CN114724922A - 光致电离检测器紫外线灯 - Google Patents

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陈冰
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Abstract

本申请涉及光致电离检测器紫外线灯。公开了一种与光致电离检测器一起使用的紫外线灯，所述紫外线灯包括：涂层，所述涂层施加到密封管的内表面上，其中所述涂层包括以下中的至少一种：抗溅射材料、生成二次电子发射的材料、以及具有强UV光反射的材料。

Description

光致电离检测器紫外线灯
本申请是国家申请号为201680090650.7的发明专利申请的分案申请，该发明专利申请的申请日为2016年11月11日，发明名称为“光致电离检测器紫外线灯”。
相关申请的交叉引用
不适用。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
不适用。
缩微平片附件的引用
不适用。
背景技术
光致电离检测器(PID)采用灯来发射使检测器电极附近的气体电离的光子。通过施加的电压偏置在这些电极的板之间建立电场。该电场引起电离粒子移动到一个或另一个板，从而在这些电极之间建立电流。可对该电流进行处理以提取气体存在的指示。例如，PID可用于检测挥发性有机化合物(VOC)的存在和/或浓度，这些挥发性有机化合物可对人类构成威胁。
发明内容
在实施方案中，用于与光致电离检测器一起使用的紫外线灯可包括：密封管，该密封管被构造成含有至少一种气体；涂层，该涂层被施加到密封管的内表面上；以及晶体窗口，该晶体窗口附接到密封管，被构造成允许密封管内生成的紫外(UV)光的透射。
在实施方案中，形成用于与光致电离检测器一起使用的紫外线灯的方法可包括：将至少一层涂层施加到密封管的内表面上；将晶体窗口密封到密封管上；将密封管用至少一种气体填充；密封含有至少一种气体的密封管；使用密封管内的至少一种气体生成紫外线辐射；以及将所生成的紫外线辐射通过晶体窗口导向光致电离检测器中的样品气体。
在实施方案中，光致电离检测器可包括：一个或多个电极；紫外线灯，该紫外线灯包括：密封管，该密封管被构造成含有至少一种气体；涂层，该涂层被施加到密封管的内表面上；以及晶体窗口，该晶体窗口附接到密封管，被构造成允许密封管内生成的紫外光的透射；以及至少一种样品气体，其中通过使至少一种气体电离而在密封管内生成紫外线辐射，其中涂层反射紫外线辐射，并且所反射的紫外线辐射被导向样品气体，其中样品气体通过所反射的紫外线辐射而至少部分地电离，并且其中电极被构造成检测通过样品气体的电离所产生的电流以确定样品气体的浓度。
附图说明
为了更完整地理解本公开，现在结合附图和具体实施方式参考以下简要描述，其中类似的附图标号表示类似的部分。
图1A示出了根据实施方案的紫外线灯在其组装期间的透视图。
图1B示出了根据实施方案的紫外线灯在其组装期间的剖视图。
图2A示出了根据实施方案的紫外线灯在其组装期间的透视图。
图2B示出了根据实施方案的紫外线灯在其组装期间的剖视图。
图3A示出了根据实施方案的紫外线灯在其组装期间的透视图。
图3B示出了根据实施方案的紫外线灯在其组装期间的剖视图。
图4A示出了根据实施方案的用于与光致电离检测器一起使用的紫外线灯的透视图。
图4B示出了根据实施方案的用于与光致电离检测器一起使用的紫外线灯的剖视图。
图5示出了根据实施方案的光致电离检测器的示意图。
具体实施方式
首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的技术(无论是当前己知的还是尚不存在的技术)来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。
以下简短术语定义应适用于整个申请文件：
术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；
短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的不止一个实施方案中(重要的是，这类短语不一定是指相同实施方案)；
如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；
术语“约”或“大约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；并且
如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”(或其他此类词语)被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。这种部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。
本公开的实施方案包括用于提供来自PID的紫外线灯的增大的UV强度输出的方法和系统。由于器械对VOC的高灵敏度，PID被广泛用于环境监测和工业安全领域。通常，PID采用紫外线(UV)灯来产生使目标气体(其可为VOC)电离的高能光子。电极可收集所产生的离子并处理电信号以确定目标气体的浓度。
UV灯可被构造成具有密封到玻璃管上的UV透射晶体窗口，其中玻璃管可填充有一种或多种气体。气体可为惰性气体，诸如氪气、氦气和/或氩气。可在置于UV灯外部的两个电极之间施加高的交流(AC)电压，以引发UV灯内的气体的电离过程，从而将电子与分子分离。通过离子和电子的重新结合生成高能光子，并且这些光子从UV灯向外穿过UV窗口进入含有目标气体的室。因此，可使目标气体电离并对其进行检测。
UV灯为核心元件，并因此对PID的性能具有显著影响。除了其他方面之外，UV灯的性能可与PID的灵敏度、可检测的气体类型、测量范围和功率消耗直接相关。具体地讲，UV灯的寿命对PID使用和成本具有显著影响。
在本文所公开的实施方案中，UV灯可包括施加到玻璃管的内壁的涂层。涂层材料可具有抗溅射和二次电子发射的特性。涂层的特性可生成来自UV灯的高强度UV输出。由于二次电子发射的影响，可使更多的惰性气体分子电离，因此可生成更多的光子，从而增大了来自UV灯的UV强度输出，同时允许更低的点火电压。另外，涂层的特性可允许更多的能量转移到气体分子，从而提高电离效率。
涂层的抗溅射特性可保护UV灯免受高能离子轰击以及对工作气体的污染。这种保护可延长UV灯的使用寿命。
UV灯的实施方案可包括管的内壁上的涂层。涂层材料可包括具有抗溅射、二次电子发射和/或强UV光反射特性的任何材料。涂层可使用任何施加方法(例如，RF溅射、电子束蒸发、化学气相沉积和湿化学方法以及其他类似方法)施加到内壁。UV灯的实施方案可包括填充有气体(诸如惰性气体)的密封玻璃管，该气体用于产生所需的UV光并密封在管中。UV灯的实施方案可包括UV晶体窗口，该UV晶体窗口确保密封玻璃管内生成的UV光的透射并用真空粘结剂密封到管。
现在参见图1A至图1B，示出了UV灯100的实施方案，其中UV灯100可包括未完工的UV灯100。UV灯100可包括密封管102、分离管104和真空管106。在一些实施方案中，密封管102可包括圆柱形状，其具有弯曲的内表面110上。在一些实施方案中，密封管102可包括涂层120，该涂层位于密封管102的内表面110上。涂层120可在UV灯100处于未完工状态时被施加到密封管102的内表面110上。
UV灯100可包括在两端处(在密封管102和真空管106处)开口的预成型的玻璃管。在一些实施方案中，可在涂层120被施加到密封管110的内表面102上之前清洁玻璃管。在一些实施方案中，密封管102、分离管104和真空管106可包括单个玻璃管。在其他实施方案中，密封管102、分离管104和真空管106可包括玻璃管材的多个段。
在一些实施方案中，涂层120可包含抗溅射材料。在一些实施方案中，涂层120可包含生成二次电子发射的材料。在一些实施方案中，涂层120可包含具有强紫外光反射的材料。在一些实施方案中，涂层120可包含氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)和/或它们的组合。
在一些实施方案中，涂层120可使用射频溅射施加到密封管102的内表面110上。在一些实施方案中，涂层120可使用电子束蒸发施加到密封管102的内表面110上。在一些实施方案中，涂层120可使用化学气相沉积施加到密封管102的内表面110上。在一些实施方案中，涂层120可使用湿化学施加方法施加到密封管102的内表面110上。在一些实施方案中，涂层120可使用低温烧结施加到密封管的内表面上。
在一些实施方案中，涂层120可包括一个材料层。在一些实施方案中，涂层120可包括单独地施加到内表面110的多个材料层。
如图2A至图2B所示，密封管102可在一端上附接到晶体窗口112。在一些实施方案中，晶体窗口112可粘结在密封管102的边缘113处。在一些实施方案中，涂层120可被施加到密封管102的内表面110上，该密封管可包括圆柱体形状。在一些实施方案中，涂层120可仅被施加到密封管102的弯曲的内表面110上。在一些实施方案中，晶体窗口112可不被涂层120覆盖。在一些实施方案中，晶体窗口112可在涂层120已被施加到内表面110之后，附接到密封管102。
可在晶体窗口112附接到密封管102之后，用一种或多种气体填充密封管102。真空管106可被构造成附接到真空系统，其中真空系统可用于用低压气体填充密封管102。在一些实施方案中，气体可通过真空管106和分离管104流入密封管102中。然后，一旦密封管102填充有气体，分离管104就可在与密封管102的连接处密封，以密封密封管102内的气体。
如图3A至图3B所示，UV灯100的分离管104可在密封管102填充有一种或多种气体之后密封。分离管104的至少一部分可熔化以密封密封管102的内容物。在一些实施方案中，分离管104可被加热和/或至少部分地熔化以密封密封管102。
如图3A至图3B所示，分离管104可熔化和/或成型为形成两个成型段114和115。真空管106可保持附接到真空系统，从而维持UV灯100内的气体的压力，直到分离管104已熔化并密封。具有成型段114的密封管102可进一步与涂层120和所附接的晶体窗口112一起使用。
在一些实施方案中，可使用高温喷枪来加热分离管104，从而熔化玻璃材料，然后可由熔化的玻璃材料形成成型段114和115。成型段114可密封密封管102。成型段115可密封真空管106。成型段114和115可将密封管102与真空管106分离。
UV灯100一旦形成(通过分离密封管102)，就可用在PID中。涂层120可基于来自气体和/或涂层120的反射来增大来自UV灯100的UV强度输出。测试示例性UV灯100以确定所产生的UV强度，并与在内层上不包括涂层的常规UV灯进行比较。表1示出了常规UV灯的性能，并且表2示出了具有涂层120的UV灯100的性能。从表中可以看出，具有涂层的UV灯100与传统UV灯相比，需要更低的点火电压，但仍然产生更高的UV强度输出。在这些测试中，通过100ppm异丁烯的电信号来测量UV强度，以计数为单位。
常规UV灯 点火电压(V) UV强度
1号 1486 5639
2号 1408 9856
3号 1492 5321
4号 1492 4901
5号 1420 4843
表1：典型UV灯的UV强度
具有涂层的UV灯 点火电压(V) UV强度
1号 1142 29,880
2号 1092 27,371
3号 1094 27,358
4号 1150 26,211
5号 1092 25,288
表2：具有涂层的UV灯的UV强度
现在参见图4A至图4B，示出了UV灯300的实施方案，其中UV灯300可包括已完工的UV灯300。在一些实施方案中，UV灯300可类似于上述UV灯100。UV灯300可包括具有位于弯曲的内表面310上的涂层320的密封管302，以及附接到密封管302的边缘313的晶体窗口312。UV灯300还可包括被构造成密封密封管302的成型段314(类似于上面的成型段114)。
在一些实施方案中，成型段314可被构造成附接到PID的另一个元件。在一些实施方案中，可通过使密封管熔化/成型来形成成型段314，如上所述。
现在参见图5，可在PID系统500中使用已完工的UV灯300，其中位于密封管302内的气体可用于生成PID的光源。在一些实施方案中，UV灯300可邻近一个或多个激励电极502定位。
UV灯300用作PID系统500的UV光源。UV灯300可包括密封在密封管302内部的一种或多种惰性气体。通过经由位于UV灯300外部的两个激励电极502施加高电压AC电力，可在UV灯300内部生成UV光。在灯300内部生成的UV光可穿过晶体窗口312到达灯300的外部。在一些实施方案中，UV灯300的玻璃材料可以强烈地吸收UV光。PID系统500可邻近晶体窗口312定位，并且可包括电离室508。电离室508可包括电离室508内部的检测器电极504，该检测器电极被构造成检测电离室508内的气体分子510的电离。在一些实施方案中，检测器电极504可包括绝缘材料506。来自环境的气体分子510可进入电离室508，气体分子510可吸收来自UV灯300的UV光的能量，然后气体分子510可被电离。电离粒子可通过它们在电离室508内的运动而产生电流，该电流可由检测器电极504检测。UV灯300内的涂层320(如上所示)可增大从UV灯300向外导向样品气体分子510的UV光的强度。
在第一实施方案中，用于与光致电离检测器一起使用的紫外线灯可包括：密封管，该密封管被构造成含有至少一种气体；涂层，该涂层被施加到密封管的内表面上；以及晶体窗口，该晶体窗口附接到密封管，被构造成允许密封管内生成的UV光的透射。
第二实施方案可包括根据第一实施方案所述的紫外线灯，其中涂层包含抗溅射材料。
第三实施方案可包括根据第一实施方案或第二实施方案所述的紫外线灯，其中涂层包含生成二次电子发射的材料。
第四实施方案可包括根据第一实施方案至第三实施方案中任一项所述的紫外线灯，其中涂层包含具有强UV光反射的材料。
第五实施方案可包括根据第一实施方案至第四实施方案中任一项所述的紫外线灯，其中涂层包含氧化镁(MgO)。
第六实施方案可包括根据第一实施方案至第五实施方案中任一项所述的紫外线灯，其中涂层使用射频溅射施加到密封管的内表面上。
第七实施方案可包括根据第一实施方案至第六实施方案中任一项所述的紫外线灯，其中涂层使用电子束蒸发涂施加密封管的内表面上。
第八实施方案可包括根据第一实施方案至第七实施方案中任一项所述的紫外线灯，其中涂层使用化学气相沉积施加到密封管的内表面上。
第九实施方案可包括根据第一实施方案至第八实施方案中任一项所述的紫外线灯，其中涂层使用湿化学施加方法施加到密封管的内表面上。
第十实施方案可包括根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的紫外线灯，还包括至少一种气体，该至少一种气体密封在密封管内，其中气体被构造成在电离时生成紫外光，并且其中紫外光经由晶体窗口导出密封管。
第十一实施方案可包括根据第一实施方案至第十实施方案中任一项所述的紫外线灯，其中至少一种气体包括至少一种惰性气体。
在第十二实施方案中，形成用于与光致电离检测器一起使用的紫外线灯的方法可包括：将至少一层涂层施加到密封管的内表面上；将晶体窗口密封到密封管上；使用密封管内的至少一种气体生成紫外线辐射；以及将所生成的紫外线辐射通过晶体窗口导向光致电离检测器中的样品气体。
第十三实施方案可包括根据第十二实施方案所述的方法，还包括通过涂层反射所生成的紫外线辐射，以及将所反射的紫外线辐射导向光致电离检测器中的样品气体。
第十四实施方案可包括根据第十三实施方案所述的方法，还包括：使用所生成和反射的紫外线辐射使样品气体电离；检测通过电离所产生的电流；以及基于所检测的电流确定样品气体的浓度。
第十五实施方案可包括根据第十四实施方案所述的方法，其中通过涂层增大生成的紫外线辐射的强度，从而增大样品气体的电离。
第十六实施方案可包括根据第十二实施方案至第十五实施方案中任一项所述的方法，其中晶体窗口不含涂层。
第十七实施方案可包括根据第十二实施方案至第十六实施方案中任一项所述的方法，其中涂层包含以下材料中的一种或多种：抗溅射材料和生成二次电子发射的材料。
在第十八实施方案中，光致电离检测器可包括：一个或多个电极；紫外线灯，该紫外线灯包括：密封管，该密封管被构造成含有至少一种气体；涂层，该涂层被施加到密封管的内表面上；以及晶体窗口，该晶体窗口附接到密封管，被构造成允许密封管内生成的紫外光的透射；以及至少一种样品气体，其中通过使至少一种气体电离而在密封管内生成紫外线辐射，其中涂层反射紫外线辐射，并且所反射的紫外线辐射被导向样品气体，其中样品气体通过所反射的紫外线辐射而至少部分地电离，并且其中电极被构造成检测通过样品气体的电离所产生的电流以确定样品气体的浓度。
第十九实施方案可包括根据第十八实施方案所述的光致电离检测器，其中涂层包含以下材料中的一种：抗溅射材料、生成二次电子发射的材料和具有强紫外光反射的材料。
第二十实施方案可包括根据第十八实施方案或第十九实施方案所述的光致电离检测器，其中涂层使用射频溅射、电子束蒸发、化学气相沉积和湿化学施加方法中的一种或多种方法来施加到密封管的内表面上。
第二十一实施方案可包括根据十八实施方案至第二十实施方案中任一项所述的光致电离检测器，还包括至少一种气体，该至少一种气体密封在密封管里，其中气体被构造成在电离时生成紫外光，并且其中紫外光经由晶体窗口导出密封管。
第二十二实施方案可包括根据第二十一实施方案所述的光致电离检测器，其中至少一种气体包括至少一种惰性气体。
第二十三实施方案可包括根据第十八实施方案至第二十二实施方案中任一项所述的光致电离检测器，其中涂层包含氧化镁(MgO)。
尽管上文已经示出和描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但在不脱离本公开的实质和教导的情况下，本领域的技术人员可以对其做出修改。本文所述的实施方案仅是代表性的而并非意在进行限制。许多变化、组合和修改都是可能的，且在本公开的范围之内。由于合并、整合和/或省略一个或多个实施方案的特征而得到的替代实施方案也在本公开的范围之内。因此，保护范围不受上面给出的描述的限制，而是由以下的权利要求限定，该范围包括权利要求书的主题的所有等价物。每一项权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，且权利要求书为一个或多个本发明的一个或多个实施方案。此外，任何上述优点和特征可涉及特定实施方案，但不应将这些公布的权利要求书的应用限制为实现任何或所有以上优点或具有任何或所有以上特征的方法和结构。
另外，本文所使用的章节标题是为了与37C.F.R.1.77的建议一致或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可以从本公开公布的任何权利要求书中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题可能是指“技术领域”，但权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的领域。此外，“背景技术”中的技术的描述不应被解读为承认某项技术是本公开中的任何一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不应被认为是在公布的权利要求中所阐述的一个或多个发明的限制性表征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何提及不应被用于证明在本公开中仅有一个新颖点。根据从本公开公布的多个权利要求的限制，可以阐述多个发明，并且这些权利要求相应地限定了由其保护的一个或多个发明及其等同形式。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开按照权利要求自身的优点来考虑，而不应受到本文所陈述的标题的限制。
应当理解，使用广义的术语如“包含”、“包括”和“具有”提供对狭义的术语如“由…组成”、“基本上由…组成”和“基本上由…构成”的支持。针对实施方案的任何元件使用术语“任选地”、“可”、“可能”、“有可能地”等意指该元件是不需要的，或另选地，该元件是需要的，两种替代方案均在一个或多个实施方案的范围之内。另外，对示例的提及仅仅用于说明目的，并非意在是排他性的。
尽管本公开中提供了若干实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的实质或范围的情况下可以通过许多其他具体形式来体现所公开的系统和方法。本发明示例应被认为是例示性的而非限制性的，并且本发明并非局限于本文中给出的细节。例如，可以将各种元件或部件结合或集成到另一个系统中，或者可以省略或不实现某些特征。
此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在各个实施方案中被描述和示出为分立或独立的技术、系统、子系统和方法与其他系统、模块、技术或方法结合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦合或通信的其他项可以通过一些接口、设备或中间部件间接耦合或通信，而不论是通过电、机械还是其他方式进行这种耦合或通信。本领域技术人员可确定并且在不脱离本文所公开的实质和范围的情况下可以做出变化、替换和变更的其他示例。

Claims (10)

1.一种用于与光致电离检测器一起使用的紫外线灯，所述紫外线灯包括：
涂层，所述涂层施加到密封管的内表面上，其中所述涂层包括以下中的至少一种：抗溅射材料、生成二次电子发射的材料、以及具有强UV光反射的材料。
2.根据权利要求1所述的紫外线灯，其中所述涂层包括氧化铝(Al2O3)。
3.根据权利要求1所述的紫外线灯，其中所述涂层包括二氧化硅(SiO2)。
4.根据权利要求1所述的紫外线灯，其中所述涂层包括氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、和二氧化硅(SiO2)中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的紫外线灯，其中所述涂层使用射频溅射施加到所述密封管的所述内表面上。
6.根据权利要求1所述的紫外线灯，其中所述涂层使用电子束蒸发施加到所述密封管的所述内表面上。
7.根据权利要求1所述的紫外线灯，其中所述涂层使用化学气相沉积施加到所述密封管的所述内表面上。
8.根据权利要求1所述的紫外线灯，其中所述涂层使用射频溅射、电子束蒸发、化学气相沉积、和湿化学施加方法中的一种或多种施加到所述密封管的所述内表面上。
9.根据权利要求1所述的紫外线灯，其中所述涂层使用低温烧结施加到所述密封管的所述内表面上。
10.一种形成用于与光致电离检测器一起使用的紫外线灯的方法，所述方法包括：
将至少一层涂层施加到密封管的内表面上，其中所述涂层包括以下中的至少一种：抗溅射材料、生成二次电子发射的材料、以及具有强UV光反射的材料。
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