CN213426550U - 具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型的具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置属于微波能应用技术领域。所述的微波耦合等离子体发生装置由微波同轴谐振腔部分和磁场发生部分组成；所述的微波同轴谐振腔部分包括外导体(1)、微波天线(2)、内导体(3)、中管(4)、内管(5)、样品管(6)和阻抗匹配筒(7)，所述的磁场发生部分由励磁下部(8)、励磁中部(9)、励磁上部(10)构成。相比于相有技术，本实用新型具有提高等离子体的电子密度、提高微波能的利用效率、提高等离子体的原子化能力等优点。

Description

具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置

技术领域

本实用新型属于微波能应用技术领域，同时属于光谱化学分析测量技术领域，具体涉及一种具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置。

背景技术

大气压条件下利用微波放电获得的等离子体可用于原子发射光谱仪的激发光源、原子荧光光谱仪的原子化器或质谱仪的离子源，是光谱化学分析领域非常重要的激发源。

从等离子体形成的机理来看，安捷伦公司的微波等离子体(MP)属于单纯的利用微波磁场能量激发获得的等离子体，专利CN106304602A所提出的微波耦合等离子体(以下简称MCP)则属于单纯的利用微波电场能量激发获得的等离子体。MCP微波谐振腔的电磁场分布如图1所示。从微波功率源输出的微波能量经由微波天线引导到同轴谐振腔的内导体，微波在谐振腔底面产生反射，形成稳定的驻波。此时，在距离谐振腔底面的位置为1/4波长的偶数倍处，驻波电场恒为零，驻波磁场恒为最大；在距离谐振腔底面的位置为1/4波长的奇数倍处，驻波电场恒为最大，驻波磁场恒为零。因此，对于3/4波长的同轴谐振腔，存在 2处驻波电场恒为最大的位置，其中1处驻波电场最大位置用来高效引入微波能量，另一处驻波电场最大位置则位于谐振腔端面，利用电场能量击穿电离气体，产生等离子体，如图2所示。

对于中低功率微波能量输入的MCP而言，要想提高测量性能，则等离子体炬焰的稳定性、气体温度和电子密度都有待于进一步的提升。这是由于在大气压条件下，利用微波电场放电所获得的等离子体裸露于大气之中，一方面，等离子体边缘不断与周围环境的大气粒子发生激烈的传热与传质过程，等离子体内部的部分带电粒子逃逸到炬焰周围的大气环境中，损失了部分能量，造成炬焰内部总的带电粒子数波动，这种波动降低了炬焰形态的宏观稳定性，也降低了等离子体的气体温度和电子密度，并导致仪器测量信号的损失和波动；另一方面，等离子体炬焰与周围大气紧密接触，导致大气粒子卷入等离子体的放电区域内，引起部分大气组分电离，产生连续的分子谱带干扰测量，又额外消耗了等离子体本身的能量。为了解决这一问题，可以采用气体屏蔽技术，隔离等离子体与周围大气的接触。虽然可以解决大气组分被部分电离的问题，但是，用作屏蔽的气流又会对等离子体炬焰产生新的扰动。

原有MCP微波谐振腔在开口端面附近，谐振腔本身产生的磁场能量趋于零。针对这个特点，本实用新型提出了电磁能量双重激发等离子体的改进方案。通过外加励磁部，利用磁场能量产生磁约束，可以大大降低等离子体边缘向周围大气环境自由膨胀与扩散的速度，将放电产生的正负电荷约束集中于狭小的空间内，避免或减少带电粒子向大气中的逃逸，增加炬焰的宏观形态稳定性，进而提高放电空间内等离子体的电子密度。进一步地，改变磁场强度，使等离子体内电子或离子形成回旋共振状态，令等离子体吸收更多的入射微波能量，进而减少微波反射，增加等离子体内带电粒子的碰撞几率与放电强度，使得更多的带电粒子获得能量进一步激发或电离，提高电离效率，并由此获得高度电离、高度活化、趋于热力学平衡的等离子体。

实用新型内容

针对现有MCP发生装置能量利用存在的不足之处，本实用新型提出了一种具备电磁能量双重激发功能的MCP发生装置。

具体技术方案如下：

一种具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置，由微波同轴谐振腔部分和磁场发生部分组成；

所述的微波同轴谐振腔部分包括外导体1、微波天线2、内导体3、中管4、内管5、样品管6和阻抗匹配筒7；外导体1、内导体3、中管4、内管5、样品管6按由外到内的顺序依次嵌套且同轴，样品管6、内管5、中管4和内导体3 在所构成的谐振腔出口端面处齐平，内导体3的外表面与外导体1的内表面共同构成微波同轴谐振腔的工作主体，该同轴谐振腔的特性阻抗范围为50～80欧姆，腔体深度为(2n+1)λ/4，其中n为0、1、2或3，λ为所使用的微波波长；所述的微波天线2位于距离所构成的谐振腔底面λ/4处；所述的阻抗匹配筒7 位于外导体1的上端面，并与所述外导体1的上端面紧密连接；

所述的磁场发生部分由励磁下部8、励磁中部9、励磁上部10构成，励磁下部8位于微波同轴谐振腔上部端面沿外导体1的外沿放置，励磁中部9位于阻抗匹配筒7下部外侧，励磁上部10位于阻抗匹配筒7上部内侧；

励磁下部8、励磁中部9、励磁上部10产生的磁场方向相同并与微波同轴谐振腔产生的微波耦合等离子体的中心轴线一致；

励磁下部8和励磁上部10的磁场强度相同，并大于励磁中部9的磁场强度，三者共同形成一个两端略高、中间稍低的马鞍形的磁场，用来形成一个两端近似收敛的、约束等离子体炬焰的磁势阱；

励磁下部8、励磁中部9、励磁上部10可以产生沿着等离子体轴向分布的单向均匀磁场，图3为施加单向均匀磁场工作时的谐振腔端面电磁场分布原理图。

在谐振腔开口端面附近施加单向均匀的外部磁场，磁场方向与所形成的等离子体轴线一致。在磁力线作用下，等离子体中高速运动的带负电的自由电子和带正电的离子均受到洛伦兹力的作用，带正电的离子顺着磁力线方向围绕磁力线作螺旋线轨迹运动，带负电的电子逆着磁力线方向围绕磁力线作螺旋线轨迹运动。带电粒子的运动轨迹由无磁场时的直线变成有磁场时的曲线之后，离子和电子从磁场中获取更多的能量，通过焦耳加热方式使电子动能增加，增加了带电粒子在放电空间的行程、寿命以及电离度，从而增加了等离子体中带电粒子之间的碰撞几率，产生更多的带电粒子，等离子体整体的均匀性和稳定性都获得了改善。

同时，在磁力线约束下，等离子体被约束在狭小的空间内，即离子和电子被限制在狭小的区域内，不能自由地向外运动，大大降低了等离子体的膨胀和扩张速度，也减少带电粒子向大气环境的逃逸过程。

励磁下部8、励磁中部9、励磁上部10可以选择永久磁体或励磁线圈构成。

如果使用永久磁体，每个励磁部可以由单个圆环形构成，也可以由多个圆柱形排列成圆环形。

如果使用励磁线圈，线圈的励磁电流可以是恒定的以产生均匀的磁场，每个励磁线圈产生的磁场需要同步、同方向。

单向均匀磁场的方向既可以朝向谐振腔外部，也可以朝向谐振腔内部。

励磁下部8、励磁中部9、励磁上部使用交变的励磁电流时产生沿着等离子体轴向分布的双向交变磁场。图4为施加双向交变磁场工作时的谐振腔端面电磁场分布原理图。

在谐振腔开口端面附近施加双向交变的外部磁场，磁场方向与所形成的等离子体轴线一致。由于磁场方向交替变化，带电粒子作双向往复的螺旋线轨迹运动，进一步增加等离子体内部带电粒子的碰撞几率，使得更多的原子或离子获得能量，被激发电离，增加了处于激发态的电子或离子密度，提高了等离子体的气体温度。与单向均匀磁场相比，双向交变磁场条件下等离子体内部带电粒子的碰撞更加剧烈、更加频繁，气体放电更加均匀，气体电离的几率和电子利用率更高，等离子体的密度与均匀性也更加理想。

励磁线圈也可以使用交变的励磁电流，励磁电流的波形为方波或正弦波，形成沿着等离子体轴向分布的交变磁场。

改变励磁下部8、励磁中部9、励磁上部10在炬焰核心区产生的磁场强度，可以使等离子体处于电磁谐振状态，即电子回旋共振或离子回旋共振状态。这些获得微波能量的高能电子电离中性粒子或其它处于激发态的离子，加剧微波放电，将更多的微波能量转化为热能，加热等离子体，提高等离子体核心区温度，形成高温高密度的微波耦合等离子体。

本实用新型的有益效果：

1、利用磁力线形成磁压力，将等离子体限制在特定的区域内，抑制等离子体中带电粒子向大气中的自由膨胀、扩散与外逸，阻断带电粒子自由的与周围大气粒子的能量交换，使得等离子体的形状更加稳定，因而提高了等离子体的电子密度。

2、等离子体中的带电粒子在磁场中受洛伦兹力的作用做螺旋线运动，增加带电粒子之间的碰撞几率，使得更多的带电粒子获得能量被激发或电离，增加了激发态的原子或离子数目，进而升高微波等离子体的气体温度。

3、等离子体内带电粒子从无序状态到有序重组，形成电子或离子回旋共振状态，使得等离子体吸收更多的微波入射功率，降低微波反射功率，提高微波能的利用效率。

4、电磁能量双重激发等离子体，将原来纯电场能量激发产生的弱电离等离子体向强电离等离子体转化，形成接近局部热力学平衡的热等离子体，提高等离子体的原子化能力。

附图说明

图1为现有技术的微波同轴谐振腔内驻波电磁场分布示意图。

图2为现有技术的微波同轴谐振腔端面附近电场分布示意图。

图3为本实用新型的施加单向均匀磁场的电磁场分布原理示意图。

图4为本实用新型的施加双向交变磁场的电磁场分布原理示意图。

图5为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进行具体的说明。附图只表示了本实用新型的励磁部优选的结构，不是对本实用新型范围的限定。本实用新型可以允许其它等同的有效实施方式。

实施例1永久磁体方式

参见图5，一种采用永久磁体方式产生磁场能量的、具备电磁能量双重功能的MCP发生装置，该装置主要由微波同轴谐振腔部分和磁场发生部分组成。

微波同轴谐振腔部分包括外导体1、微波天线2、内导体3、中管4、内管 5、样品管6和阻抗匹配筒7；外导体1、内导体3、中管4、内管5、样品管6 按由外到内的顺序依次嵌套且同轴，样品管6、内管5、中管4和内导体3在所构成的谐振腔出口端面处齐平，内导体3的外表面与外导体1的内表面共同构成微波同轴谐振腔的工作主体，该同轴谐振腔的特性阻抗范围为50～80欧姆，腔体深度为(2n+1)λ/4，其中n为0、1、2或3，λ为所使用的微波波长；所述的微波天线2位于距离谐振腔底面λ/4处；所述的阻抗匹配筒7位于外导体1 的上端面，并与所述外导体1的上端面紧密连接。

所述的磁场发生部分由励磁下部8、励磁中部9、励磁上部10构成，励磁下部8位于微波同轴谐振腔上部端面沿外导体1的外沿放置，励磁中部9位于阻抗匹配筒7下部外侧，励磁上部10位于阻抗匹配筒7上部内侧。

励磁下部8、励磁中部9、励磁上部10均使用永久磁体，产生的磁场方向相同并与等离子体的中心轴线一致。

励磁下部8、励磁上部10产生的磁场强度相同并略大于励磁中部9的磁场强度，形成一个两端略高、中间稍低的马鞍形的磁场，即形成一个两端近似收敛的、约束等离子体炬焰的磁势阱，使得电子或离子不易逃逸，有利于增强等离子体的电子密度。

永久磁体的形状可以采用圆环形，也可以采用圆柱形。

永久磁体采用圆环形时，环状磁体采用轴向磁化方式效果最佳。磁环内径为50～70mm，外径为80～120mm，高度为5～20mm。

永久磁体可以为合金永磁材料或铁氧体永磁材料，如NdFeB材料。

永久磁体采用圆柱形时，磁棒直径为10mm，长度为30mm。磁棒沿着每个励磁部所处的圆周均匀配置。

利用充磁技术，可以改变永久磁体在炬焰核心区产生的磁场强度，使等离子体处于电磁谐振状态。当所用微波频率为2.45GHz时，要求励磁中部9在距离等离子体轴线0～5mm的区域内，充磁的磁场强度达到约87.5mT，而励磁下部8和励磁上部10的磁场强度达到约87.5mT～120mT之间。

与励磁线圈相比，采用永久磁体可以省去专用电源和冷却系统，从而降低成本，减小体积，使得装置结构更加紧凑轻便。

实施例2励磁线圈方式

参见图5，基于实施例1，本实施例提供的励磁部由励磁线圈实现，其中微波同轴谐振腔部分与实施例1相同，不再赘述。

励磁下部8、励磁中部9、励磁上部10由三个励磁线圈构成。

三个励磁线圈产生的磁场方向相同并与等离子体的中心轴线一致。

励磁下部8、励磁上部10的磁场强度相同并略大于励磁中部9的磁场强度，形成一个两端略高、中间稍低的马鞍形的磁场，即形成一个两端近似收敛的、约束等离子体炬焰的磁势阱，使得电子或离子不易逃逸，有利于增强等离子体的电子密度。

三个励磁线圈既可以产生均匀磁场，也可以产生交变磁场。

当三个励磁线圈的励磁电流动作方向同步且励磁电流大小恒定时，形成沿着等离子体轴向分布的均匀磁场；

当三个励磁线圈的励磁电流动作方向交替同步变化，波形为脉冲变化的方波或连续变化的正弦波时，形成沿着等离子体轴向分布的交变磁场。

励磁线圈内径为50～70mm，外径为70～100mm，高度为5～10mm。

改变励磁线圈的励磁电流，可以改变线圈在炬焰核心区产生的磁场强度，使等离子体处于电磁谐振状态。当所用微波频率为2.45GHz时，要求励磁中部9 在距离等离子体轴线0～5mm的区域内，磁场强度达到约87.5mT，而励磁下部 8、励磁上部10的磁场强度在80mT～120mT之间变化。

采用励磁线圈的优点是可以方便的调节所需磁场的强度和形状。

Claims (5)

1.一种具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置，由微波同轴谐振腔部分和磁场发生部分组成；

其特征在于，所述的微波同轴谐振腔部分包括外导体(1)、微波天线(2)、内导体(3)、中管(4)、内管(5)、样品管(6)和阻抗匹配筒(7)；外导体(1)、内导体(3)、中管(4)、内管(5)、样品管(6)按由外到内的顺序依次嵌套且同轴，样品管(6)、内管(5)、中管(4)和内导体(3)在所构成的谐振腔出口端面处齐平，内导体(3)的外表面与外导体(1)的内表面共同构成微波同轴谐振腔的工作主体，该同轴谐振腔的特性阻抗范围为50～80欧姆，腔体深度为(2n+1)λ/4，其中n为0、1、2或3，λ为所使用的微波波长；所述的微波天线(2)位于距离所构成的谐振腔底面λ/4处；所述的阻抗匹配筒(7)位于外导体(1)的上端面，并与所述外导体(1)的上端面紧密连接；

所述的磁场发生部分由励磁下部(8)、励磁中部(9)、励磁上部(10)构成，励磁下部(8)位于微波同轴谐振腔上部端面沿外导体(1)的外沿放置，励磁中部(9)位于阻抗匹配筒(7)下部外侧，励磁上部(10)位于阻抗匹配筒(7)上部内侧；

励磁下部(8)、励磁中部(9)、励磁上部(10)产生的磁场方向相同并与微波同轴谐振腔产生的微波耦合等离子体的中心轴线一致；

励磁下部(8)和励磁上部(10)的磁场强度相同，并大于励磁中部(9)的磁场强度，三者共同形成一个两端略高、中间稍低的马鞍形的磁场，用来形成一个两端近似收敛的、约束等离子体炬焰的磁势阱。

2.根据权利要求1所述的一种具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置，其特征在于，励磁下部(8)、励磁中部(9)、励磁上部(10)由永久磁体或励磁线圈构成。

3.根据权利要求1所述的一种具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置，其特征在于，当励磁下部(8)、励磁中部(9)、励磁上部(10)使用永久磁体构成时，使用圆环形永磁体。

4.根据权利要求1所述的一种具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置，其特征在于，当励磁下部(8)、励磁中部(9)、励磁上部(10)使用励磁线圈构成时，每个励磁线圈产生的磁场需要同步、同方向。

5.根据权利要求4所述的一种具备电磁能量双重激发功能的微波耦合等离子体发生装置，其特征在于，当励磁线圈使用交变的励磁电流激励时，励磁电流的波形为方波或正弦波，形成沿着等离子体轴向分布的交变磁场。

Images