用于大幅改善空气质量的超细颗粒传感器

使用带电等离子体测量超细颗粒大小和浓度的新方法可用于制造未来的传感器，以带来健康益处。

等离子体用于制造微芯片，但也用于传感器中以检查可能构成严重健康风险的超细颗粒。尽管此类传感器在工业中很常见，但在日常使用之前必须解决成本、维护和尺寸等几个问题。对于他的博士学位。在研究中，Tim Staps 探索了测量等离子体中粒子大小和浓度的新方法，这些方法可用于在未来制造更便宜、更小、更可持续的粒子传感器。2 月 8 日，他在应用物理系通过论文答辩。

等离子体由带电粒子组成，是物质的四种状态之一，用于高科技工业系统，例如用于制造微芯片的光刻机或用于测量微小粒子（较小的粒子）浓度的超细粒子 (UFP) 传感器小于 0.1 微米），这可能会损害人体健康。

“由于体积小，UFP 可以沉积在肺部深处，然后进入血流，造成不可逆转的组织损伤和疾病，”Tim Staps 博士说。应用物理系复杂电离介质组研究员。

用于社会的传感器？

虽然工业 UFP 传感器已经存在了一段时间，但在它们在社会中普及之前必须克服几个问题。它们的可用性也将适时进行，因为 Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) 估计荷兰因吸入汽车和其他过程排放的颗粒物（包括超细颗粒）而死亡的人数在 7,000 到 12,000 之间每年。

第一个问题是成本，因为实验室规模的设备价格为 10,000 欧元，对于汽车来说太贵了，而该技术的广泛使用受到缺乏对超细颗粒的立法的限制。但许多技术问题也阻碍了它们的广泛使用。

“除了制造紧凑型 UFP 传感器之外，它们也不应该需要持续维护。例如，工业传感器需要每 100 小时检查一次，这对于汽车来说是不可行的，”Staps 说。“传感器还需要灵敏，因为空气中的 UFP 浓度可能很低且难以测量。”

“准确的 UFP 传感器可以通过监测 UFP 普遍存在的建筑物和工作场所的室内空气质量来保护人们的福祉。为了应对高 UFP 浓度，可以引入供暖、通风和空调。但底线是准确测量 UFP，然后对它们的检测采取行动。”

散射绿色激光的尘埃粒子。

测量表面电荷

对于他的博士学位。在研究中，Staps 和他的同事开发了精确测量纳米粒子表面电荷的方法。“首先，我们通过将等离子体电子和离子引向粒子来使用等离子体对粒子进行充电，然后我们测量了粒子携带的电荷量。所有粒子的总电荷可以衡量它们的大小和浓度。”

为了测量粒子的电荷，Staps 转向微波腔共振光谱 (MCRS)，这是一种自 1950 年代以来一直用于在真空条件下测量气体中的自由电子的技术。然而，在一种新方法中，Staps 和他的同事们将该技术应用于正常的压力和空气密度条件下。

“在真空中，电子在与气体或尘埃粒子碰撞之前可以行进很多米。在正常情况下，这个距离会急剧减小，当电子撞击气体或尘埃粒子时产生的信号比在真空中要小得多。所以，我们设计了一种新装置，可以最大限度地减少外部振动和其他信号噪声源的影响。”

在真空和大气条件下，Staps 和研究人员发现，粒子与等离子体中自由电子之间的碰撞决定了粒子是否带电。“这样的观察对于理解粒子充电和放电背后的物理过程很重要。但同样的数据也可以用来开发新的理论来描述可变压力条件下的充电过程。”

检测电子和粒子之间的碰撞是一回事，但 Staps 和研究人员接下来需要测量与粒子结合的电子以及等离子体中负离子（最终尘埃粒子）的存在。但是为了测量电荷，电子需要从粒子中释放出来，为此，研究人员将激光与 MCRS 结合使用。

“激光方法被称为光分离，涉及向粒子发射大量光子。重要的是，光子能量超过了将电子限制在粒子表面的结合能。这是一种真正独特的检测电荷的方法真空中的粒子和大气压下负离子的存在。”

超精细检测近在咫尺

那么，这对超细粒子传感器意味着什么？好吧，Staps 非常乐观地认为他的研究可以为未来粒子传感器的开发提供一个极好的起点。

“为了制造精确的超细粒子传感器，我们需要了解小粒子是如何带电的，然后使用这些数据来制定基于等离子体的纳米粒子充电的新理论，”Staps 说。“这些见解可以加速传感器技术的进步，这些传感器的工业规模生产可能迟早会发生。但工程挑战仍然存在，其中之一是与空气相互作用的等离子体很快就会被污染。”

此外，精确传感器的开发可以帮助行业最大限度地减少来自过程的超细颗粒的输出，从而改善空气质量，并减少那些在生产 UFP 的系统附近工作和生活的人的健康风险。

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