[发明专利]一种微波等离子体炬装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。