CN207474410U - 一种双极性可控脉冲电晕放电电离源及其离子迁移谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种双极性可控脉冲电晕放电电离源及其离子迁移谱仪，包括脉冲高压模块、电极基座和安装在所述电极基座上的电极，所述电极与所述脉冲高压模块电性连接，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括平行设置的第一电极I和第一电极II，所述的第一电极I和第一电极II垂直设置于所述电极基座上，且所述的第一电极I和第一电极II之间通过一绝缘隔板隔开，分别用于产生正离子和负离子；所述第二电极为一带有网孔的金属网片，其覆盖于所述第一电极上方的所述电极基座的开口端。本实用新型中的双极性可控可控高压脉冲电晕放电电离源结构简单，可以在大气压条件下同时产生正/负离子，信号强度大，放电性能稳定，具有优良的电离效率及整体使用寿命。
Description
技术领域
本实用新型涉及气相检测技术领域，具体涉及一种双极性可控脉冲电晕放电电离源及其离子迁移谱仪。
背景技术
离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)是过去几十年来发展起来的一项新型气相分析检测技术，主要是通过气态离子的迁移率来表征各种不同的化学物质，以达到对各种物质分析检测的目的。离子迁移谱仪能在大气压和室温条件下工作，结构简单，分析速度快，灵敏度高，特别适合于一些挥发性有机化合物的痕量探测。离子迁移谱仪在国家安全、环境监测、生物医学、食品卫生等众多领域都展示出了其无限的潜力。
待测样品在载气的带动下通过进气口进入反应区，在电离源的作用下通过质子夺取反应、电子附着反应、电子交换反应等过程生成相对稳定的产物离子。产物离子通过离子栅门的控制，在同一时间进入漂移区。漂移区为处于大气环境中的一段均匀电场，电场强度约为200～400V/cm，产物离子因受电场的加速和逆向中性大气分子的碰撞减速，在宏观上就表现为获得了一个恒定的平均速度。由于不同的产物离子其荷质比、空间几何构型和碰撞截面等不同，因而获得的平均速度也不同，所以不同的产物离子在电场中被成功分离，先后到达法拉第接收极，从而获得离子迁移谱信号，经数据处理及数据库检索，即可以得到待测样品的种类和浓度。
电离源主要是将样品分子在大气压条件下电离成离子，以便在漂移区中进行分离检测。一般要求电离源可以将样品充分电离，同时还要少受空气组份的影响。常用的电离方法有如下几种：放射性电离，电晕放电电离，紫外灯电离，激光电离，电喷雾电离，火焰电离，表面电离等多种方式。目前，最常用的电离源是采用放射性材料制成的金属箔，它无需外接电源，应用简单，但同时它又具有辐射性，可能会对人体造成伤害，在使用、运输、加工以及处理等方面都有严格的操作规程，再加上放射性电离源的线性范围窄、选择性欠好和放射性污染等问题，对IMS检测技术的发展存在很大限制。电晕放电是常压下产生等离子体的主要放电方式之一，相比较放射性电离源，电晕放电产生的电子密度大，因此可以提高整体仪器的探测灵敏度，并得到较大的动态范围。电晕放电离子迁移谱仪可以检测一些放射性电离源离子迁移谱仪不能检测或灵敏度很低的非挥发性链烷烃和芳香族化合物，还可以对液体样品直接进行分析。
电晕放电主要有直流电晕放电和脉冲电晕放电两种方式。早期的研究工作大部以直流电晕放电为主，但脉冲电晕放电的优点显而易见，可以减轻放电针电极的损耗，提高电极寿命；电晕放电时产生的氮氧化物NOX和O3会干扰气相分子-离子反应，会大大降低负离子物质的检测灵敏度，脉冲电晕放电则可以减少NOX和O3的生成，利于消除其对正常产物离子的不利影响。
中国专利文献CN101339160B探讨了离子迁移谱仪正负离子协同检测的方案，釆用极性切换的直流高压电晕放电；中国专利文献CN102479659A釆用直流高压电晕放电，中国专利文献CN104752148A主要釆用多根可独立控制高压通断的电晕针；中国专利文献CN203983231是一种正离子检测脉冲电晕放电离子迁移谱仪。但是，以上专利有一个共同的问题，即缺乏有关正负离子脉冲电晕放电电离源的结构和实际应用；而且，所涉及的离子迁移谱仪均为工作在单一离子极性模式下，不能实现对待测样品的正、负离子的同时检测，限制了仪器的应用。国内尚无离子迁移谱仪可以使用单检测器和正负离子脉冲电晕放电电离源实现真正的正负离子的快速协同检测，不能满足仪器在线检测的要求。
实用新型内容
针对现有技术中的以上不足，本实用新型提供一种设计结构简单，可以在大气压条件下同时产生正/负离子、放电性能稳定，且具有优良电离效率及整体使用寿命的双极性可控脉冲电晕放电电离源及其离子迁移谱仪。
为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一方面，本实用新型提供了一种双极性可控脉冲电晕放电电离源，包括脉冲高压模块、电极基座和安装在所述电极基座上的电极，所述电极与所述脉冲高压模块电性连接，所述电极包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括平行设置的第一电极I和第一电极II，所述的第一电极I和第一电极II垂直设置于所述电极基座上，且所述的第一电极I和第一电极II之间通过一绝缘隔板隔开，分别用于产生正离子和负离子；所述第二电极为一带有网孔的金属网片，其覆盖于所述第一电极上方的所述电极基座的开口端。
所述第一电极I和第一电极II均为针状电极。
所述第一电极I和第一电极II的直径为0.1-0.3mm，长度为3-5mm。
所述电极基座为一端开口的圆柱状结构，所述金属网片上的网孔直径及网孔间隔为0.4-0.6mm，所述金属网片的厚度为0.15-0.25mm。
所述电极基座为陶瓷基座。
另一方面，本实用新型还提供了一种离子迁移谱仪，包括中央处理单元、脉冲放电电离源、迁移管和信号检测装置，沿所述迁移管的轴向依次设有反应区、离子门、漂移区、栅网和法拉第盘，所述信号检测装置分别与所述的中央处理单元和法拉第盘电性连接，所述脉冲放电电离源靠近所述迁移管的反应区设置，所述脉冲放电电离源为上述的双极性可控脉冲电晕放电电离源，所述中央处理单元与所述脉冲高压模块电性连接，用于在所述脉冲高压模块的正高压端产生正高压，且通过电阻R1加载至所述的第一电极I上，在所述脉冲高压模块的负高压端产生负高压，且通过电阻R2加载至所述第一电极II上，所述中央处理单元分别与所述的第二电极和离子门电性连接。
所述的反应区和漂移区分别由若干个金属电极环和绝缘陶瓷环交替排列组成的空腔管子。
所述中央处理单元控制所述脉冲高压模块所产生的高压脉冲产生于所述离子门脉冲前。
所述信号检测装置的一个检测周期内所产生的高压脉冲为1-3个，每个高压脉冲的持续时间为0.5-3ms。
所述中央处理单元中包括极性切换模块，用于自动切换所述脉冲高压模块中正负离子的模式检测，所述极性切换模块每隔1-2s进行一次正负离子模式检测的切换。
本实用新型技术方案，具有如下优点：
A.本实用新型中的双极性可控可控高压脉冲电晕放电电离源结构简单，可以在大气压条件下同时产生正/负离子，信号强度大，放电性能稳定，具有优良的电离效率及整体使用寿命。
B.本实用新型所提供的离子迁移谱仪可以通过中央处理单元中的极性切换模块实现正负模式检测的自动切换，仅使用一个信号检测装置，每隔1-2s进行一次高压电场的极性转换，借助正/负离子在电场中的迁移分离实现对待测物质的正/负离子协同检测，分辨率均可以达到25以上，探测灵敏度高，拓展了离子迁移谱仪的应用范围，提高了离子迁移谱仪的检测性能。
C.本实用新型与传统的离子迁移谱中使用放射源相比，本实用新型中的离子迁移谱仪无放射性，仪器使用、维护和管理方便，分辨率高，探测灵敏度和检测准确性高。可以实现正负模式检测的协同工作，适用于有毒有害气体的快速在线检测与报警。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是双极性可控脉冲电晕放电电离源部件的立体结构示意图；
图2是图1所示结构截面剖视图；
图3是图1所示结构俯视图；
图4是带有双极性可控脉冲电晕放电电离源部件的离子迁移谱仪结构示意图；
图5是本实用新型的仪器可控高压脉冲电晕放电脉冲波形与离子门脉冲波形的关系示意图；
图6是本实用新型的离子迁移谱仪正/负离子空气反应离子峰的离子迁移谱图；
图7是本实用新型的离子迁移谱仪检测丙酮样品的离子迁移谱图；
图8是本实用新型的离子迁移谱仪检测二氯甲烷样品的离子迁移谱图；
图9是本实用新型的离子迁移谱仪检测水杨酸甲酯样品的离子迁移谱图。
附图标记说明：
1-脉冲高压模块；2-电极基座；3-电极，31-第一电极，311-第一电极I，312-第一电极II，32-第二电极；4-绝缘隔板；5-中央处理单元；6-迁移管，61-反应区，62-离子门，63-漂移区，64-栅网，65-法拉第盘；7-信号检测装置；8-脉冲放电电离源；9-电源系统。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1、图2、图3和图4所示，本实用新型提供了一种双极性可控脉冲电晕放电电离源，包括脉冲高压模块1、电极基座2和安装在电极基座2上的电极3，这里的电极基座2优选为陶瓷基座。电极3与脉冲高压模块1电性连接，电极3包括第一电极31和第二电极32，第一电极31包括平行设置的第一电极I311和第一电极II312，第一电极I311和第一电极II312垂直设置于电极基座2上，且第一电极I311和第一电极II312之间通过一绝缘隔板4隔开，分别用于产生正离子和负离子；第二电极32为一带有网孔的金属网片，其覆盖于第一电极31上方的电极基座2的开口端。
第一电极I311和第一电极II312具有针状形状，是一对平行设置的针状电极，直径为0.1-0.3mm，长度为3-5mm，优选的直径为0.2mm，长4mm，两针间隔约8mm，针状电极材料为99.95％铂金，二者可互换使用；第二电极具有圆形形状，为一不锈钢特型网片，直径优选为25mm，网孔直径和间隔优选为0.5mm，厚度优选为0.2mm，固定在陶瓷基座顶端。脉冲高压模块安装在一块PCB板上，用于为整体系统提供脉冲高压。
如图4所示，本实用新型还提供了一种离子迁移谱仪，包括中央处理单元5、脉冲放电电离源8、迁移管6、信号检测装置7和电源系统9，电源系统9用于给中央处理单元和脉冲放电电离源8供电，沿迁移管6的轴向依次设有反应区61、离子门62、漂移区63、栅网64和法拉第盘65，信号检测装置7分别与中央处理单元5和法拉第盘65电性连接，脉冲放电电离源靠近迁移管6的反应区61设置，脉冲放电电离源为双极性可控脉冲电晕放电电离源8，中央处理单元5与脉冲高压模块1电性连接，用于在脉冲高压模块1的正高压端产生正高压，且通过电阻R1加载至第一电极I311上，在脉冲高压模块1的负高压端产生负高压，且通过电阻R2加载至第一电极II312上，中央处理单元5分别与第二电极32和离子门62电性连接。反应区61和漂移区63分别由若干个金属电极环和绝缘陶瓷环交替排列组成的空腔管子，且在其两端加直流高压，金属电极环再通过电阻分压，以得到均匀的轴向电场。
脉冲高压模块的通断(即双极性可控可控脉冲电晕放电)与离子门脉冲保持一定的时序，如图5所示，可控的高压脉冲电晕放电产生于离子门脉冲前，可控的高压脉冲在一个检测周期内为1-3个，每个高压脉冲的持续时间为0.5-3ms。一个检测周期内高压脉冲的数量、脉冲持续时间长度与产生的离子数量相关。可控的高压脉冲电晕放电可进一步减轻放电针电极的损耗，改善放电针寿命，还可能减少NOX和O3离子的生成，利于消除其对正常产物离子的不利影响。
在实际使用时，离子迁移谱仪通过数据线与上位机相连，采用自主研发的上位机软件即可以实时监测当前离子迁移谱仪的工作状态。非进样状态下，软件显示的为当前时刻的正/负空气离子峰，如图6所示。图6是本实用新型的离子迁移谱仪正/负离子空气反应离子峰的离子迁移谱图，经计算，正离子特征峰的约化迁移率是2.08，峰高618.4，负离子特征峰的约化迁移率是2.30，峰高501.1。
进行样品检测时，软件则可以实时显示待测样品的正/负特征离子峰，如图7～图9所示，进而与仪器中存储的数据库进行比对，判断待测样品的种类并显示，如果待测样品的浓度超过报警限值，则会发出报警。
中央处理单元产生脉冲作用在可控的脉冲高压模块的4脚，则该模块的1脚(+端)产生正高压，通过电阻R1加载到第一电极I上，此时该电极上的电位为+HV1，与第二电极上的电位HV3+形成电位差，+HV1高于HV3+约3000V，第一电极I与第二电极之间的空间内就会形成不均匀静电场，进而在大气压条件下产生气体电离，HV3+同时加载到反应区的第一个电极环上，在电场力的作用下，由电离源产生的正离子会沿轴向通过离子门，不同的正离子平均速度不同，所以其在电场中被成功分离，先后到达法拉第盘，从而获得待测物质的正离子迁移谱信号。
图7是本实用新型的离子迁移谱仪检测丙酮样品的离子迁移谱图，由图7可知，与空气反应离子峰相比，负离子峰几乎没有任何变化，正离子则产生了一个新的特征峰，经计算，该特征峰的约化迁移率是1.80，峰高298.9。
中央处理单元产生脉冲作用在可控的脉冲高压模块的5脚，则该模块的2脚(-端)产生负高压，通过电阻R2加载到第一电极II上，此时该电极上的电位为-HV2，与第二电极上的电位HV3-形成电位差，-HV2低于HV3-约3000V，第一电极II与第二电极之间的空间内就会形成不均匀静电场，进而在大气压条件下产生气体电离，HV3-同时加载到反应区的第一个电极环上，在电场力的作用下，由电离源产生的负离子会沿轴向通过离子门，不同的负离子平均速度不同，所以其在电场中被成功分离，先后到达法拉第盘，从而获得待测物质的负离子迁移谱信号。图8是本实用新型的离子迁移谱仪检测二氯甲烷样品的离子迁移谱图，由图8可知，与空气反应离子峰相比，正离子峰几乎没有任何变化；负离子则产生了一个新的特征峰，经计算，该特征峰的约化迁移率是2.65，峰高290.2。
中央处理单元的功能是协调离子迁移谱仪各模块完成检测功能，最终得到有效的检测数据并将结果呈现给使用者。其中，中央处理单元中的ARM芯片、FPGA芯片及外围电路共同对脉冲高压模块进行高压切换，对离子门及信号检测的闭环反馈控制，是离子迁移谱仪实现正/负离子协同检测的关键。在进行正离子模式检测时，通过脉冲控制第一电极I的电位为+HV1，同时，切换第二电极的电位保持在HV3+，稍后，打开离子门，法拉第盘接收信号后，通过信号检测装置及AD变换，得到一张正离子迁移谱图；在进行负离子模式检测时，通过脉冲控制第一电极II的电位为-HV2，同时，切换第二电极的电位保持在HV3-，稍后，打开离子门，法拉第盘接收信号后，通过信号检测装置及AD变换，得到一张负离子迁移谱图；中央处理单元优选每隔1.5s进行一次正负离子模式的切换，借助正/负离子在电场中的迁移分离实现对待测物质的正/负离子协同检测，分辨率均可以达到25以上，探测灵敏度高，拓展了离子迁移谱仪的应用范围，提高了离子迁移谱仪的检测性能。图9是本实用新型的离子迁移谱仪检测水杨酸甲酯样品的离子迁移谱图，由图9可知，与空气反应离子峰相比，正负离子各产生了一个新的特征峰，经计算，正离子特征峰的约化迁移率是1.62，峰高237.2；负离子特征峰的约化迁移率是1.47，峰高108.5。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种双极性可控脉冲电晕放电电离源，包括脉冲高压模块(1)、电极基座(2)和安装在所述电极基座(2)上的电极(3)，所述电极(3)与所述脉冲高压模块(1)电性连接，其特征在于，所述电极(3)包括第一电极(31)和第二电极(32)，所述第一电极(31)包括平行设置的第一电极I(311)和第一电极II(312)，所述的第一电极I(311)和第一电极II(312)垂直设置于所述电极基座(2)上，且所述的第一电极I(311)和第一电极II(312)之间通过一绝缘隔板(4)隔开，分别用于产生正离子和负离子；所述第二电极(32)为一带有网孔的金属网片，其覆盖于所述第一电极(31)上方的所述电极基座(2)的开口端。
2.根据权利要求1所述的双极性可控脉冲电晕放电电离源，其特征在于，所述第一电极I(311)和第一电极II(312)均为针状电极。
3.根据权利要求2所述的双极性可控脉冲电晕放电电离源，其特征在于，所述第一电极I(311)和第一电极II(312)的直径为0.1-0.3mm，长度为3-5mm。
4.根据权利要求1所述的双极性可控脉冲电晕放电电离源，其特征在于，所述电极基座(2)为一端开口的圆柱状结构，所述金属网片上的网孔直径及网孔间隔为0.4-0.6mm，所述金属网片的厚度为0.15-0.25mm。
5.根据权利要求4所述的双极性可控脉冲电晕放电电离源，其特征在于，所述电极基座(2)为陶瓷基座。
6.一种离子迁移谱仪，包括中央处理单元(5)、脉冲放电电离源、迁移管(6)和信号检测装置(7)，沿所述迁移管(6)的轴向依次设有反应区(61)、离子门(62)、漂移区(63)、栅网(64)和法拉第盘(65)，所述信号检测装置(7)分别与所述的中央处理单元(5)和法拉第盘(65)电性连接，所述脉冲放电电离源靠近所述迁移管(6)的反应区(61)设置，其特征在于，所述脉冲放电电离源为所述权利要求1-5任一所述的双极性可控脉冲电晕放电电离源，所述中央处理单元(5)与所述脉冲高压模块(1)电性连接，用于在所述脉冲高压模块(1)的正高压端产生正高压，且通过电阻R1加载至所述的第一电极I(311)上，在所述脉冲高压模块(1)的负高压端产生负高压，且通过电阻R2加载至所述第一电极II(312)上，所述中央处理单元(5)分别与所述的第二电极(32)和离子门(62)电性连接。
7.根据权利要求6所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述的反应区(61)和漂移区(63)分别由若干个金属电极环和绝缘陶瓷环交替排列组成的空腔管子。
8.根据权利要求6所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述中央处理单元(5)控制所述脉冲高压模块(1)所产生的高压脉冲产生于所述离子门(62)脉冲前。
9.根据权利要求6所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述信号检测装置(7)的一个检测周期内所产生的高压脉冲为1-3个，每个高压脉冲的持续时间为0.5-3ms。
10.根据权利要求6所述的离子迁移谱仪，其特征在于，所述中央处理单元中包括极性切换模块，用于自动切换所述脉冲高压模块中正负离子的模式检测，所述极性切换模块每隔1-2s进行一次正负离子模式检测的切换。
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