專利名稱：光電離檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及光電離檢測器，尤其涉及用于光電離檢測器的電離室，以及光電離檢測器的使用方法。
背景技術(shù)：
若干光電離檢測器在例如美國專利No.4,013,913、4,398,152、5,561,344、6,225,633和6,646,444、以及德國專利DE 19535216 C1中描述。在典型的光電離檢測器(PID)中，微型氣體放電燈用于產(chǎn)生高能真空紫外線(VUV)光子。在一種方法中，較大的高頻電壓施加在與燈泡相鄰的電極之間，以便于在燈泡內(nèi)密封的氣體中引發(fā)電離、激發(fā)和光電發(fā)射過程。一些所產(chǎn)生的VUV光子穿過燈中的VUV透射窗以照亮導(dǎo)入氣體樣本的電偏置電離室內(nèi)的相鄰空間。取決于采樣氣體中各個個體的電離電勢和VUV輻射的最大光子能量，一些導(dǎo)入電離室的氣體分子因而可光電離并可被檢測。例如在美國專利5,773,833中描述無電極(即沒有內(nèi)部電極)的、微型PID氣體放電燈。
通常，PID的電離室用在PID傳感器內(nèi)整體構(gòu)成的外殼構(gòu)建，并且至少一對間隔相近的電極定位于電離室內(nèi)。要分析的氣體通過至少一個氣體入口導(dǎo)入該室，并通過至少一個氣體出口離開該室。燈的窗口被放置成當(dāng)所采樣的氣體分子向電離室電極之間的空間移動、或在其內(nèi)移動時，用VUV光子照射它們。施加在這些電極之間的電壓在其間隙上產(chǎn)生高電場，該高電場迫使因光電離過程產(chǎn)生的離子和電子分別向較低或較高電勢的電極移動。通常，靜電計電路被用來測量流向陰電極的離子電流。從而檢測可光電離分子在所采樣氣體中的出現(xiàn)。特定PID設(shè)計對各種可電離化合物的敏感性可相對于其對標(biāo)準(zhǔn)化合物的校準(zhǔn)敏感性來確定。手持式PID設(shè)備用來檢測易失性有機(jī)化合物(VOC)的跟蹤水平(trace level)是該技術(shù)的一種特別重要的應(yīng)用。
眾所周知的是，水蒸氣在氣流中的出現(xiàn)(如由相對濕度所量化的)可改變PID的敏感性和背景信號水平。已研發(fā)了各種技術(shù)來降低或校正該效應(yīng)。例如，授讓給Mine Safety Appliances Company的美國專利No.4,778,998描述了一種PID，其中濕度傳感器、溫度傳感器和微型計算機(jī)(微處理器)被用來應(yīng)用預(yù)定的校正系數(shù)，以補(bǔ)償PID對相對濕度的交叉敏感性。
當(dāng)PID燈被操作成使其窗口暴露，以在環(huán)境空氣的樣本中跟蹤碳?xì)浠衔锖陀袡C(jī)金屬-硅樹脂化合物時，該窗口表面易于變得更加受由這些空氣中化合物的光電離產(chǎn)物構(gòu)成的表面薄膜污染。這使得有效的燈輸出強(qiáng)度隨著操作時間而緩慢地減小。因而PID儀器的典型保養(yǎng)過程需要在敏感性下降到某一水平時移去燈，并手動地清洗窗口。
當(dāng)前類型的PID儀器具有若干實(shí)質(zhì)性缺點(diǎn)。例如，美國專利No.5,773,833和6,225,633公開了PID的多層電離室，它們由多層機(jī)械加工PTFE和不銹鋼制成，從而使得電離室的制造相對困難和昂貴。在那些設(shè)計中，多層電離室由金屬銷固定在一起。這些金屬銷還用作電離室的電觸點(diǎn)，并將傳感器電離室可拆卸地連接到儀器的其它部分。類似于美國專利No.5,773,833和6,225,633中所述的電離室在可在例如從加州Sunnyvale的RAE Systems，Inc.購得的TOXIRAE PLUS和MULTIRAEPLUS儀器中發(fā)現(xiàn)。
此外，隨著操作時間的延續(xù)，電離室內(nèi)的電極因上述過程被污染，從而導(dǎo)致泄漏電流和不準(zhǔn)確的測量。要打開電離室并去除該污染物來修理或恢復(fù)電離室是相當(dāng)困難和相對昂貴的。例如，如在TOXIRAE PLUS傳感器的操作手冊中所述，其傳感器電離室可從儀器中輕輕拆下以便清洗，并且該電離室要在甲醇浴中清洗(強(qiáng)烈推薦超聲浴)。在清洗之后，可將傳感器電離室重新連接到儀器的其它部分。對于TOXIRAE PLUS和MULTIRAE PLUS傳感器電離室，需要傳感器電離室與儀器其它部分中的專用銷觸點(diǎn)底座精確對準(zhǔn)。
作為手動清洗的替代方法，強(qiáng)濃度的臭氧被認(rèn)為可一定程度地從這些表面中松動或去除有機(jī)沉積物。描述了用于自動清除電離室和VUV燈窗口的方案，它們依靠在暴露于含氧氣氛期間操作VUV燈來產(chǎn)生臭氧。參見例如美國專利No.6,313,638。然而，這些自動清除方案也呈現(xiàn)了缺點(diǎn)，如下所述。
取決于必須透射的最小波長，只有少量的諸如CaF2、BaF2、MgF2或LiF的晶體材料可用作PID燈的VUV窗口。這些VUV窗口材料的透射在約140納米以下急劇減小。最短波長的透射由LiF光學(xué)材料提供，但LiF的透射因為暴露于VUV輻射中在晶體中形成色中心(“日曬”)而隨時間退化。實(shí)際上，可從加州Sunnyvale的RAE Systems，Inc.購得的微型LiF窗PID氣體放電燈的產(chǎn)品規(guī)格指示該燈受限于少于幾百小時的工作壽命。
在美國專利No.6,255,633中描述了一可選方法，用于產(chǎn)生對VUV燈窗口、以及PID設(shè)備中電離室的內(nèi)部表面的自動清洗動作。這需要停止電離室中的氣流，并操作VUV燈以在靜態(tài)樣本中產(chǎn)生更高濃度的臭氧。然而，對于具有LiF窗的燈，該方法加劇了LiF材料因為由于VUV輻射的色中心形成的退化，并且重復(fù)的自動清洗循環(huán)將對使其有限工作壽命大打折扣。這種可用工作壽命對于任何類型的通過類似于美國專利No.6,255,633的方法自動清洗的VUV燈會降低更多。
出于以上原因，需要開發(fā)經(jīng)改進(jìn)的光電離檢測器、在光電離檢測器中使用的電離室、以及使用和裝配光電離檢測器的方法。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本發(fā)明提供了一種光電離檢測器，包括外殼、外殼內(nèi)的電觸點(diǎn)、以及外殼內(nèi)的光電離室。該光電離室包括陰電極和陽電極。光電離室及相關(guān)聯(lián)陰電極和陽電極可作為一個單元從外殼內(nèi)拆卸出來。不管光電離室圍繞其軸如何定向，該光電離室在外殼內(nèi)時都與觸點(diǎn)電接觸。光電離檢測器最好還包括將VUV能量傳送到光電離室內(nèi)的燈。
在一實(shí)施例中，陰電極的吸引正電荷反應(yīng)產(chǎn)物的一側(cè)涂覆有一層非導(dǎo)電材料。該層非導(dǎo)電材料使碰撞在該層上的正電荷反應(yīng)產(chǎn)物的至少一部分能夠檢測到。陰電極上的非導(dǎo)電材料層也可以是吸收VUV的。陽電極的排斥正電荷反應(yīng)產(chǎn)物的一側(cè)也可以或可選擇地涂覆一層非導(dǎo)電材料。再一次，陽電極上的材料層也可以是吸收VUV的。較佳地，陰電極和/或陽電極上的這些材料層在電極的涂覆區(qū)域上通常是厚度均勻的。
在另一實(shí)施例中，光電離室外殼包括與陰電極電連接的第一外殼元件。該第一外殼元件的至少一部分表面形成第一電觸點(diǎn)。該外殼還包括與陽電極電連接的第二外殼元件。該第二外殼元件的至少一部分表面形成第二電觸點(diǎn)。第一外殼元件可完全由導(dǎo)電材料制成。類似地，第二外殼元件可完全由導(dǎo)電材料制成。第一外殼元件和第二外殼元件例如可與絕緣連接器機(jī)械連接。這種連接器在形狀上是環(huán)形的。在一實(shí)施例中，第一外殼元件和第二外殼元件經(jīng)由卷邊(crimping)與環(huán)形絕緣連接器機(jī)械連接。
另一方面，本發(fā)明提供了一種在檢測器外殼內(nèi)使用的光電離室，它包括陰電極和與該陰電極有一間距的陽電極。該光電離室還包括第一外殼元件，其中該第一外殼元件的至少一部分表面形成與陰電極電連接的第一電觸點(diǎn)。該光電離室還包括第二外殼元件，其中該第二外殼元件的至少一部分表面形成與陽電極電連接的第二電觸點(diǎn)。該第二電觸點(diǎn)與第一電觸點(diǎn)電絕緣。光電離室可從檢測器的外殼中拆卸出來。
第一外殼元件和第二外殼元件可機(jī)械連接到單一連接器中。第一外殼元件可由導(dǎo)電材料制成。類似地，第二外殼元件可由導(dǎo)電材料制成。如上所述，第一外殼元件和第二外殼元件可(經(jīng)由例如卷邊)與環(huán)形絕緣連接器機(jī)械連接。
在再一方面中，本發(fā)明提供了一種光電離檢測器，包括外殼和外殼內(nèi)的光電離室。該光電離檢測器還包括第一外殼元件和第二外殼元件。第一外殼元件和第二外殼元件與單一電絕緣連接器機(jī)械連接。光電離室還包括與第一外殼元件電接觸的陰電極、以及與第二外殼元件電接觸的陽電極。光電離室以及所包括的陰電極和陽電極可作為一個單元從檢測器外殼內(nèi)拆卸出來。該光電離檢測器最好還包括將VUV能量傳送到光電離室內(nèi)的燈。
在另一方面中，本方面提供了包括陰電極和陽電極的光電離室。陰電極包括涂覆在吸引正電荷反應(yīng)產(chǎn)物的陰電極的一側(cè)上的一層非導(dǎo)電材料。該層使碰撞在該層上的正電荷反應(yīng)產(chǎn)物的至少一部分能夠檢測到。將正電荷光電離反應(yīng)產(chǎn)物排斥到陰電極和陽電極之間的空間內(nèi)的陽電極包括涂覆在該陽電極的一側(cè)上的一層非導(dǎo)電材料。
本發(fā)明使用VUV燈，它包括包含放電氣體或氣體混合物的燈罩。該燈罩的一個或多個部分包括晶體材料的VUV透射部分，以透射VUV輻射。該燈罩的一部分可由能夠密封晶體VUV透射部分的另一種材料制成。例如，材料可以是玻璃、陶瓷或石英。
在又一方面中，本發(fā)明提供一種光電離檢測器，包括外殼、外殼內(nèi)的光電離室、以及將VUV能量傳送到光電離室內(nèi)的VUV燈。光電離檢測器還包括在進(jìn)入電離室的氣流路徑中的至少一個節(jié)流孔，從而該孔的光電離室一側(cè)的壓力比該孔的另一(入口或外圍)側(cè)的壓力低。該節(jié)流孔使光電離室內(nèi)的樣氣的相對濕度與周圍環(huán)境中的相對濕度相比降低，從而使光電離室對環(huán)境相對濕度不太敏感。在另一實(shí)施例中，多個節(jié)流孔被置于氣流路徑中。多條節(jié)流路徑例如可在具有相應(yīng)較小孔徑的過濾器(例如多孔玻璃料)中形成。


圖1示出本發(fā)明的PID的一個實(shí)施例的剖面立體分解圖。
圖2A示出圖1的PID除頂蓋外處于裝配狀態(tài)的剖面?zhèn)纫晥D。
圖2B示出圖1的PID除頂蓋外處于裝配狀態(tài)的剖面立體圖。
圖2C示出圖1的PID包括一可選電極配置的剖面立體分解圖。
圖3A示出與另一儀器外殼相連的圖1的PID的部分立體分解圖。
圖3B示出當(dāng)圖1的PID的選定組件裝在多傳感器儀器組合的外殼內(nèi)時這些選定組件的部分立體分解圖。
圖4A示出本發(fā)明的電離室的一個實(shí)施例的平面俯視圖。
圖4B示出圖4A的電離室的側(cè)向橫截面示圖。
圖4C示出圖4A的電離室的立體圖。
圖4D示出圖4A的電離室的立體分解圖。
圖5A示出本發(fā)明的電離室的另一實(shí)施例的平面俯視圖。
圖5B示出圖5A的電離室的側(cè)向橫截面示圖。
圖5C示出圖5A的電離室的立體圖。
圖5D示出圖5A的電離室的立體分解圖。
圖6A示出本發(fā)明的電離室的又一實(shí)施例的平面俯視圖。
圖6B示出圖6A的電離室的側(cè)向橫截面示圖。
圖6C示出圖6A的電離室的立體圖。
圖6D示出圖6A的電離室的立體分解圖。
圖7A示出本發(fā)明的電離室的再一實(shí)施例的平面俯視圖。
圖7B示出圖7A的電離室的側(cè)向橫截面示圖。
圖7C示出圖7A的電離室的立體圖。
圖7D示出圖7A的電離室的立體分解圖。
圖8示出本發(fā)明的電離室的另一實(shí)施例的立體分解圖。
圖9示出本發(fā)明的電離室的容納一可選氣流路徑的又一實(shí)施例的立體分解圖。
具體實(shí)施例方式
圖1-2B示出本發(fā)明的PID 10的一個實(shí)施例，它在一實(shí)施例中包括檢測器外殼20和配合頂蓋或頂罩30。蓋30可例如通過諸如螺釘22的連接器保持與外殼20相連。在圖1到2B的實(shí)施例中，導(dǎo)套24(例如環(huán)形元件)引導(dǎo)螺釘22穿過通常為圓柱形的螺紋井26以與頂蓋30連接。
如圖3A所示，外殼20也可連接到儀器500的另一外殼520，它可例如包括一個或多個其它氣體傳感器。這些其它傳感器可例如是電化學(xué)氣體傳感器。在多傳感器儀器中使用的電離室200a的一個實(shí)施例例如在圖5A-5D中更詳細(xì)地示出。如圖3B所示，PID 10的多個組件可有選擇地裝入多傳感器儀器組合600的外殼620內(nèi)。在任一情形中，可通過由泵(圖3B中未示出)經(jīng)由連接配件640推動的擴(kuò)散或通孔流，向部分或全部的其它氣體傳感器630提供與提供給以下詳細(xì)描述的PID傳感器的相同的分析氣體樣本。在圖3B中，適用于PID 10類型的真空紫外線輻射(VUV)燈40和光電離室組合200a(參見圖5)可通過拆下內(nèi)蓋650和外蓋660來分別從儀器外殼中拆卸出來用于維修或替換。用于空氣中的懸浮粒子和微滴的過濾器(未示出)可置于在樣氣進(jìn)入電離室之前的樣氣路徑中。此外，本發(fā)明已發(fā)現(xiàn)，PID對空氣中濕度的敏感性可通過引起入口到電離室的壓差或壓降來降低。這種壓降導(dǎo)致相對濕度的降低。較佳地，該壓降足以引起相對濕度至少5％的下降。更佳地，該壓降足以引起相對濕度至少10％的下降。這種壓降和相對濕度的關(guān)聯(lián)下降可通過將一個或多個節(jié)流孔置入進(jìn)入電離室的氣流路徑中從而在孔上形成壓差來實(shí)現(xiàn)。這種孔652可設(shè)置在例如內(nèi)蓋650中，如圖3B所示?；蛘?，例如，具有相對較小孔徑/大小的過濾器可用(從而設(shè)置多個直徑有限的孔)來在入口到光電離室上產(chǎn)生壓降。
在圖1-2B的實(shí)施例中，VUV燈40可滑動地和可拆卸地置于絕緣燈套50上，并將其底端靠在燈墊、燈座或彈簧60上。例如，彈簧60可以是一條半柔性管，它在燈的低端40a抓住燈40并使其軸向置中，并且同時可在燈殼與絕緣套50之間形成氣流密封。在如圖2C所示的實(shí)施例中，蓋60b通過螺紋(未示出)安裝到外殼部分20a，并可由用戶拆卸以便接近可拆卸燈40?？稍谏w60b上設(shè)置外部或內(nèi)部肩臺60c，以便于固定蓋60b插入外殼20的所需深度，從而對圖2C的燈座或彈簧60a提供所需壓縮力。在圖1-2C所示的實(shí)施例中，燈套50可使用密封接合物來密封以與燈電極70或底座150分開。在另一實(shí)施例中，墊圈140可被配置成徑向地伸入通道100來進(jìn)行密封，以與燈套50或燈殼40分開。
VUV燈40可以是與燈殼內(nèi)電極一起工作的類型，或者是不用內(nèi)電極工作的類型。在所示較佳實(shí)施例中，通過向外部電極70和80施加適當(dāng)?shù)碾妷弘娖?，就可在VUV燈40內(nèi)引起低壓氣體放電，如本領(lǐng)域所公知的。在圖1-2B的實(shí)施例中，電極70是盤狀電極，而電極80是包括電極部分80a和80b的復(fù)合電極。當(dāng)組裝時，電極部分80b裝入電極部分80a的開口處以形成單個杯狀電極80，例如如圖2B所示。AC電源可例如經(jīng)由后部電極80或前部電極70傳送到VUV燈40。圖2C示出電極80’形成為套管的另一實(shí)施例。PID 10可例如包括電源，諸如與直流交流轉(zhuǎn)換器相連的DC電池，如本領(lǐng)域已知的。
VUV燈40內(nèi)產(chǎn)生的光子通過VUV窗口90(在圖1-2C所示方向上處于燈40的頂部)來傳送。窗口90可由諸如但不限于CaF2、BaF2、MgF2或LiF的VUV透射晶體材料制成。若干已確立方法可用于將VUV晶體窗口貼到玻璃管體上，以制成低壓氣體放電燈。這些方法包括例如玻璃與玻璃密封以及粘合密封。
眾所周知的是，無電極氣體放電燈在低溫時、或遮住充氣空間以防任何外部照明時會更難以啟動。在這些狀況下，產(chǎn)生將導(dǎo)致燈的充入氣體內(nèi)的放電的初始自由電子就更加困難了。在本領(lǐng)域中有若干方法是公知的，它們將有助于在施加啟動電壓時增強(qiáng)燈的可啟動性。這些方法包括加熱燈；用多種氣體改變燈的氣體填充；提供致電離粒子輻射的放射源；和/或在放電體內(nèi)或接近處提供電場增強(qiáng)金屬物。
通常還可以理解，用足夠能量的在外部產(chǎn)生的光子照射放電體的附加導(dǎo)電內(nèi)表面區(qū)域以從所照射表面區(qū)域中產(chǎn)生熱電增強(qiáng)光電子發(fā)射將有助于增強(qiáng)燈的可啟動性。本發(fā)明的發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，例如通過諸如發(fā)光二極管(LED)的近UV或UV光能源41(參見圖2C)可提供增強(qiáng)可啟動性和操作性能的另一種方法。在光子將碰撞的燈殼內(nèi)不使用導(dǎo)電表面的情況下，來自光能源41的光子被引導(dǎo)通過燈40殼體的透明部分。光能源41可置于與燈40相鄰的外殼20內(nèi)，或者它可放置在離燈40較遠(yuǎn)處(甚至在外殼20之外)，其中光線經(jīng)由諸如光纖線或光導(dǎo)管(未在圖2C中示出)的光傳輸路徑傳送到燈40的透明部分。
VUV燈40插入在電離室殼體110中形成的通道100，從而所發(fā)射的VUV輻射經(jīng)由在電離室200的外底部(在圖1-2C的方向上)中形成的開口222進(jìn)入光電離室200，燈的窗口90接近或靠近該開口。燈40可設(shè)置有內(nèi)部吸氣材料(未示出)以更好地保持內(nèi)部氣體的純凈度，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。
殼體110包括底(在圖1-2C的方向上)座120和上蓋130。密封連接可經(jīng)由密封件140(例如墊圈)在其間保持。在圖1-2C的實(shí)施例中，底座120和墊圈140連接到例如印刷電路板的基板150。來自周圍環(huán)境的分析氣體經(jīng)由在殼體110的上蓋130中形成的入口132進(jìn)入電離室200。較佳地，密封件160(例如O形環(huán))在入口132和電離室200中形成的氣體入口212之間形成密封通道。較佳地，另一個密封件170(例如O形環(huán))在蓋30中形成的分析氣體入口32和入口132之間形成密封通道。分析氣體可經(jīng)由順序入口32、132和212通過本領(lǐng)域公知的擴(kuò)散或通過強(qiáng)制流(使用泵；參見例如圖1)進(jìn)入電離室200。另一種氣體密封件由壓向燈套50的墊圈140提供。或者，燈套50的開口可使用密封接合物來密封，以與電極70或基板150分開，并且可密封墊圈140與燈40的燈體分開。在圖1-2C的實(shí)施例中，氣體通過一個或多個出口214a和214b排出光電離室200。這種氣體經(jīng)由排氣管180排出PID，該排氣管與排氣孔190流體連接。
與當(dāng)前可用的PID中所使用的大多數(shù)電離室(其中光電離室通常與PID的其它部分是成一體的)不同，其中包括電極的電離室200可作為一單元或模塊簡便地從PID 10中拆卸和替換。此外，光電離室200和本發(fā)明的其它光電離室的制造是相對簡單和便宜的，從而去除本發(fā)明的已受污染光電離室并用新的光電離室來替換這些光電離室是相對便宜的。此外，本發(fā)明的光電離室在許多實(shí)施例中是便于拆卸和便于插入本發(fā)明的PID或其它儀器內(nèi)的，而無需小心地對準(zhǔn)相應(yīng)電觸點(diǎn)和/或機(jī)械連接。以下結(jié)合圖4A-9來詳細(xì)描述本發(fā)明的光電離室的若干實(shí)施例。
參看圖4A-4D，在一實(shí)施例中，光電離室200包括第一外殼元件200和第二外殼元件220。第一和第二外殼元件210和220可分別通過例如墊圈環(huán)230的單一機(jī)械連接器來機(jī)械連接，以創(chuàng)建具有腔室體240的密封光電離室200。
在第一外殼元件210中形成入口212，通過該入口如上所述分析分子及其載氣進(jìn)入光電離室200。再一次，入口端口212的設(shè)計可按本領(lǐng)域所公知地選擇為允許分析分子的擴(kuò)散進(jìn)入、或者由在光電離室200上游或下游側(cè)上的氣泵驅(qū)動的載氣的計量流入。一個或多個諸如出口214a和214b的排氣開口可在例如第一外殼元件210中形成，用于通過它分析分子及其載氣可從光電離室200中排出的流動或擴(kuò)散路徑?；蛘撸d氣的抽運(yùn)流可為相反方向，在該情形中一個或多個端口214a和214b為入口端口，而端口212為出口端口。當(dāng)用擴(kuò)散模式工作時，單一端口(例如端口212)可用作入口端口和出口端口。如本領(lǐng)域中所眾所周知的，微孔過濾器(未示出)可用于載氣流入光電離室200的路徑中。
在圖4B的方向中，腔室體240被“離子采集”陰電極250的上表面部分束縛，該上表面吸引正負(fù)荷的反應(yīng)產(chǎn)物。陰電極250可例如形成于絕緣盤254的一側(cè)上或與之相連接。采集陰電極250可機(jī)械連接到第一外殼元件210和/或與之集成。如果第一外殼元件210被選擇為是導(dǎo)電的，則采集陰電極250和外殼元件210還可電連接。在圖4A-4D的實(shí)施例中，采集陰電極250和絕緣盤254通常包括中央通孔252，通過它穿過入口212的分析分子進(jìn)入腔室體240。形成于第二外殼元件220的內(nèi)表面上或與之相連接的“離子排斥”陽電極260的下表面與陰電極250的上表面間隔放置，以進(jìn)一步限定腔室體240。在圖4A-4D的實(shí)施例中，陽電極260和第二外殼元件220靠在墊圈230中形成的凸臺232上，以使陽電極260與陰電極250之間有間隔。在一實(shí)施例中，陰電極250和陽電極260都由不銹鋼制成。
出于電連接和電磁屏蔽的目的，第一外殼元件210可例如至少部分地由薄的非磁性不銹鋼制成。第一外殼組件210和第二外殼組件220的組合與授讓給本發(fā)明受讓人的美國專利No.5,667,653中所述的“紐扣式電池”電化學(xué)傳感器的組合相似，該專利的公開內(nèi)容通過引用結(jié)合于此。例如，在其部件組合之后，第一外殼元件210的邊緣216可徑向向內(nèi)壓向或卷向諸如墊圈230的單一機(jī)械連接器，以在其間創(chuàng)建防漏機(jī)械密封。連接器或墊圈230可由絕緣材料制成，以提供第一外殼元件210和第二外殼元件220之間的電絕緣。本發(fā)明的制造技術(shù)比光電離室的現(xiàn)有制造技術(shù)復(fù)雜度更低、更快速、并且更便宜。
可提供從陰電極250到第一外殼元件210的電連接。該連接可例如通過電鍍通孔252、或提供通過絕緣盤254的厚度的一個或多個其它導(dǎo)電路徑來實(shí)現(xiàn)?；蛘撸P254可以是完全導(dǎo)電的，在該情形中它用作陰電極，并且在其表面上不需要不同的電極元件250。類似地，可提供從陽電極260到第二外殼元件220的外表面的電連接。該連接可例如提供通過絕緣第二外殼元件220的厚度的一個或多個導(dǎo)電路徑、以連接到在第二外殼元件220的反面的一個或多個導(dǎo)電區(qū)域來實(shí)現(xiàn)?；蛘?，第二外殼元件220可以是完全導(dǎo)電的，在該情形中它用作陽電極，并且在其表面上不需要不同的電極元件260。
在一實(shí)施例中，第一外殼元件210和盤254是導(dǎo)電并電連接的，并且第一外殼元件210形成與底座120(參見圖1)的一個或多個電連接192的電連接。在另一實(shí)施例中，第二外殼元件220是導(dǎo)電的并用作陽電極。在該實(shí)施例中，第二外殼元件220以與電池夾具中的電池相類似的方式形成與底座120的一個或多個其它電連接194的電連接。蓋130可以是接地以形成電屏蔽的金屬。出于電連接目的，第二外殼元件220在其外部表面的至少一部分上可以是導(dǎo)電的。
在若干實(shí)施例中，第一外殼元件210和第二外殼元件220(以及本發(fā)明光電離室的其它外殼元件)的每一個的導(dǎo)電部分(可以是其全部)沿軸A環(huán)狀延伸(盡管不必是對稱地)成要在例如上述PID 10內(nèi)形成電觸點(diǎn)不需要光電離室200沿軸A的特定旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)。此外，因為在本發(fā)明的光電離室的若干實(shí)施例中外殼元件的表面可用作電觸點(diǎn)，所以不需要諸如引腳的延伸電觸點(diǎn)的任何方向或平面上的對準(zhǔn)。
如上結(jié)合PID傳感器10所述，來自氣體放電燈40的VUV輻射通過第二外殼元件220中的開口或入口222進(jìn)入光電離室200。在一實(shí)施例中，燈40是填充有特定低壓放電氣體或氣體混合物的無電極密封玻璃管，如本領(lǐng)域中公知的。玻璃燈管的一部分或端部用VUV透射晶體部分或窗口90密封，它可在例如入口222周圍的一般圓形區(qū)域上連接第二外殼元件220。盡管第二外殼元件220可制成為完全導(dǎo)電的，但該元件的由窗口90接觸的至少一部分由具有極低量子效率的材料制成以便產(chǎn)生光電子是有利的(參見例如以下所述的圖7A-7D)。
用較薄(例如幾十微米)和基本均勻的大量吸收VUV的材料(諸如聚四氟乙烯PTFE)層256涂敷陰電極250的離子采集側(cè)，以抑制作為來自燈40的VUV輻射的結(jié)果的光電子從陰電極250的產(chǎn)生和/或發(fā)射是有益的。某些當(dāng)前可用PID(例如美國專利No.5,773,833)上的陰電極較薄并打孔，用于分析離子的穿透擴(kuò)散，其中吸收VUV的涂層僅在面向VUV燈的一側(cè)。然而，本發(fā)明的發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的陰電極250的離子采集側(cè)上的薄層256執(zhí)行了VUV阻擋功能，同時仍然允許通過正電荷反應(yīng)產(chǎn)物碰撞到陰電極250上的層256和/或穿過該層來檢測這些反應(yīng)產(chǎn)物。陽電極260也可設(shè)置類似的絕緣材料薄層266，該絕緣材料也可以是大量吸收VUV的材料。絕緣層256和/或266可沿下表面延伸，以有助于防止電極250和260之間的電流泄漏。這些電極涂層也可以是微導(dǎo)電的。允許微導(dǎo)電電極層將影響電流泄漏量。這些涂層可例如由包含碳顆?；蛉魏纹渌嗨平Y(jié)構(gòu)的PTFE制成。
本發(fā)明的PID可任選地配備有用于面向電極間隙的陰極和/或陽極表面的裸金屬。即使在無涂層電極表面的情形中，光電子的VUV生成的量子效率一定程度上被在暴露于空氣中的金屬表面上自然形成的薄金屬氧化膜降低。該有益金屬氧化膜的形成最好通過在空氣中高溫加熱該金屬電極部件長達(dá)數(shù)小時來加速。
PID 10還包括本領(lǐng)域中公知的電路以(a)向光電離室200的陰電極250和陽電極260提供獨(dú)立的穩(wěn)定或變化電壓；(b)測量因正離子在PIC 10的操作期間碰撞到陰電極250上產(chǎn)生的例如微微安級的輸出信號；以及(c)向氣體放電燈40的電極提供獨(dú)立的穩(wěn)定或變化電壓。燈40通常以千赫茲到兆赫茲范圍內(nèi)的正弦頻率來驅(qū)動，如本領(lǐng)域所眾所周知的。在一種方法中，正弦燈電壓的幅值可被調(diào)制成降低燈的平均功率，如本領(lǐng)域所公知的(參見例如美國專利No.5,773,833)。
本發(fā)明的電離室還可用于在腔室體240內(nèi)產(chǎn)生分析分子的必要電離的可選裝置。這種其它裝置的示例包括通過一個或多個激光束的多步驟電離、亞穩(wěn)的受激氣體個體和/或VUV光子從放電或火花室到電離室200的注入(參見例如美國專利No.5,541,519和6,333,632)、電離顆粒的低活性放射源(參見例如美國專利No.4,704,336)、或者分析分子通過電極250和260施加高壓短脈沖的電場電離。本領(lǐng)域技術(shù)人員可了解產(chǎn)生電離的其它裝置。
如上所述，本發(fā)明的可簡便拆卸(以及可簡便地重新插入)的光電離室200使其中光電離室200已受污染的PID 10能通過簡單地替換光電離室200來快速、便宜地修理/修復(fù)。此外，本發(fā)明的光電離室的可拆卸和可替換性質(zhì)允許PID 10通過將選擇用于不同的環(huán)境或周圍狀況、以及使用PID 10的某些方式的光電離室結(jié)合其中，來根據(jù)這些條件或方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣，光電離室的若干可選實(shí)施例在圖5A-9中陳述。
圖5A-5D的光電離室200a通常在設(shè)計和操作上與光電離室200相似。光電離室200a的類似組件與光電離室200的相應(yīng)組件相似地標(biāo)號，僅添加了“a”。但是，與光電離室200的第二外殼元件220和陽電極260相比，光電離室200a的第二外殼元件220a的表面積、以及第二電極260a的表面積減小。這樣，大部分第二外殼元件220a的直徑和陽電極260a的直徑減小。第二外殼元件220a經(jīng)由多個(即兩個或多個)徑向向外延伸法蘭或接頭224a連接到墊圈230a。本發(fā)明的發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，對于具有較高濕度的周圍環(huán)境和/或載氣流，光電離室200a與光電離室200相比可提供經(jīng)改進(jìn)的性能。相信陽電極260a的經(jīng)減小的表面積會導(dǎo)致高濕度環(huán)境中電極之間的較少電流泄漏。此外，在PID 10的一些實(shí)施例中，由接頭224a與外殼元件中的呈現(xiàn)端口214aa和214ab之間的開口區(qū)域所提供的附加氣流路徑是不必要的，在該情形中所述端口無需出現(xiàn)。
如圖6A-6D所示的本發(fā)明光電離室的另一個實(shí)施例300包括第一外殼元件310和第二外殼元件320。第一外殼元件310和第二外殼元件320分別經(jīng)由第一外殼元件310邊緣316的卷邊通過比如墊圈環(huán)330的機(jī)械連接器機(jī)械連接，以創(chuàng)建具有腔室體340的光電離室300。
分析分子及其載氣如上所述經(jīng)由入口312進(jìn)入光電離室300。一個或多個排出開口或出口314a和314b提供流動或擴(kuò)散路徑，通過該路徑分析分子及其載氣可從光電離室300中排出。腔室體340部分地被陰電極350的上或內(nèi)表面包圍，該陰電極可形成于或連接到絕緣盤354的一側(cè)。采集陰電極350和絕緣盤354通常包括中央通孔352，通過該通孔穿過入口312的分析分子進(jìn)入腔室體340。
在圖6B的方向中，陽電極360的下表面與陰電極350的上表面間隔放置，從而進(jìn)一步限定腔室體340。陰電極350和/或陽電極360的面向該體340的表面可以分別涂覆有如上所述的絕緣(或部分導(dǎo)電)的和/或吸收VUV材料的薄層356和366。
在圖6A-6D的實(shí)施例中，陰電極350通過環(huán)形隔離片370與陽電極360間隔放置。隔離片370高度的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)了陰電極350和陽電極360之間的距離，從而改變PID 10的響應(yīng)。此外，隔離片370可向光電離室300提供與其它光電離室相比經(jīng)改進(jìn)的對物理沖擊或碰撞力的抵抗力。經(jīng)改進(jìn)的對物理沖擊或碰撞力的抵抗力在便攜式或手持式檢測器的情形中會特別有益。
如圖7A-7D所示的本發(fā)明光電離室的又一個實(shí)施例400包括第一外殼元件410和第二外殼元件420。與光電離室200、200a和300相似，第一和第二外殼元件410和420分別經(jīng)由第一外殼元件410的邊緣416的卷邊通過比如墊圈環(huán)430的機(jī)械連接器機(jī)械連接，以創(chuàng)建具有腔室體440的光電離室400。
與光電離室200、200a和300相似，分析分子及其載氣如上所述經(jīng)由入口412進(jìn)入光電離室400。一個或多個排出開口或出口414a和414b提供流動或擴(kuò)散路徑，通過該路徑分析分子及其載氣可從光電離室400中排出。
腔室體440部分地被陰電極450的上或內(nèi)表面包圍，該陰電極可形成于或連接到絕緣盤454(例如由電路板制成)的一側(cè)。在圖7A-7D的實(shí)施例中，陰電極450的直徑比盤454的直徑小。在所示方向中，盤454的下側(cè)裝于第一外殼元件410的內(nèi)表面上。電連接可通過如上所述的絕緣盤454設(shè)置在陰電極450和第一外殼元件410之間。采集陰電極450和絕緣盤454通常包括中央通孔452，通過該通孔穿過入口412的分析分子進(jìn)入腔室體440。盤454還包括通孔456和458，分別用于與第一外殼元件410的通孔414a和414b的流體傳送。
在圖7B的方向中，陽電極460的下表面與陰電極450的上表面間隔放置，從而進(jìn)一步限定腔室體440。陰電極450和/或陽電極460的面向該體440的表面分別涂覆有如上所述的絕緣(或部分導(dǎo)電)的和/或吸收VUV材料的薄層(未示出)。在該方向中，陽電極460安裝于或形成于第二外殼元件420的下表面上。在圖7A-7D的實(shí)施例中，第二外殼元件420包括通常為環(huán)形的絕緣部分425和427、以及中間的通常為環(huán)形的導(dǎo)電部分428。電連接可設(shè)置在導(dǎo)電部分428和陽電極460之間。如上所述，從VUV燈發(fā)出并碰撞在絕緣部分427上的形成于入口422周圍的部分VUV輻射將不生成光電子，但該VUV輻射可以極小離子電流信號產(chǎn)生噪音和干擾。
本發(fā)明光電離室的另一個實(shí)施例700如圖8所示。它組合了如圖6A-6D所示的腔室墊圈330和370的有益機(jī)械穩(wěn)定性、和具有多個外圍接頭703以具有良好的介電性能和對濕度的降低敏感度的第二外殼元件701(類似于圖5A-5D所示的第二外殼元件220a的設(shè)計)。腔室700包括與采集陰電極元件702相連的第一外殼元件310。在一較佳實(shí)施例中，外殼元件310和陰電極元件702由非磁性金屬制成，并例如通過點(diǎn)焊來機(jī)械和電接合。第一和第二外殼元件310和701分別經(jīng)由如上所述第一外殼元件的邊緣316的卷邊通過比如墊圈環(huán)330的機(jī)械連接器來機(jī)械連接。暴露在內(nèi)部腔室體中或密封與墊圈330或370分開的外殼元件310、電極元件702和第二外殼元件701的任一或全部表面可涂覆如上所述的絕緣和/或吸收VUV材料的薄層。
本發(fā)明光電離室的又一實(shí)施例800如圖9所示。除了第一外殼元件801的設(shè)計，它與圖8所示的光電離室700相同。在該情形中，外殼元件801的中央部分是閉合的，并且現(xiàn)在(一個或多個)開口802的模式是開在離子室的內(nèi)部開放體的周邊區(qū)域中的。在該實(shí)施例中，未出現(xiàn)圖1所示的O形環(huán)160，從而樣氣可經(jīng)由入口132自由地直接進(jìn)入殼體110的整個體積內(nèi)。當(dāng)氣流通過排氣管180排出殼體110時，經(jīng)由開口802、以及第二外殼元件701和墊圈環(huán)330之間的空間通過離子室800來流動和擴(kuò)散是自由的。
前面的描述和附圖陳述了本發(fā)明目前的較佳實(shí)施例。當(dāng)然，對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，根據(jù)前述示教進(jìn)行各種更改、添加和可選設(shè)計而不背離本發(fā)明的范圍是顯而易見的。本發(fā)明的范圍通過以下權(quán)利要求而不是通過前面的描述來表示。落于權(quán)利要求等效物的含義和范圍內(nèi)的所有改變和變化都要包括在其范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光電離檢測器，包括外殼；所述外殼內(nèi)的電觸點(diǎn)；所述外殼內(nèi)的光電離室，所述光電離室包括陰電極和陽電極，所述光電離室及相關(guān)聯(lián)的陰電極和陽電極可作為一個單元從外殼內(nèi)拆卸出來，不管所述光電離室圍繞其軸如何旋轉(zhuǎn)定向，所述光電離室在置于外殼內(nèi)時都與所述電觸點(diǎn)電接觸；以及將VUV光子傳送到所述光電離室內(nèi)的燈。
2.如權(quán)利要求1所述的光電離檢測器，其特征在于，所述陰電極的吸引正電荷反應(yīng)產(chǎn)物的一側(cè)涂覆有一層材料，這層材料使碰撞在所述層上的正電荷反應(yīng)產(chǎn)物的至少一部分能被電檢測到。
3.如權(quán)利要求2所述的光電離檢測器，其特征在于，所述陰電極上的材料層也是吸收VUV的。
4.如權(quán)利要求1所述的光電離檢測器，其特征在于，所述陽電極的排斥正電荷反應(yīng)產(chǎn)物的一側(cè)涂覆有一層材料，這層材料使碰撞在所述層上的負(fù)電荷反應(yīng)產(chǎn)物的至少一部分能被采集。
5.如權(quán)利要求4所述的光電離檢測器，其特征在于，所述陽電極上的材料層也是吸收VUV的。
6.如權(quán)利要求2所述的光電離檢測器，其特征在于，所述陰電極上的材料層在所述陰電極的涂覆區(qū)域上通常是厚度均勻的。
7.如權(quán)利要求4所述的光電離檢測器，其特征在于，所述陽電極上的材料層在所述陽電極的涂覆區(qū)域上通常是厚度均勻的。
8.如權(quán)利要求1所述的光電離檢測器，其特征在于，所述光電離室包括與所述陰電極電連接的陰極腔室外殼元件，所述陰極腔室外殼元件的至少一部分表面構(gòu)成一電觸點(diǎn)。
9.如權(quán)利要求1所述的光電離檢測器，其特征在于，所述光電離室包括與所述陽電極電連接的陽極腔室外殼元件，所述陽極腔室外殼元件的至少一部分表面構(gòu)成一電觸點(diǎn)。
10.如權(quán)利要求8所述的光電離檢測器，其特征在于，所述陰極腔室外殼元件完全由導(dǎo)電金屬制成。
11.如權(quán)利要求9所述的光電離檢測器，其特征在于，所述陽極腔室外殼元件完全由導(dǎo)電金屬制成。
12.如權(quán)利要求1所述的光電離檢測器，其特征在于，所述光電離室包括與所述陰電極電連接的第一腔室外殼元件，所述第一腔室外殼元件的至少一部分表面構(gòu)成第一電觸點(diǎn)；與所述陽電極電連接的第二腔室外殼元件，所述第二腔室外殼元件的至少一部分表面構(gòu)成第二電觸點(diǎn)；其中所述第一腔室外殼元件和第二腔室外殼元件都完全由導(dǎo)電金屬制成，并且與絕緣連接器機(jī)械連接。
13.如權(quán)利要求12所述的光電離檢測器，其特征在于，所述光電離室包括分布在所述第一腔室外殼元件和第二腔室外殼元件之間的多個開口，并且這些開口可通過樣氣。
14.如權(quán)利要求12所述的光電離檢測器，其特征在于，所述絕緣連接器是環(huán)形的。
15.如權(quán)利要求14所述的光電離檢測器，其特征在于，所述第一腔室外殼元件和第二腔室外殼元件通過卷邊機(jī)械連接到所述環(huán)形絕緣連接器。
16.一種用于樣氣的從動流的光電離設(shè)備，包括外殼；所述外殼內(nèi)的光電離室；VUV燈，將VUV光子傳送給所述光電離室內(nèi)的光電離體；在所述光電離體上游的孔，使所述光電離反應(yīng)體中的壓力小于所述孔的另一側(cè)上的壓力，從而使所述光電離體內(nèi)的樣氣的相對濕度與樣氣進(jìn)入所述光電離設(shè)備之前的相對濕度相比降低。
17.如權(quán)利要求16所述的光電離設(shè)備，其特征在于，多個孔置于所述光電離體的上游。
18.如權(quán)利要求16所述的光電離設(shè)備，其特征在于，所述相對濕度的降低至少為5％。
19.一種光電離檢測器，包括外殼；所述外殼內(nèi)的光電離室；VUV燈，將VUV光子傳送到所述光電離室內(nèi)；以及在所述VUV燈外部的至少一個光子源，它可被電激活以照射所述VUV燈的內(nèi)表面，以便于增強(qiáng)所述VUV燈的可啟動性和操作性能。
20.如權(quán)利要求19的光電離檢測器，其特征在于，在所述VUV燈外部的光子源是發(fā)光二極管。
全文摘要
一種光電離檢測器，包括外殼、外殼內(nèi)的電觸點(diǎn)、以及外殼內(nèi)可簡便拆卸和替換的光電離室。該光電離室包括可涂覆有較薄材料層的陰電極和陽電極。光電離室以及相關(guān)聯(lián)的陰電極和陽電極可作為一個單元從外殼內(nèi)拆卸。不管該光電離室圍繞軸如何定向，電離室在置于外殼內(nèi)時都可與觸點(diǎn)電連接。
文檔編號G01N27/66GK1934442SQ200580009466
公開日2007年3月21日 申請日期2005年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者J·K·哈弗斯蒂克, D·E·布魯斯, M·B·舒曼, M·F·老扎內(nèi)拉, J·G·豪爾, J·B·米勒 申請人:礦井安全裝置公司