JP2000046720A - 微分型電気移動度測定器 - Google Patents
微分型電気移動度測定器Info
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Abstract
測定することができる微分型電気移動度測定器を提供す
る。 【解決手段】 微分型電気移動度測定器1は、微粒子を
外部に取り出すための第1のスリット21を有する囲み
体2と、囲み体2の内部に延びるとともに微粒子を外部
に取り出すための第2のスリット22を有する中心ロッ
ド3と、正に帯電した微粒子および負に帯電した微粒子
が混在した帯電粒子を囲み体2と中心ロッド3との間に
供給する微粒子供給部4とを備えている。囲み体2と中
心ロッド3との間には可変電圧源10により所定電圧が
印加され、微粒子供給部4と囲み体2との間、または微
粒子供給部4と中心ロッド3との間の電位差により、正
に帯電した微粒子を微粒子供給部4側から囲み体2側へ
移動させるとともに、負に帯電した微粒子を微粒子供給
部4側から中心ロッド3側へ移動させることができるよ
うになっている。
Description
の微粒子(エアロゾル)を測定する微分型電気移動度測
定器(DMA:differential mobility analyzer)に係
り、とりわけ微粒子の粒径を効率的かつ広範囲にわたっ
て測定することができる微分型電気移動度測定器に関す
る。
汚染の抑制や量子ナノ材料の開発等に関連して、雰囲気
中に浮遊するナノ粒子等の微粒子が注目を集めている。
から、帯電した微粒子の電場中での移動速度(電気移動
度)の違いを利用して微粒子の粒径を測定する微分型電
気移動度測定器が知られている。一般的な微分型電気移
動度測定器の原理について図4により説明する。
器1は、中心ロッド(内筒)3および囲み体(外筒)2
からなる二重円筒構造を有し、囲み体2の内周面と中心
ロッド3の外周面との間には可変電圧源10により所定
電圧が印加されている。また、囲み体2には帯電した微
粒子(帯電粒子)を内部に引き込むためのスリット23
が設けられ、また中心ロッド3にはスリット23から引
き込まれた帯電粒子を外部に取り出すためのスリット2
4が設けられている。さらに、囲み体2の内周面と中心
ロッド3の外周面との間の空間には囲み体2の上部から
シースガスが供給されるようになっている。
ット23から引き込まれると、この引き込まれた帯電粒
子は囲み体2の上部から供給されるシースガスとともに
中心軸方向下方に移動するとともに、囲み体2の内周面
と中心ロッド3の外周面との間に形成される電場の影響
を受けて個々の微粒子が電気移動度に応じた速度で囲み
体2側から中心ロッド3側へ引き寄せられる。そして、
所定の軌跡を描いて中心ロッド3のスリット24に到達
した微粒子のみが外部に取り出される。
達する微粒子の電気移動度Zpは、次式(1)により算
出される。 Zp=Q・ln(r1/r2)/(2・π・V・L) … (1) 上式(1)において、Qはシースガス流量、r1,r2は
それぞれ囲み体2の内周面の半径,中心ロッド3の外周
面の半径である。また、Vは囲み体2の内周面と中心ロ
ッド3の外周面との間に印加される電圧、Lはスリット
23およびスリット24間の距離である。
の間には次式(2)により表される関係がある。 Zp=n・e・Cm/(3・π・μ・Dp) … (2) 上式(2)において、nは微粒子の電荷量、eは電気素
量(1.6×10-19クーロン)、Cmはカニンガムの補
正係数、μは供給されるシースガスの粘性係数である。
部に取り出される微粒子の粒径Dpは上式(1)(2)
に基づいて決定される。なお、このような微分型電気移
動度測定器1において、各種の粒径を有する微粒子の測
定を行う場合には、可変電圧源10により囲み体2の内
周面と中心ロッド3の外周面との間に印加される電圧V
を所定範囲内で変化させ、これにより印加電圧Vに対応
する所定粒径Dpの微粒子のみを外部に取り出すように
している。
に示す微分型電気移動度測定器1においては、正または
負のいずれかに帯電した微粒子を内部に引き込むととも
に、可変電圧源10により囲み体2の内周面と中心ロッ
ド3の外周面との間に印加される電圧Vを所定範囲内で
変化させ、これにより印加電圧Vに対応する所定粒径D
pの微粒子のみを外部に取り出すようにしている。
定器1では一般に、測定精度や測定範囲等の観点から、
測定される微粒子の量をできるだけ増大させたり、測定
できる微粒子の粒径Dpの範囲(ダイナミックレンジ)
を拡げることが望まれている。
ものであり、微粒子の粒径を効率的かつ広範囲にわたっ
て測定することができる微分型電気移動度測定器を提供
することを目的とする。
微粒子を外部に取り出すための第1のスリットを有する
囲み体と、前記囲み体の内部に延びるとともに微粒子を
外部に取り出すための第2のスリットを有するロッド
と、正に帯電した微粒子および負に帯電した微粒子を前
記囲み体と前記ロッドとの間に供給する微粒子供給部と
を備え、前記囲み体と前記ロッドとの間には所定電圧が
印加され、前記微粒子供給部と前記囲み体との間または
前記微粒子供給部と前記ロッドとの間の電位差により、
正または負のいずれかに帯電した微粒子を前記微粒子供
給部側から前記囲み体側へ移動させるとともに、負また
は正のいずれかに帯電した微粒子を前記微粒子供給部側
から前記ロッド側へ移動させることを特徴とする微分型
電気移動度測定器である。
り出すための第1のスリットを有する囲み体と、前記囲
み体の内部に延びるとともに微粒子を外部に取り出すた
めの第2のスリットを有するロッドと、帯電した微粒子
を前記囲み体と前記ロッドとの間に供給する微粒子供給
部とを備え、前記微粒子供給部と前記囲み体との間また
は前記微粒子供給部と前記ロッドとの間には帯電した微
粒子を前記微粒子供給部側から前記囲み体側または前記
ロッド側へ移動させるよう所定電圧が選択的に印加さ
れ、前記第1のスリットから取り出される微粒子の電気
移動度と、前記第2のスリットから取り出される微粒子
の電気移動度とが互いに異なることを特徴とする微分型
電気移動度測定器である。
部から供給された正に帯電した微粒子および負に帯電し
た微粒子のそれぞれを、囲み体に設けられた第1のスリ
ットおよび中心ロッドに設けられた第2のスリットのそ
れぞれを介して外部に取り出すことができるので、正に
帯電した微粒子および負に帯電した微粒子の粒径の分布
を同時に測定することができる。
びロッドにそれぞれ設けられた第1のスリットおよび第
2のスリットにより、正または負のいずれかに帯電した
微粒子に対して2種類の異なる移動距離を与えることが
できるので、測定できる微粒子の粒径の範囲(ダイナミ
ックレンジ)を容易に拡げることができる。
する。図1乃至図3は本発明による微分型電気移動度測
定器の第1の実施の形態を示す図である。ここで、図1
は微分型電気移動度測定器を示す縦断面図、図2は図1
に示す微分型電気移動度測定器の原理を説明するための
図、図3は図1に示す微粒子供給部の形状を説明するた
めの縦断面図である。
移動度測定器1は、微粒子を外部に取り出すための第1
のスリット21を有する囲み体2と、囲み体2の内部に
延びるとともに微粒子を外部に取り出すための第2のス
リット22を有する中心ロッド3と、正に帯電した微粒
子および負に帯電した微粒子が混在した帯電粒子を囲み
体2と中心ロッド3との間に供給する微粒子供給部4と
を備えている。
に、中心ロッド3が延びる方向に沿って延びる円筒状の
内管4aおよび外管4bと、内管4aおよび外管4bの
上端に設けられた環状の蓋部4cとを有し、外管4bに
接続された導管5により、外部に設けられたサンプリン
グ装置(図示せず)等から内管4aと外管4bとの間に
帯電粒子が導かれるようになっている。なお、このよう
にして導かれた帯電粒子は、内管4aと外管4bとの間
の円筒状の空間にて円周方向に分散しつつ中心軸方向下
方に移動し、供給口6を介して囲み体2と中心ロッド3
との間に供給される。なお、内管4aと外管4bとの間
には帯電粒子の流れを整えるよう帯電粒子の流れに流体
抵抗を与える網部材(流体抵抗手段)11が設けられて
おり、これにより帯電粒子の流れの円周方向成分を低減
するとともに供給口6における帯電粒子の落下速度を調
整することができるようになっている。
周面に沿って環状に設けられ、また第2のスリット22
は中心ロッド3の外周面に沿って環状に設けられてい
る。これら第1のスリット21および第2のスリット2
2はいずれもファラデーカップ電流計(FCE:Farada
y cup electrometer)と連通しており、第1のスリット
21および第2のスリット22を介して取り出された分
級後の微粒子(分級粒子)の粒子数が計数されるように
なっている。なお図1においては、第2のスリット22
と連通するファラデーカップ電流計13のみが示されて
いる。図1に示すように、第2のスリット22は、連通
管12を介してファラデーカップ電流計13に接続され
ている。なお、ファラデーカップ電流計13により粒子
数が計数された分級粒子は吐出口14からポンプ等によ
り外部に排出されるようになっている。
部4の上方から囲み体2の内周面と中心ロッド3の外周
面との間の空間にシースガスを供給するための引込口7
が設けられるとともに、シースガスの流れを整えるとと
もに不純物を除去するためのフィルタ8が取り付けられ
ている。なお、囲み体2の引込口7から供給されたシー
スガスは囲み体2の下部に設けられた吐出口9からポン
プ等により排出されるようになっている。
はともに導体からなり、囲み体2と中心ロッド3との間
に接続された可変電圧源10により所定電圧が印加され
るようになっている。ここで例えば、囲み体2が接地さ
れ、中心ロッド3に正電圧が印加される場合には、微粒
子供給部4と囲み体2との間には正に帯電した微粒子を
微粒子供給部4側から囲み体2側へ移動させるような電
位差が生じた状態となり、また微粒子供給部4と中心ロ
ッド3との間には負に帯電した微粒子を微粒子供給部4
側から中心ロッド3側へ移動させるような電位差が生じ
た状態となる。
(a)に示すように、微粒子供給部4のまわりにおける
シースガスの流れを層流に保つような形状をなしてお
り、ここでは蓋部4cの外面はその縦断面が半円形をな
している。
1の実施の形態の作用について図1および図2により説
明する。
ら、正に帯電した微粒子および負に帯電した微粒子が混
在した帯電粒子が供給されると、この帯電粒子は導管5
を介して微粒子供給部4の内管4aと外管4bとの間に
導かれる。
は、内管4aと外管4bとの間の円筒状の空間にて円周
方向に分散しつつ中心軸方向下方に移動し、供給口6を
介して囲み体2と中心ロッド3との間に供給される。な
おこのとき、帯電粒子は、内管4aと外管4bとの間に
設けられた網部材11を通過し、帯電粒子の流れの円周
方向成分が低減されるとともに供給口6における帯電粒
子の落下速度が調整される。
み体2と中心ロッド3との間に帯電粒子が引き込まれる
と、この引き込まれた帯電粒子のうち正に帯電した微粒
子は、囲み体2の吐出口7から供給されるシースガスと
ともに中心軸方向下方(中心ロッド3が延びる方向)に
移動するとともに、囲み体2の内周面と中心ロッド3の
外周面との間で可変電圧源10により印加される電圧に
より形成される電場の影響を受けて個々の微粒子が電気
移動度に応じた速度で微粒子供給部4側から囲み体2側
へ引き寄せられる。そして、所定の軌跡を描いて距離L
1だけ進み、囲み体2の第1のスリット21に到達した
所定粒径の微粒子のみが外部に取り出される。
負に帯電した微粒子は、囲み体2の吐出口7から供給さ
れるシースガスとともに中心軸方向下方(中心ロッド3
が延びる方向)に移動するとともに、囲み体2の内周面
と中心ロッド3の外周面との間で可変電圧源10により
印加される電圧により形成される電場の影響を受けて個
々の微粒子が電気移動度に応じた速度で微粒子供給部4
側から中心ロッド3側へ引き寄せられる。そして、所定
の軌跡を描いて距離L2だけ進み、中心ロッド3の第2
のスリット22に到達した所定粒径の微粒子のみが外部
に取り出される。
器1においては、可変電圧源10により囲み体2の内周
面と中心ロッド3の外周面との間に印加される電圧を所
定範囲内で変化させ、ファラデーカップ電流計13によ
り第1のスリット21および第2のスリット22を介し
て取り出された分級粒子の粒子数(電荷量)と電圧との
関係を求めることにより、正に帯電した微粒子および負
に帯電した微粒子の粒径の分布を同時に測定することが
できる。
1においては、第1のスリット21を介して取り出され
る分級粒子の粒径と、第2のスリット22を介して取り
出される分級粒子の粒径とが同一となるよう、各種の寸
法(囲み体2の内周面の半径r1、中心ロッド3の外周
面の半径r2、供給口6および第1のスリット21間の
距離L1、供給口6および第2のスリット22間の距離
L2等)を決定することが好ましい。
される分級粒子の粒径と、第2のスリット22を介して
取り出される分級粒子の粒径とを同一にするための条件
について図2により説明する。
の半径方向の位置をx(r2≦x≦r1)とする。この位
置xにおける電界強度はxに反比例するので、電界強度
と位置xとの関係は定数kを用いて次式(3)のように
表される。
おける電位V(x)は定数k,Cを用いて次式(4)の
ように表される。
3に電圧V0が印加されるものとして、電位V(x)の
境界条件であるV(r1)=0,V(r2)=V0を上式
(4)に代入すると、位置xにおける電位V(x)は次
式(5)のように求められる。
部4と囲み体2との間の電位差V1は次式(6)のよう
に求められるので、これを上式(1)に代入することに
より、第1のスリット21から取り出される帯電粒子の
電気移動度Zp1は次式(7)のように求められる。
子供給部4と中心ロッド3との間の電位差V2は次式
(8)のように求められるので、これを上式(1)に代
入することにより、第2のスリット22から取り出され
るの帯電粒子の電気移動度Zp2は次式(9)のように求
められる。
出される分級粒子の粒径と、第2のスリット22を介し
て取り出される分級粒子の粒径とを同一にするために
は、上式(7)(9)により求められた帯電粒子の電気
移動度Zp1,Zp2が一致する必要があり、このことか
ら、囲み体2の内周面の半径r1、中心ロッド3の外周
面の半径r2、供給口6および第1のスリット21間の
距離L1、供給口6および第2のスリット22間の距離
L2が満足すべき条件は次式(10)のようなものとな
る。
れば、微粒子供給部4の供給口6から供給された正に帯
電した微粒子および負に帯電した微粒子のそれぞれを、
囲み体2に設けられた第1のスリット21および中心ロ
ッド3に設けられた第2のスリット22のそれぞれを介
して外部に取り出すことができるので、正に帯電した微
粒子および負に帯電した微粒子の粒径の分布を同時に測
定することができる。
は、微粒子供給部4の蓋部4cのみが微粒子供給部4の
まわりにおけるシースガスの流れを層流に保つような形
状をなしているが、これに限らず、微粒子供給部4の蓋
部4c、内管4aおよび外管4bの全体が微粒子供給部
4のまわりにおけるシースガスの流れを層流に保つよう
な形状をなしていてもよい。具体的には例えば、蓋部4
c、内管4aおよび外管4bの外面は、図3(b)に示
すように、その縦断面が流線形をなしているとよい。
は、微粒子供給部4の内管4aと外管4bとの間に流体
抵抗手段として網部材11を設けているが、これに限ら
ず、多孔板や海綿状またはスポンジ状の多孔体を用いる
こともできる。
施の形態について説明する。本発明の第2の実施の形態
は、囲み体および中心ロッドにそれぞれ設けられた第1
のスリットおよび第2のスリットにより、正または負の
いずれかに帯電した微粒子に対して2種類の異なる移動
距離を与えるようにした点を除いて、他は図1乃至図3
に示す第1の実施の形態と略同一である。
粒子供給部4から正または負に帯電した微粒子(帯電粒
子)が囲み体2と中心ロッド3との間に供給される。ま
た、微粒子供給部4と囲み体2との間または微粒子供給
部3と中心ロッド3との間には、囲み体2と中心ロッド
3との間に接続された可変電圧源10により、帯電粒子
を微粒子供給部4側から囲み体2側またはロッド3側へ
移動させるよう所定電圧が選択的に印加されるようにな
っている。すなわち、例えば、囲み体2が接地され、中
心ロッド3に所定電圧が印加される場合には、電圧の正
負を切り換えることにより、正または負に帯電した微粒
子が微粒子供給部4側から囲み体2側へ移動するか、微
粒子供給部4側から中心ロッド3側へ移動するかが切り
換えられる。
の場合と異なり、第1のスリット21を介して取り出さ
れる分級粒子の粒径と、第2のスリット22を介して取
り出される分級粒子の粒径とが異なるよう、上式(7)
(9)により求められた帯電粒子の電気移動度Zp1,Z
p2、すなわち供給口6および第1のスリット21間の距
離L1、および供給口6および第2のスリット22間の
距離L2を決定しておく。
2の実施の形態の作用について図1および図2により説
明する。なおここでは、微粒子供給部4から正に帯電し
た微粒子(帯電粒子)が供給されるものとする。
周面と中心ロッド3の外周面との間に印加される電圧
(正電圧)Vを所定範囲内で変化させ、ファラデーカッ
プ電流計13により第1のスリット21を介して取り出
された分級粒子の粒子数(電荷量)と電圧との関係を求
めることにより、第1のスリット21の移動距離L1に
対応した範囲で帯電粒子の粒径の分布を測定する。
ング装置等から帯電粒子が供給されると、この帯電粒子
は導管5を介して微粒子供給部4の内管4aと外管4b
との間に導かれる。
は、内管4aと外管4bとの間の円筒状の空間にて円周
方向に分散しつつ中心軸方向下方に移動し、供給口6を
介して囲み体2と中心ロッド3との間に供給される。な
おこのとき、帯電粒子は、内管4aと外管4bとの間に
設けられた網部材11を通過し、帯電粒子の流れの円周
方向成分が低減されるとともに供給口6における帯電粒
子の落下速度が調整される。
み体2と中心ロッド3との間に帯電粒子が引き込まれる
と、この引き込まれた帯電粒子は、囲み体2の吐出口7
から供給されるシースガスとともに中心軸方向下方(中
心ロッド3が延びる方向)に移動するとともに、囲み体
2の内周面と中心ロッド3の外周面との間で可変電圧源
10により印加される電圧により形成される電場の影響
を受けて個々の微粒子が電気移動度に応じた速度で微粒
子供給部4側から囲み体2側へ引き寄せられる。そし
て、所定の軌跡を描いて距離L1だけ進み、囲み体2の
第1のスリット21に到達した所定粒径の微粒子のみが
外部に取り出される。
距離L1に対応した範囲で帯電粒子の粒径の分布を測定
した後、中心ロッド3に印加される電圧を正電圧から負
電圧に切り換え、可変電圧源10により囲み体2の内周
面と中心ロッド3の外周面との間に印加される電圧(負
電圧)Vを所定範囲内で変化させ、ファラデーカップ電
流計13により第2のスリット22を介して取り出され
た分級粒子の粒子数(電荷量)と電圧との関係を求める
ことにより、第2のスリット22の移動距離L2に対応
した範囲で帯電粒子の粒径の分布を測定する。なお、こ
の場合の帯電粒子の移動等については上述した正電圧の
場合と同様であるので、ここでは詳細な説明は省略す
る。
れば、囲み体2および中心ロッド3に設けられた第1の
スリット21および第2のスリット22により、正また
は負のいずれかに帯電した微粒子に対して2種類の異な
る移動距離L1,L2を与えることができるので、測定で
きる微粒子の粒径の範囲(ダイナミックレンジ)を容易
に拡げることができる。
に帯電した微粒子および負に帯電した微粒子の粒径の分
布を同時に測定することができる。また、測定できる微
粒子の粒径の範囲(ダイナミックレンジ)を容易に拡げ
ることができる。
よび第2の実施の形態を示す縦断面図。
明するための図。
の縦断面図。
るための図。
Claims (9)
- 【請求項1】微粒子を外部に取り出すための第1のスリ
ットを有する囲み体と、 前記囲み体の内部に延びるとともに微粒子を外部に取り
出すための第2のスリットを有するロッドと、 正に帯電した微粒子および負に帯電した微粒子を前記囲
み体と前記ロッドとの間に供給する微粒子供給部とを備
え、 前記囲み体と前記ロッドとの間には所定電圧が印加さ
れ、前記微粒子供給部と前記囲み体との間または前記微
粒子供給部と前記ロッドとの間の電位差により、正また
は負のいずれかに帯電した微粒子を前記微粒子供給部側
から前記囲み体側へ移動させるとともに、負または正の
いずれかに帯電した微粒子を前記微粒子供給部側から前
記ロッド側へ移動させることを特徴とする微分型電気移
動度測定器。 - 【請求項2】前記第1のスリットから取り出される微粒
子の電気移動度と、前記第2のスリットから取り出され
る微粒子の電気移動度とが、印加電圧によらず一致して
いることを特徴とする請求項1記載の微分型電気移動度
測定器。 - 【請求項3】微粒子を外部に取り出すための第1のスリ
ットを有する囲み体と、 前記囲み体の内部に延びるとともに微粒子を外部に取り
出すための第2のスリットを有するロッドと、 帯電した微粒子を前記囲み体と前記ロッドとの間に供給
する微粒子供給部とを備え、 前記微粒子供給部と前記囲み体との間または前記微粒子
供給部と前記ロッドとの間には帯電した微粒子を前記微
粒子供給部側から前記囲み体側または前記ロッド側へ移
動させるよう所定電圧が選択的に印加され、前記第1の
スリットから取り出される微粒子の電気移動度と、前記
第2のスリットから取り出される微粒子の電気移動度と
が互いに異なることを特徴とする微分型電気移動度測定
器。 - 【請求項4】前記微粒子供給部は前記ロッドが延びる方
向に沿って延びる円筒状の内管および外管と、前記内管
および前記外管の上端に設けられた環状の蓋部とを有
し、前記内管と前記外管との間に帯電した微粒子が導か
れることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか記載の
微分型電気移動度測定器。 - 【請求項5】前記内管と前記外管との間には帯電した微
粒子の流れを整えるよう微粒子の流れに流体抵抗を与え
る流体抵抗手段が設けられていることを特徴とする請求
項4記載の微分型電気移動度測定器。 - 【請求項6】前記囲み体内には前記微粒子供給部の上方
からシースガスが供給され、前記微粒子供給部の前記蓋
部は前記微粒子供給部のまわりにおけるシースガスの流
れを層流に保つような形状をなしていることを特徴とす
る請求項4記載の微分型電気移動度測定器。 - 【請求項7】前記蓋部の外面は縦断面が半円形をなして
いることを特徴とする請求項6記載の微分型電気移動度
測定器。 - 【請求項8】前記囲み体内には前記微粒子供給部の上方
からシースガスが供給され、前記微粒子供給部の前記蓋
部、前記内管および前記外管は前記微粒子供給部のまわ
りにおけるシースガスの流れを層流に保つような形状を
なしていることを特徴とする請求項4記載の微分型電気
移動度測定器。 - 【請求項9】前記蓋部、前記内管および前記外管の外面
は縦断面が流線形をなしていることを特徴とする請求項
8記載の微分型電気移動度測定器。
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JP21306198A JP3459359B2 (ja) | 1998-07-28 | 1998-07-28 | 微分型電気移動度測定器 |
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