JP2003229729A - Icp high-frequency power source - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-efficiency ICP high-frequency power source which is increased in response speed, by lowering the power-supply voltage while reducing the power losses in a plurality of stages of high-frequency amplifying sections. <P>SOLUTION: High-frequency, oscillated and amplified by means of the oscillation circuit of an RF amplifier 21a of the first-stage amplifier 21, is amplified by means of an RF amplifier 21c of the amplifier 21 via a voltage-controlled attenuator 21b and inputted to the final-stage amplifier 22 via the next-stage amplifier 22. A traveling-wave power detecting signal Pf and a reflected-wave power detecting signal Pr from a power detecting section 26 are inputted to a control section 28 and the section 28 controls DC power sources, by turning on and off the power sources so that a power-supply voltage Vdd from a DC power source section 24 becomes the required lowest voltage value. At the same time, control signals are sent to the attenuator 21b and a matching section 27 so that the voltage Vdd matches a load (coil 6 or plasma) and a high-frequency current flows to the coil 6. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、高周波プラズマ発
光分析装置等のＩＣＰ高周波電源に係わり、特に電源回
路の電力損失および印加電圧を最小限にしてシステム全
体が安定に動作するように制御する、高周波増幅部に関
する。 【０００２】 【従来の技術】３００ＭＨｚ以下の周波数において、コ
イルに高周波電流を流し、高周波磁界の電磁誘導によっ
て発生する電界に、試料ガスを導入するとプラズマ放電
が発生し、放電と電気回路の結合は誘導型となり、この
プラズマ放電は一般にＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ
‐Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｒａｄｉｏ ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＰ
ｌａｓｍａ：高周波誘導結合プラズマ）と呼ばれてい
る。そして、ＩＣＰを利用した分析装置に、ＩＣＰ発光
分析装置やＩＣＰ質量分析装置等がある。ＩＣＰ発光分
析装置（高周波プラズマ発光分析装置）は、そのプラズ
マ放電の発光を分光器で分光し試料に含まれる元素の分
析を行うものである。また、ＩＣＰ質量分析装置は、そ
のプラズマ放電によって発生したイオンを分析室の電場
や磁場に導き質量数によって選別し、試料に含まれる元
素の分析を行うものである。 【０００３】図５に、従来のＩＣＰ発光分析装置（以
下、ＩＣＰ分析装置という）のブロックダイアグラムを
示す。ＩＣＰ分析装置は、溶液の試料２が、アルゴンガ
ス供給装置１のアルゴンガス流量制御部１ａで流量制御
（０．６ｌ／ｍｉｎ程度）されたキャリアガス（アルゴ
ンガス）と共にノズル４ｃに導入され、試料霧化部１２
の噴霧室１２ａ内に噴霧される。試料霧化部１２は、噴
霧室１２ａとその外周に噴霧室水冷部１２ｂを備えた２
重構造を有し、一般に、水冷チャンバなどと呼ばれて、
冷却水が冷却水送水装置１１から入口１２ｆを介して外
側の噴霧室水冷部１２ｂに給水され、噴霧室１２ａが冷
却水温度に冷却され、噴霧室１２ａの温度変化を押えて
いる。その冷却水は出口１２ｇから出て冷却水送水装置
１１に戻り、所定の温度に制御されて循環する。そし
て、噴霧室１２ａでのドレインはドレインパイプ４ｄに
貯められる。そして、試料霧化部１２は上方のプラズマ
トーチ７と接続部１２ｅで接続されている。 【０００４】プラズマトーチ７は、石英管７ａ、７ｂ、
７ｃの同心三重構造をしており、外側よりクーラントガ
ス、補助ガス、試料を含むキャリアガスが流される。ク
ーラントガスは、アルゴンガスが用いられ、外形２０ｍ
ｍ程度の石英管７ｃの下部に設けられた入口７ｅから、
アルゴンガス供給装置１のアルゴンガス流量制御部１ａ
で流量制御（８ｌ／ｍｉｎ程度）されて供給される
（Ａ）。クーラントガスは、プラズマトーチ７の放電部
分の冷却を行うと共に、プラズマを形成するガスであ
る。補助ガスは、アルゴンガスが用いられ、石英管７ｂ
を保護すると同時に、上部で発生するプラズマをわずか
に浮かせる目的で、下部に設けられた入口７ｄから、ア
ルゴンガス供給装置１のアルゴンガス流量制御部１ａで
流量制御（０．６ｌ／ｍｉｎ程度）されて供給される
（Ｂ）。しかし、油、有機溶媒などの分析の場合は２ｌ
／ｍｉｎ以上流すことがあるが、一般に水溶液試料の場
合は流さないこともある。キャリアガスは、噴霧室１２
ａから送られ、試料を含んだアルゴンガス（Ｃ）であ
る。中心の石英管７ａの先端が細いノズルになってお
り、ここから霧化しプラズマの中央（Ｅ）に導入され
る。プラズマトーチ７の上部位置に銅管製のコイル６が
配置され、常に冷却水が流され、分析時に高周波電源５
から高周波電流が流される。 【０００５】図６に、高周波電源５のブロックダイアグ
ラムを示す。高周波電源５は、発振回路を含むアンプ１
３とアンプ１４とアンプ１５で構成される高周波増幅部
５ａと、電力検出部５ｂと、整合部５ｃとから構成され
る。高周波増幅部５ａは、ｋＷオーダの大きな電力を出
力するために、通常、複数の高周波増幅回路をカスケー
ドに接続し、段階的に電力増幅が行われる。また最終段
の高周波増幅回路は一つの増幅回路で構成される場合
や、複数の増幅回路を並列に接続しその前後に電力分配
器と電力合成器を配置した構成のものもある。電力検出
部５ｂは、進行波電力と反射波電力を検出して、その信
号を制御部５ｄに送信するものである。整合部５ｃは、
負荷（コイル６またはプラズマ）とのインピーダンスの
マッチングをとり負荷に供給する電力を最大にするもの
である。 【０００６】高周波電源５は、高周波増幅部５ａの初段
のアンプ１３に組込まれた発振回路で発振され増幅され
た数Ｗ出力の高周波が、次段のアンプ１４で数百Ｗ程度
の高周波電力に増幅され、最終段のアンプ１５で数ｋＷ
程度の高周波電力に電力増幅され、電力検出部５ｂを介
し、整合部５ｃからコイル６に高周波電流を流す。周波
数は２７．１２ＭＨｚ、最大２ｋＷ程度のものが多く用
いられる。そして、電力検出部５ｂから進行波電力検出
信号Ｐｆと反射波電力検出信号Ｐｒが制御部５ｄに入力
され、制御部５ｄは、整合部５ｃに制御信号を送り、整
合部５ｃで負荷（コイル６またはプラズマ）とのインピ
ーダンスマッチングがとられる。また、制御部５ｄは、
高周波増幅部５ａの各アンプ１４、１５の電源電圧を制
御し高周波出力電力を制御する。そして、損失を最小に
して出力を最大にするように制御され、高効率でコイル
６の内部にプラズマが生成される。 【０００７】また、図５に示すように、補助ガスの入口
７ｄ（又は、クーラントガスの入口７ｅ）にテスラコイ
ル３のイグニッションの電極が設けられ、高電圧により
アルゴンガスの一部を電離させ、電離されたアルゴンガ
スがコイル６の近くに達すると、そこで発生している高
周波磁界（Ｇ）のため、誘導電流が流れプラズマ（Ｄ）
が発生する。ドーナツ状の中心温度は、約１０，０００
°Ｋ、プラズマトーチ７の先端中心で６，０００〜８，
０００°Ｋ程度になる。 【０００８】霧になった試料は、プラズマトーチ７の中
央（Ｅ）に導入され、まず、溶媒が蒸発し分子となり、
さらに分解して励起原子、励起イオンの状態になり、
（Ｆ）の部分でそれらが定常状態に戻るときに、余分な
エネルギーを元素固有の波長を持つスペクトルとして放
射する。（Ｆ）で発光した光は分光器８に導入され、レ
ンズ８ａによって回折格子８ｂに照射され、そこで分光
されて、円弧上に配置された光電子増倍管８ｃに入力さ
れ、その各信号がデータ処理部９に送られてスペクトル
処理され、表示部１０に表示される。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】従来のＩＣＰの高周波
電源５は以上のように構成されているが、出力電力を制
御し高めるために、後段のアンプ１４、１５の電源電圧
等の動作条件を固定し、初段のアンプ１３の出力電力を
制御する方法を採用すると、応答速度は速くなるが電力
損失が大きくなる。また、整合部５ｃがプラズマ点灯
後、制御部５ｄによって、負荷（コイル６またはプラズ
マ）とのインピーダンスマッチングがとられ、反射波電
力が最小になるように設計されているが、点灯前には大
きな反射波電力が電力検出部５ｂを介して高周波増幅部
５ａのアンプ１５に戻ることになる。高周波増幅部５ａ
に戻った反射波電力の一部は、最終段のアンプ１５で熱
となり消費されるほかアンプ１５内のトランジスタの負
荷インピーダンスにより決まる電圧が、電源電圧に重畳
してトランジスタに印加されることになる。トランジス
タは、電力損失に反射波電力の吸収分が加わり、これが
許容電力損失分を超えると壊れてしまい、また、電源電
圧に反射波電力が加わり、これが耐電圧を超えると壊れ
るという問題がある。反射波電力に対する保護回路は存
在するが、この設定値をあまり低い値に抑えると、逆に
充分な進行波電力を確保することができず、プラズマ点
灯が困難になる。 【００１０】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、複数段の電力増幅器からなる高周波増
幅部での電力損失を少なくし電源電圧を低くして、高周
波増幅部のトランジスタが破損しないようにし、応答速
度を速めた高効率のＩＣＰ高周波電源を提供することを
目的とする。 【００１１】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のＩＣＰ高周波電源は、発振回路を含み複数
段の高周波電力用アンプを有した高周波増幅部からの出
力を、進行波と反射波の電力を検出する電力検出部とコ
イルを有する負荷とのインピーダンス整合をとる整合部
とを介して、負荷への供給電力が最大になるように制御
部で制御し、前記コイルに高周波電流を流し、電磁誘導
によって試料ガスをプラズマ放電させるＩＣＰ高周波電
源において、前記高周波増幅部の初段アンプを制御する
手段と、最終段アンプの電源電圧を段階的に切換える手
段とを備え、前記制御部により初段アンプの出力電力を
電力検出部からの検出信号によって制御し、最終段アン
プの電源電圧を設定出力電力毎に段階的に切換えるもの
である。 【００１２】本発明のＩＣＰ高周波電源は上記のように
構成されており、発振回路と複数段の高周波電力用アン
プを有した高周波増幅部において、初段アンプの出力電
力を電力検出部からの検出信号によって制御し、その出
力を後段アンプに入力し、最終段アンプの電源電圧を、
設定出力電力を発生するのに必要な最小の電源電圧より
少し大きい電圧値になるよう設定する。そのため、初段
アンプの制御で高速応答性を高め、最終段アンプの電圧
を切換えることにより、低電圧で電力損失を最小限にし
てシステム全体が安定に動作するように制御することが
できる。 【００１３】 【発明の実施の形態】本発明のＩＣＰ高周波電源の一実
施例を図１を参照しながら説明する。図１は本発明のＩ
ＣＰ高周波電源のブロックダイアグラムを示す図であ
る。本ＩＣＰ高周波電源は、発振回路を含む初段アンプ
２１と次段のアンプ２２と最終段アンプ２３からなる高
周波増幅部２５と、最終段アンプ２３に電源電圧を供給
するＤＣ電源部２４と、進行波と反射波の電力を検出す
る電力検出部２６と、負荷（コイル６またはプラズマ）
とのインピーダンスマッチングをとる整合部２７と、電
力検出部２６からの進行波電力検出信号Ｐｆと反射波電
力検出信号Ｐｒを受け、高周波増幅部２５の初段アンプ
２１と整合部２７を制御する制御部２８とから構成され
る。 【００１４】高周波増幅部２５は、初段アンプ２１に組
込まれたＲＦアンプ２１ａの発振回路で高周波が発振さ
れ増幅され、制御部２８からの電圧制御信号によって制
御される電圧制御アッテネータ２１ｂを介して、ＲＦア
ンプ２１ｃで増幅され、数Ｗ程度の高周波が出力され
る。そして、次段のアンプ２２で数百Ｗ程度の高周波電
力に増幅され、最終段アンプ２３で、制御部２８からの
ＤＣ電源ＯＮ／ＯＦＦ制御信号によってＤＣ電源が切換
えられ、ＤＣ電源部２４からの電源電圧Ｖｄｄが供給さ
れて数ｋＷ程度の高周波電力に電力増幅される。初段ア
ンプ２１の電圧制御アッテネータ２１ｂは、電力検出部
２６からの進行波電力検出信号Ｐｆと反射波電力検出信
号Ｐｒが制御部２８に入力され、それに応じて制御部２
８から電圧による制御信号が電圧制御アッテネータ２１
ｂに入力され、電圧制御アッテネータ２１ｂの出力電力
を増減し、高周波増幅部２５の系全体を安定化するもの
である。最終段アンプ２３に電源電圧Ｖｄｄを供給する
ＤＣ電源部２４は、複数の固定出力のＤＣ電源が縦続接
続されたもので、各入力側のＯＮ／ＯＦＦが制御され、
設定出力電力毎に、電源電圧Ｖｄｄが切換えられるもの
である。その電源電圧Ｖｄｄは、装置の設定出力電力を
発生するのに必要な最小の電源電圧より少し大きい電圧
値になるように、設定出力電力に応じて、制御部２８か
ら複数の固定出力電源の従続接続されたＤＣ電源部２４
を段階的に切換えて設定される。電力検出部２６は、高
周波増幅部２５からの進行波電力と、コイル６を含む負
荷との不整合により整合部２７から戻ってくる反射波電
力を検出し、その進行波電力検出信号Ｐｆと反射波電力
検出信号Ｐｒを、制御部２８に入力するものである。整
合部２７は、負荷（コイル６またはプラズマ）とのイン
ピーダンスのマッチング（整合）をとるもので、ＬＣ回
路によってマッチングをとり負荷に供給する電力が最大
になるよう制御される。 【００１５】次に高周波増幅回路の出力電力の制御方法
について説明する。ＩＣＰ発光分析装置では、分析条件
によりいくつかの出力電力に設定して装置が使用される
が、その出力電力の制御方法として、次の方法が一般的
に用いられる。 （１）高周波増幅部２５の後段の増幅回路（アンプ２
２、最終アンプ２３）の作動条件を固定にしておいて、
初段アンプ２１の増幅回路の出力電力を可変にする方
式。 （２）高周波増幅部２５の前段の増幅回路（初段アンプ
２１、アンプ２２）の作動条件を固定にしておいて、最
終段の増幅回路の電源電圧を可変にする方式。図２
（ａ）にアンプの入力電力Ｐｉｎ、出力電力Ｐｏｕｔ、
電源電圧Ｖｄｄ、電源電流Ｉｄを示し、（ｂ）に電源電
圧Ｖｄｄ_１、Ｖｄｄ_２（Ｖｄｄ_２＞Ｖｄｄ _１）における
入力電力Ｐｉｎに対する出力電力Ｐｏｕｔの特性を示
し、（ｃ）に入力電力ＰｉｎをＰｉｎ_１に固定してお
き、そのときの電源電圧Ｖｄｄに対する出力電力Ｐｏｕ
ｔの特性を示す。図２（ｂ）は、上記の出力電力の制御
方法の（１）方式を説明するグラフで、電源電圧Ｖｄｄ
を固定し、入力電力Ｐｉｎを増やしていくと出力電力Ｐ
ｏｕｔも増加していくグラフの傾斜している斜線の領域
を利用して、出力電力Ｐｏｕｔを制御することができ
る。そして、出力電力Ｐｏｕｔは電源電圧Ｖｄｄとトラ
ンジスタの負荷インピーダンスで決まる最大電力で飽和
する。図２（ｃ）は、上記の出力電力の制御方法の
（２）方式を説明するグラフである。（ｂ）のグラフの
飽和領域において、入力電力Ｐｉｎ（＝Ｐｉｎ_１）を固
定し、電源電圧ＶｄｄをＶｄｄ_１からＶｄｄ_２に増やし
ていくと出力電力ＰｏｕｔもＰｏｕｔ_１からＰｏｕｔ_２
に増加していくので、グラフのように電源電圧Ｖｄｄに
よって出力電力Ｐｏｕｔを制御することができる。 【００１６】図３（ａ）は、高周波増幅回路の制御の方
式（１）、（２）による、出力電力Ｐｏｕｔに対する効
率ηのグラフを示し、（ｂ）は出力電力Ｐｏｕｔに対す
る電力損失Ｐｌｏｓｓのグラフを示し、（ｃ）は制御の
方式（１）において電源電圧Ｖｄｄ_１、Ｖｄｄ_２での出
力電力Ｐｏｕｔに対する効率ηのグラフを示す。制御の
方式（１）、（２）において効率をη、電力損失をＰｌ
ｏｓｓとすると、 η＝Ｐｏｕｔ／（Ｖｄｄ×Ｉｄ） Ｐｌｏｓｓ＝Ｖｄｄ×Ｉｄ−Ｐｏｕｔ＝（１−η）×Ｐ
ｏｕｔ／η となる。方式（２）の制御方式では、（ａ）に示すよう
に、方式（１）よりも効率ηが高く、（b）に示すよう
に電力損失Ｐｌｏｓｓが少ない。そして、最大電力出力
時に効率ηも高い。すなわち、図２（ｃ）に示すよう
に、入力電力ＰｉｎをＰｉｎ_１に固定すれば、各Ｖｄｄ
で常に効率ηを高い状態にして出力電力Ｐｏｕｔを可変
することができる。また、方式（１）の制御方式では、
図３（ｃ）に示すように、電源電圧Ｖｄｄを変えた場
合、同じ出力電力Ｐｏｕｔを得るには電源電圧Ｖｄｄの
低いほうが、効率ηが良くなる。図４に、制御方式の方
式（１）と方式（２）の長所短所を表に示す。方式
（１）は、応答速度が速いが、電力損失Ｐｌｏｓｓが大
きく、常に、電源電圧が最大となる。これに対し、方式
（２）は電力損失Ｐｌｏｓｓが小さいが、応答速度が遅
く、電源電圧発生部の回路構成が複雑になる。 【００１７】上記のような制御方式の特性を活かすため
に、本発明の高周波増幅部２５は、初段アンプ２１を方
式（１）で制御し、応答速度を速くし、最終段アンプ２
３を方式（２）で制御するようにして、最終段アンプ２
３の電源電圧Ｖｄｄを、複数のＤＣ電源を縦続接続し入
力でＯＮ／ＯＦＦすることで電源電圧Ｖｄｄを生成する
ＤＣ電源部２４を用いて制御し、電力損失Ｐｌｏｓｓを
少なくしている。しかも、ＤＣ電源部２４の出力電圧の
切換えは、装置の設定出力電力を発生するのに必要な最
小の電源電圧（Ｐｏｕｔ_１に対するＶｄｄ_１）より少し
大きい電圧値になるように設定されており、低電圧で作
動され、最終段アンプ２３のトランジスタに、その電力
損失と反射波電力の吸収分が加わってもこれが許容電力
損失分を超えることがなく、また電源電圧Ｖｄｄに反射
波電力が加わっても耐電圧を超えることもなくなり、ト
ランジスタが壊れるという問題が解消する。そして、出
力電力Ｐｏｕｔは、初段アンプ２１の電源電圧（電圧制
御アッテネータ２１ｂに供給する電圧）によって制御さ
れ、システム全体が安定して動作することができる。 【００１８】 【発明の効果】本発明のＩＣＰ高周波電源は上記のよう
に構成されており、高周波増幅部の初段アンプの出力電
力を制御し、その出力を多段増幅し、最終段アンプの電
源電圧を、装置の設定出力電力を発生するのに必要な最
小の電源電圧より少し大きい電圧値になるように、複数
の固定出力電源の従続接続されたＤＣ電源部を段階的に
切換えて設定し、負荷とのインピーダンス整合をとって
高周波電力を出力しているので、初段アンプの制御で高
速応答性を高め、最終段アンプの電源電圧を必要最小限
の値に抑えて電圧を切換えることにより、低電圧で電力
損失を少なくしてシステム全体が安定に動作するよう
に、効率よく制御し、コイルに高周波電流を流し電磁誘
導によってプラズマ放電させることができる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention
Related to ICP high-frequency power supplies such as optical analyzers,
System power loss and applied voltage to a minimum
Related to the high-frequency amplifier, which controls the body to operate stably.
I do. [0002] 2. Description of the Related Art At frequencies below 300 MHz, core
High-frequency current is passed through the
When a sample gas is introduced into the electric field generated by
Occurs, and the connection between the discharge and the electric circuit becomes inductive,
Plasma discharge is generally performed by ICP (Inductively).
-Coupled Radio FrequencyP
lasma: high frequency inductively coupled plasma)
You. Then, the ICP emission is sent to the analyzer using the ICP.
There are an analyzer and an ICP mass spectrometer. ICP emission
Analyzer (high-frequency plasma emission spectrometer)
The emission of the laser discharge is analyzed by a spectrometer, and the
The analysis is performed. In addition, ICP mass spectrometers
Ions generated by the plasma discharge in the
To the magnetic field and the magnetic field.
Elementary analysis. FIG. 5 shows a conventional ICP emission spectrometer (hereinafter referred to as an ICP emission spectrometer).
Below, the ICP analyzer)
Show. In the ICP analyzer, the solution sample 2 is
Flow control by the argon gas flow controller 1a of the gas supply device 1.
(About 0.6 l / min) carrier gas (Argo
Gas into the nozzle 4c together with the sample atomizing unit 12
Is sprayed into the spray chamber 12a. The sample atomizing unit 12
2 equipped with a mist chamber 12a and a spray chamber water cooling section 12b on the outer periphery thereof
It has a heavy structure and is generally called a water-cooled chamber, etc.
The cooling water is discharged from the cooling water supply device 11 through the inlet 12f.
The water is supplied to the spray chamber water cooling section 12b on the side, and the spray chamber 12a is cooled.
It is cooled down to the water temperature and suppresses the temperature change of the spray chamber 12a.
I have. The cooling water flows out of the outlet 12g and the cooling water supply device
Returning to 11, the circulation is controlled at a predetermined temperature. Soshi
Therefore, the drain in the spray chamber 12a is connected to the drain pipe 4d.
Can be saved. And the sample atomizing part 12 is the upper plasma
The torch 7 is connected to the connecting portion 12e. The plasma torch 7 includes quartz tubes 7a, 7b,
7c has a concentric triple structure.
A carrier gas containing a gas, an auxiliary gas, and a sample is supplied. K
Arant gas is used as the coolant gas, and the outer diameter is 20 m.
m from the inlet 7e provided below the quartz tube 7c.
Argon gas flow controller 1a of argon gas supply device 1
Is supplied at a controlled flow rate (about 8 l / min)
(A). The coolant gas is supplied to the discharge part of the plasma torch 7
Gas that forms plasma while cooling
You. Argon gas is used as the auxiliary gas, and the quartz tube 7b
At the same time as reducing the plasma generated at the top
Through the entrance 7d provided at the bottom for the purpose of floating
In the argon gas flow controller 1a of the Lugon gas supply device 1,
Supplied with flow rate control (about 0.6 l / min)
(B). However, in the case of analysis of oil, organic solvent, etc., 2 l
/ Min.
Sometimes they do not flow. The carrier gas is supplied to the spray chamber 12
a, containing argon gas (C)
You. The tip of the central quartz tube 7a is a thin nozzle.
From here, atomized and introduced into the center (E) of the plasma
You. A coil 6 made of a copper tube is provided above the plasma torch 7.
The cooling water is always flowed and the high frequency power supply 5
A high-frequency current flows from the FIG. 6 shows a block diagram of the high frequency power supply 5.
Show ram. The high frequency power supply 5 is an amplifier 1 including an oscillation circuit.
High-frequency amplification unit composed of an amplifier 3, an amplifier 14, and an amplifier 15
5a, a power detection unit 5b, and a matching unit 5c.
You. The high-frequency amplifier 5a outputs a large power of the order of kW.
Cascading multiple high-frequency amplifier circuits to
Power amplification is performed step by step. Also the last stage
High-frequency amplifier circuit is composed of one amplifier circuit
Or, connect multiple amplifier circuits in parallel and distribute power before and after
There is also a configuration in which a power combiner and a power combiner are arranged. Power detection
The unit 5b detects the traveling wave power and the reflected wave power, and
Is transmitted to the control unit 5d. The matching unit 5c
Of impedance with load (coil 6 or plasma)
What maximizes the power supplied to the load by matching
It is. The high-frequency power supply 5 is a first stage of the high-frequency amplifier 5a.
Oscillated and amplified by the oscillation circuit built into the amplifier 13
The high frequency of several W output is about several hundred W by the amplifier 14 in the next stage.
KW power, and several kW in the final stage amplifier 15.
The power is amplified to a high frequency power of about
Then, a high-frequency current flows from the matching section 5c to the coil 6. frequency
The number is 27.12MHz and the maximum is about 2kW.
You can. Then, traveling wave power detection is performed from the power detection unit 5b.
The signal Pf and the reflected power detection signal Pr are input to the control unit 5d.
Then, the control unit 5d sends a control signal to the matching unit 5c, and
In the joint 5c, the impedance with the load (coil 6 or plasma) is
-Dance matching is performed. In addition, the control unit 5d
The power supply voltage of each of the amplifiers 14 and 15 of the high-frequency amplifier 5a is controlled.
Control to control high frequency output power. And minimize losses
The output is controlled to maximize
Plasma is generated inside 6. [0007] As shown in FIG.
Tesla carp at 7d (or coolant gas inlet 7e)
The ignition electrode of the 3rd is provided.
Part of the argon gas is ionized and the ionized argon gas
When the coil reaches near the coil 6, the high
Due to the frequency magnetic field (G), induced current flows and plasma (D)
Occurs. The center temperature of the donut is about 10,000
° K, 6,000 to 8, at the center of the tip of the plasma torch 7
About 000 ° K. The mist sample is placed in a plasma torch 7.
Introduced to the center (E), first the solvent evaporates to molecules,
It is further decomposed into excited atoms and excited ions,
When they return to steady state in part (F), extra
Energy is emitted as a spectrum with a wavelength unique to the element.
Shoot. The light emitted in (F) is introduced into the spectroscope 8 and
Is irradiated on the diffraction grating 8b by the lens 8a.
And input to the photomultiplier tube 8c arranged on the arc.
Each signal is sent to the data processing unit 9 and the spectrum is
It is processed and displayed on the display unit 10. [0009] SUMMARY OF THE INVENTION The high frequency of the conventional ICP
The power supply 5 is configured as described above, but controls the output power.
The power supply voltage of the subsequent amplifiers 14 and 15
And other operating conditions, and the output power of the first-stage amplifier 13 is reduced.
When the control method is adopted, the response speed increases, but the power
The loss increases. Also, the matching section 5c is turned on by plasma.
Then, the load (the coil 6 or the plasma
Impedance matching with the
Designed to minimize force, but large before lighting
The reflected wave power is transmitted to the high frequency amplification unit via the power detection unit 5b.
The process returns to the amplifier 15 of FIG. High frequency amplifier 5a
A part of the reflected wave power returned to
And the negative of the transistor in the amplifier 15.
Voltage determined by load impedance is superimposed on power supply voltage
Is applied to the transistor. Transis
The power loss, the reflected wave power absorption is added to the power loss.
If it exceeds the allowable power loss, it will be broken,
The reflected wave power is added to the pressure, and it breaks when it exceeds the withstand voltage
Problem. There is no protection circuit against reflected wave power
However, if this value is set too low,
It is not possible to secure sufficient traveling wave power,
Lighting becomes difficult. The present invention has been made in view of such circumstances.
High-frequency amplifier consisting of multiple stages of power amplifiers
Reduce the power loss at the width and lower the power supply voltage,
To prevent damage to the transistors in the
To provide a high-efficiency ICP high-frequency power supply
Aim. [0011] SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object,
Therefore, the ICP high-frequency power supply of the present invention includes an oscillation circuit
Output from a high-frequency amplifier with a high-frequency power amplifier
Power and a power detector that detects the power of the traveling wave and the reflected wave.
Matching section for impedance matching with a load having
Control to maximize the power supplied to the load via
Control by the section, and a high-frequency current is applied to the coil,
ICP high-frequency power for plasma discharge of sample gas
Control the first-stage amplifier of the high-frequency amplification unit at the source
Means and means for stepwise switching the power supply voltage of the final stage amplifier
And the control unit controls the output power of the first-stage amplifier.
Control by the detection signal from the power detector
Switches the power supply voltage of the step by step for each set output power
It is. The ICP high-frequency power supply of the present invention has the following features.
Oscillating circuit and multiple stages of high-frequency power amplifiers.
Output power of the first stage amplifier
The power is controlled by the detection signal from the power detector,
Input the power to the subsequent amplifier,
From the minimum supply voltage required to generate the set output power
Set to a slightly higher voltage value. Therefore, the first stage
High-speed response is improved by controlling the amplifier, and the voltage of the final stage amplifier is
To minimize power loss at low voltage.
Control so that the entire system operates stably.
it can. [0013] DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the ICP high frequency power supply of the present invention
An embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows the I of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a block diagram of a CP high-frequency power supply.
You. This ICP high frequency power supply is a first stage amplifier including an oscillation circuit
21 and the next-stage amplifier 22 and the last-stage amplifier 23
Supply power supply voltage to frequency amplifier 25 and final stage amplifier 23
DC power supply 24 for detecting the power of the traveling wave and the reflected wave.
Power detector 26 and load (coil 6 or plasma)
A matching unit 27 for impedance matching with the
The traveling wave power detection signal Pf from the force detection unit 26 and the reflected wave power
The first-stage amplifier of the high-frequency amplifier 25 which receives the force detection signal Pr
21 and a control unit 28 for controlling the matching unit 27.
You. The high-frequency amplifier 25 is combined with the first-stage amplifier 21.
High frequency is oscillated by the oscillation circuit of the RF amplifier 21a inserted.
Amplified by the voltage control signal from the control unit 28.
RF voltage is controlled via the voltage control attenuator 21b.
Amplified by the amplifier 21c, a high frequency of about several W is output.
You. Then, a high-frequency power of about several hundred W
And amplified by the final-stage amplifier 23 from the control unit 28.
DC power is switched by DC power ON / OFF control signal
The power supply voltage Vdd from the DC power supply unit 24 is supplied.
The power is amplified to a high frequency power of about several kW. First stage
The voltage control attenuator 21b of the amplifier 21
26 and the reflected wave power detection signal Pf
The signal Pr is input to the control unit 28, and accordingly, the control unit 2
8 is a voltage control signal from the voltage control attenuator 21.
b, the output power of the voltage control attenuator 21b
To stabilize the whole system of the high-frequency amplifier 25
It is. Supply the power supply voltage Vdd to the final-stage amplifier 23
The DC power supply unit 24 includes a plurality of fixed output DC power supplies connected in cascade.
ON / OFF of each input side is controlled,
Power supply voltage Vdd can be switched for each set output power
It is. The power supply voltage Vdd represents the set output power of the device.
Voltage slightly greater than the minimum supply voltage required to occur
Control unit 28 according to the set output power so that
DC power supply unit 24 connected to a plurality of fixed output power supplies
Are set in a stepwise manner. The power detection unit 26
The traveling wave power from the frequency amplifying section 25 and the negative
The reflected wave returning from the matching section 27 due to mismatch with the load
Power, the traveling wave power detection signal Pf and the reflected wave power
The detection signal Pr is input to the control unit 28. Adjustment
The joint 27 is connected to a load (coil 6 or plasma).
It is a match for the impedance, and is used for LC times.
Maximum power supplied to load after matching by road
Is controlled to be. Next, a method for controlling the output power of the high-frequency amplifier circuit
Will be described. In the ICP emission spectrometer, analysis conditions
The device is used with some output power set by
However, the following methods are generally used to control the output power.
Used for (1) Amplification circuit (amplifier 2) at the subsequent stage of high-frequency amplification section 25
2. With the operating conditions of the final amplifier 23) fixed,
How to make the output power of the amplifier circuit of the first stage amplifier 21 variable
formula. (2) Amplifying circuit (first-stage amplifier) in the preceding stage of high-frequency amplifier 25
21, the operation conditions of the amplifier 22) are fixed.
A method that makes the power supply voltage of the final stage amplifier variable. FIG.
(A) shows the input power Pin and output power Pout of the amplifier,
The power supply voltage Vdd and the power supply current Id are shown, and FIG.
Pressure Vdd₁, Vdd₂(Vdd₂> Vdd ₁In)
This shows the characteristics of the output power Pout with respect to the input power Pin.
And (c) the input power Pin₁Fixed to
Output power Pou with respect to the power supply voltage Vdd at that time.
The characteristic of t is shown. FIG. 2B shows the output power control described above.
FIG. 4 is a graph illustrating a method (1), and includes a power supply voltage Vdd.
Is fixed, and as the input power Pin is increased, the output power P
The area of the diagonal line in the graph where the out also increases
Can be used to control the output power Pout
You. The output power Pout is equal to the power supply voltage Vdd and the
Saturates at the maximum power determined by the load impedance of the transistor
I do. FIG. 2C shows the output power control method.
(2) It is a graph explaining a system. (B) of the graph
In the saturation region, the input power Pin (= Pin₁)
And set the power supply voltage Vdd to Vdd₁From Vdd₂Increase to
Output power Pout₁From Pout₂
To the power supply voltage Vdd as shown in the graph.
Therefore, the output power Pout can be controlled. FIG. 3A shows the control of the high-frequency amplifier circuit.
Effects on output power Pout by equations (1) and (2)
6 shows a graph of the rate η, where (b) shows the output power Pout.
7 shows a graph of the power loss Ploss.
In the method (1), the power supply voltage Vdd₁, Vdd₂Out at
4 shows a graph of efficiency η versus force power Pout. Control
In the methods (1) and (2), the efficiency is η and the power loss is Pl
oss, η = Pout / (Vdd × Id) Ploss = Vdd × Id−Pout = (1−η) × P
out / η It becomes. In the control method of the method (2), as shown in FIG.
In addition, the efficiency η is higher than that of the method (1), as shown in (b).
And the power loss Ploss is small. And the maximum power output
Sometimes the efficiency η is also high. That is, as shown in FIG.
To the input power Pin₁Fixed to, each Vdd
Variable the output power Pout with the efficiency η always high
can do. In the control method of the method (1),
As shown in FIG. 3C, when the power supply voltage Vdd is changed,
In order to obtain the same output power Pout, the power supply voltage Vdd
The lower the efficiency, the better the efficiency η. Figure 4 shows the control method
The table below shows the advantages and disadvantages of equation (1) and scheme (2). method
(1) has a high response speed but a large power loss Ploss.
Power supply voltage is always the highest. In contrast, the method
In (2), the power loss Ploss is small, but the response speed is slow.
In addition, the circuit configuration of the power supply voltage generator becomes complicated. In order to take advantage of the characteristics of the above control method
In addition, the high-frequency amplification unit 25 of the present invention
Control by the equation (1) to increase the response speed,
3 is controlled by the method (2) so that the final-stage amplifier 2
3 is connected to a plurality of DC power supplies by cascade connection.
Power supply voltage Vdd is generated by turning on / off with force
Control using the DC power supply unit 24 to reduce the power loss Ploss
I have less. Moreover, the output voltage of the DC power supply
Switching is the maximum necessary to generate the set output power of the device.
Small power supply voltage (Pout₁Vdd for₁Less than)
It is set to have a large voltage value and operates at low voltage.
And the power of the transistor
This is the permissible power even if the loss and the reflected wave power absorption are added.
Does not exceed the loss and reflects on the power supply voltage Vdd
Even when wave power is applied, the withstand voltage does not exceed
The problem that the transistor is broken is solved. And out
The power Pout is the power supply voltage of the first-stage amplifier 21 (voltage control).
(A voltage supplied to the attenuator 21b).
Thus, the whole system can operate stably. [0018] The ICP high-frequency power supply according to the present invention has the following features.
The output power of the first-stage amplifier of the high-frequency amplifier is
The output of the last-stage amplifier.
Supply voltage to the maximum required to generate the set output power of the device.
So that the voltage value is slightly larger than the small power supply voltage.
Cascade connected DC power supply unit of fixed output power supply
Switch and set, and match the impedance with the load
Since high frequency power is output, high
Improves fast response and minimizes the power supply voltage of the final stage amplifier
By switching the voltage while keeping the value of
Make the whole system work stably with less loss
Control efficiently, apply high-frequency current to the coil to induce electromagnetic induction.
Plasma discharge can be performed by conduction.

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明のＩＣＰ高周波電源の一実施例を示す
図である。 【図２】 本発明のＩＣＰ高周波電源のアンプの特性を
示す図である。 【図３】 本発明のＩＣＰ高周波電源のアンプの効率と
電力損失を示す図である。 【図４】 本発明のＩＣＰ高周波電源の高周波増幅部の
制御方式を比較した図である。 【図５】 高周波プラズマ発光分析装置を示す図であ
る。 【図６】 従来のＩＣＰ高周波電源のブロック構成を示
す図である。 【符号の説明】 １…アルゴンガス供給装置 １ａ…アルゴンガス流量制御部 ２…試料 ３…テスラコイル ４ｃ…ノズル ４ｄ…ドレインパイプ ５…高周波電源 ５ａ、２５…高周波増幅部 ５ｂ、２６…電力検出部 ５ｃ、２７…整合部 ５ｄ、２８…制御部 ６…コイル ７…プラズマトーチ ７ａ、７ｂ、７ｃ…石英管 ７ｄ、７ｅ、１２ｆ…入口 ８…分光器 ８ａ…レンズ ８ｂ…回折格子 ８ｃ…光電子増倍管 ９…データ処理装置 １０…表示部 １１…冷却水送水装置 １２…試料霧化部 １２ａ…噴霧室 １２ｂ…噴霧室水冷部 １２ｅ…接続部 １２ｇ…出口 １３、１４、１５…アンプ ２１…初段アンプ ２１ａ、２１ｃ…ＲＦアンプ ２１ｂ…電圧制御アッテネータ ２２…アンプ ２３…最終段アンプ ２４…ＤＣ電源部BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing one embodiment of an ICP high frequency power supply of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing characteristics of an amplifier of the ICP high-frequency power supply according to the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the efficiency and power loss of the amplifier of the ICP high-frequency power supply of the present invention. FIG. 4 is a diagram comparing control methods of a high-frequency amplifier of an ICP high-frequency power supply according to the present invention. FIG. 5 is a diagram showing a high-frequency plasma emission spectrometer. FIG. 6 is a diagram showing a block configuration of a conventional ICP high-frequency power supply. [Description of Signs] 1 ... Argon gas supply device 1a ... Argon gas flow control unit 2 ... Sample 3 ... Tesla coil 4c ... Nozzle 4d ... Drain pipe 5 ... High frequency power supply 5a, 25 ... High frequency amplification unit 5b, 26 ... Power detection unit 5c Reference numerals 27, matching units 5d, 28, control unit 6, coils 7, plasma torches 7a, 7b, 7c, quartz tubes 7d, 7e, 12f, inlet 8, spectroscope 8a, lens 8b, diffraction grating 8c, photomultiplier tube 9 Data processing unit 10 Display unit 11 Cooling water supply unit 12 Sample atomizing unit 12a Spray chamber 12b Spray chamber water cooling unit 12e Connection unit 12g Outlets 13, 14, 15 Amplifier 21 First stage amplifier 21a , 21c RF amplifier 21b Voltage control attenuator 22 Amplifier 23 Final amplifier 24 DC power supply

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5J091 AA01 AA41 AA51 CA36 CA37 CA57 CA65 FA01 FA18 GP05 HA19 HA33 HA39 KA32 KA49 MA22 SA00 TA01 TA02 5J500 AA01 AA41 AA51 AC36 AC37 AC57 AC65 AF01 AF18 AH19 AH33 AH39 AK32 AK49 AM22 AS00 AT01 AT02 PG05    ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    F term (reference) 5J091 AA01 AA41 AA51 CA36 CA37                       CA57 CA65 FA01 FA18 GP05                       HA19 HA33 HA39 KA32 KA49                       MA22 SA00 TA01 TA02                 5J500 AA01 AA41 AA51 AC36 AC37                       AC57 AC65 AF01 AF18 AH19                       AH33 AH39 AK32 AK49 AM22                       AS00 AT01 AT02 PG05

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項１】発振回路を含み複数段の高周波電力用アン
プを有した高周波増幅部からの出力を、進行波と反射波
の電力を検出する電力検出部と、コイルを有する負荷と
のインピーダンス整合をとる整合部とを介して、負荷へ
の供給電力が最大になるように制御部で制御し、前記コ
イルに高周波電流を流し、電磁誘導によって試料ガスを
プラズマ放電させるＩＣＰ高周波電源において、前記高
周波増幅部の初段アンプを制御する手段と、最終段アン
プの電源電圧を段階的に切換える手段とを備え、前記制
御部により初段アンプの出力電力を電力検出部からの検
出信号によって制御し、最終段アンプの電源電圧を設定
出力電力毎に段階的に切換えることを特徴とするＩＣＰ
高周波電源。Claims: 1. An output from a high-frequency amplifier including an oscillation circuit and having a plurality of stages of high-frequency power amplifiers, a power detector for detecting the power of a traveling wave and a reflected wave, and a coil. An ICP that controls the control unit so that the power supplied to the load is maximized through a matching unit that performs impedance matching with the load, and supplies a high-frequency current to the coil, and plasma discharges the sample gas by electromagnetic induction. A high-frequency power supply, comprising: means for controlling the first-stage amplifier of the high-frequency amplifier; and means for switching the power supply voltage of the last-stage amplifier in a stepwise manner. The control unit controls the output power of the first-stage amplifier by a detection signal from a power detection unit. Characterized in that the power supply voltage of the final-stage amplifier is switched stepwise for each set output power.
High frequency power supply.