CN102479659A - 一种电离源及其在气溶胶检测中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电离源，具体地说是一种电离源及其在气溶胶检测中的应用，包括直流高压电源、高压电极、地电极、电极支架、固定螺栓、调整间距用的绝缘柱等；常压下的载有气溶胶粒子的空气进入正、负放电电极间，利用线板式电晕放电作为电离源使得气溶胶粒子带电，将其用于离子迁移谱，能够避免使用放射性电离源对操作人员的潜在危害。

Description

一种电离源及其在气溶胶检测中的应用

技术领域

本发明涉及分析仪器中的电离源，具体地说是一种新型的气溶胶电离技术，将这种新的电离源用于平衡粒径扫描仪测定气溶胶粒径分布，不仅能够避免使用放射性电离源，而且扩大气溶胶电离的空间区域，提高检测的灵敏度。

背景技术

气溶胶粒子是悬浮在大气中的多种固体微粒和液体微小颗粒。天空中的尘埃，工业上和运输业上用的锅炉和各种发动机里未燃尽的燃料所形成的烟，采矿、采石场磨材和粮食加工时所形成的固体粉尘，人造的掩蔽烟幕和毒烟等都是气溶胶的具体实例。当气溶胶的浓度达到足够高时，将对人类健康，尤其是对哮喘病人及其他有呼吸进疾病的人群造成威胁。空气中的气溶胶还能传播真菌和病毒，这可能会导致一些地区疾病的流行和爆发。气溶胶对全球气候变化，包括当今全球瞩目的暖化、东亚季风减弱和极端气候事件的影响，已成为当今国际环境科学界最为关注的前沿课题。

研究气溶胶的粒径和组成变化对于了解气溶胶对气候和人体健康的影响意义重大。气溶胶的高效电离是利用电学方法和质谱学方法来测量气溶胶粒子的前提。目前，商品化的电学粒子计数器(如DMA、DMS等)在气溶胶粒子进入检测仪器之前，先穿过一个由放射性元素，如85Kr，241Am构成的中和器(neturalizer)，使气溶胶带电。它采用扩散电离(diffusiondischarging)原理使其气溶胶粒子电离，同时把高电离的气溶胶粒子中和。射线粒子首先电离空气中的N2，O2，产生N2+，O2+离子；负离子O2-和电子等，它们与气溶胶粒子达到平衡。但这种双极性电离(bipolardischarging)的电离效率一般不到5％。另外，由于其放射性带来的安全检查及特殊的安全措施给它的实际应用带来许多麻烦。

因此近年来人们在积极的寻求非放射性电离源，以期代替传统的放射性⁶³Ni电离源。最近，Alonso等人(Aerosol Science 34(2003)733-745)提出了一种利用针板式电晕放电的，对10nm气溶胶粒子的电离效率可以到达30％。这种设计的优越性是利用了针电极的高曲率半径，把某种极性的离子束缚在针电极附近，控制进入气溶胶离化区的只有一种极性的离子(正离子或负离子)，从而避免了正负离子之间的复合过程，提高电离效率。但是受针电极尺寸限制，电离的空间区域很小。

发明内容

本发明涉及分析仪器中的电离源，具体地说是一种新型的单极性气溶胶电离技术，将这种新的电离源用于平衡粒径扫描仪测定气溶胶粒径分布，不仅能够避免使用放射性电离源，而且扩大气溶胶电离的空间区域，提高检测的灵敏度。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电离源，包括直流高压电源、高压电极、地电极、电极支架；高压电极为金属丝，其作为线电极，地电极为金属板，其作为板电极；直流高压电源的高压输出端与高压电极相连、直流高压电源的接地端与地电极相连；高压电极与地电极分别平行地固定于电极支架上；含有气溶胶的空气通入两放电电极间，利用线板式电晕放电作为电离源。

直流高压电源与高压电极间和/或直流高压电源与地电极间的连接电路串联有限流电阻；限流电阻和正、负放电电极通过导线与直流电源的正、负电极串联，组成一串联电路；

高压电极和地电极为放电电极、分别为一细金属丝和一表面光洁的金属板；二者分别通过绝缘的固定螺栓固定在绝缘材料的电极支架上；

所述电极支架由二块平行的支架板构成，高压电极和地电极分别固定于二块平行的支架板，二块平行的支架板之间设有用于调整二块支架板间距的绝缘柱；

所述金属丝为钨丝、不锈钢丝或金丝，线径为2um到2mm之间；

直流高压电源的电压范围为500V到30kV的直流电源。

所述电离源在气溶胶检测中作为单极性气溶胶电离源的应用。

该电离源通过在线电极和平板电极之间施加高压直流电源来实现，由于在线电极附近的电场强度很大，线电极附近的空气很容易被击穿，形成初级电子和离子；在电场作用下，电子和离子会与空气中的分子、原子以及电极表面碰撞，产生更多的电子和离子，而形成的电子和离子会与表面等作用发生复合反应。最后电子和离子的产生和消耗达到一个稳态的平衡，这时放电将保持连续、稳定。

放电电流的大小通过改变直流电压以及电路的限流电阻来实现。限流电阻的作用防止线线电极和板电极短路时回路中的电流不会超过电源的额定电流，主要目的是为了保护直流电源。放电电流在1.0毫安-500毫安，外电路的限流电阻的阻值根据放电电流而变，一般在1kΩ-5mΩ；正、负放电电极间的距离为0.5mm到3cm。

支架的作用除了固定电极以外，还起避免高压电极直接裸露在外，防止操作人员受到伤害。

本发明的优点为：利用大气压下的线板式电晕放电作为电离源，将其用于气溶胶电离。与传统的放射源相比，主要优点包括：非放射性，使用安全，能够避免使用放射性物质，避免了审批的麻烦，便于在公共场合推广应用；该电离源由于电极曲率半径的差异，使得线电极附近的电场非常强，这样就可以将带有正离子(或负离子)束缚在线电极附近，而相反电荷的离子分布在线电极与地电极之间，从而避免了正负离子之间的复合，提高了电离效率；同时这种电离源可以通过改变线电极的长度而方便地调整放电区间，便于适应不同的应用领域。

与针板式电晕放电电离源相比，该线板式电离源也有一些优点。首先，与针板式电晕放电相比，线板式电离源能产生更多的离子，电离效率会更高；另一方面，线板式电晕放电更容易设计加工，而针板式电晕放电的放电针通常使用耐氧化和耐腐蚀的钨针作为电极，很难加工，也很难得到表面均匀的钨针。而针板式电晕放电则不存在这种情况，使用更加方便；特别适合用于平面型DMA和DMS等气溶胶分析仪器上。

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单极性气溶胶电离源的结构示意图；

图2利用单极性气溶胶电离源测定的粒径分布。

具体实施方式

本发明中采用的单极性气溶胶电离源是一种稳定的、大气压下的、连续的低温等离子体，含有电子、正负离子、激发态分子和原子等。它利用施加直流高压线把电极和板电极之间的气体击穿，实现稳定的放电。施加的电压一般在几百伏到上万伏，电流在1.0微安到5毫安。

其结构示意图如图1所示，一种电离源，包括直流高压电源7、高压电极1、地电极2、电极支架3；高压电极1为金丝，线径为2um到2mm之间，其作为线电极，地电极2为表面光洁的金属板，其作为板电极，二者分别通过绝缘的固定螺栓5固定在绝缘材料的电极支架3上；直流高压电源7的高压输出端通过导线经接线柱6与高压电极1相连、直流高压电源7的接地端通过导线经接线柱6与地电极2相连；

高压电极1与地电极2分别平行地固定于电极支架3上；含有气溶胶的空气通入两放电电极间，利用线板式电晕放电作为电离源；

直流高压电源7与高压电极1间的连接电路串联有限流电阻；限流电阻和正、负放电电极通过导线8与直流电源的正、负电极串联，组成一串联电路；

所述电极支架3由二块平行的支架板构成，高压电极1和地电极2分别固定于二块平行的支架板，二块平行的支架板之间设有用于调整二块支架板间距的绝缘柱4。

大气压下的辉光放电由直流高压电源7加在高压电极1和地电极2间的直流电压以及外电路的限流电阻来实现，放电电流在1.0毫安-500毫安，外电路的限流电阻的阻值根据放电电流而变，一般在1KΩ-5MΩ。

高压电极1和地电极2间的距离为0.5mm到3cm，通过绝缘柱4来调节正、负放电电极的间距。

线电极与板电极之间的距离在0.5mm到5cm之间，其取决于线电极的线径大小和电源的电压。直流高压加于两电极上，同时外电路加有一合适阻值的限流电阻来维持放电。限流电阻的阻值一般在1kΩ到5mΩ之间。限流电阻起到消耗放电产生的大量能量以及维持放电稳定的作用。

将上面所述的大单极性气溶胶电离源与平衡粒径扫描仪联用，作为平衡粒径扫描仪的电离源，关于平衡粒径扫描仪的详细介绍见文献(Atomospheric Research，82(2006)523-535)。

带负电的气溶胶离子形成和分析检测的过程是：线电极用匹克材料做成的绝缘柱5固定在支架3上；负高压电源的高压端和接地端通过耐高压的导线8和电阻分别与线电极和地电极2相连；载有气溶胶的空气在线电极和板电极之间发生气体放电，产生含有电子、正负离子的等离子体；正离子被束缚在线电极附近，而电子和负离子分布在线电极和板电极之间的大部分空间，这样有效避免了带负电气溶胶负离子与正离子发生复合。产生的带负电的气溶胶离子在气流的作用下进入平衡粒径扫描仪进行分析。

图2利用单极性气溶胶电离源测定的粒径分布。

Claims (9)

1.一种电离源，其特征在于：包括直流高压电源(7)、高压电极(1)、地电极(2)、电极支架(3)；

高压电极(1)为金属丝，其作为线电极，地电极(2)为金属板，其作为板电极；直流高压电源(7)的高压输出端与高压电极(1)相连、直流高压电源(7)的接地端与地电极(2)相连；

高压电极(1)与地电极(2)分别平行地固定于电极支架(3)上；含有气溶胶的空气通入两放电电极间，利用线板式电晕放电作为电离源。

2.根据权利要求1所述电离源，其特征在于：直流高压电源(7)与高压电极(1)间和/或直流高压电源(7)与地电极(2)间的连接电路串联有限流电阻；限流电阻和正、负放电电极通过导线(8)与直流电源的正、负电极串联，组成一串联电路。

3.根据权利要求1所述电离源，其特征在于：高压电极(1)和地电极(2)为放电电极、分别为一细金属丝和一表面光洁的金属板；二者分别通过绝缘的固定螺栓(5)固定在绝缘材料的电极支架(3)上。

4.根据权利要求1或3所述电离源，其特征在于：所述电极支架(3)由二块平行的支架板构成，高压电极(1)和地电极(2)分别固定于二块平行的支架板，二块平行的支架板之间设有用于调整二块支架板间距的绝缘柱(4)。

5.根据权利要求1所述电离源，其特征在于：大气压下的辉光放电由直流高压电源(7)加在高压电极(1)和地电极(2)间的直流电压以及外电路的限流电阻来实现，放电电流在1.0毫安-500毫安，外电路的限流电阻的阻值根据放电电流而变，一般在1KΩ-5MΩ。

6.根据权利要求1所述电离源，其特征在于：高压电极(1)和地电极(2)间的距离为0.5mm到3cm，通过绝缘柱(4)来调节正、负放电电极的间距。

7.根据权利要求1所述电离源，其特征在于：所述金属丝为钨丝、不锈钢丝或金丝，线径为2um到2mm之间。

8.根据权利要求1所述电离源，其特征在于：直流高压电源(7)的电压范围为500V到30kV的直流电源。

9.一种权利要求1所述电离源在气溶胶检测中作为单极性气溶胶电离源的应用。

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