[发明专利]一种在线分级纳米级粒子粒径的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用差分电迁移理论实现纳米级粒子粒径分级的装置，应用于大气、环保等各种存在纳米级粒子的测量领域。

背景技术

颗粒物的污染不仅对城市大气环境造成很严重的影响，如能见度降低等，还将直接或间接的影响全球大气环境及人体健康，相关研究表明，与大粒子相比，粒径较小的纳米级粒子能对人体产生更严重危害。而进行颗粒物粒径分级是进行浓度测量的首要问题。

目前，针对于粒径在1μm以下的细粒子，粒径测量技术主要有两种：一种是收集实验测量所用的气溶胶粒子，另一种是进行直接、原位测量。第一测量方法，虽然稳定有效，其分析结果往往分级精度较低，且缺乏时效性。

目前，只有如美国、德国等少数发达国家拥有在线测量纳米级粒子的技术，而国内对纳米级粒子的监测技术的研究尚处于起步阶段。目前国内常用的在线测量装置一般是基于粒子的散射光特性进行分析，但是由于粒径小于1μm的细粒子的散射光很弱，很难将该技术应用于粒径低于1μm的纳米级粒子粒径分级测量中。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种在线分级纳米级粒子粒径的装置，可以对1μm以下粒径范围的纳米级粒子进行准确地分级测量，实现不同粒径的粒子数浓度的测量。

本发明所采用的技术方案是：一种在线分级纳米级粒子粒径的装置，其特征在于包括：样气气流通道、鞘气气流通道、进气装置、电迁移装置、采集装置、过滤装置、可控高压电源和计算机；所述进气装置包括样气进气装置和鞘气进气装置，进气装置和鞘气装置用螺栓联接；所述样气气流通道包括第一气泵、第一流量计、采样器和放射源；所述鞘气气流通道包括第二气泵和第二流量计；采样气体作为样气气流进入样气气流通道的第一气泵、第一流量计进入采样器，在采样器中进行粒径切割粗分级，得到小于切割粒径的样气气流，粗分级后的样气气流进入放射源，通过放射源衰变放出射线使空气电离并最终完成样气气流的重新荷电，然后进入样气进气装置得到平滑和均匀分布的样气气流；同时鞘气气流经过第二气泵和第二流量计进入鞘气进气装置，得到平滑和均匀分布的鞘气气流；样气气流随着匀速稳定的鞘气气流向下混合流动，以最大限度的减少样气气流扩散运动的影响；计算机控制可控高压电源给内部导电元件加负电压，使电迁移装置内电极带负电压，电迁移装置外电极接地形成电场，样气气流中的带电粒子在电场中发生偏转，只有一定粒径的粒子在给定电场中偏转后正好被采集装置采集，采集到的粒子可以进入凝结核计数器(CPC)或法拉第杯静电计(FCE)测量粒子数浓度；计算机控制可控高压电源改变电压值，则不同粒径的粒子就会相继被采集，实现控制电压自动连续改变，自动化实现在线实时分级，从而后续实现在线分析纳米级粒子的粒度分布；样气和鞘气混合后剩余气流流入过滤装置，过滤后进入第二气泵，再进入鞘气进气装置，实现鞘气气路的循环。

所述采样器为冲击式采样器。

所述放射源为放射元素镅241(²⁴¹Am)；所述放射源采用金属外壳密闭封装，金属壳体内部设环形通道，传输需采集气体进入环形通道，使采集气体中粒子荷电，从出口通入所述样气进气装置。

所述样气进气装置包括一个带孔圆环，所述带孔圆环卡在样气环形通道处，所述带孔圆环上设有一圈均匀分布的36或24个直径小于1mm的通孔，以确保获得较均匀稳定的样气气流。

所述带孔圆环的材质为铝。

所述鞘气进气装置包括内置一个铝制压盖和过滤网，使鞘气通过压盖与气流通道的狭缝流出，再通过过滤网，确保得到均匀稳定的流速方向沿轴向方向的鞘气气流。

为确保气流状态稳定，所述样气进气装置和鞘气进气装置的气流通道部件连接处均做圆滑过渡及抛光处理，表面粗糙度Ra值保证在2.0um以下。

所述电迁移装置包括内电极，即内筒和外电极，即外筒，根据理论公式和所需分级的粒径范围确定内外电极的长度和半径。

所述电迁移装置的内电极外壁和外电极内壁加工精度要求严格，粗糙度Ra值保证在0.8um以下，即加工表面质量达到镜面程度。

所述过滤装置设计成过滤纸卷成螺旋状，使鞘气和样气混合气体气流从螺旋中心开始经过若干层过滤后被收集循环使用，提高了过滤效率。

所述装置需要密封的地方全部采用O型圈密封。

本发明的基本原理在于：如图3所示的粒子电迁移原理，电迁移装置分为内电极和外电极，内外半径分别为R₁和R₂，粒子运动的有效距离为L，内电极和外电极之间加电压V，根据公式：