可调式气动聚焦构造的制作方法

本发明关于一种可调式气动聚焦构造，特别是涉及一种由多个节管所组成的中空管体，其中前述节管具有不同的聚焦孔径，因此将前述节管以特定排序组装而成的该中空管体可用以使通过该可调式气动聚焦构造的气胶粒子聚焦形成高准直度的气胶粒子束，其中该气胶粒子束束宽介于3nm至3μm之间。

背景技术：

气胶(aerosols)一般泛指固态微粒或液态微滴悬浮于气体介质中的分散体系，而生活中常见的气胶包含霾、粉尘、悬浮微粒、烟雾及海盐飞沫，其中气胶的粒径范围介于数个纳米乃至微米量级。

气胶在环境化学、大气化学、生物化学、生物医学及星际化学等领域扮演着重要的角色，天然气胶对于地球的辐射平衡十分重要，然而人类活动所产生的人为气胶影响云的生成机制及大气光化学反应机制，并造成空气质量恶化而严重影响人类的健康，因此气胶已严重危害地球环境的恒定性。世界卫生组织(World Health Organization,WHO)中的国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancers,IARC)在经过独立评估后，于2013年宣布空气中的悬浮微粒(particulate matters,PM)为致癌因子，世界卫生组织于2014年公开的一份报告中指出，2012年因空气污染所导致的死亡人数已达七百万人，接近全球死亡人数的1/8，其中，由于气动直径(aerodynamic diameter)小于2.5微米的悬浮微粒(PM 2.5)可侵入肺泡或体循环中，因此对于人体的危害最为严重。

由于气胶的物理、化学、光学及生化性质取决于其化学组成、尺寸、外在型态及内部结构，因此深入了解并精准掌握气胶的物理、化学、光学及生化性质对于气胶的研究发展是至关紧要的。

不同化学组成及尺寸大小的气胶具有不同的价电子能级结构，而能级结构会直接影响气胶与其他物质发生化学反应时的化学活性，因此，对于各种不同化学组成的气胶价壳层电子能级结构及其尺寸效应的探讨显得格外重要。为了深入探讨气胶的尺寸大小对于价壳层电子能级结构以及其他重要性质的影响，如何选择性地对不同尺寸的气胶进行调控是关键且必要的。

为了对环境中的气胶进行量测及分析，一般常见的气胶量测技术是利用气动聚焦系统(Aerodynamic Lens,ADL)对大气中的悬浮气胶进行聚焦，使其产生气胶束，并结合质谱仪进行气胶化学组成分析。

现有习知的气动聚焦系统主要是通过气动力学原理使通过气动聚焦系统的气胶流体中的特定尺寸范围的气胶粒子形成气胶粒子束，如美国专利US 8119977所揭露的气动聚焦结构，其包含具有入口及出口的圆筒状中空体，该中空体具有第一聚焦区及第二聚焦区，该第一聚焦区具有多个聚焦孔，其孔径随着粒子行进方向逐渐缩小，而该第二聚焦区具有多个聚焦孔，其孔径随着粒子行进方向逐渐增加。

此外，US 8119977特别提到，通过第一及第二聚焦区中的聚焦孔孔径逐渐缩小再逐渐增加的技术特征，使其能够有效聚焦气动直径大小介于30至3000nm之间的气胶粒子，使其形成直径小于1mm的气胶粒子束，并同时确保90％以上的传输效率。

相较于其他先前技术，US 8119977通过中空体中的两个聚焦区以使通过的气胶粒子直径范围扩增至30至3000nm，因此是用以聚焦大范围直径的气胶粒子，并非针对特殊尺寸的气胶粒子选择性地进行聚焦。如先前所述，尺寸效应对于微细气胶影响甚巨，尺寸差异极小的气胶粒子可能具有相当不同的物化性质，因此，唯有有效控制并聚焦特定尺寸的气胶粒子，才能进一步深入了解不同尺寸的气胶特性。

技术实现要素：

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下的技术方案来实现的。本发明的主要目的在于提供具有多个节管的可调式气动聚焦构造，其中具有不同聚焦孔径的节管可针对各种情况以不同的顺序进行组装。

一种可调式气动聚焦构造，其包含中空管体，该中空管体具有入口端、出口端及位于该入口端及该出口端之间的聚焦区段，该聚焦区段具有多个依序组装的节管，各该节管具有第一连结端、第二连结端及聚焦孔，该第一连结端及该第二连结端分别设置于该节管的两端，该聚焦孔形成于该节管内，该第二连结端与相邻的该节管的该第一连结端连结，该聚焦孔具有一聚焦孔径，其中，相邻的各该聚焦孔的该聚焦孔径不同。

本发明的目的及解决其技术问题是还可以采用以下的技术措施来进一步实现。

前述的可调式气动聚焦构造，其中该第一连结端具有第一连结部，该第一连结部形成于该第一连结端之外壁，该第二连结端具有第二连结部，该第二连结部形成于该第二连结端的内壁，该第一连结部嵌入相邻的该节管的该第二连结部。

前述的可调式气动聚焦构造，其中该第一连结端另具有环槽，该环槽环绕该第一连结部。

前述的可调式气动聚焦构造，其中该第一连结部为外螺纹，该第二连结部为内螺纹，该第一连结部的该外螺纹与相邻的该第二连结部的该内螺纹啮合。

前述的可调式气动聚焦构造，其中该聚焦孔形成于该第一连结端。

前述的可调式气动聚焦构造，其中相邻的各该聚焦孔之间相隔聚焦距离，该聚焦距离介于10至100mm之间。

前述的可调式气动聚焦构造，其中该中空管体的该入口端具有入口孔，该入口孔的孔径介于100至500μm之间。

前述的可调式气动聚焦构造，其中该中空管体的该出口端具有出口孔，该出口孔的孔径介于1至5mm之间。

前述的可调式气动聚焦构造，其中前述节管的内壁粗糙度(Ra)不大于6.3μm。

前述的可调式气动聚焦构造，其中前述节管的该聚焦孔径由该入口端朝该出口端方向逐渐缩小。

前述的可调式气动聚焦构造，其中前述节管的该聚焦孔径由该入口端朝该出口端方向逐渐增加。

前述的可调式气动聚焦构造，其中前述气胶粒子通过该中空管体以聚焦形成气胶粒子束，该气胶粒子束进入气胶光电子光谱仪，以进行光电子光谱量测及光电子动能分析。

前述的可调式气动聚焦构造，其中该光电子光谱仪包含分级抽气区域，该分级抽气区域用以降低腔体压力。

前述的可调式气动聚焦构造，其中该光电子光谱仪包含光电子光谱分析腔，该光电子光谱分析腔用以进行光电子光谱量测。

前述的可调式气动聚焦构造，其中该光电子光谱仪另包含电子能量分析仪，该电子能量分析仪用以进行光电子动能分析。

本发明的该可调式气动聚焦构造具有下列优点：

1.本发明将该中空管体划分成三个部份，因此研究者可根据所欲侦测的气胶粒子大小选择性地调整该入口孔、出口孔及各该节管的该聚焦孔孔径，以良好的调控性取得具有目标大小的气胶粒子，以利于气胶研究，且相较于其他文献所揭露的单一固定形式的气动聚焦系统，本发明的该气动聚焦构造借由可轻易组装拆卸且客制化的节管，可轻易取得不同粒径大小的目标气胶粒子。

2.借由本发明的该可调式气动聚焦构造所聚焦形成的该气胶粒子束具有高准直度，其中，该气胶粒子束束宽小于1mm。

3.前述气胶粒子依序通过各该节管时，其所处周边压力随之递减，因此当前述气胶粒子抵达该气胶光电子光谱仪的该光电子光谱分析腔时，得以快速进入高真空状态，以利于后续光电子光谱侦测或其他需要高真空状态的侦测方法，如气胶质谱分析。

4.本发明更进一步揭露借由改变相邻两个该聚焦孔之间相隔的该聚焦距离，以达到控制聚焦质量及聚焦形成的气胶粒子束束宽。

附图说明

图1是依据本发明实施例的多功能气胶检测系统的示意图。

图2是依据本发明实施例的气胶光电子光谱仪的立体组合图。

图3是依据本发明实施例的可调式气动聚焦构造的剖视图。

图4是依据本发明实施例的该可调式气动聚焦构造的局部剖视图。

图5是依据本发明实施例的该可调式气动聚焦构造的局部剖视图。

图6是依据本发明实施例的该可调式气动聚焦构造的局部分解图。

图7A是利用本发明的该可调式气动聚焦构造所取得的纯水气胶的紫外光光电子图谱。

图7B是利用本发明的该可调式气动聚焦构造所取得的纯水气胶的紫外光光电子图谱。

图8是利用现有习知liquid microjet技术所取得的纯水气胶的紫外光光电子图谱。

图9是利用现有习知liquid microjet技术所取得的纯水气胶的紫外光光电子图谱。

图10是利用现有习知liquid microjet技术所取得的纯水气胶的紫外光光电子图谱。

[符号说明]

1：可调式气动聚焦构造 11：入口端

111：入口孔 12：出口端

121：出口孔 13：聚焦区段

131：节管 131A：第一节管

131B：第二节管 131C：第三节管

131D：第四节管 131E：第五节管

1311：第一连节端 13111：第一连结部

13112：环槽 1312：第二连结端

13121：第二连结部 1313：聚焦孔

132：延伸管 133：聚焦距离

A1：气胶红外线光谱仪 A11：气胶生成腔

A12：阀口 A13：傅立叶变换红外线光谱仪

A14：光源 B1：气胶光电子光谱仪

B11：气胶束源腔 B12：分级抽气区域

B13：光电子光谱分析腔 B14：电子能量分析仪

具体实施方式

请参阅图1，一种多功能气胶检测系统具有气胶红外线光谱仪A1、气胶光电子光谱仪B1及可调式气动聚焦构造1，该可调式气动聚焦构造1用以气动聚焦多个气胶粒子以形成气胶粒子束，在本实施例中，该气胶光电子光谱仪B1为气胶紫外光电子光谱仪。

请参阅图1，该气胶红外线光谱仪A1具有气胶生成腔A11、阀口A12、傅立叶变换红外线光谱仪A13、光源A14及控制模块(图未绘出)，该控制模块可精准控制该气胶生成腔A11的内部温度及压力，以使该气胶生成腔A11中的气胶前驱物聚集成团，并核化(同质或异质核化)形成气胶粒子，本发明借由该气胶红外线光谱仪A1的该气胶生成腔A11于不同环境条件产生不同化学组成的气胶粒子，并使用该傅立叶变换红外线光谱仪A13探测目标气胶粒子于时间演变下的振动能级、结构特性及生成机制，因此可于控制条件下产生不同尺寸及型态的气胶粒子，以详细分析气胶粒子的结构及动态性质。

请参阅图1及图2，该气胶光电子光谱仪B1具有气胶束源腔B11、分级抽气区域B12、光电子光谱分析腔B13及电子能量分析仪B14，该气胶束源腔B11用以使前述气胶粒子通过该可调式气动聚焦构造1以聚焦形成该气胶粒子束，并使前述气胶粒子在离开该可调式气动聚焦构造1后立即进入低真空环境，该分级抽气区域B12用以降低腔体压力，使该气胶粒子束进入该气胶光电子光谱仪B1的该光电子光谱分析腔B13中，以进行光电子光谱量测，该光电子光谱分析腔B13具备光电子光谱量测所需的真空条件，其中，具有特定光子能量的光子于该光电子光谱分析腔B13中对该气胶粒子束进行光电游离，且于该气胶粒子束与光子束作用的游离区域释放出具有不同动能的光电子，释放出的光电子接着进入该电子能量分析仪B14，以进行光电子动能分析。

请参阅图1及图3，该可调式气动聚焦构造1具有中空管体，来自于该气胶生成腔A11或其他来源的前述气胶粒子首先通过该阀口A12，接着进入该中空管体中，在本实施例中，通过该中空管体的前述气胶粒子聚焦形成该气胶粒子束，该气胶粒子束紧接着进入该气胶光电子光谱仪B1，以进行光电子光谱量测及光电子动能分析。请参阅图3，该中空管体具有入口端11、出口端12及位于该入口端11及该出口端12之间的聚焦区段13，如图1所示，该中空管体的该入口端11连接该阀口12，前述气胶粒子经由该阀口12被引导至该入口端11，其中，该中空管体部份容纳于该气胶束源腔B11中。

请参阅图3及图4，该中空管体的该入口端11具有入口孔111，该入口孔111的孔径介于100至500μm之间，在本实施例中，该入口孔111的孔径为300μm。请参阅图3及图5，该中空管体的该出口端12具有出口孔121，该出口孔121的孔径介于1至5mm之间，在本实施例中，该出口孔121的孔径为3mm，其中，该入口孔111的孔径影响前述气胶粒子的流速、该气胶粒子束的束宽及该气胶光电子光谱仪B1于作动时的压力，而该出口孔121的孔径影响该气胶粒子束的速度及到达光游离区域所需的时间。

请参阅图3，位于该入口端11及该出口端12之间的该聚焦区段13具有多个依序组装的节管131及多个依序组装的延伸管132，前述节管131接近于该出口端12，前述延伸管132接近于该入口端11，其中，前述节管131及前述延伸管132的内部形状为中空圆筒状，用以达到气动聚焦的效果，在本实施例中，前述节管131的内壁中心线平均粗糙度(Ra)不大于6.3μm，因此聚焦中的前述气胶粒子路径不会因为前述节管131内壁平滑度不足而发生偏移，而前述节管131及前述延伸管132的外部形状可为圆筒状或非圆筒状，在本发明中，前述节管131及前述延伸管132可选择性地组装或拆卸。前述延伸管132相互连接以形成延伸轨道空间，用以连接该入口孔111，并且增加该聚焦区段13的总长度以符合该气胶束源腔B11的长度，在本实施例中，该中空管体具有六个依序组装的该延伸管132。

请参阅图6，各该节管131具有第一连结端1311、第二连结端1312及聚焦孔1313，其中，该第一连结端1311及该第二连结端1312分别设置于该节管131的两端，而该聚焦孔1313形成于该节管131内，在本实施例中，该聚焦孔1313形成于该节管131的该第一连结端1311。

请参阅图3及图4，前述延伸管132具有与前述节管131相同的连接装置，然而前述延伸管132为内径一致的中空圆管，且不具有任何聚焦孔。

请参阅图6，该第二连结端1312可与相邻的该节管131的该第一连结端1311连结，较佳地，该第一连结端1311具有第一连结部13111，该第一连结部13111形成于该第一连结端1311之外壁，该第二连结端1312具有第二连结部13121，该第二连结部13121形成于该第二连结端1321的内壁，因此该第一连结部13111可嵌入相邻的该节管131的该第二连结部13121，较佳地，该第一连结端1311另具有一环槽13112，该环槽13112环绕该第一连结部13111，用以容纳O形环(图未绘出)，以确保该第一连结部13111嵌入相邻的该节管131的该第二连结部13121时能够紧密结合，在本实施例中，该环槽13112的内径为14mm，外径为18mm，槽深为1.5mm。

于其他实施例中，该第一连结部13111可为外螺纹，该第二连结部13121可为内螺纹，借由第一连结部13111的外螺纹与相邻的该第二连结部13121的内螺纹啮合，以使相邻的两个该节管131紧密结合。

请参阅图5及图6，各该节管131的该聚焦孔1313具有聚焦孔径，相邻的两个该节管131的该聚焦孔径不同，因此根据所欲聚焦的气胶平均粒径选择具有适当聚焦孔径的节管依序进行组装，以使通过该中空管体的气胶粒子流体形成具有良好聚焦质量的气胶粒子束，较佳地，前述节管131的该聚焦孔径系由该入口端11朝该出口端12方向(该气胶粒子束的行进方向)逐渐变化，在本实施例中，前述节管131的该聚焦孔径是由该入口端11朝该出口端12方向逐渐缩小。

请参阅图5，在本实施例中，前述节管131包含沿着该气胶粒子束行进方向依序排列的第一节管131A、第二节管131B、第三节管131C、第四节管131D及第五节管131E，该第一节管131A连接该延伸管132。

请参阅图5，该第二节管131B位于该第一节管131A及该第三节管131C之间，该第三节管131C位于该第二节管131B及该第四节管131D之间，该该第四节管131D位于该第三节管131C及该第五节管131E之间，其中，该第一节管131A的该聚焦孔1313具有第一聚焦孔径，该第二节管131B的该聚焦孔1313具有第二聚焦孔径，该第三节管131C的该聚焦孔1313具有第三聚焦孔径，该第四节管131D的该聚焦孔1313具有第四聚焦孔径，该第五节管131E的该聚焦孔1313具有第五聚焦孔径。

在本实施例中，由于前述节管131的聚焦孔径是由该入口端11朝该出口端12方向逐渐缩小，因此该第一聚焦孔径大于该第二聚焦孔径，该第二聚焦孔径大于该第三聚焦孔径，该第三聚焦孔径大于该第四聚焦孔径，该第四聚焦孔径大于该第五聚焦孔径，较佳地，该第一聚焦孔径为5.0mm，该第二聚焦孔径为4.5mm，该第三聚焦孔径为4.0mm，该第四聚焦孔径为3.5mm，该第五聚焦孔径为3.0mm，其中，该第五聚焦孔径与该出口端121之孔径一致，两者孔径皆为3.0mm。

于其他实施例中，前述节管131的该聚焦孔径是由该入口端11朝该出口端12方向逐渐增加，因此该第一聚焦孔径小于该第二聚焦孔径，该第二聚焦孔径小于该第三聚焦孔径，该第三聚焦孔径小于该第四聚焦孔径，该第四聚焦孔径小于该第五聚焦孔径。

请参阅图5，相邻的各该聚焦孔1313之间相隔聚焦距离133，该聚焦距离133会影响聚焦质量及可聚焦的气胶粒子大小，较佳地，该聚焦距离133介于10至100mm之间，在本实施例中，该聚焦距离133为50mm。

为了测试本发明的该气胶光电子光谱仪B1的性能，发明人使用上述系统以取得纯水气胶纳米液滴的紫外光光电子图谱，其中游离辐射的光电子能量设定为25eV。图7A为纯水气胶的紫外光光电子图谱，图谱包含来自气胶表面蒸发的气态水分子及凝态纯水液滴的光电子讯号，图7A中的部份特征峰所标示的数字(v1,v2,v3)为水分子电子能级结构下的精细振动能级结构所对应的振动模式。图7B为图7A的局部放大图，其为凝态纯水液滴的光电子图谱，由图7A及图7B可清楚得知纯水气胶的价壳层电子能级结构及电子能级结构中的精细振动能级结构，因此图7A及图7B显示本发明的该气胶光电子光谱仪B1的超高分辨率，此外，在本技术领域中，凝态纯水液滴的光电子图谱是首次呈现出高分辨率的振动能级结构。

请参阅图8至图10，图8为学者Toennies利用liquid microjet技术并使用氦-I紫外光作为游离光源所测试得到的结果(J.Chem.Phys.1997,106,9013-9031)，图8上半部为气态水的光电子图谱，下半部为冷凝液态水的光电子图谱，其中，Toennies所测得的冷凝液态水的游离能量为10.92eV。图9为学者Winter利用liquid microjet技术并以同步辐射光(synchrotron radiation)作为游离光源所测试得到的结果(J.Phys.Chem.A 2004,108,2625-2632)，其测得的冷凝液态纯水的游离能量为11.16eV。图10为学者Suzuki利用相同liquid microjet技术所测试得到的结果(Phys.Chem.Chem.Phys.2011,13,413-417)，其测得的纯水能带带宽介于1.45至1.58eV之间。同时比较图7A及图8至图10可清楚得知，利用本发明的该可调式气动聚焦构造1将纯水气胶聚焦成气胶粒子束后，于该气胶光电子光谱仪B1中所量测到的凝态水光电子光谱，相较于先前其他文献具有更加的分辨率。

以上所述的实施例为本发明与紫外光光电子光谱技术结合的实施例，其仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的实施范围，本发明的该可调式气动聚焦构造1亦可应用于其他气胶探测技术，如与气胶质谱仪结合，以达到选择性聚焦不同大小气胶粒子的功效。

本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准，任何熟知此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内所作的任何变化与修改，均属于本发明的保护范围。