JPH03500816A - 粒子の非対称性の分析装置 - 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】 粒子の非対称性の分析装置 本発明は、液体中に担持された粒子の分析のための技術に、特にそうした粒子の 非対称性を検査するための技術に係わる。

例えばエーロゾル、エーロゾル分散及び空気中に担持された粒子汚染制御の研究 調査においては、個々の粒子の幾何学的形状及び対称性に関する情報と共に、特 に直径１〜１０ミクロンの範囲内の粒度分布の迅速な測定が必要とされている。

例えば粒子の幾何学的形状及び対称性に関する情報は、球状対称性を有する粒子 が識別されるのを可能にし、従って他の非球状の固体粒子を含む環境内の液体の 小滴を計数／監視することを可能にする。本明細書の文脈においては、術語「粒 子」は、固体と液体の滴粒との両方に適用されるように意図されている。

そうした技術では、典型的には毎秒２０．０００個の粒子の速度で試料内の個々 の粒子を計数することが可能であることと、並びに球状粒子と非球状粒子とを区 別し且つその各タイプを計数することが可能であることが望ましい。別の望まし い特徴は、０．５〜１５ミクロンの直径を持つ球状粒子を幾つかのサイズ範囲に 類別し、並びにこれに関連して非球状の粒子を分類し、且つ粒度スペクトルの収 集においては、そうした非球状粒子を無視するということである。

市販の幾つかの装置に使用されているような粒子測定のための通常の技術は、粒 子によって散乱される電磁放射光の検出及び分析を用いる。そうした装置は全て 、「検出容積」を通過するように試料空気を駆動させる機械的メカニズムを使用 し、またその「検出容積」内では、運ばれた粒子が入射電磁数　によって照射さ れる。粒子によって散乱された放射光は１つ以上の検出器によって受け取られ、 これらの検出器はそのエネルギーを電気信号に変換し、更にこの電気信号から適 切な電気回路によって情報が抽出される。

市販の第１の種類の装置は、多数の粒子からの散乱放射光を同時に収集すること が可能であり、且つ気体又は空気の単位体積当りの粒子質量の平均値を測定する ために、又は粒子物質の統計学的な平均粒度分布を測定するためにこの情報を使 用する。

これらの装置は個々の粒子を測定することが不可能であり、従って粒子の形態に 関連する正確な粒子計数又は情報を与えることはできない。

市販の第２の種類の装置は、より小さな検出容積に粒子を制限するために、気体 における層流特性を使用し、更に何らかの方法で入射電磁放射光を集中させるこ とによって個々の粒子を検査し、粒子計数を与え且つ場合によっては粒度分布を 概算することが可能である。

従って従来技術の装置は、ある程度は粒度及び粒子計数に関する情報を与えるこ とだろう。しかし個々の流体中に担持された粒子の非対称性に関する情報を与え ることが可能な装置は入手不可能である。

従って個々の流体中に担持された粒子を分析することが可能な、且つ例えば個々 の粒子に非対称性要因を見出すことによって、粒子の非対称性に関・する情報を 与えることが可能な粒子分析装置が必要とされている。

本発明の１つの態様により、層流流体の形で流体試料を配送するための手段と、 放射光ビームで前記試料を照射するための手段と、散乱放射光を反射し且つ光収 集器に方向付けるための手段と、粒子を表示するために前記放射光収集器からデ ータを得るための手段とから成る粒子分析装置が与えられ、更にこの分析装置は 、粒子の非対称性の度合いを測定するために、得られたデータと既知の形状に関 するデータとを比較するための手段をも含む。

放射光ビームはレーザによって与えられることが好ましく、また散乱された放射 光は、その放射光を放射光収集器に方向付ける凹面反剣鏡によって、好ましくは 楕円面鏡によって反射される。低い角度で散乱された放射光は、前記楕円面鏡内 の開口から通じている第２のチャンバ内で放射光収集器によって、好ましくは非 散乱ビームの周囲に同心的に配置された光ファイバによって検出される。その後 、収集された放射光は電気信号に変換されて、処理され且つ分析され、さらに既 知の粒子形状に関するデータと比較することによって、その粒子が非対称性要因 を有するものと見なされる。

更に非対称性要因に加えて、粒度が測定されることも可能である。多数の粒子が 非対称性要因を持っているものと見なされることが可能であって、その関連する 粒度スペクトルと組み合わされたこの操作の累積結果は、単独に測定される単一 の粒子のデータよりもより大きな値であり得る環境内粒子の空中写真的な［特ｔ ！ｉ（ｔｈｕｍｂ　ｐｒｉｎｔ）　Ｊを生じさせるために使用されることも可能 である。

真球度を調査する場合には、球状粒子を分類するための基準は、ランダム偏光さ れた又は円偏光された放射光の照射ビーム軸に関する対称散乱として、容易に定 義されることが可能である。従って幾つかの放射光収集器が、凹面反射鏡の反射 軸の周囲に半径方向に対称的に設置される。

非対称性の度合いの調査の場合には、その放射光収集器の配置は、粒子の非対称 性を分析するために最適な配置と同一のものであるわけにはいかない。その散乱 チャンバの設計は、それに特に必要とされる収集器形状の適応性を実現可能にし 、且つ収ｉＪ器位置が自由自在に変えられることを可能にしなければならない。

この技術の利点は、光フアイバ収集光学系を使用することによって、散乱範囲の ほぼ全周に亘って何れの位置にも殆ど任意の数の収集器を設置するのと同じ効果 が、容易に実現され得るということであり、この技術を使用しなければ、上記の 課題の達成は機械的に極めて困難なものとなるだろう。従ってその高度の適応性 の故に、散乱チャンバ自体に対する機械的な変更の必要なしに、様々な検出ジオ メトリ−が試験されることが可能である。

本発明の第２の態様に従って、流体中に担持された粒子の非対称性を測定する方 法は、 層流の形で流体試料を与える段階と、 前記試料を放射光ビームを用いて照射する段階と、個々の粒子によって散乱され た放射光を放射光収束器に反射させる段階と、 粒子を表現するデータを光収集器から得る段階と、粒子の非対称性の度合いを測 定するために、既知の形状に関するデータと得られたデータとを比較する段階と を含む。

その試料はエーロゾルであってよい。

さて以下では本発明の２つの実施例が、次のような添付の図面を参照して単なる 本発明の一例として説明されることとなる。

第１図は球状粒子を分析するための粒子分析装置の概略的な側面断面図、 第２図は第１図の線ＸＸに沿った分析装置の断面図、及び第３図は非対称性分析 システムの概略的な側面断面図である。

第１図は球状の粒子だけが分析される、本発明の基本的な形態を図解し、この形 態では、放射面凹面反射鏡１が散乱チャンバ２の一方の端部に設置されている。

前記散乱チャンバ２の他方の端部に及び反射鏡１の主軸と一直線上に、レーザ３ が取り付けられ、このレーザは放射ビーム４を、反射鏡１内の開口５と反射鏡の 主軸上にあるチャンバ２とに向けて方向付ける。ビーム４は前記開口５を通過し た後に、典型的にはレイリーホーン（Ｒａｙｌｅｉｇｈ　ｈｏｒｎ）であるビー ムダンプ６に入る。

層流空気の試料１は、放物面反射鏡１の焦点においてレーザビーム４を直角に交 差するように、チャンバ２の中へ導かれる。

試料７内の粒子はビーム４からの放射光を反射鏡１上へと偏向させ、反射鏡１は レーザ３に隣接する放射光収集器８へ主軸に平行にその放射光を反射する。放射 光収集器８は光電子倍増管ユニットか、そうしたユニットに通じる光ファイバか 、又は、放射光を前記ファバもしくは前記光電子倍増管ユニットに導くためのレ ンズであってもよい。

第２図に示されるように、３つの放射光収集器８がビーム４の周囲に放射状方向 に配置されている。そうした配置では、球状の粒子を確認する対称性の散乱が方 向付けられることが可能である。実際には任意の数の放射光収集器８が放射ビー ム４の称性要因を帰属させることが可能な、本発明による粒子分析装置の好まし い実施例の１つを示す。この実施例では、レーザ３はチャンバ２の下部で且つ反 射鏡１の主軸に対し９０°の角度で取り付けられている。ビーム４は、反射鏡の 主軸上に適切に設置されたプリズム又は鏡９によって反射鏡の主軸上に反射され る。実際にはレーザ３は、前記軸上で適切な角度で傾斜した鏡９を用いて、散乱 チャンバ２の周囲の殆どあらゆる位置に取り付けられることが可能である。

また第３図は１つの楕円面皮９Ａ鏡１０を有する散乱チャンバ２を示し、ビーム ４と試料７とが交差する点がこの楕円面段１＆ｉの一方の焦点にあり、チャンバ ２の端部にある放射光収集器８へ反射放射光を平行に導く収集器レンズ１１が、 前記楕円面反射鏡の他方の焦点の付近に取り付けられている。この位置ではその 強度分布は、粒子によって散乱範囲の約０．８４にまで散乱された強度分布の、 空間的に変形されたレプリカを表す。第１図は、定速度で空気層を供給するシー ス状空気取り入れ口１２によって層流の形で配送される流体試料７を示す。

ど−ム４の方向に対して低い角度で散乱された放射光を捕捉し且つ分析する場合 には、ある程度の困ａさが生じる。きわめて低い角度（１°〜３°）では、後続 の集束光学系に基づく光散乱によって散乱光が打ち消される。この問題を克服す るために第２の散乱チャンバ１３が、主散乱チャンバ２上の凹面反！）Ｉ鏡１の 主軸に対し同軸に導入される。低い角度の偏向を収集するために、放射光収集器 ８がこのチャンバ内に適切に設置されている。

従って第３図は、光ファイバ１４がビーム４の周囲に配置されている第２チヤン バ１３を示す。光ファイバ１４はビーム４の周囲の同心の環の形に配置されても よい。この光ファイバ４は、処理及び分析のために、収集された放射光を電気信 号に変換するための放射光収集器として働く。

この代わりに第１図に示されるように、第２チヤンバ１３は第２の凹面反射鏡１ ４を有してもよく、この第２の凹面反射鏡１４は普通は楕円面反射鏡であって、 ビーム４と試料７とが交差する点をその第２の又は遠位の焦点に有し、且つその 第１の又は近位の焦点に１つの放射光収集器１５を有する。従って低い角度で偏 向された放射光は、該楕円面反射鏡に突き当り、前記放射光収集器１５上に導か れる。

放射光収集器１５は、第１チヤンバ上の開口５に正面を向けて設置されてもよく 、又は第１図に示されるように、この方向に対して９０°の角度で設置されても よい。後者の配置は低い角度で偏向された放射光を相対的により一層多く収集す るが、その収集器の正面方向の偏向だけが登録されるであろうが故に、放射光の 収集は全体としてはより少ないものとなろう。

第１図は実際の使用において、試１１の周囲に供給される濾過された定速度のシ ース用空気によって、どのように試料が層流の形で供給されるかを示す。従って 試料の外側部分は、その内側部分と同じ速度で流れる。そうでなければ試料の外 側部分は、その試料流れに隣接する定常空気との摩擦の故により遅い速度で流動 することになろう。これに加えて更に重要なことであるが、そのシース用空気を 供給する同軸の管は、粒子の層流を与えるためにその試料内の粒子を動力学的に 集束させるように設計される。これによって、粒子流れを反射鏡の焦点上に集束 させることが容易になる。

一非対称性粒子分析装置は次のように作動する。ガスレーザによって作り出され たレーザビームが反射鏡の軸に対し直角にチャンバ内に入り、更に反１＆ｌｔの 主軸に沿って９０″″反射される。

従って、そのビーム軸に関して約１９°〜１４５゛の範囲で個々の粒子によって 散乱された放射光が、チャンバ後部の非球面収集レンズの一層へ反射される。こ のレンズはその放出光を平行にし、この出力窓を越えた強度分布は、粒子によっ て球体の約０．８４にまで散乱された強度分布の空間的に変形されたレプリカを 表す。

上記の形の収集された光に関しては、光分布を測定するための光フアイバ検出器 の位置は自由自在に変えられてよい。

粒子の真球度を測定するためには、その検出器は出力窓の軸に関し対称的に設置 される。

このようにして、光フアイバ光学系を使用して、散乱節回全体のほぼ全周に亘っ て任意の位置に殆ど任意の数の収集器を設置するのと同じ効果が、容易に実現さ れることが可能である。

理論モデルの結末及び既知の形状の散乱パターンの実験的結果に基づいて、粒子 が非対称性要因を持っているのを見出すためにアルゴリズムが使用される。

粒子の非対称性を測定するための、粒子から得られたデータの処理は、例えばＢ ｒ１ｔｉｓｈ　Ｉｎｍｏｓチップ製造会社によって生産されるようなトランスピ ユータ（ｔｒａｎｓｐｕｔｅｒ）によって取り扱われることが可能だろう。

各々の検出チャネルにつき１つのトランスピユータが使用される。この方法では 、各チャネルから到着するデータに対し従来は逐次的に行われていたタスクが、 全チャネルに対し同時に行われることが可能であり、且つデータのスルーブツト の著しい増大をもたらすことが可能であろう。

本発明は添付の図面を参照して単なる一例として説明されてきたが、添付の請求 に定義される通りの本発明の範囲を逸脱することなしに、変形及び改善が行われ ることが可能であることが理解されるべきである。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成２年５月し？屯夜 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、特許出願の表示　ＰＣＴ／ＧＢ　８８１００９７５２、発明の名称　粒子の 非対称性の分析装置３、特許出願人 名　称　イギリス国 ５、補正書の提出年月日　１９９０年１月９日市販の第２の種類の装置は、より 小さな検出容積に粒子を制ｉ　限するために、気体における層流特性を使用し、 更に何らかの方法で入射電磁放射光を集中させることによって個々の粒子を検査 し、粒子計数を与え且つ場合によっては粒度分布を概算することが可能である。

従って従来技術の装置は、ある程度は粒度及び粒子計数に関する情報を与えるこ とだろう。しかし個々の流体搬送粒子の非対称性に関する情報を与えることが可 能な装置は人手不可能で従って個々の流体中に担持された粒子を分析することが 可能な、且つ例えば個々の粒子に非対称性要因を見出すことによって、粒子の非 対称性に関する情報を与えることが可能な粒子分析装置が必要とされている。

本発明の１つの態様により、粒子の非対称性の測定に使用するための粒子分析装 置が提供され、この装置は、層流流体の形で空気中浮遊粒子の試料を配送するた めの手段と、ランダム偏ための手段と、散乱放射光を反射し且つ少なくとも１つ の前方散乱検出器と中心軸の周りに対称的に設置された少なくとも３つの真球度 検出器とに向けて前記散乱放射光を方向付けるための手段と、粒子を表現するた めに前記検出器からデータを得るための、且つ粒子の非対称性の度合いを測定す るために前記データと既知の形状に関するデータとを比較するための手段とを含 むこ、とを特徴とする。

散乱された放射光は、その放射光を放射光収集器に方向付ける凹面反射鏡によっ て、好ましくは楕円面鏡によって反射される。低い角度で散乱された放射光は、 前記楕円面鏡内の開口から通じている第２のチャンバ内で放射光収集器によって 、好ましくは非散乱ビームの周囲に同心的に配置された光ファイバによって検・ 出される。その後、収集された放射光は電気信号に変換されて、処理された且つ 分析され、さらに既知の粒子形状に関するデータと比較することによって、その 粒子が非対称性要因を有するものと見なされる。

更に非対称性要因に加えて、粒度が測定されることも可能である。多数の粒子が 非対称性要因を持っているものと見なされることが可能であって、その関連する 粒度スペクトルと組み合わされたこの操作の累積結果は、単独に測定される単一 の粒子のデータよりもより大きな値であり得る環境内粒子の空中写真的な「特９ ％（ｔｈｕｍｂ　ｐｒｉｎｔ）　Ｊを生じさせるために使用されることも可能で ある。

真球度を調査する場合には、球状粒子を分類するための基準は、ランダム偏光さ れた又は円偏光された放射光の照射ビーム軸に関する対称散乱として、容易に定 義されることが可能である。従って幾つかの放射光収集器が、凹面反射鏡の反射 軸の周囲に半径方向に対称的に設置される。

非対称性の度合いの調査の場合には、その放射光収集器の配置は、粒子の非対称 性を分析するために最適な配置と同一のものであるわけにはいかない。その散乱 チャンバの設計は、それに特に必要とされる収集器形状の適応性を実現可能にし 、且つ収集器位置が自由自在に変えられることを可能にしなければならない。

この技術の利点は、光フィイバ収集光学系を使用することによって、散乱範囲の ほぼ全周に亘って何れの位置にも殆ど任意の数の収集器を設置するのと同じ効果 が、容易に実現され得るということであり、この技術を使用しなければ、上記の 課題の達成は機械的に極めて困離なものとなるだろうう。従って、その高度の適 応性の故に、散乱チャンバ自体に対す機械的な変更の必要なしに、様々な検出ジ オメトリ〜が試験されることが可能である。

本発明の第２の態様による、粒子の非対称性を測定する方法は、 層流の形で空気中浮遊粒子の試料を与える段階と、ランダム偏光された又は円偏 光されたレーザビームで前記試料を照射する段階と、 少なくとも１つの前方散乱検出器と中心軸の周りに放射状に対称的に設置された 少なくとも３つの真球度検出器とに向けて、個々の粒子によって散乱された放射 光を反射する段階と、前記粒子を表現するデータを前記検出器から得る段階と、 前記粒子の非対称性の度合いを測定するために、既知の形状に関するデータと得 られたデータとを比較する段階とを含むことを特徴とする。

その試料はエーロゾルであってよい。

さて以下では本発明の２つの実施例が次のような添付の図面を参照して単なる本 発明の一例として説明されることとなる。

第１図は球状粒子を分析するための粒子分析装置の概略的な側面断面図、第２図 は第１図の線Ｘ×に沿った分析装置の断面図、及び第３図は非対称性分析システ ムの概略的な側面断面図である。

補正口の写しく翻訳文）提出書（特許法第１１４条の８）特許庁長官　吉　１） 文　毅　殿 １、特許出願の表示　ＰＣＴ／ＧＢ　８８１００９７５２、発明の名称　粒子の 非対称性の分析装置３、特許出願人 住　所　イギリス国、ロンドン・ニス・ダブリュ・１　・エイ・２　・エイチ・ ビイ、ホワイトホール（番地なし）名　称　イギリス国 ４、代　理　人　東京都新宿区新宿１丁目１番１４号　山田ビル５、補正書の提 出年月日　１９９０年２、特許請求の範囲 （１）　粒子の非対称性の測定に使用するための粒子分析装置であって、 層流の形で空気中に担持された粒子の試料を与える段階と、ランダム偏光された 又は円偏光されたレーザビームで前記試料を照射する手段と、 少なくとも１つの前方散乱検出器と中心軸の周りに放射状に対称的に設置された 少なくとも３つの真球度検出器とに向けて、個々の粒子によって散乱された放射 光を方向付ける手段と、前記粒子を表現するためにデータを前記検出器から得る 手段と、 前記粒子の非対称性の度合いを測定するために、既知の形状に関するデータと得 られたデータとを比較するための手段とを含むことを特徴とする粒子分析装置。

■　前記放射光を方向付ける手段が凹面反射鏡であることを特徴とする請求項１ に記載の粒子分析装置。

■　前記凹面反射鏡が楕円面反射鏡であることを特徴とする請求項２に記載の粒 子分析装置。

’Ａ）＃２中心軸が前記凹面反射鏡又は楕円面反射鏡の反則軸であることを特徴 とする請求項２又は３に記載の粒子分析装置。

（ω　前記検出器が光電子倍増管であることを特徴とする請求項１から４のいず れか一項に記載の粒子分析装置。

（６）　前記検出器が光電子倍増管に通じる光ファイバであることを特徴とする 請求項１から４のいずれか一項に記載の粒子分析装置。

ω　前記放射光収集器が任意の形状であってもよく、且つその位置が自由自在に 変えられてよいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の粒子分 析装置。

■　粒子の非対称性を測定する方法であって、層流の形で空気中に担持された粒 子の試料を与える段階と、ランダム偏光された又は円偏光されたレーザビームで 前記試料を照射する段階と、 少なくとも１つの前方散乱検出器と中心軸の周りに放射状に対称的に設置された 少なくとも３つの真球度検出器とに向けて、個々の粒子によって散乱された放射 光を反射する段階と、前記粒子を表現するデータを前記検出器から得る段階と、 前記粒子の非対称性の度合いを測定するために、既知の形状に関するデータと得 られたデータとを比較する段階とを含むことを特徴とする方法。

（■　個々の粒子によって散乱される放射光が、凹面反射鏡によって光収集器に 向けて反射されることを特徴とする請求項８に記載の方法。

Ｃ０前記凹面反射鏡が楕円面の内側表面を有することを特徴とする請求項９に記 載の方法。

０９　前記中心軸が前記凹面反射鏡又は楕円面反射鏡の反射軸であることを特徴 とする請求項９又は１０に記載の方法。

Ｃ３前記検出器が光電子倍増管であることを特徴とする請求項８から１１のいず れか一項に記載の方法。

■　前記検出器が光電子倍増管に接続された光フィイバであることを特徴とする 請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。

国際調査報告 １ｓ１１．、ａ＋Ｉｅ−＾−ｅｋ−神−’−ＰＣＴ／ＧＢ　８Ｂ１００９７５

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）粒子分析装置であって、 層流の形で流体試料を与えるための手段と、放射光ビームで前記試料を照射する ための手段と、個々の粒子によって散乱された放射光を放射光収集器に向けて方 向付けるための手段と、 粒子を表示するために前記放射光収集器からデータを得るための手段とから成り 、 粒子の非対称性の度合いを測定するために、前記データと既知の形状に関するデ ータとを比較するための手段をも含む粒子分析装置。
2. （２）照射のビームがレーザによって与えられる請求項１に記載の粒子分析装置 。
3. （３）前記放射光を方向付けるための手段が凹面反射鏡である請求項１又は２に 記載の粒子分析装置。
4. （４）前記凹面反射鏡が楕円面反射鏡である請求項３に記載の粒子分析装置。
5. （５）前記放射光収集器が光電子倍増管に通じる光ファイバである請求項１から ４のいずれか一項に記載の粒子分析装置。
6. （６）前記放射光収集器が任意の形状であってもよく、且つその位置が自由自在 に変えられてよい請求項１から５のいずれか一項に記載の粒子分析装置。
7. （７）流体中浮遊粒子の非対称性を測定する方法であって、層流の形で流体試料 を与える段階と、 前記試料を放射光ビームを用いて照射する段階と、個々の粒子によって散乱され た放射光を放射光収集器に反射させる段階と、 粒子を表現するデータを光収集器から得る段階と、粒子の非対称性の度合いを測 定するために、既知の形状に関するデータと前記データとを比較する段階とを含 む方法。
8. （８）前記流体がエーロゾルである請求項７に記載の方法。
9. （９）照射のビームがレーザによって与えられる請求項７又は８に記載の方法。