一種大功率微波等離子體發生裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供一種大功率微波等離子體發生裝置，主要由微波發生器，三端環形器，負載，三銷釘調諧器，波導轉同軸接頭和炬管組成。本發明在微波的耦合位置上選擇距離炬管上端面最少二分之一波長處，可以防止大功率下同軸微波傳輸接頭過熱的問題，在炬管外表面附加有散熱片的結構，進一步解決了炬管工作時散熱的問題，可承受千瓦級功率的，保證在大功率工作狀態下等離子體發生裝置工作狀態良好。
【專利說明】
一種大功率微波等離子體發生裝置
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，具體為一種微波等離子體發生裝置，該裝置可承受千瓦級功率，可產生等離子體源，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，等離子體源可以用作原子發射光譜用光源，微波等離子體是等離子體源中很重要的一類。
[0003]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耦合型微波等離子體(Capacitively Coupled Microwave Plasma,CMP)和不帶電極的微波誘導等離子體(Microwave Induced Plasma,ΜΙΡ) <ΧΜΡ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。
[0004]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，ΜΡΤ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，微波能通過同軸電纜以電導/電容耦合的方式進入炬管，微波在腔體內形成駐波，等離子在炬管開口端形成。MPT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，但是在大功率狀態下O500W)微波傳輸接頭的功率容量有限，在大功率下無法長時間穩定工作。
[0005]大功率MPT具有更大的等離子體體積，更高的等離子體氣體溫度，能夠帶來等離子體性能的提升，拓展應用領域。因此需要開發大功率下工作的MPT微波等離子體炬光源，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:CN 103269561Α)，將波導結構與MPT結構直接結合，去掉了如同軸電纜、耦合環等中間微波耦合部件，使得MPT能夠在大功率下工作，拓展了MPT炬管的應用范圍，本發明提供了另一種解決方案使得MPT微波等離子體炬能夠工作在千瓦級功率。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是克服傳統MPT炬管所用微波傳輸接頭功率容量有限的問題，提供一種大功率微波等離子體發生裝置，該裝置由微波發生器，三端環形器，負載，三銷釘調諧器，波導轉同軸接頭和炬管組成，微波發生器與三端環形器連接，三端環形器與負載、三銷釘調諧器連接，三銷釘調諧器與波導轉同軸接頭連接波導轉同軸接頭與炬管連接。
[0007]微波發生器可以是全固態微波發生器或者磁控管微波發生器，微波發生器的輸出功率需要達到1000W以上，因此需要采用標準的BJ26矩形波導傳輸微波，微波發生器與三端環形器的連接，三端環形器與負載、三銷釘調諧器的連接，三銷釘調諧器與波導轉同軸接頭的連接均采用標準的BJ26矩形波導接口，波導轉同軸接頭與炬管的連接采用L29同軸接頭。
[0008]炬管的三管同軸結構類似一端開放的同軸電纜，開放端三管的頂端為上端面，中管和內管是金屬薄壁管結構，外管上靠近上端面的位置需要開微波接口，微波接口距離上端面最少為二分之一波長長度，保證微波耦合接頭與炬管上端面距離足夠大，使得炬管工作時工作氣體能夠發揮較好的冷卻作用，大大減小了等離子體的熱傳遞、熱輻射對同軸微波傳輸接頭的影響，使同軸微波傳輸接頭能夠在合適的溫度下穩定工作。
[0009]炬管外表面具有風冷散熱結構，保證炬管工作時候產生的熱量能夠及時散發，維持部件在較低的工作溫度，對與炬管連接的同軸微波傳輸接頭進行保護，保證系統在正常溫度范圍內工作。
[0010]本發明的另一個目的是提供所述的一種大功率微波等離子體發生裝置在光譜化學領域中的應用，尤其在等離子體加工領域中的應用。
[0011]對于微波源來說，需要有穩定的連續微波輸出，所述微波發生器是產生穩定的連續微波輸出的裝置，它可以是磁控管形式的微波源或全固態形式的微波源。三端環形器是進行微波隔離的裝置，將輸出與反射的微波進行隔離，防止反射微波進入微波發生器引起微波源的損壞。負載連接在三端環形器的反射微波輸出端口，用來吸收反射微波。三銷釘調諧器是通過手動銷釘調節控制微波反射功率，確保等離子體負載駐波系數變化時保證系統微波傳輸的正常。波導轉同軸接頭是將微波在矩形波導中的傳輸模式轉變為能夠耦合進炬管的同軸傳輸模式，由于炬管設計的耦合接頭采用能夠承受千瓦級微波功率的L29接頭，波導轉同軸接頭的同軸接頭形式為L29同軸接口。
[0012]炬管是本發明的核心部分，是形成等離子體光源的核心部件。它具有金屬的三管同軸結構，至少一個通路用于提供等離子體形成氣體，電磁能量從微波接頭通過偶合環耦合進外管，炬管具有金屬的反射端和金屬的中管，內管，中管和內管之間有金屬材質的隔圈。
[0013]對于炬管來說，其三管同軸結構類似一端開放的同軸電纜，開放端三管的頂端為上端面，中管和內管是金屬薄壁管結構，外管上靠近上端面的位置需要開微波接口，微波接口距離上端面最少為二分之一波長長度。外管的內直徑尺寸一般小于30mm。中管和外管之間裝配金屬的反射端面，它到上端面的距離為四分之一微波波長的奇數倍，而且反射端面與上端面的距離需要大于微波接口與上端面的距離。外管的內直徑和中管的外直徑尺寸比例在2-5(優選3左右)。中管和外管的同軸度可以通過反射端面的裝配來保證，為了進一步確保同軸度，還可以在中管和外管之間裝配絕緣的隔圈。
[0014]對于炬管來說，中管和內管之間需要加入金屬的隔圈，該隔圈與上端面的距離為四分之一微波波長的奇數倍附近，中管的外直徑和內管的外直徑尺寸比例在2-5之間(優選3左右)。隔圈上面需要開小孔，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。
[0015]對于炬管來說，要正常工作必須至少有工作氣體通入，工作氣體由外管和中管(之間通入，如果作為等離子體光譜化學分析用光源，樣品需要從內管引入，內管的內空間為載氣的通道。外管和中管之間的空間可以引入屏蔽氣體，用來對等離子體進行箍縮或者限制外圍氣體進入等離子體，為了引入屏蔽氣體外管管壁必須開一個屏蔽氣引入口，屏蔽氣引入口必須在反射端面上方靠近上端面的一端。
[0016]對于炬管來說，炬管外表面具有風冷散熱結構，結構上保證氣態冷卻劑通過炬管能夠帶走大量熱量。保證炬管工作時候產生的熱量能夠及時散發，維持部件在較低的工作溫度，對與炬管連接的同軸微波傳輸接頭進行保護，保證系統在正常溫度范圍內工作。
[0017]本發明提供了一種在大功率(1000W)下，能夠使得MPT炬管穩定工作的能量耦合方式。耦合位置距離炬管上端面(18)最少二分之一波長位置，由于微波耦合接頭(9)與炬管上端面(18)距離的加大，配合炬管工作時工作氣體的冷卻作用，大大減小了等離子體的熱傳遞、熱輻射對同軸微波傳輸接頭的影響，使同軸微波傳輸接頭能夠在合適的溫度下穩定工作。
[0018]此外，本發明提供了一種炬管外表面散熱結構，能夠降低炬管工作時候的器件溫度，降低器件老化速度，延長器件使用壽命。
[0019]此外，本發明提供了一種使用微波能獲得并維持等離子體的微波等離子體發生裝置。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。
[0020]此外，本發明提供了一種用于光譜化學分析的等離子體源形成方法，它能夠將微波電磁場能量耦合到等離子體焰炬，持續激發等離子體形成氣體產生穩定的等離子體。由于功率增大，更多的功率耦合進等離子體，會讓等離子體體積增大，去溶能力更強，能夠達到較強的對濕氣溶膠的容忍能力。
[0021]根據本發明，裝置工作在千瓦級大功率下，微波傳輸裝置中的每一個部件均需要承受如此大的功率。在此前的小功率下工作的炬管采用的是耦合位置靠近炬管上端面的耦合方式，離等離子體源較近，承受了較大的熱輻射以及熱傳導熱量，同軸微波傳輸接頭發熱嚴重，影響其使用壽命與工作。本發明中耦合位置距離炬管上端面最少1/2波長位置，由于微波耦合接頭與炬管上端面距離的加大，配合炬管工作時工作氣體的冷卻作用，大大減小了等離子體的熱傳遞、熱輻射對同軸微波傳輸接頭的影響，使同軸微波傳輸接頭能夠在合適的溫度下穩定工作。
[0022]根據本發明，炬管外表面的風冷散熱結構能夠起到保護器件不受高溫影響的作用，延長器件使用壽命，而且風冷散熱結構簡單，只需要在炬管外表面增加簡單的散熱片結構，無其它結構成本，相比水冷散熱，結構簡單，成本低廉。
[0023]根據本發明，大功率下工作的炬管產生的等離子體具有更高的氣體溫度，去溶能力更強，可以直接霧化進樣而對等離子體沒有影響，還能取得較好的原子發射光譜激發效果O
[0024]根據本發明，金欽漢教授等于1985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，本發明采用了不同的耦合位置，耦合位置距離炬管上端面距離最少為二分之一波長位置，配合外管上的散熱片，能夠極大減小熱輻射和熱傳遞對微波接頭的影響，降低其對同軸微波接頭性能的影響，使其保持在合適的工作溫度，整體裝置得以在大功率下穩定工作。本發明在擴展工作功率的時候，解決了微波同軸傳輸接頭的發熱問題，使得整體裝置能夠穩定工作。
[0025]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，炬管在波導內部，炬管表面本身無法添加散熱結構，散熱問題較大，本發明采用炬管暴露于外部，利于散熱，而且在炬管外表面采用散熱片的結構，可以極大地降低器件本身的工作溫度，提高器件使用壽命。
[0026]本發明在微波的耦合位置上選擇距離炬管上端面最少二分之一波長處，可以防止大功率下同軸微波傳輸接頭過熱的問題，在炬管外表面附加有散熱片的結構，進一步解決了炬管工作時散熱的問題，可承受千瓦級功率的，保證在大功率工作狀態下等離子體發生裝置工作狀態良好。本發明的特點主要在于(I)耦合位置的改變使得微波同軸傳輸接頭承受的熱傳遞、熱輻射極大地減小，部件能夠正常工作。(2)炬管外表面具有良好的散熱特性，能夠降低部件工作溫度，提高使用壽命。(3)采用采用金屬炬管結構，皮實耐用。本發明采用一種微波耦合方式解決了同軸微波傳輸接頭部分溫度過高的問題，使得在大功率(100W)狀態下MPT能夠穩定工作，通過采用距離等離子體更遠位置進行耦合的方式，配合炬管工作時工作氣體的冷卻作用，大大減小了等離子體的熱傳遞、熱輻射對同軸微波傳輸接頭的影響，使同軸微波傳輸接頭能夠在合適的溫度下穩定工作。
【附圖說明】
[0027]圖1是實施例1的大功率微波等離子體發生裝置結構示意圖。
[0028]圖2是實施例2中使用的炬管結構示意圖。
[0029]圖3是實施例3中炬管內部電磁場分布示意圖。
【具體實施方式】
[0030]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。
[0031]實施例1
[0032]參見圖1，一種大功率微波等離子體發生裝置由微波發生器I，三端環形器2，負載3，三銷釘調諧器4，波導轉同軸接頭5和炬管6組成，微波發生器I與三端環形器2連接，三端環形器2與負載3、三銷釘調諧器4連接，三銷釘調諧器4與波導轉同軸接頭5連接波導轉同軸接頭5與炬管6連接。
[0033]微波發生器I的輸出功率需要達到1000W以上，因此需要采用標準的BJ26矩形波導傳輸微波，因此微波發生器I與三端環形器2的連接，三端環形器2與負載3、三銷釘調諧器4的連接，三銷釘調諧器4與波導轉同軸接頭的連接均采用標準的BJ26矩形波導接口，波導轉同軸接頭5與炬管6的連接采用的是標準L29同軸接頭。
[0034]炬管6的三管同軸結構類似一端開放的同軸電纜，開放端三管的頂端為上端面18，中管13和內管14是金屬薄壁管結構，外管12上靠近上端面18的位置需要開微波接口 19，微波接口 19距離上端面18最少為二分之一波長長度，保證微波耦合接頭9與炬管上端面18距離足夠大，使得炬管工作時工作氣體能夠發揮較好的冷卻作用，大大減小了等離子體的熱傳遞、熱輻射對同軸微波傳輸接頭的影響，使同軸微波傳輸接頭能夠在合適的溫度下穩定工作。
[0035]炬管6外表面具有風冷散熱結構，保證炬管工作時候產生的熱量能夠及時散發，維持部件在較低的工作溫度，對與炬管連接的同軸微波傳輸接頭進行保護，保證系統在正常溫度范圍內工作。
[0036]微波等離子體裝置的核心部分是微波發生器I和炬管6，微波發生器I提供了維持等離子體持續工作的微波能，民用的微波頻率較多的是915±50MHz和2450±50MHz，在等離子體微波源所需要的千瓦左右功率范圍內，一般選用2450±50MHz的連續波大功率磁控管，也可以選擇全固態大功率微波發生器件。
[0037]三端環形器2是進行微波隔離的裝置，將輸出與反射的微波進行隔離，防止反射微波進入微波發生器I引起微波源的損壞。負載3連接在三端環形器2的反射微波輸出端口，用來吸收反射微波。三銷釘調諧器4是通過手動銷釘調節控制微波反射功率，確保等離子體負載駐波系數變化時保證系統微波傳輸的正常。波導轉同軸接頭5是將微波在矩形波導中的傳輸模式轉變為能夠耦合進炬管6的同軸傳輸模式，由于炬管6設計的耦合接頭采用能夠承受千瓦級微波功率的L29接頭，波導轉同軸接頭5的同軸接頭形式為L29同軸接口。
[0038]炬管6是具有三管同軸結構的金屬管，類似一端開放的同軸電纜，電磁場在炬管腔體中形成一定的電磁場結構，能夠有利于等離子體的形成。
[0039]實施例2
[0040]參見圖2，炬管具有金屬的三管同軸結構，電磁能量從微波接頭9通過耦合環10耦合進外管12，外管12具有金屬的反射端7和金屬的中管13以及金屬的內管14，中管13和內管14之間有金屬材質的隔圈11。
[0041]對于炬管來說，炬管的三管同軸結構類似一端開放的同軸電纜，開放端三管的頂端為上端面18，炬管的結構要保證在上端面18處的電磁場處于較強的狀態。中管13和外管12之間裝配有金屬的反射端面7，它與炬管上端面18的距離為四分之一微波波長的奇數倍，在本發明中優選四分之三波長。外管上需要開微波接口 19，根據本發明，微波接口 19開在距離上端面18 二分之一波長的位置。微波通過微波接頭9耦合進炬管，微波接頭9與耦合環10相連，耦合環9為金屬材質，具有好的導電性能，偶合環9緊貼中管，通過電導耦合的方式傳遞微波能量。炬管形成了一個能夠讓微波產生駐波的諧振腔，在上端面18處電場強度最強。
[0042]中管13和內管14之間需要加入金屬的隔圈11，該隔圈與上端面18的距離為四分之一波長的奇數倍，根據本發明，選擇距離上端面18四分之一波長的位置放置隔圈11。隔圈11上面需要開小孔，以方便氣體通過，中管13和內管14的同軸度可以通過隔圈11對中管13和內管14的位置限制來保證。中管13的外直徑和內管14的外直徑尺寸比例在3左右。
[0043]形成等離子體不能缺少工作氣體，炬管有3路工作氣體，維持氣17，載氣16和屏蔽氣8。維持氣17是維持等離子體形成必須的工作氣體，一般為氬氣，也可以選擇氦氣、氮氣。維持氣17進入炬管后在中管13和內管14之間傳輸，需要通過隔圈11上預留的小孔。在電磁場的作用下，維持氣17被電離，形成等離子體20，等離子體20形成于中管13和內管14頂端往上的空間。如果作為等離子體光譜化學分析用光源，樣品需要從內管14由載氣16帶入，內管14的內空間為載氣的通道。外管12和中管13之間可以引入屏蔽氣8，用來對等離子體進行箍縮或者限制外圍氣體進入等離子體對等離子體形成干擾。
[0044]在外管12的表面加工有散熱片15，炬管在工作的時候會發熱，發熱原因包括微波傳輸產生的熱，等離子體熱輻射，散熱片可以輔助散熱。微波接頭9具有一定的工作溫度范圍，不適合在高溫下長時間工作，散熱片15配合氣態冷卻劑(如空氣)能夠帶走大量熱量，保證炬管工作時候產生的熱量能夠及時散發，維持部件在較低的工作溫度，對與炬管連接的同軸微波傳輸接頭和微波接頭9進行保護，提高部件的正常工作時間。
[0045]微波接口 19距離上端面18 二分之一波長處，距離上端面18較遠，熱輻射以及熱傳遞效果明顯減弱，能夠保證同軸微波傳輸接頭和微波接頭9在合適的溫度范圍工作。裝置工作在千瓦級大功率下，微波傳輸裝置中的每一個部件均需要承受如此大的功率。在此前的小功率下工作的炬管采用的是微波接口 19靠近上端面18的耦合方式，離等離子體源較近，承受了較大的熱輻射以及熱傳導熱量，同軸微波傳輸接頭和微波接頭發熱嚴重，影響其使用壽命與工作。本發明中微波接口 19距離炬管上端面18二分之一波長位置，由于微波接頭9 與上端面18距離的加大，工作過程中的維持氣17,載氣16,氧氣8均能夠帶走大量熱量，微波接口 19距離上端面18距離更遠，相比微波接口 19在上端面18附近，本發明大大減小了等離子體的熱傳遞、熱輻射對同軸微波傳輸接頭的影響，而且工作氣體的冷卻效果更好，使同軸微波傳輸接頭和微波接頭9能夠在合適的溫度下穩定工作。
[0046] 實施例3[〇〇47]參見圖3,仿真模型參照炬管實際結構建立，炬管材質的設定為理想導體，其它部分為真空。微波入口 23距離上端面27的距離為二分之一波長，反射端面22距離上端面27的距離為四分之三波長，中管25,內管26和外管21為三管同軸結構，在中25和內管26之間有金屬的隔圈24。[0〇48]微波從微波入口23進入腔體會形成特定電磁場結構，箭頭28的方向指示的是電場方向，箭頭28的灰度指示的是電場的強度，標尺29指示出了電場的相對強度大小，顏色越深電場強度越強。從仿真結果可以看出，外管21和中管25間的電場在腔體里形成駐波場結構， 上端面27附近剛好處在電場最強的位置。中管25和內管26之間在隔圈24之上的部分存在電場，中管25和內管26頂端具有最強的電場強度，這也是等離子體的形成區域。等離子體維持氣在中管25和內管26之間由下往上運動，從中管25頂端出來，若在中管25和內管26的頂端區域提供一個初始電子，電子在電場的作用下就會碰撞維持氣的氣體分子，產生新的電子和離子，新的電子繼續在電場的作用下與其它氣體分子碰撞，此過程維持在平衡狀態即產生了穩定的等離子體，在中管25和內管26頂端形成。
【主權項】
1.一種大功率微波等離子體發生裝置，其特征在于，由微波發生器(I)，三端環形器(2)，負載(3)，三銷釘調諧器(4)，波導轉同軸接頭(5)和炬管(6)組成，微波發生器(I)與三端環形器(2)連接，三端環形器(2)與負載(3)、三銷釘調諧器(4)連接，三銷釘調諧器(4)與波導轉同軸接頭(5)連接波導轉同軸接頭(5)與炬管(6)連接。2.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體發生裝置，其特征在于，微波發生器(I)與三端環形器(2)連接，三端環形器(2)與負載(3)、三銷釘調諧器(4)連接，三銷釘調諧器(4)與波導轉同軸接頭(5)連接，均采用標準的BJ26矩形波導接口，波導轉同軸接頭(5)與炬管(6)連接采用L29同軸接頭。3.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體發生裝置，其特征在于，炬管(6)的三管同軸結構類似一端開放的同軸電纜，開放端三管的頂端為上端面(18)，中管(13)和內管(14)是金屬薄壁管結構，外管(12)上靠近上端面(18)的位置需要開微波接口(19)，微波接口(19)距離上端面(18)最少為二分之一波長長度，保證微波耦合接頭(9)與炬管上端面(18)距離足夠大，使得炬管工作時工作氣體能夠發揮較好的冷卻作用，大大減小了等離子體的熱傳遞、熱輻射對同軸微波傳輸接頭的影響，使同軸微波傳輸接頭能夠在合適的溫度下穩定工作。4.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體發生裝置，其特征在于，炬管(6)夕卜表面具有風冷散熱結構，保證炬管工作時候產生的熱量能夠及時散發，維持部件在較低的工作溫度，對與炬管連接的同軸微波傳輸接頭進行保護，保證系統在正常溫度范圍內工作。5.根據權利要求1所述的一種大功率微波等離子體發生裝置在光譜化學領域中的應用。6.根據權利要求5所述的一種大功率微波等離子體發生裝置的應用，其特征在于，在等離子體加工領域中的應用。
【文檔編號】H05H1/28GK105979693SQ201610410659
【公開日】2016年9月28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