一種微波等離子體炬裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，具體的，涉及一種微波等離子體炬裝置，可獲得穩(wěn) 定性極佳的等離子體，且適用于范圍在幾瓦到上千瓦的功率條件。
【背景技術(shù)】
[0002] MPT(微波等離子體炬）的炬管通常為一端開口的三管同軸結(jié)構(gòu)，樣品（氣溶膠，或 氣溶膠和等離子載氣的結(jié)合氣流）從內(nèi)管內(nèi)通入，等離子氣體從內(nèi)管和中管之間通入，微 波通過耦合進入炬管，在炬管開口端激發(fā)等離子氣體產(chǎn)生等離子體，從而樣品經(jīng)過等離子 體后進行光譜分析。
[0003] 由于百瓦級MPT形成的等離子體體積較小，氣體溫度較低（2100K)，樣品在等離子 體中停留時間較短，不利于樣品氣溶膠在通過等離子體光源時完成蒸發(fā)、去溶、原子化、電 離、激發(fā)、發(fā)射等一系列過程，在做復雜樣品分析時，基體效應較嚴重。因此，不得不在樣品 進入等離子體光源前進行去溶，進樣系統(tǒng)也就變得復雜化。若將傳統(tǒng)的微波等離子體炬結(jié) 構(gòu)用在大功率條件下，雖然激發(fā)能力更強，但往往會形成無實際分析應用價值的單點單絲 放電，而難以形成有價值的、穩(wěn)定的倒漏斗形的等離子體?；诖耍斜匾邪l(fā)具有更強激 發(fā)能力的微波等離子體炬裝置，能夠形成具有實際分析應用價值的等離子體，利于樣品的 光譜分析。
[0004] 此外，MPT結(jié)構(gòu)中需要形成兩個較強的電場，一個用于微波能量耦合進入MPT腔 體，一個用于激發(fā)并維持等離子體，而現(xiàn)有設計中兩個較強電場空間分布上基本疊加，在大 功率條件下會造成等離子體穩(wěn)定性與微波傳輸效率相互干擾、等離子體高溫引發(fā)微波傳輸 效率降低等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的目的是提供一種微波等離子體炬裝置，適用功率范圍更寬，獲 得的等離子氣體穩(wěn)定性極佳，同時可避免由于高強電場致熱與等離子體熱源疊加引發(fā)的系 列問題。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明提出一種微波等離子體炬裝置，包括腔體部分，微波耦合 部分和調(diào)諧部分；腔體部分包括由內(nèi)向外依次同軸設置的內(nèi)管、中管、外管，腔體部分一端 為開口端、另一端設置所述調(diào)諧部分用以調(diào)整開口端的場強，外管側(cè)壁設有微波耦合開口， 微波耦合部分經(jīng)過該微波耦合開口與腔體部分微波耦合、在外管和中管間形成第一微波諧 振腔，內(nèi)管和中管間設有用以將內(nèi)管和中管同軸固定的多孔墊片，所述第一微波諧振腔經(jīng) 過腔體部分的開口端將微波耦合至內(nèi)管和中管間形成第二微波諧振腔，所述多孔墊片的上 表面配置為該第二微波諧振腔的反射面。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述外管、中管、內(nèi)管和多孔墊片均為金屬材質(zhì)物件。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述外管的內(nèi)壁、中管的內(nèi)外壁、內(nèi)管的外壁，以及多 孔墊片的上表面均由金屬材質(zhì)構(gòu)成。
[0009] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述多孔墊片距離腔體部分開口端端面的距離范圍在
之間，其中，N為正奇數(shù)，A為微波的波長。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述調(diào)諧部分調(diào)整至腔體部分的深度為f , M為正 奇數(shù)，X為微波的波長。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述微波耦合部分包括耦合天線和耦合環(huán)，耦合環(huán)連 接在中管外壁上，耦合天線一端穿過所述微波耦合開口連接耦合環(huán)、另一端連接微波傳輸 線，將微波耦合至外管和中管間形成所述第一微波諧振腔。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述耦合天線配置在腔體部分內(nèi)電場分布最強位置 處。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述耦合環(huán)緊密連接中管外壁，或者，所述耦合環(huán)間隙 連接中管外壁。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述微波耦合部分包括耦合天線，該耦合天線一端穿 過所述微波耦合開口連接調(diào)諧部分上表面、另一端連接微波傳輸線，將微波耦合至外管和 中管間形成所述第一微波諧振腔。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述耦合天線配置在腔體部分內(nèi)磁場分布最強位置 處。
[0016] 采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果：微波耦合部分將 微波耦合到外管和中管之間后，微波通過腔體部分的開口端耦合到中管和內(nèi)管之間，調(diào)諧 部分作為外管和中管的微波反射面，在外管和中管間的入射波和反射波形成了駐波，墊片 作為中管和內(nèi)管的微波反射面，在中管和內(nèi)管間的入射波和反射波也形成了駐波，在開口 端的電場強度調(diào)諧為最強，在大功率條件和小功率條件下，均可形成繞中管軸線高速旋轉(zhuǎn) 的絲狀等離子體，等離子體的根部位于中管內(nèi)壁中距開口端端面一定深度處，等離子體根 部與中管接觸面積大，因而散熱面積較大，使得等離子體光源在中、內(nèi)管壁上的熱沉積減 少，因而也減少了中、內(nèi)管由于熱沉積引起的形變量，避免了由于形變而引起的電磁傳輸性 質(zhì)改變，且從內(nèi)管出來的樣品不與等離子體的根部直接作用，不易破壞等離子體的根部，等 離子體的穩(wěn)定性極佳。
[0017] 進一步的，采用磁場耦合的方式引入微波，將微波耦合區(qū)和等離子體形成區(qū)在空 間上分離，避免高功率的耦合天線由于離熱源較近而溫度上升，從而引發(fā)如傳輸效率降低、 熱損耗嚴重、局部放電等破壞有效輸出功率穩(wěn)定度與等離子體穩(wěn)定性的問題。微波等離子 體炬裝置的部件連接更加方便，同時磁耦合不需要與中管實現(xiàn)電接觸，避免了熱量的傳輸 與疊加，磁場耦合與電場激發(fā)的功能分離與空間分離消除了耦合結(jié)構(gòu)對MPT開口端電磁對 稱性和流場對稱性的干擾。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明一實施例的微波等離子體炬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明另一實施例的微波等離子體炬裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明一實施例的微波等離子體炬裝置的電場仿真分布圖；
[0021] 圖4為多孔墊片距離腔體部分開口端端面不同深度時的MPT腔體部分電場強度最 大值分布圖；
[0022] 圖5a為小功率條件下傳統(tǒng)的MPT形成的等離子體示意圖；
[0023] 圖5b為小功率條件下本發(fā)明的MPT形成的等離子體示意圖；
[0024] 圖6為大功率條件下本發(fā)明的MPT形成的等離子體示意圖。
【具體實施方式】
[0025] 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明 的【具體實施方式】做詳細的說明。
[0026] 在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以 很多不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況 下做類似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開的具體實施的限制。
[0027] 參看圖1，在本實施例中，微波等離子體炬裝置包括外管1、中管2、內(nèi)管3、調(diào)諧部 分4、親合天線5、親合環(huán)6、多孔墊片7。
[0028] 外管1、中管2和內(nèi)管3構(gòu)成了微波等離子體炬裝置的腔體部分，腔體部分的上端 是一個開口端，下端設置了調(diào)諧部分4,調(diào)諧部分4的上表面是作為外管1和中管2之間微 波的反射面的，調(diào)整調(diào)諧部分4的位置可以調(diào)節(jié)該反射面的高度，從而改變反射波，在外管 1和中管2間形成第一微波諧振腔，在第一微波諧振腔內(nèi)產(chǎn)生所需的電磁場駐波。
[0029] 內(nèi)管3的下端用來通入樣品，樣品例如是氣溶膠，或者氣溶膠和等離子氣體的混 合物氣流，當然還可以是其他的用于光譜分析的物體氣流，中管2是用來通入等離子氣體 的，等離子氣體例如可以是氬氣、氮氣、氦氣等，通入的等離子氣體位于中管2和內(nèi)管3之 間，在腔體部分的開口端被激發(fā)形成等離子體，樣品和該等離子體相互作用。
[0030] 圖1中，在外管1壁上開設一微波耦合開口，耦合環(huán)6連接在中管2外壁上，耦合 天線5穿過該微波耦合開口和耦合環(huán)6連接，在耦合天線5連接微波傳輸線并引入微波后， 將微波耦合傳輸至外管1和中管2之間。較佳的，耦合天線5配置在腔體部分內(nèi)電場分布 最強位置處，調(diào)整調(diào)諧部分4高度使得腔體部分開口端的電場場強最強，而磁場場強最弱， 調(diào)諧部分4優(yōu)選的調(diào)整至使得腔體部分的深度為f，M為正奇數(shù)，A為微波的波長。
[0031] 可選的，耦合環(huán)6緊密連接中管2外壁，以電導耦合的方式將微波能量饋入外管1 和中管2之間；或者，耦合環(huán)6間隙連接中管2外壁，也就是耦合環(huán)6和中管2外壁之間還 具有一定的間隙，以電容耦合的方式將微波能量饋入外管1和中管2之間。
[0032] 在腔體部分的開口端外管1和中管2的微波耦合至中管2和內(nèi)管3間，由于在中 管2和內(nèi)管3間設置了多孔墊片7,多孔墊片7是一同心環(huán)結(jié)構(gòu)，多孔墊片7的外徑和中管 2的內(nèi)徑一致，多孔墊片7的內(nèi)徑和內(nèi)管3的外徑一致，在多孔墊片7上開設了多個通氣孔， 多孔墊片7的作用除了常規(guī)的用來流通等離子氣體和保證中管2和內(nèi)管3的同軸度外，還 用來作為中管2和內(nèi)管3之間微波的反射面，可以理解，作為微波的反射面，該面是可以用 來反射入射波的，從而在中管2和內(nèi)管3之間形成第一微波諧振腔，在微波諧振腔產(chǎn)生所需 的電磁場駐波。
[0033] 優(yōu)選的，外管1、中管2、內(nèi)管3和多孔墊片7均為金屬材質(zhì)物件，可選的，外管1的 內(nèi)壁、中管2的內(nèi)外壁、內(nèi)管3的外壁和多孔墊片7的上表面均由金屬材質(zhì)構(gòu)成，使得外管 1和中管2之間、中管2和內(nèi)管3之間能夠傳遞微波，并且多孔墊片7的上表面能夠反射入 射波。金屬材質(zhì)例如可以是金、銀、銅、不銹鋼等導電性能較好的金屬。
[0034] 較佳的，將多孔墊片7和腔體部分開口端端面之間的距離配置為范圍在
之間，其中，N為正奇數(shù)，A為微波的波長，其單位跟隨微波波長 入的單位。將多孔墊片7設置在腔體部分深度在