[发明专利]大气颗粒物双极性荷电装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种能够实现大气颗粒物宽粒径范围内双极性高效荷电的方法及装置，属于大气气溶胶监测技术领域。

背景技术

近年来，大气污染日益严重，灰霾事件频发，且臭氧和大气细颗粒物浓度不断升高为其主要特征。由于浓度最高的纳米级细颗粒物在质量浓度中所占比例几乎可以忽略，因此仅仅对颗粒物质量浓度进行监测已经不能满足空气质量预报、污染控制及科学研究的实际需求，加强颗粒物粒径和浓度测量具有重要现实意义。长期以来，光学方法因其原位、在线、快速、无接触的测量优势常用于人类生产生活直接排放到大气中的一次颗粒物粒径及浓度测量，而对于由大气中污染气体通过光化学反应转化而来的、粒径更小、浓度更高、对生态系统影响更大的二次颗粒物，通常需要借助电学与光学相结合的方法进行粒径分级和测量。自然环境下的细颗粒物荷电状态通常是未知的，需要借助外加辅助方法实现颗粒物的重新荷电并达到已知的荷电状态（波尔兹曼电荷平衡分布），此类装置常被称为电荷中和源。

长期以来，放射性物质作为一种稳定的电离源被应用于实现颗粒物的稳定高效荷电。出于安全性的考虑，此类电荷中和源在国内使用受到严格的管理和控制。专利200910117124.7提出了一种单极性气溶胶静电中和器，利用高压电离产生单极性荷电区，由于单极性离子浓度较高，因此该类中和源主要面向实验室研究，用于纳米级超细颗粒物的荷电及测量。对于近微米级的大颗粒物，往往因为荷电量过高而导致电极吸附损失。200710059569.5中设计了一种双极性气溶胶静电中和器，该中和器包括静电中和箱体、高压电源输出装置、两个高压电极，在静电中和箱体上设置有进气口、出气口和混合空气口，进气口、出气口的位置相对，两个高压电极为集束针状电极，分别固定在箱体两侧，箱体内部固定有柱状接地板，所述高压电源输出装置的输出接到两个高压电极。高压电源输出装置用于输出0～±10KV的可调节电压。该电荷中和源需要洁净气流作为电荷载气，这很难满足多种外场观测条件下的颗粒物荷电需求。同时，由于正负电极相对，需要较大的载气流速才能有效降低自由电荷的吸附损失。由于未设置任何粒径切割装置，环境空气中大粒径颗粒物的进入将获取大量的自由电荷从而降低小颗粒物的荷电效率。本发明旨在获取一种能够实现复杂条件下大气颗粒物纳米级至微米级宽粒径范围内的高效荷电方法和装置。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种大气颗粒物稳定高效的荷电方法和装置，使其能够用于基于颗粒物电迁移特性的粒径谱快速分级测量；且结构简单，后期维护方便，能够实现复杂条件下大气颗粒物纳米级至微米级宽粒径范围内颗粒物的高效荷电。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：大气颗粒物双极性荷电装置，利用撞击式粒子切割方法，实现环境大气颗粒物的粒径初级切割，去除大颗粒物对自由电荷的过量吸附及对荷电腔体的污染；利用强交变电场实现场致电离获取足量双极性自由电荷，实现从纳米级至微米级颗粒物的高效荷电。

本发明的大气颗粒物双极性荷电装置包括：撞击式粒子切割器1、颗粒物荷电腔2、高压电离腔3和交频高压电源4；所述的撞击式粒子切割器1外部均为圆柱体结构，内部为圆柱形中空结构，由样气进气管5、切割器盖6、切割器壁7、惯性撞击台8组成；所述的切割器盖6与样气进气管5为一体化设计，样气进气管5端部有挡沿，且通过螺纹与切割器壁7连接，连接处有O形密封圈；惯性撞击台8与切割器壁7为一体化设计，且惯性撞击台8与切割器盖6、样气进气管5共轴安装；所述颗粒物荷电腔2外部为长方体结构，内部空间为圆柱形中空结构，由荷电腔壁9、样气出气口10组成；荷电腔壁9前部与惯性撞击台8内部贯通连接，后部与样气出气口10贯通连接；高压电离腔3外部为圆柱形结构，内部为圆柱形中空结构，由高压放电电极11、高压电极固定基座12和荷电腔壁13组成；高压放电电极11固定在高压电极固定基座12上，且与交频高压电源4相连接；所述高压放电电极11、固定基座12、荷电腔壁13密闭同轴安装，固定基座12与荷电腔壁13后期可拆分。

所述样气进气管5外端为圆柱形，用于连接外界采样管；另一端为小孔加速喷口设计，用以实现样气中颗粒物的瞬间加速。

所述的惯性撞击台8上部为经过粗糙化处理的金属薄层，下层为中空圆柱形结构，且圆柱面上开有矩形狭缝，实现惯性切割器腔体与撞击台内部空间的联通。

所述高压放电电极11为钨针，连接固定基座12一端为圆柱形结构，另一端为针形结构，且针尖位置与荷电腔壁9内表面相切。

所述的固定基座12为绝缘聚四氟乙烯材质，内部为中空圆柱形结构，用以安装高压放电电极11。