CN214408789U - 一种结合光离子化传感器的离子迁移谱设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，涉及气体检测技术领域。离子迁移谱设备的离子化源为双窗口紫外灯，双窗口紫外灯包括：玻璃管、第一紫外窗口、第二紫外窗口和激励电极，第一紫外窗口和第二紫外窗口分别设置在玻璃管的两端以分别离子化用于离子迁移谱和光离子化传感器所需的离子，玻璃管内填充有工作气体，激励电极设置在玻璃管的外壁。本方案将光离子化传感器与离子迁移谱技术结合，在仅使用一个离子化源的情况下实现同时离化被检测物进行两种检测，提高了两种设备采集离子的同源性，更有利于设备对于未知浓度气体的定性定量检测，并且减少了灯体对于结合光离子化传感器的离子迁移谱设备体积的占用，降低了能耗。

Description

一种结合光离子化传感器的离子迁移谱设备

技术领域

本实用新型涉及气体检测技术领域，尤其涉及结合光离子化传感器的离子迁移谱设备。

背景技术

离子迁移谱法通常采用放射性物质射线电离空气中的水、氧等分子，这些分子继续与气态被检测分子相互作用形成离子团簇，通过对离子团簇产生的微弱电信号进行采集和检测，从而定性分析待测气体的物质组成。由于使用放射性物质具有危险性，目前使用紫外光对待测气体进行离子化成为较为理想的替代方式。

然而，由于空气中的反应离子有限，而被测物浓度较高时往往倾向于生成多聚体，而多聚体的团簇重量与被检测物比成倍提高，迁移时间迅速提高。而随着迁移时间的增长，这些多聚体更难被电场约束，容易发生偏转而难以被法拉第盘最终收集，这对于最终被检测物质的定性定量检测具有不利影响。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结合光离子化传感器的离子迁移谱设备。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：

一种结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，所述结合光离子化传感器的离子迁移谱设备的离子化源为双窗口紫外灯，所述双窗口紫外灯包括：玻璃管、第一紫外窗口、第二紫外窗口和激励电极，所述第一紫外窗口和所述第二紫外窗口分别设置在所述玻璃管的两端，所述玻璃管内填充有工作气体，所述激励电极设置在所述玻璃管的外壁。

本方案提供的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，通过在玻璃管的两端分别设置紫外窗口，一个紫外窗口朝向离化区，用于进行离子迁移谱检测，另一个紫外窗口朝向光离子化传感器检测腔，用于进行光离子化传感器检测，将光离子化传感器与离子迁移谱技术结合，当根据单体峰鉴别出物质种类后，使用光离子化传感器和对应物质的修正系数计算被测物质浓度，具有更高的准确性，并且在仅使用一个离子化源的情况下实现同时离化被检测物进行两种检测，提高了两种设备采集离子的同源性，更有利于设备对于未知浓度气体的定性定量检测，并且减少了灯体对于离子迁移谱设备体积的占用，并且由于只驱动一个灯，降低了能耗，减少了一套驱动电路，从灯和电路上减少了设备必要的体积与重量。

本实用新型附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型实践了解到。

附图说明

图1为本实用新型双窗口紫外灯的实施例提供的结构示意图；

图2为本实用新型结合光离子化传感器的离子迁移谱设备的实施例提供的结构框架示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

传统的离子迁移谱设备使用具有放射性的金属同位素(例如⁶³Ni，²⁴¹Am)电离空气中的水、氧气分子并进一步与被检测物结合产生离子。但是这些材料往往需要严格的管理，设备需要维护或者损坏后也可能产生对人员的危害和环境污染。紫外光无放射性，光离子化过程稳定，受到环境湿度、污染等因素干扰较小，且具有驱动电路体积小等优点，受到了广泛研究。

在离子迁移谱应用中，由于被检测物质的得失电子倾向不同，不同的被测物质可以被紫外光离子化形成正离子和电子，也可以通过紫外光激发金属镀膜产生光电效应，这些低能量电子与氧气分子结合形成O₂ ^-等带负电性的离子，被检测气体分子与之结合形成负离子，完成离子化过程。这些正、负产物离子在电场作用下，通过周期性电压控制开启的离子门进入迁移区。当离子门开启后，在迁移区中离子一方面从电场获得能量作定向漂移，另一方面与逆向流动的中性迁移气体分子不断碰撞而损失能量，由于这些产物离子的质量、所带电荷、碰撞截面和空间构型各不相同，故在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子到达探测器上的时间不同，从而得到分离。当需要检测两种电性的离子时，往往使用具有一个迁移管的离子迁移谱设备，周期性地切换离子化区和迁移区的电场方向，从而实现对正负电荷的准连续检测。

然而，由于空气中的反应离子有限，而被测物浓度较高时往往倾向于生成多聚体，而多聚体的团簇重量与被检测物比成倍提高，迁移时间迅速提高。而随着迁移时间的增长，这些多聚体更难被电场约束，容易发生偏转而难以被法拉第盘最终收集，这对于最终被检测物质的定性定量具有不利影响。

光离子化传感器传感器是一种具有极高灵敏度，用途广泛的检测器，可以检测从10ppb到较高浓度的10000ppm的挥发性有机物和其他有毒气体。许多有害物质都含有挥发性有机化合物，光离子化传感器对挥发性有机化合物灵敏度很高。

光离子化检测器由真空紫外灯和电离室构成。其工作原理是：待测气体吸收紫外灯发射的高于气体分子电离能的光子，被离子化成正离子和电子，在外加电场的作用下这些正负粒子被紫外光窗口附近的电极收集形成电流，这种微弱电流一般通过设置GΩ级别的大电阻从而被放大为可以方便测量的电压值。由于被测气体浓度与光离子化电流在一定范围内成线性关系，因此，通过检测光离子化传感器设备的响应值与气体种类，便可得知被检测气体的浓度，从而确定被测气体是否超标。

因此为了提高设备的定量准确性，可以将光离子化传感器与离子迁移谱技术结合，当根据单体峰鉴别出物质种类后，使用光离子化传感器和对应物质的修正系数计算被测物质浓度，具有更高的准确性。

针对以上联用离子迁移谱和光离子化传感器的技术，如果使用传统的两个真空紫外灯分别激发离子迁移谱离子和光离子化传感器探测器，由于不同紫外灯的气体浓度、纯度、窗口洁净程度等各个方面均存在不可控的生产差异，在使用过程中不同紫外灯体的漏气等衰减速度也不同，因而联用时存在诸多初始的匹配问题、校准问题，并在后期可能存在额外维护问题。

为此，本实用新型提出一种结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，使用双紫外窗口的真空紫外灯同时参与离子迁移谱的光离子化和光离子化传感器的光离子化不增加灯数量的情况下使用实际上的同一离子化源进行双侧的离子化，提高两种设备采集离子的同源性，更有利于设备对于未知浓度气体的定性定量检测，并且减少了因使用双紫外灯灯等方法导致的设备体积重量上的增加。并且紫外灯的改变不影响其他相应部件的通用方法的功能的实现。双紫外窗口真空紫外灯的具体设计参考图1。

如图1所示，为本实用新型双窗口紫外灯的实施例提供的结构示意图，该双窗口紫外灯包括：玻璃管4、第一紫外窗口2、第二紫外窗口7和激励电极5，第一紫外窗口2和第二紫外窗口7分别设置在玻璃管4的两端，玻璃管4内填充有工作气体，激励电极5设置在玻璃管4的外壁，第一紫外窗口2用于离化被测气体分子，产生离子进行离子迁移谱检测，第二紫外窗口7用于离化被测气体分子，产生离子进行光离子化传感器检测。

下面对双窗口紫外灯的工作原理进行说明。

玻璃管4外壁的激励电极5通电后可以激发充有工作气体的紫外灯管发出一定强度的紫外光。该紫外光可以电离离子化源附近的部分有机与无机气体分子，产生离子。具体地，通过第一紫外窗口2离化处于离子化区内的待测气体分子，通过第二紫外窗口7离化处于光离子化传感器检测腔内的待测气体分子，由于离子化源是同一个，因此提高了两种设备采集离子的同源性，更有利于设备对于未知浓度气体的定性定量检测，并且减少了灯体对于结合光离子化传感器的离子迁移谱设备体积的占用，并且由于只驱动一个灯，降低了能耗，减少了一套驱动电路，从灯和电路上减少了设备必要的体积与重量。

然后，离子迁移谱检测的这些离子可以通过离子迁移区进行迁移，然后由法拉第盘进行收集，产生微弱电流。该电流经过放大电路放大，最终产生一个低阻电压信号的模拟输出，从而得到被检测气体的离子迁移谱图数据。

光离子化传感器检测的这些离子可以通过离子化源附近的正负电极片进行收集，产生微弱电流。该电流经过放大电路放大，最终产生一个低阻电压信号的模拟输出，根据离子迁移谱判断的气体种类。

应理解，第一紫外窗口2的外表面需要镀金，例如，可以为具有镂空结构的金属纱网，这样一部分紫外光可以透过纱网直接离子化气体分子，另一部分被金属纱网遮挡的紫外光通过金属光电感应作用产生O₂ ^-等反应负离子。

可选地，紫外窗口可以采用LiF、MgF₂或CaF₂等真空紫外光可穿透材料。激励电极5可采用Cu、Au等金属镀层。工作气体可以为Kr、Xe等稀有气体。

本实施例提供的双窗口紫外灯，适用于结合光离子化传感器的离子迁移谱设备的待测气体离子化，通过在玻璃管的两端分别设置紫外窗口，一个紫外窗口朝向离化区，用于进行离子迁移谱检测，另一个紫外窗口朝向光离子化传感器检测腔，用于进行光离子化传感器检测，将光离子化传感器与离子迁移谱技术结合，当根据单体峰鉴别出物质种类后，使用光离子化传感器和对应物质的修正系数计算被测物质浓度，具有更高的准确性，并且在仅使用一个离子化源的情况下实现同时离化被检测物进行两种检测，提高了两种设备采集离子的同源性，更有利于设备对于未知浓度气体的定性定量检测，并且减少了灯体对于离子迁移谱设备体积的占用，并且由于只驱动一个灯，降低了能耗，减少了一套驱动电路，从灯和电路上减少了设备必要的体积与重量。

可选地，在一些可能的实施方式中，玻璃管4内还设置有气体吸收剂14。

可选地，气体吸收剂14可以采用包含Zr、Al和V的合金材料。

可选地，在一些可能的实施方式中，第一紫外窗口2的外表面设置有金属纱网。

应理解，第一紫外窗口2的外表面需要镀金，例如，可以为具有镂空结构的金属纱网，这样一部分紫外光可以透过纱网直接离子化气体分子，另一部分被金属纱网遮挡的紫外光通过金属光电感应作用产生低能电子并进一步产生O₂ ^-等反应负离子。可选地，在一些可能的实施方式中，第一紫外窗口2和第二紫外窗口7采用相同的真空紫外光可穿透材料。

通过采用相同的真空紫外光可穿透材料制备紫外窗口，能够进一步提高正负离子迁移谱的关联性，使两侧的离化效率更为接近。

如图2所示，提供了更为详细的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备的可选结构示意图，下面结合图2对结合光离子化传感器的离子迁移谱设备的一些可选结构进行说明。

该结合光离子化传感器的离子迁移谱设备还包括：气化分流腔1、离子化区3、离子门10、离子迁移区11、屏蔽栅网12、法拉第盘13、光离子化传感器检测腔6、收集电极8、第一电信号放大电路9、第二电信号放大电路14和计算单元15，其中：

气化分流腔1设置有待测气体的进气口；

双窗口紫外灯的第一紫外窗口设置在离子化区3内，离子化区3的第一进气口与气化分流腔1连通，离子化区3的第二进气口设置在离子门10上，离子化区3和离子迁移区11通过周期性开启的离子门10连通，离子化区3的侧壁还设置有出气口；

双窗口紫外灯的第二紫外窗口设置在光离子化传感器检测腔6内，光离子化传感器检测腔6的进气口与气化分流腔1连通，收集电极8设置在光离子化传感器检测腔6内，收集电极8与第一电信号放大电路9连接，第一电信号放大电路9与计算单元15连接，光离子化传感器检测腔6的侧壁还设置有出气口；

屏蔽栅网12和法拉第盘13设置在离子迁移区11内远离离子门10的一端，法拉第盘13与第二电信号放大电路14连接，离子迁移区11的侧壁设置有进气口，第二电信号放大电路14与计算单元15连接。

下面对结合光离子化传感器的离子迁移谱设备的工作原理进行说明。

对双窗口紫外灯的激励电极5通高压交流电，激活玻璃管4内的工作气体，产生紫外光通过第一紫外窗口2射入离子化区3，通过第二紫外窗口7射入光离子化传感器检测腔6；

待测物质从气化分流腔11的入口进入，进行气化和分流，分流后的气体分别从离子化区3的第一进气口进入离子化区3，从光离子化传感器检测腔6的进气口进入光离子化传感器检测腔6；

进入离子化区3的气体在第一紫外窗口2的作用下离化生成离子，离子门10通过周期性电压变化开启与关闭，使离子通过离子门10进入离子迁移区11，离子迁移区11长度范围可以为5-30厘米，存在100V/cm-300V/cm的电场，可以使离子获得能量，使离子向远离离子门10的方向运动；离子迁移区11内同时含有与离子总体运动速度方向相反的迁移气，迁移气从设置在离子迁移区11尾部的进气口进入，离子门10是一对平行的金属丝，可以帮助迁移气从离子门10进入离子化区3，迁移气和样气等可以通过离子化区3侧壁的出气口排出；

离子运动到法拉第盘13后，与法拉第盘13表面的金属电极接触产生微弱的初始电信号，然后通过第二电信号放大电路14进行放大，用于被测气体的离子迁移谱峰的定性分析；

进入光离子化传感器检测腔6的气体在第二紫外窗口7的作用下离化生成离子，收集电极8用于收集光离子化后的气体离子，然后产生微弱的初始电流，然后通过第一电信号放大电路9进行放大，用于参与气体组成成分的定量分析；

计算单元15用于接收第一电信号放大电路9和第二电信号放大电路14的结果，综合计算出迁移时间对应的气体物质，根据该物质的修正系数和光离子化传感器信号强度计算气体的浓度。

其中，修正系数可以在判断出物质种类后查表得到。

应理解，离子迁移谱与光离子化传感器信号结合判断的方式可以通过现有技术实现，其方法本身不存在改进，例如，可以通过型号为STM32F405的芯片或者类似芯片实现计算功能。

其中，设置在法拉第盘13前面的屏蔽栅网12用于屏蔽法拉第盘13，以减少离子接收时的干扰。

第二电信号放大电路14用于放大离子迁移谱检测结构产生的电信号。

应理解，离子化区3、离子门10、离子迁移区11、屏蔽栅网12和法拉第盘13构成了离子迁移谱检测结构，离子迁移谱检测结构仅为一种功能上的表述，不代表实际装置。光离子化传感器检测腔6、收集电极8和第一电信号放大电路9构成了光离子化传感器检测结构，光离子化传感器检测结构同样仅为一种功能上的表述，不代表实际装置。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，所述离子迁移谱设备的离子化源为双窗口紫外灯，所述双窗口紫外灯包括：玻璃管、第一紫外窗口、第二紫外窗口和激励电极，所述第一紫外窗口和所述第二紫外窗口分别设置在所述玻璃管的两端，所述玻璃管内填充有工作气体，所述激励电极设置在所述玻璃管的外壁，所述第一紫外窗口用于离化被测气体分子，产生离子进行离子迁移谱检测，所述第二紫外窗口用于离化被测气体分子，产生离子进行光离子化传感器检测。

2.根据权利要求1所述的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，所述玻璃管内还设置有气体吸收剂。

3.根据权利要求1所述的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，所述第一紫外窗口的外表面设置有具有镂空结构的金属纱网。

4.根据权利要求1所述的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，所述第一紫外窗口和所述第二紫外窗口采用相同的真空紫外光可穿透材料。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，还包括：气化分流腔、设置在所述第一紫外窗口外部的离子迁移谱检测结构以及设置在所述第二紫外窗口外部的光离子化传感器检测结构；

其中，所述气化分流腔设置有待测气体的进气口，用于将所述待测气体分别输送给所述离子迁移谱检测结构和所述光离子化传感器检测结构；所述离子迁移谱检测结构用于在所述第一紫外窗口的作用下离化被测气体分子，产生离子进行离子迁移谱检测，产生对应的电信号；所述光离子化传感器检测结构用于在所述第二紫外窗口的作用下离化被测气体分子，产生离子进行光离子化传感器检测，产生对应的电信号。

6.根据权利要求5所述的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，所述离子迁移谱检测结构包括：离子化区、离子门、离子迁移区、屏蔽栅网和法拉第盘，所述双窗口紫外灯的第一紫外窗口设置在所述离子化区内，所述离子化区的第一进气口与所述气化分流腔连通，所述离子门为一对平行的金属丝，通过所述金属丝的电压控制所述离子门对离子的开关，所述屏蔽栅网和所述法拉第盘设置在所述离子迁移区内远离所述离子门的一端，第二进气口设置在所述离子迁移区后部，所述第二进气口在使用时通入经过净化的迁移气，通过所述离子门从离子化区的出气口流出。

7.根据权利要求5所述的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，所述光离子化传感器检测结构包括：光离子化传感器检测腔、收集电极和第一电信号放大电路，所述双窗口紫外灯的第二紫外窗口设置在所述光离子化传感器检测腔内，所述光离子化传感器检测腔的进气口与所述气化分流腔连通，所述收集电极设置在所述光离子化传感器检测腔内，所述收集电极与所述第一电信号放大电路连接。

8.根据权利要求7所述的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，所述光离子化传感器检测腔的侧壁还设置有出气口。

9.根据权利要求8所述的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，还包括：第二电信号放大电路，用于放大所述离子迁移谱检测结构产生的电信号。

10.根据权利要求9所述的结合光离子化传感器的离子迁移谱设备，其特征在于，所述第一电信号放大电路和所述第二电信号放大电路的电信号由信号处理模块识别气体种类并计算气体浓度。

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