(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波吸収性材料と、複数のループを備えたコイル状のクロマトグラフィック・コラムとを含むクロマトグラフィック・コラム・アセンブリを加熱するマイクロ波加熱装置であって、
両端に金属性キャップを備えた円筒形状の金属筐体を有する共振空洞であって、当該金属性キャップが当該円筒形状の金属筐体の中心軸に対して垂直方向に方向付けられている、共振空洞と、
マイクロ波信号を前記共振空洞の内部へ送信する送信機と、
を有するマイクロ波加熱装置において、
画定された電磁場が、前記マイクロ波信号に応じて生成され、
前記クロマトグラフィック・コラム・アセンブリは、前記電磁場の強度が前記クロマトグラフィック・コラムの長さに沿って実質的に一定であるように、前記共振空洞の内部において支持される、ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロ波加熱装置において、
前記共振空洞内の前記電磁場はＴＭ010モードで共振する、ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
請求項１記載のマイクロ波加熱装置において、
前記送信機は、前記共振空洞の内部に突き出ているアンテナを備え、
前記共振空洞の内部の前記アンテナの長さは、当該共振空洞の内部に送信されるマイクロ波信号の量を最大化し、当該共振空洞から逃げるマイクロ波信号の量を最小化するように選択されている、ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
請求項１記載のマイクロ波加熱装置において、
前記マイクロ波信号を生成するマイクロ波源と、
反射して前記マイクロ波源へ戻るマイクロ波エネルギから当該マイクロ波源を保護するサーキュレータと、
を更に備えている、ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
請求項１記載のマイクロ波加熱装置において、
前記クロマトグラフィック・コラム・アセンブリの加熱速度を制御するために、前記共振空洞内へ送信される前記マイクロ波信号の電力レベルを調節するコントローラを更に備えている、ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項６】
請求項１記載のマイクロ波加熱装置において、
前記マイクロ波信号の周波数を前記共振空洞の共振周波数にほぼ一致させるコントローラを更に備えている、ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項７】
請求項１記載のマイクロ波加熱装置において、
前記クロマトグラフィック・コラム・アセンブリは、前記共振空洞の内部で前記円筒形状の金属筐体の前記中心軸を中心にして半径方向に対称の位置に支持される、ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項８】
請求項１記載のマイクロ波加熱装置において、
前記クロマトグラフィック・コラム・アセンブリの温度を測定する赤外線温度センサを更に備えている、ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項９】
請求項１記載のマイクロ波加熱装置において、
前記クロマトグラフィック・コラム・アセンブリの温度を直接に測定する温度センサと、関連する信号線とを前記共振空洞の内部に更に備えており、
前記温度センサと前記関連する信号線とは、前記電磁場の電磁場線に対して垂直になるように、前記共振空洞の内部に配置される、ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス・クロマトグラフィの分野に関し、特に、クロマトグラフィック・コラム（クロマトグラフィ用のコラム）を加熱してコラムの長さに沿った温度プロフィールの制御を達成することができるマイクロ波加熱装置の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガス・クロマトグラフィは、化合物の分離、同定及び数量化のための物理的な方法である。この方法は、分析化学における製品純度の測定、環境汚染の判断、天然物質の特性決定、新たな製品及びプロセスの開発などを含む応用のために広範囲に用いられる。
【０００３】
ガス・クロマトグラフ（ＧＣ）の中で分析されるサンプルの混合物が、中性のキャリア・ガス・ストリームが流れている中に注入され、これらの組合せがクロマトグラフィック・コラムを通過して流れる。コラムの内側の面には、固定相（stationary phase）と呼ばれる材料がコーティングされている。サンプル混合物とキャリア・ストリームとがコラムを通過して流れるに際に、混合物の中の成分が、その個別の成分の相対的な揮発性と固定相に対する親和力（affinities）とに応じて、より多く又はより少なく固定相によって保持されることになる。混合物の個々の成分は、固定相によってキャリア・ストリームの中に開放されると、コラム・アウトレットに向かって掃引され、そこで検出器によって検出され測定される。異なる化合物は、固定相によって保持される時間が異なる。その保持時間（retention times）を測定することによって、混合物に含まれる特定の化合物を同定（識別、identify）することができる。化合物の相対的な濃度は、それぞれの化合物に関し検出器を用いて測定されたピーク振幅を比較することによって、決定される。
【０００４】
ＧＣ測定は、クロマトグラフィック・コラムに熱を加えてその温度を変化させることによって容易になる。ガス・クロマトグラフィック・システムにおいて加熱されたコラム・オーブンを用いると、分子量がより大きな化合物の揮発性を上昇させることによって、分析が可能な化合物の数が著しく増加し、それぞれの分析に要する時間が短縮される。
【０００５】
クロマトグラフィック・コラムを加熱する方法に関しては、これまでも多くの説明がなされてきている。最も単純で最も一般的に用いられている方法では、抵抗性の加熱要素を用いて空気を加熱し、この加熱された空気が、コラムが配置されている絶縁されたオーブンを通過して循環する。例えば、Philyaw他への米国特許第３，５２７，５６７号には、抵抗性要素を用いて加熱されるＧＣオーブンが記載されている。
【０００６】
抵抗性要素を用いる加熱方法には、いくつかの制限がある。コラムの均等な加熱を達成するために、大量の空気がクロマトグラフィック・コラムの周囲を高速で循環する。コラムの加熱に加えて、空気はオーブン自体も加熱する。オーブンの熱質量（thermal mass）はコラムの熱質量よりもはるかに大きいので、コラムを加熱することができる速度が、それに比例して低下する。関連する問題として、冷却時間がある。分析の間にオーブンを高温になるまで加熱した後では、オーブンとコラムとの両方をその初期温度まで冷却して次のサンプルの分析が可能になるようにするには、コラムを単独で冷却する場合よりもはるかに長い時間を要する。これら両方の制限によって、クロマトグラフのスループットが低下する。
【０００７】
抵抗性の熱要素をコラム自体に限定して周囲の「オーブン」自体の加熱を縮小又は排除しようという試みが、米国特許第３，１６９，３８９号（Green他）、米国特許第３，２３２，０９３号（Burow他）、米国特許第５，００５，３９９号（Holtzclaw他）及び米国特許第５，８０８，１７９号（Rounbehler他）に記載されている。これらの米国特許には、それぞれ、抵抗性加熱要素でクロマトグラフィック・コラムを直接的に包囲する又は被覆（クラディング）する方法が記載されている。また、結果として得られる金属被覆コラムを冷却源の近くに配置して冷却時間を短縮する方法も記載されている。しかし、この加熱方法は、実際には実現が困難である。というのは、コラムを包囲する抵抗性加熱要素又は加熱要素の周囲の環境に局所的に高温又は低温のスポットが存在することによって、コラムの加熱が不均一となるからである。コラムの加熱が不均一であれば、分析の精度を低下させることになる。
【０００８】
マイクロ波を用いるという別のクロマトグラフィック・コラム加熱方法が、米国特許第４，２０４，４２３号（Jordan）及び米国特許第５，８０８，１７８号（Rounbehler他）に記載されている。マイクロ波による加熱の潜在的な利点は、選択性、効率及び速度である。マイクロ波オーブン（電子レンジ）の中に置かれた適切な目的物は、オーブンが動作すると加熱される。しかし、オーブン自体は、加熱されない。マイクロ波加熱は、マイクロ波エネルギを吸収しそれを熱に変換する材料（物質）において生じる。従って、適切なマイクロ波吸収性材料を含むクロマトグラフィック・コラム又はコラム・アセンブリが、マイクロ波オーブンの中で選択的に加熱されるが、オーブン自体は低温に維持されたままとなる。マイクロ波による加熱が選択的であれば、ほとんどの熱エネルギが加熱されるべき目的物に直接に転送されるので、より効率的な加熱が可能になる。更に、既存のＧＣオーブンと比較すると加熱される材料が少量であるために、より高速な加熱及び冷却が可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
材料をマイクロ波オーブンの中で加熱するためには、その材料が少なくとも部分的にはマイクロ波エネルギを吸収しなければならない。しかし、標準的なＧＣ毛管コラムは、石英ガラス（fused silica）及びポリイミドで作られており、これらの材料は、どちらも、認めうるほどにはマイクロ波エネルギを吸収しない。結果的に、これらのコラムは、Jordanが示唆する上述の態様では、マイクロ波オーブンの中での加熱は不可能である。本出願人による同時出願中の米国特許出願第０９／１０８，２９７号である"Chromatography Column for Microwave Heating"では、この限界が指摘されている。この米国特許出願には、マイクロ波加熱を容易にするマイクロ波吸収性材料を組み入れているクロマトグラフィック・コラムの設計が記載されている。
【００１０】
Jordanによる方法には、もうひとつ基本的な限界が存在する。Jordanによる米国特許では、クロマトグラフィック・コラムを実用的な態様で加熱することができる特定のオーブンの設計について、全く記載されていない。適切に機能するためには、ＧＣコラムは、単に加熱されるだけではなく、正確に加熱されなければならない。コラムの長さに沿った温度プロフィールは、狭い公差の範囲内で制御されなければならない。既存のクロマトグラフィ用オーブンでのほとんどの応用例で、コラムの温度は、より高温に維持されているのが通常である端部を除いて、ほぼ一定に維持されている。それ以外の応用例では、コラムの長さに沿って、線形プロフィールや周期的に変動するプロフィールなど、異なる温度プロフィールを有するのが便利である。
【００１１】
一般的なキャピラリ・ガス・クロマトグラフィック・コラムは、内径が０．１から０．５３ｍｍ、長さが４から６０ｍの範囲にある。長さが６０メートルにもなるコラムを加熱するマイクロ波オーブンを作ることは全く非現実的である。そのような長さのクロマトグラフィック・コラムを現実的な大きさのオーブンの中に入れるためには、そのコラムをよりコンパクトな形態にしなければならない。クロマトグラフィック・コラムは、非常に可撓的であるのが通常であり、特に石英ガラスのキャピラリ・コラムはそうである。結果的に、これらのコラムは、数センチメートル程度の大きさの直径を有するコンパクトな円形の束となるようにコイル状にすることが容易である（適切な曲げ半径を有するこれ以外の束形状にすることも可能である）。束状の形態であれば、クロマトグラフィック・コラムを現実的な大きさのマイクロ波オーブンの内部で加熱し、コラムの長さに沿って所望の温度プロフィールを達成することも可能である。
【００１２】
マイクロ波加熱を用いて、コイル状のＧＣコラムの長さに沿って所望の温度プロフィールを達成するためには、コイル状のコラムがそのコラムの長さに沿った特定の電磁場勾配に露出するように、マイクロ波加熱装置を特別に設計しなければならない。これは、適切に設計されたマイクロ波加熱装置を用いてのみ達成可能であって、一般的なマイクロ波オーブンでは不可能である。Jordanによる米国特許には、ＧＣコラムが所望の温度プロフィールに加熱されるように電磁場の分布が制御されているようなマイクロ加熱装置をどのように設計すべきかは、記載されていない。
【００１３】
ほとんどのガス・クロマトグラフは、与えられた時間においてクロマトグラフィック・コラムを（端部を除いて）等温的に加熱する。すなわち、コラム全体の温度は、与えられた時間では同じ値に維持される。ただし、この特定の等温的な温度は、時間経過に従って変化しうる。この出願で用いている「プロフィール」（profile）という用語は、時間の関数としてのコラムの温度ではなく、時間を固定した場合のコラムの長さに沿った位置での温度を意味する。
【００１４】
マイクロ波の損率（損失率、loss factor）がその長さに沿って固定されているクロマトグラフィック・コラムをマイクロ波オーブンの中で等温的に加熱するには、このコラムは、（インジェクタ及び検出器アセンブリによる加熱を受ける可能性がある端部を除き）その長さ全体にわたって同じ強度の電磁場に露出され、それによって、コラムの全体が等しい熱エネルギを吸収し、従って、同じ温度に維持されなければならない。所望の温度プロフィールを得るには、マイクロ波オーブンの内部で電磁場の強度を正確に制御することが要求される。これは、従来の箱形で直線状のマルチモード型のマイクロ波オーブンを用いていては達成できない。そのようなマイクロ波オーブンでは、オーブンの容積全体で電磁場が極度に複雑に変動するからである。クロマトグラフィック・コラムを加熱するために特に設計されたマイクロ波オーブンを用いて初めて、達成できるのである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
コイル状のクロマトグラフィック・コラムを加熱するのに用いられるのに有用なマイクロ波オーブンには、３つの本質的な特徴が存在する。すなわち、（１）内部の電磁場が予測可能であるシングルモード型のオーブンでなければならないこと、（２）オーブン内部の電磁場が、中心軸を中心とする向きの、滑らかに変動し連続的である等電磁場線（isofield lines）を有していなければならず、それによって、コラム束の個々のコイルが等電磁場線に沿った又はその周囲の経路を物理的にトレースすることができ、結果的にコラムのそれぞれのコイルにおいて所望の温度勾配が得られること、そして、（３）束の中にあるコラムと次のコラムとの間で、電磁場強度の変動が、これら２つのコラムの間で所望の温度勾配を達成するのに十分な程度のインクリメント分だけ変動しなければならないこと、の３つである。
【００１６】
最も単純なコラム束の幾何学的形状は、円形の螺旋形であって、コラムのそれぞれのコイルが次のコイルに隣接して並んでおり、それによって、束の全体的形状が薄い壁部を有し直径が一定の円筒形になっているものである。束のマイクロ波吸収特性はコラムの長さに沿った方向ではそれほど変動しないという仮定の下でこのようなコラム束を等温的に加熱するには、コイル状コラムによって形成される円筒表面のすべての点で電磁場強度が等しく（又は、ほぼ等しく）なければならない。従って、電磁場は、半径方向に対称的（回転に対して不変）で、軸方向に不変でなければならない。そのような電磁場を発生させることができるマイクロ波オーブンは、それ自体が、半径方向に対称的、すなわち、断面が円形でなければならない。軸方向については、このマイクロ波オーブンは、コラム束の長さに沿った電磁場強度が等しくなるように構築されていなければならない。
【００１７】
本発明は、クロマトグラフィック・コラムの加熱に用いることができるクロマトグラフィック・コラム用のマイクロ波オーブンの実施例を多数説明している。これらの実施例は、ほとんどが、その構成上、半径方向に対称的である。これらの実施例には、同軸伝送線オーブン、同軸共振空洞オーブン、そして、円形の円筒形共振空洞オーブンが含まれている。このオーブンの好適実施例は、シングルモードの共振空洞であり、特に、ＴＭ010円筒形共振空洞である。この空洞は、結合アンテナの長さを調節することによって、利用可能なマイクロ波電力のほとんどすべてをコラム加熱要素まで運ぶように同調させることができる。
【００１８】
軸方向に不変であるように構築される場合には、これらのオーブンの構成は、すべてが、典型的には、軸方向に変動する電磁場を有している。ＴＭ010円筒形共振空洞は、その変動が最小である。マイクロ波オーブンの中でクロマトグラフィック・コラム束が露出される軸方向の電磁場の分布を変更し、それによって所望のクロマトグラフィック・コラム温度プロフィールが得られるようにする方法が、いくつか説明される。この方法には、次のものが含まれる。すなわち、（１）マイクロ波オーブンの金属壁の幾何学的形状を軸方向に変動させる、（２）中心アンテナの内部導体の幾何学的形状を軸方向に変動させる、（３）オーブンの中への誘電性の挿入物の厚さを軸方向に変動させる、（４）オーブンの中へのコイル状コラム又はコラム加熱要素の幾何学的形状を軸方向に変動させる、そして、（５）コラム加熱要素の電磁的な損率を軸方向に変動させる、などの方法である。これらの方法に加え、熱伝導性材料をクロマトグラフィック・コラム・アセンブリにおいて用い、生じる可能性がある望ましくない温度変動可能性を排除するのに役立てることもできる。
【００１９】
有用なクロマトグラフィック・コラム用のマイクロ波オーブンでは、解決すべき問題点が更に２つ存在する。第１は、オーブン内の空気によるコラムからの望ましくない熱伝導に関するものである。第２は、オーブンから取り出されてガス・クロマトグラフのインジェクタ及び検出器アセンブリに接続されるコラム端部における低温のスポットを排除することに関するものである。この出願では、これらの問題点の両方を解決し、それによって、マイクロ波オーブンの内部で加熱されるコラムの温度プロフィールが従来の抵抗加熱型のクロマトグラフィック・オーブンでの温度プロフィールと類似させることができる方法を説明する。更に、従来の等温プロフィールとは別に、便利なコラム温度プロフィールを確立する方法も説明する。
【００２０】
本発明は、コイル状のクロマトグラフィック・コラムを所望の温度プロフィールまで加熱するシングルモード型のマイクロ波オーブンを提供する。このオーブンは、ほぼ等温なプロフィール、線形の温度プロフィール、又は周期的に変動する温度プロフィールを得るのに特に用いることができる。特定のコラム温度プロフィールを達成するために、このクロマトグラフィック・コラム用のマイクロ波オーブンは、次のことを確立する。すなわち、（１）滑らかに変動しある軸を中心とする向きの連続的な等電磁場線によって特徴付けられる電磁場であって、それによって、コラム束の個別的なコラム・コイルは、等電磁場線に沿って又はその周囲の経路を物理的にトレースすることができ、結果として、それぞれのコラム・コイルにおいて所望の温度プロフィールが得られるような電磁場と、（２）コラム束のあるコイルから次のコイルへの制御された電磁場勾配であって、それによって、これらのコイルの間に、従って、コラムの全体にわたって、所望の温度勾配が確立されるような電磁場勾配と、である。オーブンの設計の変動には、同軸伝送線構造、同軸共振器、そして円筒形共振器が含まれる。好適なオーブンの設計では、円筒形の共振空洞構造が用いられ、これは、入手可能なマイクロ波エネルギの最大量を空洞の中に運ぶように同調される。それぞれのオーブン設計には、オーブンの軸の次元に電磁場勾配を制御する手段が要求されうる。そのような手段にはすべて、オーブンの特性を軸方向に変動させることが含まれ、更に、（１）オーブンの金属壁の幾何学的形状を変動させることと、（２）中央導体又はアンテナの幾何学的形状を変動させることと、（３）誘電性の挿入物の厚さを変動させることと、（４）コラム加熱要素の幾何学的形状を変動させることと、（５）コラム加熱要素の損率を変動させることと、が含まれる。これらの方法は、クロマトグラフィック・コラム・アセンブリにおける熱伝導性を有し電気的には絶縁性の材料を用いて、熱エネルギをよりよく分布させるように拡大させることができる。最良の動作のためには、加熱プロセスの間はオーブンの内部に真空状態を確立させて、オーブン内で空気が移動することによるコラムからの及びコラムに沿った望まない熱の流れを防止しなければならない。コラムの冷却は、熱要素に供給されるマイクロ波エネルギを減少させ、空気をオーブンの中に再導入することによって、最もよく達成することができる。
【００２１】
本発明の目的は、従来型のコラム・オーブンを用いた場合よりもより高速の加熱及び冷却能力を有するクロマトグラフィック・コラム用のマイクロ波オーブンを提供することである。
【００２２】
本発明の目的は、コラムへのパワー伝達の効率を最大化することが可能であるようなクロマトグラフィック・コラム用のマイクロ波オーブンを提供することである。
【００２３】
本発明の目的は、極度に小型のクロマトグラフィック・コラム用オーブンを提供することである。
本発明の目的は、コラムの長さに沿って制御された温度プロフィールを確立することができるクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンを提供することである。
【００２４】
本発明の目的は、半径方向に対称的な構成を有するクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンを提供することである。
本発明の目的は、このオーブンの軸方向の構成を変動させてオーブンの中の軸方向の電磁場勾配を制御するようなクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンを提供することである。
【００２５】
本発明の目的は、周期的に変動するコラム温度プロフィールを確立することができるクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンを提供することである。
【００２６】
本発明の目的は、コラムの端部に低温スポットが存在することを回避できるクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンを提供することである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
マイクロ波オーブンの中でクロマトグラフィック・コラムを加熱することから導かれる潜在的な効果は、加熱の選択性、効率及び速度である。マイクロ波オーブンの中に置かれた適切な目的物（対象物、object）は、オーブンが動作するときに加熱されるが、オーブン自体は加熱されない。この出願においてクロマトグラフィック・コラムのためのマイクロ波オーブンを説明する際には、「マイクロ波」という用語は、１０ＭＨｚから１００ＧＨｚまでの周波数範囲にある電磁気的な放射を指すものとして広く用いられる。
【００２８】
マイクロ波加熱は、マイクロ波エネルギを吸収してそれを熱に変換する材料（物質）において生じる。従って、適切なマイクロ波吸収性の材料を含むクロマトグラフィック・コラム又はコラム・アセンブリは、マイクロ波オーブンの中で選択的に加熱されるが、その際、オーブン自体は低温に維持される。選択的なマイクロ波加熱により、より効率的な加熱が可能になる。その理由は、ほとんどの熱エネルギが加熱されるべき目的物に直接に転送されるからである。更に、加熱される材料がはるかに少ないために、高速での加熱及び冷却が可能である。
【００２９】
従来型のマイクロ波オーブンは、少なくとも１立方フィートの閉じた金属製の箱であるのが典型的であり、その内部に電磁エネルギが閉じ込められている。このオーブンは２．４５ＧＨｚで動作するが、この周波数では電磁波の波長は約４．８２インチである。従来型のマイクロ波オーブンは、マルチモード型の共振空洞として作用する。共振空洞とは、この空洞内部で励起された多重的に反射する電磁波の間の干渉パターンが、それ自体を、矛盾なく定義され（well-defined）安定的な定常波パターンに分解するような構造である。マルチモード型の共振空洞は、多くの異なる一意的な定常波パターンが存在しうるような空洞である。従来型のマイクロ波オーブンは、非常に多数のモードをサポートすることができる。その理由は、オーブンの内部的な寸法が波長の数倍であるからである。結果的には、異なる複数の共振モードによる複雑で相互に混ざり合ったパターンを有する重複する定常波が得られることになる。ある地点での電磁場強度は高く、別の地点での電磁場強度はゼロである。このような複雑な電磁場の中で加熱される目的物は、同じように複雑で均一ではないパターンで加熱される。隣接する高温のスポットの間の間隔は、１波長よりも小さいのが典型的である。このようなオーブンのメーカーは、（１）オーブン内のモード・パターンを攪拌するモード攪拌器（例えば、金属製のファン）と（２）加熱の際にオーブンの中で材料を物理的に移動させる回転プラットフォームとを用いて、オーブン内で加熱される材料の温度分布を平滑化しようとする。しかし、これらの方法では、従来型のマイクロ波オーブンの中で材料が露出される電磁場プロフィールを僅かに改善するだけに過ぎない。
【００３０】
ほとんどのガス・クロマトグラフは、クロマトグラフィック・コラムを等温的に加熱するが、インジェクタ及び検出器アセンブリによってより高温に維持される端部だけは例外である（すなわち、コラムの中央の長い部分の温度は、同じ値に維持される）。その長さに沿って一定の損率を有するクロマトグラフィック・コラムをマイクロ波オーブンの中で等温的に加熱するためには、このコラムは、その長さ全体にわたって同じ電磁場強度に露出されていることが要求され、それによって、コラムの全体が、均等な熱エネルギを吸収し、従って、等温的な条件に維持されることになる。
【００３１】
ガス・クロマトグラフにおいて用いられる最も一般的なタイプのクロマトグラフィック・コラムは、石英ガラス（fused silica）製のキャピラリ・コラムである。このコラムは、サイズが、内径が０．１から０．５３ｍｍ、長さが４から６０ｍの範囲にあるのが典型的である。ほとんどのクロマトグラフィック・コラムは極めて可撓的であり、特に、石英ガラスのキャピラリ・コラムはそうである。結果として、これらのコラムは、コイル状にして、直径が数センチメートル程度であるコンパクトな円形の束（バンドル）にするのが容易である（ただし、適切な曲げ半径を有するそれ以外の形状の束を作ることもできる）。そのように小さなコラム束を用いる場合であっても、従来型の家庭用のマイクロ波オーブンを用いてコラム束を等温的に加熱することはできない。直径が２センチ程度である束であっても、非常に大きな電磁場勾配に露出され、それによって、コラムの長さに沿って温度が大きく変動することになるからである。
【００３２】
従来型のマイクロ波オーブンが有するより基本的な欠点として、それらが箱形である点がある。箱形の共振空洞は、矩形状の座標において対称的な電磁場分布を生じさせる傾向を有する。従って、一定の電磁場強度輪郭線（これを、以下では、等電磁場線（isofield lines）と称する）が直線状になる傾向がある。しかし、既存のクロマトグラフィック・コラムは、確実に矩形状に曲げることは不可能であるから、直線状の等電磁場線をトレースさせることはできず、等温的な加熱は不可能である。結果として、現在利用可能であるクロマトグラフィック・コラムを用いる場合には、オーブンの幾何学的形状は、矩形状でないのが好ましい。
【００３３】
自由空間伝搬を用いるオーブン（An Oven Utilizing Free Space Propagation）について述べる。図１には、用いることが可能である球形のクロマトグラフィ用マイクロ波オーブン１の断面図が示されている。点放射源（point source）アンテナ１０が電磁波２０を放出し、この電磁波２０はアンテナ１０から球の外部に向かって伝搬する。これが、自由空間伝搬である。点放射源アンテナ１０から固定された距離にある任意の球の表面においては、電磁場強度は一定である。
【００３４】
クロマトグラフィック・コラム３０は、コイル状になっており、コラムの長さ全体が源（ソース）１０から等しい距離Ｒとなるように配置されている。コラム３０は、電磁場におけるエネルギの一部を吸収する。コラム３０が吸収しないマイクロ波エネルギは、外部に向かって伝搬を継続する。残りの電磁波のコラム方向への望ましくない反射と、それに続く、Ｒにおいて存在する等電磁場条件の混乱とを回避するため、球形の吸収器４０がオーブンを包囲し孤立させる。吸収器４０は、外部の放射源からの放射による内部の電磁場の混乱も防止する。
【００３５】
クロマトグラフィ用のマイクロ波オーブン１は、複数の理由からその設計に問題がある。まず、これは、かなり大型で機械的に扱いにくい。また、エネルギ的に非効率でもある。マイクロ波エネルギのほとんどは、コラム３０ではなく、吸収器４０に吸収されてしまう。この非効率により、加熱及び冷却時間が長くなり、潜在的にはオーブン１のコストを上昇させる。その理由は、失われてしまうマイクロ波を発生させるのに費用を要しているからである。吸収器４０の代わりに、電磁エネルギをすべて内部的に反射する中空の金属球を用いる場合には、オーブン１は、球形の共振空洞である。この構造の方がエネルギ効率が優れているが、球形の吸収器はこの応用例に用いるには現実的でない。
【００３６】
有用なクロマトグラフィック・コラム用のマイクロ波オーブンは、コラムがトレースすることができる等電磁場線を有する安定的で予測可能な電磁場プロフィールを発生しなければならない。クロマトグラフィック・コラムは、マイクロ波オーブン内部における等電磁場線上に存在するそれ自身の長さに沿ってマイクロ波の損率が一定であれば、そのオーブンの中で等温的に加熱される。長いクロマトグラフィック・コラムは、巻いて円形の束にすることによって、取り扱い可能なサイズに縮小することができる。円形の断面を有するマイクロ波オーブンは、円形の等電磁場線を有する半径方向に対称的な電磁場を用いて設計することができる。この特徴のために、ここで説明されるほとんどのクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンは、円形の断面を有している。
【００３７】
典型的なコイル状のクロマトグラフィック・コラムは、複数のコイルに巻かれなければならない。１５ｃｍの直径に巻かれる６０ｍで０．３５ｍｍのコラムは、１２７回を超えて巻かれなければならない。ただ１つのコラムの厚さである一定の半径の円筒状のコイルにバンドルされる場合には、結果的に得られるコラムの円筒は、長さが４．４５ｃｍである。コイルの軸方向の長さは、その直径と同じオーダーの大きさを有する。従って、軸方向の電磁場の分布は、半径方向の電磁場の分布と同じように、クロマトグラフィック・コラム用のマイクロ波オーブンでは重要である。円形の断面を有する適切に設計されたマイクロ波オーブンは、（１）半径方向に対称的な電磁場の分布と、（２）矛盾なく定義された軸方向の電磁場勾配との組合せである。
【００３８】
次に、同軸クロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンについて述べる。図２及び３には、円筒形のクロマトグラフィ用マイクロ波オーブンのある実施例の２つの直交する断面図が示されている。オーブン６０は、同軸伝送線構造である。これは、球形のオーブン１の同軸的なアナロジーである。図２には、クロマトグラフィ用のマイクロ波オーブン６０の中心軸に沿った断面図が示されている。図３には、オーブン６０の中心における中心軸と垂直な半径方向の断面が示されている。
【００３９】
マイクロ波信号９０が、同軸コネクタ９５を介してオーブン６０の中に結合される。電磁場は、空間１４０の左から右へ、同軸オーブン６０の金属製の円筒形内部導体７０と金属製の円筒形外壁８０との間を伝搬する。コネクタ９５を介してマイクロ波オーブン６０の外部に向かうマイクロ波エネルギの望ましくない反射を防止するため、円錐形のインピーダンス整合部８５が、同軸オーブン６０の小さい方の直径の同軸コネクタ９５と大きい方の直径のメイン・セクションとの間での移動に用いられる。
【００４０】
円錐形のインピーダンス整合部８５と外壁８０とによって構成されているオーブン６０の外側容器（outer enclosure）が、空洞の境界を画定し、電磁放射がオーブン６０から散逸するのを防止している。この出願で説明されているクロマトグラフィ用のマイクロ波オーブンは、すべて、空洞を備えており、この空洞が、電磁気的な現象を、環境から空洞の境界によって画定される内部空間の中に隔離している。
【００４１】
マイクロ波吸収性材料１００の円筒形シートが、内側導体７０と外側導体８０との間のギャップにおいて、オーブン６０の中心軸を中心にしてその周囲に同軸的に配置される。この吸収性材料１００の周囲に隣接して、オーブン６０の中で吸収性材料１００と共に加熱されるクロマトグラフィック・コラム１１０がコイル状に配置されている。吸収性材料１１０と隣接するコラムとは両者で、例えば、本出願の出願人による同時出願中の"Chromatography Column for Microwave Heating"と題する米国特許出願第０９／１０８，２９７号に記載されているマイクロ波吸収性のクロマトグラフィック・コラム・アセンブリを構成する。この米国特許出願は、この出願において援用する。吸収性材料１００とコラム１１０との代わりに任意のマイクロ波吸収性コラム・アセンブリを用いても本発明の示唆する内容に実質的に影響しないことを理解すべきである。
【００４２】
オプショナルの機械的サポート１２０が提供され、吸収性材料１００とコラム１１０とをオーブン６０の内部に保持している。示されているように、機械的サポート１２０は、長さが固定された薄い壁状の円筒形構造であり、その外側を吸収性材料１００とコラム１１０とが包囲している。機械的サポート１２０は円筒形のパイプである必要はなく、また、吸収性材料１００とコラム１１０とがその周囲を包囲していることも必要ではない。このサポートは、単に、吸収性材料１００とコラム１１０との間に配置するか、その両者の外側に置くことも容易に可能である。そうしても、オーブン６０の性能に著しく影響することはない。
【００４３】
吸収性材料１００と、コラム１２０と、機械的サポート１３０との全体で、ここで説明されるクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの実施例すべてにおける共通の要素を構成する。以下では、これらは、１つの要素１３０として扱い、コラム加熱要素と呼ぶことにする。コラム加熱要素という用語は、オプショナルな機械的サポートを備えた任意のマイクロ波吸収性コラム・アセンブリを意味する。これらのサブコンポーネントについては、多くの異なる実施例や実現例が可能である。この技術分野の当業者にとっては、本発明が特定の１つのものに限定されないことは明らかであろう。
【００４４】
コラム加熱要素に吸収されないマイクロ波エネルギは、第２のインピーダンス整合部８５を通過して、このエネルギを吸収する負荷要素１５０に至る。
オーブン６０の内部のすべての円筒形要素は、同じ軸を中心にして同心円的に方向が決定されている。その結果として、オーブン６０の中では、電磁場は、半径方向に対称的である。この仕様に従って作られるオーブン６０の直径は、典型的には、３ｃｍから２５ｃｍの間である。
【００４５】
特定されているように、オーブン６０は、著しい短所を有している。第１に、電磁場強度が、オーブン６０の中でもコラム加熱要素１３０の中でも軸方向で一定でない。電磁場強度は、オーブン６０を通過して伝搬していくにつれて軸方向で減少する。その理由は、エネルギがコラム加熱要素１３０に吸収されるからである。従って、マイクロ波の伝搬方向のコラム１１０の長さに沿って、高温から低温への温度勾配が存在する。電磁場強度の軸方向の変動を調節する方法はいくつかある。それらの方法は、後で説明する。オーブン６０の第２の短所は、エネルギ効率がよくないことである。オーブン６０の中に注入されるマイクロ波エネルギは、ほとんどが、負荷１５０において失われ、コラム加熱要素１３０を加熱することはない。コラム加熱要素１３０の損率は、上昇することがあり、その場合には、マイクロ波エネルギ９０のより多くのパーセンテージがコラム加熱要素１３０において浪費されてしまう。しかし、これにより、電磁場の勾配は軸方向で増大し、コラム１１０の温度プロフィールがより急峻になる。
【００４６】
同軸共振空洞クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンは、同軸伝送線マイクロ波オーブン６０よりも春インターネット・アドレスにエネルギ効率がよい。共振空洞は、特別の種類の空洞であり、この用語は、この出願では、その中に閉じ込められている電磁エネルギが、多重的な内部反射の結果として電磁場強度が大きな定常波パターンを生じるものを意味するように用いられている。共振空洞クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの中に注入されたほとんどすべてのマイクロ波エネルギが、コラム加熱要素によって吸収される。同軸共振空洞は、同軸伝送線がそうであったのと同じく、半径方向に対称な電場を有する。
【００４７】
図４には、短絡している同軸共振空洞として構築されたクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンが図解されている。図４は、その中心軸に沿ったオーブン６１の断面図が示されている。オーブン６１の半径方向の断面は、図３に示されていたオーブン６０の断面図と同一である。金属製の内部導体７０と同心円的な金属製の外部導体８０とが、オーブン６１の同軸部分を構成している。これらは、両端において、円形の金属製ディスク１６０を用いて電気的に接続されており、金属製ディスク１６０は、空間１４０内の空気が排出される場合にオーブン６１を密閉するという機能も有している。円筒形のコラム加熱要素１３０の中心には、中心軸がある。
【００４８】
オーブン６１の内部軸の長さはＤである。オーブン６１は、波長が２Ｄ、Ｄ、２Ｄ／３、Ｄ／２、２Ｄ／５などに等しい周波数において共振する。最もオーダーの低い共振では、空洞は波長の２分の１の長さである。コラム加熱要素１３０による電磁場の吸収を無視すると、オーブン６１内部での固定された半径における軸方向の電場強度は、次の方程式で与えられる。
Ｅ（ｚ）＝Ｅmaxｓｉｎ（πｚ）      （１）
ただし、この式において、ｚはオーブン６１内部での正規化された（normalized）軸方向位置であり（すなわち、一端のキャップ１６０ではｚ＝０であり、他方ではｚ＝１である）、Ｅ（ｚ）はオーブンの中での軸方向の電場強度であり、Ｅmaxは最大の軸方向の電場強度である。電場の軸方向のパワー分布は、次の方程式によって記述される。
Ｐ＝２０ｌｏｇ１０［Ｅ（ｚ）／Ｅmax］      （２）
ただし、この式において、Ｐは最大パワーの地点と比較したパワーであって単位はデシベル（ｄＢ）である。図５は、オーブン６１の中での電場のパワー分布をその長さに沿って示したグラフである。
【００４９】
図６は、開回路である同軸共振空洞として構築されている、同様のクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン６２を図解している。図６では、オーブン６２の断面をその中心軸に沿って示している。オーブン６２の半径方向の断面は、図３に示されているオーブン６０の半径方向の断面と同一である。オーブン６２は、金属製の円筒形内部導体７０と同心円的な金属製の外部導体８０とを有しており、これらの間に、同心円的な円筒形オーブン加熱要素１３０がある。内部導体７０と外部導体８０とは、電気的に接続されていない。オーブンの端部は、円形のエンドプレート１７０で密閉されており、それによって、オーブン６２内部の空間１４０の中の空気を排出できるようになっている。エンドプレート１７０は、金属製でもよいし、金属製でなくともよい。金属製の場合には、外部導体８０は、図６に示されているように、内部導体７０よりも長くなければならず、内部導体７０と電気的に接触してはならない。
【００５０】
内部導体の長さはＤである。オーブン６２は、波長が２Ｄ、Ｄ、２Ｄ／３、Ｄ／２、２Ｄ／５などに等しい周波数において共振する。最もオーダーの低い共振では、内部導体７０は波長の２分の１の長さである。コラム加熱要素１３０による電磁場の吸収を無視すると、オーブン６２内部での固定された半径における軸方向の電場強度は、次の方程式で与えられる。
Ｅ（ｚ）＝Ｅmaxｃｏｓ（πｚ）      （３）
図７は、中心導体７０の長さに沿ったオーブン６２での対応するパワー分布を示すグラフである。
【００５１】
オーブン６１及び６２の内部では、クロマトグラフィック・コラムのそれぞれの１つのコイルは、等電磁場線に従うので、等温的に加熱される。しかし、オーブン６１及び６２における電場の軸方向のパワー分布は、図５及び図７それぞれに示されているように、非常に大きく変動する。パワーは、オーブン６１の中心５０％で、５０％（約３ｄＢ）変動する。対応する温度勾配もまた、周囲の温度と比較すると、約５０％である。
【００５２】
後に説明されるが、電磁場の軸方向のパワー分布をオーブン６１及び６２の中で変更させるための方法は、いくつか存在する。しかし、軸方向の電磁場強度は、オーブン全体の長さにわたって一定にすることはできない。その結果、オーブン６１及び６２は、コラム加熱要素１３０よりも物理的にはるかに長くなる。オーブン６１及び６２の中でのコラム加熱要素１３０によるマイクロ波エネルギの吸収は、これらのオーブンの実施例の本質的な特性を大きく変更せずに、図５及び７に示されたパワー分布をいくぶん変更する。
【００５３】
用いることが可能な別のタイプの同軸共振空洞は、オーブン６１及び６２で用いられたもののハイブリッド型（すなわち、一方側が短絡しており、他方側が開回路であるような空洞）である。この空洞は、Ｄを中心導体の長さとして、波長が４Ｄ、４Ｄ／３、４Ｄ／５、４Ｄ／７などに等しい周波数において共振する。
【００５４】
次に、真空中でのクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの動作について説明する。クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン６０、６１及び６２やここで説明されるそれ以外のオーブンの実施例すべてに共通する問題点は、空気によって生じるコラム加熱要素１３０における熱の再配分である。ギャップ１４０に大気条件における空気が充填されている場合には、コラム加熱要素１３０における熱の一部は、空気に移動する。熱い空気は上昇するから、空気の移動によって、オーブン内部で熱の分布が変更される。時間が経過すると、コラム加熱要素１３０の上部を含むオーブンの上部は、その下部よりも高温になる。このために、注意深く設計され対称的なオーブンが確立することができる等温条件が損なわれ、加熱及び冷却時間が長くなる。この問題は、オーブンの幾何学的形状を変更し空気内の熱移動を補償することによって、部分的には対処することが可能である。しかし、空気による熱の移動は予測不可能であるため、これはよい解決策であるとはいえない。この問題へのより優れた解答は、オーブンの内部からほとんどすべての空気を排出することによりコラム加熱要素１３０からの熱エネルギの望ましくない移動が急速には生じないようにすることである。コラム加熱要素１３０を再度冷却することは、オーブン内部に空気を再度導き、更には、オーブンを介して空気を移動させて熱エネルギをコラム加熱要素１３０からより迅速に取り除くことによって達成される。真空における加熱により、加熱及び冷却速度を最大化することができる。ここで説明されているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンすべての性能は、それらのオーブンを真空条件で動作させることによって著しく改善される。
【００５５】
円形の円筒形共振空洞は、モードによっては、その軸方向の長さ方向での複数の固定された半径で電磁場強度が一定であり、従って、同軸共振器オーブンよりも、クロマトグラフィック・コラム用のオーブンとしてよい選択である。円形の円筒形共振空洞は、中心導体が存在しない以外は、図４に示されたものと本質的に同じ空洞である。図８には、直径がＤで長さがＬであるそのような共振空洞が示されている。この共振空洞は、円筒形の金属壁１９０で構成され、両端に、その中心軸と垂直な金属端キャップ２００を備えている。
【００５６】
円形の円筒形共振空洞は、従来型の矩形マイクロ波空洞の場合と全く同じように、波長が空洞の長さ及び直径の少なくとも一方よりも短い場合には、多くのモードをサポートすることができる。可能性のあるモードのいくつかは、半径方向に対称的である。そうでないものもある。理想的には、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンは、ただ１つのモードだけをサポートするのであって、それにより、電磁場の分布に不確実性が存在しないことになる。複数のモードが存在すると、複数のモード間の相対的なパワー分布が変化し、それによって、電磁場分布が時間経過と共に変動する。従って、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンは、マルチモードではなく、シングルモードのオーブンであるべきである。
【００５７】
円筒形共振空洞における複数の異なるモードに対する共振周波数は、空洞の長さＬ及び直径Ｄから計算することができる。表１には、３つの円筒形共振空洞における様々なモードに対する共振周波数が示されている。これらの空洞の直径はそれぞれ２５ｃｍである。
【００５８】
【表１】
0004703007.tif 000002
【００５９】
それぞれの空洞における最低オーダー（すなわち、最低の周波数）は、０．９１９ＧＨｚで共振するＴＭ101モードである。ＤとＬとの間の比率が減少すると、ＴＭ010モードとそれよりも高いオーダーのモードとの間の周波数の差異が減少する。Ｄ／Ｌ＝１であるときには、ＴＭ010及びＴＥ111モードは、同じ周波数で共振し、それ以外のいくつかのモードはこれよりもそれほど高くない周波数で共振する。これは、回避すべき状況である。クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンのＤ：Ｌ比が少なくとも２あるいは好ましくは３である場合には、ＴＭ010モードはそれ以外のモードから明確に分離することができ、従って、オーブンはシングルモードのオーブンとして動作することになる。
【００６０】
ＴＭ010モードは、コラム加熱の応用例にとって、これ以外にも魅力的な特性を有する。電磁場分布が半径方向に対称的なのである。より重要なことに、軸方向の電磁場分布は、空洞内に混乱（perturbation）が存在しないときであれば、空洞の長さ全体で一定であると理論的に予測できる。ｎを自然数であるとして、ＴＭ0n0の形式のモードは、すべてが、このような重要な性質を共有している。ＴＭ010共振空洞における電場の分布は、次の方程式によって与えられる。
Ｅ（ｚ）＝ＥmaxＪ0（Ｒ／Ｒ0）      （４）
ここで、Ｊ0はゼロ次のベッセル関数、ＲはＥ（ｚ）が対応する半径、Ｒ0は共振空洞の半径（すなわち、Ｄ／２）である。図９は、ＴＭ010空洞の直径にわたる電場の分布を示すグラフである。図１０は、方程式４を方程式２に挿入することによって計算される対応するパワー分布を示すグラフである。
【００６１】
次に、シングルモードのＴＭ010のクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンについて述べる。ＴＭ010円形円筒形共振空洞は、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンに対して最も適切な構造である。これは、半径方向に対称的であり、軸方向には不変な電磁場分布を有し、より高次のモードが容易に禁止される。
【００６２】
図１１及び１２は、このモードを利用するクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８０の２つの直交する断面図を示している。図１１は中心軸に沿った軸方向の図解であり、図１２は半径方向の断面図である。オーブン１８０は、長さがＬ１で直径がＤ１の円形の金属製円筒１９０で構成されている。円筒１９０は、直径がＤ１である２つの円形の金属製キャップ２００によって両端が閉鎖されている。金属製円筒１９０とエンドキャップ２００とが、両方で、図８に示されているように、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８０の外壁を形成し、また、円形の円筒形共振空洞を形成している。ＴＭ010モードを更に高次のモードから分離するために、直径Ｄ１は長さＬ１の少なくとも２倍でなければならない。
【００６３】
エンドキャップ２００の一方の中心に、ホール２２５が切られている。同軸マイクロ波コネクタ２２０がエンドキャップ２００の中心に接続され、ホール２２５がそこに存在している。同軸コネクタ２２０の中心導体２３０は、中心軸に沿ってエンドキャップ２００のホール２２５を介してオーブン１８０の内部に突出している。中心導体２３０は、エンドキャップ２００と接触してはならない。
【００６４】
コネクタ２２０を介して運ばれるマイクロ波信号２１０は、アンテナとして作用する中心導体２３０からオーブンの中へ部分的に放射する。マイクロ波信号２１０のこの部分は、オーブン１８０の中には放射されず、コネクタ２２０を介してオーブン１８０の中から外へ反射される。オーブン１８０の内部には、アンテナ２３０によってオーブン１８０の中へ放射されるマイクロ波エネルギを吸収する金属製円筒１９０と同軸的な円筒形のコラム加熱要素１３０が存在する。オーブン１８０内部にある空間２４０には空気が存在するが、加熱プロセスの間にはこの空気は排出されることが好ましい。
【００６５】
利用可能なマイクロ波パワーをコラム加熱要素１３０まで運ぶマイクロ波オーブン１８０の効率は、オーブンをチューニング（同調）することによって最大化できる。最大の効率を達成するには、オーブン１８０は、ＴＭ010の共振周波数で動作されなければならない。ほとんどの場合に、マイクロ波信号の周波数は、９１５及び２４５０ＭＨｚをそれぞれ中心とする２つの周波数帯域の一方に制限される。これらの周波数帯域は、マイクロ波加熱などの工業用の使用のために留保されているのである。ＴＭ010モードの共振周波数は、空洞の直径に依存する。従って、オーブン１８０の直径Ｄ１は、オーブンが所望の周波数で共振するように決められなければならない。それよりも小さな直径が必要である場合には、円筒形の誘電性同調要素２５０をオーブン１８０の中に挿入して、与えられた直径Ｄ１で達成される場合よりも低い周波数で共振させることができる。オーブン１８０の共振周波数は、誘電体２５０の半径方向の厚さを調節することによって、又は、その誘電率を調節することによって、変動させることができる。誘電体２５０は、マイクロ波エネルギをそれほどには吸収してはならない。さもなければ、オーブン１８０の中で加熱されてしまい、加熱及び冷却時間を長引かせることになる。
【００６６】
マイクロ波のパワー密度の効率を更に向上させるには、アンテナ２３０の長さを調節して、共振空洞から反射されるマイクロ波エネルギの量を最小化する（すなわち、リターン・ロスを最大化する）。最適なアンテナの長さは、空洞の全体的な損率と共に変動するが、この損率は、基本的に、コラム加熱要素１３０の損率に依存する。実際には、アンテナ２３０の長さを変化させると、オーブン１８０の共振周波数もある程度は変化させることになる。
【００６７】
適切なチューニングがなされれば、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８０は、入手可能なマイクロ波エネルギを熱の形式でコラム加熱要素１３０まで運ぶことについて、９９％を超える効率を得ることができる。更に、このシステムの共振周波数は、時間が経過してもほぼ安定しており、オーブン１８０はいったんチューニングがなされればそのまま継続的に効率的でありうる。
【００６８】
図１１及び１２に示されているように構築されたクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８０は、コラム加熱要素１３０において非常に均一な半径方向の温度プロフィールを有するが、これは、電磁場が予測されたように半径方向に対称的であることを示している。しかし、軸方向の温度プロフィールは、等温的でないのが典型的であり、これは、オーブン１８０の内部での電磁場が、必ずしも、理論的に予測されるようには軸方向で不変ではないことを示している。これは、主に、コラム加熱要素１３０の中に、電磁場分布を混乱させる電磁気吸収性材料が存在することが原因である。図１３は、オーブン１８０の中で加熱されるコラムの典型的な軸方向の温度プロフィールを示すグラフである。図１４は、ほぼ軸方向のパワー分布が図１３に示されている温度プロフィールまで上昇することを示すグラフである。コラム加熱要素１３０によって吸収されるマイクロ波パワーの変動は、オーブン１８０の長さにわたって、３ｄＢよりも小さい。これは、先に説明された同軸マイクロ波オーブン６１及び６２の場合よりもはるかに優れている。しかし、オーブン１８０の中のクロマトグラフィック・コラムの温度プロフィールは、等温的ではない。
【００６９】
次に、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンにおける軸方向の電磁場勾配の修正について述べる。これまでに説明されたクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波の実施例におけるコラム加熱要素上で等温条件（又は、少なくとも、等温条件に近い条件）を達成するには、コラム加熱要素から見た軸方向の電磁場勾配を変更しなければならないのが典型的である。これを達成する方法は、いくつか存在する。図１１及び１２に示されているＴＭ010円筒形共振空洞オーブンから導かれるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの実施例において、いくつかの異なる方法を述べる。しかし、これらの方法は、ここで説明される他のオーブンにも容易に応用することができるから、所望の軸方向の電磁場勾配を本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンに適用する一般的な手段と考えるべきである。
【００７０】
方程式４と図９とから明らかなように、半径が増加して空洞の外壁に近づくにつれて、ＴＭ010共振空洞における電場強度は低下する。Ｒ（ｚ）はその長さに沿った各点ｚにおけるコラム加熱要素の半径を表し、Ｒ0（ｚ）はその長さに沿った各点ｚにおける共振空洞の半径を表すと仮定する。Ｒ（ｚ）／Ｒ0（ｚ）がｚの関数として変動する場合には、電場強度Ｅ（ｚ）は、Ｒ（ｚ）／Ｒ0（ｚ）に従って変動する。従って、Ｒ（ｚ）／Ｒ0（ｚ）を制御することによって、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンにおけるコラム加熱要素から見た軸方向のマイクロ波パワー分布を調節する方法が得られる。同軸装置における電場分布は、内部導体における最大値から外部導体における最小値まで、ＴＭ010共振器の中心における最大値から外側の円筒形壁部のおける最小値まで減少するのと全く同じように、減少する。従って、軸方向の電磁場勾配を修正するためのここで述べる方法は、同軸ベースのマイクロ波オーブンの場合にも、同じように機能する。
【００７１】
クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンにおけるコラム加熱要素の直径を変化させると、その長さに沿ったマイクロ波の吸収速度が変化する。図１５には、図１１に示されているオーブン１８０と同じ要素をすべて備えているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８１の中心軸に沿った断面が示されている。ただし、コラム加熱要素１３０の代わりに、コラム加熱要素２７０が用いられている。コラム加熱要素２７０の直径は、その長さに沿って変動する（すなわち、コラム加熱要素２７０のＲ（ｚ）は変動し、他方で、空洞壁部１９０のＲ0（ｚ）は一定であり、ｚと共に変化することはない）。Ｒ（ｚ）／Ｒ0（ｚ）は、中央においてよりも、コラム加熱要素２７０の端部においての方が小さい。従って、コラム加熱要素２７０は、図１１におけるコラム加熱要素１３０の場合よりも、その端部に近い位置においての方が、より大きな電磁場強度を経験し、より多くのマイクロ波パワーを吸収することになる。これにより、コラム加熱要素２７０の軸方向の温度プロフィールは、図１３に示されている値から変化することになる。コラム加熱要素２７０の直径をその長さに沿って変動させることによって、コラム加熱要素２７０におけるコラムの温度プロフィールを変更することができる。
【００７２】
クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの円筒形の金属製容器の直径をその長さに沿って変動させると、オーブン内部でのコラム加熱要素の長さに沿ったマイクロ波吸収速度が変化する。図１６には、図１１に示されているオーブン１８０と同じ要素をすべて備えているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８２の中心軸に沿った断面が示されている。ただし、金属製円筒１９０の代わりに、金属製容器３００が用いられており、金属製容器３００は、直径がその長さに沿って変動する円形の断面を有している。すなわち、すなわち、空洞壁部３００のＲ（ｚ）はｚと共に変動し、他方で、コラム加熱要素１３０のＲ0（ｚ）は一定である。オーブン１８１の場合のように、Ｒ（ｚ）／Ｒ0（ｚ）は、中央においてよりも、コラム加熱要素１３０の端部においての方が小さい。従って、コラム加熱要素１３０は、図１１におけるコラム加熱要素１３０の場合よりも、その端部に近い位置においての方が、より大きな電磁場強度を経験し、より多くのマイクロ波パワーを吸収することになる。これにより、コラム加熱要素１３０の軸方向の温度プロフィールは、図１３に示されている値から変化することになる。金属製円筒３００の直径をその長さに沿って変動させることによって、コラム加熱要素２７０におけるコラムの温度プロフィールを変更することができる。
【００７３】
クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンのアンテナの直径をその長さに沿って変動させると、オーブン内部でのコラム加熱要素の長さに沿ったマイクロ波吸収速度が変化する。図１７には、図１１に示されているオーブン１８０と同じ要素をすべて備えているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８３の中心軸に沿った断面が示されている。ただし、アンテナ１９０の代わりに、アンテナ３３０が用いられており、アンテナ３３０は、直径がその長さに沿って変動する。コラム加熱要素１３０のＲ（ｚ）と空洞壁部１９０のＲ0（ｚ）とは、空洞内で電場強度が最大である地点から測定される。ＴＭ010共振空洞における中心アンテナの直径は、空洞の直径と比較してかなり小さいのが通常であるから、最大電磁場強度の地点をオーブンの中心軸であると考えることができる。しかし、現実的には、電場強度はアンテナの表面で最高である。オーブン１８３の中では、Ｒ（ｚ）及びＲ0（ｚ）は、少なくともアンテナが存在する軸方向の点ｚにおいて空洞の中心軸からではなく、アンテナ３３０の表面から測定される。アンテナ３３０の直径はその長さに沿って変動するので、Ｒ（ｚ）、Ｒ0（ｚ）、Ｒ（ｚ）／Ｒ0（ｚ）も同様である。アンテナ３３０の直径が最大であるときにＲ（ｚ）／Ｒ0（ｚ）は最小でコラム加熱要素１３０へのマイクロ波エネルギの吸収は最大であり、また、その逆もいえる。アンテナ３３０の直径をその長さに沿って変動させることによって、コラム加熱要素１３０におけるコラムの温度プロフィールもまた、少なくともアンテナ３３０の長さに沿って変化する。
【００７４】
アンテナ３３０の直径が、図１７に示すように、エンドキャップ２００を通過して共振空洞の中に入る同軸コネクタ２２０の中心導体と比較して大きい場合には、図２におけるインピーダンス整合部８５と類似するインピーダンス整合部３４０を用いれば、空洞に入る前に、内部及び外部導体の直径を徐々に調節することができる。
【００７５】
クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの円筒形誘電性インサートの厚さをその長さに沿って変動させると、オーブン内部でのコラム加熱要素の長さに沿ったマイクロ波吸収速度が変化する。図１８には、図１１に示されているオーブン１８０と同じ要素をすべて備えているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８４の中心軸に沿った断面が示されている。ただし、アンテナ誘電体２５０の代わりに、誘電体３６０が用いられており、その厚さがその長さに沿って変動する。
【００７６】
コラム加熱要素１３０の有効半径Ｒ（ｚ）と空洞壁部１９０のＲ0（ｚ）とは、誘電性インサートが用いられるときに誘電率が空洞の中心から変動する場合には、物理的な半径を異なる。電場強度は、空気又は真空の同等の厚さによってではなく、オーブン１８４において与えられている誘電性材料の厚さによって、より多く減少する。この理由は、その誘電率の方が大きいからである。従って、誘電性の円筒が用いられるときには、Ｒ0（ｚ）及びＲ（ｚ）はその物理的な長さよりも大きい。その長さに沿った地点ｚにおける誘電体３６０の厚さをｄ（ｚ）とすると、コラム加熱要素１３０と金属製円筒１９０との有効な電気的半径は、ｚだけでなくｄ（ｚ）にも（すなわち、Ｒ（ｚ，ｄ（ｚ））及びＲ（ｚ，ｄ（ｚ））にも）左右される。この効果は、オーブンの実施例１８１、１８２及び１８３を説明する際には無視されていた。その理由は、誘電体２５０の厚さが、その長さに沿って変動しないからである。誘電体３６０の厚さをその長さに沿って変動させることによって、コラム加熱要素１３０におけるコラムの温度プロフィールも同様に変動する。
【００７７】
図１５、１６、１７及び１８は異なるオーブンの実施例を示しており、これらでは、要素の１つの幾何学的形状は軸方向に変動し、それぞれのコラム加熱要素へのマイクロ波の吸収の軸方向の分布を調整している。これらの図における様々な要素それぞれに対して示されている特定の曲率は、図１１及び１２に示されているオーブン１８０におけるものと比較して、コラム加熱要素への電場の吸収速度を平均化してある。オーブン１８０に関する温度プロフィールは図１３に示されている。コラム加熱要素が電場からよりも磁場からより多くのエネルギを吸収する場合には曲率は反転される。その理由は、ＴＭ010共振器における磁場強度は、空洞の中心における最小値から円筒の外部境界における最大値まで増加するからである。これは、空洞の中心における最大値から円筒の外部境界における最小値まで減少する電場の場合と反対である。
【００７８】
その長さに沿ったコラム加熱要素のマイクロ波エネルギの吸収速度を変更する方法は、もう１つ存在する。コラム加熱要素におけるある地点のパワー吸収速度は、電磁場強度と当該コラム加熱要素の損率との関数である。この特定の関係は、次の方程式によって記述される。
Ｐav＝ωε0ε’’effＥrms2＋ωμ0μ’’effＨrms2  （５）
ここで、ωは電磁放射の角周波数であり、ε0は自由空間の誘電率（permittivity）であり、ε’’effは誘電体の損率であり、Ｅrmsは電場強度の二乗平均（ｒｍｓ）であり、μ0は自由空間の透過率（permeability）であり、μ’’effは磁気損率であり、Ｈrmsは磁場強度の二乗平均（ｒｍｓ）である。コラム加熱要素の誘電性又は磁気損率をその長さに沿って変動させ、ε’’eff（ｚ）又はμ’’eff（ｚ）であるとすると、コラム加熱要素のコラムにおける軸方向のパワー吸収と結果的な温度プロフィールも同じように変動する。
【００７９】
マイクロ波吸収性材料と電磁場との間に相互作用が存在するので、マイクロ波オーブンにおけるクロマトグラフィック・コラム・アセンブリの長さに沿って完全な等温的な条件を達成するのは現実的ではない。しかし、温度の変動を最小化して、等温条件と実質的に等しい条件を達成することができる。
【００８０】
コラム加熱要素の内部で熱伝導性の材料を用いると、コラム加熱要素において温度変動が存在する場合に、熱エネルギを再分布するのに有益である。従って、熱伝導性材料を用いて、コラム加熱要素におけるマイクロ波エネルギの吸収速度を制御するためのここで説明されている様々な方法の効果を向上及び改善することができる。クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンのコラム加熱要素において用いられる熱伝達性材料は導電性であってはならない。さもなければ、オーブンの適切な動作が混乱することになる。
【００８１】
クロマトグラフィ法による分析では、等温的な温度プロフィールが用いられるのが通常である。実際には、ほとんどのガス・クロマトグラフにおいて用いられる大型の抵抗加熱型のオーブンでは、それ以外のプロフィールは用いられない。しかし、本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンでは、これ以外の温度プロフィールを達成することができる。例えば、本発明による方法及び装置を用いれば、図１９に示されているようなクロマトグラフィック・コラムにおける線形の温度プロフィールを達成するようなマイクロ波オーブンを設計することができる。本発明によるマイクロ波オーブンを用いれば容易に得られるが、既存のクロマトグラフィック・コラム・オーブンでは達成できない、これ以外の有用な温度コラム・プロフィールとして、図２０に示されているような周期的に変動するプロフィールがある。
【００８２】
周期的に変動するコラムの温度プロフィールは、１回の分析の間に分離に関して臨界的である（重要性を有する、critical）温度領域を複数回通過するために保持時間の差異が僅かであるような成分の分離を改善させることができる。従来型の温度が変動する（ramping）プログラムを用いた標準的なクロマトグラフィ用のオーブンでは、臨界温度領域は、ただ１回だけしか通過することができない。ここで２つの成分を考察するが、Ｒ１はある与えられたクロマトグラフィック・コラムにおける第１の化合物の保持時間を表し、Ｒ２は第２の化合物の保持時間を表すとする。ここで、第１の化合物の沸点は第２の化合物の沸点よりも高いと仮定する。２つの化合物の保持時間の比であるＲ１／Ｒ２は、これらを分離する差異の基礎を形成する。これら２つの化合物の沸点よりもはるかに高温やはるかに低温では、この比Ｒ１／Ｒ２はほぼ１であるから、分離は生じない。コラムの温度が低温の地点から上昇していくと、Ｒ１／Ｒ２の値も上昇し、これらの化合物を最も容易に区別及び分離することができる温度である最大値に至る。コラムが周期的な温度プロフィールを有していれば、これらの化合物は、１回の分析の間に、ただ１度ではなく複数回Ｒ１／Ｒ２の最大値に対応する温度を通過することになり、それによって、区別及び分離を改善することができる。
【００８３】
コラム加熱要素の軸方向のマイクロ波吸収分布を変更するためのここで説明されている方法は、すべて、ほぼ等温的、線形又は周期的なプロフィールを含む特定の温度プロフィールをクロマトグラフィック・コラムに沿って実現するのに用いることができる。
【００８４】
本発明によるマイクロ波オーブンにおいて周期的なコラム温度プロフィールを達成するのに用いられる単純な方法が他にもいくつか存在する。１つの方法として、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンのある要素をオーブンの中心から物理的にずらして（オフセットして）、コラム加熱要素の中心軸を電磁場の中心軸から変位させるというものがある。図２１には、コラム加熱要素３６５がオーブンの幾何学的中心からずれているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン３６０の実施例の半径方向の断面を示している。このようなオフセットの結果として、加熱要素３６０におけるそれぞれのコラム・コイルに沿った温度プロフィールが得られる。この温度プロフィールは、それぞれの後続のコイルにおいて反復され、その結果、全体として周期的なコラム温度プロフィールが生じる。コラム加熱要素がオーブンの幾何学的中心に関して対称的に位置決めされているがアンテナ２３０が中心からずれている、又は、誘電性のインサートが中心からずれている場合、あるいは、それ以外の何らかの目的物がオーブンの中心からずれていて、オーブンの対称性が混乱され、従って、電磁場の中心がコラム加熱要素の中心軸から変位されている場合などに、類似の効果が生じる。
【００８５】
周期的なコラム温度プロフィールを確率する第２の方法は、オーブンの断面の形状に対してコラム加熱要素の断面の形状を変更し、それによって、個々のコイルがオーブン内部の等電磁場線をトレースするのではなく、そのような等電磁場線を中心として振動し、結果的に周期的なコラム温度プロフィールを得るという方法である。図２２には、そのようなクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン３６１の実施例の半径方向の断面が示されており、この場合、コラム加熱要素３７０は卵形の断面を有し、オーブンの壁部１９０は円形の断面を有している。加熱要素３７０が円形の断面を有し、オーブンの壁部１９０又は誘電性インサート２５０が円形ではない断面を有している場合にも、同じ効果が生じる。
【００８６】
コラム加熱要素において周期的なコラム温度プロフィールを発生させる最後の方法として、加熱要素の電気的又は熱的な性質を半径方向に変動させ、それによって、加熱要素において生じる加熱速度を半径方向に変動させることにより、周期的に変動するコラム温度プロフィールを導くという方法がある。
【００８７】
本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンを用いると、クロマトグラフィ法による分析の質を最適化するようなコラム温度プロフィールを実現することができる。確立されうるコラム温度プロフィールは、ここで特定的に述べているものに限定されないことは明らかであろう。本発明を用いれば、これ以外の他の多くのプロフィールを作成することができる。
【００８８】
次に、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの実施例の共通の構成要素について述べる。ここでは、多数のクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの実施例を説明しているが、同軸マイクロ波オーブンや、円形円筒形共振空洞オーブンなどが含まれている。これらのオーブンの実施例は、それぞれが、軸方向の電磁場勾配を修正し、現実的で有用なクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンとするための少なくとも１つの技術の実現を要求する。これを用いればコラム温度プロフィールの制御を達成できる、本発明による有用なクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンには、次のようないくつかの共通の特性が存在する。
【００８９】
（１）それぞれのオーブンは、シングルモード構造である。マルチモードと、それから生じる不確実な電磁場分布とは、回避される。
（２）それぞれのオーブンの中心軸を中心とする断面の幾何学的形状の結果として、オーブンの幾何学的中心軸と典型的には同一線上にある軸を中心とする、滑らかに変動し連続的な等電磁場線によって特徴付けられる電磁場分布が得られる。これらの等電磁場線をトレースするコラム加熱要素におけるコイル状のクロマトグラフィック・コラムは、従って、個々のコラム・コイルの長さに沿って強度が一定の電磁場に対して露出される。結果的に、このようなコイルは、それぞれが、その長さに沿ったすべての点で、実質的に同じ比率でマイクロ波エネルギを吸収する。従って、それぞれの単一のクロマトグラフィック・コラム・コイルは、隣接するコイルの間では軸方向に小さな変動が与えられても、等温的又はほとんど等温的である。同様に、オーブンの中に、コラムのそれぞれのコイルが等電磁場線を中心にして振動するラインをトレースするように配置されたコラム加熱要素は、周期的に変動する電磁強度に露出され、その結果として、振動的なコラム温度プロフィールが生じる。
【００９０】
本発明によるクロマトグラフィック・コラム・オーブンは、すべて、関連するコラム加熱要素がそうであるように、中心軸と垂直な円形の断面を有している。円形の構造から逸脱しても依然としてそれぞれのコラムが等温的であることも可能である。コラム・コイルは、オーブンの中である１つの等電磁場線に従っている場合には、等温的である。図２３には、その中心軸に垂直である楕円形のコラム・オーブン３８０の断面が示されており、外側の金属製容器３９０と、オプショナルである誘電体４１０と、アンテナ４００とがすべて楕円形である。オーブン３８０の中の電磁場線は、金属製容器３９０の楕円形状に従う傾向がある。コラム加熱要素１３０が楕円形であるから、加熱要素１３０の中のそれぞれのコラム・コイルは、依然として等温的である。本発明は、すべてのクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの構造を内包していることを理解すべきであるが、この構造の内部では、個々のコイル・コイルは、（ａ）オーブン内部の等電磁場線に確実に従い、それによって、それぞれのコイル・コイルの長さに沿って温度の変動がほとんどないか、又は、（ｂ）オーブン内部のそのような等電磁場線を中心にして振動し、それによって、コラム・コイルの長さに沿って温度が周期的に変動するか、のいずれかである。
【００９１】
（３）マイクロ波オーブンにおいて所望のクロマトグラフィック・コラム温度プロフィールを達成するには、コラム加熱要素におけるコラムの１つのコイルから次のコイルへの電磁場勾配が、これらのコイルの間での所望の温度差を達成するのに十分でなければならない。コラムにおいて等温条件に近づく条件が希望であるならば、マイクロ波吸収速度は、コラムの長さ全体で実質的に等しくなければならない。これを達成するには、本発明に従って構築され、コラム加熱要素を、その長さに沿って適切な電磁場強度に露出させなければならない。
【００９２】
次に、コンパクトなクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンについて述べる。既に述べたように、クロマトグラフィック・コラムは、非常に小さく、その直径は０．１ｍｍ程度である。本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの実施例は、すべてが、所望の温度条件がその上で確立される二次元的な表面として扱うことができる、薄く円筒形のコラム加熱要素を加熱する。これらの加熱要素が薄いのは、コラム自体の直径が小さく、また、コラム・コイルの厚さがただ１つ又は最大でも数個のコラムの層で構成されるからである。絶縁材料における熱伝導が低速であることに付随する問題は、このようなコラム加熱要素を用いれば、最小化することができる。しかし、クロマトグラフィック・コラムをより緊密に束にする、又は、シリコンのような堅固な基板の中にエッチングする場合には、更に小型のマイクロ波オーブンを構築することができる。
【００９３】
加熱サイクルの間のクロマトグラフィック・コラムからの放射性の熱損失は、オーブンの空洞に赤外線反射製の内部表面を提供することによって、大幅に縮小させることができる。例えば、空洞の内部表面は、研磨したアルミニウム又はスチールで作ることが可能である。
【００９４】
図２４には、コイル状のクロマトグラフィック・コラム束（バンドル）４４０に緊密にパックしたクロマトグラフィック・コラム１１０の断面が示されている。このフィラメント束の直径は、ＢDで表すこととする。このようにしてパックする場合には、長さが５０ｍで直径が０．３２ｍｍであるコラムが直径１２．５ｃｍのループにコイル化されると、ＢＤがほぼ４．１ｍｍである束が得られる。図２５には、その中心軸に沿ったクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン４３０の断面が示されているが、この場合には、主（major）な直径ＤＣを有するコラム束４４０が加熱される。オーブン４３０は、図１１及び１２に示されてたオーブン１８０と同じ構成要素を有している。ただし、コラム加熱要素１３０の代わりに、コラム束４４０が用いられている。コラム束４４０は、オーブン４３０の中でマイクロ波エネルギを吸収し加熱されるのであれば、マイクロ波吸収性の材料を含んでいなければならない。このマイクロ波吸収性材料は、コラム１１０自体の中に組み入れることができる。これについては、本出願人による米国特許出願第０９／１０８，２９７に開示されている。あるいは、コラム１１０に隣接するコラム束４４０の内部に散乱させることもできる。
【００９５】
ＢＤは非常に小さいので、オーブン４３０の長さＬは、本発明の他の実施例において可能であるよりも小さい可能性がある。加熱部の軸方向の長さは、５から１０ｍｍ程度でありうる。ただし、その直径は、少なくとも数センチメートルである。
【００９６】
コラム束４４０のＢＤは非常に小さいので、それがオーブン４３０の中で露出される電磁場強度は、その断面上で依然として変動する。ただし、これは、その損率が、マイクロ波加熱という目的に対して非現実的であるほどに小さくないことが条件である。結果として、マイクロ波エネルギがコラム束４４０に吸収される速度が変動し、温度はコラム１１０の長さに沿って変動する。この変動は、オーブン４３０の幾何学的形状を変えることによっては訂正することができない。
【００９７】
フィラメント４４０がこのように小さいので、熱エネルギは、それ自身を比較的迅速に再分配し、等温的な条件に近い熱平衡を確立する。コラム１１０の中を流れるキャリア・ガスが、束４４０の内部での熱の再分配を更に助ける。コラム束４４０に熱伝導性の材料を追加すると、熱平衡に到達する速度が加速され、この平衡が等温的な条件に可能な限り近接するまで近づくことが保証される。
【００９８】
クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン４３０の中では真に等温的な条件を達成することは不可能であるかもしれないが、本発明によるこのオーブン４３０は、市販のキャピラリ・コラムを用いた物理的に最もコンパクトなオーブンである。
【００９９】
次に、コラム端部のインジェクタ及び検出器への接続について述べる。本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの実施例をガス・クロマトグラフの残りの部分に組み入れるには、コラムの端部を、それぞれ、インジェクタ及び検出器アセンブリに接続しなければならない。そして、これらは、共に、マイクロ波オーブン内部では便利な位置に配置されてはいないのである。これらのコラム端部は、少なくとも、マイクロ波オーブンで加熱されているコラムの本体（bulk）と同じ程度の温度に維持されることにより、存在する場合にはＧＣの性能を著しく低下させる低温スポットを排除しなければならない。インジェクタ及び検出器自体は、コラムのほとんど部分の温度よりも高温に維持される。
【０１００】
図２６には、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８４が、低温スポットを発生させずに、どのようにして、クロマトグラフの中に組み入れられるかが示されている。コラム１１０のコラム端部４５０は、金属製エンドキャップ２００におけるホール４６０を介してマイクロ波オーブン１８４から離れて、アダプタ５００に入っている。アダプタ５００は、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８４とインジェクタ５１０及び検出器５２０との間それぞれの機械的な接続を提供している。それぞれのアダプタ５００は、（１）インジェクタ５１０又は検出器５２０ハウジングと密接な熱接触状態に保たれる金属製フィッティング４８０と、（２）金属製フィッティング４８０の内部に緊密に適合しそれを通じてコラム端部４５０が突出しているクロマトグラフィック・コラムのフェルール・シール４７０と、（３）金属製フィッティング４８０とエンドキャップ２００との間に緊密に適合している熱絶縁フィッティング４９０と、で構成されている。フェルール・シール４７０は、金属製ハウジング４８０と熱的に接触する状態に維持され、それによって、インジェクタ５１０又は検出器５２０それぞれとほぼ同じ温度になっている。コラム端部４５０は、フェルール・シール４７０とコラム加熱要素１３０との間のどの部分とも物理的に接触してはならない。その理由は、そのような部分は、どこも、コラム端部４５０よりも低温である可能性が高く、従って、熱をコラム端部４５０から逃がしてしまい、コラムに低温スポットを生じさせるおそれがあるからである。絶縁体フィッティング４９０は、金属製フィッティング４８０からエンドキャップ２００への熱の流れを遅くする。エンドキャップ２００に過剰な熱があると、加熱サイクルが終了した後でのオーブンの冷却速度が遅くなる可能性がある。
【０１０１】
オーブン１８４の内部は、耐真空性（vacuum-tight）でなければならない。フェルール・シール４７０が、コラム端部４５０両方の外側での真空シールとして用いられる。従って、コラム１１０の内部は減圧されず、キャリア・ガスと分析対称のサンプルとは、コラム１１０を介して、インジェクタ５１０から検出器５２０まで通過することができる。フェルール・シール４７０は、金属製フィッティング４８０に対して真空密閉され、後者は、絶縁体フィッティング４９０に対して真空密閉されている。最後に、絶縁体フィッティング４９０は、エンドキャップ２００に真空密閉されている。これらの異なる密閉により、オーブン１８４の内部がインジェクタ５１０及び検出器５２０から分離され、オーブン１８４を真空中で動作させることを可能にしている。
【０１０２】
図２６に図解されている構造の内部では、コラム端部４５０がコラム加熱要素１３０によって直接に加熱されない場合でもクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１８４を動作させながら、コラム端部４５０を加熱する熱プロセスがいくつか生じている。これらのプロセスは、図２７に図解されている。
【０１０３】
ブロック５５０は、温度Ｔ１に維持されている１つの等温的な領域を指定している。ブロック５５０は、インジェクタ５１０とクロマトグラフィック・コラム１１０の近い側のコラム端部５３０とを含む。ブロック５６０は、温度Ｔ２を有する第２の等温的な領域を指定している（この記述では、等温的な温度プロフィールを仮定する）。ブロック５６０は、コラム加熱要素１３０を含む。ブロック５７０は、温度Ｔ３に維持されている第３の等温的な領域を指定している。ブロック５７０は、検出器５２０と、クロマトグラフィック・コラム１１０の遠い側のコラム端部５４０とを含む。典型的なクロマトグラフィの応用例では、検出器５２０は、インジェクタ５１０よりも高温に維持され、後者は、クロマトグラフィック・コラム１１０のほとんどの部分よりも高温に維持される。従って、Ｔ３＞Ｔ１＞Ｔ２である。
【０１０４】
熱伝導及び対流プロセスが、熱エネルギを、ブロック５５０、５６０又は５７０において直接に加熱されていないコラム１１０の長さ部分に伝達する。これらのプロセスは、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンが真空条件で動作する場合には、はるかに効率的になされる。
【０１０５】
導電について。熱エネルギ５９０は、コラム１１０の壁部に沿って、ブロック５５０からブロック５６０に伝達される。これは、Ｔ１がＴ２よりも高いからである。熱エネルギ６６０の同様の流れが、ブロック５７０からブロック５６０に向かって、コラム１１０の壁の中を伝達される。熱伝導プロセス５９０及び６００は、コラム１１０が熱伝導性材料を含んでおり熱伝導速度を向上させていない場合には、非常に低速である。
【０１０６】
対流について。コラム端部のための直接的な伝導よりもはるかに高速の加熱機構は、コラム１１０の中を流れるキャリアガス５８０からの対流（convection）である。インジェクタ５１０からコラム１１０の中に流れ込むキャリアガス５８０は、インジェクタと同じ温度すなわちＴ１である。流れているキャリアガスのストリーム５８０が、等温ブロック５５０及び５６０の間にあるコラム１１０の部分を急速に加熱する。キャリアガス・ストリーム５８０は、いったん等温ブロック５６０に達すると、Ｔ２の平衡温度になる。ブロック５６０から流れるキャリアガス・ストリーム５８０は、等温ブロック５６０及び５７０の間にあるコラム１１０の部分を急速に加熱する。
【０１０７】
等温ブロック５５０及び５６０の間と等温ブロック５６０及び５７０の間とのコラム１１０の部分がそれぞれ比較的低温の空気によって包囲されている場合には、コラムにおける熱エネルギは、ほとんどが、空気の中に失われ、コラム端部はここで述べているような伝導及び対流プロセスではそれほど加熱されないことになる。これは、本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンを真空条件下で動作させるもう１つの理由である。
【０１０８】
熱平衡では、本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンにおけるコラム１１０の長さ全体に沿って確立される温度プロフィールは、従来型のクロマトグラフィック・オーブンの中のコラムに沿って確立されるものと同様である。このプロフィールは、図２８に示されているグラフに図解されている。このグラフでは、ｘ軸はコラム１１０の長さに沿った位置を表しており、ｙ軸はコラムの温度を表している。ｘ軸は、Ｔ２に維持されているコラムの相対的な長さはコラムの残りの部分の長さよりも長いのが通常であるから、実際の尺度通りではない。グラフの左側から開始すると、コラム１１０の近い側の温度は、インジェクタ５１０の温度であるＴ１に等しい。右に移動すると、コラム１１０の温度は、コラム加熱要素１３０の温度であるＴ２まで下降する。コラム１１０の温度は、コラム加熱要素１３０の全体を通じてＴ２に等しい。コラム加熱要素１３０の後では、コラム１１０の温度は、その遠い側の端部において、検出器５２０の温度であるＴ３まで上昇する。コラム１１０の長さ全体に沿って、温度がＴ２よりも低くなっている低温スポットは存在しない。
【０１０９】
オーブンにおける熱効率を最大化することについて述べる。クロマトグラフィック・コラム・オーブンがコラム加熱要素に供給して所望の温度を得るのに必要とする熱エネルギの全体量は、次の方程式によって記述される。
ＰTOT＝ΣＭiＣpiΔＴ／ｔ＋ＰCONV＋ＰCOND＋ＰRAD  （６）
ここで、ＰTOTはオーブンの熱パワー入力の全体であり、Ｍiはオーブンの中にあり加熱されるそれぞれの部分ｉの質量であり、Ｃpiはそれぞれの部分ｉの比熱であり、ΔＴ／ｔは単位時間当たりの目標とする温度上昇速度であり、ＰCONVは対流によってオーブンの加熱された部分から他の部分と環境とに伝達される熱であり、ＰCONDは直接的な熱伝導機構によってオーブンの加熱された部分から他の部分と環境とに伝達される熱であり、ＰRADは放射プロセスによってオーブンの加熱された部分から他の部分と環境とに伝達される熱である。
【０１１０】
方程式（６）から明らかなように、クロマトグラフィック・コラム・オーブンのエネルギ要件は、（１）加熱される材料の質量を最小化して、その温度上昇に要するエネルギを最小化すること、及び（２）オーブンの加熱された部分からの熱エネルギの損失を最小化すること、の２つの条件として最小化することができる。適切に設計されたコラム加熱要素１３０を直接的にマイクロ波加熱すると、加熱対象の材料の質量を標準的なクロマトグラフィック・コラムの質量よりもほんのだけ僅かに大きくすることができる。従って、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンは、コラムを加熱するのに要するパワーの量を最小化することができる。最大の効率を達成するには、コラム加熱要素１３０からの熱損失も最小化しなければならない。
【０１１１】
先に述べたように、対流による熱損失は、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン内部の空気のほとんどを排気してしまうことによって最小化することができる。僅かに７５Ｔｏｒｒ程度の真空であっても、対流による損失を９０％も削減することができる。
【０１１２】
コラム加熱要素１３０の加熱された部分からオーブンの壁部への熱伝導による損失は、コラム加熱要素をオーブン内部で保持する機械的なサポート・アセンブリを適切に設計することによって、削減することができる。この機械的なサポートは、高温に対する露出に耐え、熱伝導率が低く、それほどにはマイクロ波エネルギを吸収せず、マイクロ波オーブン内部で電磁場分布を混乱させない材料で構築すべきである。適切な材料としては、酸化アルミニウムなどの多くのセラミックや、ポリイミドなどの高温プラスチックがある。更に、機械的サポートの断面積の中で、コラム加熱要素の加熱された部分を物理的にオーブンの壁部に接続する面積は、可能な限り小さくして、熱エネルギがこれを介してオーブンの壁部に異動するフローパスが最小限になるようにすべきである。
【０１１３】
対流及び伝導による熱損失が以上で説明したように縮小されると、コラム加熱要素からの放射損失が、コラムからの熱損失の最も顕著な源を表すことになる。コラム加熱要素からの放射損失は、加熱要素の表面積と、加熱要素の表面上の材料の放射率とに正比例する。加熱要素の表面積は、図２４に示されているようにクロマトグラフィック・コラムを包囲して束にすることによって最も容易に縮小させることができ、図２５に示されているように、オーブン４３０において用いられる。しかし、加熱要素の放射率を低下させることは、現実的ではない。
【０１１４】
放射率は、０から１までの値を有する単位のない係数であり、与えられた材料が、与えられた温度において、放射率の値が１であるような完全黒体源と比較してどれだけ多く放射するかを表す値である。プラスチックやセラミックなどの非導電性材料は、放射率が０．９以上であるのが通常である。これらの材料はクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンにおけるコラム加熱要素において用いるのに最適であるから、放射率が低い材料を用いることによってコラム加熱要素の直接的な放射損失を著しく低下させるのは現実的でない。しかし、放射損失は、間接的に低下させることができる。
【０１１５】
高温のコラム加熱要素から放出される放射は、ほとんどが、マイクロ波オーブンの金属製壁部の内部表面に衝突する。ほとんどの金属は、その放射率の値が０．２未満であるから、熱による放射の放出源としては優れてはいない。しかし、金属は、この同じ放射の反射器としては優れている。というのは、異なる材料に対する反射係数は、（１−反射率）の関数であるからである。結果として、オーブンの金属壁部に衝突するコラム加熱要素によって放射される熱エネルギは、ほとんどが、この壁部には吸収されず、オーブンの中に反射されて戻される。従って、マイクロ波オーブン壁部の内部表面の放射率が最小化されると、コラム加熱要素からの放射損失も同様に最小化される。その理由は、加熱要素によって放射されるエネルギのほとんどはオーブンの中で内部的に反射され、最終的には、放射率が高い表面に衝突してそこで吸収される。コラム加熱要素によって放出されるほとんどの熱放射は、コラム加熱要素に戻ってくるのである。オーブンを備えた熱放射バスもまた、コラム端部を加熱するのに役立つ。
【０１１６】
オーブンの内壁の放射率は、（１）アルミニウム、金、銅、銀などの放射率が低い材料を用い、（２）その内壁を研磨して表面の粗さを縮小させる、ことによって、最小化することができる。十分に研磨された金の表面は、放射率が０．０２未満である。所望の効果を達成するために、壁の全体を金などの貴金属で作ることは必要ない。僅かに数マイクロメートルの厚さがあれば十分である。
【０１１７】
熱損失を減少させるためのすべての措置がなされると、効率のよいクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンが達成される。典型的な６０ｍのクロマトグラフィック・コラムを３５０℃に維持するのに、典型的な抵抗加熱型のクロマトグラフィック・オーブンの場合に１５００Ｗより多くが必要になるのと比較して、１００Ｗ未満のマイクロ波電力が必要となるだけである。エネルギの散逸が非常に少ないので、オーブンの壁は、絶縁されていないときでも、それほどには高温にならない。これは、他のコラム加熱方法と比較して、著しい効果である。
【０１１８】
次に、オーブンを駆動するのに用いられるマイクロ波源の制御について述べる。クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンを含むクロマトグラフは、オーブンの中のコラム加熱要素の温度を連続的に制御して、有用な温度の傾斜（ramps）を生じさせなければならない。連続的なオーブン温度の制御は、オーブンの中に導かれるマイクロ波信号を発生させるのに用いられるマイクロ波源を制御することを通じて達成される。図２９には、システム７００が示されているが、このシステム７００は、（１）どれだけのマイクロ波電力がクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンに伝送されるかを制御することができ、（２）マイクロ波源の電力効率も制御することができる。システム７００の主な構成要素は、マイクロ波オーブン７０５と、コントローラ７１０と、温度センサ７２０と、マイクロ波源７３０とである。オーブン７０５は、クロマトグラフィック・コラムの加熱に用いられる任意のマイクロ波オーブンである。コントローラ７１０は、入力信号を受け取り、この入力に応答して、予めプログラムがなされた命令に従って出力信号を発生することができる任意の電子システム又はコンピュータであると理解される。温度センサ７２０は、これを用いてクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン７００の温度を決定することができる任意の温度測定装置である。マイクロ波源７３０は、オーブン７０５の中のクロマトグラフィック・コラムを加熱するのに十分なマイクロ波電力を生じさせることができる任意のマイクロ波信号発生器である。ここでの説明のために、マイクロ波源７３０は、オーブン７０５に送られるマイクロ波信号を、発生させ、増幅し、減衰させ、変調し、モニタし、あるいはそれ以外の変更を加えるのに用いられるすべての構成要素を含む。
【０１１９】
コントローラ７１０は、単一線７４０によって温度センサ７２０に接続されている。コントローラ７１０は、単一線７４５によってマイクロ波源に接続されている。マイクロ波源７３０は、マイクロ波電力信号７６０を発生し、それを、電送線７５０を介してオーブン７０５に送る。温度センサ７２０は、オーブン７０５内部の温度を測定して、対応する信号を、単一線７４０を介して、コントローラ７１０に伝送する。温度が低すぎる場合には、コントローラ７１０は、マイクロ波源７３０の中の可変電力要素７５５を制御線７４５を介して調節することによって、オーブン７０５に送られるマイクロ波電力信号７６０を増加させる。同様に、温度が高すぎる場合には、マイクロ波電力信号７６０が、それに応じて減少される。可変電力要素７５５は、マイクロ波源７３０の出力電力をこれを用いて調節することができる任意の構成要素である。これに限定されるのではないが、可変利得増幅器、可変減衰器、そして、マイクロ波電力をオン・オフしてマイクロ波出力電力全体をデューティ・サイクルを制御することによって変調させる回路を含む。コンピュータ７１０と、温度センサ７２０と、可変電力要素７５５との全体で、閉じた温度制御ループが構成されている。
【０１２０】
オーブン７０５とマイクロ波源とが注意深く同調されていないと、マイクロ波源７３０によって発生され伝送されるマイクロ波電力信号７６０の多くは、オーブン７０５によって反射されてマイクロ波源に戻り、そこで無用の熱として浪費されてしまう。反射されたマイクロ波信号７６５は、マイクロ波源７３０を損傷するすることもありうる。システム７００に様々なオプショナルな要素を付加して、全体的な効率を向上させ、過剰な反射電力によって生じるマイクロ波源７３０の損傷を回避することができる。
【０１２１】
図２９に示されているように、指向性カプラ７７０が、反射されたマイクロ波信号７６５のごく一部を検出器７７５に結合して、検出器７７５は、反射された信号レベルを指示する信号を発生する。同様に、指向性カプラ７９０が、マイクロ波電力信号７６０のごく一部を検出器７９５にサンプリングし、検出器７９５が、出力されるマイクロ波電力レベルに関係する信号を発生する。この信号は、単一線８００によってコントローラ７１０に送られる。反射された及び出力される電力レベルをそれぞれ示す信号が新合繊７８０から与えられると、コントローラ７１０は、どの位のマイクロ波電力がオーブン７０５に伝送されているのか、そして、どの位が反射されてマイクロ波源７３０に向かって戻るのかを連続的に判断する。
【０１２２】
オーブン７０５によって反射されたマイクロ波電力の比率は、オーブン７０５の入力インピーダンスがマイクロ波源７３０の出力インピーダンスとどの程度整合しているかによって決定される。インピーダンスの整合は、基本的には、マイクロ波源７３０によって発生されたマイクロ波周波数とオーブン７０５の共振周波数との間の整合によって決定される。これらの周波数が近接していればいるほど、オーブン７０５によって反射されるマイクロ波エネルギは少ない。オーブン７０５の共振周波数は、時間と共に変動する。また、オーブンの中の温度によっても変動する。更に、最も重要なことであるが、オーブン７０５の中で加熱されるクロマトグラフィック・コラムのタイプ及びサイズと共に変動するということである。マイクロ波源７３０のマイクロ波周波数を連続的に変動させてオーブン７０５の共振周波数とほぼ整合させることによって、マイクロ波源７３０の効率を最適化することができる。効率の最適化には２つの方法を用いることができるが、これらは共に図２９に示されている。
【０１２３】
第１の効率最適化方法を用いると、コントローラ７１０は、制御線８１０によってマイクロ波源７３０の中の可変周波数要素８０５に接続される。可変周波数要素８０５は、これによってマイクロ波源７３０の周波数を変動させることができる任意の構成要素であり、電圧制御発振器と機械的同調要素とを含む。コントローラ７１０は、可変周波数要素８０５を制御線８１０を介して調節することによって、信号線７８０上で測定される反射される電力信号が最小化され、オーブン７０５の共振周波数がマイクロ波源７３０の出力周波数と整合することが示されるまで、反射されるマイクロ波信号７６５を変動させる。
【０１２４】
システム７００の効率を改善する第２の方法は、オーブン７０５の共振周波数を同調させて、マイクロ波源７３０の出力周波数に整合させることである。オーブンの周波数の同調は、オーブン７０５に付加される同調要素を用いて実行することができる。図２９に示されているように、コントローラ７１０は、制御線８２０によってオーブン同調要素８１５に接続されている。オーブン同調要素８１５は、オーブン７０５の共振周波数を変更することができる任意の装置であり、例えば、オーブン７０５の中に突出する収縮可能なピンなどを含む。オーブン７０５の中のピンの長さを調節することによって、オーブンの共振周波数を調節することができる。コントローラ７１０は、制御線８２０を用いてオーブン同調要素８１５を調節し制御線８２０上で測定される反射される電力信号が最小化され、オーブン７０５の共振周波数がマイクロ波源７３０の出力周波数と整合することが示されるまで、反射されるマイクロ波信号７６５を変動させる。
【０１２５】
反射されるマイクロ波信号７６５が最小化されるとしても、反射されるマイクロ波信号７６５が過剰である場合には、マイクロ波源７３０が損傷される又は破壊されることがありうる。マイクロ波源の損傷は、図２９に示されているようにマイクロ波源７３０の中にオプショナルであるサーキュレータ８２５を含めることによって回避することができる。サーキュレータ８２５は、反射されるマイクロ波信号７６５のほとんどを整合された負荷８３０に再度向けて、この負荷８３０が反射されたマイクロ波信号７６５を散逸させる。
【０１２６】
次に、オーブンにおける温度測定について述べる。真空条件で動作されているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンの中のコラムの温度を測定することは、従来型のクロマトグラフィック・オーブンの温度を測定する場合よりも困難である。ほとんどの温度測定方法では、（１）測定される目的物と熱平衡に至る位置に配置された温度センサと、（２）処理のためにセンサから何らかの遠隔電子装置まで情報を伝送する金属ワイヤと、が用いられる。マイクロ波オーブンにおけるこのような構成には、問題がある。というのは、金属ワイヤはオーブン内部の電磁場を混乱させうるし、マイクロ波放射をオーブンの外部に伝送する希望していないアンテナとして作用する可能性があるからである。このような問題は、温度センサからの信号線が、マイクロ波オーブン内部の電場線と垂直方向に配置されていれば最小化することができる。マイクロ波オーブン内部の電磁場線と垂直の金属ワイヤは、マイクロ波オーブン内部の電磁場にとっては、本質的に不可視である。そのような金属ワイヤであれば、電磁場を混乱させることはないし、そこからエネルギを引き出すこともない。
【０１２７】
図３０は、コラム加熱要素４４０の温度を測定する温度センサを用いているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン８５０の中心軸に沿った断面が示されている。オーブン８５０は、図２５に示されているオーブン４３０と同一であるが、オプショナルの誘電性インサート２５０は備えていない。温度センサ８６０は、コラム加熱要素４４０と接触するように、又は、それと近接して配置され、それによって、コラム加熱要素４４０と熱平衡状態にある。温度センサ８６０は、適切に動作するには測定対象である目的物と同じ温度又はそれと近い温度でなければならない、熱電対又はＲＴＤなどの任意の温度測定装置である。１又は複数本の信号ワイヤ８７０が、信号を、温度センサ８６０からオーブン壁部１９０の中の空気密閉コネクタ８８０を介して信号処理のための外部電子装置８９０まで伝送する。オーブン８５０内部の等電磁場線は、方程式（４）に示されているように、円周的である。従って、信号ワイヤ８６０は、オーブン８５０の半径方向の線に沿って位置することにより、電磁場線に垂直であるべきである。更に、信号線８６０は、エンドキャップ２００の間のほぼ半分の位置に、又は、側壁１９０に沿ったＬ／２の位置に配置されるべきである。
【０１２８】
別の温度測定装置は、非接触型の赤外線温度測定装置である。赤外線温度センサは、目的物の温度を、その目的物が発する赤外線放射を分析することによって測定する。このような測定は、遠隔的に行うことができる。遠隔的な測定は、温度の測定がオーブンの動作の邪魔をしないため、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンには効果である。赤外線温度測定装置の別の利点としては、測定を行うために熱平衡に置かれなければならないタイプの温度センサを含む温度測定手段よりも応答時間が短い点である。応答時間がより高速であれば、高速の温度傾斜の間でも、コラム加熱要素の温度を正確に制御することが容易になる。
【０１２９】
図３１には、赤外線温度センサ９２０を用いてコラム加熱要素４４０の温度を測定するクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン９１０の中心軸に沿った断面が示されている。オーブン９１０は、図２５に示されているオーブン４３０と同一であるが、オプショナルの誘電性インサート２５０は備えていない。温度センサ９２０は、オーブン９１０の外部に配置される。このセンサは、コラム加熱要素４４０によって、オーブン壁部１９０に設けられた赤外線透過性のウィンドウ９３０を介して与えられる赤外線放射に露出される。あるいは、このウィンドウは、エンドキャップ２００の一方に配置することもできる。ウィンドウ９３０は、オーブン９１０の内部で真空条件が維持可能なように、密閉されるべきである。
【０１３０】
次に、オーブンの冷却について述べる。真空ポンプを用いて、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンから空気を外部に排出して、コラム加熱要素を最も効率的に加熱することができる。しかし、加熱サイクルが完了すると、新たな分析の準備として、コラム加熱要素を冷却しなければならない。
【０１３１】
ここで説明されているコラム加熱要素は、その熱質量が低い。同様に、本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンは、高効率での動作が可能であり、従って、オーブン自体の中には熱エネルギはほとんど散逸されない。従って、全体としては、非常に僅かな熱エネルギだけを、冷却の対象であるオーブンとコラム加熱要素とから取り出すだけでかまわない。従来型のクロマトグラフィック・オーブンでは、冷却のために、大型で高流率のファンを用いている。そうであっても、従来型のオーブンは、非常に多くの熱エネルギを保持しているために、それほど急速な冷却はできなかった。これとは逆に、本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンは、僅かな空気の流れによって急速な冷却が可能である。実際、真空ポンプ自体をシステムの冷却に用いることができる。
【０１３２】
開放された外気に接続されれば、ほとんどの真空ポンプを空気の定常的な流率を引き出すのに用いることができる。従って、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンを冷却するために、真空ポンプを用いて、オーブンの中から外へ空気をポンプアウトするのではなく、オーブンを介して空気を吸い込むことができる。
【０１３３】
図３２には、同じ真空ポンプを用いて加熱サイクルの間は真空条件を確立し、冷却サイクルの間はオーブンを冷却するシステムが図解されている。オーブン９５０は、本発明に従って構築された任意のオーブン９５０である。オーブン９５０は、２つの空気ポート９６０を有し、空気が、このポートを通過してオーブンの中に自由に入り、また、オーブンの中から外に出る。一方のポート９６０は、真空ポンプ９８０に接続されているエアホース９７０に接続されている。第２のインレット・ポート９６０は、弁９９０を有している。真空条件がオーブン９５０の中で確立されなければならないときには、弁９９０が閉じられ、真空ポンプ９８０は空気のほとんどをオーブン９５０から排除する。オーブン９５０が冷却されるときには、弁９９０が開かれ、真空ポンプ９８０はインレット・ポートを介してオーブン９５０から空気を引き出して熱エネルギを取り除き、それによって、クロマトグラフィック・コラムを冷却する。弁９９０が電子的な弁である場合には、制御線１０１０を介し、コントローラ／コンピュータ１０００を用いて自動的に制御して、加熱及び冷却サイクルを、オーブン・システムを含んでいる分析装置の他の機能と完全に調整することができる。
【０１３４】
次に、オーブンの中でのプラズマ形成を回避することについて述べる。気体を強い電磁場に露出することによって、プラズマを低圧気体の中で発生させることがありうる。このようなプラズマは、真空条件で動作しているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンに導かれることがありうる。というのは、非常に強い電磁場強度が、マイクロ波エネルギをオーブンの中に伝送するのに用いられるアンテナの先端において発生することがありうる。このようなプラズマは、アンテナに非常な高温を導く可能性があるので、極めて破壊的である。従って、クロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン内部でのプラズマ形成を回避するための措置がとられなければならない。
【０１３５】
図３３には、アンテナ２３０上でのプラズマ形成を回避するために構築されたクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１０５０の中心軸に沿った断面が示されている。オーブン１０５０は、図２５に示されているオーブン４３０と同一であるが、オプショナルの誘電性インサート２５０は備えていない。アンテナ２３０は、少なくとも部分的に、真空条件がオーブン１０５０内部に存在する場合にプラズマを発生させるほどに電磁場強度が強いアンテナの部分を分離する誘電性のシース１０６０で被覆されている。この誘電性のシース１０６０は、非導電性でありマイクロ波エネルギを吸収しない、セラミックやポリイミドなどの材料で作られていなければならない。
【０１３６】
図３４は、アンテナ２３０上でのプラズマ形成を回避するために構築された第２のクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１１００の中心軸に沿った断面が示されている。オーブン１１００は、図２５に示されているオーブン４３０と同一であるが、オプショナルの誘電性インサート２５０は備えていない。オーブン１１００は、内径がアンテナ２３０の外径よりも大きな誘電性スリーブ１１１０を含み、それによって、これら２つの間にギャップ１１２０が存在するようになっている。誘電性スリーブ１１１０は、図３３に示されているような単純な円筒形の管であり、アンテナの全体又は一部を被覆しており、又は、一端が閉じ他端が開いた管でありうる。誘電性スリーブ１１１０は、非導電性でありマイクロ波エネルギを吸収しない、セラミックやポリイミドなどの材料で作られていなければならない。誘電性スリーブ１１１０と誘電性インサート２５０とは、組み合わせることにより１つの部品とすることもできる。
【０１３７】
誘電性スリーブ１１１０は、ギャップ１１２０をオーブン２４０の内部の残りの部分から孤立させる１つ又は複数の真空シール１１３０を有している。ギャップ１１２０の中では、オーブン１１００の内部のそれ以外の場所に真空条件が存在するときでも、大気条件を維持することができる。アンテナ２３０の表面における気体は大気条件を有し真空条件を有しないから、動作中にアンテナ２３０においてプラズマが形成されることはない。このオーブン１１００の追加的な長所としては、ギャップ１１２０の中の空気が、アンテナ２３０と誘電性スリーブ１１１０とが高温になったときに、それらの冷却に役立つ点である。オーブンにおいて誘電性スリーブ１１１０のいずれかの端部にオプショナルなホール１１４０があけられている場合には、ギャップ１１２０を介して空気を引き出しこれらの部分を冷却することさえ可能である。
【０１３８】
次に、マイクロ波をオーブンの中に送ることについて述べる。本発明によるクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンは、すべてが、マイクロ波を直接にオーブンの中に送るためにアンテナを用いている。マイクロ波エネルギをオーブンの中に送るために、他のタイプの送信機を用いることもある。例えば、オーブンの壁部にアパーチャを切り、このアパーチャを介してマイクロ波エネルギを外部の導波装置からクロマトグラフィック・マイクロ波オーブンの中に導くこともできる。図３５には、アンテナ送信機ではなくアパーチャ送信機が設けられて構築されているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブン１２００の外観が示されている。オーブン１２００は、ここで説明されている任意のクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンでありうる。導波管１２１０がオーブン１２００の外壁に接続されている。アパーチャ１２２０がオーブン１２００の側壁に切られ、導波管１２１０から伝搬してくる電磁エネルギが導波管１２１０からアパーチャ１２２０を介してオーブン１２００の中へ導かれるようになっている。アパーチャ１２２０は、開いたホールであり、又は、電磁波が通過することができる誘電性のウィンドウでもよい。マイクロ波エネルギは、アンテナ１２３０を介して導波管１２１０の中に送られる。オプションであるが、アンテナ１２３０は、マグネトロン・マイクロ波源１２４０のローンチャでもありうる。
【０１３９】
一般に、任意のタイプのマイクロ波送信機機構を、ここで説明されているクロマトグラフィック・コラム・マイクロ波オーブンと共に用いることができる。マイクロ波エネルギを与えられたオーブンの中に導く特定の送信機は、本発明の中心的な特徴ではない。
【０１４０】
以上の開示では、本発明の多くの実施例を与えた。ここで正確には与えられていないこれ以外の構成又は実施例であっても、本発明の示唆することに従い、そして、冒頭の特許請求の範囲内で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】球形のクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの断面図であり、クロマトグラフィック・コラムはその全長を越える長さの、一定の強度の電磁場にさらされている。
【図２】同軸伝送線構造である、クロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの断面図であり、図３の断面図とは直交する関係にある。
【図３】同軸伝送線構造である、クロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの断面図であり、図２の断面図とは直交する関係にある。
【図４】短絡している同軸共鳴空洞として構築されたクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図。
【図５】短絡している同軸共鳴空洞の長さに沿ったマイクロ波パワーの分布を示すグラフ。
【図６】開回路である同軸共鳴空洞として構築されている、クロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図。
【図７】開回路である同軸共鳴空洞の長さに沿ったマイクロ波パワーの分布を示すグラフ。
【図８】円筒形共鳴空洞の透視図。
【図９】円筒形共鳴空洞におけるＴＭ010モードに対する半径方向の電場の分布を示すグラフ。
【図１０】円筒形共鳴空洞におけるＴＭ010モードに対するマイクロ波パワーの分布を示すグラフ。
【図１１】円筒形共鳴空洞として構築されたクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの断面図であり、図１２の断面図とは直交する関係にある。
【図１２】円筒形共鳴空洞として構築されたクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの断面図であり、図１１の断面図とは直交する関係にある。
【図１３】図１１および図１２に示したＴＭ010マイクロ波オーブンにおいて加熱されたコラム加熱用要素の軸方向温度分布を示すグラフ。
【図１４】図１１および図１２に示したＴＭ010マイクロ波オーブンの、ほぼ軸方向に沿ったマイクロ波パワーの分布を示すグラフ。
【図１５】円筒形共鳴空洞を有するクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図であり、コラム加熱用要素の直径は軸方向に沿って変化している。
【図１６】円筒形共鳴空洞を有するクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図であり、オーブンの円筒壁の直径は軸方向に沿って変化している。
【図１７】円筒形共鳴空洞を有するクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図であり、アンテナの外径は軸方向に沿って変化している。
【図１８】円筒形共鳴空洞を有するクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図であり、電気絶縁性挿入体の直径は軸方向に沿って変化している。
【図１９】線形的に増加するコラム温度のプロフィールを示すグラフ。
【図２０】周期的なコラム温度のプロフィールを示すグラフ。
【図２１】クロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの半径方向断面図であり、コラム加熱用要素は、オーブン内の中心を外れた位置に置かれ、それによって周期的なコラム温度プロフィールを形成するようにしている。
【図２２】クロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの半径方向断面図であり、コラム加熱用要素は、オーブンとは異なる形状をしており、それによって周期的なコラム温度分布を形成するようにしている。
【図２３】円柱形というより楕円形を有するクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図。
【図２４】クロマトグラフィック・コラムの、きっちりと束ねられたコイルの断面図。
【図２５】コンパクトなクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図。
【図２６】クロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図であり、クロマトグラフィック・コラムの両端部が射出機および検知器組立体にそれぞれどのように連結されるかを示す。
【図２７】マイクロ波オーブン内でコラムの中を熱がどのように流れるかを示す図。
【図２８】マイクロ波オーブン内で加熱されたコラムに沿った、端から端までの温度プロフィールを示すグラフ。
【図２９】クロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンにおけるコラムの温度を制御し且つマイクロ波パワー源の効率を制御することのできるシステムを示す図。
【図３０】コラム加熱用組立体と熱的に接触するように配置された温度センサを利用したクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図。
【図３１】コラム加熱用要素の温度を測定するために、オーブンの外部に配置された赤外線温度センサを利用したクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図。
【図３２】加熱サイクル中にクロマトグラフィック・カラム用マイクロ波オーブン内に真空を生じさせるため、および、冷却サイクル中にオーブンを冷却するため、単一の真空ポンプを利用したシステムを示す図。
【図３３】オーブン内にプラズマが生成するのを防止するため、アンテナを覆う電気絶縁性の鞘（シース）を利用したクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図。
【図３４】オーブン内にプラズマが生成するのを防止するため、アンテナの周囲に配置された電気絶縁性のスリーブを利用したクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンの中心軸に沿った断面図。
【図３５】マイクロ波パワーを、アンテナではなくオーブン内へと伝送するため、開口および導波トランスミッタを使用したクロマトグラフィック・コラム用マイクロ波オーブンを示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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１１】
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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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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