本發明涉及大氣顆粒物荷電技術領域，具體涉及一種集成自由離子捕集功能的單極性顆粒物荷電裝置及方法。
背景技術：
在大氣顆粒物荷電技術領域中，通常利用顆粒物的電遷移率來實現顆粒物的偏轉分離，最終實現顆粒物濃度的測量。而要表征顆粒物的電遷移率則需要先對粒子進行荷電，此后才能進入電遷移管進行分離、檢測。只有準確測量內外荷電效率以及損失效率等才能完成顆粒物濃度的反演。因此，顆粒物荷電是顆粒物測量系統中最基本最重要的部分。
在大氣顆粒物荷電過程中，顆粒物可以通過暴露在單極性或者雙極性兩類離子環境中實現顆粒物荷電。雙極性荷電裝置，常采用210po、241am、85kr等放射性同位素的衰減進行荷電。在各種雙極性荷電中，中性顆粒可以通過粒子與離子的相互碰撞成為帶電粒子。由于放射性同位素對人體存在危害，限制了其在氣溶膠測量領域的應用。基于此，研究者更關注采用電暈放電的方式使顆粒物帶電。現有的荷電裝置通常直接電離的是大氣，這樣很容易污染放電針，導致放電針有粒子沉積，影響放電針的電離效率，需要定期清理不能長期使用；除此之外，裝置中沒有將自由離子去除，這樣會對顆粒物荷電量的測量結果的準確性有影響。因此，需要設計一種能夠長期使用并且能將自由離子去除的大氣顆粒物荷電裝置及方法。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種集成自由離子捕集功能的單極性顆粒物荷電裝置及方法，該荷電裝置及方法能夠解決現有技術中存在的不足，實現大氣顆粒物的高效荷電。
為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：
一種集成自由離子捕集功能的單極性顆粒物荷電裝置，包括外腔體、嵌入設置在外腔體內部的內腔體、安裝在內腔體中的放電針、依次穿過外腔體及內腔體后與放電針相連的高壓電極以及穿過外腔體后安裝在內腔體上的捕集電極。
所述外腔體包括外腔體前蓋、與外腔體前蓋后端相連的外腔體后蓋以及由外腔體前蓋與外腔體后蓋圍成的第一空腔；所述外腔體前蓋上開設有與第一空腔相連通的顆粒物進口，外腔體后蓋上開設有與第一空腔相連通的荷電顆粒物出口。
所述內腔體包括內腔體前蓋、與內腔體前蓋后端相連的內腔體后蓋以及由內腔體前蓋與內腔體后蓋圍成的第二空腔；所述內腔體前蓋上開設有離子噴射口；所述內腔體后蓋上設有與第二空腔相連通的潔凈空氣進口，且該潔凈空氣進口從外腔體后蓋穿出。
所述放電針、顆粒物進口、離子噴射口和荷電顆粒物出口同軸設置。
所述顆粒物進口與離子噴射口之間的區域為顆粒物荷電區域；所述第一空腔與第二空腔之間的區域為自由離子捕集區域。
進一步的，所述高壓電極上套設有第一絕緣套筒；所述放電針通過第二絕緣套筒安裝在內腔體后蓋上；所述捕集電極上套設有第三絕緣套筒。
進一步的，所述放電針采用鎢材質，且放電針的針尖直徑小于2μm，針尖長度小于10mm，針尖和離子噴射口中心之間的距離為5mm。
進一步的，所述外腔體前蓋和內腔體前蓋均為圓弧面。
進一步的，所述外腔體后蓋包括依次相連的長方體部分和圓臺部分；所述內腔體后蓋包括依次相連的長方體部分和圓錐部分。
進一步的，所述顆粒物進口、離子噴射口、荷電顆粒物出口、內腔體前蓋、內腔體后蓋、外腔體前蓋和外腔體后蓋均采用不銹鋼材質。
進一步的，所述高壓電極和捕集電極均采用銅材質。
進一步的，所述潔凈空氣進口包括對稱設置的第一潔凈空氣進口和第二潔凈空氣進口；所述潔凈空氣進口采用聚醚醚酮材質。
進一步的，所述第一、第二和第三絕緣套筒均采用聚醚醚酮材質。
本發明還涉及一種上述荷電裝置的方法，該方法包括以下步驟：
（1）潔凈空氣通過第一潔凈空氣進口和第二潔凈空氣進口進入到第二空腔中；
（2）將高壓電極的端部接入高壓，放電針的尖端發生尖端放電，從而使進入到第二空腔中的潔凈空氣發生電離，產生大量的離子；
（3）在潔凈空氣流的推動下，第二空腔中的離子通過離子噴射口進入到顆粒物荷電區域；
（4）大氣顆粒物由顆粒物進口進入到顆粒物荷電區域；
（5）在顆粒物荷電區域內，離子和樣氣中的大氣顆粒物發生碰撞，離子附著在大氣顆粒物上，使大氣顆粒物帶電，從而得到帶電顆粒物；在樣氣氣流的作用下，帶電顆粒物和其余未附著在大氣顆粒物上的離子進入到自由離子捕集區域；
（6）將捕集電極接入捕集電壓，在自由離子捕集區域內形成捕集電場，在捕集電場的作用下，其余未附著在大氣顆粒物上的離子被內腔體前蓋及內腔體后蓋的內壁收集；在內部氣流及捕集電場的電場力作用下，帶電顆粒物由荷電顆粒物出口流出。所述內部氣流包括從第一潔凈空氣進口和第二潔凈空氣進口進入的潔凈空氣流以及從顆粒物進口進入的氣流。
和現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
（1）本發明所述的顆粒物荷電裝置具有結構簡單、操作方便等特點，且通過設置外腔體以及嵌入設置在外腔體內的內腔體，將大氣顆粒物和放電針隔離開，使放電針處于潔凈的環境中，避免放電針被污染，保證了放電的穩定性，確保放電針可以長期工作。
（2）本發明所述的顆粒物荷電裝置集成了自由離子捕集功能，將帶電顆粒物中的自由離子去除，避免自由離子對荷電顆粒物真實荷電量測量結果的干擾。
（3）本發明所述的顆粒物荷電裝置設計成自由的離子（未附著在大氣顆粒物上的離子）和大氣顆粒物從相反的方向發生碰撞，可以增加離子和顆粒物碰撞的機會，提高顆粒物的荷電效率。
附圖說明
圖1是本發明中單極性顆粒物荷電裝置的結構示意圖。
其中：
11、顆粒物進口，12、外腔體前蓋，13、內腔體前蓋，14、外腔體后蓋，15、第一潔凈空氣進口，16、第三絕緣套筒，17、捕集電極，18、荷電顆粒物出口，19、第二絕緣套筒，20、第一絕緣套筒，21、高壓電極，22、放電針，23、第二潔凈空氣進口，24、內腔體后蓋，25、離子噴射口。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明：
如圖1所示的一種集成自由離子捕集功能的單極性顆粒物荷電裝置，包括外腔體、嵌入設置在外腔體內部的內腔體、安裝在內腔體中的放電針22、依次穿過外腔體及內腔體后與放電針22相連的高壓電極21以及穿過外腔體后安裝在內腔體上的捕集電極17。高壓電極21的一端連接放電針，另一端接高壓電源。由于放電針放電時會產生很多離子，這些離子中，只有小部分與顆粒物接觸，附著在顆粒物上，其余大部分離子還都是自由的離子。為了避免對顆粒物帶電量測量結果造成影響，這些自由的離子需要去除，因此，本發明采用捕集電極來去除掉自由的離子。捕集電極穿過外腔體后與內腔體的內腔體后蓋相接觸。
所述外腔體包括外腔體前蓋12、與外腔體前蓋12后端螺紋相連的外腔體后蓋14以及由外腔體前蓋12與外腔體后蓋14圍成的第一空腔；所述外腔體前蓋12上開設有與第一空腔相連通的顆粒物進口11，外腔體后蓋14上開設有與第一空腔相連通的荷電顆粒物出口18。
所述內腔體包括內腔體前蓋13、與內腔體前蓋13后端螺紋相連的內腔體后蓋24以及由內腔體前蓋13與內腔體后蓋24圍成的第二空腔。所述內腔體前蓋13上開設有離子噴射口25；離子噴射口25為直徑為1.5mm的圓柱孔。所述內腔體后蓋24上設有與第二空腔相連通的潔凈空氣進口，且該潔凈空氣進口從外腔體后蓋14穿出。
本發明通過將外腔體設置為由螺紋連接的外腔體前蓋與外腔體后蓋構成，將內腔體設置為由螺紋連接的內腔體前蓋與內腔體后蓋構成，具有制造方便、安裝便利等特點，在安裝過程中，能夠將外腔體前蓋拆下來，便于內腔體的安裝。
所述放電針22、顆粒物進口11、離子噴射口25和荷電顆粒物出口18同軸設置，這樣可以保證離子和顆粒物在直線方向碰撞，增加碰撞的機會。
所述顆粒物進口11與離子噴射口25之間的區域為顆粒物荷電區域。所述第一空腔與第二空腔之間的環形區域為自由離子捕集區域。
進一步的，所述高壓電極21上套設有第一絕緣套筒20；所述放電針通過第二絕緣套19筒安裝在內腔體后蓋24上；所述捕集電極17上套設有第三絕緣套筒16。第一絕緣套筒用于將高壓電極和外腔體后蓋、內腔體后蓋隔開；第二絕緣套筒用于將內腔體后蓋和放電針隔開；第三絕緣套筒將捕集電極后外腔體后蓋隔開。三個絕緣套筒均起到絕緣的作用。
進一步的，所述放電針22采用鎢材質，且放電針22的針尖直徑小于2μm，針尖長度小于10mm，針尖和離子噴射口中心之間的距離為5mm。根據實驗結果，對放電針的參數進行了設置，這樣能夠有利于放電針放電，確保放電電流的穩定性。
進一步的，所述外腔體前蓋12和內腔體前蓋13均為圓弧面。通過流體仿真設計，這樣更有利于自由離子的收集，帶電顆粒物不會被收集，能自由通過。
進一步的，所述外腔體后蓋14包括依次相連的長方體部分和圓臺部分；所述內腔體后蓋24包括依次相連的長方體部分和圓錐部分。通過流體仿真設計，這樣更有利于自由離子的收集，帶電顆粒物不會被收集，能自由通過。
進一步的，由于顆粒物成分復雜，還有腐蝕的成分，容易污染腔體，所以所述顆粒物進口11、離子噴射口25、荷電顆粒物出口18、內腔體前蓋13、內腔體后蓋24、外腔體前蓋12和外腔體后蓋14均采用不銹鋼材質，防止腐蝕生銹，清洗方便。
進一步的，所述高壓電極21和捕集電極17均采用銅材質。銅材質更容易導電。
進一步的，所述潔凈空氣進口包括對稱設置的第一潔凈空氣進口15和第二潔凈空氣進口23；所述潔凈空氣進口采用聚醚醚酮材質。
進一步的，所述第一、第二和第三絕緣套筒均采用聚醚醚酮材質。聚醚醚酮材質絕緣耐高壓。
本發明還涉及一種上述荷電裝置的方法，該方法包括以下步驟：
（1）潔凈空氣通過第一潔凈空氣進口和第二潔凈空氣進口進入到第二空腔中；
（2）將高壓電極的端部接入3千伏高壓，放電針的尖端發生尖端放電，從而使進入到第二空腔中的潔凈空氣發生電離，產生大量的離子；
（3）在潔凈空氣流的推動下，第二空腔中的離子通過離子噴射口進入到顆粒物荷電區域；
（4）大氣顆粒物由顆粒物進口進入到顆粒物荷電區域；
（5）在顆粒物荷電區域內，離子和樣氣中的大氣顆粒物以相反的運動方向發生碰撞，離子附著在大氣顆粒物上，使大氣顆粒物帶電，從而得到帶電顆粒物；在樣氣氣流的作用下，帶電顆粒物和其余未附著在大氣顆粒物上的離子進入到自由離子捕集區域；
（6）將捕集電極接入25v捕集電壓，在自由離子捕集區域內形成捕集電場，在捕集電場的作用下，其余未附著在大氣顆粒物上的離子被內腔體前蓋及內腔體后蓋的內壁收集；在內部氣流及捕集電場的電場力作用下，帶電顆粒物由荷電顆粒物出口流出。所述內部氣流包括從第一潔凈空氣進口和第二潔凈空氣進口進入的潔凈空氣流以及從顆粒物進口進入的氣流。
以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。