用于激发并维持等离子体的基于波导的设备制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
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MP AES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)。本专利技术人已经发现并证实，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，本专利技术人已经认识到，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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.28 US 14/229,7791.一种装置(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(11...

【专利技术属性】
技术研发人员：赛义德·扎伊迪，皮特·T·威廉姆斯，梅尔鲁斯·瓦希德保尔，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US