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Patent Searching and Data


Title:
CORONA DISCHARGING DEVICE AND ION MIGRATION SPECTROMETER HAVING SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/079008
Kind Code:
A1
Abstract:
A corona discharging device (50), including a first electrode (12), the first electrode (12) including a first inner cavity portion (530) of a roughly cylindrical shape and a second inner cavity portion (550) of a roughly conical shape communicating with the first inner cavity portion (530). The area of the cross section of the second inner cavity portion (550) in a direction away from the first inner cavity portion (530) increases gradually. An ion migration spectrometer (10) applying the abovementioned corona discharging device (50), including an ionization region (24); and a corona discharging device (50) are provided in the ionization region (24). In addition, a focusing storage electrode (14) can be used to effectively shield the corona discharging pulse interference, draw and focus sample ions; and the designed voltage control scheme realizes migration discrimination of ions and at the same time shields the ion number fluctuation caused by corona pulses, achieving the effect of stable migration spectrum lines.

Inventors:
CHEN ZHIQIANG (CN)
ZHANG QINGJUN (CN)
DONG SHUQIANG (CN)
LI YUANJING (CN)
ZHAO ZIRAN (CN)
LIU YINONG (CN)
ZHENG YAN (CN)
Application Number:
PCT/CN2012/085544
Publication Date:
June 06, 2013
Filing Date:
November 29, 2012
Export Citation:
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Assignee:
NUCTECH CO LTD (CN)
UNIV TSINGHUA (CN)
International Classes:
H01J49/04; H01T19/00; H01T19/04
Foreign References:
CN202333446U2012-07-11
EP1178307A12002-02-06
Attorney, Agent or Firm:
CHINA SCIENCE PATENT & TRADEMARK AGENT LTD. (CN)
中科专利商标代理有限责任公司 (CN)
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Claims:
权 利 要 求

1、 一种电暈放电装置, 包括:

第一电极, 所述第一电极包括: 大致柱状的第一内腔部分, 和与第 一内腔部分相连通的大致锥形的第二内腔部分, 所述第二内腔部分在远 离所述第一内腔部分的方向上横截面面积逐渐增大。

2、 根据权利要求 1所述的电暈放电装置, 其中:

所述第一电极还包括: 大致柱状的第一部分, 所述第一部分限定所 述第一内腔部分; 以及与第一部分相连的大致锥形的第二部分, 所述第 二部分限定所述第二内腔部分。

3、 根据权利要求 2所述的电暈放电装置, 其中:

所述第一内腔部分具有大致圆柱状形状并且所述第二内腔部分具有 大致圆锥状形状, 并且所述第一内腔部分与所述第二内腔部分大致同轴 设置。

4、 根据权利要求 1所述的电晕放电装置, 其中: 所述第一电极还具 有穿过所述第一电极的壁的开口; 并且所述电暈放电装置还包括: 通过 所述第一电极的开口从所述第一电极的外部插入所述第一电极的内部的 第二电极, 该第二电极具有针状形状。

5、 根据权利要求 4所述的电暈放电装置, 其中:

所述第二电极插入所述第一内腔部分。

6、 根据权利要求 4所述的电暈放电装置, 其中:

所述针状第二电极是至少一对相对设置并大致在同一直线上延伸的 针状第二电极。

7、 一种离子迁移谱仪, 包括: 电离区; 以及

设置在该电离区中的电暈放电装置, 该电暈放电装置为根据权利要 求 1中所述的电暈放电装置。

8、 根据权利要求 7所述的离子迁移谱仪, 还包括:

聚焦存储电极, 所述聚焦存储电极具有大致锥形的筒部, 该筒部的 至少一部分插入所述第一电极的第二内腔部分内。

9、 根据权利要求 8所述的离子迁移谱仪, 其中:

所述筒部具有大致圆锥形形状。

10、 根据权利要求 9所述的离子迁移谱仪, 其中:

所述第一内腔部分具有大致圆柱状形状, 并且

所述筒部的靠接所述电暈放电装置的端部的直径小于所述第一内腔 部分的直径。

11、 根据权利要求 8所述的离子迁移谱仪, 还包括:

第一栅极, 所述第一栅极与所述聚焦存储电极的所述筒部的远离所 述电暈放电装置的端部电连接。

12、 根据权利要求 11所述的离子迁移谱仪, 还包括:

第二栅极, 所述第二栅极与所述第一栅极间隔预定距离。

13、 根据权利要求 10所述的离子迁移谱仪, 其中:

所述第一电极和聚焦存储电极大致同轴设置。

14、 根据权利要求 10所述的离子迁移谱仪, 其中:

载气在所述第一电极中大致沿所述第一电极的轴向方向流动。

Description:
电暈放电装置以及具有该电暈放电装置的离子 迁移谱仪 技术领域

本发明涉及一种电暈放电装置以及具有该电暈 放电装置的离子迁移 谱仪。 背景技术

离子迁移谱仪是根据不同离子在均匀弱电场下 漂移速度不同而实现 对离子的分辨。 它具有分辨速度快, 灵敏度高, 不需要真空环境, 便于 小型化的优点, 因此在毒品和爆炸物的探测领域得到了广泛的 应用。 典 型的离子迁移谱仪通常由进样部分、 电离区、 离子门、 迁移区、 收集 区、 读出电路、 数据采集和处理、 控制部分等构成。 其中电离部分主要 功能是将样品分子转化成可供迁移分离的离子 , 因此电离的效果对谱仪 的性能具有非常直接的影响。 目前的技术中, 最常见和应用最广的电离 组件是采用 Νι63放射源, 它具有体积小, 稳定性高、 不需要外加电路的 优点, 但同时也带来了线性范围窄、 转化离子浓度低和辐射污染的问 题。 尤其是辐射污染问题为设备的操作、 运输和管理上带来诸多不便。

克服该问题的一个方案是采用电暈放电技术代 替放射源技术。 电暈 放电是在空间不均匀电场中由于局部的强电场 引起气体分子电离的一种 现象。 电暈放电直接产生的离子一般称为反应物离子 , 当具有更高的质 子或电子亲和势的样品分子通过电离区时, 俘获反应物离子的电荷而被 电离。 通常电暈放电结构较为简单, 因而成本低廉, 同时电暈放电产生 的电荷的浓度相比于放射源要高得多, 因此有利于提高离子迁移谱仪的 灵敏度, 并得到较大的动态范围。

然而应用电暈放电电离也有一些缺点, 除了需要高压电源进行供电 以外, 由于电暈放电本身呈脉冲式过程 (Tnchel 脉冲) , 如果直接让离 子通过离子门进入离子迁移谱仪会导致谱线紊 乱, 严重影响测试结果; 另外, 在电暈放电区域的离子会被该区域电场加速而 撞向电暈电极损失 掉, 从而限制了迁移谱仪灵敏度的提高, 如何有效地将离子牵引出电离 区是一个重要的问题; 此外, 由于电暈放电对电暈电极会产生氧化, 延 长电极寿命也是一个重要的问题。 发明内容

本发明的目的是提供电暈放电装置以及具有该 电暈放电装置的离子 迁移谱仪, 该电暈放电装置以及具有该电暈放电装置的离 子迁移谱仪能 够在结构上延长电极寿命。

本发明的另一个目的是提供离子迁移谱仪, 该离子迁移谱仪能够在 结构上利于离子的引出。

本发明的再一个目的是提供离子迁移谱仪, 该离子迁移谱仪能够利 用聚焦存储电极有效地屏蔽电暈放电脉冲的干 扰。

根据本发明的一方面, 本发明提供了一种电暈放电装置, 该电暈放 电装置包括: 第一电极, 所述第一电极包括: 大致柱状的第一内腔部 分, 和与第一内腔部分相连通的大致锥形的第二内 腔部分, 所述第二内 腔部分在远离所述第一内腔部分的方向上横截 面面积逐渐增大。

根据本发明的一方面, 所述第一电极还包括: 大致柱状的第一部 分, 所述第一部分限定所述第一内腔部分; 以及与第一部分相连的大致 锥形的第二部分, 所述第二部分限定所述第二内腔部分。

根据本发明的一方面, 所述第一内腔部分具有大致圆柱状形状并且 所述第二内腔部分具有大致圆锥状形状, 并且所述第一内腔部分与所述 第二内腔部分大致同轴设置。

根据本发明的一方面, 所述第一电极还具有穿过所述第一电极的壁 的开口; 并且所述电暈放电装置还包括: 通过所述第一电极的开口从所 述第一电极的外部插入所述第一电极的内部的 第二电极, 该第二电极具 有针状形状。

根据本发明的一方面, 所述第二电极插入所述第一内腔部分。

根据本发明的一方面, 所述针状第二电极是至少一对相对设置并大 致在同一直线上延伸的针状第二电极。

根据本发明的一方面, 本发明提供了一种离子迁移谱仪, 该离子迁 移谱仪包括: 电离区; 以及设置在该电离区中的电暈放电装置, 该电暈 放电装置为上述的电暈放电装置。

根据本发明的一方面, 所述的离子迁移谱仪还包括: 聚焦存储电 极, 所述聚焦存储电极具有大致锥形的筒部, 该筒部的至少一部分插入 所述第一电极的第二内腔部分内。

根据本发明的另一方面, 所述筒部具有大致圆锥形形状。

根据本发明的另一方面, 所述第一内腔部分具有大致圆柱状形状, 并且所述筒部的靠接所述电暈放电装置的端部 的直径小于所述第一内腔 部分的直径。

根据本发明的另一方面, 所述的离子迁移谱仪还包括: 第一栅极, 所述第一栅极与所述聚焦存储电极的所述筒部 的远离所述电暈放电装置 的端部电连接。

根据本发明的另一方面, 所述的离子迁移谱仪还包括: 第二栅极, 所述第二栅极与所述第一栅极间隔预定距离。

根据本发明的另一方面, 所述第一电极和聚焦存储电极大致同轴设 置。

根据本发明的另一方面, 载气在所述第一电极中大致沿所述第一电 极的轴向方向流动。

根据本发明的又一方面, 本发明提供了一种离子迁移谱仪, 该离子 迁移谱仪包括: 电离区; 设置在该电离区中的电暈放电装置, 该电暈放 电装置的一个筒状电极具有内腔部分; 以及聚焦存储电极, 所述聚焦存 储电极具有大致锥形的筒部, 该筒部的至少一部分插入所述电极的内腔 部分内。

根据本发明的另一方面, 所述筒部具有大致圆锥形形状。

根据本发明的另一方面, 所述内腔部分具有大致圆柱状形状, 并且 所述筒部的靠接所述电暈放电装置的端部的直 径小于所述内腔部分的直 径。

根据本发明的另一方面, 所述的离子迁移谱仪还包括: 第一栅极, 所述第一栅极与所述聚焦存储电极的所述筒部 的远离所述电暈放电装置 的端部电连接。

根据本发明的另一方面, 所述的离子迁移谱仪还包括: 第二栅极, 所述第二栅极与所述第一栅极间隔预定距离。

根据本发明的另一方面, 所述电极和聚焦存储电极大致同轴设置。 根据本发明的另一方面, 载气在所述电极中大致沿所述电极的轴向 方向流动。

采用本发明的一些实施方式, 可以在结构上利于离子的引出和延长 电极寿命。 此外, 利用聚焦存储电极, 可以有效地屏蔽电暈放电脉冲干 扰, 牵引并聚焦样品离子。 利用设计的电压控制方案实现离子的迁移分 辨, 同时屏蔽电暈脉冲带来的离子数量起伏, 达到迁移谱线稳定的效 果。 附图说明

图 1是根据本发明的实施例的离子迁移谱仪的示 图。

图 2是根据本发明的实施例的电暈放电装置的示 截面图。

图 3是根据本发明的实施例的电暈放电装置的示 左视图。

图 4是根据本发明的实施例的电暈放电装置的示 立体图。

图 5是根据本发明的实施例的聚焦存储电极的示 截面图。

图 6是根据本发明的实施例的聚焦存储电极的示 右视图。

图 7 是根据本发明的实施例的离子迁移谱仪在正离 子模式下的各个 部件的电势示意图。 具体实施方式

本发明的离子迁移谱仪可工作在正离子或者负 离子模式下, 为方面 起见, 下面仅以正离子模式进行说明。

图 1 是根据本发明的实施例的离子迁移谱仪 100 的示意图。 如图 1 所示, 离子迁移谱仪 10包括: 外壳 20、 进样部分 22、 电离区 24、 聚焦 存储电极 14、 迁移区 28、 收集区 30、 读出电路 40、 数据采集和处理装 置、 控制部分等。 进样部分 22包括用于引入载气和样品的入口 221。 此 外, 离子迁移谱仪 100还包括出气口 201和迁移气入口 202。 离子迁移谱 仪 10还包括: 设置在该电离区 24中的电暈放电装置 50; 设置在迁移区 28 中的漂移电极 16, 漂移电极 16 为等间距排列的同轴圆环; 设置在收 集区 30的法拉第盘 18, 以及设置在漂移电极 16与法拉第盘 18之间的抑 制栅 17, 用于抑制离子在法拉第盘 18 产生静电感应电荷。 所述抑制栅 17 为单张栅网。 所述法拉第盘 18 为圆形平板, 并与电荷灵敏放大器耦 合, 以读取离子信号。

如图 2至 4所示, 电暈放电装置, 包括: 第一电极 12, 所述第一电 极 12包括: 大致柱状的第一内腔部分 530, 和与第一内腔部分 530相连 通的大致锥形的第二内腔部分 550, 所述第二内腔部分 550在远离所述第 一内腔部分 530的方向上横截面面积逐渐增大。 所述第一电极 12具有大 致筒状的形状。 所述第一电极 12还包括: 大致柱状的第一部分 53, 所述 第一部分 53限定所述第一内腔部分 530; 以及与第一部分 53相连的大致 锥形的第二部分 55, 所述第二部分 55限定所述第二内腔部分 550。

如图 1至 4所示, 所述第一内腔部分 530可以具有大致圆柱状形状 并且所述第二内腔部分 550 可以具有大致圆锥状形状并且所述第一内腔 部分 530与所述第二内腔部分 550大致同轴设置。 第一部分 53可以具有 大致圆柱面的形状并且第二部分 55可以具有大致圆锥面的形状, 并且第 一部分 53和第二部分 55可以大致同轴设置。 所述第一内腔部分 530、 所 述第二内腔部分 550、 所述第一部分 53以及所述第二部分 55也可以具有 其它合适的形状。

如图 2至 4所示, 所述第一电极 12还具有穿过所述第一电极 12的 壁的开口 51。 所述开口 51可以穿过所述第一部分 53或所述第二部分 55 的壁。 所述电暈放电装置还包括: 通过所述第一电极 12 的开口 51 从所 述第一电极 12的外部插入所述第一电极 12的内部的第二电极 11, 该第 二电极 11 具有针状形状。 所述第二电极可以插入所述第一内腔部分 530 或所述第二内腔部分 550。

如图 2至 4所示, 所述第二电极 11是至少一对 (例如一对、 两对、 三对或更多对) 相对设置并大致在同一直线上延伸的第二电极 11。 作为 选择, 每一对第二电极 11 也可以错开放置, 而不是相对放置。 第二电极 11可以称为电暈针, 而第一电极 12可以称为电暈靶电极。

如图 2至 4所示, 针状第二电极 11可以通过圆筒状绝缘块 13连接 于第一部分 53。 第二电极 11可以沿圆筒状的第一部分 53的径向方向延 伸, 并且插入所述第一内腔部分 530 中的长度是可以调节的。 第二电极 11利用不锈钢、 钨、 镍、 铂等抗氧化金属制成。 第一电极 12可用普通金 属表面镀镍而成。

参照图 1至 4, 所述第一电极 12的内部用作气路, 从载气和样品的 入口 221进入离子迁移谱仪 10的载气流过该气路。 载气在所述第一电极 12中大致沿所述第一电极 12的轴向方向流动。 即迁移谱仪载气进气流方 向 A大致平行于所述第一电极 12 的轴向方向。 第二电极 11 进入气路 中。 第一电极 12和第二电极 11产生的电场方向与第一电极 12中的载气 流动方向 A正交, 由此可以避免该电场干扰气路下游的电场区域 。

如图 1和图 5所示, 聚焦存储电极 14具有大致锥形的筒部 141, 所 述筒部 141 可以具有大致圆锥面形。 该锥形的筒部 141 的至少一部分插 入所述第一电极 12的第二内腔部分 550内。 该筒部 141不与第一电极 12 接触。 在使用现有的具有内腔的第一电极的情况下, 该锥形的筒部 141 的至少一部分可以类似地插入现有的第一电极 的内腔内。 所述第二部分 55可以便于聚焦存储电极 14的筒部 141能够尽量接近电暈区, 并与聚焦 存储电极 14形成聚焦电场。 筒部 141 的靠接所述电暈放电装置 50的端 部 143 的直径小于所述第一电极 12的所述第一部分 53 的所述第一内腔 部分 530 的直径。 例如, 筒部 141 的靠接所述电晕放电装置 50 的端部 143 的直径比所述第一电极 12 的所述第一部分 53 的所述第一内腔部分 530的直径小大约 1到 3mm。

作为选择, 所述第一电极 12可以仅仅包括: 大致柱状的第一内腔部 分 530, 而没有大致锥形的第二内腔部分 550。 此时, 聚焦存储电极 14 的筒部 141 的至少一部分可以插入所述第一电极 12的第一内腔部分 530 内。

聚焦存储电极 14可以仅仅具有筒部 141。 作为选择, 聚焦存储电极 14还可以包括凸缘 149, 凸缘 149在锥形的筒部 141 的直径较大的端部 147形成。 所述第一电极 12和聚焦存储电极 14可以大致同轴设置。

如图 1所示, 所述离子迁移谱仪 10还包括: 第一栅极 145, 所述第 一栅极 145与聚焦存储电极 14的所述筒部 141的远离所述电暈放电装置 50的端部 147电连接。 所述第一栅极 145与聚焦存储电极 14的所述筒部 141 的远离所述电暈放电装置 50 的端部 147或聚焦存储电极 14 的凸缘 149相接触。 第一栅极 145具有栅网状的形状, 栅格可以是六边形, 矩形 等各种形状。 在所述筒部 141 的靠近端部 147或第一栅极 145 的内部形 成大致等电势的区域, 该区域用于离子存储。

如图 1所示, 所述离子迁移谱仪 10还包括: 第二栅极 15, 所述第 二栅极 15 与所述第一栅极间隔预定距离。 第二栅极 15 具有栅网状的形 状, 栅格可以是六边形, 矩形等各种形状。

所述第一栅极 145 和所述第二栅极 15 构成离子门, 所述第一栅极

145和所述第二栅极 15之间施加的电压形成周期性变化的与正向或 向 电场, 该正向或反向电场形成离子门的 "开"和 "闭"状态。

参照图 1以及图 7, 图 7是根据本发明的实施例的离子迁移谱仪 10在正 离子模式下的各个部件的电势示意图。 在图 7中, 横轴 P表示各个部件的 位置, 纵轴 V表示各个部件的电势, 附图标记 110表示第二电极 11的电 势, 附图标记 120表示第一电极 12的电势, 附图标记 140表示聚焦存储电 极 14以及第一栅极 145的电势, 附图标记 150表示第二栅极 15的电势, 附 图标记 160表示漂移电极 16的电势, 附图标记 170表示抑制栅 17的电势, 以及附图标记 180表示法拉第盘 18的电势。

如图 1 和 7所示, 离子迁移谱仪 10工作时, 第二电极 11 的电势 110比第一电极 12的电势 120高 700V到 3000V左右 (取决于第二电极 11的尖端半径, 以及第二电极 11的长度, 不同的几何尺寸会有不同的起 暈电压) 以发生电暈产生离子, 聚焦存储电极 14的电势 140周期跳变, 当聚焦存储电极 14位于低电位 (如图 7中的附图标记 140指示的实线所 示) 时, 聚焦存储电极 14 处于存储状态, 当聚焦存储电极 14位于高电 势 (如图 7中的附图标记 140指示的虚线所示) 时, 聚焦存储电极 14处 于存储状态牵引状态。 当聚焦存储电极 14处于存储状态时, 聚焦存储电 极 14的电势 140 比第一电极 12的电势 120低 60V 150V, 比第二栅极 15的电势 150低 5V 60V左右, 离子进入聚焦存储电极 14后, 受到的电 场力较弱, 在聚焦存储电极 14 的腔体内主要做热运动, 经过一定时间, 聚焦存储电极 14 内离子积累到一定数目后, 聚焦存储电极 14 的电势跳 变到牵引状态, 第一电极 12处电暈放电产生的离子停止进入聚焦存储电 极 14, 防止由于电暈脉冲导致聚焦存储电极 14内离子数量的起伏, 而处 在聚焦存储电极 14内的离子在聚焦存储电极 14与第二栅极 15之间的电 场力作用下迅速通过第二栅极 15进入漂移电极 16。 在漂移电极 16 内, 离子在电场牵引力和反向运动的迁移气流的共 同作用下达到匀称运动状 态, 在经历较长的迁移距离后, 具有不同迁移率的离子由于速度的不同 被分开, 最后经抑制栅 17后被法拉第盘 18最后所接收。

如图 1和 7所示, 所述聚焦存储电极 14与离子门的第一栅极 145形 成组合电极, 其电势 140 呈周期跳变, 根据电势 140 的不同, 所述聚焦 存储电极 14与离子门的第一栅极 145可处于存储状态和牵引状态。 当处 于存储状态时 (如图 7 中附图标记 140所指示的实线所示) , 所述聚焦 存储电极 14和离子门的第一栅极 145与第一电极 12之间的电场与离子 运动方向相同, 由于所述聚焦存储电极 14的端部 143的直径小于第一电 极 12的第一内腔部分 530的直径, 由此形成迁移聚焦电场区, 有效的牵 引电暈产生的离子离开电暈区并将其聚焦成更 小束斑进入聚焦存储电极 内 14。 而当离子进入聚焦存储电极 14内一段距离后, 由于聚焦存储电极 14 与离子门的第一栅极 145 电势相同, 聚焦存储电极 14 的内部电场较 弱, 再加上聚焦存储电极 14和第一栅极 145与离子门的第二栅极 15之 间施加的弱的反向电场, 至少在离子门第一栅极 145 附近的聚焦存储电 极 14 内形成大致等电势的区域, 离子在该区域无电场作用, 主要行为为 热运动, 聚焦存储电极 14的端部 147处较大的腔体也保证了离子的热运 动而不撞到聚焦存储电极 14上而损失掉。 而当热运动的离子累积到一定 数量后, 聚焦存储电极 14的电势跳变到 "迁移态" (如图 7中附图标记 140所指示的虚线所示) , 聚焦存储电极 14与第一电极 12之间的电场与 离子运动方向相反, 阻止电暈产生的离子进入聚焦存储电极 14, 而同时 聚焦存储电极 14和离子门第一栅极 145与离子门第二栅极 15之间的电 场变为与离子运动方向一致。 迁移区 28 的圆环电极 16 的等差值变化的 电势 160 形成牵引电场。 通过离子门施加强的正向电场, 在聚焦存储电 极 14内累积的离子被迅速牵引进入迁移区 28, 使离子通过具有电势 170 的抑制栅 17 向具有电势 180的法拉第盘 18运动。 这样通过在离子门前 离子的积累过程削弱了电暈放电脉冲带来的离 子数量的起伏给迁移谱线 造成的影响, 从而在电暈放电脉冲下, 迁移谱线能够基本保持稳定。 参照图 1和图 7, 在作为电暈放电离子源的电暈放电装置 50中, 第一 电极 12与第二电极 11之间一般可以施加约 700V〜3000V的电压以产生电 暈放电, 即第二电极 11的电势 110与第一电极 12的电势 120之间的电势差 一般可以为约 700V〜3000V。 由于第二电极 11垂直于载气气流方向 A插入 第一电极 12内, 电暈电场垂直于第一电极 12内的气路, 这样减弱了电暈 电场对后续部件的电场的干扰 (尤其是其脉冲性的干扰) 。 另外, 插入 多个第二电极 11以提高离子浓度, 当其中一个第二电极 11由于氧化性能 降低后不会对离化性能造成明显下降。 第一电极 12的第一部分 53可为圆 筒状, 以实现与第二电极 11之间的放电, 第一电极 12的第二部分 55为喇 叭状, 让聚焦存储电极 14更接近电晕电离区同时与聚焦存储电极 14间形 成聚焦电场。 第二电极 11与第一电极 12之间的电势差保持在起暈电压附 近, 以降低电离区能量密度, 避免产生大量的样品分子碎片, 并延长第 二电极 11寿命。