JP2007504454A - 粒子検出装置及び方法 - Google Patents

Abstract

粒子の検出及び特性決定装置は粒子が流れる絶縁管(５０)を有する。前記管の外部に沿って間隔を置いて配置された５つの電極(５１，５２，５５，５６)及び（５７）が増幅器(６１)及び(６２)を経て、粒子の電荷を測定するように構成されたプロセッサ(６８)に接続される。本装置は、レーザ（１１）と光電子増倍管（２３）も含み、粒子の大きさも測定するよう構成され、粒子の性質をそれらの電荷と大きさから決定する。

Description

本発明は、粒子の検出及び特性決定技術に関するものである。

浮遊微小粒子を検出し識別するために、イオン移動度分光分析、サイクロン集塵などの種々の技術が使用されている。これらの技術は、特に生物学的粒子のような微小粒子を検出する際に種々の欠点をこうむる。

本発明の目的は、従来のものと異なる粒子の特性決定装置及び方法を提供することにある。

本発明の第１の態様は粒子の特性を決定する装置であって、該装置は粒子の電荷を決定する第１の手段と、粒子の第２の特性を決定する第２の手段とを含み、且つ該装置は粒子の性質の表示を前記電荷と前記第２の特性に従って付与することを特徴とする。

前記第２の特性は粒度とするのが好ましく、粒度を決定する手段は光学的手段とすることができる。本発明の粒子の特性決定装置は前記第２の手段の１つにつき複数の第１の手段を含むことができる。前記第１の手段は、粒子の通路を構成する手段と、該通路に沿って間隔を置いて配置された複数の電極とを具え、粒子が前記通路に沿って通過するとき電気出力を発生するように構成される。前記通路を構成する手段は管を具えるものとするのが好ましい。前記通路に沿って間隔を置いて５つの電極を配置するのが好ましい。最外側の電極は接地し、最外側電極に隣接する２つの電極は相互接続し、中心電極と２つの相互接続電極との差信号から出力信号を導出することができる。前記管は約０．５ｍｍの内径を有するものとすることができる。本装置は約１０μｍより大きい粒子が前記管に入るのを阻止する手段を具えるのが好ましい。

本発明の他の態様は粒子の特性を測定する方法であって、該方法は粒子の電荷を測定するステップと、粒子の第２の特性を測定するステップ、前記電荷と前記第２の特性から粒子の性質を表す出力を供給することを特徴とする。

前記第２の特性は粒度とするのが好ましい。

本発明の第３の態様は粒子の特性を測定する装置であって、該装置は、管内を粒子が流れるように構成された管と、前記管の両端側にそれぞれ配置された第１及び第２の外側電極と、該第１及び第２の電極にそれぞれ隣接する第３及び第４の電極と、該第３及び第４電極の間に配置された第５の電極と、前記第１及び第２の電極を大地へ接続する接続手段と、前記第３及び第４電極を相互接続するとともに測定手段に接続する接続手段と、前記第５の電極を測定手段に接続する接続手段とを具え、前記測定手段が前記第３及び第４の電極の信号を前記第５の電極の信号から減算して粒子の電荷を表す信号を導出するように構成されていることを特徴とする。

一例として、本発明の粒子特性決定装置を図面を参照して以下に説明する。
最初に、図１につき説明すると、本例装置は金属基板１を具え、その上にほぼ長方形の支持アセンブリ２が取り付けられ、該支持アセンブリ２は縦方向に延在するリセス３を有し、このリセス内に、上面に冷却フィンを有する電荷測定アセンブリ４が配設される。支持アセンブリ２は片側にボックス形のインレット構造を有し、電荷測定アセンブリのインレット側に引かれる空気のためのプレナムチャンバを構成する。電荷測定アセンブリ４の反対側に沿って延在するボックス形アウトレット構造６は基板の下部表面にプレナムチャンバと王とレット開口を有し、該開口を経て空気を装置からポンプ排出することができる。第３の構造７はアセンブリ４への電気接続を与える。電荷測定アセンブリ４の他の細部は以下に説明する。

基板１は数字１０で全体を示す光レーザ装置の形態の粒度測定手段も支持する。光レーザ装置１０は基板１上に水平に且つ支持アセンブリ２に平行に延在するよう取り付けられたレーザ管１１を含む。２つの傾斜ミラーアセンブリ１２及び１３がレーザ管１１の一端から射出する放射ビームを電荷測定アセンブリ４の軸方向に向け、特に放射ビームを電荷測定アセンブリの一端の窓１４に入射させ、該アセンブリの長さに沿って通過させてその他端から射出させ、光ビームダンプ１５で吸収させる。

電荷測定アセンブリは図２及び図３に詳細に示されている。アセンブリ４は長方形金属ブロック２０を具え、その前側表面２１には１０個のリセス２２がブロックの右端に向かって横方向に並んで延在する。光電子増倍管（ＰＭＴ）２３が粒子の大きさを測定するためにブロック２０の前側表面の左端側に取り付けられる。ブロックの後側表面２４は、図３に示すように、その長さに沿って延在する浅いリセス２５を有するとともに、前側表面のそれぞれのリセス２２と整列してリセス２５に開口する１０個の円形の孔２６を有する。レーザ通路を構成する溝２７が孔２６を直径方向に横切って延在する。溝２７の下端(図３に示されている)は窓１４に開口する。溝２７は、その他端で、ブロック２０の端まで延在する管状ガイド２８に開口し、光ダンプ１５が接続されるカップリング２９で終端される。

ブロック２０のリセス２２の各々は図４及び図５に詳細に示す種類の電荷センサ４０を含む。各センサ４０は、２つの支持ピラー４３及び４４により互いに離間された長方形の上板４１とこれより小さい下板４２を有する。上板４１の周囲を延在するＯリングシール４５がそれぞれのリセス２２とハーメチックシールを形成し、各センサ４０は上板４１の両端の２つのねじ孔４６を通してブロック２０のねじ切り孔(図示せず)にねじ込まれるねじによって保持される。上板４１は空気管４７(図４)を有する。管４７は、板４１の下部で電荷センサ管５０(図５に詳細に示されている)の上端を支持するとともに該上端と接続する。電荷センサ管５０の下端は下板４２のリセス７０内に支持される。リセス７０は、金属構造体と電荷センサ管５０の電極との間のストレイキャパシタンスを低減するためにその下端の縮小孔に向けてテーパが付けられた円形のへこみとする。上板４１は電荷センサ管５０の電極に接続された電気コネクタ４９も支持する。

電荷センサ管５０は図５に詳細に示されており、ガラスやセラミックのような電気絶縁材料からなり、約１ｍｍの外径、約０．５ｍｍの内径の円形断面を有するとともに３０ｍｍの長さを有する。管５０はその外表面上に管の長さに沿って間隔を置いて配置された５つのリング状電極を有する。これらの電極を管の外表面上に設けるのは、管内を流れる空気は湿気を含み導電性であるためである。管５０の両端の２つの電極５１及び５２は各々８ｍｍの長さを有し、各々０．５ｍｍの長さの絶縁空隙５３及び５４により各々０．５ｍｍの長さの２つの中間電極５５及び５６から分離される。１ｍｍの長さの中心電極５７は各々０．５ｍｍの長さの絶縁空隙５８及び５９により中間電極から分離される。２つの外側電極５１及び５２は接地接続する。２つの中間電極５及び５６は相互接続し、図７に示す回路を用いてこれらの電極の信号を中心電極５７の信号から減算する。管５０の下端はリセス７０及び下板４２の下面上に形成された円形ボス６０を貫通する。電極５１，５２，５５，５６，５７は管５０の下端側に位置させて、電荷測定電極５５，５６，５７と管の端における粒度測定との間の距離が最小になるようにする。

各センサ４０の回路は、中心電極５７及び中間電極対５５及び５６にそれぞれ接続された２つの同一の増幅回路６１及び６２を具える。各増幅回路６１及び６２は低雑音電荷増幅器６３と、低域通過フィルタ６４と、第２増幅器６５と、アナログ−ディジタル変換器６６とを具える。各回路６１及び６２からのディジタル出力は減算装置６７に供給され、その出力は雑音を低減する適切な処理を具えたディジタルプロセッサ６８に供給される。プロセッサ６８は他の９個のセンサユニット４０から９個の入力を受信する。各センサユニット４０からの出力信号は図６に示す波形を示す。

動作中は、外部に位置するポンプ(図示せず)により空気が装置に吸引される。空気は既知の種類の選別フィルタで予備調整して１μｍ〜１０μｍの範囲外の粒子を除去する。小さすぎる粒子は雑音を生じ、大きすぎる粒子は管５０を詰まらせる恐れがある。所望の粒度範囲外の粒子を除去するために使用する技術は残存粒子の電荷に最小の影響を与えるのみとするのが重要である。

予備調整された容疑粒子含有空気は１０個のセンサの各々の電荷センサ管５０に流入する。装置の流量が約１０Ｌ／分の場合には、各管５０の流量は約１００ｍ／秒である。センサ４０を流れる空気中に粒子が存在すると、図６に示す種類の出力応答が生ずる。図から明らかなように、発生するパルスＰの幅が強く抑制される。パルスＰの幅は電極リング５１,５２,５５,５６,５７の直径により決まり、直径が大きくなるほど広がった出力信号を発生する。装置を高い粒子スループットにおいて高信頼度の識別が得られるようにする場合には短い持続時間パルスが重要である。パルスＰの振幅は粒子上の電荷により決まる。センサ４０からの出力はプロセッサ６８に供給され、プロセッサ６８はデータにタイムスタンプを付加し、次いでハードディスクに蓄積する。レーザ測定装置１０はレーザ管１１からレーザ放射ビームを連続的に送出し、このビームはブロック２０の溝２７に沿って進み、管５０の下端から流出する粒子を横切る。ＰＭＴ２３の出力は粒子のサイズに依存し、この出力もプロセッサ６８に供給される。従って、プロセッサ６８は各検出粒子の電荷とサイズについての情報を受信する。この情報を蓄積情報と比較して粒子の性質を示す出力を供給する。

比較的高い電荷を保持する粒子、特に生物学的粒子、は人為的に発生されたものである可能性が高いため、危険の可能性があると考えられる。これは、噴霧器ノズルなどの通常の微小粒子発生機構は高速度の衝突を生ずるためである。この衝突により分子の分裂が生じ、その結果として一般に荷電粒子が生ずる。

管の寸法は変えることができるが、その直径は管の詰まりを十分に避けることと両立させてできるだけ小さくする必要がある。実際の最小内径は約５００μｍであり、壁厚は約２５０μｍであると考えられる。電荷センサの数は所望のスループットを達成するために変えることができる。

電荷センサ管と関連する一つの問題は、粒子が管の内壁と交差して摩擦帯電を発生し得ることである。粒子の性質に依存するが、ガラスやセラミックはかなり高い摩擦帯電性向を有することが知られている。一つの代替材料はＭｙｌａｒ（イー．アイ．デュポン社の登録商品名）であり、この材料は、今のところフィルム形態でのみ入手可能であるが、帯電列内においてほぼ中性のポリエステルフィルム材料である。

光学的粒度測定技術を用いて粒子の第２の特性を識別する代わりに、粒子の電荷と他の特性から粒子の性質を識別してもよい。

本発明装置の斜視図である。 電荷測定アセンブリの前側の斜視図である。 電荷測定アセンブリの後側の斜視図である。 図３のアセンブリ内の一つの電荷測定ユニットの斜視図である。 図４の電荷測定ユニットの管の斜視図である。 電荷測定ユニットの電圧出力を示すグラフである。 舗装値の電気回路を示す図である。

Claims (12)

1. 粒子の特性を決定する装置であって、該装置は粒子の電荷を決定する第１の手段と、粒子の第２の特性を決定する第２の手段とを含み、且つ該装置は前記電荷と前記第２の特性に基づいて粒子の性質を現す出力を供給することを特徴とする粒子特性決定装置。
2. 前記第２の特性が粒度であることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記第２の手段が光学装置であることを特徴とする請求項１又は２記載の装置。
4. 前記第１の手段が、粒子のための通路と、該通路に沿って間隔を置いて配置された複数の電極とを具え、粒子が前記通路に沿って通過するとき電気出力を発生するように構成されていることを特徴とする請求項１−３の何れかに記載の装置。
5. 前記通路が電気絶縁性の管により構成され、且つ前記電極が前記管の外表面上に設けられていることを特徴とする請求項４記載の装置。
6. 前記通路に沿って間隔を置いて配置された５つの電極を具えることを特徴とする請求項４又は５記載の装置。
7. 前記５つの電極のうち最外側の電極を接地し、最外側電極に隣接する２つの電極を相互接続し、中心電極の信号と前記２つの相互接続電極の信号との差から出力信号を導出することを特徴とする請求項６記載の装置。
8. 前記管は約０．５ｍｍの内径を有することを特徴とする請求項５−７の何れかに記載の装置。
9. 当該装置は約１０μｍより大きい粒子が前記管に入らないように阻止する手段を具えることを特徴とする請求項５−８の何れかに記載の装置。
10. 粒子の特性を決定する方法であって、該方法は粒子の電荷を測定するステップと、粒子の第２の特性を測定するステップ、前記電荷と前記第２の特性から粒子の性質を表す出力を供給することを特徴とする粒子特性決定方法。
11. 前記第２の特性は粒度であることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 粒子の特性を測定する装置であって、該装置は、管内を粒子が流れるように構成された管と、前記管の両端側にそれぞれ配置された第１及び第２の外側電極と、該第１及び第２の電極にそれぞれ隣接する第３及び第４の電極と、該第３及び第４電極の間に配置された第５の電極と、前記第１及び第２の電極を大地へ接続する接続手段と、前記第３及び第４電極を相互接続するとともに測定手段に接続する接続手段と、前記第５の電極を測定手段に接続する接続手段とを具え、前記測定手段が前記第３及び第４の電極の信号を前記第５の電極の信号から減算して粒子の電荷を表す信号を導出するように構成されていることを特徴とする粒子の電荷測定装置。

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