CN104994675B - 一种常压微波等离子体激发源装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种常压微波等离子体激发源，包括内管、中管、外管、校准垫、微波馈入接口、同轴电缆SMA接头、调谐活塞、侧端气体引入端口、下端气体引入端口和同轴通道。本发明具有三管同轴结构，形成具有中央通道的等离子体，既能在高功率微波状态下稳定工作，也能在低功率状态下被激发使用；常压下获得稳定的He等离子体，具很强的激发能力，测定范围广；能够减少背景发射，降低干扰；电离模式多样化：既可内管引入样品进行分析，也可直接对样品表面进行实时在线监测。本发明设计合理，结构简单，操作简单，应用广泛，可用于质谱离子源、光谱仪激发源等，且无需样品预处理、样品承受能力强、测定范围广。

Description

一种常压微波等离子体激发源装置及应用

技术领域

本发明属于化学测量技术领域，涉及一种常压微波等离子体激发源装置，是一种涉及使用5.8Ghz（也可使用其他频率微波源）微波常压激发等离子体的装置。

背景技术

以常压解吸电离源为代表的直接离子化技术是近年来质谱领域一次革命性发展，对工作和科研的重要性不可估量。但现有的常压解吸电离源具有的电离能力不足、电离范围有限、对样品的形态有要求等的缺陷，并不足以满足人们的要求，而且往往分析样品之前需要对样品进行预处理，这会延长样品分析的时间，并且引入的预处理试剂会对之后的分析造成干扰和影响。故扩宽检测范围，并且不需要进行预处理的直接样品分析是今后常压解吸电离源发展的必然趋势。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种常压微波等离子体激发源装置，是一种以微波作为能量源的常压He（或Ar）等离子体常压激发源。在与ICP具有相似管炬的前提下，该激发源以频率为5.8GHz（也可使用其他频率微波源）的微波能作为能量源，产生具有高激发能力的He等离子体，用于质谱、光谱分析，能够测定元素周期表中几乎所有的元素。同时，与MWP相比样品通过等离子体内的中央通道与等离子体相互作用,具有不易猝灭的效果。该等离子体激发源具有分析性能良好，结构紧凑、调谐灵活等特点。

本发明的一种常压微波等离子体激发源装置，包括内管、中管、外管、校准垫、微波馈入接口、同轴电缆SMA接头、调谐活塞、侧端气体引入端口、下端气体引入端口和同轴通道，内管、中管、外管三管同轴的机械结构。

中管位于内管和外管之间，校准垫固定在内管与中管之间，同轴电缆SMA接头通过其上螺钉（图中未示出）固定在微波馈入接口上，微波馈入接口内孔与外管为紧配合，且用螺栓通过微波馈入接口上微波馈入接口固定孔紧固在外管微波馈入接口固定螺孔上，同轴电缆SMA接头穿过外管与中管相焊接，同轴电缆SMA接头内导线通过微波馈入接口上微波馈入口与外管上微波馈入口（微波馈入口距离外管端口6.5mm）进入外管与中管之间，中管位于内管和外管之间，中管通过其底部螺纹固定在调节活塞上，并通过侧端气体引入端口通入氦气（或氩气）；外管内壁与中管外侧共同形成同轴通道，外管靠近端面处设有调谐活塞调节内螺纹（图中未示出），调谐活塞位于中管和外管之间，微波能反射端面外侧设有调谐活塞调节外螺纹（图中未示出），所述微波能反射端面位于中管和外管之间，距离外管敞口端口距离为1/4的5.8Ghz微波波长的奇数倍（使用其他频率微波源，微波能反射端面距离外管敞口端口距离调节为1/4的该微波源波长的奇数倍），且距离可调。

内管一端固定在下端气体引入端口上，下端气体引入端口通过其外螺纹固定在调谐活塞上，校准垫固定在内管与中管之间，微波等离子体形成于内管与中管之间，高度约为20mm，通过调整气体流量以及微波功率，可以调节等离子体火焰高度及强度。

其中内管、中管和外管为同心管，均为圆柱通孔，材料均选用紫铜，外管内径与中管外径比值为2.3，使其阻抗为50Ω。

校准垫为一带有排孔的圆柱垫片，其内径与内管外径一致，其外径与中管内径一致。

微波馈入接口为长方体，中间为圆形通孔，通孔直径与外管外径一致。

调谐活塞位于中管和外管之间，其上微波能反射端面外侧有外螺纹，调谐活塞下端及侧面辅以中管气体引入接口、中管固定接口，用于气体引入端口以及中管的固定。下端气体引入端口位于调谐活塞的下端，侧端气体引入端口位于调谐活塞的侧端，侧端气体引入端口用于中管气体的引入，下端气体引入端口用于内管的固定以及内管气体引入。

He（或Ar）从内管以及中管和内管之间通入，并由微波激发成He（或Ar）等离子体。电离源的外管为圆柱通孔，内管、中管和外管为同心管，三个同心管道均为圆柱通孔。

内管材料为紫铜，处于中管和外管之内，可通入氦气（或氩气）或者氦气（或氩气）和气态样品的混合气体或者氦气（或氩气）和液态样品顶空挥发气的混合气体。

中管材料为紫铜，位于内管和外管之间，中管和内管之间通入氦气（或氩气），中管外侧与同轴电缆相焊接导通，便于微波馈入。

外管材料为紫铜，位于中管和内管之外，外管内径与中管外径比值为2.3，使其阻抗为50Ω。外管和中管之间可通入氧气或者大气，外管内壁与中管外侧共同形成同轴通道，同轴通道靠近外管敞口端口处，便于微波传输电缆穿过外管与中管相连，外管靠近端面处有内螺纹，其作用是与端面处的外螺纹一起作用，调节调谐活塞端面和敞口端面之间的距离。外管外侧表面铣两个对称的矩形端面-外管固定端面，便于等离子体激发源固定。

校准垫材料为紫铜或聚四氟乙烯，其为一带有排孔的圆柱垫片，内径与内管外径一致，外径与中管内径一致，其作用为校准内管位置、补偿机械装配误差，排孔便于氦气或氩气引入。

微波馈入接口材料为紫铜，结构为长方体，中间为圆形通孔，通孔直径与外管外径一致，便于通过螺钉与外管进行机械配合，其主要用于微波传输线的固定。

同轴电缆SMA接头阻抗为50Ω，穿过外管与中管相焊接，用于传输5.8GHz（也可使用其他频率微波源）的微波。

调谐活塞材料为紫铜，位于中管和外管之间，端面外侧有外螺纹，与外管的内螺纹一起作用，通过调节其与敞口端面之间的距离，使得工作时敞口端面的电场最强。调谐活塞下端及侧面辅以中管气体引入接口、中管固定接口，用于气体引入端口以及中管的固定。侧端气体引入端口和下端气体引入端口分别位于调谐活塞的侧端及下端，侧端气体引入端口用于中管气体的引入，下端气体引入端口用于内管的固定以及内管气体引入。

本发明的另一个木事是提供所述的常压微波等离子体激发源装置在作为质谱离子源、光谱仪激发源中的应用。

本发明公开了一种常压微波等离子体激发源装置，包括内管、中管、外管（三管同轴），50Ω同轴传输线、校准垫、调谐活塞、气体引入端口。He（或Ar）从内管以及内管和中管之间通入，微波源产生频率为5.8Ghz（也可使用其他频率微波源）的微波后，微波通过与中管相连的50Ω同轴线传输到中管与内管之间，外管内径与中管外径比值为2.3，阻抗为50Ω，并沿着中管的径向方向传输，其碰到调谐活塞端面后被反射，转动调谐活塞，使其到敞口端面的距离为四分之一微波波长的奇数倍，令敞口端面处的电场最强，从而激发He原子，形成He的等离子体。可在外管和中管之间通入氧气，使样品电离的环境更单一，从而减少背景干扰。本发明设计合理，具有结构简单、应用广泛等特点，可用于质谱离子源、光谱仪激发源等，且无需样品预处理、样品承受能力强、测定范围广等特点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：具有三管同轴结构，形成具有中央通道的等离子体，既能在高功率微波状态下稳定工作，也能在低功率（0-50W）状态下被激发使用。能够很好地与样品接触而不容易猝灭，使得其样品承受能力强；基于5.8Ghz（也可使用其他频率微波源）微波能，在常压下获得稳定的He等离子体，具有很强的激发能力，使得其可以测定元素周期表中包括卤素在内的几乎所有元素，测定范围广；在外管和中管之间通入氧气，能够减少背景发射，降低干扰；能够对样品进行直接分析，不需要进行预处理，操作简单。电离模式多样化：既可以内管引入样品进行分析，也可以直接对样品表面进行实时在线监测。用作质谱仪离子源时，可以形成包括直接实时分析、电喷雾大分子分析以及有机物与元素检测同时进行的多模式组分分析。可以便捷地做为质谱仪、光谱仪等仪器的激发源。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为内管1剖视图：11-螺纹端面。

图3为中管2剖视图。

图4为校准垫3结构示意图，左图为俯视图，右图为左视图：12-排孔。

图5为外管4结构示意图，左图为剖视图，右图为左视图：13-敞口端口；14-微波馈入接口固定螺孔；15-微波馈入口； 16-调谐活塞调节内螺纹；17-外管固定端面。

图6为微波馈入接口5结构示意图：上图为左视图，下图为俯视图；18-同轴电缆SMA接头固定螺牙；19-微波馈入口；20-微波馈入接口固定孔；21-圆形通孔。

图7为同轴电缆SMA接头6结构示意图：22-同轴电缆SMA接头固定孔；23-微波同轴线连接螺纹口；24-聚四氟乙烯绝缘柱；25-同轴内导线；26-螺钉。

图8为调谐活塞7结构示意图：上图为左视图，下图为俯视图；27-微波能反射端面；

-调谐活塞调节螺纹；29-中管气体引入接口；30-中管固定接口；31-调节活塞调节端。

图9为气体引入端口剖视图：32-内管固定螺纹；33-气体引入管接处。

图10为常压微波等离子体激发源应用实例之一：34-微波等离子体；35-待测样品；36-质谱仪接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参见图1，一种常压微波等离子体激发源装置由内管1，中管2，校准垫3，外管4，微波馈入接口5，同轴电缆SMA接头6，调谐活塞7，侧端气体引入端口8，下端气体引入端口9，同轴通道10组成。

中管2位于内管1和外管4之间，校准垫3固定在内管1与中管2之间，同轴电缆SMA接头6通过螺钉（图中未示出）固定在微波馈入接口5上，微波馈入接口5内孔与外管4为紧配合，且用螺栓通过微波馈入接口5上微波馈入接口固定孔20紧固在外管微波馈入接口固定螺孔14上，同轴电缆SMA接头6穿过外管4与中管2相焊接，同轴电缆SMA接头6内导线通过微波馈入接口5上微波馈入口19与外管4上微波馈入口15（微波馈入口15距离外管端口6.5mm）进入外管4与中管2之间，中管2位于内管1和外管4之间，中管2通过其底部螺纹固定在调节活塞7上，并通过侧端气体引入端口8通入氦气（或氩气）；外管4内壁与中管2外侧共同形成同轴通道10，外管4靠近端面处设有调谐活塞调节内螺纹（图中未示出），调谐活塞7位于中管2和外管4之间，微波能反射端面27外侧设有调谐活塞调节外螺纹（图中未示出），所述微波能反射端面27

位于中管2和外管4之间，距离外管4顶端距离为1/4的5.8Ghz微波波长的奇数倍（使用其他频率微波源，微波能反射端面距离外管敞口端口距离调节为1/4的该微波源波长的奇数倍），且距离可调。

同轴电缆SMA接头6阻抗为50Ω，在本实施例中，微波能频率为5.8Ghz，功率为0-50W可调，本实施结构也可承受大功率微波能，微波通过同轴电缆SMA接头6进入等离子体激发源。微波在外管4与中管2之间传输，外管4内径与中管2外径的比例约为2.3，阻抗为50Ω，以减小微波反射功率。微波在调谐活塞7端面发生反射，在中管2与外管4之间形成驻波，在1/4波长的奇数倍处电场最强，在1/2波长的偶数倍处磁场最强，调节调谐活塞7，使装置端口处电场最强，同时减小反射功率至零。

内管1通过其底部螺纹端面11固定在下端气体引入端口9上，下端气体引入端口9通过其外螺纹固定在调谐活塞7上。校准垫3固定在内管1与中管2之间，高度约为20mm，通过调整气体流量以及微波功率，可以调节等离子体火焰高度及强度，用于补偿机械装配误差。通过调节内管1与中管2内气体流量，并在装置端口给予一定的初级电子，可以轻易的激发微波等离子体。微波等离子体形成于内管1与中管2之间，高度约为20mm，通过调整气体流量以及微波功率，可以调节等离子体火焰高度及强度。

参见图2，内管1材料为紫铜，处于中管2和外管4之内，可通入氦气（或氩气）或者氦气（或氩气）和气态样品的混合气体或者氦气（或氩气）和液态样品顶空挥发气的混合气体,通过底部螺纹端面11固定在下端气体引入端口9上。

参见图3，中管2材料为紫铜，用于与外管4内壁形成一同轴通道10，便于微波能传输。

参见图4，校准垫材料可选用聚四氟乙烯或者紫铜，用于补偿内管1与外管2之间的机械装配误差，其上排孔12用于氦气（或氩气）通过。

参见图5，外管4材料为紫铜，外管4内壁与中管2外侧共同形成同轴通道10，敞开端口13处电场强度最强，此处用于等离子体激发。微波馈入接口固定螺孔14用于微波馈入接口5的固定，同轴电缆SMA接头6上同轴内导线25与微波馈入口15形成一阻抗为50Ω的传输区，便于微波能的馈入。调谐活塞调节内螺纹16与调谐活塞7外螺纹配合，用于调节微波能反射端面27到敞开端口13的距离，使微波反射功率最小。外管固定端面17可用于装置整体与外部连接固定。

参见图6，微波馈入接口材料为紫铜，结构为长方体，中间为圆形通孔21，通孔直径与外管4外径一致，便于通过螺钉与外管4进行机械配合，其主要用于微波传输线的固定。同轴电缆SMA接头固定螺牙18用于同轴电缆SMA接头6的固定，微波馈入口19用于与同轴内导线25配合形成一阻抗为50Ω的传输区，便于微波能传输。螺栓通过微波馈入接口5上微波馈入接口固定孔20紧固在外管微波馈入接口固定螺孔14上。

参见图7，同轴电缆SMA接头6阻抗为50Ω，主要用于将微波能馈入同轴通道10中，通过同轴电缆SMA接头固定孔22固定在微波馈入接口5的同轴电缆SMA接头固定螺牙18上，微波同轴线连接螺纹口23用于与微波源接口相连，导入微波能，聚四氟乙烯绝缘柱24介于微波馈入口15、微波馈入口19和同轴内导线25之间，用于三者之间的绝缘。

参见图8，调谐活塞材料为紫铜，位于中管2和外管4之间，端面外侧有调谐活塞调节螺纹28，与外管的内螺纹一起作用，通过转动调节活塞调节端31，调节其与敞口端口13之间的距离，使得工作时敞口端口13处电场最强。调谐活塞下端及侧面辅以中管气体引入接口29、中管固定接口30，用于气体引入端口以及中管2的固定。

参见图9，下端气体引入端口9和侧端气体引入端口8结构相同，下端气体引入端口9位于调谐活塞7的下端，侧端气体引入端口8位于调谐活塞7的侧端，侧端气体引入端口8用于中管气体的引入，下端气体引入端口9用于内管1的固定以及内管1气体引入。内管固定螺纹32用于内管1以及中管2的固定，气体引入管接处33用于与气体软管相接，便于气体引入。

参见图10，常压微波等离子体激发源激发微波等离子体34，由于微波等离子体34含有大量的高能电子以及高能亚稳态的He，很容易激发待测样品35并将其电离，样品电离产生的离子经质谱仪接口36进入质谱仪器中进行分析检测。

实施例2 本发明的工作过程

打开气体流量计，气体通入软管固定在气体引入管接处33上，中管2通过其底部螺纹固定在中管固定接口30处，内管1通过螺纹端面11固定在下端气体引入端口9内侧的内管固定螺纹32上，在内管1与中管2之间添加校准垫3，用于补偿机械装配误差，同时中管2内气体通过排孔12进入反应区域。控制中管2以及内管1中气体流量，选取合适氦气（或氩气）流量。打开微波源，使其产生5.8Ghz微波能，并通过50Ω同轴线将微波源输出口与同轴电缆SMA接头6上微波同轴线连接螺纹口23连接。同轴电缆SMA接头6通过其上同轴电缆SMA接头固定孔22固定在微波馈入接口5的同轴电缆SMA接头固定螺牙18上，同时圆形通孔21与外管4外侧为紧配合，并通过微波馈入接口固定孔20与微波馈入接口固定螺孔14之间的螺纹连接，将微波馈入接口5固定在外管4上。由于同轴内导线25与微波馈入口15、微波馈入口19形成一50Ω阻抗的传输区域，微波能通过此区域进入外管4与中管2之间的同轴通道10中，并在微波能反射端面27处发生反射并形成驻波，调谐活塞7通过调谐活塞调节外螺纹28与外管4内侧螺纹紧配在一起，转动调节活塞调节端31，使敞开端口13距离微波能反射端面27约5.8Ghz微波波长的1/4（使用其他频率微波源，微波能反射端面距离外管敞口端口距离调节为1/4的该微波源波长的奇数倍），微调调节调谐活塞7，使装置敞开端口13处电场最强，同时将反射功率减小至零。通过电子发生器在装置敞开端口13处产生初级电子，从而产生微波等离子体34。调节中管2以及内管1内气体流量以及微波源功率，来完善微波等离子体34火焰形状以及性能特性。待测样品34可置于微波等离子体34火焰之前，也可由内管1中气体携带进入微波等离子体34中，微波等离子体34含有大量的高能电子以及高能亚稳态的He，很容易激发待测样品35并将其电离，待测样品35电离产生的离子经质谱仪接口36进入质谱仪器中进行分析检测，质谱仪为测量带电粒子质荷比的检测工具，能根据物质不同的质荷比将其区分开来。由于微波等离子体34中的亚稳态的He能量很高，几乎能对所有元素进行实时检测分析。

Claims (4)

1.一种常压微波等离子体激发源装置，其特征在于，主要由三管同轴的内管（1）、中管（2）、校准垫（3）、外管（4）、微波馈入接口（5）、同轴电缆SMA接头（6）、调谐活塞（7）、侧端气体引入端口（8）、下端气体引入端口（9）和同轴通道（10）构成，内管（1）的一端与下端气体引入端口（9）固定，中管（2）位于内管（1）和外管（4）之间，校准垫（3）固定在内管（1）与中管（2）之间，同轴电缆SMA接头（6）通过螺钉固定在微波馈入接口（5）上，微波馈入接口（5）内孔与外管（4）为紧配合，同轴电缆SMA接头（6）穿过外管（4）与中管（2）相焊接，中管（2）通过其底部螺纹固定在调节活塞（7）上，并通过侧端气体引入端口（8）通入氦气或氩气，外管（4）内壁与中管（2）外侧共同形成同轴通道（10），调谐活塞（7）位于中管（2）和外管（4）之间，侧端气体引入端口（8）和下端气体引入端口（9）分别位于调谐活塞（7）的侧端和下端；

所述内管（1）、中管（2）和外管（4）为圆柱通孔的同心管，材料选用紫铜，外管（4）内径与中管（2）外径比值为2.3，使其阻抗为50Ω，微波等离子体形成于内管（1）与中管（2）之间；

所述常压微波等离子体激发源使用频率为5.8Ghz, 微波能反射端面（26）距离外管敞口（13）距离为1/4的5.8Ghz微波波长的奇数倍，此距离通过调谐活塞（7）调节；

所述内管（1）通过其底部螺纹端面（11）固定在下端气体引入端口（9）上，下端气体引入端口（9）通过其外螺纹固定在调谐活塞（7）上，内管（1）内所通气体是氦气或氩气，或者是氦气或氩气与样品气体的混合气体；

所述校准垫（3）为一带有排孔（12）的圆柱垫片，其内径与内管（1）外径一致，其外径与中管（2）内径一致，微波馈入接口（5）为长方体，中间为圆形通孔（21），通孔直径与外管（4）外径一致；

所述同轴电缆SMA接头（6）内导线通过微波馈入接口（5）进入外管（4）与中管（2）之间。

2.根据权利要求1所述的一种常压微波等离子体激发源装置，其特征在于，调谐活塞（7）材料选用紫铜，位于中管（2）和外管（4）之间，端面外侧设有外螺纹，与外管（4）的内螺纹相适。

3.根据权利要求1所述的一种常压微波等离子体激发源装置，其特征在于，校准垫（3）材料选用紫铜，微波馈入接口（5）材料选用紫铜。

4.根据权利要求1所述的一种常压微波等离子体激发源装置在作为质谱离子源中的应用。