(57)【要約】【課題】安全性且つ取り扱いの容易なエアロゾル粒子の荷電装置を提供すること。【解決手段】チャンバー２１に向けて軟Ｘ線を放射するＸ線放射部２２を設ける。そしてチャンバー１１の両側に導入ダクト２３を排出ダクト２４とを設ける。これにより軟Ｘ線によって照射領域がイオン化され、エアロゾル粒子を荷電することができる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバーと、
処理対象となるエアロゾル粒子を含む気体を前記チャンバーに流入させる導入ダクトと、
処理後のエアロゾルを前記チャンバーより排出する排出ダクトと、
前記チャンバーに向けて設けられ、主要波長が０．１３〜２ｎｍの範囲のＸ線を放射するＸ線放射部と、を有することを特徴とするエアロゾル粒子荷電装置。
【請求項２】
前記Ｘ線放射部はＸ線の放射および停止を制御するための電源スイッチを有することを特徴とする請求項１記載のエアロゾル粒子荷電装置。
【請求項３】
チャンバーと、
前記チャンバーの一部の領域に向けて設けられ、主要波長が０．１３〜２ｎｍの範囲のＸ線を放射するＸ線放射部と、
前記チャンバーの相対向する両面に設けられた電極板を含み、前記チャンバー内にＸ線の照射部から非照射部に向けた電界を発生する電界発生部と、
前記チャンバーのＸ線非照射部に設けられ、処理対象となるエアロゾル粒子を含む気体を前記チャンバーに流入させる導入ダクトと、
前記チャンバーのＸ線非照射部の前記導入ダクトと相対向する位置に設けられ、処理後のエアロゾルを前記チャンバーより排出する排出ダクトと、を有することを特徴とするエアロゾル粒子荷電装置。
【請求項４】
前記Ｘ線放射部はＸ線の放射および停止を制御するための電源スイッチを有することを特徴とする請求項３記載のエアロゾル粒子荷電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軟Ｘ線を発生するＸ線源を用いたエアロゾル粒子の荷電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年ナノテクノロジーはナノ相材料が従来の材料に比べて優れた特性を有することから、ナノ相材料と関連して注目されている。ナノテクノロジーにおいては、ナノ粒子の製造発生、輸送、沈着や測定が重要となる。粒子を荷電させたり、平衡帯電状態としたりすることは、輸送や沈着プロセスにおいてナノ粒子をコントロールするための有力な手法である。例えば帯電したコロイド状ナノ粒子の静電沈着による結晶膜形成や、各々反対の極性に帯電したナノサイズエアロゾルの付着による２成分系ナノ粒子の合成等にナノテクノロジーが用いられる。ナノ粒子の荷電はナノクラスターＤＭＡや粒子ビーム質量分析器のような静電気を用いたナノ粒子の計測に欠くことができない。
【０００３】
粒子は通常ガス状イオンと粒子との衝突の結果によって荷電する。この粒子の荷電状態は帯電状態に応じて単極荷電と両極荷電に分けることができる。両極荷電装置は放射線を用いたものが一般的に使用されている。放射線源としてアメリシウム（２４１　Ａｍ）、クリプトン（８５Ｋｒ）やポロニウム（２１０　Ｐｏ）等の放射性物質が用いられる。
【０００４】
図９は従来の放射線を用いた両極荷電装置の一例を示す断面図である。図９において円筒状のチャンバー１の両端には、エアロゾルを導入するための導入ダクト２、及びエアロゾルを排出するための排出ダクト３が設けられる。そしてそのチャンバー内１の中間部には放射線源４、例えばアメリシウム（２４１　Ａｍ）が配置される。又チャンバー内を通過するエアロゾルを整流するための整流板５，６が左右に設けられている。この整流板５，６は多数の微小な開口を有し、エアロゾルを整流するもので、導入ダクトと排出ダクトの近傍に図示のように設けられる。このように放射線源をチャンバー内に配置し、チャンバー内にエアロゾルを導入すると、エアロゾルの微粒子は大量の正負イオンによって荷電され、平均帯電量がほぼ０となって平衡帯電状態を得ることができる。
【０００５】
又単極荷電したイオンを発生させるための荷電装置も広い用途を有するため、近年注目されている。従来の単極荷電装置は図１０に示すように、チャンバー１１を側面が樹脂製の円筒部１２と、その上面と下面の電極１３，１４とで構成する。そして上下の電極１３，１４間に高圧電源１５より電圧を印加する。１６は微小電流を測定する電流計である。このチャンバーの下面の電極１４上にはアメリシウム（２４１　Ａｍ）による放射線源１７を配置する。このチャンバーの高さを例えば９０ｍｍとすると、α線は自身の飛程により約４０ｍｍしか届かないので、両極性のイオンがチャンバーの下方に発生する。そして電界が生じているため、所望の極性のイオンがチャンバー１１の上部に移動することとなる。従って導入ダクト１８からエアロゾルを流入させると、単極性の粒子が排出ダクト１９より排出され、単極性荷電を実現することができる。
【０００６】
又コロナ放電を用いた荷電装置は、単極又は両極の高濃度イオンを発生できるため、広い範囲で用いられている。この方法によれば、電極に高圧の直流又は交流電圧を印加することで電極の近傍に単極又は両極のイオンを発生させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の放射線を用いてエアロゾル粒子を荷電させる装置では、放射性物質の半減期が長く、安全性に問題があった。例えばアメリシウムでは、４３２．２年、クリプトン（８５Ｋｒ）では１０．７２年を要する。そのため長期間の管理が困難になるという問題がある。又ポロニウム（２１０　Ｐｏ）では１３８日の短い半減期であり、数カ月毎に線源を交換しなければならないという問題があった。
【０００８】
又従来の放射線を用いた単極荷電装置は、イオンの発生数が少なく、荷電装置内部や配管内部で損失があるので、多くの用途に対して単極に帯電したナノ粒子を用いることが難しいという欠点があった。又必要時に荷電操作を停止できないという欠点があった。
【０００９】
更にコロナ放電を用いた荷電装置は、オゾンが発生したり、電極が放電時に腐食したり、強電界磁場でのガス相反応による粒子状の物質を発生したりするため、空気が汚染されるという欠点があった。又コロナ放電では電流ノイズが発生するという欠点もあった。
【００１０】
本発明は従来の放射線源やコロナ放電を用いた荷電装置に代えて、安全で且つ取り扱いの容易なエアロゾル粒子の荷電装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１のエアロゾル粒子荷電装置は、チャンバーと、処理対象となるエアロゾル粒子を含む気体を前記チャンバーに流入させる導入ダクトと、処理後のエアロゾルを前記チャンバーより排出する排出ダクトと、前記チャンバーに向けて設けられ、主要波長が０．１３〜２ｎｍの範囲のＸ線を放射するＸ線放射部と、を有することを特徴とするものである。
【００１２】
本願の請求項２の発明は、請求項１のエアロゾル粒子荷電装置において、前記Ｘ線放射部はＸ線の放射および停止を制御するための電源スイッチを有することを特徴とするものである。
【００１３】
本願の請求項３のエアロゾル粒子荷電装置は、チャンバーと、前記チャンバーの一部の領域に向けて設けられ、主要波長が０．１３〜２ｎｍの範囲のＸ線を放射するＸ線放射部と、前記チャンバーの相対向する両面に設けられた電極板を含み、前記チャンバー内にＸ線の照射部から非照射部に向けた電界を発生する電界発生部と、前記チャンバーのＸ線非照射部に設けられ、処理対象となるエアロゾル粒子を含む気体を前記チャンバーに流入させる導入ダクトと、前記チャンバーのＸ線非照射部の前記導入ダクトと相対向する位置に設けられ、処理後のエアロゾルを前記チャンバーより排出する排出ダクトと、を有することを特徴とするものである。
【００１４】
本願の請求項４の発明は、請求項３のエアロゾル粒子荷電装置において、前記Ｘ線放射部はＸ線の放射および停止を制御するための電源スイッチを有することを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態によるエアロゾル粒子の荷電装置の構成を示す断面図である。本図においてこのチャンバー２１は内径ｄ１が４０ｍｍの真鍮製の円筒製容器であり、その側方の開口部にはＸ線放射部２２が設けられる。Ｘ線放射部２２は円筒のチャンバーの左端中央よりＸ線を放出するものである。又このチャンバー２１の上部には、エアロゾルを導くための導入ダクト２３を設ける。そしてチャンバーの他端にはその中央部に両極に荷電された後のエアロゾルを排出するための排出ダクト２４を設ける。排出ダクト２４の近傍には整流用の開口が多数設けられた整流板２５を設けている。ここではＸ線放射部から整流板までの距離を９０ｍｍとしている。
【００１６】
このＸ線放射部２２は例えば特許第２９５１４７７号に記載されているように、０．１３〜２ｎｍの軟Ｘ線を発生するＸ線源であり、ベリリウム製の窓から１２０°の立体角でＸ線を放出する。Ｘ線を放出することにより、放出された全ての範囲でイオンが常時生成される。同時に生成されるイオンの正負の数のバランスに偏りがあれば、どちらかのイオンによって粒子の帯電状態に偏りを生じることがあるが、この発明で用いたＸ線放射部によれば、微弱のＸ線を常に照射しているため、正と負のイオンが同時に当量発生する。従って帯電の極性に偏りを生じることがなく、エアロゾルを中和することができる。又オゾンや電磁ノイズ、粉塵等を発生させることもない。そしてＸ線放射部２２には図示しない電源スイッチが設けられる。電源スイッチをオンオフすることにより、Ｘ線の放射および停止を制御することができる。従って非動作時にＸ線の発生を停止させたり、荷電効果の差を確認したりすることができる。
【００１７】
次にこの実施の形態のエアロゾル粒子荷電装置の動作結果について図面を用いて説明する。図２はエアロゾルの直径が夫々１０ｎｍ，２０ｎｍ及び３０ｎｍの比較的低濃度の粒子を、Ｘ線が照射されている領域に滞留させたときに荷電される比率を示している。この図において▲は本実施の形態の荷電装置において、滞留時間が３．２秒、△は滞留時間が０．５秒の場合の荷電率である。又●は従来のアメリシウムを放射源とする荷電装置において、滞留時間が３．２秒の場合、○は０．５秒の場合を示している。この図から知られるように、Ｘ線源を用いた荷電装置の荷電現象は、従来の放射線源を用いた装置と同様な荷電プロセスであることがわかる。
【００１８】
図３はチャンバー内に滞留する時間に対する荷電された粒子の個数濃度を示している。実線は本実施の形態による軟Ｘ線を用いたエアロゾル粒子荷電装置であり、破線は従来のアメリシウムを放射線源として用いた荷電装置である。曲線Ａは粒径が３０ｎｍ、曲線Ｂは粒径が５０ｎｍ、曲線Ｃは粒径が１００ｎｍの場合である。この図に示されるようにＸ線源による荷電装置では、粒子径にかかわらず約１．２秒で粒子個数濃度がピークとなっており、これに対しアメリシウムによる荷電装置では約２．６秒がピークとなっている。従って従来の装置よりも短時間で粒子を荷電することができる。このため粒子のチャンバーでの滞留時間が短くてすみ、流量の大きな流れに対しても十分な荷電を行うことができる。
【００１９】
次に本発明の第２の実施の形態による単極のエアロゾル粒子荷電装置について説明する。図４はこの実施の形態のエアロゾル粒子荷電装置を示す断面図である。前述した従来例と同様にこの実施の形態においても、チャンバー３１は、樹脂製の円筒部３２と上面と下面のステンレス等の金属製の電極３３，３４とによって形成される。そして下方の電極３４には直流の高圧電源３５が設けられ、上面の電極３３には電流計３６が設けられている。又チャンバー３１の上部には相対向する位置に導入ダクト３７及び排出ダクト３８が設けられることも前述した従来例と同様である。
【００２０】
さてこの実施の形態においては、前述したアメリシウムによる放射線源に代えてチャンバー３１のほぼ中央部に軟Ｘ線を放出するＸ線放射部３９が設けられる。Ｘ線放射部３９は前述した第１の実施の形態と同一のものであり、このＸ線放射部３９の開口部は、図示のようにその上半分が円筒部３２の側壁によって覆われる。側壁でなく遮蔽板を用いて開口部の上部を被うようにしてもよい。こうすればＸ線ビームの上半分はシールドされ、チャンバー３１内の下半分だけにＸ線を照射することができ、正負の両極イオンがＸ線によってチャンバー３１の下半分に発生する。そしてチャンバー３１の上下の電極３３，３４間に直流の高電圧を印加することによって、正負のイオンを分離することができる。例えば電極３３が正のときには負イオンがチャンバー３１の上部に移動し、電極３３を負とすれば正イオンがチャンバー３１の上部に移動する。従って導入ダクト３７よりエアロゾルを導入すると、チャンバー上部の単極イオンによって排出ダクト３８より単極に荷電されたエアロゾルを排出することができる。このようにチャンバー３１の約１／２の領域にＸ線を照射し、Ｘ線が照射されない非照射部分に対向して導入ダクトと排出ダクトとを設けておくことによって、単極性に帯電したエアロゾルが排出できる。この実施の形態においてもＸ線放射部３９には図示しない電源スイッチが設けられる。電源スイッチをオンオフすることにより、Ｘ線の放射および停止を制御することができる。従って非動作時にＸ線の発生を停止させたり、荷電効果の差を確認したりすることができる。
【００２１】
次に本実施の形態による単極荷電装置と従来例とのイオン発生濃度を測定するために、同一の電場を形成し、チャンバーを閉じてイオン電流を測定した結果を図５及び図６に示す。図５において○は本実施例のＸ線による荷電装置の正イオンの発生特性、●はＸ線のこの実施の形態の負イオンの特性を示しており、■が図１０に示す従来のアメリシウムを放射線源として用いた単極荷電装置の正及び負のイオン発生特性を示している。この図に示されるように従来の単極荷電装置では、電圧が約５ＫＶで１４ｎＡとなり、ほぼ飽和しているが、本実施の形態の単極荷電装置では、印加電圧に応じて電流が増加しており、イオン発生数が多いと考えられる。又図６は印加電圧に対するイオン個数濃度を示しており、○は本実施の形態の正イオン発生特性、●は負イオン発生特性を示している。□は従来のアメリシウムを放射線源として用いた正極性イオンの発生特性、■は負イオンの発生特性を示している。ここで正負の個数濃度の相違はイオン移動度の相違に基づくものであり、いずれの場合でも本実施の形態の個数濃度が高い。又アメリシウムを用いた単極荷電装置では、０．５〜１ＫＶの範囲内がピークであり、これに対しＸ線荷電装置では、２．５〜３ＫＶがピークとなっている。
【００２２】
又図７，図８はエアロゾル微粒子の粒径に対して図示の電圧を印加したときの粒子がイオン化する荷電率を示している。図７は正イオンに対するものであり、○と□は本実施の形態の単極荷電装置において、夫々２．５ＫＶ、１．０ＫＶを印加した場合、●と■は従来のアメリシウムを用いた荷電装置において夫々０．５ＫＶと３．０ＫＶを印加した場合の粒径に対する荷電率を示している。又図８は負イオンの発生特性を示しており、図中の○と●は夫々Ｘ線とアメリシウムを用い夫々２．５ＫＶ、０．５ＫＶを印加した場合の荷電装置の測定値であり、実線と破線は理論値を示している。これらの図から知られるように、本実施例による荷電装置は、従来例と同様に極性にかかわらず粒径の上昇と共に荷電率が上昇し、かつ、従来例に対して高い荷電率を有している。このようにＸ線を用いることによって単極荷電粒子を高い濃度で、かつ短時間に生成することができる。
【００２３】
又Ｘ線放射部に電源スイッチを設けておけば、電源スイッチのオンオフによって容易にスイッチングできるため、必要なときにのみ荷電粒子を発生させることができるという効果も得られる。
【００２４】
尚この実施の形態では、円筒形のチャンバーの約１／２の領域にＸ線を照射しており、Ｘ線の非照射部であるチャンバーの上部に導入ダクトと排出ダクトとを設けているが、Ｘ線の照射領域は１／２に限定されず、又チャンバーの形状も円筒形でなくてもよいことはいうまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、従来の放射線源やコロナ放電を用いた荷電装置に比べて取り扱いが容易で、高濃度でイオンを発生することができる。又請求項１、２記載の荷電装置では、両極性イオンが同時に発生するため、エアロゾルを中和することができる。又請求項３，４の発明では、単極性イオンを発生することができるため、静電塗装や空気清浄機での微粒子の除去が可能となる。又高濃度のナノ粒子を発生させることができ、ナノ粒子荷電が可能となるため、電子応用素子等の製造に適用することができる。更に請求項２，４の発明では電源スイッチをオンオフすることにより、Ｘ線の放射および停止を制御することができるため、必要時にのみＸ線を照射できるという効果が得られる。このことは、例えば荷電装置を使用中または保管している場合の非常時や災害時において、放射線源を用いた荷電装置では非常時、災害時などの最悪の場合、線源が露出して外部、内部被爆の原因となる恐れがあるが、本装置では電流遮断（電源スイッチを含めた自動回路または停電）により、安全性が確保される。すなわち、取扱い、保管上の安全性を確保することができ、かつ、必要時にのみＸ線を照射できるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるエアロゾル粒子荷電装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】粒子径に対する荷電率の変化を示すグラフである。
【図３】本実施の形態の粒子滞留時間と荷電された粒子の個数濃度を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施の形態によるエアロゾル粒子荷電装置の全体構成を示す断面図である。
【図５】本実施の形態の印加電圧とイオン電流の関係を示すグラフである。
【図６】本実施の形態の印加電圧に対するイオン個数濃度の変化を示すグラフである。
【図７】本実施の形態と従来例との正極性イオンの粒子径に対する荷電率の変化を示すグラフである。
【図８】本実施の形態と従来例との負極性イオンの粒子径に対する荷電率の変化を示すグラフである。
【図９】従来のエアロゾル粒子の両極荷電装置の一例を示す断面図である。
【図１０】従来のエアロゾル粒子の単極荷電装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
２１，３１　チャンバー
２２，３９　Ｘ線放射部
２３，３７　導入ダクト
２４，３８　排出ダクト
２５　整流板
３２　円筒部
３３，３４　電極
３５　高圧電源
３６　電流計
【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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