JP2012233822A - 粒子測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大気中に浮遊する黄砂等の粒径０．５〜２０μｍ程度の小さな粒子をその粒子形状により分別して測定することが可能な粒子測定装置の提供。
【解決手段】試料空気を通過させる検出部４に導く導入管４ａと、導入管４ａの出口の試料空気の流れ方向に対して直交方向に偏光させた照射光Ｌを検出部４に照射する投光部５と、照射光Ｌの偏光面内内にあり、検出部４を中心として照射光Ｌの光軸に対する交角が６０〜１２０°の方向に集光光学系の光軸を有し、偏光成分を分離して散乱光を検出する受光部６と、受光部６により検出された散乱光の偏光解消度を分析する信号解析部３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気中に浮遊する黄砂等の粒径０．５〜２０μｍ程度の粒子をその粒子形状により分別して測定する粒子測定装置に関する。

従来、クリーンルームの空気清浄度の評価に用いられる計測器として、空気中の浮遊粒子の粒径および個数を測定し、粒子個数濃度を求める光散乱式気中粒子計測器（パーティクルカウンター）が知られている。近年、このパーティクルカウンターは大気浮遊微粒子の計測にも広く利用されるようになっている。パーティクルカウンターは、試料空気を吸引し、レーザー光と交差させることにより、空気中の浮遊粒子がレーザー光を横切る際の散乱光を検出するものである。

しかしながら、従来のパーティクルカウンターは、散乱光の全成分を検出するものであるため、粒子形状を判定することができない。したがって、大気中に浮遊する黄砂等を測定しようとしても、粒子形状を判定することができないので、硫酸塩、海塩の水溶液滴等の球形粒子との区別ができず、測定された浮遊粒子が黄砂等であるのかどうか判定することができないという問題がある。

また、血液サンプル中の細胞等の粒子の型を区別して分析する装置として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の装置は、異なる粒子の型に特有の異なる偏光解消構造特性に基づいて粒子の型を分析するものであり、異なる型の粒子の型を含む粒子の懸濁液を光学測定区域に導き、この懸濁液の流れ方向に平行である直線偏光を交差させ、照射光の偏光面に垂直な面内で偏光解消された散乱光を測定するものである。

特開昭６３−１１３３４５号公報

特許文献１に記載の装置の分析対象は、血液サンプル中の細胞等の粒子であり、集光角はできるだけ小さい方が良く、その範囲は２〜１７°の間で調節可能であり、実施例では最大でも１４．５°、さらに１４．５°はあまり適当ではないとされている。集光角が大きくなると分別が難しくなるためである。

一方、大気中に浮遊する黄砂等の粒子は粒径０．５〜２０μｍ程度であり、血液サンプル中の細胞等の粒子よりも小さい粒子を多く含む。このような黄砂も含まれる粒径０．５〜２０μｍ程度の小さな粒子では、急激に散乱光強度が落ちてしまうため、特許文献１に記載の装置では分別が難しい。

そこで、本発明においては、大気中に浮遊する黄砂等の粒径０．５〜２０μｍ程度の小さな粒子をその粒子形状により分別して測定することが可能な粒子測定装置を提供することを目的とする。

本発明の粒子測定装置は、試料空気を検出部に導く導入管と、導入管の出口の試料空気の流れ方向に対して直交方向に偏光させた光を検出部に照射する投光部と、投光部から照射された光（以下、「照射光」と称す。）の偏光面内にあり、検出部を中心として照射光の光軸に対する交角が６０〜１２０°の方向に集光光学系の光軸を有し、偏光成分を分離して散乱光を検出する受光部と、受光部により検出された散乱光の偏光解消度を分析する信号解析部とを有するものである。

本発明の粒子測定装置によれば、導入管の出口の試料空気の流れ方向に対して直交方向に偏光された照射光を検出部の試料空気に対して交差させ、試料空気中に浮遊する粒子が横切った際の散乱光を、照射光の偏光方向に平行で、かつ、照射光の光軸に対する交角が６０〜１２０°の方向に集光光学系の光軸を有する受光部によって、偏光成分を分離して検出し、信号解析部により偏光解消度を分析することで、粒子形状を判別することができる。

このとき、本発明の粒子測定装置では、導入管の出口の試料空気の流れ方向に対して直交方向に偏光させた光を用いることで、散乱光強度を大きくするために集光角を２０〜４５°と大きく取っても、球形粒子の偏光解消度を小さくすることができるので、試料空気に含まれる粒径０．５〜２０μｍの粒子をその粒子形状により分別して測定することが可能となる。

本発明によれば、導入管の出口の試料空気の流れ方向に対して直交方向に偏光させた照射光を検出部の試料空気に対して交差させ、この照射光の光軸に対する交角が６０〜１２０°の散乱光を検出し、偏光解消度を分析することで、大気中に浮遊する黄砂等の粒径０．５〜２０μｍ程度の小さな粒子をその粒子形状により分別して測定することが可能となる。

本発明の実施の形態における粒子測定装置の概略構成図である。 光軸交角６０°の場合であって、（ａ）は球形粒子による偏光解消度を示す図、（ｂ）は球形粒子による相対散乱光強度を示す図である。 光軸交角９０°の場合であって、（ａ）は球形粒子による偏光解消度を示す図、（ｂ）は球形粒子による相対散乱光強度を示す図である。 光軸交角１２０°の場合であって、（ａ）は球形粒子による偏光解消度を示す図、（ｂ）は球形粒子による相対散乱光強度を示す図である。 偏光方向の違いによる球形粒子による散乱光の偏光解消度の粒径依存性を示す図である。 光軸交角の違いによる球形粒子による散乱光強度の粒径依存性を示す図である。 球形粒子と非球形粒子について偏光方向の違いによる偏光比の測定結果を示す図である。 粒子測定装置による計測結果を偏光解消度と散乱光パルス強度の相関図で示した図である。

図１は本発明の実施の形態における粒子測定装置の概略構成図である。図１において、本発明の実施の形態における粒子測定装置１は、偏光させた光を試料空気に照射し、散乱光を検出する偏光センサー部２と、偏光センサー部２からの入力信号に基づいて試料空気中の粒子の粒子形状、粒子径や個数等を解析する信号解析部３とから構成される。なお、本実施形態における粒子測定装置１の測定対象は、大気中に浮遊する黄砂等の粒径０．５〜２０μｍ程度の粒子である。

偏光センサー部２は、試料空気を検出部４に導入する導入管４ａと、検出部４の中心部の導入管４ａの出口の試料空気に対して光を照射する投光部５と、投光部５から照射された照射光Ｌを試料空気中の粒子が横切る際の散乱光を検出する受光部６とから構成される。受光部６は、３つの受光センサー６ａ，６ｂ，６ｃおよび偏光ビームスプリッター７から構成される。

投光部５は、導入管４ａの出口の試料空気の流れ方向（図１の表面に対して垂直方向）に対して直交方向（図１の矢印で示す方向。以下、「水平方向」と称す。）に偏光させた光（照射光Ｌ）を、検出部４に照射し、検出部４の試料空気に対して交差させるものである。投光部５の光源としては、例えば、波長７８０ｎｍの半導体レーザーを用いることができる。

受光部６は、照射光Ｌの偏光面内にあり、検出部４を中心として照射光Ｌの光軸に対する交角が半時計回りに６０°および時計回りに１２０°の方向にそれぞれ集光光学系の光軸を有する。受光センサー６ａは、投光部５から照射する照射光Ｌの光軸に対する交角（以下、「光軸交角」と称す。）が６０°の散乱光を検出するものである。一方、受光センサー６ｂ，６ｃは、光軸交角が１２０°であり、偏光ビームスプリッター７によって偏光成分を分離した散乱光を検出するものである。なお、受光センサー６ａ，６ｂ，６ｃの集光角は４５°となっている。

受光センサー６ｂには、照射光Ｌの偏光方向に垂直な成分（Ｓ偏光成分）が偏光ビームスプリッター７を介して入射される。受光センサー６ｃには、照射光Ｌの偏光方向に平行な成分（Ｐ偏光成分）が偏光ビームスプリッター７を介して入射される。

信号解析部３は、光軸交角６０°の受光センサー６ａの信号強度から主に粒子１つずつの粒子径を測定する。また、信号解析部３は、光軸交角１２０°の受光センサー６ｂ，６ｃの信号強度を比較することにより、粒子１つずつの偏光解消度を分析して、個々の粒子について球形または非球形の別を判定する。また、信号解析部３は、受光センサー６ａ，６ｂ，６ｃにより測定した粒子をカウントすることにより、試料空気中の粒子の個数を測定する。

上記構成の粒子測定装置１では、導入管４ａを通じて検出部４内に試料空気を通過させ、この検出部４内の導入管４ａの出口付近の試料空気に対して投光部５より照射光Ｌを照射し、この照射光Ｌを試料空気中の粒子が横切る際の散乱光を受光部６により検出し、信号解析部３により試料空気中の粒子の粒子径や個数等を測定するとともに、粒子１つずつについて球形または非球形の別を判定することができる。

上記粒子測定装置１の受光センサー６ａ，６ｂ，６ｃの集光角の検証のための数値シミュレーションを行った。検証は、光軸交角６０°、９０°、１２０°の場合について、球形粒子による散乱光のそれぞれの偏光解消度（偏光比）と相対散乱光強度をシミュレーションすることにより行った。集光角は、２°、２０°、４５°、７０°、９０°の５通りについて検証した。検証結果は、図２〜図４に示した。

図２〜図４から分かるように、粒径０．５〜１０μｍの粒子について偏光解消度が概ね１０％以下となるのは、光軸交角６０°では集光角９０°以下（図２（ａ）参照。）、光軸交角９０°では集光角７０°以下（図３（ａ）参照。）、光軸交角１２０°では集光角４５°以下（図４（ａ）参照。）のときである。偏光解消度が概ね１０％以下であれば、粒子形状が球形か非球形かを判別することが可能である。偏光解消度を小さくするためには、集光角はできるだけ小さい方が良く、光軸交角６０〜１２０°の条件において集光角は４５°以下に設定することが望ましい。

一方で、集光角をあまり小さくすると、散乱光強度が弱くなり、粒子そのものの検出が困難となるため（図２（ｂ）、図３（ｂ）、図４（ｂ）参照。）、できるだけ大きく設定することが必要である。集光角については、相対散乱光強度が概ね１×１０^-14以上となる２０°以上に設定することが望ましく、上記粒子測定装置１では、集光角４５°に設定している。

次に、偏光方向が横（導入管４ａの出口の試料空気の流れ方向に対して直交方向（水平方向））の場合（実施例）と縦（導入管４ａの出口の試料空気の流れ方向に対して平行方向（垂直方向））の場合（比較例）とについて、集光角を４５°に設定し、光軸交角を変化させて、球形粒子による散乱光の偏光解消度の数値シミュレーションを行った。結果は図５に示した。

図５（ａ）に示すように、実施例では粒径０．５〜１０μｍの球形粒子において光軸交角１２０°以下で、偏光解消度（偏光比）が概ね１０％以下となっており、粒子形状を判別することが可能となっている。但し、粒径が０．５μｍ未満の粒子では、球形粒子であっても偏光解消度が高くなっており（図５には示していない。）、粒子形状の判別は難しくなる。一方、図５（ｂ）に示すように、比較例では偏光解消度が実施例と比較して非常に大きくなっており、粒径０．５μｍ以上の粒子の形状判別を目的として集光角を大きくするためには偏光方向を横方向とする（試料空気の流れ方向に対して直交させ、照射光Ｌの偏光面内に集光光学系の光軸を配置する）ことが望ましいことが分かる。

次に、光軸交角について検証した。光軸交角の選択にあたっては、球形粒子に対する偏光解消が小さいこと、散乱光強度の粒径依存性が比較的小さいことを考慮した。後者は、粒径による散乱光強度の変化が小さい方が、広い粒径範囲をカバーしやすいことによる要求である。図６に光軸交角３０°、６０°、９０°、１２０°、１５０°について球形粒子による散乱光を数値シミュレーションし、０．５μｍの散乱光強度を１とした相対散乱光強度を示している。

前述のように、偏光方向が横であって、集光角が４５°の場合、球形粒子の偏光解消度が概ね１０％以下となるのは、光軸交角が１２０°以下の場合である（図５（ａ）参照。）。なお、光軸交角が小さい程、偏光解消度は小さいが、光軸交角が小さすぎると、非球形粒子の偏光解消度は小さくなる傾向がある。

一方、光軸交角が小さくなると、図６に示すように、散乱光強度の粒径依存性が大きくなってしまう。最も粒径依存性が小さいのは光軸交角が１２０°の場合であった。光軸交角１２０°の場合、０．５〜１０μｍの間で散乱光強度の違いは１００倍以下であり、単一のアンプ系で信号処理が可能となり、広い粒径範囲にわたって充分な散乱光強度が得られる。

ここで、球形粒子（ポリスチレンラテックス粒子）と非球形粒子（塩化ナトリウム結晶）をサンプル粒子として、光軸交角９０°、集光角４５°の場合に偏光方向を変えて平均的な散乱光強度を計測した結果を図７に示す。図７（ａ）は偏光方向が横（導入管４ａの出口の試料空気の流れ方向に対して直交方向（水平方向））の場合（実施例）を示し、同図（ｂ）は偏光方向が縦（導入管４ａの出口の試料空気の流れ方向に対して平行方向（垂直方向））の場合（比較例）の場合を示している。

図７（ｂ）に示すように偏光方向が縦（比較例）の場合、球形粒子と非球形粒子との区別ができていないが、図７（ａ）に示すように偏光方向が横（実施例）の場合、球形粒子と非球形粒子とを偏光比（偏光解消度）によって可能であることが分かる。

また、図８は平成２３年４月１４日に山梨県甲府市で黄砂らしきものが観測されたときの粒子測定装置１による計測結果を、偏光比とパルス波高値の相関図で示したものである。図８から分かるように、偏光比０．２（偏光解消度０．１７に対応）程度のところに頻度の極小領域があり、これより偏光解消度が小さい粒子は球形粒子に対応し、大きい粒子は非球形粒子（黄砂など）に対応するものと考えられる。

以上により、本発明の粒子測定装置では、導入管４ａの出口の試料空気の流れ方向に対して直交方向に偏光させた光を用い、光軸交角６０〜１２０°の散乱光を検出し、偏光解消度を分析することで、散乱光強度を大きくするために集光角を２０〜４５°と大きく取っても、偏光解消度を小さくすることが可能であり、試料空気に含まれる粒径０．５〜２０μｍの粒子をその粒子形状により分別して測定することが可能であることが分かる。

本発明の粒子測定装置は、大気中に浮遊する黄砂等の粒径０．５〜２０μｍ程度の粒子を測定する装置として有用であり、特に本発明は、粒子をその粒子形状により分別して測定することが可能な粒子測定装置として好適であり、黄砂の飛来判定や工場における浮遊粒子種の判定などへの適用も可能である。

１ 粒子測定装置
２ 偏光センサー部
３ 信号解析部
４ 検出部
４ａ 導入管
５ 投光部
６ 受光部
６ａ，６ｂ，６ｃ 受光センサー
７ 偏光ビームスプリッター

Claims (3)

1. 試料空気を検出部に導く導入管と、
   前記導入管の出口の試料空気の流れ方向に対して直交方向に偏光させた光を前記検出部に照射する投光部と、
   前記投光部から照射された光（以下、「照射光」と称す。）の偏光面内にあり、前記検出部を中心として前記照射光の光軸に対する交角が６０〜１２０°の方向に集光光学系の光軸を有し、偏光成分を分離して散乱光を検出する受光部と、
   前記受光部により検出された散乱光の偏光解消度を分析する信号解析部と
   を有する粒子測定装置。
2. 前記受光部の集光角が２０〜４５°である請求項１記載の粒子測定装置。
3. 前記試料空気に含まれる粒子の粒径が０．５〜２０μｍである請求項１または２に記載の粒子測定装置。