[发明专利]波导直馈式微波等离子体炬装置

说明书

技术领域

本发明属于化学测量技术领域，涉及一种波导直馈式微波等离子体炬装置，是一种使用微波获得并维持等离子体的装置，它可以用作发射光谱的光源或其他仪器分析（原子荧光和原子质谱法）所需的原子或离子源，也可以用于有害化合物的分解、处理。

背景技术

微波等离子体炬（MPT）为金钦汉教授等于1985年所发明，对应申请专利号为CN 94205428.8。该炬管为一端开放的三金属管同轴结构，微波能通过同轴电缆以电导/电容耦合的方式进入炬管，腔体长度为1/4 λ的奇数倍，微波在腔体内形成驻波，等离子在炬管开口端形成。

MPT炬管通常在10-500W范围内以多种工作气体（氩气、氦气、氮气、空气等）工作，但是在大功率状态下(>500W)同轴电缆的承受能力受到限制。

本专利将波导结构与MPT结构直接结合，去掉了如同轴电缆、耦合环等中间微波耦合部件，消除了MPT在大功率状态下工作的限制，拓展了MPT炬管的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种波导直馈式微波等离子体炬装置，是一种使用微波能获得并维持等离子体的装置。该装置可以多种工作气体（氩气、氦气、氮气、空气等）工作，且在常压下即可形成。等离子体在一端开放的腔体出口处形成并维持，该出口所在的管道内有气体流通。形成的等离子体存在中央通道，因而对样品承受能力也大大增强。该装置可在100W-3000W的输入功率下形成等离子体。

该装置主要由波导部分，调谐及辅助部分，同轴炬管部分组成。

波导部分包括渐变型波导、窄边压缩波导，其中，窄边压缩波导和与之匹配的MPT三管同轴炬管构成了波导直馈式MPT主体部分，窄边压缩波导为微波馈入主体波导。

同轴炬管部分包括外管、中管、内管、调节螺柱和同轴定心垫圈，三管为同轴结构。其中外管内径优选20-28mm，中管外径优选5-10mm，外管和中管径比优选2.3-5之间，内管半径优选1-3mm。同轴定心垫圈位于内管和中管之间，该垫圈带有多个对称小孔以便气路流通。外管和中管之间可选PTFE用于保持同心。

调谐及辅助部分包括波导短路滑动端、炬管反射调谐端和炬管上部调节端，其中，波导短路滑动端由波导短路板和滑动杆组成，炬管反射调谐端包括调节螺柱和反射板。

渐变型波导为用于实现波导平滑过渡的波导件，该波导宽边为国标尺寸，宽边所在的面使用法兰通过螺钉结构与磁控管所在的常规波导件出口端紧密相连，实现不同波导内表面平滑连接。圆孔用于螺钉结构紧固。窄边所在面类似的通过法兰与窄边压缩波导法兰紧密相连，实现波导内壁表面平滑连接。可选的渐变型波导上下两个宽面高度同时变化，图示中渐变型波导底面与法兰垂直，仅上面高度发生变化。

渐变型波导的窄边通过法兰和法兰与窄边压缩波导微波入口端紧固，保持波导内壁平滑电导连接。窄边压缩波导下端面包含有一个开孔圆台，开孔圆台与炬管外管顶端平顶锥体紧密配合，通过螺钉/内螺纹结构装配在一起，保证窄边压缩波导内部下表面与炬管外管顶端平顶锥体外表面平滑电导连接。窄边压缩波导上端面与开孔圆台对应的位置含有另一个加厚的带孔圆台，带孔圆台上装配一带孔的圆形金属挡板，带孔圆台的内孔是与炬管外管形状对应的平顶锥体，该圆台内孔与炬管外管同轴且内孔直径比炬管顶端直径要大以形成间隙利于微波的顺利传输。所述带孔的圆形金属挡板的内孔直径与外管内径相等，且与炬管外管开口端之间有一定的间隙。带孔的圆形金属挡板18与加厚带孔圆台之间通过螺纹或其他机械方式装配，保证上述间隙可调以获得最佳耦合效果。所述的内孔也可以做成略高于开孔的金属挡板的圆筒状结构。

同轴炬管垂直装配在窄边压缩波导之上。其中，外管和中管之间可选的使用PTFE/陶瓷材质保证同心度，PTFE/陶瓷可选的远离放电端稍许距离处。中管和内管使用同轴定心垫圈保持同心度，同轴定心垫圈优选的远离放电端一定距离处。外管侧壁包括一个用于引入氧气等屏蔽气的导管，导管与外管相切连接，确保氧气屏蔽气进入外管内形成切向流，结构如图所示。外管底端含有限位金属挡板，该金属挡板内含有一个螺纹孔，与外管内调节螺柱外螺纹匹配调节。该调节螺柱内孔直径与中管外径相等实现电接触，但可相对滑动。所述的调节螺柱上端为外径与外管内径相等的反射板，用以反射传输的电磁波到炬管开口端。反射板与外管实现电接触但可相对滑动。中管和内管顶端齐平，并与带孔的圆形金属挡板最高处齐平。炬管轴心与窄边压缩波导宽面垂直。中管和内管均为气体通路，中管用于通入等离子体维持气如氩气、氦气、氮气、空气等。内管用于通入样品气溶胶或载气和样品的混合物。