La méthode d'absorption des rayons bêta est une méthode de mesure qui utilise le principe selon lequel les rayons bêta sont atténués proportionnellement à la masse d'une substance lorsque la substance est irradiée par des rayons bêta, un type de rayonnement.
Les rayons bêta sont des électrons (particules chargées) à grande vitesse, éjectés par la désintégration de noyaux atomiques instables. Lorsqu'ils traversent une substance, ils entrent en collision avec les atomes de cette substance, provoquant leur ionisation et leur excitation (élévation des orbitales électroniques à un niveau d'énergie plus élevé) avec absorption des rayons bêta et émission d'ondes électromagnétiques (rayons X) avec modification de l'orbite des rayons bêta, ce qui entraîne une atténuation de l'intensité des rayons bêta. Cette atténuation est proportionnelle à la masse (épaisseur) de la substance traversée.
La concentration massique＊1 des particules ambiantes＊2 peut être mesurée selon ce principe. Les sections suivantes décrivent la mesure des particules ambiantes par la méthode d'absorption des rayons bêta.
*1 : Concentration massique : Masse de particules par unité de volume d'atmosphère. L'unité est le μg/m3.
*2 : Particules ambiantes : Matières particulaires en suspension dans l’atmosphère.
Figure 1 : Principe de mesure de la concentration massique des particules ambiantes par absorption des rayons bêta
Dans la méthode d'absorption des rayons bêta, les particules ambiantes sont collectées sur un filtre (papier filtre).
Les particules ambiantes collectées sont irradiées avec des rayons bêta et l'intensité des rayons bêta traversant le filtre est mesurée. (Figure 1)
Les rayons bêta ont la propriété de s'atténuer de façon exponentielle avec l'augmentation de la masse (épaisseur) de la substance qu'ils pénètrent. Par conséquent, la masse de particules ambiantes collectées peut être calculée à l'aide de l'équation 1. Le coefficient d'absorption massique « μm » étant quasiment constant, la masse de particules ambiantes « Xm » sur le filtre peut être obtenue à partir du rapport entre « I » et « I0 ».
Xm = ln(I0/I)/μm (Équation 1)
Xm : Masse de particules ambiantes sur le filtre
I : Intensité des rayons bêta traversant le filtre et particules ambiantes collectées
I0 : Intensité des rayons bêta traversant uniquement le filtre
μm : Coefficient d'absorption massique
Équation 1 : Calcul de la masse des particules ambiantes par absorption des rayons bêta
La concentration massique de particules ambiantes est calculée à partir de « Xm » et du volume d'échantillon d'air ambiant lors de la collecte des particules ambiantes.
Dans les descriptions suivantes, les analyseurs qui mesurent la concentration massique de particules dans l'air ambiant à l'aide de la méthode d'absorption des rayons bêta seront simplement décrits comme des moniteurs de particules ambiantes ou des moniteurs de poussière ambiante.
Figure 2 : Structure du moniteur de particules ambiantes
Structure générale du moniteur de particules ambiantes
Le moniteur de particules ambiantes mesure automatiquement la concentration massique grâce aux rayons bêta atténués par les particules collectées en continu sur papier (filtre). Il comprend une entrée d'air, un séparateur granulométrique (par exemple, impacteur, cyclone), un filtre collecteur, une source de rayons bêta, un détecteur à scintillation, un capteur de débit et une section de traitement du signal. (Figure 2)
Dans la section d'échantillonnage, l'air échantillonné est acheminé vers un séparateur granulométrique après avoir traversé une entrée d'air qui empêche les grosses poussières, les insectes et la pluie de pénétrer dans l'air ambiant. Le séparateur granulométrique trie les particules présentes dans l'air échantillonné en fonction de leur diamètre. Les particules triées sont collectées sur un filtre à débit constant par le mécanisme de collecte du filtre.
Graphique 1 : Relation entre le diamètre des particules et l'efficacité de collecte
Séparateur de tailles de particules
Les particules ambiantes ont un comportement différent dans le corps et des effets sur la santé en fonction de leur taille. Elles sont donc généralement divisées en trois groupes de diamètre de particules suivants.
PM2,5 (Particules de taille 2,5) : Communément appelées particules fines. Il s'agit de particules fines en suspension dans l'air dont le diamètre est d'environ 2,5 µm. Plus précisément, les particules de 2,5 µm de diamètre sont captées avec un rendement de 50 %.
PM10 (Particulate Matter 10) : particules fines en suspension dans l'air, d'un diamètre d'environ 10 µm. Plus précisément, les particules d'un diamètre de 10 µm sont captées avec un rendement de 50 %.
Particules en suspension (MPS) : Généralement appelées particules en suspension. Particules de 10 µm de diamètre ou moins (différentes des PM10) en suspension dans l'air.
L'efficacité de collecte est un indicateur important de la performance d'un séparateur de particules et représente le pourcentage de particules d'un diamètre donné collectées. Le graphique 1 illustre la relation entre le diamètre des particules et l'efficacité de collecte.
Par exemple, le séparateur de particules PM2,5, dont l'efficacité de collecte est de 50 %, décrit ci-dessus, présente les caractéristiques suivantes : si des particules de 2,5 µm de diamètre sont introduites dans l'appareil, la moitié sera collectée et l'autre moitié non. Les particules autres que les PM2,5 sont collectées en fonction de leur diamètre (correspondant au diamètre des particules aérodynamiques) et de leur efficacité de collecte (correspondant à leur teneur) sur la courbe PM2,5 (courbe rouge) du graphique 1.
Les types courants de séparateurs granulométriques sont les impacteurs, les cyclones et les tamis multi-étages. Il existe une corrélation entre le diamètre et la masse des particules, et ces séparateurs utilisent différentes forces pour la masse des particules afin de collecter celles de même diamètre. Les impacteurs utilisent la force d'inertie, les cyclones la force centrifuge et les tamis multi-étages la décantation gravitationnelle. Les impacteurs et les cyclones sont les principaux séparateurs granulométriques utilisés pour mesurer les particules ambiantes. Voici un bref aperçu du principe de fonctionnement des impacteurs (figure 3) et des cyclones (figure 4).
Figure 3 : Structure et principe de l'impacteur
L'impacteur utilise la force d'inertie pour séparer les particules en fonction de leur masse. Un flux d'air échantillonné (flèche bleue), généré par une buse rectangulaire, heurte une plaque d'impact (flèche bleue) et change de direction (flèche rouge). Les particules lourdes heurtent la plaque d'impact et y sont collectées. Les particules légères s'écoulent en aval (flèche rouge) avec l'air échantillonné.
Figure 4 : Structure et principe du cyclone
Le flux d'air échantillonné introduit par l'entrée du cyclone s'accélère en suivant le cône du cyclone, formant un flux tourbillonnaire (flèche bleue) et un flux inverse (flèche rouge). Sous l'effet de l'interaction entre les forces centrifuges et de traînée, les particules lourdes présentes dans l'air échantillonné sont entraînées le long du cône par le flux tourbillonnaire et collectées, tandis que les particules légères sont séparées par le flux inverse.
Photo 1 : Section d'échantillonnage réelle
HORIBA collecte les PM2,5 dans l'air ambiant en combinant impacteurs et cyclones. (Photo 1)
Les insectes, les grosses poussières et la pluie sont éliminés à l'entrée d'air, les PM10 dans l'air échantillonné sont séparés par l'impacteur, et les PM2,5 sont encore séparés et collectés par le cyclone à partir des PM10 par l'impacteur.
Photo 2 : Exemple de particules ambiantes collectées sur une bande filtrante
The sample air containing the divided particulate matter by the particle size separator passes through a filter, and only the separated particulate matter is collected on the filter. (Photo 2) For continuous automatic measurement of particulate matter, it is necessary to have a mechanism that winds up a roll of tape-like filter (filter tape), or a mechanism that prepares several filters and changes them automatically. HORIBA uses the filter tape to collect perticulate matter in ambient air. (Photo 2)
La taille des mailles du filtre doit être inférieure au diamètre des particules sélectionné et permettre un passage fluide de l'air. L'efficacité de la collecte des particules sur le filtre varie selon la taille des mailles. L'efficacité de la collecte des particules ambiantes doit être d'au moins 99,7 %. Les filtres sont généralement fabriqués en fibre de verre ou en matériaux à base de polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Photo 3 : Ruban filtrant
De plus, le matériau doit être aussi fin que possible afin de minimiser l'absorption des rayons bêta dans le filtre lui-même. Par exemple, l'épaisseur moyenne (épaisseur du film) des rubans filtrants HORIBA est de 140 μm. (Photo 3)
Lorsque le mécanisme de rembobinage automatique de la bande filtrante est utilisé, les particules collectées sur la bande filtrante ne doivent pas adhérer à l'arrière de la bande filtrante rembobinée, au cas où les particules collectées sur la bande filtrante rembobinée devraient être analysées à nouveau.
Source de rayons bêta
HORIBA utilise du 14 C* comme source de rayons bêta, qui est une source de rayonnement scellée sûre avec une intensité de source inférieure à 10 MBq, et peut être utilisée sans qualifications de manipulation ni notification particulières.
*Le 14 C est présent à l’état naturel et est également utilisé dans des applications telles que la datation au radiocarbone, en raison de sa longue demi-vie de 5 700 ans.
Détecteur (détecteur à scintillation)
Un détecteur à scintillation est composé d'un scintillateur et d'un tube photomultiplicateur (PMT). Le scintillateur est un matériau fluorescent qui absorbe le rayonnement et émet immédiatement de la lumière. Les rayons bêta traversant le filtre avec les particules collectées pénètrent dans le scintillateur et émettent de la lumière, détectée par le PMT. Cette valeur de détection du PMT est utilisée dans l'équation 1 pour calculer la masse des particules collectées. La concentration massique (μg/ m³) des particules collectées est ensuite calculée à partir de la masse calculée et de la valeur mesurée par le capteur de débit.
Photo 4 : Film atténuant standard
Comme il est difficile de vérifier la sensibilité de la section de mesure à partir des particules réellement collectées sur le filtre, on utilise un film mince atténuant les rayons bêta de manière équivalente aux particules collectées sur le filtre. Ce film mince (film atténuateur standard) est en mylar, en polyimide ou en d'autres matériaux. (Photo 4)
Figure 5 : Film atténuant standard pour vérifier la sensibilité de la section de mesure
Ce film atténuant standard permet de maintenir facilement la précision de mesure de la section de mesure en vérifiant périodiquement la sensibilité de mesure. (Figure 5)
Les particules présentes dans l'air à l'intérieur du moniteur pendant l'attente de la mesure peuvent adhérer au ruban filtrant fin et chargé électriquement à base de PTFE. L'utilisation d'un ruban filtrant présentant la charge la plus faible possible peut réduire ce risque. HORIBA a développé un ruban filtrant exclusif combinant des matériaux à base de PTFE et des non-tissés. Comparé aux rubans filtrants uniquement en PTFE, ce ruban présente une hygroscopicité et une charge électrostatique plus faibles, réduisant ainsi les facteurs influençant les mesures. (Tableaux 1 et 2)
Tableau 1 : Comparaison de l'hygroscopicité des bandes filtrantes
Tableau 2 : Comparaison de l'électrification des bandes filtrantes
Les particules en suspension dans l'air ambiant sont composées de diverses substances, telles que des éléments organiques inorganiques, et sont classées en particules fines (SPM), PM2,5, PM10, etc., selon leur diamètre. Plus les particules sont fines, plus elles sont susceptibles de pénétrer profondément dans l'organisme et de provoquer des maladies respiratoires. Grâce à leur simplicité d'utilisation, les appareils de mesure utilisant la méthode d'absorption des rayons bêta permettent de mesurer les particules dans l'air ambiant dans divers environnements.
Filtre/bande filtrante d'échantillonnage de PM
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