TW200838613A - Ionization device - Google Patents

Description

200838613 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種離子化裝置，其使用於將氣相中之 粒子分級以測定粒度分布之DMA(Differential MQbinty

Analyzer :微分型移動度分析儀）、或靜電蒸鍍（藉由電氣作 用使奈米尺寸之功能性材料粒子僅配置在經設計部分之基 板上的方法）、或GC/MS(氣相層析/質譜分析）等分析裝置 或成膜裝置，用以將測定對象物或成膜物質離子化。

【先前技術】 已有提案一種離子化裝置（參照專利文獻，其係於筐 體之内邠卫間具備針狀放電電極，於與該電極之前端相對 向之位置設置具有小孔（〇rifice)之電極，並形成由該小孔 向外部空間擴展成倒錐形的擴大管，冑包含既定物質之分 子的氣體供應於筐體内部。該離子化裝置中，冑包含既定 物質之分子的氣體供應於筐體内，並將既定電壓施加於兩 屯極間以造成放電，藉此將筐體内之氣體分子離子化後使 二自]孔向外部空間釋出。此處，水被採用作為離子化之 刀子士亚在外部空間產生水分子大型化之叢集離子。該離 :化裝置巾’自擴大管喷出之高速噴射空氣造成遷力急速 亚糟由隔熱膨脹形成過飽和環境氣氛，使 水分子凝集於水分子離子，而成長為較大之水叢集 +該提案之離子化裝置中，係藉由在筐體之内部空間放 '’在相同空間内進行離子化與使既定物質之分子帶電。 5 200838613 亦有提案另一種離子化裝置（參照專利文獻2)，其係 為測里排放氣體中之微粒子，於排放氣體導入管途中設置 帶電器，藉由在帶電器内部進行電暈放電，對通過之排放 乳體中之微粒子賦予電荷。該離子化裝置，亦在帶電器藉 由電暈放電，對作為欲離子化之對象的微粒子直接賦予^ 荷。

[專利文獻1]:曰本專利第3787773號公報 [專利文獻2]··日本特開2005-24409號公報 [非專利文獻 1] : J· Aer。— Sci，Vg1 16，N〇 2，沖 —123， 1985 【發明内容】 以上介紹之習知離子化裝置，例如電暈放電方式係將 =電對象物導人於進行放電之空間，但#存在有脆弱之荷 -對象物時’會產生因放電導致損壞該對象物之顧慮。又， *存在有如二氧化硫等反應性較高之氣體時，亦合有產生 目標以外之粒子的顧慮。由於使用軟性X射線或微放電等 ::法亦會在相同空間内進行離子產生與荷電， 同樣之問題。 、另 方ΐ帶電室之容積較大時’在正離子或負離子僅單 子之早極荷電中因擴散或被產生之電場所捕捉、或正/ :兩離子存在之雙極荷電中因相反極性之離 導致雜上、曲— 丹祸合’ 子痕度大幅降低，其結果便造成荷電效率下降。 目伊ΙΓ月…在於提供可抑制荷電對象物損壞或產生 下遗子等問題且能提高荷電效率的離子化裝置。 6 200838613 • 本發明為克服此種習知技術之課題，使進行離子產生 與進行荷電之機構分離’藉此解決荷電對象物損壞 i物之：：外粒子等問題，並縮小所產生之離子與荷電對 濃度= ，藉此抑制因擴散或再轉合所造成之離子 $亦即，本發明之離子化裝置，具傷離子化室及盘直相 =另-荷電室。離子化室在具有離子化氣體導入口μ ，二内：具有放電電極及對向電極，並於對向電極之愈放電 ϋ端相對向之位置形成通往外部的小孔。荷電室俜相 鄰配置於離子化室之小孔側 仃-至係相 部，萨由自… 何-至具有何電對象物導入 “小孔釋出之離子使由荷電對象物導入部導入之 ::對象物帶電以成為離子。荷電室之荷電對象物導入部 魏置成接近小孔之出口。關於小孔之尺寸及離 何電室間之壓力’小孔之尺寸，係設定為能藉由 將二1乳體由小孔之出口噴往荷電室所產生之負壓 .力何I對象物送入，且離子化室之壓力高於荷電室之壓 噴往在離子化室所產生之離子的氣體由小孔之出口 象物：电至’猎此於荷電對象物導入部產生負壓，荷電對 含離子之氣體-起被送入荷電室，並藉由由= 口貝出之*1體中之離子來使之帶電。 導：二為’何電對象物導入部，係配置成將荷電對象物 =與小孔噴射離子之方向正交的方向。藉由此種配置， "以包含由小孔之“噴往荷電室之離子之氣體所產生 7 200838613 之負壓順利送入荷電對象物。 為使離子化至之壓力高於荷電室之壓力，以對離子化 至加壓、以荷電室在下流侧具備吸引泵、或以兼具該兩者 之方式構成。 f發明中，由於各別構成產生離子之離子化室、與藉 由在離子化至產生之離子使荷電對象物帶電之荷電室，因 此與在相同空間内共同進行離子化與帶電之方式者相較， 可抑制荷電對象物損壞或產生目標外粒子。 由於％電至之荷電對象物導入部的導入口係配置 成接込離子化至之小孔之出。，並由於荷電室中在離子化 ^之小孔出口附近利用負壓而被送入之荷電對象物，係在 :子化至之小孔出口的正下方與離子流混合，因此可在擴 散或再_合造成離子濃度降低之前，使荷電對象物帶電以 提高荷電效率。 再者’由於荷電室之荷電對象物導入部的導入口，係 配置成接近離子化I^ % , 之小孔出口，因此可使離子化裝置小 型化。 【實施方式】 圖1係概略表示實施例之離子化裝置的圖。於離子化 至1之匡體2的内部空間4設有針狀之放電電極6，於與 放電電極1之前端相對向的壁面形成小孔8。形成有小^ 8之壁面10’係由導電性物質構成的對向電極。放電電極 8 1 係連接於交流或直流之高電壓電源12,且對向電極1〇 係接地。於筐冑2之内部空間4設有用以導人作為離子源 200838613 乱體(例如空氣)的氣體導入部14。筐體2、放電 小孔8、對向電極1()、及氣體導人部14即 6 放雷帝枕/ 々—厂1C*至1 〇 ^ 與對向電極1 〇間之距離以丨〜1 宜。當放電雷朽a 1〜3«im較適 離子化二 電極1〇間之距離小於ln-時， =:域會變窄，反之，若其距離大於—：電 里s ’ 乂 兩者均會降低離子化效率。 1由於對向電極10之中，小孔8之周圍易受電暈 &成之損傷’因此對向電 电 者較祛，如L ^貝M具有旎耐氧化性 ❹不錄鋼或鈦較適宜。 與離子化室"目鄰配置有荷電室2〇 連接於離子化室 仃罨至20具有 …門” 小孔8之出口的荷電室内部空間22, 門口I工間22於盛]、0上广,t。丄 膜"聋m 具找接於分析裝置或成 電對象2 荷電粒子或利用之裝置的出σ 24。將荷 於小孔8之：至何電室20之導入部26，係形成為在接近 j孔8之出口的位置具有導入口 28。 供應Π:室2〇之下流側設有吸引泵、或在將離子源氣體 離^ 冑1之流路設有送液泵、或設置該兩者以使 門至1之内部空間4的壓力高於荷電室20之内部空 ^的壓力。小孔8係利用離子化室1與荷電室20之壓 8 ^將^自離子化喷往（_荷電室20,將小孔 各^寸又疋成】、至可藉由該氣體噴送在小孔8之出口產 王貞壓。 利用負壓將包含荷電對象物之氡體自荷電對象物導入 运入導入時之氣流的厚度，亦即荷電對象物導入口 28 9 200838613 相對來自小孔8之氣體咱*意+女a &后& — 孔體贺射方向的厚度τ，係設定成相當 薄。較佳為’將來自小孔8 、， J札^之乳體賀廷逮度與該荷電對象 物導入π 28之尺寸設定纟，當以如此薄之厚度將荷電對 象物至由j、孔8所嘴出之包含離子的氣流時，能以例 如10毫秒以内之極短時間使帶電率達成平衡。該荷電對 象物導入口 2 8之厚庶τ，仓丨丨1c 序度1例如為5mm以下，較佳為〇.5〜 1mm 〇 在荷電對象物導入口 28，將出口之方向配置成，使由 導入部26 $供應乂包含荷電對象物的氣體供應至相對來 自離子化室之小孔8之噴送氣流呈正交的方向。 此種荷電對象物導入部26之形狀，可配合小孔8之尺 寸導入口 28之尺寸、及從小孔8嘴送之氣體的流速等 條件’設計成最合適之形狀。 在該離子化裝置’將離子源氣體（例如空氣）由導入口 Μ 導入於離子化室之内部空間4，並藉由電源裝置Η將高電 壓施加於電極6與10之間，以引起電暈放電。藉此，在 2化室1内氧氣或氮氣即被離子化，並與未被離子化之 空耽一起以高速噴射或音速噴射從小孔10喷往荷電室20。 對荷電對象物導入部26係供應例如包含㈣蒸氣之氣體 以作為荷電對象物。利用自小孔8噴往荷電室2〇之氣體 所^生之負壓’將包含荷電對象物之氣體送入荷電室^， 亚猎由自離子化室i噴送之離子來帶電，然後從出口 Μ 供應至分析裝置等。 圖2係概略表示使用該離子化裝置使荷電對象物離子 200838613 ㈣進衫級測定時之线的圖1冑3q所表示者係本 發明之離子化裝置。為將荷電對象物供應至離子化裝置 30 ’在電氣爐32中配置有置人氯化鈉㈣⑶以作為荷電對 象物的石英製晶舟34,以氮氣為載子氣體送至電氣爐，並 將來自電氣爐之氣體供應至離子化I置3()。在由電氣爐^ 供應至離子化裝置3G之流路的途中，料分歧用排氣果 36°㈣子化裝置於將包含已離子化之荷電對象物離 子之虱體導引至分析裝£ 38的流路，亦設有分歧用之排 氣泵40。分析裝置38，係例如使用DMA，並以法拉第杯 檢測益42作為檢測器來檢測經DMA38錢之微粒子離 子0 在該分析系統，例如將氮氣作為載子氣體供應至電氣 爐32,在電氣爐32將NaC1加熱至6〇〇。〇以使之昇華。一 ❹包含昇華後之祕蒸氣之氮氣的-部分以排氣栗36 排氣 政將/爪里调整至1L/分，再由離子化裝置30之荷 私對象物導人部26供應。離子化裝置3()中，將作為離子 源氣妝之工氣自供應口 14 _邊加壓至〇·2Μρ 一邊以流量 2L/分供應至該離子化室以進行離子化。由離子化裝置μ 达出之包含NaCl離子之氣體的流量為3L/分，其中將2L/ 分以排氣泵4G除去，並將剩下之1 L/分的氣體供應至 DM A3 8 ’以進行分級檢測。 圖3表不卞電室之帶電模式。假設在帶電室22内係完 王奶口（心扣在各為'内充分混合並在容器内之任何部分皆不 會產生離子或粒子的濃度差）。 200838613 α :兩種極性離子人 • 心丹耦 σ * 數為 ΐ 6χ1〇—12[m3/s] 7? ·離子與粒子之耦合係數

別：在帶電室22内之滯留時間為tR=V/Q V[m3] ··帶電室22之容積 Q[m3/s]:帶電室22之氣體户旦，雜7 心乱體机里（離子氣體流量+帶電 對象物氣體流量） 以下述方式計算陽離子濃度、 又 U離子濃度、不帶電粒 子濃度、及P價帶電粒子濃度之經睥綠几 「，斤上 一 又 <、、工日守變化。「+」符號表 示陽離子，「一」符號表示陰離子。 (陽離子7辰度之 '纟至時變化） 以次式表示陽離子濃度⑽)之經時變化(dN+/叫。 (i) 左邊：陽離子濃度之經時變化 • 纟邊：帛"員目陽離子與陰離子之再耦合所產生之 消失項 第2項因陽離子與粒子之輕合所產生之消失 項 第3項陽離子之流入/流出項 (陰離子濃度之經時變化） 以次式表示陰離子濃度（N-)之經時變化（dN_/dt)。 dt 一。 tR (2) 12 ，0川6!3 :邊·ί離子濃度之經時變化 第1項因陽離子盥陰離 消失項 十/、陰離子之再耦合所產生之 ~ 2項因陰離子與粒子之|入 項 /、τ 丁<耦合所產生之消失 f^r ^第3項陰離子之流入/流出項 以欠/杈子浪度之經時變化） 式表不不帶電粒子濃度（n。)之經時變化（dn〇/dt)。 dt J 〜VQnQN +rf—irLiN+— t 左邊 右邊 (3) 不咿電粒子之經時變化 第1項因陰離子與+ 1價帶電粒子之再耦合所 產生之產生項 第2項因陰離子與不帶電粒子之耦合所產生 之消失項 φ 第3項因陽離子與一 1價帶電粒子之耦合所產 生之產生項 第4項因陽離子與不帶電粒子之耦合所產生 之消失項 第5項不帶電粒子之流入/流出項 (ρ價帶電粒子濃度之經時變化） 以次式表示p價帶電粒子濃度（np)之經時變化 (dnp/dt) 〇 13 (4) 200838613 dnp AT—

fR 左邊· p彳貝f電粒子之經時變化 電粒子之再耦合 右邊··第1項因陰離子與p +丨價帶 所產生之產生項 第2項因陰離子與p價帶電粒子之耦合所產 生之消失項 第3項因陽離子與p—i價帶電粒子之耦合所

產生之產生項 第4項因陽離子與p價帶電粒子之耦合所產 生之消失項 弟5項p價帶電粒子之流入/流出項 此處，7?係離子與粒子之結合係數，由非專利文獻i 所記載之下式算出。 4 二 ___^〇1〇η^δ2βχρ{-φ ( δ )/kT}__ 1+exp {- φ ( δ ) AT} -j 〇exp{0(a/x)/kT}dx 符號S表示「+」或「一」。 各記號之意義如以下之說明。 C i〇n係離子之熱運動速度並以下式表示。

Cioo =舞/兀（Mfon/Na) 此處，k為波茲曼常數、T為絕對溫度、M iQn為離子 之分子篁’並使用 M + i〇n 二 0· 1 〇9(kg/mol)、Μ — ion 二 0.05 0(kg/mol)。Na為亞佛加厥數。C ion之數值係使用¢+丨⑽ =2.38xl02(m/s) 、C-ion= 3_52xl〇2(m/s) 〇 芕係到達粒子之離子數相對於離開假想球（limiting 14 200838613 sphere)之離子數的比例。 (5係假想球之半徑且以下式表示。

n S2 ^i〇]

此處’ λ iDn為離子與氣體分子碰撞時之離子的平均自 由徑，並以下式表示。

Xi〇n= 1. 329 e

kTMfonMai, (Mi〇n+ Mair)Na

此處’ Zi()n為離子之電氣移動度，且ZiQn之數值使用z + 1·4χ10-4(m2V/s)、z-i0n= 1.9x10- 4(m2V/s)。Mair 為 空氣之分子量。λ ion之數值使用又+ i〇n= 、 入un= 1·79χ10 - 8(m)。a為粒子半徑。 Φ係靜電電位且表示如下。 φ(τ) = F(r)dr = ie2 e2 a3 r 47i£〇r 1 8πε〇 r2(r^_a^) 此處’ ε G為介電係數且為8·855χ1〇—12F/m，ε ^為比 η包係數，r為粒子中心與離子中心間之距離。

Di〇n係離子之擴散係數且以下式表示。

Df〇n= kTZfon/e

Dion 之數值使用 D+i〇n= 3.35xl〇-6(m2/s)、D-i〇n= 4·9〇 xl〇-6(m2/s)。 _ x 子軌道的切線距 意指粒子中心與離子中心間之無因次距離。 b為離子之假想球與軌道之交點且為從粒子中心至離 離 从橫軸為N、/nGin(正或負之初期離子濃度與荷電 ’、象物之濃度nGin的比），以縱軸為帶電率（charging加⑽ 15 200838613 平衡帶電率叫_brium)，若以各荷電時間 述各式可得到圖4之結果。 R圖不，由上 一圖4之具體求出方法如以下說明。例如 M.OxW’tRU日寺，當進行 如匕=ι._、η=1.0χ 曾=…即輸入 之離子化裝置的滞留時間tR決定為=條：，並將欲計算 電時即輸入如N-叫〇χ1〇9為.1°又’於計算負帶 ln L〇Xl0、1·〇Χΐ06 之計管你杜 配合目標條件不斷輸人該輸人n。 化叙置後與相_對應之離子濃度的變化、帶電率。t 結果係從離子化裝置内存在離子但不存在粒子之條 … 度達到目標之粒子濃度且帶電狀 恶私、疋之值亚加以描緣。計算結果係設定為假設對一個粒 子最多至1〇個〇〇價)之離子輕合的情況。是以，緣圖係 以各極性至10價止之帶電率的合計來描繪。 此外，由於平衡帶電率係由非專利文獻i之第112頁 之理論式（離子充分多於粒子且亦有充分滯留時間）之式所 算出，因此此處亦使用至10價止之帶電率的合計，並取 得與前面所示之離子化|置之計算式⑴〜（4)之帶電率的 比0 此圖表，係表示某種粒子徑（此處設為1〇〇nm)時在本 發明之一實施例之離子化裝置之帶電率（正或負）與以非專 利文獻1之既有之兩極平衡帶電式同粒子徑時之帶電率（正 或負）的比。在表示以本發明產生正帶電者之值時，係與非 專利文獻1之式之正帶電者的值比較，在以負帶電粒子為 16 200838613 對象時，則均使用負帶電之比例。 心Π:衡帶電率若呈1則表示已達成穩定之帶電。 根據圖4之結果’表示若帶電時間t4G1以上，則在N± °“1x102以上之條件下會進行穩定之帶電。 1 【圖式簡單說明】 T 1係概略表示本發明之一實施例的截面圖。 +圖2係概略表示使用本發明之離子化裝置使荷電對象

物離=化後進行分級測定時之系统的概略構成圖。 圖3係表示帶電室之帶電模式的概略圖。 圖4係表示帶電室在各種滯留時間下之帶電率模擬結 果的圖表。 【主要元件符號說明】 1 離子化室 4内部空間 6 放電電極 8小孔 10對向電極 12高電壓電源 14離子源氣體導入部 20荷電室 22荷電室内部空間 26荷電對象物導入部 2 Q * 何電對象物導入口 17

Claims (1)

1. 200838613 十、申請專利範圍： 1 種離子化裝置，其具備： 至於具有離子化氣體導入口之筐體内部具有 放電電極及對向電極，於 ,^ 、a對向電極之與該放電電極前端 相對向之位置形成通往外部之小孔； “荷電室，係相鄰配置於該離子化室之該小孔側，具有 何電對象物導入部，並藉由自該小孔釋出之離子使荷電對 象物帶電以成為離子； 二 荷包至之荷電對象物導入部的導入口係配置成接近 該小孔之出口； ^族小孔之尺寸，係設定為能藉由將包含離子之氣體自 遠小孔之出口噴往荷電室所產生之負壓將該荷電對象物送 入’且該離子化室之壓力高於該荷電室之壓力。 2、 如申請專利範圍第丨項之離子化裝置，其中，該荷 電對象物導入部，係配置成將荷電對象物導向與該小孔噴 射離子之方向正交的方向。 、 3、 如申請專利範圍第〗或2項之離子化裝置，其中， 對该離子化室加壓以使離子化室之壓力高於荷電室之芦 力。 ^ 4、 如申請專利範圍第1或2項之離子化裝置，其中， 該荷電室於下流側具備吸引泵，以使離子化室之壓力高於 荷電室之壓力。 5、 如申請專利範圍第3項之離子化裝置，其中，該荷 電室於下流側具備吸引泵，以使離子化室之壓力高於荷電 18 200838613 室之壓力。 十一、圖式： • 如次頁

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