CN103945631B - 一种改进的微波等离子体炬装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种改进的微波等离子体炬装置，由外管、中管、内管、多孔同轴定心垫片、耦合环、耦合接头、调谐滑杆、调谐螺母、炬管气路转接头、气路接口螺柱及限位螺钉组成。本发明对传统MPT炬管调谐结构进行改进，实现了调谐螺母的原位旋转调节与调谐滑杆的升降功能分离，简化了与电动器件联动的难度，改进后的结构由于调谐螺母纵向位置不变降低了对调节窗口大小的要求，扩展了调谐螺母下面封闭空间的用途。最终实现调谐螺母的原位旋转调节与调谐滑杆的升降功能分离，易与步进电机通过齿轮啮合/皮带轮相连，实现电动自动反馈调谐功能。可应用于光谱仪等产品中，提高微波等离子体炬在光谱仪等产品中的自动化集成/控制程度。

Description

一种改进的微波等离子体炬装置及应用

技术领域

本发明属于化学测量技术领域，是一种改进的微波等离子体炬装置，易与步进电机通过齿轮啮合/皮带轮相连，实现电动自动反馈调谐功能。可应用于光谱仪等产品中，提高微波等离子体炬在光谱仪等产品中的自动化集成/控制程度。

背景技术

微波等离子体炬（MPT）为金钦汉教授于1985年所发明，对应申请专利号为CN94205428.8。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1/4λ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。在MPT光谱仪/炬管的使用过程中，系统的参数发生变化：如工作气体的变化、分析物成分和浓度的变化、流量的变化、功率的变化等等，或系统阻抗无法匹配，均使得工作状态下的MPT的反射功率处于非最优状态，能量得不到有效的利用，因此需要对炬管反射端面的位置进行调节。

传统的MPT炬管通过旋转调谐螺母带动调谐活塞旋转，进而与炬管外管通过螺纹结构实现其反射端面的上下调节，但由于调谐活塞与调谐螺母为一体式，调谐螺母在旋转的过程中其位置也会随之上下变化，难以与电动器件相连实现电动调谐。其次由于上述联动原因造成调谐螺母所在的调节窗口尺寸也要与调谐范围匹配。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的微波等离子体炬装置，主要由外管、中管、内管、多孔同轴定心垫片、耦合环、耦合接头、调谐滑杆、调谐螺母、炬管气路转接头、气路接口螺柱以及多个限位螺钉组成，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，外管、中管和内管为三管同轴结构，外管、中管与调谐滑杆的反射端形成了一端开放式的谐振腔，多孔同轴定心垫片位于内管和中管之间，该多孔同轴定心垫片带有多个对称小孔以便气路流通。耦合环内壁与中管外壁实现良好的物理接触，并与耦合接头相连。炬管气路转接头位于外管下方，通过限位螺钉固定其纵向位置，气路接口螺柱与其相连，用于引入工作气体、内路气体和/或样品。调谐螺母位于外管下端内部，在限位螺钉的作用下只能转动不能上下位移。调谐滑杆位于调谐螺母内，两者通过螺纹结构啮合。调谐滑杆在限位螺钉的作用下只能上下滑动位移不能转动。

外管1包括屏蔽气接口、滑杆限位孔、螺母限位孔、调节窗、气路转接头限位孔、调谐滑孔、耦合窗，其中屏蔽气接口入口方向与外管内孔相切，使得由屏蔽气接口进入的气体在腔体内形成切向流，滑杆限位孔通过螺纹结构配合限位螺钉使用，限制调谐滑杆在调谐滑孔中实现上下滑动而不旋转，螺母限位孔为对称分布的多孔结构，它通过螺纹结构配合限位螺钉使用，限制调谐螺母在外管中的纵向位置，使其仅能够通过调节窗实现旋转功能，气路转接头限位孔通过螺纹结构配合限位螺钉使用，限制炬管气路转接头在外管内的纵向位置，调谐滑孔直径优选低于外管内径以防止微波泄漏，与调谐滑杆外径匹配使用，耦合窗用于安装固定耦合接头以引入微波能。

调谐滑杆包括反射端、滑杆内孔、滑杆滑槽、滑杆外螺纹和调谐活塞，其中滑杆内孔尺寸与中管外径匹配实现上下滑动，滑杆滑槽纵向深度取决于MPT炬管可调谐的范围，宽度取决于限位螺钉，调谐活塞的外径与外管内径相匹配以实现上下滑动。

调谐螺母包括上轮廓、旋转滑槽、调节面、下轮廓、螺母内螺纹等。其中上轮廓与下轮廓的外径与调节窗位置处外管的内径相配合，一方面实现无阻碍滑动，另一方面保证调谐滑杆与外管的同心度进而保证中管与外管的同心度，确保炬管腔体内电磁场为轴对称分布。旋转滑槽纵向高度取决于限位螺钉。调节面表面为齿轮结构或滚花结构等，取决于手动调节还是电动机械调节。它的至少一部分包含在调节窗位置处以便于外部调节。螺母内螺纹与滑杆外螺纹匹配，实现调谐滑杆与调谐螺母通过螺纹结构啮合。

炬管气路转接头包括中管螺纹孔、转接头旋转滑槽、工作气螺纹孔、内管螺纹孔等。其中中管螺纹孔通过螺纹结构固定连接中管，工作气螺纹孔与气路接口螺柱连接将工作气体引入到中管中。内管螺纹孔通过螺纹结构固定连接内管，用于引入内路气体和/或样品。转接头旋转滑槽纵向高度不低于限位螺钉的外径。

本发明的另一个目的是提供所述的装置在光谱仪产品中的应用，提高微波等离子体炬在光谱仪等产品中的自动化集成/控制程度。

本发明改进的调谐机理如下：通过外管调节窗旋转调节位于其内部的调谐螺母，由于调谐螺母上的旋转滑槽受到螺母限位孔内的限位螺钉的限位作用只能旋转而不能纵向位移。进而通过螺纹带动调谐滑杆运动，由于调谐滑杆上的滑杆滑槽受到滑杆限位孔内的限位螺钉的限位作用只能在调谐滑孔中纵向滑动而不能旋转。上述的综合结果实现了调谐螺母的原位旋转调节与调谐滑杆的升降功能分离。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。

本发明针对传统微波等离子体炬难以实现电动调谐的问题，对传统MPT炬管调谐结构进行改进，解决其难以实现电动调谐的问题。它通过外管调节窗旋转位于其内部的调谐螺母，由于调谐螺母上的旋转滑槽受到螺母限位孔内的限位螺钉的限位作用只能旋转而不能纵向位移。进而通过螺纹带动调谐滑杆运动，由于调谐滑杆上的滑杆滑槽受到滑杆限位孔内的限位螺钉的限位作用只能在调谐滑孔中纵向滑动而不能旋转。最终实现调谐螺母的原位旋转调节与调谐滑杆的升降功能分离，易与步进电机通过齿轮啮合/皮带轮相连，实现电动自动反馈调谐功能。本发明装置实现了调谐螺母的原位旋转调节与调谐滑杆的升降功能分离，简化了与电动器件联动的难度。改进后的结构由于调谐螺母纵向位置不变降低了对调节窗口大小的要求，扩展了调谐螺母下面封闭空间的用途。可应用于光谱仪等产品中，提高微波等离子体炬在光谱仪等产品中的自动化集成/控制程度。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是改进的微波等离子体炬装置的外管及其局部剖视图。

图3是改进的微波等离子体炬装置的调谐滑杆的1/4剖视图。

图4是改进的微波等离子体炬装置的调谐螺母的剖视图。

图5是改进的微波等离子体炬装置的炬管气路转接头的剖面图。

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

图1为本发明的一种改进的微波等离子体炬装置结构示意图，结合图2-图5各改进的组成部分阐述本发明装置的结构与工作原理。

参见图1，一种改进的微波等离子体炬装置，该装置主要由外管1、中管2、内管3、多孔同轴定心垫片4、耦合环5、耦合接头6、调谐滑杆7、调谐螺母8、炬管气路转接头9、气路接口螺柱10以及多个限位螺钉18组成。其中外管1内径优选20-28mm，中管2外径优选5-10mm，外管1和中管2径比优选2.3-5之间，内管3半径优选1-3mm。所述的外管1、中管2和内管3为三管同轴结构，外管1、中管2与调谐滑杆7的反射端21（如图3）形成了一端开放式的谐振腔。多孔同轴定心垫片4位于内管3和中管2之间，该垫片带有多个对称小孔以便气路流通。耦合环5内壁与中管外壁实现良好的物理接触，并与耦合接头6相连。炬管气路转接头9位于外管1下方，通过限位螺钉18固定其纵向位置，气路接口螺柱10与其相连，用于引入工作气体、内路气体和/或样品。调谐螺母8位于外管1下端内部，在限位螺钉18的作用下只能转动不能上下位移。调谐滑杆7位于调谐螺母8内，两者通过螺纹结构啮合。调谐滑杆7在限位螺钉18的作用下只能上下滑动位移不能转动。

参见图2，所述的外管1包括屏蔽气接口11、滑杆限位孔12、螺母限位孔13、调节窗14、气路转接头限位孔15、调谐滑孔16、耦合窗17等。其中屏蔽气接口11入口方向与外管1内孔相切，使得由屏蔽气接口11进入的气体在腔体内形成切向流。滑杆限位孔12通过螺纹结构配合限位螺钉18使用，限制调谐滑杆7在调谐滑孔16中实现上下滑动而不旋转。螺母限位孔13为对称分布的多孔结构，它通过螺纹结构配合限位螺钉18使用，限制调谐螺母8在外管1中的纵向位置，使其仅能够通过调节窗14实现旋转功能。气路转接头限位孔15通过螺纹结构配合限位螺钉18使用，限制炬管气路转接头在外管1内的纵向位置。调谐滑孔16直径优选低于外管1内径以防止微波泄漏，与调谐滑杆7外径匹配使用。耦合窗17用于安装固定耦合接头6以引入微波能。

参见图3，所述的调谐滑杆7包括反射端21、滑杆内孔22、滑杆滑槽23、滑杆外螺纹24和调谐活塞25等。其中滑杆内孔22尺寸与中管2外径匹配实现上下滑动。滑杆滑槽23纵向深度取决于MPT炬管可调谐的范围，宽度取决于限位螺钉18。调谐活塞25外径与外管1内径匹配实现上下滑动。

参见图4，所述的调谐螺母8包括上轮廓31、旋转滑槽32、调节面33、下轮廓34、螺母内螺纹35等。其中上轮廓31与下轮廓34的外径与调节窗14位置处外管1的内径相配合，一方面实现无阻碍滑动，另一方面保证调谐滑杆7与外管1的同心度进而保证中管2与外管1的同心度，确保炬管腔体内电磁场为轴对称分布。旋转滑槽32纵向高度取决于限位螺钉18。调节面33表面为齿轮结构或滚花结构等，取决于手动调节还是电动机械调节。它的至少一部分包含在调节窗14位置处以便于外部调节。螺母内螺纹35与滑杆外螺纹24匹配，实现调谐滑杆7与调谐螺母8通过螺纹结构啮合。

参见图5，所述的炬管气路转接头9包括中管螺纹孔41、转接头旋转滑槽42、工作气螺纹孔43、内管螺纹孔44等。其中中管螺纹孔41通过螺纹结构固定连接中管2，工作气螺纹孔43与气路接口螺柱连接将工作气体引入到中管2中。内管螺纹孔44通过螺纹结构固定连接内管3，用于引入内路气体和/或样品。转接头旋转滑槽42纵向高度不低于限位螺钉18的外径。

本发明改进的调谐机理如下：通过外管1调节窗14旋转调节位于其内部的调谐螺母8，由于调谐螺母8上的旋转滑槽32受到螺母限位孔13内的限位螺钉18的限位作用只能旋转而不能纵向位移。进而通过螺纹带动调谐滑杆7运动，由于调谐滑杆7上的滑杆滑槽23受到滑杆限位孔12内的限位螺钉18的限位作用只能在调谐滑孔16中纵向滑动而不能旋转。上述的综合结果实现了调谐螺母8的原位旋转调节与调谐滑杆7的升降功能分离。

Claims (7)

1.一种改进的微波等离子体炬装置，其特征在于，该装置主要由外管（1）、中管（2）、内管（3）、多孔同轴定心垫片（4）、耦合环（5）、耦合接头（6）、调谐滑杆（7）、调谐螺母（8）、炬管气路转接头（9）、气路接口螺柱（10）以及多个限位螺钉（18）组成，其中，外管（1）内径为20-28mm，中管（2）外径为5-10mm，外管（1）和中管（2）径比为2.3-5，内管（3）半径为1-3mm，外管（1）、中管（2）和内管（3）为三管同轴结构，多孔同轴定心垫片（4）位于内管（3）和中管（2）之间，该多孔同轴定心垫片（4）带有多个对称小孔以便气路流通，耦合环（5）内壁与中管（2）外壁物理接触，并与耦合接头（6）相连，炬管气路转接头（9）位于外管（1）下方，通过限位螺钉（18）固定其纵向位置，气路接口螺柱（10）与其相连，调谐螺母（8）位于外管（1）下端内部，在限位螺钉（18）的作用下只能转动不能上下位移，调谐滑杆（7）位于调谐螺母（8）内，两者通过螺纹结构啮合，调谐滑杆（7）在限位螺钉（18）的作用下只能上下滑动位移不能转动。

2.根据权利要求1所述的一种改进的微波等离子体炬装置，其特征在于，外管（1）包括屏蔽气接口（11）、滑杆限位孔（12）、螺母限位孔（13）、调节窗（14）、气路转接头限位孔（15）、调谐滑孔（16）、耦合窗（17），其中屏蔽气接口（11）入口方向与外管（1）内孔相切，使得由屏蔽气接口（11）进入的气体在腔体内形成切向流，滑杆限位孔（12）通过螺纹结构配合限位螺钉（18）使用，限制调谐滑杆（7）在调谐滑孔（16）中实现上下滑动而不旋转，螺母限位孔（13）为对称分布的多孔结构，它通过螺纹结构配合限位螺钉（18）使用，限制调谐螺母（8）在外管（1）中的纵向位置，使其仅能够通过调节窗（14）实现旋转功能，气路转接头限位孔（15）通过螺纹结构配合限位螺钉（18）使用，调谐滑孔（16）直径小于外管（1）内径，与调谐滑杆（7）外径匹配，耦合窗（17）用于安装固定耦合接头（6）。

3.根据权利要求1所述的一种改进的微波等离子体炬装置，其特征在于，调谐滑杆（7）包括反射端（21）、滑杆内孔（22）、滑杆滑槽（23）、滑杆外螺纹（24）和调谐活塞（25），其中滑杆内孔（22）与中管（2）外径匹配以实现上下滑动，滑杆滑槽（23）宽度与限位螺钉（18）相适，调谐活塞（25）外径与外管（1）内径相匹配以实现上下滑动。

4.根据权利要求1所述的一种改进的微波等离子体炬装置，其特征在于，调谐螺母（8）包括上轮廓（31）、旋转滑槽（32）、调节面（33）、下轮廓(34)、螺母内螺纹(35)，其中上轮廓（31）与下轮廓（34）的外径与调节窗（14）位置处外管（1）的内径相适，旋转滑槽（32）纵向高度与限位螺钉（18）相适，调节面（33）表面为齿轮结构或滚花结构，螺母内螺纹（35）与滑杆外螺纹（24）匹配，实现调谐滑杆（7）与调谐螺母（8）通过螺纹结构啮合。

5.根据权利要求1所述的一种改进的微波等离子体炬装置，其特征在于，所述的炬管气路转接头（9）包括中管螺纹孔（41）、转接头旋转滑槽（42）、工作气螺纹孔（43）、内管螺纹孔（44），其中中管螺纹孔（41）通过螺纹结构固定连接中管（2），工作气螺纹孔（43）与气路接口螺柱连接将工作气体引入到中管（2）中，内管螺纹孔（44）通过螺纹结构固定连接内管(3)，转接头旋转滑槽(42)纵向高度不低于限位螺钉(18)的外径。

6.根据权利要求1所述的一种改进的微波等离子体炬装置，其特征在于，外管（1）、中管（2）与调谐滑杆（7）的反射端（21）形成一端开放式的谐振腔。

7.根据权利要求1所述的一种改进的微波等离子体炬装置在光谱仪产品中的应用。