[发明专利]微波等离子体装置内的分段衬里和使用方法

说明书

本文中公开了用于等离子体焊炬的改进衬里的设备、系统和使用方法。特别地，提供了一种用于等离子体焊炬（例如，环形焊炬、涡旋焊炬）的分段衬里。一般而言，改进的分段衬里具有优于传统的整体衬里的改进的抗热震能力。

相关申请

本申请要求2019年3月26日提交的题为“微波等离子体装置内的分段衬里和使用方法”的美国临时专利申请62/823,698的优先权，其内容通过引用以其整体并入于此。

技术领域

本技术一般涉及用于提供供微波等离子体反应器内使用的改进的陶瓷衬里的设备、系统和方法。特别地，本技术涉及分段陶瓷衬里。分段陶瓷衬里可以不太昂贵地制造，并且此外可以定制成提供改进的抗热震性，这可以使衬里的破裂或其它故障最小化。

背景技术

衬里是核心-环形和涡旋等离子体焊炬设计二者的重要部分。环形等离子体焊炬通常被构造成包括三个同心安装的陶瓷管：内部管、中部管和陶瓷衬里。涡旋等离子体焊炬通常包括涡旋腔室和陶瓷衬里。一般而言，陶瓷衬里和管由石英或其它高温陶瓷材料（诸如例如氧化铝或氮化硅）制成。选择这些高温陶瓷是为了允许等离子体环境的高温操作，并提供微波能量透明性。此外，期望高温陶瓷具有良好的抗热震性，以最小化破裂或故障。一般而言，衬里有助于将样品材料（例如，前体，诸如液滴或粉末等）运输和递送到等离子体。

衬里的主要故障模式是由于正常操作条件下的高温度梯度而破裂。这是部分由于陶瓷材料的抗热震性不足。通常，高纯度陶瓷材料具有低于期望的抗热震性。结果，已经知道破裂发生在暴露于大的热梯度的位置处（例如，可以位于等离子体的底部部分之外的衬里的底部，而衬里的其它部分经受等离子体的全部热力）。衬里的故障导致整个衬里的昂贵的修理和更换，以及损失的等离子体焊炬的操作时间。

发明内容

本文中提供了用于为等离子体焊炬提供改进的陶瓷衬里的设备和方法。特别地，本公开涉及一种分段衬里，与传统陶瓷衬里相比，该分段衬里被定制成具有改进的抗热震性。一般而言，通过提供分段衬里（例如，多个垂直堆叠的陶瓷分段）来实现改进的抗热震性，该分段衬里被定制（例如，设计的或适配的形状、尺寸和/或材料）以提供改进的抗热震性。例如，在一个实施例中，形成改进的衬里的相邻垂直堆叠的陶瓷分段之间的接头位于温度梯度对于特定等离子体操作条件集合（例如，反应器内等离子体的尺寸和位置）最大的地方。在某些实施例中，接头可以由具有改进的抗热震性的材料形成或涂覆有具有改进的抗热震性的材料。在一些实施例中，接头可以成形为提供增强的抗热震性。一般而言，衬里的分段本性允许在材料选择方面的大的灵活性和可制造性。特别地，通过使衬里分段，衬里的长度被最小化，这显著改进了可制造性（例如，更容易制造、更多制造选项、更少浪费）。此外，通过使衬里分段，更换机会变得可获得。也就是说，如果衬里的一部分或一分段变得被损坏或污染，则该部分可以被移除和更换，由此增加陶瓷衬里的总体寿命。

一般而言，本文中公开的衬里和使用衬里的方法涉及微波等离子体焊炬（例如，核心-环形等离子体焊炬、涡旋等离子体焊炬）内的材料（例如液体、粉末等）的处理。本技术的分段衬里包括相邻垂直堆叠分段之间的接头。这些接头被定制成提供改进的性能。在实施例中，形成接头的两个相邻分段之间的间距或间隔受到高度控制（例如，严格的公差、非常紧密地间隔），以最小化等离子体泄漏和电弧放电。一般而言，分段衬里由外部管（例如，外部石英管）支撑和包围，该外部管在高密度电场中提供附加的介电电阻，诸如在微波等离子体羽流的环境中和周围发现的那些。