用于在大的压力范围内产生等离子体的设备和方法以及用于借助于这样的设备进行光学气体分析/检测的系统和方法与流程

本发明涉及一种用于产生等离子体的设备和方法。本发明此外涉及一种用于借助于这样的设备进行光学气体分析和/或气体检测的系统，例如用于确定气体成分或用于探测特定的气体的测量装置，以及涉及一种用于运行该系统的方法。本发明属于等离子体产生、电离以及对分子和离子进行激发用以产生等离子体光以及此外对关于所产生的等离子体的气体成分的信息进行测量和评估的。

背景技术：

1、经常使用光学发射光谱法(oes)用于对气体样品进行定量和定性分析。该方法基于：受激发的原子发出表征化学元素的电磁辐射，并且从而提供关于样品的成分的信息。例如，通过将样品转变为等离子体状态来激发原子。用于执行光学发射光谱学的已知仪器分别使用特定的等离子体源，其中等离子体产生在所定义的压力范围内长效且稳定地起作用。然而，许多应用涉及非常大的压力范围，其中气体成分起着重要作用，并且因此应该被测量并且被监测或监控。因此需要大量的产生等离子体的仪器，这导致电子器件、软件、空间、能量和成本的高耗费。从而在应该在大的压力范围上分析气体的系统处需要多个测量装置、例如光谱仪并且还需要多个法兰端口。

2、因此，存在开发仪器的需求，所述仪器使得能够在例如从10-8托(高真空)至1500托(＞正常压力)的大的压力范围内或在所述大的压力范围上在最小的空间要求以及电子器件、软件、能量和成本的尽可能低的耗费的情况下稳定地产生等离子体及其发射光。

技术实现思路

1、本发明的任务在于提供一种用于在大的压力范围内(或在大的压力范围上)产生等离子体的设备，所述设备可以尽可能节省空间地连接到设施(或系统)上，从所述设施(或系统)中应该分析和/或探测气体，并且与用于产生等离子体的已知设备相比，是不太耗费的且更节省成本的。根据本发明，该任务通过根据权利要求1所述的设备来解决。

2、此外，本发明的任务是说明一种用于进行光学气体分析或气体检测的系统，所述系统包括这样的有利的用于产生等离子体的设备。该任务通过根据权利要求16所述的系统来解决。

3、此外，本发明的任务是提出一种用于在大的压力范围内(或在大的压力范围上)产生等离子体的对应的方法。这样的方法在权利要求17中被详细说明。

4、此外，本发明的任务是提出一种用于进行光学气体分析或气体检测的对应的方法。这样的方法在权利要求20中得以说明。

5、根据本发明的特定实施变型方案在从属权利要求中得以说明。

6、根据本发明的用于在大的压力范围中产生等离子体的设备，所述设备包括：

7、-第一等离子体源，其中所述第一等离子体源布置在第一放电室中并且被实施用于在低压范围中产生第一等离子体，其中所述低压范围尤其是延伸至高真空，即例如延伸直至10-8托；

8、-第二等离子体源，其中所述第二等离子体源布置在第二放电室中，并且被实施用于在高压范围中产生第二等离子体，其中所述高压范围尤其是延伸至正常压力以上，即例如延伸至1500托；

9、-第一耦合元件，尤其是具有法兰，用于将所述设备耦合到系统(尤其是气体源)，其中所述耦合元件被实施用于将气体从系统中引出；

10、-第二耦合元件，用于将所述设备耦合到用于进行光学气体分析或气体检测(或者气压测量)的光学传感器、诸如光电二极管或光谱仪，

11、其中所述第一放电室包括具有至少一个光学透镜的至第二耦合元件的第一光学连接并且所述第二放电室包括具有至少一个光学透镜的至第二耦合元件的第二光学连接(其中光学透镜可以是第一和第二光学连接的公共光学透镜)。

12、因此，根据本发明的设备的特点在于，所述设备能够产生至少两种不同的放电形式，即具有(一起)集成在该(单个)设备中的两个或更多个等离子体源。此外，该设备具有仅一个(连接)法兰，利用所述法兰可以将所述设备连接到具有待分析的气体的系统，并且所述设备也具有仅一个到(单个)光学传感器(诸如光谱仪)的耦合，以便在例如从10-8托至1500托的整个压力范围内执行光学气体分析。(两个)等离子体源的(两个)放电室在此可以并联或串联(串行地，依次)布置，并且待分析或待检测的气体可以并行地被输送给各个放电室或从一个放电室被引导穿过到下一放电室。具有等离子体源的并联/并排和串联/串行布置的放电室的组合也是可设想的，所述放电室以流体方式彼此连接或者以气密方式退耦。

13、由相应的等离子体发射的光经由光学连接从相应的放电室被引导到(在光学传感器前的)第二耦合元件。在此，每个光学连接具有光学透镜，其中例如两个光学连接也可以具有共同的光学透镜。除了一个或多个光学透镜之外，光学连接可以例如还包括合适的光导(元件)，例如光纤、管或棒。

14、在该设备的一个实施变型方案中，低压范围和高压范围一起在至少10个十倍程(dekaden)的压力范围上、尤其是在12个十倍程上延伸(例如以托为单位)。

15、在该设备的另一实施变型方案中，低压范围和高压范围重叠，尤其是在一个十倍程、例如从0.35托至3.5托的压力范围上重叠。

16、在该设备的另一实施变型方案中，第一和第二等离子体源是不同的等离子体源，例如分别来自以下组，所述组包括辉光放电源(glow discharge；冷阴极源)、无声放电源(电介质阻挡放电或电介质阻碍放电，dbe；dielectric barrier discharge，dbd)、高频等离子体源(rf等离子体源)、微波等离子体源(-＞正常/大气压等离子体)和电感耦合式等离子体源(inductively coupled plasma，icp源)。

17、在该设备的另一实施变型方案中，第一放电室以流体方式与第二放电室耦合(尤其是在两个放电室中存在着相同或几乎相同的压力)。

18、在该设备的另一实施变型方案中，第一放电室以气密方式与第二放电室退耦。

19、在该设备的另一实施变型方案中，气体能够从第一耦合元件被输送到第一放电室中并且能够从第一放电室被输送到第二放电室中。

20、在该设备的另一实施变型方案中，气体能够分开地从第一耦合元件被输送到第一放电室中和第二放电室中。

21、在该设备的另一实施变型方案中，在第一放电室和第二放电室之间布置有光学透镜，所述光学透镜是第一光学连接的一部分。

22、在该设备的另一实施变型方案中，第二耦合元件包括光学透镜，所述光学透镜是第一和/或第二光学连接的一部分。

23、在设备的另一实施变型方案中，第二光学连接是第一光学连接的一部分，即两个光学连接部分地或分区段地重叠。

24、在另一实施变型方案中，该设备此外包括压力传感器。压力传感器可以例如是以下之一：

25、-根据皮拉尼(pirani)的热传导真空计(针对大约从10-3托至1托的测量范围)；

26、-根据彭宁(penning)的具有冷阴极的电离真空计(针对从约10-7托至10-3托的测量范围)；

27、-根据巴雅-爱泊特(bayard-alpert)的具有热阴极的电离真空计(针对从约10-12托至10-3托的测量范围)；

28、-电容性隔膜真空计(capacitance diaphragm(vacuum)gauge(电容隔膜(真空)计)，cdg；针对从约10-5托至103托的测量范围)。

29、为了涵盖例如从10-8托至1500托的大的压力范围，该设备还可以具有多个压力传感器。

30、在另一实施变型方案中，该设备此外包括控制装置，所述控制装置被实施为根据借助于压力传感器(或多个压力传感器)确定的压力(或多个压力)来控制第一和/或第二等离子体源，尤其是接通或关断第一和/或第二等离子体源。

31、在该设备的另一实施变型方案中，第一放电室和第二放电室被实施为圆柱形的并且依次(串联地)同轴地布置(在共同的圆柱体轴线上)，其中第一耦合元件布置在第一放电室处并且第二耦合元件布置在第二放电室处，其中第一等离子体源尤其是辉光放电源(冷阴极源)，并且其中第二等离子体源尤其是无声放电源(用于电介质阻挡放电)。

32、在该设备的另一实施变型方案中，第一等离子体源的阳极以真空密封的方式被玻璃封装在穿过第二耦合元件中的光学透镜的馈通中，并且尤其是也(例如以真空密封的方式)被玻璃封装在穿过布置在所述第一放电室和所述第二放电室之间的光学透镜的馈通中，并且两个馈通尤其是居中地布置在两个光学透镜中，并且所述阳极(在两个放电室的共同的圆柱体轴线上)同轴地穿过第二放电室延伸直至第一放电室中。

33、在该设备的另一实施变型方案中，第二等离子体源具有高压电极和接地电极，其中所述高压电极嵌入电介质中，所述电介质构成所述第二放电室的内壁的至少一部分，并且所述接地电极与所述高压电极同心地在所述第二放电室内并且沿着所述内壁以距所述高压电极的距离为小于1mm、尤其是在0.05mm和0.5mm之间地布置，尤其是在例如由陶瓷制成的空心圆柱体上，其中在所述内壁和所述接地电极之间存在间隙，在所述间隙中当在所述高压电极和所述接地电极之间施加例如具有±1至±10kv范围内的电压和1至10khz范围内的频率的交流电压时，构成具有等离子体(即第二等离子体)的放电区。例如，电压曲线可以在交流电压的周期上从-5kv变换到+5kv并且再次变换回，即可以施加10kvpp的电压(从峰值到峰值，peek-to-peek)。电压曲线可以例如对应于正弦曲线。矩形电压同样是可能的。使电压相对于地电位从正变为负是有利的。通过这种方式，与例如通过在零(gnd)和正电压之间或在零(gnd)和负电压之间的变化相比，获得明显更稳定的等离子体。例如，高压电极和接地电极两者均可以被构造为薄壁空心圆柱体。这两个电极例如也可以被分段，即由在圆柱形表面上依次的导电条带构建。

34、在该设备的另一实施变型方案中，高压电极可以与地(例如可切换/受控制地)连接用于运行第一等离子体源，并且可以与高压交流电源(例如可切换/受控制地)连接用于运行第二等离子体源，和/或阳极可以与高压直流电源(例如3.3kv dc电压)(例如可切换或受控制地)连接用于运行第一等离子体源并且可以与地(例如可切换/受控制地)连接用于运行第二等离子体源。

35、在该设备的另一实施变型方案中，阳极(尤其是)在第一放电室内的同轴布置(其中放电室用作阴极)以及高压电极和接地电极(在第二放电室的内壁处)的径向布置导致由第一等离子体源产生的第一等离子体在第一放电室的圆柱轴线处构成并且由第一等离子体发射的第一光尤其是轴向地朝向第二耦合元件传播，并且由第二等离子体源产生的第二等离子体在第二放电室的内壁处构成，并且由第二等离子体发射的第二光尤其是倾斜于第二放电室的圆柱体轴线朝向第二耦合元件传播，使得第一光和第二光从不同的方向射到第二耦合元件中的光学透镜上。

36、在该设备的另一实施变型方案中，阳极由钼制成。

37、在该设备的另一实施变型方案中，第一放电室由钛制成。

38、在该设备的另一实施变型方案中，高压电极由铂制成。

39、在该设备的另一实施变型方案中，电介质由蓝宝石(al2o3)制成。

40、在该设备的另一实施变型方案中，接地电极由钼制成。

41、在该设备的另一实施变型方案中，所述一个光学透镜或多个光学透镜由蓝宝石(al2o3)制成。

42、根据本发明的另一方面，用于进行光学气体分析或气体检测(或气压测量)的系统包括：

43、-根据上面说明的实施变型方案中任一项所述的用于产生等离子体的设备；

44、-气体源，其中用于产生等离子体的设备利用第一耦合元件、尤其是利用法兰耦合到所述气体源上；

45、-光学传感器，诸如光电二极管或光谱仪，用于进行光学气体分析或气体检测(或气压测量)，其中用于产生等离子体的设备利用第二耦合元件耦合到所述光学传感器上。

46、根据本发明的另一方面，用于借助于根据上面说明的实施变型方案中任一项所述的用于产生等离子体的设备在大的压力范围内产生等离子体的方法包括以下步骤：

47、-通过第一耦合元件将气体从系统输送到具有第一等离子体源的第一放电室中和/或具有第二等离子体源的第二放电室中；

48、-通过所述第一等离子体源在第一放电室中在低压范围中产生第一等离子体，其中所述低压范围尤其是延伸至高真空，即例如延伸至10-8托，和/或通过所述第二等离子体源在所述第二放电室中在高压范围中产生第二等离子体，其中所述高压范围尤其是延伸至正常压力以上，即例如延伸至1500托；

49、-将由所述第一等离子体发射的光从所述第一放电室经由具有至少一个光学透镜的第一光学连接和/或将由第二等离子体发射的光从所述第二放电室经由具有至少一个光学透镜的第二光学连接引导到用于将所述设备耦合到光学传感器、诸如光电二极管或光谱仪上的第二耦合元件；

50、-通过所述第二耦合元件耦合输出由所述第一和/或第二等离子体发射的光的至少一部分。

51、在该方法的一种实施变型方案中，第二等离子体源是具有高压电极和接地电极的无声放电源，其中在高压电极和接地电极之间施加例如具有±1至±10kv范围中的电压和1至10khz范围中的频率的交流电压用于产生第二等离子体。

52、在该方法的另一实施变型方案中，根据借助于压力传感器确定的压力操控第一和/或第二等离子体源，尤其是接通或关断所述第一和/或第二等离子体源。

53、在该方法的另一实施变型方案中，在低压范围和高压范围重叠的压力范围中，例如在0.35托至3.5托的压力范围中，第一和第二等离子体源同时产生第一和第二等离子体。

54、根据本发明的另一方面，用于进行光学气体分析或气体检测(或气压测量)的方法包括执行用于产生等离子体的方法的根据上面说明的实施变型方案中任一项所述的步骤，以及此外包括以下步骤：

55、-将耦合输出的光传导给光学传感器，诸如光电二极管或光谱仪；

56、-基于耦合输出的光、尤其是耦合输出的光的强度和/或光谱分布来确定气体或气体的组分或探测特定气体或气体的特定组分(或确定气体的压力)。

57、如果现在在低压范围和高压范围重叠的压力范围内，例如在0.35托至3.5托的压力范围内，第一和第二等离子体源同时产生第一和第二等离子体，则这导致由于两种等离子体的光的较高(例如双倍)强度而引起的光学气体分析或气体检测的提高的灵敏度。例如，这对于痕量气体检测是有帮助的。通过第一和第二等离子体源的这种同时等离子体产生也可以在标识或确定痕量气体的部分分量(分压/浓度)方面是有帮助的，因为通过两种等离子体对气体的分馏是不同的。此外可能的是，借助于第一(或第二)等离子体的光的分析结果来校正第二(或第一)等离子体的光的分析结果，或者使用一个来校准另一个。

58、应当注意，上述实施变型方案的组合是可能的，所述组合又导致本发明的更特定的实施变型方案。