CN104507249A - 一种矩形波导微波等离子体源发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矩形波导微波等离子体源发生装置，包括矩形波导谐振腔，载气模块，调节模块，光路模块，电路控制系统，维持气控制系统，样品载气控制系统。本发明提供了一种矩形波导微波等离子体源发生装置，激发能量可以从200瓦到数千瓦，在电路控制系统的作用下，微波能量在谐振腔中将通过的载气电离形成等离子体，这种等离子体含有样品光谱信息并可以通过光路模块传递出来，以实现对介质气中的物质进行分析的目的。

Description

一种矩形波导微波等离子体源发生装置

技术领域

本发明涉及精密分析仪器领域，尤其涉及一种矩形波导微波等离子体源发生装置。

背景技术

矩形波导是某一形式的电磁波在金属谐振腔中进行能量传递的装置。以微波频段在金属矩形腔中进行能量交换就是矩形微波谐振，它可以提供很高的能量，例如：家用的微波炉、商用的微波加热、烘干设备等，就是利用微波在金属矩形腔中的谐振产生能量为人们服务。上述的这些举例中的设备对微波能量的许多技术参数，例如微波能量稳定性等，要求并不高。作为仪器分析使用的微波目前仅限于在同轴谐振腔内谐振产生等离子体，它的激发能量受到了限制(一般小于200瓦)。鉴于科学的进步与发展，探索仪器分析使用的高能量、高稳定性微波等离子体的发生成为必然。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种矩形波导微波等离子体源发生装置，激发能量可以达到数千瓦，在电路控制系统的作用下，微波能量在谐振腔中将通过的载气电离形成等离子体，这种等离子体含有样品光谱信息并可以通过光路模块传递出来，以实现对介质气中的物质进行分析的目的。

为了实现上述目的，本发明的一种矩形波导微波等离子体源发生装置，包括：

矩形波导谐振腔；

电路控制系统，连接于所属矩形波导谐振腔的一侧端面上，用于将微波能量输送到矩形波导谐振腔中；

载气模块，包括连接至维持气控制系统并将维持气输送至矩形波导谐振腔内的维持气输送通道，以及连接至样品载气控制系统并将样品载气输送至矩形波导谐振腔内的样品载气输送通道；

光路模块，用于将维持气与样品载气的混合气在矩形波导谐振腔内受微波激发产生微波等离子体时所发出的光信号导出至分析仪器；

维持气控制系统，用于向矩形波导谐振腔内提供维持气；

样品载气控制系统，用于向矩形波导谐振腔内提供样品载气。

所述矩形波导谐振腔满足以下条件：

a＝0.7λ，b＝a/2，l＝λ/2，λ＝122.2mm，

其中a、b、l分别为矩形波导谐振腔的宽、高、长，λ为波导波长。

所述载气模块，包括在所述矩形波导谐振腔的上、下端面中心位置贯通设置的石英外管，所述样品载气输送通道以及所述维持气输送通道连接至所述石英外管内。

所述石英外管的下端设置有柱塞，所述维持气输送通道及所述样品载气输送通道开设在所述柱塞内；所述样品载气输送通道内设置有与所述电路控制系统相关联以完成耦合探针功能的导气铜管，所述导气铜管与所述石英外管同轴并向上延伸至所述矩形波导谐振腔的内部。

所述光路模块靠近所述矩形波导谐振腔内部的中心点，包括由同轴设置的三个凸透镜组成的透镜组以及用于安装所述透镜组的透镜基座；所述透镜组，包括靠近所述中心点并将点光源折射形成平行光的第一凸透镜，与第一凸透镜相邻并将平行光汇聚形成点光源的第二凸透镜，以及与第二凸透镜相邻并将点光源折射形成平行光的第三凸透镜。

所述第一凸透镜、第二凸透镜的直径Ф为12cm，焦距f为6cm；所述第三透镜直径Ф为6cm，焦距f为3cm。

所述透镜基座为设置有内螺纹的筒状结构；所述第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜间隔设置在透镜基座内；所述透镜基座内还设置有用于卡住所述第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜的多个外螺纹锁紧环。

所述矩形波导微波等离子体源发生装置，还包括调节模块；所述调节模块包括设置在所述矩形波导谐振腔内并且可在矩形波导谐振腔内滑动的反射滑板，以及与所述反射滑板相连，用于带动所述反射滑板移动的传动部。

所述传动部包括用于传动的丝杠；所述丝杠穿过位于所述矩形波导谐振腔侧壁上具有内螺纹的丝杠孔，一端与所述反射滑板可转动地连接，另一端连接动力源。

技术原理：

微波能是一种电磁能，因此它遵循电磁理论。驻波是频率和振幅均相同、振动方向一致、传播方向相反的两列波叠加后形成的波，两列波叠加后波形并不向前推进。在矩形波导谐振腔中，电磁场被限制在腔体内，振荡实际上是由电磁波在腔壁上来回反射而形成的稳定驻波。也就是入射波(推进波)与反射波相互干扰而形成的波形不再向前推进(仅波腹上、下振动，波节不移动)的电磁波。

矩形波导谐振腔是几何形状最简单的一种空腔谐振器，是由一段两端用导体板封闭的矩形波导构成的谐振腔，腔体的尺寸为a×b×l(a为矩形波导谐振腔体横截面的宽，b为矩形波导谐振腔体横截面的高，l为矩形波导谐振腔体的长度)。在一定的腔体尺寸下，不是任意波长的电磁波都能在腔中振荡的，而只有那些能够在腔中满足一定驻波分布的电磁波才能够振荡，它们的波导波长是由腔的尺寸所决定的。依据电磁理论得出λ/1.8<a<λ，(λ为波导波长)，0<b<λ，l＝p·λ/2，(p可以取1，2，3…)。在以上电磁理论指导下，通过实践得出本发明采用微波波导的实际经验值，a＝0.7λ，b＝a/2，l＝λ/2。依据电磁理论，在矩形波导谐振腔中电场与磁场之间有90度相位差，电场瞬时值达到纯驻波振幅值的瞬间，磁场瞬时值为零，腔内电场能量最大，磁场能量为零；在相隔1/4周期的瞬间，磁场瞬时值达到纯驻波的振幅值，电场瞬时值为零，腔内磁场能量最大，电场能量为零。腔体左右和前后四周的内表面中心线处是纯驻波磁场的波腹(磁场有最大的切向分量)，也是纯驻波电场的波节(电场的切向分量为零)。在电磁能量(微波能量)足够大的情况下，就可以将此处的介质气体激发产生微波等离子体。

此时，以纯净的气体作为激发产生微波等离子体的维持气，再通入含有样品的气体进入微波等离子体中共同激发产生等离子体，微波等离子体中就含有了样品的成分，它以光信号的形式传递出来。对此信号加以分析，就可以检测得知待检测样品及其含量。因此，在矩形波导谐振腔的侧壁与微波等离子体中心位置之间安放一光路模块，将微波等离子体转换成仪器可以检测的光信号。

依据光学原理，矩形波导谐振腔中的微波等离子体视为点光源，进入光路模块的第一凸透镜后出射平行光，平行光进入第二凸透镜后聚焦于一点，以此点为点光源进入第三凸透镜后出射平行光。当然，第三个双凸透镜采用比较小的焦半径，这样出射平行光可视为点光源便于仪器接收，整体构成光路模块。

在矩形波导谐振腔中产生微波等离子体是需要能量的，本发明采用的振荡激励方式为探针耦合，通过它将微波能量输送到矩形波导谐振腔中产生谐振并激发微波等离子体，具体耦合探针为一铜管深入矩形波导谐振腔中相关部位，同时可以输送样品载体于矩形波导谐振腔中。而为了控制产生微波等离子体，在耦合探针外套一石英外管，可以通入产生微波等离子体的维持气体。

依据电磁理论，矩形波导谐振腔的腔壁有微小的变化，矩形波导谐振腔中的谐振频率会有微小的变化，也就是产生微波等离子体的能量有微小的变化。因此，在本发明中采用在矩形波导谐振腔内一端放置移动金属滑板的调节模块以微调微波等离子体，保持稳定的等离子体离子源。

采用上述技术方案，本发明的矩形波导微波等离子体源发生装置，具有以下有益效果：

1、该装置通过矩形波导谐振腔可以产生较大的激发能量，从而对通过维持气控制系统、样品载气控制系统和载气模块输送至矩形波导谐振腔内的含有检测物质的气体电离形成等离子体；

2、本发明的矩形波导微波等离子体源发生装置同时还能够对在谐振腔内电离形成的等离子体所含有样品光谱信息通过光路模块传递出来，对样品载气中的物质进行分析，从而使该装置能够应用于离子源精密分析领域；

3、在矩形波导谐振腔中，采用a＝0.7λ，b＝a/2，l＝λ/2，在微波能量满足条件的情况下，可以产生微波等离子体；

4、通过所述透镜组，可以将最终出射的平行光视为点光源便于仪器接收；

5、所述导气铜管既是样品载气通道又是耦合探针，使用方便；

6、通过调节模块，可以调节反射滑板的位置以实现对矩形波导谐振腔尺寸的微调，使矩形波导谐振腔中的谐振频率会有微小的变化，也就使得产生微波等离子体的能量有微小的变化，从而能够通过微调手段保持稳定的等离子体离子源。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明中矩形波导谐振腔结构示意图。

图3为本发明中载气模块结构示意图。

图4为本发明中石英外管结构示意图。

图5为本发明中导气铜管结构示意图。

图6为本发明中基座结构示意图。

图7为本发明中调节模块结构示意图。

图8为本发明中手轮结构示意图。

图9为本发明中反射滑板结构示意图。

图10为本发明中锁紧螺母结构示意图。

图11为本发明中光路模块结构示意图。

图12为本发明中透镜基座结构示意图。

图13为本发明中第一凸透镜结构示意图。

图14为本发明中第三锁紧环结构示意图。

图15为本发明中第二凸透镜结构示意图。

图16为本发明中第二锁紧环结构示意图。

图17为本发明中第三凸透镜结构示意图。

图18为本发明中第一锁紧环结构示意图。

图19为本发明原理结构示意图。

图20为本发明中光路模块工作原理示意图。

图中：1、矩形波导谐振腔；2、载气模块；3、调节模块；4、光路模块；5、电路控制系统；6、维持气控制系统；7、样品载气控制系统；11、法兰结构；12、腔体；13、通孔；131、通孔；14、丝杠孔；15、光路导孔；21、石英外管；22、导气铜管；23、柱塞；231、样品载气输送通道；232、台肩；233、维持气输送通道；31、传动部；32、反射滑板；33、锁紧螺母；311、手轮；312、丝杠；313、连接柱；321、螺母槽；322、插入孔；41、透镜基座；42、第二凸透镜；43第二锁紧环；44、第一凸透镜；45、第一锁紧环；46、第三凸透镜；47、第三锁紧环；411、第一台阶；412、第二台阶。

具体实施方式

本发明针对目前现有的作为仪器分析使用的微波仅限于在同轴谐振腔内谐振产生等离子体的缺陷，使用矩形波导微波等离子体谐振腔，在电路控制系统的作用下，微波能量在谐振腔中将通过的载气电离形成等离子体，这种等离子体含有样品光谱信息并可以通过光路模块传递出来，以作为离子源应用于精密分析仪器中。

以下通过附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，本发明的矩形波导微波等离子体源发生装置，包括矩形波导谐振腔1，载气模块2，调节模块3，光路模块4，电路控制系统5，维持气控制系统6，样品载气控制系统7。

参见图2所示，所述矩形波导谐振腔1包括一封闭金属腔体12，在所述腔体12的一侧端面上设置有法兰结构11，连接有电路控制系统5，包括控制电路、磁控管和机动调谐器等，用于将适当的微波能量输送到矩形波导谐振腔中，上述电路控制系统5为常规器件，不做叙述。

在所述腔体12的上、下端面正中位置分别设置有通孔13、131。如图3～6所示，载气模块2包括贯通所述通孔13、131的石英外管21，所述石英外管21的下端设置有柱塞23，石英外管21的底部与柱塞23上的台肩232紧密配合。

所述柱塞内开设有连接至维持气控制系统6并将维持气输送至石英外管21内的维持气输送通道233，以及连接至样品载气控制系统7并将样品载气输送至石英外管21内的样品载气输送通道231。

产生微波等离子体的维持气通过维持气通道233进入石英外管21，待微波波导谐振后激发形成等离子体。其中，维持气的输送通过维持气控制系统6控制。本发明采用高纯净氩气作为等离子体维持气。

导气铜管22为铜管式耦合探针，与所述石英外管21同轴，底部穿过样品载气输送通道231后与样品载气控制系统7相连接，并且与电路控制系统5相关联以完成耦合探针的功能，实现振荡激励作用。样品载气通过导气铜管22后，与石英外管21中的维持气混合。本发明采用高纯净氩气作为样品载气。所述维持气控制系统6、样品载气控制系统7均为常规设备，在此不做叙述。

参见图19，示出了矩形谐振腔中的气体产生微波等离子体原理结构示意。依据电磁理论，在矩形波导谐振腔中，腔体的左、右和前、后侧壁的内表面中心线处，即区域20，是纯驻波磁场的波腹(磁场有最大的切向分量)，也是纯驻波电场的波节(电场的切向分量为零)。在电磁能量(微波能量)足够大的情况下，就可以将此处的介质气体激发产生微波等离子体。

在电磁理论指导下，通过实践得出本发明采用微波波导的实际经验值，a＝0.7λ，b＝a/2,l＝λ/2。

采用f＝2450MHZ的微波，

因为λ＝v/f，v＝3×10⁸m，

那么λ＝3×10⁸m/2450MHZ＝122.2mm。

因此，矩形波导谐振腔a＝0.7λ＝0.7×122.2mm＝85.54mm，

则取a＝85.5mm时，b＝a/2＝42.7mm，l＝λ/2＝61.1mm。

满足以上数据，矩形谐振腔中的波导就会以微波2450MHZ左右的频率发生谐振，并激发矩形谐振腔中的气体产生微波等离子体。

图11～18示出了光路模块4的结构，所述光路模块4通过位于腔体12侧壁上的光路导孔15处嵌入矩形波导谐振腔中，包括由第一凸透镜44、第二凸透镜42、第三凸透镜46间隔设置组成的透镜组以及用于安装所述透镜组的透镜基座41

所述透镜基座41可以为发黑处理后的铝合金材料的筒状结构，内壁设有能够与多个外螺纹的锁紧环相互配合的内螺纹。所述多个锁紧环为铝合金材料并发黑处理。

在所述透镜基座41位于所述第二凸透镜42远离所述第一凸透镜44的一侧设置有径向向内用于卡住第二凸透镜42的第二台阶412；在所述透镜基座41位于所述第三凸透镜46靠近所述第二凸透镜42一侧的位置设置有径向向内用于挡住第三凸透镜46的第一台阶411。如图11、12所示，透镜组的安装结构的位置关系为依次设置的第一锁紧环45、第一凸透镜44、第二锁紧环43、第二凸透镜42、第二台阶412、第一台阶411、第三凸透镜46、第三锁紧环47。

所述透镜组的三个凸透镜均为双凸透镜。所述第三凸透镜46参数采用Ф＝6cm、f＝3cm。第二凸透镜42与第一凸透镜44的参数均采用Ф＝12cm、f＝6cm。以上透镜放置均位于同一中心轴线上。

参见图20，显示了光路模块4的光学原理。依据光学理论中的费马原理，将等离子体电离的区域20视为点光源，那么，它的发射光通过第一凸透镜44后形成平行光经过第二凸透镜42折射后聚焦于一点，放置透镜时使第三凸透镜46的焦点位置与第二凸透镜44的焦点位置重合，那么此处的点光源通过第三凸透镜46后形成平行光，由于它的透镜参数变化，在检测仪器中可视为此时的出射平行光为平行光点光源，此时它携带的样品的光谱信息没有变化，而作为分析仪器点光源就非常实用、方便，可以直接作为仪器离子源与分析仪器中光学单色仪或其它检测接收部分连接。

参见图7～10，示出了调节模块3结构。所述调节模块3包括设置在所述矩形波导谐振腔内并且可在矩形波导谐振腔内滑动的反射滑板32，以及与所述反射滑板32相连，用于带动所述反射滑板移动的传动部31。

所述传动部31包括用于传动的丝杠312；在腔体12与法兰结构11相对的一侧端面中心位置开设有一内螺纹的丝杠孔14，所述丝杠312穿过所述丝杠孔14，一端与所述反射滑板32可转动地连接，另一端连接动力源(图中未示出)。所述动力源可以为人力，也可以是其他动力机构，诸如电机等。本实施例中采用人力输入，所述丝杠412连接有一手轮311，通过转动手轮311带动丝杠312旋转，从而丝杠312带动所述反射滑板32滑动以微调微波等离子体来保持稳定的等离子体的稳定。

所述丝杠312靠近反射滑板32的端部设置有向外伸出的连接柱313，连接柱313的端部设置有外螺纹，该连接柱313插入到所述反射滑板32中心位置的插入孔322内，并与位于反射滑板32另一侧的一锁紧螺母33螺纹连接。所述锁紧螺母33嵌入在所述反射滑板32中的螺母槽321内。所述连接柱313端部与所述锁紧螺母33连接后，所述连接柱313能够在插入孔322内自由转动。

将本发明作为离子源安装在安捷伦发射光谱仪ICP--OESE-700上进行试验，得出相关数据如下表：

证明了本发明的可行性。

Claims (10)

1.一种矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，包括：

矩形波导谐振腔；

电路控制系统，连接于所述矩形波导谐振腔的一侧端面上，用于将微波能量输送到矩形波导谐振腔中；

载气模块，包括连接至维持气控制系统并将维持气输送至矩形波导谐振腔内的维持气输送通道，以及连接至样品载气控制系统并将样品载气输送至矩形波导谐振腔内的样品载气输送通道；

光路模块，用于将维持气与样品载气的混合气在矩形波导谐振腔内受微波激发产生微波等离子体时所发出的光信号导出至分析仪器；

维持气控制系统，用于向矩形波导谐振腔内提供维持气；

样品载气控制系统，用于向矩形波导谐振腔内提供样品载气。

2.如权利要求1所述的矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，所述矩形波导谐振腔满足以下条件：

a＝0.7λ，b＝a/2，l＝λ/2，λ＝122.2mm，

其中a、b、l分别为矩形波导谐振腔的宽、高、长，λ为波导波长。

3.如权利要求1或2所述的矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，所述载气模块，包括在所述矩形波导谐振腔的上、下端面中心位置贯通设置的石英外管，所述样品载气输送通道以及所述维持气输送通道连接至所述石英外管内。

4.如权利要求3所述的矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，所述石英外管的下端设置有柱塞，所述维持气输送通道及所述样品载气输送通道开设在所述柱塞内。

5.如权利要求4所述的矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，所述样品载气输送通道内设置有与所述电路控制系统相关联以完成耦合探针功能的导气铜管，所述导气铜管与所述石英外管同轴设置并向上延伸至所述矩形波导谐振腔的内部。

6.如权利要求1或2所述的矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，所述光路模块的位置靠近所述矩形波导谐振腔内部的中心点，包括由同轴设置的三个凸透镜组成的透镜组以及用于安装所述透镜组的透镜基座；所述透镜组，包括靠近所述中心点并将点光源折射形成平行光的第一凸透镜，与第一凸透镜相邻并将平行光汇聚形成点光源的第二凸透镜，以及与第二凸透镜相邻并将点光源折射形成平行光的第三凸透镜。

7.如权利要求6所述的矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，所述第一凸透镜、第二凸透镜的直径Ф为12cm，焦距f为6cm；所述第三透镜直径Ф为6cm，焦距f为3cm。

8.如权利要求6所述的矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，所述透镜基座为设置有内螺纹的筒状结构；所述第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜间隔设置在透镜基座内；所述透镜基座内还设置有用于卡住所述第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜的多个外螺纹锁紧环。

9.如权利要求1或2所述的矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，还包括调节模块；所述调节模块包括设置在所述矩形波导谐振腔内并且可在矩形波导谐振腔内滑动的反射滑板，以及与所述反射滑板相连，用于带动所述反射滑板移动的传动部。

10.如权利要求9所述的矩形波导微波等离子体源发生装置，其特征在于，所述传动部包括丝杠；所述丝杠穿过位于所述矩形波导谐振腔侧壁上具有内螺纹的丝杠孔，一端与所述反射滑板可转动地连接，另一端连接动力源。