JP4867995B2 - イオン化装置 - Google Patents

Description

本発明は、気相中の粒子を分級して粒度分布を測定するＤＭＡ（Differential Mobility Analyzer）や、静電蒸着（ナノサイズの機能性材料粒子を、基板上に設計した部分にのみ電気的作用を用いて配置させる手法）、又はＧＣ／ＭＳ（ガスクロマトグラフィ／質量分析）などの分析装置や成膜装置において、測定対象物や成膜物質をイオン化するために使用するイオン化装置に関するものである。

筐体の内部空間に針状の放電電極を備え、その電極の先端と対向する位置にオリフィスをもつ電極を設け、そのオリフィスから外部空間に向かって逆テーパ状に広がる拡大管を形成し、筐体内部に所定の物質の分子を含む気体を供給するようにしたイオン化装置が提案されている（特許文献１参照。）。そのイオン化装置では筐体内に所定の物質の分子を含む気体を供給し、両電極間に所定の電圧を印加して放電させることにより筐体内の気体の分子をイオン化しオリフィスから外部空間に向かって放出させる。そこでは、イオン化させる分子として水が取りあげられており、水分子が巨大化したクラスターイオンを外部空間で生成させるようにしている。そのイオン化装置では、拡大管から噴出した高速ジェットの空気により急激な圧力低下が起こり、断熱膨張して過飽和雰囲気を形成することにより、雰囲気中の水分子が水分子イオンに凝集し、大きな水クラスターイオンに成長するとされている。

その提案のイオン化装置では、筐体の内部空間で放電させることによりイオン化と所定の物質の分子への帯電を同じ空間内で行わせている。

他のイオン化装置としては排気ガス中の微粒子を計測するために、排気ガス導入管の途中に帯電器を設け、帯電器では内部でコロナ放電を行わせることにより通過する排気ガス中の微粒子に電荷を付与することが提案されている（特許文献２参照。）。このイオン化装置においても、帯電器ではイオン化しようとする対象となる微粒子をコロナ放電により直接に電荷を付与している。
特許第３７８７７７３号公報 特開２００５−２４４０９号公報

上に紹介した従来のイオン化装置は、例えばコロナ放電式では放電を行う空間に荷電対象物を導入しているが、これではもろい荷電対象物が存在する場合、放電によりその対象物を破壊してしまう恐れが生じる。また、二酸化硫黄などのように反応性の高いガスがある場合、目的外の粒子が生成する恐れもある。軟Ｘ線やマイクロ放放電などを用いる手法も同じ空間内でイオン生成と荷電を行わせるため、同様の問題が残る。

また、帯電室の容積が大きい場合は、正イオン又は負イオンの一方のみが存在する単極荷電では拡散や発生した電場で捕捉されることにより、また正・負の両イオンが存在する両極荷電では相反する極性のイオンが再結合することにより、イオン濃度が大幅に減少し、結果として荷電効率が低下する。

本発明は、荷電対象物破壊や目的外粒子生成を抑えるといった問題を抑えるとともに、荷電効率を高めることのできるイオン化装置を提供することを目的とするものである。

本発明では、こうした従来技術の課題を克服するためにイオン生成を行う機構と荷電を行う機構を分離させることで、荷電対象物破壊や目的外粒子の生成といった問題を解決し、また生成したイオンと荷電対象物の接する距離を狭めることにより拡散や再結合によるイオン濃度の低下を抑える。

すなわち、本発明のイオン化装置はイオン化室とそれとは別の荷電室を備えている。イオン化室はイオン化ガス導入口をもつ筐体の内部に放電電極及び対向電極をもち、対向電極には放電電極の先端に対向する位置に外部に通ずるオリフィスが形成されている。荷電室はイオン化室のオリフィス側に隣接して配置されている。荷電室は荷電対象物導入部をもち、荷電対象物導入部から導入された荷電対象物がオリフィスから放出されたイオンにより帯電させられてイオンとなる。荷電室の荷電対象物導入部の導入口はスリット状をなし、オリフィスの出口に接近した位置でオリフィスの出口を取り囲むように配置されている。オリフィスのサイズと、イオン化室と荷電室間の圧力は、オリフィスの出口から荷電室にイオンを含むガスが噴霧される際に荷電対象物導入部の導入口から荷電室へ荷電対象物が引き込まれる大きさの陰圧が生じるように、オリフィスのサイズが設定され、イオン化室の方が荷電室よりも高圧になっている。

イオン化装置を実施する際、イオン化ガス導入口からのイオン化ガス導入量は１〜１０Ｌ／分が適当である。その場合、オリフィスのサイズは直径が０.１〜１ｍｍ、イオン化室と荷電室との圧力差は０.４ＭＰａ以下が適当である。

オリフィスの直径が０.１ｍｍより小さくなると必要なイオン化ガス導入量とすることが難しくなる。またオリフィスの直径が１ｍｍより大きくなると荷電対象物導入部の導入口から荷電室へ荷電対象物を引き込むために必要な大きさの陰圧を発生させるのが困難となる。イオン化室と荷電室との圧力差は、ゼロではオリフィスの出口から荷電室にイオンを含むガスを噴霧させることができないので、いくらかの圧力差は必要である。しかし、０.４ＭＰａよりも大きくなるとイオン化ガス導入量が大きくなってしまい、実施例で表１により例示するように、条件によってはイオン化ガス導入量が例えば１０Ｌ/分を超えてしまう条件が生じる。イオン化ガス導入量が大きすぎると滞留時間が短すぎて、イオン化に要する時間が不足する恐れが生じるという不都合が生じる。

イオン化室で生成したイオンを含むガスはオリフィスの出口から荷電室に噴霧されることにより荷電対象物導入部に陰圧が生じ、荷電対象物がイオンを含むガスとともに荷電室に引き込まれ、オリフィスの出口から噴霧されるガス中のイオンにより帯電させられる。

荷電対象物導入部はオリフィスがイオンを噴射する方向と直交する方向に荷電対象物を導入するように配置されていることが好ましい。このような配置にすることにより、オリフィスの出口から荷電室に噴霧されるイオンを含むガスにより発生する陰圧により荷電対象物が円滑に引き込まれる。

イオン化室の方が荷電室よりも高圧になるようにするために、イオン化室が加圧されているか、もしくは荷電室が下流側に吸引ポンプを備えているか、又はその両方の構成となっている。

本発明では、イオンを生成するイオン化室と、イオン化室で生成したイオンにより荷電対象物を帯電させる荷電室を別々に構成したので、同じ空間内でイオン化と帯電をともに行わせる方式のものと比べると、荷電対象物破壊や目的外粒子の生成を抑えることができる。

また、荷電室の荷電対象物導入部の導入口がスリット状をなし、オリフィスの出口に接近した位置でオリフィスの出口を取り囲むように配置されているため、荷電室ではイオン化室のオリフィス出口の近くで陰圧により引き込まれた荷電対象物はイオン化室のオリフィス出口の直下でイオンの流れの周囲からイオンの流れと交わるため、イオン濃度が拡散や再結合により低下する前に荷電対象物を帯電させることができ、荷電効率を高めることができる。

さらに、荷電室の荷電対象物導入部の導入口がイオン化室のオリフィス出口に接近して配置されていることから、イオン化装置を小型にすることが可能となる。

本発明を概略的に示す断面図である。 第１の実施例を示す図で、（Ａ）は全体の断面図、（Ｂ）はその鎖線の円で囲った部分の拡大断面図である。 第２の実施例を示す図で、（Ａ）は全体の断面図、（Ｂ）はその鎖線の円で囲った部分の拡大断面図である。 本発明のイオン化装置を用いて荷電対象物をイオン化し分級して測定するときのシステムを概略的に表した概略構成図である。 図４のシステムにおけるＮａＣｌイオンの分級測定結果を粒子数で示す図である。 図４のシステムにおけるＮａＣｌイオンの分級測定結果を電流値で示す図である。

符号の説明

１ イオン化室
４ 内部空間
６ 放電電極
８ オリフィス
１０ 対向電極
１２ 高電圧電源
１４ イオン源ガス導入部
２０ 荷電室
２２ 荷電室内部空間
２６ 荷電対象物導入部
２８ 荷電対象物導入口

図１は一実施例のイオン化装置を概略的に表したものである。イオン化室１の筐体２の内部空間４には針状の放電電極６が設けられており、放電電極６の先端に対向する壁面にオリフィス８が形成されている。オリフィス８が形成されている壁面１０は導電性物質からなる対向電極である。放電電極６は交流又は直流の高電圧電源１２に接続され、対向電極１０は接地されている。筐体２の内部空間４にイオン源ガスとして例えば空気を導入するためのガス導入部１４が設けられている。筐体２、放電電極６、オリフィス８、対向電極１０及びガス導入部１４はイオン化室１を構成している。

放電電極６と対向電極１０の間の距離は１〜３ｍｍが適当である。放電電極６と対向電極１０の間の距離が１ｍｍより小さい場合はイオン化される領域が狭くなり、逆にその距離が３ｍｍよりも大きくなると放電量が減少し、いずれの場合もイオン化効率が低下する。

対向電極１０のうちオリフィス８の周囲はコロナ放電による損傷を受けやすいので、対向電極１０の材質は耐酸化性のあるものが好ましく、例えばステンレスやチタンが適当である。

イオン化室１に隣接して荷電室２０が配置されている。荷電室２０はイオン化室１のオリフィス８の出口につながる荷電室内部空間２２をもち、内部空間２２はオリフィス８とは反対側に分析装置や成膜装置など荷電粒子を分析したり利用したりする装置へつながる出口２４をもっている。荷電室２０に荷電対象物を導入する導入部２６は、オリフィス８の出口に接近した位置に導入口２８をもつように形成されている。導入口２８はスリット状をなし、オリフィス８の出口に接近した位置でオリフィス８の出口を取り囲むように配置されている。

イオン化室１の内部空間４の圧力は荷電室２０の内部空間２２よりも高圧になるように、荷電室２０の下流側に吸引ポンプが設けられているか、イオン化室１にイオン源ガスを供給する流路に送液ポンプが設けられているか、又はその両方が設けられている。オリフィス８はイオン化室１と荷電室２０の圧力差によりイオン化室１から荷電室２０へガスが噴霧され、そのガス噴霧によりオリフィス８の出口では陰圧が発生する程度にオリフィス８のサイズが小さく設定されている。

荷電対象物導入口２８から荷電対象物を含むガスが陰圧により引き込まれて導入されるときの流れの厚さ、すなわちオリフィス８からのガス噴射方向に対する荷電対象物導入口２８の厚さＴは十分に薄く設定されている。オリフィス８から噴出されるイオンを含むガスの流れにそのように薄い厚さで荷電対象物が引き込まれたとき、例えば１０ミリ秒以内というような短時間で帯電率が平衡に達するように、オリフィス８からのガス噴霧の速度とこの荷電対象物導入口２８の寸法が設定されているのが好ましい。この荷電対象物導入口２８の厚さＴは、例えば５ｍｍ以下、好ましくは０．５〜１ｍｍである。

このイオン化装置でイオン源ガスとして、例えば空気を導入口１４からイオン化室の内部空間４に導入し、電源装置１２により電極６と１０の間に高電圧を印加してコロナ放電を起こさせる。これによりイオン化室１内では酸素又は窒素がイオン化され、イオン化されていない空気とともにオリフィス１０から荷電室２０へ高速ジェット又は音速ジェットとなって噴霧される。荷電対象物導入部２６には荷電対象物として、例えばＮａＣｌ蒸気を含むガスが供給される。オリフィス８から荷電室２０へのガスの噴霧により生じた陰圧により、荷電対象物を含むガスが荷電室２０へ引き込まれ、イオン化室１から噴霧されるイオンにより帯電されて出口２４から分析装置などへ供給される。

オリフィス８の内径を０．２ｍｍ又は０．３ｍｍとしたとき、イオン化室１と荷電室２０の圧力差によりイオン化室１から荷電室２０へ吸引されるガス流量を測定した結果を表１に示す。

図２は第１の実施例を表す。（Ａ）は全体の断面図、（Ｂ）はその鎖線の円で囲った部分の拡大断面図である。荷電室２０の荷電対象物導入口２８はスリット状をなし、オリフィス８の出口に接近した位置でオリフィス８の出口を取り囲むとともに、荷電室２０の内部空間２２の上端を取り囲むように円形に形成されている。荷電対象物導入口２８が配置されている円の直径Ｓはオリフィス８の直径よりは大きく、１０ｍｍ以下が好ましい。荷電対象物導入口２８の厚さＴは５ｍｍ以下、好ましくは０．５〜１ｍｍとなるように設定されている。荷電対象物導入口２８では導入部２６から供給される荷電対象物を含むガスは、イオン化室のオリフィス８からの噴霧ガスの流れに対して直交する方向にガスが供給されるように出口の向きが配置されている。

図３は第２の実施例を表したものである。（Ａ）は全体の断面図、（Ｂ）はその鎖線の円で囲った部分の拡大断面図である。図２の実施例と比較すると、異なる点は荷電対象物導入部２６につながる導入口２８までの形状が直線的に変形されている点である。図２ではその部分が曲線的である。他の構造は同じである。

このような荷電対象物導入部２６の形状は、オリフィス８の寸法、導入口２８の寸法、オリフィス８から噴霧されるガスの流速などの条件に応じ、最適な形状となるように設計することができる。

図４はこのイオン化装置を用いて荷電対象物をイオン化し、分級して測定するときのシステムを概略的に表したものである。符合３０で示されるものが本発明のイオン化装置である。イオン化装置３０に荷電対象物を供給するために、電気炉３２中に荷電対象物としての塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を入れた石英製ボート３４が配置され、窒素をキャリアガスとして電気炉に送り、電気炉からのガスをイオン化装置３０へ供給する。電気炉３２からイオン化装置３２へ供給される流路の途中にはスプリット用の排気ポンプ３６が設けられている。イオン化装置３０でイオン化された荷電対象物イオンを含むガスを分析装置３８へ導く流路にもスプリット用の排気ポンプ４０が設けられている。分析装置３８としては例えばＤＭＡを用い、ＤＭＡ３８で分級された微粒子イオンを検出器としてのファラデーカップ検出器４２で検出する。

この分析システムで、例えばキャリアガスとして窒素を電気炉３２に供給し、電気炉３２ではＮａＣｌを６００℃に加熱して昇華させる。昇華したＮａＣｌ蒸気を含む窒素ガスの一部を排気ポンプ３６で排気しながら、１Ｌ／分の流量になるように調整してイオン化装置３０の荷電対象物導入部２６から供給する。イオン化装置３０ではそのイオン化室にイオン源ガスとして空気を供給口１４から０．２ＭＰに加圧しながら流量２Ｌ／分で供給しイオン化する。イオン化装置３０から送り出されたＮａＣｌイオンを含むガスは３Ｌ／分の流量であり、そのうち２Ｌ／分を排気ポンプ４０で除去し、残りの１Ｌ／分のガスをＤＭＡ３８に供給し、分級して検出する。

このようにして測定したＮａＣｌイオンの分級測定結果を図５と図６に示す。いずれの結果も横軸は粒径（単位はｎｍ）であり、図５の縦軸は１ｃｍ³当たりの粒子数、図６の縦軸はファラデーカップ検出器４２での検出電流（単位はｐＡ）である。

図５、図６のグラフでは３種類のイオン化装置を用いて測定を行った。（ａ）から（ｃ）として示されるイオン化装置は、荷電対象物導入口２８が配置されている円の直径Ｓと荷電室２０の内部空間２２の容積の異なるものである。荷電対象物導入口２８が配置されている円の直径Ｓはそれぞれ３ｍｍ、６ｍｍ、３ｍｍとなっており、内部空間２２の容積は８ｃｍ³、２ｃｍ³、０.５ｃｍ³となっている。イオン化装置（ａ）の内部空間２２の形状は図１に示されるように胴体部で太くなったものであり、イオン化装置（ｂ）と（ｃ）の内部空間２２の形状は図２又は図３に示されるように荷電室全体にわたって同じ直径の円筒状のものである。いずれの場合も、放電電極６と対向電極１０の間の距離は３ｍｍ、オリフィス８の直径は０．２ｍｍである。

図５と図６は縦軸の単位が異なるものの同じ結果を示している。イオン化装置（ｃ）から（ａ）に向かって粒径分布が粒径の大きい方にシフトしているのは、荷電室の内部空間２２が大きくなることによって荷電室で微粒子が凝集してクラスターイオンとなっていくことを示しているものである。そのため内部空間２２の容積が小さいほど検出器４２に到達するまでに凝集する割合が少なく、小さい粒径のものがそのまま検出器４２まで到達することができることを示している。

また縦軸に注目すると、イオン化装置（ａ）から（ｃ）に向かって、検出される微粒子数及び電流値が大きくなっている。これは荷電室の内部空間２２の容積が小さいほど生成した荷電対象物イオンが減衰する割合が小さいことを示している。

Claims (5)

1. イオン化ガス導入口をもつ筐体の内部に放電電極及び対向電極をもち、前記対向電極には前記放電電極の先端に対向する位置に外部に通ずるオリフィスが形成されているイオン化室と、
   前記イオン化室の前記オリフィス側に隣接して配置され、荷電対象物導入部をもち、前記オリフィスから放出されたイオンにより荷電対象物が帯電させられてイオンとなる荷電室と、を備え、
   前記荷電室の荷電対象物導入部の導入口はスリット状をなし、前記オリフィスの出口に接近した位置で前記オリフィスの出口を取り囲むように配置されており、
   前記オリフィスの出口から荷電室にイオンを含むガスが噴霧される際に前記導入口から前記荷電室へ前記荷電対象物が引き込まれる大きさの陰圧が生じるように前記オリフィスのサイズが設定され、前記イオン化室の方が前記荷電室よりも高圧になっているイオン化装置。
2. 前記イオン化ガス導入口からのイオン化ガス導入量が１〜１０Ｌ／分であり、前記オリフィスのサイズは直径が０.１〜１ｍｍ、前記イオン化室と前記荷電室との圧力差は０.４ＭＰａ以下である請求項１に記載のイオン化装置。
3. 前記荷電対象物導入部は前記オリフィスがイオンを噴射する方向と直交する方向に荷電対象物を導入するように配置されている請求項１又は２に記載のイオン化装置。
4. 前記イオン化室が加圧されていることによりイオン化室の方が荷電室よりも高圧になっている請求項１から３のいずれか一項に記載のイオン化装置。
5. 前記荷電室が下流側に吸引ポンプを備えていることによりイオン化室の方が荷電室よりも高圧になっている請求項１から４のいずれか一項に記載のイオン化装置。

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