电晕放电离子源组件及其离子注入方法与流程

本发明涉及化学分析仪器领域，具体而言，特别涉及一种电晕放电离子源组件及其离子注入方法。

背景技术：

高场非对称波形离子迁移率谱(High Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry,FAIMS)是一种工作在大气压环境下，利用气相离子在高电场中的非线性运动来进行痕量(极小的量)物质探测的技术。其广泛的应用于爆炸物、毒品、生化物的检测以及离子预分离领域。

电晕放电是一种相对稳定的放电形式。当在电极两端加上较高但未达击穿的电压时，如果电极表面的电场(局部电场)很强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象。当电极的曲率半径较小时，其附近的场强特别高，超过了气体的电离场强和碰撞游离阈值，就会使气体发生电离和激励，电极附近的气体介质只是发生部分电离，从而形成正负离子及电子。由于FAIMS尺寸小，离子源与FAIMS的结合需要减小体积，而缩减体积会导致放电空间减小，电荷聚集，易出现放电不稳定、放电电流增大以及离子注入效率低等问题，导致检测结果重复性差；此外现有电晕放电离子源体积较大,无法与小型化和微型化的FAIMS进行集成等问题。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的问题之一。

有鉴于此，本发明一方面提供了一种电晕放电离子源组件，增加了有效离子，提高了离子注入率，使放电更加稳定。进一步的，本发明提供了一种应用电晕放电离子源组件的离子注入方法，增加了有效离子，提高了离子注入率，使放电更加稳定。

根据本发明提供的电晕放电离子源组件，包括：绝缘套筒，所述绝缘套筒内构造有离子发生腔，所述绝缘套筒的底端形成有与所述离子发生腔连通的开口，所述绝缘套筒上设有与所述离子发生腔连通的空气供给通道；离子反应仓，所述离子反应仓由绝缘件构造成，并在所述离子反应仓内构造出离子反应腔，所述开口与所述离子反应腔连通；电晕放电网，所述电晕放电网设在所述开口处；电晕放电针组件，所述电晕放电针组件由所述绝缘套筒的上端可调节地伸入到所述离子发生腔内，所述电晕放电针组件与所述电晕放电网间隔开；离子注入电极，所述离子注入电极设在所述离子反应仓上并与所述电晕放电网间隔开；电晕放电高压电源，所述电晕放电高压电源与所述电晕放电网和所述电晕放电针组件连接；和控制器，所述控制器与所述电晕放电高压电源及所述离子注入电极连接。

根据本发明的实施例的电晕放电离子源组件，该电晕放电离子源组件体积小，气密性好，通过控制器优化工作参数，大大增加了有效离子，使放电更加稳定，提高了离子注入率。

根据本发明的一个实施例，进一步包括空气注入泵，所述空气注入泵与所述空气供给通道连通，所述空气注入泵与所述控制器连接。

根据本发明的一个实施例，进一步包括过滤器，所述过滤器设在所述空气供给通道内，所述过滤器包括依次排布的活性炭层、硅橡胶颗粒层和分子筛层。

根据本发明的一个实施例，进一步包括耦合底座，所述耦合底座套接在所述绝缘套筒上，所述耦合底座与所述离子反应仓相连接。

根据本发明的一个实施例，所述电晕放电针组件包括与所述绝缘套筒螺纹连接的调整螺柱和与所述调整螺柱的下端固定连接的电晕放电针。

根据本发明的一个实施例，所述控制器包括：微处理模块以及与所述微处理模块分别连接的控制功能模块、终端用户交互模块以及波形发生模块，所述波形发生模块至少可包括矩形波模块、三角波模块和正弦波模块中的一种。

根据本发明的一个实施例，所述微处理模块包括微处理器、与所述微处理器连接的控制模块、与所述微处理器连接的WIFI模块和与所述微处理器连接的脉冲升压模块；所述终端用户交互模块与所述微处理器连接且包括：按键模块和显示模块；所述控制功能模块与所述控制模块连接且包括：电晕放电高压电源控制模块和气流注入控制模块；所述波形发生模块与所述脉冲升压模块连接。

根据本发明的实施例的一种应用电晕放电离子源组件的离子注入方法，包括以下步骤：

S1：初始化电晕放电离子源组件，设定电晕放电电压、电流、注入气流流量工作参数；

S2：根据设定的电晕放电工作参数判断是否建立稳定的电晕放电，如果建立起稳定的电晕放电，实时检测电晕放电的工作参数；

S3：检测的电晕放电工作参数通过模糊矩阵和BP神经网络进行电晕放电稳定性评估；

S4：根据评估结果判断是否需要优化电晕放电工作参数，如果不需要优化，输出当前工作状态；

S5：根据当前工作状态判断检测是否结束。

根据本发明的实施例的应用电晕放电离子源组件的离子注入方法，该电晕放电离子源组件体积小，气密性好，通过控制器优化工作参数，大大增加了有效离子，使放电更加稳定，提高离子注入率。

根据本发明的实施例的应用电晕放电离子源组件的离子注入方法，所述电晕放电工作参数Xn用隶属函数μ(Xn)来表示，所述隶属函数μ(Xn)选用梯形进行表示，

U＝{μ_H(Xn)，μ_N(Xn)，μ_L(Xn)}

其中，μ_H(Xn)为高状态模糊子集，μ_N(Xn)为正常状态模糊子集，μ_L(Xn)为低状态模糊子集，分别表示各参数下电晕放电离子源的工作状态。

根据本发明的实施例的应用电晕放电离子源组件的离子注入方法，所述隶属函数μ(Xn)作为所述BP神经网络的输入层的各神经元的输入数据，且中间层的各神经元为单隐层或多隐层结构，所述中间层的最后一个隐层传递到输出层各神经元的信息以进行一次学习的正向传播处理过程，且所述输出层输出信息处理结果为Ym。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的电晕放电离子源组件的结构示意图。

图2是根据本发明的实施例的电晕放电离子源组件的控制器的结构示意图。

图3是根据本发明的实施例的应用电晕放电离子源组件的离子注入方法的示意图。

图4是根据本发明的实施例的应用电晕放电离子源组件的离子注入方法的基于模糊神经网络数据融合的电晕放电工作参数优化方法。

附图标记：1-绝缘套筒，2-离子发生腔，3-开口，4-空气供给通道，5-离子反应仓，6-离子反应腔，7-电晕放电网，8-电晕放电针组件，9-离子注入电极，10-电晕放电高压电源，11-控制器，12-空气注入泵，13-过滤器，81-调整螺柱，82-电晕放电针，14-耦合底座。111-微处理模块，112-控制功能模块，113-终端用户交互模块，114-波形发生模块，1141-矩形波模块，1142-三角波模块，1143-正弦波模块，1111-微处理器，1112-控制模块，1113-WIFI模块，1114-脉冲升压模块，1131-按键模块，1132-显示模块，1121-电晕放电高压电源控制模块，1122-气流注入控制模块。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1是根据本发明实施例的电晕放电离子源组件的结构示意图，如图1所示，电晕放电离子源组件包括：绝缘套筒1、离子反应仓5、电晕放电网7、电晕放电针组件8、离子注入电极9、电晕放电高压电源10和控制器11。

具体而言，绝缘套筒用于绝缘，绝缘套筒1内构造有离子发生腔2，绝缘套筒1的底端形成有与离子发生腔2连通的开口3，开口3的形状可以为圆形、矩形等，可以理解的是，开口3的形状不限于圆形、矩形等。

绝缘套筒1上设有与离子发生腔2连通的空气供给通道4；离子反应仓5由绝缘件构造成，绝缘件的形状可以为圆柱形、矩形等，可以理解的是，绝缘件的形状不限于圆柱形、矩形。并在离子反应仓5内构造出离子反应腔6，开口3与离子反应腔6连通；电晕放电网7设在开口3处；离子反应仓5通过电晕放电网7与离子反应腔6连通。

电晕放电针组件8由绝缘套筒1的上端可调节地伸入到离子发生腔2内，在其中一个实施例中，电晕放电针组件8包括与绝缘套筒1螺纹连接的调整螺柱81和与调整螺柱81的下端固定连接的电晕放电针82，调整螺柱81通过螺纹与绝缘套筒1连接在一起。电晕放电针组件8与电晕放电网7间隔开；电晕放电高压电源10与电晕放电网7和电晕放电针组件8连接；也就是说，电晕放电高压电源10的正负极分别与电晕放电针组件8和电晕放电网7相连接，形成针-网式电晕放电结构。

离子注入电极9设在离子反应仓5上并与电晕放电网7间隔开；在离子注入电极7和电晕放电网7之间形成电场梯度，以利于离子注入。控制器11与电晕放电高压电源10及离子注入电极9连接，通过控制器11控制电晕放电高压电源10的输出电压与电流，从而控制系统电晕放电过程。

根据本发明的实施例的电晕放电离子源组件，该电晕放电离子源组件体积小，气密性好，通过控制器优化工作参数，大大增加了有效离子，使放电更加稳定，提高离子注入率。

如图1所示，根据本发明的实施例的电晕放电离子源组件进一步包括空气注入泵12，空气注入泵12与空气供给通道4连通，空气注入泵12与控制器11连接。通过控制器11控制空气注入泵12注入空气。

如图1所示，根据本发明的实施例的电晕放电离子源组件进一步包括过滤器13，过滤器13设在空气供给通道4内，过滤器13包括依次排布的活性炭层、硅橡胶颗粒层和分子筛层。空气通过过滤器13过滤后成为洁净的空气，进入离子发生腔2，其气流有助于反应离子注入到离子反应腔6，提高离子注入效果。

如图1所示，根据本发明的实施例的电晕放电离子源组件进一步包括耦合底座14，耦合底座14套接在绝缘套筒1上，耦合底座14与离子反应仓5相连接。

如图2所示，根据本发明的实施例，控制器11用于优化电晕放电离子源工作参数的优化与调整。控制器11包括：微处理模块111以及与微处理模块111分别连接的控制功能模块112、终端用户交互模块113以及波形发生模块114，波形发生模块114至少可包括矩形波模块1141、三角波模块1142和正弦波模块1143中的一种。

如图2所示，根据本发明的实施例，微处理模块111包括微处理器1111、与微处理器1111连接的控制模块1112、与微处理器1111连接的WIFI模块1113和与微处理器1111连接的脉冲升压模块1114；也就是说，WIFI模块进行无线传输，脉冲升压模块1114能够通过DC-DC模块将系统电压提高到400V以上，有利于产生离子源。

终端用户交互模块113与微处理器1111连接且包括：按键模块1131和显示模块1132；微处理器1111根据按键模块1131与显示模块1132进行调节输出波形。

控制功能模块112与控制模块1112连接且包括：电晕放电高压电源控制模块1121和气流注入控制模块1122；波形发生模块114与脉冲升压模块1114连接。也就是说，电晕放电高压电源控制模块1121用于控制放电的电压与电流，气流注入控制模块用于控制气泵的启停与流量从而控制。

通过调整以下三种方法均能够有效改善电晕放电效果：

1、电晕放电高压电源10的电压和电流

通过控制控制电晕放电高压电源10的电压与电流改善离子注入。各放电距离下随着电压的增大放电电流近似呈指数关系增长，并且放电距离越近其变化速率越快，其变化幅度越剧烈，放电稳定性降低，因此需要优化工作参数，使其工作既稳定，离子产量又高。

2、控制空气注入泵12的气流注入流量

在放电区域通入气流可以加快离子运动，建立新的浓度平衡，进而提高离子注入效率。气流增大后，离子注入效率最高可提升约10倍，但此时系统分辨率下降，需要优化注入气流的大小平衡分辨率与离子注入效率。

3、离子反应腔6的电场

在离子注入电极9施加周期性电压，在每个周期内离化区存在有电场和无电场两个时间段，有电场时增加离子注入，无电场时将附着离子释放，将提高离子源的注入效果。但周期电场的幅度与频率影响离子注入的平稳性，因此需要优化电场参数。

上述三种方法均能有效改善电晕放电效果，使得有效离子数量增加，但均存在局限性，并且电晕放电是一个动态的过程，需要实时检测与优化工作参数，因此利用模糊控制方法与神经网络共同优化控制参数，从而使得电晕放电离子源处于较优的状态。

通过对电晕放电离子源的工作参数，如放电电压、放电电流、离子反应区气流、离子注入电极的电压、波形、频率等，进行实时检测，建立模糊矩阵，通过人工神经网络进行最优方式组合工作参数的选择与设定。

图3是根据本发明的实施例的应用电晕放电离子源组件的离子注入方法，如图3所示，应用电晕放电离子源组件的离子注入方法，包括以下步骤：

S1：初始化电晕放电离子源组件，设定电晕放电电压、电流、注入气流流量工作参数；

S2：根据设定的电晕放电工作参数判断是否建立稳定的电晕放电，如果建立起稳定的电晕放电，实时检测电晕放电的工作参数；

S3：检测的电晕放电工作参数通过模糊矩阵和BP神经网络进行电晕放电稳定性评估；

S4：根据评估结果判断是否需要优化电晕放电工作参数，如果不需要优化，输出当前工作状态；

S5：根据当前工作状态判断检测是否结束。

具体而言，首先系统上电之后先进行硬件的初始化的初始化工作，一切就绪之后设定根据系统默认参数设定离子源工作参数，然后进行电晕放电状态监测，观测是否建立起稳定的电晕放电，如果未建立起稳定的电晕放电，重新进行系统初始化；

如果建立起了稳定的电晕放电后，开始对特征工作参数进行实时测量，然后建立工作参数与电晕放电稳定性数据矩阵，进而将采集到的全部数据与前述计算结果输入到模糊神经网络进行电晕放电稳定评估，根据评估结果判断是否需要进行工作参数优化，如果不能进行优化，重新进行系统初始化；如果能够进行优化，输出当前工作状态，指示良好，进而根据当前工作状态判断检测时候结束，如果未结束，重新设定根据系统默认参数设定离子源工作参数；如果已结束，即结束。

如图4所示，根据本发明的实施例的应用电晕放电离子源组件的离子注入方法，电晕放电工作参数Xn用隶属函数μ(Xn)来表示，隶属函数μ(Xn)选用梯形进行表示，

U＝{μ_H(Xn)，μ_N(Xn)，μ_L(Xn)}

其中，μ_H(Xn)为高状态模糊子集，μ_N(Xn)为正常状态模糊子集，μ_L(Xn)为低状态模糊子集，分别表示各参数下电晕放电离子源的工作状态。

如图4所示，根据本发明的实施例的应用电晕放电离子源组件的离子注入方法，隶属函数μ(Xn)作为BP神经网络的输入层的各神经元的输入数据，且中间层的各神经元为单隐层或多隐层结构，中间层的最后一个隐层传递到输出层各神经元的信息以进行一次学习的正向传播处理过程，且输出层输出信息处理结果为Ym。

通过人工神经网络进行最优注入方式组合的选择具体包括：

将离子注入方法中的相关工作参数Xn作为人工神经网络的模糊化的输入向量；其中离化状态参数Xn至少包括：放电电压、放电电流、离子反应区气流、离子注入电极的电压、波形、频率；将离化状态参数Xn利用隶属函数μ(Xn)来表示，且隶属函数μ(Xn)选用梯形进行表示，分为高、正常、低三个模糊子集，表示此参数下电晕放电离子源的工作状态；状态“高”表示此事离子源离子产量高，但工作稳定性差；状态“低”表示此事离子源离子产量低，但工作稳定性好；状态“正常”表示此事离子源离子产量与工作稳定性均较好；

将每个工作状态参数Xn转化为3个模糊子集的隶属度；

其中人工神经网络为BP神经网络，且BP神经网络的输入层的各神经元的输入数据为模糊化的隶属函数μ(Xn)，且中间层的各神经元的为单隐层或者多隐层结构，其中间层的最后一个隐层传递到输出层各神经元的信息以进行一次学习的正向传播处理过程，且输出层输出信息处理结果Ym。用输出信息处理结果Ym优化与调整离子源各工作参数。

具体而言，不以单一放电电流的绝对值或者放电电压做参考进行检测，这主要是其放电过程受影响因素较多，如放电针的腐蚀情况、待测样品水汽含量等，较难用单个工作参数值对其状态进行监测。因此使用多个参数进行综合评估后进行工作参数调整。电晕放电是一个动态受多因数影响，并且其状态边界不清晰，因此引入模糊隶属度来描述电晕放电的工作状态。对于电晕放电工作参数Xn(如放电电压、放电电流、离子反应区气流、离子注入电极的电压、波形、频率等)为其模糊化的输入向量，其隶属函数μ(Xn)选用梯形进行表示，用三类值过高、正常、过低进行描述离子源状态参数。

模糊化的数据作为输入层，输入到神经网络进行模糊推理，从而达到信息融合，输出优化结果Yn。模糊神经网络实测的参数Xn从左输入，进入到模糊化层，每个输入参数转化为3个模糊子集的隶属度，模糊化输入层的输出基点数为输入数目的3倍。将模糊化的隶属度结果作为输入层，输入到神经网络进行模糊推理，从而达到信息融合的电晕放电工作参数优化。其所使用的神经网络算法为BP(Back Propagation)神经网络，即误差反传误差反向传播算法的学习过程由信息的正向传播和误差的反向传播两个过程组成。输入层各神经元负责接收来自前一级模糊隶属度函数的输出信息，并传递给中间层各神经元；中间层是内部信息处理层，负责信息变换，根据信息变化能力的需求，中间层可以设计为单隐层或者多隐层结构；最后一个隐层传递到输出层各神经元的信息，经进一步处理后，完成一次学习的正向传播处理过程，由输出层向外界输出信息处理结果Ym。根据处理结果Ym输出优化信息，采取不同的干预措施与手段。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。