陣列式多針—柱電極裝置實(shí)現(xiàn)離子風(fēng)的實(shí)驗(yàn)與分析*

劉鈞譽(yù)，李 華，曾德查

(桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

陣列式多針—柱電極裝置實(shí)現(xiàn)離子風(fēng)的實(shí)驗(yàn)與分析*

劉鈞譽(yù)，李 華，曾德查

(桂林電子科技大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

為了實(shí)現(xiàn)一定氣體流速的離子風(fēng)，設(shè)計(jì)了一種新型的陣列式三排3×3垂直放置的針—柱電極結(jié)構(gòu)放電裝置。在針—柱之間間距為3 mm、排與排之間間距為8 mm、鎮(zhèn)流電阻12 MΩ、放電電阻12 MΩ、測(cè)試電阻1 kΩ、大氣壓環(huán)境、室溫、無(wú)外部通入氣流時(shí)，陣列式針—柱電極實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的電暈放電，并通過(guò)示波器記錄的放電波形、數(shù)碼相機(jī)拍攝的發(fā)光圖像以及放電伏安特性曲線進(jìn)行了驗(yàn)證。同時(shí)，隨著陣列式排數(shù)的增加，放電電流變大，離子風(fēng)風(fēng)速也隨之增大。該針—柱結(jié)構(gòu)易于用MEMS工藝加工制作，可應(yīng)用于便攜式分析儀器中。

離子風(fēng)；陣列式；針—柱電極；電暈放電；便攜式分析儀器

0 引 言

近年來(lái)，對(duì)食品、環(huán)境污染物、爆炸物、毒品和戰(zhàn)場(chǎng)生化戰(zhàn)劑等的檢測(cè)都迫切需要便攜式、低功耗、微型化的化學(xué)分析檢測(cè)儀器。質(zhì)譜儀、離子遷移譜、高場(chǎng)非對(duì)稱(chēng)波形離子遷移譜等分析儀器的出現(xiàn)，為檢測(cè)分析各類(lèi)化學(xué)物質(zhì)提供了科學(xué)手段[1～3]。在此類(lèi)分析儀器中，離子源是一個(gè)非常重要的組成部分，它將樣品分子電離成離子，便于后續(xù)的分析和檢測(cè)，是儀器的關(guān)鍵和核心。

在分析儀器中，目前應(yīng)用的離子源主要有真空紫外燈離子源、63Ni離子源、電噴霧離子源、電暈放電離子源、輝光放電離子源等[4～8]。真空紫外燈離子源采用真空紫外燈發(fā)出一定波長(zhǎng)的光子流，將電離能低于光子能量的物質(zhì)電離，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、電離產(chǎn)物簡(jiǎn)單、離子碎片少等優(yōu)點(diǎn)，但其不足之處在于體積較大，不利于微型化和系統(tǒng)集成。63Ni離子源不需外加電源，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電離能量大等優(yōu)點(diǎn)，但其電離產(chǎn)物離子碎片多，容易產(chǎn)生發(fā)射性污染等不足也限制了其應(yīng)用。電噴霧離子源在質(zhì)譜儀中得到了廣泛的應(yīng)用，一般適合電離極性較強(qiáng)的物質(zhì)。電暈放電和輝光放電離子源采用極不對(duì)稱(chēng)電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)施加高壓形成不均勻電場(chǎng)將物質(zhì)電離，是近年來(lái)微型分析儀器所用離子源的研究熱點(diǎn)。劉坤等人采用線—筒電極結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電暈放電和輝光放電應(yīng)用于高場(chǎng)非對(duì)稱(chēng)波形離子遷移譜[7，8]、檀景輝等人采用針—網(wǎng)電極結(jié)構(gòu)應(yīng)用于離子遷移譜[9]。但這種離子源在工作過(guò)程中需要外界通入高速氣流以帶走電離過(guò)程中的熱量，同時(shí)驅(qū)動(dòng)離子以一定速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，便于后續(xù)的分析和檢測(cè)，這就需要外接龐大復(fù)雜的供氣系統(tǒng)，不利于系統(tǒng)的微型化。

針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文提出了一種新型的陣列式針—柱放電電極結(jié)構(gòu)。在沒(méi)有外界通入氣流的條件下，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定電暈放電，并產(chǎn)生了一定氣體流速的離子風(fēng)，可用于樣品的進(jìn)樣、電離和電離后離子的驅(qū)動(dòng)。為了增大氣體流速，采用三級(jí)陣列式針—柱電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了陣列式針—柱電極的放電特性以及和離子風(fēng)的風(fēng)速大小關(guān)系。本文所設(shè)計(jì)的陣列式針—柱電極結(jié)構(gòu)易于用MEMS工藝加工實(shí)現(xiàn)[10,11]，為下一步在便攜式分析儀器中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，由0～-5 000 V可調(diào)、最大輸出功率500 W的直流負(fù)高壓電源、陣列式多針—柱放電結(jié)構(gòu)、放電回路、測(cè)試系統(tǒng)等組成。陣列式多針—柱放電結(jié)構(gòu)采用3排3×3垂直放置的針—柱結(jié)構(gòu)，每排由間距8 mm的3根不銹鋼針與1根直徑4 mm，長(zhǎng)60 mm的紫銅圓柱構(gòu)成放電電極，針—柱電極之間的間距為3 mm。前排針和后排柱之間的間距為8 mm，避免了不銹鋼針和后級(jí)柱之間放電。

放電回路中鎮(zhèn)流電阻器連接于不銹鋼針，用于抑制放電過(guò)程中的電弧，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中阻值取為12 MΩ。放電電阻器連接于高壓電源兩端，用于放電結(jié)束后電源電壓的快速下調(diào)。采用TDS1002B—SC泰克示波器讀取阻值1 kΩ的測(cè)試電阻器兩端的電壓值，用于觀察放電波形。同時(shí)，數(shù)字電壓表讀取測(cè)試電阻器兩端的電壓有效值，以得到放電電路中電流值的大小。放電過(guò)程中的放電圖像通過(guò)佳能數(shù)碼相機(jī)拍攝，TESTO 405—V1風(fēng)速儀放置于距離出風(fēng)口10 mm的位置測(cè)量離子風(fēng)的風(fēng)速大小。

圖1 陣列式針—柱結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)Fig 1 Experimental device design of array needle-bar structure

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在針—柱間距3 mm，柱直徑為4 mm，鎮(zhèn)流電阻的電阻為12 MΩ，放電電阻器阻值為12 MΩ，測(cè)試電阻器阻值為1 kΩ，大氣壓環(huán)境、室溫、無(wú)外部通入氣流時(shí)進(jìn)行針—柱放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先進(jìn)行1排針—柱氣體放電實(shí)驗(yàn)，接著進(jìn)行2排和3排聯(lián)合放電，最后是全部3排針—柱同時(shí)放電實(shí)驗(yàn)。圖2為當(dāng)電源輸出電壓為-4 500 V時(shí)，3組實(shí)驗(yàn)中陣列式針—柱放電分別對(duì)應(yīng)的發(fā)光圖像。

圖2 陣列式針—柱大氣壓氣體放電發(fā)光圖片F(xiàn)ig 2 Luminous photos of array needle-bar ambient gas discharge

由圖2可見(jiàn)，在每組針—柱放電實(shí)驗(yàn)中，只有針尖附近發(fā)光，說(shuō)明電離主要發(fā)生在針尖附近，此處的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，3組放電發(fā)光圖像對(duì)應(yīng)的測(cè)試電阻器兩端放電電壓波形如圖3所示。圖3(a)為只有1排針—柱放電時(shí)候的放電波形，為多個(gè)特里切爾波形的疊加，且還有直流分量，說(shuō)明是由電暈放電向輝光放電的過(guò)渡階段[12]。圖3(b),(c)是第1和第2排針—柱以及3排同時(shí)放電時(shí)候的放電波形，和圖3(a)相比，此時(shí)直流分量更大，且是更多的特里切爾波形分量的疊加。圖3(a)，(b)，(c)對(duì)應(yīng)的數(shù)字電壓表電壓讀數(shù)分別為51.5，105.3，144 mV，換算成電流值為51.5，105.3，144 μA，表明參與放電的針—柱越多，放電電流越大。圖3(a)，(b)，(c)對(duì)應(yīng)的不銹鋼針?lè)謩e是3，6，9根，其對(duì)應(yīng)的電流值對(duì)比關(guān)系為：51.5︰105.3︰144也基本符合3︰6︰9的規(guī)律。多個(gè)特里切爾波形的疊加是由于針—柱電極結(jié)構(gòu)的誤差、裝配的誤差等帶來(lái)的每根針—柱放電波形的差異，從而總的放電波形是多個(gè)不同波形的疊加。

圖3 示波器記錄的測(cè)試電阻器兩端電壓波形Fig 3 Voltage waveforms on the both ends of test resistors recorded by oscilloscope

根據(jù)Townsend氣體放電理論，在電暈放電階段，回路電流與放電電極間電壓具有如下關(guān)系式[13]

I=CU(U-Uon),

(1)

式中I為放電回路電流，C為放電系數(shù)，與電子遷移率和電極間距有關(guān)，U為電極間電壓，Uon為電暈放電起始電壓。將式(1)變換,I/U與U將是線性關(guān)系，如式(2)所示

I/U=C(U-Uon).

(2)

由圖(1)可知，針—柱之間電壓U可由下式求出

U=U′-IR-Ir，

(3)

式中U′為電源輸出電壓，r為鎮(zhèn)流電阻器電阻，r為測(cè)試電阻，由于R?r，由此可忽略測(cè)試電阻器兩端的電壓值。將第一組針—柱放電的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，伏安特性曲線如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，在針—柱間電壓為-2.9～-3.978 kV階段，I/U與U基本滿足線性關(guān)系，隨著針—柱之間電壓的繼續(xù)升高，放電轉(zhuǎn)換為電暈放電向輝光放電的過(guò)渡階段，曲線斜率逐漸發(fā)生改變。

圖4 針—柱放電伏安特性曲線Fig 4 Discharge volt-ampere characteristic curve of needle-bar

通過(guò)實(shí)驗(yàn)中的放電發(fā)光圖像(圖2)、放電波形(圖3)以及伏安特性曲線(圖4)，表明在大氣壓環(huán)境以及沒(méi)有外界通入氣流的條件下，實(shí)現(xiàn)了陣列式針—柱電極穩(wěn)定的電暈放電。

圖5為電源輸出電壓與放電回路電流和風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖5(a)可見(jiàn)，1排，2排和3排針—柱放電時(shí)的電流值都隨著放電電壓的升高而升高。剛開(kāi)始放電階段，2排和3排針—柱放電時(shí)電流的增幅相對(duì)于1排并不明顯，這是由于各方面的誤差(包括裝配誤差、不銹鋼針、柱之間的差異等)帶來(lái)的電暈放電起始電壓的差異，隨著電壓的升高，3排針—柱都開(kāi)始了電暈放電，電流增幅逐漸加大。與此相對(duì)應(yīng)，圖5(b)表明針—柱電極在電暈放電的同時(shí)還產(chǎn)生了一定流速的離子風(fēng)。隨著放電電壓的增大，離子風(fēng)風(fēng)速也隨之增大。另一方面，2排針—柱放電相對(duì)于1排針—柱離子風(fēng)流速有顯著提高，最大氣流流速由1排針—柱時(shí)的0.7m/s上升到0.86 m/s。3排針—柱放電相對(duì)于2排針—柱開(kāi)始階段沒(méi)有明顯提高，直到放電電壓上升到-4 900 V和-5 000 V時(shí)，最大氣體流速分別上升到0.92 m/s和0.93 m/s。究其原因，在于3排針—柱電極距離出口比2排大，雖然放電產(chǎn)生了離子風(fēng)，但隨著距離的增大，空氣的粘滯阻力、前排電極對(duì)氣流的反彈等都會(huì)造成離子風(fēng)風(fēng)速的衰減，因此，在放電電壓較低時(shí)，3排針—柱并沒(méi)有帶來(lái)出口處明顯的風(fēng)速增強(qiáng)。一直到放電電壓較高時(shí)的-4 900 V和-5 000 V，產(chǎn)生的離子風(fēng)流速較大，才帶來(lái)出口處風(fēng)速的增強(qiáng)。

圖5 輸出電壓和回路電流與風(fēng)速的關(guān)系Fig 5 Relationship between output voltage andloop current and wind velocity

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的陣列式針—柱電極結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)針—柱之間的間距為3 mm、鎮(zhèn)流電阻12 MΩ，放電電阻12 MΩ、無(wú)外界通入氣流時(shí)，實(shí)現(xiàn)大氣壓環(huán)境下穩(wěn)定的電暈放電，并通過(guò)示波器測(cè)量得到的放電波形和數(shù)碼相機(jī)拍攝的放電圖像以及伏安特性曲線得到驗(yàn)證。多組陣列式電極結(jié)構(gòu)在放電的同時(shí)還產(chǎn)生了離子風(fēng)，并隨著陣列級(jí)數(shù)的增加離子風(fēng)風(fēng)速隨之增強(qiáng)。該針—柱結(jié)構(gòu)可采用MEMS工藝進(jìn)行加工，且不需要外部通入高速氣流，為其在便攜式分析儀器中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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Experiment and analysis of ionic wind realized by arraymulti needle-bar electrode device*

LIU Jun-yu, LI Hua, ZENG De-cha

(School of Life and Environmental Sciences,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

A new type 3×3 aligned array needle-bar electrode structure in vertical position are designed to realize ionic wind with a certain gas flow velocity.In condition that the distance between needle-bar is 3 mm,the distance between rows is 8 mm,the ballast resistance is 12 MΩ,the discharge resistance is 12 MΩ,the test resistance is 1 kΩ,in ambient air,at room temperature,without air flow,the stable corona discharge between needle-bar electrode is realized,and it is verified by discharge waveform recorded by oscilloscope,luminous image recorded by digital camera and discharge volt-ampere characteristics curve.At the same time,the discharge current and the flow velocity of ionic wind increase with the row number of array increasing.The structure is easy to be fabricated by MEMS technology,which can be used in portable analyzer.

ionic wind; array type; needle-bar electrode; corona discharge; portable analyzer

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0025—03

2014—02—28

廣西高校大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(ZCC016359)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(61204120)；廣西自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(2013GXNSFBA019273)；廣西高等學(xué)校一般科研資助項(xiàng)目(201203YB078); 廣西高等教育教學(xué)改革工程項(xiàng)目(2014JGB144)

TH 83

A

1000—9787(2014)10—0025—03

劉鈞譽(yù)(1991-)，女，廣西桂林人，本科，研究方向?yàn)榉治鰞x器設(shè)計(jì)。