[发明专利]多级静电喷射系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多级静电喷射系统及方法，利用库仑分裂原理批量生产一致性非常好的可以精确控制的库仑液滴的通用设备和方法，属于静电喷射技术领域。

背景技术

静电喷射是一种利用静电力使液体弥散产生细小液滴喷雾的方法，其基本物理原理可以从G.Taylor和J.R.Melcher等提出的泄漏介质模型得到解释，可参见Annual Review of Fluid Mechanics，1969，1，111-146的Electrohydrodynamics：A Review of the Role of Interfacial Shear Stresses等文献。该方法已经在大生物分子质谱仪(Fenn，J.B.；Mann，M.；Meng，C.K.；Wong，S.F.；Whitehouse，C.M.(2007).″Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules.″.Science 79(4926)：64-71.)、工业喷涂、精细编织、纳米制造(Salata，O.V.(2005).″Tools of nanotechnology：Electrospray″.Current Nanoscience 1：25-33)等领域得到广泛的应用，其突出优点在于成本低廉、应用范围广、适宜于大规模工业生产等。K.Kim等人在Journal of Applied Physics，1976，47，5，1964-1969已经指出，静电喷射既可以应用于导电液体，也可以应用于绝缘液体，从而使得静电喷射技术几乎可以应用于任何液体。相对于传统的单射流(single-jet)静电喷射模式，W.Gu(发明人)等在Applied Physics Letters，2005，87，084107中首次系统地报道了稳定可控的多射流(multi-jet)静电喷射，并给出了多射流静电喷射的第一个物理模型和解析表达式，从而使得静电喷射的应用范围得到进一步扩展。但是，已知的静电喷射技术仍然有比较明显的缺陷，主要在于两点：一是已知技术所生成的液滴的一致性比较差，液滴的大小、带电量等除由液体本身性质决定外，与静电喷射初始喷射条件如所加电压、液体流量、所用喷射管大小等外界条件密切相关，所以生成的液滴的大小和带电量很容易随着外界条件的改变而改变，而且这样的变化中随机涨落因素很大，也使得进一步的液滴选取十分困难。另外由于侧向剪切力等产生的旁生液滴(side droplet)、由于库仑分裂(Coulomb fission)产生的库仑液滴(Coulomb droplet)等也都会和静电喷射生产的原始液滴混合在一起，恶化了液滴整体的一致性。已知静电喷射技术所生成的液滴直径通常可能在毫米到微米范围内变化，其带电量与瑞利极限(Rayleigh limit，一个给定直径的液滴所能带的最大电量)的比例从接近1到万分之几内变化，无法精确控制其统计分布。二是限于喷射管大小等条件，已知技术所生成的液滴的直径普遍在十微米量级以上，很难得到大批量的微米量级或以下的液滴，其带电量也比较小，通常距离瑞利极限有较大的差异，这就限制了静电喷射在更精细的应用如纳米技术中的进一步发展。正是主要由于这两个技术缺陷的存在，已知的静电喷射技术目前仍主要限制在一些精细度要求不太高的科技和工业应用上。

发明内容

如背景技术介绍中所述，静电喷射已经在科学研究和工业生产的各方面得到广泛应用，但是，已知的静电喷射方式局限于单级静电喷射，受限于第一级静电喷射产生的条件如电荷注入速率、喷射管大小等，其单位液体带电密度(面密度和体密度)都很难达到瑞利极限，从而使得其液滴一致性和大小、带电量等指标都难以进一步提高。本发明的目的在于提供一种能够提高液滴大小、带电量一致性的多级静电喷射系统及方法。

一种多级静电喷射系统，其特征在于：包括第一级静电喷射装置、与第一级静电喷射装置相联的液体储存装置和电荷注入装置；还包括安装于第一级静电喷射装置后的至少包括第二级静电喷射装置在内的下级静电喷射装置；上述第一级静电喷射装置和下级静电喷射装置共组成N级，其中N为大于等于2的自然数；上述下级静电喷射装置中至少一个下级静电喷射装置设有使静电液体进行库仑分裂从而产生库仑液滴的温度和压力调节装置；该系统还安装有库仑液滴分离收集装置。