CN105898975B - 一种大功率微波等离子体谐振腔 - Google Patents

一种大功率微波等离子体谐振腔 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大功率微波等离子体谐振腔，主要由外管、中管、内管、隔圈、耦合环、接口组成，该炬管可产生大功率微波等离子体，三端口MPT炬管具有3个N型接口，3个承受功率为百瓦级的N型接口在平行于炬管上端面的平面上对称分布，呈360°圆周均布。N型接口传输微波输入到炬管需要耦合环的配合，耦合环是良好的导体，与中管直接接触，通过电导耦合的形式把3个N型接口的微波能耦合进炬管，每一个N型接口要把能量通过电导耦合的形式耦合进炬管，都需要和耦合环直接相连。三端口MPT炬管具有金属的三管同轴结构，通过三个N型接口的微波功率叠加提高装置的可工作功率，可用于光谱仪领域的大功率微波等离子体光源或微波等离子体光源。

Description

一种大功率微波等离子体谐振腔
技术领域
本发明属于微波等离子体炬技术以及等离子体原子发射光谱领域，涉及一种大功率微波等离子体谐振腔，该谐振腔可用于产生大功率微波等离子体源，而且等离子体源适用于发射光谱分析用途。
背景技术
等离子体是部分电离的气体，可以用作原子发射光谱用光源。传统的原子发射光谱用微波等离子体主要包含带电极的电容耦合型微波等离子体(Capacitively CoupledMicrowave Plasma,CMP)和不带电极的微波诱导等离子体(Microwave Induced Plasma,MIP)。CMP和MIP有各自的不足，如CMP无中央通道，难以进样，MIP样品承受能力弱。
金钦汉教授等于1985年发明了微波等离子体炬(MPT)，对应申请专利号为CN94205428.8，MPT的发明是微波等离子体原子发射光谱领域的一个重大进展，它具有中央通道并且样品承受能力强。MPT炬管具有一端开放的三金属管同轴结构，是一种一端开放的微波谐振腔，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，腔体长度为1/4波长的奇数倍，微波在腔体内形成驻波，等离子在炬管开口端形成。MPT炬管的微波耦合接头采用的是标准的N型微波接头，炬管通常在10-500W范围内以多种工作气体(氩气、氦气、氮气、空气等)工作，但是由于N型接口能够承受的微波功率有限，在大功率状态下(>500W)，炬管无法长时间稳定工作，N型接口无法承受过高的微波功率。
金钦汉等在2013年5月申请的《波导直馈式微波等离子体炬装置》(公开号：CN103269561A)，将波导结构与MPT结构直接结合，采用波导直接耦合的形式，去掉了N型耦合接头，使得MPT的可承受功率提升，拓展了MPT炬管的应用范围。
发明内容
本发明的目的是克服传统MPT炬管无法承受大功率的不足，提供一种大功率微波等离子体谐振腔，形成稳定的大功率等离子体源，解决MPT不能在大功率(≥500W)下长期稳定工作的问题。
本发明提供一种大功率微波等离子体谐振腔，主要由外管、中管、内管、隔圈、耦合环、接口组成，接口与外管的连接通过过渡配合紧密相连，中管和内管通过螺纹连接到接口上，外管上的反射端中间开有圆孔(图中未示出)让中管通过，隔圈装配于中管和内管之间，距离上端面距离30mm，耦合环与中管直接连接，耦合环通过外管上的N型微波接口与第一N型接口、第二N型接口、第三N型接口相连。由于具有三个耦合端口，因此，称其为三端口MPT炬管。
三端口MPT炬管具有3个N型接口，N型接口为标准的微波传输部件，其功率容量在百瓦量级，不能承受接近千瓦级的微波功率传输，3个N型接口分别为第一N型接口相连、第二N型接口、第三N型接口，3个N型接口在平行于炬管上端面的平面上对称分布，呈360°圆周均布。N型接口传输微波输入到炬管需要耦合环的配合，耦合环是良好的导体，与中管直接接触，通过电导耦合的形式把3个N型接口的微波能耦合进炬管，每一个N型接口要把能量通过电导耦合的形式耦合进炬管，都需要和耦合环直接相连。
对于3个N型微波接口输入的微波来说，任意两个N型接口中输入的微波的相位差需要为120°，形成能量的对称耦合输入，这样能够保证微波能的对称耦合，以达到最佳的耦合效果。
对于一种大功率微波等离子体谐振腔来说，三端口MPT炬管是三管同轴结构，其三管同轴结构类似一端开放的同轴电缆。开放端三管的顶端在一个开放端平面上，称之为上端面。为了能够把微波耦合进炬管，外管靠近上端面的位置需要开N型微波接口，外管的内直径尺寸一般小于30mm。中管和内管都是圆柱形的薄壁金属管，外管的内直径和中管的外直径尺寸比例在2-5之间(优选3)。外管和中管之间要有金属材质的反射端，反射端距离上端面距离为四分之一波长的奇数倍。外管和中管的同轴度可以通过反射端的装配来保证，如果需要进一步确保同轴度，还可以在中管和外管之间装配绝缘的隔圈。
对于一种大功率微波等离子体谐振腔来说，中管的外直径和内管的外直径尺寸比例在2-5之间，中管和内管之间需要加入金属的隔圈，它与炬管上端面的距离为四分之一微波波长，隔圈上面需要开小孔(图中未示出)，以方便气体通过，中管和内管的同轴度可以通过隔圈对中管和内管的位置限制来保证。
对于炬管来说，要正常工作必须至少有一路维持等离子体形成的维持气通入，维持气从维持气入口引入，由中管和内管之间的空间通入。由于维持气需要经过隔圈，因此隔圈上必须开小孔以便气体通过。如果作为等离子体光谱化学分析用光源，样品需要从载气入口由载气引入，内管的内空间为载气的通道。外管和中管)之间还可以引入屏蔽气体用来对等离子体进行保护，如果需要引入屏蔽气体，需要在外管上开孔进入。
金钦汉教授等于1985年发明了微波等离子体炬(对应申请专利号为CN94205428.8)只能工作在小功率下，该装置只有一个N型微波接口，其工作功率不能超过单个N型微波接口的功率限制。本发明采用了3个N型微波接口共同耦合的形式，三端口MPT炬管能承受的功率可以增大为原来的3倍，新的MPT三端口MPT炬管工作功率范围更广，能够在更大的功率下正常工作。
金钦汉等在2013年5月申请的《波导直馈式微波等离子体炬装置》(公开号：CN103269561A)采用的是波导耦合的方式，微波直接通过波导耦合进三端口MPT炬管，去掉了N型微波接口以实现大功率耦合，本发明采用的3个N型微波接口耦合方式能够形成能量对称耦合，通过3个耦合通道能量的叠加实现大功率耦合。
本发明3路微波呈圆周对称分布，具有对称的耦合结构，微波能够以很对称的方式耦合进三端口MPT炬管，相比单个微波耦合接头的耦合方式，对称分布的3路微波耦合能更好的保证对称性，从而让能量分布更均匀，改善等离子体的稳定性。
本发明可以将较大的微波功率平均分为3路，每一路的功率值都在N型接口的可承受范围之内，其总功率可以达到单个同轴耦合接头可承受功率的N倍，从而可以为微波等离子体焰炬提供更大功率的微波能。本发明采用金属材料制作三端口MPT炬管结构，皮实耐用。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是实施例1中三端口耦合MPT炬管中耦合环的结构示意图。
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：
参见图1，该装置可用多种气体(氩气、氦气、氮气等)工作，在常压下可维持等离子体。
本发明的一种大功率微波等离子体谐振腔，主要由外管4、中管5、内管6、隔圈7、耦合环8、接口16组成，接口16与外管4的连接通过过渡配合紧密相联，中管5和内管6通过螺纹连接到接口上，外管4上的反射端11中间开有圆孔让中管5通过，隔圈7装配于中管5和内管6之间，距离上端面10距离在30mm左右，耦合环8与中管5直接连接，耦合环8通过外管4上的N型微波接口9与第一N型接口1相连、第二N型接口2、第三N型接口3相连。由于具有三个耦合端口，因此，称其为三端口MPT炬管。三端口MPT炬管具有3个N型接口，N型接口为标准的微波传输部件，其功率容量在百瓦量级，不能承受接近千瓦级的微波功率传输，3个N型接口分别为第一N型接口1相连、第二N型接口2、第三N型接口3，3个N型接口在平行于炬管上端面10的平面上对称分布，呈360°圆周均布。N型接口传输微波输入到炬管需要耦合环8的配合，耦合环8是良好的导体，与中管5直接接触，通过电导耦合的形式把3个N型接口的微波能耦合进炬管，每一个N型接口要把能量通过电导耦合的形式耦合进炬管，都需要和耦合环8直接相连。
三端口MPT炬管具有3个N型接口，N型接口为标准的微波传输部件，其功率容量在百瓦量级，不能承受接近千瓦级的微波功率传输，3个N型接口分别为第一N型接口1相连、第二N型接口2、第三N型接口3，3个N型接口在平行于炬管上端面10的平面上对称分布，呈360°圆周均布。N型接口传输微波输入到炬管需要耦合环8的配合，耦合环8是良好的导体，与中管5直接接触，通过电导耦合的形式把3个N型接口的微波能耦合进炬管，每一个N型接口要把能量通过电导耦合的形式耦合进炬管，都需要和耦合环8直接相连。
对于3个N型微波接口输入的微波来说，任意两个N型接口中输入的微波的相位差需要为120°，形成能量的对称耦合输入，这样能够保证微波能的对称耦合，以达到最佳的耦合效果。
对于三端口MPT炬管来说，三端口MPT炬管是三管同轴结构，其三管同轴结构类似一端开放的同轴电缆。开放端三管的顶端在一个开放端平面上，称之为上端面10。为了能够把微波耦合进炬管，外管4靠近上端面10的位置需要开N型微波接口9，外管4的内直径尺寸一般小于30mm。中管5和内管6都是圆柱形的薄壁金属管，外管4的内直径和中管5的外直径尺寸比例在2-5之间(优选3左右)。外管4和中管5之间要有金属材质的反射端11，反射端11距离上端面10距离为四分之一波长的奇数倍。外管4和中管5的同轴度可以通过反射端11的装配来保证，如果需要进一步确保同轴度，还可以在中管5和外管4之间装配绝缘的隔圈。
对于三端口MPT炬管来说，中管5的外直径和内管6的外直径尺寸比例在2-5之间(优选在3左右)，中管5和内管6之间需要加入金属的隔圈7，它与炬管上端面10的距离为四分之一微波波长，隔圈7上面需要开小孔，以方便气体通过，中管5和内管6的同轴度可以通过隔圈7对中管5和内管6的位置限制来保证。
对于炬管来说，要正常工作必须至少有一路维持等离子体形成的维持气15通入，维持气15从维持气入口13引入，由中管5和内管6之间的空间通入。由于维持气15需要经过隔圈7，因此隔圈上必须开小孔以便气体通过。如果作为等离子体光谱化学分析用光源，样品需要从载气入口12由载气14引入，内管的内空间为载气14的通道。外管4和中管5之间还可以引入屏蔽气体用来对等离子体进行保护，如果需要引入屏蔽气体，需要在外管上开孔进入。
参见图2，示意性地示出了三端口耦合MPT炬管中耦合环8的结构，耦合环8具有3个连接杆，分别为第一连接杆17，第二连接杆18和第三连接杆19。耦合环8的连接杆对称分布，分布角度与3个N型微波接口的分布角度相同。
本实施例的工作原理为：3路相位差为120°，每一路功率为350W的微波从3个N型微波接口分别通过对应的耦合杆耦合进三端口MPT炬管，三端口MPT炬管的一端开口的谐振腔结构能够让微波在腔内谐振，由于炬管反射端面设置在微波四分之一波长的奇数倍处，三端口MPT炬管上端面10处电场强度处于极大值，维持气15和载气14选用Ar气，分别通过维持气入口13和载气入口12引入炬管，通过任何方式(比如金属接触开口端中管上方、利用高压放电装置)在中管5上方1厘米区域内电场较强的区域提供初始电子，很容易点燃等离子体，然后稳定维持。

Claims (3)

1.一种大功率微波等离子体谐振腔，其特征在于，由外管（4）、中管（5）、内管（6）、隔圈（7）、耦合环（8）、接口（16）组成，接口（16）与外管（4）的连接通过过渡配合紧密相连，中管（5）和内管（6）通过螺纹连接到接口（16）上，外管（4）上的反射端（11）中间开有圆孔让中管（5）通过，隔圈（7）装配于中管（5）和内管（6）之间，距离上端面（10）距离30mm，耦合环（8）与中管（5）直接连接，耦合环（8）通过外管（4）上的N型微波接口（9）与第一N型接口（1）、第二N型接口（2）、第三N型接口（3）相连，第一N型接口（1）、第二N型接口（2）、第三N型接口（3）具有三个耦合端口，称其为三端口MPT炬管；
其中N型接口为标准的微波传输部件，其功率容量在百瓦量级，不能承受接近千瓦级的微波功率传输，3个N型接口在平行于三端口MPT炬管的平面呈360°圆周对称均布， 3个N型接口中，其任意两个N型接口中输入的微波的相位差需要为120°，形成能量的对称耦合输入，这样能够保证微波能的对称耦合，以达到最佳的耦合效果；
所述的耦合环（8）为3个N型接口提供电导直接耦合提供耦合连接，每一个N型接口需要对应一个耦合杆与之连接，以保证微波实现良好的对称耦合；
所述三端口MPT炬管，具有三管同轴结构，其三管同轴结构类似一端开放的同轴电缆，形成同轴谐振腔，利用电磁场击穿维持气体产生等离子体。
2.根据权利要求1所述的一种大功率微波等离子体谐振腔用于光谱仪领域的大功率微波等离子体光源。
3.根据权利要求1所述的一种大功率微波等离子体谐振腔用于光谱化学领域的微波等离子体光源。
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