JPH03183933A - 粒子状物質の分析方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は粒子状物質の分析方法および装置に係わり、特
に微粒子の粒イ１４測定にｌｌｆ滴な分析方法および装
置に関する。

〔従来の技術〕

粒子状物質を金石する試料に励起光を照射し、粒子状物
質の破壊を誘起して粒子状物質の粒径または断面積を測
定する方法および装置については、従来、特開昭６２−
３８３４５−％公報に記載のように粒子状物質の破壊に
ともなう音響波の強度測定から粒径を算出する方法、披
びに特開平］−１１６４３３号公報に記載にように粒子
状物質の破壊にともなうプラズマ発光の強度測定から断
面積を算出する方法がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

一ヒ記従来の測定技術は励起光照射によって粒子状物質
の破壊を誘起し、破壊にともなって発生した音響波また
はプラズマ発光の強度を検知して、あらかじめ保有する
各強度と粒子状物質の粒径または断面積との相関関係に
関するデータに基づいて粒径または断面積を算出するこ
とを原理としているが　音響波またはプラズマ発光の強
度が粒子状物質を照射する励起光の出力密度に影響され
、かつ、励起光出力密度は励起光集光部内の位置に依存
することへの配慮がなされておらず、測定値が変動する
という問題があった。

本発明の目的は上記従来技術の有する問題点への対応策
を提供し、粒子状物質の粒径または断面積の測定精度を
向上させることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、励起光照射による粒子状
物質の破壊にともなって発生するプラズマの発光位置を
検出し、その位置における励起光出力密度を用いて音響
波強度またはプラズマ発光強度の測定値を補正し、補正
後の音響波強度またはプラズマ発光強度を用いて粒子状
物質の粒径または断面積を算出するようにしたものであ
る。

〔作用〕

第１図は本発明に係わる粒子状物質分析装置の一実施例
の装置構成を示す図である。同図において試料セル３内
に形成されるビームウェス１〜２３および集光レンズ２
の部分を拡大して模式的に示した図が第２図である。同
図を用いて、課題を解析するための手段の作用について
説明する。

第２図に光源からの入射励起光２１および集光レンズ２
によって形成したビームウェスト２３の形状と励起光進
行方向（Ｚ方向）における励起光出力密度分布を示すが
、集光レンズ２で集光した入射励起光２工は集光レンズ
２の焦点位置（レンズ中心からの距離Ｆ）でビーム径ｒ
　（Ｚ）が最小となる。これをスポットサイズと呼びｒ
ｓで表わすと、光の回折限界の定理によりｒ　（Ｚ）は
次のように表わせる。

ｒｓ：ｏ、６１□・□ ｎｏ　　　　ｒ。

ここで、λは励起光波長、ｒｏは集光レンズに入射する
励起光のビーム半径、ｎ　Ｏは媒質の屈折率である。し
たがって、位置Ｚにおける励起光出力密度Ｉ　（Ｚ）は
次のように表わされる。

ここで、ＪはＩパルスあたりの励起光のエネルギー、τ
は励起光パルスのパルス幅である。このＩ　（Ｚ）を図
示したものが第２図Ｆ側の曲線である。

この曲線から明らかなように、励起光出力密度はビーム
ウェスト内位置によって変化することがわかる。

次に、励起光出力と粒子状物質がその励起光の照射によ
って破壊したときに発光する信号強度との関係を実験的
に測定した結果を第３図に示す。

同図において、信号強度は粒子状物質の破壊により発生
した音響波の強度で示しているが、励起光出力（ビーム
ウェスト形状一定の条件下で比較する場合は、すなわち
励起光出力密度とみなせる）に比例していることがわか
る。この比例関係はプラズマ発光の信号強度をとった場
合にも成立する。

したがって、粒径が一定のとき、検出される音または光
の信号強度５（Ｚ）は次のように表わされる。

５（ｚ）＝に１・■（Ｚ） ここで、Ｋ１は比例定数である。

一方、粒子状物質の粒径Ｒ（断面積の場合も形状を円形
仮定することによって見かけの粒径に換算できるので粒
径Ｒをもって代表させて説明する）と信号強度Ｓ　（Ｒ
）との関係は比例関係にあることが実験的に知られてお
り次式で表わされる。

５（Ｒ）＝　Ｋ２−Ｒ−（３） ここで、Ｋ２は比例定数である。

したがって、（２）および（３）式より発光位置２およ
び粒径Ｒの関数として信号強度Ｓ（Ｒ，Ｚ）は次のよう
に表わされる。

ここで、Ｋは定数である。

この（４）式は次のとおり変形できる。

したがって、粒子状物質の粒径測定時に得られる信号Ｓ
（Ｒ，Ｚ）、（すなわち、粒子状物質の破壊にともなう
音響波強度またはプラズマ発光強度の測定値）、とプラ
ズマ発光位置Ｚのデータを（５）１ に代入することによって、粒子状物質の破壊が生じた位
置の影響を排除した正しい粒径が得られる。

〔実施例〕

（実施例１） 本発明の一実施例を第１図から第５図までを参照して説
明する。

第１図は本発明の一実施例の装置構成を示す図である。

同図において、光源１は粒子状物質を破壊させるに足る
出力の励起光２１を発光する。光源は高出力を要するた
め、パルスＹＡＧレーザのごとく高出力パルスレーザが
釘適な光源の一例である。励起光２１を集光レンズ２に
より集光して試料セル３内に導入し、試料セル３内にビ
ームウェスト２３を形成させる。試料セル３内には流体
中に粒子状物質を含有する試料２４を流通させる。

試料２４中の粒子状物質がビームウェスト２３位置に存
在する時に励起光２１が放射されると粉子状物質は破壊
され、プラズマ化して音響波およびプラズマ発光２２を
放射する。

試料セル３に付属させた音響検出器２６、たと２− えば圧電素子により音響波の強度を測定し、同時にプラ
ズマ発光２２を集光用レンズ１２を用いて発光位置検出
器１１、たとえばフォトダイオードに集光して発光位置
を検出する。その際、プラズマ発光と共存する励起光の
散乱光はフィルター４にて除去する。音響波強度および
プラズマ発光位置の検出信号は信号処理装置６へ伝送し
、励起光２１のパルス照射１シヨツトごとのデータとし
てまとめ、さらにデータ処理装置７へ伝達する。励起光
２１の一部分はビームスプリッタ−１０で分割して励起
光モニター９に送り、励起光２１照射状況を監視すると
共にそのデータをデータ処理装置７に送達して異常の有
無を判定する。

データ処理装置においては、正常な条件下で得られた音
響波強度およびプラズマ発光位置の両データを用いて〔
作用〕の項に記載した（５）式に基づく演算を行ない１
粒子状物質の粒径を算出する。

演算に用いたデータおよび演算結果を記録装置８に記録
する。

前記した装置構成および操作により、試料に励起光を照
射して試料中の粒子状物質を破壊せしめ、破壊によって
生ずるプラズマが発する音響波およびプラズマ発光を検
出して粒子状物質の粒径を測定する方法において、プラ
ズマ発生位置の影響を排除した正確な粒径が測定できる
。

具体的な一例は次のとおりである。光源としてパルスＹ
ＡＧレーザを用い、励起光として波長５３２ｎｍ、パル
ス幅Ｉｏｎｓ、強度２７　、５　ｍ　Ｊのレーザ光を発
生させ、焦点距離２００　ｍ＋＋の集光レンズで内径９
ｍ＋、長さ１００　ｍｎの試料セル内に集光してビーム
ウェス１−を形成させる。粒子状物質として粒径０．０
３８μｍのポリスチレン粒子を用い、純水中に３００個
／　ｍ　Ｑの割合に懸濁させたものを試料とする。ポリ
スチレンの破壊閾値は発明者の実験によれば４　Ｘ　１
０１０Ｗ／−であるので、励起光出力密度がこの破壊閾
値以上にむる領域としてビームウェストを定義すると、
前記操作条件下ではビームウェストは励起光入射方向に
おいて２０１１Ｉｎの拡がりを有する。この拡がりの範
囲内において励起光出力密度は第２図に示すよう５ な分布をもち、最高値とビームウェスト端部の最少値と
の比率は１：０．８０　である。励起光出力密度と粒子
状物質破壊の信号強度との間には第３図に示すごとく比
例関係があり、励起光出力密度の２０％の差は信号強度
として１５％の変動として表われる。信号強度と粒径と
の間にも第４図に示すごとく比例関係があり、信号強度
の１５％の差は粒径においては４５％の変動となる。し
たがって、同一粒径の粒子状物質であっても励起光の照
射を受は破壊されてプラズマ化する位置によって真の粒
径を１とすると０．５５〜１．、ＯＯの範囲で粒径測定
値が変動することがわかる。一方、本発明を実施するこ
とによって〔作用〕の項で説明したごとくプラズマ化位
置による変動、すなわち本実施例では０．５５〜１．０
０の変動、を用″除することができるので、粒径の測定
精度がその範囲で向上する。第５図に粒径０．０４μｍ
の粒子状物質を対象として２０００回のレーザ照射を行
なった場合に粒子の破壊にともなって発生ずる音響波の
強度とカウント数の関係をシミュレーションで求めた結
果をヒストグラムで示したが、プラズマ発生位置の補正
を行わない従来の方法による結果ではヒストグラム全体
が幅広くピークのカウント数は１００にとどまっている
のに対し、プラズマ発生位置の補正を行なうこの発明の
方法による結果ではヒス１〜グラムの波形が鋭くなって
立上っており、カウント数が１８０に達している。すな
わち、カラン１〜数で表わされる検出信号（Ｓ）が１．
８　倍大きくなる。プラズマ発光位置検出によって雑音
レベル（Ｎ）が急激に増大することはないので雑音レベ
ル（Ｎ）を一定とすれば、Ｓ／Ｎ比すなわち検出感度は
この発明の実施によって１．８倍向上することになる。

また、この発明のヒストグラムの波形が鋭く立っている
ためにカウント数ピークを示す音響波強度範囲を従来よ
りも狭く決定できる。第５図に示したヒストグラムのピ
ーク波から半値幅として音響波強度範囲を求めると、従
来の方法の範囲を１とするとこの発明の場合は１／ｌＯ
となる。音響波強度は粒子状物質の粒径に比例するので
、強度範囲をｌ／１０に狭く決定できることは粒径の不
確定範囲を１／１ｏにできることになる。以」二説明し
たごとく、この実施例ではこの発明の実施により粒径測
定値の不確定範囲は１／１０に減少、すなわち精度が１
０倍改善され、また検出感度が１．８　倍向上する。

（実施例２） 本発明の別な実施例を第６図を参照して説明する。

第６図において、光源１および集光レンズ２は前記した
（実施例１）と同様にビームウェスト２３を形成するた
めに用いる。ビームウェスト２３内において、粒子状物
質は励起光の照射によって破壊してプラズマ２５となる
。このプラズマ２５は微少な球形をしておりプラズマ発
光２２は点光源からの発光といえる。したがって、集光
用レンズ１２を用いて発光位置検出器１１の検出面上に
発光源の像を結ぶように調整することによってプラズマ
２５の発生位置を決定することができる。発光位置検出
器１１としてフォトダイオードアレイのような２次元多
チヤンネル光検出器を用いることによってプラズマ発光
位置とプラズマ発光強度の両者を同時に測定できる。こ
の両データを信号処理装置６を経てデータ処理装置７に
送達し、同装置において（５）式に基づく演算を行ない
、粒子状物質の粒径を算出する。

（実施例３） 本発明のさらに別な実施例を第７図および第８図を参照
して説明する。

第７図は本発明に係わる粒子状物質の分析装置に用いる
検出部の基本構造を示した断面図である。

本発明を実施する際に粒子状物質の破壊を誘起するため
に励起光２工で試料を照射し、粒子状物質の破壊によっ
て生じるプラズマ発光を発光位置検出器工１で検出する
が、その時に照射励起光の散乱光が同時に検出される。

その様子を第８図に示す。

したがって、発光位置検出器の光路の前段に散乱光波長
の光を吸収するフィルターを設置して散乱光を除去しプ
ラズマ発光のみを検出する手段が通常様られる。本実施
例においては、第７図に示すごとく粒子状物質を含有す
る流体試料２４を導入する試料セル３のプラズマ発光検
出用光学窓部分を散乱光除去用のフィルター４をもって
構成した。この手段により、試料セルとフィルターが一
体化して発光位置検出器１］を試料セル３に接触して設
置することが可能となり、検出部の構成が単純化して装
置を小型化し得るという効果がある。

（実施例４） 本発明のさらに別な実施例を第９図を参照して説明する
。同図は本発明に係わる粒子状物質の分析装置を超純水
製造装置に適用した場合のシステム構成を示す。同図に
おいて、３２は水道水などの原水を蒸留塔３３に供給す
る原水供給ライン、３４は有機物などを除去する活性炭
濾過塔、３５は１粒子や電解質などを除去する逆浸透膜
モジュール、３６は中継タンク、３７は電解質などを除
去するイオン交換樹脂塔、３８は製造された純水（比抵
抗工〜ＩＯＭΩ０以上）を貯溜する純水タンク、３９は
菌類を殺菌する紫外線殺菌器、４０は電解質を除去する
ポリラシャ、４工は微粒子などを除去する限外ろ渦膜モ
ジュールで、この限外ろ渦膜モジュール４１から５方弁
４２に、比抵抗１８ＭΩ（１）以」二、０．０５〜０．
１以」―の微粒子５０個／ｃｃ以下、生菌０．１　個／
ｃｃ以千程度の超微水が供給される。なお、図において
、４２〜４５は送水ポンプ若しくは加圧ポンプである。

製造された超純水は５方弁４２から不純物分析装置（粒
子状物質分析装置）４６に供給される。

不純物分析装置４６の分析結果は制御装置４７に送られ
、この制御装置４７では分析結果に応じて原水供給ライ
ンのバルブ４８．５方弁４２を制御する信号をそれぞれ
へ送信する。即ち、制御装置４７では、製造された超純
水の不良原因となる超純水製造装置の構成機器を、分析
装置の成分分析結果に基づいて検知し、超純水の不良が
検出された場合に製造された超純水を当該不良原因の機
器の部分に戻すようにしている。例えば、活性炭濾過塔
３４．逆浸透膜モジュール３５または紫外線殺菌器３９
へ戻すようにしている。このシステムにおいて、超純水
の製造装置が複数系統ある場合には、超純水を戻す不良
原因の機器は、他の正常運転をしている同種の機器であ
ることが望ましい。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように構成されているので以下
に記載されるような効果を奏する。

粒子状物質を含有する試料に励起光を照射して粒子状物
質を破壊せしめ、破壊にともなって発生するプラズマか
ら放射される音響波または発光の強度を測定する際に、
プラズマ発光位置、すなわちプラズマの発生した位置を
同時に測定することによって、その位置における励起光
出力密度が求められ、音響波または発光の強度測定値に
対して励起光出力密度の差異に基づく効果の補正を加え
ることが可能となる。補正後の音響波または発光の強度
に基づいて粒子状物質の粒径を算出することにより、粒
子状物質がプラズマ化し、た位置の違いによる粒径測定
値の変動を排除した粒径が求められる。その結果、粒子
状物質の粒径の測定精度を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる粒子状物質分析装置の一実施例
の装置構成を示す図である。第２図はビームウェストの
形状と励起光出力密度分布を示す図である。第３図は励
起光出力と信号強度の関係図、第４図は粒径と信号強度
の関係図、第５図は粒子状物質の破壊にともなう音響波
のヒストグラム、第６図は本発明の別な実施例の装置構
成図、第７図は本発明−・実施例の検出部の基本構造を
示す断面図、第８図はプラズマ発光および励起光の散乱
光のスペクトルを示す図、第９図は本発明に係わる粒子
状物質分析装置を超純水製造装置に適用した場合のシス
テム構成図である。 １・光源、２　集光レンズ、３・試料セル、４フイルタ
、６・・信号処理装置、７・・データ処理装置、８・Ｗ
己録装置、↓１・発光位置検出器、１２・・・集光用レ
ンズ、２１・・励起光、２２・・・プラズマ発光、２３
・・ビームウェス１−１２４・・試料、２５・・プラズ
マ、２６・・音響検出器、４６・・・粒子状物３ 第 ３ 図 励起光出力（ｍＪ／パルス） 第 図 粒径（ｐｍ） 第 ８ 図 ００ ００ ００ ００ ００ 波長（μｍ） 第 図 純水需要先へ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料に励起光を照射して試料中の粒子状物質を破壊
   せしめ、破壊により発生するプラズマ発光を検出するこ
   とによつて試料中の粒子状物質を分析する方法において
   、次の工程を有することを特徴とする分析方法。 （イ）粒子状物質の破壊により発生するプラズマ発光の
   強度および位置を測定する工程。 （ロ）プラズマ発光位置の違いによるプラズ発光強度の
   変動を補正する工程。 （ハ）上記の補正をしたプラズマ発光強度を用い、プラ
   ズマ発光強度と粒子状物質の粒径の相関関係に基づいて
   粒子状物質の粒径を算出する工程。 ２、試料に励起光を照射して試料中の粒子状物質を破壊
   せしめ、破壊により生ずるプラズマが発する音響波を検
   出することによつて試料中の粒子状物質を分析する方法
   において、次の工程を有することを特徴とする分析方法
   。 （イ）粒子状物質の破壊により生ずるプラズマが発する
   音響波の強度を測定する工程。 （ロ）粒子状物質の破壊により発生するプラズマ発光を
   検出してプラズマ発生位置を測定する工程。 （ハ）プラズマ発生位置の違いによる音響波強度の変動
   を補正する工程。 （ニ）上記の補正をされた音響波強度を用い、音響波強
   度と粒子状物質の粒径との相関関係に基づいて粒子状物
   質の粒径を算出する工程。 ３、試料に励起光を照射して試料中の粒子状物質を破壊
   せしめ、破壊により発生するプラズマ発光を検出するこ
   とによつて試料中の粒子状物質を分析する分析装置にお
   いて、次の装置を有することを特徴とする分析装置。 （イ）試料中に含有される粒子状物質の破壊を誘起する
   励起光を試料に照射する光照射装置。 （ロ）粒子状物質の破壊により発生するプラズマの発光
   強度を検出する光強度検出器。 （ハ）前記プラズマの発光位置を検出する発光位置検出
   器。 （ニ）プラズマ発光位置の違いに起因するプラズマ発光
   強度の変動を発光位置検出器および光強度検出器の測定
   データを用いて補正し、さらに補正したプラズマ発光強
   度から粒子状物質の粒径を算出するデータ処理装置。 ４、請求項３記載の粒子状物質の分析装置において、光
   強度検出器が多チャンネル光検出器であることを特徴と
   する分析装置。 ５、請求項３記載の粒子状物質の分析装置において、発
   光位置検出器が多チャンネル光検出器であることを特徴
   とする分析装置。 ６、請求項３記載の粒子状物質の分析装置において、光
   強度検出器および発光位置検出器が単一の光検出器の共
   用であることを特徴とする分析装置。 ７、請求項３記載の粒子状物質の分析装置において、光
   強度検出器および発光位置検出器が単一の多チャンネル
   光検出器の共用であることを特徴とする分析装置。 ８、試料に励起光を照射して試料中の粒子状物質を破壊
   せしめ、破壊により生ずるプラズマが発する音響波を検
   出することによつて試料中の粒子状物質を分析する分析
   装置において、次の装置を有することを特徴とする分析
   装置。 （イ）試料中に含有される粒子状物質の破壊を誘起する
   励起光を試料に照射する光照射装置。 （ロ）粒子状物質の破壊により生ずるプラズマが発する
   音響波の強度を検出する音響波強度検出器。 （ハ）粒子状物質の破壊により発生するプラズマ発光を
   検出してプラズマ発生位置を測定する発光位置検出器。 （ニ）プラズマ発生位置の違いに起因する音響波強度の
   変動を発光位置検出器および音響波強度検出器の測定デ
   ータを用いて補正し、さらに補正した音響波強度から粒
   子状物質の粒径を算出するデータ処理装置。 ９、請求項８記載の粒子状物質の分析装置において、発
   光位置検出器が多チャンネル光検出器であることを特徴
   とする分析装置。 １０、請求項３〜９のいずれか１項記載の粒子状物質の
   分析装置において、粒子状物質の破壊にともなつて発生
   するプラズマ発光と試料を照射した励起光の散乱光とを
   分離するため、励起光の散乱光をさえぎりプラズマ発光
   を透過させるフィルターを設けたことを特徴とする分析
   装置。 １１、請求項３〜９のいずれか１項記載の粒子状物質の
   分析装置において、試料セルのプラズマ発光検出用の光
   学窓部分を励起光の散乱光をさえぎりプラズマ発光を透
   過させるフィルターで構成することを特徴とする分析装
   置。 １２、請求項３〜９のいずれか１項記載の粒子状物質の
   分析装置において、粒子状物質の破壊にともなつて発生
   するプラズマ発光のみを検知し、試料を照射した励起光
   の有する波長帯には感度を有さない光強度検出器および
   発光位置検出器、またはいずれか１種の検出器を用いる
   ことを特徴とする分析装置。 １３、請求項１１項記載の粒子状物質の分析装置におい
   て、試料セルのフィルターで構成される部分に隣接して
   光強度検出器および発光位置検出器、またはいずれか１
   種の検出器を装着することを特徴とする分析装置。 １４、試料に励起光を照射して試料中の粒子状物質を破
   壊せしめ、破壊した粒子数を検知することによつて試料
   中の粒子状物質を計数する分析方法において、破壊した
   粒子数を検知する手段として、励起光の散乱光のピーク
   数を検出する手段を用いることを特徴とする分析方法。 １５、粒子状物質を破壊させ得る励起光を照射する光照
   射手段と、粒子状物質の破壊にともなつて発生したプラ
   ズマ発光を検出する光検出器と、前記検出器からの信号
   を計数して粒子状物質の個数を算出する信号処理装置と
   から構成された粒子状物質の分析装置に、複数の機器か
   ら構成された超純水製造装置によつて製造された超純水
   の少なくとも一部を導入し、製造された超純水の不良原
   因となる前記超純水製造装置の構成機器を前記分析装置
   の分析結果に基づいて検出し、超純水の不良が検出され
   た場合に製造された超純水を当該不良原因の機器の部分
   に戻すことを特徴とする超純水製造管理システム。 １６、請求項１５記載の超純水製造管理システムにおい
   て、前記製造された超純水が戻される不良原因の機器は
   他の正常運転をしている同種の機器であることを特徴と
   する超純水製造管理システム。