一種可拆卸的微波感應(yīng)等離子體炬管的制作方法

本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可拆卸的微波感應(yīng)等離子體炬管。

背景技術(shù)：

激發(fā)光源作為原子發(fā)射光譜法(AES)的核心部件，使待測(cè)樣品原子化、激發(fā)和電離，用于提供待測(cè)元素的光譜信息，其性能往往決定著所提供信息的質(zhì)量。等離子體光源作為AES的激發(fā)光源現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用，主要分為電感耦合等離子體(ICP)和微波等離子體(MWP)兩大類。其中，電感耦合等離子體(ICP)因其具有的檢出限低、基體效應(yīng)小、精密度高、靈敏度高、線性范圍寬以及多元素同時(shí)分析等諸多優(yōu)點(diǎn)而得以廣泛應(yīng)用。然而，由于采用ICP的光譜分析儀器要消耗大量的稀有氣體—?dú)鍤?，?dǎo)致其儀器成本和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高。

微波等離子體(MWP)主要優(yōu)點(diǎn)是可用氦氣作為工作氣體來測(cè)定包括鹵族元素在內(nèi)的幾乎所有元素，且儀器成本和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電感耦合等離子體(ICP)，按照能量導(dǎo)入工作氣體的方法及等離子體形成的方式，MWP通?？煞譃閮深?，電容耦合微波等離子體(CMP)和微波感生等離子體(MIP)。

其中，微波感生等離子體(MIP)可采用氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w維持它的等離子體焰炬，在一定條件下它可以形成類似于ICP光源的環(huán)形等離子體，因而得到廣泛應(yīng)用。但是，現(xiàn)有的MIP炬管都是采用一體式設(shè)計(jì)的內(nèi)管、中間管及外管結(jié)構(gòu)，在使用過程中，外層的石英管由于氣體流速、微波功率偏離正常值或其他原因，容易被等離子體燒融損壞，而相對(duì)而言結(jié)構(gòu)較外管更為復(fù)雜的中心管發(fā)生損壞的幾率較少。當(dāng)外管發(fā)生損壞時(shí)，無法替換新的外管，只能整根炬管替換，從而使得等離子炬管的替換和維修成本過高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可拆卸的微波感應(yīng)等離子體炬管，采用可拆卸的獨(dú)立的外管、中管、和內(nèi)管結(jié)構(gòu)，有效降低等離子炬管的替換和維修成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種可拆卸的微波感應(yīng)等離子體炬管，包括相互獨(dú)立的外管、中間管和內(nèi)管，以及用于將所述外管、中間管和內(nèi)管基本同軸固定在一起的固定裝置，所述固定裝置包括與外管可拆卸連接的第一夾持體、與中間管可拆卸連接的第二夾持體、以及與內(nèi)管可拆卸連接的第三夾持體，所述內(nèi)管用于把載送分析樣品的載氣注入炬管內(nèi)產(chǎn)生的等離子體中，所述第二夾持體設(shè)有讓輔助氣進(jìn)入內(nèi)管與中間管之間空間的中間氣體入口，所述第一夾持體設(shè)有讓冷卻氣進(jìn)入中間管與外管之間空間的外氣體入口。

所述固定裝置為分體式結(jié)構(gòu)，所述第一夾持體、第二夾持體和第三夾持體同軸可拆卸地連接在一起。

所述第一夾持體、第二夾持體和第三夾持體均為中空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，所述第一夾持體的前端外壁設(shè)有第一外螺紋，所述第一夾持體的前端內(nèi)壁設(shè)有與外管配合的第一結(jié)合部，所述第一夾持體的后端內(nèi)壁設(shè)有第一內(nèi)螺紋，所述第二夾持體的前端外壁設(shè)有與第一內(nèi)螺紋相匹配的第二外螺紋，所述第二夾持體的前端內(nèi)壁設(shè)有與中間管配合的第二結(jié)合部，所述第二夾持體的后端內(nèi)壁設(shè)有第二內(nèi)螺紋，所述第三夾持體的前端外壁設(shè)有與第二內(nèi)螺紋相匹配的第三外螺紋，所述內(nèi)管穿設(shè)在第三夾持體的內(nèi)壁上。

所述固定裝置還包括套設(shè)在外管上的固定件，所述固定件的后端內(nèi)壁設(shè)有與第一外螺紋相匹配的第三內(nèi)螺紋，所述第一夾持體的前端面設(shè)有第一凹槽，所述第一凹槽內(nèi)設(shè)有套設(shè)在外管上的第一彈性件，所述第二夾持體的前端面設(shè)有第二凹槽，所述第二凹槽內(nèi)設(shè)有套設(shè)在中間管上的第二彈性件，所述第三夾持體的前端面設(shè)有第三凹槽，所述第三凹槽內(nèi)設(shè)有套設(shè)在內(nèi)管上的第三彈性件。

所述外管、中間管和內(nèi)管均為石英管，所述固定裝置由耐熱材料制成。

所述外氣體入口偏離炬管中心軸線，使冷卻氣沿外管管壁切向進(jìn)入中間管與外管之間的空間。

所述外氣體入口的出口形成向軸心收縮的倒錐形，用于提高冷卻氣的流速。

所述中間氣體入口的出口形成向周邊擴(kuò)張的正錐形，用于減緩輔助氣的流速。

所述內(nèi)管和中間管的氣體出口端水平對(duì)齊，所述內(nèi)管和中間管的出口端距離固定裝置前端30～40mm，所述外管的出口端距離固定裝置前端90～100mm。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于：

1、采用相互獨(dú)立的外管、中間管和內(nèi)管結(jié)構(gòu)，相對(duì)于一體式炬管，分體式炬管加工更簡(jiǎn)便，且可以對(duì)外管、中間管及內(nèi)管任意更換，避免了外管燒壞需要更換整個(gè)矩管的情況，有效降低炬管的替換和維修成本。

2、采用分體式固定裝置固定炬管，保障各管同軸的同時(shí)，又可自由組裝拆卸，使得炬管的更換、組裝十分簡(jiǎn)便。

3、氣路通道設(shè)置在由耐熱材料制成的固定裝置上，氣體供應(yīng)穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)堵塞或氣路不穩(wěn)定問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的微波感應(yīng)等離子體炬管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的微波感應(yīng)等離子體炬管的冷卻氣入口示意圖；

圖3是本發(fā)明的微波感應(yīng)等離子體炬管的輔助氣入口示意圖

附圖標(biāo)記說明：1-外管；2-中間管；3-內(nèi)管；4-第一夾持體；5-第二夾持體；6-第三夾持體；7-固定件；11-外氣體入口；12-外管出口端；21-中間氣體入口；22-中間管出口端；31-內(nèi)管進(jìn)口端；32-內(nèi)管出口端；41-第一外螺紋；42-第一結(jié)合部；43-第一內(nèi)螺紋；44-第一凹槽；51-第二外螺紋；52-第二結(jié)合部；53-第二內(nèi)螺紋；54-第二凹槽；61-第三外螺紋；62-第三凹槽；71-第三內(nèi)螺紋。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

實(shí)施例：

如圖1所示，一種可拆卸的微波感應(yīng)等離子體炬管，包括相互獨(dú)立的外管1、中間管2和內(nèi)管3，以及用于將所述外管1、中間管2和內(nèi)管3基本同軸固定在一起的固定裝置，所述固定裝置包括用于第一夾持體4、第二夾持體5、以及第三夾持體6，所述內(nèi)管3用于把載送分析樣品的載氣注入炬管內(nèi)產(chǎn)生的等離子體中，所述第二夾持體5設(shè)有讓輔助氣進(jìn)入內(nèi)管3與中間管2之間空間的中間氣體入口21，所述第一夾持體4設(shè)有讓冷卻氣進(jìn)入中間管2與外管1之間空間的外氣體入口11。

其中，外管1、中間管2和內(nèi)管3均為石英管，外管1進(jìn)口端與外氣體入口11連通，外管1的出口端12距離固定裝置前端90～100mm；中間管2進(jìn)口端與中間氣體入口21連通，中間管2的出口端22位于外管1的內(nèi)部；內(nèi)管3進(jìn)口端31伸出固定裝置后端一段距離，內(nèi)管3的出口端32與中間管2的出口端22平齊且距離固定裝置前端30～40mm，為了減少內(nèi)管3出口端32融化的風(fēng)險(xiǎn)，可以將內(nèi)管3的出口端32稍微靠后以增加與等離子體的距離，從而降低其出口端32的溫度。這一溫度降低既減少了熔化內(nèi)管3的風(fēng)險(xiǎn)，又減少了樣品過早蒸發(fā)的可能性。同時(shí)為了提高炬管性能，還需將內(nèi)管3的出口端32設(shè)計(jì)成平滑的錐形，即將出口端32的內(nèi)徑設(shè)計(jì)得更小，以增大載氣的流速，從而更容易將待測(cè)樣品送入到等離子體中。

其中，外氣體入口11向外管1與中間管2之間提供冷卻氣，對(duì)炬管內(nèi)產(chǎn)生的等離子體形成隔離層，使等離子體與外管1的內(nèi)壁分開，阻止外管1熔化。對(duì)偏離炬管中心軸線的外氣體入口11，會(huì)使冷卻氣沿炬管長(zhǎng)度方向移動(dòng)時(shí)發(fā)生螺旋，螺旋氣流有助于穩(wěn)定等離子體并保持其均勻的管狀形態(tài)。

進(jìn)一步地，請(qǐng)參照?qǐng)D2所示，外氣體入口11的出口形成向軸心收縮的倒錐形，較小的出口可以提高冷卻氣的注入速度，高速的螺旋氣流能夠使得隔離層“變硬”，從而更好地約束等離子體。

其中，中間氣體入口21向中間管2與內(nèi)管3之間提供用于維持等離子體的輔助氣，該氣流同時(shí)用來控制等離子體的軸向位置。

進(jìn)一步地，請(qǐng)參照?qǐng)D3所示，中間氣體入口21的出口形成向周邊擴(kuò)張的正錐形，較大的出口可以減緩輔助氣的流速，使炬管內(nèi)的等離子體更穩(wěn)定。

其中，固定裝置采用耐熱材質(zhì)加工而成，如聚甲醛、尼龍、高密度聚乙烯、聚四氟乙烯等，其熱膨脹系數(shù)較小，不會(huì)因熱變形而影響到設(shè)置在其上的氣體通道。固定裝置可以采用一體式結(jié)構(gòu)，外管1、中間管2和內(nèi)管3可以采用緊配合分別插入在第一夾持體4、第二夾持體5以及第三夾持體6中，其中緊配合可以采用O-ring配合方式，或其他的可拆卸方式，以保證能夠隨時(shí)更換其中任意的一根石英管。

作為本發(fā)明的另一改進(jìn)點(diǎn)，將固定裝置設(shè)計(jì)成分體式結(jié)構(gòu)，其中第一夾持體4、第二夾持體5以及第三夾持體6均為獨(dú)立的構(gòu)件，通過法蘭或螺紋配合方式，實(shí)現(xiàn)同軸可拆卸地連接在一起。下面對(duì)本實(shí)施例較佳的實(shí)現(xiàn)方式--螺紋連接進(jìn)行具體描述。

其中，第一夾持體4、第二夾持體5和第三夾持體6均為中空?qǐng)A柱結(jié)構(gòu)，第一夾持體4的前端外壁設(shè)有第一外螺紋41，所述第一夾持體4的前端內(nèi)壁設(shè)有與外管1配合的第一結(jié)合部42，所述第一夾持體4的后端內(nèi)壁設(shè)有第一內(nèi)螺紋43，所述第二夾持體5的前端外壁設(shè)有與第一內(nèi)螺紋43相匹配的第二外螺紋51，所述第二夾持體5的前端內(nèi)壁設(shè)有與中間管配合的第二結(jié)合部52，所述第二夾持體5的后端內(nèi)壁設(shè)有第二內(nèi)螺紋53，所述第三夾持體6的外壁設(shè)有與第二內(nèi)螺紋53相匹配的第三外螺紋61，所述內(nèi)管3穿設(shè)在第三夾持體6的內(nèi)壁上。

固定裝置還包括套設(shè)在外管1上的固定件7，該固定件用于將炬管固定到微波諧振腔當(dāng)中。所述固定件7的后端內(nèi)壁設(shè)有與第一外螺紋41相匹配的第三內(nèi)螺紋71，所述第一夾持體4的前端面設(shè)有第一凹槽44，所述第二夾持體5的前端面設(shè)有第二凹槽54，所述第三夾持體6的前端面設(shè)有第三凹槽62，所述第一凹槽44、第二凹槽54和第三凹槽62內(nèi)均設(shè)有套設(shè)在相應(yīng)管外壁上的彈性件(圖中未示出)，如硅膠或氟橡膠墊圈等。當(dāng)?shù)谝粖A持體4的前端面接近固定件8的第三內(nèi)螺紋71的底端面時(shí)，位于第一凹槽44中彈性件將受壓產(chǎn)生向周邊的變形，從而緊箍住外管1，以將外管1固定。同理，中間管2和內(nèi)管3都采用相同的方式進(jìn)行固定，這樣設(shè)計(jì)的好處在于能夠保持整個(gè)裝置的氣密性。

本發(fā)明的微波感應(yīng)等離子體炬管，通過固定件7將等離子體炬管固定到諧振腔上，使等離子體炬管與諧振腔內(nèi)磁場(chǎng)最大處軸向?qū)R，等離子輔助氣體通過中間氣體入口21進(jìn)入內(nèi)管3與中間管2之間的空間，在微波的電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)的分量作用下，使其在出口端22和32的前方形成橢圓形剖面中空的等離子體，這是發(fā)射光譜中通常應(yīng)用的一種等離子體產(chǎn)生的方式。通過外氣體入口11沿外管1內(nèi)壁切向進(jìn)入中間管2與外管1之間的空間的冷卻氣，在外管1與中間管2之間的空間螺旋流動(dòng)，形成高流速的冷卻氣體，有效地約束等離子體，防止外管1燒融。與內(nèi)管3進(jìn)口端31相連通的霧化系統(tǒng)將待測(cè)液質(zhì)樣品霧化，攜帶著霧化的樣品的載氣通過內(nèi)管3的出口端32注入到等離子體進(jìn)行激發(fā)。

本發(fā)明的微波感應(yīng)等離子體炬管，采用相互獨(dú)立的外管、中間管和內(nèi)管結(jié)構(gòu)，可以更換任意一根石英管，對(duì)比一體化的炬管，本發(fā)明的石英管加工更簡(jiǎn)便，加工成本低。在儀器開發(fā)試驗(yàn)過程中，諸多不確定的因素容易損壞炬管，分體式設(shè)計(jì)能夠避免因其中一根石英管燒壞需要更換整個(gè)矩管的情況，有效降低炬管的替換和維修成本。

采用分體式固定裝置固定炬管，保障各管同軸的同時(shí)，又可自由組裝拆卸，不但可以更換石英管，還可以更換出現(xiàn)缺陷的夾持體，使得炬管的更換、組裝更加簡(jiǎn)便。

一般MIP炬管利用橡膠面與炬管固定裝置連接，氣體必須通過橡膠面進(jìn)入矩管，在炬管的長(zhǎng)時(shí)間使用過程中，橡膠面會(huì)由于高溫體積膨脹，對(duì)于內(nèi)徑較細(xì)的氣孔而言，膨脹的橡膠面會(huì)使氣孔的內(nèi)徑縮小，甚至堵塞，影響等離子體的穩(wěn)定性。而本發(fā)明的固定裝置直接與石英管相連，輔助氣和冷卻氣通過固定裝置的氣孔直接進(jìn)入到了石英管之間的間隙當(dāng)中，固定裝置采用耐熱材質(zhì)加工而成，熱膨脹系數(shù)較小，可以有效防止氣孔堵塞。

上述實(shí)施例只是為了說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的是在于讓本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡是根據(jù)本發(fā)明內(nèi)容的實(shí)質(zhì)所做出的等效的變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。