Sähködynaaminen pienhiukkasloukku jäänukleaatiohiukkasten optiseen alkuaineanalysointiin

Abstract

Diplomityössä esitellään uusi reaaliaikainen mittausmenetelmä pienhiukkasten alkuaineanalyysin suorittamiseksi. Menetelmä perustuu hiukkasen sähködynaamiseen tasapainoon sekä laser-indusoituun plasmaspektroskopiaan, jotka ovat omilla tieteenaloillaan tunnettuja ja suosittuja analyysimenetelmiä. Nykyisellään pienhiukkasten reaaliaikainen alkuaineanalyysi lepää aerosolimassaspektroskopian harteilla, mutta kompaktimpaan, kevyempään ja helppokäyttöisempään mittausvälineeseen on tarvetta esimerkiksi jäänukleaatiohiukkastutkimuksessa. Menetelmän toimivuutta tutkittiin numeerisesti ja kokeellisesti, ja tuloksia verrattiin aikaisempaan teoriaan ja tutkimukseen. Tutkimuksessa varmistettiin menetelmän toimivuus alkuaineanalyysiin ja saavutettiin lisätietämystä sähködynaamisen tasapainokammion toiminnasta mikrometrin hiukkaskokoluokassa. Tämän lisäksi valmistettiin ja karakterisoitiin uudentyyppinen aerosolivaraaja, jolla voidaan varata kyseisen kokoluokan hiukkasia suuren sähkökentän avulla aiempaa suurempiin varauslukuihin. Kehitetyn aerosolivaraajan avulla analyysimenetelmä saatiin toimimaan läpimitaltaan yli 800 nanometrin hiukkasille. Toistaiseksi analyysi voitiin toteuttaa manuaalisesti likimain nopeudella yksi hiukkanen minuutissa, eli tärkeä jatkokehityskohde on analyysin automatisointi ja nopeuden kasvattaminen. Emissiospektrien keräyksessä päädyttiin käytännössä sadan prosentin laserin osumatarkkuuteen. Kun menetelmällä analysoitiin kaoliinihiukkasia suoraan kaasufaasista, niiden emissiospektreistä kyettiin erottamaan alumiinin perustason hienorakenne ja vähentämään oleellisesti mittausartefaktina esiintyvän kalsiumin emissiota verrattuna vesiavusteisesti pirskotettuihin samanlaisiin hiukkasiin.