一種矩形波導微波等離子體光源的製作方法

2023-07-29 12:40:56

專利名稱:一種矩形波導微波等離子體光源的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種矩形波導微波等離子體光源，包括矩形波導諧振腔，載氣模塊，調節模塊，光路模塊，電路控制系統，維持氣控制系統，樣品載氣控制系統。本實用新型提供了一種矩形波導微波等離子體光源，激發能量可以從200瓦到數千瓦，在電路控制系統的作用下，微波能量在諧振腔中將通過的載氣電離形成等離子體，這種等離子體含有樣品光譜信息並可以通過光路模塊傳遞出來，以實現對介質氣中的物質進行分析的目的。
【專利說明】一種矩形波導微波等離子體光源

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及精密分析儀器領域，尤其涉及一種矩形波導微波等離子體光源。【背景技術】
[0002] 矩形波導是某一形式的電磁波在金屬諧振腔中進行能量傳遞的裝置。以微波頻段 在金屬矩形腔中進行能量交換就是矩形微波諧振，它可以提供很高的能量，例如：家用的微 波爐、商用的微波加熱、烘乾設備等，就是利用微波在金屬矩形腔中的諧振產生能量為人們 服務。上述的這些舉例中的設備對微波能量的許多技術參數，例如微波能量穩定性等，要求 並不高。作為儀器分析使用的微波目前僅限於在同軸諧振腔內諧振產生等離子體，它的激 發能量受到了限制（一般小於200瓦）。鑑於科學的進步與發展，探索儀器分析使用的高能 量、高穩定性微波等離子體的發生成為必然。 實用新型內容
[0003] 為了解決上述現有技術中存在的缺陷，本實用新型提供了一種矩形波導微波等離 子體光源，激發能量可以達到數千瓦，在電路控制系統的作用下，微波能量在諧振腔中將通 過的載氣電離形成等離子體，這種等離子體含有樣品光譜信息並可以通過光路模塊傳遞出 來，以實現對介質氣中的物質進行分析的目的。
[0004] 為了實現上述目的，本實用新型的一種矩形波導微波等離子體光源，包括：
[0005] 矩形波導諧振腔；
[0006] 用於將微波能量輸送到矩形波導諧振腔中的電路控制系統，連接於所述矩形波導 諧振腔的一側端面上；
[0007]載氣模塊，包括連接至維持氣控制系統並將維持氣輸送至矩形波導諧振腔內的維 持氣輸送通道，以及連接至樣品載氣控制系統並將樣品載氣輸送至矩形波導諧振腔內的樣 品載氣輸送通道；
[0008]用於將維持氣與樣品載氣的混合氣在矩形波導諧振腔內受微波激發產生微波等 離子體時所發出的光信號導出至分析儀器的光路模塊；
[0009] 用於向矩形波導諧振腔內提供維持氣的維持氣控制系統；及
[0010] 用於向矩形波導諧振腔內提供樣品載氣的樣品載氣控制系統。
[0011] 所述矩形波導諧振腔滿足以下條件：
[0012] a= 0? 7 入，b=a/2, 1 =入 /2，入=122. 2mm，
[0013] 其中a、b、1分別為矩形波導諧振腔的寬、高、長，A為波導波長。
[0014]所述載氣模塊，包括在所述矩形波導諧振腔的上、下端面中心位置貫通設置的石 英外管，所述樣品載氣輸送通道以及所述維持氣輸送通道連接至所述石英外管內。
[0015]所述石英外管的下端設置有柱塞，所述維持氣輸送通道及所述樣品載氣輸送通道 開設在所述柱塞內；所述樣品載氣輸送通道內設置有與所述電路控制系統相關聯以完成耦 合探針功能的導氣銅管，所述導氣銅管與所述石英外管同軸並向上延伸至所述矩形波導諧 振腔的內部。
[0016] 所述光路模塊靠近所述矩形波導諧振腔內部的中心點，包括由同軸設置的三個凸 透鏡組成的透鏡組以及用於安裝所述透鏡組的透鏡基座；所述透鏡組，包括靠近所述中心 點並將點光源折射形成平行光的第一凸透鏡，與第一凸透鏡相鄰並將平行光匯聚形成點光 源的第二凸透鏡，以及與第二凸透鏡相鄰並將點光源折射形成平行光的第三凸透鏡。
[0017] 所述第一凸透鏡、第二凸透鏡的直徑①為12cm，焦距f為6cm;所述第三凸透鏡直 徑①為6cm，焦距f為3cm。
[0018] 所述透鏡基座為設置有內螺紋的筒狀結構；所述第一凸透鏡、第二凸透鏡、第三凸 透鏡間隔設置在透鏡基座內；所述透鏡基座內還設置有用於卡住所述第一凸透鏡、第二凸 透鏡、第三凸透鏡的多個外螺紋鎖緊環。
[0019] 所述矩形波導微波等離子體光源，還包括調節模塊；所述調節模塊包括設置在所 述矩形波導諧振腔內並且可在矩形波導諧振腔內滑動的反射滑板，以及與所述反射滑板相 連，用於帶動所述反射滑板移動的傳動部。
[0020] 所述傳動部包括用於傳動的絲槓；所述絲槓穿過位於所述矩形波導諧振腔側壁上 具有內螺紋的絲槓孔，一端與所述反射滑板可轉動地連接，另一端連接動力源。
[0021] 技術原理：
[0022] 微波能是一種電磁能，因此它遵循電磁理論。駐波是頻率和振幅均相同、振動方向 一致、傳播方向相反的兩列波疊加後形成的波，兩列波疊加後波形並不向前推進。在矩形 波導諧振腔中，電磁場被限制在腔體內，振蕩實際上是由電磁波在腔壁上來回反射而形成 的穩定駐波。也就是入射波（推進波）與反射波相互幹擾而形成的波形不再向前推進（僅 波腹上、下振動，波節不移動）的電磁波。
[0023] 矩形波導諧振腔是幾何形狀最簡單的一種空腔諧振器，是由一段兩端用導體板 封閉的矩形波導構成的諧振腔，腔體的尺寸為aXbXl(a為矩形波導諧振腔體橫截面的 寬，b為矩形波導諧振腔體橫截面的高，1為矩形波導諧振腔體的長度）。在一定的腔體 尺寸下，不是任意波長的電磁波都能在腔中振蕩的，而只有那些能夠在腔中滿足一定駐波 分布的電磁波才能夠振蕩，它們的波導波長是由腔的尺寸所決定的。依據電磁理論得出 入/1.8〈a〈入，（入為波導波長），0〈b〈l1 =p?入/2,（p可以取1，2,3-)。在以上電磁 理論指導下，通過實踐得出本實用新型採用微波波導的實際經驗值，a= 0. 7A，b=a/2， 1=A/2。依據電磁理論，在矩形波導諧振腔中電場與磁場之間有90度相位差，電場瞬時 值達到純駐波振幅值的瞬間，磁場瞬時值為零，腔內電場能量最大，磁場能量為零；在相隔 1/4周期的瞬間，磁場瞬時值達到純駐波的振幅值，電場瞬時值為零，腔內磁場能量最大，電 場能量為零。腔體左右和前後四周的內表面中心線處是純駐波磁場的波腹（磁場有最大的 切向分量），也是純駐波電場的波節（電場的切向分量為零）。在電磁能量（微波能量）足 夠大的情況下，就可以將此處的介質氣體激發產生微波等離子體。
[0024] 此時，以純淨的氣體作為激發產生微波等離子體的維持氣，再通入含有樣品的氣 體進入微波等離子體中共同激發產生等離子體，微波等離子體中就含有了樣品的成分，它 以光信號的形式傳遞出來。對此信號加以分析，就可以檢測得知待檢測樣品及其含量。因 此，在矩形波導諧振腔的側壁與微波等離子體中心位置之間安放一光路模塊，將微波等離 子體轉換成儀器可以檢測的光信號。
[0025] 依據光學原理，矩形波導諧振腔中的微波等離子體視為點光源，進入光路模塊的 第一凸透鏡後出射平行光，平行光進入第二凸透鏡後聚焦於一點，以此點為點光源進入第 三凸透鏡後出射平行光。當然，第三個雙凸透鏡採用比較小的焦半徑，這樣出射平行光可視 為點光源便於儀器接收，整體構成光路模塊。
[0026] 在矩形波導諧振腔中產生微波等離子體是需要能量的，本實用新型採用的振蕩激 勵方式為探針耦合，通過它將微波能量輸送到矩形波導諧振腔中產生諧振並激發微波等離 子體，具體耦合探針為一銅管深入矩形波導諧振腔中相關部位，同時可以輸送樣品載體於 矩形波導諧振腔中。而為了控制產生微波等離子體，在耦合探針外套一石英外管，可以通入 產生微波等離子體的維持氣體。
[0027] 依據電磁理論，矩形波導諧振腔的腔壁有微小的變化，矩形波導諧振腔中的諧振 頻率會有微小的變化，也就是產生微波等離子體的能量有微小的變化。因此，在本實用新型 中採用在矩形波導諧振腔內一端放置移動金屬滑板的調節模塊以微調微波等離子體，保持 穩定的等離子體離子源。
[0028] 採用上述技術方案，本實用新型的矩形波導微波等離子體光源，具有以下有益效 果：
[0029] 1、該光源通過矩形波導諧振腔可以產生較大的激發能量，從而對通過維持氣控制 系統、樣品載氣控制系統和載氣模塊輸送至矩形波導諧振腔內的含有檢測物質的氣體電離 形成等離子體；
[0030] 2、本實用新型的矩形波導微波等離子體光源同時還能夠對在諧振腔內電離形成 的等離子體所含有樣品光譜信息通過光路模塊傳遞出來，對樣品載氣中的物質進行分析， 從而使該光源能夠應用於離子源精密分析領域；
[0031] 3、在矩形波導諧振腔中，採用a= 0. 7A，b=a/2, 1 =A/2,在微波能量滿足條 件的情況下，可以產生微波等離子體；
[0032] 4、通過所述透鏡組，可以將最終出射的平行光視為點光源便於儀器接收；
[0033] 5、所述導氣銅管既是樣品載氣通道又是耦合探針，使用方便；
[0034] 6、通過調節模塊，可以調節反射滑板的位置以實現對矩形波導諧振腔尺寸的微 調，使矩形波導諧振腔中的諧振頻率會有微小的變化，也就使得產生微波等離子體的能量 有微小的變化，從而能夠通過微調手段保持穩定的等離子體離子源。

【附圖說明】

[0035] 圖1為本實用新型整體結構示意圖。
[0036] 圖2為本實用新型中矩形波導諧振腔結構示意圖。
[0037] 圖3為本實用新型中載氣模塊結構示意圖。
[0038] 圖4為本實用新型中石英外管結構示意圖。
[0039] 圖5為本實用新型中導氣銅管結構示意圖。
[0040] 圖6為本實用新型中基座結構示意圖。
[0041] 圖7為本實用新型中調節模塊結構示意圖。
[0042] 圖8為本實用新型中手輪結構示意圖。
[0043] 圖9為本實用新型中反射滑板結構示意圖。
[0044] 圖10為本實用新型中鎖緊螺母結構示意圖。
[0045] 圖11為本實用新型中光路模塊結構示意圖。
[0046] 圖12為本實用新型中透鏡基座結構示意圖。
[0047] 圖13為本實用新型中第一凸透鏡結構示意圖。
[0048] 圖14為本實用新型中第三鎖緊環結構示意圖。
[0049] 圖15為本實用新型中第二凸透鏡結構示意圖。
[0050] 圖16為本實用新型中第二鎖緊環結構示意圖。
[0051] 圖17為本實用新型中第三凸透鏡結構示意圖。
[0052] 圖18為本實用新型中第一鎖緊環結構示意圖。
[0053] 圖19為本實用新型原理結構示意圖。
[0054] 圖20為本實用新型中光路模塊工作原理示意圖。
[0055] 圖中：1、矩形波導諧振腔；2、載氣模塊；3、調節模塊；4、光路模塊；5、電路控制系 統；6、維持氣控制系統；7、樣品載氣控制系統；11、法蘭結構；12、腔體；13、通孔；131、通 孔；14、絲槓孔；15、光路導孔；21、石英外管；22、導氣銅管；23、柱塞；231、樣品載氣輸送通 道；232、臺肩；233、維持氣輸送通道；31、傳動部；32、反射滑板；33、鎖緊螺母；311、手輪； 312、絲槓；313、連接柱；321、螺母槽；322、插入孔；41、透鏡基座；42、第二凸透鏡；43第二 鎖緊環；44、第一凸透鏡；45、第一鎖緊環；46、第三凸透鏡；47、第三鎖緊環；411、第一臺階； 412、第二臺階。

【具體實施方式】
[0056] 本實用新型針對目前現有的作為儀器分析使用的微波僅限於在同軸諧振腔內諧 振產生等離子體的缺陷，使用矩形波導微波等離子體諧振腔，在電路控制系統的作用下，微 波能量在諧振腔中將通過的載氣電離形成等離子體，這種等離子體含有樣品光譜信息並可 以通過光路模塊傳遞出來，以作為離子源應用於精密分析儀器中。
[0057] 以下通過附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步的詳細說明。
[0058] 參見圖1，本實用新型的矩形波導微波等離子體光源，包括矩形波導諧振腔1，載 氣模塊2,調節模塊3,光路模塊4,電路控制系統5,維持氣控制系統6,樣品載氣控制系統 7〇
[0059] 參見圖2所示，所述矩形波導諧振腔1包括一封閉金屬腔體12,在所述腔體12的 一側端面上設置有法蘭結構11，連接有電路控制系統5,包括控制電路、磁控管和機動調諧 器等，用於將適當的微波能量輸送到矩形波導諧振腔中，上述電路控制系統5為常規器件， 不做敘述。
[0060] 在所述腔體12的上、下端面正中位置分別設置有通孔13、131。如圖3?6所示， 載氣模塊2包括貫通所述通孔13、131的石英外管21，所述石英外管21的下端設置有柱塞 23,石英外管21的底部與柱塞23上的臺肩232緊密配合。
[0061] 所述柱塞內開設有連接至維持氣控制系統6並將維持氣輸送至石英外管21內的 維持氣輸送通道233,以及連接至樣品載氣控制系統7並將樣品載氣輸送至石英外管21內 的樣品載氣輸送通道231。
[0062] 產生微波等離子體的維持氣通過維持氣通道233進入石英外管21，待微波波導諧 振後激發形成等離子體。其中，維持氣的輸送通過維持氣控制系統6控制。本實用新型採 用高純淨氬氣作為等離子體維持氣。
[0063] 導氣銅管22為銅管式耦合探針，與所述石英外管21同軸，底部穿過樣品載氣輸送 通道231後與樣品載氣控制系統7相連接，並且與電路控制系統5相關聯以完成耦合探針 的功能，實現振蕩激勵作用。樣品載氣通過導氣銅管22後，與石英外管21中的維持氣混合。 本實用新型採用高純淨氬氣作為樣品載氣。所述維持氣控制系統6、樣品載氣控制系統7均 為常規設備，在此不做敘述。
[0064] 參見圖19,示出了矩形諧振腔中的氣體產生微波等離子體原理結構示意。依據電 磁理論，在矩形波導諧振腔中，腔體的左、右和前、後側壁的內表面中心線處，即區域20,是 純駐波磁場的波腹（磁場有最大的切向分量），也是純駐波電場的波節（電場的切向分量為 零）。在電磁能量（微波能量）足夠大的情況下，就可以將此處的介質氣體激發產生微波等 離子體。
[0065] 在電磁理論指導下，通過實踐得出本實用新型採用微波波導的實際經驗值，a= 0.7 入，b=a/2，l=入/2〇
[0066]採用f=2450MHZ的微波，
[0067]因為人=v/f，v= 3X108m，
[0068]那麼人=3X108m/2450MHZ = 122. 2mm〇
[0069]因此，矩形波導諧振腔a=0.7人=0.7X 122. 2mm=85. 54mm，
[0070]則取a= 85. 5mm時，b=a/2 = 42. 7mm，1 =入/2 = 61.lmm〇
[0071] 滿足以上數據，矩形諧振腔中的波導就會以微波2450MHZ左右的頻率發生諧振， 並激發矩形諧振腔中的氣體產生微波等離子體。
[0072] 圖11?18示出了光路模塊4的結構，所述光路模塊4通過位於腔體12側壁上的 光路導孔15處嵌入矩形波導諧振腔中，包括由第一凸透鏡44、第二凸透鏡42、第三凸透鏡 46間隔設置組成的透鏡組以及用於安裝所述透鏡組的透鏡基座41
[0073] 所述透鏡基座41可以為發黑處理後的鋁合金材料的筒狀結構，內壁設有能夠與 多個外螺紋的鎖緊環相互配合的內螺紋。所述多個鎖緊環為鋁合金材料並發黑處理。
[0074] 在所述透鏡基座41位於所述第二凸透鏡42遠離所述第一凸透鏡44的一側設置 有徑向向內用於卡住第二凸透鏡42的第二臺階412 ;在所述透鏡基座41位於所述第三凸 透鏡46靠近所述第二凸透鏡42 -側的位置設置有徑向向內用於擋住第三凸透鏡46的第 一臺階411。如圖11、12所示，透鏡組的安裝結構的位置關係為依次設置的第一鎖緊環45、 第一凸透鏡44、第二鎖緊環43、第二凸透鏡42、第二臺階412、第一臺階411、第三凸透鏡 46、第三鎖緊環47。
[0075] 所述透鏡組的三個凸透鏡均為雙凸透鏡。所述第三凸透鏡46參數採用①=6cm、 f= 3cm。第二凸透鏡42與第一凸透鏡44的參數均採用①=12cm、f= 6cm。以上透鏡 放置均位於同一中心軸線上。
[0076] 參見圖20,顯示了光路模塊4的光學原理。依據光學理論中的費馬原理，將等離子 體電離的區域20視為點光源，那麼，它的發射光通過第一凸透鏡44後形成平行光經過第二 凸透鏡42折射後聚焦於一點，放置透鏡時使第三凸透鏡46的焦點位置與第二凸透鏡44的 焦點位置重合，那麼此處的點光源通過第三凸透鏡46後形成平行光，由於它的透鏡參數變 化，在檢測儀器中可視為此時的出射平行光為平行光點光源，此時它攜帶的樣品的光譜信 息沒有變化，而作為分析儀器點光源就非常實用、方便，可以直接作為儀器離子源與分析儀 器中光學單色儀或其它檢測接收部分連接。
[0077] 參見圖7?10,示出了調節模塊3結構。所述調節模塊3包括設置在所述矩形 波導諧振腔內並且可在矩形波導諧振腔內滑動的反射滑板32,以及與所述反射滑板32相 連，用於帶動所述反射滑板移動的傳動部31。
[0078] 所述傳動部31包括用於傳動的絲槓312 ;在腔體12與法蘭結構11相對的一側端 面中心位置開設有一內螺紋的絲槓孔14,所述絲槓312穿過所述絲槓孔14, 一端與所述反 射滑板32可轉動地連接，另一端連接動力源（圖中未示出）。所述動力源可以為人力，也 可以是其他動力機構，諸如電機等。本實施例中採用人力輸入，所述絲槓412連接有一手輪 311，通過轉動手輪311帶動絲槓312旋轉，從而絲槓312帶動所述反射滑板32滑動以微調 微波等離子體來保持穩定的等離子體的穩定。
[0079] 所述絲槓312靠近反射滑板32的端部設置有向外伸出的連接柱313,連接柱313 的端部設置有外螺紋，該連接柱313插入到所述反射滑板32中心位置的插入孔322內，並 與位於反射滑板32另一側的一鎖緊螺母33螺紋連接。所述鎖緊螺母33嵌入在所述反射 滑板32中的螺母槽321內。所述連接柱313端部與所述鎖緊螺母33連接後，所述連接柱 313能夠在插入孔322內自由轉動。
[0080] 將本實用新型作為離子源安裝在安捷倫發射光譜儀ICP--0ESE-700上進行試驗， 得出相關數據如下表：
[0081]

【權利要求】
1. 一種矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，包括： 矩形波導諧振腔； 用於將微波能量輸送到矩形波導諧振腔中的電路控制系統，連接於所述矩形波導諧振 腔的一側端面上； 載氣模塊，包括連接至維持氣控制系統並將維持氣輸送至矩形波導諧振腔內的維持氣 輸送通道，以及連接至樣品載氣控制系統並將樣品載氣輸送至矩形波導諧振腔內的樣品載 氣輸送通道； 用於將維持氣與樣品載氣的混合氣在矩形波導諧振腔內受微波激發產生微波等離子 體時所發出的光信號導出至分析儀器的光路模塊； 用於向矩形波導諧振腔內提供維持氣的維持氣控制系統；及 用於向矩形波導諧振腔內提供樣品載氣的樣品載氣控制系統。2. 如權利要求1所述的矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，所述矩形波導諧振 腔滿足以下條件： a = 0.7A，b = a/2，l =入/2，λ = 122. 2mm， 其中a、b、1分別為矩形波導諧振腔的寬、高、長，λ為波導波長。3. 如權利要求1或2所述的矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，所述載氣模塊， 包括在所述矩形波導諧振腔的上、下端面中心位置貫通設置的石英外管，所述樣品載氣輸 送通道以及所述維持氣輸送通道連接至所述石英外管內。4. 如權利要求3所述的矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，所述石英外管的下 端設置有柱塞，所述維持氣輸送通道及所述樣品載氣輸送通道開設在所述柱塞內。5. 如權利要求4所述的矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，所述樣品載氣輸送 通道內設置有與所述電路控制系統相關聯以完成耦合探針功能的導氣銅管，所述導氣銅管 與所述石英外管同軸設置並向上延伸至所述矩形波導諧振腔的內部。6. 如權利要求1或2所述的矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，所述光路模塊的 位置靠近所述矩形波導諧振腔內部的中心點，包括由同軸設置的三個凸透鏡組成的透鏡組 以及用於安裝所述透鏡組的透鏡基座；所述透鏡組，包括靠近所述中心點並將點光源折射 形成平行光的第一凸透鏡，與第一凸透鏡相鄰並將平行光匯聚形成點光源的第二凸透鏡， 以及與第二凸透鏡相鄰並將點光源折射形成平行光的第三凸透鏡。7. 如權利要求6所述的矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，所述第一凸透鏡、第 二凸透鏡的直徑Φ為12cm，焦距f為6cm ;所述第三凸透鏡直徑Φ為6cm，焦距f為3cm。8. 如權利要求6所述的矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，所述透鏡基座為設 置有內螺紋的筒狀結構；所述第一凸透鏡、第二凸透鏡、第三凸透鏡間隔設置在透鏡基座 內；所述透鏡基座內還設置有用於卡住所述第一凸透鏡、第二凸透鏡、第三凸透鏡的多個外 螺紋鎖緊環。9. 如權利要求1或2所述的矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，還包括調節模 塊；所述調節模塊包括設置在所述矩形波導諧振腔內並且可在矩形波導諧振腔內滑動的反 射滑板，以及與所述反射滑板相連，用於帶動所述反射滑板移動的傳動部。10. 如權利要求9所述的矩形波導微波等離子體光源，其特徵在於，所述傳動部包括絲 槓；所述絲槓穿過位於所述矩形波導諧振腔側壁上具有內螺紋的絲槓孔，一端與所述反射 滑板可轉動地連接，另一端連接動力源。
【文檔編號】H05H1-46GK204272477SQ201420777688
【發明者】於愛民, 王振德, 李成波, 田福成, 佟博凱, 遲永慶, 戴豐, 白崗, 楊兆芹, 劉忠友 [申請人]長春吉大·小天鵝儀器有限公司