一种可以激发大气压微波氮等离子体的炬管结构

1.本发明属于原子光谱、质谱、色光联用等分析技术领域，更具体的，涉及一种可以激发大气压微波氮等离子体的炬管结构，及等离子体形态及放电位置的调控机制，以及提高等离子体炬散热效率的细、直石英管结构。


背景技术：

2.微波等离子体炬(mpt)是一种利用微波产生等离子体的器件，所形成的等离子体可用于元素分析，为金钦汉教授等于1985年所发明，对应申请专利号为cn 94205428.8。该炬管为一端开放的三金属管同轴结构，微波能通过同轴电缆以电容、电导耦合等方式进入炬管；当腔体长度为1/4λ的奇数倍时，微波在腔体内形成驻波，等离子在炬管开口端形成。增加微波输入功率结合双谐振炬管(专利号为cn105072793a)提高炬管的激发能力与稳定性，进而提高mpt对元素的检出能力。
3.mpt外管切向通入氧气屏蔽气，中管通入氩气维持气(工作气体)，内管通入氩气载气，相比于氮等离子体，氩气由于高昂的价格而使得氩等离子体的运行成本较高，不适于工业生产过程中对于检测成本的要求。然而现有的mpt结构在较高的微波功率下尽管可以激发氮等离子体，但产生的氮等离子体在点燃后存在单点放电、烧蚀金属管、金属升温快、散热效率低、放电不稳定等问题；
4.现有的用于分析领域的大气压微波氮等离子体光源主要有：
5.(1)基于波导结构，将石英管嵌入波导内部电场最强的位置，利用电场击穿得到氮等离子体。
6.(2)表面波等离子体器件，如okamoto腔，在内导体上表面与外导体下表面的之间的间隙产生环状等离子体，其中内导体上金属表面场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场。
7.(3)基于圆波导谐振腔结构，如beenakker谐振腔，电磁场以tm
010
模式分布，在位于谐振腔轴线的石英管内激发柱状等离子体。
8.(4)基于hammer谐振腔原理，在波导内部嵌入石英管，石英管位于磁场最强位置，并激发环状等离子体。
9.(1)多数基于波导结构的等离子体光源难以形成中心通道，低功率下对液体气溶胶的耐受性弱，引入样品后易造成光源不稳定，不利于检出限的降低；而长时间高功率作业又会增加运行成本；同时，由于没有多余的散热机制，需要靠提高工作气流量来带走多余的热量，减少了样品在等离子体中停留时间，不利于样品的充分激发，也会增加运行成本。
10.(2)基于表面波结构的等离子体光源，其功率要求较高，一般大于1000w；同时，由于没有多余的散热机制，需要靠提高工作气流量来带走多余的热量，一般15～20l/min，也会增加运行成本。
11.(3)基于beenakker谐振腔原理，功率最大为500w，限制了难激发元素的检出限，没有利于样品引入的中心通道，因此液体气溶胶耐受低。
12.(4)基于hammer谐振腔原理的光源，最大功率限制为1000w不可调，且所需的工作气体流量较大，一般大于20l/min，增加了运行成本，该结构对波导谐振腔与炬管流道结构敏感，容易造成熄火和灼烧炬管问题；


技术实现要素：

13.为了获得稳定的氮等离子体激发光源，针对现有mpt结构激发氮等离子体存在的单点放电、金属灼烧、散热效率较低等问题，本发明提出一种可以激发大气压微波氮等离子体的炬管结构，在现有的炬管结构上，通过改变中管、内管的开口端及内外壁材料属性，进而改变电磁场分布，利用等离子体在非金属(如石英)的附着、贴壁现象，使得等离子体放电区位置由金属表面转移到非金属介质表面、或浮在金属表面，解决氮等离子体接触金属放电带来不稳定放电、金属烧蚀、金属导热快等问题，从而实现对等离子体的形态、放电区位置的调控并进一步激发n2mpt，降低装置运行成本。
14.本发明可通过以下技术方案予以实现：
15.一种可以激发大气压微波氮等离子体的炬管结构，包括相互独立且同轴装配的内管，中管和外管，用于保证中管与内管之间的同轴度、形成双谐振mpt结构的多孔同心支撑；用于耦合微波能量进入到同轴谐振腔中的耦合环，用于谐振腔调谐的滑动活塞，所述耦合环距离所述滑动活塞的高度为1/4λ奇数倍；所述外管上设有屏蔽气入口，所述内管与中管之间的底部设有维持气入口；所述中管为金属+非金属拼接结构，下段为金属段，上段为非金属段。
16.一种可以激发大气压微波氮等离子体的炬管结构，包括相互独立且同轴装配的内管，中管和外管，用于保证中管与内管之间的同轴度、形成双谐振mpt结构的多孔同心支撑；用于耦合微波能量进入到同轴谐振腔中的耦合环，用于谐振腔调谐的滑动活塞，所述耦合环距离所述滑动活塞的高度为1/4λ奇数倍；所述外管上设有屏蔽气入口，所述内管与中管之间的底部设有维持气入口，所述中管的上开口端的内表面设有非金属段，该中管其余部分表面为金属；所述内管底部设有载气入口。
17.一种可以激发大气压微波氮等离子体的炬管结构，包括相互独立且同轴装配的内管，中管和外管，用于保证中管与内管之间的同轴度、形成双谐振mpt结构的多孔同心支撑；用于耦合微波能量进入到同轴谐振腔中的耦合环，用于谐振腔调谐的滑动活塞，所述耦合环距离所述滑动活塞的高度为1/4λ奇数倍；所述外管上设有屏蔽气入口，所述内管与中管之间的底部设有维持气入口；所述中管上开口端的外表面为非金属段，且中管外表面非金属段的高度高于内壁金属段，且所述内管高于中管金属内壁端口位置；所述内管底部设有载气入口。
18.进一步地，所述内管非金属材料的炬管结构；所述内管底部设有载气入口。
19.进一步地，所述内管为金属导体的炬管结构。
20.进一步地，所述内管为金属+非金属拼接的炬管结构，下段为金属段，上段为非金属段；所述内管底部设有载气入口。
21.进一步地，所述中管上段外设有非金属管，该细直非金属管用密封垫片与所述外管固定，形成四管同轴mpt结构；所述非金属管上端口高于所述外管；所述密封垫片安装位置在炬管内的深度高于屏蔽气切向流入口；所述内管底部设有载气入口。
22.进一步地，所述中管非金属段长约为3～5mm，该非金属段上端与所述外管开口端齐平或略高于外管开口端，但高度小于0.5mm。
23.进一步地，所述金属段位于谐振腔内部，低于所述外管开口端面约为2～5mm。
24.进一步地，所述的多孔同心支撑位于中管和内管之间，距所述金属段开口端面深3～30mm。
25.本发明相较于现有采用外加磁场来调控大气压微波氮等离子体的方案相比有以下优点：
26.1)常温常压下，可以产生更稳定的氮等离子体并可以调控等离子体放电位置及等离子体形态，且性能控制更加稳定可靠；
27.2)散热效率更高，可在较低气体流量下得到较高的屏蔽气流速；
28.3)相比与搭建复杂的高磁场强度的外加磁场装置，本发明提供的技术方案改进成本更低，实施更为简单，且调整更灵活；
29.4)相比于需要额外引入的外加强磁场装置，本发明提供的炬管结构更为简单紧凑，不会引入额外的散热装置就可激发产生稳定的微波氮等离子体。
附图说明
30.图1是本发明具体实施例1中的中管为金属+非金属拼接结构的炬管结构示意图；
31.图2是本发明具体实施例2中的中管内表面材料改为非金属材料(如石英材料)的炬管结构示意图；
32.图3是本发明具体实施例3中的中管外表面材料改变为非金属材料(如石英材料)的炬管结构示意图；
33.图4是本发明具体实施例4中的中管为金属+非金属拼接结构基础上，内管换为非金属材料的炬管结构示意图；
34.图5是本发明具体实施例5中的中管为金属+非金属拼接结构基础上，内管换为内导体的炬管结构示意图；
35.图6是本发明具体实施例6中的中管为金属+非金属拼接结构基础上，内管换为金属+非金属拼接的炬管结构示意图；
36.图7是本发明具体实施例7中的中管为金属+非金属拼接结构基础上，中管外加细直石英管的四管同轴mpt结构示意图；
37.图8是本发明中n2mpt发生装置示意图。
38.图9是本发明中非金属管镀金属层方案示意图，图(a)为金属管+非金属拼接结构的镀层方案示意图，图(b)为非金属管外表面为金属镀层、内表面部分为金属镀层方案示意图，图(c)为非金属管内表面为金属镀层、外表面部分为金属镀层的镀层方案示意图；
39.图10是本发明中金属管开槽方案示意图，图(a)为金属管开口端内开槽示意图，图(b)为金属管开口端外开槽示意图。
40.对于上述图中主要部件说明如下：
41.1：等离子火焰；
42.2：多孔同心支撑，用于保证中管与内管之间的同轴度、形成双谐振mpt结构；
43.3：内管，多为金属材料，某些情况下可为非金属材料，如：石英；
44.4：中管，多为金属材料，如：黄铜；
45.5：外管，多为金属材料，如：黄铜；
46.6：耦合环，用于耦合微波能量进入到同轴谐振腔中；
47.7：滑动活塞，用于同轴谐振腔的调谐；
48.8：屏蔽气；
49.9：维持气；
50.10：载气；
51.11：非金属直管
52.12：带有尖端结构的金属内导体；
53.13：细直石英管，用于提高屏蔽气流速；
54.14：橡胶/硅胶密封垫片，用于将细直石英管固定在中管与外管之间。
55.15：非金属管
56.16：镀层
具体实施方式
57.以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
58.具体实施例1
59.如图1所示，一种可产生大气压微波氮等离子体的炬管结构，包括：相互独立的内管3，中管4，外管5，常用金属材料如黄铜、不锈钢等加工；用于保证中管与内管之间的同轴度、形成双谐振mpt结构的多孔同心支撑2；用于耦合微波能量进入到同轴谐振腔中的耦合环6；用于谐振腔调谐的滑动活塞7；三路气体，分别为屏蔽气8，维持气9以及载气10；其中，金属中管4的上开口端面拼接了非金属直管11，非金属管材料应满足耐高温、尺寸稳定、透波性能良好、耐化学腐蚀、耐磨、耐老化等条件，优选为石英管(图1中1为等离子火焰)。
60.外管5、中管4、内管3三管同轴装配；耦合环6距离滑动活塞7的高度为1/4λ奇数倍，优选为30.6mm；
61.屏蔽气8切向进入中、外管之间；维持气9通过中管进入中、内管之间，是用于点燃等离子体的工作气体；载气10通过内管。
62.中管4结构可能的加工工艺方式包括但不限于以下：
63.a.非金属管镀层工艺，对于本实施例如图9中图(a)所示，可在非金属管(如石英管、陶瓷管)的下段内外表面均镀金，留出3～5mm的部分内外均不镀金，以实现中管为金属+非金属结构；在装配方面，可以选择密封圈/密封垫片将中管固定在通气接口中。
64.b.采用导电胶、导电胶水、金属箔等导电胶带将非金属管与金属管拼接起来。
65.所述的中管非金属段长度约为3～5mm，其与外管开口端齐平或略高于外管开口端，但小于0.5mm；
66.所述的中管金属段位于谐振腔内部，低于外管开口端面约为2～5mm；对于3/4λ谐振腔结构，谐振腔长度约为85～91mm，长度连续可调；
67.所述的多孔同心支撑位于中管和内管之间，距中管金属段开口端面深3～30mm，优选的深度为10～15mm；
68.所述的用于产生n2mpt的气体切换方式，采用氩气点燃，然后切换为氮气，切换前的气流条件，其特征在于屏蔽气优选为氧气流量小于0.8slm，氩气维持气1.2～1.8slm，切换后的氧屏蔽气流量可以低于0.5slm、氮维持气为1.2～1.5slm；所述的功率条件，当实际耦合功率大于400w时可以完成切换后的氮等离子体激发；切换后，可通过提高微波功率和氮维持气流量以增加n2mpt体积；
69.所述的气体切换过程有2种，第1种切换过程：选择先打开氮气维持气1.5～1.8slm，接着关闭氩气维持气；第2种切换过程：采用气动阀直接完成切换过程，基于这种气体切换过程，所述的n2mpt发生装置如图8所示，氮气与氩气分别由状态相反的气动阀控制，同时操作转换开关可将氩气接出与氮气接入同时进行；
70.该结构利用等离子体对非金属壁(如石英)的附着、贴壁现象，引导等离子体放电区位置由金属表面转移到非金属介质表面、或浮在金属表面。
71.具体实施例2
72.如图2所示，给出了根据本发明专利的另一种结构示意图，所述炬管的中管4内表面材料改为非金属材料(如石英材料)的炬管结构，金属中管4的上开口端内表面为非金属直管11，优选为石英管。
73.中管4结构可能的加工工艺方式包括但不限于以下：
74.a.非金属管镀层工艺，对于本实施例如图9中图(b)所示，可在非金属管15(如石英管)的外表面镀金属层(图中16所示)，非金属管内表面留出3～5mm的高度不镀金属层，以实
75.现中管4内表面材料改为非金属材料(如石英材料)的炬管结构；
76.b.采用金属中管4开口端内部开槽结构，如图10中图(a)所示，金属中管4内部凹槽深为3～5mm，非金属管高度为4～6mm，略高于中管开槽深度。
77.该结构在中管与内管两放电极之间加入石英或陶瓷等绝缘、耐高温材料，形成介质阻挡放电，在内管与绝缘材料之间区域形成空心圆环状等离子体。
78.具体实施例3
79.如图3所示，给出了根据本发明专利的另一种结构示意图，所述炬管的中管4外表面材料改为非金属材料(如石英材料)的炬管结构，金属中管4的上开口端面外表面为非金属直管11，且金属中管4外壁非金属段的高度应高于内壁金属段的高度，非金属管优选为石英管；内管3高于中管4金属内壁。
80.中管4结构可能的加工工艺方式包括但不限于以下：
81.a.非金属管镀金工艺，对于本实施例如图9中图(c)所示，可在非金属管(如石英管)的内表面镀金属层，非金属管外表面留出3～5mm的高度不镀金属层，以实现中管4外表面材料改为非金属材料的炬管结构；
82.b.采用金属中管4开口端内部开槽结构，如图10中图(b)所示，金属中管4外部凹槽深为3～5mm，非金属管高度为4～6mm，略高于中管开槽深度。
83.该结构利用等离子体对非金属壁的附着、贴壁现象，引导等离子体放电区位置由中管4金属内壁表面转为浮在中管4金属内壁上端面、且等离子体贴非金属内壁；
84.具体实施例4
85.如图4所示，给出了根据本发明专利的另一种结构的其中一种示意图，在中管4如实施例1～3改变了内/外壁的材料属性的同时，内管换为非金属管的炬管结构。
86.具体实施例5
87.如图5所示，给出了根据本发明专利的另一种结构示意图，在中管4如实施例1～3改变了内/外壁的材料属性的同时，内管换为金属导体的炬管结构。此时，只需两路气体，分别为屏蔽气8，维持气9；内导体12上端口优选为针尖结构。
88.具体实施例6
89.如图6所示，给出了根据本发明专利的另一种结构示意图，在中管4如实施例1～3改变了内/外壁的材料属性的同时，内管换为金属+非金属拼接的炬管结构。
90.由于内管外径较细，管壁较薄，内管3结构的加工方案优选为图9中图(a)所示的非金属管镀金属层，其中至少内管3外表面下部分镀金属层。
91.具体实施例7
92.如图7所示，给出了根据本发明专利的另一种结构示意图，中管4如实施例1～3改变了内/外壁的材料属性，内管如实施例4～6改变材料属性及结构的基础上，中管外加细直非金属管13并用密封垫片14固定石英管的四管同轴mpt结构。
93.所述的细直、耐高温非金属管材料选择，应满足：耐高温、尺寸稳定、透波性能良好、耐化学腐蚀、耐磨、耐老化等，优选为石英管；非金属管13上端口优选高于外管5；
94.所述的密封垫圈安装位置在炬管内的深度应高于屏蔽气切向流入口，最佳为25～35mm；
95.所述的密封垫圈材质选择，包括但不限于橡胶、硅胶、四氟等常用密封圈材料。
96.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。