CN101581698A - 气溶胶场致电离电荷源装置 - Google Patents

气溶胶场致电离电荷源装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及气溶胶场致电离电荷源装置，利用场致电离的方式实现电极间的高压电晕放电产生大量电荷的气溶胶场致电离电荷源装置。用于在不改变粒径分布特征的前提下，实现气溶胶粒子特别是超细粒子的高效率荷电。本发明主要包括撞击式粒子过滤器腔体、喷嘴、撞击台、场致电离电荷源腔体、高压电极、接地电极盖。气溶胶进气管设在撞击式粒子过滤器腔体外侧，内部直接与气体喷嘴连通，而排气管位于场致电离电荷源接地电极外侧，内部与高压电极相对且共轴。高压电极电晕放电端为圆锥状，接地电极为中空漏斗形状。高压电源输出装置可输出0～±5KV的可调节电压，故该场致电离源可以分别产生正负电晕，并最终产生高密度单极性离子。

Description

气溶胶场致电离电荷源装置
技术领域]
本发明涉及大气气溶胶监测技术领域，具体是气溶胶场致电离电荷源装置。
背景技术
随着经济的不断发展，颗粒物污染成为大气的首要污染源，大气气溶胶细粒子谱分布作为影响和表征大气空气质量的重要参数，越来越受到人们的关注。特别是大气中的纳米级超细粒子，由于其独特的固有属性如巨大的表面效应、量子效应、界面效应以及由此引起的异常的吸附能力、化学反应能力和光催化性能等，对其开展的粒径谱分布研究成为21世纪众多行业研究的热点。目前，对大气气溶胶细粒子谱分布(特别是超细粒子)的研究，较为成熟的技术是在对粒子完成荷电的情况下，根据粒子电迁移率的不同将其按粒径进行分级，并进行浓度统计。气溶胶电荷源是一种能够稳定产生大量自由电荷的装置，在进行粒径分级时，粒子荷电效率将直接影响粒径的分级效率，特别是纳米级的超细粒子，由于粒子横截面积较小，用传统的双极性电荷源对其进行电荷加载将很难保证荷电效率，这也直接影响了仪器的检测下限。当今，国际上只有少数发达国家有能力进行大气细粒子谱监测仪器的设计开发，但产品内部电荷源主要是利用放射源(如Po210、Kr85、Am241等)使空气电离产生等量异号电荷来完成粒子电荷中和过程。这一方面将导致仪器的检测下限受限，另一方面由于其潜在的核泄漏的危险性，使得放射源的使用也受到种种限制。利用高压电晕放电的方式，可以按照实际需求产生足量的电荷，实现气溶胶粒子的单极性荷电或者双极性荷电，目前，该技术在静电除尘领域已经得到较为广泛的应用。将该技术引入大气气溶胶在线监测仪器中，可以实现纳米级颗粒物的高效率荷电，并最终提高仪器对于纳米级超细颗粒物的分辨能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用场致电离的方式实现电极间的高压电晕放电产生大量电荷的气溶胶场致电离电荷源装置。用于在不改变粒径分布特征的前提下，实现气溶胶粒子特别是超细粒子的高效率荷电。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：包括两端有端壁的撞击式粒子过滤器腔体，所述端壁上开有通孔，一个通孔中安装有气溶胶进气管，所述气溶胶进气管内前端安装有喷嘴，喷嘴前方的有安装于腔体中的可拆卸的撞击台，所述撞击式粒子过滤器腔体下方联通有场致电离电荷源腔体，所述场致电离电荷源腔体的一端紧密安装有可拆卸的绝缘活塞，所述绝缘活塞中开有通孔，所述通孔中安装有高压电极，所述高压电极的一端通过导线连接高压电源，所述场致电离电荷源腔体的另一端紧密安装有可拆卸的接地电极盖，所述接地电极盖通过导线接地，所述接地电极盖伸入场致电离电荷源腔体内部分的内壁为圆锥形，所述接地电极盖中间还开有供气溶胶排出的通孔，所述高压电极的放电尖端伸入所述场致电离电荷源腔体内的接地电极盖的圆锥形内壁中，所述接地电极盖与所述高压电极同轴安装，接地电极盖通孔外侧有排气管。
所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述撞击台为端部有挡沿的柱形台，撞击台柱身上成型有外螺纹，所述撞击式粒子过滤器腔体与撞击台配合的通孔中成型有内螺纹，所述撞击台螺合在所述撞击式粒子过滤器腔体一端，其档沿抵在所述撞击式粒子过滤器腔体端壁外侧。
所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述绝缘活塞为端部有挡沿的柱形活塞，其柱身上成型有外螺纹，所述场致电离电荷源腔体与绝缘活塞配合的一端内壁成型有内螺纹，所述绝缘活塞螺合在所述场致电离电荷源腔体一端，其档沿抵在所述场致电离电荷源腔体端面外侧。
所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述接地电极盖为端部有挡沿的柱形盖，其柱身上成型有外螺纹，所述场致电离电荷源腔体与接地电极盖配合的一端内壁成型有内螺纹，所述接地电极盖螺合在所述场致电离电荷源腔体一端，其档沿抵在所述场致电离电荷源腔体端面外侧。
所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述撞击台正对所述气溶胶进气管的面为撞击面，所述撞击面上镀有粗糙的铜膜。
所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述撞击式粒子过滤器腔体、场致电离电荷源腔体和绝缘活塞均采用聚四氟乙烯材料制成。
所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述接地电极盖采用不锈钢材料制成。
本发明的主要原理是：利用高压电源使电荷源腔体内的高压电极按要求产生正负高压，从而在高压电极与接地电极盖之间产生电晕放电，并在极短的时间内达到高电子密度状态(可达到106/cm3)。当待测气溶胶气样进入电晕区以后，瞬间与高浓度的单极性粒子完成荷电过程。
本发明主要包括撞击式粒子过滤器腔体、喷嘴、撞击台、场致电离电荷源腔体、高压电极、接地电极盖。气溶胶进气管设在撞击式粒子过滤器腔体外侧，内部直接与气体喷嘴连通，而排气管位于场致电离电荷源接地电极外侧，内部与高压电极相对且共轴。高压电极电晕放电端为圆锥状，接地电极为中空漏斗形状。高压电源输出装置可输出0～±5KV的可调节电压，故该场致电离源可以分别产生正负电晕，并最终产生高密度单极性离子。
本发明具有以下优点：
(1)基本原理为场致电离原理，利用电极间的高压电晕放电，在电极间形成高密度单极性电荷区，粒子荷电效率高。
(2)场致电离源前端设置撞击式粒子过滤器，大大降低了气溶胶对高压电极的污染，进而提高了电离效率；
(3)场致电离电荷源结构合理，喷嘴、撞击台、高压电极、接地电极可单独拆卸，利于日常维护清理。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图。
具体实施方式
气溶胶场致电离电荷源装置，包括两端有端壁的撞击式粒子过滤器腔体1，端壁上开有通孔，一个通孔中安装有气溶胶进气管3，气溶胶进气管3内前端安装有直径很小的喷嘴，另一个通孔中紧密安装有可拆卸的撞击台6，撞击台6正对气溶胶进气管3的面为撞击面，撞击面上镀有相糙的铜膜。撞击式粒子过滤器腔体1、气溶胶进气管3和撞击台6同轴安装；还包括有管状的场致电离电荷源腔体2，场致电离电荷源腔体2的一端紧密安装有可拆卸的绝缘活塞10，撞击式粒子过滤器腔体6、场致电离电荷源腔体1和绝缘活塞10均采用聚四氟乙烯材料制成，绝缘活塞10中开有通孔，通孔中安装有高压电极7，高压电极7的一端通过导线连接高压电源9，场致电离电荷源腔体1的另一端紧密安装有可拆卸的接地电极盖8，接地电极盖8采用不锈钢材料制成，接地电极盖8通过导线接地，接地电极盖8伸入场致电离电荷源腔体2内部分的内壁为圆锥形，其圆锥底面与绝缘活塞10相对，高压电极7的放电尖端伸入所述场致电离电荷源腔体2内的接地电极盖8内壁中，接地电极盖8与高压电极7同轴安装，接地电极盖8中间还开有供气溶胶排出的通孔，通孔外侧有排气管；撞击式粒子过滤器腔体1的一个侧面与场致电离电荷源腔体2的一个侧面紧密结合，结合处开有连通撞击式粒子过滤器腔体1与场致电离电荷源腔体2的通孔。
撞击台6为端部有挡沿的柱形台，撞击台6柱身上成型有外螺纹，撞击式粒子过滤器腔体1与撞击台6配合的通孔中成型有内螺纹，撞击台6螺合在撞击式粒子过滤器腔体1一端，其档沿抵在撞击式粒子过滤器1腔体端壁外侧，档沿外侧还套有O形密封圈。
绝缘活塞10为端部有挡沿的柱形活塞，其柱身上成型有外螺纹，场致电离电荷源腔体2与绝缘活塞10配合的一端内壁成型有内螺纹，绝缘活塞10螺合在场致电离电荷源腔体2一端，其档沿抵在场致电离电荷源腔体2端面外侧，档沿外侧还套有O形密封圈。
接地电极盖8为端部有挡沿的柱形盖，其柱身上成型有外螺纹，场致电离电荷源腔体2与接地电极盖8配合的一端内壁成型有内螺纹，接地电极盖8螺合在场致电离电荷源腔体2一端，其档沿抵在场致电离电荷源腔体2端面外侧，档沿外侧还套有O形密封圈。
本发明主要是实现纳米级超细颗粒物的高效率带电，当气溶胶粒子通过撞击式粒子过滤器时，需要实现对粒径在1μm以上粒子的高效率切割。根据颗粒物在气流中的受力情况，结合流体力学相关理论，计算了颗粒物切割粒径、喷嘴气体流量、喷嘴与撞击台之间距离以及喷嘴直径与颗粒物运动轨迹之间的关系，结果表明，当设计喷嘴内部流量为0.3L/min时，喷口直径应为0.5mm，喷嘴与撞击台距离应为2mm，可实现对粒径1μm以上粒子的高效率切割。
高压电极放电端为圆锥状，接地电极内部空间为漏斗状，高压电极与接地电极间距可调且共轴。
撞击式粒子过滤器腔体和场致电离电荷源腔体外观均为长方体。撞击台位于撞击式粒子过滤器腔体一侧，并可自由旋出。高压电极固定于场致电离电荷源腔体一侧可以自由旋出的绝缘活塞上，接地电极盖位于场致电离电荷源腔体另一侧，与高压电极相对且共轴。
由于本发明机械可拆卸部分较多，组装过程中需保证撞击式粒子过滤器腔体、场致电离电荷源腔体以及两者连接处密封，避免实验过程中的外界气体干扰。组装完毕后将出气口封堵，从进气口通入高压，一段时间后检查气压变化，从而确定仪器气密性程度。
为保证场致电荷源较高的粒子荷电效率，需要对电晕电压进行测定。测定方法是：选取特定粒径段内的纯中性粒子(通常经由其他仪器生成的纳米级粒子)，将其接入场致电离电荷源系统进气口，而电荷源出气口与一静电沉积器连接。气溶胶经静电沉积器去除内部带电粒子后，进入凝聚核粒子计数器进行浓度测量。首先，在场致电离源和静电沉积器都不加电压的情况下，记录凝聚核粒子计数器示数n1。然后开始给场致电离源加电压，并记录电压值和凝聚核粒子计数器示数n2，此时静电沉积器仍然不加电压。最后，同时给场致电离源和静电沉积器加电压，并记录此时凝聚核粒子计数器示数n3。粒子在场致电离源中的荷电效率即可用p*(n2-n3)/n1表示，其中p为粒子在电离源中的渗透扩散系数。连续升高场致电离源电压，即可得出粒子最大荷电效率对应的电压值。

Claims (7)

1、气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：包括两端有端壁的撞击式粒子过滤器腔体，所述端壁上开有通孔，一个通孔中安装有气溶胶进气管，所述气溶胶进气管内前端安装有喷嘴，喷嘴前方的有安装于腔体中的可拆卸的撞击台，所述撞击式粒子过滤器腔体下方联通有场致电离电荷源腔体，所述场致电离电荷源腔体的一端紧密安装有可拆卸的绝缘活塞，所述绝缘活塞中开有通孔，所述通孔中安装有高压电极，所述高压电极的一端通过导线连接高压电源，所述场致电离电荷源腔体的另一端紧密安装有可拆卸的接地电极盖，所述接地电极盖通过导线接地，所述接地电极盖伸入场致电离电荷源腔体内部分的内壁为圆锥形，所述接地电极盖中间还开有供气溶胶排出的通孔，所述高压电极的放电尖端伸入所述场致电离电荷源腔体内的接地电极盖的圆锥形内壁中，所述接地电极盖与所述高压电极同轴安装，接地电极盖通孔外侧有排气管。
2、根据权利要求1所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述撞击台为端部有挡沿的柱形台，撞击台柱身上成型有外螺纹，所述撞击式粒子过滤器腔体与撞击台配合的通孔中成型有内螺纹，所述撞击台螺合在所述撞击式粒子过滤器腔体一端，其档沿抵在所述撞击式粒子过滤器腔体端壁外侧。
3、根据权利要求1所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述绝缘活塞为端部有挡沿的柱形活塞，其柱身上成型有外螺纹，所述场致电离电荷源腔体与绝缘活塞配合的一端内壁成型有内螺纹，所述绝缘活塞螺合在所述场致电离电荷源腔体一端，其档沿抵在所述场致电离电荷源腔体端面外侧。
4、根据权利要求1所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述接地电极盖为端部有挡沿的柱形盖，其柱身上成型有外螺纹，所述场致电离电荷源腔体与接地电极盖配合的一端内壁成型有内螺纹，所述接地电极盖螺合在所述场致电离电荷源腔体一端，其档沿抵在所述场致电离电荷源腔体端面外侧。
5、根据权利要求1所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述撞击台正对所述气溶胶进气管的面为撞击面，所述撞击面上镀有粗糙的铜膜。
6、根据权利要求1所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述撞击式粒子过滤器腔体、场致电离电荷源腔体和绝缘活塞均采用聚四氟乙烯材料制成。
7、根据权利要求1所述的气溶胶场致电离电荷源装置，其特征在于：所述接地电极盖采用不锈钢材料制成。
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