一种微波等离子体炬装置

摘要

本发明提出一种微波等离子体炬装置，包括腔体部分，微波耦合部分和调谐部分；腔体部分包括由内向外依次同轴设置的内管、中管、外管，腔体部分一端为开口端、另一端设置所述调谐部分用以调整开口端的场强，外管侧壁设有微波耦合开口，微波耦合部分经过该微波耦合开口与腔体部分微波耦合、在外管和中管间形成第一微波谐振腔，内管和中管间设有用以将内管和中管同轴固定的多孔垫片，所述第一微波谐振腔经过腔体部分的开口端将微波耦合至内管和中管间形成第二微波谐振腔，所述多孔垫片的上表面配置为该第二微波谐振腔的反射面。本发明适用功率范围更宽，获得的等离子气体稳定性极佳，进一步可避免由于高强电场致热与等离子体热源叠加引发的系列问题。

权利要求

1.一种微波等离子体炬装置，其特征在于，包括腔体部分，微波耦合部分和调谐部分；

腔体部分包括由内向外依次同轴设置的内管、中管、外管，腔体部分一端为开口端、另一端设置所述调谐部分用以调整开口端的场强，外管侧壁设有微波耦合开口，微波耦合部分经过该微波耦合开口与腔体部分微波耦合、在外管和中管间形成第一微波谐振腔，内管和中管间设有用以将内管和中管同轴固定的多孔垫片，所述第一微波谐振腔经过腔体部分的开口端将微波耦合至内管和中管间形成第二微波谐振腔，所述多孔垫片的上表面配置为该第二微波谐振腔的反射面；所述多孔垫片距离腔体部分开口端端面的距离范围在之间，其中，N为正奇数，λ为微波的波长。

2.如权利要求1所述的微波等离子体炬装置，其特征在于，所述外管、中管、内管和多孔垫片均为金属材质物件。

3.如权利要求1所述的微波等离子体炬装置，其特征在于，所述外管的内壁、中管的内外壁、内管的外壁，以及多孔垫片的上表面均由金属材质构成。

4.如权利要求1所述的微波等离子体炬装置，其特征在于，所述调谐部分调整至腔体部分的深度为 M为正奇数，λ为微波的波长。

5.如权利要求1所述的微波等离子体炬装置，其特征在于，所述微波耦合部分包括耦合天线和耦合环，耦合环连接在中管外壁上，耦合天线一端穿过所述微波耦合开口连接耦合环、另一端连接微波传输线，将微波耦合至外管和中管间形成所述第一微波谐振腔。

6.如权利要求5所述的微波等离子体炬装置，其特征在于，所述耦合天线配置在腔体部分内电场分布最强位置处。

7.如权利要求5所述的微波等离子体炬装置，其特征在于，所述耦合环紧密连接中管外壁，或者，所述耦合环间隙连接中管外壁。

8.如权利要求1所述的微波等离子体炬装置，其特征在于，所述微波耦合部分包括耦合天线，该耦合天线一端穿过所述微波耦合开口连接调谐部分上表面、另一端连接微波传输线，将微波耦合至外管和中管间形成所述第一微波谐振腔。

9.如权利要求8所述的微波等离子体炬装置，其特征在于，所述耦合天线配置在腔体部分内磁场分布最强位置处。

说明书

一种微波等离子体炬装置

技术领域

[0001] 本发明属于光谱分析技术领域，具体的，涉及一种微波等离子体炬装置，可获得稳定性极佳的等离子体，且适用于范围在几瓦到上千瓦的功率条件。

背景技术

[0002] MPT(微波等离子体炬)的炬管通常为一端开口的三管同轴结构，样品(气溶胶，或气溶胶和等离子载气的结合气流)从内管内通入，等离子气体从内管和中管之间通入，微波通过耦合进入炬管，在炬管开口端激发等离子气体产生等离子体，从而样品经过等离子体后进行光谱分析。

[0003] 由于百瓦级MPT形成的等离子体体积较小，气体温度较低(2100K)，样品在等离子体中停留时间较短，不利于样品气溶胶在通过等离子体光源时完成蒸发、去溶、原子化、电离、激发、发射等一系列过程，在做复杂样品分析时，基体效应较严重。因此，不得不在样品进入等离子体光源前进行去溶，进样系统也就变得复杂化。若将传统的微波等离子体炬结构用在大功率条件下，虽然激发能力更强，但往往会形成无实际分析应用价值的单点单丝放电，而难以形成有价值的、稳定的倒漏斗形的等离子体。基于此，有必要研发具有更强激发能力的微波等离子体炬装置，能够形成具有实际分析应用价值的等离子体，利于样品的光谱分析。

[0004] 此外，MPT结构中需要形成两个较强的电场，一个用于微波能量耦合进入MPT腔体，一个用于激发并维持等离子体，而现有设计中两个较强电场空间分布上基本叠加，在大功率条件下会造成等离子体稳定性与微波传输效率相互干扰、等离子体高温引发微波传输效率降低等问题。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的目的是提供一种微波等离子体炬装置，适用功率范围更宽，获得的等离子气体稳定性极佳，同时可避免由于高强电场致热与等离子体热源叠加引发的系列问题。

[0006] 为解决上述问题，本发明提出一种微波等离子体炬装置，包括腔体部分，微波耦合部分和调谐部分；腔体部分包括由内向外依次同轴设置的内管、中管、外管，腔体部分一端为开口端、另一端设置所述调谐部分用以调整开口端的场强，外管侧壁设有微波耦合开口，微波耦合部分经过该微波耦合开口与腔体部分微波耦合、在外管和中管间形成第一微波谐振腔，内管和中管间设有用以将内管和中管同轴固定的多孔垫片，所述第一微波谐振腔经过腔体部分的开口端将微波耦合至内管和中管间形成第二微波谐振腔，所述多孔垫片的上表面配置为该第二微波谐振腔的反射面。

[0007] 根据本发明的一个实施例，所述外管、中管、内管和多孔垫片均为金属材质物件。

[0008] 根据本发明的一个实施例，所述外管的内壁、中管的内外壁、内管的外壁，以及多孔垫片的上表面均由金属材质构成。

[0009] 根据本发明的一个实施例，所述多孔垫片距离腔体部分开口端端面的距离范围在之间，其中，N为正奇数，λ为微波的波长。

[0010] 根据本发明的一个实施例，所述调谐部分调整至腔体部分的深度为 M为正奇数，λ为微波的波长。

[0011] 根据本发明的一个实施例，所述微波耦合部分包括耦合天线和耦合环，耦合环连接在中管外壁上，耦合天线一端穿过所述微波耦合开口连接耦合环、另一端连接微波传输线，将微波耦合至外管和中管间形成所述第一微波谐振腔。

[0012] 根据本发明的一个实施例，所述耦合天线配置在腔体部分内电场分布最强位置处。

[0013] 根据本发明的一个实施例，所述耦合环紧密连接中管外壁，或者，所述耦合环间隙连接中管外壁。

[0014] 根据本发明的一个实施例，所述微波耦合部分包括耦合天线，该耦合天线一端穿过所述微波耦合开口连接调谐部分上表面、另一端连接微波传输线，将微波耦合至外管和中管间形成所述第一微波谐振腔。

[0015] 根据本发明的一个实施例，所述耦合天线配置在腔体部分内磁场分布最强位置处。

[0016] 采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：微波耦合部分将微波耦合到外管和中管之间后，微波通过腔体部分的开口端耦合到中管和内管之间，调谐部分作为外管和中管的微波反射面，在外管和中管间的入射波和反射波形成了驻波，垫片作为中管和内管的微波反射面，在中管和内管间的入射波和反射波也形成了驻波，在开口端的电场强度调谐为最强，在大功率条件和小功率条件下，均可形成绕中管轴线高速旋转的丝状等离子体，等离子体的根部位于中管内壁中距开口端端面一定深度处，等离子体根部与中管接触面积大，因而散热面积较大，使得等离子体光源在中、内管壁上的热沉积减少，因而也减少了中、内管由于热沉积引起的形变量，避免了由于形变而引起的电磁传输性质改变，且从内管出来的样品不与等离子体的根部直接作用，不易破坏等离子体的根部，等离子体的稳定性极佳。

[0017] 进一步的，采用磁场耦合的方式引入微波，将微波耦合区和等离子体形成区在空间上分离，避免高功率的耦合天线由于离热源较近而温度上升，从而引发如传输效率降低、热损耗严重、局部放电等破坏有效输出功率稳定度与等离子体稳定性的问题。微波等离子体炬装置的部件连接更加方便，同时磁耦合不需要与中管实现电接触，避免了热量的传输与叠加，磁场耦合与电场激发的功能分离与空间分离消除了耦合结构对MPT开口端电磁对称性和流场对称性的干扰。

附图说明

[0018] 图1为本发明一实施例的微波等离子体炬装置的结构示意图；

[0019] 图2为本发明另一实施例的微波等离子体炬装置的结构示意图；

[0020] 图3为本发明一实施例的微波等离子体炬装置的电场仿真分布图；

[0021] 图4为多孔垫片距离腔体部分开口端端面不同深度时的MPT腔体部分电场强度最大值分布图；

[0022] 图5a为小功率条件下传统的MPT形成的等离子体示意图；

[0023] 图5b为小功率条件下本发明的MPT形成的等离子体示意图；

[0024] 图6为大功率条件下本发明的MPT形成的等离子体示意图。

具体实施方式

[0025] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0026] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

[0027] 参看图1，在本实施例中，微波等离子体炬装置包括外管1、中管2、内管3、调谐部分4、耦合天线5、耦合环6、多孔垫片7。

[0028] 外管1、中管2和内管3构成了微波等离子体炬装置的腔体部分，腔体部分的上端是一个开口端，下端设置了调谐部分4，调谐部分4的上表面是作为外管1和中管2之间微波的反射面的，调整调谐部分4的位置可以调节该反射面的高度，从而改变反射波，在外管1和中管2间形成第一微波谐振腔，在第一微波谐振腔内产生所需的电磁场驻波。

[0029] 内管3的下端用来通入样品，样品例如是气溶胶，或者气溶胶和等离子气体的混合物气流，当然还可以是其他的用于光谱分析的物体气流，中管2是用来通入等离子气体的，等离子气体例如可以是氩气、氮气、氦气等，通入的等离子气体位于中管2和内管3之间，在腔体部分的开口端被激发形成等离子体，样品和该等离子体相互作用。

[0030] 图1中，在外管1壁上开设一微波耦合开口，耦合环6连接在中管2外壁上，耦合天线5穿过该微波耦合开口和耦合环6连接，在耦合天线5连接微波传输线并引入微波后，将微波耦合传输至外管1和中管2之间。较佳的，耦合天线5配置在腔体部分内电场分布最强位置处，调整调谐部分4高度使得腔体部分开口端的电场场强最强，而磁场场强最弱，调谐部分4优选的调整至使得腔体部分的深度为 M为正奇数，λ为微波的波长。

[0031] 可选的，耦合环6紧密连接中管2外壁，以电导耦合的方式将微波能量馈入外管1和中管2之间；或者，耦合环6间隙连接中管2外壁，也就是耦合环6和中管2外壁之间还具有一定的间隙，以电容耦合的方式将微波能量馈入外管1和中管2之间。

[0032] 在腔体部分的开口端外管1和中管2的微波耦合至中管2和内管3间，由于在中管2和内管3间设置了多孔垫片7，多孔垫片7是一同心环结构，多孔垫片7的外径和中管2的内径一致，多孔垫片7的内径和内管3的外径一致，在多孔垫片7上开设了多个通气孔，多孔垫片7的作用除了常规的用来流通等离子气体和保证中管2和内管3的同轴度外，还用来作为中管2和内管3之间微波的反射面，可以理解，作为微波的反射面，该面是可以用来反射入射波的，从而在中管2和内管3之间形成第一微波谐振腔，在微波谐振腔产生所需的电磁场驻波。

[0033] 优选的，外管1、中管2、内管3和多孔垫片7均为金属材质物件，可选的，外管1的内壁、中管2的内外壁、内管3的外壁和多孔垫片7的上表面均由金属材质构成，使得外管1和中管2之间、中管2和内管3之间能够传递微波，并且多孔垫片7的上表面能够反射入射波。金属材质例如可以是金、银、铜、不锈钢等导电性能较好的金属。

[0034] 较佳的，将多孔垫片7和腔体部分开口端端面之间的距离配置为范围在之间，其中，N为正奇数，λ为微波的波长，其单位跟随微波波长λ的单位。将多孔垫片7设置在腔体部分深度在1/4个微波波长的正奇数倍附近处，可以使得腔体部分开口端处的电场强度达到较高值，当然该距离范围仅是优选值，在其他距离值处也可以实现本发明的双谐振结构，得到较好的等离子体。

[0035] 外管1和中管2间的微波，以及中管2和内管3间的微波，形成了微波等离子体炬装置的双谐振结构，而现有技术中仅在外管和中管间形成微波，无法形成双谐振结构。双谐振结构的微波等离子体炬装置，在腔体部分开口端的最大电场强度更高，远远高于非双谐振结构，更容易击穿等离子气体形成等离子体并维持，等离子体的根部位于中管2内壁中，通过的样品不易破坏等离子体的根部，所形成的等离子体更加稳定。

[0036] 参看图2，本实施例中，微波等离子体炬装置包括外管1’、中管2’、内管3’、调谐部分4’、耦合天线5’、多孔垫片7’。在外管1’壁上开设微波耦合开口，耦合天线伸入该微波耦合开口并和调谐部分4’的上表面连接，以磁场耦合的方式将微波能量馈入外管1’和中管2’之间，较佳的，耦合天线5’位于在腔体部分内磁场分布最强位置处。微波耦合区位于调谐部分4’上端面区域处，等离子体形成区位于腔体部分的开口端，两者在空间上分开的较远，避免高功率的耦合天线5’由于离等离子体热源较近而温度上升，从而引发如传输效率降低、热损耗严重、局部放电等破坏有效输出功率稳定度与等离子体稳定性的问题。省去耦合环，微波等离子体炬装置的部件连接更加方便，同时磁耦合不需要和中管2’电接触，避免了热量的传输与叠加，磁场耦合与电场激发的功能分离与空间分离消除了耦合结构对MPT开口端电磁对称性和流场对称性的干扰。其它部分的相关描述可以参看前述实施例的详细描述，在此不再赘述。

[0037] 可选的，在本实施例中，耦合天线5’还可以通过在调谐部分4’上开孔后从调谐部分4’的开孔中穿入，将微波引入外管1’和中管2’之间，从而更便于实现调谐功能，不在外管1’壁上设置微波耦合开口后，也就不会限制住调谐部分4’的调谐位置范围了。

[0038] 需要说明的是，微波耦合的方式并不限制于图1和图2中给出的具体实施方式，其他能够实现将微波能量耦合进入腔体部分的微波耦合方式都可以用在本发明的微波等离子体炬装置中，本领域技术人员轻易根据本发明作出的改动均落入本发明的保护范围，例如对微波耦合方式的改变。

[0039] 图3为根据本发明提供的一种微波等离子体炬装置的电磁仿真图，多孔垫片位于距腔体部分的开口端端面1/4λ处，以2450MHz电磁波为例，λ为122.4mm，即多孔垫片位于距腔体部分的开口端端面30.6mm，在此位置时，外管与中管之间形成了电磁驻波场A，而中管与内管之间也形成了电磁驻波场B，即腔体部分形成双谐振结构。常规的多孔垫片置于距离开口端较近区域(低于15mm)，主要起到保证中管与内管同心度的作用，对材质不做要求，无法形成双谐振结构。

[0040] 图4为多孔垫片位于距腔体部分的开口端端面不同位置处时，MPT腔体部分电场强度最大值分布图，当多孔垫片距离开口端约30mm时，MPT腔体部分的最大电场强度高达2204kV/m，远远高于非双谐振结构，更容易击穿等离子体气体形成等离子体并维持，所形成的等离子体更加稳定，图4中仅示出了1-35mm的多孔垫片距腔体部分的开口端端面位置深度，在图中横轴正向延伸的1/4个波长的奇数倍附近处的最大电场强度也是和30mm处的差不多高的。

[0041] 图5a示出了小功率条件下传统的MPT形成的氩等离子体，多孔垫片70与腔体部分开口端端面的距离小于15mm，等离子体较容易形成图5a中的形态或静态单丝等离子体形态，图5a中，等离子体的根部a1形成在内管10外壁，与中管20相距一定距离，等离子体的根部a1之上为核部a2，核部a2之上为尾焰a3，等离子体的根部a1主要位于内管外壁，内管10内壁开口端处也有丝状等离子体引出，这对于光谱分析极为不利，内管10主要用于样品的引入，样品气溶胶在由内管引出时首先与等离子体根部直接作用，等离子体根部的能量持续性受到破坏，大大减弱了等离子体的稳定性与对样品的承受能力，等离子体的激发能力也受到样品种类、性质的极大影响。

[0042] 图5b示出了小功率条件下本发明的MPT形成的等离子体，多孔垫片7与腔体部分开口端端面的距离在20-40mm之间，等离子体由于趋肤效应瞬时看均为丝状等离子体，由于该丝状等离子体稳定位于某区域轴线附近，因此在其绕轴高速旋转时成为时空“不动区”，从而使等离子体宏观呈现具有中央通道的倒漏斗形特性；此外由于等离子体在高速旋转，等离子体也不会持续对腔体部分某点加热，产生的热量又被高速气流带走，因此尽管当MPT材质采用金属铜时，却并不能在光谱中观察到有铜的谱线出现。图5b中等离子体根部b1位于中管2内壁距开口端一定深度处，等离子体的根部b1之上为核部b2，核部b2之上为尾焰b3，等离子体在中管2与内管1之间引出，样品气溶胶并不与等离子体根部b1直接作用，而仅与等离子体时空“不动区”(核部b2和尾焰b3)相互作用，使用本发明双谐振结构MPT所形成的等离子体对气溶胶、空气等样品的承受能力大大提高。

[0043] 图6示出了大功率条件下(一千瓦)本发明的MPT形成的等离子体，等离子体根部c1位于中管2内壁距开口端一定深度处，从中管内壁引出，可以看出，MPT双谐振结构在大功率条件下不仅可形成宏观稳定的等离子体，还继承了小功率MPT形成的等离子体倒漏斗形状、具有利于样品引入的中央通道的特点。相比于小功率，千瓦级MPT形成的等离子体对气溶胶与空气分子等样品的承受能力得到了进一步的提升，能够做到样品直接雾化进样，省去了去溶步骤，这是常规的非谐振MPT结构所难以做到的。

[0044] 本发明的微波等离子体炬装置工作频率范围可以为微波与射频频段，功率范围可以为20W-5kW，功率适用范围更宽，形成的等离子体稳定性更佳，可应用于原子发射光谱、原子吸收光谱、光谱质谱联用、材料表面处理、废气处理等领域。

[0045] 本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。