Differential Mobility Analyser
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Der Differentielle Mobilitätsanalysator (DMA) ist ein Messgerät, um gasgetragene (Aerosol), elektrisch geladene Partikel online und in-situ nach ihrer elektrischen Mobilität zu klassieren. Dieses Messverfahren wird insbesondere zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilungen von ultrafeinen Partikeln (Nanopartikel, Partikel mit Duchmessern von d < 100nm) eingesetzt (Knutson und Whitby, 1975).
Die Größe eines gasgetragenen Partikels kann indirekt über den äquivalenten Mobilitätsdurchmesser ausgedrückt werden. Nach Stokes weist ein Partikel in gasförmiger Umgebung eine Beweglichkeit B auf, die von seiner äußeren Geometrie abhängt. Dieser Beweglichkeit kann ein äquivalenter Durchmesser d zugeordnet werden, den ein sphärisches Partikel aufweisen würde.
Hierbei ist C der Cunningham-Korrekturfaktor (Cunningham, 1910), dessen Wert abhängig von der Partikelgröße und den Gaseigenschaften ist
Die Gleichung ist gültig für Partikeldurchmesser d > 3nm und lässt sich für sehr kleine Partikelgrößen (freimolekularer Bereich) auch aus der klassischen theoretischen Gaskinetik herleiten. Für sehr große Partikel mit d > 1µm strebt der Cunningham-Korrekturfaktor gegen 1 und es gilt wieder das klassische Stokes-Gesetz. α, β und γ sind hierbei empirisch ermittelte Gaskonstanten.
Besitzt das Partikel eine Anzahl n an elektrischen Elementarladungen q , so kann man diesem Partikel eine elektrische Beweglichkeit Z zuordnen
und es bewegt sich in einem elektrischen Feld E mit der Geschwindigkeit
Der DMA besteht aus einem zylindrischen Kondensator, an dessen Außenwand das elektrisch geladene Aerosol eingeleitet und in einer laminaren Strömung dort entlanggeführt wird. Durch einfuhr von partikelfreiem Gas, das an der Innenelektrode entlangströmt, sind die Partikel von der Innenelektrode getrennt. Wird nun eine elektrische Spannung an die Zylinderelektroden gelegt, so driften die geleadenen Partikel je nach ihrer elektrischen Polarität zur Innen- oder Außenelektrode. Nur die Partikel, die einen schmalen Ringspalt an der Innenelektrode erreichen, können dem DMA entnommen und einem Partikelzähler zugeführt werden. Die entnommene Fraktion der Partikel besitzt eine bestimmte elektrische Mobilität, die mit der angelegten Spannung korreliert nach
Hierbei ist Q der Gasvolumenstrom, der durch den Kondensator geleitet wird, Ra der Radius der Außenelektrode, Ri der Radius der Innenelektrode und L die Elektrodenlänge zwischen Aerosoleinlass und -auslass.
Durch das Scannen, d.h. durch die kontinuierlichen Spannungserhöhung, wird aus dem Klassierer ein Messgerät und man erhält eine elektrische Mobilitätsverteilung des geladenen Aerosols. Ist die Ladungsverteilung auf den Partikeln bekannt, so kann man durch Rückrechnung mit Hilfe eines Inversionsalgorithmus auf die Mobilitätsverteilung und damit indirekt auf die Größenverteilung der Partikel schließen.
In der Regel ist die Ladungsverteilung des zu analysierenden Aerosols unbekannt und die Partikel müssen zuvor definiert aufgeladen werden, um die Rückrechnung auf die Partikelgröße anwenden zu können. Hierzu wird häufig ein 'Neutralisator' eingesetzt, der das Aerosol in ein Ladungsgleichgewicht versetzt. Typischerweise wird das Aerosol an einer schwach-radioaktiven Quelle (z.B. das Krypton-85-Isotop, 85Kr als Betastrahler) vorbeigeführt. Die Strahlung bewirkt in erster Linie eine Ionisation des Umgebungsgases, d.h. es entstehen sowohl negative als auch positive Ladungsträger, die sich durch Diffusion an die Partikel anlagern. Das Resultat ist eine definierte Boltzmann-Ladungsverteilung, die sich aus positiven, negativen als auch elektrisch neutralen Partikeln zusammensetzt. Der Begriff 'Neutralisator' ist somit zunächst irreführend, da die Partikel nicht entladen werden, sondern sich ein nach außen betrachtet neutrales bipolares Ladungsgleichgewicht einstellt. Der Nachteil hierbei ist, dass ein Großteil der Partikel (ungeladen oder falsche Polarität) nicht für die Analyse herangezogen werden kann.
Bei einem anderen Verfahren zur definierten Aufladung der Partikel wird eine Korona (lokal begrenzte Teilentladung des Umgebungsgases) dazu genutzt, die emittierten Ladungsträger über Feld- und Diffusionsaufladung an die Partikel anzulagern. Da hier nur Ladungsträger einer bestimmten Polarität verwendet werden, ist das Resultat eine unipolare Ladungsverteilung. Der Vorteil ist hierbei, dass nahezu alle Partikel für die Analyse herangezogen werden können. Allerdings wird auch ein Teil bereits in der Aufladezone abgeschieden.
