CN113125414A - 一种用于单颗粒气溶胶检测的光谱探测系统及探测方法 - Google Patents

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刘玉柱
孙仲谋
杨明磊
万恩来
张兴龙
于玮
葛一凡
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Abstract

本发明公开了一种用于单颗粒气溶胶检测的光谱探测系统，包括：气溶胶单颗粒囚禁装置，将气溶胶颗粒囚禁于真空室内的固定位置；激光诱导击穿光谱仪，对固定的气溶胶颗粒进行激光诱导击穿光谱探测分析。本发明利用气溶胶颗粒囚禁装置，能够有效将单粒气溶胶颗粒囚禁在真空室中的固定位置，从而被LIBS激光准确照射，探测其成分。该装置与LIBS探测装置结合，构成一套完善的系统，使得LIBS技术在探测大气中固体气溶胶颗粒的实验可以顺利进行。

Description

一种用于单颗粒气溶胶检测的光谱探测系统及探测方法
技术领域
本发明涉及电子发射技术，具体涉及复合电场囚禁带电颗粒技术和激光诱导击穿光谱探测技术。
背景技术
一直以来，随着工业发展和科技进步，空气污染问题日益严重。气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统，是大气中相对严重的污染物。因此，对气溶胶的快速成分检测至关重要。
激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)是一项高灵敏的探测技术。它利用透镜聚焦高能量的激光脉冲，并照射样品，在瞬间产生高温等离子体。利用光谱仪收集这些等离子体的光谱，便可得知被探测样品的化学成分，该技术常常被用于气溶胶的检测。在实际的LIBS检测实验中，固体气溶胶颗粒被单颗分离，在真空室中进行检测，然而，因为固体气溶胶在真空室中自由运动，其位置的不确定性使得很难将激光焦点汇聚在样品上，大大增加了LIBS探测实验的难度。因此，如何将单粒气溶胶颗粒囚禁(即稳定平衡，位置固定)在真空室中的指定位置对LIBS探测气溶胶的实验意义非凡。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种能有效固定单颗粒气溶胶位置，通过LIBS激光准确照射，从而准确探测颗粒成分的探测技术。
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于单颗粒气溶胶检测的光谱探测系统，包括：
气溶胶单颗粒囚禁装置，将气溶胶颗粒囚禁于真空室内的固定位置；
激光诱导击穿光谱仪，对固定的气溶胶颗粒进行激光诱导击穿光谱探测分析。
通过气溶胶单颗粒囚禁装置的设置，对气溶胶单颗粒进行位置固定，结合激光诱导击穿光谱仪，能够有效获得颗粒的光谱信息，从而探测其成分。
进一步的，气溶胶单颗粒囚禁装置包括：
真空室，提供气溶胶单颗粒固定的真空环境；
导管，进行单颗粒气溶胶分离后水平出射；
电子枪，将出射后的气溶胶颗粒带电；
两个水平带电极板，产生电场抵消气溶胶颗粒的重力；
两个竖直带电极板，产生电场使气溶胶颗粒减速；
两个带电圆筒，产生囚禁电场，在两个带电圆筒中心轴线位置处产生平衡的电场力。
本发明通过电子枪让出射气溶胶颗粒带电后，通过水平带电极板产生抵消颗粒重力的电场，使其运动轨迹保持水平，经由竖直带电极板产生的减速电场使得具有初速度的气溶胶减速，并利用带电圆筒产生的平衡电场力将速度归零后的气溶胶颗粒在指定的囚禁位置处于稳定平衡状态，从而有效囚禁气溶胶颗粒。
进一步的，带电圆筒为两个，共轴线放置；所述水平带电极板为两个，上下平行放置于两个带电圆筒内；所述竖直带电极板为两个，竖直于水平带电极板分别置于两个带电圆筒内，且近导管一端的竖直带电极板上设有供气溶胶颗粒通过的小孔；所述电子枪设于所述导管与水平带电极板之间；所述激光诱导击穿光谱仪设于所述气溶胶单颗粒囚禁装置的真空室外部，出射激光聚焦于所述两个带电圆筒之间。
进一步的，两个水平带电极板的对称轴线与带电圆筒的中轴线、导管中出射的气溶胶单颗粒出射轨迹重合；竖直带电极板上的小孔位于带电圆筒的中轴线上。有效保证气溶胶颗粒的水平运动轨迹。
进一步的，气溶胶单颗粒囚禁装置还包括速度传感器、控制器；速度传感器设于导管的出口处；控制器设于真空室外部，分别与导管、电子枪、水平带电极板、带电圆筒、竖直带电极板、速度传感器电连接。利用控制器有效调整重力抵消电场力、减速电场力的大小。
进一步的，激光诱导击穿光谱仪还包括颗粒位置探测器；颗粒位置探测器设于气溶胶单颗粒囚禁装置的真空室内，并与光谱仪控制相连。
进一步的，真空室的室壁上、两个带电圆筒之间设有供激光入射的玻璃窗口。
本发明还提供了采用上述光谱探测系统的气溶胶用探测方法，气溶胶用探测方法在将气溶胶颗粒分离后，获得初速度，并使其带上电荷后进入产生重力平衡力的电场及减速电场力的电场，最后进入产生平衡回复力的电场中，在固定位置达到平衡稳定状态；采用激光诱导击穿光谱对气溶胶颗粒进行准确照射，探测其成分。
进一步的，本发明气溶胶用探测方法还包括对气溶胶颗粒囚禁位置的调整步骤：探测气溶胶颗粒的位置，当未在产生平衡回复力的电场的指定位置处检测到气溶胶颗粒时，调整产生重力平衡力的电场大小及减速电场力的电场大小，直至气溶胶颗粒被检测到。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明利用气溶胶颗粒囚禁装置，能够有效将单粒气溶胶颗粒囚禁在真空室中的固定位置，从而被LIBS激光准确照射，探测其成分。该装置与LIBS探测装置结合，构成一套完善的系统，使得LIBS技术在探测大气中固体气溶胶颗粒的实验可以顺利进行。
1.本发明设计一套配备单颗粒气溶胶囚禁装置的新型激光诱导击穿光谱探测系统，能够对单颗气溶胶颗粒在真空环境下实现囚禁，能够让不受接触力的气溶胶颗粒稳定平衡在真空室中指定位置，为LIBS技术探测单颗粒气溶胶提供了一套完善系统。
2.由于设计的囚禁电场的特殊性，可以使得在平衡位置受微小扰动的颗粒重新平衡，因此对于减速装置的精确度要求不高，只需使得气溶胶颗粒在平衡位置速度近似为零即可，撤去减速电场，颗粒便可稳定平衡。
附图说明
图1为本发明光谱探测系统的结构示意图；
图2为图1中气溶胶颗粒囚禁装置的结构示意图；
图3为图2中带电圆筒产生的囚禁电场中气溶胶的受力稳定平衡原理模型；
图4为图2中气溶胶颗粒囚禁装置产生的电场示意图；
图5为本发明气溶胶用探测方法的流程示意图。
图中，1-导管，2-速度传感器，3、4-电子枪，5、6-水平带电极板，7、8-带电圆筒，9、10-竖直带电极板，11-激光，12-气溶胶颗粒，13-控制器，14-控制器外部连接线，15-真空室，16-激光器，17-平面镜，18-玻璃窗口，19-电子激光对焦器，20-颗粒位置探测器，21-光谱探测头，22-光纤，23-ICCD探测器，24-光谱仪，25-控制信号传输线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
本发明采用LIBS技术进行气溶胶颗粒探测。LIBS实验中探测的是分离后的单颗粒气溶胶颗粒，由于气溶胶颗粒不显电性，因此在真空室中只受重力。因此，先用电子枪向单颗粒气溶胶发射电子，使得其带上负电荷，便可以通过电场控制其受力的情况。
如图1所示，本发明光谱探测系统由气溶胶颗粒囚禁装置和激光诱导击穿光谱仪组成。激光诱导击穿光谱仪由激光器16发射激光，经平面镜17反射后射向气溶胶颗粒囚禁装置内。气溶胶颗粒囚禁装置整体设置真空室15，真空室15的室壁上有玻璃窗口18，激光由此进入，经电子激光对焦器19聚焦在气溶胶颗粒12的囚禁位置处。颗粒位置探测器20可通过支架固定设置在真空室15内，可以探测气溶胶颗粒的位置，为电子激光对焦器19提供颗粒位置信息，并对气溶胶颗粒囚禁装置的电场进行调整。气溶胶颗粒12被激光焦点照射后，光谱探测头21探测其发射的光谱，并经光纤22传入ICCD探测器23和光谱仪24，转换为数字信号，从而进行进一步分析。
气溶胶颗粒囚禁装置具体结构如图2所示，整个装置都被安放在真空室15中，单颗气溶胶颗粒被分离后，从导管1中射出，具有初速度v0。气溶胶颗粒射出后经速度传感器2，获得颗粒的速度和出射时间等数据，传输给控制器13，为后续电子枪工作和囚禁电场工作提供气溶胶颗粒的运动速度和时间信息。待气溶胶颗粒射出后，在其运动轨迹上安放电子枪3、4，发射大量电子，电子射到气溶胶颗粒上后，使得气溶胶颗粒带上大量负电荷。颗粒带电后，沿原轨迹继续向前运动，进入上下平行的水平带电水平极板5、6之间，该极板产生的电场力竖直向上，与气溶胶颗粒的重力抵消，从而可以沿原轨迹匀速直线运动。在气溶胶颗粒囚禁装置中设计有囚禁电场，包括带电圆筒7、8和竖直带电极板9、10。带电圆筒为双圆筒型的电场发生装置，两个圆筒面沿轴线放置，其表面都均匀带上负电荷，产生平衡的电场力使得气溶胶颗粒囚禁在两个圆筒面的中央轴线上，两个带电圆筒之间的间隙方便激光11射入。竖直平行放置的两竖直带电极板9、10，左极板9中央有极小的小孔，可以使得气溶胶颗粒通过。两竖直带电极板产生的电场使气溶胶颗粒减速，在固定囚禁位置处，颗粒速度减为零。
如图4所示，气溶胶颗粒囚禁装置内两水平带电极板产生竖直向下的电场，使得气溶胶颗粒受到向上的电场力，从而抵消重力影响；竖直带电极板产生水平向右的电场，使得气溶胶颗粒受到水平向左的电场力，从而减速。
如图3所示，在两个带电圆筒之间的中央轴线上的位置处，气溶胶颗粒会受到平衡的电场力，该平衡力是由沿轴线两个方向相同大小的电场力和垂直于轴线若干个方向上大小相等的电场力相互抵消形成的。因此，当气溶胶颗粒位于该平衡位置时，受到各个方向指向平衡位置的电场力，处于稳定平衡状态，即使受到微小的扰动，也会受到与偏离方向相反的回复电场力使得其回到平衡位置。在这样的条件下，气溶胶颗粒被稳定囚禁在固定的位置，此时便可以用LIBS激光照射，从而进行LIBS气溶胶成分探测等相关实验。如图5所示为本发明气溶胶用探测方法的整体流程图，通过气溶胶颗粒囚禁装置将气溶胶颗粒囚禁在固定位置后，即可进一步进行LIBS探测实验。
本发明光谱探测系统的使用方法如下：
打开所有仪器电源，并先开启真空泵，创造真空室15中的真空环境。开启气溶胶颗粒囚禁装置的开关，让水平带电极板5、6带电，并让两个带电圆筒7、8均匀带上负电，创造囚禁电场。气溶胶颗粒由导管1射入装置，速度传感器2探测其速度和出射时间，控制器13控制电子枪3、4，在颗粒经过时发射电子让气溶胶颗粒带上负电荷。气溶胶颗粒进入水平带电极板5、6后，受力平衡，匀速运动。待颗粒进入竖直带电极板9、10后，控制器控制使竖直带电极板短时间带电，产生电场力使颗粒减速，到平衡位置时速度近似为零，此时撤去竖直带电极板的带电。气溶胶颗粒到达平衡位置后，受到两个带电圆筒产生的囚禁电场，从而稳定平衡，停留在平衡位置(两圆筒面正中央的轴线上位置)。此后，LIBS系统开始工作，发射激光照射样品，通过分析气溶胶颗粒发出的光谱信息，对其进行成分分析。

Claims (9)

1.一种用于单颗粒气溶胶检测的光谱探测系统，其特征在于，包括：
气溶胶单颗粒囚禁装置，将气溶胶颗粒囚禁于真空室内的固定位置；
激光诱导击穿光谱仪，对固定的气溶胶颗粒进行激光诱导击穿光谱探测分析。
2.根据权利要求1所述的光谱探测系统，其特征在于，所述气溶胶单颗粒囚禁装置包括：
真空室，提供气溶胶单颗粒固定的真空环境；
导管，进行单颗粒气溶胶分离后水平出射；
电子枪，将出射后的气溶胶颗粒带电；
两个水平带电极板，产生电场抵消气溶胶颗粒的重力；
两个竖直带电极板，产生电场使气溶胶颗粒减速；
两个带电圆筒，产生囚禁电场，在两个带电圆筒中心轴线位置处产生平衡的电场力。
3.根据权利要求2所述的光谱探测系统，其特征在于，所述带电圆筒为两个，共轴线放置；所述水平带电极板为两个，上下平行放置于两个带电圆筒内；所述竖直带电极板为两个，竖直于水平带电极板分别置于两个带电圆筒内，且近导管一端的竖直带电极板上设有供气溶胶颗粒通过的小孔；所述电子枪设于所述导管与水平带电极板之间；所述激光诱导击穿光谱仪设于所述气溶胶单颗粒囚禁装置的真空室外部，出射激光聚焦于所述两个带电圆筒之间。
4.根据权利要求3所述的光谱探测系统，其特征在于，所述两个水平带电极板的对称轴线与带电圆筒的中轴线、导管中出射的气溶胶单颗粒出射轨迹重合；所述竖直带电极板上的小孔位于带电圆筒的中轴线上。
5.根据权利要求4所述的光谱探测系统，其特征在于，所述气溶胶单颗粒囚禁装置还包括速度传感器、控制器；所述速度传感器设于导管的出口处；所述控制器设于真空室外部，分别与导管、电子枪、水平带电极板、带电圆筒、竖直带电极板、速度传感器电连接。
6.根据权利要求5所述的光谱探测系统，其特征在于，所述激光诱导击穿光谱仪还包括颗粒位置探测器；所述颗粒位置探测器设于所述气溶胶单颗粒囚禁装置的真空室内，并与光谱仪控制相连。
7.根据权利要求6所述的光谱探测系统，其特征在于，所述真空室的室壁上、两个带电圆筒之间设有供激光入射的玻璃窗口。
8.一种采用权利要求1至7任一所述光谱探测系统的气溶胶用探测方法，其特征在于，所述气溶胶用探测方法在将气溶胶颗粒分离后，获得初速度，并使其带上电荷后进入产生重力平衡力的电场及减速电场力的电场，最后进入产生平衡回复力的电场中，在固定位置达到平衡稳定状态；采用激光诱导击穿光谱对气溶胶颗粒进行准确照射，探测其成分。
9.权利要求8所述的气溶胶用探测方法，其特征在于，所述气溶胶用探测方法还包括对气溶胶颗粒囚禁位置的调整步骤：探测气溶胶颗粒的位置，当未在产生平衡回复力的电场的指定位置处检测到气溶胶颗粒时，调整产生重力平衡力的电场大小及减速电场力的电场大小，直至气溶胶颗粒被检测到。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115493963A (zh) * 2022-09-22 2022-12-20 昆明理工大学 一种非球形颗粒在吸孔处所受吸附力的测量装置及方法

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