Fachhochschule Coburg Fachbereich Physikalische Technik. Diplomarbeit. Charakterisierung optischer Partikelzähler für Messungen auf Verkehrsflugzeugen

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1 Fachhochschule Coburg Fachbereich Physikalische Technik fachhochschule coburg university of applied sciences Diplomarbeit Charakterisierung optischer Partikelzähler für Messungen auf Verkehrsflugzeugen Vorgelegt von Elena Justus-Bischler September 006 Referent: Prof. Dr. Martin Springer (FHC) Betreuung: Dr. Markus Fiebig (DLR/IPA) Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt Oberpfaffenhofen Institut für Physik der Atmosphäre 834 Weßling

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3 Danksagung An dieser Stelle möchte ich mich ganz besonders für die wertvolle Unterstützung und hervorragende Betreuung bei Dr. Markus Fiebig (Institut für Physik der Atmosphäre) und die gestellte Thematik bei Dr. Andreas Petzold (Institut für Physik der Atmosphäre) bedanken. Prof. Dr. Martin Springer (Fachhochschule Coburg), der als betreuender Dozent diese Diplomarbeit erst möglich gemacht hat, danke ich für die Unterstützung und das gezeigte Interesse an meiner Arbeit. Die Abteilung Atmosphärische Spurenstoffe des Instituts bildete während der gesamten Zeit ein angenehmes Umfeld. Neben einem allgemeinen Dankeschön gilt mein Dank insbesondere Jan Haßelbach für die tatkräftige und zuverlässige Mitarbeit während der gesamten Diplomarbeit. Mein Dank gilt außerdem Bernadette Weinzierl für ihre kritischen Kommentare und fachlichen Ratschläge und auch Thomas Hamburger und Eric Engel. Ganz besonders herzlich möchte ich mich bei Andreas Bischler und meinen Eltern bedanken, die mich in jeder Hinsicht unterstützt haben.

4 Erklärung Die vorliegende Diplomarbeit wurde im Zeitraum von Mai 006 bis September 006 am Institut für Physik der Atmosphäre im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen angefertigt. Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Diplomarbeit ohne fremde Hilfe selbständig verfasst und nur die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe. Wörtliche oder dem Sinn nach aus anderen Werken entnommene Stellen sind unter Angabe der Quellen kenntlich gemacht. Elena Justus-Bischler Oberpfaffenhofen, 7. Oktober 006

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6 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Einleitung... Grundlagen Definition und Allgemeines zu Aerosolen Optisches Partikelspektrometer Mie - Theorie....4 Besonderheiten der Grimm OPCs Elektrostatischer Klassifizierer (DMA) Kondensationspartikelzähler (CPC) Weitere Geräte Volumenflussmeter Kritische Düse Aerosol - Standards Kalibrierungen Kalibrierung der DMA Sensoren Kalibrierung der OPC Sensoren OPC OPC Charakterisierung der OPCs Kalibrierungen der Kanalgrenzen Kalibrierung mit diskretem Standard Kalibrierung mit kontinuierlichem Standard Auswertungen und Ergebnisse Kalibrierung des OPC.09 mit PSL Kalibrierung des OPC Kalibrierung mit PSL Partikelstandard Kalibrierung mit DEHS - Partikelstandard Kalibrierung mit (NH 4 ) SO 4 Partikelstandard Diskussion Zusammenfassung und Ausblick Anhang...I Symbole und Abkürzungen...IV Literaturverzeichnis... VII Abbildungsverzeichnis... X

7 Kapitel : Einleitung Einleitung Das Klima auf der Erde ist für uns Menschen von großer Bedeutung, denn es ermöglicht unsere Form von Leben. Das System von Erde und Klima wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst, zum Beispiel von Aerosolen. Als Aerosolpartikel werden flüssige und feste Schwebeteilchen bezeichnet. Aerosolpartikel können in der Atmosphäre auf Grund ihrer physikalischen Eigenschaften und Wechselwirkungen, wie Streuung und Absorption von Licht, Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde nehmen und somit zu einer Veränderung des Klimas führen (direkter Aerosolklimaeffekt). Aerosolpartikel dienen auch als Kondensationskeime für Wolkentröpfchen und haben daher einen entscheidenden Einfluss auf die Wolkenbildung (indirekter Aerosolklimaeffekt). Neben den Einflüssen auf das Klima, können luftgetragene Partikel durch Einatmen zu Gesundheitsschädigungen führen. Das Institut für Physik der Atmosphäre (IPA) am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen, das an dem EU-Infrastrukturprojekt IAGOS (Integration of Routine Aircraft Measurements into a Global Observing System) beteiligt ist, befasst sich sowohl mit der Messung als auch der Modellierung von atmosphärischen Spurenstoffen. Die gewonnenen Erkenntnisse geben Aufschluss über anthropogene Eingriffe in die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre und daraus folgende Änderungen des globalen Klimas. Gerade die Frage des Klimaeinflusses von Partikeln in der oberen Troposphäre, z.b. emittiert durch Luftverkehr, hat stark an Bedeutung gewonnen, da diese Partikel die Bildung von Zirruswolken (hohen Eiswolken) beeinflussen können. Das vorhin erwähnte IAGOS Projekt verfolgt die Vorbereitung einer fleiblen Infrastruktur für routinemäßige Beobachtungen atmosphärischer Zusammensetzungen des Aerosols und der Wolken im globalen Maßstab mit Hilfe kommerzieller Passagierflugzeuge. Beobachtungen in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre sind wichtig für das Verständnis der chemischen Wechselwirkungen des

8 Kapitel : Einleitung Klimas und in diesem Zusammenhang dem Einfluss der Wolken, des Aerosols und der chemischen Verbindungen auf das Klima. Diese Information ist wichtig für die Vorhersage des globalen Klimawandels und für die Beurteilung der Luftverschmutzung, einschließlich des Einflusses der Luftfahrt und der Emissionen aus anderen Teilen der Welt auf Europa. Innerhalb des IAGOS Projektes sollen neue Instrumentenpakete entwickelt werden, die auf dem Stand der Entwicklungen der früheren MOZAIC Instrumentierung (Measurements of Ozone by Airbus In Services Aircraft) anknüpfen, mit signifikanter Reduktion in Größe und Gewicht. Beim MOZAIC Projekt wurden bereits die Konzentrationen von Spurengasen mit Sensoren an Bord von Passagierflugzeugen routinemäßig gemessen. Das Hauptmerkmal liegt an der Bereitstellung der Instrumentenpakete für die Installation auf den Airbus Langstreckenflugzeugen. Es sollen zusätzlich neue Instrumente für Messungen des Aerosols, der Wolkenpartikel und für den stratosphärischen Wasserdampf entwickelt werden. Der Entwicklung eines Messinstruments für Messungen des Aerosols im Rahmen des IAGOS Projektes dient die vorliegende Diplomarbeit zur Charakterisierung optischer Partikelzähler. Diese basieren auf einem optischen Messverfahren zur Messung der Partikelgrößenverteilung in der Atmosphäre, und werden im späteren Routineeinsatz in Verkehrsflugzeugen zum Einsatz kommen. Der Partikelzähler soll später auf einer Flotte von Passagierflugzeugen eine Grundlage für ein weltumspannendes in - situ Langzeitbeobachtungssystem, als wichtige Ergänzung zu satellitengestützten Beobachtungssystemen der Atmosphäre bilden. Da das optische Messverfahren des Partikelzählers wegen der relativ einfachen Messmethode keine aufwendige Probenaufbereitung erfordert und durch die mögliche Erfassung sehr kleiner Probemengen die Messungen kontinuierlich erfolgen können, ist es für Langzeitmessungen sehr gut geeignet. Weitere Vorteile liegen darin, dass die Messungen berührungsfrei ablaufen und dadurch nahezu keine Beeinflussung des Aerosols erfolgt. Dieses wird durch die kontinuierliche Messung sehr zeitnah an der Probenahme gemessen, wodurch auch Partikel mit kleiner

9 Kapitel : Einleitung 3 Lebensdauer erfasst werden können. Im Vergleich mit anderen Messmethoden, bei denen z.b. Probenaufbereitungen notwendig sind, sind optische Messverfahren relativ kostengünstig. Das optische Partikelspektrometer (OPC, Optical Particle Counter) beruht auf der Messung der Partikelgrößenverteilung mittels Lichtstreuung. Die Intensität der Streustrahlung, die von einem Partikel erzeugt wird, während es sich durch einen Laserstrahl bewegt, hängt stark von seinem Durchmesser, aber auch von seiner chemischen Zusammensetzung ab. Das Grimm OPC.09, das seit September 005 am Institut für Physik der Atmosphäre bei Messungen eingesetzt wird, liefert bei verschiedenen Geräteinnendrücken unterschiedliche Zusammenhänge von Partikeldurchmesser und gestreuter Lichtintensität. Für ein flugzeuggetragenes Messsystem sollten die Messdaten aber idealerweise nicht von den Umgebungsparametern abhängen und bis zu einem Druck von 00 hpa keine Abweichungen bei sich ändernden Druckverhältnissen aufweisen. Im Rahmen der Diplomarbeit wird das OPC mit verschiedenen Testaerosolen, unterschiedlicher Brechungsindizes, kalibriert, um den Zusammenhang zwischen der Intensität der Streustrahlung und der chemischen Zusammensetzung zu untersuchen. Es wird auch der Zusammenhang zwischen dem Geräteinnendruck und dem vorliegendem Partikeldurchmesser bestimmt und aus den gewonnenen Ergebnissen wird für das OPC.09 eine Korrekturfunktion ermittelt, die bei bestehenden Anwendungen eingesetzt wird. Weiterhin erfolgt ein Test und Kalibrierungen eines verbesserten, druckunabhängigen OPC.9. Für die Kalibrierungen wurden definierte Testaerosole, unterschiedlicher Brechungsindizes und Oberflächenbeschaffenheit generiert und mittels eines elektrostatischen Klassifizierers (DMA, differentielle Mobilitätsanalysator) nach ihrer Größe selektiert.

10 Kapitel : Grundlagen 4 Grundlagen In diesem Kapitel wird zuerst definiert, was ein Aerosol ist und erläutert, warum es wichtig ist Aerosolpartikel zu messen. Danach wird das optische Partikelspektrometer beschrieben und es erfolgt ein kleiner Einblick in die dem Spektrometer zu Grunde liegende Theorie des optischen Messverfahrens. Weiterhin werden alle verwendeten Messgeräte und verwendete Chemikalien beschrieben.. Definition und Allgemeines zu Aerosolen Der Begriff Aerosol umfasst die Gesamtheit aus festen oder flüssigen Partikeln und dem Trägergas (meistens Luft), in dem diese suspendiert sind. Die festen Partikel werden je nach Art der Entstehung bezeichnet, als Beispiele seien hier Rauch (entstanden durch Verbrennung) und Staub (andere Ursprünge) erwähnt. In der Meteorologie werden als Aerosolpartikel Partikel mit Durchmessern von einigen Nanometern bis zu 0 µm definiert, größere Partikel werden als Wolkentropfen bezeichnet. Allerdings gelten auch größere Partikel als Aerosolpartikel, wenn diese z.b. vom Boden aufgewirbelt wurden. Außerdem können auch kleinere Partikel als 0 µm als Wolkenpartikel charakterisiert werden, wenn diese durch Aufkondensierung von Wasserdampf aus kleineren Partikeln entstanden sind. Aerosolpartikel werden in primäre, also direkt als Partikel emittierte, und sekundäre, aus gasförmigen Vorläufern in der Atmosphäre gebildete Partikel unterteilt. Primäre Aerosolpartikel entstehen durch direkte Emission aus verschiedenen Bildungsprozessen, z.b. natürlichen Ursprungs von Vulkanausbrüchen, Aufwirbelungen von Wassertröpfchen, Sand und ähnliches, oder anthropogenen Ursprungs aus Verbrennungsprozessen, Straßenabrieb oder Landwirtschaft. Sekundäre Partikel bilden sich durch Gas Partikelkonversion aus den Vorläufergasen wie z.b. SO, NO, NH 3, usw. [BAFU 006].

11 Kapitel : Grundlagen 5 Durch die unterschiedliche Bildung der Partikel treten Unterschiede im Durchmesser von mehreren Größenordnungen auf, was zu einer Einteilung in vier Modi führt. Zur gesamten Darstellung der Größenverteilung ist es üblich die logarithmische Normalverteilung (Gaußverteilung) zu benutzen. Diese ist empirischen Ursprungs und spiegelt die Gestalt von Moden in natürlich vorkommenden Aerosolverteilungen gut wieder. Da der Bereich der Aerosolpartikeldurchmesser mehrere Dekaden überspannt, wird der Logarithmus der Durchmessergrößen betrachtet. Die Größenverteilung eines Aerosols ist dann die Anzahldichte von Partikeln pro dekadischlogarithmischen Partikeldurchmesserintervall N / log( ) in Abhängigkeit vom Durchmesser. Durch die Normierung auf das dekadisch D p logarithmische Durchmesserintervall lassen sich in einem Graphen Messwerte von unterschiedlichen Partikelgrößenintervallen vergleichen. Gleiche Flächen unter dem Graphen der Verteilung entsprechen in dieser Darstellung gleichen Partikelkonzentrationen [Seinfeld & Pandis 998]. D p 0 5 Gesamtgrößenverteilung 0 4 dn / dlog D p (cm -3 ) Nukleationsmode Aitken-mode Akkumulationsmode Grobpartikelmode E-3 0,0 0, 0 D p (µm) Abb.. Einzelne Moden in der Größenverteilung eines Aerosols

12 Kapitel : Grundlagen 6 Ein eemplarisches Beispiel für die Größenverteilung eines Aerosols wird in Abbildung., dargestellt [Hinds 999]. Die schwarze Linie zeigt dabei die Gesamtgrößenverteilung und die farbigen Kurven die einzelnen zugrunde liegenden Moden. Die Nukleationsmode beinhaltet die kleinsten Partikel mit < 0,0 µm, die direkt aus der Gasphase entstehen. Durch Koagulation (lat. coagulatio Zusammenballung ) und Kondensationsprozesse wachsen die Partikel an. Es bildet sich die so genannte Aitken Mode, die einen Zwischenzustand beim Wachstumsprozess der Partikel im Durchmessergrößenbereich zwischen 0,0 µm und 0, µm darstellt. Durch weitere Koagulationsprozesse entsteht die Akkumulationsmode mit 0, µm < D p D p < µm. Die Grobpartikelmode, die Partikel mit D p > µm umfasst, wird getrennt von den anderen betrachtet, da zwischen ihnen in der Regel kein Übergang erfolgt. Während die kleinen Partikel, wie vorhin schon erwähnt, aus der Gasphase sowie durch Verbrennungs- und Kondensationsprozesse entstehen, geraten die Grobpartikel durch mechanische Prozesse in die Atmosphäre. Aerosolpartikel, bei denen D p < 0, µm beträgt und die sich damit in der Nukleationsmode und der Aitken Mode befinden, werden als ultrafeine Partikel bezeichnet. Die zwischen ca. 0,0 µm und ca. µm großen Partikel werden als feine Partikel bezeichnet. Insgesamt wird ein Aerosol, das Partikel unterschiedlicher Größe beinhaltet, polydisperses Aerosol bezeichnet und bei einem Aerosol aus Partikeln gleicher Größe spricht man von einem monodispersen Aerosol. In der Atmosphäre haben die Aerosole einen wesentlichen Einfluss auf den Strahlungshaushalt der Erde. Die Zusammenhänge auf das gesamte Klimasystem bezogen sind dabei sehr komple, da sowohl eine direkte als auch eine indirekte Beeinflussung erfolgt. Beim direkten Strahlungseffekt kommt es zu einer Wechselwirkung der Partikel mit der einfallenden Solarstrahlung und der von der Erdoberfläche zurückgestrahlten Infrarotstrahlung. Dies beinhaltet Absorptions- und Streuprozesse. Wird einfallende Solarstrahlung von den Partikeln in den Weltraum zurückgestreut, erfolgt eine Reduktion des Nettoenergiestroms in die Atmosphäre, was zu einer Abkühlung der Erde führt. Eine Absorption der Strahlung von den Partikeln hat eine Erwärmung der umgebenden Luftschicht zur Folge. Der indirekte Strahlungseffekt betrachtet den Einfluss von Partikeln auf den Bildungsprozess von

13 Kapitel : Grundlagen 7 Wolken. Atmosphärische Aerosolpartikel sind für die Wolkenbildung sehr wichtig, sie dienen als Kondensationskeime für Wolkentropfen. Wenn die Anzahl der Kondensationskeime gesteigert wird, verteilt sich eine gegebene Menge kondensierbarer Wasserdampf auf mehr Keime, wodurch die einzelnen Tropfen kleiner werden, als bei wenigen Kondensationskeimen. Tendenziell steigt die Koagulationsrate bei vergleichsweise kleineren Partikeln. Wolkentropfen wachsen überwiegend durch Kondensation von Wasserdampf. Da die einzelnen Tropfen um den vorhandenen Wasserdampf konkurrieren, dauert es bei vielen kleinen Partikeln länger, als bei weinigen großen Partikeln, bis sie die für Niederschlag notwendige Größe erreichen. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer der Wolken und damit zu einer längeren Refleion der Sonnenstrahlung. Somit leistet der indirekte Strahlungseffekt einen wesentlichen, aber noch sehr schlecht quantifizierten Beitrag zum Strahlungshaushalt der Erde [Fiebig 00]. Um die Beeinflussung des Klimas durch Aerosolpartikel eingehender zu erforschen, sind Messungen der Größenverteilungen ausschlaggebend. Da die luftgetragenen Partikel sehr unterschiedliche Formen und Dichte aufweisen können, ist es schwer ihnen einen Durchmesser zuzuordnen. Somit wurde der aerodynamische Durchmesser definiert, der eine geeignete Größe ist, um eine Reihe von Prozessen zu beschreiben. Er entspricht demjenigen Durchmesser, den ein kugelförmiges Partikel der Dichte g/cm 3 haben müsste, damit es die gleiche Sinkgeschwindigkeit in Luft aufweisen würde wie das betrachtete Partikel. Mittels der aerodynamischen Durchmesser fällt es auch leichter Grenzwerte zu bestimmen. An Hand der vom Menschen einatembaren Aerosolfraktion (siehe Abbildung.), die einen oberen Grenzdurchmesser von ca. 0 µm besitzt, wird eine so genannte PM0 Fraktion, die die Masse aller Partikel mit aerodynamischen Durchmessern kleiner als 0 µm umfasst, definiert. Für Feinstaub gilt ein Partikelgrenzdurchmesser von,5 µm, diese Partikel werden unter der PM,5 D p Fraktion, d.h. der Masse aller Partikel mit Durchmessern kleiner als,5 µm, zusammengefasst und umfassen die alveolengängigen Partikelgrößen [BAFU 006]. In der vorliegenden Arbeit erfolgen hauptsächlich Messungen des Feinstaubs.

14 Kapitel : Grundlagen 8 Auf Grund der stark größenabhängigen Wirksamkeit ist die Angabe von Partikelmassenkonzentrationen in diesem Zusammenhang kaum aussagekräftig, da gerade die besonders schädlichen kleinen Partikel eine nur sehr geringe Masse aufweisen. Diese haben auf die Massenbilanz daher nahezu keinen Einfluss. Aussagekräftiger sind daher Anzahlkonzentrationen. Bei diesen ist allerdings der Beitrag der großen schweren Partikel wiederum verschwindend gering. Demnach ist eine nach der Partikelgröße aufgelöste Anzahlkonzentrationsbetrachtung sinnvoller. In der vorliegenden Arbeit wird meist von Partikelanzahl pro Kubikzentimeter Luft, bezüglich eines charakteristischen Partikeldurchmessers die Rede sein. Außer dem Einsatz in der Klimaforschung wird der in dieser Diplomarbeit beschriebene Grimm Partikelzähler auch zur Erfassung von arbeitsmedizinischen Daten verwendet, deshalb werden im folgenden kurz die gesundheitlichen Auswirkungen der Aerosole auf den Menschen beschrieben. Abb.. Größenabhängige Eindringtiefe von Partikeln in das Atemwegsystem Die physiologische Wirkung von Aerosolen ist sowohl von der stofflichen Zusammensetzung als auch von der Größe der Partikel abhängig. Inhalierte Partikel können dabei in Abhängigkeit ihrer Durchmesser in verschiedenen Bereichen des

15 Kapitel : Grundlagen 9 Atemtrakts impaktiert werden. Dabei haben kleinere Partikel eine wesentlich größere Eindringtiefe in das Atmungssystem und stellen somit ein deutlich höheres Gefahren- potential dar. In Abbildung. wird die Eindringtiefe in das Atemwegsystem des menschlichen Organismus in Abhängigkeit von der Partikelgröße dargestellt [BAFU 006]. Partikel, die einen größeren Durchmesser als 5 µm besitzen, lagern sich bevorzugt in der Nase, dem Rachenraum und dem Kehlkopf ab. Partikel in der Größenordnung von µm bis 3 µm werden in den Bronchien abgeschieden und kleinere Partikel gelangen bis in die Alveolen (Lungenbläschen). Feine Partikel dringen bis in den Alveolarbereich vor und werden dort von Makrophagen (Bestandteil der weißen Blutkörperchen des Immunsystems) umhüllt und teilweise eingeschlossen. Je nach physikalischen und chemischen Eigenschaften der Feinstäube sind die Makrophagen in der Lage, den Staub aufzulösen oder abzutransportieren. Die Resorption von feinen Partikeln über die Lunge kann zur Aufnahme von toischen und pathogenen Substanzen in den Körper führen [Krämer 00].. Optisches Partikelspektrometer Es werden im Rahmen dieser Diplomarbeit zwei optische Partikelspektrometer (=Partikelzähler), mit einem geringfügig verschiedenem Innenaufbau, betrachtet. Die Grimm Aerosol Spektrometer.09 und.9 [Grimm 005] sind optische Partikelmessgeräte (OPC, Optical Particle Counter), die die gestreute Strahlung der Partikel messen und dadurch die Anzahlgrößenverteilung der Partikel einer Aerosolprobe ermitteln. Das OPC kann nicht direkt die geometrische Größe eines Partikels messen, sondern die Intensität des gestreuten Lichtes erfassen. Dazu registriert es einen Teil der Strahlung, die ausgehend von einem Laser definierter Wellenlänge an einem Partikel gestreut wird. Durch die Stärke der Lichtintensität des rückgestreuten Lichtes, wird jedem Partikel eine Größe zugeordnet. Ein breites Spektrum der Partikelgrößen wird in 3 aufeinander folgende Partikelgrößenintervalle unterteilt, dadurch kann das detektierte Signal einem von 3

16 Kapitel : Grundlagen 0 Kanälen zugeordnet werden. Die addierten Zählereignisse (Partikel) in den zugehörigen Größenkanälen werden zusammenfassend in einem Histogramm darge- stellt, wie in der Abbildung 3. beispielhaft dargestellt ist. Ein Histogramm ist eine einfache Form der Größenanzahlverteilung. 5 0 Partikel [Counts/cm ³] Dp [µm] Abb. 3. Darstellung der Häufigkeiten der Zählereignisse in jedem Kanal Die Intensität der vom Partikel gestreuten Strahlung, welche das Spektrometer erfasst, wird durch den spezifischen Streuquerschnitt A Streu beschrieben. Der spezifische Streuquerschnitt beschreibt die Intensität des Streulichts unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichts, da die Intensität des Streulichts auf die Intensität des einfallenden Lichts normiert wird. Der spezifische Streuquerschnitt ist keine Instrumentenkonstante, sondern variiert mit der Größe des betrachteten Partikels und kann dadurch je nach ermittelter Größe den zugehörigen Kanälen zugeordnet werden. Dabei ist die Intensität des gestreuten Lichtes in erster Linie von der Größe des Partikels, jedoch auch von der chemischen Zusammensetzung, die den Brechungsinde bestimmt, der Partikelform und der eingestrahlten Lichtwellenlänge abhängig. Macht man eine Annahme über die Form des Partikels, z.b. kugelförmig, und seine chemische Zusammensetzung, kann man mit der Mie-Theorie (siehe

17 Kapitel : Grundlagen Erklärung in Kapitel.3) die Abhängigkeit des instrumentspezifischen Streuquerschnitts A Streu vom Durchmesser des Partikels berechnen und so den Kanä- len des Histogramms Partikeldurchmesser zuordnen. Die Partikelkonzentration für jede Durchmessergröße ergibt sich aus der gemessenen Zählrate und dem bekannten Fluss der Probe durch das ausgeleuchtete Messvolumen. Abb. 4. Aufbau der Grimm -OPC Laserkammer Abbildung 4. zeigt den prinzipiellen Aufbau der Lasermesskammer eines Partikelspektrometers. Als Lichtquelle dient eine Halbleiter-Laserdiode (780nm) der Laserklasse 3B, die über eine nachgeschaltete Optik ein kleines Messvolumen ausleuchtet. Durch dieses Messvolumen wird der Partikelstrom geleitet. Bei Umweltmessungen ist die Feststoffkonzentration so gering, dass sich statistisch im Messvolumen meist nur ein Partikel befindet. Das von jedem Partikel ausgehende Streulicht wird von einer zweiten Optik unter einem Öffnungswinkel und einem Streuwinkel erfasst und die Lichtintensität über einen Spiegel auf einen Detektor geleitet und gemessen. Um Partikelablagerungen zu verhindern, werden die Laseroptik und der Spiegel mit partikelfreier Spülluft umspült.

18 Kapitel : Grundlagen Abb. 5. Strahlengang im Grimm OPC In Abbildung 5. wird das optische Messprinzip genauer erläutert. Um den Einfluss der Brechungsindizes zu minimieren, wird das in einen Raumwinkel von 90 gestreute Licht mit einem Öffnungshalbwinkel von ca. 30 über einen Spiegel auf eine Empfängerdiode gelenkt. Das Signal der Diode wird nach Verstärkung in Abhängigkeit der Intensität in den 3 verschiedenen Größenkanälen klassifiziert. Hierdurch ist die Bestimmung der Größenverteilung der Partikel möglich. Mittels definierter Latepartikeln bekannter Durchmessergröße, Dichte und Brechungsindees wurde das Messgerät vom Hersteller kalibriert..3 Mie - Theorie Zur Berechnung der Beeinflussung des Lichtes durch einen Fremdkörper können in Abhängigkeit von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes und der Größe des Streukörpers unterschiedliche Näherungen verwendet werden. Bei annähernd gleicher Größenordnung von Streukörper und Wellenlänge wird die Mie Theorie verwendet, auf die im Folgenden etwas genauer eingegangen wird.

19 Kapitel : Grundlagen 3 Ganz generell kommt Streuung an dielektrischen Materialien dadurch zustande, dass die Materie unter der Wirkung des elektromagnetischen Wechselfeldes der einfallenden Strahlung periodisch polarisiert wird, d.h., dass die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladungen gegeneinander verschoben und so zu erzwungenen Schwingungen angeregt werden. Die oszillierenden Ladungen strahlen nach den Regeln der Elektrodynamik ihrerseits Energie ab. Diese Strahlung wird als Streustrahlung beobachtet. Die Mie Streuung, d.h. die Streuung von Licht an Partikeln, die nicht mehr klein gegenüber der Wellenlänge sind, kann man sich als kohärente Anregung einer großen Zahl von Elementarstrahlern veranschaulichen. Senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ist dies mit der Beugung an einem kreisförmigen Loch vergleichbar, dessen Durchmesser nicht mehr klein gegen die Wellenlänge ist. Da die Teilchen auch in der Richtung des anregenden Strahles ausgedehnt sind, kommt hierzu noch eine kohärente Anregung in Strahlrichtung ins Spiel, die zu einer scharfen Betonung der Vorwärtsstreuung führt. Die Folge sind interferenzbedingte Maima und Minima in Abhängigkeit von dem Streuwinkel, mit einem ausgeprägten Maimum in Vorwärtsrichtung (siehe Abbildung 6.), das umso schärfer wird, je größer das streuende Partikel ist [Roedel 000]. Abb. 6. Mittels der Mie Theorie berechneter Streuquerschnitt

20 Kapitel : Grundlagen 4 Die Mie Theorie der Streuung und Absorption des Lichtes an einer Kugel basiert auf der eakten Lösung der Mawell Gleichungen für eine Kugel mit beliebigem Brechungsinde in einem elektromagnetischen Wellenfeld. Anhand der Reihenentwicklung des elektromagnetischen Feldes außerhalb und innerhalb der Kugel leitete Mie Wirkungsquerschnitte für die auftretenden Wechselwirkungsprozesse der Absorption und Streuung ab. Was Details der eakten Lösung des Problems anbelangt, sei hier auf die einschlägige Literatur verwiesen [Bohren u. Huffmann 983]. Die optischen Eigenschaften einer Kugel werden durch den Größenparameter: π D = λ p mit λ für die Wellenlänge und Brechungsinde: D p dem Partikeldurchmesser, und den kompleen ( λ) = n ( λ) i k ( λ) m festgelegt. Dabei ist n ( λ) der Realteil, ( λ) Brechungsindees m ( λ) k der Imaginärteil des kompleen. Der Imaginärteil beschreibt die absorbierende Wirkung des Partikels, der Realteil die Streuung. Die im Umfang der vorliegenden Arbeit verwendeten Partikeln absorbieren praktisch kein Licht und damit wird der Imaginärteil k ( λ) im weiteren Verlauf nicht berücksichtigt. Der Brechungsinde der Kugel hängt ausschließlich von ihrer chemischen Beschaffenheit ab. Das Verhältnis vom Streuquerschnitt bzw. Etinktionsquerschnitt zum geometrischen Querschnitt wird als Streueffizienz bzw. Etinktionseffizienz bezeichnet. Die Effizienzen Q für die Etinktion und Q für die Streuung werden in der eakten Et Lösung nach Mie als Reihen Streu

21 Kapitel : Grundlagen 5 Q Streu = = ( ) n a b n n n Re Q = ( n ) { a b } Et n = n n dargestellt, die Amplitudenfunktionen a und b sind Kombinationen aus Riccatti - Bessel - Funktionen und deren Ableitungen [Bohren u. Huffmann 983]. Die Effizienz QAbs ergibt sich aus der Differenz n n Q Q. Der zugehörige Wirkungsquerschnitt A folgt aus dem Produkt der Effizienz Q und der realen Querschnittsfläche der Kugel nach: D A = Q π p Et Streu Trotz der Kompleität der eakten Lösung für die Effizienzen lassen sich die Grenzfälle sehr kleiner ( D p «λ : Rayleigh-Bereich) und sehr großer Partikel ( D p» λ ) auf einfache Beziehungen reduzieren. Die Gültigkeitsbereiche der Näherungen werden anhand des Größenparameters bestimmt. Im Rayleigh Bereich ( 0,) beschränkt sich die Reihenentwicklung auf Terme bis zur Ordnung 6, die genäherten Ausdrücke für die Effizienzen lauten dann: QStreu und QAbs Q Streu = m m Q Abs = m Im m 4 und ergeben die typischen Abhängigkeiten QStreu ~ λ -4 und QAbs ~ λ -. Werden die auf die Partikelmasse M π 3 p = D p 6 ρ p

22 Kapitel : Grundlagen 6 bezogenen spezifischen Koeffizienten betrachtet, so folgen die wichtigen Relationen: E Streu = 4 π λ 4 D ρ 3 p p m m E Abs 6 π = λ ρ p Im m m Der Kernpunkt dieser Relationen ist die Feststellung, dass im Rayleigh Bereich die Massenabsorptionseffizienz Ε Abs nicht vom Durchmesser der Kugel abhängt, dagegen die Streueffizienz E Streu 3 ~ D ist. In der Abbildung 7. [ Bohren u. Huffmann 983] ist die Etinktion des Wassers in Abhängigkeit von dem Radius der Partikel aufgetragen. In dieser Abbildung ist der Rayleigh Bereich der Größenbereich des Wassers, in dem die Wasserpartikel noch durchsichtig sind, weswegen auch das ganze Volumen durch das werden muss. 3 D mit in die Berechnung der Lichtstreuung einbezogen Im Grenzfall großer Partikel ( ) reduzieren sich die Effizienzen bei Vernachlässigung von Beugungseffekten auf die tatsächliche Querschnittsfläche π ( / ) der Kugel. Die auf die Masse bezogenen Effizienzen skalieren dann zu D p D p entsprechend: E Streu ~ D ρ p p E Abs ~ D ρ p p In diesem Größenbereich entstehen Unsicherheiten durch die von der Kugel abweichende Partikelform und eventuell unbekannte Dichte, sodass eine optische Methode zur Bestimmung der Massenkonzentration in diesem Größenbereich nicht mehr anwendbar ist. Ist die Wellenlänge des einstrahlenden Lichtes sehr viel kleiner als die Größe des Streukörpers, so findet die geometrische Optik ihre Anwendung, in Abbildung 7. wäre dies der Bereich ab ca. 0 µm, in dem sich der Streuquerschnitt linear verhält.

23 Kapitel : Grundlagen 7 Bei gleicher Größenordnung von Streukörper und Wellenlänge (in Abbildung 7. wäre dies der Bereich des Radius zwischen ca. 0, µm und 0 µm) ist die Mie Theorie anzuwenden, auf die im Folgenden etwas genauer eingegangen wird. Bei Körpern, die wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichtes und in der Abbildung den Größenbereich bis ca. 0, µm ausmachen, kann die Rayleigh Streuung als theoretische Grundlage dienen [Demtröder 995]. Abb. 7. Darstellung der Streuquerschnitte des Wassers verschiedener Radien An Aerosolpartikeln findet Etinktion der einfallenden Strahlung statt, d.h. Aerosolpartikel absorbieren und streuen das Licht. Das merkt man z. B. an der Beeinflussung der horizontalen Sichtweite: je mehr Aerosolpartikel vorhanden sind, desto geringer ist die Sichtweite in der Atmosphäre. Das durch Streuung von Licht an Partikeln hervorgerufene Streumuster ist abhängig von Größe, Form und Brechungsinde der Partikel. Die von Gustav Mie entwickelte Theorie beschreibt die Streuung von Licht an sphärischen Partikeln theoretisch. In der Prais ist häufig die umgekehrte Fragestellung von Bedeutung: die zu beobachtenden Streumuster sollen zur Erforschung von Aerosolpartikeln dienen und es sollen Rückschlüsse auf die noch unbekannten Eigenschaften eines streuenden Partekels gezogen werden. Dazu kommen Streulichtmessgeräte, wie das OPC, zum Einsatz, die einen Ausschnitt des Streumusters erfassen können. Dabei ist der allgemein anerkannte Ansatz die Annahme von sphärischen Partikeln. Dass die Partikel unterschiedliche Formen haben und ihre Orientierung variiert, wird somit zumeist nicht berücksichtigt.

24 Kapitel : Grundlagen 8 In der vorliegenden Diplomarbeit werden Messungen sowohl mit sphärischen als auch nichtsphärischen Partikeln durchgeführt. Bei nichtsphärischen Partikeln wird die detektierte Größenverteilung breiter und damit ungenauer, als bei sphärischen Partikeln. Bei den Messungen mit dem hier beschriebenen Grimm OPC ist dies jedoch nicht feststellbar, da das ausgeleuchtete Messvolumen im OPC nicht gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Damit werden sphärische Partikel, die am Rand des Messvolumens durchströmen als kleinere Partikel gezählt, da die Lichtintensität radial nach außen abnimmt. Dadurch wird die mit dem Grimm OPC detektierte Größenverteilung der sphärischen Partikel auch breiter und damit ungenauer, so dass der Unterschied der sphärischen zu den asphärischen Partikeln, mit denen die Messungen durchgeführt wurden, sehr klein ist. Diese Tatsache beruht auch auf der Form der Geometrie des OPCs, da durch die seitliche Detektion des Streulichtes der Einfluss der Asphärizität nicht so ausschlaggebend ist, wie z.b. bei Messungen der Streuung des Lichtes in Vorwärtsrichtung..4 Besonderheiten der Grimm OPCs Mit dem Grimm OPC werden Partikel im Durchmesserbereich von 0,5 µm bis >3 µm erfasst. Die untere Messgrenze ist durch die verwendete Lichtwellenlänge des Lasers begrenzt. Bei großen Partikeln sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass diese überhaupt in die Messkammer gelangen, da sie an den Rohrwänden der Messluftzuleitungen oder der vorgeschalteten Geräte impaktieren, was die obere Messgrenze bestimmt. Wie viele große Partikel in die Messkammer gelangen, hängt überwiegend auch von den Konzentrationen und dem Versuchsaufbau ab. Durch statistische Unsicherheiten sind mit dem Grimm OPC in den meisten natürlichen Aerosolen nur Partikel mit Durchmessern <5 µm aussagekräftig zu detektieren. Es können sowohl monochromatische Lichtquellen, wie Laser, als auch polychromatische Lichtquellen, wie Weißlichtlampen, im OPC verwendet werden. In

25 Kapitel : Grundlagen 9 Abbildung 8. wird die erwartete relative Streulichtintensität für verschiedene Brechungsindizes über dem Partikeldurchmesser sowohl für monochromatisches als auch für polychromatisches Licht dargestellt. Die mittels der Mie Theorie berechneten Kurven für polychromatisches Licht sind wesentlich glatter als die für monochromatisches. Die Kurven für monochromatisches Licht weisen hingegen deutliche und häufige Oszillationen für alle Partikelradien auf, die größer als die Wellenlänge des von der Quelle ausgesendeten Lichtes sind. Abb. 8. Aus der Theorie erwartete relative Streulichtintensität bei monochromatischer Lichtquelle (links) und polychromatischer Beleuchtung (rechts) [Gebhart 993] Wie bereits erläutert, wird von der gemessenen relativen Intensität auf die Größe des Partikels zurückgeschlossen, welches die Streuung ausgelöst hat. Die beschriebenen Oszillationen bei Streuung monochromatischen Lichtes haben als Folge, dass für eine gemessene Streulichtintensität unter Umständen verschiedene Größen des Partikels in Frage kommen. Dies führt dazu, dass Bereiche von Streulichtintensitäten definiert werden, die einem Größenradienbereich entsprechen. Die Verwendung einer Weißlichtquelle bietet den Vorteil, einer gemessenen Intensität eindeutig eine Größe

26 Kapitel : Grundlagen 0 des streuenden Partikels zuordnen zu können [Gebhart 998]. Der Nachteil einer Weißlichtlampe gegenüber einem Laser ist die geringere Intensität der Quelle, woraus dann auch geringere Intensitäten der Streusignale resultieren. Dies bedeutet wiederum, dass kleinere Partikel unter Umständen nicht mehr aus dem Rauschen detektierbar sind. Weitere Nachteile der Weißlichtquelle im Vergleich mit einem Laser sind die Größe und das Gewicht sowie die benötigte Kühlung, so dass der Einsatz im Feld schwieriger ist und dadurch in den hier beschriebenen Partikelspektrometern ein Laser eingebaut wurde. Grimm OPC.09: Im Grimm OPC.09 wird die Probenluft mit Hilfe einer internen, volumenstromgeregelten Pumpe (siehe Abbildung 9.) durch die Messzelle angesaugt. Die Pumpe fördert auch die Spülluft, die die Laseroptik und den Spiegel umspült um Partikelablagerungen zu verhindern, welche über einen Feinstfilter aus der Pumpenabluft gewonnen und durch einen Spülluftregler konstant gehalten wird. Abb. 9. Flussverlauf im OPC.09 Die Volumenstromregelung ist so eingestellt, dass bei Normaldruck ein Probenvolumenstrom von, l/min ( ± 5%) und ein Spülluftstrom von 0,3 l/min vorliegen. Der Volumenstrom wird dadurch geregelt, dass der Druckabfall über dem

27 Kapitel : Grundlagen Filter gemessen und konstant gehalten wird. Der Druckabfall über einem Rohrstück mit laminarer Strömung oder auch einem Filter ist proportional zum Volumenfluss wenn der Absolutdruck konstant bleibt. Bei sinkendem Absolutdruck sinkt auch der zu einem konstanten Volumenfluss gehörende Druckabfall. Da der Druckabfall durch die Regelung konstant gehalten wird, steigt der Volumenfluss, wenn der Absolutdruck sinkt. Dadurch wird mehr Probenluft und damit mehr Partikel durch die Messkammer geleitet. Da die Umrechnungen im Partikelzähler auf einem Volumenstrom von, l/min basieren, dieser aber bei niedrigen Drücken zunimmt, werden die Messdaten verfälscht. Um die Richtigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten sollte das Grimm OPC.09 bei Normaldruck und ma. ±00mbar betrieben werden. Durch den ansteigenden Volumenfluss, bei abfallendem Druck, sinkt die Verweildauer des Partikels im Messvolumen und damit, durch die Dämpfung des Verstärkers, die zu einem Streuquerschnitt gehörende Pulshöhe, wodurch sich die Kalibrierung ändert. Im Grimm OPC.09 wird der Probenfluss von einer kleinen, internen Pumpe angetrieben, die bei Druckunterschieden zwischen Probeneinlass und Auslass zu geringe Leistung aufbringt. Um den nötigen Druckausgleich zu gewährleisten, muss eine parallel verlaufende Verbindung zwischen Ein- und Auslass eingebaut werden um den Druck auszugleichen (siehe Abbildung 0.).

28 Kapitel : Grundlagen Abb. 0. Anschluss des OPC.09 mit dem CPC bei den Messungen Beim OPC.09 wird bei manchen Messungen der CPC zur Kontrolle parallel angeschlossen. Beim Aufbau des OPCs mit dem CPC für die Messungen (siehe Abbildung 0.), werden kritische Düsen (kritische Düse wird in Kapitel.7. erläutert) vor der Pumpe eingefügt, um den Volumenfluss konstant zu halten. Grimm OPC.9: Der Aufbau vom Grimm OPC.9 ist ähnlich dem Grimm OPC.09. Folgende Veränderungen wurden am Grimm OPC.9 durchgeführt: Es wurden zwei kritische Düsen (kritische Düse wird unter Kapitel.7. näher erläutert), die einen Probenluftstrom von, l/min und Spülluftstrom von 0,3 l/min unabhängig vom Geräteinnendruck gewährleisten, eingefügt. Eine Übersicht des inneren Flussverlaufs ist in der Abbildung. zu sehen.

29 Kapitel : Grundlagen 3 Abb.. Flussverlauf im OPC.9 Abb.. Aufbau des OPC.9 mit CPC Beim Aufbau für die Messungen wird beim OPC.9 nur noch der CPC zur Kontrolle parallel angeschlossen (siehe Abbildung.), die Druckausgleichende Verbindung zwischen Ein- und Auslass des OPCs wird nicht mehr gebraucht, da die Pumpe nun etern angeschlossen wird und der Volumenfluss mittels der kritischen Düsen konstant gehalten wird..5 Elektrostatischer Klassifizierer (DMA) Für die Herstellung eines Aerosols definierten Partikeldurchmessers werden verschiedene Messsysteme kombiniert. Mit Hilfe eines Aerosolgenerators (siehe Kapitel.8) wird das Aerosol hergestellt und der elektrostatische Klassifizierer (DMA, differentielle Mobilitätsanalysator) dient der Erzeugung von monodispersem Aerosol. Dieser selektiert Partikel definierter Größen zwischen 5 und 800 nm, die

30 Kapitel : Grundlagen 4 danach durch das optische Partikelspektrometer, (OPC, Optical Particle Counter) oder den Kondensationspartikelzähler (CPC, Condensation Particle Counter) strömen und von diesen detektiert werden. Für die Kalibriermessungen im Labor wurde ein DMA - Model 307A der Firma TSI verwendet. Elektrisch geladene Partikel eines Aerosols, bekannter Ladungsverteilung, lassen sich nach dem Prinzip der elektrostatischen Klassierung nach der Größe trennen. Als Instrument für eine Trennung der unterschiedlichen elektrischen Mobilitäten Z p in Abhängigkeit vom Partikeldurchmesser D p bei gleicher Ladung dient der differentielle Mobilitätsanalysator. Es erfolgt eine Trennung des monodispersen Aerosols bekannten Durchmessers aus der polydispersen Aerosolluft [Wiedensohler 987]. Aerosolpartikel tragen je nach Entstehungsart und Partikelgröße positive oder negative Ladungen an ihrer Oberfläche. Die Partikel werden in ein definiertes Ladungsgleichgewicht gebracht, um reproduzierbare elektrostatische Aerosoleigenschaften zu ermöglichen. Hierzu erfolgt im DMA - Neutralisator eine Neutralisation der Partikel durch die ionisierende β Strahlung der radioaktiven 85 Kr - Quelle, so dass nach ausreichend langer Verweildauer die positiven und negativen Ladungen der Partikel eine Boltzmann Verteilung wiedergeben [Covert 997]. Nach der Neutralisation strömt das polydisperse Aerosol in den eigentlichen Mobilitätsanalysator (siehe Abbildung 3.), der aus zwei konzentrisch angeordneten Zylindern besteht, die einen Zylinderkondensator bilden und an denen Hochspannung angelegt wird [TSI 994]. Die äußere Elektrode wird elektrisch geerdet und an die innere Elektrode wird ein präzise regelbares, negatives Potential angelegt. Das polydisperse Aerosol strömt laminar am Rand der äußeren Elektrode parallel zur Zylinderachse und die Schleierluft umhüllt die innere Elektrode mit einer laminaren Strömung, die auch parallel zur Zylinderachse verläuft. Abhängig von der elektrischen Mobilität, und damit von, werden die geladenen Partikel im elektrischen Feld des Kondensators mehr oder weniger stark durch den Schleierluftstrom von der inneren Elektrode angezogen. Ein Anteil der Partikel, der D p

31 Kapitel : Grundlagen 5 keine Ladung trägt, kann aufgrund der Funktionsweise des Klassifizierers nicht erfasst werden. Partikel mit zu kleinem Durchmesser und damit zu großer elektrischer Mobilität treffen auf die innere Elektrode noch bevor sie den Austrittsschlitz am unteren Ende der inneren Elektrode erreicht haben, während Partikel mit zu großem Durchmesser, und dadurch geringer Mobilität nach dem Schlitz oder gar nicht an die innere Elektrode kommen und abgesaugt werden. Nur Partikel mit genau definierter elektrischer Mobilität gelangen, abhängig von der angelegten Hochspannung, an die Austrittslücke und verlassen durch diese den DMA als monodisperses Aerosol. Abbildung 3. zeigt einen schematischen Aufbau des DMA und den Verlauf der Strömungswege. Abb. 3. Schematischer Aufbau eines differentiellen Mobilitätsanalysators (DMA)

32 Kapitel : Grundlagen 6 Um eine eakte Auflösung der elektrischen Mobilität zu erhalten, sind konstante Volumenströme im DMA Voraussetzung. Unterschieden werden dabei Schleier-, Abgas- und Probenluftvolumenströme. Schleier- und Abgasluft werden über eine Pumpe im Kreislaufstrom geführt. Die Abgasluft, die das übrig gebliebene Aerosol darstellt, wird durch einen Partikelfilter gereinigt und mittels kritischer Düse (kritische Düse wird unter Kapitel.7. näher erläutert) auf einem konstanten Volumenstrom gehalten. Dieses Aerosol wird danach als partikelfreie Schleierluft wieder am Einlass des Systems zugeführt. Vom Hersteller ist ein maimaler Schleierluftstrom von 0 l/min empfohlen [TSI 994]. Bei den Kalibriermessungen der Grimm OPCs wurde eine kritische Düse mit 3 l/min verwendet. Der polydisperse Probenluftvolumenstrom V & A entspricht dem monodispersen Volumenstrom. Die elektrische Mobilität Z p der Partikel, die vom DMA ausgewählt wird, ist abhängig von der Geometrie der Elektroden, der angelegten Hochspannung U und dem Schleierluftfluss Zusammenhang: V & S im DMA. Nach [TSI 994] ergibt sich folgender Z p r V& a S ln ri = π U L In der Gleichung ist im DMA und L r a / r i das Verhältnis der äußeren und inneren Elektrodenradien die Elektrodenlänge bis zum Austrittsspalt. Weiterhin hängt die elektrische Mobilität von den Eigenschaften der Partikel ab. Die Anzahl Elementarladungen e pro Partikel, die Viskosität η des Gases, der Partikeldurchmesser D und der Cunningham Faktor C sind auch ausschlaggebend für die elektrische Mobilität. Der Cunningham Korrekturfaktor C c dient der Berücksichtigung der Beweglichkeit der einzelnen Partikel im Aerosolstrom. Damit ergibt sich die Gleichung: p c n der Z p n e Cc = 3π η D p

33 Kapitel : Grundlagen 7 Mittels der beiden Gleichungen kann ein direkter Zusammenhang zwischen der elektrischen Mobilität Z, dem Partikeldurchmesser D und der am DMA p angelegten Spannung U hergestellt werden. Dabei ist der zu selektierende Partikeldurchmesser D auch von dem Schleierluftvolumenstrom V & abhängig. p p S Theoretisch können mit dem DMA Model 307A Partikel im Größenbereich zwischen 0,0 µm und µm nach ihrer Größe selektiert werden [TSI 994]. Der maimal selektierbare Durchmesser wird dabei unter anderem durch die am Model 307A höchstmöglich einstellbare Leistung der Hochspannungsquelle und die Durchschlagsspannung zwischen den beiden Elektroden begrenzt. Der DMA TSI 307A wird mit einer maimalen Spannung von 0 kv betrieben. Dadurch können z.b. PSL - Partikel mit bis zu ca. 0,8 µm Durchmesser aus dem Aerosolstrom abgetrennt werden. Für kleine Partikel spielt die Brownsche Molekularbewegung zunehmend eine Rolle, d. h. die Trajektorien werden für kleine Partikeldurchmesser zunehmend undefinierter und damit nicht mehr eakt erfassbar. Die ausselektierte Aerosolluft ist nur bedingt monodispers. Dies liegt an der endlichen Breite der Austrittsöffnung und an der nicht genau partikeldurchmesserspezifischen Ladungsverteilung. Das Verhältnis von Schleier- zu Aerosolprobenluft ist ein wichtiger Parameter für die Genauigkeit der monodispersen Auslese. Es gilt: V& V& S A = Z M Z Z p M Dabei ist Z die eingestellte elektrische Mobilität und Z die tatsächliche M elektrische Mobilität. Ein großes Verhältnis von V & zu V & verringert die Breite des Messintervalls und erhöht damit die Auflösung. Allerdings verringert sich dadurch die messbare Anzahlkonzentration. Demnach ist die Auswahl des Verhältnisses Schleierluft/Probenluft ein Kompromiss zwischen hoher Auflösung der Partikelgrößen zu statistischer Sicherheit. S A p

34 Kapitel : Grundlagen 8.6 Kondensationspartikelzähler (CPC) Zur Messung der Anzahlkonzentration ultrafeiner Partikel, die wegen D p «λ optisch nicht mehr detektierbar sind, werden Kondensationspartikelzähler (CPC, Condensation Particle Counter) eingesetzt. Ein CPC liefert eine quantitative Aussage über die Anzahl der Partikel, die in seinem messbaren Größenbereich liegen. Der Messbereich des verwendeten CPCs umfasst üblicherweise Partikel mit einem Durchmesser von 0,0 µm und größer, wobei sich die untere Detektionsgrenze von der im Gerät erreichten Übersättigung abhängt, und erstreckt sich bis zu Konzentrationen von 0 4 Partikel pro cm³. Mit einem CPC wird nur eine Anzahlkonzentration bestimmt [CPC 00]. Das zu messende Aerosol wird durch ein Volumen gepumpt, das mit einer Arbeitsflüssigkeit übersättigt ist. In einer anschließenden Kondensationsstrecke agieren die ultrafeinen Partikel als Kondensationskeime für die übersättigte Phase. Durch Kondensationsprozesse an ihrer Oberfläche wachsen die Partikel auf einige Mikrometer im Durchmesser an und können damit, unabhängig von der Größe des Keimes optisch detektiert werden. Da bei den hier aufgeführten Messungen stets ein DMA im Versuchsaufbau vor den CPC geschalten wurde, ist der Aerosolgrößenbereich eingeschränkt und der CPC detektiert Partikel im Größenbereich, in dem auch das OPC diese detektieren kann. Somit dient der CPC nur zur Kontrolle der gezählten Gesamtkonzentration der OPCs. In Abbildung 4. wird der schematische Aufbau eines CPCs gezeigt. Dabei gelangt das Probeaerosol durch den Aerosoleinlass, über einen mit - Butanol angereicherten Hartschaumschwamm, in den mit Alkoholdampf gesättigten Bereich. Um eine Butanolsättigung zu erreichen, wird der Hartschaumschwamm beheizt. Die mit kondensierbarem Dampf gesättigte Probe wird in der Kondensationsstrecke wieder gekühlt und es kommt zur Übersättigung, wodurch das - Butanol auf den Partikeln kondensiert. Diese dienen als Kondensationskeime für die Butanoltröpfchen.

35 Kapitel : Grundlagen 9 Abb. 4. Aufbau eines Kondensationspartikelzählers Der Kondensationsvorgang erfolgt allerdings nur, wenn die Partikel einen Mindestdurchmesser von * D p überschreiten. Dieser Mindestdurchmesser ist gegeben durch die Formel von Thomson (Lord Kelvin): D * p 4 = ρ Fl σ M R T ln S die die Tatsache beschreibt, dass die für die Bildung eines kleinen Tröpfchens erforderliche Übersättigung umso höher wird, je kleiner der Tropfendurchmesser wird. Dabei ist σ die Oberflächenspannung, M die Molmasse, ρ Fl die Dichte der Tröpfchenflüssigkeit, R die spezifische Gaskonstante, T die Temperatur und S = p p 0 das Sättigungsverhältnis mit p als Druck und 000]. p 0 als Sättigungsdampfdruck [Roedel Bei der Kondensation wachsen die Partikel um einen Faktor an [Fiebig 00]. Die Probenluft mit den stark vergrößerten Partikeln wird anschließend in der Messkammer durch einen Laserstrahl geleitet. Dieser wird mit einer Infrarotlaserdio-

36 Kapitel : Grundlagen 30 de erzeugt und mit einer Optik fokussiert. Durchläuft ein Partikel den fein fokussierten Strahl, so wird dieser gestreut. Ein Teil des gestreuten Lichts wird mit einer Sammellinse auf einen Photodetektor geleitet und von diesem registriert. Bei jedem detektierten Partikel wird ein Zählimpuls an die Elektronik des CPC weitergeleitet. Hinter der Messkammer verlässt das Probeaerosol durch eine kritische Düse das Gerät. Bei der Detektion stellen hohe Partikelkonzentrationen ein wesentliches Problem dar. Gelangen mehrere Partikel gleichzeitig in den Laserstrahl, so werden sie nur als ein Partikel gezählt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Koinzidenz. Dabei erfolgt eine systematische Unterschätzung der Partikelkonzentrationen. In Einzelfällen können Konzentrationen von Partikeln pro Kubikzentimeter erreicht werden und die Koinzidenz muss in solchen Fällen bei der Auswertung mit in die Berechnungen einfließen. Bei den Kalibrierungen, die für die vorliegende Diplomarbeit erfolgten, waren die Konzentrationen jedoch relativ klein, so dass der Koinzidenz Fehler zu vernachlässigen ist, da die statistische Abweichung der Zählergebnisse überwiegt. Von dem CPC wird eine Zählrate n ' pro Sekunde ausgegeben. Da der Fluss V & durch die Kritische Düse im CPC konstant gehalten wird, kann die Partikelkonzentration pro Volumeneinheit direkt ausgerechnet werden. In der Regel wird die Partikelkonzentration N in der Einheit /cm 3 angegeben. Der Zusammenhang lautet [CPC 00]: n' N = V&

37 Kapitel : Grundlagen 3.7 Weitere Geräte.7. Volumenflussmeter Im Volumenflussmeter (=Gilibrator) (siehe Abbildung 5.) durchläuft ein Seifenblasenfilm ein definiertes Volumen zwischen zwei Infrarotsensoren in einer bestimmten Zeit. Das Volumen zwischen den Sensoren ist im Mikroprozessor der Messeinheit gespeichert. Wenn der aufgespannte Seifenblasenfilm den unteren Infrarotsensor durchläuft, wird ein Zeitzähler ausgelöst. Beim Durchlaufen des oberen Infrarotsensors wird die Zeit gestoppt und an den Mikroprozessor in der Kontrolleinheit weitergeleitet. Im Mikroprozessor wird die Volumenflussrate in ml/min ausgerechnet und am Display angezeigt [Gilibrator 003]. Die Zeit in der der Seifenblasenfilm das vorgegebene Volumen durchläuft hängt vom Volumenfluss des Gases ab, welches den Gilibrator durch die Öffnungen () und () passiert. Abb. 5. Gilibrator