用于气溶胶汇聚装置的压力流量减缓装置的制作方法

专利名称：：用于气溶胶汇聚装置的压力流量减缓装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及气溶胶汇聚系统，更具体地是涉及一种具有压力流量减緩装置的气溶胶汇聚系统，所述压力流量减緩装置结合了汇聚透镜堆叠技术而将在大气压力下操作的釆样入口耦合至真空，以获得高采样速度。
背景技术：
：与气溶胶相关的仪器通常需要传输损失小或者没有传输损失的、密集汇聚的粒子束。此外，它们需要以非常高的采样速度与采样环境连接，以便能收集更多的气溶胶粒子并提高灵敏度。有研究表明，空气动力学汇聚透镜堆能向真空内产生密集汇聚的气溶胶粒子束，并且已经被有效地用于各种气溶胶研究[l。然而，现有汇聚透镜堆只能在小粒径以及低压低流量下操作。这是基于设计上的原因由于为了维持透镜堆内的层流而要求每个汇聚透镜的雷诺数低，因此用于0.5-10微米范围的气溶胶粒子的空气动力学汇聚透镜堆只能在低流量低压力下操作。并且，为了以可接受的>^差进行机械加工并在入口系统中对准，所述孔口尺寸必须保持在l厘米以下100微米以上。因此，所述低压力和低流量使得空气动力学汇聚透镜堆非常难以与大气压力下的气溶胶源连接。常规上使用单临界孔口装置来使透镜堆与所述大气压力环境，其中，所述孔口的大小由所述透镜堆所需的压力限定。然而，由于压力和流量之间存在耦合，因此当采样流量低于0.05升/分钟时，临界孔口的采样效率非常低下，造成只有极少的粒子传输通过整个系统。因此，需要一种具有大粒子汇聚入口、并且能够在大气压与可进行气溶胶质镨分析的真空7之间以高采样速度进行连接的气溶胶汇聚系统(AFS)。具体地，需要这样一种气溶胶汇聚系统其将空气动力学透镜堆汇聚技术与高流量、大气压下采样相结合，并能将密集汇聚的粒子束(例如，粒子的粒径范围为1~10微米，粒子束直径小于300微米)传送入真空中。而且，还需要一种用于确定AFS(包括AFS的各个单独部件，如所述透镜堆)的尺寸并对AFS进行校验的设计工具，以便能够在不需冗长的计算流体动力学仿真和昂贵的实验室级別的实验的情况下快速地设计用于不同操作条件的各种连接系统。
发明内容本发明的一方面包括一种压力流量减緩装置，其用于与特征在于操作压力的气溶胶汇聚装置结合使用，所述压力流量减緩装置包括进样喷嘴，其用于从采样环境中吸取载有粒子的空气，所述采样环境的特征在于一采样压力，所述采样压力高于所述气溶胶汇聚装置的所述操作压力；截取锥，其具有孔口，所述孔口与所述进样喷嘴对齐并在所述进样喷嘴的下游与所述进样喷嘴隔开，以在所述截取锥与所述进样喷嘴之间形成间隙；抽吸端口，其与所述间隙流体连通以降低来自所述进样喷嘴的压力和流量；以及驰豫室，其在所述截取锥的孔口的下游并与所述截取锥的孔口流体连通，且所述驰豫室具有能够流体连通至所述气溶胶汇聚装置的出口，所述驰豫室用于使从所述截取锥的孔口进入的粒子在离开所述驰豫室并到达所述气溶胶汇聚装置之前速度降低。本发明另一方面包括一种气溶胶汇聚系统，包括气溶胶汇聚装置，其特征在于一操作压力并具有出样喷嘴；以及压力流量减緩装置，其位于所述气溶胶汇聚装置的上游，并且包括进样喷嘴，其用于从采样环境中吸取载有粒子的空气，所述采样环境的特征在于一采样压力，所述采样压力高于所述气溶胶汇聚装置的所述操作压力；截取锥，其具有孔口，所述孔口与所述进样喷嘴对齐并在所述进样喷嘴的下游与所述进样喷嘴隔开，以在所述截取锥与所述进样喷嘴之间形成间隙；抽吸端口，其与所述间隙流体连通以降低来自所述进样喷嘴的压力和流量；以及驰豫室，其在所述截取锥的孔口的下游并与所述截取锥的孔口流体连通，且所述驰豫室具有能够流体连通至所述气溶胶汇聚装置的出口，所述驰豫室用于使从所述截取锥的孔口进入的粒子在离开所述驰豫室并到达所述气溶胶汇聚装置之前速度降低。以下附图并入所披露的本发明并形成其一部分，其中图1是包括压力流量减緩装置和气溶胶汇聚透镜堆的本发明气溶胶汇聚系统(AFS)的示范性实施例的3维剖视图2是图1中所示的所述压力流量减緩装置101的剖视图3是图1中所示的所述透镜堆组件102的剖视图4是示出在采样压力为760托时进样喷嘴孔口直径与流量的关系图5是示出粒子传输与截取锥尺寸和距进样喷嘴距离的关系图6的曲线图示出与减緩室中各种压力相对应的截取锥直径；图7的曲线图示出对应于各种进样喷嘴的驰豫室尺寸；图8的曲线图示出对于连接至压力为20托及在1大气压力下的等价流量为1升/分钟(或者在20托下的3.8升/分钟)的PFR的截取锥设计；图9的曲线图示出对于连接至压力为20托及在1大气压力下的等价流量为l升/分钟(或者在20托下的3.8升/分钟)的透镜堆的多种驰豫距离设计。驰豫室直径为5厘米；图IO是流程图11的曲线图示出了用于汇聚粒子尺寸区间为给出的、用于计算膨胀射流的中心线马赫数M的经验公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其在满足1<^<0.67"，时有效(式3)其中，z是沿纵向轴线方向距喷嘴的距离，Pupstream是采样压力，Pdownstream是减緩室中的压力。上边界界定了马赫盘的位置，从而界定了截取锥距采样喷嘴的距离的上限。下一步计算穿过具有给定直径dskim證并且距喷嘴的距离为Zskimmer的截取锥的质量流量。假设射流中为等熵膨胀，则能够将气体的温度、压力和密度表示为马赫数从而表示为距喷嘴的距离的函数，如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>则利用以下公式，声速能够作为温度的函数进行计算，从而气体速度能够作为距离的函数进行计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(式5)则通过截取锥的质量流量Qm写成下式:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(式6)由于透镜堆是针对等价于大气压力下的给定流量设计的，因此通过截取锥以获得适当操作条件所需的质量流量如下计算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(式7)利用式6和式7，截取锥的距离能够表示为使透镜堆获得适当操作条件的截取锥直径的函数。图8示出了与如下的透镜堆相连接的PFR的示例，该透镜堆在压力为20托及在1个大气压下的等价流量为0.1升/分钟(或者是在20托下的3.8升/分钟)下操作。很明显，为了优化气溶胶粒子向驰豫室的传输效率，截取锥的直径应该选择为大于采样喷嘴的直径。最后，基于对粒子通过喷嘴时的粒子速度的估计值来设计所述驰豫室。流体中粒子使用曳力的运动方程[6由式8给出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(式8)CunninghamcoirectionfoctorCc其中，r是流体中的粒子驰豫时间，其通过Cunningham因子修正。我们必须注意，修正的驰豫时间依赖气体温度r和压力i。这样，必须利用式4来估计粒子通过超音速膨胀行进时的那些参数。为了估得任何时候自喷嘴末端喷出的流体的速度，使用式5并结合使用表示马赫数的式3的扩展式，所述扩展式是通过采用设定喷嘴末端处的马赫数为l的多项式拟合而得到的。然而，必须缩减式3的适用区间以在2开始，以实现较光滑的扩展。下面的式3b示出了用于空气马赫数估计的扩展式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(式3b)nozzle接下来对式8进行数值积分，以获得粒子通过截取锥时的粒子速度。接下来当粒子达到驰豫室内气体速度的卯％时估算停止距离。驰豫室内的气体速度利用驰豫室的体积流量与直径获得。该直径应该足够大以适应最后的粒子发散并产生很低的气体速度。图9示出了两种不同PFR构造下估算的一些停止距离。C.空气动力学汇聚透镜堆所述AFS的第二部件是空气动力学汇聚透镜堆。从图3中可以看到，透镜堆叠型的气溶胶汇聚装置102是基于堆叠的孔口(图中所示为堆叠的透镜模块302)，其在气体通过时使气流线聚集。这样，跟随气流线的粒子将由于其惯性而向中心线汇聚。在透镜堆的下游端处有出样喷嘴303，粒子通过所述出样喷嘴303从本发明的AFS离开。图3中示出堆叠的透镜模块302和出样喷嘴303通过筒301竖直地对齐。如前所述，为缩短计算流体动力学(CFD)[2的仿真时间并开始初步设计，在寻求初步的近似结果时可以使用通用的流体动力学方程。本发明提供一种用于确定各种透镜直径大小的自动设计算法，以产生针对粒子尺寸区间和操作条件已经给定的汇聚装置，从而能够在不需冗长的计算流体动力学仿真和昂贵的实验室级别的实验的情况下快速地设计用于不同操作条件的各种连接系统。利用描述通过孔口的压降的、基于斯托克斯数和Prandtl方程的基本的解析流体动力学方程，本发明能估计出产生汇聚的粒子束(任意粒子尺寸区间)所需要的透镜数目和大小。为了提供针对粒子尺寸区间已给定的透镜堆的初步设计，基于透镜堆内的流动类型进行以下假设。第一假设是所述流动将会是层流，从而粒子在该流动类型中的行为将遵从斯托克斯数方程。这就具体意味着各透镜在操作条件(压力和流量)下的雷诺数低于200。第二假设是气体通过透镜时的行为可以以绝热膨胀进行建模。这就假设在膨胀中不存在温度损失或者增加。如果膨胀很快也就是说如果透镜的厚度可忽略不计的话的确如此。第三假设是气体保持一恒定温度，该恒定温度等于透镜之间的外部温度一一如果实际装置由金属制造则这是个合理的假设。必须说明的是，对于等熵流动的情形(此时所述装置的各区域内的气体温度都必须进行跟踪)，所述设计过程能够很容易地进行修改。用于本设计方法中的第一个主要公式基于对给定参数流体通过圆孔口的压降的估计值。利用前述假设，能够推导出绝热无粘性膨胀、圆孔口的情况下的体积流量的值。可以得到以下的公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(式9)其中，g是体积流量，j^fl是孔口的面积，K是比热比(空气为1.4)，及是气体常数(空气约为8.314)，r鄉是孔口顶部的温度，M是气体的摩尔质量(空气约为29克/摩尔)。只要底部压力不低于会阻遏孔口的临界压力，则该关系式就是正确的。如前所论述的，当气体在孔口处达到声速时就达到了临界压力比，并且对于绝热和无粘性气体其能由式2表示，在此重新列出式2:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(式2)同样如前所述，对于低于临界压力的底部压力，体积流量是由式l所描述的常数，在此重新示出式l:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(式l)该方程组公知为Prandtl推导。第二个主要公式基于对穿过在给定流量下操作的孔口的给定粒子的斯托克斯数方程的改写，其由式10表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>其中，4wfe&是粒子直径，是粒子密度，A是气体的标准平均自由程，户是气体压力，r是气体温度，/i是气体动态粘度，而45是孔口直径。该公式可以进行改写以表示在给定斯托克斯数和给定粒子情况下的孔口直径，如式ll所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>本设计算法中使用的第三个也是最后一个公式是雷诺数方程，其用于约束和评价整个透镜堆设计的湍流，该公式在式12中给出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>其中，/是气体的密度(根据气体类型随压力来进行调整)，而//是动态粘度。根据所使用的流动类型，流量、温度和密度将须随压力进行调整。对于在恒定温度下操作的气体，情况就会比较简单，能够概括为以下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula如果假设整个透镜堆中的气体是等熵的(这相当于模拟由低导热性材料制成的喷嘴)，则应该改为考虑^^cst。用于设计汇聚透镜堆的算法利用了逐步向下的方式。该算法假设较大的粒子将被第一透镜汇聚，而较小的粒子由后续的透镜汇聚。为了表现本算法的特征，需要使前述公式形式化。式l、2和9能被合并为如下的压降公式其中，r是引入气体的温度，Q是体积流量，iV是上游压力，A。加附是下游压力，A,e是孔口的直径，K是气体的比热比，及是气体常数，M是摩尔质量。公式10能够被形式化地写成下式其中，r是引入气体的温度，g是体积流量，户是上游压力，A是气体的标准平均自由程，〃是气体粘度，rf。承e是孔口的直径，"^是粒子直径，/;w齢是粒子密度，以及S汰是斯托克斯数。用于自动设计的所述算法的优选实施例需要初始的输入参数，现将其列出如下所考虑的粒子尺寸区间(以及在整个设计过程中应该是固定值的粒子密度)定义为AZ/m"^，*flWmaJ。所述第一透镜的上限将被表示为rf;^W-flf/7fl"附狄。气体特征(粘度、平均自由程、比热比、气体常数、摩尔质量、流动类型)。透镜堆顶部的温度定义为W。透镜堆顶部的压力定义为iY^。通过透镜堆的、等价于大气压下的流量定义为仏《。在顶部压力下的实际流量值定义为^"/。对于恒温下的气流来说，Q[1]=Qequ^。汇聚密集度定义为斯托克斯数的区间。l附近的斯托克斯数会产生最佳的汇聚，不过已经表明最优的斯托克斯数随着雷诺数变化(式14)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>(式15)相对应的流量Q/i+1/和温度T[i+1]对于在恒温下的气体，T[i+1]=T[i]andQ[i+1]=别^=l^当下一个最大粒子直径dparticle[i+1]小于dpartmin时，迭代终止。算法的最后步骤是校验步骤，其涉及利用式12计算每个透镜的雷诺数。为保证流动类型为层流且斯托克斯数为1时能产生最佳的汇聚，所述雷诺数必须{氐。图IO示出上述用于设计汇聚透镜堆的过程的示范性实施例。首先，在步骤1001中，接收各个输入参数，包括上游压力、上游流量、上游温度、粒子尺寸区间上限、斯托克斯密集度。下一步，在步骤1002中，计算将粒子尺寸区间上限汇聚到斯托克斯数密集度之内的透镜直径。下一步，在步骤1003中，计算由当前透镜汇聚的最小粒子，该最小粒子作为接下来的粒子尺寸区间上限。在步骤1004中，计算在所述透镜之后的压力，该压力作为新的上游压力。在步骤1005中，计算在所述透镜之后的流量和温度，所述流量和温度作为新的上游流量和温度。下一步，在步驟1006中，判定所述接下来的粒子尺寸区间上限是否大于粒子尺寸区间下限。如果判定结果为"是，，，则算法返回至步骤1002。如果判定结果为"否"，则算法进行至步骤1007,在该步骤中选择入口类型。然后在步骤1008中，进行出样喷嘴的设计，这将在以下说明。图11描述了一种说明性的透镜堆设计，其用于温度为298K的空气，在压力为20托及在760托压力下的等价流量为0.1升/分钟下进行操作，斯托克斯区间为0.8，1.2，粒子直径区间为0.7微米，IO微米。对于该具体的设计需要9个透镜。以下的表l示出了图11中的实际透镜设计，并且示出了相应的雷诺数和被汇聚的粒子尺寸。透镜编号透镜直径(mm)粒子尺寸区间阔雷诺数13,36[7戲mo]4Z0622.94[5.78,7.65]48.143Z5714,31,5,78]55.0942,24[3,16,4.3163.0351.96[2'2S,3,16]72.0961.72[1'63,Z2882,4071.50[1'14,163〗9楊81,32107,1591.16121.61表l:在压力为20托及在760托压力下的等价流量为0.1升/分钟时的透镜设计的设计值D.出样喷嘴的设计为了确保诸如空气动力学汇聚透镜堆这样的气溶胶汇聚装置所需的流量，必须相应地设计气溶胶汇聚装置的出样喷嘴。所述出样喷嘴具有两个主要用途。第一是用来保持PFR截取锥之后驰豫室中的流量和压力。第二是用来使粒子加速进入真空内，从而最终能够通过粒子的动力学直径来对粒子进行筛选。这通过^L计如下的喷嘴来实现所述喷嘴在阻遏模式(chokedmode)下操作，从而通过超音速膨胀保持流量和使粒子加速，使得流量与压力解耦。出样喷嘴的尺寸应使得所述透镜堆顶部的压力维持在固定操作值上。图12示出出样喷嘴是如何能影响通过所述气溶胶汇聚装置(在此选为定制的汇聚透镜堆)的流量的。所述喷嘴直径的设计完全由所述透镜堆的参数来确定。如在透镜堆设计算法中那样，按迭代方式对最后一个透镜之后的压力进行估计。然后，利用式13,估计出与所述最后一个透镜之后的压力相对应的、通过所述出样喷嘴所需的体积流量。接下来用式1来确定在阻遏模式下操作的出样喷嘴的直径。表2总结了当采样流量设定在大约1升/分钟时与表1所列透镜堆连接所需的各种设计参数。<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>表2:用于在压力为20托及在760托压力下的等价流量为0.1升/分钟下操作的透镜堆的PFR和出样喷嘴利用式8和扩展的马赫数公式估计所述出样速度。在该计算中作如下假设一旦粒子在气体被压向背景压力时达到马赫盘，则其将达到它们的最大速度。所述背景压力必须确保出样喷嘴在阻遏模式下操作。一旦该条件得到满足，则所述出样喷嘴之后的所述背景压力将界定粒子的出样速度区间。图13示出针对所述喷嘴之后的各种背景压力应该预期到的各种出样速度。E.孔口尺寸对于汇聚尺寸区间的预计影响在LawrenceLivermore国家实验室进行的实验表明，由于主要是PFR和出样喷嘴的尺寸控制通过透镜堆的流量和压力从而影响被汇聚的粒子区间，因此它们对汇聚装置的重要影响远大于实际透镜的精确直径尺寸。按照经验的方法，基于斯托克斯数(式10),降低通过透镜堆的流量将使被汇聚的粒子的区间移向较大的粒子，而增大流量将使所述区间移向较小的粒子。至于压力，所述驰豫室中压力降低将使被汇聚粒子的区间移向较小的粒子，而升高驰豫室压力将使所述区间移向较大的粒子。用于设计出样喷嘴的式1说明了出样喷嘴将如何界定通过透镜堆的流量，特别是较大的喷嘴将如何产生较大的流量因而汇聚较小的粒子。压力流量减緩装置在如何设定透镜堆的操作条件尤其是驰豫室中的压力值方面充当重要的角色。其主要是基于通过截取锥的质量流量有多少。由于出样喷嘴限制向外的流量，因此更大的质量流量将趋向于使驰豫室中的压力增大。较大的截取锥将产生较大质量流量，使得压力增大，从而使所述粒子区间移向较大的粒子。当气体密度降低时，PFR截取锥与采样喷嘴的距离将会降低质量流量，从而使驰豫室压力降低且使汇聚区间移向较小的粒子。图13示出了这些尺寸在最优设计值附近变化时的定量影响。必须说明的是，所述出样喷嘴具有最重要的影响。此外，PFR设计具有一个自由参数，从而，如果截取锥距采样喷嘴的距离能够按实验方法进行调整，则可以补偿截取锥直径的加工误差。G.CFD校验及实验结果为了初步评价和校验所述设计的解析估计，已利用CD-Adapco开发的二维、轴对称、高马赫数、可压缩流动求解器STAR-CCM+TM进行了计算流体动力学(CFD)仿真。此外，已用不锈钢和黄铜制成了两个装置，并且在LawrenceLivermore国家实验室对它们进行了测试，且对设计为在大气压和1升/分钟的流量下采样并将1~10微米之间的粒子汇聚至真空中的汇聚装置进行实验测量。随后，将实验结果与解析预测值及计算流体动力学仿真结果进行了比较，所述比较显示理论和实验之间存在非常好的一致性。总体来说，已经能够说明，用压力流量减緩装置替换常规的临界孔口采样接口部件能够使基于空气动力学透镜堆的汇聚系统的采样速度和效率大幅度地提高，从而增加气溶胶分析仪器的灵敏度。实际装置在压力流量减緩装置的截取锥的调整、透镜堆汇聚范围以及出样喷嘴处粒子的离开速度等方面的表现看上去非常密切地遵循设计工具的数值预测值。G.l机械设计与实验设置已制成包括如表2所列的压力流量减緩装置、如表1所列的九透镜汇聚透镜堆及出样喷嘴的装置。图2示出了压力流量减緩装置及透镜堆的机械设计。所述压力流量减緩装置已设计为使得能够利用可变厚度的垫片来调整截取锥距所述采样喷嘴的距离。透镜堆设计为可堆叠的透镜模块。模块由透镜与高1.5厘米的间隔件组成。使用O形團来将每个模块与相邻模块相隔开地密封。然后，组成所述汇聚透镜堆的9个模块插入一端连接至压力流量减緩装置而另一端连接至喷嘴的筒中。第一个装置由不锈钢制成。不过，在装配好之后使孔口对中并使各个透镜模块之间保持良好对齐的机械加工要比预期更为复杂。这样，由黄铜制造了第二个装置，其可使各个孔口更精确地对中。G.2压力流量减緩装置中的压力调节根据理论部分能够预期如果适当地设计出样喷嘴，则驰豫室中的操作压力达到20托的话将获得适当的流量从而获得适当的操作条件。压力流量减緩装置的设计工具给出了采样喷嘴与截取锥之间能进行正常操作的距离的近似值。这是由于利用了中心线上的流动特性来进行估算。然而，由于截取锥直径设计为要大于所述釆样喷嘴，我们给根据设计值的实验优化值与截取锥直径尺寸的最终加工误差留了余地。此外，由于不同距离上获得的压力值是通过所述透镜堆内各个透镜上压降的估算值所限定的，因此所述压力值容许用来校验我们的解析模型。最后，由于能够稍微改变所述距离从而改变压力，这就容许在需要的情况下略微调整被汇聚的粒子尺寸区间，如图14所示。向压力流量减緩装置的抽吸操作利用前级泵V500从两侧进行。利用MKS626ABaratron电容压力计及MKSPDR2000压力计控制器针对各种截取锥距离的情况进行了一些测量。PFR设置有340微米的采样喷嘴和550微米的截取锥。如表1所列的透镜堆的出样喷嘴设为650微米。图15示出了测量值与利用理论部分所述的推导获得的压力估计值的比较。按照供货商的推荐，所述压力计通过将104托的压力设为零点而进行标定。尽管为达到20托必须在这些设计值的基础上进行略微的调整，但能够看出已十分吻合了。G.3出样速度及建模由于离开所述汇聚装置的粒子随后要在生物-气溶胶质谱仪器(BAMS)中进行跟踪并分析其化学成分，因此根据粒子的空气动力学直径得知粒子速度是至关重要的。利用LawrenceLivermore国家实验室中为BAMS仪器研发的6激光跟踪装置来测量粒子速度。通过汇聚入口送入具有各种已标定空气动力学直径的聚苯乙烯乳胶球(PSL)，并测量出其速度。为了达到出样喷嘴之后的真空以及IO"托的背景压力，使用了分流式涡轮分子泵。为了与在10"托压力下操作的跟踪系统良好对接，增加了扁平的截取锥。图16示出了所述结果、利用本说明书的理论部分中所述的技术计算出的解析预测值、以及结合了粒子跟踪仿真的计算流体动力学仿真值之间的比较情况。能够看出，理论值、测量值以及数值仿真值之间存在极好的一致性。G.4汇聚与传输性能关于汇聚的尺寸区间，在距出样喷嘴末端20厘米处获得的粒子束尺寸与计算流体动力学和粒子仿真得到的结果相当一致，这从图17中可以看出。所述测量是利用尺寸经过标定的聚苯乙烯乳胶球来进行的。当粒子以高浓度通过所述装置喷出时，将覆盖了油脂的目标置于出样喷嘴之下20厘米处10~20分钟。然后利用显微镜形成粒子沉积物的图像，然后测量斑点的直径。我们尝试从所述沉积物的最外边缘来测量所述粒子束的直径，但遗憾的是，由于估计所述沉积终止于何处有些困难，故所述测量的准确度存在主观性。对于大直径粒子而言上述情况更为明显，因为大直径粒子对应的沉积相当模糊，这是由于非常低的传输效率和期望的粒子束直径使得单位面积上沉积的粒子的量非常低。我们必须说明的是，驰豫室中的压力对所述粒子束直径影响巨大，对于小直径粒子尤其如此。如果所述压力保持过高(20托之上)，则l微米大小的粒子将不再被汇聚，粒子束会呈圆环形。关于尺寸区间的散布和发散角度的问题，在该装置的测试期间发现不同粒子直径的各种粒子束在位置上存在显著不同，尽管其均汇聚良好。当不同的透镜孔口没有很好地对齐时，不同粒子直径在所述目标上形成的粒子束斑点能够分开高达l毫米的距离。手动调节各透镜的位置能够减少上述问题并且能够使由1~10微米的粒子汇聚的粒子束的中心维持在500微米内。关于传输效率，为了测量整个入口装置的传输效率，使用了BAMS仪器的跟踪区域。所述跟踪区域利用粒子被直径大约为200微米的6束激光照亮时从所述粒子散射的光。所述激光的总跨度为7.5厘米，且第一束激光位于距所述采样系统的出样喷嘴2.5厘米处。这样只要粒子位于在距所述出样喷嘴10厘米处直径为200微米的粒子束中，则该跟踪区域就能够准确地检测和计算每个粒子速度。通过该系统进入的已标定PSL及其浓度由TSI公司的、型号为3320的空气动力学粒径镨仪(APS)来监测。所述PFR采样系统依表2所列进行设置且采样流量为1升/分钟，从而使我们能计算传输效率。作为对比，结合粒子运动进行计算流体动力学运算，以估计在10厘米和12厘米处、直径为200微米的可跟踪粒子束内的预期传输效率。图18示出了测量值与计算流体动力学(CFD)估计值之间的比较结果。需要说明的是，入口装置相对于跟踪激光对齐是至关紧要的，其对所测量的性能有非常大的影响。由于BAMS的跟踪区域只能对一个轨迹进行优化，而不同的粒子直径可以具有不同的轨迹并且可在不同的位置上汇聚，因此，测量可能会受到影响。以下参考文献在此通过援引被完整地并入本说明书中，这些参考文献包括[1]Tobias,H,J.,Kooima,P.M.,Dochery,K.S.,andZiemann,P.J.(2000〉."Real-TimeChemicalAnalysisofOrganicAerosolsUsingaThermalDesorptionParticleBeamMassSpectrometer/'AerosolSci.Technol.33:170-190.PIZhangcX.,etal.,"ANumericalCharacterizationofParticleBeamCoUimationbyanAerodynamicLens-NozzleSystemPart1:AnIndividualLensorNozzle,"AerosolSciTecknol.,36,617-631,2002.3]Liu,'R,Ziem咖,P.L.,Kittelsoi^D.B,,andMcMurry,P,H.(1995a)."GeneratingParticleBeamsofControlledDimensionsandDivergence:I.TheoryofParticleMotioninAerodynamicLensesandNozzleExpansions,"AerosolScLTechnol-,22:293-313.[4]Schreiner,J.,Schild,U.,Voigt,C.,Mauersberger,IC:"Focusingofaerosolsintoaparticlebeamatpressuresfrom10to150torr.,"AerosolSdTechnol.,31,373>382(1999)[5H.AshkenasandF.S.Sherman,"Thestructureandutilizationofsupersonicfreejetsinl'owdensitywindtunnel,"InternationalSymposiumonRarefiedGasDynamics,supp.3,Vol,2,pp.84-105,1966.问Hinds,W.,"AerosolTechnology:Properties,Behavior,AndMeasurementOfAirborneParticles/SecondEdition,Wiley-Intersdence,NewYork,January1999[7]Pergenson,D.P.;Pitesfcy,M.B.;Tobias,H.J.;Steele,RT.;Czerwienlec,G.A.;Russell,S.C;Lebrilk,C.B.;Honv,J.M.;Coffee,K.R.;Srivastava,A,;Pmai,S,P,;Shih,M.T.P.;HaI],H.L,;Ramponi/A.J.;ChangJ.T.;Langlois,RG.;Estacio,P.L.;Hadley,R.T.;Prank,M.;Gard,RE."ReagentlessIdentificationofIndividualBioaerosolartidesinMilliseconds."AnalyticalChemistry2004,76,373-378.本发明可用于例如样本辨识、气候强迫研究、烟流化学分析、气象学、化学与生物战争制剂检测以及在办公楼、入境口、交通运输系统及公共场合等处的空气与水的供应安全等方面。此外，本发明也可用于例如气溶胶的学术研究、自主式气溶胶病原体检测系统等。尽管已经描述和/或举例说明了具体的操作顺序、材料、温度、参数以及具体的实施例，但这些不是旨在进行限制。一些修改和变化对于本领域技术人员是显而易见的，且本发明旨在仅受附属的权利要求范围的限制。权利要求1.一种压力流量减缓装置，其用于与特征在于操作压力的气溶胶汇聚装置结合使用，所述压力流量减缓装置包括进样喷嘴，其用于从采样环境中吸取载有粒子的空气，所述采样环境的特征在于一采样压力，所述采样压力高于所述气溶胶汇聚装置的所述操作压力；截取锥，其具有孔口，所述孔口与所述进样喷嘴对齐并在所述进样喷嘴的下游与所述进样喷嘴隔开，以在所述截取锥与所述进样喷嘴之间形成间隙；抽吸端口，其与所述间隙流体连通以降低来自所述进样喷嘴的压力和流量；以及驰豫室，其在所述截取锥的孔口的下游并与所述截取锥的孔口流体连通，且所述驰豫室具有能够流体连通至所述气溶胶汇聚装置的出口，所述驰豫室用于使从所述截取锥的孔口进入的粒子在离开所述驰豫室并到达所述气溶胶汇聚装置之前速度降低。2.如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述采样环境的所述采样压力为1大气压。3.如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述采样压力是所述操作压力的至少2倍以通过所述进样喷嘴产生超音速射流，从而使得所述采样压力和流量仅由所述进样喷嘴的孔口尺寸限定，而不用考虑所述气溶胶汇聚装置的操作条件如何。4.如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述压力流量减緩室包括至少一个额外的抽吸端口，且所述抽吸端口分布在所述压力流量减緩室中以在所述压力流量减緩室中产生更为均匀的压力分布。5.如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述截取锥呈圆锥形。6.如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述截取锥的孔口的尺寸及所述截取锥的孔口距所述进样喷嘴的距离要选择成使得能够提供预定的压力并使粒子传输最大化。7.如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述驰豫室的尺寸要使得能够为进入的粒子提供适当的停止或者驰豫的距离。8.—种气溶胶汇聚系统，包括气溶胶汇聚装置，其特征在于一操作压力并具有出样喷嘴；以及压力流量减緩装置，其位于所述气溶胶汇聚装置的上游，并且包括:进样喷嘴，其用于从采样环境中吸取载有粒子的空气，所述采样环境的特征在于一采样压力，所述采样压力高于所述气溶胶汇聚装置的所述操作压力；截取锥，其具有孔口，所述孔口与所述进样喷嘴对齐并在所述进样喷嘴的下游与所述进样喷嘴隔开，以在所述截取锥与所述进样喷嘴之间形成间隙；抽吸端口，其与所述间隙流体连通以降低来自所述进样喷嘴的压力和流量；以及驰豫室，其在所述截取锥的孔口的下游并与所述截取锥的孔口流体连通，且所述驰豫室具有能够流体连通至所述气溶胶汇聚装置的出口，所述驰豫室用于使从所述截取锥的孔口进入的粒子在离开所述驰豫室并到达所述气溶胶汇聚装置之前降低速度。9.如权利要求8所述的气溶胶汇聚系统，其中，所述采样环境的所述釆样压力为1大气压。10.如权利要求8所述的气溶胶汇聚系统，其中，所述采样压力是所述操作压力的至少2倍以通过所述进样喷嘴产生超音速射流，从而使得所述釆样压力和流量仅由所述进样喷嘴的孔口尺寸限定，而不用考虑所述气溶胶汇聚装置的操作条件如何。11.如权利要求8所述的气溶胶汇聚系统，其中，所述压力流量减緩室包括至少一个额外的抽吸端口，且所述抽吸端口分布在所述压力流量减緩室中以在所述压力流量减緩室中产生更为均匀的压力分布。12.如权利要求8所述的气溶胶汇聚系统，其中，所述截取锥呈圆锥形。13.如权利要求8所述的气溶胶汇聚系统，其中，所述截取锥的孔口的尺寸及所述截取锥的孔口距所述进样喷嘴的距离要选择成使得能够提供预定的压力并使粒子传输最大化。14.如权利要求8所述的气溶胶汇聚系统，其中，所述驰豫室的尺寸要使得能够为进入的粒子提供适当的停止或者驰豫的距离。全文摘要一种压力流量减缓装置以及一种结合了这种压力流量减缓装置的气溶胶汇聚系统，其用于在高流量、大气压力下进行采样，并且经由空气动力学汇聚透镜堆将密集汇聚的粒子束送入真空。所述压力流量减缓装置具有进样喷嘴，其用于调节采样流量；压力流量减缓区，其具有用于降低压力和流量使得能与低压、低流量气溶胶汇聚装置进行良好对接的截取锥和抽吸端口；以及用于使气溶胶粒子减速或停止的驰豫室。按照该方式，所述压力流量减缓装置将压力与流量解耦，并使得能在大气压力和大于1升/分钟的流量下进行气溶胶采样。文档编号G01N1/22GK101228425SQ200680027053公开日2008年7月23日申请日期2006年6月19日优先权日2005年6月17日发明者埃里克·E·戈德,基思·R·科菲,布鲁斯·W·伍兹,托德·H·韦斯格雷贝尔,文森特·J·里奥,詹姆斯·M·伯奇,赫伯特·J·托比亚斯申请人:劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司