CN107426909B - 一种微波等离子体炬的屏蔽装置 - Google Patents
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Abstract
一种微波等离子体炬的屏蔽装置，包括炬管和屏蔽罩；炬管包括外管和中管；屏蔽罩包括屏蔽管、渐变管和密封板；屏蔽管为中空管，屏蔽管的内径稍大于中管的外径，渐变管呈下大上小的渐缩状，渐变管上端与屏蔽管下端连接，渐变管下端外径与外管内径相等；密封板呈中空状，套接于屏蔽管和渐变管的连接处；渐变管套设于中管，且下端与外管的内壁相切，密封板与外管的密封连接，屏蔽管与中管同轴。渐变管强化了氧屏蔽气切向螺旋上升的运动模式，屏蔽管增加了氧气的线速度，降低周围环境气体对等离子体干扰的几率，强化的气体箍缩作用增强了等离子体的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及原子发射光谱技术领域，具体涉及一种微波等离子体炬的屏蔽装置。
背景技术
微波等离子体炬(MPT)为一端开放的三金属管同轴结构，微波能通过同轴电缆以电导/电容耦合的方式进入炬管，腔体长度为1/4λ的奇数倍，微波在腔体内开成驻波，等离子在炬管开口端形成。
小功率MPT所形成的等离子体长度有限，对氧气屏蔽气流量的要求不高，因此引入的切向流能够在等离子体外围形成轴对称分布的较为均匀的保护层。但随着功率的提升，等离子体长度增大，氧气屏蔽气流量的需求量增加，传统的单管引入切向流模式在较高的气流条件下会破坏其保护层的轴对称性，从而使等离子体明显的偏向一侧，破坏了等离子体的轴对称性和稳定性；由于氧气屏蔽气经由外管与中管之间流出，其出口线速度受到外管与中管间横截面的限制，较低的线速度无法带走高功率时等离子体产生的较高的热量，从而对外管顶端的石英罩造成熔融破坏，降低其使用寿命；此外，由于功率的提高，外管与中管间容易形成高压放电，干扰等离子体的形成。
发明内容
针对上述问题，本申请提供一种微波等离子体炬的屏蔽装置，包括用于形成等离子体的炬管和用于屏蔽环境气体的屏蔽罩，炬管包括外管和中管，屏蔽罩包括屏蔽管、渐变管和密封板；
屏蔽管为中空管，屏蔽管的内径稍大于中管的外径，渐变管呈下大上小的渐缩状，渐变管上端与屏蔽管下端连接，渐变管下端外径与外管内径相等；
密封板呈中空状，套接于屏蔽管和渐变管的连接处；
渐变管套设于所述中管，且下端与外管的内壁相切，密封板与外管的密封连接，屏蔽管与中管同轴。
一种实施例中，渐变管的渐变部呈喇叭状。
一种实施例中，渐变管上端的开口内径与屏蔽管的内径相等。
一种实施例中，屏蔽管、渐变管和密封板为一体式结构。
一种实施例中，屏蔽管和渐变管为一体式结构。
一种实施例中，屏蔽管侧向开设有可视窗。
一种实施例中，渐变管侧向开设有开槽。
一种实施例中，屏蔽管的内径与所述中管的外径的半径之差为0.5mm或1mm或1.5mm或2mm。
一种实施例中，屏蔽管、渐变管和密封板的材质均为可透射微波材质。
一种实施例中，外管沿切向方向开设有切口，切口用于引流氧屏蔽气，且氧屏蔽气于外管和中管之间切向螺旋流动。
依据上述实施例的屏蔽装置具有以下优点：
1.渐变管的下大上小的结构收集进入外管和中管之间的氧气并引导其进入屏蔽管内部，强化了氧屏蔽气切向螺旋上升的运动模式；
2.屏蔽管的内径略大于中管外径而远小于外管内径，造成氧气流路的截面积大大减小，增加了氧气的线速度，在相同的氧气流量条件下，屏蔽管出口处的氧气气流线速度大大提高，可带走等离子体外部大量的热，有效的防止等离子体燃烧屏蔽管，延长屏蔽罩的使用寿命，同时，进一步降低周围环境气体对等离子体干扰的几率；
3.屏蔽管的出口截面积较小，且其内部的氧气无法向环境中扩散，从而对等离子体进行了箍缩作用，使得等离子体更靠近轴心而远离屏蔽罩，等离子体内部的中央通道更加细长，有效的提高了等离子体与样品之间的相互作用，提高激发效率，强化的气体箍缩作用增强了等离子体的稳定性；
4.渐变管位于MPT开口端电场较强位置处，在较大功率时其由于形成介质阻挡结构，降低了外管与中管横向放电的几率；
5.屏蔽罩的材质对微波具有透射作用，因此，对电磁场的分布有微弱的干扰作用，且屏蔽罩能在大功率条件下进行工作。
附图说明
图1为实施例一的屏蔽装置结构图；
图2为实施例一的屏蔽罩结构图；
图3为炬管切向流结构图；
图4为实施例二的屏蔽装置结构图；
图5为实施例二的屏蔽罩结构图；
图6为实施例二的屏蔽罩剖视图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
本例提供一种微波等离子体炬的屏蔽装置，包括用于形成等离子体的炬管1和用于屏蔽环境气体的屏蔽罩2，炬管1与屏蔽罩2的结构示意图如图1所示。
其中，炬管1包括外管11和中管12，外管11上设有耦合天线部13，耦合天线部13距离反射端14之间的距离为1/4λ，λ为微波波长。
屏蔽罩2包括屏蔽管21、渐变管22和密封板23，其结构图如图2所示，屏蔽管21为中空直管，渐变管22呈下大上小的渐缩状，且渐变管22上端的开口内径与屏蔽管21的内径相等，渐变管22上端与屏蔽管21下端连接；密封板23呈中空状，套接于屏蔽管21和渐变管22的连接处。
渐变管22的渐变部221呈平滑的喇叭状，在其他实施例中，渐变部221可以是直角渐变，也可以是钝角渐变，渐变管22的具体渐变形状不作限制，只要是下大上小的渐缩状即可。
屏蔽管21、渐变管22和密封板23的具体结合方式可以是过度配合，也可以是屏蔽管21、渐变管22和密封板23为一体式结构，还可以是屏蔽管21和渐变管22为一体式结构，密封板23过度配合至屏蔽管21和渐变管22之间。
本例的屏蔽管21、渐变管22和密封板23的材质为可透射微波材质，如，石英材质、陶瓷材质、聚四氟乙烯材质等。
屏蔽罩2与炬管1结合的方式为：将屏蔽罩2垂直置于炬管1开口端轴心，密封板23置于外管11开口端上端面，密封板23与外管11的密封连接，使密封板23与外管11形成密闭结构防止外部空气进入与氧屏蔽气的泄漏，渐变管22套设于中管12，屏蔽管21的内径稍大于中管12的外径，远小于外管11的内径，优选的，屏蔽管21的内径与中管12的外径的半径之差为0.5mm或1mm或1.5mm或2mm等，根据实际需求适当选择，渐变管22下端外径与外管11内径相等，使得渐变管22下端与外管11的内壁相切，屏蔽管21与中管12同轴。
进一步，为方便MPT等离子体在侧向观测，屏蔽管21侧向开设有可视窗，以便光谱仪捕获等离子体光信号。
如图3所示，为使炬管1切向流引入氧屏蔽气，本例的外管11沿切向方向开设有切口15，外部导管通过切口15将氧屏蔽气引流至外管11和中管12之间，且氧屏蔽气于外管11和中管12之间切向螺旋流动，由于渐变管22的内壁由宽变窄，使得氧气流路的截面积变小，强化了氧气螺旋上升的模式并加快了氧屏蔽气的线速度。
本例的屏蔽装置通过上述设计具有以下优点：
1.渐变管22的下大上小的结构收集进入外管11和中管12之间的氧气并引导其进入屏蔽管21内部，强化了氧屏蔽气切向螺旋上升的运动模式；
2.屏蔽管21的内径略大于中管12外径而远小于外管11内径，造成氧气流路的截面积大大减小，增加了氧气的线速度，在相同的氧气流量条件下，屏蔽管21出口处的氧气气流线速度大大提高，可带走等离子体外部大量的热，有效的防止等离子体燃烧屏蔽管21，延长屏蔽罩2的使用寿命，同时，进一步降低周围环境气体对等离子体干扰的几率；
3.屏蔽管21的出口截面积较小，且其内部的氧气无法向环境中扩散，从而对等离子体进行了箍缩作用，使得等离子体更靠近轴心而远离屏蔽罩2，等离子体内部的中央通道更加细长，有效的提高了等离子体与样品之间的相互作用，提高激发效率，强化的气体箍缩作用增强了等离子体的稳定性；
4.渐变管22位于MPT开口端电场较强位置处，在较大功率时其由于形成介质阻挡结构，降低了外管11与中管12横向放电的几率；
5.屏蔽罩2的材质对微波具有透射作用，因此，对电磁场的分布有微弱的干扰作用，且屏蔽罩2能在高温和大功率条件下进行工作。
实施例二：
基于实施例一，本例提供的屏蔽装置结构图如图4所示，其中，本例的不同之处在于，耦合天线部13距离炬管反射端14之间的距离为3/4λ，相应的，为方便耦合天线部13内的天线引入，本例的渐变管22侧向开设有开槽221，本例的屏蔽罩2的结构图如图5所示，剖视图如图6所示，本例与实施例一的相同部分请参考实施例的具体描述，本例不作具体赘述。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (10)
1.一种微波等离子体炬的屏蔽装置，包括用于形成等离子体的炬管和用于屏蔽环境气体的屏蔽罩；所述炬管包括外管和中管；其特征在于，所述屏蔽罩包括屏蔽管、渐变管和密封板；
所述屏蔽管为中空管，所述屏蔽管的内径稍大于所述中管的外径，所述渐变管呈下大上小的渐缩状，所述渐变管上端与所述屏蔽管下端连接，所述渐变管下端外径与所述外管内径相等；
所述密封板呈中空状，套接于所述屏蔽管和渐变管的连接处；
所述渐变管套设于所述中管，且下端与所述外管的内壁相切，所述密封板与所述外管密封连接，所述屏蔽管与所述中管同轴。
2.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述渐变管的渐变部呈喇叭状。
3.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述渐变管上端的开口内径与所述屏蔽管的内径相等。
4.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽管、渐变管和密封板为一体式结构。
5.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽管和渐变管为一体式结构。
6.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽管侧向开设有可视窗。
7.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述渐变管侧向开设有开槽。
8.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽管的内径与所述中管的外径的半径之差为0.5mm或1mm或1.5mm或2mm。
9.如权利要求1-8任一项所述的屏蔽装置，其特征在于，所述屏蔽管、渐变管和密封板的材质均为可透射微波材质。
10.如权利要求1所述的屏蔽装置，其特征在于，所述外管沿切向方向开设有切口，所述切口用于引流氧屏蔽气，且所述氧屏蔽气于所述外管和中管之间切向螺旋流动。
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