(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外筒電極と、この外筒電極内に所定の空間を有して配した中心ロッドと、これらの外筒電極と中心ロッドそれぞれに所望の電圧を印加して前記空間を電界空間とし、この電界空間に直角方向に流すシースガスと、外筒電極に形成し外部から試料ガスを前記空間内に導入させるスリットとを具備するイオン分級装置において、前記外筒電極を、シースガスの流れの上流部に位置する上流部外筒電極と所望の間隔を有して同じくシースガスの流れの下流部に位置する下流部外筒電極とに分割して外筒電極固定治具の内面に固着し、上流部外筒電極の下端面を下方に向かって大径となる直線あるいは曲線のテーパー形状に、下流部外筒電極の上端面を上方に向かって小径となる直線あるいは曲線のテーパー形状に形成し、これらの両テーパー間で前記スリットを形成し、前記上流部外筒電極の外周下端縁に前記試料ガスの吐き出し方向を前述シースガスの流れに沿わせるように向きを変えるガイド片を設けたイオン分級装置。
【請求項２】
上流部外筒電極の内径を下流部外筒電極の内径よりも微小寸法Ｘだけ小径とし、上流部外筒電極の内周下端に下方に延在するガイド片によりスリットから吐き出された試料ガスを下流部外筒電極の内面に沿わせるようにした請求項１記載のイオン分級装置。
【請求項３】
スリットから吐き出された試料ガスが沿って流れる下流部外筒電極上方内面に下方に向かって凹曲面を形成しているものである請求項１あるいは２記載のイオン分級装置。
【請求項４】
外筒電極と、この外筒電極内に所定の空間を有して配した中心ロッドと、これらの外筒電極と中心ロッドそれぞれに所望の電圧を印加して前記空間を電界空間とし、この電界空間に直角方向に流すシースガスと、外筒電極に形成し外部から試料ガスを前記空間内に導入させるスリットとを具備するイオン分級装置において、前記外筒電極を、シースガスの流れの上流部に位置する上流部外筒電極と所望の間隔を有して同じくシースガスの流れの下流部に位置する下流部外筒電極とに分割して外筒電極固定治具の内面に固着し、上流部外筒電極の下端面を下方に向かって大径となる直線あるいは曲線のテーパー形状に、下流部外筒電極の上端面を上方に向かって小径となる直線あるいは曲線のテーパー形状に形成し、これらの両テーパー間で前記スリットを形成し、前記上流部外筒電極の外周下端縁に前記試料ガスの吐き出し方向を前述シースガスの流れに沿わせるように向きを変えるガイド片を設け、更に、前記中心ロッド内に配置した集電電極に電流計を接続してイオンの電荷量を測定するイオン分級装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帯電粒子あるいはイオンの分級方法とその装置及びイオン測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医薬、半導体分野等々に応用される帯電粒子やイオン（あるいはイオンクラスタ）は、そのサイズ（径）がナノメートルオーダーであるため取扱いが難しい。そのため帯電粒子あるいはイオンの分級技術、また粒径分布測定技術は重要である。なお、帯電粒子やイオンはその電気的性質が同じであるので以下本説明では、両者を代表してイオンと表記する。本発明で言うイオンには帯電粒子を含むものとする。
【０００３】
微分型電気移動度測定器（Differential Mobility Analyzer）は、帯電粒子やイオン（あるいはイオンクラスタ）を電気移動度の違いにより粒子径（サイズ）毎に分離し、分級あるいは粒径分布を測定する装置である。以下微分型電気移動度測定器あるいはこの方式による分離装置をDMAと呼ぶ。電気的に中性な粒子に対しては、DMAに導入する直前でコロナ等を与えて帯電させ分級あるいは測定が可能である。
【０００４】
ＤＭＡは図１に示すように三重円筒で大構成され、上部からシースガス４０を流すとともに外側電極２と中心ロッド２０間に直流電源３００により電界を与える。帯電した粒子、イオン１００を含む試料ガス４１は外筒電極側に設置したスリット３０から導入する。粒子１００はスリット３０を通過してシースガス４０と混合され、中心ロッド２０に向かって電気移動度に従って異なる軌跡を描きながら移動する。最終的にある特定の電気移動度を持つ粒子を中心ロッド２０下部に設置されたスリット３１から取り出し、集電電極２１に付着したイオンからの電流を電流計２００で計測することで個数濃度に換算する。
【０００５】
中心ロッド２０のスリット３１を通り抜けるイオンクラスタの電気移動度Ｚｐは、以下の（１）式によって求められる。
【０００６】
【数１】
0003985058.tif 000002
【０００７】
上式（１）においてＱはＤＭＡに導入されるシースガスの流量４０、Ｄ２は外筒２の直径、Ｄ１は中心ロッド２０の直径、Ｌは外筒スリット３０と内筒スリット３１間の距離、Ｖは印加電圧である。
【０００８】
一方、電気移動度Ｚｐとイオンクラスタの粒径Ｄｐとの間には次式（２）の関係がある。
【０００９】
【数２】
0003985058.tif 000003
【００１０】
上式においてｐは粒子の帯電数、ｅは素電荷（1.6×１０-19クーロン）、Ｃｃはカニンガムの滑り補正係数、μはシースガスの粘性係数である。
【００１１】
以上、式（１）、式（２）より、イオンの粒径Ｄｐがシースガスの流量Ｑおよび印加電圧Ｖにより求められる。
【００１２】
このＤＭＡを利用した従来の微粒子測定装置、例えば特許文献１記載の測定装置においては、シースガス４０の流量を一定、もしくは手動で調節し固定した流量とし、印加電圧を連続的に掃引して、特定サイズの粒径の分布ピークを２次元グラフ等で表示していた。
【００１３】
また、試料注入スリット３０は例えば図２に示したような形状となっている（本明細書ではType１と称す）。すなわち、試料ガス４１は、シースガス４０流れに対し直角、換言すると中心ロッド２１に向かって導入されていた。また出口先端形状については考慮されていなかった。
【００１４】
【特許文献１】特開平１０−２８８６０２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、この構造ではシースガス４０と試料ガス４１が混合し、流れに乱れが発生するため分離効率が悪いなどの欠点がある。
【００１６】
本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、試料ガスが導入される際にシースガスと干渉することによる試料ガスの流れの乱れがなく、分離効率が向上し、更に構成も簡単なイオン分級装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
前記目的を達成するために、本発明は、外筒電極と、この外筒電極内に所定の空間を有して配した中心ロッドと、これらの外筒電極と中心ロッドそれぞれに所望の電圧を印加して前記空間を電界空間とし、この電界空間に直角方向に流すシースガスと、外筒電極に形成し外部から試料ガスを前記空間内に導入させるスリットとを具備するイオン分級装置において、前記外筒電極を、シースガスの流れの上流部に位置する上流部外筒電極と所望の間隔を有して同じくシースガスの流れの下流部に位置する下流部外筒電極とに分割して外筒電極固定治具の内面に固着し、上流部外筒電極の下端面を下方に向かって大径となる直線あるいは曲線のテーパー形状に、下流部外筒電極の上端面を上方に向かって小径となる直線あるいは曲線のテーパー形状に形成し、これらの両テーパー間で前記スリットを形成し、前記上流部外筒電極の外周下端縁に前記試料ガスの吐き出し方向を前述シースガスの流れに沿わせるように向きを変えるガイド片を設けたイオン分級装置にある。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、試料ガスが導入される際にシースガスと干渉することによる試料ガスの流れの乱れがなく、分離効率が向上し、更に上、下流部外筒電極を別々に構成しておき、これらを所定の間隔を有して外筒電極固定治具内面に固定するようにしたので構成が簡単なイオン分級装置を提供することができる。
【実施例１】
【００２０】
本発明のスリット３０の構造を図１及び図３により説明する。図３は本発明試料導入スリット３０の構成部品で、シースガス流れの上流部に位置する上流部外筒電極１、試料導入スリット３０の構成部品でシースガス流れの下流部に位置する下流外筒電極２の構成例を示している。換言すれば、試料導入スリット３０は、夫々独立して用意された上流部外筒電極１と下流部外筒電極２間に所定の微小間隔を持たせ、外筒電極固定治具３に固定することにより、その結果として形成されるものである。又、上流部外筒電極の下端面には下方に向かって大径となる直線あるいは曲線のテーパー形状に、下流部外筒電極の上端面には上方に向かって小径となる直線あるいは曲線のテーパー形状に形成し、これらの両テーパー間で前記スリットを形成しているものである。
これら上流部外筒電極１と下流外部筒電極２には所望の電圧（同電位）を印加し、試料内のサンプル粒子が上、下流部外筒電極のいずれかのテーパー面に吸引されるのを防止し、粒子の飛翔軌跡に乱れを生じるのを防止しているのである。
中心ロッド２１との領域空間は電界が形成され、イオン１００は試料ガス導入管４およびスリット３０を通過してシースガス４０に導入され、中心ロッド２０に向かって電気移動度に従って異なる軌跡を描きながら移動する。従って、この空間ではシースガス流れに乱れがないことが重要であるが、本発明はこの課題を解決するに充分に適っている。
【００２１】
本発明、試料導入スリットの構成部品上流部外筒電極１は下流側壁面より電界方向にガイド片11を有し、距離＝Ｘだけ突き出す構造である。その隙間すなわちスリット幅Ｓ＝Ｘである。このような構成であるためにサンプルガスは、シースガス流れと同じ方向で導入される。さらに、試料ガス４１は試料導入スリット３０の構成部品１で、シースガス流れ下流部の壁面に沿って導入される。本発明の、このような構造により、試料は壁面に沿って流れる特徴がある。
【００２２】
ここで、スリット幅Ｓは構成部品１の半径と構成部品２の半径の差で形成される。スリット構成部品１の内壁直径は（３）式で求められる値にすると、シースガス速度と試料ガス導入速度が等しくなり、より良い条件となる。
【００２３】
【数３】
0003985058.tif 000004
【００２４】
【数４】
0003985058.tif 000005
【００２５】
【数５】
0003985058.tif 000006
【００２６】
【数６】
0003985058.tif 000007
【００２７】
ここでＤは上流部外筒電極１の内径、Ｗは試料ガス流量である。
【００２８】
次に、測定操作を図４により説明する。
【００２９】
図４は運転システムの構成を示す図で、人為的な誤差を除去するためにコンピュータを導入した方法である。
【００３０】
微分型電気移動度測定器（ＤＭＡ）は、高圧電圧を発生する高圧発生装置によって印加された電圧による電界と、排気ポンプによって導入されたシースガスの流量の組み合わせによって粒径サイズを測定することが出来る。
【００３１】
ここで、高圧発生装置により印加される電圧は、プラス側高圧・マイナス側高圧の両極を発生することができるため、この印加電圧の極性を切り替えることで、マイナスに帯電した微粒子・プラスに帯電した微粒子でも分離できるので、その粒径測定あるいは分級が可能である。
【００３２】
電源装置は排気ポンプを駆動するための電源を供給する手段であり、供給する電源の電圧値、電流値、交流周波数を可変する機能を有し、排気ポンプの回転数を変化させることで排気流量を変化させることが出来る。マスフローメーターは、排気ポンプによるシースガス供給量を読み取りとるための手段であり、読み取られた値をアナログ、もしくはデジタルデータで外部へ出力する機能を有している。
【００３３】
電流計は、微分型電気移動度測定器内部で捕集された微粒子の帯電量を計測するための手段であり、計測値をアナログもしくはデジタルデータで外部へ出力する手段を具備している。システムコントローラは、マスフローメーターと電流計から出力されたアナログもしくはデジタルデータをＵＳＢやＧＰ−ＩＢ等の一般的なコンピュータデータ入出力用フォーマットに変換し、外部に出力する機能を有している。
【００３４】
従来のスリット構造（Type１、図２）と本発明のスリット構造（Type２、図３）での性能の比較をする。表１に性能比較試験条件、表２にスリットの形状、表３に試料ガスイオン種を示す。試験は、スリット３０の出口幅を０．１mmとして、スリットの形状のみを変えて行った。従来のType１スリット図２での測定結果を図５、本発明のType２スリット図３での測定結果を図６に示した。
【００３５】
このような測定装置において、図２に示した、従来のType１スリットを用いた場合は、前述図５に示したよう本来４ヶ現れるべきピークはひとつしか得られて居なかった。その原因は、ガス流れ解析によれば、図２に示したように、スリット３０からの試料注入におけるシースガスとの混合による流れの乱れに拠るものである。さらに外筒電極２の壁面での渦流の発生に拠るものであることが分った。
【００３６】
従来のType１（図２）では、ピークはひとつであるが、本発明のType２（図３）では４ヶのピークに分離され分離効率は向上している。この分離効率の向上は、本発明の試料導入スリット構造によれば、試料導入におけるシースガス流れに乱れの発生がなく、試料は外筒内壁に沿ってシースガス流れと同じ方向に導入されることにある。
【実施例２】
【００３７】
図７は本発明による試料導入スリット３０の他の実施形態を示す断面図である。本発明試料導入スリット構成部品で、シースガス流れ上流部試料導入先端部にガイド片１１を設け、その断面は舌片状をして先細りしている。この形状にしたことで、ここでの渦流が解消されてシースガス４０流れの乱れがなく、良好な分離が得られた（図６）。さらに、本発明試料導入スリット構成部品で、シースガス流れ下流部試料導入先端部１２の部分の形状を円形曲線に形成させるものでは、シースガス流れの乱れがより少なく、良好な分離結果が得られた。
【００３８】
また、先端部１２の下流部に凹曲面１３を設けたところ、分離効率が高い結果が得られた。流れ壁面をこのような形状とすることにより、試料ガス４１は壁面に沿って流れる（コアンダ効果）。すなわち、この形状とすることで渦流は少なくなり、試料ガス４１は電界中（シースガス４０）に分散することなく、壁面に沿って流れる。そのために分離の効率が高い効果が現れたものである。
【実施例３】
【００３９】
図８は本発明による試料導入スリット３０の一実施の形態を示す断面図である。本発明試料導入スリット構成部品で、シースガス流れ下流部試料導入先端部１２が電界形成壁よりも電界側に突き出す形状である。この結果、分離効率が高い結果が得られた（図６）。流れ壁面をこのような形状とすることにより、試料ガス４１は壁面に沿って流れる性質がある（コアンダ効果）。すなわち、この形状とすることで渦流は少なくなり、試料ガス４１は電界中（シースガス４０）に分散することなく、壁面に沿って流れる。そのために分離の効率が高い。
【実施例４】
【００４０】
図９は本発明による試料導入スリットの一実施の形態を示す断面図である。前実施例３にさらにコアンダ効果を高めたものである。
【００４１】
本発明試料導入スリット構成部品で、シースガス流れ下流部試料導入先端部１２を電界形成壁よりも電界側に突き出し、その下流部をR2で示すような凹状としたものである。この結果、分離効率が高い結果が得られた（図６）。
【００４２】
前実施例同様、流れ壁面をこのような形状とすることにより、流体（試料ガス）は壁面に沿って流れる性質がある（前実施例と同様、コアンダ効果である）。すなわち、この形状とすることで、試料ガスは電界中に拡散することなく、壁面に沿って流れる。そのために分離の効率が高い。
【００４３】
【表１】
0003985058.tif 000008
【００４４】
【表２】
0003985058.tif 000009
【００４５】
【表３】
0003985058.tif 000010
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の装置は、大気中やプラズマ状態のイオン種あるいは粒子の分級及び粒径測定に有効である。また、ナノサイズの超微粒子の粒径分布測定に寄与する。また、溶液のイオン分析にも有効である。一方、分離・分級された単分散超粒子は医薬、半導体分野等々に応用されることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による一実施の形態を示す全体の模式断面図。
【図２】従来の試料導入スリットを示す断面図。
【図３】本発明による試料導入スリットの一実施の形態を示す断面図。
【図４】運転システムの構成を示す図。
【図５】従来での構造による、測定結果例を示す図。
【図６】本発明での構造による、測定結果例を示す図。
【図７】本発明による試料導入スリットの実施の形態を示す断面図。
【図８】本発明による試料導入スリットの実施の形態を示す断面図。
【図９】本発明による試料導入スリットの実施の形態を示す断面図。
【符号の説明】
【００４８】
１      上流部外筒電極
２      下流部の外筒電極
３      外筒電極固定治具
４      試料ガス導入管
１１    ガイド片
１２    本発明試料導入スリット構成部品で、シースガス流れ下流部試料導入先端部
１３    凹曲面
２０    中心ロッド
２１    集電電極
３０    スリット
３１    スリット
４０    シースガス
４１    試料ガス
１００  帯電粒子又はイオン
２００  電流計
３００  直流電源
４００  試料ガス吸引ポンプ
Ｒ１    本発明試料導入スリット構成部品で、シースガス流れ下流部試料導入先端部の曲率
Ｒ２    外筒電極壁に施される部分円形溝の曲率
Ｓ      スリット幅
Ｘ      電界方向距離
Ｙ      シースガス流れ方向距離
【図１】
0003985058.tif 000011
【図２】
0003985058.tif 000012
【図３】
0003985058.tif 000013
【図４】
0003985058.tif 000014
【図５】
0003985058.tif 000015
【図６】
0003985058.tif 000016
【図７】
0003985058.tif 000017
【図８】
0003985058.tif 000018
【図９】
0003985058.tif 000019