在多電極微波等離子體激發源中的電極冷卻系統的製作方法

2023-09-18 20:17:20

在多電極微波等離子體激發源中的電極冷卻系統的製作方法
【專利摘要】三個相同的電極(7)相對於中心管的軸線對稱地布置，和電極冷卻系統。每個電極的長度為1/4L，L是微波長度。每個電極(7)具有一個用於冷卻流動的空心室，與金屬管(1,2)連接。管端部(D,F)與殼體(10)短接。每個管(1,2)的長度是1/4L。這些管(1,2)與所述殼體(10)隔離。在另一種配置中，每個電極(7')的長度為3/4L。用於冷卻流動的管嵌入到電極空心腔室，入口管(12)內置於出口管。管連接器(3,4)位於金屬殼體(10')的外部。從供電連接到電極尖端和從微波連接到電極尖端的距離分別是1/2L和1/4L。
【專利說明】在多電極微波等離子體激發源中的電極冷卻系統
【技術領域】
[0001 ] 本發明的主題是一種在多電極微波等離子體激發源中的電極冷卻系統，其目的是增強應用在各種分析技術中，特別是在光學發射光譜法和質譜法中，的電容式微波等離子體激發源的冷卻。
【背景技術】
[0002]微波等離子體激發源被應用於各種分析技術，來激發一個被輸送到一個等離子區的分析樣品。由於高的等離子溫度，應用在電容式激發源中的電極，也被稱為天線，可以達到與熱傳導和等離子輻射有關的高的表面溫度值。當供給到一個電極的功率的某一臨界密度已被超過，根據上述因素，與電極材料相關的分析譜線在發光光譜中上升，並且如果功率密度仍然增加，電極甚至可能損壞。所述的過程約束光譜源的如電子密度數量和激發溫度等這種顯著參數。加強的電極冷卻對於足夠高的源參數的潛在應用是有必要的。
[0003]在典型的微波激發源中，微波諧振器被統一為具有一個2.45GHz的微波功率發生器，所述諧振器被使用不吸收微波輻射的冷卻氣體或液體的系統冷卻。一種水氣霧劑也可以用作這樣的介質，因為由噴灑在氣體中的水分子的輻射吸收是微弱的。如果使用水，冷卻系統必須設在微波場力線集中區以外，例如在微波諧振器壁中或在放電管周圍，以避免過多的水的微波輻射吸收。
[0004]US5568015的專利說明書中描述了一種微波等離子體激發源，其中微波等離子體發生器諧振器是由介電材料製成，並且所述冷卻劑實質上是通過一個螺旋形通道供給，該螺旋形通道保持與諧振器壁和一個不吸收微波的外部介質的接觸。在這種系統中，可以使用水作為冷卻劑，由於螺旋通道相對於微波場力線的合適的情況。這種解決方案是用於單電極的等離子體激發源。
[0005]從PL385484專利申請已知一種用於多相位電極系統的等離子體加熱的方法和系統。該方法是，由等離子體發生器的至少三個相同的元件提供至少三個電磁波到圍繞所產生的等離子體的一個圓上對稱分布的點。作為氣體流過該圓心的結果，等離子體獲得一個環形形狀，外部粒子通過其中心被饋送。該系統配備有至少一個功率發生器和至少三個相同的對稱地分布在一個圓上的電極，在該圓中心，等離子體發生器的放電管垂直於電極系統放置。放電管包括一個管，該管將外部粒子供給到等離子體激發區。在這樣的激發源中使用的電極的長度通常為1/4L或等於該長度的奇數倍，其中L是由微波能源產生的微波的長度，所述電極的長度是從它的頂部測量到供電點。如果供電點以微波最大值連接到所述電極，電極的長度也可以是3/4L或其多倍。
[0006]具有電容耦合的多電極激發源用於產生一個旋轉微波場，並從惰性氣體如氬、氦、氖，和這種分子氣體如氫、氮、氧或大氣兩者中，在激發區獲得穩定的環形等離子體。在微波等離子體產生後，根據工作氣體流過激發源、電極材料和結構、以及電極供給模式，即一個脈衝或連續脈衝，電極的溫度上升。該電極由通過在電極屏蔽殼體的通道供給到所述電極的空氣冷卻。儘管在激發源的長期工作過程中空氣冷卻，但電極表面可以達到與熱傳導和等離子體輻射相關的高的溫度。

【發明內容】

[0007]本發明的目的是開發一種冷卻系統，用於多電極微波等離子體激發源的加強冷卻，其中通過一個電容耦合，能量從一個高頻發生器供給到等離子體流。
[0008]一個多電極微波等離子體激發源中的電極冷卻系統，包括電極冷卻劑供給和移除系統，同時激發源由相對於中心管的軸線對稱地布置的至少三個相同的電極構成，所述中心管供給一個分析樣品，並且多個電極被安裝在一個電絕緣的金屬殼體中，使得電極的頂部放置在中心管的出口，並且他們的端部在供電點與微波連接短接，所述微波連接在電極的縱向軸線的延伸方向嵌入到殼體中，並且所述微波連接與微波功率源耦合，尤其是
2.45GHz的頻率，而每個電極從其頂部測量到供電點的長度為1/4L，其中L是由微波功率源產生的微波的長度，根據本發明，由一個特徵區分開來:每個電極具有一個用於冷卻劑的空心的縱向流動室，與金屬側管連接，供給和移除冷卻劑的第一和第二金屬側管，同時外側的管端部與殼體電氣短接，每個側管在金屬殼體內的長度，從與電極的連接測量到外側殼體壁10,是1/4L。此外,側管在整個長度上與所述殼體隔尚，並且有利地,側管在殼體外部與入口和出口管連接器連接。
[0009]另一個多電極微波等離子體激發源中的電極冷卻系統，包括電極冷卻劑供給和移除系統，同時激發源由相對於中心管的軸線對稱地布置的至少三個相同的電極構成，所述中心管供給一個分析樣品，並且多個電極被安裝在一個電絕緣的金屬殼體中，使得電極的頂部放置在中心管的出口，並且他們的端部延伸到殼體圓周的外壁，此外，電極在周圍於供電點與微波連接短接，微波連接嵌入到殼體中，並且所述連接與微波功率源耦合，尤其是
2.45GHz的頻率，而每個電極從其頂部測量到其在殼體圓周的外壁的端部的長度為3/4L，其中L是由微波功率源產生的微波的長度，根據本發明，由一個特徵區分開來:每個電極具有一個用於冷卻劑的空心的縱向流動腔室，帶有嵌入的內管，內管與位於電極外側的入口管連接器連接，並且出口管連接器連接到圍繞內管布置的在流動腔室中的內部通道，並且管連接器位於金屬殼體的外部，而每個電極的端部與殼體短接，從供電點到頂部的距離為1/2L，並且從這個點到嵌入在殼體的微波連接的距離是1/4L。
[0010]根據本發明，所述冷卻系統幾乎不吸收微波輻射，使得各種冷卻液體，包括水，可被用作冷卻劑，用於多電極等離子體激發源中的加強電極冷卻，而沒有任何微波功率損失。
[0011]在一個具有安裝在電極縱向軸線的微波連接的多電極激發源中，沒有冷卻水能夠通過一個電介質管供給到電極，因為電介質,作為一種損耗材料，其本身會吸收一些功率，並將開始升溫。這將導致提供到等離子體的功率的一些損失。為了避免上述影響，金屬側管的長度應該是微波長度L或其倍數的四分之一。如果四分之一波長電極和側管被使用，這種微波技術已知的被稱為四分之一波支持出現，其對於微波是無限的並聯阻抗。
[0012]在一個具有與電極垂直或成一角度安裝的微波連接的多電極激發源的情況下，冷卻水可以通過位於所述殼體外部的管連接器來供給。內管可以由任何材料製成，因為微波傳播在電極表面上。如果使用長度為3/4L長度的電極，其端部應位於所述殼體外壁，並且供電點應與電極短接，距電極端部和距微波連接四分之一波長的距離。在這樣的冷卻系統中，在電極運行期間，四分之一波支持發生，這允許電極為水冷式，而沒有任何微波功率損失。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]本發明的主題在附圖所示的例子中解釋，其中，圖1顯示了一種多電極微波等離子體激發源的俯視圖。圖2顯示了圖1中的激發源的Z-Z軸向的截面圖。圖3示出了多電極激發源中的冷卻系統的另一個實施例，圖4示出另一種具有電極冷卻系統的多電極微波等離子體激發源。
【具體實施方式】
[0014]如圖1和圖2所示，多電極微波等離子體激發源包括相對於中心管9的軸線對稱地布置的至少三個相同的電極7，所述中心管9供給氣態狀態的(如氣體的混合物或帶工作氣體的氣霧劑)的分析樣品。電極7被安裝在電絕緣的金屬殼體I上，使得多個電極7的頂部A放置在中心管9的出口，並且他們的端部在供電點B處與微波連接6短接，所述微波連接6在電極7的縱向軸線的延伸方向嵌入到殼體10中。微波連接與微波功率源連接。電極之間的相移確保系統獲得一個旋轉微波場，並在電極7的頂部之間的等離子體激發區域中產生穩定的環形等離子體。所述中心管9安裝在放電管8內部，通過環形墊圈11同心地位於殼體10內部。空氣、工作氣體或氣簾氣(curtain gas)能夠通過放電管8供給。如果沒有放電管8，其功能可以通過由殼體10的內壁形成的圓柱狀通道來進行。中央管9和放電管8由介電材料製成，通常由陶瓷或石英材料製成。該金屬殼體10的目的是為了固定和屏蔽電極7。電極7的冷卻系統包括每個電極7中的空心的流動腔室和冷卻劑供給和移除管。
[0015]如圖2所示，每個電極7的冷卻系統由金屬側管1、2組成，第一和第二金屬側管，其供給和移除冷卻劑到的電極7中的空心的流動腔室。側管1、2在電極7圓周的相對側上以到其頂部A、管的外端部D、F不同的距離不對稱地連接到電極7，管的外端部D、F位於圓柱形的殼體10圓周的外壁，與殼體10電氣短接。每個電極7，從它的頂部A到供電點B的長度，等於1/4L，其中L是由微波功率源產生的微波的長度。在金屬殼體10內部的每個側管1、2的長度，從與電極7的連接測量到殼體10的外壁，等於電極7的長度，並且側管1、2在整個長度上與殼體10分離。管的端部能夠配置間隔元件。
[0016]側管1、2在殼體10的外部與進口和出口管連接器3、4連接。兩個管被安裝在電極7的縱向軸線的相對側，並向圓柱形殼體10的圓周的外壁傾斜彎曲。第一側管I的長度是由它的外端部D和永久地固定在電極7的內端部E之間的距離決定。第二側管2的長度是由它的外端部F和永久地固定在電極7的內端部C之間的距離決定。如果放電管8延伸超過等離子體激發區，在其側壁製作用於電極7的孔。
[0017]圖3所示的冷卻系統是不同的，因為側管1、2以從頂部A相同的距離對稱地連接到電極7。兩個側管垂直於所述電極7的縱向軸線布置，並且他們的相對的外端部F、D被引到與殼體10電氣短接的殼體10的側壁。在圖3中所示的放電管8位於等離子體激發區的下方，並且在中心管9的出口孔邊緣的下方。
[0018]如圖4所示，另一種多電極微波等離子體激發源由相對於中心管9的軸線對稱地布置的至少三個相同的電極7』組成，所述中心管9供給分析樣品。電極7』固定在電絕緣的金屬殼體10』中，使得多個電極7』的頂部A放置在中心管9的出口，並且他們的端部延伸到殼體10』圓周的外壁。此外，電極7』在周圍於供電點B處與微波連接6短接，微波連接6垂直於每個電極7』的縱向軸線或以相對於每個電極7』的縱向軸線的不同的角度嵌入到殼體10』。微波連接6的連接點G位於殼體10』的內側壁。微波連接6與微波功率源通過電源供給輸入端5連接。所述冷卻系統由向電極7』供給冷卻劑和從電極7』移除冷卻劑的系統組成。每個電極7』具有一個用於冷卻劑的空心的縱向流動腔室，帶有嵌入的內管12，內管12與位於電極外側的入口管連接器3連接，出口管連接器4連接到圍繞內管12布置的在流動腔室中的內部通道。所述管連接器3、4位於金屬殼體10』的外部。流動腔室在電極7』的端部使用部件H封閉。每個電極7』的長度，從它的頂部A測量到它的在殼體10』圓周的外壁的端部，是3/4L，其中L是由微波功率源產生的微波的長度，從供電點B到頂部A的距離為1/2L，並且從電極7』到嵌入在殼體10』的微波連接6的距離是1/4L。電極7』端部與殼體10』短接，有利地通過金屬部件H。如果使用一個2.45GHz的微波功率源，微波長度L大約是12cm，電極7』的長度大約是9cm。中央管9可以被安裝入放電管8，放電管8供給空氣、工作氣體或氣簾氣(curtain gas)。兩個管由介電材料製成,通常由陶瓷或石英製成。安裝在電極7』內部的內管12』可以由金屬或介電材料製成。
【權利要求】
1.一種多電極微波等離子體激發源中的電極冷卻系統，包括電極冷卻劑供給和移除系統，同時激發源包括相對於中心管的軸線對稱地布置的至少三個相同的電極，所述中心管供給一個分析樣品，並且電極被安裝在一個電絕緣的金屬殼體中，使得電極的頂部布置在中心管的出口，並且其端部在供電點與微波連接短接，所述微波連接在電極的縱向軸線的延伸方向嵌入到殼體中，並且所述連接與微波功率源耦合，尤其是2.45GHz的頻率，而每個電極從其頂部測量到供電點的長度為1/4L，其中L是由微波功率源產生的微波的長度，其特徵在於:每個電極(7)有一個具用於冷卻劑的空心的縱向流動室，與金屬側管(1，2)連接，供給和移除冷卻劑的第一和第二金屬側管，同時外側的管端部(D，F)與殼體(10)電氣短接，每個側管(1，2)在金屬殼體(10)內的長度，從與電極(7)的連接測量到殼體(10)的外壁，是1/4L，此外，側管(1，2)在整個長度上與所述殼體(10)隔離。
2.根據權利要求1所述的冷卻系統，其中，所述側管(1，2)在殼體(10)外部與入口和出口管連接器(3，4)連接。
3.一種多電極微波等離子體激發源中的電極冷卻系統，包括電極冷卻劑供給和移除系統，同時激發源包括相對於中心管的軸線對稱地布置的至少三個相同的電極，所述中心管供給一個分析樣品，並且多個電極被安裝在一個電絕緣的金屬殼體中，使得電極的頂部放置在中心管的出口，並且他們的端部延伸到殼體圓周的外壁，此外電極在周圍於供電點與微波連接短接，微波連接嵌入到殼體中，並且所述連接與微波功率源耦合，尤其是2.45GHz的頻率，而每個電極從其頂部測量到其在殼體圓周的外壁的端部的長度為3/4L，其中L是由微波功率源產生的微波的長度，其特徵在於:每個電極(7』)具有一個用於冷卻劑的空心的縱向流動腔室，帶有嵌入的內管(12)，內管(12)與位於電極外側的入口管連接器(3)連接，並且出口管連接器(4)連接到圍繞內管(12)布置的在流動腔室中的內部通道，並且管連接器(3，4)位於金屬殼體(10』)的外部，而每個電極(7』)的端部與殼體(10』)短接，從供電點(B)到頂部(A)的距離為1/2L，並且從這個點到嵌入在殼體(10』)的微波連接(6)的距離是1/4L。
【文檔編號】H05H1/46GK103891418SQ201280049861
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年7月7日 優先權日:2011年10月13日
【發明者】安傑·冉斯扎, 克日什託夫·揚可夫斯基, 愛德華·若斯喀 申請人:應用光學研究所