Analizador de movilidad diferencial.

La presente invención consiste en un analizador de movilidad diferencial (DMA) destinado a conseguir las condiciones de campo eléctrico necesarias para que presente una componente opuesta al flujo de arrastre.

Esta componente del campo eléctrico opuesta al flujo de arrastre hace que el campo eléctrico principal no sea perpendicular al campo de velocidades del flujo de arrastre sino oblicuo. En estas condiciones es posible incrementar la resolución deldispositivo reduciendo asi el umbral de errores en la deteccióndel tipo de partícula inyectado en el analizador. Caracteriza esta invención la disposición y naturaleza de los electrodos destinados a conseguir el campo eléctrico oblicuo. Comprende igualmentela invención el uso de este analizador como parte de un dispositivo que lo comprende dando lugar a un conjunto que combina la eficiencia del analizador del estado de la técnica con la alta resolución del analizador de la invención.

Analizador de movilidad diferencial.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en un analizador de movilidad diferencial (DMA) destinado a conseguir las condiciones de campo eléctrico necesarias para que presente una componente opuesta al flujo de arrastre. Esta componente del campo eléctrico opuesta al flujo de arrastre hace que el campo eléctrico principal no sea perpendicular al campo de velocidades del flujo de arrastre sino oblicuo.

En estas condiciones es posible incrementar la resolución del dispositivo reduciendo así el umbral de errores en la detección del tipo de partícula inyectado en el analizador.

Caracteriza esta invención la disposición y naturaleza de los electrodos destinados a conseguir el campo eléctrico oblicuo.

Comprende igualmente la invención el uso de este analizador como parte de un dispositivo que lo comprende como uno de sus componentes en donde el otro componente es un analizador de movilidad diferencial del estado de la técnica con capacidad de discriminación para varios valores de la movilidad eléctrica. El conjunto combina la eficiencia del analizador del estado de la técnica con la alta resolución del analizador de la invención.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Son conocidos analizadores de movilidad diferencial basados en establecer un flujo de arrastre con números de Reynolds elevados y el menor grado de turbulencia posible a través del cual se hace cruzar una partícula objetivo.

Esta partícula se inyecta en el flujo en dirección perpendicular con una carga eléctrica obtenida tras una etapa de ionización.

La presencia de un campo eléctrico perpendicular a la dirección del flujo impulsa la partícula a través del flujo cruzado en mayor o menor grado atendiendo al valor de la movilidad eléctrica que depende entre otros parámetros de la carga y del diámetro de la partícula.

Dado que la partícula es arrastrada aguas abajo por el flujo principal de arrastre, la mayor o menor velocidad de la partícula en función de su movilidad eléctrica dará lugar a que el punto sobre el que incide al otro lado de donde ha sido inyectada se sitúe a mayor o menor distancia.

El impacto a mayor o menor distancia puede ser leído mediante un multisensor que percibe la localización exacta de este impacto en la coordenada longitudinal, la que sigue el flujo. La movilidad eléctrica de la partícula es función de esta distancia donde se produce el impacto.

Otra alternativa que no debe ser excluyente de la primera es la de incorporar una ranura de salida. Si esta ranura se sitúa a la distancia a la que se produce el impacto de la partícula objetivo, la que se desea detectar, la partícula objetivo que entra en el analizador de movilidad lo cruzará según la trayectoria que alcanza dicha ranura de tal modo que la partícula puede ser extraída.

De este modo, no solo se detecta su presencia sino que puede ser llevada a través de dispositivos de mayor precisión que reduzcan el umbral de incertidumbre sobre el valor de su movilidad eléctrica.

Éste es el modo en el que en el estado de la técnica se ha llevado a cabo el incremento de la resolución, la incorporación de dispositivos a la salida del analizador; en particular, se cita la patente PCT con número 2005/ES070121.

Son conocidas publicaciones como [“Drift differential mobility analyzer”, J. Aerosol Sci. Vol. 29, No. 9 pp. 1117-1139, 1998, Ignacio G. Loscertales] en la que se analiza la influencia en la resolución del DMA de la presencia de un campo eléctrico oblicuo E de tal modo que, además de la componente transversal Ey del campo existe una componente longitudinal Ex (respecto del flujo principal de arrastre) y en sentido contrario a dicho flujo.

Este estudio es una análisis teórico donde se relaciona el incremento de la resolución del DMA en función del campo eléctrico E oblicuo, en particular de su componente longitudinal Ex.

El desarrollo matemático de este análisis hace uso de variables adimensionalizadas χ, η. Estas variables adimensionalizadas se definen como χ=x/b, η=y/b donde x es la coordenada longitudinal siguiendo el flujo de arrastre, y es la coordenada transversal al flujo y b es la distancia de separación entre las dos paredes entre las que se establece la trayectoria de la partícula.

Denotando el campo eléctrico E en función de las variables adimensionalizadas, ahora sus componentes quedan expresadas como E= (fχ, fη) .

Los resultados de este análisis determinan que el factor de reducción del error es del orden de En particular, cuando el campo eléctrico se expresa en función de las coordenadas χ, η entonces el factor de reducción puede ser evaluado a partir del valor

de tal modo que el factor de incremento en la resolución de un DMA que hace uso del campo eléctrico oblicuo respecto de otro que no, se puede expresar como Esta expresión supone que el incremento del valor de K decrementa el factor de reducción del error; y también, que la resolución se puede al menos teóricamente incrementar sin cota superior todo lo que se desee. Este decremento es proporcional al valor de campo longitudinal Ex y éste será mayor cuanto mayor sea el ángulo de inclinación del campo eléctrico.

El estudio detallado de este factor K y de las ecuaciones que llevan a su deducción permiten también asegurar que el incremento de la resolución solo se obtiene si Ex está orientado en contra corriente.

Este estudio se centra en el análisis matemático que lleva a las citadas conclusiones y no explica cómo puede ser obtenido en la práctica este campo eléctrico oblicuo. Sí que se conoce un intento de obtención de un dispositivo con una estrecha región de campo eléctrico oblicuo E haciendo uso de un par de rejillas paralelas entre sí, dispuestas oblicuas en el seno de un flujo de arrastre limitando la zona de trabajo a los lugares entre las rejillas en las que se asegura el campo eléctrico oblicuo dando lugar a dispositivos muy voluminosos en los que el volumen efectivo es muy reducido. Otro serio inconveniente que presenta es la interferencia en el flujo de arrastre de la estela de las rejillas.

Documento US-A3278751 describe un electro multiplicador en el seno de un campo eléctrico inclinado mediante el empleo de electrodos que crean un gradiente de potencial en la dirección del flujo principal.

Sin embargo, el instrumento descrito en US-A3278751 no permite incrementar la resolución para acceder a un mayor grado de discernimiento en la movilidad eléctrica de la partícula que se mueve en el instrumento.

La presente invención define un dispositivo que hace uso de unos electrodos adecuadamente seleccionados y configurados de tal modo que la totalidad de la región de análisis, salvo efectos de borde, presenta un campo oblicuo sin distorsiones ni de éste ni del flujo de arrastre ya que no incluye elementos inmersos en el seno del flujo.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención consiste en un analizador de movilidad eléctrica en el que la resolución se encuentra incrementada por el uso de un campo eléctrico oblicuo obtenido por un adecuado diseño de unos electrodos que generan ese campo.

Este analizador o DMA consiste en un dispositivo que al menos comprende un conjunto de paredes laterales entre una entrada y una salida para el paso del flujo principal de arrastre a través de su interior. Las paredes laterales y una superficie de definición de la entrada y otra superficie de definición de salida establecen un volumen de control en cuyo interior es necesario asegurar las condiciones adecuadas tanto del flujo de arrastre como del campo eléctrico que provoca la aceleración de la partícula.

El número de Reynolds del flujo principal de arrastre se puede ajustar al tamaño de partícula de tal forma que los niveles de turbulencia sean menores de lo que requiere la medida.

La configuración del DMA puede ser cilíndrica o plana, esto es, queda definido con únicamente dos dimensiones. Al menos en cuanto a la región de estudio se refiere.

Cuando se hace uso de una configuración plana las dos variables a considerar serán lo que llamaremos la longitud y la anchura. Por el modo en el que se representará gráficamente en los ejemplos de realización de la invención la longitud es la variable orientada verticalmente; y, cuando la configuración es cilíndrica las dos variables a considerar son la longitudinal y la dirección radial (dispuesta horizontal) .

V en la dirección del flujo principal.

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1. Analizador de movilidad diferencial en el que hay definido un volumen (Vc) de control limitado por paredes laterales y en el que al menos existe:

un flujo principal de arrastre (v) , un punto o ranura de inyección (1) de partículas a través de una de las caras (S1) laterales y, una ranura (2) de extracción o sensor lineal de detección de partículas objetivo en una cara (S2) opuesta caracterizado porque en las caras (S1, S2) opuestas se incorporan electrodos (3) donde cada uno de ellos presenta

V2) en la dirección del flujo principal (v) y entre ellos una diferencia de

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potencial (U) de tal modo que el campo eléctrico (E) en el volumen (Vc) interior es oblicuo con una componente transversal (Ey) al flujo principal (v) no nula, en el sentido tomado desde la cara (S1) donde se lleva a cabo la inyección y orientado hacia la cara (S2) opuesta, y otra componente (Ex) no nula paralela y en sentido opuesto al flujo principal (v) , caracterizada en que el gradiente de potencial de alguno de los electrodos (3) es variable a lo largo de la coordenada paralela al flujo de arrastre (v) , y que las variaciones no lineales del gradiente de potencial crean campos oblicuos bien para concentrar las líneas de campo eléctrico en determinado punto o bien para hacerlas divergentes V)

׏

en cualquiera de los electrodos (3) es discreto.

V)

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discreto se obtiene haciendo uso de un material conductor (3.1) separados unos de otros mediante aislantes (3.2) de modo que cada uno de las partes conductoras están alimentadas eléctricamente de manera adecuada.

4. Analizador de movilidad diferencial según la reivindicación 3, caracterizado porque cada conductor (3.1) se alimenta de modo independiente de manera que el campo eléctrico E presenta una distorsión que está predeterminada para conseguir la concentración o divergencia de las líneas de campo en determinada región.

5. Analizador de movilidad diferencial constituido por un analizador de movilidad diferencial clásico con un campo eléctrico perpendicular al flujo transversal de arrastre (v) y un analizador de movilidad diferencial según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque ambos analizadores quedan dispuestos en paralelo.

6. Dispositivo analizador de movilidad diferencial según la reivindicación 5 caracterizado porque ambos analizadores comparten el flujo principal de arrastre (v) .

7. Dispositivo analizador de movilidad diferencial según la reivindicación 5 caracterizado porque ambos analizadores comparten el inyector (5) de partículas ionizadas.

8. Dispositivo analizador de movilidad diferencial según la reivindicación 5 caracterizado porque mediante válvulas (8) se determina qué analizador de los dos que lo componen es alimentado.

9. Dispositivo analizador de movilidad diferencial según la reivindicación 5 caracterizado porque los dos analizadores están integrados en un mismo cuerpo.

10. Dispositivo analizador de movilidad diferencial según la reivindicación 9 caracterizado porque mediante la conexión o desconexión de los respectivos electrodos (3) de cada analizador se determina qué analizador de los dos que lo componen es alimentado.

11. Dispositivo analizador de movilidad diferencial según la reivindicación 9 caracterizado porque mediante cortocircuitado de los extremos de los electrodos (3) se determina si el analizador hace uso de la componente oblicua del campo eléctrico E.

12. Dispositivo analizador de movilidad diferencial según la reivindicación 9 caracterizado porque las ranuras de salida (2, 7) quedan dispuestas de tal modo que la ranura (2) que corresponde a la existencia de componente oblicua del campo eléctrico E está dispuesta por encima o aguas arriba de la ranura (7) que corresponde a la un campo E transversal sin componente oblicua por el cortocircuitado de los electrodos (3) .

13. Dispositivo analizador de movilidad diferencial según la reivindicación 5 caracterizado porque el analizador de movilidad diferencial clásico hace uso de un multisensor.