[發明專利]大氣壓磁增強與磁約束直流輝光放電離子源

有效

• 申請號: 201611198585.8
• 申請日: 2016-12-22
• 公開（公告）號: CN106601584B
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發明（設計）人: 湯潔;段憶翔;趙衛;王屹山;李靜;張同意;王靜
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: H01J49/10
• 分類號: H01J49/10;H01J49/20
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司61211
• 代理人: 胡樂

技術領域

本發明涉及一種大氣壓氣體放電離子源發生裝置。

背景技術

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。是化學成份檢測儀、環境監測儀等設備的關鍵部件。大氣壓氣體放電離子源，因其不受真空環境的限制，不采用化學溶劑，對環境污染小，操作簡單，適用性強等特點而受到國內外研究者的廣泛關注。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、發生一系列的反應生成活性中間體，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；相對于介質阻擋放電、空心陰極放電與微波放電，具有簡單的電極結構或較低的電源配置要求。

現有大氣壓直流輝光放電離子源，在應用于物質痕量分析時，能夠精確到ppb量級，比較準確的反應物質的組成或狀態。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的限流電阻都會產生大量的焦耳熱，放電空間溫度的升高導致放電的不穩定性，直接影響著物質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境空氣而復合掉，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量級的物質成份檢測中，可靠性和重復性也受到了很大的限制。

申請人曾在研究介質阻擋放電技術方面提出過一種大氣壓磁場增強型低溫等離子體電刷發生裝置(中國專利ZL201310488730.6)。該方案中利用電磁感應原理，在窄縫腔體較寬外表面的兩側設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阻擋放電區域，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生裝置的應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生裝置，力求產生更大體積的等離子體射流，主要運用于物質表面處理和清洗、等離子體殺菌，以及等離子體凈化等領域。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產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，主要應用于化學成份檢測和環境監測等領域。本領域技術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。

對于前述現有技術存在的問題，該大氣壓磁場增強型低溫等離子體電刷發生裝置(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生裝置在其放電空間電離效率有所提高，但若將其直接應用于化學成份檢測和環境監測，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境空氣接觸發生復合反應；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，將被周圍環境空氣中的電荷復合掉。

發明內容

本發明提出一種大氣壓磁增強與磁約束直流輝光放電離子源，對背景技術中大氣壓直流輝光放電離子源的技術方案進行改進，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，以及工作的穩定性。

為實現以上發明目的，本發明提供如下技術方案：