CN104535643B - 一种离子发生引出装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子发生引出装置及其控制方法，它包括离子发生模块、气路模块、离子引出模块、离子控制门模块和电路控制系统的控制方法。通过离子发生模块将气路模块引进的气体电离产生所需要的离子，在离子引出模块的电场作用下将离子引出，引出和停止状态由离子控制门模块控制。离子发生、引出和停止过程由电路控制系统完成。通过对引出离子的分析，达到对气体介质中的物质进行检测的目的。本发明可以作为激发源应用于精密分析仪器中。

Description

一种离子发生引出装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种小体积、高灵敏度、高分辨率、高效率的离子发生引出装置，在与电路控制系统相互配合下可以产生离子。通过对引出离子的分析，达到对气体介质中的物质进行检测的目的。本发明可以作为激发源应用于精密分析仪器中。

背景技术

低浓度挥发性有机化合物的现场快速检测，十分必要。对于许多如气体泄露、危险化学品等环境浓度低但危害极大的物质进行现场检测需要体积小、灵敏度高、分辨率高、效率高的装置。然而，具备这种性能的检测器一般都配备庞大的装置，现场快速检测十分不便，如火焰离子化检测器(FID)。在这种情况下，需要提供一种采用光离子化检测器(PID灯)的离子发生引出装置，其具有高灵敏度、高分辨率而且体积小，可以现场快速检测低浓度挥发性有机化合物。

发明内容

光离子化检测器(PID灯)具有特定电离能(能够转移一个电子和电离一个化合物的能量叫电离能，用电子伏特作为计量单位)，电离能越高则气体结合能越高，如10.6eV的真空紫外灯(UV)，在高压电场的作用下产生紫外光，紫外光发出一定波长的光子流，经窗口射入电离室，当气体分子的电离电位高于光能量，它不被电离；当电离电位等于或小于光能量的组分(AB)进入电离室，发生光电离，并且将其电离击碎成带正电的离子和带负电的电子，从而形成可被检测到微弱的离子电流。假设被测组分为AB，那么它吸收光子(hv)后直接电离成正离子，放出电子，即AB+hv—AB⁺+e。在电场作用下，电子e和正离子AB⁺分别向正、负极流动，形成微电流，电流信号经过处理后与数据库比对即可得出待检测物质。理论上，所有的化学物质都能被离子化，但是它们被电离所需要的能量是不同的。本发明可检测大多数有机化合物如：苯，甲苯，乙苯，二甲苯、丙酮，甲基酮和乙醛、二乙基胺、三氯乙烯，全氯乙烯、硫醇类，磺化物、丁二烯，异丁烯、异丙醇，乙醇、丁烷，辛烷等。

本发明离子发生引出装置包括离子发生模块、上中气路模块、离子引出模块、离子控制门模块；本发明离子发生引出控制方法包括PID电极的控制过程、离子室电场的控制过程、离子门开启关闭的控制过程。

上述离子发生模块含有一光离子化检测器(PID灯)，PID灯上面包覆有两片PID灯电极，高压电场由此引入；下部为PID灯窗口，在工作时发出一定波长的光子流。离子发生模块在PID灯窗口处有一上电位网栅片，与PID灯窗口处硅胶密封圈紧密配合，并且与下部的上气路模块连接，上气路模块中间与侧壁之间有一圆环空腔，气体由此进入，上气路模块中间为一通孔内腔，上电位网栅片在圆环空腔和通孔内腔上部与离子发生模块的下部紧密结合，上电位网栅片与圆环空腔之间为有网筋连接的圆环孔，进入的气体由此进入并吹向PID灯窗口，然后由上电位网栅片中间吹出进入通孔内腔，上电位网栅片和气路模块中间通孔内腔构成电离室，PID灯发出一定波长的光子流与通过上气路模块进入的气体在此处电离，此种电离室结构，可以使样品气体均匀到达PID灯窗口并且垂直于PID灯发出一定波长的光子流形成离子流，使样品气体检测充分；由上电位网栅片在PID灯窗口下部间隙配合，而且与电路控制系统中高电位连接，可以使离子流中的电子为零；因此不但防止了样品气体在PID灯窗口表面积累，也可以使PID灯快速回零，就可以实现在多个样品之间快速多次检测。

电离室下部为离子引出模块，它的结构是三片电场环片中间安有两片绝缘环体，依据库仑定律，在三片电场环片上加以等值梯度电位，那么就在三片电场环片中间产生均匀电场。因此，电离室中的离子流就会沿着电场方向运动并且穿过离子引出模块继续下行。离子引出模块的下部为中气路模块，中气路模块的结构与上气路模块完全相同，此处是排气功能，多余气体由圆环空腔排出。

离子流在电场力的作用下穿过中气路模块的通孔内腔到达离子控制门模块。其中，离子控制门模块为三片中间镂空成线条状的金属环片(即离子门片)，上下两片离子门片的结构完全相同并且短路连接，中间一片离子门片的线条与另两片的位置错开，并且与上下两片离子门片之间有绝缘垫片。此时，在离子门片上加以等值梯度电位，那么就在三片离子门片中间产生均匀电场。因此，离子流就会沿着电场方向运动并且穿过离子控制门模块继续下行。如果在中间片离子门片施加低于上下两片离子门片的电位，那么，离子流就会流入中间离子门片，离子流沿着电场方向运动截止。所以，此处的三片离子门片相当于一个门来控制离子流的运动，其具体开闭过程由电路控制系统实施。

本发明通过对可以控制的离子流进行分析，就可以达到对气体介质中的物质进行检测的目的，本发明的离子发生引出装置可以作为激发源应用于精密分析仪器中。

附图说明

图1为本发明离子发生引出装置的外部结构示意图。

图1a为本发明PID灯壳的结构示意图。

图1b为本发明PID灯的结构示意图。

图1c为本发明PID灯左电极的结构示意图。

图1d为本发明PID灯右电极的结构示意图。

图1e为本发明硅胶密封圈的结构示意图。

图1f为本发明上电位网栅片的结构示意图。

图1g为本发明上气路模块的结构示意图。

图1h为本发明上电场环片的结构示意图。

图1i为本发明上绝缘环体的结构示意图。

图1j为本发明中电场环片的结构示意图。

图1k为本发明下绝缘环体的结构示意图。

图1l为本发明下电场环片的结构示意图。

图1m为本发明中气路模块的结构示意图。

图1n为本发明上离子门片的结构示意图。

图1o为本发明离子门上绝缘片的结构示意图。

图1p为本发明中离子门片的结构示意图。

图1q为本发明离子门下绝缘片的结构示意图。

图1r为本发明下离子门片的结构示意图。

图1s为本发明下离子门片绝缘环体的结构示意图。

图2为本发明离子发生引出装置的工作原理示意图。

图3为本发明控制电路的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

参见图1和图3，其显示了离子发生引出装置各单元的主要构成及其相互关联。1为PID灯，它提供气体电离时需要的光子流。4为PID灯左电极，3为PID灯右电极，两电极通过PID灯壳2紧密覆盖在PID灯1上。如图1a、图1c、图1d所示，PID灯左电极引线端41从PID灯壳上的左引线孔23处引出；PID灯右电极引线端31从PID灯壳上的右引线孔22处引出。PID灯左电极引线端41与图3所示电路控制系统19中PID电极单元处的PID-A连接，PID灯右电极引线端31与电路控制系统19中PID电极单元处的PID-B连接，通过此处，电路控制系统19为PID灯1提供产生光子流的能量控制过程。光子流与样品气体接触后电离产生离子流。5为硅胶密封圈，由于PID灯1是玻璃结构，所以它可以起到缓冲减震的作用，另外还可以起到密封作用。6为上电位网栅片，参见图1f，其为一薄金属圆片结构，66为细网栅，65为网孔，63为网筋，64为环孔，61为基片，62为引线端，通过细网栅66、网筋63与基片61结合构成上电位网栅片6。细网栅66之间为等电位，可以提供均匀电场并且综合离子流中的电子使电子为零，网孔65可以使离子流均匀通过。参见图1e，硅胶密封圈5的实心体部分51处与基片61紧密结合。引线端62与电路控制系统19中离子室电场单元处的D1连接，通过此处，电路控制系统19为上电位网栅片与电路控制系统19中高电位连接提供高电位电场实现电路控制过程。7为上气路模块，参见图1g，基体71为聚四氟乙烯材料绝缘且耐高压，73为锁紧环上沿，与PID灯壳下沿21紧密配合；75为锁紧环下沿，74为进气口，与气路控制系统20连接，气路控制系统采用气泵和过滤系统，为实验室常规使用设备，在此不做叙述。76为引线端槽，上电位网栅片引线端62从此处通过。72为环出气口，对应于上电位网栅片环孔64，样品由此进入并吹向PID灯窗口，可以使样品气体均匀到达PID灯窗口，并且与PID灯发出一定波长的光子流垂直流通，使样品气体充分电离，然后离子流从中间通孔流出。此种电离室结构，不但防止了样品气体在PID灯窗口的表面积累，也可以使PID灯快速回零，就可以实现在多个样品之间快速多次检测。

依据库仑定律，离子将受电场力的作用并且沿着电场力的方向运动。离子引出模块含有三片电场环片，为离子流的运动提供电场力。8为上电场环片，参见图1h，81为电场环片基片，在高电位作用下提供均匀电场使离子流从中间圆孔沿电场方向运动。82为引线端，与电路控制系统19中离子室电场单元处的D2连接，通过此处可以提供高电位产生电场。9为上绝缘环体，采用四氟乙烯材料。参见图1i，93为引线端槽，上电场环片引线端82从此处通过，91为锁紧环上沿，与上气路模块7中的锁紧环下沿75紧密配合。92为锁紧环下沿，离子流在电场力作用下从中间圆孔通过。10为中电场环片，参见图1j，102为电场环片基片，在高电位作用下提供均匀电场使离子流从中间圆孔沿电场方向运动。101为引线端，与电路控制系统19中离子室电场单元处的D3连接，通过此处可以提供高电位产生电场。11为中绝缘环体，采用四氟乙烯材料，参见图1k，113为引线端槽，中电场环片引线端101从此处通过，111为锁紧环上沿，与上绝缘环体9中的锁紧环下沿92紧密配合。112为锁紧环下沿，离子流在电场力作用下从中间圆孔通过。12为下电场环片，参见图1l，122为电场环片基片，在高电位作用下提供均匀电场使离子流从中间圆孔沿电场方向运动。121为引线端，与电路控制系统19中离子室电场单元处的D4连接，通过此处可以提供高电位产生电场。13为中气路模块，参见图1m，基体131为聚四氟乙烯材料，绝缘且耐高压，133为锁紧环上沿，与中绝缘环体11的锁紧环下沿112紧密配合；135为锁紧环下沿，136为引线端槽，下电场环片引线端121从此处通过，132为出气口环，样品气体从此处进入后由出气口134排出。离子流从中间圆孔沿电场方向继续运动至离子控制门模块。

离子控制门模块含有三片离子门片，在电路控制系统19的作用下，控制离子流的开启和关闭。其中，14为上离子门片，16为中离子门片，18为下离子门片，中离子门片16两侧贴覆两片离子门上绝缘片15(见图1o)、离子门下绝缘片17(见图1q)。参见图1n，在上离子门片14中含有上离子门基片142，中轴等电位线143，引线端141。中轴等电位线143的排列方式为中心轴处有一细线然后以等距形式向两侧排列。引线端141与电路控制系统19中离子门单元的G+处连接，在电路控制系统19的作用下，可以在中轴等电位线143上形成等电位电场。参见图1p，在中离子门片16中含有中离子门基片162，中轴对称等电位线163，引线端161。中轴对称等电位线163的排列方式为中心为对称轴，然后以与中轴对称等电位线163等距形式向两侧排列。引线端161与电路控制系统19中离子门单元的G-处连接，在电路控制系统19的作用下，可以在中轴对称等电位线163上形成等电位电场。下离子门片绝缘环体21采用聚四氟乙烯材料，下离子门片18安放其中。参见图1s，213为引线端槽，下离子门片引线端181从此处通过，211为锁紧环上沿，与中气路模块13中的锁紧环下沿135紧密配合。参见图1r，在下离子门片18中含有下离子门基片182，中轴等电位线183，引线端181。中轴等电位线183的排列方式为中心轴处有一细线，然后以等距形式向两侧排列。引线端181与电路控制系统19中的离子门G+处连接，在电路控制系统19的作用下，可以在中轴等电位线183上形成等电位电场。上离子门片14与下离子门片18结构完全相同。由于上离子门片14和下离子门片18都与电路控制系统19中离子门单元的G+处连接，所以它们等电位。如果此时给它们施加高电位，而中离子门片16不施加电位，那么，离子流将在电场力的作用下继续运动，离子门开启。如果此时给中离子门片16施加G-电位，那么，就会与上离子门片14构成回路。离子流将会被中离子门片16吸收为零，中轴等电位线143的排列方式与中轴对称等电位线163排列方式错开，有利于离子流的吸收，而下离子门片18可以吸收可能漏出的离子流，使离子流回零效果更好，离子门关闭完全。

参见图2，其示出本发明的工作原理，在电路控制系统19的作用下，PID灯1开启产生光子流，气路控制系统20将样品气体送入上气路模块7，在通过上电位网栅片6后与光子流交汇产生离子流，在电路控制系统19的作用下上电场环片8、中电场环片10和下电场环片12产生匀强电场，使离子流进入下行，多余气体由下气路模块13排出，离子流到达上离子门片14。由于上离子门片14和下离子门片18都与电路控制系统中离子门单元的G+处连接，所以它们等电位。如果此时给它们施加高电位而中离子门片16不施加电位，那么，离子流将在电场力的作用下继续运动，离子门开启。如果此时给中离子门片16施加G-电位，那么，就会与上离子门片14构成回路。离子流将会被中离子门片16吸收为零，离子门关闭。而下离子门片18可以吸收可能漏出的离子流，使离子流回零效果更好，离子门关闭完全。

由于本发明可以控制离子门的开启与关闭，因此，可以作为激发源应用于精密分析仪器中。

参见图3，其示出本发明中电路控制系统19的电路工作原理。首先，该电路含有电源单元，为电路控制系统提供电源；然后含有PID电极单元，完成PID灯的控制过程；含有离子室电场单元，完成上电位网栅片、电场环片的控制过程；含有离子门单元，完成离子门开启、关闭控制过程；整个过程受控于微处理器单元，并且可以通过按键单元设定，在液晶显示单元中显示。微处理器单元采用ARM的LPC2138系列，32位RISC结构512Kflash。图3所示的电路仅为实现前述功能的一种具体电路连接方式，不作为对其它可能电路连接的限制。

Claims (2)

1.一种离子发生引出装置，其特征在于，该装置包括离子发生模块、两个气路模块、离子引出模块和离子控制门模块；

所述离子发生模块含有一PID灯，PID灯上面包覆有两片PID灯电极，高压电场由此引入，PID灯下部为PID灯窗口；在PID灯窗口处有一上电位网栅片，与PID灯窗口处的硅胶密封圈紧密配合，并且与其下部的上气路模块连接，上气路模块中间与侧壁之间有一圆环空腔，气体由此进入，上气路模块中间为一通孔内腔，上电位网栅片在上述圆环空腔和通孔内腔上部与离子发生模块的下部紧密结合，上电位网栅片与圆环空腔之间为有网筋连接的圆环孔，进入的气体由此进入并吹向PID灯窗口，然后由上电位网栅片中间吹出进入通孔内腔，上电位网栅片与上气路模块中间的通孔内腔构成电离室，PID灯发出确定波长的光子流与通过上气路模块进入的气体在此处电离，使样品气体均匀到达PID灯窗口，并且垂直于PID灯发出的确定波长的光子流形成离子流；

所述离子引出模块位于电离室的下部，它的结构是三片电场环片中间安装有两片绝缘环体，在三片电场环片上加以等值梯度电位，使得在三片电场环片中间产生均匀电场；离子引出模块的下部为中气路模块，中气路模块的结构与上气路模块完全相同，其用于排气，多余的气体由中气路模块的圆环空腔排出；

所述离子控制门模块为三片中间镂空成线条状的金属环片，即三片离子门片，上下两片离子门片的结构完全相同并且短路连接，中间一片离子门片的线条与另两片离子门片的位置错开，并且与上下两片之间有绝缘垫片。

2.如权利要求1所述一种离子发生引出装置的控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

微处理器单元通过PID电极单元控制PID灯点亮，使PID灯发射出光子流；

微处理器单元通过离子室电场单元控制进入圆环空腔内的气体由圆环孔进入并吹向PID灯窗口，然后由上电位网栅片中间吹出进入通孔内腔；同时，微处理器单元通过离子室电场单元控制离子引出模块在三片电场环片中间产生均匀电场；

微处理器单元通过离子门单元控制离子控制门模块的开启与关闭：若在三片离子门片上加以等值梯度电位，则在三片离子门片中间产生均匀电场，离子流就会沿着电场方向运动并且穿过离子控制门模块继续下行；若在中间的离子门片施加低于上下两片离子门片的电位，则离子流就会流入中间离子门片，离子流沿着电场方向运动截止。