譚至宇 陳 凌 程衛(wèi)亞 陳亮平 馬天賜
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413)
氡是天然輻射照射的主要來源,國(guó)際放射防護(hù)委員會(huì)(International Commission on Radiological Protection,ICRP)第50號(hào)出版物估計(jì)公眾肺癌中10%可歸因于氡及其子體的照射[1]。氡子體的劑量貢獻(xiàn)占了主要部分,且內(nèi)照射劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)主要取決于氡子體氣溶膠粒子活度粒徑分布,基于氡子體的物理形態(tài)和防護(hù)地位,需要對(duì)氡子體氣溶膠進(jìn)行分級(jí)采樣。氡子體氣溶膠粒子一般按兩種方式采集:一種是總濃度采樣,不區(qū)分粒子大??;另一種為粒度分離采樣,按照粒度大小分成若干個(gè)粒徑段在各類粒徑分級(jí)采樣器中。德國(guó)Prostendorfe等[2-3]發(fā)現(xiàn)粒徑大于1 μm的氡子體氣溶膠活度占比僅在0%~10%,考慮后續(xù)儀器并聯(lián)分級(jí)設(shè)計(jì),本文主要針對(duì)氡子體放射性氣溶膠粒度分離采樣,介紹幾類常見的慣性沖擊式粒度分級(jí)采樣器,并分析了其工作原理,設(shè)計(jì)了一種切割粒徑dp50=1 μm的多孔撞擊式采樣器。
放射性氣溶膠具有一切非放射性氣溶膠類似的性質(zhì)與特征[4],氡子體氣溶膠粒度分級(jí)采樣主要借鑒氣溶膠粒徑分級(jí)采樣方法的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合其自身特殊性進(jìn)行有針對(duì)性的調(diào)整和優(yōu)化。最常用的是根據(jù)流體力學(xué)的慣性碰撞原理設(shè)計(jì)的沖擊式采樣器(Impactor),沖擊式采樣器最早是由莫塞爾設(shè)計(jì),并用于鈾礦山測(cè)量[5]。沖擊式采樣器裝置主要分為:撞擊式粒子采樣器、向心式粒子采樣器、旋風(fēng)分離式采樣器。
撞擊式粒子采樣器如圖1所示,沖擊噴嘴可選擇圓形或是矩形,其原理是利用慣性分離技術(shù),通過調(diào)整進(jìn)氣速率,使得較大粒徑的氡子體氣溶膠粒子經(jīng)過噴嘴因慣性撞擊在沖擊板上被采集,而小于該粒徑的粒子跟隨流線繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。為防止撞擊板采集粒子的反彈和滑落,可將噴嘴由單孔設(shè)計(jì)為多孔撞擊式粒子采樣器,甚至可通過旋轉(zhuǎn)收集板使得粒子收集得更加均勻。
圖1 多孔撞擊式粒子采樣器示意圖Fig.1 Diagram of porous impact-type particle sampler
向心式粒子采樣器如圖2所示,采樣分級(jí)器由一個(gè)一定孔徑的噴嘴和錐形采集板組成,同時(shí)采集板底部為有適當(dāng)阻力的捕集濾膜作為粒子捕集介質(zhì),當(dāng)一定速度的放射性氣溶膠粒子群經(jīng)過噴嘴,慣性足夠大,截止距離足夠長(zhǎng)的粒子將沖擊到錐形采集板中,最后捕集在濾紙上。采集板底部的濾膜有一定氣流通過,使得沖擊進(jìn)噴嘴的粒子能順利到達(dá)捕集濾膜上。
圖2 向心式粒子采樣器示意圖Fig.2 Diagram of centripetal-type particle sampler
旋風(fēng)分離采樣器如圖3所示,該采樣器由一個(gè)旋風(fēng)體以及上方的小粒徑收集板與下方大粒徑收集板組成。其原理為放射性氣溶膠粒子從螺旋式的氣流口進(jìn)入旋風(fēng)體后,圍繞軸向的中心管柱形成螺旋式的螺旋運(yùn)動(dòng),由于離心力的作用,粗大的粒子落入下方收集板中。而細(xì)小粒子隨氣流而被帶走,進(jìn)而捕集在氣流出口上方的收集板中。
圖3 旋風(fēng)分離采樣器示意圖Fig.3 Diagram of cyclone separation sampler
撞擊式采樣器無論噴嘴為單孔或多孔,粒子的滑脫和反彈問題不可避免,對(duì)粒子的分離特性有一定影響。為克服撞擊式收集板的滑脫和反彈現(xiàn)象,向心式采樣器克服了撞擊式的滑脫現(xiàn)象,使得各個(gè)分離機(jī)捕集的氣溶膠粒子比較多,適合長(zhǎng)時(shí)間、大流量的粒度分布采樣,但向心式噴嘴為單孔,各級(jí)的捕集效率曲線、切割特性不如撞擊式好且分級(jí)不宜太多,部分粒子會(huì)黏附、沉積在管嘴的內(nèi)外壁而造成損失。旋風(fēng)分離采樣器只能按照大小分離成兩部分進(jìn)行粒度采樣,且捕集的細(xì)小粒子也會(huì)產(chǎn)生滑脫現(xiàn)象[5]。針對(duì)粒徑為微米及亞微米級(jí)氡子體氣溶膠粒子,捕集效率曲線、切割特性直接決定采樣器性能,結(jié)合各類慣性沖擊式采樣器優(yōu)缺點(diǎn),選用多孔撞擊式采樣器并對(duì)其進(jìn)行研究。而采樣器的設(shè)計(jì)尤為重要,采樣系統(tǒng)的好壞直接影響整個(gè)氣溶膠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能,提高氡子體氣溶膠粒子的捕集效率。
采樣器的噴嘴部分采用圓形的多噴嘴(孔)形式,根據(jù)放射性氣溶膠顆粒尺寸的大?。諝鈩?dòng)力學(xué)直徑)實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣中1 μm以下的放射性氣溶膠粒子收集,其原理簡(jiǎn)化模型如圖4所示。假定入口氣流在噴嘴處的流動(dòng)是均勻的,沿流線運(yùn)動(dòng)的氡子體氣溶膠顆粒受離心力使顆粒向沖擊板運(yùn)動(dòng)。采樣器的參數(shù)設(shè)計(jì),主要遵循兩個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[6]:一是噴嘴和收集板的距離(S)、噴嘴高度(T)與噴嘴直徑(W)的比值S/W、T/W范圍;二是雷諾數(shù)Re范圍。首先根據(jù)沖擊器捕集結(jié)構(gòu)原理得到主要參數(shù)之間關(guān)系,并通過設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(1≤S/W≤5,1≤T/W≤5,500≤Re≤3 000)及迭代優(yōu)化確定Re、質(zhì)量流量Qm、切割粒徑dp50、噴嘴孔數(shù)N、噴嘴直徑W等具體參數(shù)值,后續(xù)根據(jù)已知參數(shù)建模,對(duì)該沖擊器模型進(jìn)行多次模擬仿真,確定沖擊器收集板直徑R收集板與壁距離L、噴嘴距離D、噴嘴高度T、噴嘴到收集板的距離S等模擬參數(shù)并得到最后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
圖4 多孔撞擊式粒子采樣器簡(jiǎn)化物理模型圖Fig.4 Simplified physical model diagram of porous impact-type particle sampler
影響沖擊器性能的結(jié)構(gòu)與物性參數(shù)主要有Re、Qm、dp50、N、W等。理論及實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),沖擊器切割特性是受流體的速度流場(chǎng)所控制,速度場(chǎng)是沖擊器的物理性狀。并且得到流體通過噴嘴時(shí)Re的函數(shù),以噴嘴直徑所表示的Re可由式(1)定義[7-8]:
式中:N為噴嘴個(gè)數(shù),個(gè);W為噴嘴直徑,cm;Qm為各噴嘴總的質(zhì)量流量,g·s-1;μ為黏滯系數(shù),g·(cm·s)-1。
根據(jù)質(zhì)量守恒定理,沖擊器各處的質(zhì)量流量都應(yīng)相同,一般情況下氣體的Qm不易測(cè)出,則體積流量Qv與質(zhì)量流量Qm的關(guān)系為:
式中:Qν為各噴嘴總的體積流量,cm3·s-1;ρg為空氣密度,g·cm-3。
式中:ρp為顆粒密度,g·cm-3;CC為滑移修正系數(shù),無量綱;λ為空氣平均自由程,cm。
在T0=293.15K、P0=101 325 Pa時(shí),空氣密度ρg=1.293kg·m-3,黏滯系數(shù)η0=1.81×10-5Pa·s,空氣平均自由程λ=0.065 3 μm,則在其他溫度T、壓強(qiáng)P處可表示為:
根據(jù)式(1)和式(3),消去噴嘴直徑W,可得到噴嘴孔數(shù)N與Re,Qm、dp50之間的關(guān)系:
根據(jù)式(1)和式(5),消去Qm和N,可得到噴嘴直徑W與Re、dp50之間的關(guān)系:
根據(jù)上述沖擊器參數(shù)之間關(guān)系,通常先明確切割粒徑dp50,再設(shè)置Qm、Re,得到噴嘴個(gè)數(shù)N與噴嘴直徑W,然后再反推Re,根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證,若未在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的推薦范圍內(nèi),需進(jìn)行參數(shù)迭代優(yōu)化,即將Re再次代入式(8)、(9)重新進(jìn)行迭代計(jì)算,直到設(shè)計(jì)參數(shù)在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的推薦范圍內(nèi)。采樣器的性能才能保持相對(duì)穩(wěn)定[10-12]。
參數(shù)迭代優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn),由于后續(xù)實(shí)際加工的限制,噴嘴個(gè)數(shù)W、Re都為正整數(shù),則可通過先設(shè)置噴嘴數(shù)與Re為正整數(shù)并限定其范圍:噴嘴個(gè)數(shù)在1~100內(nèi),Re在500~3 000內(nèi),通過輸入Qm來迭代得到最終的結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)設(shè)計(jì)要求切割粒徑dp50為1 μm找到合適的結(jié)果,使用噴嘴個(gè)數(shù)N=6的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示。
表1 多孔撞擊式粒子采樣器結(jié)構(gòu)與物性參數(shù)Table 1 Structure and physical parameters of porous impingent particle sampler
后續(xù)根據(jù)表1結(jié)構(gòu)與物性參數(shù)對(duì)采樣器建模,并使用Fluent軟件模擬仿真,確定沖擊器收集板直徑R收集板與壁距離L、噴嘴距離D、噴嘴高度T、噴嘴到收集板的距離S等模擬參數(shù)。
Fluent軟件是國(guó)際上比較流行的商業(yè)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)軟件包,專用于流體力學(xué)分析[13]。在軟件仿真前,利用ANSYS前端處理軟件進(jìn)行建模和網(wǎng)格化。為研究不同粒徑顆粒在流體中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,探討沖擊器R、L、D、T、S對(duì)沖擊器切割特性(捕集效率和切割銳度)的影響,根據(jù)表1多孔撞擊式粒子采樣器結(jié)構(gòu)與物性參數(shù),利用Fluent軟件進(jìn)行沖擊器內(nèi)部流場(chǎng)的CFD模擬。
多孔撞擊式采樣器裝配關(guān)系如圖5所示。主要共包含4部分:入口部分由兩個(gè)不同半徑的圓柱體組成,噴嘴部分由6個(gè)流道組成,收集板部分由一個(gè)空心圓柱與三個(gè)長(zhǎng)方體支撐板組成,出口部分僅由一個(gè)圓柱體組成。
圖5 多孔沖擊式采樣器模型示意圖Fig.5 Diagram of porous impact sampler model
完成建模后,利用Fluent軟件對(duì)模型進(jìn)行流體力學(xué)仿真。仿真計(jì)算采用的是離散相流體力學(xué)模型,邊界條件設(shè)置見表2。圖6為1 μm粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡,其中局部放大圖顯示了部分1 μm粒子撞擊到了收集板的軌跡。
表2 采樣器仿真邊界條件Table 2 Sampler simulates boundary conditions
圖6 仿真1 μm粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Simulation of 1 μm particle trajectories
3.2.1R對(duì)捕集效率的影響
考慮R對(duì)捕集效率的影響,固定其他結(jié)構(gòu)參數(shù),取L=20 mm,D=1.6 mm,T=1.6 mm,S=0.8 mm,仿真了在不同收集板直徑R的情況下粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,統(tǒng)計(jì)得到一組捕集效率曲線如圖7所示。從捕集效率曲線可以看出,通過改變收集板直徑R,其曲線的幾何偏差和dp50參數(shù)基本沒有變化,可認(rèn)為R在15~55 mm時(shí)采集器性能保持穩(wěn)定且對(duì)捕集效率曲線無影響。
圖7 收集板直徑R的捕集效率曲線Fig.7 Capture efficiency curve of collector plate diameter R
3.2.2L對(duì)沖擊效率的影響
考慮L對(duì)沖擊效率的影響,固定其他結(jié)構(gòu)參數(shù),取R=25 mm,D=1.6 mm,T=1.6 mm,S=0.8 mm,仿真了在不同L的情況下粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,統(tǒng)計(jì)得到一組捕集效率曲線如圖8所示。從搜捕曲線可以看出,通過改變收集板與內(nèi)壁的距離L,其曲線的幾何偏差與dp50無較大差異,可認(rèn)為L(zhǎng)在10~50 mm時(shí)采集器性能保持穩(wěn)定且對(duì)捕集效率曲線無影響。
圖8 收集板與內(nèi)壁的距離L的捕集效率曲線Fig.8 Capture efficiency curve of the distance L between the collector plate and the wall
3.2.3D對(duì)捕集效率的影響
考慮到D對(duì)捕集效率的影響,固定其他結(jié)構(gòu)參數(shù),取R=25 mm,L=20 mm,T=1.6 mm,S=0.8 mm,D與W不同倍數(shù)的情況下粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,統(tǒng)計(jì)得到一組捕集效率曲線如圖9所示。從曲線可以看出,當(dāng)D與W關(guān)系為1.5~3.5倍時(shí),其捕集效率曲線與dp50無較大差異,當(dāng)大于3.5倍時(shí)dp50隨著倍數(shù)增大而減少,且捕集效率曲線隨著倍數(shù)增大而變緩。根據(jù)多孔撞擊式采樣器是多股射流同時(shí)沖向收集板,當(dāng)粒子進(jìn)入噴嘴隨流線運(yùn)動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí),不同粒徑的粒子偏離流線程度不同,若孔距太小,粗粒徑在脫離流線時(shí)互相擾動(dòng),若孔距太大,細(xì)顆粒在跟隨流線時(shí)互相擾動(dòng),所以認(rèn)為D與W的關(guān)系D/W=1.5~3.5倍時(shí),模擬采集器符合要求。
圖9 噴嘴距離D的捕集效率曲線Fig.9 Capture efficiency curve of nozzle distance D
3.2.4S與捕集效率的影響
考慮S對(duì)捕集效率的影響,固定其他結(jié)構(gòu)參數(shù),取R=25 mm,D=1.6 mm,L=20 mm,T=1.6 mm,仿真了S/W值不同的情況下粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,統(tǒng)計(jì)得到一組捕集效率曲線如圖10所示。從曲線可以看出,采樣器的切割半徑隨著噴嘴到?jīng)_擊面的距離的增大而增大。當(dāng)S增加時(shí),雖然氣體黏性力作用在粒子上的時(shí)間變長(zhǎng),粒子撞擊到?jīng)_擊板上的概率減小,但是同時(shí)沖擊面上方氣流向兩側(cè)的流速會(huì)減小,對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡的影響力會(huì)削弱,又使粒子撞擊到收集板上的概率又增大。所以認(rèn)為當(dāng)切割粒徑要求dp50=1 μm時(shí),S與W的關(guān)系S/W=1時(shí),模擬采集器符合要求。
圖10 噴嘴到收集板距離S的捕集效率曲線Fig.10 Capture efficiency curve of the distance S from nozzle to collector plate
3.2.5T與捕集效率的影響
考慮到T與捕集效率的影響,固定其他結(jié)構(gòu)參數(shù),取R=25 mm,D=1.6 mm,L=20 mm,S=0.8 mm,T不同的情況下粒子運(yùn)動(dòng)軌跡,統(tǒng)計(jì)得到一組捕集效率曲線如圖11所示。從曲線可以看出,無論是曲線的幾何偏差與dp50無較大差異,可認(rèn)為T在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1≤T/W≤5內(nèi)時(shí)采集器性能保持穩(wěn)定且對(duì)捕集效率曲線無影響。
圖11 噴嘴高度T的捕集效率曲線Fig.11 Capture efficiency curve of nozzle height T
圖12 多孔撞擊式采樣器設(shè)計(jì)圖Fig.12 Design diagram of the porous percussive sampler
3.2.6 沖擊器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)上述對(duì)沖擊器的CFD模擬結(jié)果,可得出沖擊器R、L、D、T、S的結(jié)構(gòu)參數(shù),如表3所示,加工成樣機(jī)進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn),沖擊器結(jié)構(gòu)如圖11所示,當(dāng)氡子體氣溶膠隨流線經(jīng)過噴嘴后,大于1 μm的粒子被收集在采集板上,小于1 μm的粒子隨氣流而被濾膜捕集。
表3 多孔撞擊式粒子采樣器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Structural parameters of porous impingent particle sampler
表4 不同源項(xiàng)與理論模擬值的捕集效率驗(yàn)證指標(biāo)對(duì)比結(jié)果Table 4 Comparison of capture efficiency verification indexes of different source items and theoretical simulation values
表5 不同采樣時(shí)間多孔撞擊式采樣器與ELPI+質(zhì)量分布對(duì)比結(jié)果Table 5 Comparison of mass distribution between porous impinged sampler and ELPI+ at different sampling times
捕集效率曲線特性是衡量多孔撞擊式采樣器性能的重要指標(biāo),主要參照《HJ 93-2013環(huán)境空氣顆粒物PM10和PM2.5采樣技術(shù)要求及檢測(cè)方法》使用分流測(cè)試法,利用自制多分散的氣溶膠對(duì)采樣器進(jìn)行標(biāo)定。將穩(wěn)定的氡子體氣溶膠粒子通入多孔撞擊式采樣器中,再用氣溶膠粒度譜儀Grimm11-D分別測(cè)量采樣器上(源項(xiàng))、下游的氡子體氣溶膠濃度Cin和Cout,建立圖13所示的多孔撞擊式采樣器性能測(cè)試系統(tǒng)。而多孔撞擊式采樣器的性能指標(biāo)通過與商用ELPI+儀器進(jìn)行質(zhì)量比對(duì)實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:多孔撞擊式采樣器滿足對(duì)氡子體氣溶膠的采集要求。
圖13 多孔撞擊式采樣器性能測(cè)試裝置示意圖Fig.13 Schematic diagram of performance test device for multi-hole percussive sampler
撞擊式采樣器捕集曲線主要以單分散顆粒物標(biāo)定方法為主,但實(shí)際驗(yàn)證過程中對(duì)亞微米級(jí)別氡子體氣溶膠,產(chǎn)生的單分散性氣溶膠可能會(huì)不理想,且產(chǎn)生的單分散氣溶膠容易在驗(yàn)證過程中附壁或結(jié)合,導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確[14]。參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的做法,利用自制多分散的氣溶膠對(duì)采樣器進(jìn)行標(biāo)定。與單分散氣溶膠標(biāo)定法相比,該方法可在較短時(shí)間內(nèi)獲得采樣器的切割性能,在三類不同氡子體氣溶膠濃度的源項(xiàng)條件下,多孔撞擊式采樣器上(源項(xiàng))、下游的氡子體氣溶膠濃度Cin和Cout如圖14所示,再通過式(10)計(jì)算得氡子體氣溶膠捕集效率η。
圖14 不同源項(xiàng)多孔撞擊式采樣器下游Cin氡子體氣溶膠濃度Fig.14 Aerosol concentration of Cin radon daughter upstream of different source items sampler
圖15 多孔撞擊式采樣器CFD計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較Fig.15 Comparison of CFD calculation and experimental values of porous impingement sampler
多分散氣溶膠發(fā)生器以潔凈的高純氮(99.999%)作為載氣,將油滴通過霧化噴嘴以一定的壓力和流量噴射出來,粒子進(jìn)入混合室,形成多分散氣溶膠顆粒。通入氡室,在恒溫狀態(tài)下(<±1 ℃)保持氣溶膠發(fā)生器開啟3 h以后,氡及氡子體濃度達(dá)到衰變平衡,得到穩(wěn)定的多分散氡子體氣溶膠源項(xiàng)。不改變泵的流量,即在壓強(qiáng)穩(wěn)定的條件下,調(diào)節(jié)油滴進(jìn)入速率,得到不同氡子體氣溶膠濃度源項(xiàng)。根據(jù)圖13建立測(cè)試系統(tǒng),多分散氡子體氣溶膠通入多孔撞擊式采樣器,并將濾膜置于在收集板上,為防止粒子在濾膜上反彈,使用L型阿皮松脂涂于膜上,待穩(wěn)定后用 Grimm11-D(測(cè)量粒徑0.253~35.150 μm)測(cè)量不同Cin與下游Cout處的氡子體氣溶膠濃度,結(jié)果如圖14所示。
衡量捕集效率曲線特性的指標(biāo)為幾何標(biāo)準(zhǔn)差σg和切割器在捕集效率為50%時(shí)的粒子空氣動(dòng)力學(xué)直 徑dp50。σg有 兩 種 表 述 方 法 :σg1=dp50/dp16,σg2=dp84/dp50,其中:dp16和dp84為捕集效率16%與84%時(shí)對(duì)應(yīng)的粒子空氣動(dòng)力學(xué)直徑[15]。根據(jù)式(10)計(jì)算出不同濃度源項(xiàng)條件下的捕集效率曲線,結(jié)果如圖16所示。
通過擬合得出三類源項(xiàng)的dp50、σg1、σg2并對(duì)比CFD模擬值,見表1。改變上游Cin的氡子體氣溶膠濃度,不會(huì)影響多孔撞擊式采樣器的捕集效率曲線。多孔撞擊式采樣器的切割粒徑dp50=(1±0.07) μm理論模擬值偏差6.9%,σg1=1.33,σg2=1.35,與理論模擬值分別偏差5.8%與8%,從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論模擬值對(duì)比來看,多孔撞擊式采樣器對(duì)不同源項(xiàng)皆達(dá)到預(yù)期效果,可實(shí)現(xiàn)1 μm粒徑分離。
ELPI+工作原理基于荷電、低壓撞擊、電荷測(cè)量三個(gè)部分。顆粒物被荷電器充上一定水平的電荷,其后在低壓串聯(lián)的撞擊器內(nèi)依照空氣動(dòng)力學(xué)粒徑分級(jí)收集。串聯(lián)撞擊器間絕緣,并各自連接靈敏靜電計(jì),測(cè)量其收集顆粒物產(chǎn)生的電流值[15-17]。每一級(jí)電流值與顆粒物粒子數(shù)成正比。ELPI+分為15級(jí),其切割粒徑依次為10 μm、6.8 μm、4.4 μm、2.5 μm、1.6 μm、1.0 μm、0.64 μm、0.26 μm、0.170 μm、0.108 μm、0.060 μm、0.030 μm、0.017 μm、0.006 μm。
質(zhì)量分布是衡量沖擊器性能的重要指標(biāo),使用濾膜采集ELPI+的10~15級(jí),即切割粒徑為1 μm以上氡子體氣溶膠,與多孔撞擊式采樣器進(jìn)行質(zhì)量對(duì)比,分別采樣10 min、20 min、30 min后,利用精度為電子分析天平(精度為0.001 mg)進(jìn)行稱重,考慮到這兩種儀器的流量不同,必須對(duì)質(zhì)量歸一化。兩種采樣器歸一質(zhì)量后結(jié)果如表2所示,結(jié)果發(fā)現(xiàn),采樣時(shí)間為10 min、20 min和30 min時(shí)多孔撞擊式采樣器與ELPL+的偏差皆大于10%,分別為9.3%、8.1%和8.8%,質(zhì)量分布基本一致。說明多孔撞擊式采樣器能對(duì)1 μm氡子體氣溶膠進(jìn)行有效切割。
本文針對(duì)粒徑范圍亞微米級(jí)氡子體氣溶膠粒子,設(shè)計(jì)了一種放射性氣溶膠采樣器,結(jié)合各類慣性沖擊式采樣器優(yōu)缺點(diǎn),選用多孔撞擊式采樣器并對(duì)其進(jìn)研究。首先根據(jù)采樣器捕集結(jié)構(gòu)原理得到參數(shù)之間關(guān)系,并通過設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及迭代優(yōu)化確定Re、Qm、dp50、N、W等參數(shù)值。其次根據(jù)上述參數(shù)對(duì)采樣器建模,運(yùn)用Fluent軟件對(duì)采樣器模擬仿真,分析得R在15~55 mm內(nèi)、L在10~50 mm內(nèi)、T在設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1≤T/W≤5內(nèi)時(shí),采集器性能保持穩(wěn)定且對(duì)捕集效率曲線無影響。D與W的關(guān)系D/W=1.5~3.5倍、S與W的關(guān)系S/W=1時(shí),模擬采集器符合要求,最終在此基礎(chǔ)上研制出了一種切割粒徑為1 μm的多孔撞擊式采樣器。對(duì)多孔撞擊式采樣器進(jìn)行性能測(cè)試,采用分流測(cè)試法得到其捕集效率曲線,并與模擬值和ELPI+儀器進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明:該采樣器收集效果良好,dp50=(1±0.07) μm,σg1=1.33,σg2=1.35,實(shí)現(xiàn)了對(duì)1 μm粒徑粒子的有效切割,多孔撞擊式采樣器的實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合。本文重點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種多孔撞擊式采樣器,通過模擬并與ELPI+儀器對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了對(duì)1 μm粒徑粒子的有效切割,為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化、設(shè)計(jì)多級(jí)采樣器并開展對(duì)氡子體氣溶膠在線粒徑分布測(cè)量研究提供便利與思路。
致謝衷心感謝陳凌教授和單健教授對(duì)本文整體流程及內(nèi)容所做的貢獻(xiàn)支持。
作者貢獻(xiàn)聲明譚至宇負(fù)責(zé)研究的提出及設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)的收集和整理,文章的起草和最終版本的修訂;陳凌負(fù)責(zé)文章的修訂,項(xiàng)目的監(jiān)督和管理;程衛(wèi)亞負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)過程的討論,項(xiàng)目的監(jiān)督和管理;陳亮平、馬天賜負(fù)責(zé)數(shù)的收集。