阅读说明：本技术 波导馈入式微波耦合等离子体发生装置 (Waveguide feed-in type microwave coupling plasma generating device ) 是由 曹彦波 曹博成 于 2019-10-16 设计创作，主要内容包括：本发明的波导馈入式微波耦合等离子体发生装置,属于微波能应用技术领域。由波导部分和同轴谐振腔部分组成；所述的波导部分包括标准波导(2)、波导-同轴转换锥(11)、短路活塞(12)和调节杆(13)；同轴谐振腔部分包括外导体(1)、内导体(3)、中管(4)、内管(5)、样品管(6)、样品入口(7)、内层气入口(8)、中层气入口(9)、外层气入口(10)、冷却环(14)和阻抗匹配锥(15)。本发明的装置,无射频同轴连接器与微波天线的功率输入限制,具有馈入功率大,稳定工作时间长、微波能耦合效率高等优点。(The invention relates to a waveguide feed-in type microwave coupling plasma generating device, belonging to the technical field of microwave energy application. The waveguide-coaxial resonant cavity consists of a waveguide part and a coaxial resonant cavity part; the waveguide part comprises a standard waveguide (2), a waveguide-coaxial conversion cone (11), a short-circuit piston (12) and an adjusting rod (13); the coaxial resonant cavity part comprises an outer conductor (1), an inner conductor (3), a middle pipe (4), an inner pipe (5), a sample pipe (6), a sample inlet (7), an inner layer gas inlet (8), a middle layer gas inlet (9), an outer layer gas inlet (10), a cooling ring (14) and an impedance matching cone (15). The device of the invention has no power input limit of the radio frequency coaxial connector and the microwave antenna, and has the advantages of large feed-in power, long stable working time, high microwave energy coupling efficiency and the like.)

波导馈入式微波耦合等离子体发生装置

技术领域

本发明属于微波能应用技术领域，特别涉及一种波导馈入式微波耦合等离子体发生装置，具体为一种适用于千瓦级以上功率输入的微波耦合等离子体(Microwave CoupledPlasma，简称MCP)发生器。

背景技术

微波等离子体炬(MPT)光谱仪激发光源所用微波谐振腔，是基于射频同轴连接器的内芯连接微波天线，经微波天线馈入微波能的一种谐振腔，相关专利如CN94205428.8。该谐振腔采用L16-KF型射频同轴连接器，长时间稳定可靠工作的平均功率仅仅为200瓦以下。再如专利CN106304602 A，采用L29-KF型射频同轴连接器连接微波天线，长时间稳定可靠工作的最高平均功率也不过在1000瓦左右。采用L16-KF或L29-KF型射频同轴连接器连接微波天线时，馈入谐振腔的微波功率受到限制，并且还存在以下两个问题：

1)馈入功率过大时，由于天线发热，引起支撑同轴连接器内芯的聚四氟乙烯支撑件变形，导致天线位置偏离正常尺寸，进而引起微波天线局部进一步过热，最终烧毁微波天线；

2)馈入功率过大时，有时在天线附近会先于谐振腔端面发生局部放电，这种局部放电更容易烧毁微波天线，造成谐振腔无法正常工作。

另外，天线馈入微波能时，需要在谐振腔的外导体侧面开孔安装射频同轴连接器与微波天线。外导体侧面局部开孔会破坏整个谐振腔微波电磁场的均匀分布，尤其是在电场强度最大的位置开孔时，会导致同轴谐振腔的微波能耦合效率下降。

专利号为CN103269561A的文献中，提出了一种波导直馈式微波等离子体炬装置，该装置的波导部分采用渐变型波导和窄边压缩型波导，将微波能从标准波导传输到同轴谐振腔。渐变型波导和窄边压缩型波导均属于非标部件，需要特殊加工制造。

发明内容

本发明的目的在于，克服背景技术存在的不足，提供一种波导馈入式MCP发生装置，利用标准波导和波导-同轴转换锥，将微波能直接馈入同轴谐振腔。

本发明的具体技术方案如下：

一种波导馈入式微波耦合等离子体发生装置，由波导部分和同轴谐振腔部分组成；其特征在于，所述的波导部分包括标准波导2、波导-同轴转换锥11、短路活塞12和调节杆13；同轴谐振腔部分包括外导体1、内导体3、中管4、内管5、样品管6、样品入口7、内层气入口8、中层气入口9、外层气入口10、冷却环14和阻抗匹配锥15；

标准波导2的第一端口连接微波发生系统，在标准波导2第一端口与第二端口之间的长度方向垂直安装同轴谐振腔的外导体1和波导-同轴转换锥体11，并且锥体中心轴线与外导体1中心轴线重合，波导-同轴转换锥11为中空的圆台体，或中空的梯形体；标准波导2的第二端口由短路活塞12封闭，短路活塞12与调节杆13相连；

外导体1、内导体3、中管4、内管5、样品管6按由外到内的顺序依次嵌套且同轴，样品管6、内管5、中管4和内导体3在所构成的谐振腔出口端面处齐平，样品管6、内管5、中管4、内导体3与外导体1构成嵌套同轴结构的微波谐振腔，该谐振腔的特性阻抗范围为50～80欧姆；

外导体1在标准波导2的第一端口和第二端口之间，与标准波导2的长度方向垂直相交，当所述的波导-同轴转换锥11为单侧锥时，外导体1的高度为所用微波波长的(2n+1)/4倍，其中n＝0、1、2或3；当所述的波导-同轴转换锥11为双侧锥时，外导体1分成上下两部分，外导体1的上半部分的底面与波导-同轴转换锥11的上锥体的下底面重合，外导体1的下半部分的顶面与波导-同轴转换锥11的下锥体的上底面重合，所述的波导-同轴转换锥11的上锥体和下锥体是两个沿标准波导2的中轴线上下对称的中空圆台，且高度之和小于标准波导2的高度，外导体1的内腔最低面与标准波导2中轴线的距离为所用微波波长的1/4倍，外导体1的内腔最低面与内腔最高面的距离为所用微波波长的(2n+1)/4倍，其中n＝1、2或3，外导体1为内部中空的圆柱体，其材质优选电阻率小于30nΩ·m的金属；

当所述的波导-同轴转换锥11为单侧锥时，内导体3经过波导-同轴转换锥11直接与标准波导2的底部紧固；当所述的波导-同轴转换锥11为双侧锥时，内导体3与外导体1的底部紧固并封闭；内导体3为内部中空的圆柱体，其材质优选电阻率小于30nΩ·m的金属；

中管4的外壁与内导体3在内导体3的下部封闭，形成底端封闭、顶部端面开放的外层气层流流动的环形间隙；中管4为内部中空的圆柱体，其材质优选电阻率小于30nΩ·m金属。

内管5的外壁与中管4在中管4的下部封闭，形成底端封闭、顶部端面开放的中层气层流流动的环形间隙；内管5为内部中空的圆柱体，其材质优选电阻率小于30nΩ·m金属。

样品管6的外壁与内管5在内管5的下部封闭，形成底端封闭、顶部端面开放的内层气层流流动的环形间隙；样品管6为内部中空的圆柱体，其材质既可以为金属，也可以为陶瓷、石墨、石英等非金属。

样品入口7位于样品管6的底端轴线位置，样品经过样品入口7进入样品管6，并在同轴谐振腔出口侧端面流出，进入等离子体，被等离子体激发、电离；

内层气入口8位于内管5下部靠近内管5底端的径向位置，采用径向进气方式；内层气通入由内管5内表面与样品管6外表面构成的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出，电离后形成内层等离子体；

中层气入口9位于中管4下部靠近中管4底端的径向位置，采用径向进气方式；中层气通入由中管4内表面与内管5外表面构成的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出，电离后形成中层等离子体；

外层气入口10位于内导体3下部靠近内导体3底端的径向位置，采用径向进气方式；外层气通入由内导体3内表面与中管4外表面之间的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出，电离后形成外层等离子体；

内层气、中层气与外层气电离后共同构成三层等离子体炬焰，该炬焰体积适合大功率应用的需求，并使得等离子体的底部稍微脱离内导体3和样品管6之间的端面，避免该端面被大功率等离子体产生的热量烧蚀。

内层气、中层气和外层气可以选用氩气、氦气或氮气工作，分别获得不同种类的等离子体，适应不同的应用场合。内层气、中层气和外层气还可以选用氙气或氪气等易电离的气体。内层气、中层气和外层气可以选用相同种类的气体工作，也可以选择不同种类的气体工作。

冷却环14安装于外导体1上端面下方的区间位置，冷却环14与外导体1紧密接触；冷却环14采用水冷或压缩空气制冷的方式冷却外导体1，以降低等离子体炬附近腔体的温度，保证同轴谐振腔能够长时间正常工作；

阻抗匹配锥15安装于外导体1的上端面，并与外导体1的上端面紧密相连接；阻抗匹配锥15的下部开口尺寸与外导体1的内径尺寸相同，阻抗匹配锥15的内表面可以为锥面，也可以为球面，还可以为旋转的抛物线曲面，其高度大于或等于所用微波波长的1/4倍。

本发明的波导馈入式MCP发生装置，其工作过程如下：

当启动微波功率输出后，微波在标准波导2内部以横电模式TE10传输，并在短路活塞端12的内表面形成反射波，反射波与入射波叠加，在波导内部形成驻波。经调节杆13调节短路活塞12内表面与同轴谐振腔外导体1中心轴线之间的距离，使得同轴谐振腔外导体1的中心轴线处于标准波导2内驻波电场强度的极大位置。此时，外导体1的中心轴线与短路活塞12内表面之间的距离大约为波导波长的1/4倍或3/4倍。标准波导2中的电磁波再经波导-同轴转换锥体11作用，由TE10模平滑过渡到TEM模，TEM模电磁波经内导体3传输到同轴谐振腔中，形成另一个驻波。该驻波电场强度在同轴谐振腔的上部出口端面达到极大。在同轴谐振腔的内导体3与中管4之间、中管4与内管5之间、内管5与样品管6之间构成的三重环形间隙的出口侧端面，适当调节气体，微波电场将同时电离三重层流均匀气体，形成MCP。

本发明的优点：

1、本发明提供的波导馈入式MCP发生装置，无射频同轴连接器与微波天线的功率输入限制、特别适合千瓦级以上微波功率馈入，长时间工作稳定可靠，可以在大气压条件下获得稳定的高温高密度等离子体。

2、本发明采用波导-同轴转换锥实现微波传输模式的转换，避免使用渐变型波导和窄边压缩波导，相比于这两种特殊波导，锥体的加工更方便，成本更低。

3、本发明可解决天线方式馈入微波能时，天线入口空洞产生的外导体内表面局部电磁场分布残缺问题，波导馈入方式保证了同轴谐振腔的内外导体之间的整体电磁场分布均匀，微波能耦合效率更高。

附图说明：

图1为本发明实施例1的单锥式MCP发生装置的结构示意图。

图2为本发明实施例2的双锥式MCP发生装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进行具体的说明。附图只表示了本发明的优选结构，不是对本发明范围的限定。本发明可以允许其它等同的有效实施方式。

实施例1

参见图1，一种波导馈入式MCP发生装置，该发生装置主要由波导部分和同轴谐振腔部分组成。

波导部分包括标准波导2、波导-同轴转换锥11、短路活塞12和调节杆13。

标准波导2的第一端口连接微波发生系统，在标准波导2第一端口与第二端口之间的长度方向的上部外壁垂直安装同轴谐振腔外导体1，在标准波导2长度方向的下部内壁安装波导-同轴转换锥体11，并且锥体的中心轴线与外导体1的中心轴线重合。与标准波导2第一端口端相对应的第二端口经短路活塞12封闭，短路活塞12与调节杆13相连，利用调节杆13调节短路活塞12在标准波导2中的位置。

本例中，标准波导2采用BJ26型矩形波导，其内壁横截面尺寸为宽86.4mm，高43.2mm。当然，也可以采用其它尺寸的波导，如BJ22型或BZ26型矩形波导。波导内壁和短路活塞内壁镀铜或镀银。

波导-同轴转换锥体11为圆台型单侧锥体，锥体角度为40度。锥体上底面与内导体3封闭，锥体下底面与标准波导2的下部外壁封闭。

微波在标准波导2内部以横电模式TE10传输，并在短路活塞端12的内表面形成反射波，反射波与入射波叠加，在波导内部形成驻波。为了最大限度地将微波能馈入到同轴谐振腔，降低微波反射功率，有利于激发等离子体，必需通过调节杆13调节短路活塞12内表面与同轴谐振腔外导体1的中心轴线之间的距离，使得同轴谐振腔外导体1的中心轴线处于标准波导2内驻波电场强度的极大位置。本例中，外导体1的中心轴线与短路活塞12内表面之间的距离为波导波长的1/4倍或3/4倍。

标准波导2中的电磁波经波导-同轴转换锥体11作用，由TE10模平滑过渡到TEM模，TEM模电磁波经内导体3传输到同轴谐振腔中，形成另一个驻波。该驻波电场强度在同轴谐振腔的上部出口端面达到极大，若在出口端面处气体调节合适，很容易形成MCP。

同轴谐振腔部分包括外导体1、内导体3、中管4、内管5、样品管6、样品入口7、内层气入口8、中层气入口9、外层气入口10、冷却环14和阻抗匹配锥15。其中，外导体1内部设计有内导体3，内导体3内部设计有中管4，中管4内部设计有内管5，内管5内部设计有样品管6。样品管6的中心轴线与同轴谐振腔的中心轴线重合，样品管6与内管5同轴，内管5与中管4同轴，中管4与内导体3同轴，内导体3与外导体1同轴，并且样品管6、内管5、中管4和内导体3在谐振腔出口端面齐平。样品管6、内管5、中管4、内导体3与外导体1构成嵌套同轴结构的微波谐振腔，该同轴谐振腔的特性阻抗范围为50～80欧姆。

外导体1在标准波导2的第一端口和第二端口之间，垂直于标准波导2的长度方向安装，外导体1的中心轴线与波导-同轴转换锥11的中心轴线重合。外导体1为内部中空的圆柱体，内径为35～60mm。外导体上部端面距离标准波导2外壁大约90～100mm。外导体1的材质为高导电率、低损耗的金属，如无氧铜、紫铜或高纯铝，或者采用铜合金、铝合金加工，为提高腔体Q值，内表面镀银。外导体内表面要进行防锈、防腐处理。

内导体3经过波导-同轴转换锥11直接紧固于标准波导2的底部，并从标准波导2的下部内壁伸出。内导体3为内部中空的圆柱体，其内部放置中管4、内管5和样品管6。本例中，内导体外径10～18mm，内径为9～16mm。内导体3材质可以为高导电率、低损耗的金属材料，如无氧铜、紫铜等纯铜材料或者高纯铝、铜合金、铝合金加工而成，外表面镀银，并采取防锈防腐处理。

中管4与内导体3在内导体3的下部封闭，形成一端封闭、另一端在同轴谐振腔出口侧端面开放的外层气层流流动的环形间隙。中管4为内部中空的圆柱体，其材质为高导电率、低损耗的金属。

内管5与中管4在中管4的下部封闭，形成一端封闭、另一端在同轴谐振腔出口侧端面开放的中层气层流流动的环形间隙。内管5为内部中空的圆柱体，其材质为高导电率、低损耗的金属。

样品管6与内管5在内管5的下部封闭，形成一端封闭、另一端在同轴谐振腔出口侧端面开放的内层气层流流动的环形间隙。样品管6同样为内部中空的圆柱体，其材质既可以为金属，也可以为陶瓷、石墨、石英等非金属。

样品入口7位于样品管6的末端轴线位置，气溶胶样品经过样品入口7进入样品管6，并在同轴谐振腔出口侧端面流出，进入等离子体的中央通道，被激发、电离。

内层气入口8位于内管5下部靠近内管5末端的径向位置，采用径向进气方式。内层气通入内管5内表面与样品管6外表面构成的环形间隙，并以层流状态在同轴谐振腔出口侧端面流出，电离后形成内层等离子体。

中层气入口9位于中管4下部靠近中管4末端的径向位置，采用径向进气方式。中层气通入中管4内表面与内管5外表面构成的环形间隙，并以层流状态在谐振腔出口侧端面流出，电离后形成中层等离子体。

外层气入口10位于内导体3下部靠近内导体3末端的径向位置，采用径向进气方式。外层气通入内导体3内表面与中管4外表面之间的环形间隙，并以层流状态在谐振腔出口侧端面流出，电离后形成外层等离子体。

内层气、中层气与外层气电离后共同构成三层等离子体炬焰，该炬焰体积适合大功率应用的需求，并使得等离子体的底部稍微脱离内导体3和样品管6之间的端面，避免该端面被大功率等离子体产生的热量烧蚀。

内层气、中层气和外层气可以选用氩气、氦气或氮气工作，分别获得不同种类的等离子体，适应不同的应用场合。内层气、中层气和外层气还可以选用氙气或氪气等易电离的气体。

内层气、中层气和外层气可以选用相同种类的气体工作，也可以选择不同种类的气体工作。

冷却环14安装于外导体1上端面偏下的区间位置，冷却环14与外导体1紧密接触。冷却环14采用水冷或压缩空气制冷的方式冷却外导体1，以降低等离子体炬附近腔体的温度，保证同轴谐振腔能够长时间正常工作。冷却管经过气泵或水泵连接制冷散热器，气泵或水泵提供冷却动力或循环动力，使得气或水在制冷散热装置与水冷装置之间循环，以实现降温的功能。

阻抗匹配锥15安装于外导体1的上端面，并与之紧密相连接。阻抗匹配锥15的下部开口尺寸与外导体1的内径尺寸相同，其内表面可以为锥面，也可以为球面，还可以为旋转的抛物线曲面，其高度大于或等于所用微波波长的1/4倍。阻抗匹配锥15用来实现同轴谐振腔的特性阻抗与自由空间阻抗近似匹配，降低反射功率，稳定炬焰，并防止微波泄漏，保护微波发生系统正常稳定的工作。

本发明实施例1的简要工作过程如下：

1开启水冷或压缩空气冷却系统；

2启动微波控制系统电源，进行预热；

3开启钢瓶阀门，调节外层气、中层气、内层气的气体流量，例如，外层气1.5L/min，中层气1.0L/min，内层气1.0L/min，进行管线吹扫，排出腔内积存的空气；

4开启微波输出，利用磁控管(未标出)产生频率2.45GHz，千瓦级以上功率的微波。微波在标准波导2内部以横电模式TE10传输，并在短路活塞端12的内表面形成反射波，反射波与入射波叠加，在波导内部形成驻波。经调节杆13调节短路活塞12内表面与同轴谐振腔外导体1中心轴线之间的距离，使得同轴谐振腔外导体1的轴线处于标准波导2内驻波电场强度的极大位置。此时，外导体1的中心轴线与短路活塞12内表面之间的距离大约为波导波长的1/4倍或3/4倍。标准波导2中的电磁波再经波导-同轴转换锥体11作用，由TE10模平滑过渡到TEM模，TEM模电磁波经内导体3传输到同轴谐振腔中，形成另一个驻波。该驻波电场强度在同轴谐振腔的上部出口端面达到极大。当在同轴谐振腔的内导体3与中管4之间、中管4与内管5之间、内管5与样品管6之间构成的三重环形间隙的出口侧端面，若气体调节合适，此时点火器同时动作，释放初始电子，引起端面附近的气体产生电子雪崩反应，微波电场同时电离三重层流均匀气体，在出口端面处引燃MCP炬焰。

实施例2

参见图2，该发生装置主要由波导部分和同轴谐振腔部分组成。

波导部分包括标准波导2、波导-同轴转换锥11、短路活塞12和调节杆13。其中，标准波导2、短路活塞12和调节杆13与实施例1完全相同，仅仅波导-同轴转换锥11与实施例1不同。

波导-同轴转换锥11为两个尺寸相同的部件，分别安装于标准波导2内壁的上下两侧，锥体中心轴线与外导体1的中心轴线重合。该锥体既可以为圆台型锥体，优选的，锥体角度为40度；还可以为对称的梯形体，优选的，梯形角度为40度。

同轴谐振腔部分包括外导体1、内导体3、中管4、内管5、样品管6、样品入口7、内层气入口8、中层气入口9、外层气入口10、冷却环14和阻抗匹配锥15。除外导体1分为上下两个部分之外，同轴谐振腔的其余部分与本发明的实施例1相同，在此不再赘述。

外导体1在标准波导2的第一端口和第二端口之间，垂直于标准波导2的长度方向安装。外导体1分成上下两个部分，外导体上部与标准波导2第一端口和第二端口之间的长度方向的上壁外侧紧固，外导体下部与标准波导2第一端口和第二端口之间的长度方向的下壁外侧紧固。外导体下部与外导体上部同轴，并与内导体3紧固封闭。

优选的，外导体上端面与外导体底面的总体深度为所用微波波长的(2n+1)/4倍(n＝1，2，3)，并且双侧锥体在标准波导2高度方向上的对称中心线位于距离外导体底面为所用微波波长的1/4倍的位置。例如，当n＝1时，外导体上部端面距离腔体底面大约90～100mm。并且两侧锥体在标准波导2高度方向的对称中心线位于距离外导体底面约为30～31mm的位置。

尽管上述内容涉及了本发明的实施方式，但是，在不背离本发明基本范围及权利要求的所要保护范围情况下，本发明可以具有其它的实施方式。