JP5532255B2 - エアロゾル中の微粒子数密度測定方法及び測定装置 - Google Patents
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Description
x0=2πr0 2/λ
x0=2πr0 2/λ
V=3.17r0 2x0[cm3]
V=1.17×10−4[cm3]
となる。
1.17×10−4[cm3]=(0.742r)2π×2×0.742r
r=357μm
ブレークダウン発生閾値以上の範囲は集光径の0.742倍であるから、空間分解能は
357μm×2×0.742=530μmとなる。
V=60.6r0 2x0[cm3]
=2.24×10−3[cm3]
2.24×10−3[cm3]=(1.22r)2π×2×1.22r
r=581μm
即ち、集光径の1/2:rは581μmとして求めることができる。20倍で照射した場合、空間分解能は集光径の1.22倍であるから、581μm×2×1.22=1.42mmとなる。
以上のように、空間制限のない場合100μmの集光径をブレークダウン閾値の3、20倍の照射強度で照射する場合のブレークダウン閾値以上の体積と等価な体積は、空間制限のある場合、集光径を各々7.14−11.6倍広げ単位面積当たりの照射強度を維持することで達成できる。この際、径方向の空間分解能は空間制限のないものに比べて7.14−11.6倍減少するが、伝搬方向の空間分解能を各々79、91倍以上改善することが可能となる。測定装置としての空間分解能を向上することが可能となる。
本実施の形態について、図5を参照して以下説明する。図5は、本発明の第1の実施の形態について模式的に説明する図である。図5の液滴数密度測定装置は、照射用パルスレーザー1のレーザー光源と、集光用レンズ2と、ビームダクト5と、測定用イメージ転送光学系6と、空間制限のためのスリット8と、フォトダイオード等の輻射検出装置9とを備える。エアロゾルの空間に向けて、パルスレーザー1を出射し、集光用レンズ2により、集光させる。3は、集光されたレーザーの軌跡を示す。4は、集光位置での、集光されたレーザーの強度分布を示す。図中、レーザー強度分布を、濃淡で表した。詳細には、図1のようになる。エアロゾル空間内にブレークダウン可能強度領域が位置するようにパルスレーザー光をエアロゾル空間に向けて照射する際に、エアロゾル空間の外部から該空間における所定の位置に至る長さ寸法の筒体からなるビームダクト5を設け、パルスレーザー光をビームダクトの内方を通過させて、エアロゾル空間を照射する。ビームダクト5は、円筒もしくはビームの集光の立体角の円錐が望ましい。同時にエアロゾルの流体を乱さないよう出来るだけ小さな外径をもつダクトであることが望ましい。また同じ理由からビームダクトは流れを乱しにくいエアロゾル吹き出し方向に対して流線型のような断面を持つことが理想的である。ビームダクトは、ブレークダウン発生閾値以上の範囲に覆い被さるように配置されている。
本実施の形態について、図6を参照して以下説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態で用いた測定用イメージ転送光学系6とスリット8とに換えて、光ファイバー等による輻射測定光学系10を用いた例であり、他の条件は同じである。点線で示す11は、光ファイバーの捕捉角度を表す。図6に示すように、検出範囲からの発光を光ファイバーで一定の角度のみ捕集し、第1の実施の形態の光学系の像転送と同様の効果をもたらす設定である。ファイバーでブレークダウンを捕捉可能な角度を把握し、レーザー伝搬方向に対して垂直に距離を置くことにより、測定域を設定することができる。
本実施の形態について、図7を参照して以下説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態で示した基本的構成を複数備えた例である。図5の構成のレーザー光をビームスプリッターで分離し、図7のようにブレークダウンを一列で生じるような構成とし、その垂直方向に観測装置を設置し、エアロゾル空間を同時に観測可能な範囲に対して空間制限をかける。本実施の形態では、ブレークダウン輻射光を検出する測定器にはレンズに1対1対応するようにスリットと検出器で観測しても構わないし、全体をCCDカメラ等で2次元撮影することで、発光場所を限定しても構わない。
2 集光用レンズ
3 集光されたレーザーの軌跡
4 集光されたレーザーの強度分布
5 ビームダクト
6 測定用イメージ転送光学系
7 像転送されたブレークダウンの輻射の軌跡
8 空間制限のためのスリット
9 フォトダイオード等の輻射検出装置
10 光ファイバー等による輻射測定光学系
11 光ファイバーの捕捉角度
Claims (12)
- 微粒子と気体とが混在するエアロゾルにおける微粒子の数密度の測定装置であって、
パルスレーザー光源と測定光学系と検出装置とビームダクトを備え、
前記パルスレーザー光源からパルスレーザーを、前記ビームダクトの内方を通過させて、前記エアロゾルに照射してブレークダウンを発生させ、前記微粒子のブレークダウン発生閾値以上でかつ前記気体のブレークダウン発生閾値以下のレーザー強度分布を有するブレークダウン可能領域を形成し、
前記測定光学系は、前記ブレークダウン可能領域より限定された空間制限領域からのブレークダウン輻射光のみを前記検出装置が測定するように設定され、
前記空間制限領域は、少なくとも前記ビームダクトを用いて限定された領域であり、前記ビームダクトが前記ブレークダウン可能領域の一部を覆うように配置されていることを特徴とする微粒子数密度測定装置。 - 前記空間制限領域からのブレークダウン輻射光の測定に基づき、微粒子のブレークダウン発生確率を求め、該ブレークダウン発生確率から微粒子の平均個数を求め、該平均個数を前記空間制限領域の体積で割ることにより、前記微粒子の前記数密度を演算する処理装置を備えることを特徴とする請求項1記載の微粒子数密度測定装置。
- 前記測定光学系は測定範囲の像転送を行うレンズ系とスリットを備え、前記レンズ系と前記スリットを介してブレークダウン輻射光を前記検出装置により検出することを特徴とする請求項1又は2記載の微粒子数密度測定装置。
- 前記測定光学系は光ファイバーを備え、前記光ファイバーを介してブレークダウン輻射光を前記検出装置により検出することを特徴とする請求項1又は2記載の微粒子数密度測定装置。
- 前記空間制限領域は、レーザー伝搬方向の長さが集光径の0.5〜2倍であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の微粒子数密度測定装置。
- 前記微粒子は、液滴であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の微粒子数密度測定装置。
- 微粒子と気体とが混在するエアロゾルにおける微粒子の数密度の測定方法であって、
パルスレーザーを、ビームダクトの内方を通過させて、前記エアロゾルに照射してブレークダウンを発生させ、前記微粒子のブレークダウン発生閾値以上でかつ前記気体のブレークダウン発生閾値以下のレーザー強度分布を有するブレークダウン可能領域を形成し、
測定光学系を、前記ブレークダウン可能領域より限定された空間制限領域からのブレークダウン輻射光のみを測定するように設定し、
前記空間制限領域は、少なくとも前記ビームダクトを用いて限定された領域であり、前記ビームダクトが前記ブレークダウン可能領域の一部を覆うように配置することを特徴とする微粒子数密度測定方法。 - 前記微粒子の前記数密度は、前記空間制限領域からのブレークダウン輻射光の測定に基づき、微粒子のブレークダウン発生確率を求め、該ブレークダウン発生確率から微粒子の平均個数を求め、該平均個数を前記空間制限領域の体積で割ることにより求めることを特徴とする請求項7記載の微粒子数密度測定方法。
- 前記測定光学系はスリットを備え、前記スリットを介してブレークダウン輻射光を測定することを特徴とする請求項7又は8記載の微粒子数密度測定方法。
- 前記測定光学系は光ファイバーを備え、前記光ファイバーを介してブレークダウン輻射光を測定することを特徴とする請求項7又は8記載の微粒子数密度測定方法。
- 前記空間制限領域は、レーザー伝搬方向の長さが集光径の0.5〜2倍であることを特徴とする請求項7乃至10のいずれか1項に記載の微粒子数密度測定方法。
- 前記微粒子は、液滴であることを特徴とする請求項7乃至11のいずれか1項に記載の微粒子数密度測定方法。
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