(57)【要約】  粒子を検出するかつ／または収集するための方法およびシステムが開示される。粒子の少なくとも一部は、チャージャ（１２２）によって帯電される。帯電粒子の少なくとも一部は、収集器（１４０）によって収集される。帯電粒子の測定電荷に基づく検出／収集された粒子の数を示す情報は、プロセッサ（１７０）によって得られる。
2013535015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子を検出または収集するための装置であって、
前記粒子の少なくとも一部を帯電させるチャージャと、
前記帯電粒子の少なくとも一部を収集する収集器と、
前記帯電粒子の測定電荷に基づいて前記検出／収集された粒子の量を示す情報を得るプロセッサとを備える装置。
【請求項２】
前記チャージャは、静電気発生器を備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記チャージャは、前記静電気発生器から前記粒子の前記少なくとも一部に電荷をロードする電荷ローダをさらに備える請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電荷ローダは、針のアレイを備える請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記針はそれぞれ、約５ｍｍの高さを有する請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記アレイは、約２ｃｍ×２ｃｍのサイズを有する請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記針はそれぞれ、電荷ローディング効率を改善するために複数の分枝を備える請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記電荷ローダは、複数のインタレース式突出部を備える請求項３に記載の装置。
【請求項９】
前記電荷ローダは、複数の溝を有する金属表面を備え、前記溝は、ブレードで前記金属表面を引っ掻くことによって形成される請求項３に記載の装置。
【請求項１０】
粒子サイズに基づいて粒子を選択するフィルタをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記フィルタは、閾値サイズより大きい粒子が前記チャージャによって帯電されるのを防止するように構成される請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記フィルタは、空気流中の前記粒子の密度を減少させるようにさらに構成される請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記粒子の流れ用のチャネルをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記流れは、前記粒子を含む空気流である請求項１４に記載の装置。
【請求項１５】
前記チャネルは、少なくとも１つの帯電屈曲部を備える請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記屈曲部は、前記粒子の少なくとも一部を前記チャージャと同じ極性に帯電させるように構成される請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記チャネルは、蛇行部を備え、前記蛇行部は、帯電され、前記流れの中の未帯電粒子の少なくとも一部を前記チャージャと同じ極性に帯電させるように構成される請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記チャネルは、前記流れの中の未帯電粒子の少なくとも一部を前記チャージャと同じ極性にさらに帯電させるように構成された少なくとも１つの帯電突出部を備える請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記突出部は、針または伝導性ネットワークの少なくとも一方を含む請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
測定される前記粒子の密度を減少させる希釈器をさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記希釈器は、複数の等級付けチャンバを備える請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記複数の等級付けチャンバのうちの２つの等級付けチャンバ間に複数のコネクタをさらに備え、前記複数のコネクタはそれぞれ、異なる径を有する請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記希釈器は、サブチャンバおよび真空弁を備え、前記複数の等級付けチャンバのうちの１つの等級付けチャンバは、前記真空弁を通して排気されるように構成され、前記サブチャンバは、前記複数の等級付けチャンバのうちの１つの等級付けチャンバ内に前記サブチャンバの内容物を解放し、希釈された内容物を有するように構成される請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
前記希釈器は、それぞれが異なる径を有する複数の等級付けチャネルを備える請求項２０に記載の装置。
【請求項２５】
前記収集器は、前記収集された帯電粒子によってもたらされる電気パルスを測定するように構成され、前記測定される電気パルスは、パルス閾値を超える請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記収集器は、帯電粒子間のクーロン反発力、磁界内での帯電粒子の運動、電界内での帯電粒子の運動、または前記帯電粒子によるキャパシタンスの変化の少なくとも１つに基づいて電荷を測定するように構成された電気パルス検出器を備える請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記粒子は、約０．１ｎｍ〜約１０００ｎｍのサイズを有する請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記収集器は、伝導性湾曲シェルを備え、前記伝導性湾曲シェルは、前記伝導性湾曲シェルの表面に沿って前記帯電粒子を移動させるように構成される請求項１に記載の装置。
【請求項２９】
前記帯電粒子は、クーロン反発力によって前記伝導性湾曲シェルの表面全体にわたって分散されるように構成される請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記収集器は、
前記帯電粒子を収集する伝導性メッシュと、
前記帯電粒子の軌道を修正する電界発生器および磁界発生器の少なくとも一方とを備える請求項１に記載の装置。
【請求項３１】
空気中のナノ粒子を検出するように構成される請求項１に記載の装置。
【請求項３２】
前記ナノ粒子の濃度を示すインジケータをさらに備える請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記有害なナノ粒子の濃度が閾値濃度を超える場合、通知または警報を提供するようにさらに構成される請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
前記情報は、粒子計数、濃度情報、または両方を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３５】
粒子を検出または収集する方法であって、
流れの中の前記粒子の少なくとも一部を帯電させること、
前記帯電粒子の少なくとも一部を収集すること、および、
前記収集された帯電粒子の電荷に基づいて前記検出／収集された粒子の量を示す情報を得ることを含む方法。
【請求項３６】
前記電荷を測定することをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記測定することは、前記収集された帯電粒子によってもたらされる電流パルスを検出することを含む請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記検出することは、帯電粒子間のクーロン反発力、磁界内での帯電粒子の運動、電界内での帯電粒子の運動、または前記帯電粒子によるキャパシタンスの変化の少なくとも１つに基づく請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記電流パルスの検出閾値を確定することをさらに含む請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
複数の場所で電荷を測定すること、および、
単一プロセッサを使用して、前記複数の場所からの測定データを処理することをさらに含む請求項３６に記載の方法。
【請求項４１】
湾曲した伝導性シェルにわたって前記帯電粒子を分散させることをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
前記湾曲した伝導性シェルは、半球表面を有する請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記分散させることは、クーロン反発力による請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
粒子計数または密度情報と電荷との間の相関を確立することをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
帯電蛇行状チャネルを通して前記粒子を流すことをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
複数の等級付けチャンバを使用して前記流れの中の前記粒子の密度を希釈することをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４７】
前記帯電させることの前に前記流れをろ過することをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４８】
あるタイプの粒子の濃度が閾値濃度を超える場合、通知または警報を提供することをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項４９】
電界または磁界の少なくとも一方によって前記帯電粒子の軌道を修正することをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項５０】
前記流れからサンプルを得ること、
前記サンプルを複数の容積に分割すること、
前記複数の容積のそれぞれから、前記収集された帯電粒子の電荷に基づいて前記検出／収集された粒子の量を示すデータセットを測定すること、および、
前記複数のデータセットの統計解析を実施することをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項５１】
統計解析を前記実施することは、ニューラルネットワークを使用して実施される請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
較正用の基準として前記流れがない状態のデータセットを測定すること、および、
前記基準を使用して前記得られた情報を較正することをさらに含む請求項３５に記載の方法。
【請求項５３】
検出器を通過する少なくとも一部のナノ粒子を帯電させるチャージャと、
前記帯電ナノ粒子の少なくとも一部を収集する収集器と、
前記収集された帯電ナノ粒子の測定電荷に基づいて前記検出されたナノ粒子の量を示す情報を得るプロセッサと
を備えるナノ粒子検出器。
【請求項５４】
前記ナノ粒子の計数または密度情報を示すインジケータをさらに備える請求項５３に記載のナノ粒子検出器。
【請求項５５】
前記ナノ粒子の流れ用のチャネルをさらに備える請求項５３に記載のナノ粒子検出器。
【請求項５６】
前記流れは、前記ナノ粒子を含む空気流である請求項５５に記載のナノ粒子検出器。
【請求項５７】
前記チャネルは、少なくとも１つの帯電屈曲部を備える請求項５５に記載のナノ粒子検出器。
【請求項５８】
前記帯電屈曲部は、前記ナノ粒子の少なくとも一部を前記チャージャと同じ極性に帯電させるように構成される請求項５７に記載のナノ粒子検出器。
【請求項５９】
前記チャネルは、蛇行部を備え、前記蛇行部は、帯電され、前記流れの中の未帯電粒子の少なくとも一部を帯電させるように構成される請求項５５に記載のナノ粒子検出器。
【請求項６０】
前記チャネルは、前記流れの中の未帯電粒子の少なくとも一部をさらに帯電させるように構成された少なくとも１つの帯電突出部を備える請求項５５に記載のナノ粒子検出器。
【請求項６１】
前記突出部は、針または伝導性ネットワークの少なくとも一方を含む請求項６０に記載のナノ粒子検出器。
【請求項６２】
前記ナノ粒子の計数または密度が閾値を超える場合、警報を提供するデバイスをさらに備える請求項５３に記載のナノ粒子検出器。
【請求項６３】
粒子を検出または収集するためのシステムであって、複数の装置を備え、前記複数の装置はそれぞれ、
前記粒子の少なくとも一部を帯電させるチャージャと、
前記帯電粒子の少なくとも一部を収集する収集器と、
前記複数の装置のそれぞれからの前記帯電粒子の測定電荷に基づいて前記検出／収集された粒子の量を示す情報を得るプロセッサとを備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、その内容が参照により本明細書に組込まれる、発明者Ｍａ  Ｙｕ−Ｃｈｅｎによる「Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の２０１０年６月２９日に出願された同時係属中の中国特許出願シリアル番号第２０１０１０２１４８４８．６号に対して優先権を主張する。
【０００２】
本開示は、粒子、特にナノ粒子を検出または収集するための方法およびシステムを対象とする。
【背景技術】
【０００３】
本明細書で別段示されない限り、このセクションで述べる材料は、本出願の特許請求の範囲にとって従来技術ではなく、また、このセクションに含まれることによって従来技術であると認められない。
【０００４】
ナノ粒子は、市場でますます使用されており、ナノチューブの形態の炭素、および、バッキーボール、金属酸化物、半導体などを含む広範な材料から作ることができる。
【０００５】
少なくとも一部にはそのサイズが非常に小さいことにより、人の健康に対する潜在的なナノ粒子の影響に関する疑問もまた問われてきた。たとえば、ナノ粒子が、呼吸器を通して人の身体に入ると、人の身体がナノ粒子を排出することは難しい場合がある。同様に、より大きな従来の粒子は皮膚内の孔およびチャネルを通して嵌る可能性が低いが、皮膚を通したナノ粒子の潜在的な吸収に関する懸念が生じている。ナノ粒子の微細な粒子径はまた、ろ過または他の方法で環境から取除くことを難しくする。
【０００６】
従来の粒子検出技術は、ナノ粒子の存在を検出または測定するときに有効でない。
【発明の概要】
【０００７】
種々の状況において、たとえばナノ材料の生産または試験プロセス中に、ナノ粒子の放出を監視するか、または、ナノ粒子を収集し、それにより、環境内のナノ粒子の密度を下げる必要性が存在することを本出願人は認識した。したがって、ナノ粒子または一般に小サイズの他の粒子を効率的に検出するかつ／または収集する装置および方法が本明細書で開示される。
【０００８】
一態様では、粒子を検出または収集するための装置が述べられる。装置は、粒子の少なくとも一部を帯電させるチャージャと、帯電粒子の少なくとも一部を収集する収集器と、帯電粒子の測定電荷に基づいて検出／収集された粒子の量を示す情報を得るプロセッサとを備えることができる。
【０００９】
他の態様では、粒子を検出または収集する方法が述べられる。方法は、流れの中の粒子の少なくとも一部を帯電させること、帯電粒子の少なくとも一部を収集すること、および、収集された帯電粒子の電荷に基づいて検出／収集された粒子の量を示す情報を得ることを含むことができる。
【００１０】
他の態様は、ナノ粒子検出器を示す。ナノ粒子検出器は、検出器を通過する少なくとも一部のナノ粒子を帯電させるチャージャと、帯電ナノ粒子の少なくとも一部を収集する収集器と、収集された帯電ナノ粒子の測定電荷に基づいて、検出されたナノ粒子の量を示す情報を得るプロセッサとを備えることができる。
【００１１】
さらに他の態様は、粒子を検出または収集するためのシステムを示す。システムは、複数の装置を備えることができ、複数の装置はそれぞれ、粒子の少なくとも一部を帯電させるチャージャと、帯電粒子の少なくとも一部を収集する収集器と、複数の装置のそれぞれからの帯電粒子の測定電荷に基づいて検出／収集された粒子の量を示す情報を得るプロセッサとを備えることができる。
【００１２】
先の要約は、例示に過ぎず、いずれの点でも限定するものではない。上述した例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、他の態様、実施形態、および特徴が、図面および以下の詳細な説明を参照して明らかになる。
【００１３】
本開示の先のまた他の特徴は、添付図面に関連して考えられる、以下の説明および添付特許請求の範囲からより完全に明らかになる。これらの図面が、本開示によるいくつかの実施形態を示すだけであり、したがって、本開示の範囲を制限するものと考えられないことを理解して、本開示は、添付図面の使用を通して他の特異性および詳細を持って述べられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】空気流内のナノ粒子の検出用の例示的なシステムを示す図である。
【図２】電荷ローディング効率を改善する、複数の分枝を有する針の拡大図である。
【図３】インタレース式指部または板を含む、考えられる電荷ローディング構造を示す図である。
【図４】溝付き表面を含む考えられる電荷ローディング構造を示す図である。
【図５】粒子を帯電させることができる帯電屈曲または蛇行部を示す図である。
【図６】未帯電粒子を帯電させることができる１つまたは複数の帯電突出部を有するチャネル部を示す図である。
【図７】入力粒子密度が高いときに、測定される粒子の密度を減少させ、結果として得られる測定の精度を改善するために任意選択で使用することができる希釈器を示す図である。
【図８】径が異なる複数のコネクタを有する代替の希釈器を示す図である。
【図９】粒子密度を減少させるために使用することができる、考えられるチャンバおよびサブチャンバ設計を示す図である。
【図１０】径が異なる複数の等級付けチャネルを含む代替の希釈器設計を示す図である。
【図１１】帯電粒子を収集できる伝導性メッシュを含む考えられる受取り器設計を示す図である。
【図１２】サンプル内のナノ粒子濃度を検出し測定するために使用することができる工程のフローチャートである。この方法により、ナノ粒子計数を表示または通信することができる。さらにまたは別法として、この方法により、ナノ粒子計数が所定の値を満たすかまたはそれを超える場合、あるいは、所定期間にわたるナノ粒子計数の変化レートが所定の値を満たすかまたはそれを超える場合、通知または警報を発することができる。
【図１３】例示的なコンピュータプログラムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の詳細な説明では、詳細な説明の一部を形成する添付図面が参照される。図面では、文脈により別段示されない限り、同様のシンボルは、通常、同様のコンポーネントを特定する。詳細な説明、図面、および特許請求の範囲で述べる例示的な実施形態は、限定するものではない。本明細書で提示される主題の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用することができ、また、他の変更を加えることができる。本明細書で一般的に述べられ、かつ、図で示される本開示の態様は、その全てが明示的に企意される広範な異なる構成で、配列され、置換され、組み合わされ、分離され、設計されうることが容易に理解されるであろう。
【００１６】
粒子を検出すること、測定すること、および／または収集することに関連する方法、装置、システム、およびデバイスが述べられる。一般に、装置は、粒子の検出および／または収集を実施するために使用することができる。装置は、粒子の少なくとも一部を帯電させる少なくとも１つのチャージャと、粒子の少なくとも一部を収集する少なくとも１つの収集器と、粒子の測定電荷に少なくとも部分的に基づいて粒子の量または濃度を示す情報を得る少なくとも１つのプロセッサとを含むことができる。
【００１７】
本明細書で述べるシステムおよび技法は、一般的に任意の適したサイズの粒子を検出するために使用することができる。いくつかの実施形態では、粒子は、たとえば約１００ｎｍ〜約２５００ｎｍの範囲の約２５００ｎｍ以下の最大寸法を有することができる。いくつかの実施形態では、粒子は、たとえば約０．１ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲の約１０００ｎｍ以下の最大寸法を有することができる。最大寸法の特定の例は、約０．１ｎｍ、約１ｎｍ、約１０ｎｍ、約５０ｎｍ、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、約５００ｎｍ、約１０００ｎｍ、約１５００ｎｍ、約２０００ｎｍ、約２５００ｎｍを含み、これらの値のいずれか２つの間の範囲にある。粒子は、一般に、任意のサイズ分布を有することができる。サイズ分布は、規則的または不規則的でありうる。サイズ分布は、モノモーダルまたはマルチモーダルでありうる。
【００１８】
装置
図１は、装置の考えられる高レベル構成設計を示す。たとえば、図１に示すように、装置１００は、粒子の少なくとも一部を帯電させる少なくとも１つのチャージャ１２２と、帯電粒子の少なくとも一部を収集する少なくとも１つの収集器１４０と、帯電粒子の測定電荷に基づいて検出／収集された粒子の量または濃度を示す情報を得る少なくとも１つのプロセッサ１７０とを含むことができる。いくつかの実施形態では、単一プロセッサは、複数の検出ユニットに接続されることができる（たとえば、建物内の中央に位置するプロセッサは、建物全体に配置された複数の検出器に接続されることができる）。
【００１９】
装置１００は、一般に、小さな可搬型ユニットから大きな固定設備まで、任意のサイズでありうる。装置１００は、試験される粒子を運ぶ空気流が、デバイス本体１３０の粒子チャネル１３１を通過することが許可される小型の粒子測定デバイスでありうる。静電気発生器１１０は、静電荷を提供し、電荷ローダ１２０は、測定される粒子に電荷をロードする。
【００２０】
チャージャ１２２は、静電気を発生できる少なくとも１つの静電気発生器１１０および静電気発生器１１０から粒子の少なくとも一部に電荷をロードする少なくとも１つの電荷ローダ１２０を含むことができる。
【００２１】
たとえば、バンデグラフ（ｖａｎ  ｄｅ  Ｇｒａｆｆ）の静電気発生器を使用することができる。発生器は、種々の電圧で動作することができる。たとえば、電圧は、約１０Ｖ〜約１０，０００Ｖでありうる。
【００２２】
一実施形態では、電荷ローダ１２０は、針１２４のアレイを含むことができる。針は、一般に、任意のサイズおよび寸法を有することができる。一例では、針はそれぞれ、約５ｍｍの高さを有し、アレイは、２０×２０（全部で４００）の針を含む約２ｃｍ×２ｃｍのサイズを有することができる。針は、一般に、任意の高さを有することができる。たとえば、高さは、約０．０５ｍｍ〜約５０ｍｍでありうる。いくつかの実施形態では、針はそれぞれ、１０ｍｍ以下、５ｍｍ以下、１ｍｍ以下の（たとえば、約１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲内の）高さを有することができる。種々の実施形態では、アレイは、正方形状、長方形状、または任意の他の適した形状とすることができる。いくつかの実施形態では、アレイの長さ、幅、または長さと幅は、約１０ｃｍ未満、約５ｃｍ未満、約２ｃｍ未満、約１ｃｍ未満、またはさらに小さい（たとえば、約１ｃｍ〜約１０ｃｍの範囲内）とすることができる。これらの比較的小さな例示的な寸法によって、電荷ローダ１２０または全体の装置は、可搬型にされうる。あるいは、非常に大きなアレイサイズが、固定位置設備のために採用されうる。いくつかの実施形態では、アレイは、少なくとも１００、少なくとも２００、少なくとも４００、少なくとも５００、少なくとも１０００、またはそれ以上の針（たとえば、１００〜１０００の範囲の針）を含むことができる。針は、一般に、粒子に電荷をロードすることを容易にするのに適した任意のタイプの材料製とすることができる。たとえば、針は、銅、アルミニウム、銀、または高導電率の他の材料製とすることができる。
【００２３】
針は、分枝状態または未分枝状態でありうる。一実施形態では、図２を参照して、針２２４はそれぞれ、電荷ローディング効率を改善するために、木の分枝に似る複数の分枝２２６を含む。示す例では、針２２４は、第１のレベルの点放出構造（point discharge structure）２２７、第２のレベルの点放出構造２２８、および第３のレベルの点放出構造２２９を含むことができる。種々の実施形態では、他のレベルの点放出構造を使用することができる。一例では、針２２４は、約１ｍｍ〜約１００ｍｍの全長を有し、分枝２２６は、針２２４の全長の約２０〜８０％である分枝長を有することができる。第３のレベルの点放出構造２２９は、分枝２２６の分枝長の約２０〜８０％である寸法を有することができる。
【００２４】
電荷ローダ３２０は、種々の構造を有することができる。一実施形態では、図３を参照して、電荷ローダ３２０は、複数のインタレース式指部または板３２４を含むインタレース式電荷ローディング構造３２２を有することができる。これらの指部または板は、チャージャの表面積を増加させ、粒子が表面に接触状態になる確率を改善し、それにより、電荷ローディング効率を改善する。指部または板３２４間のギャップは、たとえば約５ｍｍ〜約３００ｍｍであり、指部または板３２４の長さは、ギャップの寸法の約１倍〜約４倍でありうる。
【００２５】
あるいは、いくつかの実施形態では、電荷ローダ４２０は、金属表面４２６上に複数の溝４２４を含む溝付き電荷ローディング構造４２２を有することができる。図４は、こうした溝付き構造の例を示す。いくつかの実施形態では、溝４２４は、ローディング構造内に成形されうる。いくつかの実施形態では、溝４２４は、電荷ローディング効率を改善するために、たとえばそれぞれを使用する前に、たとえばブレード４２８を使用して金属表面４２６上に新しく引っ掻かれうる。ブレード４２８は、モータまたアクチュエータによって駆動されうる。
【００２６】
チャネル１３１は、少なくとも１つの粒子放出ポート１３１ａおよび少なくとも１つの粒子給送ポート１３２を含むことができる。種々のポートは、一般に、任意のサイズおよび形状でありうる。形状は、通常、正方形の、円形の、または長方形の形状などの規則的な幾何学的形状であるが、他の規則的または不規則的形状を使用することができる。一例では、粒子を含む空気または他のガス媒体が入ることを可能にする粒子給送ポート１３２は、２×２ｃｍの正方形開口を有するが、任意の他の適した形状および寸法を使用することができる。より小さい開口は、可搬型デバイスに適し、より大きな開口は、固定設備のために使用することができる。チャネルは、セラミック、金属、プラスチック、または任意の他の適した材料製とすることができる。
【００２７】
少なくとも１つのフィルタ層１３３は、粒子サイズに基づいて粒子を選択するために、任意選択で含まれうる。たとえば、測定される必要がない大きな粒子は、チャネル１３１から締めだされうる。一実施形態では、フィルタは、閾値サイズ（たとえば、１ｎｍ、１０ｎｍ、１００ｎｍ、１０００ｎｍ、たとえば１〜１０００ｎｍの範囲）より大きい粒子がチャージャ１２２によって帯電されることを防止するように構成される。フィルタ１３３は、さらに、流れの中の粒子の密度を減少させうる。いくつかの実施形態では、フィルタ１３３はまた、粒子密度を減少させる希釈器として働くが、フィルタ１３３は、粒子サイズ分布を変更することができる。フィルタは、たとえば約５〜２００ｍｍのサイズを有する正方形の形状、または、別の例では直径５〜２００ｍｍを有する円形形状を有することができる。フィルタは、ＨＥＰＡまたはＵＬＰＡフィルタなどの市販品の製品でありうる。フィルタクラスは、所望の粒子タイプおよびサイズをろ過または選択するのに適するように選択されうる。フィルタおよびチャネルは、整合する形状およびサイズを有するように選択されうる。
【００２８】
フィルタ層１３３が使用されない場合、ターゲットサイズより大きい粒子に関連する好ましくないデータは、データ解析を通してなくされうる。たとえば、大きなサイズの粒子は、その大きな表面積のせいで、ロードされる静電気を受取る可能性が高い。静電気間に反発力が存在するため、反発力が平衡に達すると、静電気のローディング量と粒子の表面積との間に正の相関が形成されうる。特定のサイズ範囲の粒子のデータは、その後、相関に基づいて導出されうる。一例では、（ｉ）１．６×１０−１８Ｃ〜１．６×１０−１３Ｃの範囲内の電荷などの、収集される電気パルスについての閾値範囲を確定すること、（ｉｉ）電気パルスデータを測定すること、および、（ｉｉｉ）電気パルスが、（ｉ）で確定した閾値範囲内にあるかどうかを判定することを含む、方法が提供される。閾値範囲内にある場合、データが収集される。そうでない場合、対応する電気パルスデータは削除される。
【００２９】
チャネル１３１は、たとえば空気流または窒素などのガス流によって運ばれる粒子がチャネル１３１を通って流れることを可能にする。帯電粒子はまた、電荷ローダ１２０によって押しやられる。その理由は、これらの粒子が、電荷ローダ１２０と同じ極性を有し、したがって、クーロン反発力によって電荷ローダ１２０によって押しやられる、ということである。
【００３０】
チャネルは、形状が真っすぐまたは真っすぐでない可能性がある。たとえば、図５に示すように、チャネル５３１は、粒子の少なくとも一部をチャージャと同じ極性に帯電させるように構成される、少なくとも１つの帯電屈曲または蛇行部（electrically-charged bent or torturous portion）５３３を含むことができる。
【００３１】
粒子が、電荷ローダ、たとえば類似電荷源（ｌｉｋｅ−ｃｈａｒｇｅ  ｓｏｕｒｃｅ）（Ｂ）を通過するにつれて、負電荷（Ｅ）が、粒子の一部に移送されうる。いくつかの他の実施形態では、正電荷を使用することができる。チャネル５３１の屈曲または蛇行部は、１つまたは複数の曲折キャビティ（meander cavities）（Ｃ）を形成し、電荷をロードされた粒子（Ａ１）と電荷をロードされない粒子（Ａ２）の比を増加させる。
【００３２】
具体的には、類似電荷源（Ｂ）が、電荷（Ｅ）を粒子に予備的にロードした後、電荷をロードされた粒子（Ａ１）は、クーロン反発力のせいで曲折キャビティ（Ｃ）の壁に降下する可能性が低く、類似電荷源の電界の影響下でまたは空気（または他のガス）の流れに従って出口に向かってチャネル５３１に沿って移動することになる。一方、電荷をロードされない粒子（Ａ２）は、曲折キャビティ（Ｃ）内で捕捉される傾向があり、曲折キャビティ（Ｃ）の壁と接触状態になって、曲折キャビティ（Ｃ）の帯電壁によって電気的にロードされる場合がある。
【００３３】
有利には、その構造は、クーロン反発力の助けを借りて、電荷をロードされた粒子の迅速な解放を容易にし、同時に未帯電粒子に電荷を迅速にロードする。
【００３４】
種々の実施形態では、蛇行部５３３は、少なくとも１つ、少なくとも２つ、少なくとも３つ、少なくとも４つ、少なくとも５つ（図示する）、少なくとも１０、または１０より多い屈曲を含む。種々の実施形態では、屈曲はそれぞれ、５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、４５°、５０°、５５°、６０°、６５°、７０°、７５°、８０°、８５°、９０°、またはそれ以上より大きな角度にあるとすることができる。
【００３５】
チャネルは、任意選択で、１つまたは複数の突出部を含むことができる。たとえば、図６に示すように、チャネル６３１は、流れの中の未帯電粒子の少なくとも一部をさらに帯電させるように構成された少なくとも１つの帯電突出部（Ｎ，Ｐ）を含む。突出部は、たとえば、点放出部を通して未帯電粒子（Ａ２）に電荷を移送することが可能な複数の針（Ｐ）、または、未帯電粒子（Ａ２）に電荷を伝導させる伝導性ネットワーク（Ｎ）を形成する複数の突出部を含むことができる。
【００３６】
いくつかの実施形態では、針（Ｐ）は、約１ｍｍ〜約５ｍｍの下部直径および下部直径の約１．５倍〜約３倍の高さを有する円錐形状を有することができる。いくつかの他の実施形態では、伝導性ネットワーク（Ｎ）は、約０．０２〜０．２ｍｍの直径または幅を有する銅ワイヤ製とすることができる。一例では、０．０５ｍｍの直径を有する銅ワイヤは、０．２５×０．２５ｍｍのサイズを有する開口を有するメッシュを形成する。メッシュは、たとえば、５ｍｍ×５ｍｍの総面積を有することができる。
【００３７】
装置は、任意選択で、少なくとも１つの希釈器を含むことができる。希釈器は、望ましくは、サンプルが高濃度の粒子を有するときに使用することができる。たとえば、図７に示すように、希釈器７００は、チャネル１３１に含まれるか、または、チャネル１３１に接続されて、測定される粒子の密度を減少させ、それにより、たとえば電気パルスが過密になるときに電気パルスの密度を減少させることによって測定精度を改善させる。希釈器はまた、粒子凝集の可能性を減少させるように機能することができる。希釈器は、種々の構成を有することができる。図７に示す実施形態では、希釈器７００は、第１の等級付け（grading）チャンバ７０２、第２の等級付けチャンバ７０４、および第３の等級付けチャンバ７０６を含む。これらの希釈チャンバは、チャンバ間の空気連通を選択的に可能にする制御弁７０８、７１０によって接続されうる。種々の実施形態では、任意の他の適した数のチャンバおよび接続を使用することができる。
【００３８】
一例では、第１の等級付けチャンバ７０２、第２の等級付けチャンバ７０４、および第３の等級付けチャンバ７０６はそれぞれ、約５ｃｍ３の容積を有する。制御弁７０８、７１０はそれぞれ、約０．０５ｃｍ３の容積を有する。弁は、隣り合うチャンバ間の制御弁７０８、７１０の両側に配設されうる。動作は、以下の例示的な工程で実現されうる。例示的な工程とは、（Ａ）第１の等級付けチャンバ７０２および制御弁７０８を開口し、検出される空気またはガスの流れを入れること、（Ｂ）第１の等級付けチャンバ７０２と制御弁７０８との間の弁を閉鎖すること、（Ｃ）第２の等級付けチャンバ７０４と制御弁７０８との間の弁を開口することである。一例では、０．０５ｃｍ３のガスが、第２の等級付けチャンバ７０４内で拡張し、５．０５ｃｍ３、すなわちその元の容積の１０１倍に達する。そのため、この希釈プロセスを通して、粒子密度は、１／１０１に希釈される。同様に、制御弁７０８および第３の等級付けチャンバ７０６を通して、ガスが、さらに１／１０１に希釈される。
【００３９】
第２の等級付けチャンバ７０４および第３の等級付けチャンバ７０６は、ほぼ真空状態まで予備排気されうる。そうでなければ、これらのチャンバ内に残留ガスが存在する場合、これらのチャンバは、測定に関する干渉を低減するために、これらのチャンバ内の残留粒子を減少させるように少なくとも浄化することができる。チャンバを浄化するために、きれいな空気流を送り、チャンバを「洗う（ｗａｓｈ）」ことができる。他の浄化方法もまた使用することができる。
【００４０】
図８に示す一実施形態では、希釈器８００は、等級付けチャンバ８０２、８０４、８０６間に配設されたコネクタの群８０８、８１０を含む。群８０８、８１０は、異なる直径を有する複数のコネクタを含む。種々の実施形態では、任意の他の適した数のチャンバおよび接続を使用することができる。希釈器８００の動作は、希釈器７００の動作と同様である。異なる容積を有する異なるコネクタの配設によって、希釈倍率（dilution factor）がさらに調整されうる。これは、隣接ステージ間の希釈倍率が、チャンバの容積とコネクタの容積の和をコネクタの容積で割った値として確定されうるからである。そのため、異なるコネクタを選択することによって、異なる希釈倍率が選択されうる。
【００４１】
図９に示す一実施形態では、希釈器は、少なくとも１つのチャンバ９００および少なくとも１つのサブチャンバ９０２を含む。種々のチャンバは、一般に、任意のサイズおよび形状でありうる。チャンバの形状は、通常、立方体、球、または円筒などの規則的な幾何学的形状になるが、他の規則的または不規則的形状を使用することができる。チャンバ９００には、最初に、サブチャンバ９０２がチャンバ９００に連通している状態で、検出される空気またはガスを充填することができる。サブチャンバ９０２は、その後、チャンバ９００から分離され、チャンバ９００は、真空弁９０４によって排気されうる。その後、サブチャンバ９０２は、その内容物をチャンバ９００内に解放させることができ、内容物の希釈、たとえば粒子密度の減少をもたらす。
【００４２】
あるいは、サブチャンバ９０２には、検出される空気またはガスが充填され、チャンバ９００には、排気されるかまたは粒子がないガスを充填することができる。その後、サブチャンバ９０２は、その内容物をチャンバ９００内に解放されることができ、内容物の希釈をもたらす。いずれの構成においても、既知の容積のチャンバ９００またはサブチャンバ９０２を、粒子濃度の希釈倍率を計算するために使用することができる。たとえば、チャンバ９００とサブチャンバ９０２を足した容積が、サブチャンバ９０２の１０倍の容積である場合、希釈倍率は１０×である。
【００４３】
希釈プロセスは他のステージを含むことができる。たとえば、第１の希釈ステージの上記工程後に、サブチャンバ９０２とチャンバ９００との間の弁が再び閉鎖され、チャンバ９００が、ほぼ真空状態までさらに排気されうる。次に、サブチャンバ９０２とチャンバ９００との間の弁が再び開口されて、サブチャンバ９０２とチャンバ９００を接続することができる。こうして、粒子密度が、第２の動作ステージにおいて、もう一度１／１０にさらに希釈される。
【００４４】
各希釈ステージについて、希釈倍率は、（サブチャンバ９０２の容積＋チャンバ９００の容積）／（サブチャンバ９０２の容積）である。一例では、チャンバ９００の容積は１０００ｃｍ３であり、サブチャンバ９０２の容積は１ｃｍ３である。第１の希釈ステージ後、粒子密度は、１／１００１に減少する。第２の希釈ステージ後、密度は、もう一度１／１００１に希釈される。すなわち、粒子密度は、その元の値の約百万分の１に減少する。
【００４５】
種々のチャンバの容積は、一般に、任意の容積でありうる。容積は、装置の所望の可搬性および測定されるサンプルの予想粒子密度に少なくとも部分的に基づいて選択されうる。種々の実施形態では、任意の他の適した寸法または形状を使用することができる。
【００４６】
図１０に示す例では、希釈器１０００は、任意選択で、それぞれが異なる直径／容積を有する複数の等級付けチャンバ１００１、１００２、１００３、および、最小チャンバ１００３に接続されたサブチャンバ１００４を含むことができる。内部弁（図示せず）が、サブチャンバ１００４と最小チャンバ１００３との間に配設される。外部弁（図示せず）が、サブチャンバ１００４の外側に配設される。動作中、内部弁が最初に閉鎖される。等級付けチャンバ１００１、１００２、および１００３は、排気され、等級付けチャンバの１つが、出口チャンバとして選択される。希釈されるガスは、サブチャンバ１００４に導入され、外部弁が閉鎖される。内部弁が、その後、開口し、希釈されるガスが、選択された出口チャンバに導入される。こうして、ガスが希釈され、希釈倍率は、図７、８、９に関して上述した式と同様の式を使用して計算されうる。非等級化粒子（non-graded particles）は、清浄な空気または清浄な流体などの流れを使用して洗い流されうる。あるいは、種々のチャンバが、ほぼ真空状態まで排気されうる。排気プロセス中に、非等級化粒子が取除かれうる。
【００４７】
一例では、第１の等級付けチャネルは１０ｃｍ２の断面を有し、第２の等級付けチャネルは０．５ｃｍ２の断面を有し、第３の等級付けチャネルは０．５ｃｍ２の断面を有することができる。そのため、等級付けチャネル１００２を通過した後、粒子密度は、１／１，０００に希釈される。等級付けチャネル１００２の幾何形状およびサイズは、必要とされる測定精度およびデバイス１００のサイズに基づいて設計されうる。種々の実施形態では、任意の他の適した寸法または形状を使用することができる。
【００４８】
粒子放出ポート１３１ａを通過した後に、静電荷を運ぶ粒子が帯電粒子受取り器１４０に到達すると、受取り器１４０は、たとえば表皮効果（電流密度が導体の表面の近くで最大であり、より深いところで減少するように、電流または磁束が導体内でそれ自身を分散させる傾向）によって電荷を収集することができる。受取り器１４０によって収集される電荷の量は、その後、受取り器１４０によって直接測定されうる。あるいは、放出組立体が、電荷放出および測定を実施する。収集された帯電粒子の量を示すデータは、電荷パルスの測定によって得られ、粒子の特性を示すデータに変換されうる。パルス閾値は、電気パルス雑音を記録することを回避するために、パルス閾値を超える電気パルスだけが有効データとして記録されるように設定されうる。
【００４９】
理想的には、個々の電荷は、パルスの測定によって測定される。粒子密度が非常に高い場合、単一パルスが、複数の帯電粒子の結果であり、ナノ粒子の検出精度は、上述したように、粒子密度の希釈によって増加しうる。
【００５０】
パルス強度は、粒子に付着した正味の電荷に起因する。これらの正味の電荷は、主に、粒子の表面上に分布する。パルス強度は、測定可能な単位電荷（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｕｎｉｔ  ｃｈａｒｇｅ）の正味の数または測定可能な電荷を示す。一例では、単一パルスは、１０〜１，０００，０００の単位電荷または約１．６×１０−１８Ｃ〜１．６×１０−１３Ｃの電荷に相当する。
【００５１】
例として、受取り器１４０は、粒子放出ポート１３１ａに対応する開口端を有する伝導性の球または楕円のシェルでありうる。受取り器１４０は、通常、粒子放出ポートより断面が大きい可能性がある。一例では、受取り器および粒子放出ポートは、円などの同じ断面形状を有することができる。
【００５２】
一実施形態では尖った端部構造を有するディスチャージャである電荷エクスポータ組立体１５０は、受取り器１４０から電荷をエクスポートするために使用することができる。エクスポートされた電荷は、クーロン反発力、磁界内での電荷の移動、電界内での電荷の移動、またはキャパシタンス変化に及ぼす電荷の影響の少なくとも１つに基づいて電荷を測定することができる電荷測定組立体１６０によって測定することができる。
【００５３】
一実施形態では、電荷測定組立体１６０は、放電器の尖った端部に対して指定距離に維持されることができ、電界による反発力または誘引力が測定に使用される。反発力は、同じ極性の電荷に起因し、誘引力は、反対極性の電荷に起因する。電荷エクスポータ組立体１５０内の放電器の場合、点放電効果の結果として、尖った端部に隣接する電界が最も強い。たとえば、０．１ｍｍ内などの近い範囲では、電位は、約０．１〜１０００Ｖの範囲にありうる。一実施形態では、負に帯電したプロービング針が、放電器の尖った端部に隣接して配設されることができ、力を検知する。力と電荷との間の所定の相関に基づいて、パルスからの電荷が測定される。
【００５４】
表皮効果は、たとえば、帯電粒子をその表面に沿って移動させる伝導性の半閉囲（semi-enclosed）の球シェル１４１を使用して、電荷を捕捉するために使用することができる。電荷は、球シェル１４１内で伝導される場合、クーロン反発力によって伝導性シェル１４１の表面全体にわたって分散される傾向がある。
【００５５】
接地デバイスは、任意選択で、受取り器１４０をグラウンドに結合するために設けられうる。受取り器が大量の電荷を収集すると、測定精度が、時として悪い影響を受けうる。受取り器１４０の表面上の電荷をグラウンドに解放することによって、測定電荷を「ゼロ化する（ｚｅｒｏｅｄ）」ことができ、それにより、測定精度が改善される。
【００５６】
図１１に示すように、受取り器１１４０は、任意選択で、帯電粒子を収集する伝導性メッシュ１１４２を含むことができる。受取り器１１４０は、さらに、帯電粒子１１５０の軌道１１４８を修正するために、電界１１４４を生成する少なくとも１つの電界発生器および／または磁界１１４６を生成する少なくとも１つの磁界発生器（またはその組合せ）を含むことができる。帯電粒子１１５０は、入口１１５２から収集器１１４０に入り、電荷受取りユニット１１５４の少なくとも一部分を通過し、一般的な方向１１５６に放出される。入口１１５２は、たとえば入口サイズおよび入口における磁界強度／電界強度の組合せを選択することによって、特定の質量および／または電荷の粒子が入口１１５２を通過することを可能にするように構成される。伝導性メッシュ１１４２の受取り器ユニット１１５４は、各ユニットによって生成される電気パルスを得るためにスキャンされうる。
【００５７】
一例では、電荷受取りユニット１１５４は、独立であり、かつ互いに分離される。電荷受取りユニット１１５４はそれぞれ、対応する電荷測定ユニットに結合されうる。電荷測定ユニットは、電荷間の反発力または誘引力に基づいて、または、電荷を収集した後に電気キャパシタンスを測定することによって電荷を測定することができる。他の測定方法もまた使用することができる。
【００５８】
電荷受取りユニット１１５４はそれぞれ、所定の位置を有する。そのため、異なる電荷受取りユニットを通して異なる電荷を測定することによって、帯電粒子１１５０の（電界および磁界によって影響を受けた）位置変化および電荷が効果的に測定されうる。
【００５９】
理論により拘束されるつもりはないが、帯電粒子の数および／または質量は、任意選択で、以下の式に基づいて測定電気パルスから計算されうる。
【００６０】
Ｘ方向のクーロン力は、
Ｆ＝Ｅ０ｑｐ                                  （１）
Ｘ方向において、
ＦＸ＝ｍｐａｘ                                （２）
である。式中、ａｘは、Ｘ軸における帯電粒子の加速度である。そのため、
【数１】
2013535015.tif 000003
である。Ｘ方向において帯電粒子のゼロ速度を仮定すると、Ｘ方向に帯電粒子が移動する距離は、
【数２】
2013535015.tif 000004
であり、（４）から、
【数３】
2013535015.tif 000005
が得られうる。Ｚ方向において、速度は、初期粒子速度と同じである。
ｖｚ＝ｖ０                                    （６）
【００６１】
重力の影響を無視すると、
【数４】
2013535015.tif 000006
である。ＹＺ投影平面において、Ｒｐは、ローレンツ力下の帯電粒子の円運動の半径であり、
【数５】
2013535015.tif 000007
である。
【数６】
2013535015.tif 000008
がさらに得られうる。式中、
【数７】
2013535015.tif 000009
であり、したがって、
【数８】
2013535015.tif 000010
である。したがって、図１１に示す収集器１１４０を通して測定された電荷ｑｐを使用して、帯電粒子の質量ｍｐが得られうる。
【００６２】
重力の影響が考慮されるとき、上記式は、重力によって影響を受けるときのＺ方向の粒子の加速度を含むことによって修正されうる。
【００６３】
粒子解析組立体１７０は、任意選択で、電荷測定組立体１６０によって測定されるデータを解析する少なくとも１つのプロセッサを含むことができる。一実施形態では、粒子解析組立体１７０は、電荷の量の受取り状態に対応する粒子状態を示すための直接粒子解析モジュール、および、帯電粒子の一部分を通して粒子の全体の状態を導出するための間接粒子応答モジュールを含む。プロセッサは、収集器１４０と局在的に同じ場所に位置しても、遠隔に位置してもよい。
【００６４】
電荷パルスと測定される粒子との間の既知の対応に基づいて、粒子のタイプもまた確定されうる。たとえば、粒子のタイプは、粒子が運ぶ電荷および粒子の質量から導出されうる。同じ状況下で、電荷は、粒子表面積に比例しうる。粒子表面積に基づいて、粒子容積が導出されうる。粒子容積および質量から、粒子密度が得られうる。そのため、粒子の数に加えて、本明細書で開示される実施形態はまた、粒子サイズおよび質量に関する情報を提供することができる。
【００６５】
有利には、本明細書で開示される種々の構成は、チャージャ１２２およびチャネル１３１の屈曲または蛇行部５３３のいずれかまたは両方を使用することによって、効率的に電荷を粒子にロードできる。さらに、帯電粒子とチャージャが同じ極性を持つため、チャージャ１２２はまた、クーロン反発力によってチャネル１３１に沿って帯電粒子を押しやる。チャネル１３１の屈曲または蛇行部５３３によって形成される曲折キャビティは、チャージャおよび既に帯電した粒子と同じ極性に帯電される壁を有する。そのため、帯電粒子は、クーロン反発力の結果としてチャネル１３１の側壁と接触状態になる傾向がなく、一方、未帯電粒子は、チャネルの側壁によって効果的に帯電されることになる。未帯電粒子は、帯電される前に、曲折キャビティ内に捕捉される傾向がある。
【００６６】
方法
粒子を検出するかつ／または測定する種々の方法が述べられる。粒子は、試験されるサンプルで提供されることができる。サンプルは、一般に、粒子を含むかまたは粒子を含む疑いがある任意のサンプルでありうる。サンプルの例は、空気サンプル、自動車排出ガス、工業排出ガス、半導体製造排出ガス、道路近傍排出ガスなどを含む。さらに、サンプルは、工業製造製品からのものとすることができ、工業製造製品から、粒子特性が測定されて、製品内の粒子が、粒状化に関する要件の仕様内にあるかどうかが判定されうる。
【００６７】
粒子を検出する例示的な方法１２００は、図１２のフローチャートに示されるが、種々の付加的なまたは代用工程を使用することができる。動作１２０２にて、流れの中の粒子の少なくとも一部または全てが帯電される。動作１２０４にて、帯電粒子の少なくとも一部または全てが収集される。動作１２０６にて、帯電粒子に起因する電気パルスが、記録され測定される。動作１２０８にて、検出された／収集された粒子の量を示す情報が、収集された帯電粒子の測定電荷に基づいて導出される。動作１２１０にて、粒子計数および／または粒子計数の変化レートなどの得られる情報が、閾値と比較される。粒子計数は、動作１２１４にて、記憶されうる、かつ／または、ユーザに表示されうる。粒子計数またはレートが閾値を超える場合、工程１２１２にて、通知または警報が送出される。通知または警報は、記憶または表示工程の代わり、または、それに付加するものとすることができる。
【００６８】
種々の実施形態では、任意の他の適した表示、制御信号、アラーム信号などが、検出された粒子計数情報に基づいて生成されることができる。粒子計数は、任意の適した情報（たとえば、粒子密度）を提供するために処理されることができる。たとえば、粒子密度は、粒子計数および関連する粒子容積に基づいて導出されることができる。
【００６９】
一例では、１回の測定が約１０ミリ秒かかる場合、各１秒中に、検出される最大粒子数が１００，０００のオーダになるように、１００，０００の測定動作が実施されうる。検出される電荷は、たとえば約１．６×１０−１８Ｃ〜１．６×１０−１３Ｃの範囲にありうる。この範囲の下端（ｌｏｗ  ｅｎｄ）は、わずか数個の素電荷（ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ  ｃｈａｒｇｅ）（素電荷は約１．６×１０−１９Ｃである）の検出に相当する。この範囲の上端は、約１００，０００の電荷の検出、すなわち、１秒期間中の全てのまたはほぼ全ての測定について電荷を測定することに相当する。他の実施形態では、他の測定速度を使用することができる。
【００７０】
収集される帯電粒子によって生じる電流パルスの検出は、帯電粒子間のクーロン反発力、磁界内での帯電粒子の運動、電界内での帯電粒子の運動、または帯電粒子によるキャパシタンスの変化に基づきうる。
【００７１】
方法は、さらに、電流パルスの検出閾値を確定することを含むことができる。粒子計数または密度情報と電荷との間の相関を、たとえば上述した式に基づいて予め決定することができる。同じタイプの粒子が同じ状態にある、たとえば検出または測定される粒子が、同じタイプの粒子であるかまたは同様な特性およびサイズを有する場合、測定される電荷は、粒子計数または密度に比例する。空気またはガス内容物が、異なるサイズまたはタイプの粒子を含む場合、相関は、線形比例より複雑であるとすることができる。
【００７２】
一例では、ユーザは、約５０ｎｍのほぼ均一なサイズを有する二酸化ケイ素粒子を検出する必要がある。測定される電荷が、２×１０−１３Ｃ／秒である場合、対応する粒子密度は、約５×１０７／ｍ３である。測定される電荷が、６×１０−１３Ｃ／秒に達する場合、対応する粒子密度は、約１．５×１０８／ｍ３である、すなわち、先の値の３倍である。
【００７３】
方法は、任意選択で、工場または研究所内の異なる場所に複数のサンプリングオリフィスをセットアップし、単一プロセッサを使用して複数の場所からの測定データを処理することなどによって、複数の場所の電荷を測定することを含むことができる。別の例では、粒子を検出または収集するためのシステムが提供される。システムは、複数の装置を含み、複数の装置はそれぞれ、粒子の少なくとも一部を帯電させる少なくとも１つのチャージャと、帯電粒子の少なくとも一部を収集する少なくとも１つの収集器とを含む。システムのプロセッサは、複数の装置のそれぞれからの帯電粒子の測定電荷に基づいて検出／収集された粒子の量を示す情報を中心的に得ることができる。これは、場合によってはプロセッサおよび解析ソフトウェアがシステムのコストのかなりの部分でありうるため、コストを低減しうる。
【００７４】
いくつかの他の実施形態では、サンプルは、粒子の流れから得られ、複数の容積に分割される。複数の容積のそれぞれからの収集された帯電粒子の電荷に基づいた検出／収集された粒子の量を示すデータセットが測定され、複数のデータセットの統計解析が、測定精度を改善するために実施されうる。一実施形態では、ニューラルネットワークが、たとえば異なるデータセットをインテリジェントに相関させることによって、データを解析するために使用される。異なるデータセットの間の相関に基づいて、データ内のエラーまたは雑音が、より容易に除去されうる。
【００７５】
方法は、さらに、較正用の基準として粒子の流れがない状態のデータセットを測定することを含むことができる。方法は、さらに、装置、および、基準を使用して、粒子の流れから得られた情報を較正することを含むことができる。これは、「ネガティブコントロール（ｎｅｇａｔｉｖｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ）」として効果的に働く。ネガティブコントロールは、実質的に粒子がないことが分かっている真空またはガスサンプルでありうる。
【００７６】
方法は、さらに、「ポジティブコントロール（ｐｏｓｉｔｉｖｅ  ｃｏｎｔｒｏｌ）」として既知のまたは所定の濃度の粒子を含むサンプルを使用してデータセットを測定することを含むことができる。方法は、さらに、ポジティブコントロールを使用して得られたデータを使用して装置を較正することを含むことができる。
【００７７】
図１３は、装置１００と共に使用するための例示的なコンピュータプログラム製品１３００を示し、上述した方法を実装するブロック図である。コンピュータプログラム製品１３００は、信号担持媒体１３０２を含むことができ、信号担持媒体１３０２は、限定はしないが、ハードディスクドライブ、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）、デジタルテープ、メモリなどのような非一時的なコンピュータ可読媒体１３０６を含むことができる。コンピュータプログラム製品１３００はまた、限定はしないが、メモリ、リード／ライト（Ｒ／Ｗ）ＣＤ、Ｒ／Ｗ  ＤＶＤなどのような記録可能媒体１３０８を含むことができる。いくつかの実装態様では、信号担持媒体１３０２は、限定はしないが、デジタルおよび／またはアナログ通信媒体（たとえば、光ファイバケーブル、導波路、有線通信リンク、無線通信リンクなど）などの通信媒体１３１０を包含することができる。そのため、たとえば、コンピュータプログラム製品３００は、無線周波数（ＲＦ）信号担持媒体１３０２であって、無線通信媒体１３１０（たとえば、ＩＥＥＥ８０２．１１規格に適合する無線通信媒体）によって伝達される、無線周波数（ＲＦ）信号担持媒体１３０２によって装置１００の１つまたは複数のモジュールに伝達されることができる。上述したデータ解析方法を実施する命令１３０４は、信号担持媒体１３０２に記憶される。
【実施例】
【００７８】
実施例１：可搬型試験デバイス
可搬型空気試験デバイスを準備する。デバイスは、空気中のナノ粒子の数値濃度を示すディスプレイパネル、ならびに、ナノ粒子濃度が所定の閾値を超えるときのための閃光灯および可聴アラームインジケータを含む。デバイスは、時間および検出されたナノ粒子の濃度を記憶するメモリを含む。
【００７９】
測定中、時間Ｔにおいて、１リットルのサンプルが得られる。サンプルは、たとえば酸素、窒素、二酸化炭素、水蒸気、種々の不活性ガス、塵などを含むことがある。この容積内に、それぞれ０．１リットルの１０個の小キャビティが含まれる。１０個の小キャビティ内の組成は、サンプルが十分に混合された後に完全に同じになることができ、その後、１０個の小キャビティが分離される。データは、各キャビティから得られる。この構成は、機器が安定した運転状態にあるかどうかを検出するために使用することができる。さらに、測定結果を処理することができる。たとえば、１０個の独立した小キャビティが、同じガスサンプルを得ることができる。機器が安定である場合、粒子測定は、同じまたは同様であるべきであり、機器が不安定である場合、測定は異なることになる。測定結果の比較に基づいて、機器が安定状態で働いているかどうかが判定されうる。一方、この構成を使用して、サンプルを複数回測定することによって、測定誤差を低減するために平均値をとることなどの統計解析が、測定値に関して実施されうる。種々の実施形態では、１０個より多いかまたは少ないキャビティを使用することができる。キャビティは、任意の適したサイズとすることができる。
【００８０】
各キャビティ内へのガス移送は、ピストン構造によって駆動されうる。データ源が、毎回一貫性があるため、毎回の測定結果は、理想的には一貫性があることになる。実際には、種々の誤差が、データの差を引起すことになる。これらのデータは、誤差を低減するための上述した方法に従って処理される。
【００８１】
粒子に電荷をロードするプロセス中に、重要な因子は、電荷ローダの電圧、形状、サイズ、周囲温度、湿気、圧力、流量などを含むことができる。
【００８２】
帯電ナノ粒子を電気パルスに変換することによって、単一帯電ナノ粒子が、電荷測定組立体（すなわち、図１の１６０）に入るように、帯電粒子受取り器（すなわち、図１の１４０）から取除かれうる。ナノ粒子の表面上の電荷とその質量／サイズとの間の関係は、容易に得られうる。
【００８３】
一例では、パルスは、ミリ秒当たり１０００個の有効電荷を運び、成功裏に測定される粒子と総粒子との比は、１：１０である。２×２ｃｍの正方形開口を有する粒子給送ポートの場合、１０００×１０＝１０，０００粒子／ミリ秒または１０，０００，０００粒子／秒が測定されうる。
【００８４】
測定中、１ミリ秒当たり１０００個の電荷パルスが得られる場合、閾値を上回るか下回るパルスピーク値が無効と考えられるように、閾値が電荷について設定される。一例では、４０％の電荷パルス測定データは、無効としてふるい落とされ、６０％の残りのデータが、有効と考えられる。閾値範囲内で、成功裏に測定される粒子の比が、同じ、たとえば１０％のままでありうる。そのため、２×２ｃｍの正方形開口を有する粒子給送ポート１３２は、測定される粒子を、６００×１０＝６，０００／ミリ秒または６，０００，０００／秒のレートで受取りうる。
【００８５】
電気パルスが集まり過ぎる場合、たとえば粒子が過剰であるとき、粒子密度が、測定の前に希釈されうる。たとえば、等級付けチャンバは、電気弁を通して設定されることができ、各等級付けチャンバは、前の等級のチャンバの容積の１／１０ほどの大きさの容積を有することになり、こうして、１つの等級は粒子を１／１０に希釈するのを助けることになり、２つの等級は粒子を１／１００に希釈するのを助けることになり、３つの等級は粒子を１／１０００に希釈するのを助けることになるなどである。
【００８６】
実施例２：炭素ナノチューブ検出器／収集器
一例では、炭素ナノチューブ検出器が提供される。炭素ナノチューブ検出器は、上述した構成と同様の構成を有し、同様の原理で動作することができる。
【００８７】
実施例３：金属ナノ粒子検出器／収集器
一例では、銀ナノ粒子検出器が提供される。銀ナノ粒子検出器は、上述した構成と同様の構成を有し、同様の原理で動作することができる。
【００８８】
実施例４：半導体ナノ粒子検出器／収集器
一例では、半導体ナノ粒子検出器が提供される。半導体ナノ粒子検出器は、上述した構成と同様の構成を有し、同様の原理で動作することができる。
【００８９】
実施例５：複数のサンプリングステーションを有するシステム
システムは、中央に位置する単一プロセッサを含む半導体処理工場内に設置されうる。プロセッサは、無線データネットワークを介して１２個の別個の空気サンプリング装置ステーションのアレイに接続される。ステーションはそれぞれ、工場内の異なる場所に、工場内の種々の排気システム内に、また工場の建物の外に位置する。
【００９０】
プロセッサは、ステーションのそれぞれにおいて、検出された粒子の量を監視し、ステーションのそれぞれについて変化レートを確定する。量およびレートは共に、報告書を保管し生成するためのデータモジュールに記憶される。プロセッサは、工場の環境の健全性および安全性（ＥＨＳ）オフィサーが、工場における粒子生成の量およびレートを視覚的評価することを可能にするディスプレイモニタを含む。
【００９１】
プロセッサは、量、レート、または両方が予めプログラムされた閾値を超える場合、可聴アラームを発するように構成される。プロセッサはまた、１日の任意の時間にあるいは週末または休日に閾値が超えられる場合に電子メールまたは移動体電話テキストメッセージによってＥＨＳオフィサーに通知を発するように構成される。
【００９２】
本開示は、種々の態様の例示として意図される本出願で述べる特定の実施形態によって制限されない。多くの変更および変形が、当業者に明らかになるように、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく行われうる。本明細書で挙げたものに加えて、本開示の範囲内の機能的に等価な方法および装置は、先の説明から当業者に明らかになる。こうした変更および変形は、添付特許請求の範囲内に入ることを意図される。本開示は、特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の全範囲と共に、特許請求の範囲によってだけ制限される。本開示は、もちろん変動する可能性がある特定の方法、試薬、化合物、組成物、または生物学的システムに限定されないことが理解される。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態だけを述べるためのものであり、限定するものではないこともまた理解される。
【００９３】
本明細書における実質的に全ての複数形および／または単数形の用語の使用に対して、当業者は、状況および／または用途に適切なように、複数形から単数形に、および／または単数形から複数形に変換することができる。さまざまな単数形／複数形の置き換えは、理解しやすいように、本明細書で明確に説明することができる。
【００９４】
通常、本明細書において、特に添付の特許請求の範囲（たとえば、添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、全体を通じて「オープンな（ｏｐｅｎ）」用語として意図されていることが、当業者には理解されよう（たとえば、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」と解釈されるべきであり、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、「少なくとも有する（ｈａｖｉｎｇ  ａｔ  ｌｅａｓｔ）」と解釈されるべきであり、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は、「含むがそれに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｅｓ  ｂｕｔ  ｉｓ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」と解釈されるべきである、など）。導入される請求項で具体的な数の記載が意図される場合、そのような意図は、当該請求項において明示的に記載されることになり、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが、当業者にはさらに理解されよう。たとえば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、導入句「少なくとも１つの（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ）」および「１つまたは複数の（ｏｎｅ  ｏｒ  ｍｏｒｅ）」を使用して請求項の記載を導くことを含む場合がある。しかし、そのような句の使用は、同一の請求項が、導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合であっても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項の記載の導入が、そのように導入される請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、単に１つのそのような記載を含む実施形態に限定する、ということを示唆していると解釈されるべきではない（たとえば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）。同じことが、請求項の記載を導入するのに使用される定冠詞の使用にも当てはまる。また、導入される請求項の記載で具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、少なくとも記載された数を意味すると解釈されるべきであることが、当業者には理解されよう（たとえば、他の修飾語なしでの「２つの記載（ｔｗｏ  ｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」の単なる記載は、少なくとも２つの記載、または２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、ＢおよびＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステムを含むが、それに限定されない）。「Ａ、Ｂ、またはＣ、などの少なくとも１つ」に類似の慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（たとえば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢを共に、ＡおよびＣを共に、ＢおよびＣを共に、ならびに／またはＡ、Ｂ、およびＣを共に、などを有するシステ���を含むが、それに限定されない）。２つ以上の代替用語を提示する事実上いかなる離接する語および／または句も、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、当該用語の一方（ｏｎｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｅｒｍｓ）、当該用語のいずれか（ｅｉｔｈｅｒ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｔｅｒｍｓ）、または両方の用語（ｂｏｔｈ  ｔｅｒｍｓ）を含む可能性を企図すると理解されるべきであることが、当業者にはさらに理解されよう。たとえば、句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」あるいは「ＡおよびＢ」の可能性を含むことが理解されよう。
【００９５】
さらに、本開示の特徴または態様が、マーカッシュグループによって述べられる場合、本開示はまた、マーカッシュグループの任意の個々のメンバーまたはメンバーのサブグループによって述べられることを当業者は認識するであろう。
【００９６】
当業者によって理解されるように、文言による記述を提供することなどによる、任意のまた全ての目的のために、本明細書で開示される全ての範囲はまた、その範囲の任意のまた全ての考えられる部分範囲および部分範囲の組合せを包含する。挙げられる任意の範囲は、少なくとも等しい１／２、１／３、１／４、１／５、１／１０などに分解されている同じ範囲を十分に記述し使用可能にするものとして容易に認識されうる。非制限的な例として、本明細書で論じる各範囲は、下側の１／３、中間の１／３、および上側の１／３などに容易に分割されうる。当業者によって同様に理解されるように、「まで（ｕｐ  ｔｏ）」、「少なくとも（ａｔ  ｌｅａｓｔ）」、「より大きい（ｇｒｅａｔｅｒ  ｔｈａｎ）」、「より小さい（ｌｅｓｓ  ｔｈａｎ）」、および同様なものなどの全ての言語は、述べられる数を含み、先に論じたように、その後、部分範囲に分解されうる範囲を指す。最後に、当業者によって理解されるように、ある範囲は、それぞれの個々のメンバーを含む。したがって、たとえば、１〜３のセルを有するグループは、１個、２個、または３個のセルを有するグループを指す。同様に、１〜５のセルを有するグループは、１個、２個、３個、４個、または５個のセルを有するグループを指すなどである。
【００９７】
種々の態様および実施形態が本明細書で開示されたが、他の態様および実施形態が、当業者に明らかである。本明細書で開示される種々の態様および実施形態は、例示のためのものであり、制限的であることを意図されず、真の範囲および趣旨は、添付特許請求の範囲によって示される。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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