高頻電源裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于從直流電源經(jīng)由開關(guān)電路對諧振電路中包含的感應線圈供給高頻電力來生成等離子體的高頻電源裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在例如電感親合等離子體(ICP:Inductively Coupled Plasma)發(fā)光分析裝置等分析裝置中，采用了通過對諧振電路中包含的感應線圈供給高頻電力來在等離子體炬中生成等離子體的結(jié)構(gòu)(例如，參照下述專利文獻I?4)。利用對感應線圈供給的高頻電力，產(chǎn)生高頻電磁場，等離子體中的帶電粒子被加速而流過感應電流，從而等離子體被加熱。
[0003]在這樣的結(jié)構(gòu)的情況下，伴隨著等離子體的生成，感應線圈的阻抗(電阻分量以及電抗分量)發(fā)生變化。即，由于感應電流使由感應線圈形成的磁場減小，感應線圈的有效的電感減小。另外，由于伴隨著等離子體的加熱而能量損失，在感應線圈中產(chǎn)生電阻分量。進而，根據(jù)等離子體生成用氣體、分析試樣的狀態(tài)、等離子體接入功率等，等離子體的狀態(tài)也發(fā)生變化，在感應線圈的阻抗中產(chǎn)生變化。
[0004]在對等離子體接入功率時，以恒定的振蕩頻率驅(qū)動通過感應線圈與電容器而形成的諧振電路。通常的高頻電源的輸出阻抗被設定為50Ω，所以在高頻電源與諧振電路之間配置阻抗變換電路，從高頻電源側(cè)看到的阻抗被控制成始終為50 Ω。在這種情況下，為了消除來自阻抗變換電路的反射功率，一般執(zhí)行由馬達等驅(qū)動例如阻抗變換電路內(nèi)的真空可變電容器以調(diào)整電容的方法。
[0005]在這樣的結(jié)構(gòu)的情況下，等離子體接入功率與高頻電源的輸出功率相等，所以通過使用例如50 Ω的功率計來預先校正高頻電源的輸出功率，能夠準確地控制等離子體接入功率。然而，在這樣的結(jié)構(gòu)中，為了控制阻抗變換電路并始終維持最佳的狀態(tài)，需要使用復雜的控制機構(gòu)和昂貴的部件。因此，最近，正廣泛采用不使用真空可變電容器等昂貴的部件而根據(jù)負載阻抗的變化來使頻率變化的方式(所謂的free-running (自由振蕩)方式)。
[0006]在下述專利文獻I?4中，作為free-running方式的最簡單的電路結(jié)構(gòu)，公開了與自振蕩方式相關(guān)的技術(shù)。在這些技術(shù)中，采用了不將高頻電源的輸出阻抗限定于50Ω而直接驅(qū)動由感應線圈與電容器構(gòu)成的諧振電路的方式。這樣，通過采用根據(jù)負載阻抗的變化而頻率自動地變化的自振蕩方式，能夠省略頻率的控制電路、阻抗變換電路等，所以能夠提供更簡單的高頻電源裝置。
[0007]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0008]專利文獻
[0009]專利文獻1:日本特開平10-214698號公報
[0010]專利文獻2:日本特表2009-537829號公報
[0011]專利文獻3:日本特開平6-20793號公報
[0012]專利文獻4:國際公開第2012/039035號

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0014]在上述那樣的以往的結(jié)構(gòu)中，無法使用50Ω的功率計來預先校正高頻電源的輸出功率，所以需要用于準確地控制等離子體接入功率的結(jié)構(gòu)。
[0015]在上述專利文獻3中，提出了作為放大元件而使用真空管的結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)中，諧振電路是并聯(lián)諧振電路，能夠根據(jù)并聯(lián)諧振電路的輸入電壓以及輸入電流來計算等離子體接入功率并進行控制。
[0016]真空管是高耐壓的設備，能夠直接驅(qū)動感應線圈與電容器的并聯(lián)諧振電路。在這種情況下，并聯(lián)諧振電路的輸入電壓以及輸入電流均為正弦波，輸入電壓與輸入電流之間的相位差小，所以能夠作為輸入電壓與輸入電流的乘積值的直流分量，檢測等離子體接入功率。但是，使用真空管的放大元件不僅效率低，還存在真空管的壽命有限、并且成本比使用半導體元件的開關(guān)電路等更高這樣的問題。
[0017]在上述專利文獻I以及2中，提出了作為放大元件而使用半導體元件的結(jié)構(gòu)。在上述專利文獻I中，使用了基于I個或者2個MOSFET的源極接地的開關(guān)電路，在開關(guān)電路的直流電源線上配置扼流線圈，增大相對于高頻的直流電源線的阻抗。通過這樣的電路，在負載的阻抗恒定的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的高頻電源。然而，在用于生成等離子體的高頻電源裝置中，如上所述，由于感應線圈的阻抗變化，所以由于開關(guān)電路的負載變動，MOSFET的漏極.源極間電壓振幅變化，有可能超過元件的最大額定值，導致破損。
[0018]在上述專利文獻2中，使用橋式地配置4個MOSFET并且與高壓側(cè)的MOSFET以及低壓側(cè)的MOSFET串聯(lián)地配置阻抗變換用的線圈的開關(guān)電路，與上述專利文獻I同樣地，由于開關(guān)電路的負載變動，MOSFET的漏極.源極間電壓振幅變化，有可能超過元件的最大額定值，導致破損。另外，感應線圈與電容器構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，但由于使用耐壓比真空管低的半導體元件，所以并聯(lián)諧振電路被以大幅偏離了諧振頻率的頻率來驅(qū)動，在與開關(guān)電路之間，配置了所述阻抗變換用的線圈。因此，并聯(lián)諧振電路的輸入電壓與輸入電流之間的相位差為接近90°的值，輸入電壓與輸入電流的乘積值的直流分量非常小，難以檢測等離子體接入功率。因此，在本專利文獻中，提出了通過檢測諧振電路的高頻電流來控制等離子體接入功率那樣的結(jié)構(gòu)。在這樣的結(jié)構(gòu)的情況下，如果等離子體生成用氣體、分析試樣的狀態(tài)等恒定，則通過將諧振電路的高頻電流控制為恒定，能夠使對感應線圈供給的高頻電力穩(wěn)定化。
[0019]然而，在ICP發(fā)光分析裝置中，存在使用水作為分析試樣的溶劑的情況和使用有機溶劑作為分析試樣的溶劑的情況。在溶劑是水的情況和是有機溶劑的情況下，即使對感應線圈供給的高頻電力相同，感應線圈的阻抗也較大地不同。因此，即使將諧振電路的高頻電流控制為恒定，也存在等離子體接入功率根據(jù)負載的狀況大幅變化、無法準確地控制等離子體接入功率這樣的問題。在這種情況下，在切換溶劑是水的試樣和溶劑是有機溶劑的試樣時，有可能導致等離子體的熄滅。
[0020]另外，在ICP發(fā)光分析裝置中，存在對矩陣(matrix)未知的試樣進行分析的要求。但是，在矩陣不同的情況下，感應線圈的阻抗不同，所以即使將諧振電路的高頻電流控制為恒定，等離子體接入功率也會變化。因此，采用檢測諧振電路的高頻電流那樣的方式的話，存在無法滿足上述那樣的要求這樣的問題。
[0021]在上述專利文獻4中，提出了具備使用半導體元件作為放大元件的開關(guān)電路、并將該開關(guān)電路的輸入電壓與輸入電流的乘積值控制為恒定那樣的結(jié)構(gòu)。
[0022]然而，等尚子體接入功率是從開關(guān)電路的輸入電壓與輸入電流的乘積值中減去在開關(guān)電路中產(chǎn)生的損失而得到的值。因此，即使將開關(guān)電路的輸入電壓與輸入電流的乘積值控制為恒定，也存在由于開關(guān)電路的效率的變化等而在等離子體接入功率中產(chǎn)生變動這樣的問題。
[0023]另一方面，如上所述，根據(jù)等離子體生成用氣體、分析試樣的狀態(tài)、等離子體接入功率等的不同，等離子體的狀態(tài)發(fā)生變化，但在以往的高頻電源裝置中，不具備用于監(jiān)測等離子體的狀態(tài)的變化的機構(gòu)。
[0024]S卩，即使等離子體接入功率相同，如果等離子體生成用氣體、分析試樣的狀態(tài)等不同，則等離子體的狀態(tài)也會變化。但是，在以往的高頻電源裝置中，無法監(jiān)測等離子體的狀態(tài)的變化，所以在設定錯誤的情況下，存在等離子體炬會熔融等問題。
[0025]另外，作為ICP發(fā)光分析裝置中使用的有機溶劑，存在乙醇、甲基異丁基酮、甲醇、丙酮等多個種類，也有時以各種比率混合多種有機溶劑。如果有機溶劑的種類、混合比率不同，則等離子體的狀態(tài)也會發(fā)生變化。但是，在以往的高頻電源裝置中，無法監(jiān)測等離子體的狀態(tài)的變化，所以在設定錯誤的情況下，存在在分析結(jié)果中產(chǎn)生誤差等問題。
[0026]本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于，提供一種能夠通過廉價的結(jié)構(gòu)來準確地控制等離子體接入功率的高頻電源裝置。另外，本發(fā)明的目的在于，提供一種針對負載變動的可靠性高的高頻電源裝置。進而，本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠容易地監(jiān)測等離子體的狀態(tài)的變