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专利名称：用于微波感应的等离子体的等离子体焰炬的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适合微波感应的等离子体(MIP)的等离子体光谱化学分析焰炬。
背景众所周知，光谱化学分析的等离子体例如液体样品的元素分析，可以例如用射频能或微波能作电波激发。由射频能激发的等离子体即感应耦合等离子体(ICP)现已得到良好发展。在ICP光谱术中，等离子体在焰炬中通过环绕线圈的感应而形成，而环绕线圈则用一般为20～50MHZ的射频能激发。等离子体构成一空心圆柱体，让样品注入等离子体的空心中心部分。合格的ICP光谱术性能要求严密地控制气流区，包括围绕等离子体的铠装气流。在一典型的ICP焰炬中，气流调节由一独立的气体控制系统予以保证，而进入焰炬的气体相对于允许进入的气体量很大，因而焰炬极难得产生反压力。
然而，微波感应等离子体(MIP)光谱术却比ICP光谱术发展的更慢，尽管有不少优点，例如可得到磁控管形式的低成本、耐用和可靠的微波发生器，因为在本申请人的近期开发之前，MIP系统的分析性能一直明显地不如ICP系统。在本申请人最近开发的MIP系统中，等离子体焰炬位于微波腔内，微波能的磁场分量或者磁场与电场两种分量都可激发焰炬内的等离子体。具有椭圆截面管形形式的等离子体可在焰炬中形成，该系统证明有效的分析性能接近射频ICP系统。
MIP系统的低劣性能主要归因于微波感应等离子体对射频ICP具有不同的特征，因而在微波感应等离子体中，于射频等离子体相比，等离子体厚度小得多，中心区更小(与射频ICP相比，微波等离子体在整个焰炬中呈现出高得多的温度与位置梯度)。微波感应等离子体的这些特征使得等离子体更难以约束，因而ICP光谱术常用的焰炬一般不适和MIP光谱术。
这里讨论的发明背景用于说明本发明的单位，但在任何权利要求的优先权日期时，并不认为引用的任何材料在澳大利亚是一般的常识。

发明内容
本发明提供一种等离子体光谱化学分析焰炬，与ICP焰炬相比，对微波感应等离子体改进了耐用性。
根据本发明，提供的等离子体光谱化学学分析焰炬包括外管、中间管和内管，内管在中间管基本上同轴定位，用于把携带分析样品的第一气流注入焰炬内产生的等离子体。
导入中间管的第二气流进入内管与中间管之间空间的中间气体入口，用于控制焰炬产生的等离子体的轴向位置，导入外管在外管与中间管之间提供的第三气流的外气体入口，用于对焰炬产生的等离子体提供铠装气体层。
其中外气体入口偏离焰炬中心轴线，将螺旋流在沿焰炬移动时传给提供的第三气体而提供铠装气体层，和与外气体入口有关的装置，与所述装置上游的气体速度相比，可提高铠装气体内的气体速度，从而增大铠装气体层对等离子体的约束力。
使用时，气体速度的提高在与外气体入口关联的所述装置两端产生一压力降。
层内提高的气体速度使得该层“变硬”，更好地约束微波感应的等离子体。该铠装气体层在焰炬外管的内表面与等离子体之间提供一气体边界层，使等离子体保持与该管分离，防止管子熔化，从而改进了焰炬耐用性。外气体入口定位成使气流注入点偏离焰炬中心线，使铠装气体层沿焰炬长度移动时发生自旋，这一旋转即气流的螺旋运动有助于稳定等离子体，保持其均匀的管状形态。
气速提高较佳地相对高，以提高铠装气体层的转速。气速增高装置把供气压固有的潜能转换为气体进入焰炬的功能，因此对使用中相对高的气速增大而言，会出现明显的减压，这在气体进入焰炬电费附近地点实现，否则功能将通过气源与焰炬之间的管路里的扰动而耗散。
气速增大装置可以是外气体入口内的节气阀，较佳地是一个喷管，可以是形状更复杂的文丘里管，以提供更佳的能力转换效率。
存在与外气体入口关联的增速装置而引起的压力减小，若不主要作用于第三气流对等离子体的调节，可能很大，即焰炬在对等离子体调节第三气流时构成一主要元件，这与典型ICP系统的状况相反，其中流向等离子体的气体由设计成提供恒定流速的控制系统供给焰炬，焰炬很少影响气流调节。因此，本发明可以按恒压而不是按恒流速向焰炬供气，并且依赖域焰炬作流量调节。
本发明还提供一种微波感应等离子体光谱化学分析系统，包括前述的焰炬，向焰炬外气体入口供等离子体支持气体的气源，其中气源以几乎恒压提供等离子体支持气体，因而进入焰炬的第三气体的流速由与外气体入口关联的装置调节，以提高铠装气体层内的气速。
与在射频ICP系统中一样，焰炬包括一内管，用于将光谱化学分析样品注入等离子体中心部分。这种内管一般几乎同轴地位于中间管内。把样品注入微波感应等离子体比注入射频等离子体更困难，为减少该困难，本发明一实施例的焰炬内管在其出口端具有直径减小的开口。例如，射频ICP焰炬较佳地出口对含水样品为1.4mm～2.5mm，对于使用每分钟1升的同样样品气流量的微波感应等离子体的焰炬，开口直径为0.9～1.4mm。此外或者另外，内管的出口端可以伸到比射频ICP焰炬的情况更接近等离子体，这意味着含样品的喷气流在遇到等离子体之前具有更小的弯曲或扩散距离。在本发明一实施例中，内管出口端几乎与中间管端部做成同一水平。
ICP与MIP两种焰炬的另一问题(尤其对含总溶解固体(TDS)高的样品)，是等离子体的辐射能会加热内管(即样品注入)出口端，导致管件阻塞，即通过样品注入管运行的喷雾样品里的小部分液滴必然触及管内表面而粘附，并被受热管干燥。液滴的固体成分保持附接于内表面，沉淀物慢慢堆积而逐渐阻塞其出口或附近的内管(样品注入)。结果是一缓慢劣化的信号，灵敏度逐渐变差。对于MIP焰炬而言，若样品注入(内)管伸到更接近等离子体和/或具有前述较小的出口，就更成问题。
本发明另一个方面是在吸引含高TDS的样品时设法避免或至少减少这种阻塞问题。
因此，本发明还提供用于等离子体光谱化学分析的焰炬，包括外管、中间管和内管，内管几乎同轴地位于运送第第一流的中间管内，把通过其出口注入的雾化样品液的气雾剂传入焰炬里形成的等离子体。
导入中间管让第二气体流入内管与中间管之间空间的中间气体入口，用于控制焰炬产生的等离子体的轴向位置，导入外管在外管与中间管之间提供第三气流的外气体入口，用于对焰炬内产生的等离子体提供铠装气体层。
其中外气体入口偏离焰炬的中心轴线，使螺旋流沿焰炬移动时传到提供第三气体而形成铠装气体层，和与一般内管关联的加热装置，用于加热通过该管段的气雾剂，基本上完全蒸发气雾剂里的液体，该内管段与内管出口隔开，使液体在气雾剂靠近出口前几乎全蒸发掉。
应指出，虽然水可能被除去(即样品不成溶剂化物)，但对以上刚揭示的本发明该方面而言，这不是必须的要求，只要求水保持含气形态。
这样，加热装置可以是焰炬的一部分，或与焰炬关联，即加热装置沿一段样品入口管位于喷雾室输出端与焰炬样品入口之间。加热装置预热雾化的样品气雾剂，蒸发气液相，留下悬浮在气流中的样品干粒。若这种干粒与注入(即内部)管的壁接触，它们就滑过壁而不粘附，因而避免或至少减少了阻塞问题。
较佳地，根据前述发明“另一方面”的焰炬加热装置包括在前述本发明第一方面的焰炬内。
现在参照附图仅以非限制的实例描述一较佳实施例，以便更好地理解本发明和实施方法。
附图简介

图1示出本发明焰炬的一较佳实施例。
图2A、B、C示出在本发明等离子体焰炬一实施例的气体入口内形成喷口的步骤。
较佳实施例的描述本发明一时时来看的等离子体焰炬10包括一般由石英构成的三根同心管，即外管12、中间管14和内管16。外管12包括外气体入口18，在外管12与中间管14之间提供一气流(前述的“第三气流”)。中间管14的端部20与外管12一起限定一通过第三气体的环形隙22。在外管12与中间管14之间的第三气流(称为主流或等离子体支持气流)对焰炬内产生的等离子体形成一铠装气体层，使等离子体与石英外管12的内表面分开，阻止该外管熔化。对偏离焰炬中心线注入的气体安置了外气体入口18，使气流流沿焰炬10长度移动时发生螺旋或自旋。气体铠装的螺旋流有助于稳定等离子体并保持其均匀的管状形态。环形隙22例如有助于使铠装气体层保持为邻接外管12内壁的薄层流。中间管14的端部20比中间管14的其余部分具有加大的直径(未示出)，形成较小的环形隙22。
中间管14包括中间气体入口24，在中间管14与内管16之间提供第二气流。该气流用来控制等离子体的轴向位置，尤其是使它与中间管14和内管16的端部35和34分离。
内管16含有运送供给其入口端26的样品气雾剂的气流(前述的“第一气流”)，并将它注入等离子体中心部分。内管16包括沿其大部分长度的平缓锥体28，以改善焰炬性能，如本申请人以前题为“Plasma Torch”的申请NO.PCT/AU02/00386(WO03/005780A1)所揭示的那样。
为激发等离子体，焰炬10与向其提供微波电磁场的装置妥善地关联，例如焰炬10可通过对其提供微波能的谐振腔合理地定位。对通过入口18进入的气体瞬间施加高压火花(利用本领域已知的手段，未图示)，可激发等离子体。
根据本发明一个方面，装置30与外气体入口18关联，与没有所述装置的气速相比，该装置可提高铠装气体层内的气速。
本例的装置30是形成在外气体入口18内的喷口30，具有提高螺旋气流速度的作用，使铠装气体层从环形隙22退出时“变硬”，因而比用于ICP光谱术的典型焰炬装置更好地约束感应的等离子体。
喷口30的一种形成方法是将它直接模制成气体入口18的组成部分。由于焰炬一般由较难精密模制的石英构成，故在形成喷口时，把石英外气体入口18简化为一段直径合适的钨丝，实现形成喷口30所需的系容差。另一方法是把喷口30当作一个独立的元件机加工，它可插封入气体入口管18或取代气体入口管18。第三种方法是对外气体入口管18的部分或全部长度装填环氧树脂32等密封材料(见图2B，图2A示出起先的外气体入口管18)，使其固化，再在固化的材料里加工出喷口30(见图2C)。该法已经被证明简单而有效，而且不要求石英入口管18内的尺寸精度。
将喷口30形成为筒型节气阀时，对于每分钟1 5升的第三气流而言，喷口较佳的喉部直径为0.9~1.3mm，虽然不同的气体流速或不同的喷口设计会导致不同的喉部直径，典型的压力降为50～200KPa。
一般在射频ICP光谱术的焰炬中，内(样品注入)管16的端部34与中间管14的端部35反向隔开以与等离子体增大分离度，从而降低其端部34的温度。这一温度降低既减少了熔化内管16的风险，又减少了样品过早蒸发的可能性，而样品过早蒸发会在管端34附近沉淀溶解的固体，从而阻塞样品注入管。但在本发明的一较佳特征中，端部34延伸得几乎与中间管的端部同一水平(如在2mm内)，改善了注入比射频ICP难得多的样品注入微波感应的等离子体。对于每分钟1升的样品气流，端部34的出口直径较佳为0.9～1.4mm。
本发明有助于防止内管16端部34附近阻塞的另一特征，尤其在端部34基本上与中间管14端部35为同一水平时，是将加热装置36与内管16入口26的一段38相关联。管段38用一段耐化学与热学的管子诸如石英或玻璃管构成，外面绕上电阻丝，电阻丝与管子用高温绝缘材料包裹。电阻丝由通过的电流加热，样品在从一端到另一端通过管段38时被加热。作为一例非限制性的典型尺度，下列配置是有效的。9mm内径×11mm外径×150mm长的石英管38，当中80mm绕上25匝1.6mm宽×0.2mmm厚的扁平镍铬丝。该石英管38有不加热的端部，保证接软管的端部保持冷却。线圈电阻为4欧姆，用12伏交流电源(36瓦)加热。整个组件包封在一块纤维陶瓷绝缘体内，外尺寸为20mm×90mm。但应理解，许多其它几何尺寸也有效且不违背本发明的范围。
应该理解，本发明包括有加热装置36的焰炬10，但不包括提高下游气速的装置30，这种焰炬10可用于MIP或ICP光谱术。
作为加热装置36的有效指示，焰炬10先用装好的管段38工作，但加热线圈不赋能。引入3.5％总溶解固体(TDS)的海水，在开始引入样品的一分钟内可看到劣化的灵敏度，信号劣化继续到开始引入样品后约10分钟出现阻塞。然后清洁焰炬，重复实验，但加热线圈36赋能。此时，在15分钟连续引入样品后，看不到阻塞指示，在以后拆下焰炬检查时，注入器16尖端34附近无任何沉积物。再连续引入含10％的样品20分钟，无阻塞现象。
本文描述的发明除了具体描述的内容以外，可加以变化、修改和/或添加，应该理解，本发明包括所有这些落在下列权项范围内的变化。修改和/或添加的内容。
权利要求
1，一种用于等离子体光谱化学分析的焰炬，其特征在于包括外管、中间管和内管，内管基本上同轴地定位在中间管内，用于把载送分析样品的第一气流注入焰炬内产生的等离子体。导入中间管让第二气流进入内管与中间管之间空间的中间气体入口，用于控制焰炬内产生的等离子体的轴向位置。导入外管在外管与中间管之间提供第三气流的外气体入口，用于对焰炬内产生的等离子体提供铠装气体层。其中外气体入口偏离焰炬中心轴线，使螺旋流在沿焰炬移动时传给提供的第三气体而提供铠装气体层，以及与外气体入口关联的装置，用于相比所述装置上游的气速提高铠装气体的气速，以增大铠装气体层对等离子体的约束力。
2，如权项1所述的焰炬，其中与外气体入口关联的装置是入口内的节气阀。
3，如权项2所述的焰炬，其中节气阀是喷口。
4，如权项3所述的焰炬，其中喷口在外气体入口内用固化的密封材料原处构成。
5，如权项1～4所述的焰炬，其中与外气体入口关联的装置使用时诸如使气速较高地提高。
6，如权项1～5所述的焰炬，其中中间管与内管在外管内端接于各自的端部，中间管与内管的端部例如基本上在同一水平内约2mm。
7，如权项6的喷口，其中内管有一出口，其直径比内管入口端小。
8，如权项1～7所述的焰炬，其中内管包括入口段，与所述入口段关联的加热装置把通过该段的气雾剂加热到几乎完全蒸发掉气雾剂里的液体，内管段与出口隔开，使液体在气雾剂到达出口附近之前几乎完全蒸发掉。
9，如权项8所述的焰炬，其中加热装置是电阻加热器。
10，如权项9所述的焰炬，其中电阻加热器围绕入口段设置了电气线圈。
11，一种用于等离子体光谱化学分析的焰炬，其特征在于包括外管、中间管和内管，内管基本上同轴地定位在运送第一气流的中间管内，用于把通过其出口注入的雾化样品液体的气雾剂送入焰炬内形成的等离子体。
导入中间管让第二气流进入内管与中间管之间的空间的中间气体入口，用于控制焰炬内产生的等离子体的轴向位置，导入外管在外管与中间管之间提供第三气流的外气体入口，用于对焰炬内产生的等离子体提供铠装气体层。其中外气体入口偏离焰炬的中心轴线，使螺旋流在沿焰炬移动时传给提供的第三气体，以提供铠装气体层，以及与一段内管关联的加热装置，用于将通过该段的气雾剂加热到几乎完全蒸发掉气雾剂里的液体，该内管段与内管出口隔开，使液体在气雾剂到达出口附近之前几乎完全蒸发掉。
12，如权项11所述的焰炬，其中加热装置是电阻加热器。
13，如权项12所述的焰炬，其中电阻加热器围绕入口段设置了电气线圈。
14，一种微波感应的等离子体光谱化学分析系统，其特征在于包括如权项1～10中任何一权项所述的焰炬，向焰炬外气体入口提供等离子体支持气体的气源，其中气源以基本上恒定压提供等离子体支持气体，从而等离子体支持气体进入焰炬的流速由与外气体入口关联的装置调节，以提高铠装气体层内的气速。
全文摘要
对样品作微波感应的等离子体光谱化学分析的等离子体焰炬(10)包括入口(18)里的喷口(30)，用于焰炬(10)的外管(12)与中间管(14)之间的主等离子体气流。对于管子12与14之间环形隙(22)的气流提供的等离子体，焰炬(30)提高了铠装气体层里的气流速度，使该层“变硬”，因而更好地约束微波感应的等离子体(对ICP焰炬无需这样做)。与ICP焰炬相比，这种焰炬改善了对微波感应的等离子体的耐用性。样品注入(内)管(16)在其基本上与中间管(14)端部(35)为同一水平的端部(34)，具有直径减小的出口，改进了将样品注入微波感应的等离子体。样品注入管(16)的入口端(26)有一加热器(36)，有助于防止管(16)在其出口端附近阻塞。
文档编号G01N21/73GK1669368SQ03817194
公开日2005年9月14日 申请日期2003年5月21日 优先权日2002年5月21日
发明者M·R·哈默 申请人:美国瓦里安澳大利亚有限公司