一种基于介质阻挡等离子放电反应探测中间产物的原位光电离质谱装置

本发明涉及等离子体放电化学反应实验仪器领域，具体涉及一种基于介质阻挡等离子放电反应探测中间产物的原位光电离质谱装置。

背景技术：

1、等离子体技术是集合高能电子辐射、湿式氧化、化学氧化、光催氧化和电化学氧化等各种方法于一体的高级氧化技术，介质阻挡等离子体放电技术(dielectric barrierdischarge，dbd技术)是一种非热等离子体技术，利用介质表面的等离子体发生放电，使得气体分子电离，从而产生等离子体，是一种置于放电反应空间中，产生在电极之间的气体放电，其中电极材料为有电解质覆盖表面的绝缘介质。与电晕法和火花法放电技术相比，介质阻挡放电等离子体的氧化能力最高，能够充分、彻底电离水溶液中的有机物和h2o分子，产生大量的高能活性如h2o2等，介质阻挡放电兼容了电晕放电、辉光放电等技术的特点，工作条件可以在较高气压和较广频率范围内，介质阻挡放电具有适用高压和常压、放电均匀、电子密度高、放电空间大等优势。

2、在等离子体放电化学反应过程中，存在大量的稳定、不稳定产物或瞬态自由基，原位、在线获得这些产物的组成与动态演化规律，对于研究等离子体放电化学反应过程的详细反应动力学机理具备重要的意义。介质阻挡等离子体放电化学反应是在射频高电压条件下进行，需要完备的介质阻挡放电装置以及产物探测装置，对等离子体放电过程中活性物种的种类和数量、等离子体放电状态和产物组成等进行原位表征。在常规介质阻挡放电反应装置中，产物滞留时间长易发生二次反应，中间产物易复合，尤其是活性高的自由基，产物的结构信息容易丢失。传统的检测仪器，例如质谱、色谱质谱联用装置采用电子轰击电离方式，无法捕获介质阻挡等离子体放电完整的反应产物组成、结构与浓度信息，尤其是自由基等活性产物更是无法探测。此外，传统介质阻挡放电装置中易受到电弧放电的干扰，等离子放电效果大大折扣，稳定性差。

技术实现思路

1、为了解决对于介质阻挡等离子体放电化学反应在研究有机污染物降解过程中放电频率、电压、气压等因素对于等离子体放电反应的影响机制，获取中间产物的组成、结构与浓度等分子信息，研究介质阻挡等离子体放电化学反应过程，解析等离子体放电机理，本发明提供了一种基于介质阻挡等离子放电反应探测中间产物的原位光电离质谱装置。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括介质阻挡等离子体放电装置、分子束取样装置、差分电离室、质谱及真空紫外光；

3、所述的介质阻挡等离子体放电装置包括反应腔、连接在反应腔前端面的转接法兰、连接在转接法兰前端面的基座法兰，所述基座法兰的前端面及后端面上分别固定有外密封基座及内密封基座，所述的反应腔、转接法兰、基座法兰、外密封基座及内密封基座的中心轴线相吻合；还包括射频高压金属棒及同轴套设在射频高压金属棒上的异型石英管，所述射频高压金属棒的后端悬伸在反应腔内且位于反应腔的中轴线上，所述射频高压金属棒的前端依次穿过内密封基座、基座法兰、外密封基座并通过外密封卡套固定在外密封基座上，所述射频高压金属棒的前端伸出外密封基座的外侧且该端与外部电源的高压端连接；所述的异型石英管为半双层结构，包括内管及与内管部分重叠的外管，所述内管的前端通过内密封卡套固定在内密封基座上，所述内管的后端位于反应腔内且与外管的后端连成一体，所述的内管及外管之间设有螺纹接地铜丝，所述的螺纹接地铜丝与外部电源的接地端连接；所述的外密封基座上设有进样管，所述的进样管通过进样管密封卡套与外密封基座固定，所述的进样管与异型石英管的内部连通；

4、所述的分子束取样装置包括前后方向同轴设置的石英喷嘴和漏勺，所述漏勺的前端与石英喷嘴的尖端之间的距离可调，用于固定漏勺的漏勺基座内部设有沿水平方向对称布置的左偏转电极及右偏转电极，所述石英喷嘴的尖端指向异型石英管的末端中心处，且石英喷嘴的尖端与异型石英管的末端之间留有间隙，所述的左偏转电极及右偏转电极分别通过导电线与外部直流稳压电源连接。

5、所述的分子束取样装置设置在差分电离室内部，且分子束取样装置的中心轴线与质谱腔体外壁上设置的离子导入孔同轴，所述差分电离室的前端与反应腔的后端连接，所述差分电离室的后端与质谱连接，所述的质谱为飞行时间质谱、四极杆质谱或者离子阱质谱。

6、所述的分子束取样装置还包括同轴设置且均为圆筒状的取样装置基座、石英喷嘴基座及漏勺基座，所述的石英喷嘴通过石英喷嘴压环同轴固定在石英喷嘴基座上，所述的漏勺通过漏勺固定螺母螺纹紧固于漏勺基座上，所述的取样装置基座固定在漏勺基座上，所述的漏勺基座固定在石英喷嘴基座上，所述的石英喷嘴基座与差分电离室的内壁固定。

7、所述的漏勺基座为带安装盘的筒状结构，其一端设有螺纹用于安装漏勺固定螺母，所述漏勺基座的圆筒内部安装有圆筒型的偏转电极绝缘环，所述的左偏转电极及右偏转电极沿漏勺基座的轴向对称设置在偏转电极绝缘环内，所述的左偏转电极及右偏转电极用于构筑垂直于离子飞行方向的水平偏转电场。

8、所述射频高压金属棒的长度为20cm，所述异型石英管的长度为14cm，所述异型石英管的内径为4mm，所述内管与外管重叠部分的长度大于5cm，所述螺纹接地铜丝的长度为7cm。

9、所述漏勺的前端与石英喷嘴的尖端之间的距离为20～50mm，所述异型石英管的末端与石英喷嘴的尖端之间的距离为1～2mm。

10、所述的反应腔为圆形空心不锈钢腔体，反应腔的上方焊接有接线柱法兰口，反应腔的左右两侧分别焊接有连接真空泵的抽真空法兰口以及连接真空规的测量法兰口，所述的螺纹接地铜丝与导电线相连，所述的导电线通过接线柱法兰口与外部电源的接地端相连，所述的介质阻挡等离子体放电装置内的真空度为30～760torr。

11、所述的真空紫外光位于分子束取样装置的末端与离子导入孔之间，且真空紫外光的照射方向垂直于分子束取样装置的轴向。

12、所述的外密封基座与基座法兰之间、内密封基座与基座法兰之间、外密封卡套与外密封基座之间、内密封卡套与内密封基座之间、基座法兰与转接法兰之间均设有o型圈，所述的转接法兰通过标准法兰口与反应腔连接，所述的反应腔通过标准法兰口固定于差分电离室上；所述的外密封卡套、外密封基座、进样管、进样管密封卡套、内密封基座、内密封卡套均为绝缘材料。

13、所述的射频高压金属棒为不锈钢金属制成的圆柱型长杆，所述的外部电源为等离子放电专用射频电源。

14、本发明的有益技术效果在于：(1)本发明利用真空紫外光电离质谱技术，构造介质阻挡等离子放电反应中间产物原位探测装置，原位探测等离子体放电过程中产物信息，从而对研究介质等离子体放电化学反应过程中等离子体放电机理具有重要意义；

15、(2)本发明通过内外套管的石英玻璃异型结构作为阻挡介质，维持了等离子体放电的有效范围，解决了射频高低压之间在放电过程中所形成的电弧问题，提高了介质阻挡等离子体放电稳定性和放电效果；

16、(3)由于放电过程中所形成的活性中间体为带电粒子，通过在分子束取样装置末端安装的偏转装置，再结合光电离质谱可以有效区分活性中间体与中性产物的组成、结构与信息；

17、(4)本发明通过超声分子束取样方式，利用气体从高压碰撞到低压腔体的气体膨胀理论，扩散到低压腔内，分子自由程大幅增加，减少分子之间发生二次碰撞，从而达到“冷冻”中间产物结构的功能，同时利用同步辐射光“软”电离特性，为介质等离子体放电反应中间产物的原位检测提供了解决方案。