一种压力流量减缓装置以及一种结合了这种压力流量减缓装置的气溶胶汇聚系统，其用于在高流量、大气压力下进行采样，并且经由空气动力学汇聚透镜堆将密集汇聚的粒子束送入真空。所述压力流量减缓装置具有：进样喷嘴，其用于调节采样流量；压力流量减缓区，其具有用于降低压力和流量使得能与低压、低流量气溶胶汇聚装置进行良好对接的截取锥和抽吸端口；以及用于使气溶胶粒子减速或停止的驰豫室。按照该方式，所述压力流量减缓装置将压力与流量解耦，并使得能在大气压力和大于１升／分钟的流量下进行气溶胶采样。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及气溶胶汇聚系统，更具体地是涉及一种具有压力流量减緩 装置的气溶胶汇聚系统，所述压力流量减緩装置结合了汇聚透镜堆叠技术 而将在大气压力下操作的釆样入口耦合至真空，以获得高采样速度。
技术介绍
与气溶胶相关的仪器通常需要传输损失小或者没有传输损失的、密 集汇聚的粒子束。此外，它们需要以非常高的采样速度与采样环境连接， 以便能收集更多的气溶胶粒子并提高灵敏度。有研究表明，空气动力学 汇聚透镜堆能向真空内产生密集汇聚的气溶胶粒子束，并且已经被有效 地用于各种气溶胶研究[l。然而，现有汇聚透镜堆只能在小粒径以及低 压低流量下操作。这是基于设计上的原因由于为了维持透镜堆内的层 流而要求每个汇聚透镜的雷诺数低，因此用于0.5-10微米范围的气溶胶 粒子的空气动力学汇聚透镜堆只能在低流量低压力下操作。并且，为了 以可接受的>^差进行机械加工并在入口系统中对准，所述孔口尺寸必须 保持在l厘米以下100微米以上。因此，所述低压力和低流量使得空气 动力学汇聚透镜堆非常难以与大气压力下的气溶胶源连接。常规上使用 单临界孔口装置来使透镜堆与所述大气压力环境，其中，所述孔口的大 小由所述透镜堆所需的压力限定。然而，由于压力和流量之间存在耦合， 因此当采样流量低于0.05升/分钟时，临界孔口的采样效率非常低下， 造成只有极少的粒子传输通过整个系统。因此，需要一种具有大粒子汇聚入口、并且能够在大气压与可进行气溶胶质镨分析的真空7之间以高采样速度进行连接的气溶胶汇聚系 统(AFS)。具体地，需要这样一种气溶胶汇聚系统其将空气动力学 透镜堆汇聚技术与高流量、大气压下采样相结合，并能将密集汇聚的粒 子束(例如，粒子的粒径范围为1~10微米，粒子束直径小于300微米) 传送入真空中。而且，还需要一种用于确定AFS (包括AFS的各个单 独部件，如所述透镜堆)的尺寸并对AFS进行校验的设计工具，以便 能够在不需冗长的计算流体动力学仿真和昂贵的实验室级別的实验的 情况下快速地设计用于不同操作条件的各种连接系统。
技术实现思路
本专利技术的一方面包括一种压力流量减緩装置，其用于与特征在于操 作压力的气溶胶汇聚装置结合使用，所述压力流量减緩装置包括进样 喷嘴，其用于从采样环境中吸取载有粒子的空气，所述采样环境的特征 在于一采样压力，所述采样压力高于所述气溶胶汇聚装置的所述操作压 力；截取锥，其具有孔口，所述孔口与所述进样喷嘴对齐并在所述进样喷嘴的下游与所述进样喷嘴隔开，以在所述截取锥与所述进样喷嘴之间 形成间隙；抽吸端口，其与所述间隙流体连通以降低来自所述进样喷嘴 的压力和流量；以及驰豫室，其在所述截取锥的孔口的下游并与所述截 取锥的孔口流体连通，且所述驰豫室具有能够流体连通至所述气溶胶汇 聚装置的出口，所述驰豫室用于使从所述截取锥的孔口进入的粒子在离 开所述驰豫室并到达所述气溶胶汇聚装置之前速度降低。本专利技术另一方面包括一种气溶胶汇聚系统，包括气溶胶汇聚装置， 其特征在于一操作压力并具有出样喷嘴；以及压力流量减緩装置，其位 于所述气溶胶汇聚装置的上游，并且包括进样喷嘴，其用于从采样环 境中吸取载有粒子的空气，所述采样环境的特征在于一采样压力，所述 采样压力高于所述气溶胶汇聚装置的所述操作压力；截取锥，其具有孔 口 ，所述孔口与所述进样喷嘴对齐并在所述进样喷嘴的下游与所述进样 喷嘴隔开，以在所述截取锥与所述进样喷嘴之间形成间隙；抽吸端口， 其与所述间隙流体连通以降低来自所述进样喷嘴的压力和流量；以及驰 豫室，其在所述截取锥的孔口的下游并与所述截取锥的孔口流体连通， 且所述驰豫室具有能够流体连通至所述气溶胶汇聚装置的出口 ，所述驰 豫室用于使从所述截取锥的孔口进入的粒子在离开所述驰豫室并到达所述气溶胶汇聚装置之前速度降低。 附图说明以下附图并入所披露的本专利技术并形成其一部分，其中图1是包括压力流量减緩装置和气溶胶汇聚透镜堆的本专利技术气溶胶 汇聚系统(AFS)的示范性实施例的3维剖视图2是图1中所示的所述压力流量减緩装置101的剖视图3是图1中所示的所述透镜堆组件102的剖视图4是示出在采样压力为760托时进样喷嘴孔口直径与流量的关系图5是示出粒子传输与截取锥尺寸和距进样喷嘴距离的关系图6的曲线图示出与减緩室中各种压力相对应的截取锥直径；图7的曲线图示出对应于各种进样喷嘴的驰豫室尺寸；图8的曲线图示出对于连接至压力为20托及在1大气压力下的等 价流量为1升/分钟(或者在20托下的3.8升/分钟)的PFR的截取锥设计；图9的曲线图示出对于连接至压力为20托及在1大气压力下的等 价流量为l升/分钟(或者在20托下的3.8升/分钟)的透镜堆的多种驰 豫距离设计。驰豫室直径为5厘米；图IO是流程图11的曲线图示出了用于汇聚粒子尺寸区间为给出的、用于计算膨胀射流的中心线马赫数M 的经验公式<formula>formula see original document page 11</formula>其在满足1<^<0.67 ， 时有效 (式3 )其中，z是沿纵向轴线方向距喷嘴的距离，P upstream 是采样压力，Pdownstream是减緩室中的压力。上边界界定了马赫盘的位置，从而界定了截取锥距 采样喷嘴的距离的上限。下一步计算穿过具有给定直径dskim證并且距 喷嘴的距离为Zskimmer的截取锥的质量流量。假设射流中为等熵膨胀， 则能够将气体的温度、压力和密度表示为马赫数从而表示为距喷嘴的距离的函数，如下<formula>formula see original document page 12</formula>则利用以下公式，声速能够作为温度的函数进行计算，从而气体速度能够作为距离的函数进行计算<formula>formula see original document page 12</formula>(式5)则通过截取锥的质量流量Qm写成下式:<formula>formula see original document page 12</formula>(式6)由于透镜堆是针对等价于大气压力下的给定流量设计的，因此通过截取锥以获得适当操作条件所需的质量流量如下计算<formula>formula see original document page 13</formula>(式7)利用式6和式7，截取锥的距离能够表示为使透镜堆获得适当操作 条件的截取锥直径的函数。图8示出了与如下的透镜堆相连接的PFR 的示例，该透镜堆在压力为20托及在1个大气压下的等价流量为0.1 升/分钟(或者是在20托下的3.8升/分钟)下操作。很明显，为了优化 气溶胶粒子向驰豫室的传输效率，截取锥的直径应该选择为大于采样喷 嘴的直径。最后，基于对粒子通过喷嘴时的粒子速度的估计值来设计所述驰豫 室。流体中粒子使用曳力的运动方程[6由式8给出<formula>formula see original document page 13</formula>(式8)Cunningham coirection本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种压力流量减缓装置，其用于与特征在于操作压力的气溶胶汇聚装置结合使用，所述压力流量减缓装置包括：进样喷嘴，其用于从采样环境中吸取载有粒子的空气，所述采样环境的特征在于一采样压力，所述采样压力高于所述气溶胶汇聚装置的所述操作压力；截取锥，其具有孔口，所述孔口与所述进样喷嘴对齐并在所述进样喷嘴的下游与所述进样喷嘴隔开，以在所述截取锥与所述进样喷嘴之间形成间隙；抽吸端口，其与所述间隙流体连通以降低来自所述进样喷嘴的压力和流量；以及驰豫室，其在所述截取锥的孔口的下游并与所述截取锥的孔口流体连通，且所述驰豫室具有能够流体连通至所述气溶胶汇聚装置的出口，所述驰豫室用于使从所述截取锥的孔口进入的粒子在离开所述驰豫室并到达所述气溶胶汇聚装置之前速度降低。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-9-6 60/714,689;US 2005-6-17 60/691,5211.一种压力流量减缓装置，其用于与特征在于操作压力的气溶胶汇聚装置结合使用，所述压力流量减缓装置包括进样喷嘴，其用于从采样环境中吸取载有粒子的空气，所述采样环境的特征在于一采样压力，所述采样压力高于所述气溶胶汇聚装置的所述操作压力；截取锥，其具有孔口，所述孔口与所述进样喷嘴对齐并在所述进样喷嘴的下游与所述进样喷嘴隔开，以在所述截取锥与所述进样喷嘴之间形成间隙；抽吸端口，其与所述间隙流体连通以降低来自所述进样喷嘴的压力和流量；以及驰豫室，其在所述截取锥的孔口的下游并与所述截取锥的孔口流体连通，且所述驰豫室具有能够流体连通至所述气溶胶汇聚装置的出口，所述驰豫室用于使从所述截取锥的孔口进入的粒子在离开所述驰豫室并到达所述气溶胶汇聚装置之前速度降低。2. 如权利要求l所述的压力流量减緩装置， 其中，所述采样环境的所述采样压力为1大气压。3. 如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述采样压力是所述操作压力的至少2倍以通过所述进样喷 嘴产生超音速射流，从而使得所述采样压力和流量仅由所述进样喷嘴的 孔口尺寸限定，而不用考虑所述气溶胶汇聚装置的操作条件如何。4. 如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述压力流量减緩室包括至少一个额外的抽吸端口，且所述 抽吸端口分布在所述压力流量减緩室中以在所述压力流量减緩室中产 生更为均匀的压力分布。5. 如权利要求l所述的压力流量减緩装置， 其中，所述截取锥呈圆锥形。6. 如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述截取锥的孔口的尺寸及所述截取锥的孔口距所述进样喷嘴的距离要选择成使得能够提供预定的压力并使粒子传输最大化。7. 如权利要求l所述的压力流量减緩装置，其中，所述驰豫室...
【专利技术属性】
技术研发人员：埃里克E戈德，文森特J里奥，基思R科菲，布鲁斯W伍兹，赫伯特J托比亚斯，詹姆斯M伯奇，托德H韦斯格雷贝尔，
申请(专利权)人：劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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