等离子体产生装置及方法与流程

本发明涉及光谱质谱技术领域，尤其是涉及一种等离子体产生装置及方法。

背景技术

等离子体是物质存在的一种状态，因内部存在离解、电离、跃迁等能反应物质成分的物理过程，而广泛用于光谱、质谱等技术。而微波等离子体是等离子体技术的一个分支，已经有研究者公开了其设计方法，目前主要存在三种相关技术方案：基于微带线谐振器等离子体产生装置，基于波导谐振器的等离子体维持装置，以及基于同轴线谐振器的等离子体产生装置。

然而，这三类等离子体产生装置中谐振器的结构与电磁场分布不同，会产生性质差异巨大的等离子体。其中，基于微带线谐振器和波导谐振器的设备借助波导形成的空间电磁场，可以实现电磁场和等离子体的较好耦合，目前发展比较成熟；但是，在某些场合优选使用基于同轴线谐振器的设备，而同轴线谐振器的电磁场离开同轴线表面时会迅速衰减，其对等离子体的耦合作用较弱，这类设备产生的等离子体常具有抗水汽干扰困难的特点，实际效果偏差。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微波等离子体产生技术方案，用于解决上述技术问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供的技术方案如下。

一种等离子体产生装置，至少包括：

同轴线谐振器，具有开路端；

波导谐振器，至少具有两个开口，与所述同轴线谐振器导电连接，且所述同轴线谐振器的开路端与所述波导谐振器的一个开口对接，以使电磁波能在所述同轴线谐振器和所述波导谐振器中同时震荡。

可选地，所述等离子体产生装置还包括微波耦合器件，所述微波耦合器件设置在所述同轴线谐振器中，以产生所述电磁波。

可选地，所述同轴线谐振器包括由外到内同中轴线套设的第一口径闭环导电壁面、第二口径闭环导电壁面及第三口径闭环导电壁面，所述第一口径闭环导电壁面的内径大于所述第二口径闭环导电壁面的内径，所述第二口径闭环导电壁面的内径大于所述第三口径闭环导电壁面的内径；且所述第一口径闭环导电壁面、所述第二口径闭环导电壁面及所述第三口径闭环导电壁面在沿着所述中轴线方向的一端上齐平设置，对应端部为所述同轴线谐振器的开路端；所述同轴线谐振器还包括沿着所述第二口径闭环导电壁面径向设置的底面导电壁面，且所述底面导电壁面沿着所述中轴线的方向远离所述同轴线谐振器的开路端设置，所述底面导电壁面包括第一底面导电壁面和第二底面导电壁面，所述第一底面导电壁面的一端与所述第一口径闭环导电壁面连接、另一端与所述第二口径闭环导电壁面连接，所述第二底面导电壁面的一端与所述第二口径闭环导电壁面连接、另一端与所述第三口径闭环导电壁面连接。

可选地，所述第一口径闭环导电壁面上设置有第一开孔，所述第一开孔用于容纳所述微波耦合器件。

可选地，所述微波耦合器件的内导体穿过所述第一开孔，径向插入到所述第一口径闭环导电壁面和所述第二口径闭环导电壁面之间的区域，且所述微波耦合器件的内导体不与所述第二口径闭环导电壁面接触，以通过电场耦合方式产生所述电磁波。

可选地，所述微波耦合器件的内导体穿过所述第一开孔，径向插入到所述第一口径闭环导电壁面和所述第二口径闭环导电壁面之间的区域，且所述微波耦合器件的内导体与所述第二口径闭环导电壁面欧姆接触，以通过磁场耦合方式产生所述电磁波。

可选地，所述底面导电壁面还包括第三底面导电壁面，所述第三底面导电壁面设置在所述第二口径闭环导电壁面与所述开路端相对设置的另一端上，所述第三底面导电壁面的一端与所述第二口径闭环导电壁面连接、另一端与所述第三口径闭环导电壁面连接；所述第二口径闭环导电壁面靠近所述第三底面导电壁面的区域上还设有第二开孔，所述第二开孔与外部气流管道接通；所述第二底面导电壁面上设有多个第三开孔。

可选地，所述波导谐振器包括封闭导电空间，所述封闭导电空间至少具有第一开口和第二开口，所述第一开口与所述第二开口相对设置，且所述第一开口、所述第二开口分别与所述封闭导电空间同中轴线设置；所述第一开口与所述开路端对接，以使电磁波能在所述同轴线谐振器和所述波导谐振器中同时震荡。

可选地，所述第三口径闭环导电壁面包括中空结构，所述中空结构与所述第一开口同中轴线设置，以容纳样品引入管道；所述样品引入管道的尖端与所述开路端齐平设置。

可选地，所述第二口径闭环导电壁面与所述第三口径闭环导电壁面之间的间隙侧壁上设有石英管道。

可选地，所述第一底面导电壁面上设有第一散热孔，所述波导谐振器上设有第二散热孔。

可选地，在所述同轴线谐振器中，所述开路端的电场最强；所述波导谐振器工作在TM010模式下。

一种等离子体产生方法，包括：

通过同轴线谐振器产生电磁波；

将所述电磁波引入波导谐振器，引起所述波导谐振器的震荡，强化所述电磁波；

引入维持气体，通过强化后的所述电磁波对所述维持气体进行激发，产生等离子体。

如上所述，本发明提供的等离子体产生装置及方法，至少具有以下有益效果：

结合同轴线谐振器与波导谐振器进行设计，同轴线谐振器的开路端与波导谐振器的一个开口对接，使得电磁波能在同轴线谐振器和波导谐振器中同时震荡，强化电磁波的震荡效果，对离开同轴线表面的电磁波进行增强，强化其对等离子体的耦合作用，增强其抗水汽干扰能力。

附图说明

图1为本发明一实施例中等离子体产生装置的结构示意图。

图2为本发明一实施例中等离子体产生装置的结构剖视图。

图3为本发明另一实施例中等离子体产生装置的结构剖视图。

附图标号说明

1—同轴线谐振器，2—波导谐振器，3—微波耦合器件，4—样品引入管道，5—石英管道，11—第一口径闭环导电壁面，12—第二口径闭环导电壁面，13—第三口径闭环导电壁面，14—底面导电壁面，141—第一底面导电壁面，142—第二底面导电壁面，143—第三底面导电壁面，31—微波耦合器件3的内导体，1A—第一开孔，2A—第二开孔，1B—第一开口，2B—第二开口，3B—第三开口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。本说明书所附图示所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1及图3所示，本发明提供一种等离子体产生装置，其至少包括：

同轴线谐振器1，具有开路端；

波导谐振器2，至少具有两个开口，与同轴线谐振器1导电连接，且同轴线谐振器1的开路端与波导谐振器2的一个开口对接，以使电磁波能在同轴线谐振器1和波导谐振器2中同时震荡。

详细地，如图2所示，同轴线谐振器1包括由外到内同中轴线套设的第一口径闭环导电壁面11、第二口径闭环导电壁面12及第三口径闭环导电壁面13，第一口径闭环导电壁面11的内径大于第二口径闭环导电壁面12的内径，第二口径闭环导电壁面12的内径大于第三口径闭环导电壁面13的内径；且第一口径闭环导电壁面11、第二口径闭环导电壁面12及第三口径闭环导电壁面13在沿着中轴线方向的一端(靠近波导谐振器2的一端)上齐平设置，对应端部为同轴线谐振器2的开路端；同轴线谐振器2还包括沿着第二口径闭环导电壁面12径向设置的底面导电壁面14，且底面导电壁面14沿着中轴线的方向远离同轴线谐振器1的开路端设置，底面导电壁面14包括第一底面导电壁面141和第二底面导电壁面142，第一底面导电壁面141的一端与第一口径闭环导电壁面11连接、另一端与第二口径闭环导电壁面12连接，第二底面导电壁面142的一端与第二口径闭环导电壁面12连接、另一端与第三口径闭环导电壁面13连接。

详细地，如图1及图2所示，等离子体产生装置还包括微波耦合器件3，微波耦合器件3设置在同轴线谐振器1中，以产生电磁波(一般为TEM波)。

更详细地，如图1及图2所示，第一口径闭环导电壁面11上设置有第一开孔1A，第一开孔1A用于容纳微波耦合器件3。微波耦合器件3需要在同轴线谐振器1中唤起电磁波，通常有电场耦合和磁场耦合两种方式。

基于电场耦合的方式，如图2所示，微波耦合器件3的内导体31穿过第一开孔1A，径向插入到第一口径闭环导电壁面11和第二口径闭环导电壁面12之间的区域，且微波耦合器件3的内导体31不与第二口径闭环导电壁面12接触，以通过电场耦合方式产生电磁波。

基于磁场耦合的方式，如图3所示，微波耦合器件3的内导体31穿过第一开孔1A，径向插入到第一口径闭环导电壁面11和第二口径闭环导电壁面12之间的区域，且微波耦合器件3的内导体31与第二口径闭环导电壁面12欧姆接触，以通过磁场耦合方式产生电磁波。

详细地，如图1-图3所示，波导谐振器2包括封闭导电空间，封闭导电空间至少具有第一开口1B和第二开口2B，第一开口1B与第二开口2B相对设置，且第一开口1B、第二开口2B分别与封闭导电空间同中轴线设置；第一开口1B与开路端对接，以使电磁波能在同轴线谐振器1和波导谐振器2中同时震荡。

更详细地，如图1-图3所示，微波耦合器件3在同轴线谐振器1中唤起电磁波，且该在第一口径闭环导电壁面11连接与第二口径闭环导电壁面12之间传播，通过合理的设置尺寸，使同轴线谐振器1的开路端电场最强，电磁波(TEM波)可以通过开口耦合到第二口径闭环导电壁面12连接与第三口径闭环导电壁面13之间，产生相同模式的震荡电磁波；此时，在第三口径闭环导电壁面13的尖端，电场最强，电场方向以第三口径闭环导电壁面13的尖端为中心向四周发散。同时，合理的设置波导谐振器2的尺寸，使其工作在TM010模式下，TM010模式下中轴线附近电场最强，且其方向与第三口径闭环导电壁面13开路端顶部一致，同轴线谐振器1内的TEM震荡模式便可转化成TM010模式，引起波导谐振器2震荡。

更详细地，如图1及图2所示，底面导电壁面14还包括第三底面导电壁面143，第三底面导电壁面143设置在第二口径闭环导电壁面12与开路端相对设置的另一端上，第三底面导电壁面143的一端与第二口径闭环导电壁面12连接、另一端与第三口径闭环导电壁面13连接；第二口径闭环导电壁面12靠近第三底面导电壁面143的区域上还设有第二开孔2A，第二开孔2A与外部气流管道接通；第二底面导电壁面142上设有多个均匀设置的第三开孔(图中未示出)，当氩气、氦气或者氮气等维持气体通过气流管道流入时，第一口径闭环导电壁面11和第二口径闭环导电壁面12之间的电磁场能形成并维持等离子体，当气流是垂直于中轴线引入时，等离子体会绕着中轴线旋转，控制气流的大小，可以形成高速旋转的中空等离子体，以便样品引入。

详细地，如图1-图3所示，第三口径闭环导电壁面13包括中空结构，中空结构与第一开口1B同中轴线设置，以容纳样品引入管道4；样品引入管道4的尖端与开路端齐平设置。

更详细地，如图1-图3所示，样品引入管道4的尖端大约布置在与第三口径闭环导电壁面13开路尖端齐平的位置，中空结构的第三口径闭环导电壁面13内部并无电磁场，样品与等离子体的实际耦合区域是在波导谐振器2内部。在波导谐振器2中，电磁场不震荡时，TEM模式具有表面波特性，电磁场迅速衰减，等离子体缺少电磁场支撑，体积变小，温度变低，对样品的激发能力减小。当TM010类的模式形成时，电磁场传播得更远，形成的中空等离子体更长，等离子体与样品的耦合路径更长，等离子体的温度也更高，对样品的热激发也更充分，能承受更多的水汽的样品，获得更强的光谱信号。

详细地，如3所示，第二口径闭环导电壁面12与第三口径闭环导电壁面13之间的间隙侧壁上设有石英管道5，石英管道5具有更低的附着系数，分析物不易残留。

可选地，第一底面导电壁面11上设有多个第一散热孔，波导谐振器2上设有第二散热孔(如开设在侧壁上的第三开口3B)，以改善谐振器内部的散热能力。

基于与上述等离子体产生装置相同的发明构思，本发明还提供一种等离子体产生方法，其包括步骤：

S1、通过同轴线谐振器产生电磁波；

S2、将电磁波引入波导谐振器，引起波导谐振器的震荡，强化电磁波；

S3、引入维持气体，通过强化后的电磁波对维持气体进行激发，产生等离子体。

在上述等离子体产生方法中，通过波导谐振器对同轴线谐振器产生的电磁波进行震荡强化，对离开同轴线表面的电磁波进行增强，强化其对等离子体的耦合作用，增强其抗水汽干扰能力。

综上所述，在本发明提供的等离子体产生装置及方法中，结合同轴线谐振器与波导谐振器进行装置结构设计，同轴线谐振器的开路端与波导谐振器的一个开口对接，使得电磁波能在同轴线谐振器和波导谐振器中同时震荡，强化了电磁波的震荡效果，对离开同轴线表面的电磁波进行增强，强化了其对等离子体的耦合作用，增强了其抗水汽干扰能力。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。