CN114189973B - 一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置及其使用方法，包括腔体部分，微波耦合部分和调谐部分；腔体部分包括同轴放置的谐振腔一与谐振腔二，谐振腔二置于谐振腔一之上；谐振腔一为一端开放的同轴谐振腔结构，微波传输模式为TEM模，谐振腔二为支持TM010传输模式的谐振腔结构。微波耦合部分可以电导耦合、电容耦合、磁场耦合等方式将微波能量耦合到腔体部分。本发明减小了微波辐射，提高了微波功率和等离子体的激发能力，减少了微波耦合部分对腔体部分轴对称电磁场分布的破坏，减小了环境气体对等离子体的扰动，适用功率范围较宽，可在低压到常压范围内进行工作。
Description
技术领域
本发明属于原子光谱、质谱、色光联用等分析技术领域，具体的，涉及一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置及其使用方法。
背景技术
微波等离子体炬(MPT)、Beenakker谐振腔(包括重入式TM010谐振腔)等均是利用微波产生等离子体的器件，所形成的等离子体可用于元素分析。
其中微波等离子体炬(MPT)为金钦汉教授等于1985年所发明，对应申请专利号为CN94205428.8。该炬管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容、电导耦合等方式进入炬管，腔体长度为1/4λ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。
百瓦级MPT气体温度较低(2100K)，激发能力有限，基体效应较严重，需在样品进入等离子体光源前进行去溶，进样系统复杂。为了解决该问题，需要增加微波输入功率结合双谐振炬管(专利号为CN105072793A)的改进来提高炬管的激发能力。
MPT结构中需要形成两个较强的电场，一个用于微波能量耦合进入MPT腔体，一个用于形成并维持等离子体，而现有设计中两个较强电场空间分布上基本叠加，在大功率条件下会造成等离子体稳定性与微波传输效率相互干扰、等离子体高温引发微波传输效率降低等问题。此外，MPT属于一端开放式的谐振腔结构，微波能量容易向外部环境中辐射，会对人体造成损害，同时实验中发现微波辐射也会产生电磁干扰，从而影响一些电子元件正常工作。
Beenakker腔为圆柱形谐振腔，腔体内部电磁场分布模式为TM010，电场强度在轴线处最强，圆柱形内壁附近磁场最强，一般通过磁场耦合的方式进行工作。等离子体一般维持并形成于与谐振腔同轴放置的石英管中，但所形成的等离子体多为丝状，且贴着石英管内壁，与样品无法充分作用，从而影响等离子体的激发电离能力。通过石英炬管的改造或实验条件的改变也可形成自居中的悬浮着的等离子体，但由于没有中心通道，因此其激发能力也有限；同时由于等离子体根部区域直接与样品接触，等离子体的稳定性，对分子气体、有机溶剂、空气等样品的承受能力都很差。
MPT属于一端开放式的谐振腔结构，根据电磁场理论，谐振腔内距离短路端接近1/4波长的奇数倍的位置，电场强度局部最大，磁场强度局部最小。为解决微波能量耦合对高强电场和开口端维持和形成等离子体的高强电场的叠加问题，一般将炬管长度制成3/4波长，在距短路端1/4波长处进行微波能量的耦合，使电场耦合的强电场与形成等离子体的强电场在空间上分离。另一种方案是将微波耦合改为通过磁场耦合的方式。
为解决高功率下MPT对外部环境的电磁辐射干扰，一般需在MPT炬管上端增加金属制作的微波屏蔽罩(典型的为圆柱形或方形)解决该问题。
当采用3/4波长的MPT时，谐振腔体积较大，加工与工装存在不便。
其次，在MPT上端口增加微波屏蔽罩会将原本向外辐射的电磁波反射回来，从而干扰了MPT炬管开口端原来的电磁场分布，为尽可能的减小干扰，一般会将电磁屏蔽罩体积做的比较大，这种做法使辐射出去的微波能量得不到充分的利用。
发明内容
针对现有的MPT电磁屏蔽罩体积较大、微波到等离子体耦合效率较低，Beenakker谐振腔对分子气体、有机溶剂、空气等样品的承受能力差的问题，本发明提出一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置，该装置具备双电磁波模式的谐振腔体结构，结合MPT与Beenakker谐振腔的优点，提高了微波能量利用效率和等离子体的激发能力，减少了微波辐射，避免微波耦合部分对轴对称电磁场分布的破坏，减小了环境气体对等离子体的扰动，适用功率范围较宽，可在低压到常压范围内进行工作。
本发明可通过以下技术方案予以实现：
一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置,包括腔体部分，微波耦合部分；所述腔体部分包括同轴放置的谐振腔一与谐振腔二，谐振腔二置于谐振腔一之上；所述谐振腔一为一端开放的同轴谐振腔结构，微波传输模式为TEM模，所述谐振腔二为支持TM010传输模式的谐振腔结构，所述微波耦合部分通过电导耦合、电容耦合或磁场耦合将微波能量耦合到所述腔体部分。
进一步地，所述微波可单独耦合至所述谐振腔一或谐振腔二，也可同时耦合至所述两个谐振腔。
进一步地，还包括调谐部分。
进一步地，所述谐振腔一为一端开放的三管同轴谐振腔结构，外管、中管为金属材质，外管与中管之间的微波传输模式均为TEM模；所述内管材质可以为金属也可以为非金属，当为金属时，中管与内管间微波传输模式也为TEM模式；所述内管也可替换为圆柱体结构。
进一步地，所述中管上端口不低于外管上端口，所述内管上端口不低于中管；所述中管与内管之间有引导气体传输的同轴垫圈，可选为多孔同轴垫圈、带有螺旋槽的垫圈、外侧V型槽的垫圈等。
进一步地，当同轴线内部填充介质为空气或者真空时，所述外管内径Di与内管外径do与微波波长λ的关系为：(Di+do)max＝2λ/π。
进一步地，所述谐振腔二为支持TM010传输模式的谐振腔结构，其上下盖板轴心处均有圆形孔，上盖板内径略大于谐振腔一中管外径，圆柱形谐振腔的直径D与微波波长λ的关系为：Dmax＝2.405λ/π，谐振腔二轴向高度l＜1.05D。
进一步地，所述谐振腔一由外管、中管、内管、多孔同心垫圈、耦合环、切向流入口、反射端面组成。
进一步地，所述外管、中管、内管同轴放置，三管上端面与谐振腔二下盖板上表面齐平；所述多孔同心垫圈为金属材质，距所述中管上端口约为1/4波长奇数倍距离，与所述中管、内管构成内同轴谐振腔结构；所述反射端面为金属材质，与所述中管、外管构成外同轴谐振腔结构；所述切向流入口以切向形式将气体引入外管与中管之间。
进一步地，所述谐振腔一由外管、中管、内管、多孔同心垫圈、反射端面组成，外管与中管内无需气体切向引入；所述谐振腔二为重入式TM010谐振腔结构，下盖板上表面为中空结构的平顶锥型凸台，其高度小于谐振腔高度；所述谐振腔二轴线位置同轴放置了介质管，其材质可为石英或耐热陶瓷等；所述微波耦合部分只包括第二微波耦合件。
本发明还提出根据以上所述一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置实现的使用方法，具有以下6种方式：
1)微波通过微波耦合部分单独耦合至谐振腔一中，在谐振腔一中形成TEM驻波，并传输到谐振腔二中以TM010模分布，等离子体在谐振腔一上端与谐振腔二轴线位置形成；
2)微波通过微波耦合部分单独耦合至谐振腔二中，在谐振腔二中形成TM010模，并转换为TEM模传输到谐振腔一中形成驻波场，等离子体在谐振腔一上端与谐振腔二轴线位置形成；
3)微波通过微波耦合部分耦合至谐振腔一与谐振腔二中，微波在谐振腔二中形成TM010模，在谐振腔一中形成TEM模驻波场，等离子体在谐振腔一上端与谐振腔二轴线位置形成，两部分微波功率可分别调节。
4)基于方法3)，微波通过微波耦合部分以连续波相位调制方式耦合至谐振腔一与谐振腔二，耦合至谐振腔一的微波与耦合至谐振腔二的微波的相位差为0～360°；
5)基于方法3)，微波通过微波耦合部分以PWM脉冲调制的方式耦合至谐振腔一与谐振腔二，耦合至谐振腔一的微波与耦合至谐振腔二的微波的占空比可独立调节，调节范围为0～100％；
6)基于方法3)，微波通过微波耦合部分以脉冲与连续波方式耦合至谐振腔一与谐振腔二中，微波在谐振腔一中以连续波形式工作，在谐振腔二中以脉冲方式工作；或者微波在谐振腔二中以连续波形式工作，在谐振腔一中以脉冲方式工作；
有益效果
本发明所形成的等离子体根部位于谐振腔一中管与内管之间，并向上延伸，由于等离子体同时位于谐振腔二电场强度最强的轴线位置，能量较为集中，因此所形成的等离子体激发能力更强，且谐振腔二基本属于封闭式谐振腔，因此向外辐射的微波能量大大减小。本发明减小了微波辐射，提高了微波功率和等离子体的激发能力，减少了微波耦合部分对腔体部分轴对称电磁场分布的破坏，减小了环境气体对等离子体的扰动，适用功率范围较宽，可在低压到常压范围内进行工作。
附图说明
图1是根据本发明专利的结构示意图；
图2是根据本发明专利的另一种结构示意图；
图3是根据本发明专利的另一种结构示意图；
图4是根据本发明专利的另一种结构示意图；
图5是根据本发明专利的另一种结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
具体实施例1
具体实施例1给出本发明专利的微波等离子体炬装置，并结合图1给出其中一种典型结构示意图。
所述微波等离子体炬装置由腔体部分，微波耦合部分和调谐部分组成；
腔体部分包括同轴放置的谐振腔一1与谐振腔二2，谐振腔二2置于谐振腔一1之上；
谐振腔一1为一端开放的三管同轴谐振腔结构，外管、中管为金属材质，外管与中管之间的微波传输模式均为TEM模；所述内管材质可以为金属也可以为非金属，当为金属时，中管与内管间微波传输模式也为TEM模式；所述内管也可以是圆柱体结构。所述三管中均可引入气体，优选的，气体以切向流的方式引入。
所述中管上端口不低于外管上端口，所述内管上端口不低于中管；优选的，中管上端高于外管上端口0～2mm，内管上端口高于中管上端口0～2mm；图1中三管上端口齐平；
所述中管与内管之间有引导气体传输的同轴垫圈，可选为多孔同轴垫圈、带有螺旋槽的垫圈、外侧V型槽的垫圈等；图1中给出的是多孔同轴垫圈；
为了保证在给定的频率范围内只传输TEM模式，当同轴线内部填充介质为空气或者真空时，要求外管内径Di与内管外径do与微波波长λ的关系为：(Di+do)max＝2λ/π；
谐振腔二2为支持TM010传输模式的谐振腔结构，其上下盖板轴心处均有圆形孔，上盖板内径优选略大于谐振腔一1中管外径。圆柱形谐振腔的直径D与微波波长λ的关系为：Dmax＝2.405λ/π，谐振腔二2轴向高度l＜1.05D；
对2.45GHz微波，谐振腔二2的直径优选为45～93.74mm，轴向高度优选为3～20mm；
可选的，谐振腔二2轴线位置有石英屏蔽罩进一步对等离子体进行箍缩，图1中未示出。
谐振腔一1与谐振腔二2为本领域所熟知的典型等离子体器件，其工作原理与结构特征不再赘述。
微波耦合部分3可选的以电导耦合、电容耦合或磁场耦合等方式将微波能量耦合到腔体部分。可选的，微波可单独耦合至谐振腔一1或谐振腔二2，也可同时耦合至两个谐振腔。图1中给出以电导耦合将微波能量引入谐振腔一1的结构示意图。
调谐部分4为对腔体内电磁场分布进行扰动的任意组件。图1中给出的是对谐振腔一1腔体长度进行调节的结构和对谐振腔二2使用介质或者调谐螺钉进行调谐的结构示意图。
所述微波等离子体炬装置适用电磁波频率范围为几MHz到几GHz，优选的为433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz；
所述的微波等离子体炬装置可以下述6种方法进行工作：
1)微波通过微波耦合部分单独耦合至谐振腔一1中，在谐振腔一1中形成TEM驻波，并传输到谐振腔二2中以TM010模分布，等离子体在谐振腔一1上端与谐振腔二2轴线位置形成；
2)微波通过微波耦合部分单独耦合至谐振腔二2中，在谐振腔二2中形成TM010模，并转换为TEM模传输到谐振腔一1中形成驻波场，等离子体在谐振腔一1上端与谐振腔二2轴线位置形成；
3)微波通过微波耦合部分耦合至谐振腔一1与谐振腔二2中，微波在谐振腔二2中形成TM010模，在谐振腔一1中形成TEM模驻波场，等离子体在谐振腔一1上端与谐振腔二2轴线位置形成，两部分微波功率可分别调节。
4)基于方法3)，微波通过微波耦合部分以连续波相位调制方式耦合至谐振腔一1与谐振腔二2，耦合至谐振腔一1的微波与耦合至谐振腔二2的微波的相位差为0～360°；
5)基于方法3)，微波通过微波耦合部分以PWM脉冲调制的方式耦合至谐振腔一1与谐振腔二2，耦合至谐振腔一1的微波与耦合至谐振腔二2的微波的占空比可独立调节，调节范围为0～100％；
6)基于方法3)，微波通过微波耦合部分以脉冲与连续波方式耦合至谐振腔一1与谐振腔二2中，微波在谐振腔一1中以连续波形式工作，在谐振腔二2中以脉冲方式工作；
或者微波在谐振腔二2中以连续波形式工作，在谐振腔一1中以脉冲方式工作；
本发明减小了微波辐射，提高了微波功率和等离子体的激发能力，减少了微波耦合部分对腔体部分轴对称电磁场分布的破坏，减小了环境气体对等离子体的扰动，适用功率范围较宽，可在低压到常压范围内进行工作。
具体实施例2
图2给出了根据本发明专利的另一种结构示意图。
所述微波等离子体炬装置由腔体部分，微波耦合部分和调谐部分组成；
腔体部分包括同轴放置的谐振腔一1与谐振腔二2，谐振腔二置于谐振腔一1之上；
所述谐振腔一1由外管11、中管12、内管13、多孔同心垫圈14、耦合环15、切向流入口16、反射端面17组成；
所述外管、中管、内管同轴放置，三管上端面与谐振腔二下盖板上表面齐平；
所述多孔同心垫圈14为金属材质，距中管上端口约为1/4波长奇数倍距离，与中管、内管构成内同轴谐振腔结构；
所述反射端面17为金属材质，与中管、外管构成外同轴谐振腔结构；
所述切向流入口16以切向形式将气体引入外管与中管之间；
所述微波耦合部分包括31与32，其中第一微波耦合件31通过耦合环15以电容耦合方式将微波馈入谐振腔一1，所述耦合环15与中管12无电接触；第二微波耦合件32以磁场耦合的方式将微波馈入谐振腔二2。
所述调谐部分包括第一调谐螺柱41与第二调谐螺柱42，其中第一调谐螺柱41可轴向调节谐振腔一的长度，第二调谐螺柱42可轴向调节进入谐振腔二的深度。
具体实施例3
图3给出了根据本发明专利的另一种结构示意图。
所述微波等离子体炬装置由腔体部分，微波耦合部分和调谐部分组成；
与图2不同的地方在于：
所述内管13为实心圆柱形金属导体；
所述中管上端面高于外管上端面，内管上端面高于中管上端面；
所述多孔同心垫圈14为金属材质，距中管上端口为1/4波长奇数倍距离，与中管、内管构成内同轴谐振腔结构；
所述谐振腔二2为重入式TM010谐振腔结构，上盖板下表面为中空结构的平顶锥型凸台21，其高度小于谐振腔二高度；
所述微波耦合部分包括31与32，其中第一微波耦合件31通过耦合环15以电导耦合方式将微波馈入谐振腔一1，所述耦合环15与中管12电接触；
具体实施例4
图4给出了根据本发明专利的另一种结构示意图。
与图2结构不同的地方在于：
所述微波等离子体炬装置由腔体部分和微波耦合部分组成，去除了调谐部分。
所述谐振腔一1由外管11、中管12、内管13、多孔同心垫圈14、反射端面17组成，外管与中管内无需气体切向引入。
所述谐振腔二2为重入式TM010谐振腔结构，下盖板上表面为中空结构的平顶锥型凸台21，其高度小于谐振腔二高度；
所述谐振腔二2轴线位置同轴放置了介质管22，其材质为石英或耐热陶瓷；
所述微波耦合部分只包括第二微波耦合件32，微波馈入不影响TEM电磁波的轴对称分布；具体实施例5
图5给出了根据本发明专利的另一种结构示意图。
与图2结构不同的地方在于：
所述微波等离子体炬装置由腔体部分，微波耦合部分和调谐部分组成；
腔体部分包括同轴放置的谐振腔一1与谐振腔二2，谐振腔二2置于谐振腔一1之上；
与图2不同的地方在于：
所述谐振腔一1为波导馈入式MPT结构，具体结构可参考CN103269561B，由波导部分18、外管11、中管12、内管13、多孔同心垫圈14、切向流入口16、反射端面17组成，外管11、中管12、内管13轴线置于距波导反射端约为1/4波导波长，即电场强度局部最强位置。中管12与内管13上端口齐平并高于波导18下表面，波导优选为窄边压缩波导以提高电场强度。
所述微波耦合部分包括31与32，其中第一微波耦合件31通过波导结构将微波馈入谐振腔一1，第二微波耦合件32以磁场耦合的方式将微波馈入谐振腔二2，为便于安装，耦合环使用导体连接同轴结构的内外导体，可参考文献“An improved Beenakker-type cavityfor microwave induced plasma spectrometry”所述。
所述调谐部分包括第一调谐螺柱41、第二调谐螺柱42、短路活塞42，其中第一调谐螺柱41可轴向调节谐振腔一1的长度，第二调谐螺柱42可轴向调节进入谐振腔二的深度，短路活塞42可调节谐振腔一中外管11距波导反射端的距离；
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形、修改与上述具体实施例的各种组合，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (13)
1.一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置,其特征在于，包括腔体部分，微波耦合部分；所述腔体部分包括同轴放置的谐振腔一与谐振腔二，谐振腔二置于谐振腔一之上；所述谐振腔一为一端开放的同轴谐振腔结构，微波传输模式为TEM模，所述谐振腔二为支持TM010传输模式的谐振腔结构，所述微波耦合部分通过电导耦合、电容耦合或磁场耦合将微波能量耦合到所述腔体部分；所述谐振腔一为一端开放的三管同轴谐振腔结构，所述谐振腔一由外管、中管、内管、多孔同心垫圈、耦合环、切向流入口、反射端面组成，外管、中管为金属材质，外管与中管之间的微波传输模式为TEM模；所述内管材质可以为金属也可以为非金属，当为金属时，中管与内管间微波传输模式也为TEM模式；所述内管也可用实心圆柱体结构代替；
所述谐振腔二为支持TM010传输模式的圆柱形谐振腔结构，其上下盖板轴心处均有圆形孔，上盖板内径略大于谐振腔一中管外径，圆柱形谐振腔的最大直径D与微波波长λ的关系为：Dmax＝2.405λπ，谐振腔二轴向高度l＜1.05D。
2.根据权利要求1所述的一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置,其特征在于，所述微波可单独耦合至所述谐振腔一或谐振腔二，也可同时耦合至所述谐振腔一和谐振腔二。
3.根据权利要求2所述的一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置,其特征在于，还包括调谐部分。
4.根据权利要求1所述的一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置,其特征在于，所述中管上端口不低于外管上端口，所述内管上端口不低于中管；所述中管与内管之间有引导气体传输的同轴垫圈。
5.根据权利要求4所述的一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置,其特征在于，当同轴线内部填充介质为空气或者真空时，所述外管内径Di与内管外径do与微波波长λ的关系为：(Di+do)max＝2λπ。
6.根据权利要求1所述的一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置,其特征在于，所述外管、中管、内管同轴放置，三管上端面与谐振腔二下盖板上表面齐平；所述多孔同心垫圈为金属材质，距所述中管上端口约为1/4波长奇数倍距离，与所述中管、内管构成内同轴谐振腔结构；所述反射端面为金属材质，与所述中管、外管构成外同轴谐振腔结构；所述切向流入口以切向形式将气体引入外管与中管之间。
7.根据权利要求2所述的一种具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置,其特征在于，所述谐振腔一由外管、中管、内管、多孔同心垫圈、反射端面组成，外管与中管内无需气体切向引入；所述谐振腔二为重入式TM010谐振腔结构，下盖板上表面为中空结构的平顶锥型凸台，其高度小于谐振腔二高度；所述谐振腔二轴线位置同轴放置了介质管，其材质为石英或耐热陶瓷；所述微波耦合部分只包括第二微波耦合件。
8.根据权利要求1-7中任一项所述具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置实现的使用方法，其特征在于，通过所述微波耦合部分单独耦合至谐振腔一中，在谐振腔一中形成TEM驻波，并传输到谐振腔二中以TM010模分布，等离子体在谐振腔一上端与谐振腔二轴线位置形成。
9.根据权利要求1-7中任一项所述具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置实现的使用方法，其特征在于，微波通过所述微波耦合部分单独耦合至谐振腔二中，在谐振腔二中形成TM010模，并转换为TEM模传输到谐振腔一中形成驻波场，等离子体在谐振腔一上端与谐振腔二轴线位置形成。
10.根据权利要求1-7中任一项所述具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置实现的使用方法，其特征在于，微波通过所述微波耦合部分耦合至谐振腔一与谐振腔二中，微波在谐振腔二中形成TM010模，在谐振腔一中形成TEM模驻波场，等离子体在谐振腔一上端与谐振腔二轴线位置形成，两部分微波功率可分别调节。
11.根据权利要求1-7中任一项所述具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置实现的使用方法，其特征在于，微波通过所述微波耦合部分以连续波相位调制方式耦合至谐振腔一与谐振腔二，耦合至谐振腔一的微波与耦合至谐振腔二的微波的相位差为0～360°。
12.根据权利要求1-7中任一项所述具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置实现的使用方法，其特征在于，微波通过所述微波耦合部分以PWM脉冲调制的方式耦合至谐振腔一与谐振腔二，耦合至谐振腔一的微波与耦合至谐振腔二的微波的占空比可独立调节，调节范围为0～100％。
13.根据权利要求1-7中任一项所述具有双微波谐振腔的微波等离子体炬装置实现的使用方法，其特征在于，微波通过所述微波耦合部分以脉冲与连续波方式耦合至谐振腔一与谐振腔二中，微波在谐振腔一中以连续波形式工作，在谐振腔二中以脉冲方式工作；或者微波在谐振腔二中以连续波形式工作，在谐振腔一中以脉冲方式工作。
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