WO2008075607A1 - イオン化装置 - Google Patents

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WO2008075607A1
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chamber
orifice
ionization
ions
charged object
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French (fr)
Inventor
Daiji Okuda
Shigeru Kimoto
Hiroshi Okuda
Motoaki Adachi
Original Assignee
Shimadzu Corporation
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0266—Investigating particle size or size distribution with electrical classification

Definitions

  • the present invention relates to DMA (Differential Mobility Analyzer) for classifying particles in the gas phase and measuring the particle size distribution, and functional material particles of electrostatic deposition size to the part designed on the substrate.
  • DMA Different Mobility Analyzer
  • functional material particles of electrostatic deposition size to the part designed on the substrate.
  • the present invention relates to an ionizer used for the above.
  • An acicular discharge electrode is provided in the internal space of the housing, and an electrode having an orifice is provided at a position opposite to the tip of the electrode.
  • An ionization apparatus has been proposed in which a gas containing a molecule of a predetermined substance is supplied into a casing (see Patent Document 1).
  • a gas containing molecules of a predetermined substance is supplied into the casing, and a predetermined voltage is applied between both electrodes to cause discharge, thereby ionizing the gas molecules in the casing and directing the force from the orifice to the external space.
  • water is taken up as a molecule to be ionized, and cluster ions with enormous water molecules are generated in the external space.
  • a rapid pressure drop occurs due to the air of the high-speed jet ejected from the expansion tube, and thermal expansion expands to form a supersaturated atmosphere. It is supposed to grow into water cluster ions.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2005-24409
  • Non-Patent Document 1 J. Aerosol Sci., Vol. 16, No. 2, pp. 109-123, 1985
  • An object of the present invention is to provide an ionization apparatus capable of suppressing problems such as the destruction of charged objects and generation of unintended particles and increasing the charging efficiency.
  • a mechanism for generating ions and a mechanism for charging are separated to solve problems such as destruction of charged objects and generation of undesired particles.
  • the decrease in the ion concentration due to diffusion and recombination is suppressed by reducing the distance between the generated ions and the charged object.
  • the ionization apparatus of the present invention includes an ionization chamber and a separate charge chamber.
  • the ionization chamber has a discharge electrode and a counter electrode inside a casing having an ionization gas inlet, and the counter electrode has an orifice that communicates with the outside at a position facing the tip of the discharge electrode.
  • the charging chamber is disposed adjacent to the orifice side of the ionization chamber.
  • the charging chamber has a charged object introduction part, and the charged object introduced from the charged object introduction part is offset. Charged by the ions released from the chair to become ions.
  • the inlet of the charged object introduction part of the charging chamber is located close to the outlet of the orifice!
  • the size of the orifice and the pressure between the ionization chamber and the charge chamber are set so that the charged object is drawn by the negative pressure generated when the gas containing ions is sprayed from the outlet of the orifice into the charge chamber.
  • the ionization chamber is at a higher pressure than the charge chamber.
  • the gas containing ions generated in the ionization chamber is sprayed into the charging chamber from the outlet force of the orifice, thereby creating a negative pressure in the charged object introducing portion, and the charged object is charged together with the gas containing ions. It is drawn into the chamber and charged by the exit force of the orifice and ions in the atomized gas.
  • the charged object introduction unit is arranged so that the charged object is introduced in a direction orthogonal to the direction in which the orifice ejects ions.
  • the charged object is smoothly drawn by the negative pressure generated by the gas including the ions sprayed into the charging force chamber at the outlet force of the orifice.
  • the ionization chamber In order for the ionization chamber to be at a higher pressure than the charge chamber, the ionization chamber is pressurized or the charge chamber is equipped with a suction pump downstream, or both It is structured.
  • the ionization chamber for generating ions and the charge chamber for charging the charged object with the ions generated in the ionization chamber are separately configured, so that both ionization and charging are performed in the same space. Compared to those, it is possible to suppress the destruction of charged objects and the generation of unintended particles.
  • the charging chamber is pulled in by negative pressure near the outlet of the ionization chamber. Since the charged object intersects with the flow of ions just under the orifice exit of the ionization chamber, the charged object S can be charged before the ion concentration decreases due to diffusion or recombination, which increases the charging efficiency. Can do.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram schematically showing a system for measuring a charged object by ionization and classification using the ionization apparatus of the present invention.
  • FIG. 1 schematically shows an ionization apparatus of one embodiment. Case of ionization chamber 1
  • a needle-like discharge electrode 6 is provided in the inner space 4 of 2, and an orifice 8 is formed on the wall surface facing the tip of the discharge electrode 6.
  • the wall surface 10 with the orifice 8 formed is a counter electrode made of a conductive material.
  • the discharge electrode 6 is connected to an AC or DC high-voltage power supply 12, and the counter electrode 10 is grounded.
  • a gas introduction part 14 for introducing, for example, air as an ion source gas is provided in the internal space 4 of the housing 2.
  • the casing 2, the discharge electrode 6, the orifice 8, the counter electrode 10 and the gas introduction part 14 constitute an ionization chamber 1.
  • the distance between the discharge electrode 6 and the counter electrode 10 is suitably 1 to 3 mm. Opposite to discharge electrode 6 When the distance force between the electrodes 10 is smaller than S lmm, the ionized region becomes narrower. Conversely, when the distance is larger than 3 mm, the discharge amount decreases, and in the case of V and deviation, the ionization efficiency decreases. .
  • the material of the counter electrode 10 is oxidation resistant.
  • stainless steel or titanium is appropriate.
  • a charge chamber 20 is disposed adjacent to the ionization chamber 1.
  • the charging chamber 20 has a charging chamber inner space 22 connected to the outlet of the orifice 8 of the ionization chamber 1, and the inner space 22 analyzes and uses charged particles such as an analyzer and a film forming device on the opposite side of the orifice 8.
  • the introduction part 26 for introducing the charged object into the charging chamber 20 is formed so as to have an introduction port 28 at a position close to the outlet of the orifice 8.
  • the pressure in the ionization chamber 1 is such that the pressure in the inner space 4 of the ionization chamber 1 is higher than that in the inner space 22 of the charge chamber 20, and the suction chamber 20 is provided with a suction pump downstream.
  • a liquid feed pump is provided in the flow path for supplying the source gas and / or a force is provided.
  • gas is sprayed from ionization chamber 1 to charge chamber 20 due to the pressure difference between ionization chamber 1 and charging chamber 20, and the size of orifice 8 is so small that negative pressure is generated at the outlet of orifice 8 by the gas spraying. It is set! /
  • the thickness of the flow when the gas containing the charged object is drawn and introduced by the negative pressure from the charged object introduction port 28, that is, the thickness of the charged object introduction port 28 with respect to the direction of gas injection from the orifice 8 T is set thin enough!
  • the charge rate reaches equilibrium in a short time, for example, within 10 milliseconds.
  • the speed of gas spray from the orifice 8 and the dimensions of the charged object inlet 28 are set! /, Preferably!
  • the thickness T of the charged object inlet 28 is, for example, 5 mm or less, preferably 0.5 to 1 mm.
  • the gas containing the charged object supplied from the introduction unit 26 is supplied in a direction orthogonal to the flow of the spray gas from the orifice 8 of the ionization chamber. So that the direction of the exit is arranged.
  • the shape of the charged object introducing section 26 is set so as to be an optimum shape in accordance with conditions such as the dimensions of the orifice 8, the dimensions of the inlet 28, and the flow velocity of the gas sprayed from the orifice 8. It measures with the power to measure.
  • this ionizer for example, air is introduced as an ion source gas from the inlet 14 into the internal space 4 of the ionization chamber, and a high voltage is applied between the electrodes 6 and 10 by the power supply device 12 to cause corona discharge.
  • oxygen or nitrogen is ionized in the ionization chamber 1 and sprayed as a high-speed jet or sonic jet from the orifice 10 to the charging chamber 20 together with the non-ionized air.
  • a gas containing NaC 1 vapor is supplied to the charged object introducing unit 26 as a charged object. Due to the negative pressure generated by the gas spray from the orifice 8 to the charging chamber 20, the gas containing the charged object is drawn into the charging chamber 20, charged by the ions sprayed from the ionization chamber 1, and then analyzed from the outlet 24. Etc.
  • Fig. 2 schematically shows a system in which a charged object is ionized using this ionizer, classified and measured.
  • What is indicated by reference numeral 30 is the ionization apparatus of the present invention.
  • a quartz boat 34 in which sodium chloride (NaCl) as a charged object is placed in an electric furnace 32, nitrogen is sent to the electric furnace as a carrier gas, and electricity is supplied.
  • the gas from the furnace is supplied to the ionizer 30.
  • an exhaust pump 36 for splitting is provided!
  • the split exhaust pump 40 is also provided in the flow path for guiding the gas containing charged object ions ionized by the ionizer 30 to the analyzer 38.
  • DMA is used as the analyzer 38, and fine particle ions classified by the DMA 38 are detected by a Faraday cup detector 42 as a detector.
  • nitrogen is supplied as a carrier gas to the electric furnace 32, and in the electric furnace 32, NaCl is heated to 600 ° C. and sublimated.
  • a part of the nitrogen gas containing the sublimated NaCl vapor is exhausted by the exhaust pump 36, adjusted to a flow rate of 1 L / min, and supplied from the charged object introducing portion 26 of the ionization device 30.
  • the ionization chamber is ionized by supplying air as an ion source gas from the supply port 14 to 0.2MP at a flow rate of 2L / min.
  • the gas containing NaCl ions sent from the ionizer 30 has a flow rate of 3 L / min. Of that, 2 L / min is removed by the exhaust pump 40 and the remaining 1 L / min of gas is removed. Supplied to DMA38, classified and detected.
  • FIG. 3 shows a charging model in the charging chamber. It is assumed that mixing is complete in the charging chamber 22 (meaning that it mixes well in the container and does not cause a difference in ion or particle concentration in any part of the container)
  • V Coupling coefficient between ions and particles
  • the time-dependent change (dN ⁇ / dt) of the anion concentration (N ⁇ ) is expressed as follows.
  • Item 2 Disappearance term due to binding of anion and uncharged particles
  • the time-dependent change (dn / dt) of the P-valent uncharged particle concentration (n) is expressed as follows.
  • Item 2 Disappearance term due to binding of anion and p-valent charged particles
  • Item 4 Disappearance term due to binding of cations and p-valent charged particles
  • Cion is the thermal motion speed of ions
  • k is the Boltzmann constant
  • T is the absolute temperature
  • Mion is the molecular weight of the ion
  • M + ion 0.109 (kg / mol)
  • M ⁇ ion 0.050 (kg / mol) were used.
  • Na is the Apogadro number.
  • ⁇ is the harm ij of the number of ions reaching the particle with respect to the number of ions that also have a limiting sphere force.
  • ⁇ is the radius of the phantom sphere
  • ⁇ ion is the mean free path of ions when they collide with gas molecules.
  • ⁇ is the electrostatic potential
  • ⁇ is the dielectric constant, 8.855X10 F / m
  • ⁇ is the relative dielectric constant
  • r is the particle center
  • Dion is the diffusion coefficient of ions
  • x a / r, which means a dimensionless distance between the particle center and the ion center.
  • b is the intersection of the phantom sphere and orbit of the ion, and is the distance from the particle center to the tangent line drawn in the orbit of the ion.
  • the horizontal axis is / n (ratio of positive or negative initial ion concentration and charge in Oin in target concentration n), and the vertical axis is charging ratio / equilibrium charging rate.
  • This input condition is input according to the target condition, and the change in ion concentration and the electric charge are calculated with the passage of time after the particles enter the ionizer.
  • the calculation results are calculated based on the condition that ions exist in the ionizer but there are no particles. Therefore, the value where the particle concentration reaches the target particle concentration and the charged state is stabilized is taken out. Plot.
  • the calculation results are set assuming that a maximum of 10 (ten-valent) ions are bonded to one particle. Therefore, the plot is plotted with the sum of the charging rates up to 10 valences of each polarity.
  • the equilibrium charging rate is calculated from the formula of page 112 of Non-Patent Document 1 (when ions are more charged than particles and there is sufficient residence time). Using the total of the charging rates up to this point, the ratio of the charging rates in the calculation formulas (1) to (4) for the ionizer shown above is used.
  • This graph shows the charge rate (plus or minus) in the ionization apparatus according to one embodiment of the present invention at a certain particle size (here, lOOnm) and the existing bipolar electrode described in Non-Patent Document 1. This represents the ratio to the charge rate (plus or minus) when the particle size is the same for the equilibrium charging type. Compared with the positive charge value in the formula of Non-Patent Document 1 when showing the value of the positive charge in the present invention, both use the negative charge ratio when targeting negatively charged particles.

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Abstract

イオン化室１とそれとは別の荷電室２０を備えている。イオン化室１はイオン化ガス導入口１４をもつ筐体の内部４に放電電極６及び対向電極１０をもち、対向電極１０には放電電極６の先端に対向する位置に外部に通ずるオリフィス８が形成されている。荷電室２０はイオン化室１のオリフィス８側に隣接して配置されている。荷電室２０の荷電対象物導入部の導入口２８はオリフィス８の出口に接近して配置されている。オリフィス８のサイズと、イオン化室１と荷電室間２０の圧力は、オリフィス８の出口から荷電室２０にイオンを含むガスが噴霧されて生じる陰圧により荷電対象物が引き込まれるように、オリフィス８のサイズが設定され、イオン化室１の方が荷電室２０よりも高圧になっている。

Description

明 細 書
イオン化装置
技術分野
[0001] 本発明は、気相中の粒子を分級して粒度分布を測定する DMA (Differential Mobili ty Analyzer)や、静電蒸着けノサイズの機能性材料粒子を、基板上に設計した部分 にのみ電気的作用を用いて配置させる手法）、又は GC/MS (ガスクロマトグラフィ /質量分析)などの分析装置や成膜装置にお!、て、測定対象物や成膜物質をィォ ン化するために使用するイオン化装置に関するものである。
背景技術
[0002] 筐体の内部空間に針状の放電電極を備え、その電極の先端と対向する位置にオリ フィスをもつ電極を設け、そのオリフィスから外部空間に向力、つて逆テーパ状に広が る拡大管を形成し、筐体内部に所定の物質の分子を含む気体を供給するようにした イオン化装置が提案されている（特許文献 1参照。）。そのイオン化装置では筐体内 に所定の物質の分子を含む気体を供給し、両電極間に所定の電圧を印加して放電 させることにより筐体内の気体の分子をイオン化しオリフィスから外部空間に向力、つて 放出させる。そこでは、イオン化させる分子として水が取りあげられており、水分子が 巨大化したクラスターイオンを外部空間で生成させるようにしてレ、る。そのイオン化装 置では、拡大管から噴出した高速ジェットの空気により急激な圧力低下が起こり、断 熱膨張して過飽和雰囲気を形成することにより、雰囲気中の水分子が水分子イオン に凝集し、大きな水クラスターイオンに成長するとされてレ、る。
[0003] その提案のイオン化装置では、筐体の内部空間で放電させることによりイオン化と 所定の物質の分子への帯電を同じ空間内で行わせている。
[0004] 他のイオン化装置としては排気ガス中の微粒子を計測するために、排気ガス導入 管の途中に帯電器を設け、帯電器では内部でコロナ放電を行わせることにより通過 する排気ガス中の微粒子に電荷を付与することが提案されている（特許文献 2参照。 )。このイオン化装置においても、帯電器ではイオン化しょうとする対象となる微粒子 をコロナ放電により直接に電荷を付与している。 特許文献 1：特許第 3787773号公報
特許文献 2：特開 2005— 24409号公報
非特許文献 1 : J. Aerosol Sci., Vol. 16， No. 2， pp. 109-123， 1985
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0005] 上に紹介した従来のイオン化装置は、例えばコロナ放電式では放電を行う空間に 荷電対象物を導入しているが、これではもろい荷電対象物が存在する場合、放電に よりその対象物を破壊してしまう恐れが生じる。また、二酸化硫黄などのように反応性 の高いガスがある場合、 目的外の粒子が生成する恐れもある。軟 X線やマイクロ放放 電などを用いる手法も同じ空間内でイオン生成と荷電を行わせるため、同様の問題 が残る。
[0006] また、帯電室の容積が大きい場合は、正イオン又は負イオンの一方のみが存在す る単極荷電では拡散や発生した電場で捕捉されることにより、また正'負の両イオン が存在する両極荷電では相反する極性のイオンが再結合することにより、イオン濃度 が大幅に減少し、結果として荷電効率が低下する。
[0007] 本発明は、荷電対象物破壊や目的外粒子生成を抑えるといった問題を抑えるとと もに、荷電効率を高めることのできるイオン化装置を提供することを目的とするもので ある。
課題を解決するための手段
[0008] 本発明では、こうした従来技術の課題を克服するためにイオン生成を行う機構と荷 電を行う機構を分離させることで、荷電対象物破壊や目的外粒子の生成といった問 題を解決し、また生成したイオンと荷電対象物の接する距離を狭めることにより拡散 や再結合によるイオン濃度の低下を抑える。
[0009] すなわち、本発明のイオン化装置はイオン化室とそれとは別の荷電室を備えている 。イオン化室はイオン化ガス導入口をもつ筐体の内部に放電電極及び対向電極をも ち、対向電極には放電電極の先端に対向する位置に外部に通ずるオリフィスが形成 されている。荷電室はイオン化室のオリフィス側に隣接して配置されている。荷電室 は荷電対象物導入部をもち、荷電対象物導入部から導入された荷電対象物がオリフ イスから放出されたイオンにより帯電させられてイオンとなる。荷電室の荷電対象物導 入部の導入口はオリフィスの出口に接近して配置されて!/、る。オリフィスのサイズと、 イオン化室と荷電室間の圧力は、オリフィスの出口から荷電室にイオンを含むガスが 噴霧されて生じる陰圧により荷電対象物が引き込まれるように、オリフィスのサイズが 設定され、イオン化室の方が荷電室よりも高圧になっている。
[0010] イオン化室で生成したイオンを含むガスはオリフィスの出口力、ら荷電室に噴霧され ることにより荷電対象物導入部に陰圧が生じ、荷電対象物がイオンを含むガスととも に荷電室に引き込まれ、オリフィスの出口力、ら噴霧されるガス中のイオンにより帯電さ せられる。
[0011] 荷電対象物導入部はオリフィスがイオンを噴射する方向と直交する方向に荷電対 象物を導入するように配置されていることが好ましい。このような配置にすることにより 、オリフィスの出口力 荷電室に噴霧されるイオンを含むガスにより発生する陰圧によ り荷電対象物が円滑に引き込まれる。
[0012] イオン化室の方が荷電室よりも高圧になるようにするために、イオン化室が加圧され ているか、もしくは荷電室が下流側に吸引ポンプを備えている力、、又はその両方の構 成となっている。
発明の効果
[0013] 本発明では、イオンを生成するイオン化室と、イオン化室で生成したイオンにより荷 電対象物を帯電させる荷電室を別々に構成したので、同じ空間内でイオン化と帯電 をともに行わせる方式のものと比べると、荷電対象物破壊や目的外粒子の生成を抑 えること力 Sできる。
[0014] また、荷電室の荷電対象物導入部の導入口がイオン化室のオリフィスの出口に接 近して配置されているため、荷電室ではイオン化室のオリフィス出口の近くで陰圧に より引き込まれた荷電対象物はイオン化室のオリフィス出口の直下でイオンの流れと 交わるため、イオン濃度が拡散や再結合により低下する前に荷電対象物を帯電させ ること力 Sでき、荷電効率を高めることができる。
[0015] さらに、荷電室の荷電対象物導入部の導入口がイオン化室のオリフィス出口に接 近して配置されて!/、ることから、イオン化装置を小型にすることが可能となる。 図面の簡単な説明
園 1]本発明の一実施例を概略的に示す断面図である。
園 2]本発明のイオン化装置を用いて荷電対象物をイオン化し分級して測定するとき のシステムを概略的に表した概略構成図である。
園 3]帯電室における帯電モデルを示す概略図である。
[図 4]種々の滞留時間についての帯電室での帯電率シミュレーション結果を示すダラ フでめる。
符号の説明
1 イオン化室
4 内部空間
6 放電電極
8 オリフィス
10 対向電極
12 高電圧電源
14 イオン源ガス導入部
20 荷電室
22 荷電室内部空間
26 荷電対象物導入部
28 荷電対象物導入口
発明を実施するための最良の形態
[0018] 図 1は一実施例のイオン化装置を概略的に表したものである。イオン化室 1の筐体
2の内部空間 4には針状の放電電極 6が設けられており、放電電極 6の先端に対向 する壁面にオリフィス 8が形成されて!/、る。オリフィス 8が形成されて!/、る壁面 10は導 電性物質からなる対向電極である。放電電極 6は交流又は直流の高電圧電源 12に 接続され、対向電極 10は接地されている。筐体 2の内部空間 4にイオン源ガスとして 例えば空気を導入するためのガス導入部 14が設けられている。筐体 2、放電電極 6、 オリフィス 8、対向電極 10及びガス導入部 14はイオン化室 1を構成している。
[0019] 放電電極 6と対向電極 10の間の距離は l〜3mmが適当である。放電電極 6と対向 電極 10の間の距離力 S lmmより小さい場合はイオン化される領域が狭くなり、逆にそ の距離が 3mmよりも大きくなると放電量が減少し、 V、ずれの場合もイオン化効率が低 下する。
[0020] 対向電極 10のうちオリフィス 8の周囲はコロナ放電による損傷を受けやすいので、 対向電極 10の材質は耐酸化性のあるものが好ましぐ例えばステンレスやチタンが 適当でめる。
[0021] イオン化室 1に隣接して荷電室 20が配置されている。荷電室 20はイオン化室 1の オリフィス 8の出口につながる荷電室内部空間 22をもち、内部空間 22はオリフィス 8と は反対側に分析装置や成膜装置など荷電粒子を分析したり利用したりする装置へつ ながる出口 24をもっている。荷電室 20に荷電対象物を導入する導入部 26は、オリフ イス 8の出口に接近した位置に導入口 28をもつように形成されている。
[0022] イオン化室 1の内部空間 4の圧力は荷電室 20の内部空間 22よりも高圧になるよう に、荷電室 20の下流側に吸引ポンプが設けられている力、、イオン化室 1にイオン源 ガスを供給する流路に送液ポンプが設けられて!/、る力、、又はその両方が設けられて いる。オリフィス 8はイオン化室 1と荷電室 20の圧力差によりイオン化室 1から荷電室 2 0へガスが噴霧され、そのガス噴霧によりオリフィス 8の出口では陰圧が発生する程度 にオリフィス 8のサイズが小さく設定されて!/、る。
[0023] 荷電対象物導入口 28から荷電対象物を含むガスが陰圧により引き込まれて導入さ れるときの流れの厚さ、すなわちオリフィス 8からのガス噴射方向に対する荷電対象 物導入口 28の厚さ Tは十分に薄く設定されて!/、る。オリフィス 8から噴出されるイオン を含むガスの流れにそのように薄い厚さで荷電対象物が引き込まれたとき、例えば 1 0ミリ秒以内というような短時間で帯電率が平衡に達するように、オリフィス 8からのガ ス噴霧の速度とこの荷電対象物導入口 28の寸法が設定されて!/、るのが好まし!/、。こ の荷電対象物導入口 28の厚さ Tは、例えば 5mm以下、好ましくは 0. 5〜； 1mmであ
[0024] 荷電対象物導入口 28では導入部 26から供給される荷電対象物を含むガスは、ィ オン化室のオリフィス 8からの噴霧ガスの流れに対して直交する方向にガスが供給さ れるように出口の向きが配置されている。 [0025] このような荷電対象物導入部 26の形状は、オリフィス 8の寸法、導入口 28の寸法、 オリフィス 8から噴霧されるガスの流速などの条件に応じ、最適な形状となるように設 計すること力でさる。
[0026] このイオン化装置でイオン源ガスとして、例えば空気を導入口 14からイオン化室の 内部空間 4に導入し、電源装置 12により電極 6と 10の間に高電圧を印加してコロナ 放電を起こさせる。これによりイオン化室 1内では酸素又は窒素がイオン化され、ィォ ン化されていない空気とともにオリフィス 10から荷電室 20へ高速ジェット又は音速ジ エツトとなって噴霧される。荷電対象物導入部 26には荷電対象物として、例えば NaC 1蒸気を含むガスが供給される。オリフィス 8から荷電室 20へのガスの噴霧により生じ た陰圧により、荷電対象物を含むガスが荷電室 20へ引き込まれ、イオン化室 1から噴 霧されるイオンにより帯電されて出口 24から分析装置などへ供給される。
[0027] 図 2はこのイオン化装置を用いて荷電対象物をイオン化し、分級して測定するとき のシステムを概略的に表したものである。符合 30で示されるものが本発明のイオン化 装置である。イオン化装置 30に荷電対象物を供給するために、電気炉 32中に荷電 対象物としての塩化ナトリウム（NaCl)を入れた石英製ボート 34が配置され、窒素を キャリアガスとして電気炉に送り、電気炉からのガスをイオン化装置 30へ供給する。 電気炉 32からイオン化装置 32へ供給される流路の途中にはスプリット用の排気ボン プ 36が設けられて!/、る。イオン化装置 30でイオン化された荷電対象物イオンを含む ガスを分析装置 38へ導く流路にもスプリット用の排気ポンプ 40が設けられている。分 析装置 38としては例えば DMAを用い、 DMA38で分級された微粒子イオンを検出 器としてのファラデーカップ検出器 42で検出する。
[0028] この分析システムで、例えばキャリアガスとして窒素を電気炉 32に供給し、電気炉 3 2では NaClを 600°Cに加熱して昇華させる。昇華した NaCl蒸気を含む窒素ガスの 一部を排気ポンプ 36で排気しながら、 1L/分の流量になるように調整してイオン化 装置 30の荷電対象物導入部 26から供給する。イオン化装置 30ではそのイオン化室 にイオン源ガスとして空気を供給口 14から 0. 2MPに加圧しながら流量 2L/分で供 給しイオン化する。イオン化装置 30から送り出された NaClイオンを含むガスは 3L/ 分の流量であり、そのうち 2L/分を排気ポンプ 40で除去し、残りの 1L/分のガスを DMA38に供給し、分級して検出する。
[0029] 帯電室における帯電モデルを図 3に示す。帯電室 22内では完全混合 (容器内でよ く混ざり、容器内のどの部分でもイオンや粒子の濃度差が生じない意味）と仮定する
〇
a：両極イオンの再結合定数で 1. 6 X 10— 12[m3/s]、
V：イオンと粒子の結合係数、
t [s] :帯電室 22内での滞留時間で t =V/Q、
R R
V[m3] :帯電室 22の容積、
Q [m3/s]：帯電室 22のガス流量（イオンガス流量 +帯電対象物ガス流量）、 として、陽イオン濃度、陰イオン濃度、無帯電粒子濃度及び p価の帯電粒子濃度の経 時変化を以下のように計算した。 「 +」符号は陽イオン、「―」符号は陽イオンを表す。
[0030] (陽イオン濃度の経時変化）
陽イオン濃度（N+)の経時変化（dN+/dt)は次のように表わされる。
左辺：陽イオン濃度の経時変化
右辺：第 1項 陽イオンと陰イオンの再結合による消失項
第 2項 陽イオンと粒子の結合による消失項
第 3項 陽イオンの流入 ·流出項
[0031] (陰イオン濃度の経時変化）
陰イオン濃度（N— )の経時変化（dN— /dt)は次のように表わされる。
— = - a N+N ~ ^VpnpN '- ( 2 )
t 左辺：陽イオン濃度の経時変化
右辺：第 1項 陽イオンと陰イオンの再結合による消失項
第 2項 陰イオンと粒子の結合による消失項
第 3項 陰イオンの流入 ·流出項
[0032] (無帯電粒子濃度の経時変化） 無帯電粒子濃度 (n )の経時変化（dn /dt)は次のように表わされる。 ；,«+1^- - η-0 η0Ν- + _,N+- "。N十 + ("。'"— "。) ( 3 )
{R 左辺：無帯電粒子の経時変化
右辺：第 1項 陰イオンと +1価の帯電粒子の再結合による生成項
第 2項 陰イオンと無帯電粒子の結合による消失項
第 3項 陽イオンと- 1価の帯電粒子の結合による生成項
第 4項 陽イオンと無帯電粒子の結合による消失項
第 5項 無帯電粒子の流入 ·流出項
[0033] (p価の帯電粒子濃度の経時変化）
P価の無帯電粒子濃度 (n )の経時変化（dn /dt)は次のように表わされる。
= " ― PN— + —、 ― — η + ρηρΝ+ + ^― ρ1 ( 4 ) 左辺： p価の帯電粒子の経時変化
右辺：第 1項 陰イオンと p+1価の帯電粒子の再結合による生成項
第 2項 陰イオンと p価の帯電粒子の結合による消失項
第 3項 陽イオンと p-1価の帯電粒子の結合による生成項
第 4項 陽イオンと p価の帯電粒子の結合による消失項
第 5項 p価の帯電粒子の流入 ·流出項
[0034] ここで、 7]はイオンと粒子の結合係数で、非特許文献 1に記載されている以下の式 s π C ion ξ δ exp {- φ ( δ ) /kT}
Figure imgf000010_0001
により算出した。符号 sは「 +」又は「-」を表す。
[0035] 各記号の意味は次の通りである。
Cionはイオンの熱運動速度で、
Figure imgf000010_0002
と表される。ここで、 kはボルツマン定数、 Tは絶対温度、 Mionはイオンの分子量で、 M+ion = 0.109(kg/mol)、 M— ion = 0.050(kg/mol)を使用した。 Naはアポガドロ 数である。 Cionの数値として、 C+ion = 2.38X102(m/s)、 C— ion = 3.52X102(m/ s)を用いた。
[0036] ξは仮想球（limiting sphere)力も出て行くイオンの数に対する粒子に到達したィォ ンの数の害 ij合である。
[0037] δは仮想球の半径で、
_ a'-' j丄 え 'ion \ —( I ^ion 、 f 1 + ^ionヽ —I ι 凡 ion ] lion 5 \ a ノ 3 a ノ a ノ 15 a2ノ J と表される。ここで、 λ ionはイオンとガス分子が衝突するときのイオンの平均自由行 程で、
Figure imgf000011_0001
と表される。ここで、 Zionはイオンの電気移動度であり、 Zionの数値として、 Z+ion=l. 4X10— 4(m2V/s)、 Z— ion=1.9X10— 4(m2V/s)を用いた。 Mairは空気の分子量で ある。 λ ionの数値としては、
Figure imgf000011_0002
(m)、 λ— ion= 1.79 X 10— 8(m)を用 いた。 aは粒子半径である。
[0038] φは静電ポテンシャルで、
Figure imgf000011_0003
である。ここで、 ε は誘電率で、 8.855X10 F/m、 ε は比誘電率、 rは粒子中心
0 1
とイオン中心との間の距離である。
[0039] Dionはイオンの拡散係数で、
Figure imgf000011_0004
と表される。 Dionの数値として、 D+ion = 3.35X10— 6(m2/s)、 D— ion = 4.90X10—。（ m / s)を用いた。
[0040] x=a/rであり、粒子中心とイオン中心との間の無次元の距離を意味する。
[0041] bはイオンの仮想球と軌道の交点で、イオンの軌道に引かれた接線までの粒子中 心からの距離である。 [0042] これらの式から、横軸を /n (プラスかマイナスの初期イオン濃度 と、荷電 in Oin in 対象物の濃度 n の比）とし、縦軸を帯電率（charging ratio) /平衡帯電率（Equilibriu
Oin
m)として、荷電時間 tごとに図示すると図 4の結果となる。
R
[0043] 図 4の具体的な求め方は次の通りである。 0
Figure imgf000012_0001
. 1の計算の場合は、プラス帯電の計算をする際は N+ = 1. 0 X 109、n = 1. 0 X 1 in Oin
06というように計算条件を入力し、計算したいイオン化装置の滞留時間 tRを 0. 1と決 める。また、マイナス帯電の計算のときには、 N— = 1 · 0 Χ 109、η = 1 · 0 Χ 106とい in Oin
うように計算条件を入力する。この入力条件をどんどん目的の条件に合わせて入力し て粒子がイオン化装置に入りだしてからの時間経過に応じたイオン濃度の変化、帯 電率を計算する。計算結果は、イオン化装置内にイオンが存在しているが粒子がな いという条件から計算しているので、粒子濃度が目的の粒子濃度に達して帯電状態 が安定したところの値を取り出して、プロットする。計算結果は一つの粒子に対して最 大 10個（10価）のイオンが結合する場合までを想定した設定をしている。したがって 、プロットは各極性の 10価までの帯電率の合計でプロットしている。
[0044] ちなみに、平衡帯電率は非特許文献 1の 112ページの理論式 (イオンが粒子より充 分に多ぐ、滞留時間も充分にあるとき）の式より算出したもので、こちらも 10価までの 帯電率の合計を用い、先に示したイオン化装置の計算式（1)〜（4)の帯電率との比 をとつている。
[0045] このグラフは、ある粒子径（ここでは lOOnmとしている）のときの本発明の一実施例 によるイオン化装置での帯電率 (プラスかマイナス）と、非特許文献 1にある既存の両 極平衡帯電式で同粒子径のときの帯電率 (プラスかマイナス）との比を表わして!/、る。 本発明でプラス帯電したものの値を示すときは非特許文献 1の式のプラス帯電の値と 比較し、マイナス帯電粒子を対象にするときは、どちらもマイナス帯電の割合を用い
[0046] 帯電率/平衡帯電率が 1になれば安定した帯電を達成することを示している。図 4 の結果によれば、帯電時間 tが 0· 1以上であれば、 N± /n 力 S I X 102以上の条件
R in Oin
にお!/、て安定した帯電を行うことを示して!/、る。

Claims

請求の範囲
[1] イオン化ガス導入口をもつ筐体の内部に放電電極及び対向電極をもち、前記対向 電極には前記放電電極の先端に対向する位置に外部に通ずるオリフィスが形成され ているイオン化室と、
前記イオン化室の前記オリフィス側に隣接して配置され、荷電対象物導入部をもち 、前記オリフィスから放出されたイオンにより荷電対象物が帯電させられてイオンとな る荷電室と、を備え、
前記荷電室の荷電対象物導入部の導入口は前記オリフィスの出口に接近して配 置されており、
前記オリフィスの出口力 荷電室にイオンを含むガスが噴霧されて生じる陰圧により 前記荷電対象物が引き込まれるように、前記オリフィスのサイズが設定され、前記ィォ ン化室の方が前記荷電室よりも高圧になっているイオン化装置。
[2] 前記荷電対象物導入部は前記オリフィスがイオンを噴射する方向と直交する方向 に荷電対象物を導入するように配置されて!/、る請求項 1に記載のイオン化装置。
[3] 前記イオン化室が加圧されて!/、ることによりイオン化室の方が荷電室よりも高圧にな つている請求項 1又は 2に記載のイオン化装置。
[4] 前記荷電室が下流側に吸引ポンプを備えていることによりイオン化室の方が荷電 室よりも高圧になっている請求項 1から 3のいずれか一項に記載のイオン化装置。
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