专利名称：使用锁定到包含等离子体的开式谐振腔的微波振荡器的电子密度测量和等离子体处理控 ...的制作方法
与相关申请的相互参照本发明涉及名称为“使用等离子体诱导微波振荡器频率变化的电子密度测量和控制系统”，代理卷号2312-0711-2YA PROV的共同未决申请，和“使用包含等离子体的开式谐振腔共振频率变化的电子密度和等离子体处理控制系统”，代理卷号2312-0710-2YA的共同未决申请，这两个申请已经在此同时申请了。在此这两个申请整个地作为参考。
背景技术：
背景描述第二次世界大战之后，几所大学的研究小组使用在二战期间发展起来的微波技术研究部分电离的气体。特别是，麻省理工学院的Sanborn C.Brown教授的小组发展和开发了所谓的“空腔技术”用于测量部分电离的电准中性的气体中的电子密度，该气体后来称为等离子体。
在这个过程中，由于微波腔中存在等离子体，所以研究微波腔的谐振行为的变化。典型地，在其最低阶或靠近最低阶共振模中使用直的圆的圆柱形谐振腔操作，并且气体被包含在同轴的派热克斯玻璃(Pyrex)TM或石英管中。在每个平的端面中提供一个孔径允许管的通路穿过空腔。
微波腔中的等离子体的存在通常将影响特定空腔谐振模的共振频率和共振的锐度(Q)；即如果要相当程度地激发共振模，固定微波信号的频率所用的精度。使用一种微扰理论形式，将这些参数中的变化与等离子体中的电子密度和电子碰撞频率相联系起来是可能的。微扰理论只对满足下列情况的(角)频率ω有效
ω2＞＞ωp2≌3.18×109Ne其中ωp为等离子体(角)频率，Ne为单位是电子/cm3的电子密度。因此，为了诊断电子密度在1012cm-3数量级上的等离子体，此数量级为在此关心的数量级，需要超过几十GHz的微波信号频率(ω/2π)。
要求几十GHz数量级上的信号频率引起严重的问题。被设计成在其最低阶或靠近最低阶共振模共振的空腔的物理尺度处于信号波长的数量级上。因此，设计在大约35GHz共振的空腔具有只在厘米的数量级上的尺度。使用如此小的空腔测量电子密度是困难的。
原则上，使用设计以“高阶”模共振的空腔来克服与最低或低阶模的小物理尺寸有关的问题是可能的。然而，如果采用这种方法，确切地知道特定激发空腔谐振模的同一性变得非常困难。因此，如果可能应用微扰理论确定电子密度和电子碰撞频率事实上变得非常困难。
解决这个问题的一种方法是使用“开式”谐振腔，即这样一种谐振腔，在其中电磁场不被一个(几乎)完全密封的导电面限定。开式谐振腔的一种实际实例为一对大孔径，圆形对称端镜，在它们之间有平的或弯曲的表面和非限制性圆形对称导电面。A.G.Fox和T.Li在BellSystem Technical Journal，vol.40，pp.453-488，1961年3月的“脉塞(MASER)干涉仪中的共振模”文章中详细地研究了这种类型的开式谐振腔。他们表明可被认为包括关于对称轴以显著角度传播的平面波成分的任何模式将不被显著激发，即将具有非常低的Q。实际上，对于开式谐振腔，具有在特定频率范围内的共振频率的实际有用的模式数量远远低于相似尺寸的闭合谐振腔的等效数量。开式谐振腔的这种性能为研究者提供了非常多的机会以将共振等离子体诊断技术扩展到高于35GHz的频率。
使用支配从波导管提供给闭合谐振腔的耦合的相同原则，微波能量可从波导管耦合供应到开式谐振腔上。谐振器镜中的位置，空间旋转，和耦合孔径的尺寸不得不适当地与所需谐振腔模式的电磁场配置有关。输入和输出耦合孔两者可以在相同的镜上或者输入孔在一个镜上而输出孔在另一镜上。
利用谐振腔和微波鉴频器的帮助在频率上稳定已知的电可调谐微波振荡器。在各种M.I.T.辐射试验室报告和在由McGraw-Hill在1947年出版的辐射试验系列中详细地记录了基本概念。这些振荡器的一种应用是使电可调谐振荡器在微波谐振器频率变化时跟踪微波谐振器的共振频率。在Vol.11，微波测量技术，M.I.T.辐射试验系列，Carol H.Montgomery，编辑，McGraw-Hill出版社，纽约，1947，pp.58-78(以下称为“Montgomery”)中广泛讨论了这些技术。Montgomery的整个内容在此作为参考。在
图1中示出了稳定电路102的框图。图1与Montgomery的60页上的图2.29相似。在以下两个已知的出版物(1)“处理等离子体中密度测量稳定性的微波干涉仪”，Pearson等人，材料研究协社论坛论文集，Vol.117(Eds.Hays等人)，1988，pgs.311-317，和(2)“用于测量TFTR上的线积分电子密度的1-毫米波干涉仪”，Efthimion等人，Rev.Sci.Instrum.56(5)，1985年5月，pgs.908-910中也描述了微波干涉仪的应用。
当振荡器100的频率不同于微波谐振腔105的共振频率时，由鉴频器110产生一个信号。鉴频器110的输出被放大器115放大。然后放大的鉴频器信号120被提供给振荡器100，具有移动振荡器100的频率朝向微波谐振腔105的共振频率所需的极性。
如果使用稳定电路102振荡器100的频率被锁定到微波谐振腔105的共振频率，调谐微波谐振腔105将导致振荡器100跟踪处于将被放大器115的电调谐能力和辅助微波电路的频率灵敏性限制的范围内的共振频率。Montgomery的69页公开了可调谐的振荡器。
如图1所示，稳定系统102的主要元件为微波鉴频器110和放大器115。存在鉴频器110的两种配置。图2示出了包括定向耦合器150和电桥160(也称为幻T形(magic Tee))的鉴频器110的第一实施方案。电桥160比较被长度x的短路波导165反射的信号与长度x-λg/8的线175供应的微波腔105反射的信号，其中λg为波导管长度。微波信号通过定向耦合器150在臂180(H-平面臂)处进入电桥160。定向耦合器150的臂为从微波振荡器100到鉴频器的输入。在电桥160的T型连接185处，远离该连接传播的相等振幅和相位的波在短路波导165和线175(总起来称为S臂)中被激发。
在第二实施方案中，也可利用第二幻T形取代定向耦合器150而实现微波鉴频器110。由于幻T形等效于3dB定向耦合器，这就不足为奇了。因此，其分析是相似的在此不再深入考虑了。
发明概要本发明目的之一在于提供一种使用锁定到包含等离子体的开式谐振腔的微波振荡器的改进的等离子体电子密度测量和控制系统。
本发明另一目的在于当振荡器在一个共振模上失去锁定时通过跟踪另一共振模而提供等离子体电子密度的稳固控制。
本发明的这些和其他目的是通过在共振频率由于开式谐振腔中的等离子体导入而发生变化时使用频率稳定系统以锁定本地振荡器的频率到开式谐振腔的预选共振频率而实现的。
附图简述参考下面详细的描述，特别是联系附图考虑时，本发明比较完整的理解及其附属优点将变得容易明白，其中在附图中图1为用于匹配微波腔频率和本地振荡器的已知稳定电路的框图；图2为在图1的稳定电路中使用的已知鉴频器的示意说明；图3为正被应用到开式谐振腔上的图2鉴频器的示意说明，该开式谐振腔包含等离子体，而开式谐振腔被用作稳定谐振器；图4为根据变化频率的鉴频器110的输出的图表；图5为根据本发明的振荡器稳定电路的框图；图6为根据本发明的等离子体发生器控制系统的第一实施方案的框图；图7为根据本发明使用数字信号处理器的等离子体发生器控制系统的第二实施方案的框图；图8为根据本发明用于执行一部分控制系统的计算机的框图；以及图9示出了根据本发明的一种实施方案从微波电桥得到的示波器描迹。
优选实施方案详述现在参考附图，其中在这几个视图中相同的参考号指示相同的和相应的部分，图3为正被应用到开式谐振腔上的图2鉴频器的示意说明，该开式谐振腔包含等离子体，其中开式谐振腔被用作稳定谐振器。根据图2在上面描述了图3的大多数的元件，因此在此不再重复它们的描述。然而，已经用包含等离子体的开式谐振腔170取代了图2的微波腔105，在下文中描述整个系统的操作。
在远离其共振频率之一的频率下，谐振器170几乎完全地反射好像在耦合光阑(couplingiris)的平面上有短路，即在用作线175和谐振器170之间界面的球面镜中的圆孔。如本领域中的普通技术人员应该理解的，可以通过试验确定该孔的尺寸和形状。而且，在球面镜上的耦合光阑的位置为使得不激发谐振器170中的不需要的共振模式的位置。因此，在如此的频率下，在短路波导165和线175中反射回结185的波在连结185处异相地达到π/2弧度。因此耦合到终端200和205的匹配探测器(未示出)将给出相等的输出电压，并且电压之间的差值为零。
然而，在谐振器170的共振频率下，谐振器170的导纳发挥作用好像它是位于耦合光阑平面上的纯电导。从谐振器170反射的波以一种方式与从短路波导管165反射的波结合，使得相等振幅的波从终端200和205的T形接头处出现。探测器的输出将再一次相等(尽管不同于在远离共振的频率上的值)。对于从共振频率中轻微远离的频率，谐振器170的导纳具有非零的电纳，该电纳对于低于共振频率的频率来说是电感性的并且对于高于共振频率的频率来说是电容性的。在共振的一边，耦合到终端205的探测器接收较多的功率而耦合到终端200的探测器接收较少的功率；因此输出电压不相等。因此它们之间的差值不为零。在共振的另一边，耦合到终端205的探测器接收较少的功率而耦合到终端200的探测器接收较多的功率。差值再次不为零但是具有相反的代数符号。在Montgomery的64页上提出了数学分析。在图4中示出了鉴频器110的代表性的输出电压。
对于与图4示出的鉴频器特征的极限VA和VB大致对应的fA和fB之间的频率，本地振荡器的稳定是可能的。在下文中描述频率控制的分析。在fA和fB之间的鉴频器110的输出斜率可以近似为-p，其中p是单位为伏特/赫兹的正数。当振荡器100具有单调调频特征并在频率随着施加到调谐输入的电压变得更正而增加时，于是调谐特征可以近似为斜率为R的直线，其中R是单位为赫兹/伏特的正数。另外，在图1中示出的放大器115的增益在下文中以G表示。
如果调整系统使得(1)如图4所示的，对于频率f0鉴频器110的输出电压为零，(2)振荡器100被锁定到处于f0的谐振器170的共振频率上，以及(3)由于等离子体的引入谐振器170的共振频率增加，那么对于鉴频器特征的影响将要被朝向较高频率转化使得零交点从f0移到频率f0′＞f0。因此，鉴频器110的输出将为引起锁定的振荡器100的频率增加的正电压。在系统稳定后，鉴频器110的输出电压为Vdisc＝p(f′-f0′)，其中f′为由空腔谐振频率变化产生的振荡器频率。注意到频率f′必须低于f0′，否则将不存在校正电压并且振荡器频率将保持f0。放大的电压由下式给出Vamp＝GVdisc＝Gp(f0′-f′)。放大的电压是造成频率变化的原因；因此Vamp也写为Vamp＝R(f′-f0)如果放大器的增益很大使得R/pG＜＜1，由此得出f′-f0f0′-f0=pGpG+R≈1]]>这就意味着锁定的(即稳定的)振荡器频率的频率变化事实上与谐振器170的共振频率变化是一样的。
图5使用开式谐振腔作为频率确定元件的振荡器稳定电路的示意说明。连接到开式谐振腔170上的元件用作微波鉴频器，与图3的微波鉴频器相似。在该实施方案中，谐振器具有输出光阑，其与输入光阑分开，并与输入光阑去耦除了在微波信号的频率与开式谐振腔的一种共振频率(即在被谐振器Q确定的限制内)对应时。尽管事实上不可能保证耦合孔只激发所需的共振模，但是可选择镜子的曲率直径和半径，和镜子之间的距离，以引入波模简并度的量度从而减小与以不同共振频率为特征的模式的激发有关的复杂化。
在本发明的一种实施方案中，连接到开式谐振腔上的输入和输出微波连接被做到相同的反射镜上。这就比在此预见的构造这样一个电路便利得多，在该电路中输入微波连接在一反射器上而输出微波连接在另一个上。然而，在这两种配置的电性能中不存在显著的差别。因此，在另一实施方案中，连接被做在相对的反射器上。
如图5示出的鉴频器配置比图3示出的鉴频器优越。在图3的鉴频器中，从稳定谐振器反射的微波信号在共振和非共振上都是大的，除非谐振器耦合接近于临界。实际上，这意味着通常利用大信号中的相对较小的变化执行跟踪。利用图5的传输谐振器，传输的微波信号实际上在非共振时为零而在共振时大；因此比较是在共振上的大信号和非共振上的小信号之间进行的。
图5的结构为开式谐振腔170通过输出光阑耦合到幻T形160的底臂(arm)(E臂)。输入可放在H或E上。取决于它连接到哪个上，可调整波导管长度以适应幻T形的交替定向。探测器500A和500B分别连接到幻T形160的左和右臂上。探测器500A和500B分别连接到差分放大器510的正和负输入上。在一种实施方案中，差分放大器510为定向耦合放大器。在另一实施方案中，差分放大器510为IF放大器并按照Montgomery的2-17节名称为“I-F稳定系统”描述的使用。差分放大器510的输出用作施加到电压控制振荡器520(例如35GHz电压控制振荡器)的频率控制电压。电压控制振荡器520的输出被连接到定向耦合器530上，该耦合器将信号耦合到移相器540上。偏移了耦合信号的相位后，移相器540将偏移的信号施加到第一衰减器550A上，该衰减器产生一个施加到幻T形160的H臂上的偏移的衰减信号。
微波电桥的作用取决于两个微波信号的相干相加，一个为参照信号另一个为已经穿过开式谐振腔后从其中传输的信号，如图5所示。为了微波电桥适当地发挥作用，参照和信号通道(与相应物理长度有关的相位变化)的电长度必须适当相关，理想地，这种关系实际上应该与频率无关。此外，相对于电桥中使用的幻T形的参照面的物理位置来确定两种通道的电长度，认识到这一点是重要的。如果在这一点上不足够注意，电桥输出信号将不会有作为频率函数的所需特征，并且电桥将不会按照需要而发挥作用。尽管只有当机械尺寸适当相关时可以装配电路，但是只有当电长度也适当相关时它才将适当地执行功能。
另外，被只稍微失配的晶体检波器反射回幻T形，或来自开式谐振腔输出端的寄生信号也是一个潜在问题，而且能引起实际的电桥输出特性明显不同于所需的形状。在一种实施方案中，放置在幻T形输入臂中的隔离体被用于缓解这个问题。
当参照和信号通道的物理长度短时，经常可以不太困难的满足与两个通道有关的相差基本上对于所关心的频率的频率变化不灵敏这一要求。另一方面，当由于物理限制一些关键元件必须长时，这个问题就比较困难。在这种情况下，以一种方式设计物理电路使得与两个通路的电长度有关的所需相差被维持到最大可能的程度，这一点是重要的。例如，如果电路中的两个通路在长度上相差四分之一个波长(π/2弧度或90度的相差)，可以建议构建两个通路尽可能相似，除了只有四分之一波长差别的例外，即使可能在设计频率下使一个分支以数个波长显著短于另一个。尽管后者的选择在设计频率下将没有实际的电结果，但两个通路之间的相差的频率依赖性将比更加接近相等的电长度的通路大。
在微波电桥电路的一个实施方案中，移相器被用于形成参照和信号通路之间的所需相差。该系统还包括信号通路中的隔离器，该信号通路只允许在从开式谐振腔到幻T形方向的传输。这就消除了由信号通路中的幻T形端口发生的反射造成的不希望的效应的可能。基于相同的原因第二隔离器可被包含在参照信号通路中。两个衰减器被包含在参照通路中以促进通过参照和信号通路入射到幻T形上的信号的振幅均衡。
图9的示波器描迹示出了根据本发明的实施方案从微波电桥得到的信号。鉴频器输出以标记为Vsum-Vsiff的最下面的曲线表示。在这个曲线上的两个大波形代表与所需开式谐振腔模式对应的鉴频器输出。这两个大波形之间小的类鉴频器的输出被认为是由于所谓的“远轴”模式不需要的激发造成的。在另一实施方案中，减小镜子的直径，吸收孔增加到镜子上，和/或耦合孔径被放置在镜子的准确的中心位置以减小不需要的激发。
然而，整个信号过程是通过将电压控制震荡器520的输出不但耦合到移相器540而且耦合到第二衰减器550B和频率计570上而控制的。衰减器550B的衰减输出被施加到开式谐振腔(包含等离子体)，并且使用输出光阑取样由此产生的内电场。
图6为根据本发明的等离子体发生器控制系统的第一实施方案的框图。为了提供这种控制系统，需要考虑下面的附加限制。
1.锁定的震荡器的频率变化总是小于谐振器的共振频率变化，但是如果放大器增益足够大差值可以做的非常小。然而，为了阻止不稳定问题，选择不是太大的放大器增益。
2.在给定操作过程中在所关心的等离子体电子密度的整个范围内震荡器优选锁定(即被稳定)到相同的谐振器模式(即共振频率)。对于在此描述的频率范围，对于合适的震荡器100(例如固态震荡器)的控制电压希望具有+/-5伏特数量级的范围。这就意味着放大器的输出应该具有+/-20伏特数量级的线性动态范围。
3.尽管不需要知道震荡器100被锁定的那个特定模式，在特定过程中震荡器100优选不偏移到不同的谐振器模式上。模式偏移将导致施加到震荡器100可调谐元件上的容易确认的电压变化。通过检查施加到震荡器100的电压变化可以容易地监视可调谐电极电压。
由于开式谐振腔的共振频率之间的关系，因此不需要知道模式数量。例如，对于共焦谐振器，共振频率由下式给出f(q,n)=(c2nd)(q+12),]]>其中n是谐振器中介质的折射率，c为真空中的光速，d为反射镜175(在图6中示出的)之间的距离，q为轴向模数。从这个表达式，可以得出f(q,1)f(q,n)=n,]]>由于n与模数无关，因此该式不受轴向模数q的限制。然而，在分子和分母中q必须具有相同的值，表示震荡器始终保持锁定到相同的模式。
如果在反射镜之间的区域中折射率不均匀，f(q，n)被f(q，<n>)取代，其中<n>为处于操作频率下沿着两个反射镜之间的通路的平均折射率。因此<n>≡1d∫ndx≈f(q,1)f(q,<n>)]]>众所周知，折射率与等离子体密度N与由下式给出的近似式相关n≈1-Ne2ϵ0m(2πf)2=1-(fpf)2,]]>其中e为电子的电荷量，m为电子质量，ε0为自由空间的介电常数，f为信号频率，fp为等离子体频率。如果(fpf)2<<1,]]>可以得出n≈1-e28π2ϵ0mf2N,]]>因此∫ndx≈d-e28π2ϵ0mf2∫Ndx.]]>从先前得出的值1d∫ndx,]]>可以得出1d∫Ndx≡<N>≈8π2ϵ0m[f(q,<n>)]2e2[1-f(q,1)f(q,<n>)].]]>根据上述的简单频率测量，这个表达式提供了沿着反射镜之间的通路的等离子体密度近似值。单一测量系统为沿着反射镜之间的通路的平均等离子体密度提供一个值，在相同的处理室中的该系统，例如两个或多个的多重系统，基本同时提供了关于等离子体密度的空间变化的附加信息。另一实施方案不使用两个完全独立的测量系统，而使用(1)在处理室外部的相同测量系统和(2)连接到该室外部测量系统的该室中的不同组镜子。再一实施方案使用处理室外部的控制器提供处理室内部的可移动反射镜。如果使用非刚性的波导管在处理室中上述移动是可能的。
微波鉴频器电路可失去控制震荡器频率的可能性引起另外的复杂性。如果震荡器频率变得非锁定，假定当失去控制时，它的值将从f(q，<n>)移向f(q，1)。如果这种情况发生，在开式谐振腔中的电磁场将衰减直到震荡器频率趋近f(q-1，<n>)。此时开式谐振腔中的电磁场将增加并且频率控制电路可再次获得控制，将震荡器频率稳定在f(q-1，<n>)上。如果在f(q-1，<n>)没有重新获得控制，频率下降将继续直到震荡器频率趋近f(q-2，<n>)。假定这种过程继续直到震荡器频率变得再次锁定在共振频率f(q-w，<n>)上，其中w为期望从1到3范围内的整数。
为了解释从这种系统中得到的实验数据，必须知道整数w。为了确定w，如图6所示，从开式谐振腔170耦合小量的功率，并且将其供应到探测器220(例如晶体探测器)和计数器230上。如果由于失去震荡器频率的控制开式谐振腔170中的场衰退，探测器220的输出将变成零，并且计数器230将记录1次结果。例如，如果震荡器100从f(q，<n>)处的控制滑移，在f(q-1，<n>)处重新捕获其频率，计数器230将记录1次结果。如果直到f(q-2，<n>)才重新获得控制，计数器230将记录2次结果。如果探测器220的输出为零，将没有重新建立控制。
假如频率控制的暂时丢失导致从模式q到模式q-w的变化。在这种情况下平均折射率<n>可表示为<n>=f(q-w,1)f(q-w,<n>).]]>对于空共焦谐振器，众所周知f(q-w，1)可表示为f(q-w,1)=f(q,1)-w(c2d).]]>因此，<n>=f(q,1)-w(c/2d)f(q-w,<n>)]]>由于知道确定<n>必须的所有信息，本发明的系统(和方法)可被用于产生控制电压，从而控制等离子体发生器240(使用或不使用控制电压信号的形状)。如图6的实施方案所示，使用第二频率鉴频器110′控制等离子体发生器240。该第二鉴频器110′比较震荡器110的频率与等离子体发生器参照谐振器245(例如频率计)的共振频率，已经使用计算机将该谐振器设置到所需的锁定震荡器频率上，该频率由下式给出fosc=f(q-w,1)<nd>,]]>其中<nd>为该过程所需的平均折射率。对于优选的操作模式，w＝0，其中在整个过程中震荡器100保持锁定到相同的共振模式。然而，为了一般起见，假定震荡器100的频率起初被锁定到模式q的频率上，并且随后锁定到模式q-w的频率上。如上所述，假定w已知。
第二鉴频器110′用作等离子体发生器控制鉴频器并且具有一种输出，该输出具有与图4示出的输出相似的特性。可选择鉴频器110′，使得它对于f(q-w，<n>)＜fosc具有正电压，对于f(q-w，<n>)＞fosc具有负电压，对于f(q-w，<n>)＝fosc电压为零。
根据本发明，可按下述控制该系统1.等离子体发生器240关闭功率，调整鉴频器110，放大器105，和震荡器100，由此震荡器100被锁定到开式谐振腔的便利模式上。
2.计算对应于<nd>的震荡器100的频率，<nd>即所需的<n>值。
3.使等离子体发生器控制电路102′脱离，将等离子体发生器控制谐振器245设置到在上述步骤2中计算的频率上。
4.使(1)计算机250，(2)控制电路元件，和等离子体发生器240通电。
5.监视等离子体发生器控制放大器115′的输出电压以检验整个控制系统正常运行。
在图7所示的本发明的另一实施方案中，图6的一部分实施方案被数字信号处理器(DSP)290和支持电路取代。具体地，(1)计算机，(2)第二稳定器102′，和(3)等离子体发生器参照谐振器245被(1)DSP290，(2)至少一个A/D转换器(例如，270A)，和(3)两个D/A转换器(280A和280B)取代。DSP290响应三个输入(1)对应于所需等离子体密度的用于震荡器频率的震荡器控制电压，通过数据输入设备275(例如，通过键盘或借助A/D转换器270B的电位计)输入；(2)已经被A/D转换器270A转换的稳定器电路102的电压数字当量；以及(3)由连接到开式谐振腔170的输出线的探测器220供应的计数器230的输出。
如果开式谐振腔170中的电磁场由于失去震荡器频率的控制而衰退，在开式谐振腔170的输出线中的探测器220的输出将降低至零，并且计数器230将记录结果。失去锁定可如下所述用于通知DSP290初始一种算法以重新建立锁定，和/或警告设备操作人员失去锁定和设备可能发生异常。注意到探测器220的零输出意味着震荡器频率未被锁定到开式谐振腔170的共振频率上。
DSP290的一个输出被D/A转换器280A转换成一个模拟信号，然后该信号被用作震荡器100的控制电压。DSP290的第二输出被D/A转换器280B转换成一个模拟信号，然后该信号被用于控制等离子体发生器240。
等离子体发生器控制电压的变化引起等离子体密度发生变化，该变化进而引起鉴频器110，鉴频器放大器115和A/D转换器270A的输出发生变化。通过由D/A转换器280A改变控制电压从而DSP290响应，因此震荡器100的频率也发生变化。震荡器控制电压的更新值为更新的等离子体密度的量度。DSP290比较正被供应到震荡器100控制端的电压数字当量与通过输入器件275输入的数据，并且发出一个合适的控制信号通过D/A转换器280B到达等离子体发生器240。然后锁定的震荡器100的输出被施加到等离子体室。
选择系统的取样周期以确保失锁情况将被DSP290识别。DSP290然后应用各种算法以重新建立震荡器频率和开式谐振腔共振频率之间的锁定。所述的第一算法根据一个或多个测量的参数，诸如射频(RF)功率，气压，气体流速，室温度和等离子体光信号，计算希望的等离子体密度。然后在计算的频率极限内DSP290搜索鉴频器零点。第二种这类算法测量模间的间隔以确定合适的等离子体密度然后以所确定的密度执行鉴频器零点搜索。
图8为图6示出的用于控制等离子体发生器240的计算机250实施方案的示意描述。计算机250包括包含主板404的计算机外壳402，该主板包含CPU406，存储器408(例如，DRAM，ROM，EPROM，EEPROM，SRAM，SDRAM，和Flash RAM)，和其它任选的特殊目的的逻辑器件(例如，ASIC)或者可配置逻辑器件(例如，GAL和重新编程FPGA)。计算机250也包括多个输入设备(例如，键盘422和鼠标424)，和用于控制显示器420的显卡410。另外，计算机系统250还包括软盘驱动器414；其它可移动介质驱动器(例如，光盘419，磁带，和可移动磁光介质(未示出))；和硬盘412，或其它固定的高密度介质驱动器，使用合适的器件总线(例如，SCSI总线，增强的IDE总线，超DMA总线)连接。计算机250可另外包括光驱418，光盘读/写单元(未示出)或光盘机(未示出)，而且被连接到相同的器件总线或另一器件总线。尽管光盘419以CD盒示出，但是光盘419可直接插入到不需要盒的CD-ROM驱动器中。另外，打印机(未示出)也提供了震荡器100和共振谐振器170的频率匹配情况如何的打印列表。
如上所述，该系统至少包括一个计算机可读介质。计算机可读介质的实施例为光盘419，硬盘412，软盘，磁带，磁光盘，PROM(EPROM，EEPROM，Flash EPROM)，DRAM，SRAM，SDRAM等。本发明包括用于控制计算机250硬件和用于使计算机250能够与用户相互作用的软件，存储在任何一种计算机可读介质或其组合体上。所述软件可包括，但不局限于设备驱动程序，操作系统和用户应用，诸如开发工具。所述计算机可读介质还包括用于控制等离子体发生器240的本发明计算机程序产品。本发明的计算机编码设备可为任何的编译或执行编码机构，包括但不局限于文稿编排程序，解释器，动态链接库，Java类，和完全可执行程序。而且，先前描述了作为单独的DSP290，通过编程以执行上述功能的计算机250可实际上取代DSP。不脱离本发明的精神，计算机250另外可在一个时间内控制多个过程。
明显地，根据上述的教导，本发明的多种修改和变化是可能的。因此，应当理解到在附属权利要求书的范围内，可以按照与在此具体描述的不同的方式实施本发明。
权利要求
1.一种用于控制等离子体发生器的系统，该系统包括开式谐振腔，以共振频率共振；震荡器，具有可变频率的输出；控制电路，用于测量共振频率和可变频率之间的差值，并且用于施加校正信号到震荡器上以改变可变频率从而基本上匹配共振频率。
2.如权利要求1的系统，其中鉴频器包括一个用于测量处于1010至1012cm-3范围内的等离子体密度的鉴频器。
3.如权利要求1的系统，其中鉴频器包括一个用于测量处于1010至1012cm-3范围内的电子密度的鉴频器。
4.如权利要求1的系统，其中开式谐振腔被浸入到等离子体中。
5.如权利要求1的系统，其中开式谐振腔还包括用于接收输入和输出微波连接的反射器。
6.如权利要求1的系统，其中控制电路包括微波频率鉴别器；以及连接到微波频率鉴别器上的放大器，其中放大器输出校正信号。
7.如权利要求1的系统，其中控制电路包括等离子体发生器参照谐振器；以及用于比较等离子体发生器参照谐振器的共振频率以产生校正信号的微波频率鉴别器。
8.如权利要求7的系统，其中控制电路还包括用于在施加控制信号到等离子体发生器之前处理校正信号的计算机。
9.如权利要求7的系统，其中控制电路还包括用于比较微波鉴别器的输出与输入数据以控制等离子体发生器的数字信号处理器。
10.如权利要求1的系统，其中开式谐振腔还包括用于接受多套独立可控的输入和输出微波连接的多套反射器。
全文摘要
一种用于测量等离子体密度(例如在10
文档编号H01J37/32GK1361889SQ00810564
公开日2002年7月31日 申请日期2000年7月20日 优先权日1999年7月20日
发明者约瑟夫·T·沃德云, 韦恩·L·约翰逊, 默里·D·瑟基斯 申请人:东京电子株式会社