AITKEN NUCLEI IN GAS-COOLED REACTORS

Airborne particle counter (APC) is designed to measure the number and size of airborne particles in clean room for the evaluation of air cleanliness basis. As an effective air cleanliness monitoring equipment, APC has a very important position in the application of cleanliness measurement technology. To improve the performance of APC, the optimal design of it has great significance.In the analysis and comparison of several particle measurement technology commonly used, and combined with the research of APC, a new program——FPGA double MCU control mode is put forward. The program optimized the design of the hardware of airborne particle counter. The system has the characteristics of measurement accurately, compact circuit structure, strong anti-interference ability and small volume.Based on Miersquo;s scattering theory, the subject comprehensively used relevant algorithms to analyze the characteristics of Miersquo;s theory by Matlab programming. This issue simulated the light scattering colorful effect of spherical particles base on MiePlot, analyzed the effect of particle diameters, index of refraction and incident wavelength on the scattered light intensity, and elaborated theoretical basis of particle measurement. The scattered light flux collected by near-forward and right angle scattered light collecting forms is calculated separately, and the result is theoretical basis of APC design. The subject simulated scattered light flux of right angle collecting forms based on Matlab. As illuminated by a linearly polarized light, the extreme of collected scattering light flux is connected with the angle between the center of detector and polarization, and simulation results provide the basis for optical sensor design.The subject completed APCrsquo;s hardware design. Hardware design including:signal conditioning circuitry, FPGA counting circuit, double MCU control module, memory module, serial communications circuit, display and keyboard inputting module and power supply circuit.The subject also completed APCrsquo;s software design. Software design including: multi-channel pulse counter design based on VHDL, the software design of double MCU control part. UCL computing function is increased in software design.The experiment results show that APCrsquo;s self-purification time, measurement discrete degree of single particle and other related indicators meet national standards. For the 0.5 micron particles, the instrument has higher count sensitivity.In addition, the thesis also completed error analysis of Experimental results. APCrsquo;s measurement Upper limit of particle concentration is analyzed and calculated according to the technical parameters of optical sensor. Finally, research of this thesis is summarized and given the direction of further study and improving.

Airborne particles, either naturally occurring or man-made, play important roles in the climate effects, at-mospheric physical and chemical processes, and human health.When investigating the morphologies, concentra-tions, sources, and chemical compositions of airborne particles in order to estimate their health risks and climatic impacts, the particle shape and size are important parameters by which it is possible to differentiate or even identify some kinds of parti-cles.

Optical scattering techniques, which provide the ideal means of rapid, nondestructive, and in situ particle detec-tion, are popular methods for classifying and possibly iden-tifying airborne particle categories by the shape and size in-formation that can be retrieved from the angular-resolved spa-tial scattering intensity or the two-dimensional angular opti-cal scattering (TAOS) patterns of aerosol particles. For ex-ample, two-dimensional angular optical scattering patterns of nearly 6000 atmospheric aerosol particles were measured by Aptowicz et al. using a TAOS setup which collected po-lar scattering angles varying from approximately 75 to 135 and azimuthal angles varying from 0 to 360 .Their ex-perimental results demonstrated that single-particle measure-ments collected from an urban aerosol can be qualitatively classified into general shape categories. Compared with the two-dimensional angular optical scattering system, a real-time high-speed monitoring system, which measured the scattering intensity signals from three miniature photomultiplier tubes placed at equally spaced intervals around the optical axis and a single forward photomultiplier tube, was developed by Kaye et al. earlier for detecting the shape and size characteristics of airborne particles. The particle size characteristic was ob-tained through the summation of the scattering intensities of the four detector channels and the particle shape was related to the particle asymmetry derived from the response signals of three detector arrangements. 10000 particles were analyzed by Kayersquo;s instrument per second. Following the extraordinary speed advancement, a novel setup named WIBS-4 was de-signed for the biological aerosol detection by University of Hertfordshire in the United Kingdom, which combined spa-tial scattering light measuring with UV light-induced fluores-cence. Although the development and testing of the WIBS-4 are continuous, its early measuring results substantiate that the probable advantages of combining the measurements of shape, size, and intrinsic fluorescence in enhancing particle discrimination ability will be achieved.

The spheroidal models have a wide application of sim-ulating the light scattering characteristics of mineral dust and biological spores. In order to study the relationship be-tween the particle shape and f_a, prolate spheroids with differ-ent aspect ratios are considered. Figure 5 shows the f_a versus aspect ratio plot for a single prolate spheroid particle with re-fractive index 1.60 and spherical volume equivalent diameter 1.0 m. With increasing aspect ratio, f_a increases and has a linear rela

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尘埃粒子计数器（APC）旨在测量洁净室中空气中颗粒的数量和大小，以评估空气清洁度。作为一种有效的空气清洁度监测设备，APC在清洁度测量技术的应用中具有非常重要的地位。为了提高APC的性能，其优化设计具有重要意义。在分析和比较几种常用的粒子测量技术的基础上，结合APC研究，将新的程序 - FPGA 双MCU控制模式放在前锋。该程序优化了空中粒子计数器硬件的设计。该系统具有测量准确，电路结构紧凑，抗干扰能力强，体积小的特点。基于三重散射理论，本课题综合利用相关算法，通过Matlab编程分析三重理论的特点。这个问题模拟了基于MiePlot的球形颗粒的光散射多彩效应，分析了粒径，折射率和入射波长对散射光强度的影响，并详细阐述了粒子测量的理论基础。分别计算由近前和直角散射光采集形式收集的散射光通量，结果是APC设计的理论依据。基于Matlab的主题模拟了直角收集形式的散射光通量。由线性偏振光照射，收集的散射光束的极端与检测器中心与极化之间的角度相连，仿真结果为光传感器设计提供依据。本课题完成了APC的硬件设计。硬件设计包括：信号调理电路，FPGA计数电路，双MCU控制模块，存储模块，串行通信电路，显示和键盘输入模块和电源电路。主题还完成了APC的软件设计。软件设计包括：基于VHDL的多通道脉冲计数器设计，双MCU控制部分的软件设计。 UCL计算功能在软件设计上有所增加。实验结果表明，APC的自净时间，单粒子测量离散度等相关指标符合国家标准。对于0.5微米颗粒，仪器具有较高的计数灵敏度。此外，本文还完成了实验结果的误差分析。 APC测量根据光学传感器的技术参数分析和计算颗粒浓度的上限。最后，对本论文的研究进行了总结，给出了进一步研究和改进的方向。

天然存在或人造的空气中的颗粒在气候影响，大气物理和化学过程以及人体健康方面发挥重要作用。当调查空气中颗粒的形态，浓度，来源和化学成分时，为了估计其健康风险和气候影响，颗粒形状和尺寸是重要的参数，可以区分或甚至识别某些类型的部分。

提供快速，非破坏性和原位颗粒检测的理想手段的光学散射技术是通过形状和尺寸形成分类和可能识别空气中的颗粒类别的流行方法，可以从角度分辨的水溶性散射强度或气溶胶颗粒的二维角度光散射（TAOS）模式。例如Aptowicz等人测量了近6000个大气气溶胶粒子的二维角光学散射图。使用TAOS设置，其收集从大约75至135°变化并且方位角从0变化到360°的偏振散射角。它们的实验结果表明，从城市气溶胶收集的单粒子测量可以被定性地分类为一般形状类别。与二维角光散射系统相比，开发了一种实时高速监测系统，该系统测量了围绕光轴等间隔间隔放置的三个微型光电倍增管和单个正向光电倍增管的散射强度信号由Kaye等人早期用于检测空气中颗粒的形状和尺寸特征。通过四个检测器通道的散射强度的总和获得粒度特征，并且颗粒形状与由三个检测器布置的响应信号导出的颗粒不对称有关。 10000颗颗粒用Kaye仪器每秒分析。在非凡的速度提升之后，英国赫特福德郡大学的一个名为WIBS-4的新设计被用于生物气溶胶检测，其结合了水中散射光测量与紫外光诱导荧光。虽然WIBS-4的开发和测试是连续的，但其早期测量结果证实，可以实现将形状，大小和固有荧光测量结合在一起，从而提高粒子识别能力。

球形模型广泛应用于模拟矿物粉尘和生物孢子的光散射特性。为了研究颗粒形状和fa之间的关系，考虑了具有不同纵横比的长椭球体。图5显示了具有重折射率1.60和球形体积当量直径1.0mu;m的单个长椭球形颗粒的fa与纵横比图。随着长宽比的增加，fa在当前校准条件下增加并且与纵横比呈线性关系。结果表明，在5到20的小前向角度范围内可以用散射强度检索的fa数据提供了粒子的一些形状信息。

对于具有已知形状和长宽比的颗粒，由于物理尺寸，折射率和质量密度可能在颗粒之间变化，所以在不同的光学或空气动力学尺寸下，测量的fa可能是非常不同的。这里我们提出了各种物理参数下球形颗粒的纵横比为2：1的计算结果当前实验配置。

给出了各种折射率（1.3-2.6，间距0.1）和球形体积当量大小（0.5-3.0mu;m，间距0.5）的光学尺寸Dp与光学尺寸Dp之间的关系。可以看出，较小颗粒（小红色加号）的尺寸小于较大颗粒的尺寸。当直径小于0.5mu;m且具有适度的纵横比时，很可能不能识别颗粒形状。由于信号波动和实验误差，测量的fa通常，许多气溶胶类型在大气环境中具有一定的特定尺寸和形状特征。例如，结晶的核黄素具有典型的长宽比为8:1的纤维状的吗啉，氯化钠（NaCl）为立方体，矿物赤铁矿颗粒的形状大致呈椭圆形，具有典型的方面比例为3：1，一些细菌气溶胶的形状也呈椭圆形。列出了这些物质的参数。本文考虑了含芽孢杆菌孢子（B.subtilis）和假单胞菌（B.pseudomallei）的生物气溶胶。然而，由于氯化钠不具有固定尺寸分布，所以使用1.5mu;m至2.5mu;m的氯化钠颗粒的空气动力学尺寸来计算散射强度。枯草芽孢杆菌和赤铁矿的散射强度是完全球形颗粒的cal值在0-10的范围内（用于出版的初步实验结果）。折射率的变化导致在给定等效尺寸下fa和光学尺寸的广泛扩展。 fa与光学尺寸之间没有明显的关系。

由T-matrix法计算。 ADDA用于另外三种粒子类型。氯化钠的取向是相对的，但是扁球形颗粒的取向相对于照明轴线具有垂直取向。对于每个类型的粒子，我们在各自的尺寸范围内随机选择20个值来绘制图。

它是使用光学尺寸与fa图和空气动力学尺寸与fa图的五种类型颗粒的分类。如图所示。氯化钠和枯草芽孢杆菌的fa数据小于30，赤铁矿的fa数据在40和60之间，结晶核黄素的数据在80到90之间，B的变化范围从30到90假单胞菌颗粒结果表明，使用fa信息来区分近似球形的颗粒和细长的颗粒，例如B.subtilis和ri-flflavin的分类是更好的。通过结合粒度信息，可以提高fa的形状识别能力具有相同fa范围的不同类型的颗粒，例如氯化钠和枯草芽孢杆菌。另外，比较图中，鉴于空气动力学尺寸和fa数据，鉴于赤铁矿和B.pseudomallei颗粒的差异，我们发现了一个优点，因为空气动力学尺寸与折射率无关。结果我们的实验装置同时测量颗粒空气动力学尺寸和从5到20的小前角的空间散射强度具有快速分类或识别某些类型的颗粒的潜在能力。

自从COULIER（1875）和AITKEN（1881）的云形成实验以来，大气中存在亚微米颗粒是已知的。随后认识到，大气颗粒负荷通过自然和人工过程不断补充，尺寸范围延伸超过五个数量级，在较大颗粒的重力作用下，上限受到高沉降速率的限制，并且在较低的较小的布朗运动速度的最小的颗粒，导致连续的碰撞和凝结。直径达0.5p的颗粒，所谓的Aitken核，也许是最难研究的，大部分超出光学显微镜的范围。它们也是非常重要的，因为这个部分往往长时间保持空降。颗粒太小，使其在重力作用下的沉降速率几乎可以忽略不计（0.5，U直径颗粒的终点速度约为0.002cm），但是在分子尺度上，它们非常大，使得它们非常缓慢地扩散。众所周知，大气中大部分的氡气和钍气衰变产物都是在这个大小范围内的颗粒上进行的，已经显示（MEGAW，1965）在反应器壳体内大约质量的碘被释放到大气中在核反应堆事故发生后可能预期的浓度，碘的一部分附着在这种大小的颗粒上。由于其沉积速度非常慢，因此在反应堆事故中释放的任何碘可能附着在Aitken核上，但另一方面，如果旨在防止任何碘完全释放，这将是一个相当的尴尬，因为在这个尺寸范围内的颗粒很难从大量的气体过滤。 Aitken核可以通过反应堆和核电站中的许多工艺形成。它们由热表面发射，由气体中的放射反应形成，通过鼓泡并在一定程度上由表面磨损而产生。将其沉积在反应器中可以例如改变表面的传热特性，并且浓度的突然增加可能是反应堆起火的第一个迹象。因此，有必要采用可靠的方法来确定反应堆和核电站中存在的Aitken核的浓度，大小和性质。本文回顾了现有的方法，并总结了为确定核浓度和加压气冷反应堆获得的样品而进行的修改。

最广泛使用的测量Aitken核浓度的方法是通过在含有核的饱和气体的体积中产生绝热膨胀。蒸汽在颗粒上冷凝形成液滴，直到过饱和消失。在诸如Aitken和Scholz这样的早期器械中，液滴被允许落在刻度上，并且在暗场照射下通过放大镜直接用眼睛计数。通常要做大约20次单次观察，大约15到30分钟，以提高准确性。这是因为使柜台泄漏的困难意味着他们不是很令人满意的仪器。然而，在由NOLAN和POLLAK（1946）最初开发和校准并由METNIEKSand POLLAK（1959）进一步开发的非常方便和可靠的仪器中，这些困难被消除，如图1所示。在这种情况下，气体样品用水蒸汽饱和，清洁气体被泵送到方便的超压（通常为160毫米汞柱）。在膨胀到大气中时，会形成一种遮挡光电池落下的光束的一部分的雾，并且光电池的输出的减少是核的浓度的量度。原始计数器通过NOLANand POLLAK通过连续稀释的方法进行内在校准，并且在曲线上的八个点处，它们用Aitken Pocket计数器进行点校准。此后，POLLAK和METNIEKS（1959）使用绝对的自己设计的计数器进行了进一步的校准，该绝对计数器远远优于Aitken计数器。多年来我们的经验是POLLAKS *图纸制作的计数器非常接近，使都柏林校准能够直接使用。该仪器具有25-250,000粒子cm-3的实用范围。检测到的颗粒的尺寸范围的下限由所使用的超压控制，并且直径约为2.5times;10 -6 cm，尽管由于膨胀不是绝对绝热检测到的最大的颗粒是由取样和膨胀之间的时间内掉出的尺寸定义的，大约在几微米左右。在该尺寸范围内，仪器不考虑粒度，因为在膨胀时，较小液滴的半径比较大的液滴的增加更快，使得在膨胀结束时，所有液滴大致相同的尺寸。最终的液滴尺寸取决于存在的核的浓度，从5到20之间变化，D直径的标准偏差约为10％。计数器的主要缺点是手动操作，具有最大速率每两分钟工作一次扩张。自动计数器已经建成[特别是由SKALA（1963）]，每秒可以提供五次扩张，并产生连续的核心浓度与时间的关系。

如果在反应器中使用计数器，则由于二氧化碳膨胀后的比例不同，所以在二氧化碳膨胀中获得的过饱和度将低于空气中的浓度。发生冷凝的最小颗粒在二氧化碳中会比在空气中大。在通常使用的超压下，检测到的最小颗粒的尺寸差异不是很大，并且可以通过将超压增加到200mm汞柱来补偿（假设绝热膨胀）。然而扩展并不是绝对绝对的，而且考虑到采样中可能出现的其他错误，以这种方式增加超压是否会显着提高准确度，这是否可以令人怀疑。这是因为来自反应器的采样管线通常长而且具有小直径，并且因为在进入计数器之前必须使气体通过减压阀。很难估计这些效应，但是许多最小的颗粒将通过采样管线中的扩散而损失，并且一些较大的颗粒可能在减压阀中被分解。通过使用BOOKER（1963）所使用的加压离子室或稍后描述的Megaw和Wiffen的加压热沉降器和滤纸取样器，通过构造加压计数器来计算颗粒，可以消除这种阀的必要性，但是最后两种方法各有各自的问题。

确定颗粒浓度的第三种方法是以适合随后通过电子显微镜检查的形式取样品。这种方法的缺点是延迟了解结果，并且还需要采取严格的预防措施，以确保样品具有代表性。由于在栅格条（​​BILLINGS，MEGAW和WIFFEN（1961））上发生的优先沉积，因此不可能将样品直接置于热沉淀器中的涂覆电子显微镜栅格上，并且采样率低的热沉淀器是另一个缺点。可以使用静电除尘器来收集碳涂覆的覆盖层上的颗粒，碳膜可随后从其中转移到栅格用于电子显微镜检查，但是现在的迹象是，除尘器的效率可以随类型而变化的气溶胶（MEGAW和WIFFEN，1964）。也可以将样品收集在诸如Millipore的膜过滤器上，并通过将碳膜蒸发到过滤器的表面上来“固定”。然后使用丙酮蒸气溶解过滤器，并以通常的方式将碳膜安装在电子显微镜网格上。该方法相当耗时，而且样品是否具有真正代表性仍然存在疑问。另一方面，可以使用几升/分钟的流速，并迅速获得足够的样品。

尽管上述缺点，样品的电子显微镜提供了关于不能通过其他方法获得的Aitken核的性质和形状的信息，并且已经被使用具有良好的结果，特别是与其他确定细胞核浓度的方法结合使用。

从电子显微镜照片确定尺寸分布是相对容易的，如果繁琐的过程。其他更间接但更快速的方法是基于扩散和当气溶胶处于电荷平衡时不带电的颗粒的分数的测量的方法。扩散方法包括确定气体在通过窄通道之前和之后的浓度，TOWNSEND（1900）使用圆形扩散管来确定正离子的扩散系数。

矩形通道的理论由NOLAN和GUERRINI（1935）开发，由他们和NOLAN等人使用。 （1938）测量Aitken核的扩散系数。主要的实际困难是，虽然大多数气溶胶是异质的，但是理论来自于假设颗粒都具有相同的扩散系数，并且使用具有不均匀气溶胶的方法导致随着空气增加的扩散系数的值流过扩散通道。然而，MECAW和WIFFEN（1963）使用单分散聚苯乙烯球体和FUCHS等人建立了单分散气溶胶的方法的有效性。 （1962）已经显示了该方法如何可以用于完全确定具有对数概率大小分布的气溶胶的粒度。如果气溶胶是放射性的，在扩散通道之前和之后取样过滤样品通常更方便，并评估样品上的放射性，而不是使用核计数器。如果颗粒各自携带相同数量的放射性物质，则通过该方法发现的扩散系数将与使用核计数器获得的扩散系数相同，但在实践中几乎不会实现这一条件。对于放射性的任何其他分布，核计数器和滤纸方法将给出扩散系数的不同结果。例如，如果颗粒遵循对数概率尺寸分布，并且颗粒的材料具有均匀的比活性，则由放射性方法发现的扩散系数推导的尺寸将对应于气溶胶的质量中值直径。另一方面，如果放射性物质在气相反应中沉积在颗粒的表面上，如分子碘或钍B沉积在颗粒上的情况，则通过过滤法确定的尺寸将接近于平均值沉积放射性大小。在使用放射性气溶胶，特别是在健康物理方面，这些尺寸参数可能比整个气溶胶的几何平均尺寸更有价值。

当产生气溶胶时，许多颗粒具有在产生过程中获得的大电荷。如果气溶胶被储存，则不带电的颗粒的一部分将随时间而变化，但最终将达到稳定的值。到达这种状态电荷平衡是由于在气体中通过宇宙射线和自然放射性产生的电离，并且可

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