浅谈光线对洁净室悬浮粒子监测的影响

0引言

洁净室是一种特殊的环境,通常用于生产药品、医疗器械、电子元器件、食品等对洁净度要求较高的产品,也可以用于医疗操作和实验室研究等场合。洁净室通过控制空气中的颗粒物、细菌、病毒等污染物,以保证在其中进行的生产或实验过程不受污染物的干扰和影响。EUGMP、FDA以及国内新版GMP均以悬浮粒子结果作为洁净级别的主要定级标准。悬浮粒子计数器是一种专门用于检测空气中悬浮粒子的数量和粒径大小的高精度的检测设备,其主要作用是测量无尘车间、洁净室等环境中空气中的悬浮粒子浓度,以确保这些环境的洁净度符合规定标准。因此,为确保测量结果的准确性和可靠性,分析和消除粒子计数器测量过程中的干扰因素显得尤为重要。

1粒子计数器的工作原理

悬浮粒子计数器的工作原理[1]是基于光散射技术[2]。光散射和微粒大小、光波波长、微粒折射率及微粒对光的吸收特性等因素有关。不同光源对悬浮粒子计数器的性能有不同的影响[3—4]。具体来说,悬浮粒子计数器使用一组透镜将光源发出的光线聚焦在测量腔内。当空气中的每一个粒子快速通过测量腔时,会将入射光散射一次,形成一个光脉冲信号。这个光信号经过另一组透镜被送到光检测器,光检测器将其转换成电脉冲信号[5]。电脉冲信号的幅度与微粒的大小[6]有关,而电脉冲的数量则对应于微粒的个数。然后这些电脉冲信号经过仪器电子线路的放大和甄别,分拣出需要的信号,再通过计数系统显示出来,如图1所示。根据粒子散射光的强度与粒径的函数关系得出粒子直径,计数系统可以显示微粒的数量和大小分布。总的来讲,最终粒子检测的多少主要来源于散射光的多少。

2光线导致悬浮粒子监测数据异常增大

环境监测人员在洁净室使用PMS LASAIR Ⅲ 310C粒子计数器进行悬浮粒子监测过程中偶然发现,在洁净室LED灯光正下方特定位置进行粒子监测时0.5μm的粒子数量会发生异常增高的现象。根据粒子计数器的工作原理,推测可能是洁净室LED灯光光线垂直射入采样通道进入粒子测量腔影响散射 光数量,从而使粒子计数器的结果显示有异常增加。

3光线对粒子计数器的影响分析

3.1 不同光源对粒子计数器的影响分析

目前已经发现洁净室LED光源垂直照射可以影响悬浮粒子的监测结果,为了确认其他光源是否也会影响悬浮粒子监测结果,采用生活中常见的几种光源,比如LED光源的手电筒、卤素光源的手电筒、在生物安全柜和净化工作台中常见的白炽灯光源的照明灯进行确认实验,分别测试并记录这几种光源垂直射入采样粒子采样通道时是否对悬浮粒子的监测结果有影响,如表1所示。

测试结果表明,白炽照明灯和卤素灯泡手电筒等光源发出的光线对粒子监测的结果没有影响,而同为LED光源的洁净室照明灯和LED手电筒光线对粒子监测的结果均有影响。

3.2 同一光源不同光线强度对粒子监测影响分析

实验确认LED光源发出的光线会对悬浮粒子的监测结果产生影响,为了确认同一LED光源发出不同强度的光线是否对粒子监测结果有不同的影响,采用有弱光和强光两种模式的LED手电筒进行实验。弱光模式下光照强度范围在10000~30000lx,强光模式的光照强度范围在70 000~100 000lx,采用这两种强弱模式分别测试同一LED光源不同光线强度对粒子监测的影响,两种模式的实验均包含两次开灯阶段和三次关灯阶段。

3.2.1 LED光源弱光模式的光线对粒子监测的影响

在LED光源弱光模式下,对粒子的监测数据进行分析,如图2所示。在三次关灯状态下,粒子数不增加,较为稳定;而在两次开灯状态下,对0.5μm的粒子影响明显,对5μm的粒子无影响;0.5μm粒子数每秒新增在207~212之间,5μm粒子数整个阶段均为0,较为稳定。

通过线性分析,整个阶段的线性相关系数R的平方为0.9656,低于0.99,表明线性不是很相关。对两次开灯数据分别进行线性分析,第一次开灯状态下,线性相关系数R的平方为0.999 9,如图3所示。第二次开灯状态下,线性相关系数R的平方为0.999 8,如图4所示。两次开灯的线性相关系数均超过0.99,说明 LED光源弱光模式的光线对0.5μm粒子数的影响呈明显线性正相关,而对5 μm粒子数毫无影响。

3.2.2 LED强光模式的光线对粒子监测的影响

在LED光源强光模式下,对粒子的监测数据进行分析,如图5所示。在三次关灯状态下,粒子数不增加,较为稳定;而在两次开灯状态下,对0.5μm的粒子影响明显,对5μm的粒子无影响;0.5μm粒子数每秒新增在206~209之间,5μm粒子数整个阶段均为0,较为稳定。

通过线性分析,整个阶段的线性相关系数R的平方为0.959,低于0.99,表明线性不是很相关。对两次开灯数据分别进行线性分析,第一次开灯状态下,线性相关系数R的平方为0.999,如图6所示。第二次开灯状态下,线性相关系数R的平方为0.997,如图7所示。两次开灯的线性相关系数均超过0.99,说明LED 光源强光模式的光线对0.5μm粒子数的影响呈明显线性正相关,而对5 μm粒子数毫无影响。

两次实验数据整合对比分析表明,针对同一种 LED光源产生的两种不同强度的光线,在开灯状态下,弱光光线照射的0.5μm粒子每秒新增数在207~212之间,强光光线照射的0.5μm粒子每秒新增数在206~209之间,差距非常小,因此可以得出结论:同一种LED光源的光线,在一定范围内改变光照强弱对0.5 μm粒子数监测影响无明显差异,粒子数和光照时间也是呈正比线性关系;同一LED光源发出的光线,无论强弱均对5 μm粒子监测无影响。

3.3 同一光源光线不同入射角度对粒子监测影响分析

前面实验已经确认了LED光源光线射入采样通道会对0.5 μm粒子监测数据有影响,理论分析认为,光线垂直射入的夹角越小,进入采样通道的光线越多,则对粒子计量的影响越大。为了确认光线垂直入射角度对粒子监测结果产生的影响,采用已确认有影响的同一种LED光源,通过来回调整不同垂直入射角度,分别在>30°、20°~30°、10°~20°、0°~10°这四个垂直入射角度范围进行测试,分别往复进行三次测试,如图8所示。

分别统计不同入射角度下每秒新增0.5μm粒子数,得到分析结果如表2所示。当光线垂直射入角度大于30°时,对0.5μm粒子没有任何影响;当垂直射入角度小于30°时,就会有光线射入采样通道,0.5 μm 粒子就会有异常增加。垂直射入角度在20°~30°之间每秒增加121~455粒,垂直射入角度在10°~20°之间每秒增加461~775粒,垂直射入角度在0~10°之间每秒增加1074~2383粒。射入角度越低,每秒增加的粒子越多,另外光源距采样口越近,对粒子监测的影响越大。根据实验数据分析得出射入采样通道的光线越多,对0.5μm粒子监测结果影响越大,则可以分析出设备与灯光的相对位置通过影响进光量来影响0.5μm的粒子监测数据。

3.4 LED光源产生的光线对粒子计数器的影响分析

LED光源是激光大家族中的新型光源,属于“弱激光”范畴。结合悬浮粒子计数器的原理进行分析,部分LED光源产生的光线可能与悬浮粒子计数器自身的激光光源照射粒子后产生的散射光线非常相似,进而干扰计数系统,影响计数的准确性。

4如何避免光线对悬浮粒子监测的影响

4.1增大垂直入射角度

通过之前的实验发现,可以调整粒子计数器采样位置及其与房间照明灯的相对位置,只要光线垂直入射角度超过30°,就可以避免光线射入采样通道影响悬浮粒子监测结果,垂直入射夹角越大,影响越小。

4.2增加较长的采样软管进行偏心安装

可以通过增加较长的采样软管,进行偏心安装,使外界光线无法照射到粒子计数器透镜,从而避免光线射入采样通道影响悬浮粒子的监测结果。

5 结束语

在采用粒子计数器进行悬浮粒子监测时,洁净室中的部分LED光源发出的光线会对监测结果产生影响,悬浮粒子数与光照时间成正比线性关系,与光线垂直射入夹角成反比。同一种LED光源的光线,在一定范围内改变光照强弱对0.5μm粒子数监测的影响无明显差异,而对5μm粒子的监测无任何影响。因此,在生产环境监测中可以通过增大光源垂直入射角度或偏心安装较长的采样软管的方式避免光线影响悬浮粒子监测结果,从而确保悬浮粒子监测系统不受外界光线的影响,处于良好的工作状态,使得洁净区的悬浮粒子监测准确性得到保障,生产洁净环境的质量得到控制。

[参考文献]

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[2]黄惠杰,赵永凯,任冰强,等.尘埃粒子的半导体激光散射测量[J].中国激光,2002,29(12):1117—1121.

[3]高永锋,邹丽新,黄惠杰,等.尘埃粒子计数器中光源对传感器光通量的影响分析[J].应用光学,2005,26(3):45—49.

[4]纪运景,卞保民,贺安之.不同光源对激光尘埃粒子计数器性能的影响[J].红外与激光工程,2004,33(3):264—268.

[5]彭刚,严伟,卞保民,等.尘埃粒子计数器标准粒子信号幅度分布统计分析[J].测试技术学报,2009,23(6):514—518.

[6]黄廷磊,郑刚,王乃宁.室内空气中颗粒状污染物的计数技术[J].应用光学,2000,21(2):17—22.

2024年第23期第19篇