JP6531528B2 - 粒子検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、大気中やクリーンルーム内の空気に含まれる粒子の数、粒径（大きさ）、質量濃度等を測定するための粒子検出装置に関する。
気体中に含まれる粒子の検出装置として、検出装置内に導入された粒子を含むサンプルエアにレーザ光を照射し、そのレーザ光の照射領域を粒子が通過した時に発生する散乱光や白熱光を検知することにより、粒子の数、粒径（大きさ）、質量濃度等を検出するものが知られている。
特に、ディーゼルエンジンの排気ガス、石炭の燃焼、森林火災、薪等の燃料やバイオマス燃料の燃焼等、炭素を主成分とする燃料が燃焼した際に主にブラックカーボンが発生すると言われている。ブラックカーボンに対し、レーザキャビティやパルスレーザ等の強力なレーザ光を照射してブラックカーボンを瞬間的に加熱すると、黒体放射により白熱光を発生する。この白熱光を検出することで、ブラックカーボンの粒子数と粒子の大きさを知ることができる。このブラックカーボンの白熱光を検出する方法は、レーザ誘起白熱法（ＬＩＩ法）と呼ばれる（特許文献１参照）。
図１０は、従来における粒子検出装置の信号処理部のブロック図である。散乱光検出部１２９及び、白熱光検出部１３０で受光された散乱光及び白熱光の信号は、例えば、図１１に示すパルス波形である。
図１０に示す閾値比較回路１３３では、取得する信号に対して適切な閾値を設定し、記録するパルス波形を決定する。そして、記録するパルス波形をＡＤ変換回路１３１、１３２にてアナログ値からデジタル値に変換する。デジタル値に変換されたパルス波形は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１３４等に記録される。
ところで、上記のようにパルス波形をそのまま記録すると、データ量が非常に膨大になり、信号処理に時間がかかり、また信号処理部に多大な負担がかかる。このため、より簡便な方法として、次のような方法が考えられる。
図１２は、従来の粒子検出装置の粒径を取得するための信号処理部のブロック図である。図１２において、図１０と同じ符号は、図１０と同じ部分を示す。図１２に示すように、受光したパルス波形の波高値を、ピークホールド回路１４１、１４２にてピークホールドする。そして、ピークホールド値と閾値比較回路１４５に設定された閾値とを比較し、ピークホールド値が閾値よりも大きければ、ＡＤ変換回路１４３、１４４により、波高値のアナログ値をデジタル値に変換する。
このとき、比較対象とするピークホールド値は、散乱光信号とする。その理由は次の２つである。一つ目は、通常、粒子は、散乱光を発するものの、白熱光を発するとは限らないからである。二つ目は、散乱光と白熱光の両方を比較対象とすると、粒子濃度が増加した際、信号取得時間の中でＡＤ変換時間が増え、粒子を検出できない時間（デッドタイム）が増大するためである。
続いて、散乱光及び白熱光の各デジタル信号を、ＣＰＵ１４７で取得した後、リセット回路１４９、１５０からリセット信号を各ピークホールド回路１４１、１４２に送信する。そして、ＣＰＵ１４７では、取得したデジタル信号により、予め、粒径設定回路１４６に設定された波高値と粒径との関係から、散乱光信号を粒径に、白熱光信号をブラックカーボンの粒径に夫々、変換する。そして計算された粒径値は、表示装置１４８に表示される。
以上により、パルス波形という大きなデータから粒径のみの小さなデータにすることができ、処理時間の短縮、信号処理部への負担軽減が可能になる。
特開２０１２−８８１７８号公報
しかしながら、上記した従来の信号処理方法では、以下のような問題点があった。図１３は、従来の粒子検出装置における信号処理部の動作を示したタイミングチャートである。
図１３に示す粒子発生イベントにおいて、あるイベントで、散乱光強度信号Ｓ３とともに白熱光強度信号ＳＣが取得されたとする（図１１に示すように白熱光は散乱光よりもやや遅れて発生する）。散乱光強度信号Ｓ３及び白熱光強度信号ＳＣは夫々、ピークホールド回路１４１、１４２にて波高値がピークホールドされる。このとき、散乱光強度信号Ｓ３は、閾値を超えていないため、ＡＤ変換回路１４３、１４４によるＡＤ変換は実施されず、図１３に示すように、ピークホールド回路１４１、１４２へのリセット信号は出力されず、そのまま、ピークホールド値Ｌ３、ＬＣが保存される。
続くイベントで、散乱光強度信号Ｓ４とともに白熱光強度信号ＳＤが取得されたとき、散乱光強度信号Ｓ４は閾値を超えたため、ピークホールド値Ｌ４はＡＤ変換回路１４３にてＡＤ変換される。
ところが、白熱光強度信号ＳＤは前回イベントの白熱光強度信号ＳＣよりも小さいために、前回イベントの白熱光強度信号ＳＣによるピークホールド値ＬＣでＡＤ変換されてしまう。このため、本来、白熱しない、あるいは白熱光が弱い粒子を白熱光が大きい粒子として記録することになり、白熱性粒子数を過大評価される問題があった。また、単一粒子レベルでは、散乱光と白熱光の同一性が失われ、粒子の混合状態を測定できなくなる問題があった。
そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単一粒子における散乱光と白熱光との同一性が失われず、更に、粒子数を過大評価することのない粒子検出装置を提供することにある。
本発明は、粒子からの散乱光及び白熱光を検出する粒子検出装置において、レーザ照射により前記粒子の散乱光強度を検出する散乱光検出部と、前記レーザ照射により前記粒子の白熱光強度を検出する白熱光検出部と、前記散乱光検出部及び前記白熱光検出部から取得した信号を処理する信号処理部と、を備え、前記信号処理部は、前記散乱光検出部から取得した散乱光強度の波高値をピークホールドする第１のピークホールド回路と、前記白熱光検出部から取得した白熱光強度の波高値をピークホールドする第２のピークホールド回路と、前記第１のピークホールド回路からの信号値と閾値とを比較し、前記信号値が前記閾値を超えたときに前記第２のピークホールド回路にリセット信号を送る閾値比較回路と、を有することを特徴とする。
本発明の粒子検出装置によれば、単一粒子における散乱光と白熱光との同一性が失われず、更に、粒子数を過大評価することがなく、ピークホールド回路を用いた簡便な信号処理でも正確な粒子検出が可能となる。
本実施の形態の粒子検出装置の信号処理部のブロック図である。 本実施の形態の粒子検出装置における信号処理部の動作を示したタイミングチャートである。 レーザ誘起白熱法（ＬＩＩ法）による粒子検出装置の全体構成図である。 粒子線生成手段を備えた粒子検出装置の部分拡大概略図である。 レーザキャビティの構成図である。 検出部の構成図である。 散乱光検出用光学フィルタの通過帯域の一例を示した図である。 色温度と発光波長を示した図である。 白熱光検出用光学フィルタの通過帯域を示した図である。 従来における粒子検出装置の信号処理部のブロック図である。 散乱光と白熱光のパルス波形の一例である。 従来の粒子検出装置の粒径を取得するための信号処理部のブロック図である。 従来の粒子検出装置における信号処理部の動作を示したタイミングチャートである。
以下、本発明の一実施の形態（以下、「実施の形態」と略記する。）について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
本実施の形態では、粒子検出装置を構成する信号処理部に特徴的部分を備えているが、まずは、粒子検出装置の全体構成について図３を用いて説明する。図３は、レーザ誘起白熱法（ＬＩＩ法）による粒子検出装置の全体構成図である。
図３に示すように、レーザ誘起白熱法を用いた粒子検出装置は、検出チャンバ１０１、粒子を検出チャンバ１０１に導入する粒子導入部１０２、レーザ発光部１０３であるレーザキャビティ、散乱光及び白熱光を検出する検出部１０４、及び、受光した信号を処理する信号処理部１０５、を有して構成される。
各構成について詳細に説明する。まずは、粒子導入部１０２について説明する。この粒子検出装置においては、粒子を高感度に測定すべく、レーザ光を絞り、照射エネルギー密度を高めてサンプルエアに照射するようにしている。このとき、同一の種類、形状の粒子であっても、レーザ光の断面積強度の影響により、レーザ光の中心部分を通過する粒子とレーザ光の周縁部分を通過する粒子とでは、信号強度に大きな差が出やすくなる。このため、信号強度差を抑制するために、レーザ光の照射領域を広くしたり、又は、粒子線ビームを生成し粒子が通過する領域を狭くする方法がある。このうち前者では、レーザ光のパワー密度が低下し、検出感度の低下を招きやすいので、後者のように、粒子線ビームを生成する方法を用いることが好ましい。
粒子線ビームを生成する方法としては、サンプルフローとシースフローを用いる方法がある。図４は、粒子線生成手段を備えた粒子検出装置の部分拡大概略図である。
図４に示すように、吐出ノズル（粒子線生成手段）４０は、内部ノズル４１と外部ノズル４２とを有する二重管構造であり、内部ノズル４１にはサンプルエア４３を導入し、外部ノズル４２には清浄なシースエア４４を導入する。サンプルエア４３の外層をシースエア４４で包み込み、数十ｍ／ｓの速い速度で検出チャンバ４５に向けて吐出すると、粒子線ビーム４６を生成することができる。このとき、サンプルエア４３とシースエア４４の流量を適切に調整することで、粒子線ビーム４６は、吐出ノズル４０から約２〜５ｍｍの位置で、直径が０．１ｍｍ程度に収束された後、検出チャンバ４５内の所定の検出領域を通過する。例えば、シースエア４４の流量は、サンプルエア４３の流量の５〜１０倍程度に設定される。
続いて、レーザ発光部１０３について説明する。図５は、レーザキャビティの構成図である。図３、図５に示すように、レーザキャビティは、ポンプレーザ１１１、コリメートレンズ１１２、結像レンズ１１３、波長変換用のレーザ結晶（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶）１１４、凹面高反射ミラー（ＨＲミラー）１１５を有して構成される。
ポンプレーザ１１１は、例えば、８０８ｎｍの波長のレーザ光を発光し、コリメートレンズ１１２、結像レンズ１１３、及びレーザ結晶１１４にて集光させる。なお、コリメートレンズ１１２及び結像レンズ１１３は、ポンプレーザ１１１への戻り光を防ぐために、両面を減反射（ＡＲ）コーティングすることが好適である。集光されたレーザ光は、レーザ結晶１１４で８０８ｎｍの波長から１０６４ｎｍの波長に変換される。なお、レーザ結晶１１４は、８０８ｎｍのレーザ光が入射する面には８０８ｍのＡＲコーティングと１０６４ｎｍの高反射（ＨＲ）コーティングが施されている。また、レーザ結晶１１４の１０６４ｎｍのレーザ光が出射する面には、１０６４ｍのＡＲコーティングが施されている。１０６４ｎｍのレーザ光のイントラキャビティは、レーザ結晶１１４の１０６４ｎｍＨＲコーティング面と、凹面高反射ミラー１１５で構成される。イントラキャビティ内の１０６４ｎｍのレーザ光のビームウェスト（図５に示す直径φ）は、例えば、約０．３ｍｍである。なお、上記したレーザ発光部１０３の構成は一例であり、上記の構成に限定されるものではない。
次に、検出部１０４の構成について説明する。図６は、検出部の構成図である。図６に示すように検出部１０４は、例えば、アバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ：ＡＰＤ）１２１、光電子倍増管（ＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒ Ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）１２２、レンズ１２３、１２４、及び、光学フィルタ１２５、１２６で構成される。粒子からの散乱光は、レンズ１２３、光学フィルタ１２５及びＡＰＤ１２１を有する散乱光検出部１にて受光される。
散乱光は、照射するレーザ光と同じ波長の光であり、また白熱光を検出しないように、光学フィルタ１２５には、例えば、図７に示す通過特性を有する光学フィルタが用いられる。これにより、散乱光のみを検出することができる。
また、白熱光は、レンズ１２４、光学フィルタ１２６、及びＰＭＴ１２２を有する白熱光検出部２にて受光される。白熱光（４０００−５０００Ｋ）は、黒体放射であるため、図８に示すように発光波長は、概ね５００〜６００ｎｍ付近にピークがある。そこで、光学フィルタ１２６の通過特性は、白熱光の発光波長を含みレーザ光の波長を通さないように、例えば、図９に示すような通過特性を有する光学フィルタを用いる。
続いて、信号処理部１０５について説明する。図１は、本実施の形態の粒子検出装置の信号処理部のブロック図である。
図１に示すように、信号処理部１０５は、第１のピークホールド回路３、第２のピークホールド回路４、ＡＤ変換回路（ＡＤコンバータ）５、６、閾値比較回路７、ＣＰＵ８、粒径設定回路９、及びリセット回路１０、１１を有して構成される。
図１に示すように散乱光が発生すると、散乱光は、散乱光検出部１にて電気信号に変換され、図１１に示す散乱光の波形が得られる。また、白熱光も散乱光と同様に、白熱光検出部２にて電気信号に変換され、図１１に示す白熱光の波形が得られる。図１１に示すように、白熱光は散乱光よりもやや遅れて取得される。白熱光は、強力なレーザ光の照射によりブラックカーボンに対する瞬間的な加熱により発生するものであり、ブラックカーボンによる熱エネルギーの吸収時間が必要であることから、必ず、散乱光よりも遅れて発生する。本実施の形態は、この性質を利用して、信号処理部１０５の構成を従来に比べて改善したものである。
図１に示すように、散乱光検出部１にて取得された電気信号は、第１のピークホールド回路３に送られ、第１のピークホールド回路３にて、電気信号としての散乱光強度の波高値がピークホールドされる。同様に、白熱光検出部２にて取得された電気信号は、第２のピークホールド回路４に送られ、第２のピークホールド回路４にて、電気信号としての白熱光強度の波高値がピークホールドされる。
以下、図１とともに図２を用いながら、信号処理部の具体的動作を説明する。図２は、本実施の形態の粒子検出装置における信号処理部の動作を示したタイミングチャートである。
図２に示す粒子発生イベントにおいて、あるイベントで、散乱光強度信号Ｓ１とともに白熱光強度信号ＳＡが取得されたとする。散乱光強度信号Ｓ１及び白熱光強度信号ＳＡは夫々、ピークホールド回路３、４にて波高値がピークホールドされる。
図１に示す閾値比較回路７には、予め閾値が設定されている。図１に示すように、閾値比較回路７では、第１のピークホールド回路３から取得された散乱光強度信号Ｓ１と閾値とを比較する。図２に示すように、散乱光強度信号Ｓ１は閾値を下回っており、ＡＤ変換回路５、６によるＡＤ変換は実施されない。このとき、リセット回路１０、１１からリセット信号が各ピークホールド回路３、４に出力されず、図２に示すように、ピークホールド値Ｌ１、ＬＡが保存される。
図２に示すように、続く粒子発生イベントで、散乱光強度信号Ｓ２とともに白熱光強度信号ＳＢが取得されたとする。図２に示すように、散乱光強度信号Ｓ２は、閾値を上回っており、かかる場合、粒子検出と見做される。このとき、閾値比較回路７では、第２のピークホールド回路４にリセット信号を送り、第２のピークホールド回路４をリセットする。このリセットのタイミングであるが、散乱光強度信号Ｓ２が閾値を上回ったとほぼ同時であることが好適であるが、図２に示すように、白熱光強度信号ＳＢは、散乱光強度信号Ｓ２よりも遅れて取得されるので、この遅れる分だけタイムラグがあってもよい。
図２に示す「白熱光ピークホールドリセット」のタイミングチャートに示すように、散乱光強度信号Ｓ２が閾値を上回るとリセット信号が出力されて、白熱光のピークホールド値ＬＡがリセットされる。
リセット後、第２のピークホールド回路４では、図２に示すように、白熱光強度信号ＳＢに対してピークホールドを実行し、白熱光強度信号ＳＢの波高値がピークホールド値ＬＢとして保存される。また、第１のピークホールド回路３では、散乱光強度信号Ｓ２に対してピークホールドを実行し、散乱光強度信号Ｓ２の波高値がピークホールド値Ｌ２として保存される。
そして、図２に示すように、所定期間Ｔの経過後に、ＡＤ変換回路５、６で各ピークホールド回路３、４から取得されたピークホールド値Ｌ２、ＬＢ（アナログ値）をデジタル値に変換しＣＰＵ８に伝送する。また、それと同時に、リセット回路１０、１１から各ピークホールド回路３、４にリセット信号を送信し（図２の「散乱光ピークホールドリセット」「白熱光ピークホールドリセット」参照）、各ピークホールド回路３、４をリセットする。なお、散乱光強度信号Ｓ２が閾値を上回ってから、ＡＤ変換を実行するまでの所定期間Ｔは、散乱光強度信号Ｓ２及び白熱光強度信号ＳＢが高波値に到達するまで遅延される。
粒径設定回路９には予め、粒径と散乱光、白熱光の関係テーブルが記録されている。図１に示すＣＰＵ８では、この関係テーブルに基づいて、ＡＤ変換回路５、６にて取得されたデジタル値を粒径値に変換する。そして、計算された粒径値を表示装置１２などで表示する。また、粒径に適当な密度をかけることで、時間当たりの質量濃度を計算することもできる。また、散乱光強度が閾値を超える粒子数を検出することが可能である。このように、ＣＰＵ（演算部）８では、所定期間Ｔ経過後の散乱光強度と白熱光強度から粒子の数、粒径、粒子の質量のいずれか１つ以上を演算することができる。
以上により、本実施の形態によれば、閾値比較回路７では、第１のピークホールド回路３からの信号値が閾値を超えたときに第２のピークホールド回路４にリセット信号を送るため、ピークホールド回路３、４を用いた簡便な信号処理でも、単一粒子における散乱光と白熱光の同一性が失われず、更に粒子数を過大評価することがないので、正確な粒子検出が可能である。
本発明の粒子検出装置によれば、正確な粒子検出が可能となり、大気中やクリーンルーム内等の空気に含まれる粒子の数、粒径（大きさ）、質量濃度等の測定に効果的に利用することが可能である。
１ 散乱光検出部
２ 白熱光検出部
３ 第１のピークホールド回路
４ 第２のピークホールド回路
５、６ ＡＤ変換回路
７ 閾値比較回路
８ ＣＰＵ
９ 粒径設定回路
１０、１１ リセット回路
１２ 表示装置
１０１ 検出チャンバ
１０２ 粒子導入部
１０３ レーザ発光部
１０４ 検出部
１０５ 信号処理部

Claims (1)

  1. 粒子からの散乱光及び白熱光を検出する粒子検出装置において、
    レーザ照射により前記粒子の散乱光強度を検出する散乱光検出部と、
    前記レーザ照射により前記粒子の白熱光強度を検出する白熱光検出部と、
    前記散乱光検出部及び前記白熱光検出部から取得した信号を処理する信号処理部と、を備え、
    前記信号処理部は、
    前記散乱光検出部から取得した散乱光強度の波高値をピークホールドする第１のピークホールド回路と、
    前記白熱光検出部から取得した白熱光強度の波高値をピークホールドする第２のピークホールド回路と、
    前記第１のピークホールド回路からの信号値と閾値とを比較し、前記信号値が前記閾値を超えたときに前記第２のピークホールド回路にリセット信号を送る閾値比較回路と、
    を有することを特徴とする粒子検出装置。

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