วิธีการดูดซึมรังสีเบต้า (β)

สารบัญ

・ วิธีการดูดซับรังสีเบต้าคืออะไร?
・ ทฤษฎีการตรวจวัด ความเข้มข้นของมวลโดยใช้วิธีการดูดกลืนรังสีเบตา
・ โครงสร้างและหลักการทำงานของเครื่องตรวจจับอนุภาคในบรรยากาศ
・ การลดปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการวัดผล
・ สินค้าที่เกี่ยวข้อง

ทฤษฎีการตรวจวัด

วิธีการดูดซึมรังสีเบตาคืออะไร?

วิธีการดูดกลืนรังสีเบตาเป็นวิธีการวัดที่ใช้หลักการที่ว่ารังสีเบตาจะลดทอนลงตามสัดส่วนมวลของสารเมื่อสารนั้นได้รับการฉายรังสีเบตาซึ่งเป็นรังสีประเภทหนึ่ง

รังสีเบตาเป็นอิเล็กตรอนความเร็วสูง (อนุภาคที่มีประจุ) ที่ถูกขับออกมาจากการสลายตัวของนิวเคลียสอะตอมที่ไม่เสถียร เมื่อรังสีเบตาผ่านสาร อิเล็กตรอนจะชนกับอะตอมของสาร ทำให้เกิดการแตกตัวและการกระตุ้น (วงโคจรของอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นถึงระดับพลังงานที่สูงขึ้น) ของอะตอมด้วยการดูดซับรังสีเบตาและการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (รังสีเอกซ์) โดยวงโคจรของรังสีเบตาจะเปลี่ยนไป ส่งผลให้ความเข้มของรังสีเบตาลดลง การลดทอนของรังสีเบตานี้จะแปรผันตามมวล (ความหนา) ของสารที่ผ่าน

หลักการนี้สามารถวัดความเข้มข้นของมวลอนุภาคในอากาศ^＊1 อนุภาคในอากาศ^＊2 ได้ หัวข้อต่อไปนี้จะอธิบายการวัดอนุภาคในอากาศโดยใช้วิธีการดูดกลืนรังสีเบตา

*1 : ความเข้มข้นของมวล: มวลของอนุภาคต่อปริมาตรบรรยากาศ หน่วยเป็น μg/m3

*2 : ฝุ่นละอองในบรรยากาศ: ฝุ่นละอองที่ลอยอยู่ในบรรยากาศ

ในวิธีการดูดกลืนรังสีเบต้านั้น อนุภาคในอากาศจะถูกเก็บรวบรวมไว้บนตัวกรอง (กระดาษกรอง)

อนุภาคในอากาศที่เก็บรวบรวมไว้จะถูกฉายรังสีเบตา และวัดความเข้มข้นของรังสีเบตาที่ผ่านตัวกรอง (รูปที่ 1)

รังสีบีตาจะมีคุณสมบัติในการลดทอนแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลตามมวล (ความหนา) ของสารที่รังสีบีตาผ่านเข้าไปมากขึ้น ดังนั้น มวลของอนุภาคในอากาศที่เก็บรวบรวมได้จึงสามารถคำนวณได้โดยใช้สมการ 1 เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับมวล "μm" เกือบคงที่ จึงสามารถหามวลของอนุภาคในอากาศ "Xm" บนตัวกรองได้จากอัตราส่วนของ "I" และ "I0"

Xm = ln(I0/I)/μm (สมการ 1)

Xm: มวลของอนุภาคในอากาศบนตัวกรอง
I: ความเข้มข้นของรังสีเบตาที่ผ่านตัวกรองและอนุภาคในอากาศที่เก็บรวบรวมได้
I0: ความเข้มของรังสีเบตาผ่านตัวกรองเท่านั้น
μm: ค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับมวล

สมการที่ 1: การคำนวณมวลของอนุภาคในอากาศโดยการดูดกลืนรังสีเบตา

ความเข้มข้นของมวลอนุภาคในบรรยากาศคำนวณจาก "Xm" และปริมาตรของอากาศแวดล้อมตัวอย่างเมื่อเก็บอนุภาคในบรรยากาศ

โครงสร้างโดยรวมของเครื่องตรวจจับอนุภาคในอากาศ

เครื่องตรวจวัดอนุภาคในอากาศในอากาศจะวัดความเข้มข้นของมวลโดยอัตโนมัติโดยใช้รังสีเบตาที่ลดความเข้มข้นลงด้วยอนุภาคที่เก็บรวบรวมอย่างต่อเนื่องบนกระดาษ (ตัวกรอง) เครื่องตรวจวัดอนุภาคในอากาศในอากาศประกอบด้วยช่องรับอากาศ เครื่องแยกขนาดอนุภาค (เช่น ไซโคลน) กลไกการรวบรวมตัวกรอง แหล่งกำเนิดรังสีเบตา เครื่องตรวจจับประกายแสง เซ็นเซอร์การไหล และส่วนการประมวลผลสัญญาณ (รูปที่ 2)

ประสิทธิภาพในการเก็บรวบรวมเป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพที่สำคัญของเครื่องแยกขนาดอนุภาค และแสดงถึงเปอร์เซ็นต์ของอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่กำหนดที่เก็บรวบรวม กราฟ 1 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและประสิทธิภาพในการเก็บรวบรวม

ตัวอย่างเช่น เครื่องแยกอนุภาคขนาด PM2.5 ที่มีประสิทธิภาพในการเก็บตัวอย่าง 50% ดังที่อธิบายไว้ข้างต้น มีประสิทธิภาพที่หากป้อนอนุภาคขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5 µm เข้าไปในเครื่อง อนุภาคครึ่งหนึ่งจะถูกเก็บตัวอย่าง และอีกครึ่งหนึ่งจะไม่ถูกเก็บตัวอย่าง อนุภาคอื่นที่ไม่ใช่ PM2.5 จะถูกเก็บตัวอย่างตามเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาค (ซึ่งสอดคล้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคในอากาศพลศาสตร์) และประสิทธิภาพในการเก็บตัวอย่าง (ซึ่งสอดคล้องกับอัตราเนื้อหา) บนกราฟ PM2.5 (กราฟสีแดง) ในกราฟ 1

ประเภทของเครื่องแยกขนาดอนุภาคและหลักการทำงาน

ประเภททั่วไปของเครื่องแยกขนาดอนุภาค ได้แก่ เครื่องกระแทก ไซโคลน และตะแกรงหลายชั้น มีความสัมพันธ์กันระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางและมวลของอนุภาค และเครื่องแยกขนาดอนุภาคเหล่านี้ใช้แรงต่างๆ กันสำหรับมวลของอนุภาคเพื่อรวบรวมอนุภาคที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากัน เครื่องกระแทกใช้แรงเฉื่อย ไซโคลนใช้แรงเหวี่ยง และตะแกรงหลายชั้นใช้แรงโน้มถ่วงในการตกตะกอน เครื่องกระแทกและไซโคลนเป็นเครื่องแยกขนาดอนุภาคหลักที่ใช้ในการวัดอนุภาคในอากาศ ต่อไปนี้คือหลักการโดยย่อของเครื่องกระแทก (รูปที่ 3) และไซโคลน (รูปที่ 4)

หลักการของไซโคลน (รูปที่ 4)

การไหลของอากาศตัวอย่างที่นำเข้าจากทางเข้าไซโคลนจะเร่งขึ้นในขณะที่ไหลตามกรวยของไซโคลน ทำให้เกิดการไหลแบบหมุนวน (ลูกศรสีน้ำเงิน) และการไหลแบบย้อนกลับ (ลูกศรสีแดง) เนื่องมาจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างแรงเหวี่ยงและแรงต้าน อนุภาคที่มีน้ำหนักมากในอากาศตัวอย่างจึงถูกพัดพาไปตามกรวยโดยการไหลแบบหมุนวนและถูกเก็บรวบรวมไว้ ในขณะที่อนุภาคที่มีน้ำหนักน้อยจะถูกแยกออกจากกันโดยการไหลแบบย้อนกลับ

HORIBA รวบรวม PM2.5 ในอากาศโดยรอบด้วยการรวมตัวของเฮเทอร์และไซโคลนเข้าด้วยกัน (ภาพที่ 1)
แมลง ฝุ่นขนาดใหญ่ และฝนจะถูกกำจัดออกจากช่องรับอากาศ PM10 ในอากาศตัวอย่างจะถูกแยกโดยเครื่องกระทบ และ PM2.5 จะถูกแยกและเก็บรวบรวมจาก PM10 โดยไซโคลนโดยเครื่องกระทบ

ตัวอย่างอากาศที่มีอนุภาคที่ถูกแบ่งออกโดยเครื่องแยกขนาดอนุภาคจะผ่านตัวกรอง และมีเพียงอนุภาคที่ถูกแยกออกเท่านั้นที่ถูกเก็บรวบรวมบนตัวกรอง (ภาพที่ 2) สำหรับการวัดอนุภาคอัตโนมัติอย่างต่อเนื่อง จำเป็นต้องมีกลไกที่ม้วนแผ่นกรองแบบเทป (เทปกรอง) หรือกลไกที่เตรียมแผ่นกรองหลายแผ่นและเปลี่ยนแผ่นกรองโดยอัตโนมัติ HORIBA ใช้เทปกรองเพื่อเก็บรวบรวมอนุภาคที่แยกออกได้ในอากาศแวดล้อม (ภาพที่ 2)

ขนาดตาข่ายของตัวกรองต้องมีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคที่เลือกไว้ และต้องให้อากาศผ่านตัวกรองได้อย่างราบรื่น ประสิทธิภาพในการเก็บอนุภาคบนตัวกรองจะเปลี่ยนแปลงไปตามขนาดตาข่ายของตัวกรอง ประสิทธิภาพในการเก็บอนุภาคในอากาศโดยรอบควรอยู่ที่อย่างน้อย 99.7% ตัวกรองมักทำจากไฟเบอร์กลาสหรือวัสดุที่ทำจากโพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE)

（2）โครงสร้างและหลักการทำงานของส่วนการวัด

แหล่งกำเนิดรังสีเบตา

HORIBA ใช้ ¹⁴ C* เป็นแหล่งกำเนิดรังสีเบต้า ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดรังสีปิดผนึกที่ปลอดภัย โดยมีความเข้มข้นของแหล่งกำเนิดน้อยกว่า 10 MBq และสามารถใช้งานได้โดยไม่ต้องมีข้อกำหนดในการจัดการพิเศษหรือการแจ้งเตือนใดๆ

^*14 C พบได้ตามธรรมชาติ และยังใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การหาอายุด้วยคาร์บอนกัมมันตรังสี เนื่องจากมีครึ่งชีวิตยาวนานถึง 5,700 ปี

เครื่องตรวจจับประกายไฟ (scintillation detector)

เครื่องตรวจจับประกายแสงประกอบด้วยสารประกายแสงและ PMT (หลอดโฟโตมัลติพลายเออร์) สารประกายแสงเป็นวัสดุเรืองแสงที่ดูดซับรังสีและปล่อยแสงทันที รังสีเบตาที่ผ่านเทปกรองพร้อมกับอนุภาคที่เก็บรวบรวมได้จะเข้าสู่สารประกายแสงและปล่อยแสงออกมา ซึ่ง PMT จะตรวจจับได้ ค่าการตรวจจับ PMT นี้ใช้ในสมการ 1 เพื่อคำนวณมวลของอนุภาคที่เก็บรวบรวมได้ จากนั้นจะคำนวณความเข้มข้นของมวล (μg/m ³) ของอนุภาคที่เก็บรวบรวมได้โดยใช้ค่ามวลที่คำนวณได้และค่าที่วัดได้ของเซ็นเซอร์การไหล

เนื่องจากการตรวจสอบความไวของส่วนการวัดโดยใช้อนุภาคที่เก็บได้จริงบนเทปกรองนั้นทำได้ยาก จึงใช้ฟิล์มบางที่ลดทอนรังสีเบตาเทียบเท่ากับอนุภาคที่เก็บได้บนเทปกรอง ฟิล์มบางนี้ (ฟิล์มลดทอนมาตรฐาน) ทำจากไมลาร์ โพลิอิไมด์ หรือวัสดุอื่นๆ (ภาพที่ 4)

การลดการเปลี่ยนแปลงของอนุภาคในอากาศ

• การป้องกันการควบแน่นและการสุ่มตัวอย่างความชื้นสูงช่วยลดการจางหายของอนุภาคในอากาศตัวอย่าง
• การใช้เทปกรองที่มีคุณสมบัติดูดความชื้นต่ำช่วยลดการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของอนุภาคในอากาศที่เก็บรวบรวมไว้

การยึดเกาะของอนุภาคในอากาศที่เกิดจากการชาร์จเทปกรองขณะรอการวัด

อนุภาคในอากาศภายในเครื่องตรวจวัดขณะรอการวัดอาจเกาะติดกับเทปกรองแบบบางที่มีประจุไฟฟ้าที่ทำจาก PTFE ซึ่งสามารถลดปัญหานี้ได้โดยใช้เทปกรองที่มีประจุไฟฟ้าต่ำที่สุด HORIBA ได้พัฒนาเทปกรองที่เป็นกรรมสิทธิ์ซึ่งผสมผสานวัสดุที่ทำจาก PTFE และผ้าไม่ทอ เมื่อเปรียบเทียบกับเทปกรองที่ใช้ PTFE เพียงอย่างเดียว เทปกรองนี้มีคุณสมบัติในการดูดความชื้นและประจุไฟฟ้าสถิตที่ต่ำกว่า จึงลดปัจจัยที่ส่งผลต่อการวัดได้ (ตารางที่ 1 และ 2)

ฝุ่นละอองในบรรยากาศประกอบด้วยสารต่างๆ เช่น ธาตุอนินทรีย์อินทรีย์ และแบ่งตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของฝุ่นละอองได้เป็น SPM, PM2.5, PM10 เป็นต้น ยิ่งฝุ่นละอองมีขนาดเล็ก ก็ยิ่งมีโอกาสแทรกซึมเข้าสู่ร่างกายได้ลึกและทำให้เกิดโรคทางเดินหายใจได้ เครื่องตรวจวัดที่ใช้การดูดกลืนรังสีเบตาใช้ในการวัดฝุ่นละอองในอากาศแวดล้อมในสภาพแวดล้อมต่างๆ เนื่องจากใช้งานง่าย