JP4563525B2 - レーザー誘起白熱光における絶対光度測定 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）における絶対光度測定法、およびその装置に関し、より詳細には微粒子体の容積分率の決定のためのＬＩＩ中の絶対光度測定に関する。
【０００２】
【発明の技術背景】
環境における煤粒子のような微粒子体の存在は、微粒子濃縮の決定方法、およびそのデバイスの開発に大きな関心を引起した。例えば、エンジン、動力発生機関、焼却炉、あるいは炉からの煤の放出は、有用なエネルギーの損失を表し、更には、重大な環境汚染、および健康への危険である。しかしながら、火炎中の煤の存在は、また前向きな効果も持つ。例えば、燃焼プロセスからのエネルギーの移動は、煤からの放射熱移動によって大いに促進される。このように、煤の形成を理解し、および煤の放出、あるいは形成に対する制御戦略を発展させるために、煤濃縮の測定が必要である。レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）は、ＬＩＩ信号が微粒子容積の割合に比例するので、微粒子の測定用の良い診断ツールである。
【０００３】
プランクの法則により、総ての物体は電磁放射を放出している。この放射は、９００Ｋ以下の温度では助力のない眼に対しては見えない。しなしながら、もし、物体が３０００Ｋを超える温度に加熱されれば、総ての可視波長の放出光度が物体を白熱して見せるに十分になる、即ち白熱光が生じる。電磁放射の強度は物体の温度と共に上昇し、放出のピーク波長は短波長に向かってシフトする。
【０００４】
レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）において、ガス吸蔵微粒子体の容積、例えば煤は、パルス状高強度レーザー光源にさらされる。微粒子体や粒子はレーザー光エネルギーを吸収し、周囲の媒体よりも遥か上の温度に加熱される。例えば、煤の場合には、約４０００−４５００Ｋのこれらの上昇した温度において、粒子は光スペクトルの可視および赤外領域近傍の全領域に亘って強く白熱する。最大粒子温度は、粒子の蒸発が卓越熱損失メカニズムになる点によって制御される。それ以降のレーザー光エネルギーの増加は、粒子温度の増加よりもむしろ蒸発率の増加に帰着する傾向がある。
【０００５】
プランクの放射法則によれば、これらの上昇した温度における放射的放出は強度（光度）が非常に増加し、非レーザー加熱粒子および火炎ガスと比較し、青光波長にシフトする。このようにして、ＬＩＩ白熱光信号は容易に自然の火炎の放出から分離される。その大きな動的範囲と同様に、急速な時間スケールおよび良好な空間的分解能により、ＬＩＩは乱流中の粒子容積分率を測定するための光学的診断として、即ち時間変化、燃焼および実用的なデバイスとして良く適している。この技術は、先の方法では提供されない、高度の時間的および空間的分解能を提供する。
【０００６】
今日、リアルタイム風媒微粒子濃縮測定、および乱流燃焼環境における煤測定の必要性がある。更に、空間の分析測定が必要である。
【０００７】
乱流火炎中の微粒子体を測定するために、以下の要求が満たされなければならない。即ち、良好な空間的分解能、良好な時間的分解能、火炎放射に対する識別、および大きな動的範囲である。乱流火炎は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジン、炉、およびボイラのような最も実用的な燃焼器に見られ、放出粒子の制御は、健康への危険性を低減するために必要である。
【０００８】
ディーゼル微粒子を測定する現在の方法は、Ｂｏｓｃｈ Ｓｍｏｋｅ数と直接質量サンプリングである。Ｂｏｓｃｈ Ｓｍｏｋｅ数の方法において、微粒子は排出流の一部からフィルタ紙の上に集められ、そして収集サンプルを通した光伝導が測定される。これは、粒子質量流を決定するために較正チャートと比較される。この方法は、乏しい、時間および空間的な分解能を持つ。直接質量サンプリング方法はＥＰＡの公式方法であり、フィルタ上の煤の質量からフィルタの質量を減じた差から煤の質量を測定する。この方法はしかしながら、特に低放出車両に対して限定された精度を持つ。両方法共、粒子放出のソースが低放出の時、精度上の損失を受け、こうして低放出燃焼器に対しては十分に長い試験検査を必要とする。
【０００９】
ＬＩＩは、ＬＩＩ信号が広い動的範囲に亘って微粒子容積分率に比例するので、微粒子測定に対する要求を満足する。しかしながら、ＬＩＩは微粒子濃縮の相対測定を提供し、微粒子濃縮の定量化に対して較正を必要とする。現在、絶対的な微粒子濃縮に対する較正技術は、従来の方法を通じて決定される既知の粒子容積分率を持つシステムに対して、ＬＩＩ信号の自然状態での比較によって為される。この経験的較正手順を用いて、ＬＩＩは定常状態および時間変動拡散火炎、予混合火炎、エンジン内部、およびエンジン排気流中の粒子容積分率を測定するために用いられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＩＩにおける絶対光度測定を実施し、既知の濃度と微粒子のソースにおいての較正の必要性を避けることが、本発明の目的である。ＬＩＩでの絶対光度測定を用いて粒子容積分率を決定することが、本発明の次の目的である。これは、微粒子加熱の数値的モデル、あるいは微粒子温度の実験的観察の何れかからの粒子温度の知識を必要とする。
【００１１】
微粒子濃度を測定するために較正の必要のない、即ち既知の濃度および粒子タイプの微粒子のソースを必要としない、方法および装置を提供することが本発明の目的である。
【００１２】
更に、絶対光度測定の開発は、携帯用ＬＩＩ測定器を提供する基礎を予期している。これは、研究室におけるエンジン試験セル、放出準拠性測定、および道路脇チェックにおける排気微粒子測定の応用、炉およびボイラ内の堆積微粒子測定の応用、風媒微粒子モニタ用、および既知の濃度との微粒子のソースの較正が実施できない場合のオンラインプロセスモニタ用に、特に有用である。
【００１３】
【発明の概要】
本発明は絶対光度測定を用いるレーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）により、粒子容積分率の決定の方法およびその装置を提供する。これは、微粒子加熱の数値的モデルと微粒子温度の実験的観察の何れかからの粒子温度の知識を必要とする。更に、既知の粒子温度を使用して、粒子容積分率が計算される。これは、既知の粒子容積分率、あるいは粒子濃度で微粒子のソースを較正する要求を回避する。
【００１４】
検出システムの感度は、既知放射輝度の拡張ソースから較正され、次いでこの感度は測定されたＬＩＩ信号を解明するために用いられる。これは、粒子容積分率や粒子濃度測定の方法および装置の較正非依存に帰着する。モデル化プロセスは、蒸発、媒体への熱移動、粒子加熱等を記述するパラメータを含む、粒子および周囲ガスの熱／エネルギー移動を記述する微分方程式の解法を含む。この解法は、時間にわたっての粒子に対する温度および直径値を与える。これらの値は、プランクの方程式を用いて放射値に変換される。このようにして、本発明による方法および装置は、較正目的のための既知微粒子濃度のソースを必要としない。
【００１５】
本発明によれば、下記のステップを有する、レーザー誘起白熱光信号からの粒子容積分率を決定する方法が提供されている。すなわち、光検出器応答を較正するステップと；パルス化レーザー光ビームで一個以上の粒子を内蔵したガスの容積を照射し、前記パルス化レーザー光ビームで前記一個以上の粒子の白熱光を生じさせるステップと；レーザー光パルス後の実質的に不変の光強度の期間内のプロンプト信号、レーザー光パルス後の時間期間に亘って時間積分された信号、および時間依存信号の内の一つである、白熱光信号における白熱光強度の信号を光検出器で測定するステップと；粒子放射を計算するステップと；白熱光強度と絶対光強度（絶対光度）の信号から粒子容積分率を計算するステップと；を有することを特徴とするレーザー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定する方法。
【００１６】
本発明によれば、下記のステップを有して 信号から粒子容積分率を決定する較正から独立して粒子容積分率を決定する方法が提供されている。すなわち、そのステップは、（ａ）レーザー誘起白熱光信号を得る前に、光検出システムを較正するために既知の発光温度をもった既知の放射輝度の拡張ソースを提供し、拡張ソースをレーザー誘起白熱光信号発生領域に配置するステップと；
（ｂ）光強度信号は光子の数であり、既知の放射輝度の拡張ソースからの光強度信号を検出システムで測定するステップと；
（ｃ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号と前記拡張ソースの既知の発光温度からソース温度を計算するステップと；
（ｄ）温度と波長の関数として前記拡張ソースの放射率からソース放射輝度を予め定めた波長のもとで計算するステップと；
（ｅ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号とステップ（ｄ）のソース放射輝度から光検出システムを較正する較正係数を決定するステップと；
（ｆ）較正係数を使用して、観測されたレーザー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定するステップである。
【００１７】
本発明によれば、レーザー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定する下記構成の装置が提供されている。すなわち、測定容積内にパルス化レーザー光ビームを発生して、測定容積内に一個以上の粒子のレーザー誘起白熱光信号を生じさせるレーザーと；一個以上の粒子のレーザー誘起白熱光信号を検出する較正された光検出器と；レーザー誘起白熱光信号と粒子特性、ガス特性、レーザーおよびレーザー光ビームジオメトリ特性を含む数学的モデルとを用いて、粒子容積分率を計算するプロセッサーと；を有する。
【００１８】
有利なことに、本発明による方法および装置は、既知の粒子容積分率のソースを使用して、レーザー誘起白熱光測定における較正を行う必要性を回避する。これは、多くの場所で容易に使用できる携帯用装置を提供する基礎を創造する。
【００１９】
更なる利点が、当該技術に習熟した人々には、例示用のみの以下の図面を参照しながら、好ましい実施形態例の詳細な記述から理解されるであろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）は、ガスおよび燃焼火炎（たとえそれが乱流火炎であるとしても）中の、粒子容積分率と粒子の大きさを測定するために光学的診断として用いられる。本発明による方法および装置は、煤粒子に対して最適化されているが、アルミナ、シリカ、チタニア、および多くの金属および金属酸化物のような、測定可能な白熱光を作り出すために十分に高い蒸発温度を持ってレーザー光エネルギーを吸収できる他の耐熱性の粒子にも作動する。
【００２１】
ＬＩＩは、レーザー光ビームが、ガス中のこれらの微粒子体に出会った時、生じる。微粒子は、レーザー光エネルギーを吸収し、白熱光温度まで加熱され、煤の場合、これは４０００Ｋから４５００Ｋである。加熱に続く放射は検出され、記録され、そして相対微粒子容積分率を決定するのに用いられる。更に、長期冷却は粒子の直径に依存しているので、長期時定数を採用することにより、あるいは絶対光度測定から、粒子の大きさは決定される。最高粒子温度は、粒子蒸発が卓越熱損失メカニズムになる点によって制御される。レーザー光エネルギーの更なる増加は、粒子温度の増加よりもむしろ粒子の蒸発の増加に帰着する傾向となる。短期間であって通常のガス温度での粒子放射に比較して青波長にシフトして生じる放射は、容易に検出できる。ＬＩＩは一般的に１０ｎｓの時間的分解能を持ち、ガス中の点測定を行うために用いられる。
【００２２】
図１は、本発明による装置の基礎的な実施形態例を示す。蒸発温度に到達するために、煤に対して例えば０．２Ｊ／ｃｍ２あるいはそれ以上の十分なエネルギー密度でレーザー光ビーム３を提供できるパルス化レーザー２は、その中で測定が望まれている媒体を通過する。本発明による他の可能なエネルギー源は、コンパクトなＹＡＧレーザー、ダイオードレーザー、高繰返し率レーザー、あるいは他のパルス化レーザーである。
【００２３】
レーザービーム３に対して如何なる任意の角度（θ）９に位置する光検出器４は、レーザー光ビームと媒体中に含まれている粒子間の相互作用によって作り出される放射を検出する。代替的には、通例の、あるいはコンパクト光電子倍増管、ＣＣＤカメラ、強化型ＣＣＤ、アバランシェフォトダイオード検出器（ＡＰＤ）、あるいはガリウム砒素（ＧａＡｓ）検出器のような他の検出器が、本発明の範囲から逸脱せずに用いられる。測定容積は、光検出器の視野とレーザー光ビームの経路によって決定される。
【００２４】
本発明によれば、測定容積は、点測定、レーザー光ビームがそれに沿って進む経路を測定する視線測定、レーザー光シートの小さな部分ではなく全平面をサンプルする全平面測定、一時に総ての粒子を照射する巨大レーザー光ビームを用いる容積測定、あるいはＣＣＤカメラを用いて単一レーザー光パルス内の空間分布を測定する撮像測定のような複数の測定から選択される。
【００２５】
測定容積１は更に、レーザービーム３に対する焦点レンズ（図示せず）、光検出器４の収集レンズの使用、あるいは収集アーム８の開口部５の使用によって随意的に定められる。光検出器４からの信号は、コンピュータ７におけるような次の処理のための過渡デジタイザ６によって、あるいはゲート型積分器（図示せず）によって記録される。
【００２６】
本発明による装置のより詳細な実施形態例が、図２に示してある。レーザー１２は、半波長板１４および偏光器１６を通してビーム膨張レンズシステム１８にパルス化レーザー光ビーム１０を導く。レーザー光ビーム１０は、次いで鏡１９まで通過し、そこで反射され、レーザー光ビーム１０をアイリス２２に向けて下方に導く焦点レンズ２０を通過し、アイリスを通してレーザー光ビーム１０は測定位置２４を通るレーザー光シートとして出現する。
【００２７】
レーザー光ビームに垂直で（空間的最大分解能に対して）測定位置２４に向けられた収集レンズ２６は、レーザー光パルスによって発生された白熱光放射を収集し、光ファイバ入力２８に焦点を結ぶ。測定容積は、レーザー光シートの幅とレーザー光シートでのファイバ先端の像によって決定される。ファイバ２９によって導かれた信号は、プロンプト信号を検出するためにゲート型積分器に接続された光電子倍増管である第一検出器３２とプロンプト白熱光信号と同時に積分白熱光信号を収集するために電荷結合増幅器に接続された光電子倍増管である第二検出器３４間のスプリッタ３０を通して分割される。
【００２８】
過渡デジタイザ３６は、測定されたアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。代替的には、白熱光信号は一つの検出器に送られ、次にデジタル化される。プロンプトおよび積分された量は、デジタル化された信号から数値的に決定される。最もシンプルな実施形態例では、装置は、プロンプト白熱光信号を測定するためにゲート型積分器に接続されるか、あるいは完全なＬＩＩ光パルスを測定するために過渡デジタイザに接続される単一の検出器により構成できる。
【００２９】
好ましいレーザー１２は、その広範囲な利用性、その使用の容易性、およびその短期間のＱ−切り替えパルスの故に、コンテニウム サークライト（Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ Ｓｕｒｃｌｉｔｅ）１のようなＮｄ：ＹＡＧレーザーである。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは、１０６４ｎｍのその基本的な波長で動作する。レーザー光ビームの質は、近傍と遠方のフィールドにガウスプロファイルを作り出すレーザー共振器中に、適当な大きさの開口部を挿入することにより最適化される。この修正は、利用し得る最大光エネルギーを低減する。
【００３０】
更に、レーザー光ビーム１０の減衰は、測定位置に送られるエネルギーを制御する垂直偏光器１６と組み合わせて、偏光面を回転する半波長板１４を用いることにより制御される。ポケットセル、あるいはＫｅｒｒセルのような他の手段は、レーザー光ビームを希望のレーザー光強度に自動的に減衰するために用いられる。勿論、ダイオードレーザー、高繰返し率レーザー、あるいは他のパルス化レーザーのような他のレーザーも、それらが光波長、ビームジオメトリ、および励起容積における微粒子組成が与えられて測定可能な白熱光を作り出すために十分な光エネルギーを放出するならば、これらも使用できる。
【００３１】
短光パルス期間、即ち略２０ｎｓより小さいかあるいは等しい光パルス期間を持つレーザーは、レーザー光パルスの間の粒子蒸発を最小にするために好ましい。煤に対しては、蒸発させる微粒子温度に上昇するために十分な光エネルギーは、０．２乃至０．８Ｊ／ｃｍ２である。
【００３２】
ビーム膨張器１８、焦点レンズ２０、およびアイリス２２光学システムは、実質的にただ一個の平面でのガウス適合プロファイルを持つ測定位置２４の容積におけるレーザー光シートを創り出す。ビーム光強度のプロファイルは、二つの直交平面において平坦である。最大の正確さで、光ビーム強度プロファイルが測定される。白熱光信号はレーザー光エネルギー強度プロファイルに高度に依存するので、測定容積について最小の変化で良く規定された既知のレーザー光強度（単位面積当りのレーザー光パワー、例えばワット／ｃｍ２）を創り出すことは、重要である。
【００３３】
このモデルでは、ピーク光強度以外での粒子に対するエネルギー値は、ガウス光強度プロファイルとアライメントする光軸付近の粒子の均一な分布を用いて計算される。ピーク値に位置していない粒子は、比例的に少ない光エネルギーを受け、較正で決定されるような、与えられた時間ステップで全白熱光信号を決定するために積算的に加えられる、異なる白熱光信号を作り出す。好ましい実施形態例において、流束量や光エネルギーのガウス光強度分布が用いられる一方、レーザー光シート全体を通して一定の光強度を持つレーザー流束量の「トップ−ハット」又は方形光強度プロファイルが有益である。
【００３４】
原理的に、強度の如何なる分布も、測定容積を通じてその分布が測定される限り、用いることができる。しかしながら、より均一な光強度プロファイルは、微粒子温度が測定容積全体を通じてより均一であることを確実にする。このことは、数値的なモデル化の容易さおよび正確さを増し、多波長微粒子測定から得られた平均的微粒子温度が測定容積中の粒子温度をより良く表示することを確実にする。
【００３５】
好都合なことに、信号ピックアップは、コンパクトな多用途の装置を創り出す光ファイバアッセンブリにより作られる。ＬＩＩ白熱光信号は、ファイバの開口数に整合する入力ファイバ先端２８に、レンズ２６によって焦点が結ばれる。ＬＩＩ信号は次に、ビームが視準される光ビームスプリッタ３０に運ばれる。
【００３６】
次に光要素は、視準光ビームを二つ以上の部分に分割し、その分割部分は、次いでその出力が光検出器に終わる出力ファイバに焦点を結ぶ。光スプリッタは、入力光ビームを異なる波長帯域に分割するか、あるいは分割された光強度を全波長が供される所へ提供する。随意的に、干渉フィルタ３８が、更に各光検出器へ進む光波長範囲を選択するために、最終焦点レンズ前に挿入される。
【００３７】
光ファイバは、最早自由空間光アライメントに依存しない、よりコンパクトなアッセンブリを提供して検出器への光信号のより良い分離を提供する。光ファイバの使用は、光検出器の位置決めにより柔軟性を与え、単一の入力ファイバは、全光検出器がガスの同一の領域を視ることを確実にする。これは、レシーバレンズの後焦点面の共通の開口部を持つことによって成しとげられる。
【００３８】
図３は、通常の光学機械を使用する本発明による装置の他の実施形態例の略式図である。図３に見られるように、ビームスプリッタ３０で分割された後、光信号は、温度検出用に狭い単色波長に近い領域を選択するために光干渉フィルタ３８を通過する。
【００３９】
図３は、既知の制御火炎特性を持つバーナー５０を用いるベンチスケールモデルを図示する。白熱光信号は、選択された間隔を測定するために設定されたゲート幅を持つゲート型積分器４０によってそれぞれ制御される光電子倍増管３２，３４によって検出される。プロンプト白熱光信号検出用の第一検出器３２は、そのゲート幅が２５ｎｓに設定されているゲート型積分器４０に直接接続されている。
【００４０】
光検出器３２，３４は、コンパクト光電子倍増管、ＣＣＤカメラ、あるいはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、あるいはガリウム砒素（ＧａＡｓ）検出器のような他の光検出器でも良い。プロンプト白熱光信号を検出する第一光検出器３２は、２５ｎｓに設定されたゲート幅を持つゲート型積分器４０に直接接続されている。
【００４１】
ＬＩＩ信号期間、即ち約１０００ｎｓ間に収集された全電荷を測定する積分された信号を検出する光電子倍増管３４は、電荷結合増幅器４２に接続されている。代替的には、ＬＩＩ白熱光信号を時間関数として記録し、それによってプロンプトおよび積分された信号を、記録された信号から引き出す単一の光検出器が用いられる。電荷結合増幅器に接続されたゲート型積分器４０は、単一のサンプルによって容易に置き換えられ、時間積分されたレーザー光パルスを測定するように回路を保つ。
【００４２】
白熱光の収集は、干渉フィルタ３８を用いて二つ以上の分離した波長で為される。一般的に２０乃至４０ｎｍの狭波長領域が、本質的に二つの単色信号を得るためにフィルタによって選択される。上昇温度によって光強度に変化を示す第一波長が、選択される。このような高温において、波長における最大のシフトはＵＶ範囲に近い波長で認識される。第二波長で検出される光強度は、白熱光強度／時間プロファイル中の相対的変化が、温度／時間の測定値を与えるように測定される。二つの光波長の信号の比は、粒子温度に関係する。
【００４３】
この装置は、それには限らないが大きさが約１０−１００ｎｍの粒子、および０．０１乃至１０ｐｐｍの範囲の濃度を測定するのに有効である。この方法は、測定容積を増すことにより、あるいは測定における信号対雑音比を増すように多くのレーザー光パルスによって作り出されたＬＩＩ光信号を平均化することにより、低濃度にも容易に拡張できる。
【００４４】
図８は、プロンプト白熱光信号を測定するためにゲート型積分器３７に接続された、単一の光検出器３５を持つ、図２の実施形態例に同類の本発明の別の実施形態例を示す。単一の狭波長帯域が収集される。粒子温度は、数学的モデルから決定される。代替的には、単一の光検出器３５は、完全な白熱光信号を測定するために過渡ディジタイザ３７に接続される。有利なことに、絶対光強度較正を持つこの経済的なシステムは、コンパクトで実用的配置での粒子容積分率測定を提供する。
【００４５】
本発明による方法は、実質的に瞬時の光エネルギー源（約１０ｎｓ期間）を与えるために、レーザー１２からの焦点を結んだパルス状光ビームを、粒子２４を含む容積に導く。数ｍＪのエネルギーが、煤の場合には約４５００Ｋである蒸発温度に粒子を急速に加熱するのに十分である。この温度で粒子は、火炎の周囲温度に戻るように冷却しながら白熱光を放射し、周囲温度は一般的に１５００−２０００Ｋで、ディーゼルエンジンが排出するような他の燃焼システムではそれ以下である。
【００４６】
白熱光信号は収集され、一対の検出器３２，３４にイメージ化（結像化）される。第一検出器３２は、実質的にピーク強度、あるいはそれに近い強度で約２５ｎｓの期間プロンプト測定を提供する。第二検出器３４は同時に、電荷結合増幅器４２および時間ゲート型積分器４０を通して積分された信号を収集する。プロンプトおよび積分された信号は、粒子が冷却し、熱が周囲のガスに移動する全時間に亘って、ピーク光強度および全光強度を提供する。図４は、二つの白熱光信号の減衰曲線を図示する全時間に亘る光強度のグラフである。プロンプトと積分された信号の比は、一次粒子の大きさの関数である。更に、プロンプト白熱光信号からの白熱光は、広い動的範囲に亘って微粒子容積分率に比例している。
【００４７】
プロンプト白熱光信号は、信号中の小さな変化を見る十分短い期間の実質的に瞬時の測定である。信号幅は時間ゲート型積分器４０を通して制御される。積分された信号は、信号の重要な部分が収集されるように、ピーク強度で始まり、少なくとも光強度がピーク強度の１０％以下になる時間まで至る期間を持つことが好ましい。一般的な積分された信号のゲート幅は、０．３乃至１．０ｍｓである。
【００４８】
本質的ではないが、周囲の媒体への熱の移動による粒子の冷却が少ないように、パルス期間は十分短いことが望ましい。２０ｎｓと等しいか、それ以下の短い光パルス期間を持つレーザーパルスは、粒子がより短い時間の間最高温度に保持されるので、粒子蒸発の量を最小にする。もし、プロンプト白熱光信号がピーク白熱光、あるいはその近く、例えばパルス開始の１０−２５ｎｓ以内で取られるならば、より良い精度が達成される。
【００４９】
しかしながら、若干の冷却が生じた後の遅れた測定が可能である。積分された白熱光信号は、プロンプト白熱光信号と重複すべきである。単純なサンプル、および保持回路も用いられるが、ゲート型積分器が電荷結合検出器の出力を測定するために用いられる。電荷結合増幅器は、ＬＩＩ光パルス（一般的に１μｓの期間）中に生じる総てのＬＩＩ光信号を効果的に積分し、レーザー光パルスの終期でこの光検出器の出力が記録される必要がある。
【００５０】
モデル化プロセスは、粒子および周囲媒体の熱／エネルギー移動を記述する微分方程式の解法を含む。これは、蒸発、媒体への熱移転、および粒子加熱を記述するようなパラメータが、モデル化プロセスに用いられることを意味する。これらの微分方程式の解法は、全時間に亘る粒子の温度および直径値を与える。これらの値は、プランクの方程式、あるいは他の適当な理論を用いて放射値に変換される。モデルは、粒子形態論のシミュレーションを必要とする。粒子は、一般的に密集した一次粒子の集塊として理想化される。このような集塊による放射の吸収は、もし一次粒子が極めて過密に一緒に固められなければ、集塊内の一次粒子の数およびその直径によって決定される。走査電子顕微鏡写真は、このような粒子集塊がフラクタルによって記述される独特のパターンに存在することを示す。
【００５１】
粒子容積分率ｆｖは、直径ｄｐ、集塊当りの一次粒子の平均数ｎｐ、および測定容積中の集塊の数密度Ｎによって特徴付けられる殆ど球状の一次粒子によって記述され、下式で与えられる。
【００５２】
ｆＶ＝（π／６）Ｎｎｐｄ３ ｐ
【００５３】
本発明による測定技術の一つの実施は、そのピーク白熱光、および減衰率の調査から粒子の温度経歴を描く数学的モデルに依存している。本発明によるモデルは、粒子の冷却減衰曲線を先行技術に見られるよりもより良く記述し、従って正確な粒子の大きさの判断を与える。このモデルは、測定容積中のガウス光強度プロファイルのピークには居ない粒子によって受け取られたより少ない光エネルギーを補償する、レーザー強度のガウスプロファイルとアライメントする光軸に沿う、粒子の均一な分布を仮定している。
【００５４】
この提供モデルの追加の特性は、温度依存ガスおよび粒子の特性の使用、仮定した分布の代わりに空間および時間のレーザー光強度の真のプロファイルのモデル化、文献からの仮定した値の代わりに測定した粒子特性の使用、および広帯域サンプル収集よりもむしろ光波長依存フィルタ透過データの使用、等によって測定の精度を大いに改善する。
【００５５】
図５を参照し、本発明の実施形態例によって用いられるモデル化プロセスのフローチャートが下記する次のパラメータを含んで示されている。モデルは一般に、測定可能な白熱光を作り出すのに十分高い蒸発温度を持つレーザー光エネルギーを吸収する如何なる粒子にも適用可能である。モデルは、粒子が集塊し、均一な重複のない一次球状粒子に作り上げられることを考慮する。集塊容積は、集塊内部の一次粒子の数であるＮｐを単一一次粒子の容積に乗じることにより見出される。第一に、粒子特性、ガス特性およびレーザー光特性が、それぞれブロック１０２，１０４および１０６に略述されるように考慮される。
【００５６】
粒子特性１０２は、粒子のタイプに依存し、蒸発熱、密度、屈折率、蒸気圧、および分子量を含む。ガス特性１０４は、温度、圧力、分子量、および熱伝導性を含む。レーザー光特性１０６は、時間的プロファイル、測定容積におけるレーザー流束量空間プロファイル、および波長を含む。これらの特性は、ブロック１０８に略述された時間関数としてサンプル粒子温度と直径を記述する微分方程式を解くために組み入れられる。
【００５７】
これらの方程式（等式）は、レーザー光加熱、粒子蒸発、粒子白熱光放射、および周囲のガスへの粒子の熱移動を含む。これらの方程式は、ブロック１１０に示された時間関数としてのサンプル粒子直径と温度を決定する。粒子特性１０２と共に、時間１１０の関数としてのサンプル粒子直径および温度、並びに、時間および波長１１２の関数としてのサンプル粒子光放射は、任意の特定波長１１４でのプロンプトＬＩＩ信号、任意の特定波長１１６での積分されたＬＩＩ信号、および任意の波長１１８に対する信号減衰曲線対時間Ｉ（ｔ）を提供するサンプル、に対して予告される。
【００５８】
これらの三つの異なる方法から得られた測定は、次いで粒子容積分率と粒子の大きさを決定するために用いられる。用いられたモデルは、薄いエッジを横切る固定した流束量を持つレーザー光シートに対して、および実寿命状況を示すガウス光エネルギー分布を持つレーザーシートに対して、信号を予告する。
【００５９】
代替的には、任意の光エネルギー分布が、それらがモデル中に特徴付けられ、そして組み入れられるならば用いられる。
【００６０】
ＬＩＩ中の絶対光強度の測定は、微粒子加熱の数値的モデルから、あるいは微粒子温度の実験的測定から決定される微粒子温度の知識を必要とする。微粒子温度の実験的測定は、未知の粒子の場合には粒子容積分率の決定により良く適している。粒子容積分率は、モデルから計算される単一の粒子放出からか、あるいは全放射の実験的測定と関連して実験的に測定された粒子温度から計算される単一の粒子放出の何れかから、決定される。
【００６１】
この方法は、如何なる測定流束量分布にも容易に拡張できる。
【００６２】
図６はＬＩＩにより粒子容積分率を決定する方法を図示するフローチャートである。レーザー光およびビームジオメトリ１０６、ガス１０４、および粒子１０２の基礎特性は、信号発生１２０、および数学的モデル１３０に貢献する。粒子は、モデルが非球形粒子からの放射を計算するように修正されるならば、球形である必要はない。信号発生１２０は、プロンプト信号１２２および積分された信号１２４を含む。
【００６３】
代替的には、第三の信号１２６は、非常に多くの時点で時間に亘る信号の減衰を測定する。プロンプト、積分、あるいは時間依存信号測定１２２、１２４，１２６の何れかは、較正ソース１４０と組み合わせることによって、あるいは絶対光度１４２と組み合わせることによって粒子容積分率１５０を決定するのに十分である。プロンプト信号１２２は、それが仮定した粒子の大きさに依存する度合いが遥かに少ないので、好ましい。
【００６４】
数学的モデル１３０は、入力特性１０２，１０４，１０６に基づいた理論的粒子直径１３２を、同様に入力特性に基づいた理論的温度１３４又は実験的温度１３６と結合する。実験的温度１３６は、光強度減衰曲線上の温度を示す白熱光強度特性を与える二つ以上の異なる光波長１２８で、信号１２６をサンプリングすることにより決定される。温度情報１３４又は１３６は、周囲のガス１３８に対する正味の粒子白熱光放射を予告するために粒子直径と結合される。この値は、従来の較正を避けるようにシステムの絶対光強度１４２の較正を提供するために用いられる。
【００６５】
図６に、絶対光度測定のために少なくとも二つの異なる波長での、モデルからあるいはＬＩＩ信号測定の何れかから得られる粒子温度が必要である、ということが誇示されている。既知の放射率の粒子に対して、粒子温度は、異なる波長での二つの測定のＬＩＩ信号強度の比に比例する。もし、モデルが粒子温度を予測するために用いられるならば、粒子のタイプとその特性に関する知識が図５のフローチャートに記述されるように必要である。代替的には、従来の方法が既知の粒子容積分率１４０のソースを較正するのに用いられる。この較正された光放射は、プロンプト、積分、あるいは時間依存信号１２２，１２４，１２６から容積分率測定１５０を決定するために用いられる。
【００６６】
図６に、粒子放射は、粒子容積分率を決定するために絶対光度測定と共に用いられることが示されている。一般的に、ＬＩＩにおいて、容積分率、あるいは粒子濃度を測定する前に較正を得ることが必要である。これは、粒子分率の既知の曇状中のＬＩＩ信号を測定することにより為される。ＬＩＩにおける絶対光度測定は、それらが測定されたＬＩＩ信号を既知濃度に参照する事前の較正方法を避けることにより、粒子容積分率、および粒子の大きさの測定を緩和するので有利である。このように、絶対光度測定により、粒子容積分率に対して得られた測定は、絶対光度測定と粒子温度の知識に基づいている。
【００６７】
本発明の実施形態例によれば、ＬＩＩ光検出器で既知の光パワーを発生する、フィラメントランプのような、較正され拡張された既知の光放射ソースが採用される。この入射強度によって作り出されたＬＩＩ検出器信号が記録される。これは、ＬＩＩ微粒子信号から生じる光強度を決定するために用いられるＬＩＩ光検出器の較正を提供する。従って、ＬＩＩにおける絶対光度測定により、ランプからの信号は粒子容積分率の決定に直接用いられる。
【００６８】
現在、信号が光検出器によって得られる時は何時でも、その信号を作り出した光強度が知られる。光強度を決定するために、良いモデルを持つことと、レーザー光励起のパターンを知ることが重要である。測定容積内部の総てのサンプル粒子が均一に照射されることが好ましい。これは、実寿命状況においては困難な仕事である。光が焦点を結んだ時、均一なプロファイルを得ることが困難であることは、光の特性に関係しており、ガウス光強度プロファイルがここに記述される。
【００６９】
光強度が総ての空間的方向で変化する時は、状況は特に困難である。このようにして、レーザー光のシートの小さな部分を使用することにより、均一な強度変化が二方向で得られ、および第三の方向には視線の軸に沿ってガウス光強度分布が得られる。絶対光度測定に対して、粒子がどのように励起されるかを知ること、および空間における放射の分布を決定することが重要である。採用したモデルは、測定容積内部の粒子数の温度を正しく明らかにしなければならない。例えば、低エネルギー励起粒子は本発明によって採用されたモデルによって説明され、以下に詳細に論じられる。
【００７０】
このようにして、粒子濃度は、絶対ＬＩＩ信号を測定することにより決定され、それを粒子の濃度を計算するために、粒子当りの計算された理論的光放射と比較する。その発光温度が知られている既知の放射輝度の拡張ソース（パワー／ソース−ステラディアン−波長間隔の単位面積）は、検出システムを較正するために用いられる。好ましい実施形態例では、フィラメント線条が既知の放射輝度の拡張ソースとして用いられる。フィルタ特性、レンズ収集効率、開口部の大きさ、および光システム倍率における不確実性に関係する誤差は、この較正処理を用いて大いに取り除かれる。
【００７１】
モデルの解法から粒子当りの理論的信号を計算する代わりに、粒子表面温度が、二個以上のＬＩＩ信号を同時に記録することにより測定され、実験的温度を得るためにこれらの信号の比が用いられる。モデルから得られた粒子温度よりもむしろ実験的粒子温度が、次いで粒子当りの放射を計算するために用いられる。測定された絶対ＬＩＩ信号光強度と計算された粒子放射強度から、粒子の数が計算される。結果として、絶対光度測定は粒子容積分率決定をより実際的にする。
【００７２】
既知の放射輝度信号の拡張ソースの絶対光強度較正のための光概要図が、図７に示されている。本発明の実施形態例において、１．０４ｍｍの直径を持つ開口部が、フィルタと光電子倍増管（ＰＭ）の前に置かれる。この開口部は、放射ソース上のレンズでイメージ化される。本発明の一実施形態例で、放射ソースはフィラメントランプ線条であり、開口部は、較正されたフィラメントランプ線条のフィラメント上にイメージ化されるが、既知のスペクトル放射輝度の他の拡張ソース、例えば黒体較正ソースは、この目的のために使用することができる。
【００７３】
更に、本発明の一実施形態例で、レンズは１９０ｍｍの焦点距離、５４ｍｍの直径、およびＭ＝０．５の倍率を持つ。レンズの倍率は、距離ｕ、即ち、フィラメントとレンズ間の距離、および距離ｖ、即ち、レンズと開口部間の距離、および等式Ｍ＝ｕ／ｖから決定される。較正されたランプはそのフィラメントがＬＩＩ信号発生領域と一致するように置かれる。本発明の実施形態例においてそのフィラメントが３ｘ８ｍｍであるランプは、ランプ電流の関数として６５４ｎｍにおいて既知の発光温度を持つ。
【００７４】
本発明の別の実施形態例において、ＬＩＩ放射は、光ファイバ先端に焦点を結ぶ。この場合、入力開口はファイバコア直径である。
【００７５】
較正放射ソース信号は、ランプのスペクトル放射輝度、即ち単位面積当り、単位立体角当り、および単位波長間隔当りに放出される光パワーによって決定され、数１（式（１））で与えられる。
【００７６】
【数１】
【００７７】
ここで第一、および第二放射定数はＣ１＝３．７４１７７ｘ１０−１６ｗｍ−３、およびＣ２＝０．０１４３８８ｍＫであり、ε（λ、Ｔ）は波長および温度の関数である。
【００７８】
較正されたランプは、６５４ｎｍの波長におけるように特定の波長において既知の発光温度ＴＢを持つ。発光温度ＴＢは、完全黒体が同じスペクトル放射輝度を放出する温度として規定される。式（１）のスペクトル放射輝度用の指数項は、本発明によって考慮される温度および波長に対して>>１であるので、真のフィラメント温度（ＴＳ）は、発光温度ＴＢから数２（式（２））に示されるように得られる。
【００７９】
【数２】
【００８０】
最初は知られていないが、フィラメント温度でのタングステンの放射率が要求される。第一の解法として、発光温度ＴＢでの放射率が予測フィラメント温度を得るために用いられる。この予測温度におけるタングステンの放射率は、次いで新予測フィラメント温度を得るために用いられる。波長に対するタングステン放射率の変動は大きくないので、２あるいは３回の繰り返しがケルビン度の数分の一以内で正しいＴＳの予測を作り出す。
【００８１】
タングステンのようなフィラメントの既知の放射率を用いて、温度および波長の関数としてフィラメント放射輝度が数１（式（１））から如何なる希望の波長においても得られる。検出器に入射するフィラメント放射輝度パワーは、数３（式（３））で与えられる。
【００８２】
【数３】
【００８３】
ここで、ＡＡＰは開口部の面積であり、τ（λ）は光波長の関数としてのフィルタ透過であり、ｕおよびＭはそれぞれ放射ソースとレンズ間の距離、およびレンズの倍率として図７に規定されている。較正ランプから観察された信号ＶＣＡＬは、次のように検出システム較正を提供する。
【００８４】
η＝ＰＣＡＬ／ＶＣＡＬ
【００８５】
理論的ＬＩＩ強度は、以下に説明するように決定される。上に規定した較正係数を用いて、観察されたＬＩＩ光電子倍増管信号は、検出された強度に変換される。この観察信号は、次いでＬＩＩモデルで計算された信号と比較される。検出器上にイメージされた加熱粒子の容積は、断面積Ｍ２ＡＡＰで、レーザー光シートの厚みに等しい長さのシリンダにより規定される。狭い光シート厚み上にイメージされた区域内の変動はいずれも小さく、通常無視される。レーザー流束量は、シリンダの端部を横切って実質的に一定であるが、シリンダ軸に沿って、即ちレーザー光シートを通して、ガウス依存性を持つ。もし、光シートに直交する寸法をｘ、レーザービーム伝搬の方向をｚと規定すると、レーザー光シートの観察されたガウス行動によって、流束量は数４（式（４））によって記述される。
【００８６】
【数４】
【００８７】
ここで、ｑＴＯＴはレーザー光パルスエネルギーであり、ｗｘおよびｗｙはガウス１／ｅ半幅である。本発明の実施形態例において、観察された実験的０．２２ｍｍおよび１．８１ｍｍの１／ｅ２半幅は、√２で除されなければならない。
ピーク流束量は次いで数５（式（５））で記述される。
【００８８】
【数５】
【００８９】
イメージされた（０．２７ｍｍ）シリンダの測定容積領域の半径は実質的にｗｙよりもちいさいので、ｙおよびｚ方向の流束量の変動は無視される。イメージされた領域の流束量は、次いで数６（式（６））で与えられる。
【００９０】
【数６】
【００９１】
４πステラジアンに放射された全ＬＩＩスペクトルパワー（ＰＳＰ）は、単一粒子に対して計算される。この全ＬＩＩスペクトルパワーは、単位波長当りのパワーである。ＰＳＰは、レーザー流束量、波長、時間、狭い範囲でガス温度の関数、レーザー光パルス期間、の関数である。実験上の検出条件に対応する単一粒子に対する理論的ＬＩＩパワー（ＰＰ）は、次いで数７（式（７））で記述される。
【００９２】
【数７】
【００９３】
２５ｎｓの実験上の検出ゲートに対する対応する計算エネルギーは、数８（式（８））で記述される。
【００９４】
【数８】
【００９５】
ここでｔ０は、ＬＩＩ信号が最大になるようにゲート位置を設定する実験上の手順に対応して、時間積分を最大化するように選択される。波長積分は、フィルタ帯域に亘っており、ＡＬ／４πｕ２はレンズによって収集された全放射の一部分である。検出器上にイメージされる空間の領域に亘る積分ＰＳＰ（Ｆ）による実験において、単一粒子から観察される、全粒子数密度ｎｐに対する理論的総パワー（ＰＴＰ）が、今や計算される。これは数９（式（９））で記述される。
【００９６】
【数９】
【００９７】
この実施形態例において、一つの例しかガウス流束量プロファイルに与えられていないが、実際には、流束量の如何なる既知の分布も使用することができ、式（９）のｘ（およびもし必要ならばｙおよびｚ）に亘る積分が、要求される流束量Ｆ（Ｘ）（あるいはＦ（ｘ、ｙ、ｚ））について行うことができる。
【００９８】
数９（式（９））において、観察された容積は、シート厚に等しい長さを持つ断面積Ｍ２ＡＡＰのシリンダとして規定される。ここで、空間的積分が、流束量の距離による変動を計算するために式（６）を用いてレーザー光シートを横断して行われる。観察領域内の粒子濃度の如何なる変動も無視される。
【００９９】
理論的ＬＩＩ信号は、実験的ＬＩＩ信号と比較される。実験的に観察されたＬＩＩ信号電圧、ＶＥＸＰは、上に規定したようにシステム較正ηを用いてパワーに変換され、即ちＰＥＸＰ ＝ηＶＥＸＰ、次いで理論的光強度に等しくされる。
【０１００】
【数１０】
【０１０１】
他の量は測定されるか、あるいは理論から得られるので、全粒子数密度ｎＰは数１０（式（１０））から計算される。この式（１０）から、倍率（Ｍ）、開口部の大きさ（ＡＡＰ）、およびレンズの収集立体角度（ＡＬ／ｕ２）は数１０（式（１０））の両辺で共通であり、こうしてそれらは相殺される、ということが明らかである。較正は、これらの量に対して仮定された正確な値から独立している。フィルタ帯域に亘る積分は、両辺で共通であり、おもに相殺される。
【０１０２】
このようにして、フィラメント較正ランプ線条のような放射ソースは、フィルタ特性、収集立体角度、あるいは視野領域断面区域の如何なる正確な知識からも独立している、粒子放射との比較に用いられる既知の放射輝度のソースを提供する。較正ランプ放射輝度、およびＬＩＩ信号も波長の関数であるので、式（１０）において、フィルタ帯域に亘る積分に用いられるフィルタ透過曲線は、厳密には相殺しない。しかしながら、良好な近似に向け、フィルタ透過曲線は、中心波長λＣ 、帯域通過△ｆ 、および透過τＭＡＸ 、を持つ等価なフィルタで置き換えられる。ここで後者は、フィルタの観察されたピーク透過である。等価的な帯域通過は数１１（式（１１））で与えられる。
【０１０３】
【数１１】
【０１０４】
積分は全フィルタ帯域に亘る。中心波長λＣ は、数１１（式（１１））の積分が全白熱光波長に亘る全積分の１／２となる波長限界である。フィルタ透過は、λＣ −△ｆ ／２からλＣ ＋△ｆ ／２までである。数１０（式（１０））の積分はτＰ△ｆ・Ｒ（λＣ）で置き換えられ、ここでランプ放射輝度はフィルタ帯域の中心で用いられる。式（３）の全積分、および式（１０）の左辺への近似は、４０ｎｍの帯域幅、４００ｎｍでの中心、および１６００Ｋのフィラメント温度を持つフィルタに対して約１０％の誤差を持つ。
【０１０５】
誤差は、ランプフィラメント温度、あるいは粒子温度、あるいは中心波長が増加するに従い減少するので、これは較正で遭遇する可能性のある最大の誤差である。ＬＩＩ信号の波長による変動は較正ランプのそれよりも少ないので、式（７）の積分、および式（１０）の右辺の同様な置き換えに含まれる誤差は、より小さい。一般的なレーザー加熱粒子温度において、誤差は<１％である。ランプ較正に対して、積分の式（１１）での置き換えに含まれる誤差に対する最終較正は、誤差の数値的予測を用いて修正される。
【０１０６】
理論的に得られた粒子白熱光強度を用いて、一次粒子数密度を計算する単純化された較正手法が今や記述された。式（１０）における倍率、立体角、およびフィルタ透過の相殺は、この等式のかなりの単純化につながる。それはまた、倍率、立体角、およびフィルタ透過の測定における小さな誤差は、それらが計算された理論的強度に影響を与えるのと同じように較正に影響を与えるので、十分に相殺する、ということにおける実験上の精度の重要な増加に至る。このようにして、単純化された較正は、式（３）の代わりに、フィラメント中心波長（ＲＳ（λＣ））におけるフィラメント放射輝度が用いられる。式（３）は今や式（３ｂ）となる。
【０１０７】
ＰＣＡＬ＝Ｍ２ＡＡＰＡＬτＰΔｆＲＳ（λＣ）／ｕ２・・・・・（３ｂ）
【０１０８】
較正定数／係数ηは今や、η＝ＲＳ（λＣ）／ＶＣＡＬを用いて計算される。
較正係数ηの単位は今や、Ｗ・ｃｍ−２・ｓｒ−１・Ｖ−１・単位波長間隔−１、又はＶ−１・ｃｍ−３・ｓｒ−１・Ｗである。
数７（式（７））は、今や式（７ｂ）となる。
【０１０９】
ＰＰ（Ｆ，ｔ）＝ＡＬτＰΔｆＰＳＰ（Ｆ，λＣ，ｔ）／（４πｕ ２ ）・・・・・・・・・・・・・・（７ｂ）
およびこのようにして式（１０）は、数１２（式（１０ｂ））となる。
【０１１０】
【数１２】
【０１１１】
粒子数密度ｎｐは、数１２（式（１０ｂ））から計算される。粒子容積分率は次の式（１１．５）で与えられる。
【０１１２】
ｆＶ＝πｄ３ ＰｎＰ／６・・・・・・・・・（１１．５）
【０１１３】
ＰｐおよびこのようなＰＳｐは、一次粒子容積、即ちｄｐ ３に比例するので、粒子容積分率は数１２（式（１０ｂ））および式（１１．５）で仮定されたｄｐの正確な値から独立している。このようにして、ｄｐおよびｎｐを別々にするというよりもむしろ、πｄ３ ＰｎＰ／６の積、即ち容積分率が決定される。次いでＬＩＩ信号測定からのｄｐの決定が、ｎｐを得るために必要となる。
【０１１４】
実験的に得られた粒子温度を用いて粒子容積分率を計算する単純化された較正手順が、今や記述された。もし、独立した波長での二個以上の信号が記録されれば、レーザー光シートを横切る平均粒子表面温度が、検出感度に対して修正された観察された信号の比、および既知の粒子光吸収断面を用いて計算される。直径ｄｐの単一の粒子によって放射されるパワーは、数１３（式（１２））で与えられる。
【０１１５】
【数１３】
【０１１６】
ここで合成屈折率ｍは、波長の関数である。二つの波長でのパワーの比は、次いで数１４（式（１３））で与えられる。
【０１１７】
【数１４】
【０１１８】
二つの波長ＶＥＸＰ（λ１）／ ＶＥＸＰ（λ２）における観察された信号比は、数１５（式（１４））に記述されるように較正係数を用いて相対パワー（ＰＥ）に変換される。
【０１１９】
【数１５】
【０１２０】
この実験的に決定されたパワー比、およびＥ（ｍ）の既知の値を用いて、数１５（式（１４））はＴに対して解かれる。この場合、粒子表面温度を決定するのに重要であるのは、ただ粒子吸収断面の光波長による変動だけである。二つの白熱光波長におけるパワー比測定から得られたこの温度は、ガウス光シートを通した或る平均粒子表面温度を表している。数１２（式（１０ｂ））の右辺側の積分は、数１６（式（１５））に記述されるように近似される。
【０１２１】
【数１６】
【０１２２】
ここで、ＰＰを計算するモデルから得られるよりもむしろ、実験的粒子温度が用いられ、こうして数１２（式（１０ｂ））は数１７（式（１０ｃ））となる。
【０１２３】
【数１７】
【０１２４】
他の総ての量が知られているので、一次粒子数密度ｎＰは今や数１７（式（１０ｃ））から計算される。平均温度が厳密に絶対放射輝度を再現していないので、数１７（式（１０ｃ））は近似値である。正しい放射輝度パワーに比較されるこの平均近似値の直接数値的シミュレーションは、それがパワーを〜２０％過小評価している、ということを示す。数１７（式（１０ｃ））の近似から得られた粒子数密度は〜２０％高くなる。実用に当って、適当な修正を加えて、数値的シミュレーション結果を使用することは、この誤差を低減する。数値的シミュレーションはまた、「トップ−ハット」プロファイルにより近いレーザー流束量プロファイル、即ちレーザー光シートを横切る一定の流束量が、遥かに小さい誤差に帰着する、ということを示す。
【０１２５】
下記は、上記の絶対光度測定において用いられた用語の解説である。
大文字
Ａ 面積（ｍ２）
ＡＰ 開口部
Ｃ１ 第一放射定数（３．７４１７７４９・１０−１６Ｗ・ｍ２）
Ｃ２ 第二放射定数（０．０１４３８７６９ｍ・Ｋ）
Ｅ（ｍ） 屈折率依存関数
Ｆ 流束量（Ｊ・ｃｍ−２）
Ｍ 倍率
Ｐ パワー（Ｗ）
ＰＳ スペクトルパワー（Ｗ・ｎｍ−１）
ＰＴ 全パワー（Ｗ）
Ｒ スペクトル放射輝度（Ｗ・ｍ−２・ｓｒ−１・ｎｍ）
Ｓ 放射源（フィラメント）
Ｔ 温度（Ｋ）
小文字
ｃ 光速（２．９９７９２４５８・１０８ｍ・ｓ−１）
ｄ 一次粒子直径（ｎｍ）
ｆｖ 容積分率（ｐｐｍ）
ｈ プランク定数（６．６２６０７５５・１０−３４Ｊ・ｓ）
ｋ ボルツマン定数（１．３８０６５８・１０−２３Ｊ・Ｋ−１）
ｍ 屈折率
ｎ 数密度（ｍ−３）
ｑ エネルギー（Ｊ）
ｔ 時間（ｎｓ）
ｕ 対象物距離（ｍ）
ｖ 像距離（ｍ）
ｗ 幅（ｍ）
ｘ，ｙ，ｚ 直交座標系（ｍ）
ギリシャ文字
△ｆ フィルタ帯域幅（ｎｍ）
ε 放射率
λ 光の波長（ｎｍ）
λｓ 放射源の較正波長（ｎｍ）
τ フィルタ透過
η 較正係数
下付き文字
ＡＰ 開口部
ＡＶ 平均
Ｂ 発光
ｃ 中心
ＣＡＬ 較正
ＥＸＰ 実験値
ｆ フィルタ
Ｌ レンズ
ｍａｘ 最大
ｐ 粒子
Ｓ 放射ソース（フィラメント）
ＴＯＴ 合計
Ｖ 容積
【０１２６】
熱移動エネルギーバランス用の式は、数１８（式（１６））で表される。
【０１２７】
【数１８】
【０１２８】
数１８（式（１６））は、粒子が一次粒子で作られた密集する球形の集塊であり、一次粒子がレイリー臨界にある、ということを仮定する吸収レーザー光エネルギーの項を含む。式は更に、周囲のガスへの熱移動、炭素の蒸発、周囲への正味の粒子放射、および最終的に粒子加熱の項を含む。
【０１２９】
上式の用語の解説は以下の通りである。
Ｃａ 煤粒子の光吸収断面（ｍ２）
Ｃｓ 炭素の比熱
ｄｐ 一次煤粒子直径
Ｇ ジオメトリ依存熱移転係数Ｇ＝８ｆ／（α（γ＋１））
ΔＨｖ 炭素の蒸発熱
ｋａ 周囲の空気の熱伝導性
Ｍｖ 分子量炭素蒸気
Ｍ 炭素の質量
ｑ レーザー光強度
Ｔ 煤表面温度
Ｔ０ ガス温度
λＭＦＰ 平均自由行程λＭＦＰ＝１／（２０．５π（σＡＢ）２）剛体球近において（ｍ）
ρｓ 煤の密度（ｋｇ／ｍ３）
【０１３０】
本発明の上記実施形態例は、本発明の例示として意図され、多くの数値的変更、変化、および適応は特許請求の範囲に規定された本発明の範囲と意図から逸脱せずに、本発明の特定の実施に供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の基本的な実施形態例の図である。
【図２】本発明による装置のより詳細な実施形態例の略式図である。
【図３】本発明による装置の更に詳細な実施形態例の略式図である。
【図４】４０ｍｍ高さのエチレン／空気火炎における蒸発域（>３００ｎｓ）の時定数変化の実側値と予測値を含む典型的なＬＩＩ信号減衰曲線のグラフである。
【図５】数学的モデル化プロセスを図示するフローチャートである。
【図６】ＬＩＩにより粒子容積分率の決定方法を図示するフローチャートである。
【図７】絶対強度較正のための光学的な略式図である。
【図８】単一光検出器を持つ、更に詳細な実施形態例の略式図である。なお、各図で同様の数字は、同様要素を示すのに用いられている。
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）における絶対光度測定法、およびその装置に関し、より詳細には微粒子体の容積分率の決定のためのＬＩＩ中の絶対光度測定に関する。
【０００２】
【発明の技術背景】
環境における煤粒子のような微粒子体の存在は、微粒子濃縮の決定方法、およびそのデバイスの開発に大きな関心を引起した。例えば、エンジン、動力発生機関、焼却炉、あるいは炉からの煤の放出は、有用なエネルギーの損失を表し、更には、重大な環境汚染、および健康への危険である。しかしながら、火炎中の煤の存在は、また前向きな効果も持つ。例えば、燃焼プロセスからのエネルギーの移動は、煤からの放射熱移動によって大いに促進される。このように、煤の形成を理解し、および煤の放出、あるいは形成に対する制御戦略を発展させるために、煤濃縮の測定が必要である。レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）は、ＬＩＩ信号が微粒子容積の割合に比例するので、微粒子の測定用の良い診断ツールである。
【０００３】
プランクの法則により、総ての物体は電磁放射を放出している。この放射は、９００Ｋ以下の温度では助力のない眼に対しては見えない。しなしながら、もし、物体が３０００Ｋを超える温度に加熱されれば、総ての可視波長の放出光度が物体を白熱して見せるに十分になる、即ち白熱光が生じる。電磁放射の強度は物体の温度と共に上昇し、放出のピーク波長は短波長に向かってシフトする。
【０００４】
レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）において、ガス吸蔵微粒子体の容積、例えば煤は、パルス状高強度レーザー光源にさらされる。微粒子体や粒子はレーザー光エネルギーを吸収し、周囲の媒体よりも遥か上の温度に加熱される。例えば、煤の場合には、約４０００−４５００Ｋのこれらの上昇した温度において、粒子は光スペクトルの可視および赤外領域近傍の全領域に亘って強く白熱する。最大粒子温度は、粒子の蒸発が卓越熱損失メカニズムになる点によって制御される。それ以降のレーザー光エネルギーの増加は、粒子温度の増加よりもむしろ蒸発率の増加に帰着する傾向がある。
【０００５】
プランクの放射法則によれば、これらの上昇した温度における放射的放出は強度（光度）が非常に増加し、非レーザー加熱粒子および火炎ガスと比較し、青光波長にシフトする。このようにして、ＬＩＩ白熱光信号は容易に自然の火炎の放出から分離される。その大きな動的範囲と同様に、急速な時間スケールおよび良好な空間的分解能により、ＬＩＩは乱流中の粒子容積分率を測定するための光学的診断として、即ち時間変化、燃焼および実用的なデバイスとして良く適している。この技術は、先の方法では提供されない、高度の時間的および空間的分解能を提供する。
【０００６】
今日、リアルタイム風媒微粒子濃縮測定、および乱流燃焼環境における煤測定の必要性がある。更に、空間の分析測定が必要である。
【０００７】
乱流火炎中の微粒子体を測定するために、以下の要求が満たされなければならない。即ち、良好な空間的分解能、良好な時間的分解能、火炎放射に対する識別、および大きな動的範囲である。乱流火炎は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジン、炉、およびボイラのような最も実用的な燃焼器に見られ、放出粒子の制御は、健康への危険性を低減するために必要である。
【０００８】
ディーゼル微粒子を測定する現在の方法は、Ｂｏｓｃｈ Ｓｍｏｋｅ数と直接質量サンプリングである。Ｂｏｓｃｈ Ｓｍｏｋｅ数の方法において、微粒子は排出流の一部からフィルタ紙の上に集められ、そして収集サンプルを通した光伝導が測定される。これは、粒子質量流を決定するために較正チャートと比較される。この方法は、乏しい、時間および空間的な分解能を持つ。直接質量サンプリング方法はＥＰＡの公式方法であり、フィルタ上の煤の質量からフィルタの質量を減じた差から煤の質量を測定する。この方法はしかしながら、特に低放出車両に対して限定された精度を持つ。両方法共、粒子放出のソースが低放出の時、精度上の損失を受け、こうして低放出燃焼器に対しては十分に長い試験検査を必要とする。
【０００９】
ＬＩＩは、ＬＩＩ信号が広い動的範囲に亘って微粒子容積分率に比例するので、微粒子測定に対する要求を満足する。しかしながら、ＬＩＩは微粒子濃縮の相対測定を提供し、微粒子濃縮の定量化に対して較正を必要とする。現在、絶対的な微粒子濃縮に対する較正技術は、従来の方法を通じて決定される既知の粒子容積分率を持つシステムに対して、ＬＩＩ信号の自然状態での比較によって為される。この経験的較正手順を用いて、ＬＩＩは定常状態および時間変動拡散火炎、予混合火炎、エンジン内部、およびエンジン排気流中の粒子容積分率を測定するために用いられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＩＩにおける絶対光度測定を実施し、既知の濃度と微粒子のソースにおいての較正の必要性を避けることが、本発明の目的である。ＬＩＩでの絶対光度測定を用いて粒子容積分率を決定することが、本発明の次の目的である。これは、微粒子加熱の数値的モデル、あるいは微粒子温度の実験的観察の何れかからの粒子温度の知識を必要とする。
【００１１】
微粒子濃度を測定するために較正の必要のない、即ち既知の濃度および粒子タイプの微粒子のソースを必要としない、方法および装置を提供することが本発明の目的である。
【００１２】
更に、絶対光度測定の開発は、携帯用ＬＩＩ測定器を提供する基礎を予期している。これは、研究室におけるエンジン試験セル、放出準拠性測定、および道路脇チェックにおける排気微粒子測定の応用、炉およびボイラ内の堆積微粒子測定の応用、風媒微粒子モニタ用、および既知の濃度との微粒子のソースの較正が実施できない場合のオンラインプロセスモニタ用に、特に有用である。
【００１３】
【発明の概要】
本発明は絶対光度測定を用いるレーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）により、粒子容積分率の決定の方法およびその装置を提供する。これは、微粒子加熱の数値的モデルと微粒子温度の実験的観察の何れかからの粒子温度の知識を必要とする。更に、既知の粒子温度を使用して、粒子容積分率が計算される。これは、既知の粒子容積分率、あるいは粒子濃度で微粒子のソースを較正する要求を回避する。
【００１４】
検出システムの感度は、既知放射輝度の拡張ソースから較正され、次いでこの感度は測定されたＬＩＩ信号を解明するために用いられる。これは、粒子容積分率や粒子濃度測定の方法および装置の較正非依存に帰着する。モデル化プロセスは、蒸発、媒体への熱移動、粒子加熱等を記述するパラメータを含む、粒子および周囲ガスの熱／エネルギー移動を記述する微分方程式の解法を含む。この解法は、時間にわたっての粒子に対する温度および直径値を与える。これらの値は、プランクの方程式を用いて放射値に変換される。このようにして、本発明による方法および装置は、較正目的のための既知微粒子濃度のソースを必要としない。
【００１５】
本発明によれば、下記のステップを有する、レーザー誘起白熱光信号からの粒子容積分率を決定する方法が提供されている。すなわち、光検出器応答を較正するステップと；パルス化レーザー光ビームで一個以上の粒子を内蔵したガスの容積を照射し、前記パルス化レーザー光ビームで前記一個以上の粒子の白熱光を生じさせるステップと；レーザー光パルス後の実質的に不変の光強度の期間内のプロンプト信号、レーザー光パルス後の時間期間に亘って時間積分された信号、および時間依存信号の内の一つである、白熱光信号における白熱光強度の信号を光検出器で測定するステップと；粒子放射を計算するステップと；白熱光強度と絶対光強度（絶対光度）の信号から粒子容積分率を計算するステップと；を有することを特徴とするレーザー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定する方法。
【００１６】
本発明によれば、下記のステップを有して 信号から粒子容積分率を決定する較正から独立して粒子容積分率を決定する方法が提供されている。すなわち、そのステップは、（ａ）レーザー誘起白熱光信号を得る前に、光検出システムを較正するために既知の発光温度をもった既知の放射輝度の拡張ソースを提供し、拡張ソースをレーザー誘起白熱光信号発生領域に配置するステップと；
（ｂ）光強度信号は光子の数であり、既知の放射輝度の拡張ソースからの光強度信号を検出システムで測定するステップと；
（ｃ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号と前記拡張ソースの既知の発光温度からソース温度を計算するステップと；
（ｄ）温度と波長の関数として前記拡張ソースの放射率からソース放射輝度を予め定めた波長のもとで計算するステップと；
（ｅ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号とステップ（ｄ）のソース放射輝度から光検出システムを較正する較正係数を決定するステップと；
（ｆ）較正係数を使用して、観測されたレーザー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定するステップである。
【００１７】
本発明によれば、レーザー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定する下記構成の装置が提供されている。すなわち、測定容積内にパルス化レーザー光ビームを発生して、測定容積内に一個以上の粒子のレーザー誘起白熱光信号を生じさせるレーザーと；一個以上の粒子のレーザー誘起白熱光信号を検出する較正された光検出器と；レーザー誘起白熱光信号と粒子特性、ガス特性、レーザーおよびレーザー光ビームジオメトリ特性を含む数学的モデルとを用いて、粒子容積分率を計算するプロセッサーと；を有する。
【００１８】
有利なことに、本発明による方法および装置は、既知の粒子容積分率のソースを使用して、レーザー誘起白熱光測定における較正を行う必要性を回避する。これは、多くの場所で容易に使用できる携帯用装置を提供する基礎を創造する。
【００１９】
更なる利点が、当該技術に習熟した人々には、例示用のみの以下の図面を参照しながら、好ましい実施形態例の詳細な記述から理解されるであろう。
【００２０】
【発明の実施の形態】
レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）は、ガスおよび燃焼火炎（たとえそれが乱流火炎であるとしても）中の、粒子容積分率と粒子の大きさを測定するために光学的診断として用いられる。本発明による方法および装置は、煤粒子に対して最適化されているが、アルミナ、シリカ、チタニア、および多くの金属および金属酸化物のような、測定可能な白熱光を作り出すために十分に高い蒸発温度を持ってレーザー光エネルギーを吸収できる他の耐熱性の粒子にも作動する。
【００２１】
ＬＩＩは、レーザー光ビームが、ガス中のこれらの微粒子体に出会った時、生じる。微粒子は、レーザー光エネルギーを吸収し、白熱光温度まで加熱され、煤の場合、これは４０００Ｋから４５００Ｋである。加熱に続く放射は検出され、記録され、そして相対微粒子容積分率を決定するのに用いられる。更に、長期冷却は粒子の直径に依存しているので、長期時定数を採用することにより、あるいは絶対光度測定から、粒子の大きさは決定される。最高粒子温度は、粒子蒸発が卓越熱損失メカニズムになる点によって制御される。レーザー光エネルギーの更なる増加は、粒子温度の増加よりもむしろ粒子の蒸発の増加に帰着する傾向となる。短期間であって通常のガス温度での粒子放射に比較して青波長にシフトして生じる放射は、容易に検出できる。ＬＩＩは一般的に１０ｎｓの時間的分解能を持ち、ガス中の点測定を行うために用いられる。
【００２２】
図１は、本発明による装置の基礎的な実施形態例を示す。蒸発温度に到達するために、煤に対して例えば０．２Ｊ／ｃｍ２あるいはそれ以上の十分なエネルギー密度でレーザー光ビーム３を提供できるパルス化レーザー２は、その中で測定が望まれている媒体を通過する。本発明による他の可能なエネルギー源は、コンパクトなＹＡＧレーザー、ダイオードレーザー、高繰返し率レーザー、あるいは他のパルス化レーザーである。
【００２３】
レーザービーム３に対して如何なる任意の角度（θ）９に位置する光検出器４は、レーザー光ビームと媒体中に含まれている粒子間の相互作用によって作り出される放射を検出する。代替的には、通例の、あるいはコンパクト光電子倍増管、ＣＣＤカメラ、強化型ＣＣＤ、アバランシェフォトダイオード検出器（ＡＰＤ）、あるいはガリウム砒素（ＧａＡｓ）検出器のような他の検出器が、本発明の範囲から逸脱せずに用いられる。測定容積は、光検出器の視野とレーザー光ビームの経路によって決定される。
【００２４】
本発明によれば、測定容積は、点測定、レーザー光ビームがそれに沿って進む経路を測定する視線測定、レーザー光シートの小さな部分ではなく全平面をサンプルする全平面測定、一時に総ての粒子を照射する巨大レーザー光ビームを用いる容積測定、あるいはＣＣＤカメラを用いて単一レーザー光パルス内の空間分布を測定する撮像測定のような複数の測定から選択される。
【００２５】
測定容積１は更に、レーザービーム３に対する焦点レンズ（図示せず）、光検出器４の収集レンズの使用、あるいは収集アーム８の開口部５の使用によって随意的に定められる。光検出器４からの信号は、コンピュータ７におけるような次の処理のための過渡デジタイザ６によって、あるいはゲート型積分器（図示せず）によって記録される。
【００２６】
本発明による装置のより詳細な実施形態例が、図２に示してある。レーザー１２は、半波長板１４および偏光器１６を通してビーム膨張レンズシステム１８にパルス化レーザー光ビーム１０を導く。レーザー光ビーム１０は、次いで鏡１９まで通過し、そこで反射され、レーザー光ビーム１０をアイリス２２に向けて下方に導く焦点レンズ２０を通過し、アイリスを通してレーザー光ビーム１０は測定位置２４を通るレーザー光シートとして出現する。
【００２７】
レーザー光ビームに垂直で（空間的最大分解能に対して）測定位置２４に向けられた収集レンズ２６は、レーザー光パルスによって発生された白熱光放射を収集し、光ファイバ入力２８に焦点を結ぶ。測定容積は、レーザー光シートの幅とレーザー光シートでのファイバ先端の像によって決定される。ファイバ２９によって導かれた信号は、プロンプト信号を検出するためにゲート型積分器に接続された光電子倍増管である第一検出器３２とプロンプト白熱光信号と同時に積分白熱光信号を収集するために電荷結合増幅器に接続された光電子倍増管である第二検出器３４間のスプリッタ３０を通して分割される。
【００２８】
過渡デジタイザ３６は、測定されたアナログ信号をデジタル信号に変換するものである。代替的には、白熱光信号は一つの検出器に送られ、次にデジタル化される。プロンプトおよび積分された量は、デジタル化された信号から数値的に決定される。最もシンプルな実施形態例では、装置は、プロンプト白熱光信号を測定するためにゲート型積分器に接続されるか、あるいは完全なＬＩＩ光パルスを測定するために過渡デジタイザに接続される単一の検出器により構成できる。
【００２９】
好ましいレーザー１２は、その広範囲な利用性、その使用の容易性、およびその短期間のＱ−切り替えパルスの故に、コンテニウム サークライト（Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ Ｓｕｒｃｌｉｔｅ）１のようなＮｄ：ＹＡＧレーザーである。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは、１０６４ｎｍのその基本的な波長で動作する。レーザー光ビームの質は、近傍と遠方のフィールドにガウスプロファイルを作り出すレーザー共振器中に、適当な大きさの開口部を挿入することにより最適化される。この修正は、利用し得る最大光エネルギーを低減する。
【００３０】
更に、レーザー光ビーム１０の減衰は、測定位置に送られるエネルギーを制御する垂直偏光器１６と組み合わせて、偏光面を回転する半波長板１４を用いることにより制御される。ポケットセル、あるいはＫｅｒｒセルのような他の手段は、レーザー光ビームを希望のレーザー光強度に自動的に減衰するために用いられる。勿論、ダイオードレーザー、高繰返し率レーザー、あるいは他のパルス化レーザーのような他のレーザーも、それらが光波長、ビームジオメトリ、および励起容積における微粒子組成が与えられて測定可能な白熱光を作り出すために十分な光エネルギーを放出するならば、これらも使用できる。
【００３１】
短光パルス期間、即ち略２０ｎｓより小さいかあるいは等しい光パルス期間を持つレーザーは、レーザー光パルスの間の粒子蒸発を最小にするために好ましい。煤に対しては、蒸発させる微粒子温度に上昇するために十分な光エネルギーは、０．２乃至０．８Ｊ／ｃｍ２である。
【００３２】
ビーム膨張器１８、焦点レンズ２０、およびアイリス２２光学システムは、実質的にただ一個の平面でのガウス適合プロファイルを持つ測定位置２４の容積におけるレーザー光シートを創り出す。ビーム光強度のプロファイルは、二つの直交平面において平坦である。最大の正確さで、光ビーム強度プロファイルが測定される。白熱光信号はレーザー光エネルギー強度プロファイルに高度に依存するので、測定容積について最小の変化で良く規定された既知のレーザー光強度（単位面積当りのレーザー光パワー、例えばワット／ｃｍ２）を創り出すことは、重要である。
【００３３】
このモデルでは、ピーク光強度以外での粒子に対するエネルギー値は、ガウス光強度プロファイルとアライメントする光軸付近の粒子の均一な分布を用いて計算される。ピーク値に位置していない粒子は、比例的に少ない光エネルギーを受け、較正で決定されるような、与えられた時間ステップで全白熱光信号を決定するために積算的に加えられる、異なる白熱光信号を作り出す。好ましい実施形態例において、流束量や光エネルギーのガウス光強度分布が用いられる一方、レーザー光シート全体を通して一定の光強度を持つレーザー流束量の「トップ−ハット」又は方形光強度プロファイルが有益である。
【００３４】
原理的に、強度の如何なる分布も、測定容積を通じてその分布が測定される限り、用いることができる。しかしながら、より均一な光強度プロファイルは、微粒子温度が測定容積全体を通じてより均一であることを確実にする。このことは、数値的なモデル化の容易さおよび正確さを増し、多波長微粒子測定から得られた平均的微粒子温度が測定容積中の粒子温度をより良く表示することを確実にする。
【００３５】
好都合なことに、信号ピックアップは、コンパクトな多用途の装置を創り出す光ファイバアッセンブリにより作られる。ＬＩＩ白熱光信号は、ファイバの開口数に整合する入力ファイバ先端２８に、レンズ２６によって焦点が結ばれる。ＬＩＩ信号は次に、ビームが視準される光ビームスプリッタ３０に運ばれる。
【００３６】
次に光要素は、視準光ビームを二つ以上の部分に分割し、その分割部分は、次いでその出力が光検出器に終わる出力ファイバに焦点を結ぶ。光スプリッタは、入力光ビームを異なる波長帯域に分割するか、あるいは分割された光強度を全波長が供される所へ提供する。随意的に、干渉フィルタ３８が、更に各光検出器へ進む光波長範囲を選択するために、最終焦点レンズ前に挿入される。
【００３７】
光ファイバは、最早自由空間光アライメントに依存しない、よりコンパクトなアッセンブリを提供して検出器への光信号のより良い分離を提供する。光ファイバの使用は、光検出器の位置決めにより柔軟性を与え、単一の入力ファイバは、全光検出器がガスの同一の領域を視ることを確実にする。これは、レシーバレンズの後焦点面の共通の開口部を持つことによって成しとげられる。
【００３８】
図３は、通常の光学機械を使用する本発明による装置の他の実施形態例の略式図である。図３に見られるように、ビームスプリッタ３０で分割された後、光信号は、温度検出用に狭い単色波長に近い領域を選択するために光干渉フィルタ３８を通過する。
【００３９】
図３は、既知の制御火炎特性を持つバーナー５０を用いるベンチスケールモデルを図示する。白熱光信号は、選択された間隔を測定するために設定されたゲート幅を持つゲート型積分器４０によってそれぞれ制御される光電子倍増管３２，３４によって検出される。プロンプト白熱光信号検出用の第一検出器３２は、そのゲート幅が２５ｎｓに設定されているゲート型積分器４０に直接接続されている。
【００４０】
光検出器３２，３４は、コンパクト光電子倍増管、ＣＣＤカメラ、あるいはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、あるいはガリウム砒素（ＧａＡｓ）検出器のような他の光検出器でも良い。プロンプト白熱光信号を検出する第一光検出器３２は、２５ｎｓに設定されたゲート幅を持つゲート型積分器４０に直接接続されている。
【００４１】
ＬＩＩ信号期間、即ち約１０００ｎｓ間に収集された全電荷を測定する積分された信号を検出する光電子倍増管３４は、電荷結合増幅器４２に接続されている。代替的には、ＬＩＩ白熱光信号を時間関数として記録し、それによってプロンプトおよび積分された信号を、記録された信号から引き出す単一の光検出器が用いられる。電荷結合増幅器に接続されたゲート型積分器４０は、単一のサンプルによって容易に置き換えられ、時間積分されたレーザー光パルスを測定するように回路を保つ。
【００４２】
白熱光の収集は、干渉フィルタ３８を用いて二つ以上の分離した波長で為される。一般的に２０乃至４０ｎｍの狭波長領域が、本質的に二つの単色信号を得るためにフィルタによって選択される。上昇温度によって光強度に変化を示す第一波長が、選択される。このような高温において、波長における最大のシフトはＵＶ範囲に近い波長で認識される。第二波長で検出される光強度は、白熱光強度／時間プロファイル中の相対的変化が、温度／時間の測定値を与えるように測定される。二つの光波長の信号の比は、粒子温度に関係する。
【００４３】
この装置は、それには限らないが大きさが約１０−１００ｎｍの粒子、および０．０１乃至１０ｐｐｍの範囲の濃度を測定するのに有効である。この方法は、測定容積を増すことにより、あるいは測定における信号対雑音比を増すように多くのレーザー光パルスによって作り出されたＬＩＩ光信号を平均化することにより、低濃度にも容易に拡張できる。
【００４４】
図８は、プロンプト白熱光信号を測定するためにゲート型積分器３７に接続された、単一の光検出器３５を持つ、図２の実施形態例に同類の本発明の別の実施形態例を示す。単一の狭波長帯域が収集される。粒子温度は、数学的モデルから決定される。代替的には、単一の光検出器３５は、完全な白熱光信号を測定するために過渡ディジタイザ３７に接続される。有利なことに、絶対光強度較正を持つこの経済的なシステムは、コンパクトで実用的配置での粒子容積分率測定を提供する。
【００４５】
本発明による方法は、実質的に瞬時の光エネルギー源（約１０ｎｓ期間）を与えるために、レーザー１２からの焦点を結んだパルス状光ビームを、粒子２４を含む容積に導く。数ｍＪのエネルギーが、煤の場合には約４５００Ｋである蒸発温度に粒子を急速に加熱するのに十分である。この温度で粒子は、火炎の周囲温度に戻るように冷却しながら白熱光を放射し、周囲温度は一般的に１５００−２０００Ｋで、ディーゼルエンジンが排出するような他の燃焼システムではそれ以下である。
【００４６】
白熱光信号は収集され、一対の検出器３２，３４にイメージ化（結像化）される。第一検出器３２は、実質的にピーク強度、あるいはそれに近い強度で約２５ｎｓの期間プロンプト測定を提供する。第二検出器３４は同時に、電荷結合増幅器４２および時間ゲート型積分器４０を通して積分された信号を収集する。プロンプトおよび積分された信号は、粒子が冷却し、熱が周囲のガスに移動する全時間に亘って、ピーク光強度および全光強度を提供する。図４は、二つの白熱光信号の減衰曲線を図示する全時間に亘る光強度のグラフである。プロンプトと積分された信号の比は、一次粒子の大きさの関数である。更に、プロンプト白熱光信号からの白熱光は、広い動的範囲に亘って微粒子容積分率に比例している。
【００４７】
プロンプト白熱光信号は、信号中の小さな変化を見る十分短い期間の実質的に瞬時の測定である。信号幅は時間ゲート型積分器４０を通して制御される。積分された信号は、信号の重要な部分が収集されるように、ピーク強度で始まり、少なくとも光強度がピーク強度の１０％以下になる時間まで至る期間を持つことが好ましい。一般的な積分された信号のゲート幅は、０．３乃至１．０ｍｓである。
【００４８】
本質的ではないが、周囲の媒体への熱の移動による粒子の冷却が少ないように、パルス期間は十分短いことが望ましい。２０ｎｓと等しいか、それ以下の短い光パルス期間を持つレーザーパルスは、粒子がより短い時間の間最高温度に保持されるので、粒子蒸発の量を最小にする。もし、プロンプト白熱光信号がピーク白熱光、あるいはその近く、例えばパルス開始の１０−２５ｎｓ以内で取られるならば、より良い精度が達成される。
【００４９】
しかしながら、若干の冷却が生じた後の遅れた測定が可能である。積分された白熱光信号は、プロンプト白熱光信号と重複すべきである。単純なサンプル、および保持回路も用いられるが、ゲート型積分器が電荷結合検出器の出力を測定するために用いられる。電荷結合増幅器は、ＬＩＩ光パルス（一般的に１μｓの期間）中に生じる総てのＬＩＩ光信号を効果的に積分し、レーザー光パルスの終期でこの光検出器の出力が記録される必要がある。
【００５０】
モデル化プロセスは、粒子および周囲媒体の熱／エネルギー移動を記述する微分方程式の解法を含む。これは、蒸発、媒体への熱移転、および粒子加熱を記述するようなパラメータが、モデル化プロセスに用いられることを意味する。これらの微分方程式の解法は、全時間に亘る粒子の温度および直径値を与える。これらの値は、プランクの方程式、あるいは他の適当な理論を用いて放射値に変換される。モデルは、粒子形態論のシミュレーションを必要とする。粒子は、一般的に密集した一次粒子の集塊として理想化される。このような集塊による放射の吸収は、もし一次粒子が極めて過密に一緒に固められなければ、集塊内の一次粒子の数およびその直径によって決定される。走査電子顕微鏡写真は、このような粒子集塊がフラクタルによって記述される独特のパターンに存在することを示す。
【００５１】
粒子容積分率ｆｖは、直径ｄｐ、集塊当りの一次粒子の平均数ｎｐ、および測定容積中の集塊の数密度Ｎによって特徴付けられる殆ど球状の一次粒子によって記述され、下式で与えられる。
【００５２】
ｆＶ＝（π／６）Ｎｎｐｄ３ ｐ
【００５３】
本発明による測定技術の一つの実施は、そのピーク白熱光、および減衰率の調査から粒子の温度経歴を描く数学的モデルに依存している。本発明によるモデルは、粒子の冷却減衰曲線を先行技術に見られるよりもより良く記述し、従って正確な粒子の大きさの判断を与える。このモデルは、測定容積中のガウス光強度プロファイルのピークには居ない粒子によって受け取られたより少ない光エネルギーを補償する、レーザー強度のガウスプロファイルとアライメントする光軸に沿う、粒子の均一な分布を仮定している。
【００５４】
この提供モデルの追加の特性は、温度依存ガスおよび粒子の特性の使用、仮定した分布の代わりに空間および時間のレーザー光強度の真のプロファイルのモデル化、文献からの仮定した値の代わりに測定した粒子特性の使用、および広帯域サンプル収集よりもむしろ光波長依存フィルタ透過データの使用、等によって測定の精度を大いに改善する。
【００５５】
図５を参照し、本発明の実施形態例によって用いられるモデル化プロセスのフローチャートが下記する次のパラメータを含んで示されている。モデルは一般に、測定可能な白熱光を作り出すのに十分高い蒸発温度を持つレーザー光エネルギーを吸収する如何なる粒子にも適用可能である。モデルは、粒子が集塊し、均一な重複のない一次球状粒子に作り上げられることを考慮する。集塊容積は、集塊内部の一次粒子の数であるＮｐを単一一次粒子の容積に乗じることにより見出される。第一に、粒子特性、ガス特性およびレーザー光特性が、それぞれブロック１０２，１０４および１０６に略述されるように考慮される。
【００５６】
粒子特性１０２は、粒子のタイプに依存し、蒸発熱、密度、屈折率、蒸気圧、および分子量を含む。ガス特性１０４は、温度、圧力、分子量、および熱伝導性を含む。レーザー光特性１０６は、時間的プロファイル、測定容積におけるレーザー流束量空間プロファイル、および波長を含む。これらの特性は、ブロック１０８に略述された時間関数としてサンプル粒子温度と直径を記述する微分方程式を解くために組み入れられる。
【００５７】
これらの方程式（等式）は、レーザー光加熱、粒子蒸発、粒子白熱光放射、および周囲のガスへの粒子の熱移動を含む。これらの方程式は、ブロック１１０に示された時間関数としてのサンプル粒子直径と温度を決定する。粒子特性１０２と共に、時間１１０の関数としてのサンプル粒子直径および温度、並びに、時間および波長１１２の関数としてのサンプル粒子光放射は、任意の特定波長１１４でのプロンプトＬＩＩ信号、任意の特定波長１１６での積分されたＬＩＩ信号、および任意の波長１１８に対する信号減衰曲線対時間Ｉ（ｔ）を提供するサンプル、に対して予告される。
【００５８】
これらの三つの異なる方法から得られた測定は、次いで粒子容積分率と粒子の大きさを決定するために用いられる。用いられたモデルは、薄いエッジを横切る固定した流束量を持つレーザー光シートに対して、および実寿命状況を示すガウス光エネルギー分布を持つレーザーシートに対して、信号を予告する。
【００５９】
代替的には、任意の光エネルギー分布が、それらがモデル中に特徴付けられ、そして組み入れられるならば用いられる。
【００６０】
ＬＩＩ中の絶対光強度の測定は、微粒子加熱の数値的モデルから、あるいは微粒子温度の実験的測定から決定される微粒子温度の知識を必要とする。微粒子温度の実験的測定は、未知の粒子の場合には粒子容積分率の決定により良く適している。粒子容積分率は、モデルから計算される単一の粒子放出からか、あるいは全放射の実験的測定と関連して実験的に測定された粒子温度から計算される単一の粒子放出の何れかから、決定される。
【００６１】
この方法は、如何なる測定流束量分布にも容易に拡張できる。
【００６２】
図６はＬＩＩにより粒子容積分率を決定する方法を図示するフローチャートである。レーザー光およびビームジオメトリ１０６、ガス１０４、および粒子１０２の基礎特性は、信号発生１２０、および数学的モデル１３０に貢献する。粒子は、モデルが非球形粒子からの放射を計算するように修正されるならば、球形である必要はない。信号発生１２０は、プロンプト信号１２２および積分された信号１２４を含む。
【００６３】
代替的には、第三の信号１２６は、非常に多くの時点で時間に亘る信号の減衰を測定する。プロンプト、積分、あるいは時間依存信号測定１２２、１２４，１２６の何れかは、較正ソース１４０と組み合わせることによって、あるいは絶対光度１４２と組み合わせることによって粒子容積分率１５０を決定するのに十分である。プロンプト信号１２２は、それが仮定した粒子の大きさに依存する度合いが遥かに少ないので、好ましい。
【００６４】
数学的モデル１３０は、入力特性１０２，１０４，１０６に基づいた理論的粒子直径１３２を、同様に入力特性に基づいた理論的温度１３４又は実験的温度１３６と結合する。実験的温度１３６は、光強度減衰曲線上の温度を示す白熱光強度特性を与える二つ以上の異なる光波長１２８で、信号１２６をサンプリングすることにより決定される。温度情報１３４又は１３６は、周囲のガス１３８に対する正味の粒子白熱光放射を予告するために粒子直径と結合される。この値は、従来の較正を避けるようにシステムの絶対光強度１４２の較正を提供するために用いられる。
【００６５】
図６に、絶対光度測定のために少なくとも二つの異なる波長での、モデルからあるいはＬＩＩ信号測定の何れかから得られる粒子温度が必要である、ということが誇示されている。既知の放射率の粒子に対して、粒子温度は、異なる波長での二つの測定のＬＩＩ信号強度の比に比例する。もし、モデルが粒子温度を予測するために用いられるならば、粒子のタイプとその特性に関する知識が図５のフローチャートに記述されるように必要である。代替的には、従来の方法が既知の粒子容積分率１４０のソースを較正するのに用いられる。この較正された光放射は、プロンプト、積分、あるいは時間依存信号１２２，１２４，１２６から容積分率測定１５０を決定するために用いられる。
【００６６】
図６に、粒子放射は、粒子容積分率を決定するために絶対光度測定と共に用いられることが示されている。一般的に、ＬＩＩにおいて、容積分率、あるいは粒子濃度を測定する前に較正を得ることが必要である。これは、粒子分率の既知の曇状中のＬＩＩ信号を測定することにより為される。ＬＩＩにおける絶対光度測定は、それらが測定されたＬＩＩ信号を既知濃度に参照する事前の較正方法を避けることにより、粒子容積分率、および粒子の大きさの測定を緩和するので有利である。このように、絶対光度測定により、粒子容積分率に対して得られた測定は、絶対光度測定と粒子温度の知識に基づいている。
【００６７】
本発明の実施形態例によれば、ＬＩＩ光検出器で既知の光パワーを発生する、フィラメントランプのような、較正され拡張された既知の光放射ソースが採用される。この入射強度によって作り出されたＬＩＩ検出器信号が記録される。これは、ＬＩＩ微粒子信号から生じる光強度を決定するために用いられるＬＩＩ光検出器の較正を提供する。従って、ＬＩＩにおける絶対光度測定により、ランプからの信号は粒子容積分率の決定に直接用いられる。
【００６８】
現在、信号が光検出器によって得られる時は何時でも、その信号を作り出した光強度が知られる。光強度を決定するために、良いモデルを持つことと、レーザー光励起のパターンを知ることが重要である。測定容積内部の総てのサンプル粒子が均一に照射されることが好ましい。これは、実寿命状況においては困難な仕事である。光が焦点を結んだ時、均一なプロファイルを得ることが困難であることは、光の特性に関係しており、ガウス光強度プロファイルがここに記述される。
【００６９】
光強度が総ての空間的方向で変化する時は、状況は特に困難である。このようにして、レーザー光のシートの小さな部分を使用することにより、均一な強度変化が二方向で得られ、および第三の方向には視線の軸に沿ってガウス光強度分布が得られる。絶対光度測定に対して、粒子がどのように励起されるかを知ること、および空間における放射の分布を決定することが重要である。採用したモデルは、測定容積内部の粒子数の温度を正しく明らかにしなければならない。例えば、低エネルギー励起粒子は本発明によって採用されたモデルによって説明され、以下に詳細に論じられる。
【００７０】
このようにして、粒子濃度は、絶対ＬＩＩ信号を測定することにより決定され、それを粒子の濃度を計算するために、粒子当りの計算された理論的光放射と比較する。その発光温度が知られている既知の放射輝度の拡張ソース（パワー／ソース−ステラディアン−波長間隔の単位面積）は、検出システムを較正するために用いられる。好ましい実施形態例では、フィラメント線条が既知の放射輝度の拡張ソースとして用いられる。フィルタ特性、レンズ収集効率、開口部の大きさ、および光システム倍率における不確実性に関係する誤差は、この較正処理を用いて大いに取り除かれる。
【００７１】
モデルの解法から粒子当りの理論的信号を計算する代わりに、粒子表面温度が、二個以上のＬＩＩ信号を同時に記録することにより測定され、実験的温度を得るためにこれらの信号の比が用いられる。モデルから得られた粒子温度よりもむしろ実験的粒子温度が、次いで粒子当りの放射を計算するために用いられる。測定された絶対ＬＩＩ信号光強度と計算された粒子放射強度から、粒子の数が計算される。結果として、絶対光度測定は粒子容積分率決定をより実際的にする。
【００７２】
既知の放射輝度信号の拡張ソースの絶対光強度較正のための光概要図が、図７に示されている。本発明の実施形態例において、１．０４ｍｍの直径を持つ開口部が、フィルタと光電子倍増管（ＰＭ）の前に置かれる。この開口部は、放射ソース上のレンズでイメージ化される。本発明の一実施形態例で、放射ソースはフィラメントランプ線条であり、開口部は、較正されたフィラメントランプ線条のフィラメント上にイメージ化されるが、既知のスペクトル放射輝度の他の拡張ソース、例えば黒体較正ソースは、この目的のために使用することができる。
【００７３】
更に、本発明の一実施形態例で、レンズは１９０ｍｍの焦点距離、５４ｍｍの直径、およびＭ＝０．５の倍率を持つ。レンズの倍率は、距離ｕ、即ち、フィラメントとレンズ間の距離、および距離ｖ、即ち、レンズと開口部間の距離、および等式Ｍ＝ｕ／ｖから決定される。較正されたランプはそのフィラメントがＬＩＩ信号発生領域と一致するように置かれる。本発明の実施形態例においてそのフィラメントが３ｘ８ｍｍであるランプは、ランプ電流の関数として６５４ｎｍにおいて既知の発光温度を持つ。
【００７４】
本発明の別の実施形態例において、ＬＩＩ放射は、光ファイバ先端に焦点を結ぶ。この場合、入力開口はファイバコア直径である。
【００７５】
較正放射ソース信号は、ランプのスペクトル放射輝度、即ち単位面積当り、単位立体角当り、および単位波長間隔当りに放出される光パワーによって決定され、数１（式（１））で与えられる。
【００７６】
【数１】
ここで第一、および第二放射定数はＣ１＝３．７４１７７ｘ１０−１６ｗｍ−３、およびＣ２＝０．０１４３８８ｍＫであり、ε（λ、Ｔ）は波長および温度の関数である。
【００７８】
較正されたランプは、６５４ｎｍの波長におけるように特定の波長において既知の発光温度ＴＢを持つ。発光温度ＴＢは、完全黒体が同じスペクトル放射輝度を放出する温度として規定される。式（１）のスペクトル放射輝度用の指数項は、本発明によって考慮される温度および波長に対して>>１であるので、真のフィラメント温度（ＴＳ）は、発光温度ＴＢから数２（式（２））に示されるように得られる。
【００７９】
【数２】
最初は知られていないが、フィラメント温度でのタングステンの放射率が要求される。第一の解法として、発光温度ＴＢでの放射率が予測フィラメント温度を得るために用いられる。この予測温度におけるタングステンの放射率は、次いで新予測フィラメント温度を得るために用いられる。波長に対するタングステン放射率の変動は大きくないので、２あるいは３回の繰り返しがケルビン度の数分の一以内で正しいＴＳの予測を作り出す。
【００８１】
タングステンのようなフィラメントの既知の放射率を用いて、温度および波長の関数としてフィラメント放射輝度が数１（式（１））から如何なる希望の波長においても得られる。検出器に入射するフィラメント放射輝度パワーは、数３（式（３））で与えられる。
【００８２】
【数３】
ここで、ＡＡＰは開口部の面積であり、τ（λ）は光波長の関数としてのフィルタ透過であり、ｕおよびＭはそれぞれ放射ソースとレンズ間の距離、およびレンズの倍率として図７に規定されている。較正ランプから観察された信号ＶＣＡＬは、次のように検出システム較正を提供する。
【００８４】
η＝ＰＣＡＬ／ＶＣＡＬ
【００８５】
理論的ＬＩＩ強度は、以下に説明するように決定される。上に規定した較正係数を用いて、観察されたＬＩＩ光電子倍増管信号は、検出された強度に変換される。この観察信号は、次いでＬＩＩモデルで計算された信号と比較される。検出器上にイメージされた加熱粒子の容積は、断面積Ｍ２ＡＡＰで、レーザー光シートの厚みに等しい長さのシリンダにより規定される。狭い光シート厚み上にイメージされた区域内の変動はいずれも小さく、通常無視される。レーザー流束量は、シリンダの端部を横切って実質的に一定であるが、シリンダ軸に沿って、即ちレーザー光シートを通して、ガウス依存性を持つ。もし、光シートに直交する寸法をｘ、レーザービーム伝搬の方向をｚと規定すると、レーザー光シートの観察されたガウス行動によって、流束量は数４（式（４））によって記述される。
【００８６】
【数４】
ここで、ｑＴＯＴはレーザー光パルスエネルギーであり、ｗｘおよびｗｙはガウス１／ｅ半幅である。本発明の実施形態例において、観察された実験的０．２２ｍｍおよび１．８１ｍｍの１／ｅ２半幅は、√２で除されなければならない。
ピーク流束量は次いで数５（式（５））で記述される。
【００８８】
【数５】
イメージされた（０．２７ｍｍ）シリンダの測定容積領域の半径は実質的にｗｙよりもちいさいので、ｙおよびｚ方向の流束量の変動は無視される。イメージされた領域の流束量は、次いで数６（式（６））で与えられる。
【００９０】
【数６】
４πステラジアンに放射された全ＬＩＩスペクトルパワー（ＰＳＰ）は、単一粒子に対して計算される。この全ＬＩＩスペクトルパワーは、単位波長当りのパワーである。ＰＳＰは、レーザー流束量、波長、時間、狭い範囲でガス温度の関数、レーザー光パルス期間、の関数である。実験上の検出条件に対応する単一粒子に対する理論的ＬＩＩパワー（ＰＰ）は、次いで数７（式（７））で記述される。
【００９２】
【数７】
２５ｎｓの実験上の検出ゲートに対する対応する計算エネルギーは、数８（式（８））で記述される。
【００９４】
【数８】
ここでｔ０は、ＬＩＩ信号が最大になるようにゲート位置を設定する実験上の手順に対応して、時間積分を最大化するように選択される。波長積分は、フィルタ帯域に亘っており、ＡＬ／４πｕ２はレンズによって収集された全放射の一部分である。検出器上にイメージされる空間の領域に亘る積分ＰＳＰ（Ｆ）による実験において、単一粒子から観察される、全粒子数密度ｎｐに対する理論的総パワー（ＰＴＰ）が、今や計算される。これは数９（式（９））で記述される。
【００９６】
【数９】
この実施形態例において、一つの例しかガウス流束量プロファイルに与えられていないが、実際には、流束量の如何なる既知の分布も使用することができ、式（９）のｘ（およびもし必要ならばｙおよびｚ）に亘る積分が、要求される流束量Ｆ（Ｘ）（あるいはＦ（ｘ、ｙ、ｚ））について行うことができる。
【００９８】
数９（式（９））において、観察された容積は、シート厚に等しい長さを持つ断面積Ｍ２ＡＡＰのシリンダとして規定される。ここで、空間的積分が、流束量の距離による変動を計算するために式（６）を用いてレーザー光シートを横断して行われる。観察領域内の粒子濃度の如何なる変動も無視される。
【００９９】
理論的ＬＩＩ信号は、実験的ＬＩＩ信号と比較される。実験的に観察されたＬＩＩ信号電圧、ＶＥＸＰは、上に規定したようにシステム較正ηを用いてパワーに変換され、即ちＰＥＸＰ ＝ηＶＥＸＰ、次いで理論的光強度に等しくされる。
【０１００】
【数１０】
他の量は測定されるか、あるいは理論から得られるので、全粒子数密度ｎＰは数１０（式（１０））から計算される。この式（１０）から、倍率（Ｍ）、開口部の大きさ（ＡＡＰ）、およびレンズの収集立体角度（ＡＬ／ｕ２）は数１０（式（１０））の両辺で共通であり、こうしてそれらは相殺される、ということが明らかである。較正は、これらの量に対して仮定された正確な値から独立している。フィルタ帯域に亘る積分は、両辺で共通であり、おもに相殺される。
【０１０２】
このようにして、フィラメント較正ランプ線条のような放射ソースは、フィルタ特性、収集立体角度、あるいは視野領域断面区域の如何なる正確な知識からも独立している、粒子放射との比較に用いられる既知の放射輝度のソースを提供する。較正ランプ放射輝度、およびＬＩＩ信号も波長の関数であるので、式（１０）において、フィルタ帯域に亘る積分に用いられるフィルタ透過曲線は、厳密には相殺しない。しかしながら、良好な近似に向け、フィルタ透過曲線は、中心波長λＣ 、帯域通過△ｆ 、および透過τＭＡＸ 、を持つ等価なフィルタで置き換えられる。ここで後者は、フィルタの観察されたピーク透過である。等価的な帯域通過は数１１（式（１１））で与えられる。
【０１０３】
【数１１】
積分は全フィルタ帯域に亘る。中心波長λＣ は、数１１（式（１１））の積分が全白熱光波長に亘る全積分の１／２となる波長限界である。フィルタ透過は、λＣ −△ｆ ／２からλＣ ＋△ｆ ／２までである。数１０（式（１０））の積分はτＰ△ｆ・Ｒ（λＣ）で置き換えられ、ここでランプ放射輝度はフィルタ帯域の中心で用いられる。式（３）の全積分、および式（１０）の左辺への近似は、４０ｎｍの帯域幅、４００ｎｍでの中心、および１６００Ｋのフィラメント温度を持つフィルタに対して約１０％の誤差を持つ。
【０１０５】
誤差は、ランプフィラメント温度、あるいは粒子温度、あるいは中心波長が増加するに従い減少するので、これは較正で遭遇する可能性のある最大の誤差である。ＬＩＩ信号の波長による変動は較正ランプのそれよりも少ないので、式（７）の積分、および式（１０）の右辺の同様な置き換えに含まれる誤差は、より小さい。一般的なレーザー加熱粒子温度において、誤差は<１％である。ランプ較正に対して、積分の式（１１）での置き換えに含まれる誤差に対する最終較正は、誤差の数値的予測を用いて修正される。
【０１０６】
理論的に得られた粒子白熱光強度を用いて、一次粒子数密度を計算する単純化された較正手法が今や記述された。式（１０）における倍率、立体角、およびフィルタ透過の相殺は、この等式のかなりの単純化につながる。それはまた、倍率、立体角、およびフィルタ透過の測定における小さな誤差は、それらが計算された理論的強度に影響を与えるのと同じように較正に影響を与えるので、十分に相殺する、ということにおける実験上の精度の重要な増加に至る。このようにして、単純化された較正は、式（３）の代わりに、フィラメント中心波長（ＲＳ（λＣ））におけるフィラメント放射輝度が用いられる。式（３）は今や式（３ｂ）となる。
【０１０７】
ＰＣＡＬ＝Ｍ２ＡＡＰＡＬτＰΔｆＲＳ（λＣ）／ｕ２・・・・・（３ｂ）
【０１０８】
較正定数／係数ηは今や、η＝ＲＳ（λＣ）／ＶＣＡＬを用いて計算される。
較正係数ηの単位は今や、Ｗ・ｃｍ−２・ｓｒ−１・Ｖ−１・単位波長間隔−１、又はＶ−１・ｃｍ−３・ｓｒ−１・Ｗである。
数７（式（７））は、今や式（７ｂ）となる。
【０１０９】
ＰＰ（Ｆ，ｔ）＝ＡＬτＰΔｆＰＳＰ（Ｆ，λＣ，ｔ）／（４πｕ ２ ）・・・・・・・・・・・・・・（７ｂ）
およびこのようにして式（１０）は、数１２（式（１０ｂ））となる。
【０１１０】
【数１２】
粒子数密度ｎｐは、数１２（式（１０ｂ））から計算される。粒子容積分率は次の式（１１．５）で与えられる。
【０１１２】
ｆＶ＝πｄ３ ＰｎＰ／６・・・・・・・・・（１１．５）
【０１１３】
ＰｐおよびこのようなＰＳｐは、一次粒子容積、即ちｄｐ ３に比例するので、粒子容積分率は数１２（式（１０ｂ））および式（１１．５）で仮定されたｄｐの正確な値から独立している。このようにして、ｄｐおよびｎｐを別々にするというよりもむしろ、πｄ３ ＰｎＰ／６の積、即ち容積分率が決定される。次いでＬＩＩ信号測定からのｄｐの決定が、ｎｐを得るために必要となる。
【０１１４】
実験的に得られた粒子温度を用いて粒子容積分率を計算する単純化された較正手順が、今や記述された。もし、独立した波長での二個以上の信号が記録されれば、レーザー光シートを横切る平均粒子表面温度が、検出感度に対して修正された観察された信号の比、および既知の粒子光吸収断面を用いて計算される。直径ｄｐの単一の粒子によって放射されるパワーは、数１３（式（１２））で与えられる。
【０１１５】
【数１３】
ここで合成屈折率ｍは、波長の関数である。二つの波長でのパワーの比は、次いで数１４（式（１３））で与えられる。
【０１１７】
【数１４】
二つの波長ＶＥＸＰ（λ１）／ ＶＥＸＰ（λ２）における観察された信号比は、数１５（式（１４））に記述されるように較正係数を用いて相対パワー（ＰＥ）に変換される。
【０１１９】
【数１５】
この実験的に決定されたパワー比、およびＥ（ｍ）の既知の値を用いて、数１５（式（１４））はＴに対して解かれる。この場合、粒子表面温度を決定するのに重要であるのは、ただ粒子吸収断面の光波長による変動だけである。二つの白熱光波長におけるパワー比測定から得られたこの温度は、ガウス光シートを通した或る平均粒子表面温度を表している。数１２（式（１０ｂ））の右辺側の積分は、数１６（式（１５））に記述されるように近似される。
【０１２１】
【数１６】
ここで、ＰＰを計算するモデルから得られるよりもむしろ、実験的粒子温度が用いられ、こうして数１２（式（１０ｂ））は数１７（式（１０ｃ））となる。
【０１２３】
【数１７】
他の総ての量が知られているので、一次粒子数密度ｎＰは今や数１７（式（１０ｃ））から計算される。平均温度が厳密に絶対放射輝度を再現していないので、数１７（式（１０ｃ））は近似値である。正しい放射輝度パワーに比較されるこの平均近似値の直接数値的シミュレーションは、それがパワーを〜２０％過小評価している、ということを示す。数１７（式（１０ｃ））の近似から得られた粒子数密度は〜２０％高くなる。実用に当って、適当な修正を加えて、数値的シミュレーション結果を使用することは、この誤差を低減する。数値的シミュレーションはまた、「トップ−ハット」プロファイルにより近いレーザー流束量プロファイル、即ちレーザー光シートを横切る一定の流束量が、遥かに小さい誤差に帰着する、ということを示す。
【０１２５】
下記は、上記の絶対光度測定において用いられた用語の解説である。
大文字
Ａ 面積（ｍ２）
ＡＰ 開口部
Ｃ１ 第一放射定数（３．７４１７７４９・１０−１６Ｗ・ｍ２）
Ｃ２ 第二放射定数（０．０１４３８７６９ｍ・Ｋ）
Ｅ（ｍ） 屈折率依存関数
Ｆ 流束量（Ｊ・ｃｍ−２）
Ｍ 倍率
Ｐ パワー（Ｗ）
ＰＳ スペクトルパワー（Ｗ・ｎｍ−１）
ＰＴ 全パワー（Ｗ）
Ｒ スペクトル放射輝度（Ｗ・ｍ−２・ｓｒ−１・ｎｍ）
Ｓ 放射源（フィラメント）
Ｔ 温度（Ｋ）
小文字
ｃ 光速（２．９９７９２４５８・１０８ｍ・ｓ−１）
ｄ 一次粒子直径（ｎｍ）
ｆｖ 容積分率（ｐｐｍ）
ｈ プランク定数（６．６２６０７５５・１０−３４Ｊ・ｓ）
ｋ ボルツマン定数（１．３８０６５８・１０−２３Ｊ・Ｋ−１）
ｍ 屈折率
ｎ 数密度（ｍ−３）
ｑ エネルギー（Ｊ）
ｔ 時間（ｎｓ）
ｕ 対象物距離（ｍ）
ｖ 像距離（ｍ）
ｗ 幅（ｍ）
ｘ，ｙ，ｚ 直交座標系（ｍ）
ギリシャ文字
△ｆ フィルタ帯域幅（ｎｍ）
ε 放射率
λ 光の波長（ｎｍ）
λｓ 放射源の較正波長（ｎｍ）
τ フィルタ透過
η 較正係数
下付き文字
ＡＰ 開口部
ＡＶ 平均
Ｂ 発光
ｃ 中心
ＣＡＬ 較正
ＥＸＰ 実験値
ｆ フィルタ
Ｌ レンズ
ｍａｘ 最大
ｐ 粒子
Ｓ 放射ソース（フィラメント）
ＴＯＴ 合計
Ｖ 容積
【０１２６】
熱移動エネルギーバランス用の式は、数１８（式（１６））で表される。
【０１２７】
【数１８】
数１８（式（１６））は、粒子が一次粒子で作られた密集する球形の集塊であり、一次粒子がレイリー臨界にある、ということを仮定する吸収レーザー光エネルギーの項を含む。式は更に、周囲のガスへの熱移動、炭素の蒸発、周囲への正味の粒子放射、および最終的に粒子加熱の項を含む。
【０１２９】
上式の用語の解説は以下の通りである。
Ｃａ 煤粒子の光吸収断面（ｍ２）
Ｃｓ 炭素の比熱
ｄｐ 一次煤粒子直径
Ｇ ジオメトリ依存熱移転係数Ｇ＝８ｆ／（α（γ＋１））
ΔＨｖ 炭素の蒸発熱
ｋａ 周囲の空気の熱伝導性
Ｍｖ 分子量炭素蒸気
Ｍ 炭素の質量
ｑ レーザー光強度
Ｔ 煤表面温度
Ｔ０ ガス温度
λＭＦＰ 平均自由行程λＭＦＰ＝１／（２０．５π（σＡＢ）２）剛体球近において（ｍ）
ρｓ 煤の密度（ｋｇ／ｍ３）
【０１３０】
本発明の上記実施形態例は、本発明の例示として意図され、多くの数値的変更、変化、および適応は特許請求の範囲に規定された本発明の範囲と意図から逸脱せずに、本発明の特定の実施に供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置の基本的な実施形態例の図である。
【図２】本発明による装置のより詳細な実施形態例の略式図である。
【図３】本発明による装置の更に詳細な実施形態例の略式図である。
【図４】４０ｍｍ高さのエチレン／空気火炎における蒸発域（>３００ｎｓ）の時定数変化の実側値と予測値を含む典型的なＬＩＩ信号減衰曲線のグラフである。
【図５】数学的モデル化プロセスを図示するフローチャートである。
【図６】ＬＩＩにより粒子容積分率の決定方法を図示するフローチャートである。
【図７】絶対強度較正のための光学的な略式図である。
【図８】単一光検出器を持つ、更に詳細な実施形態例の略式図である。なお、各図で同様の数字は、同様要素を示すのに用いられている。
Claims (24)
- 既知の放射ソースから得られる放射輝度（Ｐ ＣＡＬ ）と、光検出器によって測定された前記放射ソースからの白熱光の信号（Ｖ ＣＡＬ ）とから較正係数η（η＝Ｐ ＣＡＬ ／Ｖ ＣＡＬ ）を求める光検出器応答を較正するステップと；パルス化レーザー光ビームで測定対象の一個以上の粒子を内蔵したガスの容積を照射し、前記パルス化レーザー光ビームで前記測定対象の一個以上の粒子のレーザ誘起白熱光を生じさせるステップと；当該レーザ誘起白熱光からレーザー光パルス後の実質的に不変の光強度の期間内のプロンプト信号、レーザー光パルス後の時間期間に亘って時間積分された信号、および時間依存信号の内の一つである、白熱光信号における粒子放射に帰すべき白熱光強度（ＶＥＸＰ）の信号を前記光検出器で測定するステップと；前記白熱光強度（ＶＥＸＰ）と、前記光検出器応答を較正するステップで得られる較正係数（η）とに基いて粒子容積分率を計算するステップと；を有することを特徴とするパルス化レーザー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定する方法。
- 絶対光強度較正を提供するために光検出器応答を較正するステップは、ガスの容積をパルス化レーザー光ビームで照射するに先立って、光検出器を較正するために既知の発光温度を持つ既知の放射輝度の放射ソースを提供し、その放射ソースがレーザー誘起白熱光信号発生領域に置かれるステップと；光強度信号は光子の数であり、前記放射ソースからの光強度信号（Ｖ ＣＡＬ ）を光検出器で測定するステップと；前記放射ソースの温度を、光強度信号と前記放射ソースの既知の発光温度から計算するステップと；前記放射ソースの放射率からの放射輝度（Ｐ ＣＡＬ ）を、温度と波長の関数として予め定められた波長のもとで計算するステップと；測定された光強度信号（Ｖ ＣＡＬ ）と計算された放射輝度（Ｐ ＣＡＬ ）から検出器応答を較正する較正係数（η）を決定するステップと；を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
- 粒子放射は粒子直径と粒子温度から計算されることを特徴とする請求項２記載の方法。
- 粒子直径は、粒子特性、ガス特性、レーザーおよびレーザー光ビームジオメトリ特性を含む数学的モデルから得られることを特徴とする請求項３記載の方法。
- 粒子温度は理論的温度と実験的温度の一つから得られ、前記理論的温度は数学的モデルから得られ、前記実験的温度は二つの異なる光波長において測定された白熱光強度の信号から得られることを特徴とする請求項４記載の方法。
- 実験的温度は二つの異なる光波長において測定された白熱光強度を含む信号の比から計算されることを特徴とする請求項５記載の方法。
- 時間積分信号は全白熱光強度の主要部分を有する期間に亘って検出されることを特徴とする請求項６記載の方法。
- 時間積分信号は、実質的にピーク白熱光強度の時間から白熱光強度がピーク白熱光強度の１０％以下である時間までの期間に亘って検出されることを特徴とする請求項７記載の方法。
- プロンプト信号は、実質的にピーク白熱光強度において検出されることを特徴とする請求項７記載の方法。
- パルス化レーザー光ビームは、近傍のフィールドと遠方のフィールドにおいて制御された空間的プロファイルを持つように最適化されていることを特徴とする請求項９記載の方法。
- パルス化レーザー光ビームは、信号発生領域を通してレーザーシートを形成するように焦点が結ばれることを特徴とする請求項１０記載の方法。
- 既知の放射輝度の放射ソースはフィラメントランプ線条であることを特徴とする請求項２記載の方法。
- （ａ）レーザー誘起白熱光信号を得る前に、光検出システムを較正するために既知の発光温度をもった既知の放射輝度の放射ソースを提供し、その放射ソースをレーザー誘起白熱光信号発生領域に配置するステップと；
（ｂ）光強度信号は光子の数であり、既知の放射輝度の放射ソースからの光強度信号（Ｖ ＣＡＬ ）を前記光検出システムで測定するステップと；
（ｃ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号と前記放射ソースの既知の発光温度からソース温度を計算するステップと；
（ｄ）温度と波長の関数として前記放射ソースの放射率からソース放射輝度（Ｐ ＣＡＬ ）を予め定めた波長のもとで計算するステップと；
（ｅ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号（Ｖ ＣＡＬ ）とステップ（ｄ）のソース放射輝度（Ｐ ＣＡＬ ）から光検出システムを較正する較正係数η（η＝Ｐ ＣＡＬ ／Ｖ ＣＡＬ ）を決定するステップと；
（ｆ）較正係数（η）を使用して、測定対象の一個以上の粒子を内蔵したガスの容積にパルス化レーザー光ビームを照射することによって発生するレーザ誘起白熱光の前記光検出システムで観測されたレーザー誘起白熱光信号（Ｖ ＥＸＰ ）から粒子容積分率を決定するステップと；を有することを特徴とする、レーザー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定する方法。 - 観測されたレーザー誘起白熱光信号は、レーザービーム光パルス後の実質的に不変の光強度の期間内のプロンプト信号、レーザービーム光パルス後の時間の期間に亘る時間積分信号、および時間依存信号のうちの一つであることを特徴とする請求項１３記載の方法。
- 粒子容積分率を決定するために数学的モデルから粒子直径を決定するステップを更に含むことを特徴とする請求項１４記載の方法。
- 数学的モデルは、レーザー光強度のガウスプロファイルとアライメントする光軸に沿う一個以上の粒子の均一な分布を仮定していることを特徴とする請求項１５記載の方法。
- 測定容積内にパルス化レーザー光ビームを発生して、測定容積内に一個以上の粒子のレーザー誘起白熱光信号を生じさせるレーザーと；一個以上の粒子のレーザー誘起白熱光信号（Ｖ ＥＸＰ ）を検出する、較正された光検出器応答の較正係数（η）を持つ光検出器と；レーザー誘起白熱光信号（Ｖ ＥＸＰ ）と粒子特性、ガス特性、レーザーおよびレーザー光ビームジオメトリ特性を含む数学的モデルと、前記較正係数（η）を用いて、粒子容積分率を計算するプロセッサーと；を有し、前記較正係数（η）は、既知の放射ソースから得られる放射輝度（Ｐ ＣＡＬ ）と、前記光検出器によって測定された前記放射ソースからの白熱光の信号（Ｖ ＣＡＬ ）とから較正係数η（η＝Ｐ ＣＡＬ ／Ｖ ＣＡＬ ）が求められて与えられていることを特徴とするレーザー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定する装置。
- 粒子容積分率を計算する数学的モデルは粒子放射を含み、前記粒子放射は粒子直径と粒子温度から計算され、前記粒子直径は数学的モデルから得られ、前記粒子温度は理論的粒子温度と実験的粒子温度の一つから得られ、前記理論的粒子温度は数学的モデルから得られ、前記実験的粒子温度は二つの異なる波長において測定されたレーザー誘起白熱光信号から得られるものであることを特徴とする請求項１７記載の装置。
- レーザー誘起白熱光信号は、レーザーパルス後の実質的に不変の光強度の期間内のプロンプト信号、レーザービーム光パルス後の時間の期間に亘る時間積分信号、および時間依存信号の一つから選択されることを特徴とする請求項１８記載の装置。
- パルス化レーザー光ビームで測定容積を照射するに先立って、較正された検出器の絶対光強度較正を提供して検出器応答を較正するために、既知の発光温度を持つ既知の放射輝度の放射ソースを含み、既知の放射輝度の放射ソースはレーザー誘起白熱光信号発生領域に置かれていることを特徴とする請求項１８記載の装置。
- 既知の放射輝度の放射ソースはフィラメントランプ線条であることを特徴とする請求項２０記載の装置。
- 実験的粒子温度を得るために少なくとも二つの異なる波長でのレーザー誘起白熱光信号をフィルタするために較正された検出器と関連する少なくとも二個のフィルタを含むことを特徴とする請求項２０記載の装置。
- レーザー誘起白熱光信号を較正された検出器に導く収集光学装置を含み、測定容積は収集光学装置とパルス化レーザー光ビームによって決定される収集直径の交点を有することを特徴とする請求項２２記載の装置。
- 近傍のフィールドと遠方のフィールド内に制御された空間的強度プロファイルを持つパルス化レーザー光ビームが測定容積を通過するように最適化する光学的要素をさらに含むことを特徴とする請求項２３記載の装置。
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