阵列式多针—柱电极装置实现离子风的实验与分析*

刘钧誉，李 华，曾德查

(桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

阵列式多针—柱电极装置实现离子风的实验与分析*

刘钧誉，李 华，曾德查

(桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

为了实现一定气体流速的离子风，设计了一种新型的阵列式三排3×3垂直放置的针—柱电极结构放电装置。在针—柱之间间距为3 mm、排与排之间间距为8 mm、镇流电阻12 MΩ、放电电阻12 MΩ、测试电阻1 kΩ、大气压环境、室温、无外部通入气流时，阵列式针—柱电极实现了稳定的电晕放电，并通过示波器记录的放电波形、数码相机拍摄的发光图像以及放电伏安特性曲线进行了验证。同时，随着阵列式排数的增加，放电电流变大，离子风风速也随之增大。该针—柱结构易于用MEMS工艺加工制作，可应用于便携式分析仪器中。

离子风；阵列式；针—柱电极；电晕放电；便携式分析仪器

0 引 言

近年来，对食品、环境污染物、爆炸物、毒品和战场生化战剂等的检测都迫切需要便携式、低功耗、微型化的化学分析检测仪器。质谱仪、离子迁移谱、高场非对称波形离子迁移谱等分析仪器的出现，为检测分析各类化学物质提供了科学手段[1～3]。在此类分析仪器中，离子源是一个非常重要的组成部分，它将样品分子电离成离子，便于后续的分析和检测，是仪器的关键和核心。

在分析仪器中，目前应用的离子源主要有真空紫外灯离子源、63Ni离子源、电喷雾离子源、电晕放电离子源、辉光放电离子源等[4～8]。真空紫外灯离子源采用真空紫外灯发出一定波长的光子流，将电离能低于光子能量的物质电离，具有结构简单、安装方便、电离产物简单、离子碎片少等优点，但其不足之处在于体积较大，不利于微型化和系统集成。63Ni离子源不需外加电源，具有体积小、结构简单、电离能量大等优点，但其电离产物离子碎片多，容易产生发射性污染等不足也限制了其应用。电喷雾离子源在质谱仪中得到了广泛的应用，一般适合电离极性较强的物质。电晕放电和辉光放电离子源采用极不对称电极结构，通过施加高压形成不均匀电场将物质电离，是近年来微型分析仪器所用离子源的研究热点。刘坤等人采用线—筒电极结构实现电晕放电和辉光放电应用于高场非对称波形离子迁移谱[7，8]、檀景辉等人采用针—网电极结构应用于离子迁移谱[9]。但这种离子源在工作过程中需要外界通入高速气流以带走电离过程中的热量，同时驱动离子以一定速度继续运动，便于后续的分析和检测，这就需要外接庞大复杂的供气系统，不利于系统的微型化。

针对现有研究的不足，本文提出了一种新型的阵列式针—柱放电电极结构。在没有外界通入气流的条件下，实现了稳定电晕放电，并产生了一定气体流速的离子风，可用于样品的进样、电离和电离后离子的驱动。为了增大气体流速，采用三级阵列式针—柱电极结构，通过实验分析了阵列式针—柱电极的放电特性以及和离子风的风速大小关系。本文所设计的阵列式针—柱电极结构易于用MEMS工艺加工实现[10,11]，为下一步在便携式分析仪器中的应用奠定了基础。

1 实验装置

图1为设计的实验装置，由0～-5 000 V可调、最大输出功率500 W的直流负高压电源、阵列式多针—柱放电结构、放电回路、测试系统等组成。阵列式多针—柱放电结构采用3排3×3垂直放置的针—柱结构，每排由间距8 mm的3根不锈钢针与1根直径4 mm，长60 mm的紫铜圆柱构成放电电极，针—柱电极之间的间距为3 mm。前排针和后排柱之间的间距为8 mm，避免了不锈钢针和后级柱之间放电。

放电回路中镇流电阻器连接于不锈钢针，用于抑制放电过程中的电弧，实验过程中阻值取为12 MΩ。放电电阻器连接于高压电源两端，用于放电结束后电源电压的快速下调。采用TDS1002B—SC泰克示波器读取阻值1 kΩ的测试电阻器两端的电压值，用于观察放电波形。同时，数字电压表读取测试电阻器两端的电压有效值，以得到放电电路中电流值的大小。放电过程中的放电图像通过佳能数码相机拍摄，TESTO 405—V1风速仪放置于距离出风口10 mm的位置测量离子风的风速大小。

图1 阵列式针—柱结构实验装置设计Fig 1 Experimental device design of array needle-bar structure

2 实验结果与讨论

在针—柱间距3 mm，柱直径为4 mm，镇流电阻的电阻为12 MΩ，放电电阻器阻值为12 MΩ，测试电阻器阻值为1 kΩ，大气压环境、室温、无外部通入气流时进行针—柱放电实验。实验过程中，先进行1排针—柱气体放电实验，接着进行2排和3排联合放电，最后是全部3排针—柱同时放电实验。图2为当电源输出电压为-4 500 V时，3组实验中阵列式针—柱放电分别对应的发光图像。

图2 阵列式针—柱大气压气体放电发光图片Fig 2 Luminous photos of array needle-bar ambient gas discharge

由图2可见，在每组针—柱放电实验中，只有针尖附近发光，说明电离主要发生在针尖附近，此处的电场强度最大，3组放电发光图像对应的测试电阻器两端放电电压波形如图3所示。图3(a)为只有1排针—柱放电时候的放电波形，为多个特里切尔波形的叠加，且还有直流分量，说明是由电晕放电向辉光放电的过渡阶段[12]。图3(b),(c)是第1和第2排针—柱以及3排同时放电时候的放电波形，和图3(a)相比，此时直流分量更大，且是更多的特里切尔波形分量的叠加。图3(a)，(b)，(c)对应的数字电压表电压读数分别为51.5，105.3，144 mV，换算成电流值为51.5，105.3，144 μA，表明参与放电的针—柱越多，放电电流越大。图3(a)，(b)，(c)对应的不锈钢针分别是3，6，9根，其对应的电流值对比关系为：51.5︰105.3︰144也基本符合3︰6︰9的规律。多个特里切尔波形的叠加是由于针—柱电极结构的误差、装配的误差等带来的每根针—柱放电波形的差异，从而总的放电波形是多个不同波形的叠加。

图3 示波器记录的测试电阻器两端电压波形Fig 3 Voltage waveforms on the both ends of test resistors recorded by oscilloscope

根据Townsend气体放电理论，在电晕放电阶段，回路电流与放电电极间电压具有如下关系式[13]

I=CU(U-Uon),

(1)

式中I为放电回路电流，C为放电系数，与电子迁移率和电极间距有关，U为电极间电压，Uon为电晕放电起始电压。将式(1)变换,I/U与U将是线性关系，如式(2)所示

I/U=C(U-Uon).

(2)

由图(1)可知，针—柱之间电压U可由下式求出

U=U′-IR-Ir，

(3)

式中U′为电源输出电压，r为镇流电阻器电阻，r为测试电阻，由于R≫r，由此可忽略测试电阻器两端的电压值。将第一组针—柱放电的实验数据处理后，伏安特性曲线如图4所示。由图4可见，在针—柱间电压为-2.9～-3.978 kV阶段，I/U与U基本满足线性关系，随着针—柱之间电压的继续升高，放电转换为电晕放电向辉光放电的过渡阶段，曲线斜率逐渐发生改变。

图4 针—柱放电伏安特性曲线Fig 4 Discharge volt-ampere characteristic curve of needle-bar

通过实验中的放电发光图像(图2)、放电波形(图3)以及伏安特性曲线(图4)，表明在大气压环境以及没有外界通入气流的条件下，实现了阵列式针—柱电极稳定的电晕放电。

图5为电源输出电压与放电回路电流和风速的对应关系。由图5(a)可见，1排，2排和3排针—柱放电时的电流值都随着放电电压的升高而升高。刚开始放电阶段，2排和3排针—柱放电时电流的增幅相对于1排并不明显，这是由于各方面的误差(包括装配误差、不锈钢针、柱之间的差异等)带来的电晕放电起始电压的差异，随着电压的升高，3排针—柱都开始了电晕放电，电流增幅逐渐加大。与此相对应，图5(b)表明针—柱电极在电晕放电的同时还产生了一定流速的离子风。随着放电电压的增大，离子风风速也随之增大。另一方面，2排针—柱放电相对于1排针—柱离子风流速有显著提高，最大气流流速由1排针—柱时的0.7m/s上升到0.86 m/s。3排针—柱放电相对于2排针—柱开始阶段没有明显提高，直到放电电压上升到-4 900 V和-5 000 V时，最大气体流速分别上升到0.92 m/s和0.93 m/s。究其原因，在于3排针—柱电极距离出口比2排大，虽然放电产生了离子风，但随着距离的增大，空气的粘滞阻力、前排电极对气流的反弹等都会造成离子风风速的衰减，因此，在放电电压较低时，3排针—柱并没有带来出口处明显的风速增强。一直到放电电压较高时的-4 900 V和-5 000 V，产生的离子风流速较大，才带来出口处风速的增强。

图5 输出电压和回路电流与风速的关系Fig 5 Relationship between output voltage andloop current and wind velocity

3 结 论

本文设计了一种新型的阵列式针—柱电极结构，通过调节针—柱之间的间距为3 mm、镇流电阻12 MΩ，放电电阻12 MΩ、无外界通入气流时，实现大气压环境下稳定的电晕放电，并通过示波器测量得到的放电波形和数码相机拍摄的放电图像以及伏安特性曲线得到验证。多组阵列式电极结构在放电的同时还产生了离子风，并随着阵列级数的增加离子风风速随之增强。该针—柱结构可采用MEMS工艺进行加工，且不需要外部通入高速气流，为其在便携式分析仪器中的应用奠定了基础。

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Experiment and analysis of ionic wind realized by arraymulti needle-bar electrode device*

LIU Jun-yu, LI Hua, ZENG De-cha

(School of Life and Environmental Sciences,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

A new type 3×3 aligned array needle-bar electrode structure in vertical position are designed to realize ionic wind with a certain gas flow velocity.In condition that the distance between needle-bar is 3 mm,the distance between rows is 8 mm,the ballast resistance is 12 MΩ,the discharge resistance is 12 MΩ,the test resistance is 1 kΩ,in ambient air,at room temperature,without air flow,the stable corona discharge between needle-bar electrode is realized,and it is verified by discharge waveform recorded by oscilloscope,luminous image recorded by digital camera and discharge volt-ampere characteristics curve.At the same time,the discharge current and the flow velocity of ionic wind increase with the row number of array increasing.The structure is easy to be fabricated by MEMS technology,which can be used in portable analyzer.

ionic wind; array type; needle-bar electrode; corona discharge; portable analyzer

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0025—03

2014—02—28

广西高校大学生创新计划资助项目(ZCC016359)；国家自然科学基金青年基金资助项目(61204120)；广西自然科学基金青年基金资助项目(2013GXNSFBA019273)；广西高等学校一般科研资助项目(201203YB078); 广西高等教育教学改革工程项目(2014JGB144)

TH 83

A

1000—9787(2014)10—0025—03

刘钧誉(1991-)，女，广西桂林人，本科，研究方向为分析仪器设计。