双极性介质阻挡放电充电器产生的离子尺寸分辨化学组成分析及其对气溶胶电荷分布的影响

为解决气溶胶电荷分布预测中离子电迁移率与质量的动态影响问题，研究人员开发了一种同心圆柱双介质阻挡放电（DBD）双极性充电器，结合高分辨率半微型差分迁移分析仪（DMA）和大气压接口飞行时间质谱（APi-TOF），系统研究了放电气体、载气及湿度对离子特性的影响。结果表明，载气类型和湿度显著改变离子迁移率分布，而放电气体影响较小。该充电器电荷分布与Wiedensohler近似模型吻合，理论预测与实验结果一致，为实验室和环境监测提供了可靠的双极性充电解决方案。

　　

气溶胶的电荷分布预测是环境科学和大气物理领域的核心问题，直接影响颗粒物尺寸分布的测量精度。传统双极性扩散充电器的电荷分布受离子电迁移率（electrical mobility）和质量的影响，而现有模型（如Wiedensohler近似）通常假设离子特性固定，忽略了实际测量条件（如气体成分、湿度）的动态变化。此前研究虽揭示了放射性、电晕放电等充电器的离子特性差异，但介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge, DBD）充电器的离子行为尚未完全阐明，制约了其在复杂环境中的应用。

为解决这一难题，复旦大学的研究团队设计了一种同心圆柱双DBD双极性充电器，并利用高分辨率半微型差分迁移分析仪（Differential Mobility Analyzer, DMA）与大气压接口飞行时间质谱（Atmospheric Pressure Interface Time-of-Flight Mass Spectrometer, APi-TOF）联用技术，首次系统分析了不同条件下DBD产生离子的尺寸分辨化学组成及迁移率分布。研究发现，载气（如瓶装空气、氮气或环境空气）及其相对湿度（Relative Humidity, RH）显著改变离子迁移谱，而放电气体（氦气或氩气）仅影响化学组成。实验还发现，高丰度离子多源自气体杂质或系统材料挥发。理论计算表明，基于实测离子特性预测的电荷分布与实验结果一致，单电荷粒子比例的相对偏差仅为12.1%（正离子）和9.5%（负离子），验证了DBD充电器在实验室和野外监测中的可靠性。

关键方法
研究采用同心圆柱DBD充电器产生离子，通过DMA-APi-TOF联用技术分析离子化学组成与迁移率，结合Fuchs扩散充电模型理论计算电荷分布。实验变量包括放电气体（氦气/氩气）、载气类型（瓶装空气/氮气/环境空气）及RH（20%-80%）。

研究结果

1. 离子化学组成：载气和放电气体共同影响离子种类，高丰度离子与气体杂质或系统材料相关（如硅氧烷化合物）。
2. 迁移率分布：载气类型和RH显著改变迁移谱，而放电气体流量无显著影响。
3. 电荷分布验证：DBD充电器的实测分布与Wiedensohler模型吻合，理论预测偏差低于±10%。

结论与意义
该研究首次揭示了DBD充电器离子特性的动态规律，解决了复杂环境下电荷分布的预测难题。通过分离放电区与充电室的设计，避免了传统DBD的臭氧生成和放电不稳定缺陷。成果发表于《Journal of Aerosol Science》，为气溶胶监测技术提供了高精度、低成本的解决方案，尤其适用于大气污染研究和工业颗粒物控制。研究团队进一步指出，未来需优化载气净化以降低杂质干扰，推动DBD充电器的标准化应用。