本发明涉及分析检测设备领域，特别是涉及一种浓缩装置及气动聚焦系统。
背景技术：
颗粒束的产生是大气颗粒物研究领域的一个重要技术问题。颗粒束产生装置的主要作用是将悬浮的颗粒汇聚成近似单颗粒排列的颗粒束，并传递至指定真空区域。一般使用的颗粒束产生装置普遍采用限流小孔(也可称为“临界孔”)进样，该限流小孔的直径为0.1mm左右，主要作用是隔绝大气与真空、限制进样流量、控制颗粒束产生装置的操作压力。进入限流小孔之后的颗粒物一般会在一系列聚焦单元的作用下进行聚焦，从而产生颗粒束。
其中，对于常规的气动聚焦系统而言，采用该直径为0.1mm左右的限流小孔，使得装置的进样流量通常被限制在100ml/min，单位时间内颗粒的通量低，颗粒物的采集效率低下，同时使大颗粒物(直径≥3μm)在该限流小孔附近产生大量丢失，造成大颗粒物的通过率也不高。对此，如果加大限流小孔的直径则会导致气动聚焦系统下游真空腔所对应的真空泵负载过大，温升急剧增加。
技术实现要素：
基于此，有必要提供一种在不影响真空分析设备的真空负载情况下，能够增大气溶胶进样流量并提高大颗粒物通过率的浓缩装置及气动聚焦系统。
一种浓缩装置，包括：
浓缩容器，所述浓缩容器具有气压腔，所述浓缩容器上设有与所述气压腔相连通的抽气柱，所述抽气柱用于连接抽气装置；
进样机构，所述进样机构上设有依次连通的进样通道、限流孔和分流孔，所述限流孔的孔径小于所述分流孔的孔径，所述进样机构设于所述浓缩容器上，且所述分流孔与所述气压腔相连通，所述分流孔的尺寸在靠近所述气压腔的一端逐渐增大；
导流机构，所述导流机构具有导流通道，所述导流机构设于所述浓缩容器上，所述导流机构的进样端伸入所述气压腔内并伸入至所述分流孔内的气流出口所在端，且所述导流机构的进样端与所述分流孔的孔壁之间具有抽气间隙，且所述导流通道、所述分流孔和所述限流孔同轴；以及
缓冲容器，所述缓冲容器具有缓冲腔，所述缓冲容器与所述浓缩容器和/或所述导流机构连接并使所述缓冲腔与所述导流通道相连通，所述缓冲容器用于与连接空气动力学透镜的进样接口。
在其中一个实施例中，所述导流通道的孔径从进气端至出气端逐渐增大。
在其中一个实施例中，所述导流机构为外轮廓呈流线型的分离锥。
在其中一个实施例中，所述分流孔在靠近所述气压腔的一端呈弧形扩大状。
在其中一个实施例中，所述进样机构包括分流器、进样器和限流片；
所述分流器具有安装槽和位于所述安装槽底部的所述分流孔，所述安装槽伸入所述气压腔内且所述安装槽的侧壁与所述气压腔的内壁相抵接；
所述进样器具有所述进气通道，所述进样器安装在所述安装槽内并与所述安装槽的内侧壁相抵接；
所述限流片设有所述限流孔，所述限流片设于所述安装槽内并位于所述分流器和进样器之间使所述限流孔分别与所述进样通道和所述分流孔相连通。
在其中一个实施例中，所述限流片上的所述限流孔的孔径不小于0.2mm。
在其中一个实施例中，所述分流器设有朝向所述安装槽外部的凸缘，所述凸缘与所述浓缩容器的器壁相抵接；和/或
所述气动聚焦系统还包括固定板，所述固定板套设在所述进样器上，且所述固定板通过紧固件与所述分流器和所述浓缩容器连接。
在其中一个实施例中，所述浓缩容器具有出样口，所述浓缩容器的出样口所在端设有内台阶，所述导流机构的出样端部抵接在所述浓缩容器的内台阶上。
一种气动聚焦系统，包括空气动力学透镜和上述任一实施例所述的浓缩装置；
所述空气动力学透镜具有聚焦通道，所述空气动力学透镜的进样接口与所述缓冲容器相连接并使所述聚焦通道与所述缓冲腔相连通，所述空气动力学透镜的出样接口用于连接真空进样接口。
在其中一个实施例中，所述气动聚焦系统还包括抽气装置和抽气管路，所述抽气装置通过所述抽气管路与所述浓缩容器的所述抽气柱相连接，所述抽气管路上设有流量调节阀；和/或
所述缓冲容器上设有用于监测所述缓冲腔的真空度的真空规。
上述浓缩装置包括浓缩容器、进样机构、导流机构和缓冲容器，其中浓缩容器上设有与气压腔相连通的抽气柱，进样机构上设有依次连通的进样通道、限流孔和分流孔，限流孔的孔径小于分流孔的孔径以使气溶胶样品中的颗粒物集中，分流孔的尺寸在靠近气压腔的一端逐渐增大以使部分气流被顺利抽走且不影响颗粒的流向；导流机构设于浓缩容器上，缓冲容器与浓缩容器和/或导流机构连接并使所述缓冲腔与所述导流通道相连通以满足不影响真空分析设备的真空负载要求，能够使进入缓冲腔内的气溶胶由湍流状态变为层流状态，有利于后续进入空气动力学透镜中进行聚焦。通过设置能够相互配合的限流孔、分流孔、导流通道以及缓冲腔，当将上述浓缩装置与空气动力学透镜的进样接口连接时，在采用常规真空负载的条件下，在气压差的推动下，由于气体分子和颗粒物的惯性不同，从分流孔流出的大部分气体将被抽气装置抽走，颗粒物和少部分气体则进入导流通道后再进入聚焦通道和分析设备的真空腔内，整体上能够增大气溶胶进样流量，提高单位时间内颗粒物通过量，能够增大大粒径颗粒物的传输效率和通过率，实现对气溶胶的浓缩，并能够提高后续对大颗粒物的聚焦能力，这将有利于开展低浓度下气溶胶的进样及检测工作。
进一步地，上述浓缩装置的导流机构优选为分离锥，分离锥的外轮廓呈流线型，有利于减小对分流孔和气压腔内抽气的过程中对气流对颗粒物的干扰，能够实现对气溶胶的束聚焦效果。
包含上述浓缩装置的气动聚焦系统，在采用常规真空负载的条件下，在气压差的推动下，整体上能够增大气溶胶进样流量，并能够提高单位时间内的颗粒物通过量，实现对气溶胶的浓缩和聚焦，并提高对大颗粒物的聚焦能力，这将有利于开展低浓度下气溶胶的进样及检测工作，能够显著提高单颗粒气溶胶质谱仪等分析设备分析3um以上颗粒物的能力。
附图说明
图1为一实施方式的气动聚焦系统的结构示意图；
图2为图1中的浓缩装置的局部结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请结合图1和图2，一实施方式的气动聚焦系统10，包括浓缩装置和空气动力学透镜300。其中，浓缩装置包括浓缩容器100、进样机构120、导流机构130和缓冲容器200。
浓缩容器100具有气压腔101，浓缩容器100上设有与气压腔101相连通的抽气柱110。抽气柱110用于连接抽气装置，以将从进样机构120的进样通道、限流孔、分流孔流入气压腔101的气体抽走，以实现对气溶胶的颗粒物的浓缩。
具体地，浓缩容器100整体上呈中空的柱体结构，即浓缩容器100具有气压腔101和与气压腔101相连通的进样口和出样口。
优选地，抽气柱110的抽气口靠近分流孔的气流出口所在端，以及时地将从分流孔流出的大部分气体抽走。优选地，抽气柱110的一端与浓缩容器100通过锥螺纹连接，提高密封性，并便于拆卸，抽气柱110的另一端通过抽气管路与机械抽气泵等抽气装置112连接。同时，抽气管路上可设置流量调节阀111，以调控气压腔101内的真空度，以满足对后续分析仪器的真空系统的操作压力不产生影响的要求。
进一步地，抽气柱110有两个，两个抽气柱100相对设在浓缩容器100的侧壁上，以防止气流流向及流量不均对进入导流通道内的气溶胶的颗粒物的流向的影响。
在其他实施方式中，抽气柱110可以有多个，例如三个、四个、六个等，多个抽气柱110设在浓缩容器100的侧壁上，且多个抽气柱110沿分流孔的轴线呈对称设置，以均匀地实现将从分流孔流出的气流抽走，但尽量减少抽走的气流中夹带固体颗粒物。
进一步地，浓缩容器100具有出样口，浓缩容器100的出样口所在端设有内台阶和连接部。导流机构130的出样端部抵接在浓缩容器100的内台阶上，以提高对气压腔101的密封性，同时使整体的装置结构更紧凑。浓缩容器100的连接部用于连接真空进样接口。
在本实施方式中，进样机构120上依次设有连通的进样通道、限流孔和分流孔，限流孔的孔径小于分流孔的孔径以使气溶胶样品中的颗粒物集中。进样机构120设于浓缩容器100上，且分流孔与气压腔101相连通，分流孔的尺寸在靠近气压腔101的一端逐渐增大，优选呈弧形扩大状，能够与抽气装置112配合实现对颗粒物的聚焦和对气体的分流，使部分气流被顺利抽走且不影响颗粒的流向。进样机构120设于浓缩容器100的进样口所在端并在该端密封进样口。
在本实施方式中，进样机构120包括分流器121、进样器122和限流片123。进样机构120设于浓缩容器100的进样口所在端并在该端密封进样口。
分流器121具有安装槽和位于安装槽底部的分流孔，安装槽伸入气压腔101内且安装槽的侧壁与气压腔101的内壁相抵接。分流器121设有朝向安装槽外部的凸缘，凸缘与浓缩容器100的器壁相抵接，以便于通过螺钉等紧固件进一步密封整个系统。
进样器122具有进气通道，进样器122安装在安装槽内并与安装槽的内侧壁相抵接。优选地，进样器122具有台阶结构，进样器122安装在分流器121的安装槽内，且进样器122的台阶与分流器121的凸缘相齐平，以使装个装置结构紧凑，并便于对进样器122和分流器121进行密封及固定。
限流片123设有限流孔，限流片123设于分流器121的安装槽内并位于分流器121和进样器122之间，且限流孔分别与进样通道和分流孔相连通。
优选地，限流片123上的限流孔的孔径小于进样通道的内径和分流孔的孔径。进一步地，限流片123上的限流孔的孔径不小于0.2mm，更优选地，限流孔的孔径为0.2～0.5mm，例如可以为0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.45mm，以进一步满足对后续分析仪器的真空系统的操作压力不产生影响的要求情况下，能够增加进样流量，并达到将低浓度气溶胶浓缩的效果。
进一步地，进样机构120还包括固定板124。固定板124套设在进样器122上，固定板124通过螺钉等紧固件与分流器121和浓缩容器100的器壁连接，通过可拆卸地方式组装进样机构120，便于更换不同限流孔孔径的限流片123。并使整体的进样机构120便于安装。例如，采用限流孔孔径大于0.2mm时，能够显著提高大于3μm颗粒物的气溶胶的进样效率，有利于大颗粒物的检测和研究，并同时有利于实现对低浓度下气溶胶的进样浓缩，尤其是有利于对于生物气溶胶、pm2.5以上的大颗粒物的检测工作。
又如，传统上的气溶胶的进样流量为100ml/min，而采用本实施方式的浓缩装置与空气动力学透镜300的进样接口连接时，且限流孔孔径大于0.2mm时，气溶胶可以以500ml/min的流量经过限流片123，在压力差的推动下达到或接近音速，由于气体分子和颗粒物的惯性不同，大部分气体被抽气装置抽气，抽速可设置为400ml/min，而剩余气体则以100ml/min的流量与颗粒物一起高速通过导流通道并依次进入缓冲腔201、空气动力学透镜300的聚焦通道以及分析设备的真空腔内，实现了对气溶胶的进样浓缩。
在本实施方式中，导流机构130具有导流通道，用于将分流孔中未被抽走的浓缩气溶胶样品导流进入缓冲腔201中，并使进入导流通道内的气溶胶由湍流状态变为层流状态，便于后续的聚焦集束。导流机构130设于浓缩容器100上，且导流机构130的进样端伸入气压腔101内并伸入至分流孔内的气流出口所在端，导流机构130的进样端与分流孔的孔壁之间具有抽气间隙，且导流通道、限流孔、分流孔和进样通道同轴，以充分利用颗粒物的惯性，保证颗粒物进入导流通道内。优选地，导流通道的径向尺寸逐渐增大，以使导流通道内气压下降并使气流在导流通道内逐渐由湍流变为层流，便于颗粒束聚焦。
导流机构130优选为分离锥。进一步地，分离锥的外轮廓呈流线型，有利于在抽气流的过程中减小气流对颗粒物的干扰，能够实现对气溶胶的束聚焦效果。
在本实施方式中，缓冲容器200呈柱体结构，缓冲容器200具有缓冲腔201，缓冲容器200与浓缩容器100和/或导流机构130连接并使缓冲腔201与导流通道相连通，以使经浓缩的气溶胶进入空气动力学透镜300中符合常规的操作压力。优选地，缓冲容器200上设有用于监测缓冲腔201的真空度的真空规，以便于调整抽气装置的抽气速率。
在本实施方式中，空气动力学透镜300的进样接口与缓冲容器200相连接并使聚焦通道与缓冲腔201相连通，空气动力学透镜300的出样接口用于连接分析设备的真空腔1的真空进样接口。
传统的气动聚焦系统聚焦的颗粒物的粒径范围有限，在一定的粒径范围内，传统的气动聚焦系统的聚焦效率往往表现两头低，中间高，也就是说常规的透镜对检测大颗粒物比较困难，这主要是由于颗粒物的惯性过大，当大颗粒物由大气环境进入真空内部时其运动状态发生的变化不如小颗粒显著。而通过空气动力学透镜300与本实施方式的浓缩装置相配合，能够显著提高气溶胶中的大颗粒物的传输效率和通过率，同时能够提高对空气动力学透镜300对大颗粒物的聚焦能力，能够显著提高单颗粒气溶胶质谱仪等分析设备分析3um以上颗粒物的能力。
在本实施方式中，进一步地，气动聚焦系统10还包括抽气装置112和抽气管路111。抽气装置112可以为机械泵，抽气管路111可以为波纹管。抽气管路111与浓缩容器100的抽气柱110相连接，抽气管路111上设有流量调节阀以调整对分流孔的抽气速率并调整空气动力学透镜300的操作压力。
在本实施方式中，进一步地，气动聚焦系统10还包括用于调控进入空气动力学透镜300的气流量的球阀400，通过调整球阀400的开度能够进一步调整进入空气动力学透镜300的气流量以及空气动力学透镜300的操作压力。
上述实施方式的浓缩装置以及包含该浓缩装置的气动聚焦系统10通过设置能够相互配合的气压腔101、限流孔、分流孔、导流通道以及缓冲腔201，当将浓缩装置与空气动力学透镜300的进样接口连接时，在采用常规真空负载的条件下，在气压差的推动下，由于气体分子和颗粒物的惯性不同，从分流孔流出的大部分气体将被抽走，颗粒物和少部分气体则进入导流通道和空气动力学透镜300后再飞入分析设备的真空腔内，整体上能够增大气溶胶进样流量，能够增大大粒径颗粒物的通过率，实现对气溶胶的浓缩，便于聚焦形成颗粒束，实现对气溶胶的浓缩，这将有利于开展低浓度下气溶胶的进样及检测工作。同时，通过限流片123的孔径调整以及与抽气装置112的抽气流量相配合，能够使气溶胶的进样流量增加，但不影响分析设备的真空负载的情况下依然能够保证后续分析设备的气体进样量保持不变，并增加了颗粒物浓度，提高分析设备的测试准确性，安装方便，能够适合大颗粒物的聚焦分析。
尤其对于在低颗粒物浓度的气溶胶进行检测条件下，如在洁净的房间、南北极环境以及环境背景站点观测时，通过一定时间内难以获得足够统计意义的颗粒物。而采用气动聚焦系统10通过浓缩装置对低颗粒物浓度的气溶胶进行浓缩，能够显著提高颗粒物的浓度，提高分析设备的检测灵敏度，并提高分析设备的测试准确性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。