Bei der Betastrahlen-Absorptionsmethode handelt es sich um eine Messmethode, die das Prinzip nutzt, dass Betastrahlen proportional zur Masse einer Substanz abgeschwächt werden, wenn die Substanz mit Betastrahlen, einer Strahlungsart, bestrahlt wird.
Betastrahlen sind Hochgeschwindigkeitselektronen (geladene Teilchen), die beim Zerfall instabiler Atomkerne freigesetzt werden. Wenn Betastrahlen eine Substanz durchdringen, kollidieren sie mit den Atomen der Substanz und verursachen eine Ionisierung und Anregung (Elektronenorbitale steigen auf ein höheres Energieniveau) der Atome mit Absorption der Betastrahlen und Emission elektromagnetischer Wellen (Röntgenstrahlen) mit Änderung der Betastrahlenorbitale, was zu einer Abschwächung der Intensität der Betastrahlen führt. Diese Abschwächung der Betastrahlen ist proportional zur Masse (Dicke) der durchdringenden Substanz.
Mit diesem Prinzip kann die Massenkonzentration＊1 von Partikeln in der Umgebungsluft＊2 gemessen werden. In den folgenden Abschnitten wird die Messung von Partikeln in der Umgebungsluft mit der Betastrahlenabsorptionsmethode beschrieben.
*1 : Massenkonzentration: Masse der Partikel pro Volumeneinheit der Atmosphäre. Die Einheit ist μg/m3.
*2: Umgebungspartikel: In der Atmosphäre schwebende Partikel.
Abbildung 1: Messprinzip der Massenkonzentration von Partikeln in der Luft durch Betastrahlenabsorption
Bei der Betastrahlen-Absorptionsmethode werden in der Umgebung vorhandene Partikel auf einem Filter (Filterpapier) gesammelt.
Die gesammelten Partikel werden mit Betastrahlen bestrahlt und die Intensität der Betastrahlen gemessen, die den Filter passieren. (Abbildung 1)
Betastrahlen haben die Eigenschaft, mit zunehmender Masse (Dicke) der Substanz, die sie durchdringen, exponentiell schwächer zu werden. Daher kann die Masse der in der Umgebung gesammelten Partikel mithilfe von Gleichung 1 berechnet werden. Da der Massenabsorptionskoeffizient „μm“ nahezu konstant ist, kann die Masse der in der Umgebung gesammelten Partikel „Xm“ auf dem Filter aus dem Verhältnis von „I“ und „I0“ ermittelt werden.
Xm = ln(I0/I)/μm (Gleichung 1)
Xm: Masse der Umgebungspartikel auf dem Filter
I: Intensität der Betastrahlen, die durch den Filter gelangt sind, und der aufgefangene Partikelstaub
I0: Intensität der Betastrahlen, die nur den Filter passiert hat
μm: Massenabsorptionskoeffizient
Gleichung 1: Berechnung der Masse von Partikeln in der Umgebungsluft durch Absorption von Betastrahlen
Die Massenkonzentration des Umgebungsstaubs berechnet sich aus „Xm“ und dem Volumen der Probenumgebungsluft bei der Erfassung des Umgebungsstaubs.
In den folgenden Beschreibungen werden Analysatoren, die die Massenkonzentration von Partikeln in der Umgebungsluft mithilfe der Betastrahlenabsorptionsmethode messen, einfach als Umgebungspartikelmonitore oder Umgebungsstaubmonitore bezeichnet.
Abbildung 2: Aufbau des Umgebungspartikelmonitors
Gesamtstruktur des Umgebungspartikelmonitors
Der Umgebungspartikelmonitor misst automatisch die Massenkonzentration mithilfe von Betastrahlen, die durch kontinuierlich auf Papier (Filter) gesammelte Partikel abgeschwächt werden. Der Umgebungspartikelmonitor besteht aus einem Lufteinlass, einem Partikelgrößenabscheider (z. B. Impaktor, Zyklon), einem Filtersammelmechanismus, einer Betastrahlenquelle, einem Szintillationsdetektor, einem Durchflusssensor und einem Signalverarbeitungsabschnitt. (Abbildung 2)
Im Probenahmeabschnitt strömt die Probenluft nach dem Passieren eines Lufteinlasses zu einem Partikelgrößenabscheider, der verhindert, dass großer Staub, Insekten und Regen in die Umgebungsluft gelangen. Der Partikelgrößenabscheider sortiert die Partikel in der Probenluft nach dem Durchmesser der zu messenden Partikel. Die sortierten Partikel werden durch den Filtersammelmechanismus mit konstanter Durchflussrate auf einem Filter gesammelt.
Grafik 1: Zusammenhang zwischen Partikeldurchmesser und Abscheideleistung
Partikelgrößenabscheider
In der Umgebungsluft befindliche Partikel verhalten sich je nach Größe unterschiedlich im Körper und haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Gesundheit. Daher werden sie im Allgemeinen nach ihrem Partikeldurchmesser in die folgenden drei Gruppen unterteilt.
PM2.5 (Particulate Matter 2.5): Wird allgemein als Feinstaub bezeichnet. In der Luft schwebende Feinstaubpartikel mit einem Durchmesser von etwa 2,5 μm. Insbesondere Partikel mit einem Durchmesser von 2,5 μm werden mit einer Abscheideleistung von 50 % aufgefangen.
PM10 (Particulate Matter 10): Feinstaubpartikel mit einem Durchmesser von etwa 10 μm, die in der Luft schweben. Insbesondere Partikel mit einem Durchmesser von 10 μm werden mit einer Abscheideleistung von 50 % abgeschieden.
SPM (Suspended Particulate Matter): Im Allgemeinen als Schwebstaub bezeichnet. Partikel mit einem Durchmesser von 10 μm oder weniger (anders als PM10), die in der Luft schweben.
Die Abscheideleistung ist ein wichtiger Leistungsindikator eines Partikelgrößenabscheiders und gibt an, wie viel Prozent der Partikel eines bestimmten Durchmessers abgeschieden werden. Grafik 1 zeigt die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Abscheideleistung.
Beispielsweise weist der oben beschriebene PM2.5-Partikelgrößenabscheider mit 50 % Abscheideleistung die Leistung auf, dass, wenn dem Gerät einige Partikel mit einem Durchmesser von 2,5 µm zugeführt werden, die Hälfte davon aufgefangen wird und die andere Hälfte nicht. Andere Partikel als PM2.5 werden entsprechend ihrem eigenen Durchmesser (entspricht dem Durchmesser des aerodynamischen Partikelmaterials) und ihrer Abscheideleistung (entspricht dem Inhaltsanteil) auf der PM2.5-Kurve (rote Kurve) in Grafik 1 aufgefangen.
Typische Arten von Partikelgrößenabscheidern sind Impaktoren, Zyklone und mehrstufige Siebe. Bei Partikeln besteht eine Korrelation zwischen Durchmesser und Masse, und diese Partikelgrößenabscheider nutzen verschiedene Kräfte für die Masse der Partikel, um die Partikel mit gleichem Durchmesser zu sammeln. Die Impaktoren nutzen Trägheitskräfte, Zyklone nutzen Zentrifugalkräfte und mehrstufige Siebe nutzen Schwerkraftablagerung. Impaktoren und Zyklone sind die wichtigsten Partikelgrößenabscheider, die zur Messung von Partikeln in der Umgebung verwendet werden. Hier ist ein kurzes Prinzip von Impaktoren (Abbildung 3) und Zyklonen (Abbildung 4).
Abbildung 3: Aufbau und Prinzip des Impaktors
Der Impaktor nutzt die Trägheitskraft, um Partikel nach Masse zu trennen. Ein durch eine rechteckige Düse erzeugter Probenluftstrom (blauer Pfeil) trifft auf eine Prallplatte (blauer Pfeil) und ändert seine Richtung (roter Pfeil). Schwere Partikel treffen auf die Prallplatte und werden auf dieser Platte gesammelt. Leichte Partikel strömen mit der Probenluft stromabwärts (roter Pfeil).
Abbildung 4: Zyklonstruktur und Prinzip
Der durch den Zykloneinlass eingeführte Probenluftstrom beschleunigt, während er dem Zyklonkegel folgt, und bildet einen Wirbelstrom (blauer Pfeil) und einen Umkehrstrom (roter Pfeil). Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Zentrifugal- und Widerstandskräften werden schwere Partikel in der Probenluft durch den Wirbelstrom entlang des Kegels getragen und gesammelt, während leichte Partikel durch den Umkehrstrom abgetrennt werden.
Foto 1: Tatsächlicher Probenahmeabschnitt
HORIBA sammelt PM2.5 aus der Umgebungsluft durch die Kombination von Prallkörpern und Zyklonen. (Foto 1)
Insekten, grober Staub und Regen werden am Lufteinlass entfernt, PM10 in der Probenluft wird durch den Impaktor getrennt und PM2.5 wird durch den Impaktor zusätzlich vom PM10 getrennt und durch den Zyklon gesammelt.
Foto 2: Beispiel für auf einem Filterband gesammelte Feinstaubpartikel
Die Probenluft, die die durch den Partikelgrößenabscheider abgetrennten Partikel enthält, wird durch einen Filter geleitet, und nur die abgetrennten Partikel werden auf dem Filter gesammelt. (Foto 2) Für eine kontinuierliche automatische Messung von Partikeln ist ein Mechanismus erforderlich, der eine Rolle bandförmigen Filters (Filterband) aufwickelt, oder ein Mechanismus, der mehrere Filter vorbereitet und automatisch wechselt. HORIBA verwendet das Filterband, um Partikel aus der Umgebungsluft zu sammeln. (Foto 2)
Die Maschenweite des Filters muss kleiner sein als der gewählte Durchmesser des Partikels und muss einen ungehinderten Luftdurchgang ermöglichen. Die Filtereffizienz der Partikel wird durch die Maschenweite des Filters beeinflusst. Die Filtereffizienz der Umgebungspartikel muss mindestens 99,7 % betragen. Filter bestehen normalerweise aus Glasfaser oder Materialien auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE).
Foto 3: Filterband
Darüber hinaus muss das Material möglichst dünn sein, um die Absorption von Betastrahlen im Filter selbst zu minimieren. So beträgt beispielsweise die durchschnittliche Dicke (Filmdicke) von HORIBA Filterbändern 140 μm. (Foto 3)
Bei Verwendung des automatischen Filterband-Rückspulmechanismus dürfen die auf dem Filterband gesammelten Partikel nicht an der Rückseite des zurückgespulten Filterbands haften bleiben, falls die auf dem zurückgespulten Filterband gesammelten Partikel erneut analysiert werden müssen.
Betastrahlenquelle
HORIBA verwendet 14 C* als Betastrahlenquelle, eine sichere, versiegelte Strahlungsquelle mit einer Quellstärke von weniger als 10 MBq, die ohne besondere Handhabungsqualifikationen oder Benachrichtigungen verwendet werden kann.
*14 C kommt natürlich vor und wird aufgrund seiner langen Halbwertszeit von 5.700 Jahren auch für Anwendungen wie die Radiokarbondatierung verwendet.
Detektor (Szintillationsdetektor)
Ein Szintillationsdetektor besteht aus einem Szintillator und einem PMT (Photomultiplier Tube). Der Szintillator ist ein fluoreszierendes Material, das Strahlung absorbiert und sofort Licht emittiert. Die Betastrahlen, die das Filterband mit den gesammelten Partikeln durchdringen, gelangen in den Szintillator, emittieren Licht und werden vom PMT erkannt. Dieser PMT-Erkennungswert wird in Gleichung 1 verwendet, um die Masse der gesammelten Partikel zu berechnen. Die Massenkonzentration (μg/m3) der gesammelten Partikel wird dann aus dem Wert der berechneten Masse und dem gemessenen Wert des Durchflusssensors berechnet.
Foto 4: Standard-Dämpfungsfolie
Da es schwierig ist, die Empfindlichkeit des Messbereichs anhand der tatsächlich auf dem Filterband gesammelten Partikel zu überprüfen, wird ein dünner Film verwendet, der Betastrahlen in der gleichen Menge dämpft wie die auf dem Filterband gesammelten Partikel. Dieser dünne Film (Standard-Dämpfungsfilm) besteht aus Mylar, Polyimid oder anderen Materialien. (Foto 4)
Abbildung 5: Standard-Dämpfungsfolie zur Überprüfung der Empfindlichkeit der Messstrecke
Mit diesem standardmäßigen Dämpfungsfilm lässt sich die Messgenauigkeit des Messabschnitts leicht aufrechterhalten, indem die Messempfindlichkeit regelmäßig überprüft wird. (Abbildung 5)
Während des Wartens auf die Messung können die Partikel in der Luft im Inneren des Monitors am dünnen, elektrisch geladenen Filterband auf PTFE-Basis haften bleiben. Dies kann durch die Verwendung eines Filterbands mit möglichst geringer Ladung verringert werden. HORIBA hat ein eigenes Filterband entwickelt, das PTFE-basierte Materialien und Vliesstoffe kombiniert. Im Vergleich zu reinen PTFE-Filterbändern weist dieses Filterband eine geringere Hygroskopizität und eine geringere elektrostatische Ladung auf, wodurch die Faktoren, die die Messungen beeinflussen, reduziert werden. (Tabellen 1 und 2)
Tabelle 1: Vergleich der Hygroskopizität von Filterbändern
Tabelle 2: Vergleich der Elektrifizierung für Filterbänder
Umgebungspartikel bestehen aus verschiedenen Substanzen wie anorganischen organischen Elementen und werden je nach Partikeldurchmesser in SPM, PM2.5, PM10 usw. eingeteilt. Je kleiner die Partikel sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie tief in den Körper eindringen und Atemwegserkrankungen verursachen. Die Monitore, die die Betastrahlenabsorptionsmethode verwenden, werden aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit verwendet, um die Partikel in der Umgebungsluft in einer Vielzahl von Umgebungen zu messen.
Umgebung
PM-Probenahmefilterband/Filter
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