CN103269561A - 波导直馈式微波等离子体炬装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波导直馈式微波等离子体炬装置，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；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；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。本发明将微波能通过渐变波导、窄边波导直接馈入金属同轴炬管中，形成的等离子体存在中央通道，便于样品引入，同时增强对样品的承受能力。该装置去除同轴电缆、耦合环等，提高耦合效率，扩展炬管的使用功率。可作为原子化器及原子质谱的离子化源，或有害化合物和垃圾的分解、处理。

Description

波导直馈式微波等离子体炬装置

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。

同轴定心垫圈为带有多孔的环形孔板，其中外壁的直径与炬管的中管内径相等，内壁的直径与炬管内管外径相等，同轴定心垫圈上含有对称分布的多个通气孔。装配时同轴定心垫圈优选的置于炬管开口端一定距离处，保持炬管中管和内管的同心度。从中管引入的气体通过同轴定心垫圈上多个通气孔继续向开口端流动。

窄边压缩波导与微波入口端相对应的另一端为波导短路滑动端，含有一个波导短路板，波导短路板与一个滑动杆紧固连接，通过滑动杆滑动定位波导短路板在窄边压缩波导内的位置。优选的炬管轴心与波导短路板之间的距离在1/4 λ附近。

本发明提供了一种类型的等离子体炬管，包括能量耦合方式和气体输运方式。气体输运方式包括中管和内管分别通入等离子体维持气和样品气溶胶，外管和内管之间可选的通入氧气等屏蔽气。能量耦合方式包括将从微波发生器输出的微波经由波导器件与气体输运管相耦合。与传统MPT最大的不同在于微波能供应方式采用了波导而非同轴电缆并实现了一体化，使整个系统能够更加紧凑而有效地在大功率状态下长期稳定地工作。

根据本发明，所述的外管穿过窄边压缩波导中的底面宽面，它与底面、波导内微波传输方向是垂直关系，该底面有一个与炬管外管壁直径匹配的圆孔。外管通过螺旋或焊接或外部螺钉紧固或其他机械方式与窄边压缩波导无缝的装配在一起。外管顶端有一部分深入到窄边压缩波导内部，该部分外管优选的做成平顶锥体，且保证表面平滑，使得波导内传播的电磁场分布平滑而不致出现局部电磁场突变造成局部放电现象。

根据本发明，其最大的优点是非常容易将MPT炬管能够耐受的微波功率提高到1000W甚至3000W并形成稳定的等离子体。主要原因是该装置摒弃了原来耦合中间环节和部件，大大简化了系统的复杂程度，同时继承了MPT的优良特性。

根据本发明，为了使得微波能能够顺利的耦合到炬管的外管和中管之间，在窄边压缩波导靠近放电端的宽面上有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。带孔圆台的内孔为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。所述的圆形金属挡板的内孔直径与炬管外管内径相等，且与炬管外管开口端之间有一定的间隙。圆形金属挡板与加厚的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，微波经由该间隙传输到炬管外管和中管之间。

根据本发明，窄边压缩波导的一端与渐变型波导通过法兰连接，窄边压缩波导的另一端为波导短路滑动端，通过滑动杆可以平滑的移动波导短路板所处的位置。优选的窄边压缩波导上下两面圆孔轴线距离波导短路板为1/4 λ左右，使得窄边压缩波导内传输的电磁场能够形成驻波且电场最强的位置处于炬管轴心所在位置，以提高微波耦合效率。

根据本发明，炬管外管和中管之间远离放电端处有一炬管反射调谐端，该炬管反射调谐段优选的位于距离窄边压缩波导上面带孔的圆形金属挡板1/4 λ的奇数倍处，使得从上述间隙中耦合进来的电磁波到达炬管反射调谐端时被反射回炬管放电端，外管和内管之间形成稳定的驻波场，且开口端为电场最强的位置，具体实施过程中可以通过调节炬管反射调谐端位置以优化参数。所述的炬管反射调谐端可以通过螺旋结构达到调节位置的目的，炬管反射调谐端与炬管外管内壁在调节过程中保持紧密连接以防微波泄漏。

根据本发明，为最大化微波能耦合效率，除选择合适的外管和内管尺寸外，可以通过炬管反射调谐端和波导短路滑动端调节定位，使波导、炬管和等离子体三者实现阻抗匹配。

根据本发明，窄边压缩波导与波导短路滑动端相对的另一端为微波入口端，该端面与渐变型波导通过法兰紧固连接，渐变型波导与窄边压缩波导长度均为半个波长左右。通过渐变型波导使得波导内的横电场（TE₁₀模）的场强逐渐平滑的增强，以提高微波耦合到炬管同轴结构中的效率。渐变型波导入口端与其他常规波导元件相连，如三销钉调配器、三端口环形器和定向耦合器等。

根据本发明，与窄边压缩波导相连的外管材质或至少外管内壁为金属，如铜、铝等。中管材质或至少中管外壁为金属，如铜、铝等。外管内壁与中管外壁可通过镀金等方式提高导电性能，增加腔体的Q值。内管可选金属材质，当使用气体为惰性气体或者对金属腐蚀性气体时，内管可以换成非金属。外管和中管之间可选的通入氧气屏蔽气，为了防止屏蔽气经由上述间隙扩散到窄边压缩波导中，可在屏蔽气通道外围加入PTEF或陶瓷或石英管等介质，既防止气体扩散又不妨碍微波传输。中管和内管开口端高度齐平，贯穿窄边压缩波导两个较宽的面至上述带孔的圆形金属挡板处。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。

根据本发明，微波在波导内部传输模式为横电场模式TE₁₀，经由渐变型波导时场强逐渐增强，继续经由窄边压缩波导传播到波导短路滑动端反射回来，在波导内部形成驻波场。由于炬管轴心距离波导短路滑动端大约1/4 λ，为电场最强的位置，因此一部分微波能量通过上述间隙结构耦合到炬管外管和内管同轴结构中并形成驻波场。波导中的电磁场也通过外管平顶锥体结构由TE₁₀模平滑过渡到TEM模。炬管中的驻波场在出口位置处场强最强，通过打火装置很容易提供初始电子以形成等离子体，等离子体在中管和内管之间形成。

根据本发明，所形成的等离子体含有与MPT类似的三个典型的区域：等离子体形成区域、等离子体核心区域和尾焰区域。由于等离子体是在中管和内管之间形成的，因此等离子体内部有一个中央通道，极利于样品的引入和增强样品与等离子体之间的相互作用。由于等离子体核心区域远离等离子体形成区域，因此样品的引入不影响等离子体的稳定特性，大大增强了等离子体对样品气溶胶的承受能力。等离子体焰炬的几何尺寸可通过改变气流的流速和炬管三管尺寸而实现。

本发明的另一个目的是提供所述装置在用作原子发射光谱的激发光源和荧光光谱的原子化器及原子质谱的离子化源中的应用。

本发明的再一个目的是提供所述装置在分解、处理有害化合物和垃圾中的应用。

本发明将微波能通过渐变波导、窄边波导直接馈入金属同轴炬管中，所形成的等离子体存在中央通道，便于样品的引入，同时也增强了对样品的承受能力。该装置去除了同轴电缆、耦合环等中间耦合部件，极大的提高了耦合效率，扩展了炬管的使用功率范围。

美国专利US 4611108申请了一种波导转同轴结构的等离子体装置，与本方面最为相像，两者区别如下：

       1、本发明中炬管外管深入窄边压缩波导内部部分为平顶锥体，实现波导内电磁波由TE₁₀模式平滑的转变为TEM模，而US 4611108中并无该结构实现模式的平滑过渡。

 2、本发明中炬管外管平顶锥体与窄边压缩波导上面带孔的圆形金属挡板之间存在一定的间隙，该间隙可调以优化能量耦合效率，而US 4611108中并无该结构实现此功能。

3、本发明窄边压缩波导上表面无须上述US 4611108中必须的额外的加长套筒结构，利用外管内壁和内管外壁之间形成的驻波场就能实现开口端处电场强度最强，很容易形成等离子体。而US 4611108则是用在波导上表面增加一个加长的金属套筒与波导下表面的金属套筒形成互补耦合方式，跟本专利原理不同。

4、本发明结构可在外管和中管之间通入氧气作为屏蔽气，而US 4611108中并无此结构。

       5、本发明充分利用了渐变型波导和窄边压缩波导，以提高波导内部的场强，提高了耦合效率。

相关文献：Sato, S., et al., Surface-nitriding treatment of steels using microwave-induced nitrogen plasma at atmospheric pressure. Applied Surface Science, 2012. 258(19): p. 7574-7580。

附图说明 

图1 为波导直馈式微波等离子体炬整体装置示意图，局部剖视。

图2 为波导直馈式微波等离子体炬主体部分侧视剖面简图，剖视方向对应图1中A-A箭头所指方向。 

图3 为同轴炬管切向流部分剖面图，剖视方向对应图1中B-B箭头所指方向。

图4 为渐变型波导30示意图。

图5 为同轴定心垫圈12示意图。

图6 为该装置中波导部分电磁场分布仿真图。

图7 为波导直馈式微波等离子体炬电磁场分布仿真图。

图8 为波导直馈式微波等离子体炬装置实际工作状态图。 

图9 为波导直馈式微波等离子体炬形成的氩等离子体结构示意图。

具体实施方式

本发明结合附图和实施例作进一步的说明。要理解的是不管是上面的总述还是下面的详述都只是示例性和解释性的而且不限制所要求保护的发明。

实施例1

参见图1，一种波导直馈式微波等离子体炬装置，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。

参见图2，波导直馈式微波等离子体炬主体部分侧视剖面简图，其中

波导部分包括渐变型波导30、窄边压缩波导31，其中，窄边压缩波导31和与之匹配的MPT三管同轴炬管32构成了波导直馈式MPT主体部分，窄边压缩波导31为微波馈入主体波导。

参见图3，同轴炬管32部分包括外管14、中管11、内管10、调节螺柱13和同轴定心垫圈12，三管为同轴结构。其中外管14内径优选20-28mm，中管11外径优选5-10mm，外管14和中管11径比优选2.3-5之间，内管10半径优选1-3mm。同轴定心垫圈12位于内管10和中管11之间，该垫圈带有多个对称小孔以便气路流通。外管14和中管11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35、炬管反射调谐端34和炬管上部调节端33。其中，波导短路端35由波导短路板15和滑动杆16组成，炬管反射调谐端34包括调节螺柱13和反射板19。

渐变型波导30如图4所示，为用于实现波导平滑过渡的波导件。该波导宽边25为国标尺寸，宽边25所在的面使用法兰22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23用于螺钉结构紧固。窄边26所在面类似的通过法兰42与窄边压缩波导法兰3紧密相连，实现波导内壁表面平滑连接。可选的渐变型波导30上下两个宽面高度同时变化，图4中渐变型波导30底面与法兰42垂直，仅上面24高度发生变化。

渐变型波导30的窄边26通过法兰42和法兰3与窄边压缩波导31微波入口端2紧固，保持波导内壁平滑电导连接。窄边压缩波导下端面1包含有一个开孔圆台4，开孔圆台4与炬管外管14顶端平顶锥体5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31内部下表面与炬管外管14顶端平顶锥体5外表面平滑电导连接。窄边压缩波导31上端面与开孔圆台4对应的位置含有另一个加厚的带孔圆台17，带孔圆台17上装配一带孔的圆形金属挡板18。带孔圆台17内孔是与炬管外管14形状对应的平顶锥体，该带孔圆台17内孔与炬管外管14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18的内孔20直径与外管14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20也可以做成略高于开孔的金属挡板18的圆筒状结构。

所述的同轴炬管32垂直装配在窄边压缩波导31之上。其中，外管14和中管11之间可选的使用PTFE/陶瓷材质保证同心度（图中未示出），PTFE/陶瓷可选的远离放电端稍许距离处。中管11和内管10使用同轴定心垫圈12保持同心度，同轴定心垫圈12优选的远离放电端一定距离处。外管14侧壁包括一个用于引入氧气等屏蔽气7的导管6，导管6与外管14相切连接，确保氧气屏蔽气7进入外管14内形成切向流，结构如图3所示。外管14底端含有限位金属挡板41，该金属挡板内含有一个螺纹孔，与外管14内调节螺柱13外螺纹匹配调节。该调节螺柱13内孔直径与中管11外径相等实现电接触，但可相对滑动。所述的调节螺柱13上端为外径与外管14内径相等的反射板19，用以反射传输的电磁波到炬管开口端。反射板19与外管14实现电接触但可相对滑动。中管11和内管10顶端齐平，并与带孔的圆形金属挡板18最高处齐平。炬管轴心21与窄边压缩波导31宽面垂直。中管11和内管10均为气体通路，中管11用于通入等离子体维持气9如氩气、氦气、氮气、空气等。内管10用于通入样品气溶胶或载气和样品的混合物8。

图5为所述的同轴定心垫圈12，该垫圈为带有多孔的环形孔板。其中外壁29的直径与炬管的中管11内径相等，内壁27的直径与炬管内管10外径相等，同轴定心垫圈12上含有对称分布的多个通气孔28。装配时同轴定心垫圈12优选的置于炬管开口端一定距离处，保持炬管中管11和内管10的同心度。从中管11引入的气体通过同轴定心垫圈12上多个通气孔28继续向开口端流动。

窄边压缩波导31与微波入口端2相对应的另一端为波导短路滑动端35，含有一个波导短路板15，波导短路板15与一个滑动杆16紧固连接，通过滑动杆16滑动定位波导短路板15在窄边压缩波导内的位置。优选的炬管轴心21与波导短路板15之间的距离在1/4 λ附近。

本实施例的工作原理为：正常工作时，微波能（f = 2450 MHz）从渐变型波导30宽面25传入，在波导内部传输模式为横电场模式TE₁₀，经由渐变型波导30时场强逐渐增强，由窄边26传入到窄边压缩波导31中，微波由窄边压缩波导31传播到波导短路板15时被反射回来，在波导内部形成驻波场。由于炬管轴心21距离波导短路板15大约1/4 λ，为电场场强最强的位置（实际操作中可通过调节短路板15使炬管轴心处电场场强最强），因此一部分微波能量通过带孔的圆形金属挡板18与炬管外管顶端平顶锥体5之间的间隙耦合到炬管的外管14和内管11构成的同轴结构中并形成驻波场。波导中的电磁场也通过外管14炬管外管顶端平顶锥体结构5由TE₁₀模平滑过渡到TEM模。调节炬管反射板19的位置使其距离中管11顶端或带孔的圆形金属挡板18最高处为1/4 λ的奇数倍，此时炬管中的驻波场在出口位置处场强最强，当炬管中气路开通时通过打火装置很容易提供初始电子以形成等离子体，等离子体在中管和内管之间形成。

本实施例的各部分具体参数尺寸说明如下：

本实施例是根据微波源的工作频率为2450 MHz设计的。实施例中含三段波导，波导采用铝板材质制作而成，也可优选导电率高的纯铜等其他金属材质制作而成。内表面要求非常平滑，加工完成后可优选的在上述波导内表面镀金/银。波导壁厚为2.03mm，三段波导长度优选半个波长。

第一段波导采用S波段BJ26标准矩形波导，其波导内壁横截面尺寸为：a=86.36mm，b=43.18mm；

第二段波导为渐变型波导30，波导宽边内壁横截面尺寸为：a=86.36mm，b=43.18mm；波导窄边内壁横截面尺寸为：a=86.36mm，b=8.5mm；

第三段波导为用于与炬管耦合的窄边压缩波导31，窄边压缩波导31内壁横截面尺寸为：a=86.36mm，b=8.5mm；窄边压缩波导31上端面开口圆台17外径为86mm，高度为9.47mm，中间开口直径50mm，优选平顶锥体的倾斜角度为45°；窄边压缩波导下端面开口圆台4外径为70mm，高度为7mm，中间开口直径为40mm；开口圆台4和带孔圆台17上开四个螺孔，用以与其他对应部件通过螺丝钉紧固。

波导短路板15横截面尺寸为a=86.36mm，b=8.5mm，厚度为6mm。对应的滑动杆16长度为100mm，为其滑动走程。

炬管外管顶端平顶锥体5底端外径为40mm，顶端外径为24mm，高度为20mm；外管内径为20mm，侧壁用于引入屏蔽气的开孔孔径为3mm，开孔方向与外管壁相切；中管外径7mm，内径6mm；内管外径3mm，内径2mm；调节螺柱反射端19外径20mm，内孔直径7mm，螺纹走程为20mm；

       同轴定心垫圈12外径6mm，内径3mm，厚度1mm，环面上均匀分布多个通气孔28。

上述实施例仅为举例说明应用的个案，凡依据本发明结构的其他频段，如L波段，S波段，C波段，X波段，或同一频段的不同波导尺寸如BJ22等各种具体尺寸均属于本发明所要求保护的范围。

实施例2

参见图6、图7，一种波导馈入式微波等离子体炬装置电磁场分布仿真。仿真结果有利于理解这种结构的工作机理。所用装置结构与尺寸规格如实例1中所述。

图6为本实例中波导部分的电磁场分布仿真图，仿真微波频率为2450 MHz。三段波导分别为BJ26、渐变型波导30和窄边压缩波导31。微波从BJ26波导左侧传入，传输到窄边压缩波导31右侧短路端被反射回去，从而在波导内部形成驻波场。从图中可以看出电场强度从左到右逐渐变强，在窄边压缩波导31处耦合到炬管中，提高了微波能耦合效率。图中，垂直于波导底面宽面的体箭头表示电场大小，其他平行于波导底面宽面所形成的三段环形体箭头表示磁场大小，波导内切面所示为电场模强度。图中右侧颜色图例中颜色由黑到白对应波导内切面电场模强度由弱到强。

图7为波导直馈式MPT电磁场分布仿真图，仿真微波频率为2450 MHz。从图中可以看出从间隙中耦合到同轴炬管32结构中的电磁场形成了驻波场，且在同轴炬管32出口端电场场强较大，需注意的是仿真中并没有采用上述平顶锥体过渡结构。图中，切面所示为分布在波导与炬管中的电场模大小。右侧颜色图例中颜色由黑到白对应切面电场模强度由弱到强。

实施例3

图8为基于本发明设计的波导直馈式MPT装置实际工作状态图。所用装置结构与尺寸规格如实例1中所述。实验条件如下：

采用磁控管作为微波发射装置，输出功率100W到1500W连续可调，装置在1000W功率下工作。中管11和内管10通入的载气和维持气均为氩气，纯度为 99.999%，气流 >1.2 L/min。外管14和中管11之间通入氧气屏蔽气，将环境中的空气屏蔽掉，纯度为 99.999%，气流为1.5 L/min。所形成的氩等离子体火焰36如图8所示。

图9 为波导直馈式微波等离子体炬形成的氩等离子体火焰36的结构示意图。所形成的等离子体含有与MPT类似的三个典型的区域：等离子体形成区域37、等离子体核心区域38和尾焰区域39。由于等离子体是在中管11和内管10之间形成的，因此等离子体内部有一个中央通道40，极利于样品的引入和增强样品与等离子体之间的相互作用。由于等离子体核心区域38远离等离子体形成区域37，因此样品的引入不影响等离子体的稳定特性，大大增强了等离子体对样品气溶胶的承受能力。等离子体焰炬的几何尺寸可通过改变气流的流速和炬管三管尺寸而实现。

Claims (7)

1.一种波导直馈式微波等离子体炬装置，其特征在于，该装置由波导部分、调谐及辅助部分、同轴炬管部分组成，波导部分由渐变型波导（30）、窄边压缩波导（31）构成，其中，窄边压缩波导（31）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（31）为微波馈入主体波导；同轴炬管（32）部分由外管（14）、中管（11）、内管（10）、调节螺柱（13）和同轴定心垫圈（12）构成，外管（14）、中管（11）、内管（10）为同轴结构，其中外管（14）内径为20-28mm，中管（11）外径为5-10mm，外管（14）和中管（11）径比为2.3-5之间，内管（10）半径为1-3mm，同轴定心垫圈（12）设有多个对称小孔，且位于内管（10）和中管（11）之间，外管（14）和中管（11）之间选PTFE用于保持同心；调谐及辅助部分由波导短路滑动端（35）、炬管反射调谐端（34）和炬管上部调节端（33）构成，其中，波导短路端（35）由波导短路板（15）和滑动杆（16）组成，炬管反射调谐端（34）包括调节螺柱（13）和反射板（19）。

2.根据权利要求1所述的一种波导直馈式微波等离子体炬装置，其特征在于，渐变型波导（30）的宽边（25）所在的面使用法兰（22）通过螺钉结构与常规波导件出口端紧密相连，圆孔（23）用螺钉结构紧固，窄边（26）所在面通过法兰（42）与法兰（3）紧密相连，渐变型波导（30）上下两个宽面高度同时变化，渐变型波导（30）底面与法兰（3）垂直，仅上面（24）高度发生变化；

渐变型波导（30）的窄边（26）通过法兰（42）和法兰（3）与窄边压缩波导（31）微波入口端（2）紧固，窄边压缩波导（31）下端面（1）包含有一个开孔圆台（4），开孔圆台（4）与炬管外管（14）顶端平顶锥体（5）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（31）内部下表面与炬管外管（14）顶端平顶锥体（5）外表面平滑电导连接，窄边压缩波导（31）上端面与开孔圆台（4）对应的位置有另一个带孔圆台（17），带孔圆台（17）上装配一带孔的圆形金属挡板（18），带孔圆台（17）的内孔是与炬管外管（14）形状对应的平顶锥体，带孔圆台（17）内孔与炬管外管（14）同轴且内孔直径比炬管顶端直径大以形成间隙，带孔的圆形金属挡板（18）的内孔（20）直径与外管（14）内径相等，且与炬管外管开口端之间形成间隙，带孔的圆形金属挡板（18）与带孔圆台（17）之间通过螺纹装配，内孔（20）也可以做成略高于开孔的金属挡板18的圆筒状结构。

3.根据权利要求1所述的一种波导直馈式微波等离子体炬装置，其特征在于，同轴炬管（32）垂直装配在窄边压缩波导（31）之上，其中，外管（14）和中管（11）之间使用PTFE/陶瓷材质保证同心度，中管（11）和内管（10）使用同轴定心垫圈（12）保持同心度，同轴定心垫圈（12）远离放电端一定距离处，外管(14)侧壁有一个用于引入屏蔽气（7）的导管（6），导管（6）与外管（14）相切连接，外管（14）底端含有限位金属挡板（41），该金属挡板内含有一个螺纹孔，与外管（14）内调节螺柱（13）外螺纹匹配调节，该调节螺柱（13）内孔直径与中管（11）外径相等且能相对滑动，调节螺柱（13）上端为外径与外管（14）内径相等的反射板（19），反射板（19）与外管（14）实现电接触且能相对滑动，中管（11）和内管（10）顶端齐平，并与带孔的圆形金属挡板18最高处齐平，炬管轴心（21）与窄边压缩波导（31）宽面垂直，中管（11）和内管（10）均为气体通路，内管（10）用于通入样品气溶胶或载气和样品的混合物（8）。

4.根据权利要求1所述的一种波导直馈式微波等离子体炬装置，其特征在于，同轴定心垫圈（12）为带有多孔的环形孔板，其中外壁（29）的直径与炬管的中管（11）内径相等，内壁（27）的直径与炬管的内管（10）外径相等，同轴定心垫圈（12）上含有对称分布的多个通气孔（28），同轴定心垫圈（12）置于炬管开口端，保持与中管（11）和内管（10）同心度，从中管（11）引入的气体通过同轴定心垫圈（12）上通气孔（28）继续向开口端流动。

5.根据权利要求1所述的一种波导直馈式微波等离子体炬装置，其特征在于，窄边压缩波导（31）与微波入口端（2）相对应的另一端为波导短路滑动端（35），含有一个波导短路板（15），波导短路板（15）与一个滑动杆（16）紧固连接，通过滑动杆（16）滑动定位波导短路板（15）在窄边压缩波导（31）内的位置，炬管轴心（21）与波导短路板（15）之间的距离在1/4 λ附近。

6.根据权利要求1所述的一种波导直馈式微波等离子体炬装置在用作原子发射光谱的激发光源和荧光光谱的原子化器及原子质谱的离子化源中的应用。

7.根据权利要求1所述的一种波导直馈式微波等离子体炬装置在分解、处理有害化合物和垃圾中的应用。

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