CN103163256B - 放电离子化电流检测器 - Google Patents
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Abstract
一种放电离子化电流检测器，其耐久性高且能够以低成本制造。包括内部具有绝缘体涂覆金属线(18)的电介质涂覆金属管(16)的电极结构体(19)从上方插入包括电介质管(10)的第一气体通路。金属管在第一气体通路的上游侧接地。金属线的一端从第一气体通路的上游侧引出至外部并连接至偏置电源(33)。在金属线的另一端设置没有被绝缘体覆盖的区域。该区域配置在从第一气体通路的下游端起延伸的第二气体通路内。包括凸缘式金属管(28)的金属电极配置在第二气体通路内并连接至离子电流检测电路(34)。在本结构中，应被加热至高温的第二气体通路内的金属部件与绝缘构件相接触的部分很少。这对提高装置耐久性并减少昂贵的高耐热性密封构件和/或绝缘构件的使用量而言有利。
Description
技术领域
本发明涉及一种主要适合作为气相色谱(GC)检测器的放电离子化电流检测器，并且更具体地，涉及一种使用低频阻挡放电的放电离子化电流检测器。
背景技术
作为气相色谱检测器，已经实际应用了诸如热导池检测器(TCD)、电子捕获检测器(ECD)、火焰离子化检测器(FID)、火焰光度检测器(FPD)和火焰热离子检测器(FTD)等的各种类型的检测器。在这些检测器中，FID应用得最广泛，特别是用于检测有机物质的目的。FID是利用氢火焰使试样气体中的试样成分离子化并检测由此产生的离子电流的装置。FID可以获得约6个量级的宽动态范围。然而，FID存在以下缺陷：(1)FID的离子化效率低，这使得FID的最小可检测量不够低；(2)FID对于醇类、芳香族物质和含氯物质的离子化效率低；(3)FID需要作为高危险性物质的氢，因此必须设置防爆设备或类似种类的特殊设备，这使得整个系统更难以运转。
另一方面，作为能够以高灵敏度检测从无机物质到低沸点有机化合物的各种化合物的检测器，传统上已知有脉冲放电检测器(PDD)(例如，参考专利文献1)。在该PDD中，利用高电压脉冲放电来激发氦或其它物质的分子。当这些分子从它们的激发态恢复至基态时，这些分子产生光能。利用该光能使要分析的分子离子化，并且检测由所产生的离子引起的离子电流以获得与要分析的分子的量(浓度)相对应的检测信号。
在大多情况下，与FID相比，PDD可以实现更高的离子化效率。例如，FID对于丙烷的离子化效率不高于0.0005％，而PDD可以实现约0.07％的高水平。然而，PDD的动态范围不如FID的动态范围宽；事实是，PDD的动态范围比FID的动态范围低一个或多个量级。这是PDD不如FID应用广泛的原因之一。
对于传统的PDD的动态范围而言最有可能的制约因素是为了离子化所产生的等离子体的不稳定性以及等离子体状态的周期性波动。为了解决该问题，已经提出了放电离子化电流检测器(例如，参考专利文献2)。该检测器利用低频AC激发电介质阻挡放电(以下称为“低频阻挡放电”)来产生稳定可靠的等离子体状态。利用低频阻挡放电所产生的等离子体是非平衡大气压等离子体，其不会如利用射频放电所产生的等离子体那样容易变热。此外，防止了在利用脉冲高电压激发产生等离子体的情况下由于电压施加状态的转变而发生的等离子体的周期性波动，由此可以容易地获得稳定可靠的等离子体状态。基于这些发现，本发明人已对使用低频阻挡放电的放电离子化电流检测器进行了各种研究并且已对这种技术作出了多个提案(例如，参考专利文献3和4)。
图5示出使用低频阻挡放电的放电离子化电流检测器的传统结构的一个示例。
该放电离子化电流检测器包括由诸如石英等的电介质材料制成的圆筒管41，其中该圆筒管41的内部空间用作第一气体通路42。在圆筒管41的外壁表面上按预定间隔周向设置由金属(例如，不锈钢或铜)制成的环状的等离子体生成电极43、44和45。根据该设计，位于第一气体通路42与等离子体生成电极43、44和45之间的圆筒管41的电介质壁用作覆盖这些电极43、44和45的电介质涂覆层，由此使得能够发生电介质阻挡放电。
在这三个等离子体生成电极43、44和45中，中央的电极43连接至用于生成低频高AC电压的激发用高电压电源55，而位于中央的电极43两侧的其它电极44和45接地。
在圆筒管41的下部中配置有反冲电极(recoil electrode)50、偏置电极52和离子收集电极53，其中绝缘构件51设置在反冲电极50、偏置电极52和离子收集电极53之间。这些电极各自包括内径相同的圆筒体。这些圆筒体的内部形成从圆筒管41中的第一气体通路42起连续地延伸的第二气体通路49。因此，这些电极50、52和53直接暴露至第二气体通路49内的气体。接地的反冲电极50防止了等离子体中的带电粒子到达离子收集电极53，由此降低了噪声并且提高了S/N比。偏置电极52连接至偏置DC电源61，而离子收集电极53连接至包括在离子电流检测器62中的电流放大器63。在第二气体通路49中，偏置电极52、离子收集电极53和它们之间的部分的内侧的空间与实质的电流收集区域相对应。
气体供给管46连接至圆筒管41的上端。经由该气体供给管46，从气体供给源(未示出)将预定气体供给至第一气体通路42内。第一排出管47连接至位于第一气体通路42和第二气体通路49之间的连接部的反冲电极50，而第二排出管48连接至第二气体通路49的止端。在第二气体通路49中插入细的试样导入管54。经由该试样导入管54，将包含要分析的试样成分的试样气体供给至第二气体通路49内。
以下说明该放电离子化电流检测器所进行的检测操作。如图5中的右向箭头所示，兼用作稀释气体的等离子体气体经由气体供给管46被供给至第一气体通路42内。兼用作稀释气体的等离子体气体经由第一气体通路42向下流动。在第一气体通路42的下端，该气体的一部分发生分离，从而最终经由第一排出管47被排出至外部。该等离子体气体的剩余部分用作要与试样气体混合的稀释气体并且流入电流收集区域。
在等离子体气体正以上述方式流经第一气体通路42的状态下，使激发用高电压电源55工作，由此激发用高电压电源55在等离子体生成电极43与各其它电极44和45之间施加低频高AC电压。结果，在第一气体通路42中在电极44和45之间的等离子体生成区域内发生放电。由于该放电穿过电介质涂覆层(即，圆筒管41)发生，因此该放电是电介质阻挡放电。由于该电介质阻挡放电，流经第一气体通路42的等离子体气体在宽的范围内发生离子化，从而产生等离子体云(即，大气压非平衡微等离子体)。
大气压非平衡微等离子体发出激发光，其中该激发光通过第一气体通路42和第二气体通路49以到达试样气体所在的区域，并且使该试样气体中的试样成分的分子(或原子)离子化。由于施加至偏置电极52的偏置DC电压的作用，所生成的试样离子向离子收集电极53发出电子或者从离子收集电极53接收电子。结果，将与所生成的试样离子的量、即试样成分的量相对应的离子电流发送至电流放大器63，其中该电流放大器63放大该电流并且将该电流输出作为检测信号。这样，本放电离子化电流检测器产生与所导入的试样气体内包含的试样成分的量(浓度)相对应的检测信号。
背景技术文献
专利文献
专利文献1：US-A15394092
专利文献2：US-A15892364
专利文献3：WO 2009/119050
专利文献4：JP-A 2011-158357
发明内容
发明要解决的问题
在使用上述放电离子化电流检测器作为气相色谱检测器的情况下，通常将包含高沸点有机化合物的试样气体导入第二气体通路49的电流收集区域。为了使这种高沸点成分维持气态，利用外部加热器(未示出)使第二气体通路49维持于高温(高达约450℃)。
在上述放电离子化电流检测器中，向偏置电极52施加100～200V的电压，而在离子收集电极53处必须检测到几飞安培(fA)程度的极小量电流。因此，偏置电极52和离子收集电极53之间的绝缘构件51的阻抗在上述高温条件下必须不小于几万亿欧姆(TΩ)。为此，一般的陶瓷材料由于它们的电阻率随着温度的上升而下降所以不适合；并且仅存在有限的几种满足上述要求的陶瓷材料。因此，使用诸如高纯度氧化铝或蓝宝石等的昂贵材料已经不可避免。这是制造成本增加的原因之一。
还需要在电流收集区域的周围设置高气密结构从而防止来自大气的气体渗透(泄漏)。因此，在各绝缘构件51和各电极(即，反冲电极50、偏置电极52和离子收集电极53)之间的接触面处，需要在创建诸如使用镀金金属O形环状物的气密密封件等的充分气密条件的情况下创建耐受上述高温的结构。
另一问题是圆筒状的绝缘构件51以及电极50、52和53的堆叠结构的长期耐久性下降。该问题是由诸如以下等的各种因素而造成的：由于热膨胀系数不同的绝缘体和金属这两种材料之间的连接区域暴露至温度循环所引起的在该区域内发生的应力、或者由于电布线从热电极连接至室温下的电路所引起的热流出或布线热氧化。
本发明是考虑到上述几点而产生的，并且其目的在于提供一种耐久性高而且能够以低成本进行制造的放电离子化电流检测器。
用于解决问题的方案
目的在于解决上述问题的本发明的第一方面是一种放电离子化电流检测器，包括：
第一气体通路，其中使等离子体生成气体通过所述第一气体通路，并且在所述第一气体通路中利用放电从所述等离子体生成气体生成等离子体；
第二气体通路，其从所述第一气体通路的下游端起延伸，其中在所述第二气体通路中利用所述等离子体的作用使供给至所述第二气体通路的试样气体中的试样成分离子化；
电流检测器，用于检测由发生离子化的试样成分所引起的电流；
电介质管，其形成所述第一气体通路的至少一部分；
等离子体生成用激发电极，其安装至所述电介质管的外周；
金属电极，其设置在所述第二气体通路内从而接触所述试样气体；以及
电极结构体，其设置在所述第一气体通路内，
其中：
所述电极结构体包括被电介质材料覆盖的金属管、以及被绝缘材料覆盖并且插入所述金属管内的金属线；
所述金属管的一端在所述第一气体通路的上游侧电接地，并且所述金属管的另一端至少到达与所述等离子体生成用激发电极相对的位置；
所述金属线的一端从所述第一气体通路的上游侧被引出至外部，并且所述金属线的另一端配置有没有被所述绝缘材料覆盖的区域，其中该区域位于所述第二气体通路内从而接触所述试样气体；以及
所述金属线的所述一端和所述金属电极中的一个连接至偏置电源，另一个连接至离子电流检测电路。
所述“被电介质材料覆盖的金属管”可以是表面上形成有电介质层的金属管、或者插入由电介质材料制成的管内的金属管。同样，所述“被绝缘材料覆盖并且插入所述金属管内的金属线”可以是表面上形成有绝缘层的金属线、或者插入由绝缘材料制成的管内的金属线。
在具有上述结构的放电离子化电流检测器中，所述金属线的没有被绝缘材料覆盖的区域用作上述的偏置电极或离子收集电极。该金属线从第一气体通路的上游侧引出至外部。使第一气体通路的该上游侧维持于比上述电流收集区域低的温度。因此，根据本发明第一方面的放电离子化电流检测器在偏置电极或离子收集电极引出至外部所经由的部分处不需要如传统上使用的这种高耐热性的气密密封件或绝缘构件，由此可以降低制造成本。
优选地，根据本发明第一方面的放电离子化电流检测器可被构造成如下：
所述金属电极具有两端开放的中空圆筒部以及从所述圆筒部的外周起沿着径向向外延伸的突出部，所述圆筒部配置在所述第二气体通路内从而包围所述金属线的没有被所述绝缘材料覆盖的区域，以及所述突出部在该区域的下游侧被引出至所述第二气体通路的外部并且连接至所述偏置电源或所述离子电流检测电路。
利用该结构，在圆筒部的末端附近发生试样气体中的试样成分的离子化以及由此产生的离子的检测，并且金属电极在位于圆筒部的末端的下游侧的突出部处引出至外部以连接至外部电线。通过该设计，所述金属电极引出至外部所经由的部分位于试样成分的离子化和离子的检测发生的区域(即，电流收集区域)的下游侧。因此，即使经由上述部分发生略微空气泄漏，已进入第二气体通路的空气也将通过气体的流动被输送至下游区域，因而将不会进入电流收集区域。因而，根据本结构，上述部分无需严格气密，而且代替传统上使用的镀金金属O形环状物或其它种类的高气密性密封件而允许使用相对廉价的通用型气密密封件。
目的在于解决上述问题的本发明的第二方面是一种放电离子化电流检测器，包括：
第一气体通路，其中使等离子体生成气体通过所述第一气体通路，并且在所述第一气体通路中利用放电从所述等离子体生成气体生成等离子体；
第二气体通路，其从所述第一气体通路的下游端起延伸，其中在所述第二气体通路中利用所述等离子体的作用使供给至所述第二气体通路的试样气体中的试样成分离子化；
电流检测器，用于检测由发生离子化的试样成分所引起的电流；
电介质管，其形成所述第一气体通路的至少一部分；
等离子体生成用激发电极，其安装至所述电介质管的外周；
多个电极结构体，其插入所述第一气体通路内，
其中：
所述电极结构体各自包括被电介质材料覆盖的金属管、以及被绝缘材料覆盖并且插入所述金属管内的金属线；
所述金属管的一端在所述第一气体通路的上游侧电接地，并且所述金属管的另一端至少到达与所述等离子体生成用激发电极相对的位置；
所述金属线的一端从所述第一气体通路的上游侧被引出至外部，并且所述金属线的另一端配置有没有被所述绝缘材料覆盖的区域，其中该区域位于所述第二气体通路内从而接触所述试样气体；以及
包括在所述电极结构体至少之一中的所述金属线的一端连接至偏置电源，并且包括在各其它电极结构体中的所述金属线的一端连接至离子电流检测电路。
在该结构中，偏置电极和离子收集电极引出至外部所经由的部分可以位于第一气体通路的上游侧上。由于上述各电极引出至外部所经由的部分均没有包括在变热的电流收集区域中，因此无需使用耐热性高的昂贵的密封构件或绝缘构件，由此可以进一步降低制造成本。
优选地，根据本发明第一方面或第二方面的放电离子化电流检测器可被构造成如下：
所述金属管的另一端配置有没有被所述电介质材料覆盖的区域，并且该区域位于所述等离子体生成用激发电极的下游以及所述金属线的没有被所述绝缘材料覆盖的区域的上游。
如上所述，所述金属管的一端在第一气体通路的上游侧电接地。设置在金属管的另一端的没有被电介质材料覆盖的区域用作用于防止等离子体中的带电粒子到达离子收集电极的反冲电极。因此，上述结构对于降低由于等离子体中的带电粒子所引起的噪声、由此提高S/N比而言有效。
发明的效果
如迄今为止所述，在根据本发明的放电离子化电流检测器中，偏置电极引出至外部所经由的部分或者离子收集电极引出至外部所经由的部分或者这两者可以配置在相对低温的区域中。该配置防止了在金属电极和绝缘构件之间的接触部以及/或者电极和外部电路之间的连接部配置在高温区域内的情况下所发生的耐久性下降。此外，可以减少诸如上述的镀金金属O形环状物或者高纯度氧化铝或蓝宝石等的昂贵的密封构件和/或绝缘构件的使用量以降低制造成本。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的放电离子化电流检测器的示意电路图。
图2是根据本发明第二实施例的放电离子化电流检测器的示意电路图。
图3是示出第二实施例中的电极的形状的一个示例的模型图。
图4是示出第二实施例中的电极的形状的另一示例的模型图。
图5是传统的放电离子化电流检测器的示意结构图。
附图标记说明
10…外部电介质管
11…环状电极
12…上侧适配器
14…气体供给管
15、15a、15b…内部电介质管
16、16a、16b…金属管
17、17a、17b…绝缘管
18、18a、18b…金属线
19…电极结构体
19a…第一电极结构体
19b…第二电极结构体
20…气密性粘合剂
21…激发用高电压电源
22…中间适配器
24…第一排出管
25、29…绝缘构件
26…圆筒体
27…凸缘
28…凸缘式金属管
30…下侧适配器
31…第二排出管
32…试样导入管
33…偏置DC电源
34…离子电流检测单元
35…电流放大器
具体实施方式
以下通过实施例来说明用于执行本发明的模式。
第一实施例
以下参考图1来说明根据本发明的一个实施例(第一实施例)的放电离子化电流检测器。图1是根据第一实施例的放电离子化电流检测器的示意结构图。
本实施例的放电离子化电流检测器具有由诸如石英等的电介质材料制成的外部电介质管10(在本实施例中为“电介质管”)。例如，作为外部电介质管10，可以使用外径为7mm且内径为5mm的石英管。在外部电介质管10的外表面上周向设置由金属(例如，不锈钢或铜)制成的环状电极11(在本实施例中为“等离子体生成用激发电极”)。
将上侧封闭且下侧开放的圆筒形式的上侧适配器12安装至外部电介质管10的上部。利用由氟橡胶或类似材料制成的O形环状物13使外部电介质管10和上侧适配器12之间的间隙气密密封。气体供给管14连接至上侧适配器12的周面。上侧适配器12和气体供给管14这两者均由诸如不锈钢等的金属制成。
在外部电介质管10的内部，设置由诸如石英等的电介质材料制成的内部电介质管15，其中在该内部电介质管15内插入由不锈钢或类似金属制成的金属管16(在本实施例中为“被电介质材料覆盖的金属管”)。在该金属管16内插入由氧化铝或类似材料制成的绝缘管17，其中在该绝缘管17内插入由诸如不锈钢等的金属制成的金属线18(在本实施例中为“被绝缘材料覆盖并且插入金属管内的金属线”)。对内部电介质管15、金属管16、绝缘管17和金属线18的长度进行设置，以使得按该顺序后者依次长于前者。更具体地，金属管16的上端和下端分别从内部电介质管15的上端和下端突出，绝缘管17的上端和下端分别从金属管16的上端和下端突出，并且金属线18的上端和下端分别从绝缘管17的上端和下端突出。以下将由内部电介质管15、金属管16、绝缘管17和金属线18组成的该结构体称为“电极结构体19”。
上侧适配器12的上部具有通孔。通过焊接或钎焊使金属管16的上端部固定至该通孔内。绝缘管17和金属线18经由上侧适配器12内的该孔引出至外部。利用气密性粘合剂20将这些引出部分密封和固定在上侧适配器12的上表面上。
上侧适配器12经由电线(或气体供给管14)电接地。因此，金属管16也经由上侧适配器12接地。另一方面，激发用高电压电源21连接至环状电极11。也就是说，在本实施例的放电离子化电流检测器中，金属管16和环状电极11用作等离子体生成电极。环状电极11的内周面和金属管16的外周面的一部分越过外部电介质管10的壁和内部电介质管15的壁彼此相对。这意味着由电介质材料制成的外部电介质管10的壁和内部电介质管15的壁用作覆盖等离子体生成电极(即，环状电极11和金属管16)的表面的电介质涂覆层，由此使得能够发生电介质阻挡放电。激发用高电压电源21生成低频高AC电压，其中该低频高AC电压的频率优选在1kHz～100kHz的范围内，更优选在5kHZ～50kHz的范围内。AC电压的波形可以是正弦波、矩形波、三角形波、锯齿波或任何其它形式的波。
将外部电介质管10的下端插入圆筒状的中间适配器22。利用由氟橡胶或类似材料制成的O形环状物23使外部电介质管10的下端和中间适配器22之间的间隙气密密封。在中间适配器22的周壁中设置由诸如不锈钢等的金属制成的第一排出管24。
在中间适配器22的下部中，顺次配置圆筒状的绝缘构件25、凸缘式金属管28、另一圆筒状的绝缘构件29和下侧适配器30。凸缘式金属管28具有圆筒体26和从圆筒体26的下端起沿着径向向外延伸的凸缘27。该凸缘式金属管28与本实施例中的金属电极相对应，并且圆筒体26和凸缘27分别与本实施例中的圆筒部和突出部相对应。将外径小于外部电介质管10的内径的圆筒体26从下方插入外部电介质管10。外径与中间适配器22、绝缘构件25、29和下侧适配器30的外径大致相等的凸缘27经由绝缘构件25和29被保持在中间适配器22的下端和下侧适配器30的上端之间。中间适配器22、下侧适配器30和凸缘式金属管28都由诸如不锈钢等的金属制成。中间适配器22、绝缘构件25、凸缘式金属管28、绝缘构件29和下侧适配器30各自利用陶瓷型耐热粘合剂粘附至邻接构件。
下侧适配器30是上侧开放且底侧封闭的圆筒状构件。由诸如不锈钢等的金属制成的第二排出管31连接至下侧适配器30的周面。下侧适配器30的下侧具有通孔，其中将从气相色谱柱的出口端延伸的试样导入管32插入该通孔内。将试样导入管32插入至凸缘式金属管28的圆筒体26内以使得其上端(即，试样气体出口)位于圆筒体26的上端和下端之间。
如上所述，包括在电极结构体19中的金属线18的下端具有没有被绝缘管17覆盖的露出部。该露出部从上方插入凸缘式金属管28的圆筒体26内并且配置在圆筒体26的上端附近。因而，金属线18的露出部位于试样气体出口的正上方。金属线18的上端从上侧适配器12引出至外部并且连接至偏置DC电源33。凸缘式金属管28连接至包括在离子电流检测单元34(其与“离子电流检测电路”相对应)中的电流放大器35。也就是说，在本实施例的放电离子化电流检测器中，金属线18的下端处的露出部用作偏置电压，并且凸缘式金属电极28的圆筒体26用作离子收集电极。这意味着圆筒体26的内壁和金属线18的露出部之间的空间与实质的电流收集区域相对应。
如上所述，包括在电极结构体19中的金属管16经由上侧适配器12接地。金属管16的下端具有没有被内侧电介质管15覆盖的露出部。位于凸缘式金属管28的正上方的该露出部用作用于防止等离子体中的带电粒子到达离子收集电极(即，圆筒体26)的反冲电极。
在本实施例中，位于上侧适配器12和外部电介质管10的内部并且高于内部电介质管15的下端的区域与本实施例的第一气体通路相对应。位于外部电介质管10、中间适配器22和下侧适配器30的内部并且低于内部电介质管15的下端的区域与本实施例的第二气体通路相对应。利用外部加热器(未示出)对该第二气体通路进行加热直至约450℃以使试样气体维持于气态。
以下说明该放电离子化电流检测器所进行的检测操作。如图1中的右向箭头所示，兼用作稀释气体的等离子体气体经由气体供给管14被供给至上侧适配器12内。该等离子体气体是能够容易地被离子化的气体，其中该等离子体气体的例子包括氦、氩、氮、氖、氙和这些气体中的两种以上气体的任意混合物。
兼用作稀释气体的等离子体气体经由外部电介质管10的内壁和内部电介质管15的外壁之间的空间向下流动。在凸缘式金属管28的圆筒体26的上端处，该气体流的一部分发生分离。该等离子体气体的分离部分经由外部电介质管10的内壁和圆筒体26的外壁之间的空间向下流动。在外部电介质管10的下端处，流动方向先改变成向外然后改变成向上。随后，该气体经由外部电介质管10的外壁和中间适配器22的内壁之间的空间向上流动，从而最终经由第一排出管24被排出至外部。该等离子体气体的剩余部分进入由圆筒体26的内部包围的空间，其中在该空间内，该剩余部分用作要与试样气体混合的稀释气体。
在等离子体气体正以上述方式流经外部电介质管10的内壁和内部电介质管15的外壁之间的空间的状态下，使激发用高电压电源21工作，由此激发用高电压电源21在用作等离子体生成电极的环状电极11和金属管16这两者之间施加低频高AC电压。结果，在环状电极11和金属管16之间的等离子体生成区域内发生放电。由于该放电穿过电介质涂覆层(外部电介质管10和内部电介质管15)发生，因此该放电是电介质阻挡放电。由于该电介质阻挡放电，流经外部电介质管11的内壁和内部电介质管15的外壁之间的空间(即，经由第一气体通路)的等离子体气体发生离子化，从而产生等离子体云(即，大气压非平衡微等离子体)。
大气压非平衡微等离子体发出激发光，其中该激发光通过外部电介质管10的内壁和内部电介质管15的外壁之间的空间以到达试样气体存在的区域，并且使试样气体中的试样成分的分子(或原子)离子化。由于位于试样气体出口的正上方的偏置电极(即，金属线18的露出部)所产生的电场，通过离子化所产生的试样离子被吸附至离子收集电极(即，凸缘式金属管28的圆筒体26)，从而被检测作为电流输出。结果，将与所生成的试样离子的量、即试样成分的量相对应的离子电流发送至电流放大器35，其中该电流放大器35放大该电流并且将该电流输出作为检测电流。这样，本放电离子化电流检测器产生与所导入的试样气体中包含的试样成分的量(浓度)相对应的检测信号。
利用本实施例的结构所实现的效果如下所述。在本实施例的放电离子化电流检测器中，用作偏置电极的金属线18经由上侧适配器12的上部引出至外部。该上部位于用作稀释气体的等离子体气体的流动的上游侧(以下将该气体流动称为等离子体气体流)，并且试样气体没有通过该上部。因此，不同于等离子体气体流的下游侧的区域、即第二气体通路，该上部区域无需被加热至使试样成分维持于气态的高温。因此，在本实施例中，偏置电极与检测器的壳体之间(即，金属线18和上侧适配器12之间)的气密密封件无需如传统情况那样耐热；作为偏置电极所用的气密密封件，可以使用诸如上述的气密性粘合剂20等的耐热性相对低的廉价密封件来代替传统上使用的镀金金属O形环状物或类似的高耐热性密封件。对于该部分，除气密性密封剂以外，还可使用采用由含氟材料等制成的O形环状物的气密密封件。
在本实施例的放电离子化电流检测器中，将偏置电极(金属线18)插入电接地的金属管16内并且从等离子体气体流的上游侧插入第一气体通路和第二气体通路内。即使绝缘管17的末端的阻抗由于高温而下降并且使得来自偏置电极(金属线18)的漏电流增加，该电流的全部量也经由接地的金属管16流动并且不会流入离子收集电极。因此，无需使用传统上为了使离子收集电极与偏置电极绝缘所需的高阻抗陶瓷(例如，高纯度氧化铝或蓝宝石)。因而，所期望的绝缘管17的作用是使接地的金属管16与偏置的金属线18以高阻抗电分离。因此，无需利用绝缘管17完全覆盖金属线18的表面。例如，可以通过在金属管16内配置多个短的氧化铝套筒以使得金属线18没有接触金属管16的方式来构造绝缘管17。
用作离子收集电极的凸缘式金属管28设置在等离子体气体流的下游侧(即，第二气体通路内)。如上所述，第二气体通路被加热至高温。因此，与传统情况相同，凸缘式金属管28的凸缘27与绝缘构件25或29之间的气密密封件必须具有相对高的耐热性。配置直立在凸缘27上的圆筒体26的凸缘式金属管28以使得在圆筒体26的上端附近发生试样气体的离子化以及离子电流的检测。凸缘27与绝缘构件25或29的接触区域相对于发生试样气体的离子化以及离子电流的检测的区域(即，电流收集区域)位于等离子体气体流的下游侧。即使经由该接触区域发生略微空气泄漏，已进入第二气体通路的空气也将通过气体的流动被输送至下游区域内因而无法到达电流收集区域，由此不会发生基线的上升或者噪声量的增加。因此，在本实施例中，离子收集电极与检测器的壳体之间的连接部(即，凸缘式金属管28的凸缘27经由绝缘构件25或29邻接中间适配器22或下侧适配器30的部分)无需如传统情况那样严格气密。因此，对于该连接部，无需使用诸如传统上使用的镀金金属O形环状物等的昂贵的耐热性气密密封件；例如，可以通过仅以上述方式利用陶瓷型耐热粘合剂使这些构件接合来实现足够的气密性。
在本实施例中，经由绝缘构件25和29与凸缘式金属管28的凸缘27邻接的是中间适配器22和下侧适配器30。由于这两个适配器都接地，因此即使绝缘构件25和29所使用的绝缘材料的电阻率相对低，漏电流也几乎不流动。因此，无需使用传统上用作离子收集电极与检测器的壳体之间的绝缘构件的高阻抗陶瓷或类似部件。例如，在本实施例的放电离子化电流检测器中，可以使用由氧化铝或其它材料制成的相对廉价的绝缘构件。
在上述示例中，使金属线18用作偏置电压并且使凸缘式金属管28用作离子收集电极。可以颠倒这些组合；也就是说，可以使金属线18连接至电流放大器35并且使凸缘式金属管28连接至偏置DC电源33。
代替凸缘式金属管28，可以设置与传统相同的圆筒状金属电极作为离子收集电极或偏置电极。然而，在这种情况下，空气对电流收集区域的影响不可忽略。因此，与传统情况相同，需要在电极与检测器的壳体之间的连接部中采用高气密结构。
第二实施例
以下参考图2来说明根据本发明的另一实施例(第二实施例)的放电离子化电流检测器。图2是根据第二实施例的放电离子化电流检测器的示意结构图。在该图中，利用相同的附图标记来表示与第一实施例中所使用的组件相同的组件，并且将适当省略针对这些组件的说明。
根据本实施例的放电离子化电流检测器与第一实施例的不同之处在于本检测器具有两个电极结构体，其中在这两个电极结构体中，没有使用凸缘式金属管并且利用一个一体组件(以下称为“下侧适配器30”)来替换中间适配器和下侧适配器。
本实施例中的两个电极结构体(以下称为“第一电极结构体19a”和“第二电极结构体19b”)各自具有与第一实施例的电极结构体19相同的结构。也就是说，电极结构体19a或19b具有插入内部电介质管15a或15b内的金属管16a或16b、插入金属管16a或16b内的绝缘管17a或19b、以及插入绝缘管17a或17b内的金属线18a或18b。金属管16a或16b的上端和下端分别从内部电介质管15a或15b的上端和下端突出。同样，绝缘管17a或17b的上端和下端分别从金属管16a或16b的上端和下端突出，并且金属线18a或18b的上端和下端分别从绝缘管17a或17b的上端和下端突出。
上侧适配器12的上部具有两个通孔。通过焊接或钎焊使金属管16a和16b的上端部固定至这些通孔内以使第一电极结构体19a和第二电极结构体19b保持在外部电介质管10的内部。绝缘管17a和17b以及金属线18a和18b经由这两个孔引出至外部。利用气密性粘合剂20单独使这些引出部分密封和固定至上侧适配器12的上表面。
如上所述，包括在电极结构体19a和19b中的金属线18a和18b各自的下端具有露出部、即没有被绝缘管17a或17b覆盖的部分。该露出部从上方插入下侧适配器30并且位于与试样导入管32的上端大致相同的水平处。包括在第一电极结构体19a中的第一金属线18a的上端连接至偏置DC电源33，而包括在第二电极结构体19b中的第二金属线18b的上端连接至包括在离子电流检测单元34中的电流放大器35。也就是说，在本实施例的放电离子化电流检测器中，第一金属线18a的下端处的露出部用作偏置电极，而第二金属线18b的下端处的露出部用作离子收集电极。因此，这两个金属线18a和18b的下端周围的空间与实质的电流收集区域相对应。
包括在电极结构体19a和19b中的金属管16a和16b经由上侧适配器12电接地。金属管16a和16b各自的下端具有露出部、即没有被内部电介质管15a或15b覆盖的部分。位于电流收集区域的正上方的这些露出部用作用于防止等离子体中的带电粒子到达离子收集电极的反冲电极。与上述实施例相同。位于上侧适配器12和外部电介质管10的内部并且高于内部电介质管15a和15b的下端的区域与本实施例中的第一气体通路相对应，而位于外部电介质管10和下侧适配器30的内部并且低于内部电介质管15a和15b的下端的区域与本实施例中的第二气体通路相对应。利用外部加热器(未示出)对该第二气体通路进行加热直至约450℃以使试样气体维持于气态。
在本结构中，偏置电极与检测器的壳体的接触区域以及离子收集电极与检测器的壳体的接触区域这两者都配置在等离子体气体流的上游侧。该配置消除了传统上设置在高温区域(即，第二气体通路)中的位于绝缘构件和金属电极之间的气密密封件。因此，无需使用高耐热性的气密密封件或者能够在高温下展现出高绝缘性的绝缘构件，由此可以进一步降低制造成本。
在本实施例的放电离子化电流检测器中，用作偏置电极或离子收集电极的部分(即，金属线18a或18b的下端)可以以与图2所示的该部分不同的方式成形。例如，如图3或4所示，可以使这些电极的其中一个成形为盘状或圆筒状以增加其表面积。更具体地，用作离子收集电极的金属线18b的下端部可以成形为圆筒状或盘状，其中用作偏置电极的金属线18a的下端位于该圆筒状或盘状内。利用该结构，可以高效地收集离子电流。
图2所示的示例具有两个电极结构体。然而，还可以提供具有三个以上的电极结构体的检测器。在这种情况下，可以在一个偏置电极周围配置多个离子收集电极从而提高离子电流的收集效率。
迄今为止已经通过这些实施例说明了用于实现本发明的模式。应当注意，本发明不限于上述实施例；可以在本发明的精神和范围内对这些实施例进行适当改变。例如，在上述实施例中，可以省略设置在第一气体通路和第二气体通路之间的边界附近的第一排出管24，而仅保留设置在第二气体通路的下游部分的第二排出管31。此外，在根据上述实施例中任一实施例的放电离子化电流检测器中，可以省略用作反冲电极的部分(即，金属管16、16a或16b的下端处的露出部)。也就是说，金属管可以被电介质材料完全覆盖直至其最下部。
Claims (6)
1.一种放电离子化电流检测器，包括：
第一气体通路，其中使等离子体生成气体通过所述第一气体通路，并且在所述第一气体通路中利用放电从所述等离子体生成气体生成等离子体；
第二气体通路，其从所述第一气体通路的下游端起延伸，其中在所述第二气体通路中利用所述等离子体的作用使供给至所述第二气体通路的试样气体中的试样成分离子化；
电流检测器，用于检测由发生离子化的试样成分所引起的电流；
电介质管，其形成所述第一气体通路的至少一部分；
等离子体生成用激发电极，其安装至所述电介质管的外周；
其特征在于，所述放电离子化电流检测器还包括：
金属电极，其设置在所述第二气体通路内从而接触所述试样气体；以及
电极结构体，其设置在所述第一气体通路内，
其中：
所述电极结构体包括被电介质材料覆盖的金属管、以及被绝缘材料覆盖并且插入所述金属管内的金属线；
所述金属管的一端在所述第一气体通路的上游侧电接地，并且所述金属管的另一端至少到达与所述等离子体生成用激发电极相对的位置；
所述金属线的一端从所述第一气体通路的上游侧被引出至外部，并且所述金属线的另一端配置有没有被所述绝缘材料覆盖的区域，其中该区域位于所述第二气体通路内从而接触所述试样气体；以及
所述金属线的所述一端和所述金属电极中的一个连接至偏置电源，另一个连接至离子电流检测电路。
2.根据权利要求1所述的放电离子化电流检测器，其中，
所述金属电极具有两端开放的中空圆筒部以及从所述圆筒部的外周起沿着径向向外延伸的突出部，所述圆筒部配置在所述第二气体通路内从而包围所述金属线的没有被所述绝缘材料覆盖的区域，以及所述突出部在该区域的下游侧被引出至所述第二气体通路的外部并且连接至所述偏置电源或所述离子电流检测电路。
3.根据权利要求1所述的放电离子化电流检测器，其中，
所述金属管的所述另一端配置有没有被所述电介质材料覆盖的区域，并且该区域位于所述等离子体生成用激发电极的下游以及所述金属线的没有被所述绝缘材料覆盖的区域的上游。
4.根据权利要求2所述的放电离子化电流检测器，其中，
所述金属管的所述另一端配置有没有被所述电介质材料覆盖的区域，并且该区域位于所述等离子体生成用激发电极的下游以及所述金属线的没有被所述绝缘材料覆盖的区域的上游。
5.一种放电离子化电流检测器，包括：
第一气体通路，其中使等离子体生成气体通过所述第一气体通路，并且在所述第一气体通路中利用放电从所述等离子体生成气体生成等离子体；
第二气体通路，其从所述第一气体通路的下游端起延伸，其中在所述第二气体通路中利用所述等离子体的作用使供给至所述第二气体通路的试样气体中的试样成分离子化；
电流检测器，用于检测由发生离子化的试样成分所引起的电流；
电介质管，其形成所述第一气体通路的至少一部分；
等离子体生成用激发电极，其安装至所述电介质管的外周；
其特征在于，所述放电离子化电流检测器还包括：
多个电极结构体，其插入所述第一气体通路内，
其中：
所述电极结构体各自包括被电介质材料覆盖的金属管、以及被绝缘材料覆盖并且插入所述金属管内的金属线；
所述金属管的一端在所述第一气体通路的上游侧电接地，并且所述金属管的另一端至少到达与所述等离子体生成用激发电极相对的位置；
所述金属线的一端从所述第一气体通路的上游侧被引出至外部，并且所述金属线的另一端配置有没有被所述绝缘材料覆盖的区域，其中该区域位于所述第二气体通路内从而接触所述试样气体；以及
包括在所述电极结构体至少之一中的所述金属线的一端连接至偏置电源，并且包括在各其它电极结构体中的所述金属线的一端连接至离子电流检测电路。
6.根据权利要求5所述的放电离子化电流检测器，其中，
所述金属管的所述另一端配置有没有被所述电介质材料覆盖的区域，并且该区域位于所述等离子体生成用激发电极的下游以及所述金属线的没有被所述绝缘材料覆盖的区域的上游。
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