ENGINEERINGNET.BE - Plasma's worden gebruikt in sensoren voor ultrafijne deeltjes, ofwel UFP’s. Hierin meten ze de concentratie van deeltjes kleiner dan 0,1 micrometer die schadelijk kunnen zijn voor de gezondheid. Maar hoge kosten, grootte en onderhoud verhinderen dagelijks gebruik.
Promovendus Tim Staps van TU Eindhoven en collega's ontwikkelden daarom manieren om de oppervlaktelading van deeltjes op nanoschaal nauwkeurig te meten.
"Eerst laden we deeltjes op met een plasma. Daarna meten we de lading die de deeltjes bij zich dragen. Het is de totale lading van alle deeltjes die een meting oplevert van hun grootte en concentratie."
Hiertoe wendde Staps zich tot microwave cavity resonance spectroscopy (MCRS), en paste deze aan voor gebruik onder normale omstandigheden van druk en luchtdichtheid om de effecten van externe trillingen en andere bronnen van signaalruis te minimaliseren.
De onderzoekers ontdekten dat, zowel onder vacuüm- als atmosferische omstandigheden, botsingen tussen de deeltjes en vrije elektronen in het plasma bepaalden of de deeltjes al dan niet geladen waren.
Staps en collega's hebben daarna de elektronen gemeten die aan de deeltjes waren gebonden, én de aanwezigheid van negatieve ionen, die de uiteindelijke stofdeeltjes zijn, in het plasma.
Om de ladingen te meten, moesten de elektronen worden losgemaakt van de deeltjes. Hiervoor gebruikten de onderzoekers lasers in combinatie met MCRS.
"Belangrijk is dat de energie van de fotonen hoger is dan de bindingsenergie die het elektron aan het deeltjesoppervlak bindt. Dit is een unieke manier om de lading van deeltjes in een vacuüm en de aanwezigheid van negatieve ionen bij atmosferische druk te detecteren."
"Om nauwkeurige ultrafijne deeltjessensoren te maken, moeten we begrijpen hoe kleine deeltjes worden opgeladen en deze data gebruiken om nieuwe theorieën te formuleren over het opladen van nanodeeltjes met behulp van plasma's", zegt Staps.
"Deze inzichten kunnen de vooruitgang van de sensortechnologieën versnellen. Maar er zijn nog steeds technische uitdagingen: plasma's die met lucht interacteren raken bijvoorbeeld snel vervuild."
De ontwikkeling van nauwkeurige sensoren kan de industrie helpen om de uitstoot van UFP's afkomstig van processen tot een minimum te beperken. Hierdoor verbetert de luchtkwaliteit en nemen de gezondheidsrisico’s af voor mensen.