NO301671B1 - Partikkelanalyse for bestemmelse av graden av partiklers symmetri - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår teknikken for analyse av fluidbårne partikler og gjelder særlig en partikkelanalysator for bruk ved bestemmelse av graden av sådanne partiklers symmetri.

For eksempel ved undersøkelse av aerosoler, aerosolspredning og regulering av luftbåren partikkelforurensning foreligger det krav om rask bestemmelse av partikkel-størrelsesfordelingen, særlig i diameterområdet 1-10 pm, sammen med en viss kunnskap om geometri og symmetri for de enkelte partikler. Den sistnevnte informasjon kan f.eks. gjøre det mulig å identifisere partikler med sfærisk symmetri og således tillate telling og/eller overvåking av væskedråper i et miljø som omfatter andre faste, ikke kuleformede partikler. I forbindelse med foreliggende beskrivelse er da betegnelsen partikler ment å gjelde både faste legemer og væskedråper.

Ved utførelse av sådanne teknikker er det ønskelig å kunne telle de enkelte partikler i en partikkelstikkprøve i en takt på vanligvis 20.000 partikler pr sekund, for derved å kunne skjelne mellom kuleformede og ikke-kuleformede partikler innenfor stikkprøven og foreta telling av hver partikkeltype. Et annet ønskelig særtrekk er å kunne inndele sfæriske partikler med diametre på 0,5 - 15 pm i et antall størrelsesområder, samt også i denne forbindelse å kunne klassifisere partikkelforekomster som "ikke-sfæriske" for således ignorere dem ved beregning av størrelsesspektra.

De normale teknikker ved undersøkelse av partikler, slik de utnyttes i flere kommersielt tilgjengelige instrumenter, benytter påvisning og analyse av elektromagnetisk utstråling som spres av partiklene. Alle sådanne instrumenter anvender en mekanisk mekanisme for å drive stikkprøveluften gjennom et "avfølingsområde" hvor de fremførte partikler bestråles av den innfallende elektromagnetiske stråling. Den stråling som spres av partiklene mottas av en eller flere detektorer som omformer energien til elektriske signaler som informasjon kan utledes fra ved hjelp av hensiktsmessige elektriske kretser.

En klasse instrumenter som er kommersielt tilgjengelig tillater oppsamling av spredt stråling samtidig fra store antall partikler og anvender denne informasjon for å bestemme en middelverdi av partikkelmasse pr volumenhet gass eller luft, eller den statistiske middelverdi av partikkelmaterialets størrelsesfordeling. Disse instrumenter er ikke i stand til å undersøke de enkelte partikler og kan derfor heller ikke gi nøyaktige partikkeltelle-verdier eller informasjon angående partiklenes morfologi.

En annen instrumentkasse utnytter laminære strømningsegenskaper for å begrense partiklene til et mindre avfølingsvolum og kan da ved fokusering av den innfallende elektromagnetiske stråling på en eller annen måte undersøke de enkelte partikler, samt komme frem til en partikkeltelling og eventuelt tilnærmet størrelsefordeling.

Særlig beskriver US-patent nr. 4 606 636 en apparatur hvor en stikkprøve som inne-holder partikler bestråles i fokus for en ikke-divergerende kvadratisk reflektor og spredte stråler analyseres for å identifiere egenskaper som bestemmes av flere parametre, slik som deformerbare og faste partiklers størrelse, volum og absorpsjon. Dessuten gir K.R Spurny: "Physical and chemical characterization of individual airborne particles"; 1986, Ellis Horwood, Chichester, Storbritannia; kapittel 6, J. Allen: " Size and shape measure-ment of individual aerosol particles by asymmetric laser light scattering", side 101 - 115, lærdom om å utnytte operasjonsforsterkere for å utlede sum- og differanse-signaler ut fra to detektorer plassert omkring det punkt fra hvilket spredningen av bestrålingen av partiklene finner sted.

Disse tidligere kjente måleinstrumenter gir således til en viss grad informasjon om partikkelstørrelse og partikkelantall. Det foreligger imidlertid intet tilgjengelig instrument som er i stand til å gi informasjon om de enkelte fluidbårne partiklers grad av symmetri.

Det foreligger derfor behov for en partikkelanalysator som kan analysere de enkelte fluidbårne partikler for å gi informasjon om partiklenes grad av symmetri, således at f.eks. en symmetrifaktor kan tildeles de enkelte partikler.

I henhold til et aspekt av den foreliggende oppfinnelse er det frembragt en partikkelanalysator for bruk ved bestemmelse av graden av partiklers symmetri, og som omfatter: - utstyr for å frembringe en stikkprøve av luftbårne partikler i form av en laminær strømning,

- utstyr for å belyse stikkprøven med en laserstråle,

- utstyr for å rette den stråling som spres av de enkelte partikler i minst tre forutbestemte bakoverretninger samt en forutbestemt fremoverretning, mot respektive strålingskollektorer,

- detektorutstyr knyttet til hver kollektar for å påvise strålingen oppsamlet av dem,

- utstyr for å utlede data fra detektorene, som beskriver partiklene, og

- utstyr for å sammenligne disse data med data for partikler som har kjente former, for derved å bestemme graden av de enkelte partiklers symmetri.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da partikkelanalysator i henhold til oppfinnelsen som særtrekk at konfigurasjonen av strålingskollektorene er varierbar etter ønske, for å tillate oppsamling av stråling spredt med forskjellige forutbestemte vinkler.

Den spredte stråling reflekteres av en konkav reflektor, fortrinnsvis et elliptisk speil, som retter strålingen mot stråleoppsamlere. Ved hjelp av strålingsoppsamlere, fortrinnsvis optiske fibre anordnet konsentrisk omkring den ikke spredte stråle, plassert i et annet kammer, påvises stråling som spres i små vinkler og som føres igjennom et hull i det elliptiske speil. Den oppsamlede stråling omformes så til elektriske signaler, som behandles og analyseres, og ved sammenligning med data for kjente partikkelformer tildeles partiklene en symmetrifaktor.

I tillegg til denne symmetrifaktor må også partikkelstørrelsen bestemmes. Et stort antall partikler kan tildeles en symmetrifaktor og det samlede resultat av denne prosess sammenkoblet med de tilordnede størrelsespektra kan da utnyttes for å frembringe et topografiske "tommelfingeravtrykk" av partiklene innenfor et område og som kan være mer verdifult enn data for de enkelte partikler hver for seg.

Ved betraktning av kuleformethet kan kriteriet for å klassifisere partikler som kuleformede lett defineres som symmetrisk spredning om aksen for den bestrålende stråle av tilfeldig eller sirkulært polarisert stråling. Et antall strålingskollektorer er derfor anbragt radialt symmetrisk om refleksjonsaksen for den konkave reflektor.

Ved betraktning av graden av symmetri kan imidlertid dette arrangement av kollektorer ikke antas å være optimalt for analyse av partikkelsymmetrien. Spredekammerets utforming må muliggjøre den tilpassbarhet av kollektormønsteret som er spesielt påkrevet, således at kollektorenes plassering kan varieres etter ønske.

Fordelen ved denne teknikk er at man ved anvendelse av kollektoroptikk i form av optiske fibre lett kan simulere virkningen av å plassere nesten et hvilket som helst antall kollektorer i en hvilken som helst posisjon omkring størstedelen av spredningssfæren, en oppgave som ellers ville være ytterst vanskelig mekanisk sett. Med en høy grad av tilpasningsmuligheter kan således forskjellige detektorgeometrier utprøves uten behov for mekaniske forandringer av selve kammeret.

Et annen aspekt av oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for å bestemme graden av partiklers symmetri, og som omfatter at:

- en stikkprøve av luftbårne partikler opprettes i form av en laminær strømning,

- stikkprøven belyses med en laserstråle således at den stråling som spres av de enkelte partikler, reflekteres mot minst en kollektor for spredningen fremover og minst tre kollektorer for spredningen bakover, idet den stråling som oppsamles av hver kollektor detekteres,

- data som beskriver partiklene utledes fra den detekterte stråling, og

- disse data sammenlignes med data fra kjente former, for derved å bestemme graden av partikkelsymmetri.

På denne bakgrunn av prinsipielt kjent teknikk har da fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse som særtrekk at konfigurasjonen av strålingskollektorene kan varieres etter ønske, for å tillate oppsamling av stråling spredt med forskjellige forutbestemte vinkler.

Stikkprøven kan være en aerosol.

To utførelser av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet bare som eksempel og under henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 viser skjematisk og i snitt en partikkelanalysator for å analysere kuleformede

partikler.

fig. 2 viser et snitt gjennom analysatoren i fig. 1 langs linjen x-x, og fig. 3 viser skjematisk og sett i snitt fra siden et symmetrianalysesystem.

Fig. 1 viser oppfinnelsesgjenstanden i sin grunnleggende form hvor bare kuleformede partikler analyseres og hvor en parabolsk konkav reflektor 1 er anbragt i den ene ende av et spredningskammer 2. I den annen ende av spredningskammeret 2 og i flukt med hovedaksen for reflektoren 1 er det montert en laser 3 som langs reflektorens hovedakse retter en stråleformet utstråling 4 mot et hull 5 i reflektoren 1 og kammeret 2. Etter å ha passert gjennom hullet 5 trenger strålen 4 inn i et strålesluk 6 som typisk er utformet som et Rayleigh-horn.

En stikkprøve 7 i form av av en laminær luftstrøm rettes inn i kammeret 2 for i rett vinkel å avskjære laserstrålen 4 i brennpunktet for den parabolske reflektor 1. En partikkel i stikkprøven 7 vil avbøye strålingen ut fra strålen 4 mot reflektoren 1, som reflekterer den parallelt med hovedaksen til strålingskollektorer 8 nær laseren 3. Strålingskollektorene 8 kan være fotomultiplikatorenheter, optiske fibre som fører til sådanne enheter eller linser for å rette lyset mot fibre eller utstyrsenheter.

Som vist i fig. 2, er tre strålingskollektorer 8 anordnet radialt omkring strålen 4. Med et sådant arrangement kan det påvises symmetrisk strålespredning som vil identifisere sfæriske partikler. Faktisk kan et hvilket som helst antall strålingskollektorer 8 anordnes radialt omkring laserstrålen 4. Fig. 3 viser en foretrukket utførelse av en partikkelanalysator i henhold til foreliggende oppfinnelse og som er i stand til å analysere enkeltpartikler og tildele dem en symmetrifaktor. I denne utførelse er laseren 3 montert på undersiden av kammeret 2 og i en retning av 90° på hovedaksen for reflektoren 1. Strålen 4 blir reflektert langs reflektorens hovedakse ved hjelp av en prisme eller et speil 9 som er hensiktsmessig posisjons-innstilt på aksen. Laseren 3 kan imidlertid faktisk monteres hvor som helst omkring spredningskammeret 2 med et speil 9 i passende vinkel på aksen. Fig. 3 viser også at spredningskammeret 2 har en elliptisk reflektor 10 hvor skjæringspunktet mellom strålen 4 og partikkelstikkprøven 7 befinner seg i et brennpunkt for ellipsen, mens en kollektorlinse er montert nær det annet brennpunkt for å gjøre den reflekterte stråling til strålingskollektorene 8 parallell ved enden av kammeret 2. På dette sted representerer intensitetsfordelingen en modifisert avbildning i rommet av det som spres av en partikkel over omtrent 0,84 av en kuleflate. Fig. 1 viser at fluidstikkprøven 7 avgis i laminær strømning ved hjelp av et sjiktinntak 12 som avgir et sjikt av luft med konstant hastighet.

En viss vanskelighetsgrad erfares ved oppfanging og analyse av den stråling som spres

i retninger som danner små vinkler med retningen av strålen 4. Ved meget små vinkler (1 - 3°) overlagres sådan stråling av lysspredning fra laserens fokuseringsoptikk. For å overvinne dette forhold er det på hovedspredningskammeret 2 anordnet et annet

spredningskammer 13 koaksialt med hovedaksen for den konkave reflektor 1. Strålingskollektorer 8 er hensiktsmessig plassert i dette kammer for å samle opp stråling avbøyet i liten vinkel. Fig. 3 viser således en annet kammer 13 hvor optiske fibre 14 er anordnet omkring strålen 4. Disse optiske fibre 14 kan være anordnet i konsentriske ringer rundt strålen 4. Fibrene 14 gjør da tjeneste som strålingskollektorer som omformer den oppsamlede stråling til elektriske signaler for behandling og analyse.

Som vist i fig. 1 kan det annet kammer 13 alternativt ha en annen konkav reflektor som normalt vil ha form av en ellipsoid med skjæringspunktet mellom strålen 4 og partikkel-stikkprøven 7 som sitt annet eller fjerntliggende brennpunkt samt med en strålings-kollektor 15 i sitt første eller nære brennpunkt. Stråling avbøyet i små vinkler vil således treffe den elliptiske reflektor og bli rettet mot strålingskollektoren 15. Strålingskollektoren 15 kan anbringes vendt mot åpningen 5 på det første kammer, eller kan være anordnet i 90° på denne retning, slik som vist i fig. 1. Det sistnevnte arrangement vil da kunne samle opp forholdsvis mer stråling som har liten avbøyningsvinkel, men mindre samlet stråling, da avbøyninger bare i retning av kollektoroverflaten vil bli registrert.

Fig. 1 viser hvorledes stikkprøven 7 i bruk avgis i en laminær strøm ved hjelp av et sjikt av filtrert luft som tilføres med konstant hastighet omkring prøven. De ytre deler av stikkprøven vil således strømme med samme hastighet som de indre deler. Stikkprøv-ens ytre deler ville ellers ha en tendens til å strømme langsommere på grunn av friksjon med den stillestående luft tett inntil stikkprøvestrømmen. I tillegg, og mer viktig er det at det koaksialrør som tilfører luftsjiktet er utført for dynamisk å fokusere partiklene i stikkprøven slik at det oppnås en laminær partikkelstrømning. Dette gjør det lettere å rette partikkelstrømningen mot reflektorens brennpunkt.

Symmetripartikkelanalysatoren arbeider på følgende måte: Laserstrålen som frembring-es av en gasslaser, trenger inn i kammeret i rett vinkel på reflektoraksen og reflekteres 90° til en retning langs reflektorens hovedakse. Den stråling som spres av de enkelte partikler fra omkring 19 til 145° i forhold til stråleaksen, blir så avbøyet mot den ikke sfæriske oppsamlingslinse i den bakre del av kammeret. Denne linse gjør det frem-kommende lys parallelt, og intensitetsfordelingen over dette utgangsvindu representerer en modifisert etterligning i rommet av det som spres av vedkommende partikkel i en andel av omtrent 0,84 av en kuleflate.

Med oppsamlingslys i den form som er beskrevet ovenfor, kan plasseringen av de optiske fiberdetektorer for måling av lysfordelingen kunne varieres etter ønske. For å bestemme graden av partiklenes kuleform bør detektorene plasseres symmetrisk omrking utgangsvinduets akse. På denne måte og ved bruk av optisk fiberoptikk er det lett å simulere virkningen av å anbringe et nesten hvilket som helst antall detektorer i en hvilken som helst posisjon over størstedelen av spredningskulen i sin helhet.

På grunnlag av resultatene av teoretiske modeller og eksperimentelle resultater for kjente formers spredningsmønstre, anvendes algoritmer for å henføre en symmetrifaktor til partiklene. Behandlingen av data utledet fra partikler for å bestemme deres grad av symmetri kan utføres ved hjelp av en "transputer" for dette formål, f.eks. av den art som fremstilles av British Inmos Chip Manufacturers. En sådan radiell overføringsenhet anvendes for hver detektorkanal. På denne måte kan oppgaver som hittil er utført i serie på innkommende data fra de forskjellige kanaler, faktisk nå utføres på alle kanaler samtidig og derved gi en betraktelig økning i datagjennomløp.

Skjønt foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet ved hjelp av et eksempel og med henvisning til mulige utførelsesformer, skal det forstås at modifikasjoner eller forbedring-er kan utføres uten å avvike fra oppfinnelsens ramme, slik den er fastlagt ved de etterfølgende patentkrav.

Claims (1)

1. Partikkelanalysator for bruk ved bestemmelse av graden av partiklers symmetri, og som omfatter: - utstyr (12) for å frembringe en stikkprøve (7) av luftbårne partikler i form av en laminær strømning, - utstyr (3) for å belyse stikkprøven med en laserstråle (4), - utstyr (1, 2, 9, 10) for å rette den stråling som spres av de enkelte partikler i minst tre forutbestemte bakoverretninger samt en forutbestemt fremoverretning, mot respektive strålingskollektorer (8, 14, 15), - detektorutstyr knyttet til hver kollektor for å påvise strålingen oppsamlet av dem, - utstyr for å utlede data fra detektorene, som beskriver partiklene, og - utstyr for å sammenligne disse data med data for partikler som har kjente former, for derved å bestemme graden av de enkelte partiklers symmetri, karakterisert vedat konfigurasjonen av strålingskollektorene (8, 14, 15) er varierbar etter ønske, for å tillate oppsamling av stråling spredt med forskjellige forutbestemte vinkler.

2. Partikkelanalysator som angitt i krav 1, karakterisert vedat laserstrålen (4) er tilfeldig eller sirkulært polarisert.

3. Partikkelanalysator som angitt i krav 2, karakterisert vedat i en konfigurasjon er strålingskollektorene (8, 14) plassert radialt symmetrisk om en sentralakse bestemt av laserstrålen (4).

4. Partikkelanalysator som angitt i et av de forutgående krav, karakterisert vedat utstyret for å rette strålingen er en konkav reflektor (1,

10).

5. Partikkelanalysator som angitt i krav 3 og 4, karakterisert vedat sentralaksen er refleksjonsaksen for den konkave reflektor (1, 10).

6. Partikkelanalysator som angitt i krav 4 eller 5, karakterisert vedat den konkav reflektor (10) er en elliptisk reflektor.

7. Partikkelanalysator som angitt i et av de forutgående krav, karakterisert vedat detektorene er fotomultiplikatorer.

8. Partikkelanalysator som angitt i krav 1-4, karakterisert vedat detektorene er optiske fibre.

9. Fremgangsmåte for å bestemme graden av partiklers symmetri, og som omfatter at: - en stikkprøve av luftbårne partikler opprettes i form av en laminær strømning, - stikkprøven belyses med en laserstråle således at den stråling som spres av de enkelte partikler, reflekteres mot minst en kollektor for spredningen fremover og minst tre kollektorer for spredningen bakover, idet den stråling som oppsamles av hver kollektor detekteres, - data som beskriver partiklene utledes fra den detekterte stråling, og - disse data sammenlignes med data fra kjente former, for derved å bestemme graden av partikkelsymmetri, karakterisert vedat konfigurasjonen av strålingskollektorene (8, 14, 15) kan varieres etter ønske, for å tillate oppsamling av stråling spredt med forskjellige forutbestemte vinkler.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 9, karakterisert vedat laserstrålen polariseres tilfeldig eller sirkulært.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 9 eller 10, karakterisert vedat den stråling som spres av de enkelte partikler, reflekteres av en konkav reflektor mot lyskollektorene.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 11, karakterisert vedat den konkave reflektor utføres med en ellipsisk indre flate.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 11 eller 12, karakterisert vedat kollektorene for spredningen bakover plasseres radialt symmetrisk om reflektorens refleksjonsakse.

14. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 9-13, karakterisert vedat detektorene utgjøres av fotomultiplikatorer.

15. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 9-13,karakterisert vedat kollektorene utgjøres av optiske fibre.