CN105632872B - 一种基于电晕放电的离子迁移谱装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，该装置包括电晕放电离子源，离子迁移单元和电信号处理单元。电晕放电离子源包括放电金属丝、接地电极、屏蔽层、气体和进样入口I、气体出口I和金属丝支架；离子迁移单元包括离子迁移构件、离子门、脉冲电源、环状金属电极、定值电阻、直流电源、气体出口II和气体入口II；电信号处理单元包括法拉第盘和屏蔽金属板；法拉第盘布置在离子迁移构件的内末端面上，其直径大于离子迁移构件的内直径；屏蔽金属板布置在离子迁移构件的外末端面上，其中法拉第盘和屏蔽金属板之间有一定的间隙，且屏蔽金属板的直径大于离子迁移构件的外直径。能够提高离子迁移谱仪的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种基于电晕放电的离子迁移谱装置。
背景技术
离子迁移谱仪(IMS)是一种痕量气态化学物质检测装置，广泛应用于军事、医疗、生物、环境等领域。它主要通过电离气态物质，使具有不同迁移率的离子在电场中分离，进而得到样品气体电离产物的离子迁移谱。离子迁移谱仪的主体部分为迁移管。其中电离源是迁移管的主要组成部分之一，其主要作用是把通入到迁移管中的样品气体电离。目前所使用的离子迁移谱仪大多使用的Ni63放射性离子源。Ni63作为一种放射性离子源，具有稳定而且无能耗的优点。但由于其放射性，在运输、加工、安装上都有严格的要求和限制；同时放射性离子源在离子流的产生上是不可控的，而离子流的流量大小直接影响着离子迁移谱仪的分辨率。如果想进一步提高离子迁移谱仪的分辨率，传统的Ni63无法进一步实现。
一个可行的方法是利用电晕放电离子源。相比于Ni63放射源，电晕放电离子源更加绿色环保，而且电晕放电产生的离子流密度也可远远多于Ni63产生的离子流。从迄今已公开的专利和文献看，电晕离子源一般采用的针-板、针-针、针-网(环)或针-筒的放电结构。但以针尖为高压端的电晕放电结构也存在一些问题。一方面为了使放电较容易发生，要求针尖尽可能细小；同时为使离子源稳定，要求工作一段时间后或更换放电针时，应保持保证针尖的曲率半径不变。但实际上，电晕针尖部分比较容易氧化，而需要更换时，由于加工工艺和成本的限制，很难保证每次使用的针尖曲率完全相同。另一方面，针尖电晕的电流很小，虽然可以利用多针提高电流，但又涉及到它们的一致性问题。此外，传统的针电极电晕离子源具有较大的电磁干扰，采用接地金属网屏蔽结构又使很多带电离子被金属网吸收，也导致离子流损耗很大。
为了解决上述，需要开发新结构的离子迁移谱仪。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，能够提高离子迁移谱仪的灵敏度。
实现本发明的具体实施方案如下：
一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，该装置包括电晕放电离子源、离子迁移单元和电信号处理单元；电晕放电离子源、离子迁移单元与电信号处理单元依次固定连接；所述电晕放电离子源用于产生稳定离子，并电离样品气体；所述离子迁移单元用于使带电离子沿电场向电信号处理单元定向迁移，形成离子流；所述电信号处理单元用于收集离子流信号、屏蔽干扰信号、数据处理和显示；
电晕放电离子源包括放电金属丝、接地电极、屏蔽层、气体和进样入口I、气体出口I和金属丝支架；屏蔽层是一圆桶结构，气体和进样入口I及气体出口I分别布置在屏蔽层的两侧；两个接地电极均布置在屏蔽层的末端面上；放电金属丝布置在两个接地电极的中间部位，并与金属丝支架连接；金属丝支架是一个绝缘支架，其放置在屏蔽层内并固定。
进一步地，所述离子迁移单元包括离子迁移构件、离子门、脉冲电源、环状金属电极、定值电阻、直流电源、气体出口II和气体入口II；离子迁移构件是一个空心圆柱形结构，其外径与屏蔽层的直径相等，其顶端与两个接地电极连接；所述离子门紧临两个接地电极布置在离子迁移构件上，离子门的直径大于或等于离子迁移构件的直径；多个环状金属电极均匀对称布置在离子迁移构件的外壁上，气体出口II布置在离子迁移构件的首端外壁面上；多个定值电阻分别连接在离子迁移构件的外壁上的多个相邻环状金属电极之间；直流电源与末端的一个定值电阻连接；气体入口II布置在离子迁移构件的末端外壁面上，并与气体出口II呈对角位置关系。
进一步地，所述离子门是由两片平行放置的金属网构成，两片金属网之间设有电势差。
进一步地，所述电信号处理单元包括法拉第盘、屏蔽金属板及法拉第盘上离子流的测量装置，离子流测量装置包括数据处理器和显示装置；法拉第盘布置在离子迁移构件内层的末端面上，其直径大于离子迁移构件的内直径，用于收集离子流信号；屏蔽金属板布置在离子迁移构件外层的末端面上，其中法拉第盘和屏蔽金属板之间有一定的间隙，且屏蔽金属板的直径大于或等于离子迁移构件的外直径，屏蔽金属板用于屏蔽干扰信号；离子流测量装置与法拉第盘连接，收集到的信号经过数据处理器处理后，最后通过显示装置显示离子迁移谱。
进一步地，所述放电金属丝为金属钨，直径为0.1mm。
进一步地，所述接地电极为两块厚度2mm的金属铜板；钨丝放置于两金属铜板之间，电极间距为5mm。
进一步地，金属丝支架固定在屏蔽层内壁上或接地电极上。
有益效果：
1.采用的线-板电晕结构的放电离子源，相对于针-板结构，不仅使离子流密度和测量灵敏度大大提高，而且电晕放电稳定、一致性好。
2.作为Ni63放射性源的替代装置，本装置中的电晕放电离子源采用直流电源驱动，离子源稳定好、易于控制；同时消除了脉冲电晕放电离子源方案中，由于脉冲放电本身的不确定性造成的离子流的误差。
3.放电电场与迁移电场的交叉设计，在不提供迁移电场时，离子流向法拉第盘的自迁移或扩散非常小，大大减小测试信号噪声；同时也减少接地电极对离子流的吸收。
4.法拉第盘测试的离子流或谱峰既可由离子门时序控制，也可由迁移电场时序控制；通过离子门或迁移电场的结构、时序设计，可以实现对探测时间、探测周期的准确控制。
5.电晕放电结构具有自屏蔽功能，相比以往针电晕放电的接地金属网屏蔽结构，这种结构既可屏蔽电源的电磁干扰，又大大减小由于接地金属网的吸收造成的离子流损失。
6.本装置具有绿色环保、结构简单、易于加工和控制、放电电流和离子流密度大等特点。
附图说明
图1为本发明实施结构的示意图。
其中：1-电晕放电离子源，11-电晕放电金属丝，12-接地电极，13-屏蔽层，14-气体和进样入口I，15-气体出口I，16-金属丝支架，2-离子迁移单元，21-离子迁移构件、22-离子门，23-脉冲电源，24-环状金属电极，25-定值电阻，26-直流电源，27-气体出口II、28-气体入口II，3-电信号处理单元，31-法拉第盘，32-屏蔽金属板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了如图1所示，本发明的离子迁移谱装置，包括电晕放电离子源1，离子迁移单元2和电信号处理单元3。所述电晕放电离子源1用于产生稳定离子，并电离样品气体；所述离子迁移单元2用于使带电离子沿电场向电信号处理单元3定向迁移，形成离子流；所述电信号处理单元3用于收集离子流信号、屏蔽干扰信号、数据处理和显示。
电晕放电离子源1包括放电金属丝11、接地电极12、屏蔽层13、气体和进样入口I14、气体出口I15和金属丝支架16；屏蔽层13是一圆桶结构，其顶端面与地连接，气体和进样入口I14及气体出口I15均布置在屏蔽层13的两侧；两个接地电极12分别布置在屏蔽层13的末端面上，且两个接地电极12均接地；放电金属丝11布置在两个接地电极12的中间部位，并与金属丝支架16连接；电晕放电离子源1用于产生带电离子和将样品气体离子化。金属丝支架是一个叉型的绝缘支架，金属丝绷直固定在两个分叉支架上，并保证金属丝放置在空中，金属丝支架并设置在屏蔽层13内壁上。
离子迁移单元2包括离子迁移构件21、离子门22、脉冲电源23、环状金属电极24、定值电阻25、直流电源26、气体出口II27和气体入口II28；离子迁移构件21是一个空心圆柱形结构，其外径与屏蔽层13的直径相等，其顶端与两个接地电极12连接，离子门22是由两片平行放置的金属网构成，两片金属网之间设有电势差；所述离子门22紧临两个接地电极12布置在离子迁移构件21上，离子门22的直径大于或等于离子迁移构件21的直径；多个环状金属电极24均匀对称布置在离子迁移构件21的外壁上，气体出口II27布置首端外壁面上；多个定值电阻25分别连接在离子迁移构件21的外壁上的多个相邻环状金属电极24之间；直流电源26与末端的一个定值电阻25连接；气体入口II28布置在离子迁移构件21的末端外壁面上，并与气体出口II27呈对角位置关系；
电信号处理单元3包括法拉第盘31、屏蔽金属板32及法拉第盘上离子流的测量装置，离子流测量装置包括数据处理器和显示装置；法拉第盘31布置在离子迁移构件21内层的末端面上，其直径大于离子迁移构件21的内直径，法拉第盘31用于接收离子流信号；屏蔽金属板32布置在离子迁移构件21外层的末端面上，其中法拉第盘31和屏蔽金属板32之间有一定的间隙，且屏蔽金属板32的直径大于或等于离子迁移构件21的外直径，法拉第盘31用于屏蔽干扰信号；离子流测量装置与法拉第盘31连接，收集到的信号经过数据处理器处理后，最后通过显示装置显示离子迁移谱。
本实施例中的金属丝11为金属钨，直径0.1mm；接地电极12为两块厚度2mm的金属铜板；钨丝放置于两铜板之间，电极间距5mm。离子迁移单元2采用圆筒结构，直径为48mm，迁移区长度为100mm，通过脉冲电源23使离子门22每隔20ms打开一次允许离子通过，开启时间为0.3ms，离子迁移电场由定值电阻25分压的环状金属电极24提供，总电压为2000V(可调)，电场强度约2×105V/m。在放电离子源区1设有进气口I14和出气口II15，可以通入放电气体和样气，并有助于保持电离区的恒温恒湿；离子迁移单元2设有进气口II28和出气口II27，可以保持迁移区的恒温恒湿，同时将部分未被电离气体送回到电离区，提高气体电离率。本实施例中采用的工作气体是氮气，样品气体为酒精。
本发明装置的工作流程为：
首先，启动系统，使电信号处理单元处于工作状态，对该装置进行预热处理，其次，放电离子源1的电晕电极上加上7kV的正高压，离子迁移单元2的环状金属电极24上施加2000V的直流电压形成迁移场，将离子门的开启频率设定为50Hz，开启时间设定为0.3ms；电晕放电离子源1稳定工作后，显示器上出现迁移谱峰，它是工作气的氮离子谱，将其记录为背景。最后，通入待测气体酒精，在显示器上出现背景峰以外的另一个谱峰，即酒精的离子迁移谱峰。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，其特征在于，该装置包括电晕放电离子源(1)、离子迁移单元(2)和电信号处理单元(3)；所述电晕放电离子源(1)用于产生稳定离子，并电离样品气体；所述离子迁移单元(2)用于使带电离子沿电场向电信号处理单元(3)定向迁移，形成离子流；所述电信号处理单元(3)用于收集离子流信号、屏蔽干扰信号、数据处理和显示；
电晕放电离子源(1)包括放电金属丝(11)、接地电极(12)、屏蔽层(13)、气体和进样入口I(14)、气体出口I(15)和金属丝支架(16)；屏蔽层(13)是一圆桶结构，气体和进样入口I(14)及气体出口I(15)分别布置在屏蔽层(13)的两侧；两个接地电极(12)均布置在屏蔽层(13)的末端面上；放电金属丝(11)布置在两个接地电极(12)的中间部位，并与金属丝支架(16)连接；金属丝支架(16)是一个绝缘支架，其放置在屏蔽层(13)内并固定。
2.如权利要求1所述一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，其特征在于，所述离子迁移单元(2)包括离子迁移构件(21)、离子门(22)、脉冲电源(23)、环状金属电极(24)、定值电阻(25)、直流电源(26)、气体出口II(27)和气体入口II(28)；离子迁移构件(21)是一个空心圆柱形结构，其外径与屏蔽层(13)的直径相等，其顶端与两个接地电极(12)连接；所述离子门(22)紧临两个接地电极(12)布置在离子迁移构件(21)上，离子门(22)的直径大于或等于离子迁移构件(21)的直径；多个环状金属电极(24)均匀对称布置在离子迁移构件(21)的外壁上，气体出口II(27)布置在离子迁移构件(21)的首端外壁面上；多个定值电阻(25)分别连接在离子迁移构件(21)的外壁上的多个相邻环状金属电极(24)之间；直流电源(26)与末端的一个定值电阻(25)连接；气体入口II(28)布置在离子迁移构件(21)的末端外壁面上，并与气体出口II(27)呈对角位置关系。
3.如权利要求2所述一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，其特征在于，所述离子门(22)是由两片平行放置的金属网构成，两片金属网之间设有电势差。
4.如权利要求1所述一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，其特征在于，所述电信号处理单元(3)包括法拉第盘(31)、屏蔽金属板(32)及法拉第盘上离子流的测量装置，离子流测量装置包括数据处理器和显示装置；法拉第盘(31)布置在离子迁移构件(21)内层的末端面上，其直径大于离子迁移构件(21)的内直径，法拉第盘(31)用于收集离子流信号；屏蔽金属板(32)布置在离子迁移构件(21)外层的末端面上，其中法拉第盘(31)和屏蔽金属板(32)之间有一定的间隙，且屏蔽金属板(32)的直径大于或等于离子迁移构件(21)的外直径，屏蔽金属板(32)用于屏蔽干扰信号；离子流测量装置与法拉第盘(31)连接，收集到的信号经过数据处理器处理后，最后通过显示装置显示离子迁移谱。
5.如权利要求1所述一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，其特征在于，所述放电金属丝(11)为金属钨，直径为0.1mm。
6.如权利要求1所述一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，其特征在于，所述接地电极(12)为两块厚度2mm的金属铜板；钨丝放置于两金属铜板之间，电极间距为5mm。
7.如权利要求1所述一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，其特征在于，金属丝支架(16)固定在屏蔽层(13)内壁上或接地电极(12)上。
8.如权利要求1所述一种基于电晕放电的离子迁移谱装置，其特征在于，离子迁移单元(2)的离子流通过离子门(22)的开关顺序控制或通过迁移电场的时序控制。
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