專利名稱：一種帶電氣溶膠粒子透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分析儀器中的粒子透鏡，具體地說(shuō)是一種新的氣溶膠聚焦技術(shù)，將這
種新的氣溶膠聚焦技術(shù)用于氣溶膠相關(guān)分析儀器，能夠起到更好的聚焦效果，提高氣溶膠 粒子的傳輸效率和傳輸粒徑范圍，從而提高儀器的靈敏度。
背景技術(shù)：
大氣氣溶膠的來(lái)源廣泛，自然活動(dòng)和人類活動(dòng)，可以產(chǎn)生大量的氣溶膠。由于氣溶 膠的危害性很大，所以近年來(lái)國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了不少關(guān)于氣溶膠分析方法，尤其在線氣溶膠質(zhì) 譜的應(yīng)用大為推廣。而氣溶膠檢測(cè)的一大難點(diǎn)就是氣溶膠樣品的進(jìn)樣問(wèn)題。如果進(jìn)樣時(shí)不 能將氣溶膠粒子很好的聚成一束，會(huì)大大影響分析儀器的分辨率，尤其是針對(duì)帶電氣溶膠 粒子的進(jìn)樣系統(tǒng)沒(méi)有得到很好的發(fā)展，給分析過(guò)程帶來(lái)很大的不便。 目前普遍采用的進(jìn)樣系統(tǒng)包括噴嘴、動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)、以及空氣動(dòng)力學(xué)透鏡。三種進(jìn) 樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及效率不同。但都是依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的原理將粒子形成緊湊的單粒子束。噴 嘴是最早用在單粒子質(zhì)譜中的進(jìn)樣方式，一般為中空的錐形結(jié)構(gòu)，出口為一段毛細(xì)管一般 長(zhǎng)3 5mm，內(nèi)徑0. 5 lmm。入口壓強(qiáng)為大氣壓，出口壓強(qiáng)為幾個(gè)torr，在如此大的壓差 下，氣溶膠粒子通過(guò)噴嘴后發(fā)生絕熱超聲膨脹，受周圍氣體分子的碰撞加速，形成高速運(yùn)動(dòng) 的氣溶膠粒子束，氣體分子通過(guò)多級(jí)差分系統(tǒng)除去。通過(guò)改變出口處毛細(xì)管的長(zhǎng)度及內(nèi)徑， 可以改變有效傳輸?shù)牧椒秶娮炜梢詫⒘皆? P m以上的粒子有效地傳輸?shù)劫|(zhì)譜中， 但傳輸效率隨粒徑減小而降低，對(duì)亞微米粒子的傳輸效率較低。 動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)通過(guò)連續(xù)改變進(jìn)樣薄壁孔上方限流孔的流速，從而連續(xù)改變薄壁孔 的操作壓力，將一定粒徑的粒子引入質(zhì)譜。當(dāng)操作壓強(qiáng)從1. 01X10s變化至4. 0X102時(shí)，可 以傳輸?shù)牧Ｗ恿綇?. 8 ii m變化至35nm傳輸效率均接近100% 。動(dòng)態(tài)聚焦系統(tǒng)的不足之 處在于， 一個(gè)操作條件下只能傳輸一種粒徑的粒子，不能同時(shí)對(duì)多分散的氣溶膠粒子進(jìn)行 分析，只能用于某些特定用途的單粒子質(zhì)譜中。 目前使用較多的是空氣動(dòng)力學(xué)透鏡，它利用空氣動(dòng)力學(xué)原理將亞微米級(jí)的粒子聚 焦成很細(xì)的一束。 一般的空氣動(dòng)力學(xué)透鏡入口為孔徑很小的限流孔，前段由一系列中心口 徑逐漸減小的環(huán)形薄片組成，不同內(nèi)徑的環(huán)形薄片可以有效地傳輸不同粒徑的粒子，多個(gè) 環(huán)形薄片組合就可以將一定粒徑范圍內(nèi)的粒子有效聚焦形成緊湊的氣溶膠粒子束。但只用 空氣動(dòng)力學(xué)原理，能夠有效傳輸?shù)臍馊苣z粒子最小粒徑約為50nm，對(duì)粒徑小于50nm的粒子 傳輸效率較低。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠使粒徑小于50nm的氣溶膠粒子也能得到較好聚焦 的粒子透鏡，這種粒子透鏡綜合利用了空氣動(dòng)力學(xué)原理和電磁學(xué)原理，在空氣動(dòng)力學(xué)透鏡 中加設(shè)電極環(huán)，利用電學(xué)原理實(shí)現(xiàn)了粒徑小于50nm的氣溶膠粒子高效率聚焦。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
—種帶電氣溶膠粒子透鏡，包括筒狀殼體，在筒狀殼體的一端設(shè)置有錐形的限流 孔，另一端設(shè)置有噴嘴，在靠近噴嘴的殼體內(nèi)部設(shè)置有電極環(huán)，在電極環(huán)和限流孔之間設(shè)置 有聚焦環(huán)； 所述限流孔、聚焦環(huán)的中部圓孔、電極環(huán)的中部圓孔、噴嘴為同軸放置。 所述電極環(huán)與外界的電源相連，于電極環(huán)上施加與氣溶膠粒子所帶電荷極性相同
的電壓；電極環(huán)上的電壓為可調(diào)電壓，達(dá)到更好的聚焦效果。所述電極環(huán)中部圓孔的孔徑為4-6mm，軸向厚度為2_4mm。 所述聚焦環(huán)為片狀薄板結(jié)構(gòu)，中部帶有圓孔，是厚度很小的帶有微小孔徑的環(huán)狀
結(jié)構(gòu)；且筒狀殼體內(nèi)設(shè)置的聚焦環(huán)數(shù)量為三個(gè)或三個(gè)以上，從限流孔向電極環(huán)方向分布的
聚焦環(huán)的內(nèi)徑逐漸減小，依次平行排列。 所述相鄰設(shè)置的聚焦環(huán)間的間距為5-30mm。所述聚焦環(huán)中部圓孔的孔徑為4-6mm，軸向厚度為2-4mm。 所述電極環(huán)中部圓孔的內(nèi)徑小于等于其前面的靠近它的聚焦環(huán)中部圓孔的內(nèi)徑； 可起到一定的聚焦環(huán)的聚焦作用。 所述限流孔錐形的錐底一端與筒狀殼體固接，于錐形的頂端開設(shè)有內(nèi)徑為0. lmm
的小孔；其為水平方向放置的錐形時(shí)，錐型的特定角度有利于形成平穩(wěn)的超音速流。 所述噴嘴靠近電極環(huán)的一側(cè)為錐臺(tái)狀縮徑，錐臺(tái)狀縮徑的頂端為柱狀開口，柱狀
開口的內(nèi)徑小于等于電極環(huán)中部圓孔的內(nèi)徑；噴嘴的軸向厚度為2-4mm，起到加速氣溶膠
的作用。 所述限流孔與聚焦環(huán)間5-30mm，聚焦環(huán)與電極環(huán)間的間距為5-30mm，電極環(huán)與噴 嘴間的間距為5-30mm。 本發(fā)明應(yīng)用時(shí)，首先，帶電的氣溶膠通過(guò)限流孔可以產(chǎn)生超音速流。同時(shí)，根據(jù)文 獻(xiàn)報(bào)道，氣溶膠粒子流在通過(guò)限流孔發(fā)生超聲膨脹時(shí)，也會(huì)帶上電荷。通過(guò)粒子透鏡的聚焦 作用將其向軸線附近聚焦。帶電氣溶膠在經(jīng)過(guò)電極環(huán)時(shí)，由于電極環(huán)帶同極性的電壓而使 其進(jìn)一步聚焦。最后通過(guò)噴嘴成為一束噴出。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為 這種粒子透鏡綜合利用了空氣動(dòng)力學(xué)原理和電磁學(xué)原理，能夠使粒徑小于50nm 的氣溶膠粒子也能得到較好聚焦的粒子透鏡，利用一般的空氣動(dòng)力學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)使粒徑大 于50nm的氣溶膠粒子有效聚焦，在空氣動(dòng)力學(xué)透鏡中加電極環(huán)，利用電學(xué)原理使粒徑小于 50nm的氣溶膠粒子形成氣溶膠粒子束，引入到分析儀器當(dāng)中。
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明
圖1帶電氣溶膠粒子透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2帶電氣溶膠粒子透鏡數(shù)值模擬結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用了空氣動(dòng)力學(xué)和電磁學(xué)原理，具體裝置見(jiàn)圖1 。 一種帶電氣溶膠粒子透 鏡，其主要包括以下幾個(gè)部分限流孔1、聚焦環(huán)2、電極環(huán)3以及噴嘴4。除電極環(huán)外均采用絕緣物質(zhì)加工。 在圓筒狀殼體的一端設(shè)置有錐形的限流孔1，另一端設(shè)置有噴嘴4，在靠近噴嘴4 的殼體內(nèi)部設(shè)置有電極環(huán)3，在電極環(huán)3和限流孔1之間設(shè)置有聚焦環(huán)2 ;所述限流孔1、聚 焦環(huán)2的中部圓孔、電極環(huán)3的中部圓孔、噴嘴4為同軸放置； 所述電極環(huán)3與外界的電源相連，于電極環(huán)3上施加與氣溶膠粒子所帶電荷極性 相同的電壓。電極環(huán)3上加載可以根據(jù)氣溶膠帶電情況進(jìn)行調(diào)節(jié)的可變電壓。
所述電極環(huán)3中部圓孔的孔徑為4mm，軸向厚度為2. 5mm， 所述聚焦環(huán)2為片狀薄板結(jié)構(gòu)，軸向厚度小于lmm，中部帶有圓孔；其數(shù)量為三個(gè)， 從限流孔1向電極環(huán)3方向分布的聚焦環(huán)2的內(nèi)徑逐漸減小，分別為5、4. 5、4mm，依次平行 排列；相鄰設(shè)置的聚焦環(huán)2間的間距為30mm ; 所述限流孔l錐形的錐底一端與筒狀殼體固接，于錐形的頂端開設(shè)有內(nèi)徑為
0. lmm的小孔；其為水平方向放置的錐形時(shí)，有利于形成平穩(wěn)的超音速流； 所述噴嘴4靠近電極環(huán)3的一側(cè)為錐臺(tái)狀縮徑，錐臺(tái)狀縮徑的頂端為柱狀開口 ，柱
狀開口的內(nèi)徑為4mm ;噴嘴4的軸向厚度為3mm，起到加速氣溶膠的作用。所述限流孔1與聚焦環(huán)2間的間距為30mm，聚焦環(huán)2與電極環(huán)3間的間距為30mm，
電極環(huán)3與噴嘴4間的間距為20mm。 限流孔內(nèi)徑為O. lmm，入口壓強(qiáng)為大氣壓，出口壓強(qiáng)為幾個(gè)負(fù)壓。巨大的壓差下，帶 電氣溶膠粒子通過(guò)噴嘴后發(fā)生絕熱超聲膨脹，受周圍氣體分子的碰撞加速，形成高速運(yùn)動(dòng) 的氣溶膠粒子束。 聚焦環(huán)采用三個(gè)內(nèi)徑依次減小的薄圓片組成。在透鏡腔體內(nèi)部依次同軸等間距排 列。當(dāng)帶電氣溶膠粒子通過(guò)聚焦環(huán)時(shí)，粒子是跟隨流體的流線還是與流線分離主要由斯托 克斯數(shù)決定。當(dāng)St << 1帶電氣溶膠粒子會(huì)跟隨氣體的流線，這是流線和粒子的軌跡線重 合。當(dāng)^>>1時(shí)，粒子的軌跡線與流線分離，粒子會(huì)保持自己的跡線向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)帶電氣
溶膠粒子通過(guò)聚焦環(huán)時(shí)，其斯托克斯數(shù)為= ，其中，pp是帶電氣溶膠粒子的密
度，dp是粒子直徑，u為小孔處的氣體速度，n為氣體粘性，D。為小孔直徑。聚焦環(huán)的聚焦 作用就是利用這個(gè)原理，因?yàn)椴煌叽绲木劢弓h(huán)相對(duì)與不同粒徑的氣溶膠粒子有不同的斯 托克斯數(shù)，因此當(dāng)帶電氣溶膠粒子通過(guò)第一個(gè)聚焦環(huán)時(shí)st的數(shù)值在i附近的氣溶膠粒子被 聚焦成較"寬"的粒子束，這時(shí)St = i的粒子是在該粒子束的中心位置的。而當(dāng)通過(guò)第二個(gè) 聚焦環(huán)時(shí)，由于聚焦環(huán)的內(nèi)徑變小，原來(lái)在粒子束周圍的粒子會(huì)被進(jìn)一步聚集到中心位置。 同理，在經(jīng)過(guò)第三個(gè)聚焦環(huán)時(shí)，聚焦效果會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)。經(jīng)理論驗(yàn)證，三個(gè)不同尺寸的聚焦 環(huán)已經(jīng)有足夠的聚焦作用。 聚焦環(huán)的聚焦作用使帶電的氣溶膠粒子基本匯聚成一束，向前傳播。本發(fā)明中采
用了電磁場(chǎng)聚焦的原理對(duì)其進(jìn)一步聚焦。電極環(huán)上加一定的電壓，極性與氣溶膠粒子束的 電荷相同。當(dāng)帶電氣溶膠粒子通過(guò)電極環(huán)時(shí)，兩端的電壓使粒子進(jìn)一步向中間匯聚成一束， 聚焦效果大大加強(qiáng)。同時(shí)要保證電極環(huán)有一定的厚度，這樣可以起到加速粒子束的作用。 噴嘴采用錐型設(shè)計(jì)，既可以防止粒子束在進(jìn)入分析儀器以前發(fā)散，又可以進(jìn)一步 起到加速作用。 經(jīng)過(guò)以上的步驟，就可以得到一束較細(xì)的帶電氣溶膠粒子束。
權(quán)利要求
一種帶電氣溶膠粒子透鏡，包括筒狀殼體，其特征在于在筒狀殼體的一端設(shè)置有錐形的限流孔(1)，另一端設(shè)置有噴嘴(4)，在靠近噴嘴(4)的殼體內(nèi)部設(shè)置有電極環(huán)(3)，在電極環(huán)(3)和限流孔(1)之間設(shè)置有聚焦環(huán)(2)；所述限流孔(1)、聚焦環(huán)(2)的中部圓孔、電極環(huán)(3)的中部圓孔、噴嘴(4)為同軸放置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述帶電氣溶膠粒子透鏡，其特征在于所述電極環(huán)(3)與外界的 電源相連，于電極環(huán)(3)上施加與氣溶膠粒子所帶電荷極性相同的電壓。電極環(huán)(3)上加 載可以根據(jù)氣溶膠帶電情況進(jìn)行調(diào)節(jié)的可變電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述帶電氣溶膠粒子透鏡，其特征在于所述電極環(huán)(3)中部圓孔 的孔徑為4-6mm，軸向厚度為2-4mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述帶電氣溶膠粒子透鏡，其特征在于所述聚焦環(huán)(2)為片狀薄 板結(jié)構(gòu)，中部帶有圓孔；且筒狀殼體內(nèi)設(shè)置的聚焦環(huán)(2)數(shù)量為三個(gè)或三個(gè)以上，從限流孔(1) 向電極環(huán)(3)方向分布的聚焦環(huán)(2)的內(nèi)徑逐漸減小，依次平行排列。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述帶電氣溶膠粒子透鏡，其特征在于所述相鄰設(shè)置的聚焦環(huán)(2) 間的間距為5-30mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述帶電氣溶膠粒子透鏡，其特征在于所述聚焦環(huán)(2)中部圓孔 的孔徑為4-6mm，軸向厚度小于lmm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述帶電氣溶膠粒子透鏡，其特征在于所述電極環(huán)(3)中部圓孔 的內(nèi)徑小于等于其前面的靠近它的聚焦環(huán)(2)中部圓孔的內(nèi)徑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述帶電氣溶膠粒子透鏡，其特征在于所述限流孔(1)錐形的錐 底一端與筒狀殼體固接，于錐形的頂端開設(shè)有內(nèi)徑為0. lmm的小孔；其為水平方向放置的 錐形時(shí)，有利于形成平穩(wěn)的超音速流。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述帶電氣溶膠粒子透鏡，其特征在于所述噴嘴(4)靠近電極環(huán) (3)的一側(cè)為錐臺(tái)狀縮徑，錐臺(tái)狀縮徑的頂端為柱狀開口 ，柱狀開口的內(nèi)徑小于等于電極環(huán)(3) 中部圓孔的內(nèi)徑；噴嘴(4)的軸向厚度為2-4mm要有一定的長(zhǎng)度，起到加速氣溶膠的作 用。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述帶電氣溶膠粒子透鏡，其特征在于所述限流孔(1)與聚焦環(huán)(2) 間的間距為5-30mm，聚焦環(huán)(2)與電極環(huán)(3)間的間距為5-30mm，電極環(huán)(3)與噴嘴(4) 間的間距為5-30mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶電氣溶膠粒子透鏡，這種帶電氣溶膠粒子透鏡利用了氣體動(dòng)力學(xué)原理和電磁學(xué)原理以達(dá)到使帶電氣溶膠聚焦加速的作用。它包括四個(gè)部分限流孔、聚焦環(huán)、電極環(huán)以及噴嘴。帶電的氣溶膠通過(guò)限流孔可以產(chǎn)生超音速流，通過(guò)粒子透鏡的聚焦作用實(shí)現(xiàn)了帶電氣溶膠粒子的聚焦，特別對(duì)于其他聚焦方式聚焦效果較差的、粒徑小于50nm的氣溶膠粒子效果更加突出，從而減小大范圍粒徑的離子與器壁碰撞復(fù)合幾率，提高檢測(cè)效率。
文檔編號(hào)G01N15/00GK101769846SQ20081023032
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2008年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月29日
發(fā)明者張娜珍, 李海洋, 王衛(wèi)國(guó), 董璨, 韓豐磊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所