一种大功率微波等离子体发生装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种大功率微波等离子体发生装置，主要由微波发生器，三端环形器，负载，三销钉调谐器，波导转同轴接头和炬管组成。本发明在微波的耦合位置上选择距离炬管上端面最少二分之一波长处，可以防止大功率下同轴微波传输接头过热的问题，在炬管外表面附加有散热片的结构，进一步解决了炬管工作时散热的问题，可承受千瓦级功率的，保证在大功率工作状态下等离子体发生装置工作状态良好。
【专利说明】
一种大功率微波等离子体发生装置
技术领域
[0001]本发明属于微波等离子体炬技术以及等离子体原子发射光谱领域，具体为一种微波等离子体发生装置，该装置可承受千瓦级功率，可产生等离子体源，而且等离子体源适用于发射光谱分析用途。
【背景技术】
[0002]等离子体是部分电离的气体，等离子体源可以用作原子发射光谱用光源，微波等离子体是等离子体源中很重要的一类。
[0003]传统的原子发射光谱用微波等离子体主要包含带电极的电容耦合型微波等离子体(Capacitively Coupled Microwave Plasma,CMP)和不带电极的微波诱导等离子体(Microwave Induced Plasma,ΜΙΡ) <ΧΜΡ和MIP有各自的不足，如CMP无中央通道，难以进样，MIP样品承受能力弱。
[0004]金钦汉教授等于1985年发明了微波等离子体炬(MPT)，对应申请专利号为CN94205428.8，ΜΡΤ的发明是微波等离子体原子发射光谱领域的一个重大进展，它具有中央通道并且样品承受能力强。MPT炬管具有一端开放的三金属管同轴结构，微波能通过同轴电缆以电导/电容耦合的方式进入炬管，微波在腔体内形成驻波，等离子在炬管开口端形成。MPT炬管通常在10-500W范围内以多种工作气体(氩气、氦气、氮气、空气等)工作，但是在大功率状态下O500W)微波传输接头的功率容量有限，在大功率下无法长时间稳定工作。
[0005]大功率MPT具有更大的等离子体体积，更高的等离子体气体温度，能够带来等离子体性能的提升，拓展应用领域。因此需要开发大功率下工作的MPT微波等离子体炬光源，金钦汉等在2013年5月申请的《波导直馈式微波等离子体炬装置》(公开号:CN 103269561Α)，将波导结构与MPT结构直接结合，去掉了如同轴电缆、耦合环等中间微波耦合部件，使得MPT能够在大功率下工作，拓展了MPT炬管的应用范围，本发明提供了另一种解决方案使得MPT微波等离子体炬能够工作在千瓦级功率。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服传统MPT炬管所用微波传输接头功率容量有限的问题，提供一种大功率微波等离子体发生装置，该装置由微波发生器，三端环形器，负载，三销钉调谐器，波导转同轴接头和炬管组成，微波发生器与三端环形器连接，三端环形器与负载、三销钉调谐器连接，三销钉调谐器与波导转同轴接头连接波导转同轴接头与炬管连接。
[0007]微波发生器可以是全固态微波发生器或者磁控管微波发生器，微波发生器的输出功率需要达到1000W以上，因此需要采用标准的BJ26矩形波导传输微波，微波发生器与三端环形器的连接，三端环形器与负载、三销钉调谐器的连接，三销钉调谐器与波导转同轴接头的连接均采用标准的BJ26矩形波导接口，波导转同轴接头与炬管的连接采用L29同轴接头。
[0008]炬管的三管同轴结构类似一端开放的同轴电缆，开放端三管的顶端为上端面，中管和内管是金属薄壁管结构，外管上靠近上端面的位置需要开微波接口，微波接口距离上端面最少为二分之一波长长度，保证微波耦合接头与炬管上端面距离足够大，使得炬管工作时工作气体能够发挥较好的冷却作用，大大减小了等离子体的热传递、热辐射对同轴微波传输接头的影响，使同轴微波传输接头能够在合适的温度下稳定工作。
[0009]炬管外表面具有风冷散热结构，保证炬管工作时候产生的热量能够及时散发，维持部件在较低的工作温度，对与炬管连接的同轴微波传输接头进行保护，保证系统在正常温度范围内工作。
[0010]本发明的另一个目的是提供所述的一种大功率微波等离子体发生装置在光谱化学领域中的应用，尤其在等离子体加工领域中的应用。
[0011]对于微波源来说，需要有稳定的连续微波输出，所述微波发生器是产生稳定的连续微波输出的装置，它可以是磁控管形式的微波源或全固态形式的微波源。三端环形器是进行微波隔离的装置，将输出与反射的微波进行隔离，防止反射微波进入微波发生器引起微波源的损坏。负载连接在三端环形器的反射微波输出端口，用来吸收反射微波。三销钉调谐器是通过手动销钉调节控制微波反射功率，确保等离子体负载驻波系数变化时保证系统微波传输的正常。波导转同轴接头是将微波在矩形波导中的传输模式转变为能够耦合进炬管的同轴传输模式，由于炬管设计的耦合接头采用能够承受千瓦级微波功率的L29接头，波导转同轴接头的同轴接头形式为L29同轴接口。
[0012]炬管是本发明的核心部分，是形成等离子体光源的核心部件。它具有金属的三管同轴结构，至少一个通路用于提供等离子体形成气体，电磁能量从微波接头通过偶合环耦合进外管，炬管具有金属的反射端和金属的中管，内管，中管和内管之间有金属材质的隔圈。
[0013]对于炬管来说，其三管同轴结构类似一端开放的同轴电缆，开放端三管的顶端为上端面，中管和内管是金属薄壁管结构，外管上靠近上端面的位置需要开微波接口，微波接口距离上端面最少为二分之一波长长度。外管的内直径尺寸一般小于30mm。中管和外管之间装配金属的反射端面，它到上端面的距离为四分之一微波波长的奇数倍，而且反射端面与上端面的距离需要大于微波接口与上端面的距离。外管的内直径和中管的外直径尺寸比例在2-5(优选3左右)。中管和外管的同轴度可以通过反射端面的装配来保证，为了进一步确保同轴度，还可以在中管和外管之间装配绝缘的隔圈。
[0014]对于炬管来说，中管和内管之间需要加入金属的隔圈，该隔圈与上端面的距离为四分之一微波波长的奇数倍附近，中管的外直径和内管的外直径尺寸比例在2-5之间(优选3左右)。隔圈上面需要开小孔，以方便气体通过，中管和内管的同轴度可以通过隔圈对中管和内管的位置限制来保证。
[0015]对于炬管来说，要正常工作必须至少有工作气体通入，工作气体由外管和中管(之间通入，如果作为等离子体光谱化学分析用光源，样品需要从内管引入，内管的内空间为载气的通道。外管和中管之间的空间可以引入屏蔽气体，用来对等离子体进行箍缩或者限制外围气体进入等离子体，为了引入屏蔽气体外管管壁必须开一个屏蔽气引入口，屏蔽气引入口必须在反射端面上方靠近上端面的一端。
[0016]对于炬管来说，炬管外表面具有风冷散热结构，结构上保证气态冷却剂通过炬管能够带走大量热量。保证炬管工作时候产生的热量能够及时散发，维持部件在较低的工作温度，对与炬管连接的同轴微波传输接头进行保护，保证系统在正常温度范围内工作。
[0017]本发明提供了一种在大功率(1000W)下，能够使得MPT炬管稳定工作的能量耦合方式。耦合位置距离炬管上端面(18)最少二分之一波长位置，由于微波耦合接头(9)与炬管上端面(18)距离的加大，配合炬管工作时工作气体的冷却作用，大大减小了等离子体的热传递、热辐射对同轴微波传输接头的影响，使同轴微波传输接头能够在合适的温度下稳定工作。
[0018]此外，本发明提供了一种炬管外表面散热结构，能够降低炬管工作时候的器件温度，降低器件老化速度，延长器件使用寿命。
[0019]此外，本发明提供了一种使用微波能获得并维持等离子体的微波等离子体发生装置。该装置可用多种气体(氩气、氦气、氮气等)工作，在常压下可维持。
[0020]此外，本发明提供了一种用于光谱化学分析的等离子体源形成方法，它能够将微波电磁场能量耦合到等离子体焰炬，持续激发等离子体形成气体产生稳定的等离子体。由于功率增大，更多的功率耦合进等离子体，会让等离子体体积增大，去溶能力更强，能够达到较强的对湿气溶胶的容忍能力。
[0021]根据本发明，装置工作在千瓦级大功率下，微波传输装置中的每一个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，离等离子体源较近，承受了较大的热辐射以及热传导热量，同轴微波传输接头发热严重，影响其使用寿命与工作。本发明中耦合位置距离炬管上端面最少1/2波长位置，由于微波耦合接头与炬管上端面距离的加大，配合炬管工作时工作气体的冷却作用，大大减小了等离子体的热传递、热辐射对同轴微波传输接头的影响，使同轴微波传输接头能够在合适的温度下稳定工作。
[0022]根据本发明，炬管外表面的风冷散热结构能够起到保护器件不受高温影响的作用，延长器件使用寿命，而且风冷散热结构简单，只需要在炬管外表面增加简单的散热片结构，无其它结构成本，相比水冷散热，结构简单，成本低廉。
[0023]根据本发明，大功率下工作的炬管产生的等离子体具有更高的气体温度，去溶能力更强，可以直接雾化进样而对等离子体没有影响，还能取得较好的原子发射光谱激发效果O
[0024]根据本发明，金钦汉教授等于1985年发明了微波等离子体炬(对应申请专利号为CN94205428.8)只能工作在小功率下，本发明采用了不同的耦合位置，耦合位置距离炬管上端面距离最少为二分之一波长位置，配合外管上的散热片，能够极大减小热辐射和热传递对微波接头的影响，降低其对同轴微波接头性能的影响，使其保持在合适的工作温度，整体装置得以在大功率下稳定工作。本发明在扩展工作功率的时候，解决了微波同轴传输接头的发热问题，使得整体装置能够稳定工作。
[0025]金钦汉等在2013年5月申请的《波导直馈式微波等离子体炬装置》(公开号:CN103269561A)采用的是波导耦合的方式，炬管在波导内部，炬管表面本身无法添加散热结构，散热问题较大，本发明采用炬管暴露于外部，利于散热，而且在炬管外表面采用散热片的结构，可以极大地降低器件本身的工作温度，提高器件使用寿命。
[0026]本发明在微波的耦合位置上选择距离炬管上端面最少二分之一波长处，可以防止大功率下同轴微波传输接头过热的问题，在炬管外表面附加有散热片的结构，进一步解决了炬管工作时散热的问题，可承受千瓦级功率的，保证在大功率工作状态下等离子体发生装置工作状态良好。本发明的特点主要在于(I)耦合位置的改变使得微波同轴传输接头承受的热传递、热辐射极大地减小，部件能够正常工作。(2)炬管外表面具有良好的散热特性，能够降低部件工作温度，提高使用寿命。(3)采用采用金属炬管结构，皮实耐用。本发明采用一种微波耦合方式解决了同轴微波传输接头部分温度过高的问题，使得在大功率(100W)状态下MPT能够稳定工作，通过采用距离等离子体更远位置进行耦合的方式，配合炬管工作时工作气体的冷却作用，大大减小了等离子体的热传递、热辐射对同轴微波传输接头的影响，使同轴微波传输接头能够在合适的温度下稳定工作。
【附图说明】
[0027]图1是实施例1的大功率微波等离子体发生装置结构示意图。
[0028]图2是实施例2中使用的炬管结构示意图。
[0029]图3是实施例3中炬管内部电磁场分布示意图。
【具体实施方式】
[0030]本发明结合附图和实施例作进一步的说明。要理解的是不管是上面的总述还是下面的详述都只是示例性和解释性的而且不限制所要求保护的发明。
[0031]实施例1
[0032]参见图1，一种大功率微波等离子体发生装置由微波发生器I，三端环形器2，负载3，三销钉调谐器4，波导转同轴接头5和炬管6组成，微波发生器I与三端环形器2连接，三端环形器2与负载3、三销钉调谐器4连接，三销钉调谐器4与波导转同轴接头5连接波导转同轴接头5与炬管6连接。
[0033]微波发生器I的输出功率需要达到1000W以上，因此需要采用标准的BJ26矩形波导传输微波，因此微波发生器I与三端环形器2的连接，三端环形器2与负载3、三销钉调谐器4的连接，三销钉调谐器4与波导转同轴接头的连接均采用标准的BJ26矩形波导接口，波导转同轴接头5与炬管6的连接采用的是标准L29同轴接头。
[0034]炬管6的三管同轴结构类似一端开放的同轴电缆，开放端三管的顶端为上端面18，中管13和内管14是金属薄壁管结构，外管12上靠近上端面18的位置需要开微波接口 19，微波接口 19距离上端面18最少为二分之一波长长度，保证微波耦合接头9与炬管上端面18距离足够大，使得炬管工作时工作气体能够发挥较好的冷却作用，大大减小了等离子体的热传递、热辐射对同轴微波传输接头的影响，使同轴微波传输接头能够在合适的温度下稳定工作。
[0035]炬管6外表面具有风冷散热结构，保证炬管工作时候产生的热量能够及时散发，维持部件在较低的工作温度，对与炬管连接的同轴微波传输接头进行保护，保证系统在正常温度范围内工作。
[0036]微波等离子体装置的核心部分是微波发生器I和炬管6，微波发生器I提供了维持等离子体持续工作的微波能，民用的微波频率较多的是915±50MHz和2450±50MHz，在等离子体微波源所需要的千瓦左右功率范围内，一般选用2450±50MHz的连续波大功率磁控管，也可以选择全固态大功率微波发生器件。
[0037]三端环形器2是进行微波隔离的装置，将输出与反射的微波进行隔离，防止反射微波进入微波发生器I引起微波源的损坏。负载3连接在三端环形器2的反射微波输出端口，用来吸收反射微波。三销钉调谐器4是通过手动销钉调节控制微波反射功率，确保等离子体负载驻波系数变化时保证系统微波传输的正常。波导转同轴接头5是将微波在矩形波导中的传输模式转变为能够耦合进炬管6的同轴传输模式，由于炬管6设计的耦合接头采用能够承受千瓦级微波功率的L29接头，波导转同轴接头5的同轴接头形式为L29同轴接口。
[0038]炬管6是具有三管同轴结构的金属管，类似一端开放的同轴电缆，电磁场在炬管腔体中形成一定的电磁场结构，能够有利于等离子体的形成。
[0039]实施例2
[0040]参见图2，炬管具有金属的三管同轴结构，电磁能量从微波接头9通过耦合环10耦合进外管12，外管12具有金属的反射端7和金属的中管13以及金属的内管14，中管13和内管14之间有金属材质的隔圈11。
[0041]对于炬管来说，炬管的三管同轴结构类似一端开放的同轴电缆，开放端三管的顶端为上端面18，炬管的结构要保证在上端面18处的电磁场处于较强的状态。中管13和外管12之间装配有金属的反射端面7，它与炬管上端面18的距离为四分之一微波波长的奇数倍，在本发明中优选四分之三波长。外管上需要开微波接口 19，根据本发明，微波接口 19开在距离上端面18 二分之一波长的位置。微波通过微波接头9耦合进炬管，微波接头9与耦合环10相连，耦合环9为金属材质，具有好的导电性能，偶合环9紧贴中管，通过电导耦合的方式传递微波能量。炬管形成了一个能够让微波产生驻波的谐振腔，在上端面18处电场强度最强。
[0042]中管13和内管14之间需要加入金属的隔圈11，该隔圈与上端面18的距离为四分之一波长的奇数倍，根据本发明，选择距离上端面18四分之一波长的位置放置隔圈11。隔圈11上面需要开小孔，以方便气体通过，中管13和内管14的同轴度可以通过隔圈11对中管13和内管14的位置限制来保证。中管13的外直径和内管14的外直径尺寸比例在3左右。
[0043]形成等离子体不能缺少工作气体，炬管有3路工作气体，维持气17，载气16和屏蔽气8。维持气17是维持等离子体形成必须的工作气体，一般为氩气，也可以选择氦气、氮气。维持气17进入炬管后在中管13和内管14之间传输，需要通过隔圈11上预留的小孔。在电磁场的作用下，维持气17被电离，形成等离子体20，等离子体20形成于中管13和内管14顶端往上的空间。如果作为等离子体光谱化学分析用光源，样品需要从内管14由载气16带入，内管14的内空间为载气的通道。外管12和中管13之间可以引入屏蔽气8，用来对等离子体进行箍缩或者限制外围气体进入等离子体对等离子体形成干扰。
[0044]在外管12的表面加工有散热片15，炬管在工作的时候会发热，发热原因包括微波传输产生的热，等离子体热辐射，散热片可以辅助散热。微波接头9具有一定的工作温度范围，不适合在高温下长时间工作，散热片15配合气态冷却剂(如空气)能够带走大量热量，保证炬管工作时候产生的热量能够及时散发，维持部件在较低的工作温度，对与炬管连接的同轴微波传输接头和微波接头9进行保护，提高部件的正常工作时间。
[0045]微波接口 19距离上端面18 二分之一波长处，距离上端面18较远，热辐射以及热传递效果明显减弱，能够保证同轴微波传输接头和微波接头9在合适的温度范围工作。装置工作在千瓦级大功率下，微波传输装置中的每一个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，离等离子体源较近，承受了较大的热辐射以及热传导热量，同轴微波传输接头和微波接头发热严重，影响其使用寿命与工作。本发明中微波接口 19距离炬管上端面18二分之一波长位置，由于微波接头9 与上端面18距离的加大，工作过程中的维持气17,载气16,氧气8均能够带走大量热量，微波接口 19距离上端面18距离更远，相比微波接口 19在上端面18附近，本发明大大减小了等离子体的热传递、热辐射对同轴微波传输接头的影响，而且工作气体的冷却效果更好，使同轴微波传输接头和微波接头9能够在合适的温度下稳定工作。
[0046] 实施例3[〇〇47]参见图3,仿真模型参照炬管实际结构建立，炬管材质的设定为理想导体，其它部分为真空。微波入口 23距离上端面27的距离为二分之一波长，反射端面22距离上端面27的距离为四分之三波长，中管25,内管26和外管21为三管同轴结构，在中25和内管26之间有金属的隔圈24。[0〇48]微波从微波入口23进入腔体会形成特定电磁场结构，箭头28的方向指示的是电场方向，箭头28的灰度指示的是电场的强度，标尺29指示出了电场的相对强度大小，颜色越深电场强度越强。从仿真结果可以看出，外管21和中管25间的电场在腔体里形成驻波场结构， 上端面27附近刚好处在电场最强的位置。中管25和内管26之间在隔圈24之上的部分存在电场，中管25和内管26顶端具有最强的电场强度，这也是等离子体的形成区域。等离子体维持气在中管25和内管26之间由下往上运动，从中管25顶端出来，若在中管25和内管26的顶端区域提供一个初始电子，电子在电场的作用下就会碰撞维持气的气体分子，产生新的电子和离子，新的电子继续在电场的作用下与其它气体分子碰撞，此过程维持在平衡状态即产生了稳定的等离子体，在中管25和内管26顶端形成。
【主权项】
1.一种大功率微波等离子体发生装置，其特征在于，由微波发生器(I)，三端环形器(2)，负载(3)，三销钉调谐器(4)，波导转同轴接头(5)和炬管(6)组成，微波发生器(I)与三端环形器(2)连接，三端环形器(2)与负载(3)、三销钉调谐器(4)连接，三销钉调谐器(4)与波导转同轴接头(5)连接波导转同轴接头(5)与炬管(6)连接。2.根据权利要求1所述的一种大功率微波等离子体发生装置，其特征在于，微波发生器(I)与三端环形器(2)连接，三端环形器(2)与负载(3)、三销钉调谐器(4)连接，三销钉调谐器(4)与波导转同轴接头(5)连接，均采用标准的BJ26矩形波导接口，波导转同轴接头(5)与炬管(6)连接采用L29同轴接头。3.根据权利要求1所述的一种大功率微波等离子体发生装置，其特征在于，炬管(6)的三管同轴结构类似一端开放的同轴电缆，开放端三管的顶端为上端面(18)，中管(13)和内管(14)是金属薄壁管结构，外管(12)上靠近上端面(18)的位置需要开微波接口(19)，微波接口(19)距离上端面(18)最少为二分之一波长长度，保证微波耦合接头(9)与炬管上端面(18)距离足够大，使得炬管工作时工作气体能够发挥较好的冷却作用，大大减小了等离子体的热传递、热辐射对同轴微波传输接头的影响，使同轴微波传输接头能够在合适的温度下稳定工作。4.根据权利要求1所述的一种大功率微波等离子体发生装置，其特征在于，炬管(6)夕卜表面具有风冷散热结构，保证炬管工作时候产生的热量能够及时散发，维持部件在较低的工作温度，对与炬管连接的同轴微波传输接头进行保护，保证系统在正常温度范围内工作。5.根据权利要求1所述的一种大功率微波等离子体发生装置在光谱化学领域中的应用。6.根据权利要求5所述的一种大功率微波等离子体发生装置的应用，其特征在于，在等离子体加工领域中的应用。
【文档编号】H05H1/28GK105979693SQ201610410659
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】金伟, 朱旦, 金钦汉
【申请人】浙江大学