专利名称：感应耦合的射频电源的制作方法
技术领域：
本发明所公开的实施例通常涉及一种用于实现电源的技术，更特别地是涉
及一种用于实现感应耦合的等离子射频(RF)电源的系统和方法。
背景技术：
对于当代的电子分析设备的设计者和生产者而言，实现用于实现分析仪器 的有效方法具有重要意义。然而，使用电子设备有效地执行分析过程对于系统 设计者而言提出了重大的挑战。例如，对增加设备功能和性能的高要求需要更 多的系统功能并且需要其他的硬件资源。由于生产成本增大、操作效率低，功 能或者硬件要求的提高也导致了相应的不利经济影响。
此外，改进系统性能以执行各种高级的操作可以向系统用户提供更多的益 处，但是也提高了对各种设备组件的控制和管理的要求。例如，由于所包含的 分析的复杂性和精度，有效的实现对用于分析某些有机物质的改进电子系统很 有好处。
由于增大了对系统资源的要求并且提高了分析需求的复杂性，显然开发用 于实现分析仪器的新技术是相关电子技术所关心的问题。因此，基于全部的上 述原因，开发用于实现分析仪器的有效技术对于当代的分析仪器的设计者、生 产者和用户而言仍然具有重要意义。
发明内容
根据本发明，其公开了一种用于有效地实现RF电源的系统和方法。在一 个实施例中，RF电源的RF放大器通过一种均衡方式实现向固定的紧耦合阻抗 匹配提供可变频率RF功率信号。阻抗匹配然后向位于其包含分析用的试验样 本的等离子炬附近的等离子线圈传递RF功率信号。该RF功率信号通过低通滤波器返回至锁相环设备作为参考相位信号。此外，相位探针位于等离子线圈附 近以便对等离子线圈的当前工作频率进行釆样。相位探针的输出通过低通滤波 器返回至锁相环作为线圈相位信号。
锁相环设备然后釆用RF相位比较技术以追踪等离子线圈的峰值共振条件。 实际上，锁相环设备的相位检测器将参考相位信号与被釆样的线圈相位信号进 行比较以便产生误差电压，所述误差电压表示当前工作频率与峰值共振有关之
处。锁相环设备的压控振荡器然后利用误差电压向RF放大器产生相应的RF驱 动信号以便调节RF功率信号的频率。RF功率信号的调节后频率用于在朝向峰 值共振的方向上驱动等离子线圈的当前工作频率。在峰值共振处，误差电压为 零伏。
因此，如果作为来自等离子炬中的试验样本的可变负载的结果，等离子线 圈的阻抗改变，则产生误差电压，所述误差电压具有可在朝向共振的方向上驱 动等离子线圈的工作频率的极性。锁相环的环响应仅为工作频率的数十个周期。 RF电源因此可以快速地追踪等离子线圈处的峰值共振条件，以便有效地提供稳 定的RF功率，并在负载阻抗急剧变化的条件下维持等离子态。至少基于上述 原因，本发明提供了一种用于有效地实现感应耦合的等离子RF电源的改进系 统和方法。
为了更好地理解本发明的性质和目的，结合附图对以下详细说明给出参考， 其中
图l是根据本发明的一个实施例的等离子生成系统的框图2是根据本发明的图1的RF电源的一个实施例的框图3是根据本发明的图2的阻抗匹配和RF放大器的 一个实施例的示意图4是根据本发明的图2的锁相环的一个实施例的框图5是根据本发明的一个实施例举例说明相位位移-误差电压关系的曲线
图；图6是根据本发明的一个实施例举例说明用于操作共振斜率的技术的曲线
图7是根据本发明的一个实施例用于在等离子生成过程期间追踪共振条件
的方法步骤的流程图8是根据本发明的一个实施例用于产生误差电压的方法步骤的流程以及
图9是根据本发明的一个实施例用于调节rf工作频率的方法步骤的流程图。
相同的附图标记指的是遍及若干附图的对应部分。
具体实施例方式
本发明涉及分析仪器技术的改进。提供以下说明以便使本领域的普通技术 人员能够制造和使用本发明，并且以下说明是在专利申请及其要求的范围内提 出的。对所公开的实施例的各种修改对于所属领域技术人员而言显而易见，并 且其中的一般原理可被应用于其他实施例。因此，本发明不限于所示出的实施 例，而是与在此所描述的原理和特征的最宽范围相一致。
本发明包括一种用于实现电源的系统和方法，以及包括用于产生具有可调 节工作频率的RF功率信号的功率放大器。功率放大器还产生由射频(RF)功 率信号所衍生的参考相位信号。阻抗匹配向具有可变共振条件的等离子线圈提 供rf功率信号。相位探针位于等离子线圈附近以产生与可调节工作频率相对 应的线圈相位信号。基于参考相位信号和线圈相位信号之间的相位关系，锁相 环然后产生RF驱动信号。锁相环向功率放大器提供RF驱动信号以控制可调节 工作频率，以便此后可调节工作频率对可变共振条件进行追踪。
现在参考图1,根据本发明的一个实施例，显示了等离子生成系统112的 框图。在图l的实施例中，等离子生成系统112包括但不限于，射频(RF)电 源116,等离子线圈120和等离子炬124。在替代实施例中，等离子生成系统 112可以使用除了或者代替结合图1的实施例所讨论的这些组件和配置中的某种组件和配置之外的组件和配置来实现。
在图1的实施例中，等离子生成系统112用于利用改进的功率输出和效率 特性来初始化并维持试验样本的等离子态。在图l的实施例中，等离子生成系
统112可以用于任何适当的场合。例如，在某些实施例中，等离子生成系统112 可以结合感应耦合的等离子发光(ICPOE)系统或者感应耦合的等离子质谱分 析(ICPMS)系统一起使用。
等离子被称为第四物态，并由导电性的电离气体组成。等离子发射电磁波, 分析所述电磁波以便鉴别等离子中的相应原子元素。每个元素具有唯一一组波 长，并且给定波组的特性可被用于鉴别对应的元素。波长强度系数可被用于鉴 别被分析的测试样本中每个元素的浓度。分析测量的准确性和动态响应取决于 输出功率以初始化并维持测试样本处于等离子态的稳定性和方法。
在图l的实施例中，RF电源116向等离子线圈120提供RF功率。圆柱形 的等离子炬124 —般位于等离子线圈120附近。等离子炬124引导诸如氩气之 类的气体轴向地通过等离子线圈120中心。使用RF电源116中的阻抗匹配将 源自RF电源116的RF功率耦合到等离子线圈120以便向流经等离子炬124的 气体有效地传送RF功率。
接下来，通过等离子炬124中的气体对高点火电压进行放电，该气体释放 出自由电子。被分析的测试样本被注入到等离子炬124内的气流中。该测试样 本之后处于导电状态以便部分地耦合源自RF电源116的所施加RF功率。级联 过程继续逐渐地增大源自RF电源116的RF功率的耦合和传送直到建立完全等 离子态。在初始点火相位期间，RF电源116需要向RF功率供应高电位以向着 完全等离子态的方向启动级联过程。
当建立了完全等离子态时，等离子线圈120的电性向明显不同的阻抗转变。 较低的阻抗降低了维持等离子所需要的RF功率要求。等离子线圈120的共振 频率取决于等离子炬124中的特定的测试样本而改变。此外，向完全等离子态 的转变会引起等离子线圈120和等离子炬124的电性的重大变化。因此RF电 源116必须有效地支持这种动态转变。下面结合图2到图9对RF电源116的
8实现和功能作进一步说明。
现在参考图2，根据本发明，显示了图1的RF电源116的一个实施例的框 图。在替代实施例中，RF电源116可包括除了或者代替结合图2的实施例所讨 论的这些组件和配置中的某种组件和配置之外的组件和配置。此外，在初始化 并维持各种类型的等离子的环境下对RF电源116进行以下说明。然而，在某 些替代实施例中，本发明的原理和技术可被应用于其他适当的环境和应用。
在图2的实施例中，RF电源116用于促进等离子生成系统112 (图1)的 更好的功率稳定性和扩展的操作范围。RF电源116的功率稳定性允许对各种不 同类型的测试样本进行更精密的测量。扩展的操作范围有利于分析某些测试样 本，例如有机物，其在等离子线圈120和等离子炬124处显示出显著的阻抗变 化。增大阻抗变化的响应范围允许对较高浓度的测试样本溶液进行测试。
在图2的实施例中，RP放大器(RF amp) 216向固定的紧耦合阻抗匹配 224提供可变频率的RF功率信号220,固定的紧耦合阻抗匹配224然后通过路 径228向等离子线圈120传递该RF功率信号。作为未滤波参考相位信号244
(a) 把RF功率信号220通过低通滤波器(LPF ) 280返回至锁相环(PLL ) 240, 以作为已滤波参考相位信号244 (b)。在图2的实施例中，LPF280用于去除存 在于参考相位信号244 (a)中的某些谐波含量。此外，相位探针232位于等离 子线圈120附近，以便对等离子线圈120处的共振条件的当前操作状态进行采 样。在替代实施例中，RF电源116可以使用任何其他适当的技术对等离子线圈 120处的共振条件进行釆样。例如，相位探针232位于相对等离子线圈120而 言的任何有效位置。把相位探针232的输出作为未滤波线圈相位信号236 (a) 通过低通滤波器(LPF) 284返回至锁相环240以作为已滤波线圈相位信号236
(b) 。在图2的实施例中，LPF 284与LPF 280相同，用于提供与LPF 280相 同的时间/相位位移以便维持共振处的九十度相位关系。
在图2的实施例中，PLL240然后采用RF相位比较技术以追踪等离子线圈 120处的峰值共振条件。实际上，PLL 240将已滤波参考相位信号244 (b)与 已滤波线圈相位信号236 (b)进行比较以便产生误差电压，所述误差电压表示等离子线圈120的当前与峰值共振有关的工作频率。PLL 240然后利用误差电 压来产生给RF放大器216的相应RF驱动信号248以调节RF功率220的频率。 RF功率220的调节频率用于在朝向峰值共振的方向上驱动等离子线圈120的工 作频率。在峰值共振处，误差电压变为零伏。
因此，如果等离子线圈120的阻抗改变作为来自等离子炬124(图1)的可 变负载的结果，则产生误差电压，所述误差电压具有在朝向共振的方向上驱动 工作频率的极性。PLL 240的环响应仅为工作频率的数十个周期，在某些实施 例中其可被设定在大致27MHz。 RF电源116因此可以快速地追踪等离子线圈
条件下实现等离子态。
在图2的实施例中，控制器252监测并控制RF电源116的某些功能。例 如，控制器252可以监测等离子生成系统112(图1)的各种工作参数，例如氩 气压力、冷却水流速、功率损耗、等离子状态、等离子门互锁、最大电流和最 高温度。控制器252可以从任何适当的源接收参数信息。例如，在图2的实施 例中，等离子传感器272通过路径276向控制器提供等离子信息， 一个或多个 温度传感器通过路径268向控制器252提供温度信息。如果检测到任何不当的 工作条件，控制器252就可以启动安全停机程序。如果交流电源消失，则控制 器252会被施加足够的工作功率以便允许控制器252完成停机程序。RF电源 116可以通过主机接口 264与主机系统(例如主分析仪器)双向通信各种类型 的相关信息。
在图2的实施例中，可变电源260可用于为RF放大器216选择期望的工 作功率。RF电源116的总体设计考虑到了集成紧致的外壳，其中包括RF放大 器216、阻抗匹配224、控制器252、可变电源260及其他电路在内的全部元件 被装进一个模块化的外壳内。这种单机配置使RF电源116不必修改就可被并 入到各种分析仪器内。RF电源116的全部元件被装进一个普通的外壳内以便使 屏蔽射频辐射更加有效。下面结合图3-9对实现和使用RF电源116作进行进一 步说明。现在参考图3，根据本发明，显示了图2的RF放大器216以及图2的阻抗 匹配224的一个实施例的示意图。在替代实施例中，RF放大器216和阻抗匹配 224除了或者代替结合图3的实施例所讨论的这些组件和配置中的某种组件和 配置之外的组件和配置。
在图3的实施例中，RF放大器216的前置放大级(前置放大器)330在由 PLL240确定的给定可调节频率下接收来自PLL240(图2)的RF驱动信号248。 前置放大器330然后通过变压器l( Tl )336、晶体管Ql和Q2以及变压器2( T2 ) 324向RF放大器216的末级328传递RF驱动信号248。第一晶体管组(晶体 管Q5、 Q6和Q7)以及第二晶体管组(晶体管Q8、 Q9和Q10)被设置在推挽 放大器配置中，以便接收来自T2 324的RF信号，并且通过连接220 ( a)和220 (b )向阻抗匹配224产生均衡的RF功率信号。阻抗匹配224然后通过连接228 (a)和228 (b)向等离子线圈120传递该RF功率信号。此外，RF放大器216 的RF功率输出信号在连接220(a)处被采样，并且在反馈回路中被提供给PLL 240 (图2)作为参考相位信号244 (a)。
在图3的实施例中，RF放大器216具有功率放大器偏压以便在E级模式 (class E mode )下进行工作，以便通过完全地使Q5、 Q6、 Q7、 Q8、 Q9和Q10 饱和而对效率进行改进。功率放大器还可以被配置成利用Q5、 Q6、 Q7、 Q8、 Q9在更加线性的或者不饱和的B级工作模式下进行工作以降低效率，以便在 低于饱和模式下所获得的功率电平的条件下维持等离子。该模式对于质谱分析 的某些应用是有益的。RF放大器216的设计显示出具有平坦响应的较宽带宽， 所述较宽带宽在RF电源116 (图2)的工作频率范围内输出恒定功率。功率放 大器216直接地紧耦合于阻抗匹配224，因此，不再需要同轴馈送电缆。紧耦 合允许在除利用50欧姆同轴电缆的系统的特性阻抗之外的阻抗条件下工作。考 虑到等离子线圈120和等离子炬124处的更大范围的操作阻抗，因此，功率放 大器216可以使用动态阻抗进行操作。紧耦合还避免了限制动态范围和往往与 同轴电缆有关的不必要射频的辐射。
阻抗匹配224是固定的(不具有可变组件)，从而不再需要迟钝的、笨重的、昂贵的可变电容和伺服系统。从RF放大器216经由阻抗匹配224向等离子线 圈120的RF功率输出使用了具有接地中心抽头(center tap)的均衡配置。在替 代实施例中，可以使用非均衡的配置。在图3的实施例中，T3 320被实现成RF 铁氧变压器，取决于RF功率要求，其可在5欧姆或者更小的阻抗条件下运行。 在替代实施例中，变压器T3可以由中心抽头(center-tapped)的电感器L2替代。 其作用是从可变电源上对RF组件进行去耦。在220 (a)和220 (b)处给予功 率放大器的负载为5欧姆或者更小，这取决于RF功率需要。在连接220 (a) 和220 (b)处，来自RF放大器216的RF功率信号被配置成向阻抗匹配224 中提供均衡的RF功率信号。类似地，在连接228 (a)和228 (b)处，阻抗匹 配224被配置成以均衡方式驱动等离子线圈120。其结果是地电势周围平衡的 射频域。因此，在RF电源116中所需的最高电压减少了一半。
RF放大器216和阻抗匹配224的工作条件的变化可以引起导致功率输出变 化的不必要的共振位移。为了维持稳定的工作条件，使用水冷却装置使阻抗匹 配224处于恒温。因此，在某些实施例中，保持阻抗匹配224恒温以减少组件 值的变化。此外，RF电源116包括向图2的控制器252提供温度信息的热敏传 感器316。在图3的实施例中，可变电源260 (图2)向阻抗匹配224提供中心 抽头的工作频率，以便对RF放大器216的末级328供电。在图3的实施例中， 射频滤波器332阻止了不必要的射频漏入可变电源260。下面结合图7-9对RF 放大器216和阻抗匹配224的使用作进一步说明。
现在参考图4，根据本发明，显示了图2的锁相环(PLL) 240的一个实施 例的框图。在图4的实施例中，PLL240包括但不局限于，相位检测器416、积 分器428和压控振荡器(VCO) 432。在替代实施例中，PLL240可以包括除了 或者代替结合图4的实施例所讨论的这些组件和配置中的某种组件和配置之外 的组件和配置。
为了使RF电源116 (图1)向等离子炬124 (图1)输出完全RF功率的目 的，RF功率220 (图2)的工作频率最好是与阻抗匹配224 (图3)的固有峰值 共振频率相 一致。在图4的实施例中，具有相位检测器416和压控振荡器(VCO )432的锁相控制反馈环路用于控制由RF放大器216 (图2)的输出端所衍生的 参考相位信号244 (b)和由相位探针232 (图2)的输出端所衍生的线圈相位 信号236 (b)之间的相位关系。
为了追踪等离子线圈120处的峰值共振条件，相位检测器416必须产生零 误差电压424。由于相位检测器416的某些工作特性，参考相位信号244 (b) 和线圈相位信号236 (b)必须为相对彼此的90度异相，以便产生零误差电压 424。如果相位关系不是九十度，那么取决于相位差是否大于或者小于90度， 而使来自相位检测器416的误差电压424或者为正或者为负。在图4的实施例 中，由于在其各自的位置所衍生的参考相位信号244 (b)和线圈相位信号236 (b )之间存在固有的90度相位位移关系，从RF放大器216输出的RF功率信 号220中衍生参考相位信号244 (b)，以及从相位探针232的输出端衍生线圈 相位信号236 (b)。
在图4的实施例中，将误差电压424提供给积分器428，所述积分器428 用于放大误差电压424以及去除误差电压424中任何不必要的射频分量。积分 器428然后经由路径436向VC0 432提供经过积分误差电压424。 VCO432相 应地产生具有RF驱动频率的RF驱动信号248，所述RF驱动频率取决于从积 分器428所接收到的误差信号424的幅度和极性。PLL 240然后向RF放大器 216 (图2 )提供该RF驱动信号248以调节用于向阻抗匹配224 (图3 )提供的 RF功率信号220的工作频率。在图4的实施例中，PLL240可被实现成包括相 位偏移436，所述相位偏移436使得相位检测器416作出响应地调节RF驱动信 号248的频率以便等离子线圈120在除在峰值共振以外的共振斜率下进行操作。 例如，在某些实施例中，相位偏移436可以通过改变参考相位244 (b)的路径 长度来实现。下面结合图6对用于操作共振斜率的一个实例进行说明。结合图 5 -9对PLL 240的使用作以下进 一 步的说明。
现在参考图5，根据本发明的一个实施例，显示了用于举例说明相位位移-误差电压关系的曲线图。图5的曲线图是用于举例说明的目的，而在替代实施 例中，本发明可以使用具有除了或者代替结合图5的实施例所讨论的这些属性和特性中的某种属性和特性之外的属性和特性的相位位移-误差电压。
在图5的实施例中，横轴520示出了参考相位信号244和线圈相位值236 (图2 )之间的相位位移值。此外，纵轴516示出了来自PLL 240的相位检测 器416的误差电压424 (图4)。绘制了直线524以表示示范性的相位-位移-误 差电压关系。为举例说明的目的，图5的相位-位移-误差电压关系是线性的。 然而，在替代实施例中，同样可实现各种类型的非线性关系。如结合图4在以 上所讨论的那样，在九十度相位位移下，峰值共振条件528在图5的曲线图中 以零伏的误差电压表示。在图5的实例中，当相位差增大到高于九十度时，则 误差电压增大，以及当相位差减小到低于九十度时，则误差电压减小。
现在参考图6,根据本发明的一个实施例，显示了用于举例说明对共振斜 率进行操作的技术的曲线图。图6的提出为举例说明的目的，而在替代实施例 中，本发明可以使用除了或者代替结合图6的实施例所讨论的那些值和技术中 的某些值和技术以外的值和技术对共振斜率进行操作。
在图6的实施例中，横轴620示出了等离子线圏120(图2 )的工作频率值。 此外，纵轴616示出了等离子线圈120处的RF工作功率的幅值。绘制了钟形 曲线以表示来自等离子线圈120处的示范性共振条件的值。在图6的实施例中， 在峰值共振频率624处显示了峰值共振条件628。 RF电源116可以在共振斜率 条件下进行工作，以便等离子线圈120的工作频率有选择地被选择在不直接处 于峰值共振628之处的位置。在图6的实施例中，RF电源116在频率632下在 斜率点636处被操作。在共振斜率条件下对RF电源116进行操作合乎各种类 型的分析条件的需要，并且提供了编制RF电源116的响应特性的能力以改进 在某些搡作环境下的性能。
现在参考图7,根据本发明的一个实施例，显示了用于在等离子生成过程 期间追踪共振条件的方法的步骤流程图。为了举例说明的目的而提出了图7的 例子，而在替代实施例中，本发明可以使用不同于结合图7的实施例所讨论的 那些步骤和顺序的步骤和顺序。
在图7的实施例中，在步骤712, RF电源116 (图2)通过使用任何适当的技术来启动等离子生成过程。例如，在某些实施例中，RF电源116首先向等 离子炬124 (图1)中的气体提供高压点火电荷。在步骤714， RF电源116将 来自等离子线圈120的RF功率信号220应用于等离子炬124中处于部分等离 子态条件下的测试样本。在步骤716, RF电源116通过调节向等离子线圈120 提供的RF功率信号220的当前工作频率经由变化的等离子级联过程来追踪等 离子线圈120的共振条件。在步骤718，等离子炬124中的测试样本实现了完 全等离子态。最后，在步骤720， RF电源116保持在前面步骤718中所实现的 完全等离子态以利于对测试样本的各种分析过程。现在参考图8，根据本发明的一个实施例，显示了用于产生误差电压424 (图4)的方法步骤的流程图。为了举例说明的目的而提出了图8的例子，而 在替代实施例中，本发明可以使用不同于结合图8的实施例所讨论的那些步骤 和顺序的步骤和顺序。
在图8的实施例中，在步骤812，RF电源116首先对用于产生误差电压424 的参考相位信号244进行采样。在某些实施例中，参考相位信号244可以从来 自RF放大器216 (图2)的RF功率信号220中产生。然后，在步骤814， RF 电源116对由邻近于等离子线圈120(图2)的相位探针232所产生的线圏相位 信号236进行釆样。在步骤816, RF电源116向锁相环240 (图2 )的相位检 测器416提供参考相位信号244和线圈相位信号236。接下来，在步骤818，相 位检测器416使用任何适当的装置将参考相位信号244和线圈相位信号236进 行比较。最后，在步骤820，相位检测器416产生误差电压424,以表示参考相 位信号244和线圈相位信号236之间的相位位移的方向和幅值。
现在参考图9，根据本发明的一个实施例，显示了用于调节RF工作频率的 方法步骤的流程图。为了举例说明的目的而提出了图9的例子，而在替代实施 例中，本发明可以使用不同于结合图9的实施例所讨论的那些步骤和顺序的步 骤和顺序。
在图9的实施例中，在步骤912， PLL240 (图4)的积分器428对由相位 检测器416 (图4 )在图8的步骤820期间所产生的误差电压424进行积分以去除某些不必要的射频分量。然后，在步骤914，积分器428向PLL 240的压控 振荡器(VCO) 432提供该积分的误差电压。在步骤916， VCO 432产生具有 与误差电压424的波幅和极性相对应的驱动频率的RF驱动信号。在步骤918， PLL240向RF电源116的RF功率放大器216提供RF驱动信号248。
最后，在步骤920，响应于RF驱动信号248的驱动频率，RF功率放大器 216产生具有用于追踪等离子线圈120的当前峰值共振频率的频率的RF功率信 号220。 一般地在持续进行的基础上重复上述图8的误差电压产生过程和图9 的RF工作频率调节过程以便允许RF电源116追踪并保持当前共振条件下的工 作参数。至少基于上述原因，本发明提供了一种用于实现感应耦合的RF电源 的改进系统和方法。
以上参考某些实施例已经对本发明进行了说明。在此公开的启示下其它实 施例对于所属领域技术人员而言也显而易见。例如，本发明可以使用与上述实 施例所讨论的那些配置和技术中的某些配置和技术不同的配置和技术来实现。 另外，本发明可以被有效地应用于如上所述的系统以外的系统。因此，依据本
属权利要求进行限定。
权利要求
1、 一种用于实现电源的系统，包括功率放大器，用于产生具有可调节工作频率的射频功率信号，所述功率放大器还产生从所述射频功率信号中衍生的参考相位信号；阻抗匹配，向具有可变共振条件的等离子线圏提供所述射频功率信号； 相位探针，邻近于所述等离子线圈以产生相应于所述可调节工作频率的线圈相位信号；以及锁相环设备，用于向所述功率放大器产生驱动信号以控制所述可调节的工 作频率，所述驱动信号基于所述参考相位信号和所述线圈相位信号之间的相位 关系，所述可调节的工作频率然后追踪所述的可变共振条件。
2、 权利要求1的系统，其中所述锁相环设备的相位检测器接收并比较所述 参考相位信号和所述线圈相位信号以确定所述相位关系。
3、 权利要求2的系统，其中所述相位检测器产生误差电压，所述误差电压 表示所述相位关系的幅值和极性。
4、 权利要求3的系统，其中如果所述可调节工作频率等于所述可变共振条 件，则所述误差电压为零伏。
5 、权利要求4的系统，其中所述参考相位信号和所述线圈相位信号被采样， 以便当所述误差电压等于零伏时，所述相位关系为九十度异相。
6、 权利要求1的系统，其中所述相位检测器对所述误差电压进行调节以便 所述可调节工作频率被设置为不同于所述等离子线圈的峰值共振频率的共振斜 率频率。
7、 权利要求3的系统，其中积分器设备依据所述误差电压执行所述滤波过 程以去除不必要的射频分量。
8、 权利要求3的系统，其中所述锁相环设备的压控振荡器在所述可调节工 作频率下响应于所述误差信号的波幅和极性而产生所述驱动信号。
9、 权利要求1的系统，其中所述功率放大器在E级模式下工作以限制功率消耗要求。
10、 权利要求l的系统，其中所述电源的所述功率放大器被直接地紧耦合 于所述阻抗匹配。
11、 权利要求l的系统，其中所述阻抗匹配具有相对于所述功率放大器的 动态可变阻抗特性。
12、 权利要求l的系统，其中所述阻抗匹配通过固定的非可调节的电子器 件实现。
13、 权利要求l的系统，其中所述阻抗匹配以均衡方式将所述射频功率信 号从所述功率放大器向所述等离子线圈传递，其中所述阻抗匹配包括具有接地 中间抽头的射频变压器。
14、 权利要求l的系统，其中所述电源的所述等离子线圈用于初始化并维 持等离子炬内的处于等离子态的测试样本，以便利用光学辐射测量技术和质谱 分析测量技术中的至少一种进行分析。
15、 权利要求1的系统进一步包括所述电源的控制器设备，所述控制器设备监测被分析的测试样本的等离子状态，所述控制器设备还监测来自所述电源 中的热敏传感器的温度参数。
16、 权利要求l的系统，其中所述阻抗匹配通过由邻近的冷却机制所提供的温度稳定性实现。
17、 权利要求l的系统，其中所述电源包括可调节的可变电源，以便为所 述射频功率信号选择工作电压。
18、 权利要求l的系统，其中所述电源包括主机接口以便允许在所述电源 和外部主设备之间进行双向通信。
19、 权利要求l的系统，其中所述电源被实现成独立的模块设备，以有利 于将所述电源不进行改变即可并入主分析仪器。
20、 权利要求l的系统，其中所述功率放大器用于在B级模式下进行工作 以便降低用于维持低功率的等离子操作的发电效率。
21、 一种用于实现电源的方法，包括通过使用还产生从所述射频功率信号中衍生的参考相位信号的功率放大器 来产生具有可调节工作频率的射频功率信号；使用阻抗匹配向具有可变共振条件的等离子线圈提供所述射频功率信号；将相位探针定位于所述等离子线圈附近以产生相应于所述可调节工作频率的线圏相位信号；以及从锁相环设备中向所述功率放大器产生驱动信号以控制所述可调节的工作 频率，所述驱动信号基于所述参考相位信号和所述线圈相位信号之间的相位关系，所述可调节的工作频率然后追踪所述的可变共振条件。
全文摘要
本发明公开了一种用于实现包括功率放大器的电源的系统和方法，所述功率放大器产生具有可调节工作频率的射频功率信号。该功率放大器还产生由射频功率信号衍生出的参考相位信号。阻抗匹配向具有可变共振条件的等离子线圈提供射频功率信号。相位探针位于等离子线圈的附近以便产生与可调节工作频率相对应的线圈相位信号。此后，基于参考相位信号与线圈相位信号之间的相位关系，锁相环产生射频驱动信号。锁相环把射频驱动信号提供给功率放大器以控制可调节工作频率，以便此后可调节工作频率对可变共振条件进行追踪。
文档编号H03L5/02GK101313471SQ200680043566
公开日2008年11月26日 申请日期2006年11月16日 优先权日2005年11月21日
发明者保罗·J·玛特伯尼, 罗伯特·米勒, 罗格·弗莱彻 申请人:赛默飞世尔科技公司