JP2005321309A - 微小粒子粒径分布測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エアロゾル中の直径１００ｎｍ以下の微小粒子、特に直径５０ｎｍ〜２ｎｍの微小粒子について、その粒径を計測できる微小粒子粒径分布測定方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 測定対象の微小粒子Ｍを加速する粒子加速手段１１を備え、該粒子加速手段１１から放出される微小粒子Ｍの飛行速度ｖから、該微小粒子Ｍの粒径Ｄｐを検出する装置において、電子銃１３，１４とこれに対向して配置された二次電子増倍管１５，１６を２対、微小粒子Ｍの飛行方向に所定の距離ｄを置いて設け、前記電子銃１３，１４によって照射される電子ビームを前記微小粒子Ｍが横切ったことを前記二次電子増倍管１５，１６で検知し、前記微小粒子Ｍの横切りを検知した時刻の差Δｔと前記所定の距離ｄとから、前記微小粒子Ｍの飛行速度ｖを検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車の排気ガスに含まれる粒子状物質等の微小粒子の粒径分布を測定する微小粒子粒径分布測定方法及びその装置に関するものである。

大気中に浮遊する微小粒子は健康との関連で、その粒径分布を知ることが重要となってきている。特に、自動車に搭載されたディーゼル内燃機関から排出される粒子状物質（ＰＭ：パティキュレート・マター：以下ＰＭとする）においては、最近は、公害対策の面から、直径１００ｎｍ以下の微小粒子、特に５０ｎｍ〜２ｎｍサイズの微小粒子が注目され、その粒径分布を知ることが重要となって来ている。

例えば、排気ガス浄化システムの評価においては、粒径により健康に対する有害性が異なることが分かってきているため、単に除去された微小粒子の量による評価だけでなく、上流側の排気ガス中の微小粒子の粒径分布とその量が、下流側ではどのような粒径分布とその量になっているかによって評価されるようになってきており、粒径測定が重要となって来ている。

従来技術の一般的な粒径測定方法では、対象とする粒子が含まれているエアロゾルに、レーザー光を照射し、レーザー回析光の空間分布強度の変化から粒径を求めている。しかしながら、レーザー光の波長の１０分の１以下等の非常に小さい微小粒子になると散乱現象が異なってくるため、１００ｎｍ程度が測定の下限となるので、異なる原理に基づく粒径測定方法が提案されてきている。

この１００ｎｍ以下のパーティクルを迅速・簡便に計測・評価するための粒径測定方法として、エアロゾルに内在するパーティクル（粒子）を荷電した後、パーティクル分級管内の二重円筒間の静電場により偏向して、特定の軌道のパーティクル数をカウントするパーティクルカウンタが提案されているが、このパーティクルカウンタでは、粒径測定の精度を確保するには、円筒間の流れの乱れを押さえる必要があるため、サンプリング時の圧力／流量の影響を受け易く、また、下流のオリフィス近傍の圧力降下による流れの乱れ等から誤差が生じるという問題がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、測定対象の粒子を浮遊させたガスを引き込んで、ビームフォーマで粒子ビームを形成し、この粒子を粒子荷電ユニットで荷電し、平行偏向板による電場で、粒子の飛行経路を偏向させてスリットを通る粒子の数や量を検出器で検出し、この偏向角の違いにより、粒径を求める大気中粒子の分析器が提案されているが、この粒径分布の測定では、偏向板間の電圧、粒子速度、偏向角等の、粒径測定に影響する因子が多く、測定誤差が大きくなるという問題や、異なった粒径の粒子を測定するためには、平行偏向板間の電圧を走査する必要があるが、この走査に一定の時間が必要となるため、高速な測定には適していないという問題がある（例えば、特許文献２参照。）。

一方、これらの粒子を荷電させて電場により偏向させる粒径測定方法とは別に、粒子加速手段（ビームフォーマ）により加速され放出された粒子の飛行速度が粒径に相関するので、飛行速度を検出してその飛行速度から粒径を検出する粒径測定方法がある。この飛行時間を測定する区間は減圧された真空状態にし、安定した計測を可能としている。この装置は、微小粒子の成分分析装置の前段の粒径測定に用いられたりしている。

この方法の一つとして、ビームフォーマで形成された粒子ビームを、ビームチョッパでパルス状にすることにより、粒子の進行方向に関して、小さな粒子を大きな粒子よりも前に検出器に到達させるようにして、ビームチョッパと検出器の間の飛行時間に基づいて粒径の測定を行っている大気中粒子の分析器が提案されているが、ビームチョッパの回転精度、粒子ビームが遮断されていない時間の断片の周期（デューティサイクル）の精度等の影響のため、粒径測定の精度、即ち、解像度（分解能）が低いという問題がある（例えば、特許文献２（他の実施例）参照。）。

そして、図４に示すように、測定対象の微小粒子を含んだエアロゾルを粒子加速手段１１で吸引して、エアロゾルのビームを形成して、ドリフトチューブ１８の真空中を通過させ、この通過速度ｖを、一定の距離ｄ離れて配置されたレーザー装置２３，２４で照射したレーザービームを微小粒子Ｍが横切る時間を、レーザーの散乱光を光電子倍増管２５，２６で検出することにより検知する。この検知した時間の差Δｔと距離ｄとから微小粒子Ｍの飛行速度ＶｍをＶｍ＝ｄ／Δｔにより算出し、この飛行速度Ｖｍから、使用した粒子加速手段１１における粒径Ｄｐと速度Ｖｐの相関曲線に基づいて、測定した微小粒子Ｍの粒径Ｄｐを算定する。そして、この微小粒子Ｍはイオン化室２７を経由して質量分析装置２８に入る。この粒径測定方法では、個々の微小粒子に対してそれぞれの飛行時間を測定するため、精度及び分解能が高い測定が可能となる。

しかしながら、微小粒子の飛行時間の測定にレーザー光を用いた場合には、微小粒子の粒径がレーザー光の波長と同等かそれより小さくなると、微小粒子通過の際のレーザー光の散乱が小さくなって通過の検出が困難となってしまうため、測定可能な粒径の大きさの下限が制限されるという問題がある。つまり、従来技術のレーザー光を用いる微小粒子粒径分布測定装置ではレーザー光の波長が長いため、求める微小粒径までの計測ができない。そのため、特に、最近注目されている超微小粒子（粒径１００ｎｍ以下の粒子）の測定は難しいという問題がある。
特開２００３−３５６５２号公報 特表２００２−５０６２０１号公報

本発明の目的は、直径１００ｎｍ以下の微小粒子、特に直径５０ｎｍ〜２ｎｍの微小粒子について、その粒径を計測できる微小粒子粒径分布測定方法及びその装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の微小粒子粒径分布測定方法は、測定対象の微小粒子が浮遊するエアロゾルを収束して加速する粒子加速手段を備え、該粒子加速手段から放出されるエアロゾル中の微小粒子の飛行速度から、該微小粒子の粒径を検出する装置において、電子銃とこれに対向して配置された二次電子増倍管を２対、微小粒子の飛行方向に所定の距離を置いて設け、前記電子銃によって照射される電子ビームを前記微小粒子が横切ったことを前記二次電子増倍管で検知し、前記微小粒子の横切りを検知した時刻の差と前記所定の距離とから、前記微小粒子の飛行速度を検出することを特徴とする。

また、上記の微小粒子粒径分布測定方法において、微小粒子の個数を検出する検出器を備え、前記飛行速度から前記微小粒子の粒径を算出すると共に、該粒径に相応する微小粒子の個数を検出して、測定対象のエアロゾル中の微小粒子の粒径分布を算出することを特徴とする。

あるいは、上記の目的を達成するための微小粒子粒径分布測定方法は、前記粒子加速手段により、測定対象である微小粒子を含むエアロゾルを、測定器内の真空と外部との気圧差を利用して取り入れて微小粒子を加速し、該加速された微小粒子をチョッパでパルス状にすると共に、所定の距離を隔てて設置した複数の電子銃が照射する電子ビームを通過させ、該電子ビームを横切った時の電子ビームの強度変化を、前記電子銃に対向して配置された二次電子増倍管の出力変化によって検知し、該検知時間の差と前記所定の距離とから微小粒子の飛行速度を算出し、該飛行速度から予め設定された飛行速度と粒径の関係に基づいて粒径を算出することを特徴とする。

そして、上記の目的を達成するための微小粒子粒径分布測定装置は、測定対象の微小粒子が浮遊するエアロゾルを収束して加速する粒子加速手段を備え、該粒子加速手段から放出されるエアロゾル中の微小粒子の飛行速度から、該微小粒子の粒径を検出する装置において、微小粒子の飛行方向に所定の距離を持って設けられた、２対の電子銃と二次電子増倍管と、前記二次電子増倍管の出力から、前記電子銃によって照射される電子ビームを前記微小粒子が横切った時刻を検知する通過検知手段と、該通過検知手段で検知された前記横切り時刻の差と前記所定の距離とから、前記微小粒子の飛行速度を算出する速度算出手段を備えたことを特徴とする。

また、上記の微小粒子粒径分布測定装置において、微小粒子の個数を検出する検出器と、前記飛行速度から前記微小粒子の粒径を算出する粒径算出手段と、測定された粒径と、該粒径に相応する微小粒子の個数とから、測定対象のエアロゾル中の微小粒子の粒径分布を算出する粒径分布算出手段とを備えたことを特徴とする。

上記の特徴を有する微小粒子粒径分布測定方法及びその装置によれば、粒子加速手段によりビーム化されたエアロゾル中の微小粒子の飛行時間の測定に、レーザービームでなく、電子ビームを用いているので、レーザービームでは微小粒子による散乱が小さく通過の検出が困難であった直径が５０ｎｍ〜２ｎｍの超微小粒子の通過を検出できる。そのため、粒径の測定範囲の下限をレーザー光でのに測定がほぼ不可能となる超微小粒子の粒径分布を測定することが可能となる。

従って、本発明の微小粒子粒径分布測定方法及びその装置を、微小粒子の粒径別成分分析方法及びその装置と組み合わせることにより、超微小粒子の粒径範囲まで成分分析が可能となるため、超微小粒子の研究等に特に有用な方法及びその装置を提供できるようになる。

本発明の微小粒子粒径分布測定方法及びその装置によれば、粒子加速手段によりビーム化されたエアロゾル中の微小粒子の飛行時間の測定に、電子銃と二次電子倍増管を用いているので、直径が５０ｎｍ〜２ｎｍの超微小粒子の通過を検出でき、粒径の測定範囲の下限を超微小粒子やナノ粒子の粒径領域まで拡大できる。

以下、本発明に係る実施の形態の微小粒子粒径分布測定方法及びその装置について、図面を参照しながら説明する。

図１に、この実施の形態の微小粒子粒径分布測定装置１の構成を示す。この微小粒子粒径分布測定装置１は、粒子加速手段（ビームフォーマ：空力レンズ）１１、チョッパ１２、第１電子銃１３、第２電子銃１４、第１二次電子増倍管１５、第２二次電子増倍管１６、検出器１７を、筒状体のドリフトチューブ１８に設けて構成される。

この粒子加速手段１１は、ドリフトチューブ１８の一端側に設けられ、粒子加速手段１１の出口側にチョッパ１２が配置される。一方、検出器１７は、ドリフトチューブ１８の他端側に設けられる。また、第１電子銃１３と第２電子銃１４は、測定距離ｄを隔てて、ドリフトチューブ１８の内を通過する微小粒子Ｍに電子ビームを照射できるように、ドリフトチューブ１８の壁面に配置され、第１二次電子増倍管１５、第２二次電子増倍管１６は、それぞれ、第１電子銃１３と第２電子銃１４の電子ビームが入射する位置に配置される。

そして、計測に際しては、ドリフトチューブ１８は、粒子加速手段１１側の第１吸引口１８ａと、検出器１７側の第２吸引口１８から真空ポンプ（図示しない）によって吸引され、その内部は１０^-3Ｐａ程度の真空に維持される。

この粒子加速手段１１では、ドリフトチューブ１８内が真空であるため、測定器内の真空と外部との気圧差により、測定対象の微小粒子Ｍを含むエアロゾルが、粒子加速手段１１の入口のオリフィス１１ａより内部に吸引され、数段のレンズを通過する間に収束される。このエアロゾル中の微小粒子Ｍは、微小粒子Ｍの粒径が小さい程飛行速度ｖが大きくなり、ほぼ運動エネルギーの等しい粒子ビームとなり、粒子加速手段１１の出口１１ｂより放出される。

この粒子加速手段１１の出口１１ｂは、真空ポンプ（図示しない）よって高真空に排気されたドリフトチューブ１８に接続され、放出された微小粒子Ｍは、出口１１ｂから一定間隔空くように設けられたチョッパ１２を経由して、第１電子銃１３の電子ビームと第２電子銃１４の電子ビームを横切って、検出器１７へ入るように構成される。

このチョッパ１２は、スリットの入った回転ディスクで形成され、回転によりスリットを通過する粒子ビーム以外をカットして、検出器１７に向かう粒子ビームを短時間の間だけ通過させてパルス状ビームとして切り出す。

このチョッパ１２を通過した微小粒子Ｍは、一定速度ｖで第１電子銃１３による電子ビームを横切り、時間Δｔの後に、距離ｄ離れた第２電子銃１４による電子ビームを横切り、更に、飛行を継続して検出器１７へ入射する。この微小粒子Ｍが電子ビームを通過すると、電子ビームが照射されている第１及び第２二次電子増倍管１５，１６の出力が変化する。この第１及び第２二次電子増倍管１５，１６の出力の変化を検出した時間の差から、距離ｄを飛行するのに要した時間Δｔが求められる。そして、この時間Δｔと距離ｄとから、微小粒子Ｍの飛行速度ｖが、ｖ＝ｄ／Δｔで算出される。

図２にこの時の各装置の信号出力を示す。チョッパ１２を時刻ｔ０に通過した微小粒子Ｍは、時刻ｔ１後に第１電子銃１３で照射される電子ビームを横切り、時刻ｔ２後に第２電子銃１４に照射される電子ビームを横切り、時刻ｔ３後に検出器１７に入る。この第１電子銃１３で照射される電子ビームを横切りの時刻ｔ１は、第１二次電子増倍管１５の出力信号Ｓ１の変化により検出でき、また、第２電子銃１４で照射される電子ビームを横切りの時刻ｔ２は、第２二次電子増倍管１６の出力信号Ｓ２の変化により検出できる。また、検出器１７に入った時刻ｔ３は検出器１７の出力信号Ｓ３の変化により検出できる。

そして、微小粒子Ｍの飛行速度ｖは、ｖ＝ｄ／Δｔ＝ｄ／（ｔ２−ｔ１）と算出される。なお、第２電子銃１４の照射点から検出器１７までの距離をｄｘとすると、ｔ３＝ｔ２＋ｄｘ／ｖとなるので、時刻ｔ３に検出器１７で検出された微小粒子Ｍは、粒子加速手段１１により飛行速度が速度ｖとなっていることが検出される。

この検出された飛行速度ｖから、粒子加速手段１１に対応して設定される、図３に示すような粒径と飛行速度の相関線図（相関曲線Ｃ）を基に、微小粒子Ｍの粒径Ｄｐを求めることができる。これにより、１つの微小粒子Ｍの粒径Ｄｐの測定が完了する。この測定を繰り返すことにより、微小粒子全体の粒径Ｄｐを測定することができ、また、その粒径Ｄｐの微小粒子Ｍの数をカウントすることにより粒径分布を測定することができる。

つまり、測定対象の微小粒子Ｍを含んだエアロゾルは粒子加速手段１１により、吸引され、粒子ビームを形成し、その後チョッパ１２によりパルス状に変化させられ、一定距離ｄだけ離れた電子銃１３，１４から照射される電子ビーム間を通過する際の電子ビーム強度変化を二次電子倍増管１５，１６により検出する。この電子ビーム間の飛行時間Δｔから、微小粒子の飛行速度ｖ＝ｄ／Δｔを算出し、この飛行速度ｖを使用した粒子加速手段における粒径Ｄｐと飛行速度ｖの相関関係により、微小粒子Ｍの粒径Ｄｐを算定する。

この構成の微小粒子粒径分布測定装置１によれば、微小粒子Ｍの通過時刻ｔ１，ｔ２を電子銃１３，１４と二次電子増倍管１５，１６の組合せによって検出しているので、レーザー光による検出よりも、直径１００ｎｍ以下の微小粒子、特に直径５０ｎｍ〜２ｎｍの微小粒子Ｍにおいても、その通過を確実に検知することができる。従って、正確に、微小粒子Ｍの飛行時間Δｔを検出して、精度良く微小粒子Ｍの粒径Ｄｐを求めることができる。

本発明に係る実施の形態の微小粒子粒径分布測定装置の構成図である。 本発明に係る実施の形態の微小粒子粒径分布測定装置の信号処理の一例を示す図である。 粒子加速手段の粒径−速度相関線図の一例を示す図である。 従来技術の微小粒子粒径分布測定装置の構成図である。

符号の説明

１ 微小粒子粒径分布測定装置
１１ 粒子加速手段
１１ａ オリフィス
１１ｂ 粒子加速手段の出口
１２ チョッパ
１３ 第１電子銃
１４ 第２電子銃
１５ 第１二次電子増倍管
１６ 第２二次電子増倍管
１７ 検出器
１８ ドリフトチューブ

Claims (5)

1. 測定対象の微小粒子が浮遊するエアロゾルを収束して加速する粒子加速手段を備え、該粒子加速手段から放出されるエアロゾル中の微小粒子の飛行速度から、該微小粒子の粒径を検出する装置において、電子銃とこれに対向して配置された二次電子増倍管を２対、微小粒子の飛行方向に所定の距離を置いて設け、前記電子銃によって照射される電子ビームを前記微小粒子が横切ったことを前記二次電子増倍管で検知し、前記微小粒子の横切りを検知した時刻の差と前記所定の距離とから、前記微小粒子の飛行速度を検出することを特徴とする微小粒子粒径分布測定方法。
2. 微小粒子の個数を検出する検出器を備え、前記飛行速度から前記微小粒子の粒径を算出すると共に、該粒径に相応する微小粒子の個数を検出して、測定対象のエアロゾル中の微小粒子の粒径分布を算出することを特徴とする請求項１に記載の微小粒子粒径分布測定方法。
3. 前記粒子加速手段により、測定対象である微小粒子を含むエアロゾルを、測定器内の真空と外部との気圧差を利用して取り入れて微小粒子を加速し、該加速された微小粒子をチョッパでパルス状にすると共に、所定の距離を隔てて設置した複数の電子銃が照射する電子ビームを通過させ、該電子ビームを横切った時の電子ビームの強度変化を、前記電子銃に対向して配置された二次電子増倍管の出力変化によって検知し、該検知時間の差と前記所定の距離とから微小粒子の飛行速度を算出し、該飛行速度から予め設定された飛行速度と粒径の関係に基づいて粒径を算出することを特徴とする微小粒子粒径分布測定方法。
4. 測定対象の微小粒子が浮遊するエアロゾルを収束して加速する粒子加速手段を備え、該粒子加速手段から放出されるエアロゾル中の微小粒子の飛行速度から、該微小粒子の粒径を検出する装置において、微小粒子の飛行方向に所定の距離を持って設けられた、２対の電子銃と二次電子増倍管と、前記二次電子増倍管の出力から、前記電子銃によって照射される電子ビームを前記微小粒子が横切った時刻を検知する通過検知手段と、該通過検知手段で検知された前記横切り時刻の差と前記所定の距離とから、前記微小粒子の飛行速度を算出する速度算出手段を備えたことを特徴とする微小粒子粒径分布測定装置。
5. 微小粒子の個数を検出する検出器と、前記飛行速度から前記微小粒子の粒径を算出する粒径算出手段と、測定された粒径と、該粒径に相応する微小粒子の個数とから、測定対象のエアロゾル中の微小粒子の粒径分布を算出する粒径分布算出手段とを備えたことを特徴とする請求項４に記載の微小粒子粒径分布測定装置。
   

Images