CN103891418B - 在多电极微波等离子体激发源中的电极冷却系统 - Google Patents

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Abstract

三个相同的电极(7)相对于中心管的轴线对称地布置，和电极冷却系统。每个电极的长度为1/4L，L是微波长度。每个电极(7)具有一个用于冷却流动的空心室，与金属管(1,2)连接。管端部(D,F)与壳体(10)短接。每个管(1,2)的长度是1/4L。这些管(1,2)与所述壳体(10)隔离。在另一种配置中，每个电极(7ˊ)的长度为3/4L。用于冷却流动的管嵌入到电极空心腔室，入口管(12)内置于出口管。管连接器(3,4)位于金属壳体(10ˊ)的外部。从供电连接到电极尖端和从微波连接到电极尖端的距离分别是1/2L和1/4L。

Description

在多电极微波等离子体激发源中的电极冷却系统
技术领域
本发明的主题是一种在多电极微波等离子体激发源中的电极冷却系统，其目的是增强应用在各种分析技术中，特别是在光学发射光谱法和质谱法中，的电容式微波等离子体激发源的冷却。
背景技术
微波等离子体激发源被应用于各种分析技术，来激发一个被输送到一个等离子区的分析样品。由于高的等离子温度，应用在电容式激发源中的电极，也被称为天线，可以达到与热传导和等离子辐射有关的高的表面温度值。当供给到一个电极的功率的某一临界密度已被超过，根据上述因素，与电极材料相关的分析谱线在发光光谱中上升，并且如果功率密度仍然增加，电极甚至可能损坏。所述的过程约束光谱源的如电子密度数量和激发温度等这种显著参数。加强的电极冷却对于足够高的源参数的潜在应用是有必要的。
在典型的微波激发源中，微波谐振器被统一为具有一个2.45GHz的微波功率发生器，所述谐振器被使用不吸收微波辐射的冷却气体或液体的系统冷却。一种水气雾剂也可以用作这样的介质，因为由喷洒在气体中的水分子的辐射吸收是微弱的。如果使用水，冷却系统必须设在微波场力线集中区以外，例如在微波谐振器壁中或在放电管周围，以避免过多的水的微波辐射吸收。
US5568015的专利说明书中描述了一种微波等离子体激发源，其中微波等离子体发生器谐振器是由介电材料制成，并且所述冷却剂实质上是通过一个螺旋形通道供给，该螺旋形通道保持与谐振器壁和一个不吸收微波的外部介质的接触。在这种系统中，可以使用水作为冷却剂，由于螺旋通道相对于微波场力线的合适的情况。这种解决方案是用于单电极的等离子体激发源。
从PL385484专利申请已知一种用于多相位电极系统的等离子体加热的方法和系统。该方法是，由等离子体发生器的至少三个相同的元件提供至少三个电磁波到围绕所产生的等离子体的一个圆上对称分布的点。作为气体流过该圆心的结果，等离子体获得一个环形形状，外部粒子通过其中心被馈送。该系统配备有至少一个功率发生器和至少三个相同的对称地分布在一个圆上的电极，在该圆中心，等离子体发生器的放电管垂直于电极系统放置。放电管包括一个管，该管将外部粒子供给到等离子体激发区。在这样的激发源中使用的电极的长度通常为1/4L或等于该长度的奇数倍，其中L是由微波能源产生的微波的长度，所述电极的长度是从它的顶部测量到供电点。如果供电点以微波最大值连接到所述电极，电极的长度也可以是3/4L或其多倍。
具有电容耦合的多电极激发源用于产生一个旋转微波场，并从惰性气体如氩、氦、氖，和这种分子气体如氢、氮、氧或大气两者中，在激发区获得稳定的环形等离子体。在微波等离子体产生后，根据工作气体流过激发源、电极材料和结构、以及电极供给模式，即一个脉冲或连续脉冲，电极的温度上升。该电极由通过在电极屏蔽壳体的通道供给到所述电极的空气冷却。尽管在激发源的长期工作过程中空气冷却，但电极表面可以达到与热传导和等离子体辐射相关的高的温度。
发明内容
本发明的目的是开发一种冷却系统，用于多电极微波等离子体激发源的加强冷却，其中通过一个电容耦合，能量从一个高频发生器供给到等离子体流。
一个多电极微波等离子体激发源中的电极冷却系统，包括电极冷却剂供给和移除系统，同时激发源由相对于中心管的轴线对称地布置的至少三个相同的电极构成，所述中心管供给一个分析样品，并且多个电极被安装在一个电绝缘的金属壳体中，使得电极的顶部放置在中心管的出口，并且他们的端部在供电点与微波连接短接，所述微波连接在电极的纵向轴线的延伸方向嵌入到壳体中，并且所述微波连接与微波功率源耦合，尤其是2.45GHz的频率，而每个电极从其顶部测量到供电点的长度为1/4L，其中L是由微波功率源产生的微波的长度，根据本发明，由一个特征区分开来：每个电极具有一个用于冷却剂的空心的纵向流动室，与金属侧管连接，供给和移除冷却剂的第一和第二金属侧管，同时外侧的管端部与壳体电气短接，每个侧管在金属壳体内的长度，从与电极的连接测量到外侧壳体壁10，是1/4L。此外，侧管在整个长度上与所述壳体隔离，并且有利地，侧管在壳体外部与入口和出口管连接器连接。
另一个多电极微波等离子体激发源中的电极冷却系统，包括电极冷却剂供给和移除系统，同时激发源由相对于中心管的轴线对称地布置的至少三个相同的电极构成，所述中心管供给一个分析样品，并且多个电极被安装在一个电绝缘的金属壳体中，使得电极的顶部放置在中心管的出口，并且他们的端部延伸到壳体圆周的外壁，此外，电极在周围于供电点与微波连接短接，微波连接嵌入到壳体中，并且所述连接与微波功率源耦合，尤其是2.45GHz的频率，而每个电极从其顶部测量到其在壳体圆周的外壁的端部的长度为3/4L，其中L是由微波功率源产生的微波的长度，根据本发明，由一个特征区分开来：每个电极具有一个用于冷却剂的空心的纵向流动腔室，带有嵌入的内管，内管与位于电极外侧的入口管连接器连接，并且出口管连接器连接到围绕内管布置的在流动腔室中的内部通道，并且管连接器位于金属壳体的外部，而每个电极的端部与壳体短接，从供电点到顶部的距离为1/2L，并且从这个点到嵌入在壳体的微波连接的距离是1/4L。
根据本发明，所述冷却系统几乎不吸收微波辐射，使得各种冷却液体，包括水，可被用作冷却剂，用于多电极等离子体激发源中的加强电极冷却，而没有任何微波功率损失。
在一个具有安装在电极纵向轴线的微波连接的多电极激发源中，没有冷却水能够通过一个电介质管供给到电极，因为电介质，作为一种损耗材料，其本身会吸收一些功率，并将开始升温。这将导致提供到等离子体的功率的一些损失。为了避免上述影响，金属侧管的长度应该是微波长度L或其倍数的四分之一。如果四分之一波长电极和侧管被使用，这种微波技术已知的被称为四分之一波支持出现，其对于微波是无限的并联阻抗。
在一个具有与电极垂直或成一角度安装的微波连接的多电极激发源的情况下，冷却水可以通过位于所述壳体外部的管连接器来供给。内管可以由任何材料制成，因为微波传播在电极表面上。如果使用长度为3/4L长度的电极，其端部应位于所述壳体外壁，并且供电点应与电极短接，距电极端部和距微波连接四分之一波长的距离。在这样的冷却系统中，在电极运行期间，四分之一波支持发生，这允许电极为水冷式，而没有任何微波功率损失。
附图说明
本发明的主题在附图所示的例子中解释，其中，图1显示了一种多电极微波等离子体激发源的俯视图。图2显示了图1中的激发源的Z-Z轴向的截面图。图3示出了多电极激发源中的冷却系统的另一个实施例，图4示出另一种具有电极冷却系统的多电极微波等离子体激发源。
具体实施方式
如图1和图2所示，多电极微波等离子体激发源包括相对于中心管9的轴线对称地布置的至少三个相同的电极7，所述中心管9供给气态状态的（如气体的混合物或带工作气体的气雾剂）的分析样品。电极7被安装在电绝缘的金属壳体1上，使得多个电极7的顶部A放置在中心管9的出口，并且他们的端部在供电点B处与微波连接6短接，所述微波连接6在电极7的纵向轴线的延伸方向嵌入到壳体10中。微波连接与微波功率源连接。电极之间的相移确保系统获得一个旋转微波场，并在电极7的顶部之间的等离子体激发区域中产生稳定的环形等离子体。所述中心管9安装在放电管8内部，通过环形垫圈11同心地位于壳体10内部。空气、工作气体或气帘气（curtaingas）能够通过放电管8供给。如果没有放电管8，其功能可以通过由壳体10的内壁形成的圆柱状通道来进行。中央管9和放电管8由介电材料制成，通常由陶瓷或石英材料制成。该金属壳体10的目的是为了固定和屏蔽电极7。电极7的冷却系统包括每个电极7中的空心的流动腔室和冷却剂供给和移除管。
如图2所示，每个电极7的冷却系统由金属侧管1、2组成，第一和第二金属侧管，其供给和移除冷却剂到的电极7中的空心的流动腔室。侧管1、2在电极7圆周的相对侧上以到其顶部A、管的外端部D、F不同的距离不对称地连接到电极7，管的外端部D、F位于圆柱形的壳体10圆周的外壁，与壳体10电气短接。每个电极7，从它的顶部A到供电点B的长度，等于1/4L，其中L是由微波功率源产生的微波的长度。在金属壳体10内部的每个侧管1、2的长度，从与电极7的连接测量到壳体10的外壁，等于电极7的长度，并且侧管1、2在整个长度上与壳体10分离。管的端部能够配置间隔元件。
侧管1、2在壳体10的外部与进口和出口管连接器3、4连接。两个管被安装在电极7的纵向轴线的相对侧，并向圆柱形壳体10的圆周的外壁倾斜弯曲。第一侧管1的长度是由它的外端部D和永久地固定在电极7的内端部E之间的距离决定。第二侧管2的长度是由它的外端部F和永久地固定在电极7的内端部C之间的距离决定。如果放电管8延伸超过等离子体激发区，在其侧壁制作用于电极7的孔。
图3所示的冷却系统是不同的，因为侧管1、2以从顶部A相同的距离对称地连接到电极7。两个侧管垂直于所述电极7的纵向轴线布置，并且他们的相对的外端部F、D被引到与壳体10电气短接的壳体10的侧壁。在图3中所示的放电管8位于等离子体激发区的下方，并且在中心管9的出口孔边缘的下方。
如图4所示，另一种多电极微波等离子体激发源由相对于中心管9的轴线对称地布置的至少三个相同的电极7'组成，所述中心管9供给分析样品。电极7'固定在电绝缘的金属壳体10'中，使得多个电极7'的顶部A放置在中心管9的出口，并且他们的端部延伸到壳体10'圆周的外壁。此外，电极7'在周围于供电点B处与微波连接6短接，微波连接6垂直于每个电极7'的纵向轴线或以相对于每个电极7'的纵向轴线的不同的角度嵌入到壳体10'。微波连接6的连接点G位于壳体10'的内侧壁。微波连接6与微波功率源通过电源供给输入端5连接。所述冷却系统由向电极7'供给冷却剂和从电极7'移除冷却剂的系统组成。每个电极7'具有一个用于冷却剂的空心的纵向流动腔室，带有嵌入的内管12，内管12与位于电极外侧的入口管连接器3连接，出口管连接器4连接到围绕内管12布置的在流动腔室中的内部通道。所述管连接器3、4位于金属壳体10'的外部。流动腔室在电极7'的端部使用部件H封闭。每个电极7'的长度，从它的顶部A测量到它的在壳体10'圆周的外壁的端部，是3/4L，其中L是由微波功率源产生的微波的长度，从供电点B到顶部A的距离为1/2L，并且从电极7'到嵌入在壳体10'的微波连接6的距离是1/4L。电极7'端部与壳体10'短接，有利地通过金属部件H。如果使用一个2.45GHz的微波功率源，微波长度L大约是12cm，电极7'的长度大约是9cm。中央管9可以被安装入放电管8，放电管8供给空气、工作气体或气帘气（curtaingas）。两个管由介电材料制成，通常由陶瓷或石英制成。安装在电极7'内部的内管12'可以由金属或介电材料制成。

Claims (3)

1.一种用于多电极微波等离子体激发源的电极冷却系统，包括电极冷却剂供给和移除系统，同时激发源包括相对于中心管的轴线对称地布置的至少三个相同的电极，所述中心管供给一个分析样品，并且电极被安装在一个电绝缘的金属壳体中，使得电极的顶部布置在中心管的出口，并且其端部在供电点与微波连接短接，所述微波连接在电极的纵向轴线的延伸方向嵌入到壳体中，并且所述连接与微波功率源耦合，而每个电极从其顶部测量到供电点的长度为1/4L，其中L是由微波功率源产生的微波的长度，其特征在于：每个电极(7)有一个用于冷却剂的空心的纵向流动室，与供给和移除冷却剂的第一和第二金属侧管(1,2)连接，同时侧管(1,2)的外端部(D,F)与壳体(10)电气短接，每个侧管(1,2)在金属壳体(10)内的长度，从与电极(7)的连接处测量到壳体(10)的外壁，是1/4L，此外，侧管(1,2)在整个长度上与所述壳体(10)隔离。
2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述微波功率源的频率为2.45GHz。
3.根据权利要求1所述的冷却系统，其中，所述侧管(1,2)在壳体(10)外部与入口和出口管连接器(3,4)连接。
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