本发明涉及大气颗粒物荷电技术领域，具体涉及一种纳米级颗粒物高效荷电装置及方法。
背景技术：
对于基于颗粒物电迁移特性的粒谱分析仪器，获得颗粒物的已知电荷分布是进行粒径分级的前提。但由于大气中颗粒物的多样性和复杂性，模型分析结果与颗粒物实际荷电状况往往差别很大，因此，需要借助于颗粒物荷电器对颗粒物进行重新荷电。通常情况下，颗粒物的荷电效率随颗粒物粒径的减小而不断降低，尤其对于纳米级超细颗粒物，实现有效荷电更加困难。现有的大气细颗粒物高效荷电装置，是通过引入迁移电极，将自由电荷输送至颗粒物荷电区，该装置虽然大大降低荷电腔体内部的高压静电吸附损失，提高了大气细颗粒物的荷电效率；但由于放电针直接暴露在空气中，这样很容易导致放电针上有粒子沉积，影响放电针的电离效率，需要定期清理或者更换才能继续使用。除此之外，现有荷电装置中的离子流和样气流的方向一样，很多颗粒物直接随着气流直接从出口流出，没有和离子接触完成颗粒物的荷电过程。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种纳米级颗粒物高效荷电装置及方法，该装置及方法能够解决现有技术中存在的不足，实现纳米级颗粒物的高效荷电。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种纳米级颗粒物高效荷电装置，包括同轴设置的高压电极、放电针、外套筒和外壳；
所述外壳包括内部设有空腔的外壳本体、设置在外壳本体顶部且与空腔相连通的样气进口、设置在外壳本体顶部的接地电极、设置在外壳本体中下段且与空腔相连通的荷电颗粒物出口以及开设在外壳本体底部的第一开口；
所述外套筒的中上段通过第一开口伸入到空腔内；所述外套筒包括内部设有放电腔室的外套筒本体、开设在外套筒本体顶部的离子喷射口、设置在外套筒本体下端且与放电腔室相连通的洁净空气进口、设置在外套筒本体下端外壁上的牵引电极以及开设在外套筒本体底部的第二开口；
所述高压电极的中上段和安装在高压电极顶部的放电针均位于放电腔室内，高压电极的下端与高压电源相连。
进一步的，所述放电腔室的上端为圆台状，下端为圆柱状。
进一步的，所述外套筒与第一开口之间设有绝缘环；所述绝缘环采用聚四氟乙烯材质。
进一步的，所述高压电极的下端通过绝缘套筒安装在第二开口处；所述绝缘套筒采用聚四氟乙烯材质。
进一步的，所述外壳本体、外套筒本体、样气进口和洁净空气进口均采用不锈钢材质。
进一步的，所述绝缘套筒与外套筒之间设有密封圈。
进一步的，所述放电针采用钨材质。
进一步的，所述高压电极、牵引电极和接地电极均采用铜材质。
本发明还涉及一种上述纳米级颗粒物高效荷电装置的荷电方法，该方法包括以下步骤：
（1）洁净空气流由洁净空气进口进入到放电腔室中；
（2）通过高压电源将高压电极的端部接入高压，放电针的尖端产生尖端放电，从而使进入到放电腔室中的洁净空气流发生电离，产生大量的离子；
（3）将牵引电极的端部接入牵引电压，在外壳的空腔中形成牵引电场；
（4）在未被电离的洁净空气流的推动下，放电腔室中的离子通过离子喷射口进入到外壳的空腔中，并且在牵引电场的作用下，离子加速向上运动；
（5）样气由样气进口进入到外壳的空腔中；
（6）在外壳的空腔中，离子和样气发生碰撞，离子附着在样气中的颗粒物上，使颗粒物带电，从而得到带电颗粒物；
（7）在样气气流的作用下，带电颗粒物由荷电颗粒物出口流出。
和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明将洁净的空气通入到放电腔室中，且通过对样气流量及洁净空气流流量进行设置，使样气不会进入到放电腔室中，从而使放电针不会被污染，保证了放电的稳定性，使本发明所述的荷电装置可以长期工作。本发明通过将放电腔室和样气与离子结合的腔室隔开，保证放电针不会被污染，确保放电的稳定性，从而保证离子浓度的稳定性。
（2）本发明通过使样气从整个装置的顶部通入，使洁净空气流在样气通入口下方的放电腔室中发生电离，从而使洁净空气流电离后产生的正负离子和样气中颗粒物发生相对运动，从而发生碰撞。而且本发明通过引入牵引电场，加速正负离子的运动，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是本发明中纳米级颗粒物高效荷电装置的结构示意图。
其中：
1、高压电极，2、绝缘套筒，3、外套筒，4、牵引电极，5、放电针，6、荷电颗粒物出口，7、外壳，8、接地电极，9、绝缘环，10、样气进口，11、洁净空气进口，12、密封圈。
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所示的一种纳米级颗粒物高效荷电装置，包括同轴设置的高压电极1、放电针5、外套筒3和外壳7。
所述外壳7包括内部设有空腔的外壳本体、设置在外壳本体顶部且与空腔相连通的样气进口10、设置在外壳本体顶部的接地电极8、设置在外壳本体中下段且与空腔相连通的荷电颗粒物出口6以及开设在外壳本体底部的第一开口。
所述外套筒3的中上段通过第一开口伸入到空腔内。所述外套筒3包括内部设有放电腔室的外套筒本体、开设在外套筒本体顶部的离子喷射口、设置在外套筒本体下端且与放电腔室相连通的洁净空气进口11、设置在外套筒本体下端外壁上的牵引电极4以及开设在外套筒本体底部的第二开口。牵引电极的引入可以加速离子的运动，从而增加离子和颗粒物碰撞的机会，使颗粒物更容易带上电。
所述高压电极1的中上段和螺纹连接在高压电极1顶部的放电针5均位于放电腔室内，高压电极1的下端与高压电源相连。
进一步的，所述放电腔室的上端为圆台状或圆锥状，下端为圆柱状。通过将放电腔室的上端设计为圆台状或圆锥状，能够使气流出口处的直径由大逐渐变小，加速离子运动的速度。
进一步的，所述外套筒3与第一开口之间设有绝缘环9；所述绝缘环9采用聚四氟乙烯材质。
进一步的，所述高压电极1的下端通过绝缘套筒2安装在第二开口处；所述绝缘套筒2采用聚四氟乙烯材质。绝缘套筒将高压电极和外套筒隔开，保证外套筒绝缘，操作安全。
进一步的，所述外壳本体、外套筒本体、样气进口10和洁净空气进口11均采用不锈钢材质。
进一步的，所述绝缘套筒2与外套筒3之间设有密封圈12。
进一步的，所述放电针5采用钨材质。
进一步的，所述高压电极1、牵引电极4和接地电极8均采用铜材质。
本发明还涉及一种上述纳米级颗粒物高效荷电装置的荷电方法，该方法包括以下步骤：
（1）洁净空气流以每分钟0.5升的流量由洁净空气进口进入到放电腔室中；
（2）通过高压电源将高压电极的端部接入5千伏正或负高压，放电针的尖端产生尖端放电，从而使进入到放电腔室中的洁净空气流发生电离，产生大量的正或负离子；
（3）将牵引电极的端部接入20伏牵引电压，在外壳上端的空腔中形成牵引电场；
（4）在未被电离的洁净空气流的推动下，放电腔室中的正或负离子通过离子喷射口进入到外壳上端的空腔中，并且在牵引电场的作用下，正或负离子加速向上运动；
（5）样气以每分钟1.5升的流量由样气进口进入到外壳的空腔中；
（6）在外壳的空腔中，正或负离子和样气以相反的方向发生碰撞，正或负离子附着在样气中的颗粒物上，使颗粒物带上正电或负电，从而得到带电颗粒物。通过对洁净空气流的流量进行设置，能够确保样气不会进入到绝缘套筒上端的圆台状放电腔室中，确保放电针不会被污染。
（7）在样气气流的作用下，带电颗粒物由荷电颗粒物出口流出。
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。