一种微波耦合等离子体谐振腔制造技术

本发明专利技术的一种微波耦合等离子体谐振腔属于微波应用技术领域，其结构有外导体(1)、微波天线(2)、内导体(3)、样品入口(7)、维持气入口(10)、屏蔽气隔板(11)、屏蔽气入口(12)、冷却环(13)、屏蔽气扼流锥(14)和阻抗匹配锥(15)。本发明专利技术的设计既增加了等离子体的功率密度，又增加了等离子体炬焰的体积，炬焰的样品承受能力和激发能力更强，可以直接引入气态样品或雾化的水溶剂样品、有机溶剂样品进行测量，本发明专利技术还具有稳定性高，适用范围广等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微波应用
，特别涉及一种可用于分析仪器领域的微波耦合等离子体谐振腔。
技术介绍
微波等离子体谐振腔在分析仪器领域有着重要作用，它是光谱仪、质谱仪的重要组成部分，可作为原子发射光谱仪的激发源，也可作为质谱仪的离子源。与本专利技术最接近的现有技术是公开号为CN94205428.8的中国专利“微波等离子体炬”(简称MPT)，该专利所用微波谐振腔(简称为炬管)的结构如附图1所示，由外导体、内导体和样品管组成。样品管通入干的样品气溶胶，并进入等离子体的中央通道激发、电离。样品管和内导体之间通入维持气体，形成单层等离子体，维持等离子体炬焰存在。当样品管引入样品气溶胶时，会造成单层等离子体的扰动，进而影响等离子体炬焰的稳定性。同时，由于单层等离子体外部与环境大气紧密接触，空气的卷吸也会消耗部分能量，削弱了等离子体的激发能力。虽然在内外导体之间通入屏蔽气来消除空气卷吸的影响，但是，因为没有采取扼流措施，屏蔽气的利用效率太低，效果有限。另外，该炬管的内导体外径为7mm，内径为5～6mm，圆锥形等离子体的底面直径仅为5～6mm，炬焰体积很小，激发能力非常弱，极大地影响了其应用范围的拓展。由于该炬管所形成的等离子体的激发能力太弱，样品承受能力单薄。一旦湿的气溶胶进入等离子体内就会造成炬焰熄火，不得不采用去溶系统来清除湿的样品气溶胶中的水分，形成干的样品气溶胶导入等离子体，才能保证炬焰不会淬灭。去溶系统由若干个玻璃器件构成，这无形之中增加了仪器的体积，延长了进样路径，增加了记忆效应。另外，需要定期更换去溶系统中的硫酸，给仪器操作带来了诸多不便。更为严重的是，去溶系统吸收水分的能力是逐渐变化的，这也导致仪器的测量基线处于不断的、缓慢的变化之中，使得测量结果产生长期的、难以消除的漂移问题。因此，采用该炬管的MPT光谱仪测量实际样品仍然存在激发能力不足的难题，多年来，面向实际用户的应用市场一直未能打开。目前应用比较成熟的领域主要集中于高校原子发射光谱的教学实验。要实现面向实际用户、分析实际测量样品的目标，就必需提高等离子体的样品承受能力和激发能力。为此，必须大幅度提升等离子体的功率密度和体积。然而，单纯依靠增加入射功率的方法已经被实践证明效果有限，因为该炬管的腔体尺寸偏小，因此腔体的功率容量有限。即使利用大功率微波源输入过高的微波功率，等离子体电子密度的增加也很有限，多余的微波能量既不能被腔体合理接收，也不能被气体电离完全消耗。不能吸收利用的微波能量中，一部分作为反射功率返回到微波功率源内的吸收负载，作为无用功率浪费；另一部分则泄漏到周围空间，还有一部分微波功率在腔体内部损耗，增加了腔体发热。另一方面，单纯的按照比例放大原炬管的腔体尺寸，这种技术路线也已经被实践反复证明是行不通的。单纯增加炬管尺寸，不同时增加功率密度，会导致等离子体的形状不正常，或者是等离子体的状态不稳定，根本不会提升等离子体的样品承受能力和激发能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，克服
技术介绍
存在的不足之处，提供一种能够产生微波耦合等离子体(简称MCP)的微波谐振腔。本专利技术通过以下技术方案来达到本专利技术的目的：一种微波耦合等离子体谐振腔，其结构有外导体1、微波天线2、内导体3、样品入口7、维持气入口10和屏蔽气入口12，其特征在于，结构还有屏蔽气隔板11、冷却环13、屏蔽气扼流锥14和阻抗匹配锥15；所述的外导体1和内导体3均为中空圆柱体且同轴，外导体1的底部与内导体3的外壁封闭，外导体1与内导体3的顶部端面齐平，中间的环形间隙构成谐振腔，外导体1的内腔深度为(2n+1)λ/4，其中n为0、1、2或3，λ为所使用的微波的波长；所述的微波天线2位于距离谐振腔底面λ/4处；样品入口7位于内导体3的底端开口处；维持气入口10位于内导体3下部靠近内导体3末端的位置；屏蔽气隔板11位于内导体3与外导体1构成的谐振腔内部并且位于微波天线2以上，将谐振腔隔离成上下两部分；屏蔽气入口12位于屏蔽气隔板11之上的位置，以外导体1内腔的切向或径向引入谐振腔；冷却环13安装于外导体1的上部的外侧，采用水冷或压缩空气制冷的方式冷却外导体1；屏蔽气扼流锥14位于谐振腔顶部出口端面内部，用来约束屏蔽气，使之环绕内导体3的圆周，并以层流状态从谐振腔的出口端面流出，屏蔽气扼流锥14为中空结构，中空部分的形状为上段圆柱连接中段圆台再连接下段圆柱，上段圆柱的底面直径大于下段圆柱的底面直径，且下段圆柱的底面直径大于内导体3的外径，外导体1的顶部端面与屏蔽气扼流锥14的外壁密封；阻抗匹配锥15位于谐振腔顶部出口端面上部，实现谐振腔的特性阻抗与自由空间阻抗匹配，阻抗匹配锥15是中空结构，外部为圆柱体形状或圆台体形状，中空部分为底端口径小于顶端口径的圆台体，高度为所使用微波波长的1/4倍。在本专利技术的一种微波耦合等离子体谐振腔中，还可以在内导体3的内部增加一个样品管6，并将内导体3的底部与样品管6的外壁封闭，样品管6的顶部开口且顶部与外导体1、内导体3的顶部端口齐平，所述的样品管6为内部中空、外部变径的结构且与外导体1同轴，内部中空部分的形状是圆柱状的，外部的顶部λ/4段为上底面直径小于下底面直径的圆台体，下段是固定直径的圆柱体，下段圆柱体的直径与上段圆台体的下底面直径相同，样品管6的底端开口处作为样品入口7，并在内导体3下部靠近内导体3末端的位置开有维持气入口10。在本专利技术的一种微波耦合等离子体谐振腔中，还可以在内导体3和样品管6之间增加一个中管4，并将内导体3的底部与中管4的外壁封闭，将中管4的底部与样品管6的外壁封闭，中管4的顶部开口且顶部与外导体1、内导体3、样品管6的顶部端口齐平，所述的中管4为内部中空、外部变径的结构且与外导体1同轴，内部中空部分的形状是圆柱状的，外部的顶部λ/4段为上底面直径小于下底面直径的圆台体，下段是固定直径的圆柱体，下段圆柱体的直径与上段圆台体的下底面直径相同，在中管4的下部靠近中管4末端的位置还有工作气入口9。在本专利技术的一种微波耦合等离子体谐振腔中，还可以在中管4和样品管6之间增加一个内管5，并将中管4的底部与内管5的外壁封闭，将内管5的底部与样品管6的外壁封闭，内管5的顶部开口且顶部与外导体1、内导体3、中管4、样品管6的顶部端口齐平，所述的内管5为内部中空、外部变径的结构且与外导体1同轴，内部中空部分的形状是圆柱状的，外部的顶部λ/4段为上底面直径小于下底面直径的圆台体，下段圆柱体的直径与上段圆台体的下底面直径相同，在内管5的下部靠近内管5末端的位置还有辅助气入口8。所述的微波天线2的形状可以采用圆柱形、T形或半环形；微波天线2与内导体3之间保持电气导通，微波能量以电磁耦合模式进入谐振腔内部。所述的外导体1的内径可选择18～60mm，内导体3的外径可选择5～18mm，内导体3的内径可选择3～16mm。外导体1的内径要大于内导体3的外径。所述的中管4，上段约λ/4段直径可以小于下段直径，中管4上段可以为圆锥体，也可以为变径圆柱体；中管4材质既可以为金属，也可以为陶瓷、石墨、石英等非金属。同样，中管4内部设置的内管5上段约λ/4段的直径可以小于内管5下段直径，内管5上段可以为圆锥体，也可以为变径圆柱体。内管5材质既可以为金属，也可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微波耦合等离子体谐振腔，其结构有外导体(1)、微波天线(2)、内导体(3)、样品入口(7)、维持气入口(10)和屏蔽气入口(12)，其特征在于，结构还有屏蔽气隔板(11)、冷却环(13)、屏蔽气扼流锥(14)和阻抗匹配锥(15)；所述的外导体(1)和内导体(3)均为中空圆柱体且同轴，外导体(1)的底部与内导体(3)的外壁封闭，外导体(1)与内导体(3)的顶部端面齐平，中间的环形间隙构成谐振腔，外导体(1)的内腔深度为(2n+1)λ/4，其中n为0、1、2或3，λ为所使用的微波的波长；所述的微波天线(2)位于距离谐振腔底面λ/4处；样品入口(7)位于内导体(3)的底端开口处；维持气入口(10)位于内导体(3)下部靠近内导体(3)末端的位置；屏蔽气隔板(11)位于内导体(3)与外导体(1)构成的谐振腔内部并且位于微波天线(2)以上，将谐振腔隔离成上下两部分；屏蔽气入口(12)位于屏蔽气隔板(11)之上的位置，以外导体(1)内腔的切向或径向引入谐振腔；冷却环(13)安装于外导体(1)的上部的外侧，采用水冷或压缩空气制冷的方式冷却外导体(1)；屏蔽气扼流锥(14)位于谐振腔顶部出口端面内部，用来约束屏蔽气，使之环绕内导体(3)的圆周，并以层流状态从谐振腔的出口端面流出，屏蔽气扼流锥(14)为中空结构，中空部分的形状为上段圆柱连接中段圆台再连接下段圆柱，上段圆柱的底面直径大于下段圆柱的底面直径，且下段圆柱的底面直径大于内导体(3)的外径，外导体(1)的顶部端面与屏蔽气扼流锥(14)的外壁密封；阻抗匹配锥(15)位于谐振腔顶部出口端面上部，实现谐振腔的特性阻抗与自由空间阻抗匹配，阻抗匹配锥(15)是中空结构，外部为圆柱体形状或圆台体形状，中空部分为底端口径小于顶端口径的圆台体，高度为所使用微波波长的1/4倍。...

【技术特征摘要】
1.一种微波耦合等离子体谐振腔，其结构有外导体(1)、微波天线(2)、内导体(3)、样品入口(7)、维持气入口(10)和屏蔽气入口(12)，其特征在于，结构还有屏蔽气隔板(11)、冷却环(13)、屏蔽气扼流锥(14)和阻抗匹配锥(15)；所述的外导体(1)和内导体(3)均为中空圆柱体且同轴，外导体(1)的底部与内导体(3)的外壁封闭，外导体(1)与内导体(3)的顶部端面齐平，中间的环形间隙构成谐振腔，外导体(1)的内腔深度为(2n+1)λ/4，其中n为0、1、2或3，λ为所使用的微波的波长；所述的微波天线(2)位于距离谐振腔底面λ/4处；样品入口(7)位于内导体(3)的底端开口处；维持气入口(10)位于内导体(3)下部靠近内导体(3)末端的位置；屏蔽气隔板(11)位于内导体(3)与外导体(1)构成的谐振腔内部并且位于微波天线(2)以上，将谐振腔隔离成上下两部分；屏蔽气入口(12)位于屏蔽气隔板(11)之上的位置，以外导体(1)内腔的切向或径向引入谐振腔；冷却环(13)安装于外导体(1)的上部的外侧，采用水冷或压缩空气制冷的方式冷却外导体(1)；屏蔽气扼流锥(14)位于谐振腔顶部出口端面内部，用来约束屏蔽气，使之环绕内导体(3)的圆周，并以层流状态从谐振腔的出口端面流出，屏蔽气扼流锥(14)为中空结构，中空部分的形状为上段圆柱连接中段圆台再连接下段圆柱，上段圆柱的底面直径大于下段圆柱的底面直径，且下段圆柱的底面直径大于内导体(3)的外径，外导体(1)的顶部端面与屏蔽气扼流锥(14)的外壁密封；阻抗匹配锥(15)位于谐振腔顶部出口端面上部，实现谐振腔的特性阻抗与自由空间阻抗匹配，阻抗匹配锥(15)是中空结构，外部为圆柱体形状或圆台体形状，中空部分为底端口径小于顶端口径的圆台体，高度为所使用微波波长的1/4倍。2.根据权利要求1所述的一种微波耦合等离子体谐振腔，其特征在于，在内导体(3)的内部还有样品管(6)，并且内导体(3)的底部与样品管(6)的外壁封闭，样品管(6)的顶部开口且顶部与外导体(1)、内导体(3)的顶部端口齐平，所述的样品管(6)为内部中空、外部变径的结构且与外导体(1)同轴，内部中空部分的形状是圆柱状的，外部的顶部λ/4段为上底面直径小于下底面直径的圆台体，下段是固定直径的圆柱体，下段圆柱体的直径与上段圆台体的下底面直径相同，样品管(6)的底端开口处作为样品入口...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹彦波，于爱民，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22