CN102522310A - 一种环形介质阻挡放电电离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电离装置，特别涉及一种环形介质阻挡放电电离装置，包括绝缘介质腔、放电电极、推斥电极、绝缘介质和供电电源，所述绝缘介质腔一端开口，另一端封闭且在靠近封闭端的侧壁上设有气体入口；所述放电电极为一组环形电极，紧密围绕在所述绝缘介质腔中部外围，并用所述绝缘介质包敷；所述推斥电极为圆形金属板，置于所述绝缘介质腔封闭端内部，且位于放电电极上方；所述供电电源为所述放电电极供电。本发明的环形介质阻挡放电电离装置具有放电稳定、无电极污染、耐氧化、功耗低、寿命长、工作气压范围宽等特点，可以广泛应用于质谱电离源、等离子体处理和材料制备等方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种电离装置，特别是涉及一种环形介质阻挡放电电离装置。
背景技术
等离子体技术被广泛应用于臭氧发生、环境保护、纺织材料表面处理等领域。实现电离的方式主要包括辉光放电，介质阻挡放电，火花放电等。其中介质阻挡放电具有放电稳定，效率高，能够避免电极污染等特点，因而成为重要的电离方式之一，被广泛应用于表面处理，材料制备，材料改性，材料清洗等领域。中国专利CN200810227016.0介绍此种装置还可以用于质谱领域，作为质谱中的电离源，具有功耗低，电离效率高等优点，且在高气压下的电离呈软电离特性，使其在便携式质谱中具有重要应用价值。
传统的介质阻挡放电包括平板式介质阻挡放电、共面式介质阻挡放电、轴心式介质阻挡放电。其中，轴心式介质阻挡放电可以产生离子炬，使用简便，但存在电极因放电而污染离子源等问题。中国专利CN200810018165.6和CN201010180017.1介绍的轴心式介质阻挡放电装置，在轴向的中心电极与介质外侧的电极之间放电，但由于同轴性难以保证，容易造成局部放电导致过热，局部过热则会导致放电不稳定，难以获得理想的离子流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种介质阻挡放电电离装置，可作为等离子体技术应用，也可以作为质谱的电离源。本发明要解决的技术问题是：现有技术中存在的局部放电与放电不稳定的问题，以及金属电极与放电区域接触而造成污染的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种环形介质阻挡放电电离装置，包括绝缘介质腔、放电电极、推斥电极、绝缘介质和供电电源，所述绝缘介质腔一端开口，另一端封闭且在靠近封闭端的侧壁上设有气体入口；所述放电电极为一组环形电极，紧密围绕在所述绝缘介质腔中部外面，并用所述绝缘介质包敷；所述推斥电极为圆形金属板，置于所述绝缘介质腔封闭端内部，且位于放电电极上方；所述供电电源为所述放电电极供电。
进一步地，所述绝缘介质腔由玻璃、石英、陶瓷等制作而成，这些材质不但具有良好的隔热性能，还具有良好的绝缘性能，并且制作加工容易、价格较便宜。由于质谱仪本身含有较多的各种零部件，体积也不会太大，因此要求各部件在满足功能需要时，体积尽量小，因此，绝缘介质腔内径小于10mm，长度为20～200mm。
进一步地，所述放电电极的数量为2～100个，电极间距为0.1～10mm，电极宽度为0.1～10mm。放电电极的数量、电极间距、电极宽度可根据所述绝缘介质腔大小、所需电离气体种类与需要的电极电压、功率等具体而确定。
进一步地，所述推斥电极位于最上端的放电电极上方5～90mm。所述推斥电极距最上端的放电电极距离应根据绝缘介质腔大小、放电电极总高度等具体情况而确定，一般要求距离不小于5mm，以免推斥电极与放电电极形成相互干扰，而间距太大则推斥电极的电势损费会加大，这些都会导致推斥电极效果下降。
进一步地，所述推斥电极施加正电压或负电压，电压范围为-1000～+1000V。电压过低，则达不到推斥效果，电压过高，则不但自身功耗增加而且会对引出电子效率产生不利影响。
进一步地，所述绝缘介质为环形中空绝缘材料。
进一步地，所述供电电源为高压交流电源，频率为0.6～490kHz，峰值电压为250～80000V，工作功率为2～50W，交替施加于相邻的放电电极上。
本发明具有如下优点：
1.由于放电电极均置于放电腔外侧，因此避免了在放电过程中金属电极蒸发或溅射而引起的金属污染，同时可避免局部放电与放电不稳定现象。
2.在大气压下，可以由于空气中水汽的存在，对样品检测时发生质子转移反应，应用于质谱中时，因而具有很高的灵敏度，并且是一种软电离源。同时本电离装置还可以通入工作气体，应用于表面处理等领域。
3.在低气压时，离子与分子反应较少，可以作为一种EI电离源。通过调节峰值的大小可以控制电子能量，从而提高对物种的鉴别能力。此外，由于没有加热装置的存在，比起热灯丝的EI电离源，本装置具有很强的耐氧化性。不存在局部过热、易损部件，因而具有更长的寿命。
4.电离装置中的电源实际功率在10W左右，整个电离装置的功耗比较低，有利于应用于便携式质谱。
5.推斥电极的应用极大地提高了出口处的离子流。当推斥电极为正偏压时，等离子体中的电子被吸引，从而使大量的正离子在出口处被喷射。反之亦然。
综上所述，本发明具有放电稳定、无电极污染、耐氧化、功耗低、寿命长、工作气压范围宽等特点，在质谱电离源、等离子体处理和材料制备方面有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明实施方式1的结构示意图；
图3为本发明实施方式2的结构示意图。
图中：1、绝缘介质腔； 2、推斥电极； 3、气体入口；
4、放电电极； 5、供电电源； 6、绝缘介质；
7、织物； 8、锥型透镜； 9、质量分析器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1，见图2所示：
本发明一种环形介质阻挡放电电离装置，包括绝缘介质腔1、放电电极4、推斥电极2、绝缘介质6和供电电源5，所述绝缘介质腔1一端开口，另一端封闭且在靠近封闭端的侧壁上设有气体入口3；所述放电电极4为一组环形电极，紧密围绕在所述绝缘介质腔1中部外面，并用环形中空绝缘介质6包敷；所述推斥电极2为圆形金属板，置于所述绝缘介质腔1封闭端内部，且位于放电电极4上方；所述供电电源5为所述放电电极4供电；所述绝缘介质腔1的开口端连接织物7。
所述绝缘介质腔1材料为石英，内径为9mm，长度为100mm。所述放电电极的个数为2个，电极间距为2mm，电极宽度为2mm。流入腔内的气体为氩气，流速为500mL/min，腔内气压为1×105Pa。所述推斥电极2为圆形金属板，位于最近的放电电极4上方10mm处，施加200V正电压。所述供电电源5为高压交流电源，将电源两端电压分别交替施加于相邻的放电电极上。电源频率为9kHz，工作功率为10W。
使用时，载气或载气与待测气体的混合气由所述气体入口3进入所述绝缘介质腔1内，当气流经过所述放电电极4区域时，放电电极4上施加的电压使气体电离，产生相应离子。当推斥电极2为正偏压时，等离子体中的电子被吸引，从而使大量的正离子在出口处被喷射，极大地提高了出口处的离子流；反之亦然。同时，由于绝缘介质腔1内气体流量较大，并在将近一个大气压下工作，在载气气流与推斥电极的共同作用下，可以形成明显的离子炬。将此离子炬应用于织物7的表面处理，可以有效地提高织物7的亲水性，易于染色。
实施例2，见图3所示：
本发明一种环形介质阻挡放电电离装置，包括绝缘介质腔1、放电电极4、推斥电极2、绝缘介质6和供电电源5，所述绝缘介质腔1一端开口，另一端封闭且在靠近封闭端的侧壁上设有气体入口3；所述放电电极4为一组环形电极，紧密围绕在所述绝缘介质腔1中部外面，并用环形中空绝缘介质6包敷；所述推斥电极2为圆形金属板，置于所述绝缘介质腔1封闭端内部，且位于放电电极4上方；所述供电电源5为所述放电电极4供电，所述绝缘介质腔1的开口端依次连接锥型透镜8与质量分析器9。
所述绝缘介质腔1材料为玻璃，内径为1mm，长度为50mm。所述放电电极的个数为20个，电极间距为0.2mm，电极宽度为0.2mm。流入腔内的气体为含有1ppm苯的空气，流速为5mL/min，腔内气压为10Pa。所述推斥电极2为圆形金属板，位于最近的放电电极4上方5mm处，施加20V正电压。所述供电电源5为高压交流电源，将电源两端电压分别交替施加于相邻的放电电极上。电源频率为9kHz，工作功率为10W。
本实施例的工作原理与实施例1基本相同，只是将产生的离子炬通过锥型透镜8中心的锥型孔进入质量分析器9，在质量分析器9中进行气体成分分析。
实施例3，见图2所示：
本实施例与实施例1结构基本相同，所述绝缘介质腔1材料为陶瓷，内径为9mm，长度为200mm。所述放电电极的个数为100个，电极间距为0.8mm，电极宽度为0.8mm。流入腔内的气体为空气，流速为5mL/min，腔内气压为10Pa。所述推斥电极2为圆形金属板，位于最近的放电电极4上方1mm处，施加20V正电压。所述供电电源5为高压交流电源，将电源两端电压分别交替施加于相邻的放电电极上。电源频率为9kHz，工作功率为10W。
实施例4，见图2所示：
本实施例与实施例1结构基本相同，所述绝缘介质腔1材料为石英，内径为9mm，长度为200mm。所述放电电极的个数为5个，电极间距为10mm，电极宽度为10mm。流入腔内的气体为空气，流速为5mL/min，腔内气压为10Pa。所述推斥电极2为圆形金属板，位于最近的放电电极4上方90mm处，施加200V正电压。所述供电电源5为高压交流电源，将电源两端电压分别交替施加于相邻的放电电极上。电源频率为490kHz，工作功率为50W。
实施例5，见图2所示：
本实施例与实施例1结构基本相同，所述绝缘介质腔1材料为陶瓷，内径为1mm，长度为20mm。所述放电电极的个数为2个，电极间距为0.1mm，电极宽度为0.1mm。流入腔内的气体为空气，流速为0.5mL/min，腔内气压为5Pa。所述推斥电极2为圆形金属板，位于最近的放电电极4上方5mm处，施加-20V负电压。所述供电电源5为高压交流电源，将电源两端电压分别交替施加于相邻的放电电极上。电源频率为0.6kHz，工作功率为2W。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构思、构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (7)
1.一种环形介质阻挡放电电离装置，包括绝缘介质腔(1)、放电电极(4)、推斥电极(2)、绝缘介质(6)和供电电源(5)，其特征在于：所述绝缘介质腔(1)一端开口，另一端封闭且在靠近封闭端的侧壁上设有气体入口(3)；所述放电电极(4)为一组环形电极，紧密围绕在所述绝缘介质腔(1)中部外围，并用所述绝缘介质(6)包覆；所述推斥电极(2)为圆形金属板，置于所述绝缘介质腔(1)封闭端内部，且位于所述放电电极(4)上方；所述供电电源(5)为所述放电电极(4)供电。
2.根据权利要求1所述的环形介质阻挡放电电离装置，其特征在于：所述绝缘介质腔(1)由玻璃、石英或陶瓷制作而成，其内径小于10mm，长度为20～200mm。
3.根据权利要求1所述的环形介质阻挡放电电离装置，其特征在于：所述放电电极(4)的数量为2～100个，电极间距为0.1～10mm，电极宽度为0.1～10mm。
4.根据权利要求1所述的环形介质阻挡放电电离装置，其特征在于：所述推斥电极(2)位于最上端的放电电极上方5～90mm。
5.根据权利要求1所述的环形介质阻挡放电电离装置，其特征在于：所述推斥电极(2)施加正电压或负电压，电压范围为-1000～+1000V。
6.根据权利要求1所述的环形介质阻挡放电电离装置，其特征在于：所述绝缘介质(6)为环形中空绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的环形介质阻挡放电电离装置，其特征在于：所述供电电源(5)为高压交流电源，频率为0.6～490kHz，峰值电压为250～80000V，工作功率为2～50W，交替施加于相邻的放电电极(4)上。
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