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(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及安全檢測技術(shù)領(lǐng)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(shù)】
[0002]離子遷移譜儀根據(jù)不同離子在均勻弱電場下漂移速度不同而實現(xiàn)對離子的分辨。它具有分辨速度快，靈敏度高，不需要真空環(huán)境，便于小型化的優(yōu)點，因此在毒品和爆炸物的探測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。典型的離子遷移譜儀通常由進(jìn)樣部分、電離部分、離子門、遷移區(qū)、收集區(qū)、讀出電路、數(shù)據(jù)采集和處理、控制部分等構(gòu)成。其中電離部分主要功能是將樣品分子轉(zhuǎn)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(shù)中，最常見和應(yīng)用最廣的電離組件是采用63Ni放射源，它具有體積小，穩(wěn)定性高、不需要外加電路的優(yōu)點，但同時也存在線性范圍窄、轉(zhuǎn)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(shè)備的操作、運輸和管理上帶來諸多不便。為了克服上述問題，采用電暈放電技術(shù)代替放射源技術(shù)。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(xiàn)象。電暈放電直接產(chǎn)生的離子一般稱為反應(yīng)物離子，當(dāng)具有更高的質(zhì)子或電子親和勢的樣品分子通過電離區(qū)時，俘獲反應(yīng)物離子的電荷而被電離。通常電暈放電結(jié)構(gòu)較為簡單，因而成本低廉，同時電暈放電產(chǎn)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(tài)范圍。國外專利US5485016、CA2124344、中國專利CN1950698A和CN103137417A中報道電暈放電作為離子遷移譜儀電離源的應(yīng)用實例。常見的電暈放電結(jié)構(gòu)有針尖-平板或針尖-圓筒放電形式，如圖1A、1B所示。實現(xiàn)放電的電暈針通常有固定尾端安裝于支撐基體上，尾端導(dǎo)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(nèi)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(yuǎn)的空間的電場強度遞減。氣體電離只發(fā)生在電極自由尖端近表面空間，電離區(qū)域很小，從而產(chǎn)生的離子濃度也較小；若增大電離區(qū)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(chǎn)生氧化，長期運行后，氣體中的水蒸氣等引起的化學(xué)反應(yīng)會嚴(yán)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(wěn)定性，導(dǎo)致壽命終結(jié)；并且，為了達(dá)到較小的曲率半徑，針的直徑一般很細(xì)，其強度較低，產(chǎn)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(fā)了多針電暈放電的結(jié)構(gòu)。
[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。其采用一簇平行的電暈針代替經(jīng)典電暈放電離子源的單根電暈針；多針簇多個尖端同時加載高壓放電的設(shè)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?biāo)纬傻碾妶鰰嗷ビ绊?，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?dǎo)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(fā)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(fā)生電暈放電不能得到保證，有很大的隨機(jī)性，因此電離產(chǎn)生的離子數(shù)量也變化很大，導(dǎo)致電暈放電不穩(wěn)定，從而不利于離子遷移譜儀的穩(wěn)定工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明人意識到，若能夠?qū)崿F(xiàn)多根針單獨控制輪流電暈放電，即某一個時刻只能有一根針加載高壓發(fā)生電暈放電，其余針不加高壓，加載高壓的針尖處將易于形成強的電場，可以同時解決多針同時加高壓電暈離子源的不穩(wěn)定性以及單針電暈離子源壽命短的問題。
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種穩(wěn)定的，便于制造的，多針獨立控制輪流電暈放電組件設(shè)計方案，該設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，能夠有效增加電離組件的整體使用壽命，增加電暈放電的穩(wěn)定性，提高遷移譜儀性能。
[0006]為了達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)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有利于形成匯聚電場的喇叭狀前端口 ；所述金屬電暈筒的中心絕緣安裝有多根可獨立控制高壓通斷的電暈針。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)多根針單獨控制輪流電暈放電，即某一個時刻只能有一根針加載高壓發(fā)生電暈放電，其余針不加高壓，加載高壓的針尖處將易于形成強的電場，可以同時解決多針同時加高壓電暈離子源的不穩(wěn)定性以及單針電暈離子源壽命短的問題。
[0007]優(yōu)選地，所述電暈放電組件包括PCB板，所述PCB板用作電暈針固定及高壓連接座。
[0008]優(yōu)選地，所述PCB板是兩層絕緣層中間夾持布線層的耐高溫PCB板；所述PCB板前端開有均勻分布的若干過孔，其中中心的一個過孔裝配位置位于所述金屬電暈筒的軸線上，每個過孔內(nèi)均釬焊一根電暈針。
[0009]優(yōu)選地，每個過孔均與單獨的導(dǎo)線相連。
[0010]優(yōu)選地，所述單獨的導(dǎo)線為PCB覆銅導(dǎo)線，其尾端分別焊接獨立的高壓導(dǎo)線以與外部高壓電源相連。
[0011]優(yōu)選地，每根所述高壓導(dǎo)線能夠單獨控制通斷。電暈離子源工作時，通過外部開關(guān)控制PCB板上各電暈針輪流加載高壓在其尖端發(fā)生電暈放電。當(dāng)一塊PCB板上的所有電暈針尖均失效后，可將該組件拆卸，更換新的PCB電極板或更換釬焊新的電暈針。
[0012]優(yōu)選地，所述電暈放電組件還包括離子反應(yīng)與存儲環(huán)，所述離子反應(yīng)與存儲環(huán)為形似喇叭狀的內(nèi)部通道，其中所述離子反應(yīng)與存儲環(huán)的小口端嵌入所述金屬電暈筒的喇叭口內(nèi)，但不與所述金屬電暈筒電接觸，所述離子反應(yīng)與存儲環(huán)的大口端與離子門第一柵網(wǎng)接觸，使在大口端內(nèi)與離子門第一柵網(wǎng)之間形成等電勢區(qū)，用于離子存儲。由此，電暈放電產(chǎn)生的離子能夠在電場的牽引下進(jìn)入到離子反應(yīng)存儲區(qū)。所述離子反應(yīng)與存儲環(huán)的主要作用是在離子門關(guān)閉時，使初級反應(yīng)離子與樣品氣體發(fā)生充分反應(yīng)、復(fù)合，生成并存儲待檢測的特征離子團(tuán)；在離子門打開時使上述復(fù)合的離子團(tuán)聚焦并通過離子門進(jìn)入離子遷移腔。通過該設(shè)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(shù)量起伏，增大離子在離子門處的通過率，達(dá)到使離子遷移譜線穩(wěn)定的效果。
[0013]根據(jù)本發(fā)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(wǎng)構(gòu)成；遷移區(qū)，所述遷移區(qū)包括漂移電極，所述漂移電極為同軸心等間距的圓環(huán)電極；以及法拉第盤，所述法拉第盤后接電荷靈敏放大器以讀取離子信號。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的電暈放電組件的結(jié)構(gòu)特征使得在任一時刻，只有一根電暈針發(fā)生電暈放電，而其余針懸空，多針輪流加載高壓工作，因此該結(jié)構(gòu)相對于單針結(jié)構(gòu)可以提高整體電暈放電組件的使用壽命；相對于多針簇結(jié)構(gòu)，可以降低離子源的放電電壓，提高其放電穩(wěn)定性；相對于針狀電極的懸空安裝，多電暈針由于固定在PCB基板上，安裝時可以做到電極位置的精確穩(wěn)定，從而更易于批量制造。
【附圖說明】
[0015]下面參考附圖進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明，其中:
圖1A、1B和IC為傳統(tǒng)的電暈放電結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2A為使用根據(jù)本發(fā)明實施例的PCB電極板多針輪流電暈放電離子源組件的離子遷移譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2B為圖2A中的離子遷移譜儀在正模式下各電極電勢示意圖；
圖3A為根據(jù)本發(fā)明實施例的多針輪流放電離子源高壓連接示意圖；
圖3B為根據(jù)本發(fā)明實施例的電暈放電組件的PCB板側(cè)面和正面剖視圖；以及圖4為不同離子門跳變電壓時，相對離子通過率隨電極絲偏心距離變化圖。
【具體實施方式】
[0016]圖2A所示電暈放電離子遷移譜儀中，實現(xiàn)電暈放電的不均勻電場主要由電暈針201和金屬電暈筒202以及離子反應(yīng)與存儲環(huán)203形成。所述離子遷移譜儀包括:電暈放電組件；離子門，所述離子門由兩張相對的柵網(wǎng)204、205構(gòu)成；遷移區(qū)，所述遷移區(qū)包括漂移電極206，所述漂移電極206為同軸心等間距的圓環(huán)電極；以及法拉第盤208，所述法拉第盤208后接電荷靈敏放大器以讀取離子信號。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述電暈放電組件包括:電離放電腔室，所述電離放電腔室包括金屬電暈筒202，所述金屬電暈筒202具有待分析氣體入口(如圖2A左側(cè)所示)以及有利于形成匯聚電場的喇叭狀前端口 ；所述金屬電暈筒202的中心絕緣安裝有多根可獨立控制高壓通斷的電暈針201。
[0018]其中，為對電暈針實現(xiàn)獨立控制高壓通斷，多根電暈針中的每個單獨地連接至能夠單獨控制通斷的高壓導(dǎo)線。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)多根針單獨控制輪流電暈放電，即某一個時刻只能有一根針加載高壓發(fā)生電暈放電，其余針不加高壓，加載高壓的針尖處將易于形成強的電場，可以同時解決多針同時加高壓電暈離子源的不穩(wěn)定性以及單針電暈離子源壽命短的問題。
[0019]圖2B為圖2A中的離子遷移譜儀在正模式下各電極電勢示意圖。所述離子遷移譜儀在工作時，電暈針201的電壓比金屬電暈筒202的電壓高700V到3000V左右(取決于電暈針的尖端半徑，以及電暈針的長度，不同的幾何尺寸會有不同的起暈電壓)以發(fā)生電暈，從而產(chǎn)生離子。離子反應(yīng)存儲環(huán)203及第一離子門204的電壓周期跳變，見圖2B，當(dāng)其位于低電壓時可稱為“存儲態(tài)”(即實線部分)，位于相應(yīng)的高電壓時稱為“牽引態(tài)”(即虛線部分)。當(dāng)離子反應(yīng)存儲環(huán)203及第一離子門204的電壓處于“存儲態(tài)”時，該電壓比金屬電暈筒202的電壓低60疒150V，比第二離子門205低5V?60V左右，離子進(jìn)入第一離子門204后，受到的電場力較弱，在第一離子門204腔體內(nèi)主要做熱運動；經(jīng)過一定時間，第一離子門204內(nèi)離子積累到一定數(shù)目后，離子反應(yīng)存儲環(huán)203及第一離子門204的電壓跳變到“牽引態(tài)”，這時，電暈針201處電暈產(chǎn)生的離子停止進(jìn)入第一離子門204 (防止此次由于電暈脈沖導(dǎo)致第一離子門204內(nèi)離子數(shù)量的起伏)，而處在第一離子門204內(nèi)的離子在第一離子門204與第二離子門205之間的電場力作用下