Nanohiukkasten pomppaaminen ja varauksen siirto sähköisessä alipaineimpaktorissa

Abstract

Ilmakehän aerosolihiukkasten tutkimuksessa on hiljattain noussut esille uudenlainen tarve mitata hiukkasten olomuotoa. Pienten hiukkasten olomuodon mittaaminen on lähtökohtaisesti haastavaa, mutta eräs potentiaalinen menetelmä perustuu niiden pomppaamiseen impaktorissa. Tässä työssä selvitettiin sähköisen alipaineimpaktorin ELPI:n mahdollisuuksia alle 200 nm hiukkasten pomppaamisen mittaamisessa. Koska ELPI mittaa hiukkasia sähköisesti, oli pomppaamisen rinnalla huomioitava myös hiukkasten kontaktissa impaktorialustaan tapahtuva varauksensiirto.

Hiukkasten pomppaamiselle ja varauksensiirrolle ELPI:ssä luotiin laskennallinen malli, joka perustuu aiemmin julkaistuihin, alun perin yli mikrometrin kokoisille hiukkasille suunnattuihin, teorioihin sekä alipaineimpaktorin virtausmallinnukseen. Teoreettisen ja laskennallisen lähestymistavan vastapainona oli kokeellinen osio, jossa tehtiin mittauksia erityisesti pomppaamiseen soveltuvilla puhtailla teräsalustoilla varustetulla ELPI:llä sekä yksiasteimpaktorilla. Yksiasteimpaktorilla suoritetut mittaukset olivat luonteeltaan lähellä perustutkimusta, ja niissä pyrittiin selvittämään nanohiukkasten käyttäytymistä suhteessa pomppaamisen ja varauksensiirron teorioihin. ELPI:llä toteutetuissa mittauksissa puolestaan testattiin mallin toimivuutta ja niin sanottujen tunnuslukujen käyttökelpoisuutta. Tunnuslukumenetelmän tavoitteena oli määritellä yksinkertaiset virtajakaumista laskettavat tunnusluvut, jotka kuvaisivat hiukkasten pomppaamisen ja varauksensiirron voimakkuutta.

ELPI:lle tehty malli kuvasi hyvin hiukkasten käyttäytymistä laitteessa. Etenkin hiukkasjakaumalle tehtävä sovitus, jossa mallinnetut virrat sovitetaan mitattuihin ELPI:n virtoihin kolmen vapaan parametrin avulla, osoittautui toimivaksi tavaksi saada tietoa hiukkasten ominaisuuksista. Tunnuslukumenetelmä ei kyennyt yhtä tarkkaan analyysiin, varsinkaan hiukkaskoon muuttuessa. Yksiasteimpaktorilla tehdyistä mittauksista saatu informaatio tuki pääosin mallin teoreettisia oletuksia ja vahvisti perustietämystä nanohiukkasten varauksensiirrosta. Vaikka laajasta tutkimusalueesta jäi myös paljon avoimia kysymyksiä, antavat tämän työn tulokset hyvän pohjan niin ELPI:n käytölle kuin mahdollisten uusien sovellusten kehittämiselle aerosolihiukkasten pomppaamisen ja varauksensiirron saralla. /Kir12