(57)【要約】【課題】粒子がサンプル空気の内部流から逃げるのを防止する。【解決手段】  検出チャンバを含む粒子検出システムが提供され、検出チャンバは、入口ノズルと、出口ノズルと、入口ノズルと出口ノズルとの間に画定された監視域とを有する。検出チャンバ内の圧力が出口ノズル内の圧力より高くなるように検出チャンバを加圧することによって、採取された環境ガス中の粒子が監視域から逃げるのを防止する。これは、検出チャンバに追加ガス源を提供することによって、例えば入口流路からのガスを直接検出チャンバに分流することによって実現される。【選択図】図２
2015511025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境ガス中の粒子を検出する粒子検出システムであって、
前記環境ガスに流体的に連通された入口流ノズル、及び出口流ノズルを備え、前記入口流ノズル及び前記出口流ノズルが監視域を画定する、検出チャンバと、
前記検出チャンバ内で前記監視域から離れて位置し、前記検出チャンバと追加ガス源との間に流体的に連通された追加流れポートと、
を備える粒子検出システム。
【請求項２】
前記出口流ノズルに流体的に連通され、規定されたサンプル流量で前記監視域を通って環境ガスを引き込むことが可能な負圧源をさらに備える、請求項１に記載の粒子検出システム。
【請求項３】
前記負圧源が規定された追加ガス流量で追加ガスを引き込むことが可能になるように、前記追加流れポートが、前記出口ノズルを介して前記負圧源に流体的に連通される、請求項２に記載の粒子検出システム。
【請求項４】
前記負圧源が動作しているとき、前記追加ガス流量と前記サンプル流量の和に対する前記追加ガス流量の比が０．２１を超過する、請求項３に記載の粒子検出システム。
【請求項５】
前記負圧源が動作しているとき、前記追加ガス流量が前記サンプル流量に等しい、請求項３に記載の粒子検出システム。
【請求項６】
前記負圧源が動作しているとき、前記検出チャンバ内の圧力が前記出口流ノズルにおける圧力を超過する、請求項３に記載の粒子検出システム。
【請求項７】
前記追加流れポートが迂回流路に流体的に連通され、前記迂回流路が、前記入口流ノズルと前記検出チャンバを接続する、請求項１に記載の粒子検出システム。
【請求項８】
前記迂回流路が、調整可能なオリフィス及び粒子フィルタを備える、請求項７に記載の粒子検出システム。
【請求項９】
前記追加流れポートが、フィルタリングされた環境ガス源に流体的に連通される、請求項１に記載の粒子検出システム。
【請求項１０】
前記検出チャンバ内で前記監視域から離れて位置する第２の追加流れポートをさらに備え、前記第２の追加流れポートが、前記検出チャンバと追加ガス源との間に流体的に連通され、前記第１の追加流れポートに流体的に連通される、請求項１に記載の粒子検出システム。
【請求項１１】
環境ガス中の粒子を検出する方法であって、
試験すべき環境ガスを検出チャンバ内へ引き込む工程と、
前記試験すべき環境ガスを測定して前記環境ガス中の粒子を検出する工程と、
前記検出チャンバから出口ノズルを介して環境ガスを排出する工程と、
前記検出チャンバの圧力が前記出口ノズルにおける圧力より高くなるように前記検出チャンバを加圧する工程と、
を含む方法。
【請求項１２】
前記検出チャンバの圧力が前記出口ノズルにおける圧力より高くなるように前記検出チャンバを加圧する工程が、追加ガスを前記検出チャンバ内へ引き込む工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記試験すべき環境ガスを測定して前記環境ガス中の粒子を検出する工程が監視域内で行われ、追加ガスを前記検出チャンバ内へ引き込む工程が、前記試験すべき環境ガスの一部分を監視域へ導入される前に分流する工程と、前記検出チャンバ内の前記監視域から離れた位置に前記追加ガスを導入する工程とを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
追加ガスを前記検出チャンバ内へ引き込む工程が、フィルタリングされた環境ガスを前記検出チャンバへ供給する工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
追加ガスを前記検出チャンバ内へ引き込む工程が、追加ガス流路を設ける工程を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記追加ガス流路が、前記検出チャンバを、試験すべき環境ガスが前記検出チャンバへ導入される入口ノズルに接続する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記追加ガスが、前記検出チャンバへ導入される前にフィルタリング及び流量調節される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
試験すべき環境ガスが、第１の所定の流量で前記検出チャンバ内へ引き込まれ、追加ガスが、第２の所定の流量で前記検出チャンバ内へ引き込まれる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の所定の流量と、前記第１の所定の流量及び前記第２の所定の流量の和との比が、０．２１を超過する、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]  本出願は、２０１２年３月２２日出願の米国仮特許出願第６１／６１４，３９５号の優先権を主張し、同出願を、全体として参照により本明細書に組み込む。
【０００２】
[0002]  本発明は、空気中の粒子を検出する装置及び方法に関し、より詳細には、検出チャンバ内の層状のガス流内に測定すべき粒子を含める装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]  様々な製造環境では、空気中の異物砕片の存在に対する厳しい制御が必要とされる。例えば半導体の製造では、空気中の粒子の数及び寸法をある許容できるレベルまで低減させるために、大規模な空気のフィルタリングを使用する「クリーンルーム」が長い間必要とされてきた。他の製造環境では、類似しているが異なる要件が存在する。例えば、製薬又は医療デバイスの製造環境、病院、並びに食品処理又は準備環境では、空気中の粒子の数を制御することが肝要であるだけでなく、生物学的粒子を最小にすることが特に重要である。例えば微生物による汚染は、医薬品のバッチ全体を使用不能にし、製造プロセスにおいて著しい金銭的損失を招く可能性がある。加えて、製薬又は医療デバイスの製造プロセス中に、汚染の状況が生物学的であるか、それとも非生物学的であるかに関する瞬時の情報を含めて、汚染の状況を瞬時に検出することは有益である。
【０００４】
[0004]  空気中の粒子の寸法を検出及び判定するために、様々なシステム及び方法が存在する。また、空気中の粒子を検出し、検出された空気中の粒子が生物学的又は不活性であると特徴付けるシステムも、利用可能である。例えば、粒子の寸法を判定するために、粒子が散乱させる光の量及び方向性を測定すること、並びに、測定される粒子を生物学的又は非生物学的として分類するために、光源光を照射することによって粒子内で励起された蛍光を測定することによって、空気中の粒子の存在を検出するシステムが設計されてきた。
【０００５】
[0005]  大部分の従来のシステムでは、試験すべき流体（例えば、環境の空気）は、例えば入口ノズルを通じて、システム内へ引き込まれて検出チャンバ内へ導入される。次いで、何らかの方法で、例えば流体に光ビームを照射することによって、この流体の粒子が測定される。次いで流体は、出口ノズルを介して検出チャンバから排出される。
【０００６】
[0006]  この構成には、特定の難題がある。例えば、粒子は、入口ノズルと出口ノズルとの間で流体の流れから逃げて検出チャンバに入ることがある。他の場合、粒子は、流体の流れに逆らって後退し、出口ノズルを通って検出チャンバに入ることがある。どちらの場合も、そのような粒子は、入口ノズルと出口ノズルとの間の監視域内で測定された場合のように、照射ビームに交差して、光を散乱させ、又は蛍光を発する。これらの粒子は、偽性発光を生じさせ、これが粒子検出システム内の光検出器によって検出され、それによって測定データの精度を劣化させることがある。
【０００７】
[0007]  この問題を、粒子検出システム１００を示す図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す。システム１００は、封止された検出チャンバ１０２を含む。粒子を含有する流体（例えば、ガス）１１５が、入口ノズル１０５を介して検出チャンバ１０２内へ引き込まれて導入される。次いで流体は、一時的に監視域１１２を占有した後、出口ノズル１１０を通って検出チャンバ１０２から引き出される。出口ノズル１１０と流体的に連通している図示しない吸引ポンプ又は送風機によって、負圧が供給される。理想的には、吸引ポンプは、１１４近傍に第１の負圧を提供し、第１の負圧は、監視域１１２内の第２の負圧より低く、入口ノズル１０５の出口開口の負圧よりさらに低く、流体がそこから引き出される周囲環境内の圧力よりさらに低い。理論上、これにより、環境から監視域１１２を通って出口ノズル１０５から出る流体の系統的な流れが確実になる。
【０００８】
[0008]  監視域１１２内では、流体は、光源、例えば１３５近傍のレーザ、レーザダイオード、又はＬＥＤによって生成される光ビームによって照射される。照射される間、流体内の粒子は、１４０の方向に光を散乱させ、この散乱光を散乱検出器によって検出することができる。加えて、照射される間、流体内の生物学的な粒子が蛍光を発し、この蛍光は、楕円形の反射鏡１２５によって収集され、１３０近傍の蛍光検出器の方へ誘導される。
【０００９】
[0009]  特定のシステムでは、漂遊粒子１４２が、監視域内で流体の流れから逃げて、監視域の近傍を離れ、検出チャンバ１０２の他の領域を占有する可能性がある。漂遊粒子１４２は、出口ノズル１１０に到達してシステムから排出されない粒子、出口ノズル１１０から後退する粒子（図１（ｂ）に示す）、又は何らかの他のソースからの粒子である。そのような粒子は、蛍光及び散乱検出器で偽性の読取りを生じさせ、それによって測定データの精度を劣化させる。検出チャンバ１０２内で監視域１１２の外側に粒子が存在すると、そのような粒子が、検出チャンバ１１２を画定する内壁上に堆積する可能性があり、そこから粒子を取り除くのは困難であるため、特に面倒である。
【００１０】
[0010]  粒子が流体の流れから逃げて検出チャンバに入るという問題に対処する従来の解決策では、清浄な空気の「シース流」を利用する。それは、粒子が監視域を通って進むにつれて、試験中の粒子の流れを包み込む。従来の構成では、入口ノズルが設けられ、入口ノズルの内側又は中心部分は、外側の環状部分内に埋め込まれ、取り囲まれる。外側の環状部分は、上部区分と下部区分に分割される。上部環状区分からの環境の空気は、入力流から分流される。次いでこの「シース空気」は、シースポンプによってフィルタリングされて加速される。次いでシース空気は、入口ノズルの下部環状区分内へ再び導入される。一方、測定すべき粒子を含有する空気は、内側部分内を進む。監視域の領域（すなわち、検出チャンバへの入力開口付近）では、中心ノズルの下部環状区分（測定すべき空気を運ぶ）と外側環状部分の両方が先細りして、両方の空気の流れを加速させる。次いで、組み合わせた空気の流れは、総流量ポンプを使用して、監視域へ導入され、採取され、次いで排出される。その結果、試験すべき粒子を含有する空気が、フィルタリングされた清浄な空気の、比較的より迅速に流れるシース内に包み込まれる。これにより、両方の流れが検出チャンバから引き出される前に粒子がサンプル空気の内部流から逃げるのを防止する。この方法によって動作するデバイスは、Ｈａｉｒｓｔｏｎらの米国特許第５，５６１，５１５号で図６に記載されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
[0011]  本発明の実施形態は、取り囲んでいる検出チャンバ内の圧力を上昇させることによって、粒子が試験中の流体の流れから逃げるのを防止する。これにより、監視域から出口ノズル内へ、高圧力から低圧力への均一な勾配が生じ、すべての粒子が監視域から確実に排出される。検出チャンバは、複数の方法で加圧される。一実施形態では、フィルタリングされた環境の空気は、システムの出口ノズルで生成される負圧を使用して、監視域から離れた位置で検出チャンバ内へ引き込まれる。他の実施形態では、試験すべき空気の流れの一部分が、入口ノズルへ導入される前に分流され、それによって迂回流が生じる。次いで迂回流はフィルタリングされ、その流量が開口によって調節される。次いで迂回流は、監視域から離れた位置で検出チャンバへ導入される。
【００１２】
[0012]  別の実施形態では、検出チャンバを噴出洗浄し、堆積した粒子を取り除いて排出する方法及びシステムが提供される。その実施形態では、フィルタリングされた環境の空気又は迂回流の空気は、２つ以上の離れた位置で検出チャンバ内へ導入される。この導入された空気が検出チャンバから引き出されるとき、検出チャンバの内部に堆積した粒子が取り除かれて除去される。
【００１３】
[0013]  一実施形態では、環境ガス中の粒子を検出する粒子検出システムが提供される。このシステムは、環境ガスに流体的に連通された入口流ノズルと、出口流ノズルとを有する検出チャンバを含む。入口流ノズル及び出口流ノズルは、監視域を画定する。システムはまた、検出チャンバ内で監視域から離れて位置する追加流れポートを含み、追加流れポートは、検出チャンバと追加ガス源との間に流体的に連通される。
【００１４】
[0014]  別の実施形態では、システムは、出口流ノズルに流体的に連通され、規定されたサンプル流量で、監視域を介して環境ガスを引き込むことが可能な負圧源を含む。別の実施形態では、負圧源が規定された追加ガス流量で追加ガスを引き込むことが可能になるように、追加流れポートは、出口ノズルを介して負圧源に流体的に連通される。
【００１５】
[0015]  特定の実施形態では、負圧源が動作しているとき、追加ガス流量とサンプル流量の和に対する追加ガス流量の比が、０．２１を超過する。別の実施形態では、負圧源が動作しているとき、追加ガス流量はサンプル流量に等しい。別の実施形態では、負圧源が動作しているとき、検出チャンバ内の圧力は出口流ノズルの圧力を超過する。
【００１６】
[0016]  特定の実施形態では、追加流れポートは、迂回流路に流体的に連通され、迂回流路は、入口流ノズルと検出チャンバを接続する。いくつかの実施形態では、迂回流路は、調整可能なオリフィス及び粒子フィルタを備える。
【００１７】
[0017]  別の実施形態では、システムの追加流れポートは、フィルタリングされた環境ガス源に流体的に連通される。いくつかの実施形態では、システムは、検出チャンバ内で監視域から離れて位置する第２の追加流れポートを含み、第２の追加流れポートは、検出チャンバと追加ガス源との間に流体的に連通され、第１の追加流れポートに流体的に連通される。
【００１８】
[0018]  特定の実施形態は、環境ガス中の粒子を検出する方法を含む。この方法は、試験すべき環境ガスを検出チャンバ内へ引き込む工程と、試験すべき環境ガスを測定して環境ガス中の粒子を検出する工程と、検出チャンバから出口ノズルを介して環境ガスを排出する工程と、検出チャンバの圧力が出口ノズルの圧力より高くなるように検出チャンバを加圧する工程とを伴う。
【００１９】
[0019]  いくつかの実施形態では、検出チャンバの圧力が出口ノズルの圧力より高くなるように検出チャンバを加圧する工程は、追加ガスを検出チャンバ内へ引き込む工程を含む。他の実施形態では、試験すべき環境ガスを測定して環境ガス中の粒子を検出する工程は監視域内で行われ、追加ガスを検出チャンバ内へ引き込む工程は、試験すべき環境ガスの一部分を監視域へ導入される前に分流する工程と、検出チャンバ内で監視域から離れた位置に追加ガスを導入する工程とを含む。
【００２０】
[0020]  特定の実施形態では、追加ガスを検出チャンバ内へ引き込む工程は、フィルタリングされた環境ガスを検出チャンバへ供給する工程を含む。他の実施形態では、追加ガスを検出チャンバ内へ引き込む工程は、追加ガス流路を設ける工程を含む。いくつかの実施形態では、追加ガス流路は検出チャンバを、試験すべき環境ガスが検出チャンバへ導入される入口ノズルに接続する。いくつかの実施形態では、追加ガスは、検出チャンバへ導入される前にフィルタリング及び流量調節される。
【００２１】
[0021]  いくつかの実施形態では、試験すべき環境ガスは、第１の所定の流量で検出チャンバ内へ引き込まれ、追加ガスは、第２の所定の流量で検出チャンバ内へ引き込まれる。特定の実施形態では、第１の所定の流量と、第１の所定の流量及び第２の所定の流量の和との比は、０．２１を超過する。
【００２２】
[0022]  本発明に係るシステム及び方法には、特定の利点がある。例えば、上記のシース流による方法と比較すると、本明細書に開示するシステム及び方法は、完全に受動的であり、追加の清浄な空気流を検出チャンバに提供するためには、出口ノズルと流体的に連通している吸引ポンプのみに依拠する。したがって、シース流による方法とは異なり、追加のシース流ポンプの必要がない。加えて、シース流を使用するシステムは概して、サンプル空気中よりシース空気中ではるかに高い総流量を使用する。
【００２３】
[0023]  例えば、出願人は、シース流による方法を使用する１つの市販の粒子検出システム、例えばミネソタ州セントポールのＴＳＩ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能なＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｓｉｚｅｒ（登録商標）Ｍｏｄｅｌ３３２１で、サンプル流量を１Ｌ／分とし、シース流量を４Ｌ／分とした結果、総流量が５Ｌ／分になると理解している。この結果、総流量に対するシース流の比が０．８になり、これは、総流量ポンプによって動かされる空気の８０％が「廃棄」されることを意味する。これは、監視域からのすべての空気を排出することを担う総流量ポンプが、単に１Ｌ／分の測定すべき空気流を監視域内へ引き込んで監視域から排出するために、普通なら働かなければならないはずの場合より、はるかに激しく働かなければならないことを意味する。この結果、より大量の廃熱を生成するより大型のポンプが必要とされ、これは、粒子検出システムの物理的なパッケージ寸法の観点からも、システムの高感度の光及び電子システムがノイズを管理する能力の観点からも、不利である。
【００２４】
[0024]  本発明の実施形態に係るシステムを用いることで、この追加のポンプ容量を使用してより多くの空気を引き込んで採取することが可能になり、すなわち、空気を測定するためにより高レベルの処理量を実現することが可能になる。出願人は、本発明に係るシステムで、検出チャンバにサンプル流より小さい補助又は迂回流を導入することによって、粒子が逃げる問題をなくすことができることを発見した。これにより、そのようなシステムの制限であるポンプ力の大部分を、サンプル空気を動かすことに費やすことが可能になる。
【００２５】
[0025]  さらに、本発明の実施形態に係るシステムは、はるかに簡単な機械設計を使用しており、複雑な入口ノズルの形状（すなわち、内側ノズルが外側ノズルの内側に埋め込まれる）に依拠しない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】粒子が逃げることを示す目的で従来の粒子検出システムの主要な機械的特徴を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る迂回流を使用する粒子検出システムの概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る迂回流を使用する粒子検出システムに対する計算流動力学（「ＣＦＤ」）モデリングの結果を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る迂回流を使用する粒子検出システムに対するＣＦＤモデリングの結果を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る検出チャンバを不純物除去するシステムを示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る方法によって行われた検出チャンバの不純物除去に対する試験結果を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る迂回流を使用して出口ノズル近傍の渦をなくす粒子検出システムに対するＣＦＤモデリングに対する結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
[0026]  本発明について、以下の説明では、図を参照しながら好ましい実施形態で説明する。これらの図では、同様の数字又は表示は、同じ又は類似の要素を表す。本明細書全体にわたって、「一実施形態（one embodiment）」、「一実施形態（an embodiment）」、「関連する実施形態（a related embodiment）」、又は類似の言語に対する言及は、言及される「実施形態（embodiment）」に関連して説明する特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体にわたって「一実施形態では（in one embodiment）」、「一実施形態では（in an embodiment）」という語句、及び類似の言語が見られることは、すべて同じ実施形態を指すことができるが、必ずしもそれだけに限らない。本開示のどの部分も、それ自体で、また場合によっては図に関連して解釈されるように、本発明のすべての特徴の完全な説明を提供することを意図するものではないことを理解されたい。
【００２８】
[0027]  本発明の説明された特徴、構造、又は特性は、１つ又は複数の実施形態内で任意の適した方法によって組み合わせることができる。以下の説明では、本発明の実施形態の十分な理解を提供するために、多数の特有の詳細について列挙する。しかし、本発明は、特有の詳細の１つ若しくは複数がなくても、又は他の方法、構成要素、材料などを用いても実践できることが、当業者には認識されよう。他の場合、本発明の態様を曖昧にしないため、よく知られている構造、材料、又は動作は詳細に図示又は説明されていない。
【００２９】
[0028]  本発明は、粒子を検出する様々な検出器で有用である。例には、粒子寸法と蛍光の両方を検出して、粒子が生物学的粒子であるか、それとも不活性粒子であるかを判定する粒子寸法検出器及び生物学的粒子検出器が含まれる。
【００３０】
[0029]  本発明は、概して、試験すべき空気の流れの中で空気中の粒子（概して、流体中の粒子）を検出する方法に関し、より詳細には、粒子が堆積し、又はサンプル空気流から検出チャンバ内へ逃げるのを低減させる装置及び方法に関する。
【００３１】
[0030]  それによって本発明を使用できる検出システムの一例は、
光源（例えば、レーザ、レーザダイオード、又はＬＥＤ）と、
散乱光及び／又は励起蛍光を検出器上に収集及び集束させる光学構成要素と、
散乱光を検出する１つ若しくは複数の検出器（例えば、フォトダイオード）及び／又は１つ若しくは複数の蛍光検出器（例えば、ＰＭＴ）と、
１つ又は複数の光フィルタと
を含む要素の１つ又は複数を備える。検出システムは、ソフトウェア、ＤＡＱインターフェース、及びコンピュータプロセッサをさらに備えることができる。
【００３２】
[0031]  本発明を使用できる検出システムの他の例には、それだけに限定されるものではないが、本出願の権利者が所有するＢａｂｉｃｏらによる米国特許出願第１２／６４２，７０５号及びＪｉａｎｇらによる米国特許第７，４３０，０４６号に記載のシステムが含まれる。これらの開示を、参照により本明細書に組み込む。
【００３３】
[0032]  図２は、本発明の一実施形態に係る迂回流を使用する粒子検出システム２００の概略図である。図２のシステムは、検出チャンバ２０５を備える。検出チャンバ２０５は、入口ノズル２１０及び出口ノズル２１５を備える。入口ノズル２１０及び出口ノズル２１５は、空気中に存在する可能性がある粒子を検出できるように空気又は他のガスが検出チャンバを通って流れる流路２２０を画定する。光ビーム２２５を使用して、検出チャンバ内の入口ノズルと出口ノズルとの間に位置する粒子監視域２３０を通る空気流を監視して粒子を探すことができる。粒子監視域２３０は、入口ノズル２１０と出口ノズル２１５との間の間隙によって形成され、この間隙を横切って空気中の粒子が進む。ノズル間のすきにより、光源からの光が空気流を横切ることが可能になる。
【００３４】
[0033]  検出チャンバ内では、入口ノズル２１０と出口ノズル２１５との間の層状の空気（又はガス）流中に存在する粒子が、粒子監視域２３０の領域内で光ビーム２２５（図示しない光源から）を通過し、光ビーム２２５と相互作用したとき、粒子が検出される。光源は、レーザビーム、レーザダイオード、ＬＥＤ、又は他のタイプの光源とすることができる。光ビーム２２５の波長は、空気流中に存在する可能性がある粒子と相互作用して、１つ又は複数の検出器によって検出できる信号を生成するように選択される。好ましい実施形態では、光ビーム２２５は、平行にされ、又はほぼ平行にされる。例えば、粒子は、レーザビームと相互作用して光を散乱させることができ、この散乱光から粒子寸法を判定することができ、又は光からの１つ若しくは複数の光子を吸収して自己蛍光し、これらの光子が生物学的な性質であるかどうかを判定することができる。どの場合も、１つ又は複数の図示しない検出器を使用して、粒子と光ビームの相互作用によってもたらされる散乱光、蛍光、又は他の信号を検出する。
【００３５】
[0034]  入口と出口の間の空隙の粒子監視域から粒子が逃げるという問題を克服するために、図２の実施形態では、本明細書で「迂回流路」２３５と呼ぶ２次流路を使用しており、この流路は、フィルタリングされた空気を、規定された流量で検出チャンバ内へ導入する。迂回流路２３５は、調整可能なオリフィス２４０、粒子フィルタ２４５、流量計２５０、配管、及び１つ又は複数のコネクタの１つ又は複数を備える。図２の実施形態では、調整可能なオリフィスは、較正中に設定されるが、動作中には能動的に調整されない。迂回流路２３５は、検出チャンバの内壁内の迂回流れポート又は追加流れポートを通って検出チャンバ２０５に結合される。迂回流路２３５は、入力圧力が変化したときに検出チャンバの圧力を受動的に均衡させるように、入口流路２５５に接続される。迂回流路内の粒子フィルタ２４５は、検出チャンバ内へ導入される空気（又は他のガス）が清浄になるように、分流された入口空気流から粒子状物質を除去する。迂回流路２３５を入口流路に直接接続することによって、環境の状態又は要因によって入口圧力が変化したときでも、迂回流路とサンプル流路との間の圧力均衡が維持される。その結果、入口流路の圧力変化は、迂回経路とサンプル経路の両方に沿って均等に分散され、したがって能動的な圧力均衡化システムを必要としない。
【００３６】
[0035]  迂回流路２３５は、監視域２３０から離れた位置で検出チャンバ２０５に接続される。したがって、検出チャンバの内部は、全体として、入口流路２５５及び迂回流路２３５内に存在する流量に等しい総流量を受け取る。したがって、出口ノズル２１５に接続された総流路２６０は、入口流路の流量と迂回流路の流量の和に等しい流量の空気（又は他のガス）を運ぶ。図２のシステムは、フィルタ２６５と、総流量計２７０と、送風機又は吸引ポンプ２７５と、システムから排出される前に測定された空気をフィルタリングする別のフィルタ２８０と、を含む。送風機２７５は、入口流路２５５の形状構成部品、入口ノズル２１０、並びに迂回流路２３５の形状及び構成部品、特にオリフィス２４０の直径を考慮して、所定の流量で監視域２３０を横切り測定された空気を引き込むのに十分な負圧を、出口ノズル２１５に供給する。
【００３７】
[0036]  典型的には、監視域２３０を横切る流量は、図２のシステムの構成部品を最適化する境界条件である。出願人のシステムでは、監視域を流れる流量は１．１５Ｌ／分であることが望ましい。この流量は、光信号のパルス幅によって決まる。出願人の光検出器及び関連する電子機器は、監視域２３０の近傍でレーザビームの形状も同様に検出するように設計及び較正される。出願人は、粒子が逃げるのを防止するには、サンプル流量１．１５Ｌ／分で、最小の迂回流量を０．３５Ｌ／分とすることが有益であると実験的に判定した。したがって、図２のシステムでは、送風機２７５の引き込み量及びオリフィス２４０の直径は、粒子が逃げるのを防止するように引き込む迂回流空気を最小としつつ、監視域で流量１．１５Ｌ／分をもたらすように選択される。出願人の実験結果によれば、一実施形態では、迂回流は０．３５Ｌ／分であり、総流量１．５０Ｌ／分が得られた。
【００３８】
[0037]  実験及び分析結果は、この効果が拡張可能であり、他の流量を使用することもできることを示す。特に、出願人は、粒子が監視域又は出口ノズルから逃げるのを防止する効果は、総流量に対する迂回流量の比に依存することを発見した。特に、総流量に対する迂回流量の比が０．２１より大きい場合、粒子が逃げるのを防止するのに効果的であることが分かった。一実施形態では、使用される迂回流の比は０．２３である。
【００３９】
[0038]  入口ノズルと出口ノズルとの間の粒子監視域から粒子が逃げることは、圧力均衡によって制御される。検出チャンバ内の圧力は、検出チャンバ内に孔（ポート）を作製し、この孔を通って迂回流を導入することによって上昇する。検出チャンバ内の圧力の増大は、内部の検出チャンバ体積と出口ノズルとの間の圧力均衡を提供し、それによって粒子の逆流、又は粒子が粒子監視域から逃げることを著しく低減させ、又は防止する。
【００４０】
[0039]  計算流動力学（「ＣＦＤ」）による本発明のモデリングは、本発明の迂回流の利点を示す。これを図３に示す。図３は、本発明の一実施形態に係る迂回流を使用する粒子検出システムに対するＣＦＤモデリングの結果を示す。図３に示す実施形態は、図１に示すシステムの形状を有するシステムであるが、本発明の迂回流による方法によって改良されている。本発明の実施形態によれば、検出チャンバの壁の中の適した位置に配置されたポートを通って検出チャンバ内へ迂回空気流を導入することができる。正確な配置は、粒子を検出する光レンズ、鏡、検出器など、チャンバ内に存在する他の要素に依存する。図３の実施形態では、迂回流ポートは、図１の参照番号１４０の近傍に配置される。図３の実施形態では、検出チャンバの全体が加圧されて、入口ノズルの圧力より低い圧力を有するが、サンプリング領域より下の出口ノズル内のすべての位置の圧力より高い圧力を有するように、迂回流、すなわち追加流が提供される。言い換えれば、迂回（又は追加ガス）流路の調整可能なオリフィス及び全体的な流量（出口ノズルに連通された負圧源によって決まる）は、チャンバ全体の圧力が、サンプリング領域より下の出口ノズル内のすべての位置の圧力を超過するように選択される。図３で見られるように、迂回流ポートが監視域から離れた位置に配置された図１の検出チャンバの形状のＣＦＤモデリング、並びに図２の実施形態に関して上述したサンプル流量、迂回流量、及び総流量により、極めて良好なＣＦＤ結果が得られた。特に、迂回流がない場合、出口ノズル内の圧力は検出チャンバに類似し、粒子の逆流をもたらす。迂回流がある場合、出口ノズル内の圧力は、検出チャンバより著しく低く、それによって粒子の逆流を防止する。
【００４１】
[0040]  図４は、ＣＦＤシミュレーションを使用して、迂回流がある場合及び迂回流がない場合のノズル間の粒子伝達効率を示す。粒子寸法０．１ｕｍ、０．３ｕｍ、０．５ｕｍ、及び５．０ｕｍがシミュレートされた。小さい寸法の粒子は、より大きい粒子寸法の場合に比べて質量が低く慣性を有するため、逃げることによる影響を受けやすいことが予期される。図４に見ることができるように、迂回流がない場合、粒子はノズル間の空気流路から逃げる。迂回流を導入することで、粒子が空気流から逃げるのを実質上低減させ、又はなくす。この場合も、図４のモデリングに対して、実験的に判定された迂回流量０．３５Ｌ／分が、最適のサンプル流量１．１５Ｌ／分及び図１のシステムの形状とともに使用された。
【００４２】
[0041]  ここまで、「迂回流」という語句を使用して、サンプル空気とは別に、検出チャンバの圧力を均衡させて粒子の逆流及び粒子が監視域から逃げるのを防止するために粒子検出システムの検出チャンバに導入される追加の空気の流れについて説明してきた。実際には、図２の実施形態は迂回流路を示し、採取された空気から迂回経路に沿って追加空気が分流され、フィルタリングされて検出チャンバへ導入される。しかし、出口ノズルの圧力に対して検出チャンバの圧力を上昇させる追加流れの任意の源を用いることで、図２のシステムで出願人が観察した有利な効果の大部分が実現されることが、当業者には理解されよう。例えば、本発明の特定の実施形態では、検出チャンバの圧力は、何らかの空気（又は他のガス）源から検出チャンバへ「追加流」路を提供することによって上昇し、検出チャンバは、検出チャンバに接続されたポートと、「追加流」流量計と、フィルタと、調整可能なオリフィスと、関連する配管及び接続器具とを備える。言い換えれば、特定の実施形態では、図２に概略的に示す「迂回流路」は、入口流路ではなく環境空気、ボトル入りのガス、又は任意の他の適したガス源に接続される。しかし、迂回流路を入力流路に接続することで、システムが入口流路の上流、すなわち採取されている環境内の圧力変化の影響を受けなくなるため、図２の迂回構成が好ましい。
【００４３】
[0042]  出願人は、実験とＣＦＤモデリングの両方によって、本発明の実施形態に係るシステムが、迂回流ポートの位置、すなわち迂回又は追加流れが検出チャンバへ導入される正確な位置の影響をかなり受けないと判定した。特定の実施形態では、迂回流に対する検出チャンバへの入口ポートは、検出チャンバ内部の２つ以上の空気入口、又は迂回空気が検出チャンバ内の特有の位置で導入されることを実現する多岐管に接続することができる。例えば、一実施形態では、迂回流は、監視域内の粒子の領域内で導入することができる。追加の実施形態では、単一の迂回ポートから発生しうる２つの異なる経路に沿って２つの異なる点で、検出チャンバに迂回空気流が導入される。後者の構成の一例を、図５に示す。検出チャンバ内部の多岐管は、システムに適合している任意の適した材料から作ることができる。
【００４４】
[0043]  図５の実施形態は、汚染の場合に検出チャンバを噴出洗浄又は不純物除去する手段として追加の有用性を有する。汚染は、例えば検出チャンバが保守のために開かれた場合、粒子がサンプル流から逃げてチャンバ内に堆積した場合など、複数の形で生じることがある。図示の２ポート式の多岐管を含む図５に示す粒子検出システムの形状を使用して、出願人は、ＩＳＯ２１５０４−１による実験を行い、迂回又は追加流量０．３５Ｌ／分で動作する図５の多岐管形状が検出チャンバの内部を噴出洗浄する流量を判定した。ＩＳＯ試験規格によって、０．５ミクロンのポリスチレンビーズをチャンバ内へ流量１．１５Ｌ／分で１０分間、検出チャンバ内で１秒当たり２０００個を測定するのに十分な濃度で流すことによって、検出チャンバを意図的に汚染させた。また、多岐管への迂回流量は０．３５Ｌ／分で維持した。次いで、ＨＥＰＡフィルタを用いて１０秒間汚染流を切断し、サンプル流内の入ってくる汚染粒子を実質上除去し、粒子数測定を行って、システム内に残っている残留粒子を判定した。この試験の結果を図６に示す。分かるように、迂回流０．３５Ｌ／分の場合、粒子数は劇的に低減された。この実験データは、１０秒間の噴出洗浄期間後の粒子数量が、ピーク時の汚染粒子数量の０．０３％に過ぎないことを示した。したがって、迂回流を含む本発明の実施形態に係るシステムは、上記で指定の流量で、実質上自己清浄しており、どのような源でも監視域の外側から検出チャンバに入る可能性がある粒子を確実に噴出洗浄する。
【００４５】
[0044]  本発明の実施形態に係るシステムの追加のＣＦＤモデリングを図７に示す。出願人は、上記の形状及びサンプル流量１．１５Ｌ／分を使用することで、わずかに高い迂回流量を使用して出口ノズル近傍の乱流の渦を除去できると判定した。特に、出口ノズル近傍の乱流は、迂回流量１．１５Ｌ／分、すなわちサンプル流量に等しい迂回流量で、完全に除去される。この条件により、粒子がサンプル流から検出チャンバ内へ逃げるリスクがさらに最小になるはずである。
【００４６】
[0045]  本発明の好ましい実施形態について詳細に示したが、以下の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対する修正形態及び適合形態を当業者でれば想到できることが明らかなはずである。
【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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【国際調査報告】
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