电晕放电组件和包括该电晕放电组件的离子迁移谱仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及安全检测技术领域，具体涉及一种便于制造的，多针长寿命电晕放电组件，以及用于检测毒品和爆炸物的采用该组件作为电离源的离子迁移谱仪。
【背景技术】
[0002]离子迁移谱仪根据不同离子在均匀弱电场下漂移速度不同而实现对离子的分辨。它具有分辨速度快，灵敏度高，不需要真空环境，便于小型化的优点，因此在毒品和爆炸物的探测领域得到了广泛的应用。典型的离子迁移谱仪通常由进样部分、电离部分、离子门、迁移区、收集区、读出电路、数据采集和处理、控制部分等构成。其中电离部分主要功能是将样品分子转化成可供迁移分离的离子，因此电离的效果对谱仪的性能具有非常直接的影响。目前的技术中，最常见和应用最广的电离组件是采用63Ni放射源，它具有体积小，稳定性高、不需要外加电路的优点，但同时也存在线性范围窄、转化离子浓度低和辐射污染的问题。尤其是辐射污染问题为设备的操作、运输和管理上带来诸多不便。为了克服上述问题，采用电晕放电技术代替放射源技术。电晕放电是指在空间不均匀电场中由于局部的强电场引起气体分子电离的一种现象。电晕放电直接产生的离子一般称为反应物离子，当具有更高的质子或电子亲和势的样品分子通过电离区时，俘获反应物离子的电荷而被电离。通常电晕放电结构较为简单，因而成本低廉，同时电晕放电产生的电荷的浓度相比于放射源要高得多，因此有利于提高离子迁移谱仪的灵敏度，并得到较大的动态范围。国外专利US5485016、CA2124344、中国专利CN1950698A和CN103137417A中报道电晕放电作为离子迁移谱仪电离源的应用实例。常见的电晕放电结构有针尖-平板或针尖-圆筒放电形式，如图1A、1B所示。实现放电的电晕针通常有固定尾端安装于支撑基体上，尾端导通高压电源；电晕针的另一端为自由端(即，针尖)，通常是具有曲率半径非常小(0.1mm以下)的尖端。平板或圆筒电极与针尖之间的空间内形成不均匀静电场，使靠近针尖的附近电场强度很高，而距针尖较远的空间的电场强度递减。气体电离只发生在电极自由尖端近表面空间，电离区域很小，从而产生的离子浓度也较小；若增大电离区域，则需要较高的电压，对高压电源要求较高。另外，在只有一个尖端放电的情况下，电晕放电对电晕电极会产生氧化，长期运行后，气体中的水蒸气等引起的化学反应会严重腐蚀尖端，使其曲率半径增大，增大了电晕放电电压阈值，降低了其电晕放电的稳定性，导致寿命终结；并且，为了达到较小的曲率半径，针的直径一般很细，其强度较低，产品在制造和装配时保持较高位置精度难度大。为了改善这种情况，开发了多针电晕放电的结构。
[0003]美国专利US7326926B2描述了一个典型的多针簇电晕放电离子源，见图1C。其采用一簇平行的电晕针代替经典电晕放电离子源的单根电晕针；多针簇多个尖端同时加载高压放电的设计，在一定程度上缓解了单电晕针放电失效引起的电离源的寿命降低问题。但是多针同时加载高压放电也存在显著的缺点，首先，多针同时加载高压，各针所形成的电场会相互影响，使针尖处的电场强度降低，需要提高电晕电压，对高压电源提出了更高的要求；另外，各针由于加工的不一致性导致各自尖端的形状和表面情况并不相同，并不能保证所有针尖均满足电晕放电的条件，而是曲率半径相对较小的针先发生放电，并逐渐耗蚀使其曲率半径逐渐变大后不再满足电晕放电的条件，其余满足条件的针开始放电，这样某一时刻有几根针发生电晕放电不能得到保证，有很大的随机性，因此电离产生的离子数量也变化很大，导致电晕放电不稳定，从而不利于离子迁移谱仪的稳定工作。
【发明内容】
[0004]发明人意识到，若能够实现多根针单独控制轮流电晕放电，即某一个时刻只能有一根针加载高压发生电晕放电，其余针不加高压，加载高压的针尖处将易于形成强的电场，可以同时解决多针同时加高压电晕离子源的不稳定性以及单针电晕离子源寿命短的问题。
[0005]本发明的目的是提供一种稳定的，便于制造的，多针独立控制轮流电晕放电组件设计方案，该设计结构简单，能够有效增加电离组件的整体使用寿命，增加电晕放电的稳定性，提高迁移谱仪性能。
[0006]为了达到上述目的，根据本发明的实施例，电晕放电组件包括:电离放电腔室，所述电离放电腔室包括金属电晕筒，所述金属电晕筒具有待分析气体入口以及有利于形成汇聚电场的喇叭状前端口 ；所述金属电晕筒的中心绝缘安装有多根可独立控制高压通断的电晕针。由此，能够实现多根针单独控制轮流电晕放电，即某一个时刻只能有一根针加载高压发生电晕放电，其余针不加高压，加载高压的针尖处将易于形成强的电场，可以同时解决多针同时加高压电晕离子源的不稳定性以及单针电晕离子源寿命短的问题。
[0007]优选地，所述电晕放电组件包括PCB板，所述PCB板用作电晕针固定及高压连接座。
[0008]优选地，所述PCB板是两层绝缘层中间夹持布线层的耐高温PCB板；所述PCB板前端开有均匀分布的若干过孔，其中中心的一个过孔装配位置位于所述金属电晕筒的轴线上，每个过孔内均钎焊一根电晕针。
[0009]优选地，每个过孔均与单独的导线相连。
[0010]优选地，所述单独的导线为PCB覆铜导线，其尾端分别焊接独立的高压导线以与外部高压电源相连。
[0011]优选地，每根所述高压导线能够单独控制通断。电晕离子源工作时，通过外部开关控制PCB板上各电晕针轮流加载高压在其尖端发生电晕放电。当一块PCB板上的所有电晕针尖均失效后，可将该组件拆卸，更换新的PCB电极板或更换钎焊新的电晕针。
[0012]优选地，所述电晕放电组件还包括离子反应与存储环，所述离子反应与存储环为形似喇叭状的内部通道，其中所述离子反应与存储环的小口端嵌入所述金属电晕筒的喇叭口内，但不与所述金属电晕筒电接触，所述离子反应与存储环的大口端与离子门第一栅网接触，使在大口端内与离子门第一栅网之间形成等电势区，用于离子存储。由此，电晕放电产生的离子能够在电场的牵引下进入到离子反应存储区。所述离子反应与存储环的主要作用是在离子门关闭时，使初级反应离子与样品气体发生充分反应、复合，生成并存储待检测的特征离子团；在离子门打开时使上述复合的离子团聚焦并通过离子门进入离子迁移腔。通过该设计，可有效的屏蔽电晕放电脉冲干扰，屏蔽电晕脉冲带来的离子数量起伏，增大离子在离子门处的通过率，达到使离子迁移谱线稳定的效果。
[0013]根据本发明的实施例，还公开了一种离子迁移谱仪，所述离子迁移谱仪包括:以上所述的电晕放电组件；离子门，所述离子门由两张相对的栅网构成；迁移区，所述迁移区包括漂移电极，所述漂移电极为同轴心等间距的圆环电极；以及法拉第盘，所述法拉第盘后接电荷灵敏放大器以读取离子信号。
[0014]根据本发明的电晕放电组件的结构特征使得在任一时刻，只有一根电晕针发生电晕放电，而其余针悬空，多针轮流加载高压工作，因此该结构相对于单针结构可以提高整体电晕放电组件的使用寿命；相对于多针簇结构，可以降低离子源的放电电压，提高其放电稳定性；相对于针状电极的悬空安装，多电晕针由于固定在PCB基板上，安装时可以做到电极位置的精确稳定，从而更易于批量制造。
【附图说明】
[0015]下面参考附图进一步详细描述本发明，其中:
图1A、1B和IC为传统的电晕放电结构示意图；
图2A为使用根据本发明实施例的PCB电极板多针轮流电晕放电离子源组件的离子迁移谱仪结构示意图；
图2B为图2A中的离子迁移谱仪在正模式下各电极电势示意图；
图3A为根据本发明实施例的多针轮流放电离子源高压连接示意图；
图3B为根据本发明实施例的电晕放电组件的PCB板侧面和正面剖视图；以及图4为不同离子门跳变电压时，相对离子通过率随电极丝偏心距离变化图。
【具体实施方式】
[0016]图2A所示电晕放电离子迁移谱仪中，实现电晕放电的不均匀电场主要由电晕针201和金属电晕筒202以及离子反应与存储环203形成。所述离子迁移谱仪包括:电晕放电组件；离子门，所述离子门由两张相对的栅网204、205构成；迁移区，所述迁移区包括漂移电极206，所述漂移电极206为同轴心等间距的圆环电极；以及法拉第盘208，所述法拉第盘208后接电荷灵敏放大器以读取离子信号。
[0017]根据本发明的实施例，所述电晕放电组件包括:电离放电腔室，所述电离放电腔室包括金属电晕筒202，所述金属电晕筒202具有待分析气体入口(如图2A左侧所示)以及有利于形成汇聚电场的喇叭状前端口 ；所述金属电晕筒202的中心绝缘安装有多根可独立控制高压通断的电晕针201。
[0018]其中，为对电晕针实现独立控制高压通断，多根电晕针中的每个单独地连接至能够单独控制通断的高压导线。由此，能够实现多根针单独控制轮流电晕放电，即某一个时刻只能有一根针加载高压发生电晕放电，其余针不加高压，加载高压的针尖处将易于形成强的电场，可以同时解决多针同时加高压电晕离子源的不稳定性以及单针电晕离子源寿命短的问题。
[0019]图2B为图2A中的离子迁移谱仪在正模式下各电极电势示意图。所述离子迁移谱仪在工作时，电晕针201的电压比金属电晕筒202的电压高700V到3000V左右(取决于电晕针的尖端半径，以及电晕针的长度，不同的几何尺寸会有不同的起晕电压)以发生电晕，从而产生离子。离子反应存储环203及第一离子门204的电压周期跳变，见图2B，当其位于低电压时可称为“存储态”(即实线部分)，位于相应的高电压时称为“牵引态”(即虚线部分)。当离子反应存储环203及第一离子门204的电压处于“存储态”时，该电压比金属电晕筒202的电压低60疒150V，比第二离子门205低5V?60V左右，离子进入第一离子门204后，受到的电场力较弱，在第一离子门204腔体内主要做热运动；经过一定时间，第一离子门204内离子积累到一定数目后，离子反应存储环203及第一离子门204的电压跳变到“牵引态”，这时，电晕针201处电晕产生的离子停止进入第一离子门204 (防止此次由于电晕脉冲导致第一离子门204内离子数量的起伏)，而处在第一离子门204内的离子在第一离子门204与第二离子门205之间的电场力作用下