(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波発振装置において、
１つのインダクタンスコイルと、キャパシタンス装置と、トランジスタ装置とを有する１つの発振回路が設けられており、
前記キャパシタンス装置は、回路内に約１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波発振を維持するためコイルと共に動作し、
前記トランジスタ装置は発振を駆動するためのものであり、かつソース端子、ドレイン端子およびゲート端子を有し、
前記キャパシタンス装置はドレイン端子とソース端子との間でコイルと直列に接続されており、
主電圧装置が接続されており、
該主電圧装置は、ＤＣ主電圧をドレイン端子とソース端子との間に供給し、電力をトランジスタ装置および発振器回路に供給し、
フィードバック装置が設けられており、
該フィードバック装置は発振に応答し、かつ発振を駆動するためにトランジスタ装置にポジティブフィードバックを与えるようゲート端子に接続されており、
負荷装置が設けられており、該負荷装置は発振ループ内の電力が前記コイルを通して当該負荷装置に誘導的に伝達されるように前記コイルと誘導結合されており、さらに前記負荷装置は、前記コイル内のプラズマ形成用ガスをチャンネリングするためのチャンネリング装置を有しており、これにより発振ループ内の電力が前記コイルを通してプラズマ形成用ガスに誘導的に伝達され、チャンネリング装置内にプラズマを発生させられるように構成されており、
ゲート端子とソース端子との間にＤＣバイアス電圧を加えるためのバイアス電圧装置が設けられており、さらにスタートアップモードおよび動作モードがあり、主電圧装置は、プラズマの形成を促進させるためにスタートアップモードの間、一時的にスタート用主電圧を供給する手段を有し、プラズマによる動作モードに関して、動作用主電圧はスタート用主電圧よりも低く、バイアス電圧装置は、スタートアップモードの間、スタート用バイアス電圧を供給し、動作モードの間、スタート用バイアス電圧よりも低い動作用バイアス電圧を供給する手段を有する
ことを特徴とする高周波発振装置。
【請求項２】
フィードバック装置は誘導性である、請求項第１項記載の装置。
【請求項３】
フィードバック装置は容量性である、請求項第１項記載の装置。
【請求項４】
キャパシタンス装置は、ドレインと中間ポイントとの間で負荷コイルに直列に接続された１次キャパシタンスと、中間ポイントとソース端子との間に接続された２次キャパシタンスとを有し、
フィードバック装置は中間ポイントとゲート端子との間に接続されている、請求項第３項記載の装置。
【請求項５】
１次キャパシタンスは、負荷コイルと中間ポイントとの間に接続された中間キャパシタと、負荷コイルとドレイン端子との間に接続されたドレインキャパシタとを含み、
ドレインキャパシタの値は中間キャパシタの値に等しい、請求項第４項記載の装置。
【請求項６】
監視装置と、制御装置とが設けられており、
前記監視装置は、主電圧装置の動作用電力を監視するように接続されており、
前記制御装置は、動作用電力レベルに応答するよう監視装置に動作的に接続されており、かつ、スタートアップモードの間に動作用電力が所定のレベルに達したときに、スタートアップモードから動作モードに切り替えるため、主電圧装置およびバイアス電圧装置に動作的に接続されている、請求項第１項記載の装置。
【請求項７】
プラズマの形成をさらに促進するため、スタートアップモードの間にプラズマ形成用ガスを電気的にシーディングするためのシーディング装置を有する、請求項第１項記載の装置。
【請求項８】
プラズマの形成を促進するために、スタートアップモードの間、キャパシタンス装置の容量を変更させる変更用装置が接続されている、請求項第１項記載の装置。
【請求項９】
変更用装置はドレイン端子に接続されたスイッチと、該スイッチとソース端子との間に接続されたシャントキャパシタとを有し、
前記スイッチは、スタートアップモードの間に、ソースキャパシタをドレイン端子に接続するために閉じられ、動作モードの間には開かれる、請求項第８項記載の装置。
【請求項１０】
監視装置と、制御装置と、変更用装置と、シーディング装置とが設けられており、
前記監視装置は、主電圧装置の動作電力を監視するために接続されており、
前記制御装置は、動作用電力レベルに応答するよう前記監視装置に接続されており、かつスタートアップモードの間に動作用電力が所定のレベルに達したときに、スタートアップモードから動作モードに切り替えるため、主電圧装置およびバイアス電圧装置に動作的に接続されており、
前記変更用装置は、プラズマの形成を促進するために、スタートアップモードの間にキャパシタンス装置の容量を変更するように接続されており、
該変更用装置は、ドレイン端子に接続されているスイッチと、スイッチとソース端子との間に接続されているソースキャパシタとを有し、
前記スイッチは、スタートアップモードの間にはソースキャパシタをドレイン端子に接続するために閉じられ、動作モードの間には開かれ、
前記シーディング装置は、プラズマの形成を促進するために、ステップアップモードの間にプラズマ形成用ガスを電気的にシーディングする、請求項第１項記載の装置。
【請求項１１】
高周波発振装置において、
１つの発振器回路が設けられており、該回路は第１部分と、第２部分と、第１部分と第２部分との間に接続されたインダクタンスコイルとからなり、
前記第１部分は第１キャパシタンス装置および第１トランジスタ装置を有しており、
前記第２部分は第２キャパシタンス装置および第２トランジスタ装置とを有しており、
前記第１および第２キャパシタンス装置は回路内に約１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの高周波発振を維持させるためにコイルとともに動作し、
前記第１および第２トランジスタ装置は、発振を駆動するために回路内に動作的に接続されており、
第１フィードバック装置と、第２フィードバック装置と、主電圧装置とが設けられており、
前記第１フィードバック装置は、発振に応答し、かつ発振を駆動するために第１トランジスタ装置に対してポジティブフィードバックを行うため第１トランジスタに接続されており、
前記第２フィードバック装置は、発振に応答し、かつ発振を駆動するために第２トランジスタ装置に対してポジティブフィードバックを行うため第２トランジスタに接続されており、
前記主電圧装置は、第１ドレイン端子と第１ソース端子との間、および第２ドレイン端子と第２ソース端子との間にＤＣ主電圧を供給し、これにより各トランジスタ装置および発振器回路に電力を供給するように接続されており、
第１トランジスタ装置は、第１ソース端子と、第１ドレイン端子と、第１ゲート端子とを有し、
第２トランジスタ装置は、第２ソース端子と、第２ドレイン端子と、第２ゲート端子とを有し、
第１キャパシタンス装置は、コイルと第１ドレイン端子との間に接続された第１の１次キャパシタンスを有し、
第２キャパシタンス装置は、コイルと第２ドレイン端子との間に接続された第２の１次キャパシタンスを有し、
第１フィードバック装置は第１ゲート端子に接続されており、第２フィードバック装置は第２ゲート端子に接続されており、
負荷装置が設けられており、該負荷装置は発振ループ内の電力が前記コイルを通して当該負荷装置に誘導的に伝達されるように前記コイルと誘導結合されており、さらに前記負荷装置は、前記コイル内のプラズマ形成用ガスをチャンネリングするためのチャンネリング装置を有しており、これにより発振ループ内の電力が前記コイルを通してプラズマ形成用ガスに誘導的に伝達され、チャンネリング装置内にプラズマが発生させられ、
第１ゲート端子と第１ソース端子との間、および第２ゲート端子と第２ソース端子との間にＤＣバイアス電圧を供給するバイアス電圧装置が設けられており、
スタートアップモードおよび動作モードが設けられており、
主電圧装置は、スタートアップモードの間、スタート用主電圧を一時的に供給し、かつ動作モードの間、動作用主電圧を供給する手段を有し、
前記動作用主電圧はスタート用主電圧よりも低く、
バイアス電圧装置は、スタートアップモードの間、スタート用バイアス電圧を供給し、かつ動作モードの間、動作用バイアス電圧を供給する手段を有し、
前記動作用バイアス電圧はスタート用バイアス電圧よりも低い、ことを特徴とする高周波発振装置。
【請求項１２】
第１部分および第２部分は整合した位相を有し、
第１フィードバック装置および第２フィードバック装置は整合した位相を有し、
共振回路はグランド電位へ接続されており、
負荷装置は、グランド電位に実質的に等しい平均電圧を有する、請求項第１１項記載の装置。
【請求項１３】
各ソース端子はグランド電位に接続されている、請求項第１２項記載の装置。
【請求項１４】
第１ドレイン端子と第１ソース端子との間に接続された第１トランジスタキャパシタと、第２ドレイン端子と第２ソース端子との間に接続された第２トランジスタキャパシタとを有する、請求項第１２項記載の装置。
【請求項１５】
監視装置と制御装置とを有し、
前記監視装置は、動作用電力レベルに関して主電圧装置を監視し、
前記制御装置は、動作用電力レベルに応答し、かつスタートアップモードの間に動作用電力が所定のレベルに到達したとき、スタートアップモードから動作モードに切り替えるため、主電圧装置およびバイアス電圧装置に動作的に接続されている、請求項第１１項記載の装置。
【請求項１６】
スタートアップモードの間、プラズマをさらに拡大形成するために、プラズマ形成用ガスを電気的にシーディングするための装置を有する、請求項第１１項記載の装置。
【請求項１７】
プラズマを拡大形成するために、スタートアップモードの間に第１キャパシタンス装置の容量を変更させる第１変更用装置が接続されており、
スタートアップモードの間に第２キャパシタンス装置の容量を変更させる第２変更用装置が接続されている、請求項第１１項記載の装置。
【請求項１８】
第１変更用装置は、第１ドレイン端子に接続された第１スイッチと、第１スイッチと第１ソース端子との間に接続された第１シャントキャパシタとを有し、
第２変更用装置は、第２ドレイン端子に接続された第２スイッチと、第２スイッチと第２ソース端子との間に接続された第２シャントキャパシタとを有し、
前記第１スイッチは、スタートアップモードの間は閉じられ、第１ソースキャパシタを第１ドレイン端子に接続し、動作モードの間は開かれており、
前記第２スイッチは、スタートアップモードの間は閉じられ、第１ソースキャパシタを第１ドレイン端子に接続し、動作モードの間は開かれている、請求項第１７項記載の装置。
【請求項１９】
監視装置と、制御装置と、変更用装置と、シーディング装置とを有し、
前記監視装置は、主電圧装置の動作電力を監視するよう接続されており、
前記制御装置は、動作電力レベルに応答するよう監視装置に動作的に接続されており、かつスタートアップモードの間に動作電力が所定のレベルに達したとき、スタートアップモードから動作モードに切り替えるため、主電圧装置およびバイアス電圧装置に動作的に接続されており、
前記変更用装置は、プラズマの形成を促進するために、スタートアップモードの間にキャパシタンス装置の容量を変更するように接続されており、
該変更用装置は、ドレイン端子に接続されたスイッチと、スイッチとソース端子との間に接続されたソースキャパシタとを有し、
前記スイッチはスタートアップモードの間はソースキャパシタがドレイン端子に接続されるように閉じられ、動作モードの間には開かれており、
前記シーディング装置はプラズマの形成を促進するために、スタートアップモードの間はプラズマ形成用ガスを電気的にシーディングする、請求項第１１項記載の装置。
【請求項２０】
フィードバック装置は容量性である、請求項第１１項記載の装置。
【請求項２１】
第１フィードバック装置は、第２部分と第１ゲート端子との間の第１容量性接続部を有し、
第２フィードバック装置は、第１部分と第２ゲート端子との間の第２容量性接続部を有する、請求項第２０項記載の装置。
【請求項２２】
コイルが第１コイル端子および第２コイル端子を有し、
第１の１次キャパシタンスが第１コイル端子と第１ドレイン端子との間に接続されており、
第２の１次キャパシタンスが第２コイル端子と第２ドレイン端子との間に接続されており、
第１フィードバック装置は、第２コイル端子と第１ゲート端子との間の第１容量性接続部を有し、
第２フィードバック装置は、第１コイル端子と第２ゲート端子との間の第２容量性接続部を有する、請求項第２１項記載の装置。
【請求項２３】
第１フィードバック装置は、第２コイル端子と第１中間ポイントとの間に接続された第１中間キャパシタと、第１中間ポイントと第２ソース端子との間に接続された第１ソースキャパシタと、第１中間ポイントと第１ゲート端子との間の第１接続部とを有し、
第２フィードバック装置は、第１コイル端子と第２中間ポイントとの間に接続された第２中間キャパシタと、第２中間ポイントと第１ソース端子との間に接続された第２ソースキャパシタと、第２中間ポイントと第２ゲート端子との間の第２接続部とを有する、請求項第２２項記載の装置。
【請求項２４】
第１部分および第２部分は整合した位相を有し、
第１フィードバック装置および第２フィードバック装置は整合した位相を有し、
共振回路はグランド電位へ接続されており、
負荷装置はグランド電位に実質的に等しい平均電圧を有する、請求項第２３項記載の装置。
【請求項２５】
負荷装置は、コイル内のプラズマ形成用ガスをチャンネリングするためのチャンネリング装置を有し、
発振ループ内の電力が誘導的にコイルを通してプラズマ形成用ガスに伝達され、チャンネリング装置内にプラズマを発生させる形式のプラズマ発生用装置を構成する、請求項第２４項記載の装置。
【請求項２６】
フィードバック装置は誘導性である、請求項第１１項記載の装置。
【請求項２７】
第１フィードバック装置は、第１部分と第１ゲート端子との間の第１誘導性接続部を有し、
第２フィードバック装置は、第２部分と第２ゲート端子との間の第２誘導性接続部を有する、請求項第２６項記載の装置。
【請求項２８】
第１誘導性接続部は第１トランスを有し、
該第１トランスの第１の１次側は、第１コイル端子と第１ドレイン端子との間で第１キャパシタンスと直列に接続されており、かつ第１の２次側は、第１ゲート端子と第１ソース端子との間に接続されており、
第２誘導性接続部は第２トランスを有し、
該第２トランスの第２の１次側は、第２コイル端子と第２ドレイン端子との間で第２キャパシタンスと直列に接続されており、かつ第２の２次側は、第２ゲート端子と第２ソース端子との間に接続されている、請求項第２７項記載の装置。
【請求項２９】
第１誘導性接続部は、第１の２次側と第１ゲート端子との間に接続された第１高周波増幅器を有し、
第２誘導性接続部はさらに、第２の２次側と第２ゲート端子との間に接続された第２高周波増幅器を有する、請求項第２８項記載の装置。
【請求項３０】
第１増幅器は、第１増幅器ゲートを備えた第１トランジスタ増幅器と、第１増幅器ゲートへのＤＣバイアス電圧電源とを有し、
第２増幅器は、第２増幅器ゲートを備えた第２トランジスタ増幅器と、第２増幅器ゲートへのＤＣバイアス電圧電源とを有し、
さらに第１の２次側と第１増幅器ゲートとの間に接続された第１のＤＣ阻止用キャパシタと、そして第２の２次側と第２増幅器ゲートとの間に接続された第２のＤＣ阻止用キャパシタとを有する、請求項第２９項記載の装置。
【請求項３１】
第１部分および第２部分は整合した位相を有し、
第１フィードバック装置および第２フィードバック装置は整合した位相を有し、
共振回路がグランド電位に接続されており、
負荷装置はグランド電位に実質的に等しい平均電圧を有する、請求項第３０項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランジスタにより駆動される高周波発振装置、より詳細にはプラズマ発生器に誘導結合されたような負荷を有する高周波発振装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
おおよそ１０から１００ＭＨｚの範囲における高周波電子発振器は、無線送信および受信から、材料を加熱することまでの種々の目的に用いられている。特定の用途は誘導結合されたプラズマ（ＩＣＰ）発生器として知られている装置によってプラズマ放電を形成するためのものである。そのようなプラズマ装置は標準的に、分光学、微細な粉末の処理、材料の溶解、化学反応および同様の用途に用いられている。これらの用途は、プラズマと本来的に結びついている高温に基づくものであり、この温度はプラズマガスおよび注入された材料の電子励起およびイオン化を生じさせるのに十分に高いものである。プラズマ発生はまた、質量分光学のための、そして低圧においては蒸着処理のための計測において用いられるイオンを発生させるためにも用いられる。他の用途は、誘導炉の黒鉛のような材料の誘導加熱、金属の溶解および同様な事柄と結びついている。
【０００３】
発振器はこの用途に関する十分な電力、すなわちＩＣＰのためには約１キロワットを発生させることができなければならない。一般的にこれは真空管を含む回路によって達成される。ＩＣＰにおいて用いられる回路の標準的な真空管発振器は、米国特許第４，６２９，９４０号および第４，８１８，９１６号、ならびに９３年６月１８日に出願された出願中の特許出願番号第０８／０７９，９６３号およびその対応するヨーロッパ特許出願第０  ５６８  ９２０  Ａ１号に示されており、これら全ては共通に本代理人によるものである。その幾つかは誘導加熱には適しているとは言えない他の一般的な真空管発振器は、主体上の標準的な文献において調べられる。ＩＣＰのために共通的に用いられる真空管発振器は、扱いにくく、チューニング問題に敏感であり、そして電力変換の効率における制限（約５０％程度まで）がある。チューニング問題は、インピーダンス整合回路網の配列に関する要求に、そしてＩＣＰと、そこへの電力の可変的変換との結合に、関連しているものである。真空管は経時的に特性を変化させがちである。真空管回路はまた、フィラメント電子源の熱イオン発散の有限寿命のゆえに、真空管の周期的な置換を必要とする。
【０００４】
トランジスタを基にした発振器は無線、オーディオ、および類似の用途に関しては知られているが、本発明人の知識によれば、本明細書で説明されている構造は、プラズマ発生のために用いられたことがない。トランジスタ発振器の例は、（１９７９年プリンティスホールの）Ｊ．Ｋ．ハーディーによる“高周波回路設計”文献の２４６〜２５２に示されている。これらは一般的に低い電力を発生させるものであり、そして並列発振器回路を用いるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の１つの目的は、新しい高周波発振装置を提供することである。他の目的は真空管を置換する１つまたはそれ以上のトランジスタを利用して、そのような装置を提供することである。さらに別の目的は、直列発振器回路を用いて、そのようなトランジスタ装置を提供することである。さらに別の目的は、真空管発振器に結びついている問題および複雑さを削減した、そのようなトランジスタ装置を提供することである。別の目的は、比較的大電力を取り出すことのできる、そのような装置を提供することであり、そして誘導プラズマ発生器に適用できる、そのような装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、インダクタンスコイルと、キャパシタンス装置と、トランジスタ装置とを有する発振回路が設けられており、
前記キャパシタンス装置は、回路内に高周波発振を維持するためコイルと共に動作し、
前記トランジスタ装置は発振を駆動するためのものであり、かつソース端子、ドレイン端子およびゲート端子を有し、
前記キャパシタンス装置はドレイン端子とソース端子との間でコイルと直列に接続されており、
主電圧装置が接続されており、
該主電圧装置は、ＤＣ主電圧をドレイン端子とソース端子との間に供給し、電力をトランジスタ装置および発振器回路に供給し、
さらにフィードバック装置が設けられており、
該フィードバック装置は発振に応答し、かつ発振を駆動するためにトランジスタ装置にポジティブフィードバックを与えるようゲート端子に接続されているように構成して解決される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
キャパシタンス装置が、トランジスタのドレインとソースとの間に、コイルと直列に接続される。ＤＣ主電圧は、ドレイン端子とソース端子との間に加えられ、トランジスタ装置に、そしてそれにより発振器回路に電力を供給する。発振に応答するフィードバック装置は、発振を駆動するようにトランジスタ装置にポジティブフィードバックを与えるため、ゲート端子に接続される。このフィードバックは、容量性または誘導性であることができる。容量性フィードバックを持つ実施例においては、キャパシタンス装置が、ドレインとトランジスタゲート端子に接続された中間ポイントとの間の負荷コイルに直列に接続されている１次キャパシタンスと、そして中間ポイントとソース端子との間に接続されている２次キャパシタンスと、を含んでいる。
【０００８】
別の実施例においては、高周波発振装置は回路の第１部分と、回路の第２部分と、そして第１部分と第２部分との間に接続されるインダクタンスコイルとを含む直列発振器回路で形成される。第１部分は、第１キャパシタンス装置および第１トランジスタとを含み、そして第２部分は第２キャパシタンス装置および第２トランジスタとを含んでいる。第１部分、第２部分およびコイルは、発振器回路における発振を維持するように動作的に接続される。第１トランジスタは第１ソース端子、第１ドレイン端子および第１ゲート端子を有している。第２トランジスタは第２ソース端子、第２ドレイン端子および第２ゲート端子を有している。第１キャパシタンス装置は、コイルと第１ドレイン端子との間に接続された第１の１次キャパシタンスおよび、コイルと第２ドレイン端子との間に接続された第２の１次キャパシタンスを含む第２キャパシタンス装置とを含んでいる。ＤＣ主電圧は、第１ドレイン端子と第１ソース端子との間に、そして第２ドレイン端子と第２ソース端子との間に加えられ、各トランジスタに、そしてそれにより発振器回路に電力を供給する。発振に応答する第１フィードバック装置は第１ゲート端子に接続されて発振を駆動するよう第１トランジスタ装置に関するポジティブフィードバックを行う。発振に応答する第２フィードバック装置は、第２ゲート端子に接続されて、さらに発振を駆動するために第２トランジスタ装置に関するポジティブフィードバックを行う。
【０００９】
この装置における容量性フィードバックに関しては、第１フィードバック装置は第２部分と第１ゲート端子との間の第１容量性接続を含み、そして第２フィードバック装置は、第１部分と第２ゲート端子との間の第２容量性接続を含んでいる。誘導性フィードバックに関しては、第１フィードバック装置は、第１部分と第１ゲート端子との間の第１誘導性接続を含み、そして第２フィードバック装置は、第２部分と第２ゲート端子との間の第２誘導性接続を含んでいる。
【００１０】
シングルおよびデュアルいずれのトランジスタ回路も、高周波電力の利用のために高周波電力を誘導的に受け取ることができる負荷装置に都合良く適用される。インダクタンスコイルは、負荷装置を取り囲む負荷コイルであり、それと誘導的に結合し、これによって発振ループにおける電力が負荷コイルを誘導的に通して負荷装置に伝達される。意図されている装置は、プラズマ発生用装置であり、ここにおいては、負荷装置はコイル内においてプラズマ形成用ガスをチャンネリングするためのチャンネリング装置を含んでいる。発振ループにおける電力は、チャンネリング装置内にプラズマを発生させるよう、負荷コイルを誘導的に通して、プラズマ形成用ガスに伝えられる。
【００１１】
【実施例】
図１は、本発明の発振器回路１２に組み込まれているコンポーネントの基本的な配置１０を示している。この発振器が自由発振器として動作するとしても、一般的にはこれは発振器からの電力を利用する負荷と関係づけられるものである。ここに提案されている望ましい実施例においては、プラズマトーチとして動作する誘導結合されたプラズマ（ＩＣＰ）発生器１４は、アルゴンのようなプラズマ形成用ガスをチャンネリングするための装置１６を含んでいる。このガスは、発振器から電力を引き出すことにより、発振器上の負荷を構成するホットプラズマ１８にまで励起される。回路１２は、発振器をプラズマ形成用ガスと誘導的に結合させるためのガスチャンネリングを取り囲む約２から３巻きの負荷コイルＬ１を含んでいる。１つの用途においては、分析サンプル２２がプラズマ内に注入され、分析物の特性を表す、そして光学分光計２６に向かう放射発散２４を生じさせる。分光計は、分光計を制御し、そしてそこからのでーたを分析するホストコンピュータ２８と関連して動作する。（示されていない）別の用途においては、分析物のイオンが質量分光計における分析のためにプラズマから引き出される。さらに別の用途においては、プラズマは、誘導炉の黒煙または誘導加熱装置における金属のような、加熱されるべき他の媒体またはアイテムと置換されることができる。以下の説明は、主としてプラズマ発生器のための実施例に関して行われるが、しかし他の負荷にも適用されるべきである。この発振器は一般的に１０から１００ＭＨｚの、特に２０〜５０ＭＨｚの、たとえば２７または４０ＭＨｚの、範囲のものである。
【００１２】
ＤＣ主電源３０は、トランジスタＴ１を通して発振器１２に主電圧および電力を提供し、そしてＤＣバイアス電源３２は、そのトランジスタにゲートバイアス電圧を加える。たとえば本明細において参照されている、１９９３年６月１８日に出願された前述米国特許出願第０８／０７９．９６３号およびその関連するヨーロッパ特許出願第０  ５６８  ９２０  Ａ１の中に書かれているような方法で、電源によって提供される電力レベルがモニタされる。電力レベルを表している、主電源からの信号はアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ３４を通して、この発振器を制御するように備えられているマイクロプロセッサ３６に伝えられる。マイクロプロセッサと、そのプログラムは、モニタ機能３８を含んでいる。このモニタ機能は、特に、主電源電圧をセットするためにディジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータ４０を通るフィードバックを用いて、スタートアップモードと動作モードとの間での選択を行うために用いられる。ホストコンピュータ２８が、このマイクロプロセッサの代わりに用いられることも可能である。
【００１３】
このマイクロプロセッサはまた、電圧バイアス３２をセットするために第２Ｄ／Ａコンバータ４２を通るフィードバックをも提供する。さらに別のフィードバックが第３Ｄ／Ａコンバータ４４を通して一般的なイグナイタ４６に向けられる。このイグナイタは、プラズマの初期形成を容易にするため、ガスに電気的にシーディングするためのピエゾ電気スパーク装置または高周波、高電圧パルス装置（たとえば“テスラコイル”）であってもよい。その専用ソフトウェアまたはファームウェアプログラム４８を持つマイクロプロセッサ３６は、プラズマ発生用の発振器の基本的動作のためのホストコンピュータ２８へのリンク４９を有している。
【００１４】
ホストコンピュータ２８は、その製造社によって分光計装置内に組み込まれた、ディジタルイクイップメント社のモデル３１６＋コンピュータのような一般的なものでもよい。コンピュータは、一般的に、ディスクを含むことができるメモリ部分を持つ中央制御ユニット、オペレータ入力のためのキーボード、およびモニタおよび／またはプリンタを含んでいる。本発明において用いられるマイクロプロセッサはたとえば、関係する制御のためのファームウェアとともに用いられるモトローラ６８３３２プロセッサである。プログラムは一般的にコンピュータの製造社またはＤＳＣによってホストコンピュータ内に組み込まれる“Ｃ＋＋”のような一般的なものである。同じプログラミング装置は、マイクロプロセッサのためにも用いることができる。制御のためのプログラミングは、当業技術者にとては容易に認識でき、そして達成できるものである。
【００１５】
本発明の１つの特色（図１）においては、発振器１２は、負荷コイルＬ１と直列なトランジスタＴ１を含む直列回路５０で形成されている。プラズマ（または他の）負荷１８は、結合用インダクタンスおよび抵抗として作用する。回路５０は、発振を駆動するトランジスタＴ１とともに、回路内の高周波発振を維持させるための負荷コイルＬ１とともに動作するキャパシタンス装置Ｃ１、Ｃ２を含むさらに別のコンポーネントからも形成されている。このキャパシタンス装置は、１次キャパシタンスＣ１および２次キャパシタンスＣ２を含んでいる。トランジスタは、ソース端子５２、ドレイン端子５４およびゲート端子５６を有している。キャパシタンスおよび負荷コイルは、ドレイン端子とソース端子との間に直列に接続される。このトランジスタはグランドへの有効なキャパシタンスＣ３を有している。適切なトランジスタの１例は、モトローラＭＲＦ−１５７である。
【００１６】
主電圧電源３０は、発振器回路に電力を供給するよう、ソース端子５２に対して正のＤＣ主電圧をドレイン端子５４に加えるよう接続される。バイアス電圧電源３２は、線抵抗Ｒ１を通して、抵抗器Ｒ３、Ｒ２の電圧デバイダを通ったＤＣバイアス電圧をゲート端子とソース端子との間に加えるように接続される。幾つかの状況の下では、ゲートはゼロ電圧で動作することがあるとはいっても、バイアスは一般的に正であり、こうしてバイアス供給は必要でないこともある。ＤＣ主電圧は、グランドへのバイパスキャパシタＣ４およびドレインに接続されているチョークコイルＬ２で形成される一般的なＡＣフィルタを通して加えられる。ソース端子がグランド接続され、そしてこの端子への接続が一般的にグランドリードによって行われることが好都合である。
【００１７】
発振に応答するフィードバック装置は、発振を駆動するため、トランジスタに関してポジティブフィードバックを行うため、ゲート端子に接続される。この実施例におけるフィードバックは、容量性である。フィードバックを行うため、容量性装置が、負荷コイルＬ１と中間ポイント５８との間に接続された１次キャパシタンスＣ１と、および中間ポイントとソース端子５２との間に接続された２次キャパシタンスＣ２とで形成される電圧デバイダとして配置される。このフィードバックは、中間ポイントとゲート端子５６との間に接続されたフィードバック抵抗器Ｒ１を通して備えられる。この抵抗の値は、Ｒ−Ｃ時間遅延、ここでＣはＣ３によって表されているトランジスタの内部接合容量である、を配慮しながら、プラズマ放電内に最大電力が伝えられるよう調節される。そのような回路を用いて、電力が発振器回路５０内に発展され、そして負荷コイルＬ１を通して、チャンネリング１６内にプラズマ１８を生じさせるプラズマ形成用ガスに誘導的に伝えられる。コンポーネント値の例は、Ｃ１＝５０ｐＦ、Ｃ２＝９０００ｐＦ、Ｒ２＝Ｒ３＝２７０オームである。
【００１８】
プラズマ（または他の負荷）に関しては、少なくとも近似的にグランド電位に等しい平均電圧を持つことが望ましい。このことは、変更された回路（図２）において達成され、ここにおいては１次キャパシタンスは、負荷コイルＬ１と中間ポイント５８との間に接続された中間キャパシタＣ１ａおよび、中間キャパシタのそれと値が等しい、負荷コイルとドレイン端子５４との間に接続されたドレインキャパシタＣ１ｂとを含んでいる。これら２つのキャパシタの全容量は、図１の単独の１次キャパシタンスＣ１と同じである。他のコンポーネント、接続および機能は基本的に、同じ数字指定を持つ図１の回路と同様である。これらは中間ポイントとソース端子との間に接続されている第２キャパシタンスＣ２および、中間ポイントとゲート端子との間に接続されたフィードバック抵抗Ｒ１とを含んでいる。ソース端子は、グランド接続されることが望ましい。
【００１９】
反対に、フィードバックは、図３に示されるように誘導性とすることもでき、ここでは１次巻き線Ｌ３および第２巻き線Ｌ４を持つトランスが前の実施例のソースキャパシタンスを置換している。１次巻き線は、直列回路内にある。２次巻き線はＤＣ阻止用キャパシタＣ３５および抵抗器を通してトランジスタゲート５６に接続する。他のコンポーネントは、図１の回路に関するものと同じであり、同じ数字表示を有している。
【００２０】
プラズマ負荷を持つような場合には、通常のプラズマ形成用ガスおよびプラズマ形成と結びついた異なるインピーダンスのために、この装置はスタートアップモードと動作モードとを持つべきである。これを行うために、主電圧電源は、スタートアップモードのためにスタート用主電圧を一時的に加え、そして動作モードのためにスタート用主電圧よりも低い動作用主電圧を加える。また、バイアス電圧電源は、スタートアップモードのためにスタート用バイアス電圧を、そして動作用モードのためにスタート用バイアス電圧よりも低い動作用バイアス電圧を加える。スタートアップモードは、上に示されたようなプラズマのシーディングによって行われる。示されてはいないとしても、図４に関連して以下に説明されるように、スタートアップのための付加的キャパシタを持つリレーが用いられることができる。
【００２１】
本発明のさらに別の実施例においては、発振器回路は、直列に接続された２つの同期化された、バランスされたトランジスタ部分を有している。前の簡単な回路と同様、たとえば容量性フィードバック（図４）を持つ高周波発振装置６０は、上に説明されたのと同じ方法で高周波電力を誘導的に受け取るチャンネリングされたプラズマのような負荷に都合良く適用される。負荷コイルＬ４１は、プラズマ負荷６２を取り巻き、図１において説明されたのと同じ方法でそれと誘導的に結合する。この場合においては、プラズマ負荷は、“１次”負荷コイルＬ４１に結合している２次インダクタンスＬ４１ａを持つ直列ループにおける実効抵抗Ｒ４０として描かれている。
【００２２】
直列発振器回路６４は、回路の第１部分６６、回路の第２部分６８、および第１部分と第２部分との間に接続された負荷コイルＬ４１を含んでいる。第１部分は第１トランジスタＴ４１と直列な第１キャパシタンス装置から形成される。同様に、第２部分は第２トランジスタＴ４２と直列な第２キャパシタンス装置で形成される。第１部分、第２部分および負荷コイルは、全体回路における発振を維持するよう動作的に接続される。
【００２３】
第１トランジスタＴ４１は、第１ソース端子７０，第１ドレイン端子７１および第１ゲート端子７２を有している。第２トランジスタＴ４２は、第２ソース端子７３，第２ドレイン端子７４および第２ゲート端子７５を有している。この実施例においては、第１キャパシタンス装置は、負荷コイルＬ４１の第１端子８８と、第１ドレイン端子７１との間に接続された第１の１次キャパシタンスＣ４０を含んでおり、そして第２キャパシタンス装置は、負荷コイルの第２端子９０と第２ドレイン端子７４との間に接続された第２の１次キャパシタンスＣ４１を含んでいる。ソース端子は、グランド接続され、そしてそこへの接続は一般的にグランドを通して行われる。
【００２４】
主電圧装置Ｐ４１は、第１バイパスキャパシタンスＣ４２ａ、Ｃ４２ｂおよび第１チョークコイルＬ４２Ａで形成されるフィルタを通して、第１ドレイン端子７１と第１ソース端子７０との間にＤＣ主電圧を加えるよう接続されている。（ここに表されている各キャパシタンスは、直列の、またはこの場合に関しては並列の２つまたはそれ以上のキャパシタで形成されることを認識すべきである。）（同じ電源Ｐ４１からであることが望ましい）電圧もまた、第２バイパスキャパシタンスＣ４２ｃ、Ｃ４２ｄおよび第２チョークコイルＬ４２Ｂで形成されるさらに別のフィルタを通して、第２ドレイン端子７４と第２ソース端子７３との間にも加えられる。こうして、電力が各トランジスタに、そしてそれによって発振器回路に供給される。バイアス電圧電源Ｐ４２は、電圧デバイダ抵抗器Ｒ４３、Ｒ４１の第１の対を通して第１ゲート端子７２と第１ソース端子７０との間に、そして電圧デバイダ抵抗器Ｒ４４、Ｒ４２の第２の対を通して第２ゲート端子７５と第２ソース端子７３との間に正のＤＣバイアスを加える。バイパスキャパシタＣ４９ａ、Ｃ４９ｂのさらに別の対は、バイアス電圧間に接続される。
【００２５】
（示されていないが）任意に第１および第２トランジスタＴ４１、Ｔ４２の各々は、それぞれ（第１に関しては）第１ソース端子、第１ドレイン端子、および第１ゲート端子を、そして（第２に関しては）第２ソース端子、第２ドレイン端子および第２ゲート端子を形成するため並列に接続された相当するソース端子、ドレイン端子、およびゲート端子を持つ２つまたはそれ以上のコンポーネントトランジスタを含むこともできる。このことは、適切な電力定格の単独のトランジスタが利用できない場合に望ましいことであり、そしてまた、簡単な発振器回路（図１〜３）において行うことができる。
【００２６】
図４の実施例においては、キャパシタＣ４３ａ、Ｃ４３ｂ、Ｃ４３ｃで形成される第１トランジスタキャパシタンスが第１ドレイン端子７１と（グランドを通して）第１ソース端子７０との間に接続され、そしてキャパシタＣ４４ａ、Ｃ４４ｂ、Ｃ４４ｃで形成される第２トランジスタキャパシタンスが第２ドレイン端子７４と第２ソース端子７３との間に接続される。それらトランジスタキャパシタの各々は、コイルの両端の電圧を供給電圧よりもより大きなレベルにまで増加させるインピーダンスマッチングの形式で負荷コイルＬ４１を共振させる各相当する１次キャパシタンスＣ４０、Ｃ４１よりも実質的に高いキャパシタンスを有している。
【００２７】
発振に応答する第１フィードバック装置７８は、発振を駆動することを助けるため、第１トランジスタＴ４１に関するポジティブフィードバックを行うよう、第１ゲート端子７２に接続される。同様に、発振に応答する第２フィードバック装置８０は、さらに発振を駆動するため、第２トランジスタＴ４２に関してポジティブフィードバックを行うよう、第２ゲート端子に接続されている。広く言えば、このフィードバックは、誘導性、または容量性のいずれでもよい。容量性フィードバックにおける適切なフェージングのために、第１フィードバック装置は、第２回路部分６８と第１ゲート端子７２との間の第１容量性接続８２を含むべきであり、そして第２フィードバック装置は、第１回路部分６６と第２ゲート端子７５との間の第２容量性接続８４を含むべきである。
【００２８】
図４の実施例においては、第１フィードバック装置に関して、第１中間キャパシタＣ４７が第１中間ポイント９２と負荷コイルＬ４１の第２コイル端子９０との間に接続され、そして第１ソースキャパシタＣ４８が第１中間ポイント９２と（グランドを通して）第２ソース端子７３との間に接続される。第１中間ポイント９２は、第１ゲート端子７２にクロス接続された８２である。同様に、第２フィードバック装置に関しては、第２中間キャパシタＣ４５が第１負荷コイル端子８８と第２中間ポイント８６との間に接続され、そして第２ソースキャパシタＣ４６が第２中間ポイント８６と第１ソース端子７０との間に接続される。第２中間ポイント８６は、第２ゲート端子７５へのクロス接続された８４である。
【００２９】
この回路の第１部分と第２部分とは整合された形態、すなわち実質的に同等なコンポーネントおよび回路板配置、を持つべきである。グランド電位に接続された両方のソース端子を用いると、プラズマのような負荷は、実質的にグランド電位に等しい平均電圧を持つことなる。整合された形態が負荷コイルの両端において等しいがしかし対向する電位を生じさせ、これにより、コイルの中央においてはゼロ電位を作り出す。前の実施例と同様、トランジスタのソース端子への接続は一般的にグランド接続によって行われる。
【００３０】
通常のプラズマ形成用ガスおよびプラズマ形成と関係する異なるインピーダンスが存在するようなプラズマ負荷または同様な負荷を持つより簡単な回路においても、この装置はスタートアップモードおよび動作モードを持つべきである。それらは単独のトランジスタ回路に関連して上で説明された方法で、電力レベルに関するモニタ装置を用いることが望ましい方法で電気的シーディングに従って異なる電圧レベルを用いて実行される。
【００３１】
プラズマのさらに拡大される形成のために、スタートアップの間に発振器を変更することもまた望ましい。望ましい実施例（図４）においては、第１ソレノイドリレースイッチＵ４１が第１ドレイン端子７１に接続され、そして第１シャントキャパシタＣ４３ｄが第１スイッチと第１ソース端子７０との間に接続される。同様に、第２リレースイッチＵ４２が第２ドレイン端子７４に接続され、そして第２シャントキャパシタＣ４４ｄが第２スイッチと第２ソース端子７３との間に接続される。モニタ３８（図１）に応答してこのスイッチはスタートアップモードで閉じられ、そして動作モードの間は開かれている。これらキャパシタにおける切り替えは、インピーダンス整合を変化させることによりトランジスタキャパシタＣ４３ａ〜ｃ、Ｃ４４ａ〜ｃの影響を変更し、その結果イグニションの間に、より高い電圧をもたらす。固体スイッチのような電子スイッチ装置がソレノイドの代わりに用いられることができる。図５は図４の回路におけるコンポーネントのための値の例を示している。Ｃ４６およびＣ４８の物理的実施例はＴ４１およびＴ４２の内部ゲートキャパシタンスである。
【００３２】
図４〜図５の回路のための回路板９３上の配置の一例が図６（より大きなキャパシタンスは観察のために取り除かれている）および図７（それらのキャパシタンスが示されている）に示されている。コンポーネント間の（示されていない）導体ストリップおよび半田接続は一般的なものである。この板は、そこを通過する水配管９４を持つ（可視できない）水冷ブロック上に取り付けられる。（例えば銅または真鍮の）導電プレート９６がキャパシタＣ４１，Ｃ４５の上部にネジ１００によって物理的に、そして電気的に取り付けられる。別のプレート９６は同様にキャパシタＣ４０，Ｃ４７に取り付けられる。各ブロックにおける細穴１０２は図面に垂直な軸１０４を持つ負荷コイルＬ４１のそれぞれの末端を収容する。チョークＬ４３，Ｌ４４は鉄粉のトロイダルリング上に形成され、各々の上には（示されていない）約６巻きが備えられる。
【００３３】
誘導性フィードバックを持つ同期化されたバランスされた回路が図８に描かれている。発振器回路１０２は、第１部分１０４、第２部分１０６および負荷コイルを含んでいる。負荷コイルはプラズマ負荷の実効抵抗Ｒ４０によって分離された２つの部分Ｌ５１Ａ，Ｌ５１Ｂとして表現されている。このコイル部分はまた、負荷の実効インダクタンスをも含んでいる。（負荷コイルおよびプラズマの実際の構造は前の実施例におけると同様であり、そしてこの図においては差異のみが描かれている。）第１回路部分１０４は第１の１次キャパシタＣ５０および、グランドへの第１トランジスタキャパシタＣ５３を持つ第１トランジスタＴ４１とを含んでいる。第２回路部分１０６は第２の１次キャパシタＣ５１および、グランドへの第２トランジスタキャパシタＣ５４を持つ第２トランジスタＴ４２とを含んでいる。それぞれのトランジスタソース端子７０，７３およびそこへの接続はグランド接続されている。主電圧電源Ｐ５１はチョークＬ５１Ａ，Ｌ５１Ｂを通してそれぞれのドレイン端子７１，７４に、および並列バイパスキャパシタＣ５１Ａ，Ｃ５１Ｂに接続されている。ゲート電圧電源Ｐ５２は、付加的チョークＬ５８Ａ，Ｌ５８Ｂで形成されるフィルタを通して、それぞれのトランジスタゲート端子７２，７５に、および並列バイパスキャパシタＣ５２Ａ，Ｃ５２Ｂに接続されている。このゲートはトランジスタを負荷するそれぞれのバイアス電圧抵抗Ｒ５１，Ｒ５２を有している。
【００３４】
誘導性フィードバック接続１０８、１１０は、この場合において直接的なフェージングが存在するように、各部分内においても直接的に適用できる。第１トランスは第１の１次キャパシタンスＣ５０と第１ドレイン端子７１との間に接続されている第１の１次巻き線Ｌ５３を有しており、そして第２トランスは第２の１次キャパシタンスＣ５１と第２ドレイン端子７４との間に接続されている第２の１次巻き線Ｌ５５を有している。トランスの２次巻き線の各々の一方の側１１２，１１４はグランドを通してそれぞれのソース端子７０，７３に接続されている。第１の２次巻き線の他端、フィードバック側１１６は第１入力キャパシタＣ５５を通して第１ゲート端子７２に向かう。第２の２次巻き線のフィードバック側１１８は第２入力キャパシタＣ５７を通してソース端子７５に向かう。
【００３５】
十分なフィードバック電圧を備えるために適切な変換比（例えば４：１の１次：２次）を用いて、入力キャパシタＣ５５，Ｃ５７はそれぞれのゲート端子に直接的に接続される。より小さな比（例えば１：１）が用いられ、そしてルーズに結合されたフィードバックがそれぞれの高周波増幅器を用いて都合良く増幅されることが望ましい。これらは発振器トランジスタＴ４１，Ｔ４２のゲートをバイアスするために用いられる、同じ電源Ｐ５２をドレイン電圧として用いる増幅用トランジスタＴ５３，Ｔ５４の形態において行われる。このために用いれるバイアス電圧Ｐ５３はそれぞれの電圧デバイダ抵抗Ｒ５４，Ｒ５３およびＲ５５，Ｒ５６の対を通してそれぞれの増幅器ゲートに加えられる。入力キャパシタＣ５５，Ｃ５７はフィードバックトランスの２次側Ｌ５４，Ｌ５６からのＤＣを阻止する。増幅用トランジスタは発振器トランジスタと同じ型式でも、あるいはより低い電力駆動トランジスタでもよい。
【００３６】
直列トランジスタ発振器回路の前の実施例は比較的簡単であり、そして高い効率（約８５％と評価される）を持ち、長寿命であって、しかもインピーダンス整合回路網の特別な調整を必要とせず容易に動作できる。トランジスタ利得は装置の寿命期間に亘ってドリフトまたは変化することがなく、その結果入力／出力効率は一定のままである。
【００３７】
本発明は特定の実施例を参照しながら詳細に上で説明されたとはいえ、本発明の精神および添付される特許請求の範囲内の種々の変化および変更が、当業技術者には明らかとなるであろう。このため本発明は、添付された特許請求の範囲またはその等価物によってのみ制限されるように意図されている。
【００３８】
【発明の効果】
真空管発振器に結びついている問題および複雑さを削減した、比較的大電力を取り出すことのできる、トランジスタを利用した高周波発振装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１つのトランジスタが容量性フィードバックに用いられるような、本発明によるプラズマを発生するための高周波発振装置に用いられる基本的なコンポーネントを示す回路図。
【図２】１つのトランジスタが容量性フィードバックに用いられるような、本発明によるプラズマを発生するための高周波発振器の別の実施例の回路図。
【図３】１つのトランジスタが誘導性フィードバックに用いられるような、本発明によるプラズマを発生するための高周波発振装置の別の実施例の回路図。
【図４】２つのトランジスタ部分の回路が容量性フィードバックに用いられるような、本発明によるプラズマを発生するための高周波発振装置の別の実施例の回路図。
【図５】図４の回路におけるコンポーネントのための値を例として示す図。
【図６】図４の回路の幾つかのコンポーネントを示す、回路板のコンポーネント配置図。
【図７】図４の回路の付加的コンポーネントを示す、図６の回路板のコンポーネント配置図。
【図８】２つのトランジスタ部分の回路が、誘導性フィードバックに用いられるような、本発明によるプラズマを発生するための高周波発振装置の別の実施例の回路図。
【符号の説明】
１０  基本的コンポーネント配置
１２  発振器回路
１４  誘導結合されたプラズマ（ＩＣＰ）発生器
１６  チャンネリング装置
１８  プラズマ
２２  分析サンプル
２４  アトチック放射
２６  分光計
２８  ホストコンピュータ
３０  ＡＣからＤＣに変換する電源
３２  ＤＣゲートバイアス電源
３４  アナログ−ディシダルコンバータ
３６  マイクロプロセッサ
３８  モニタ
４０，４２，４４  ディジタル−アナログコンバータ
４６  テスラコイル
４８  ファームウェア
４９  リンク
５２  ソース
５４  ドレイン
５６  ゲート
６２  プラズマ負荷
１０２  細穴
１０４  軸
【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】
0003927671.tif 000007
【図７】
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【図８】
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