一种微波耦合等离子体与高温火焰融合激发源制造技术

本发明专利技术的一种微波耦合等离子体与高温火焰融合激发源属于分析仪器技术领域。本发明专利技术由微波能量传输部分和微波同轴谐振腔部分组成；所述的微波同轴谐振腔部分包括外导体(1)、屏蔽气入口(2)、内导体(5)、外层气入口(6)、中管(7)、中层气入口(8)、内管(9)、内层气入口(10)、样品管(11)、样品气溶胶入口(12)、导流环(13)和导流管(14)。与现有技术相比，本发明专利技术的激发源具有等离子体与高温火焰融合、炬焰温度高、样品原子化能力和激发能力强等优点。样品原子化能力和激发能力强等优点。样品原子化能力和激发能力强等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种微波耦合等离子体与高温火焰融合激发源


[0001]本专利技术属于分析仪器
，特别涉及一种可用于光谱、质谱和色谱分析领域的微波耦合等离子体与高温火焰融合激发源。

技术介绍

[0002]在原子光谱分析领域，微波放电类等离子体作为激发源在测量溶液样品时存在气体温度偏低、原子化能力严重不足的难题。1985年，吉林大学在世界上首创了微波等离子体炬(Microwave Plasmas Torch，简称MPT)，该谐振腔将原来谐振腔的柱状实心电极改造为管状电极，易电离工质气体(如氩气)在管状电极内部流动，利用微波电场能量放电获得Ar
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MPT激发源，被认为是微波等离子体研究中“突破性进展”，推动了微波等离子体光谱分析的发展，其相关成果占据了微波等离子体光谱分析领域的重要位置。实验结果表明：MPT放电严重偏离局部热力学平衡状态，气体温度偏低、不足以使湿的被测样品气溶胶实现高效原子化。即使将易电离工质气体工作的MPT谐振腔的入射微波功率提高至千瓦级别，也由于气体温度不足的问题，无法获得全元素分析的能力。
[0003]专利技术专利CN201610848418.7公开了一种微波耦合等离子体(Microwave Coupled Plasma，简称MCP)谐振腔，采用易电离工质气体(例如氩气、氦气或者氩气与氦气的混合气体)，经微波电场能量电离，获得比MPT炬焰增加3～5倍的炬焰体积，解决了微波放电类等离子体炬焰过小的技术难题，使得炬焰状态向局部热力学平衡状态前进一大步。因为尺寸较大的等离子体有助于实现局部热平衡。同时还解决了微波放电类等离子体炬焰样品承受能力弱的另一个技术难题。然而，相关实验研究表明，单纯采用易电离工质气体的MCP激发源获得的分析性能仍然不是特别理想。
[0004]从等离子体物理的角度观察，应用比较成功的电感耦合等离子体(ICP)激发源是处于接近局部热力学平衡状态的热平衡等离子体，电子温度与气体温度大致相等，相差并不悬殊，属于“复合着”的热等离子体。而微波放电类等离子体则是处于严重偏离局部热力学平衡状态的非热平衡等离子体，电子温度很高(13000～21000K)，气体温度偏低(1000～4000K)，一般在2500K左右，电子温度和气体温度相差悬殊，属于“电离着”的冷等离子体，呈现非热平衡等离子体的物理特性。之所以存在这样的差异，是因为微波放电类等离子体内由电子转移、传递给重粒子(原子、离子或分子)的能量效率低，转移的能量不同，等离子体在电子密度和温度方面的性质就会不同。并且，电子与重粒子之间还缺乏有效的弹性碰撞，也使等离子体的气体温度偏低，从而导致引入等离子体中的待测物(湿气溶胶)在蒸发、解离和原子化等方面出现问题。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有微波放电类等离子体激发源存在的不足之处，本专利技术一种微波耦合等离子体与高温火焰融合激发源，该激发源基于MCP谐振腔，在MCP谐振腔引入易电离工质气体的同时，引入可燃气体和助燃气体。在谐振腔端面(兼作火焰燃烧喷嘴)处，微波电
场能量电离易电离气体，获得微波耦合等离子体；可燃气体与助燃气体充分燃烧，产生高温火焰。在相同的时空范围内，获得一种微波耦合等离子体与高温火焰完全融合的激发源。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种微波耦合等离子体与高温火焰融合激发源，由微波能量传输部分和微波同轴谐振腔部分组成；
[0008]其特征在于，所述的微波同轴谐振腔部分包括外导体1、屏蔽气入口2、内导体5、外层气入口6、中管7、中层气入口8、内管9、内层气入口10、样品管11、样品气溶胶入口12、导流环13和导流管14；外导体1、内导体5、中管7、内管9、样品管11按由外到内的顺序依次嵌套且同轴，内导体5、中管7、内管9和样品管11在所构成的谐振腔出口端面处齐平，内导体5、中管7、内管9和样品管11与外导体1构成嵌套同轴结构的微波谐振腔，该谐振腔的特性阻抗范围为50～80欧姆；外导体1为内部中空的圆柱体，内径为35～60mm；内导体5、中管7与内管9构成的嵌套同轴结构出口端面还兼有高温火焰燃烧喷嘴功能，可以同时获得微波耦合等离子体和高温火焰；
[0009]外层气入口6位于内导体5下部靠近内导体5底端的径向位置，采用径向进气方式；由易电离气体和助燃气体或可燃气体构成的外层气通入由内导体5内表面与中管7外表面之间的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出；
[0010]中层气入口8位于中管7下部靠近中管7底端的径向位置，采用径向进气方式；由易电离气体和助燃气体或可燃气体构成的中层气通入由中管7内表面与内管9外表面构成的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出；
[0011]内层气入口10位于内管9下部靠近内管9底端的径向位置，采用径向进气方式；由易电离气体和助燃气体或可燃气体构成的内层气通入由内管9内表面与样品管11外表面构成的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出；
[0012]从外层气入口6、中层气入口8和内层气入口10进入的易电离气体在其出口端面构成的放电区利用微波电场能量电离，形成微波耦合等离子体；从外层气入口6、中层气入口8和内层气入口10进入的可燃气体和助燃气体在其出口端面构成的燃烧喷嘴进行燃烧，形成高温火焰；
[0013]样品气溶胶入口12位于样品管11的底部，样品气溶胶经过样品气溶胶入口12进入样品管11，并在同轴谐振腔出口侧端面进入等离子体与高温火焰融合激发源，被原子化(离子化)或激发、电离；
[0014]导流环13位于微波输入端口3上方外导体1与内导体5构成的环形空间内部，经屏蔽气入口2将屏蔽气导入导流管14与内导体5之间的环形空间；
[0015]导流管14约束屏蔽气于导流管14与内导体5端面外径周围，抑制屏蔽气向自由空间的扩散，并避免大气成分卷入炬焰产生背景干扰；导流管14采用非金属材料，如陶瓷、石英等，不影响腔体内部电磁场分布；
[0016]屏蔽气入口2以导流管14的切线方向引入屏蔽气，进入导流管14与内导体5构成的环形空间，并形成涡流；屏蔽气采用氧气为佳，可以根除大气环境成分被电离产生的背景干扰。
[0017]作为优选，外导体1上端面与外导体1底面的深度为所用微波波长的(2n+1)/4倍，其中n取1、2或3，例如，当n＝1时，外导体上部端面距离腔体底面大约90～100mm。
[0018]作为优选，内导体5的外径为10～18mm，内径为9～16mm。
[0019]所述的微波能量传输部分可以采用天线传输方式；结构包括微波输入端口3和微波天线4。
[0020]所述的微波能量传输部分也可以采用波导传输方式；结构包括微波输入端口3、标准波导41、波导
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同轴转换锥42、短路活塞43和调节杆44。
[0021]有益效果：
[0022]1、本专利技术的激发源在MCP炬焰中导入高温火焰，利用火焰的热能提高炬焰的气体温度，解决其存在的原子化能力不足的技术问题。进而将微波放电类本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微波耦合等离子体与高温火焰融合激发源，由微波能量传输部分和微波同轴谐振腔部分组成；其特征在于，所述的微波同轴谐振腔部分包括外导体(1)、屏蔽气入口(2)、内导体(5)、外层气入口(6)、中管(7)、中层气入口(8)、内管(9)、内层气入口(10)、样品管(11)、样品气溶胶入口(12)、导流环(13)和导流管(14)；外导体(1)、内导体(5)、中管(7)、内管(9)、样品管(11)按由外到内的顺序依次嵌套且同轴，内导体(5)、中管(7)、内管(9)和样品管(11)在所构成的谐振腔出口端面处齐平，内导体(5)、中管(7)、内管(9)和样品管(11)与外导体(1)构成嵌套同轴结构的微波谐振腔，该谐振腔的特性阻抗范围为50～80欧姆；外导体(1)为内部中空的圆柱体，内径为35～60mm；内导体(5)、中管(7)与内管(9)构成的嵌套同轴结构出口端面还兼有高温火焰燃烧喷嘴功能，可以同时获得微波耦合等离子体和高温火焰；外层气入口(6)位于内导体(5)下部靠近内导体(5)底端的径向位置，采用径向进气方式；由易电离气体和助燃气体或可燃气体构成的外层气通入由内导体(5)内表面与中管(7)外表面之间的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出；中层气入口(8)位于中管(7)下部靠近中管(7)底端的径向位置，采用径向进气方式；由易电离气体和助燃气体或可燃气体构成的中层气通入由中管(7)内表面与内管(9)外表面构成的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出；内层气入口(10)位于内管(9)下部靠近内管(9)底端的径向位置，采用径向进气方式；由易电离气体和助燃气体或可燃气体构成的内层气通入由内管(9)内表面与样品管(11)外表面构成的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出；从外层气入口(6)、中层气入口(8)和内层气入口(10)进入的易电离气体在其出口端面构成的放电区利用微波电场能量电离，形成微波耦...

【专利技术属性】
技术研发人员：高德江，曹彦波，费强，宋大千，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：