电晕放电型电离源组件和离子迁移谱仪的制作方法

1.本公开的实施例一般地涉及检测领域，尤其涉及电晕放电式电离源组件和包括该电离源组件的离子迁移谱仪。


背景技术：

2.基于离子迁移技术(ims)的分析仪器，具有灵敏度高，快速响应等优点，可广泛应用于化学战剂及工业有毒有害气体检测，毒品、爆炸物检测，集装箱熏蒸剂检测，海关走私查验，动、植、食检验检疫，化学园区气体泄漏监测以及消防勘验等场合。传统的离子迁移产品大多采用放射源产生反应离子，但放射源危险性高，会对人的健康构成潜在的威胁。电晕放电电离源可替代放射源电离目标分子，生成产物离子，而且其具有离子产量高、无放射性和适用性强等优势。
3.电晕放电源的常见缺点是损耗快、寿命短，要经常更换部件，增加了仪器设计的难度。常规的电晕放电电离源所需功率大，需要定期清洁，清洁过程复杂。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的上述和其它问题和缺陷中的至少一种，提出了本公开。
5.根据本公开的一个方面，提出了一种电晕放电型电离源组件，其限定有电离区域并包括：
6.第一电极；
7.与第一电极相对地定位的第二电极，第一电极和第二电极被构造和布置成在被施加电压时在其间产生电晕场，以电离进入所述电离区域中的样品分子而产生产物离子；
8.用于向第一电极供电的第一导电构件；和
9.用于向第二电极供电的第二导电构件，第一导电构件和第二导电构件中的至少一个设置有排气通道，该排气通道延伸到靠近所述第一电极或第二电极的位置并通向所述电离区域，使得在电离样品分子期间产生的电晕废气至少部分地通过所述排气通道从所述电离区域排出到外部环境中。
10.在一些实施例中，电晕放电型电离源组件还包括绝缘本体，该绝缘本体的内部限定有腔，所述第一电极和第二电极安装在所述腔内，使得所述电离区域被限定在所述腔内，该腔具有与所述电离区域连通并通向外部的开口。
11.在一些实施例中，所述绝缘本体具有限定所述电离源组件的外轮廓的大致柱状结构，所述腔靠近该柱状结构的一端形成，该柱状结构被构造成使得该端适于插入离子迁移管内，以将所述腔以及安装在所述腔中的第一电极和第二电极定位在离子迁移管中。
12.在一些实施例中，所述第一电极包括针状电极，所述第二电极限定有与所述电离区域和所述电离源组件的外部连通的喇叭状开口，该开口的扩口端朝向所述电离源组件之外，该开口的缩口端靠近所述尖端定位，以在被施加电压时在该缩口端和所述尖端之间产生电晕放电。
13.在一些实施例中，所述针状电极可拆卸地安装在所述腔内，并能够沿其轴线方向移动以调整所述尖端至所述第二电极之间的距离。
14.在一些实施例中，所述第二电极包括成大致“八”形布置的两个放电板，每个放电板相对于所述针状电极的轴线方向倾斜地定位，使得该放电板的一端以远离另一个放电板的方式固定至所述绝缘本体，另一端以靠近另一个放电板的方式指向所述针状电极的尖端。
15.在一些实施例中，第一导电构件包括定位在所述腔内的第一端部和定位在所述绝缘本体之外的第二端部，所述排气通道包括在所述第一导电构件内从所述第二端部延伸至所述第一端部的气体通道，所述针状电极插入穿过所述第一导电构件的第一端部，使得该针状电极的尖端在所述电离区域中露出。
16.在一些实施例中，所述第一导电构件插入穿过所述绝缘本体以电连接至位于所述腔内的第一电极；和/或所述第二导电构件插入穿过所述绝缘本体以电连接至位于所述腔内的第二电极。
17.在一些实施例中，电晕放电型电离源组件还包括作为聚焦电极的第三电极，第三电极与所述第二电极相对地定位在所述腔内，以在被施加电压时与所述第一电极和第二电极中的至少一个配合以聚焦电离样品分子所产生的产物离子。
18.在一些实施例中，所述第三电极与所述第一导电构件电连接。
19.根据本公开的另一方面，还提供了一种检测设备，其包括如在本公开中的任一实施例中描述的电晕放电型电离源组件。
20.在一些实施例中，该检测设备包括离子迁移谱仪，该离子迁移谱仪包括离子迁移管、漂移电极和探测器，该离子迁移管内限定有电离区段和离子迁移区，其中所述电晕放电型电离源组件靠近离子迁移管的第一端至少部分地定位在所述电离区段中，以电离进入离子迁移管中的样品分子而产生产物离子，所述漂移电极设置在所述离子迁移区内，并被配置成产生用于促使所述产物离子迁移通过所述离子迁移区而向探测器移动的电场牵引力，所述探测器靠近离子迁移管的相反的第二端设置在离子迁移管内，以接收迁移通过所述离子迁移区的产物离子而产生电信号。
21.在一些实施例中，所述电晕放电型电离源组件被定位成允许在电离样品分子期间产生的电晕废气至少部分地通过所述排气通道从所述电离区域排出到离子迁移管之外。
22.在一些实施例中，离子迁移管设置有安装孔，所述电晕放电型电离源组件部分地插入穿过所述该安装孔以定位在所述电离区段中。
23.在一些实施例中，检测设备还包括载气输入装置，携带样品的载气经由该载气输入装置进入离子迁移管内，并且所述电晕放电型电离源组件布置成允许携带样品的载气从所述电晕放电型电离源组件的背离所述载气输入装置的一侧进入所述电离区域。
24.在一些实施例中，检测设备还包括电源电路，该电源电路用于向所述第一电极和第二电极供给电压，以在所述第一电极和第二电极产生用于电晕放电的电压差。
25.在一些实施例中，所述电压差在500伏特至10000伏特的范围内。
26.在一些实施例中，电源电路包括：电压源；第一输出端，用于将来自电压源的第一电压输出至第一导电构件；第二输出端，用于将来自电压源的第二电压输出至第二导电构件；以及位于电压源与第一输出端或第二输出端之间的滤波子电路。
27.在一些实施例中，电源电路还包括电压感测子电路，用于感测第一输出端和/或第二输出端处的电压。
28.通过下文中参照附图对本公开所作的详细描述，本公开的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本公开有全面的理解。
附图说明
29.通过参考附图能够更加清楚地理解本公开的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本公开进行任何限制，在附图中：
30.图1为示出根据本公开的一个示例性实施例的检测设备的布置的示意图；
31.图2a为示出根据本公开的一个示例性实施例的电晕放电型电离源组件的布置的示意图；
32.图2b为示出根据本公开的一个示例性实施例的电晕放电型电离源组件的绝缘本体的结构的示意图；
33.图2c为示出根据本公开的一个示例性实施例的电晕放电型电离源组件的电极的布置的示意图；
34.图3a为示出根据本公开的一个示例性实施例的电晕放电型电离源组件的前视图；
35.图3b为示出根据本公开的一个示例性实施例的电晕放电型电离源组件的侧视图；以及
36.图4为示出根据本公开的一个示例性实施例的检测设备的电源电路的布置的示意图。
具体实施方式
37.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
38.另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开内容的实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
39.图1图示了根据本公开的示例性实施例的检测设备的布置，其中安装有根据本公开实施例的电晕放电型电离源组件100。根据本公开的实施例的检测设备可以包括利用电离源电离和分析物质的任何仪器，如离子迁移谱仪(ims)、质谱仪、多毛细管色谱柱和离子迁移联用(mcc-ims)设备等，例如，可以是移动式分析仪器。在下文中，将以离子迁移谱仪为例进行描述。
40.如图1所示，离子迁移谱仪包括离子迁移管11，其例如包括由具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等特性的材料(如陶瓷)形成的壳体，在离子迁移管内限定有电离区段i和离子迁移区m。离子迁移谱仪还包括电晕放电型电离源组件100，其靠近离子迁移管11的第一端(图中右端)至少部分地定位在电离区段i中，以电离进入离子迁移管11中的样品分子而产生产物离子。产物离子以受控的方式移动通过离子迁移区而到达设置在离子迁移管11
的相反的第二端(图中左端)的探测器16，探测器16接收产物离子而产生电信号，其可以表征样品的特性，如迁移率、种类、浓度等。作为示例，探测器可以包括法拉第盘。外部的数据采集和处理装置(未示出)与探测器电连接，以接收该电信号，离子迁移谱仪可以利用该电信号实现对样品的分析和检测。
41.为了实现产物离子的迁移，离子迁移谱仪还包括设置在离子迁移区m中的漂移电极15，其产生电场，以提供用于促使产物离子迁移通过离子迁移区m而向探测器移动的牵引力。示例性地，漂移电极16可以包括等间距排列的同轴圆环。此外，离子迁移谱仪还可以包括设置在电离区段i和离子迁移区m之间的离子门13，在离子门上施加的电压形成周期性变化的正向或反向电场，该正向或反向电场形成离子门的“开”或“闭”状态，使得离子门形成离子阱，从而能够以可控方式，例如脉冲方式，允许或禁止在电离区段i中的产物离子通过该离子门进入离子迁移区m。
42.如图1所示，离子迁移谱仪还可以包括载气输入装置1102、迁移气输入装置1103和排气装置1104，示例性地，这些装置可以包括导管或端口形式。载气输入装置1102可以在离子迁移管11的第一端处引导携带有样品的进样载气进入离子迁移管11，进样载气流入电离源组件100中，使得其中携带的样品进入电离源组件100的电离区域。在一些示例中，进样载气在沿第一方向(图1中从右至左方向)进入离子迁移管11后，绕过电离源组件100(如图1中电离源组件100两侧的弯曲箭头所示)而流动至电离源组件100背向载气输入装置1102的一侧，从该侧经由开口(如下文将描述)进入电离源组件100中，即进样载气不是从电离源组件100正面沿第一方向直接进入电离源组件100，从而可以避免进样载气对电离源组件100中已经形成的产物离子形成直接冲击或避免造成离子产生过程的不稳定性。迁移气输入装置1103可以在离子迁移管11的第二端处将迁移气引入离子迁移管11，迁移气在离子迁移管11内沿与第一方向大致相反的第二方向(图1中从左至右方向)流动，以吹扫离子迁移管内除产物离子之外的物质或废气远离探测器，被吹扫的物质或废气在迁移气流的作用下从排气装置1104排出。
43.在本公开的实施例中，电离源组件100在电离样品分子时产生的电晕气(其包含电离过程中产生的氮化物、氧化物等多种物质)可以经由电离源组件自身设置的排气通道排放到外面，如图1所示，下文将对此进行详细描述。由此，可以实现电离源组件的自清洁作用，减少或消除电晕气中包含的这些物质在放电电极上的聚集，提高电极的使用寿命和电离性能，进而可以避免由于物质在电极上的聚集而导致需要升高起晕电压的问题，可以实现低压电离源的设计。示例性地，在本公开的实施例中，第一电极和第二电极之间进行电晕放电的电压差可以在500伏特至10000伏特的范围内，其低压差值明显低于常规电离源的起晕电压。
44.图2a至图3b示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的电晕放电型电离源组件100的结构。如图所示，电离源组件100包括相对地定位的第一电极120和第二电极130，并且在电离源组件100的内部，例如至少在第一电极120和第二电极130之间，限定有电离区域101，第一电极120和第二电极130在被施加合适的电压或二者之间存在合适的电压差时在其间可以产生用于电晕放电的电场(也称为电晕场)，用于电离进入电离区域101中的样品分子而产生产物离子。电离区域101通向例如离子迁移管内部，使得所产生的产物离子能够进入离子迁移管内部。此外，电离源组件100还包括第一导电构件140和第二导电构件150，
第一导电构件140与第一电极120电连接，以例如通过供电端子104接收来自电源电路的第一电压并将其供给至第一电极120；第二导电构件150与第二电极130电连接，以将来自电源电路的第二电压供给至第二电极130，由此在这两个电极之间产生用于电离样品分子的电场。
45.说明性地，电晕电离源组件可满足正负两种电离源的性能要求：在用于正模式时，对第一电极和第二电极均施加正电压，并使第二电极的电压高于第一电极的电压；在用于负模式时，对第一电极和第二电极均均施加负电压，并使第一电极的电压高于第二电极的电压。
46.在电离样品分子的过程中会产生电晕气，其中包含诸如氮化物、氧化物等多种物质，这些物质如果不及时排出，会沉积或聚集在电极上，如果不及时清洁这些物质，这会降低电极的使用寿命，并且需要在电极上施加增加的电压才能起晕。在本公开的实施例中，无需额外地设置单独的排气装置，而是在向电极供电的导电构件中设置排气通道，该排气通道延伸到靠近电极的位置并通向电离区域，使得在电离样品分子期间产生的电晕废气至少部分地通过排气通道从电离区域排出到外部环境中。由于这种排气通道设置在靠近并连接电极的导电构件中，因此由于电极放电电离而产生的电晕气易于通过该排气通道直接地、稳定地排出，电离所产生的氮化物或氧化物等物质不会或很少在电离区域中富集而粘附在电极上。
47.在示例性实施例中，电离源组件可以被构造为单独的部件，以用于可拆卸地或可更换地安装至检测设备，如至少部分地安装在离子迁移管中。作为示例，如图2a-2b和图3a-3b所示，电离源组件100还包括绝缘本体110，绝缘本体110的内部限定有腔111，第一电极120和第二电极130安装在腔111内，从而形成一个整体部件。相应地，电离区域101被限定在腔111内，腔111具有与电离区域101连通并通向电离源组件的外部(如通向离子迁移管内部)的开口1111，从而进入离子迁移管内并携带有样品的进样载气可以通过该开口1111进入电离源组件100的电离区域101中，而在电离源组件100内电离样品所产生的产物离子在电场的作用下可以通过开口1111离开电离源组件，例如进入离子迁移管的内部空间，如被离子门捕获或移动通过离子迁移区而到底探测器。作为示例，绝缘本体可以由具有耐高温、自润滑、易加工、高机械强度、在高温状态下放气率低等优异性能的工程塑料(如peek)制成。
48.在图示的实施例中，绝缘本体110整体上具有大致柱状结构，其限定电离源组件100的外轮廓，腔111靠近柱状结构的一端形成；相应地，电离源组件100整体上也成大体柱状结构。这种柱状结构适于至少部分地插入离子迁移管11内，例如在靠近离子迁移管11的第一端的管壁处设置有安装孔1101，柱状的电离源组件100插入穿过安装孔1101而至少部分地定位在离子迁移管11内，从而将腔111以及安装在腔111中的第一电极120和第二电极130定位在离子迁移管11内，在电离区段i中。
49.如图所示，绝缘本体110的另一端设置有凸缘或侧向延伸的安装板112，其适于抵靠或安装在在离子迁移管11的外壁面上。此外，如图2a-2b和图3a-3b所示，密封圈106可以靠近凸缘或侧向延伸的安装板112套设在绝缘本体110上，以在安装孔1101处在绝缘本体110与离子迁移管11的壁之间提供密封。
50.根据本公开的实施例，由于电离源组件形成为单独的套件，可以可拆卸地或可更
换地安装至检测设备，如至少部分地安装在离子迁移管中，从而可以实现检测设备的便携化、便于组装和维护。本公开设计的电离源组件的可用很小的尺寸来实现，例如其轮廓尺寸可以小至66.5mm
×
30mm
×
14.8mm，可直接放置于迁移管内进行工作，安装简洁，操作方便，稳定性和实用性较强。
51.在图示的实施例中，第一电极120是一种针状电极，该针状电极也可以称为电晕针；该针状电极的尖端121例如定位成指向第二电极130的末端之间的中央区域。作为针状电极，可以采用钨针、钨合金针、铱针、铱合金针、或者其他惰性金属及其合金针。针表面可以被镀金以改善针表面光洁度，降低其附着性，不容易富集样品氧化层，增加其寿命。
52.针状的第一电极120可以可拆卸地安装在腔111内，并能够沿其轴线方向移动，以调整尖端121至第二电极130之间的距离，从而可以根据需要调整起晕电压。例如，如图2a和3b所示，第一电极120通过安装座170安装在腔111内，安装座170可以在与腔111的开口1111相反的一侧螺纹连接至绝缘本体110，通过旋拧或转动安装座170可以使第一电极120沿其轴线方向平移，这可以将尖端121与第二电极130之间的距离调整到适于起晕的合适范围，并且可以方便地安装、拆卸或更换第一电极。作为示例，针状电极的长度范围可以为5mm～7mm，尖端121的曲率半径的范围可以为5um～300umm。
53.如图1、2a、3a和3b所示，第二电极130定位成第一电极120更靠近离子迁移区，在开口1111附近安装在腔111中。例如，可以设置压板103，通过紧固件105在开口1111处将压板103安装至绝缘本体110，压板103压靠第二电极130以将第二电极130固定在腔111中。压板可以由与绝缘本体相同的材料制成。示例性地，第二电极可以由镀金的不锈钢制成，镀金可增强导电性能，优化电场分布，同时可增加表面光洁度，降低其附着性，提高其耐磨性。
54.在本公开的示例性实施例中，第二电极130限定有与电离区域101和电离源组件的外部连通的喇叭状开口，该开口的扩口端朝向电离源组件之外，如朝向离子迁移管的离子迁移区，该开口的缩口端靠近第一电极120的尖端121定位，例如喇叭状开口的缩口端形成为围绕尖端121，以在被施加电压时在该缩口端和尖端121之间产生电晕放电。例如，第二电极130相对于第一电极120的轴线成对称结构。
55.在一些示例中，第二电极130可以包括成大致“八”形布置的两个放电板，每个放电板相对于针状电极120的轴线方向倾斜地定位，使得该放电板的一端以远离另一个放电板的方式固定至绝缘本体110，另一端以靠近另一个放电板的方式指向针状电极的尖端121。第二电极的结构不限于此，在其他示例中，可以采取具有中心孔的板电极形式，或者可以采用喇叭状或锥形电极。
56.第一导电构件140插入穿过绝缘本体111以电连接至位于腔111内的第一电极120；和/或，第二导电构件150插入穿过绝缘本体110以电连接至位于腔111内的第二电极130。例如，如图2a和2b所示，绝缘本体110中设置有通孔114和/或通孔115，通孔114和/或通孔115可以沿绝缘本体纵向地延伸；第一导电构件140插入并安装在通孔114中，第二导电构件150插入并安装在通孔115中。
57.在图示的实施例中，第一导电构件140包括定位在腔111内的第一端部141和定位在绝缘本体110之外的第二端部142，排气通道包括在第一导电构件140内从第二端部142延伸至第一端部141的气体通道143，其通向电离区域101。在其他实施例中，在第二导电构件中也可以设置排气通道。例如，示例性地，第一导电构件和/或第二导电构件可以采取中空
导电棒的形式；第一导电构件和/或第二导电构件可以由不锈钢等具有良好导电性能的材料制成。
58.第一电极120连接或安装至第一导电构件140的第一端部141，以实现第一电极120至第一导电构件140的电连接和/或机械连接。例如，针状的第一电极120插入穿过第一端部141，使得其尖端121在电离区域101中露出。第二电极130可以电连接和/或机械连接至第二导电构件150位于腔111内的端部。
59.在示例性实施例中，如图2a和2c所示，电离源组件100还可以包括作为聚焦电极的第三电极160，其可以与第二电极130相对地定位在腔111内，以在被施加电压时与第一电极120和/或第二电极130配合而聚焦电离样品分子所产生的产物离子，可以优化电离源内部电场分布，增加产物离子的通过率。示例性地，第三电极可以与第一导电构件电连接，即第三电极可以与第一电极处于相同电势。第三电极可以由不锈钢等具有良好导电性能的材料制成。
60.在图示的实施例中，第三电极160可以采取基座的形式，该基座设置在腔111内，具有面向第二电极120的凹部，例如，该凹部的突出边缘大致周向地围绕第二电极的自由端(如上述缩口端)。针状的第一电极120可以安置在该基座中，使得其尖端121大致位于由第二电极130的自由端(如上述缩口端)与第三电极160的凹部限定的空间中。通过该基座的定位，可以在腔111内稳固地保持第一电极。示例性地，第一导电构件140的第一端部141可以插入或安置在作为基座的第三电极160中。为此，在该基座中也可以设置有通向电离区域101的气体通道163，其与第一导电构件140中的气体通道143连通。
61.图4示出了根据本公开的示例性实施例的检测设备的电源电路的布置，该电源电路用于在电源组件的第一电极和第二电极之间提供用于电晕放电的电压差。如图所示，电源电路包括电压源01，其经由第一输出端vsg1(并经由第一导电构件)将第一电压输出至第一电极120，经由第二输出端vsg2(并经由第二导电构件)将第二电压输出至第二电极130。电压源01可以包括直流电压源dc和经由lc电路连接至直流电压源dc的可调电压源s，可调电压源s可以提供脉冲或持续源电压。在电压源01与第一输出端vsg1或第二输出端vsg2之间可以设置有滤波子电路02，其可以有效地去除了尖刺等突变信号的产生。根据需要，滤波子电路可以包括rc滤波电路和rl滤波电路。电源电路还可以包括电压感测子电路03，其用于感测第一输出端vsg1和/或第二输出端vsg2处的电压，例如可以以电阻分压的方式对第一输出端vsg1和/或第二输出端vsg2处的电压进行遥测，从而能够实时监测供给至电源组件的电极的电压的稳定性。
62.尽管已经示出和描述了本公开的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本公开的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。