微波等離子體炬(MPT)技術(shù)基礎(chǔ)理論的研究及千瓦級(jí)MPT光譜儀的研制.pdf

1、微波等離子體炬(MPT)光源自發(fā)明至今已經(jīng)30年，其兼顧了ICP與MWP兩種光源的優(yōu)勢(shì)，激發(fā)能力強(qiáng)，可容易地在低流量小功率條件下獲得穩(wěn)定的常壓氬、氦、氮或者甚至空氣等離子體，因此得到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在發(fā)展過(guò)程中逐步得到完善。然而，該炬管本身的主要幾項(xiàng)重大改進(jìn)都立足于實(shí)踐需求與試錯(cuò)法實(shí)現(xiàn)，關(guān)于理論探索不多，導(dǎo)致在千瓦級(jí)MPT光譜儀技術(shù)的研發(fā)過(guò)程已有的先驗(yàn)知識(shí)尚不足以解決由于功率水平從百瓦級(jí)上升到千瓦級(jí)所引出的新問(wèn)題。基于此，

2、本論文著重從理論角度出發(fā)，通過(guò)建模、仿真、高速成像等多種手段對(duì)MPT技術(shù)進(jìn)行分析并加以研究，最終成功的將相關(guān)研究成果應(yīng)用到了實(shí)際場(chǎng)合，解決了相關(guān)問(wèn)題。主要取得了如下創(chuàng)新性成果:1）首次使用傳輸線理論建立起MPT結(jié)構(gòu)的等效電路模型，分析了MPT各調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在阻抗匹配和調(diào)諧方面所起到的作用，該理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻合，可為炬管結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)提供理論依據(jù)。2）使用高速成像的方法對(duì)MPT光源瞬時(shí)的時(shí)空運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了觀測(cè)，通過(guò)分析，合理地解釋了

3、MPT相比其他微波等離子體光源所具有的獨(dú)特性能的根源。考察了不同工作條件對(duì)等離子體高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響，對(duì)干氣溶膠與等離子體之間的相互作用也進(jìn)行了初步探索，這一工作使對(duì)MPT的認(rèn)識(shí)從宏觀尺度進(jìn)入到微觀尺度。3）提出絲狀等離子體繞軸高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是MPT獨(dú)特噪音譜特性的根源，并建立起MPT旋轉(zhuǎn)噪音譜的數(shù)學(xué)模型，該模型可以解釋各條件下MPT噪音譜的變化情況，為光譜檢測(cè)中優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件提供了較好的參考價(jià)值。4）通過(guò)電磁仿真對(duì)MPT冷腔內(nèi)的電磁場(chǎng)分布

4、特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)管與同軸墊片在電磁場(chǎng)分布中所起到的重要作用，并提出了一種新型的具有雙諧振結(jié)構(gòu)的MPT炬管，改進(jìn)的炬管在小功率至千瓦級(jí)功率下均可獲得穩(wěn)定性極佳的等離子體，加快了高性能千瓦級(jí)MPT光譜儀研發(fā)進(jìn)度。5）研發(fā)了一種新的高穩(wěn)定度高功率的微波功率源，穩(wěn)定度優(yōu)于±0.5％，在此基礎(chǔ)上通過(guò)合理的元器件選型搭建了千瓦級(jí)MPT光譜儀，并完成基本功能，首次實(shí)現(xiàn)了ArMPT的直接霧化進(jìn)樣，省掉了小功率光譜儀所必須的去溶裝置，滿足了研發(fā)目標(biāo)