JP2011185939A

JP2011185939A - エアロゾル電荷調整および測定のための電気イオナイザ

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Publication number: JP2011185939A
Application number: JP2011052188A
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Inventors: William Dick; ディックウィリアム; Francisco J Romay; ジェイ．ローメイフランシスコ; Benjamin Y H Liu; ワイ．エイチ．リュウベンジャミン
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Current assignee: MSP Corp
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2011-09-22
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Abstract

【課題】ＤＭＳによる高精度のエアロゾル測定のための、放射性イオナイザによるボルツマン分布と同様な電荷分布を発生できる電気イオナイザを提供すること。
【解決手段】粒子上の電荷に変化を生じさせるために、ガス中の該粒子をイオンにさらす装置であって、該装置は、ガスが入る入口とガスが出る出口とを有するチャンバであって、該チャンバは導電性の壁を有する筐体によって囲まれており、該導電性の壁は接地電位に保持されている、チャンバと、該チャンバ中の該ガスと接触している露出された先端を有する電極であって、該電極は、該露出された先端が該導電性の壁の１つの区画に隣接して配置されている状態で、該導電性の壁とは異なる電位に保持されている、電極とを含み、該入口および出口は、該入口から該出口へのガス流路を画定し、該電極は、コロナ放電を生じて該チャンバ中にイオンの形成を起こすために十分な電圧の源に接続されている、装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、差動移動度分光法によるサイズ分布測定のための、エアロゾル粒子上の電荷を調整する方法および装置に関する。より詳細には、この開示は、エアロゾル粒子の電荷を測定に必要な所望のレベルに調整するために、ガス中のコロナ放電によって正および負のイオンを生成するための電気イオナイザに関する。過去に開発された他の電気イオナイザと比べて、本方法および装置は、そのような目的のために使用される従来の放射性イオナイザに近い、単純性、信頼性、容易な使用および精度を提供する。差動移動度分光法による測定に加えて、本電気イオナイザはまた、ガス中の粒子の帯電または電荷調整が重要な考察および要求である、様々な他の応用に使用され得る。

ガス中に懸濁された固体および／または液体の粒子は、エアロゾルと言われ、周囲の大気に、あるいは、人間の活動の結果として通常に存在する。ガス中に懸濁された粒子を測定するための方法および装置は、大気のエアロゾル研究および他の科学的および技術的分野のために重要であり、ここではガス中に懸濁された微小粒子が顕著な役割を果たす。

エアロゾル粒子の濃度およびサイズ分布を測定する重要な方法は、差動移動度分光法である。そのような測定のために、エアロゾル粒子、つまり、ガス中に懸濁された粒子は、粒子上に特定の電荷分布を創生するために、調整されなければならない。正しく電荷調整がされていない粒子は、誤差の多い結果を与える。ＭＳＰコーポレーションによって製造される広域粒子分光計(ＷＰＳ(商標））(製品情報誌、モデル１０００ＸＰ、広域粒子分光計、ＭＳＰコーポレーション（２００８））は、直径で０．０１μｍから１０μｍのエアロゾルサイズ分布を測定できる、そのような器具の１つである。この器具においては、０．０１から０．５μｍのエアロゾルサイズの部分領域は、差動移動度または走査移動度分光法によって測定される。両方共に差動移動度測定原理に基づいているので、この開示の目的に対して、我々は、差動移動度分光法つまりＤＭＳとして両方の測定アプローチを参照する。差動移動度分光法に基づく器具は、いくつかの製造者から利用可能である。本開示に記載する電気イオナイザは、これらのエアロゾル測定器具のいずれにも、原理的には使用され得る。

従来は、ＤＭＳのためのエアロゾル電荷調整は、放射性イオナイザによって達成されている。２つの一般に使用される放射性イオナイザは、クリプトン８５とポロニウム２１０（非特許文献１および非特許文献２）である。これらの放射性イオナイザは、放射崩壊によって生成される高エネルギ亜原子粒子を使用して、ガスをイオン化し、電荷調整のために必要な正および負のイオンを形成する。クリプトン８５はβ放射源であり、放射崩壊によって高エネルギのβ粒子、つまり電子、を生成する。ポロニウム２１０はα放射源であり高エネルギ亜原子のα粒子を生成し、これはヘリウム原子の原子核である。これらの高エネルギ亜原子粒子は、次いでガス分子と衝突して、電荷調整のための正および負のイオンを形成する。これらの亜原子粒子は、水素の場合で約１．０Åである単一の原子のサイズよりもずっと小さい。αおよびβ粒子は大きさで１．０Åよりもかなり小さい。

これに比較すると、エアロゾル粒子は、かなり大きい。直径１．０ｎｍの、これは１０Åであるが、エアロゾル粒子は、エアロゾル研究においては非常に小さいと考えられ、ＤＭＳによる粒子測定の下限サイズに近い。従って、そのような小サイズのエアロゾルは、核物理学の粒子よりもずっと大きいことになる。核物理学の粒子は、エアロゾル研究で興味のある粒子とは大きく異なる。これらの２つのタイプの粒子は、同じではなく、明確に区別されるべきである。この開示の目的として、特別に注記しない限り、興味のある粒子は、核物理学の亜原子粒子というよりもエアロゾル粒子である。

懸濁エアロゾル粒子を含むガスが、放射性崩壊によって生成された高エネルギ亜原子粒子にさらされると、ガスはイオン化し正および負のイオンを形成する。ガス状のイオンは、次いで、懸濁されたエアロゾル粒子と衝突し、ボルツマン分布と言われる特性電荷分布を生成する（非特許文献３）。

ここで、ｅは電荷の素単位であり、ｄは粒子直径、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度、ｎは粒子上の電荷の素単位の数であり、ｆ_ｎはｎ個の電荷素単位を運ぶアエロゾル中の粒子のフラクションである。表１は、ボルツマンの法則に従った粒子電荷分布を示す。

ボルツマン電荷平衡におけるエアロゾルは、正および負に帯電した粒子の濃度が実質的に等しい電荷分布を発現する。粒子上の正味の全電荷、つまり、粒子によって運ばれるすべての正および負の電荷の合計は、ゼロに等しい。結果として、ボルツマン電荷平衡におけるエアロゾルは、正味の全電荷を有さない。全体として、エアロゾルは電気的に中性であり、その一方、エアロゾル中の個別の粒子は、すべての粒子が帯電しているわけではないが、電荷を運び得る。ボルツマン電荷平衡を生成するために必要な条件は、非特許文献１および非特許文献２において議論されている。

懸濁粒子を運ぶエアロゾルが、適切な動作条件の下で放射性イオナイザを通ってエアロゾルを流すことによって電荷調整されて、表１に示される電荷分布を運ぶイオナイザから出てくる。この特定の電荷分布は、次いで、ＤＭＳによるサイズ分布分析のために使用される。

エアロゾル電荷調整のための電気イオナイザおよびＤＭＳによる測定は、従って、正確な測定結果を達成するために、放射性イオナイザによって発生されるボルツマン電荷分布と同様な電荷分布を発生しなければならない。放射性イオナイザと電気イオナイザとの差異の１つは、放射崩壊によって生成される亜原子粒子によるイオン化は、外部電界がない状態で生じ、一方、コロナ放電によって発生されるイオンによる電荷調整は、顕著な電場が存在する場合に生じることである。必ずしもすべての電気イオナイザが、エアロゾルをボルツマン分布を生成する程度にまで十分に電荷調整できるわけではない。結果として、ボルツマン分布と同様な電荷分布を発生できる電気イオナイザが、ＤＭＳによる高精度のエアロゾル測定のために必要である。放射性材料の使用規制の増加のため、そのようなイオナイザが現在必要であり、これは、放射性イオナイザ使用の魅力を少なくし、あるいは科学研究および技術応用に対する利便性を低減する。

電気イオナイザにおける別の開発は、非特許文献４に、また、特許文献１に記載されている。両者ともに、ＤＣコロナ放電を使用し、清浄な空気において正および負のイオンの別々の流れを発生し、次いで、これらはエアロゾルと混合され、電荷調整のための正および負のイオンを提供する。エアロゾルはこのように希釈され、これはいくつかの応用には不利な点である。多分、複雑性、信頼性および／またはコストの結果として、どちらのデバイスも広範囲に受け入れられることができていない。エアロゾル電荷中和への別のアプローチは、Ｒｉｅｂｅｌｅｔａｌによる特許文献２に記載されているような、ＡＣコロナ放電によるものである。

米国特許第６，５４４，４８４号明細書米国特許第７，０３１，１３３号明細書

Ｂ．Ｙ．Ｈ．ＬｉｕａｎｄＤ．Ｙ．Ｈ．Ｐｕｉ，「ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＮｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＡｅｒｏｓｏｌｓ」、Ｊ．ＡｅｒｏｓｏｌＳｃｉ．５：４６５−４７２（１９７４）Ｂ．Ｙ．Ｈ．Ｌｉｕ，Ｄ．Ｙ．Ｈ．ＰｕｉａｎｄＢ．Ｙ．Ｌｉｎ，「ＡｅｒｏｓｏｌＣｈａｒｇｅＮｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎｂｙＲａｄｉｏａｃｔｉｖｅＡｌｐｈａＳｏｕｒｃｅ」、ＰａｒｔｉｃｌｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ，３：１１１−１１６（１９８６）Ｗ．Ｃ．Ｈｉｎｄｓ，ＡｅｒｏｓｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐ．３０３，Ｗｉｌｅｙ（１９８２）Ｆ．Ｊ．Ｒｏｍａｙｕ，ＢＹ．Ｈ．ＬｉｕａｎｄＤ．Ｙ．Ｈ．Ｐｕｉ，「ＡＳｏｎｉｃＪｅｔＣｏｒｏｎａＩｏｎｉｚｅｒｆｏｒＥｌｅｃｔｒｏｓｔａｃｉｃＤｉｓｃｈａｒｇｅａｎｄＡｅｒｏｓｏｌＮｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ」ＡｅｒｏｓｏｌＳｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ，２０：３１−４１（１９９４）

この開示は、粒子上の電荷に変化を生じさせるために、ガス中の粒子をさらす装置を含み、この装置は、ガスが入る入口とガスが出る出口とを有するチャンバを含む。このチャンバは、導電性の壁を有する筺体によって囲まれており、この壁は、地面電位に保たれている。露出された先端を有する電極が、チャンバの中でガスと接触し、この電極は地面電位とは異なる電位に保たれている。入口および出口は、入口から出口までのガス流路を画定し、ガス流路は、主として低電場強度の空間の領域を通り過ぎる。電極は、コロナ放電を起こすのに十分な電圧の源に接続され、チャンバ中でのイオン形成を起こす。

方法は、また、ガス中の粒子上の電荷を調整して、差動移動度分光法によるエアロゾル測定のための、実質的に等しい濃度の正および負の帯電粒子および、該ガス中における、実質的にゼロの総粒子電荷を生成し、該方法は、ガスをチャンバを通って流れさせることを含み、ガスが入る入口とガスが出る出口とを有するこのチャンバは、ガス流路に沿ってチャンバを通って流れるガスを含み、この流路は、チャンバの入口からチャンバの出口に延び、主として低強度領域において生じる入口から出口へのガス流により、ＡＣコロナ放電を高電場強度領域と低電場強度領域とを有するチャンバ内に生成し、それによって、実質的に等しい濃度の正および負に帯電した粒子を生成し、かつ、実質的にゼロの総粒子電荷をガスの中に生成する。

本発明は、さらに以下の手段を提供する。
（項目１）
粒子上の電荷に変化を生じさせるために、ガス中の該粒子をイオンにさらす装置であって、該装置は、
ガスが入る入口とガスが出る出口とを有するチャンバであって、該チャンバは導電性の壁を有する筐体によって囲まれており、該導電性の壁は接地電位に保持されている、チャンバと、
該チャンバ中の該ガスと接触している露出された先端を有する電極であって、該電極は、該露出された先端が該導電性の壁の１つの区画に隣接して配置されている状態で、該導電性の壁とは異なる電位に保持されている、電極と
を含み、
該入口および出口は、該ガス流路が該露出された電極の先端と該電極の先端からより遠くの該導電性の壁の１つの区画との間を通過するように、該入口から該出口へのガス流路を画定し、
該電極は、コロナ放電を生じて該チャンバ中にイオンの形成を起こすために十分な電圧の源に接続されている、
装置。
（項目２）
上記電極が、鋭い先端を有する針電極を含む、上記項目に記載の装置。
（項目３）
上記電極は、該電極に取り付けられたある長さのワイヤを有するワイヤ電極を含み、該ワイヤは実質的に均一な直径を有する、上記いずれかの項目に記載の装置。
（項目４）
上記チャンバは、約６ｃｃと６００ｃｃとの間の範囲の総内部体積を有する、上記いずれかの項目に記載の装置。
（項目５）
前記電圧源は、４０００から７０００ボルトの間の概略範囲のＤＣ電圧を提供し、０．１から５ｍＡの概略範囲のＤＣ電流を生成ために十分なＤＣ電圧の源を含む、上記いずれかの項目に記載の装置。
（項目６）
上記電圧源は、二乗平均平方で、つまり、実効値で４０００から７０００ボルトの概略範囲のＡＣ電圧を提供し、０．１から５ｍＡの概略範囲の実効ＡＣ電流を生成するのに十分であるＡＣ電圧の源を含む、上記いずれかの項目に記載の装置。
（項目７）
前記チャンバは、６と６００ｃｃとの間の概略範囲の体積を有する、上記いずれかの項目に記載の装置。
（項目８）
差動移動度分光法によるエアロゾル測定のために、実質的に等しい濃度の正および負に帯電した粒子であり、かつ、実質的にゼロの該ガス中の総粒子電荷である粒子を生成する、ガス中の粒子上の電荷を調整するための方法であって、該方法は、
該ガスをチャンバを通って流れさせることであって、該チャンバは、ガスが入る入口とガスが出る出口をと有する、ことと、
該チャンバ内にＡＣコロナ放電を生成することと、
高い電場強度を有する高強度領域と低い電場強度を有する低強度領域とを生成することであって、該低い電場強度を有する該低強度領域において主として生じる入口から出口へのガス流にを有し、それによって、実質的に等しい濃度の正および負に帯電した粒子であり、かつ、実質的にゼロの総粒子電荷をガス中に生成する、ことと
を含む方法。
（項目９）
上記チャンバは、６と６００ｃｃとの間の概略範囲の体積を有し、上記方法は、０．２と２０秒との間の概略範囲の該チャンバ中のガス滞留時間を達成するためのガス流量で、懸濁された粒子を有する上記ガスを該チャンバを通して流すことを含む、上記いずれかの項目に記載の方法。
（項目１０）
ＡＣ電圧はＡＣコロナ放電を生成するために使用され、該ＡＣ電圧は４０００から７０００ボルトの間の概略範囲の二乗平均平方値を有し、０．１と５ｍＡとの間の概略範囲の二乗平均平方電流ＡＣ電流を生成するのに十分である、上記いずれかの項目に記載の方法。
（摘要）
粒子上に電荷を生じて変化させるために、ガス中の粒子をさらすための方法および装置が開示されており、この装置は、ガスが入る入口とガスが出る出口とを有するチャンバを含む。このチャンバは、導電性の壁を有する筺体によって囲まれており、この壁は、接地電位に保たれている。露出された先端を有する電極が、チャンバの中でガスと接触し、この電極は地面電位とは異なる電位に保たれている。電極は、コロナ放電を起こすのに十分な電圧の源に接続され、チャンバ中でのイオン形成を起こし、高い電場強度を有する高強度の空間の領域と、電場強度が低い空間の別の領域とを創生させる。入口および出口は、入口から出口までのガス流路を画定し、ガス流路は、主として低電場強度の領域を通り過ぎる。

図１は、エアロゾル電荷調整器としての好ましい実施形態における、本開示の電気イオナイザを使用するＤＭＳによるエアロゾル粒子の濃度およびサイズ分布を測定するシステムの模式図である。図２は、好ましい実施形態における、電気イオナイザのイオン化チャンバの動作原理を説明する模式図である。図３は、球形イオン化チャンバを有する電気イオナイザの模式図である。図４は、一端に小直径のワイヤループを有し、コロナ放電によってイオンを生成する高電圧電極である。図５は、０．６７秒の滞留時間で動作する研究用電気イオナイザによりＤＭＳで測定された室内空気のサイズ分布を、Ｐｏ２１０イオナイザによる測定と比較して示す。図６は、２．０秒の滞留時間で動作する研究用電気イオナイザによりＤＭＳで測定された室内空気のサイズ分布を、Ｐｏ２１０イオナイザによる測定と比較して示す。図７は、２６９ｎｍの直径を有するポリスチレンラテックス（ＰＳＬ）球形エアロゾルに対する、０．６７秒の滞留時間で動作する電気イオナイザによるＤＭＳでの測定と、Ｐｏ２１０イオナイザにより測定されたものとを示す。図８は、２６９ｎｍの直径を有するポリスチレンラテックス（ＰＳＬ）球形エアロゾルに対する、２．０秒の滞留時間で動作する電気イオナイザによるＤＭＳでの測定を、Ｐｏ２１０イオナイザによる測定と比較して示す。

図１は、エアロゾル電荷調整器としての、本開示の電気イオナイザを使用するＤＭＳによるエアロゾル粒子の濃度およびサイズ分布を測定するシステムの模式図である。好ましい実施形態において概して参照番号１００により示される電気イオナイザは、導電性であり接地されているハウジング３０を含み、このハウジング３０は、イオン化チャンバ１１０の周りの筺体を提供し、イオン化チャンバ１１０の壁は、従って導電性であり、接地されている。イオン化チャンバ１１０は、エアロゾルが入るための入口１３０と、エアロゾルが出るための出口１４０とを有する。高電圧電極１０は、絶縁体２０によって保持され、イオン化チャンバの中に、露出された電極先端１５と共に、筺体の１つの壁の近くに配置されている。この先端は、電荷調整のための、イオン化チャンバを通って流れる懸濁された粒子を運ぶエアロゾルにさらされている。電極は、イオン化チャンバの壁１２０の表面に近い位置に配置されるが、電極に印加される適切な高電圧が、アーキングなしに安定なコロナ放電を発現させるように、壁からは十分な距離をおいて分離されている。適切な極性のＤＣ電圧が使用され得、エアロゾルの帯電のための正または負の極性のいずれかのＤＣコロナを発生する。ＡＣコロナ放電を生成するためにＡＣ電圧が使用され得、これにより、ＤＭＳの電荷調整のための、正および負に帯電したイオンをイオン化チャンバ内に発生する。

ＤＭＳによる電荷調整および測定のためのエアロゾルは、源１５０から来て、この源は、濃度およびサイズ分布分析に対するＤＭＳによる測定のための周囲大気のエアロゾルであり得る。これは研究室の研究のために発生されるエアロゾルであり得、その研究ではエアロゾルの濃度およびサイズの分布がＤＭＳによって測定され得る。エアロゾルは、また、工業的な設定において、特定のプロセスあるいは特定の目的に対して発生され得、ここでは、エアロゾルサイズの分布についての知識が重要になる。いずれの場合でも、ＤＭＳによるエアロゾルのサイズ分布分析は、図１に示されたシステムによりなされ得る。

図１の源１５０からのエアロゾルは、まず、特定の流量Ｑ１で、かつ、ボルツマン分布の電荷分布と同様な電荷分布が発現することを確実にする条件の下で、電気イオナイザ１００を通って流れる。ＤＭＳによるサイズ分布分析のための測定器具１６０は、次いで、測定に要求される流量Ｑ２でエアロゾルをサンプリングする。Ｑ１がＱ２よりも大きい場合、過剰分Ｑ３＝Ｑ１−Ｑ２は、示されるように、廃棄物として放出される。Ｑ１がＱ２よりも小さい場合、源１７０から追加の清浄ガスが流量Ｑ４で導入され得、エアロゾルと混合して、全流量Ｑ１＋Ｑ４を有する混合物を提供し、このＱ１＋Ｑ４は流量Ｑ２に等しいか大きい。過剰分は、もしあれば、Ｑ３＝Ｑ１＋Ｑ４−Ｑ２であり、図１に示されるように、廃棄物として放出される。

電気イオナイザ１００の動作原理が、図２の支援により説明される。露出された高電圧電極先端１５が筺体の１つの壁の表面１２０の近くに正しく配置されている状態で、電場がチャンバの中に発現する。電場は、電場線によって図示され得、そのうちのいくつかが、図２に示されている。電場線５０、５２、５４、６０、６２および６４は、先端１５から発出し、壁表面１２０の近傍で終わる。一方、電場線７０、７２、７４、７６および７８もまた同じ高電圧先端１５から発出するが、より遠くの壁表面上で終わる。線５２、５４、６０、６２、６４、７０、７２、７４、７６および７８を含む図示された電場線は、電位が等しい、つまり、高電圧電極１０上の先端１５における電圧に等しい電位ですべて始まり、接地されて電位が０Ｖである筺体の同じ接地された表面上で終わる。電位の傾斜は、電場線に沿った単位長当たりの電位の変化の割合であるが、従って、長い電場線７０、７２、７４、７６および７８に沿ったものよりも、短い電場線５０、５２、５４、６０、６２および６４に沿って高くなる。電場線の強度は、電位の傾斜である。従って、さらに遠い筺体３０の表面で終わる電場線よりも、電極先端１５に隣接する近い壁表面１２０上で終わる短い電場線に沿って高い。

ガス状のイオンが、コロナ放電によって、電極先端１５に隣接する空間の領域において発生させられた場合、イオンは、電場強度に比例する速度で電場線に沿って流れる。イオンの速度は、ドリフト速度と言われるが、従って、高い電場強度を有する電場線に沿ってより高く、また、低い電場強度を有する長い電場線に沿ってより低い。一方の流れは高速度で近くの壁、つまり、高電圧電極の近くの壁、に向かって流れ、また、他方の流れは低速度で遠くの壁に向かって流れる２つの別々のイオンの流れを生成することによって、我々は、２つの別々の空間の領域をイオン化チャンバの中に生成した。ここでは、１つの領域は他方よりも平均で低い電場強度を有する。高い電場、つまり、高い電場強度を有する領域は、境界電場線５４および６４より下の空間の領域であり、一方、低い電場領域は、これらの境界電場線５４および６４より上の領域である。

ＤＭＳのためのエアロゾル粒子の電荷調整のために、図２に図示されたイオン化チャンバを使用する場合、電荷調整は、主として、電場が高い電場線５０、５２、５４、６０、６２および６４の近傍の空間領域より上の低電場領域において起きることが重要である。エアロゾルが入口１３０を通ってイオン化チャンバに導入される場合、その通常の流路は入口１３０を出口１４０とつなぐ線１３５である。この流路は、電極先端を囲み表面１２０に隣接する高電場領域を通らず、主として、その上の低電場領域を通ることが重要である。

図１および図２に図示されたイオン化チャンバは、互いに平行な対向する壁を有する長方形のチャンバであり得る。また、上面と底面に円筒によって分離された平行な壁を有する筒状のチャンバ、または、とりわけ楕円、多角形状のような、他の断面形状を有する筒を図示し得る。この開示において上に記載した設計的アプローチは、これらのイオン化チャンバ断面形状のすべてに対して適切である。さらに、イオン化チャンバは、図３に図示される、球によって形成された湾曲した表面のような、湾曲した壁を有し得る。図３において、同様な参照記号は、電気イオナイザ１００、イオン化チャンバ１１０の入口１３５および出口１４０、エアロゾル流路１３５、高電圧電極１０、高電圧電極の先端１５、および絶縁支持２０を含む、図１および図２のシステムと同様な要素を参照するために使用される。電極１０の近傍の最外部の電場線５４および６４は、また、同様に識別される。これらの部分はすべて同様な機能を有し、また、図３においては球であり、図１および図２においては、長方形または筒形状のチャンバである異なるイオン化チャンバ形状が使用されるにもかかわらず、単純化および明確化のために同様に識別される。

図４は、電極設計の別のアプローチを示す。再び、同様な部品は、同様に識別される。この設計においては、電極１０は絶縁支持２０に保持されており、小さなワイヤループまたは、電極１０の頂部に機械的に保持された短い長さのワイヤの形の先端１５によって頂部が付けられている。図１〜３に示された針電極の曲率半径およびワイヤ電極４の半径は、電極からのコロナ放電を開始し維持するために必要な電圧に実質的に影響する。一般に、先端の曲率半径あるいはワイヤの半径が小さくなるほど、安定なコロナ放電を開始し維持するために必要な電圧は低くなる。鋭く尖ったあるいはテーパの付いた先端が好ましい。高い放電電圧は、電極先端のイオンボンバードメントによる大きなレートのエロージョンを生じ、従って、頻繁な間隔で電極の交換が必要となる。現実の目的に対しては、本開示の高電圧電極を動作するために、４０００ボルトから７０００ボルトの間の範囲の電圧が最も適切であると考えられる。電圧は、この範囲のＤＣ電圧または、この範囲の実効（二乗平均平方）ＡＣ電圧であり得る。

コロナ電流は、高電圧電極から近くの接地電極に流れ、また、電気イオナイザの性能に影響する。高いイオン化電流は、一般に、より迅速な電荷調整に導き、低いイオン化電流は、ボルツマン分布と同様な所望の電荷分布が本当に発現することを確実にするために、イオナイザを通るエアロゾルの流れを十分に低い流量に保つことを必要とする。しかしながら、これは、イオン化チャンバにおいて静電堆積による大きな望まれない粒子損失に導く。その様な損失は、ＤＭＳ測定の測定精度の減少に導くので、望ましくない。コロナイオン流の最も適切な範囲は、ＤＭＳエアロゾル測定のための適切な電荷調整に対して、実効ＡＣ電流で０．１と５ｍＡとの間の範囲である。単極電荷を生成するために必要なＤＣコロナ放電の場合、つまり、正または負極性のいずれかの同じ電気極性の電荷の場合、必要なＤＣ電流も、一般に、同じ０．１から５ｍＡの範囲である。

実際的な応用においては、異なる応用に必要な異なるレートのエアロゾル流量に適切な電気イオナイザを設計することが重要である。高すぎるエアロゾル流量または小さすぎるイオン化チャンバの体積は、エアロゾルの不完全な帯電あるいは電荷調整に導く。イオン化チャンバが大きすぎるか、または、イオン化チャンバを通るエアロゾル流量が小さすぎることは、チャンバ中での粒子の大きな損失に導き、これもまた望ましくない。この開示の目的に対して、最も適切な範囲は、チャンバにおけるエアロゾル流の公称滞留時間が、これはチャンバ体積の体積エアロゾル流量に対する比であるが、適切な範囲内にあることである。４０立方センチメータの体積を有するイオン化チャンバを通る２０立方センチメータ毎秒のエアロゾル流量は、４０／２０＝２秒の公称滞留時間をもたらす。イオン化チャンバを設計するための最も適切な滞留時間は、０．２と２０秒との間である。

異なる応用は、また、異なるイオン化チャンバのサイズを必要とする。ＤＭＳのための帯電および電荷調整目的に対しては、イオン化チャンバは概して、総体積で、６から６００立方センチメータの範囲である。

研究室のエアロゾル研究およびＤＭＳによるエアロゾルサイズ分析のための帯電および電荷調整のための電気イオナイザの設計への上記アプローチは、大部分の応用に対して、概して適切である。同様なアプローチは、帯電および電荷調整の精度が重要であり、また、イオナイザを通って流れる粒子の損失も重要な考慮である他の応用のための電気イオナイザを設計するためにも使用され得る。エアロゾル測定に精通した当業者には、この開示に記載された特定のアプローチが、最終の応用が異なり得るが電気イオナイザの受け入れに影響する因子が同様にあるいは実質的に同じである、これらの応用に対する電気イオナイザを設計するために使用され得ることが明確になるであろう。他の応用に対する、本開示に記載されたアプローチの応用のさらなる議論は、従って、さらにはなされない。

図５〜８は、差動移動分光法（ＤＭＳ）による、２つのエアロゾルについて行なわれた研究室での測定を比較する。それらは、（１）研究室の室内の空気エアロゾルおよび（２）研究室で発生された２６９ｎｍのポリスチレンラテックス球の均一なサイズの粒子を有するエアロゾルである。両方の場合において、測定は、滞留時間２．０秒と滞留時間０．６７秒において動作する電気イオナイザにより行なわれた。同様な測定は、また、従来のＰｏ２１０放射性イオナイザによっても行なわれた。

図５および図６における結果は、２．０秒で動作する電気イオナイザとＰｏ２１０放射性イオナイザによる測定の品質的な一致が達成されたことを示すが、量的な一致は、電気イオナイザが滞留時間０．６７秒で動作されている場合に達成された。同様な結果が、図７および図８に示されるように、大きさが均一に作られた２６９ｎｍのＰＳＬ球を含むポリスチレンラテックス（ＰＳＬ）エアロゾルの場合に対して達成された。

我々が行なったこれらのおよび他の研究室での研究は、エアロゾル電荷調整およびＤＭＳによる測定のための、電気イオナイザの設計に対するこの開示に記載された特定のアプローチが、正確な測定結果に導くであろうことを示している。このアプローチは、また、エアロゾルの帯電または電荷調整が重要である他の応用に使用され得る。

本発明は、好ましい実施形態を参照して記述されてきたが、当該分野に精通した作業者は、本発明の精神および範囲から外れることなく、形式および詳細において変更がされ得ることを認識するであろう。

１０高電圧電極
１５電極先端
２０絶縁体
３０ハウジング
１００電気イオナイザ
１１０イオン化チャンバ
１２０壁
１３０入口
１３５線
１４０出口
１５０源
１７０源
Ｑ１特定の流量Ｑ１
Ｑ２要求される流量Ｑ２
Ｑ３過剰分Ｑ３＝Ｑ１−Ｑ２
Ｑ４清浄ガスの流量Ｑ４

Claims

粒子上の電荷に変化を生じさせるために、ガス中の該粒子をイオンにさらす装置であって、該装置は、
ガスが入る入口とガスが出る出口とを有するチャンバであって、該チャンバは導電性の壁を有する筐体によって囲まれており、該導電性の壁は接地電位に保持されている、チャンバと、
該チャンバ中の該ガスと接触している露出された先端を有する電極であって、該電極は、該露出された先端が該導電性の壁の１つの区画に隣接して配置されている状態で、該導電性の壁とは異なる電位に保持されている、電極と
を含み、
該入口および出口は、該ガス流路が該露出された電極の先端と該電極の先端からより遠くの該導電性の壁の１つの区画との間を通過するように、該入口から該出口へのガス流路を画定し、
該電極は、コロナ放電を生じて該チャンバ中にイオンの形成を起こすために十分な電圧の源に接続されている、
装置。
前記電極が、鋭い先端を有する針電極を含む、請求項１に記載の装置。
前記電極は、該電極に取り付けられたある長さのワイヤを有するワイヤ電極を含み、該ワイヤは実質的に均一な直径を有する、請求項１に記載の装置。
前記チャンバは、約６ｃｃと６００ｃｃとの間の範囲の総内部体積を有する、請求項１に記載の装置。
前記電圧源は、４０００から７０００ボルトの間の概略範囲のＤＣ電圧を提供し、０．１から５ｍＡの概略範囲のＤＣ電流を生成ために十分なＤＣ電圧の源を含む、請求項１に記載の装置。
前記電圧源は、二乗平均平方で、つまり、実効値で４０００から７０００ボルトの概略範囲のＡＣ電圧を提供し、０．１から５ｍＡの概略範囲の実効ＡＣ電流を生成するのに十分であるＡＣ電圧の源を含む、請求項１に記載の装置。
前記チャンバは、６と６００ｃｃとの間の概略範囲の体積を有する、請求項１に記載の装置。
差動移動度分光法によるエアロゾル測定のために、実質的に等しい濃度の正および負に帯電した粒子であり、かつ、実質的にゼロの該ガス中の総粒子電荷である粒子を生成する、ガス中の粒子上の電荷を調整するための方法であって、該方法は、
該ガスをチャンバを通って流れさせることであって、該チャンバは、ガスが入る入口とガスが出る出口をと有する、ことと、
該チャンバ内にＡＣコロナ放電を生成することと、
高い電場強度を有する高強度領域と低い電場強度を有する低強度領域とを生成することであって、該低い電場強度を有する該低強度領域において主として生じる入口から出口へのガス流にを有し、それによって、実質的に等しい濃度の正および負に帯電した粒子であり、かつ、実質的にゼロの総粒子電荷をガス中に生成する、ことと
を含む方法。
前記チャンバは、６と６００ｃｃとの間の概略範囲の体積を有し、前記方法は、０．２と２０秒との間の概略範囲の該チャンバ中のガス滞留時間を達成するためのガス流量で、懸濁された粒子を有する前記ガスを該チャンバを通して流すことを含む、請求項８に記載の方法。
ＡＣ電圧はＡＣコロナ放電を生成するために使用され、該ＡＣ電圧は４０００から７０００ボルトの間の概略範囲の二乗平均平方値を有し、０．１と５ｍＡとの間の概略範囲の二乗平均平方電流ＡＣ電流を生成するのに十分である、請求項８に記載の方法。