CN106063384A - 用于激发并维持等离子体的基于波导的设备 - Google Patents

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Abstract

一种设备(100，1000)包括：电磁波导(100)，其支持电磁波在电磁波导的第一端(102)与电磁波导的第二端(104)之间沿第一方向的传播；以及电磁波导内的电磁场成形结构(300)。电磁场成形结构限定从设备的第一壁(103‑1)中的第一孔径(107)延伸到相反的第二壁(103‑2)中的第二孔径(109)的通道(108)。通道具有沿与第一方向不平行的第二方向延伸的轴线。第一孔径与第二孔径之间沿第二方向的距离小于波导的内部区域(111)在其第一端和第二端的宽度。在一些实施例中，等离子体炬(900)布置在通道内。等离子体炬的长度紧密地匹配其相互作用区域。

Description

用于激发并维持等离子体的基于波导的设备
背景技术
基于等离子体源的发射光谱法和质谱分析法是广为接受的元素分析方法。希望的是适合作为样品的原子光谱分析的发射源的电性等离子体应满足许多标准。等离子体应当产生样品的脱溶、挥发、雾化和激发。然而，将样品引入到等离子体中不应当使等离子体变得不稳定或使其熄灭。
一种已知且被接受的用于发射光谱分析的等离子体源是射频(RF)电感耦合等离子体(ICP)源，通常在27MHz或40MHz工作。一般来讲，通过使用RF ICP源，等离子体被约束在圆柱形区域中，而中央核心一定程度上较冷。这种等离子体被称为“环形”等离子体。为了使用RF ICP源对样品进行光谱分析，可以将载有气溶胶的气体流形式的样品同轴地引导到环形等离子体的中央核心中。
尽管这种等离子体源是已知的并且工作良好，但是它们通常要求使用氩气作为等离子气体。然而，氩气有些昂贵并且在一些国家不容易获得或者完全无法获得。
因此，许多年来越来越多地对微波功率(例如，2.45GHz，此时可以使用廉价的磁控管)支持的等离子体源感兴趣。
然而，至少直到最近，基于微波等离子体源的原子发射光谱(AES)系统(也称为MPAES系统)比采用ICP源的系统通常表现出明显更差的检测极限，并且它们的样品导入要求已经通常苛刻得多。
为了发射光谱系统的最佳分析性能，认为等离子体应当被约束在环形区域中，从而模仿由RF ICP源产生的等离子体。
已经证实，使用微波激发产生这种环形等离子体比使用RF ICP源困难得多。在使用RF ICP源的情况下，沿着等离子体炬的长轴卷绕的载流线圈用于给等离子体供电。线圈产生相对于等离子体炬的长轴大体轴向定向的磁场，并且这转而在等离子体中引起循环电流，并且这些电流相对于等离子体炬的长轴对称。因此，等离子体炬附近的电磁场分布具有相对于等离子体炬的长轴固有的环形对称性。所以，用RF ICP源产生环形等离子体相对容易。
然而，用于将功率输送到微波等离子体的电磁波导没有这种类型的环形对称性，所以产生环形微波等离子体困难很多。
美国专利申请13/838,474和13/839,028公开了一些基于电磁波导的设备，这些设备用于激发并维持等离子体并且可以使用微波等离子体(MP)炬和适当配置的波导腔来产生环形或准环形等离子体。
微波等离子体炬通常由熔融二氧化硅或氧化铝制成并且由三个同轴气体管组成，包括注射器以及中间管和外管。在外管提供等离子气体时，分析物通过注射管被输送到等离子体中。如美国专利申请13/838,474和13/839,028所述，例如，微波等离子体炬通过设置在电磁波导的侧壁中的两个孔相对于矩形电磁波导的宽度而水平地定位，这些侧壁限定电磁波导的内部区域或腔体。电磁波导腔提供所需的电磁场以在微波等离子体炬内激活并维持等离子体。
不同于其长度不受任何结构参数的限制的ICP炬，微波等离子体炬的主等离子体室的长度必须等于或大于电磁波导的宽度，使得等离子体被约束在炬内部。此外，微波功率将大体分布在腔体的整个宽度上或波导内部，所以即使比电磁波导的宽度短的微波等离子体炬实际上是可行的，电磁波导中只有一部分微波功率将与等离子体耦合。另一方面，由于电磁波导外侧的电磁场强度不可忽略，所以从功率耦合的观点看，延长炬以延伸超出波导是没有任何意义的。因此，抛开其他方面的考虑，这样看来，当微波等离子体炬的主等离子体室与电磁波导腔的宽度一样长时，炬和腔最佳地彼此适应。
因此，希望提供一种改进的微波等离子体源，这种微波等离子体源能够提供接近RF ICP的改善的性能，并且具有诸如尺寸小、简单和较低的操作成本等特性。
附图说明
结合附图图示阅读以下详细描述，可以更好地理解各个实施例。在任何可适用和实际的情况下，相似的附图标记指代相似的构件。
图1是根据第一示例性实施例的设备的一部分的透视图。
图2是根据第一示例性实施例的设备的一部分的俯视图。
图3是用于波导的电磁场成形结构的第一示例性实施例的透视图。
图4是用于波导的电磁场成形结构的第一示例性实施例的剖视截面图。
图5是包括虹膜结构的设备的示例性实施例的内部区域的一部分的端视图。
图6是包括虹膜结构的设备的示例性实施例的内部区域的一部分的透视图。
图7是包括虹膜结构的设备的示例性实施例的内部区域的一部分的特写视图。
图8是用于限定波导用虹膜的实施例的虹膜结构的内部区域的一部分的另一个特写视图。
图9A是微波等离子体炬的示例性实施例的侧视图。
图9B是微波等离子体炬的示例性实施例的剖视截面图。
图10是根据第二示例性实施例的实例的一部分的透视图。
图11是描绘了根据第二示例性实施例的设备的虹膜的区域中期望模式的电场矢量的实例的侧视图。
图12是由根据第二示例性实施例的设备产生的等离子体的实例的剖视图。
图13A是示出了虹膜狭槽的形状的一个实施例的端视图。
图13B是示出了虹膜狭槽的形状的另一个实施例的端视图。
图13C是示出了虹膜狭槽的形状的另一个实施例的端视图。
图13D是示出了虹膜狭槽的形状的另一个实施例的端视图。
具体实施方式
在以下详细描述中，为了解释并且不是限制的目的，阐述了公开具体细节的说明性实施例，以透彻理解根据本教导的实施例。然而，对受益于本公开的人显而易见的是，根据本教导的脱离本文所公开的具体细节的其它实施例仍在所附权利要求书的范围内。而且，省略了众所周知的设备和方法的描述，以便不模糊示例性实施例的描述。这些方法和设备处于本教导的范围内。
一般来讲，应当理解，除非上下文中清楚地另外指示，说明书和所附权利要求书中使用的术语“一个”、“一种”以及“所述”包括单个指代物和多个指代物。因此，例如，“装置”包括一个装置和多个装置。如本文所用，词语“大约”或基本上的意思是名义值的+/-10％内(例如，大约180度会包含从164度至198度的角度；基本上反方向的意思是从164度至198度的方向变化；等等)。
本发明人已经发现并证实，从流体力学的观点看，这种构造的微波等离子体炬通常比期望的更长。似乎在非常靠近注射器的端部处(例如，在注射器下游的开始的处)发生大部分重要的物理现象，其中在该区域处分析物与等离子体相互作用，在本文中被称为“相互作用区域”。微波等离子体炬超出相互作用区域的额外长度必然意味着检测器必须进一步远离相互作用区域，这允许等离子体在该热相互作用区域与检测器之间冷却，并且允许分析物的朝向微波等离子体炬的壁的更大的径向湍流扩散。所有这些效果都是不可取的。此外，本发明人已经认识到，除了消除这些效果之外，如果能够将更多的功率聚集在相互作用区域本身，而不是将功率分散在长炬的整个长度上，就会极大地增强微波等离子体炬的性能。例如，已经观察到，作为微波等离子体炬工作足够的时间段的结果，分析物涂层出现在微波等离子体炬的外管壁上。在大部分情况下，涂层是不对称的并且出现在微波等离子体炬的出口端附近。外管壁上的分析物涂层是不可取的并且会缩短微波等离子体炬的寿命。此外，由于分析物覆盖了注射器的内表面和外表面，因此经常观察到注射器阻塞。
所有这些因素表明应当减小电磁波导的内部区域或腔体的宽度以便容纳更短的微波等离子体炬，该微波等离子体炬的长度更紧密地匹配其相互作用区域。
然而，电磁波导的内部区域的宽度受到其基本模式的截止宽度的限制。例如，在2.45GHz，电磁波导的基本模式对于低于约6.1cm的宽度截止。此外，例如，在2.45GHz工作的微波随着电磁波导偏离7.2cm的标准内部宽度(例如，对于WR-284波导)发生很大的衰减。因此，减小整个电磁波导的内部宽度是不可行的。
希望提供一种具有微波等离子体炬的基于电磁波导的设备，该微波等离子体炬可以允许微波等离子体炬的区域中的电磁波导腔的宽度更紧密地匹配微波等离子体炬的相互作用区域，而不使电磁波导内的微波衰减超出可接受的极限。在一些情况下，这可以允许使用其长度已经减小到更紧密地匹配其相互作用区域的炬。
本技术总体涉及一种包括与微波等离子体(MP)炬一起使用以产生并维持在光谱化学分析中有用的等离子体的电磁波导的设备。本发明人已经设想并制造出用于电磁波导的新型电磁场成形结构和构造，其可以允许微波等离子体炬的区域中的电磁波导的宽度更紧密地匹配微波等离子体炬的相互作用区域，而不使电磁波导内的微波衰减超出可接受的极限。在一些实施例中，这可以允许使用其长度已经减小到更紧密地匹配其相互作用区域的微波等离子体炬。在本文中，电磁波导成形结构也称为虹膜(iris)结构，并且其在电磁波导内部建立了不连续的区域，该区域呈现出阻挡或改变电磁波导中的电磁场的图案形状的阻抗失配(扰动)。电磁波导内的电场在这种电磁场成形结构上会发生180度相移，从而产生从该结构的第一侧到该结构的第二侧的电场的方向反转，使得此结构的第二侧的电场的方向与此结构的第一侧的电场的方向相反。通过采用这种构造，在一些实施例中，可以产生环形等离子体。将结合附图中图示的示例性实施例提供更详细的解释。
图1是根据第一示例性实施例的设备100的一部分的透视图。图2是根据第一示例性实施例的设备100的一部分的俯视图。设备100可以包括用于激发并维持等离子体的基于电磁波导的设备。
为了便于更好地理解以下描述，图1和图2以及其他附图示出了一起生成三维空间的三个垂直方向x、y和z组。在以下描述中，x、y和z方向分别表示“宽度”、“高度”和“长度”。当然，应当理解的是，在本发明中术语“宽度”、“高度”和“长度”相对于x、y和z方向的分配是任意的并且可以采用不同的方式分配这些术语。为了便于更好地理解本文公开的实施例，在各个附图中示出了x、y和z方向的各种组合，但是在所有情况中，在全部附图中一致地使用这些方向。
设备100包括电磁波导(“波导”)101，该电磁波导具有第一端102以及第二端104，该第二端104沿着z方向与第一端102分开并且与其间隔开以限定波导101的长度。设备100包括：多个壁103，该多个壁103包括第一壁103-1和与其相反的第二壁103-2并且限定腔体或内部区域111，该腔体或内部区域111被配置成支持电磁波的以适于产生并维持等离子体的频率在第一端102与第二端104之间沿第一方向(即，z方向)的期望传播模式(“模式”)；以及虹膜结构(图1和图2中未示出，参见以下图3至图8)，其限定了包括通道或虹膜孔108的虹膜，通过该通道或虹膜孔108微波等离子体炬可以至少部分地布置在波导101内。这里，虹膜被限定为波导101内不连续的区域，该区域呈现出阻挡或改变波导中的电磁场的图案形状的阻抗失配(扰动)。在一些实施例中，可以通过减小波导内部的高度和宽度来产生虹膜。以下将参照图3至图8描述有关虹膜结构的一个或多个实施例的另外的细节。
如上所述，波导101被配置成支持以微波频率(例如，2.45GHz)在其内部区域111内的期望传播模式(例如，TE10)。尽管图1图示的波导101的实施例与传播方向(z方向)交叉的方向上具有大致矩形截面，但是应当理解，可以设想具有其他类型的截面的其他波导形状。在设备100的一些实施例中，在工作中，波导101布置成在其第一端102处邻近微波能量的源(未示出)，并且在第二端104处短路。
图3是电磁场成形结构300的示例性实施例的透视图，该电磁场成形结构在下文中被称为“虹膜结构300”，该虹膜结构可以包括在设备100中。图4是穿过虹膜结构300的一部分的剖视截面图。虹膜结构300是可用在设备100中以限定波导101中的虹膜的虹膜结构的一个实施例。
在图4图示的实施例中，虹膜结构300限定虹膜106，该虹膜106包括通道或虹膜孔108(下文中称为“虹膜孔108”)，虹膜孔108在波导101的第一壁103-1中的第一孔径107与波导101的与第一壁103-1相反的第二壁103-2中的第二孔径109之间沿x方向延伸。虹膜结构300还限定：第一狭槽(“第一虹膜狭槽”)310，第一狭槽310在虹膜孔108与波导101的第一端102之间布置在虹膜孔108的第一侧或者沿着第一侧布置；以及第二狭槽(“第二虹膜狭槽”)312，第二狭槽312在虹膜孔108与波导101的第二端104之间布置在虹膜孔108的第二侧或沿着第二侧布置。第一虹膜狭槽310和第二虹膜狭槽312分别限定沿着从波导101的第一端102到波导101的第二端104的方向(即，z方向)穿过虹膜结构300的通路。第一虹膜狭槽310和第二虹膜狭槽312沿z方向彼此分开且间隔开。虹膜狭槽310和312分别沿x方向具有宽度WS，并且还在截取图3的剖视图的区域中沿y方向具有高度HS。一般来讲，第一虹膜狭槽310和第二虹膜狭槽312可以具有彼此相同的大小和形状，或者大小和/或形状可以互不相同。
在具有电磁场成形结构300的波导101的操作的一个实施例中，电磁波可以在波导101的第一端102与波导101的第二端104之间沿z方向传播，从而穿过第一虹膜狭槽310、虹膜孔108和第二虹膜狭槽312。
在图2和图3图示的实施例中，虹膜孔108具有圆柱形状，其中圆柱形的主轴116在与电磁波的传播方向(即，z方向)不平行的第二方向上延伸。在图2和图3图示的实施例中，虹膜孔108具有在第一孔径107与第二孔径之间沿x方向延伸的主轴116，并且在由y方向和z方向限定的平面上具有大致圆形的截面。在其他实施例中，虹膜孔108具有非圆柱形的形状。例如，在一些实施例中，虹膜孔108可以具有矩形棱柱、六边形棱柱、八边形棱柱、椭圆形棱柱等的形状。在一些实施例中，虹膜孔相对于轴线对称并且没有尖角。
虹膜106的中心(例如，在主轴116上)布置成沿z方向与波导101的第一端102相距一定距离(在图2中表示成第一长度L1)。此外，虹膜106的中心(例如，在主轴116上)沿z方向布置成与波导101的第二端104相距一定距离(在图2中表示成第二长度L2)。这样，虹膜106位于波导101的第一区段或部分117与波导101的第二区段或部分118之间。值得注意的是，波导101可以是包括第一部分117和第二部分118并且虹膜106位于这两者之间的单一件。可替代地，波导101可以包括两个单独件(例如，作为单独件的第一部分117和第二部分118)且虹膜106位于这两者之间。
在一些实施例中，限定虹膜106的虹膜结构300可以包括金属区段，该金属区段沿着波导101的长度(z方向)具有厚度尺寸，并且具有沿x方向延伸穿过金属区段的宽度的通孔以限定虹膜孔108，其中该虹膜孔108被配置成在其中容纳微波等离子体炬(参见以下讨论的图9A至图9B和图10)。设备100中的波导101以及限定虹膜106的虹膜结构300分别由合适的导电材料制成，例如适合在设备100的选定的工作频率使用的金属(例如铝)或金属合金。在一些实施例中，虹膜结构300可以与波导101集成为一体。在其他实施例中，虹膜结构300可以是插入到波导101中的、或者插入到波导101的两个单独的部分117和118之间的单独结构。波导101和虹膜106的某些方面是与Hammer的共同所有的美国专利6,683,272中描述的对应的特征所共有的。美国专利6,683,272的公开内容通过引用的方式特别地并入本文中。
如图1和图2所示，在设备100中，第一孔径107与第一孔径109沿x方向的距离W2小于波导101的内部区域111在第一端102和第二端104的宽度W1。例如，在一些实施例中，W2可以是大约7.2cm，而W1可以在2cm至3cm的范围内。在一些实施例中，除了布置或放置包括虹膜孔108的虹膜106的位置或地方113之外，波导101的内部区域111的宽度处处皆为W1＞W2。在一些实施例中，并且如以下参照图9A至图9B和图10更详细地讨论的，虹膜孔108的长度可以更紧密地匹配插入在虹膜孔108中的微波等离子体炬的相互作用区域。此外，如以下更详细地所讨论的，减小设备100的内部区域在位置113附近的宽度，使得可以在不使波导101内的微波衰减超出可接受的极限的情况下实现W2＜W1。在一些实施例中，这可以允许使用其长度已经减小到更紧密地匹配其相互作用区域的微波等离子体炬。
通过使第一虹膜狭槽310和第二虹膜狭槽312中的一者或两者在端部比在中部具有更大的高度，可以使设备100中的电场经历从第一虹膜狭槽310到第二虹膜狭槽312的相移或方向变化。具体地讲，可以使电场经历大约180度的相移，这是从第一虹膜狭槽310到第二虹膜狭槽312的方向反转，使得第二虹膜狭槽312处的电场与第一虹膜狭槽310处的电场的方向相反。
为此，在虹膜结构300中，第一虹膜狭槽310和第二虹膜狭槽312中的一者或两者在虹膜狭槽的端部的高度(即，y方向上的尺寸)大于在虹膜狭槽中部的高度。在一些实施例中，第一虹膜狭槽310和第二虹膜狭槽312两者分别在虹膜狭槽的端部的高度大于在虹膜狭槽中部的高度。
图5是设备100的内部区域111的一部分的端视图，还图示了虹膜结构300的第二虹膜狭槽312的示例形状。这里，应当理解，第一虹膜狭槽310可以具有与图4和图5所示的第二虹膜狭槽312相同的形状。
在图3至图6图示的具体的实例中，第二虹膜狭槽312具有类似于所谓“双脊”波导的截面形状，并且该形状在本文中称为“领结”(“”“bowtie”)。第二虹膜狭槽312可以看成是分成三部分：第一端部312a，具有第一宽度WS1和第二高度HS1；第二端部312b，具有第二宽度WS2和第二高度HS2；和中间部分312c，布置在第一端部312a与第二端部312b之间，其中中间部分312c具有第三宽度WS3和第三高度HS3。在一些实施例中，第一高度HS1和第二高度HS2均可以大于第三高度HS3。在一些实施例中，第一高度H1和第二高度H2可以彼此相同。在HS1等于HS2的一些实施例中，第一高度HS1和第二高度HS2可以是第三高度HS3的至少两倍。在一些实施例中，第一高度HS1和第二高度HS2可以是第三高度HS3的至少五倍。在WS1等于WS2的一些实施例中，WS3与WS1的比在约2.5∶1至3.5∶1的范围内。
如以下参照图11更详细地所述，第一虹膜狭槽310和/或第二虹膜狭槽312的形状可以使电场在虹膜106的相反两侧具有相反的方向，这在虹膜孔108内产生轴向磁场(即，沿x方向)。在一些实施例中，由布置在虹膜106的虹膜孔108中的微波等离子体炬产生的等离子体内部的电场分布呈圆周方向(circumferential)，这类似于RF ICP源的情形。
在一些实施例中，虹膜狭槽310和312的“领结”形状在微波谐振频率下(例如，2.45GHz)建立带通滤波器。因此，宽度窄版本的虹膜106可以被优化成还在谐振频率下提供带通。由于具有这种构造，一方面，虹膜106在谐振频率下具有带通特性，所以波不容易消失，并且另一方面，虹膜106可以被优化以产生期望的对称电磁场分布。
一般来讲，当虹膜106沿x方向的宽度减小(例如，从W1减小到W2)时，领结形状的虹膜狭槽310和312提供的谐振频率移动到较高的频率(例如，达到4GHz)。通过按比例放大尺寸能够使谐振返回到波导101所需的频率(例如，2.45GHz)，这导致宽度增大，但是一般来讲，这可能不可取的。
在一些实施例中，通过有效地增大虹膜狭槽310和312的电容可以补偿由于在虹膜106的区域中波导101的宽度减小引起的谐振频率的变化。使电容增大的一种方法是增大虹膜狭槽310和312的长度。
因此，在一些实施例中，通过在虹膜狭槽310和312的一个或两个内提供高介电材料来增大谐振频率。
图6是包括虹膜结构的设备的示例性实施例的内部区域的一部分的透视图。图6图示了在虹膜狭槽310和312的各个中设置的高介电材料块610的实施例。
在图示的实施例中，在两个虹膜狭槽310和312中分别设置高介电材料块610，但是在其他实施例中，高介电材料块610可以仅设置在虹膜狭槽310和312的一者中。在图示的实施例中，高介电材料块610仅设置在虹膜狭槽310和312的中间部分中，但是在其他实施例中，高介电材料块610可以设置在虹膜狭槽310和312的中间部分和端部(例如，312a和312b)中。在一些实施例中，例如，根据波导101的尺寸大小和/或操作频率，高介电材料块610可以全部省去。
在一些实施例中，高介电材料块610可以具有至少为2的介电常数，并且更优选至少为4的介电常数。在一些实施例中，块610可以是对可见光透明的石英块。这在一些设备中是可取的。在一些实施例中，介电材料可以包括陶瓷或氧化铝。在其他实施例中，介电材料可以包括以下材料的一种或多种：氮化硅、氮化铝、蓝宝石和硅。可以根据材料的介电常数选择块610的厚度。一般来讲，当介电常数较大时可以采用较薄的材料，并且当介电常数较小时可以采用较厚的材料。
图7是包括虹膜结构的设备的示例性实施例的内部区域的一部分的特写视图。图7图示了设置在虹膜狭槽312中的高介电材料块610。
图8是用于限定波导用虹膜的实施例的虹膜结构的内部区域的一部分的另一个特写视图。图8图示了设置在虹膜狭槽310和312中的高介电材料块610。
如上所述，虹膜孔108可以被配置成在其中容纳微波等离子体炬。微波等离子体炬是具有用于输送等离子气体的导管或通道的装置，等离子气体在与电磁波接触时产生等离子体。微波等离子体炬还可以包括用于向形成等离子体的位置输送气溶胶或气体形式的样品的导管或通道。
图9A是微波等离子体(MP)炬900的示例性实施例的侧视图，该微波等离子体炬可以与设备100一起使用，并且图9B是微波等离子体炬900的剖视截面图。微波等离子体炬900包括注射器902、内管903和最外管904，它们彼此同心，并且分别可以由非导电材料(诸如石英或陶瓷等制成)。微波等离子体炬900的同心管共享共同的中心纵轴910，当微波等离子体炬900插入在设备100的虹膜孔108中时，该中心纵轴910可以定向为沿x方向，与虹膜孔108的主轴116平行或对齐。当在工作中时，微波等离子体炬900具有如上定义的相互作用区域920。
在一些现有的微波等离子体炬中，微波等离子体炬在注射器902的端部905超过参考平面R的长度L充分延伸超过相互作用区域920的端部。例如，在一些微波等离子体炬中，长度L可以是约7.2cm，以便延伸过标准2.45GHz波导(例如，WR-284波导)的宽度，而相互作用区域920的长度可以是仅2或3cm。如上所述，这会造成采用这种微波等离子体炬的原子发射光谱仪(AES)的性能的几个缺点。例如，通常发现当相互作用区域的长度大约是炬的直径的2至3倍时，微波等离子体炬的性能最佳。
图10是设备1000的示例性实施例的一部分的透视图。设备1000包括设备100，设备100包括如上所述的虹膜结构和虹膜孔108，微波等离子体炬900布置在该虹膜结构和虹膜孔108中。
在操作中，当微波等离子体炬900被插入到虹膜孔108中时，具有将要进行光谱分析的夹带样品的载气正常地流过注射器902，中间气流设置在内管903中，并且等离子体维持和炬冷却气流设置在最外管904中。在一些实施例中，等离子体维持和炬冷却气体可以是氮气。例如，等离子体维持和炬冷却气体可以是氮气，并且布局设置成用于产生这种气体的气流，以利于形成具有大体空心的稳定的等离子体，并且防止微波等离子体炬900变得过热。例如，在一些实施例中，等离子体维持气体可以径向地离轴注射，使得气流盘旋。也就是说，环形入口中的气流流线形成环绕与x轴平行的微波等离子体炬900的对称轴的螺旋线。此气流维持等离子体，在内部气流中携带的分析样品通过来自等离子体的辐射和传导来加热。在一些实施例中，为了最初点燃等离子体，等离子体维持和炬冷却气流可以临时且短暂地从例如氮气变成氩气。
在与Hammer共同所有的美国专利7,030,979中详细描述了微波等离子体炬的示例性实施例的更详细的描述。美国专利7,030,979的公开内容通过引用的方式特别地并入本文中。
如上所述，在设备1000中，第一孔径107和第一孔径109之间沿x方向的距离W2小于波导101的内部区域111在第一端102和第二端104的宽度W1。在一些实施例中，距离W2匹配或大致匹配微波等离子体炬的相互作用区域920的长度。此外，可以实现将设备100在微波等离子体炬900附近的宽度从W1附带地减小到W2，而不使波导101内的微波衰减超出可接受的极限。在一些实施例中，可以实现将波导101在微波等离子体炬900附近的宽度从W1减小到W2，而很少或不使微波衰减。在一些实施例中，微波等离子体炬900的插入到虹膜孔108中的部分的长度LT可以与第一孔径107与第一孔径109之间的距离W2相同或大致相同。
在一些实施例中，这可以允许减小微波等离子体炬900的长度。例如，在一些实施例中，图9A中图示的长度L可以减小到LT。在一些实施例中，在操作中，微波等离子体炬900的端部可以与设备100的波导101的第一壁103-1中的第一孔径107大致对齐。
如上所述，当未被扰动时在波导101中支持所选模式。然而，虹膜106表现出改变波导101中的模式的波长和形状的扰动。凭借波导101和虹膜106的结构，可以期望的形状产生并维持等离子体。
在一些实施例中，波导101可以被配置成支持具有在电磁频谱的微波部分中的频率的TE10传播模式。例如，在一些实施例中，所选模式可以具有大约2.45GHz的特征频率。然而，值得注意的是，本文描述的实施例不限于在2.45GHz工作，并且一般来讲，不限于在微波频谱工作。具体地讲，因为所选择的操作频谱范围决定所选操作模式(一个或多个)的波长，并且操作波长主要受到微波等离子体炬900和波导101的几何尺寸的限制，因此操作频率也受微波等离子体炬900和波导101的几何尺寸的限制。说明性地，本教导可以容易地实施为包括高于和低于2.45GHz的操作频率。此外，期望模式不限于所说明的TE10模式，并且波导101(或图1描绘的第一部分117和/或第二部分118)未必为矩形形状。通过本公开可以设想到其他模式、或者其他波导形状，或者其他模式和其他波导形状两者。
图11是描述虹膜106的区域中的期望模式的电场线1110的实例的侧视图，图示了电场线1110围绕虹膜孔108内部方向发生改变。这里，可以看出，第一虹膜狭槽310和第二虹膜狭槽312沿z方向(即，波导101的传播方向)布置在虹膜孔108的相反两侧。具体地讲，在虹膜孔108的第一侧的第一虹膜狭槽310处的电场线1110定向成与在虹膜孔108的第二侧的第二虹膜狭槽312处的电场线1112方向相反，其中虹膜孔108的第二侧与虹膜孔108的第一侧相反。也就是说，虹膜结构300被配置成在电磁波传播穿过虹膜结构300使电场的方向大体上反转(即，在虹膜结构300的第一侧上的第一虹膜狭槽310处的电场的方向相对于在虹膜结构300的第二侧上的第二虹膜狭槽312处的电场的方向呈相反方向或呈180度)。
图12是设备1000的示例性实施例可以产生的等离子体1200的实例的剖视图。等离子体1200通常被约束在圆柱形空间中并且可以被称为环形等离子体。
尽管图12图示了具有大体环形形状的等离子体的实例，但是在其他实施例中，可以产生具有不同形状的等离子体。在一些实施例中，等离子体可以相对于中心纵轴910对称或大体对称，具有在一定程度上更冷的中心核心，例如，等离子体可以是管状或大体管状，或者具有空心矩形棱柱形状。另外，还可以设想其他等离子体形状。
在图3和图4图示的具体的示例性实施例中，第一虹膜狭槽310和第二虹膜狭槽312具有“领结”的形状，例如，具有矩形的第一端部312a和第二端部312b，以及布置在两者之间的矩形中心部312c。然而，应当理解，在此实施例的其他变型中，第一虹膜狭槽310和/或第二虹膜狭槽312可以具有不同的形状。图13A至图13D图示了第一虹膜狭槽310和/或第二虹膜狭槽312可以具有的不同形状的几种实例。例如，图13A图示了虹膜狭槽的中心部与端部之间的过渡部分为弯曲形状的实施例。图13B图示了虹膜狭槽的上缘和下缘为弯曲形状的实施例。图13C图示了虹膜狭槽的高度从虹膜狭槽的中间分别向虹膜狭槽的相对两端线性地增大的实施例。图13D图示了虹膜狭槽的第一和第二端部不是矩形而是具有等腰梯形形状的实施例，其中梯形的短边布置成与虹膜狭槽的中心部相邻，梯形的长边布置在虹膜狭槽的端部。
以上描述的示例性实施例的许多变型是可行的。例如，尽管图1和图10中图示的实施例中未呈现，但是在实施例中，凸缘状延伸部可以设置在第一孔径107的下方，从第一壁103-1的底部沿x方向延伸，用于安装目的。在一些实施例中，另一个类似的凸缘状延伸部可以设置在第一孔径109的下方，从波导101的相反侧的第二壁103-2沿x方向延伸。此外，可以结合示例性实施例的特征以产生其他实施例。
如上所述用于激发并维持等离子体的基于波导的设备的实施例可以用于各种系统中并且用于各种应用，包括但不限于，用于执行原子发射光谱分析的原子发射光谱仪(AES)或用于执行质谱分析的质谱仪。在一些实施例中，摄谱仪(例如，中阶梯光栅光谱仪(Echelle spectrograph))可以用于将等离子体发射的原子化辐射分离成光谱发射波长，其中光谱发射波长在照相机上成像以产生光谱数据，以及处理器或计算机可以用于处理和显示并且/或者存储照相机捕捉的光谱数据。在各种实施例中，设备可以用气态和/或水性样品操作。在一些实施例中，如上所述用于激发并维持等离子体的基于波导的设备可以用于气相色谱分析系统中。
示例性实施例
除本公开中其他地方描述的实施例之外，本发明的示例性实施例还包括但不限于以下实施例：
1.一种装置，包括：
电磁波导，被配置成在支持电磁波在所述电磁波导的第一端与所述电磁波导的第二端之间沿第一方向的传播；以及
所述电磁波导内的电磁场成形结构，所述电磁场成形结构在其中限定从所述设备的第一壁中的第一孔径延伸到所述设备的相反的第二壁中的第二孔径的通道，所述通道具有沿着与所述第一方向不平行的第二方向延伸的轴线，
其中所述第一孔径与所述第二孔径之间沿所述第二方向的距离小于波导的内部区域在其第一端和第二端的宽度。
2.根据实施例1所述的设备，还包括设置在所述通道内的等离子体炬。
3.根据实施例2所述的设备，其中所述等离子体炬从所述第一孔径延伸穿过所述通道到达所述第二孔径。
4.根据实施例2-3的任一个所述的设备，其中所述等离子体炬的第一端与所述第一孔径基本上对齐。
5.根据实施例2-4的任一个所述的设备，其中所述设备被配置成在所述通道中产生等离子体，并且其中所述等离子体相对于所述等离子体炬的纵轴基本上大体对称。
6.根据实施例5所述的设备，其中所述等离子体具有大体环形形状。
7.根据实施例5所述的设备，其中所述等离子体具有大体管状形状。
8.根据实施例1-7的任一个所述的设备，其中所述电磁场成形结构被配置成在所述电磁波传播穿过所述电磁场成形结构时使电场的方向大体上反转。
9.根据实施例1-8的任一个所述的设备，其中所述电磁场成形结构限定：第一狭槽，在所述通道与所述波导的第一端之间布置在所述通道的第一侧；以及第二狭槽，在所述通道与所述波导的第二端之间布置在所述通道的第二侧，每个狭槽限定沿着从所述波导的第一端到所述波导的第二端的方向穿过所述电磁场成形结构的通路。
10.根据实施例9所述的设备，其中至少一个所述狭槽在其端部的高度大于在其中间的高度。
11.根据实施例9-10的任一个所述的设备，其中每个所述狭槽在其端部的高度大于在其中间的高度。
12.根据实施例9-11的任一个所述的设备，其中至少一个所述狭槽包括：
具有第一高度的第一端部；
具有第二高度的第二端部；以及
布置在所述第一端部与所述第二端部之间的中间部分，其中所述中间部分具有第三高度，
其中所述第三高度小于所述第一高度并且小于所述第二高度。
13.根据实施例9-12的任一个所述的设备，其中每个所述狭槽包括：
具有第一高度的第一端部；
具有第二高度的第二端部；以及
布置在所述第一端部与所述第二端部之间的中间部分，其中所述中间部分具有第三高度，
其中所述第三高度小于所述第一高度并且小于所述第二高度。
14.根据实施例12-13的任一个所述的设备，其中所述第一端部具有第一宽度，所述第二端部具有第二宽度，并且所述中间部分具有第三宽度，其中所述第一宽度与所述第二宽度相同。
15.根据实施例12-14的任一个所述的设备，还包括布置在至少一个所述狭槽的至少中间部分中的介电材料。
16.根据实施例12-14的任一个所述的设备，还包括布置在每个所述狭槽的至少中间部分中的介电材料。
17.根据实施例8-14的任一个所述的设备，还包括布置在至少一个所述狭槽的至少一部分中的介电材料。
18.根据实施例8-14的任一个所述的设备，还包括布置在每个所述狭槽中的介电材料。
19.根据实施例15-18的任一个所述的设备，其中所述介电材料的介电常数至少为2。
20.根据实施例15-19的任一个所述的设备，其中所述介电材料包括石英。
21.根据实施例15-20的任一个所述的设备，其中所述等离子体炬的长度与所述通道的长度大致相同。
22.一种原子发射光谱仪，包括根据实施例1-21的任一个所述的设备。
23.一种质谱仪，包括根据实施例1-21的任一个所述的设备。
24.一种气相色谱分析系统，包括根据实施例1-21的任一个所述的设备。
25.一种方法，包括以下步骤：
将等离子体炬布置在由虹膜结构限定的虹膜孔内，所述虹膜结构在电磁波导中提供虹膜；并且
产生电磁场，其中所述波导中的电场的方向从所述虹膜的第一侧到所述虹膜的第二侧发生改变，其中所述虹膜的第一侧和第二侧是所述虹膜的相对于所述电磁场的传播方向彼此相对的两侧，
其中所述波导的内部区域在布置所述虹膜孔的位置处的宽度小于波导的内部区域在其第一端和第二端的宽度。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述虹膜的第二侧处的电场的方向与所述虹膜的第一侧处的电场的方向相反。
27.根据实施例25-26的任一个所述的方法，还包括建立沿着所述等离子体炬的纵轴延伸的轴向磁场的步骤。
28.根据实施例25-27的任一个所述的方法，还包括以下步骤：
向所述等离子体炬提供等离子体形成气体；
供应电磁功率以建立所述电磁场；以及
产生等离子体。
29.根据实施例28所述的方法，其中所述等离子体具有大体环形形状。
30.根据实施例28所述的方法，其中所述等离子体具有大体管状形状。
31.根据实施例25-30的任一个所述的方法，还包括向所述等离子体引入样品的步骤。
32.根据实施例35所述的方法，其中所述样品是水性的。
33.根据实施例35所述的方法，其中所述样品是气态的。
34.根据实施例31-33的任一个所述的方法，还包括对所述样品执行质谱分析的步骤。
35.根据实施例31-33的任一个所述的方法，还包括对所述样品执行原子发射光谱分析的步骤。
36.根据实施例33所述的方法，还包括对所述样品执行气相色谱分析的步骤。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够进行许多变化和修改，并且这些变化和修改仍然在所附权利要求书的范围内。本发明因此绝不受除权利要求书的范围之外的限制。

Claims (15)

1.一种装置(100，1000)，包括：
电磁波导(100)，其被配置成支持电磁波在所述电磁波导的第一端(102)与所述电磁波导的第二端(104)之间沿第一方向的传播；以及
所述电磁波导内的电磁场成形结构(300)，所述电磁场成形结构在其中限定通道(108)，所述通道从所述设备的第一壁(103-1)中的第一孔径(107)延伸到所述设备的相反的第二壁(103-2)中的第二孔径(109)，所述通道具有沿与所述第一方向不平行的第二方向延伸的轴线，
其中所述第一孔径与所述第二孔径之间沿第二方向的距离小于所述波导的内部区域(111)在其所述第一端和所述第二端处的宽度。
2.根据权利要求1所述的设备(1000)，还包括等离子体炬(900)，所述等离子体炬设置在所述通道内。
3.根据权利要求2所述的设备(1000)，其中所述等离子体炬从所述第一孔径延伸穿过所述通道到达所述第二孔径。
4.根据权利要求2所述的设备(1000)，其中所述等离子体炬的第一端与所述第一孔径基本上对齐。
5.根据权利要求2所述的设备(1000)，其中所述设备被配置成在所述通道中产生等离子体(1200)，并且其中所述等离子体相对于所述等离子体炬的纵轴基本上对称。
6.根据权利要求5所述的设备(1000)，其中所述等离子体炬具有大致环形形状和大致管状形状中的一者。
7.根据权利要求1所述的设备(100，1000)，其中所述电磁场成形结构被配置成随着所述电磁波传播穿过所述电磁场成形结构而使电场(1100)的方向大体上反转。
8.根据权利要求1所述的设备(100，1000)，其中所述电磁场成形结构限定：第一狭槽(310)，其在所述通道与所述波导的第一端之间布置在所述通道的第一侧；以及第二狭槽(312)，其在所述通道与所述波导的第二端之间布置在所述通道的第二侧，每个狭槽限定沿着所述第一方向穿过所述电磁场成形结构的通路。
9.根据权利要求8所述的设备(100，1000)，其中至少一个所述狭槽在其端部的高度大于在其中间的高度。
10.根据权利要求9所述的设备(100，1000)，其中每个所述狭槽在其端部的高度大于在其中间的高度。
11.根据权利要求8所述的设备(100，1000)，其中至少一个所述狭槽包括：
具有第一高度的第一端部(312a)；
具有第二高度的第二端部(312b)；以及
布置在所述第一端部与所述第二端部之间的中间部分(312c)，其中所述中间部分具有第三高度，
其中所述第三高度小于所述第一高度并且小于所述第二高度。
12.根据权利要求11所述的设备(100，1000)，其中所述第一端部具有第一宽度，所述第二端部具有第二宽度，并且所述中间部分具有第三宽度，其中所述第一宽度与所述第二宽度相同。
13.根据权利要求12所述的设备(100，1000)，还包括介电材料(610)，所述介电材料至少布置在至少一个所述狭槽的中间部分中。
14.根据权利要求8所述的设备(100，1000)，还包括介电材料(610)，所述介电材料布置在至少一个所述狭槽的至少一部分中。
15.根据权利要求13所述的设备(100，1000)，其中所述介电材料的介电常数至少为2。
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