CN104752149B - 电晕放电组件和包括该电晕放电组件的离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电晕放电组件，所述电晕放电组件包括：电离放电腔室，所述电离放电腔室包括金属电晕筒，所述金属电晕筒具有待分析气体入口以及与电晕针形成不均匀电场的中间有圆孔的环片状端口；所述金属电晕筒的筒壁上绝缘安装一根旋转轴，所述旋转轴垂直于所述金属电晕筒的轴线，所述旋转轴端部安装有在外缘带有多根电晕针的转盘。本发明还公开了一种使用上述电晕放电组件的离子迁移谱仪。

Description

电晕放电组件和包括该电晕放电组件的离子迁移谱仪

技术领域

本发明涉及安全检测技术领域，具体涉及一种便于制造的，多针长寿命电晕放电组件，以及用于检测毒品和爆炸物的采用该组件作为电离源的离子迁移谱仪。

背景技术

离子迁移谱仪根据不同离子在均匀弱电场下漂移速度不同而实现对离子的分辨。它具有分辨速度快，灵敏度高，不需要真空环境，便于小型化的优点，因此在毒品和爆炸物的探测领域得到了广泛的应用。典型的离子迁移谱仪通常由进样部分、电离部分、离子门、迁移区、收集区、读出电路、数据采集和处理、控制部分等构成。其中电离部分主要功能是将样品分子转化成可供迁移分离的离子，因此电离的效果对谱仪的性能具有非常直接的影响。目前的技术中，最常见和应用最广的电离组件是采用⁶³Ni放射源，它具有体积小，稳定性高、不需要外加电路的优点，但同时也存在线性范围窄、转化离子浓度低和辐射污染的问题。尤其是辐射污染问题为设备的操作、运输和管理上带来诸多不便。为了克服上述问题，采用电晕放电离子源技术代替放射源技术。电晕放电是指在空间不均匀电场中由于局部的强电场引起气体分子电离的一种现象。电晕放电直接产生的离子一般称为反应物离子，当具有更高的质子或电子亲和势的样品分子通过电离区时，俘获反应物离子的电荷而被电离。通常电晕放电结构较为简单，因而成本低廉，同时电晕放电产生的电荷的浓度相比于放射源要高得多，因此有利于提高离子迁移谱仪的灵敏度，并得到较大的动态范围。国外专利US5485016、CA2124344、中国专利CN1950698A中报道电晕放电作为离子迁移谱仪电离源的应用实例。常见的电晕放电结构有针尖-平板或针尖-圆筒放电形式，如图1A、1B所示。实现放电的电晕针通常有固定尾端安装于支撑基体上，尾端导通高压电源；电晕针的另一端为自由端（即，针尖），通常是具有曲率半径非常小（0.1mm以下）的尖端。平板或圆筒电极与针尖之间的空间内形成不均匀静电场，使靠近针尖的附近电场强度很高，而距针尖较远的空间的电场强度递减。气体电离只发生在电极自由尖端近表面空间，电离区域很小，从而产生的离子浓度也较小；若增大电离区域，则需要较高的电压，对高压电源要求较高。另外，在只有一个尖端放电的情况下，电晕放电对电晕电极会产生氧化，长期运行后，气体中的水蒸气等引起的化学反应会严重腐蚀尖端，使其曲率半径增大，增大了电晕放电电压阈值，降低了其电晕放电的稳定性，导致寿命终结；并且，为了达到较小的曲率半径，针的直径一般很细，其强度较低，产品在制造和装配时保持较高位置精度难度大。为了改善这种情况，开发了多针电晕放电的结构。

美国专利US7326926B2描述了一个典型的多针簇电晕放电离子源，见图1C。其采用一束平行的电晕针代替经典电晕放电离子源的单根电晕针；多针束多个尖端同时加载高压放电的设计，在一定程度上缓解了单电晕针放电失效引起的电离源的寿命降低问题。但是多针同时加载高压放电也存在显著的缺点，首先，多针同时加载高压，各针所形成的电场会相互影响，使针尖处的电场强度降低，需要提高电晕电压，对高压电源提出了更高的要求；另外，各针由于加工的不一致性导致各自尖端的形状和表面情况并不相同，并不能保证所有针尖均满足电晕放电的条件，而是曲率半径相对较小的针先发生放电，并逐渐耗蚀使其曲率半径逐渐变大后不再满足电晕放电的条件，其余满足条件的针开始放电，这样某一时刻有几根针发生电晕放电不能得到保证，有很大的随机性，因此电离产生的离子数量也变化很大，导致电晕放电不稳定，从而不利于离子迁移谱仪的稳定工作。

发明内容

发明人意识到，若能够实现多根针轮流电晕放电，即某一个时刻只能有一根针针尖处电场强度达到电晕放电阈值，其余针针尖处场强较低或零场强，可以同时解决多针同时加高压电晕离子源的不稳定性以及单针电晕离子源寿命短的问题。

本发明的目的是提供一种稳定的，便于操作的，转盘控制多针轮流电晕放电组件设计方案，该设计能够有效增加电离组件的整体使用寿命，有利于提高离子通过率，减少离子在电晕腔内的损耗，增加离子源电晕放电的稳定性，提高迁移谱仪性能。

为了达到上述目的，根据本发明的实施例，电晕放电组件包括：电离放电腔室，所述电离放电腔室包括金属电晕筒，所述金属电晕筒具有待分析气体入口以及与电晕针形成不均匀电场的中间有圆孔的环片状端口；所述金属电晕筒的筒壁上绝缘安装一根旋转轴，所述旋转轴垂直于所述金属电晕筒的轴线，所述旋转轴端部安装有在外缘带有多根电晕针的转盘。由此，能够实现多根针轮流电晕放电，即某一个时刻只能有一根针针尖处电场强度达到电晕放电阈值，其余针针尖处场强较低或零场强，可以同时解决多针同时加高压电晕离子源的不稳定性以及单针电晕离子源寿命短的问题。

优选地，所述转盘被包含在封闭的金属屏蔽筒内，所述金属屏蔽筒包括喇叭状的聚焦极，用于形成汇聚的静电场。

优选地，所述聚焦极上开有窄缝，以供电晕针旋转时通过。通过旋转轴带动转盘使某一根电晕针旋转露出窄缝（此时将该根电晕针称为“主电晕针”），位于与电晕筒环片状端口电极配合的位置（主电晕针与电晕筒端口轴线、聚焦极喇叭口轴线重合，此时该电晕针尖距离电晕筒环片状端口最近），发生电晕放电；而其余针由于被包含于与其同电位的所述金属屏蔽筒内而无法发生电晕放电。

优选地，所述多根电晕针是相互电连接的。使用相互电连接在一起的多根电晕针，无需为多根电晕针单独设置各自的电流通路，简化了制作工艺；并且，由于除了“主电晕针”之外，其余的电晕针均位于金属屏蔽筒内，这样的设置将不会导致其余的电晕针产生不期望的电晕放电。

优选地，所述电晕放电组件还包括离子反应与存储环，所述离子反应与存储环为形似喇叭状的内部通道，其中所述离子反应与存储环不与所述金属电晕筒电接触，所述离子反应与存储环的大口端与离子门第一栅网接触，使在大口端内与离子门第一栅网之间形成等电势区，用于离子存储。由此，电晕放电产生的离子能够在电场的牵引下进入到离子反应存储区。所述离子反应与存储环的主要作用是在离子门关闭时，使初级反应离子与样品气体发生充分反应、复合，生成并存储待检测的特征离子团；在离子门打开时使上述复合的离子团聚焦并通过离子门进入离子迁移腔。通过该设计，可有效的屏蔽电晕放电脉冲干扰，屏蔽电晕脉冲带来的离子数量起伏，增大离子在离子门处的通过率，达到使离子迁移谱线稳定的效果。

根据本发明的实施例，还公开了一种离子迁移谱仪，所述离子迁移谱仪包括：以上所述的电晕放电组件；离子门，所述离子门由两张相对的栅网构成；迁移区，所述迁移区包括漂移电极，所述漂移电极为同轴心等间距的圆环电极，圆环电极电势等差值变化，以形成牵引电场，使离子运动向法拉第盘方向；以及，所述法拉第盘为圆形平板，所述法拉第盘后接电荷灵敏放大器以读取离子信号。

根据本发明的电晕放电组件的结构特征使得在任一时刻，只有一根电晕针旋转到离电晕筒环片状端口最近的位置，其针尖的电场强度达到电晕放电阈值而发生电晕放电，而其余针由于针尖的电场强度达不到电晕放电的阈值而不发生放电，多根针在转盘的转动下，轮流位于电晕放电位置而进行放电工作，因此该结构相对于单针结构可以提高整体电晕放电组件的使用寿命；同时由于聚焦极的聚焦作用，可以增加离子的通过率，减少离子在电晕筒内及离子反应与存储环内的损耗，单位时间内产生的离子可以更多的进入到离子漂移区；有利于提高离子迁移谱仪的灵敏度；多电晕针由于固定在转盘上，安装时可以做到电极位置的精确稳定，从而更易于批量制造。

附图说明

下面参考附图进一步详细描述本发明，其中：

图 1A、1B和1C为传统的电晕放电结构示意图；

图2A为使用根据本发明实施例的多电晕针转盘电晕放电离子源离子迁移谱仪结构示意图；

图2B为图2A中的离子迁移谱仪在正模式下各电极电势示意图；

图3A为根据本发明实施例的多电晕针转盘及聚焦极结构俯视图；

图3B为根据本发明实施例的多电晕针转盘及聚焦极结构的示意图和侧视图；

图4A为无聚焦极时，离子源的电场方向模拟图；

图4B为有聚焦极时，离子源的电场方向模拟图；

图4C为无聚焦极时，离子源的等势线模拟图；以及

图4D为有聚焦极时，离子源的等势线模拟图。

具体实施方式

图2A所示电晕放电离子迁移谱仪中，实现电晕放电的不均匀电场主要由转盘位于电晕筒轴线上的主电晕针201、聚焦极202，电晕筒环片状端口203以及离子反应与存储环204形成。所述离子迁移谱仪包括：电晕放电组件；离子门，所述离子门由两张相对的栅网205、206构成；迁移区，所述迁移区包括漂移电极207，所述漂移电极207为同轴心等间距的圆环电极；以及法拉第盘209，所述法拉第盘209后接电荷灵敏放大器以读取离子信号。

根据本发明的实施例，所述电晕放电组件包括：电离放电腔室，所述电离放电腔室包括金属电晕筒203，所述金属电晕筒203具有待分析气体入口以及与电晕针201形成不均匀电场的中间有圆孔的环片状端口；所述金属电晕筒203的筒壁上绝缘安装一根旋转轴，所述旋转轴垂直于所述金属电晕筒203的轴线，所述旋转轴端部安装有在外缘带有多根电晕针的转盘。

由此，能够实现多根针轮流电晕放电，即某一个时刻只能有一根针针尖处电场强度达到电晕放电阈值，其余针针尖处场强较低或零场强，可以同时解决多针同时加高压电晕离子源的不稳定性以及单针电晕离子源寿命短的问题。

图2B为图2A中的离子迁移谱仪在正模式下各电极电势示意图。图3A为根据本发明实施例的多电晕针转盘及聚焦极结构俯视图；图3B为根据本发明实施例的多电晕针转盘及聚焦极结构的示意图和侧视图。优选地，所述转盘301被包含在封闭的金属屏蔽筒202、305内，所述金属屏蔽筒202、305包括喇叭状的聚焦极308，用于形成汇聚的静电场。

优选地，所述聚焦极308上开有窄缝306，以供电晕针201、303旋转时通过。通过旋转轴304带动转盘301使某一根电晕针201、303旋转露出窄缝306（此时将该根电晕针称为“主电晕针”），位于与电晕筒环片状端口电极配合的位置（主电晕针与电晕筒端口轴线、聚焦极喇叭口轴线重合，此时该电晕针尖距离电晕筒环片状端口最近），发生电晕放电；而其余针由于被包含于与其同电位的所述金属屏蔽筒内而无法发生电晕放电。

优选地，所述多根电晕针201、303是相互电连接的。使用相互电连接在一起的多根电晕针，无需为多根电晕针单独设置各自的电流通路，简化了制作工艺；并且，由于除了“主电晕针”之外，其余的电晕针均位于金属屏蔽筒内，这样的设置将不会导致其余的电晕针产生不期望的电晕放电。

优选地，所述电晕放电组件还包括离子反应与存储环204，所述离子反应与存储环204为形似喇叭状的内部通道，其中所述离子反应与存储环204不与所述金属电晕筒电接触，所述离子反应与存储环204的大口端与离子门第一栅网205接触，使在大口端内与离子门第一栅网205之间形成等电势区，用于离子存储。由此，电晕放电产生的离子能够在电场的牵引下进入到离子反应存储区。所述离子反应与存储环的主要作用是在离子门关闭时，使初级反应离子与样品气体发生充分反应、复合，生成并存储待检测的特征离子团；在离子门打开时使上述复合的离子团聚焦并通过离子门进入离子迁移腔。通过该设计，可有效的屏蔽电晕放电脉冲干扰，屏蔽电晕脉冲带来的离子数量起伏，增大离子在离子门处的通过率，达到使离子迁移谱线稳定的效果。

所述离子迁移谱仪在工作时，电晕针201、303与所述金属屏蔽筒202、305同电位，它们的电压比金属电晕筒203的电压高700V到3000V左右（取决于电晕针的尖端半径以及电晕针的长度，不同的几何尺寸会有不同的起晕电压）以发生电晕，从而产生离子。离子反应与存储环204及第一离子门205的电压周期跳变，见图2B，当其位于低电压时可称为“存储态”（即实线部分），位于相应的高电压时称为“牵引态”（即虚线部分）。当离子反应存储环204及第一离子门205的电压处于“存储态”时，该电压比金属电晕筒203的电压低60V~150V，比第二离子门206低5V~60V左右，离子进入第一离子门205后，受到的电场力较弱，在第一离子门205腔体内主要做热运动；经过一定时间，第一离子门205内离子积累到一定数目后，离子反应存储环204及第一离子门205的电压跳变到“牵引态”，这时，电晕针201处电晕产生的离子停止进入第一离子门205（防止此次由于电晕脉冲导致第一离子门205内离子数量的起伏），而处在第一离子门205内的离子在第一离子门205与第二离子门206之间的电场力作用下迅速通过第二离子门206进入离子迁移区207。在通过迁移气体入口（如图2A右侧所示）充有迁移气体的离子迁移区207内，离子在电场牵引力和反向运动的迁移气流的共同作用下达到匀称运动状态，在经历较长的迁移距离后，具有不同迁移率的离子由于速度的不同被分开，最后经抑制栅208后被法拉第盘209收集，被后端电路记录。由图2A下方所示的出气口排出离子迁移谱仪内的气体。

所述转盘301固定在旋转轴304上，旋转轴304通过绝缘套307安装在金属电晕筒300的壁上。扭转电晕腔外部的旋转轴柄（如图3B中的旋转箭头所示），转盘301在旋转轴304的带动下做旋转运动；转盘上以中心对称形式均匀分布着若干个（一般以4~8个为宜）电晕针安装座302，所有电晕针安装座302均同电位，每个电晕针安装座302上开有一个插孔，插孔内焊接安装一根电晕针303，当旋转到某一角度时，有一根电晕针位于电晕筒300轴心处的我们将其称作“主电晕针”；在转盘301的外部，金属电晕筒300上以绝缘材料固定安装一个与电晕针303同电位的金属屏蔽筒305，金属屏蔽筒305的进气端开有一个通气孔309，另一端为喇叭状聚焦极308，金属屏蔽筒305的作用是屏蔽其它电晕针，避免与电晕筒300之间形成电晕电场，喇叭状聚焦极308和电晕筒环片状端口310形成汇聚电场，使主电晕针处电晕放电产生的离子更易于进入到离子反应与存储环320，减少在离子电晕筒环片状端口处和离子反应与存储环端口处撞向端口而损失，聚焦极308的特征在于其锥轴与电晕筒的轴线及离子反应与存储环中心轴重合，张角为120~150度，聚焦极308与电晕针303同电位。金属屏蔽筒305在与转盘301的电晕针旋转平面相交的位置开有一个窄条状口（窄缝）306，供电晕针旋转时通过，窄缝306的宽度不能过大，应仅比电晕针直径稍大，这样既能保证不会阻挡电晕针303旋转时顺利通过，又不会使聚焦电场在此缺口处发生破坏。

实例：

本实例中，描述了采用聚焦结构的多针转盘电晕针轮流放电离子源组件的一个具体设计。如图3A所示的具有6根电晕针的聚焦极转盘多针结构。转盘301和绝缘套筒307采用聚四氟乙烯制成；旋转轴304采用不锈钢制成；电晕针安装座302采用无氧铜制成，其上采用高温焊料焊接一根电晕针303；针伸出安装座长度为3mm，针尖端圆角半径0.05mm，由直径0.5mm金属铂杆磨制而成；金属屏蔽筒305采用不锈钢制成，两端棱边倒圆角以降低其表面的电场强度，避免发生放电，喇叭顶角为125度，伸出的电晕针303位于金属屏蔽筒305上聚焦极308的圆锥轴位置，金属屏蔽筒305与电晕筒300之间采用聚四氟乙烯绝缘材料支撑固定。金属屏蔽筒305在与电晕针旋转的平面相交的位置开有一个宽度为1mm的窄条状缺口。

根据电场模拟计算结果，见图4A-4D，在离子门施加开门电压时，在没有聚焦极的电晕放电结构中，电晕针尖处及气流前进方向的电场指向电晕筒端口，而且离子反应与存储环内部分区域电场方向指向环壁，可知电晕针尖产生的离子将有较多数量与电晕筒口、和/或离子反应与存储环内壁碰撞而损失掉；在具有聚焦极的电晕放电结构中，其针尖附近及离子气流前进方向的电场方向为平行于气流方向，且离子反应与存储环内的电场方向也基本与离子气流平行，这将有利于离子气流平稳通过电晕筒，减少碰撞损耗，使更多离子进入到离子漂移区，从而在电晕放电电离强度相同的情况下，提高离子迁移谱仪的灵敏度。

根据本发明的本电离组件的结构特征使得在任一时刻，只有一根电晕针旋转到离电晕筒环片状端口最近的位置，其针尖的电场强度达到电晕放电阈值而发生电晕放电，而其余针由于针尖的电场强度达不到电晕放电的阈值而不发生放电，多根针在转盘的转动下，轮流位于电晕放电位置而进行放电工作，因此该结构相对于单针结构可以提高整体电晕放电组件的使用寿命；同时由于聚焦极的聚焦作用，可以增加离子的通过率，减少离子在电晕筒内及离子反应与存储环内的损耗，单位时间内产生的离子可以更多的进入到离子漂移区；有利于提高离子迁移谱仪的灵敏度；多电晕针由于固定在转盘上，安装时可以做到电极位置的精确稳定，从而更易于批量制造。

本发明可以以任何适当的形式实现，包括硬件、软件、固件或者这些的任意组合。可选地，本发明可以至少部分地实现为运行在一个或多个数据处理器和/或数字信号处理器上的计算机软件。本发明的实施例的元件和部件可以在物理上、功能上和逻辑上以任何适当的方式实现。事实上，所述功能可以在单个单元中、在多个单元中或者作为其他功能单元的一部分而实现。同样地，本发明可以在单个单元中实现，或者可以在物理上和功能上分布在不同单元和处理器之间。

尽管已经结合一些实施例描述了本发明，但是本发明并不预期限于本文阐述的特定形式。相反地，本发明的范围仅由所附权利要求书限制。此外，虽然特征可能看起来结合特定实施例而被描述，但是本领域技术人员应当认识到，依照本发明可以组合所描述的实施例的各种不同的特征。在权利要求书中，措词包括/包含并没有排除其他元件或步骤的存在。

此外，尽管单独地被列出，但是多个装置、元件或方法步骤可以由例如单个单元或处理器实现。此外，尽管单独的特征可以包含于不同的权利要求中，但是这些特征可能地可以有利地加以组合，并且包含于不同的权利要求中并不意味着特征的组合不可行和/或不是有利的。此外，特征包含于一种权利要求类别中并不意味着限于该类别，而是表示该特征同样可适当地应用于其他权利要求类别。此外，权利要求中特征的顺序并不意味着其中特征必须起作用的任何特定顺序。

Claims (6)

1.一种电晕放电组件，其特征在于，所述电晕放电组件包括：

电离放电腔室，所述电离放电腔室包括金属电晕筒，所述金属电晕筒具有待分析气体入口以及与电晕针形成不均匀电场的中间有圆孔的环片状端口；

所述金属电晕筒的筒壁上绝缘安装一根旋转轴，所述旋转轴垂直于所述金属电晕筒的轴线，所述旋转轴端部安装有在外缘带有多根电晕针的转盘；所述转盘被包含在封闭的金属屏蔽筒内，所述金属屏蔽筒包括喇叭状的聚焦极，用于形成汇聚的静电场。

2.根据权利要求1所述的电晕放电组件，其特征在于，所述聚焦极上开有窄缝，以供电晕针旋转时通过。

3.根据权利要求1所述的电晕放电组件，其特征在于，所述多根电晕针是相互电连接的。

4.根据权利要求1-3之一所述的电晕放电组件，其特征在于，所述电晕放电组件还包括离子反应与存储环，所述离子反应与存储环为形似喇叭状的内部通道，其中所述离子反应与存储环不与所述金属电晕筒电接触，所述离子反应与存储环的大口端与离子门第一栅网接触，使在大口端内与离子门第一栅网之间形成等电势区，用于离子存储。

5.一种离子迁移谱仪，其特征在于，所述离子迁移谱仪包括：

根据权利要求1-4之一所述的电晕放电组件；

离子门，所述离子门由两张相对的栅网构成；

迁移区，所述迁移区包括漂移电极，所述漂移电极为同轴心等间距的圆环电极；以及

法拉第盘，所述法拉第盘后接电荷灵敏放大器以读取离子信号。

6.一种利用如权利要求1-4之一所述的电晕放电组件进行电晕放电的方法，其中在任一时刻，只有一根电晕针旋转到离电晕筒环片状端口最近的位置，其针尖的电场强度达到电晕放电阈值而发生电晕放电，而其余电晕针由于针尖的电场强度达不到电晕放电的阈值而不发生放电；所述多根电晕针在转盘的转动下，轮流位于电晕放电位置而进行放电工作。