Beta ışını absorpsiyon yöntemi, bir madde bir radyasyon türü olan beta ışınları ile ışınlandığında, beta ışınlarının bir maddenin kütlesi ile orantılı olarak zayıflatılması prensibini kullanan bir ölçüm yöntemidir.
Beta ışınları, kararsız atom çekirdeğinin bozunmasıyla dışarı atılan yüksek hızlı elektronlardır (yüklü parçacıklar). Beta ışınları bir maddenin içinden geçtiğinde, maddenin atomları ile çarpışarak, beta ışını absorpsiyonu ile atomların iyonlaşmasına ve uyarılmasına (elektron orbitallerinin daha yüksek bir enerji seviyesine yükselmesi) ve beta ışını orbital değişimi ile elektromanyetik dalgaların (X-ışınları) yayılmasına neden olarak beta ışınlarının yoğunluğunun zayıflamasına neden olur. Beta ışınlarının bu zayıflaması, içinden geçen maddenin kütlesi (kalınlığı) ile orantılıdır.
Ortamdaki partikül maddenin *2 kütle konsantrasyonu *1 bu prensip kullanılarak ölçülebilir. Aşağıdaki bölümlerde, beta ışını absorpsiyon yöntemi kullanılarak ortamdaki partikül maddenin ölçümü açıklanmaktadır.
*1 : Kütle konsantrasyonu: Birim atmosfer hacmi başına partikül madde kütlesi. Birimi μg/m3'tür.
*2 : Ortamdaki partikül madde: Atmosferde asılı kalan partikül madde.
Şekil 1: Beta ışını absorpsiyonu ile ortamdaki partikül maddenin kütle konsantrasyonunun ölçüm prensibi
Beta ışını absorpsiyon yönteminde, ortamdaki partikül madde bir filtre (filtre kağıdı) üzerinde toplanır.
Toplanan ortam partikül maddesi beta ışınları ile ışınlanır ve filtreden geçen beta ışınlarının yoğunluğu ölçülür. (Şekil 1)
Beta ışınları, nüfuz ettikleri maddenin kütlesi (kalınlığı) arttıkça katlanarak zayıflama özelliğine sahiptir. Sonuç olarak, toplanan ortamdaki partikül maddenin kütlesi Denklem 1 kullanılarak hesaplanabilir. Kütle absorpsiyon katsayısı "μm" hemen hemen sabit olduğundan, filtre üzerindeki ortamdaki partikül madde "Xm" kütlesi "I" ve "I0" oranından elde edilebilir.
Xm = ln(I0/I)/μm (Denklem 1)
Xm: Filtre üzerindeki ortamdaki partikül madde kütlesi
I: Filtreden geçen beta ışın yoğunluğu ve toplanan ortam partikül maddesi
I0: Sadece filtreden geçen beta ışın yoğunluğu
μm: Kütle absorpsiyon katsayısı
Denklem 1: Beta ışını absorpsiyonu ile ortamdaki partikül madde kütlesinin hesaplanması
Ortamdaki partikül maddenin kütle konsantrasyonu, ortamdaki partikül madde toplanırken "Xm" ve numune ortam havasının hacminden hesaplanır.
Aşağıdaki açıklamalarda, beta ışını absorpsiyon yöntemini kullanarak ortam havasındaki partikül maddenin kütle konsantrasyonunu ölçen analizörler, basitçe ortam partikül monitörleri veya ortam tozu monitörleri olarak tanımlanacaktır.
Şekil 2: Ortam partikül monitörünün yapısı
Ortam partikül monitörünün genel yapısı
Ortam partikül monitörü, kağıt (filtre) üzerinde sürekli olarak toplanan partikül madde tarafından zayıflatılan beta ışınlarını kullanarak kütle konsantrasyonunu otomatik olarak ölçer. Ortam partikül monitörü, bir hava girişi, bir partikül boyutu ayırıcı (örn. çarpma tertibatı, siklon), bir filtre toplama mekanizması, bir beta ışını kaynağı, bir sintilasyon dedektörü, bir akış sensörü ve bir sinyal işleme bölümünden oluşur. (Şekil 2)
Numune alma bölümünde, numune havası, büyük tozların, böceklerin ve yağmurun ortam havasına girmesini önleyen bir hava girişinden geçtikten sonra bir partikül boyutu separatörüne akar. Partikül boyutu separatörü, numune havasındaki partikül maddeyi, ölçülecek partikül maddenin çapına göre sınıflandırır. Ayrıştırılan partikül madde, filtre toplama mekanizması ile sabit bir akış hızında bir filtre üzerinde toplanır.
Grafik 1: Partikül madde çapı ile toplama verimliliği arasındaki ilişki
Partikül boyutu ayırıcı
Ortamdaki partikül madde, boyutuna bağlı olarak vücutta farklı davranışlara ve sağlık etkilerine sahiptir, bu nedenle genellikle aşağıdaki üç partikül madde çapı grubuna ayrılır.
PM2.5 (Partikül Madde 2.5): Genellikle ince partikül madde olarak adlandırılır. Yaklaşık 2,5 μm çapında havada asılı kalan ince partikül madde. Spesifik olarak, 2,5 μm çapındaki partikül madde,% 50'lik bir toplama verimliliğinde toplanır.
PM10 (Particulate Matter 10) : Havada asılı kalmış ve çapı yaklaşık 10 μm olan ince partikül madde. Spesifik olarak, 10 μm çapındaki partikül madde,% 50'lik bir toplama verimliliğinde toplanır.
SPM (Suspended Particulate Matter): Genel olarak askıda partikül madde olarak adlandırılır. Havada asılı kalan çapı 10 μm veya daha küçük (PM10'dan farklı) partikül madde.
Toplama verimliliği, partikül boyutu separatörünün önemli bir performans göstergesidir ve toplanan belirli bir çaptaki partiküllerin yüzdesini temsil eder. Grafik 1, partikül madde çapı ile toplama verimliliği arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Örneğin, yukarıda açıklanan %50 toplama verimliliğine sahip PM2.5 partikül boyutlu separatörler, cihaza 2.5 μm çapında partiküller beslenirse, bunların yarısının toplanacağı ve diğer yarısının toplanmayacağı performansa sahiptir. PM2.5 dışındaki partiküller, Grafik 1'deki PM2.5 eğrisi (kırmızı eğri) üzerinde kendi çapına (aerodinamik partikül maddenin çapına karşılık gelen) ve toplama verimliliğine (içerik oranına karşılık gelen) göre toplanmaktadır.
Tipik partikül boyutu ayırıcı türleri, çarpma tertibatları, siklonlar ve çok kademeli eleklerdir. Partikül madde için çap ve kütle arasında bir korelasyon vardır ve bu partikül boyutu ayırıcıları, aynı çaptaki partikül maddeyi toplamak için partikül madde kütlesi için çeşitli kuvvetler kullanır. Çarpma tertibatları atalet kuvveti kullanır, siklonlar merkezkaç kuvveti kullanır ve çok kademeli elekler yerçekimi çökelmesini kullanır. Çarpma tertibatları ve siklonlar, ortamdaki partikül maddeyi ölçmek için kullanılan birincil partikül boyutu ayırıcılarıdır. İşte çarpma tertibatlarının (Şekil 3) ve siklonların (Şekil 4) kısa bir prensibi.
Şekil 3: Çarpma tertibatı yapısı ve prensibi
Çarpma tertibatı, parçacıkları kütleye göre ayırmak için atalet kuvveti kullanır. Dikdörtgen bir nozuldan üretilen bir örnek hava akımı (mavi ok) bir çarpma plakasına (mavi ok) çarpar ve yön değiştirilir (kırmızı ok). Ağır partikül madde çarpma plakasına çarpar ve bu plaka üzerinde toplanır. Hafif partikül madde, numune havası ile aşağı akışa (kırmızı ok) akar.
Şekil 4: Siklon yapısı ve prensibi
Siklon girişinden gelen numune hava akışı, siklonun konisini takip ederken hızlanarak dönen bir akış (mavi ok) ve ters bir akış (kırmızı ok) oluşturur. Merkezkaç ve sürükleme kuvvetleri arasındaki etkileşim nedeniyle, numune havasındaki ağır partikül madde, dönen akış tarafından koni boyunca taşınır ve toplanırken, hafif partikül madde ters akışla ayrılır.
Fotoğraf 1: Gerçek numune alma bölümü
HORIBA, çarpma tertibatlarını ve siklonları birleştirerek ortam havasındaki PM2.5'i toplar. (Fotoğraf 1)
Böcekler, büyük tozlar ve yağmur hava girişinde uzaklaştırılır, numune havasındaki PM10 çarpma tertibatı tarafından ayrılır ve PM2.5 ayrıca siklon tarafından çarpma tertibatı tarafından PM10'dan ayrılır ve toplanır.
Fotoğraf 2: Bir filtre bandında toplanan ortam partikül madde örneği
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)
Filtrenin ağ boyutu, partikül maddenin seçilen çapından daha küçük olmalı ve havanın filtreden sorunsuz bir şekilde geçmesine izin vermelidir. Partikül maddenin filtre üzerindeki toplama verimliliği, filtrenin ağ boyutu ile değiştirilir. Ortamdaki partikül maddelerin toplama verimliliği en az %99,7 olmalıdır. Filtreler tipik olarak fiberglas veya PoliTetraFloroetilen (PTFE) bazlı malzemelerden yapılır.
Fotoğraf 3: Filtre bandı
Ek olarak, filtrenin kendisindeki beta ışınlarının emilimini en aza indirmek için malzeme mümkün olduğunca ince olmalıdır. Örneğin, HORIBA filtre bantlarının ortalama kalınlığı (film kalınlığı) 140 μm'dir. (Fotoğraf 3)
Otomatik filtre bandı geri sarma mekanizması kullanıldığında, geri sarılmış filtre bandı üzerinde toplanan partikül maddenin tekrar analiz edilmesi gerektiğinde, filtre bandı üzerinde toplanan partikül madde, geri sarılmış filtre bandının arkasına yapışmamalıdır.
Beta ışın kaynağı
HORIBA, 10 MBq'den daha az kaynak gücüne sahip güvenli bir sızdırmaz radyasyon kaynağı olan beta ışını kaynağı olarak 14 C* kullanır ve özel işleme nitelikleri veya bildirim olmadan kullanılabilir.
*14 C doğal olarak oluşur ve 5.700 yıllık uzun yarı ömrü nedeniyle radyokarbon tarihleme gibi uygulamalarda da kullanılır.
Dedektör (sintilasyon dedektörü)
Bir sintilasyon dedektörü, bir sintilatör ve bir PMT'den (fotoçoğaltıcı tüp) oluşur. Sintilatör radyasyonu emen ve hemen ışık yayan floresan bir malzemedir. Toplanan partikül madde ile filtre bandından geçen beta ışınları sintilatörün içine girerek ışık yayar ve PMT tarafından algılanır. Bu PMT algılama değeri, toplanan partikül maddenin kütlesini hesaplamak için Denklem 1'de kullanılır. Toplanan partikül maddenin kütle konsantrasyonu (μg/ m3) daha sonra hesaplanan kütlenin değerinden ve akış sensörünün ölçülen değerinden hesaplanır.
Fotoğraf 4: Standart zayıflatıcı film
Filtre bandı üzerinde fiilen toplanan partikül maddeyi kullanarak ölçüm bölümünün hassasiyetini kontrol etmek zor olduğundan, filtre bandı üzerinde toplanan partikül maddeye eşdeğer beta ışınlarını zayıflatan ince bir film kullanılır. Bu ince film (standart zayıflatıcı film) mylar, poliimid veya diğer malzemelerden yapılmıştır. (Fotoğraf 4)
Şekil 5: Ölçüm bölümünün hassasiyetini kontrol etmek için standart zayıflatıcı film
Bu standart zayıflatıcı film, ölçüm hassasiyetini periyodik olarak kontrol ederek ölçüm bölümünün ölçüm doğruluğunu korumayı kolaylaştırır. (Şekil 5)
Ölçüm için beklerken monitörün içindeki havadaki partikül madde, ince, elektrik yüklü PTFE bazlı filtre bandına yapışabilir. Bu, mümkün olan en düşük şarja sahip filtre bandı kullanılarak azaltılabilir. HORIBA, PTFE bazlı malzemeleri ve dokunmamış kumaşları birleştiren tescilli bir filtre bandı geliştirmiştir. Yalnızca PTFE filtre bantları ile karşılaştırıldığında, bu filtre bandı daha düşük higroskopikliğe ve daha düşük elektrostatik yüke sahiptir, böylece ölçümleri etkileyen faktörleri azaltır. (Tablo 1 ve 2)
Tablo 1: Filtre bantları için higroskopikliğin karşılaştırılması
Tablo 2: Filtre bantları için elektrifikasyonun karşılaştırılması
Ortamdaki partikül madde, inorganik organik elementler gibi çeşitli maddelerden oluşur ve partikül maddenin çapına göre SPM, PM2.5, PM10 vb. olarak sınıflandırılır. Partikül madde ne kadar küçükse, vücudun derinliklerine nüfuz etme ve solunum yolu hastalıklarına neden olma olasılığı o kadar yüksektir. Beta ışını absorpsiyon yöntemini kullanan monitörler, kullanım kolaylığı nedeniyle çeşitli ortamlarda ortam havasındaki partikül maddeyi ölçmek için kullanılır.
PM örnekleme filtre bandı / filtresi
Herhangi bir sorunuz veya isteğiniz mi var? Uzmanlarımızla iletişime geçmek için bu formu kullanın.
