本发明专利技术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。本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术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。
技术介绍
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。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,MIP)。CMP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。金钦汉教授等于1985年专利技术了微波等离子体炬(MPT)，对应申请专利号为CN 94205428.8，MPT的专利技术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(>500W)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。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 103269561A)，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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服传统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。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。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。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。本专利技术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。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。炬管是本专利技术的核心部分，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。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。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。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。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。本专利技术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。此外，本专利技术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。此外，本专利技术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。此外，本专利技术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。根据本专利技术，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本文档来自技高网...
【技术保护点】
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(1)，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(1)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。
【技术特征摘要】
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(1)，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(1)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(1)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...
【专利技术属性】
技术研发人员：金伟，朱旦，金钦汉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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