(57)【要約】【課題】粒子分析装置においては、複雑な構成を用いることなく粒子のロスが少ない校正を可能とする。【解決手段】試料ガス中の粒子の個数及び大きさを計測する計測部と、試料ガス中の粒子の成分を分析する分析部とのうちの少なくとも一つを備える粒子分析装置であって、校正粒子を含む液体を用いて、キャリアガス中に浮遊する複数の校正粒子を発生させる発生部と、発生部を調整することによって、キャリアガス中における複数の校正粒子の粒径分布を調整する調整部と、粒径分布が調整された複数の校正粒子を用いて、計測部と分析部の少なくとも一方を校正する校正部と、を備える。【選択図】図３
2020085767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料ガス中の粒子の個数及び大きさを計測する計測部と、前記試料ガス中の粒子の成分を分析する分析部とのうちの少なくとも一つを備える粒子分析装置であって、
校正粒子を含む液体を用いて、キャリアガス中に浮遊する複数の校正粒子を発生させる発生部と、
前記発生部を調整することによって、キャリアガス中における前記複数の校正粒子の粒径分布を調整する調整部と、
前記粒径分布が調整された複数の校正粒子を用いて、前記計測部と前記分析部の少なくとも一方を校正する校正部と、を備える
粒子分析装置。
【請求項２】
前記計測部および前記分析部の双方を備えており、
前記粒径分布が調整された複数の校正粒子が前記計測部と前記分析部とにそれぞれ供給され、
前記校正部は、前記計測部によって計測された前記複数の校正粒子の個数および大きさとから算出される前記複数の校正粒子全体の導入量と、前記分析部によって測定された前記複数の校正粒子の成分量とに基づいて、前記分析部の感度を校正する
請求項１に記載の粒子分析装置。
【請求項３】
前記調整部は、前記液体における前記校正粒子の濃度を調整することによって前記粒径分布を調整する
請求項１または２に記載の粒子分析装置。
【請求項４】
前記調整部は、前記校正粒子を含む液体を希釈することによって前記液体における前記校正粒子の濃度を調整する
請求項３に記載の粒子分析装置。
【請求項５】
前記調整部は、前記校正粒子を含む液体中から逆浸透膜を通じて水分を外部に排出することによって前記液体における前記校正粒子の濃度を調整する
請求項３に記載の粒子分析装置。
【請求項６】
前記調整部は、前記発生部における前記キャリアガスの流量を調整することによって前記粒径分布を調整する
請求項１または２に記載の粒子分析装置。
【請求項７】
前記発生部は、噴霧器であり、
前記調整部は、前記噴霧器の開口の大きさを調整することによって前記キャリアガスの流量を調整する
請求項６に記載の粒子分析装置。
【請求項８】
前記調整部は、前記校正粒子の濃度と、前記キャリアガスの流量との双方を調整することによって前記粒径分布を調整する
請求項１または２に記載の粒子分析装置。
【請求項９】
前記キャリアガスがそれぞれに流れる第１経路および第２経路と、
前記第１経路と前記第２経路のそれぞれの流出口が接続される混合部と、
前記第２経路に設けられて、前記第２経路を通過する前記キャリアガス中の前記校正粒子を除去するための除去部と、
前記キャリアガスが、前記第１経路と前記第２経路とに流れる流量比を調整する流量調整部と、を備え、
前記校正部は、前記混合部から供給されたキャリアガス中に浮遊する前記複数の校正粒子を用いて、前記計測部と前記分析部の少なくとも一方を校正する
請求項１から８の何れか一項に記載の粒子分析装置。
【請求項１０】
前記発生部と前記第１経路および前記第２経路との間に、前記キャリアガスに含まれる校正粒子を乾燥させるための乾燥器を備える
請求項９に記載の粒子分析装置。
【請求項１１】
前記第１経路および前記第２経路の少なくとも一方における前記キャリアガスの流量を計測する流量計測部を更に備え、
前記流量調整部は、前記流量の計測結果に基づいて前記流量比を調整する
請求項９または１０に記載の粒子分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子分析装置に関する。
【０００２】
大気中の粒子状物質（エアロゾル）の健康影響に関する関心が高まってきている。従来、試料空気中の粒子によって散乱されるレーザ光に基づいて粒子の個数および大きさを計測する粒子計測装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。試料ガス中の粒子の成分量を計測する成分分析装置が知られている（例えば、特許文献３参照）。粒子の個数および大きさを計測する計測部と、粒子の成分量を計測する分析部とを共に有する複合分析装置も知られている（例えば、特許文献４参照）。
【０００３】
粒子計測装置および成分分析装置等の装置は、装置に固有の感度を有する。感度は、測定対象物を測定したときに出力される信号強度と、測定対象物の測定対象量の絶対値とを関連づける。感度は装置の使用状態および使用期間に応じて初期状態から変化する。したがって、定期的に感度が校正される。
【０００４】
粒子計測装置および成分分析装置においては、測定対象量が既知の校正粒子を装置に導入して信号強度を測定することで感度を校正する。しかしながら、上記の特許文献１から３等に示される各装置においては、測定できる粒径が限定されている。したがって、校正粒子の粒径が各装置による測定可能粒径に調整される。
【０００５】
例えば、校正粒子を用いて校正する場合、校正粒子を電気分級器（ＤＭＡ）で分級して粒径が所定の範囲に収まる校正粒子を装置に導入する。しかしながら、電気分級器を用いる場合には、装置構成が複雑となるとともに、全体の粒子量のうち分級されて校正に用いられる粒子量の流量比が低くロスが大きい。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］  特開２０１２−１８９４８３号公報
［特許文献２］  特開昭６１−１４５４３号公報
［特許文献３］  国際公開第２０１１／１１４５８７号
［特許文献４］  国際公開第２０１６／０６７７９３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
粒子分析装置においては、複雑な構成を用いることなく粒子のロスが少ない校正が可能であることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様においては、粒子分析装置を提供する。粒子分析装置は、計測部と分析部とのうちの少なくとも一つを備えてよい。計測部は、試料ガス中の粒子の個数及び大きさを計測してよい。分析部は、試料ガス中の粒子の成分を分析してよい。粒子分析装置は、発生部を備えてよい。発生部は、校正粒子を含む液体を用いて、キャリアガス中に浮遊する複数の校正粒子を発生させてよい。粒子分析装置は、調整部を備えてよい。調整部は、発生部を調整することによって、キャリアガス中における複数の校正粒子の粒径分布を調整してよい。粒子分析装置は、校正部を備えてよい。校正部は、粒径分布が調整された複数の校正粒子を用いて、計測部と分析部の少なくとも一方を校正してよい。
【０００８】
粒子分析装置は、計測部および分析部の双方を備えてよい。粒径分布が調整された複数の校正粒子が計測部と分析部とにそれぞれ供給されてよい。校正部は、計測部によって計測された複数の校正粒子の個数および大きさとから算出される複数の校正粒子全体の導入量と、分析部によって測定された複数の校正粒子の成分量とに基づいて、分析部の感度を校正してよい。
【０００９】
調整部は、液体における校正粒子の濃度を調整することによって粒径分布を調整してよい。
【００１０】
調整部は、校正粒子を含む液体を希釈することによって液体における校正粒子の濃度を調整してよい。
【００１１】
調整部は、校正粒子を含む液体中から逆浸透膜を通じて水分を外部に排出することによって液体における校正粒子の濃度を調整してよい。
【００１２】
調整部は、発生部におけるキャリアガスの流量を調整することによって粒径分布を調整してよい。
【００１３】
発生部は、噴霧器であってよい。調整部は、噴霧器の開口の大きさを調整することによってキャリアガスの流量を調整してよい。
【００１４】
調整部は、校正粒子の濃度と、キャリアガスの流量との双方を調整することによって粒径分布を調整してよい。
【００１５】
粒子分析装置は、キャリアガスがそれぞれに流れる第１経路および第２経路を備えてよい。粒子分析装置は、混合部を備えてよい。混合部は、第１経路と第２経路のそれぞれの流出口が接続されてよい。粒子分析装置は、除去部を備えてよい。除去部は、第２経路に設けられてよい。除去部は、第２経路を通過するキャリアガス中の校正粒子を除去してよい。粒子分析装置は、流量調整部を備えてよい。流量調整部は、キャリアガスが、第１経路と第２経路とに流れる流量比を調整してよい。校正部は、混合部から供給されたキャリアガス中に浮遊する複数の校正粒子を用いて、計測部と分析部の少なくとも一方を校正してよい。
【００１６】
粒子分析装置は、発生部と第１経路および第２経路との間に、キャリアガスに含まれる校正粒子を乾燥させるための乾燥器を備えてよい。
【００１７】
粒子分析装置は、第１経路および第２経路の少なくとも一方におけるキャリアガスの流量を計測する流量計測部を更に備えてよい。流量調整部は、流量の計測結果に基づいて流量比を調整してよい。
【００１８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の粒子分析装置の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】粒子の個数および大きさを計測する計測部１０の一例を示す図である。
【図３】計測部１０および分析部２０に校正粒子を供給する供給部５０の一例を示す図である。
【図４】計測部１０および分析部２０における各測定可能粒径範囲を示す概念図である。
【図５】液体中の校正粒子の濃度と粒径分布との関係を示す模式図である。
【図６】発生部におけるキャリアガスの流量と粒径分布との関係を示す模式図である。
【図７】濃度調整部７０の一例を示す図である。
【図８】濃度調整部７０による濃度調整方法の一例を示すフローチャートである。
【図９】粒子分析装置の変形例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００２１】
図１は、本発明の粒子分析装置１００の一実施形態を示す概略構成図である。本例では、粒子分析装置１００は、計測部１０および分析部２０の双方を備える。粒子分析装置１００は、試料ガス中に浮遊する粒子であるエアロゾルを多角的に分析する粒子複合分析装置であってよい。計測部１０は、試料ガス中の粒子の個数及び大きさを計測する。分析部２０は、試料ガス中の粒子の成分を分析する。
【００２２】
粒子分析装置１００は、試料ガスを挿入する配管Ｌ１を有する。配管Ｌ１は、配管Ｌ２ａと配管Ｌ２ｂとに分岐する。配管Ｌ２ａは、計測部１０に試料ガスを導入する。配管Ｌ２ｂは、分析部２０に試料ガスを導入する。したがって、本例では、計測部１０と分析部２０とは並列に接続されている。試料ガスは、例えばエアロゾル試料である。試料ガスは、試料導入口４０から導入される。
【００２３】
一例において、粒子分析装置１００は、配管Ｌ２ａおよび配管Ｌ２ｂの分岐部分において、試料ガスの流量を制御する流量制御部１８を有する。流量制御部１８は、例えば、マスフローコントローラ、ニードル弁付き流量計、またはオリフィスである。本例では、試料導入口４０には、試料ガスを導入する代わりに、校正時には、キャリアガスが導入される。キャリアガスは、校正のための校正粒子を含んでいる。キャリアガスを供給するための供給部５０が備えられている。本実施形態の粒子分析装置１００は、供給部５０において、電気分級器等の複雑な構成を有することなく、粒径分布が調整された複数の校正粒子を計測部１０および分析部２０に導入する。供給部５０の内容については後述する。
【００２４】
計測部１０は、遮光容器１１、レーザ照射部１２、受光部１３、信号伝送部１４、第１信号処理部１５、シースエアノズル１６、および回収ノズル１７を備える。遮光容器１１は、外部から遮光された空間を提供する。レーザ照射部１２は、遮光容器１１内においてレーザ光１を照射する。レーザ光１が測定対象の粒子によって散乱されて散乱光２が生じる。受光部１３は、散乱光２を受光する。受光部１３は、受光強度に応じた電気信号を出力する。信号伝送部１４は、受光部１３から出力された電気信号を伝送する。第１信号処理部１５は、受光部１３から出力された電気信号に基づいて演算処理を実行する。演算処理によって、粒子の個数および大きさが計測される。
【００２５】
シースエアノズル１６は、遮光容器１１の側壁の一部を貫通するように設けられている。シースエアノズル１６は、試料ガスをシースエアで包み込んで射出口１６ａから射出する。ビーム状に射出された試料ガス３がレーザ光１を横切る。回収ノズル１７は、シースエアノズル１６と対応するように遮光容器１１の側壁に設けられている。回収口１７ａは、出射口１６ａと対向する位置に設けられてよい。校正処理の場合には、試料ガスに代えて、校正粒子を含むキャリアガスがシースエアノズル１６から射出され、回収ノイズ１７によって回収される。
【００２６】
回収ノズル１７の他端は、流量制御部１８に連通してよい。この場合、回収された試料ガスの全部または一部が計測部１０および分析部２０に導入されてよい。
【００２７】
計測部１０は、第１信号処理部１５において、試料ガス３中の測定対象粒子あるいはキャリアガス中の校正粒子にレーザ光１が当たったときに生じる散乱光２の受光強度に応じて出力される電気信号に基づいて演算を実行し、粒子の個数及び粒径を算出することができる。なお、本発明における「粒子の個数及び大きさ」という用語は、粒子の粒子分布を含む。
【００２８】
図２は、粒子の個数および大きさを計測する計測部１０の一例を示す図である。図２に示される計測部１０は、レーザ照射部１２としてレーザ装置１０１およびコリメータ系１０２を含む。また、計測部１０は、第１信号処理部１５として、計算機システム１０８、換算テーブル１０７、および表示部１０９を備えてよい。
【００２９】
コリメータ系１０２は、レーザ装置１０１から出力されるレーザ光を予め定められたビーム径の平行レーザビームとする。コリメータ系１０２を経たレーザ光は、ガラス配管１０３を通る測定対象の粒子群１１０に照射される。なお、上述のとおり、ガラス配管１０３に代えて、測定対象の粒子群１１０をシースエアで包み込むようにした領域に対して、レーザ光を照射してもよい。
【００３０】
測定対象の粒子群１１０の位置から等距離で、かつ散乱角θに応じて微量角度Δθ毎に散乱光の受光強度が測定される。図２では、光ファイバ１０４−１から１０４−ｎの一端が複数の散乱角θに応じた位置に配置され、他端が受光素子１０５−１から１０５−ｎに配置される。受光素子１０５−１から１０５−ｎは、それぞれの散乱角度における光強度に応じて電流を発生する。それぞれの受光素子１０５−１から１０５−ｎにおいて発生した電流は、それぞれ増幅器１０６−１から１０６−ｎによって電圧に変換されるとともに増幅されて各電気信号が生成される。生成された各電気信号は、計算機システム１０８に入力される。
【００３１】
粒径Ｄの１つの球状粒子にレーザ光のような平行な単色光を照射したときに、角度θ方向に生じる散乱光強度ｉ（Ｄ、θ）は、ミー（Ｍｉｅ）散乱理論によって正確に計算することができる。そして、測定対象の粒子群に照射したレーザ光を照射した場合の散乱強度分布Ｉ（θ）、ミー散乱理論による１粒子の散乱光強度ｉ（Ｄ、θ）、および粒子群の粒径分布ｎｒ（Ｄ）は、以下の関係を有する。
【００３２】
【数１】
2020085767.tif 000003
【００３３】
数式（１）によれば、散乱強度分布Ｉ（θ）を測定することによって、粒子群の粒径分布ｎｒ（Ｄ）を導出することができる。計測部１０は、換算テーブル１０７を備えてよい。換算テーブル１０７は、予め粒径および粒径密度が既知な基準粒子群にレーザ光を照射して測定した結果を用いて、散乱光強度分布Ｉ（θ）の測定値と理論値との比率を各散乱角について換算係数として記憶してよい。計算器システム１０８は、上記関係に基づく導出処理によって、換算テーブル１０７に記憶された予め定められた換算係数を用いて、受光素子１０５−１から１０５−ｎによって検出された散乱光強度から粒子の個数（測定対象粒子群の粒子数に相当する数密度）及び大きさ（絶対粒径分布）を算出することができる。表示部１０９は、算出結果を表示する。
【００３４】
次に、図１に戻り、分析部２０について説明する。図１に示されるとおり、分析部２０は、減圧容器２１、排気ポンプ２１ａ、エアロダイナミックレンズ２２、捕捉体２３、エネルギー線供給部２４、質量分析計２５、脱離成分回収筒２６、信号伝送部２７、および第２信号処理部２８を備えてよい。減圧容器２１は、外部に対して減圧された空間を提供する。排気ポンプ２１ａは、減圧容器２１内を減圧状態に保つ。エアロダイナミックレンズ２２は、減圧容器２１の壁の一部に設けられる。
【００３５】
エアロダイナミックレンズ２２は、減圧容器２１の気密性を保ちつつ減圧容器２１の壁部を貫通する。エアロダイナミックレンズの一端は、配管Ｌ２に連通する。実際には、計測部１０の回収ノズル１７が流量制御部１８を介して連通する配管Ｌ２に連通しているので、計測部１０からの試料ガス等の全部または一部が分析部２０に導入される。
【００３６】
エアロダイナミックレンズ２２は、内面に複数の絞り機構を備える管状構造体であってよい。管状構造体に試料ガス等を通過させることによって気相成分が除去されつつ、粒子が収束してビーム状に形成された粒子線４が射出される。捕捉体２３は、エアロダイナミックレンズ２２から射出された粒子線４中の粒子を捕捉する。捕捉体２３は、捕捉面２３ａ側がメッシュ状構造を有する。メッシュ状構造は、その捕捉面２３ａに垂直な方向から見たときの面積空隙率が８０％以上９９％以下であってよい。
【００３７】
このようなメッシュ構造によって、粒子線４が捕捉体２３に当たったときの気流による乱れが抑制される。粒子線４中の粒子が捕捉体２３の空隙に捕獲されつつ運動エネルギーが弱まるので、粒子が捕捉体２３に跳ね返されずに捕獲される。捕捉体２３の捕捉面２３ａは、エアロダイナミックレンズ２２の射出口に対して傾けて対向してよい。これにより捕捉体２３に跳ね返されて捕捉できない確率を低減することができる。
【００３８】
エアロダイナミックレンズ２２が減圧容器２１を貫通する部分の周縁には、粒子線射出角度調整部２２ａ、２２ｂが配置されてよい。粒子線射出角度調整部２２ａ、２２ｂは、エアロダイナミックレンズ２２の減圧容器２１に対する角度を調整して、粒子線４の捕捉体２３に対する照射軸を変更する。これにより捕捉体２３での粒子の捕捉位置を所望の捕捉領域の範囲内に収まるように調整することができる。粒子線射出角度調整部２２ａ、２２ｂは、例えばベローズ機構等で気密性を保ちながら角度を調整する。
【００３９】
エネルギー線供給部２４は、捕捉体２３に捕捉された粒子に対してレーザ光などのエネルギー線５を照射する。エネルギー線供給部２４は、減圧容器２１の壁の一部に設けられた透光窓を介して、粒子にエネルギー線５を照射してよい。粒子は気化、昇華、または反応して脱離成分が生じる。捕捉体２３の捕捉面２３ａは、エネルギー線供給部２４の照射口２４ａに対して傾けて対向してよい。これによりエネルギー線５が捕捉体２３に捕捉された粒子に到達しやすくなる。
【００４０】
脱離成分回収筒２６は、減圧容器２１の壁部の一部において気密性を保ちつつ壁部を貫通して設けられる。脱離成分回収筒２６の一端は減圧容器２１内部に連通され、他端は質量分析計２５に接続される。脱離成分回収筒２６は、捕捉体２３において生じた脱離成分を回収口２６ａから回収する。脱離成分回収筒２６は、回収された脱離成分を質量分析計２５に導入する。
【００４１】
質量分析計２５は、脱離成分の成分量に応じて電気信号である分析信号を出力する。分析信号は、信号伝送部２７によって第２信号処理部２８に伝送される。第２信号処理部２８は、分析信号に基づく演算処理が実行される。これにより、分析部２０は、粒子の成分および量を算出することができる。
【００４２】
粒子分析装置１００は、第３信号処理部３０を備える。計測部１０における第１信号処理部１５と、分析部２０における第２信号処理部２８とは、第３信号処理部３０に接続されてよい。第３信号処理部３０と第１信号処理部１５との間は、信号伝送部１９によって接続される。第３信号処理部３０と第２信号処理部２８との間は、信号伝送部２９によって接続される。第３信号処理部３０は、校正粒子を供給する供給部５０と信号伝送部３２によって通信可能に接続されてよい。また、第３信号処理部３０は、粒子線射出角度調整部２２ａ、２２ｂと信号伝導部３３を介して接続されてよい。
【００４３】
第３信号処理部３０は、計測部１０による粒子の個数及び大きさに関する測定結果を受信する。第３信号処理部３０は、分析部２０による粒子の成分及び量に関する測定結果を受信する。第３信号処理部３０は、受信した各測定結果を記憶する。また、第３信号処理部３０は、コンピュータであり、粒子分析装置１００における演算制御を実行する。第３信号処理部３０は、受信した測定結果を予め格納された基準値と比較してよく、比較結果に基づいて種々の判定処理を実行してもよい。第３信号処理部３０は、第１信号処理部１５を介して受光部１３に制御信号を送信してよい。第３信号処理部３０は、第２信号処理部２８を介して質量分析計２５に制御信号を送信してよい。
【００４４】
第３信号処理部３０は、校正粒子を供給する供給部５０を制御してよい。第３信号処理部３０は、粒径分布が調整された複数の校正粒子を用いて、計測部１０および分析部２０を校正する校正部の一例である。
【００４５】
図３は、計測部１０および分析部２０に校正粒子を供給する供給部５０の一例を示す図である。供給部５０は、粒径分布を調整した校正粒子を供給する供給機構６０と、乾燥器５３、および濃度調整部７０を備えてよい。
【００４６】
供給機構６０は、校正粒子を含む液体を用いて、キャリアガス中に浮遊する複数の校正粒子を発生させる発生部５１と、発生部５１を調整することによって、キャリアガス中における複数の校正粒子の粒径分布を調整する調整部とを備える。そして、第３信号処理部３０は、粒径分布が調整された複数の校正粒子を用いて、計測部１０と分析部２０の少なくとも一方を校正する。
【００４７】
発生部５１は、成分既知の溶液から所定粒径（あるいは粒径範囲）を有する校正粒子を気体中に浮遊させて流出させる。発生部５１は、噴霧器（アトマイザ）、薬品吸入用の医療用ネブライザ等であってよい。本例では、発生部５１は噴霧器である。
【００４８】
発生部５１は、校正粒子を含む液体容器５２を備える。「校正粒子を含む液体」は、校正粒子自体が分散した液体であってもよく、校正粒子の成分を溶質として含む溶液であってもよい。一例において、校正粒子が水に溶けない有機ポリマー粒子であってもよい。この場合は、「校正粒子の含む液体」は、有機ポリマー粒子が分散した水であってよい。一方、校正粒子は、硫酸アンモニウムや硝酸カリウム等の既知の成分の粒子であってよい。この場合は、「校正粒子の含む液体」は、硫酸アンモニウムや硝酸カリウム等の水溶液であってよい。一例において、硫酸アンモニウムまたは硝酸カリウム等の１００ｍｍｏｌ/Ｌ水溶液等を用いて、噴霧器によって校正粒子を発生させてよい。
【００４９】
発生部５１が噴霧器である場合には、ガス源６３、流量制御部６４および流量計測部６５が直列に接続された管が発生部５１内に挿入されてよい。ガス源６３は、キャリアガスとして使われる気体を導入する。キャリアガスは、清浄化された空気であってもよく窒素であってもよい。ガス源は、空気源であってよい。流量制御部６４は、第３信号処理部３０からの制御信号によって指示された流量となるようにキャリアガスを発生部５１内に導入する。流量制御部６４は、流量計測部６５の計測値に基づいてキャリアガスの流量を制御してよい。
【００５０】
発生部５１においてキャリアガスが導入すれることによって、校正粒子を含む液体が霧状に噴霧される。これにより校正粒子がキャリアガス中に分散される。キャリアガス中の校正粒子の粒径分布が調整される。本例の粒子分析装置１００は、発生部５１で発生した複数の校正粒子を事後的に選別する分級器とは異なる。調整部が、発生部５１自体を調整して、発生する校正粒子の粒径分布を調整する。
【００５１】
例えば、粒子分析装置１００は、希釈部６１および逆浸透膜６２を備える。希釈部６１および逆浸透膜６２は、調整部の一例である。希釈部６１および逆浸透膜６２は、それぞれ液体における校正粒子の濃度を調整することによって、キャリアガス中での校正粒子の粒径分布を調整する。液体が硫酸アンモニウムまたは硝酸カリウム等の水溶液である場合には、硫酸アンモニウムまたは硝酸カリウムの濃度を調整することによって、キャリアガス中での校正粒子の粒径分布が調整される。
【００５２】
希釈部６１は、校正粒子を含む液体を希釈することによって液体における校正粒子の濃度を調整する。また、校正粒子を含む液体中から逆浸透膜６２を通じて水分が液体容器５２の外部に排出することによって液体における校正粒子の濃度が調整されてよい。具体的には、希釈部６１によって液体が希釈されると液体における校正粒子の濃度が低くなる。一方、逆浸透膜６２を通じて液体容器５２内の水分が外部に排出されると液体における校正粒子の濃度が高くなる。調整部として機能する希釈部６１および逆浸透膜６２は、第３信号処理部３０からの制御信号にしたがって液体における校正粒子の濃度を調整してよい。
【００５３】
また、上述したような流量制御部６４が調整部の一例であってよい。流量制御部６４は、発生部５１におけるキャリアガスの流量を調整することによって、キャリアガス中における校正粒子の粒径分布を調整してよい。粒子分析装置１００は、発生部５１より下流に設けられる絞り機構６６を備えてよい。絞り機構６６は、噴霧器である発生部５１の出口配管の開口の大きさを調整することによって、キャリアガスの流量を調整する。絞り機構６６が、開口の大きさを狭めることによって校正用気体の流量を少なくすることができる。
【００５４】
粒子分析装置１００は、供給機構６０と試料導入口４０の間に乾燥器５３および濃度調整部７０を備えてよい。乾燥器５３は、キャリアガスに含まれる校正粒子を乾燥させる除湿手段である。乾燥器５３は、発生部５１から生じた粒子を除湿して乾燥させる。乾燥器５３は、例えば、シリカゲルが充填された拡散ドライヤである。発生部５１により発生した校正粒子は乾燥器５３によって表面または内部の水分が除去される。濃度調整部７０には、乾燥器５３によって除湿された複数の校正粒子が浮遊するキャリアガスが導入される。濃度調整部７０は、キャリアガス中の校正粒子の濃度を調整する。濃度は、粒子の個数濃度または質量濃度を意味してよい。濃度調整部７０については後述する。
【００５５】
図４は、計測部１０および分析部２０における各測定可能粒径範囲を示す概念図である。計測部１０および分析部２０は、それぞれ測定可能粒径範囲を有する。図４では、計測部１０における測定可能な粒径はＰ１１以上Ｐ１２以下である。分析部２０における測定可能な粒径はＰ２１以上Ｐ２２以下である。したがって、正確な校正を実行するためには、校正粒子の粒径分布８０がそれぞれの測定可能粒径範囲内となるように校正粒子の粒径分布を制御することが望ましい。
【００５６】
特に、本例のような複合分析装置の場合には、校正粒子の粒径分布８０が、計測部１０における測定可能粒径範囲であるＰ１１以上Ｐ１２以下の範囲と分析部２０における測定可能粒径範囲であるＰ２１以上Ｐ２２以下の範囲とが重畳する範囲（Ｐ２１以上Ｐ１２以下の範囲）内となるように粒径分布を制御することが望ましい。なお、粒径分布が調整された複数の校正粒子のすべてが、測定可能粒径範囲内となる必要はなく、複数の校正粒子のうち予め定められた割合の校正粒子が測定可能粒径範囲内となるように粒径分布が調整されてよい。
【００５７】
図５は、液体中の校正粒子の濃度と粒径分布との関係を示す模式図である。分級器を用いない場合には、発生する校正粒子の粒径分布８０は、図４に示されるとおり、正規分布に近い分布となる。上述したとおり、希釈部６１および逆浸透膜６２等の構成が調整部として機能する。調整部は、液体中の校正粒子の濃度を調整することによって、キャリアガス中での校正粒子の粒径分布を調整してよい。本例では、液体が硫酸アンモニウムまたは硝酸カリウム等の水溶液である場合には、硫酸アンモニウムまたは硝酸カリウムの濃度を変化させた場合において、噴霧によって生成される複数の校正粒子の粒径分布の変化が示されている。
【００５８】
図５においては、使用される水溶液における校正粒子の濃度が第１濃度の場合の粒径分布８０ａ、濃度が第２濃度の場合の粒径分布８０ｂ、および濃度が第３濃度の場合の粒径分布８０ｃが示されている。第３濃度は第２濃度より高く、第２濃度は第１濃度より高い。粒径分布８０ａのピークを示す粒径をＰ１とし、粒径分布８０ｂのピークを示す粒径をＰ２とし、粒径分布８０ｃのピークを示す粒径をＰ３とすると、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３となる。粒径分布８０ａの半値全幅をＷ１とし、粒径分布８０ｂの半値全幅をＷ２とし、粒径分布８０ｃの半値全幅をＷ３とすると、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３となる。
【００５９】
校正粒子の水溶液の濃度が高くなるにつれて、発生する校正粒子の粒径分布は、粒径が大きくなる方向に全体的に移動する。校正粒子の水溶液の濃度が高くなるにつれて、発生する複数の校正粒子の粒径分布の中心位置は、粒径が大きくなる方向に移動する。校正粒子の水溶液の濃度が高くなるにつれて、発生する複数の校正粒子の粒径分布の幅が広がる。換言すれば、校正粒子の水溶液の濃度が高くなるにつれて、粒径分布の幾何標準偏差が大きくなる。
【００６０】
校正粒子の水溶液の濃度が高くなるにつれて、粒径が大きくなりやすい理由については必ずしも明らかではないが、液体に含まれる校正粒子の濃度が高くなるにつれて、乾燥器５３等によって校正粒子の表面および内部の水分が除去されるときに、校正粒子の成分が凝集しやすくなるため粒径の大きな校正粒子が生成されやすいと考えられる。
【００６１】
図５に示されるとおり、校正粒子の水溶液の濃度を調整することによって、校正粒子の粒径分布を調整することができる。例えば、希釈部６１および逆浸透膜６２が、調整部として、それぞれ液体における校正粒子の濃度を調整することによって、キャリアガス中での校正粒子の粒径分布を調整してよい。
【００６２】
図６は、発生部５１におけるキャリアガスの流量と粒径分布との関係を示す模式図である。上述したとおり、流量制御部６４および絞り機能６６等の構成が調整部として機能する。調整部は、発生部５１におけるキャリアガスの流量を調整することによって粒径分布を調整してよい。
【００６３】
図６においては、発生部５１におけるキャリアガスの流量が第１流量の場合の粒径分布８０ｄ、流量が第２流量の場合の粒径分布８０ｅ、および流量が第３流量の場合の粒径分布８０ｆが示されている。第２流量は、第１流量より多く、第３流量は第２流量より多い。粒径分布８０ｄのピークを示す粒径をＰ４とし、粒径分布８０ｅのピークを示す粒径をＰ５とし、粒径分布８０ｆのピークを示す粒径をＰ６とすると、Ｐ４＜Ｐ５＜Ｐ６となる。粒径分布８０ｄの半値全幅をＷ４とし、粒径分布８０ｅの半値全幅をＷ５とし、粒径分布８０ｆの半値全幅Ｗを６とすると、Ｗ４＞Ｗ５＞Ｗ６となる。
【００６４】
発生部５１におけるキャリアガスの流量が多くなるにつれて、発生する校正粒子の粒径分布は、粒径が大きくなる方向に全体的に移動する。発生部５１におけるキャリアガスの流量が多くなるにつれて、発生する複数の校正粒子の粒径分布の中心位置は、粒径が大きくなる方向に移動する。発生部５１におけるキャリアガスの流量が多くなるにつれて、発生する複数の校正粒子の粒径分布の幅が狭くなる。換言すれば、校正粒子の水溶液の濃度が高くなるにつれて、粒径分布の幾何標準偏差が小さくなる。
【００６５】
発生部５１におけるキャリアガスの流量が多くなるにつれて、粒径が大きくなりやすい理由については必ずしも明らかではないが、キャリアガスの流量が多くなるにつれて、比較的大きな水滴が噴霧可能となり、乾燥器５３等によって校正粒子の表面および内部の水分が除去されるときに、比較的大きな水滴内に含まれる校正粒子の成分が凝集するため粒径の大きな校正粒子が生成されやすいと考えらえる。
【００６６】
図６に示されるとおり、発生部５１におけるキャリアガスの流量を調整することによって、校正粒子の粒径分布を調整することができる。一例において、流量制御部６４および絞り機構６６の少なくとも一方が、調整部として、発生部５１におけるキャリアガスの流量を調整することによって、キャリアガス中での校正粒子の粒径分布が調整されてよい。
【００６７】
図５および図６を対比すると、図５のように液体における校正粒子の濃度を調整する方が、図６のように発生部５１におけるキャリアガスの流量を調整する場合に比べて、粒径分布を大きく変化させることができる。図５のように液体における校正粒子の濃度を調整する方が、図６のように発生部５１におけるキャリアガスの流量を調整する場合に比べて、複数の幾何平均粒径と幾何標準偏差が大きく変化する。
【００６８】
一方、図６のように発生部５１におけるキャリアガスの流量を調整は、液体における校正粒子の濃度を調整に比べて迅速かつ容易に実行することができる。したがって、図６のように発生部５１におけるキャリアガスの流量を調整することは、粒径分布の微調整に好適に用いることができる。液体における校正粒子の濃度の調整と、発生部５１におけるキャリアガスの流量の調整を併用することで、粒径分布をきめ細かく調整することができる。
【００６９】
また、図５のように液体における校正粒子の濃度を高くする処理と、図６のように発生部５１におけるキャリアガスの流量を多くする処理とは、共に、幾何平均粒径を大きくする点で共通する。一方、図５のように液体における校正粒子の濃度を高くする処理は、粒径分布の幅、すなわち幾何標準偏差を大きくするのに対し、図６のように発生部５１におけるキャリアガスの流量を多くする処理は、粒径分布の幅、すなわち幾何標準偏差を小さくする。したがって、液体における校正粒子の濃度の調整と、発生部５１におけるキャリアガスの流量の調整を併用することで、粒径分布の幅、すなわち幾何標準偏差の増減を相殺して抑制しつつ、粒径分布の全体の粒子径を調整することが可能となる。
【００７０】
但し、本実施形態の粒子分析装置１００は、この場合に限られず、液体における校正粒子の濃度の調整と、発生部５１におけるキャリアガスの流量の調整のどちらか一方のみによって、粒径分布を調整してよい。また、調整部として、希釈部６１、逆浸透膜６２、流量制御部６４、および絞り機構６６のすべてを備える必要はなく、少なくとも一つの構成を有してよい。
【００７１】
このように粒径分布が調整された複数の校正粒子を使うこと以外は、従前の校正と同様であってよい。例えば、第３信号処理部３０が、粒径分布が調整された複数の校正粒子を用いて、計測部１０および分析部２０を校正する。
【００７２】
成分既知の校正粒子が計測部１０および分析部２０に導入される。試料導入口４０は、校正粒子が浮遊しているキャリアガスの導入と試料ガスの導入とを切り替える切替手段を備えてよい。分析部２０は、校正粒子の成分量を測定する。一方、計測部１０は、分析部２０が成分量を測定したときの、校正粒子の数と校正粒子の大きさとから校正粒子の導入量を算出する。そして、第３信号処理部３０は、計測部１０の測定結果を用いて算出した校正粒子の導入量と、分析部２０によって測定した成分量とに基づいて、分析部２０の感度を校正してよい。
【００７３】
但し、校正は、上記の場合に限られない。粒子分析装置１００において、粒径分布が既知となるように調整された校正粒子を計測部１０に導入し、計測部１０を校正してもよい。計測部１０によって実測された粒径分布と、上記の既知の粒径分布とを比較して計測部１０を校正してもよい。
【００７４】
図５および図６に示されるとおり、本実施形態の粒子分析装置１００によれば、電気分級器（ＤＭＡ）で分級しなくとも、発生部５１を調整することによって、発生する粒子分布を調整することができる。液体における校正粒子の濃度を調整およびキャリアガスの流量を調整することによって、任意に粒径分布の形状、すなわち、幾何平均粒径と幾何標準偏差を調整することができる。したがって、計測部１０および分析部２０の測定可能粒径の範囲に適合するように粒径分布の形状を調整することができる。したがって、電気分級器（ＤＭＡ）で分級しなくとも、正確な校正が可能となる。
【００７５】
また、分級器を用いる場合には、発生部５１で発生した複数の校正粒子の全体うち、一部の粒子のみが分級されて校正に用いられる。したがって、発生部５１で発生させた校正粒子の量に対する、計測部１０および分析部２０まで導入される校正粒子の量の割合が低く、校正粒子のロスが生じる。これに対し、本実施形態の粒子分析装置１００によれば、発生部５１を調整することによって、発生部５１で発生する校正粒子の粒径分布を調整するので、分級器を用いる場合に比べて、全体量に対して、計測部１０および分析部２０まで導入される校正粒子の量の割合を高めることができる。
【００７６】
図７は、濃度調整部７０の一例を示す図である。感度の校正を実行する場合には、上述したように校正粒子を用いることが必要である。検出される信号のふらつきを考慮すると、正確に感度校正するためには、例えば１時間程度、一定の個数濃度または質量濃度の標準粒子を発生させ、計測部１０および分析部２に導入する必要がある。
【００７７】
濃度調整部７０は、校正用粒子がそれぞれ流れる第１経路Ｌ７１および第２流路Ｌ７２を備える。濃度調整部７０は、混合部７１を備える。混合部７１は、第１経路Ｌ７１および第２粒子Ｌ７２のそれぞれの流出口が接続されてよい。なお、第１経路Ｌ７１および第２経路Ｌ７２は互いに合流した後に流出口が混合部７１に接続されてもよく、第１経路Ｌ７１および第２経路Ｌ７２が、それぞれ直接的に混合部７１に接続されてもよい。
【００７８】
第１経路Ｌ７１には、絞り機構７２が設けられている。絞り機構７２を上述した流量調整用の絞り機構６６（図３）として兼用してもよい。この場合、別途の部品として絞り機構６６を省略することができる。絞り機構７２としては、粒子が通過するときに目詰まりが起きにくい形状のオリフィス等の機構が設けられる。
【００７９】
一方、第２経路Ｌ７２には、除去部７３、流量調整部７４、および流量計測部７５が設けられてよい。除去部７３、流量調整部７４、および流量計測部７５は、第２経路Ｌ７２に直列に設けられてよい。除去部７３は、流量調整部７４および流量計測部７５より上流に設けられてよい。なお、乾燥器５３は、供給機構６０内の発生部５１と、第１経路Ｌ７１および第２経路Ｌ７２との間に設けられてよい。乾燥器５３は、上述したように、キャリアガスに含まれる校正粒子を乾燥する。
【００８０】
除去部７３は、第２経路Ｌ７２に設けられる。除去部７３は、第２経路Ｌ７２を通過するキャリアガス中の校正粒子を除去する。除去部７３は、ラインフィルタ等であってよい。流量調整部７４は、キャリアガスが、第１経路Ｌ７１と第２経路Ｌ７２とに流れる流量比を調整する。本例のように一つの経路が第１経路および第２経路に分岐している場合には、第１経路Ｌ７１および第２経路Ｌ７２の少なくとも一方を流れるキャリアガスの流量を調整することで、キャリアガスが第１経路Ｌ７１と第２経路Ｌ７２とに流れる流量比を調整することができる。流量調整部７４は、ベローズバルブまたはニードルバルブ等のような流量の微調整が可能なバルブであってよい。
【００８１】
流量計測部７５はパージメータ等の流量計であってよい。流量調整部７４は、第３信号処理部３０からの制御信号を受けて、流量計測部７５による測定された流量に基づいて、第１経路Ｌ７１と第２経路Ｌ７２とに流れる流量比を調整する。なお、流量表示機能付きのマスフローコントローラを用いることによって、流量調整部７４と流量計測部７５とを同一の機器で実現してもよい。
【００８２】
第１経路Ｌ７１は、キャリアガス中の校正粒子を通過させるのに対して、第２経路Ｌ７２は、校正粒子を通過させない。第１経路Ｌ７１および第２経路Ｌ７２は混合部７１に接続されてよい。混合部７１は第１経路Ｌ７１および第２経路Ｌ７２から出力された校正気体を混合する。校正粒子を含んだままのキャリアガスと校正粒子が除去されたキャリアガスとが、設定された流量比で混合されて濃度が調整される。混合部７１は、濃度が調整されたキャリアガスを均一に拡散する。混同部７１によって均一に拡散されたキャリアガスは、試料導入口４０を介して、計測部１０および分析部２０に導入される。
【００８３】
図８は、濃度調整部７０による濃度調整方法の一例を示すフローチャートである。発生部５１は、校正粒子を発生する（ステップＳ１０１）。校正粒子の粒径分布が調整される。典型的には粒径０．０１μｍ以上１０μｍ以下の範囲、より典型的には粒径０．１μｍ以上２．５μｍ以下の範囲に分布を有する校正粒子などを用いることができる。
【００８４】
濃度調整部７０は、計測部１０等におけるキャリアガス中の校正粒子の濃度測定値を確認する（ステップＳ１０２）。濃度測定値は、粒子の個数濃度測定値または質量濃度測定値を意味してよい。濃度測定値が、目標濃度である場合には（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、調整は不要である。キャリアガス中の校正粒子濃度の調整が完了する（ステップＳ１０４）。
【００８５】
キャリアガス中の濃度測定値が目標濃度である場合には、濃度測定値が目標とする所定の濃度範囲の場合が含まれてよい。濃度測定値が、目標濃度より高い場合には（ステップＳ１０３：ＮＯ、ステップＳ１０５：ＹＥＳ）、計測部１０および分析部２０におけるキャリアガス中の校正粒子の濃度を低くする必要がある。この場合、第２経路Ｌ７２の流量調整部７４においてバルブを開側に調整して、第１経路Ｌ７１の流量に対する第２経路Ｌ７２の流量の流量比を高くする（ステップＳ１０６）。調整度合は、濃度測定値と目標濃度との差分と、流量計測部７５の値とに基づいて決定されてよい。
【００８６】
換言すれば、キャリアガス中の濃度測定値が目標濃度より高い場合には、第１経路Ｌ７１を流れる流量比を低くする。校正粒子は第１経路Ｌ７１のみを通過できるので、第１経路Ｌ７１の流量比が下がると計測部１０および分析部２０に導入される粒子濃度を低くすることができる。
【００８７】
濃度測定値が、目標濃度より低い場合には（ステップＳ１０３：ＮＯ、ステップＳ１０５：ＮＯ）、計測部１０および分析部２０におけるキャリアガス中の校正粒子の濃度を高くする必要がある。この場合、第２経路Ｌ７２の流量調整部７４においてバルブを閉方向に調整して、第１経路Ｌ７１の流量に対する第２経路Ｌ７２の流量の流量比を低くする（ステップＳ１０７）。換言すれば、キャリアガス中の濃度測定値が目標濃度より低い場合には、第１経路Ｌ７１を流れる流量比を高くする。校正粒子は第１経路Ｌ７１のみを通過できるので、第１経路Ｌ７１の流量比が高くなると計測部１０および分析部２０に導入される粒子濃度を高くすることができる。
【００８８】
ステップＳ１０６またはステップＳ１０７の処理の後、再度、処理がステップＳ１０２の処理に戻る。濃度測定値が、目標濃度となるのを待って（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、キャリアガス中の校正粒子の濃度調整が完了する（ステップＳ１０４）。時間の変動により濃度測定値が変動することを防ぐために、一定のサイクルで周期的にステップＳ１０２〜ステップＳ１０７の処理が繰り返されてよい。
【００８９】
図８に示される処理によれば、校正処理の間の校正気体中の校正粒子の濃度変動を低減することができる。したがって、校正の正確性を高めることができる。濃度調整部７０によれば、粒径分布の中心位置および幅を変更することなく、高さ（個数）を変更することができる。
【００９０】
図９は、粒子分析装置の変形例を示す概略構成図である。図１から図８では、計測部０１０と分析部２０とを備える複合分析装置の場合を例にとって説明したが、計測部１０と分析部２０の少なくとも一方を備える粒子分析装置１００に対しても本発明を適用することができる。
【００９１】
計測部１０を備える粒子分析装置１００において、粒径分布が既知となるように調整された校正粒子を計測部１０に導入し、計測部１０を校正してもよい。一例において、校正部として機能する第１信号処理部１８は、計測部１０によって実測された粒径分布と、上記の既知の粒径分布とを比較して計測部１０を校正してもよい。
【００９２】
分析部２０を備える粒子分析装置１００において、粒径分布が既知となるように調整された校正粒子を分析部２０に導入し、分析部２０を校正してもよい。例えば、校正部として機能する第２信号処理部２８は、既知の粒径分布から校正粒子の導入量を算出する。そして、第２信号処理部２８は、算出された導入量と、分析部２０によって測定した成分量とに基づいて、分析部２０の感度を校正してもよい。
【００９３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。一例において、超音波振動によって液体から噴霧を発生させる発生部を用いてよい。
【００９４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００９５】
３・・試料ガス、４・・粒子線、５・・エネルギー線、１０・・計測部、１１・・遮光容器、１２・・レーザ照射部、１３・・受光部、１４・・信号伝送部、１５・・第１信号処理部、１６・・シースエアノズル、１７・・回収ノズル、１８・・流量制御部、１９・・信号伝送部、２０・・分析部、２１・・減圧容器、２２・・エアロダイナミックレンズ、２３・・捕捉体、２４・・エネルギー線供給部、２５・・質量分析計、２６・・脱離成分回収筒、２７・・信号伝送部、２８・・第２信号処理部、２９・・信号伝送部、３０・・第３信号処理部、３２・・信号伝送部、３３・・信号伝導部、４０・・試料導入口、５０・・供給部、５１・・発生部、５２・・液体容器、５３・・乾燥器、６０・・供給機構、６１・・希釈部、６２・・逆浸透膜、６３・・ガス源、６４・・流量制御部、６５・・流量計測部、６６・・絞り機構、７０・・濃度調整部、７１・・混合部、７３・・除去部、７４・・流量調整部、７５・・流量計測部、８０・・粒径分布、１００・・粒子分析装置、１０１・・レーザ装置、１０２・・コリメータ系、１０３・・ガラス配管、１０４・・光ファイバ、１０５・・受光素子、１０６・・増幅器、１０７・・換算テーブル、１０８・・計算機システム、１０９・・表示部、１１０・・粒子群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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