EP3328548B1 - Selective aerosol particle collecting method and device, according to particle size - Google Patents

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EP3328548B1
EP3328548B1 EP16744761.4A EP16744761A EP3328548B1 EP 3328548 B1 EP3328548 B1 EP 3328548B1 EP 16744761 A EP16744761 A EP 16744761A EP 3328548 B1 EP3328548 B1 EP 3328548B1
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EP
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particles
collection
electrode
charger
conduit
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Simon Clavaguera
Arnaud GUIOT
Michel Pourprix
Nicolas Daniel
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to the field of collection and analysis of particles which may be present in suspension in an aerosol.
  • It relates more particularly to the production of an electrostatic device for collecting particles by electrostatic precipitation, including nanoparticles contained in aerosols.
  • the present invention aims to allow a collection of particles in suspension in aerosols which is simultaneous but selective according to their dimensions, the selectivity preferably aiming to collect, by separating them, particles of micron and submicron dimension, ie greater than or equal at 300 nm, and nanometric particles.
  • nanoparticle is meant the usual definition according to ISO TS / 27687: a nano-object whose three dimensions are on the nanometric scale, that is to say a particle whose nominal diameter is less than 100 nm approximately.
  • sampling devices adapted to be portable and to be attached to the unit to a work suit of a worker in the position of manufacturing nano-objects, developing or using nanomaterials could prove imperative.
  • this high electric field (several thousand to tens of thousands of volts per centimeter in the vicinity of the discharge electrode) is induced by two electrodes arranged close to one another: a first polarized electrode or electrode of discharge, generally in the form of a wire or a point, being arranged opposite a second electrode, the latter being in the form of a counter-electrode, generally of planar or cylindrical geometry.
  • the electric field existing between the two electrodes ionizes the volume of gas located in the inter-electrode space, and in particular a sheath or crown of ionized gas located around the discharge electrode.
  • the charges created by migrating to the counter-electrode, charge the particles to be separated contained in the gas.
  • the charged particles thus created then migrate to the counter-electrode, on which they can be collected.
  • This counter electrode is usually called the collecting electrode.
  • the discharge electrodes encountered are therefore generally either fine points or wires of small diameter. So by a process which originates from the electrons and ions created by natural irradiation, the electrons are accelerated in the intense electric field created in the vicinity of the electrode with (very) small radius of curvature. By the high voltage imposed, if this field exceeds a critical value, an avalanche effect causes the ionization of the air in this space. This phenomenon is called crown discharge.
  • Figures 1A to 1E some of the most suitable electrode configurations for obtaining a crown discharge, namely respectively a tip-plane arrangement ( figure 1A ), blade-plane ( figure 1B ), background ( figure 1C ), wire-wire ( figure 1D ), wire cylinder ( figure 1E ).
  • an ion wind also called ionic wind, is established, characterized by a flow of air directed from the point towards the plane, originating from the shocks of positive ions with the surrounding neutral molecules.
  • the tip is negative with respect to the plane, the positive ions move towards the point, and the electrons move towards the plane by attaching themselves to the air molecules to form negative ions.
  • the unipolar ions migrate from the tip to the plane with a large concentration of the order of 10 6 to 10 9 / cm 3 and, whatever the polarity, there appears an electric wind directed from the point towards the plane.
  • the introduction of aerosol particles into the tip-plane space makes it possible to charge them with the same polarity as the tip, according to a charging process per field.
  • the field used to create the crown effect and the electric wind also participate in the field charge process.
  • Figure 15. 9 from page 341 of the publication [1] already cited shows an arrangement allowing the deposition of aerosol particles on a grid of electron microscope, the particles being charged and precipitated in a tip-plane configuration.
  • FIG.10 Another example is illustrated in figure 10.10 from page 223 of this same publication [1] and implements the charge and precipitation technique in tip-plane geometry to collect aerosol particles on a piezoelectric crystal.
  • the charger 10 comprises a body with symmetry of revolution 1 in two parts which hold a hollow metal cylinder 11 forming an external electrode connected to an AC power supply and a central metal wire 12 arranged along the axis of the body and connected to a power supply high voltage not shown.
  • a cylindrical grid 14 Around the central wire 12 is also annularly arranged a cylindrical grid 14 forming an interior electrode.
  • the aerosol containing the particles to be charged circulates in the charger 10 from the inlet orifice 17 to the outlet orifice 18 passing through the space 15 delimited between the internal electrode 14 formed by the grid and the 'outer electrode 11 formed by the cylinder.
  • this charger 10 The operation of this charger 10 is as follows: ions are produced by the crown effect at the level of the central wire 12 and are collected by the meshed internal electrode 14 brought to a low potential, typically to ground. A part of these ions leaves this grid 14 to go towards the internal surface of the peripheral cylinder 11 due to the tension applied to the latter.
  • the aerosol particles pass through the space 15 between grid 14 and cylinder 11 and are therefore charged by diffusion by unipolar ions leaving the grid 14.
  • the diffusion charge mechanism operates as a function of the product N ⁇ t, where N represents the concentration of unipolar ions and t the residence time of the particles.
  • the diffusion charge mechanism is the only one that can occur because there can be no charge mechanism per field since the electric field is very weak in space 15.
  • DMA differential electric mobility analyzers
  • the patent application DE19650585 discloses a charger having both the characteristics of a field effect charger and a unipolar ion diffusion charger. This type of charger takes part in the charge of any type of particles whatever their size.
  • the general aim of the invention is then to meet this need at least in part.
  • a step of emitting an alarm can be provided in the event of a predetermined threshold value of pulses counted according to step b / being exceeded.
  • the invention consists of an electrostatic collection of all the particles present in an aerosol, but with a decoupling of the mechanisms on the one hand of charge of the particles by diffusion of unipolar ions to charge then collect the finest particles , and secondly charging by electric field with corona effect to charge and collect the largest particles in a zone different from the collection zone for the finest particles.
  • the invention consists in electrically charging the fine particles first by diffusion of unipolar ions, then in charging the large particles by electric field and in collecting each group of particles thus charged according to their size on a adequate support.
  • the invention makes it possible judiciously to classify the particles according to their particle size, by depositing them in physically distinct zones.
  • the deposition of the particles can be carried out according to concentric rings at different locations on the same flat substrate arranged orthogonally to the direction of circulation of the aerosol.
  • the substrate (s) on which the particle deposition collection zones are defined can then be analyzed by conventional techniques of physical or physico-chemical characterization, such as optical microscopy or electronics, surface scanner, ⁇ , ⁇ , ⁇ spectrometry if the particles are radioactive, X-ray fluorescence spectroscopy (XRF for “X-Ray Fluorescence”), X micro-fluorescence ( ⁇ -XRF), laser spectroscopy ( LIBS for “Laser-Induced Breakdown Spectroscopy”) ...
  • XRF X-ray fluorescence spectroscopy
  • ⁇ -XRF X micro-fluorescence
  • LIBS laser spectroscopy
  • a collection device is particularly well suited for the sampling of particles in gaseous media, in particular the air of the premises or the environment in order to know the concentration, the particle size, the composition of the particles d aerosol likely to be inhaled.
  • the device according to this second mode can comprise plasma actuators arranged in the vicinity of the outlet.
  • the wire of the ion diffusion charger, the electrode making it possible to generate an electric field without crown effect and the wire or the tip of the charger per field are connected to a high voltage supply, preferably between 2 and 6 kV .
  • the grid is preferably connected to a low voltage power supply, preferably of the order of 100 V.
  • the first, second and third conductive portions are preferably connected to the zero potential. It is also possible to provide the first conductive portion with low voltage, typically at around 50V.
  • the collection device may constitute, after prior collection, an ionization chamber and a detector of radioactive particles with an alarm function in the event of a predetermined threshold being exceeded.
  • the invention finally relates to the use of a device described above for collecting while separating nanoparticles in the first collection zone (Zn) and particles of micron size in the second collection zone (Zm).
  • the device can also be used as an ionization chamber.
  • An advantageous use of the device according to the invention is to evaluate the individual exposure of workers or consumers to nanoparticles.
  • inlet designates the orifice of the device through which the aerosol containing the particles is sucked in while the outlet orifice designates that through which the air flow exits.
  • FIG 3 a first example of an electrostatic device 1 according to the invention for the selective collection of particles capable of being contained in an aerosol.
  • Such a device according to the invention makes it possible to collect both the finest particles, such as nanoparticles and the largest particles, such as those of micronic size while separating them from one another according to their range of cut.
  • the collecting device 1 firstly comprises a conduit 11 which is a hollow cylinder of revolution around the longitudinal axis X and which is electrically connected to a low voltage, for example to a voltage of 50 Volt, or even to zero potential .
  • the collecting device 1 comprises inside the duct 11, from upstream to downstream, between its inlet orifice 17 and its outlet orifice 18, four separate stages 10, 20, 30, 40.
  • the first stage consists of a charger with unipolar ion diffusion 10, and is similar to that described previously in relation to the figure 2 .
  • the charger 10 thus comprises a central electrode which extends along the axis X in the form of a wire 12 connected to a power supply delivering a high voltage 13, adapted to thereby create a corona discharge in the vicinity of the wire 12.
  • It also includes a peripheral electrode in the form of a grid 14 connected to a low voltage supply 16.
  • the stage 20, downstream of the charger 10, comprises a central electrode which extends along the axis X in the form of a rod 22 connected to a supply supplying a medium voltage 23, adapted to create a field without crown effect electric collecting device in the space 21 separating the central electrode 22 and the wall of the conduit 11.
  • a hollow cylinder 24 conforming to the wall of the conduit and constituting a first collecting zone Zn is arranged around the rod 22 opposite the latter this.
  • Stage 30, downstream of stage 20, comprises a central electrode which extends along the axis X in the form of a wire 32 connected to a high voltage supply 33, adapted to create a crown effect in the vicinity of the wire 32 and therefore an intense electric field in the space 31 separating the central wire 32 from the conduit 11.
  • a hollow cylinder 34 conforming to the wall of the conduit and constituting a second collection zone Zm is arranged around the wire 32 opposite that -this.
  • the stage 40 comprises a structure 41, for example a “honeycomb” structure, adapted to avoid the appearance of a vortex in the duct 11, and downstream a suction device 42.
  • a structure 41 for example a “honeycomb” structure, adapted to avoid the appearance of a vortex in the duct 11, and downstream a suction device 42.
  • the collection device according to the invention can overcome structure 41.
  • the air containing the particles to be collected is sucked in through the inlet orifice 17 by the action of the suction device 42.
  • the finest particles of the aerosol are electrically charged by diffusion of unipolar ions in the space 15 separating the grid 14 from the duct 11.
  • the electric field without crown effect created in the space 21 between the rod 22 and the cylinder 24 collects the finest particles on the latter by defining the first collection zone Zn.
  • the other, larger particles are not collected and are always present in the aerosol which enters the third stage 30.
  • the purified air of both the finest particles deposited in the first collection zone Zn and the largest particles Zm is then evacuated through the outlet orifice 18 of the device.
  • Each of the zones Zn and Zm can then be analyzed by conventional techniques of physical or physico-chemical characterization, such as optical or electron microscopy, surface scanner, ⁇ , ⁇ , ⁇ spectrometry if the particles are radioactive, X-ray fluorescence spectroscopy ( XRF for "X-Ray Fluoresence"), X micro-fluorescence ( ⁇ -XRF), laser-induced plasma spectroscopy (LIBS for "Laser-Induced Breakdown Spectroscopy”) .... to know the particle size on the one hand finer particles and on the other hand larger particles, their concentration, their chemical composition and / or their morphology.
  • XRF X-ray Fluoresence
  • ⁇ -XRF X micro-fluorescence
  • LIBS laser-induced plasma spectroscopy
  • the collection cylinder 24 and that 34 can consist of a single piece which thus forms a single collection substrate, which can be easily removed from the conduit once the targeted collection has been carried out.
  • FIG 4 another advantageous example of a collecting device 1 according to the invention making it possible to collect the particles not on one or more cylinders arranged along the flow axis of the aerosol as illustrated in figure 3 , but on the same disc-shaped substrate 6 placed on its support 5 and arranged orthogonally to the axis of symmetry of the collection device.
  • the collection device illustrated in figure 4 has the advantage compared to that illustrated in figure 3 , to be able to collect all the particles on the same flat surface of substrate according to concentric rings according to their relative dimensions, the largest particles being preferably collected at the center of the surface while the finest are preferably collected at the periphery.
  • the collection device illustrated in figure 4 advantageously makes it possible to take advantage of the ionic wind created by the tip-plane configuration for the collection of the largest particles, and thus induce air circulation through the device in its downstream part.
  • This air circulation can go as far as making it possible to dispense with the presence of a suction pump, which considerably lightens the collection device according to the invention and also makes it possible to reduce its nuisances (vibrations, noise, ).
  • the collecting disc 6 is preferably conductive, typically made of metal, or even semiconductor. Its diameter is preferably between 10 and 25 mm, more preferably of the order of 20 mm.
  • the collecting device 1 has a cylindrical geometry of revolution around the longitudinal axis X and comprises an elongated hollow body 11 surrounded by an envelope 110 which may or may not be conductive and surmounted by an electrically insulating body 3 in which the electrodes are fixed and by which the power supplies are made.
  • the body 11 and the casing 110 may be one and the same piece.
  • the conductive envelope 110, as well as the body 11 and the support 5 can be connected to zero potential by the supply terminal 2. It is also possible to use an envelope 110 and the body 11 made of insulating material thus brought to potential floating and maintain the support 5 at zero potential by an electric wire connecting it to the power supply terminal 2.
  • the hollow body 11 defines within it with an insulating element 4, and a collection substrate 6 and its support 5, the aerosol circulation duct from the inlet orifice 17 to the outlet orifice 18 .
  • the unipolar ion diffusion charger consists of a portion of the central electrode in the form of a wire 12 and a grid 14 arranged around the central wire 12.
  • the central wire 12 preferably has a diameter less than 50 ⁇ m.
  • an insulating element 4 makes it possible judiciously to ensure both the centering and the fixing of the electrode portion in the form of a rod 22 thus electrically connected to the wire 12.
  • the rod 22 ends with a tapered tip 32 facing the collection disc 6.
  • the angle of the tip is less than 35 ° and its apex (apex) has its greatest width less than 50 ⁇ m.
  • the collecting device 1 can advantageously comprise in its downstream part, that is to say in the enlarged part of the aerosol circulation duct, downstream of the grid 14, plasma actuators 8 which make it possible to control the flow of the purified air from the particles in this downstream part, before its evacuation through the outlet orifice 18, as explained below.
  • a single high voltage supply 13, 23, 33 makes it possible to achieve both the crown effect in the vicinity of the wire 12 and in the vicinity of the tip 32.
  • the high voltage is chosen to be preferred between 2 and 6 kV, more preferably at about 4 kV.
  • a low voltage supply 16 of the order of 100V, makes it possible to polarize the gate 14 to control the production of unipolar ions in the charge space by diffusion 15.
  • Sizing is done taking care not to introduce too much shrinkage with a reduced section. This makes it possible to minimize the pressure drop of the assembly with respect to the air circulating in the annular space 15.
  • the aerosol flows from the inlet orifice 17 to the outlet orifice 18 because the suction is carried out at the level of the latter.
  • the finest particles are electrically charged by diffusion of unipolar ions in the annular space 15 while the largest particles are electrically charged under the action of the intense electric field in the space 31 between tip 32 generating the effect crown and collection substrate 6.
  • FIG 4 a possible embodiment of the collection device 1 which makes it possible not to use an auxiliary suction pump.
  • a vacuum appears in the annular space 15 of charge by diffusion, which creates a circulation at the flow q in the device.
  • the suction can be optimized by the more or less wide opening of the outlet orifice 18, by the choice of the high voltage applied to the tip 32 as well as by the distance between the tip 32 and the plane 6.
  • the tip 32 makes it possible to obtain a very intense electric field locally, which allows the ionization of the air and the charge of the microparticles. But moving away vertically, it decreases very quickly to a value of about 0.5 ⁇ 10 6 V / m at the place where the particles pass.
  • the device according to the invention as shown in figure 4 dimensioned with a portion 111 of the wall of the hollow body 11 constraining the air flow going towards the outlet 18 to pass between two parallel walls between which the electric field is significantly amplified up to a value of 10 6 V / m.
  • the radius of curvature of 1 mm at the bottom of the wall of the hollow body 11 is sufficient at the critical point to avoid any breakdown problem up to 4000 V.
  • a fine particle, of high mobility, is immediately subjected to the action of the surrounding radial electric field, which results in a radial speed towards the outside w, while being transported by the aeraulic field, which results in a radial speed. inward c.
  • the vector result, speed u thus defines the trajectory and the point of impact of this particle on the collecting disc 6.
  • the point of impact defines an impact circumference or ring Zn on the substrate 6, taking into account the symmetry of revolution of the device.
  • the larger particles of lower mobility, they are not charged by diffusion, arrive in the vicinity of the tip 32, are electrically charged by bombardment of the ions produced locally by the crown effect between the tip 32 and the substrate 6, and are therefore deposited on the latter in the vicinity of the axis X on impact circumferences Zm of radii which are smaller the larger their size.
  • the particles are therefore collected on the disc in concentric circles according to their particle size, the finest on the outside, the largest in the center.
  • the inventors sought to quantitatively assess the effectiveness of a collection device 1 which has just been described with reference to the figures 4 to 6 .
  • a first evaluation was made from air loaded with latex-polystyrene (PSL) beads of 2 ⁇ m in diameter, sold by the company ABCR under the name ABCR 210832.
  • PSL latex-polystyrene
  • This first evaluation makes it possible to illustrate the charge mechanism by field effect of the micron-sized particles in the space 31 between the tip 32 and the metallic collecting substrate 6 and their deposition on the latter.
  • the inventors proceeded as follows.
  • An aqueous suspension of PSL beads is atomized using an aerosol generator, brand TSI, model 3076, then dried by a desiccant column, brand TSI, model 3062.
  • the aerosol thus generated is then introduced into a chamber in which the collection device 1 is located, as illustrated in figures 4 to 6 , at a flow rate of 3.6 L / min.
  • the chamber is provided with an outlet orifice making it possible to avoid an overpressure since the flow rate imposed by a pump external to the collection device, in the range of 0.4 to 1.4 L / min is always lower than the flow rate of aerosol entering the room.
  • an imposed flow rate Q is applied to the collection device 1 to force a flow to pass from the inlet orifice 17 to that of the outlet 18 using a variable flow pump which is controlled by a flow meter.
  • the high voltage 13, 23, 33 applied to the central electrode 12, 22, 32 is studied for positive (+) and negative (-) polarities from 1500 V to 4000 V and this for different distances z between the end of the tip 32 and the collection substrate 6.
  • the figure 7 shows that for a constant flow of 1.4 L / min, the collection efficiency which results in the ratio expressed as a percentage between the number of particles leaving the device and the number of particles entering, increases when the applied voltage (in absolute value) increases.
  • the collection efficiency is around 90% regardless of the distance between tip 32 and plane of substrate 6, which is varied by 2.5 mm at 6.5 mm.
  • the figure 8 indicates that overall the collection efficiency is the highest when the flow is low, which is particularly the case for a flow of 0.4 L / min. Furthermore, it is observed that for a fixed flow rate the collection efficiency is higher when the polarity used is negative and when the distance from tip to plane is large.
  • FIG. 9 the photograph of a collection substrate 6 made of copper 20 mm in diameter on which the micron particles were collected: it is clearly seen that they are deposited according to a ring Zm concentric with the axis X of the device or also of the point 32.
  • This white crown Zm corresponds to the deposition of PSL particles of 2 ⁇ m in diameter.
  • the inventors also simulated the operation of the collection device according to the invention as illustrated in figures 4 to 6 and this using a finite element calculation software marketed under the name "COMSOL Multiphysics”.
  • the collection device 1 with the same geometry as that shown in the figures 4 to 6 , can be studied under COMSOL software by looking at flows, electric fields, particle trajectories as well as the ionic wind produced.
  • the figure 10 is a view showing the description of models used to perform a simulation using a finite element calculation software to determine the flows and the electric fields which occur in a device according to the invention as illustrated in figure 4 .
  • the enlarged wall portion 111 is brought to the same potential as the tip 32.
  • this portion 111 can be at a potential different from the tip 32.
  • the figure 11 shows the simulation of the flow for a distance z between tip 32 and plane 31 of 4 mm and a voltage applied U to tip 32 and to portion 111 of + 4000 V.
  • the representation of the figure 11 highlights the generation of a plasma produced by corona effect under the tip 32 where the electric fields are the most high, this plasma inducing an ionic wind in the direction of the collecting disc 6.
  • the jet thus produced flourishes on the surface of the collecting disc.
  • the portion 111 creates an aerosol circulation in the device 1 according to the invention.
  • the collection device 1 collects by depositing on the same support, for example a metal disc, both particles of different dimensions, according to concentric zones corresponding to well-defined particle sizes.
  • the coarsest particles typically particles of micron size, are collected in a central Zm collection zone while the finest particles, typically nanoparticles are collected in a peripheral annular zone Zn.
  • the support can then be extracted from the rest of the collection device and then analyzed by conventional techniques of physical or physico-chemical characterization (optical or electronic microscopy, surface scanner, X-ray fluorescence, LIBS spectrometry, ⁇ , ⁇ , ⁇ spectrometry if the particles are radioactive, ....
  • the collection device according to the invention is particularly well suited for the sampling of particles in gaseous media, in particular the air of the premises or the environment in order to know the concentration, the particle size, the morphology and the composition. aerosol particles likely to be inhaled ... Because of its small size and its reduced electrical consumption, this device could be portable and therefore deployable on a large scale for a moderate cost.
  • the collection device according to the invention can operate as an ionization chamber.
  • the device can operate as an aerosol collector for a time t 1 , then as a pulse counter for a time t 2 .
  • the ionization current collected by the tip 32 can then be detected by an appropriate electronic system, of the type of those commonly used in conventional ionization chambers.
  • radioactive aerosols such an ionization chamber can thus constitute a radioactive contamination detector with an alarm function if a predetermined threshold is exceeded.

Description

Domaine techniqueTechnical area

La présente invention concerne le domaine de la collecte et de l'analyse des particules susceptibles d'être présentes en suspension dans un aérosol.The present invention relates to the field of collection and analysis of particles which may be present in suspension in an aerosol.

Elle concerne plus particulièrement la réalisation d'un dispositif électrostatique de collecte de particules par précipitation électrostatique, dont des nanoparticules contenues dans des aérosols.It relates more particularly to the production of an electrostatic device for collecting particles by electrostatic precipitation, including nanoparticles contained in aerosols.

La présente invention vise à permettre une collecte des particules en suspension dans les aérosols qui soit simultanée mais sélective en fonction de leurs dimensions, la sélectivité visant de préférence, à collecter en les séparant, les particules de dimension micronique et submicronique, i.e. supérieure ou égale à 300 nm, et les particules de dimension nanométrique.The present invention aims to allow a collection of particles in suspension in aerosols which is simultaneous but selective according to their dimensions, the selectivity preferably aiming to collect, by separating them, particles of micron and submicron dimension, ie greater than or equal at 300 nm, and nanometric particles.

Par « nanoparticule », on entend, la définition usuelle selon la norme ISO TS/27687 : un nano-objet dont les trois dimensions sont à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire une particule dont le diamètre nominal est inférieur à 100 nm environ.By “nanoparticle” is meant the usual definition according to ISO TS / 27687: a nano-object whose three dimensions are on the nanometric scale, that is to say a particle whose nominal diameter is less than 100 nm approximately.

Etat de la techniqueState of the art

Depuis les années 1970, la prise de conscience des effets environnementaux et sanitaires engendrés par les aérosols a été à l'origine de développements technologiques nouveaux afin de mieux évaluer les risques associés.Since the 1970s, awareness of the environmental and health effects generated by aerosols has been at the origin of new technological developments in order to better assess the associated risks.

Le domaine s'est rapidement étendu dans les années 1980 pour inclure l'utilisation des aérosols dans des procédés de production à haute technologie, et la maîtrise de la contamination par les aérosols dans les atmosphères ultra-propres.The field quickly expanded in the 1980s to include the use of aerosols in high-tech production processes, and the control of aerosol contamination in ultra-clean atmospheres.

A partir des années 1990, les recherches se sont intensifiées sur les propriétés des particules ultrafines, i.e. celles de dimension inférieure à 100 nm, et sur l'effet des aérosols sur le climat. Le domaine est donc très large puisqu'il couvre à la fois le champ de l'hygiène industrielle, du contrôle de la pollution de l'air, de la toxicologie par inhalation, de la physique et de la chimie de l'atmosphère, et de la contamination par des aérosols radioactifs dans les installations ou dans l'environnement.From the 1990s, research intensified on the properties of ultrafine particles, i.e. those smaller than 100 nm, and on the effect of aerosols on the climate. The field is therefore very broad since it covers both the field of industrial hygiene, air pollution control, toxicology by inhalation, physics and chemistry of the atmosphere, and contamination by radioactive aerosols in facilities or in the environment.

Plus récemment, l'essor rapide des nanotechnologies dans divers domaines tels que la santé, la microélectronique, les technologies de l'énergie ou les produits de consommation courante tels que peintures et cosmétiques, rend indispensable la poursuite de travaux sur les impacts sanitaires et environnementaux de ces nouveaux matériaux afin de s'entourer des conditions de sécurité optimales.More recently, the rapid development of nanotechnologies in various fields such as health, microelectronics, energy technologies or everyday consumption such as paints and cosmetics, makes it essential to continue work on the health and environmental impacts of these new materials in order to surround themselves with optimal safety conditions.

Il est donc nécessaire de mettre au point des méthodes et des outils d'évaluation de l'exposition aux particules - et notamment aux nanoparticules - des travailleurs, des consommateurs et de l'environnement.It is therefore necessary to develop methods and tools for assessing exposure to particles - and in particular to nanoparticles - of workers, consumers and the environment.

Le développement de méthodes et de dispositifs d'échantillonnage et d'analyse d'aérosols dans une large gamme granulométrique jusqu'aux tailles nanométriques est ainsi un enjeu crucial en termes de santé publique et de prévention des risques associés.The development of methods and devices for sampling and analysis of aerosols in a wide granulometric range up to nanometric sizes is thus a crucial issue in terms of public health and prevention of associated risks.

En particulier, le développement de dispositifs de prélèvement adapté pour être portatif et être fixé à l'unité à une combinaison de travail d'un travailleur en poste de fabrication de nano-objets, d'élaboration ou d'utilisation de nanomatériaux pourrait s'avérer impératif.In particular, the development of sampling devices adapted to be portable and to be attached to the unit to a work suit of a worker in the position of manufacturing nano-objects, developing or using nanomaterials could prove imperative.

Pour prélever et collecter des particules en suspension dans des aérosols, en vue de leur analyse in situ ou en laboratoire, de nombreux dispositifs existent. Ils peuvent mettre en œuvre une collecte par filtration sur fibres ou sur membranes poreuses, une collecte par diffusion pour les particules les plus fines, une collecte sous l'effet d'un champ de forces d'inertie (impacteurs, cyclones, centrifugeuses) ou de pesanteur (chambres de sédimentation, élutriateurs) pour les particules plus grosses, ou encore une collecte sous l'effet d'un champ de forces électriques, thermiques ou radiatives.Numerous devices exist for sampling and collecting particles in suspension in aerosols, for their analysis in situ or in the laboratory. They can implement a collection by filtration on fibers or on porous membranes, a collection by diffusion for the finest particles, a collection under the effect of a field of inertia forces (impactors, cyclones, centrifuges) or gravity (sedimentation chambers, elutriators) for larger particles, or a collection under the effect of a field of electric, thermal or radiative forces.

Parmi ces dispositifs, ceux électrostatiques, c'est-à-dire dont le principe de fonctionnement repose sur la mise en oeuvre d'un champ électrique, en particulier d'un champ électrique intense pour créer un effet de décharge couronne (en anglais « corona discharge ») sont couramment utilisés.Among these devices, electrostatic ones, that is to say the operating principle of which is based on the use of an electric field, in particular an intense electric field to create a corona discharge effect (in English " corona discharge ”) are commonly used.

Lorsqu'on génère un champ électrique intense dans un volume où des particules d'aérosol sont présentes, ces dernières peuvent se charger électriquement selon deux mécanismes de charge distincts et cela peut se produire concomitamment.When an intense electric field is generated in a volume where aerosol particles are present, the latter can be electrically charged according to two separate charging mechanisms and this can occur concomitantly.

La publication [1], en particulier la figure 15.4 de la page 330 de cet ouvrage, montre que le mécanisme de charge électrique par diffusion d'ions unipolaires, associé au mécanisme de charge électrique par champ, est applicable à une large gamme de tailles de particules, à minima pour les particules de dimensions comprises entre 0,01 à 10 µm. Il ressort également que le mécanisme de charge électrique par diffusion d'ions unipolaires est surtout prépondérant pour les particules les plus fines, typiquement les nanoparticules, c'est-à-dire celles de dimensions inférieures à 100 nm. A contrario, le mécanisme de charge par champ est plus efficace pour les grosses particules, c'est-à-dire les particules de dimension micronique et submicronique (≥ 300 nm).The publication [1], in particular Figure 15. 4 from page 330 of this book, shows that the mechanism of electric charge by diffusion of unipolar ions, associated with the mechanism of electric charge by field, is applicable to a large range of particle sizes, at least for particles of dimensions included between 0.01 to 10 µm. It also appears that the mechanism of electric charge by diffusion of unipolar ions is especially preponderant for the finest particles, typically nanoparticles, that is to say those of dimensions less than 100 nm. Conversely, the field charge mechanism is more efficient for large particles, that is to say particles of micron and submicron dimensions (≥ 300 nm).

A titre d'exemple, si l'on considère la mobilité électrique d'une particule, notée Z, de l'ordre de 1 cm2/st.V.s en unité électrostatique CGS, soit 3,3×10-7 m2/V.s en unité SI, alors cette particule placée entre deux plaques planes et parallèles qui génèrent un champ électrique E de 105 V/m, acquiert une vitesse W égale au produit ZE, soit W de l'ordre de 0,033 m/s. Il est clairement démontré que la force électrostatique engendre des vitesses largement supérieures aux autres champs de forces subies par une particule, que sont les champs de la gravité, inertiels, thermiques et radiatifs. Cet avantage est mis à profit dans le fonctionnement des épurateurs électrostatiques du commerce, où les processus de charge par diffusion et de charge par champ peuvent agir conjointement.For example, if we consider the electrical mobility of a particle, denoted Z, of the order of 1 cm 2 /st.Vs in electrostatic unit CGS, i.e. 3.3 × 10 -7 m 2 / Vs in SI unit, then this particle placed between two flat and parallel plates which generate an electric field E of 10 5 V / m, acquires a speed W equal to the product Z E, that is W of the order of 0.033 m / s . It is clearly demonstrated that the electrostatic force generates speeds much higher than the other fields of forces undergone by a particle, which are the fields of gravity, inertial, thermal and radiative. This advantage is exploited in the operation of commercial electrostatic purifiers, where the processes of charge by diffusion and charge by field can act jointly.

Charger électriquement des particules d'aérosol nécessite la présence d'ions unipolaires en forte concentration. La méthode de loin la plus efficace pour créer ces ions, dans l'air atmosphérique, est la décharge couronne.Electrically charging aerosol particles requires the presence of unipolar ions in high concentration. By far the most effective method of creating these ions in atmospheric air is corona discharge.

Pour produire une décharge couronne, on doit établir un champ électrostatique dans une géométrie qui permet de le rendre non uniforme. Plus exactement, ce champ électrique élevé (plusieurs milliers à dizaines de milliers de volts par centimètre au voisinage de l'électrode de décharge) est induit par deux électrodes disposées à proximité l'une de l'autre: une première électrode polarisée ou électrode de décharge, généralement en forme de fil ou de pointe, étant disposée en regard d'une deuxième électrode, cette dernière se présentant sous la forme d'une contre-électrode, généralement de géométrie plane ou cylindrique. Le champ électrique existant entre les deux électrodes ionise le volume de gaz situé dans l'espace inter-électrodes, et notamment une gaine ou couronne de gaz ionisé située autour de l'électrode de décharge. Les charges créées, en migrant vers la contre-électrode, chargent les particules à séparer contenues dans le gaz. Les particules chargées ainsi créées migrent alors vers la contre-électrode, sur laquelle elles peuvent être collectées. Cette contre-électrode est usuellement appelée électrode de collecte. Du fait du niveau du champ électrique requis, il est nécessaire d'utiliser une électrode de décharge qui a un (très) faible rayon de courbure. Les électrodes de décharge rencontrées sont donc généralement soit des pointes fines, soit des fils de faible diamètre. Ainsi, par un processus qui a pour origine les électrons et les ions créés par l'irradiation naturelle, les électrons sont accélérés dans le champ électrique intense créé au voisinage de l'électrode à (très) faible rayon de courbure. Par la haute tension imposée, si ce champ dépasse une valeur critique, un effet d'avalanche provoque l'ionisation de l'air dans cet espace. Ce phénomène est appelé décharge couronne.To produce a corona discharge, an electrostatic field must be established in a geometry which makes it non-uniform. More precisely, this high electric field (several thousand to tens of thousands of volts per centimeter in the vicinity of the discharge electrode) is induced by two electrodes arranged close to one another: a first polarized electrode or electrode of discharge, generally in the form of a wire or a point, being arranged opposite a second electrode, the latter being in the form of a counter-electrode, generally of planar or cylindrical geometry. The electric field existing between the two electrodes ionizes the volume of gas located in the inter-electrode space, and in particular a sheath or crown of ionized gas located around the discharge electrode. The charges created, by migrating to the counter-electrode, charge the particles to be separated contained in the gas. The charged particles thus created then migrate to the counter-electrode, on which they can be collected. This counter electrode is usually called the collecting electrode. Due to the level of the electric field required, it is necessary to use a discharge electrode which has a (very) small radius of curvature. The discharge electrodes encountered are therefore generally either fine points or wires of small diameter. So by a process which originates from the electrons and ions created by natural irradiation, the electrons are accelerated in the intense electric field created in the vicinity of the electrode with (very) small radius of curvature. By the high voltage imposed, if this field exceeds a critical value, an avalanche effect causes the ionization of the air in this space. This phenomenon is called crown discharge.

A titre d'exemple, on a représenté aux figures 1A à 1E quelques configurations d'électrodes les plus adaptées pour obtenir une décharge couronne, à savoir respectivement un agencement pointe-plan (figure 1A), lame-plan (figure 1B), fil-plan (figure 1C), fil-fil (figure 1D), fil-cylindre (figure 1E).For example, we have shown in Figures 1A to 1E some of the most suitable electrode configurations for obtaining a crown discharge, namely respectively a tip-plane arrangement ( figure 1A ), blade-plane ( figure 1B ), background ( figure 1C ), wire-wire ( figure 1D ), wire cylinder ( figure 1E ).

Par exemple en configuration pointe-plan, si la pointe est positive par rapport au plan, les électrons se déplacent rapidement vers la pointe alors que les ions positifs se déplacent vers le plan, créant alors un espace unipolaire positif. Par ailleurs, un vent d'ions, aussi appelé vent ionique, s'établit, caractérisé par un écoulement d'air dirigé de la pointe vers le plan, ayant pour origine les chocs des ions positifs avec les molécules neutres environnantes.For example in tip-plane configuration, if the tip is positive with respect to the plane, the electrons move quickly towards the tip while the positive ions move towards the plane, then creating a positive unipolar space. In addition, an ion wind, also called ionic wind, is established, characterized by a flow of air directed from the point towards the plane, originating from the shocks of positive ions with the surrounding neutral molecules.

A l'inverse, si la pointe est négative par rapport au plan, les ions positifs se déplacent vers la pointe, et les électrons se déplacent vers le plan en se fixant aux molécules d'air pour former des ions négatifs. Dans tous les cas, même si le processus de création d'ions positifs ou négatifs n'est pas exactement symétrique, les ions unipolaires migrent de la pointe vers le plan avec une grande concentration de l'ordre de 106 à 109/cm3 et, quelle que soit la polarité, il apparaît un vent électrique dirigé de la pointe vers le plan.Conversely, if the tip is negative with respect to the plane, the positive ions move towards the point, and the electrons move towards the plane by attaching themselves to the air molecules to form negative ions. In all cases, even if the process of creating positive or negative ions is not exactly symmetrical, the unipolar ions migrate from the tip to the plane with a large concentration of the order of 10 6 to 10 9 / cm 3 and, whatever the polarity, there appears an electric wind directed from the point towards the plane.

Ainsi, l'introduction de particules d'aérosol dans l'espace pointe-plan permet de les charger de la même polarité que la pointe, selon un processus de charge par champ. En outre, le champ utilisé pour créer l'effet couronne et le vent électrique participent aussi au processus de charge par champ.Thus, the introduction of aerosol particles into the tip-plane space makes it possible to charge them with the same polarity as the tip, according to a charging process per field. In addition, the field used to create the crown effect and the electric wind also participate in the field charge process.

Pour les autres configurations montrées aux figures 1B à 1E, les processus de production d'ions et de charge par champ des particules sont en tous points similaires.For the other configurations shown in Figures 1B to 1E , the ion production and charge processes per particle field are similar in all respects.

C'est sur ce principe que fonctionnent certains précipitateurs électrostatiques commercialisés qui sont utilisés pour prélever et collecter des particules sur un support permettant l'analyse.It is on this principle that certain commercial electrostatic precipitators work which are used to collect and collect particles on a support allowing analysis.

Par exemple, la figure 15.9 de la page 341 de la publication [1] déjà citée montre un agencement permettant le dépôt de particules d'aérosol sur une grille de microscope électronique, les particules étant chargées et précipitées dans une configuration pointe-plan.For example, Figure 15. 9 from page 341 of the publication [1] already cited shows an arrangement allowing the deposition of aerosol particles on a grid of electron microscope, the particles being charged and precipitated in a tip-plane configuration.

Un autre exemple est illustré en figure 10.10 de la page 223 de cette même publication [1] et met en œuvre la technique de charge et de précipitation en géométrie pointe-plan pour collecter des particules d'aérosol sur un cristal piézoélectrique.Another example is illustrated in figure 10.10 from page 223 of this same publication [1] and implements the charge and precipitation technique in tip-plane geometry to collect aerosol particles on a piezoelectric crystal.

Comme déjà mentionné, le mécanisme de charge par diffusion d'ions unipolaires s'applique de manière prépondérante sur les particules les plus fines. Ce mécanisme est de plus en plus mis en œuvre dans la métrologie des nanoparticules, notamment pour déterminer leur granulométrie. En effet, beaucoup d'auteurs ont étudié et étudient encore des dispositifs capables de conférer des mobilités électriques élevées aux particules les plus fines, afin de pouvoir les sélectionner dans des instruments adaptés à ce nouveau domaine. On peut citer ici notamment l'article [2] qui fait l'inventaire de la plupart des technologies mises au point à ce jour, ou encore le principe développé par l'auteur de la publication [3], qui utilise une configuration fil-cylindre, très étudiée plus récemment comme indiqué dans la publication [4], mais également avant (publication [5]).As already mentioned, the charge mechanism by diffusion of unipolar ions applies predominantly on the finest particles. This mechanism is increasingly used in the metrology of nanoparticles, in particular to determine their particle size. Indeed, many authors have studied and are still studying devices capable of conferring high electrical mobilities on the finest particles, in order to be able to select them in instruments adapted to this new field. We can cite here in particular the article [2] which lists most of the technologies developed to date, or the principle developed by the author of the publication [3], which uses a fil- cylinder, much studied more recently as indicated in publication [4], but also before (publication [5]).

On a reproduit schématiquement en figure 2, un dispositif de charge, aussi appelé chargeur, à diffusion d'ions unipolaires dont la géométrie est de type fil-cylindre, tel qu'illustré dans la publication [4]. Le chargeur 10 comprend un corps à symétrie de révolution 1 en deux parties qui maintiennent un cylindre métallique creux 11 formant une électrode extérieure reliée à une alimentation sous courant alternatif et un fil métallique central 12 agencé selon l'axe du corps et relié à une alimentation haute tension non représentée. Autour du fil central 12 est également agencée de manière annulaire une grille cylindrique 14 formant une électrode intérieure. L'aérosol contenant les particules à charger circule dans le chargeur 10 depuis l'orifice d'entrée 17 jusqu'à l'orifice de sortie 18 en passant dans l'espace 15 délimité entre l'électrode intérieure 14 formée par la grille et l'électrode extérieure 11 formée par le cylindre.We reproduced schematically in figure 2 , a charging device, also called a charger, with diffusion of unipolar ions whose geometry is of the wire-cylinder type, as illustrated in the publication [4]. The charger 10 comprises a body with symmetry of revolution 1 in two parts which hold a hollow metal cylinder 11 forming an external electrode connected to an AC power supply and a central metal wire 12 arranged along the axis of the body and connected to a power supply high voltage not shown. Around the central wire 12 is also annularly arranged a cylindrical grid 14 forming an interior electrode. The aerosol containing the particles to be charged circulates in the charger 10 from the inlet orifice 17 to the outlet orifice 18 passing through the space 15 delimited between the internal electrode 14 formed by the grid and the 'outer electrode 11 formed by the cylinder.

Le fonctionnement de ce chargeur 10 est le suivant : des ions sont produits par effet couronne au niveau du fil central 12 et sont collectés par l'électrode intérieure grillagée 14 portée à un faible potentiel, typiquement à la masse. Une partie de ces ions sort de cette grille 14 pour aller vers la surface interne du cylindre périphérique 11 du fait de la tension appliquée sur ce dernier. Les particules d'aérosol transitent dans l'espace 15 entre grille 14 et cylindre 11 et sont donc chargées par diffusion par les ions unipolaires sortis de la grille 14. Le mécanisme de charge par diffusion s'opère en fonction du produit Nt, où N représente la concentration en ions unipolaires et t le temps de séjour des particules. Le mécanisme de charge par diffusion est le seul à pouvoir se produire car il ne peut y avoir de mécanisme de charge par champ puisque le champ électrique est très faible dans l'espace 15.The operation of this charger 10 is as follows: ions are produced by the crown effect at the level of the central wire 12 and are collected by the meshed internal electrode 14 brought to a low potential, typically to ground. A part of these ions leaves this grid 14 to go towards the internal surface of the peripheral cylinder 11 due to the tension applied to the latter. The aerosol particles pass through the space 15 between grid 14 and cylinder 11 and are therefore charged by diffusion by unipolar ions leaving the grid 14. The diffusion charge mechanism operates as a function of the product N t, where N represents the concentration of unipolar ions and t the residence time of the particles. The diffusion charge mechanism is the only one that can occur because there can be no charge mechanism per field since the electric field is very weak in space 15.

Il est intéressant de noter que le processus de charge des aérosols par diffusion d'ions unipolaires permet de conférer un nombre de charges électriques donné à une particule de taille donnée.It is interesting to note that the process of charging aerosols by diffusion of unipolar ions makes it possible to confer a given number of electrical charges on a particle of given size.

Ce principe est d'ailleurs mis en œuvre dans les analyseurs différentiels de mobilité électrique (DMA) qui sont des instruments capables de fournir la distribution granulométrique de particules fines par comptage de la concentration en particules dans une classe de mobilité électrique donnée. Un tel dispositif est par exemple mis en œuvre dans le brevet US 8044350 B2 .This principle is also implemented in differential electric mobility analyzers (DMA) which are instruments capable of providing the particle size distribution of fine particles by counting the concentration of particles in a given class of electric mobility. Such a device is for example implemented in the patent US 8044350 B2 .

La demande de brevet DE19650585 divulgue un chargeur présentant à la fois les caractéristiques d'un chargeur à effet de champ et d'un chargeur à diffusion d'ions unipolaires. Ce type de chargeur participe à la charge de tout type de particules quelle que soit leur taille.The patent application DE19650585 discloses a charger having both the characteristics of a field effect charger and a unipolar ion diffusion charger. This type of charger takes part in the charge of any type of particles whatever their size.

Il ressort de l'étude de l'état de l'art qu'il n'a pas été proposé de dispositif permettant à la fois de collecter simultanément des particules présentes dans un aérosol et qui sont de dimensions différentes dans une large gamme, typiquement entre quelques nanomètres et quelques dizaines de micromètres, et de les séparer selon des gammes de dimensions restreintes, de préférence séparer les nanoparticules des particules de taille micronique.It appears from the study of the state of the art that no device has been proposed which simultaneously collects particles present in an aerosol and which are of different dimensions over a wide range, typically between a few nanometers and a few tens of micrometers, and to separate them according to ranges of restricted dimensions, preferably to separate the nanoparticles from the particles of micron size.

Or, il existe un besoin pour un tel dispositif, notamment afin de permettre l'analyse ultérieure des particules collectées et séparées pour en connaître leur concentration et leur composition chimique séquentiellement en fonction de leur gamme restreinte de dimension.However, there is a need for such a device, in particular in order to allow the subsequent analysis of the particles collected and separated in order to know their concentration and their chemical composition sequentially as a function of their restricted range of dimensions.

Le but général de l'invention est alors de répondre au moins en partie à ce besoin.The general aim of the invention is then to meet this need at least in part.

Exposé de l'invention : Statement of the invention :

Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet une méthode de collecte de particules susceptibles d'être présentes dans un aérosol, comprenant les étapes suivantes:

  • aspiration de l'aérosol dans un conduit depuis son orifice d'entrée jusqu'à son orifice de sortie;
  • charge des particules les plus fines, en aval de l'orifice d'entrée, par diffusion d'ions unipolaires dans un espace entre une électrode sous la forme d'une grille entourant une électrode sous la forme d'un fil générant un effet couronne, et une première portion conductrice de paroi intérieure du conduit,
  • génération d'un champ électrique sans effet couronne dans l'espace entre une électrode et une deuxième portion conductrice de paroi intérieure du conduit, afin de collecter par dépôt sur une première zone de collecte (Zn) des particules les plus fines chargées par le chargeur à diffusion,
  • génération d'un champ électrique avec effet couronne dans l'espace entre le fil ou la pointe d'une électrode et une troisième portion conductrice de la paroi intérieure du conduit, afin de collecter par dépôt sur une deuxième zone de collecte (Zm) distincte de la première zone de collecte, les particules les plus grosses, non chargées par le chargeur à diffusion.
To do this, the invention firstly relates to a method of collecting particles which may be present in an aerosol, comprising the following steps:
  • aspiration of the aerosol in a conduit from its inlet orifice to its outlet orifice;
  • charge of the finest particles, downstream of the inlet, by diffusion of unipolar ions in a space between an electrode in the form of a grid surrounding an electrode in the form of a wire generating a crown effect, and a first conductive portion of the inner wall of the conduit,
  • generation of an electric field without corona effect in the space between an electrode and a second conductive portion of the inner wall of the conduit, in order to collect by deposition on a first collection zone (Zn) the finest particles charged by the charger diffusion,
  • generation of an electric field with corona effect in the space between the wire or the tip of an electrode and a third conductive portion of the interior wall of the conduit, in order to collect by deposition on a separate second collection zone (Zm) from the first collection area, the largest particles, not charged by the diffusion charger.

Selon une mode de réalisation avantageux, lorsque les particules sont radioactives, le procédé comprend en outre les étapes suivantes :

  • a/ collecte de particules radioactives sur la première et/ou la deuxième zone de collecte pendant un temps t1 ;
  • b/ comptage d'impulsions générées par le courant d'ionisation de l'air dans les espaces pendant un temps t2.
According to an advantageous embodiment, when the particles are radioactive, the method further comprises the following steps:
  • a / collection of radioactive particles on the first and / or the second collection zone for a time t1;
  • b / counting of pulses generated by the ionization current of the air in the spaces for a time t2.

Selon ce mode, on peut prévoir une étape d'émission d'une alarme en cas de dépassement d'une valeur seuil prédéterminée d'impulsions comptées selon l'étape b/.According to this mode, a step of emitting an alarm can be provided in the event of a predetermined threshold value of pulses counted according to step b / being exceeded.

L'invention a également pour objet un dispositif de collecte de particules susceptibles d'être présentes dans un aérosol, comprenant :

  • un conduit comprenant un orifice d'entrée et un orifice de sortie entre lesquels l'aérosol peut circuler ;
  • des moyens d'aspiration pour faire circuler l'aérosol depuis l'orifice d'entrée jusqu'à l'orifice de sortie;
  • en aval de l'orifice d'entrée, un chargeur à diffusion d'ions unipolaires comprenant une électrode sous la forme d'un fil entouré par une électrode sous la forme d'une grille, le chargeur étant adapté pour charger les particules les plus fines dans l'espace séparant la grille d'une première portion conductrice de paroi intérieure du conduit, par diffusion d'ions unipolaires au travers de la grille;
  • en aval du chargeur à diffusion, une électrode adaptée pour générer sans effet couronne un champ électrique dans l'espace séparant l'électrode d'une deuxième portion conductrice de paroi intérieure du conduit et ainsi collecter les particules les plus fines, préalablement chargées par le chargeur à diffusion, par dépôt sur une première zone de collecte (Zn);
  • en aval du chargeur à diffusion d'ions et de la zone de collecte des nanoparticules, un chargeur par champ électrique comprenant une électrode sous la forme d'un fil ou d'une pointe adapté(e) pour générer avec effet couronne un champ électrique dans l'espace séparant le fil ou la pointe d'une troisième portion conductrice de la paroi intérieure du conduit et ainsi charger puis collecter les particules les plus grosses, par dépôt sur une deuxième zone de collecte (Zm) distincte de la première zone de collecte.
The subject of the invention is also a device for collecting particles which may be present in an aerosol, comprising:
  • a conduit comprising an inlet and an outlet between which the aerosol can flow;
  • suction means for circulating the aerosol from the inlet orifice to the outlet orifice;
  • downstream of the inlet orifice, a unipolar ion diffusion charger comprising an electrode in the form of a wire surrounded by an electrode in the form of a grid, the charger being adapted to charge the most fines in the space separating the grid from a first conductive portion of the inner wall of the duct, by diffusion of unipolar ions through the grid;
  • downstream of the diffusion charger, an electrode adapted to generate without crown effect an electric field in the space separating the electrode from a second portion conductor of the inner wall of the conduit and thus collect the finest particles, previously charged by the diffusion charger, by deposition on a first collection zone (Zn);
  • downstream of the ion diffusion charger and the nanoparticle collection area, an electric field charger comprising an electrode in the form of a wire or a tip adapted to generate an electric field with crown effect in the space separating the wire or the tip of a third conductive portion of the interior wall of the conduit and thus charging and then collecting the largest particles, by deposition on a second collection zone (Zm) distinct from the first zone of collection.

Ainsi, l'invention consiste en une collecte électrostatique de l'ensemble des particules présentes dans un aérosol, mais avec un découplage des mécanismes d'une part de charge des particules par diffusion d'ions unipolaires pour charger puis collecter les particules les plus fines, et d'autre part de charge par champ électrique avec effet couronne pour charger et collecter les particules les plus grosses dans une zone différente de la zone de collecte des particules les plus fines.Thus, the invention consists of an electrostatic collection of all the particles present in an aerosol, but with a decoupling of the mechanisms on the one hand of charge of the particles by diffusion of unipolar ions to charge then collect the finest particles , and secondly charging by electric field with corona effect to charge and collect the largest particles in a zone different from the collection zone for the finest particles.

Autrement dit, l'invention consiste à charger électriquement tout d'abord les fines particules par diffusion d'ions unipolaires, puis à charger ensuite les grosses particules par champ électrique et à collecter chaque groupe de particules ainsi chargées en fonction de leur dimension sur un support adéquat.In other words, the invention consists in electrically charging the fine particles first by diffusion of unipolar ions, then in charging the large particles by electric field and in collecting each group of particles thus charged according to their size on a adequate support.

Ainsi, l'invention permet de façon judicieuse de classer les particules selon leur granulométrie, en les déposant dans des zones physiquement distinctes.Thus, the invention makes it possible judiciously to classify the particles according to their particle size, by depositing them in physically distinct zones.

Dans un mode de réalisation avantageux, le dépôt des particules peut être effectué selon des anneaux concentriques en différents endroits d'un même substrat plan agencé orthogonalement au sens de circulation de l'aérosol.In an advantageous embodiment, the deposition of the particles can be carried out according to concentric rings at different locations on the same flat substrate arranged orthogonally to the direction of circulation of the aerosol.

Selon ce mode, Il est possible avantageusement de tirer profit du vent ionique pour induire une circulation d'air à travers le dispositif, ce qui peut permettre de s'affranchir de la présence d'une pompe d'aspiration dans le dispositif, avec comme avantage subséquent d'un poids moindre pour le dispositif et une réduction des nuisances intrinsèques à une pompe (vibrations, bruit, ...).According to this mode, it is advantageously possible to take advantage of the ionic wind to induce air circulation through the device, which can make it possible to dispense with the presence of a suction pump in the device, with as subsequent advantage of a lower weight for the device and a reduction of nuisance intrinsic to a pump (vibrations, noise, ...).

Le ou les substrats sur lesquelles sont définies les zones de collecte par dépôt des particules peuvent ensuite être analysées par des techniques classiques de caractérisation physique ou physico-chimique, telle que microscopie optique ou électronique, scanner de surface, spectrométrie α, β, γ si les particules sont radioactives, spectroscopie de fluorescence X (XRF pour « X-Ray Fluorescence »), micro-fluorescence X (µ-XRF), spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS pour « Laser-Induced Breakdown Spectroscopy ») ...The substrate (s) on which the particle deposition collection zones are defined can then be analyzed by conventional techniques of physical or physico-chemical characterization, such as optical microscopy or electronics, surface scanner, α, β, γ spectrometry if the particles are radioactive, X-ray fluorescence spectroscopy (XRF for “X-Ray Fluorescence”), X micro-fluorescence (µ-XRF), laser spectroscopy ( LIBS for “Laser-Induced Breakdown Spectroscopy”) ...

Un dispositif de collecte selon l'invention est particulièrement bien adapté pour l'échantillonnage de particules dans des milieux gazeux, notamment l'air des locaux ou de l'environnement dans le but de connaître la concentration, la granulométrie, la composition des particules d'aérosol susceptibles d'être inhalées.A collection device according to the invention is particularly well suited for the sampling of particles in gaseous media, in particular the air of the premises or the environment in order to know the concentration, the particle size, the composition of the particles d aerosol likely to be inhaled.

Selon un premier mode de réalisation:

  • le conduit est un cylindre creux de révolution autour d'un axe longitudinal (X);
  • les moyens d'aspiration sont constitués par une pompe ;
  • les première, deuxième et troisième portions conductrices de paroi sont des portions de cylindre constituant une partie du conduit;
  • le chargeur par champ comprend une électrode sous la forme d'un fil en configuration fil-cylindre avec la portion de cylindre correspondante;
  • le fil du chargeur à diffusion d'ions, l'électrode permettant de générer un champ électrique sans effet couronne et le fil du chargeur par champ sont des pièces distinctes et agencées successivement l'une derrière l'autre le long de l'axe (X).
According to a first embodiment:
  • the conduit is a hollow cylinder of revolution about a longitudinal axis (X);
  • the suction means are constituted by a pump;
  • the first, second and third conductive wall portions are cylinder portions constituting a part of the conduit;
  • the field charger comprises an electrode in the form of a wire in wire-cylinder configuration with the corresponding cylinder portion;
  • the wire of the ion diffusion charger, the electrode making it possible to generate an electric field without crown effect and the wire of the charger by field are distinct parts and arranged successively one behind the other along the axis ( X).

Selon un deuxième mode de réalisation:

  • le conduit comprend un élément creux de révolution autour d'un axe longitudinal (X) et un substrat plan agencé à une extrémité de l'élément creux en étant orthogonal à l'axe (X), la distance séparant l'élément creux du substrat plan et de son support éventuel définissant les dimensions de l'orifice de sortie, le substrat plan formant un substrat de collecte définissant à la fois la première (Zn) et la deuxième zone (Zm) de collecte;
  • les moyens d'aspiration sont constitués par l'orifice de sortie;
  • la première portion conductrice de paroi est une portion de révolution constituant le conduit;
  • les deuxième et troisième portions conductrices sont rassemblées sur le même substrat de collecte;
  • le chargeur par champ comprend une électrode sous la forme d'une pointe en configuration pointe-plan avec le substrat de collecte; la pointe étant adaptée pour générer un effet couronne participant à la charge par champ des particules mais également pour créer un champ électrique favorisant la collecte des espèces préalablement chargées par le chargeur par diffusion d'ions.
  • le fil du chargeur à diffusion d'ions, l'électrode et la pointe du chargeur par champ sont des portions d'une même pièce présentant une continuité électrique qui s'étend le long de l'axe (X).
According to a second embodiment:
  • the conduit comprises a hollow element of revolution about a longitudinal axis (X) and a planar substrate arranged at one end of the hollow element being orthogonal to the axis (X), the distance separating the hollow element from the substrate plane and its possible support defining the dimensions of the outlet orifice, the planar substrate forming a collection substrate defining both the first (Zn) and the second collection zone (Zm);
  • the suction means are constituted by the outlet orifice;
  • the first conductive wall portion is a portion of revolution constituting the conduit;
  • the second and third conductive portions are collected on the same collection substrate;
  • the field charger comprises an electrode in the form of a point in point-plane configuration with the collection substrate; the tip being adapted to generate a crown effect participating in the charge per particle field but also to create an electric field favoring the collection of the species previously charged by the charger by ion diffusion.
  • the wire of the ion diffusion charger, the electrode and the tip of the charger per field are portions of the same piece having an electrical continuity which extends along the axis (X).

Le dispositif selon ce deuxième mode peut comprendre des actionneurs-plasma agencés au voisinage de la sortie.The device according to this second mode can comprise plasma actuators arranged in the vicinity of the outlet.

Avantageusement, le fil du chargeur à diffusion d'ions, l'électrode permettant de générer un champ électrique sans effet couronne et le fil ou la pointe du chargeur par champ sont reliées à une alimentation haute tension, de préférence comprise entre 2 et 6 kV.Advantageously, the wire of the ion diffusion charger, the electrode making it possible to generate an electric field without crown effect and the wire or the tip of the charger per field are connected to a high voltage supply, preferably between 2 and 6 kV .

La grille est de préférence reliée à une alimentation basse tension, de préférence de l'ordre de 100 V.The grid is preferably connected to a low voltage power supply, preferably of the order of 100 V.

Les première, deuxième et troisième portions conductrices sont de préférence reliées au potentiel zéro. On peut aussi prévoir d'alimenter la première portion conductrice en basse tension, typiquement à environ 50V.The first, second and third conductive portions are preferably connected to the zero potential. It is also possible to provide the first conductive portion with low voltage, typically at around 50V.

Le dispositif de collecte selon l'invention peut constituer après une collecte préalable une chambre d'ionisation et un détecteur de particules radioactives avec une fonction d'alarme en cas de dépassement d'un seuil prédéterminé.The collection device according to the invention may constitute, after prior collection, an ionization chamber and a detector of radioactive particles with an alarm function in the event of a predetermined threshold being exceeded.

L'invention a enfin pour objet l'utilisation d'un dispositif décrit précédemment pour collecter tout en les séparant des nanoparticules dans la première zone de collecte (Zn) et des particules de taille micronique dans la deuxième zone de collecte (Zm).The invention finally relates to the use of a device described above for collecting while separating nanoparticles in the first collection zone (Zn) and particles of micron size in the second collection zone (Zm).

L'utilisation du dispositif peut se faire aussi en tant que chambre d'ionisation.The device can also be used as an ionization chamber.

Une utilisation avantageuse du dispositif selon l'invention est pour évaluer l'exposition individuelle des travailleurs ou des consommateurs aux nanoparticules.An advantageous use of the device according to the invention is to evaluate the individual exposure of workers or consumers to nanoparticles.

Description détailléedetailed description

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes parmi lesquelles:

  • les figures 1A à 1E sont des vues schématiques de différentes configurations d'électrodes pour obtenir un effet de couronne par décharge électrique;
  • la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de charge, ou chargeur à diffusion d'ions unipolaires ;
  • la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un premier exemple de dispositif de collecte de particules selon l'invention;
  • la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un deuxième exemple de dispositif de collecte de particules selon l'invention ;
  • la figure 5 est une vue montrant la simulation effectuée à l'aide d'un logiciel de calcul par éléments finis pour déterminer les lignes de champ électrique dans la partie aval du dispositif ;
  • la figure 6 est une vue montrant les forces auxquelles sont soumises les particules ainsi que des exemples de trajectoires de deux types de particules dans la partie aval d'un dispositif selon l'invention;
  • la figure 7 est un graphe caractérisant l'influence sur l'efficacité de collecte de la tension appliquée à l'électrode de pointe d'obtention de l'effet de couronne dans un dispositif selon la figure 4, et ce pour différentes distances entre l'électrode de pointe et le substrat de collecte conforme à l'invention (polarité négative) ;
  • la figure 8 est un graphe caractérisant l'influence sur l'efficacité de collecte du débit d'aérosol dans un dispositif selon la figure 4 pour différentes distances entre l'électrode de pointe et le substrat de collecte conforme à l'invention, et différentes polarités;
  • la figure 9 est une reproduction photographique d'un substrat de collecte mis en œuvre dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4, la figure 9 montrant une zone de collecte Zm de particules de taille micronique (billes de polystyrène latex de 2µm de diamètre) ;
  • la figure 10 est une vue montrant la description de modèles utilisés pour effectuer une simulation à l'aide d'un logiciel de calcul par éléments finis pour déterminer les écoulements et les champs électriques qui se produisent dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4 ;
  • la figure 11 est une vue issue de la simulation par le logiciel de calcul par éléments finis pour déterminer les profils de vitesse de particules ainsi que le vent ionique produit dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4;
  • la figure 12 est encore une autre vue issue de la simulation par le logiciel de calcul par éléments finis qui illustre les trajectoires de particules de diamètre égal à 100nm (partie gauche de la figure) et égal à 10nm (partie droite de la figure) dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4 ;
Other advantages and characteristics will emerge more clearly on reading the detailed description, given by way of illustration and not limitation, with reference to the following figures among which:
  • the Figures 1A to 1E are schematic views of different electrode configurations for obtaining a corona effect by electrical discharge;
  • the figure 2 is a view in longitudinal section of a charging device, or charger with unipolar ion diffusion;
  • the figure 3 is a schematic view in longitudinal section of a first example of a particle collection device according to the invention;
  • the figure 4 is a schematic view in longitudinal section of a second example of a particle collection device according to the invention;
  • the figure 5 is a view showing the simulation carried out using a finite element calculation software to determine the electric field lines in the downstream part of the device;
  • the figure 6 is a view showing the forces to which the particles are subjected as well as examples of trajectories of two types of particles in the downstream part of a device according to the invention;
  • the figure 7 is a graph characterizing the influence on the collection efficiency of the voltage applied to the tip electrode to obtain the crown effect in a device according to the figure 4 , and this for different distances between the tip electrode and the collection substrate according to the invention (negative polarity);
  • the figure 8 is a graph characterizing the influence on the collection efficiency of the aerosol flow in a device according to the figure 4 for different distances between the tip electrode and the collection substrate according to the invention, and different polarities;
  • the figure 9 is a photographic reproduction of a collection substrate used in a device according to the invention as illustrated in figure 4 , the figure 9 showing a collection zone Zm of particles of micron size (polystyrene latex beads 2 μm in diameter);
  • the figure 10 is a view showing the description of models used to carry out a simulation using a finite element calculation software to determine the flows and the electric fields which occur in a device according to the invention as illustrated in figure 4 ;
  • the figure 11 is a view resulting from the simulation by the finite element calculation software to determine the velocity profiles of particles as well as the ionic wind produced in a device according to the invention as illustrated in figure 4 ;
  • the figure 12 is yet another view resulting from the simulation by the finite element calculation software which illustrates the trajectories of particles of diameter equal to 100nm (left part of the figure) and equal to 10nm (right part of the figure) in a device according to the invention as illustrated in figure 4 ;

Dans l'ensemble de la présente demande, les termes « vertical », « inférieur », « supérieur », « bas », « haut », « dessous », « dessus », « hauteur » sont à comprendre par référence par rapport à un dispositif de collecte agencé à la verticale avec l'orifice d'entrée en haut comme illustré en figure 4.Throughout the present application, the terms "vertical", "lower", "upper", "bottom", "high", "below", "above", "height" are to be understood by reference with respect to a collection device arranged vertically with the inlet orifice at the top as illustrated in figure 4 .

De même, les termes « entrée », « sortie », « amont » et « aval » sont à comprendre par référence par rapport au sens du flux d'aspiration au travers d'un dispositif de collecte selon l'invention. Ainsi, l'orifice d'entrée désigne l'orifice du dispositif par lequel l'aérosol contenant les particules est aspiré tandis que celui de sortie désigne celui par lequel le flux d'air sort.Likewise, the terms “inlet”, “outlet”, “upstream” and “downstream” are to be understood by reference with respect to the direction of the suction flow through a collection device according to the invention. Thus, the inlet orifice designates the orifice of the device through which the aerosol containing the particles is sucked in while the outlet orifice designates that through which the air flow exits.

Les figures 1A à 1E et 2 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont pas détaillées ci-après.The Figures 1A to 1E and 2 have already been commented on in the preamble. They are not detailed below.

Par souci de clarté, les mêmes éléments des dispositifs de collecte selon les deux exemples illustrés sont désignés par les mêmes références numériques.For the sake of clarity, the same elements of the collection devices according to the two examples illustrated are designated by the same reference numerals.

On a représenté en figure 3 un premier exemple de dispositif électrostatique 1 selon l'invention pour la collecte sélective de particules susceptibles d'être contenues dans un aérosol.We have represented in figure 3 a first example of an electrostatic device 1 according to the invention for the selective collection of particles capable of being contained in an aerosol.

Un tel dispositif selon l'invention permet de collecter à la fois les particules les plus fines, telles que les nanoparticules et les particules les plus grosses, comme celles de taille micronique tout en les séparant l'une de l'autre selon leur gamme de taille.Such a device according to the invention makes it possible to collect both the finest particles, such as nanoparticles and the largest particles, such as those of micronic size while separating them from one another according to their range of cut.

Le dispositif de collecte 1 comprend tout d'abord un conduit 11 qui est un cylindre creux de révolution autour de l'axe longitudinal X et qui est électriquement relié à une basse tension, par exemple à une tension de 50 Volt, voire au potentiel zéro.The collecting device 1 firstly comprises a conduit 11 which is a hollow cylinder of revolution around the longitudinal axis X and which is electrically connected to a low voltage, for example to a voltage of 50 Volt, or even to zero potential .

Le dispositif de collecte 1 comprend à l'intérieur du conduit 11, d'amont en aval, entre son orifice d'entrée 17 et son orifice de sortie 18, quatre étages distincts 10, 20, 30, 40.The collecting device 1 comprises inside the duct 11, from upstream to downstream, between its inlet orifice 17 and its outlet orifice 18, four separate stages 10, 20, 30, 40.

Le premier étage est constitué d'un chargeur à diffusion d'ions unipolaires 10, et est similaire à celui décrit précédemment en relation avec la figure 2.The first stage consists of a charger with unipolar ion diffusion 10, and is similar to that described previously in relation to the figure 2 .

Le chargeur 10 comprend ainsi une électrode centrale qui s'étend selon l'axe X sous la forme d'un fil 12 relié à une alimentation délivrant une haute tension 13, adaptée pour créer ainsi une décharge couronne au voisinage du fil 12.The charger 10 thus comprises a central electrode which extends along the axis X in the form of a wire 12 connected to a power supply delivering a high voltage 13, adapted to thereby create a corona discharge in the vicinity of the wire 12.

Il comprend également une électrode périphérique sous la forme d'une grille 14 reliée à une alimentation basse tension 16.It also includes a peripheral electrode in the form of a grid 14 connected to a low voltage supply 16.

L'étage 20, en aval du chargeur 10, comprend une électrode centrale qui s'étend selon l'axe X sous la forme d'une tige 22 reliée à une alimentation délivrant une moyenne tension 23, adaptée pour créer sans effet couronne un champ électrique de collecte dans l'espace 21 séparant l'électrode centrale 22 et la paroi du conduit 11. Un cylindre creux 24 épousant la paroi du conduit et constituant une première zone de collecte Zn est agencé autour de la tige 22 en regard de celle-ci.The stage 20, downstream of the charger 10, comprises a central electrode which extends along the axis X in the form of a rod 22 connected to a supply supplying a medium voltage 23, adapted to create a field without crown effect electric collecting device in the space 21 separating the central electrode 22 and the wall of the conduit 11. A hollow cylinder 24 conforming to the wall of the conduit and constituting a first collecting zone Zn is arranged around the rod 22 opposite the latter this.

L'étage 30, en aval de l'étage 20, comprend une électrode centrale qui s'étend selon l'axe X sous la forme d'un fil 32 relié à une alimentation haute tension 33, adapté pour créer un effet couronne au voisinage du fil 32 et donc un champ électrique intense dans l'espace 31 séparant le fil central 32 du conduit 11. Un cylindre creux 34 épousant la paroi du conduit et constituant une deuxième zone de collecte Zm est agencé autour du fil 32 en regard de celui-ci.Stage 30, downstream of stage 20, comprises a central electrode which extends along the axis X in the form of a wire 32 connected to a high voltage supply 33, adapted to create a crown effect in the vicinity of the wire 32 and therefore an intense electric field in the space 31 separating the central wire 32 from the conduit 11. A hollow cylinder 34 conforming to the wall of the conduit and constituting a second collection zone Zm is arranged around the wire 32 opposite that -this.

L'étage 40 comprend une structure 41, par exemple en « nid d'abeille », adaptée pour éviter l'apparition d'un vortex dans le conduit 11, et en aval un dispositif d'aspiration 42. En fonction des configurations, le dispositif de collecte selon l'invention peut s'affranchir de la structure 41.The stage 40 comprises a structure 41, for example a “honeycomb” structure, adapted to avoid the appearance of a vortex in the duct 11, and downstream a suction device 42. Depending on the configurations, the collection device according to the invention can overcome structure 41.

Le fonctionnement du dispositif de collecte qui vient d'être décrit en référence à la figure 3 est le suivant.The operation of the collection device which has just been described with reference to the figure 3 is the next.

L'air contenant les particules à collecter est aspiré par l'orifice d'entrée 17 par l'action du dispositif d'aspiration 42.The air containing the particles to be collected is sucked in through the inlet orifice 17 by the action of the suction device 42.

Les plus fines particules de l'aérosol sont électriquement chargées par diffusion d'ions unipolaires dans l'espace 15 séparant la grille 14 du conduit 11.The finest particles of the aerosol are electrically charged by diffusion of unipolar ions in the space 15 separating the grid 14 from the duct 11.

Ces particules les plus fines, à grande mobilité électrique, et les autres particules plus grosses à plus faible mobilité électrique, pénètrent dans l'étage 20.These finer particles, with high electric mobility, and the other larger particles with lower electric mobility, penetrate into stage 20.

Le champ électrique sans effet couronne créé dans l'espace 21 entre la tige 22 et le cylindre 24 assure la collecte des particules les plus fines sur ce dernier en définissant la première zone de collecte Zn.The electric field without crown effect created in the space 21 between the rod 22 and the cylinder 24 collects the finest particles on the latter by defining the first collection zone Zn.

Les autres particules, plus grosses ne sont pas collectées et, toujours présentes dans l'aérosol qui pénètre dans le troisième étage 30.The other, larger particles are not collected and are always present in the aerosol which enters the third stage 30.

Ces particules les plus grosses sont alors chargées électriquement sous l'effet couronne à proximité du fil 32 et du champ intense régnant dans l'espace 31 et sont collectées sur la paroi intérieure du cylindre 34 en définissant la deuxième zone de collecte Zm.These larger particles are then electrically charged under the corona effect near the wire 32 and the intense field prevailing in the space 31 and are collected on the inner wall of the cylinder 34 by defining the second collection zone Zm.

L'air épuré à la fois des particules les plus fines déposées dans la première zone de collecte Zn et des particules les plus grosses Zm est ensuite évacué par l'orifice de sortie 18 du dispositif.The purified air of both the finest particles deposited in the first collection zone Zn and the largest particles Zm is then evacuated through the outlet orifice 18 of the device.

Chacune des zones Zn et Zm peut ensuite être analysée par les techniques classiques de caractérisation physique ou physico-chimique, telles que microscopie optique ou électronique, scanner de surface, spectrométrie α, β, γ si les particules sont radioactives, spectroscopie de fluorescence X (XRF pour « X-Ray Fluoresence »), micro-fluorescence X (µ-XRF), spectroscopie sur plasma induit par laser (LIBS pour « Laser-Induced Breakdown Spectroscopy »)....pour connaître la granulométrie d'une part des particules les plus fines et d'autre part des particules les plus grosses, leur concentration, leur composition chimique et/ou leur morphologie.Each of the zones Zn and Zm can then be analyzed by conventional techniques of physical or physico-chemical characterization, such as optical or electron microscopy, surface scanner, α, β, γ spectrometry if the particles are radioactive, X-ray fluorescence spectroscopy ( XRF for "X-Ray Fluoresence"), X micro-fluorescence (µ-XRF), laser-induced plasma spectroscopy (LIBS for "Laser-Induced Breakdown Spectroscopy") .... to know the particle size on the one hand finer particles and on the other hand larger particles, their concentration, their chemical composition and / or their morphology.

Avantageusement, on peut prévoir que le cylindre de collecte 24 et celui 34 sont constitués par une seule et même pièce qui forme ainsi un seul substrat de collecte, qui peut être extrait aisément du conduit une fois la collecte visée effectuée.Advantageously, provision can be made for the collection cylinder 24 and that 34 to consist of a single piece which thus forms a single collection substrate, which can be easily removed from the conduit once the targeted collection has been carried out.

On a représenté en figure 4, un autre exemple avantageux d'un dispositif de collecte 1 selon l'invention permettant de collecter les particules non pas sur un ou des cylindres agencés selon l'axe d'écoulement de l'aérosol comme illustré en figure 3, mais sur un même substrat en forme de disque 6 posé sur son support 5 et agencé orthogonalement à l'axe de symétrie du dispositif de collecte.We have represented in figure 4 , another advantageous example of a collecting device 1 according to the invention making it possible to collect the particles not on one or more cylinders arranged along the flow axis of the aerosol as illustrated in figure 3 , but on the same disc-shaped substrate 6 placed on its support 5 and arranged orthogonally to the axis of symmetry of the collection device.

Outre une meilleure compacité, le dispositif de collecte illustré en figure 4 présente l'avantage, comparativement à celui illustré en figure 3, de pouvoir collecter toutes les particules sur une même surface plane de substrat selon des anneaux concentriques en fonction de leur dimensions relatives, les particules les plus grosses étant collectées préférentiellement au centre de la surface tandis que les plus fines sont collectées préférentiellement à la périphérie.In addition to better compactness, the collection device illustrated in figure 4 has the advantage compared to that illustrated in figure 3 , to be able to collect all the particles on the same flat surface of substrate according to concentric rings according to their relative dimensions, the largest particles being preferably collected at the center of the surface while the finest are preferably collected at the periphery.

En outre, le dispositif de collecte illustré en figure 4 permet avantageusement de tirer profit du vent ionique créé par la configuration pointe-plan pour la collecte des particules les plus grosses, et ainsi induire une circulation d'air à travers le dispositif dans sa partie aval. Cette circulation d'air peut aller jusqu'à permettre de s'affranchir de la présence d'une pompe d'aspiration, ce qui allège considérablement le dispositif de collecte selon l'invention et permet également de réduire ses nuisances (vibrations, bruit, ...).In addition, the collection device illustrated in figure 4 advantageously makes it possible to take advantage of the ionic wind created by the tip-plane configuration for the collection of the largest particles, and thus induce air circulation through the device in its downstream part. This air circulation can go as far as making it possible to dispense with the presence of a suction pump, which considerably lightens the collection device according to the invention and also makes it possible to reduce its nuisances (vibrations, noise, ...).

Le disque de collecte 6 est de préférence conducteur, typiquement en métal, voire semi-conducteur. Son diamètre est de préférence compris entre 10 et 25 mm, de préférence encore de l'ordre de 20 mm.The collecting disc 6 is preferably conductive, typically made of metal, or even semiconductor. Its diameter is preferably between 10 and 25 mm, more preferably of the order of 20 mm.

Le dispositif de collecte 1 présente une géométrie cylindrique de révolution autour de l'axe longitudinal X et comprend un corps creux allongé 11 entouré d'une enveloppe 110 qui peut être conductrice ou non et surmontée d'un corps isolant électriquement 3 dans lequel les électrodes sont fixées et par lequel les alimentations électriques sont réalisées. A titre de variante, le corps 11 et l'enveloppe 110 peuvent être une seule et même pièce.The collecting device 1 has a cylindrical geometry of revolution around the longitudinal axis X and comprises an elongated hollow body 11 surrounded by an envelope 110 which may or may not be conductive and surmounted by an electrically insulating body 3 in which the electrodes are fixed and by which the power supplies are made. Alternatively, the body 11 and the casing 110 may be one and the same piece.

L'enveloppe conductrice 110, ainsi que le corps 11 et le support 5 peuvent être reliés au potentiel zéro par la borne d'alimentation 2. Il est également possible d'utiliser une enveloppe 110 et le corps 11 en matériau isolant ainsi portés à potentiel flottant et de maintenir le support 5 au potentiel zéro par un fil électrique le reliant à la borne d'alimentation 2.The conductive envelope 110, as well as the body 11 and the support 5 can be connected to zero potential by the supply terminal 2. It is also possible to use an envelope 110 and the body 11 made of insulating material thus brought to potential floating and maintain the support 5 at zero potential by an electric wire connecting it to the power supply terminal 2.

Le corps creux 11 définit en son sein avec un élément isolant 4, et un substrat de collecte 6 et son support 5, le conduit de circulation de l'aérosol depuis l'orifice d'entrée 17 jusqu'à l'orifice de sortie 18.The hollow body 11 defines within it with an insulating element 4, and a collection substrate 6 and its support 5, the aerosol circulation duct from the inlet orifice 17 to the outlet orifice 18 .

Le dispositif de collecte 1 selon la figure 4 comprend les mêmes éléments que celui de la figure 3 tel qu'explicité ci-avant mais s'en distingue essentiellement par le fait que :

  • la partie pour créer l'effet couronne pour la collecte des particules les plus grosses est en configuration pointe-plan, la pointe 32 étant à distance du plan du substrat de collecte 6 agencé orthogonalement à l'axe X ;
  • le fil central 12 d'effet couronne pour la diffusion d'ions unipolaires, la tige 22 permettant de générer un champ électrique sans effet couronne pour collecter les particules fines et la pointe 32 d'effet couronne pour la collecte des particules les plus grosses formant une seule et même électrode centrale aux portions 12, 22, 32 continues mais de géométrie différente.
The collection device 1 according to the figure 4 includes the same elements as that of the figure 3 as explained above but is essentially distinguished by the fact that:
  • the part for creating the crown effect for collecting the largest particles is in the tip-plane configuration, the tip 32 being at a distance from the plane of the collecting substrate 6 arranged orthogonally to the axis X;
  • the central corona wire 12 for the diffusion of unipolar ions, the rod 22 making it possible to generate an electric field without corona effect for collecting fine particles and the corona effect tip 32 for collecting the largest particles forming a single central electrode with portions 12, 22, 32 continuous but of different geometry.

Plus précisément, le chargeur à diffusion d'ions unipolaires est constitué d'une portion de l'électrode centrale sous la forme d'un fil 12 et d'une grille 14 agencée autour du fil central 12. Le fil central 12 a de préférence un diamètre inférieur à 50 µm.More specifically, the unipolar ion diffusion charger consists of a portion of the central electrode in the form of a wire 12 and a grid 14 arranged around the central wire 12. The central wire 12 preferably has a diameter less than 50 µm.

Dans le prolongement de la grille 14, un élément isolant 4 permet judicieusement d'assurer à la fois le centrage et la fixation de la portion d'électrode sous la forme de tige 22 reliée ainsi électriquement au fil 12.In the extension of the grid 14, an insulating element 4 makes it possible judiciously to ensure both the centering and the fixing of the electrode portion in the form of a rod 22 thus electrically connected to the wire 12.

La tige 22 se termine par une pointe effilée 32 en regard du disque de collecte 6. De préférence, l'angle de la pointe est inférieur à 35° et son apex (sommet) a sa plus grande largeur inférieure à 50 µm.The rod 22 ends with a tapered tip 32 facing the collection disc 6. Preferably, the angle of the tip is less than 35 ° and its apex (apex) has its greatest width less than 50 μm.

Le dispositif de collecte 1 peut comprendre avantageusement dans sa partie aval, c'est-à-dire dans la partie élargie du conduit de circulation de l'aérosol, en aval de la grille 14, des actionneurs plasma 8 qui permettent de contrôler l'écoulement de l'air épuré des particules dans cette partie aval, avant son évacuation par l'orifice de sortie 18, comme expliqué par la suite.The collecting device 1 can advantageously comprise in its downstream part, that is to say in the enlarged part of the aerosol circulation duct, downstream of the grid 14, plasma actuators 8 which make it possible to control the flow of the purified air from the particles in this downstream part, before its evacuation through the outlet orifice 18, as explained below.

Une seule alimentation haute tension 13, 23, 33 permet de réaliser à la fois l'effet couronne au voisinage du fil 12 et au voisinage de la pointe 32. La haute tension est choisie préférée entre 2 et 6 kV, de façon encore préférée à environ 4 kV.A single high voltage supply 13, 23, 33 makes it possible to achieve both the crown effect in the vicinity of the wire 12 and in the vicinity of the tip 32. The high voltage is chosen to be preferred between 2 and 6 kV, more preferably at about 4 kV.

Une alimentation basse tension 16, de l'ordre de 100V, permet de polariser la grille 14 pour contrôler la production d'ions unipolaires dans l'espace de charge par diffusion 15.A low voltage supply 16, of the order of 100V, makes it possible to polarize the gate 14 to control the production of unipolar ions in the charge space by diffusion 15.

Il est à noter qu'il n'y a pas, dans ce dispositif selon la figure 4 d'alimentation moyenne tension, l'électrode 22 permettant de générer un champ électrique sans effet couronne, en tant que telle, les lignes de champ de moyenne tension sans effet couronne pour la collecte des particules les plus fines comme détaillé ci-après, résultant dans ce cas de la haute tension appliquée sur la pointe 32.It should be noted that there is not, in this device according to the figure 4 medium voltage power supply, the electrode 22 making it possible to generate an electric field without corona effect, as such, the medium voltage field lines without corona effect for collecting the finest particles as detailed below, resulting in this case of the high voltage applied to the tip 32.

Lorsqu'on dimensionne le dispositif, on veille à réaliser une bonne tenue mécanique du sous-ensemble constitué de l'électrode centrale à portions différentes 11, 12, 32, de la grille 14 et de l'élément isolant 4 ainsi qu'à garantir une continuité électrique tout le long de l'alimentation haute tension 13, 23, 33 et des différentes portions 12, 22, 32 de l'électrode.When dimensioning the device, care is taken to achieve good mechanical strength of the subassembly consisting of the central electrode with different portions 11, 12, 32, of the grid 14 and of the insulating element 4 as well as to guarantee electrical continuity all along the high voltage supply 13, 23, 33 and of the various portions 12, 22, 32 of the electrode.

Le dimensionnement est réalisé en veillant à ne pas introduire de rétrécissement trop important avec une section réduite. Cela permet de réduire au minimum la perte de charge de l'ensemble vis-à-vis de l'air circulant dans l'espace annulaire 15.Sizing is done taking care not to introduce too much shrinkage with a reduced section. This makes it possible to minimize the pressure drop of the assembly with respect to the air circulating in the annular space 15.

Ainsi, le fonctionnement du dispositif de collecte selon la figure 4 est similaire à celui de la figure 3.Thus, the operation of the collection device according to the figure 4 is similar to that of the figure 3 .

L'aérosol circule depuis l'orifice d'entrée 17 jusqu'à l'orifice de sortie 18 du fait que l'aspiration est réalisée au niveau de ce dernier.The aerosol flows from the inlet orifice 17 to the outlet orifice 18 because the suction is carried out at the level of the latter.

Les particules les plus fines sont électriquement chargées par diffusion d'ions unipolaires dans l'espace annulaire 15 alors que les particules les plus grosses sont électriquement chargées sous l'action du champ électrique intense dans l'espace 31 entre pointe 32 générant l'effet couronne et le substrat de collecte 6.The finest particles are electrically charged by diffusion of unipolar ions in the annular space 15 while the largest particles are electrically charged under the action of the intense electric field in the space 31 between tip 32 generating the effect crown and collection substrate 6.

On a illustré en figure 4, une réalisation possible du dispositif de collecte 1 qui permet de ne pas utiliser de pompe d'aspiration auxiliaire. Sous l'effet du vent ionique créé dans l'espace 31 entre la pointe 32 et le substrat de collecte 6, une dépression apparaît dans l'espace annulaire 15 de charge par diffusion, ce qui crée une circulation au débit q dans le dispositif.We illustrated in figure 4 , a possible embodiment of the collection device 1 which makes it possible not to use an auxiliary suction pump. Under the effect of the ionic wind created in the space 31 between the tip 32 and the collection substrate 6, a vacuum appears in the annular space 15 of charge by diffusion, which creates a circulation at the flow q in the device.

L'aspiration peut être optimisée par l'ouverture plus ou moins large de l'orifice de sortie 18, par le choix de la haute tension appliquée à la pointe 32 ainsi que par la distance entre la pointe 32 et le plan 6.The suction can be optimized by the more or less wide opening of the outlet orifice 18, by the choice of the high voltage applied to the tip 32 as well as by the distance between the tip 32 and the plane 6.

Comme illustré en figure 4, il est possible d'entretenir voire amplifier la circulation d'air épuré des particules qui a lieu dans la partie aval du conduit par des actionneurs plasma 8 agencés au voisinage de la sortie 18. Ces actionneurs plasma 8 sont avantageusement du type de ceux utilisés en microélectronique pour le refroidissement de microcomposants. Ainsi, en amplifiant le flux d'air épuré, on augmente globalement le débit de collecte q qui parcourt le dispositif. Au final, à une géométrie et une haute tension définies, correspond un débit de collecte q que l'on peut fixer.As illustrated in figure 4 , it is possible to maintain or even amplify the circulation of purified air of the particles which takes place in the downstream part of the duct by plasma actuators 8 arranged in the vicinity of the outlet 18. These plasma actuators 8 are advantageously of the type of those used in microelectronics for cooling microcomponents. Thus, by amplifying the flow of purified air, the collection rate q which travels through the device is increased overall. In the end, a defined geometry and high voltage corresponds to a collection rate q that can be set.

On a illustré en figure 5, les lignes de champ électrique qui ont lieu dans la partie aval du conduit de circulation de l'aérosol. Les lignes de champ étant perpendiculaires aux lignes équipotentielles, il est possible de réaliser un confinement des lignes de champ par les équipotentielles internes aux zones de collecte.We illustrated in figure 5 , the electric field lines which take place in the downstream part of the aerosol circulation duct. The field lines being perpendicular to the equipotential lines, it is possible to contain the field lines by the equipotential lines internal to the collection zones.

On voit clairement sur cette figure 5 que la pointe 32 permet d'obtenir un champ électrique très intense localement, ce qui permet l'ionisation de l'air et la charge des microparticules. Mais en s'éloignant à la verticale, celui-ci diminue très rapidement jusqu'à une valeur d'environ 0.5106 V/m à l'endroit où passent les particules. Le dispositif selon l'invention tel que représenté en figure 4, dimensionné avec une portion 111 de la paroi du corps creux 11 contraignant le flux d'air allant vers la sortie 18 à passer entre deux parois parallèles entre lesquelles le champ électrique est significativement amplifié jusqu'à une valeur de 106 V/m. De plus, le rayon de courbure de 1 mm en bas de la paroi du corps creux 11 est suffisant au niveau du point critique pour éviter tout problème de claquage jusqu'à 4000 V.We can clearly see on this figure 5 that the tip 32 makes it possible to obtain a very intense electric field locally, which allows the ionization of the air and the charge of the microparticles. But moving away vertically, it decreases very quickly to a value of about 0.5 10 6 V / m at the place where the particles pass. The device according to the invention as shown in figure 4 , dimensioned with a portion 111 of the wall of the hollow body 11 constraining the air flow going towards the outlet 18 to pass between two parallel walls between which the electric field is significantly amplified up to a value of 10 6 V / m. In addition, the radius of curvature of 1 mm at the bottom of the wall of the hollow body 11 is sufficient at the critical point to avoid any breakdown problem up to 4000 V.

Comme illustré en figure 6, c'est la combinaison des effets aérauliques et électriques appliqués aux particules qui va définir leur trajectoire et donc la zone du substrat 6 dans laquelle elles vont être collectées.As illustrated in figure 6 , it is the combination of air and electrical effects applied to the particles which will define their trajectory and therefore the area of the substrate 6 in which they will be collected.

Une particule fine, de forte mobilité, est immédiatement soumise à l'action du champ électrique radial environnant, qui se traduit par une vitesse radiale vers l'extérieur w, tout en étant transportée par le champ aéraulique, qui se traduit par une vitesse radiale vers l'intérieur v. La résultante vectorielle, vitesse u définit ainsi la trajectoire et le point d'impact de cette particule sur le disque 6 de collecte.A fine particle, of high mobility, is immediately subjected to the action of the surrounding radial electric field, which results in a radial speed towards the outside w, while being transported by the aeraulic field, which results in a radial speed. inward c. The vector result, speed u thus defines the trajectory and the point of impact of this particle on the collecting disc 6.

Ainsi, pour une pluralité de particules fines de même mobilité, injectées de façon laminaire dans l'espace annulaire 15, le point d'impact définit une circonférence d'impact ou anneau Zn sur le substrat 6, compte tenu de la symétrie de révolution du dispositif.Thus, for a plurality of fine particles of the same mobility, laminarly injected into the annular space 15, the point of impact defines an impact circumference or ring Zn on the substrate 6, taking into account the symmetry of revolution of the device.

Quant aux plus grosses particules, de plus faible mobilité, elles ne sont pas chargées par diffusion, arrivent au voisinage de la pointe 32, se chargent électriquement par bombardement des ions produits localement par l'effet couronne entre la pointe 32 et le substrat 6, et se déposent donc sur ce dernier au voisinage de l'axe X sur des circonférences d'impact Zm de rayons d'autant plus faibles que leur taille est grande.As for the larger particles, of lower mobility, they are not charged by diffusion, arrive in the vicinity of the tip 32, are electrically charged by bombardment of the ions produced locally by the crown effect between the tip 32 and the substrate 6, and are therefore deposited on the latter in the vicinity of the axis X on impact circumferences Zm of radii which are smaller the larger their size.

Les particules sont donc collectées sur le disque selon des cercles concentriques en fonction de leur granulométrie, les plus fines à l'extérieur, les plus grosses au centre.The particles are therefore collected on the disc in concentric circles according to their particle size, the finest on the outside, the largest in the center.

Les inventeurs ont cherché à évaluer quantitativement l'efficacité d'un dispositif de collecte 1 qui vient d'être décrit en référence aux figures 4 à 6.The inventors sought to quantitatively assess the effectiveness of a collection device 1 which has just been described with reference to the figures 4 to 6 .

Une première évaluation a été faite à partir d'air chargé en billes de latex-polystyrène (PSL) de 2 µm de diamètre, commercialisées par la société ABCR sous la dénomination ABCR 210832.A first evaluation was made from air loaded with latex-polystyrene (PSL) beads of 2 μm in diameter, sold by the company ABCR under the name ABCR 210832.

Cette première évaluation permet d'illustrer le mécanisme de charge par effet de champ des particules de taille micronique dans l'espace 31 entre la pointe 32 et le substrat métallique de collecte 6 et leur dépôt sur ce dernier.This first evaluation makes it possible to illustrate the charge mechanism by field effect of the micron-sized particles in the space 31 between the tip 32 and the metallic collecting substrate 6 and their deposition on the latter.

Les inventeurs ont procédé de la manière suivante.The inventors proceeded as follows.

Une suspension aqueuse de billes de PSL est atomisée à l'aide d'un générateur d'aérosols, de marque TSI, modèle 3076, puis séchée par une colonne dessicante, de marque TSI, modèle 3062.An aqueous suspension of PSL beads is atomized using an aerosol generator, brand TSI, model 3076, then dried by a desiccant column, brand TSI, model 3062.

L'aérosol ainsi généré est ensuite introduit dans une chambre dans laquelle se trouve le dispositif de collecte 1 comme illustré en figures 4 à 6, à un débit de 3,6 L/min.The aerosol thus generated is then introduced into a chamber in which the collection device 1 is located, as illustrated in figures 4 to 6 , at a flow rate of 3.6 L / min.

La chambre est munie d'un orifice de sortie permettant d'éviter une surpression puisque le débit imposé par une pompe externe au dispositif de collecte, dans la gamme de 0,4 à 1,4 L/min est toujours inférieur au débit d'aérosol entrant dans la chambre.The chamber is provided with an outlet orifice making it possible to avoid an overpressure since the flow rate imposed by a pump external to the collection device, in the range of 0.4 to 1.4 L / min is always lower than the flow rate of aerosol entering the room.

Dans cet exemple, un débit Q imposé est appliqué au dispositif de collecte 1 pour forcer un flux à le parcourir de l'orifice d'entrée 17 à celui de sortie 18 à l'aide d'une pompe à débit variable qui est contrôlée par un débitmètre.In this example, an imposed flow rate Q is applied to the collection device 1 to force a flow to pass from the inlet orifice 17 to that of the outlet 18 using a variable flow pump which is controlled by a flow meter.

La haute tension 13, 23, 33 appliquée sur l'électrode centrale 12, 22, 32 est étudiée pour les polarités positives (+) et négatives (-) de 1500 V à 4000 V et ce pour différentes distances z entre l'extrémité de la pointe 32 et le substrat de collecte 6.The high voltage 13, 23, 33 applied to the central electrode 12, 22, 32 is studied for positive (+) and negative (-) polarities from 1500 V to 4000 V and this for different distances z between the end of the tip 32 and the collection substrate 6.

La figure 7 montre que pour un débit constant de 1,4 L/min, l'efficacité de collecte qui se traduit par le ratio exprimé en pourcentage entre le nombre de particules sortant du dispositif et le nombre de particules entrant, augmente lorsque la tension appliquée (en valeur absolue) augmente. Pour une tension appliquée entre 3500 et 4000 V (en valeur absolue), l'efficacité de collecte plafonne autour de 90% quelle que soit la distance entre pointe 32 et plan du substrat 6, que l'on fait varier de 2,5 mm à 6,5 mm.The figure 7 shows that for a constant flow of 1.4 L / min, the collection efficiency which results in the ratio expressed as a percentage between the number of particles leaving the device and the number of particles entering, increases when the applied voltage (in absolute value) increases. For an applied voltage between 3500 and 4000 V (in absolute value), the collection efficiency is around 90% regardless of the distance between tip 32 and plane of substrate 6, which is varied by 2.5 mm at 6.5 mm.

La figure 8 quant à elle indique que globalement l'efficacité de collecte est la plus élevée lorsque le débit est faible, ce qui est particulièrement le cas pour un débit de 0,4 L/min. Par ailleurs, on observe que pour un débit fixé l'efficacité de collecte est plus élevée lorsque la polarité utilisée est négative et lorsque la distance pointe-plan est grande.The figure 8 as for it indicates that overall the collection efficiency is the highest when the flow is low, which is particularly the case for a flow of 0.4 L / min. Furthermore, it is observed that for a fixed flow rate the collection efficiency is higher when the polarity used is negative and when the distance from tip to plane is large.

Ces exemples d'évaluation montrent que le dispositif de collecte selon l'invention, tel que décrit aux figures 4 à 6, peut être utilisé pour collecter des particules de taille micronique grâce à un mécanisme de charge par effet de champ créé par la pointe 32 portée à haute tension avec une efficacité de collecte supérieure à 95 %.These evaluation examples show that the collection device according to the invention, as described in figures 4 to 6 , can be used to collect particles of micron size thanks to a field effect charging mechanism created by the tip 32 carried at high voltage with a collection efficiency greater than 95%.

On a reproduit en figure 9, la photographie d'un substrat de collecte 6 en cuivre de 20 mm de diamètre sur lequel les particules microniques ont été collectées : on voit clairement qu'elles sont déposées selon un anneau Zm concentrique à l'axe X du dispositif ou encore de la pointe 32. Cette couronne blanche Zm correspond au dépôt des particules PSL de 2 µm de diamètre.We reproduced in figure 9 , the photograph of a collection substrate 6 made of copper 20 mm in diameter on which the micron particles were collected: it is clearly seen that they are deposited according to a ring Zm concentric with the axis X of the device or also of the point 32. This white crown Zm corresponds to the deposition of PSL particles of 2 μm in diameter.

Les inventeurs ont également simulé le fonctionnement du dispositif de collecte selon l'invention tel qu'illustré aux figures 4 à 6 et ce à l'aide d'un logiciel de calculs par éléments finis commercialisé sous la dénomination « COMSOL Multiphysics ».The inventors also simulated the operation of the collection device according to the invention as illustrated in figures 4 to 6 and this using a finite element calculation software marketed under the name "COMSOL Multiphysics".

Le dispositif de collecte 1 avec la même géométrie que celle montrée aux figures 4 à 6, peut être étudié sous le logiciel COMSOL en regardant les écoulements, les champs électriques, les trajectoires de particules ainsi que le vent ionique produit.The collection device 1 with the same geometry as that shown in the figures 4 to 6 , can be studied under COMSOL software by looking at flows, electric fields, particle trajectories as well as the ionic wind produced.

La figure 10 est une vue montrant la description de modèles utilisés pour effectuer une simulation à l'aide d'un logiciel de calcul par éléments finis pour déterminer les écoulements et les champs électriques qui se produisent dans un dispositif selon l'invention comme illustré en figure 4.The figure 10 is a view showing the description of models used to perform a simulation using a finite element calculation software to determine the flows and the electric fields which occur in a device according to the invention as illustrated in figure 4 .

Dans la géométrie représentée en figure 10 et correspondant à celle du dispositif illustré en figure 4, la portion de paroi élargie 111 est portée au même potentiel que la pointe 32. Dans le contexte de l'invention, il va de soi que cette portion 111 peut être à un potentiel différent de la pointe 32.In the geometry represented in figure 10 and corresponding to that of the device illustrated in figure 4 , the enlarged wall portion 111 is brought to the same potential as the tip 32. In the context of the invention, it goes without saying that this portion 111 can be at a potential different from the tip 32.

La figure 11 montre la simulation de l'écoulement pour une distance z entre pointe 32 et plan 31 de 4 mm et une tension appliquée U à la pointe 32 et à la portion 111 de + 4000 V.The figure 11 shows the simulation of the flow for a distance z between tip 32 and plane 31 of 4 mm and a voltage applied U to tip 32 and to portion 111 of + 4000 V.

La représentation de la figure 11 met bien en évidence la génération d'un plasma produit par effet couronne sous la pointe 32 où les champs électriques sont les plus élevés, ce plasma induisant un vent ionique en direction du disque de collecte 6. Le jet ainsi produit s'épanouit sur la surface du disque de collecte.The representation of the figure 11 highlights the generation of a plasma produced by corona effect under the tip 32 where the electric fields are the most high, this plasma inducing an ionic wind in the direction of the collecting disc 6. The jet thus produced flourishes on the surface of the collecting disc.

De cette figure 11, on remarque aussi que ce vent ionique aspire en quelque sorte l'aérosol en amont de la pointe 32 vers la zone de charge 31 par effet de champ et donc participe aux excellentes efficacités de collecte rencontrées pour les particules les plus grosses, dont les trajectoires n'auront pas été déviées par les lignes de champ, puisque non chargées dans la zone de charge 15 par diffusion d'ions en amont.Of this figure 11 , we also note that this ionic wind in a way sucks the aerosol upstream of the tip 32 towards the charge zone 31 by field effect and therefore participates in the excellent collection efficiencies encountered for the largest particles, whose trajectories will not have been deflected by the field lines, since they are not charged in the charging zone 15 by diffusion of ions upstream.

Il ressort de cette figure 11, que la portion 111 permet de créer une circulation d'aérosol dans le dispositif 1 selon l'invention. En calculant la valeur moyenne de la vitesse du flux en entrée, au moyen du logiciel par éléments finis « Comsol » et en multipliant cette valeur par la surface, on obtient un débit d'environ 0,5 L/min, qui est une valeur très correcte pour obtenir des efficacités de collecte supérieures à 94%.It emerges from this figure 11 , that the portion 111 creates an aerosol circulation in the device 1 according to the invention. By calculating the average value of the speed of the input flow, using the “Comsol” finite element software and multiplying this value by the area, we obtain a flow rate of approximately 0.5 L / min, which is a value very correct to obtain collection efficiencies greater than 94%.

Ceci a été vérifié expérimentalement sur le dispositif de la figure 4 par l'utilisation d'un fumigène. Le fumigène a permis de montrer que le vent ionique entrainait bien la création d'un débit d'aspiration sans pompe externe en entrée de dispositif.This has been verified experimentally on the device of the figure 4 by the use of a smoke generator. The smoke signal made it possible to show that the ionic wind did indeed create a suction flow without an external pump at the device inlet.

Les inventeurs ont également tracé la trajectoire des particules dans le dispositif illustré en figure 4 pour des nanoparticules de diamètre 10 nm et 100 nm et avec un débit Q = 0,5 L/min.The inventors also traced the trajectory of the particles in the device illustrated in figure 4 for nanoparticles with a diameter of 10 nm and 100 nm and with a flow rate Q = 0.5 L / min.

La figure 12 représente ainsi la simulation pour une tension appliquée U égale à + 4000 V et pour une distance z entre pointe 32 et plan 31 de 4 mm, de la trajectoire des particules respectivement de diamètre 100 nm à gauche de la figure (n=4 : nombre de charges élémentaires) et de diamètre 10 nm à droite de la figure (n=1)).The figure 12 thus represents the simulation for an applied voltage U equal to + 4000 V and for a distance z between tip 32 and plane 31 of 4 mm, of the trajectory of the particles of diameter 100 nm respectively to the left of the figure (n = 4: number of elementary charges) and of diameter 10 nm to the right of the figure (n = 1)).

On constate par le logiciel d'éléments finis « Comsol » que les nanoparticules sont bien précipitées, i.e. déposées par précipitation électrostatique.It is noted by the finite element software “Comsol” that the nanoparticles are well precipitated, i.e. deposited by electrostatic precipitation.

Ainsi, le dispositif de collecte 1 selon l'invention comme montré au figures 4 à 6 permet de collecter par dépôt sur un même support, par exemple un disque métallique, à la fois des particules de dimensions différentes, selon des zones concentriques correspondant à des granulométries bien déterminées. Les particules les plus grosses, typiquement les particules de taille micronique, sont collectées dans une zone de collecte Zm centrale tandis que les particules les plus fines, typiquement les nanoparticules sont collectées dans une zone annulaire périphérique Zn.Thus, the collection device 1 according to the invention as shown in figures 4 to 6 collects by depositing on the same support, for example a metal disc, both particles of different dimensions, according to concentric zones corresponding to well-defined particle sizes. The coarsest particles, typically particles of micron size, are collected in a central Zm collection zone while the finest particles, typically nanoparticles are collected in a peripheral annular zone Zn.

Le support peut ensuite être extrait du reste du dispositif de collecte puis analysé par des techniques classiques de caractérisation physique ou physico-chimique (microscopie optique ou électronique, scanner de surface, fluorescence X, spectrométrie LIBS, spectrométrie α, β, γ si les particules sont radioactives,....The support can then be extracted from the rest of the collection device and then analyzed by conventional techniques of physical or physico-chemical characterization (optical or electronic microscopy, surface scanner, X-ray fluorescence, LIBS spectrometry, α, β, γ spectrometry if the particles are radioactive, ....

Le dispositif de collecte selon l'invention est particulièrement bien adapté pour l'échantillonnage de particules dans des milieux gazeux, notamment l'air des locaux ou de l'environnement dans le but de connaître la concentration, la granulométrie, la morphologie et la composition des particules d'aérosol susceptibles d'être inhalées... Du fait de son faible encombrement et de sa consommation électrique réduite, ce dispositif pourrait être portatif et donc déployable à grande échelle pour un coût modéré.The collection device according to the invention is particularly well suited for the sampling of particles in gaseous media, in particular the air of the premises or the environment in order to know the concentration, the particle size, the morphology and the composition. aerosol particles likely to be inhaled ... Because of its small size and its reduced electrical consumption, this device could be portable and therefore deployable on a large scale for a moderate cost.

Selon une variante avantageuse, il est possible de faire fonctionner le dispositif de collecte selon l'invention en tant que chambre d'ionisation. Ainsi, de façon séquentielle, selon un cycle préétabli, le dispositif peut fonctionner en tant que collecteur d'aérosols pendant un temps t1, puis en compteur d'impulsions pendant un temps t2.According to an advantageous variant, it is possible to operate the collection device according to the invention as an ionization chamber. Thus, sequentially, according to a pre-established cycle, the device can operate as an aerosol collector for a time t 1 , then as a pulse counter for a time t 2 .

En effet, si au préalable des aérosols sont déposés sur le substrat 6 pendant la phase de collecte (temps t1), puis si la haute tension appliquée sur la pointe 32 est ensuite inférieure à la tension d'amorçage de l'effet couronne pendant la phase de comptage (temps t2), une ionisation de l'air va se créer.Indeed, if aerosols are previously deposited on the substrate 6 during the collection phase (time t1), then if the high voltage applied to the tip 32 is then lower than the priming voltage of the crown effect during the counting phase (time t2), an ionization of the air will be created.

Le courant d'ionisation collecté par la pointe 32 peut alors être détecté par un système électronique approprié, du type de ceux utilisés couramment dans les chambres d'ionisation classiques.The ionization current collected by the tip 32 can then be detected by an appropriate electronic system, of the type of those commonly used in conventional ionization chambers.

Appliquée à des aérosols radioactifs, une telle chambre d'ionisation peut ainsi constituer un détecteur de contamination radioactive avec une fonction d'alarme en cas de dépassement d'un seuil prédéterminé. En outre, le substrat de collecte 6, ayant joué son rôle de collecte des particules selon l'invention, il peut être extrait pour effectuer des analyses radioactives plus poussées avec comme avantage subséquent d'un dépôt en couches minces pour la spectrométrie a.Applied to radioactive aerosols, such an ionization chamber can thus constitute a radioactive contamination detector with an alarm function if a predetermined threshold is exceeded. In addition, the collection substrate 6, having played its role of collecting particles according to the invention, it can be extracted to carry out further radioactive analyzes with the subsequent advantage of depositing in thin layers for a spectrometry.

D'autres variantes et améliorations peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention.Other variants and improvements can be made without departing from the scope of the invention.

L'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.The invention is not limited to the examples which have just been described; one can in particular combine together characteristics of the examples illustrated within variants not illustrated.

Références citéesReferences cited

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Claims (15)

  1. A method for collecting particles likely to be present in an aerosol, comprising the following steps:
    - sucking (18, 42) the aerosol through a conduit (11) from its inlet orifice (17) to its outlet orifice (18);
    - charging the finest particles, downstream of the inlet orifice, by unipolar ion diffusion (10) in a space (15) between an electrode in the form of a gate (14) surrounding an electrode in the form of a wire (12) generating a corona effect, and a first conductive portion of the internal wall of the conduit;
    - generating an electric field without a corona effect in the space (21) between an electrode (22) and a second conductive portion (24) of the internal wall of the conduit, in order to collect the finest particles charged by the diffusion charger by deposition onto a first collection zone (Zn);
    - generating an electric field with a corona effect in the space (31) between the wire or the point of an electrode (32) and a third conductive portion (34, 6) of the internal wall of the conduit, in order to collect the biggest particles not charged by the diffusion charger by deposition onto a second collection zone (Zm) distinct from the first collection zone.
  2. The method for collecting radioactive particles as claimed in claim 1, further comprising the following steps:
    a/ collecting radioactive particles on the first and/or the second collection zone during a time period t1;
    b/ counting pulses generated by the ionization current of the air in the spaces (21, 31) during a time period t2.
  3. The method for collecting radioactive particles as claimed in claim 2, comprising a step of emitting an alarm in the event that a predetermined threshold value of pulses counted in step b/ is exceeded.
  4. A device (1) for collecting particles likely to be present in an aerosol, comprising:
    - a conduit (11) comprising an inlet orifice (17) and an outlet orifice (18), between which the aerosol may circulate;
    - suction means (18, 42) for circulating the aerosol from the inlet orifice to the outlet orifice;
    - a unipolar ion diffusion charger (10), downstream of the inlet orifice, comprising an electrode in the form of a wire (12) surrounded by an electrode in the form of a gate (14), the charger being adapted to charge the finest particles in the space (15) separating the gate from a first conductive portion of the internal wall of the conduit by diffusing unipolar ions through the gate;
    - an electrode (22), downstream of the diffusion charger, adapted to generate an electric field without a corona effect in the space (21) separating the electrode (22) from a second conductive portion (24) of the internal wall of the conduit and to thus collect the finest particles, previously charged by the diffusion charger, by deposition onto a first collection zone (Zn);
    - an electric field charger (30), downstream of the ion diffusion charger and of the nanoparticle collection zone, comprising an electrode (32) in the form of a wire or a point adapted to generate an electric field with a corona effect in the space (31) separating the wire or the point from a third conductive portion (34, 6) of the internal wall of the conduit and to thus charge, then collect, the biggest particles by deposition onto a second collection zone (Zm) distinct from the first collection zone.
  5. The collection device as claimed in claim 4, wherein:
    - the conduit (11) is a hollow cylinder of revolution about a longitudinal axis (X);
    - the suction means are formed by a pump (42);
    - the first, second and third conductive portions of the wall are cylinder portions (11, 24, 34) forming part of the conduit;
    - the field charger (30) comprises an electrode in the form of a wire (32) in a wire-cylinder configuration with the corresponding cylinder portion (34);
    - the ion diffusion charger wire (12), the electrode (22) for generating an electric field without a corona effect and the wire (32) of the field charger (30) are distinct parts and are successively arranged one behind the other along the axis (X).
  6. The collection device as claimed in claim 4, wherein:
    - the conduit (11) comprises a hollow element of revolution about a longitudinal axis (X) and a flat substrate (6) arranged at one end of the hollow element orthogonal to the axis (X), the distance separating the hollow element from the flat substrate (6) and its possible support (5) defining the dimensions of the outlet orifice (18), the flat substrate forming a collection substrate defining both the first (Zn) and the second (Zm) collection zone;
    - the suction means are formed by the outlet orifice (18);
    - the first conductive portion of the wall is a portion of revolution forming the conduit;
    - the second and third conductive portions are grouped on the same collection substrate (6);
    - the field charger (30) comprises an electrode in the form of a point (32) in a point-plane configuration with the collection substrate (6), the point (32) being adapted to generate a corona effect participating in the field charging of the particles but also for creating an electric field promoting the collection of species previously charged by the ion diffusion charger (10);
    - the wire (12) of the ion diffusion charger (10), the electrode (22) and the point (32) of the field charger (30) are portions of the same part exhibiting electrical continuity that extends along the axis (X).
  7. The collection device as claimed in claim 6, comprising plasma actuators (8) arranged in the vicinity of the outlet (18).
  8. The collection device as claimed in one of claims 4 to 7, comprising a high-voltage power supply, preferably between 2 and 6 kV, wherein the wire (12) of the ion diffusion charger, the collection electrode rod (22) and the wire or the point (32) of the field charger (30) are connected to the high-voltage power supply,.
  9. The collection device as claimed in one of claims 4 to 8, comprising a low-voltage power supply, preferably of approximately 100 V, wherein the gate (14) is connected to the low-voltage power supply.
  10. The collection device as claimed in one of claims 4 to 9, the first, second and third conductive portions (11, 24; 34 or 6) being connected at zero potential.
  11. The collection device as claimed in one of claims 4 to 10, forming an air ionization chamber.
  12. The collection device as claimed in one of claims 4 to 11, forming a radioactive particle detector.
  13. The use of a device as claimed in one of claims 4 to 12 for collecting particles while separating nanoparticles into the first collection zone (Zn) and micron-sized particles into the second collection zone (Zm).
  14. The use of a device as claimed in one of claims 4 to 12 as an ionization chamber.
  15. The use of a device as claimed in one of claims 4 to 12 for evaluating the individual exposure of workers or of consumers to the nanoparticles.
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