在气体中产生放电的系统和方法.pdf

本发明公开了一种在密封封装所包含的气体内产生放电的方法。这种方法包括以RF频率驱动螺旋线圈谐振器，以产生足以在高压气体内产生放电的RF电磁场。放电生成的发射谱可以被用来进行光谱分析，以确定气体的组分和杂质含量。

1.  一种用于在具有由电介质壁的封装内部所密封的气体内产生放电的装置，所述装置包括：
狭长的导电外壳；
封闭所述外壳的一端的电介质盖；
导电导线，形成一轴向位于所述外壳内的螺旋体，所述导线在邻近所述电介质盖的一端形成电极，在另一端附近具有RF功率接收抽头；以及
RF功率源，连接在所述抽头上，并提供RF功率以在所述电极附近产生RF场，该RF场具有的强度足以在所述封装内部所密封的气体内实现放电。

2.  如权利要求1的装置，其中，在所述电极与所述抽头之间的导线的长度约为RF功率的波长的四分之一。

3.  如权利要求1的装置，其中，在所述电极处的RF功率的电压比在所述抽头处的RF功率的电压至少高二十倍。

4.  如权利要求3的装置，其中，在所述电极处的RF功率的电压比在所述抽头处的RF功率的电压至少高一百倍。

5.  如权利要求1的装置，其中，所述电介质盖包括特氟隆。

6.  如权利要求1的装置，其中，所述外壳包括导电的、通常为圆柱形的壁。

7.  如权利要求1的装置，其中，所述电极延伸穿过所述电介质盖，并连接到位于所述外壳外部的导电元件。

8.  如权利要求7的装置，其中，所述导电元件包括凹表面。

9.  一种用于在容器的气体成分内产生放电的系统，所述系统包括：
具有电介质壁的容器；
包含在所述容器内的一种或多种气体；
用于产生RF场的RF发生器，该RF场足以在所述气体内实现放电，所述发生器包括：
RF功率源；和
螺旋线圈谐振器，所述谐振器的一端连接在所述RF功率源上，其另一端形成电极，所述电极足够靠近所述容器的所述电介质壁，以在所述气体内形成放电。

10.  如权利要求9的系统，包括具有电介质壁和气体成分的多个容器，每个所述容器都足够靠近所述电极，以在所述容器内包含的气体中形成放电。

11.  如权利要求9的系统，其中，在所述容器内包含的气体的压力至少为20torr。

12.  如权利要求11的系统，其中，在所述容器内包含的气体的压力至少为50torr。

13.  如权利要求9的系统，其中所述容器的电介质壁的一部分位于距所述电极约2cm的范围内。

14.  一种用于对容器内的气体成分进行原子发射光谱分析的系统，所述系统包括：
一个或多个具有电介质壁并包含气体成分的容器；
用于在所述容器的气体成分内产生放电的装置，所述装置包括：
狭长的导电外壳；
封闭所述外壳的一端的电介质盖；
导电导线，形成一轴向位于所述外壳内的螺旋体，所述导线在邻近所述外壳由所述电介质盖封闭的一端形成电极，在另一端附近具有RF功率接收抽头；
RF功率源，连接在所述抽头上；和
光谱光度计；
其中，所述容器被放置为足够靠近所述电极，使得在该电极处产生的RF场能够在所述容器的气体成分内实现放电。

15.  如权利要求14的系统，包括多个容器，每个所述容器都足够靠近所述电极，使得在该电极处产生的RF场能够在所述容器的气体成分内实现放电。

16.  如权利要求14的系统，其中，所述电极延伸穿过所述电介质盖，并连接在导电元件上。

17.  如权利要求16的系统，其中，所述导电元件包括具有曲面的容器支撑部分。

18.  如权利要求16的系统，其中，所述导电元件包括具有V形凹槽的容器支撑部分。

19.  如权利要求16的系统，包括多个容器，每个所述容器都足够靠近所述导电元件，使得在该元件处产生的RF场能够在所述容器的气体成分内实现放电。

20.  一种用于对容器内的气体成分进行原子发射光谱分析的系统，所述系统包括：
一个或多个具有电介质壁并包含气体成分的容器；
用于在所述容器的气体成分内产生放电的装置，所述装置包括：
通常为圆柱形的导电外壳；
封闭所述外壳的一端的电介质盖；
导电导线，形成一轴向位于所述外壳内的螺旋体，所述导线在延伸穿过所述电介质盖的一端形成电极，在另一端附近具有RF功率接收抽头；
导电元件，连接在所述电极上，所述元件放置在所述电介质盖的外表面上，并具有带有曲面的容器支撑部分；
RF功率源，连接在所述抽头上；
光谱光度计；以及
光纤，其用于将从所述容器发出的光传输到所述光谱光度计；
其中，所述一个或多个容器被设置得足够靠近所述导电元件，使得在电极处产生的RF场能够在所述容器的气体成分内实现放电。

21.  如权利要求20的系统，其中，所述容器被所述导电元件的所述曲面支撑。

22.  如权利要求20的系统，其中，多个容器被支撑在所述电介质盖的外表面上。

在气体中产生放电的系统和方法
相关申请
本申请要求美国临时专利申请S.N.60/553,971和60/648,417的优先权，其中每个申请的内容被引入在此作参考。本申请是美国专利申请S.N.10/939,338的部分连续申请，而美国专利申请S.N.10/939,338又是美国专利申请S.N.10/112,349(目前的美国专利6,791,280)的连续申请。所有这些相关申请的内容被引入在此作参考。
技术领域
本发明涉及气体组分分析。更具体地，本发明涉及用发射光谱对电介质封装(enclosure)内包含的高压气体进行的非破环性分析。
背景技术
金属卤化物灯和其它高强度放电(HID)灯已经被广泛接受用于室内和室外空间的大面积照明。在制作HID灯时，经常希望能够为灯的很多组件提供一种可控的气氛，以便避免组件的过早损坏，从而延长灯的工作寿命。举例来说，HID灯的电弧管在灯工作期间即使暴露于很小量的氧也会显著地恶化其内的各种组件，导致灯出现故障，因而会缩短灯的工作寿命。再举例来说，电弧管暴露于氢会导致氢扩散进电弧管内，从而引起高的起动电压和再点火电压，最终减少灯的预期寿命。为了避免这类组件暴露于破环性的气氛，众所周知的是通过将各种组件包封在灯外罩所包含的理想气氛中，来为各组件提供一种可控的气氛。典型地，HID灯的外护套内填充惰性气体如氮。
鉴于存在的杂质的有害作用，理想的是对包含在灯外护套内的气体气氛的组分和杂质含量进行非破环性分析。在低压(＜大约0.1atrn)下分析气体气氛的组分和杂质含量时，用发射光谱进行气体分析是众所周知的。然而，包含在HID灯的外护套内的气体气氛通常处于相对高压(大约0.1～2.0atrn)下。因此，这需要在高压的气体气氛内用发射光谱进行非破环性分析。
发明内容
因此，本发明的一个目标是消除现有技术的缺陷，提供一种用于非破环性高压气体分析的新颖系统和方法。
本发明的另一个目标是提供一种用于在高压气体中产生放电的新颖系统和方法。
本发明的再一个目标是提供一种用于在包含于密封封装内的高压气体中生成稳定放电的新颖系统和方法，从而不用破环封装就可以利用光谱方法分析气体的组分和杂质含量。
本发明的又一个目标是提供一种用于气体气氛的发射光谱的新颖系统和方法。
本发明的又一个目标是提供一种用于对HID灯进行非破环性分析的新颖系统和方法。
通过仔细阅读本发明的权利要求书、附图以及下面对优选实施方案的详细说明，本发明的这些以及很多其他目标和优点对于本领域所属领域人员将很显然。
附图说明
图1是说明依照本发明一个示例性实施方案的RF放电源的示意图；
图2和图3是说明一种示例性螺旋线圈谐振器的示意图；
图4的曲线图说明在驱动点处作为频率的函数的螺旋线圈谐振器的阻抗；
图5的曲线图说明在0.3atm(300torr)下的纯N₂气内，由放电产生的光谱；
图6A的曲线图说明在0.3atm(300torr)下的N₂气和百分之一的氢内，由螺旋线圈谐振器RF放电产生的典型发射光谱；
图6B的曲线图说明在0.3atm(300torr)下的N₂气和百分之一的氧内，由螺旋线圈谐振器RF放电产生的典型发射光谱；
图7说明依照本发明的一个方面，用于对容器内的气体含量进行原子发射光谱分析的系统；
图8是图7所示系统的俯视图。
具体实施方式
本发明通常运用在高压气体内产生放电的情形。借助于仅仅示例的方式，将参照发射光谱描述本发明中用来对HID灯内的气体含量进行非破环性分析的几个方面。
依照一个方面，本发明提供一种高Q、单频RF放电源，其用于在HID灯的外护套内包含的高压(0.1～2atm)气体中产生限于很小局部区域的、稳定的放电(等离子体)。这种放电源包括螺旋线圈谐振器(HCR)，其用于提供充足的RF能量以产生放电。由等离子体发出的光发射谱然后可以利用光谱方法分析，以确定在封装内部的气体的组分和气体杂质的含量。可以探测到低于约0.01体积百分比的杂质浓度。通常，气体气氛包括N₂，但还可以包括诸如O₂、H₂、CO₂、CO、H₂O、CH₄以及类似物的气体杂质，这些气体杂质包含像O、H、C等元素和/或它们的任何组合。本发明的RF放电源能够在高压气体内形成并维持放电，同时消耗非常少的能量，从而不但在实验室应用中而且在生产线应用中都是很有用的。
RF放电源通过产生能够穿透封装的电介质壁的RF电磁(电)场在封装内产生放电。放电所需要的电场与E/N成正比，其中E是电场强度，N是气体的量密度。HID灯外护套内的气体压力在室温下通常约为0.5atm，因而，形成放电需要约7kV/cm的场强。当形成放电时，由放电产生的热降低了气体量密度(N)，因而，维持放电就需要较小的电场强度(E)。
为了确定封装内高压气体的组分和杂质含量，采用传统的光谱分析技术分析等离子体的光发射谱，即受激等离子体内各种物质的原子和分子发射。这通常包括用足以分辨感兴趣的杂质的原子线的高分辨率来记录等离子体在UV、可见和近IR波长下的光发射谱。然后，利用视觉/图形和/或计算机辅助的数据处理来分析光谱，测出感兴趣的光谱峰的幅度。将该数据与从感兴趣的杂质的已知标准中收集到的类似数据进行比较。之后，通过与已知标准相比较，计算出杂质的浓度。
图1示意性说明依照本发明一个示例性实施方案的RF放电源10。该RF放电源10能够在密封封装内包含的高压气体中产生触发放电所需的数千伏的电压。该RF放电源10包括RF功率发生器12、阻抗匹配网络20和HCR 22。RF功率发生器12包括RF信号发生器14、RF功率放大器16和功率表18。RF功率发生器12通常输出约几百伏的电压，并以约100kHz到高于100MHz(通常约10MHz)的RF频率驱动HCR 22。HCR 22工作类似于一个开路的四分之一波长传输线与一个接回地的(back to ground)电感器的并联组合，以将来自RF功率放大器16的电压升高20～100倍或更高倍。
HCR 22通常包括金属螺旋线24和导电罩(shield)34。如图2所示，金属螺旋线24由导电螺旋线圈26形成，该导电螺旋线圈26的第一端28接地，第二相对端30用作电极。输入抽头32设置在线圈26上，位于地(线圈28的第一端)与靠近地的一个点之间。
再参看图1，要分析的封装或外护套40与电极30接触，在电极30处RF电压最高。RF电场透过封装40的电介质壁，在封装40内部产生非常稳定的放电。在HID灯外护套内部的放电可以不用激发电弧管(未示出)的气体成分而产生，电弧管的气体成分通常包括低压气体如Ar和低压蒸汽如Hg。电极30处的高压是在靠近接地点的抽头处注入的RF功率产生的。在一个实施方案中，光纤聚光装置36收集等离子体在UV、可见和近IR波长范围内的光发射谱，以用于分析。
如上所述，HCR 22的操作类似于变压器，电压按线圈26的匝数比升高。然而，HCR 22的操作具有频率依赖性，其操作最好用传输线腔建模，该传输线腔在线圈中的线长度L(如图2所示，从线圈26第一端28的抽头点到线圈26的电极或第二端30测量的距离)略小于RF波长的四分之一。在本发明的一个实施方案中，约5.5米的线圈长度L适合于约13.6MHz的工作频率(该值被设置为在容许的FCC带宽内工作)。应当理解，线圈的长度和工作频率并不限于这些值。
导电罩34通常由金属形成，如图3所示封闭着线圈26，为RF电流提供返回通路。RF罩34、线圈以及抽头点32的选择的组合使HCR 22能够呈现出介于约500～900之间的Q值。
回来参看图2，输入信号连接在输入抽头32上，介于地与靠近地的一个点之间。由于总的线圈长度L约为RF电场的波长的四分之一，因此最高的电场强度位于由线圈26另一端形成的电极30处。该处的电场强度可以通过升高或降低输入抽头32处的电场强度来加以升高或降低。
在工作频率处，阻抗匹配网络20使HCR 22的输入阻抗与RF功率发生器12的输出阻抗相匹配。在一个实施方案中，匹配阻抗可以约为50欧姆。在RF频率处，输入阻抗既包含电阻又包含电抗。由电感和电容构成的匹配网络20可以设计用于将HCR输入阻抗调整为大约50欧姆。而且，在使HCR 22的输入阻抗与RF功率发生器12的输出阻抗相匹配时还应当考虑输入抽头点32的定位。
具体地，开路线圈可以被看作是长度约为四分之一波长的开路传输线。由于线圈26是开路，因此电路开放部分的驱动点阻抗Z_d约为：
Y_d＝+jY₀tanβl，Z_d＝-jZ₀cotβl
其中Y₀＝1/Z₀，Z₀＝螺旋传输线的特性阻抗，l是从驱动点到电极尖端的长度，β是相位常数。测量在驱动点处作为频率函数的阻抗，绘制在图4中。该Z_d既包含实部又包含虚部。为了与RF源的输出阻抗(50欧姆)相匹配，将适当设计的、包含电容和电感的阻抗匹配网络插入在RF源与HCR的驱动点之间，以使RF源的功率最大地输送到HCR。
RF放电源10可以通过首先调节RF信号发生器14的频率，使之与HCR 22的谐振频率匹配来工作。或者，可以对抽头点、线圈间距或者HCR 22的其他尺寸进行调节，以与RF信号发生器14的(固定)频率相匹配。在一个实施方案中，RF功率发生器12内的RF信号发生器14和RF功率放大器16的组合能够产生约为300伏(rms)的正弦电压。在放大器16输出端处产生的功率穿过功率表18，功率表18既能够测量正向波功率又能够测量反射波功率。
随后，在与HCR 22耦合之前，该功率通过匹配网络20。匹配网络20包括可变电容(未示出)，该可变电容允许通过调谐电容对匹配网络20的匹配阻抗有选择地调节，以使线圈26的电极30能够达到其最高电压。阻抗匹配网络20被调节为使反射功率最小而使进入等离子体的正向功率最大，并使等离子体的物理和时间稳定性最大。
电场采集装置38可以设置用来监控电极电压。电场采集装置38包括焊接在一个位于电极30附近的同轴连接器的中心导体上的金属板。在一个实施方案中，随着匹配网络组件的变化，来自于电容采集器的信号可被用来使电极30处的电压最大。
在一些情形中，可能需要降低RF放电对含有要分析气体的封装的电介质表面产生的加热效应。RF信号发生器14可以包括门控特性(gate feature)，其允许对RF波形进行占空比(duty cycle)调制。合适的调制频率可以为介于10～1000Hz之间，通常约为120Hz，占空比介于1％～99％之间，通常约为10％。脉冲RF放电降低了放电对电介质封装产生的加热效应。除减小连续RF波形的占空比外，被门控的RF还允许对来自受激原子或分子的光发射进行分析，在RF源被门控为“关”状态期间，受激原子或分子在余辉时仍持续辐射。
在本发明用于在超过约300torr的压力下在气体内产生放电的实施方案中，已经发现，特斯拉线圈(未示出)适合于触发放电。
图7说明本发明的另一个实施方案。参看图7，用于对容器内的气体含量进行原子发射光谱分析的系统100包括用于产生放电的装置110、一个或多个容器130、法拉第笼135、用于收集光谱信息的光纤140以及用于测量光谱信息的光谱光度计(未示出)。
装置110包括导电外壳112。外壳112的水平截面通常为圆形，但也可以是任何合适的形状。外壳112的一端用导电塞(closure)114封闭，另一端用电介质盖(cap)116封闭。电介质盖116可以由任何合适的材料如特氟隆形成。导电金属螺旋线120位于外壳112内。金属螺旋线120在紧邻电介质盖116的一端形成电极122。在如图7所示的实施方案中，电极122延伸穿过电介质盖116，并连接到位于外壳112外部的导电元件124上。元件124可以由任何合适的导电材料制成。
在一个实施方案中，元件124可以被成形为有利于接触在其上被支撑的、用于测量的容器130。元件124的形状还可以有利于将在其上被支撑的容器130相对于光纤140来安放，以帮助将从容器130发出的光耦合进光纤140内。例如，元件124的上表面可以是凹面，形成一个碗，从而在其上被支撑的容器将静止在碗的底部。
金属螺旋线120包括RF功率接收抽头126，位于金属线与电极122相反的另一端的附近。RF功率源128连接在抽头126上。
装置110适合于在具有电介质壁和以下气体含量的容器内产生放电，该气体含量的压力为1torr的几分之一那么低，或最多2个大气压。装置110特别适合于对HID灯的电弧管进行原子发射光谱分析。
在本发明的另一个方面，系统100可以用来同时分析多个容器的成分。参看图8，多个容器145(例如，HID电弧管)可以放在电介质盖116上，充分靠近电极122和元件124，以在每个容器内都产生放电。在一个实施例中，在压力为50torr、含氩的电弧管内产生放电，足以进行光谱分析，其中电弧管位于距离接触着电极122的元件124大约2cm的位置上。
单个光纤收集器(未示出)可以从一个容器移动到另一个容器，以连续收集来自于每个容器的光谱信息。或者，该系统可以包括邻近每个要测量的容器的光纤收集器，以便可以从每个容器同时收集光谱信息。
实验结果
采用Acton SpectraPro 300i光谱光度计(spectrophotometer)在350～900nm范围内以0.4nm的分辨率记录发射光谱。图5说明在300torr的纯N₂气内放电产生的光谱。在300 torr下，根据氮内含已知的1％氢和1％氧的标准，图6A说明对分析有用的原子氢的线(656nm)，图6B说明对分析有用的原子氧的线(777nm)。这些原子线可以被看作是叠加在合成(complex)氮分子频谱上的相对尖峰。在500torr下对含氮填充物(fill)内的氧和氢探测的极限分别是约0.3％和约0.1％。
虽然上面已经描述了本发明的优选实施方案，但是应当理解，所述的这些实施方案都只是示例性的，本发明的范围应当仅由所附权利要求限定，所附的权利要求记录了所属领域技术人员在熟读本发明基础上获知的所有范围的等同物、多种改变以及变形。