電暈放電組件和包括該電暈放電組件的離子遷移譜儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及安全檢測技術領域，具體涉及一種便于制造的，多針長壽命電暈放電組件，以及用于檢測毒品和爆炸物的采用該組件作為電離源的離子遷移譜儀。
【背景技術】
[0002]離子遷移譜儀根據不同離子在均勻弱電場下漂移速度不同而實現對離子的分辨。它具有分辨速度快，靈敏度高，不需要真空環境，便于小型化的優點，因此在毒品和爆炸物的探測領域得到了廣泛的應用。典型的離子遷移譜儀通常由進樣部分、電離部分、離子門、遷移區、收集區、讀出電路、數據采集和處理、控制部分等構成。其中電離部分主要功能是將樣品分子轉化成可供遷移分離的離子，因此電離的效果對譜儀的性能具有非常直接的影響。目前的技術中，最常見和應用最廣的電離組件是采用63Ni放射源，它具有體積小，穩定性高、不需要外加電路的優點，但同時也存在線性范圍窄、轉化離子濃度低和輻射污染的問題。尤其是輻射污染問題為設備的操作、運輸和管理上帶來諸多不便。為了克服上述問題，采用電暈放電離子源技術代替放射源技術。電暈放電是指在空間不均勻電場中由于局部的強電場引起氣體分子電離的一種現象。電暈放電直接產生的離子一般稱為反應物離子，當具有更高的質子或電子親和勢的樣品分子通過電離區時，俘獲反應物離子的電荷而被電離。通常電暈放電結構較為簡單，因而成本低廉，同時電暈放電產生的電荷的濃度相比于放射源要高得多，因此有利于提高離子遷移譜儀的靈敏度，并得到較大的動態范圍。國外專利US5485016、CA2124344、中國專利CN1950698A中報道電暈放電作為離子遷移譜儀電離源的應用實例。常見的電暈放電結構有針尖-平板或針尖-圓筒放電形式，如圖1A、1B所示。實現放電的電暈針通常有固定尾端安裝于支撐基體上，尾端導通高壓電源；電暈針的另一端為自由端(即，針尖)，通常是具有曲率半徑非常小(0.1mm以下)的尖端。平板或圓筒電極與針尖之間的空間內形成不均勻靜電場，使靠近針尖的附近電場強度很高，而距針尖較遠的空間的電場強度遞減。氣體電離只發生在電極自由尖端近表面空間，電離區域很小，從而產生的離子濃度也較小；若增大電離區域，則需要較高的電壓，對高壓電源要求較高。另外，在只有一個尖端放電的情況下，電暈放電對電暈電極會產生氧化，長期運行后，氣體中的水蒸氣等引起的化學反應會嚴重腐蝕尖端，使其曲率半徑增大，增大了電暈放電電壓閾值，降低了其電暈放電的穩定性，導致壽命終結；并且，為了達到較小的曲率半徑，針的直徑一般很細，其強度較低，產品在制造和裝配時保持較高位置精度難度大。為了改善這種情況，開發了多針電暈放電的結構。
[0003]美國專利US7326926B2描述了一個典型的多針簇電暈放電離子源，見圖1C。其采用一束平行的電暈針代替經典電暈放電離子源的單根電暈針；多針束多個尖端同時加載高壓放電的設計，在一定程度上緩解了單電暈針放電失效引起的電離源的壽命降低問題。但是多針同時加載高壓放電也存在顯著的缺點，首先，多針同時加載高壓，各針所形成的電場會相互影響，使針尖處的電場強度降低，需要提高電暈電壓，對高壓電源提出了更高的要求；另外，各針由于加工的不一致性導致各自尖端的形狀和表面情況并不相同，并不能保證所有針尖均滿足電暈放電的條件，而是曲率半徑相對較小的針先發生放電，并逐漸耗蝕使其曲率半徑逐漸變大后不再滿足電暈放電的條件，其余滿足條件的針開始放電，這樣某一時刻有幾根針發生電暈放電不能得到保證，有很大的隨機性，因此電離產生的離子數量也變化很大，導致電暈放電不穩定，從而不利于離子遷移譜儀的穩定工作。
【發明內容】
[0004]發明人意識到，若能夠實現多根針輪流電暈放電，即某一個時刻只能有一根針針尖處電場強度達到電暈放電閾值，其余針針尖處場強較低或零場強，可以同時解決多針同時加高壓電暈離子源的不穩定性以及單針電暈離子源壽命短的問題。
[0005]本發明的目的是提供一種穩定的，便于操作的，轉盤控制多針輪流電暈放電組件設計方案，該設計能夠有效增加電離組件的整體使用壽命，有利于提高離子通過率，減少離子在電暈腔內的損耗，增加離子源電暈放電的穩定性，提高遷移譜儀性能。
[0006]為了達到上述目的，根據本發明的實施例，電暈放電組件包括:電離放電腔室，所述電離放電腔室包括金屬電暈筒，所述金屬電暈筒具有待分析氣體入口以及與電暈針形成不均勻電場的中間有圓孔的環片狀端口 ；所述金屬電暈筒的筒壁上絕緣安裝一根旋轉軸，所述旋轉軸垂直于所述金屬電暈筒的軸線，所述旋轉軸端部安裝有在外緣帶有多根電暈針的轉盤。由此，能夠實現多根針輪流電暈放電，即某一個時刻只能有一根針針尖處電場強度達到電暈放電閾值，其余針針尖處場強較低或零場強，可以同時解決多針同時加高壓電暈離子源的不穩定性以及單針電暈離子源壽命短的問題。
[0007]優選地，所述轉盤被包含在封閉的金屬屏蔽筒內，所述金屬屏蔽筒包括喇叭狀的聚焦極，用于形成匯聚的靜電場。
[0008]優選地,所述聚焦極上開有窄縫，以供電暈針旋轉時通過。通過旋轉軸帶動轉盤使某一根電暈針旋轉露出窄縫(此時將該根電暈針稱為“主電暈針”)，位于與電暈筒環片狀端口電極配合的位置(主電暈針與電暈筒端口軸線、聚焦極喇叭口軸線重合，此時該電暈針尖距離電暈筒環片狀端口最近)，發生電暈放電；而其余針由于被包含于與其同電位的所述金屬屏蔽筒內而無法發生電暈放電。
[0009]優選地，所述多根電暈針是相互電連接的。使用相互電連接在一起的多根電暈針，無需為多根電暈針單獨設置各自的電流通路，簡化了制作工藝；并且，由于除了 “主電暈針”之外，其余的電暈針均位于金屬屏蔽筒內，這樣的設置將不會導致其余的電暈針產生不期望的電暈放電。
[0010]優選地，所述電暈放電組件還包括離子反應與存儲環，所述離子反應與存儲環為形似喇叭狀的內部通道，其中所述離子反應與存儲環不與所述金屬電暈筒電接觸，所述離子反應與存儲環的大口端與離子門第一柵網接觸，使在大口端內與離子門第一柵網之間形成等電勢區，用于離子存儲。由此，電暈放電產生的離子能夠在電場的牽引下進入到離子反應存儲區。所述離子反應與存儲環的主要作用是在離子門關閉時，使初級反應離子與樣品氣體發生充分反應、復合，生成并存儲待檢測的特征離子團；在離子門打開時使上述復合的離子團聚焦并通過離子門進入離子遷移腔。通過該設計，可有效的屏蔽電暈放電脈沖干擾，屏蔽電暈脈沖帶來的離子數量起伏，增大離子在離子門處的通過率，達到使離子遷移譜線穩定的效果。
[0011]根據本發明的實施例，還公開了一種離子遷移譜儀，所述離子遷移譜儀包括:以上所述的電暈放電組件；離子門，所述離子門由兩張相對的柵網構成；遷移區，所述遷移區包括漂移電極，所述漂移電極為同軸心等間距的圓環電極，圓環電極電勢等差值變化，以形成牽引電場，使離子運動向法拉第盤方向；以及，所述法拉第盤為圓形平板，所述法拉第盤后接電荷靈敏放大器以讀取離子信號。
[0012]根據本發明的電暈放電組件的結構特征使得在任一時刻，只有一根電暈針旋轉到離電暈筒環片狀端口最近的位置，其針尖的電場強度達到電暈放電閾值而發生電暈放電，而其余針由于針尖的電場強度達不到電暈放電的閾值而不發