專利名稱：：用于氣溶膠匯聚裝置的壓力流量減緩裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及氣溶膠匯聚系統(tǒng)，更具體地是涉及一種具有壓力流量減緩裝置的氣溶膠匯聚系統(tǒng)，所述壓力流量減緩裝置結(jié)合了匯聚透鏡堆疊技術(shù)而將在大氣壓力下操作的釆樣入口耦合至真空，以獲得高采樣速度。
背景技術(shù)：
：與氣溶膠相關(guān)的儀器通常需要傳輸損失小或者沒(méi)有傳輸損失的、密集匯聚的粒子束。此外，它們需要以非常高的采樣速度與采樣環(huán)境連接，以便能收集更多的氣溶膠粒子并提高靈敏度。有研究表明，空氣動(dòng)力學(xué)匯聚透鏡堆能向真空內(nèi)產(chǎn)生密集匯聚的氣溶膠粒子束，并且已經(jīng)被有效地用于各種氣溶膠研究[l。然而，現(xiàn)有匯聚透鏡堆只能在小粒徑以及低壓低流量下操作。這是基于設(shè)計(jì)上的原因由于為了維持透鏡堆內(nèi)的層流而要求每個(gè)匯聚透鏡的雷諾數(shù)低，因此用于0.5-10微米范圍的氣溶膠粒子的空氣動(dòng)力學(xué)匯聚透鏡堆只能在低流量低壓力下操作。并且，為了以可接受的>^差進(jìn)行機(jī)械加工并在入口系統(tǒng)中對(duì)準(zhǔn)，所述孔口尺寸必須保持在l厘米以下100微米以上。因此，所述低壓力和低流量使得空氣動(dòng)力學(xué)匯聚透鏡堆非常難以與大氣壓力下的氣溶膠源連接。常規(guī)上使用單臨界孔口裝置來(lái)使透鏡堆與所述大氣壓力環(huán)境，其中，所述孔口的大小由所述透鏡堆所需的壓力限定。然而，由于壓力和流量之間存在耦合，因此當(dāng)采樣流量低于0.05升/分鐘時(shí)，臨界孔口的采樣效率非常低下，造成只有極少的粒子傳輸通過(guò)整個(gè)系統(tǒng)。因此，需要一種具有大粒子匯聚入口、并且能夠在大氣壓與可進(jìn)行氣溶膠質(zhì)鐠分析的真空7之間以高采樣速度進(jìn)行連接的氣溶膠匯聚系統(tǒng)(AFS)。具體地，需要這樣一種氣溶膠匯聚系統(tǒng)其將空氣動(dòng)力學(xué)透鏡堆匯聚技術(shù)與高流量、大氣壓下采樣相結(jié)合，并能將密集匯聚的粒子束(例如，粒子的粒徑范圍為1~10微米，粒子束直徑小于300微米)傳送入真空中。而且，還需要一種用于確定AFS(包括AFS的各個(gè)單獨(dú)部件，如所述透鏡堆)的尺寸并對(duì)AFS進(jìn)行校驗(yàn)的設(shè)計(jì)工具，以便能夠在不需冗長(zhǎng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真和昂貴的實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的實(shí)驗(yàn)的情況下快速地設(shè)計(jì)用于不同操作條件的各種連接系統(tǒng)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的一方面包括一種壓力流量減緩裝置，其用于與特征在于操作壓力的氣溶膠匯聚裝置結(jié)合使用，所述壓力流量減緩裝置包括進(jìn)樣噴嘴，其用于從采樣環(huán)境中吸取載有粒子的空氣，所述采樣環(huán)境的特征在于一采樣壓力，所述采樣壓力高于所述氣溶膠匯聚裝置的所述操作壓力；截取錐，其具有孔口，所述孔口與所述進(jìn)樣噴嘴對(duì)齊并在所述進(jìn)樣噴嘴的下游與所述進(jìn)樣噴嘴隔開(kāi)，以在所述截取錐與所述進(jìn)樣噴嘴之間形成間隙；抽吸端口，其與所述間隙流體連通以降低來(lái)自所述進(jìn)樣噴嘴的壓力和流量；以及馳豫室，其在所述截取錐的孔口的下游并與所述截取錐的孔口流體連通，且所述馳豫室具有能夠流體連通至所述氣溶膠匯聚裝置的出口，所述馳豫室用于使從所述截取錐的孔口進(jìn)入的粒子在離開(kāi)所述馳豫室并到達(dá)所述氣溶膠匯聚裝置之前速度降低。本發(fā)明另一方面包括一種氣溶膠匯聚系統(tǒng)，包括氣溶膠匯聚裝置，其特征在于一操作壓力并具有出樣噴嘴；以及壓力流量減緩裝置，其位于所述氣溶膠匯聚裝置的上游，并且包括進(jìn)樣噴嘴，其用于從采樣環(huán)境中吸取載有粒子的空氣，所述采樣環(huán)境的特征在于一采樣壓力，所述采樣壓力高于所述氣溶膠匯聚裝置的所述操作壓力；截取錐，其具有孔口，所述孔口與所述進(jìn)樣噴嘴對(duì)齊并在所述進(jìn)樣噴嘴的下游與所述進(jìn)樣噴嘴隔開(kāi)，以在所述截取錐與所述進(jìn)樣噴嘴之間形成間隙；抽吸端口，其與所述間隙流體連通以降低來(lái)自所述進(jìn)樣噴嘴的壓力和流量；以及馳豫室，其在所述截取錐的孔口的下游并與所述截取錐的孔口流體連通，且所述馳豫室具有能夠流體連通至所述氣溶膠匯聚裝置的出口，所述馳豫室用于使從所述截取錐的孔口進(jìn)入的粒子在離開(kāi)所述馳豫室并到達(dá)所述氣溶膠匯聚裝置之前速度降低。以下附圖并入所披露的本發(fā)明并形成其一部分，其中圖1是包括壓力流量減緩裝置和氣溶膠匯聚透鏡堆的本發(fā)明氣溶膠匯聚系統(tǒng)(AFS)的示范性實(shí)施例的3維剖視圖2是圖1中所示的所述壓力流量減緩裝置101的剖視圖3是圖1中所示的所述透鏡堆組件102的剖視圖4是示出在采樣壓力為760托時(shí)進(jìn)樣噴嘴孔口直徑與流量的關(guān)系圖5是示出粒子傳輸與截取錐尺寸和距進(jìn)樣噴嘴距離的關(guān)系圖6的曲線圖示出與減緩室中各種壓力相對(duì)應(yīng)的截取錐直徑；圖7的曲線圖示出對(duì)應(yīng)于各種進(jìn)樣噴嘴的馳豫室尺寸；圖8的曲線圖示出對(duì)于連接至壓力為20托及在1大氣壓力下的等價(jià)流量為1升/分鐘(或者在20托下的3.8升/分鐘)的PFR的截取錐設(shè)計(jì)；圖9的曲線圖示出對(duì)于連接至壓力為20托及在1大氣壓力下的等價(jià)流量為l升/分鐘(或者在20托下的3.8升/分鐘)的透鏡堆的多種馳豫距離設(shè)計(jì)。馳豫室直徑為5厘米；圖IO是流程圖11的曲線圖示出了用于匯聚粒子尺寸區(qū)間為給出的、用于計(jì)算膨脹射流的中心線馬赫數(shù)M的經(jīng)驗(yàn)公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>其在滿足1<^<0.67"，時(shí)有效(式3)其中，z是沿縱向軸線方向距噴嘴的距離，Pupstream是采樣壓力，Pdownstream是減緩室中的壓力。上邊界界定了馬赫盤(pán)的位置，從而界定了截取錐距采樣噴嘴的距離的上限。下一步計(jì)算穿過(guò)具有給定直徑dskim證并且距噴嘴的距離為Zskimmer的截取錐的質(zhì)量流量。假設(shè)射流中為等熵膨脹，則能夠?qū)怏w的溫度、壓力和密度表示為馬赫數(shù)從而表示為距噴嘴的距離的函數(shù)，如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>則利用以下公式，聲速能夠作為溫度的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而氣體速度能夠作為距離的函數(shù)進(jìn)行計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(式5)則通過(guò)截取錐的質(zhì)量流量Qm寫(xiě)成下式:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>(式6)由于透鏡堆是針對(duì)等價(jià)于大氣壓力下的給定流量設(shè)計(jì)的，因此通過(guò)截取錐以獲得適當(dāng)操作條件所需的質(zhì)量流量如下計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(式7)利用式6和式7，截取錐的距離能夠表示為使透鏡堆獲得適當(dāng)操作條件的截取錐直徑的函數(shù)。圖8示出了與如下的透鏡堆相連接的PFR的示例，該透鏡堆在壓力為20托及在1個(gè)大氣壓下的等價(jià)流量為0.1升/分鐘(或者是在20托下的3.8升/分鐘)下操作。很明顯，為了優(yōu)化氣溶膠粒子向馳豫室的傳輸效率，截取錐的直徑應(yīng)該選擇為大于采樣噴嘴的直徑。最后，基于對(duì)粒子通過(guò)噴嘴時(shí)的粒子速度的估計(jì)值來(lái)設(shè)計(jì)所述馳豫室。流體中粒子使用曳力的運(yùn)動(dòng)方程[6由式8給出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(式8)CunninghamcoirectionfoctorCc其中，r是流體中的粒子馳豫時(shí)間，其通過(guò)Cunningham因子修正。我們必須注意，修正的馳豫時(shí)間依賴氣體溫度r和壓力i。這樣，必須利用式4來(lái)估計(jì)粒子通過(guò)超音速膨脹行進(jìn)時(shí)的那些參數(shù)。為了估得任何時(shí)候自噴嘴末端噴出的流體的速度，使用式5并結(jié)合使用表示馬赫數(shù)的式3的擴(kuò)展式，所述擴(kuò)展式是通過(guò)采用設(shè)定噴嘴末端處的馬赫數(shù)為l的多項(xiàng)式擬合而得到的。然而，必須縮減式3的適用區(qū)間以在2開(kāi)始，以實(shí)現(xiàn)較光滑的擴(kuò)展。下面的式3b示出了用于空氣馬赫數(shù)估計(jì)的擴(kuò)展式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage14</formula>(式3b)nozzle接下來(lái)對(duì)式8進(jìn)行數(shù)值積分，以獲得粒子通過(guò)截取錐時(shí)的粒子速度。接下來(lái)當(dāng)粒子達(dá)到馳豫室內(nèi)氣體速度的卯％時(shí)估算停止距離。馳豫室內(nèi)的氣體速度利用馳豫室的體積流量與直徑獲得。該直徑應(yīng)該足夠大以適應(yīng)最后的粒子發(fā)散并產(chǎn)生很低的氣體速度。圖9示出了兩種不同PFR構(gòu)造下估算的一些停止距離。C.空氣動(dòng)力學(xué)匯聚透鏡堆所述AFS的第二部件是空氣動(dòng)力學(xué)匯聚透鏡堆。從圖3中可以看到，透鏡堆疊型的氣溶膠匯聚裝置102是基于堆疊的孔口(圖中所示為堆疊的透鏡模塊302)，其在氣體通過(guò)時(shí)使氣流線聚集。這樣，跟隨氣流線的粒子將由于其慣性而向中心線匯聚。在透鏡堆的下游端處有出樣噴嘴303，粒子通過(guò)所述出樣噴嘴303從本發(fā)明的AFS離開(kāi)。圖3中示出堆疊的透鏡模塊302和出樣噴嘴303通過(guò)筒301豎直地對(duì)齊。如前所述，為縮短計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)[2的仿真時(shí)間并開(kāi)始初步設(shè)計(jì)，在尋求初步的近似結(jié)果時(shí)可以使用通用的流體動(dòng)力學(xué)方程。本發(fā)明提供一種用于確定各種透鏡直徑大小的自動(dòng)設(shè)計(jì)算法，以產(chǎn)生針對(duì)粒子尺寸區(qū)間和操作條件已經(jīng)給定的匯聚裝置，從而能夠在不需冗長(zhǎng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真和昂貴的實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的實(shí)驗(yàn)的情況下快速地設(shè)計(jì)用于不同操作條件的各種連接系統(tǒng)。利用描述通過(guò)孔口的壓降的、基于斯托克斯數(shù)和Prandtl方程的基本的解析流體動(dòng)力學(xué)方程，本發(fā)明能估計(jì)出產(chǎn)生匯聚的粒子束(任意粒子尺寸區(qū)間)所需要的透鏡數(shù)目和大小。為了提供針對(duì)粒子尺寸區(qū)間已給定的透鏡堆的初步設(shè)計(jì)，基于透鏡堆內(nèi)的流動(dòng)類型進(jìn)行以下假設(shè)。第一假設(shè)是所述流動(dòng)將會(huì)是層流，從而粒子在該流動(dòng)類型中的行為將遵從斯托克斯數(shù)方程。這就具體意味著各透鏡在操作條件(壓力和流量)下的雷諾數(shù)低于200。第二假設(shè)是氣體通過(guò)透鏡時(shí)的行為可以以絕熱膨脹進(jìn)行建模。這就假設(shè)在膨脹中不存在溫度損失或者增加。如果膨脹很快也就是說(shuō)如果透鏡的厚度可忽略不計(jì)的話的確如此。第三假設(shè)是氣體保持一恒定溫度，該恒定溫度等于透鏡之間的外部溫度一一如果實(shí)際裝置由金屬制造則這是個(gè)合理的假設(shè)。必須說(shuō)明的是，對(duì)于等熵流動(dòng)的情形(此時(shí)所述裝置的各區(qū)域內(nèi)的氣體溫度都必須進(jìn)行跟蹤)，所述設(shè)計(jì)過(guò)程能夠很容易地進(jìn)行修改。用于本設(shè)計(jì)方法中的第一個(gè)主要公式基于對(duì)給定參數(shù)流體通過(guò)圓孔口的壓降的估計(jì)值。利用前述假設(shè)，能夠推導(dǎo)出絕熱無(wú)粘性膨脹、圓孔口的情況下的體積流量的值。可以得到以下的公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(式9)其中，g是體積流量，j^fl是孔口的面積，K是比熱比(空氣為1.4)，及是氣體常數(shù)(空氣約為8.314)，r鄉(xiāng)是孔口頂部的溫度，M是氣體的摩爾質(zhì)量(空氣約為29克/摩爾)。只要底部壓力不低于會(huì)阻遏孔口的臨界壓力，則該關(guān)系式就是正確的。如前所論述的，當(dāng)氣體在孔口處達(dá)到聲速時(shí)就達(dá)到了臨界壓力比，并且對(duì)于絕熱和無(wú)粘性氣體其能由式2表示，在此重新列出式2:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(式2)同樣如前所述，對(duì)于低于臨界壓力的底部壓力，體積流量是由式l所描述的常數(shù)，在此重新示出式l:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage15</formula>(式l)該方程組公知為Prandtl推導(dǎo)。第二個(gè)主要公式基于對(duì)穿過(guò)在給定流量下操作的孔口的給定粒子的斯托克斯數(shù)方程的改寫(xiě)，其由式10表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>其中，4wfe&是粒子直徑，是粒子密度，A是氣體的標(biāo)準(zhǔn)平均自由程，戶是氣體壓力，r是氣體溫度，/i是氣體動(dòng)態(tài)粘度，而45是孔口直徑。該公式可以進(jìn)行改寫(xiě)以表示在給定斯托克斯數(shù)和給定粒子情況下的孔口直徑，如式ll所示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>本設(shè)計(jì)算法中使用的第三個(gè)也是最后一個(gè)公式是雷諾數(shù)方程，其用于約束和評(píng)價(jià)整個(gè)透鏡堆設(shè)計(jì)的湍流，該公式在式12中給出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>其中，/是氣體的密度(根據(jù)氣體類型隨壓力來(lái)進(jìn)行調(diào)整)，而//是動(dòng)態(tài)粘度。根據(jù)所使用的流動(dòng)類型，流量、溫度和密度將須隨壓力進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于在恒定溫度下操作的氣體，情況就會(huì)比較簡(jiǎn)單，能夠概括為以下公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula如果假設(shè)整個(gè)透鏡堆中的氣體是等熵的(這相當(dāng)于模擬由低導(dǎo)熱性材料制成的噴嘴)，則應(yīng)該改為考慮^^cst。用于設(shè)計(jì)匯聚透鏡堆的算法利用了逐步向下的方式。該算法假設(shè)較大的粒子將被第一透鏡匯聚，而較小的粒子由后續(xù)的透鏡匯聚。為了表現(xiàn)本算法的特征，需要使前述公式形式化。式l、2和9能被合并為如下的壓降公式其中，r是引入氣體的溫度，Q是體積流量，iV是上游壓力，A。加附是下游壓力，A,e是孔口的直徑，K是氣體的比熱比，及是氣體常數(shù)，M是摩爾質(zhì)量。公式10能夠被形式化地寫(xiě)成下式其中，r是引入氣體的溫度，g是體積流量，戶是上游壓力，A是氣體的標(biāo)準(zhǔn)平均自由程，〃是氣體粘度，rf。承e是孔口的直徑，"^是粒子直徑，/;w齢是粒子密度，以及S汰是斯托克斯數(shù)。用于自動(dòng)設(shè)計(jì)的所述算法的優(yōu)選實(shí)施例需要初始的輸入?yún)?shù)，現(xiàn)將其列出如下所考慮的粒子尺寸區(qū)間(以及在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該是固定值的粒子密度)定義為AZ/m"^，*flWmaJ。所述第一透鏡的上限將被表示為rf;^W-flf/7fl"附狄。氣體特征(粘度、平均自由程、比熱比、氣體常數(shù)、摩爾質(zhì)量、流動(dòng)類型)。透鏡堆頂部的溫度定義為W。透鏡堆頂部的壓力定義為iY^。通過(guò)透鏡堆的、等價(jià)于大氣壓下的流量定義為仏《。在頂部壓力下的實(shí)際流量值定義為^"/。對(duì)于恒溫下的氣流來(lái)說(shuō)，Q[1]=Qequ^。匯聚密集度定義為斯托克斯數(shù)的區(qū)間。l附近的斯托克斯數(shù)會(huì)產(chǎn)生最佳的匯聚，不過(guò)已經(jīng)表明最優(yōu)的斯托克斯數(shù)隨著雷諾數(shù)變化(式14)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage17</formula>(式15)相對(duì)應(yīng)的流量Q/i+1/和溫度T[i+1]對(duì)于在恒溫下的氣體，T[i+1]=T[i]andQ[i+1]=別^=l^當(dāng)下一個(gè)最大粒子直徑dparticle[i+1]小于dpartmin時(shí)，迭代終止。算法的最后步驟是校驗(yàn)步驟，其涉及利用式12計(jì)算每個(gè)透鏡的雷諾數(shù)。為保證流動(dòng)類型為層流且斯托克斯數(shù)為1時(shí)能產(chǎn)生最佳的匯聚，所述雷諾數(shù)必須{氐。圖IO示出上述用于設(shè)計(jì)匯聚透鏡堆的過(guò)程的示范性實(shí)施例。首先，在步驟1001中，接收各個(gè)輸入?yún)?shù)，包括上游壓力、上游流量、上游溫度、粒子尺寸區(qū)間上限、斯托克斯密集度。下一步，在步驟1002中，計(jì)算將粒子尺寸區(qū)間上限匯聚到斯托克斯數(shù)密集度之內(nèi)的透鏡直徑。下一步，在步驟1003中，計(jì)算由當(dāng)前透鏡匯聚的最小粒子，該最小粒子作為接下來(lái)的粒子尺寸區(qū)間上限。在步驟1004中，計(jì)算在所述透鏡之后的壓力，該壓力作為新的上游壓力。在步驟1005中，計(jì)算在所述透鏡之后的流量和溫度，所述流量和溫度作為新的上游流量和溫度。下一步，在步驟1006中，判定所述接下來(lái)的粒子尺寸區(qū)間上限是否大于粒子尺寸區(qū)間下限。如果判定結(jié)果為"是，，，則算法返回至步驟1002。如果判定結(jié)果為"否"，則算法進(jìn)行至步驟1007,在該步驟中選擇入口類型。然后在步驟1008中，進(jìn)行出樣噴嘴的設(shè)計(jì)，這將在以下說(shuō)明。圖11描述了一種說(shuō)明性的透鏡堆設(shè)計(jì)，其用于溫度為298K的空氣，在壓力為20托及在760托壓力下的等價(jià)流量為0.1升/分鐘下進(jìn)行操作，斯托克斯區(qū)間為0.8，1.2，粒子直徑區(qū)間為0.7微米，IO微米。對(duì)于該具體的設(shè)計(jì)需要9個(gè)透鏡。以下的表l示出了圖11中的實(shí)際透鏡設(shè)計(jì)，并且示出了相應(yīng)的雷諾數(shù)和被匯聚的粒子尺寸。透鏡編號(hào)透鏡直徑(mm)粒子尺寸區(qū)間闊雷諾數(shù)13,36[7戲mo]4Z0622.94[5.78,7.65]48.143Z5714,31,5,78]55.0942,24[3,16,4.3163.0351.96[2'2S,3,16]72.0961.72[1'63,Z2882,4071.50[1'14,163〗9楊81,32107,1591.16121.61表l:在壓力為20托及在760托壓力下的等價(jià)流量為0.1升/分鐘時(shí)的透鏡設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)值D.出樣噴嘴的設(shè)計(jì)為了確保諸如空氣動(dòng)力學(xué)匯聚透鏡堆這樣的氣溶膠匯聚裝置所需的流量，必須相應(yīng)地設(shè)計(jì)氣溶膠匯聚裝置的出樣噴嘴。所述出樣噴嘴具有兩個(gè)主要用途。第一是用來(lái)保持PFR截取錐之后馳豫室中的流量和壓力。第二是用來(lái)使粒子加速進(jìn)入真空內(nèi)，從而最終能夠通過(guò)粒子的動(dòng)力學(xué)直徑來(lái)對(duì)粒子進(jìn)行篩選。這通過(guò)^L計(jì)如下的噴嘴來(lái)實(shí)現(xiàn)所述噴嘴在阻遏模式(chokedmode)下操作，從而通過(guò)超音速膨脹保持流量和使粒子加速，使得流量與壓力解耦。出樣噴嘴的尺寸應(yīng)使得所述透鏡堆頂部的壓力維持在固定操作值上。圖12示出出樣噴嘴是如何能影響通過(guò)所述氣溶膠匯聚裝置(在此選為定制的匯聚透鏡堆)的流量的。所述噴嘴直徑的設(shè)計(jì)完全由所述透鏡堆的參數(shù)來(lái)確定。如在透鏡堆設(shè)計(jì)算法中那樣，按迭代方式對(duì)最后一個(gè)透鏡之后的壓力進(jìn)行估計(jì)。然后，利用式13,估計(jì)出與所述最后一個(gè)透鏡之后的壓力相對(duì)應(yīng)的、通過(guò)所述出樣噴嘴所需的體積流量。接下來(lái)用式1來(lái)確定在阻遏模式下操作的出樣噴嘴的直徑。表2總結(jié)了當(dāng)采樣流量設(shè)定在大約1升/分鐘時(shí)與表1所列透鏡堆連接所需的各種設(shè)計(jì)參數(shù)。<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>表2:用于在壓力為20托及在760托壓力下的等價(jià)流量為0.1升/分鐘下操作的透鏡堆的PFR和出樣噴嘴利用式8和擴(kuò)展的馬赫數(shù)公式估計(jì)所述出樣速度。在該計(jì)算中作如下假設(shè)一旦粒子在氣體被壓向背景壓力時(shí)達(dá)到馬赫盤(pán)，則其將達(dá)到它們的最大速度。所述背景壓力必須確保出樣噴嘴在阻遏模式下操作。一旦該條件得到滿足，則所述出樣噴嘴之后的所述背景壓力將界定粒子的出樣速度區(qū)間。圖13示出針對(duì)所述噴嘴之后的各種背景壓力應(yīng)該預(yù)期到的各種出樣速度。E.孔口尺寸對(duì)于匯聚尺寸區(qū)間的預(yù)計(jì)影響在LawrenceLivermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，由于主要是PFR和出樣噴嘴的尺寸控制通過(guò)透鏡堆的流量和壓力從而影響被匯聚的粒子區(qū)間，因此它們對(duì)匯聚裝置的重要影響遠(yuǎn)大于實(shí)際透鏡的精確直徑尺寸。按照經(jīng)驗(yàn)的方法，基于斯托克斯數(shù)(式10),降低通過(guò)透鏡堆的流量將使被匯聚的粒子的區(qū)間移向較大的粒子，而增大流量將使所述區(qū)間移向較小的粒子。至于壓力，所述馳豫室中壓力降低將使被匯聚粒子的區(qū)間移向較小的粒子，而升高馳豫室壓力將使所述區(qū)間移向較大的粒子。用于設(shè)計(jì)出樣噴嘴的式1說(shuō)明了出樣噴嘴將如何界定通過(guò)透鏡堆的流量，特別是較大的噴嘴將如何產(chǎn)生較大的流量因而匯聚較小的粒子。壓力流量減緩裝置在如何設(shè)定透鏡堆的操作條件尤其是馳豫室中的壓力值方面充當(dāng)重要的角色。其主要是基于通過(guò)截取錐的質(zhì)量流量有多少。由于出樣噴嘴限制向外的流量，因此更大的質(zhì)量流量將趨向于使馳豫室中的壓力增大。較大的截取錐將產(chǎn)生較大質(zhì)量流量，使得壓力增大，從而使所述粒子區(qū)間移向較大的粒子。當(dāng)氣體密度降低時(shí)，PFR截取錐與采樣噴嘴的距離將會(huì)降低質(zhì)量流量，從而使馳豫室壓力降低且使匯聚區(qū)間移向較小的粒子。圖13示出了這些尺寸在最優(yōu)設(shè)計(jì)值附近變化時(shí)的定量影響。必須說(shuō)明的是，所述出樣噴嘴具有最重要的影響。此外，PFR設(shè)計(jì)具有一個(gè)自由參數(shù)，從而，如果截取錐距采樣噴嘴的距離能夠按實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行調(diào)整，則可以補(bǔ)償截取錐直徑的加工誤差。G.CFD校驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果為了初步評(píng)價(jià)和校驗(yàn)所述設(shè)計(jì)的解析估計(jì)，已利用CD-Adapco開(kāi)發(fā)的二維、軸對(duì)稱、高馬赫數(shù)、可壓縮流動(dòng)求解器STAR-CCM+TM進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真。此外，已用不銹鋼和黃銅制成了兩個(gè)裝置，并且在LawrenceLivermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室對(duì)它們進(jìn)行了測(cè)試，且對(duì)設(shè)計(jì)為在大氣壓和1升/分鐘的流量下采樣并將1~10微米之間的粒子匯聚至真空中的匯聚裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。隨后，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與解析預(yù)測(cè)值及計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果進(jìn)行了比較，所述比較顯示理論和實(shí)驗(yàn)之間存在非常好的一致性?？傮w來(lái)說(shuō)，已經(jīng)能夠說(shuō)明，用壓力流量減緩裝置替換常規(guī)的臨界孔口采樣接口部件能夠使基于空氣動(dòng)力學(xué)透鏡堆的匯聚系統(tǒng)的采樣速度和效率大幅度地提高，從而增加氣溶膠分析儀器的靈敏度。實(shí)際裝置在壓力流量減緩裝置的截取錐的調(diào)整、透鏡堆匯聚范圍以及出樣噴嘴處粒子的離開(kāi)速度等方面的表現(xiàn)看上去非常密切地遵循設(shè)計(jì)工具的數(shù)值預(yù)測(cè)值。G.l機(jī)械設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)設(shè)置已制成包括如表2所列的壓力流量減緩裝置、如表1所列的九透鏡匯聚透鏡堆及出樣噴嘴的裝置。圖2示出了壓力流量減緩裝置及透鏡堆的機(jī)械設(shè)計(jì)。所述壓力流量減緩裝置已設(shè)計(jì)為使得能夠利用可變厚度的墊片來(lái)調(diào)整截取錐距所述采樣噴嘴的距離。透鏡堆設(shè)計(jì)為可堆疊的透鏡模塊。模塊由透鏡與高1.5厘米的間隔件組成。使用O形團(tuán)來(lái)將每個(gè)模塊與相鄰模塊相隔開(kāi)地密封。然后，組成所述匯聚透鏡堆的9個(gè)模塊插入一端連接至壓力流量減緩裝置而另一端連接至噴嘴的筒中。第一個(gè)裝置由不銹鋼制成。不過(guò)，在裝配好之后使孔口對(duì)中并使各個(gè)透鏡模塊之間保持良好對(duì)齊的機(jī)械加工要比預(yù)期更為復(fù)雜。這樣，由黃銅制造了第二個(gè)裝置，其可使各個(gè)孔口更精確地對(duì)中。G.2壓力流量減緩裝置中的壓力調(diào)節(jié)根據(jù)理論部分能夠預(yù)期如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出樣噴嘴，則馳豫室中的操作壓力達(dá)到20托的話將獲得適當(dāng)?shù)牧髁繌亩@得適當(dāng)?shù)牟僮鳁l件。壓力流量減緩裝置的設(shè)計(jì)工具給出了采樣噴嘴與截取錐之間能進(jìn)行正常操作的距離的近似值。這是由于利用了中心線上的流動(dòng)特性來(lái)進(jìn)行估算。然而，由于截取錐直徑設(shè)計(jì)為要大于所述釆樣噴嘴，我們給根據(jù)設(shè)計(jì)值的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化值與截取錐直徑尺寸的最終加工誤差留了余地。此外，由于不同距離上獲得的壓力值是通過(guò)所述透鏡堆內(nèi)各個(gè)透鏡上壓降的估算值所限定的，因此所述壓力值容許用來(lái)校驗(yàn)我們的解析模型。最后，由于能夠稍微改變所述距離從而改變壓力，這就容許在需要的情況下略微調(diào)整被匯聚的粒子尺寸區(qū)間，如圖14所示。向壓力流量減緩裝置的抽吸操作利用前級(jí)泵V500從兩側(cè)進(jìn)行。利用MKS626ABaratron電容壓力計(jì)及MKSPDR2000壓力計(jì)控制器針對(duì)各種截取錐距離的情況進(jìn)行了一些測(cè)量。PFR設(shè)置有340微米的采樣噴嘴和550微米的截取錐。如表1所列的透鏡堆的出樣噴嘴設(shè)為650微米。圖15示出了測(cè)量值與利用理論部分所述的推導(dǎo)獲得的壓力估計(jì)值的比較。按照供貨商的推薦，所述壓力計(jì)通過(guò)將104托的壓力設(shè)為零點(diǎn)而進(jìn)行標(biāo)定。盡管為達(dá)到20托必須在這些設(shè)計(jì)值的基礎(chǔ)上進(jìn)行略微的調(diào)整，但能夠看出已十分吻合了。G.3出樣速度及建模由于離開(kāi)所述匯聚裝置的粒子隨后要在生物-氣溶膠質(zhì)譜儀器(BAMS)中進(jìn)行跟蹤并分析其化學(xué)成分，因此根據(jù)粒子的空氣動(dòng)力學(xué)直徑得知粒子速度是至關(guān)重要的。利用LawrenceLivermore國(guó)家實(shí)驗(yàn)室中為BAMS儀器研發(fā)的6激光跟蹤裝置來(lái)測(cè)量粒子速度。通過(guò)匯聚入口送入具有各種已標(biāo)定空氣動(dòng)力學(xué)直徑的聚苯乙烯乳膠球(PSL)，并測(cè)量出其速度。為了達(dá)到出樣噴嘴之后的真空以及IO"托的背景壓力，使用了分流式渦輪分子泵。為了與在10"托壓力下操作的跟蹤系統(tǒng)良好對(duì)接，增加了扁平的截取錐。圖16示出了所述結(jié)果、利用本說(shuō)明書(shū)的理論部分中所述的技術(shù)計(jì)算出的解析預(yù)測(cè)值、以及結(jié)合了粒子跟蹤仿真的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真值之間的比較情況。能夠看出，理論值、測(cè)量值以及數(shù)值仿真值之間存在極好的一致性。G.4匯聚與傳輸性能關(guān)于匯聚的尺寸區(qū)間，在距出樣噴嘴末端20厘米處獲得的粒子束尺寸與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和粒子仿真得到的結(jié)果相當(dāng)一致，這從圖17中可以看出。所述測(cè)量是利用尺寸經(jīng)過(guò)標(biāo)定的聚苯乙烯乳膠球來(lái)進(jìn)行的。當(dāng)粒子以高濃度通過(guò)所述裝置噴出時(shí)，將覆蓋了油脂的目標(biāo)置于出樣噴嘴之下20厘米處10~20分鐘。然后利用顯微鏡形成粒子沉積物的圖像，然后測(cè)量斑點(diǎn)的直徑。我們嘗試從所述沉積物的最外邊緣來(lái)測(cè)量所述粒子束的直徑，但遺憾的是，由于估計(jì)所述沉積終止于何處有些困難，故所述測(cè)量的準(zhǔn)確度存在主觀性。對(duì)于大直徑粒子而言上述情況更為明顯，因?yàn)榇笾睆搅Ｗ訉?duì)應(yīng)的沉積相當(dāng)模糊，這是由于非常低的傳輸效率和期望的粒子束直徑使得單位面積上沉積的粒子的量非常低。我們必須說(shuō)明的是，馳豫室中的壓力對(duì)所述粒子束直徑影響巨大，對(duì)于小直徑粒子尤其如此。如果所述壓力保持過(guò)高(20托之上)，則l微米大小的粒子將不再被匯聚，粒子束會(huì)呈圓環(huán)形。關(guān)于尺寸區(qū)間的散布和發(fā)散角度的問(wèn)題，在該裝置的測(cè)試期間發(fā)現(xiàn)不同粒子直徑的各種粒子束在位置上存在顯著不同，盡管其均匯聚良好。當(dāng)不同的透鏡孔口沒(méi)有很好地對(duì)齊時(shí)，不同粒子直徑在所述目標(biāo)上形成的粒子束斑點(diǎn)能夠分開(kāi)高達(dá)l毫米的距離。手動(dòng)調(diào)節(jié)各透鏡的位置能夠減少上述問(wèn)題并且能夠使由1~10微米的粒子匯聚的粒子束的中心維持在500微米內(nèi)。關(guān)于傳輸效率，為了測(cè)量整個(gè)入口裝置的傳輸效率，使用了BAMS儀器的跟蹤區(qū)域。所述跟蹤區(qū)域利用粒子被直徑大約為200微米的6束激光照亮?xí)r從所述粒子散射的光。所述激光的總跨度為7.5厘米，且第一束激光位于距所述采樣系統(tǒng)的出樣噴嘴2.5厘米處。這樣只要粒子位于在距所述出樣噴嘴10厘米處直徑為200微米的粒子束中，則該跟蹤區(qū)域就能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)和計(jì)算每個(gè)粒子速度。通過(guò)該系統(tǒng)進(jìn)入的已標(biāo)定PSL及其濃度由TSI公司的、型號(hào)為3320的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑鐠儀(APS)來(lái)監(jiān)測(cè)。所述PFR采樣系統(tǒng)依表2所列進(jìn)行設(shè)置且采樣流量為1升/分鐘，從而使我們能計(jì)算傳輸效率。作為對(duì)比，結(jié)合粒子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)運(yùn)算，以估計(jì)在10厘米和12厘米處、直徑為200微米的可跟蹤粒子束內(nèi)的預(yù)期傳輸效率。圖18示出了測(cè)量值與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)估計(jì)值之間的比較結(jié)果。需要說(shuō)明的是，入口裝置相對(duì)于跟蹤激光對(duì)齊是至關(guān)緊要的，其對(duì)所測(cè)量的性能有非常大的影響。由于BAMS的跟蹤區(qū)域只能對(duì)一個(gè)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，而不同的粒子直徑可以具有不同的軌跡并且可在不同的位置上匯聚，因此，測(cè)量可能會(huì)受到影響。以下參考文獻(xiàn)在此通過(guò)援引被完整地并入本說(shuō)明書(shū)中，這些參考文獻(xiàn)包括[1]Tobias,H,J.,Kooima,P.M.,Dochery,K.S.,andZiemann,P.J.(2000〉."Real-TimeChemicalAnalysisofOrganicAerosolsUsingaThermalDesorptionParticleBeamMassSpectrometer/'AerosolSci.Technol.33:170-190.PIZhangcX.,etal.,"ANumericalCharacterizationofParticleBeamCoUimationbyanAerodynamicLens-NozzleSystemPart1:AnIndividualLensorNozzle,"AerosolSciTecknol.,36,617-631,2002.3]Liu,'R,Ziem咖,P.L.,Kittelsoi^D.B,,andMcMurry,P,H.(1995a)."GeneratingParticleBeamsofControlledDimensionsandDivergence:I.TheoryofParticleMotioninAerodynamicLensesandNozzleExpansions,"AerosolScLTechnol-,22:293-313.[4]Schreiner,J.,Schild,U.,Voigt,C.,Mauersberger,IC:"Focusingofaerosolsintoaparticlebeamatpressuresfrom10to150torr.,"AerosolSdTechnol.,31,373>382(1999)[5H.AshkenasandF.S.Sherman,"Thestructureandutilizationofsupersonicfreejetsinl'owdensitywindtunnel,"InternationalSymposiumonRarefiedGasDynamics,supp.3,Vol,2,pp.84-105,1966.問(wèn)Hinds,W.,"AerosolTechnology:Properties,Behavior,AndMeasurementOfAirborneParticles/SecondEdition,Wiley-Intersdence,NewYork,January1999[7]Pergenson,D.P.;Pitesfcy,M.B.;Tobias,H.J.;Steele,RT.;Czerwienlec,G.A.;Russell,S.C;Lebrilk,C.B.;Honv,J.M.;Coffee,K.R.;Srivastava,A,;Pmai,S,P,;Shih,M.T.P.;HaI],H.L,;Ramponi/A.J.;ChangJ.T.;Langlois,RG.;Estacio,P.L.;Hadley,R.T.;Prank,M.;Gard,RE."ReagentlessIdentificationofIndividualBioaerosolartidesinMilliseconds."AnalyticalChemistry2004,76,373-378.本發(fā)明可用于例如樣本辨識(shí)、氣候強(qiáng)迫研究、煙流化學(xué)分析、氣象學(xué)、化學(xué)與生物戰(zhàn)爭(zhēng)制劑檢測(cè)以及在辦公樓、入境口、交通運(yùn)輸系統(tǒng)及公共場(chǎng)合等處的空氣與水的供應(yīng)安全等方面。此外，本發(fā)明也可用于例如氣溶膠的學(xué)術(shù)研究、自主式氣溶膠病原體檢測(cè)系統(tǒng)等。盡管已經(jīng)描述和/或舉例說(shuō)明了具體的操作順序、材料、溫度、參數(shù)以及具體的實(shí)施例，但這些不是旨在進(jìn)行限制。一些修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，且本發(fā)明旨在僅受附屬的權(quán)利要求范圍的限制。權(quán)利要求1.一種壓力流量減緩裝置，其用于與特征在于操作壓力的氣溶膠匯聚裝置結(jié)合使用，所述壓力流量減緩裝置包括進(jìn)樣噴嘴，其用于從采樣環(huán)境中吸取載有粒子的空氣，所述采樣環(huán)境的特征在于一采樣壓力，所述采樣壓力高于所述氣溶膠匯聚裝置的所述操作壓力；截取錐，其具有孔口，所述孔口與所述進(jìn)樣噴嘴對(duì)齊并在所述進(jìn)樣噴嘴的下游與所述進(jìn)樣噴嘴隔開(kāi)，以在所述截取錐與所述進(jìn)樣噴嘴之間形成間隙；抽吸端口，其與所述間隙流體連通以降低來(lái)自所述進(jìn)樣噴嘴的壓力和流量；以及馳豫室，其在所述截取錐的孔口的下游并與所述截取錐的孔口流體連通，且所述馳豫室具有能夠流體連通至所述氣溶膠匯聚裝置的出口，所述馳豫室用于使從所述截取錐的孔口進(jìn)入的粒子在離開(kāi)所述馳豫室并到達(dá)所述氣溶膠匯聚裝置之前速度降低。2.如權(quán)利要求l所述的壓力流量減緩裝置，其中，所述采樣環(huán)境的所述采樣壓力為1大氣壓。3.如權(quán)利要求l所述的壓力流量減緩裝置，其中，所述采樣壓力是所述操作壓力的至少2倍以通過(guò)所述進(jìn)樣噴嘴產(chǎn)生超音速射流，從而使得所述采樣壓力和流量?jī)H由所述進(jìn)樣噴嘴的孔口尺寸限定，而不用考慮所述氣溶膠匯聚裝置的操作條件如何。4.如權(quán)利要求l所述的壓力流量減緩裝置，其中，所述壓力流量減緩室包括至少一個(gè)額外的抽吸端口，且所述抽吸端口分布在所述壓力流量減緩室中以在所述壓力流量減緩室中產(chǎn)生更為均勻的壓力分布。5.如權(quán)利要求l所述的壓力流量減緩裝置，其中，所述截取錐呈圓錐形。6.如權(quán)利要求l所述的壓力流量減緩裝置，其中，所述截取錐的孔口的尺寸及所述截取錐的孔口距所述進(jìn)樣噴嘴的距離要選擇成使得能夠提供預(yù)定的壓力并使粒子傳輸最大化。7.如權(quán)利要求l所述的壓力流量減緩裝置，其中，所述馳豫室的尺寸要使得能夠?yàn)檫M(jìn)入的粒子提供適當(dāng)?shù)耐Ｖ够蛘唏Y豫的距離。8.—種氣溶膠匯聚系統(tǒng)，包括氣溶膠匯聚裝置，其特征在于一操作壓力并具有出樣噴嘴；以及壓力流量減緩裝置，其位于所述氣溶膠匯聚裝置的上游，并且包括:進(jìn)樣噴嘴，其用于從采樣環(huán)境中吸取載有粒子的空氣，所述采樣環(huán)境的特征在于一采樣壓力，所述采樣壓力高于所述氣溶膠匯聚裝置的所述操作壓力；截取錐，其具有孔口，所述孔口與所述進(jìn)樣噴嘴對(duì)齊并在所述進(jìn)樣噴嘴的下游與所述進(jìn)樣噴嘴隔開(kāi)，以在所述截取錐與所述進(jìn)樣噴嘴之間形成間隙；抽吸端口，其與所述間隙流體連通以降低來(lái)自所述進(jìn)樣噴嘴的壓力和流量；以及馳豫室，其在所述截取錐的孔口的下游并與所述截取錐的孔口流體連通，且所述馳豫室具有能夠流體連通至所述氣溶膠匯聚裝置的出口，所述馳豫室用于使從所述截取錐的孔口進(jìn)入的粒子在離開(kāi)所述馳豫室并到達(dá)所述氣溶膠匯聚裝置之前降低速度。9.如權(quán)利要求8所述的氣溶膠匯聚系統(tǒng)，其中，所述采樣環(huán)境的所述釆樣壓力為1大氣壓。10.如權(quán)利要求8所述的氣溶膠匯聚系統(tǒng)，其中，所述采樣壓力是所述操作壓力的至少2倍以通過(guò)所述進(jìn)樣噴嘴產(chǎn)生超音速射流，從而使得所述釆樣壓力和流量?jī)H由所述進(jìn)樣噴嘴的孔口尺寸限定，而不用考慮所述氣溶膠匯聚裝置的操作條件如何。11.如權(quán)利要求8所述的氣溶膠匯聚系統(tǒng)，其中，所述壓力流量減緩室包括至少一個(gè)額外的抽吸端口，且所述抽吸端口分布在所述壓力流量減緩室中以在所述壓力流量減緩室中產(chǎn)生更為均勻的壓力分布。12.如權(quán)利要求8所述的氣溶膠匯聚系統(tǒng)，其中，所述截取錐呈圓錐形。13.如權(quán)利要求8所述的氣溶膠匯聚系統(tǒng)，其中，所述截取錐的孔口的尺寸及所述截取錐的孔口距所述進(jìn)樣噴嘴的距離要選擇成使得能夠提供預(yù)定的壓力并使粒子傳輸最大化。14.如權(quán)利要求8所述的氣溶膠匯聚系統(tǒng)，其中，所述馳豫室的尺寸要使得能夠?yàn)檫M(jìn)入的粒子提供適當(dāng)?shù)耐Ｖ够蛘唏Y豫的距離。全文摘要一種壓力流量減緩裝置以及一種結(jié)合了這種壓力流量減緩裝置的氣溶膠匯聚系統(tǒng)，其用于在高流量、大氣壓力下進(jìn)行采樣，并且經(jīng)由空氣動(dòng)力學(xué)匯聚透鏡堆將密集匯聚的粒子束送入真空。所述壓力流量減緩裝置具有進(jìn)樣噴嘴，其用于調(diào)節(jié)采樣流量；壓力流量減緩區(qū)，其具有用于降低壓力和流量使得能與低壓、低流量氣溶膠匯聚裝置進(jìn)行良好對(duì)接的截取錐和抽吸端口；以及用于使氣溶膠粒子減速或停止的馳豫室。按照該方式，所述壓力流量減緩裝置將壓力與流量解耦，并使得能在大氣壓力和大于1升/分鐘的流量下進(jìn)行氣溶膠采樣。文檔編號(hào)G01N1/22GK101228425SQ200680027053公開(kāi)日2008年7月23日申請(qǐng)日期2006年6月19日優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日發(fā)明者埃里克·E·戈德,基思·R·科菲,布魯斯·W·伍茲,托德·H·韋斯格雷貝爾,文森特·J·里奧,詹姆斯·M·伯奇,赫伯特·J·托比亞斯申請(qǐng)人:勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家安全有限責(zé)任公司