(57)【要約】【課題】価格の低減を図るとともに、微粒子をレーザスポットＰに高精度に導き、ブレークダウンのヒット率を更に向上させた微粒子成分分析装置を提供する。【解決手段】セル内に微粒子を導入する手段と、セル内の微粒子にパルスレーザを照射する手段と、パルスレーザの照射によりブレークダウンして発光する微粒子の光を伝送する伝送手段と、伝送手段により伝送された光を分光する分光手段と、分光された光を受光する光検出器を具備し、前記微粒子の大きさや成分を分析する微粒子成分分析装置において、前記伝送手段は、窒素置換された室内に配置された少なくとも２枚のレンズにより構成する。【選択図】　　　図１
2004012255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル内に微粒子を導入する手段と、セル内の微粒子にパルスレーザを照射する手段と、パルスレーザの照射によりブレークダウンして発光する微粒子の光を伝送する伝送手段と、伝送手段により伝送された光を分光する分光手段と、分光された光を受光する光検出器を具備し、前記微粒子の大きさや成分を分析する微粒子成分分析装置において、前記伝送手段は、窒素置換された室内に配置された少なくとも２枚のレンズにより構成されたことを特徴とする微粒子成分分析装置。
【請求項２】
レンズは２枚の凸レンズであって、一方のレンズでブレークダウンして発光する微粒子の光を平行光とし、この平行光を受光する他方のレンズの焦点付近に分光器を配置したことを特徴とする請求項１記載の微粒子成分分析装置。
【請求項３】
前記セル内にノズル手段を形成し、前記微粒子を確実にパルスレーザの照射点を通過するようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の微粒子成分分析装置。微粒子成分分析装置。
【請求項４】
前記セルの出口を、前記パルスレーザの照射点に近接して形成し、セル内での微粒子の散らばりを防止したことを特徴とする請求項１乃至３記載の微粒子成分析析装置。
【請求項５】
セル内を微粒子が一定速度で移動する構成とし、上流側に微粒子検出手段を、下流側にブレークダウン用パルスレーザ照射手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至４記載の微粒子成分分析装置。
【請求項６】
パルスレーザの上流に所定の距離を隔ててＣＷレーザ照射手段を設け、ＣＷレーザで微粒子の存在を検出し、所定時間経過後、後段のパルスレーザで微粒子を照射してブレークダウンによる発光を得るようにしたことを特徴とする請求項１乃至５記載の微粒子成分分析装置。
【請求項７】
前記ノズルの出口にノズル孔径と同等の孔径を有する補助部材を設けるとともにノズル出口と補助部材の入口の距離を微粒子がブレークダウン室に付着しない程度としたことを特徴とする請求項３乃至６記載の微粒子成分分析装置。
【請求項８】
前記補助部材の入口の形状をテーパ状に形成したことを特徴とする請求項７記載の微粒子成分分析装置。
【請求項９】
前記微粒子を移動させるキャリアガスとして不活性ガス又は空気を用いることを特徴とする請求項１乃至８記載の微粒子分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば大気中やクリーンルーム内に浮遊する微粒子若しくは液体中に含まれる微粒子の大きさや元素分析を行う微粒子成分分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
出願人は、微粒子成分分析装置に関する発明を特願平２０００−１５８０３７により出願している。
図４により、先願発明で開示された一実施形態の要部構成を説明する。図において、１は光を遮断した真空紫外光が減衰しないで伝搬できるキャビティである。このキャビティ１内は窒素（Ｎ２）ガスに置換されており、透明部材からなるセル２が配置されている。
【０００３】
３はパルスレーザ生成手段であり、例えば光源としてＹＡＧレーザが用いられ、波長約１ミクロン，強度１０〜１００Ｗでパルス幅０．１〜１００ｎｓ程度の出力のものを使用する。ここで、レーザの波長は測定対象となる元素の発光波長が０．１５〜０．９ミクロン程度なので、レーザ光の波長を測定成分の波長に干渉しないような範囲外の波長の使用が望ましい。
【０００４】
ここで生成されたレーザは、ミラー４及び非球面レンズ５を介して焦点での直径を０．１ｍｍ程度とされ、透明体からなるセル２の絞り部分２ａを移動する微粒子（例えば＞０．０３ミクロン）６を照射する。
【０００５】
７は、セル内に微粒子を送り込む微粒子濃縮手段であり、例えばサイクロン等によって空気中の微粒子が濃縮され、その濃縮された微粒子がセル２の絞り部分２ａに送り込まれる。８は、セル２の他端に配置された真空ポンプで、セル２内のキャリアガス（不活性ガス…Ａｒガス，空気等）を吸引して減圧雰囲気とする。
【０００６】
上記の構成において、パルスレーザ光による強力な電場を集中させることにより、微粒子をブレークダウン（気中放電）を生じさせる。ブレークダウンは、気体中に微粒子が存在すると、それによるエネルギ吸収のためにプラズマ化されるものである。
【０００７】
このプラズマからは種々の光が発生するが、発光からの時間経過とともに変化する。発光直後のナノ秒（１０−９ｓ）オーダーより短い時間帯では、プラズマからの白色光が主要な光であるが、マイクロ秒（１０−６ｓ）オーダ近くになると、プラズマ化されたイオンが電子と再結合し、微粒子を構成する原子の発光が現れ、その後光は消滅する。
【０００８】
９はブレークダウンによる発光を入力する紫外線光ファイバであり、先端の断面が逆円錐状に形成されている。９ａはフィルタで、測定対象となる元素の発光波長が０．１５〜０．９ミクロン以外の波長の通過を阻止する。
図では省略されているが、紫外線光ファイバ９の他端には分光器が設けられており、分光器に入った光は分光され、通常はストリークカメラ等で時間に対する光強度変動として計測される。そして、スペクトルの位置から微粒子を構成する元素を、発光強度から微粒子の大きさを計測する。
【０００９】
セル内の微粒子は濃縮手段で濃縮されているとはいえ、その密度は必ずしも濃いとは言えない。例えばパルスレーザ照射によるブレークダウン領域（レーザスポット）は０．１ｍｍ球程度である。そして微粒子の密度が１個／ｍｍ３とするとレーザスポットを微粒子が通過する確率は１／１０００となる。
また、パルスレーザは電力の消費量が大きく、微粒子が存在しない状態で駆動しておくのは不経済である。
【００１０】
そこで、図４の実施形態では、微粒子の存在を確認後パルスレーザを照射するようにしてヒットする確率を向上させ、合わせて電力消費量の削減を図ったものであり、微粒子の有無を認識する手段として、連続発振を行うＣＷレーザ１０を配置している。
【００１１】
図において、セル２内には微粒子濃縮手段７から微粒子６を含むガスが導入され、所定の速度で流れている。１０はＣＷレーザであり、このレーザの照射径はレンズ１１ａによってセル２の内径をカバーする程度の大きさに絞られている。
そして、このレーザ領域を微粒子６が通過すると、散乱光を発する。この光はレンズ１１ｂによって集光されフォトダイオード１２などの光検出手段で電気信号に変換される。
【００１２】
この信号は、ディレー発生装置１３に入力され、微粒子を含むガスがセル２内の距離Ｌを移動してレーザスポットＰに達するまでの時間を遅らせてパルスレーザ生成手段３にトリガ信号を送出する。
このトリガ信号は、ガスの流れのマージンを考慮して少し早めに送出され、パルスレーザ生成手段３は、このトリガによってオンとなり、一定時間経過したらオフとなるように作動する。
【００１３】
図５は、ＣＷレーザ１０の出力（ａ）、微粒子からの散乱光（ｂ）、パルスレーザの出力（ｃ）およびブレークダウンによる発光（ｄ）のタイミングを示す図である。
【００１４】
図に示すように、ＣＷレーザ１０によって微粒子６から散乱光が発され、Δｔ時間後にパルスレーザが出力され、この出力によってブレークダウンによる発光が生じている。
このように、微粒子の存在を確認後パルスレーザを照射するようにすれば、ヒットの確率が向上し、パルスレーザの電力消費量の削減を図ることができる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の構成例では、ブレークダウンによる発光を伝送する手段として紫外線光ファイバ９を用いており、この紫外線光ファイバ９の他端に分光器（図示省略）が設けられている。
しかしながら、紫外線を透過する光ファイバは特殊なガラスを用いるため市販されておらず、特殊仕様のため高価である。また、バンドルファイバを作製する工程も必要なので更に高価なものとなる。
【００１６】
また、微粒子がブレークダウン用レーザの焦点（レーザスポットＰ）付近を通過するタイミングは分かるが、微粒子は絞り２ａの中で、図の上下方向や手前と奥の方向に自由に動き得るので、必ずしもレーザスポットＰに高精度で入るとは限らない、という問題があった。
【００１７】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、光伝送手段として少なくとも２枚のレンズを用いることにより、価格の低減を図るとともに、微粒子をレーザスポットＰに高精度に導き、ブレークダウンのヒット率を更に向上させた微粒子成分分析装置の提供を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、請求項１においては、
セル内に微粒子を導入する手段と、セル内の微粒子にパルスレーザを照射する手段と、パルスレーザの照射によりブレークダウンして発光する微粒子の光を伝送する伝送手段と、伝送手段により伝送された光を分光する分光手段と、分光された光を受光する光検出器を具備し、前記微粒子の大きさや成分を分析する微粒子成分分析装置において、前記伝送手段は、窒素置換された室内に配置された少なくとも２枚のレンズにより構成されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項２においては、請求項１記載の微粒子成分分析装置において、
レンズは２枚の凸レンズであって、一方のレンズで集光した光を平行光とし、この平行光を受光する他方のレンズの焦点付近に分光器を配置したことを特徴とする。
【００２０】
請求項３においては、請求項１または２記載の微粒子成分分析装置において、前記セル内にノズル手段を形成し、前記微粒子を確実にパルスレーザの照射点を通過するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
請求項４においては、請求項１乃至３記載の微粒子成分析析装置において、
前記セルの出口を、前記パルスレーザの照射点に近接して形成し、セル内での微粒子の散らばりを防止したことを特徴とする。
【００２２】
請求項５においては、請求項１乃至４記載の微粒子成分分析装置において、
セル内を微粒子が一定速度で移動する構成とし、上流側に微粒子検出手段を、下流側にブレークダウン用パルスレーザ照射手段を設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項６においては、請求項１乃至５記載の微粒子成分分析装置において、
パルスレーザの上流に所定の距離を隔ててＣＷレーザ照射手段を設け、ＣＷレーザで微粒子の存在を検出し、所定時間経過後、後段のパルスレーザで微粒子を照射してブレークダウンによる発光を得るようにしたことを特徴とする。
【００２４】
請求項７においては、請求項３乃至６記載の微粒子成分分析装置において、
前記ノズルの出口にノズル孔径と同等の孔径を有する補助部材を設けるとともにノズル出口と補助部材の入口の距離を微粒子がブレークダウン室に付着しない程度としたことを特徴とする。
【００２５】
請求項８においては、請求項７記載の微粒子成分分析装置において、
前記補助部材の入口の形状をテーパ状に形成したことを特徴とする。
【００２６】
請求項９においては、請求項１乃至８記載の微粒子分析装置において、
前記微粒子を移動させるキャリアガスとして不活性ガス又は空気を用いることを特徴とする。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１（ａ，ｂ）は、本発明の請求項１〜９に関する実施形態の一例を示すもので図（ａ）は要部構成説明図、図（ｂ）は図（ａ）の一点鎖線で囲った部分イの拡大図である。なお、図４において説明した従来装置と同一構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
【００２８】
本発明の構成上の特徴は、従来例で示したキャビティ１の形状を変更し、変更したキャビティ１ａに所定の距離を隔てて対向させた２枚のレンズを収納した点にある。即ち、本実施例ではブレークダウン室１６の下方にレンズ収納室１７を設け、この室にも窒素（Ｎ２）ガスを充満（窒素置換）させる。
【００２９】
そして、微粒子のブレークダウンによる発光をフィルタ２１を介して第１レンズ１８で集光し、集光した光を平行光とする。その平行光は第２レンズ１９で受光され分光器２０に入力する。分光器に入射後は先に述べた従来例と同様に分光され、スペクトルの位置から微粒子を構成する元素を、発光強度から微粒子の大きさを計測する。
【００３０】
なお、フィルタ２１は測定対象となる元素の発光波長が０．１５〜０．９ミクロン以外の波長の通過を阻止するものであり、パルスレーザの光を紙面と垂直（９０度回転させた）方向から微粒子を照射する構成とする場合は不要である。
【００３１】
更に本発明では、セル２の絞り２ａ内に、絞りの長手方向に所定長のノズル手段１４を形成し、微粒子を確実にパルスレーザの照射点Ｐを通過するように導くようにしている。
【００３２】
図１（ｂ）に示すようにノズルの径ｄは、０．１〜１．０ｍｍ、長さＬは５〜１０ｃｍ程度の範囲で設計される。このようなノズル手段の導入により、微粒子が絞り２ａの中で、図の上下方向や手前と奥の方向に自由に動く運動が制約され、レーザスポットＰに入る確率が上昇する。
【００３３】
１５は、ノズル手段の出口から５〜１０ｍｍ程度離して対向して配置され、ブレークダウン室１６を形成する補助部材である。補助部材１５にはノズル孔径と同等の貫通孔１５ａが形成されており、入り口側に微粒子を中心位置にガイドするテーパ部１５ｂが設けられている。この補助部材１５は、ノズル１４の出口付近でレーザスポットに達せずに浮遊する微粒子がブレークダウン室１６の壁面などに付着して、レーザ光を減衰させるのを防止し、また、微粒子がレーザスポットＰを通過する確率を更に向上せしめている。
【００３４】
図２は、本発明を適用した装置における延時間とヒット率の関係を示す特性図である。この特性から明らかなように、特定の遅延時間帯１．２〜１．５ｍｓでヒット率のピークが顕著に認められる。従って、ディレー発生装置１３の遅延時間をこの範囲に設定することにより効率の良い分析が可能である。
【００３５】
ところで前述したように微粒子はキャリアとなる不活性ガスで減圧雰囲気で搬送されてレーザスポットに達するが、不活性ガスの種類と減圧の程度により微粒子の発光強度が異なる。
【００３６】
図３は出願人が実験により確認したＮａ微粒子とキャリアとなる各種不活性ガスに対する圧力と発光強度の関係を示すものである。
図によればＡｒガスは２０〜８０ｋＰａで高い発光強度を示し、Ｋｒは４０ｋＰａ付近で高く、Ｎｅガスはおよそ３０ｋＰａ付近で高い発光強度となっていることが分かる。
従って、分析に際しては分析成分と不活性ガスの種類と圧力を調整し最も高い発光強度を示すガスと圧力に調整する。
【００３７】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。実施例ではノズルの形状について実寸を用いて説明したが本実施例限るものではない。また、レンズの位置も適宜変更可能であり、レンズの数も適宜組み合わせることができる。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【００３８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、伝送手段としての２枚のレンズを窒素置換されたレンズ収納室内に配置したので、特殊仕様の高価な光ファイバを用いる必要がなく、バンドルファイバを作製する工程も不要なので安価な分析装置を実現することができる。
【００３９】
また、セル内２に導入されたノズル手段により、微粒子の運動を制約できるので、レーザスポットＰに入る確率を上昇させることが可能となる。
【００４０】
更に、上流側にＣＷレーザ照射手段等による微粒子検出手段を設け、ＣＷレーザで微粒子の存在を検出し、所定時間経過後、後段のパルスレーザで微粒子を照射してブレークダウンによる発光を得るよう遅延照射システムとノズル手段の組み合わせにより、レーザスポットＰに入る確率を更に上昇させることが可能となる。
【００４１】
また、微粒子の種類に合わせたキャリアガスと圧力を調整することにより高い発光強度を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した微粒子成分分析装置の要部を示す構成図である。
【図２】本発明を適用した微粒子成分分析装置における遅延時間とヒット率の関係を示す特性図である。
【図３】微粒子と各種キャリアガスの圧力と発光強度の関係を示す図である。
【図４】従来の微粒子成分分析装置の要部を示す構成図である。
【図５】ＣＷレーザ、散乱光、パルスレーザの出力およびブレークダウンによる発光のタイミングを示す図である
【符号の説明】
１，１ａ　　キャビティ
２　　　　　セル
２ａ　　　　絞り
３　　　　　レーザ生成手段
４　　　　　ミラー
５　　　　　非球面レンズ
６　　　　　微粒子
７　　　　　微粒子濃縮手段
８　　　　　真空ポンプ
１０　　　　ＣＷレーザ
１１ａ，１１ｂ　レンズ
１２　　　　フォトダイオード
１３　　　　ディレー発生装置
１４　　　　ノズル手段
１５　　　　補助部材
１６　　　　ブレークダウン室
１７　　　　レンズ収納室
１８　　　　第１レンズ
１９　　　　第２レンズ
２０　　　　分光器
２１　　　　フィルタ
【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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