一種用於測量氣態硫酸及其團簇的X‑射線離子源的製作方法

2023-05-23 07:42:31

本發明屬於環境實驗領域，具體涉及一種用於測量氣態硫酸及其團簇的X-射線離子源。

背景技術：

氣態硫酸是新粒子生成的至關重要的前體物之一，而新粒子生成對二次有機氣溶膠和雲凝結成核有重要貢獻。由於大氣中氣溶膠粒子能吸收和散射太陽光，所以氣溶膠粒子數濃度的變化將影響大氣能見度、太陽輻射能力、環境溫度等，最終影響氣候環境的變化。

在實際大氣中，氣態硫酸濃度非常低，實際觀測到的硫酸的濃度一般低於107molecules cm-3。此外，由於硫酸的粘性非常大，測量時壁吸附作用會造成嚴重的壁損失。因此硫酸濃度的測量非常困難。目前，化學電離源是唯一一種適用於測量氣態硫酸濃度的方法。一般廣泛使用酸性低於硫酸的硝酸作為試劑離子電離，生成的硝酸離子或硝酸團簇試劑離子(NO3-·(HNO3)n,n＝0,1,2)與待測物硫酸發生質子轉移反應，生成質譜可檢測的硫酸氫根離子及其團簇信號(HSO4-·(H2SO4)n,n＝0,1,2)。硝酸根離子的產生一般有兩種方法，一種是通過電暈放電的方式生成，另一種是通過放射性物質生成，例如X-射線，α-粒子(Am-241，Po-210)等。電暈放電的方式相對比較完全，但是，穩定性，以及產生的試劑離子的強度，都沒有放射性物質電離的效果好。此外，放射性源產生的雜質峰少，利於質譜峰歸屬，且產生的離子很難與其它汙染物反應，如二氧化硫。因此綜合以上因素，我們研發了一種基於放射性物質電離的方式來研究氣態硫酸對新粒子生成事件的作用，此方法主要用於實驗室模擬或外場觀測氣態硫酸的濃度。

技術實現要素：

本發明的目的是：提供一種用於測量氣態硫酸及其團簇的X-射線離子源，為深入研究新粒子生成事件中氣態硫酸的作用，提供重要的技術支持，並且所述的X-射線離子源生成的離子信號穩定、有效、背景乾淨。

本發明採用的技術方案是：一種用於測量氣態硫酸及其團簇的X-射線離子源，主要包括試劑離子源，漂移管兩個部分；試劑離子源主要由鞘氣進樣裝置、樣流進樣、環電極、X-射線組成；漂移管主要由不鏽鋼電極、聚四氟乙烯墊片、電阻、隔膜泵組成；所述鞘氣採用上下兩側同時進樣；所述樣流進樣管位於離子源同軸中心區域；所述X-射線主要電離氣態硝酸生成硝酸離子或離子團簇；所述環電極與樣流腔同軸；所述一系列不鏽鋼電極通過聚四氟乙烯墊片絕緣；所述隔膜泵將多餘樣流和試劑離子流混合氣抽離。

進一步的，所述鞘氣由0.05ml/min硝酸蒸汽和20L/min純氮氣或零空氣兩路氣體組成，兩路氣體通過三通連接；硝酸蒸汽通過0.05ml/min純氮氣氣體吹掃室溫下的硝酸溶液產生，為了保證鞘氣均勻分布，採用上下同時進樣的方式；所述樣流進樣管位於離子源同軸中心區域，樣流的流速約為8L/min，樣流出氣口位置位於試劑離子源與漂移管交接處。

進一步的，所述的環電極分為內環電極和外環電極且均與樣流管同軸，兩環電極均加載-150V電壓，樣流管電壓為0V。

進一步的，所述X-射線位於外環電極表面，照射兩環電極間的鞘氣產生硝酸離子及硝酸離子團簇。

進一步的，所述的漂移管區由10個內徑為40mm，5mm厚的不鏽鋼環電極組成；環電極之間通過4mm厚的聚四氟乙烯墊片絕緣，每個環電極之間通過5MΩ電阻連接，形成一個均勻的直流電場；形成的電場對鞘氣中的帶電的試劑離子有聚焦作用，使試劑離子沿著靠近樣流的中心軸運動，並與中心軸線上的樣流中的硫酸發生質子轉移反應，生成質譜可檢測的硫酸氫根離子或硫酸團簇離子；在漂移管的末端裝有隔膜泵，抽離多餘的未進入質譜的鞘氣和樣流混合氣，僅有0.8L/min的混合氣進入質譜，為保證漂移管內非中心軸區域的鞘氣和樣流混合氣被均勻抽離，漂移管末端設計為上下同時抽氣的方式。

本發明的原理是：

由於大氣中硫酸濃度低，且硫酸粘性大，容易粘附在壁表面上，因此需增大樣流管內徑及流速以減小壁損失引起的實驗誤差。為了保證腔內硝酸離子及硝酸團簇離子試劑均勻分布並與樣流充分反應，鞘氣採用上下兩側同時進樣，鞘氣的流速約為樣流的兩倍或者更大。樣流進樣管位於離子源中心軸位置處，保證在漂移管反應腔內樣流被鞘氣均勻包裹，並與鞘氣中硝酸離子及硝酸團簇離子充分反應。

根據質子轉移反應原理，試劑離子的酸性弱於硫酸才能發生質子轉移反應。硝酸弱於硫酸，且酸性比硝酸強的酸只有硫酸、甲磺酸和丙二酸三種酸，因此可能存在的汙染物非常少，保證了實驗的準確性。反應的主要方程式為：

漂移管區域試劑離子與樣流中的硫酸發生質子轉移反應，生成質譜可檢測的硫酸氫根離子或硫酸離子團簇。因此為了使試劑離子與中心軸方向的硫酸能充分反應，漂移管由一系列的不鏽鋼電極組成，電極之間通過聚四氟乙烯墊片絕緣，電極之間通過電阻連接，形成一個均勻的直流電場。由於電場的作用，鞘氣中的試劑離子向樣流方向聚焦，因此中心軸處的樣流被試劑離子包裹，即可進行充分的質子轉移反應。由於氣流和電場的作用，離子最終沿著中心軸方向運動並進入質譜中檢測。

與現有技術相比，本發明有益效果體現在：

本發明基於放射性物質電離生成硝酸離子及硝酸團簇離子，在漂移管區域試劑離子與樣流中硫酸發生質子轉移反應，生成質譜可檢測的硫酸氫根離子或硫酸離子團簇。本發明設計可生成穩定的試劑離子，提高了裝置的穩定性；此外，放射性源產生的雜質峰少，且產生的其它離子很難與汙染物反應，如二氧化硫。

附圖說明

圖1為本發明X-射線離子源結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖以及具體實施方式對本發明進一步說明。

如圖1所示，一種用於測量氣態硫酸的X-射線離子源，主要包括試劑離子源，漂移管兩個部分；試劑離子生成區主要由鞘氣進樣裝置、樣流進樣、環電極、X-射線組成；漂移管主要由不鏽鋼電極、聚四氟乙烯墊片、電阻、隔膜泵組成。所述鞘氣由0.05ml/min硝酸蒸汽和20L/min純氮氣或零空氣兩路氣體組成，兩路氣體通過三通直接連接並混合，然後通過1米長的外徑為3/8英寸的特氟龍管，保證兩路氣體在進入X-射線照射區域前充分混合。硝酸蒸汽通過0.05ml/min純氮氣氣體吹掃室溫下的硝酸溶液產生，為了保證鞘氣在反應腔內均勻分布，採用上下同時進樣的方式。所述樣流進樣管位於離子源同軸中心區域，為減小壁損失，不鏽鋼樣流管內徑為10mm，樣流的流速約為8L/min，樣流出氣口位置位於試劑離子源與漂移管交接處。所述的環電極分為內環電極和外環電極，且均與樣流管同軸，內環電極隔離X-射線周圍產生的自由基與樣流反應，兩環電極均加載-150V的電壓，樣流管電壓為0V。X-射線位於外環電極表面，照射兩環電極間的鞘氣產生硝酸離子及硝酸離子團簇。

漂移管區由10個內徑為40mm，5mm厚的不鏽鋼環電極組成；環電極之間通過4mm厚的聚四氟乙烯墊片絕緣，每個環電極之間通過5MΩ電阻連接，形成一個均勻的直流電場。為了保證離子不去碰撞管壁，而是沿著軸線方向運動，在漂移管區域電場強度與氣流流速(鞘氣和樣流)之間需達到一定的平衡。通過測試，漂移管區域的電壓約為為-130V，形成的電場對鞘氣中的帶電的試劑離子有聚焦作用，使試劑離子沿著靠近樣流的中心軸方向運動，鞘氣中的試劑離子將樣流包裹，並與中心軸線上的樣流中的硫酸發生質子轉移反應，生成質譜可檢測的硫酸離子或硫酸離子團簇。在漂移管的末端裝有隔膜泵，抽離多餘的未進入質譜的鞘氣和樣流混合氣，僅有0.8L/min的混合氣進入質譜。

本發明中涉及到的本領域公知技術未詳細闡述。