CN113504188A - 一种半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置 - Google Patents

Abstract

半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置包括半封闭液体阴极辉光放电发生腔室和磁约束装置；半封闭液体阴极辉光放电发生腔室包括：半封闭外罩、密封顶部、密封底部、耐高温毛细管、蠕动泵、进样管、排废管、作为阴极的石墨棒和作为阳极的钨棒；半封闭外罩具备观察窗口、光谱检测口和石墨棒插入口；密封顶部具备顶部开口，钨棒从顶部开口插入半封闭外罩；密封底部具备第一开口和第二开口，第一开口插入与进样管连接的与钨棒同轴耐高温毛细管，第二开口插入排废管；样品溶液在蠕动泵驱动下进入耐高温毛细管并从顶端平缓溢出和石墨棒接触，与钨棒之间发生辉光放电，形成等离子体，之后样品溶液从排废管里排出；磁约束装置产生约束等离子体的磁场。

Description

一种半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置

技术领域

本发明属于光谱分析领域，涉及一种半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置。

背景技术

随着社会经济以及现代工业的快速发展，河流、湖泊、海洋等不同水质中重金属含量越来越高，重金属元素的污染问题日益凸显。由于重金属具有不易生物降解，在食物链中容易生物累积的特点，严重影响到了人们的身体健康与安全，因此对重金属微痕量分析技术提出更高的要求。液体阴极辉光放电离子源具备功耗低、无需压缩气体、无需使用雾化器、能在大气压下正常操作等优点，在原子光谱领域受到广泛关注。

然而，现有的液体样品检测方式，原子化效率不高，导致某些元素灵敏度与检出限不尽人意。因此，需要一些方式提高微等离子体源的分析性能。目前，通过在阴极溶液中添加有机物、无机物、离子表面活性剂、非离子表面活性剂等化学敏化剂的方法，可以提高微等离子体源中多种元素的发射灵敏度，但是这些方法不可避免得使实际分析的过程复杂化。

因此，为了提高液体阴极辉光放电的分析性能，需要开发一种结构简单，成本低，操作简单的辐射源系统，来降低来自大气气体的背景干扰，增强信号灵敏度。

发明内容

发明要解决的问题：

针对以上存在的问题，本发明的目的在于提供一种半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置，可有效降低光谱中来自大气气体的背景辐射，增强信号灵敏度，从而提高原子光谱仪分析性能。

发明人锐意进取，注重半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置的研究与开发，该发明结构简单、成本低廉、操作便捷，大大提高了高原子光谱仪分析性能，在污水重金属微痕量检测领域取得了可喜进展，为保护国民健康和环境作出贡献。

解决问题的手段：

本发明提供一种半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置，包括半封闭液体阴极辉光放电发生腔室和磁约束装置；所述半封闭液体阴极辉光放电发生腔室包括：半封闭外罩、密封顶部、密封底部、耐高温毛细管、蠕动泵、进样管、排废管、作为阴极的石墨棒和作为阳极的钨棒；所述半封闭外罩具备观察窗口、光谱检测口和石墨棒插入口，所述观察窗口位于所述半封闭外罩的正面，所述石墨棒嵌入口位于所述半封闭外罩的一侧，所述光谱检测口在所述封闭外罩上正对所述观察窗口；所述密封顶部具备一个顶部开口，所述钨棒从所述顶部开口插入到所述半封闭外罩；所述密封底部具备两个开口，分别为第一开口和第二开口，所述第一开口正对所述顶部开口，插入与所述进样管连接的所述耐高温毛细管，所述耐高温毛细管与所述钨棒同轴；所述第二开口插入所述排废管；样品溶液在所述蠕动泵驱动下通过所述进样管，进入所述耐高温毛细管，从耐高温毛细管顶端平缓溢出和所述石墨棒接触，样品溶液与所述钨棒之间发生辉光放电，形成等离子体，随后样品溶液从所述排废管里排出；所述磁约束装置产生用以约束所述等离子体的磁场。

根据本发明，所述密封顶部与所述密封底部分别位于所述半封闭外罩的上下两端，与所述半封闭外罩组合成一个半封闭腔室，所述等离子体在所述半封闭腔室内部，形成一个半封闭体系；所述半封闭外罩将等离子体与磁约束装置隔离开，避免了等离子体产生的高温对磁约束装置磁性的影响；同时辉光放电发生在所述半封闭腔室内，腔室内存在大量的水蒸气，减少了来自大气气体的背景辐射，增强信号灵敏度，从而提高原子光谱仪分析性能。

优选地，所述磁约束装置包括一对永磁铁，所述永磁铁隔着所述半封闭外罩平行相对放置，与所述半封闭外罩距离≤5mm。借助于此，使所述半封闭外罩位于两永磁铁之间形成的磁场，磁场覆盖等离子体，磁场方向与等离子体方向垂直。且由于两永磁铁与所述半封闭外罩距离≤5mm，避免了两磁铁之间的距离过大导致两磁铁中心处磁场太弱，对等离子体几乎无影响。所述等离子体中的带电粒子受到所述磁场的洛伦兹力作用，绕磁力线作回旋运动，从而被所述磁场约束在限定的区域内，以此增加该区域的电荷密度，提高微等离子体源的检测性能。

优选地，所述磁约束装置包括两个通电线圈、支架、电源和电阻；所述两个通电线圈沿所述半封闭外罩垂直方向，分别位于所述半封闭外罩两侧，固定在所述支架上；所述电源和所述电阻与所述通电线圈串联，构成闭合回路。借助于此，所述两个通电线圈形成的磁场与所述耐高温毛细管和所述钨棒同轴，形成中间弱，两边强的磁场环境。

优选地，所述两个通电线圈是由云母高温线紧密缠绕而成的大小和匝数一致的通电线圈，所述电源为可调节电流大小的直流电流，所述支架上设有用于调节支架高度的调节螺母。在电流大小一定的情况下，所述通电线圈的匝数越多，两个通电线圈间距越小，通电线圈磁场就越强；在两个通电线圈间距一定的情况下，电流越大，通电线圈磁场强度越大。借助于此，通过旋转所述调节螺母调节支架高度、调节线圈层数和匝数或调节电流大小的方法，可以改变所述两个通电线圈之间的磁场强度和位形，从而达到对等离子体不同的约束效果。

优选地，所述半封闭腔室由石英、不锈钢或者是陶瓷材料构成；所述密封顶部使用聚四氟乙烯材料或者陶瓷片，所述密封底部使用尼龙材料。借助于此，所述半封闭腔室具有耐高温、耐腐蚀等特点，且使用易加工的尼龙材料代替聚四氟乙烯材料制作密封底部，降低了本发明的加工难度以及加工成本。

优选地，所述耐高温毛细管的制作材料是氧化铝材料，其特点为熔点高、硬度大、耐高温，具有湿润作用。借助于此，耐高温毛细管不会因为点火瞬间产生的冲击波，轻易被炸裂，因此可以减少更换耐高温毛细管的频率，降低成本；此外，由于氧化铝的润湿作用，使得管口液面起伏比较小，可以提高放电的稳定性。

优选地，所述第二开口大于所述第一开口。第二开口为排废口，通过设置第二开口大于第一开口能避免堵塞。

发明效果：

本发明通过半封闭外罩形成了一个半封闭的环境，有效降低光谱中来自大气气体的背景辐射。通过外置的磁约束装置来约束等离子体，增强信号灵敏度，从而提高原子光谱仪分析性能，具有结构简单、成本低廉、操作便捷等特点。

附图说明

图1是为本发明一实施形态的半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置中的半封闭液体阴极辉光放电发生腔室的结构示意图；

图2是为设置有第一种磁约束装置的半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置的结构示意图；

图3是为设置有第二种磁约束装置（磁镜约束装置）的结构示意图；

图4是为开放体系下的背景光谱图；

图5是为适用了半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置的半封闭体系下的背景光谱图；

图6是为第一种磁约束方式下Cd、Hg净信号的比较图；

图7是为第一种磁约束方式下Cd、Hg检出限的比较图；

符号说明：

1-半封闭外罩，2-密封顶部，3-密封底部，4-钨棒，5-石墨棒，6-耐高温毛细管，7-进样管，8-排废管，9-观察窗口，10-石墨棒嵌入口，11-圆形永磁铁，12-环形通电螺线圈，13-电源，14-电阻，15-不锈钢支架，16-云母高温线，17-调节螺母。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。在各图中相同或相应的附图标记表示同一部件，并省略重复说明。

在此公开一种半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置（以下有时会简称为发电装置），该放电装置包括半封闭液体阴极辉光放电发生腔室（以下有时会简称为放电发生腔室）和磁约束装置；放电腔室内发生辉光放电，产生形成原子、离子、电子的粒子混合气体，即等离子体；磁约束装置位于放电腔室的外部，形成磁场用以约束放电腔室内的等离子体。

（半封闭液体阴极辉光放电发生腔室）

图1出示了本发明的半封闭液体阴极辉光放电发生腔室的整体结构，包括半封闭外罩1、密封顶部2、密封底部3、作为阳极的钨棒4、作为阴极的石墨棒5、耐高温毛细管6、进样管7、排废管8。半封闭外罩1上有三个开口，分别为观察窗口9、光谱检测口和石墨嵌入口10。本实施形态中，半封闭外罩1可以由石英或者不锈钢加工打造而成，半封闭外罩1的主体高30-150mm，外径20-100mm，内径19-99mm，壁厚1-10mm；观察窗口9长12mm，宽5mm；光谱检测口位于半封闭外罩1背侧，正对观察窗口，长12mm，宽5mm；在半封闭外罩1右侧有一个石墨棒嵌入口10，直径为5mm。

本实施形态中，密封顶部2由耐高温、耐腐蚀的聚四氟乙烯材料加工而成，密封顶部2中间有一顶部开口，钨棒4插入开口进入到放电发生腔室，作为阳极。密封底部3由耐腐蚀、易加工的尼龙材料制成，具备两个开口，分别为第一开口和第二开口，第一开口正对顶部开口；耐高温毛细管6与进样管7连接，固定在底部第一开口上，作为阴极。石墨棒5一端有一径向小孔，有小孔一端横向插入所述石墨棒嵌入口10中；耐高温毛细管6穿过石墨棒5的径向小孔直至顶端位于石墨棒5的上方大约3mm处，保持与钨棒4同轴；第二开口在密封底部3上位于比第一开口靠近外周缘侧，且直径大于第一开口，用做排废口，插入直径为3mm的排废管8。

优选地，耐高温毛细管6选用氧化铝材质，该材料熔点高、硬度大，具有湿润作用。通常情况下，在点火或者在断火的一瞬间，由于毛细管受热不均匀，各部位的热胀冷缩程度不同导致毛细管炸裂。因此选用氧化铝材质可以减少更换毛细管的频率，从而降低成本。此外由于氧化铝的润湿作用，氧化铝管管口液面起伏比较小，提高放电的稳定性。

本发明中，半封闭外罩1、密封顶部2、密封底部3组合成了一个半封闭的放电发生腔室，将辉光放电发生的区域与外部环境隔离，半封闭腔室内存在大量的水蒸气，减少了辉光放电产生的光谱受到来自大气气体的背景辐射。图4为开放体系下背景光谱图，图5为半封闭体系下背景光谱图，通过对比发现，半封闭体系下分子N₂对液体阴极辉光放电产生的光谱中几乎没有干扰，液体阴极辉光放电的分析性能大大提高。

图2展示了本发明的第一种磁约束装置，包括一对圆形永磁铁11，圆形永磁铁11隔着半封闭外罩1平行相对放置，圆形永磁铁11与半封闭外罩1距离≤5mm，两圆形永磁铁之间形成磁场，覆盖等离子体，磁场方向与等离子体方向垂直，所述磁场为1000-10000 高斯。等离子体中的带电粒子受到磁场的洛伦兹力作用，绕磁力线作回旋运动，从而被磁场约束在限定的区域内，以此增加该区域的电荷密度。

图3为本发明的第二种磁约束装置-磁镜约束装置的结构示意图，包括两个环形通电线圈12、不锈钢支架15、高流电源13和电阻14。两个环形通电线圈12使用云母高温线16紧密缠绕而成，并保持两线圈的大小、匝数一致；沿半封闭外罩1垂直方向，通过不锈钢支架15将两个环形通电线圈12固定在半封闭外罩1两端；云母高温线16可在500℃高温下进行正常的工作。

在本发明所述磁镜约束装置中，两个环形通电线圈12、高流电源13、电阻14之间用云母高温线16进行串联。高流电源13为直流电源，最大输出电压为50 V，可为两个环形通电线圈12提供0-20A的直流电，电流方向在两个环形通电线圈12中一致，电阻14为高功率电阻，功率为1000W，阻值为2.5Ω，用于保护电路。电源13可以调节0-20 A范围的电流大小，通过调节电流大小来控制两个环形通电线圈12产生的磁场强度大小，寻找最合适的磁场位形。

通电后，两个环形通电线圈12之间产生的磁场，磁场方向与所述毛细管6和钨棒4的轴向方向一致，形成中间弱，两边强的磁镜。等离子体中的带电粒子由弱磁场区进入两端的强磁场区域时，会受到一反向作用力，使得带电粒子的速度减慢，轨道螺距减小，随后反方向运动，到达磁场最强处又受到反作用力作用，使得等离子体在磁镜中受到磁场的作用，来回穿梭，起到对等离子体的约束作用。

不锈钢支架15可调节高度，通过旋转不锈钢支架上的调节螺母17，对两个环形通电线圈12之间的间距进行调节，以此改变两个环形通电线圈12之间的磁场位形，达到对等离子体不同的约束效果。

在本发明中，毛细管6的顶部与钨棒4的底端之间的间距为2-4mm，样品溶液酸浓度为0.1mol·L-1。样品溶液在蠕动泵驱动下通过进样管，进入毛细管6，毛细管6顶端平缓溢出，与作为阴极的石墨棒5接触。以与石墨棒5接触后的样品溶液为阴极，钨棒4为阳极，向两极之间施加1000-1080V的高压，从而两极间发生辉光放电，形成原子、离子、电子的粒子混合气体，即等离子体。不同元素的原子在激发或电离时可发射出特征光谱，利用聚光透镜将产生的特征发射光谱引入到光纤探头中，并耦合到微型光谱仪的入射狭缝中，由微型光谱仪的电荷耦合检测器进行检测与放大，达到对不同金属元素进行检测与分析。为获得更好的光谱采集效果，将光纤探头固定在X、Y、Z方向可调的精度为2μm的三维平台上，可以在一定范围内选择合适的像距，通过不断调试达到最好的光谱采集效果。

因为原子发射光谱的谱线强度与样品溶液中被测组分的浓度成正比，可以对元素进行定量分析，所以可以通过测定特定元素的净信号强度和检出限指标，分析添加磁场对半封闭液体阴极辉光放电腔室是否有影响。图6是为第一种磁约束方式下Cd、Hg净信号的比较图，图7是为第一种磁约束方式下Cd、Hg检出限的比较图，现以Cd、Hg为例，结合附图，进行试验结果说明。

在上述第一种磁场约束方式下，如图6、7所示，未添加磁场前，Cd、Hg的的净信号强度分别为17000a.u.和2500a.u.，检出限分别为2.5μg·L^-1与34μg·L^-1；添加磁场后，Cd、Hg的的净信号强度分别为30600a.u.和4250a.u，检出限分别为6μg·L^-1与95μg·L^-1。经过对比，Cd、Hg的净信号强度分别增强为原先的1.8倍与1.7倍，检出限分别降低2.4倍和2.8倍，由此可证明，通过给半封闭液体阴极辉光放电腔室添加磁场以后，检测准确性大大提高。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置，其特征在于，

包括半封闭液体阴极辉光放电发生腔室和磁约束装置；

所述半封闭液体阴极辉光放电发生腔室，包括：半封闭外罩、密封顶部、密封底部、耐高温毛细管、蠕动泵、进样管、排废管、作为阴极的石墨棒和作为阳极的钨棒；

所述半封闭外罩具备观察窗口、光谱检测口和石墨棒插入口，所述观察窗口位于所述半封闭外罩的正面，所述石墨棒嵌入口位于所述半封闭外罩的一侧，所述光谱检测口在所述封闭外罩上正对所述观察窗口；

所述密封顶部具备一个顶部开口，所述钨棒从所述顶部开口插入到所述半封闭外罩；所述密封底部具备第一开口和第二开口；所述第一开口正对所述顶部开口，插入与所述进样管连接的所述耐高温毛细管，所述耐高温毛细管与所述钨棒同轴；所述第二开口插入所述排废管；

样品溶液在所述蠕动泵的驱动下通过所述进样管，进入所述耐高温毛细管，从所述耐高温毛细管顶端溢出和所述石墨棒接触，与所述钨棒之间发生辉光放电，形成等离子体，随后从所述排废管里排出；

所述磁约束装置产生用以约束所述等离子体的磁场。

2.根据权利要求1所述的半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置，其特征在于，所述磁约束装置包括一对永磁铁，所述永磁铁隔着所述半封闭外罩平行相对放置，与所述半封闭外罩距离≤5mm。

3.根据权利要求1所述的半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置，其特征在于，所述磁约束装置包括两个通电线圈、支架、电源和电阻；

所述两个通电线圈沿所述半封闭外罩垂直方向，分别位于所述半封闭外罩两侧，固定在所述支架上；所述电源和所述电阻与所述两通电线圈串联，构成闭合回路。

4.据权利要求3所述的半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置，其特征在于，所述两个通电线圈由云母高温线紧密缠绕而成的大小和匝数一致的通电线圈，所述电源为可调节电流大小的直流电流，所述支架上设有用于调节支架高度的调节螺母。

5.根据权利要求1所述的半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置，其特征在于，所述半封闭腔室由石英、不锈钢或者是陶瓷材料构成；所述密封顶部使用聚四氟乙烯材料或者陶瓷片，所述密封底部使用尼龙材料。

6.根据权利要求1所述的半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置，其特征在于，所述耐高温毛细管的制作材料为氧化铝材料。

7.根据权利要求1所述的半封闭体系磁约束液体阴极辉光放电装置，其特征在于，所述第二开口大于所述第一开口。

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