CN101769846A - 一种带电气溶胶粒子透镜 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带电气溶胶粒子透镜，这种带电气溶胶粒子透镜利用了气体动力学原理和电磁学原理以达到使带电气溶胶聚焦加速的作用。它包括四个部分：限流孔、聚焦环、电极环以及喷嘴。带电的气溶胶通过限流孔可以产生超音速流，通过粒子透镜的聚焦作用实现了带电气溶胶粒子的聚焦，特别对于其他聚焦方式聚焦效果较差的、粒径小于50nm的气溶胶粒子效果更加突出，从而减小大范围粒径的离子与器壁碰撞复合几率，提高检测效率。
Description
技术领域
本发明涉及分析仪器中的粒子透镜，具体地说是一种新的气溶胶聚焦技术，将这种新的气溶胶聚焦技术用于气溶胶相关分析仪器，能够起到更好的聚焦效果，提高气溶胶粒子的传输效率和传输粒径范围，从而提高仪器的灵敏度。
背景技术
大气气溶胶的来源广泛，自然活动和人类活动，可以产生大量的气溶胶。由于气溶胶的危害性很大，所以近年来国内外产生了不少关于气溶胶分析方法，尤其在线气溶胶质谱的应用大为推广。而气溶胶检测的一大难点就是气溶胶样品的进样问题。如果进样时不能将气溶胶粒子很好的聚成一束，会大大影响分析仪器的分辨率，尤其是针对带电气溶胶粒子的进样系统没有得到很好的发展，给分析过程带来很大的不便。
目前普遍采用的进样系统包括喷嘴、动态聚焦系统、以及空气动力学透镜。三种进样系统的结构及效率不同。但都是依据空气动力学的原理将粒子形成紧凑的单粒子束。喷嘴是最早用在单粒子质谱中的进样方式，一般为中空的锥形结构，出口为一段毛细管一般长3～5mm，内径0.5～1mm。入口压强为大气压，出口压强为几个torr，在如此大的压差下，气溶胶粒子通过喷嘴后发生绝热超声膨胀，受周围气体分子的碰撞加速，形成高速运动的气溶胶粒子束，气体分子通过多级差分系统除去。通过改变出口处毛细管的长度及内径，可以改变有效传输的粒径范围。喷嘴可以将粒径在1μm以上的粒子有效地传输到质谱中，但传输效率随粒径减小而降低，对亚微米粒子的传输效率较低。
动态聚焦系统通过连续改变进样薄壁孔上方限流孔的流速，从而连续改变薄壁孔的操作压力，将一定粒径的粒子引入质谱。当操作压强从1.01×105变化至4.0×102时，可以传输的粒子粒径从1.8μm变化至35nm传输效率均接近100％。动态聚焦系统的不足之处在于，一个操作条件下只能传输一种粒径的粒子，不能同时对多分散的气溶胶粒子进行分析，只能用于某些特定用途的单粒子质谱中。
目前使用较多的是空气动力学透镜，它利用空气动力学原理将亚微米级的粒子聚焦成很细的一束。一般的空气动力学透镜入口为孔径很小的限流孔，前段由一系列中心口径逐渐减小的环形薄片组成，不同内径的环形薄片可以有效地传输不同粒径的粒子，多个环形薄片组合就可以将一定粒径范围内的粒子有效聚焦形成紧凑的气溶胶粒子束。但只用空气动力学原理，能够有效传输的气溶胶粒子最小粒径约为50nm，对粒径小于50nm的粒子传输效率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够使粒径小于50nm的气溶胶粒子也能得到较好聚焦的粒子透镜，这种粒子透镜综合利用了空气动力学原理和电磁学原理，在空气动力学透镜中加设电极环，利用电学原理实现了粒径小于50nm的气溶胶粒子高效率聚焦。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种带电气溶胶粒子透镜，包括筒状壳体，在筒状壳体的一端设置有锥形的限流孔，另一端设置有喷嘴，在靠近喷嘴的壳体内部设置有电极环，在电极环和限流孔之间设置有聚焦环；
所述限流孔、聚焦环的中部圆孔、电极环的中部圆孔、喷嘴为同轴放置。
所述电极环与外界的电源相连，于电极环上施加与气溶胶粒子所带电荷极性相同的电压；电极环上的电压为可调电压，达到更好的聚焦效果。
所述电极环中部圆孔的孔径为4-6mm，轴向厚度为2-4mm。
所述聚焦环为片状薄板结构，中部带有圆孔，是厚度很小的带有微小孔径的环状结构；且筒状壳体内设置的聚焦环数量为三个或三个以上，从限流孔向电极环方向分布的聚焦环的内径逐渐减小，依次平行排列。
所述相邻设置的聚焦环间的间距为5-30mm。
所述聚焦环中部圆孔的孔径为4-6mm，轴向厚度为2-4mm。
所述电极环中部圆孔的内径小于等于其前面的靠近它的聚焦环中部圆孔的内径；可起到一定的聚焦环的聚焦作用。
所述限流孔锥形的锥底一端与筒状壳体固接，于锥形的顶端开设有内径为0.1mm的小孔；其为水平方向放置的锥形时，锥型的特定角度有利于形成平稳的超音速流。
所述喷嘴靠近电极环的一侧为锥台状缩径，锥台状缩径的顶端为柱状开口，柱状开口的内径小于等于电极环中部圆孔的内径；喷嘴的轴向厚度为2-4mm，起到加速气溶胶的作用。
所述限流孔与聚焦环间5-30mm，聚焦环与电极环间的间距为5-30mm，电极环与喷嘴间的间距为5-30mm。
本发明应用时，首先，带电的气溶胶通过限流孔可以产生超音速流。同时，根据文献报道，气溶胶粒子流在通过限流孔发生超声膨胀时，也会带上电荷。通过粒子透镜的聚焦作用将其向轴线附近聚焦。带电气溶胶在经过电极环时，由于电极环带同极性的电压而使其进一步聚焦。最后通过喷嘴成为一束喷出。
本发明的优点为：
这种粒子透镜综合利用了空气动力学原理和电磁学原理，能够使粒径小于50nm的气溶胶粒子也能得到较好聚焦的粒子透镜，利用一般的空气动力学透镜结构使粒径大于50nm的气溶胶粒子有效聚焦，在空气动力学透镜中加电极环，利用电学原理使粒径小于50nm的气溶胶粒子形成气溶胶粒子束，引入到分析仪器当中。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明：
图1带电气溶胶粒子透镜的结构示意图。
图2带电气溶胶粒子透镜数值模拟结果。
具体实施方式
本发明利用了空气动力学和电磁学原理，具体装置见图1。一种带电气溶胶粒子透镜，其主要包括以下几个部分：限流孔1、聚焦环2、电极环3以及喷嘴4。除电极环外均采用绝缘物质加工。
在圆筒状壳体的一端设置有锥形的限流孔1，另一端设置有喷嘴4，在靠近喷嘴4的壳体内部设置有电极环3，在电极环3和限流孔1之间设置有聚焦环2；所述限流孔1、聚焦环2的中部圆孔、电极环3的中部圆孔、喷嘴4为同轴放置；
所述电极环3与外界的电源相连，于电极环3上施加与气溶胶粒子所带电荷极性相同的电压。电极环3上加载可以根据气溶胶带电情况进行调节的可变电压。
所述电极环3中部圆孔的孔径为4mm，轴向厚度为2.5mm，
所述聚焦环2为片状薄板结构，轴向厚度小于1mm，中部带有圆孔；其数量为三个，从限流孔1向电极环3方向分布的聚焦环2的内径逐渐减小，分别为5、4.5、4mm，依次平行排列；相邻设置的聚焦环2间的间距为30mm；
所述限流孔1锥形的锥底一端与筒状壳体固接，于锥形的顶端开设有内径为0.1mm的小孔；其为水平方向放置的锥形时，有利于形成平稳的超音速流；
所述喷嘴4靠近电极环3的一侧为锥台状缩径，锥台状缩径的顶端为柱状开口，柱状开口的内径为4mm；喷嘴4的轴向厚度为3mm，起到加速气溶胶的作用。
所述限流孔1与聚焦环2间的间距为30mm，聚焦环2与电极环3间的间距为30mm，电极环3与喷嘴4间的间距为20mm。
限流孔内径为0.1mm，入口压强为大气压，出口压强为几个负压。巨大的压差下，带电气溶胶粒子通过喷嘴后发生绝热超声膨胀，受周围气体分子的碰撞加速，形成高速运动的气溶胶粒子束。
聚焦环采用三个内径依次减小的薄圆片组成。在透镜腔体内部依次同轴等间距排列。当带电气溶胶粒子通过聚焦环时，粒子是跟随流体的流线还是与流线分离主要由斯托克斯数决定。当St＜＜1带电气溶胶粒子会跟随气体的流线，这是流线和粒子的轨迹线重合。当St＞＞1时，粒子的轨迹线与流线分离，粒子会保持自己的迹线向前运动。当带电气溶胶粒子通过聚焦环时，其斯托克斯数为：
其中，ρp是带电气溶胶粒子的密度，dp是粒子直径，U为小孔处的气体速度，η为气体粘性，D0为小孔直径。聚焦环的聚焦作用就是利用这个原理，因为不同尺寸的聚焦环相对与不同粒径的气溶胶粒子有不同的斯托克斯数，因此当带电气溶胶粒子通过第一个聚焦环时St的数值在1附近的气溶胶粒子被聚焦成较“宽”的粒子束，这时St＝1的粒子是在该粒子束的中心位置的。而当通过第二个聚焦环时，由于聚焦环的内径变小，原来在粒子束周围的粒子会被进一步聚集到中心位置。同理，在经过第三个聚焦环时，聚焦效果会进一步加强。经理论验证，三个不同尺寸的聚焦环已经有足够的聚焦作用。
聚焦环的聚焦作用使带电的气溶胶粒子基本汇聚成一束，向前传播。本发明中采用了电磁场聚焦的原理对其进一步聚焦。电极环上加一定的电压，极性与气溶胶粒子束的电荷相同。当带电气溶胶粒子通过电极环时，两端的电压使粒子进一步向中间汇聚成一束，聚焦效果大大加强。同时要保证电极环有一定的厚度，这样可以起到加速粒子束的作用。
喷嘴采用锥型设计，既可以防止粒子束在进入分析仪器以前发散，又可以进一步起到加速作用。
经过以上的步骤，就可以得到一束较细的带电气溶胶粒子束。
Claims (10)
1.一种带电气溶胶粒子透镜，包括筒状壳体，其特征在于：在筒状壳体的一端设置有锥形的限流孔(1)，另一端设置有喷嘴(4)，在靠近喷嘴(4)的壳体内部设置有电极环(3)，在电极环(3)和限流孔(1)之间设置有聚焦环(2)；
所述限流孔(1)、聚焦环(2)的中部圆孔、电极环(3)的中部圆孔、喷嘴(4)为同轴放置。
2.根据权利要求1所述带电气溶胶粒子透镜，其特征在于：所述电极环(3)与外界的电源相连，于电极环(3)上施加与气溶胶粒子所带电荷极性相同的电压。电极环(3)上加载可以根据气溶胶带电情况进行调节的可变电压。
3.根据权利要求1所述带电气溶胶粒子透镜，其特征在于：所述电极环(3)中部圆孔的孔径为4-6mm，轴向厚度为2-4mm。
4.根据权利要求1所述带电气溶胶粒子透镜，其特征在于：所述聚焦环(2)为片状薄板结构，中部带有圆孔；且筒状壳体内设置的聚焦环(2)数量为三个或三个以上，从限流孔(1)向电极环(3)方向分布的聚焦环(2)的内径逐渐减小，依次平行排列。
5.根据权利要求4所述带电气溶胶粒子透镜，其特征在于：所述相邻设置的聚焦环(2)间的间距为5-30mm。
6.根据权利要求1所述带电气溶胶粒子透镜，其特征在于：所述聚焦环(2)中部圆孔的孔径为4-6mm，轴向厚度小于1mm。
7.根据权利要求1所述带电气溶胶粒子透镜，其特征在于：所述电极环(3)中部圆孔的内径小于等于其前面的靠近它的聚焦环(2)中部圆孔的内径。
8.根据权利要求1所述带电气溶胶粒子透镜，其特征在于：所述限流孔(1)锥形的锥底一端与筒状壳体固接，于锥形的顶端开设有内径为0.1mm的小孔；其为水平方向放置的锥形时，有利于形成平稳的超音速流。
9.根据权利要求1所述带电气溶胶粒子透镜，其特征在于：所述喷嘴(4)靠近电极环(3)的一侧为锥台状缩径，锥台状缩径的顶端为柱状开口，柱状开口的内径小于等于电极环(3)中部圆孔的内径；喷嘴(4)的轴向厚度为2-4mm要有一定的长度，起到加速气溶胶的作用。
10.根据权利要求1所述带电气溶胶粒子透镜，其特征在于：所述限流孔(1)与聚焦环(2)间的间距为5-30mm，聚焦环(2)与电极环(3)间的间距为5-30mm，电极环(3)与喷嘴(4)间的间距为5-30mm。
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