[發明專利]大氣顆粒物雙極性荷電裝置

有效

• 申請號: 201310573629.0
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN103623925A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發明（設計）人: 王杰;張礁石;余同柱;桂華僑;程寅;王煥欽;劉建國;陸亦懷;范煜;羅喜勝
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: B03C3/04
• 分類號: B03C3/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

技術領域

本發明涉及一種能夠實現大氣顆粒物寬粒徑范圍內雙極性高效荷電的方法及裝置，屬于大氣氣溶膠監測技術領域。

背景技術

近年來，大氣污染日益嚴重，灰霾事件頻發，且臭氧和大氣細顆粒物濃度不斷升高為其主要特征。由于濃度最高的納米級細顆粒物在質量濃度中所占比例幾乎可以忽略，因此僅僅對顆粒物質量濃度進行監測已經不能滿足空氣質量預報、污染控制及科學研究的實際需求，加強顆粒物粒徑和濃度測量具有重要現實意義。長期以來，光學方法因其原位、在線、快速、無接觸的測量優勢常用于人類生產生活直接排放到大氣中的一次顆粒物粒徑及濃度測量，而對于由大氣中污染氣體通過光化學反應轉化而來的、粒徑更小、濃度更高、對生態系統影響更大的二次顆粒物，通常需要借助電學與光學相結合的方法進行粒徑分級和測量。自然環境下的細顆粒物荷電狀態通常是未知的，需要借助外加輔助方法實現顆粒物的重新荷電并達到已知的荷電狀態（波爾茲曼電荷平衡分布），此類裝置常被稱為電荷中和源。

長期以來，放射性物質作為一種穩定的電離源被應用于實現顆粒物的穩定高效荷電。出于安全性的考慮，此類電荷中和源在國內使用受到嚴格的管理和控制。專利200910117124.7提出了一種單極性氣溶膠靜電中和器，利用高壓電離產生單極性荷電區，由于單極性離子濃度較高，因此該類中和源主要面向實驗室研究，用于納米級超細顆粒物的荷電及測量。對于近微米級的大顆粒物，往往因為荷電量過高而導致電極吸附損失。200710059569.5中設計了一種雙極性氣溶膠靜電中和器，該中和器包括靜電中和箱體、高壓電源輸出裝置、兩個高壓電極，在靜電中和箱體上設置有進氣口、出氣口和混合空氣口，進氣口、出氣口的位置相對，兩個高壓電極為集束針狀電極，分別固定在箱體兩側，箱體內部固定有柱狀接地板，所述高壓電源輸出裝置的輸出接到兩個高壓電極。高壓電源輸出裝置用于輸出0～±10KV的可調節電壓。該電荷中和源需要潔凈氣流作為電荷載氣，這很難滿足多種外場觀測條件下的顆粒物荷電需求。同時，由于正負電極相對，需要較大的載氣流速才能有效降低自由電荷的吸附損失。由于未設置任何粒徑切割裝置，環境空氣中大粒徑顆粒物的進入將獲取大量的自由電荷從而降低小顆粒物的荷電效率。本發明旨在獲取一種能夠實現復雜條件下大氣顆粒物納米級至微米級寬粒徑范圍內的高效荷電方法和裝置。

發明內容

本發明的目的是：克服現有技術的不足，提供一種大氣顆粒物穩定高效的荷電方法和裝置，使其能夠用于基于顆粒物電遷移特性的粒徑譜快速分級測量；且結構簡單，后期維護方便，能夠實現復雜條件下大氣顆粒物納米級至微米級寬粒徑范圍內顆粒物的高效荷電。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：大氣顆粒物雙極性荷電裝置，利用撞擊式粒子切割方法，實現環境大氣顆粒物的粒徑初級切割，去除大顆粒物對自由電荷的過量吸附及對荷電腔體的污染；利用強交變電場實現場致電離獲取足量雙極性自由電荷，實現從納米級至微米級顆粒物的高效荷電。

本發明的大氣顆粒物雙極性荷電裝置包括：撞擊式粒子切割器1、顆粒物荷電腔2、高壓電離腔3和交頻高壓電源4；所述的撞擊式粒子切割器1外部均為圓柱體結構，內部為圓柱形中空結構，由樣氣進氣管5、切割器蓋6、切割器壁7、慣性撞擊臺8組成；所述的切割器蓋6與樣氣進氣管5為一體化設計，樣氣進氣管5端部有擋沿，且通過螺紋與切割器壁7連接，連接處有O形密封圈；慣性撞擊臺8與切割器壁7為一體化設計，且慣性撞擊臺8與切割器蓋6、樣氣進氣管5共軸安裝；所述顆粒物荷電腔2外部為長方體結構，內部空間為圓柱形中空結構，由荷電腔壁9、樣氣出氣口10組成；荷電腔壁9前部與慣性撞擊臺8內部貫通連接，后部與樣氣出氣口10貫通連接；高壓電離腔3外部為圓柱形結構，內部為圓柱形中空結構，由高壓放電電極11、高壓電極固定基座12和荷電腔壁13組成；高壓放電電極11固定在高壓電極固定基座12上，且與交頻高壓電源4相連接；所述高壓放電電極11、固定基座12、荷電腔壁13密閉同軸安裝，固定基座12與荷電腔壁13后期可拆分。

所述樣氣進氣管5外端為圓柱形，用于連接外界采樣管；另一端為小孔加速噴口設計，用以實現樣氣中顆粒物的瞬間加速。

所述的慣性撞擊臺8上部為經過粗糙化處理的金屬薄層，下層為中空圓柱形結構，且圓柱面上開有矩形狹縫，實現慣性切割器腔體與撞擊臺內部空間的聯通。

所述高壓放電電極11為鎢針，連接固定基座12一端為圓柱形結構，另一端為針形結構，且針尖位置與荷電腔壁9內表面相切。

所述的固定基座12為絕緣聚四氟乙烯材質，內部為中空圓柱形結構，用以安裝高壓放電電極11。