本實用新型涉及一種大氣壓氣體放電離子源發(fā)生裝置。

背景技術(shù)：

離子源是一種利用外界放電、光輻射，以及濺射等方式，使中性原子或分子電離，并從中引出離子束流的裝置。是化學(xué)成份檢測儀、環(huán)境監(jiān)測儀等設(shè)備的關(guān)鍵部件。大氣壓氣體放電離子源，因其不受真空環(huán)境的限制，不采用化學(xué)溶劑，對環(huán)境污染小，操作簡單，適用性強等特點而受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。大氣壓氣體放電離子源，其常見的放電方式包括電暈放電、直流輝光放電、介質(zhì)阻擋放電、空心陰極放電，以及微波放電。以N₂、He、Ar等氣體作為等離子體維持氣體，放電產(chǎn)生的等離子體含有大量的高能粒子。此高能粒子與大氣中的H₂O、O₂、N₂、發(fā)生一系列的反應(yīng)生成活性中間體，這些中間體隨后將能量傳遞給待測物，使樣品分子離子化。離子化的物種輸送到檢測設(shè)備，對樣品組份進行定性或定量分析。

在上述放電類型中，直流輝光放電相對于電暈放電，具有較高的電離效率；相對于介質(zhì)阻擋放電、空心陰極放電與微波放電，具有簡單的電極結(jié)構(gòu)或較低的電源配置要求。

現(xiàn)有大氣壓直流輝光放電離子源，在應(yīng)用于物質(zhì)痕量分析時，能夠精確到ppb量級，比較準確的反應(yīng)物質(zhì)的組成或狀態(tài)。但其在工作時，為了獲得更高的電離效率，放電空間、乃至放電回路中串聯(lián)的限流電阻都會產(chǎn)生大量的焦耳熱，放電空間溫度的升高導(dǎo)致放電的不穩(wěn)定性，直接影響著物質(zhì)成份分析的準確度和精度；另一方面，在氣體對流與擴散的影響下，僅有一小部分的示蹤離子被分析儀器收集到，大部分的示蹤離子逃逸到周圍的環(huán)境空氣而復(fù)合掉，致使離子的傳輸效率低下，降低了分析儀器的靈敏度。上述原因存在，更使得在ppt量級的物質(zhì)成份檢測中，可靠性和重復(fù)性也受到了很大的限制。

申請人曾在研究介質(zhì)阻擋放電技術(shù)方面提出過一種大氣壓磁場增強型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置(中國專利ZL201310488730.6)。該方案中利用電磁感應(yīng)原理，在窄縫腔體較寬外表面的兩側(cè)設(shè)置另一對互相平行正對的永久磁體，磁場覆蓋主放電和介質(zhì)阻擋放電區(qū)域，使得等離子體在氣流牽引力和磁場洛倫茲力的共同作用下從出氣端口噴出，形成更大體積的刷狀等離子體射流。

不過該大氣壓磁場增強型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置的應(yīng)用場合和主要原理與本申請有很大的差別。大氣壓磁場增強型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，力求產(chǎn)生更大體積的等離子體射流，主要運用于物質(zhì)表面處理和清洗、等離子體殺菌，以及等離子體凈化等領(lǐng)域。其工作原理是電子在磁場B中受到洛倫茲力的作用，其路徑由未加磁場時的直線變成曲線，增加了電子在放電空間的行程和電離效率，使得電子能夠與更多的氣體分子再次碰撞電離或激發(fā)產(chǎn)生更多的電子和活性物種；因電流的整體方向是由陽極指向陰極，故而洛倫茲力的方向與氣流方向一致，能夠加速電荷沿氣流方向移動，形成活性物種更多、體積更大的等離子體射流。

而本申請屬于直流輝光放電的微型等離子體源，放電空間特征尺寸不大于1mm，主要應(yīng)用于化學(xué)成份檢測和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。本領(lǐng)域技術(shù)人員通常的研究方向是增加放電空間的電離效率和提高射流空間的離子傳輸效率。

對于前述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，該大氣壓磁場增強型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置(中國專利ZL201310488730.6)的研究方向不同，也未能解決問題。雖然，因外加一對互相平行正對的永久磁體后，該大氣壓磁場增強型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置在其放電空間電離效率有所提高，但若將其直接應(yīng)用于化學(xué)成份檢測和環(huán)境監(jiān)測，因其過大的等離子體射流體積，等離子體射流中的離子僅有極小部分在氣流的作用下，能夠被收集到分析儀器入口，進行成份定性或定量分析，導(dǎo)致分析儀器無信號輸出。這是緣于較大體積的等離子體射流使得射流中的離子能夠充分地與周圍環(huán)境空氣接觸發(fā)生復(fù)合反應(yīng)；其次，分析儀器的入口特征尺寸通常為1－3個毫米，離子收集的立體角很小，大量的離子因氣體對流和擴散的作用，將被周圍環(huán)境空氣中的電荷復(fù)合掉。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提出一種大氣壓磁增強與磁約束直流輝光放電離子源，對背景技術(shù)中大氣壓直流輝光放電離子源的技術(shù)方案進行改進，更大程度地提高了該類型離子源的電離效率、離子傳輸效率，以及工作的穩(wěn)定性。

為實現(xiàn)以上實用新型目的，本實用新型提供如下技術(shù)方案：

大氣壓磁增強與磁約束直流輝光放電離子源，包括具有進氣端口、出氣端口的腔體和一對直流放電電極，腔體的腔壁為絕緣材料；直流放電電極的放電端更接近出氣端口；腔體內(nèi)直流放電區(qū)域的橫截面積不大于1mm²；在腔體軸向外圍且更接近出氣端口、避開直流放電電極設(shè)置有一對隔著腔體平行相對的長方體永久磁體，磁場B1覆蓋直流放電區(qū)域，磁場B1方向與直流放電區(qū)域的電流J(直流放電電場E)垂直，且J×B1(洛倫茲力)沿氣體流動方向；沿腔體軸向同軸依次設(shè)置有兩個同規(guī)格的環(huán)形永久磁體，其中一個環(huán)形永久磁體套在腔體外圍并位于直流放電區(qū)域的進氣側(cè)，另一個環(huán)形永久磁體位于出氣端口下游，兩個環(huán)形永久磁體之間間距與環(huán)形永久磁體自身的半徑相等，使得兩個環(huán)形永久磁體形成勻強磁場B2覆蓋直流放電區(qū)域以及出氣端口下游的等離子體射流區(qū)域，勻強磁場B2方向與腔體以及環(huán)形永久磁體的軸向一致。

在以上方案的基礎(chǔ)上，本實用新型還進一步作了如下優(yōu)化：

上述腔體內(nèi)部為長方體結(jié)構(gòu)，長寬均不大于1mm。當然，除了長方體結(jié)構(gòu)外，也可以是楔形結(jié)構(gòu)、柱形結(jié)構(gòu)等。

上述絕緣材料優(yōu)選聚四氟乙烯、絕緣陶瓷或兩者的混合材料。

上述長方體永久磁體與腔體外壁的距離不大于10mm，磁場B1為1000～20000高斯。

上述環(huán)形永久磁體內(nèi)徑為20～30mm，外徑為40～50mm，高為5～10mm；勻強磁場B2不大于200高斯。

上述直流放電電極的回路上通常還串聯(lián)有限流電阻。

上述直流放電電極可采用銅、鋁、鎢、鎳、鉭、鉑或其合金制成的電極，兩個直流放電電極相互正對的放電端面可以是平面，也可以是針尖狀。

沿上述腔體軸向在所述另一個環(huán)形永久磁體的后級還同軸設(shè)置有環(huán)形結(jié)構(gòu)的偏壓電極，用以形成盡可能平行于等離子體射流傳播方向的電場。

等離子體維持氣體流速為1～20L/min；以1～5L/min更佳。

本實用新型的技術(shù)效果如下：

特定設(shè)置的一對環(huán)形永久磁體使得直流放電所產(chǎn)生的等離子體射流處于平行于氣流方向的勻強磁場B2，同時，在直流放電區(qū)域另設(shè)一對永久磁體以增強直流放電空間的電離效率；具有垂直于磁場B2速度分量的離子，受到洛倫茲力的作用，約束在磁力線B2周圍，沿軸向做螺旋運動。離子在螺旋運動過程中，與中性物種發(fā)生碰撞，導(dǎo)致能量損失，使得螺旋運動的約束半徑逐漸變小，避免離子遠離中心軸逃逸到環(huán)境空氣中去，而最終被收集到分析儀器入口。磁場對帶電粒子的約束作用使得出氣端口與分析儀器入口之間離子的傳輸效率得以提高。工作時，放電產(chǎn)生的等離子體含有大量的活性物種。此活性物種與大氣中的H₂O、O₂、N₂、發(fā)生一系列的反應(yīng)生成活性中間體，這些中間體隨后將能量傳遞給待測物，使樣品分子離子化。

在相同工作電流情況下，直流放電電離效率更高，等離子體活性物種(帶電粒子、自由基，以及亞穩(wěn)態(tài)原子和分子)濃度更大。

在相同工作電流情況下，對于同質(zhì)同量的工作物質(zhì)(等離子體維持氣體和檢測樣品)，離子傳輸效率更高。

附圖說明

圖1為未配置永久磁體時的放電腔體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為配置長方體永久磁體時的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為配置長方體永久磁體與環(huán)形永久磁體時的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實用新型裝置工作原理示意圖。

圖5為僅配置長方體永久磁體的方案與傳統(tǒng)方案(未配置永久磁體)的等離子體射流發(fā)射光譜圖。

圖6為僅配置環(huán)形永久磁體的方案與傳統(tǒng)方案(未配置永久磁體)的阿司匹林溶液離子質(zhì)譜圖。

圖7為圖4所示本實用新型方案與傳統(tǒng)方案(未配置永久磁體)的阿司匹林溶液離子質(zhì)譜圖。

附圖標號說明：

12-腔體；14-進氣端口；16-出氣端口；20、22-電極；24-等離子體射流；28-限流電阻；30-第一電源設(shè)備；40-第二電源設(shè)備；42、44-長方體永久磁體；50、52-環(huán)形永久磁體；60-偏壓電極；62-分析儀器入口。

具體實施方式

本領(lǐng)域技術(shù)人員為使與電離源相接的分析儀器獲得較強的檢測信號，通常是通過調(diào)節(jié)外加直流電壓增加放電電流或調(diào)節(jié)流量控制器增大等離子體維持氣體流量來實現(xiàn)。然而，放電電流的增大會導(dǎo)致直流放電空間焦耳熱的增加，以及等離子體氣體溫度的升高，從而引起放電的不穩(wěn)定性，降低了物質(zhì)成份分析的準確度和精度。而等離子體維持氣體流量的增大直接導(dǎo)致離子源運行成本的增加。

本實用新型利用磁場對運動帶電粒子的作用原理，電子在磁場B1中受到洛倫茲力的作用，其路徑由未加磁場時的直線變成曲線，增加電子在放電空間的行程和電離效率；同時外加環(huán)形磁體，具有垂直于磁場B2速度分量的離子，受到洛倫茲力的作用，約束在磁力線B2周圍，沿軸向做螺旋運動。離子在螺旋運動過程中，與中性物種發(fā)生碰撞，導(dǎo)致能量損失，使得螺旋運動的約束半徑逐漸變小，避免離子遠離中心軸逃逸到環(huán)境空氣中去，而最終被收集到分析儀器入口。磁場對帶電粒子的約束作用使得出氣端口與分析儀器入口之間離子的傳輸效率得以提高。

因電離效率的增加而導(dǎo)致等離子體射流活性物種的增多，以及離子傳輸效率的提高，使得離子源在較小的工作電流和等離子體維持氣體流量條件下，分析儀器能夠獲得更強的檢測信號，既確保了放電的穩(wěn)定性，又降低了離子源的運行成本。

如圖1、圖2、圖3，及圖4所示，本實用新型裝置結(jié)構(gòu)與工作原理上的改進主要體現(xiàn)如下。

在直流放電腔體兩側(cè)設(shè)置一對互相平行且正對的永久磁體。永久磁體通常為長方體，磁場覆蓋直流放電區(qū)域，其方向與電場E或電流J垂直，J×B1沿氣體流動方向；永久磁體與窄縫腔體外壁的距離不大于10mm，磁場為1000～20000高斯。

沿出氣端口所在平面法線方向設(shè)置一對環(huán)形永久磁體。磁場覆蓋直流放電區(qū)域，以及出氣端口下游的等離子體射流區(qū)域。磁場B2沿環(huán)形磁體的軸向，且與出氣端口所在平面的法線方向一致，不大于200高斯。

工作時，讓工作物質(zhì)(等離子體維持氣體和檢測樣品)從進氣端口流入腔室，在靠近出氣端口直流放電電極處外加一定的電壓使之擊穿電離，形成含有大量電子和正負離子的等離子體氣流。外加方形磁體之后，在放電空間電子因受洛倫茲力的作用而增加電離效率；在出氣端口下游，等離子體在氣流牽引力和洛倫茲力的共同作用下從出氣端口噴出，等離子體射流中活性物種濃度更大。外加環(huán)形磁體后，等離子體射流中更多的帶電粒子在磁場的約束下，以約束半徑逐漸衰減的螺旋運動而流入分析儀器中，實現(xiàn)樣品成份定性或定量分析。

下面進一步詳述本實用新型的結(jié)構(gòu)和工作過程。

大氣壓磁增強與磁約束直流輝光放電離子源包括腔體12，腔體12有兩個端口，一個進氣端口14和另一個出氣端口16。工作物質(zhì)(等離子體維持氣體和檢測樣品)從進氣端口14流入腔體12內(nèi)部。

直流輝光放電離子源還包括兩個電極，一個電極20和另一個電極22。電極20和電極22均在腔體12的內(nèi)部，相互正對著，并靠近出氣端口16。

在無電極設(shè)置的腔體外側(cè)兩邊，直流輝光放電離子源還包括一對互相平行，且正對的長方體永久磁體42、44。

直流輝光放電離子源還包括一對同軸的相同規(guī)格環(huán)形永久磁體50、52。環(huán)形永久磁體50、52之間的間距為磁體自身的半徑大小，環(huán)形永久磁體50、52的軸線與腔體12的軸線(出氣端口16所在平面的法線)重合。

圖4為本實用新型大氣壓磁增強與磁約束直流輝光放電離子源的工作示意圖。直流輝光放電離子源包括限流電阻28和第一電源設(shè)備30，第一電源設(shè)備30為靠近出氣端口16處的電極20和電極22提供放電電壓，形成放電回路。直流輝光放電離子源還包括偏壓電極60和第二電源設(shè)備40，第二電源設(shè)備40為偏壓電極60提供偏置電壓。

工作時，工作物質(zhì)持續(xù)地從進氣端口14流入腔體12，當流經(jīng)電極20與電極22所對的放電區(qū)域，在電極20、22兩端加上足夠高電壓，氣體將被擊穿，在腔室內(nèi)部形成含有大量電子和正負離子的等離子體氣流。長方體永久磁體42、44的磁力線穿過電極20和電極22所對應(yīng)的放電區(qū)域，等離子體在氣流牽引力和磁場洛倫茲力的共同作用下從出氣端口16噴出，形成等離子體射流24。偏壓電極60外加一定的偏置電壓，在等離子體射流區(qū)域形成近似平行于射流傳播方向的電場，用來提取等離子體射流24中的示蹤離子，提取的示蹤離子在氣流、電場、磁場的共同作用下，流進分析儀器入口62。分析儀器通過對示蹤離子的監(jiān)測來對樣品組份進行定性或定量分析。

為了更明確地驗證本實用新型的技術(shù)效果，申請人在僅外加長方體永久磁體，僅外加環(huán)形永久磁體，以及同時外加方形和環(huán)形永久磁體等三種情況下分別進行了實驗。

當外加長方體永久磁體時，在腔體內(nèi)側(cè)，靠著出氣端口16，兩電極正對的放電空間，垂直于電場方向產(chǎn)生磁場B1＝3200Gs的勻強磁場。工作氣體為He，流速為1.0L/min，通過兩電極的放電電流為11mA。電子在放電空間受到洛倫茲力的作用，電離效率得以提高；在出氣端口下游，等離子體在氣流牽引力和洛倫茲力的共同作用下從出氣端口噴出，形成體積更大和活性物種濃度更高的等離子體射流。采用發(fā)射光譜分析的方法，分別對加磁場和不加磁場時等離子體射流的輻射光譜強度進行了探測。如圖5所示，He直流放電，產(chǎn)生了OH自由基、激發(fā)態(tài)N₂、激發(fā)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)He等諸多活性物種。對比外加方形磁體前后，發(fā)現(xiàn)活性物種發(fā)射光譜強度增加3－4倍。光譜強度的增加說明直流放電空間電離效率的提高以及等離子體射流活性物種濃度的增大。等離子體射流活性物種濃度的增大將有助于后續(xù)物質(zhì)痕量分析中，檢測信號強度的增加。

當外加環(huán)形磁體時，在等離子體射流區(qū)域，產(chǎn)生平行于氣流方向的磁場B2＝45Gs。工作氣體為He氣，流速1.0L/min，通過兩電極的放電電流為11mA。采用注射泵注入的方式，在進入腔體12之前，將14.6ppb的阿司匹林溶液注入He氣流。在放電空間和等離子體射流處，存在的活性物種與阿司匹林溶液以及大氣中的水蒸氣發(fā)生一系列的復(fù)雜反應(yīng)生成相應(yīng)的離子。該類離子在磁場的約束下，以約束半徑逐漸衰減的螺旋運動流入分析儀器中，實現(xiàn)樣品成份分析。圖6顯示了在加磁場和不加磁場時的離子質(zhì)譜圖，比較發(fā)現(xiàn)在加環(huán)形磁體后，諸多離子的質(zhì)譜強度有明顯增加，變?yōu)樵瓉淼?－5倍。質(zhì)譜強度的增加表明離子在磁場約束下運動能夠提高離子的傳輸效率。

當同時外加方形磁體和環(huán)形磁體時，在直流放電空間，產(chǎn)生垂直于電場方向，磁場強度為3200Gs的勻強磁場，并在等離子體射流區(qū)域產(chǎn)生平行于氣流方向，磁場強度為45Gs的勻強磁場。工作氣體為He氣，流速1.0L/min，通過兩電極的放電電流為11mA。采用注射泵注入的方式，在進入腔體12之前，將14.6ppb的阿司匹林溶液注入He氣流。直流放電空間的電離效率和等離子體射流區(qū)域的離子傳輸效率同時得以提高。在放電空間和出氣端口16出，由于電子受到洛倫茲力的作用，形成體積更大和活性物種濃度更高的等離子體射流。在放電空間和等離子體射流處，存在的活性物種與阿司匹林溶液以及大氣中的水蒸氣發(fā)生一系列的復(fù)雜反應(yīng)生成相應(yīng)的離子。該類離子在磁場的約束下，以約束半徑逐漸衰減的螺旋運動流入分析儀器中，實現(xiàn)樣品成份分析。圖7顯示了在加兩種磁場和不加兩種磁場時的離子質(zhì)譜圖，比較發(fā)現(xiàn)在加磁場后，諸多離子質(zhì)譜強度的增加較圖6的情況更為明顯，變?yōu)樵瓉淼?0－15倍。質(zhì)譜強度的顯著增加，說明外加方形磁體和外加環(huán)形磁體，分別提升了直流放電空間的電離效率和等離子體射流區(qū)域的離子傳輸效率。