CN112768341A - 一种多窗口紫外灯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多窗口紫外灯及其制备方法，涉及光离子化气体检测技术领域。该多窗口紫外灯包括：玻璃腔体、激励电极和N个紫外窗口，玻璃腔体包括N个开口，每个紫外窗口分别一一对应设置在玻璃腔体的开口处，玻璃腔体内填充有工作气体，激励电极设置在玻璃腔体的外壁，激励电极用于通电后激活玻璃腔体内的工作气体产生紫外光，并通过每个紫外窗口使被测气体分子离子化，其中，N＞1。本方案适用于气体检测设备的待测气体光离子化，相比于传统的多紫外灯方案，提高了光源的一致性，降低了能耗，减少了对应的多套驱动电路，从灯和电路上减少了设备必要的体积与重量。

Description

一种多窗口紫外灯及其制备方法

技术领域

本发明涉及光离子化气体检测技术领域，尤其涉及多窗口紫外灯及其制备方法。

背景技术

真空紫外灯是一类可以高效产生有效紫外紫外光的光源，常被用于离子化气体，对气体的性质和浓度进行检测。例如光离子化检测器，由真空紫外灯和电离室构成。其工作原理是：待测气体吸收紫外灯发射的高于气体分子电离能的光子，产生成离子化，在外加电场的作用下带电粒子偏移形成微弱电流。产生的微弱电流一般通过使用大电阻转换为可以方便测量的电压值。由于被测气体浓度与光离子化电流在一定范围内成线性关系，因此，通过检测光离子化检测器的响应值便可得知被检测气体的浓度，从而确定被测气体是否存在或者超标。

目前较为方便的紫外光获取方法为通过激发一定浓度的稀有气体产生等离子发射来实现，传统的真空紫外灯的封装方式如图1所示，其中，玻璃腔体1为圆柱形玻璃腔体，玻璃腔体1与紫外窗口2采用低温玻璃粉等物质粘结，气体吸附剂3可以选择性地放入，随后在以工作气体为主的稀有气体低压环境下将玻璃腔体1的另一端加热熔融通过拉力封闭，形成图1所示的圆锥体封口，最后将驱动电极4安装在玻璃腔体1外侧，形成可工作的真空紫外灯。

然而，传统的真空紫外灯只有一个紫外窗口可以透过紫外光并利用，如果需要多个紫外灯一同使用，由于不同紫外灯的激励电极接触紧密度、激发电压、气体种类、气体浓度、纯度和窗口洁净程度等各个方面均存在不可控的生产差异，在使用过程中不同紫外灯体的漏气等衰减速度也不同，因而联用时存在诸多初始的匹配问题和校准问题，导致多个紫外灯的一致性较差，并在后期可能存在额外维护问题。此外，独立使用多个紫外灯不仅体积大，而且需要额外的多组驱动电路，也增加了设备的重量与体积。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种多窗口紫外灯及其制备方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种多窗口紫外灯，包括：玻璃腔体、激励电极和N个紫外窗口，所述玻璃腔体包括N个开口，每个所述紫外窗口分别一一对应设置在所述玻璃腔体的开口处，所述玻璃腔体内填充有工作气体，所述激励电极设置在所述玻璃腔体的外壁，所述激励电极用于通电后激活所述玻璃腔体内的工作气体产生紫外光，并通过每个紫外窗口使被测气体分子离子化，其中，N＞1。

本方案提供的多窗口紫外灯，适用于气体检测设备的待测气体光离子化，通过在玻璃腔体的每个开口处分别设置紫外窗口，使用一个封闭的工作气体产生紫外光，能够使每个紫外窗口的光强同步保持一致，并且相比于传统的多紫外灯方案，提高了光源的一致性，后续还可以使用不同的材料制备紫外窗口，从而根据设置选择性地使不同波长的紫外光通过，实现了在不增加灯数量的情况下实现同时使用多个波长，此外，由于本方案只驱动一个光源，降低了能耗，减少了对应的多套驱动电路，从灯和电路上减少了设备必要的体积与重量。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：

一种多窗口紫外灯的制备方法，包括：

使用预设粘结方法将N-1个紫外窗口分别粘结在玻璃腔体的开口处；

将粘结有N-1个紫外窗口的玻璃腔体放入封闭环境中，向所述封闭环境中填充工作气体，并在保持所述工作气体的环境中使用所述预设粘结方法将剩余的一个紫外窗口粘结在所述玻璃腔体剩余的开口处，使所述玻璃腔体内填充有所述工作气体，并使工作气体密封；

在所述玻璃腔体的外壁安装激励电极。

本方案提供的多窗口紫外灯制备方法，能够便捷地实现多窗口紫外灯的制备，制备的紫外灯适用于气体检测设备的待测气体光离子化，通过在玻璃腔体的每个开口处分别设置紫外窗口，使用一个封闭的工作气体产生紫外光，能够使每个紫外窗口的光强同步保持一致，并且相比于传统的多紫外灯方案，提高了光源的一致性，后续还可以使用不同的材料制备紫外窗口，从而根据设置选择性地使不同波长的紫外光通过，实现了在不增加灯数量的情况下实现同时使用多个波长，此外，由于本方案只驱动一个光源，降低了能耗，减少了对应的多套驱动电路，从灯和电路上减少了设备必要的体积与重量。

本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：

一种气体检测设备，包括如上述技术方案所述的多窗口紫外灯。

本发明提供的气体检测设备，由于使用了多窗口紫外灯，因此光源的一致性较好，能够对气体进行更为精准的离化控制，从而使得最终的检测结果更为准确，并且由于只驱动一个光源，降低了能耗，减少了对应的多套驱动电路，从灯和电路上减少了设备必要的体积与重量。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为现有技术的单窗口紫外灯的结构示意图；

图2为本发明多窗口紫外灯的实施例提供的一种结构示意图；

图3为本发明多窗口紫外灯的实施例提供的另一种结构示意图；

图4为本发明多窗口紫外灯的实施例提供的又一种结构示意图；

图5为本发明多窗口紫外灯的制备方法的实施例提供的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

紫外灯常用于紫外光电离方法，紫外光电离方法离子化过程稳定，受到环境湿度、污染等因素干扰较小，且具有驱动电路体积小等优点，受到了广泛研究。

下面以离子迁移谱法为例对离化过程进行说明。

离子迁移谱是一种离子化被检测气态物质并通过测定这种离子在特定电场作用下的迁移时间来确定被测物种种类的检测方法。由于被检测物质的得失电子倾向不同，不同的被测物质可以被紫外光离子化形成正离子和电子，也可以通过紫外光激发金属镀膜产生光电效应，这些低能量电子与氧气分子结合形成O₂ ^-等带负电性的离子，被检测气体分子与之结合形成负离子，完成离子化过程。这些正、负产物离子在不同方向电场的作用下，通过周期性开启的离子门进入迁移区。为了防止生成的被测物离子与其他电性相反的离子复合成为中性分子，在离子化区中存在电场，将需要被检测的气体移动到离子门前，并使其他电性的离子远离离子门。当离子门开启后，在迁移区中离子一方面从电场获得能量作定向漂移，另一方面与逆向流动的中性迁移气体分子不断碰撞而损失能量，由于这些产物离子的质量、所带电荷、碰撞截面和空间构型各不相同，故在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子到达探测器上的时间不同，从而得到分离。为了同检测可能生成正离子和负离子的气体，一部分离子迁移谱设备使用双离化区与迁移区设计，因此需要至少两个光离子化光源。

而目前，对于需要多个紫外灯及进行离化的场景，通常使用多个紫外灯串联的方法，这就容易导致多个紫外灯之间存在一致性差等问题，基于此，本专利提出了一种多窗口紫外灯及其制备方法，以及包含该多窗口紫外灯的气体离化设备。多窗口紫外灯的每个紫外窗口朝向一个离化区，可以在仅使用同一个光源的情况下实现同时离化被检测物。

需要说明的是，紫外窗口的数量可以根据实际需求设置，例如，单灯体双紫外窗口的紫外灯的具体的设计结构可以参考图2，单灯体三紫外窗口的紫外灯的具体的设计结构可以参考图3，单灯体四紫外窗口的紫外灯的具体的设计结构可以参考图4，应理解，这些紫外灯都是单灯体，其区别只是开口数量不同，下面以双窗口紫外灯为例进行说明，其他结构同理，不再赘述。

如图2所示，为示例性的双窗口紫外灯的实施例提供的结构示意图，该双窗口紫外灯包括：玻璃腔体1、第一紫外窗口2、第二紫外窗口3和激励电极4，第一紫外窗口2和第二紫外窗口3分别设置在玻璃腔体1的两端，玻璃腔体1内填充有工作气体，激励电极4设置在玻璃腔体1的外壁，激励电极4用于通电后激活玻璃腔体1内的工作气体产生紫外光，并通过每个紫外窗口使被测气体分子离子化。

玻璃腔体1外壁的激励电极4通电后可以激发充有工作气体的紫外灯管发出一定强度的紫外光。该紫外光可以电离光源附近的部分有机与无机气体分子，产生离子。

随着光离子化的发生，产生的离子可以通过光源附近的正负电极片进行收集，产生微弱电流。该电流经过放大电路放大，最终产生一个低阻电压信号的模拟输出，从而完成对气体分子的检测，紫外光激发产生的气体分子离子与气体分子的浓度近似成正比，因为在已知气体种类的情况下，可以确定气体分子的浓度。

可选地，紫外窗口可以采用LiF、MgF₂或CaF₂等真空紫外光可穿透材料。激励电极4可采用Cu、Au等金属镀层。工作气体可以为Kr、Xe等稀有气体。

可选地，每个紫外窗口的材料可以根据实际需求选择设置，从而使不同波长的紫外光通过，满足不同的离化需求。

本实施例提供的多窗口紫外灯，适用于气体检测设备的待测气体光离子化，通过在玻璃腔体的每个开口处分别设置紫外窗口，使用一个封闭的工作气体产生紫外光，能够使每个紫外窗口的光强同步保持一致，并且相比于传统的多紫外灯方案，提高了光源的一致性，后续还可以使用不同的材料制备紫外窗口，从而根据设置选择性地使不同波长的紫外光通过，实现了在不增加灯数量的情况下实现同时使用多个波长，此外，由于本方案只驱动一个光源，降低了能耗，减少了对应的多套驱动电路，从灯和电路上减少了设备必要的体积与重量。

可选地，在一些可能的实施方式中，玻璃腔体1内还设置有气体吸收剂5。

可选地，气体吸收剂5可以采用包含Zr、Al和V的合金材料。

可选地，在一些可能的实施方式中，紫外窗口的外表面设置有金属纱网或者薄膜。

应理解，不同的被测物质可以被紫外光离子化形成正离子和电子，也可以通过紫外光激发金属镀膜产生光电效应，这些低能量电子与氧气分子结合形成O₂ ^-等带负电性的离子，被检测气体分子与之结合形成负离子，完成离子化过程，因此设置有金属纱网或者薄膜的紫外窗口对应负离子化区。

可选地，在一些可能的实施方式中，每个紫外窗口采用不同的真空紫外光可穿透材料。

需要说明的是，由于紫外光获取方法为通过激发稀有气体等离子发射来实现，而特定原子的等离子发射波长取决于其内部壳层电子结构，虽然有较多的发射波长但是每种发射波长基本为定值，在选定了封装的工作物质之后难以改变，或者通过使用对不同波长的紫外光具有不同透过率的材料来选择部分紫外光通过窗口来实现波长的选择。例如常见的工作物质Kr气体，其谱线中较强的紫外波长为116.5nm和123.6nm，对应10.6eV和10.0eV光子能量，因此采用适当的紫外窗口材料便可选择以上波长通过。

因此，传统方法只有一个紫外窗口可以透过紫外光并利用，仅能通过一种固定波组合的紫外光。如果需要使用其他特定波长的紫外光来排除背景干扰，往往需要串联使用多个紫外灯一同使用，由于不同紫外灯的激发电压、气体种类、气体浓度、纯度、窗口洁净程度等各个方面均存在不可空的生产差异，在使用过程中不同紫外灯体的漏气等衰减速度也不同，因而联用时存在诸多初始的匹配问题、校准问题，并在后期可能存在额外维护问题。

而上述实施方式的每个紫外窗口的真空紫外光可穿透材料不同，从而能够实现在不增加灯数量的情况下实现同时使用多个波长，并且这些光源还具有较好的一致性，从而能够提高气体检测的准确性。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

如图5所示，为本发明多窗口紫外灯的制备方法的实施例提供的流程示意图，以双窗口紫外灯的制备为例，制备方法包括：

S1，使用预设粘结方法将第一紫外窗口粘结在玻璃腔体的一端；

S2，将粘结有第一紫外窗口的玻璃腔体放入封闭环境中，向封闭环境中填充工作气体，并在保持工作气体的环境中使用预设粘结方法将第二紫外窗口粘结在玻璃腔体的另一端，使玻璃腔体内填充有工作气体，并使工作气体密封；

S3，在玻璃腔体的外壁安装激励电极。

应理解，对于多窗口，只需要预留最后一紫外窗口，在封闭环境中填充工作气体即可，其余紫外窗口的制备方式同第一紫外窗口，不再赘述。

应理解，预设粘结方法可以根据实际需求选择设置，例如，可以选择在紫外窗口与玻璃腔体端口之间放置玻璃粉，然后加热使玻璃粉融化的方式粘结紫外窗口和玻璃腔体，也可以使用金属粉末等进行烧结，不再赘述。

下面给出以一种具体的制备实施方式。

在第一紫外窗口上放置低温玻璃粉，随后加热至低温玻璃粉的工作温度，使低温玻璃粉融化，将第一紫外窗口和玻璃腔体的一个端口粘结，得到一边开放一边封闭的结构。之后可选的放入气体吸收剂，随后再在第二紫外窗口上加入低温玻璃粉等物质，将第二紫外窗口和半封闭结构放入设置有机械臂的封闭环境中，将封闭环境抽成真空状态，然后多次注入工作气体，得到充有高纯度工作气体的低压环境，例如，低压环境可以为100-500Pa，随后加热至低温玻璃粉的工作温度，例如，工作温度可以为500度，使低温玻璃粉融化，使用机械臂将第二紫外窗口移动到玻璃腔体的另一个端口并粘结，使工作气体封闭在玻璃腔体内。随后降温并连通大气，在玻璃腔体外壁的预设位置处安装激励电极，得到具有双窗口的紫外灯。

应理解，也可以优先粘结第二紫外窗口，不再赘述。

通过本实施例提供制备方法生产的多窗口紫外灯，可以用于具有正负迁移管的离子迁移谱设备的待测气体的同时光离子化，通过预设粘结方法在玻璃腔体的两端分别设置紫外窗口，在玻璃腔体内充入工作气体，每个紫外窗口朝向一个离化区，可以分别用于正离子离化和负离子离化，在仅使用一个光源的情况下实现同时离化被检测物，两个紫外窗口的光强可同步保持一致，提高了正负离子迁移谱的关联性，保证了两侧的离化效率接近，并且减少了灯体对于离子迁移谱设备体积的占用，并且由于只驱动一个灯，降低了能耗，减少了一套驱动电路，从灯和电路上减少了设备必要的体积与重量。

可选地，在一些可能的实施方式中，预设粘结方法为：在紫外窗口和玻璃腔体之间放置低温玻璃粉，加热低温玻璃粉至工作温度，使低温玻璃粉融化，粘结紫外窗口和玻璃腔体。

可选地，在一些可能的实施方式中，将粘结有N-1个紫外窗口的玻璃腔体放入封闭环境中之前，还包括：

在粘结有N-1个紫外窗口的玻璃腔体内放置气体吸收剂。

可选地，在一些可能的实施方式中，还包括：

在紫外窗口的外表面设置金属纱网或者薄膜。

可选地，在一些可能的实施方式中，采用不同的真空紫外光可穿透材料制备每个紫外窗口。

应理解，关于多窗口紫外灯结构组成的具体说明可以参考在先实施例，不再赘述。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

本发明还提供一种气体检测设备，该气体检测设备包括如上述任意实施方式公开的多窗口紫外灯。

应理解，该多窗口紫外灯作为气体检测设备的光源，可以用于气体的离化检测，气体检测设备可以为光离子化检测器、离子迁移谱设备以及基于这些设备的改进设备等。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多窗口紫外灯，其特征在于，包括：玻璃腔体、激励电极和N个紫外窗口，所述玻璃腔体包括N个开口，每个所述紫外窗口分别一一对应设置在所述玻璃腔体的开口处，所述玻璃腔体内填充有工作气体，所述激励电极设置在所述玻璃腔体的外壁，所述激励电极用于通电后激活所述玻璃腔体内的工作气体产生紫外光，并通过每个紫外窗口使被测气体分子离子化，其中，N＞1。

2.根据权利要求1所述的多窗口紫外灯，其特征在于，所述玻璃腔体内还设置有气体吸收剂。

3.根据权利要求1所述的多窗口紫外灯，其特征在于，所述紫外窗口的外表面设置有金属纱网或者薄膜。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多窗口紫外灯，其特征在于，每个所述紫外窗口采用不同的真空紫外光可穿透材料。

5.一种多窗口紫外灯的制备方法，其特征在于，包括：

使用预设粘结方法将N-1个紫外窗口分别粘结在玻璃腔体的开口处；

将粘结有N-1个紫外窗口的玻璃腔体放入封闭环境中，向所述封闭环境中填充工作气体，并在保持所述工作气体的环境中使用所述预设粘结方法将剩余的一个紫外窗口粘结在所述玻璃腔体剩余的开口处，使所述玻璃腔体内填充有所述工作气体并使所述工作气体密封；

在所述玻璃腔体的外壁安装激励电极。

6.根据权利要求5所述的多窗口紫外灯的制备方法，其特征在于，所述预设粘结方法为：在紫外窗口和玻璃腔体之间放置低温玻璃粉，加热所述低温玻璃粉至工作温度，使所述低温玻璃粉融化，粘结紫外窗口和玻璃腔体。

7.根据权利要求5所述的多窗口紫外灯的制备方法，其特征在于，将粘结有N-1个紫外窗口的玻璃腔体放入封闭环境中之前，还包括：

在粘结有N-1个紫外窗口的玻璃腔体内放置气体吸收剂。

8.根据权利要求5所述的多窗口紫外灯的制备方法，其特征在于，还包括：

在所述紫外窗口的外表面设置金属纱网或者薄膜。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的多窗口紫外灯的制备方法，其特征在于，采用不同的真空紫外光可穿透材料制备每个所述紫外窗口。

10.一种气体检测设备，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的多窗口紫外灯。

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