JP4655896B2 - ガスイオンモニタ装置を用いたエアロゾル測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、微粒子を含むエアロゾルのガスイオン量を測定するガスイオンモニタ装置を用いたエアロゾル測定装置に関するものである。

エアロゾルとは分散媒体がガスで、分散質が液体または固体であるコロイドを示す。分散質が液体の場合には、エアロゾルは、霧、もや、雲等となり、分散質が固体の場合には、ちり、煙等となる。このエアロゾルの微粒子の構成成分の測定は、環境状態の評価や健康影響などの研究分野において重要な意味を持つ（特許文献１参照。）。

エアロゾルの測定としては、例えば大気汚染測定がある。環境汚染や近年の大気汚染の原因となる車の排気ガスや工業プラントの排煙には、硫黄化合物（ＳＯｘ，Ｈ₂Ｓ等）、窒素化合物（ＮＯｘ，ＮＨ₃等）、炭化水素等が含まれ、これらは化学反応または光化学反応によって硫酸塩又は硝酸塩となり、大気中の水蒸気を吸収して液体状のエアロゾルとなる。

測定方法の例としては、エアロゾルをＬＶＳ(Low Volume Sample)などによりフィルタに捕集した後、溶媒にとかしてＬＣ（液体クロマトグラフィ）分析する方法や、試料を加熱して有機物を揮発させ、その後揮発物に酸素を加えたガス中でさらに高温に加熱して酸化させ、揮発性有機化合物の総量を定量する方法がある。

微分型電気移動度測定器（ＤＭＡ(Differential mobility analyzer)）（特許文献２参照。）は、微粒子とその分散媒体のガスとからなるエアロゾルを帯電させてＤＭＡ内に導入し、ＤＭＡの上部からシースガスを流すと共に装置内に電界を与えることによって、エアロゾルの粒径と電気移動度を利用するものであるから、微粒子の粒径を効率的かつ広範囲にわたって分級し、測定することができるものとして知られている。

ＤＭＡによる測定では、流体解析により空気流れの最適化をはかり、１０ｎｍ以下のナノ粒子の高分解能計測を可能にした粒径分布測定装置も報告されている（非特許文献１参照。）。
特開平０９−１８４８０８号公報 特開２０００−４６７２０号公報 日本エアロゾル学会 第２０回エアロゾル科学・技術研究討論会「ナノサイズ粒子計測装置の開発（１）」

ＤＭＡの試料導入部にはエアロゾルを帯電させるための帯電部が設けられており、例えば粒径５００ｎｍの微粒子が、粒径１〜１．５ｎｍのガスイオン中に浮遊した状態となっている。帯電部のイオン発生源にはα線源アメリシウムがよく利用されるが、α線は透過性が小さいため、アメリシウムの表面が汚れている場合にはイオンの生成能が低下することがある。
この状態ではエアロゾルは帯電しにくくなり、このままエアロゾルの測定を続けた場合はエアロゾル中の微粒子の粒子数を過小評価してしまう。しかし、放射線物質であるアメリシウムを直接調べることにより表面状態が汚れているか確認することは困難である。

本発明は、帯電部のイオン発生源を直接調べることなしに帯電部の性能をモニタできるようにすることを目的とする。

本発明で用いるガスイオンモニタ装置は、微粒子を含むエアロゾルを帯電させる帯電部と、帯電されたエアロゾルを分析対象とする分析装置との間のエアロゾル流路につながる空間でエアロゾルの流れから離れた位置に配置され、帯電部で帯電されて生成したイオン中のガスイオンを選択的に吸引できる大きさの電圧が印加され、吸引したガスイオン量を検出する電極を備えている。

ガスイオンモニタ装置の好ましい一例は、検出されたガスイオン量が予め設定されたイオン電流値よりも小さい場合にユーザに警告を発するようにしたものである。

本発明のエアロゾル測定装置は、微粒子を含むエアロゾルを帯電させる帯電部と、上記分析装置としてのＤＭＡと、上記帯電部と上記ＤＭＡとの間に配置された本発明のガスイオンモニタ装置とを備えている。

本発明で用いるガスイオンモニタ装置は、エアロゾルを帯電させるための帯電部の後段で帯電エアロゾル中のガスイオンをモニタできるようになるので、帯電部のイオン発生源を直接調べることなしにイオン生成能をモニタできるようになる。

測定されたイオン電流値が予め設定されたイオン電流値よりも小さい場合に警告を発するようにすれば、エアロゾル中の粒子数を過小評価することを防ぐことができる。
このようなガスイオンモニタ装置を備えたエアロゾル測定装置は、帯電部の性能低下に起因する誤った測定を防止することができる。

以下、本発明の一実施例を詳細に説明する。
図１はエアロゾル分級装置の全体構成図を示している。３は帯電部であり、エアロゾル供給部１から供給されるエアロゾルを帯電させるものである。帯電部３の内部にはイオン発生源としての放射性物質のα線源アメリシウムが備えられており、エアロゾル中に含まれる微粒子やガスは帯電部３の内部を通過したとき、正又は負に帯電される。

帯電部３の後段には、エアロゾル流路を介してＤＭＡ５が備えられており、エアロゾル流路につながる空間でエアロゾルの流れから離れた位置にはガスイオンモニタ装置７が備えられている。ＤＭＡ５はエアロゾルを分析対象ガス成分を含まないガス（シースガス）で置換するとともに、エアロゾル中の微粒子を分級して取り出すものである。装置構成の詳細は後述する。

ガスイオンモニタ装置７は、帯電されたガスイオンを選択的に吸引できる大きさの電圧が印加され、吸引したガスイオン量を検出する電極を備えたものであり、電極にガスイオン検出用の電圧を印加することによってエアロゾル中のガスから生成したガスイオンのイオン電流値を電流計で測定するものである。
エアロゾルに含まれる微粒子の粒径が５００ｎｍ程度であるのに対してガスイオンの粒径は１〜１．５ｎｍと小さいことにより、電極に弱い電圧をかけると、径の小さいガスイオンが選択的に電極に吸引され電流計で測定される。
ガスイオンモニタ装置７によって測定された電流値が予め設定された電流値よりも低い場合、ガスイオンとそれに浮遊している微粒子の帯電は弱いものと判断され、警告部２５により音や光などによってアラームが発せられる。

ＤＭＡ５は、囲み体１５と、囲み体１５の内部に設置されて、分級された微粒子を外部に取り出すためのスリット１２を有する中心ロッド１３と、正に帯電した微粒子および負に帯電した微粒子が混在した帯電粒子を、囲み体１５と中心ロッド１３の間に供給する微粒子供給部１４とを備えている。
囲み体１５と中心ロッド１３間に電源装置１７により所定の電圧を印加することにより、特定の粒子径をもつ荷電粒子が中心ロッド１３のスリット１２に入り、分級される。

シースガスの引込口２１はＤＭＡ５の上部に設けられ、引込口２１の下部にはシースガスの流れを整え、不純物を除去するフィルタ１８が取り付けられている。引込口２１から供給されたシースガスは、囲み体１５と中心ロッド１３の間を流れ、囲み体１５の下部に設けられた排出口１９からポンプ２７により外部に排出される。シースガスの一部はスリット１２から分級された微粒子とともに外部に取り出されるようになっている。

ＤＭＡ５の下部には、電荷を測定することで粒子数を計量するファラデーカップ２３を備えている。

次に、ＤＭＡによる分級について説明する。
中心ロッド１３に正電圧、囲み体１５に負電圧が印加される場合、微粒子供給部１４と中心ロッド１３との間には、負に帯電した微粒子を微粒子供給部１４側から中心ロッド１３側へ移動させるような電位差が生じる状態（状態１）となる。
中心ロッド１３に負電圧、囲み体１５に正電圧が印加される場合、微粒子供給部１４と中心ロッド１３との間には、正に帯電した微粒子を微粒子供給部１４側から中心ロッド１３側へ移動させるような電位差が生じる状態（状態２）になる。
以下の実施例の説明では、中心ロッド１３に負に帯電した微粒子が移動して分級する状態１の場合について記載する。本発明は、状態１の場合に限定されず、状態２の場合も同様に実施できる。

次に同実施例の動作を説明する。
エアロゾルは帯電部３を通過することで帯電され、帯電エアロゾルとなる。帯電エアロゾルがエアロゾル流路を経るとき、ガスイオンモニタ装置７の電極にはガスイオン検出用の電圧が印加され、電流計によって帯電エアロゾル中のガスイオンのイオン電流値が測定される。測定されたイオン電流値が予め設定されたイオン電流値よりも低い場合、帯電部のα線源アメリシウムの表面が汚れていることが考えられるため、警告部２５によって音や光などのアラームが発せられる。

帯電エアロゾルは微粒子供給部１４へと導かれ、ＤＭＡ５内に供給される。
微粒子供給部１４から放出される帯電エアロゾルは、シースガスによって下部方向に導かれつつ、中心ロッドのスリット１２に分級される。

スリット１２から取り出される微粒子成分は、シースガスに窒素を用いた場合、窒素中に浮遊した状態となる。分級して取り出された微粒子成分はファラデーカップ２３に導かれ、粒子数が計測される。
取込口２１から流されたシースガスは排出口からにポンプ２９によって排出される。この実施例では排出ガスはＤＭＡ上部へ戻され、シースガスとして再生される。

一般に、負に帯電したガスイオンは正に帯電したガスイオンよりも径が小さいため、クーロン力によって器壁に吸着されやすくなるために、負のガスイオンが減少してガスイオンの正負のバランスが崩れることがある。その場合には、目的成分である微粒子を正負バランスよくイオン化することができなくなる。そこで、ガスイオンモニタ装置の電極への印加電圧を負電圧としてガスイオンモニタ装置で正のガスイオンを吸引して検出するようにすれば、正負イオンのバランスをとる上で好都合である。

本実施例ではシースガスとして窒素ガスを用いたが、測定成分を含まないガスであればアルゴンガスなど、他のガスであってもよい。

本発明は、各種ガス中に含まれるエアロゾルの成分を分析するために適用されるエアロゾル分級装置に利用することができる。

本発明の一実施例を示す概略図である。

符号の説明

１ エアロゾル供給部
３ 帯電部
５ ＤＭＡ
７ ガスイオンモニタ装置
１２ スリット
１３ 中心ロッド
１４ 微粒子供給部
１５ 囲み体
１７ 電源装置
１９ 排出口
２１ 引込口
２３ ファラデーカップ
２５ 警告部
２７，２９ ポンプ

Claims (2)

1. 微粒子を含むエアロゾルを帯電させる帯電部と、
   帯電されたエアロゾルを分析対象とする分析装置としてのＤＭＡと、
   前記帯電部と前記ＤＭＡとの間に配置され、前記帯電部で帯電されて生成したイオン中のガスイオンを選択的に吸引できる大きさの電位をもち、吸引したガスイオン量を検出する電極を備えたガスイオンモニタ装置と、を備えたエアロゾル測定装置。
2. 前記ガスイオンモニタ装置は、検出されたガスイオン量が予め設定されたイオン電流値よりも小さい場合にユーザに警告を発するものである請求項１に記載のエアロゾル測定装置。

Images