DK174059B1 - Partikelanalysator og fremgangsmåde til bestemmelse af graden af partiklers symmetri - Google Patents

Description

i DK 174059 B1 Nærværende opfindelse angår partikelanalysator til brug ved bestemmelse af graden af partiklers symmetri, omfattende midler til at tilvejebringe en prøve af luft-5 bårne småpartikler i form af et laminart flow, midler til at belyse prøven med et laserstrålebundt , midler til at styre den stråling, der spredes af individuelle partikler, i i det mindste tre forud-10 bestemte, bagudrettede retninger og en forudbestemt, fremadrettet retning mod respektive strålingsopsamlere, midler tilknyttet hver opsamler til detektering af strålingen opsamlet deraf, 15 midler til at udlede data fra detektorerne for at beskrive partiklen, og midler til at sammenligne disse data med data for kendte former, for at bestemme graden af individuel partikelsymmetri. F.eks. ved studiet af aeroso-20 ler, aerosol dispers ioner og luftbåren småpartikel-forureningskontrol er der et behov for hurtig bestemmelse af partikelstørrelse og fordeling, specielt i diameterområdet l til 10 pm sammen med nogen kendskab til geometrien og symmetrien for individuelle partik-25 ler. Den sidstnævnte information kunne f.eks. muliggøre identifikation af partikler med sfærisk symmetri, og således muliggøre tælling/overvågning af væskeformede smådråber i et miljø, der omfatter andre faste ikke-sfæriske partikler. I forbindelse med nær-30 værende beskrivelse forstås ved udtrykket partikler såvel faste legemer som dråber af væske.

Opfindelsen angår desuden en fremgangsmåde til bestemmelse af graden af partiklers symmetri.

Det er ønskeligt, for sådanne teknikker at være 3 5 i stand til at tælle individuelle partikler i en prøve med hastigheder på typisk 20000 partikler pr. sekund, at være i stand til at skelne mellem sfæriske • og ikke sfæriske partikler i prøven, og at tælle hver 2 DK 174059 B1 type. En anden ønskelig egenskab er at opdele sfæriske partikler med diametre på 0,5 - 15 μπι i et antal størrelsesbånd og også i denne forbindelse at klassificere partikel forekomster som ikke sfæriske og føl-5 gelig at ignorere dem ved opstilling af størrelsesspektre .

De normale teknikker til undersøgelse af partikler, som benyttes i adskillige instrumenter, der er kommercielt tilgængelige, anvender detektion og 10 analyse af elektromagnetisk stråling, der spredes af partiklerne. Alle sådanne instrumenter benytter en mekanisk mekanisme til at føre prøveluften gennem et "følevolumen", hvor de bårne partikler belyses af den indfaldende elektromagnetiske stråling. Strålingen, 15 der spredes af partiklerne, modtages af en eller flere detektorer, som konverterer energien til elektriske signaler, ud fra hvilke information kan uddrages af passende elektriske kredsløb.

En klasse af instrumenter, der er kommercielt 20 tilgængelige, muliggør opsamling af spredt stråling fra et stort antal partikler samtidigt, og benytter denne information til at bestemme en middelværdi for småpartikelmasse pr. volumenenhed af gas eller luft eller den statistiske middelstørrelsesfordeling af 25 småpartikelstof. Disse instrumenter er ikke i stand til at undersøge individuelle partikler og kan derfor ikke give nøjagtige partikeltællinger eller information vedrørende partikel morfologi.

En anden klasse instrumenter benytter egenska-3 0 berne ved laminar flow i gasser til at begrænse partiklerne til et mindre følevolumen og er dernæst, ved fokusering af den indfaldende elektromagnetiske stråling på en eller anden måde, i stand til at undersøge individuelle partikler, hvilket giver en partikeltæl-35 ling og muligvis en omtrentlig størrelsesfordeling.

Eksempler på en partikelanalysator fremgår af US patentnummer 4,606,636 og K. R. Spumy, "Physical and Chemical Characterization of Individual Airborne 3 DK 174059 B1

Particles", 1986, side 101-115, Ellis Horwood Ltd, GB, hvorfra der kendes partikelanalysatorer ifølge den indledende del af krav 1.

De kendte instrumenter giver derfor til en vis 5 grad information om partikelstørrelse og partikeltæl-ling, samt asymmetrien for individuelle fluidumbårne partikler.

En ulemper ved de kendte analysatorer er imidlertid, at de er optimeret til analyse af sfæricitet 10 og i mindre grad til analyse af graden af partiklers symmetri.

Ifølge et aspekt for nærværende opfindelse tilvejebringes en partikelanalysator til brug ved bestemmelse af partiklers asymmetri, der er ejendomme-15 lig ved, at konfigurationen af strålingsopsamlerne er varierbar efter ønske for at tillade opsamling af stråling spredt i forskellige, forudbestemte retninger.

Herved opnås, at opsamlerne kan anbringes opti-20 malt for analyse af såvel sfæricitet som graden af symmetri.

Den spredte stråling reflekteres af en konkav reflektor, fortrinsvis et ellipsoideformet spejl, som styrer strålingen mod strålingsopsamlere. Stråling, der 25 spredes med små vinkler, detekteres i et andet kammer, som fører fra en åbning i det ellipsoideformede spejl, af strålingssamlere, fortrinsvis optiske fibre anbragt koncentrisk omkring det ikke spredte strålebundt. Den opsamlede stråling konverteres dernæst til elektriske 30 signaler, behandles og analyseres og ved sammenligning med data for kendte partikelformer tildeles partiklerne en asymmetrifaktor.

Yderligere, udover asymmetrifaktoren, kan også størrelsen af partiklen bestemmes. Et stort antal par-35 tikler kan tildeles en asymmetrifaktor og de samlede resultater fra denne operation i forbindelse med de tilhørende størrelsesspektre, kunne benyttes til at generere et topografisk "fingeraftryk" for partiklerne DK 174059 B1 i et miljø, som kan have større værdi end dataene for enkelte partikler alene.

Når der kigges efter sfæricitet, kan kriteriet for klassifikation af sfæriske partikler defineres 5 umiddelbart som symmetrisk spredning omkring aksen for det belysende strålebundt af tilfældigt polariseret eller cirkulært polariseret stråling. Derfor er et antal strålingsopsamlere placeret radialt symmetrisk omkring reflektionsaksen for den konkave reflektor.

10 Når der kigges efter graden af asymmetri, kunne anbringelsen af opsamlerne ikke antages at være optimal til partikelasymmetrianalyse. opbygningen af spredningskammeret skal tillade de fleksible opsamlerkonfigurationer, der specifikt kræves, og hvis positioner 15 kan varieres efter ønske.

Fordelen ved denne teknik er, at man ved brug af fiberoptisk opsamlingsoptik umiddelbart kan simulere virkningen af at placere næsten et vilkårligt antal opsamlere i en vilkårlig position omkring det meste af 20 spredningssfæren, en opgave som ellers ville være mekanisk ekstremt besværlig. Således kan forskellige de-tektionsgeometrier afprøves med en høj grad af fleksibilitet uden behovet for mekanisk ændring af selve kammeret .

25 Ifølge et andet aspekt for nærværende opfindelse er en fremgangsmåde til bestemmelse af asymmetrien for partikler ejendommelig ved følgende trin: tilvejebringelse af en prøve af luftbårne små-partikler i form af et laminart flow; 30 belysning af prøven med et tilfældigt polarise ret eller et cirkulært polariseret laserstrålebundt; reflektion af den af individuelle partikler spredte stråling til i det mindste én fremadsprednings-detektor og i det mindste tre sfærisitetsdetektorer 35 placeret radialt symmetrisk omkring en central akse; udledning fra detektorerne af data som beskriver partiklen; og 5 DK 174059 B1 sammenligning af disse data med data for kendte former for bestemmelse af graden af partikelasymmetri.

Prøven kan være en aerosol.

To udførelsesformer for opfindelsen beskrives i 5 det følgende som eksempler under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 er et skematisk snitsidebillede af en partikelanalysator til analyse af sfæriske partikler, fig. 2 et snitbillede af analysatoren i fig. 1 10 langs linien x-x, og fig. 3 et skematisk snitsidebillede af et asym-metrianalysesystem.

Fig. 1 viser en basal form for opfindelsen, hvor kun sfæriske partikler analyseres, hvori en parabolsk, 15 konkav reflektor l er placeret i den ene ende af et spredningskammer 2. Monteret i den anden ende af spredningskammeret 2 og rettet langs hovedaksen for reflektoren 1 er en laser 3, som retter et strålebundt 4 mod et hul 5 i reflektoren 1 og kammeret 20 2 ved hovedaksen for reflektoren. Efter passage gennem hullet 5 rammer strålebundtet 4 en strålebundts dump 6, typisk et Rayleigh horn.

En prøve 7 af laminar flow luft rettes ind i kammeret 2 for at krydse laserstrålebundtet 4 i en 25 ret vinkel i fokuseringspunktet for den parabolske reflektor 1.

En partikel i prøven 7 vil sprede strålingen ud af strålebundtet 4 til reflektoren l, som reflekterer den parallelt med hovedaksen til strålingsopsam-30 lere 8 i tilstødning til laseren 3. Strålingsopsamlerne 8 kan være fotomultiplikatorenheder, optiske fibre, der fører til sådanne enheder, eller linser til at styre lyset til fibre eller enheder.

Som vist i fig. 2, er tre strålingsopsamlere 8 35 anbragt radialt omkring strålebundtet 4. i et sådant arrangement kan symmetrisk spredning styres, som vil identificere sfæriske partikler. Faktisk kan et vilkår- 6 DK 174059 B1 ligt antal strålingsopsamlere 8 være anbragt radialt omkring strålebundtet 4.

Fig, 3 viser en foretrukken udførelsesform for en partikelanalysator ifølge nærværende opfindelse, som 5 er i stand til at analysere individuelle partikler og tildele dem en asymmetrifaktor. I denne udførelsesform er laseren 3 monteret under kammeret 2 og i en vinkel på 90® i forhold til hovedaksen for reflektoren i. Strålebundtet 4 reflekteres til hovedaksen for re-10 flektoren af et prisme eller spejl 9, der er passende placeret på aksen. Faktisk kan laseren 3 være monteret stort set hvor som helst omkring spredningskammeret 2 med et passende vinkelspejl 9 på aksen.

Fig. 3 viser også spredningskammeret 2 med en 15 ellipsoideformet reflektor 10 med krydsningspunktet mellem strålebundtet 4 og prøven 7 i et fokuseringspunkt for ellipsen og, monteret nær det andet fokuseringspunkt, en samlelinse li, til at afgive den reflekterede stråling parallelt til strålingsopsamlere 20 8 for enden af kammeret 2. I dette punkt repræsenterer intensitetsfordelingen et stedmæssigt modificeret billede af den stråling, der af partiklen spredes til omtrent 0,84 af en sfære. Fig. 1 viser prøven 7 af fluidum, der afgives i et laminart flow ved hjælp af et 25 skærmluftsindtag 12, der afgiver et lag af luft med konstant hastighed.

Der er visse problemer ved at opsamle og analysere strålingen, der spredes med små vinkler i forhold til retningen af strålebundtet 4. ved meget små vink-30 ler (1® til 3°) er denne udtværet af lysspredning fra laserfokuseringsoptik. For at klare dette indføres et andet spredningskammer 13 koaksialt med hovedaksen for den konkave reflektor 1 i hovedspredningskammeret 2. Strålingsopsamlere 8 placeres passende i dette 35 kammer for at opsamle lavvinkelspredningerne.

Fig. 3 viser således et andet kammer 13, hvori optiske fibre 14 er anbragt omkring strålebundtet 4.

De optiske fibre 14 kan være anbragt i koncentriske 7 DK 174059 B1 ringe omkring strålebundtet 4. Fibrene 4 virker som strålingsopsamlere, til at konvertere strålingen, der opsamles, til elektriske signaler til bearbejdning og analyse.

5 Som vist i fig. 1, kan det andet kammer 13 al ternativt have en anden konkav reflektor 14, som normalt ville være ellipsoideformet med krydsningspunktet mellem strålebundtet 4 og prøven 7 i fjernfokuseringspunktet og med en strålingsopsamler 15 i nærfo-10 kuseringspunktet. Således vil stråling, der spredes med små vinkler, ramme den ellipsoideformede reflektor og styres ind på strålingsopsamleren 15.

Strålingsopsamleren 15 kan være placeret rettet mod åbningen 5 i det første kammer eller være 15 placeret i en vinkel på 90* i forhold til denne retning, som vist i fig. 1. sidstnævnte arrangement ville opfange relativt mere stråling med små spredningsvinkler, men mindre total stråling, eftersom kun spredninger i retning af forsiden af opsamleren vil blive regi-20 streret.

Fig. 1 viser hvorledes prøven 7 under brugen afgives i laminart flow ved hjælp af en kappe af filtreret luft med konstant hastighed, som tilføres omkring prøven. Således strømmer de ydre dele af prøven med 25 samme hastighed som de indre dele. De ydre dele af prøven ville ellers strømme langsommere på grund af friktion med den stationære luft, der støder op til prøvestrømningen. Yderligere og mere vigtigt er det koaksia-le rør, der tilfører luftkappen, opbygget til dynamisk 30 at fokusere partiklerne i prøven, for at tilvejebringe laminart flow af partikler. Dette gør det lettere, at oprette partikelstrømningen i fokuseringspunktet for reflektoren.

Asymmetripartikelanalysatoren fungerer som føl-35 ger. Laserstrålebundtet, frembragt af en gaslaser, trænger ind i kammeret vinkelret på reflektoraksen og reflekteres 90® langs hovedaksen for reflektoren. Strålingen, der spredes af individuelle partikler fra ca.

8 DK 174059 B1 19° til 145° i forhold til strålebundtsaksen, reflekteres således til den asfæriske samlelinse ved bagsiden af kammeret. Denne linse afgiver det fremkomne lys parallelt og intensitetsfordelingen på tværs af dette ud-5 gangsvindue, repræsenterer et stedmæssigt modificeret billede af det, der af partiklen spredes til omtrent 0,84 af en sfære.

Med det opsamlede lys i den ovenfor beskrevne form, kan placeringerne af de optiske fiberdetektorer 10 til måling af lysfordelingen varieres efter ønske.

For at bestemme partikelsfærisitet, ville detektorerne blive placeret symmetrisk omkring udgangsvinduesaksen.

På denne måde kan man, ved brug af optisk fiber-15 optik, umiddelbart simulere virkningen af, at placere næsten et vilkårligt antal detektorer i en vilkårlig position omkring det meste af hele spredningssfæren.

Baseret på resultaterne fra teoretiske modeller og eksperimentelle resultater af spredningsmønstre for 20 kendte former, benyttes algoritmer til at tildele partikler en asymmetrifaktor.

Behandlingen af data fra partikler for bestemmelse af deres asymmetri kunne foretages af en transputer, som f.eks. fremstillet af British Inmos chip manu-25 factures.

En transputer benyttes for hver detektionskanal.

På denne måde kunne opgaver, der hidtil blev udført serielt på indkommende data fra kanaler, udføres på alle kanaler samtidigt, hvilket giver en væsentlig øgning i 30 datagennemløb.

Selvom denne opfindelse er beskrevet ved hjælp af eksempler og under henvisning til mulige udførelsesformer derfor, skal det forstås, at modifikationer eller forbedringer kan foretages uden at afvige fra områ-35 det for opfindelsen, som defineret i de vedhæftede krav.

Claims (15)

1. Partikelanalysator til brug ved bestemmelse af graden af partiklers symmetri, omfattende midler til at tilvejebringe en prøve af luft-5 bårne småpartikler i form af et laminart flow, midler til at belyse prøven med et laserstrålebundt , midler til at styre den stråling, der spredes af individuelle partikler, i i det mindste tre forud- 10 bestemte, bagudrettede retninger og en forudbestemt, fremadrettet retning mod respektive strålingsopsamlere, midler tilknyttet hver opsamler til detektering af strålingen opsamlet deraf, 15 midler til at udlede data fra detektorerne for at beskrive partiklen, og midler til at sammenligne disse data med data for kendte former, for at bestemme graden af individuel partikelsymmetri, kendetegnet ved, at 20 konfigurationen af strålingsopsamlerne er varierbar efter ønske for at tillade opsamling af stråling spredt i forskellige, forudbestemte retninger.

2. Partikelanalysator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at laserstrålebundtet er til- 25 fældigt eller cirkulært polariseret.

3. Partikelanalysator ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at i en konfiguration kan strålingsopsamlerne være placeret radialt symmetrisk om en akse defineret af laserstrålebundtet.

4. Partikelanalysator ifølge et af de foregåen de krav, kendetegnet ved, at midlerne til at styre strålingen er en konkav reflektor.

5. Partikelanalysator ifølge krav 4, kendetegnet ved, at den konkave reflektor er en 35 ellipsoideformet reflektor.

6. Partikelanalysator ifølge krav 4 eller 5, i afhængighed af krav 3, kendetegnet ved, at den centrale akse er reflektionsaksen for den konkave DK 174059 B1 eller ellipsoideformede reflektor.

7. Partikelanalysator ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at detektorerne er fotomultiplikatorer.

8. Partikelanalysator ifølge ethvert af de fo regående krav, kendetegnet ved, at detektorerne er optiske fibre.

9. Fremgangsmåde til bestemmelse af graden af partiklers symmetri, omfattende følgende trin: 10 tilvejebringelse af en prøve af luftbårne små- partikler i form af et laminart flow, belysning af prøven med et laserstrålebundt, og refleksion af den af individuelle partikler spredte stråling til i det mindste én fremadspredningsopsam-15 ler og i det mindste tre bagudspredningsopsamlere, detektering af strålingen opsamlet af hver opsamler, udledning fra detektorerne af data, som beskriver partiklen, og sammenligning af disse data med data for kendte 20 former for bestemmelse af graden af partikelsymmetri, kendetegnet ved, at konfigurationen af strålingsopsamlerne kan ændres frit for at tillade opsamling af stråling spredt i forskellige vinkler.

10= Fremgangsmåde ifølge krav 9, kende- 25 tegnet ved, at laserstrålebundtet er tilfældigt eller cirkulært polariseret.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 9 eller 10, kendetegnet ved, at strålingen, der spredes af individuelle partikler, reflekteres af en kon- 30 kav reflektor mod lysopsamlerne.

12. Fremgangsmåde ifølge krav 11, kende tegnet ved, at den konkave reflektor har en el-lipsoideformet indvendig overflade.

13. Fremgangsmåde ifølge krav 11 eller 12, 35 kendetegnet ved, at bagudspredningsdetektorerne er placeret radialt symmetrisk om reflektorens reflektionsakse.

14. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 9 DK 174059 B1 n til 13, kendetegnet ved, at detektorerne er fotomultiplikatorer.

15. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 9 til 14, kendetegnet ved, at detektorerne 5 er optiske fibre.