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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Neutralisierung von Aerosolpartikeln mittels elektrischer Entladung.
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Um die Konzentration und Größe luftgetragener Partikel zu bestimmen hat sich als geeignetes Verfahren die elektrische Mobilitätsspektrometrie bewährt. Besonders verbreitete Verfahren sind der sogenannte "Differential Mobility Particle Sizer" (DMPS) und der „Scanning Mobility Particle Sizer” (SMPS). Beide Geräte bestehen aus einem Mobilitätsanalysator, "Differential Mobility Analyser" (DMA), sowie einem nachfolgenden Teilchendetektor, typischerweise einem Kondensationskernzähler oder einem Aerosolelektrometer. Die Partikel werden im DMA in einem elektrischen Feld nach ihrer elektrischen Mobilität klassiert, d.h. nur Partikel aus einem bestimmten Band der elektrischen Mobilität gelangen durch den DMA. Dieses Band der elektrischen Mobilität kann durch die elektrische Feldstärke bzw. die am DMA angelegte Spannung eingestellt werden.
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Für Partikel mit bekannter Ladung entspricht das jeweilige Band der elektrischen Mobilität einem Bereich von Teilchengrößen. Somit kann, um die verschiedenen Partikelgrößen zu vermessen, die Spannung des DMAs zeitlich geändert und so schrittweise (DMPS) oder kontinuierlich (SMPS) Größenkanäle vermessen werden.
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Aus der Konzentration der detektierten Partikel ausgangsseitig des DMAs wird dann die Partikelgrößenverteilung eingangsseitig berechnet.
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Die elektrische Mobilität der Partikel wird bestimmt durch deren Größe sowie die Anzahl der Elementarladungen, die sich auf den einzelnen Partikeln befinden. Nur wenn der Ladungszustand bekannt ist, lässt sich über die elektrische Mobilität die Größe der Partikel ermitteln. Vorzugsweise liegen dafür neben ungeladenen nur einfach geladene Partikel vor, der Anteil der mehrfach geladenen Teilchen ist vorzugsweise gering. Weiterhin muss für die Berechnung der tatsächlichen Größenverteilung aus der Konzentration der detektierten Partikel zwingend die Ladungswahrscheinlichkeit der Partikel als Funktion der Teilchengröße bekannt sein. Diese Voraussetzungen sind jedoch für die zu vermessenden Partikel im Allgemeinen nicht erfüllt und insbesondere für wenig gealterte Partikel ist der Ladungszustand a priori praktisch unbekannt.
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Unmittelbar vor dem Mobilitätsanalysator ist daher eine vom Probengas durchströmte Vorrichtung zur Neutralisierung der Aerosolpartikel angeordnet, die auch als Neutralisator bezeichnet wird. In einem Neutralisator werden die Partikel in ein definiertes Ladungsgleichgewicht gebracht, das heißt nach dem Durchströmen des Neutralisators entsprechen die Ladungswahrscheinlichkeiten der Partikel einer theoretisch berechneten Gleichgewichtsladungsverteilung (Fuchs-Wiedensohler- oder Boltzmann-Verteilung). Diese zeichnet sich dadurch aus, dass die Anteile positiv und negativ geladener Teilchen ähnlich und die Anteile mehrfach geladener Teilchen in weiten Größenbereichen gering sind. Im Neutralisator wird eine bipolare Ionenatmosphäre in ausreichend hoher Konzentration erzeugt, beispielsweise durch ionisierende β-Strahlung einer radioaktiven 85Kr-Quelle. Die erzeugten Gasionen gelangen aufgrund ihrer hohen diffusiven Beweglichkeit an die Oberfläche der Partikel und lagern sich dort als positive oder negative Ladungen an. Nach ausreichend langer Verweildauer geben die positiven und negativen Ladungswahrscheinlichkeiten der Partikel eine Gleichgewichtsladungsverteilung wieder. Die Gasionen können auch durch elektrische Entladung, Koronaentladung oder Sperrschichtentladung, erzeugt werden. Nach der Neutralisation strömt das polydisperse Aerosol in den eigentlichen Moblitätsanalysator.
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Bekannt ist eine Lösung (
DE 10 2009 021 631 B3 ), bei der mittels elektrischer Sperrschichtentladung eine bipolare Ionenatmosphäre erzeugt wird, um die luftgetragenen Partikel in einen neutralen Ladungszustand zu überführen.
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Die zugehörige Vorrichtung besitzt einen rohrförmigen Strömungskanal, dessen Kanalwandung in Strömungsrichtung abwechselnd mindestens aus einem elektrisch leitenden Abschnitt als erster Elektrode (Wandelektrode) und aus einem als Dielektrikum ausgebildeten Abschnitt besteht. Die Abschnitte von Wandelektrode und Dielektrikum grenzen aneinander an. Mittels einer zweiten Elektrode (Anregungselektrode), die an einen Hochspannungs-Pulsgenerator angeschlossen und von der ersten Elektrode und dem Strömungskanal getrennt angeordnet ist, wird zwischen Wandelektrode und Dielektrikum eine Oberflächenentladung erzeugt. Durch die Umschließung des Strömungskanals mit mindestens einer geerdeten Wandelektrode ist dieser nach den Gesetzen der Elektrostatik frei von starken radialen elektrischen Feldern. Die Abwesenheit starker radialer Felder stellt die Voraussetzung für die Ausbildung einer bipolaren Ionenatmosphäre dar.
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Der neutrale Ladungszustand der Partikel stellt sich nur dann ein, wenn die positiven und negativen Ionen in ausreichend hoher und nahezu gleicher Konzentration vorliegen. Auch muss die Verweilzeit der Partikel im Neutralisator ausreichend hoch sein, damit sich der Gleichgewichtszustand einstellt.
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Da positive und negative Gasionen aufgrund ihrer unterschiedlichen Größe verschiedene diffusive Beweglichkeit im Luftstrom haben können, können diese im Neutralisiervolumen unterschiedlich schnell verloren gehen, z.B. durch Diffusion und irreversible Abscheidung an die Gehäusewände des Neutralisators. Dies kann dazu führen, dass der Neutralisiervorgang der luftgetragenen Partikel erheblich gestört wird, sich daher kein Gleichgewichtszustand einstellt und die Messung der Partikel mittels der elektrischen Mobilitätsspektrometrie (z.B. SMPS) im Mobilitätsanalysator fehlerbehaftet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Neutralisierung von Aerosolpartikeln mittels elektrischer Sperrschichtentladung zu schaffen, die es ermöglicht,
im Betriebszustand eine symmetrische bipolare Ionenverteilung und damit eine symmetrische Ladungsverteilung der Partikel zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 14.
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Gemäß der vorgeschlagenen Lösung ist in der Längsmittelachse der rohrförmigen Wandelektrode eine stabförmige Steuerelektrode angeordnet, die sich in Strömungsrichtung mindestens bis zum Ende des Entladungsraumes erstreckt und mit einer Gleichspannungsquelle in Verbindung steht, wobei die an die Steuerelektrode im Betriebszustand angelegte Spannung konstant ist.
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Die Steuerelektrode hat gegenüber den auf Masse liegenden Wandelektroden ein einstellbares elektrisches Potential, und mit dem dadurch erzeugten schwachen elektrischen Feld können Verluste der Ionen kontrolliert werden. Diese Verluste sind für positive und negative Ionen unterschiedlich, da die beiden Polaritäten verschiedene elektrische Mobilitäten und -bedingt durch unterschiedliche Diffusionskonstanten- unterschiedliche räumliche Verteilungen aufweisen. Demzufolge ermöglicht das einstellbare Potential eine kontrollierte Verschiebung der durch das Plasma erzeugten Ionenatmosphäre hin zu positiver oder negativer Ladung, und mit einer experimentell bestimmten Spannung der Steuerelektrode kann die Verschiebung der Ladungen so gestaltet werden, dass der einem nachgeschalteten Mobilitätsanalysator zugeführte Aerosolstrom gleiche Anteile positiver und negativer Teilchen enthält.
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Aus Stabilitätsgründen besteht die stabförmige Steuerelektrode vorzugsweise aus zwei ineinandergeschobenen Edelstahl-Hohlnadeln unterschiedlichen Durchmessers, wobei der Übergang von der einen zur anderen Hohlnadel vor dem Wirkungsbereich der Anregungselektrode liegt.
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Die stabförmige Steuerelektrode kann sich über die gesamte Länge oder nur einen Abschnitt des zentralen Strömungskanals erstrecken.
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Die stabförmige Steuerelektrode kann mit einem Ende im einlassseitigen Abschnitt des Gehäuses befestigt werden.
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Als vorteilhaft hat sich gezeigt, wenn am ausgangsseitigen Ende der zweiten Wandelektrode ein Ausgleichsgefäß angeordnet ist, das einen Anschluss für den Mobilitätsanalysator besitzt.
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Vorzugsweise ist das Ausgleichsgefäß als Rohr ausgeführt, z.B. als Aluminiumzylinder, wobei Eingang und Ausgang konisch ausgeführt sind, um Totvolumina zu vermeiden. Die Anregungselektrode ist ringförmig ausgebildet, beispielsweise als auf das Dielektrikum aufsteckbare Scheibe oder Drahtwicklung.
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Der vorgeschlagene Neutralisator kann auch mit zwei Wandelektroden ausgerüstet sein, die jeweils von einer Seite in das rohrförmige Dielektrikum eingesteckt sind. Von Vorteil ist, wenn jede der Wandelektroden an der in Richtung Entladungsraum zeigenden Seite von innen nach außen angefast ist.
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Vorzugsweise besteht das Dielektrikum aus Keramik.
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Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen
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1 einen erfindungsgemäßen Neutralisator als Längsschnitt in perspektivischer Darstellung,
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2 eine zweite Ausführungsvariante als Längsschnitt in perspektivischer Darstellung,
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3 Konzentrationen positiver und negativer Partikel als Funktion der DMA Spannung bei elektrischer Sperrschichtentladung mit Steuerelektrode und
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4 Konzentrationen positiver und negativer Partikel als Funktion der DMA Spannung bei elektrischer Sperrschichtentladung ohne Steuerelektrode.
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Der in 1 gezeigte Neutralisator besteht aus einem rohrförmigen Dielektrikum 3, einer Anregungselektrode 5, die an einen Hochspannungs-Pulsgenerator angeschlossen ist, und zwei geerdeten Wandelektroden, einer ersten Wandelektrode 2 und einer zweiten Wandelektrode 6. Die Stromversorgung für die Anregungselektrode über den HV-Generator 8 ist in 1 mittels einer gestrichelten Linie angedeutet. Die Erdung der Wandelektroden 2 und 6 ist ebenfalls mittels gestrichelter Linien angedeutet.
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Die Bauteile des Neutralisators sind in einem isolierten Gehäuse 14 untergebracht. In das rohrförmige Dielektrikum 3 sind jeweils eingangsseitig eine erste Wandelektrode 2 und ausgangsseitig eine zweite Wandelektrode 6 mit jeweils 4 mm Innendurchmesser gesteckt, die beide aus Edelstahl bestehen und von innen nach außen angefast sind.
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Zwischen den beiden Wandelektroden 2 und 6 besteht ein Abstand, der den Entladungsraum 7 bildet. Das rohrförmige Dielektrikum 3 umgibt bzw. umschließt die beiden Wandelektroden 2 und 6 ohne Unterbrechung. Im Bereich des Entladungsraumes 7 ist um das rohrförmige Dielektrikum 3 eine als ringförmige Scheibe ausgeführte Anregungselektrode 5 angeordnet. Die Anregungselektrode 5 ist auf das rohrförmige Dielektrikum 3 aufgesteckt. Die Anregungselektrode kann auch als Drahtwicklung ausgeführt sein. Dabei wird zur Vermeidung von elektrischen Entladungen der Spalt zwischen der scheibenförmigen Anregungselektrode 5 und dem Dielektrikum 3 mit Epoxidharz verfüllt.
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Gemäß dem gezeigten Beispiel beträgt der horizontale Abstand zwischen der ersten Wandelektrode 2 und der Anregungselektrode 5 (eingangsseitig) 0,4 mm und der Abstand zwischen der Anregungselektrode 5 und der zweiten Wandelektrode 6 (auslassseitig) 0,9 mm. Durch die unterschiedlichen Abstände zündet die elektrische Entladung nur kontrolliert zwischen der Wandelektrode 2 (eingangsseitig) und Dielektrikum 3. Die Anregungselektrode 5 und die vom Aerosol durchströmten Wandelektroden 2, 6 sind koaxial zueinander angeordnet. Das Dielektrikum 3 besteht aus keramischem Werkstoff, z. B. Al2O3, und hat z.B. eine Länge von ca. 20 mm, einen Innendurchmesser von ca. 5 mm und einen Außendurchmesser von ca. 6 mm. Als Dielektrikum können außer Keramik auch alle anderen hierfür geeigneten Materialien, wie z. B. PTFE (Polytetrafluorethylen) oder Glas, eingesetzt werden. Das Material sollte plasmafest sein. Der Innenraum der rohrförmigen Wandelektroden 2, 6 bildet den zentralen Strömungskanal 15 für das Aerosol. Mindestens das Dielektrikum 3 ist von einem Isolator 4 umgeben.
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In der horizontalen Längsmittelachse X des zentralen Strömungskanals 15 ist eine als dünner Stab ausgebildete Steuerelektrode 1 angeordnet. Gemäß der als Beispiel gezeigten Ausführung besteht die Steuerelektrode aus Stabilitätsgründen aus zwei ineinandergeschobenen Edelstahl-Hohlnadeln 1a, 1b unterschiedlicher Durchmesser, wobei sich der Übergang von einer zur anderen Hohlnadel vor dem Bereich der Anregungselektrode 5 befindet. Der Durchmesser des ersten Segments (eingangsseitig) beträgt 1,2 mm und der Durchmesser des zweiten Segments (ausgangsseitig) 0,6 mm. Die Steuerelektrode 1 ist mit einem Ende in dem vor der rechtwinkligen Aerosolzuführung 12 angeordnetem Isolierabschnitt 10 gehalten bzw. fixiert und erstreckt sich mindestens bis in den Bereich der zweiten Wandelektrode 6.
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Im Betriebszustand wird die Steuerelektrode mit Gleichstrom konstanter Spannung versorgt, wobei die Spannung durch eine in das Gerät integrierte Elektronik konstant auf –0,5 V gehalten wird. In der 1 ist die Verbindung zur zugehörigen DC-Versorgung 9 mittels einer gestrichelten Linie angedeutet. Diese Spannung ist – bei gegebener Geometrie gemäß Ausführungsbeispiel – diejenige, für die eine ohne Steuerspannung unsymmetrische Ladungsverteilung (siehe 4) in eine symmetrische (siehe 3) überführt wird. Der Wert der im konkreten Fall anzulegenden Steuerspannung wird experimentell ermittelt, da dieser von der Baugröße des Neutralisators abhängig ist. Mittels der Steuerelektrode 1 wird erreicht, dass die Anteile positiver und negativer Teilchen hinter dem Neutralisator annähernd gleich sind.
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Der gezeigte Neutralisator ist für einen Durchfluss von 0,3 l/min ausgelegt. Bestandteil des erfindungsgemäßen Neutralisators ist weiterhin ein Ausgleichsgefäß 11, das zwischen dem ausgangsseitigen Ende der zweiten Wandelektrode 6 und dem Anschluss 13 für den nicht näher gezeigten Mobilitätsanalysator angeordnet ist. Dieses ist vorzugsweise als Rohrstück ausgeführt. Das Ausgleichsgefäß ist erforderlich, um der während der Neutralisation stattgefundenen Vermischung der Partikel mit den erzeugten Ionen dem Gemisch eine Mindestverweilzeit aufzuprägen, die benötigt wird, damit sich das erforderliche stabile Ladungsgleichgewicht einstellt. Das Ausgleichsgefäß ist in seiner Länge so bemessen, dass die Zeitdauer des Durchströmens der Partikel ausreicht, um das erforderliche stabile Ladungsgleichgewicht zu erreichen.
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Besondere werkstofftechnische Anforderungen an das Ausgleichsgefäß bestehen nicht. Das Ausgleichsgefäß besteht z.B. für einen Durchfluss von 0,3 l/min aus einem Aluminiumzylinder (Innendurchmesser 19 mm, Länge 93 mm). Eingang und Ausgang sind konisch ausgeführt, um Totvolumina zu vermeiden.
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Die Funktionsweise des Neutralisators ist folgende.
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Der Neutralisator wird mit der Zuführungsleitung für das zu neutralisierende Aerosol verbunden. Im gezeigten Beispiel erfolgt die Zuführung von unten über den Anschluss 12. Der ankommende Aerosolstrom wird um 90° umgelenkt und strömt mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in der durch Pfeile gekennzeichneten Richtung durch den zentralen Strömungskanal 15 des Neutralisators. Zur Neutralisation bzw. Umladung der im Aerosol enthaltenen Partikel wird an die Anregungselektrode 5 eine pulsierende Hochspannung angelegt. Durch Anlegen einer pulsierenden Hochspannung bildet sich an der inneren Oberfläche des als Keramik-Röhrchen ausgebildeten Dielektrikums 3 ein Plasma aus. Die Anregungselektrode 5 wird beispielsweise mit sinusförmiger hochfrequenter Hochspannung von 18 kHz und 5,6 KV (p/p) betrieben. Durch zeitlich variable Hochspannungsimpulse entsteht im Entladungsraum 7 zwischen den Wandelektroden 2, 6 und dem Dielektrikum 3 eine elektrische Entladung, wodurch gleichzeitig positiv und negativ geladene Ionen erzeugt werden. Der Entladungsbereich ist ein nahezu feldfreier Raum, wodurch der inhärent bipolare Charakter des Plasmas erhalten bleibt. Gleichzeitig wird während der Entladung die dritte Elektrode, die Steuerelektrode 1, mit einer konstanten Spannung (0,5 V) versorgt. Mit dem zusätzlich erzeugten schwachen elektrischen Feld werden unterschiedliche Verluste für positive und negative Ionen erzeugt. Diese Verluste sind unterschiedlich für positive und negative Ionen, wobei über das einstellbare Potential der Steuerelektrode eine kontrollierte Verschiebung der durch das Plasma erzeugten Ionenatmosphäre hin zu positiver oder negativer Beladung ermöglicht wird. Im nachfolgend angeordneten Ausgleichsgefäß 11 stellt sich das gewünschte Ladungsgleichgewicht der Partikel ein, sodass dem Mobilitätsanalysator ein Aerosol mit Partikeln mit definierter Gleichgewichtsladungsverteilung zugeführt wird. Bei ausreichender Amplitude und Flankensteilheit können Anregungssignale unterschiedlicher Form verwendet werden. Die Neutralisationsleistung kann erforderlichenfalls über die Parameter Arbeitsspannung und Frequenz angepasst werden. Die anzuwendenden Betriebsparameter des Neutralisators hängen u.a. auch von der Geometrie der Elektroden ab.
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In 2 ist der mittlere Abschnitt einer weiteren Ausführungsvariante des Neutralisators gezeigt, der sich von dem Neutralisator gemäß 1 lediglich dadurch unterscheidet, dass dieser nur eine Wandelektrode 2 besitzt. An den Entladungsraum 7 schließt sich eine rohrförmige Abschirmung 16 an.
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Die Funktionsweise ist analog wie bei dem in 1 gezeigten Neutralisator.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009021631 B3 [0007]
