CN107921444A - 根据颗粒尺寸实现选择性气溶胶颗粒收集的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于收集气溶胶中可能存在的颗粒的方法和装置。本发明在于静电收集气溶胶中的所有颗粒，但是将用于通过单极离子扩散使颗粒带电而使最细颗粒带电然后收集最细颗粒的机制与用于通过电晕效应电场使颗粒带电而使最大颗粒带电然后在与用于最细颗粒的收集区不同的收集区收集最大颗粒的机制分开。本发明还涉及该装置作为电离室的用途或用于评价工人或消费者对纳米颗粒的暴露程度的用途。
Description
技术领域
本发明涉及收集和分析气溶胶中可能悬浮存在的颗粒的领域。
更具体而言，本发明涉及一种静电装置的制造，该静电装置用于通过静电沉淀来收集颗粒，包括气溶胶中含有的纳米颗粒。
本发明的目的是允许同时但根据它们的尺寸而选择性地收集气溶胶中的悬浮颗粒，选择性优选地旨在收集、同时分离微米尺寸的颗粒或亚微米尺寸的颗粒(即大于或等于300nm)与纳米颗粒。
“纳米颗粒”可根据标准ISO TS/27687的标准定义来理解：三维尺寸为纳米尺度的纳米对象，即具有小于约100nm的标称直径的颗粒。
背景技术
自20世纪70年代以来，对由气溶胶引起的环境影响和健康影响的认识已成为新技术开发的来源，从而更好地评估相关风险。
该领域在20世纪80年代迅速扩展，包括在高科技生产方法中使用气溶胶和在超洁净气氛中控制气溶胶污染。
从20世纪90年代开始，对超细颗粒(即小于100纳米的那些颗粒)的性质以及气溶胶对气候的影响的研究更加热烈。因此，该领域非常广泛，因为它同时涵盖工业卫生、空气污染控制、吸入毒理学、大气物理学和化学以及装置或环境中的放射性气溶胶污染各领域。
最近，纳米技术在诸如健康、微电子、能源技术或日常消费品(例如涂料和化妆品)等多个领域中迅速发展，意味着为了确保最佳的安全条件，致力于继续研究这些新材料对健康和环境的影响至关重要。
因此，需要开发方法和工具来评估工人、消费者以及环境对于颗粒的暴露程度，特别是对于纳米颗粒的暴露程度。
因此，对用于在大范围颗粒尺寸(至多为纳米颗粒尺寸)范围内取样和分析气溶胶的方法和装置的开发在公共卫生和预防相关风险方面成为关键问题。
具体而言，对适于便携式并且固定为处于用于制造纳米对象或处理纳米材料或使用纳米材料的工作站的工人的工作服的单元取样装置的开发可能证明是必不可少的。
存在许多用于取样和收集气溶胶中的悬浮颗粒的装置，从而在现场或在实验室中分析它们。它们可以通过在纤维或多孔膜上过滤实现收集，通过扩散收集最细颗粒，在惯性力场(冲击器、旋风器、离心机)或重力场(沉降室、洗脱器)的作用下收集最大颗粒，或甚至在电场、热场或辐射场的作用下实现收集。
在这些装置当中，通常使用静电装置，即其工作原理是基于实现电场，特别是用于产生电晕放电效应的强电场。
当在存在气溶胶颗粒的体积中产生强电场时，所述颗粒可以通过两个不同的带电机制而带电，并且这可以同时发生。
出版物[1]，特别是该出版物的第330页图15.4，示出了：与场带电机制相关的单极离子扩散带电机制适用于大范围的粒径，至少对于尺寸在0.01μm和10μm之间的颗粒是适用的。同样清楚的是，单极离子扩散带电机制对于最细颗粒(通常是纳米颗粒，即小于100nm的那些)尤其占优势。相比之下，场带电机制对于大颗粒(即微米尺寸的颗粒和亚微米尺寸的颗粒(≥300纳米))更有效。
作为实例，如果颗粒的电迁移率(用Z表示)在CGS(厘米-克-秒单位制)静电单位中被认为是大约1cm2/st.V.s，即以SI(国际标准)单位为3.3×10-7m2/V.s，则被置于产生105V/m的电场E的两个平面且平行的板之间的该颗粒达到等于乘积Z*E的速度W，即W约为0.033m/s。可以明显看出，与颗粒经受的其它力场，即重力场、惯性场、热场和辐射场相比，静电力产生的速度要高得多。这种优势在可市售的静电净化器的操作中得以利用，其中扩散带电过程和场带电过程可以一起作用。
使气溶胶颗粒带电需要具有高浓度的单极离子。到目前为止，在大气中产生这些离子最有效的方法是电晕放电法。
为了产生电晕放电，必须建立具有使静电场变得不均匀的几何结构的静电场。更具体而言，这种高电场(在放电电极附近为每厘米几千到几万伏特)由两个彼此靠近的电极感应：第一偏压电极或放电电极，其通常以线或点的形式被布置成朝向第二电极；所述第二电极为对电极的形式，通常具有平面或圆柱形几何结构。存在于两个电极之间的电场使位于电极间空间中的气体体积、特别是位于放电电极周围的电离气体的鞘或环电离。所产生的电荷通过向对电极迁移而使气体中所含的待分离颗粒带电。这样产生的带电颗粒然后朝向对电极迁移，它们可以在对电极上被收集。该对电极通常被称为收集电极。由于所需的电场水平，需要使用具有(非常)低曲率半径的放电电极。因此，所遇到的放电电极通常是细点或小直径线。因此，通过基于由自然照射产生的电子和离子的过程，电子在具有非常低的曲率半径的电极附近产生的强电场中被加速。由于施加的电压高，如果该场超过临界值，则雪崩效应导致该空间中的空气电离。这种现象被称为电晕放电。
作为实例，图1A至图1E示出了最适于获得电晕放电的电极的一些结构，即分别为点-平面布置(图1A)、叶片-平面布置(图1B)、线-平面布置(图1C)、线-线布置(图1D)、线-筒布置(图1E)。
例如，在点-平面结构中，如果点相对于平面是正的，则电子快速地移向该点，而正离子朝向平面移动，然后产生正的单极空间。此外，还建立了离子风，也称为离子型风，其特征在于由正离子与周围的中性分子的碰撞产生的从点指向平面的气流。
相反，如果该点相对于平面是负的，则正离子向该点移动，并且电子通过附着到空气分子而向平面移动从而形成负离子。在任何情况下，即使产生正离子或负离子的过程不是完全对称的，单极离子也以大约106-109/cm3的高浓度从点向平面迁移，并且不管极性如何，都产生从点指向平面的电风。
因此，将气溶胶颗粒引入点-平面空间使得使用场带电过程以与点相同的极性使它们带电。此外，用于产生电晕效应和电风的场也参与场带电过程。
对于图1B到图1E中所示的其它结构，用于产生离子和用于颗粒的场带电过程在所有方面是相似的。
在使分析能够基于该原则运行的支持下，某些销售的静电除尘器用于采样和收集颗粒。
例如，已经引用的出版物[1]的第341页图15.9示出了允许气溶胶颗粒沉积在电子显微镜网格上的装置，其中以点-平面结构使颗粒带电和沉淀。
另一实例示于同一出版物[1]的第223页图10.10中，并且以点-平面几何结构实施带电和沉淀技术来收集压电晶体上的气溶胶颗粒。
如已经提到的，单极离子扩散带电机制主要适用于最细颗粒。这种机制在纳米颗粒计量学中越来越多地被实行，特别是用于确定它们的粒度。事实上，许多作者已经研究并继续研究能够提供具有高电迁移率的最细颗粒的器件，从而能够在适于该新领域的仪器中选择它们。特别地，可以为此引用文章[2]，其综述了迄今为止所开发的大多数技术，甚或出版物[3]的作者所开发的原理，其使用线筒结构，该线筒结构最近已经被广泛研究，如出版物[4]以及先前的(出版物[5])中所示出的那样。
图2是单极离子扩散带电装置(也称为充电器、带电器)的示意图，其几何结构为线-筒型，如出版物[4]中所示。带电器10包括以两部分旋转对称的主体1，该两部分支撑形成与交流电源连接的外部电极的中空金属圆筒11，和沿着主体的轴线布置并连接到未示出的高压电源的中心金属线12。形成内部电极的圆柱形栅极14也围绕中心线12呈环形布置。含有待带电的颗粒的气溶胶在带电器10中通过穿过空间15从入口孔17到出口孔18循环，所述空间15限定在由栅极形成的内部电极14和由圆筒形成的外部电极11之间。
该带电器10如下操作：离子通过中心线12上的电晕效应产生，并被走向低电势(典型地接地)的门控的内部电极14收集。这些离子的一部分由于施加在其上的电压而离开该栅极14以朝向外围圆筒11的内表面行进。气溶胶颗粒穿过栅极14和圆筒11之间的空间15，并因此通过离开栅极14的单极离子的扩散而带电。扩散带电机制根据乘积N*t而运行，其中N代表单极离子的浓度，并且t代表颗粒的停留时间。由于空间15中的电场非常弱，所以扩散带电机制是唯一能够发生的机制，因为不可能具有场带电机制。
值得注意的是，通过单极离子扩散使气溶胶带电的过程使得将给定数量的电荷施加到给定尺寸的颗粒。
该原理也实施在差分电迁移率分析仪(DMA)中，DMA是能够通过计算给定电迁移率分类中的颗粒浓度来提供细颗粒的粒度分布的仪器。例如，这种装置在专利US 8044350 B2中实施。
从研究现有技术清楚的是，尚未提出一种如下的装置：其允许同时收集气溶胶中含有的并且尺寸在宽尺寸范围(通常在几纳米和几十微米之间)内不同的颗粒，并将其分离成有限的尺寸范围，优选将纳米颗粒与微米尺寸的颗粒分离。
目前，存在对这种装置的需求，特别是为了允许随后对收集和分离的颗粒进行分析，从而根据其有限的尺寸范围依次确定它们的浓度和它们的化学组成。
因此，本发明的总体目标是至少部分地满足这种需要。
发明内容
为此，本发明的最初主题是用于收集气溶胶中可能存在的颗粒的方法，其包括以下步骤：
–通过导管其入口孔至其出口孔吸入气溶胶；
-通过在围绕线形式的产生电晕效应的电极的栅极形式的电极与导管内壁的第一导电部分之间的空间中的单极离子扩散，使入口孔下游的最细颗粒带电；
-在电极和导管内壁的第二导电部分之间的空间中产生没有电晕效应的电场，从而通过沉积在第一收集区(Zn)上而收集被扩散带电器带电的最细颗粒；
-在电极的线或点与导管内壁的第三导电部分之间的空间中产生具有电晕效应的电场，从而通过沉积在与第一收集区不同的第二收集区(Zm)上而收集未被扩散带电器带电的最大颗粒。
根据本发明的有利实施方式，当颗粒为放射性时，该方法还包括以下步骤：
a、在时间段t1期间在第一收集区和/或第二收集区上收集放射性颗粒；
b、在时间段t2期间对由空间中的空气的电离电流产生的脉冲进行计数。
根据该实施方式，可以提供在超过步骤b中计数的脉冲的预定阈值的情况下发出警报的步骤。
本发明的另一主题是用于收集气溶胶中可能存在的颗粒的装置，其包括：
-包括入口孔和出口孔的导管，气溶胶可以在入口孔和出口孔之间循环；
-用于使气溶胶从入口孔循环到出口孔的抽吸装置；
-在入口孔下游的单极离子扩散带电器，其包括由栅极形式的电极围绕的线形式的电极，带电器适于通过栅极使单极离子扩散以在将栅极与导管内壁的第一导电部分隔开的空间中使最细颗粒带电；
-在扩散带电器下游的电极，其适于在将电极与导管内壁的第二导电部分隔开的空间中产生无电晕效应的电场，并因此通过沉积到第一收集区(Zn)上而收集预先被扩散带电器带电的最细颗粒；
-在离子扩散带电器和纳米颗粒收集区下游的电场带电器，其包括线或点形式的电极，该电极适于在将线或点与导管内壁的第三导电部分隔开的空间中产生具有电晕效应的电场并因此使最大颗粒带电，然后通过沉积在不同于第一收集区的第二收集区(Zm)上而收集最大颗粒。
因此，本发明在于静电收集存在于气溶胶中的所有颗粒，但是具有不同的机制，一方面通过单极离子扩散使颗粒带电，从而使最细颗粒带电，然后收集最细颗粒，而另一方面以电晕效应进行电场带电，从而使最大颗粒带电和从与用于最细颗粒的收集区不同的收集区上收集最大颗粒。
换句话说，本发明首先在于通过单极离子扩散使细颗粒带电，然后对最大颗粒进行电场带电，并因此根据其尺寸将每组颗粒收集在合适的支撑部上。
因此，本发明通过将颗粒沉积在物理上不同的区域中而使得根据颗粒尺寸对颗粒仔细分类。
在有利的实施方式中，可以在与气溶胶循环方向垂直布置的同一平坦基板上的不同位置以同心环进行颗粒沉积。
根据该实施方式，可以有利地利用离子风来诱导空气穿过该装置的循环，这可以允许在该装置中省去抽吸泵的存在，其随后的优点是装置重量较低并减少泵的内在干扰(振动、噪声等)。
然后，可以使用常规的物理或物理化学表征技术例如光学或电子显微镜、表面扫描仪、α、β、γ光谱测定法(如果颗粒是放射性的)、X射线荧光(XRF)光谱、微X射线荧光(μ-XRF)、激光诱导击穿光谱(LIBS)等来分析在其上通过颗粒的沉积而限定有颗粒沉积收集区的基板。
根据本发明的收集装置特别适用于对气体环境，特别是房屋或环境中的空气中的颗粒进行取样，从而确定可能吸入的气溶胶颗粒的浓度、粒度、组成。
根据第一实施方式：
-导管是围绕纵向轴线(X)的中空圆筒；
-抽吸装置由泵形成；
-壁的第一导电部分、第二导电部分和第三导电部分是形成导管的一部分的圆筒部分；
-场带电器以包括与相应的圆筒部分形成线-筒构造的线形式的电极；
-离子扩散带电器线、用于产生无电晕效应的电场的电极以及场带电器的线是不同的部件，并且沿着轴线(X)前后相继布置。
根据第二实施方式：
-所述导管包括围绕纵向轴线(X)的中空元件以及垂直于轴线(X)布置在中空元件的一端处的平坦基板，中空元件与平坦基板及其可能的支撑部间隔的距离限定了出口孔的尺寸，平坦基板形成限定第一收集区(Zn)和第二收集区(Zm)两者的收集基板；
-抽吸装置由出口孔形成；
-壁的第一导电部分是旋转形成该导管的部分；
-第二导电部分和第三导电部分被分组在同一收集基板上；
-场带电器包括与收集基板成点-平面构造的点形式的电极，该点适于产生参与颗粒的场带电的电晕效应，而且还用于产生电场，以促进先前被离子扩散带电器带电的物质的收集；
-离子扩散带电器的线、电极和场带电器的点是沿着轴线(X)延伸的显示电连续性的同一部件的部分。
根据该第二实施方式的装置可以包括布置在出口附近的等离子体致动器。
有利地，离子扩散带电器的线、用于产生无电晕效应的电场的电极、以及场带电器的线或点连接到高压电源，该高压电源优选地在2kV和6kV之间。
栅极优选地连接到低压电源，该低压电源优选为大约100V。
第一导电部分、第二导电部分和第三导电部分优选以零电势连接。也可以以低电压(通常约为50V)供应给第一导电部分。
根据本发明的收集装置可以在先前收集之后形成在超过预定阈值的情况下具有报警功能的电离室和放射性颗粒检测器。
本发明的最后一个主题是如前所述的装置用于收集颗粒同时将纳米颗粒分离到第一收集区(Zn)并将微米级颗粒分离到第二收集区(Zm)的用途。
该装置也可以用作电离室。
根据本发明的装置的有利用途是用于评价工人或消费者对纳米颗粒的个体暴露程度。
附图说明
通过参考以下附图，在阅读通过非限制性说明提供的详细描述时，其它优点和特征将变得更清楚明显，其中：
-图1A至图1E是用于获得电晕放电效应的电极的不同构造的示意图；
-图2是带电装置或单极离子扩散带电器的纵向截面图；
-图3是根据本发明的颗粒收集装置的第一实例的示意性纵向截面图；
-图4是根据本发明的颗粒收集装置的第二实例的示意性纵向截面图；
-图5是示出使用用于确定装置的下游部分中的电场线的有限元计算软件进行的模拟的视图；
-图6是示出根据本发明的装置的下游部分中的颗粒所经受的力和两种类型的颗粒的轨迹实例的视图；
-图7是表征针对根据本发明的点电极和收集基板之间的不同距离，为了得到根据图4的装置中的电晕效应而施加到点电极的电压对收集效率的影响的图(负极性)；
-图8是表征对于根据本发明的点电极和收集基板之间的不同距离以及不同的极性，根据图4的装置中的气溶胶流速对收集效率的影响的图；
-图9是在如图4所示的根据本发明的装置中实施的收集基板的照片复制品，其中图9示出了用于收集微米尺寸颗粒(直径2μm的聚苯乙烯乳胶珠)的区域Zm；
-图10是图示出对用于使用用于确定如图4所示的根据本发明的装置中发生的流动和电场的有限元计算软件进行模拟的模型的说明；
-图11是源自通过用于确定颗粒的速度分布的有限元计算软件的模拟以及在如图4所示的根据本发明的装置中产生的离子风的视图；
-图12是源自有限元计算软件模拟的又一个视图，其示出了在如图4所示的根据本发明的装置中直径等于100nm(图的左侧)和直径等于10nm(图的右侧)的颗粒的轨迹。
具体实施方式
在整个本申请中，术语“竖直”、“下”、“上”、“低”、“高”、“下方”、“上方”、“高度”将参考入口孔位于顶部的竖直布置的收集装置来理解，如图4所示。
类似地，术语“入口”、“出口”、“上游”和“下游”将参考通过根据本发明的收集装置的抽吸流动方向来理解。因此，入口孔表示供吸入含有颗粒的气溶胶的装置的孔口，而出口孔表示供空气流出的孔口。
在前序部分已经描述了图1A至图1E和图2。在下文中不对它们进行描述。
为了清楚起见，使用相同的附图标记来表示根据两个所示实例的收集装置的相同元件。
图3示出了根据本发明的用于选择性收集可能包含在气溶胶中的颗粒的静电装置1的第一实例。
根据本发明的这种装置允许收集最细颗粒(例如纳米颗粒)和最大颗粒(例如微米尺寸的颗粒)，同时根据它们的尺寸范围将它们彼此分离。
收集装置1首先包括导管11，其是围绕纵向轴线X的中空圆筒，并且在例如50V的低电压下甚至在零电势下电连接。
收集装置1在导管11内沿上游至下游方向在其入口孔17和其出口孔18之间包括四个不同的区段10、20、30、40。
第一区段由单极离子扩散带电器10形成，并且类似于之前参考图2描述的区段。
带电器10因此包括中心电极，该中心电极以线12的形式沿着轴线X延伸，该线12连接到电源13，该电源13传送适于在线12附近产生电晕放电的高电压。
它还包括连接到低压电源16的以栅极14形式的外围电极。
在带电器10下游的区段20包括中心电极，该中心电极以杆22的形式沿着轴线X延伸，该杆22与提供中等电压的电源23连接，该中等电压适于产生电收集场而不会在将中心电极22和导管11的壁分隔的空间21中产生电晕效应。依附于导管壁并且形成第一收集区Zn的中空圆筒24围绕与其相对的杆22布置。
在区段20下游的区段30包括中心电极，该中心电极以线32的形式沿着轴线X延伸，该线32连接到高压电源33，该高压电源33适于在线32附近产生电晕效应从而在将中心线32与导管11隔开的空间31中产生强电场。依附于导管壁并且形成第二收集区Zm的中空圆筒34围绕与其相对的线32布置。
区段40包括适于防止在导管11中出现漩涡的结构41，例如“蜂窝”结构，并且在下游具有抽吸装置42。取决于构造，根据本发明的收集装置发明可以省去结构41。
先前参考图3描述的收集装置的操作如下。
含有待收集颗粒的空气在抽吸装置42的作用下通过入口孔17被抽吸。
气溶胶的最细颗粒在将栅极14与导管11分开的空间15中由于单极离子扩散而带电。
这些具有高电迁移率的最细颗粒以及具有较低电迁移率的其它较大颗粒进入区段20。
在杆22和圆筒24之间的空间21中产生的没有电晕效应的电场确保最细颗粒被收集在圆筒上，同时限定第一收集区Zn。
其它较大颗粒未被收集，并且仍然存在于进入第三区段30的气溶胶中。
然后，这些最大颗粒在线32附近和遍及空间31的强电场的电晕效应下带电，并且被收集在圆筒34的内壁上，同时限定第二收集区Zm。
净化掉沉积在第一收集区Zn中的最细颗粒和沉积在第二收集区Zm中的最大颗粒两者的空气然后通过装置的出口孔18被排出。
然后可以使用常规的物理或物理化学表征技术例如光学或电子显微镜、表面扫描仪、α、β、γ光谱测定法(如果颗粒是放射性的)以及X-射线荧光(XRF)光谱、微X射线荧光(μ-XRF)、激光诱导击穿光谱(LIBS)等分析各个区Zn和Zm，从而一方面确定最细颗粒的粒径，另一方面确定最大颗粒的粒径，以及它们的浓度、它们的化学组成和/或它们的形态。
有利地，收集圆筒24和34可以被设置成由相同的部件形成，并因此形成一体式收集基板，一旦完成预期的收集，该收集基板可以被容易地从导管中移除。
图4示出了根据本发明的收集装置1的另一个有利的实例，其使得不是如图3所示地将颗粒收集在沿着气溶胶流动轴线布置的一个或多个圆筒上，而是将其收集在放置在其支撑部5上并且垂直于收集装置的对称轴线布置的同一盘形基板6上。
与图3所示的实例相比，除了具有更好的紧凑性之外，图4中所示的收集装置的优点在于能够将所有颗粒根据其相对尺寸以同心环收集在同一平坦基板表面上，最大颗粒优选被收集在表面的中心而最细颗粒优选被收集在周边。
此外，图4中所示的收集装置有利地允许利用由点-平面构造产生的离子风来收集最大颗粒，并且因此在其下游部分诱导通过装置的空气循环。这种空气循环甚至可以允许省去抽吸泵的存在，这显著减少了根据本发明的收集装置的重量并且还使得减小了其干扰(振动、噪音等)。
收集盘6优选是导电的，通常由金属甚至是半导体制成。其直径优选在10mm和25mm之间，更优选为大约20mm。
收集装置1具有围绕纵向轴线X的圆柱形旋转对称几何结构并且包括由外壳110围绕的长形中空主体11，外壳110可以导电或者可以不导电并且被电绝缘主体3覆盖，其中电极被固定在电绝缘主体3中并通过电极实现电力供应。作为变型，主体11和外壳110可以是一体的。
导电外壳110以及主体11和支撑部5可以通过电源端子2以零电势连接。也可以使用外壳110和由绝缘材料制成的主体11，因此导致浮动电势，并且通过电线将支撑部5连接到电源端子2以将支撑部5保持在零电势。
中空主体11在其内部限定有：绝缘元件4和收集基板6及其支撑部5、用于使气溶胶从入口孔17循环到出口孔18的导管。
根据图4的收集装置1包括与前面解释的图3的元件相同的元件，但是基本上与其不同如下：
-用于产生用于收集最大颗粒的电晕效应的部分处于点-平面构造中，点32与垂直于轴线X布置的收集基板6的平面相距一定距离，
-用于单极离子扩散的电晕效应中心线12、用于收集最细颗粒的用于产生无电晕效应的电场的杆22、和用于收集最大颗粒的电晕效应点32所形成的同一中心电极，其具有连续的但具有不同的几何形状的部分12、22、32。
更具体而言，单极离子扩散带电器由以线12形式的中心电极的一部分和围绕中心线12布置的栅极14形成。中心线12的直径优选为小于50μm。
在栅极14的延伸部中，绝缘元件4合理地允许对以杆22形式的电极部分进行定中心和固定，因此使其电连接到线12。
杆22终止于朝向收集盘6的锥形点32。优选地，该点的角度小于35°，并且其顶点(顶端)的最大宽度小于50μm。
收集装置11可以有利地在其下游部分，即在栅极14下游的气溶胶循环管道的扩展部分中，包括等离子体致动器8，其允许在该下游部分中控制净化掉颗粒的空气在通过出口孔18被排出之前的流动，如下所述。
单个高压电源13、23、33允许在线12附近和点32附近均产生电晕效应。高电压优选地选择在2kV和6kV之间，甚至更优选在大约4kV。
约100V的低压电源16使得栅极14被偏置以控制在扩散带电空间15中产生单极离子。
要注意的是，在根据图4的该装置中，不存在中电压电源，电极22允许产生无电晕效应的电场，因此，在这种情况下，由施加到点32的高电压产生的无电晕效应的中压电场线用于收集最细颗粒，如下所述。
当设计该装置时，注意为由具有不同部分11、12、32、栅极14和绝缘元件4的中心电极形成的子组件提供合适的机械强度，以及确保沿着高压电源13、23、33和电极的各个部分12、22、32的长度的电气连续性。
完成尺寸确定，同时确保不会随着横截面缩小而引入过度窄化。这使得组件的电压降相对于在环形空间15中循环的空气被最小化。
因此，根据图4的收集装置的操作类似于图3的操作。
由于从出口孔产生抽吸，气溶胶从入口孔17循环到出口孔18。
最细颗粒在环形空间15中由于单极离子扩散而电，而最大颗粒在产生电晕效应的点32与收集基板6之间的空间31中的强电场的作用下而带电。
图4示出避免使用辅助抽吸泵的收集装置1的可能实施方式。在点32与收集基板6之间的空间31中产生的离子风的作用下，在环形空间15中出现真空以用于扩散带电，这以流速q在装置中产生循环。
通过选择施加到点32的高电压和点32与平面6之间的距离，抽吸可以通过出口孔18的相对较大的开口来优化。
如图4所示，可以使用布置在出口18附近的等离子体致动器8来维持并且甚至增大在导管的下游部分中发生的净化掉颗粒的空气循环。这些等离子体致动器8有利地是用于在微电子学中冷却微型元件的类型。因此，通过增加净化空气的流动，穿过装置的收集流速q整体上增加。最后，在确定的几何结构和确定的高电压下，存在相应可设定的收集流速q。
图5示出了在气溶胶循环管道的下游部分中产生的电场线。在电场线与等势线垂直的情况下，电场线可以被收集区内的等电势包含。
图5清楚地显示，点32允许获得局部非常强烈的电场，这使得空气被电离并且使微粒带电。然而，通过进一步远离竖直方向，在颗粒通过的位置处，其非常快速地减小到大约0.5*106V/m的值。如图4所示，根据本发明的装置设计成具有中空主体11的壁的一部分111，迫使朝向出口18移动的气流在两个平行的壁之间通过，在这之间的电场被显著放大到106V/m的值。此外，中空主体11的壁的底部的1mm曲率半径在临界点处足以防止高达4000V的任何击穿问题。
如图6所示，施加到颗粒上的气动效应和电效应的组合将限定它们的轨迹，并且因此限定供收集它们的基板6的区域。
具有高迁移率的细颗粒直接受到周围径向电场的作用，该径向电场由向外的径向速度w表示，同时由气压场(由向内的径向速度v表示)载送。合成矢量，速度u因此定义了该颗粒的轨迹和在收集盘6上撞击点。
因此，考虑到装置的旋转对称性，对于具有相同迁移率以层状方式注入到环形空间15中的多个细颗粒，冲击点在基板6上限定冲击周界或冲击环Zn。
对于具有较低迁移率的最大颗粒，它们不通过扩散带电，它们到达点32附近，通过由点32和基板6之间的电晕效应局部产生的轰击离子而带电，从而在冲击周界Zm上的轴线X附近沉积，其中它们尺寸越大，则Zm半径越小。
颗粒因此根据它们的粒度以同心环的形式被收集在盘上，其中最细的在外面，最大的在中心。
发明人试图定量评价如前面参考图4至6所描述的收集装置1的效率。
第一评价是基于装有2μm直径的聚苯乙烯胶乳(PSL)珠的空气而进行的，该PSL珠购自ABCR，商品名为ABCR 210832。
该第一评价允许提供对用于在点32与金属收集基板6之间的空间31中对微米尺寸颗粒进行场效应带电的机制及它们在其上的沉积的说明。
本发明人如下进行。
使用TSI品牌的气溶胶发生器(型号3076)将PSL珠的水性悬浮液雾化，然后通过TSI品牌的干燥剂柱(型号3062)对其进行干燥。
将如此产生的气溶胶然后以3.6L/min的流速引入收集装置1所在的腔室中，如图4至6所示。
腔室设有出口孔，由于由收集装置外部的泵规定的在0.4L/min至1.4L/min范围内的流速总是小于进入腔室的气溶胶流速，所以出口孔可以避免过压。
在该示例中，规定的流速Q被施加到收集装置1，从而使用由流量计控制的可变流速的泵来迫使流体从进口孔17穿过收集装置到达出口孔18。
施加到中心电极12、22、32的高电压13、23、33检测为1500V至4000V的正(+)极性和负(-)极性，并且这是针对在点32末端和收集基板6之间的多个距离z而进行的。
图7显示，对于1.4L/min的恒定流速，当所施加的电压(为绝对值)增加时，由表示为离开装置的颗粒数量与进入的颗粒数量之间的百分比的比率所表示的收集效率增加。对于3500V和4000V之间的施加电压(绝对值)，不管点32与基板6的平面之间的距离在2.5mm至6.5mm如何变化，收集效率平稳地处于90％左右。
图8的部分表明，总体上，当流速低时，收集效率最高，这特别是对于流速为0.4L/min的情况。此外，可以看出，对于固定流速，当使用负极性时以及当点-平面距离显著时，收集效率更高。
这些评价实例表明，如图4至6所述的根据本发明的收集装置可以用于使用由被施加高电压的点32产生的场效应带电机制，以超过95％的收集效率来收集微米尺寸的颗粒。
图9示出了20mm直径的铜收集基板6的照相复制品，其上已收集有微米尺寸的颗粒：它清楚地示出了它们相对于装置的的轴线X甚或点32被沉积在同心环Zm中。该白色环Zm对应于2μm直径的PSL颗粒的沉积。
本发明人还使用以商品名“COMSOLMultiphysics”购得的有限元计算软件模拟了如图4至图6所示的根据本发明的收集装置的操作。
可以使用COMSOL软件通过观察流动、电场、颗粒的轨迹以及所产生的离子风来研究具有与图4至图6所示的几何结构相同的收集装置1。
图10是图示出对用于使用用于确定如图4所示的根据本发明的装置中发生的流动和电场的有限元计算软件进行模拟的模型的说明。
在图10所示的对应于图4所示装置的几何结构的几何结构中，扩展壁部分111被施加与点32相同的电势。在本发明的上下文中，明显的是，该部分111可以与点32的电势不同。
图11示出了对于在点32和平面31之间为4mm的距离为z以及在点32和部分111处施加+4000V的电压U的流动的模拟。
图11中的图示清楚地强调了在电场最高的点32下由电晕效应产生的等离子体的产生，该等离子体朝向收集盘6诱导离子风。由此产生的射流遍布收集盘的表面。
从图11还可以注意到，该离子风在一定程度上将点32的上游的气溶胶朝向场效应带电区31抽吸，因此有助于对最大颗粒实现优异的收集效率，由于没有使它们在上游离子扩散带电区15中带电，所以其轨迹不会被电场线偏转。
图11示出了部分111允许在根据本发明的装置1中产生气溶胶循环。通过使用“Comsol”有限元软件计算入口流速的平均值，并且通过将该值乘以表面，获得了大约0.5L/min的流速，这对于获得超过94％的收集效率来说是非常令人满意的值。
这已经在图4的装置上使用烟雾发生器进行了实验验证。烟雾发生器显示，离子风确实在装置入口处没有外部泵的情况下使得产生吸入流速。
本发明人还针对10nm和100nm直径的纳米颗粒追踪了图4所示装置中的颗粒的轨迹，其中流速Q＝0.5L/min。
因此，图12示出了针对等于+4000V的施加电压U以及点32和平面31之间距离z为4mm进行的颗粒轨迹模拟，其中，分别地，在图左侧的颗粒具有100nm直径(n＝4：基本电荷的数量)和在图右侧的颗粒具有10nm的直径(n＝1)。
“Comsol”有限元软件表明，纳米颗粒被适当地沉淀，即通过静电沉淀被沉积。
因此，如图4至图6所示的根据本发明的收集装置1允许通过与对应于良好限定的粒度以同心区沉积到同一支撑部(例如金属盘)而同时收集不同尺寸的颗粒。最大颗粒(通常是微米尺寸的颗粒)被收集在中心收集区Zm中，而最细颗粒(通常是纳米颗粒)被收集在外围环形区Zn中。
然后可以从收集装置的其余部分提取支撑部，然后使用常规物理或物理化学表征技术(光学或电子显微镜、表面扫描仪、X射线荧光、LIBS光谱测定法、α、β、γ光谱测定法(如果颗粒是放射性的)等)进行分析。
根据本发明的收集装置特别适用于对气体环境中的颗粒，特别是房屋内或环境中的空气进行采样，从而确定可能吸入的气溶胶颗粒的浓度、粒度、形态和组成。由于其紧凑的设计和其减少的电力消耗，该装置可以是便携式的，因此能够以适中的成本大规模推出。
根据有利的变型，根据本发明的收集装置可以作为电离室来操作。因此，依次根据预定周期，装置可以在时间段t1期间作为气溶胶收集器运行，然后在时间段t2期间作为脉冲计数器运行。
事实上，如果在收集阶段(时间段t1)期间气溶胶事先沉积到基板6上，然后如果施加到点32的高电压随后小于用于在计数阶段(时间段t2)期间开始电晕效应的电压，这将会产生空气的电离。
然后由点32收集的电离电流可以由常规电离室中常用类型的合适的电子系统检测。
当应用于放射性气溶胶时，这种电离室因此可以形成在超过预定阈值的情况下具有报警功能的放射性污染检测器。此外，为了进行更彻底的放射性分析，可以提取已经根据本发明完成其收集颗粒的作用的收集基板6，其随后的优点是用于α光谱测定的薄层的沉积。
然而，可以在不脱离本发明的范围的情况下实施其它变型和改进。
本发明不限于上述实例，特别地，所示实例的特征可以组合成未示出的变型。
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Claims (15)
1.一种用于收集气溶胶中可能存在的颗粒的方法，包括以下步骤：
-通过导管(11)从导管的入口孔(17)吸入(18、42)气溶胶至导管的出口孔(18)；
-通过在围绕产生电晕效应的线(12)形式的电极的栅极(14)形式的电极与所述导管的内壁的第一导电部分之间的空间(15)中的单极离子扩散(10)，使所述入口孔下游的最细颗粒带电；
-在电极(22)和所述导管的内壁的第二导电部分(24)之间的空间(21)中产生没有电晕效应的电场，从而通过沉积到第一收集区(Zn)上而收集被扩散带电器带电的最细颗粒；
-在电极(32)的线或点与所述导管的内壁的第三导电部分(34、6)之间的空间(31)中产生具有电晕效应的电场，从而通过沉积到与所述第一收集区不同的第二收集区(Zm)上而收集未被所述扩散带电器带电的最大颗粒。
2.根据权利要求1所述的用于收集放射性颗粒的方法，还包括以下步骤：
a、在时间段t1期间在所述第一收集区和/或所述第二收集区上收集放射性颗粒；
b、在时间段t2期间对由所述空间(21、31)中空气的电离电流产生的脉冲进行计数。
3.根据权利要求2所述的用于收集放射性颗粒的方法，包括在超过步骤b中计数的脉冲的预定阈值的情况下发出警报的步骤。
4.一种用于收集气溶胶中可能存在的颗粒的装置(1)，包括：
-包括入口孔(17)和出口孔(18)的导管(11)，所述气溶胶可在入口孔(17)和出口孔(18)之间循环；
-用于使所述气溶胶从所述入口孔循环到所述出口孔的抽吸装置(18、42)；
-在所述入口孔下游的单极离子扩散带电器(10)，所述单极离子扩散带电器(10)包括由栅极(14)形式的电极围绕的线(12)形式的电极，所述带电器适于通过所述栅极使单极离子扩散以在将所述栅极与所述导管的内壁的第一导电部分隔开的空间(15)中使最细颗粒带电；
-在所述扩散带电器下游的电极(22)，所述电极(22)适于在将所述电极(22)与所述导管的内壁的第二导电部分(24)隔开的空间(21)中产生无电晕效应的电场，并因此通过沉积到第一收集区(Zn)上而收集预先被所述扩散带电器带电的最细颗粒；
-在所述离子扩散带电器和纳米颗粒收集区下游的电场带电器(30)，所述电场带电器(30)包括线或点形式的电极(32)，所述电极(32)适于在将所述线或点与所述导管的内壁的第三导电部分(34、6)隔开的空间(31)中产生具有电晕效应的电场并因此使最大颗粒带电，然后通过沉积在不同于所述第一收集区的第二收集区(Zm)上而收集所述最大颗粒。
5.根据权利要求4所述的收集装置，其中：
-所述导管(11)是围绕纵向轴线(X)的中空圆筒；
-所述抽吸装置由泵(42)形成；
-所述壁的第一导电部分、第二导电部分和第三导电部分是形成所述导管的一部分的圆筒部分(11、24、34)；
-所述电场带电器(30)包括与相应的圆筒部分(34)形成线-筒构造的线(32)形式的电极；
-所述离子扩散带电器的线(12)、用于产生无电晕效应的电场的所述电极(22)以及所述电场带电器(30)的线(32)是不同的部件，并且沿着轴线(X)前后相继布置。
6.根据权利要求4所述的收集装置，其中：
-所述导管(11)包括围绕纵向轴线(X)的中空元件以及垂直于所述轴线(X)布置在所述中空元件的一端处的平坦基板(6)，所述中空元件与所述平坦基板(6)及其可能的支撑部(5)间隔的距离限定了所述出口孔(18)的尺寸，所述平坦基板形成限定所述第一收集区(Zn)和所述第二收集区(Zm)两者的收集基板；
-所述抽吸装置由所述出口孔(18)形成；
-所述壁的所述第一导电部分是旋转形成所述导管的部分；
-所述第二导电部分和所述第三导电部分被分组在同一收集基板(6)上；
-所述电场带电器(30)包括与所述收集基板(6)成点-平面构造的点(32)形式的电极，该点(32)适于产生参与对所述颗粒的场带电的电晕效应，而且还用于产生电场，所述电场促进对先前被所述离子扩散带电器(10)带电的物质的收集；
-所述离子扩散带电器(10)的线(12)、所述电极(22)和所述电场带电器(30)的点(32)是沿着所述轴线(X)延伸的、显示电连续性的同一部件的各部分。
7.根据权利要求6所述的收集装置，包括布置在所述出口(18)附近的等离子体致动器(8)。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的收集装置，其中，所述离子扩散带电器的所述线(12)、收集电极杆(22)、以及所述电场带电器(30)的所述线或点(32)连接到高压电源，所述高压电源优选地在2kV和6kV之间。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的收集装置，其中，所述栅极(14)连接到低压电源，所述低压电源优选为大约100V。
10.根据权利要求4至9中任一项所述的收集装置，所述第一导电部分、所述第二导电部分和所述第三导电部分以零电势连接。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的收集装置，其形成空气电离室。
12.根据权利要求4至11中任一项所述的收集装置，其形成放射性颗粒检测器。
13.根据权利要求4至12中任一项所述的装置用于收集颗粒同时将纳米颗粒分离到所述第一收集区(Zn)并将微米级颗粒分离到所述第二收集区(Zm)的用途。
14.根据权利要求4至12中任一项所述的装置作为电离室的用途。
15.根据权利要求4至12中任一项所述的装置用于评价工人或消费者对所述纳米颗粒的个体暴露程度的用途。
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