本發(fā)明屬于微波應用技術領域，特別涉及一種可用于分析儀器領域的微波耦合等離子體諧振腔。

背景技術：

微波等離子體諧振腔在分析儀器領域有著重要作用，它是光譜儀、質譜儀的重要組成部分，可作為原子發(fā)射光譜儀的激發(fā)源，也可作為質譜儀的離子源。與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術是公開號為CN94205428.8的中國專利“微波等離子體炬”(簡稱MPT)，該專利所用微波諧振腔(簡稱為炬管)的結構如附圖1所示，由外導體、內(nèi)導體和樣品管組成。樣品管通入干的樣品氣溶膠，并進入等離子體的中央通道激發(fā)、電離。樣品管和內(nèi)導體之間通入維持氣體，形成單層等離子體，維持等離子體炬焰存在。當樣品管引入樣品氣溶膠時，會造成單層等離子體的擾動，進而影響等離子體炬焰的穩(wěn)定性。同時，由于單層等離子體外部與環(huán)境大氣緊密接觸，空氣的卷吸也會消耗部分能量，削弱了等離子體的激發(fā)能力。雖然在內(nèi)外導體之間通入屏蔽氣來消除空氣卷吸的影響，但是，因為沒有采取扼流措施，屏蔽氣的利用效率太低，效果有限。另外，該炬管的內(nèi)導體外徑為7mm，內(nèi)徑為5～6mm，圓錐形等離子體的底面直徑僅為5～6mm，炬焰體積很小，激發(fā)能力非常弱，極大地影響了其應用范圍的拓展。由于該炬管所形成的等離子體的激發(fā)能力太弱，樣品承受能力單薄。一旦濕的氣溶膠進入等離子體內(nèi)就會造成炬焰熄火，不得不采用去溶系統(tǒng)來清除濕的樣品氣溶膠中的水分，形成干的樣品氣溶膠導入等離子體，才能保證炬焰不會淬滅。去溶系統(tǒng)由若干個玻璃器件構成，這無形之中增加了儀器的體積，延長了進樣路徑，增加了記憶效應。另外，需要定期更換去溶系統(tǒng)中的硫酸，給儀器操作帶來了諸多不便。更為嚴重的是，去溶系統(tǒng)吸收水分的能力是逐漸變化的，這也導致儀器的測量基線處于不斷的、緩慢的變化之中，使得測量結果產(chǎn)生長期的、難以消除的漂移問題。因此，采用該炬管的MPT光譜儀測量實際樣品仍然存在激發(fā)能力不足的難題，多年來，面向實際用戶的應用市場一直未能打開。目前應用比較成熟的領域主要集中于高校原子發(fā)射光譜的教學實驗。

要實現(xiàn)面向實際用戶、分析實際測量樣品的目標，就必需提高等離子體的樣品承受能力和激發(fā)能力。為此，必須大幅度提升等離子體的功率密度和體積。然而，單純依靠增加入射功率的方法已經(jīng)被實踐證明效果有限，因為該炬管的腔體尺寸偏小，因此腔體的功率容量有限。即使利用大功率微波源輸入過高的微波功率，等離子體電子密度的增加也很有限，多余的微波能量既不能被腔體合理接收，也不能被氣體電離完全消耗。不能吸收利用的微波能量中，一部分作為反射功率返回到微波功率源內(nèi)的吸收負載，作為無用功率浪費；另一部分則泄漏到周圍空間，還有一部分微波功率在腔體內(nèi)部損耗，增加了腔體發(fā)熱。

另一方面，單純的按照比例放大原炬管的腔體尺寸，這種技術路線也已經(jīng)被實踐反復證明是行不通的。單純增加炬管尺寸，不同時增加功率密度，會導致等離子體的形狀不正常，或者是等離子體的狀態(tài)不穩(wěn)定，根本不會提升等離子體的樣品承受能力和激發(fā)能力。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，克服背景技術存在的不足之處，提供一種能夠產(chǎn)生微波耦合等離子體(簡稱MCP)的微波諧振腔。

本發(fā)明通過以下技術方案來達到本發(fā)明的目的：

一種微波耦合等離子體諧振腔，其結構有外導體1、微波天線2、內(nèi)導體3、樣品入口7、維持氣入口10和屏蔽氣入口12，其特征在于，結構還有屏蔽氣隔板11、冷卻環(huán)13、屏蔽氣扼流錐14和阻抗匹配錐15；

所述的外導體1和內(nèi)導體3均為中空圓柱體且同軸，外導體1的底部與內(nèi)導體3的外壁封閉，外導體1與內(nèi)導體3的頂部端面齊平，中間的環(huán)形間隙構成諧振腔，外導體1的內(nèi)腔深度為(2n+1)λ/4，其中n為0、1、2或3，λ為所使用的微波的波長；所述的微波天線2位于距離諧振腔底面λ/4處；樣品入口7位于內(nèi)導體3的底端開口處；維持氣入口10位于內(nèi)導體3下部靠近內(nèi)導體3末端的位置；屏蔽氣隔板11位于內(nèi)導體3與外導體1構成的諧振腔內(nèi)部并且位于微波天線2以上，將諧振腔隔離成上下兩部分；屏蔽氣入口12位于屏蔽氣隔板11之上的位置，以外導體1內(nèi)腔的切向或徑向引入諧振腔；冷卻環(huán)13安裝于外導體1的上部的外側，采用水冷或壓縮空氣制冷的方式冷卻外導體1；屏蔽氣扼流錐14位于諧振腔頂部出口端面內(nèi)部，用來約束屏蔽氣，使之環(huán)繞內(nèi)導體3的圓周，并以層流狀態(tài)從諧振腔的出口端面流出，屏蔽氣扼流錐14為中空結構，中空部分的形狀為上段圓柱連接中段圓臺再連接下段圓柱，上段圓柱的底面直徑大于下段圓柱的底面直徑，且下段圓柱的底面直徑大于內(nèi)導體3的外徑，外導體1的頂部端面與屏蔽氣扼流錐14的外壁密封；阻抗匹配錐15位于諧振腔頂部出口端面上部，實現(xiàn)諧振腔的特性阻抗與自由空間阻抗匹配，阻抗匹配錐15是中空結構，外部為圓柱體形狀或圓臺體形狀，中空部分為底端口徑小于頂端口徑的圓臺體，高度為所使用微波波長的1/4倍。

在本發(fā)明的一種微波耦合等離子體諧振腔中，還可以在內(nèi)導體3的內(nèi)部增加一個樣品管6，并將內(nèi)導體3的底部與樣品管6的外壁封閉，樣品管6的頂部開口且頂部與外導體1、內(nèi)導體3的頂部端口齊平，所述的樣品管6為內(nèi)部中空、外部變徑的結構且與外導體1同軸，內(nèi)部中空部分的形狀是圓柱狀的，外部的頂部λ/4段為上底面直徑小于下底面直徑的圓臺體，下段是固定直徑的圓柱體，下段圓柱體的直徑與上段圓臺體的下底面直徑相同，樣品管6的底端開口處作為樣品入口7，并在內(nèi)導體3下部靠近內(nèi)導體3末端的位置開有維持氣入口10。

在本發(fā)明的一種微波耦合等離子體諧振腔中，還可以在內(nèi)導體3和樣品管6之間增加一個中管4，并將內(nèi)導體3的底部與中管4的外壁封閉，將中管4的底部與樣品管6的外壁封閉，中管4的頂部開口且頂部與外導體1、內(nèi)導體3、樣品管6的頂部端口齊平，所述的中管4為內(nèi)部中空、外部變徑的結構且與外導體1同軸，內(nèi)部中空部分的形狀是圓柱狀的，外部的頂部λ/4段為上底面直徑小于下底面直徑的圓臺體，下段是固定直徑的圓柱體，下段圓柱體的直徑與上段圓臺體的下底面直徑相同，在中管4的下部靠近中管4末端的位置還有工作氣入口9。

在本發(fā)明的一種微波耦合等離子體諧振腔中，還可以在中管4和樣品管6之間增加一個內(nèi)管5，并將中管4的底部與內(nèi)管5的外壁封閉，將內(nèi)管5的底部與樣品管6的外壁封閉，內(nèi)管5的頂部開口且頂部與外導體1、內(nèi)導體3、中管4、樣品管6的頂部端口齊平，所述的內(nèi)管5為內(nèi)部中空、外部變徑的結構且與外導體1同軸，內(nèi)部中空部分的形狀是圓柱狀的，外部的頂部λ/4段為上底面直徑小于下底面直徑的圓臺體，下段圓柱體的直徑與上段圓臺體的下底面直徑相同，在內(nèi)管5的下部靠近內(nèi)管5末端的位置還有輔助氣入口8。

所述的微波天線2的形狀可以采用圓柱形、T形或半環(huán)形；微波天線2與內(nèi)導體3之間保持電氣導通，微波能量以電磁耦合模式進入諧振腔內(nèi)部。

所述的外導體1的內(nèi)徑可選擇18～60mm，內(nèi)導體3的外徑可選擇5～18mm，內(nèi)導體3的內(nèi)徑可選擇3～16mm。外導體1的內(nèi)徑要大于內(nèi)導體3的外徑。

所述的中管4，上段約λ/4段直徑可以小于下段直徑，中管4上段可以為圓錐體，也可以為變徑圓柱體；中管4材質既可以為金屬，也可以為陶瓷、石墨、石英等非金屬。

同樣，中管4內(nèi)部設置的內(nèi)管5上段約λ/4段的直徑可以小于內(nèi)管5下段直徑，內(nèi)管5上段可以為圓錐體，也可以為變徑圓柱體。內(nèi)管5材質既可以為金屬，也可以為陶瓷、石墨、石英等非金屬。同樣，內(nèi)管5內(nèi)部設置的樣品管6上段約λ/4段可以為圓錐體，也可以為變徑圓柱體。樣品管6材質既可以為金屬，也可以為陶瓷、石墨、石英等非金屬。

本發(fā)明采用增加層流氣體電離層數(shù)的方法，既增加了等離子體的功率密度，又增加了等離子體炬焰的體積，實現(xiàn)了等離子體功率密度和體積的完美統(tǒng)一。新型的多重復合層流微波耦合等離子體(MCP)諧振腔可以在80～1500瓦功率范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，構成多重炬焰。由于MCP的激發(fā)頻率高達2450MHz，遠遠高于電感耦合等離子體(ICP)40.68MHz的激發(fā)頻率，因此，炬焰的樣品承受能力和激發(fā)能力更強，可以直接引入氣態(tài)樣品或霧化的水溶劑樣品、有機溶劑樣品進行測量。

當啟動微波功率輸入后，在內(nèi)導體3與中管4之間、中管4與內(nèi)管5之間、內(nèi)管5與樣品管6之間構成的多重環(huán)形間隙的出口側端面，微波電場同時電離多重層流均勻氣體，形成多重復合層流微波耦合等離子體(MCP)。即在樣品管6與內(nèi)管5之間的上端面環(huán)形間隙形成內(nèi)層等離子體；在內(nèi)管5與中管4之間的上端面環(huán)形間隙形成中層等離子體；在中管4與內(nèi)導體3之間的上端面環(huán)形間隙形成外層等離子體。內(nèi)層、中層和外層等離子體共同構成復合層流炬焰的主體，提高等離子體的樣品承受能力和激發(fā)能力。該等離子體具有明顯可見的中央通道，有利于氣態(tài)樣品或液態(tài)樣品氣溶膠的引入。

MCP可以通過調(diào)節(jié)維持氣、工作氣、輔助氣和載氣氣流的大小控制炬焰長度變化，通過調(diào)節(jié)入射功率的高低控制炬焰溫度變化，從而改變炬焰的電離能力。氣流調(diào)節(jié)與微波功率調(diào)節(jié)均以炬焰穩(wěn)定工作，無抽絲、抖動、旋轉現(xiàn)象為準。

維持氣、工作氣、輔助氣與載氣可以采用氬氣、氦氣或其它易電離的氣體，還可以為氮氣、氙氣或氪氣，可以應用于不同場合。維持氣、工作氣與輔助氣可以采用相同種類的氣體，也可以采用不同種類的氣體。

綜上，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、本發(fā)明提供的嵌套同軸、多重環(huán)形層流氣體均勻放電的復合微波耦合等離子體(MCP)諧振腔腔體結構更加先進、微波能量利用率更高，所形成的等離子體多重復合、徑向對稱、能量集中、高溫區(qū)長、噪音很低，炬形粗壯、準直、穩(wěn)定，具有明顯的中央通道，對樣品的承受能力和激發(fā)能力超強。

2、本發(fā)明提供的諧振腔無可調(diào)可動部件、工作穩(wěn)定可靠，適合百瓦級至千瓦級微波功率輸入，可以在大氣壓條件下獲得穩(wěn)定的等離子體炬焰。該諧振腔既可以采用氬氣工作，還可以采用氦氣、氮氣、氙氣工作，適用范圍更加廣泛。采用氦氣工作時，可獲得氦等離子體，用以測定周期表中除氦以外的所有元素。

3、本發(fā)明提供的諧振腔形成復合等離子體的氣體做平滑層流流動，幾乎不與周圍環(huán)境氣體產(chǎn)生交換，對周圍空氣的卷入量明顯減少。同時采用屏蔽氣完全隔絕少量空氣的卷吸，等離子體的穩(wěn)定性和純凈性更高、更好。

4、本發(fā)明的MCP在諧振腔的出口端面形成，無電極污染，炬焰使用更加方便。

5、本發(fā)明的MCP用作原子吸收光譜儀或原子熒光光譜儀的原子化器時，由于等離子體炬焰溫度高，能產(chǎn)生更多的被測元素的原子蒸汽，因而具有更高的測量靈敏度。

6、本發(fā)明的MCP用作原子發(fā)射光譜儀的激發(fā)源，直接分析霧化的水溶劑樣品時，無需增加去溶系統(tǒng)，保證測量信號基線的長期穩(wěn)定性。儀器使用更加方便，消除了樣品的記憶效應。并且可以直接進樣分析氣體樣品，可用于大氣污染中重金屬元素的監(jiān)測。

7、本發(fā)明的MCP用作質譜儀的離子源時，由于微波輸入端口偏離上端口，使得諧振腔的上段方便與質譜儀的輸入端口進行銜接，進行質譜分析。

8、本發(fā)明的MCP比傳統(tǒng)的電感耦合等離子體(ICP)具有更高的激發(fā)頻率，可達2450MHz，等離子體更容易形成，更加穩(wěn)定，耐受力也更強，可耐有機溶劑樣品進樣，有望成為一種與ICP競爭的分析技術。

附圖說明：

圖1為與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術MPT炬管結構示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1的4管式MCP諧振腔的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例2的3管式MCP諧振腔的結構示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例3的雙管式MCP諧振腔的結構示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例4的單管式MCP諧振腔的結構示意圖。

具體實施方式

實施例1

如圖2所示，是一種能夠產(chǎn)生三重復合層流微波耦合等離子體(MCP)的微波諧振腔，結構包括外導體1、微波天線2、內(nèi)導體3、中管4、內(nèi)管5、樣品管6、樣品入口7、輔助氣入口8、工作氣入口9、維持氣入口10、屏蔽氣隔板11、屏蔽氣入口12、冷卻環(huán)13、屏蔽氣扼流錐14和阻抗匹配錐15。

本施例提供的諧振腔由外到內(nèi)依次設計有中空的軸線重合的外導體1、內(nèi)導體3、中管4、內(nèi)管5、樣品管6。其中，外導體1內(nèi)部設計有內(nèi)導體3，內(nèi)導體3內(nèi)部設計有中管4，中管4內(nèi)部設計有內(nèi)管5，內(nèi)管5內(nèi)部設計有樣品管6。樣品管6、內(nèi)管5、中管4、內(nèi)導體3與外導體1構成嵌套同軸結構，樣品管6、內(nèi)管5、中管4、內(nèi)導體3與外導體1在頂端均是開放的且頂端出口端面齊平，形成完整的微波耦合等離子體(MCP)諧振腔。如圖所示，各個管的長度依次為樣品管6>內(nèi)管5>中管4>內(nèi)導體3>外導體1。

外導體1為中空圓柱體，外導體1的內(nèi)表面與內(nèi)導體3的外表面共同構成諧振腔的工作主體。外導體1的內(nèi)腔深度為(2n+1)λ/4，其中n為0、1、2或3，λ為所使用的微波的波長。外導體1的內(nèi)徑為30～60mm。外導體上端面距離腔體底面93～100mm。外導體1的材質為高導電率、低損耗的金屬材料，如無氧銅、紫銅或高純鋁，或者采用銅合金、鋁合金加工，為提高腔體Q值，內(nèi)表面鍍銀。外導體內(nèi)表面進行防銹、防腐處理。

微波天線2位于距離諧振腔底面λ/4處。該處電場最強，實現(xiàn)在腔體電場駐波波峰處引入微波能量的目標，最大限度提高能量利用效率。微波天線2與內(nèi)導體3之間保持良好的電氣連接，微波能量以電磁耦合方式進入腔體內(nèi)部。微波天線2可采用圓柱形天線、半環(huán)形天線或T型天線。當微波功率輸入在幾百瓦時，諧振腔配套的微波源可以采用晶體管式固態(tài)微波源，源與腔之間既可以采用微波電纜進行柔性連接，也可以采用微波連接器件進行剛性連接。當微波功率輸入達到上千瓦時，諧振腔配套的微波源可以采用工業(yè)級的磁控管式微波源。源與腔之間必須采用微波連接器件進行剛性連接。大功率應用時，剛性連接工作可靠、炬焰穩(wěn)定、反射功率小。

內(nèi)導體3為內(nèi)部中空的圓柱體，其內(nèi)部放置中管4、內(nèi)管5和樣品管6。內(nèi)導體3與中管4之間為等離子體維持氣通道。外導體1在諧振腔底部與內(nèi)導體3封閉，形成一體化的諧振腔主體。內(nèi)外導體構成的微波諧振腔，輸入微波功率為80～1500瓦，微波頻率為300MHz～3000MHz，其特性阻抗范圍為50～80歐姆。內(nèi)導體外徑優(yōu)選10～18mm，內(nèi)徑優(yōu)選8～16mm。內(nèi)導體3材質可以為高導電率、低損耗的金屬材料，如無氧銅、紫銅等純銅材料或者高純鋁、銅合金、鋁合金加工而成，內(nèi)外表面鍍銀，并采取防銹防腐處理。

中管4為內(nèi)部中空、外部變徑的圓柱體結構。內(nèi)導體3的底部與中管4封閉，形成底端封閉頂端開放的維持氣層流流動的環(huán)形間隙。中管4上段λ/4段的直徑小于中管4下段直徑，中管4上段可以為圓臺體，也可以為變徑圓柱體。中管4的材質既可以為金屬，也可以為陶瓷、石墨、石英等非金屬。

內(nèi)管5為內(nèi)部中空、外部變徑的圓柱體結構。中管4的底部與內(nèi)管5封閉，形成底端封閉頂端開放的工作氣層流流動的環(huán)形間隙。內(nèi)管5上段λ/4段的直徑小于內(nèi)管5下段直徑，內(nèi)管5上段可以為圓臺體，也可以為變徑圓柱體。內(nèi)管5的材質既可以為金屬，也可以為陶瓷、石墨、石英等非金屬。

樣品管6為內(nèi)部中空、外部變徑的中空圓柱體結構。內(nèi)管5的底部與樣品管6封閉，形成底端封閉頂端開放的輔助氣層流流動的環(huán)形間隙。樣品管6上段λ/4段為圓臺體，也可以為變徑圓柱體。樣品管6的材質既可以為金屬，也可以為陶瓷、石墨、石英等非金屬。樣品管6內(nèi)部可直接進樣霧化的液體樣品氣溶膠或氣體樣品。

樣品入口7位于樣品管6的末端，引入氣體樣品或者被霧化的液體樣品氣溶膠，將被測樣品直接送入等離子體的中央通道進行激發(fā)、電離。

輔助氣入口8位于內(nèi)管5下部靠近內(nèi)管5末端的位置。采用徑向進氣方式，樣品管6上段外壁與內(nèi)管5的內(nèi)壁之間的環(huán)形間隙使得輔助氣以層流狀態(tài)流出出口側端面，雷諾系數(shù)小于2100，氣體流出均勻，有利于點火成炬，增加炬焰的穩(wěn)定性，提高樣品的承受能力和激發(fā)能力。輔助氣電離后形成內(nèi)層等離子體。輔助氣體可以選用氬氣或氦氣，分別獲得氬等離子體或氦等離子體，適應不同的應用場合。輔助氣還可以選用氮氣、氙氣或氪氣等易電離的氣體，適應不同的應用場合。

工作氣入口9位于中管4下部靠近中管4末端的位置。采用徑向進氣方式，內(nèi)管5上段外壁與中管4的內(nèi)壁之間的環(huán)形間隙使得工作氣以層流狀態(tài)流出出口側端面，雷諾系數(shù)小于2100，氣體流出均勻，有利于點火成炬，增加炬焰的穩(wěn)定性，提高樣品的承受能力和激發(fā)能力。工作氣電離后形成中層等離子體。工作氣可以選用氬氣或氦氣，分別獲得氬等離子體或氦等離子體。工作氣還可以選用氮氣、氙氣或氪氣等易電離的氣體，適應不同的應用場合。

維持氣入口10位于內(nèi)導體3下部靠近內(nèi)導體3末端的位置。采用徑向進氣方式，中管4上段外壁與內(nèi)導體3的內(nèi)壁之間的環(huán)形間隙使得維持氣以層流狀態(tài)流出出口側端面，雷諾系數(shù)小于2100，氣體流出均勻，有利于點火成炬，增加炬焰的穩(wěn)定性，提高樣品的承受能力和激發(fā)能力。維持氣電離后形成外層等離子體。維持氣可以選用氬氣或氦氣，分別獲得氬等離子體或氦等離子體。維持氣還可以選用氮氣、氙氣或氪氣等易電離的氣體，適應不同的應用場合。

屏蔽氣隔板11位于微波天線上方內(nèi)導體3與外導體1構成的環(huán)形空間內(nèi)部，使得屏蔽氣填充于腔體上部環(huán)形空間，防止屏蔽氣進入微波天線附近的腔體空間導致的在大功率輸入時產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象。屏蔽氣隔板9中心部位開孔，內(nèi)導體從中穿過，使得腔體端面近似封閉，屏蔽氣被約束于諧振腔端面并集中于內(nèi)導體3端面外徑周圍，抑制屏蔽氣向自由空間的紊亂擴散，更有利于消除大氣環(huán)境對等離子體炬的干擾。屏蔽氣隔板11采用非金屬材料。

屏蔽氣入口12位于屏蔽氣隔板11上方的位置，以外導體1內(nèi)腔的切線方向或徑向引入外導體1與內(nèi)導體3構成的環(huán)形空間。屏蔽氣可以采用氮氣或氧氣，以采用氧氣為佳，有穩(wěn)炬和助燃的作用，并且可以根除大氣環(huán)境成分被電離產(chǎn)生的背景干擾。

冷卻環(huán)13安裝于外導體1上部的外側，冷卻管與外導體1緊密接觸。采用水冷或壓縮空氣制冷的方式冷卻外導體，以降低等離子體炬附近腔體的工作溫度，避免腔體溫度過高導致微波天線的損傷，保證諧振腔能夠長時間正常工作。冷卻管經(jīng)過氣泵或水泵連接制冷散熱器，氣泵或水泵提供冷卻動力或循環(huán)動力，使得氣或水在制冷散熱裝置與水冷裝置之間循環(huán)，以實現(xiàn)降溫的功能。

屏蔽氣扼流錐14位于諧振腔出口端面內(nèi)部，使得腔體端面近似封閉，屏蔽氣被約束于諧振腔端面并環(huán)繞于內(nèi)導體端面外徑周圍，抑制屏蔽氣向自由空間的紊亂擴散，并以層流狀態(tài)從諧振腔的出口端面流出，節(jié)省氣體用量，根除大氣環(huán)境成分被電離產(chǎn)生的背景干擾，提高屏蔽氣的利用效率。屏蔽氣扼流錐12采用非金屬材料，如陶瓷、石英等，不影響腔體內(nèi)部電磁場分布。

阻抗匹配錐15位于諧振腔出口端面上部，實現(xiàn)諧振腔的特性阻抗與自由空間阻抗近似匹配，降低微波反射功率，穩(wěn)定炬焰，保護微波發(fā)生系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作。

當啟動微波功率輸入后，在內(nèi)導體3與中管4之間、中管4與內(nèi)管5之間、內(nèi)管5與樣品管6之間構成的三重環(huán)形間隙的出口側端面，微波電場同時電離三重層流均勻氣體，形成三重復合層流微波耦合等離子體(MCP)。即在樣品管6與內(nèi)管5之間的上端面環(huán)形間隙形成內(nèi)層等離子體；在內(nèi)管5與中管4之間的上端面環(huán)形間隙形成中層等離子體；在中管4與內(nèi)導體3之間的上端面環(huán)形間隙形成外層等離子體。內(nèi)層、中層和外層等離子體共同構成三重復合層流炬焰的主體，炬焰體積最大、功率密度最高、等離子體的樣品承受能力和激發(fā)能力最強。該等離子體具有明顯可見的中央通道，有利于氣態(tài)樣品或液態(tài)樣品氣溶膠的引入。

MCP可以通過調(diào)節(jié)維持氣、工作氣、輔助氣和載氣氣流的大小控制炬焰長度由短到長變化，通過調(diào)節(jié)入射功率的高低控制炬焰溫度由低溫到高溫變化，從而改變炬焰的電離能力。氣流調(diào)節(jié)與微波功率調(diào)節(jié)均以炬焰穩(wěn)定工作，無抽絲、抖動、旋轉現(xiàn)象為準。

維持氣、工作氣、輔助氣與載氣可以采用氬氣、氦氣或其它易電離的氣體，還可以為氮氣、氙氣或氪氣，應用于不同場合。維持氣、工作氣、輔助氣與載氣可以采用相同種類的氣體，也可以采用不同種類的氣體。

本發(fā)明的微波諧振腔微波工作頻率為300MHz～3000GHz，功率范圍為80瓦～1500瓦，中小功率時可以采用晶體管式固態(tài)微波源，大功率時可以采用成本更低的、已經(jīng)用于微波爐的工業(yè)級的磁控管式微波源。

該諧振腔產(chǎn)生的MCP可用作原子吸收光譜儀或原子熒光光譜儀的原子化器時，由于等離子體炬焰溫度高，能產(chǎn)生更多的被測元素的原子蒸汽，因而具有更高的測量靈敏度。

該諧振腔產(chǎn)生的MCP還可以用于原子發(fā)射光譜儀的激發(fā)光源。對于水溶劑樣品可經(jīng)霧化器霧化后直接進樣測量，不用去溶系統(tǒng)，無樣品的記憶效應；對于氣體樣品可經(jīng)氣體采樣泵直接進樣測量；還可以引入霧化的有機溶劑樣品。

由于該諧振腔的微波天線入口位于距腔體底面λ/4處，遠離等離子體炬焰，更方便作為質譜儀的離子源與質譜儀取樣錐進行銜接，進行質譜分析。

本實施例產(chǎn)生的MCP還可以在工業(yè)領域用于材料或部件的表面處理、薄膜沉積、超精密加工；環(huán)保領域的有毒有害廢氣處理，大氣污染物的連續(xù)、實時監(jiān)測，工業(yè)廢氣與機動車尾氣的監(jiān)測；醫(yī)療領域的殺菌、美容；汽車領域的發(fā)動機點火助燃以及航空領域(如飛機發(fā)動機、火箭、導彈等)的專用點火器或發(fā)動機噴氣燃燒狀態(tài)檢測。

本實施例1微波諧振腔的簡要工作過程如下：

(1)開啟水冷或壓縮空氣冷卻系統(tǒng)；

(2)啟動微波控制系統(tǒng)電源，進行預熱；

(3)開啟鋼瓶閥門，調(diào)節(jié)減壓閥的壓力，再調(diào)節(jié)維持氣、工作氣、輔助氣的氣體流量，進行管線吹掃，排出腔內(nèi)積存的空氣；

(4)開啟微波輸出，微波能量經(jīng)微波波導傳遞到微波輸入插座，再經(jīng)過天線傳輸至諧振腔內(nèi)，經(jīng)腔體短路面的振蕩反射形成駐波，使得腔體上端面處的電場達到極大值，同時點火器動作，釋放初始電子，引起端面附近的層流氣體產(chǎn)生電子雪崩反應，于是，在諧振腔的上端面流出的層狀氣流被激發(fā)、電離，引燃微波等離子體炬。

(5)開啟載氣，將被測樣品引入樣品管，進入等離子體中央通道進行激發(fā)電離；

(6)為了消除大氣環(huán)境對檢測的影響，可以采用屏蔽氣流包裹等離子體，隔斷炬焰與大氣的接觸，凈化電離環(huán)境，消除背景干擾。

實施例2

如圖3所示，是一種能夠產(chǎn)生雙重復合層流微波耦合等離子體(MCP)的微波諧振腔，結構包括外導體1、微波天線2、內(nèi)導體3、中管4、樣品管6、樣品入口7、工作氣入口9、維持氣入口10、屏蔽氣隔板11、屏蔽氣入口12、冷卻環(huán)13、屏蔽氣扼流錐14和阻抗匹配錐15。

本實施例與實施例1相比，區(qū)別在于少了內(nèi)管5和輔助氣入口8，外導體1的內(nèi)徑為26～56mm，內(nèi)導體3的外徑優(yōu)選8～16mm，內(nèi)徑優(yōu)選6～14mm。本實施例的微波諧振腔所用微波源與實施例1相同，工作過程與實施例1相同，僅僅是少用一路輔助氣。

當啟動微波功率輸入后，在內(nèi)導體3與中管4之間、中管4與樣品管6之間構成的雙重環(huán)形間隙的出口側端面，微波電場同時電離雙重層流均勻氣體，形成雙重復合層流微波耦合等離子體(MCP)。即在樣品管6與中管4之間的上端面環(huán)形間隙形成中層等離子體；在中管4與內(nèi)導體3之間的上端面環(huán)形間隙形成外層等離子體。中層和外層等離子體共同構成雙重復合層流炬焰的主體，炬焰體積大、功率密度高、等離子體的樣品承受能力和激發(fā)能力強。該等離子體具有明顯可見的中央通道，有利于氣態(tài)樣品或液態(tài)樣品氣溶膠的引入。

實施例3

如圖4所示，是一種能夠產(chǎn)生層流微波耦合等離子體(MCP)的微波諧振腔，結構包括外導體1、微波天線2、內(nèi)導體3、樣品管6、樣品入口7、維持氣入口10、屏蔽氣隔板11、屏蔽氣入口12、冷卻環(huán)13、屏蔽氣扼流錐14和阻抗匹配錐15。

本實施例與實施例1相比，區(qū)別在于少了內(nèi)管5、中管4和輔助氣入口8、工作氣入口9，外導體1的內(nèi)徑為22～50mm，內(nèi)導體3的外徑優(yōu)選7～12mm，內(nèi)徑優(yōu)選5～10mm。本實施例的微波諧振腔所用微波源與實施例1相同，工作過程與實施例1相同，但沒有用輔助氣和工作氣。

當啟動微波功率輸入后，在內(nèi)導體3與樣品管6之間構成的環(huán)形間隙的出口側端面，微波電場電離層流均勻氣體，形成單個層流微波耦合等離子體(MCP)。即在樣品管6與內(nèi)導體3之間的上端面環(huán)形間隙形成單層等離子體。炬焰體積小、功率密度低、等離子體的樣品承受能力和激發(fā)能力弱。雖然該等離子體具有明顯可見的中央通道，但是，只適合引入氣體樣品或干的樣品氣溶膠。

在中低微波功率輸入時，維持氣與載氣只能采用氬氣工作；在大功率微波功率輸入時，維持氣與載氣可以采用氦氣工作。

本實施例諧振腔產(chǎn)生的MCP可用作原子吸收光譜儀或原子熒光光譜儀的原子化器，以及原子發(fā)射光譜儀的激發(fā)光源，或質譜儀的離子源。對于液體樣品可經(jīng)霧化器霧化后，不能直接進樣測量，要采用去溶系統(tǒng)將濕的樣品氣溶膠轉換為干的樣品氣溶膠，存在樣品的記憶效應；對于氣體樣品可經(jīng)氣體采樣泵直接進樣測量。

本實施例的微波諧振腔與現(xiàn)有技術的MPT炬管的主要區(qū)別如下：

(1)本實施例的微波諧振腔天線引入位置處于腔內(nèi)駐波電場極大的位置；MPT炬管天線引入位置偏離腔內(nèi)駐波電場極大的位置，造成微波耦合效率偏低。

(2)本實施例的微波諧振腔增加了屏蔽氣隔板，防止屏蔽氣進入微波天線附近的腔體空間產(chǎn)生打火放電現(xiàn)象；MPT炬管沒有屏蔽氣隔板，輸入大功率時會引起天線附近的放電，存在燒毀天線的風險。

(3)本實施例的微波諧振腔增加了屏蔽氣扼流錐，保證屏蔽氣以層流狀態(tài)從諧振腔的出口端面流出，節(jié)省氣體用量，根除大氣環(huán)境成分被電離產(chǎn)生的背景干擾，提高屏蔽氣的利用效率；MPT炬管沒有屏蔽氣扼流錐，屏蔽氣利用效率低，屏蔽效果差。

(4)本實施例的微波諧振腔在端面設計了阻抗匹配錐，實現(xiàn)諧振腔的特性阻抗與自由空間阻抗近似匹配，降低微波反射功率，穩(wěn)定炬焰，保護微波發(fā)生系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作；MPT炬管沒有端面的阻抗匹配錐，腔體的特性阻抗與自由空間阻抗嚴重失配，造成微波反射功率高，炬焰不穩(wěn)定，不利于微波源長期穩(wěn)定工作。

(5)本實施例的微波諧振腔在腔體上部設計了冷卻環(huán)，保證在大功率工作的條件下，降低等離子體炬附近腔體的工作溫度，避免腔體溫度過高導致微波天線的損傷，保證諧振腔能夠長時間正常工作；MPT炬管僅僅適合低功率條件下工作，沒有設計冷卻環(huán)。

實施例4

如圖5所示，是一種能夠產(chǎn)生層流微波耦合等離子體(MCP)的微波諧振腔，包括外導體1、微波天線2、內(nèi)導體3、樣品入口7、維持氣入口10、屏蔽氣隔板11、屏蔽氣入口12、冷卻環(huán)13、屏蔽氣扼流錐14和阻抗匹配錐15。

本實施例提供的諧振腔僅有外導體1、內(nèi)導體3。其中，外導體1內(nèi)部設計有內(nèi)導體3。內(nèi)導體3的中心線位于諧振腔的中心軸線上，內(nèi)導體3與外導體1構成同軸結構，形成特殊的層流微波耦合等離子體(MCP)諧振腔。外導體1的內(nèi)徑為18～30mm，內(nèi)導體3的外徑優(yōu)選5～8mm，內(nèi)徑優(yōu)選3～6mm。

樣品入口7位于內(nèi)導體3的末端，引入氣體樣品，將被測氣體樣品直接送入等離子體的中央通道進行激發(fā)、電離。

當啟動微波功率輸入后，在內(nèi)導體3的出口側端面，微波電場電離層流均勻氣體，形成層流微波耦合等離子體(MCP)。該炬焰體積最小、功率密度最低、等離子體的樣品承受能力和激發(fā)能力最弱。雖然該等離子體同樣具有明顯可見的中央通道，但是，只適合引入氣體樣品。

本實施例的微波諧振腔所用微波源與實施例1相同。

本實施例的諧振腔產(chǎn)生的MCP可以用于原子發(fā)射光譜儀的激發(fā)光源，用于氣體樣品(如大氣污染物)的直接測量分析。

本實施例的微波諧振腔的工作過程與實施例1相同，但是氣體消耗量最低，因為僅僅使用一路維持氣工作。