УЗЕЛ КОРОННОГО РАЗРЯДА, СПЕКТРОМЕТР НА ОСНОВЕ ПОДВИЖНОСТИ ИОНОВ И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ КОРОННОГО РАЗРЯДА
CORONA DISCHARGE ASSEMBLY, ION MOBILITY SPECTROMETER AND CORONA DISCHARGE METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области технологий обнаружения в сфере безопасности, и, в частности, к узлу коронного разряда, спектрометру на основе подвижности ионов и способу осуществления коронного разряда.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящее время продукты на основе подвижности ионов, такие как приборы для быстрого обнаружения взрывчатых веществ и наркотиков, широко используются в местах проверки безопасности в аэропортах, метро и местах скопления большого количества людей. Большинство из традиционных продуктов на основе подвижности ионов используют радиоактивные источники для генерирования химически активных ионов, однако радиоактивные источники несут большой риск и строго контролируются, и, следовательно, не могут использоваться для проверки безопасности в таких местах, как внутреннее пространство самолета. Соответственно, много компаний начало проводить исследования продуктов на основе нерадиоактивного источника начиная с 90-х годов прошлого века. В настоящее время рынок в основном сосредоточен на нескольких технологиях нерадиоактивных источников, включающих коронный разряд, источник фотоионизации, источник ионизации распылением в электрическом поле, тлеющий разряд и подобное, и при этом коронный разряд и источник фотоионизации являются основными способами действия источника ионизации, применяемого большинством компаний.
Химически активные ионы, сгенерированные при коронном разряде, сильно различаются по типам и близки к ионам, генерируемым в радиоактивных источниках, так что коронный разряд, среди всех прочих источников ионизации, является лучшим выбором в качестве замены для радиоактивного источника. Источник коронного разряда имеет такие недостатки, как быстрый расход и короткий срок службы, и, следовательно, требует регулярной замены, увеличивающей степень сложности конструкции прибора.
Из уровня техники известен источник коронного разряда со спаренными штырями с позитивным и отрицательным импульсами, и он имеет преимущества, заключающиеся в способности генерировать положительные и отрицательные ионы и регулировании процесса реакции между молекулами образца и химически активными ионами путем регулирования временных интервалов между отпирающим сигналом иона и импульсным коронным разрядом. Использование импульса эффективно продлевает срок службы штыря, но все так же неизбежным будет расход кончика штыря. Недостатком этого будет то, что штырь имеет короткий срок службы и, следовательно, требует периодической замены.
Также известен источник коронного разряда на основе переключения постоянного тока. При его переключении до высокого напряжения, химически активные ионы, сгенерированные на металлическом проводе коронного разряда, могут создавать заряжаемые допированные молекулы, в то время как при его переключении до низкого напряжения, химически активные ионы не могут создавать заряжаемые допированные молекулы. Цель его использования заключается в достижении контролируемого допированного состояния. Фотоионизация имеет простой принцип и проста в реализации, однако ее недостаток заключается в том, что срок службы является коротким. Чем выше напряжение коронного разряда, тем быстрее расходуется кончик штыря. Чем более активен фоновый газ, тем более серьезным будет загрязнение штыря.
Хотя частота использования высокого напряжения уменьшена благодаря использованию способа переключения напряжения (т. е. высокое напряжение коронного разряда включается для осуществления коронного разряда во время работы, в то время как высокое напряжение коронного разряда переключается на более низкий уровень, так, чтобы в нерабочем состоянии не происходило никакого коронного разряда), при этом срок службы источника коронного разряда все еще мал.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая задача, решаемая настоящим изобретением, заключается в том, как продлить срок службы источника коронного разряда.
Чтобы достичь вышеуказанной цели, в настоящем изобретении предложены узел коронного разряда, спектрометр на основе подвижности ионов и способ осуществления коронного разряда.
В одном аспекте настоящее изобретение предлагает узел коронного разряда, содержащий по меньшей мере один блок коронного разряда, при этом блок коронного разряда содержит пару металлических проводов коронного разряда, расположенных параллельно, и импульсы, имеющие одинаковую амплитуду, но противоположные по полярности, прикладываются, соответственно, к металлическим проводам коронного разряда, расположенным параллельно.
Необязательно металлические провода коронного разряда имеют диаметр в диапазоне от 10 микрометров до 50 микрометров.
Необязательно металлические провода коронного разряда выполнены из платины или палладия.
Необязательно амплитуда импульса находится в диапазоне от 1 кВ до 5 кВ.
Необязательно продолжительность импульса составляет менее 1 микросекунды.
Необязательно по меньшей мере один блок коронного разряда содержит множество блоков коронного разряда; при этом металлические провода коронного разряда множества блоков коронного разряда расположены попеременно в соответствии с полярностями прикладываемых импульсов.
Необязательно металлические провода коронного разряда блоков коронного разряда расположены линейно.
Необязательно металлические провода коронного разряда блоков коронного разряда расположены в зигзагообразном порядке.
Необязательно металлические провода коронного разряда блоков коронного разряда расположены в кольцеобразном порядке.
В другом аспекте настоящее изобретение предлагает спектрометр на основе подвижности ионов, содержащий область ионизации, ионный затвор, дрейфовую трубу и диск Фарадея, расположенные последовательно, при этом вышеуказанный узел коронного разряда закреплен в области ионизации.
Необязательно электрический потенциал области ионизации равен смещению постоянного тока металлических проводов коронного разряда.
Необязательно a направление металлического провода коронного разряда перпендикулярно осевому направлению ион-дрейфовой трубы.
В еще одном аспекте настоящее изобретение также предоставляет способ осуществления коронного разряда, реализуемый на вышеупомянутом узле коронного разряда и включающий следующие этапы:
приложения импульсов, имеющих одинаковую амплитуду, но противоположных по полярности, к металлическим проводам коронного разряда.
Необязательно способ осуществления коронного разряда дополнительно включает этап электрического возбуждения металлических проводов коронного разряда, чтобы удалить слой оксида.
Узел коронного разряда, спектрометр на основе подвижности ионов и способ осуществления коронного разряда, предоставленные в настоящем изобретении, могут генерировать больше химически активных ионов, чем штыри или кончики коронного заряда, обеспечить улучшенную чувствительность ион-дрейфового спектрометра, и эффективно продлевать срок службы источника коронного разряда до 3–10 лет.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 представлен схематический вид конструкции блока коронного разряда согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 представлено схематическое изображение в сечении конструкции нескольких блоков коронного разряда, где металлические провода коронного разряда расположены горизонтально согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 представлено схематическое изображение в сечении конструкции нескольких блоков коронного разряда, где металлические провода коронного разряда расположены в два слоя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 4 представлено схематическое изображение в сечении конструкции нескольких блоков коронного разряда, где металлические провода коронного разряда расположены в форме кольца согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения; и
на фиг. 5 представлено схематическое изображение конструкции спектрометра на основе подвижности ионов согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Эти варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны далее понятно и полно со ссылкой на приложенные графические материалы. Очевидно, что варианты осуществления, изображенные на этих графических материалах, используются для объяснения и иллюстрации настоящего изобретения, однако не ограничивают настоящее изобретение.
Со ссылкой на фиг. 1 настоящее изобретение предлагает узел коронного разряда, который используется в источнике коронного разряда. Узел коронного разряда содержит по меньшей мере один блок 1 коронного разряда, при этом блок 1 коронного разряда содержит пару металлических проводов 11, 12 коронного разряда, расположенных параллельно, и импульсы, имеющие одинаковую амплитуду, но противоположные по полярности, прикладываются, соответственного, к металлическим проводам 11, 12 коронного разряда, расположенным параллельно. Объяснения и иллюстрации на узле коронного разряда согласно настоящему изобретению далее будут предоставлены подробнее.
Как показано на фиг. 1, согласно настоящему изобретению, каждый блок 1 коронного разряда содержит пару металлических проводов 11, 12 коронного разряда, расположенных параллельно. Металлические провода 11 и 12 коронного разряда предпочтительно выполнены из платины или палладия, или подобного. Следует понимать, что настоящее изобретение этим не ограничено, и другие металлы с высокой проводимостью, имеющие высокую химическую инерцию, высокую пластичность и высокую прочность могут использоваться для реализации настоящего изобретения. Металлические провода 11 и 12 коронного разряда могут иметь диаметр в диапазоне от 10 микрометров до 50 микрометров. Если диаметр металлического провода коронного разряда слишком мал, то он будет иметь высокую сложность при изготовлении и высокие производственные затраты; и, если диаметр металлического провода коронного разряда слишком велик, то его требуемая амплитуда импульса будет слишком высокой, что создаст излишние требования к коммерчески доступному источнику импульса.
2
2
2
2
2
2
n
2
2
n
-
+
+
-
+
Процесс работы узла коронного разряда согласно настоящему изобретению будет представлен следующим образом. Когда металлические провода 11, 12 коронного разряда блока коронного разряда не работают, никакого импульса через металлические провода 11, 12 коронного разряда прикладываться не будет, и металлический провод 11 коронного разряда и металлический провод 12 коронного разряда находятся в нулевой области электрического поля и с равными потенциалами. Когда металлические провода 11, 12 коронного разряда блока коронного разряда работают, импульсы, имеющие одинаковую амплитуду, но противоположные по полярности, прикладываются, соответственно, к металлическим проводам 11, 12 коронного разряда блока коронного разряда. Например, импульс, имеющий положительную полярность (+), прикладывается к металлическому проводу 11 коронного разряда, тогда как импульс, имеющий отрицательную полярность (-), прикладывается к металлическому проводу 12 коронного разряда. Амплитуды импульсов, прикладываемых к металлическому проводу 11 коронного разряда и металлическому проводу 12 коронного разряда, предпочтительно находятся в диапазоне от 1кВ до 5кВ. В этом случае положительный импульс коронного разряда осуществляется на металлическом проводе 11 коронного разряда, тогда как отрицательный импульс коронного разряда осуществляется на металлическом проводе 12 коронного разряда. Положительные ионы образуются на металлическом проводе 11 коронного разряда, тогда как отрицательные ионы образуются на металлическом проводе 12 коронного разряда. Положительные ионы, образованные на металлическом проводе 11 коронного разряда, перемещаются в направлении металлического провода 12 коронного разряда под воздействием сильного электрического поля, образованного импульсами, прилагаемыми к металлическому проводу 11 коронного разряда и металлическому проводу 12 коронного разряда.  Отрицательные ионы, образованные на металлическом проводе 12 коронного разряда, перемещаются в направлении металлического провода 11 коронного разряда под воздействием сильного электрического поля, образованного импульсами, прилагаемыми к металлическому проводу 11 коронного разряда и металлическому проводу 12 коронного разряда. Продолжительность импульса, приложенного к металлическому проводу 11 коронного разряда и металлическому проводу 12 коронного разряда, предпочтительно составляет менее 1 микросекунды. Продолжительность импульса, приложенного к металлическому проводу 11 коронного разряда и металлическому проводу 12 коронного разряда для реализации эффективного разряда, является короткой, соответственно, когда осуществляется коронный разряд, положительные ионы образуются на металлическом проводе 11 коронного разряда, однако время является недостаточно продолжительным, чтобы положительные ионы достигли металлического провода 12 коронного разряда, тогда как отрицательные ионы образуются на металлическом проводе 12 коронного разряда, однако время является недостаточно продолжительным, чтобы отрицательные ионы достигли металлического провода 11 коронного разряда. После окончания импульсов положительные ионы, образованные на металлическом проводе 11 коронного разряда, и отрицательные ионы, образованные на металлическом проводе 12 коронного разряда, распространяются и вступают в реакцию с молекулами (O, HO, N) в воздухе, в пространстве, свободном от действия сил, чтобы генерировать множество химически активных ионов (O, (HO)H, NO и их гидратов). После достаточного обмена зарядами между молекулами образца M и химически активными ионами в области ионизации, образованные ионы образца (M(HO)O, M(HO)H и т. п., n=1, 2, 3,…) поступают в дрейфовую трубу, и затем попадают на диск Фарадея под действием дрейфового поля, чтобы достичь цели, которая состоит в идентификации вещества в соответствии с различным временем пролета.
В настоящем изобретении металлические провода 11, 12 коронного разряда используются в узле коронного разряда, чтобы эффективно продлевать срок службы источника коронного разряда. Тем не менее, металлические провода 11, 12 коронного разряда также будут соответственно расходоваться при использовании. Ссылаясь на фиг. 2 – фиг. 4, чтобы продлить срок службы источника коронного разряда насколько возможно, множество блоков 1 коронного разряда используется в источнике коронного разряда, и металлические провода коронного разряда во множестве блоков 1 коронного разряда расположены попеременно в соответствии с полярностью прикладываемых импульсов. Как показано на фиг. 2 – фиг. 4, узел коронного разряда содержит множество блоков 1 коронного разряда. Металлические провода 11, 12 коронного разряда блоков 1 коронного разряда расположены параллельно, причем положительный и отрицательный металлические провода 11, 12 коронного разряда расположены попеременно. На этих фигурах, + представляет положительный металлический провод коронного разряда, тогда как - представляет отрицательный металлический провод коронного разряда. Ссылаясь на фиг. 2 – фиг. 4, в настоящем изобретении множество блоков 1 коронного разряда, используемых в источнике коронного разряда, могут работать попеременно или одновременно. Способы работы множества блоков 1 коронного разряда, используемых в источнике коронного разряда, будет соответственно описано подробнее в данном документе.
Один способ заключается в том, что множество блоков 101, 102, 103 коронного разряда, используемых в источнике коронного разряда, работают попеременно, только некоторые из блоков коронного разряда работают (т. е. работает один блок коронного разряда или два блока коронного разряда) одновременно. В частности, как показано на фиг. 2 – фиг. 4, при работе импульсы прикладываются только к металлическому проводу 11 коронного разряда (-1) и металлическому проводу 12 коронного разряда (+1) первого блока 101 коронного разряда, тогда как металлические провода коронного разряда остальных блоков 102, 103 коронного разряда все еще находятся в исходном изопотенциальном состоянии. После промежутка времени (месяцев) работы, когда металлические провода «-1», «+1» коронного разряда больше не осуществляют коронный разряд, он переключается через цепь для приведения в действие второго блока 102 коронного разряда, и импульсы прикладываются только к металлическому проводу 11 коронного разряда (-2) и металлическому проводу 12 коронного разряда (+2) второго блока 102 коронного разряда. После этого подобным образом он переключается для приведения в действие третьего блока 103 коронного разряда. В результате срок службы источника коронного разряда продлевается эффективным образом.
Другой способ заключается в том, что множество блоков 101, 102, 103 коронного разряда, используемых в источнике коронного разряда, работают одновременно, ссылаясь на фиг. 2 – фиг. 4, все положительные металлические провода 11 коронного разряда множества блоков 101, 102, 103 коронного разряда электрически соединены, и все отрицательные металлические провода 12 коронного разряда электрически соединены, тем не менее, коронный разряд осуществляется только между одной или несколькими парами металлических проводов коронного разряда, которые имеют наименьшее расстояние (наименьшие расстояния) между собой, тогда как никакого коронного разряда не осуществляется между остальными из этих металлических проводов коронного разряда. Способ работы множества блоков коронного разряда одновременно имеет следующие преимущества: (1) когда одна пара металлических проводов коронного разряда или несколько металлических проводов коронного разряда не работают, остальные из этих металлических проводов коронного разряда начинают осуществлять коронный разряд, что эффективно продлевает срок службы источника коронного разряда; и (2) коронный разряд, осуществляемый конструкцией из множества металлических проводов коронного разряда, станет генерировать гораздо больше ионов, тем самым эффективно увеличивая количество химически активных ионов.
Ссылаясь на фиг. 2, в одной реализации настоящего изобретения множество металлических проводов 11, 12 коронного разряда множества блоков 101, 102, 103 коронного разряда, используемых в источнике коронного разряда, расположены линейно. Эти металлические провода 11, 12 коронного разряда расположены в линию по схеме +, -, +, -, +, -. Коронные разряды осуществляются между смежными металлическими проводами 11, 12 коронного разряда, причем коронные разряды осуществляются попеременно между смежными блоками коронного разряда.
Ссылаясь на фиг. 3, в другой реализации настоящего изобретения множество металлических проводов коронного разряда множества блоков 101, 102, 103 коронного разряда, используемых в источнике коронного разряда, расположены в зигзагообразном порядке. То есть, множество металлических проводов коронного разряда расположены в виде волны. Два ряда металлических проводов 11, 12 коронного разряда составляют положительный и отрицательный источники коронного разряда, в которых верхний ряд металлических проводов коронного разряда представляет собой положительные металлические провода 11 коронного разряда, тогда как нижний ряд металлических проводов коронного разряда представляет собой отрицательные металлические провода 12 коронного разряда. Например, когда все из положительных металлических проводов 11 коронного разряда и отрицательных металлических проводов 12 коронного разряда работают, коронные разряды осуществляются между смежными металлическими проводами 11, 12 коронного разряда («+1» и «-1», «-2»). Коронные разряды осуществляются попеременно между верхним и нижним рядами металлических проводов 11, 12 коронного разряда, причем коронные разряды осуществляются попеременно между смежными блоками коронного разряда.
Ссылаясь на фиг. 4, в еще одной реализации настоящего изобретения поперечные сечения металлических проводов 11, 12 коронного разряда множества блоков 101, 102, 103 коронного разряда, используемых в источнике коронного разряда, расположены в кольцеобразном порядке. Все металлические провода 11, 12 коронного разряда рассматриваются как целое, предпочтительно в виде круга, в котором положительный импульс прикладывается к металлическому проводу «+1» коронного разряда, тогда как отрицательный импульс прикладывается к металлическому проводу «-1» коронного разряда и/или металлическому проводу «-6» коронного разряда, так чтобы осуществлялись положительный и отрицательный коронные разряды. Коронные разряды осуществляются попеременно среди металлических проводов 11, 12 коронного разряда, расположенных в кольцеобразном порядке, причем коронные разряды осуществляются попеременно между смежными блоками коронного разряда.
Следует понимать, что в источнике коронного разряда, показанном на фиг. 2 – фиг. 4 настоящего изобретения, множество блоков коронного разряда может работать попеременно или одновременно, и конкретные процессы работы могут относиться к вышеуказанным реализациям, и для ясности будут опущены.
Чтобы дополнительно представить преимущество узла коронного разряда согласно настоящему изобретению, настоящее изобретение также предлагает спектрометр на основе подвижности ионов с вышеуказанным узлом коронного разряда. Ссылаясь на фиг. 5, спектрометр на основе подвижности ионов содержит область 10 ионизации, ионный затвор 2, дрейфовую трубу (область миграции) 3 и диск 5 Фарадея, расположенные последовательно, при этом узел 1 коронного разряда закреплен в области ионизации и является узлом, описанным выше. Спектрометр на основе подвижности ионов согласно настоящему изобретению далее будет описан подробнее.
Ссылаясь на фиг. 5, источник коронного разряда в области ионизации содержит один узел 1 коронного разряда, и металлические провода коронного разряда узла 1 коронного разряда закреплены внутри области 10 ионизации, и направления металлических проводов коронного разряда предпочтительно перпендикулярны к направлению дрейфа ионов. Электрический потенциал области 10 ионизации равен смещению постоянного тока металлических проводов коронного разряда. В настоящем изобретении ионный затвор 2 может быть затвором типа Бредбери-Нильсена или затвором типа Тинделла (следует отметить, что настоящее изобретение этим не ограничивается, и любой тип затвора, существующий в уровне техники, может использоваться в настоящем изобретении). Дрейфовая труба 3 образована рядом электродов 31. Апертурная решетка 4 расположена между дрейфовой трубой 3 и диском 5 Фарадея.
Со ссылкой на фиг. 5, процесс работы спектрометра на основе подвижности ионов, содержащего узел коронного разряда согласно настоящему изобретению, описан следующим образом. Импульсы, имеющие одинаковую амплитуду, но противоположные по полярности, соответственно прикладываются к двум металлическим проводам коронного разряда в области 10 ионизации, чтобы образовать множество положительных и отрицательных ионов между поверхностями двух металлических проводов коронного разряда. Эти положительные и отрицательные ионы перемещаются в направлении, противоположном металлическим проводам коронного разряда. Из-за небольшой продолжительности прилагаемого импульса, импульс заканчивается прежде, чем множество положительных и отрицательных ионов достигнет металлических проводов коронного разряда и положительные и отрицательные ионы распространяться и вступят в реакцию с молекулами в воздухе в области 10 ионизации, чтобы генерировать множество химически активных ионов. После достаточного обмена зарядами между молекулами образца и химически активными ионами в области 1 ионизации образуются ионы образца. После открытия ионного затвора 2 ионы образца поступают в дрейфовую трубу 3 и затем попадают на диск 5 Фарадея через апертурную решетку 4 под воздействием электрического поля. Металлические провода коронного разряда могут генерировать больше химически активных ионов, чем штыри или кончики коронного разряда, обеспечивая улучшенную чувствительность спектрометра на основе подвижности ионов. Когда металлический провод коронного разряда покрыт слоем оксида от загрязнения примесями и частицами образцов, слой оксида может быть удален посредством наэлектризовывания металлического провода коронного разряда для продления срока службы металлического провода коронного разряда.
Чтобы дополнительно представить преимущество узла коронного разряда согласно настоящему изобретению, настоящее изобретение также предлагает способ осуществления коронного разряда, реализуемый в вышеуказанном узле коронного разряда. Этот способ включает следующие этапы: приложения импульсов, имеющих одинаковую амплитуду, но противоположных по полярности, к металлическим проводам коронного разряда. Когда металлический провод коронного разряда покрывается слоем оксида от загрязнения примесями и частицами образцов (в основном от ряда органических веществ), слой оксида может быть удален посредством наэлектризовывания металлического провода коронного разряда. Когда металлический провод коронного разряда наэлектризован и, следовательно, нагрет, эти вещества удаляются путем испарения или окисления, продлевая срок службы металлического провода коронного разряда.
Что касается вышеописанного, узел коронного разряда, спектрометр на основе подвижности ионов и способ осуществления коронного разряда согласно настоящему изобретению могут генерировать больше химически активных ионов, чем штыри или кончики коронного разряда, обеспечивая улучшенную чувствительность спектрометра на основе подвижности ионов и эффективно продлевая срок службы источника коронного разряда до 3–10 лет.
Вышеуказанные варианты осуществления предназначены лишь для примерной иллюстрации настоящего изобретения, но не для ограничения настоящего изобретения. Специалистам в данной области станет понятно, что различные изменения или модификации могут быть выполнены в этих вариантах осуществления без отступления от принципов и сущности настоящего изобретения, объем которого определен в формуле изобретения, и его эквивалентов.