氡子體氣溶膠多孔撞擊式采樣器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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。

1 慣性沖擊器的分類

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。

1.1 撞擊式粒子采樣器

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

1.2 向心式粒子采樣器

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

1.3 旋風(fēng)分離式采樣器

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。

2 圓形多孔撞擊式采樣器參數(shù)設(shè)計(jì)

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

2.1 影響采樣器性能主要參數(shù)及關(guān)系

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：

2.2 采樣器的參數(shù)設(shè)計(jì)

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)。

3 CFD模擬與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。

3.1 多嘴沖擊式采樣器的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 模擬結(jié)果及分析

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

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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

4.1 捕集效率曲線分析

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。

4.2 與ELPI＋儀器對(duì)比

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。

5 結(jié)語

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。