淺談光線對(duì)潔凈室懸浮粒子監(jiān)測(cè)的影響

摘 要：針對(duì)潔凈室環(huán)境監(jiān)測(cè)中發(fā)現(xiàn)光線對(duì)懸浮粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果有影響的現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了部分LED光源光線對(duì)懸浮粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果有影響的事實(shí)，結(jié)合粒子計(jì)數(shù)器的工作原理分析了光線影響懸浮粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果的原因，并針對(duì)這一異?，F(xiàn)象提出了相應(yīng)的解決方法，對(duì)潔凈室懸浮粒子準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)有實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：潔凈室；懸浮粒子；光線；LED光源；光強(qiáng)

中圖分類號(hào)：TQ460.8" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）23-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.019

0" " 引言

潔凈室是一種特殊的環(huán)境，通常用于生產(chǎn)藥品、醫(yī)療器械、電子元器件、食品等對(duì)潔凈度要求較高的產(chǎn)品，也可以用于醫(yī)療操作和實(shí)驗(yàn)室研究等場(chǎng)合。潔凈室通過(guò)控制空氣中的顆粒物、細(xì)菌、病毒等污染物，以保證在其中進(jìn)行的生產(chǎn)或?qū)嶒?yàn)過(guò)程不受污染物的干擾和影響。EUGMP、FDA以及國(guó)內(nèi)新版GMP均以懸浮粒子結(jié)果作為潔凈級(jí)別的主要定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。懸浮粒子計(jì)數(shù)器是一種專門用于檢測(cè)空氣中懸浮粒子的數(shù)量和粒徑大小的高精度的檢測(cè)設(shè)備，其主要作用是測(cè)量無(wú)塵車間、潔凈室等環(huán)境中空氣中的懸浮粒子濃度，以確保這些環(huán)境的潔凈度符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。因此，為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，分析和消除粒子計(jì)數(shù)器測(cè)量過(guò)程中的干擾因素顯得尤為重要。

1" " 粒子計(jì)數(shù)器的工作原理

懸浮粒子計(jì)數(shù)器的工作原理[1]是基于光散射技術(shù)[2]。光散射和微粒大小、光波波長(zhǎng)、微粒折射率及微粒對(duì)光的吸收特性等因素有關(guān)。不同光源對(duì)懸浮粒子計(jì)數(shù)器的性能有不同的影響[3-4]。具體來(lái)說(shuō)，懸浮粒子計(jì)數(shù)器使用一組透鏡將光源發(fā)出的光線聚焦在測(cè)量腔內(nèi)。當(dāng)空氣中的每一個(gè)粒子快速通過(guò)測(cè)量腔時(shí)，會(huì)將入射光散射一次，形成一個(gè)光脈沖信號(hào)。這個(gè)光信號(hào)經(jīng)過(guò)另一組透鏡被送到光檢測(cè)器，光檢測(cè)器將其轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)[5]。電脈沖信號(hào)的幅度與微粒的大小[6]有關(guān)，而電脈沖的數(shù)量則對(duì)應(yīng)于微粒的個(gè)數(shù)。然后這些電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)儀器電子線路的放大和甄別，分揀出需要的信號(hào)，再通過(guò)計(jì)數(shù)系統(tǒng)顯示出來(lái)，如圖1所示。根據(jù)粒子散射光的強(qiáng)度與粒徑的函數(shù)關(guān)系得出粒子直徑，計(jì)數(shù)系統(tǒng)可以顯示微粒的數(shù)量和大小分布。總的來(lái)講，最終粒子檢測(cè)的多少主要來(lái)源于散射光的多少。

2" " 光線導(dǎo)致懸浮粒子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常增大

環(huán)境監(jiān)測(cè)人員在潔凈室使用PMS LASAIRⅢ 310C粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行懸浮粒子監(jiān)測(cè)過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)，在潔凈室LED燈光正下方特定位置進(jìn)行粒子監(jiān)測(cè)時(shí)0.5 μm的粒子數(shù)量會(huì)發(fā)生異常增高的現(xiàn)象。根據(jù)粒子計(jì)數(shù)器的工作原理，推測(cè)可能是潔凈室LED燈光光線垂直射入采樣通道進(jìn)入粒子測(cè)量腔影響散射光數(shù)量，從而使粒子計(jì)數(shù)器的結(jié)果顯示有異常增加。

3" " 光線對(duì)粒子計(jì)數(shù)器的影響分析

3.1" " 不同光源對(duì)粒子計(jì)數(shù)器的影響分析

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)潔凈室LED光源垂直照射可以影響懸浮粒子的監(jiān)測(cè)結(jié)果，為了確認(rèn)其他光源是否也會(huì)影響懸浮粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用生活中常見的幾種光源，比如LED光源的手電筒、鹵素光源的手電筒、在生物安全柜和凈化工作臺(tái)中常見的白熾燈光源的照明燈進(jìn)行確認(rèn)實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試并記錄這幾種光源垂直射入采樣粒子采樣通道時(shí)是否對(duì)懸浮粒子的監(jiān)測(cè)結(jié)果有影響，如表1所示。

測(cè)試結(jié)果表明，白熾照明燈和鹵素?zé)襞菔蛛娡驳裙庠窗l(fā)出的光線對(duì)粒子監(jiān)測(cè)的結(jié)果沒有影響，而同為L(zhǎng)ED光源的潔凈室照明燈和LED手電筒光線對(duì)粒子監(jiān)測(cè)的結(jié)果均有影響。

3.2" " 同一光源不同光線強(qiáng)度對(duì)粒子監(jiān)測(cè)影響分析

實(shí)驗(yàn)確認(rèn)LED光源發(fā)出的光線會(huì)對(duì)懸浮粒子的監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，為了確認(rèn)同一LED光源發(fā)出不同強(qiáng)度的光線是否對(duì)粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果有不同的影響，采用有弱光和強(qiáng)光兩種模式的LED手電筒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。弱光模式下光照強(qiáng)度范圍在10 000～30 000 lx，強(qiáng)光模式的光照強(qiáng)度范圍在70 000～100 000 lx，采用這兩種強(qiáng)弱模式分別測(cè)試同一LED光源不同光線強(qiáng)度對(duì)粒子監(jiān)測(cè)的影響，兩種模式的實(shí)驗(yàn)均包含兩次開燈階段和三次關(guān)燈階段。

3.2.1" " LED光源弱光模式的光線對(duì)粒子監(jiān)測(cè)的影響

在LED光源弱光模式下，對(duì)粒子的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖2所示。在三次關(guān)燈狀態(tài)下，粒子數(shù)不增加，較為穩(wěn)定；而在兩次開燈狀態(tài)下，對(duì)0.5 μm的粒子影響明顯，對(duì)5 μm的粒子無(wú)影響；0.5 μm粒子數(shù)每秒新增在207～212之間，5 μm粒子數(shù)整個(gè)階段均為0，較為穩(wěn)定。

通過(guò)線性分析，整個(gè)階段的線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.965 6，低于0.99，表明線性不是很相關(guān)。對(duì)兩次開燈數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性分析，第一次開燈狀態(tài)下，線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.999 9，如圖3所示。第二次開燈狀態(tài)下，線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.999 8，如圖4所示。兩次開燈的線性相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.99，說(shuō)明LED光源弱光模式的光線對(duì)0.5 μm粒子數(shù)的影響呈明顯線性正相關(guān)，而對(duì)5 μm粒子數(shù)毫無(wú)影響。

3.2.2" " LED強(qiáng)光模式的光線對(duì)粒子監(jiān)測(cè)的影響

在LED光源強(qiáng)光模式下，對(duì)粒子的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖5所示。在三次關(guān)燈狀態(tài)下，粒子數(shù)不增加，較為穩(wěn)定；而在兩次開燈狀態(tài)下，對(duì)0.5 μm的粒子影響明顯，對(duì)5 μm的粒子無(wú)影響；0.5 μm粒子數(shù)每秒新增在206～209之間，5 μm粒子數(shù)整個(gè)階段均為0，較為穩(wěn)定。

通過(guò)線性分析，整個(gè)階段的線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.959，低于0.99，表明線性不是很相關(guān)。對(duì)兩次開燈數(shù)據(jù)分別進(jìn)行線性分析，第一次開燈狀態(tài)下，線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.999，如圖6所示。第二次開燈狀態(tài)下，線性相關(guān)系數(shù)R的平方為0.997，如圖7所示。兩次開燈的線性相關(guān)系數(shù)均超過(guò)0.99，說(shuō)明LED光源強(qiáng)光模式的光線對(duì)0.5 μm粒子數(shù)的影響呈明顯線性正相關(guān)，而對(duì)5 μm粒子數(shù)毫無(wú)影響。

兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整合對(duì)比分析表明，針對(duì)同一種LED光源產(chǎn)生的兩種不同強(qiáng)度的光線，在開燈狀態(tài)下，弱光光線照射的0.5 μm粒子每秒新增數(shù)在207～212之間，強(qiáng)光光線照射的0.5 μm粒子每秒新增數(shù)在206～209之間，差距非常小，因此可以得出結(jié)論：同一種LED光源的光線，在一定范圍內(nèi)改變光照強(qiáng)弱對(duì)0.5 μm粒子數(shù)監(jiān)測(cè)影響無(wú)明顯差異，粒子數(shù)和光照時(shí)間也是呈正比線性關(guān)系；同一LED光源發(fā)出的光線，無(wú)論強(qiáng)弱均對(duì)5 μm粒子監(jiān)測(cè)無(wú)影響。

3.3" " 同一光源光線不同入射角度對(duì)粒子監(jiān)測(cè)影響分析

前面實(shí)驗(yàn)已經(jīng)確認(rèn)了LED光源光線射入采樣通道會(huì)對(duì)0.5 μm粒子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有影響，理論分析認(rèn)為，光線垂直射入的夾角越小，進(jìn)入采樣通道的光線越多，則對(duì)粒子計(jì)量的影響越大。為了確認(rèn)光線垂直入射角度對(duì)粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的影響，采用已確認(rèn)有影響的同一種LED光源，通過(guò)來(lái)回調(diào)整不同垂直入射角度，分別在gt;30°、20°～30°、10°～20°、0°～10°這四個(gè)垂直入射角度范圍進(jìn)行測(cè)試，分別往復(fù)進(jìn)行三次測(cè)試，如圖8所示。

分別統(tǒng)計(jì)不同入射角度下每秒新增0.5 μm粒子數(shù)，得到分析結(jié)果如表2所示。當(dāng)光線垂直射入角度大于30°時(shí)，對(duì)0.5 μm粒子沒有任何影響；當(dāng)垂直射入角度小于30°時(shí)，就會(huì)有光線射入采樣通道，0.5 μm粒子就會(huì)有異常增加。垂直射入角度在20°～30°之間每秒增加121～455粒，垂直射入角度在10°～20°之間每秒增加461～775粒，垂直射入角度在0～10°之間每秒增加1 074～2 383粒。射入角度越低，每秒增加的粒子越多，另外光源距采樣口越近，對(duì)粒子監(jiān)測(cè)的影響越大。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出射入采樣通道的光線越多，對(duì)0.5 μm粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果影響越大，則可以分析出設(shè)備與燈光的相對(duì)位置通過(guò)影響進(jìn)光量來(lái)影響0.5 μm的粒子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.4" " LED光源產(chǎn)生的光線對(duì)粒子計(jì)數(shù)器的影響分析

LED光源是激光大家族中的新型光源，屬于“弱激光”范疇。結(jié)合懸浮粒子計(jì)數(shù)器的原理進(jìn)行分析，部分LED光源產(chǎn)生的光線可能與懸浮粒子計(jì)數(shù)器自身的激光光源照射粒子后產(chǎn)生的散射光線非常相似，進(jìn)而干擾計(jì)數(shù)系統(tǒng)，影響計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確性。

4" " 如何避免光線對(duì)懸浮粒子監(jiān)測(cè)的影響

4.1" " 增大垂直入射角度

通過(guò)之前的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以調(diào)整粒子計(jì)數(shù)器采樣位置及其與房間照明燈的相對(duì)位置，只要光線垂直入射角度超過(guò)30°，就可以避免光線射入采樣通道影響懸浮粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果，垂直入射夾角越大，影響越小。

4.2" " 增加較長(zhǎng)的采樣軟管進(jìn)行偏心安裝

可以通過(guò)增加較長(zhǎng)的采樣軟管，進(jìn)行偏心安裝，使外界光線無(wú)法照射到粒子計(jì)數(shù)器透鏡，從而避免光線射入采樣通道影響懸浮粒子的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

在采用粒子計(jì)數(shù)器進(jìn)行懸浮粒子監(jiān)測(cè)時(shí)，潔凈室中的部分LED光源發(fā)出的光線會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，懸浮粒子數(shù)與光照時(shí)間成正比線性關(guān)系，與光線垂直射入夾角成反比。同一種LED光源的光線，在一定范圍內(nèi)改變光照強(qiáng)弱對(duì)0.5 μm粒子數(shù)監(jiān)測(cè)的影響無(wú)明顯差異，而對(duì)5 μm粒子的監(jiān)測(cè)無(wú)任何影響。因此，在生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)中可以通過(guò)增大光源垂直入射角度或偏心安裝較長(zhǎng)的采樣軟管的方式避免光線影響懸浮粒子監(jiān)測(cè)結(jié)果，從而確保懸浮粒子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不受外界光線的影響，處于良好的工作狀態(tài)，使得潔凈區(qū)的懸浮粒子監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性得到保障，生產(chǎn)潔凈環(huán)境的質(zhì)量得到控制。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳成新，李名兆.塵埃粒子計(jì)數(shù)器的原理和使用[J].工業(yè)計(jì)量，2004（6）：33-35.

[2] 黃惠杰，趙永凱，任冰強(qiáng)，等.塵埃粒子的半導(dǎo)體激光散射測(cè)量[J].中國(guó)激光，2002，29（12）：1117-1121.

[3] 高永鋒，鄒麗新，黃惠杰，等.塵埃粒子計(jì)數(shù)器中光源對(duì)傳感器光通量的影響分析[J].應(yīng)用光學(xué)，2005，26（3）：45-49.

[4] 紀(jì)運(yùn)景，卞保民，賀安之.不同光源對(duì)激光塵埃粒子計(jì)數(shù)器性能的影響[J].紅外與激光工程，2004，33（3）：264-268.

[5] 彭剛，嚴(yán)偉，卞保民，等.塵埃粒子計(jì)數(shù)器標(biāo)準(zhǔn)粒子信號(hào)幅度分布統(tǒng)計(jì)分析[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，23（6）：514-518.

[6] 黃廷磊，鄭剛，王乃寧.室內(nèi)空氣中顆粒狀污染物的計(jì)數(shù)技術(shù)[J].應(yīng)用光學(xué)，2000，21（2）：17-22.

收稿日期：2024-09-05

作者簡(jiǎn)介：唐大海（1986—），男，四川成都人，生物醫(yī)學(xué)工程師，主要從事驗(yàn)證與質(zhì)量控制工作。