颗粒捕捉装置的制造方法
【专利说明】颗粒捕捉装置
[0001 ] 政府许可权利
本发明是在能源部授予的合同号DE-SC0001673下在政府支持下做出。政府在本发明中具有一定权利。
技术领域
[0002]本公开一般涉及悬浮微粒分析器和其他颗粒测量仪器，并且更具体来说涉及可用于悬浮微粒分析器和其他颗粒测量仪器中的颗粒捕捉装置。
【背景技术】
[0003]已知内燃发动机、矿物燃料发电厂、油漆/剥离设施、排气锅炉操作以及其他人为和生物源产生的细微大气悬浮微粒对气候和人类健康具有严重影响。这些悬浮微粒包括微米和亚微米尺寸的颗粒，所述颗粒具有各种尺寸分布和化学成分。这些颗粒可能通过散射或吸收太阳光而直接影响气候，并且通过改变云层覆盖而间接影响气候。另外，这些颗粒可能导致健康问题，诸如哮喘、肺癌、心血管疾病、呼吸疾病以及其他状况。考虑到它们对气候和人类健康的影响，包括微米和亚微米尺寸颗粒的细微大气悬浮微粒受到广泛的研究和监控。
[0004]已经开发出多种不同类型的悬浮微粒分析器和其他颗粒测量仪器来确定细微大气悬浮微粒的颗粒尺寸分布和化学成分。在一种类型的仪器中，产生聚焦的颗粒束，并且该颗粒束朝向通常平坦的收集表面引导。颗粒撞击收集表面，并且其中的一部分被留下。留下的颗粒被蒸发，并且所产生的悬浮微粒分子被提供给检测器从而产生结果。虽然这种仪器可以提供有价值的信息，但是典型的设计具有缺点。
[0005]典型设计的一个缺点在于它们具有低颗粒收集效率。撞击收集表面的颗粒的显著百分比可能仅被弹开(即，撞击并反弹)，并且丢失而非被蒸发和分析。低颗粒收集效率可能限制仪器的整体性能。虽然已经进行尝试提高颗粒收集效率，但是这些尝试具有混合的结果O
[0006]—些尝试集中于改变颗粒性质以减少颗粒弹起。在颗粒撞击收集表面之前对颗粒进行修改。其他尝试集中于修改撞击表面，诸如使用抹油板撞击器。然而，颗粒弹起是复杂的现象。多种因素可能起作用，包括尺寸、化学成分、相(例如，液态或固态)、撞击速度等。考虑到复杂性，修改颗粒或撞击表面性质来减少颗粒弹起具有挑战性。
[0007]其他尝试集中于应用校正以补偿低颗粒收集效率。可以将以经验确定的校准因素应用于结果以补偿颗粒弹起产生的质量损失或浓度损失。然而，确定适当的校正因素可能具有挑战性。另外，校正因素仅掩饰而不解决低颗粒收集效率的潜在问题。
[0008]因此，需要可以用来特别提高悬浮微粒分析器和其他颗粒测量仪器中的颗粒收集效率的改进的技术。
【发明内容】
[0009]在示例性实施例中，悬浮微粒分析器和其他颗粒测量仪器中的颗粒收集效率通过颗粒捕捉装置来提高，所述颗粒捕捉装置使用多次碰撞来减少颗粒的动量直到颗粒被收集(例如，蒸发或停止移动)。颗粒收集装置包括聚焦颗粒束通过其进入的孔。收集外壳联接到孔并且具有一个或多个内表面，聚焦的颗粒束碰撞到所述内表面上。一个或多个特征与内表面一起使用以促进颗粒在外壳内碰撞多次，并且由此被蒸发或停止移动，而非通过孔溢出。
[0010]为了促进多次碰撞，可以最大化收集外壳的内部碰撞面积与孔的入口面积的比率。收集外壳的内表面的表面积限定内部碰撞面积。孔的边界限定入口面积。比率应大于1:1，并且优选地应大于20:1。在一个实施方式中，比率为约37:1。可以通过将特别几何形状用于收集外壳的内表面来最大化该比率。也可以通过改变收集外壳的内表面的表面性质来最大化该比率。另外，可以使用两种方法的组合。
[0011]应理解，可以实施多种额外的特征和替代。此概要仅意欲作为对读者的简要介绍，而并不指示或暗示本文提及的实例覆盖本发明的所有方面，或者是本发明的必要或重要方面。
【附图说明】
[0012]以下描述参照示例性实施例的附图，其中:
图1是其中可以使用示例性特定捕捉装置的示例性悬浮微粒分析器的示意图；
图2是使用几何形状来促进多次碰撞的示例性颗粒捕捉装置的透视图；
图3是图2的示例性颗粒捕捉装置的第一截面；
图4是沿图3中的主轴线J-J获得的图2和图3的示例性颗粒捕捉装置的第二截面；
图5是展示图4中的区域K的细节的图2-4的示例性颗粒捕捉装置的放大横截面;以及图6是图2-5的示例性颗粒捕捉装置中的示例性单个颗粒轨迹的射线跟踪模型。
【具体实施方式】
[0013]参照图1，示例性悬浮微粒分析器100可以包括三个主要部分:悬浮微粒取样腔110、颗粒分尺寸腔120和颗粒成分检测腔130。悬浮微粒取样腔110吸入具有微米和/或亚微米颗粒的装载颗粒的气体(例如，大气空气)，并产生聚焦的颗粒束115。在一个实施方式中，悬浮微粒取样腔110包括在真空系统的拉动下的一系列孔透镜。透镜用来聚焦颗粒并控制超音速气体膨胀和颗粒加速，从而形成聚焦的颗粒束115。聚焦的颗粒束115被传递到颗粒分尺寸腔120。在颗粒分尺寸腔中，颗粒根据由于膨胀到真空中而产生的依赖于其尺寸的速度分布被分开。在一个配置中，颗粒分尺寸腔120包括将电荷施加到颗粒的颗粒充电单元(未示出)和其中电场使得颗粒偏转的偏转部分(未示出)。偏转的程度与颗粒尺寸(取决于尺寸的速度、取决于尺寸的电荷和施加的电压)有关。使得窄尺寸范围内的颗粒穿过离轴缝，并离开颗粒分尺寸腔并进入颗粒成分检测腔130。在另一个配置中，颗粒分尺寸腔120包括束斩断器(未示出)，该束斩断器交替地阻挡和通过聚焦的颗粒束115从而产生连续的束脉冲。颗粒经历速度分散，其中速度与颗粒尺寸反比地相关。因此，在每个束脉冲行进时，其在行进的方向上传播，其中较小的颗粒比较大的颗粒先到达。由此，分类的尺寸的颗粒被传递到颗粒成分检测腔130。
[0014]颗粒检测腔130包括颗粒捕捉装置140和检测器150。聚焦的颗粒束通过孔160进入颗粒捕捉装置140。聚焦的颗粒束115随后被接收到联接至孔160的收集外壳170中。颗粒捕捉装置140的温度改变元件180被布置成取决于实施方式来加热和/或冷却收集外壳170。温度改变元件180可以包括电阻加热元件、热电冷却元件(例如，珀尔帖冷却器)、将热或冷液体循环通过闭环循环系统的加热或冷却系统、辐射加热源(诸如CO2激光)或者能够改变外壳170的温度的另一种类型的元件。
[0015]颗粒基本上被保留在颗粒捕捉装置140的收集外壳170中，直到它们被蒸发(例如，由于来自温度改变元件180的热量)或者停止移动(例如，用于受控的加热循环中的随后蒸发)。通常，颗粒捕捉装置140可以取决于实施方式而操作为颗粒捕捉蒸发器或颗粒捕捉收集器。在颗粒捕捉装置140操作为颗粒捕捉蒸发器的实施方式中，温度改变元件180可以持续地加热收集外壳170以便基本上立即(S卩，尽快)蒸发收集的颗粒。在颗粒捕捉装置140操作为颗粒捕捉收集器的实施方式中，温度改变元件180可以执行受控的加热循环，其中热周期穿插有相对的冷周期。进入的颗粒可以遭遇最初的冷收集外壳170，从而使得收集的颗粒不会立即被蒸发。收集的颗粒稍后可以经历加热和蒸发。可以精确地控制加热循环以允许研究颗粒挥发性从而提供关于颗粒成分的进一步信息。
[0016]蒸发的颗粒190被传递到检测器150，该检测器可以是质谱仪。在一个实施方式中，蒸发的颗粒通过与聚焦的颗粒束最初进入的孔相同的孔160传递到检测器。也就是说，蒸发的颗粒190沿着与它们作为聚焦的颗粒束115进入的轴线相同的轴线离开颗粒捕捉装置140。孔160位于检测器150的检测区域内。在检测器150包括质谱仪的实施方式中，孔在质谱仪的离子形成腔内。
[0017]如以上所论述，先前的收集表面已经遭受低颗粒收集效率。颗粒的显著百分比仅从收集表面弹开而丢失，从而使得它们不被蒸发或者被收集以供稍后蒸发。并非尝试消除颗粒弹起，颗粒捕捉装置140假设颗粒将弹起，并且使用多次碰撞来减少颗粒的动量直到它们被收集(例如，蒸发或停止移动)。颗粒捕捉装置140的收集外壳170包括一个或多个内表面，颗粒多次碰撞在所述内表面上。内表面的表面积限定内部碰撞面积。颗粒捕捉装置140的孔160的边界限定入口面积。为了使得颗粒被收集而非丢失，在实际约束内最大化内部碰撞面积与入口面积的比率(本文称为“捕捉效率比率”)。捕捉效率比率应大于1:1，并且优选地应大于20:1。在一个实施方式中，捕捉效率比率为约37:1。
[0018]可以通过减少入口面积来稍微增加捕捉效率比率。孔160的最小尺寸可以由允许聚焦的颗粒束完全进入的聚焦的颗粒束的宽度限定。可以通过最大化内部碰撞面积来更显著地增加捕捉效率比率。内部碰撞面积可以通过收集外壳170的内表面的几何形状和/或通过收集外壳170的内表面的表面性质来最大化。在镜面反射占优势的情况下可以使用几何形状。在基本上平滑的内表面的情况下，颗粒可以通过镜面反射以相对可预测的方式弹起。内表面的几何形状可以增加镜面反射，从而使得颗粒与内表面重复地碰撞直到它们被蒸发或停止移动。
[0019]参照图2-5，展示促进多次碰撞的示例性几何形状。在此实例中，颗粒捕捉装置140具有大体上圆柱形的配置，并且在很大程度上关于其主轴线J-J对称。颗粒捕捉装置140的前部210包括孔160和收集外壳170。前部210可以由材料(例如难熔金属，诸如钼或钨)的固体件构成。颗粒捕捉装置140的加热器主体部分220用作温度改变元件，在此状况下，当将电流施加到电线240时提供电阻加热。加热器主体部分220可以由材料(例如难熔金属，诸如钼或钨)的固体件构成。颗粒捕捉装置140的热支承部分230是连接到加热器主体220和包围电线240的一部分的薄壁管。通过应用连续或循环的加热，颗粒捕捉装置140可以用作颗粒捕捉蒸发器或颗粒捕捉收集器，如以上所论述。加热