(57)【要約】  イオン移動度を測定する方法および装置であって、媒体中のイオンが電界によって輸送されてイオン移動度が測定される。互いに本質的に平行な電極を回転して媒体をクエットタイプのせん断流に保つことによって測定が容易になる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体に含まれるイオンが電界によって輸送されその移動度が測定されるイオン移動度の測定方法において、２つの本質的に平行な表面が互いに独自の方向に移動されるとき前記２つの本質的に平行な表面の間で形成されるせん断流の中に媒体が保たれることを特徴とする、イオン移動度の測定方法。
【請求項２】
前記表面は互いに平行に移動されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記せん断流は本質的に層流に保たれることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記電界と前記せん断流は互いに垂直に保たれることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載の方法。
【請求項５】
種々のグレードのイオンおよびイオンの数および／または移動度および／または移動度分布が測定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記イオン移動度は測定電極によって測定されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記イオンは分析の対象となるサンプルをイオン化条件下に保つことによって発生されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記サンプルの非イオン化部分は前記媒体として使用されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記媒体はガスまたは蒸気であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
２つのプレートまたはベルトの対向する平らな面が前記２つの本質的に平行な表面を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記２つの本質的に平行な表面は互いに回転する２つの寸法の異なる本質的に同軸のシリンダの外面および内面から構成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記内側シリンダの外面と前記外側シリンダの内面との直径の関係は０．３０〜０．９９であり、好ましくは０．５０〜０．９５であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記内側シリンダは所定位置に保たれ、前記外側シリンダは回転されることを特徴とする、請求項１１〜１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記サンプルは前記内側シリンダと前記外側シリンダの間に供給されそこでせん断流となることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記サンプルは前記内側シリンダと前記外側シリンダの間にバッチで供給され層流のせん断流を形成するまで安定させてからイオン移動度が測定されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記サンプルは前記内側シリンダと前記外側シリンダの間のイオン化領域においてイオン化条件に保たれることを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記イオン化条件は前記内側シリンダの前記外面に配置されるイオン化装置によって提供されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記イオン化領域において、前記内側シリンダと前記外側シリンダの電圧は本質的に同一に保たれることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記サンプルの前記イオンは、前記内側シリンダと前記外側シリンダの間にありかつ前記イオン化領域の下流にある移送領域の電界によって輸送されることを特徴とする、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記イオンの移送は、前記外側シリンダと前記内側シリンダに配置される１つ以上のイオン集電板との間で電界を発生することによって行われることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記イオンの数とドリフト長は集電板と関連する１つ以上の測定電極によって測定されることを特徴とする、請求項１１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記測定電極は前記内側シリンダの外面に流れの方向に連続的に設置されることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記イオン化装置および／または前記測定電極を前記内側シリンダのエッジから遠ざけ、好ましくは前記内側シリンダ表面の中央に配置することによって前記媒体中の乱流が回避されることを特徴とする、請求項１７および／または２２に記載の方法。
【請求項２４】
非イオン化サンプルは前記イオン化領域の上流にある前記内側シリンダと前記外側シリンダの間に配置される基準電極によって測定されることを特徴とする、請求項１１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記移送領域を通ってドリフトしたイオンは前記移送領域の下流に設置される排出域で排出されることを特徴とする、請求項１１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
媒体中のイオンを輸送する電界（Ｅ）と、イオン移動度を測定するイオンメータ（４）とを備えるイオン移動度を測定する装置において、第１の表面（１）を有する第１の表面部材（１）と第２の本質的に平行な表面（２）を有する第２の表面部材（２）を有し、前記表面（１、２）は前記媒体の空間を制限し、イオンの移送および移動度の測定中に前記媒体はせん断流であるように前記表面部材（１、２）によって独自の方向に互いに移動されうる、イオン移動度を測定する装置。
【請求項２７】
前記表面部材（１、２）は前記表面（１、２）を互いに平行に移動するように配置されることを特徴とする、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記表面部材（１、２）は前記媒体を本質的に層流に保つように配置されることを特徴とする、請求項２６または２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記表面部材（１、２）および前記電界（Ｅ）は該電界（Ｅ）と前記せん断流（５）を互いに垂直に保つように配置されることを特徴とする、請求項２６、２７、または２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記イオンメータ（４）は様々なグレードのイオンの数および／または移動度および／または移動度分布を測定する１つ以上の要素（４）を含むことを特徴とする、請求項２６〜２８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
前記イオンメータの前記測定要素は測定電極（４）であり、好ましくは複数の測定電極があることを特徴とする、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
分析の対象となる前記サンプルをイオン化条件に保ち前記サンプルからイオンを発生するイオン化装置（３）を特徴とする、請求項２６〜３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記イオン化装置（３）はＵＶ光源、コロナ放電装置、または好ましくは放射線源（３）であることを特徴とする、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記表面部材（１、２）は前記媒体としての前記サンプルの非イオン化部分を使用するように配置されることを特徴とする、請求項２６〜３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
前記表面部材（１、２）はガス状サンプルまたは蒸気サンプルおよび／または媒体を使用するように配置されることを特徴とする、請求項２６〜３４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３６】
前記表面は２つのプレートまたはベルトの対向する本質的に平らな面かななることを特徴とする、請求項２６〜３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
前記表面（１、２）は互いに回転する２つの異なる寸法の本質的に同心のシリンダ（１、２）の外面（１）と内面（２）から構成されることを特徴とする、請求項２６〜３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３８】
前記内側シリンダの前記外面（１）と前記外側シリンダの前記内面（２）との直径の関係は０．３０〜０．９９であり、好ましくは０．５〜０．９５であることを特徴とする、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記内側シリンダ（１）は静止しており、前記外側シリンダ（２）は回転するようになっていることを特徴とする、請求項３７または３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記外側シリンダを回転するモータ（１３）を特徴とする、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記内側シリンダ（１）と前記外側シリンダ（２）の間にサンプルを供給してそこでせん断流とするサンプルの供給部材を特徴とする、請求項３７〜４０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４２】
前記供給部材は、前記外側シリンダ（２）に関連し前記シリンダ（１、２）間の空間に前記サンプルおよび／または媒体を吸い込むか、あるいは吹き込むラジアルファン部材（９）と、前記外側シリンダと接触し前記シリンダ（１、２）間の前記空間に前記サンプルおよび／または媒体が流入および流出する開口（１０、１１）とから構成されることを特徴とする、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記サンプルの前記供給部材（９）は前記サンプルおよび／または媒体をシリンダ（１、２）間の前記空間にバッチで供給する入力電流スイッチを含み、それによってバッチが層流で流れるまでは測定を開始しないことを特徴とする、請求項４１または４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記イオン化装置（３）は前記内側シリンダ（１）と前記外側シリンダ（２）の間の前記イオン化領域（１６）に配置されることを特徴とする、請求項３７〜４３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４５】
前記イオン化装置（３）は前記内側シリンダ（１）の外面に取り付けられることを特徴とする、請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記電界（Ｅ）は前記内側シリンダ（１）と前記イオン化領域（１６）の下流にある前記外側シリンダ（２）との間の移送領域に配置されることを特徴とする、請求項３７〜４５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４７】
前記電界（Ｅ）は前記外側シリンダ（２）と前記内側シリンダ（１）に配置される前記イオン集電板（１５）との間に配置される電圧から構成されることを特徴とする、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記集電板（１５）に関連して、前記イオンの数と輸送時間の測定に使用される１つ以上の測定電極（４）があることを特徴とする、請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
複数の測定電極（４）があり、これらは前記内側シリンダ（１）の外面の、流れの方向に連続的に設置されることを特徴とする、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記イオン化装置（３）と前記測定電極（４）は前記内側シリンダ（１）のエッジから離れて、好ましくは前記シリンダ（１）表面の中央に配置されることを特徴とする、請求項３７〜４９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５１】
前記内部シリンダ（１）と前記外部シリンダ（２）の間でかつ前記イオン化領域（１６）の上流に配置される基準電極（８）を特徴とする、請求項３７〜５０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５２】
前記移送領域の下流にあり、かつ該移送領域を通ってドリフトしたと見られる前記イオンが排出される排出域（６）を特徴とする、請求項４６〜５７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５３】
前記イオン化装置（３）、前記集電板（１５）、および前記測定電極（４）は、前記内側シリンダ（１）の前記外面に取り付けられる回路基板（図４）に配置されることを特徴とする、請求項３７〜５２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５４】
イオン移動度スペクトロメータであることを特徴とする、請求項２６〜５３のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、媒体中のイオンが電界によって輸送されイオン移動度が測定されるイオン移動度を測定する方法に関する。さらに、本発明は、媒体中のイオンを輸送する電界とイオン移動度を測定するイオンメータとを備える、イオン移動度を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において、イオン移動度の測定装置は、媒体中のイオン移動度と電界内の移動度分布との測定に使用される装置を指す。一般に、これらの装置によって測定される媒体は、実際にはガスであり、実測前に、放射線源、コロナ放電、または紫外線などを使ってイオン化される。
【０００３】
装置の代表的な１つの実現方法は、ガス中のイオンが所定電界の影響下で所定距離を移動するのに要する時間を測定するドリフト管を備える。異なる移動度を有するイオンは同じ距離の移動に異なる時間を要するので、この方法を使うことによって移動度スペクトルが得られる。特に、米国特許第４，７７７，３６３号およびＷＯ８９／０９９３４号には、ドリフト管の基本技術が記載されている。さらに、この技術に対する様々な改善を提示する多くの特許が存在する。一般に、この技術では、測定されるガスの一部のみが実測に影響しうる閉サイクルが使用される。
【０００４】
ガス中のイオン移動度のもう１つの測定方法は、イオンがガスの流れ方向に垂直な電界によって偏向される吸引コンデンサタイプの解決策を使用するものである。電界内のイオンの移動度は、壁または壁に設置された集電極のいずれかに衝突する前の飛行距離を決定する。集電極に衝突するイオンは測定可能な流れを発生し、測定可能な流れから被測定ガスのイオン移動度分布が一定の精度で推定されうる。一般に、この技術によって測定されるイオン化ガスは、測定装置などを通って移動することができる。特に、特許Ｆ１７５０５５号には、この技術が記載されている。特許ＷＯ０３／０８１２２４号には、このタイプのセル構造についての僅かに異なる実施方法、特に、基準電極と交流電圧電界を用いた移動度分布のより正確な測定方法が記載されている。これらの技術がもたらす課題は、特に、セルを通って移動するガスの流れを均一にすることである。さらに、セルは開放的な構造であるため、環境温度に変動があると、測定されるガスの温度も変動して被測定信号に直接影響を及ぼす。流れの層流性とガスのポンピングに使用されるポンプの耐用年数が問題を引き起こすこともある。ポンプの標準的な騒音レベルもきわめて高い。
【発明の開示】
【問題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の目的は、吸引コンデンサタイプのイオン移動度の測定に関係する前述の問題を是正することである。この是正は、主として、媒体内のイオンを電界によって輸送してイオン移動度を測定する際にイオンが互いに独自の方向に移動されるとき２つの本質的に平行な面の間の媒体にせん断流が形成され続けるようにして実現される。これらの面は互いに平行に移動されることが好ましい。これはクエット流れとも呼ばれ、２つの面が本質的に互いに平行に移動されるとき２つの平行面の間に形成される流体の流れである。せん断流は層流に保たれることが好ましく、換言すると、媒体の各粒子は本質的に独自の流線に沿って移動する。
【０００６】
電界とせん断流は鋭角、鈍角、または互いに垂直に保たれうる。互いに垂直な実施形態が最も有用である。一般に、輸送されてイオンの量、移動度、および／または移動度分布が測定される媒体の中には様々なタイプのイオンが存在する。また、この方法は、他の分析方法が結合され、あるいはより大規模な分析システムの一部となるようにして実施されうる。
【０００７】
一般に、イオン移動度は測定電極を用いて測定される。媒体は分析されるイオンを最初から含んでいてもよいが、イオンは分析の対象となるサンプルを測定前にイオン化条件に保つことによって発生されうる。その場合、サンプルの非イオン化部分は媒体として使用されるのが一般的である。サンプルはガスおよび／または蒸気であることが好ましい。
【０００８】
このように、本発明によるせん断流は、サンプルおよび／または媒体を、互いに独自の平面内で移動する本質的に平行な２つの面の間のせん断流に保つことによって発生される。本発明の実施形態によると、２つの面は一般に２つのプレートまたはベルトの対向する平らな面から構成される。本発明の他の実施形態によると、問題とする２つの面は互いに回転し、かつ寸法の異なる本質的に同心の２つのシリンダの内面と外面から構成される。このシステムは、特に、いわゆるクエット・テイラー流れを発生する。クエット・テイラー流れとは、クエット流れに属し、一方または両方のシリンダが他方に対し、あるいは互いに異なる速度でそれらの軸の周りに回転されるとき２つの本質的に同心のシリンダに間に形成される物質のせん断流を指す。この流れは、特に、粘性の測定に利用される。
【０００９】
この方法では、定位置に保たれるシリンダの表面に測定電極とイオン化源を設置することが容易になる。さらに、必要に応じて、分析されるサンプルおよび／または媒体はクエット・テイラー流れに保たれて必要なときにのみ分析したい量を新たに吸い込むことができる。同時に、サンプルおよび／または媒体は、一定の温度に加熱されて何度も分析に使用されうる。また、一般に、この方法は吸引コンデンサセルで使用されるエアポンプよりも発生する騒音がかなり小さい。
【００１０】
一般に、外側シリンダが回転されており内側シリンダが停止している場合、クエット・テイラー流れはきわめて層流に近い状態になる。代りに内側シリンダを回転すると、かなり低い動作速度と流量で流れは既に容易に乱流となる。層流クエット・テイラー流れは、プロファイルをきわめて正確に再現し、この場合、各表面のサンプルおよび／または媒体の速度が上記表面の速度と同じであって、これら両方の速度が比例して変化する。この仮説は、内側シリンダの外面と外側シリンダの内面との直径が互いに近づくと良く成り立つ。したがって、内側シリンダの外面と外側シリンダの内面との直径の比は、０．３０〜０．９９の範囲内にあることが好ましく、０．５０〜０．９５であることがさらに好ましい。
【００１１】
２つの同心シリンダのクエット・テイラー流れを使用するとき、サンプルおよび／または媒体は一般に内側シリンダと外側シリンダの間に供給されてそこでせん断流となる。サンプルは、シリンダ間に継続的に供給されうるが、サンプルをまず供給して流れが層流になるまで待ち、その後でイオン移動度が測定されることが好ましい。
【００１２】
流動するサンプルが調製と分析に関係した処置を受ける複数の領域に両シリンダ間の空間を分割することが好ましい。サンプルは、内側シリンダと外側シリンダの間の空間に配置されるイオン化領域でイオン化されうる。したがって、この領域はサンプルが主にイオン化される円弧アーチを両シリンダ間に構成する。イオン化の条件は、たとえば、内側シリンダの外面に配置されるイオン化装置によって設けられる。
【００１３】
したがって、サンプルのイオンは、イオン化領域の下流に位置する、内側シリンダと外側シリンダの間の移送領域で輸送され測定されうる。一般に、これは、外側シリンダと内側シリンダに配置されたイオン集電板との間に電界を発生することによって行われる。その場合、イオン数とイオンの移動距離は、集電板に結合された測定電極によって測定される。測定用の測定電極は、内側シリンダの外面の流れ方向に連続的に設置されることが好ましい。
【００１４】
一実施形態によると、内側シリンダに取り付けられる１つ以上の集電板の測定電極は、せん断流の方向に広くなるように配置される。同様に、外側シリンダと内側シリンダの間の電界の電圧は、イオンを輸送する最適な電圧プロファイルを得るためにせん断流の方向に変化されうる。流れるサンプルおよび／または媒体の乱流は測定を妨げる。必要な場合は、イオン化装置および／または測定電極を内側シリンダのエッジから遠ざけ、好ましくはシリンダ表面の中央に配置することによってこの乱流は回避されうる。
【００１５】
まだイオン化されていないサンプルは、イオン化領域の上流に配置される基準電極によって測定されうる。測定電極の信号から基準電極の信号を推定することによって、測定電極の信号は干渉されることなく回復されうる。これは、外周に交流電圧を使用すると、交流電圧によって実際の測定電極に生じる流れの排除に基準電極が使用されうるので特に有効である。測定後、移送領域を通ってドリフトしたイオンは移送領域の下流にある排出域で排出されうる。
【００１６】
本発明は、さらに、媒体中のイオンを移送する電界とイオン移動度を測定するイオンメータとを備えるイオン移動度の測定装置に関する。この装置は、第１の表面を有する第１の表面部材と第２の本質的に平行な表面を有する第２の表面部材とを有し、イオンの移送および移動度の測定中に媒体がせん断流となるように、これらの表面は媒体の空間を制限しこれら独自の方向に互いに表面部材によって移動されうることを特徴とする。表面部材は互いに平行に表面を移動するように配置されるならば好ましい。
【００１７】
既に前述されたように、流れは層流であることが好ましい。このため、表面部材は、媒体を層流クエット流れのせん断流に保つように配置されることが好ましい。これは、たとえば、表面を厳密に平行に保ち、流れるサンプルまたは媒体の中で乱流または波が発生しないように表面をゆっくり移動することによって行われる。イオンを輸送する電界は、せん断流に対して鋭角、鈍角、または垂直に向けられうる。この角度は垂直であることが好ましい。
【００１８】
本発明による装置のイオンメータは、様々なタイプのイオンの量、移動度および／または移動度分布を測定する１つ以上の測定要素から構成されることが好ましい。測定要素は測定電極であることが好ましく、複数の測定電極があることが好ましい。イオン化装置は、分析の対象となるサンプルをイオン化条件に保ち、移動度の測定のためにイオンをサンプルから発生する。イオン化装置は、たとえば、ＵＶ光源、コロナ放電装置、または放射線源であってもよい。イオン化装置は、約１６０μＣｉの放射能を有するＡｍ−２４１線源であることが好ましい。
【００１９】
前述されたように、せん断流は、表面部材、分析の対象となるサンプル、および表面部材の対向する本質的に平行な移動面の間にあるサンプルの利用可能な媒体によって発生される。サンプルは、本明細書では、分析の対象となる物質を指し、媒体は分析される物質を輸送する物質を指す。一般に、サンプルの非イオン化部分が媒体として機能する場合、媒体は不要である。サンプルおよび／または媒体は、ガス、蒸気、またはこれらの混合物であることが好ましい。
【００２０】
表面部材は２つの本質的に平行な面を備え、２つの面の間には媒体および／またはサンプル用の空間が配置される。これは、好ましい層流を得るために最良の方法である。本発明の好ましい実施形態によると、表面は２つのプレートまたはベルトの、対向する本質的に平らな面である。ただし、表面は、互いに回転し、本質的に同心ではあるが異なる寸法の２つのシリンダの外面と内面を備えることが好ましい。その場合、サンプルおよび／または媒体は、内側シリンダの外面と外側シリンダの内面との間の空間に供給される。表面が互いに移動されると、サンプルおよび／または媒体はクエット・テイラータイプの形で流れる。このため、クエット・テイラー流れはクエット流れのサブタイプである（上記参照）。内側シリンダの外面と外側シリンダの内面の直径は、０．３０〜０．９９の範囲内にあることが好ましく、０．５０〜０．９５であることがさらに好ましい。
【００２１】
前述されたように、シリンダの本質的に平行な表面が互いに移動されると、クエット・テイラー流れが発生される。一般に、外周が回転され内周が所定位置に保たれると、流れはきわめて層流に近い状態になる。代りに、内周を回転すると、かなり低い動作速度と流量でも流れは乱流となる。したがって、本発明の装置において、内側シリンダは所定位置にあることが好ましく、外側シリンダが回転される。層流クエット・テイラー流れはプロファイルをきわめて正確に再現し、この場合、各表面の媒体の速度が問題とする表面の速度と同じであって、これら両方の速度が比例して変化する。このことは、両シリンダの対向する表面の直径が互いに近づくと真実性が増す（上記参照）。
【００２２】
外側シリンダはモータによって回転されることが好ましい。また、本装置は、内側シリンダと外側シリンダの間にサンプルを供給してそこでせん断流とする供給部材を含みうる。供給部材は、外側シリンダと関連し、サンプルおよび／または媒体を両シリンダの間の空間に吸い込むか、あるいは吹き込む遠心ファン部材から構成されることが好ましい。その場合、モータは外側シリンダと供給部材のラジアルホイールとの両方を回転することが好ましい。さらに、外側シリンダに関連する開口が一般に必要であり、この開口を通ってサンプルおよび／または媒体が両シリンダの間の空間に流入し空間から流出する。
【００２３】
この方法の説明に関連して前述されたように、サンプル／媒体を一部として装置に供給し、これが（層流）クエット・テイラー流れに達するまで待つことが好ましい。その場合、サンプルまたは媒体を両シリンダの間の空間に供給するためにサンプルの供給部材には入力ストリームスイッチ（ｉｎｐｕｔ  ｓｔｒｅａｍ  ｓｗｉｔｃｈ）が必要であり、それによって、供給されたバッチが希望通りに流れるまで測定が開始されない。
【００２４】
一般に、本発明による装置の流動空間は、サンプルが準備され分析される複数の領域に分割される。したがって、イオン化装置は内側シリンダと外側シリンダの間のイオン化領域に配置されることが好ましい。イオン化装置は内側シリンダの外面に取り付けられることが好ましい。一方、電界は、イオン化領域の下流にある内側シリンダと外側シリンダの間の移送領域に配置されうる。
【００２５】
電界は、一般に、外側シリンダと内側シリンダ表面に配置される１つ以上のイオン集電板との間に備えられる電圧から構成される。集電板自体は測定電極として機能しうるが、好ましくは、１つ以上の測定電極が集電板、イオン数、この（これらの）電極で測定されるイオンの移動距離と関連して配置される。複数の、たとえば、３〜１２個の測定電極が存在することが好ましく、これらの測定電極は一般に内側シリンダ外面の流れの方向に連続的に設置される。層流を乱さないようにするために、イオン化装置と測定電極は内側シリンダのエッジから離れて、好ましくはシリンダ表面の中央に配置される。その場合、エッジの乱流は測定を妨げることはない。サンプルおよび／または媒体によって測定電極に誘導される信号擾乱が排除されなければならない場合は、上記イオン化領域の上流に配置される装置に基準電極を配置することが好ましい。これは外周に交流電圧を使用すると特に有効であり、基準電極は実際の測定電極の交流電圧によって生じる電流を排除するために使用されうる。
【００２６】
必要であれば、移送および測定の後に残るイオンはせん断流から取り除かれうる。このため、一実施形態によると、装置は、上記イオンが電圧によって排出される移送領域の下流にある排出域を含む。また、イオン化装置、集電板、および内側シリンダの外面に取り付けられる、回路基板上の前述の測定電極（図４）を配置することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明による１つのセル構造を示す添付図面を参照して本発明が詳しく説明される。
【００２８】
図１〜４はその表面に放射線源３およびフレキシブル回路基板を有する固定された内周１を示し、回路基板は測定電極４を含む。この場合、測定電極を含む回路基板のない内周の外径は約２５ｍｍである。金めっきされた測定電極４は、通常の回路基板製造法によってフレキシブル回路基板の表面に形成される。回路基板の表面は図４に示されており、白色領域は金属被膜が施された回路基板の領域を示し、黒色領域は金属被膜を有していない領域をそれぞれ示す。測定電極両側のガスの流れ方向には、測定電極と同じ電圧を有する金属被膜領域１５がある。これは、この領域でイオンを偏向する、できる限り安定した電界を作るためである。さらに、この配置では、測定電極で表面漏洩電流によって生じる可能性のある擾乱電流が減少する。尺度を分りやすくするために予め断っておくが、図の測定電極の幅は約１０ｍｍであり、両測定電極は約３０ｍｍの間隔が開けられている。回路基板上にある測定電極からは、紙面を通り抜けて基板の反対側に通じる貫通孔によって、セルを出て、流れを実際に測定する電位計まで導線が引き出される。放射線源３の下の基板上には、イオンが測定電極４の前の壁に衝突しないように一般に外周と同じ電圧を有する領域１６もある。また、放射線源は電気的に同じ電圧に接続される。したがって、測定電極の後の流れの方向には、回路基板上に領域６があり、この領域６には測定電極を通過している可能性のあるイオンが荷電変換されないように電圧が接続される。フレキシブル基板の厚さは一般に約１２５μｍであり、金属被膜の厚さは３５μｍである。回路基板の基材はポリイミドである。この基板は、測定電極を外側に向けて内周１の表面に接着される。
【００２９】
外周２は、モータ１３によって矢印５の方向に回転して内周１と外周２の間にせん断流を生じるように、内周１と同軸上に設置される。この場合、外周の材料はステンレス鋼である。外周２と内周１の間の空隙は約２．３ｍｍで、外周の回転速度は毎分１６００回転である。これは、１０ｍｍ幅の測定電極に対して毎分約１．７２５リットルの総流量に相当する。両シリンダ間に形成するせん断流は、その幅が測定電極両側の外側エッジを、空隙の大きさの少なくとも２倍、すなわち、この場合４．６ｍｍ以上上回るようにして実現される。これは、エッジで想定される乱流領域が測定を妨げてはならないからである。しかも、エッジ領域の流れは、理想的な層流クエット・テイラー流れから逸脱している。
【００３０】
さらに、セル内外の空気の移送系統は、外周２と同じ軸上で実現される。移送系統は、一端にラジアルファンタイプの空気移送機構９があり、他端に分析の対象となる空気が装置内に吸収されうる開口１０があるように外周２を設計することによって実施される。本発明による動作を実現するために、装置は、ラジアルファンによって生じるセル内の軸流が電極の上部から、および測定領域外のイオンに乱流またはドリフトを引き起こさないように配置されるべきである。必要な場合に、軸流を完全に防止する最も確実な方法は、開口１０または排気口１１のいずれかを閉じることによるものである。したがって、軸流は、開口１０または排気口１１の寸法、あるいはラジアルファンの構造を変更することによって希望通りに調整されうる。
【００３１】
イオンを偏向する電界は、スプリングロードスパイク（ｓｐｒｉｎｇ−ｌｏａｄｅｄ  ｓｐｉｋｅ）１２を用いて外周２に電圧を印加することによって提供される。このスパイクは外周２の中心点との電気接点である。この場合、電圧は２．５Ｖである。外周はモータ１３によって回転され、モータの外部ケーシングは、擾乱を最小にするために接地される。モータが発生する回転運動は、非導電材料で作られた中間部１４を経て外周２に伝達される。
【００３２】
流れの中のガスはＡｍ−２４１放射線源３によってイオン化される。放射線源３は、測定電極から約１ｃｍの距離でフレキシブル回路基板の表面に接着され、さらに下方の回路基板の金属被膜に電気的に接続される。放射線源の放射能は１６０μＣｉで、その表面積は１０ｍｍ×１２．５ｍｍである。たとえば、イオン化は、ＵＶ光を用いて行なわれてもよいが、コロナ放電に基づくものであってもよい。つぎに、イオン化ガスはせん断流によって集電極４までドリフトする。外周２と集電板１５の間の電界はもちろんのこと、電極４、装置の形状、外周の回転速度、ならびに、特に、電界内のガスに含まれるイオンの移動度と集電領域に到達したときのイオンの半径方向位置に応じて、イオンは測定電極または外周のいずれかと衝突する前に電界内でイオン特有の距離を移動する。
【００３３】
測定電極はイオンに起因する流れの測定に使用されうることから、ガスのイオン移動度分布とイオンの数が所定の精度で測定されうる。
【００３４】
図は電圧が外周２に対して伝導されうる領域６も示しており、したがって、集電板を通り過ぎる可能性のあるイオンは、イオン化領域３にさらに到達する前に外周２または領域６のいずれかと衝突することによって集電板の極性によっては非荷電となりうる。さらに、図はＷＯ０３  ０８１２２４の請求項１に記載された方法を適用する際に利用されうる基準電極８を示す。ＷＯ０３  ０８１２２４には、これらの図の対応する基準電極が番号２０１と４１１で示される。
【００３５】
基準電極４は種々の目的に合わせて様々な方法で配置されうる。最も簡単な方法は、先の構造例の場合にように、所望数の電極が等間隔で連続的に設置される配置を採用するものである。第２の可能性は流れの方向が大きくなるように電極を配置するもので、電極の集電領域がイオン移動度領域に対応してより均一に分布される。第３の可能性は外周に交流電圧を使用するもので、イオン移動度に関する多量の知見が得られる。交流電圧の場合、外周の電圧を変えると、外周２と測定電極の間の容量結合によって発生される電流の補正に基準電極８を使用することが役に立つ可能性もある。この方法は、ＷＯ０３  ０８１２２４に詳しく説明されている。外周には、外周に沿って移動する種々の電圧領域を設けることも可能である。この方法は、外周の電圧全体を時間に対して変更することに相当する効果をもたらす。
【００３６】
本発明の１つの活用可能性は、分析の対象となる新たなガスが内周１と外周２の間に時々、吸い込まれるということである。これによって、ガスの各部分の長期分析が可能になり、分析されるガスの条件が測定期間を通じて一定に保たれうる。そうすることによって、たとえば、ガス温度が外部条件に関係なく一定に保たれうると同時に、特に、計数時間など、ガス分析に必要な資源も減少する。
【００３７】
本発明の範囲内で、別にポンプを設けずに同一の手段によって要求されるポンピング効果が得られるように外周を形成することも可能である。構造例として、この効果はラジアルファンによって得られる。
【００３８】
本発明の範囲内で、測定は互いに全く異なる様々な方法で実施されうることに留意されたい。特に、測定電極は所望の方法で配置されうる。たとえば、平面上を移動するベルトによって、あるいは内周を回転部とすることによって、空気の流れが実現されうる。また、装置に出入りする分析ガスの移送は様々方法で設計されうる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による装置の略側面断面図を示す。
【図２】同装置の組立分解斜視図を示す。
【図３】同装置の縮小斜視図を示す。
【図４】同装置において内側シリンダの外面に取り付けられる回路基板の平面図を示す。
【図１】
2009517821.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年10月5日(2007.10.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体に含まれるイオンが電界によって輸送されその移動度が測定されるイオン移動度の測定方法において、２つの本質的に平行な表面が、互いに独自の方向に移動されることによって、前記２つの本質的に平行な表面の間で形成されるせん断流の中に媒体が保たれることを特徴とする、イオン移動度の測定方法。
【請求項２】
前記表面は互いに平行に移動されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記せん断流は本質的に層流に保たれることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記電界と前記せん断流は互いに垂直に保たれることを特徴とする、請求項１、２、または３に記載の方法。
【請求項５】
異なる種類のグレードのイオンおよびイオンの数および／または移動度および／または移動度分布が測定されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記イオン移動度は測定電極によって測定されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記イオンは分析の対象となるサンプルをイオン化条件下に保つことによって発生されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記サンプルの非イオン化部分は前記媒体として使用されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記媒体はガスまたは蒸気であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
２つのプレートまたはベルトの対向する平らな面が前記２つの本質的に平行な表面を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記２つの本質的に平行な表面は互いに回転する２つの寸法の異なる本質的に同軸のシリンダの外面および内面から構成されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記内側シリンダの外面と前記外側シリンダの内面との直径の関係は０．３０〜０．９９であり、好ましくは０．５０〜０．９５であることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記内側シリンダは所定位置に保たれ、前記外側シリンダは回転されることを特徴とする、請求項１１〜１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記サンプルは前記内側シリンダと前記外側シリンダの間に供給されそこでせん断流となることを特徴とする、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記サンプルは前記内側シリンダと前記外側シリンダの間にバッチで供給され層流のせん断流を形成するまで安定させてからイオン移動度が測定されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記サンプルは前記内側シリンダと前記外側シリンダの間のイオン化領域においてイオン化条件に保たれることを特徴とする、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記イオン化条件は前記内側シリンダの前記外面に配置されるイオン化装置によって提供されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記イオン化領域において、前記内側シリンダと前記外側シリンダの電圧は本質的に同一に保たれることを特徴とする、請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記サンプルの前記イオンは、前記内側シリンダと前記外側シリンダの間にありかつ前記イオン化領域の下流にある移送領域の電界によって輸送されることを特徴とする、請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記イオンの移送は、前記外側シリンダと前記内側シリンダに配置される１つ以上のイオン集電板との間で電界を発生することによって行われることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記イオンの数とドリフト長は集電板と関連する１つ以上の測定電極によって測定されることを特徴とする、請求項１１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記測定電極は前記内側シリンダの外面に流れの方向に連続的に設置されることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記イオン化装置および／または前記測定電極を前記内側シリンダのエッジから遠ざけ、好ましくは前記内側シリンダ表面の中央に配置することによって前記媒体中の乱流が回避されることを特徴とする、請求項１７および／または２２に記載の方法。
【請求項２４】
非イオン化サンプルは前記イオン化領域の上流にある前記内側シリンダと前記外側シリンダの間に配置される基準電極によって測定されることを特徴とする、請求項１１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記移送領域を通ってドリフトしたイオンは前記移送領域の下流に設置される排出域で排出されることを特徴とする、請求項１１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
媒体中のイオンを輸送する電界（Ｅ）と、イオン移動度を測定するイオンメータ（４）とを備えるイオン移動度を測定する装置において、第１の表面（１）を有する第１の表面部材（１）と第２の本質的に平行な表面（２）を有する第２の表面部材（２）を有し、前記表面（１、２）は前記媒体の空間を制限し、イオンの移送および移動度の測定中に前記媒体はせん断流であるように前記表面部材（１、２）によって独自の方向に互いに移動されうる、イオン移動度を測定する装置。
【請求項２７】
前記表面部材（１、２）は前記表面（１、２）を互いに平行に移動するように配置されることを特徴とする、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記表面部材（１、２）は前記媒体を本質的に層流に保つように配置されることを特徴とする、請求項２６または２７に記載の装置。
【請求項２９】
前記表面部材（１、２）および前記電界（Ｅ）は該電界（Ｅ）と前記せん断流（５）を互いに垂直に保つように配置されることを特徴とする、請求項２６、２７、または２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記イオンメータ（４）は様々なグレードのイオンの数および／または移動度および／または移動度分布を測定する１つ以上の要素（４）を含むことを特徴とする、請求項２６〜２８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
前記イオンメータの前記測定要素は測定電極（４）であり、好ましくは複数の測定電極があることを特徴とする、請求項３０に記載の装置。
【請求項３２】
分析の対象となる前記サンプルをイオン化条件に保ち前記サンプルからイオンを発生するイオン化装置（３）を特徴とする、請求項２６〜３１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３３】
前記イオン化装置（３）はＵＶ光源、コロナ放電装置、または好ましくは放射線源（３）であることを特徴とする、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記表面部材（１、２）は前記媒体としての前記サンプルの非イオン化部分を使用するように配置されることを特徴とする、請求項２６〜３３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３５】
前記表面部材（１、２）はガス状サンプルまたは蒸気サンプルおよび／または媒体を使用するように配置されることを特徴とする、請求項２６〜３４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３６】
前記表面は２つのプレートまたはベルトの対向する本質的に平らな面かななることを特徴とする、請求項２６〜３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３７】
前記表面（１、２）は互いに回転する２つの異なる寸法の本質的に同心のシリンダ（１、２）の外面（１）と内面（２）から構成されることを特徴とする、請求項２６〜３５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３８】
前記内側シリンダの前記外面（１）と前記外側シリンダの前記内面（２）との直径の関係は０．３０〜０．９９であり、好ましくは０．５〜０．９５であることを特徴とする、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記内側シリンダ（１）は静止しており、前記外側シリンダ（２）は回転するようになっていることを特徴とする、請求項３７または３８に記載の装置。
【請求項４０】
前記外側シリンダを回転するモータ（１３）を特徴とする、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記内側シリンダ（１）と前記外側シリンダ（２）の間にサンプルを供給してそこでせん断流とするサンプルの供給部材を特徴とする、請求項３７〜４０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４２】
前記供給部材は、前記外側シリンダ（２）に関連し前記シリンダ（１、２）間の空間に前記サンプルおよび／または媒体を吸い込むか、あるいは吹き込むラジアルファン部材（９）と、前記外側シリンダと接触し前記シリンダ（１、２）間の前記空間に前記サンプルおよび／または媒体が流入および流出する開口（１０、１１）とから構成されることを特徴とする、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記サンプルの前記供給部材（９）は前記サンプルおよび／または媒体をシリンダ（１、２）間の前記空間にバッチで供給する入力電流スイッチを含み、それによってバッチが層流で流れるまでは測定を開始しないことを特徴とする、請求項４１または４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記イオン化装置（３）は前記内側シリンダ（１）と前記外側シリンダ（２）の間の前記イオン化領域（１６）に配置されることを特徴とする、請求項３７〜４３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４５】
前記イオン化装置（３）は前記内側シリンダ（１）の外面に取り付けられることを特徴とする、請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記電界（Ｅ）は前記内側シリンダ（１）と前記イオン化領域（１６）の下流にある前記外側シリンダ（２）との間の移送領域に配置されることを特徴とする、請求項３７〜４５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項４７】
前記電界（Ｅ）は前記外側シリンダ（２）と前記内側シリンダ（１）に配置される前記イオン集電板（１５）との間に配置される電圧から構成されることを特徴とする、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記集電板（１５）に関連して、前記イオンの数と輸送時間の測定に使用される１つ以上の測定電極（４）があることを特徴とする、請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
複数の測定電極（４）があり、これらは前記内側シリンダ（１）の外面の、流れの方向に連続的に設置されることを特徴とする、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記イオン化装置（３）と前記測定電極（４）は前記内側シリンダ（１）のエッジから離れて、好ましくは前記シリンダ（１）表面の中央に配置されることを特徴とする、請求項３７〜４９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５１】
前記内部シリンダ（１）と前記外部シリンダ（２）の間でかつ前記イオン化領域（１６）の上流に配置される基準電極（８）を特徴とする、請求項３７〜５０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５２】
前記移送領域の下流にあり、かつ該移送領域を通ってドリフトしたと見られる前記イオンが排出される排出域（６）を特徴とする、請求項４６〜５７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５３】
前記イオン化装置（３）、前記集電板（１５）、および前記測定電極（４）は、前記内側シリンダ（１）の前記外面に取り付けられる回路基板（図４）に配置されることを特徴とする、請求項３７〜５２のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５４】
イオン移動度スペクトロメータであることを特徴とする、請求項２６〜５３のいずれか一項に記載の装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
ガス中のイオン移動度のもう１つの測定方法は、イオンがガスの流れ方向に垂直な電界によって偏向される吸引コンデンサタイプの解決策を使用するものである。電界内のイオンの移動度は、壁または壁に設置された集電極のいずれかに衝突する前の飛行距離を決定する。集電極に衝突するイオンは測定可能な流れを発生し、測定可能な流れから被測定ガスのイオン移動度分布が一定の精度で推定されうる。一般に、この技術によって測定されるイオン化ガスは、測定装置などを通って移動することができる。特に、特許Ｆ１７５０５５号には、この技術が記載されている。特許ＷＯ０３／０８１２２４号には、このタイプのセル構造についての僅かに異なる実施方法、特に、基準電極と交流電圧電界を用いた移動度分布のより正確な測定方法が記載されている。米国特許出願第２００３／００４７６８１Ａ１号および米国特許出願第２００５／０１７８９６２Ａ１号には、ＦＡＩＭＳ分析器の２つの平行な柱面間のサンプル媒体の軸流が開示されている。これらの技術がもたらす課題は、特に、セルを通って移動するガスの流れを均一にすることである。さらに、セルは開放的な構造であるため、環境温度に変動があると、測定されるガスの温度も変動して被測定信号に直接影響を及ぼす。流れの層流性とガスのポンピングに使用されるポンプの耐用年数が問題を引き起こすこともある。ポンプの標準的な騒音レベルもきわめて高い。
【国際調査報告】
2009517821.tif 000006
2009517821.tif 000007
2009517821.tif 000008