一种自动点火的微波等离子体炬装置的制作方法

本实用新型属于微波等离子体炬技术以及化学和测量技术领域，具体涉及一种微波等离子体发生装置，尤其涉及一种自动点火的微波等离子体炬装置。

背景技术：

微波等离子体炬是金钦汉教授等(Jin,Q.,et al.,A microwave plasma torch assembly for atomic emission spectrometry.Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy,1991.46B(3):p.417‐430.)提出的一种微波等离子体形成装置(对应申请专利号为CN 94205428.8)，可用于原子发射光谱分析用光源、原子光谱的离子源、气体分解等领域。该装置具有金属的三管同轴结构，等离子体在中管和内管上端面形成，延伸到大气中，其点火方式为用特斯拉线圈或者螺丝刀接触中管和内管顶端形成瞬间短路形成的电火花点燃等离子体(Jin,Q.,et al.,A microwave plasma torch assembly for atomic emission spectrometry.1991.46B:p.pp.417‐430.)，虽然后来该装置经过了很多研究学者的研究改进，点火方式未发生本质变化，需要在等离子体形成区域提供额外的电火花。如Bilgic等(Bilgic,A.M.,et al.,Design and modelling of a modified 2.45GHz coaxial plasma torch for atomic spectrometry.Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy,1998.53(5):p.773‐777.)提出的改进型微波等离子体炬，点火仍然额外的需要高压电火花的辅助。

微波等离子体炬的传统点火方式使得其在应用上会有一定的不足，比如用作原子发射光谱仪产品，如果采用螺丝刀接触中管和内管顶端的点火方式存在操作人员被点击的安全隐患，而且会导致微波泄露，如果采用特斯拉线圈放电的点火方式会增加额外的高压放电功能模块，从而增加系统的复杂性，并且高压放电针的存在会对微波等离子体炬的电磁场造成影响，可能影响系统的稳定性。本实用新型设计了一种简单的、可以自动点火的微波等离子体炬装置，可以不需要借助额外的装置实现自动点火，从而使得微波等离子体炬装置易用性大大增强，简化了装置结构，增强装置的可靠性和稳定性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种自动点火的微波等离子体炬装置，它是由三根同轴金属、反射端面组成的一端开放的同轴谐振腔，其特征在于可以自动点火。可以自动点火的微波等离子体炬装置，是对微波等离子体炬进行了改进，传统的微波等离子体炬的点火需要用特斯拉线圈或者螺丝刀接触中管和内管顶端形成瞬间短路形成的电火花进行辅助，存在一定的操作安全性或系统需要额外增加高压放电装置，从而增加系统复杂性和不稳定性。本实用新型提供的微波等离子体炬装置不需要特斯拉线圈或者螺丝刀接触中管和内管顶端形成瞬间短路形成的电火花的辅助，只需要加上合适的微波功率，即可实现自动点火，使得微波等离子体炬装置的易用性大大增强，装置结构得到简化，可靠性和稳定性也得到了加强。

本实用新型一种自动点火的微波等离子体炬装置，由外管、中管、内管、隔圈、微波耦合接口、外管微波开口、耦合杆、耦合环、反射端面、调节活塞组成，外管、中管、内管具有金属的三管同轴结构，中管和内管之间设有保证同轴以及调节电磁场分布的金属的隔圈，耦合环设置在中管外壁，微波耦合接口设在外管上形成外管微波开口，耦合杆固定在耦合环上，并位于外管微波开口间，在外管和中管之间设有反射端面，形成一端开放的同轴谐振腔，反射端面与调节活塞连接在一起，通过调节活塞可以对反射端面位置进行微调，以方便调节微波等离子体炬性能。微波能通过外管上的外管微波开口、微波耦合接口、耦合杆和耦合环的共同作用耦合进腔体，在腔体内形成谐振结构并且在谐振腔开口端形成强电场，击穿工作气体形成等离子体。为了微波等离子体炬的自动点火需要，开口端等离子体形成区域形成局部强电场形成电击穿，这种强电场可以通过调节中管和内管相对位置实现，因此，内管的端口平面突出谐振腔的开放端平面，即内管开口端平面相对中管和外管开口端平面有所突出。

微波等离子体炬的自动点火需要开口端等离子体形成区域形成局部强电场形成电击穿，这种强电场可以通过调节中管和内管相对位置实现。为了保证炬管正常工作，需要配备与炬管设计相配套的微波源，一般情况下，选用常用的2.45GHz微波源。炬管能够正常工作的功率范围与设计与加工有一定的关系，一般情况下，50瓦到400瓦正常工作没有问题，更高的工作功率则需要配备更好的防护措施。

所述炬管要正常工作，必须至少有一路工作气体通入，炬管可以用多种气体(如Ar气、He气、空气)作为工作气体，工作气体由中管通入。如果作为等离子体光谱化学分析用光源，样品由内管尾端的载气口导入炬管。外管和中管之间的外空间可以引入屏蔽气体，用来对等离子体焰炬进行箍缩或者限制外围气体进入等离子体焰炬，屏蔽气体从外管上靠近反射端面的屏蔽气体口引入。

所述的三管同轴结构在尺寸上需要满足微波传输要求。微波可以在中管和外管之间以及中管和内管之间传输，为了保证谐振腔开口端形成强电场，需要微波以TEM波形式在炬管内传输，因此外管的内径和中管的外径的大小需要保证微波在炬管内以TEM波传输。所述外管的内径和中管的外径尺寸比例需要考虑微波传输线路的阻抗特性，尽量进行阻抗匹配设计，并且保证微波在炬管中的传输模式为TEM模式，为了保证谐振腔中微波传输模式为TEM模式，外管内径优选20mm，中管外径优选7mm。为了保证内管中的载气载带样品的效果，内管内径优选2mm。

进一步的，传统的炬管在装配上，谐振腔开口端外管、中管和内管在同一平面上，为了能够实现自动点火，需要内管开口端平面相对中管和外管开口端平面有所突出，从而形成局部尖端或者局部较强电场，以便实现自动点火。优选的内管开口端平面相对中管和外管开口端平面突出0.5‐2mm。

所述的微波等离子体炬，其特征是内管的装配需要突出谐振腔的开放端平面，使得等离子体焰炬形成部位有局部强电场或尖端放电，加上能够使得微波等离子体炬正常工作的微波功率后能够自动点火。

所述隔圈位于中管和内管之间，隔圈与同轴谐振腔的开口端平面距离为四分之一微波波长的奇数倍附近。隔圈同时还具有保证中管和内管同轴度的作用，作为优选，隔圈与同轴谐振腔的开口端平面距离为四分之一微波波长。由于中管和内管之间需要通过工作气体，因此隔圈上需要开有小孔方便工作气体顺利通过。

所述反射端面为金属的短路面，保证了谐振腔的结构。反射端面位置可以在20mm范围内通过调节活塞调节，但是距离谐振腔的开口端平面应该为四分一波长的奇数倍附近，即反射端面距离谐振腔的开口端平面距离大约为四分之三微波波长。

所述外管微波开口位于外管的管壁上，微波通过外管微波开口以电导或者电容耦合的方式耦合进谐振腔的腔体，微波耦合接口连接微波输入部件与耦合杆，耦合杆与耦合环连接在一起，耦合环直接连接到中管，外管微波开口的尺寸设计应该遵循微波传输阻抗匹配的原则，保证微波顺利传输到谐振腔的腔体内部。为了保证耦合进谐振腔的腔体的电磁场能够形成谐振，外管微波开口位置应该距离反射端面四分之一波长的奇数倍，即距离谐振腔开口端四分之一波长的偶数倍，外管微波开口距离谐振腔开口端的距离要小于反射端面到谐振腔开口端的距离。

本实用新型的工作原理阐述如下：所述的三管同轴的炬管形成了一端开放的谐振腔，在传统的装配方式上，开放端平面的外管、中管和内管的开口端面基本处于同一平面，不过由于缺少局部的极强电场区域或者放电尖端，等离子体的点火需要借助外部高压线圈或者中管和内管之间短路形成的电火花实现，通过调整装配，使得内管略微突出一些，能够保证自动点火的成功。进一步的，内管突出改变了炬管尖端的电磁场分布，在内管和中管间形成了局部较强电场，通入等离子体工作气体，输入可以使得等离子体正常工作的微波功率，炬管即可自动点火形成稳定的等离子体。内管突出的尺寸不宜过多，以免对电磁场结构造成强烈破坏，一般突出尺寸0.5‐2mm。

本实用新型的另一个目的是提供所述的一种自动点火的微波等离子体炬装置在制备原子发射光谱分析用的等离子体源中的应用。

本实用新型的再一个目的是提供所述的一种自动点火的微波等离子体炬装置在制备用于化学和测量技术领域的等离子体源中的应用。

本实用新型改变了微波等离子体炬的点火方式，传统的点火方式为用特斯拉线圈或者螺丝刀接触中管和内管顶端形成瞬间短路形成的电火花点燃等离子体。如果做成产品的话，需要考虑到系统的可靠性和操作的方便性，而且还要防止微波泄漏，用螺丝刀点火的方式存在安全隐患以及产品体验不好的问题。用特斯拉线圈需要附加额外的高压电火花设备，而且点火针需要靠近等离子体，额外的高压设备增加了设备的复杂性，降低了设备的可靠性，点火针也会对等离子体周围的电磁场造成干扰，可能增加等离子体的不稳定性。此外，为了保证安全性，需要设计微波屏蔽结构，点火针结构的存在也会影响微波屏蔽结构的设计。自动点火的实现让微波等离子体炬的易用性大大增强，既摆脱了高压点火针对微波屏蔽结构设计的影响，又简化了装置结构，增强了可靠性和稳定性。

与金钦汉等提出的微波等离子体炬(对应申请专利号为CN 94205428.8)相比，本实用新型提出的微波等离子体炬无需使用内管和中管瞬间短路(通常用螺丝刀等金属部件接触炬管实现)形成的火花来点燃等离子体，只需加上满足微波等离子体炬工作的微波功率，即可实现自动点火。与Bilgic等(Bilgic,A.M.,et al.,Design and modelling of a modified 2.45GHz coaxial plasma torch for atomic spectrometry.Spectrochimica Acta Part B:Atomic Spectroscopy,1998.53(5):p.773‐777.)提出的改进型微波等离子体炬相比，本实用新型提出的微波等离子体炬也无需提供额外的高压电火花，即可点燃等离子体。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是一种自动点火的微波等离子体炬原子发射光谱仪装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步的说明本实用新型。本领域的技术人员应当理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

实施例1

参见图1，一种自动点火的微波等离子体炬装置，由外管(1)、中管(2)、内管(3)、隔圈(4)、微波耦合接口(5)、外管微波开口(6)、耦合杆(7)、耦合环(8)、反射端面(9)、调节活塞(10)组成，外管(1)、中管(2)、内管(3)具有金属的三管同轴结构，中管(2)和内管(3)之间设有保证同轴以及调节电磁场分布的金属的隔圈(4)，耦合环(8)设置在中管(2)外壁，微波耦合接口(5)设在外管(1)上形成外管微波开口(6)，耦合杆(7)固定在耦合环(8)上，并位于外管微波开口(6)间，在外管(1)和中管(2)之间设有反射端面(9)，形成一端开放的同轴谐振腔，反射端面(9)与调节活塞(10)连接在一起，通过调节活塞(10)可以对反射端面(9)位置进行微调，以方便调节微波等离子体炬性能。微波能通过外管(1)上的外管微波开口(6)、微波耦合接口(5)、耦合杆(7)和耦合环(8)的共同作用耦合进腔体，在腔体内形成谐振结构并且在谐振腔开口端形成强电场，击穿工作气体形成等离子体。为了微波等离子体炬的自动点火需要，开口端等离子体形成区域形成局部强电场形成电击穿，这种强电场可以通过调节中管和内管相对位置实现，因此，内管(3)的端口平面突出谐振腔的开放端平面。

微波等离子体炬的自动点火需要开口端等离子体形成区域形成局部强电场形成电击穿，这种强电场可以通过调节中管(2)和内管(3)相对位置实现。为了保证炬管正常工作，需要配备与炬管设计相配套的微波源，如选用200W的连续波输出2.45GHz微波源。

所述炬管要正常工作，必须至少有一路工作气体通入，炬管可以用多种气体(如Ar气、He气、空气)作为工作气体，工作气体(12)由中管(2)通入，如果作为等离子体光谱化学分析用光源，样品由内管(3)尾端的载气口(11)导入炬管。外管(1)和中管(2)之间的外空间可以引入屏蔽气体，用来对等离子体焰炬(14)进行箍缩或者限制外围气体进入等离子体焰炬(14)，屏蔽气体从外管(1)上靠近反射端面(9)的屏蔽气体口(13)引入。

所述外管(1)的内径和中管(2)的外径尺寸比例需要考虑微波传输线路的阻抗特性，尽量进行阻抗匹配设计，并且保证微波在炬管中的传输模式为TEM模式，为了保证谐振腔中微波传输模式为TEM模式，外管(1)内径优选20mm，中管(2)外径优选7mm。为了保证内管(3)中的载气载带样品的效果，内管(3)内径优选2mm。

进一步的，传统的炬管在装配上，外管(1)、中管(2)和内管(3)的谐振腔开口端在同一平面上，为了能够实现自动点火，需要内管(3)开口端平面相对中管(2)和外管(1)开口端平面有所突出0.5‐2mm，从而形成局部尖端或者局部较强电场，以便实现自动点火。

所述隔圈(4)位于中管(2)和内管(3)之间，隔圈(4)与同轴谐振腔的开口端平面距离为四分之一微波波长。隔圈(4)具有保证中管(2)和内管(3)同轴度的作用，由于中管(2)和内管(3)之间需要通过工作气体，因此隔圈(4)上开有小孔(图中未示出)方便工作气体顺利通过。

所述反射端面(9)为金属的短路面，保证了谐振腔的结构。反射端面(9)位置可以在20mm范围内通过调节活塞(10)调节，反射端面(9)距离谐振腔的开口端平面距离大约为四分之三微波波长。

所述外管微波开口(6)位于外管(1)的管壁上，微波通过外管微波开口(6)以电导或者电容耦合的方式耦合进谐振腔的腔体，微波耦合接口(5)连接微波输入部件与耦合杆(7)，耦合杆(7)与耦合环(8)连接在一起，耦合环(8)直接连接到中管(2)，外管微波开口(6)位置与谐振腔开口端距离为二分之一微波波长。

本实施例的工作原理阐述如下：所述的三管同轴的炬管形成了一端开放的谐振腔，在传统的装配方式上，开放端平面的外管(1)、中管(2)和内管(3)的开口端面基本处于同一平面，不过由于缺少局部的极强电场区域或者放电尖端，等离子体的点火需要借助外部高压线圈或者中管(2)和内管(3)之间短路形成的电火花实现，通过调整装配，使得内管(3)略微突出一些，能够保证自动点火的成功。内管(3)突出改变了炬管尖端的电磁场分布，在内管(3)和中管(2)间形成了局部较强电场，通入等离子体工作气体(12)，输入可以使得等离子体正常工作的微波功率，炬管即可自动点火形成稳定的等离子体焰炬(14)。内管(3)突出的尺寸不宜过多，以免对电磁场结构造成强烈破坏，突出0.5‐2mm。

本实用新型改变了微波等离子体炬的点火方式，传统的点火方式为用特斯拉线圈或者螺丝刀接触中管(2)和内管(3)顶端形成瞬间短路形成的电火花点燃等离子体。如果做成产品的话，需要考虑到系统的可靠性和操作的方便性，而且还要防止微波泄漏，用螺丝刀点火的方式存在安全隐患以及产品体验不好的问题。用特斯拉线圈需要附加额外的高压电火花设备，而且点火针需要靠近等离子体，额外的高压设备增加了设备的复杂性，降低了设备的可靠性，点火针也会对等离子体周围的电磁场造成干扰，可能增加等离子体的不稳定性。此外，为了保证安全性，需要设计微波屏蔽结构，点火针结构的存在也会影响微波屏蔽结构的设计。自动点火的实现让微波等离子体炬的易用性大大增强，既摆脱了高压点火针对微波屏蔽结构设计的影响，又简化了装置结构，增强了可靠性和稳定性。

实施例2

参见图1的一种自动点火的微波等离子体炬装置，微波等离子体炬的自动点火需要开口端等离子体形成区域形成局部强电场形成电击穿，这种强电场可以通过调节中管(2)和内管(3)相对位置实现。为了保证炬管正常工作，需要配备与炬管设计相配套的微波源，如选用200W的连续波输出2.45GHz微波源。

所述外管(1)内径优选20mm，中管(2)外径优选7mm，内管(3)内径优选2mm。中管(2)壁厚1mm，内管(3)壁厚0.5mm。

所述炬管工作气体选用Ar气，工作气体(12)由中管(2)通入，载气由内管(3)尾端的载气口(11)导入炬管，工作气体和载气流量分别为0.6L min^‐1和0.4L min^‐1。

进一步的，传统的炬管在装配上，外管(1)、中管(2)和内管(3)的谐振腔开口端在同一平面上，为了能够实现自动点火，需要内管(3)开口端平面相对中管(2)和外管(1)开口端平面有所突出，从而形成局部尖端或者局部较强电场，以便实现自动点火。

通过不断调整中管(2)和内管(3)相对外管(1)开放端平面的位置，即中管(2)和内管(3)相对外管(1)开口端突出的距离，在每种情况下分别进行自动点火测试，结果如表1所示。

从测试结果可以看到，开放端平面的外管(1)、中管(2)和内管(3)的开口端面基本处于同一平面的情况下，微波等离子体炬无法实现自动点火，通过调整装配，使得内管(3)略微突出一些，能够保证自动点火的成功。内管(3)突出改变了炬管尖端的电磁场分布，在内管(3)和中管(2)间形成了局部较强电场，通入等离子体工作气体(12)，输入可以使得等离子体正常工作的微波功率，炬管即可自动点火形成稳定的等离子体焰炬(14)。

本实用新型改变了微波等离子体炬的点火方式，传统的点火方式为用特斯拉线圈或者螺丝刀接触中管(2)和内管(3)顶端形成瞬间短路形成的电火花点燃等离子体。如果做成产品的话，需要考虑到系统的可靠性和操作的方便性，而且还要防止微波泄漏，用螺丝刀点火的方式存在安全隐患以及产品体验不好的问题。用特斯拉线圈需要附加额外的高压电火花设备，而且点火针需要靠近等离子体，额外的高压设备增加了设备的复杂性，降低了设备的可靠性，点火针也会对等离子体周围的电磁场造成干扰，可能增加等离子体的不稳定性。此外，为了保证安全性，需要设计微波屏蔽结构，点火针结构的存在也会影响微波屏蔽结构的设计。自动点火的实现让微波等离子体炬的易用性大大增强，既摆脱了高压点火针对微波屏蔽结构设计的影响，又简化了装置结构，增强了可靠性和稳定性。

表1用Ar气工作的微波等离子体炬自动点火条件测试

注：0代表不能自动点火，1代表可以自动点火成功。中管相对外管凸出，位置表示为正，否则为负，如表中‐1mm表示中管上端面相对于外管上端面偏下1mm。

实施例3

参见图2，为一种自动点火的微波等离子体炬原子发射光谱仪装置原理图。

微波等离子体炬原子发射光谱仪的核心部分是微波源(16)和炬管(17)，微波源(16)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。微波源(16)的核心部分是磁控管，供电电源(15)给磁控管供电，闭路保护装置(20)根据微波源(16)的状态进行监测，防止磁控管电流过大，防止微波源温度过高，若出现异常状况关闭微波输出，防止器件损坏。微波源(16)输出的微波能量耦合进炬管(17)，炬管(17)是一种自动点火的微波等离子体炬装置，炬管(17)通入适当的工作气体，加载适当的微波功率，即可形成可用于原子发射光谱分析的等离子体光源。通过炬管(17)的载气引入待测物，待测物在等离子体中经过一系列过程完成光谱激发，发射出待测元素特有的光谱信号，通过分光检测系统(18)对光谱信号进行分光与信号采集处理，可以得到光谱信号。通过光谱信号处理系统(19)的分析，可以实现定量或者定性的元素测量。

所述的炬管(17)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。内管(3)开口端平面相对中管(2)和外管(1)开口端平面有所突出，从而形成局部尖端或者局部较强电场，可以实现自动点火。

所述炬管的点火方式与传统的点火方式不同，传统的方式为用特斯拉线圈或者螺丝刀接触中管(2)和内管(3)顶端形成瞬间短路形成的电火花点燃等离子体，用螺丝刀点火的方式存在安全隐患以及产品体验不好的问题，用特斯拉线圈需要附加额外的高压电火花设备，而且点火针需要靠近等离子体，额外的高压设备增加了设备的复杂性，降低了设备的可靠性，点火针也会对等离子体周围的电磁场造成干扰，可能增加等离子体的不稳定性。此外，为了保证安全性，需要设计微波屏蔽结构，点火针结构的存在也会影响微波屏蔽结构的设计。自动点火的实现让微波等离子体炬的易用性大大增强，既摆脱了高压点火针对微波屏蔽结构设计的影响，又简化了装置结构，增强了可靠性和稳定性。由此可见，自动点火的微波等离子体炬原子发射光谱仪装置更加实用。