Metoda absorpcji promieni beta to metoda pomiarowa wykorzystująca zasadę, że promienie beta ulegają osłabieniu proporcjonalnie do masy substancji, gdy substancja ta jest napromieniowywana promieniami beta, rodzajem promieniowania.
Promienie beta to szybkie elektrony (naładowane cząstki) wyrzucane przez rozpad niestabilnych jąder atomowych. Kiedy promienie beta przechodzą przez substancję, zderzają się z atomami substancji, powodując jonizację i wzbudzenie (orbitale elektronowe wznoszą się na wyższy poziom energetyczny) atomów z absorpcją promieni beta i emisją fal elektromagnetycznych (promieni X) ze zmianą orbity promieni beta, co powoduje osłabienie intensywności promieni beta. To osłabienie promieni beta jest proporcjonalne do masy (grubości) przechodzącej substancji.
Stężenie masowe＊1 cząstek stałych w otoczeniu＊2 można zmierzyć, stosując tę zasadę. Poniższe sekcje opisują pomiar cząstek stałych w otoczeniu przy użyciu metody absorpcji promieniowania beta.
*1 : Stężenie masowe: Masa cząstek stałych na jednostkę objętości atmosfery. Jednostką jest μg/m3.
*2 : Cząstki stałe w atmosferze: Cząstki stałe zawieszone w atmosferze.
Rysunek 1: Zasada pomiaru stężenia masowego cząstek stałych w otoczeniu metodą absorpcji promieniowania beta
W metodzie absorpcji promieniowania beta cząstki stałe znajdujące się w otoczeniu są zbierane na filtrze (bibule filtracyjnej).
Zebrane cząstki stałe znajdujące się w otoczeniu są napromieniowywane promieniami beta, a następnie mierzona jest intensywność promieni beta przechodzących przez filtr. (Rysunek 1)
Promienie beta ulegają tłumieniu wykładniczo, wraz ze wzrostem masy (grubości) substancji, którą przenikają. W rezultacie masę zebranych cząstek stałych w otoczeniu można obliczyć za pomocą równania 1. Ponieważ współczynnik absorpcji masy „μm” jest prawie stały, masę cząstek stałych w otoczeniu „Xm” na filtrze można uzyskać ze stosunku „I” i „I0”.
Xm = ln(I0/I)/μm (równanie 1)
Xm: Masa cząstek stałych w otoczeniu filtra
I: Intensywność promieniowania beta przechodzącego przez filtr i zebrane cząstki stałe w otoczeniu
I0: Intensywność promieniowania beta przepuszczana tylko przez filtr
μm: współczynnik absorpcji masy
Równanie 1: Obliczanie masy cząstek stałych w otoczeniu metodą absorpcji promieni beta
Stężenie masowe cząstek stałych w otoczeniu oblicza się na podstawie „Xm” oraz objętości próbki powietrza otoczenia podczas pobierania cząstek stałych w otoczeniu.
W poniższych opisach analizatory mierzące stężenie masowe cząstek stałych w powietrzu otoczenia za pomocą metody absorpcji promieniowania beta będą nazywane po prostu monitorami cząstek stałych otoczenia lub monitorami pyłu otoczenia.
Rysunek 2: Struktura monitora cząstek stałych w otoczeniu
Ogólna struktura monitora cząstek stałych w otoczeniu
Monitor cząstek stałych otoczenia automatycznie mierzy stężenie masowe za pomocą promieni beta osłabianych przez stale zbierane cząstki stałe na papierze (filtrze). Monitor cząstek stałych otoczenia składa się z wlotu powietrza, separatora wielkości cząstek (np. impaktora, cyklonu), mechanizmu zbierania filtra, źródła promieni beta, detektora scyntylacyjnego, czujnika przepływu i sekcji przetwarzania sygnału. (Rysunek 2)
W sekcji pobierania próbek powietrze próbki, po przejściu przez wlot powietrza. przepływa do separatora wielkości cząstek, który zapobiega przedostawaniu się dużych pyłów, owadów i deszczu z powietrza otoczenia. Separator wielkości cząstek sortuje cząstki stałe w powietrzu próbki według średnicy mierzonych cząstek. Posortowane cząstki stałe, niesione ze stałą szybkością przepływu, są zbierane przez mechanizm filtra.
Wykres 1: Zależność między średnicą cząstek stałych a wydajnością zbierania
Separator wielkości cząstek
Cząstki stałe znajdujące się w otoczeniu zachowują się w organizmie człowieka odmiennie, a ich wpływ na zdrowie zależy od wielkości. Dlatego też ogólnie dzieli się je na trzy grupy ze względu na średnicę.
PM2.5 (cząstki stałe 2.5): powszechnie określane jako drobne cząstki stałe. Drobne cząstki stałe o średnicy około 2,5 μm są zawieszone w powietrzu. Dokładniej, cząstki stałe o średnicy 2,5 µm są zbierane ze skutecznością 50%.
PM10 (cząstki stałe 10) ： Drobne cząstki stałe zawieszone w powietrzu o średnicy około 10 μm. Dokładniej, cząstki stałe o średnicy 10 µm są zbierane ze skutecznością 50%.
SPM (zawieszone cząstki stałe): Ogólnie nazywane zawieszonymi cząstkami stałymi. Cząstki stałe o średnicy 10 μm lub mniejszej (inne niż PM10), które są zawieszone w powietrzu.
Wydajność zbierania jest ważnym wskaźnikiem wydajności separatora wielkości cząstek i przedstawia procent cząstek o danej średnicy, które są zbierane. Wykres 1 pokazuje zależność między średnicą cząstek stałych a wydajnością zbierania.
Opisany w powyższym przykładzie separator cząstek PM2.5 o wydajności 50% pozwala zebrać połowę cząstek o średnicy 2,5 µm wprowadzonych do urządzenia. Cząstki inne niż PM2.5 są zbierane zgodnie z ich własną średnicą (odpowiadającą średnicy aerodynamicznej materii cząsteczkowej) i wydajnością zbierania (odpowiednią dla wartości) na krzywej PM2.5 (czerwona krzywa) na wykresie 1.
Typowymi przykładami separatorów wielkości cząstek są impaktory, cyklony i sita wielostopniowe. Istnieje korelacja między średnicą a masą cząstek stałych, a separatory wielkości cząstek wykorzystują różne siły dla masy cząstek stałych, aby wybrać cząstki stałe o tej samej średnicy. Impaktory wykorzystują siłę bezwładności, cyklony wykorzystują siłę odśrodkową, a sita wielostopniowe wykorzystują osadzanie grawitacyjne. Impaktory i cyklony są podstawowymi separatorami wielkości cząstek używanymi do pomiaru cząstek stałych w otoczeniu. Oto krótka zasada działania impaktorów (rysunek 3) i cyklonów (rysunek 4).
Rysunek 3: Struktura i zasada działania separatora uderzeniowego
Urządzenie uderzające wykorzystuje siłę bezwładności do rozdzielania cząstek według masy. Strumień powietrza próbki (niebieska strzałka) generowany przez prostokątną dyszę uderza w płytę uderzeniową (niebieska strzałka) i zmienia kierunek (czerwona strzałka). Ciężkie cząstki stałe uderzają w płytę uderzeniową i są zbierane na tej płycie. Lekkie cząstki stałe opływają płytę i płyną w dół (czerwona strzałka) wraz z powietrzem próbki.
Rysunek 4: Struktura i zasada działania cyklonu
Strumień powietrza próbki wprowadzany z wlotu cyklonu przyspiesza, podążając za stożkiem cyklonu, tworząc przepływ wirowy (niebieska strzałka) i przepływ wsteczny (czerwona strzałka). Ze względu na interakcję między siłami odśrodkowymi i oporu, ciężkie cząstki stałe w powietrzu próbki są przenoszone wzdłuż stożka przez przepływ wirowy i zbierane, podczas gdy lekkie cząstki stałe są oddzielane przez przepływ wsteczny.
Zdjęcie 1: Rzeczywista sekcja pobierania próbek
HORIBA zbiera cząsteczki PM2,5 z powietrza atmosferycznego poprzez połączenie impaktorów i cyklonów. (Zdjęcie 1)
Owady, większe pyły i deszcz są usuwane na wlocie powietrza, pył PM10 w powietrzu próbki jest oddzielany przez impaktor, następnie pył PM2,5 jest oddzielany i zbierany przez cyklon z próbki wcześniej separowanej jako PM10 przez impaktor.
Zdjęcie 2: Przykład cząstek stałych zebranych na taśmie filtracyjnej
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)
Rozmiar oczek filtra musi być mniejszy niż wybrana średnica cząstek stałych i umożliwiać swobodny przepływ powietrza przez filtr. Efektywność zbierania cząstek stałych na filtrze zmienia się w zależności od rozmiaru oczek filtra. Efektywność zbierania cząstek stałych w otoczeniu powinna wynosić co najmniej 99,7%. Filtry są zazwyczaj wykonane z włókna szklanego lub materiałów na bazie politetrafluoroetylenu (PTFE).
Zdjęcie 3: Taśma filtracyjna
Materiał musi ponadto być jak najcieńszy, aby zminimalizować absorpcję promieni beta w samym filtrze. Na przykład średnia grubość (grubość filmu) taśm filtracyjnych HORIBA wynosi 140 μm. (Zdjęcie 3)
W przypadku użycia automatycznego mechanizmu przewijania taśmy filtracyjnej, zebrane na taśmie filtracyjnej cząstki stałe nie mogą przywierać do tylnej strony przewiniętej taśmy filtracyjnej, na wypadek konieczności ponownej analizy zebranych na przewiniętej taśmie filtracyjnej cząstek stałych.
Źródło promieniowania beta
HORIBA wykorzystuje 14 C* jako źródło promieniowania beta, które jest bezpiecznie odseparowanym źródłem promieniowania o mocy mniejszej niż 10 MBq i może być stosowane bez specjalnych kwalifikacji lub powiadomienia.
*14 C jest izotopem występującym naturalnie i wykorzystywanym także w takich zastosowaniach jak datowanie radiowęglowe ze względu na jego długi okres rozpadu połowicznego, wynoszący 5700 lat.
Detektor (detektor scyntylacyjny)
Detektor scyntylacyjny składa się ze scyntylatora i PMT (fotopowielacza). Scyntylator to materiał fluorescencyjny, który pochłania promieniowanie i natychmiast emituje światło. Promienie beta, które przechodzą przez taśmę filtracyjną pokrytą zebranymi cząstkami stałymi, wchodzą do scyntylatora, emitując światło, które jest wykrywane następnie przez PMT (fotopowielacz). Ta wartość detekcji PMT jest używana w (Równaniu 1) do obliczenia masy zebranych cząstek stałych. Stężenie masowe (μg/m3) zebranych cząstek stałych jest następnie obliczane na podstawie wartości obliczonej masy i zmierzonej wartości czujnika przepływu.
Zdjęcie 4: Standardowa folia tłumiąca
Ponieważ trudno jest sprawdzić czułość sekcji pomiarowej przy użyciu cząstek stałych faktycznie zebranych na taśmie filtracyjnej, stosuje się cienką folię, która tłumi promienie beta w stopniu równoważnym do cząstek stałych zebranych na taśmie filtracyjnej. Ta cienka folia (standardowa folia tłumiąca) jest wykonana z mylaru, poliamidu lub innych materiałów. (Zdjęcie 4)
Rysunek 5: Standardowa folia tłumiąca do sprawdzania czułości sekcji pomiarowej
Standardowa folia tłumiąca ułatwia utrzymanie dokładności pomiaru sekcji pomiarowej poprzez okresowe sprawdzanie czułości pomiaru. (Rysunek 5)
Cząsteczki stałe w powietrzu wewnątrz analizatora mogą podczas oczekiwania na pomiar przywierać do cienkiej, naładowanej elektrycznie taśmy filtrującej (materiał na bazie PTFE). Można to ograniczyć, stosując taśmę filtrującą o najniższym możliwym ładunku. HORIBA opracowała opatentowaną taśmę filtrującą, która łączy materiały na bazie PTFE i tkaniny nietkane. W porównaniu z taśmami filtrującymi wyłącznie na bazie PTFE, ta taśma filtrująca ma niższą higroskopijność i niższy ładunek elektrostatyczny, co zmniejsza czynniki wpływające na pomiary. (Tabele 1 i 2)
Tabela 1: Porównanie higroskopijności taśm filtracyjnych
Tabela 2: Porównanie ładunku elektrostatycznego taśm filtracyjnych
Cząstki stałe w otoczeniu składają się z różnych substancji o bazie nieorganicznej lub organicznej, i są klasyfikowane jako SPM, PM2.5, PM10 itp. w zależności od średnicy. Im mniejsze cząstki stałe, tym większe prawdopodobieństwo, że wnikną głęboko do organizmu i spowodują choroby układu oddechowego. Analizatory wykorzystujące metodę absorpcji promieniowania beta są używane do pomiaru cząstek stałych w powietrzu otoczenia w różnych środowiskach ze względu na łatwość ich użycia.
Środowisko
Taśma/filtr do pobierania próbek PM
Masz pytania lub prośby? Skorzystaj z tego formularza, aby skontaktować się z naszymi specjalistami.
