Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Atmosph\u00e4rische Aerosole werden mit dem Ziel charakterisiert, die Entstehungsprozesse und das Verhalten in der Atmosph\u00e4re sowie letztlich auch ihre Wirkungen zu verstehen. Eine der wichtigsten Eigenschaften ist dabei die Partikelgr\u00f6\u00dfenverteilung. Die relativ schnellen dynamischen Vorg\u00e4nge im atmosph\u00e4rischen Aerosol erfordern quasi-online Verfahren, wobei insbesondere der Partikelgr\u00f6\u00dfenbereich von ca. 100 nm bis 3 nm von Interesse ist. Im Rahmen des Projektes wird ein feldtaugliches Messger\u00e4t, basierend auf dem Prinzip der elektrischen Mobilit\u00e4tsanalyse entwickelt, gebaut und \u00fcberpr\u00fcft, so dass mit diesem Ger\u00e4t quasi-online Partikelverteilungen des atmosph\u00e4rischen Aerosols \u00fcber den gesamten Bereich von drei Nanometern bis ein Mikrometer erfasst werden k\u00f6nnen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Grundgedanke zur Bestimmung der Partikelgr\u00f6\u00dfenverteilung im atmosph\u00e4rischen Aerosol ist die Fraktionierung und anschlie\u00dfende Z\u00e4hlung der Partikel. Die Fraktionierung kann in einem differentiellen Mobilit\u00e4tsanalysator (DMA) vorgenommen werden. Hier wird unter Ausnutzung der Kraftwirkung des elektrischen Feldes auf geladene Partikel eine Trennung von Partikeln gleicher Mobilit\u00e4t vorgenommen. In der Abbildung 1 ist eine zylinder – symmetrische Anordnung eines DMAs gezeigt.
\nDas polydisperse Aerosol wird in diesem Beispiel ringf\u00f6rmig au\u00dfen zugef\u00fchrt. Durch die Kraftwirkung des zwischen dem Au\u00dfen- und Innenzylinder anliegenden elektrischen Feldes bewegen sich die Partikel senkrecht zur Str\u00f6mungsrichtung auf den Innenzylinder zu. Partikel gleicher Mobilit\u00e4t bewegen sich alle auf einer Bahnkurve zum Innenzylinder und k\u00f6nnen dort durch einen Schlitz abgesaugt werden. Mit der Kenntnis der Ladungsverteilung kann auf die Gr\u00f6\u00dfe dieser Partikel geschlossen werden. Durch die Variation der Spannung zwischen den Zylindern erh\u00e4lt man verschiedene Mobilit\u00e4ts- bzw. Gr\u00f6\u00dfenfraktionen. Grundvoraussetzung ist, dass die Anzahl der Ladungen auf den einzelnen Partikeln bekannt sein muss und das m\u00f6glichst viele Partikel geladen sind. Die nat\u00fcrliche Ladungsverteilung in einen atmosph\u00e4rischen Aerosol ist f\u00fcr diese Zwecke nicht immer bekannt und der Grad an Aufladung nicht ausreichend. Das Aerosol muss bevor es fraktioniert wird, definiert, unipolar aufgeladen werden. Die Bestimmung der Anzahl der Partikel in den Fraktionen kann direkt mit Hilfe optischer Streulichtdetektoren oder indirekt \u00fcber die Messung der elektrischen Ladung mit einem Elektrometer erfolgen. Ger\u00e4tetechnisch bedeutet dies eine Aufteilung in die Schwerpunkte:
\n\u00b7\tAuflader
\n\u00b7\tMobilit\u00e4tanalysator
\n\u00b7\tDetektor
\n\u00b7\tSteuerung und Software
\nNach diesen Schwerpunkten strukturiert sich auch die Durchf\u00fchrung des Vorhabens.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
F\u00fcr die Aufladung der Partikel k\u00f6nnten grunds\u00e4tzlich die Mechanismen der Diffusions-, Feld-, und Photoaufladung ausgenutzt werden. F\u00fcr die Diffusions- und Feldaufladung m\u00fcssen freie Ladungen erzeugt werden. Hierf\u00fcr kommen sinnvollerweise radioaktive Strahler und Koronaentladungen in Frage. Die verschiedenen Methoden wurden hinsichtlich des ger\u00e4tetechnischen Aufwands und der erreichbaren Ladungseffizienz miteinander verglichen. Radioaktive Quellen sind aufgrund der schlechten Handhabung im Feld, der schlecht steuerbaren Aufladung und der nicht ausreichenden Aufladung von Partikeln kleiner 30nm nicht f\u00fcr diese Anwendung geeignet. Eine effiziente Photoaufladung w\u00fcrde den ger\u00e4tetechnischen Rahmen des Gesamtger\u00e4tes v\u00f6llig sprengen. Eine kombinierte Feld- und Diffusionsaufladung mit einer Koronaentladung als Ladungstr\u00e4gerquelle liefert die besten Ergebnisse bei dem geringsten technischen Aufwand. In der Vergangenheit wurden diese Auflader immer mit einer festen Einstellung betrieben. Das f\u00fchrte nur zu einer optimierten Aufladung innerhalb eines kleinen Partikelgr\u00f6\u00dfenbereichs. Kleinere Partikel wurden nur zu einem sehr kleinen und unzureichenden Anteil aufgeladen und Partikel oberhalb des Gr\u00f6\u00dfenbereiches erhielten unerw\u00fcnschte Mehrfachladungen. In diesem Projekt wurde ein neuer Weg gew\u00e4hlt, in dem f\u00fcr die jeweils aktuelle Gr\u00f6\u00dfenfraktion des Aerosols eine optimierte Einstellung des Aufladers eingestellt wird.
\nDie Fraktionierung der Partikel nach ihrer Gr\u00f6\u00dfe erfolgt im elektrischen Feld eines DMA. Hier wurde eine radial symmetrische Bauform gew\u00e4hlt, da sie eine wesentlich kompaktere Bauform erlaubt als die bisher \u00fcbliche zylindersymmetrische Form. Aufgrund physikalischer Grenzen kann ein DMA nicht mit hinreichend hoher Aufl\u00f6sung \u00fcber den gesamten geforderten Gr\u00f6\u00dfenbereich von 3 nm bis 1 \u00b5m ausgelegt werden. Als L\u00f6sung wurde erstmals ein DMA entwickelt, der zwei DMAs in einem Ger\u00e4t vereinigt. Die Konstruktion ist dabei so kompakt geblieben wie bei einem einzelnen radial symmetrischen DMA.
\nZum Z\u00e4hlen der fraktionierten Partikel nach dem DMA kommen nach dem Stand der Technik Kondensationskernez\u00e4hler oder Elektrometer in Frage. Kondensationskernez\u00e4hler sind kommerziell erh\u00e4ltlich, sind aber aufgrund ihrer Empfindlichkeit in der Handhabung nur f\u00fcr den Einsatz im Labor geeignet. Weiterhin ist das Messprinzip nicht ohne Probleme bei unterschiedlichen Umgebungsdr\u00fccken einsetzbar. Gr\u00f6\u00dfe und Kosten der Ger\u00e4te sprechen ebenfalls gegen einen Einsatz. Da die Partikel, die den DMA verlassen, \u00fcber eine definierte elektrische Ladung verf\u00fcgen, kann man von der gemessenen Ladung pro Zeiteinheit auf die Anzahl der Partikel zur\u00fcckschlie\u00dfen. Die Ladung pro Zeiteinheit wird mit einem Elektrometer gemessen, das sich wesentlich kleiner und robuster bauen l\u00e4sst als ein Kondensationskernez\u00e4hler. Dar\u00fcber hinaus ist das Elektrometer weitgehend unabh\u00e4ngig von den Umgebungsbedingungen. Mit dem realisierten Elektrometer lassen sich Partikelkonzentrationen im unteren Nanometerbereich mit 100 Partikel pro cm\u00b3 aufl\u00f6sen.
\nBei der gesamten Entwicklung wurde darauf geachtet, das jede der einzelnen Komponenten str\u00f6mungstechnisch auf die anderen optimal abgestimmt ist. Alle Komponenten sind quasi in einer Konstruktion integriert, Str\u00f6mungsumlenkungen wurden weitgehend vermieden, so dass die Partikelverluste im Ger\u00e4t minimiert wurden.
\nDie gesamte Bedienung erfolgt \u00fcber einen Rechner und ist so einfach gehalten, dass nach einer kurzen Einf\u00fchrung die Messungen von einer Fachkraft durchgef\u00fchrt werden k\u00f6nnen.
\nDie Feldtauglichkeit des neuen Ger\u00e4tes wurde auf der Messkampagne FELDEX2000 auf dem Taunus Observatorium unter Beweis gestellt. Das Ger\u00e4t erf\u00fcllte hinsichtlich Funktion und Zuverl\u00e4ssigkeit die gestellten Anforderungen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Neben den Pr\u00e4sentationen zum Anlass der Statusseminare des Gro\u00dfverbundes Atmosph\u00e4rische Dia-gnostik wurden folgende Arbeiten im Rahmen dieses Projektes ver\u00f6ffentlicht:
\nOtten, F.; Kruis, F. E.; Fissan, H.; Rellinghaus, B.; Wassermann, E.F. (1998)
\nGas Phase Synthesis and Characterization of Equal-Sized Nanoscale Semiconductor Particles
\nNANO 98, Stockholm; K\u00f6nigliche Techn. Hochschule Stockholm, Schweden, June 1998<\/p>\n
M\u00fcschenborn, P.; Otten, F.;Trampe, A.;Luo, J.;Neumann, S.;Fissan, H (1999)
\nDevelopment of a new wide-range Differential Mobility Particle Sizer
\n3.ETH-Workshop Nanoparticle-Measurement; ETH, Z\u00fcrich, Swiss, Aug 1999<\/p>\n
Otten, F.; M\u00fcschenborn, P.; Trampe, A.; Neumann, S.; Fissan, H. (2001)
\nUnipolar Aerosol Charger for Singly Charged Particles Between 3 to 1000 nm
\n2nd Asian Aerosol Conference, Pusan, Korea, July 1-4, 2001<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das in dem Projekt entwickelte Ger\u00e4t erlaubt die Bestimmung der Partikelgr\u00f6\u00dfenverteilung des atmosph\u00e4rischen Aerosols in einem Gr\u00f6\u00dfenbereich von 3 nm bis 1 \u00b5m. Die Technik der Fraktionierung der Partikel im elektrischen Feld konnte zu einen kompakten und robusten Ger\u00e4t weiterentwickelt werden. Der entwickelte Prototyp hat seine Feldtauglichkeit und Zuverl\u00e4ssigkeit bei verschiedenen Eins\u00e4tzen bewiesen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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