Tabla de contenido
・ ¿Qué es el método de absorción de rayos beta?
・ Principio de medida de la concentración de masa mediante el método de absorción de rayos beta
・ Estructura y principio de funcionamiento del monitor de partículas ambientales
・ Reducción de factores que influyen en la medición
・ Productos relacionados
El método de absorción de rayos beta es un método de medición que utiliza el principio de que los rayos beta se atenúan en proporción a la masa de una sustancia cuando ésta se irradia con rayos beta, un tipo de radiación.
Los rayos beta son electrones de alta velocidad (partículas cargadas) expulsados por la desintegración de núcleos atómicos inestables. Cuando los rayos beta pasan a través de una sustancia, chocan con los átomos de la sustancia, lo que provoca la ionización y excitación (los orbitales de los electrones se elevan a un nivel de energía más alto) de los átomos con absorción de rayos beta y emisión de ondas electromagnéticas (rayos X) con cambio de orbital de rayos beta, lo que resulta en la atenuación de la intensidad de los rayos beta. Esta atenuación de los rayos beta es proporcional a la masa (grosor) de la sustancia que pasa a través.
La concentración de masa＊1 de partículas en suspensión en el ambiente＊2 se puede medir utilizando este principio. Las siguientes secciones describen la medición de partículas en suspensión en el ambiente utilizando el método de absorción de rayos beta.
*1 : Concentración de masa: masa de partículas en suspensión por unidad de volumen de atmósfera. La unidad es μg/m3.
*2 : Partículas ambientales: Partículas suspendidas en la atmósfera.
Figura 1: Principio de medición de la concentración de masa de partículas ambientales mediante absorción de rayos beta
En el método de absorción de rayos beta, las partículas ambientales se recogen en un filtro (papel de filtro).
Las partículas ambientales recolectadas se irradian con rayos beta y se mide la intensidad de los rayos beta que pasan a través del filtro. (Figura 1)
Los rayos beta tienen la propiedad de atenuarse exponencialmente a medida que aumenta la masa (espesor) de la sustancia que penetran. Como resultado, la masa de partículas ambientales recolectadas se puede calcular utilizando la ecuación 1. Dado que el coeficiente de absorción de masa "μm" es casi constante, la masa de partículas ambientales "Xm" en el filtro se puede obtener a partir de la relación entre "I" e "I0".
Xm = ln(I0/I)/μm (Ecuación 1)
Xm: Masa de partículas ambientales en el filtro
I: Intensidad de los rayos beta que pasan a través del filtro y materia particulada ambiental recolectada
I0: Intensidad de rayos beta que pasan únicamente a través del filtro
μm: Coeficiente de absorción de masa
Ecuación 1: Cálculo de la masa de partículas ambientales por absorción de rayos beta
La concentración de masa de partículas ambientales se calcula a partir de "Xm" y el volumen de aire ambiental de muestra cuando se recogen las partículas ambientales.
En las siguientes descripciones, los analizadores que miden la concentración de masa de partículas en el aire ambiente utilizando el método de absorción de rayos beta se describirán simplemente como monitores de partículas ambientales o monitores de polvo ambiental.
Figura 2: Estructura del monitor de partículas ambientales
Estructura general del monitor de partículas ambientales
El monitor de partículas ambientales mide automáticamente la concentración de masa mediante rayos beta atenuados por la materia particulada recolectada continuamente en papel (filtro). El monitor de partículas ambientales consta de una entrada de aire, un separador de tamaño de partículas (por ejemplo, un impactador, un ciclón), un mecanismo de recolección de filtros, una fuente de rayos beta, un detector de centelleo, un sensor de flujo y una sección de procesamiento de señales. (Figura 2)
En la sección de muestreo, el aire de muestra fluye hacia un separador de tamaño de partículas después de pasar por una entrada de aire que evita que entren en el aire ambiente partículas de polvo de gran tamaño, insectos y lluvia. El separador de tamaño de partículas clasifica las partículas en el aire de muestra según el diámetro de las partículas que se van a medir. Las partículas clasificadas se recogen en un filtro a un caudal constante mediante el mecanismo de recogida del filtro.
Gráfico 1: Relación entre el diámetro de las partículas y la eficiencia de recolección
Separador de tamaño de partículas
Las partículas ambientales tienen un comportamiento diferente en el cuerpo y efectos sobre la salud dependiendo de su tamaño, por lo que generalmente se dividen en los siguientes tres grupos de diámetro de partículas.
PM2.5 (Particulate Matter 2.5): Comúnmente denominada como material particulado fino. Material particulado fino suspendido en el aire con un diámetro de aproximadamente 2,5 μm. En concreto, el material particulado con un diámetro de 2,5 μm se recoge con una eficiencia de recogida del 50 %.
PM10 (partículas de material 10): partículas finas suspendidas en el aire con un diámetro de aproximadamente 10 μm. En concreto, las partículas de material con un diámetro de 10 μm se recogen con una eficacia de recogida del 50 %.
SPM (Suspended Particulate Matter): Generalmente se denomina materia particulada en suspensión. Materia particulada de 10 μm o menos de diámetro (diferente de PM10) que se encuentra suspendida en el aire.
La eficiencia de recolección es un indicador importante del rendimiento de un separador de partículas y representa el porcentaje de partículas de un diámetro determinado que se recolectan. El gráfico 1 muestra la relación entre el diámetro de las partículas y la eficiencia de recolección.
Por ejemplo, el separador de partículas PM2,5 con una eficiencia de recolección del 50 % descrito anteriormente tiene el rendimiento de que si se introducen en el dispositivo partículas de un diámetro de 2,5 µm, la mitad de ellas se recolectará y la otra mitad no. Las partículas distintas de PM2,5 se recolectan de acuerdo con su propio diámetro (que corresponde al diámetro de la materia particulada aerodinámica) y la eficiencia de recolección (que corresponde al índice de contenido) en la curva PM2,5 (curva roja) del Gráfico 1.
Los tipos típicos de separadores de tamaño de partículas son los impactadores, los ciclones y los tamices multietapa. Existe una correlación entre el diámetro y la masa de las partículas y estos separadores de tamaño de partículas utilizan una variedad de fuerzas para la masa de partículas con el fin de recolectar las partículas con el mismo diámetro. Los impactadores utilizan la fuerza inercial, los ciclones utilizan la fuerza centrífuga y los tamices multietapa utilizan la sedimentación gravitacional. Los impactadores y los ciclones son los principales separadores de tamaño de partículas que se utilizan para medir las partículas ambientales. A continuación, se presenta un breve principio de los impactadores (Figura 3) y los ciclones (Figura 4).
Figura 3: Estructura y principio del impactador
El impactador utiliza la fuerza de inercia para separar las partículas por masa. Una corriente de aire de muestra (flecha azul) generada a través de una boquilla rectangular golpea una placa de impacto (flecha azul) y cambia de dirección (flecha roja). Las partículas pesadas chocan con la placa de impacto y se acumulan en ella. Las partículas ligeras fluyen corriente abajo (flecha roja) con la muestra de aire.
Figura 4: Estructura y principio del ciclón
El flujo de aire de muestra introducido desde la entrada del ciclón se acelera a medida que sigue el cono del ciclón, formando un flujo en remolino (flecha azul) y un flujo inverso (flecha roja). Debido a la interacción entre las fuerzas centrífugas y de arrastre, las partículas pesadas en el aire de muestra son transportadas a lo largo del cono por el flujo en remolino y recolectadas, mientras que las partículas ligeras son separadas por el flujo inverso.
Foto 1: Sección de muestreo real
HORIBA recoge PM2,5 del aire ambiente combinando impactadores y ciclones. (Foto 1)
Los insectos, el polvo grande y la lluvia se eliminan en la entrada de aire, el PM10 en el aire de muestra se separa mediante el impactador y el PM2,5 se separa y recoge aún más mediante el ciclón del PM10 mediante el impactador.
Fotografía 2: Ejemplo de partículas ambientales recogidas en una cinta filtrante
El aire de muestra que contiene las partículas divididas por el separador de tamaño de partículas pasa a través de un filtro, y sólo las partículas separadas se recogen en el filtro. (Foto 2) Para la medición automática continua de partículas, es necesario tener un mecanismo que enrolle un rollo de filtro tipo cinta (cinta de filtro), o un mecanismo que prepare varios filtros y los cambie automáticamente. HORIBA utiliza la cinta de filtro para recoger las partículas en suspensión en el aire ambiente. (Foto 2)
El tamaño de la malla del filtro debe ser menor que el diámetro seleccionado de las partículas y permitir que el aire pase sin problemas a través del filtro. La eficiencia de recolección de partículas en el filtro cambia según el tamaño de la malla del filtro. La eficiencia de recolección de partículas ambientales debe ser de al menos el 99,7 %. Los filtros suelen estar hechos de fibra de vidrio o materiales a base de politetrafluoroetileno (PTFE).
Foto 3: Cinta de filtro
Además, el material debe ser lo más fino posible para minimizar la absorción de rayos beta en el propio filtro. Por ejemplo, el espesor medio (espesor de película) de las cintas filtrantes HORIBA es de 140 μm. (Foto 3)
Cuando se utiliza el mecanismo de rebobinado automático de la cinta filtrante, las partículas recolectadas en la cinta filtrante no deben adherirse a la parte posterior de la cinta filtrante rebobinada, en caso de que sea necesario analizar nuevamente las partículas recolectadas en la cinta filtrante rebobinada.
Fuente de rayos beta
HORIBA utiliza 14 C* como fuente de rayos beta, que es una fuente de radiación sellada y segura con una intensidad de fuente inferior a 10 MBq y puede utilizarse sin necesidad de calificaciones de manipulación especiales ni notificación.
*El 14 C se encuentra en la naturaleza y también se utiliza en aplicaciones como la datación por radiocarbono, debido a su larga vida media de 5.700 años.
Detector (detector de centelleo)
Un detector de centelleo consta de un centelleador y un tubo fotomultiplicador (PMT). El centelleador es un material fluorescente que absorbe la radiación y emite luz inmediatamente. Los rayos beta que pasan a través de la cinta filtrante con las partículas recogidas entran en el centelleador, emitiendo luces, que son detectadas por el PMT. Este valor de detección del PMT se utiliza en la ecuación 1 para calcular la masa de las partículas recogidas. A continuación, se calcula la concentración de masa (μg/m 3) de las partículas recogidas a partir del valor de la masa calculada y el valor medido del sensor de flujo.
Foto 4: Película atenuante estándar
Dado que es difícil comprobar la sensibilidad de la sección de medición utilizando las partículas realmente recogidas en la cinta filtrante, se utiliza una película fina que atenúa los rayos beta de forma equivalente a las partículas recogidas en la cinta filtrante. Esta película fina (película atenuadora estándar) está hecha de mylar, poliimida u otros materiales. (Foto 4)
Figura 5: Película atenuadora estándar para comprobar la sensibilidad de la sección de medición
Esta película atenuante estándar facilita el mantenimiento de la precisión de la medición de la sección de medición al verificar periódicamente la sensibilidad de la medición. (Figura 5)
Las partículas en suspensión en el aire dentro del monitor mientras se espera la medición pueden adherirse a la delgada cinta filtrante de PTFE cargada eléctricamente. Esto se puede reducir utilizando la cinta filtrante con la menor carga posible. HORIBA ha desarrollado una cinta filtrante patentada que combina materiales basados en PTFE y telas no tejidas. En comparación con las cintas filtrantes que solo contienen PTFE, esta cinta filtrante tiene una menor higroscopicidad y una menor carga electrostática, lo que reduce los factores que influyen en las mediciones. (Tablas 1 y 2)
Tabla 1: Comparación de la higroscopicidad de las cintas filtrantes
Tabla 2: Comparación de la electrificación de las cintas filtrantes
Las partículas en suspensión en el aire ambiente están compuestas por diversas sustancias, como elementos orgánicos inorgánicos, y se clasifican en SPM, PM2.5, PM10, etc. según el diámetro de las partículas. Cuanto más pequeñas sean las partículas, más probabilidades hay de que penetren profundamente en el cuerpo y provoquen enfermedades respiratorias. Los monitores que utilizan el método de absorción de rayos beta se utilizan para medir las partículas en suspensión en el aire ambiente en una variedad de entornos debido a su facilidad de uso.
Cinta/filtro de muestreo de PM
Tabla de contenido
・ ¿Qué es el método de absorción de rayos beta?
・ Principio de medida de la concentración de masa mediante el método de absorción de rayos beta
・ Estructura y principio de funcionamiento del monitor de partículas ambientales
・ Reducción de factores que influyen en la medición
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