記トーチの中に発生したプラズマの異る部分を観察
   できるように設定する手段とを更に包有することを特徴
   とする請求項１６に記載の回路。 １８、前記移動手段が前記キャビネットを前記分光器に
   関して移動する手段から成ることを特徴とする請求項１
   ７に記載の回路。 １９、励磁信号を提供する前記手段が励磁信号を提供す
   るために前記コイルを前記手段に関して移動させるよう
   に前記誘導コイルの前記端子に連結された可撓性導体を
   有することを特徴とする請求項１８に記載の回路。 ２０、前記可撓性導体が銀めっきを施した編組構造の銅
   製導体であることを特徴とする請求項１９に記載の装置
   。 ２１、プラズマトーチと、 前記トーチに連結され励磁電気信号を受入れる端子を有
   する誘導コイルと；そして、 前記誘導コイルの前記端子に励磁電力を提供する手段で
   あってこの提供手段が電力増幅器と電力制御回路と複数
   の回路要素を監視し前記電力増幅器における過剰電力の
   散逸を防止するために対応する前記電力制御回路に信号
   を与える監視手段とから成ることを特徴とするプラズマ
   発生装置。 ２２、前記電力制御回路がマイクロプロセッサを有する
   ことを特徴とする請求項２１に記載のプラズマ発生装置
   。 ２３、プラズマトーチと； 前記トーチに連結され励磁電気信号を受信する端子をも
   つ誘導コイルと；そして、 励磁電力を前記誘導コイルの前記端子に提供する手段で
   あって、前記提供手段は電力増幅器と電力制御回路とそ
   して前記誘導コイル近傍の磁場を監視し前記トーチによ
   ってプラズマの点火を適正化するために対応する前記電
   力制御回路に信号を送るための点火検出手段を有する前
   記手段とから成ることを特徴とするプラズマ発生装置。