CN104602437B - 一种能量场发生装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能量场发生装置(100)，其应用于检测仪中，产生能够将通过的介质电离而形成等离子体的能量场，该能量场发生装置包括：能量场组件(1)，其包括λ/4同轴谐振腔(10)和用于将外部提供的微波能导入到上述λ/4同轴谐振腔中的能量入口端子(15)，λ/4同轴谐振腔(10)包括从内至外依次设置在同一轴线上的内腔(16)、外腔(17)和屏蔽腔(11)；能量场管(2)，其作为功率器件产生微波能，并经由能量入口端子(15)将该微波能导入到λ/4同轴谐振腔(10)中；和能量场控制电路(3)，其包括对电源的纹波进行控制的磁放大器波纹控制单元(31)。本发明能够提供高效且稳定性高的激发源，从而能够应用于精密分析仪器。

Description

一种能量场发生装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种能量场发生装置及其控制方法，特别涉及能够应用于光谱分析仪等精密分析仪器中的能量场发生装置及其控制方法。

背景技术

电和磁是一种能量场。电场产生磁场，同时，磁场又产生电场。它们是密不可分的。随着科学技术的进步与发展，电磁技术的应用领域也越来越广。微波功率发生技术目前应用最多的是加热、烘干等方面，但对于精密分析技术领域来说，由于受现有技术和原材料的限制，没有更好地发挥它的作用。

在专利文献1中，公开了一种微波等离子体获得装置，其主要结构由3个同轴金属管(内管、中管和外管)构成，微波能够以电容耦合的方式进入管中。工作时，载气携带样品从下部进入同轴金属管的内管，用内管和中管瞬间短路形成的火花点燃等离子体，样品即可在等离子体中原子化、激发、甚至电离。该微波等离子体获得装置可以用来作为原子发射和荧光光谱的光源以及原子光谱的离子源。

现有技术文献

专利文献1：中国专利号94205428.8

发明内容

发明要解决的问题

但对于精密分析技术领域来说，专利文献1所述微波等离子体获得装置在实现高效的能量场的方面还存在提升空间。

此外，只有低纹波的稳压电源才能产生稳定的等离子体来满足精密分析仪器激发源的需要。低纹波是业界追求的目标，目前通用的技术一般控制在0.5％左右，难以满足精密分析仪器激发源的需要。这也是现在许多大功率微波源只用于加热、烘干等方面而在精密分析技术领域的应用却很少的原因之一。

用于解决上述问题的技术手段

如果将电磁的能量为人们服务就必须将它传输出来，传输的方式不同获取的能量就不同。在一般情况下，在一个腔体内，同频率、振幅的电磁波，入射波和反射波以驻波形式传播时，能量只在振幅为零与振幅最大间传播而不向前推进，并且在λ/4波长的整数倍时能量最大。在这个强大的能量场中，电场和磁场以矢量相位差π/2形式同时存在。

此外，随着纳米技术和稀土技术的发展，使磁性元件的性能大大提高，也使磁放大器技术应用领域得以拓展。

本发明采用了上述技术原理设计成高能量场发生装置并以相关控制方法实现其功效。

本发明的目的在于提供一种能量场发生装置及能量场控制方法，其能够产生能够高效且稳定性高的能量场，从而满足精密分析仪器激发源的需要。

本发明提供一种能量场发生装置，其应用于检测仪中，产生能够将通过的介质电离而形成等离子体的能量场，该能量场发生装置特征在于，包括：能量场组件，其包括λ/4同轴谐振腔和用于将外部提供的微波能导入到上述λ/4同轴谐振腔中的能量入口端子，上述λ/4同轴谐振腔包括从内至外依次设置在同一轴线上的内腔、外腔和屏蔽腔；能量场管，其作为功率器件产生微波能，并经由上述能量入口端子将该微波能导入到上述λ/4同轴谐振腔中；能量场控制电路，其包括对电源的纹波进行控制的磁放大器波纹控制单元。

在本发明的能量场发生装置中，上述能量场控制电路还包括控制上述能量场管的功率的PWM控制单元。

在本发明的能量场发生装置中，上述能量场控制电路还包括控制电源的功率因数的功率因数控制单元。

在本发明的能量场发生装置中，上述磁放大器纹波控制单元包括运算放大器、功率器件和纳米晶磁饱和放大器。

在本发明的能量场发生装置中，上述能量场管为微波磁控管，在上述微波磁控管产生2450M频率的微波的情况下，上述内腔的内径取5mm，上述外腔的内径取10mm，上述屏蔽腔的内径取35mm。

在本发明的能量场发生装置中，上述能量场组件还包括同轴环，上述同轴环具有环部和形成在上述环部上的突出部，上述环部紧固于上述外腔的外壁上，上述突出部与上述能量入口端子连接，由此，使上述微波能导入到上述λ/4同轴谐振腔的上述外腔中。

在本发明的能量场发生装置中，上述能量场组件还包括：与上述内腔相连通的内腔气体接口；与上述外腔相连通的外腔气体接口；和与上述屏蔽腔相连通的屏蔽气气源接口，上述外腔经由上述外腔气体接口与提供激发源气体的激发源气源相连通，上述激发源气体在上述能量场的作用下被电离而成为等离子体，上述内腔经由上述内腔气体接口与载气气源相连通，上述载气气源提供用于将待分析的样品带入到上述等离子体中的载气，上述屏蔽腔经由上述屏蔽气气源接口与屏蔽气源相连通，上述屏蔽气源提供用于隔离外部空气的屏蔽气。

在本发明的能量场发生装置中，上述屏蔽气为惰性气体。

本发明还涉及一种能量场控制方法，其使用能量场发生装置控制能够将通过的介质电离而形成等离子体的能量场，上述能量场发生装置包括：能量场组件，其包括λ/4同轴谐振腔和用于将外部提供的能量导入到上述λ/4同轴谐振腔中的能量入口端子，上述λ/4同轴谐振腔包括从内至外依次设置在同一轴线上的内腔、外腔和屏蔽腔；能量场管，其作为功率器件产生微波能，并经由上述能量入口端子将该微波能导入到上述λ/4同轴谐振腔中，上述能量场控制方法的特征在于，具有：利用磁放大器对上述能量场发生装置的电源的纹波进行控制的步骤；对上述能量场管的功率进行PWM控制的步骤；和对上述能量场发生装置的电源进行功率因数控制的步骤。

在上述能量场控制方法中，还具有气体供给步骤，该气体供给步骤具有：对上述λ/4同轴谐振腔的上述内腔供给用于将待分析的样品带入到上述等离子体中的载气的步骤；对上述λ/4同轴谐振腔的上述外腔供给激发源气体的步骤，上述激发源气体在上述能量场的作用下被电离而成为等离子体；和对上述λ/4同轴谐振腔的上述屏蔽腔供给屏蔽气的步骤。

发明的效果

本发明通过采用λ/4同轴谐振腔，能够使能量场最大化，并且通过磁放大器纹波控制单元实现低波纹的稳压电源，产生稳定性高的能量场，从而实现高效且稳定性高的能量场，满足精密分析仪器激发源的需要。

此外，通过PWM控制单元，使能量场管的功率发生变化，即控制功率的大小，从而进一步提高能量场的稳定性和准确性。通过功率因数控制单元，能够提高电源的利用率和减少电网噪声，实现更加高效的能量场。

由此，通过本发明的能量场发生装置及能量场控制方法，能够提供准确、高效且稳定性高的激发源，从而满足精密分析仪器激发源的需要。

此外，本发明的能量场发生装置通过设置于上述能量场组件中的各种气体接口来与检测所需的外部气源连接，能够使本发明进一步作为通用的光谱分析仪器的采样部来使用。

附图说明

图1为表示本发明一实施方式的能量场发生装置的结构的示意图。

图2为表示该能量场发生装置的能量场组件的结构的剖视图。

图3为表示该能量场发生装置的屏蔽腔的结构的剖视图。

图4为表示该能量场发生装置的能量场基体的结构的剖视图。

图5为表示该能量场发生装置的同轴谐振腔内腔的结构的剖视图。

图6为表示该能量场发生装置的同轴谐振腔外腔的结构的剖视图。

图7为表示该能量场发生装置的能量入口端子的结构的剖视图。

图8为表示该能量场发生装置的同轴环的结构的示意图。

图9为表示该能量场发生装置的外腔气体接口的结构的剖视图。

图10为表示该能量场发生装置的内腔气体接口的结构的剖视图。

图11为该能量场发生装置各部件的连接方式的示意图。

图12为该能量场发生装置的控制电路原理示意图。

附图标记说明

100能量场发生装置，1能量场组件，2能量场管，3能量场控制电路，31磁放大器波纹控制单元，32 PWM控制单元，33功率因数控制单元，4屏蔽气源，5载气气源，6激发源气源，10同轴谐振腔，11屏蔽腔，111能量入口端子接口，112屏蔽气气源接口，113外螺纹，12能量场基体，121、122、125螺纹部，123、126圆孔，124外腔气体接口入口，127内腔气体接口入口，13外腔气体接口，14内腔气体接口，15能量入口端子，16内腔，17外腔，18同轴环，181环部，182突出部。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的一种实施方式。

在一种实施方式中，本发明的能量场发生装置100是应用于光谱仪等检测仪中的能量场发生装置。如图1和图2所示，该能量场发生装置100包括能量场组件1、能量场管2和能量场控制电路3。

能量场组件1包括同轴谐振腔10和用于将外部提供的微波能导入到同轴谐振腔10中的能量入口端子15，该同轴谐振腔10为λ/4同轴谐振腔，包括从内至外依次设置在同一轴线上的内腔16、外腔17和屏蔽腔11。

所谓的λ/4同轴谐振腔是一端短路、一端开路的同轴谐振腔，其腔长为谐振波长的四分之一的奇数倍，由此，能够使同轴谐振腔10中产生的能量场最大化。

能量场管2作为功率器件产生微波能，并经由能量入口端子15将该微波能导入到同轴谐振腔中，从而使同轴谐振腔10中产生能量场。能量场管2可以是线圈也可以是磁控管。当能量场管2为磁控管时，可以采用松下微波磁控管2M210-m1，其阳极高压为4300V，功率为1.4KW，通电之后磁控管产生2450M频率的微波能，但能量场管2不限于此，可以是其它具有相同功效的器件。

能量场控制电路3是同轴谐振腔10发生谐振及产生稳定能量场的条件，为同轴谐振腔10提供所需的高谐振频率、高电压、大功率和低的纹波，其具体结构以后叙述。

以下，对能量场发生装置100的能量场组件1和能量场控制电路3进行详细说明。

<能量场组件>

如图1和图2所示，能量场组件1还包括：与内腔16相连通的内腔气体接口14；与外腔17相连通的外腔气体接口13；和与屏蔽腔11相连通的屏蔽气气源接口112。

外腔17经由外腔气体接口13与提供激发源气体的激发源气源6相连通，该激发源气体在同轴谐振腔10中的能量场的作用下被电离而形成等离子体，可以为氮气或其它惰性气体。在本实施例中，提供高纯度的氩气作为激发源气源，使用的设备为常规产品，在此不做详细叙述。

内腔16经由内腔气体接口14与载气气源5相连通，该载气气源5提供将待分析的样品带入等离子体中的载气。该载气可以为惰性气体。在本实施例中，载气采用高纯度的氩气，使用的设备为常规产品，在此不做详细叙述。由于样品从最靠近中央侧的内腔进入到等离子体中，使有对大量的水分及其他物质进入时也不易谇灭，从而很好地解决了一般微波等离子体常遇到的样品承受能力低的问题。

屏蔽腔11经由屏蔽气气源接口112与提供屏蔽气的屏蔽气源4相连通，使得同轴谐振腔10中的能量场所激发的含有了样品的信息的等离子体与外部空气隔离，从而减少外部空气的干扰。此外，屏蔽气还可以带走部分热量，使保持器件不过热。该屏蔽气可以为惰性气体。在本实施例中，屏蔽气源4提供高纯度氩气作为屏蔽气，使用的设备为常规产品，在此不做详细叙述。

屏蔽腔11采用铜质材料，如图3所示具有用于固定能量入口端子15的能量入口端子接口111和屏蔽气气源接口112，外部屏蔽气从该屏蔽气气源接口112进入到屏蔽腔11中。此外，在屏蔽腔11的底部还设有外螺纹113，通过该外螺纹113将屏蔽腔11螺合固定于能量场基体12上。

能量场基体12采用铜质材料，其结构详见图4。能量场基体12具有外腔气体接口入口124和内腔气体接口入口127。

在外腔气体接口入口124的内周侧设有螺纹，外腔气体接口13通过该螺纹螺合固定于外腔气体接口入口124。在外腔气体接口入口124中还设有圆孔123，用于连通外腔气体接口入口124与外腔17。激发源气源6所提供的激发源气体通过以上连接进入到外腔17中。

在内腔气体接口入口127的内周侧设有螺纹，内腔气体接口14通过该螺纹螺合固定于内腔气体接口入口127。在内腔气体接口入口127中还设有圆孔126，用于连通内腔气体接口入口127与同轴谐振腔内腔16。载气气源5所提供的载气通过以上连接进入到内腔16中。

此外，在能量场基体12中还设有螺纹部121、122、125，分别用于连接屏蔽腔11、内腔16和外腔17的螺纹部。

如图5所示，内腔16具有外螺纹部161，通过该外螺纹部161螺合固定于能量场基体12的螺纹部125，由此，使来自载气气源5的载气在内腔16中流动。能量场形成的等离子体位于中心轴线162。

如图6所示，外腔17具有外螺纹部171，通过该外螺纹部171螺合固定于能量场基体12的螺纹部122，由此，使来自激发源气源6的气体在同轴谐振腔外腔17内流动。能量场形成的等离子体位于中心轴线172。中心轴线162与中心轴线172为同一中心轴线。

如图7所示，能量入口端子15具有阳极端152、阴极端151和绝缘隔离垫153，外部能量由此进入同轴谐振腔10。

在外腔17的外壁上设有与能量入口端子15连接的同轴环18。详见图8，同轴环18具有环部181和形成在环部181上的突出部182，环部181紧固于外腔17的外壁上，突出部182紧固于能量入口端子15的阴极端151，控制电路产生的负高压从能量入口端子15的阴极端151进入到外腔17内。

如图9所示，外腔气体接口13具有限位端131和外螺纹部132，由此，螺合固定于外腔气体接口入口124。

如图10所示，内腔气体接口14具有限位端141和外螺纹部142，由此，螺合固定于内腔气体接口入口127。

图11表示出能量场组件1的各部件的连接方式。

在能量场组件1中，当设外腔17的内径为D、内腔16的内径为d、截止波长为λ时，依据电磁理论和实践经验得出以下关系式。

1.71D<λ_min且2≤(D/d)≤6……(1)

在场能量管2所产生微波能的频率为2450M的情况下，优选内腔16的内径d取5mm，外腔17的内径D取10mm。

为了防止电磁波的泄漏，屏蔽腔11的内径R满足以下关系式。

R＝λ/3.14……(2)

在场能量管2所产生微波能的频率为2450M的情况下，优选屏蔽腔11的内径R取35mm。从而能够很好地避免微波泄漏。

<能量场控制电路>

如图12所示，能量场控制电路3包括磁放大器波纹控制单元31、PWM控制单元32和功率因数控制单元33。

低纹波是业界追求的目标，目前通用的技术一般控制在0.5％左右。然而，只有低纹波的稳压电源才能产生稳定的等离子体来满足精密分析仪器激发源的需要。这也是现在许多大功率微波源只用于加热、烘干等方面而在精密分析技术领域的应用却很少的原因之一。

为了解决上述问题，在本发明的能量场控制电路3中，利用磁放大器波纹控制单元31来对电源的波纹进行控制，实现低纹波的稳压电源。磁放大器波纹控制单元31例如可以由LM358运算放大器、功率器件IRF840及纳米晶磁饱和放大器来构成，通过采用上述结构可以获得0.1％左右的低纹波，能够充分满足激发源应用于精密分析仪器的需要。

PWM控制单元32使能量场管2的功率发生变化，即控制功率的大小，从而进一步提高能量场的稳定性和准确性，产生稳定、准确的频率，以满足整个电路的需求。例如，可以采用UCC3875的PWM控制芯片。

功率因数控制单元33控制电源的功率因数，从而提高电源的利用率，减少对电网引起的谐波和噪声。例如，可以由IR1153功率因数控制芯片、功率控制器件IR7307、功率器件IRF640和纳米电感器件L组合而成，能够使功率因数达到0.99。

能量场控制电路3通过具有以上结构，能够为同轴谐振腔10提供所需的高谐振频率、高电压、大功率和低的纹波，从而产生精密、准确、高效且稳定性高的能量场，使得能量场发生装置100能够更好地作为激发源应用于精密分析仪器中。

以上电路仅为实现前述功能的一种具体电路连接方式，不作为对其他可能的电路连接的限制。

<能量场控制方法>

以下，对能量场控制方法的具体步骤进行说明。

首先，将激发源气源6与外腔气体接口13紧密连接，将载气气源5与内腔气体接口14紧密连接，将屏蔽气气源4与屏蔽气气源接口112紧密连接，将能量场管2接入能量场控制电路3后与能量入口端子15紧密连接。

其次，开启气源，然后开启能量场控制电路3，利用能量场控制电路3进行以下步骤：利用磁放大器波纹控制单元31对所述能量场发生装置的电源的纹波进行控制的步骤；利用PWM控制单元32控制能量场管2的功率的步骤；和利用功率因数控制单元33控制电源的功率因数的步骤，由此，能够为同轴谐振腔10提供所需的高谐振频率、高电压、大功率和低的纹波，从而产生高效且稳定性高的能量场。

由于能量场组件的尺寸结构决定，通入该稳定的高压电场后，能量场组件1中产生高效且稳定性高的能量场。此时，从激发源气源6向同轴谐振腔10的外腔17中通入激发源气体，就能够产生等离子体。对内腔16供给用于将待分析的样品带入所述等离子体中的载气，由此将待分析的样品带入到等离子体中，以进行样品分析。此外，由于检测需要纯净气体环境，否则检测信号的等离子体会含有气体信号，所以还对屏蔽腔11中通入屏蔽气以隔离外部空气，另外该屏蔽气也可以带走部分热量，保持器件不过热，屏蔽腔的尺寸可以避免微波泄漏。

<实施例>

将本发明的能量场发生装置100作为激发源安装在岛津发射光谱仪ICPE-9000上进行试验，得出相关数据如下表所示。

[表1]

元素	波长(nm)	浓度(ng/ml)	DL(ng/ml)
				Ag	328.068	1000	10.9
Al	396.152	1000	100.1
				Fe	238.204	1000	7.3
Cu	324.754	1000	19.8

上表中的波长表示检测得到的各元素的最大吸收波长，浓度表示检测样品的浓度，DL表示检出限，指该分析方法在给定的可靠程度内可以从样品中检测待检测样品的最小浓度或最小量。根据以上表1所示的试验结果，所检测出的各元素的波长与实际相符，由此可知，本发明的能量场发生装置100具有可行性。

此外，本发明的能量场发生装置100可以与未图示的滤光片、检测装置一起构成进行元素分析与测定的光谱分析仪。所述滤光片使一定波长范围的光透射，而将其余不需要的波长光滤去。所述检测装置可以是通用的光电检测装置，其将经过滤光片过滤后的光谱强度信号转变成电信号，以进行元素分析与测定。

在上述实施方式的说明中，仅是例举了一个具体实施方式，其中各部件的结构、连接方式等都并不限定于此，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

产业上的可利用性

本发明的能量发生装置可以作为激发源应用于通用的精密分析仪器如光谱仪等中，还可以作为精密分析仪器的采样部来使用，或者与光电检测装置连接制作成检测仪。

Claims (6)

1.一种能量场控制方法，其对能量场发生装置进行控制，产生能够将通过的介质电离而形成等离子体的能量场；所述能量场发生装置包括：

能量场组件，其包括λ/4同轴谐振腔和用于将外部提供的微波能导入到所述λ/4同轴谐振腔中的能量入口端子，所述λ/4同轴谐振腔包括从内至外依次设置在同一轴线上的内腔、外腔和屏蔽腔；

能量场管，其作为功率器件产生微波能，并经由所述能量入口端子将该微波能导入到所述λ/4同轴谐振腔中；

能量场控制电路，其包括对所述能量场发生装置的电源的纹波进行控制的磁放大器波纹控制单元，

所述能量场组件还包括同轴环，所述同轴环具有环部和形成在所述环部上的突出部，所述环部紧固于所述外腔的外壁上，所述突出部与所述能量入口端子连接，由此，使所述微波能导入到所述λ/4同轴谐振腔的所述外腔中，

所述能量场组件还包括：与所述内腔相连通的内腔气体接口；与所述外腔相连通的外腔气体接口；和与所述屏蔽腔相连通的屏蔽气气源接口，

所述外腔经由所述外腔气体接口与提供激发源气体的激发源气源相连通，所述激发源气体在所述能量场的作用下被电离而成为等离子体，

所述内腔经由所述内腔气体接口与载气气源相连通，所述载气气源提供用于将待分析的样品带入到所述等离子体中的载气，

所述屏蔽腔经由所述屏蔽气气源接口与屏蔽气源相连通，所述屏蔽气源提供用于隔离外部空气的屏蔽气；

所述能量场控制方法的特征在于，具有：

利用磁放大器对所述能量场发生装置的电源的纹波进行控制的步骤；

对所述能量场管的功率进行PWM控制的步骤；和

对所述能量场发生装置的电源进行功率因数控制的步骤，

所述能量场控制方法还具有气体供给步骤，所述气体供给步骤具有：

对所述λ/4同轴谐振腔的所述内腔供给用于将待分析的样品带入到所述等离子体中的载气的步骤；

对所述λ/4同轴谐振腔的所述外腔供给激发源气体的步骤，所述激发源气体在所述能量场的作用下被电离而成为等离子体；和

对所述λ/4同轴谐振腔的所述屏蔽腔供给屏蔽气的步骤。

2.如权利要求1所述的能量场控制方法，其特征在于：

所述能量场控制电路还包括控制所述能量场管的功率的PWM控制单元。

3.如权利要求1所述的能量场控制方法，其特征在于：

所述能量场控制电路还包括控制电源的功率因数的功率因数控制单元。

4.如权利要求1所述的能量场控制方法，其特征在于：

所述磁放大器纹波控制单元包括运算放大器、功率器件和纳米晶磁饱和放大器。

5.如权利要求1所述的能量场控制方法，其特征在于：

所述能量场管为微波磁控管，

在所述微波磁控管产生2450M频率的微波的情况下，所述内腔的内径取5mm，所述外腔的内径取10mm，所述屏蔽腔的内径取35mm。

6.如权利要求1-5中任一项所述的能量场控制方法，其特征在于：

所述屏蔽气为惰性气体。