JP3335645B2 - 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

非粘性フロー生成ノズルを利用した粒子検出システム

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Description

【発明の詳細な説明】 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 Systems,Inc.に譲
渡された米国特許第4,798,465号、1994年１月25日にKno
llenbergに発行され、書面ではParticle Measuring Sys
tems,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
情報を所有し、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果的かつ正確で
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Hori
ba 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。Horiba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 Measuring Systems,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Rayle
igh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、分枝散乱により引
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、高は緊密
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、光分解能
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10
1に入射する。散乱光106は、粒子101より外れたビーム1
05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11
2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302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30
2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50
1を越えるノズル直径502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3
19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602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70
1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7
02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904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1210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31
5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1205）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0.050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13
02、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1301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13
10の断面図である（交差領域321）。非粘性フロー噴流1
310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。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−68867（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−34262（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−52714（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−229045（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 15/14 G01N 15/02 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】サンプル流体（100）においてサブミクロ
    ン寸法の粒子（101）を検出する粒子検出システム（1
    0）であって、 該サンプル流体から非粘性フロー噴流（310、1201、131
    0）を生成する非粘性フロー手段（308）であって、該非
    粘性フロー噴流は均一な速度プロファイルを有し、該非
    粘性フロー噴流で運ばれる該サブミクロン寸法のすべて
    の粒子が実質的に同一速度で移動する、非粘性フロー手
    段と、 該非粘性フロー噴流に向かうように方向付けられた光ビ
    ーム（103、105、315、1202、1315）を提供する照射手
    段（102、304）であって、該光ビームは交差領域（11
    2、321）において該非粘性フロー噴流と交差し、該交差
    領域は該交差領域における該非粘性フロー噴流の容積サ
    ンプリングを許容し、粒子検出を目的として、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が該
    光ビームの光を散乱させる、照射手段と、 該散乱された光を受け取り、該粒子を示す出力を提供す
    る検出手段（108、319）と を備えた、粒子検出システム。
  2. 【請求項２】前記非粘性フロー手段は、 そこを通って前記サンプル流体が受け取られるサンプル
    流体入り口（305）を有する流体減速手段（301）と、 該サンプル流体入り口から該サンプル流体が減速された
    速度で流れる、ノズル手段（308、701、901）と、 該ノズル手段から前記非粘性フロー噴流が噴流速度で噴
    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. 【請求項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、9
    03）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（30
    9、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. 【請求項４】前記ノズル開口はノズル直径（502）によ
    って特徴づけられており、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. 【請求項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噴流直径とによっ
    て特徴づけられた実質的に長円形形状を有する前記非粘
    性フロー噴流を生成し、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提供する、請求項４に記載の粒
    子検出システム。
  6. 【請求項６】前記検出手段は、 前記散乱された光を受け取り、それに応答して検出器出
    力を生成する検出器（108）と、 該検出器に接続され、かつ、該検出器出力に応答して粒
    子特性を示すシステム出力を提供する処理手段（111）
    とを備える、請求項１に記載の粒子検出システム。
  7. 【請求項７】サンプル流体（100）においてサブミクロ
    ン寸法の粒子（101）を検出する粒子検出方法であっ
    て、 該サンプル流体から非粘性フロー噴流（310、1201、131
    0）を生成する工程であって、該非粘性フロー噴流は均
    一な速度プロファイルを有し、該非粘性フロー噴流で運
    ばれる該サブミクロン寸法のすべての粒子が実質的に同
    一速度で移動する、工程と、 該非粘性フロー噴流に向かうように光ビーム（103、10
    5、315、1202、1315）を方向付ける工程であって、該光
    ビームは交差領域（112、321）において該非粘性フロー
    噴流と交差し、該交差領域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領域であ
    り、粒子検出を目的として、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が該光ビームの光を散
    乱させる、工程と、 該散乱された光を検出し、該粒子を示す出力を提供する
    工程と を包含する、粒子検出方法。
  8. 【請求項８】前記生成する工程は、 サンプル流体入り口（305）を通して前記サンプル流体
    を受け取る工程と、 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. 【請求項９】前記減速する工程は、 減速チャンバー直径によって特徴づけられた減速チャン
    バー（301）において、前記サンプル流体入り口から受
    け取られた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. 【請求項１０】前記方法付ける工程は、 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）によって特
    徴づけられており、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。
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