Способ определения спектра размеров взвешенных наночастиц

Изобретение относится к области техники автоматизации измерений, при анализе взвешенных наночастиц. Способ определения спектра размеров взвешенных наночастиц состоит в пропускании газа (смеси газов), содержащего анализируемые частицы, через диффузионные батареи сетчатого типа и введении их в перенасыщенные пары низколетучего укрупняющего вещества. Затем осуществляют освещение потока частиц световым пучком и регистрацию параметров световых сигналов, формируемых укрупненными частицами при их пролете через выделенную область потока. Для повышения точности определения спектра размеров основной поток разделяется на шесть параллельных потоков. При этом пять пропускаются через пять диффузионных батарей с различным проскоком, а один - напрямую. Далее эти потоки проходят через шесть устройств конденсационного роста и затем поступают в поле зрения матрицы ПЗС и полученные шесть областей изображений укрупненных потоков частиц передаются в ЭВМ для анализа их спектра размеров. Способ в отличие от известных позволяет проводить обработку на ЭВМ одновременно шести изображений укрупненных частиц, характеризующих разные размерные диапазоны наночастиц. Техническим результатом является снижение времени измерений и повышение их точности. 1 ил.

 

Изобретение относится к аналитическим измерительным системам, связанным с определением микропримесей, в первую очередь аэрозольных и наночастиц, в различных газах и их смесях, в том числе в воздушной атмосфере. Оно может найти применение во многих областях науки и техники, в частности при решении различного рода экологических задач, в создании сверхчистых производственных помещений, при контроле дисперсной фазы для адресной доставки лекарственных средств в органы дыхания.

Известно устройство анализа изображений частиц (Пат. US 2007 0273878 A1, G01N 21/00 от 29.11.2007), содержащее: осветительный блок, блок для захвата изображения и блок обработки изображения. Работа устройства заключается в освещении частиц, захвате полученного изображения и обработке полученных изображений с помощью порогового устройства для анализа извлеченных частиц и получения их морфологических особенностей.

Недостаток данного устройства состоит в том, что оно не позволяет проводить измерения наночастиц.

Известен способ исследования микрообъектов (Пат. RU 2154815, G01N 15/02 от 20.05.1998), который состоит в том, что исследуемые микрообъекты облучают пучком излучения, максимальный линейный размер объема когерентности которого в зоне облучения микрообъектов не превышает 30% от среднего расстояния между частицами в пространстве. С помощью оптической системы формируют изображения исследуемых микрообъектов и после считывания измеряют их геометрические параметры на уровне сигнала, зависящем от когерентности освещения и апертурного угла оптической системы формирования изображения.

Недостаток данного способа состоит в том, что данным способом невозможно определить размеры частиц нанометрового диапазона.

В основе методов измерения концентрации дисперсного состава аэрозольных частиц наноразмеров лежит укрупнение частиц за счет их конденсационного роста в среде пересыщенного пара (например, водяного) и измерение концентрации и размеров выросших капель с помощью обычных оптико-электронных методов.

Процесс конденсации пара на взвешенных в газовой смеси частицах веществ (ядра конденсации) и образования тумана начинается три достижении определенного пересыщения:

S=(p/p0)-1,

где р0 - давление насыщенного пара над плоской поверхностью конденсата; p - давление пара над каплей. В состоянии термодинамического равновесия между каплей и газовой средой p определяют как давление шара в газовой смеси.

При достаточно больших пересыщениях связь радиуса капли r и действующего пересыщения S выражается уравнением Кельвина с поправкой Томсона на электрический заряд ядра:

где σ и ρж - поверхностное натяжение и плотность конденсата; k - постоянная Больцмана; Т - температура газа; m - масса молекулы пара; e - электрический заряд.

Пользуясь формулой (1), нетрудно оценить, какое пересыщение необходимо создать, чтобы капли выросли до граничного размера, который способен зафиксировать оптический прибор.

При достаточно больших пересыщениях (S>3) водяного пара в воздухе центрами конденсации могут быть легкие аэроионы (r<10-7 см, е=1,6·10-19 кл). Все ядра, начиная от r<0,1 мкм вплоть до размеров ионов, называют в литературе ядрами Айткена.

Частицы, проявляющиеся при малых пересыщениях S<0,1 в воздухе, называют облачными ядрами конденсации, т.е. ядрами, на которых образуются капли облаков и туманов.

Первая конструкция счетчиков ядер конденсации описана в 1888 г. Айткеном и затем усовершенствована Шольцем в 1932 г. В этих приборах выросшие в пересыщенном водяным паром воздухе капельки сосчитываются визуально после их седиментации на стеклянной подложке (Беляев С.П., Никифорова Н.К., Смирнов В.В. и др. "Оптико-электронные методы изучения аэрозолей". М.: Энергоиздат, 1981, с.102).

Недостатком первых конструкций счетчиков ядер конденсации является отсутствие автоматического контроля.

Известен способ анализа примесей в газах, основанный на образовании аэрозольных частиц на отдельных молекулах (А.С. 188132, G01N 15/00 от 23.06.1961). На первом этапе для укрупнения самых мелких ядер в газ вводят пересыщенный пар какого-либо весьма малолетучего вещества, например диоктилсебацината. На втором этапе, добавляя при комнатной температуре перенасыщенные пары более летучего вещества, например диизобутилфталата, превращают растущие ядра конденсации в частицы достаточного устойчивого монодисперсного аэрозоля, удобного для нефелометрических или ультрамикроскопических измерений.

Недостатки данного способа заключаются в его эксплуатационных неудобствах. В нем считалось обязательным последовательное воздействие пересыщенного пара сначала проявляющего вещества, потом укрупняющего. Соответственно требуются два однотипных устройства. В первом устройстве вспомогательный малый поток газа контактирует с нагретым веществом проявителя и смешивается с основным потоком газа комнатной температуры, содержащим ядра конденсации. Во втором устройстве другой вспомогательный малый поток контактирует с нагретым веществом укрупнителя и смешивается с основным потоком, поступающим из первого устройства с образованными в нем частицами ультрадисперсного аэрозоля укрупнителя.

Другой эксплуатационный недостаток способа заключается в том, что насыщенные пары во вспомогательных потоках, соприкасаясь с диафрагмой смесителей, частично конденсируются на ней и окисляются на воздухе. Окисленный конденсат представляет собой вязкое, а иногда твердое вещество, которое постепенно забивает отверстие диафрагмы, изменяя режим работы способа.

Для устранения указанных недостатков известны различные способы и устройства образования молекулярных ядер конденсации (МоЯК).

Известно устройство для создания дозированного пересыщения пара веществ в потоке газа (А.С. 1741105 G05D 11/00, B01F 3/02, B01F 15/04 от 15.06.1992), которое содержит соединенные с помощью металлической капиллярной трубки испарительную и смесительную части. В корпусе испарительной части имеется электронагреватель и гильза с носителем испаряемого вещества, предназначенные для насыщения малого потока газа паром вещества при повышенной температуре. Смесительная часть состоит из трубки с соплом для основного разбавляющего потока с ядрами конденсации.

Недостатком данного устройства является сложность конструкции и большие массогабаритные характеристики и энергопотребление соответствующей аппаратуры.

Известен способ определения малых примесей в газе (пат. 2253857 G01N 15/00 от 01.03.2004), который включает образование молекулярных ядер конденсации (МоЯК) в потоке газа из примесей или с их участием, испарение проявляющих и укрупняющих МоЯК веществ путем их дозированного нагрева в потоках газа, образование аэрозольных частиц и измерение их концентрации, определяющей концентрацию примесей. Нагретые потоки газа с испаренными веществами объединяют в общий поток, создают пересыщение смеси паров веществ и образуют аэрозольные частицы совместной конденсацией на МоЯК паров смеси проявляющих и укрупняющих веществ.

Недостаток данного способа заключается в применении в качестве нагревателя проволоки из золота, платины или их сплавов, а также высокое энергопотребление. Кроме этого данный способ не позволяет определять спектр размеров ядер конденсации.

Известен способ укрупнения ядер конденсации и устройство для его осуществления (Пат. 2061219, G01N 15/00 от 27.05.1996), в котором пересыщенный пар укрупняющего вещества получают путем пропускания потока с ядрами в зазор между двумя эквидистантными поверхностями с заданной разностью температур, одна из которых (имеющая более высокую температуру) покрыта укрупняющим веществом. Способ реализуется с помощью устройства, содержащего камеру для создания пересыщения, снабженную охладителем, внутри которой установлен испаритель с электронагревателем. Камера может быть выполнена, например, в форме трубки, а испаритель цилиндрической формы расположен по ее оси.

Недостатком способа является невозможность определять для измеряемых ядер конденсации (наночастиц) спектры их размеров.

Известен способ определения микроконцентрации карбонилов металлов в потоке воздуха (Пат. 2356029 G01N 15/06 от 20.05.2009), который включает превращение молекул карбонила в молекулярные ядра конденсации, последующее проявление и укрупнение ядер в пересыщенных парах проявляющего и укрупняющего детектирующих веществ в конденсационных устройствах и нефелометрическое измерение светорассеяния полученного аэрозоля. При этом превращение молекул карбонила в молекулярные ядра конденсации осуществляют путем пропускания анализируемого потока через нагретую часть трубки проявляющего конденсационного устройства с нанесенным на ее внутренние стенки проявляющим веществом. Проявление ядер осуществляют в пересыщенном паре проявляющего вещества при дальнейшем прохождении потока через охлажденную часть той же трубки.

Недостатком данного способа является невозможность определения размерного спектра измеряемых микроконцентраций.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ измерения спектра размеров ядер конденсации аэрозольных частиц и устройство для его реализации (Пат. 2340885, G01N 15/02 от 26.10.2006), включающий пропускание газа (или смеси газов), содержащего анализируемые частицы, через диффузионные батареи сетчатого типа, введение их в пересыщенные пары низколетучего укрупняющего вещества, конденсацию паров на ядрах частиц с образованием аэрозоля, концентрацию которого определяют оптическим счетчиком. На этом способе основана также работа диффузионного аэрозольного спектрометра Модели 2702, выпускаемого ООО «АэроНаноТех» (г. Москва).

Недостаток данного способа и основанного на нем спектрометра состоит в том, что расчет спектра размеров частиц осуществляется косвенно с использованием гамма-распределения и решения сложной системы нелинейных алгебраических уравнений, так как анализ спектра размеров укрупненных аэрозольных частиц производится путем последовательного измерения проскоков частиц через пять диффузионных батарей сетчатого типа и канал без батарей (нулевой канал).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, состоит в снижении времени измерений и повышении их точности.

Этот результат достигается тем, что способ определения спектра размеров взвешенных наночастиц состоит в пропускании газа (смеси газов), содержащего анализируемые частицы, через диффузионные батареи сетчатого типа, введении их в перенасыщенные пары низколетучего укрупняющего вещества, освещении потока частиц световым пучком и регистрации параметров световых сигналов, формируемых укрупненными частицами при их пролете через выделенную область потока. Для повышения точности определения спектра размеров основной поток разделяется на шесть параллельных потоков, пять из которых пропускаются через пять диффузионных батарей с различным проскоком, а один - напрямую, далее эти потоки проходят через шесть устройств конденсационного роста и затем поступают в поле зрения матрицы ПЗС и полученные шесть областей изображений укрупненных потоков частиц передаются в ЭВМ для анализа их спектра размеров.

На фиг.1 представлена общая схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит импульсный источник излучения 1, оптическую систему осветителя 2, оптическую систему формирования изображений микрообъектов, состоящую из объективов 3 и 8 и фокусирующих оптическое излучение в области счетного объема потока частиц 7, ПЗС-матрицы 9, аналого-цифрового преобразователя 10, ЭВМ 11. Также устройство содержит входное сопло с каналами подачи 4, диффузионные батареи сетчатого типа 5, устройства конденсационного роста 6 и вакуумный насос (воздуходувку) 12.

Оптическая система осветителя 2 включает систему линз, реализующих, например, любой из известных методов освещения микрообъектов (освещение по Келлеру, методы темного и светлого поля, критическое освещение и т.д.).

Устройство по способу работает следующим образом. Анализируемый поток воздуха или другого газа, содержащего аэрозольные частицы, через входное сопло с каналами подачи 4 пропускается через пять диффузионных батарей 5.1-5.5, представляющих собой ряд сеточек, пропускающих аэрозольные частицы выше определенного размера. Для того чтобы определить концентрацию частиц, прошедших через диффузионные батареи, их необходимо укрупнить до размера, при котором их можно регистрировать ПЗС-матрицей в счетном объеме 7. Это достигается конденсацией паров дибутилфталата на ядрах частиц с образованием аэрозоля в укрупняющем устройстве 6, состоящем из укрупняющих устройств для шести каналов 6.1-.6.6 и дополнительного укрупняющего устройства 6.0 в канале 6.1 для возможности укрупнения наночастиц молекулярного размера. Далее шесть укрупненных потоков частиц поступают в область контроля ПЗС-матрицы 9, формирование изображений на которую обеспечивает оптическая система, содержащая импульсный источник излучения 1, осветитель 2, объективы 3 и 8, фокусирующие оптическое излучение в области счетного объема потока частиц 7. С матрицы ПЗС изображение поступает в аналого-цифровой преобразователь 10 и далее в ЭВМ 11. ЭВМ осуществляет цифровую обработку полученных шести областей, характеризующих пять каналов прохождения отсортированных диффузионными батареями и напрямую (через нулевую батарею) укрупненных частиц с целью определения спектра размеров наночастиц. Также ЭВМ управляет устройством конденсационного роста 6 (6.0-6.6) и вакуумным насосом 12.

Таким образом, рассмотренный способ в отличие от известных позволяет проводить обработку на ЭВМ одновременно шести изображений укрупненных частиц, характеризующих разные размерные диапазоны наночастиц.

Способ определения спектра размеров взвешенных наночастиц состоит в пропускании газа (смеси газов), содержащего анализируемые частицы, через диффузионные батареи сетчатого типа, введении их в перенасыщенные пары низколетучего укрупняющего вещества, освещении потока частиц световым пучком и регистрации параметров световых сигналов, формируемых укрупненными частицами при их пролете через выделенную область потока, отличающийся тем, что для повышения точности определения спектра размеров основной поток разделяется на шесть параллельных потоков, пять из которых пропускаются через пять диффузионных батарей с различным проскоком, а один - напрямую, затем эти потоки проходят через шесть устройств конденсационного роста и далее поступают в поле зрения матрицы ПЗС и полученные шесть областей изображений укрупненных потоков частиц передаются в ЭВМ для анализа их спектра размеров.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится области, связанной с анализом взвешенных частиц. При реализации заявленного способа происходит освещение потока частиц пучком когерентного излучения, который разделяется на два пучка опорный и объектный и регистрации голограммы изображений частиц, по которым и судят о размерах последних.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ определения геометрических размеров частиц окомкованного и/или гранулированного материала в насыпном слое заключается в том, что формируют видимую область каждой частицы, путем выделения ее на растре видеоизображения от соответствующего ей максимума интенсивности отраженного излучения до ближайших к нему минимумов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к оптическим методам измерения параметров несферических дисперсных частиц, взвешенных в жидкости. Способ заключается в измерении зависимостей интенсивности рассеянного излучения от времени при нескольких положениях поляризационного анализатора, промежуточных между положением, в котором пропускается излучение с линейной поляризацией, совпадающей с поляризацией возбуждающего излучения (VV), и положением, в котором пропускается излучение с поляризацией, перпендикулярной поляризации возбуждающего излучения (VH).

Изобретение относится к области техники, а именно автоматизации измерений при анализе взвешенных наночастиц в газах. Для этого используют устройство для определения спектра размеров взвешенных наночастиц в газах, содержащее размещенные по ходу анализируемого потока газа входное сопло с каналами подачи; диффузионные батареи сетчатого типа для пропускания аэрозольных частиц определенного размера; укрупняющее устройство конденсаторного роста; счетный объем; вакуумный насос; температурные датчики, нагреватель, охладитель и микроконтроллер для управления процессами нагревания и охлаждения в укрупняющем устройстве конденсаторного роста; оптическую систему, включающую импульсный источник излучения, осветитель и объективы для фокусировки оптического излучения в области счетного объема потока частиц и формирования изображений на матрице ПЗС; аналогово-цифровой преобразователь и ЭВМ для управления микроконтроллером термостатирования, ваккумным насосом и обработки шести изображений укрупненных частиц для анализа спектра их размеров.

Изобретение относится к способу и устройству для определения локальной величины зерна минерала для минерала ценного материала в породе месторождения или залежи, причем порода включает в себя по меньшей мере один другой минерал, и при этом минерал ценного материала имеет более высокую плотность, чем по меньшей мере один другой минерал.

Изобретение относится к способам автоматического контроля крупности частиц в потоке пульпы в процессе измельчения материала и может быть использовано в области обогащения руд полезных ископаемых, а также в горно-металлургической, строительной и других областях промышленности.

Изобретение относится к технике автоматизации измерений и может быть использовано при анализе взвешенных частиц произвольной формы. Согласно способу производят освещение потока частиц световым пучком и регистрацию параметров световых сигналов, формируемых частицами при их пролете через выделенную область потока частиц.

Изобретение относится к способам автоматического контроля крупности дробленой руды в потоке и может быть использовано в области обогащения руд полезных ископаемых, в горно-металлургической, строительной и других областях промышленности.

Изобретение относится к области оптической диагностики физических сред и может быть использовано в приборах, предназначенных для измерения распределения концентрации и размеров микро- и наночастиц в жидкостях и газах.

Изобретение может быть использовано для определения замеров параметров отработавших газов (ОГ) ДВС. Способ заключается в отборе газов в пробоотборник и последующем анализе материала пробы.

Полупроводниковая структура для фотопреобразующего и светоизлучающего устройств состоит из полупроводниковой подложки (1) с лицевой поверхностью, разориентированной от плоскости (100) на (0,5-10) градусов и, по меньшей мере, одного р-n перехода (2), включающего, по меньшей мере, один активный полупроводниковый слой (3), заключенный между двумя барьерными слоями (4) с шириной запрещенной зоны Eg0.

Изобретение может быть использовано в медицине и биологии. На первой стадии получают низкогидроксилированные нерастворимые фуллеренолы путем взаимодействия концентрированного раствора фуллерена в о-ксилоле с водным раствором аммиака в присутствии катализатора межфазового переноса тетрабутиламмониевого гидроксида при температуре 35-40°C.
Изобретение относится к фармацевтической промышленности, а именно, к нанокомпозитам селена на основе природных гепатотропных галактозосодержащих полисахаридных матриц, представляющим собой водорастворимые порошки оранжево-красного цвета, содержащие наночастицы нуль-валентного селена (Se0) с размером частиц 1-100 нм с количественным содержанием 0.5 - 60 масс.

Изобретение относится к способам лазерного наноструктурирования поверхности. Способ включает в себя формирование ближнепольной маски на поверхности диэлектрической подложки и облучение полученной структуры импульсом фемтосекундного лазера.

Настоящее изобретение относится к области нефтепереработки тяжелых нефтяных фракций. Изобретение касается способа гидроконверсии тяжелых фракций нефти - исходного сырья, состоит из нулевой стадии и последующих N стадий.

Изобретение может быть использовано при получении покрытий, уменьшающих коэффициент вторичной электронной эмиссии, выращивании алмазных плёнок и стёкол, элементов, поглощающих солнечное излучение.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для получения композиционных материалов с высокой электро- и теплопроводностью, добавок в бетоны и керамику, сорбентов, катализаторов.

Изобретении может быть использовано в ракетно-космической и авиационной отраслях, при металлообработке, обработке природных и искусственных камней, твердых и сверхтвердых материалов.

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к получению карбидокремниевых материалов и изделий, и может быть применено в качестве теплозащитных, химически и эрозионностойких материалов, используемых при создании авиационной и ракетной техники, носителей с развитой поверхностью катализаторов гетерогенного катализа, материалов химической сенсорики, фильтров для фильтрации потоков раскаленных газов и расплавов, а также в технологиях атомной энергетики.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии для лечения дефектов костной ткани и в качестве материала-носителя лекарственных средств.

Изобретение относится к области наноструктурированных биосовместимых материалов. Способ получения биосовместимых нанопористых сферических частиц оксида кремния включает синтез в реакционной смеси тетраэтоксисилана (ТЭОС) с NH3, водой (H2O), спиртом (С2Н5ОН) и цетилтриметиламмоний бромидом (C16H33N(СН3)3Br - ЦТАБ) в мольном соотношении ТЭОС:NH3:H2O:С2Н5ОН:ЦТАБ, равном 1:19:370:230:0,2, при интенсивном перемешивании со скоростью 125-250 мин-1 при температуре 5-80°C в течение 2-3 ч с образованием в процессе гидролиза ТЭОС в спирто-водно-аммиачной среде мономеров ортокремниевой кислоты Si(OH)4, конденсацию мономеров с формированием первичных частиц размером 3-5 нм, их коагуляцию, после чего полученные частицы отжигают на воздухе при температуре 550°C в течение 15 часов для удаления органических веществ. По другому варианту нанопористые частицы оксида кремния получают синтезом с использованием цетилтриметиламмоний бромида C16H33N(СН3)3Br (ЦТАБ) концентрацией до 0,007 мол.·л-1 в качестве структурообразующего вещества, причем синтез проводится посредством гидролиза тетраэтоксисилана (Si(OC2H5)4 - ТЭОС) в ЦТАБ-этанол-водно-аммиачной среде при температуре 5-80°C в течение 2-3 ч при мольном соотношении ТЭОС:NH3:H2O:С2Н5ОН:ЦТАБ, равном 1:19:370:230:0,2, за счет чего в реакционной смеси формируются цилиндрические мицеллы, покрытые слоем SiO2, которые организуются в блоки, а затем для удаления органических веществ полученные материалы отжигают при 550°C для получения внутри сферических частиц нанопор. Технический результат - получение биосовместимых кремниевых нанопористых сферических частиц оксида кремния с контролируемым внешним диаметром в диапазоне 300-3000 нм, имеющих регулярную канальную внутреннюю структуру. Объем пор составляет 40-60% от общего объема частиц, удельная поверхность сферических частиц оксида кремния 500-800 м2·г-1. 2 н.п. ф-лы, 10 ил., 2 пр.

Изобретение относится к области техники автоматизации измерений, при анализе взвешенных наночастиц. Способ определения спектра размеров взвешенных наночастиц состоит в пропускании газа, содержащего анализируемые частицы, через диффузионные батареи сетчатого типа и введении их в перенасыщенные пары низколетучего укрупняющего вещества. Затем осуществляют освещение потока частиц световым пучком и регистрацию параметров световых сигналов, формируемых укрупненными частицами при их пролете через выделенную область потока. Для повышения точности определения спектра размеров основной поток разделяется на шесть параллельных потоков. При этом пять пропускаются через пять диффузионных батарей с различным проскоком, а один - напрямую. Далее эти потоки проходят через шесть устройств конденсационного роста и затем поступают в поле зрения матрицы ПЗС и полученные шесть областей изображений укрупненных потоков частиц передаются в ЭВМ для анализа их спектра размеров. Способ в отличие от известных позволяет проводить обработку на ЭВМ одновременно шести изображений укрупненных частиц, характеризующих разные размерные диапазоны наночастиц. Техническим результатом является снижение времени измерений и повышение их точности. 1 ил.

Наверх