本发明专利技术公开了一种精准调控微粒净电量的方法及装置。所述的方法，步骤如下：１）悬浮待调节微粒；2）在待调节微粒周围产生自由电荷；3）在待调节微粒周围产生加速电场，定向地控制自由电荷的移动；3.1）电荷正负性的调控：通过调节加速电场的方向，调控吸附至待调节微粒的自由电荷的正负性；3.2）电荷量的调控：通过设置电荷屏蔽罩，控制吸附到待调节微粒上的自由电荷的数量。所述的装置，包括电荷屏蔽罩、针尖电极、平板电极、支撑结构。本发明专利技术可精确地调控微粒携带的电荷量及其正负性，为在微纳尺度控制微粒的运动、提升真空光镊系统的力学灵敏度提供可能的解决方案。另外，可应用在静电除尘、静电复印、静电透镜等领域。静电透镜等领域。静电透镜等领域。
【技术实现步骤摘要】
一种精准调控微粒净电量的方法及装置
[0001]本专利技术涉及一种精准调控微粒净电量的方法及装置。本专利技术为微粒在微纳米尺度的运动调控、真空光镊系统的力学灵敏度的提升提供了理想的解决方案。另外，在静电除尘、静电复印、静电透镜等涉及到静电荷运动的应用领域，有一定的潜在价值。
技术介绍
[0002]在真空环境中，微粒可在聚焦光束的光力的作用下机械振动，振动过程中受到的阻尼很小，与外界环境处于近乎完全隔离的状态。微粒的振动范围在聚焦光束的焦点区域内，振幅与聚焦光束的焦点区域和微粒的尺度有关，通常为百纳米至数微米。基于上述效应而搭建的实验系统称为真空光镊系统，真空光镊系统具有超高灵敏度的探测能力，是精密测量和基础物理研究的理想平台。
[0003]在真空光镊系统中，由于各种各样的原因，微粒会携带净电荷，包括：由于微粒的制备工艺导致微粒表面携带有非电中性的基团而引入净电荷，在微粒投送至实验系统的过程中由于微粒之间、微粒与载体溶剂之间、微粒与实验系统的其它结构件等之间的摩擦因素而引入净电荷，微粒在悬浮状态下受到周围复杂电磁环境的干扰而引入净电荷等。
[0004]微粒携带净电荷对于真空光镊系统灵敏度的影响取决于具体的实验目标。有些情况下，微粒携带净电荷不利于提升真空光镊系统的灵敏度。比如说，在测量极限弱力时，要求微粒呈现电中性，从而避免复杂电磁环境对微粒的库伦力和洛伦兹力湮没待测量的极限弱力。然而，有些情况下，微粒携带净电荷对于提升真空光镊系统的灵敏度有着积极意义。比如说，测量静电场或者低频交流电场时，微粒在一定范围内携带的净电荷量越高，真空光镊系统的灵敏度就越高；利用电场力对真空光镊系统进行标定时，则要求微粒的净电荷量保持稳定，并且被精确地测量。因此，精准调控微粒的净电荷量对于真空光镊系统极其重要。
[0005]微粒净电量的调控方法的步骤通常是：1) 在微粒自身的表面或周围环境中产生自由电荷，常用的手段包括但不限于高压辉光放电、基于光电效应的紫外线照射放电等；2) 微粒与周围环境之间的电荷交换使得微粒最终携带一定量的净电荷。若在微粒周围环境中产生自由电荷，则有一定量的自由电荷能够运动至微粒处并被吸附在微粒表面；若在微粒自身的表面产生自由电荷，则可能有少量自由电荷逃逸至周围环境，微粒携带的电荷量会有所减少。由此可见，微粒与周围环境的电荷交换强烈依赖于自由电荷的运动。自由电荷的运动具有极强的无序性，而上述方案缺乏对于自由电荷运动的控制，因此微粒携带的电荷量及其正负性都具有极高的随机性。综上，现有的微粒净电量调控的技术方案均为随机的调节方法，存在着无法精准调节电荷量的缺点。
技术实现思路
[0006]为了克服现有的微粒净电量调节技术方案的随机性较高的不足，本专利技术的目的是提出一种精准调控微粒净电量的方法及装置。精准调控包括两个层面的目标：一是电荷正
负性的调节，二是净电荷数量的调节。
[0007]一种精准调控微粒净电量的方法，步骤如下：1）悬浮待调节微粒；2）在待调节微粒的周围产生自由电荷；3）在待调节微粒周围产生加速电场，定向地控制自由电荷的移动；3.1）电荷正负性的调控：通过调节加速电场的方向，分别使正负电荷吸附到待调节微粒上，调控待调节微粒携带电荷的正负性；3.2）电荷量的调控：通过设置电荷屏蔽罩，控制吸附到待调节微粒上的自由电荷的数量。
[0008]步骤1）所述的待调节微粒的悬浮过程采用外加电磁场对待调节微粒的束缚作用，包括紧聚焦光束、悬浮电场或者悬浮磁场。
[0009]步骤2）产生自由电荷的方式采用以下的一种或者多种：高压辉光放电、紫外光照射放电、阴极射线或者热电子发射。
[0010]所述的电荷屏蔽罩采用电动光阑的结构或者集成在支撑结构上的可变孔径。
[0011]步骤3）所述的加速电场是由直流偏置电压产生的静电场，或者磁场与电场叠加形成的电磁复合场。
[0012]一种精准调控微粒净电量的装置，用于实现所述的精准调控微粒净电量的方法，包括电荷屏蔽罩、针尖电极、平板电极、支撑结构；自由电荷的下方设置带有孔径的电荷屏蔽罩；针尖电极和待调节微粒下方设置一个平板电极，平板电极紧贴在支撑结构上；针尖电极用于给待调节微粒施加驱动电信号，在平板电极上施加直流偏置电压，调节该直流偏置电压的极性，产生由待调节微粒指向平板电极或者反向的加速电场，使得自由电荷中的负电荷或者正电荷定向地移动至待调节微粒处，从而使待调节微粒携带负电荷或者正电荷。
[0013]所述的电荷屏蔽罩的孔径从零至数毫米连续可调。
[0014]所述的电荷屏蔽罩的孔径为具有明确边界的二维形状，包括圆形、矩形。
[0015]本专利技术的有益效果是：1、定向调节微粒携带净电荷的正负性；2、精准调控微粒携带净电荷的电荷量；3、在1、2基础上使得微粒携带的净电荷量达到高水平。
[0016]本专利技术可精确地调控微粒携带的净电荷量及其正负性，从而为在微纳尺度控制微粒的运动、提升真空光镊系统的力学灵敏度提供有效的解决方案。除此之外，在静电除尘、静电复印、静电透镜等应用到静电荷的其它领域，也有推广应用价值。
附图说明
[0017]图1是本专利技术装置的一种结构示意图。
[0018]图2是本专利技术的原理图。
[0019]图3是一种电荷屏蔽罩的结构示意图。
[0020]图4是本专利技术的应用实施例1的结构示意图。
[0021]图中，自由电荷1、电荷屏蔽罩2、针尖电极3、待调节微粒4、平板电极5、支撑结构6。
具体实施方式
[0022]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步阐述。
[0023]本专利技术装置的一种结构示意图如图1所示，本专利技术的原理如图2所示。
[0024]将待调节微粒4悬浮在环境中。在外加电磁场对待调节微粒4的束缚力的作用下，待调节微粒4能够稳定悬浮在环境中，悬浮在环境中的待调节微粒4在平衡位置附近以一定的频率小幅振动。
[0025]在待调节微粒4的周围环境中产生自由电荷1。自由电荷1中应当包含大量的可自由运动的正电荷和负电荷。
[0026]在待调节微粒4周围产生加速电场，从而定向地控制自由电荷1的移动。加速电场的产生需要在平板电极5上面向针尖电极3和待调节微粒4的一面施加直流偏置电压。平板电极5的设置须满足以下要求：1）平板电极5设置在针尖电极3和待调节微粒4的正下方，平板电极5不与针尖电极3和待调节微粒4发生接触。
[0027]2）为保证加速电场在实验系统中的分布的均匀性，平板电极5的尺寸应在实验系统允许的范围内尽可能的大。
[0028]3）平板电极5上背离针尖电极3和待调节微粒4的一面紧贴在支撑结构6上。紧贴设置的方式可以在不影响实验系统的真空环境的前提下选用胶贴、焊接、螺钉固定等方式。
[0029]电荷正负性的调控：通过调节加速电场的方向，分别使正负电荷吸附到待调节微粒4上，调控待调节微粒4携带电荷的正负性。调节施加在平板电极5上的直流偏置电压的极性可以直接调控加速电场的方向。具体调控方式如下：若直流本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种精准调控微粒净电量的方法，其特征是：步骤如下：1）悬浮待调节微粒；2）在待调节微粒的周围产生自由电荷；3）在待调节微粒周围产生加速电场，定向地控制自由电荷的移动；3.1）电荷正负性的调控：通过调节加速电场的方向，分别使正负电荷吸附到待调节微粒上，调控待调节微粒携带电荷的正负性；3.2）电荷量的调控：通过设置电荷屏蔽罩，控制吸附到待调节微粒上的自由电荷的数量。2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤1）所述的待调节微粒的悬浮过程采用外加电磁场对待调节微粒的束缚作用，包括紧聚焦光束、悬浮电场或者悬浮磁场。3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤2）产生自由电荷的方式采用以下的一种或者多种：高压辉光放电、紫外光照射放电、阴极射线或者热电子发射。4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的电荷屏蔽罩采用电动光阑的结构或者集成在支撑结构上的可变孔径。5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：步骤3）所述的加速电场是由直流偏置电压产生的静电...
【专利技术属性】
技术研发人员：何朝雄，陈志明，王颖颖，傅振海，高晓文，陈杏藩，胡慧珠，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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