CN111474286A - 电介质阻挡放电离子化检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种BID，具备：放电部，具有由电介质构成的电介质管，在电介质管的外壁安装有一对电极，一对电极在沿电介质管的管轴的方向上相互隔开间隔地配置，从电介质管的第1端导入等离子体生成气体，在电介质管的内部产生电介质阻挡放电并生成等离子体；检测部，具有用于导入试样气体的试样气体导入部以及用于收集离子的收集电极，利用从放电部中生成的等离子体发出的光使试样气体中的成分离子化，并通过收集电极收集生成的离子来进行检测；电压施加部，在一对电极间产生电位差，电压施加部具备交流电源及电路部，电路部构成为连接至交流电源，使一对电极各自的电位变动，以使一对电极间的电位差周期性地达到规定的最大电位差。

Description

电介质阻挡放电离子化检测器
技术领域
本发明涉及电介质阻挡放电离子化检测器。
背景技术
作为气相色谱仪用的检测器，利用了由电介质阻挡放电等离子体实现的离子化的电介质阻挡放电离子化检测器(Dielectric Barrier Discharge Ionization Detector；以下称BID)已经投入实际使用(参照专利文献1)。BID通过利用电极表面被电介质覆盖的电介质阻挡放电，生成如利用金属电极的情况那样的热电子以及二次电子等的放出较少的、或者由于低频高压电源使中性气体温度非常低(几乎不发热)的非平衡等离子体，从而能够抑制由于内壁材料的加热而产生的杂质气体，形成稳定性高的放电状态，实现高SN比。
专利文献1中公开的BID大致由放电部与设置在其下方的电荷收集部构成。在放电部中，通过将低频的交流高电压施加至与由石英玻璃等电介质构成的管(电介质管)围绕相接的高压电极以及接地电极之间，使被供给至电介质管的管路内的惰性气体电离从而形成大气压非平衡等离子体。而且，通过从该等离子体发出的光(真空紫外光)或激发物等的作用，使被导入至电荷收集部内的试样气体中的试样成分离子化，并通过收集电极收集生成的离子，从而将试样气体中的成分量作为电荷进行检测。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2018-040718号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在BID中，为了得到良好的SN比，需要在放电部的高压电极与接地电极之间稳定地进行放电。然而，根据放电时的条件，放电可能会扩展到超出高压电极与接地电极之间的范围，甚至可能会到达连接至电介质管的端部的金属制连接部件。放电范围扩大的原因是由于在电介质管的内壁表面的沿面放电。
在产生沿面放电并且放电范围到达电介质管的连接部件的情况下，结果成为不稳定的放电，使SN比恶化。因此，需要使电介质管的长度充分地变长来充分确保电介质管的端部的连接部件与放电用电极之间的距离，以使放电范围不到达电介质管的端部的连接部件。然而，这样一来，检测器整体呈现大型化的倾向，难以实现检测器的小型化。此外，如果电介质管的端部与放电用电极之间的距离变长，则从产生放电的位置到电荷收集部的距离变长，来自等离子体的光变得难以到达试样成分，因此无法得到高检测灵敏度。
本发明鉴于上述问题而完成，其目的在于使电介质管内的沿面放电难以产生，并抑制检测器的大型化。
用于解决上述技术问题的方案
本发明的BID具备：放电部，具有由电介质构成的电介质管，在所述电介质管的外壁安装有一对电极，所述一对电极在沿所述电介质管的管轴的方向上相互隔开间隔地配置，从所述电介质管的第1端导入等离子体生成气体，在所述电介质管的内部产生电介质阻挡放电并生成等离子体；检测部，具有用于导入试样气体的试样气体导入部以及用于收集离子的收集电极，利用从所述放电部中生成的等离子体发出的光，使所述试样气体中的成分离子化，通过所述收集电极收集生成的离子从而进行检测；电压施加部，在所述一对电极之间产生电位差。所述电压施加部具备交流电源以及电路部，所述电路部构成为电连接至所述交流电源，使所述一对电极的各自的电位变动，以使所述一对电极之间的电位差周期性地达到规定的最大电位差。
在安装至电介质管的外壁的相互成对的电极之中的其中一个接地的情况下，为了在电介质管内产生电介质阻挡放电，需要使不接地的放电用电极的电位变高或变低，从而产生在相互成对的电极之间放电所需的大小的电位差。这样一来，电介质管的端部的连接部件(电位为零)与电极之间的电位差变大，在电介质管内变得容易产生沿面放电。另一方面，为了在电介质管内产生电介质阻挡放电，不需要仅使相互成对的电极之中的其中一个的电位极端地变高或变低，只要产生在成对的电极之间放电所需的大小的电位差即可。即，如果使其中一个电极的电位为正而另一个电极的电位为负，则与将任一个电极接地的情况相比，能够使电极与接地电位之间的电位差变小的同时使两电极间的电位差变大。
发明效果
在本发明的BID中，构成为使安装至放电部的电介质管的外壁的一对电极各自的电位变动，同时使所述一对电极之间的电位差周期性地达到规定的最大电位差，因此与使任一个电极接地的情况相比，施加在一对电极间放电所需的电位差时的电介质管的端部的连接部件与电极之间的电位差变小。由此，沿面放电变得难以产生，所以不需要使电极与电介质管的端部之间的距离变长，从而能够抑制检测器的大型化。
附图说明
图1是示出BID的一实施例的概略构成图。
图2是示出BID的另一实施例的概略构成图。
图3是为验证由BID的实施例的构成产生的效果，示出使安装至电介质管的一对电极之中的其中一个接地的比较例的构成的概略构成图。
图4A是示出比较例中在一对电极间施加5.7kV的电压时的电介质管内的放电状态的图像。
图4B是示出比较例中在一对电极间施加7.5kV的电压时的电介质管内的放电状态的图像。
图4C是示出图1的实施例中在一对电极间施加5.8kV的电压时的电介质管内的放电状态的图像。
具体实施方式
以下,对BID的实施方式，参照附图进行说明。另外，以下说明的实施方式仅是用于实现本发明的构成的例示，本发明不限定于此。
图1示出BID的一实施例。该实施例的BID主要具备放电部2、检测部4以及电压施加部6，在放电部2中由电介质阻挡放电产生等离子体，通过从该等离子体发出的激发光使检测部4内的试样气体中的成分离子化，通过设置在检测部4的收集电极26收集生成的离子从而进行检测。
放电部2具备由石英玻璃等电介质构成的电介质管8。在电介质管8的外壁安装有一对电极14、16，在电介质管8的第1端(在图中为上端)安装有连接部件10。一对电极14、16相对于电介质管8以包围电介质管8的外周面的方式，在沿电介质管8的管轴的方向上相互隔开间隔来安装。在连接部件10流体地连接有用于供给含有氦、氩等的等离子体生成气体的等离子体生成气体用管路12，以使等离子体生成气体从电介质管8的第1端供给至电介质管8内。
检测部4为连结至放电部2的电介质管8的第2端(在图中为下端)的中空管状的部位，具备利用来自放电部2的激发光用于使试样气体中的成分离子化的内部空间。检测部4具备连接管路18、偏压电极22、收集电极26以及末端部件30。连接部件18连接至电介质管8的第2端，偏压电极22设置为在其与连接部件18之间夹着绝缘部件20。收集电极26被设为在其与偏压电极22之间夹着绝缘部件24，末端部件30被设为在其与收集电极26之间夹着绝缘部件28。在连接部件18以及末端部件30分别连接有用于排出检测部4的内部空间的等离子体生成气体以及试样气体的管路32以及34。用于导入试样气体的试样气体导入管31(试样气体导入部)从末端部件30的底面插入检测部4内。
电压施加部6由交流电源36与电路部构成。电路部构成为使安装至放电部2的电介质管8的一对电极14、16各自的电位变动，同时使一对电极14、16间的电位差周期性地达到规定的最大电位差。
电压施加部6的电路部具备第1升压变压器38以及第2升压变压器40。第1升压变压器38的初级侧线圈与第2升压变压器40的初级侧线圈相互并联地连接至交流电源36。第1升压变压器38的次级侧线圈的第1端(以下称H端)电连接至电极14，第2升压变压器40的次级侧线圈的第2端(以下称L端)电连接至电极16。第1升压变压器38的次级侧线圈的第2端(以下称L端)与第2升压变压器40的次级侧线圈的第1端(以下称H端)均接地。
将第1升压变压器38的升压倍率设为m，第2升压变压器40的升压倍率设为n。若从交流电源36输出振幅V的交流电压，则在第1升压变压器38的次级侧线圈的H端与L端之间产生振幅mV的交流高电压，在第2升压变压器40的次级侧线圈的H端与L端之间产生振幅nV的交流高电压。由于第1升压变压器38的次级侧线圈的L端与第2升压变压器40的次级侧线圈的H端均接地，因此在第1升压变压器38的次级侧线圈产生的交流高电压与在第2升压变压器40的次级侧线圈产生的交流高电压具有相位相互反转(相位相互错开180度)的波形。
通过上述的构成，在一对电极14、16之间周期性地产生大小为(m+n)V的最大电位差。因此，只要以使最大电位差(m+n)V比在两电极14、16间产生电介质阻挡放电所需的电位差(放电开始电圧)更高的方式设定V、m以及n即可。另一方面，由于施加到各个电极14、16的交流高电压的振幅分别为mV、nV，因此各个电极14、16与电介质管8的两端的连接部件10以及18(电位为0)之间的最大电位差变得比放电开始电圧更低。由此，即使将各个电极14、16与电介质管8的两端的连接部件10以及18的距离变短，也难以产生从电极14、16向连接部件10以及18的沿面放电，从而能够稳定地产生电介质阻挡放电。进而，能够使产生放电的位置与检测部4之间的距离变短，因此能够实现检测灵敏度的提高。
在此，通过将第1升压变压器38的升压倍率m与第2升压变压器40的升压倍率n的关系设为m＝n，能够使电极14以及16与接地电位之间的最大电位差最小，从而能够高效地抑制沿面放电。另外，不一定必须是m＝n。
如上所述，在该实施方式中，通过使产生电介质阻挡放电所需的大小的最大电位差在一对电极14、16间周期性地产生，且将电极14、16与接地电位的最大电位差抑制得较低，从而抑制沿面放电的产生。在图1的实施例中，使用2个升压变压器38、40实现了那样的作用效果，但本发明不限定于这样的构成。如图2所示，也能够仅使用1个升压变压器38实现同样的作用效果。
如图2所示的实施例，电压施加部6’具备交流电源36与具有1个升压变压器38的电路部。电压施加部6’的升压变压器38的次级侧线圈的两端分别电连接至电极14、16。若从交流电源36输出振幅V的交流电压，则通过升压倍率为m的升压变压器38，使振幅mV的交流高电压被施加至一对电极14、16间。即，在一对电极14、16间周期性地产生mV的最大电位差。
另一方面，由于升压变压器38的次级侧线圈的H端、L端均未接地，所以即使在次级侧线圈的两端产生电位差，也没有电流泄露至地面的路径，能够始终保持次级侧线圈与放电电极整体的电中性。因此，升压变压器38的次级侧线圈的H端与L端的合计电位始终为0。即，电极14与16的电位的相位始终相互反转，电极14、16的电位波形均具有振幅mV/2。因此，电极14、16与接地电位的最大电位差变得比放电产生电压更小，从而能够得到沿面放电的抑制效果。
如图3所示，考虑BID为如下的构成：使连接至交流电源36的升压变压器38的次级侧线圈的H端连接至电极14，并使L端与电极16都接地。在这样的构成中，若从交流电源36输出振幅V的交流电压，则振幅mV的交流高电压被施加至电极14、16间。另一方面，由于电极16接地并且电极16的电位始终为0，所以电极14的电位的波形具有振幅mV。即，电极14与接地电位的最大电位差成为与放电产生电压相同的大小。
图4A以及图4B是示出使用图3的构成时的放电状态的验证结果的图像，图4C是示出使用图1的构成时的放电状态的验证结果的图像。
在图4A的验证中，在图3的升压变压器38的两端产生振幅5.7kV的交流高电压，由此在电极14与接地电位之间产生最大为5.7kV的电位差。因此，可以看出放电范围扩展到比电极14、16更宽的范围。在图4B的验证中，使在升压变压器38的两端产生的交流高电压的振幅提高至7.5kV，由此可以看出放电范围到达电介质管8的端部。
对比而言，如图4C所示，若在图1的第1升压变压器38、第2升压变压器40各自的两端产生振幅2.9kV的交流高电压，则在电极14与16之间周期性地产生最大电位差5.8kV,在电极14与16之间稳定地产生电介质阻挡放电。由于电极14、16与接地电位的最大电位差为2.9kV，比放电开始电圧小，所以可知放电范围停留在电极14与16之间的范围内。
在以上说明的实施方式中，对在电介质管8的外壁仅安装有一对电极14、16的构成进行了说明，但本发明不限定于此，只要设置有1组以上相互成对的电极即可。
本发明的BID的一实施方式具备：放电部，具有由电介质构成的电介质管，在所述电介质管的外壁至少安装有一对电极，所述一对电极在沿所述电介质管的管轴的方向上相互隔开间隔地配置，从所述电介质管的第1端导入等离子体生成气体，在所述电介质管的内部产生电介质阻挡放电从而生成等离子体；检测部，具有用于导入试样气体的试样气体导入部以及用于收集离子的收集电极，利用从所述放电部中生成的等离子体发出的光，使所述试样气体中的成分离子化，通过所述收集电极收集生成的离子从而进行检测；电压施加部，在所述一对电极之间产生电位差，所述电压施加部具备交流电源以及电路部，所述电路部构成为使所述一对电极各自的电位变动，以使所述一对电极之间的电位差周期性地达到规定的最大电位差。
在上述实施方式中，能够列举所述电压施加部相对于所述一对电极分别施加相位相互反转的电位的方案1。这样一来，不需要使一对电极与接地电位的最大电位差变大，就能够使一对电极间的最大电位差变大，从而能够有效抑制沿面放电。
作为上述方案1的所述电压施加部的所述电路部的构成的一例，能够列举如下构成：具备使从所述交流电源施加的电压升压的第1升压变压器以及第2升压变压器，所述第1升压变压器的初级侧线圈与所述第2升压变压器的初级侧线圈相互并联地连接至所述交流电源，所述第1升压变压器的次级侧线圈的第2端与所述第2升压变压器的次级侧线圈的第1端均接地，以使所述第1升压变压器的次级侧线圈的第1端与所述第2升压变压器的次级侧线圈的第2端始终成为相位相互反转的电位，所述第1升压变压器的次级侧线圈的第1端连接至所述一对电极的其中一个，所述第2升压变压器的次级侧线圈的第2端连接至所述一对电极的另一个。
在上述电路部的构成中，所述第1升压变压器的升压倍率与所述第2升压变压器的升压倍率可以是相同的。这样一来，能够使一对电极各自与接地电位的最大电位差保持在最低限度，能够有效抑制沿面放电。
此外，作为上述方案1的电压施加部的所述电路部的其他例子，能够列举如下构成：具有使从所述交流电源施加的电压升压的升压变压器，所述升压变压器的次级侧线圈的第1端连接至所述一对电极的其中一个，所述次级侧线圈的第2端连接至所述一对电极的另一个。
附图标记说明
2 放电部
4 检测部
6、6’ 电压施加部
8 电介质管
10、18 连接部件
12、32、34 管路
14、16 电极
20、24、28 绝缘部件
22 偏压电极
26 收集电极
30 末端部件
31 试样导入管
36 交流电源
38、40 升压变压器。

Claims (5)

1.一种电介质阻挡放电离子化检测器，其特征在于，具备：
放电部，具有电介质管，在所述电介质管的外壁安装有一对电极，所述一对电极在沿所述电介质管的管轴的方向上相互隔开间隔地配置，从所述电介质管的第1端导入等离子体生成气体，在所述电介质管的内部产生电介质阻挡放电并生成等离子体；
检测部，具有用于导入试样气体的试样气体导入部以及用于收集离子的收集电极，利用从所述放电部中生成的等离子体发出的光，使所述试样气体中的成分离子化，通过所述收集电极收集生成的离子从而进行检测；
电压施加部，在所述一对电极之间产生电位差，
所述电压施加部具备交流电源以及电路部，所述电路部构成为连接至所述交流电源，使所述一对电极各自的电位变动，以使所述一对电极之间的电位差周期性地达到规定的最大电位差。
2.如权利要求1所述的电介质阻挡放电离子化检测器，其特征在于，
所述电压施加部相对于所述一对电极分别施加相位相互反转的电位。
3.如权利要求2所述的电介质阻挡放电离子化检测器，其特征在于，
所述电压施加部的所述电路部具备使从所述交流电源施加的电压升压的第1升压变压器以及第2升压变压器，所述第1升压变压器的初级侧线圈与所述第2升压变压器的初级侧线圈相互并联地连接至所述交流电源，所述第1升压变压器的次级侧线圈的第2端与所述第2升压变压器的次级侧线圈的第1端接地，以使所述第1升压变压器的次级侧线圈的第1端与所述第2升压变压器的次级侧线圈的第2端始终成为相位相互反转的电位，所述第1升压变压器的次级侧线圈的第1端连接至所述一对电极中的一个，所述第2升压变压器的次级侧线圈的第2端连接至所述一对电极中的另一个。
4.如权利要求3所述的电介质阻挡放电离子化检测器，其特征在于，
所述第1升压变压器的升压倍率与所述第2升压变压器的升压倍率相同。
5.如权利要求2所述的电介质阻挡放电离子化检测器，其特征在于，
所述电压施加部的所述电路部具有使从所述交流电源施加的电压升压的升压变压器，所述升压变压器的次级侧线圈的第1端连接至所述一对电极中的一个，所述次级侧线圈的第2端连接至所述一对电极中的另一个。
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