本發(fā)明屬于環(huán)境實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種用于測(cè)量氣態(tài)硫酸及其團(tuán)簇的X-射線離子源。

背景技術(shù)：

氣態(tài)硫酸是新粒子生成的至關(guān)重要的前體物之一，而新粒子生成對(duì)二次有機(jī)氣溶膠和云凝結(jié)成核有重要貢獻(xiàn)。由于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(shù)濃度的變化將影響大氣能見度、太陽輻射能力、環(huán)境溫度等，最終影響氣候環(huán)境的變化。

在實(shí)際大氣中，氣態(tài)硫酸濃度非常低，實(shí)際觀測(cè)到的硫酸的濃度一般低于10⁷molecules cm^-3。此外，由于硫酸的粘性非常大，測(cè)量時(shí)壁吸附作用會(huì)造成嚴(yán)重的壁損失。因此硫酸濃度的測(cè)量非常困難。目前，化學(xué)電離源是唯一一種適用于測(cè)量氣態(tài)硫酸濃度的方法。一般廣泛使用酸性低于硫酸的硝酸作為試劑離子電離，生成的硝酸離子或硝酸團(tuán)簇試劑離子(NO₃^-·(HNO₃)_n,n＝0,1,2)與待測(cè)物硫酸發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成質(zhì)譜可檢測(cè)的硫酸氫根離子及其團(tuán)簇信號(hào)(HSO₄^-·(H₂SO₄)_n,n＝0,1,2)。硝酸根離子的產(chǎn)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(zhì)生成，例如X-射線，α-粒子(Am-241，Po-210)等。電暈放電的方式相對(duì)比較完全，但是，穩(wěn)定性，以及產(chǎn)生的試劑離子的強(qiáng)度，都沒有放射性物質(zhì)電離的效果好。此外，放射性源產(chǎn)生的雜質(zhì)峰少，利于質(zhì)譜峰歸屬，且產(chǎn)生的離子很難與其它污染物反應(yīng)，如二氧化硫。因此綜合以上因素，我們研發(fā)了一種基于放射性物質(zhì)電離的方式來研究氣態(tài)硫酸對(duì)新粒子生成事件的作用，此方法主要用于實(shí)驗(yàn)室模擬或外場(chǎng)觀測(cè)氣態(tài)硫酸的濃度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供一種用于測(cè)量氣態(tài)硫酸及其團(tuán)簇的X-射線離子源，為深入研究新粒子生成事件中氣態(tài)硫酸的作用，提供重要的技術(shù)支持，并且所述的X-射線離子源生成的離子信號(hào)穩(wěn)定、有效、背景干凈。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種用于測(cè)量氣態(tài)硫酸及其團(tuán)簇的X-射線離子源，主要包括試劑離子源，漂移管兩個(gè)部分；試劑離子源主要由鞘氣進(jìn)樣裝置、樣流進(jìn)樣、環(huán)電極、X-射線組成；漂移管主要由不銹鋼電極、聚四氟乙烯墊片、電阻、隔膜泵組成；所述鞘氣采用上下兩側(cè)同時(shí)進(jìn)樣；所述樣流進(jìn)樣管位于離子源同軸中心區(qū)域；所述X-射線主要電離氣態(tài)硝酸生成硝酸離子或離子團(tuán)簇；所述環(huán)電極與樣流腔同軸；所述一系列不銹鋼電極通過聚四氟乙烯墊片絕緣；所述隔膜泵將多余樣流和試劑離子流混合氣抽離。

進(jìn)一步的，所述鞘氣由0.05ml/min硝酸蒸汽和20L/min純氮?dú)饣蛄憧諝鈨陕窔怏w組成，兩路氣體通過三通連接；硝酸蒸汽通過0.05ml/min純氮?dú)鈿怏w吹掃室溫下的硝酸溶液產(chǎn)生，為了保證鞘氣均勻分布，采用上下同時(shí)進(jìn)樣的方式；所述樣流進(jìn)樣管位于離子源同軸中心區(qū)域，樣流的流速約為8L/min，樣流出氣口位置位于試劑離子源與漂移管交接處。

進(jìn)一步的，所述的環(huán)電極分為內(nèi)環(huán)電極和外環(huán)電極且均與樣流管同軸，兩環(huán)電極均加載-150V電壓，樣流管電壓為0V。

進(jìn)一步的，所述X-射線位于外環(huán)電極表面，照射兩環(huán)電極間的鞘氣產(chǎn)生硝酸離子及硝酸離子團(tuán)簇。

進(jìn)一步的，所述的漂移管區(qū)由10個(gè)內(nèi)徑為40mm，5mm厚的不銹鋼環(huán)電極組成；環(huán)電極之間通過4mm厚的聚四氟乙烯墊片絕緣，每個(gè)環(huán)電極之間通過5MΩ電阻連接，形成一個(gè)均勻的直流電場(chǎng)；形成的電場(chǎng)對(duì)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(yùn)動(dòng)，并與中心軸線上的樣流中的硫酸發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成質(zhì)譜可檢測(cè)的硫酸氫根離子或硫酸團(tuán)簇離子；在漂移管的末端裝有隔膜泵，抽離多余的未進(jìn)入質(zhì)譜的鞘氣和樣流混合氣，僅有0.8L/min的混合氣進(jìn)入質(zhì)譜，為保證漂移管內(nèi)非中心軸區(qū)域的鞘氣和樣流混合氣被均勻抽離，漂移管末端設(shè)計(jì)為上下同時(shí)抽氣的方式。

本發(fā)明的原理是：

由于大氣中硫酸濃度低，且硫酸粘性大，容易粘附在壁表面上，因此需增大樣流管內(nèi)徑及流速以減小壁損失引起的實(shí)驗(yàn)誤差。為了保證腔內(nèi)硝酸離子及硝酸團(tuán)簇離子試劑均勻分布并與樣流充分反應(yīng)，鞘氣采用上下兩側(cè)同時(shí)進(jìn)樣，鞘氣的流速約為樣流的兩倍或者更大。樣流進(jìn)樣管位于離子源中心軸位置處，保證在漂移管反應(yīng)腔內(nèi)樣流被鞘氣均勻包裹，并與鞘氣中硝酸離子及硝酸團(tuán)簇離子充分反應(yīng)。

根據(jù)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)原理，試劑離子的酸性弱于硫酸才能發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。硝酸弱于硫酸，且酸性比硝酸強(qiáng)的酸只有硫酸、甲磺酸和丙二酸三種酸，因此可能存在的污染物非常少，保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。反應(yīng)的主要方程式為：

漂移管區(qū)域試劑離子與樣流中的硫酸發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成質(zhì)譜可檢測(cè)的硫酸氫根離子或硫酸離子團(tuán)簇。因此為了使試劑離子與中心軸方向的硫酸能充分反應(yīng)，漂移管由一系列的不銹鋼電極組成，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(gè)均勻的直流電場(chǎng)。由于電場(chǎng)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(jìn)行充分的質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。由于氣流和電場(chǎng)的作用，離子最終沿著中心軸方向運(yùn)動(dòng)并進(jìn)入質(zhì)譜中檢測(cè)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明基于放射性物質(zhì)電離生成硝酸離子及硝酸團(tuán)簇離子，在漂移管區(qū)域試劑離子與樣流中硫酸發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成質(zhì)譜可檢測(cè)的硫酸氫根離子或硫酸離子團(tuán)簇。本發(fā)明設(shè)計(jì)可生成穩(wěn)定的試劑離子，提高了裝置的穩(wěn)定性；此外，放射性源產(chǎn)生的雜質(zhì)峰少，且產(chǎn)生的其它離子很難與污染物反應(yīng)，如二氧化硫。

附圖說明

圖1為本發(fā)明X-射線離子源結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，一種用于測(cè)量氣態(tài)硫酸的X-射線離子源，主要包括試劑離子源，漂移管兩個(gè)部分；試劑離子生成區(qū)主要由鞘氣進(jìn)樣裝置、樣流進(jìn)樣、環(huán)電極、X-射線組成；漂移管主要由不銹鋼電極、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?dú)饣蛄憧諝鈨陕窔怏w組成，兩路氣體通過三通直接連接并混合，然后通過1米長的外徑為3/8英寸的特氟龍管，保證兩路氣體在進(jìn)入X-射線照射區(qū)域前充分混合。硝酸蒸汽通過0.05ml/min純氮?dú)鈿怏w吹掃室溫下的硝酸溶液產(chǎn)生，為了保證鞘氣在反應(yīng)腔內(nèi)均勻分布，采用上下同時(shí)進(jìn)樣的方式。所述樣流進(jìn)樣管位于離子源同軸中心區(qū)域，為減小壁損失，不銹鋼樣流管內(nèi)徑為10mm，樣流的流速約為8L/min，樣流出氣口位置位于試劑離子源與漂移管交接處。所述的環(huán)電極分為內(nèi)環(huán)電極和外環(huán)電極，且均與樣流管同軸，內(nèi)環(huán)電極隔離X-射線周圍產(chǎn)生的自由基與樣流反應(yīng)，兩環(huán)電極均加載-150V的電壓，樣流管電壓為0V。X-射線位于外環(huán)電極表面，照射兩環(huán)電極間的鞘氣產(chǎn)生硝酸離子及硝酸離子團(tuán)簇。

漂移管區(qū)由10個(gè)內(nèi)徑為40mm，5mm厚的不銹鋼環(huán)電極組成；環(huán)電極之間通過4mm厚的聚四氟乙烯墊片絕緣，每個(gè)環(huán)電極之間通過5MΩ電阻連接，形成一個(gè)均勻的直流電場(chǎng)。為了保證離子不去碰撞管壁，而是沿著軸線方向運(yùn)動(dòng)，在漂移管區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度與氣流流速(鞘氣和樣流)之間需達(dá)到一定的平衡。通過測(cè)試，漂移管區(qū)域的電壓約為為-130V，形成的電場(chǎng)對(duì)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(yùn)動(dòng)，鞘氣中的試劑離子將樣流包裹，并與中心軸線上的樣流中的硫酸發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，生成質(zhì)譜可檢測(cè)的硫酸離子或硫酸離子團(tuán)簇。在漂移管的末端裝有隔膜泵，抽離多余的未進(jìn)入質(zhì)譜的鞘氣和樣流混合氣，僅有0.8L/min的混合氣進(jìn)入質(zhì)譜。

本發(fā)明中涉及到的本領(lǐng)域公知技術(shù)未詳細(xì)闡述。