Aerosoolimõõtmise tehnoloogia arendamine

TÜ keskkonnafüüsika instituudis

Aadu Mirme, Eduard Tamm, Hannes Tammet

Instituut on ülemaailmselt tuntud ja tunnustatud aerosoolimõõtmise elektrilise meetodi arendaja ja vastavate mõõteseadmete väljatöötaja. Elektriline meetod kasutab mõõtmiseks aerosooliosakestel kas atmosfääris loomulikult omandatud või mõõteseadmes kunstlikult tekitatud elektrilaenguid. Järgnevalt kirjeldatakse peamisi instituudis välja töötatud mõõteseadmeid.

Aeroioonide loendureid on praegu instituudi koosseisu kuuluvas Aeroelektrilaboratooriumis konstrueeritud ja ehitatud juba nelikümmend aastat. Õhu ioonid (aeroioonid) on atmosfääriõhus hõljuvad elektriliselt laetud aerosooliosakesed või nendest väiksemad molekulide kogumid (klastrid). Aeroioonide loenduri tuntuimat mudelit UT 8401 on valmistatud üle saja. See on ühe mõõtekanaliga seade õhu ioonide arvkontsentratsiooni mõõtmiseks. Mõõdetavate ioonide parameetrid (minimaalne liikuvus – piirliikuvus) seatakse käsitsi.

Käsitsi juhitav aeroioonide loendi UT 8401 on praegugi kasutatav klasterioonide kontsentratsiooni määramisel usaldusväärse mõõteriistana.

Aeroelektrilaboratooriumi eriline teene aerosoolimõõtmiste tehnoloogia arendamisel on paljukanalilise meetodi väljatöötamine. Esimene 50-kanaline aeroioonide spektromeeter valmis 1973. a. Selle kanaleid kommuteeriti veel elektromehaanilise sammvalija abil. Enamtuntud riist on paljukanaline elektriline aerosooli spektromeeter EAS. See määrab aerosooliosakeste jaotuse osakeste läbimõõdu unikaalselt laias vahemikus 3 nanomeetrist kuni 10 mikromeetrini. Ta tekitab osakestel kontrollitud viisil elektrilaengud, jaotab nad mõõtekanalitesse ja mõõdab saadud signaalide jaotuse.

Pildil on esimese EAS-i osaliselt koostatud sisendseadmed, mille abil osakesi laetakse enne nende liikuvuste mõõtmist

Osakeste suurusjaotusfunktsioon arvutatakse matemaatilise mudeli alusel, kasutades aparaadi teoreetilise ja eksperimentaalses kalibratsiooni andmeid. EAS mõõdab osakesed kogu mõõtevahemikus samaaegselt, mis võimaldab mõõta ka osakeste kiiresti muutuva kontsentratsiooni tingimustes ja saavutada suurt ajalist lahutusvõimet (kuni 20 korda ühes minutis).

Kaasaegne EAS on kõrgtehnoloogiline elektromehhaano- pneumaatiline mõõteseade.

EAS arendamise kogemusi on kasutatud paljukanalilise aeroioonide spektromeetri AIS konstrueerimisel. See on spetsiaalne mõõteseade, mis jagab positiivsed ja negatiivsed aeroioonid 42 liikuvuskanalisse. AIS põhirakenduseks on aerosooliosakeste tekkeprotsesside uurimine nanomeeterosakeste piirkonnas. Ta on piisavalt tundlik selleks, et mõõta ülinõrka atmosfääri looduslike laetud klastrite ja aerosooliosakeste poolt tekitatud signaali. Tema mõõtepiirkond osakeste suuruste skaalasse arvutatuna on poolest nanomeetrist 40 nanomeetrini.

AIS on unikaalne 42 mõõtekanaliga spektromeeter. Pildil on näha 42 elektromeetrilist võimendit, mille tundlikkus on suurusjärgus  0,1 fA.

Aeroelektrilaboratooriumis realiseeriti esmakordselt ioonispektromeetria kaldväljameetod.

Kaldväljameetodil töötava aparaadi IGMA valmistas väikefirma AIREL ja see töötab nüüd Minnesota Ülikoolis USA-s.

Valmistamise mõttes vähemkulukas kui AIS on ühe mõõtekanaliga bipolaarne skaneeriv aeroioonide analüsaator BSMA. Piiratud mõõtekanalite arv kompenseeritakse mõõtekanali parameetrite ajalise muutmise (skaneerimise) teel. Suur tundlikkus (ioonide hästi väikese kontsentratsiooni mõõtmise võime) saavutatakse siseneva õhuvoolu tavatult suure ruumkiirusega 52 liitrit sekundis.

Skaneerivat analüsaatorit BSMA kasutatakse klasterioonide ja kuni 7.5 nanomeetriste osakeste uurimiseks.