使用帶電等離子體測量超細顆粒大小和濃度的新方法可用于制造未來的傳感器，以帶來健康益處。

等離子體用于制造微芯片，但也用于傳感器中以檢查可能構(gòu)成嚴重健康風險的超細顆粒。盡管此類傳感器在工業(yè)中很常見，但在日常使用之前必須解決成本、維護和尺寸等幾個問題。對于他的博士學位。在研究中，Tim Staps 探索了測量等離子體中粒子大小和濃度的新方法，這些方法可用于在未來制造更便宜、更小、更可持續(xù)的粒子傳感器。2 月 8 日，他在應(yīng)用物理系通過論文答辯。

等離子體由帶電粒子組成，是物質(zhì)的四種狀態(tài)之一，用于高科技工業(yè)系統(tǒng)，例如用于制造微芯片的光刻機或用于測量微小粒子（較小的粒子）濃度的超細粒子 (UFP) 傳感器小于 0.1 微米），這可能會損害人體健康。

“由于體積小，UFP 可以沉積在肺部深處，然后進入血流，造成不可逆轉(zhuǎn)的組織損傷和疾病，”Tim Staps 博士說。應(yīng)用物理系復雜電離介質(zhì)組研究員。

用于社會的傳感器？

雖然工業(yè) UFP 傳感器已經(jīng)存在了一段時間，但在它們在社會中普及之前必須克服幾個問題。它們的可用性也將適時進行，因為 Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) 估計荷蘭因吸入汽車和其他過程排放的顆粒物（包括超細顆粒）而死亡的人數(shù)在 7,000 到 12,000 之間每年。

第一個問題是成本，因為實驗室規(guī)模的設(shè)備價格為 10,000 歐元，對于汽車來說太貴了，而該技術(shù)的廣泛使用受到缺乏對超細顆粒的立法的限制。但許多技術(shù)問題也阻礙了它們的廣泛使用。

“除了制造緊湊型 UFP 傳感器之外，它們也不應(yīng)該需要持續(xù)維護。例如，工業(yè)傳感器需要每 100 小時檢查一次，這對于汽車來說是不可行的，”Staps 說�！皞鞲衅鬟�需要靈敏，因為空氣中的 UFP 濃度可能很低且難以測量。”

“準確的 UFP 傳感器可以通過監(jiān)測 UFP 普遍存在的建筑物和工作場所的室內(nèi)空氣質(zhì)量來保護人們的福祉。為了應(yīng)對高 UFP 濃度，可以引入供暖、通風和空調(diào)。但底線是準確測量 UFP，然后對它們的檢測采取行動。”

散射綠色激光的塵埃粒子。

測量表面電荷

對于他的博士學位。在研究中，Staps 和他的同事開發(fā)了精確測量納米粒子表面電荷的方法�！笆紫龋�我們通過將等離子體電子和離子引向粒子來使用等離子體對粒子進行充電，然后我們測量了粒子攜帶的電荷量。所有粒子的總電荷可以衡量它們的大小和濃度。”

為了測量粒子的電荷，Staps 轉(zhuǎn)向微波腔共振光譜 (MCRS)，這是一種自 1950 年代以來一直用于在真空條件下測量氣體中的自由電子的技術(shù)。然而，在一種新方法中，Staps 和他的同事們將該技術(shù)應(yīng)用于正常的壓力和空氣密度條件下。

“在真空中，電子在與氣體或塵埃粒子碰撞之前可以行進很多米。在正常情況下，這個距離會急劇減小，當電子撞擊氣體或塵埃粒子時產(chǎn)生的信號比在真空中要小得多。所以，我們設(shè)計了一種新裝置，可以最大限度地減少外部振動和其他信號噪聲源的影響。”

在真空和大氣條件下，Staps 和研究人員發(fā)現(xiàn)，粒子與等離子體中自由電子之間的碰撞決定了粒子是否帶電�！斑@樣的觀察對于理解粒子充電和放電背后的物理過程很重要。但同樣的數(shù)據(jù)也可以用來開發(fā)新的理論來描述可變壓力條件下的充電過程�！�

檢測電子和粒子之間的碰撞是一回事，但 Staps 和研究人員接下來需要測量與粒子結(jié)合的電子以及等離子體中負離子（最終塵埃粒子）的存在。但是為了測量電荷，電子需要從粒子中釋放出來，為此，研究人員將激光與 MCRS 結(jié)合使用。

“激光方法被稱為光分離，涉及向粒子發(fā)射大量光子。重要的是，光子能量超過了將電子限制在粒子表面的結(jié)合能。這是一種真正獨特的檢測電荷的方法真空中的粒子和大氣壓下負離子的存在�！�

超精細檢測近在咫尺

那么，這對超細粒子傳感器意味著什么？好吧，Staps 非常樂觀地認為他的研究可以為未來粒子傳感器的開發(fā)提供一個極好的起點。

“為了制造精確的超細粒子傳感器，我們需要了解小粒子是如何帶電的，然后使用這些數(shù)據(jù)來制定基于等離子體的納米粒子充電的新理論，”Staps 說�！斑@些見解可以加速傳感器技術(shù)的進步，這些傳感器的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)可能遲早會發(fā)生。但工程挑戰(zhàn)仍然存在，其中之一是與空氣相互作用的等離子體很快就會被污染�！�

此外，精確傳感器的開發(fā)可以幫助行業(yè)最大限度地減少來自過程的超細顆粒的輸出，從而改善空氣質(zhì)量，并減少那些在生產(chǎn) UFP 的系統(tǒng)附近工作和生活的人的健康風險。