МОНИТОРИНГ НАНОЧАСТИЦ И ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ФИЛЬТРАЦИОННЫМ СИСТЕМАМ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ

АННОТАЦИЯ

Разработка концепции системы мониторинга аэрозольных частиц, образующихся при лазерной абляции, с применением Диффузионного аэрозольного спектрометра (ДАС) модели 2702-М, в целях повышения точности анализа выбросов и формирования требований к системам промышленной фильтрации и вентиляции. Проведен обзор литературных и экспериментальных источников, касающихся процессов образования аэрозольных частиц при лазерной обработке различных материалов. Рассмотрена структура и принцип действия ДАС 2702-М, проанализирована его применимость для систематического мониторинга наночастиц в производственной среде. Предложена архитектура интеграции спектрометра в состав технологического комплекса. Предложенная система мониторинга аэрозольных частиц на основе ДАС 2702-М позволяет существенно повысить точность и оперативность контроля загрязненности воздуха при лазерной обработке. Это создаёт предпосылки для разработки научно обоснованных требований к воздухоочистительным системам, улучшения условий труда и повышения надёжности технологического оборудования.

ABSTRACT

Development of a monitoring system concept for aerosol particles generated during laser ablation using the Diffusion Aerosol Spectrometer (DAS) model 2702-M, aimed at improving the accuracy of emission analysis and formulating requirements for industrial filtration and ventilation systems. A review of literature and experimental sources related to the formation of aerosol particles during laser processing of various materials was conducted. The structure and operating principles of the DAS 2702-M were examined, and its applicability for systematic monitoring of nanoparticles in industrial environments was analyzed. An architecture for integrating the spectrometer into a technological complex was proposed. The proposed aerosol particle monitoring system based on the DAS 2702-M significantly improves the accuracy and responsiveness of air contamination control during laser processing. This creates a foundation for the development of scientifically grounded requirements for air purification systems, enhancement of working conditions, and increased reliability of technological equipment.

Ключевые слова: лазерная абляция, аэрозольные частицы, диффузионный аэрозольный спектрометр, мониторинг, наночастицы, система фильтрации, технологическая безопасность, промышленная вентиляция.

Keywords: laser ablation, aerosol particles, diffusion aerosol spectrometer, monitoring, nanoparticles, filtration system, process safety, industrial ventilation.

ВВЕДЕНИЕ. Лазерная обработка твёрдых материалов — одно из ключевых направлений в современной высокоточной технологии, широко применяемое в микроэлектронике, медицине, материаловедении, оборонной и аэрокосмической отраслях. Одним из наиболее универсальных методов в этом контексте является лазерная абляция — процесс, при котором под воздействием лазерного импульса с поверхности материала испаряются или выбиваются микроскопические фрагменты вещества. Однако, несмотря на точность и контролируемость этого метода, одним из его побочных эффектов является интенсивное образование мелкодисперсных и нанодисперсных частиц — аэрозолей, которые в дальнейшем могут распространяться в производственных зонах и окружающей среде. Состав и размер этих частиц варьируются в широком диапазоне, в зависимости от физических свойств обрабатываемого материала, длины волны и мощности лазерного излучения, длительности импульса, условий окружающей среды и других факторов. Частицы, возникающие в ходе абляции, могут иметь размеры от единиц нанометров до нескольких микрометров, что делает их особенно опасными как для операторов оборудования, так и для оборудования высокоточной очистки и фильтрации воздуха. Исследования показывают, что частицы субмикронного диапазона способны проникать глубоко в дыхательные пути, нарушая газообмен, и потенциально нести в себе токсичные или канцерогенные соединения [1]. Системами вентиляции и фильтрации воздуха могут являться как единичные воздушные фильтры, так и совокупность аспирационных, фильтрационных и вентиляционных оборудований, обеспечивающих аспирацию загрязненных частиц от источника их образования с последующей сепарацией или нейтрализацией и отводом, т.е. вентиляцией, перемещением очищенных частиц в атмосферу, направлением потока на дальнейшую очистку или рециркуляцию [5]. Универсальных фильтров при лазерной абляции не существует, поэтому, требования к применяемым фильтрационным системам зависят от целей и технологии процесса. Ввиду данной особенности следует учитывать следующие параметры, которые будут являться требованиями: соответствие установленного фильтра длине волны лазера (для фильтрации необходимо, чтобы система задерживала излучение определённой длины волны, но пропускала все остальное); высокая эффективность абсорбции продуктов абляции; устойчивость к воздействию лазерного излучения (применение фильтров, изготовленных из материалов, которые не поглощают лазерное излучение, или имеющих специальные покрытия). Современные системы зачастую проектируются на основе усреднённых допущений о составе загрязнений, без учёта специфики образования частиц при высокоэнергетической лазерной обработке, что увеличивает риск некорректной работы очистных установок, их преждевременного износа или выхода из строя при контакте с нестандартным по составу или морфологии аэрозолем. Более того, в условиях высокоточного производства (например, в микроэлектронике) даже незначительное загрязнение воздуха может привести к браку продукции и существенным экономическим потерям. Таким образом, существует явная потребность в более глубоком понимании процессов генерации частиц при лазерной абляции, их пространственно-временного распределения, концентрации и химического состава. Это, в свою очередь, требует интеграции надёжных измерительных систем, способных в реальном времени отслеживать параметры аэрозоля. В этой связи представляет интерес применение специализированных спектрометрических устройств, таких как диффузионный аэрозольный спектрометр (ДАС) модели 2702-М, предназначенный для непрерывных измерений концентрации аэрозольных частиц в воздухе и неагрессивных газах, охватывая диапазон размеров от 5 до 200 нм, с возможностью расширения верхнего диапазона до 10 мкм [6]. Эти характеристики делают ДАС 2702-М перспективным инструментом для мониторинга частиц, образующихся при лазерной абляции.

В последние годы наблюдается рост интереса к разработке и применению методов анализа аэрозольных частиц, образующихся при лазерной абляции. Одним из таких методов является лазерная абляционная масс-спектрометрия (LAAPTOF), которая позволяет определять химический состав и состояние смешивания отдельных аэрозольных частиц. Исследование, проведенное Shen et al., продемонстрировало эффективность LAAPTOF в анализе атмосферных аэрозолей, предоставляя данные о производительности прибора и эталонные спектры для различных типов частиц [1].

Другим перспективным методом является лазерная абляционная масс-спектрометрия одиночных частиц (LA-SPAMS), которая была успешно применена для прямого анализа необработанных образцов угля. Исследование Zhu et al. показало, что LA-SPAMS позволяет проводить онлайн-измерения размеров и химического состава отдельных частиц, аблированных из твердых материалов, что делает этот метод особенно полезным для анализа гетерогенных материалов, таких как уголь и руды [2]. Кроме того, развитие лазерной спектроскопии для атмосферного и экологического мониторинга открыло новые возможности для анализа аэрозольных частиц. Обзор, представленный в работе [3], охватывает различные лазерные спектроскопические методы, применяемые для анализа атмосферных газов и аэрозолей, включая лазерно-индуцированную инкансценцию (LII), лазерно-индуцированную плазменную спектроскопию (LIBS) и другие подходы.

Также стоит отметить работу Johnston и Wexler, в которой описывается разработка лазерного масс-спектрометра для анализа ультратонких частиц аэрозоля. Этот прибор способен проводить онлайн-анализ отдельных аэрозольных частиц диаметром от 10 до 150 нм с использованием лазерной абляции, что делает его особенно полезным для изучения атмосферных аэрозолей на ранних стадиях их формирования [4].

Таким образом, целью данной статьи является обзор существующих методов анализа аэрозольных частиц, образующихся при лазерной абляции, и обсуждение возможностей интеграции Диффузионного аэрозольного спектрометра модели 2702-М в системы контроля частиц. Особое внимание будет уделено анализу характеристик ДАС 2702-М, его преимуществам и ограничениям, а также перспективам его применения в различных отраслях науки и промышленности.

СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К МОНИТОРИНГУ АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ АБЛЯЦИИ

Процесс лазерной абляции, активно применяемый в высокоточной обработке материалов, сопровождается интенсивным образованием аэрозольных частиц различного химического состава и дисперсности. Эти частицы, генерируемые в момент взаимодействия сфокусированного лазерного импульса с поверхностью твёрдого тела, могут представлять собой как непосредственно испарённые компоненты обрабатываемого материала, так и продукты его термического разложения. При этом фракционный состав образующихся частиц может варьироваться в широком диапазоне — от субнанометровых до микронных включений. В условиях замкнутых технологических систем, особенно при серийной или непрерывной обработке, такие аэрозоли становятся значимым фактором, влияющим на эксплуатационную надёжность оборудования, здоровье обслуживающего персонала, а также на эффективность работы воздухоочистительных и фильтрационных систем.

Для обеспечения целостного подхода к решению проблемы загрязнения воздушной среды и минимизации потенциальных рисков необходима реализация интегрированной системы мониторинга аэрозольных частиц, включённой в контур управления лазерной установкой. Ключевым элементом такой системы выступает специализированное устройство — Диффузионный аэрозольный спектрометр (ДАС) модели 2702-М, предназначенный для количественного и размерного анализа частиц в диапазоне от 5 до 200 нанометров с возможностью расширения диапазона измерений до 10 микрометров. Эта модель позволяет в реальном времени отслеживать флуктуации в аэрозольной нагрузке, получая данные, необходимые как для оперативной адаптации параметров обработки, так и для последующего анализа и построения моделей генерации частиц.

Рисунок 1. Диффузионный аэрозольный спектрометр (ДАС) модели 2702-М

Лазерная установка, в которой реализуется процесс абляции, как правило, состоит из источника лазерного излучения, генерирующего импульсы заданной длины волны и мощности, фокусирующей оптической системы, прецизионной рабочей камеры с системой позиционирования, блока управления и модуля экстракции аэрозолей. Рабочая камера представляет собой герметизированный объём, в котором локализуется зона обработки. В процессе абляции из зоны воздействия лазерного пучка в атмосферу камеры выбрасываются продукты разложения и распыления материала, в том числе частицы нанометрового и микрометрового диапазона, способные перемещаться с высокими скоростями и накапливаться в воздушной среде.

Диффузионный аэрозольный спектрометр, интегрированный в контур экстракции и анализа, позволяет не только контролировать моментальный уровень загрязнения, но и строить распределение по размерам частиц, что важно для последующего моделирования процессов переноса и осаждения. Принцип его работы основан на использовании диффузионной батареи, состоящей из последовательности капроновых сеток различной пористости. Аэрозольный поток, проходя через эту батарею, теряет наиболее мелкие фракции на каждом из каскадов, и величина так называемого «проскока» позволяет с высокой точностью оценить размерный состав исследуемой среды. Далее частицы направляются в блок конденсационного укрупнителя, где за счёт насыщения водяным паром и охлаждения они увеличиваются в размерах до оптически детектируемых. Последний этап включает в себя измерение концентрации частиц с помощью лазерного спектрометра, регистрирующего рассеянное излучение и передающего сигналы на модуль цифровой обработки.

Устройство подключается к вычислительному комплексу, выполняющему как визуализацию текущих параметров, так и долговременную запись результатов мониторинга. Это даёт возможность проводить как экспресс-анализ ситуации, так и оценку динамики загрязнения на интервалах длительного времени. Полученные данные интегрируются в цифровую платформу контроля производственного процесса, где могут использоваться для прогностической оценки состояния фильтрационных элементов, принятия решений о необходимости регламентных мероприятий, а также для научного анализа поведения аэрозольных систем в условиях воздействия высокоэнергетических источников.

Рисунок 2. Процесс мониторинга аэрозолей в лазерной установке

Интеграция ДАС 2702-М в состав лазерной абляционной установки, включенной в процесс мониторинга аэрозолей в лазерной установке, представляет собой один из ключевых элементов концепции цифровизации и интеллектуализации производственных систем, позволяя перейти от реактивной модели контроля загрязнения к предиктивной, основанной на достоверных многоканальных измерениях. Такая система даёт возможность не только повысить безопасность труда и эксплуатационную устойчивость оборудования, но и сформировать научно обоснованные требования к конструкциям воздухоочистительных систем, адаптированных под конкретные технологические задачи. Вместо обобщённых нормативов становится возможным использование параметров, выведенных с учётом специфики конкретного материала, типа лазера, режимов его работы и геометрии камеры.

АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА АЭРОЗОЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ

Учитывая растущую распространенность технологий лазерной обработки в высокоточных отраслях промышленности — таких как микроэлектроника, биомедицинская инженерия и аэрокосмическое производство — обеспечение должного контроля за побочными продуктами обработки, в частности, мелкодисперсными аэрозольными частицами, становится критически важной задачей. Эти частицы, образующиеся в результате высокоэнергетического взаимодействия лазерного луча с материалом, обладают размерами от единиц до сотен нанометров, высокой подвижностью и способностью проникать в сложные вентиляционные и фильтрационные системы. В условиях отсутствия надлежащего мониторинга такие частицы могут накапливаться в рабочих зонах, создавая угрозу не только для оборудования, но и для здоровья персонала.

В этой связи особую актуальность приобретает формирование интегрированной системы контроля и анализа аэрозольных выбросов, формирующихся в процессе лазерной обработки. Предлагаемый подход базируется на объединении лазерной установки с высокочувствительным аналитическим модулем, таким как диффузионный аэрозольный спектрометр модели 2702-М. Такая система позволяет в реальном времени отслеживать динамику выбросов, оценивать распределение частиц по размерам и интенсивность генерации, что даёт возможность проводить классификацию типов образующихся частиц в зависимости от параметров обработки — длины волны, длительности импульса, плотности энергии и состава обрабатываемого материала.

Рисунок 3. Схема мониторинга аэрозолей в лазерной установке

Принципиальная схема работы системы представлена на рисунке 3. В процессе обработки на выходе из рабочей зоны лазерного станка устанавливается система сбора аэрозольных частиц, направляющая поток к входу измерительного блока. Система состоит из нескольких функциональных узлов: блока подачи аэрозоля, диффузионной батареи, конденсационного увеличителя и оптического спектрометра, реализованного на основе технологии светорассеяния. Каждое звено системы играет определенную роль. Диффузионная батарея осуществляет селективное разделение частиц по размерам, обеспечивая последовательное выведение наиболее мелких фракций. Конденсационный увеличитель увеличивает размер наночастиц за счёт паровой конденсации, что позволяет их более точно регистрировать. Наконец, лазерный спектрометр проводит регистрацию интенсивности рассеянного света и вычисляет размерные характеристики аэрозолей.

Такой подход не только обеспечивает высокоточное измерение в диапазоне от 5 до 10 мкм, но и позволяет формировать базы данных об образующихся частицах при различных режимах обработки. Это, в свою очередь, создаёт основу для построения интеллектуальных систем контроля и адаптации воздухоочистительных систем. Благодаря системному подходу можно будет сформулировать более строгие и точные требования к фильтрационным барьерам, скорости воздухообмена и допустимым уровням загрязнения в производственных помещениях.

В перспективе возможно применение методов машинного обучения для автоматической идентификации аномальных режимов выбросов и оптимизации режимов работы оборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе был выполнен системный обзор современных подходов к измерению и анализу параметров аэрозольных частиц, образующихся в процессе лазерной абляции. Установлено, что в зависимости от характеристик лазерного излучения — таких как длина волны, мощность, длительность импульса и частота повторения — в обрабатываемой зоне формируются аэрозоли с широким распределением по размерам: от ультрадисперсных наночастиц до микронных включений. Такие выбросы представляют собой не только технологическую, но и экологическую и санитарную проблему, особенно в условиях серийного производства и замкнутых рабочих пространств. Анализ возможностей использования Диффузионного аэрозольного спектрометра (ДАС) модели 2702-М показал его высокую эффективность при решении задач оперативного и точного мониторинга характеристик аэрозолей. Устройство обеспечивает непрерывное измерение концентрации и размерного распределения частиц в диапазоне от 5 до 200 нм (с возможностью расширения до 10 мкм), что делает его особенно актуальным для задач оценки загрязнённости воздуха в процессе высокоэнергетической лазерной обработки. Интеграция ДАС в архитектуру лазерного технологического комплекса позволяет реализовать интеллектуальные системы мониторинга, в которых данные о составе и динамике выбросов могут использоваться для адаптивного управления параметрами обработки, прогнозирования засорения фильтрационных элементов и оптимизации воздухоочистительных систем. Это открывает путь к построению новых, научно обоснованных требований к вентиляционным и фильтрационным системам, с учётом реальных данных о составе аэрозолей и специфике их генерации. Таким образом, предложенный системный подход даёт возможность не только углубить понимание процессов образования аэрозольных частиц при лазерной обработке, но и сформировать базу для создания высокоэффективных производственных решений, ориентированных на снижение загрязнения, повышение безопасности труда и продление срока службы технологического оборудования. В дальнейшем возможна разработка автоматизированной платформы сбора, анализа и визуализации данных с ДАС и других сенсоров, что станет логическим развитием концепции цифровизации технологических процессов.

Список литературы:

1. Shen, X., Ramisetty, R., Mohr, C., Huang, W., Leisner, T., & Saathoff, H. (2018). Laser ablation aerosol particle time-of-flight mass spectrometer (LAAPTOF): performance, reference spectra and classification of atmospheric samples. Atmospheric Measurement Techniques, 11(4), 2325–2343. https://doi.org/10.5194/amt-11-2325-2018amt.copernicus.org
2. Zhu, H., Liu, M., Guo, T., Xu, L., Dong, J., Feng, J., Cheng, P., & Zhou, Z. (2018). Laser ablation single particle aerosol mass spectrometry for the direct analysis of raw coal samples. Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 33(7), 1158–1167. https://doi.org/10.1039/C8JA00026Cpubs.rsc.org
3. Huang, Y., & Yang, M. (2009). Laser Spectroscopy for Atmospheric and Environmental Sensing. Sensors, 9(12), 10447–10512. https://doi.org/10.3390/s91210447
4. Peach, L. A. (1997). Mass spectrometer analyzes fine aerosols. Laser Focus World.
5. Процессы и аппараты защиты окружающей среды. Механические и физические методы очистки промышленных выбросов в атмосферу и гидросферу : учеб. пособие / Е. С. Пикалов ; Владим. гос. ун-т им. А. Г. и Н. Г. Столетовых. ‒ Владимир : Изд-во ВлГУ, 2015. ‒ 79 с. ‒ ISBN 978-5-9984-0560-0.
6. РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ МПТР. 407232.001 РЭ. СПЕКТРОМЕТР ДИФФУЗИОННЫЙ АЭРОЗОЛЬНЫЙ ДАС 2702-М. Общество с ограниченной ответственностью «АэроНаноТех» (2016).