(57)【要約】      （修正有）【課題】プラズマ生成システム、関連する方法、および関連する装置を提供する。【解決手段】プラズマ生成システム１００は、プラズマ発生装置と、可イオン化気体源１４０と、ドライバネットワーク１０２とを含む。プラズマ発生装置は、筐体と、電極１２８，１３０と、共振回路１０４とを含む。筐体は、その中で画定された通路を含み、そこを通じる可イオン化気体の流れを誘導する。電極は、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体に連結される。共振回路は、ともに直列に接続された蓄電器１２４および誘導子１２２を含む。共振回路は共振振動数を有し、電極に連結される。共振回路はＡＣ信号を受信する。ドライバネットワークは、ＡＣ信号が一振動数を有し、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体をプラズマに励起させるようにＡＣ信号を供給する。【選択図】図１Ａ
2014236993.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成システムであって、
そこを通じて可イオン化気体の流れを誘導するように構成された、その中で画定された通路を含む筐体と、
前記筐体の通路を通じて流れる前記可イオン化気体と連通している電極と、
共に直列に接続された蓄電器および誘導子を含む共振回路であって、前記共振回路は共振振動数を有しかつ前記電極に電気的に接続される、共振回路と、
を含むプラズマ発生装置と、
前記筐体と流体連通している可イオン化気体源と、
前記共振回路の共振振動数と整合する励起振動数を有するＡＣ信号を発生させるように構成されたドライバネットワークであって、前記ドライバネットワークは、前記筐体の通路を通じて流れる前記可イオン化気体をプラズマに励起させるために前記ＡＣ信号を供給する、ドライバネットワークと、
を備える、システム。
【請求項２】
前記システムが、前記共振回路と前記ＡＣ信号を供給する前記ドライバネットワークとの間で電気的に連結されたインピーダンス整合ネットワークであって、前記インピーダンス整合ネットワークは、前記ドライバネットワークの内部インピーダンスを、前記可イオン化気体を前記プラズマに励起させる場合は前記共振回路の少なくとも１つの実効インピーダンスに、前記可イオン化気体を前記プラズマに励起させない場合は前記共振回路に整合させるように構成される、インピーダンス整合ネットワーク、
をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記回路が前記ドライバネットワークと直列に電気的に連結された抵抗器をさらに含み、前記抵抗器がＱを減少させかつ前記共振回路の帯域幅を増加させるように選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ドライバネットワークが、前記共振回路の共振振動数に近い振動数のＡＣ信号を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ドライバネットワークが、前記ドライバネットワークの内部インピーダンスを所定のインピーダンスに整合させる振動数のＡＣ信号を供給する、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記所定のインピーダンスが、前記共振回路が前記プラズマを発生させる間において前記共振回路の実効インピーダンスである、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記ドライバネットワークが、前記システムの所定の効率を維持する振動数のＡＣ信号を供給する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ドライバネットワークが、前記プラズマ中の所定の電力消失を維持する振動数のＡＣ信号を供給する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記ドライバネットワークが、前記プラズマの生成の最中および前記プラズマの不生成の最中のうち１つである際に、前記ドライバネットワーク内の電力消失を、前記共振回路内の電力消失とほぼ同等であるように維持する振動数のＡＣ信号を供給する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ドライバネットワークが、所定の帯域幅の範囲内にある振動数のＡＣ信号を供給する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記帯域幅が、前記共振回路の共振振動数と別の振動数との振動数差の２倍であり、前記別の振動数が、前記ドライバネットワークの内部インピーダンスが前記共振回路の実効インピーダンスにほぼ整合されるような振動数により定義される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
そのドライバ回路が、１＊１０−７より大きいイオン化を有する前記プラズマに前記可イオン化気体を励起させる前記ＡＣ信号を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ドライバ回路が、１００摂氏温度より低い回転温度を有する前記プラズマに前記可イオン化気体を励起させる前記ＡＣ信号を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ドライバ回路が、５０摂氏温度より低い回転温度を有する前記プラズマに前記可イオン化気体を励起させる前記ＡＣ信号を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ドライバ回路が、前記プラズマが前記通路内にある場合、前記回転温度がその振動温度より低いように、前記可イオン化気体を前記プラズマに励起させる前記ＡＣ信号を供給するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記共振回路が、前記共振回路および前記プラズマの内部で１ワットおよび２ワットのうち少なくとも１つを消失させる間、プラズマ点火を維持するのに十分なＱの値を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記可イオン化気体源および前記筐体の通路と流体連通しており、かつ前記可イオン化気体源と前記筐体の通路との間に配置された気体冷却機器であって、前記気体冷却機器は前記筐体の通路に流れ込む前記可イオン化気体を冷却する、気体冷却装置、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
プラズマを発生させる方法であって、
可イオン化気体の流れを誘導するための流体経路を提供することと、
ともに直列に接続された蓄電器および誘導子を含む共振回路を提供することであって、前記共振回路は共振振動数を有し、前記共振回路はＡＣ信号を前記共振回路に供給するように構成されたドライバネットワークに連結されることと、
前記共振回路の共振振動数と整合するＡＣ信号の励起振動数を決定することと、
前記ＡＣ信号を前記共振回路に印加し、それにより前記可イオン化気体を励起させてプラズマを形成することと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記プラズマを通じて流れる電流の位相と、前記プラズマの全体にわたる電圧の位相との位相差を決定することと、
前記位相差に応じて前記ＡＣ信号の振動数を調節することと、
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＡＣ信号の振動数が前記位相差に応じてのみ調節される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
所定の位相差を維持する間に、前記ＡＣ信号の電力を調節することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
インピーダンス不整合を決定することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
前記インピーダンス不整合を補填するように前記ＡＣ信号の振動数を調節することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記インピーダンス不整合を補填するように、前記ＡＣ信号を供給するドライバネットワークの内部インピーダンスを調節することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記プラズマを通じて流れる電流の位相と、前記プラズマの全体にわたる電圧の位相との位相差を決定することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記位相差を所定の位相差と比較することと、
所定の閾値より大きい前記位相差および前記所定の位相差の比較を補填するように、前記ＡＣ信号を供給するドライバネットワークの内部インピーダンスを調節することと、
をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記位相差を所定の位相差と比較することと、
前記位相差の所定の位相差との比較を補填するように、前記ＡＣ信号の振動数を調節することと、
前記所定の位相差を維持することと、
をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対する相互参照
本出願は、２００８年５月３０日にスコット（Scott）らにより出願された「共振励起プラズマ噴射機器（RESONANT EXCITED PLASMA JET DEVICE）」という名称の米国仮出願整理番号第６１／０５７，３９６号、および、２００８年５月３０日にムーア（Moore）により出願された「電気外科用生成器を制御するためのシステムおよび方法（SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING ELECTROSURGICAL GENERATOR）」という名称の米国仮出願整理番号第６１／０５７，６６３号の利益、および、同出願に対する優先権を主張し、これらの出願のそれぞれの全体の内容は、本明細書によって参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は医療機器に関する。より具体的には、本開示は、例えば、選択的な方法での組織変性のためにプラズマを発生させるためのシステム、方法、および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
気体媒質および液体媒質内の放電（「プラズマ」）は、産業的、科学的、および医学的な必要性に代替的な解決策を提供する広範な適用性を有する。プラズマは、大量のイオン、電子、ラジカル、および、励起状態の（例えば、準安定性の）種であって、前記種を用いて高い空間的および時間的な統制を有する材料特性変化を行う種を創出する固有の能力を有する。プラズマは、（レーザー装置を含む光源として作用する）実際量の陽子、および、非平衡性または選択的な化学反応を推進するために両方とも用いることができる、固有の化学種およびラジカルを生成する能力もある。
【０００４】
プラズマは一般的に、適切な生成器、電極、およびアンテナを用いて、（ａ）直流（ＤＣ）電気、あるいは、（ｂ）無線振動数（「ＲＦ」、０．１〜１００ＭＨｚ）およびマイクロ波（「ＭＷ」、０．１〜１００ＧＨｚ）帯域を含む、単ヘルツ（Ｈｚ）からギガヘルツ（ＧＨｚ）の振動数で交流（ＡＣ）である電気の何れかとして運搬される電気エネルギーを用いて生成される。励起振動数の選択により、電気エネルギーを回路に運搬するために用いられるプラズマならびに電気回路の多くの特性および要件が決定される。プラズマの性能および電気的励起回路構成の設計は強く相互に関連する。
【発明の概要】
【０００５】
本開示は、プラズマを発生させるためのシステム、方法、および装置に関する。本開示の１つの実施形態では、プラズマ生成システムは、プラズマ発生装置と、可イオン化気体源と、ドライバネットワークとを含む。１つの例解的な実施形態では、プラズマ発生装置は医療装置として実装される。プラズマ発生装置は、筐体と、電極と、共振回路とを含む。筐体はその中で画定された通路を含み、そこを通じて可イオン化気体の流れを誘導する。電極は、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体に結合（例えば、容量結合）される。共振回路は共振振動数を有し、かつ、電極に電気的に連結される。共振回路はＡＣ信号を受信する。ＡＣ信号が一振動数を有し、かつ、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体をプラズマに励起するように、ドライバネットワークはＡＣ信号を供給する。ドライバネットワークは、プラズマが点火されるか、および／または、ある帯域幅、例えば、所定の帯域幅内で動作を維持することを伴う場合と伴わない場合の両方において、ドライバネットワークの内部インピーダンスを共振回路のインピーダンスに整合させるように、共振回路の共振振動数に近い振動数を有するＡＣ信号を供給することができる。
【０００６】
本開示の別の実施形態では、プラズマ発生装置はその中で画定された通路を含む筐体を含む。通路は、そこを通じて可イオン化気体の流れを誘導するように構成される。プラズマ発生装置は、筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体に結合された（例えば、容量結合された）電極を含む。プラズマ発生装置は、電極に電気的に連結された共振振動数での励起を有する共振回路も含む。共振回路は、プラズマを発生させる筐体の通路を通じて流れる可イオン化気体を励起するように構成された振動数および大きさを有するＡＣ信号を受信する。石英管またはセラミック管により通路を画定することができる。プラズマ発生装置は、可イオン化気体を接地に結合するのに適合した接地極を有する場合がある。加えて、または代替的には、電極はある静電容量を供給するように適合され、誘導子は、共振回路の共振振動数ならびにその帯域幅を実質的に定義する電極の静電容量に電気的に結合される。
【０００７】
本開示のさらに別の実施形態では、一方法は、可イオン化気体の流れを誘導するように構成された流体経路を設けることと、ＡＣ信号に電気的に結合された共振振動数を有する共振回路を設けることとを含む。共振回路は、流体経路内を流れる可イオン化気体に結合（例えば、容量結合）される。前記方法は、ＡＣ信号の振動数および／または大きさを決定し、共振回路を駆動し、可イオン化気体を励起させ、ＡＣ信号を共振回路に印加し、それにより、可イオン化気体をプラズマに励起もさせる。
【０００８】
本明細書に組み込まれ、かつ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本開示の実施形態を例解し、かつ、以上で与えられた本開示の大まかな記載と、以下に与えられた１つまたは複数の実施形態の詳細な記載とともに、本開示の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本開示の一実施形態に従うプラズマ生成システムの概略図である。
【図１Ｂ】本開示の別の実施形態に従うプラズマ生成システムの概略図である。
【図１Ｃ】本開示に従う、図１Ａの一連の共振構成における共振回路のインピーダンス対振動数のグラフである。
【図１Ｄ】本開示に従う、並列共振構成における共振回路の別の実施形態のグラフである。
【図２】本開示に従う、図１Ａの回路の実効インピーダンス、および電源インピーダンスにおいて、励起ＡＣ振動数を変動させる効果を示すグラフである。
【図３】本開示に従う、様々な特性インピーダンスに関する、図１Ａの回路のＡＣ駆動振動数の変化に対する線質係数Ｑの挙動を示すグラフである。
【図４Ａ】本開示に従う、図１Ａの回路の線質係数Ｑを最大化する一方で、選択された特性インピーダンスで共振振動数または近共振振動数を同時に得るような静電容量Ｃに対するインダクタンスＬの２つの関係を示すグラフである。
【図４Ｂ】本開示に従う、共振振動数および特性インピーダンスの変化による図４Ａにおける効果を示し、許容可能な範囲の変動をさらに示す、静電容量Ｃに対するインダクタンスＬのグラフである。
【図５Ａ】本開示に従う、図１Ａのインピーダンス整合ネットワークのいくつかの実施形態を示す。
【図５Ｂ】本開示に従う、図１Ａのインピーダンス整合ネットワークのいくつかの実施形態を示す。
【図５Ｃ】本開示に従う、図１Ａのインピーダンス整合ネットワークのいくつかの実施形態を示す。
【図５Ｄ】本開示に従う、図１Ａのインピーダンス整合ネットワークのいくつかの実施形態を示す。
【図６】本開示に従う切換可能な同調容量の概略電気図である。
【図７】本開示に従う、図１Ａのインピーダンス整合ネットワークのインピーダンスを制御する制御システムの概略ブロック図を示す。
【図８】本開示に従う、図１Ａのプラズマ生成システムのインピーダンス不整合を補償するための方法を例解する流れ図である。
【図９】本開示に従う、図１Ａのプラズマ生成システムのインピーダンス不整合を補償するための方法を例解する流れ図である。
【図１０】本開示に従う、点火されたプラズマにより寄与される静電容量および抵抗を示す、図１Ａの共振回路の同等な回路である。
【図１１Ａ】本開示に従う、図１Ａのセンサにより測定された位相角に対する、図１のドライバネットワークの駆動振動数を制御する効果を示す。
【図１１Ｂ】本開示に従う、図１Ａのセンサにより測定された位相角に対する、図１のドライバネットワークの駆動振動数を制御する効果を示す。
【図１２】本開示に従う、図１Ａのセンサにより測定された、決定された位相差の関数として、図１のドライバネットワークを制御する方法を例解する流れ図である。
【図１３】本開示に従う、図１Ａのセンサにより測定された、決定された位相差の関数として、図１のドライバネットワークを制御する方法を例解する流れ図である。
【図１４】本開示に従う、図１ＡのＬＣ回路および点火されたプラズマを含むプラズマ噴射装置を含むような、本開示の一実施形態の概略図である。
【図１５】本開示に従う、線質係数Ｑの大きさおよび振動数の依存性を制御する抵抗器をさらに含む、図１ＡのＬＣ回路の概略図である。
【図１６】本開示に従う、振動数に対する線質係数Ｑに対するインピーダンスの実部Ｒの効果を示すグラフである。
【図１７】本開示に従う、点灯または点火されていないプラズマ（図８）ならびに点灯または点火された（図９）状態での本開示の一実施形態によるプラズマ発生装置の側横断面図を示す。
【図１８】本開示に従う、点灯または点火されていないプラズマ（図８）ならびに点灯または点火された（図９）状態での本開示の一実施形態によるプラズマ発生装置の側横断面図を示す。
【図１９】本開示に従う、プラズマ装置および共振回路の別の実施形態の概略図を示す。
【図２０】本開示に従う電気外科用システムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照すると、図１Ａは本開示の一実施形態に従うプラズマ生成システム１００の概略図を示している。プラズマ生成システム１００は、ドライバネットワーク１０２および共振回路１０４を含む。ドライバネットワーク１０２は、共振回路１０４と電気的に連携してプラズマを発生させる。ドライバネットワーク１０２は共振回路１０４に電気的に連結され、節点１０６を通じて交流（「ＡＣ」）信号を前記共振回路に伝える。ドライバネットワーク１０２は、ＡＣ信号が回路１０４の共振振動数またはその付近にあるようにＡＣ信号を供給する。ＡＣ信号の振動数は以下でより詳細に検討される。
【００１１】
プラズマ生成システム１００は、２ワット、数ワット、または数十ワット等の、適度な出力度のプラズマを発生させることができ、かつ、一般的に低温プラズマと呼ばれるものを生成することができる。本開示の１つの実施形態では、プラズマ生成システム１００は、およそ約１＊１０−７〜約１＊１０−４の範囲内のイオン化を有する低温プラズマを発生させる。低温プラズマは、回転温度が約１００摂氏温度より低いか５０摂氏温度より低い状態の非熱平衡にある場合がある。低温プラズマの回転温度は、低温プラズマの振動温度より実質的に低い場合がある。他の実施形態では、低温プラズマのイオン温度が室温より低いように、可イオン化気体を冷却することができる。選択的化学または粒子衝撃またはそれら両方を利用する下層を損傷せずに上層を除去することができるように、組織処理における選択的な表面変性のためにプラズマを用いることができる。
【００１２】
ドライバネットワーク１０２は、共振回路１０４がプラズマを発生させるように、十分な電圧、電流、振動数、および内部インピーダンスを有するＡＣ信号を供給する。ドライバネットワーク１０２は、電力供給装置１０８と、ＡＣ出力段１１０と、直接デジタル合成装置１１２と、センサ構成部１１４と、インピーダンス整合ネットワーク１１６と、点火回路１４４と、制御装置１１８とを含む。制御装置１１８はドライバネットワーク１０２および節点１０６に供給されるＡＣ信号を制御する。電力供給装置１０８は、ＤＣ信号を用いてＡＣ出力段１１０を含むドライバネットワーク１０２に電力を供給する。ＡＣ出力段１１０は、直接デジタル合成装置１１２からの参照信号を用いるインピーダンス整合ネットワーク１１６を通じて、電力供給装置１０８からのＤＣ信号を節点１０６に供給されるＡＣ信号に変換する。センサ構成部１１４はセンサ１２０からデータを受信し、データを制御装置１１８に伝える。
【００１３】
制御装置１１８は、マイクロ処理器、マイクロ制御装置、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プログラム可能な論理装置、および同様のものであってよい。制御装置１１８は、ハードウェア、ソフトウェア、実行中のソフトウェア、ファームウェア、および同様のものの任意の組み合わせで制御アルゴリズムを実行することができる。例えば、制御装置１１８は、１つ以上の比例−積分−微分制御アルゴリズムを利用するインピーダンス整合ネットワーク１１６を介して、節点１０６に供給されるＡＣ信号を制御することができる。比例−積分−微分制御アルゴリズムは、共振回路１０４に供給されるＡＣ信号の振動数、電流、電圧、帯域幅、パルス放出、および／または負荷周期、またはこれらのいくつかの組み合わせを制御することができる。例えば、制御装置１１８はパルス幅変調信号を電力供給装置１０８に送り、ＡＣ出力段１１０に供給されるＤＣ信号の電圧を制御することができ、ＡＣ出力段１１０に供給されるＤＣ信号を制御することも、ＡＣ出力段１１０の１つ以上の切換ＭＯＳＦＥＴのバイアス電圧をゲート制御するように電源を制御する。１つ以上の切換ＭＯＳＦＥＴの電源電圧とドレイン電圧との間のレール電圧は、ＡＣ出力段１１０により供給されるＡＣ信号のピーク電圧を制御する。加えて、または代替的には、制御装置１１８は別個のＤＣ信号を供給し、ＡＣ出力段１１０における増幅器利得（明示せず）を設定することができる。制御装置１１８は、位相、インピーダンス、電圧、電流、電力、および同様のもののために制御することができる（以下でより詳細に記載される）。
【００１４】
ドライバネットワーク１０２は電力供給装置１０８を含む。電力供給装置１０８は、ＤＣ信号を用いてドライバネットワーク１０２に電力を供給する。電力供給装置１０８は、ＡＣ／ＤＣ変換器、ＤＣ／ＤＣ変換器、切換モード電力供給装置、および同様のものであってよい。内部自己調整した電圧または電流の参照を利用して、制御装置１１８からのパルス幅変調信号を介して電力供給装置１０８を制御することができる。例えば、電力供給装置１０８は壁出口からＡＣ信号を受信し、ＡＣ信号を未調整ＤＣ信号に整流し、昇圧／高圧変換器を用いて出力に対する未調整ＤＣ信号を調整する。ＡＣ出力段１１０内の切換装置に対するバイアス電圧として、電力供給装置１０８により供給されるＤＣ信号を用いることができる。直接デジタル合成装置１１２からの参照信号を用いて切換器を制御することができる。
【００１５】
直接デジタル合成装置１１２は、ＡＣ出力段１１０に供給された参照信号を生成する。参照信号は、共振回路１０４、あるいはその並列または部分に供給されたＡＣ信号と同じ振動数を有する場合がある。参照信号は、その中で１つ以上のＭＯＳＦＥＴを切り換えるためにＡＣ出力段１１０に供給された切換信号であり得る。直接デジタル合成装置１１２は、制御装置１１８により制御される。制御装置１１８は、直接デジタル合成装置１１２の振動数または位相の増分登録器に振動数または位相の増分値をデジタル的に伝えることにより、参照信号の振動数を制御することができる。直接デジタル合成装置１１２は、バイナリステップ当たり約３ｋＨｚ〜約１０ｋＨｚ以下のデジタル−アナログ変換の分解能を有する場合がある。代替の実施形態では、電圧制御発振器、クロック、数値制御発振器、および同様のものを用いて参照信号を生成することができる。
【００１６】
ドライバネットワーク１０２は、針電極１４６に電気的に連結された点火回路１４４を含む場合もある。制御装置１１８はセンサ１２０を利用し、プラズマが消滅されるかどうか／プラズマが消滅される時（例えば、プラズマ電流が零振幅近くまたは零振幅に達する時）を検出することができる。プラズマがもはや生成されていないと制御装置１１８が断定した時点で、点火回路１１４は電気信号を針電極１４６に印加し、プラズマの点火に役立ち得る。点火回路１１４は、電気信号を針電極１４６に選択的に接続する１つ以上の切換器を含む場合がある。
【００１７】
共振回路１０４は、ドライバネットワーク１０２からＡＣ信号を受信してプラズマを発生させる。共振回路１０４は、節点１２６で連続的に一緒に接続された誘導子１２２および蓄電器１２４を含む。誘導子１２２および蓄電器１２４を何れの順序で構成してもよい。誘導子１２２を遮蔽しても遮蔽しなくてもよい。共振回路１０４は、誘導子１２２により表される１つ以上の誘導子と直列に、蓄電器１２４により表される１つ以上の蓄電器を含む場合がある共振振動数を有する。加えて、または代替的には、蓄電器１２４は、物理的容量装置（例えば、蓄電器）からの静電容量と、生成されたプラズマにより生じた静電容量と、任意の寄生静電容量とをモデル化する集中要素モデルであってもよい。例えば、蓄電器１２４は、物理的な５ピコファラッドの蓄電器と、生成されたプラズマにより生じた任意の静電容量とを含む場合がある。
【００１８】
共振回路１０４は電極１２８および１３０を含む。電極１２８および／または１３０は銅の円形の金属細長片であり、石英管１３８の周辺に配置される。電極１２８および／または１３０は、任意の適切な形状および材質であってよい。電極１２８および／または１３０は石英管１３８の周辺に配置され、その中に流れる可イオン化気体に対して容量結合を形成する。いくつかの実施形態では、セラミック、誘電性材料、絶縁材料、および／または他の適切な材料から石英管１３８を作製することができる。可イオン化気体、例えば、アルゴン、ヘリウム、および他の希ガスに対する共振回路１０４の容量結合によりプラズマが生成される。共振回路１０４は、電極１２８を介して可イオン化気体に容量結合される。可イオン化気体は、管１３８内で気体源１４０から受け取られる。電極１２８は、節点１２６により電気エネルギーに電気的に結合される。また、電極１３０を接地して「移動」（時々「浮動」と呼ばれる）接地を防ぐことができる。図のように、電極１２８は加工対象物（図示せず）の「上流」であり、一方で、電極１３０は加工対象物（図示せず）に向かう「下流」である。共振回路１０４からの電気エネルギーは、電極１２８および１３０を利用して可イオン化気体に伝達され、可イオン化気体の少なくとも一部を低温プラズマ状態等のプラズマ状態に転換する。
【００１９】
点火後、蓄電器１２４は生成されたプラズマのさらなる静電容量に起因して増加することになり、例えば、共振回路１０４は、電極に対するその配置重複のために最初に生成されたプラズマの静電容量に起因して、さらに２０ピコファラッド〜１２０ピコファラッドを含む場合がある。さらなるインピーダンス（例えば、静電容量および抵抗）は、共振回路１０４の共振振動数を偏移または変化させ得る。共振回路１０４は、プラズマが点火される際に変化または偏移する多数の共振振動数を有する場合がある。先に述べたように、共振回路１０４は、可イオン化気体に容量結合されてプラズマを発生させる。共振回路１０４では、蓄電器１２４および誘導子１２２を相互交換することができる。共振回路１０４は、ＡＣ信号および共振回路１０４が可イオン化気体の励起に適切な励起振動数で駆動されるように、ドライバネットワーク１０２からＡＣ信号を受信する。加えて、または代替的には、ドライバネットワーク１０２の振動数は、プラズマから表面までのバイアス電圧またはバルクプラズマ特性の何れかを制御するように、イオンプラズマ振動数または電子−原子衝突振動数もしくはその付近にあってよい。イオンプラズマ振動数は、プラズマ中のイオンが変化する振動数に機械的に応答する減少していく能力を有する振動数である。
【００２０】
図１Ｂは、プラズマ生成システム１００’の別の実施形態を示す。プラズマ生成システム１００’は、共振回路１０４’を形成する誘導子１２２’および蓄電器１２４’を含む。誘導子１２２’および蓄電器１２４’は、断路器１４２と接地との間で並列に接続される。断路器１４２は、電気エネルギーがドライバネットワーク１０２内の固体素子を損傷するのを防ぐ。断路器１４２は、循環装置、巻線を有しない変圧器、または他の高電圧保護装置であってよい。図１Ｂの並列共振回路１０４’は、図１Ａの直列共振回路１０４で見られるような電圧よりむしろ、電流の「キューイングアップ（Ｑ−ｉｎｇ  ｕｐ）」を経験する。
【００２１】
図面を参照すると、図１Ｃおよび１Ｄは、本開示の一実施形態に従う２つのＬＣ回路のインピーダンスのグラフを示している。図１Ｃは、図１Ａの共振回路１０４のインピーダンス対振動数のグラフ１３４を示す。例示的な一実施形態では、図１Ａの共振回路１０４は直列共振構成にあり、誘導子１２２は１０マイクロヘンリーの誘導子値を有し、蓄電器１２４は１０ピコファラッドの値を有し、約１５．９２ＭＨｚの直列共振振動数を結果的にもたらす。図１Ａの共振回路１０４により与えられるインピーダンスは、以下の等式（１）で示される：
【数１】
2014236993.tif 000003
【００２２】
図１Ｃで示されるように、ωＲ，Ｓの直列共振振動数から数ＭＨｚの範囲内において、インピーダンスは非常に線形であり、図１Ａの十分に設計されたドライバ回路１０２の内部インピーダンスに密接に拘束される。
【００２３】
図１Ｄは、図１Ｂで示されるような並列共振構成にある共振回路の別の実施形態のインピーダンス対振動数のグラフ１３６を示す。図１Ｄは、１０マイクロヘンリーの値を有する誘導子と、１０ピコファラッドの値を有する蓄電器とを有し、約１５．９２ＭＨｚの並列共振振動数ωＲ，Ｐをもたらす、並列共振回路の事例的挙動を示す。並列共振回路のインピーダンスは、以下の等式（２）で示される：
【数２】
2014236993.tif 000004
【００２４】
グラフ１３６により示されるように、並列共振ＬＣ回路がωＲ，Ｐの並列共振振動数で駆動される場合、インピーダンスは非常に高く（例えば、無限に近づく）、非線形で一振動数を有する強い変動を有し、かつωＲ，Ｐで不連続である。振動数がωＲ，Ｐの並列共振振動数に差し掛かる時に、位相差は約＋９０°から約−９０°へ急激に変化するか、あるいは逆もまた然りである。並列共振回路の一実施形態は、直列共振する一実施形態で見られるような電圧よりむしろ、電流の「キューイングアップ（Ｑ−ｉｎｇ  ｕｐ）」を経験することになる。プラズマが並列共振ＬＣ回路を用いて生成される場合、それは並列共振のＬおよびＣの構成部に対して並列に抵抗性かつ容量性の負荷を付加し、それにより、回路内で正味の電流の流れを支配する。プラズマ中で実際量の電流を得るには、動作振動数および／またはプラズマ静電容量は十分に高くあるべきであり、それ故、増加した振動数における、かつ／または比較的大きい電極を伴う動作振動数が、並列共振ＬＣ回路を用いてプラズマを励起させるのに必須である場合がある。並列共振ＬＣ回路を利用する場合、共振回路の全域で引き起こされた電圧は、例えば断路器、循環装置、巻線を有しない変圧器、他の高電圧保護装置、および同様のもの等の十分な保護装置が用いられない限り、連続条件または過渡条件の何れかにおいて、最新の固体電子装置に対する過電圧損傷または過電流損傷の可能性を次々に増加させる電力供給装置に直接回帰する場合がある。
【００２５】
図１Ａを再び参照すると、回路理論解析は、ドライバネットワーク１０２からのＡＣ信号が以下の等式（３）で示されるような値ωＲにある場合、共振回路１０４が共振挙動（ひいては共振振動数）を表示することを規定している：
【数３】
2014236993.tif 000005
【００２６】
式中、Ｌは誘導子１２２のインダクタンスであり、Ｃは蓄電器１２４の静電容量である。しかしながら、負荷、例えば、プラズマは、共振振動数を変化し得ることに留意されたい。本開示の一実施形態では、共振回路１０４は振動数ωＲでＡＣ出力段１１０により駆動される。以下の等式（４）で示されるように、共振回路１０４は、
【数４】
2014236993.tif 000006
のインピーダンスを有する。
【００２７】
物理的な誘導子および蓄電器の非理想挙動は内部抵抗を含み、等式（４）内のＲにより表される等価直列抵抗（ＥＳＲ）としてモデル化されることがある。誘導子１２２および蓄電器１２４のＥＳＲは、簡単にするために０としてのみモデル化される。誘導子１２２および蓄電器１２４のＥＳＲをモデル化することは、当該技術分野における通常の技術を有する者の範囲である。
【００２８】
共振回路１０４の特性インピーダンスは、
【数５】
2014236993.tif 000007
である。
【００２９】
等式（５）の条件は、誘導子１２２および蓄電器１２４内における最大限のエネルギー貯蔵のための条件も表すことに留意されたい。誘導子１２２および蓄電器１２４のＬおよびＣの値の選択にそれぞれ基づき、ωＲの共振値に対する解は上記の等式（３）を利用すれば自明である。しかしながら、ＡＣ信号がωＲの振動数を有する場合、等式（４）の解はＺ＝０である。誘導子１２２の無効成分の大きさＸＬが蓄電器１２４の無効成分の大きさＸＣと等しいために共振回路１０４へのＡＣ信号がωＲにある場合、等式（４）を用いてＺ＝０という解が生じる。典型的に選択される誘導子１２２および蓄電器１２４の値を用いる場合、等式（５）は通常約１〜１０ｋΩである｜Ｚ｜を結果的にもたらし、いくつかの実施形態では、用いられるＬ／Ｃ比は約５００〜１００，０００である。ＡＣ回路に関する「最大電力伝達定理」は、有限な内部インピーダンスを有する源から最大限の外部電力を得るには、負荷インピーダンスを内部インピーダンスと整合させるべきであり、例えば、源インピーダンスが負荷インピーダンスと両方とも実数である場合に等しく、これは高振動数電力技術において典型的に５０Ωで起こることを明示していることに留意されたい。
【００３０】
従って、本開示の別の実施形態によれば、プラズマ生成システム１００はドライバネットワーク１０２を用い、近共振振動数ωＤのＡＣ信号を用いて共振回路１０４を駆動する。αまたは振動数が同等に偏移したβωＲ（１００＊β％）の因数により、ωＲに近い振動数ωＤで作動される場合の共振回路１０４が以下の等式（６）で表現される：
【数６】
2014236993.tif 000008
近共振ωＤで駆動されている場合の共振回路１０４のＸ＝ωＬ−（１／ωＣ）である等式（４）の無効成分は、
【数７】
2014236993.tif 000009
を結果的にもたらす。
【００３１】
等式（７）は、共振回路１０４の反応性インピーダンス挙動の概算を示す。等式（７）は、ドライバネットワーク１０２からのＡＣ信号により駆動される際に、共振回路１０４の計算された共振振動数と、実地に用いられる実際の動作振動数との小さい差も計上する。α＝１の場合、インピーダンスは上記の等式（４）から算出されるように０であり、αが大きな値である場合、共振回路１０４のインピーダンスは上記の等式（５）から算出されるように特性インピーダンスより大きくなる。αの能動的な選択および制御は、ＡＣ出力段１１０により経験される負荷インピーダンスを制御する一方法である。
【００３２】
αが１に近いが１に等しくない場合、近共振条件下における共振回路１０４の合計の無効成分Ｘの挙動を、β≪１（式中、α＝１＋β）である値を選択することにより示すことができ、以下の等式（８）を結果的にもたらす：
【数８】
2014236993.tif 000010
【００３３】
ドライバネットワーク１０２が約５０Ωの内部インピーダンスを有する実施形態では、ドライバネットワーク１０２が、例えばωＤ等の共振振動数ωＲに近い振動数で共振回路１０４を駆動し、共振回路１０４の同等な負荷インピーダンスが約５０Ωに近づくことを確かめる場合があることを等式（８）は規定する。従って、本開示の１つの実施形態では、ドライバネットワーク１０２は近共振振動数ωＤで共振回路１０４を駆動する。
【００３４】
図１および２を同時に参照すると、図２は、本開示のいくつかの実施形態に従う、共振回路１０４のインピーダンス対振動数のグラフ２００を示している。グラフ２００に関して、共振回路１０４は、共振回路１０４が１３．５６ＭＨｚの共振回路を形成するように選択された誘導子１２２および蓄電器１２４を有する（図１Ａを参照されたい）。誘導結合が１０〜２０ＭＨｚの範囲内、特に大気圧で比較的低いことに留意されたい。グラフ２００は、１ｋΩ、２．５ｋΩ、または５ｋΩの特性インピーダンスＺを含む、いくつかの例示的な特性インピーダンスＺ（上記の等式（５）を参照されたい）に対して示されるインピーダンスの絶対値で、１３．５６ＭＨｚに近いいくつかの振動数にて共振回路１０４を駆動する結果を示す。
【００３５】
データ点２０２は、特性インピーダンスが１ｋΩである、共振回路１０４のインピーダンスの絶対値を示す。データ点２０４は、特性インピーダンスが２．５ｋΩである、共振回路１０４のインピーダンスの絶対値を示す。データ点２０６は、特性インピーダンスが５ｋΩである、共振回路１０４のインピーダンスの絶対値を示す。データ点２０８は、ドライバネットワーク１０２の内部インピーダンスを示し、これは５０Ωで一定のままである。ωＲは１３．５６ＭＨｚにあることに留意されたい。
【００３６】
グラフ２００は、減少していく特性インピーダンスが、共振回路１０４の５０Ωの値を得るωＲとωＤとの差を必要とすることを示す。代替的に、増加していく√Ｌ／Ｃは、ωＲからωＤまでの差をそれ程必要としないが、振動数により影響されやすい負荷インピーダンスを犠牲にする。
【００３７】
例えば、データ点２０６を考慮されたく、これは、特性インピーダンスが５ｋΩである、共振回路１０４のインピーダンスの絶対値を示す。また、ドライバネットワーク１０２の内部インピーダンスを示すデータ点２０８を考慮されたい。データ点２０６は、５０Ωの内部インピーダンスが共振回路１０４のインピーダンスの絶対値に整合される２つの振動数を含む。これら２つの解はωＤ，５０Ω，１およびωＤ，５０Ω，２として記録され、帯域幅「Ａ」を定義することができる。ドライバネットワーク１０２の内部インピーダンスが共振回路１０４のインピーダンスと同程度である、共振回路１０４の共振振動数の周辺における振動数の範囲としても、帯域幅「Ａ」を定義することができる。ドライバネットワーク１０２がωＤ，５０Ω，１またはωＤ，５０Ω，２により大まかに境界される振動数範囲で共振回路１０４を駆動する場合、内部インピーダンスは負荷インピーダンスにほぼ整合される。代替の実施形態では、ドライバネットワーク１０２は帯域幅「Ａ」の範囲内における振動数で駆動する。本明細書で用いられるような整合は、簡単にするために虚数部分を無視することができる場合に、ドライバネットワーク１０２の内部インピーダンスの実部を、共振回路１０４の実効インピーダンスの実部に整合させることを指す場合がある。実効インピーダンスは、ドライバネットワーク１０２により経験されるインピーダンスである。加えて、または代替的には、整合は、振回路１０４の実効インピーダンスがドライバネットワーク１０２の内部インピーダンスの複素共役であるように、共振回路１０４の実効インピーダンスを作り出すことを伴う。しかしながら、データ点２０２および２０４は、共振回路１０４がドライバネットワーク１０２に十分に整合される、異なる振動数範囲を有することに留意されたい。
【００３８】
図１Ａを再び参照すると、ドライバネットワーク１０２が共振回路１０４を近共振振動数ωＤで駆動している例示的な一実施形態が示されている。誘導子１２２が約２４μＨのインダンクタンスを有し、かつ蓄電器１２４が約４．７ピコファラッドの静電容量を有し、例解目的のために、１５．４ＭＨｚの予想される動作振動数を結果的にもたらすことを想定されたい。寄生構成部から計上した後、実際のネットワーク解析器の測定結果は１４．９９ＭＨｚと表示し得る。これらの値は約２．３ｋΩの特性インピーダンスを示す。例示的な回路が、可変振動数により駆動されるＩＦＩ増幅器、例えば、Ａｇｉｌｅｎｔの信号生成器を用いて、プラズマ生成を伴わずにドライバネットワーク１０２により駆動される場合、誘導子１２２と蓄電器１２４との間の相対電圧（キュード（Ｑ−ｅｄ）電圧）を、節点１２６の近くにあるが接触しないオシロスコープの電圧探針により測定することができる。このようにして測定を行うことにより、空隙は、オシロスコープのＬおよびＣが共振回路１０４に影響を及ぼさないように最小の容量結合器としての機能を果たす（探針およびオシロスコープを高電力度から保護もする）。
【００３９】
実際には、電力負荷条件下にてオシロスコープを用いて観測されることは、より高い電力範囲で最も一般的に起こるネットワーク解析器に対するわずかな変動が、共振回路１０４の共振振動数より２００〜３００ｋＨｚ低い近共振振動数を結果的にもたらすことである。以前は、この現象は、電力度が増加するにつれてより作用するようになる近接場効果によるものとされた。Ｘ＝５０Ωを用いて上記の等式（６）を適用すると、得られる結果は１．０９％のβ、すなわち、ωＲから１６７ｋＨｚの偏移である。本システムの経時安定性は推移すると観測され、これは、誘導子１２２および蓄電器１２４のＥＳＲのために、共振回路１０４の中においてωＤでより増加したωＲでのジュール加熱に起因する。この加熱が誘導子１２２をその全長に沿って膨張させ、増加した断面積を有する誘導子１２２を結果的にもたらすことが予測される。誘導子１２２の断面積における面積の増加はより大きいインダクタンス値Ｌを結果的にもたらし、それにより、共振回路１０４の共振振動数をより低く偏移させる。この偏移は、ωＲで共振回路１０４を駆動した数分後に起こる場合があり、ドライバネットワーク１０２からのＡＣ振動の振動数の再調節を結果的にもたらす。典型的には、１３ＭＨｚ周辺の±２００ｋＨｚ、つまり約３％の調整可能な帯域幅が観測および利用される。
【００４０】
図１Ａを再び参照すると、ωＤでのような、ωＲまたはωＲ付近での共振状態は、節点１０６で存在する最高電圧が節点１２６での最高電圧より大きいように挙動を生じる。節点１２６での電圧が節点１０６での電圧を越える程度を、様々な方法で定量化することができる。最も好都合なことには、これらの電圧の比率は線質係数Ｑにより表現される。すなわち、共振回路１０４は、電流を「キューイングアップ（Ｑ−ｉｎｇ  ｕｐ）」するよりむしろ、節点１２６での電圧を「キューズアップ（Ｑ’ｓ−ｕｐ）」する。回路のＱを様々な同等の形態で特定することができるが、基本的には、Ｑは、共振回路の実数インピーダンスＲにより割られる、共振回路１０４の反応性インピーダンスＸを表す（Ｑ＝Ｘ／Ｒ）。実数インピーダンスは、全体の回路の寄生抵抗または等価直列抵抗（ＥＳＲ）に起因する。振動数に対するＱの挙動が図３にグラフ形態で示され、図中、Ｑの値は共振振動数で最高に達し、Ｑ＞Ｑｍａｘ／２である対応する帯域幅がある。Ｑの最高点は、回路内の節点１２６で供給される電圧が最大値に達する振動数でもある。帯域幅「ＢＷ」内の振動数での動作は共振励起を与える。帯域幅「ＢＷ」は最高点から３ｄＢ低い。
【００４１】
上記のように、蓄電器１２４および誘導子１２２の多くの組み合わせを、Ｑを最大化するように選択することができる。ω＝√（１／ＬＣ）である一方で、蓄電器１２４および誘導子１２２の値をさらに決定するために、共振回路１０４のエネルギー含有率を最大化する二次条件、具体的には、共振回路１０４の特性インピーダンスＺが関係Ｚ＝√（Ｌ／Ｃ）により支配される条件が存在する。所定のプラズマ源の設計のパラメータは、特性インピーダンスＺを決定する。蓄電器１２４および誘導子１２２を大まかに試算することを可能にする場合があるこれらの条件のグラフ表現は、図４Ａで示される通りのグラフ４００にて示される。
【００４２】
グラフ４００は、所定の振動数および所定の特性インピーダンスが共振回路１０４にプラズマを生成させるように、ＬおよびＣの値を選択するべき大まかな試算を示す。プラズマ点火の後にプラズマを維持するように、電流を制御および／または印加することができる。共振回路１０４がグラフ４００の条件下で作動される場合、共振回路１０４の「キュードアップ（Ｑ−ｅｄ  ｕｐ）」電圧は、プラズマ点火が起こるように最小電圧に達することができる。図４Ｂのグラフ４１０は、変化する動的条件が共振振動数および特性インピーダンスの修正を必要とする、図４Ａの実用的用途にさらなる見識を与える。実際には、変化する動的条件は、対応するが制限される、共振振動数および特性インピーダンスの変化を引き起こしかつ必要とする。前記制限を実行することにより、グラフ４１０で領域「Ｂ」として表される許容可能なプラズマの動作領域が結果的にもたらされる。２本の線の交点の周辺で点線により示される領域「Ｂ」は、共振動作範囲内の十分な「Ｑ」を与え、一方で、特性インピーダンスの好適な範囲を維持することをともに同時に行う、プラズマの動作点を大まかに試算する。図４Ａの誘導を用いる、誘導子１２２および蓄電器１２４の選択に応じて領域「Ｂ」に達する。プラズマが点火された時点で、プラズマの伝導効果および容量効果に起因して、蓄電器１２４および誘導子１２２のＥＳＲは増加する。共振回路１０４の実数インピーダンスにおけるこの増加は、共振回路１０４のＱと、プラズマに印加される節点１２６での対応する最高電圧とを減らす。プラズマ励起電圧は、プラズマを点火するためにより高く、プラズマを持続させるためにより低くあってよい。プラズマが消滅される場合、共振回路１０４はより高度で効果的なＱを再確立し、プラズマの再点火を容易にすることになる。
【００４３】
図１Ｂを参照すると、共振回路１０４’は並列共振回路であり、電流は「キュードアップ（Ｑ−ｅｄ  ｕｐ）」される。並列共振回路１０４’内の電流を「キューイングアップ（Ｑ−ｉｎｇ  ｕｐ）」することにより、効果的な回路要素のインピーダンスに依存する回路電圧が結果的にもたらされる。前述したように、ＬおよびＣの値の選択に関する同様の判断基準とともに、しかし振動数およびプラズマ静電容量の両方を増加させる追加の必要性を伴い、図１Ｂの並列共振する実施形態を用いることができる。共振回路１０４’では、プラズマを励起させる強い電圧が、ドライバネットワーク１０２’により経験される高い「電圧定在波比」（本明細書ではＶＳＷＲと呼ばれる）を結果的にもたらす。最新の電力供給装置は、最大の許容可能なＶＳＭＲを用いて典型的に評価される。従って、プラズマ生成システム１００’は循環装置１４２を利用するが、断路器、循環装置、変圧器、および同様のものを利用する場合もある。
【００４４】
図１Ａを再び参照すると、プラズマ生成システム１００は、センサ構成部１１４に連結された制御装置１１８を含む。制御装置１１８は、インピーダンス整合ネットワーク１１６にも連結される。センサ構成部１１４はセンサ１２０からデータを受け取る。センサ構成部１１４はＡＣ出力段１１０にも連結され、反射電力および前方電力、内部インピーダンスおよび負荷インピーダンスを測定するように構成される。センサ構成部１１４は、1つ以上の方向性結合器または他の電圧センサおよび電流センサを含む場合があり、これを用いて、電圧および電流の測定結果ならびに電圧波形と電流波形との位相差を決定することができる。その後、電圧および電流の測定結果は、反射電力および前方電力を決定するためにセンサ構成部１１４により用いられる。センサ構成部１１４は、測定された電力を、制御装置１１８に伝達される、対応する低水準の測定信号（例えば、５Ｖ未満）に変換する。センサ構成部１１４は、ＡＤ８３０２の半導体またはＡＤ８３１６の半導体を含む場合があり、それらの両方は、マサチューセッツ州ノーウッドのＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｉｎｃ．により製造されている。
【００４５】
制御装置１１８は、１つ以上の電力運搬を示す測定信号、すなわち、反射電力および前方電力、電流、電圧、および位相差を示す信号を受け入れる。制御装置１１８は測定信号を解析し、反射電力と前方電力との差、および／または入力インピーダンスと出力インピーダンスとの差を決定する。１つの実施形態では、電圧と電流との測定された位相差を用い、インピーダンス不整合を決定することができる。加えて、制御装置１１８は、反射電力と前方電力との差に基づいてインピーダンス不整合を決定する。その後、制御装置１１８は、ドライバネットワーク１０２の内部インピーダンスに対する任意の調節が、反射電力および前方電力の測定結果に基づいて、インピーダンスの不整合を補償するために行われる必要があるかどうかを決定する。加えて、制御装置１１８は、測定されたインピーダンス不整合に基づいて出力電力を調節するように、ＡＣ出力段１１０および／または電力供給装置１０８に信号を送ることもできる。
【００４６】
ドライバネットワーク１０２の内部インピーダンスに対する補償を、切換配列１３２およびインピーダンス整合ネットワーク１１６を介して行うことができる。インピーダンス整合ネットワーク１１６は、ＡＣ出力段１１６と負荷（例えば、共振回路１０４）との間に配置され、誘導子および蓄電器等の１つ以上の反応構成部を含む。インピーダンス整合ネットワークの実施形態は図５Ａ〜５Ｄに示される。ネットワーク１１６は、（例えば、分路蓄電器により供給される）分路静電容量５００と、（分路誘導子により供給される）分路インダクタンス５０２と、調整静電容量５０４とを含む。図５Ａは、調整静電容量５０４が分路静電容量５００と分路インダクタンス５０２との間に配分される、「Ｐｉ」構成にあるネットワーク１１６を例解する。図５Ｂは、調整誘導子４４が直列であり、調整静電容量５０４がＡＣ出力段１１６と接地との間に配分される、「Ｌ」構成にあるネットワーク１１６を例解する。図５Ｃは、分路静電容量５００がその間に配分される、「Ｔ」構成にあるインダクタンス４４と直列に接続された調整静電容量５０４を有するネットワーク１１６を示す。図５Ｄは、インダクタンス４４が静電容量３８および４０の間に配分される、「Ｐｉ」構成にあるネットワーク１１６を例解する。ドライバネットワーク１０２のインピーダンスに対する組織インピーダンスの値に基づいて、ネットワーク１１６の適切な構成をドライバネットワーク１０２のために選択することができる。
【００４７】
１つの実施形態では、調整静電容量５０４は２つ以上の切換可能な反応構成部６００を含む場合があり、それらのそれぞれは蓄電器６０４と直列に切換要素６０２を含む。反応構成部６００のそれぞれは、ＡＣ出力段１１６および負荷と直列である。それ故、ＡＣ出力段１１６からのＡＣエネルギーまたはＡＣ電力が調整静電容量５０４を通じて負荷に流れる際に、ＡＣエネルギーは１つ以上の構成部６００を通過する。１つの実施形態では、調整静電容量５０４は蓄電器を含む場合があり、少なくとも１つの回路経路がＡＣ出力段１１６と負荷との間に存在しなければならないので、ＡＣ出力段１１６を有する閉回路内にある。別の実施形態では、構成部６００の１つが作動され、負荷とＡＣ出力段１１６との間に閉回路を提供する。
【００４８】
切換要素６０２は、ダイオードスイッチ、電界効果トランジスタ（「ＦＥＴ」）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（「ＩＧＢＴ」）等のトランジスタ、または同様のものの何れかであってよく、それらの動作は切換配列１３２により制御される。切換要素６０２がダイオードスイッチである１つの実施形態では、正−真性−負（「ＰＩＮ」）ダイオードを用いることができる。様々な様式で切換要素６０２を操作することができる。所定期間の間切換要素６０２を「作動」させ、自動的に開状態に戻すことができる。別の実施形態では、任意の所望の期間の間切換要素６０２を作動させることができる。１つの実施形態では、切換要素６０２はＲＦ継電器であってよい。
【００４９】
切換配列１３２は切換要素６０２を作動および停止させ、それによりネットワーク１１６内の蓄電器６０４をトグル切換する。制御装置１１８は、測定されたインピーダンス不整合に基づいて、特定の切換要素６０２および作動の特定の持続時間を作動および停止させるように切換配列１３２に信号を送る。より具体的には、制御装置１１８は、以上で検討した通りのインピーダンス不整合に基づいて、適当量のインピーダンス補償を決定する。所望のインピーダンス補償を達成するために、所定数の反応構成部６００がそれらのリアクタンスに基づいて作動される。その後、制御装置１１８は、反応構成部６００を作動させ、特定の公差に対してインピーダンスの不整合を補償するのに適切であるネットワーク１１６の合計のリアクタンスを得るように、切換配列１３２に信号を送る。制御装置１１８は、個々の反応構成部６００の反応値を用いてあらかじめプログラムされる。実施形態では、制御装置１１８は、反応構成部６００の伝送線路等価に基づいて、あるいは、離散集中パラメータ要素を用いて、どの反応構成部６００が作動されるかを決定することができる。ネットワーク１１６、より具体的には、調整静電容量５０４が任意の数の反応構成部６００を含む場合があるため、任意の所望のリアクタンスを確立することができる。
【００５０】
図６で示されるように、調整静電容量５０４は四つ（４）の反応構成部６００を含み、これらは様々なリアクタンスを有する場合があり、それ故、十六（１６）個の異なる静電容量値を与える。反応構成部６００の数を五（５）個に増やすことにより、組み合わせの数が効果的に２倍にされて三十二（３２）個になる。当業者は、任意の所定のリアクタンスを有する反応構成部６００の任意の組み合わせを利用することができることを十分に理解されたい。切換要素６０２がダイオードまたはトランジスタである場合、切換配列１３２は、切換要素６０２を動作および停止させるように適合される、ダイオードまたはトランジスタのプッシュプル駆動回路（明示せず）を含む場合がある。
【００５１】
図７は、インピーダンス整合ネットワーク１１６を制御するための制御システム７００の概略ブロック図を示す。制御システム７００は、制御装置１１８、インピーダンス整合ネットワーク１１６、切換配列１３２、またはセンサ構成部１１４の一部であってよく、あるいは、同じもののうち１つ以上を置き換えてよい。制御システム７００はＡＣ出力段１１０から信号を受信し、かつ前方電力および反射電力を決定するための電力測定モジュール７０２を含む。モジュール７０２は、測定された前方電力および反射電力に基づいて、インピーダンスの不整合も決定する。モジュール７０２は、インピーダンスの不整合に対応する測定信号を比較器７０４に伝送する。１つの実施形態では、モジュール７０２は、前方電力および反射電力、および／またはそれらの差を表す測定信号を比較器７０４に伝送することができる。
【００５２】
比較器７０４は、最大の不整合インピーダンス、または前方電力と反射電力との最大の差を表す所定の設定点を用いてあらかじめプログラムされる。比較器７０４は、測定信号間の差を設定点値と比較する。測定信号が設定点値より小さい場合、比較器７０４は、切換要素７０８が第１反応構成部７１０を作動させる第１位置に切換要素７０８（例えば、ダイオードスイッチ、トランジスタ、または同様のもの）を作動させるように、切換組立体７０６に信号を送る。測定信号が設定点値より大きい場合、比較器７０４は、切換要素７０８を第２位置に作動させて第２反応構成部７１２を作動させるように、切換組立体７０６に信号を送る。第１反応構成部７１０および第２反応構成部７１２は、それぞれ第１蓄電器７１４および第２蓄電器７１６を含む。測定信号が所定の設定点値より小さい場合に第１リアクタンスが任意のインピーダンス不整合を補償するのに適切であり、かつ、測定信号が所定の設定点値より大きい場合に第２リアクタンスが任意のインピーダンス不整合を補償するのに適切であるように、反応構成部７１０および７１２は対応する第１リアクタンスおよび第２リアクタンスを有する。１つの実施形態では、エネルギーの印加より前に制御装置１１８により、比較器７０４の設定点値を自動的に設定することができる。別の実施形態では、使用者により手動で設定点値を設定することができる。
【００５３】
図８は、本開示に従う、図１Ａのプラズマ生成システム１００のインピーダンス不整合を補償するための方法８００を例解する。ステップ８０２では、プラズマ生成システム１００はインピーダンス不整合を決定する。時間とともに反射電力および前方電力を測定すること、または以上で検討した通りの位相差を測定することによりこれを達成することができる。インピーダンス不整合を表す測定信号は様々な時間間隔で制御装置１１８に伝送され、その後、これは測定結果に基づいてプラズマ生成システム１００と負荷との間における最適なインピーダンス整合を（もしあれば）決定する。ステップ８０４では、制御装置１１８は、インピーダンス不整合を補償するようにインピーダンス整合ネットワーク１１６を設定するべきリアクタンスを計算する。制御装置１１８がインピーダンス整合ネットワーク１１６の反応構成部６００の個々のリアクタンス値を用いてあらかじめプログラムされるために、制御装置１１８は、インピーダンス不整合を補償するのに適切な所望のリアクタンスを実現するために、反応構成部６００のうちどれを作動させるべきかを決定する。ステップ８０６では、制御装置１１８は、ステップ８０４で決定されたように、反応構成部６００を作動させるように切換配列１３２に信号を送る。ステップ８０８では、切換配列１３２は、反応構成部６００の対応する切換要素６０２に作動パルスを供給する。切換要素６０２がトグル切換された時点で、蓄電器６０４はＡＣ出力段１１０と直列に接続され、インピーダンス不整合を補償する。別の実施形態では、相対リアクタンスだけが必要とされ、制御装置１１８は許容可能な整合条件が得られるまで追加されたリアクタンスを増分または減分する。
【００５４】
図１および９を参照すると、図９は、図１Ａのプラズマ生成システム１００のインピーダンス不整合に対する制御のための方法９００の別の実施形態を例解し、図中、インピーダンス整合ネットワークは、共振回路１０４に対するＡＣ信号の振動数を調整することにより制御される。より具体的には、インピーダンス整合ネットワーク１１６は図５Ａ〜５Ｄで示されるような例解される実施形態の何れか１つであってよいか、あるいは整合ネットワークは全く用いられない。インピーダンス整合ネットワーク１１６は、所定値のインダクタンス５０６ならびに静電容量５００および５０４を選択し、その後、ドライバネットワーク１０２のＡＣ信号の振動数を変化させ、インピーダンスを共振回路１０４に整合させるにより構築される。任意の特定の動作振動数の周辺では、インピーダンス整合ネットワーク１１６は振動数の小さい変化への準線形応答を有し、インピーダンス整合の際に正確な調節を可能にする。加えて、構成部の選択および構成（例えば、特定のＣＣＬ回路を選択すること）に基づく振動数の小さい変化に敏感であるように、インピーダンス整合ネットワーク１１６を構成することができる。動作振動数を修正することによるインピーダンス整合に対する調節により、インピーダンスの連続的に可変かつ正確な調整（例えば、１，０００，０００，０００分の１の分解能）も可能になる。別の実施形態では、相対リアクタンスだけが必要とされ、制御装置１１８は許容可能な整合条件が得られるまで振動数を増分または減分する。
【００５５】
センサ構成部１１４は、以上で検討したように、反射電力または位相差に基づいてインピーダンス不整合を決定する。具体的には、センサ構成部１１４は負荷に供給される電圧および電流を測定する。センサ構成部１１４は、ログ検出器、ＲＭＳ検出器、またはチップ上ＶＮＡ装置を含む場合がある。その後、センサ構成部１１４は不整合インピーダンスを制御装置１１８に伝送し、その後、これは直接デジタル合成装置１１２を制御することによりＡＣ出力段１１０の発振器振動数を調節する。制御装置１１８は、インピーダンス整合情報を処理し、振動数の調節を決定して不整合を補正するためのアルゴリズムｍを含む。ＡＣ出力段１１０は可変発振器振動数を受信し、かつ直接デジタル合成（「ＤＤＳ」）装置１１２からの制御信号を介して制御される。ＡＣ出力段１１０は、その後電力利得のために増幅され、インピーダンス整合ネットワーク１１６および負荷に印加される、選択された振動数の波形を提供する。
【００５６】
ステップ９０２では、センサ構成部１１４は、以上で検討されたように、反射電力および前方電力または位相偏移の差に基づいてインピーダンス不整合を決定する。ステップ９０４では、インピーダンス不整合を反映する測定結果が制御装置１１８に伝送され、その後これは、インピーダンス整合ネットワーク１１６に供給される電流が、ドライバネットワーク１０２のインピーダンスを共振回路１０４に整合させる振動数に対する調節を計算する。ステップ９０６では、ドライバネットワーク１０２が、制御装置１１８により指示された通りの特定振動数のＲＦ電流を印加する。
【００５７】
図８および９を参照すると、方法８００および９００は連動して機能することができる。例えば、共振回路１０４に印加される振動数が所定の帯域、例えば、ＩＳＭ帯域の範囲内に留まるように、方法８００はインピーダンス整合ネットワークを制御することができる。その後、方法９００は、所定の帯域の範囲内でのみ振動数の調節を行うことができる。ドライバネットワーク１０２が好適な動作パラメータで共振回路１０４を駆動し、かつ所定の帯域の範囲内に留まるように、ドライバネットワーク１０２はインピーダンス整合ネットワーク１１６を制御する。
【００５８】
図１Ａを再び参照すると、以上で検討したように、ドライバネットワーク１０２は、内部インピーダンスの機能および共振回路１０４のインピーダンスに応じて、インピーダンス整合ネットワーク１１６および／または共振回路１０４の駆動振動数を制御することができる。すなわち、ドライバネットワーク１０２はインピーダンスに対して制御することができる。加えて、または代替的には、ドライバネットワーク１０２は、位相角を用いて、節点１０６を介して共振回路１０４に印加されるＡＣ信号を制御することもできる。センサ１２０はデータを測定し、かつ前記データをセンサ構成部１１４に伝えることができる。センサ１２０およびセンサ構成部１１４は共に、プラズマを通じる電流の位相と、プラズマの全体にわたる電圧の位相との間の位相差を伝えることができる。
【００５９】
図１および１０を参照すると、図１０は、図１Ａのプラズマ生成システム１００と同等な回路１０００を示している。回路１０００は、ドライバネットワーク１０２、誘導子１２２および蓄電器１２４を含む駆動共振回路１０４を示す。プラズマは、値Ｒｐｌａｓを有する抵抗器１００２および値Ｃｐｌａｓを有する蓄電器１００４を含む集中要素モデルとして回路１０００内に示される。プラズマの負荷は概して１００６と示される。ドライバネットワーク１０２により供給される電圧および電流は、それぞれＶａｃおよびＩａｃと示される。プラズマを通じる電圧および電流は、それぞれＶｐｌａｓおよびＩｐｌａｓと示される。
【００６０】
図１０、１１Ａ、および１１Ｂに関しては、制御装置１１８で選択された振動数で運搬される電力を制御することにより、共振回路１０４の制御を実現することができる。ＡＣ信号が共振回路１０２に印加される場合、プラズマ１００６による負荷は、Ｒｐｌａｓとして示される抵抗成分Ｒと、Ｃｐｌａｓとして示される無効成分Ｘとを含み、これは同様に、以下の等式（９）により示される電圧Ｖｐｌａｓと電流Ｉｐｌａｓとの位相差をもたらす：
【数９】
2014236993.tif 000011
【００６１】
加えて、回路１００６に印加される電力は以下の等式（１０）を用いて計算される：
【数１０】
2014236993.tif 000012
【００６２】
Ｖｐｌａｓ、Ｉｐｌａｓ（ＲＭＳ値または最高値を用いることができる）、および／またはθの値を、個別に、またはそれらのいくつかの組み合わせにて用い、共振回路１０４に印加されるＡＣ信号を制御することができる。制御装置１１８は、電圧Ｖｐｌａｓ、電流Ｉｐｌａｓ、または位相θに対して制御することができる。例えば、制御装置１１８は絶対位相角θに基づいて制御することができる。図１１Ｂを参照すると、振動数と連動する位相θの変化は、共振振動数に対する動作振動数に応じて正にも負にもなり得ることに留意されたい。制御装置１１８の適切な設計はこの特徴を与えることになるだろう。制御装置１１８に対する他の改善は、当該システムが共振振動数を遷移させることを防ぐ能力を含み得るだろう。加えて、または代替的には、回路１００６のインピーダンスまたは１００６に印加される電力を、制御装置１１８により制御パラメータとして用いることもできる。インピーダンスまたは電力に対して制御することにより、さらなる計算過程および時間遅延がもたらされる。制御装置１１８は、所定のインピーダンス、または所定のインピーダンス範囲に対して制御することができる。制御装置１１８は、電圧、電流、および／または電力度を最大化するようにＡＣ信号を制御することができる。
【００６３】
図１１Ａおよび１１Ｂを参照すると、図１Ａのドライバネットワーク１０２は、電圧Ｖｐｌａｓと電流Ｉｐｌａｓとの位相差に応じて共振回路１０４を制御することができる。本開示の１つの実施形態では、制御装置１１８は位相のみを利用して共振回路１０４に印加されるＡＣ信号の振動数を制御し、測定誤差を減らし、較正確度を増加させ、複数入力・複数出力技術（本明細書では「ＭＩＭＯ」と呼ばれ、以下でより詳細に記載される）の使用を可能にする。
【００６４】
以下の例示的な実施形態を考慮されたい：誘導子１２２は１０マイクロヘンリーの値を有し、かつ蓄電器１２４は１０ピコファラッドの値を有し、１５．９２ＭＨｚの共振振動数を有する共振回路１０４を結果的にもたらす。抵抗器１００２および蓄電器１００４の集中要素によりモデル化されるプラズマ１００６は、共振回路１０４を介して励起される。プラズマ１００６の実効インピーダンスは、図１１Ａで示されるのと同様に、回路１０００の共振振動数の１１．２ＭＨｚへの下方偏移を引き起こす。図１１ＡはＶｐｌａｓ／Ｖａｃの伝達関数Ｈを示す。電圧Ｖｐｌａｓと電流Ｉｐｌａｓとの位相差を制御することを、図１１Ｂ中の線１１０２により示されるような最高点を検出することにより実行することができる。線１１０２は電圧Ｖｐｌａｓと電流Ｉｐｌａｓとの位相差を示す。ＶａｃとＩａｃとの位相差は線１１０４により示され、１１．２ＭＨｚで対応して鋭い最高点を有しないことに留意されたい。制御装置１１８は、所定の位相差を得るように、線１１０２により示されるような電圧Ｖｐｌａｓと電流Ｉｐｌａｓとの位相差に対して制御することができる。所定の位相差は約０でも所定値でもよい。電圧Ｖｐｌａｓと電流Ｉｐｌａｓとの位相差の測定を、例えば、AD8302の半導体またはＡＤ８３１６の半導体を利用することにより実現することができ、それらの両方は、マサチューセッツ州ノーウッドのＡｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｉｎｃ．により製造されている。
【００６５】
図１および１２をここで参照すると、図１２は、本開示に従い、センサ１２０により測定される通りの決定された位相差に少なくとも応じて、図１Ａのドライバネットワーク１０２を制御する方法１２００を示している。方法１２００は、インピーダンス整合ネットワーク１１６を利用することにより位相を制御する。
【００６６】
方法１２００はステップ１２０２〜１２１０を含む。ステップ１２０２は、プラズマ（例えば、図１０で示される通りのプラズマ１００６）の全体にわたる電圧とプラズマの全体にわたる電流との位相差を決定する。ステップ１２０４はリアクタンスを計算し、これは位相差を補償する。ステップ１２０４は、約０または所定値である位相差を引き起こすリアクタンス補償を計算する。ステップ１２０６は反応構成部ネットワークを作動させるように切換配列に信号を送り、例えば、制御装置１１８はインピーダンス整合ネットワーク１１６を制御するように切換配列１３２に信号を送る。ステップ１２０８は１つ以上の反応構成部を作動させ、例えば、図５Ａ〜５Ｄおよび６で示される静電容量５０４が変化される。ステップ１２１０は共振回路１０４に印加される電力を調節する。ドライバネットワーク１０２からの電流または電圧を調節することにより、電力を調節することができる。
【００６７】
図１および１３をここで参照すると、図１３は、本開示に従い、センサ１２０により測定される通りの決定された位相差に少なくとも応じて、図１Ａのドライバネットワーク１０２を制御する方法１３００を示している。方法１３００は、節点１０６を介して共振回路１０４に印加される際のドライバネットワーク１０２からの振動数を変化させることにより位相を制御する。方法１３００はステップ１３０２〜１３０８を含む。ステップ１３０２は、プラズマ（例えば、図１０で示される通りのプラズマ１００６）の全体にわたる電圧とプラズマの全体にわたる電流との位相差を決定する。ステップ１３０４は、位相差を調整するために振動数を相殺する。ステップ１３０６は、所定の位相差を維持するように、共振回路１０４に印加されるようなドライバネットワーク１０２からの振動数を調節する。制御装置１１８は、直接デジタル合成装置１１２の位相増分登録器に位相増分値をデジタル的に伝えることによって参照信号の振動数を制御することにより、ドライバネットワーク１０２からの振動数を調節することができる。ステップ１３０８は共振回路１０４に印加される電力を調節する。ドライバネットワーク１０２からの電流および電圧を調節することにより、電力を調節することができる。
【００６８】
ここで図１４に目を向けると、本開示の一実施形態が、プラズマ発生装置１４００を含むプラズマ生成システムとして例解されている。図１４は、図１Ａのシステム１００と実質的に同様の方法で機能し、蓄電器１４０２と、誘導子１４０４と、ドライバネットワーク１５０６とを含む。プラズマを点火する「キュードアップ（Ｑ−ｅｄ  ｕｐ）」高電圧が節点１４１０に現れる。蓄電器１４０２は、様々な構成で配列された１つ以上の蓄電器を含む場合があり、プラズマ１４１２により創出される容量効果を含む場合がある。蓄電器１４０２を固定静電容量を用いて構成することができ、または、その代わりに可変静電容量のために構成することができる。誘導子１４０４は、様々な構成で配列された１つ以上の誘導子を含む場合がある。誘導子１４０４を固定インダクタンスを用いて構成することができ、または、その代わりに可変インダクタンスのために構成することもできる。以上で検討したように、蓄電器１４０２および誘導子１４０４を相互交換することができる。加えて、蓄電器１４０２および／または誘導子１４０４は個別の構成部として示されるが、蓄電器１４０２および／または誘導子１４０４は、その代わりに、伝送線実装の際に獲得可能な構成部のような、分散した構成部または同等の構成部であってよい。
【００６９】
プラズマ発生装置１４００は、任意の従来の生成器、またはＡＣ信号を生成する能力がある他の適切な電力源を含む１４０６からのＡＣ信号を受信することができる。加えて、または代替的には、図１Ａのドライバネットワーク１０２と同一または同様の源から、１４０６を介してＡＣ信号を受信することができる。システム１４００は管１４０８をさらに含む。管１４０８は、活性プラズマ体積１４１２を制限および／または限定する物理的構造体である。管１４０８は、空間的に人員から分離される体積へのプラズマの限定を促進もし、プラズマの点火および作動を容易にするために前記管を抜いて低圧にすることができ、および／または、前記管はプラズマの純度の増加を促進する。加えて、または代替的には、管１４０８を大気圧で操作することができる。管１４０８は、可イオン化気体源１４１１からの可イオン化気体の励起を実現する任意の適切な形状であってよい。１つの実施形態では、管１４０８は石英管であり、かつ１／８インチ、１／４インチ、または２〜５ミリメートルの範囲内の直径を有する場合がある。
【００７０】
管１４０８は誘導子１４０４の内部で受容される。節点１４１０が管１４０８の遠位端１４０８ｂの近くに位置するように、誘導子１４０４は管１４０８の周辺に位置付けられる。このようにして、回路電圧の最大の容量結合が、電極１４１６を介して容器５０８の遠位端５０８ｂ内で経験される。電極１４１６は節点１４１０に電気的に連結される。加えて、プラズマ発生装置１４００は電極１４１８を含む場合もある。電極１４１８は接地に電気的に連結される。容器５０８は可イオン化気体源１４１１に接続される。可イオン化気体源１４１１は、プラズマ１４１２での処理を受ける加工対象物の温度上昇を制御するように制御可能である。管１４０８の作動中に、プラズマ流出流１４１２が遠位端１４１０ｂから放出される。
【００７１】
以上で検討したように、蓄電器１４０２の静電容量Ｃおよび／または誘導子１４０４のインダクタンスＬは、固定でも可変でもよい。蓄電器１４０２および誘導子１４０４は、以上で検討したように、共振回路１４１４がωＲまたはωＤの振動数で共振を実現するように選択および／または調節される。共振回路１４１４の電圧の最大の容量結合は節点１４１０で経験される。代替的には、蓄電器１４０２の静電容量および誘導子１４０４のインダクタンスを固定することができ、共振回路１４１４に運搬される電力の振動数をωＲまたはωＤが実現されるまで調整することができる。入力電圧が共振回路１４１４に印加される場合、回路電圧のプラズマ励起体積（電極１４１６と電気的に連通している節点１４１０）への容量結合が最小の電圧および電流を超える場合、管１４０８の遠位端１４０８ｂから流れる気体は点火される。電力の共振回路１４１４への連続印加が、プラズマ生成を持続させることができる。任意の所定の気体を点火するのに必要な最小の電圧および電流を、パッシェン曲線を用いて大まかに試算することができる。所定の手順の必要に応じて、管１４０８を通じる気体の流れを調節することができる。例えば、気体の流れを調節すると、プラズマ１４０８ｂにより加工対象物中で誘起された温度を制御することができる。慎重に選択された蓄電器１４０２および誘導子１４０４を用いることにより、源と負荷との中間にある専用の整合ネットワークの必要性が軽減されるが、それでもこれを利用することはできる。当業者は、金属電極１４１６中における固有静電容量を通じて、比較的低い静電容量値を得ることができること、すなわち、蓄電器１４０２は、電極１４１６から創出された静電容量からの全部でも一部でもよいことも認識する。別個のまたは物理的な容量構成部の文字通りの挿入の必要性がないように、電極１４１６を設計することができる。
【００７２】
実際には、主としてプラズマ条件の可変性のために、共振回路１４１４のインピーダンスＺの実部Ｒの大きさおよび挙動を正確に予測するのは困難である場合がある。ここで図１５を参照すると、共振回路のインピーダンスＺの実部Ｒを正確に予測するという問題を軽減するために、プラズマ発生装置１５００は、蓄電器１５０６および誘導子１５０８と直列にある抵抗器１５０４を有する共振回路１５０２を含んでいる。抵抗器１５０４は、固定抵抗器であっても可変抵抗器であってもよい。抵抗器１５０４は小さい抵抗、典型的には１０Ω未満を有する。共振回路１５０２では、抵抗器１５０４は実数インピーダンスＲの主要源としての役割を果たす。実際には、抵抗器１５０４により追加される直列抵抗は概して、結合した蓄電器１５０６および誘導子１５０８のＥＳＲの二（２）倍〜十（１０）倍である。
【００７３】
抵抗器１５０４の共振回路１５０２への追加は利点および不利点を有し、それらの両方が図１６で示されるグラフから明白である。図１６で示されるように、Ｒが増加する際に、同時に起こるＱの減少および帯域幅の増加がある。それ故、増加したＲはより低く強い回路電圧を最終的にもたらし、従って、プラズマに対する絶縁破壊電圧を得るように電力入力を増加させなければならない。増加したＲは増加した帯域幅という有益な効果を有し、従って、プラズマ条件の変化はプラズマの動作に対する有害効果をそれほど有しない。プラズマへのわずかな摂動がプラズマを維持するのに必要とされる電圧より低くキュード（Ｑ−ｅｄ）電圧を降下させることになるため、狭帯域幅回路は典型的に使用が限られる。Ｌ−Ｃ−Ｃ回路およびＣ−Ｌ−Ｌ回路に対して、これらのＱ制御の方法を実施することもできる。
【００７４】
図１７および１８をここで参照すると、本開示によるプラズマ発生装置１７００の一実施形態がある。プラズマ発生装置１７００は、可イオン化気体の通路用に構成された内管１７０２と、プラズマ点火回路１７０６を維持するように構成された筐体１７０４とを含む。内管１７０２および／または筐体１７０４を、共振回路１７０６の実効インピーダンスの一部と見なすことができる。図示される通りの回路１７０６では、内管１７０２は絶縁材料でできているが、以下で検討されることになるように、内管１７０２は必ずしも絶縁性である必要はない。内管１７０２は石英管であってよい。プラズマ点火回路１７０６は、上文に記載されている図１５の回路１５０２と実質的に同様である。回路１７０６は、蓄電器（または蓄電器の同等物）１７０８と、誘導子（または誘導子の同等物）１７１０と、抵抗器（または抵抗器の同等物）１７１２と、１７１４に由来するＡＣ電力源とを含む。蓄電器１７０８、誘導子１７１０、および／または抵抗器１７１２のうち１つ以上は、以上で検討したように、固定でも調節可能でもよい。誘導子１７１０は、プラズマに実質的に影響を及ぼさない磁場を生み出し、それにより遮蔽の必要性を軽減するが、このような遮蔽を利用することは、当該技術分野における通常の技術を有する者の範囲である。プラズマ発生装置１７００は電極１７２６および／または１７２８を含む。電極１７２６は、回路１７０６をそこを通じて流れる可イオン化気体に容量結合することができ、移動または浮動する接地条件を防ぐために、電極１７２８を接地することができる。回路１７０６は、回路１７０６を作動させるためのボタンつまり切換器１７１８を含む作動機構１７１６をさらに含む。プラズマ発生装置１７００は、可イオン化気体源１７２０に操作可能に接続される。
【００７５】
図１Ａの回路１０４、図１４の１４１４、図１５の１５０２を参照して以上で検討したように、蓄電器１７０８、誘導子１７１０、および抵抗器１７１２を、所定の振動数に対してＱを最大化するように、調節するか選択するかの何れかをすることができる。代替的には、Ｑを最大化するように、回路１７０６に供給される電力の振動数を調節することができる。一旦構成されれば、プラズマ発生装置１７００のプラズマジェット１７２２を、回路１７０６を作動させることにより点火することができる。ボタン１７１８の押下により、図示されるように直接、またはドライバネットワーク１０２と連通している制御を通じて、電力が回路１７０６に運搬される。以上で検討したように、増加した電圧が蓄電器１７０８と誘導子１７１０との間にある回路１７０６内で経験される。回路１７０６の容量結合は電極１７２６を介して起こる。代替の実施形態では、容量結合は電極１７２８の近くで（または電極１７２８を介して）下流に起こり得る。最小の電圧および電流が得られた時点で、内管１７０２を通じて流れる気体は点火される。図１８で示されるように、回路１７０６の連続動作はプラズマジェット１７２２を持続させる。蓄電器１７０８と誘導子１７１０との間にある回路１７０６に、針電極１７２４を電気的に接続することができる。蓄電器１７０８と誘導子１７１０との間にある回路１７０６に（例えば、切換器、継電器、および同様のものを介して）、針電極１７２４を選択可能に接続することができる。本開示の別の実施形態では、針電極１７２４を断続的または恒久的に接地に接続することができ、例えば、針電極１７２４を接地に接続してプラズマの点火を促進し、その次に、プラズマの点火が起こった後に切断することができる。本開示のさらに別の実施形態では、針電極１７２４を断続的または恒久的に４７２ｋＨｚで動作する電気外科用エネルギー源に（例えば、図１０の電気外科用生成器２００２内で見つかるような電気外科用エネルギー源に）接続することができる。針電極１７２４は、内管１７０２の遠位端１７０２ｂの中に延在する。プラズマジェット１７２２の点火を支援するために、針電極１７２４を含めることができる。
【００７６】
ここで図１９に目を向けると、本開示の代替の一実施形態が、概して回路１９００として示されるように、回路から横方向に間隔を空けられたプラズマ発生装置を含むＬＣ直列回路の概略図として例解されている。ＬＣ直列回路１９１０はＬＣ回路２１０と実質的に同様であり、それらの間の差に関連するようにのみ記載されることになる。ＬＣ直列回路１９１０は、蓄電器１９２０と、誘導子１９３０と、抵抗器１９７０と、１９４０を介するＡＣ電力源とを含む。ＬＣ直列回路１９１０は、帯状電極１９４５、または、同軸ケーブルのような他の適切な導電部材により、プラズマ生成装置１９５０に接続される。用いることができるいくつかの他の導電部材としては、針金、導波管、十分な形状を有するＰＣＢ板内の金属細長片、十分な形状を有する素材の管、および同様のものが挙げられる。このようにして、回路１９１０内の節点１９５５で誘起された電圧は、プラズマ生成装置１９５０の遠位端１９５０ｂ内でも経験される。遠位端１９５０ｂの細長片１９４５に対する長さは、特定の過程に必要なプラズマ体積を得るように調節可能である。以上で言及したように、十分な電圧がプラズマ励起体積（遠位端１９５０ｂ）内で得られる際に、電気外科用器具１９５０の遠位端１９５０ｂを抜け出す気体は発火する。回路１９１０では、誘導子１９３０が電気外科用装置１９５０から物理的に分離されるため、プラズマ装置１９５０を設計するためのさらなる設計裁量があり、例えば、いくつかの実施形態では、内管が絶縁性でない。
【００７７】
図面を参照すると、図２０は、本開示に従う電気外科用システム２０００の模式図を示している。本開示による電気外科用生成器２００２は、焼灼処置、凝固処置、および血管閉鎖処置を含む、単極および双極の電気外科処置を実行することができる。電気外科用生成器２００２は、様々な電気外科用器具（例えば、単極活性電極、戻り電極、双極電気外科用鉗子、フットスイッチ、煙吸引機など）と連動させるための複数の出力を含む場合がある。さらに、電気外科用生成器２００２は、様々な電気外科的な様式（例えば、切断、混合、分割など）および処置に適している、無線周波数の電力およびエネルギー準位を生成するために構成された電子回路機構を含む。
【００７８】
本開示による生成器２００２を、プラズマを発生させるために利用することができる。電気外科用システム２０００はドライバネットワーク１０２を含む。別の実施形態では、ドライバネットワーク１０２は電気外科用生成器２００２の一部である。加えて、または代替的には、プラズマ発生装置１７００により、電気外科用エネルギー生成回路機構を利用してプラズマを発生させることができる。
【００７９】
ドライバネットワーク１０２は、プラズマ発生装置１７００を用いてプラズマを点火する。プラズマ発生装置は、電気外科用生成器２００２からの電気外科用エネルギーをプラズマに電気的に結合させる活性電極を含む。電気外科用エネルギーはプラズマを通じて流れ、患者Ｐを通じ、戻りパッド２００４を通じて電気外科用生成器２００２に戻る。システム２０００は、患者Ｐとの全接触面積を最大化することにより、組織損傷の可能性を最小化するように配列される、複数の戻り電極２００４を有する場合がある。加えて、いわゆる「組織対患者」の電気的接触抵抗を監視し、十分に低い抵抗接触がそれらの間に存在することを保証し、非意図的な加熱による組織損傷の可能性をさらに最小化するために、生成器２００２および戻り電極２００４を構成することができる。１つの実施形態では、液体環境内で動作するように活性電極を用いることができ、そこで、組織は電解質溶液中に沈められる。
【００８０】
システム２０００は、電気外科用生成器２００２および可イオン化気体供給装置２００６に連結された電気外科用光束として構成することができるプラズマ発生装置１７００を利用する。気体供給装置２００６は、電気外科用生成器２００２からの電気外科用エネルギーの供給と連動している電気外科処置の最中に、管２００８を通じる可イオン化気体（例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素）のプラズマ発生装置１７００への流れを調整する。システム２０００は、可イオン化気体源２００６およびプラズマ発生装置１７００の通路と流体連通し、かつ可イオン化気体源２００６とプラズマ発生装置１７００の通路との間に配置された気体冷却装置２０１０を含む場合もある。気体冷却装置２０１０は、プラズマ発生装置１７００の筐体の通路に流れ込む可イオン化気体を冷却するように構成される。生成器２００２は、可イオン化気体を点火し、プラズマ発生装置１７００を通じてその後運搬されるプラズマを発生させるのに十分なエネルギーを、患者Ｐの治療部位に供給するように適合される。
【００８１】
生成器２００２は、生成器２００２を制御するのに適切な入力制御手段（例えば、ボタン、作動器、切換器、タッチスクリーンなど）を含む。加えて、生成器２００２は、使用者に様々な出力情報（例えば、強度設定、治療完了指標など）を提供するための１つ以上の表示画面を含む場合がある。制御手段は、ＲＦエネルギー、波形、ならびに、所望の組織効果および特定の作業（例えば、凝固、組織閉鎖、強度設定など）に適切な所望の波形を得る他のパラメータに応じて変動する、許容される最大のアークエネルギーの度合いの電力またはエネルギーを使用者が調節することを可能にする。プラズマ発生装置１７００は、生成器２００２の特定の入力制御手段と重複する場合がある複数の入力制御手段を含む場合もある。プラズマ発生装置１７００に入力制御手段を設置することにより、生成器２００２との連動を必要とすることなく、外科処置の最中にＲＦエネルギーパラメータのより容易かつより速い修正が可能になる。
【００８２】
本開示の例解的な実施形態が本明細書で添付図面を参照して記載されてきたが、本開示はそうした明確な実施形態に制限されないことと、本開示の範囲または趣旨から逸脱することなく、様々な他の変更および修正を前記実施形態にて当業者により遂行することができることとを理解されたい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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