[发明专利]大气压磁增强与磁约束直流辉光放电离子源

说明书

技术领域

本发明涉及一种大气压气体放电离子源发生装置。

背景技术

离子源是一种利用外界放电、光辐射，以及溅射等方式，使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。是化学成份检测仪、环境监测仪等设备的关键部件。大气压气体放电离子源，因其不受真空环境的限制，不采用化学溶剂，对环境污染小，操作简单，适用性强等特点而受到国内外研究者的广泛关注。大气压气体放电离子源，其常见的放电方式包括电晕放电、直流辉光放电、介质阻挡放电、空心阴极放电，以及微波放电。以N₂、He、Ar等气体作为等离子体维持气体，放电产生的等离子体含有大量的高能粒子。此高能粒子与大气中的H₂O、O₂、N₂、发生一系列的反应生成活性中间体，这些中间体随后将能量传递给待测物，使样品分子离子化。离子化的物种输送到检测设备，对样品组份进行定性或定量分析。

在上述放电类型中，直流辉光放电相对于电晕放电，具有较高的电离效率；相对于介质阻挡放电、空心阴极放电与微波放电，具有简单的电极结构或较低的电源配置要求。

现有大气压直流辉光放电离子源，在应用于物质痕量分析时，能够精确到ppb量级，比较准确的反应物质的组成或状态。但其在工作时，为了获得更高的电离效率，放电空间、乃至放电回路中串联的限流电阻都会产生大量的焦耳热，放电空间温度的升高导致放电的不稳定性，直接影响着物质成份分析的准确度和精度；另一方面，在气体对流与扩散的影响下，仅有一小部分的示踪离子被分析仪器收集到，大部分的示踪离子逃逸到周围的环境空气而复合掉，致使离子的传输效率低下，降低了分析仪器的灵敏度。上述原因存在，更使得在ppt量级的物质成份检测中，可靠性和重复性也受到了很大的限制。

申请人曾在研究介质阻挡放电技术方面提出过一种大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置(中国专利ZL201310488730.6)。该方案中利用电磁感应原理，在窄缝腔体较宽外表面的两侧设置另一对互相平行正对的永久磁体，磁场覆盖主放电和介质阻挡放电区域，使得等离子体在气流牵引力和磁场洛伦兹力的共同作用下从出气端口喷出，形成更大体积的刷状等离子体射流。

不过该大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置的应用场合和主要原理与本申请有很大的差别。大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，力求产生更大体积的等离子体射流，主要运用于物质表面处理和清洗、等离子体杀菌，以及等离子体净化等领域。其工作原理是电子在磁场B中受到洛伦兹力的作用，其路径由未加磁场时的直线变成曲线，增加了电子在放电空间的行程和电离效率，使得电子能够与更多的气体分子再次碰撞电离或激发产生更多的电子和活性物种；因电流的整体方向是由阳极指向阴极，故而洛伦兹力的方向与气流方向一致，能够加速电荷沿气流方向移动，形成活性物种更多、体积更大的等离子体射流。

而本申请属于直流辉光放电的微型等离子体源，放电空间特征尺寸不大于1mm，主要应用于化学成份检测和环境监测等领域。本领域技术人员通常的研究方向是增加放电空间的电离效率和提高射流空间的离子传输效率。

对于前述现有技术存在的问题，该大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置(中国专利ZL201310488730.6)的研究方向不同，也未能解决问题。虽然，因外加一对互相平行正对的永久磁体后，该大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置在其放电空间电离效率有所提高，但若将其直接应用于化学成份检测和环境监测，因其过大的等离子体射流体积，等离子体射流中的离子仅有极小部分在气流的作用下，能够被收集到分析仪器入口，进行成份定性或定量分析，导致分析仪器无信号输出。这是缘于较大体积的等离子体射流使得射流中的离子能够充分地与周围环境空气接触发生复合反应；其次，分析仪器的入口特征尺寸通常为1－3个毫米，离子收集的立体角很小，大量的离子因气体对流和扩散的作用，将被周围环境空气中的电荷复合掉。

发明内容

本发明提出一种大气压磁增强与磁约束直流辉光放电离子源，对背景技术中大气压直流辉光放电离子源的技术方案进行改进，更大程度地提高了该类型离子源的电离效率、离子传输效率，以及工作的稳定性。

为实现以上发明目的，本发明提供如下技术方案：