本发明涉及大气颗粒物荷电技术领域，具体涉及一种集成自由离子捕集功能的单极性颗粒物荷电装置及方法。
背景技术：
在大气颗粒物荷电技术领域中，通常利用颗粒物的电迁移率来实现颗粒物的偏转分离，最终实现颗粒物浓度的测量。而要表征颗粒物的电迁移率则需要先对粒子进行荷电，此后才能进入电迁移管进行分离、检测。只有准确测量内外荷电效率以及损失效率等才能完成颗粒物浓度的反演。因此，颗粒物荷电是颗粒物测量系统中最基本最重要的部分。
在大气颗粒物荷电过程中，颗粒物可以通过暴露在单极性或者双极性两类离子环境中实现颗粒物荷电。双极性荷电装置，常采用210po、241am、85kr等放射性同位素的衰减进行荷电。在各种双极性荷电中，中性颗粒可以通过粒子与离子的相互碰撞成为带电粒子。由于放射性同位素对人体存在危害，限制了其在气溶胶测量领域的应用。基于此，研究者更关注采用电晕放电的方式使颗粒物带电。现有的荷电装置通常直接电离的是大气，这样很容易污染放电针，导致放电针有粒子沉积，影响放电针的电离效率，需要定期清理不能长期使用；除此之外，装置中没有将自由离子去除，这样会对颗粒物荷电量的测量结果的准确性有影响。因此，需要设计一种能够长期使用并且能将自由离子去除的大气颗粒物荷电装置及方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种集成自由离子捕集功能的单极性颗粒物荷电装置及方法，该荷电装置及方法能够解决现有技术中存在的不足，实现大气颗粒物的高效荷电。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种集成自由离子捕集功能的单极性颗粒物荷电装置，包括外腔体、嵌入设置在外腔体内部的内腔体、安装在内腔体中的放电针、依次穿过外腔体及内腔体后与放电针相连的高压电极以及穿过外腔体后安装在内腔体上的捕集电极。
所述外腔体包括外腔体前盖、与外腔体前盖后端相连的外腔体后盖以及由外腔体前盖与外腔体后盖围成的第一空腔；所述外腔体前盖上开设有与第一空腔相连通的颗粒物进口，外腔体后盖上开设有与第一空腔相连通的荷电颗粒物出口。
所述内腔体包括内腔体前盖、与内腔体前盖后端相连的内腔体后盖以及由内腔体前盖与内腔体后盖围成的第二空腔；所述内腔体前盖上开设有离子喷射口；所述内腔体后盖上设有与第二空腔相连通的洁净空气进口，且该洁净空气进口从外腔体后盖穿出。
所述放电针、颗粒物进口、离子喷射口和荷电颗粒物出口同轴设置。
所述颗粒物进口与离子喷射口之间的区域为颗粒物荷电区域；所述第一空腔与第二空腔之间的区域为自由离子捕集区域。
进一步的，所述高压电极上套设有第一绝缘套筒；所述放电针通过第二绝缘套筒安装在内腔体后盖上；所述捕集电极上套设有第三绝缘套筒。
进一步的，所述放电针采用钨材质，且放电针的针尖直径小于2μm，针尖长度小于10mm，针尖和离子喷射口中心之间的距离为5mm。
进一步的，所述外腔体前盖和内腔体前盖均为圆弧面。
进一步的，所述外腔体后盖包括依次相连的长方体部分和圆台部分；所述内腔体后盖包括依次相连的长方体部分和圆锥部分。
进一步的，所述颗粒物进口、离子喷射口、荷电颗粒物出口、内腔体前盖、内腔体后盖、外腔体前盖和外腔体后盖均采用不锈钢材质。
进一步的，所述高压电极和捕集电极均采用铜材质。
进一步的，所述洁净空气进口包括对称设置的第一洁净空气进口和第二洁净空气进口；所述洁净空气进口采用聚醚醚酮材质。
进一步的，所述第一、第二和第三绝缘套筒均采用聚醚醚酮材质。
本发明还涉及一种上述荷电装置的方法，该方法包括以下步骤：
（1）洁净空气通过第一洁净空气进口和第二洁净空气进口进入到第二空腔中；
（2）将高压电极的端部接入高压，放电针的尖端发生尖端放电，从而使进入到第二空腔中的洁净空气发生电离，产生大量的离子；
（3）在洁净空气流的推动下，第二空腔中的离子通过离子喷射口进入到颗粒物荷电区域；
（4）大气颗粒物由颗粒物进口进入到颗粒物荷电区域；
（5）在颗粒物荷电区域内，离子和样气中的大气颗粒物发生碰撞，离子附着在大气颗粒物上，使大气颗粒物带电，从而得到带电颗粒物；在样气气流的作用下，带电颗粒物和其余未附着在大气颗粒物上的离子进入到自由离子捕集区域；
（6）将捕集电极接入捕集电压，在自由离子捕集区域内形成捕集电场，在捕集电场的作用下，其余未附着在大气颗粒物上的离子被内腔体前盖及内腔体后盖的内壁收集；在内部气流及捕集电场的电场力作用下，带电颗粒物由荷电颗粒物出口流出。所述内部气流包括从第一洁净空气进口和第二洁净空气进口进入的洁净空气流以及从颗粒物进口进入的气流。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明所述的颗粒物荷电装置具有结构简单、操作方便等特点，且通过设置外腔体以及嵌入设置在外腔体内的内腔体，将大气颗粒物和放电针隔离开，使放电针处于洁净的环境中，避免放电针被污染，保证了放电的稳定性，确保放电针可以长期工作。
（2）本发明所述的颗粒物荷电装置集成了自由离子捕集功能，将带电颗粒物中的自由离子去除，避免自由离子对荷电颗粒物真实荷电量测量结果的干扰。
（3）本发明所述的颗粒物荷电装置设计成自由的离子（未附着在大气颗粒物上的离子）和大气颗粒物从相反的方向发生碰撞，可以增加离子和颗粒物碰撞的机会，提高颗粒物的荷电效率。
附图说明
图1是本发明中单极性颗粒物荷电装置的结构示意图。
其中：
11、颗粒物进口，12、外腔体前盖，13、内腔体前盖，14、外腔体后盖，15、第一洁净空气进口，16、第三绝缘套筒，17、捕集电极，18、荷电颗粒物出口，19、第二绝缘套筒，20、第一绝缘套筒，21、高压电极，22、放电针，23、第二洁净空气进口，24、内腔体后盖，25、离子喷射口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示的一种集成自由离子捕集功能的单极性颗粒物荷电装置，包括外腔体、嵌入设置在外腔体内部的内腔体、安装在内腔体中的放电针22、依次穿过外腔体及内腔体后与放电针22相连的高压电极21以及穿过外腔体后安装在内腔体上的捕集电极17。高压电极21的一端连接放电针，另一端接高压电源。由于放电针放电时会产生很多离子，这些离子中，只有小部分与颗粒物接触，附着在颗粒物上，其余大部分离子还都是自由的离子。为了避免对颗粒物带电量测量结果造成影响，这些自由的离子需要去除，因此，本发明采用捕集电极来去除掉自由的离子。捕集电极穿过外腔体后与内腔体的内腔体后盖相接触。
所述外腔体包括外腔体前盖12、与外腔体前盖12后端螺纹相连的外腔体后盖14以及由外腔体前盖12与外腔体后盖14围成的第一空腔；所述外腔体前盖12上开设有与第一空腔相连通的颗粒物进口11，外腔体后盖14上开设有与第一空腔相连通的荷电颗粒物出口18。
所述内腔体包括内腔体前盖13、与内腔体前盖13后端螺纹相连的内腔体后盖24以及由内腔体前盖13与内腔体后盖24围成的第二空腔。所述内腔体前盖13上开设有离子喷射口25；离子喷射口25为直径为1.5mm的圆柱孔。所述内腔体后盖24上设有与第二空腔相连通的洁净空气进口，且该洁净空气进口从外腔体后盖14穿出。
本发明通过将外腔体设置为由螺纹连接的外腔体前盖与外腔体后盖构成，将内腔体设置为由螺纹连接的内腔体前盖与内腔体后盖构成，具有制造方便、安装便利等特点，在安装过程中，能够将外腔体前盖拆下来，便于内腔体的安装。
所述放电针22、颗粒物进口11、离子喷射口25和荷电颗粒物出口18同轴设置，这样可以保证离子和颗粒物在直线方向碰撞，增加碰撞的机会。
所述颗粒物进口11与离子喷射口25之间的区域为颗粒物荷电区域。所述第一空腔与第二空腔之间的环形区域为自由离子捕集区域。
进一步的，所述高压电极21上套设有第一绝缘套筒20；所述放电针通过第二绝缘套19筒安装在内腔体后盖24上；所述捕集电极17上套设有第三绝缘套筒16。第一绝缘套筒用于将高压电极和外腔体后盖、内腔体后盖隔开；第二绝缘套筒用于将内腔体后盖和放电针隔开；第三绝缘套筒将捕集电极后外腔体后盖隔开。三个绝缘套筒均起到绝缘的作用。
进一步的，所述放电针22采用钨材质，且放电针22的针尖直径小于2μm，针尖长度小于10mm，针尖和离子喷射口中心之间的距离为5mm。根据实验结果，对放电针的参数进行了设置，这样能够有利于放电针放电，确保放电电流的稳定性。
进一步的，所述外腔体前盖12和内腔体前盖13均为圆弧面。通过流体仿真设计，这样更有利于自由离子的收集，带电颗粒物不会被收集，能自由通过。
进一步的，所述外腔体后盖14包括依次相连的长方体部分和圆台部分；所述内腔体后盖24包括依次相连的长方体部分和圆锥部分。通过流体仿真设计，这样更有利于自由离子的收集，带电颗粒物不会被收集，能自由通过。
进一步的，由于颗粒物成分复杂，还有腐蚀的成分，容易污染腔体，所以所述颗粒物进口11、离子喷射口25、荷电颗粒物出口18、内腔体前盖13、内腔体后盖24、外腔体前盖12和外腔体后盖14均采用不锈钢材质，防止腐蚀生锈，清洗方便。
进一步的，所述高压电极21和捕集电极17均采用铜材质。铜材质更容易导电。
进一步的，所述洁净空气进口包括对称设置的第一洁净空气进口15和第二洁净空气进口23；所述洁净空气进口采用聚醚醚酮材质。
进一步的，所述第一、第二和第三绝缘套筒均采用聚醚醚酮材质。聚醚醚酮材质绝缘耐高压。
本发明还涉及一种上述荷电装置的方法，该方法包括以下步骤：
（1）洁净空气通过第一洁净空气进口和第二洁净空气进口进入到第二空腔中；
（2）将高压电极的端部接入3千伏高压，放电针的尖端发生尖端放电，从而使进入到第二空腔中的洁净空气发生电离，产生大量的离子；
（3）在洁净空气流的推动下，第二空腔中的离子通过离子喷射口进入到颗粒物荷电区域；
（4）大气颗粒物由颗粒物进口进入到颗粒物荷电区域；
（5）在颗粒物荷电区域内，离子和样气中的大气颗粒物以相反的运动方向发生碰撞，离子附着在大气颗粒物上，使大气颗粒物带电，从而得到带电颗粒物；在样气气流的作用下，带电颗粒物和其余未附着在大气颗粒物上的离子进入到自由离子捕集区域；
（6）将捕集电极接入25v捕集电压，在自由离子捕集区域内形成捕集电场，在捕集电场的作用下，其余未附着在大气颗粒物上的离子被内腔体前盖及内腔体后盖的内壁收集；在内部气流及捕集电场的电场力作用下，带电颗粒物由荷电颗粒物出口流出。所述内部气流包括从第一洁净空气进口和第二洁净空气进口进入的洁净空气流以及从颗粒物进口进入的气流。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。