(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体試料に含まれる微粒子の組成を分析する微粒子組成分析装置であって、
ガス分析器と、
前記気体試料にレーザー光を照射して生成した前記微粒子に起因する試料ガスと、比較ガスとを順次ガス分析器に導入する制御部と、
前記気体試料をフィルタにより清浄化処理した処理空気を生成する空気生成部と、
を備え、
前記比較ガスは、清浄化処理された前記処理空気にレーザー光を照射して生成したガスである、微粒子組成分析装置。
【請求項２】
気体試料に含まれる微粒子の組成を分析する微粒子組成分析装置であって、
ガス分析器と、
気体試料にレーザー光を照射して生成した前記微粒子に起因する試料ガスと、比較ガスとを順次ガス分析器に導入する制御部と、を備え、
比較ガスは、清浄化処理された処理空気にレーザー光を照射して生成したガスであり、
前記制御部は、気体試料にレーザー光を連続照射して生成した試料ガスと、処理空気にレーザー光を連続照射して生成した比較ガスとを交互に繰り返しガス分析器に導入し、
前記制御部は、気体試料と処理空気の切り替えに対応する期間においてレーザー光の照射を中断する微粒子組成分析装置。
【請求項３】
ガス分析器で分析された、試料ガスと比較ガスのそれぞれに含まれる特定成分の差分量を演算する演算部を備える請求項１又は２に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項４】
制御部は、気体試料と処理空気を順次切り替えてレーザー光の照射部へ供給する請求項３に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項５】
制御部は、気体試料にレーザー光をパルス照射して生成した試料ガスと、処理空気にレーザー光をパルス照射して生成した比較ガスとを順次ガス分析器に導入する請求項３又は４に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項６】
制御部は、気体試料にレーザー光を連続照射して生成した試料ガスと、処理空気にレーザー光を連続照射して生成した比較ガスとを交互に繰り返しガス分析器に導入する請求項３又は４に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項７】
制御部は、予め決定された周期で試料ガスと比較ガスを交互にガス分析器に導入する請求項６に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項８】
制御部は、ガス分析器からの出力結果に基づいて調整したタイミングで試料ガスと比較ガスを交互にガス分析器に導入する請求項６に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項９】
気体試料に含まれる微粒子の組成を分析する微粒子組成分析装置であって、
ガス分析器と、
気体試料にレーザー光を照射して生成した前記微粒子に起因する試料ガスと、比較ガスとを順次ガス分析器に導入する制御部と、
レーザー光が照射され、微粒子を捕捉するための捕捉部と、を備え、
比較ガスは、気体試料にレーザー光が照射されない期間に前記捕捉部近傍に存在していたガスである微粒子組成分析装置。
【請求項１０】
ガス分析器で分析された、試料ガスと比較ガスのそれぞれに含まれる特定成分の差分量を演算する演算部を備える請求項９に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項１１】
制御部は、気体試料にレーザー光を照射して生成した試料ガスと、レーザー光を照射せず前記捕捉部近傍に存在していた比較ガスとを交互に繰り返しガス分析器に導入する請求項９又は１０に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項１２】
制御部は、予め決定された周期で試料ガスと比較ガスを交互にガス分析器に導入する請求項１１に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項１３】
制御部は、ガス分析器からの出力結果に基づいて調整したタイミングで試料ガスと比較ガスを交互にガス分析器に導入する請求項１１に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項１４】
レーザー光が照射され、微粒子を捕捉するための捕捉部を更に備え、
制御部は、比較ガスを清浄化処理された処理空気にレーザー光を照射して生成したガスとするか、微粒子にレーザー光が照射されない期間に前記捕捉部近傍に存在していたガスとするかを決定する請求項１または２に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項１５】
少なくとも気体試料を取り込む取込部と、
取込部から放出された微粒子を捕捉するための捕捉部と、
捕捉部に対してレーザー光を照射するレーザー装置と
を備える請求項１から８のいずれか１項に記載の微粒子組成分析装置。
【請求項１６】
少なくとも気体試料を取り込む取込部と、
捕捉部に対してレーザー光を照射するレーザー装置と、を備え、
前記捕捉部は前記取込部から放出された微粒子を捕捉する請求項９から１４のいずれか１項に記載の微粒子組成分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子組成分析装置に関する。
【背景技術】
【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おり、その成分、濃度等を分析する装置の開発が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６０４０５７４号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１１／１１４５８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
測定対象となる気体試料に含まれる微粒子の組成と濃度を測定したいにも関わらず、分析装置の例えば微粒子を捕捉する捕捉体に吸着している気体試料外の物質の影響により、正確に測定できないという問題があった。特に、装置の運転開始時、測定条件の変更、測定環境の変化などの要因により、測定時点ごとに当該物質の影響量が変化することが問題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様における微粒子組成成分分析装置は、気体試料に含まれる微粒子の組成を分析する微粒子組成分析装置であって、ガス分析器と、気体試料にレーザー光を照射して生成した微粒子に起因する試料ガスと、比較ガスとを順次ガス分析器に導入する制御部とを備える。
【０００６】
微粒子組成分析装置は、ガス分析器で分析された、試料ガスと比較ガスのそれぞれに含まれる特定成分の差分量を演算する演算部を備えてもよい。
【０００７】
比較ガスは、清浄化処理された処理空気にレーザー光を照射して生成したガスであってもよい。このとき、微粒子組成分析装置は、気体試料をフィルタにより清浄化処理した処理空気を生成する空気生成部を備えてもよい。
【０００８】
制御部は、気体試料と処理空気を順次切り替えてレーザー光の照射部へ供給してもよい。このとき、制御部は、気体試料にレーザー光をパルス照射して生成した試料ガスと、処理空気にレーザー光をパルス照射して生成した比較ガスとを順次ガス分析器に導入してもよい。あるいは、制御部は、気体試料にレーザー光を連続照射して生成した試料ガスと、処理空気にレーザー光を連続照射して生成した比較ガスとを交互に繰り返しガス分析器に導入してもよい。
【０００９】
試料ガスと比較ガスを交互に繰り返しガス分析器に導入する場合、制御部は、予め決定された周期で試料ガスと比較ガスを交互にガス分析器に導入してもよい。あるいは、制御部は、ガス分析器からの出力結果に基づいて調整したタイミングで試料ガスと比較ガスを交互にガス分析器に導入してもよい。このとき、制御部は、気体試料と処理空気の切り替えに対応する期間においてレーザー光の照射を中断してもよい。
【００１０】
比較ガスは、処理空気に基づくガスではなく、微粒子にレーザー光が照射されない期間にレーザー光の照射部近傍に存在していたガスであってもよい。
【００１１】
制御部は、気体試料にレーザー光を照射して生成した試料ガスと、レーザー光を照射せず照射部近傍に存在していた比較ガスとを交互に繰り返しガス分析器に導入してもよい。このとき、制御部は、予め決定された周期で試料ガスと比較ガスを交互にガス分析器に導入してもよい。あるいは、制御部は、ガス分析器からの出力結果に基づいて調整したタイミングで試料ガスと比較ガスを交互にガス分析器に導入してもよい。
【００１２】
制御部は、比較ガスを清浄化処理された処理空気にレーザー光を照射して生成したガスとするか、気体試料にレーザー光が照射されない期間にレーザー光の照射部近傍に存在していたガスとするかを決定してもよい。
【００１３】
本発明の第２の態様における微粒子組成分析装置は、上記第１の態様における微粒子組成分析装置の各要素と共に、あるいは各要素を実現するための具体的要素として、少なくとも気体試料を取り込む取込部と、取込部から放出された微粒子を捕捉するための捕捉部と、捕捉部に対してレーザー光を照射するレーザー装置とを備える。
【００１４】
なお、上記の発明の概要は、本発明の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】
【００１５】
【図１】第１実施形態に係る微粒子組成分析装置の構成を説明する概略図である。
【図２】エアロダイナミックレンズを説明するための概略図である。
【図３】導入気体の切り替えを説明する図である。
【図４】図３に示した導入気体プロファイルに応じたガス分析器からの出力変化の一例を示す図である。
【図５】微粒子組成分析装置の動作の一例を説明するフロー図である。
【図６】第２実施形態に係る微粒子組成分析装置の構成を説明する概略図である。
【図７】レーザー光の照射タイミングを説明する図である。
【図８】図７に示したレーザー光の照射のタイミングに対応する応じたガス分析器からの出力値の時間変化の一例を示す図である。
【図９】微粒子組成分析装置の動作の一例を説明するフロー図である。
【図１０】第３実施形態における演算部の演算処理を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は、第１実施形態に係る微粒子組成分析装置１００の構成を説明する概略図である。微粒子組成分析装置１００は、気体試料（エアロゾル）に含まれる微粒子の組成と濃度を分析するための装置である。
【００１８】
微粒子組成分析装置１００は、エアロダイナミックレンズ１０、スキマー１２、捕捉体１４、レーザー装置１６、分析セル１８、ガス分析器２０、および処理空気供給部２２を備える。また、微粒子組成分析装置１００は制御部２４を備える。
【００１９】
微粒子組成分析装置１００は、減圧チャンバー２６を備える。減圧チャンバー２６は、第１減圧チャンバー２６ａ、第２減圧チャンバー２６ｂ、第３減圧チャンバー２６ｃを有する。第１減圧チャンバー２６ａは、第１減圧空間を内部に形成する。第２減圧チャンバー２６ｂは、第２減圧空間を内部に形成する。第３減圧チャンバー２６ｃは、第３減圧空間を内部に形成する。第１減圧チャンバー２６ａと第２減圧チャンバー２６ｂとは、第１隔壁２８で区切られている。また、第２減圧チャンバー２６ｂと第３減圧チャンバー２６ｃとは、第２隔壁２９で区切られている。したがって、減圧チャンバー２６は、全体として３つに分室される。
【００２０】
第１減圧チャンバー２６ａは、第１排気装置２７ａを含む。第２減圧チャンバー２６ｂは、第２排気装置２７ｂを含む。第３減圧チャンバー２６ｃは、第３排気装置２７ｃを含む。第１排気装置２７ａ、第２排気装置２７ｂ、および第３排気装置２７ｃは、第１減圧空間、第２減圧空間、および第３減圧空間を互いに異なる予め定められた内圧に減圧する。第１減圧空間、第２減圧空間、および第３減圧空間において予め定められた内圧のそれぞれは、例えば、１０−３Ｔｏｒｒ、１０−５Ｔｏｒｒ、および１０−７Ｔｏｒｒである。
【００２１】
エアロダイナミックレンズ１０は、第１減圧チャンバー２６ａの一側面から第１減圧空間に挿通されるように配設される。具体的には、エアロダイナミックレンズ１０は、気体試料等が導入される導入口側を第１減圧チャンバー２６ａの外に配し、粒子線１０ａを出射する出射口１０ｃ側を第１減圧チャンバー２６ａの内に配するように配設される。エアロダイナミックレンズ１０は、気体試料である試料空気および後述する処理空気を選択的に導く導入管３０に接続されている。エアロダイナミックレンズ１０は、導入管３０から導入された気体中に含まれる微粒子を収束させ、粒子線１０ａとして出射する。微粒子組成分析装置１００においてエアロダイナミックレンズ１０は、試料空気を取り込む取込部の役割を担っている。エアロダイナミックレンズ１０の詳細は、図を用いて後述する。
【００２２】
スキマー１２は、第１減圧チャンバー２６ａと第２減圧チャンバー２６ｂとを区切る第１隔壁２８に設けられる。スキマー１２は、頂点に連通孔１２ａが設けられた円錐形状の構造体であり、連通孔１２ａをエアロダイナミックレンズ１０の出射口１０ｃに向けて配置される。上述したように、第１減圧空間の内圧よりも第２減圧空間の内圧の方が低く設定されているため、連通孔１２ａを介して第１減圧空間から第２減圧空間へ流れる気流が生じる。スキマー１２は、エアロダイナミックレンズ１０から出射された粒子線１０ａが連通孔１２ａを通過するときに、粒子線１０ａに含まれる余剰気体の一部を除去する。
【００２３】
分析セル１８は、前端部が第２減圧チャンバー２６ｂ内に配され、後端部が第２減圧チャンバー２６ｂと第３減圧チャンバー２６ｃとを区切る第２隔壁２９に挿通されるように配設される。分析セル１８の前端部にはスキマー部１８ａが設けられている。スキマー１８ａは、スキマー１２と同様に、頂点に連通孔１８ｂが設けられた円錐形状を成す。連通孔１８ｂは、エアロダイナミックレンズ１０の出射口１０ｃとスキマー１２の連通孔１２ａを結ぶ直線上に配置されている。スキマー部１８ａは、粒子線１０ａに含まれる余剰気体をさらに取り除く。
【００２４】
また、分析セル１８の後端部も先細形状を成し、その端に微小孔１８ｃを有する。このように、分析セル１８の両端を先細形状とすることにより、微粒子組成分析装置１００は、第２減圧チャンバー２６ｂの第２減圧空間と第３減圧チャンバー２６ｃの第３減圧空間の圧力差を維持し得る。したがって、分析セル１８内には、第２減圧チャンバー２６ｂから第３減圧チャンバー２６ｃに向かう気流が生じる。また、分析セル１８の中央部付近には捕捉体１４が配置されており、捕捉体１４で発生したガスが集められて微小孔１８ｃに向かうように、分析セル１８は、全体としてクランク形状を成す。
【００２５】
捕捉体１４は、分析セル１８内においてスキマー部１８ａの後方に配設される。捕捉体１４は、粒子線１０ａの流入方向に対して、微粒子を捕捉する面が斜交するように配設される。捕捉体１４は、エアロダイナミックレンズ１０から出射された微粒子を捕捉するための捕捉部としての機能を担う。捕捉体１４は、メッシュ状の構造を有して、入射する粒子線１０ａに含まれる微粒子を捕捉する。
【００２６】
捕捉体１４に入射した粒子線１０ａに含まれる個々の微粒子は、固有の確率でメッシュ構造に衝突する。メッシュ構造に衝突した微粒子は、その後、何度もメッシュ構造と衝突を繰り返し、衝突するごとに減速される。当該微粒子は、やがて速度を失い、最終的に捕捉体１４に捕捉される。
【００２７】
レーザー装置１６は、減圧チャンバー２６の外部に配置される。レーザー装置１６は、レーザー光１６ａを発振する。第２減圧チャンバー２６ｂの外気雰囲気に接する側壁には光学窓３２が設けられている。また、分析セル１８の側壁には光学窓３３が設けられている。レーザー装置１６は、光学窓３２および光学窓３３を通して、レーザー光１６ａを捕捉体１４に照射して、照射部分を加熱する。本実施形態において、レーザー光１６ａの一例は炭酸ガス（ＣＯ２）レーザーである。
【００２８】
レーザー装置１６は、レーザー光１６ａによって捕捉体１４に捕捉された微粒子を気化、昇華又は反応させて、脱離成分であるガスを生成する。ここで、「脱離成分」とは、捕捉体１４による捕捉状態から脱離して、移動可能な状態になった成分をいう。以下の説明において、試料空気を導入したときの脱離成分であるガスを、試料ガスと称する場合がある。試料ガスの成分は、具体的には、微粒子の構成成分の酸化によって生じるＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＮＯ２、およびＳＯ２などである。
【００２９】
ガス分析器２０は、第３減圧チャンバー２６ｃ内に配置される。ガス分析器２０は、導入されたガスの成分を質量分析法により分析する分析器である。質量分析法は、検出下限が比較的低いため、微粒子の濃度が比較的低い試料空気に対しても良好に適用できる。なお、本実施例においては質量分析法によりガスの成分を分析する分析器を用いるが、分析対象となる気体試料における微粒子の濃度、種類などによっては、他の分析法によりガスの成分を分析する分析器も採用し得る。例えば、分析対象となる微粒子の濃度が高いときには、分光分析法による分析器を採用しても良い。
【００３０】
ガス分析器２０は、イオン化領域２０ａを有する。ガス分析器２０は、分析セル１８の後端部に形成された先細形状の微小孔１８ｃにイオン化領域２０ａが対向するように配置される。イオン化領域２０ａは、分析セル１８から導入されたガスをイオン化して、ガス分析器２０へ供給する。ガス分析器２０は、導入されたガスの成分のそれぞれの含有量に応じた強度信号を周期的に後述する演算部２５へ出力する。
【００３１】
導入管３０は、途中で第１経路３０ａと第２経路３０ｂとに分岐している。第１経路３０ａは、エアロダイナミックレンズ１０の導入口１０ｂに直接接続されており、第２経路３０ｂは、処理空気供給部２２に接続されている。処理空気供給部２２は、第２経路３０ｂから試料空気を吸入する。処理空気供給部２２は、ＨＥＰＡフィルタ、電気集塵機等で構成されたフィルタを有し、試料空気から微粒子を除去する清浄化処理を行う。なお、以下の説明において、処理空気供給部２２によって清浄化処理が施された試料空気を処理空気と称する場合がある。処理空気供給部２２は、処理空気を導入管３０の第３経路３０ｃに排出する。この一連の処理において、処理空気供給部２２は、処理空気を生成する空気生成部の機能を担う。第３経路３０ｃは、エアロダイナミックレンズ１０の導入口１０ｂ近傍において第１経路３０ａに接続されている。
【００３２】
なお、分岐する導入管３０において、第１経路３０ａは、エアロダイナミックレンズ１０の導入口１０ｂに直線的に接続されている。すなわち、取り込まれた試料空気は、その流れが阻害されることなくエアロダイナミックレンズ１０の導入口１０ｂに到達する。一方、第２経路３０ｂは、第１経路３０ａの下流に対して鋭角を成す方向に分岐している。しかしながら、処理空気供給部２２は、清浄化処理を行うときには、第２経路３０ｂから試料空気を吸気するので、必要な量の試料空気を取り込むことができる。
【００３３】
制御部２４は、微粒子組成分析装置１００の各構成要素の動作、処理を統括的に制御する。また、制御部２４は、ガス分析器２０の出力を演算する演算部２５を含む。具体的には、演算部２５は、制御部２４がガス分析器２０から取得した特定成分の含有量に応じた強度信号を用いて、さまざまな演算を実行する。その一例として、演算部２５は、ガス分析器２０で分析された、試料ガスと比較ガスのそれぞれに含まれる特定成分の差分量を演算する。本実施形態において、「比較ガス」は、処理空気供給部２２によって清浄化処理された処理空気にレーザー光を照射して生成されたガスである。
【００３４】
制御部２４は、試料空気にレーザー光を照射して生成した試料空気に含まれる微粒子に起因する試料ガスと、比較ガスとが順次ガス分析器に導入されるように制御する。具体的には、制御部２４は、処理空気供給部２２を制御することにより、試料空気と処理空気とを順次切り替えてレーザー光１６ａの照射位置である捕捉体１４へ供給する。そして、捕捉体１４をレーザー光１６ａで照射することにより、試料空気を供給したときには試料ガスを生成させ、処理空気を供給したときには比較ガスを生成させて、ガス分析器２０に交互に繰り返し導く。このとき、制御部２４は、レーザー装置１６にレーザー光１６ａを連続照射させる。
【００３５】
ここで、制御部２４による試料空気と処理空気の切り替え方法について説明する。処理空気供給部２２は、第２経路３０ｂから試料空気を吸入することにより、エアロダイナミックレンズ１０の導入口１０ｂの径で決まる臨界流量よりも多い流量で処理空気を第３経路３０ｃへ排出することができる。ここで、臨界流量は、導入口１０ｂの径がφ０．１ｍｍであるとき、約１００ＣＣＭである。制御部２４は、処理空気供給部２２を制御して処理空気を当該臨界流量以上で排出させると、清浄化処理をしていない試料空気を導入口１０ｂに到達させることなく、処理空気のみをエアロダイナミックレンズ１０へ供給することができる。
【００３６】
なお、試料空気と処理空気との切替方法は、処理空気の流量の増減による方法に限らない。例えば、試料空気の流路と処理空気の流路の交差点に三方弁を配設して、制御部２４が切り替え制御を行うように構成してもよい。このように用いられる三方弁は、試料空気内の微粒子が弁内部で吸着されない構造が好ましい。三方弁には、ソレノイドバルブ、ボールバルブ等を採用し得る。
【００３７】
なお、ガス分析器２０は、下限量を上回る微粒子から発生するガスが導入されたときに、当該微粒子の分析を行うことができる。単位時間に捕捉体１４に捕捉される微粒子の数は、単位時間に捕捉体１４に流入する微粒子の数に比例する。したがって、粒子線１０ａの流速と粒子線１０ａに含まれる微粒子の密度によって、一定時間に捕捉体１４に捕捉される微粒子の数は変化する。粒子線１０ａの流速を一定とした場合に、分析対象となる試料空気の微粒子の含有濃度が高いほど、単位時間に捕捉体１４に捕捉される微粒子の数は多くなる。
【００３８】
粒子線１０ａの流速を一定とした場合には、微粒子の分析が可能な下限量が捕捉体１４に捕捉されるまでの時間は、試料空気に含まれる微粒子の濃度に略反比例する。したがって、導入される試料空気に含まれる微粒子の濃度が高いほど、分析下限量を上回る微粒子が短時間で捕捉される。すなわち、ガス分析器２０は、導入される試料空気に含まれる微粒子の濃度が高いほど短いサイクルで分析処理を実行できる。
【００３９】
図２は、エアロダイナミックレンズ１０を説明するための概略図である。エアロダイナミックレンズ１０は、円筒状の外観構造である筐体１０ｉを有する。筐体１０ｉの一端の側面には、外部から試料空気等が導入される導入口１０ｂが設けられる。また、筐体１０ｉの他端の側面には、粒子線１０ａを出射する出射口１０ｃが設けられる。エアロダイナミックレンズ１０は、筐体１０ｉ内に、オリフィス１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈを有する。オリフィス１０ｄからオリフィス１０ｈは、中心に貫通孔を有するドーナツ形状の板材である。図２に示すように、オリフィス１０ｄからオリフィス１０ｈに向かって、それぞれの貫通孔の径は小さくなるように構成される。
【００４０】
図１を用いて説明したように、導入口１０ｂと出射口１０ｃは、それぞれ第１減圧チャンバー２６ａの外側と内側に配設される。したがって、導入口１０ｂと出射口１０ｃにおける圧力差によって、試料空気は、導入口１０ｂから出射口１０ｃへ向かって流れる。エアロダイナミックレンズ１０を通り抜けるときに、試料空気の媒質である空気は、拡散しながら移動する。このため、気体としての空気は、各オリフィスによって移動が妨げられる。
【００４１】
一方、固体もしくは液体で構成される微粒子は、直進性が高い。このため、微粒子は、初段のオリフィス１０ｄを通過した後には、２段目以降のオリフィス１０ｅからオリフィス１０ｈによって移動が大きく妨げられることがない。また、上述したようにオリフィス１０ｄからオリフィス１０ｈに向かって貫通孔の径は次第に小さくなるので、流路は、導入口１０ｂか出射口１０ｃに向かって絞られる。したがって、導入口１０ｂから導入された試料空気に含まれる微粒子は、ビーム状に並んで出射口１０ｃから出射される。
【００４２】
図３は、制御部２４による導入気体の切り替えを説明する図である。図３において、横軸は、時間を示す。縦軸は、各時間における目標とする空気導入量を示す。網掛けの部分は処理空気を表し、白抜きの部分は試料空気を表す。図示するように、目標値としての導入気体プロファイルは、処理空気と試料空気をパルス状に交互に切り替える。このとき、処理空気と試料空気の切り替え時間帯には空白時間としての不感時間を設ける。なお、各網掛け部分の面積は、処理空気の目標導入量を表し、各白抜き部分の面積は、試料空気の目標導入量を表す。
【００４３】
図３に示す例においては、制御部２４は、予め決定された周期で処理空気と試料空気を交互にエアロダイナミックレンズ１０に導入するように制御する。図の例では、時間帯Ａと時間帯Ｂと２回の不感時間を合わせた時間が１周期である。このように導入された処理空気と試料空気は、捕捉体１４の表面近傍でガス化されて、比較ガスと試料ガスとして交互にガス分析器２０に導入される。また、制御部２４は、不感時間に対応する時間帯にはガス分析器２０からの出力信号を取得しない。このとき、制御部２４は、不感時間に対応する時間帯にはレーザー光１６ａの照射を中断させてもよい。
【００４４】
図４は、図３に示した導入気体プロファイルに応じたガス分析器２０からの出力変化の一例を示す図である。より具体的には、ガス分析器２０に導入されたガスの成分のうち、観察対象とする特定成分の信号強度の時間変化を示している。図４において、縦軸は、信号強度を示し、横軸は時間を示す。
【００４５】
図４において、網掛け部分は、不感時間を示す。時間帯Ａは、処理空気が導入されている時間帯における信号強度の時間変化を示す。時間帯Ｂは、試料空気が導入されている時間帯における信号強度の時間変化を示す。
【００４６】
図１を用いて説明したように、処理空気は、処理空気供給部２２による清浄化処理により、試料空気から微粒子が除去されている。このため、時間帯Ａにおいては、ガス分析器２０から出力される信号強度はゼロを示すはずである。しかし、例えば微粒子を捕捉する捕捉体１４に吸着している気体試料外の物質の影響等により、有限強度の切片成分がノイズ成分として現われる場合がある。図４には、時間帯Ａにおいて、当該切片成分が示されている。また、切片成分は、時間帯Ｂにおける信号強度にも含まれている。したがって、試料空気が導入されている時間帯Ｂにおける信号強度と処理空気が導入されている時間帯Ａにおける信号強度との差分が、試料空気に含まれる微粒子の特定成分に由来する信号強度である。この信号強度の差分を演算部２５で定量することによって、導入される試料空気に含まれる微粒子濃度を測定することができる。
【００４７】
図５は、微粒子組成分析装置１００の動作の一例を説明するフロー図である。本フローは、微粒子組成分析装置１００がユーザからの試料空気の分析開始の指示を受け付けたときに開始される。
【００４８】
制御部２４は、レーザー装置１６にレーザー光１６ａの照射を開始させる（ステップＳ１０１）。次に、制御部２４は、導入気体プロファイルに従って処理空気をエアロダイナミックレンズ１０に導入する（ステップＳ１０２）。
【００４９】
次に、制御部２４は、ガス分析器２０から比較ガスにおける特定成分の強度信号を取得する（ステップＳ１０３）。具体的には、制御部２４は、ガス分析器２０のサンプリング周期で強度値を取得し、連続する数点の強度値の変化が予め定められた変動範囲内に収束したときに出力が安定したと判断する。そして、その時点の強度値をその時間帯の比較ガスにおける代表強度値として決定する。もちろん、安定してから数点の強度値を平均化して代表強度値を決定しても良い。なお、以下の説明において比較ガスに対応する代表強度値を切片強度と称する場合がある。
【００５０】
次に、制御部２４は、導入気体プロファイルに従って試料空気をエアロダイナミックレンズ１０に導入する（ステップＳ１０４）。具体的には、制御部２４は、処理空気供給部２２からの処理空気の供給を停止させる。
【００５１】
次に、制御部２４は、ガス分析器２０から試料ガスにおける特定成分の強度信号を取得する（ステップＳ１０５）。具体的には、制御部２４は、処理空気に対する処理と同様に、ガス分析器２０のサンプリング周期で強度値を取得し、連続する数点の強度値の変化が予め定められた変動範囲内に収束したときに出力が安定したと判断する。そして、その時点の強度値をその時間帯の試料ガスにおける代表強度値として決定する。もちろん、安定してから数点の強度値を平均化して代表強度値を決定しても良い。なお、以下の説明において試料ガスに対応する代表強度値を試料強度と称する場合がある。
【００５２】
次に、制御部２４の演算部２５は、試料強度と切片強度の差分量を演算する（ステップＳ１０６）。具体的には、演算部２５は、試料強度から切片強度を減算して差分量を確定する。演算部２５は、確定された差分量、ガス分析器２０のサンプリング周期、試料空気の単位時間当たりの導入量などから、観察対象の微粒子濃度を演算する。そして、制御部２４は、演算結果をユーザに呈示すべく表示部に表示したり、記録として残すべく記録部に記憶させたりする。もちろん、インターフェイスを介して演算結果を外部機器に送信しても良い。
【００５３】
次に、制御部２４は、ユーザから終了の指示があったか否かを判断する（ステップＳ１０７）。ユーザから終了の指示がなかったと判断した場合には、制御部２４は、ステップＳ１０２へ戻り、測定制御を継続する。一方、ユーザから終了の指示があったと判断した場合には、制御部２４は、レーザー装置１６にレーザー光１６ａの照射を停止させ（ステップＳ１０８）、一連のフローを終了する。
【００５４】
上述のように、本実施形態においては、制御部２４は、予め決定された周期で試料ガスと比較ガスを交互にガス分析器に導入するように、試料空気と処理空気の切り替え制御を行った。しかし、制御部２４は、一定の周期では無く、フィードバック制御により試料ガスと比較ガスを切り替えるタイミングを調整しても良い。具体的には、制御部２４は、ガス分析器２０の出力が安定して試料強度および切片強度が決定でき次第、試料空気から処理空気へ、あるいは処理空気から試料空気へ、エアロダイナミックレンズ１０に導入する対象を切り替える。このようなフィードバック制御を行えば、単位時間当たりの分析回数を増やすことができる。
【００５５】
図６は、第２実施形態に係る微粒子組成分析装置２００の構成を説明する概略図である。微粒子組成分析装置２００は、第１実施形態における微粒子組成分析装置１００から処理空気供給部２２を除いた以外は、微粒子組成分析装置１００と同一の構成である。微粒子組成分析装置２００は、処理空気供給部２２を備えないので、導入管３０は単一経路でストレートにエアロダイナミックレンズ１０の導入口１０ｂに接続されている。なお、下記の説明において、共通の要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省略する。
【００５６】
本実施形態において、制御部２４は、レーザー装置１６のレーザー光１６ａの発振のタイミングを制御する。換言すると、制御部２４は、レーザー光１６ａの照射開始と照射停止のタイミングを制御する。そして、本実施形態における微粒子組成分析装置２００は、試料空気にレーザー光１６ａが照射されない期間にレーザー光１６ａの照射部である捕捉体１４の近傍に存在していたガスを比較ガスとして、試料空気に含まれる微粒子を分析する。微粒子組成分析装置２００は、レーザー装置１６の発振出力を弱めたときに捕捉体１４に捕捉された微粒子の気化が停止する難揮発性の化合物（例えば硫酸アンモニウム等）の微粒子分析に好適である。
【００５７】
図７は、制御部２４によるレーザー光１６ａの照射タイミングを説明する図である。図７において、横軸は時間を示し、縦軸は各時間におけるレーザー光１６ａの目標とする照射強度を示す。図示するように、目標値としての照射プロファイルは、レーザー光１６ａの照射強度をパルス状に交互に切り替える。レーザー光１６ａが照射強度を有する時間帯は、試料空気が加熱されている時間を表し、照射強度が０の時間帯は、加熱されていない時間を表す。図の例では、加熱時間である時間帯Ａと非加熱時間である時間帯Ｂを合わせた時間が１周期である。制御部２４は、このようにレーザー光１６ａの照射開始と照射停止のタイミングを制御することにより、比較ガスと試料ガスを交互にガス分析器２０に導入させる。
【００５８】
図８は、図７に示した照射プロファイルに応じたガス分析器２０からの出力変化の一例を示す図である。より具体的には、図４と同様に、ガス分析器２０に導入されたガスの成分のうち、観察対象とする特定成分の信号強度の時間変化を示している。図８において、縦軸は、信号強度を示し、横軸は時間を示す。なお、図４を用いて説明した内容と重複する記載は省略する。
【００５９】
時間帯Ａは、レーザー光１６ａが照射されている時間帯における信号強度の時間変化を示す。時間帯Ｂは、レーザー光１６ａが照射されていない時間帯における信号強度の時間変化を示す。
【００６０】
解析対象の微粒子が難揮発性であれば、時間帯Ｂにおいては、ガス分析器２０から出力される信号強度はゼロを示すはずである。しかし、例えば時間的に変化するノイズ成分の影響等により、有限強度の切片成分がノイズ成分として現われる場合がある。図８には、時間帯Ｂにおいて、当該切片成分が示されている。また、切片成分は、時間帯Ａにおける信号強度にも含まれている。したがって、レーザー光１６ａが照射されている時間帯Ａにおける信号強度と照射されていない時間帯Ｂにおける信号強度との差分が、試料空気に含まれる微粒子の特定成分に由来する信号強度である。この信号強度の差分を演算部２５で定量することによって、導入される試料空気に含まれる微粒子濃度を測定することができる。
【００６１】
図９は、微粒子組成分析装置２００の動作の一例を説明するフロー図である。なお、図７および図８においては、制御部２４による制御の一例として、レーザー光１６ａを予め決定された周期で照射させる例を示した。図９においては、制御部２４による他の制御の一例として、ガス分析器２０からの出力結果に基づいて調整したタイミングでレーザー光１６ａを照射させる例を説明する。図５を用いて説明したフローと同様に、本フローは、微粒子組成分析装置１００がユーザからの試料空気の分析開始の指示を受け付けたときに開始される。
【００６２】
制御部２４は、試料空気を導入する（ステップＳ２０１）。制御部２４は、例えば導入管３０に設けられた弁を制御することにより、単位時間当たりの流量が維持されるように試料空気をエアロダイナミックレンズ１０に導入する。次に、制御部２４は、レーザー装置１６にレーザー光１６ａの照射を開始させる（ステップＳ２０２）。
【００６３】
次に、制御部２４は、ガス分析器２０から試料ガスにおける特定成分の強度信号を取得する（ステップＳ２０３）。具体的には、制御部２４は、ガス分析器２０のサンプリング周期で強度値を取得し、連続する数点の強度値の変化が予め定められた変動範囲内に収束したときに出力が安定したと判断する。そして、その時点の強度値をその時間帯の試料ガスにおける代表強度値としての試料強度を決定する。もちろん、安定してから数点の強度値を平均化して試料強度値を決定しても良い。
【００６４】
試料強度値が決定したら、制御部２４は、レーザー光１６ａの照射を停止する（ステップＳ２０４）。次に、制御部２４は、ガス分析器２０から比較ガスの強度信号を取得する（ステップＳ２０５）。具体的には、制御部２４は、ガス分析器２０のサンプリング周期で強度値を取得し、連続する数点の強度値の変化が予め定められた変動範囲内に収束したときに出力が安定したと判断する。そして、その時点の強度値をその時間帯の比較ガスにおける代表強度値としての切片強度を決定する。もちろん、安定してから数点の強度値を平均化して切片強度値を決定しても良い。
【００６５】
次に、制御部２４の演算部２５は、試料強度と切片強度の差分量を演算する（ステップＳ２０６）。具体的には、演算部２５は、試料強度から切片強度を減算して差分量を確定する。演算部２５は、確定された差分量、ガス分析器２０のサンプリング周期、試料空気の単位時間当たりの導入量などから、観察対象の微粒子濃度を演算する。そして、制御部２４は、演算結果をユーザに呈示すべく表示部に表示したり、記録として残すべく記録部に記憶させたりする。もちろん、インターフェイスを介して演算結果を外部機器に送信しても良い。
【００６６】
次に、制御部２４は、ユーザから終了の指示があったか否かを判断する（ステップＳ２０７）。ユーザから終了の指示がなかったと判断した場合には、制御部２４は、ステップＳ２０２へ戻り、測定制御を継続する。一方、ユーザから終了の指示があったと判断した場合には、一連のフローを終了する。
【００６７】
以上説明した、第１実施形態は、例えば微粒子を捕捉する捕捉体１４に吸着している気体試料外の物質の影響を取り除くという目的に適し、第２実施形態は、例えば時間的に変化するノイズ成分の影響を取り除くという目的に適した。また、解析対象の微粒子が揮発性物質であれば第１の実施形態が好ましく、難揮発性物質であれば、第１実施形態でも第２実施形態でも好適である。第１実施形態も第２実施形態も、試料ガスと比較ガスを交互に繰り返しガス分析器２０に導入する点をひとつの特徴としており、ガス分析器２０が出力する強度値を積分することなく直接的に差分量を演算することで、組成分析の高速化を図っている。
【００６８】
例えば、大規模プラントなどで排気される排気ガス中の微粒子を分析する場合に、その濃度は大気中における当該微粒子の濃度に比較して高いので、測定のために当該微粒子を蓄積する必要がない。一方で、プラント制御に分析結果を反映させる場合には、より高速な分析サイクルが必要である。したがって、第１実施形態および第２実施形態における微粒子組成分析装置は、このようなシステムへの応用に好適である。
【００６９】
一方、例えば住環境中の大気に含まれる有害物質を測定する場合には、測定対象の微粒子濃度は概して低く、測定のために当該微粒子を蓄積する必要がある。この場合は、分析サイクルは、それほど高速でなくても良いことが多い。そこで、このような条件において良好に適用し得る第３実施形態を説明する。
【００７０】
第３実施形態は、装置構成としては第１実施形態の微粒子組成分析装置１００と同じである。制御と演算方法が第１実施形態とは異なる。具体的には、図３で説明した試料空気のための時間帯Ｂを、分析対象となる微粒子の濃度に応じて長時間に設定し、捕捉体１４に当該微粒子を分析可能となる程度に蓄積させる。これに応じて、処理空気のための時間帯Ａも長時間に設定する。制御部２４は、蓄積された微粒子に対してレーザー光１６ａをパルス照射して試料ガスを生成させ、ガス分析器２０へ導入する。パルス照射は、一度の照射でも数度の照射でも構わない。同様に、処理空気から比較ガスを生成させ、ガス分析器２０へ導入する。ガス分析器２０は、図１０で概念的に示す演算を実行する。
【００７１】
図１０は、第３実施形態における演算部２５の演算処理を説明する図である。図１０（ａ）から図１０（ｃ）において、横軸は時間を示し、縦軸はガス分析器２０から出力される信号強度を示す。
【００７２】
図１０（ａ）は、試料ガスに対するガス分析器２０の信号強度の時間変化を示す。導入直後において信号強度が急激に高まり、その後漸減する様子がわかる。図１０（ｂ）は、比較ガスに対するガス分析器２０の信号強度の時間変化を示す。導入直後において信号強度が若干増加し、短時間のうちになだらかに低減する様子がわかる。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）に示す信号強度の時間変化から図１０（ｂ）に示す信号強度の時間変化を差し引いたグラフである。図１０（ｃ）に示される時間変化が、試料空気に含まれる微粒子の特定成分に由来する信号強度の変化であるといえる。このグラフを積分すると、取り込んだ試料空気中の対象微粒子量が算出できる。
【００７３】
以上、第１実施形態から第３実施形態まで説明したが、第２実施形態における微粒子組成分析装置２００は、第１実施形態および第３実施形態における微粒子組成分析装置１００の装置構成に実質的に包含される構成である。したがって、微粒子組成分析装置１００の構成のまま、第２実施形態として説明した制御を実行し得る。すなわち、微粒子組成分析装置１００の構成であれば、解析対象とする微粒子に応じて、いずれかの制御に選択的に切り替えることができる。具体的には、制御部２４は、比較ガスを清浄化処理された処理空気にレーザー光１６ａを照射して生成したガスとするか、微粒子にレーザー光１６ａが照射されない期間にレーザー光１６ａの照射部分近傍に存在していたガスとするかを決定すれば良い。
【００７４】
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、多様な変更また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。その様な変更また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。
【００７５】
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】
【００７６】
１０  エアロダイナミックレンズ、１０ａ  粒子線、１０ｂ  導入口、１０ｃ  出射口、１２  スキマー、１２ａ  連通孔、１４  捕捉体、１６  レーザー装置、１６ａ  レーザー光、１８  分析セル、１８ａ  スキマー部、１８ｂ  連通孔、１８ｃ  微小孔、２０  ガス分析器、２０ａ  イオン化領域、２２  処理空気供給部、２４  制御部、２５  演算部、２６  減圧チャンバー、２６ａ  第１減圧チャンバー、２６ｂ  第２減圧チャンバー、２６ｃ  第３減圧チャンバー、２７ａ  第１排気装置、２７ｂ  第２排気装置、２７ｃ  第３排気装置、２８  第１隔壁、２９  第２隔壁、３０  導入管、３０ａ  第１経路、３０ｂ  第２経路、３０ｃ  第３経路、３２  光学窓、３３  光学窓、１００  微粒子組成分析装置、２００  微粒子組成分析装置
【図１】
0006651753.tif 000002
【図２】
0006651753.tif 000003
【図３】
0006651753.tif 000004
【図４】
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【図５】
0006651753.tif 000006
【図６】
0006651753.tif 000007
【図７】
0006651753.tif 000008
【図８】
0006651753.tif 000009
【図９】
0006651753.tif 000010
【図１０】
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