使用帶電等離子體測量超細(xì)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(yán)重健康風(fēng)險的超細(xì)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(hù)和尺寸等幾個問題。對于他的博士學(xué)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(xì)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(jìn)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(fù)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(jìn)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(xì)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(xì)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(hù)。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(zhǔn)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(hù)人們的福祉。為了應(yīng)對高 UFP 濃度，可以引入供暖、通風(fēng)和空調(diào)。但底線是準(zhǔn)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(xué)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(jìn)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(jìn)很多米。在正常情況下，這個距離會急劇減小，當(dāng)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(fù)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(fù)離子的存在。”

超精細(xì)檢測近在咫尺

那么，這對超細(xì)粒子傳感器意味著什么？好吧，Staps 非常樂觀地認(rèn)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(xì)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。“這些見解可以加速傳感器技術(shù)的進(jìn)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(xì)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(fēng)險。