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申请/专利权人：复旦大学

摘要：本发明属于环境监测技术领域，具体为3纳米以下颗粒物粒径分布和化学组分分析系统及方法。本发明系统中，由单极荷电装置通过尖端电晕放电产生高浓度正离子或负离子，用于束缚电场汇聚离子至纳米颗粒物传输管路的中心，并使纳米颗粒物荷电；由纳米颗粒物粒径筛分仪提供固定流场和电场，用于带电纳米颗粒物的筛分，通过优化颗粒物粒径筛分仪的内部几何构造，提升通过电极板的鞘气流速，并使得粒径筛分区域在鞘流的雷诺数大于10000时仍保持层流，提高对纳米颗粒物的粒径分辨率并减小颗粒物的扩散损失；颗粒物的浓度和化学组分通过气溶胶静电计和大气常压界面飞行时间质谱进行测量；本发明系统在大气科学和材料科学等领域具有广阔应用前景。

主权项：1.一种3纳米以下颗粒物粒径分布和化学组分分析系统，其特征在于，包括：高效单极荷电装置（1）、纳米颗粒物粒径筛分仪（2）、气溶胶静电计（3）、大气常压界面飞行时间质谱（4）、系统控制模块（5）；所述高效单极荷电装置（1）与纳米颗粒物粒径筛分仪（2）串联，所述气溶胶静电计（3）和大气常压界面飞行时间质谱（4）并联，并位于纳米颗粒物粒径筛分仪（2）之后，所述系统控制模块（5）通过信号传输控制线与上述四个模块相连；其中：所述高效单极荷电装置（1），通过尖端电晕放电的方式产生数浓度范围为107-1010cm-3，粒径范围为0.5-1.5nm的荷电离子，荷电粒子在电场作用下向采样管路中央汇聚，并与纳米颗粒物发生碰撞使之达到荷电平衡状态；所述纳米颗粒物粒径筛分仪（2），用于构建稳定的流场和电场条件，并根据带电颗粒物电迁移率进行粒径筛分，得到单分散标准气溶胶；所述气溶胶静电计（3）和大气常压界面飞行时间质谱（4）并列运行，用来测量颗粒物的数浓度和化学组分；所述系统控制模块（5），协同上述四个模块的运行，并完成数据采集和可视化；所述高效单极荷电装置（1）包括：尖端电晕放电器（203），汇聚电场电极（204），第一高压电源（206）；以及颗粒物传输管路；其中，汇聚电场电极（204）布设于颗粒物传输管路两侧，第一高压电源（206）分别与汇聚电场电极（204）、尖端电晕放电器（203）连接；颗粒物传输管路中间部位设有气溶胶采样管；在采样管路入口（202）处设有洁净载气进气口（201）；在采样管路未端即出口（207）处设置为分叉管路；采样管中央的待测颗粒物通过一个叉路引入到纳米颗粒物粒径筛分仪（2）中，而剩余气体作为旁路气通过一个叉路排出；所述尖端电晕放电器（203）用于产生浓度为107-1010cm-3，粒径范围为0.5-1.5nm的荷电离子，荷电粒子在电场作用下向采样管路中央汇聚，并与纳米颗粒物发生碰撞使之达到荷电平衡状态；所述尖端电晕放电器（203），还用于选择开启或者关闭，当尖端电晕放电器（203）关闭时，自然荷电的颗粒物通过高效单极荷电装置（1），而当尖端电晕放电器开启时，纳米颗粒物完成荷电；通过改变载气中杂质气体的种类和放电电压，改变尖端电晕放电器产生离子的种类和浓度；所述汇聚电场电极（204），在第一高压电源（206）的作用下，对颗粒物传输管路管壁施加与离子极性相同的电压，产生束缚电场，实现纳米颗粒物的径向约束；并使待测纳米颗粒物与离子充分碰撞达到荷电平衡状态；这种单极离子的软电离的方式最大程度上使得纳米颗粒物不发生破碎和复杂的组分变化，并提升纳米颗粒物的荷电比例；所述颗粒物传输管路中，颗粒物样流位于轴向的中心，周围包裹着载有单极性离子的鞘流，鞘流和样流均为层流状态；气溶胶采样管位于颗粒物传输管路中间部位，采样属于样流中心采样，管路中央的颗粒物由于不与管壁接触，而损失较小；所述纳米颗粒物粒径筛分仪（2），用于提供一个固定电场和固定流场；具体包括：气溶胶入口（301）；电极板（302）；鞘气（303）；气溶胶出口（304）；高效颗粒物过滤器（305）；温湿度传感器（306）；鞘气冷却装置（307）；泵（308）；第二高压电源（309）；鞘气入口（310）；其中：所述固定流场，包括闭合回路组成鞘流，闭合回路中连接有鞘气冷却装置（307）、泵（308）和高效颗粒物过滤器（305）；过滤器（305）用于对鞘气流中的颗粒物进行过滤，鞘气冷却装置（307）用于控制载气的温度；鞘流以100-300Lmin的流速从两个电极板（302）中间流过；待测气溶胶颗粒物从上极板上部的入口流入，从下极板下部的出口流出；待测颗粒物进入筛分电场的入口狭缝基于流体力学的设计，减小气流在电极板之间流动时的径向的流速，极大提升筛分的粒径分辨率；颗粒物筛分距离即两个电极板的入口和出口狭缝之间的长度为2.0-2.5cm，以减少颗粒物在纳米颗粒物粒径筛分仪中的停留时间和扩散损失；所述固定电场，包括两个长度极短且平行放置的电极板，电极板的尺寸均为长3.0cm，宽1.0cm，厚0.2cm，两个极板均设计有一个狭缝，即为待测颗粒物在粒径筛分前后的入口和出口，两个狭缝的水平间距为2.0cm，而狭缝的垂直间距通过调节两个电极板的位置进行调节；两个电极板间的间距为0.5-1.0cm，并施加一个范围在-10kV至10kV的固定电压，在电极板间形成均匀的电场；所述气溶胶静电计（3），用于测量荷电颗粒物的浓度，主要针对荷电颗粒物的测量，通过测量颗粒物形成的微弱电流计算颗粒物的浓度；所述大气常压界面飞行时间质谱（4），对带电纳米颗粒物的化学组分进行直接测量，并与纳米颗粒物的粒径和数浓度信息进行匹配；所述系统控制模块（5），搭载有两个数据采集卡；第一数据采集卡用来采集飞行时间质谱模块的数据；第二数据采集卡用于控制除质谱模块以外的其他模块的运行和数据采集，包括：整个系统的温度、压力、流速、电压传感器信号的实时读取与控制；第二数据采集卡并可读取气溶胶静电计输出的电流信号，并根据设置的流速条件，将电流转化为颗粒物浓度。

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