一種大功率微波等離子體諧振腔的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種大功率微波等離子體諧振腔，主要由外管、中管、內管、隔圈、耦合環、接口組成，該炬管可產生大功率微波等離子體，三端口MPT炬管具有3個N型接口，3個承受功率為百瓦級的N型接口在平行于炬管上端面的平面上對稱分布，呈360°圓周均布。N型接口傳輸微波輸入到炬管需要耦合環的配合，耦合環是良好的導體，與中管直接接觸，通過電導耦合的形式把3個N型接口的微波能耦合進炬管，每一個N型接口要把能量通過電導耦合的形式耦合進炬管，都需要和耦合環直接相連。三端口MPT炬管具有金屬的三管同軸結構，通過三個N型接口的微波功率疊加提高裝置的可工作功率，可用于光譜儀領域的大功率微波等離子體光源或微波等離子體光源。
【專利說明】
一種大功率微波等離子體諧振腔
技術領域
[0001]本發明屬于微波等離子體炬技術以及等離子體原子發射光譜領域，涉及一種大功率微波等離子體諧振腔，該諧振腔可用于產生大功率微波等離子體源，而且等離子體源適用于發射光譜分析用途。
【背景技術】
[0002]等離子體是部分電離的氣體，可以用作原子發射光譜用光源。傳統的原子發射光譜用微波等離子體主要包含帶電極的電容親合型微波等離子體(CapacitiveIy CoupledMicrowave Plasma,CMP)和不帶電極的微波誘導等離子體(Microwave Induced Plasma,MIPhCMP和MIP有各自的不足，如CMP無中央通道，難以進樣，MIP樣品承受能力弱。
[0003]金欽漢教授等于1985年發明了微波等離子體炬(MPT)，對應申請專利號為CN94205428.8，MPT的發明是微波等離子體原子發射光譜領域的一個重大進展，它具有中央通道并且樣品承受能力強。MPT炬管具有一端開放的三金屬管同軸結構，是一種一端開放的微波諧振腔，微波能通過同軸電纜以電導/電容耦合的方式進入炬管腔體，腔體長度為1/4波長的奇數倍，微波在腔體內形成駐波，等離子在炬管開口端形成iPT炬管的微波耦合接頭采用的是標準的N型微波接頭，炬管通常在10-500W范圍內以多種工作氣體(氬氣、氦氣、氮氣、空氣等)工作，但是由于N型接口能夠承受的微波功率有限，在大功率狀態下(>500W)，炬管無法長時間穩定工作，N型接口無法承受過高的微波功率。
[0004]金欽漢等在2013年5月申請的《波導直饋式微波等離子體炬裝置》(公開號:CN103269561A)，將波導結構與MPT結構直接結合，采用波導直接耦合的形式，去掉了N型耦合接頭，使得MPT的可承受功率提升，拓展了 MPT炬管的應用范圍。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是克服傳統MPT炬管無法承受大功率的不足，提供一種大功率微波等離子體諧振腔，形成穩定的大功率等離子體源，解決MPT不能在大功率(> 500W)下長期穩定工作的問題。
[0006]本發明提供一種大功率微波等離子體諧振腔，主要由外管、中管、內管、隔圈、耦合環、接口組成，接口與外管的連接通過過渡配合緊密相連，中管和內管通過螺紋連接到接口上，外管上的反射端中間開有圓孔(圖中未示出)讓中管通過，隔圈裝配于中管和內管之間，距離上端面距離30mm，耦合環與中管直接連接，耦合環通過外管上的N型微波接口與第一N型接口、第二N型接口、第三N型接口相連。由于具有三個耦合端口，因此，稱其為三端口MPT炬管。
[0007]三端口MPT炬管具有3個N型接口4型接口為標準的微波傳輸部件，其功率容量在百瓦量級，不能承受接近千瓦級的微波功率傳輸，3個N型接口分別為第一 N型接口相連、第二N型接口、第三N型接口，3個N型接口在平行于炬管上端面的平面上對稱分布，呈360°圓周均布。N型接口傳輸微波輸入到炬管需要耦合環的配合，耦合環是良好的導體，與中管直接接觸，通過電導耦合的形式把3個N型接口的微波能耦合進炬管，每一個N型接口要把能量通過電導耦合的形式耦合進炬管，都需要和耦合環直接相連。
[0008]對于3個N型微波接口輸入的微波來說，任意兩個N型接口中輸入的微波的相位差需要為120°，形成能量的對稱耦合輸入，這樣能夠保證微波能的對稱耦合，以達到最佳的耦合效果。
[0009]對于一種大功率微波等離子體諧振腔來說，三端口MPT炬管是三管同軸結構，其三管同軸結構類似一端開放的同軸電纜。開放端三管的頂端在一個開放端平面上，稱之為上端面。為了能夠把微波耦合進炬管，外管靠近上端面的位置需要開N型微波接口，外管的內直徑尺寸一般小于30mm。中管和內管都是圓柱形的薄壁金屬管，外管的內直徑和中管的外直徑尺寸比例在2-5之間(優選3)。外管和中管之間要有金屬材質的反射端，反射端距離上端面距離為四分之一波長的奇數倍。外管和中管的同軸度可以通過反射端的裝配來保證，如果需要進一步確保同軸度，還可以在中管和外管之間裝配絕緣的隔圈。
[0010]對于一種大功率微波等離子體諧振腔來說，中管的外直徑和內管的外直徑尺寸比例在2-5之間，中管和內管之間需要加入金屬的隔圈，它與炬管上端面的距離為四分之一微波波長，隔圈上面需要開小孔(圖中未示出)，以方便氣體通過，中管和內管的同軸度可以通過隔圈對中管和內管的位置限制來保證。
[0011]對于炬管來說，要正常工作必須至少有一路維持等離子體形成的維持氣通入，維持氣從維持氣入口引入，由中管和內管之間的空間通入。由于維持氣需要經過隔圈，因此隔圈上必須開小孔以便氣體通過。如果作為等離子體光譜化學分析用光源，樣品需要從載氣入口由載氣引入，內管的內空間為載氣的通道。外管和中管)之間還可以引入屏蔽氣體用來對等離子體進行保護，如果需要引入屏蔽氣體，需要在外管上開孔進入。
[0012]金欽漢教授等于I985年發明了微波等離子體炬(對應申請專利號為CN94205428.8)只能工作在小功率下，該裝置只有一個N型微波接口，其工作功率不能超過單個N型微波接口的功率限制。本發明采用了 3個N型微波接口共同耦合的形式，三端口MPT炬管能承受的功率可以增大為原來的3倍，新的MPT三端口 MPT炬管工作功率范圍更廣，能夠在更大的功率下正常工作。
[0013]金欽漢等在2013年5月申請的《波導直饋式微波等離子體炬裝置》(公開號:CN103269561A)采用的是波導耦合的方式，微波直接通過波導耦合進三端口 MPT炬管，去掉了 N型微波接口以實現大功率耦合，本發明采用的3個N型微波接口耦合方式能夠形成能量對稱耦合，通過3個耦合通道能量的疊加實現大功率耦合。
[0014]本發明3路微波呈圓周對稱分布，具有對稱的耦合結構，微波能夠以很對稱的方式耦合進三端口 MPT炬管，相比單個微波耦合接頭的耦合方式，對稱分布的3路微波耦合能更好的保證對稱性，從而讓能量分布更均勻，改善等離子體的穩定性。
[0015]本發明可以將較大的微波功率平均分為3路，每一路的功率值都在N型接口的可承受范圍之內，其總功率可以達到單個同軸耦合接頭可承受功率的N倍，從而可以為微波等離子體焰炬提供更大功率的微波能。本發明采用金屬材料制作三端口 MPT炬管結構，皮實耐用。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明結構示意圖。
[0017]圖2是實施例1中三端口耦合MPT炬管中耦合環的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0018]本發明結合附圖和實施例作進一步的說明。要理解的是不管是上面的總述還是下面的詳述都只是示例性和解釋性的而且不限制所要求保護的發明。
[0019]實施例1:
[0020]參見圖1，該裝置可用多種氣體(氬氣、氦氣、氮氣等)工作，在常壓下可維持等離子體。
[0021]本發明的一種大功率微波等離子體諧振腔，主要由外管4、中管5、內管6、隔圈7、耦合環8、接口 16組成，接口 16與外管4的連接通過過渡配合緊密相聯，中管5和內管6通過螺紋連接到接口上，外管4上的反射端11中間開有圓孔讓中管5通過，隔圈7裝配于中管5和內管6之間，距離上端面10距離在30mm左右，耦合環8與中管5直接連接，耦合環8通過外管4上的N型微波接口 9與第一N型接口 I相連、第二N型接口 2、第三N型接口 3相連。由于具有三個耦合端口，因此，稱其為三端口MPT炬管。三端口MPT炬管具有3個N型接口，N型接口為標準的微波傳輸部件，其功率容量在百瓦量級，不能承受接近千瓦級的微波功率傳輸，3個N型接口分別為第一N型接口 I相連、第二N型接口 2、第三N型接口 3，3個N型接口在平行于炬管上端面10的平面上對稱分布，呈360°圓周均布。N型接口傳輸微波輸入到炬管需要耦合環8的配合，耦合環8是良好的導體，與中管5直接接觸，通過電導耦合的形式把3個N型接口的微波能耦合進炬管，每一個N型接口要把能量通過電導耦合的形式耦合進炬管，都需要和耦合環8直接相連。
[0022]三端口MPT炬管具有3個N型接口4型接口為標準的微波傳輸部件，其功率容量在百瓦量級，不能承受接近千瓦級的微波功率傳輸，3個N型接口分別為第一N型接口 I相連、第二 N型接口 2、第三N型接口 3，3個N型接口在平行于炬管上端面10的平面上對稱分布，呈360°圓周均布。N型接口傳輸微波輸入到炬管需要耦合環8的配合，耦合環8是良好的導體，與中管5直接接觸，通過電導耦合的形式把3個N型接口的微波能耦合進炬管，每一個N型接口要把能量通過電導耦合的形式耦合進炬管，都需要和耦合環8直接相連。
[0023]對于3個N型微波接口輸入的微波來說，任意兩個N型接口中輸入的微波的相位差需要為120°，形成能量的對稱耦合輸入，這樣能夠保證微波能的對稱耦合，以達到最佳的耦合效果。
[0024]對于三端口MPT炬管來說，三端口 MPT炬管是三管同軸結構，其三管同軸結構類似一端開放的同軸電纜。開放端三管的頂端在一個開放端平面上，稱之為上端面10。為了能夠把微波耦合進炬管，外管4靠近上端面10的位置需要開N型微波接口 9，外管4的內直徑尺寸一般小于30mm。中管5和內管6都是圓柱形的薄壁金屬管，夕卜管4的內直徑和中管5的外直徑尺寸比例在2-5之間(優選3左右)。外管4和中管5之間要有金屬材質的反射端11，反射端11距離上端面10距離為四分之一波長的奇數倍。外管4和中管5的同軸度可以通過反射端11的裝配來保證，如果需要進一步確保同軸度，還可以在中管5和外管4之間裝配絕緣的隔圈。
[0025]對于三端口 MPT炬管來說，中管5的外直徑和內管6的外直徑尺寸比例在2-5之間(優選在3左右)，中管5和內管6之間需要加入金屬的隔圈7，它與炬管上端面10的距離為四分之一微波波長，隔圈7上面需要開小孔，以方便氣體通過，中管5和內管6的同軸度可以通過隔圈7對中管5和內管6的位置限制來保證。
[0026]對于炬管來說，要正常工作必須至少有一路維持等離子體形成的維持氣15通入，維持氣15從維持氣入口 13引入，由中管5和內管6之間的空間通入。由于維持氣15需要經過隔圈7，因此隔圈上必須開小孔以便氣體通過。如果作為等離子體光譜化學分析用光源，樣品需要從載氣入口 12由載氣14引入，內管的內空間為載氣14的通道。外管4和中管5之間還可以引入屏蔽氣體用來對等離子體進行保護，如果需要引入屏蔽氣體，需要在外管上開孔進入。
[0027]參見圖2，示意性地示出了三端口耦合MPT炬管中耦合環8的結構，耦合環8具有3個連接桿，分別為第一連接桿17，第二連接桿18和第三連接桿19 ο耦合環8的連接桿對稱分布，分布角度與3個N型微波接口的分布角度相同。
[0028]本實施例的工作原理為:3路相位差為120°，每一路功率為350W的微波從3個N型微波接口分別通過對應的耦合桿耦合進三端口 MPT炬管，三端口 MPT炬管的一端開口的諧振腔結構能夠讓微波在腔內諧振，由于炬管反射端面設置在微波四分之一波長的奇數倍處，三端口 MPT炬管上端面10處電場強度處于極大值，維持氣15和載氣14選用Ar氣，分別通過維持氣入口 13和載氣入口 12引入炬管，通過任何方式(比如金屬接觸開口端中管上方、利用高壓放電裝置)在中管5上方I厘米區域內電場較強的區域提供初始電子，很容易點燃等離子體，然后穩定維持。
【主權項】
1.一種大功率微波等離子體諧振腔，其特征在于，由外管(4)、中管(5)、內管(6)、隔圈(7)、耦合環(8)、接口(16)組成，接口(16)與外管(4)的連接通過過渡配合緊密相連，中管(5)和內管(6)通過螺紋連接到接口(16)上，外管(4)上的反射端(11)中間開有圓孔讓中管(5)通過，隔圈(7)裝配于中管(5)和內管(6)之間，距離上端面(10)距離30mm，耦合環(8)與中管(5)直接連接，耦合環(8)通過外管(4)上的N型微波接口(9)與第一N型接口( I)、第二N型接口(2)、第三N型接口(3)相連，第一N型接口(I)、第二N型接口(2)、第三N型接口(3)具有三個耦合端口，稱其為三端口 MPT炬管。2.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體諧振腔，其特征在于，N型接口為標準的微波傳輸部件，其功率容量在百瓦量級，不能承受接近千瓦級的微波功率傳輸，3個N型接口在平行于三端口 MPT炬管的平面呈360°圓周對稱均布。3.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體諧振腔，其特征在于，所述的3個N型接口，其任意兩個N型接口中輸入的微波的相位差需要為120°，形成能量的對稱耦合輸入，這樣能夠保證微波能的對稱耦合，以達到最佳的耦合效果。4.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體諧振腔，其特征在于，所述的耦合環(8)為3個N型接口提供電導直接耦合提供耦合連接，每一個N型接口需要對應一個耦合桿與之連接，以保證微波實現良好的對稱耦合。5.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體諧振腔，其特征在于，三端口MPT炬管，具有三管同軸結構，其三管同軸結構類似一端開放的同軸電纜，形成同軸諧振腔，利用電磁場擊穿維持氣體產生等離子體。6.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體諧振腔用于光譜儀領域的大功率微波等離子體光源。7.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體諧振腔用于光譜化學領域的微波等離子體光源。
【文檔編號】H05H1/30GK105898975SQ201610410804
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月12日
【發明人】金偉, 朱旦, 金欽漢
【申請人】浙江大學