DK174197B1 - Partikelanalysator og fremgangsmåde til partikelanalyse - Google Patents

Description

i DK 174197 B1 Nærværende opfindelse angår apparatur og fremgangsmåde til analyse af fluidumbårne partikler. F.eks. er der, ved studiet af aerosoler, aerosoldispersioner og luftbåret småpartikkelforureningskontrol, et behov 5 for hurtig bestemmelse af partikkelstørrelsesfordeling specielt i diameterområdet l til 10 mikrometer, sammen med kendskab til geometrien og symmetrien af individuelle partikler. Sidstnævnte information kunne fx muliggøre identifikation af partikler med sfærisk symmetri 10 og således muliggøre tælling/overvågning af væskedråber i et miljø, der omfatter andre faste, ikke sfæriske partikler. I forbindelse med nærværende beskrivelse anvendes udtrykket partikler for såvel faste legemer som dråber af væske.

15 Det er ønskeligt for sådant apparatur, at være i stand til at tælle individuelle partikler i en prøve med hastigheder på typisk 20,000 partikler pr. sekund, at være i stand til at skelne mellem sfæriske og ikke sfæriske partikler i prøven, og at tælle hver type. En 20 anden ønskelig egenskab er, at opdele sfæriske partikler med diametre på nogle få mikrometer i et antal størrelsesbånd og også i denne forbindelse at klassificere partikkelforekomster som "ikke sfæriske" og følgelig at ignorere dem ved opstillingen af størrelses-25 spektre baseret på antagelsen af, at partiklen er sfærisk.

De normale teknikker til undersøgelse af partikler, som benyttes i adskillige instrumenter, der er kommercielt tilgængelige, anvender detektion og analyse 30 af elektromagnetisk stråling, der spredes af partiklerne. Alle sådanne instrumenter benytter en mekanisk mekanisme til at føre prøveluften gennem et "følevolu-men", hvor de bårne partikler belyses af den indfalden- DK 174197 B1 2 de elektromagnetiske stråling. Strålingen, der spredes af partiklerne, modtages af én eller flere detektorer, som konverterer energien til elektriske signaler,ud fra hvilke information kan uddrages af passende elektriske 5 kredsløb.

Partikelanalysatorer er kendt, fx som beskrevet i UK patentansøgning nr. 8619050, 2044951A og US patent nr. 3946239. Disse beskriver alle analysatorer, som omfatter en konkav reflektor i et spredningskammer 10 og et flow af prøvefluidum, der krydses af et strålebundt. Lyset, der spredes af individuelle partikler i fluidum’et, styres af reflektoren til strålingsopsamlere og analyseres efterfølgende. Alle disse lider imidlertid af at være besværlige og skrøbelige og følgelig 15 ikke umiddelbart bærbare, yderligere detekteres det lys, der af partiklerne i prøven spredes i små vinkler, ikke i nogen af de ovenfor kendte systemer.

En anden analysator beskrives i UK patent nr.

2041516, som omtaler en partikelanalysator af den ty-20 pe, der er beskrevet ovenfor, men som har en yderligere egenskab ved, at den konkave reflektor har et transparent vindue, som benyttes til at opsamle tilbagespredt lys ved brug af linser og fotomultiplikatorer. Intensiteten af det tilbagespredte lys, der opnås ved hjælp af 25 dette apparat, er meget lav og passerer gennem kollime-ringsorganer før det opsamles af fotomultiplikatorer.

Dette betyder, at ikke alt tilbagespredt stråling vil blive detekteret og apparaturet, der kræves for at opsamle lyset, er komplekst, besværligt og relativt dyrt.

30 Yderligere er apparaturet ikke bærbart.

Der er derfor et behov for en partikelanalysator, som er bærbar, kompakt og relativt billig, og som bestemmer størrelsen, geometrien og antallet af par- 3 DK 174197 B1 tikler i et prøvefluidum, og som yderligere er i stand til reelt og effektivt at detektere og analysere lys, der spredes i små vinkler fra de individuelle partlk-ler i prøven.

5 Ifølge et aspekt for nærværende opfindelse om fatter en partikelanalysator et første spredningskammer, midler til at tilvejebringe en prøve af fluidum i form af et laminart flow gennem det første spredningskammer, et strålebundt indrettet til at krydse prøven 10 i en ret vinkel i forhold til strømningsretningen for prøven i et fokuseringspunkt for en første konkav reflektor, idet den første konkave reflektor benyttes til at styre strålingen, der spredes af individuelle partikler i prøven, imod i det mindste én strålingsopsam-15 ler, midler til at konvertere den opsamlede stråling til elektriske signaler til bearbejdning og analyse, og midler til at fjerne den ikke spredte stråling, og er ejendommelig ved, at en åbning i den første konkave reflektor fører til et andet spredningskammer, der har en 20 anden konkav reflektor, med en strålingsopsamler placeret i nærfokuseringspunktet, og anbragt således, at fjernfokuseringspunktet ligger i krydsningspunktet for strålebundtet og prøven.

Strålebundtet kan tilvejebringes af en laser, 25 som kan være monteret på en vilkårlig af et antal forskellige måder, således at strålebundtet krydser prøvestrømningen i en ret vinkel. Fx kan den være monteret rettet langs hovedaksen for den første konkave reflektor, et sådant arrangement ville gøre apparatet me-30 re robust og kompakt.

Den første konkave reflektor kan være et parabolsk spejl eller alternativt et ellipsoideformet spejl, som ville reflekterer det spredte lys til et enkelt detektionspunkt.

4 DK 174197 B1

Fordelen, ved at have et andet kammer monteret koaksialt med det første kammer, er at lys, der spredes med små vinkler af de individuelle partikler i prøven, også kan detekteres og analyseres. Denne information er 5 specielt nyttig ved bestemmelse af størrelsen af partikler. Det andet kammer omfatter også en anden konkav reflektor. Den anden konkave reflektor er fortrinsvis et ellipsoideformet spejl og har en strålingsopsamler placeret i et nærfokuseringspunkt og et fjernfokuse-1 o ringspunkt i krydsningspunktet mellem strålebundtet og prøven. Således reflekteres lys, der spredes i små vinkler, af det ellipsoideformede spejl til nærfokuse-ringspunktet og opsamles af strålingsopsamleren dér.

Strålingsopsamlere af en vilkårlig egnet type 15 kan benyttes i forbindelse med nærværende opfindelse, og kan omfatte fotomultiplikatorenheder, optiske fibre, der fører til sådanne enheder, eller linser, der styrer strålingen til en fotomultiplikatorenhed eller en optisk fiber.

2o Ifølge et andet aspekt for opfindelsen omfatter en fremgangsmåde til partikelanalyse følgende trin: en prøve af fluidum i form af et laminart flow sendes gennem et første spredningskammer; et strålingsbundt sendes gennem det første 25 spredningskammer for at krydse prøven i en ret vinkel i forhold til en strømningsretning i et fokuseringspunkt for en første konkav reflektor, idet den første konkave reflektor benyttes til at styre strålingen mod i det mindste én strålingsopsamler; og er ejendommelig ved, 30 at den spredte stråle opsamles i et andet kammer med en anden konkav reflektor, hvilket kammer fører fra en åbning i den første konkave reflektor, ved brug af en strålingsopsamler placeret i nærfokuseringspunktet for 5 DK 174197 B1 den anden konkave reflektor, der er placeret således, at fjernfokuseringspunktet ligger i krydsningspunktet mellem strålebundtet og prøven; konvertering af den op-samlede stråling til elektriske signaler; bearbejdning 5 og analyse af de elektriske signaler; og dumpning af den ikke spredte stråling.

Prøven kan være en aerosol.

Et antal udførelsesformer for opfindelsen beskrives i det følgende som eksempler under henvisning 10 til tegningen, hvor fig. 1 er et snitsidebillede af en foretrukken udførelsesform for opfindelsen, fig. la et snit langs linien X-X i fig. l, fig. 2 et snitsidebillede af en anden udførel-15 sesform for opfindelsen.

Som vist i fig. la, omfatter et første spredningskammer 10 en første konkav reflektor i form af et parabolsk spejl 11, linser 12 og strålingsopsamlere 13. En laser 14 er monteret rettet langs 20 hovedaksen for det parabolske spejl li og sender et strålebundt 15 mod fokuseringspunktet 16 for det parabolske spejl 11, hvor det krydser prøvefluidum'et 17 i form af et laminart flow. En åbning 18 fører til et andet kammer 19, som har en anden konkav re-25 flektor i form af en ellipsoideformet reflektor 20 og en strålingsopsamler 21 placeret i nærfokuseringspunktet for den ellipsoideformede reflektor 20, og den ellipsoideformede reflektor er placeret således, at fjernfokuseringspunktet er placeret i fokuseringspunk-30 tet 16 for den første parabolske reflektor 11. En strålebundtdump 22, typisk et Rayleigh horn, er placeret ved en åbning i det ellipsoideformede spejl 20 for at opsamle den ikke spredte stråling. Strålings- 6 DK 174197 B1 opsamlere 13 og 21 er forbundet med fotomultipli-katorrør 23. Fig. la viser et muligt arrangement af strålingsopsamlere 13 omkring laseren 14. Selvom kun tre opsamlere er vist her, kan et vilkårligt antal 5 detektorer være placeret radialt omkring laseren 14.

En anden udførelsesform for opfindelsen er vist i fig. 2. I denne udførelsesform er såvel den første reflektor 50 som den anden reflektor 51 begge ellipsoideformede spejle. Igen er laseren 14 anbragt 10 i en vinkel på 90° i forhold til hovedaksen for reflektorerne, således at spejlet 41 styrer strålen 15 langs hovedaksen. Prøven 17 styres i en ret vinkel i forhold til laserstrålebundtet 15 og krydser det i nærfokuseringspunktet 16 for den første ellipsoide-15 formede reflektor 50. Den anden ellipsoideformede reflektor 51 er placeret således, at fjernfokuseringspunktet falder sammen med punktet 16. Fotomultipli-katorrør 23 er placeret i fjernfokuseringspunktet for den første ellipsoideformede reflektor li og i nær-20 fokuseringspunktet for den anden ellipsoideformede reflektor 20 for at opsamle den spredte stråling. Strå-lebundtsdumpen 22 er placeret i det andet spredningskammer 19 for at dumpe den ikke spredte stråling.

Strålingsopsamleren 23 i fig. 2 er placeret så 25 den vender imod åbningen 18 i det første kammer 10 i modsætning til at være placeret i en vinkel på 90° i forhold til denne retning, som vist i fig. 1. Sidstnævnte arrangement ville opsamle relativt mere stråling med små spredningsvinkler, men mindre total stråling, 30 eftersom kun spredninger i retning af forsiden af opsamleren vil blive registreret.

Under brugen tilføres prøven af fluidum 17 i laminart flow ved hjælp af en kappe af luft med kon- 7 DK 174197 B1 stant hastighed, der tilføres omkring prøven, som vist 1 fig. 1 og 2. Dette sker, således at de ydre dele af prøveflowet har samme hastighed som de indre dele. De ydre dele af prøven ville ellers strømme langsommere 5 på grund af friktionen med den stationære luft tilstødende prøvestrømningen. Yderligere er et koaksial-rør, der tilfører kappen af luft, indrettet til dynamisk at fokusere partikler i prøven for at tilvejebringe en laminar strømning af partikler. Laserstråle-10 bundtet 15.... krydser fluidumstrømningen 17 i en ret vinkel og lys spredes fra de individuelle partikler, der er indeholdt i fluidum'et. Den spredte stråling reflekteres. af.væggene i den første konkave reflektor i det første spredningskammer 10. Hvis den første kon-15 kave reflektor er et parabolsk spejl 11 (fig. 1), reflekteres strålingen parallelt med hovedaksen, eller hvis den er et ellipsoideformet spejl 40 og 50 (fig. 2), rettes strålingen mod fjernfokuseringspunktet for spejlet. Denne styrede stråling rettes der-20 næst mod fotomultiplikatorrør 23 enten direkte, som i fig. 2, eller ved brug af linser 12, som i fig. 1, for at rette strålingen mod fotomultiplikatorenhederne 23 .

Stråling, der spredes i små vinkler af partik-2 5 lerne, opsamles i det andet kammer 19, som kan have et ellipsoideformet spejl 20 og 51 i fig. l og 2, og strålingsopsamlere, som kan være et fotomultiplikatorrør '23, som i fig. 2, eller en linse 21 i fig.

1, der fører til et sådant rør 23.

30 Hele den opsamlede stråling konverteres der næst til elektriske signaler, der bearbejdes og analyseres, og informationen kan uddrages af passende elektronikkredsløb.

Claims (12)

1. Partikelanalysator med et første spredningskammer, midler til at tilvejebringe en prøve af fluidum i form af en laminar strømning gennem det første spredningskammer, et strålebundt, indrettet til at 5 krydse prøven 1 en ret vinkel i forhold til en strøm-ningsrétning i et fokuseringspunkt for en første konkav” reflektor, idet den første konkave reflektor benyttes til at styre strålingen, der spredes af individuelle partikler i prøven, imod i det mindste én strålings-10 opsamler, midler til at konvertere den opsamlede stråling til elektriske signaler til bearbejdning og analyse, Og midler til at fjerne den ikke spredte stråling, kendetegnet ved, at en åbning i den første konkave reflektor fører til et andet sprednings-15 kammer, der har en anden konkav reflektor med en strålingsopsamler placeret i nærfokuseringspunktet og anbragt således, at fjernfokuseringspunktet ligger i krydsningspunktet for strålebundtet og prøven, idet den anden reflektgrstrålingsopsamler er forbundet til mid-20 ler for konvertering af den opsamlede stråling til elektriske signaler for behandling og analyse.

2. Partikelanalysator ifølge krav ^kendetegnet ved, at strålebundtet tilføres af en laser.

3. Partikelanalysator ifølge krav 2, k ende- tegnet ved, at laseren er monteret på, og rettet langs, hovedaksen for den første konkave reflektor.

4. Partikelanalysator ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at en lille reflektor er 30 monteret på hovedaksen for den første konkave reflektor for at reflektere strålebundtet fra en laser, der er monteret i en vinkel i forhold til hovedaksen. DK 174197 B1 5. partikelanalysator ifølge krav 4, kendetegnet ved, at vinklen er 90®.

6. Partikelanalysator ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at den første 5 konkave reflektor er en parabolsk reflektor.

7. Partikelanalysator ifølge krav 1 til 5, kendetegnet ved, at den første konkave reflektor er en ellipsoide med krydsningspunktet i nærfokuseringspunktet og en strålingsopsamler i, eller nær 10 ved, fjernfokuseringspunktet.

8. Partikelanalysator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den anden konkave reflektor er en ellipsoideformet reflektor.

9. Partikelanalysator ifølge ethvert af de fo- 15 regående krav, kendetegnet ved, at strålingsopsamleren, eller hver af strålingsopsamlerne, er en fotomultiplikatorenhed.

10. Partikelanalysator ifølge ethvert af kravene 1 til 9, kendetegnet ved, at strålings- 20 opsamleren, eller hver af strålingsopsamlerne, er en optisk fiber, der fører til en fotomultiplikatorenhed.

11. Partikelanalysator ifølge ethvert af kravene 1-9, kendetegnet ved, at strålingsopsamleren, eller hver af strålingsopsamlerne, er en linse, 25 der styrer strålingen frem til en fotomultiplikatorenhed eller en optisk fiber.

12. Fremgangsmåde til partikelanalyse omfattende følgende trin: en prøve af fluidum i form af et laminart flow 30 sendes gennem et første spredningskammer; et strålingsbundt sendes gennem det første spredningskammer for at krydse prøven i en ret vinkel i forhold til en strømningsretning i et fokuseringspunkt for en første konkav DK 174197 B1 reflektor, idet den første konkave reflektor benyttes til at styre strålingen mod i det mindste én strålingsopsamler, at tillade stråling spredt i lille vinkel at passere gennem en åbning i den første konkave reflektor 5 ind i et andet kammer, som omfatter en anden konkav reflektor og en anden reflektorstrålingsopsamler placeret i nærfokuseringspunktet af den anden konkave reflektor, idet den anden konkave reflektor er placeret således, at dens fjernfokuseringspunkt er ved skæringspunktet af TO strålingsbundtet og prøven, og konvertere den opsamlede stråling til elektriske signaler, behandle og analysere de elektriske signaler, og fjerne den ikke spredte stråling.

13. Fremgangsmåde til partikelanalyse ifølge 15 krav 12, kendetegnet ved, at prøven er en aerosol.