CN110189978B - 一种新型电晕针、电晕组件及离子迁移谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型电晕针、电晕组件及离子迁移谱仪，新型电晕针包括针体，所述针体上分布有包含尖角的凸起，电晕组件包括所述新型电晕针和接地电极，离子迁移谱仪，包括从前往后依次设置的电离区、迁移区和采集区，所述电离区和迁移区之间设有离子门；所述电离区内设有接地电极，新型电晕针设于所述接地电极的中轴线上并平行于所述电离区的中心轴，所述新型电晕针接高压，所述接地电极接地。本发明通过采用新型的电晕针，避免了现有电晕针尖端放电的诸多缺陷，有助于更好实现安全检测。
Description
技术领域
本发明涉及安全检测技术领域，具体涉及一种新型电晕针、电晕组件及离子迁移谱仪。
背景技术
为了应对日益增多的经济交往活动，各种安检器材也应运而生。离子迁移谱检测技术(ion mobility spectrometry，IMS)作为一种广谱分析技术，具有检测速度快、灵敏度高、易于小型化、功耗低等优点，是目前国际上缉毒、反恐等领域用于痕量物质现场检测的主流技术。利用IMS检测技术大大加强了海关、机场等重要关口对携带物和包裹的监测力度，有力地打击了走私贩毒等犯罪活动的实施。
目前，离子迁移谱仪作为快速检测爆炸物及毒品的仪器，目前已经广泛应用于机场、地铁、场馆的安检领域。随着电离技术的发展，市场上主要以电晕放电、光电离源、电喷雾源、辉光放电等几种非放射源技术为主，其中电晕放电及光电离源是各个公司采用的最主要的电离源形式。
中国专利CN103871828B公开了一种阵列式光电离源的离子迁移管，突破之前单个光电电离源的局限，大幅度提高光强，提高了电离区电离的离子数，有效提高离子迁移谱仪的灵敏度。但是该技术方案中，光电离由众多零部件组装而成，结构较为复杂，给迁移管的密封带来诸多问题；其次，真空紫外灯的使用寿命大概为一年左右，需要定期更换，影响了该技术的实际使用效果。
电晕放电产生的反应离子种类非常丰富，在所有电离源中，它产生的反应离子与放射源最接近，是替代放射源的最佳选择。从迄今己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，且需要更换时，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，导致离子流损耗很大。
因此近年来，研究稳定、寿命长的电晕放电结构，是离子迁移谱技术领域内的一个热点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种新型电晕针、电晕组件及离子迁移谱仪，通过采用新型的电晕针，避免了现有电晕针尖端放电的诸多缺陷，有助于更好实现安全检测。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型电晕针，包括针体，所述针体的侧表面上分布有包含尖角的凸起。
进一步地，所述凸起呈螺旋状的线型结构连续布设在所述针体的表面。
进一步地，所述凸起呈环形并轴向分布在所述针体的表面。
进一步地，所述凸起呈直线型并径向分布在所述针体的表面。
本发明还提供一种具有上述新型电晕针的新型电晕组件，包括所述新型电晕针和接地电极。
本发明还提供一种具有上述新型电晕针的离子迁移谱仪，包括从前往后依次设置的电离区、迁移区和采集区，所述电离区和迁移区之间设有离子门；所述电离区内设有接地电极，所述新型电晕针设于所述接地电极的中轴线上并平行于所述电离区的中心轴，所述新型电晕针接高压，所述接地电极接地。
进一步地，所述电离区还包括有前端板、推斥电极、电离室、载气入口、迁移气出口，所述前端板设于所述电离区的前端，推斥电极设置于所述前端板的后方，载气入口设置在电离区的侧壁上并且其中心轴垂直于电离区的中心轴，迁移气出口设置于前端板上并且其中心轴与电离区的中心轴平行。
进一步地，所述迁移区包括迁移管和柔性加热片，柔性加热片设于在迁移管的外壁上；所述迁移管包括第一绝缘管，所述第一绝缘管的内壁的中部设有第一电阻涂层，第一电阻涂层的前方和后方均设有第一导电涂层，前方和后方的第一导电涂层分别延伸至第一绝缘管的前端壁的内壁和外壁与后端壁的内壁和外壁，且第一电阻涂层和第一导电涂层相互接触。
更进一步地，所述电离室包括第二绝缘管，所述第二绝缘管的内壁的中部设有第二电阻涂层，第二电阻涂层的前方和后方均设有第二导电涂层，前方和后方的第二导电涂层分别延伸至第二绝缘管的前端壁的内壁和外壁与后端壁的内壁和外壁，且第二电阻涂层和第二导电涂层相互接触。
进一步地，所述采集区包括屏蔽栅网、采集室、法拉第盘、迁移气入口、后端板；所述屏蔽栅网设置在采集区的前端，所述法拉第盘设置在采集区的内部，与采集区同轴；所述后端板设于所述采集区的后端；所述迁移气入口设置于后端板上，其中心轴与采集区的中心轴平行。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的电晕针结构就可以使得放电面积得到有效增加，能够在电晕放电时产生更多的离子，在有效地增加反应离子的数量、提高离子迁移谱的峰值的同时能够保证一致性，克服现有的电晕针结构对针尖部分要求较高、难以实现从而影响放电的缺陷；
2、本发明的离子迁移谱仪中，迁移管采用包含电阻涂层和导电涂层的绝缘管，省略了金属环电极的使用，大大增加了迁移区电场的均匀性，提高了检测质量。
综上所述，本发明提供的电晕针结构和离子迁移谱仪更有利于提高离子迁移管的分辨率和灵敏度，同时可以有效地提高离子源的使用寿命，将寿命延长至5-10年。
附图说明
图1为本发明实施例1中新型电晕针的第一种实现结构；其中，（a）为新型电晕针的总体示意图，（b）为（a）的横向剖面图；
图2为本发明实施例1中新型电晕针的第二种实现结构；其中，（a）为新型电晕针的总体示意图，（b）为（a）的横向剖面图；
图3为本发明实施例1中新型电晕针的第三种实现结构；其中，（a）为新型电晕针的总体示意图，（b）为（a）的横向剖面图；
图4为本发明实施例2中离子迁移谱仪的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
实施例1
本实施例提供一种新型电晕针，包括针体403，所述针体403的侧表面上分布有包含尖角402的凸起401。
所述凸起401可以呈螺旋状的线型结构连续布设在所述针体403的表面，如图1所示；可以呈环形并轴向分布在所述针体403的表面，如图2所示；可以呈直线型并径向分布在所述针体403的表面，如图3所示。
进一步地，如图1-3所示，所述新型电晕针的最大外径D为20微米-200微米，优选为80微米；
所述新型电晕针的总轴向长度A为20毫米-200毫米，优选为100毫米；
所述新型电晕针上分布有凸起的部分的总长度（即有效长度）B为5毫米-150毫米，优选为50毫米；
当采用如图1所示的呈螺旋状的线型结构分布方式时，所述新型电晕针上每节凸起的尖端之间的节距P为0.2毫米-10毫米，优选为2毫米；当采用如图2所述的呈环形并轴向分布的方式时，每节凸起的最大高度为0.2毫米-10毫米，优选为2毫米；当采用如图3所示的呈直线型并径向分布的方式时，每节凸起的最大横向长度为0.2毫米-10毫米，优选为2毫米。
所述凸起的尖角的角度α为45°-90°，优选为60°。
进一步地，所述新型电晕针可以选用铂、铂合金、钯、金、铱、钨、铂锗合金等材料制成。
当电晕针的表面由于杂质、样品污染而覆盖上一层氧化层时，可以通过通电来消除氧化层，通电发热可促进氧化层的挥发或进一步氧化从而到达消除氧化层的目的，延长电晕针的使用寿命。
实施例2
本实施例提供一种新型电晕组件，包括接地电极和如实施例1所述的新型电晕针，所述接地电极采用板状、针状、网状、环状或筒状结构，与所述新型电晕针形成针-板、针-针、针-网、针-环或针-筒结构。
实施例3
本实施例提供一种具有实施例1所述新型电晕针的离子迁移谱仪，如图4所示，包括从前往后依次设置的电离区100、迁移区200和采集区300，所述电离区100和迁移区200之间设有离子门8；所述电离区100内设有接地电极5，所述新型电晕针4设于所述接地电极5的中轴线上并平行于所述电离区100的中心轴，所述新型电晕针4接高压，所述接地电极5接地。
所述离子迁移谱仪的工作原理在于：
当离子迁移谱仪不工作时，新型电晕针上不施加电压，新型电晕针和接地电极处于等电位。工作时，在新型电晕针上施加脉冲幅度为3kv-8kv的正脉冲电压或负脉冲电压，分别在新型电晕针和接地电极之间形成正脉冲电晕或负脉冲电晕，并与空气中的分子((02, H20 , N2)发生反应，形成大量的反应离子((02 -，(H20) H+, NO+及其水合物)，待测样品与这些反应离子在电离区内进行充分的电荷交换后，形成的样品离子汇集至离子门前端，在离子门打开后进入迁移区，在迁移电场的作用下到达采集区，根据飞行时间的不同，形成不同的迁移谱图，从而达到鉴别物质的目的。
在本实施例中，如图4所示，所述接地电极5呈筒状，所述新型电晕针4的后端从电离区的前端伸入接地电极，其位于所述接地电极5的中轴线上并平行于所述电离区100的中心轴。
在本实施例中，所述电离区100还包括有前端板1、推斥电极2、电离室3、载气入口6、迁移气出口7，所述前端板1设于所述电离区的前端，推斥电极2设置于所述前端板的后方，载气入口6设置在电离区的侧壁上并且其中心轴垂直于电离区的中心轴，迁移气出口7设置于前端板1上并且其中心轴与电离区的中心轴平行。
在本实施例中，所述迁移区200包括迁移管9和柔性加热片10，柔性加热片10设于在迁移管9的外壁上，可以对迁移管9直接进行加热；所述迁移管9包括第一绝缘管，所述第一绝缘管的内壁的中部设有第一电阻涂层92，第一电阻涂层92的前方和后方均设有第一导电涂层91，前方和后方的第一导电涂层91分别延伸至第一绝缘管的前端壁的内壁和外壁与后端壁的内壁和外壁，且第一电阻涂层92和第一导电涂层91相互接触。所述第一导电涂层用于对迁移管加载高压，第一电阻涂层和第一导电涂层共同形成均匀的迁移电场。
更进一步地，第一绝缘管的材料采用耐高温绝缘材料，包括但不限于：陶瓷、玻璃、PEEK、高分子聚合物。
更进一步地，所述第一电阻涂层的阻值为50-500MΩ，优选为100 MΩ。
在本实施例中，所述电离室3与迁移管的结构类似，包括第二绝缘管，所述第二绝缘管的内壁的中部设有第二电阻涂层32，第二电阻涂层32的前方和后方均设有第二导电涂层31，前方和后方的第二导电涂层31分别延伸至第二绝缘管的前端壁的内壁和外壁与后端壁的内壁和外壁，且第二电阻涂层32和第二导电涂层31相互接触。用于在电离区内形成区域电场。
在本实施例中，所述采集区300包括屏蔽栅网11、采集室12、法拉第盘13、迁移气入口14、后端板15；所述屏蔽栅网11设置在采集区的前端，能减小离子向法拉第盘运动时产生的感应电流的影响，也阻隔了其它高频噪声对离子电流信号的影响，保证离子信号不失真；所述法拉第盘13设置在采集区的内部，与采集区同轴，采用凸形曲面，能够有效解决增大法拉第盘面积带来信号增强而半峰宽也增加的问题，提高了离子的接收效率，改善了仪器的灵敏度和分辨率；所述后端板15设于所述采集区的后端；所述迁移气入口14设置于后端板15上，其中心轴与采集区的中心轴平行。
各个部件通过机械组装或无机粘接剂封装，构成线性电场及圆柱形气流通道，实现了离子迁移管的一体化、微型化。
实施例4
本实施例提供一种利用实施例2所述的离子迁移谱仪的方法，具体为：
将离子迁移谱仪加热至工作温度并稳定后，待测样品通过进样器加热气化，在载气的携带下，通过载气入口进入离子迁移谱仪的电离区；
在新型电晕针上施加脉冲幅度为3kv-8kv的正脉冲电压或负脉冲电压，分别在新型电晕针和接地电极之间形成正脉冲电晕或负脉冲电晕，将待测样品分子电离，并在电离区的电场中聚集到离子门前端；
未电离的样品分子在迁移气的携带下，通过迁移气出口排出离子迁移谱仪，电离的样品离子通过脉冲电压控制开启的离子门进入迁移区，在迁移区中根据其迁移率的不同得到分离，最后到达采集区的法拉第盘；
由法拉第盘所接收的离子信号经信号放大器传送给信号采集与处理系统，得到样品的谱图，进行样品成分的检测分析。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种具有新型电晕针的离子迁移谱仪，其特征在于，所述新型电晕针包括针体，所述针体（403）的侧表面上分布有包含尖角（402）的凸起（401）；
所述离子迁移谱仪包括从前往后依次设置的电离区（100）、迁移区（200）和采集区（300），所述电离区（100）和迁移区（200）之间设有离子门（8）；所述电离区（100）内设有接地电极（5），新型电晕针（4）设于所述接地电极的中轴线上并平行于所述电离区（100）的中心轴，所述新型电晕针接高压，所述接地电极接地；
所述迁移区（200）包括迁移管（9）和柔性加热片（10），柔性加热片（10）设于在迁移管（9）的外壁上；所述迁移管（9）包括第一绝缘管，所述第一绝缘管的内壁的中部设有第一电阻涂层（92），第一电阻涂层（92）的前方和后方均设有第一导电涂层（91），前方和后方的第一导电涂层（91）分别延伸至第一绝缘管的前端壁的内壁和外壁与后端壁的内壁和外壁，且第一电阻涂层（92）和第一导电涂层（91）相互接触；
所述电离区（100）还包括有前端板（1）、推斥电极（2）、电离室（3）、载气入口（6）、迁移气出口（7），所述前端板（1）设于所述电离区的前端，推斥电极（2）设置于所述前端板的后方，载气入口（6）设置在电离区的侧壁上并且其中心轴垂直于电离区的中心轴，迁移气出口（7）设置于前端板（1）上并且其中心轴与电离区的中心轴平行；
所述电离室（3）包括第二绝缘管，所述第二绝缘管的内壁的中部设有第二电阻涂层（32），第二电阻涂层（32）的前方和后方均设有第二导电涂层（31），前方和后方的第二导电涂层（31）分别延伸至第二绝缘管的前端壁的内壁和外壁与后端壁的内壁和外壁，且第二电阻涂层（32）和第二导电涂层（31）相互接触。
2.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述采集区（300）包括屏蔽栅网（11）、采集室（12）、法拉第盘（13）、迁移气入口（14）、后端板（15）；所述屏蔽栅网（11）设置在采集区的前端，所述法拉第盘（13）设置在采集区的内部，与采集区同轴；所述后端板（15）设于所述采集区的后端；所述迁移气入口（14）设置于后端板（15）上，其中心轴与采集区的中心轴平行。
3.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述凸起（401）呈螺旋状的线型结构连续布设在所述针体（403）的表面。
4.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述凸起（401）呈环形并轴向分布在所述针体（403）的表面。
5.根据权利要求1所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述凸起（401）呈直线型并径向分布在所述针体（403）的表面。
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