微波等离子体炬（MPT）技术基础理论的研究及千瓦级MPT光谱仪的研制

发布时间：2019-08-27 15:32

【摘要】：微波等离子体炬(MPT)光源自发明至今已经30年,其兼顾了ICP与MWP两种光源的优势,激发能力强,可容易地在低流量小功率条件下获得稳定的常压氩、氦、氮或者甚至空气等离子体,因此得到了国内外相关学者的广泛关注,并在发展过程中逐步得到完善。然而,该炬管本身的主要几项重大改进都立足于实践需求与试错法实现,关于理论探索不多,导致在千瓦级MPT光谱仪技术的研发过程已有的先验知识尚不足以解决由于功率水平从百瓦级上升到千瓦级所引出的新问题。基于此,本论文着重从理论角度出发,通过建模、仿真、高速成像等多种手段对MPT技术进行分析并加以研究,最终成功的将相关研究成果应用到了实际场合,解决了相关问题。主要取得了如下创新性成果：1)首次使用传输线理论建立起MPT结构的等效电路模型,分析了MPT各调节机构在阻抗匹配和调谐方面所起到的作用,该理论模型与实验结果较为吻合,可为炬管结构的进一步改进提供理论依据。2)使用高速成像的方法对MPT光源瞬时的时空运动特性进行了观测,通过分析,合理地解释了MPT相比其他微波等离子体光源所具有的独特性能的根源。考察了不同工作条件对等离子体高速旋转运动的影响,对干气溶胶与等离子体之间的相互作用也进行了初步探索,这一工作使对MPT的认识从宏观尺度进入到微观尺度。3)提出丝状等离子体绕轴高速旋转运动是MPT独特噪音谱特性的根源,并建立起MPT旋转噪音谱的数学模型,该模型可以解释各条件下MPT噪音谱的变化情况,为光谱检测中优化实验条件提供了较好的参考价值。4)通过电磁仿真对MPT冷腔内的电磁场分布特性进行了研究,发现内管与同轴垫片在电磁场分布中所起到的重要作用,并提出了一种新型的具有双谐振结构的MPT炬管,改进的炬管在小功率至千瓦级功率下均可获得稳定性极佳的等离子体,加快了高性能千瓦级MPT光谱仪研发进度。5)研发了一种新的高稳定度高功率的微波功率源,稳定度优于±0.5%,在此基础上通过合理的元器件选型搭建了千瓦级MPT光谱仪,并完成基本功能,首次实现了ArMPT的直接雾化进样,省掉了小功率光谱仪所必须的去溶装置,满足了研发目标并顺利通过了国家重大科学仪器设备开发专项(批准号：2013YQ470781)的中期评估。
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第一章绪论逡逑和气体流量（＞２Ｌ／ｍｉｎ）时，尊离子体的中＞公则呈亮白包而外层呈微红色。除了逡逑Ａｒ和Ｈｅ，邋ＭＰＴ还可Ｗ形成空气等离子体，，兰种不同的等离子体如图１．２所示。逡逑Ａｔ邋ＭＰＴ逦Ｈｅ邋ＭＰＴ逦Ａｉｒ邋ＭＰＴ逡逑图１．２用ＭＰＴ在低功率（＜２００瓦）下获得的常压l#、氯、空气等离子体照片逡逑１．３．２邋ＭＰＴ电崹场特性逡逑由图１．１可见，ＭＰＴ炬管在结构上可视为一端开放的同轴微波谐振腔体［６８］。逡逑当微波经传输线馈入到ＭＰＴ腔体内后，在腔体轴对称性结构和边界条件的限制逡逑下形成了明确固定的电场与碰场分布模式，可Ｗ说正是由于这种腔体结构和能量逡逑的分布模式维持了邋ＭＰＴ独特的放电结构。李国珍［７０１和赵丽巍等均对ＭＰＴ腔逡逑体内的电磁场分布做过初步的研究，并给出了邋ＭＰＴ腔体内电滋场分布的直观解逡逑释。逡逑考虑一段长度为（１／４）人的奇数倍的同轴线，将入口端开路，出口端短路，即逡逑可构成ＭＰＴ这种半开放的同轴谐振腔结构。通常认为ＭＰＴ中管和内管是电导逡逑通的，可相当于同轴线的内导体，而外管则相当于同轴线的外导体，反射调谐端逡逑将中管与内管在终端短路。ＭＰＴ在设计时可确保其只传输同轴线结构中的最低逡逑的横电崹波（ＴＥＭ）模式，此时担场和x锍≡诖�输方向上（即ＭＰＴ炬管轴线方逡逑向）没有分量。在理想的无能量损耗状态�

本文编号：2529846