專利名稱：一種電離源及其在氣溶膠檢測(cè)中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分析儀器中的電離源，具體地說(shuō)是一種新型的氣溶膠電離技術(shù)，將這種新的電離源用于平衡粒徑掃描儀測(cè)定氣溶膠粒徑分布，不僅能夠避免使用放射性電離源，而且擴(kuò)大氣溶膠電離的空間區(qū)域，提高檢測(cè)的靈敏度。
背景技術(shù)：
氣溶膠粒子是懸浮在大氣中的多種固體微粒和液體微小顆粒。天空中的塵埃，工業(yè)上和運(yùn)輸業(yè)上用的鍋爐和各種發(fā)動(dòng)機(jī)里未燃盡的燃料所形成的煙，采礦、采石場(chǎng)磨材和糧食加工時(shí)所形成的固體粉塵，人造的掩蔽煙幕和毒煙等都是氣溶膠的具體實(shí)例。當(dāng)氣溶膠的濃度達(dá)到足夠高時(shí)，將對(duì)人類健康，尤其是對(duì)哮喘病人及其他有呼吸進(jìn)疾病的人群造成威脅。空氣中的氣溶膠還能傳播真菌和病毒，這可能會(huì)導(dǎo)致一些地區(qū)疾病的流行和爆發(fā)。 氣溶膠對(duì)全球氣候變化，包括當(dāng)今全球矚目的暖化、東亞季風(fēng)減弱和極端氣候事件的影響， 已成為當(dāng)今國(guó)際環(huán)境科學(xué)界最為關(guān)注的前沿課題。研究氣溶膠的粒徑和組成變化對(duì)于了解氣溶膠對(duì)氣候和人體健康的影響意義重大。氣溶膠的高效電離是利用電學(xué)方法和質(zhì)譜學(xué)方法來(lái)測(cè)量氣溶膠粒子的前提。目前，商品化的電學(xué)粒子計(jì)數(shù)器(如DMA、DMS等)在氣溶膠粒子進(jìn)入檢測(cè)儀器之前，先穿過一個(gè)由放射性元素，如85Kr，MIAm構(gòu)成的中和器(neturalizer)，使氣溶膠帶電。它采用擴(kuò)散電離 (diffusiondischarging)原理使其氣溶膠粒子電離，同時(shí)把高電離的氣溶膠粒子中和。射線粒子首先電離空氣中的N2，02，產(chǎn)生N2+，02+離子；負(fù)離子02-和電子等，它們與氣溶膠粒子達(dá)到平衡。但這種雙極性電離(bipolardischarging)的電離效率一般不到5%。另夕卜，由于其放射性帶來(lái)的安全檢查及特殊的安全措施給它的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)許多麻煩。因此近年來(lái)人們?cè)诜e極的尋求非放射性電離源，以期代替?zhèn)鹘y(tǒng)的放射性6Ni電離源。最近，Alonso等人(Aerosol Science 34(2003)733-745)提出了一種利用針板式電暈放電的，對(duì)IOnm氣溶膠粒子的電離效率可以到達(dá)30%。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)越性是利用了針電極的高曲率半徑，把某種極性的離子束縛在針電極附近，控制進(jìn)入氣溶膠離化區(qū)的只有一種極性的離子(正離子或負(fù)離子)，從而避免了正負(fù)離子之間的復(fù)合過程，提高電離效率。但是受針電極尺寸限制，電離的空間區(qū)域很小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及分析儀器中的電離源，具體地說(shuō)是一種新型的單極性氣溶膠電離技術(shù)，將這種新的電離源用于平衡粒徑掃描儀測(cè)定氣溶膠粒徑分布，不僅能夠避免使用放射性電離源，而且擴(kuò)大氣溶膠電離的空間區(qū)域，提高檢測(cè)的靈敏度。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種電離源，包括直流高壓電源、高壓電極、地電極、電極支架；高壓電極為金屬絲，其作為線電極，地電極為金屬板，其作為板電極；直流高壓電源的高壓輸出端與高壓電極相連、直流高壓電源的接地端與地電極相連；高壓電極與地電極分別平行地固定于電極支架上；含有氣溶膠的空氣通入兩放電電極間，利用線板式電暈放電作為電離源。直流高壓電源與高壓電極間和/或直流高壓電源與地電極間的連接電路串聯(lián)有限流電阻；限流電阻和正、負(fù)放電電極通過導(dǎo)線與直流電源的正、負(fù)電極串聯(lián)，組成一串聯(lián)電路；高壓電極和地電極為放電電極、分別為一細(xì)金屬絲和一表面光潔的金屬板；二者分別通過絕緣的固定螺栓固定在絕緣材料的電極支架上；所述電極支架由二塊平行的支架板構(gòu)成，高壓電極和地電極分別固定于二塊平行的支架板，二塊平行的支架板之間設(shè)有用于調(diào)整二塊支架板間距的絕緣柱；所述金屬絲為鎢絲、不銹鋼絲或金絲，線徑為2um到2mm之間；直流高壓電源的電壓范圍為500V到30kV的直流電源。所述電離源在氣溶膠檢測(cè)中作為單極性氣溶膠電離源的應(yīng)用。該電離源通過在線電極和平板電極之間施加高壓直流電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于在線電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度很大，線電極附近的空氣很容易被擊穿，形成初級(jí)電子和離子；在電場(chǎng)作用下，電子和離子會(huì)與空氣中的分子、原子以及電極表面碰撞，產(chǎn)生更多的電子和離子，而形成的電子和離子會(huì)與表面等作用發(fā)生復(fù)合反應(yīng)。最后電子和離子的產(chǎn)生和消耗達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)的平衡，這時(shí)放電將保持連續(xù)、穩(wěn)定。放電電流的大小通過改變直流電壓以及電路的限流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。限流電阻的作用防止線線電極和板電極短路時(shí)回路中的電流不會(huì)超過電源的額定電流，主要目的是為了保護(hù)直流電源。放電電流在1.0毫安-500毫安，外電路的限流電阻的阻值根據(jù)放電電流而變， 一般在11 Ω-5πιΩ ；正、負(fù)放電電極間的距離為0. 5mm到3cm。支架的作用除了固定電極以外，還起避免高壓電極直接裸露在外，防止操作人員受到傷害。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為利用大氣壓下的線板式電暈放電作為電離源，將其用于氣溶膠電離。與傳統(tǒng)的放射源相比，主要優(yōu)點(diǎn)包括非放射性，使用安全，能夠避免使用放射性物質(zhì)，避免了審批的麻煩，便于在公共場(chǎng)合推廣應(yīng)用；該電離源由于電極曲率半徑的差異，使得線電極附近的電場(chǎng)非常強(qiáng)，這樣就可以將帶有正離子(或負(fù)離子)束縛在線電極附近，而相反電荷的離子分布在線電極與地電極之間，從而避免了正負(fù)離子之間的復(fù)合，提高了電離效率；同時(shí)這種電離源可以通過改變線電極的長(zhǎng)度而方便地調(diào)整放電區(qū)間，便于適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。與針板式電暈放電電離源相比，該線板式電離源也有一些優(yōu)點(diǎn)。首先，與針板式電暈放電相比，線板式電離源能產(chǎn)生更多的離子，電離效率會(huì)更高；另一方面，線板式電暈放電更容易設(shè)計(jì)加工，而針板式電暈放電的放電針通常使用耐氧化和耐腐蝕的鎢針作為電極，很難加工，也很難得到表面均勻的鎢針。而針板式電暈放電則不存在這種情況，使用更加方便；特別適合用于平面型DMA和DMS等氣溶膠分析儀器上。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明圖1單極性氣溶膠電離源的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2利用單極性氣溶膠電離源測(cè)定的粒徑分布。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明中采用的單極性氣溶膠電離源是一種穩(wěn)定的、大氣壓下的、連續(xù)的低溫等離子體，含有電子、正負(fù)離子、激發(fā)態(tài)分子和原子等。它利用施加直流高壓線把電極和板電極之間的氣體擊穿，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的放電。施加的電壓一般在幾百伏到上萬(wàn)伏，電流在1.0微安到5毫安。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，一種電離源，包括直流高壓電源7、高壓電極1、地電極 2、電極支架3 ；高壓電極1為金絲，線徑為2um到2mm之間，其作為線電極，地電極2為表面光潔的金屬板，其作為板電極，二者分別通過絕緣的固定螺栓5固定在絕緣材料的電極支架3上；直流高壓電源7的高壓輸出端通過導(dǎo)線經(jīng)接線柱6與高壓電極1相連、直流高壓電源7的接地端通過導(dǎo)線經(jīng)接線柱6與地電極2相連；高壓電極1與地電極2分別平行地固定于電極支架3上；含有氣溶膠的空氣通入兩放電電極間，利用線板式電暈放電作為電離源；直流高壓電源7與高壓電極1間的連接電路串聯(lián)有限流電阻；限流電阻和正、負(fù)放電電極通過導(dǎo)線8與直流電源的正、負(fù)電極串聯(lián)，組成一串聯(lián)電路；所述電極支架3由二塊平行的支架板構(gòu)成，高壓電極1和地電極2分別固定于二塊平行的支架板，二塊平行的支架板之間設(shè)有用于調(diào)整二塊支架板間距的絕緣柱4。大氣壓下的輝光放電由直流高壓電源7加在高壓電極1和地電極2間的直流電壓以及外電路的限流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，放電電流在1.0毫安-500毫安，外電路的限流電阻的阻值根據(jù)放電電流而變，一般在1ΚΩ-5ΜΩ。高壓電極1和地電極2間的距離為0. 5mm到3cm，通過絕緣柱4來(lái)調(diào)節(jié)正、負(fù)放電電極的間距。線電極與板電極之間的距離在0. 5mm到5cm之間，其取決于線電極的線徑大小和電源的電壓。直流高壓加于兩電極上，同時(shí)外電路加有一合適阻值的限流電阻來(lái)維持放電。 限流電阻的阻值一般在IkQ到5πιΩ之間。限流電阻起到消耗放電產(chǎn)生的大量能量以及維持放電穩(wěn)定的作用。將上面所述的大單極性氣溶膠電離源與平衡粒徑掃描儀聯(lián)用，作為平衡粒徑掃描儀的電離源，關(guān)于平衡粒徑掃描儀的詳細(xì)介紹見文獻(xiàn)(Atomospheric Research, 82(2006)523-535)。帶負(fù)電的氣溶膠離子形成和分析檢測(cè)的過程是線電極用匹克材料做成的絕緣柱 5固定在支架3上；負(fù)高壓電源的高壓端和接地端通過耐高壓的導(dǎo)線8和電阻分別與線電極和地電極2相連；載有氣溶膠的空氣在線電極和板電極之間發(fā)生氣體放電，產(chǎn)生含有電子、正負(fù)離子的等離子體；正離子被束縛在線電極附近，而電子和負(fù)離子分布在線電極和板電極之間的大部分空間，這樣有效避免了帶負(fù)電氣溶膠負(fù)離子與正離子發(fā)生復(fù)合。產(chǎn)生的帶負(fù)電的氣溶膠離子在氣流的作用下進(jìn)入平衡粒徑掃描儀進(jìn)行分析。圖2利用單極性氣溶膠電離源測(cè)定的粒徑分布。
權(quán)利要求
1.一種電離源，其特征在于包括直流高壓電源(7)、高壓電極(1)、地電極( 、電極支架⑶；高壓電極⑴為金屬絲，其作為線電極，地電極⑵為金屬板，其作為板電極；直流高壓電源(7)的高壓輸出端與高壓電極⑴相連、直流高壓電源(7)的接地端與地電極(2)相連；高壓電極(1)與地電極( 分別平行地固定于電極支架C3)上；含有氣溶膠的空氣通入兩放電電極間，利用線板式電暈放電作為電離源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述電離源，其特征在于直流高壓電源(7)與高壓電極(1)間和 /或直流高壓電源(7)與地電極(2)間的連接電路串聯(lián)有限流電阻；限流電阻和正、負(fù)放電電極通過導(dǎo)線(8)與直流電源的正、負(fù)電極串聯(lián)，組成一串聯(lián)電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述電離源，其特征在于高壓電極(1)和地電極(2)為放電電極、 分別為一細(xì)金屬絲和一表面光潔的金屬板；二者分別通過絕緣的固定螺栓(5)固定在絕緣材料的電極支架(3)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述電離源，其特征在于所述電極支架(3)由二塊平行的支架板構(gòu)成，高壓電極(1)和地電極( 分別固定于二塊平行的支架板，二塊平行的支架板之間設(shè)有用于調(diào)整二塊支架板間距的絕緣柱G)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述電離源，其特征在于大氣壓下的輝光放電由直流高壓電源(7) 加在高壓電極⑴和地電極O)間的直流電壓以及外電路的限流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，放電電流在 1. 0毫安-500毫安，外電路的限流電阻的阻值根據(jù)放電電流而變，一般在1ΚΩ-5ΜΩ。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述電離源，其特征在于高壓電極(1)和地電極O)間的距離為 0. 5mm到3cm，通過絕緣柱(4)來(lái)調(diào)節(jié)正、負(fù)放電電極的間距。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述電離源，其特征在于所述金屬絲為鎢絲、不銹鋼絲或金絲，線徑為2um到2mm之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述電離源，其特征在于直流高壓電源(7)的電壓范圍為500V到 30kV的直流電源。
9.一種權(quán)利要求1所述電離源在氣溶膠檢測(cè)中作為單極性氣溶膠電離源的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及電離源，具體地說(shuō)是一種電離源及其在氣溶膠檢測(cè)中的應(yīng)用，包括直流高壓電源、高壓電極、地電極、電極支架、固定螺栓、調(diào)整間距用的絕緣柱等；常壓下的載有氣溶膠粒子的空氣進(jìn)入正、負(fù)放電電極間，利用線板式電暈放電作為電離源使得氣溶膠粒子帶電，將其用于離子遷移譜，能夠避免使用放射性電離源對(duì)操作人員的潛在危害。
文檔編號(hào)H01J49/16GK102479659SQ201010566720
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者李杭, 李海洋, 杜永齋, 渠團(tuán)帥, 王衛(wèi)國(guó), 韓豐磊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所