CN114189172A - 一种精准调控微粒净电量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精准调控微粒净电量的方法及装置。所述的方法，步骤如下：１）悬浮待调节微粒；2）在待调节微粒周围产生自由电荷；3）在待调节微粒周围产生加速电场，定向地控制自由电荷的移动；3.1）电荷正负性的调控：通过调节加速电场的方向，调控吸附至待调节微粒的自由电荷的正负性；3.2）电荷量的调控：通过设置电荷屏蔽罩，控制吸附到待调节微粒上的自由电荷的数量。所述的装置，包括电荷屏蔽罩、针尖电极、平板电极、支撑结构。本发明可精确地调控微粒携带的电荷量及其正负性，为在微纳尺度控制微粒的运动、提升真空光镊系统的力学灵敏度提供可能的解决方案。另外，可应用在静电除尘、静电复印、静电透镜等领域。

Description

一种精准调控微粒净电量的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种精准调控微粒净电量的方法及装置。本发明为微粒在微纳米尺度的运动调控、真空光镊系统的力学灵敏度的提升提供了理想的解决方案。另外，在静电除尘、静电复印、静电透镜等涉及到静电荷运动的应用领域，有一定的潜在价值。

背景技术

在真空环境中，微粒可在聚焦光束的光力的作用下机械振动，振动过程中受到的阻尼很小，与外界环境处于近乎完全隔离的状态。微粒的振动范围在聚焦光束的焦点区域内，振幅与聚焦光束的焦点区域和微粒的尺度有关，通常为百纳米至数微米。基于上述效应而搭建的实验系统称为真空光镊系统，真空光镊系统具有超高灵敏度的探测能力，是精密测量和基础物理研究的理想平台。

在真空光镊系统中，由于各种各样的原因，微粒会携带净电荷，包括：由于微粒的制备工艺导致微粒表面携带有非电中性的基团而引入净电荷，在微粒投送至实验系统的过程中由于微粒之间、微粒与载体溶剂之间、微粒与实验系统的其它结构件等之间的摩擦因素而引入净电荷，微粒在悬浮状态下受到周围复杂电磁环境的干扰而引入净电荷等。

微粒携带净电荷对于真空光镊系统灵敏度的影响取决于具体的实验目标。有些情况下，微粒携带净电荷不利于提升真空光镊系统的灵敏度。比如说，在测量极限弱力时，要求微粒呈现电中性，从而避免复杂电磁环境对微粒的库伦力和洛伦兹力湮没待测量的极限弱力。然而，有些情况下，微粒携带净电荷对于提升真空光镊系统的灵敏度有着积极意义。比如说，测量静电场或者低频交流电场时，微粒在一定范围内携带的净电荷量越高，真空光镊系统的灵敏度就越高；利用电场力对真空光镊系统进行标定时，则要求微粒的净电荷量保持稳定，并且被精确地测量。因此，精准调控微粒的净电荷量对于真空光镊系统极其重要。

微粒净电量的调控方法的步骤通常是：1) 在微粒自身的表面或周围环境中产生自由电荷，常用的手段包括但不限于高压辉光放电、基于光电效应的紫外线照射放电等；2)微粒与周围环境之间的电荷交换使得微粒最终携带一定量的净电荷。若在微粒周围环境中产生自由电荷，则有一定量的自由电荷能够运动至微粒处并被吸附在微粒表面；若在微粒自身的表面产生自由电荷，则可能有少量自由电荷逃逸至周围环境，微粒携带的电荷量会有所减少。由此可见，微粒与周围环境的电荷交换强烈依赖于自由电荷的运动。自由电荷的运动具有极强的无序性，而上述方案缺乏对于自由电荷运动的控制，因此微粒携带的电荷量及其正负性都具有极高的随机性。综上，现有的微粒净电量调控的技术方案均为随机的调节方法，存在着无法精准调节电荷量的缺点。

发明内容

为了克服现有的微粒净电量调节技术方案的随机性较高的不足，本发明的目的是提出一种精准调控微粒净电量的方法及装置。精准调控包括两个层面的目标：一是电荷正负性的调节，二是净电荷数量的调节。

一种精准调控微粒净电量的方法，步骤如下：

1）悬浮待调节微粒；

2）在待调节微粒的周围产生自由电荷；

3）在待调节微粒周围产生加速电场，定向地控制自由电荷的移动；

3.1）电荷正负性的调控：通过调节加速电场的方向，分别使正负电荷吸附到待调节微粒上，调控待调节微粒携带电荷的正负性；

3.2）电荷量的调控：通过设置电荷屏蔽罩，控制吸附到待调节微粒上的自由电荷的数量。

步骤1）所述的待调节微粒的悬浮过程采用外加电磁场对待调节微粒的束缚作用，包括紧聚焦光束、悬浮电场或者悬浮磁场。

步骤2）产生自由电荷的方式采用以下的一种或者多种：高压辉光放电、紫外光照射放电、阴极射线或者热电子发射。

所述的电荷屏蔽罩采用电动光阑的结构或者集成在支撑结构上的可变孔径。

步骤3）所述的加速电场是由直流偏置电压产生的静电场，或者磁场与电场叠加形成的电磁复合场。

一种精准调控微粒净电量的装置，用于实现所述的精准调控微粒净电量的方法，包括电荷屏蔽罩、针尖电极、平板电极、支撑结构；自由电荷的下方设置带有孔径的电荷屏蔽罩；针尖电极和待调节微粒下方设置一个平板电极，平板电极紧贴在支撑结构上；针尖电极用于给待调节微粒施加驱动电信号，在平板电极上施加直流偏置电压，调节该直流偏置电压的极性，产生由待调节微粒指向平板电极或者反向的加速电场，使得自由电荷中的负电荷或者正电荷定向地移动至待调节微粒处，从而使待调节微粒携带负电荷或者正电荷。

所述的电荷屏蔽罩的孔径从零至数毫米连续可调。

所述的电荷屏蔽罩的孔径为具有明确边界的二维形状，包括圆形、矩形。

本发明的有益效果是：

1、定向调节微粒携带净电荷的正负性；

2、精准调控微粒携带净电荷的电荷量；

3、在1、2基础上使得微粒携带的净电荷量达到高水平。

本发明可精确地调控微粒携带的净电荷量及其正负性，从而为在微纳尺度控制微粒的运动、提升真空光镊系统的力学灵敏度提供有效的解决方案。除此之外，在静电除尘、静电复印、静电透镜等应用到静电荷的其它领域，也有推广应用价值。

附图说明

图1是本发明装置的一种结构示意图。

图2是本发明的原理图。

图3是一种电荷屏蔽罩的结构示意图。

图4是本发明的应用实施例1的结构示意图。

图中，自由电荷1、电荷屏蔽罩2、针尖电极3、待调节微粒4、平板电极5、支撑结构6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步阐述。

本发明装置的一种结构示意图如图1所示，本发明的原理如图2所示。

将待调节微粒4悬浮在环境中。在外加电磁场对待调节微粒4的束缚力的作用下，待调节微粒4能够稳定悬浮在环境中，悬浮在环境中的待调节微粒4在平衡位置附近以一定的频率小幅振动。

在待调节微粒4的周围环境中产生自由电荷1。自由电荷1中应当包含大量的可自由运动的正电荷和负电荷。

在待调节微粒4周围产生加速电场，从而定向地控制自由电荷1的移动。加速电场的产生需要在平板电极5上面向针尖电极3和待调节微粒4的一面施加直流偏置电压。平板电极5的设置须满足以下要求：

1）平板电极5设置在针尖电极3和待调节微粒4的正下方，平板电极5不与针尖电极3和待调节微粒4发生接触。

2）为保证加速电场在实验系统中的分布的均匀性，平板电极5的尺寸应在实验系统允许的范围内尽可能的大。

3）平板电极5上背离针尖电极3和待调节微粒4的一面紧贴在支撑结构6上。紧贴设置的方式可以在不影响实验系统的真空环境的前提下选用胶贴、焊接、螺钉固定等方式。

电荷正负性的调控：通过调节加速电场的方向，分别使正负电荷吸附到待调节微粒4上，调控待调节微粒4携带电荷的正负性。调节施加在平板电极5上的直流偏置电压的极性可以直接调控加速电场的方向。具体调控方式如下：若直流偏置电压为正电压，则产生由平板电极5指向待调节微粒4的加速电场，自由电荷1中的负电荷能够定向地移动至待调节微粒4处，正电荷远离微粒4，微粒4将移动至其表面的负电荷吸附而携带净负电荷；反之，若直流偏置电压为负电压，则产生由待调节微粒4指向平板电极5的加速电场，自由电荷1中的正电荷定向地移动至待调节微粒4处，负电荷远离微粒4，微粒4吸附移动至其表面的正电荷而携带正电荷。

电荷量的调控：设置带有孔径的电荷屏蔽罩2，控制运动到待调节微粒4上的自由电荷1的数量。电荷屏蔽罩2设置在自由电荷1和待调节微粒4之间。电荷屏蔽罩2作为自由电荷1中的正电荷或者负电荷运动至待调节微粒4处的必经之路，对精确调控待调节微粒4携带的净电荷至关重要。电荷屏蔽罩2上设置有大小可调节的孔径。只有运动轨迹在电荷屏蔽罩2的孔径内的正电荷或者负电荷可以运动至待调节微粒4处，从而被待调节微粒4吸附而使其携带一定量的净电荷。因此，改变电荷屏蔽罩2的孔径的大小就可以控制运动至待调节微粒4处的自由电荷量，这是精确调控待调节微粒4净电荷的关键。

待调节微粒4的悬浮过程采用的外加电磁场包括紧聚焦光束、悬浮电场、悬浮磁场等。若待调节微粒4在外加电磁场中的束缚势能远大于微粒布朗运动的平均动能，则待调节微粒4能够在电磁场的作用下悬浮在环境中。待调节微粒4的平衡位置通常位于电磁场能量梯度的极小值点。待调节微粒4的数量及分布取决于外加电磁场的能量分布，被悬浮的待调节微粒4在各自的平衡位置附近以一定的频率小幅振动。待调节微粒4的数量和分布的设置取决于具体的实验需求。

产生自由电荷1的方式采用以下的一种或者多种：高压辉光放电、紫外光照射放电、阴极射线或者热电子发射。其中，高压辉光放电利用高强度电压脉冲对实验系统中的气体分子的电离作用，产生可自由移动的正负电荷；紫外光照射放电则是基于紫外光照射在材料上的光电效应从而将自由电荷引入实验系统；阴极射线、热电子发射则是利用外部设备直接将自由电荷引入实验系统。

电荷屏蔽罩2可采用类似电动光阑的结构或者集成在支撑结构6上的可变孔径。附图3给出了一种可行的电荷屏蔽罩2的结构，其结构类似于光阑，主要由手柄和叶片结构组成。利用电动机改变手柄的位置，可以对中心的圆孔大小进行调节。

用于调节待调节微粒4携带的电荷正负性的加速电场可以是由直流偏置电压产生的静电场，也可以是在静电场的基础上叠加与之方向平行的磁场形成电磁复合场。静电场能够对自由电荷1的运动方向定向调控。自由电荷1在磁场中受到洛伦兹力的影响，运动轨迹为螺旋线，螺旋线的截面半径取决于磁场的大小以及自由电荷的荷质比。因此，除了电荷屏蔽罩2的孔径对运动至待调节微粒4处的自由电荷1的数量有所限制之外，磁场能够对自由电荷1的运动范围进一步地加以限制，从而优化对微粒4的带电量的调控效果。

电荷屏蔽罩2的孔径的大小应当可以从零至数毫米连续可调，这样的设置能够保证对运动至待调节微粒4处的自由电荷1的数量的控制效果达到最佳。

电荷屏蔽罩2的孔径可以是圆形、矩形等具有明确边界的二维形状。孔径的中心位于待调节微粒的正上方，孔径的数量取决于待调节微粒的数量。

针尖电极3用于给待调节微粒4施加驱动电信号，用于对待调节微粒4携带的净电荷量及其正负性加以测量。针尖电极3由两个电极构成，给针尖电极3施加交流驱动电压信号之后，针尖电极3的两个电极构成电容，从而在两个电极之间的区域产生交变电场。携带一定量净电荷并且已经悬浮在环境中的微粒4在交变电场的力的作用下运动状态发生改变。因此，针尖电极3的安装需要保证不与待调节微粒4接触，并尽可能地使待调节微粒4位于两个电极的中点。

待调节微粒4携带一定量净电荷之后，根据微粒4对施加在针尖电极3上的交流驱动电压信号的响应信号的幅值和相位信息，可以对微粒4携带的净电荷量及其正负性予以精确测量。这需要借助于锁相放大器。驱动电信号的交变频率与微粒4的振动频率接近。响应信号的幅值与微粒4携带的净电荷的数量成正比。响应信号的相位反映微粒4携带净电荷的正负性：若响应信号与驱动电信号同相，则微粒携带正电荷；若响应信号与驱动电信号反相，则微粒携带负电荷；若响应信号与驱动电信号的相位表现出无确定的关系，则微粒4携带的净电荷数量为零，即微粒4呈现电中性。

应用实施例1

应用实施例1的装置结构示意图如图4所示。应用实施1中的选用的结构件的所有材料均需要具备真空兼容的特性，即不影响实验系统的真空环境。

应用实施例1以真空光镊系统的力学传感测量实验为例，需要利用紧聚焦光束在激光焦点区域内悬浮1个待调节微粒。将波长为1064nm的激光光束聚焦在待调节微粒4上，待调节微粒4能够稳定悬浮在激光焦点区域。待调节微粒4选用直径为150nm左右的S_iO₂颗粒，因此聚焦透镜的数值孔径应尽可能大。电荷屏蔽罩2放置于待调节微粒4的上方，可以采用如图3所示的结构。电荷屏蔽罩2的孔径应尽可能地位于待调节微粒4的正上方。针尖电极3采用导电性能良好的钢材，加工成规则圆柱形。平板电极5采用铝片。支撑结构6选用绝缘塑料。支撑结构6上设置有螺纹孔，因此选用真空螺钉将平板电极5固定在支撑结构6上。整个装置固定在真空光镊系统的真空腔内。针尖电极3以及与之连接的导线采用真空兼容的特殊胶固定在支撑结构6上。自由电荷1的产生可采用高压辉光放电方案：在真空腔内气压为1mbar的情况下，在腔内施加额外的高压电极对腔内气体分子放电。之所以选择在真空腔内气压为1mbar的情况下进行放电，是因为此时高压辉光放电现象最为明显。通过调节平板电极5上施加的直流电压的极性使一定量的负电荷或者正电荷经电荷屏蔽罩2定向地移动至待调节微粒4处，从而使得待调节微粒4携带一定量的净电荷。此时可以不再施加直流电压于平板电极5。给针尖电极3施加交流驱动电压信号，借助锁相放大器对微粒4的携带净电荷的信息进行测量。若不满足实验需求，则需要重新进行高压辉光放电、调节电荷屏蔽罩2的孔径大小、调节施加在平板电极5上的直流电压的极性，直到微粒4携带的净电荷量满足实验需求。

应用实施例2

在应用实施例1的结构基础之上，可以在整个结构的正上方和正下方设置一对磁铁，磁铁的异性磁极相对，从而在实验系统中产生与加速电场方向平行的磁场。具体实施步骤与应用实施例1基本相同。不同的是，自由电荷1受到磁场的洛伦兹力的影响，其运动轨迹在垂直于磁场方向的平面内的投影为圆形，即自由电荷1在经过电荷屏蔽罩2运动至待调节微粒4的过程中运动轨迹为螺旋线，螺旋线的截面半径r由自由电荷1的电荷量e，自由电荷1的质量m，磁场的磁感应强度B，自由电荷1在垂直于磁场方向平面内的初速度v共同决定， r=mv/e/B。由于自由电荷1在垂直于磁场方向平面内的初速度v满足一定的概率分布，自由电荷1运动轨迹的截面半径r也服从相同的概率分布，只有运动轨迹的截面半径小于电荷屏蔽罩2的孔径的自由电荷1才有可能到达待调节微粒4处最终被其吸附。因此，施加额外的磁场，又能对运动至待调节微粒4处的自由电荷1的数量加以控制，从而更加精确地调控待调节微粒4携带的电荷量。

综上所述，本装置实现了对微粒净电荷的精准调控。具体包括，通过改变加速电场的方向控制微粒带电的正负性，通过设置电荷屏蔽罩控制微粒带电的电量，从而极大地降低了现有的、基于微粒对自由电荷的吸附作用的方案的随机性。

微粒的悬浮需要借助外力对微粒的运动范围加以束缚，除了常用的紧聚焦光束之外，还可以采用施加悬浮电场、施加悬浮磁场构成磁阱等方案。

除了高压辉光放电和紫外光照射放电之外，自由电荷1可以采用阴极射线、热电子发射等其它方案产生。

通过施加外场的方案对自由电荷的运动轨迹予以控制，外场主要包括电场和磁场。电场的产生除了前述的在平板电极上施加直流偏置电压之外，还可以选用其他的方式，比如，设置若干等间距的平板电极（电极中间开孔为自由电荷的定向运动留有空间），相邻的两个平板电极之间用分压电阻连接，给两端的平板电极施加电压，从而在自由电荷的运动区域形成匀强电场。磁场的产生利用磁铁，磁铁可以是永磁体，也可以是电磁铁。

电荷屏蔽罩可以有多种多样的结构。除了附图3所示的类似电动光阑的结构之外，也可加工成集成在支撑结构上的可变孔径。可变孔径与外场的共同作用，最终实现对微粒带电量的精确调控。

上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (8)

1.一种精准调控微粒净电量的方法，其特征是：步骤如下：

1）悬浮待调节微粒；

2）在待调节微粒的周围产生自由电荷；

3）在待调节微粒周围产生加速电场，定向地控制自由电荷的移动；

3.1）电荷正负性的调控：通过调节加速电场的方向，分别使正负电荷吸附到待调节微粒上，调控待调节微粒携带电荷的正负性；

3.2）电荷量的调控：通过设置电荷屏蔽罩，控制吸附到待调节微粒上的自由电荷的数量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤1）所述的待调节微粒的悬浮过程采用外加电磁场对待调节微粒的束缚作用，包括紧聚焦光束、悬浮电场或者悬浮磁场。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤2）产生自由电荷的方式采用以下的一种或者多种：高压辉光放电、紫外光照射放电、阴极射线或者热电子发射。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的电荷屏蔽罩采用电动光阑的结构或者集成在支撑结构上的可变孔径。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤3）所述的加速电场是由直流偏置电压产生的静电场，或者磁场与电场叠加形成的电磁复合场。

6.一种精准调控微粒净电量的装置，用于实现权利要求1 所述的精准调控微粒净电量的方法，其特征是：包括电荷屏蔽罩（2）、针尖电极（3）、平板电极（5）、支撑结构（6）；自由电荷（1）的下方设置带有孔径的电荷屏蔽罩（2）；针尖电极（3）和待调节微粒（4）下方设置一个平板电极（5），平板电极（5）紧贴在支撑结构（6）上；针尖电极（3）用于给待调节微粒（4）施加驱动电信号，在平板电极（5）上施加直流偏置电压，调节该直流偏置电压的极性，产生由待调节微粒（4）指向平板电极（5）或者反向的加速电场，使得自由电荷（1）中的负电荷或者正电荷定向地移动至待调节微粒（4）处，从而使待调节微粒（4）携带负电荷或者正电荷。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征是：所述的电荷屏蔽罩（2）的孔径从零至数毫米连续可调。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征是：所述的电荷屏蔽罩（2）的孔径为具有明确边界的二维形状，包括圆形、矩形。

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