Chargeur d'aérosol pour les mesures de taille avec relation de taille de charge contrôlée

par Wen-cheng Gong

Projet de thèse en Physique des plasmas

Sous la direction de Nicolas Jidenko.

Thèses en préparation à Paris Saclay en cotutelle avec National Chiao Tung University , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (laboratoire) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 19-03-2018 .


  • Résumé

    Les progrès récents dans la technologie des nanoparticules impliquent des efforts de recherche croissants consacrés au contrôle de la distribution de charge des aérosols pour la mesure de la taille, l'échantillonnage, le transport et le traitement des matériaux. Le développement d'outils de diagnostic rapides, fiables et économiques pour les particules en suspension dans les gaz (concentration et taille) représente un défi technologique qui peut être résolu en utilisant les propriétés ionisantes des plasmas non thermiques. En effet, de nombreux instruments aérosols sont basés sur des mesures de mobilité électrique pour définir la distribution de taille des aérosols (Scanning Mobility Particle Sizer et Differential Mobility Analyzer), à partir de relations de charge-diamètre définies pour le chargement bipolaire ou unipolaire de particules avec décharge corona, sources de rayons X légères ou «douces». L'objectif est de développer un chargeur d'aérosol unipolaire corona post-DC avec des pertes réduites de particules chargées par contrôle inertiel de la trajectoire des aérosols conduisant à une fraction de particules chargées inférieure à 200 nm qu'avec Xray et neutralisants radioactifs pour une sensibilité plus élevée aux petites particules et aux SMPS non ambigus traitement des données pour la mesure des PM 1. Pour ce faire, nous proposons un nouveau chargeur déjà testé en LPGP dans un arrangement préliminaire à optimiser. Si elle est confirmée, la relation charge-diamètre augmentée linéairement jusqu'à une valeur constante supérieure à 200 nm est critique pour résoudre l'inversion de données ambiguës à partir de plusieurs diamètres pour chaque mobilité, obtenue dans les neutraliseurs utilisés dans les mesures de distribution de taille actuelles. Dans ce chargeur, le diamètre aérodynamique contrôle la trajectoire et donc les conditions de charge avec la mobilité finale ultérieure des particules chargées, puis sélectionné en fonction du diamètre électrique. L'objectif est de confirmer l'intérêt de cette stratégie avec une étude de faisabilité incluant 3 points: - confirmer la preuve de concept en résolvant la limite observée sur l'effet de concentration sur la charge finale, - identifier les paramètres de régulation qui contrôlent les processus physiques régissant la charge des aérosols dans ce chargeur par rapport aux plages de taille, de concentration et de débit ciblées - définir la relation charge-diamètre contrôlée pour les applications ciblées. Cette étude repose sur des résultats expérimentaux comparés aux lois théoriques pour les courants de décharge et la charge des aérosols. La décharge est caractérisée par des courants moyens et instantanés. Les densités ioniques sont évaluées à partir des courants ioniques post-corona et les distributions des charges et des charges moyennes des aérosols monodispersés sont mesurées.

  • Titre traduit

    Aerosol charger for size measurements with controlled charge-size relation


  • Résumé

    Recent advances in nanoparticle technology imply increasing research efforts devoted to control the charge distribution of aerosols for size measurement, sampling, transport, and material processing. The development of fast, reliable and economic tools of diagnostic for suspended particles in gases (concentration and size) represents a technological challenge that may be solved by using ionizing properties of non-thermal plasmas. Actually, many aerosol instruments are based on electrical mobility measurements to define the aerosol size distribution (Scanning Mobility Particle Sizer and Differential Mobility Analyser), from defined charge-diameter relations for bipolar or unipolar charging of particles with corona discharges, radioactive source, UV-light or “soft” X ray sources. The objective is to develop a post-DC corona unipolar aerosol charger with reduced losses of charged particles by inertial control of aerosol trajectory leading to higher charged fraction of particles below 200 nm than with Xray and radioactive neutralizers for higher sensitivity on small particles and unambiguous SMPS data treatment for PM 1 measurement. To do so, we propose a new charger already tested in LPGP in a preliminary arrangement to be optimized. If confirmed, the measured charge-diameter relation increasing linearly up to a constant value above 200 nm, is critical to solve ambiguous data inversion from multi-diameters for each mobility, as obtained in neutralizers used in present size distribution measurements. In this charger, the aerodynamic diameter controls the trajectory and thus the charging conditions with subsequent final mobility of charged particles, then selected versus electrical diameter. The objective is to confirm the interest of this strategy with a feasibility study including 3 points : - to confirm the proof of concept by solving the observed limit on the concentration effect on the final charge, - to identify regulation parameters that control the physical processes governing aerosol charging in this charger versus targeted size, concentration and flow rate ranges - to define the controlled charge-diameter relation for the targeted applications. This study lies on experimental results compared to theoretical laws for discharge currents and aerosol charging. The discharge is characterized by mean and instantaneous currents. Ion densities are evaluated from post-corona ion currents and monodispersed aerosol mean charge and charge distributions are measured.