JP3445323B2 - 質量スペクトル測定用手段を含む装置 - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/02—Details
- H01J49/10—Ion sources; Ion guns
- H01J49/16—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
- H01J49/161—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission using photoionisation, e.g. by laser
- H01J49/162—Direct photo-ionisation, e.g. single photon or multi-photon ionisation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
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- H—ELECTRICITY
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/02—Details
- H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
- H01J49/0422—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components for gaseous samples
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Description
【０００１】
【発明の利用分野】本発明はタイム・オブ・フライト
（ＴＯＦ）質量分析器を用いて、空気伝達粒子を分析す
る手段に係る。
（ＴＯＦ）質量分析器を用いて、空気伝達粒子を分析す
る手段に係る。
【０００２】
【従来の技術】集積回路は清浄雰囲気を有する環境中
で、作製する必要がある。集積回路中の著しい故障率
は、デバイス線幅の１０分の１以上の粒子が存在する時
生じる。デバイス線幅が小さくなるとともに、許容され
る粒子寸法も減少する。現在０．７ミクロンの線幅が一
般的である。将来、線幅は０．１ミクロン又はそれ以下
に縮まることが、予想される。そのような粒子を除去す
ることは、粒子の寸法が小さくなればなるほど、典型的
に存在する粒子の数が増すため、費用とともに、きわめ
て難しくなる。有毒粉塵、危険材料の片をモニターした
り、自動車の排気や煙からの排出物をモニターすること
を含む雰囲気中の粒子の分析が有用である、他の多くの
状況がある。従って、粒子源の制御は、一度それらが空
気伝達されてしまうと、粒子を除くことより、通常費用
がかかる。そのため、可能性のある粒子源を同定する手
段が、非常に望ましくなるであろう。
で、作製する必要がある。集積回路中の著しい故障率
は、デバイス線幅の１０分の１以上の粒子が存在する時
生じる。デバイス線幅が小さくなるとともに、許容され
る粒子寸法も減少する。現在０．７ミクロンの線幅が一
般的である。将来、線幅は０．１ミクロン又はそれ以下
に縮まることが、予想される。そのような粒子を除去す
ることは、粒子の寸法が小さくなればなるほど、典型的
に存在する粒子の数が増すため、費用とともに、きわめ
て難しくなる。有毒粉塵、危険材料の片をモニターした
り、自動車の排気や煙からの排出物をモニターすること
を含む雰囲気中の粒子の分析が有用である、他の多くの
状況がある。従って、粒子源の制御は、一度それらが空
気伝達されてしまうと、粒子を除くことより、通常費用
がかかる。そのため、可能性のある粒子源を同定する手
段が、非常に望ましくなるであろう。
【０００３】清浄室内での粒子の検出及び分析、ガス分
析システムは、典型的な場合、実時間が行われ、空気伝
達粒子のオンライン計数として知られる。
析システムは、典型的な場合、実時間が行われ、空気伝
達粒子のオンライン計数として知られる。
【０００４】オンライン粒子分析については、“レーザ
ー脱着質量分析によるオンライン単一粒子分析”、アナ
リティカル・ケミストリ（Analytical Chemistry) 、第
６３巻、第１８号、１９９１年９月１５日、２０６９−
２０７３頁に報告されている。しかし、報告された装置
は空気伝達粒子を検出及び分析することに伴う問題を有
する。加えて、計数及び粒子のサイズ識別能力は存在し
ていなかったため、粒子の源は、決定できなかった。空
気伝達粒子を分析し、制御するための手段の重要さをみ
ると、従来技術の装置の欠点をもたない（あるいは少く
とも少い）装置を入手しうることが望ましい。本明細書
はそのような装置を明らかにする。
ー脱着質量分析によるオンライン単一粒子分析”、アナ
リティカル・ケミストリ（Analytical Chemistry) 、第
６３巻、第１８号、１９９１年９月１５日、２０６９−
２０７３頁に報告されている。しかし、報告された装置
は空気伝達粒子を検出及び分析することに伴う問題を有
する。加えて、計数及び粒子のサイズ識別能力は存在し
ていなかったため、粒子の源は、決定できなかった。空
気伝達粒子を分析し、制御するための手段の重要さをみ
ると、従来技術の装置の欠点をもたない（あるいは少く
とも少い）装置を入手しうることが望ましい。本明細書
はそのような装置を明らかにする。
【０００５】
【本発明の要約】本発明は、特許請求の範囲で規定され
るとうりである。具体的な態様において、それは空気又
は他の気体中に浮いた粒子を検出し、計数し、寸法を識
別し、化学組成を分析することに役立つ可動粒子分析器
を含む。
るとうりである。具体的な態様において、それは空気又
は他の気体中に浮いた粒子を検出し、計数し、寸法を識
別し、化学組成を分析することに役立つ可動粒子分析器
を含む。
【０００６】態様は排気可能な容器、粒子を含んだ気体
の試料を容器中に入れるための手段、レーザー及び検出
手段を含む。レーザーは気体試料中の少くともある程度
の粒子を分裂させ、断片の少くともある程度はイオン化
させることのできるレーザービームを生成するのに適
し、ビームは気体が容器に入った後移動する経路上に向
けられる。検出手段は、イオン化した断片の数、イオン
化した断片の質量及びイオン化した断片が運ぶ電荷を検
出できるよう選択される。態様は更に、粒子の濃度、粒
子の寸法、及びイオン化した断片の数から、粒子の化学
組成を、またイオン化した断片により、イオン化した断
片の質量及び電荷を決る手段を含む。
の試料を容器中に入れるための手段、レーザー及び検出
手段を含む。レーザーは気体試料中の少くともある程度
の粒子を分裂させ、断片の少くともある程度はイオン化
させることのできるレーザービームを生成するのに適
し、ビームは気体が容器に入った後移動する経路上に向
けられる。検出手段は、イオン化した断片の数、イオン
化した断片の質量及びイオン化した断片が運ぶ電荷を検
出できるよう選択される。態様は更に、粒子の濃度、粒
子の寸法、及びイオン化した断片の数から、粒子の化学
組成を、またイオン化した断片により、イオン化した断
片の質量及び電荷を決る手段を含む。
【０００７】好ましい態様において、粒子を含む気体試
料は、入力デバイスを通して、装置内に入る。粒子ビー
ムは約１０６の圧力差を有する容器内に入る。少くとも
１．５×１０８Ｗ／cm２のパワー密度を有するパルスレ
ーザーの焦点を、入力デバイスのアウトレット付近にあ
わせ、約１０−１００Hzの速さで、連続的に点火させ
る。粒子がレーザービームを貫いて通る時、粒子は断片
にされ、原子化され、イオン化される。タイム・オブ・
フライト質量分析器は、入射する各断片を検出及び計数
し、質量を測定し、イオンを生じる。入力デバイスを通
る空気の流れに沿って入射する各断面の計数率が、空気
中又はプロセス気体中の粒子の濃度を決る。イオン質量
が粒子中に含まれる種の化学的性質を評価し、イオン生
成率は分析中の粒子中の種の濃度に関係する。全イオン
の組合せた生成率は、粒子寸法の一つの尺度である。こ
の情報はたとえば、ディジタル・オシロスコープで記録
される。ディジタル化された信号は分析され、たとえば
計算機で表示される。この分析器は実時間で同時に、現
在大気中又はプロセスガス中に存在する粒子を計数し、
寸法を識別し、化学分析することができる。一度粒子の
濃度及び組成が、寸法の関数として決ると、粒子の源は
決められ、雰囲気又はプロセスから、除くことができ
る。
料は、入力デバイスを通して、装置内に入る。粒子ビー
ムは約１０６の圧力差を有する容器内に入る。少くとも
１．５×１０８Ｗ／cm２のパワー密度を有するパルスレ
ーザーの焦点を、入力デバイスのアウトレット付近にあ
わせ、約１０−１００Hzの速さで、連続的に点火させ
る。粒子がレーザービームを貫いて通る時、粒子は断片
にされ、原子化され、イオン化される。タイム・オブ・
フライト質量分析器は、入射する各断片を検出及び計数
し、質量を測定し、イオンを生じる。入力デバイスを通
る空気の流れに沿って入射する各断面の計数率が、空気
中又はプロセス気体中の粒子の濃度を決る。イオン質量
が粒子中に含まれる種の化学的性質を評価し、イオン生
成率は分析中の粒子中の種の濃度に関係する。全イオン
の組合せた生成率は、粒子寸法の一つの尺度である。こ
の情報はたとえば、ディジタル・オシロスコープで記録
される。ディジタル化された信号は分析され、たとえば
計算機で表示される。この分析器は実時間で同時に、現
在大気中又はプロセスガス中に存在する粒子を計数し、
寸法を識別し、化学分析することができる。一度粒子の
濃度及び組成が、寸法の関数として決ると、粒子の源は
決められ、雰囲気又はプロセスから、除くことができ
る。
【０００８】
【好ましい態様の詳細な記述】図面は発明の概念を説明
するためのものであり、スケールを示すものではない。
図１を参照すると、空気中又はプロセスガス中に浮遊す
る粒子を実時間で、検出し、計数し、寸法を識別し、化
学組成を分析する可動粒子分析器２が示されている。装
置２は入力デバイス３を含み、それを通して粒子が通過
し、差動排気された容器６中に入る。パルスレーザー１
０の焦点が、容器６中の開口にあわされる。容器６中の
開口は、粒子が移動する経路の線内にあるか、粒子が移
動する経路に垂直にすることができる。粒子が毛細管４
に入ると、パルスレーザー１０を連続的に点火させる。
タイム・オブ・フライト質量スペクトル分析器（ＴＯＦ
／ＭＳ）１２は、粒子がレーザービームに接触した時生
じる質量スペクトルを得る。ディジタル・オシロスコー
プ１６のような過渡記録器が、質量スペクトルを記録
し、計算機２２がオシロスコープ１６から受けた情報を
分析し、表示する。
するためのものであり、スケールを示すものではない。
図１を参照すると、空気中又はプロセスガス中に浮遊す
る粒子を実時間で、検出し、計数し、寸法を識別し、化
学組成を分析する可動粒子分析器２が示されている。装
置２は入力デバイス３を含み、それを通して粒子が通過
し、差動排気された容器６中に入る。パルスレーザー１
０の焦点が、容器６中の開口にあわされる。容器６中の
開口は、粒子が移動する経路の線内にあるか、粒子が移
動する経路に垂直にすることができる。粒子が毛細管４
に入ると、パルスレーザー１０を連続的に点火させる。
タイム・オブ・フライト質量スペクトル分析器（ＴＯＦ
／ＭＳ）１２は、粒子がレーザービームに接触した時生
じる質量スペクトルを得る。ディジタル・オシロスコー
プ１６のような過渡記録器が、質量スペクトルを記録
し、計算機２２がオシロスコープ１６から受けた情報を
分析し、表示する。
【０００９】気体の試料は、入力デバイス３を通って、
装置２中に入る。入力デバイス３は毛細管４でよく、毛
細管４は図２に示されるように、毛細管の端部に配置さ
れた１ないし複数の排気されたスキマー２４又は排気さ
れた噴射分離器毛細管５を有する。スキマー２４又は噴
射分離器毛細管５の圧力は、機械ポンプ２８により、約
０．０１−１torrに保たれる。スキマー２４又は噴射分
離器毛細管５を用いるのは、気体試料の焦点を、容器６
中に合わせる補助とするためである。入力デバイス３は
溶融シリカのような平滑で平らな内径を生じる任意の材
料で、作られる。入力デバイス３の径及び長さは、入力
デバイス３のアウトレット端に配置された差動排気され
た容器６中の圧力を含む多くの要因に依存して変る、典
型的な場合、０．０１ないし１ミクロンの範囲の粒子寸
法及び約１０-4torrの容器６内の圧力に対し、入力デバ
イス３の直径は０．２５−０．５３mmで、長さは５０cm
である。
装置２中に入る。入力デバイス３は毛細管４でよく、毛
細管４は図２に示されるように、毛細管の端部に配置さ
れた１ないし複数の排気されたスキマー２４又は排気さ
れた噴射分離器毛細管５を有する。スキマー２４又は噴
射分離器毛細管５の圧力は、機械ポンプ２８により、約
０．０１−１torrに保たれる。スキマー２４又は噴射分
離器毛細管５を用いるのは、気体試料の焦点を、容器６
中に合わせる補助とするためである。入力デバイス３は
溶融シリカのような平滑で平らな内径を生じる任意の材
料で、作られる。入力デバイス３の径及び長さは、入力
デバイス３のアウトレット端に配置された差動排気され
た容器６中の圧力を含む多くの要因に依存して変る、典
型的な場合、０．０１ないし１ミクロンの範囲の粒子寸
法及び約１０-4torrの容器６内の圧力に対し、入力デバ
イス３の直径は０．２５−０．５３mmで、長さは５０cm
である。
【００１０】容器６は当業者には周知の形の拡散ポンプ
７及び機械ポンプ８により、約１０-4torrの圧力に保た
れている。入力デバイス３の径を小さくするか、毛細管
４の端部に１ないし複数のスキマー２４を置くか、ある
いは噴射分離器毛細管５を用いることが、差動排気され
る容器６中の圧力を下るすべての方法である。容器６中
の圧力は、動作させるため、粒子ビームが入力デバイス
３を通し容器６及びＴＯＦ／ＭＳ１２中に移動できるよ
う、低く保たれる必要がある。
７及び機械ポンプ８により、約１０-4torrの圧力に保た
れている。入力デバイス３の径を小さくするか、毛細管
４の端部に１ないし複数のスキマー２４を置くか、ある
いは噴射分離器毛細管５を用いることが、差動排気され
る容器６中の圧力を下るすべての方法である。容器６中
の圧力は、動作させるため、粒子ビームが入力デバイス
３を通し容器６及びＴＯＦ／ＭＳ１２中に移動できるよ
う、低く保たれる必要がある。
【００１１】ビームが入力デバイス３を離れた後、パル
スイオン化レーザー１０の焦点を、粒子ビーム上にあわ
せる。最適イオン化レーザー１０は短いパルス幅、高い
ピークパワー、適度なスポットサイズ及び高いくり返し
速度をもつ。しかし、これらの要因は相互に関連しあ
い、従って他の要因に対し、対応する効果をもつ。
スイオン化レーザー１０の焦点を、粒子ビーム上にあわ
せる。最適イオン化レーザー１０は短いパルス幅、高い
ピークパワー、適度なスポットサイズ及び高いくり返し
速度をもつ。しかし、これらの要因は相互に関連しあ
い、従って他の要因に対し、対応する効果をもつ。
【００１２】レーザーパルス幅は質量分解能及び信号強
度に影響を及ぼす。約１０nsの短いレーザーパルス幅
は、イオン生成パルスを狭くし、それによって質量分解
能を改善し、信号強度を強くする。信号強度が増すと、
より小さな粒子の検出が可能になる。１．５×１０8 Ｗ
／cm2 以上のパワー密度を有する約０．５mJ又はそれ以
上のレーザーパワーが、粒子の剥離及びイオン化を開始
させるために、必要である。１．５×１０8 Ｗ／cm2 よ
り小さい密度までレーザーパワーを下ると、典型的な場
合、粒子からの信号は通常小さくなる。１．５×１０8
Ｗ／cm2 又はそれ以上において、１ないし３ボルトのイ
オン信号が、典型的な場合、約１ミクロンの寸法の粒子
により生じる。加えて、レーザーパワーを下ると、粒子
検出率も下る。１６０mJにおいて、毎秒１−２粒子の検
出率が、吸引された１０mM CsNO3溶液に対して、観察
された。同じ試料の場合、３０mJのレーザーパワーにお
いて、検出率は６０秒当り１又はそれ以下であった。レ
ーザーパワーが低くなると、同じレーザースポットサイ
ズに対し、相対的に低いパワー密度が生じる。
度に影響を及ぼす。約１０nsの短いレーザーパルス幅
は、イオン生成パルスを狭くし、それによって質量分解
能を改善し、信号強度を強くする。信号強度が増すと、
より小さな粒子の検出が可能になる。１．５×１０8 Ｗ
／cm2 以上のパワー密度を有する約０．５mJ又はそれ以
上のレーザーパワーが、粒子の剥離及びイオン化を開始
させるために、必要である。１．５×１０8 Ｗ／cm2 よ
り小さい密度までレーザーパワーを下ると、典型的な場
合、粒子からの信号は通常小さくなる。１．５×１０8
Ｗ／cm2 又はそれ以上において、１ないし３ボルトのイ
オン信号が、典型的な場合、約１ミクロンの寸法の粒子
により生じる。加えて、レーザーパワーを下ると、粒子
検出率も下る。１６０mJにおいて、毎秒１−２粒子の検
出率が、吸引された１０mM CsNO3溶液に対して、観察
された。同じ試料の場合、３０mJのレーザーパワーにお
いて、検出率は６０秒当り１又はそれ以下であった。レ
ーザーパワーが低くなると、同じレーザースポットサイ
ズに対し、相対的に低いパワー密度が生じる。
【００１３】レーザーの焦点スポットの寸法が小さくな
ると、より大きなピークパワー密度は生じるが、イオン
化体積は減少し、従って粒子の検出効率は下る。他方、
スポットの寸法がより大きくなると、閾値イオン化パワ
ー密度を得るのに、より高いエネルギーのレーザーが必
要になる。たとえば、ランブダ・フィジーク・エキシマ
レーザーのような約３０Hzのパルス周波数を有するレー
ザー１０は、約２mm2の焦点スポットサイズをもつ。Ｔ
ＦＲスペクトラ・フィジックスレーザーのように、約
２，０００Hzといったパルス周波数を有するレーザー１
０は、約０．１mm2 の焦点スポットサイズを有する。約
０．２ないし２mm2 のスポットサイズが最適である。
ると、より大きなピークパワー密度は生じるが、イオン
化体積は減少し、従って粒子の検出効率は下る。他方、
スポットの寸法がより大きくなると、閾値イオン化パワ
ー密度を得るのに、より高いエネルギーのレーザーが必
要になる。たとえば、ランブダ・フィジーク・エキシマ
レーザーのような約３０Hzのパルス周波数を有するレー
ザー１０は、約２mm2の焦点スポットサイズをもつ。Ｔ
ＦＲスペクトラ・フィジックスレーザーのように、約
２，０００Hzといったパルス周波数を有するレーザー１
０は、約０．１mm2 の焦点スポットサイズを有する。約
０．２ないし２mm2 のスポットサイズが最適である。
【００１４】高くり返し速度により、高粒子計数がで
き、速いデータ収集が可能になる。不幸にも、高いくり
返しは、レーザーパワーを下げ、それは検出速度を下
る。１−１０kHz の周波数を有するレーザーが好ましい
が、１０ないし１００Hzの周波数も許容される。
き、速いデータ収集が可能になる。不幸にも、高いくり
返しは、レーザーパワーを下げ、それは検出速度を下
る。１−１０kHz の周波数を有するレーザーが好ましい
が、１０ないし１００Hzの周波数も許容される。
【００１５】短パルス幅、高ピークパワー密度、適度な
スポットサイズ及び適度のくり返し速度という特性をも
つレーザーには、エキシマレーザーが含まれる。そのよ
うなレーザーの一例は、ランブダ・フィジーク・モデル
ＥＭＧ２０２エキシマレーザで、４０nsのパルス幅、２
×１０8 Ｗ／cm2 のピークパワー、２mm×０．５mmのス
ポットサイズ及び１−５Hzのくり返し速度をもつ。エネ
ルギー、周波数及びパルスサイズに関して、レーザー技
術が進歩すれば、この方法の改善にも反映するであろ
う。
スポットサイズ及び適度のくり返し速度という特性をも
つレーザーには、エキシマレーザーが含まれる。そのよ
うなレーザーの一例は、ランブダ・フィジーク・モデル
ＥＭＧ２０２エキシマレーザで、４０nsのパルス幅、２
×１０8 Ｗ／cm2 のピークパワー、２mm×０．５mmのス
ポットサイズ及び１−５Hzのくり返し速度をもつ。エネ
ルギー、周波数及びパルスサイズに関して、レーザー技
術が進歩すれば、この方法の改善にも反映するであろ
う。
【００１６】ジョルダン・アソシエーツ・デュアルＴＯ
Ｆ／ＭＳのような二重の正及び負のタイム・オブ・フラ
イト質量分析器（ＴＯＦ／ＭＳ）１２が、レーザー１０
の焦点と同一線上に置かれる。分析器１２は各断片の入
射を計数し、粒子がレーザービームと接触した時、生成
する正及び負の両方のイオンの質量及び生成率を測定す
る。粒子の質量は粒子断片がＴＯＦ／ＭＳと接触するま
でに要する時間に、依存する。イオンの生成率は、断片
粒子により与えられる電荷に依存する。イオン化した粒
子の信号強度及び質量分解能は、分析器１２中に反射器
（図示されていない）を用いることにより、改善され
る。反射器（図示されていない）をつけ加えることによ
り、ピークが狭くなり、質量の測定は良好になり、ピー
ク強度は増加し、検出限界が改善される。
Ｆ／ＭＳのような二重の正及び負のタイム・オブ・フラ
イト質量分析器（ＴＯＦ／ＭＳ）１２が、レーザー１０
の焦点と同一線上に置かれる。分析器１２は各断片の入
射を計数し、粒子がレーザービームと接触した時、生成
する正及び負の両方のイオンの質量及び生成率を測定す
る。粒子の質量は粒子断片がＴＯＦ／ＭＳと接触するま
でに要する時間に、依存する。イオンの生成率は、断片
粒子により与えられる電荷に依存する。イオン化した粒
子の信号強度及び質量分解能は、分析器１２中に反射器
（図示されていない）を用いることにより、改善され
る。反射器（図示されていない）をつけ加えることによ
り、ピークが狭くなり、質量の測定は良好になり、ピー
ク強度は増加し、検出限界が改善される。
【００１７】分析器１２からの出力信号は、テクトロニ
スク２４４０又はテクトロニクスＤＳＡ６０２のような
ディジタル・オシロスコープ１６で記録される。ディジ
タル化された信号はパーソナルコンピュータ又はマッキ
ントッシュのような計算機２２で分析され、表示され
る。計算機は新しいデータをとり入れ、粒子中の物質の
化学的性質及び濃度、粒子の化学的性質及び濃度、粒子
の寸法に関する使用可能なデータに変換する。次にこの
情報は、各種の方式で表示される。
スク２４４０又はテクトロニクスＤＳＡ６０２のような
ディジタル・オシロスコープ１６で記録される。ディジ
タル化された信号はパーソナルコンピュータ又はマッキ
ントッシュのような計算機２２で分析され、表示され
る。計算機は新しいデータをとり入れ、粒子中の物質の
化学的性質及び濃度、粒子の化学的性質及び濃度、粒子
の寸法に関する使用可能なデータに変換する。次にこの
情報は、各種の方式で表示される。
【００１８】分析器２の動作は、粒子を含む気体試料が
入力デバイス３を通り、差動排気された容器６に入ると
ともに始る。容器６中の圧力レベルは容器６中に入る粒
子の速度、粒子ビームが入力デバイス３を離れた時起る
粒子分散の大きさ及びレーザー１０の焦点を入力デバイ
ス３の端部にどれほど近づけるかといったことを含む多
くの要因に、影響を与える。
入力デバイス３を通り、差動排気された容器６に入ると
ともに始る。容器６中の圧力レベルは容器６中に入る粒
子の速度、粒子ビームが入力デバイス３を離れた時起る
粒子分散の大きさ及びレーザー１０の焦点を入力デバイ
ス３の端部にどれほど近づけるかといったことを含む多
くの要因に、影響を与える。
【００１９】入力デバイス３を通って容器６に入るガス
流は、容器中に輸送される粒子の割合を決め、粒子検出
率に影響を与える要因である。入力デバイス３を通るガ
ス流は、粒子が容器６中に入るのに十分でなければなら
ない。粒子はもしガス流が低すぎると、輸送されず、検
出されない。入力デバイス３を通る試料のガス流は、毛
細管４の直径と長さ及び容器６中の圧力に基く。０．５
３mmＩＤの径、５０cmの長さ及び容器６中に７５０以上
の圧力差を有する入力デバイス３は、約８．１cm3 ／秒
の空気流をもつ。従って、１０6 粒子／ft3 （１ft3 ＝
２．８×１０4cm3 ）の粒子密度を有する試料は、１
５，０００粒子／分に等しい。試料の導入速度は１５０
粒子／分と見積られる。図３は試料中の１立方フィート
当りの粒子数と比較した、計数された粒子の直線的な性
質を示す。
流は、容器中に輸送される粒子の割合を決め、粒子検出
率に影響を与える要因である。入力デバイス３を通るガ
ス流は、粒子が容器６中に入るのに十分でなければなら
ない。粒子はもしガス流が低すぎると、輸送されず、検
出されない。入力デバイス３を通る試料のガス流は、毛
細管４の直径と長さ及び容器６中の圧力に基く。０．５
３mmＩＤの径、５０cmの長さ及び容器６中に７５０以上
の圧力差を有する入力デバイス３は、約８．１cm3 ／秒
の空気流をもつ。従って、１０6 粒子／ft3 （１ft3 ＝
２．８×１０4cm3 ）の粒子密度を有する試料は、１
５，０００粒子／分に等しい。試料の導入速度は１５０
粒子／分と見積られる。図３は試料中の１立方フィート
当りの粒子数と比較した、計数された粒子の直線的な性
質を示す。
【００２０】入力デバイス３を離れ、容器６に入った
後、粒子ビームは急速に広がり、毛細管の出力からの距
離とともに、粒子密度及び粒子への感度を、急激に下
る。図４は粒子サイズ及び入力デバイス３から４．５cm
の距離における毛細管中心からの半径方向の距離の関数
として、相対的な粒子密度を示す。この図は明らかに、
粒子が小さいほど、拡散する気体により、より大きな半
径まで容易に運ばれ、それらはビームの縁（≧１．９m
m）で支配的であることを、示している。他方、１ミク
ロン以上の大きな粒子は、粒子ビームの中心（≦１．９
mm）に集まる。
後、粒子ビームは急速に広がり、毛細管の出力からの距
離とともに、粒子密度及び粒子への感度を、急激に下
る。図４は粒子サイズ及び入力デバイス３から４．５cm
の距離における毛細管中心からの半径方向の距離の関数
として、相対的な粒子密度を示す。この図は明らかに、
粒子が小さいほど、拡散する気体により、より大きな半
径まで容易に運ばれ、それらはビームの縁（≧１．９m
m）で支配的であることを、示している。他方、１ミク
ロン以上の大きな粒子は、粒子ビームの中心（≦１．９
mm）に集まる。
【００２１】分散のこのパターンの結果、検出される粒
子の寸法は、あらかじめ決められ、選択される。レーザ
ー１０の焦点を、粒子ビームの中心にあわせることによ
り、基本的に大きな粒子が検出され、一方レーザー１０
の焦点をビームの縁（≧１．９mm）に合わせると、より
小さい粒子が検出される。最適な粒子検出は、粒子ビー
ムの分散の効果を最小にするため、レーザー１０の焦点
し、入力デバイス３の出力端のすぐ近く又は近くに合わ
せることが必要である。あるいは、粒子の全スペクトル
を得るため、レーザー１０を粒子ビームの分散範囲で走
査させる。レーザーの焦点を入力デバイス３の端部の間
の距離が、毛細管４及び排気されたスキマー２４に比べ
噴射分離器５の場合小さいという事実のため、噴射分離
器５の場合、より小さい粒子の検出は、毛細管４及び排
気されたスキマー２４より大きくなる傾向がある。
子の寸法は、あらかじめ決められ、選択される。レーザ
ー１０の焦点を、粒子ビームの中心にあわせることによ
り、基本的に大きな粒子が検出され、一方レーザー１０
の焦点をビームの縁（≧１．９mm）に合わせると、より
小さい粒子が検出される。最適な粒子検出は、粒子ビー
ムの分散の効果を最小にするため、レーザー１０の焦点
し、入力デバイス３の出力端のすぐ近く又は近くに合わ
せることが必要である。あるいは、粒子の全スペクトル
を得るため、レーザー１０を粒子ビームの分散範囲で走
査させる。レーザーの焦点を入力デバイス３の端部の間
の距離が、毛細管４及び排気されたスキマー２４に比べ
噴射分離器５の場合小さいという事実のため、噴射分離
器５の場合、より小さい粒子の検出は、毛細管４及び排
気されたスキマー２４より大きくなる傾向がある。
【００２２】試料が入力デバイス３中に導入されると、
レーザー１０はターンオンされ、連続的に点火する。レ
ーザーのパワー密度は１．５×１０8 Ｗ／cm2 より大き
い。レーザー１０が連続的に点火されるため、粒子ビー
ムを検出し、レーザーを点火するための第２のレーザー
は必要はない。レーザー１０は粒子ビームが入力デバイ
ス３を離れる点に、焦点をあわせる。粒子ビームが入力
デバイス３を離れる時、それはレーザービームを通過
し、レーザービームは粒子を切断し、原子化し、イオン
化する。
レーザー１０はターンオンされ、連続的に点火する。レ
ーザーのパワー密度は１．５×１０8 Ｗ／cm2 より大き
い。レーザー１０が連続的に点火されるため、粒子ビー
ムを検出し、レーザーを点火するための第２のレーザー
は必要はない。レーザー１０は粒子ビームが入力デバイ
ス３を離れる点に、焦点をあわせる。粒子ビームが入力
デバイス３を離れる時、それはレーザービームを通過
し、レーザービームは粒子を切断し、原子化し、イオン
化する。
【００２３】イオン信号又は質量スペクトルは、粒子ビ
ームがレーザービームと接触した時生じる。イオン信号
は分析器１２により検出され、読まれる。入射する断片
の頻度が、気体試料中の粒子の濃度を決る。イオンの質
量は、粒子中に含まれる物質の化学的性質を、特徴づけ
る。イオン生成率はイオン化された粒子中の物質の濃度
に関係する。すべてのイオンの組合された生成率が、粒
子のサイズを決る。
ームがレーザービームと接触した時生じる。イオン信号
は分析器１２により検出され、読まれる。入射する断片
の頻度が、気体試料中の粒子の濃度を決る。イオンの質
量は、粒子中に含まれる物質の化学的性質を、特徴づけ
る。イオン生成率はイオン化された粒子中の物質の濃度
に関係する。すべてのイオンの組合された生成率が、粒
子のサイズを決る。
【００２４】粒子により生じたイオン信号は、レーザー
パワー密度と閾値依存性を有する粒子サイズの関数であ
る。レーザーパワー密度は、イオン化を起すためには、
１．５×１０8 Ｗ／cm2 又はそれ以上にすべきである。
粒子により生じるイオン信号は、粒子の体積に対し、直
線的である。図４は０．０１−０．０２５ミクロンの粒
子に対する直線的な信号を示す。０．２ないし１０mM
CsNO3 溶液を原子化することにより生じた粒子は、１．
５ないし３ボルトの強度のCs+ 信号を生成した。０．０
０４mM CsNO3 溶液から生じた粒子は、０．０４ないし
０．４ボルトのより弱い強度のCs+ 信号を与えた。この
ようにし、もしレーザーパワー密度が十分でないと、全
粒子ではなく、粒子の表面のみがイオン化する。
パワー密度と閾値依存性を有する粒子サイズの関数であ
る。レーザーパワー密度は、イオン化を起すためには、
１．５×１０8 Ｗ／cm2 又はそれ以上にすべきである。
粒子により生じるイオン信号は、粒子の体積に対し、直
線的である。図４は０．０１−０．０２５ミクロンの粒
子に対する直線的な信号を示す。０．２ないし１０mM
CsNO3 溶液を原子化することにより生じた粒子は、１．
５ないし３ボルトの強度のCs+ 信号を生成した。０．０
０４mM CsNO3 溶液から生じた粒子は、０．０４ないし
０．４ボルトのより弱い強度のCs+ 信号を与えた。この
ようにし、もしレーザーパワー密度が十分でないと、全
粒子ではなく、粒子の表面のみがイオン化する。
【００２５】たとえば、６６％滑石（４SiO2−３MgO −
H2O)、２９％（NH4)2SO4、３％（NH4)HSO4、１％KCl 及
び１％ NaHCO3 の組成を有する合成塵試料を、レーザー
ビームに通した。この試料により生じた質量スペクトル
が、図６ないし８に示されている。各スペクトルは、４
つのレーザーパルスの結果生じた。質量スペクトル中に
観測されたイオンは、試料中の粒子は均一ではない固体
混合物であることを示している。粒子の同定は、粒子が
イオン化した時得られた質量スペクトルに基いた。図６
は滑石中にマグネシウムがないときのシリカを示す。図
７は純粋な硫酸アンモニウムで、主要な成分である滑石
は観測されない。図８はシリカと塩化カリウムの混合物
を示す。図８は１つのレーザーパルス内の２つの粒子の
検出か、時間で平均した４つのレーザーパルス中の平均
化した２つの異なるパルスから生じた。毎秒１−２粒子
の計数率であった。従って、組成濃度は図３から、１立
方フィート当り３−４×１０10粒子であった。独立の測
定からは、粒子の濃度は１立方フィート当り約５×１０
10粒子であった。組成中の粒子の大きさは、粒子がイオ
ン化した時生じた信号強度の結果、決められた。図６−
８を参照すると、全イオン生成率は約７Ｖであった。図
５中のデータを外挿することにより、粒子は約０．０３
ミクロンの直径をもつと決められた。
H2O)、２９％（NH4)2SO4、３％（NH4)HSO4、１％KCl 及
び１％ NaHCO3 の組成を有する合成塵試料を、レーザー
ビームに通した。この試料により生じた質量スペクトル
が、図６ないし８に示されている。各スペクトルは、４
つのレーザーパルスの結果生じた。質量スペクトル中に
観測されたイオンは、試料中の粒子は均一ではない固体
混合物であることを示している。粒子の同定は、粒子が
イオン化した時得られた質量スペクトルに基いた。図６
は滑石中にマグネシウムがないときのシリカを示す。図
７は純粋な硫酸アンモニウムで、主要な成分である滑石
は観測されない。図８はシリカと塩化カリウムの混合物
を示す。図８は１つのレーザーパルス内の２つの粒子の
検出か、時間で平均した４つのレーザーパルス中の平均
化した２つの異なるパルスから生じた。毎秒１−２粒子
の計数率であった。従って、組成濃度は図３から、１立
方フィート当り３−４×１０10粒子であった。独立の測
定からは、粒子の濃度は１立方フィート当り約５×１０
10粒子であった。組成中の粒子の大きさは、粒子がイオ
ン化した時生じた信号強度の結果、決められた。図６−
８を参照すると、全イオン生成率は約７Ｖであった。図
５中のデータを外挿することにより、粒子は約０．０３
ミクロンの直径をもつと決められた。
【００２６】上述の可動粒子分析器は、本発明の原理の
適用を示す多くの具体的な実施例のほんのわずかを示し
たものであることを、理解すべきである。オシロスコー
プをゲート積分器あるいは時間ゲートイオンカウンタで
置きかえたり、又は空気粒子の代りにプロセスガスを分
析するといった多くのかつ各種の他の構成が、本発明の
精神力及び視点を離れることなく、当業者にはこれらの
原理に従い、容易に考察できる。
適用を示す多くの具体的な実施例のほんのわずかを示し
たものであることを、理解すべきである。オシロスコー
プをゲート積分器あるいは時間ゲートイオンカウンタで
置きかえたり、又は空気粒子の代りにプロセスガスを分
析するといった多くのかつ各種の他の構成が、本発明の
精神力及び視点を離れることなく、当業者にはこれらの
原理に従い、容易に考察できる。
【図１】本発明に従う毛細管及び排気されたスキマー入
力を有する粒子分析器の断面図である。
力を有する粒子分析器の断面図である。
【図２】本発明に従う噴射分離器毛細管入力を有する粒
子分析器の断面図である。
子分析器の断面図である。
【図３】１立方フィート当りの粒子数に対する粒子計数
率を示す図である。
率を示す図である。
【図４】粒子ビームの中心からの距離に対し、粒子寸法
を比較する粒子分散を示す図である。
を比較する粒子分散を示す図である。
【図５】粒子体積と比較したイオン信号を示す図であ
る。
る。
【図６】SiO2から成る粒子の質量スペクトルを示す図で
ある。
ある。
【図７】（NH4)2SO4から成る粒子の質量スペクトルを示
す図である。
す図である。
【図８】KCl 及びSiO2から成る粒子の質量スペクトルを
示す図である。
示す図である。
２ 可動粒子分析器、装置、分析器
３ 入力デバイス
４ 毛細管
５ 噴射分離器毛細管
６ 容器
７ 拡散ポンプ
８ 機械ポンプ
１０ パルスレーザー
１２ 質量スペクトル分析器、ＴＯＦ／ＭＳ、分析器
１３ 拡散ポンプ（本文中では使われていない）
１４ 機械ポンプ（本文中では使われていない）
１６ ディジタル・オシロスコープ
２２ 計算機
２４ スキマー
２８ 機械ポンプ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 アドリアン ブルース エマーソン
アメリカ合衆国 08854 ニュージャー
シィ，ピスカッタウェイ，ジョンソン
アヴェニュー 214
(72)発明者 アンソニー マイケル ムジス
アメリカ合衆国 07922 ニュージャー
シィ，バークレイ ハイツ，シェアブル
ック ドライヴ 88
(72)発明者 アミー ジーン ムラー
アメリカ合衆国 07059 ニュージャー
シィ，ウォーレン，ヴァレー ヴュー
ロード 23
(72)発明者 ウィリアム ディヴィッド リーンツ
ジュニヤ
アメリカ合衆国 08846 ニュージャー
シィ，ミドルセックス，グレン ガリー
ロード 18
(72)発明者 ジェームス ダグラス シンクライア
アメリカ合衆国 07901 ニュージャー
シィ，サミット，マウント ヴァーノン
アヴェニュー 11
(72)発明者 アルカ スワンソン
アメリカ合衆国 07974 ニュージャー
シィ，ニュープロヴィデンス，オスボー
ン アヴェニュー 18
(56)参考文献 特開 平３−105841（ＪＰ，Ａ)
米国特許4383171（ＵＳ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 27/62 - 27/70
H01J 49/00 - 49/48
G01N 15/00 - 15/14
Claims (10)
- 【請求項１】 気体流のなかの少なくとも０．０１−
１．０μｍのサイズ範囲に及ぶ粒子の、サイズ、濃度お
よび組成を同時に決定するための装置において、 ａ）排気可能な容器と、 ｂ）前記容器に粒子を含む気体を導入するための手段
と、 ｃ）前記気体中の粒子の少なくともいくつかを断片化
し、その断片の少なくともいくつかをイオン化するため
の単一レーザ手段とを含む装置であって、 ｄ）前記レーザ手段が、５０ｎｓより小さい幅の一連の
パルスを含むレーザビームを供給し、前記装置がさら
に、 ｅ）ｉ）それによって前記粒子サイズの決定をするため
の、イオン化断片の数と、 ｉｉ）それによって前記粒子の組成の決定をするため
の、イオン化断片の質量および電荷と、 ｉｉｉ）それによって前記気体流の中の前記粒子の濃度
の決定をするための、断片入射(fragmentation inciden
ts)の頻度(frequency)と、を検出するための検出手段
と、 ｆ）前記粒子の通る経路に沿い、前記気体を導入するた
めの手段のアウトレットに近接した点に前記ビームのフ
ォーカスを移動可能にするための手段とを含む装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の装置において、さら
に、 ａ）各粒子由来のイオン化断片の収集に帰着するパルス
の頻度とレーザパルス周波数との間の関係によって決定
される前記気体流の中の前記粒子の濃度と、各粒子由来
のイオン化断片の数によって決定される前記粒子サイズ
と、各粒子由来の断片の電荷および質量によって決定さ
れる粒子の組成と、を決定するための手段と、 ｂ）各粒子由来の前記イオン化断片の質量と、前記イオ
ン化断片の電荷および数と、を記録するための手段と、 ｃ）各粒子由来のイオン化断片の収集に帰着するパルス
の頻度とレーザパルスの周波数との間の関係によって決
定される、前記気体流中の粒子濃度を計算するための手
段とを含む装置。 - 【請求項３】 請求項１に記載の粒子を分析するための
装置において、さらに、前記濃度、組成、質量およびイ
オン化断片によって運ばれたイオン電荷情報を表示する
ための手段を含む装置。 - 【請求項４】 請求項１に記載の粒子を分析するための
装置において、前記粒子を含む気体を前記容器に導入す
るための手段が、毛細管を含む装置。 - 【請求項５】 請求項４に記載の粒子を分析するための
装置において、前記毛細管のアウトレットと連続した配
置のオリフィスをさらに含む装置。 - 【請求項６】 請求項４に記載の粒子を分析するための
装置において、前記毛細管の長さ軸に沿って配置される
オリフィスをさらに含む装置。 - 【請求項７】 請求項１に記載の粒子を分析するための
装置において、前記レーザ手段が約１．５ｘ１０８Ｗ／
ｃｍ２あるいはそれ以上のパワー密度を有する装置。 - 【請求項８】 請求項１に記載の粒子を分析するための
装置において、前記検出手段がタイム・オブ・フライト
分析器である装置。 - 【請求項９】 請求項１に記載の粒子を分析するための
装置において、前記ｅ）の検出手段がコンピューターを
含む装置。 - 【請求項１０】 請求項１に記載の粒子を分析するため
の装置において、前記レーザビームは前記粒子の分散範
囲で走査させる装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US94413392A | 1992-09-11 | 1992-09-11 | |
| US944133 | 1992-09-11 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06201567A JPH06201567A (ja) | 1994-07-19 |
| JP3445323B2 true JP3445323B2 (ja) | 2003-09-08 |
Family
ID=25480851
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22548993A Expired - Fee Related JP3445323B2 (ja) | 1992-09-11 | 1993-09-10 | 質量スペクトル測定用手段を含む装置 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5382794A (ja) |
| EP (1) | EP0587369B1 (ja) |
| JP (1) | JP3445323B2 (ja) |
| CA (1) | CA2101237C (ja) |
| DE (1) | DE69316807T2 (ja) |
Families Citing this family (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9324213D0 (en) * | 1993-11-25 | 1994-01-12 | Kore Tech Ltd | Vacuum inlet |
| US5631462A (en) * | 1995-01-17 | 1997-05-20 | Lucent Technologies Inc. | Laser-assisted particle analysis |
| US5998215A (en) * | 1995-05-01 | 1999-12-07 | The Regents Of The University Of California | Portable analyzer for determining size and chemical composition of an aerosol |
| US5788166A (en) * | 1996-08-27 | 1998-08-04 | Cornell Research Foundation, Inc. | Electrospray ionization source and method of using the same |
| WO1998009316A1 (fr) * | 1996-08-29 | 1998-03-05 | Nkk Corporation | Spectroscope de masse a ionisation par laser et procede d'analyse par spectroscopie de masse |
| DE19734460A1 (de) * | 1997-08-11 | 1999-02-18 | Gsf Forschungszentrum Umwelt | Verfahren und Vorrichtung zum analytischen Nachweis von Spuren |
| US6259101B1 (en) * | 1997-09-23 | 2001-07-10 | University Of Delaware | Method and instruments for the on-line detection, sizing or analysis of aerosol particles |
| US6040574A (en) * | 1998-03-05 | 2000-03-21 | Aerodyne Research, Inc. | Atmospheric-particle analyzer |
| US5977540A (en) * | 1998-04-16 | 1999-11-02 | Lucent Technologies Inc. | Laser-assisted particle analysis |
| WO2000055600A2 (en) * | 1999-02-25 | 2000-09-21 | Clemson University | Sampling and analysis of airborne particulate matter by glow discharge atomic emission and mass spectrometries |
| US6633032B2 (en) * | 2000-11-30 | 2003-10-14 | Agere Systems Inc. | Mass spectrometer particle counter |
| US6777673B2 (en) | 2001-12-28 | 2004-08-17 | Academia Sinica | Ion trap mass spectrometer |
| US6784423B2 (en) * | 2002-09-20 | 2004-08-31 | Lucent Technologies Inc. | Characterization of individual particle atomic composition by aerosol mass spectrometry |
| US6974957B2 (en) * | 2004-02-18 | 2005-12-13 | Nanomat, Inc. | Ionization device for aerosol mass spectrometer and method of ionization |
| FI20050385A0 (fi) * | 2005-04-14 | 2005-04-14 | Jukka Rantanen | Menetelmä ja laitteisto kiinteän aineen liuottamiseksi nesteeseen |
| WO2008049038A2 (en) * | 2006-10-17 | 2008-04-24 | The Regents Of The University Of California | Compact aerosol time-of-flight mass spectrometer |
| WO2008146333A1 (ja) * | 2007-05-30 | 2008-12-04 | Shimadzu Corporation | 質量分析装置 |
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