JP2000512390A - 非粘性フロー生成ノズルを利用した粒子検出システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光のビームが流体の非粘性噴流に入射する粒子検出システムを開示する。粒子を包含するサンプル流体は、非粘性フロー生成ノズルを通過させられる。非粘性フロー噴流は、ノズルから押し出される。全非粘性フロー噴流は均一な速度で移動し、それゆえ、検出システムのためのサンプル領域内に包含され得る。それにより、容積測定は、全てのサンプル流体が均一な速度で移動する場合に達成される。サンプル流体は、減速チャンバー内でノズル速度よりも相当低い速度まで減速される。長さ対幅の比が約１より小さい、長さと幅とをノズルが有する。サンプル流体は減速チャンバーからノズルを通って流れ、非粘性フロー噴流状態でノズルから回収チャンバーへと押し出される。光学回収システムは、非粘性フロー噴流中の粒子により散乱される光を回収し、かつ、検出器上に散乱された光を結像させる。非粘性フロー噴流の形状は、円形または非円形であり得る。高アスペクト比を有する非粘性フロー噴流は、比較的集束した光ビームにより十分に照射されて、高感度測定を提供することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 非粘性フロー生成ノズルを利用した粒子検出システム 発明の分野 本発明はサブミクロン寸法の粒子検出に関するものであり、より詳細には、粒 子が検出される流体の非粘性フローを生成するノズルを利用した、粒子検出用装 置およびその方法に関連する。 問題点の提示 放射エネルギーのビームが粒子に入射すると、一部のエネルギーが散乱される 。散乱エネルギーの強度は、入射放射エネルギーの波長、粒子が懸濁される媒体 に関する粒子の屈折率の差、粒子の寸法および形状、ならびに、散乱エネルギー が観察される角度によって決まる。 流体中の微細なサブミクロン寸法の粒子の測定は、近年、相当開発が進んでい る。大まかに言うと、かかる測定を行うアプローチが存在しており、それによっ て、光のビームが測定されるべき粒子を保有する流体に入射させられる。流体中 の粒子は、入射光の散乱を引き起こす。散乱された光は収集および検出されて、 流体中の粒子の寸法および数の測定を生じる。この粒子検出アプローチの具体例 は、1986年４月14日にKnollenbergに発行され、書面ではParticle Measuring Sy stems，Inc.に譲渡された米国特許第4,798,465号、1994年１月25日にKnollenber gに発行され、書面ではParticle Measuring Systems，Inc.に譲渡された米国特 許第5,282,151号、および、1995年10月17日にKnollenbergらに発行され、書面で はParticle Measuring Systems，Inc.に譲渡された米国特許第5,459,569号に見 られる。 この分野において、大きく注目される焦点は、かかる測定を行うための機器の 感度の改善であった。粒子測定機器の感度は、検出され得る最小粒子により規定 される。一般に、感度の改良は、より緊密に集束された光ビームを用いることに より、達成されてきた。粒子検出機器は高度に精製された流体中の粒子を検出す るために使用されることが多かったので、流体の全容積に関して、流体中には極 めてわずかな粒子しか実際には存在しない。統計的に重要な測定を達成するため に、比較的大容量の流体に測定装置を通過させなければならない。それゆえ、粒 子検出測定についての時間対統計的重要性は、粒子が保有される流体の「サンプ ル容積」に直接的に関連する。サンプル容積とは、流体フローと、散乱された光 が光検出システム上に収集されることに由来する入射光との間の交差の範囲内の 容積である。入射光ビームがより狭く集束されて測定感度を増大させると、サン プル容積は必ず減少する。それゆえ、粒子測定についての時間対統計的重要性は 、一般的には、既存の粒子測定機器についての感度の改善とともに増大する。時 間の統計的重要性に対する増加が問題となり、これは、これら機器のユーザーが それらの処理工程についてのリアルタイム情報を所望し、かつ、長い測定時間が 必要な処理調整に経費の嵩む遅延を生じさせ得ることがあるためである。感度の 改善はまた、測定分解能の犠牲を伴う。測定装置の分解能は、各粒子間の寸法差 を分解する能力を規定する。 最大達成可能サンプル容積とは、測定された流体全てが通過したサンプル容積 のことである。全ての、またはほぼ全ての測定流体がサンプル容積を通過すると 、測定は「容積(volumetric)」と称される。約90％より低い測定流体がサンプル 容積を通過すると、測定は「インサイチュ」と称される。既存の粒子検出機器に おける大型寸法のサンプル容積に関わる問題は、測定された流体が流体の方向に 実質的に直交するプロファイルに非均質速度で移動するということである。それ ゆえ、サンプル容積は、異なる速度で移動する粒子を含む。しかし、検出された 光散乱粒子の各々が同一速度で移動すると、散乱光に依存する粒子検出スキーム は最も効的かつ正確である。それゆえ、既存の粒子検出機器はサンプル容積を限 定して、実質的に均一な速度で移動している流体フロープロファイルの一部のみ を含むようにするか、或いは、実質的に均一な速度で移動している流体フロープ ロファイルの一部からの散乱光を集光するにすぎないか、いずれかである。 1991年11月26日にSuzukiらに発行され、書面上はHoriba Ltd.に譲渡された米 国特許第5,067,814号は、流体中の微細粒子を測定するための装置を開示する。H oriba装置はその中にセルを含み、これは、流体がノズルからのストリームとな って噴出する。レーザーは、流体のストリームに直交し、かつ、そこに入射する 光のビームを放射する。光検出システムは流体ストリームと同軸に配置され、流 体中の粒子により流体フローの軸に沿って散乱された光を集光する。流体のスト リームの中心付近から散乱された光のみが、比較的均一な速度を有する。従って 、光検出システムは、比較的均一な速度を有する粒子から散乱された光に対する 検出器に届く散乱光を制限する可変絞りを備える。 1979年12月11日にWallaceに発行され、かつ、書面上ではChromatix，Inc.に譲 渡された米国特許第4,178,103号は、流体の支持無し「カーテン」を採用する光 散乱粒子検出システムを開示する。Wallace装置は、流体フローに直交して光を 検出し、かつ、光ビームが入射する流体のカーテンを形成する手段を利用する。 流体カーテンの目的は、水の円筒型噴流またはストリームと比較して、カーテン の表面からの散乱を低減することである。このカーテンは、光ビームが入射する 、実質的に平坦かつ平面状の中央部を備える。 1994年1月25日にKnollenbergに発行され、かつ、書面でParticle Measurlng S ystems，Inc.に譲渡された米国特許第5,282,151号は、粒子を検出するための光 源により照射される非円形流体噴流を開示する。流体噴流断面の流体速度の均一 性に関連する教示は提供されていない。 実質的に全ての流体がサンプル容積を通過し、かつ、全ての流体が実質的に同 一速度で移動する、流体中の粒子を検出するための粒子検出システムの必要があ る。 解決策の提示 上述の確認された問題点および他の問題点は、本発明の粒子検出システムによ り解決され、また、同分野での技術的進展も達成される。本発明は、集束光のビ ームが入射する非粘性噴流を生成する。非粘性フローとは、流体が均一な速度プ ロファイルを有する流体フローのことである。非粘性フローは、「プラグ」フロ ーと称されることがある。噴流状態の流体の全てが実質的に同一速度で移動する ので、流体中に保有される全ての粒子は実質的に同一速度で移動する。本発明の 装置は、実質的に全ての流体噴流を含むサンプル容積を生じるように形成される 。 それゆえ、容積粒子検出測定は、全ての粒子が実質的に同一速度で移動している 状態で、達成される。 粘性流体は、それが流れる導管の壁と相互作用すると、粘性抗力を体験する。 非粘性フローとは、粘性効果が皆無である流体をいう。半導体製造産業で使用さ れるような処理流体は、あるとしても非粘性であることは稀である。しかし、本 発明の粒子検出システムは、粒子検出測定のために非粘性フローを生じるフロー ノズルを採用する。 流体は、約１psiから５psiの正常圧力下で流れるようにされる。流体は、噴流 速度よりも相当低い速度まで減速され、次いで、ノズルに曝される。ノズルは、 回収チャンバーへとノズルを出している流体の噴流が、噴流の断面に均一な速度 を有するように形成される。これは、「層流非粘性フロー」または「非粘性フロ ー」または「プラグフロー」と称されることがあり、本明細書中の後で非粘性フ ローと称される。全非粘性フロー噴流は、レーザーのような高強度光源で照射さ れる。照射された部分を横切る噴流中の粒子は、Mie散乱理論またはRayleigh散 乱理論に従って、光を散乱する。散乱光は、光学システムを用いて、次の処理用 検出器上に結像される。全ての粒子から散乱される光は、非粘性フロー噴流中の 粒子の全てが同一速度で移動するので、集光可能である。粒子汚染の濃度と粒子 汚染の寸法分布の両方が検出される。 ノズルは、開口直径および厚さを有する。非粘性フロー噴流は、直径対厚さの 比が概ね１に等しいか、それより大きければ、ノズルから生成される。本発明の システムの各実施態様は、この特性測定に適合するノズルを利用する。 噴流の均一性は、ノズルで発生する境界層分離、すなわち乱流を最小限にする ことにより、更に向上させられる。これは、ノズルの開口の入り口側部のコーナ ーまたは端縁を丸み加工することにより、達成される。 非粘性フロー噴流は断面が円形である必要はない。本発明の１実施態様では、 高アスペクト比を有するノズルは非粘性フロー噴流を生成する。極めて長手の楕 円形状噴流は、円形噴流実施態様におけるように、入射光により全照射される。 これに加えて、レーザーは、楕円形状噴流の狭い面積に入射し、それゆえ、より 狭く集束される。従って、高感度容積測定が達成される。 本発明の１実施態様では、鞘(sheath)フローは、噴流中のサンプルフローの界 面と回収チャンバー内の流体との間には相対的速度が存在しなくなるように、利 用される。流体力学的集束処理が採用されて、サンプルフローと鞘フローを合流 させ、非粘性フロー噴流が鞘噴流内で封入されたサンプル噴流を含むようにする 。従って、サンプル噴流と鞘噴流の間の相対的速度は存在しない。これは、サン プル噴流がより均一にされると、信号処理の利点を提供する。鞘フローの利用は また、本発明がレーザキャビティと関連して適用されるレーザキャビティの安定 性を改善するのに役立つ。 非粘性フロー噴流中を移動する粒子からの散乱光を測定する利点は、散乱光が 検出される軸とは無関係に得られる。例えば、散乱光は、流体フロー軸に直交す る軸上で検出され得る。流体フローと同軸に散乱される光も集光され、検出され る。本発明の１実施態様では、検出システムは流体フローに同軸で、従って、流 体フローに同軸に散乱される光が検出される。流体軸上またはその略軸上に結像 することの１つの利点は、分子散乱により引き起こされる信号中のノイズは、噴 流の交差時と照射時のみに結像することにより低減され得て、それにより、目的 の領域の外側の分子散乱ノイズを含まないことである。軸上検出が好ましいが、 必要ではない。 本発明の実施態様では、サンプル流体ストリームは、減速チャンバー中の鞘流 体ストリームと合流させられる。減速チャンバーの下方端にはノズルがあり、同 ノズルから流体の非粘性噴流が回収チャンバーへと発出される。ノズルは、高ア スペクト比、すなわち、鞘フロー内に封入されたサンプルフローから成る非粘性 フロー噴流を形成するように、成形される。この噴流は本質的には、噴流を横断 して一般に均一な速度プロファイルを有する、流体の平坦なシートまたはカーテ ンである。噴流への入射は、噴流の厚さより幾分広く、高さが約20ミクロンであ る光の強いビームである。光のビームは、高アスペクト比噴流のより長い寸法を 通して移動するように、整列される。検出システムは、流体フローに同軸に散乱 された光を集光するように配置される。サンプル流体および同伴の粒子の全ては 、実質的に同一速度で移動している。サンプル流体の全てが光により照射される 。噴流の長手の形状のために、高感度を求めて、光は緊密に集束され得る。光学 集 光システムは、サンプル流体中の粒子の全てから散乱された光を集光し、検出器 上に散乱光を結像する。測定が容積測定であるので、高分解能および短い測定時 間が達成される。レーザービームが集束されて、カーテン形状の噴流を横断して 比較的狭い線で高パワーを供与するので、高感度が達成される。 本発明のシステムは、サブミクロン寸法の粒子検出のための無類の感度と分解 能特性を提供する。 図面の簡単な説明 図１は、一般化された粒子検出システムの概略図である。 図２は、タンクから流体が流れ込む導管を描く図である。 図３は、本発明に従った粒子検出システムの断面図である。 図４は、本発明に従った円形非粘性フローノズルの上面図である。 図５は、図４の円形非粘性フローノズルの断面図である。 図６は、円形非粘性フロー噴流およびレーザービームの交差を描く図である。 図７は、本発明に従った代替の円形非粘性フローノズルの上面図である。 図８は、図７の円形非粘性フローノズルの断面図である。 図９は、本発明に従った楕円形非粘性フローノズルの上面図である。 図10は、図９の楕円形非粘性フローノズルの断面図である。 図11は、図９の楕円形非粘性フローノズルの更なる断面図である。 図12は、楕円形非粘性フロー噴流とレーザービームとの交差を描く図である。 図13は、本発明に従ったプロファイル検出システムの更なる実施態様の断面図 である。 図14は、図13の装置により生成される非粘性フロー噴流の断面図である。 詳細な説明一般的粒子検出システム_―図１から図２ 詳細な説明全体で、共通して要素を有する複数図面は、同一参照番号を用いて 共通要素を示す。図１は、一般化した粒子検出システム10の簡略化された概略を 描く。図１から図２は、公知の粒子検出システムと原理を描き、背景説明を目的 として、ここに提示される。サンプル流体100は粒子101を含み、矢印109により 示される方向に流れる。サンプル流体100は液体または気体である。サンプル流 体100は導管（図示せず）内部に包含されてもよいし、または図１に示されるよ うな流体のストリームであってもよく、かつ、断面形状が円形、四角形などであ り得る。レーザー102は、ビーム成形光学系104により成形される光のビーム103 を生成する。結果として生じるビーム105はサンプル流体100と交差し、粒子101 に入射する。散乱光106は、粒子101より外れたビーム105の散乱により引き起こ される。散乱光106は、集光光学系107により集光され、検出器108上に結像され る。ビーム105は、ビーム105がサンプル流体100に逆反射されないように、光ダ ンプ(dump)109に吸収される。検出器108は、粒子101を示す経路110の上に出力信 号を生成する。プロセッサ111は、経路110の上に受信された出力信号を処理して 、サンプル流体100中の粒子101の寸法および/または数を表す出力を生成する。 これらは、図１に示される基本要素の各々についての、多様な複数の公知の代替 例である。例えば、図１のビーム105と整列状態で示される集光光学系107は、そ の代わりに、異なる軸上に散乱された光を集光するように位置決めされ得る。異 なるタイプのプロセッサ111同様に、多様な異なるタイプの検出器108が公知であ る。これら多様なアプローチおよび装置の全ては、粒子検出技術の当業者には公 知であり、本発明の一部とはならない。 交差領域112はサンプル流体100とビーム105との間の交差の領域である。サン プル領域113は交差領域112内部の領域であり、そこから散乱光106が検出器108上 に結像される。交差領域112およびサンプル領域113の寸法を決定する測定分解能 および測定感度を含め（これらに限定されないが）、複数の考慮事項がある。例 えば、高感度測定（比較的小さい粒子が検出可能なもの）は、緊密に集束した光 ビームを必要とする。光ビームの寸法と粒子検出測定の感度との間には直接的関 係があるが、というのも、所与のレーザーについて、より集束したビームはそれ 程集束していないビームよりも、単位面積あたり、より強いパワーを供与するか らである。しかし、極めて狭い光ビームは、サンプル流体の一部のみが交差領域 を通過することを意味するのが典型的である（インサイチュ測定）。インサイチ ュ測定の欠点は、同一強度の光で全ての粒子が照射される訳ではないことである 。 ビーム105は、ガウス強度分布を有し、従って、ビーム105の「端縁」により照射 された粒子は、ビーム105の中央で照射された粒子よりも低強度光で照射される 。更なる制限は、散乱光106が相対的に均一な速度で移動する粒子により散乱さ れなければならないことである。プロセッサ111は、比較的均一な速度で移動す る粒子101により散乱光106の全てが散乱されるという前提に依存する。既存の粒 子検出システムは、層状の展開フローを特徴とするサンプル流体ストリームを採 用する（図２に関してより詳細に論じる）が、ここでは、流体速度プロファイル は流れの方向に直交して存在する。従って、交差領域112の内部でさえ、既存の システムでは、比較的均一な速度で移動し、かつ、比較的均一な強度の光で照射 される、わずかな部分のサンプル流体100のみが存在する。サンプル領域113は、 比較的均一な速度で移動し、かつ、比較的均一な光強度で照射された粒子101か らの散乱光106のみが検出器108上に結像されるように、既存の粒子検出システム において規定されるのが典型的である。この要件は、検出システムの分解能を更 に減じ、また、サンプル時間を増大させる。サンプル領域113の寸法は、サンプ ル流体100、ビーム105、および集光光学系107により規定されて、粒子検出技術 の当業者に公知のように、検出器108に適切に適合する。 「展開された」および「非粘性の」フローは、図２に関して更に詳細に記載さ れる。図２は流体203が充満した貯蔵器200を描くが、同流体は貯蔵器200から導 管201を通って流れる。位置Aから位置Fにおいて導管201を通る流体203の流れの 性質を説明する。位置Aから位置Fにおける破線は、それぞれの位置において導管 201を通る流体203の速度プロファイルを描く。位置Aでは、流体203は貯蔵器200 から導管201に入り、位置Aの速度プロファイルは導管200の直径を横断して均一 である。流体の全てが比較的均一な速度で移動している時には、これは本明細書 では「非粘性」フローと称される。位置Bでは、流体203の速度プロファイルは、 流体203と導管201の壁との間の粘性抗力のせいで展開され始める。導管201の壁 に隣接して、またはそれに比較的近接して移動する流体203の要素は、導管201の 中央に沿って移動する流体203の要素よりもよりゆっくりと移動する。従って、 位置Bにおける速度プロファイルは、導管201の中央に沿った均一な速度の比較的 大きな領域であるが、導管201の壁の近くの速度を減じる領域を示す。流体203の 流れは、位置Fで流体フローが十分に「展開」されてしまうまで、位置C、位置D 、および位置Eを通って継続して展開する。非粘性領域202は、導管201に沿った 各位置における非粘性フローの領域を示す。従って、位置Aでは、流体203の全て またはほぼ全てが均一な速度で移動し、従って、位置Aにおける流れは「非粘性 」と称される。位置Dでは、非粘性領域202内の速度プロファイルの一部のみが非 粘性フローである。速度プロファイルが位置Bから位置Fまでの位置で展開するに つれて、非粘性フロー領域202内のプロファイルの一部のみが、粒子検出システ ムのためのサンプル領域として「利用可能」となる。本発明の粒子検出システム_―図３から図13 図３は、本発明に従った粒子検出システム300を描く。システム300は、減速チ ャンバー301、回収チャンバー302、検出システム303、および照射源304を含む。 減速チャンバーは入り口305を備え、ここを通してサンプル流体が処理ライン（ 図示せず）からチャンバー壁306を通して、減速チャンバー301の内部307へと流 れる。減速チャンバー301の低部には、開口309が形成された非粘性フローノズル 308がある。サンプル流体は、入り口305に流入して減速チャンバー307を通り、 非粘性フロー噴流310として非粘性フローノズル308を通って、回収チャンバー30 2へ流入する。減速チャンバー301を通るサンプル流体の速度は、非粘性フロー噴 流310の速度よりも相当低い。本発明の実施態様においては、減速チャンバー301 を通る速度は、非粘性フロー噴流310の速度のおよそ40分の１の速度である。非 粘性フローノズル308および、特に、開口309は、図４から図５、図７から図11に 関してより詳細に論じられる。 照射源304は、照射入り口窓312により回収チャンバー302の壁311を通過するビ ーム315を生成する。ビーム315は交差領域321で非粘性フロー噴流310と相互作用 し、かつ、照射出口窓313を通って回収チャンバー302を出る。交差領域321にお けるサンプル流体中の粒子により散乱された光は、検出窓317を通過し、集光光 学系318により検出器319上に結像される。検出器319は経路322を越えてプロセッ サ320へと信号を生成する。プロセッサ320は粒子寸法および/または粒子数の出 力を生成する。集光光学系318、検出器319、およびプロセッサ320を含む検出シ ステム303は、図３に概略的に示される。粒子検出システムの技術の当業者は、 検出システム303の要求を満たす多様な公知のアプローチが存在することを、認 識する。 回収チャンバー302は光絞り316を備え、その各々が開口323を含む。光絞り316 は、回収チャンバー302の内部と照射入り口窓312と照射出口窓313との間で、そ れぞれ、界面324および325により散乱された光を遮断する。ビーム315は光ダン プ318により吸収され、ビーム315が回収チャンバー302または検出システム303へ と逆反射されないようにする。サンプル流体は、回収チャンバー302を出口321を 通して出て処理ライン（図示せず）へ至る。回収チャンバー302は、サンプル流 体で満ちている。当業者には公知のように、検出システム303は、非粘性フロー 噴流310（比較的高速度で移動する）中の粒子と非粘性フロー噴流310（比較的低 速で移動する）の外側の粒子との間を区別するように作動する。当業者はまた、 追加出口321が使用され得ることを認識する。 図４および図５は、開口309を含む非粘性フローノズル308の一部の、それぞれ 、上面図および断面図である。非粘性フローノズル308は、厚さ501およびノズル 直径502を有する。非粘性フロー噴流310は、ノズル厚さ501を越えるノズル直径5 02の比が１を越えるか、またはそれに等しい場合は、非粘性フローとして特徴づ けられる。これにより、ノズルを通ってサンプル流体が移動する距離は、流れが 不均一な速度プロファイルを展開するのに十分な程は長くないことが、確実とな る。ノズル直径502とノズル厚さ501についての典型的測定は、0.001インチから0 .010インチの範囲にある。 図６は、非粘性フロー噴流310およびビーム315の間の交差領域321を、より詳 細に概略的に例示する。図４に関して注目したように、非粘性フロー噴流310は 、非粘性フロー噴流310内部の流体の全てが均一な速度で移動するという事実に より、特徴づけられる。それゆえ、交差領域321を通過する粒子により散乱され た光は検出器319により使用可能であるが、というのも、全ての粒子は同一速度 か同一速度に近い速度で移動しているからである。それゆえ、交差領域321もま たサンプル領域である。粒子602は、交差領域321を通過する粒子を表す。粒子60 2により散乱された、ビーム315からの光603は、集光光学系318により集光され、 図３に関して記載されたように、検出器319上に結像される。ビーム315は、非粘 性フロー噴流310の直径に適合するように図６に描かれる。代替例として、分解 能は、ビーム315の直径605を増大させることにより、感度を犠牲にして改善され 得て、噴流310の全てが比較的均一な強度で照射されるようにする。 図７および図８は、代替の円形非粘性フローノズル701の一部を例示する。非 粘性フローノズル701は、非粘性フローノズル308に関して説明されたような、円 形開口702を有する。これに加えて、開口702の内部表面703は、非粘性フローノ ズル701の入り口側704上で円滑に湾曲する。内部表面703の円滑に湾曲した形状 は、非粘性フローノズル701により生成される非粘性フロー噴流（図７に示され ず）に存在する乱流渦を最小限にする。円滑に湾曲した内部表面703の形状はま た、噴流がノズルを出ると、流体噴流の濃度、すなわち縮流を低減する。 図９から図11は、楕円形状のノズル開口902を採用したノズル901の一部を例示 する。ノズル901はまた、図７から図８に関して記載されたような円滑に湾曲し た内部表面903を利用して、生成された非粘性フロー噴流中の乱流渦を減じる。 図10は、楕円形状のノズル901の短軸の断面図である。図11は、楕円形状のノズ ル901の長軸の断面図である。図４から図５および図７から図８の円形ノズルに 関して、ノズルの直径は、非粘性フローを生成するために、ノズルの厚さに等し いか、それより大きくなければならない。従って、ノズル901については、直径9 04対厚さ906の比は、１に等しいか、それを越えていなければならない。本発明 の実施態様においては、直径904は0.008インチに等しく、直径905は0.064インチ に等しい。開口902の形状は、図９に示されるような楕円形状である必要はなく 、また、図４から図５および図７から図８に示されるような円形である必要もな い。非粘性フロー噴流を生じるいかなる形状の開口でも、好適である。 図12は、図３のノズル308の代わりにノズル901が使用される実施態様における 、交差領域321の詳細の概略を示す。光源304は、非粘性フロー噴流1201の短軸12 10に実質的に直交する、非粘性フロー噴流1201に入射するビーム1202を生じる。 粒子により散乱された光（粒子1204が表す）は集光光学系318により集光され、 検出器319上に結像される。ビーム1202は、例えば、図６のビーム315よりも狭い 。非粘性フロー噴流1201の長手の形状は、入射光ビームであるビーム1202が相当 狭められ、なお依然として全非粘性フロー噴流を十分かつ均一に照射できるよう に する。従って、非粘性フロー噴流1201は均一な速度で移動し、すなわち、全ての 粒子が同一速度で移動し、全噴流がビーム1202により均一に照射される。更に、 ビーム1202は、噴流1201の高アスペクト比のせいで、比較的狭く集束される。こ れにより、高分解能および高感度の粒子測定が可能になる。本発明の１実施態様 では、噴流1201はその短軸上で0.008インチ、その長軸上で0.064インチである一 方、ビーム1202は0.014インチ幅（寸法1206）および0.0012インチ厚さ（寸法120 5）である。集光光学系318は6.25×の拡大率を提供し、従って、検出器319は0.0 50インチ×0.400インチの有効領域を有する。 図13は、本発明に従った粒子検出システム1300の断面図である。図13の実施態 様は、以下に説明するように、鞘フローを有する非粘性フロー噴流を生成するた めの追加の要素を例外として、図３の実施態様に類似する。システム1300は、減 速チャンバー1301、回収チャンバー1302、検出システム1303、および照射源304 を備える。減速チャンバー1301は、入り口1305を通る鞘フローと入り口1304を通 るサンプルフローとの、２つの分離フローを受け、かつ、流体力学的集束を利用 して、２つのフローを合流させる。合流したフローはノズル1306の方へ向けられ る。ノズル1306は、図９から図11のノズルに類似する。サンプル流体1307は、処 理ライン（図示せず）から導管1308の入り口1304へ流入させられる。サンプル流 体1307は、システム1300により測定されるべき粒子含有流体である。鞘流体は入 り口1305に流入し、第２処理ライン（図示せず）からチャンバー壁1306を通って 減速チャンバー1301の内部1307に至る。導管1308は、ノズル開口1309と同様に、 減速チャンバー1301の中央に位置決めされる。流体力学的集束の原理は、非粘性 フロー噴流1310として、ノズル1306およびノズル開口1309に向けられた合流フロ ーの中央にサンプル流体1307が維持されるように考慮する。減速チャンバー1301 の底部には、開口1309が形成された非粘性フローノズル1306がある。非粘性フロ ーノズル1306は、図９から図11に示されるように、実質的に形成される。サンプ ル流体は入り口1304に流入し、入り口1305からの鞘流体と合流させられる。合流 した流体が減速チャンバー1301を通って流れ、非粘性フロー噴流1310として非粘 性フローノズル1306を通って回収チャンバー1302に流入する。減速チャンバー13 01を通るサンプル流体の速度は、非粘性フロー噴流1310における流体の速度より も相当低い。 図14は、ビーム1315の軸に沿った非粘性フロー噴流1310の断面図である（交差 領域321）。非粘性フロー噴流1310は、サンプルフロー1401および鞘フロー1402 から成る。ビーム1315はサンプルフロー1401よりもわずかに広く、それにより、 サンプル流体の全てを照射する。鞘フロー1402の使用は、サンプル流体とサンプ ル流体に隣接する流体との間の速度差が皆無であることを、確実にする。このよ り安定した流れは、より高い分解能を伴う測定を可能にしている。これはまた、 鞘フローがレーザーキャビティの安定性を改善する時には、回収チャンバー302 が実際にはレーザーキャビティである場合に、有利である。概要 本発明は、サンプル流体の全ストリームが均一な速度で移動する、容積粒子検 出測定のために提供する。非粘性噴流はまた、比較的高感度を有利に可能にする ように成形され得る。これは、入射光ビームの形状に非粘性噴流の形状を適合さ せることにより、達成され、それにより、狭く集束された光ビームが全噴流を照 射する。結果的に、均一な速度の噴流は、強い均一な光ビームで照射されて、高 感度および高分解能の粒子検出測定を提示する。

【手続補正書】 【提出日】平成１２年２月４日（２０００．２．４） 【補正内容】 請求の範囲 １．サンプル流体(100)においてサブミクロン寸法の粒子(101)を検出するための システム(10)であって、 該サンプル流体から非粘性フロー噴流（310、1201、1310）を生成するための 、非粘性フロー手段(308)と、 該非粘性フロー噴流に向けて方向付けられる光のビーム（103、105、315、120 2、1315）を提供する照射手段（102、304）であって、該光ビームは、該交差領 域において該非粘性フロー噴流の容積サンプリングを許容する交差領域（112、3 21）において、該非粘性フロー噴流と交差し、この場合、該交差領域を通って実 質的に同一速度で移動する粒子の全ては、粒子検出を目的として、該光のビーム から光を散乱する、照射手段と、 該散乱光を受容し、かつ、該粒子を示す出力を供与する、検出手段（108、319 ）とを特徴とする、システム。 ２．前記非粘性フロー手段は、 前記サンプル流体が受容されて通るサンプル流体入り口(305)を有する流体減 速手段（301）と、 該サンプル流体が該サンプル流体入り口から減速された速度で流れる、ノズル 手段（308、701、901）と、 前記非粘性フロー噴流が該ノズル手段から噴流速度で噴出する流体回収手段（ 302、1302）であって、該減速された速度が該噴流速度よりも低い、流体回収手 段とを備える、請求項１に記載の粒子検出システム。 ３．前記ノズル手段は、 前記流体減速手段の内部と隣接する入り口表面（703、903）と、 前記流体回 収手段の内部と隣接し、かつ、ノズル厚さ（501、906）により該入り口表面から 分離された出口表面と、 該入り口表面と該出口表面との間に在るノズル開口（309、702、902）であっ て、そこを通って、前記サンプル流体が流れ、かつ、該流体回収手段への前記非 粘性フロー噴流として発射される、ノズル開口とを備える、請求項２に記載の粒 子検出システム。 ４．前記ノズル開口はノズル直径（502）を特徴とし、該ノズル直径は少なくと も、前記ノズル厚さ（501）と同程度に大きい、請求項３に記載の粒子検出シス テム。 ５．前記ノズル開口（902）は、実質的に長円形であり、かつ、第１噴流直径と 第２噴流直径とを特徴とする実質的に長円形形状を有する前記非粘性フローを生 成し、該第２噴流直径は該第１噴流直径よりも相当に大きく、該第２噴流直径は 前記光のビームに関して実質的に平行に配向されて、該第２噴流直径に沿って高 アスペクト比を供与する、請求項４に記載の粒子検出システム。 ６．前記検出手段は、 前記散乱光を受容し、かつ、それに応答する検出器出力を生成するための検出 器(108)と、 該検出器に接続され、かつ、粒子特性を示すシステム出力を供与するための該 検出器出力に応答する、処理手段（111）とを備える、請求項１に記載の粒子検 出システム。 ７．サンプル流体(100)においてサブミクロン寸法の粒子（101）を検出するため の方法であって、 該サンプル流体から非粘性フロー噴流（310、1201、1310）を発生する工程と 、 光のビーム（103、105、315、1202、1315）を該非粘性フロー噴流に向けて方 向付ける工程であって、該光ビームは、該交差領域における該非粘性フロー噴流 の容積測定サンプリングのための交差領域（112、321）で該非粘性フロー噴流と 交差し、粒子の全ては、実質的に同一速度で、該交差領域を通って移動して、粒 子検出を目的として、該光のビームから光を散乱させる、工程と、 該散乱された光を検出し、かつ、該粒子を示す出力を供与する工程とを特徴と する、方法。 ８．前記発生する工程は、 サンプル流体入り口（305）を通して前記サンプル流体を受容する工程と、 該サンプル流体を減速させる工程と、 減速された速度でノズル手段（308、701、901）に該サンプル流体を方向付け る工程と、 該ノズル手段からの前記非粘性フロー噴流の流体を回収する工程であって、該 非粘性フロー噴流は噴流速度で該ノズル手段から噴出し、該減速された速度は該 噴流速度よりも低い、工程とを含む、請求項７に記載の粒子検出方法。 ９．前記減速する工程は、 減速チャンバー直径を特徴とする減速チャンバー(301)において、前記サンプ ル流体入り口から受容される前記サンプル流体を減速させる工程を含み、該減速 チャンバー直径は、該サンプル流体入り口の入り口直径よりも相当大きい、請求 項８に記載の粒子検出方法。 10．前記方向付ける工程は、 前記サンプル流体を前記ノズル手段に方向付ける工程を含み、前記ノズル開口 はノズル直径(502)を特徴とし、該ノズル直径は、少なくとも前記ノズル厚さと 同程度の大きさである、請求項８に記載の粒子検出方法。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．サンプル流体(100)においてサブミクロン寸法の粒子(101)を検出するための システム(10)であって、 該サンプル流体から非粘性フロー噴流（310、1201、1310）を生成するための 、非粘性フロー手段（308）と、 該非粘性フロー噴流に向けて方向付けられる光のビーム（103、105、315、120 2、1315）を提供する照射手段（102、304）であって、該光ビームは、該交差領 域において該非粘性フロー噴流の容積サンプリングを許容する交差領域（112、3 21）において、該非粘性フロー噴流と交差し、この場合、該交差領域を通って実 質的に同一速度で移動する粒子の全ては、粒子検出を目的として、該光のビーム から光を散乱する、照射手段と、 該散乱光を受容し、かつ、該粒子を示す出力を供与する、検出手段（108、319 ）とを特徴とする、システム。 ２．前記非粘性フロー手段は、 前記サンプル流体が受容されて通るサンプル流体入り口(305)を有する流体減 速手段（301）と、 該サンプル流体が該サンプル流体入り口から減速された速度で流れる、ノズル 手段（308、701、901）と、 前記非粘性フロー噴流が該ノズル手段から噴流速度で噴出する流体回収手段（ 302、1302）であって、該減速された速度が該噴流速度よりも低い、流体回収手 段とを備える、請求項１に記載の粒子検出システム。 ３．前記ノズル手段は、 前記流体減速手段の内部と隣接する入り口表面（703、903）と、 前記流体回収手段の内部と隣接し、かつ、ノズル厚さ（501、906）により該入 り口表面から分離された出口表面と、 該入り口表面と該出口表面との間に在るノズル開口（309、702、902）であっ て、そこを通って、前記サンプル流体が流れ、かつ、該流体回収手段への前記粘 性流体噴流として発射される、ノズル開口とを備える、請求項２に記載の粒子検 出システム。 ４．前記ノズル開口はノズル直径（502）を特徴とし、該ノズル直径は少なくと も、前記ノズル厚さ（501）と同程度に大きい、請求項３に記載の粒子検出シス テム。 ５．前記ノズル開口（902）は、実質的に長円形であり、かつ、第１噴流直径と 第２噴流直径とを特徴とする実質的に長円形形状を有する前記非粘性フローを生 成し、該第２噴流直径は該第１噴流直径よりも相当に大きく、該第２噴流直径は 前記光のビームに関して実質的に平行に配向されて、該第２噴流直径に沿って高 アスペクト比を供与する、請求項４に記載の粒子検出システム。 ６．前記検出手段は、 前記散乱光を受容し、かつ、それに応答する検出器出力を生成するための検出 器(108)と、 該検出器に接続され、かつ、粒子特性を示すシステム出力を供与するための該 検出器出力に応答する、処理手段（111）とを備える、請求項１に記載の粒子検 出システム。 ７．サンプル流体(100)においてサブミクロン寸法の粒子（101）を検出するため の方法であって、 該サンプル流体から非粘性フロー噴流（310、1201、1310）を発生する工程と 、 光のビーム（103、105、315、1202、1315）を該非粘性フロー噴流に向けて方 向付ける工程であって、該光ビームは、該交差領域における該非粘性フロー噴流 の容積測定サンプリングのための交差領域（112、321）で該非粘性フロー噴流と 交差し、粒子の全ては、実質的に同一速度で、該交差領域を通って移動して、粒 子検出を目的として、該光のビームから光を散乱させる、工程と、 該散乱された光を検出し、かつ、該粒子を示す出力を供与する工程とを特徴と する、方法。 ８．前記発生する工程は、 サンプル流体入り口（305）を通して前記サンプル流体を受容する工程と、 該サンプル流体を減速させる工程と、 減速された速度でノズル手段（308、701、901）に該サンプル流体を方向付け る工程と、 該ノズル手段からの前記非粘性フロー噴流の流体を回収する工程であって、該 非粘性フロー噴流は噴流速度で該ノズル手段から噴出し、該減速された速度は該 噴流速度よりも低い、工程とを含む、請求項７に記載の粒子検出方法。 ９．前記減速する工程は、 減速チャンバー直径を特徴とする減速チャンバー(301)において、前記サンプ ル流体入り口から受容される前記サンプル流体を減速させる工程を含み、該減速 チャンバー直径は、該サンプル流体入り口の入り口直径よりも相当大きい、請求 項８に記載の粒子検出方法。 10．前記方向付ける工程は、 前記サンプル流体を前記ノズル手段に方向付ける工程を含み、前記ノズル開口 はノズル直径(502)を特徴とし、該ノズル直径は、少なくとも前記ノズル厚さと 同程度の大きさである、請求項８に記載の粒子検出方法。