离子迁移谱中离子运动仿真及优化设计研究

摘要

环境污染、爆炸物检测、食品安全等领域中痕量物质信息获取对于现场检测技术提出了迫切需求，离子迁移谱技术作为一种基于常压环境下痕量物质快速检测的方法，有望在这些领域中发挥重要作用。而随着离子迁移谱技术的发展，各种基于不同原理的离子迁移谱分析器开始出现，对于离子迁移谱的核心器件-分析器的优化也在不断进行.离子迁移谱分析器传统的优化主要包括基于条件简化的理论分析方法以及实验对比验证方法，在分析精度和便捷性上难以满足现有的离子迁移谱应用需求。
　　基于此，本文开展了离子迁移谱关键部件的仿真及优化研究。借助COMSOL软件强大的多物理场耦合计算能力，对常压气相介质中的离子在流场和电场共同作用下的运动情况进行仿真模拟，建立了广泛应用于危害毒险品检测的飞行时间离子迁移谱(DTIMS)、大气细颗粒物主流检测手段的平板型差分迁移率谱(DMA)两种分析器的仿真模型，在此基础上对影响这两种分析器探测精度的关键部件结构和工作参数进行了优化设计，得到了以下结果。
　　1、对Bradbury Niclson离子门和Tyndall离子门通断过程中离子运动进行了仿真，得到了在初始的结构和工作参数下，能完成截断离子流功能所需要的最低的关门电压，得到了Tyndall离子门开关时间对离子迁移谱分辨率和灵敏度的影响机制，得到了离子门最佳工作电场强度。
　　2、对DTIMS分离电场均匀性和强度对分辨率的影响进行了仿真，发现了前端离子门会产生导致离子群空间分布发散的径向电场分量，而这是谱图峰展宽的重要原因之一。基于此，得到了优化的分离电极结构，得到了优化电场强度分布。
　　3、对DTIMS电荷收集效率的流场和电场影响进行了研究，发现反吹气位置对电荷收集影响较小，而反吹气流量和牵引电场强度对其影响较大，其中电场强度与收集效率成正比，而反吹气流量则存在优化区。
　　4、基于对DTIMS的仿真结果，设计了应用于环境中VOCs检测的DTIMS分析器，并完成样机的搭建，以二甲苯为样品进行了检测，验证了样机工作的可靠性。
　　5、针对平板型DMA在检测细颗粒物时分辨率提升受扩散作用的制约这一问题，对其结构、电场、流场等进行了仿真，发现了鞘气流量、电极狭缝对分辨率的提升作用饱和点，得到了优化的分离区结构和工作参数。
　　研究工作表明，基于多物理场耦合的有限元仿真方法可以为离子迁移谱分析器各关键部件结构、工作参数的优化设计提供有效的指导。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 痕量物质现场检测技术需求迫切

1．2 各类痕量检测技术的发展现状

1．3 离子迁移谱技术的发展历程

1．4 本章小结

第二章 理论基础及仿真建模

2．1 离子迁移谱理论基础

2．2 有限单元方法简介

2．3 DTIMS分辨率影响因素

2．4 DMA分辨率影响因素

2．5 多物理场耦合设置

2．5．1 DTIMS仿真模型

2．5．2 DMA仿真模型

2．6 本章小结

第三章 数据分析及优化设计

3．1 飞行时间离子迁移谱的设计优化及样机搭建

3．1．1 两种不同离子门的工作方式

3．1．2 离子门的开门时间

3．1．3 离子门开启期间内部的电场强度

3．1．4 分离区电场设计

3．1．5 反吹气气路设计

3．1．6 电荷收集装置

3．2 基于仿真优化结果的DTIMS样机搭建

3．3 差分迁移率谱的结构和工作参数优化

3．3．1 鞘气流量的影响

3．3．2 检测电极狭缝宽度的影响

3．3．3 分离区域长度的影响

本章小结

4．1 总结

4．2 展望

参考文献