Phương pháp hấp thụ tia beta là phương pháp đo sử dụng nguyên lý tia beta bị suy yếu theo khối lượng của một chất khi chất đó bị chiếu xạ bằng tia beta, một loại bức xạ.
Tia beta là các electron tốc độ cao (hạt tích điện) bị đẩy ra do sự phân rã của các hạt nhân nguyên tử không ổn định. Khi tia beta đi qua một chất, chúng va chạm với các nguyên tử của chất đó, gây ra sự ion hóa và kích thích (các quỹ đạo electron tăng lên mức năng lượng cao hơn) của các nguyên tử với sự hấp thụ tia beta và phát ra sóng điện từ (tia X) với sự thay đổi quỹ đạo tia beta, dẫn đến sự suy giảm cường độ của tia beta. Sự suy giảm này của tia beta tỷ lệ thuận với khối lượng (độ dày) của chất đi qua.
Nồng độ khối lượng＊1 của vật chất dạng hạt trong môi trường xung quanh＊2 có thể được đo bằng nguyên lý này. Các phần sau đây mô tả phép đo vật chất dạng hạt trong môi trường xung quanh bằng phương pháp hấp thụ tia beta.
*1 : Nồng độ khối lượng: Khối lượng của các hạt vật chất trên một đơn vị thể tích khí quyển. Đơn vị là μg/m3.
*2 : Các hạt vật chất trong môi trường xung quanh: Các hạt vật chất lơ lửng trong khí quyển.
Hình 1: Nguyên lý đo nồng độ khối lượng của các hạt vật chất trong môi trường xung quanh bằng phương pháp hấp thụ tia beta
Trong phương pháp hấp thụ tia beta, các hạt vật chất trong môi trường xung quanh được thu thập trên một bộ lọc (giấy lọc).
Các hạt vật chất trong môi trường xung quanh được thu thập được chiếu xạ bằng tia beta và cường độ của tia beta đi qua bộ lọc được đo. (Hình 1)
Tia beta có đặc tính suy yếu theo cấp số nhân với khối lượng (độ dày) tăng dần của chất mà chúng xuyên qua. Do đó, khối lượng của các hạt vật chất xung quanh được thu thập có thể được tính bằng Công thức 1. Vì hệ số hấp thụ khối lượng "μm" gần như không đổi, nên khối lượng của các hạt vật chất xung quanh "Xm" trên bộ lọc có thể thu được từ tỷ lệ "I" và "I0".
Xm = ln(I0/I)/μm (Phương trình 1)
Xm: Khối lượng hạt bụi xung quanh trên bộ lọc
I: Cường độ tia Beta đi qua bộ lọc và các hạt vật chất xung quanh được thu thập
I0: Cường độ tia beta chỉ đi qua bộ lọc
μm: Hệ số hấp thụ khối lượng
Phương trình 1: Tính toán khối lượng của các hạt vật chất xung quanh bằng cách hấp thụ tia beta
Nồng độ khối lượng của các hạt vật chất trong môi trường xung quanh được tính từ "Xm" và thể tích mẫu không khí xung quanh khi thu thập các hạt vật chất xung quanh.
Trong các mô tả sau đây, các máy phân tích đo nồng độ khối lượng của các hạt vật chất trong không khí xung quanh bằng phương pháp hấp thụ tia beta sẽ được mô tả đơn giản là máy đo hạt trong môi trường xung quanh hoặc máy đo bụi trong môi trường xung quanh.
Hình 2: Cấu trúc của máy đo hạt trong môi trường xung quanh
Cấu trúc tổng thể của máy đo hạt trong môi trường xung quanh
Máy máy đo hạt trong môi trường xung quanh tự động đo nồng độ khối lượng bằng tia beta bị suy yếu bởi vật chất hạt liên tục được thu thập trên giấy (bộ lọc). Máy máy đo hạt trong môi trường xung quanh bao gồm một cửa vào không khí, một bộ tách kích thước hạt (ví dụ: máy va chạm, máy ly tâm), một cơ chế thu thập bộ lọc, một nguồn tia beta, một máy dò nhấp nháy, một cảm biến lưu lượng và một bộ phận xử lý tín hiệu. (Hình 2)
Trong phần lấy mẫu, mẫu không khí chảy đến một bộ tách kích thước hạt sau khi đi qua một cửa hút khí ngăn không cho bụi lớn, côn trùng và mưa xâm nhập vào không khí xung quanh. Bộ tách kích thước hạt phân loại các hạt vật chất trong mẫu không khí theo đường kính của hạt vật chất cần đo. Các hạt vật chất đã phân loại được thu thập trên một bộ lọc với lưu lượng không đổi bằng cơ chế thu thập bộ lọc.
Biểu đồ 1: Mối quan hệ giữa đường kính của hạt vật chất và hiệu quả thu gom
Máy tách kích thước hạt
Các hạt bụi mịn trong không khí có tác động khác nhau trong cơ thể và ảnh hưởng đến sức khỏe tùy thuộc vào kích thước của chúng, vì vậy, chúng thường được chia thành ba nhóm theo đường kính hạt bụi mịn sau.
PM2.5 (Hạt vật chất 2.5): Thường được gọi là bụi mịn. Bụi mịn lơ lửng trong không khí có đường kính khoảng 2,5 μm. Cụ thể, các hạt bụi mịn có đường kính 2,5 µm được thu thập với hiệu suất thu thập là 50%.
PM10 (Bụi mịn 10): Các hạt bụi mịn lơ lửng trong không khí có đường kính khoảng 10 μm. Cụ thể, các hạt bụi có đường kính 10 µm được thu thập với hiệu suất thu thập là 50%.
SPM (bụi mịn lơ lửng): Thường được gọi là bụi mịn lơ lửng. Hạt bụi có đường kính 10 μm hoặc nhỏ hơn (khác với PM10) lơ lửng trong không khí.
Hiệu suất thu thập là một chỉ số hiệu suất quan trọng của bộ tách kích thước hạt và biểu thị phần trăm các hạt có đường kính nhất định được thu thập. Biểu đồ 1 cho thấy mối quan hệ giữa vật chất dạng hạt có đường kính và hiệu suất thu thập.
Ví dụ, bộ tách kích thước hạt PM2.5 có hiệu suất thu thập 50% được mô tả ở trên có hiệu suất là nếu một số hạt có đường kính 2,5 µm được đưa vào thiết bị, một nửa trong số chúng sẽ được thu thập và một nửa còn lại sẽ không. Các hạt khác ngoài PM2.5 được thu thập theo đường kính riêng của chúng (tương ứng với đường kính của hạt vật chất khí động học) và hiệu suất thu thập (tương ứng với tỷ lệ nội dung) trên đường cong PM2.5 (đường cong màu đỏ) trong Biểu đồ 1.
Các loại máy tách kích thước hạt điển hình là máy va chạm, máy lọc bụi ly tâm và máy sàng nhiều tầng. Có mối tương quan giữa đường kính và khối lượng đối với vật chất dạng hạt và các máy tách kích thước hạt này sử dụng nhiều lực khác nhau cho khối lượng vật chất dạng hạt để thu thập vật chất dạng hạt có cùng đường kính. Máy va chạm sử dụng lực quán tính, máy ly tâm sử dụng lực ly tâm và máy sàng nhiều tầng sử dụng lực lắng trọng trường. Máy va chạm và máy ly tâm là các máy tách kích thước hạt chính được sử dụng để đo vật chất dạng hạt xung quanh. Sau đây là nguyên lý tóm tắt về máy va chạm (Hình 3) và máy ly tâm (Hình 4).
Hình 3: Cấu trúc và nguyên lý va chạm
Máy va chạm sử dụng lực quán tính để tách các hạt theo khối lượng. Một luồng không khí mẫu (mũi tên màu xanh) được tạo ra thông qua một vòi phun hình chữ nhật đập vào một tấm va chạm (mũi tên màu xanh) và bị đổi hướng (mũi tên màu đỏ). Các hạt vật chất nặng đập vào tấm va chạm và được thu thập trên tấm này. Các hạt vật chất nhẹ chảy xuôi dòng (mũi tên màu đỏ) với không khí mẫu.
Hình 4: Cấu trúc và nguyên lý của Máy lọc bụi ly tâm
Dòng khí mẫu được đưa vào từ đầu vào của máy lọc bụi ly tâm tăng tốc khi nó đi theo hình nón của máy, tạo thành dòng xoáy (mũi tên màu xanh) và dòng ngược (mũi tên màu đỏ). Do sự tương tác giữa lực ly tâm và lực cản, các hạt vật chất nặng trong không khí mẫu được dòng xoáy mang theo dọc theo hình nón và được thu thập, trong khi các hạt vật chất nhẹ được tách ra bởi dòng ngược.
Ảnh 1: Phần lấy mẫu thực tế
HORIBA thu thập PM2.5 trong không khí xung quanh bằng cách kết hợp các máy va chạm và máy ly tâm. (Ảnh 1)
Côn trùng, bụi lớn và mưa được loại bỏ ở cửa hút gió, PM10 trong mẫu không khí được tách ra bằng bộ phận va chạm, và PM2.5 tiếp tục được tách ra và thu thập bằng máy ly tâm từ PM10 thông qua bộ phận va chạm.
Ảnh 2: Ví dụ về vật chất dạng hạt xung quanh được thu thập trên băng lọc
Mẫu không khí chứa các hạt vật chất được phân chia bởi bộ tách kích thước hạt đi qua một bộ lọc và chỉ có các hạt vật chất được phân tách được thu thập trên bộ lọc. (Ảnh 2) Để đo liên tục các hạt vật chất tự động, cần phải có một cơ chế quấn một cuộn băng lọc (băng lọc) hoặc một cơ chế chuẩn bị một số bộ lọc và thay đổi chúng tự động. HORIBA sử dụng băng lọc để thu thập các hạt vật chất perticulate trong không khí xung quanh. (Ảnh 2)
Kích thước mắt lưới của bộ lọc phải nhỏ hơn đường kính đã chọn của vật chất dạng hạt và cho phép không khí đi qua bộ lọc một cách trơn tru. Hiệu quả thu gom vật chất dạng hạt trên bộ lọc thay đổi theo kích thước mắt lưới của bộ lọc. Hiệu quả thu gom vật chất dạng hạt xung quanh phải đạt ít nhất 99,7%. Bộ lọc thường được làm bằng sợi thủy tinh hoặc vật liệu gốc PolyTetraFluoroEthylene(PTFE).
Ảnh 3: Băng lọc
Ngoài ra, vật liệu phải càng mỏng càng tốt để giảm thiểu sự hấp thụ tia beta trong chính bộ lọc. Ví dụ, độ dày trung bình (độ dày màng) của băng lọc HORIBA là 140 μm. (Ảnh 3)
Khi sử dụng cơ chế cuộn lại băng lọc tự động, các hạt vật chất thu được trên băng lọc không được bám vào mặt sau của băng lọc đã cuộn lại, trong trường hợp cần phải phân tích lại các hạt vật chất thu được trên băng lọc đã cuộn lại.
Nguồn tia beta
HORIBA sử dụng 14 C* làm nguồn tia beta, đây là nguồn bức xạ kín an toàn có cường độ nguồn dưới 10 MBq và có thể sử dụng mà không cần thông báo hoặc yêu cầu xử lý đặc biệt.
*14 C có trong tự nhiên và cũng được sử dụng trong các ứng dụng như xác định niên đại bằng cacbon phóng xạ do có chu kỳ bán rã dài tới 5.700 năm.
Máy dò (máy dò nhấp nháy)
Máy dò nhấp nháy bao gồm một máy nhấp nháy và một PMT (ống nhân quang điện). Máy nhấp nháy là vật liệu huỳnh quang hấp thụ bức xạ và phát ra ánh sáng ngay lập tức. Các tia beta đi qua băng lọc với vật chất dạng hạt thu thập được đi vào máy nhấp nháy, phát ra ánh sáng và được PMT phát hiện. Giá trị phát hiện PMT này được sử dụng trong Phương trình 1 để tính khối lượng của vật chất dạng hạt thu thập được. Nồng độ khối lượng (μg/m 3) của vật chất dạng hạt thu thập được sau đó được tính toán từ giá trị khối lượng đã tính toán và giá trị đo được của cảm biến lưu lượng.
Ảnh 4: Phim giảm âm tiêu chuẩn
Vì khó kiểm tra độ nhạy của phần đo bằng cách sử dụng vật chất dạng hạt thực sự thu thập được trên băng lọc, nên sử dụng một màng mỏng làm suy yếu tia beta tương đương với vật chất dạng hạt thu thập được trên băng lọc. Màng mỏng này (màng suy yếu tiêu chuẩn) được làm bằng mylar, polyimide hoặc các vật liệu khác. (Ảnh 4)
Hình 5: Phim suy giảm tiêu chuẩn để kiểm tra độ nhạy của phần đo
Phim giảm âm tiêu chuẩn này giúp duy trì độ chính xác của phép đo trong phần đo bằng cách kiểm tra định kỳ độ nhạy của phép đo. (Hình 5)
Các hạt vật chất trong không khí bên trong thiết bị khi chờ đo có thể bám vào băng lọc PTFE mỏng, tích điện. Có thể giảm thiểu điều này bằng cách sử dụng băng lọc có điện tích thấp nhất có thể. HORIBA đã phát triển một băng lọc độc quyền kết hợp vật liệu PTFE và vải không dệt. So với băng lọc chỉ có PTFE, băng lọc này có độ hút ẩm thấp hơn và điện tích tĩnh điện thấp hơn, do đó làm giảm các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo. (Bảng 1 và 2)
Bảng 1: So sánh độ hút ẩm của băng lọc
Bảng 2: So sánh điện khí hóa cho băng lọc
Các hạt vật chất xung quanh bao gồm nhiều chất khác nhau như các thành phần hữu cơ vô cơ và được phân loại thành SPM, PM2.5, PM10, v.v. theo đường kính của các hạt vật chất. Các hạt vật chất càng nhỏ thì càng có khả năng xâm nhập sâu vào cơ thể và gây ra các bệnh về đường hô hấp. Các máy đo sử dụng phương pháp hấp thụ tia beta được sử dụng để đo các hạt vật chất trong không khí xung quanh trong nhiều môi trường khác nhau do chúng dễ sử dụng.
Môi trường xung quanh
Môi trường xung quanh
Băng lọc mẫu PM/bộ lọc
Bạn có thắc mắc hoặc yêu cầu nào không? Hãy sử dụng mẫu này để liên hệ với các chuyên gia của chúng tôi.
