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基于脉冲正电晕放电离子源的离子迁移谱仪研究

作　者: 檀景辉
导　师: 栗大超
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 离子迁移谱 离子源 直流正电晕放电 脉冲正电晕放电
分类号: TH83
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


离子迁移谱(ion mobility spectrometry)技术作为一项卓越的痕量气态物质探测技术,被广泛应用于机场安检、生化战剂检测和环境监测等领域。传统离子迁移谱仪一般采用放射性元素63Ni作为离子源,它具有性能稳定、无功耗等优点,但其缺点也是显而易见的,放射性元素在离子迁移谱仪微型化便携式应用中,会对使用者的身体健康构成潜在的威胁,不利于其推广和被使用者广泛接受。因此,从健康、环保的角度考虑,发展替代离子源势在必行。本文尝试采用脉冲正电晕放电作为离子迁移谱仪离子源。脉冲电晕放电离子源除了具有无放射性污染的优点外,还具有功耗低、离子利用率高等优势,同时,它易于采用MEMS微加工技术实现,而且与之相应的离子迁移谱仪迁移管结构不需要离子门,结构简单,为今后离子迁移谱仪的微型化创造了有利条件。本文在对基于电晕放电离子源的离子迁移谱仪研究背景和现状进行简要分析的基础上,详细分析了离子迁移谱仪的原理与结构。采用“针-网”非对称电极结构,对直流正电晕放电和脉冲正电晕放电进行了大量实验和特性分析。通过设计的实验系统,实现了单次脉冲放电产生的正离子数的测量,得到了正离子数随各个电极参数的变化规律,为深入了解电晕放电特性,设计结构合理的脉冲正电晕放电离子源提供了最直接的数据支撑。接下来,设计并实际制作出基于脉冲正电晕放电离子源的离子迁移谱仪主体结构,对空气中反应物离子的迁移谱进行了成功的探测,验证了脉冲正电晕放电作为离子迁移谱仪离子源的性能。实验分析了空气中水蒸汽含量对离子迁移谱信号的影响。通过测量离子迁移速率与迁移电场强度的关系以及离子迁移谱的重复性,对自行设计的离子迁移谱仪主体结构的性能进行了验证。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-14
  1.1 课题背景  8
  1.2 离子迁移谱仪研究现状  8-10
  1.3 基于电晕放电离子源的离子迁移谱仪研究现状  10-12
  1.4 论文完成的主要工作  12-14
第二章离子迁移谱仪原理与结构  14-26
  2.1 离子分子反应理论  14-17
    2.1.1 反应物离子的形成  14-16
    2.1.2 产物离子的形成  16-17
  2.2 离子迁移理论  17-21
    2.2.1 离子在弱电场中的迁移  17-18
    2.2.2 离子在强电场中的迁移  18-21
  2.3 离子迁移谱仪结构  21-25
    2.3.1 离子源  21-23
    2.3.2 迁移管基本结构  23-24
      2.3.2.1 离子门  23
      2.3.2.2 迁移管  23-24
    2.3.3 离子电流探测装置  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第三章直流正电晕放电特性研究  26-37
  3.1 直流正电晕放电原理  26-28
  3.2 直流正电晕放电实验装置  28-29
  3.3 电极参数对直流正电晕放电状态的影响  29-36
    3.3.1 阴极极板对放电状态的影响  30-31
    3.3.2 直流正电晕放电的伏安特性  31-32
    3.3.3 放电电流随极间距的变化关系  32-33
    3.3.4 针尖曲率半径对放电状态的影响  33-34
    3.3.5 直流正电晕放电的稳定性  34-36
  3.4 本章小结  36-37
第四章脉冲正电晕放电特性研究  37-49
  4.1 脉冲正电晕放电原理  37-38
  4.2 脉冲正电晕放电实验装置  38-42
  4.3 脉冲正电晕放电的电荷/电压特性  42-43
  4.4 电极参数对脉冲正电晕放电状态的影响  43-48
    4.4.1 高压脉冲宽度及重复频率对放电状态的影响  43-44
    4.4.2 放电状态随电极间距的变化情况  44-45
    4.4.3 针尖曲率半径对放电状态的影响  45-46
    4.4.4 脉冲正电晕放电的稳定性  46-48
  4.5 本章小结  48-49
第五章 基于脉冲正电晕放电离子源的离子迁移谱仪设计  49-63
  5.1 离子迁移谱仪总体结构设计  49-51
  5.2 脉冲正电晕放电离子源设计  51-52
  5.3 迁移管结构设计  52-54
  5.4 离子电流探测系统设计  54-56
  5.5 实验结果及分析  56-62
    5.5.1 空气中反应物离子迁移谱  57-58
    5.5.2 水蒸气含量对反应物离子迁移谱的影响  58-59
    5.5.3 离子迁移谱与迁移电场的关系  59-61
    5.5.4 反应物离子迁移谱的重复性  61-62
  5.6 本章小结  62-63
第六章 总结与展望  63-65
参考文献  65-68
发表论文和参加科研情况说明  68-69
致谢  69

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 成分分析仪器
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