DE4037698A1 - Mehrfrequenzaktivierungs-steuerungsschaltung fuer einen induktiv gekoppelten plasmagenerator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrfrequenzaktivie­ rungs-Steuerungsschaltung für einen induktiv gekoppelten Plasmagenerator für die Plasmaatomemissionsspektroskopie so­ wie einen Plasmagenerator.

Die induktiv gekoppelte Plasmaatomemissionsspektroskopie­ analyse ist eine Technik zum Bestimmen größerer, kleinerer und spurenelementartiger Bestandteile von Flüssigkeitsproben. Diese Technik basiert auf der Erzeugung eines induktiv aufge­ heizten Plasmas unter Einsatz von Hochfrequenzenergie. Flüs­ sigkeitsproben werden in ein Aerosol umgewandelt, indem ein Zerstäuber verwendet wird, und werden dem Plasma injiziert. Wenn eine Probe in das Plasma eintritt, wird sie einer Auflö­ sung, einer Verflüchtigung, einer Atomisierung und einer Er­ regung unterzogen und schließlich emittiert die Probe Photo­ nen, die charakteristische Wellenlängen der Elemente haben, die in der Probe vorhanden sind. Die Intensität der Emission bei den charakteristischen Wellenlängen wird eingesetzt, um die Konzentration eines Elements, das in der Probe vorhanden ist, zu bestimmen. Die Wellenlängen selbst geben an, welche Elemente vorhanden sind. Das Plasma wird typischerweise von Argongas gebildet, es können aber auch andere Gase eingesetzt werden. Die am meisten verbreitete Frequenz zum Auf­ rechterhalten des Plasmas ist 27,12 MHz gewesen, kürzlich sind jedoch andere Frequenzen einschließlich 40,68 MHz ein­ gesetzt worden.

Die Einrichtungen, die heutzutage zum Aktivieren des Plas­ mabrenners für solche Spektroskope erhältlich sind, umfassen Einfrequenzerregungssysteme, die, obwohl sie bei bestimmten Proben gut arbeiten, nicht die Flexibilität beim Erzeugen ei­ ner optimalen Plasmaerregung bezüglich unterschiedlicher Pro­ ben aufweisen. Z. B. können Alkalielemente wie z. B. Natrium, Lithium, Kalium gleichermaßen bei einer Frequenz von 27,12 MHz angeregt werden, wobei eine Plasmatemperatur von 6000-8000°K erzeugt wird, wohingegen Metalle wie z. B. Aluminium, Wolfram, Molybdän und Eisen besser in einem Plasma mit höhe­ rer Temperatur erregt werden, das bei einer Erregungsfrequenz von 40,68 MHz erzeugt wird, wodurch eine Plasmatemperatur in dem Bereich von 6000-10 000°K erzeugt wird. Das doppelte Fre­ quenzsystem erlaubt auch eine Flexibilität bezüglich des Ana­ lysierens von Proben, die in verschiedenen Lösungsmitteln wie z. B. Wasser oder organischen Lösungsmitteln gelöst sind. Die Frequenz, die durch den Einsatz solcher Einrichtungen erhält­ lich ist, wird durch FCC-Regulierungen begrenzt und deshalb ist ein großer Flexibilitätsbereich für das Experimentieren bei Erregungsfrequenzen nicht erhältlich. In der Vergangen­ heit haben kommerziell erhältliche Instrumente, wie das bei Henry Radio gefertigte Modell Nr. Henry-2000-D-40, eine ein­ zige Erregungsfrequenz erzeugt. Einige Versuche sind gemacht worden, einen Mehrfrequenzbetrieb mittels einem physikali­ schen Ändern der Komponenten des Oszillatorschwingkreises zu Erzeugen, was sowohl zeitraubend und teuer als auch relativ schwierig ist, da der Ausgang der Erregung oder der Lei­ stungssteuerungsschaltung mit einer Induktionsspule für das Plasma abgeschlossen ist, die dieselbe für alljene Frequenzen bleibt. Deshalb ist es schwierig gewesen, ein einziges In­ strument mit Doppelfrequenzcharakteristik für eine optimale Plasmaerregung für unterschiedliche Elemente und un­ terschiedliche Lösungsmittel zu erhalten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Mehrfrequenzbetrieb zu ermöglichen, wobei die Steuerung des Plasmas bei einer ausgewählten Frequenz sorgfältig beibe­ halten wird.

Diese Aufgabe wird durch die Mehrfachfrequenzaktivierungs­ schaltung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 15 bzw. durch den Plasmagenerator und das Spektrometer nach Anpruch 10, An­ spruch 21 oder 23 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Mehrfrequenzsystem angegeben, bei dem der Benutzer alle Quellenkonditionen opti­ mieren kann, indem er Betriebsfrequenzen verwendet, die für die verschiedenen, beteiligten Probentypen geeignet sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird ein Doppelfrequenzsystem angegeben, das ohne dem physikalischen Ändern der Komponenten des Plasmagenerators auskommt. Dieses Ziel wird erreicht, indem eine Treibereinrichtung eingesetzt wird, die mit einer Aufteilungseinrichtung gekoppelt ist, welche Signale einem Paar von unabhängigen Leistungsverstär­ kern zuführt, deren Ausgänge mit einer Kom­ binationseinrichtung verbunden sind und nachfolgend mit einer Brennerbox, die die induktive Last enthält. Eine Zünd­ detektoreinrichtung erzeugt Signale für einen Systemmikro­ prozessor, der selbst den Impedanzanpasser optimiert, um einen maximalen Lastspulenstrom für die Zündung zu erzeugen. Die Überwachung der zugeführten Leistung und der re­ flektierten Leistung stellt eine optimale Kopplung der Ak­ tivierungsfrequenzsignale mit der induktiven Last sicher.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu ent­ nehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Blockschaltbild der elektrischen Steuerungsschaltung gemäß einem Ausführungsbei­ spiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein elektrisches und mechanisches Blockdiagramm des Plasmabrenners und des damit verbundenen Steuerungssystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das eine Schnitt­ stelle mit der Schaltung nach Fig. 1 hat; und

Fig. 3 ein schematisches elektrisches Schaltungsdiagramm der Leistungssteuerungsschaltung, die in Block­ form in Fig. 1 gezeigt ist.

In Fig. 1 wird Leistung (Strom) dem System mittels einer 230 Volt Wechselstromleitung 10 zugeführt, die mit dem Hauptlei­ stungsschalter 14 mittels eines RFI-Filters 12 verbunden ist, der Hochfrequenzenergie des Leistungssteuerungssystems davon abhält, in die 230 Volt Leitung zu gelangen. Die Wechselspan­ nung wird einer Niederspannungsversorgung 16 und einer Hoch­ spannungsversorgung 18 zugeführt, die mit den verbundenen Schaltungskomponenten durch eine Vielzahl von elektrischen Leitungen, die als Busleitungen in den Blockdiagrammen ge­ zeigt werden, verbunden sind, wobei sie auf herkömmliche Weise unter Einsatz von Anschlußleitungen und Steckern, wie dargestellt, verbunden sind. Die Niederspannungsversorgung liefert +5 Volt Gleichspannung +15 Volt oder -15 Volt Gleichspannung und +24 Volt Gleichspannung für die elektri­ schen Schaltungen, wohingegen die Hochspannungsversorgung 25 bis 50 Volt Gleichspannung an die Treiberschaltung und die Leistungsverstärker abgibt, und zwar nur dann, wenn der Hoch­ frequenztreiber aktiviert ist. Die 230 Volt Wechselspannungs­ energie ist ebenfalls mit Relais 11, 13, 15 und 17 verbunden, wie es in dem Diagramm gezeigt ist, und zwar mit dem Relais 11 zum Steuern der Zuführung der 230 Volt Wechselstromlei­ stung an den Wärmetauscher und die Kühlventilatoren des Gene­ rators, wie es in Fig. 2 gezeigt wird. Das Relais 13 wird eingesetzt, um die Zuführung der 230 Volt Leistung zu der Brennerbox, die in Fig. 2 gezeigt wird, zu steuern, während die Relais 15 und 17 mit einer Sperrschaltung 20 verbunden sind, um das System abzuschalten, wenn irgendeine der Sperren des Systems gebrochen sind oder wenn ein unzureichender Kühlwasserdurchfluß detektiert wird. Die Leitung, die der Brennerbox mittels des Relais 13 zugeführt wird, wird von ei­ nem Hochfrequenzfilter (RF-Filter) 19 gefiltert, während die Leistung für den Wärmeaustauscher über das Relais 11 mittels eines RFI-Filters 21 gefiltert wird. Die Kühlventilatoren 23 sind ebenfalls mit dem Relais 11 zum Erzeugen der Kühlung für den Raum verbunden, in dem die Leistungssysteme untergebracht sind.

Die Niederspannungsversorgung 16 ist mit einer Leistungs­ verteilungsschaltung 22 verbunden, die die Niederspannungs­ leistung an die jeweiligen Schaltungen verteilt. Die Schal­ tung 22 dient auch als Erdereferenz bzw. Massereferenz für alle Gleichströme in dem System. Die Verbindung der Lei­ stungsversorgung mit den einzelnen Schaltungen wird aus Grün­ den der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Sie ist in herkömm­ licher Weise unter Einsatz der dargestellten Buszwi­ schenverbindungen durchgeführt.

Das Herz des Steuerungssystems ist eine 8088 CPU 30, die mit den ROM/seriellen Programmspeicher und der Schnittstel­ lenschaltung 32 verbunden ist, die selbst mit einer 4-Lei­ tungs-Digitalanzeigeschaltung 34 verbunden ist. Zwei Ein­ gangs/Ausgangs-Anschlußkarten 36 und 38 sind vorgesehen, die jeweils 16 Digitalsausgangsleitungen für Ausgangssteue­ rungssignale und 16 Digitaleingangsleitungen für Überwa­ chungssignale zur Verfügung stellen. Ein Digital-Analog-Wand­ ler liefert bis zu 12 Ausgangskanäle für Analoginformation, während ein Paar von Analog-Digital-Wandlern 42 und 44 je­ weils 16 Eingangskanäle aufweisen. Jede der Schaltungen 32 bis 44 ist mit dem Mikroprozessor 30 gekoppelt, um Steue­ rungsausgangssignale und Dateneingangssignale von den ver­ schiedenen Schaltungskomponenten, die unten beschrieben wer­ den, zuzuführen.

Die Leistungssteuerungsschaltung gemäß Fig. 1 weist eine Treibereinrichtung 50 auf, die eines von einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzsignalen an eine Aufteilungs­ schaltung 60 ausgibt, die das Eingangssignal in zwei gleiche Ausgangsamplitudensignale aufteilt, die den Leistungs­ verstärkern 70 und 80 zugeführt werden, welche in voneinander unabhängiger Weise ihre Ausgangssignale an eine Kombi­ nationsschaltung 90 und an die Brennerbox ausgeben, und zwar über die Verbindung JJ über eine Detektoreinrichtung 100. Eine Leistungssteuerungsschaltung 110 ist mit der De­ tektoreinrichtung 100 und der Treibereinrichtung 50 zum Steu­ ern des RF-Signals verbunden, das der Brennerinduktionsspule 200 (Fig. 2), wie es genauer weiter unten in Verbindung mit der Beschreibung der Leistungssteuerungsschaltung beschrieben ist, zugeführt wird. Das Spektroskop wird in Fig. 2 gezeigt und weist einen Brenner 120 auf, die kommerziell erhältlich ist und typischerweise aus koaxialen Quarzrohren zusammenge­ setzt ist, die eingesetzt werden, um das Plasma selbst zu steuern und zu enthalten. Er wird auch eingesetzt, um die Probe in das Plasma über einen Zerstäuber 122 und eine Spray­ kammer 124 zu injizieren. Die Probe wird in den Zerstäuber mittels einer peristaltischen Pumpe 126, die von einem Steue­ rungsmotor 127 angetrieben wird, injiziert. Der Motor 127 wird über ein Verteilungspaneel 128 gesteuert, das mit der Brennerboxinterfaceschaltung 129 gekoppelt ist, welche, wie es mit den Zwischenverbindungsleitern angegeben ist, mit der Steuerungsschaltung nach Fig. 1 und insbesondere mit den In­ terfaceschaltern 34 bis 44 gekoppelt ist.

Schaltungsmäßig mit der Lastspule 200, die die RF-Energie liefert, um das Plasma in Brenner 120 auszulösen und zu un­ terhalten, ist ein Lastkondensator 130, welcher ein mo­ torabgestimmter Vakuumkondensator mit 10 bis 300 pF und 10 000 Volt ist, der mittels des Motors 132 eingestellt wird, wel­ cher ein positionsführenden Widerstand 134 hat, der mit dem Motor gekoppelt ist, so daß die Kondensatorposition dem Compu­ ter über die Schnittstelle 129 und das Verteilungspaneel 128 zugeführt werden kann. Der Kondensator 130 stimmt die Impe­ danzcharakteristiken der Übertragungsleitung ab, die die Schaltungen der Fig. 1 und Fig. 2 mit der Lastspulenimpe­ danz zwischenverbindet, und zwar auf maximale Energieübertra­ gung. Ein Abstimmkondensator 134 ist in Serie mit einer RF- Versorgungssleitung 133 und einer Spule 200 verbunden und ist ein motoreingestellter, 10 bis 300 pF, 15 000 Volt Vakuumkon­ densator, der von einem Motor 135 angetrieben wird, welcher mit einem positionsfühlendem Widerstand 136 verbunden ist. Der Kondensator 134 wird selektiverweise angetrieben, um die Lastspule 200 mit der RF-Frequenz in Resonanz zu bringen, die über die Leistungsschaltung der Fig. 1 zugeführt wird, um die Leistung, die dem Plasma zugeführt wird, das schematisch mit 121 in Fig. 2 wiedergegeben wird, zu maximieren.

Die Brennersteuerung, die in Fig. 2 gezeigt wird, enthält ebenfalls eine Vielzahl von Zweiten Steuerungs- und Überwa­ chungsdetektorschaltern und zeigt, wie es in Fig. 2 gezeigt wird, die Funktionen dieser Einrichtungen an, die aus der Fi­ gur ohne eine detaillierte Beschreibung leicht ersichtlich sind. Diese sind also nicht speziell beschrieben. Das System weist ein Gehäuse 300 (das schematisch gezeigt ist) mit einem optischen Weg 140 auf, um ein optisches Koppeln eines Spek­ trometers 150 mit dem Plasma 121 zu ermöglichen. Die Lastspu­ leneinrichtung 300 kann entlang zweier Achsen bewegt werden, die rechtwinklig zu der optischen Achse sind, wie es an den Pfeilen A und B in Fig. 2 zu sehen ist, und zwar mittels einer Einstelleinrichtung 310, wie es weiter unten zum Erläu­ tern unterschiedlicher Abschnitte des Plasmas beschrieben ist. Bis jetzt sind die Gesamtsystemkomponenten grob be­ schrieben worden. Eine detaillierte Beschreibung der grundle­ genden elektrischen Schaltungen des Gesamtsteuerungssystems wird nachfolgend angegeben.

Das Herz des Mehrfachfrequenzsteuerungssystems ist die Trei­ berschaltung 50, die in der bevorzugten Ausführungsform zwei unterschiedliche Frequenzen zur Plasmaaktivierung bereit­ stellt. In anderen Ausführungsformen können andere un­ terschiedliche Frequenzen eingesetzt werden oder es können mehr als zwei Frequenzen zugeführt werden. Die Treiberein­ richtung weist in der bevorzugten Ausführungsform eine erste Frequenzquelle, die einen kristallgesteuerten Oszillator 51 mit einer kristallstabilisierten Frequenz von 27,12 MHz hat, und einen zweiten kristallgesteuerten Oszillator 52 auf, der eine kristallstabilisierte Frequenz von 40,68 MHz hat. Die Oszillatoren können herkömmlich kristallgesteuerte Oszillato­ ren zum Erzeugen dieser beiden Betriebsfrequenzen sein und jeder von ihnen liefert ungefähr ein 1 Milliwatt Ausgangssig­ nal, das vom Benutzer mittels der Computersteuerung in Ant­ wort auf die Betätigung einer Steuerung ausgewählt werden kann, die in Fig. 1 als ein Frequenzauswahlschalter 53 wiedergegeben ist, so daß eine der beiden Frequenzen für eine gegebene Probe ausgewählt werden kann.

Die ausgewählte Frequenz wird dem Eingang des Erregungver­ stärkers 54 zugeführt, der das Signal auf ungefähr einen 1 Wattpegel verstärkt. Das Ausgangssignal des Erregungsver­ stärkers 54 wird einem Vortreiberverstärker 56 mit variabler Verstärkung zugeführt, der einen Steuerungseingangsanschluß 57 zum Variieren der Verstärkung des Verstärkers hat, um die Plasmalaständerungen und andere Verstärkungsvariationen in­ nerhalb des Systems zu kompensieren. Die typische Ausgangs­ leistung des Vortreiberverstärkers beträgt ungefähr 3 Watt, wobei die Eingangssignale zum Einstellen der Verstärkung des Vortreiberverstärkers von der Leistungssteuerungsschaltung 110 kommen, die arbeitet, wie es weiter unten im Detail in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wird.

Das Ausgangssignal des Vortreiberverstärkers 56 wird einem Treiberverstärker 58 zugeführt, der ein Leistungsverstärker ist, welcher die Leistung der selektierten Plasmaakti­ vierungsfrequenz auf ungefähr 120 Watt erhöht. Der Treiber­ verstärker enthält eine harmonische Unterdrückung durch den Einbau eines Ausgangsübertragungsabstimmkondensator und einer kleinen Serienspule, wobei die zweite Harmonische des 27,12 MHz Signals auf weniger als 30 dB in dem gewünschten Signal reduziert wird. Die Treibereinrichtung, die die Verstärker 54 bis 58 aufweist, weist eine geeignete Widerstandsrückkopplung auf, um die Verstärker gegen störende Schwingungen zu stabi­ lisieren. Die eingesetzte negative Kopplung wird bei Be­ triebsfrequenzen mittels des Einsatzes von Bandsperrfiltern reduziert, um eine maximale Verstärkung bei den gewünschten Frequenzen und eine exzellente Stabilität bei anderen Fre­ quenzen zu erzeugen. Das resultierende Erregungssignal der Treibereinrichtung 50 wird dem Eingang der Aufteilungsschal­ tung 60 mittels eines Koaxialkabels 59 zugeführt.

Das Erregungssignal des Treibers 58, das der Aufteilungs­ schaltung 60 zugeführt wird, wird in zwei gleichphasige Si­ gnale gleicher Amplitude zum Anlegen an die Leistungsver­ stärker 70 und 80 aufgeteilt. Da sich die Last mit der Cha­ rakteristik des Plasmas selbst ändert, ist es wichtig, daß die Signale gleichphasig sind, um ein Leistungsverbiegen (power hogging) bei einem der Leistungsverstärker zu redu­ zieren. Die Aufteilungseinrichtung ist also so ausgelegt, daß sie die Ausgangssignale mit gleicher Phase und Amplitude an die Eingänge der Verstärker 70 und 80 ausgibt. Die Auftei­ lungseinrichtung ist vom Transformatortyp und ausgelegt, sicherzustellen, daß die RF-Signale, die an den Anschlüssen 61 und 63 ausgegeben werden, in Phase miteinander sind.

Die zwei Ausgangssignale der Aufteilungseinrichtung 60 werden von Leistungsverstärkern 70 und 80 verstärkt, um 1072 Watt Ausgangsleistungspegel bei jedem Verstärker zu erzeugen. Jede der Schaltungen 70 und 80 enthalten Festkörperkomponenten und Temperaturschutzschaltungen gegen eine Überlastung. Sie ver­ wenden Gegentaktverstärker, um gerade Harmonische zu minimie­ ren. Die 1072 Watt Ausgangssignale gleicher Frequenz und identischer Phase werden Eingangsanschlüssen 91 und 93 der Kombinationsschaltung 90 zugeführt, die zwei Eingangssignale in ein 2000 Watt Ausgangssignal kombinieren, das der Lastspule 200 der Fig. 2 zugeführt wird. Die Kombinations­ schaltung 90 enthält eine Filtereinrichtung, die notwendig ist, um harmonische Energie, die in dem Signal verbleibt, zu unterdrücken, so daß sie kleiner als 40 dB unter der gewünsch­ ten Trägerfrequenz ist. Durch die Transistorcharakteristiken der Transistorleistungsverstärker, die in dem Gegentaktlei­ stungsverstärker 70 und 80 eingesetzt werden, wird der Inhalt der Harmonischen des Signals kleiner als 45 dB über 100 MHz und Filter sind deshalb nur bei Frequenzen unterhalb von 100 MHz notwendig.

In der Kombinationseinrichtung wird die harmonische Filterung typischerweise mittels eines Tiefpaßfilters ausgeführt. Die Strom- und Spannungswerte jedoch, die bei solch einer Hoch­ leistungsanwendung entstehen würden, würden in exzessiver Weise extrem teuere Komponenten erforden, um sie beizubehal­ ten. Die Verluste eines Tiefpaßfilters würden ebenfalls eine zusätzliche Leistung der Verstärker 70 und 80 erfordern. Als Ergebnis wird ein Paar von Serienfallen zwischen die kombi­ nierte Ausgangswindung des Transformators der Kombinations­ schaltung und dessen Ausgangsanschluß eingefügt. Eine der Fallen ist auf 54,24 MHz abgestimmt, die die zweite Harmoni­ sche des 27 MHz betragenden Aktivierungssignals ist, und die zweite Falle ist auf 81,36 MHz abgestimmt, die die dritte Harmonische des Aktivierungssignals ist und die zweite Harmo­ nische des 40 MHz Aktivierungssignals ist, um den harmoni­ schen Pegel am Ausgang der Kombinationsschaltung auf 40 dB oder größer unterhalb des 2000 Watt Trägersignals zu halten. Der Einfügungsverlust der doppelten Falle und des Kombina­ tionstransformators ist kleiner als 0,3 dB. Die 54 MHz Falle weist eine 22 nH Spule parallel zu einem Paar von parallelen 200 pF Kondensatoren auf. Die 81 MHz Falle weist eine 34 nH Spule parallel zu einem Paar von parallel gekoppelten 56 pF Kondensatoren auf. Die zwei Filterfallen sind seriell mit der zweiten Windung des Aufteilungstransformators verbunden. Das resultierende Signal ist das 2000 Watt Trägerfrequenzsignal bei einer der selektierten Frequenzen, die durch die Position des Schalters 53 bestimmt werden, und wird der Detektorein­ richtung 90 zugeführt, die einen Leistungssensor 102 für die zugeführte Leistung und einen Leistungssensor 104 für die re­ flektierte Leistung aufweist. Die Sensoren geben Ein­ gangssignale an die Leistungssteuerungsschaltung 110 aus, welche das Verhältnis der stehenden Wellen der Energie, die der Lastspule 200 zugeführt wird, angibt. Zum Erzeugen eines Gleichstromsteuerungssignals sind RF-Dioden 103 und 105 in Verbindung mit den Sensoren 102 und 104 vorgesehen, um die Gleichstromsteuerungssignale für die Leistung der Steuerung 110 zu liefern. Der Leistungssteuerungsmodul ist in Fig. 3 zum Beschreiben der Schaltung der Fig. 3 gezeigt. Es wird jedoch zuerst eine kurze Beschreibung des Gesamtverfahrens gegeben, das zum Schutz der Hochleistungsverstärker einge­ setzt wird.

Es wird ein Verfahren zum Verhindern einer Zerstörung der RF- Leistungseinrichtungen, das auf dem Versorgungsstrom, der Versorgungsspannung und der tatsächlichen Ausgangsleistung basiert, gegeben. Signale, die die zugeführte RF-Leistung und die reflektierte RF-Leistung der Schaltung 100 wiedergeben, und Signale des Versorgungsstroms und der Ver­ sorgungsspannungsquellen 16 und 18 werden als Rückkopplung eingesetzt, um die RF-Leistungsverstärker 70 und 80 in einen vorgesehenen und sicheren Betriebsbereich zu halten. Die Spannung, die die umgekehrte RF-Leistung des Detektors 104 wie­ dergibt, wird auch eingesetzt, um das gesamte RF-System auf sicheren Strom- und Spannungspegeln zu halten. Wenn der Span­ nungsverlust und die umgekehrte RF-Leistung innerhalb von Grenzen liegt, wird die Spannung, die die zugeführte RF-Lei­ stung wiedergibt, des Sensors 102 eingesetzt, um einen ge­ wünschten RF-Ausgang auf einem von außen angeordneten Pegel zu halten. Es ist bekannt, daß die Lebensdauer einer Festkör­ pereinrichtung invers proportional zu deren Betriebstempera­ tur ist. Deshalb ist es wünschenswert, die maximale Übergangstemperatur der Festkörpereinrichtung zu begrenzen, wie sie in den Verstärkern 70 und 80 eingesetzt werden, um eine lange Lebensdauer garantieren zu können.

Gewöhnlicherweise wird ein RF-Verstärker ausgelegt, um an ei­ ner 50 Ohm Widerstandslast zu arbeiten. Wenn diese Wider­ standslast ihren Wert ändert, ändert sich auch der Betrieb des Verstärkers. Bei einer bestimmten Lastimpedanz, die mit dem RF-Verstärker verbunden ist, kann die Leistungsumwand­ lungseffizienz auf einem Punkt vermindert werden, so daß die maximale Übergangstemperatur der Einrichtung bzw. des Bau­ elements überschritten wird, was in einem Fehler resultiert.

Ein bekanntes Verfahren zum Begrenzen der Übergangstemperatur besteht in der Verwendung eines Thermoschalters. Dieses Ver­ fahren antwortet jedoch wegen der Thermomasse des Schalters und der umgegebenden Strukturen nicht auf momentane Tempera­ turänderungen.

Ein anderes Verfahren zum Schützen kann durch Begrenzen des Zuführstroms zu der Einrichtung gegeben sein. Dieses Ver­ fahren kann eine sichere Betriebstemperatur nicht garantie­ ren, da die Ausgangsleistung der Einrichtung nicht bekannt ist.

Durch Einbauen der richtigen Rückkoppelsignale kann jedoch ein Verfahren zur Strombegrenzung erreicht werden, das die maximale Betriebstemperatur der Einrichtung unabhängig von der Lastimpedanz begrenzt.

Es kann gezeigt werden, daß die Leistung, die in der Ein­ richtung erzeugt wird, der folgenden Gleichung entspricht:

Pdis = V*I + Pdrv - Pfor + Prev (1)

wobei:

Pdis = Leistung, die in Einrichtung erzeugt wird,
V = Versorgungsspannung,
I = Versorgungsstrom,
Pdrv = Eingangs-RF-Treiberleistung,
Pfor = RF-Ausgangsleistung, die in Richtung der Last wandert,
Prev = RF-Leistung, die wegen einer Fehlabstimmung der Last zur Einrichtung zurückkehrt.

Aus dem Wärmewiderstand der Einrichtung und dem Wärmewider­ stand der Wärmesenke kann ein Wert Pdis berechnet werden, der der maximalen Übergangstemperatur der Einrichtung entspricht.

Tj = Pdis* (Rjc + Rcs + Rsa) + Ta (2)

wobei:

Tj = die Übergangstemperatur der Einrichtung,
Rjc = der Wärmewiderstand der Einrichtung,
Rcs = der Wärmewiderstand im Fall der Wärmesenkenschnittstelle,
Rsa = der Wärmewiderstand der Wärmesenke der Gehäuseoberfläche zu der Umgebungsluft,
Ta = die umgebende Raumtemperatur.

Ein Umordnen der Gleichung 2 und Auflösen nach Pdis ergibt:

Pdis = (Tj - Ta)/(Rjc + Rcs + Rsa) (3)

Bei Verwendung von worst case Werten in der Gleichung 3, wird die Gleichung 3 in einer Lösung für die Maximale Leistung re­ sultieren, die in der Einrichtung, ohne daß die vorgesehene Übergangstemperatur überschritten wird, verbraucht wird.

Das Lösen der Gleichung 1 für den Strom, der die gewünschte maximale Betriebstemperatur erreicht, ergibt:

I = (Pdis - Pdrv - Prev + Pfor)/V (5)

Der Leistungssteuerungsmodul 110 der Fig. 3, wie weiter un­ ten erläutert wird, synthetisiert die Gleichung und stellt den Treiberpegel für die Leistungsverstärker ein, um die Gleichung 6 zu erfüllen.

I <= (Pdis - Pdrv - Prev + Pfor)/V (6)

Wenn ein worst case Wert für Pdrv bestimmt werden kann, (ge­ wöhnlicherweise kann dies gemacht werden, da die Treiberstufe einen Maximalausgang hat) können die ersten beiden Ausdrücke der Gleichung 6 kombiniert werden.

I <= (Pdist - Prev + Pfor)/V (7)

wobei: Pdist = Pdis - Pdrv
ein Auflösen der Klammer in Gleichung 7 ergibt:

I <= Pfor/V + Pdist/V - Prev/V (8)

Eine stark reflektierte Leistung in einem System verursacht heiße Flecken und Hochspannungspunkte in einem RF-System. Deshalb ist es wichtig, daß die Stärke der reflektierten Leistung keine Fehler der Systemkomponenten verursacht. Der Leistungssteuerungsmodul 110 begrenzt den Wert der reflek­ tierten Leistung auf einen sicheren Betriebsbereich. Dieser sichere Betriebsbereich kann für kurze Zeitabschnitte ver­ größert werden, wenn:

• 1. Die Spitzen-RF-Spannungen in dem System noch unter dem si­ cheren Betriebsbereich aller Komponenten sind.
• 2. Die Temperatur aller Komponenten innerhalb des sicheren Betriebsbereichs bleibt, wie es mittels thermischen Zeit­ konstanten und thermischen Widerständen berechnet wird.

Der Leistungssteuerungsmodul ermöglicht es, daß die Grenze der reflektierten Leistung für kurze Zeitabschnitte erhöht werden kann. Diese Eigenschaft ist bei Anwendungen nützlich, die kurzzeitige Hochleistungsimpulse (bursts) erfordern, wie es bei der Plasmaerzeugung der Fall ist. Es wird darauf hin­ gewiesen, daß der Stromregler der Leistungssteuerung nicht zuläßt, daß die Leistungstransistoren zerstörende Stromwerte ziehen, auch wenn die Grenze der reflektierten Leistung er­ höht wird.

Ein anderes Problem, das oft bei der RF-Leistungserzeugung mit Festkörpern auftritt, ist das Durchbrennen auf Grund des Überschreitens des RF-Ausgangs. Dieses Problem wird in dem Leistungssteuerungsmodul durch den Einsatz eines RF-Lei­ stungsausgangsbegrenzers gelöst. Dieser Begrenzer hält die RF-Ausgangsleistung auf oder unter dem Durchbrennpunkt im Falle eines Betreiberfehlers. Die Hintergrundtheorie von Festkörperverstärkungseinrichtungen und der Schutz, der für die Plasmaerzeugung erforderlich ist, ist nunmehr beschrieben worden. Eine Beschreibung der Steuerungsschaltung gemäß Fig. 3 schließt sich an, wobei mit der Beschreibung der Eingangs­ und Ausgangssignale begonnen wird.

Erforderliche Eingangssignale

Pfor = ein Spannungssignal, das den zugeführten RF-Aus­ gang der zu schützenden Einrichtung wiedergibt.
Beachte: für Systeme mit mehreren Einrichtungen bzw. Bauelementen kann dies die gesamte, kombi­ nierte Leistung sein solange Einrichtungen glei­ che Anteile haben. (In-phase oder 180 Grad kombi­ nieren.) Das Signal kann durch den Einsatz kom­ merziell erhältlicher Koppler und Detektoren er­ zeugt werden.
PREV = ein Spannungssignal, das die reflektierte RF- Leistung wiedergibt. (Leistung, die zu der Ein­ richtung von der Last auf Grund einer Fehlanpas­ sung der Impedanzen zurückkehrt.)
Beachte: Für Systeme mit mehreren Einrichtungen kann dies, die gesamte reflektierte Leistung sein, solange alle Einrichtungen den gleichen Anteil haben. (In­ phase oder 180 Grad kombiniert.) Diese Signale werden über den Einsatz von kommerziell erhältli­ chen Kopplern oder Detektoren 102 bis 105 (Fig. 1) erzeugt.
IA = eine Differenzspannung, die den Strombedarf der zu schützenden Einrichtung wiedergibt. Die Minus­ seite dieser Differenzspannung sollte auf dem gleichen Potential wie die Versorgungsausgangs­ spannung sein. Dieses Signal kann durch Einfügen eines Widerstands von kleinem Wert in die Gleich­ stromzuführleitung erzeugt werden.
IB = eine Differenzspannung, die den Strombedarf durch die zweite zu schützende Einrichtung wiedergibt. (eingesetzt für Systeme mit mehreren Einricht­ ungen.)
PSET = der gewünschte Sollwert der RF-Ausgangsleistung, der von dem Betreiber festgelegt wird.
IGNITE= eine Steuerspannung, die eingesetzt wird, um die Zündaufladung zu ermöglichen.

Ausgangssignale

PIN = die gemessene, zugeführte Ausgangsleistung der Einrichtung oder des Systems, die zum Monitor oder dem Meter geschickt wird.
PREV = die gemessene, reflektierte Leistung der Einrich­ tung oder des Systems, die zum Monitor oder zum Meter geschickt wird.
PWRCNT. = die Fehlerausgangsspannung, die eingesetzt wird, um die Höhe der RF-Treiberleistung in die Ein­ richtung oder das System hinein zu steuern.

Gemäß Fig. 3 erhöht der Verstärker 400 die Amplitude des PFOR-Signals auf einen Wert, der geeignet ist, der analogen Berechnungseinheit 402 zugeführt zu werden. Der Verstärker 404 erhöht die Amplitude des PREV-Signals auf einen Wert der geeignet ist, um ihn einer zweiten analogen Berech­ nungseinheit 406 zuzuführen. Die Verstärker 408 und 410 die­ nen als Puffer bezüglich der Leistungsmonitore oder Meter.

Unter normalen Betriebsbedingungen (Fehlen von: einer Strom­ grenze, einer VSWR-Grenze und einer PFOR MAX-Grenze) sind die Ausgänge der Summierverstärker 412, 414 und 416 negativ und somit vom Verstärker 418 durch jeweils die Diode 413, 415, 417 elektrisch getrennt. Wenn ein positiver Referenzwert als PSET zugeführt wird, wird der Ausgang des Verstärkers 420 dem Summierungsknoten des Verstärkers 418 zugeführt. Dies zwingt das PWRCNT-Signal positiv zu werden, was wiederum verursacht, daß die Treiberleistung für die RF-Einrichtung erhöht wird. Diese Erhöhung der RF-Treiberleistung erzeugt ein RF-Aus­ gangssignal, das wiederum eine Spannung am Detektor 100 er­ zeugt. (PFOR) PFOR wird durch den Verstärker 400 verstärkt und am Summierungsknoten des Verstärkers 418 subtrahiert. Der Wert vom PWRCNT stellt sich selbst darauf ein, an die Aus­ gangssignale der Verstärker 400 und 420 angepaßt zu sein. Der Wert von PFOR folgt PSET solange, wie PWRCNT fähig dazu ist, die Verstärkung des RF-Systems zu ändern.

Die Verstärker 422 und 424 sind Differenzverstärker mit hoher Gleichtaktunterdrückung. Der Ausgang des Verstärkers 422 ist proportional zum Stromeingang am ersten Leistungsverstärker 70. Ähnlich ist der Ausgang des Verstärkers 424 proportional zum Eingangsstrom am zweiten Verstärker 80. Die Verstärker 426 und 428 verstärken jeweils die Ausgänge der Verstärker 422 bzw. 424, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die pro­ portional zu den Strömen der Einrichtung ist. Der Wert des eingesetzten Fühlerwiderstands und die Verstärkung der Ver­ stärker 426 und 428 führen zu einer Ampere/Volt-Beziehung zwischen den Einrichtungsströmen und dem Spannungsausgang dieser Verstärker, wobei:

V (426) = Rs*I*Verstärkung (426) (9)

V (428) = Rs*I*Verstärkung (428) (10)

wobei: Rs = der Wert der Fühlerwiderstände.

Der Verstärker 430 teilt die Versorgungsgleichspannung auf einen geeigneten Wert für die Zuführung zu einer anderen Ana­ logrechnereinheit 432. Der Ausgang des Verstärkers 430 ist deshalb proportional zur Versorgungsgleichspannung. Die Ein­ heiten 402, 406 und 432 sind Echtzeitanalogberechnungs­ einheiten, die fähig dazu sind, Multiplikation, Division, Ex­ ponential- und Wurzelfunktionen zu berechnen. Sie können ihre mathematischen Berechnungen mit einer höheren Geschwindigkeit als der gewünschten Antwortzeit des Leistungssteuerungssy­ stems durchführen. Die Einheit 432 gibt ein Signal aus, das invers proportional zur Versorgungsspannung ist und somit liefert sie den Nennerwert für die obige Gleichung 7. Die Ausgangsspannung der Einheit 432 ist auf einen Wert begrenzt, was einen Einrichtungsstrom kleiner als den von den Herstel­ lern spezifizierten Grenzwert ergibt.

Die Exponential- und Wurzelfunktionen werden in den Schal­ tungen 402 und 406 eingesetzt, um die Detektorcharakteri­ stiken zu linearisieren. Damit ergibt eine Änderung der RF- Leistung um den Wert zwei eine Verdoppelung ihrer Ausgangs­ spannung. Diese linearisierte Leistungskurve wird dann mit dem Ausgang der Schaltung 432 multipliziert. Der Ausgang der Schaltung 402 ist deshalb proportional zur zugeführten Aus­ gangsleistung und umgekehrt proportional zur Versor­ gungsgleichspannung. In ähnlicher Weise gibt die Schaltung 406 ein Signal aus, das proportional zur reflektierten Lei­ stung ist und umgekehrt proportional zur Versorgungsgleich­ spannung.

Der Skalierungs- und Summierungsverstärker 434 wird einge­ setzt, um die Gleichung 8 komplett zu synthetisieren. Dies wird durch ein Skalieren jeder Ausdrücke mit einem Faktor durchgeführt, was eine Ampere/Volt-Verstärkung ergibt, die äquivalent der Monitorschaltung 422 bis 426 oder 424 oder bis 432, wie oben erläutert, ist. Die einzelnen Ausdrücke werden mit den Faktoren X, Y und Z skaliert. Die Skalierung und die Summierung dieser Signale kann mit einem Summie­ rungsverstärker durchgeführt werden, wobei jeder Eingang einen unterschiedlichen Verstärkungswert aufweist. Der Aus­ gang der Schaltung 434 erzeugt die Funktion:

V(434) = X*(25/Vs)*PFORˆn + Y*(25/Vs) + Z* (25/Vs)*PREVˆn (11)

Die "25" in Gleichung (11) ist durch die interne Referenz­ spannung der Schaltung 432 bedingt. Dieser Wert kann ir­ gendeine bestimmte Zahl annehmen.

Der Ausgang der Schaltung 434 entspricht deshalb einer Lösung der Gleichung (8), wenn X, Y, Z einmal für eine bestimmte An­ wendung ausgewählt worden sind. Da die rechtseitigen Aus­ drücke der Gleichung nicht voneinander abhängen, können die Lösungen für X, Y, Z unabhängig gefunden werden. Wenn z. B. das gewünschte Ampere/Volt-Verhältnis 1 ist, muß der Wert von X den ersten Ausdruck der Gleichung (8) erfüllen.

Vs = V/10 (12)

PFORˆn = Pfor (13)

Deshalb ist der Anteil von I auf Grund von Pfor:

V(434) = X*(250/V)*Pfor (14)

Wenn die 1 Ampere pro Volt Verstärkung beibehalten werden soll, muß X den Wert von 1/250 annehmen, was ergibt:

V(434) = Pfor/V (15)

Ähnlicherweise können die Verstärkungen von Y und Z einge­ stellt werden, um die Gleichung (8) gemäß der Amp/Volt-Ver­ stärkung des Strommonitors zu erfüllen. Es sollte beachtet werden, das die Gleichung (15) davon ausgeht, daß nur eine Einrichtung in Betrieb ist. Wenn mehrere Einrichtungen ein­ gesetzt werden, wird der Wert von PFOR in Gleichung (13) für die Anzahl der Anteile und Verluste in den Kombinierern eingestellt. Ebenfalls geht die Gleichung (13) von einer 1- zu-1-Entsprechung von PFOR und der tatsächlichen Aus­ gangsleistung aus. Das ist für gewöhnlich nicht der Fall, deshalb muß die Gleichung (13) um diesen Faktor eingestellt werden.

Der Ausgang der Schaltung 426 wird mit dem Ausgang der Schal­ tung 428 durch die Dioden 436 und 438 verglichen. Der größere Wert wird dem Summierungsknoten der Schaltung 416 zugeführt. Der Ausgang der Schaltung 434 wird auch dem Summierungsknoten der Schaltung 416 über die die Diode 440 zugeführt, die ein­ gesetzt wird, um den Spannungsabfall an den Dioden 436 oder 438 zu duplizieren. Der Ausgang der Schaltung 416 ist deshalb die Differenz zwischen dem Strommonitorsignal und dem berech­ neten Wert für den maximalen, sicheren Betriebsstrom. Wenn der Strommonitorwert über dem maximalen, sicheren Betriebs­ strom liegt, geht der Ausgang der Schaltung 416 ins Positive, wodurch die PWRCNT Spannung reduziert wird, bis der über­ wachte Strom und der Ausgang der Spannung 434 gleich sind. Wenn der überwachte Strom unterhalb des maximal, sicheren Be­ triebsstroms liegt, ist der Ausgang der Schaltung 416 negativ und die Diode 417 isoliert die Schaltung 416 gegenüber der Schaltung 418.

Der Ausgang des Verstärkers 404 wird dem Summierungsknoten des Verstärkers 414 zugeführt. Diese Spannung hat von ihm einen Wert subtrahiert, der gleich der Spannung ist, die der Verstärker 404 an der gewünschten maximalen Grenze der re­ flektierten Leistung erzeugen würde. Wenn die maximale Grenze der reflektierten Leistung z. B. einen Ausgang von 1 Volt für den Verstärker 404 ergibt, wird ein 1 Voltsignal von seinem Ausgang subtrahiert. Deshalb, wenn der Ausgang des Verstär­ kers 404 kleiner ist als der VSWR-Grenzsollpunkt, ist der Ausgang der Schaltung 414 negativ und er ist elektrisch ge­ genüber der Schaltung 418 durch die Diode 415 getrennt. Wenn der Ausgang des Verstärkers 404 größer ist als der VSWR Grenzsollwert, geht der Ausgang der Schaltung 414 ins posi­ tive, wodurch der Wert von PWRCNT reduziert wird. PWRCNT fährt deshalb fort, weiter abzufallen, bis der Ausgang des Verstärkers 404 gleich dem VSWR-Grenzsollpunkt ist, der in der bevorzugten Ausführungsform für eine maximale, reflek­ tierte Leistung von 300 Watt ausgewählt ist. Die Addition ei­ ner erhöhten VSWR-Grenze für kurze Zeitdauern wird durch Sub­ trahieren einer geeigneten Spannung in der Schaltung 414 durchgeführt. Der Einsatz eines getimten Schalters kann jede Beteiligung des Zündaufladesollpunkts eleminieren, der konti­ nuierlich anliegt.

Die maximale Leistungsausgangsbegrenzung wird auf ähnliche Art und Weise bewerkstelligt. Die Ausgangsspannung des Ver­ stärkers 400 bei der gewünschten Ausgangsleistungsgrenze wird dem PFOR MAX-Sollpunkt zugeführt. Wenn der Ausgang des Ver­ stärkers 400 kleiner ist als die Grenzsspannung, geht die Schaltung 412 ins Negative und wird gegenüber der Schaltung 418 durch die Diode 413 getrennt. Wenn der Wert von PFOR zu groß wird, steigt der Ausgang des Verstärkers 400 über den PFOR MAX-Sollpunkt an und die Schaltung 412 geht ins Posi­ tive, wodurch PWRCNT reduziert wird. PWRCNT nimmt weiter ab, bis der Ausgang des Verstärkers 400 gleich dem PFOR MAX-Soll­ punkt wird.

Die Anwendung des Leistungssteuerungsmoduls, der in Fig. 3 gezeigt wird, besteht in der Plasmasteuerung der Fig. 1 und 2, die einen Doppelfrequenzplasmagenerator zeigen, der für eine ICP-Quelle eingesetzt wird. Die detektierten Signale PFOR und PREV werden von BIRD Leistungsmesserkomponenten er­ zeugt. Die Gleichstromleistung für die RF-Module werden in der Hochspannungsversorgung 18 (Fig. 1) erzeugt. Die Versor­ gungsspannung kann zwischen 25 und 50 Volt eingestellt wer­ den. Die Differenzspannungssignale IA und IB entstehen an 0,005 Ohm Widerständen. Das PWRCNT-Signal wird zur Steuerung der Verstärkung eines Leistungs-MOSFETS eingesetzt. Jeder PA Modul 70 und 80 enthält zwei 600 Watt Transistoren, die im Gegentaktbetrieb arbeiten. Die gesamte RF-Ausgangsleistung ist auf 2100 Watt durch den PFOR MAX-Sollpunkt begrenzt. Die reflektierte Leistungsgrenze ist auf 300 Watt mit einem Ein­ sekundenimpulswert von 625 Watt begrenzt.

Zusätzlich zur Steuerung der Leistung, die der Lastspule zu­ geführt wird, kann die Brennereinrichtung so bewegt werden, daß unterschiedliche Abschnitte der Plasmaflamme 121 in dem optischen Weg positioniert sind. Für diesen Zweck ist der Brenner 120, die Spule 200, die Spraykammer 124 und der Zer­ stäuber 122 in einer festgelegten Nachbarschaftslage zueinan­ der fixiert, wie auch der fiberoptische Sensor 123, der ein Signal liefert, das angibt, daß das Plasma vorhanden ist. Eine mechanische Einstellsteuerung 310, die in Blockform ge­ zeigt ist, ist an 312 mit der Einrichtung 300 zum Erzeugen dieser Zweiachseneinstellung verbunden. Die Steuerungen kön­ nen eine Anzahl von unterschiedlichen Formen annehmen, wie z. B. ein Zahnstangenzahnradantrieb, eine Schraubenwindenein­ stellung oder andere geeignete und bekannte, mechanische Ein­ stelleinrichtungen.

Um die Lastspule 200 mit dem Leiter 133 und dem Rückleiter 137 zu koppeln, um deren Bewegung zu ermöglichen, sind fle­ xible Verbindungen 210 und 212 vorgesehen, die aus zwei Inch flexiblen Streifen bestehen, die jeweils drei Abschnitte aus geflochtenem Kupfer aufweisen, die mit Silber überzogen sind, um ihre Verluste zu minimieren. Dies erlaubt eine Einstellung der beweglichen Brennereinrichtung, die die Lastspule 200 enthält, und zwar bezüglich dem Impedanzanpasser, der die Kondensatoren 134 und 130 aufweist, so daß die Brennereinrich­ tung bezüglich des Spektrometers 150 bewegt werden kann, da­ mit optische Energie 155 vom Plasma 121 für die gewünschte optische Signalinformation ausgewählt werden kann. Das Spek­ trometer 150 kann jedes typische, optische Spektrometer sein.

Claims (23)

1. Mehrfrequenzaktivierungs-Steuerschaltung für einen induk­ tiv gekoppelten Plasmagenerator, gekennzeichnet durch eine Quelle für zumindest ein erstes und ein zweites Erre­ gungsfrequenzsignal, wobei die zumindest ersten und zweiten Erregungsfrequenzsignale unterschiedliche Frequenzen haben und wobei jede Frequenz zum Erzeugen von zumindest einer er­ sten und einer zweiten Plasmacharakteristik ausgewählt wird, eine Einrichtung, die mit der Quelle zum Auswählen eines von den ersten und zweiten Frequenzsignalen verbunden ist, eine Einrichtung, die mit der Auswahleinrichtung verbunden ist, zum Verstärken eines selektierten Frequenzsignals auf einen Wert, der ausreicht, um das Plasma in einem Plasmabrenner zu zünden und aufrechtzuerhalten, eine Induktionspule, die mit dem Plasmabrenner verbunden ist und eine Einrichtung zum Ver­ binden der Induktionsspule mit der Signalverstärkungseinrich­ tung.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle zumindest zwei separate Oszillatoren zum Er­ zeugen der ersten und zweiten Erregungsfrequenzsignale auf­ weist und daß die Auswahleinrichtung einen Auswahlschalter zum selektiven Verbinden eines der Oszillatoren mit der Ver­ stärkungseinrichtung aufweist.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung einen Vorverstärker aufweist, der zumindest einen Verstärkungsabschnitt mit variabler Ver­ stärkung hat, der einen Steuerungseingangsanschluß und Ein­ richtungen zum Erzeugen eines Steuerungssignals für den An­ schluß des Verstärkers mit variabler Verstärkung hat, um Ver­ stärkungsänderungen in dem System und Plasmalaständerungen zu kompensieren.

4. Steuerschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker drei in Serie gekoppelte Stufen mit Verstärkern aufweist und daß der Verstärker mit variabler Verstärkung der zweite Verstärker der Verstärkerstufen ist.

5. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung einen Signalaufteiler zum Aufteilen des selektierten Frequenzsignals in zwei, im we­ sentlichen gleiche Amplitudensignale aufweist.

6. Steuerschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung weiterhin aufweist ein Paar von Leistungsverstärkern, von denen jeder Eingangs- und Aus­ gangsanschlüsse hat, wobei einer der gleichen Amplitudensig­ nale dem Eingangsanschluß eines dieser Leistungsverstärker zugeführt und das andere der gleichen Amplitudensignale dem Eingangsanschluß des anderen der beiden Verstärker zugeführt wird.

7. Steuerschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung eine Kombinationsschaltung aufweist, die ein Paar von Eingangsanschlüssen und einen Aus­ gangsanschluß hat, wobei einer der Eingangsanschlüsse der Kombinationsschaltung mit dem Ausgangsanschluß eines der Lei­ stungsverstärker gekoppelt ist und wobei der andere der Ein­ gangsanschlüsse der Kombinationsschaltung mit dem Aus­ gangsanschluß des anderen der Leistungsverstärker verbunden ist.

8. Steuerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinationsschaltung eine Fallenschaltung zum Sper­ ren harmonischer Frequenzen von zumindest einem der ersten und zweiten Erregungsfrequenzsignale hat.

9. Steuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Falleneinrichtung erste und zweite Fallenfilter auf­ weist, die eine Frequenz entsprechend einer zweiten harmoni­ schen Frequenz von zumindest einer der Erre­ gungsfrequenzsignale hat.

10. Plasmagenerator und Spektrometer, gekennzeichnet durch einen Plasmabrenner, eine Spraykammer die mit dem Brenner verbunden ist, einen Probenzerstäuber, der mit der Spraykam­ mer verbunden ist, eine Induktionsspule, die mit dem Brenner gekoppelt ist und Anschlüsse zum Empfangen der elektrischen Aktivierungssignale aufweist, eine Einrichtung zum Erzeugen der Aktivierungssignale an den Anschlüssen der Induktions­ spule, ein Gehäuse zum Unterbringen des Brenners, der Spray­ kammer des Zerstäubers und der Induktionsspule, wobei das Ge­ häuse einen optischen Weg aufweist, der mit dem Brenner aus­ gerichtet ist, ein optisches Spektrometer, das untergebracht ist, um optische Informationen über diesen Weg zu empfangen, und eine Einrichtung zum Bewegen entweder des Brenners oder des Spektrometers bezüglich der anderen Einrichtung, so daß das Spektrometer unterschiedliche Abschnitte des Plasmas, das in dem Brenner generiert wird, abtasten kann.

11. Plasmagenerator und Spektrometer nach Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung eine Ein­ richtung zum Bewegen der Brennereinrichtung bezüglich des Spektrometers aufweist.

12. Plasmagenerator und Spektrometer nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen der Aktivierungssignale flexible Leiter aufweist, die mit den An­ schlüssen der Induktionsspule verbunden sind, um eine Be­ wegung der Spule bezüglich der Einrichtung zum Erzeugen der Aktivierungssignale zu ermöglichen.

13. Plasmagenerator und Spektrometer nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen der Aktivierungssignale weiterhin aufweist eine Quelle von zu­ mindest einem ersten und einem zweiten Erregungsfrequenzsi­ gnal unterschiedlicher Frequenz wobei jede Frequenz zum Er­ zeugen von zumindest einer ersten und zweiten Plasmacharak­ teristik ausgewählt wird; eine Einrichtung, die mit der Quelle zum Auswählen eines der ersten oder zweiten Fre­ quenzsignale verbunden ist; eine Einrichtung, die mit der Auswahleinrichtung zum Verstärken eines selektierten Fre­ quenzsignals auf einen Wert verbunden ist, der ausreicht, um das Plasma zu zünden und aufrechtzuerhalten in dem Plas­ mabrenner; und eine Einrichtung zum Verbinden der flexiblen Leiter mit der Signalverstärkungseinrichtung.

14. Plasmagenerator und Spektrometer nach Anspruch 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die flexiblen Leiter silberplat­ tierte, geflochtene Kupferleiter aufweisen.

15. Mehrfrequenzaktivierungs-Steuerschaltung für einen induk­ tiv gekoppelten Plasmagenerator, gekennzeichnet durch eine Quelle von zumindest einem ersten und zweiten Errre­ gungsfrequenzsignal, wobei die zumindest ersten und zweiten Frequenzsignale unterschiedliche Frequenzen haben und wobei jede Frequenz zum Erzeugen von zumindest ersten und zweiten Plasmacharakteristiken ausgewählt wird, eine Einrichtung die mit der Quelle zum Auswählen eines der ersten oder zweiten Frequenzsignale verbunden ist, eine Einrichtung, die mit der Auswahleinrichtung zum gesteuerten Verstärken eines selek­ tierten Frequenzsignals auf einen Wert verbunden ist, der ausreicht, um das Plasma in dem Plasmabrenner zu zünden und aufrechtzuerhalten, eine Induktionsspule, die mit dem Plasma­ brenner verbunden ist, eine Einrichtung zum Koppeln der In­ duktionsspule mit der Signalverstärkungseinrichtung, eine De­ tektoreinrichtung, die mit der Verstärkungseinrichtung ver­ bunden ist, um Signale zu erzeugen, die die Leistung, welche der Spule zugeführt wird, wiedergeben, und eine Leistungs­ steuerungsschaltung, die mit der Detektoreinrichtung und der Verstärkungseinrichtung zum Steuern der Verstärkung der Ver­ stärkungseinrichtung verbunden ist, um die gewünschte Aus­ gangsleistung der Spule beizubehalten.

16. Steuerschaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung eine Fallenschal­ tungseinrichtung zum Filtern der harmonischen Frequenzsignale zumindest eines der ersten und zweiten Frequenzsignale auf­ weist.

17. Steuerschaltung nach Anspruch 16 und weiterhin aufweisend einen Plasmabrenner, eine Spraykammer, die mit dem Brenner gekoppelt ist, einen Probenzerstäuber, der mit der Spraykam­ mer verbunden ist; ein Gehäuse zum Unterbringen des Brenners, der Spraykammer, des Zerstäubers und der Induktionsspule; ein Gehäuse, das einen optischen Weg aufweist, der mit dem Bren­ ner ausgerichtet ist; ein optisches Spektrometer, das die op­ tische Information über diesen Weg empfängt; und eine Ein­ richtung zum Bewegen entweder der Brennereinrichtung oder des Spektrometers bezüglich der anderen Einrichtung, so daß das Spektrometer unterschiedliche Abschnitte des Plasmas, das in dem Brenner erzeugt wird, abtasten kann.

18. Steuerschaltung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungseinrichtung eine Einrichtung zum Bewegen des Gehäuses bezüglich des Spektrometers aufweist.

19. Steuerschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen der Aktivierungssignale fle­ xible Leiter aufweist, die mit den Anschlüssen der Indukti­ onsspule verbunden sind, um eine Bewegung der Spule bezüglich der Einrichtungen zum Erzeugen der Aktivierungssignale zu er­ möglichen.

20. Steuerschaltung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Leiter silberüberzogene, geflochtene Kup­ ferleiter aufweisen.

21. Plasmagenerator, gekennzeichnet durch einen Plasmabren­ ner, eine Induktionsspule, die mit dem Brenner gekoppelt ist und Anschlüsse zum Empfangen der elektrischen Aktivierungsi­ gnale aufweist, und eine Einrichtung zum Erzeugen der Akti­ vierungsleistung an den Anschlüssen der Induktionsspule, wo­ bei die Erzeugungseinrichtung einen Leistungsverstärker und eine Leistungssteuerungsschaltung und Überwachungseinrichtung zum Überwachen einer Vielzahl von Schaltungsparametern und zum Anlegen von Signalen, die für diese repräsentativ sind, an die Leistungssteuerungsschaltung hat, die darauf antwor­ tet, um einen zu großen Leistungsverbrauch in dem Leistungsverstärker zu verhindern.

22. Plasmagenerator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteuerungsschaltung einen Mikroprozessor aufweist.

23. Plasmagenerator, gekennzeichnet durch einen Plasmabren­ ner, eine Induktionsspule die mit dem Brenner gekoppelt ist und Anschlüsse zum Empfangen der elektrischen Aktivierungssi­ gnale aufweist, und eine Einrichtung zum Erzeugen der Akti­ vierungsleistung an den Anschlüssen der Induktionsspule, wo­ bei diese Erzeugungseinrichtung einen Leistungsverstärker und eine Leistungssteuerungsschaltung und eine Zünddetektionsein­ richtung zum Überwachen des Feldes in der Nähe der Induktionsspule und zum Anlegen von dafür repräsentativen Si­ gnalen an die Leistungssteuerungsschaltung aufweist, die dar­ auf antwortet, um die Zündung des Plasmas durch den Brenner zu optimieren.