CN109085097B - 一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，包括第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、一对介质阻挡放电电极、一对颗粒物分级电极、第一支撑梁、第二支撑梁、电荷收集器和电流放大器。第一介质基板的底部、第二介质基板的顶部以及第一支撑梁的内壁围成颗粒物荷电腔体。第二介质基板的底部、第三介质基板的顶部和第二支撑梁的内壁围成颗粒物分级腔体。第二介质基板上设有连通颗粒物荷电腔体和颗粒物分级腔体的接口狭缝。本发明有效集成了颗粒物荷电和分级功能，可应用于微型化样机研制，实现超细颗粒物粒径分布现场环境监测需求。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器。
背景技术
大气环境中的颗粒物对人体健康、大气能见度和气候变化具有重要影响。环境颗粒物通常来自固定燃烧源和机动车排放，以及具有低蒸汽压的化合物在其他小颗粒上成核/凝结形成。超细颗粒物(Ultrafine Particles)，又称“超微粒子”，是指空气动力学直径小于100nm的粒子。大量研究表明，超细颗粒物因粒径小，更易进入深呼吸道系统，甚至可能通过上皮屏障和血气屏障，深入到支气管和心肺系统深部。越小粒径的颗粒物具有更大的比表面积且在大气中存留时间更长，更易富集污染元素。同时，颗粒物粒径分布监测是表征颗粒物的重要物理参数，是实现污染源监测、成核机理及沉降过程分析、监管和污染治理最为重要的一步。超细颗粒物有效探测是深入研究灰霾污染特征和成核机理分析的重要基础。
差分电迁移率分析仪(Differential Mobility Analyzer，DMA)又称扫描电迁移率粒径谱仪，是通过电场下的迁移率不同实现带电颗粒物的粒径测量，具有速度快、灵敏度高等优点，是亚微米颗粒物检测的主流技术。实现颗粒物高效荷电和分级是实现监测的关键技术。传统差分迁移率分析仪实现颗粒物荷电的电离源通常为放射源，如Kr-85,Po-210和Am-241等，放射源为降低安全隐患通常辐射量较低，对于小粒径超细颗粒物，由于其截面积小，难以保证其荷电效率，一定程度上限制了检测小粒径超细颗粒物时的灵敏度。介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)又称无声放电，具有离化效率高、放电区域大、放电均匀性好、电子能量高等优点。
目前，中国专利CN105655227提出了一种介质阻挡放电高效电离源，并将其用于质谱或离子迁移谱中，但目前未见将介质阻挡放电电离源用于超细颗粒物荷电的报道。中国专利CN107101915提出了一种纳米级颗粒物高效荷电装置，采用放电腔室和颗粒物荷电区域分开方式。双腔结构设计有效的有效降低了颗粒物对放电针尖的粒子沉积对电离效率的影响，但同时也带来了结构复杂不便集成的难题。
针对于此，本发明采用平板型设计，将介质阻挡放电电离源和差分迁移率分析仪技术集成，旨在获得一种利于集成荷电和分级的超细颗粒物分析器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，该分析器有效集成了颗粒物荷电和分级功能，可应用于微型化样机研制，实现超细颗粒物粒径分布现场环境监测需求。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，包括自上向下依次设置的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，分别设置在第一介质基板和第二介质基板上的一对介质阻挡放电电极，分别设置在第二介质基板和第三介质基板上的一对颗粒物分级电极，设置在第一介质基板底部与第二介质基板顶部之间的第一支撑梁，设置在第二介质基板底部与第三介质基板顶部之间的第二支撑梁，安装在第三介质基板上的电荷收集器，以及通过同轴线与电荷收集器相连的电流放大器。所述第一介质基板的底部、第二介质基板的顶部以及第一支撑梁的内壁围成颗粒物荷电腔体；所述颗粒物荷电腔体的一端开口处作为颗粒物进气口。所述第二介质基板的底部、第三介质基板的顶部和第二支撑梁的内壁围成颗粒物分级腔体；所述颗粒物分级腔体的两端开口处分别作为鞘气入口和鞘气出口。所述第二介质基板上设有连通颗粒物荷电腔体和颗粒物分级腔体的接口狭缝。
进一步的，所述一对介质阻挡放电电极包括设置在第一介质基板上的第一介质阻挡放电电极和设置在第二介质基板上的第二介质阻挡放电电极；所述第一介质阻挡放电电极和第二介质阻挡放电电极中的一个电极与高压放电电源相连，另一个电极接地。由于第一介质阻挡放电电极和第二介质阻挡放电电极之间需要有第一或第二介质基板作为阻挡，因此，第二介质阻挡放电电极和第二介质阻挡放电电极的位置有以下三种方式：(1)第一介质阻挡放电电极设置在第一介质基板的顶部，第二介质阻挡放电电极设置在第二介质基板的顶部；(2)第一介质阻挡放电电极设置在第一介质基板的底部，第二介质阻挡放电电极设置在第二介质基板的底部；(3)第一介质阻挡放电电极设置在第一介质基板的顶部，第二介质阻挡放电电极设置在第二介质基板的底部。
所述一对颗粒物分级电极包括设置在第二介质基板上的第一颗粒物分级电极和设置在第三介质基板上的第二颗粒物分级电极；所述第一颗粒物分级电极和第二颗粒物分级电极中的一个电极与直流高压扫描电压相连，另一个电极接地。
进一步的，所述第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板均采用石英玻璃材料、陶瓷、聚醚醚酮(peek)中的任意一种制成。
进一步的，所述第一支撑梁为一端开口的U型结构，且其开口处作为颗粒物进气口。所述第二支撑梁包括平行设置的两根梁，且所述层流器设置在前后两根梁之间。所述第一支撑梁和第二支撑梁均采用石英玻璃材料；所述第一支撑梁采用机械加工或键合工艺连接在第一介质基板与第二介质基板之间；所述第二支撑梁采用机械加工或键合工艺连接在第二介质基板与第三介质基板之间。
进一步的，所述接口狭缝与鞘气流动方向的夹角小于等于90度。
进一步的，所述接口狭缝的一部分位于第二介质基板上，另一部分位于第一颗粒物分级电极内部。
进一步的，所述第三介质基板上开设有检出狭缝；所述电荷收集器的输入端与检出狭缝相连。
进一步的，所述颗粒物分级腔体两端开口处分别设有第一层流器和第二层流器；第一层流器和第二层流器分别位于鞘气入口和鞘气出口的内侧。
进一步的，所述鞘气入口和鞘气出口处均设有依次相连的气泵和质量流量计。
进一步的，所述鞘气出口处设有颗粒物回收过滤网。
由以上技术方案可知，本发明所述的集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器同时实现了颗粒物有效荷电、粒径分级和信号检测三项功能，可应用于微型化样机研制，实现超细颗粒物粒径分布现场的环境监测需求。本发明通过采用一对介质阻挡放电电极作为介质阻挡放电电离源，简化结构的同时避免了常规电晕结构针尖钝化造成的荷电效率下降的问题；通过采用接口狭缝将颗粒物荷电腔体和颗粒物分级腔体直连的方式，降低了颗粒物荷电和分级之间的距离，提高了检测效率。
附图说明
图1是实施例一中本发明的结构示意图；
图2是实施例一中本发明的爆炸结构示意图；
图3是实施例一中本发明的纵向剖视图；
图4是实施例二中本发明的结构示意图；
图5是本发明所述的分析器采集的颗粒物粒径-浓度分布谱图示意图。
其中：
1a、第一介质阻挡放电电极，1b、第二介质阻挡放电电极，2、颗粒物荷电腔体，3a、第一介质基板，3b、第二介质基板，3c、第三介质基板，4a、第一支撑梁，4b、第二支撑梁，5、接口狭缝，6a、第一颗粒物分级电极，6b、第二颗粒物分级电极，7、颗粒物分级腔体，8、检出狭缝，9a、第一层流器，9b、第二层流器，10a、颗粒物进气口，10b、鞘气入口，10c、鞘气出口，11、电荷收集器，12、电流放大器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
实施例一
如图1-图3所示的一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，包括自上向下依次设置的第一介质基板3a、第二介质基板3b和第三介质基板3c，分别设置在第一介质基板3a和第二介质基板3b上的一对介质阻挡放电电极，分别设置在第二介质基板3b和第三介质基板3c上的一对颗粒物分级电极，设置在第一介质基板3a底部与第二介质基板3b顶部之间的第一支撑梁4a，设置在第二介质基板3b底部与第三介质基板3c顶部之间的第二支撑梁4b，安装在第三介质基板3c上的电荷收集器11，以及通过同轴线与电荷收集器11相连的电流放大器12。所述第一介质基板3a的底部、第二介质基板3b的顶部以及第一支撑梁4a的内壁围成颗粒物荷电腔体2；所述颗粒物荷电腔体2的一端开口处作为颗粒物进气口10a。所述第二介质基板3b的底部、第三介质基板3c的顶部和第二支撑梁4b的内壁围成颗粒物分级腔体7；所述颗粒物分级腔体7的两端开口处分别作为鞘气入口10b和鞘气出口10c。所述第二介质基板3b上设有连通颗粒物荷电腔体2和颗粒物分级腔体7的接口狭缝5。
进一步的，所述一对介质阻挡放电电极包括设置在第一介质基板3a上的第一介质阻挡放电电极1a和设置在第二介质基板3b上的第二介质阻挡放电电极1b；所述第一介质阻挡放电电极1a和第二介质阻挡放电电极1b中的一个电极与高压放电电源相连，另一个电极接地。第一介质阻挡放电电极1a设置在第一介质基板3a的顶部，第二介质阻挡放电电极1b设置在第二介质基板3b的底部。
所述一对颗粒物分级电极包括设置在第二介质基板3b上的第一颗粒物分级电极6a和设置在第三介质基板3c上的第二颗粒物分级电极6b；所述第一颗粒物分级电极6a和第二颗粒物分级电极6b中的一个电极与直流高压扫描电压相连，另一个电极接地。
进一步的，所述第一介质基板3a、第二介质基板3b和第三介质基板3c均采用石英玻璃材料、陶瓷、聚醚醚酮(peek)中的任意一种制成。三个介质基板的厚度均为1mm-3mm。
进一步的，所述介质阻挡放电电极和颗粒物分级电极均采用溅射镀膜方式实现，具体地说，是采用磁控溅射和厚膜印刷工艺实现。第一介质阻挡放电电极1a和第二介质阻挡放电电极1b均采用磁控溅射金、钯银等贵金属导电材料方式获得，第一介质阻挡放电电极1a和第二介质阻挡放电电极1b的长度均为2mm～5mm，在第一介质阻挡放电电极1a和第二介质阻挡电极1b之间施加1000V～20000V高压电交流电场，电压频率50Hz～1MHz。
进一步的，所述第一支撑梁4a为一端开口的U型结构，且其开口处作为颗粒物进气口10a。所述第二支撑梁4b包括平行设置的两根梁，且第一层流器9a和第二层流器9b均设置在前后两根梁之间。所述第一支撑梁4a和第二支撑梁4b均采用石英玻璃材料。所述第一支撑梁4a和第二支撑梁4b的厚度均为1mm-5mm。所述第一支撑梁4a采用机械加工或键合工艺连接在第一介质基板3a与第二介质基板3b之间；所述第二支撑梁4b采用机械加工或键合工艺连接在第二介质基板3b与第三介质基板3c之间。
进一步的，所述接口狭缝5为长条型。所述的接口狭缝5采用激光切割工艺实现，接口狭缝5长度与气流通道宽度相同，接口狭缝5宽度0.2-2mm。当颗粒物气流和鞘气混合时，发生颗粒物气流对鞘气的冲击，引起压力损失，同时产生涡流。为了减小狭缝气流对鞘气层流动状态的扰动，接口狭缝5与鞘气流动方向的夹角小于等于90度。本发明中所述的接口狭缝5与鞘气流动方向的夹角小于等于90度，指的是图1中的接口狭缝5的上端向鞘气入口10b方向倾斜，接口狭缝5的下端向鞘气出口10c方向倾斜。
进一步的，所述接口狭缝5开设在第二介质阻挡电极1b和第一颗粒物分级电极6a之间的第二介质基板3b上。
进一步的，所述第三介质基板3c上开设有检出狭缝8。所述检出狭缝8，用于连接电荷收集器11和电流放大器12。所述电荷收集器11的输入端与检出狭缝8相连，输出端与电流放大器12的输入端相连。所述电荷收集器11和电流放大器12，用于实现颗粒物电荷信号的检出。所述电流放大器12为超弱电流信号放大器。优选的，所述电荷收集器11为法拉第筒，所述电流放大器12为高增益跨阻放大器或静电计。
进一步的，所述颗粒物分级腔体7两端开口处分别设有第一层流器9a和第二层流器9b；第一层流器9a和第二层流器9b分别位于鞘气入口10b和鞘气出口10c的内侧。所述第一层流器9a和第二层流器9b均为多孔气流通道，使得鞘气呈层流状态流动。
进一步的，所述鞘气入口10b和鞘气出口10c处均设有依次相连的气泵和质量流量计。所述质量流量计用于测量和调节流速。通过在鞘气出入口处设置一套气泵和质量流量计，用于通过鞘气出入口的流速差控制颗粒物入口流速。优选的，所述颗粒物进气口10a的进样流量为0.1L/min-1L/min，鞘气入口10b的流量为2L/min-10L/min。
进一步的，所述鞘气出口10c处设有颗粒物回收过滤网，用于对从鞘气出口流出的鞘气中的颗粒物进行过滤回收。
本发明的工作原理为：
待测超细颗粒物从颗粒物进气口10a进入颗粒物荷电腔体中，第一介质阻挡放电电极1a和第二介质阻挡电极1b在施加的高压作用下产生等离子体区域，使待测超细颗粒物在颗粒物荷电腔体2中发生荷电，从而得到带电颗粒物。带电颗粒物由接口狭缝5进入颗粒物分级腔体7中。在颗粒物分级腔体7中，在鞘气气流的作用下，带电颗粒物在水平方向上的速度和鞘气气流是一样的，但同时还会受施加在分级电极上的直流高压扫描电压作用，会有一个垂直于鞘气气流方向的速度。带电颗粒物水平方向的速度等于鞘气流速，竖直方向的速度等于迁移率×电场，其中迁移率取决于颗粒物大小。因此，通过对施加在第一颗粒物分级电极6a和第二颗粒物分级电极6b上的直流高压扫描电压的幅值进行控制，能够实现对颗粒物粒径的筛选，进而通过直流高压的扫描得到如图5所示的完整的超细颗粒物的离谱分布。在上述过程中，大部分带电颗粒物从检测狭缝5进入到电荷收集器11中，小部分带电颗粒物随鞘气流动到鞘气出口10c处，由于鞘气出口10c处设有颗粒物回收过滤网对颗粒物进行回收过滤，因此，只有鞘气从鞘气出口10c流出。
实施例二
在本实施例中，如图4所示，第一介质阻挡放电电极1a设置在第一介质基板3a的顶部，第二介质阻挡放电电极1b设置在第二介质基板3b的顶部；或者第一介质阻挡放电电极1a设置在第一介质基板3a的底部，第二介质阻挡放电电极1b设置在第二介质基板3b的底部。
进一步的，所述接口狭缝5的一部分位于第二介质基板3b上，另一部分位于第一颗粒物分级电极6a内部。具体地说，接口狭缝5的一部分开设在第二介质基板3b上，另一部分开设在第一颗粒物分级电极6a上，也就是说另一部分从第一颗粒物分级电极6a内部穿过，而且这两部分是相连通的。第一颗粒物分级电极6a和第二颗粒物分级电极6b均为金属电极，两个金属电极之间电场可以认为是匀强的，但靠近两侧边缘的地方会不一样，通过将接口狭缝5的部分开设在第二介质基板3b上，另一部分开设在第一颗粒物分级电极6a上，使接口狭缝5的下端从第一颗粒物分级电极6a中穿过，能避免电场区域边缘的分布对颗粒物运动的影响。
其它同实施例一。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，其特征在于：包括自上向下依次设置的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板，分别设置在第一介质基板和第二介质基板上的一对介质阻挡放电电极，分别设置在第二介质基板和第三介质基板上的一对颗粒物分级电极，设置在第一介质基板底部与第二介质基板顶部之间的第一支撑梁，设置在第二介质基板底部与第三介质基板顶部之间的第二支撑梁，安装在第三介质基板上的电荷收集器，以及与电荷收集器相连的电流放大器；
所述第一介质基板的底部、第二介质基板的顶部以及第一支撑梁的内壁围成颗粒物荷电腔体；所述颗粒物荷电腔体的一端开口处作为颗粒物进气口；
所述第二介质基板的底部、第三介质基板的顶部和第二支撑梁的内壁围成颗粒物分级腔体；所述颗粒物分级腔体的两端开口处分别作为鞘气入口和鞘气出口；
所述第二介质基板上设有连通颗粒物荷电腔体和颗粒物分级腔体的接口狭缝；所述的接口狭缝为长条型，接口狭缝的长度与气流通道宽度相同，宽度为0.2-2mm，接口狭缝与鞘气流动方向的夹角小于等于90度，接口狭缝的上端向鞘气入口方向倾斜，接口狭缝的下端向鞘气出口方向倾斜。
2.根据权利要求1所述的一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，其特征在于：所述一对介质阻挡放电电极包括设置在第一介质基板上的第一介质阻挡放电电极和设置在第二介质基板上的第二介质阻挡放电电极；所述第一介质阻挡放电电极和第二介质阻挡放电电极中的一个电极与高压放电电源相连，另一个电极接地；
所述一对颗粒物分级电极包括设置在第二介质基板上的第一颗粒物分级电极和设置在第三介质基板上的第二颗粒物分级电极；所述第一颗粒物分级电极和第二颗粒物分级电极中的一个电极与直流高压扫描电压相连，另一个电极接地。
3.根据权利要求1所述的一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，其特征在于：所述第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板均采用石英玻璃材料、陶瓷、聚醚醚酮中的任意一种制成。
4.根据权利要求1所述的一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，其特征在于：所述第一支撑梁和第二支撑梁均采用石英玻璃材料；所述第一支撑梁采用机械加工或键合工艺连接在第一介质基板与第二介质基板之间；所述第二支撑梁采用机械加工或键合工艺连接在第二介质基板与第三介质基板之间。
5.根据权利要求2所述的一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，其特征在于：所述接口狭缝的一部分位于第二介质基板上，另一部分位于第一颗粒物分级电极内部。
6.根据权利要求1所述的一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，其特征在于：所述第三介质基板上开设有检出狭缝；所述电荷收集器的输入端与检出狭缝相连。
7.根据权利要求1所述的一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，其特征在于：所述颗粒物分级腔体两端开口处分别设有第一层流器和第二层流器；第一层流器和第二层流器分别位于鞘气入口和鞘气出口的内侧。
8.根据权利要求1所述的一种集成荷电和分级技术的超细颗粒物分析器，其特征在于：所述鞘气入口和鞘气出口处均设有依次相连的气泵和质量流量计，且所述鞘气出口处设有颗粒物回收过滤网。
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