(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワークであって、
Ａ）  それにより保護される物理的領域にわたって位置決めされた複数の検出局を含み、各検出局は
ｉ）（ａ）  エアロゾルサンプリングおよび取扱いモジュールと、
（ｂ）  複数の散乱光検出器と、
（ｃ）  チャンバの中央面を横切る光の単色平行ビームを生成する光源とを含む光散乱チャンバモジュールと、
ii）  前記検出器によって生成されるアナログ信号をデジタル表示に変換する電子回路と、
iii）  メモリおよび処理手段を制御および処理ソフトウェアとともに含む中央処理ユニットとを含み、前記中央処理ユニットは
（ａ）  前記エアロゾルサンプリングおよび取扱いシステムを制御し、
（ｂ）  前記エアロゾル粒子が前記光の平行ビームを横切る際に起こる各粒子の光散乱事象から生成されるデジタルデータを記憶し、
（ｃ）  前記データを分析して、記憶されるデジタル化した光散乱信号の前記粒子のセットから各エアロゾル粒子を特徴付け、
（ｄ）  その後の送信のために前記特徴付けられた粒子の前記分析の集団を処理および記憶し、さらに前記検出局は
iv）  遠隔測定通信システムを含み、前記遠隔測定通信システムは
（ａ）  処理されたデータ分析を中央局に送り、
（ｂ）  変更される制御、処理および送信命令を中央局から受取り、さらに前記エアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワークは
Ｂ）  中央局からなり、前記中央局は各検出局から処理されたデータを受取り、必要であれば各検出局にそこから受取ったデータの前記中央局分析に基づく変更されたサンプリング命令を送り、前記検出局から受取ったデータを分析してエアロゾル源の雲の程度および動きを確立し、かつ保護される前記領域において前記雲が有する脅威の早期警告を遠隔測定手段によって通信し、前記中央局は
ｉ）  遠隔測定送信および受信モジュールと、
ii）  すべての検出局から送信されるデータを受信および記憶できるようにするための切換およびバッファ手段を含む中央処理ユニットＣＰＵと、
iii）  前記ＣＰＵがそのように受取られたデータを分析および処理し、かつ必要に応じて前記各検出局によって行なわれるサンプリングおよび分析プロセスを変更できるようにするための分析ソフトウェアと、
iv）  前記保護される領域に、前記分析に基づく内在する脅威および前記脅威を軽減するために提案される好適な方策の適切な警告を伝送するための分離した遠隔測定モジュールとを含む、エアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項２】
前記光の単色平行ビームは面偏光される、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項３】
前記複数の検出器は、その前方に設けられる分析器に嵌合されるものをいくつか含む、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項４】
前記複数の検出器は、前記光散乱チャンバの中心に関する大円に沿って位置する、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項５】
前記検出器の各々によって生成される各アナログ信号をデジタル表示に変換する前記電子回路は、予めプログラムされたデジタル信号処理チップからなる、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項６】
前記検出局は搭載バッテリ源によって電力を与えられる、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項７】
前記検出局は電池バックアップ源を有する線源によって電力を与えられる、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項８】
前記搭載バッテリ源は太陽電池充電手段によって充電されることにより維持される、請求項６に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項９】
前記複数の検出器は、前記光の単色ビームの偏光の面に対して垂直な面に位置するいくつかのものを含む、請求項４に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１０】
前記分析器は狭帯域通過フィルタであり、それによってそれが取付けられた前記検出器に、散乱粒子に対して入射する波長と異なる波長のすべての光が入ることを防ぐ、請求項３に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１１】
前記分析器は面偏光し、前記入射ビームの偏光の面に対して垂直な面に位置する検出器に取付けられる、請求項３に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１２】
前記各検出局の前記ＣＰＵは、前記特徴付けられた粒子の平均の大きさと、大きさの分布と、前記平均の大きさおよび大きさの分布の変化とを算出する、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１３】
前記光源はレーザである、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１４】
前記レーザはＧａＡｓ固体レーザである、請求項１３に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１５】
前記レーザの電力出力は３０ｍＷのオーダである、請求項１３に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１６】
前記エアロゾルサンプリングおよび取扱いモジュールは、前記サンプリングされたエアロゾル源の雲を希釈し、かつ前記散乱チャンバ、前記単色光ビームを通って排出ポートから出るシース流内で個々のエアロゾル粒子を運搬する、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１７】
前記複数の検出器は高ゲイントランスインピーダンスフォトダイオードである、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１８】
前記分析器は光学波長板を含む、請求項３に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項１９】
前記分析器は電気的に調整可能な液晶リタ−ダを含む、請求項３に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項２０】
前記処理ソフトウェアによって、前記検出局の中央処理ユニットはデジタル化された検出信号が収集された各エアロゾル粒子に対するストークスパラメータの算出が可能となる、請求項１９に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項２１】
前記光散乱チャンバモジュールはＵＶ光励起源を含む、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項２２】
デジタル化された信号が前記検出局ＣＰＵによって処理および分析される前記検出局の散乱光検出器は、５°から１７５°の間の極角および０°から３６０°の間の方位角において設置される、請求項１に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項２３】
指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法であって、
Ａ）  前記物理的領域にわたって複数の検出局を設置するステップを含み、各検出局は
ｉ）（ａ）  エアロゾルサンプリングおよび取扱い手段と、
（ｂ）  複数の散乱光検出器手段と、
（ｃ）  チャンバの中央面を横切る光の単色平行ビームを生成する光源とを含む光散乱チャンバモジュール手段と、
ii）  前記検出器によって生成されるアナログ信号をデジタル表示に変換する電子回路手段と、
iii）  メモリおよび処理手段を制御および処理ソフトウェアとともに含む中央処理ユニット手段とを含み、前記中央処理ユニット手段は
（ａ）  前記エアロゾルサンプリングおよび取扱いシステムを制御し、
（ｂ）  前記エアロゾル粒子が前記光ビームを横切る際に起こる各粒子の光散乱事象から生成されるデジタルデータを記憶し、
（ｃ）  前記データを分析して、記憶されるデジタル化した光散乱信号の前記粒子のセットから各エアロゾル粒子を特徴付け、
（ｄ）  その後の送信のために前記特徴付けられた粒子の前記分析の集団を処理および記憶し、さらに前記検出局は
iv）  （ａ）  処理されたデータ分析を中央局に送り、
（ｂ）  変更される制御、処理および送信命令を中央局から受取るための遠隔測定通信手段を含み、さらに前記方法は
Ｂ）  中央局手段において前記各検出局手段から処理されたデータを受取るステップを含み、前記中央局手段は必要であれば各検出局手段にそこから受取ったデータの前記中央局手段分析に基づく変更されたサンプリング命令を送り、前記検出局手段から受取ったデータを分析してエアロゾル源の雲の程度および動きを確立し、かつ保護される前記領域において前記雲が有する脅威の早期警告を遠隔測定手段によって通信し、前記中央局は
ｉ）  遠隔測定送信および受信手段と、
ii）  すべての検出局から送信されるデータを受信および記憶できるようにするための切換およびバッファ手段を含む中央処理ユニット手段と、
iii）  前記中央処理ユニット手段がそのように受取られたデータを分析および処理し、かつ必要に応じて前記各検出局によって行なわれるサンプリングおよび分析プロセスを変更できるようにするための分析ソフトウェア手段と、
iv）  前記保護される領域に、前記分析に基づく内在する脅威および前記脅威を軽減するために提案される好適な方策の適切な警告を伝送するための分離した遠隔測定手段とからなる、指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項２４】
前記光の単色ビームは面偏光される、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項２５】
前記複数の散乱光検出器手段は、その前方に設けられる分析器に嵌合されるいくつかのものを含む、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロ
ゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項２６】
前記複数の散乱光検出器手段は、前記光散乱チャンバの中心に関する大円に沿って位置する、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項２７】
前記散乱光検出器手段の各々によって生成される各アナログ信号をデジタル表示に変換する前記電子回路手段は、予めプログラムされたデジタル信号処理チップ手段からなる、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項２８】
前記検出局手段は搭載バッテリ手段によって電力を与えられる、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項２９】
前記検出局手段は電池バックアップ源を有する線源によって電力を与えられる、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項３０】
前記電池手段は太陽電池充電手段によって充電されることにより維持される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記複数の散乱光検出器手段は、前記光の単色光ビームの偏光の面に対して垂直な面に位置するいくつかのものを含む、請求項２６に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項３２】
前記分析器手段は狭帯域通過フィルタ手段であり、それによってそれが取付けられた前記散乱光検出器手段に、散乱粒子に対して入射する波長と異なる波長のすべての光が入ることを防ぐ、請求項２５に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項３３】
前記分析器手段は面偏光し、前記入射光ビームの偏光の面に対して垂直な面に位置する散乱光検出器手段に取付けられる、請求項２５に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項３４】
前記各散乱光検出器手段の前記中央処理ユニット手段は、前記特徴付けられた粒子の平均の大きさと、大きさの分布と、前記平均の大きさおよび大きさの分布の変化とを算出する、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項３５】
前記光源手段はレーザである、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項３６】
前記レーザによって生成される光の前記波長は６８０ｎｍのオーダである、請求項３５に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項３７】
前記レーザの前記電力出力は３０ｍＷのオーダである、請求項３６に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項３８】
前記エアロゾルサンプリングおよび取扱い手段は、前記サンプリングされたエアロゾル源の雲を希釈する手段と、前記散乱チャンバ手段、前記光ビームを通って排出ポート手段から出るシース流手段内で個々のエアロゾル粒子を運搬する手段とを与える、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項３９】
前記複数の散乱光検出器手段は高ゲイントランスインピーダンスフォトダイオード手段である、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項４０】
前記分析器手段は光学波長板手段を含む、請求項２５に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項４１】
前記分析器手段は電気的に調整可能な液晶リタ−ダ手段を含む、請求項２５に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項４２】
前記処理ソフトウェア手段によって、前記検出局の中央処理ユニット手段はデジタル化された検出信号が収集された各エアロゾル粒子に対するストークスパラメータを算出できる、請求項４１に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項４３】
前記光散乱チャンバ手段はＵＶ光励起手段を含む、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項４４】
デジタル化された信号が前記検出局ＣＰＵ手段によって処理および分析される前記検出局の散乱光検出器手段は、５°から１７５°の間の極角および０°から３６０°の間の方位角において設置される、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【請求項４５】
前記レーザ源はＧａＡｓ固体レーザである、請求項１３に記載のエアロゾル障害の特徴付けおよび早期警告ネットワーク。
【請求項４６】
前記光源はレーザである、請求項２３に記載の指定される物理的領域に迫るエアロゾル脅威の早期警告を与えるための方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、予め大気に放出されたエアロゾル粒子の雲の進行および組成をモニタするための方法および装置に関する。「進行」とは、前記エアロゾルの雲が健康障害を引起すおそれのある領域に関する位置および濃度を意味する。
【０００２】
特に、こうした雲のエアロゾル成分を分類および／または識別し得る手段および技術に関する以下の特許をここに援用する。
【０００３】
米国特許第４，５４８，５００号−「小さな粒子を識別または特徴付けするためのプロセスおよび装置（Process and Apparatus for Identifying or Characterizing Small Particles）」（１９８５年１０月２２日）。
【０００４】
米国特許第４，６９３，６０２号−「小さな粒子の光散乱特性を測定するための方法および装置（Method and Apparatus for Measuring the Light Scattering Properties of Small Particles）」（１９８７年９月１５日）。
【０００５】
米国特許第４，７１０，０２５号−「小さな粒子の懸濁液を特徴付けするためのプロセス（Process for Characterizing Suspensions of Small Particles）」（１９８７年１２月１日）。
【０００６】
【発明の背景】
地球の大気中に存在するほととんどのエアロゾル粒子は、ほとんどまたは全く健康障害を引起さない。偶然危険なエアロゾル粒子があったとしても、その濃度はかなり低いために無視できるほどの重要性である。しかし、病理学的に有害なエアロゾル粒子が多数発生すると、それらが病気または怪我を起こす可能性は劇的に増加する。高濃度のこうしたエアロゾル粒子の存在は、自然にまたは人工の発生源から生じ得る。前者の例としては火山の噴火があり、後者を表わすものとしては偶発的な化学プラントからの放出および精油プラントの爆発がある。
【０００７】
危険性のあるエアロゾルのその他の自然放出には光化学スモッグの急速な形成の間に起こるものが含まれ、これはしばしば自動車の排気生成物などの人工的な寄与により開始される。親菌類の急速な生育および成熟を起こすために必要とされる偶発的な環境状態下での、コクシジウム症の原因となるコクシジオイデス・イミティス（Coccidioides immitis）などの菌類の胞子の自然な放出は、それに侵された人々の健康に破壊的な影響を有し得る。最後に、多数の死傷者を出すことを意図するテロリストまたは軍隊によって放出されるおそれのある、広範囲の致命的であり得るエアロゾルが存在する。これらは生物由来および化学由来の両方のエアロゾルを含み、一般的にそれらの放出は内密であることが予期される。
【０００８】
居住領域内またはその近くに危険なエアロゾル粒子雲が生じたとき、こうしたエアロゾルを吸い込んで影響を受けるおそれのある住民に対して早期警告を与えることが望ましい。こうした警告によって、危機に面した人々の恐れまたはパニックによる公衆不安などの予期しない付帯応答の可能性にもかかわらず、死傷者を劇的に減少させることができる。こうしたエアロゾルの脅威が検出されて識別されるときには、影響を受け得る人々に警告を発するには遅すぎるということがしばしば論じられてきた。これは一般的に真実でない。
【０００９】
エアロゾルの侵入はしばしば地表よりも上に放出された雲の形の分散として起こる。たとえば火山の噴火では、一般的には大量の物質が上側の大気に送られ、そこからエアロゾル粒子が再び地上に落ちて、それが地表レベルの近くに達したときにのみ局地的な住民に影響を与える。環境空気中では、半径１０-6ｍ＝１μｍおよび密度１ｇｍ／ｃｍ3の粒子はたった１メートル落ちるためにほぼ３時間を要する。したがって適切に配備した警告システムを用いれば、こうしたエアロゾルの有する脅威を、それらが害を起こす可能性のある高さまたは場所に達するよりもかなり前に確かめられる。
【００１０】
無害のタイプのエアロゾルも多数存在する。明白な例としては、水滴または細かい氷の霧がある。実行可能な警告システムはいずれも、危険性のあるエアロゾルと、より一般的な無害な種類のものとを区別できることが重要である。
【００１１】
局地的な住民に対するエアロゾルの脅威を認識する手段は、この発明の重要な目的である。火山の噴火または化学プラントの爆発または類似のエアロゾル侵入については、明らかにその結果生じるエアロゾル雲の発生源および場所は簡単にわかり、その追跡は視覚的な手段が用いられるときの夜間を除いては、しばしば簡単である。このタイプの昼間の追跡は一般的に受動的であり、背景の照明に対するこうした侵入雲の影響の観察に基づいている。雲の発生源を知っているということは、少なくとも初期的にはその組成も知られていることを意味する。局地的な組成をモニタする目的で、侵された領域に器具を入れてもよく、必要であればそれが避難計画の基礎を形成する。加えて、脅威であり得るエアロゾル雲が検出されると、そのモニタは脅威から離れた安全な場所におけるレーザまたは無線源を用いたその雲の光学または電波探査によってある程度達成できる。
【００１２】
エアロゾル脅威の警告を与えるための一般的な概念は、レーザが生成する放射を用いて離れた所における雲の脅威を探査する、伝統的なＲＡＤＡＲアプローチに基づく。ＮＡＳＡは、１９８９年から１９９０年の広範囲の測定プログラムにおいて、エアロゾルおよび雲の後方拡散のプロファイリング、ドップラー風の測定、および大気の微量成分種の測定のための手段としてこうした技術を適用した。この領域に連邦政府は卓越して多額の出費をしたが、この技術は雲の組成を導き出すことを可能にするいかなる実用的な光学信号も得られることが期待されない。しかし由来の知られる雲に対しては、こうした演繹的な情報に基づいてその組成を導き出すことができる。ユーリッチ（Ulich）らはその米国特許第５，２５７，０８５号において、活動的および受動的な呼びかけ信号の両方を用いて離れた場所の物理的特性を探査するための、この技術の多くの要素および修正形を考察している。
【００１３】
ＬＩＤＡＲ（光検知測距）技術はさまざまな欠点を有し、それにはエアロゾルの妨害されない視界が必要とされること、すなわち介在する粒子、大気の干渉、または不透明な構造がないことが要求されることが含まれる。未知の粒子のこうしたＬＩＤＡＲ測定からエアロゾルの濃度を推断することはできそうもない。時間とともに変化する混合されたエアロゾルの組成および大きさの分布は、この概念のさらなる欠点を例示する。エスプロールス（Esproles）はその米国特許第５，３４５，１６８号において、戻されたＬＩＤＡＲ信号の情報内容を改善するためのいくつかの新規の手段を探査した。ミン（Min）らは、その米国特許第５，１０２，２１８号において、目標成分の混合物および自然に生じるエアロゾル粒子から目標のサインを抽出するための、一般的に３０メートル以下という非常に短い範囲におけるＬＩＤＡＲ測定を考察している。参照した特許の詳細な説明は、当時の技術状態の広範囲の説明とともに、いわゆる活性光近接センサに用いられる目標エアロゾル識別技術に対する多くの参考文献を含む。
【００１４】
スチュアートらはその米国特許第４，６８７，３３７号において、研究されるさまざまな部位に対して用いられる器具によってエアロゾル粒子の吸光係数を導き出す必要性について考察している。こうしたいわゆる点放射源またはインサイチュー測定は、彼らの特許において従来のＬＩＤＡＲ測定と対比されている。しかし、危険なエアロゾル粒子を含むと考えられる領域に器具および人員を持ち込むことは通常避けられる。このことから、推測される目標を探査するための遠隔感知技術が好ましいと常に考えられてきた。キャリエリ（Carrieri）はその米国特許第５，２４１，１７９号において、１９６０年代からの米軍調査、開発および工学センター（the U.S. Army Research, Development, and Engineering Center）の研究プログラムを説明しながらこの要求についてより詳細に考察している。これらのプログラムの目的は、表面汚染物質と同様に「…蒸気雲、エアロゾル、雨などにおける脅威の化学および生物薬剤を検出するための…」遠隔センサの開発であった。受動的な分光技術の必要性は１９７０年代初めに認識された。
こうした技術は、自然または予め存在する発生源からの放射照度を収集および処理する。
【００１５】
遠隔化学薬品検出ユニットの進歩的な開発は１９７９年に始まった。１９９２年終わりのキャリエリ特許の出願に見られるとおり、ディファレンシャルスキャタ／吸収差ＬＩＤＡＲデバイス（以後単にＤＩＳＣ／ＤＩＡＬデバイスと呼ぶ）が最も多くの見込みを示すと言われており、目下動作中のもののうち最も技術的に進歩した蒸気検出および距離分解システムであると考えられていた。キャリエリの発明の意図は赤外吸収／放射サインを用いて、土および製造された表面の上／中の汚染物質を感知できる関連する隔離検出技術によってこれらの能力を拡張することであり、これによって人員が「…自分自身を守り、除染のための適切な行動をとるか、または汚染された領域を全く避ける」ことを可能にすることである。これらの概念は、エアロゾル粒子および関連する生物薬剤の遠隔での特徴付けに対する最初の目的からなおも非常な相違を表わすものである。これらの報告および関連する器具の説明を読むと、究極的に何らかの形のインサイチュー検出および分析が必要とされることは疑いようがない。
【００１６】
ムラン（Muran）らは、１９９８年に出願され米国特許第５,８９８,３７３号として発行されたその発明によって、インサイチューモニタに対する要求を示すことを望んだ。開示された方法は、長期間にわたってさまざまな局所表面に付着する「…粘着性の高分子粒子」を用いて、将来的に呼びかけ信号を送る領域のシーディングの準備をする。空中車両に備えられた分光光度計を用いると、これらの特別に調製された粒子と危険な化学物質との反応または粒子は空中器具によって検出し得る特徴的な放射を生成する。代替的には、粘着性の粒子によってシーディングされた領域は、粘着性の粒子に「トラップされた」、またはそれに付着した材料／粒子からの励起放射を促進するための活性レーザシステムを用いて上空から走査されてもよい。その粘着性の粒子は目標薬剤と反応する好適な化学物質を組込むように設計され、その結果選択された目標候補物質の一意の光度サインが生じる。各脅威は一意の検出器粒子の適切な配備／シーディングによって予想される必要があるため、それらの配備の瞬間においてそれらの粒子が観察される可能性はせいぜい偶然によるものと考えられる。
【００１７】
過去５０年間にわたり、通常生物および化学兵器の形をとるエアロゾル脅威から軍人を守ることに関する問題に連邦政府の資金の多くが向けられてきた。少量のサンプルを高速で識別可能な小さい可搬の戦場用器具はかなりの支持を受けた。加えて、軍人を保護するために「…個々の兵士が用いるための小さな（携帯用）器具であり得る検出デバイスを含む…革命的な点検出技術…」を開発するための望みが政府によって長い間求められていた。前述に参照されるのは高等研究企画庁（防衛先進研究企画庁）（ＤＡＲＰＡ）による提案に対する１９９９年終わりの要求から引用したものであり、ここで彼らはいわゆる「要請リスト」を詳述している。こうしたデバイスをネットワーク化する概念が提案されているが、戦場における可搬性が強調されている。
【００１８】
残念なことに、前述のＤＡＲＰＡの強調はいくつかの点において実用的なアプローチに達しない。第１に、一般の人々に迫る脅威を警告するための警告システムが欠けている。こうしたＤＡＲＰＡのデバイスによる最初の検出は、そのデバイスを有する個人がその現場に入るか、または脅威の雲に包まれたときに起こる。早期警告システムの開発は試みられていない。次に、生物エアロゾルの単なる存在自体が即時の関心事および警報の原因となるという事実にもかかわらず、この特定の調達は偽陽性警報を避けることの必要性に対して極端な注意を向けている。自然に起こる生物エアロゾルは極端に稀な事象である。
【００１９】
あらゆる警告システムに対して重要なのは、エアロゾルの脅威が放出された後にできる限り早くそれを検出する能力である。一旦エアロゾルの脅威が放出されると、有害な粒子の局所濃度は非常に高い。たとえば、ロシアのスベルドロフスク基地における炭疽事故の分析に従って、健康な個体の肺に病気を起こすためには炭疽菌の生存可能な胞子が約１０４個必要とされることが近年予測された。このためには空気１リットル当たり数万のオーダの環境濃度が必要である。このような濃度を達成するためには、放出ゾーンの近くのエアロゾル濃度は空気１リットル当たり少なくとも１０６から１０７であることが必要である。したがって放出点の近くではエアロゾル雲の集合の各成分は類似していることが期待されるため、分類／識別はかなり簡略化された仕事となる。検出が迅速で放出に近ければ好適な信号を見出すことはかなり簡単になり、それがこの発明の目的である。積極的に識別されるエアロゾル粒子のこうした巨大な収集においては、集合全体および検出された事象自身の分類を誤る可能性はほとんどなくなる。この発明の主な目的は、特定の「木」ではなく「森」に焦点を合わせることである。
【００２０】
ＤＡＲＰＡ調達の付加的な強調は、過去３０年間にわたって連邦政府によって発行されたものに典型的であるように、脅威エアロゾル雲中の生物粒子の生死を区別することに対する要求にある。脅威のエアロゾルが圧倒的な量の死んだ微生物を含んでいるために微量の生存細胞に関する危険性は残っていないという事実を確認する信念は、このような脅威の妥当な分析ではないと考えられる。病原体となり得るものの存在の検出はその生存可能性にかかわらず、あらゆる早期警告システムの重要な要素である。
【００２１】
化学薬品に関する脅威もさまざまな連邦政府の調達活動によって説かれている。より興味深いものの１つに船上自動液剤検出器（ＳＡＬＡＤ）プログラムがあり、その特定化および関連する懇請が長期間にわたって進行している。「…ＳＡＬＡＤ取得プログラムは、液体の化学戦薬剤を自動的に検出する能力を海軍に備えるために開始された。この取得プログラムは約５年間にわたって進行しており、その間に政府はＳＡＬＡＤの原型を開発および製造し、それが海軍の動作要求を満たす可能性を確認するために分析および試験してきた…」その後の特定化においては次のように述べられている。「…ＳＡＬＡＤは以下の濃度および滴の大きさの液体の神経剤（ＧおよびＶシリーズ）および発泡剤（ＨおよびＬシリーズ）を自動的に検出する。すなわち−濃度：２．０ｍｇ／ｍ２およびそれ以上−滴の大きさ：中央質量直径５００マイクロメートルおよびそれ以上｛目的物−２００マイクロメートルおよびそれ以上｝…」この活動に関して特に著しいのは、５００μｍという中央の大きさに関わる巨大な大きさである。この大きさの粒子は環境空気中で１メートルを約２２秒間で落ちる。この検出システムは薬剤を識別して警告を発するまでに６０秒間を有するため、その時間内にその粒子はほぼ３メートル落下している。船の動きおよび環境風が薬剤を動かす影響によって検出発行はさらに複雑になる。こうした大きな粒子に関することは蒸発し得るより小さな粒子に対して期待される。エアロゾルに関わる大きさの分布は時間とともに変化するため、配備される化学薬品のエアロゾルのこの後者の部分が最も有用に検出される。この発明のさらなる目的は、こうした薬剤の検出手段としてその大きさの分布およびその時間による変化をモニタすることである。水の粒子からなる自然のエアロゾルは類似の振る舞いを示すが、非常に重要で容易に検出される相違点がある。すなわち、水滴の屈折率は典型的な化学薬品のそれとは異なり約１．３３であることが期待される。この発明では、記録された光散乱特性から必要に応じて選択されたエアロゾル粒子の屈折率を抽出する。
【００２２】
この発明の目的は、遠隔に位置決めされた検出手段によって、遠隔地に到着する脅威となり得るエアロゾル雲の組成を検出およびモニタするための明確な手段を提供することである。「検出局」と呼ばれるこうした検出器は１組の散乱光測定を行なうことができ、これによって目標エアロゾル粒子は検出された各地において一度に１つずつよく分類および／または識別される。各検出局は収集および処理した情報を遠隔測定手段によって受取ったデータのさらなる処理を行なう中央局に伝送する。後者の処理活動の中で重要なのは、エアロゾル雲のすべての成分の動きの予測である。
【００２３】
この発明の別の目的は、配備された各々の検出局から送信手段によって受取られた減少したデータをさらに処理することにより、前記エアロゾル雲にまだ晒されていない場所への到着時間および脅威の危険性を予測できるようにすることである。空気質量の動きを追うことのできる手段は、バーディッチ（Barditch）らによる１９８６年８月５日に発行された米国法定発明登録♯Ｈ１１１に記載される。彼らの追跡技術においては、第１の場所においてモニタする空気質量に卒倒病菌（Bacillus thurengiensis）の胞子をシーディングし、次いで第２の場所において収集した空気のサンプルを培養しなければならないため、この技術はほとんど実用的ではないと結論付けられる。シーディングされた胞子の、特別に調製された培養プレート上でのその後の生育によってサンプリングされた空気の起源が確認され、収集された数がシーディングされたサンプルの旅程における拡散の尺度となる。この方法は警告システムとして適用不可能であり、エアロゾル脅威の演繹的な検出および場所が必要とされる。時として、エアロゾルの脅威が検出または感知され、それが胞子またはその他の培養可能な生物を含むことが知られるときには、こうしたサンプリングは脅威の履歴記録を提供し得るが警告は与えない。興味深いことに、この発明の方法の結果として、バーディッチらのバクテリア胞子シーディングの実現は公称直径１μｍのポリスチレンラテックス球を用いることによって容易に置換できた。このような粒子はこの発明の構成要素を用いて実時間で容易に検出されるため、時間および労力のかかる培養が必要とされないために結果はほぼ即座に得られる。
【００２４】
この発明の別の目的は、１組の配備された検出局から集められたすべてのデータの分析に基づいて、危険なエアロゾル雲の予測到着時間およびその予想組成の警報および／または警告と、まもなく露出される人々に対して提案される防御手段とを与えるための合理的な中央局の判断を提供することである。この警報および警告は個々に算出された基礎から各場所に対して準備される。よって１つの領域が１０分の警告を与えられる一方で別の領域が同時に２時間の警告を受けることがあり得る。特定化された各場所に対するこうした報告の各々は時を得る態様で更新され、影響され得る場所の各々と通信することによって脅かされる人々に対して確実に最大限の警告をする。
【００２５】
この発明のさらなる目的は、中央局を用いて遠隔測定手段によって各検出局におけるデータ収集および分析速度を集合的または個々に調節することである。
【００２６】
固定された場所でエアロゾル粒子を特徴付けるための多くの異なる手段がある。たとえば、コール（Cole）はその米国特許第５，２９６，９１０号において、ドップラー流速計と組合わせた複数の力の場を用いて個々の粒子の粒子密度、直径、電荷、磁気モーメントおよびその他の物理特性を得ることを記載している。
ガーバー（Gerber）はその米国特許第５，３１５，１１５号において、粒子の統合した特性を定める光学手段を記載しており、その特性を用いてエアロゾルを、その統合体積濃度、統合表面領域濃度および赤外スペクトル領域におけるエアロゾルの吸光係数によって分類できる。ハワード・バース（Howard Barth）が編集したテキスト「粒子の大きさ分析の最新法（Modern methods of particle size analysis）」（ワイリー−インタサイエンス、ニューヨーク、１９８４年）は、エアロゾルの粒子の大きさを定め得る多数の技術を開示する。セオドア・プロブダー（Theodore Provder）は１９８７年、１９９２年および１９９８年に「粒子の大きさの分布（Particle size distributions）Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ」と題して、粒子の分析および特徴付けならびに粒子の大きさの分布に関する、アメリカ化学ソサエティ・シンポジウム・シリーズ（the American Chemical Society Symposium Series）に対するいくつかの論文集を編集した。そこには粒子の特徴付けに関する主題に対する文字どおり何百ものテキストおよび何千もの科学記事がある。しかしそこにはエアロゾル粒子の特徴付けに対する応用の可能性が最も大きい技術が１つある。
【００２７】
個々のエアロゾル粒子を区別および特徴付けするための最も有力な技術は光散乱によるものである。最も広い意味において、光散乱測定は平行単色光ビームを用いて行なわれ、そのビームを粒子が一般的には一度に１つずつ通過する。粒子はビームを通過する際に、そこに入射する光の一部を散乱する。この散乱光は、入射光ビームの方向に関して個別の散乱角において位置決めされた平行にされた検出器によって集められる。各検出器には偏光分析器、干渉フィルタ、電光シャッタ、中性フィルタ、波長板およびその他の光学部材を含むさまざまな光学部材が嵌め込まれていてもよい。すべての検出器が平面上にあってどの検出器にも分析計がないという最も簡単な実現例においても、ワイアットおよびその共同研究者は以下のものを含むこの技術の有力な特徴付け能を示した。
【００２８】
・簡単で均一なポリスチレンラテックス粒子の屈折率および大きさを定めることに対して
「単一粒子すなわちポリスチレンラテックスのローレンツ−ミー散乱の測定（Measurement of the Lorenz-Mie Scattering of a Single Particle: Polystyrene Latex）」、Ｄ．Ｔ．フィリップスおよびＲ．Ｍ．バークマンとの共著、J. of Colloid and Interface Science 34, 159 (1970);
・バクテリアの胞子の研究に対して
「差動的光散乱からの胞子の誘電構造（Dielectric Structure of Spores from Differential Light Scattering）」、Spores V, American Society for Microbiology, (1971);
「胞子の構造の観察（Observations on the Structure of Spores）」、J. Applied Bacteriology 37, 48 (1975);
・光化学スモッグ粒子の検出および特徴付けに対して
「単一粒子の光散乱測定：光化学エアロゾルおよび大気中の粒子（Single Particle Light Scattering Measurement: Photo-Chemical Aerosols and Atmospheric Particulates）」、Ｄ．Ｔ．フィリップスとの共著、Applied Optics 11, 2082 (1972);
・エアロゾル化したバクテリア細胞の区別に対して
「光散乱からの単一バクテリアの構造（Structure of Single Bacteria from Light Scattering）」、Ｄ．Ｔ．フィリップスとの共著、J. Theor. Biol.37, 493 (1972);
・発電プラントによって発生されるエアロゾル粒子への酸様コーティングの付着の測定に対して
「フライアッシュ粒子のいくつかの化学、物理および光学特性（Some Chemical, Physical and Optical Properties of Fly Ash Particles）」、Applied Optics 14, 975 (1980)。
【００２９】
ワイアットらによる米国特許第４,６９３,６０２号および
「エアロゾル粒子分析計（Aerosol Particle Analyzer）」、Ｙ．Ｊ．チャン、Ｃ．ジャクソン、Ｒ．Ｇ．パーカー、Ｄ．Ｔ．フィリップス、Ｓ．Ｄ．フィリップス、Ｊ．Ｒ．ボッティガー（Bottiger）およびＫ．Ｌ．シーラー（Schehrer）との共著、Applied Optics 27,217(1988)
に記載される検出システムは、面外測定および減極分析器を組込んだより一般的な検出器の早期バージョンを表わす。開示および実現されるこの早期デバイスは非常に大きく、照明源としてアルゴンイオンまたはＨｅＣｄレーザを要求し、個々の光電子増倍管検出器が光ファイバによって読取ヘッドに接続されていた。
したがってそれは非常に高電力を消費するため、長時間にわたって電池供給により動作することが困難であった。光電子増倍管電源ならびに取合せられたコンピュータおよびエアロゾル取扱いシステムは検出器にさらなる容積と費用とを付加し、あらゆるタイプの現地配備に対して非実用的にした。
【００３０】
危険であり得るエアロゾル脅威をうまくモニタし、それらを無害の成分と区別するために、保護する領域の周囲および中に多数の個別の光散乱検出局を戦略的に設置する必要がある。「点放射源」検出器、すなわち局在化されその検出範囲が制限される検出器の概念は長年にわたり認識されていたが、こうした検出器を協調的に接続してネットワークにし、個々の検出器に、それがサンプリングし得る局地エアロゾルの分類において完全および独立に機能するための手段を与えるという概念はこれまで考えられておらず、これはこの発明のさらなる目的を表わす。
【００３１】
ネットワーク化された検出器は遠距離通信の目的に広範囲に用いられており、局所的な検出器ユニットを接続する類似の技術は、建物および類似の領域のための火事および侵入者に対する保護を与えるためにしばしば用いられてきた。こうしたいわゆる無線警告システムは、高い信頼性を保証するためにさまざまな信号処理技術を用いる。たとえば、サンダーフォード（Sanderford）らの米国特許第５,９８７,０５８号では、建物の継続的なモニタのために高い信頼性を有する広帯域技術を用いる。シェファー（Sheffer）らの米国特許第５,５６８，５３５号には、遠隔モニタ局へのセルラー接続を可能にするセルラー電話機能を含むセルラー警告ユニットが明確に記載される。この遠隔モニタ局はセンサ手段によって緊急状態を検出し、センサは火気センサと、たとえばドアまたは窓の開放を検出するためのペリメータセンサと、医学的またはその他の緊急事態のときに閉鎖された領域内の個人によって活性化するためのパニックスイッチとを含むことが好ましい。シェファーらのシステムは、伝統的な電話線を切断することによって容易に無効となる従来の配線によるシステムを無効化することを意図するものである。無線通信を与えるための警報システムに含まれる、効果的で、費用対効果が高く、信頼性あるセルラータイプラジオ／電話通信システムを提供するための警報システムには他にも多くのタイプがあり、たとえばスミスらによる米国特許第４，９９３，０５９号に記載されるものなどがある。
【００３２】
セルラーまたはその他の無線相互通信手段のネットワークを用いる前述の警報システムはすべて、簡単にモニタされるクラスの現象を検出しそれを警告することが意図されたセンサに基づくものである。これらのうち最も重要なのは火および煙の検出、侵入者の存在、温度および湿度などの物理的パラメータ、パニック警報、テレビモニタ局、放射線検出などである。この発明の詳細な説明から明らかになるとおり、ここで用いるセンサは以下の態様でそれらのタイプのセンサとは明確かつ一意に異なる。すなわち、このセンサはデータ収集ならびに実時間処理および分析を提供し、このセンサはさまざまな電気光学構成要素および完全に機能するマイクロプロセッサを組入れており、このセンサは再プログラム可能であり、このセンサはサンプル取扱い手段を含む。
【００３３】
各々の局は収集したデータを処理し、かつその結果を、続く分析のためにすべての局からこうした結果を収集し警報またはその他の警告に関する決定を行なう中央局に対して遠隔測定し得る必要がある。エアロゾル粒子を計数し、大きさを定め、分類するための広範囲の分析ツールが存在するにもかかわらず、これらのツールのいくつかを、エアロゾル侵入の脅威を見積り、目標とされる人々に自身を防御する必要があることを警告するための手段と一体化する試みはなかった。
この発明はこのことを達成し得るための簡単な手段を開示する。
【００３４】
【発明の概要】
ここに開示する発明は、共同体、建物、囲い地、軍事基地、空港、大使館、公園およびその他の選択される領域に、迫るエアロゾルの脅威の存在を警告し得る、光散乱検出局およびそれらの補助的な電子的および物理的インフラストラクチャの配列を含む手段を記載する。このようなシステムの動作を成功させるために重要なのは、測定のための環境空気サンプルを調製し、その中のエアロゾル粒子を多角光散乱を用いて広範囲の個別の散乱角にわたって一度に１つずつ測定および分類し、集められたエアロゾルサンプル内でそのように集められ分析されたデータから特定の脅威サブクラスを識別し、こうしたサブクラスの相対数を計数し、分析期間内に起こり得る物理的変化をモニタし、一体化された遠隔通信接続を介して中央制御局にすべての処理されたデータを報告することのできる、検出局である。
【００３５】
各光散乱検出局は、細いレーザビームに横切られる散乱チャンバを含み、これは以下の能力を有する。すなわち、サンプリングされたエアロゾルの流れを希釈してどの瞬間にもただ１つの粒子がビーム中にあるようにし、通過する各粒子に対して、分極および蛍光分析器を組込み得る検出器を用いて広範囲の個別の散乱角にわたって光散乱測定を行ない、かつ集めたデータを処理して測定された各エアロゾル粒子のタイプおよびクラスを識別することができる。データ処理および分類は、粒子の分類に必要とされる事前プログラムソフトウェアを組込んだランダムアクセスメモリおよび読取専用メモリを含む一体化したマイクロプロセッサシステムを用いて達成される。加えてこのような局の各々は、従来のセルラー電話によって用いられるＧＨｚ送信機と類似の概念を有する小型の送信機を有する。
【００３６】
モニタされる領域に及ぶ多重検出器ネットワークを形成するために予め設置された各検出局は、遠隔通信接続を介して中央局に接続される。中央局は、繋がれた検出局から送られるすべてのデータを受取って処理する。こうして処理されたデータに基づいて、中央局はエアロゾル雲の位置および組成をモニタし、モニタしている領域に対するすべての可能な脅威を評価し、必要に応じて特定の検出局にこうした検出器の特定の収集速度および処理を変更するように命令し、そのエアロゾル雲によって何らかの問題が起こる可能性が予測されるサブ領域に警報および／または実時間に近い警告を発する。
【００３７】
【詳細な説明】
この発明は、多数の精巧な検出局のサンプリングおよび分析能力を用いて、エアロゾルの雲または分散の動きおよびその有する危険性を通告しかつ追跡する。
各検出局は入射するエアロゾル集合の個々のサンプリングされた粒子の光散乱サインを収集および処理し、次いでこうした粒子の各々を分類または識別する。各局には、サンプリングされたエアロゾル粒子を粒子のない空気シース内に運び、かつそれらを単色光の入射ビームを通って一度に１つずつ運搬する完全なサンプリング能力が組込まれる。検出局はまた、その後広範囲の個別の散乱角にわたって散乱された光を検出するための手段を含む。これらの散乱光信号は電子手段によってデジタルで処理され、その後の分類および処理のための手段である中央処理ユニットすなわちＣＰＵに送られる。予め定められた量のエアロゾル粒子がそのように処理されると、それらの識別、大きさの分布およびその他の誘導される特徴が中央局に対して遠隔測定される。多くの検出局の分析結果を受取る中央局は、次いでそのデータを相関させ、雲の組成を定め、その動きを予測し、脅かされる住民へのその影響の可能性を予想し、前記住民を保護するために適切な警報および警告信号を発する必要がある。
【００３８】
その好ましい実施例において、この発明の検出局は小型であり、小さいが強力な固体レーザを用い、その各々が関連するデジタル信号処理（ＤＳＰ）チップを有する組込みハイブリッドフォトダイオード検出器を有し、ランダムアクセスメモリおよびプログラム可能メモリを含む完全なマイクロプロセッサシステムを組込んでいる。ＤＳＰチップは、同じ目的を達成する、すなわち散乱粒子がレーザビームを通るときに各検出器においてピーク散乱光信号を見出し、かつその後の処理のためにこうした信号をデジタル形式に変換する、あらゆる電子構成要素の組合せに置き換えられてもよい。このことは分離したピーク検出回路、サンプルおよび保持回路、およびアナログからデジタルへの変換器によって、各検出器に対して達成され得る。
【００３９】
各検出局の主要な要素は検出局に対するエアロゾル粒子入射をサンプリングして層流手段により散乱チャンバに引き入れ得る、前述のエアロゾル取扱い能力であり、前記層流はまた、エアロゾル粒子が入射レーザビームを一度に１つずつ通ることを保証するために十分な希釈を与える。このエアロゾル取扱い機能はすべて、各局の検出器からのデジタル処理された光散乱信号を受取る同じ搭載コンピュータの制御下にある。これらの信号が受取られる速度は、搭載コンピュータが希釈および層流速度を調節するための基礎を与える。事象カウンタもそのコンピュータの制御下にあり、希釈状態と組合されたデータを与えることによって即時の粒子数密度を生成する。処理された光散乱データによって、検出された粒子の各クラスに対する、またはプログラムに従って優勢なタイプのみに対する、異なる大きさ部分の分布のその後の算出が可能となる。
【００４０】
個々の検出局の好ましい実施例は、可能なときにいつでも電力を節約する態様で動作する。たとえば光源、好ましくは約６８０ｎｍの波長において約３０ｍＷの出力電力レベルによって動作するＧａＡｓレーザなどの固体レーザは、非常に低い負荷サイクルにおいて活性化されることが必要である。それは周期的に環境空気をサンプリングするためにたとえば２分間に１回で数秒だけの間スイッチオンされてもよい。この減少した負荷サイクルは、中央局によってそうすることを指示されたときにいつでも迅速に、またはサンプリングされたエアロゾル中の事象に明確な変化があったときにいつでも自動的に、変えられる。バックグラウンドのエアロゾル負荷は非常に低いことが予測される。モニタされる領域に対する危害を有さないことが確認された大きなエアロゾル凝集体を取除くために、フィルタ手段が設けられてもよい。
【００４１】
各検出局に組入れられる遠隔測定手段によって、個々の局から受取られる報告の進展をモニタし、もしエアロゾルの脅威があればその範囲などを判断し、かつ保護することが特定化された各領域に対して必要とされる警告のタイプを定める中央局に対して、検出局の搭載コンピュータによって処理されたデータを実時間で送ることが可能になる。中央局は検出局の各々またはそのいずれかにコマンドを送って、必要に応じて局地データ取得速度を変化し、負荷サイクルを変更できる。また中央局は、データ処理プロトコル、すなわち各検出局に搭載される分析ソフトウェアを変更できる。
【００４２】
各検出局の一体化されたコンピュータ／マイクロプロセッサは一般的に、横切るエアロゾル粒子の各々から収集されたデジタル化した多角光散乱信号を分析するために予めプログラムされる。これらの分析からマイクロプロセッサは、予めプログラムされたクラスにおける各エアロゾル粒子の目録を作り、こうした情報を示された各クラスに対する進行中の目録とともに記憶する必要がある。これらの処理されたデータは周期的に遠隔測定手段によって中央制御局に送られる。むろん中央局は各検出局における処理ソフトウェアを変更できる。これは、散乱パターンを生成することが見出された個々の粒子事象がその後類似の粒子によるものであると分類されると、それによって新たに検出される粒子を分類するためのその後の分析が簡略化されるような場合である。こうした変更は検出局の搭載処理を顕著に加速させる。知覚または予期される脅威に応答して、中央局または各検出局が個別に、予め確立されたパラメータに基づく伝送の最適な速度を定め得る。よって迅速に変化するエアロゾル負荷を受ける個々の検出局はそのサンプリングおよび伝送速度を増加させてもよい。一方、特定の検出局における異常に高いデータ処理事象に気付いた中央局は、こうした検出局の選択されるセットに特定の命令を送ってそれらの処理および／または伝送速度を変化させてもよい。
【００４３】
検出局の照明光ビームを横切る際にその光散乱特性が収集された各エアロゾル粒子の識別、分類または特徴付けは、こうしたデータのその後の搭載分析に基づく。この発明の好ましい実施例において、散乱チャンバの周囲に置かれる個々の検出器のいくつかはその前方に特別な光学分析器を含む。好ましい実施例の場合のように入射光が特定の散乱面に関して面偏光されるとき、いくつかの検出器は偏光分析器を含んでもよく、それによって減極効果をモニタできる。また液晶リタ−ダなど、いくつかの検出器の前に電気的に調整可能な波長板を設置することが望ましいこともある。この態様で、さらなる分類のために有用な各散乱粒子のストークスパラメータを得ることができる。個々の検出器と組合せ得るその他の構成要素には狭帯域フィルタが含まれ、これによってこうした構成要素の出力とこうしたフィルタのない同等の構成要素とを比較するときに粒子の蛍光を測定できる。
【００４４】
この発明の好ましい実施例において、検出器はたとえばユナイテッド・ディテクタ・テクノロジーズ（United Detector Technologies）によって製造されるタイプなどの高ゲイントランスインピーダンスフォトダイオードである。これらは各検出器に関連付けられる必要なコリメータを組入れた分散チャンバに直接搭載される。当然、光電子増倍管、アバランシェフォトダイオード、およびＣＣＤアレイを含む、同様に用い得る多くのその他のタイプの検出器が存在する。環境的理由により検出器構成要素が散乱チャンバから分離される必要があるときには、それらは光ファイバ手段によってインターフェイスされてもよい。
【００４５】
図１に、個々の検出局の概略的な配置を示す。小さい建物複合体をモニタするためにはこうしたユニットが５０のオーダで必要となり、小都市に対しては１０，０００から５００，０００個が必要となり得ることが予期される。後者の場合には、主局を通じて組合せられたいくつかの中央局が設けられることが望ましいかもしれない。散乱チャンバ１の含む光ビーム源２は、一般的に前記散乱チャンバの直径に沿って通る面偏光されたビームを生成するために好適な視準およびビーム焦点合わせ要素を組入れる固体レーザダイオードであることが好ましい。散乱チャンバの好ましい実施例において、その構造は球形の貝の構造である。環境エアロゾルサンプルは散乱チャンバ内に導入されて、エアロゾル取扱いモジュール３によって、検出局の中央処理ユニット６の制御下で希釈される。光検出器４は散乱チャンバの外表面に設けられることが好ましく、この発明の好ましい実施例においては、それらは高ゲイントランスインピーダンスフォトダイオードである。各検出器はエアロゾル粒子／レーザビームの交差領域において固定される立体角を定め、それによって粒子がレーザビームを通る期間中にエアロゾル粒子によって散乱される光の対応する部分を受取る。このシステムの好ましい実施例において、検出器は粒子の流れとレーザビームとの交差点を共通の中心とする大円上にある個別の角の場所に位置決めされる。一般的な場合のように、レーザが面偏光された光を生成するとき、レーザビームがその直径に沿って存在する大円上にある検出器は、その後行なわれる測定に対して最も重要である。そのように定められたこの面に対し、レーザビームの偏光はこの散乱面に垂直となるよう選択されることが好ましい。散乱チャンバに設けられる検出器のいくつかは、図２にさらに示す光分析器とともに嵌められる。
【００４６】
エアロゾル粒子１５は、エアロゾル取扱いモジュール３によって与えられる粒子のない層流シースによって散乱チャンバを通って運ばれる。こうした態様で、運ばれる粒子の各々は排出ポート９において散乱チャンバから出る前に散乱チャンバの中央においてビームと交差する。ＤＳＰのＲＡＭメモリにおいて収集された時間対強度プロファイルに分析的に適合するようプログラムされるＤＳＰ５が、各検出器によって生成される信号を処理する。レーザビームプロファイルは一般的にガウスプロファイルを有するため、各検出器は粒子がビームを通る経路において散乱した光データが収集および変換される際に、こうしたガウスプロファイルに続く一連のデジタルでエンコードされた強度値を生成する。ＤＳＰチップはこれらのデータ点を処理して記録される最大値を得、それが次いでＣＰＵモジュール６に送られる。検出器の対応するセットによって生成される強度値の完全なセットがＣＰＵによって分析されることにより、散乱粒子の識別または分類が得られる。強度値のいくつかのセットは無視されて，ＣＰＵに基づくプログラムの命令に従ってさらに分類されない。
【００４７】
ＣＰＵはこうした識別または分類の結果を集めて処理することにより、搭載ＣＰＵ命令に続くその他のエアロゾル粒子特性を定める。こうした特性には、目録にされた粒子クラスのタイプ、および各クラスの算出された大きさの分布などがある。周期的に、かつここでも搭載プログラムコマンドの下で、収集および処理されたデータは遠隔測定モジュール７を介して中央局に遠隔測定される。こうしたモジュールは、即時の実現のためにＣＰＵモジュール６に送られるプログラム変更を中央局から受取ってもよい。たとえばこうした変更はＣＰＵによって、エアロゾル取扱いシステムがサンプリングされたエアロゾルの希釈を減少させるようにすることによって検出局のサンプリング速度を増加させるために実現されてもよい。検出局のすべての構成要素は電源モジュール８から電力を受取っており、この電源モジュールは外部の電力格子に直接接続されていてもよく、搭載バッテリ源によって、または従来の非常照明デバイスに見られるような外部の送電網によって継続的に充電されるこうした搭載バッテリによって、または太陽電力パネルによって維持されてもよい。
【００４８】
図２は球形の散乱チャンバ１の内部を示す。大気中のエアロゾルはエアロゾル取扱いシステム３によってサンプリングされる。このシステムは、サンプリングされたエアロゾルを希釈し、かつ散乱チャンバを通って流出オリフィス９から出るシース流中で一度に１つずつエアロゾル粒子１５を運ぶために用いられる空気をフィルタリングするための構成要素を含む。希釈されたサンプルは次いで、チャンバの直径に沿って位置するレーザビーム１４を通るシース流中に運ばれる。レーザビームは関連するコリメータ１０による視準の後に光源２によって生成され、光トラップ１３において散乱チャンバ１を出る。前述の通り、レーザビーム１４を通る粒子１５は、ビーム／粒子交差領域１６から生じる、外に向かう球形の散乱波を生成し、それは散乱チャンバ中に設けられた検出器４によって受けられる。各検出器は、好ましくはチャンバの壁に切込まれたチャネル１１の手段によって視準される。前記チャネルは付加的な光学構成要素を含むことによって、検出器の視界および１６で発生する散乱事象に対する固体受容角をさらに制限してもよい。こうした構成要素１２はマスク、簡単なレンズ、または偏波器などの分析器、さまざまな遅延を生成するための光学波長板、蛍光およびその他の非弾性散乱現象を測定するための干渉フィルタであってもよい。
【００４９】
十分な光散乱データを得るために、十分な数の検出器を用いる必要がある。前述のとおり、検出器はほぼ球形の散乱チャンバに対する大円上に一般的に設置される。選択される極角の範囲は一般的に５°から１７５°の間であり、方位角は全３６０°の範囲にわたる。平方自乗平均半径が１０００ｎｍ以下の粒子の過去の研究では、偏光分析器および干渉フィルタなどの光学構成要素と好適に嵌合された１０から３０のオーダのこうした検出器があれば、それによって広範なクラスのエアロゾルを区別し得る光学的に観察できるものの識別を得るために十分であることが示された。他方で、検出された粒子が同じクラスのものであって、その後に検出されるこのクラスのメンバーが計数だけされるとき、必要とされる検出器の数および散乱角の範囲は顕著に減少し得る。好ましい実施例において構成される検出局は３０個の検出器を有していてもよいが、エアロゾル粒子の優勢なクラスが識別された後には、それらに関するすべての信号を収集する必要はない。粒子の識別に必要とされる検出器の数を減少させることによってサンプリング速度は増加し得る。どの検出器信号を用いるかという選択は、各検出局においてそのＣＰＵによって行なわれる判断に基づいて行なわれても、または中央局からの指示に従って行なわれてもよい。
【００５０】
図３に、エアロゾル侵入に対する保護が望まれる、小さな駐車領域１７を有する建物の小さい複合体を示す。したがってこの複合体中に検出局１８が配備される。多くの検出局が建物上のさまざまな場所、壁の上および建物自身の主要な内部領域にわたって設置される。後者は空気レジスタおよびあらゆる開放窓の場所を含む。空気中に放出されたエアロゾルを、そのエアロゾルがより脅威的な地上レベルに現われるよりも早く検出するために、建物の外表面に固定されたほとんどの検出局は屋根領域など、地面から数メートル上の高さにあることが好ましい。
【００５１】
図４に、この発明の主題であるエアロゾルの害の特徴付けおよび早期警告ネットワークの概略を示す。いくつかの検出局１８を、その散乱チャンバ１、サンプリングされたエアロゾル粒子１５、エアロゾル取扱いユニット３、ＤＳＰチップ５、ＣＰＵ６、および送信機７とともに概略的に示す。中央局はそのＣＰＵユニット２１において、複数の検出局１８からその通信／遠隔測定モジュール２０を介して受取ったデータセットを収集、バッファおよび処理する。このユニットは、遠隔測定切換および修正モジュールと、大記憶容量を有する中央ＲＡＭおよびＲＯＭメモリとを含む。中央局によって制御される検出局の数が多くなると、中央局ＣＰＵ容量も増加する必要がある。検出局をサブグループに分割し、その各々は中央局によって制御され、中央局自身は主局によって制御されるようにする必要があり得る。予めロードされたソフトウェアが脅威の可能性および予測されるエアロゾル雲の動きを分析する。検出局は広く分散されるため、この発明において後者の機能は顕著に簡略化される。エアロゾル雲が動くと、個々の局によって検出される脅威粒子の速度によって、雲の動きおよび拡散の即時測定値を得る。事象速度の増加はその雲がモニタされる領域に向かって移動していることを示し、速度の減少はその脅威要素がその領域から離れていることを示唆する。こうしたデータは、より一般的な気象学的データが入手可能であるときにはそれと一体化される。粒子はより高い放出の高さから特徴的により低い居住領域に落ち始めるため、脅威の雲の上昇にしたがうこうしたモニタは特に重要である。こうした脅威の分析から、中央局の警告および警報プロセッサ２２は警報遠隔測定手段２３によって更新された情報をさまざまな民間、警察、緊急の機関、およびモニタされる領域およびその周囲の人々の健康および安全に対する責を負うその他の機関に送る。こうした情報は、脅威の特徴の予測、犠牲者を最小化するために提案される活動、エアロゾルの動きおよび予知、排気の提案、保護戦略などを含む。中央局ＣＰＵユニット２１はまたコンピュータに選択された検出局にも通信／遠隔測定モジュール２０を介して通信し、それらにサンプリング速度、分析ソフトウェア、データ伝送速度、計算などを適切に変更するよう命令する。
【００５２】
多くのタイプのエアロゾルは、一旦土壌のレベルに落ちるとそこに付着する。
これは特に、テロの目的に用いられ得るものを含む生物的なエアロゾルに当てはまる。早期警告システムにおいて重要なのは、局地の人々が最も影響を受けるレベルに粒子が達する前にそれを検出することである。１９９９年７月−８月に発行された、疾患制御および防御センターの感染疾患センターに対する国立センター（the National Center for Infectious Diseases center of the Centers for Disease Control and Prevention）出版の新生感染疾患ジャーナル（the journal Emerging Infectious Diseases）は、１９９９年２月１６−１７日にアーリントン、ＶＡにおいて開催されたバイオテロリズムに対する医学および公衆衛生応答の国立シンポジウム（the National Symposium on Medical and Public Health Response to Bioterrorism）において発表された主要な論文を再版している。発表された論文の中には、生物エアロゾルの配備による人口の中心への明確な攻撃を記載したものが２つある。イングルスバイ（Inglesby）による論文は、７４，０００人の人々が午後のフットボールの試合を観戦する競技場の近くの上り坂に沿って走るトラックから放出された炭疽胞子を用いた攻撃について、かなりの詳細にわたって記載している。「…トラックは競技場を通る際に粉末化した炭疽菌のエアロゾルを３０秒間にわたって放出し、幅３分の１マイル以上の不可視で無臭の炭疽菌の雲を作る。風（西から東に吹く穏やかな微風）が吹いてその雲は競技場の駐車場を横切り、競技場の中および周辺、および隣接するビジネスおよび居住区域にわたって何マイルも前進する。炭疽菌の放出後、トラックは走り続け、…試合が終了するまでには（競技場から）１００マイル以上離れている。
…トラックの運転手およびその仲間はその夜に飛行機でその国を去る…。」この著者は、７４，０００人の観戦者のうち約１６，０００人が感染し、別の４０００人が菌の放出点の風下のビジネスおよび居住区域において感染するであろうと予測しており、これはむろん誰にも検出されない。この著者は続いて、この放出によって起こる炭疽菌の場合の疫学と、伝統的な実験室においてこの病気を適切に診断することの困難性とについて説明している。
【００５３】
この発明を用いると、炭疽胞子の放出中およびその後のシナリオは大きく変わるであろう。その放出中、競技場の頂上およびその一面に設けられた検出局は、その放出および可能な組成を検出および分類する。この情報はほぼ即座に中央局に送られ、その結果中央局は競技場において公共告知を行なう。この告知は静かに行なわれ、危険な放出が検出された可能性を説明し、次いで観戦者に、速やかに布または衣服で彼らの頭および顔を覆い、臥せて好ましくは濡らした布を通してゆっくり呼吸し、順序正しい避難のためのさらなる案内を待つように告げる。
加えて、周囲の検出局は中央局の制御の下にそのサンプリングおよび報告の速度を増加させる。中央局に入ってくる新しい報告の流れをもとに、中央局自身もエアロゾルの動きの頻繁な更新および局地的な人々を保護するための案内とともに、脅かされる居住領域に警告を送る。局地の医学治療機関も警告を受けて、その後に訪れる新しい患者を適切に診断するために準備を改善する。加えて、その放出および競技場における検出によって、中央局は周囲の検出局を再プログラムすることにより、最初の放出のすぐ近くにおけるより頻繁なサンプリングを開始している。この態様で、放出した車両を追跡し、その可能な経路を推測して法律施行の権威にその車両を捕えるよう警告することが可能となる。この発明の好ましい実施例のこの実現例において、犠牲者は顕著に減少し、おそらくは１０００人以下となるであろう。
【００５４】
オートゥール（O’Toole）の論文の５４０−５４６頁には、未知の担体内のエアロゾル化した天然痘ウィルスの意図的な使用を含む未知の起源の攻撃に関するシナリオが記載される。エアロゾルの放出に対する手段または場所は与えられていない。その後の疫学および混乱のみが、感染された人々の正確な診断とともに考察されている。この発明の好ましい実施例を好適に配備していれば、あらゆる病気が検出される前に最初の放出の場所および時間がエアロゾルの進行とともに定められたであろことがほぼ確実に示される。さらにこうした警告および雲の追跡によって、危険な病気の患者を受入れる緊急治療室などの臨床局は、こうした病気の可能な原因を前もって警告されることが保証される。
【００５５】
検出局の配備に関してこれまで考察していなかった多くの環境的論点がある。
こうした局の多くは屋外の場所に設置されるため、それらは極度の夏の暑さ、冷寒な冬、雨、雪、着氷状態、強風などを含む多様な気象の影響を受ける。したがってこうした多様性が、そのユニットが適切に機能する能力に影響を与えないように保護する必要がある。このため、いくつかのユニットはさまざまな環境的要素に対する特別な硬化を必要とする。適切な絶縁、および環境の制御までもが必要となり得る。たとえば、よく絶縁されたユニットは、安定な局地動作環境を維持するためのペルチェ加熱器／冷却器を含んでもよい。
【００５６】
その他の検出および早期警告の概念はこの開示の背景の部分に考察した。たとえばＬＩＤＡＲシステムの重要な目的の１つは、可能な生物的脅威の特徴的な信号を探すことである。蛍光およびＵＶ活性はしばしば生物的薬剤のサインを伴う。この発明は、個々の粒子における蛍光測定を先に開示したような干渉フィルタによる入射照射よりも長い波長において行ない得るが、パルスにしたＵＶ源を散乱チャンバに加えることによって、そのように刺激された単一の粒子からの蛍光応答を検出することは簡単である。多角散乱パターンに加えてこうしたサインを探すことの判断は、検出局のＣＰＵ制御下あってもよく、または受取られる際に中央局からであってもよい。こうしたパルス化は入射散乱照射と同時であっても、その代わりに分離して適用されてもよい。生物材料のＵＶ刺激の技術分野の当業者によって容易に理解される、こうした補助的な測定の多くの修正形が存在する。
【００５７】
この発明において開示される強力な検出局は、前述のとおりさまざまな分析プロセスを行なうことができる。こうした局は粒子の特徴付けおよび識別に加えて、データのセットを収集し、前回のデータセットと比較し、大きさの分布およびこうした分布の変化を定め、データ生成および収集システムにインターフェイスされたＣＰＵの能力内にあるさまざまなその他の機能を行ない得る。以下の表１は、収集したデータの莫大な配列を処理するこの発明の検出局によって遠隔測定し得るデータのタイプの例を示すものである。このシミュレーションされた収集セットは２００２年６月８日午後２：２８に検出局３１４から送られたものである。この局からの最後の送信からの時間間隔Δτは２分１５秒であった。これらの特定のサンプリングに対して、１分以内の時間間隔における送信は必要とされなかった。エアロゾル粒子の２つの主要なクラスが検出されて、それぞれＧおよびＫと分類された。少量の成分は分類されなかった。クラス１（Ｇ粒子に対応）に対する平方自乗平均半径は９４０ｎｍであり、クラス２（Ｋ粒子）のそれは３２０ｎｍであった。前回の送信からのｒｍｓ半径の変化は、クラス１では±１０ｎｍであり、クラス２では５０ｎｍ減少した。クラス１に対する半波高全幅値ＦＷＨＭは１０ｎｍであり、クラス２に対しては７５ｎｍであった。この局からの前回の送信からの２分１５秒間における、クラス１に対するＦＷＨＭの変化は０であり、クラス２に対しては２０ｎｍ増加した。サンプルの希釈を考慮した、クラス１に対する算出された粒子濃度ｎ1はｍｌ当り２５０であり、クラス２のそれｎ2はｍｌ当り７００であった。２分１５秒の間隔におけるその２つのクラスに対する濃度の対応する変化は、どちらもそれぞれｍｌ当り２００および３５０粒子の減少であった。最後に、その報告される送信中にエアロゾル取扱いモジュールによって用いられる希釈因子は１：３０であった。前回の送信からの希釈因子の変化は２０の因子の減少であった。よって現在は１：３０であるのに比べ、以前に送信されたデータは１：５０の希釈因子に基づいていた。環境密度が減少したことによって必要とされる希釈の量が減少したのである。表１のシミュレーションしたデータセットの送信は無視できる帯域幅を必要とする。数千局を含む検出局の大きなセットからでも好都合に送信され得る、測定されかつ導かれた変数のセットは、蛍光応答およびさまざまな粒子形態パラメータなどのその他の変数を含むために拡張させることができ、よって中央局によるデータ収集および分析を深刻に妨げることなく大きく拡張させることができる。
【００５８】
表１のシミュレーションデータは分類された２つのタイプの粒子の特徴を示す。この特定のシミュレーションに対して、２つの優勢な粒子クラスのみが列挙されると仮定された。ＧおよびＫの両方のクラスは収集の間の２分１５秒間にわたって濃度の減少を示す。クラスＧは、不変のｒｍｓ半径および半波高全幅値ＦＷＨＭにおける大きさ分布の全幅によって、安定な大きさを有することが示される。他方でクラスＫは、そのＦＷＨＭの顕著な増加とｒｍｓ半径の顕著な減少とを示す。したがってこれらおよび類似の演繹によって、検出されたクラスの分類および識別を助けるためのさらなる情報を加えることができる。
【００５９】
【表１】
0004546662.tif 000002
【００６０】
エアロゾル危害の早期警告システムの好ましい実施例を明確に一覧で示したが、エアロゾル特徴付けの当業者に対して明らかとなる多くの修正形が存在し、それをこの開示において引用により援用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  典型的な検出局の主要な構成要素を示す図である。
【図２】  エアロゾル粒子から一度に１つずつＭＡＬＳ測定を行なうための典型的な散乱チャンバの内部を示す図である。
【図３】  検出局の配備の例を示す図である。
【図４】  中央局の詳細を示す図である。
【符号の説明】
１５  エアロゾル粒子、１８  検出局、２１  ＣＰＵユニット。
【図１】
0004546662.tif 000003
【図２】
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【図３】
0004546662.tif 000005
【図４】
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