CN112858456A - 一种使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，涉及离子迁移谱技术领域。离子迁移谱设备的离子化源为双窗口紫外灯，双窗口紫外灯包括：玻璃管、第一紫外窗口、第二紫外窗口和激励电极，第一紫外窗口和第二紫外窗口分别设置在玻璃管的两端，玻璃管内填充有工作气体，激励电极设置在玻璃管的外壁。本方案在仅使用一个紫外光源的情况下实现同时光离子化被检测物，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。

Description

一种使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备

技术领域

本发明涉及离子迁移谱技术领域，尤其涉及使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备。

背景技术

离子迁移谱法通常采用放射性物质射线电离空气中的水、氧等分子，这些分子继续与气态被检测分子相互作用形成离子团簇，通过对离子团簇产生的微弱电信号进行采集和检测，从而定性分析待测气体的物质组成。由于使用放射性物质具有危险性，目前使用紫外光对待测气体进行离子化成为较为理想的替代方式。

然而，目前使用紫外光电离方法的离子迁移谱设备通常只有一个迁移管，需要频繁地切换电场，而单一电场仅能同时检测一种电性的离子，还存在离子重新平衡的等待时间，导致检测过程耗时过长，检测可靠性差。如果采用双迁移管设计，即可实现一个迁移管恒定用于迁移正离子，另一个迁移管恒定用于迁移负离子，但是由于电场固定，所以离化区电场也相反，因此需要两个独立的离化区产生不同电性的离子，如果使用传统的紫外灯进行离化，则需要两个独立的紫外灯实现，从而可能存在紫外灯一致性较差和老化速度不一等问题，影响离子迁移谱设备的检测判断。

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，提供一种使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，所述离子迁移谱设备的离子化源为双窗口紫外灯，所述双窗口紫外灯包括：玻璃管、第一紫外窗口、第二紫外窗口和激励电极，所述第一紫外窗口和所述第二紫外窗口分别设置在所述玻璃管的两端，所述玻璃管内填充有工作气体，所述激励电极设置在所述玻璃管的外壁，所述第一紫外窗口用于离化被测气体分子，产生正离子，所述第二紫外窗口用于离化被测气体分子，产生负离子。

本方案提供的使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，通过在玻璃管的两端分别设置紫外窗口，每个紫外窗口朝向一个离化区，可以分别用于连续的正离子离化和负离子离化，在仅使用一个紫外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，离子化区和迁移区的电场不需要切换，提高了检测速度和可靠性。本发明的结构特点减少了一套光源驱动电路和电场切换电路，提高设备可靠性，减少了使用多个灯体、电场切换电路的功耗和体积，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为本发明双窗口紫外灯的实施例提供的结构示意图；

图2为本发明使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备的实施例提供的结构框架示意图。

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。

传统的例子迁移谱设备使用具有放射性的金属同位素(例如⁶³Ni，²⁴¹Am)电离空气中的水、氧气分子并进一步与被检测物结合产生离子。但是这些材料往往需要严格的管理，设备需要维护或者损坏后也可能产生对人员的危害和环境污染。紫外光无放射性，光离子化过程稳定，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。

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，通过周期性电压控制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源。

因此，在离化区和迁移区均需要设置电场，并且针对正负离子场强方向相反。需要频繁地切换电场，而单一电场仅能同时检测一种电性的离子，还存在离子重新平衡的等待时间，导致检测过程耗时过长，检测可靠性差。并且由于离子迁移谱使用的电场强度较大，一般为3kV～5kV，从而导致支持高压切换的电路部分体积重量较大，因此，对于灵敏度较高或需要同时检测正负离子的场景，往往会使用双迁移管设计，即一个迁移管恒定用于迁移正离子，另一个迁移管恒定用于迁移负离子。

以上这种双管设计由于针对正、负两种离子，内部离子化区和迁移区的电场固定并且相反，因此需要两个独立的离化区产生不同电性的离子。而为了保证两侧数据的可比性和关联性，诸如被检测物质到底是正离子为主还是负离子为主，两离化区要求离化效率相同或相近，并且具有一致的变化趋势。而使用多个传统单窗口紫外光离子化等方式由于不同紫外灯的气体浓度、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，造成可能的正、负离子区一致性较差并在后期可能存在额外维护问题。

为了解决以上问题，本专利提出了一种使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，使用单灯体双紫外窗口的紫外灯充当电离源，每个紫外窗口朝向一个离化区，在仅使用一个光源的情况下实现同时离化被检测物。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1。

如图1所示，为本发明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：玻璃管4、第一紫外窗口2、第二紫外窗口7和激励电极5，第一紫外窗口2和第二紫外窗口7分别设置在玻璃管4的两端，玻璃管4内填充有工作气体，激励电极5设置在玻璃管4的外壁，第一紫外窗口2用于离化被测气体分子，产生正离子，第二紫外窗口7用于离化被测气体分子，产生负离子。

下面对双窗口紫外灯的工作原理进行说明。

玻璃管4外壁的激励电极5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。具体地，通过第一紫外窗口2离化处于正离子化区内的待测气体分子，通过第二紫外窗口7离化处于负离子化区内的待测气体分子，由于光源是同一个，因此实现了两个紫外窗口的光强同步保持一致，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。

然后，这些离子通过离子化区、迁移区的电场选择和迁移作用，可以通过迁移区末端的法拉第盘进行收集，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，根据离子在迁移区的迁移率即可实现对特定物质的检测定性，此外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。

应理解，由于第二紫外窗口7外部为负离子化区，因此第二紫外窗口7的外表面需要存在金属结构，例如，可以为金属纱网或者薄膜，这样在紫外光激发的作用下产生低能电子并进一步产生O₂ ^-等反应离子。

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5可采用Cu、Au等金属镀层。工作气体可以为Kr、Xe等稀有气体。

本实施例提供的离子迁移谱设备，通过在玻璃管的两端分别设置紫外窗口，每个紫外窗口朝向一个离化区，可以分别用于连续的正离子离化和负离子离化，在仅使用一个紫外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，离子化区和迁移区的电场不需要切换，提高了检测速度和可靠性。本发明的结构特点减少了一套光源驱动电路和电场切换电路，提高设备可靠性，减少了使用多个灯体、电场切换电路的功耗和体积，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，玻璃管4内还设置有气体吸收剂14。

可选地，气体吸收剂14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，第二紫外窗口7的外表面设置有金属纱网或者薄膜。

应理解，设置有金属纱网或者薄膜的紫外窗口在紫外光激发的作用下产生低能电子并进一步产生O₂ ^-，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，第一紫外窗口2和第二紫外窗口7采用相同的真空紫外光可穿透材料。

通过采用相同的真空紫外光可穿透材料制备紫外窗口，能够进一步提高正负离子迁移谱的关联性，使两侧的离化效率更为接近。

如图2所示，提供了更为详细的使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备的可选结构示意图，下面结合图2对使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备的一些可选结构进行说明。

该使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备还包括：气化分流腔1、正离子化区3、负离子化区6、两个离子门8、正离子迁移区9、负离子迁移区10、两个屏蔽栅网11、两个法拉第盘12和电信号放大电路13，其中：

两个离子门8分别设置在正离子化区3和正离子迁移区9的连接处，以及负离子化区6和负离子迁移区10的连接处，两个屏蔽栅网11分别设置在正离子迁移区9的尾部和负离子迁移区10的尾部，两个法拉第盘12分别设置在正离子迁移区9的尾部和负离子迁移区10的尾部；

气化分流腔1设置有待测气体的进气口；

双窗口紫外灯的第一紫外窗口2设置在正离子化区3内，正离子化区3的第一进气口与气化分流腔1连通，迁移气流可以通过离子门8从迁移区进入正离子化区2，正离子化区3和正离子迁移区9通过周期性电压控制开启的离子门8连通，正离子化区3的侧壁还设置有出气口；

双窗口紫外灯的第二紫外窗口7设置在负离子化区6内，负离子化区6的第一进气口与气化分流腔1连通，迁移气流可以通过离子门8从迁移区进入负离子化区，负离子化区6的第二进气口设置在离子门8上，负离子化区6和负离子迁移区10通过周期性电压控制开启的离子门8连通，负离子化区6的侧壁还设置有出气口；

正离子迁移区9内的屏蔽栅网11和法拉第盘12设置在正离子迁移区9内远离离子门8的一端，法拉第盘12与电信号放大电路13连接，正离子迁移区9的侧壁设置有进气口，用于输入迁移气；

负离子迁移区10内的屏蔽栅网11和法拉第盘12设置在负离子迁移区10内远离离子门8的一端，法拉第盘12与电信号放大电路13连接，负离子迁移区10的侧壁设置有进气口，用于输入迁移气。

电信号放大电路用于放大所述正离子化结构和所述负离子化结构产生的电信号。

应理解，正离子化区、第一离子门、正离子迁移区、第一屏蔽栅网和第一法拉第盘构成了正离子化结构，正离子化结构仅为一种功能上的表述，不代表实际装置。负离子化区、第二离子门、负离子迁移区、第二屏蔽栅网和第二法拉第盘构成了负离子化结构，负离子化结构同样仅为一种功能上的表述，不代表实际装置。

下面对使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备的工作原理进行说明。

对双窗口紫外灯的激励电极5通高压交流电，激发玻璃管4内的工作气体产生发光，其中紫外光通过第一紫外窗口2和第二紫外窗口7分别射入正离子化区3和负离子化区6；

待测物质从气化分流腔1的入口进入，进行气化和分流，分流后的气体分别从正离子化区3的第一进气口进入正离子化区3，从负离子化区6的第一进气口进入负离子化区6；

进入正离子化区3的气体在第一紫外窗口2的作用下离化生成正离子，离子门8通过周期性电压变化开启与关闭，使正离子通过离子门8进入正离子迁移区9，正离子迁移区9长度范围可以为5-30厘米，存在100V/cm-300V/cm的电场，可以使正离子获得能量，使正离子向远离第一离子门8的方向运动；正离子迁移区9内同时含有与正离子总体运动速度方向相反的迁移气，迁移气从设置在正离子迁移区9尾部的进气口进入，离子门8是一对平行的金属丝，可以帮助迁移气从离子门8进入正离子化区3，迁移气和样气等可以通过正离子化区3侧壁的出气口排出；

正离子运动到法拉第盘12后，与法拉第盘12表面的金属电极接触产生微弱的初始电信号，然后通过电信号放大电路13进行放大，用于气体组成成分的分析；

进入负离子化区6的气体在第二紫外窗口7的作用下离化生成负离子，离子门8通过周期性电压变化开启与关闭，使负离子通过离子门8进入负离子迁移区10，负离子迁移区10长度范围可以为5-30厘米，存在100V/cm-300V/cm的电场，电场方向与正离子迁移区9的电场方向相反，可以使负离子获得能量，使负离子向远离离子门8的方向运动；负离子迁移区10内同时含有与负离子总体运动速度方向相反的迁移气，迁移气从设置在负离子迁移区10尾部的进气口进入，离子门8是一对平行的金属丝，可以帮助迁移气从离子门8进入负离子化区6，迁移气和样气等可以通过负离子化区6侧壁的出气口排出；

负离子运动到法拉第盘12后，与法拉第盘12表面的金属电极接触产生微弱的初始电信号，然后通过电信号放大电路13进行放大，用于气体组成成分的分析；

其中，设置在法拉第盘12前面的屏蔽栅网11用于屏蔽法拉第盘12，以减少离子接收时的干扰。

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。

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 (8)

1.一种使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，其特征在于，所述离子迁移谱设备的离子化源为双窗口紫外灯，所述双窗口紫外灯包括：玻璃管、第一紫外窗口、第二紫外窗口和激励电极，所述第一紫外窗口和所述第二紫外窗口分别设置在所述玻璃管的两端，所述玻璃管内填充有工作气体，所述激励电极设置在所述玻璃管的外壁，所述第一紫外窗口用于离化被测气体分子，产生正离子，所述第二紫外窗口用于离化被测气体分子，产生负离子。

2.根据权利要求1所述的使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，其特征在于，所述玻璃管内还设置有气体吸收剂。

3.根据权利要求1所述的使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，其特征在于，所述第二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所述的使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，其特征在于，所述第一紫外窗口和所述第二紫外窗口采用相同的真空紫外光可穿透材料。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，其特征在于，还包括：气化分流腔、设置在所述第一紫外窗口外部的正离子化结构以及设置在所述第二紫外窗口外部的负离子化结构；

其中，所述气化分流腔设置有待测气体的进气口，用于将所述待测气体分别输送给所述正离子化结构和所述负离子化结构；所述正离子化结构用于在所述第一紫外窗口的作用下离化所述待测气体，产生正离子，并接收所述正离子，产生对应的电信号；所述负离子化结构用于在所述第二紫外窗口的作用下离化所述待测气体，产生负离子，并接收所述正离子，产生对应的电信号。

6.根据权利要求5所述的使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，其特征在于，所述正离子化结构包括：正离子化区、第一离子门、正离子迁移区、第一屏蔽栅网和第一法拉第盘，所述双窗口紫外灯的第一紫外窗口设置在所述正离子化区内，所述正离子化区的第一进气口与所述气化分流腔连通，所述正离子化区的出气口设置在所述正离子化区上，所述正离子化区和所述正离子迁移区通过周期性开启的所述第一离子门连通，所述离子门为一对平行的金属丝，通过所述金属丝的电压控制所述离子门对离子的开关，所述第一屏蔽栅网和所述第一法拉第盘设置在所述正离子迁移区内远离所述第一离子门的一端，所述第二进气口设置在所述正离子迁移区后部，所述第二进气口在使用时通入经过净化的迁移气，通过所述第一离子门从所述出气口流出。

7.根据权利要求5所述的使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，其特征在于，所述负离子化结构包括：负离子化区、第二离子门、负离子迁移区、第二屏蔽栅网和第二法拉第盘，所述双窗口紫外灯的第二紫外窗口设置在所述负离子化区内，所述负离子化区的第一进气口与所述气化分流腔连通，所述负离子化区的出气口设置在所述所述负离子化区上，所述负离子化区和所述负离子迁移区通过周期性开启的所述第二离子门连通，所述离子门为一对平行的金属丝，通过所述金属丝的电压控制所述离子门对离子的开关，所述第二屏蔽栅网和所述第二法拉第盘设置在所述负离子迁移区内远离所述第二离子门的一端，所述第二进气口设置在所述正离子迁移区后部，所述第二进气口在使用时通入经过净化的迁移气，通过所述第二离子门从所述出气口流出。

8.根据权利要求5所述的使用双窗口紫外灯离子化的离子迁移谱设备，其特征在于，还包括：电信号放大电路，用于放大所述正离子化结构和所述负离子化结构产生的电信号。

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