专利名称：电晕放电装置以及具有该电晕放电装置的离子迁移谱仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电晕放电装置以及具有该电晕放电装置的离子迁移谱仪。
背景技术：
离子迁移谱仪是根据不同离子在均勻弱电场下漂移速度不同而实现对离子的分辨。它具有分辨速度快，灵敏度高，不需要真空环境，便于小型化的优点，因此在毒品和爆炸物的探测领域得到了广泛的应用。典型的离子迁移谱仪通常由进样部分、电离区、离子门、迁移区、收集区、读出电路、数据采集和处理、控制部分等构成。其中电离部分主要功能是将样品分子转化成可供迁移分离的离子，因此电离的效果对谱仪的性能具有非常直接的影响。目前的技术中，最常见和应用最广的电离组件是采用M63放射源，它具有体积小，稳定性高、不需要外加电路的优点，但同时也带来了线性范围窄、转化离子浓度低和辐射污染的问题。尤其是辐射污染问题为设备的操作、运输和管理上带来诸多不便。克服该问题的一个方案是采用电晕放电技术代替放射源技术。电晕放电是在空间不均勻电场中由于局部的强电场引起气体分子电离的一种现象。电晕放电直接产生的离子一般称为反应物离子，当具有更高的质子或电子亲和势的样品分子通过电离区时，俘获反应物离子的电荷而被电离。通常电晕放电结构较为简单，因而成本低廉，同时电晕放电产生的电荷的浓度相比于放射源要高得多，因此有利于提高离子迁移谱仪的灵敏度，并得到较大的动态范围。然而应用电晕放电电离也有一些缺点，除了需要高压电源进行供电以外，由于电晕放电本身呈脉冲式过程(Trichel脉冲)，如果直接让离子通过离子门进入离子迁移谱仪会导致谱线紊乱，严重影响测试结果；另外，在电晕放电区域的离子会被该区域电场加速而撞向电晕电极损失掉，从而限制了迁移谱仪灵敏度的提高，如何有效地将离子牵引出电离区是一个重要的问题；此外，由于电晕放电对电晕电极会产生氧化，延长电极寿命也是一个重要的问题。
实用新型内容本实用新型的目的是提供电晕放电装置以及具有该电晕放电装置的离子迁移谱仪，该电晕放电装置以及具有该电晕放电装置的离子迁移谱仪能够在结构上延长电极寿命。本实用新型的另一个目的是提供离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪能够在结构上利于离子的引出。本实用新型的再一个目的是提供离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪能够利用聚焦存储电极有效地屏蔽电晕放电脉冲的干扰。根据本实用新型的一方面，本实用新型提供了一种电晕放电装置，该电晕放电装置包括第一电极，所述第一电极包括大致柱状的第一内腔部分，和与第一内腔部分相连通的大致锥形的第二内腔部分，所述第二内腔部分在远离所述第一内腔部分的方向上横截面面积逐渐增大。根据本实用新型的一方面，所述第一电极还包括大致柱状的第一部分，所述第一部分限定所述第一内腔部分；以及与第一部分相连的大致锥形的第二部分，所述第二部分限定所述第二内腔部分。根据本实用新型的一方面，所述第一内腔部分具有大致圆柱状形状并且所述第二内腔部分具有大致圆锥状形状，并且所述第一内腔部分与所述第二内腔部分大致同轴设置。根据本实用新型的一方面，所述第一电极还具有穿过所述第一电极的壁的开口 ；并且所述电晕放电装置还包括通过所述第一电极的开口从所述第一电极的外部插入所述第一电极的内部的第二电极，该第二电极具有针状形状。根据本实用新型的一方面，所述第二电极插入所述第一内腔部分。根据本实用新型的一方面，所述针状第二电极是至少一对相对设置并大致在同一直线上延伸的针状第二电极。根据本实用新型的一方面，本实用新型提供了一种离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪包括电离区；以及设置在该电离区中的电晕放电装置，该电晕放电装置为上述的电晕放电装置。根据本实用新型的一方面，所述的离子迁移谱仪还包括聚焦存储电极，所述聚焦存储电极具有大致锥形的筒部，该筒部的至少一部分插入所述第一电极的第二内腔部分内。根据本实用新型的另一方面，所述筒部具有大致圆锥形形状。根据本实用新型的另一方面，所述第一内腔部分具有大致圆柱状形状，并且所述筒部的靠接所述电晕放电装置的端部的直径小于所述第一内腔部分的直径。根据本实用新型的另一方面，所述的离子迁移谱仪还包括第一栅极，所述第一栅极与所述聚焦存储电极的所述筒部的远离所述电晕放电装置的端部电连接。根据本实用新型的另一方面，所述的离子迁移谱仪还包括第二栅极，所述第二栅极与所述第一栅极间隔预定距离。根据本实用新型的另一方面，所述第一电极和聚焦存储电极大致同轴设置。根据本实用新型的另一方面，载气在所述第一电极中大致沿所述第一电极的轴向方向流动。根据本实用新型的又一方面，本实用新型提供了一种离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪包括电离区；设置在该电离区中的电晕放电装置，该电晕放电装置的一个筒状电极具有内腔部分；以及聚焦存储电极，所述聚焦存储电极具有大致锥形的筒部，该筒部的至少一部分插入所述电极的内腔部分内。根据本实用新型的另一方面，所述筒部具有大致圆锥形形状。根据本实用新型的另一方面，所述内腔部分具有大致圆柱状形状，并且所述筒部的靠接所述电晕放电装置的端部的直径小于所述内腔部分的直径。根据本实用新型的另一方面，所述的离子迁移谱仪还包括第一栅极，所述第一栅极与所述聚焦存储电极的所述筒部的远离所述电晕放电装置的端部电连接。根据本实用新型的另一方面，所述的离子迁移谱仪还包括第二栅极，所述第二栅极与所述第一栅极间隔预定距离。根据本实用新型的另一方面，所述电极和聚焦存储电极大致同轴设置。根据本实用新型的另一方面，载气在所述电极中大致沿所述电极的轴向方向流动。采用本实用新型的一些实施方式，可以在结构上利于离子的引出和延长电极寿命。此外，利用聚焦存储电极，可以有效地屏蔽电晕放电脉冲干扰，牵引并聚焦样品离子。利用设计的电压控制方案实现离子的迁移分辨，同时屏蔽电晕脉冲带来的离子数量起伏，达到迁移谱线稳定的效果。
图1是根据本实用新型的实施例的离子迁移谱仪的示意图。图2是根据本实用新型的实施例的电晕放电装置的示意截面图。图3是根据本实用新型的实施例的电晕放电装置的示意左视图。图4是根据本实用新型的实施例的电晕放电装置的示意立体图。图5是根据本实用新型的实施例的聚焦存储电极的示意截面图。图6是根据本实用新型的实施例的聚焦存储电极的示意右视图。图7是根据本实用新型的实施例的离子迁移谱仪在正离子模式下的各个部件的电势示意图。
具体实施方式
本实用新型的离子迁移谱仪可工作在正离子或者负离子模式下，为方面起见，下面仅以正离子模式进行说明。图1是根据本实用新型的实施例的离子迁移谱仪100的示意图。如图1所示，离子迁移谱仪10包括外壳20、进样部分22、电离区M、聚焦存储电极14、迁移区观、收集区30、读出电路40、数据采集和处理装置、控制部分等。进样部分22包括用于引入载气和样品的入口 221。此外，离子迁移谱仪100还包括出气口 201和迁移气入口 202。离子迁移谱仪10还包括设置在该电离区M中的电晕放电装置50 ；设置在迁移区28中的漂移电极16，漂移电极16为等间距排列的同轴圆环；设置在收集区30的法拉第盘18，以及设置在漂移电极16与法拉第盘18之间的抑制栅17，用于抑制离子在法拉第盘18产生静电感应电荷。所述抑制栅17为单张栅网。所述法拉第盘18为圆形平板，并与电荷灵敏放大器耦合，以读取离子信号。如图2至4所示，电晕放电装置，包括第一电极12，所述第一电极12包括大致柱状的第一内腔部分530，和与第一内腔部分530相连通的大致锥形的第二内腔部分550，所述第二内腔部分550在远离所述第一内腔部分530的方向上横截面面积逐渐增大。所述第一电极12具有大致筒状的形状。所述第一电极12还包括大致柱状的第一部分53，所述第一部分53限定所述第一内腔部分530 ；以及与第一部分53相连的大致锥形的第二部分阳，所述第二部分阳限定所述第二内腔部分阳0。如图1至4所示，所述第一内腔部分530可以具有大致圆柱状形状并且所述第二内腔部分550可以具有大致圆锥状形状并且所述第一内腔部分530与所述第二内腔部分550大致同轴设置。第一部分53可以具有大致圆柱面的形状并且第二部分55可以具有大致圆锥面的形状，并且第一部分53和第二部分55可以大致同轴设置。所述第一内腔部分530、所述第二内腔部分550、所述第一部分53以及所述第二部分55也可以具有其它合适的形状。如图2至4所示，所述第一电极12还具有穿过所述第一电极12的壁的开口 51。所述开口 51可以穿过所述第一部分53或所述第二部分55的壁。所述电晕放电装置还包括通过所述第一电极12的开口 51从所述第一电极12的外部插入所述第一电极12的内部的第二电极11，该第二电极11具有针状形状。所述第二电极可以插入所述第一内腔部分530或所述第二内腔部分550。如图2至4所示，所述第二电极11是至少一对(例如一对、两对、三对或更多对)相对设置并大致在同一直线上延伸的第二电极11。作为选择，每一对第二电极11也可以错开放置，而不是相对放置。第二电极11可以称为电晕针，而第一电极12可以称为电晕靶电极。如图2至4所示，针状第二电极11可以通过圆筒状绝缘块13连接于第一部分53。第二电极11可以沿圆筒状的第一部分53的径向方向延伸，并且插入所述第一内腔部分530中的长度是可以调节的。第二电极11利用不锈钢、钨、镍、钼等抗氧化金属制成。第一电极12可用普通金属表面镀镍而成。参照图1至4，所述第一电极12的内部用作气路，从载气和样品的入口 221进入离子迁移谱仪10的载气流过该气路。载气在所述第一电极12中大致沿所述第一电极12的轴向方向流动。即迁移谱仪载气进气流方向A大致平行于所述第一电极12的轴向方向。第二电极11进入气路中。第一电极12和第二电极11产生的电场方向与第一电极12中的载气流动方向A正交，由此可以避免该电场干扰气路下游的电场区域。如图1和图5所示，聚焦存储电极14具有大致锥形的筒部141，所述筒部141可以具有大致圆锥面形。该锥形的筒部141的至少一部分插入所述第一电极12的第二内腔部分550内。该筒部141不与第一电极12接触。在使用现有的具有内腔的第一电极的情况下，该锥形的筒部141的至少一部分可以类似地插入现有的第一电极的内腔内。所述第二部分阳可以便于聚焦存储电极14的筒部141能够尽量接近电晕区，并与聚焦存储电极14形成聚焦电场。筒部141的靠接所述电晕放电装置50的端部143的直径小于所述第一电极12的所述第一部分53的所述第一内腔部分530的直径。例如，筒部141的靠接所述电晕放电装置50的端部143的直径比所述第一电极12的所述第一部分53的所述第一内腔部分530的直径小大约1到3mm。作为选择，所述第一电极12可以仅仅包括大致柱状的第一内腔部分530，而没有大致锥形的第二内腔部分550。此时，聚焦存储电极14的筒部141的至少一部分可以插入所述第一电极12的第一内腔部分530内。聚焦存储电极14可以仅仅具有筒部141。作为选择，聚焦存储电极14还可以包括凸缘145，凸缘145在锥形的筒部141的直径较大的端部147形成。所述第一电极12和聚焦存储电极14可以大致同轴设置。如图1所示，所述离子迁移谱仪10还包括第一栅极145，所述第一栅极145与聚焦存储电极14的所述筒部141的远离所述电晕放电装置50的端部147电连接。所述第一栅极145与聚焦存储电极14的所述筒部141的远离所述电晕放电装置50的端部147或聚焦存储电极14的凸缘149相接触。第一栅极145具有栅网状的形状，栅格可以是六边形，矩形等各种形状。在所述筒部141的靠近端部147或第一栅极145的内部形成大致等电势的区域，该区域用于离子存储。如图1所示，所述离子迁移谱仪10还包括第二栅极15，所述第二栅极15与所述第一栅极间隔预定距离。第二栅极15具有栅网状的形状，栅格可以是六边形，矩形等各种形状。所述第一栅极145和所述第二栅极15构成离子门，所述第一栅极145和所述第二栅极15之间施加的电压形成周期性变化的与正向或反向电场，该正向或反向电场形成离子门的“开”和“闭”状态。参照图1以及图7，图7是根据本实用新型的实施例的离子迁移谱仪10在正离子模式下的各个部件的电势示意图。在图7中，横轴P表示各个部件的位置，纵轴V表示各个部件的电势，附图标记110表示第二电极11的电势，附图标记120表示第一电极12的电势，附图标记140表示聚焦存储电极14以及第一栅极145的电势，附图标记150表示第二栅极15的电势，附图标记160表示漂移电极16的电势，附图标记170表示抑制栅17的电势，以及附图标记180表示法拉第盘18的电势。如图1和7所示，离子迁移谱仪10工作时，第二电极11的电势110比第一电极12的电势120高700V到3000V左右(取决于第二电极11的尖端半径，以及第二电极11的长度，不同的几何尺寸会有不同的起晕电压)以发生电晕产生离子，聚焦存储电极14的电势140周期跳变，当聚焦存储电极14位于低电位(如图7中的附图标记140指示的实线所示)时，聚焦存储电极14处于存储状态，当聚焦存储电极14位于高电势(如图7中的附图标记140指示的虚线所示)时，聚焦存储电极14处于存储状态牵引状态。当聚焦存储电极14处于存储状态时，聚焦存储电极14的电势140比第一电极12的电势120低60V 150V，比第二栅极15的电势150低5V 60V左右，离子进入聚焦存储电极14后，受到的电场力较弱，在聚焦存储电极14的腔体内主要做热运动，经过一定时间，聚焦存储电极14内离子积累到一定数目后，聚焦存储电极14的电势跳变到牵引状态，第一电极12处电晕放电产生的离子停止进入聚焦存储电极14，防止由于电晕脉冲导致聚焦存储电极14内离子数量的起伏，而处在聚焦存储电极14内的离子在聚焦存储电极14与第二栅极15之间的电场力作用下迅速通过第二栅极15进入漂移电极16。在漂移电极16内，离子在电场牵引力和反向运动的迁移气流的共同作用下达到勻称运动状态，在经历较长的迁移距离后，具有不同迁移率的离子由于速度的不同被分开，最后经抑制栅17后被法拉第盘18最后所接收。如图1和7所示，所述聚焦存储电极14与离子门的第一栅极145形成组合电极，其电势140呈周期跳变，根据电势140的不同，所述聚焦存储电极14与离子门的第一栅极145可处于存储状态和牵引状态。当处于存储状态时(如图7中附图标记140所指示的实线所示)，所述聚焦存储电极14和离子门的第一栅极145与第一电极12之间的电场与离子运动方向相同，由于所述聚焦存储电极14的端部143的直径小于第一电极12的第一内腔部分530的直径，由此形成迁移聚焦电场区，有效的牵引电晕产生的离子离开电晕区并将其聚焦成更小束斑进入聚焦存储电极内14。而当离子进入聚焦存储电极14内一段距离后，由于聚焦存储电极14与离子门的第一栅极145电势相同，聚焦存储电极14的内部电场较弱，再加上聚焦存储电极14和第一栅极145与离子门的第二栅极15之间施加的弱的反向电场，至少在离子门第一栅极145附近的聚焦存储电极14内形成大致等电势的区域，离子在该区域无电场作用，主要行为为热运动，聚焦存储电极14的端部147处较大的腔体也保证了离子的热运动而不撞到聚焦存储电极14上而损失掉。而当热运动的离子累积到一定数量后，聚焦存储电极14的电势跳变到“迁移态”(如图7中附图标记140所指示的虚线所示)，聚焦存储电极14与第一电极12之间的电场与离子运动方向相反，阻止电晕产生的离子进入聚焦存储电极14，而同时聚焦存储电极14和离子门第一栅极145与离子门第二栅极15之间的电场变为与离子运动方向一致。迁移区观的圆环电极16的等差值变化的电势160形成牵引电场。通过离子门施加强的正向电场，在聚焦存储电极14内累积的离子被迅速牵引进入迁移区观，使离子通过具有电势170的抑制栅17向具有电势180的法拉第盘18运动。这样通过在离子门前离子的积累过程削弱了电晕放电脉冲带来的离子数量的起伏给迁移谱线造成的影响，从而在电晕放电脉冲下，迁移谱线能够基本保持稳定。[0054] 参照图1和图7，在作为电晕放电离子源的电晕放电装置50中，第一电极12与第二电极11之间一般可以施加约700V 3000V的电压以产生电晕放电，即第二电极11的电势110与第一电极12的电势120之间的电势差一般可以为约700V 3000V。由于第二电极11垂直于载气气流方向A插入第一电极12内，电晕电场垂直于第一电极12内的气路，这样减弱了电晕电场对后续部件的电场的干扰(尤其是其脉冲性的干扰)。另外，插入多个第二电极11以提高离子浓度，当其中一个第二电极11由于氧化性能降低后不会对离化性能造成明显下降。第一电极12的第一部分53可为圆筒状，以实现与第二电极11之间的放电，第一电极12的第二部分55为喇叭状，让聚焦存储电极14更接近电晕电离区同时与聚焦存储电极14间形成聚焦电场。第二电极11与第一电极12之间的电势差保持在起晕电压附近，以降低电离区能量密度，避免产生大量的样品分子碎片，并延长第二电极11寿命。
权利要求1.一种电晕放电装置，其特征在于，包括第一电极，所述第一电极包括大致柱状的第一内腔部分，和与第一内腔部分相连通的大致锥形的第二内腔部分，所述第二内腔部分在远离所述第一内腔部分的方向上横截面面积逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的电晕放电装置，其中所述第一电极还包括大致柱状的第一部分，所述第一部分限定所述第一内腔部分； 以及与第一部分相连的大致锥形的第二部分，所述第二部分限定所述第二内腔部分。
3.根据权利要求2所述的电晕放电装置，其中所述第一内腔部分具有大致圆柱状形状并且所述第二内腔部分具有大致圆锥状形状， 并且所述第一内腔部分与所述第二内腔部分大致同轴设置。
4.根据权利要求1所述的电晕放电装置，其中所述第一电极还具有穿过所述第一电极的壁的开口 ；并且所述电晕放电装置还包括通过所述第一电极的开口从所述第一电极的外部插入所述第一电极的内部的第二电极，该第二电极具有针状形状。
5.根据权利要求4所述的电晕放电装置，其中所述第二电极插入所述第一内腔部分。
6.根据权利要求4所述的电晕放电装置，其中所述针状第二电极是至少一对相对设置并大致在同一直线上延伸的针状第二电极。
7.一种离子迁移谱仪，其特征在于，包括电离区；以及设置在该电离区中的电晕放电装置，该电晕放电装置为根据权利要求1中所述的电晕放电装置。
8.根据权利要求7所述的离子迁移谱仪，还包括聚焦存储电极，所述聚焦存储电极具有大致锥形的筒部，该筒部的至少一部分插入所述第一电极的第二内腔部分内。
9.根据权利要求8所述的离子迁移谱仪，其中所述筒部具有大致圆锥形形状。
10.根据权利要求9所述的离子迁移谱仪，其中所述第一内腔部分具有大致圆柱状形状，并且所述筒部的靠接所述电晕放电装置的端部的直径小于所述第一内腔部分的直径。
11.根据权利要求8所述的离子迁移谱仪，还包括第一栅极，所述第一栅极与所述聚焦存储电极的所述筒部的远离所述电晕放电装置的端部电连接。
12.根据权利要求11所述的离子迁移谱仪，还包括第二栅极，所述第二栅极与所述第一栅极间隔预定距离。
13.根据权利要求10所述的离子迁移谱仪，其中所述第一电极和聚焦存储电极大致同轴设置。
14.根据权利要求10所述的离子迁移谱仪，其中载气在所述第一电极中大致沿所述第一电极的轴向方向流动。
专利摘要本实用新型提供了一种电晕放电装置，该电晕放电装置包括第一电极，所述第一电极包括大致柱状的第一内腔部分，和与第一内腔部分相连通的大致锥形的第二内腔部分，所述第二内腔部分在远离所述第一内腔部分的方向上横截面面积逐渐增大。本实用新型还提供了一种离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪包括电离区；以及设置在该电离区中的所述电晕放电装置。本实用新型的离子迁移谱仪可以在结构上利于离子的引出和延长电极寿命。此外，利用聚焦存储电极，可以有效地屏蔽电晕放电脉冲干扰，牵引并聚焦样品离子。利用设计的电压控制方案实现离子的迁移分辨，同时屏蔽电晕脉冲带来的离子数量起伏，达到迁移谱线稳定的效果。
文档编号H01T19/00GK202333446SQ201120498510
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者刘以农, 张清军, 李元景, 董淑强, 赵自然, 郑严, 陈志强 申请人:同方威视技术股份有限公司, 清华大学