J. Inst. Electrostat. Jpn.

静電気学会誌，35, 1 (2011) 14-19

エアロゾル電荷中和器の荷電効率とイオン移動度の時間変化の関係
佐 藤 佳 宏*,1，桜 井

博*，榎 原 研 正*(2010 年 9 月 14 日受付; 2011 年 12 月 22 日受理)

The Relation between the Charged Fractions of the Aerosol Charge Neutralizer
and the Time Change of the Ion Mobility
Yoshihiro SATO,*,1 Hiromu SAKURAI* and Kensei EHARA*(Received September 14, 2010; Accept December 22,2010)

The bipolar diffusion charge neutralizer is in one of the important components of SMPS which iselectrostatic-type particle size distribution measurement equipment. Although the charging characteristics ofthe neutralizer were investigated, they did not understand in detail what has determined the charging natureof the neutralizer. The charged fraction of three neutralizers was measured changing the aerosol flow rate.
And the positive ion mobility was estimated from the charged fraction using the Fuchs theory. In addition toit, the relaxation time of the ion of each neutralizer was measured. As a result, when residence time became
long, it turned out that positive ion mobility becomes small.
1.

はじめに

微分型電気移動度分析器(Differential Mobility Analyzer :エレクトロメータ(Aerosol Electrometer : AE)を用いて校正されている．

DMA)を用いた走査型移動度粒径測定器(Scanning Mobility

以上のように，SMPS を用いて+1 価に帯電したエアロゾルの粒

Particle Sizer : SMPS)は，数nmから数100 nmの粒径範囲のエア径分布を定量的に測定することは可能である．しかし，無荷電粒

ロゾルの粒径分布を高精度に測定する手段として，エアロゾル基

子，+2 価以上の多価荷電粒子，負荷電粒子の個数は不明であ礎研究，粒子合成，吸入毒性研究，大気汚染研究などの広い分るため全粒子の粒径分布を定量的に測定することは難しい．

野で用いられている．

一般的に DMA を用いた粒径測定では荷電装置として放射性SMPS を用いた粒径測定では，最初に荷電器で粒子を帯電さ同 位 元 素 を イ オ ン 源 と し た 両 極 拡 散 電荷中 和 器 （ Bipolar

せ，次に DMA を用いてシース流量と分級電圧から特定の電気

Diffusion Charge Neutralizer : 以降では中和器と呼ぶ）を用い，移動度で分級し，最後に分級された粒子を計数器でカウントしてエアロゾルの価数 z に対する分布を平衡帯電状態にしている．

いる．その SMPS の構成要素のうち DMA の分級の正確さにつエアロゾルを平衡帯電させることにより，ある粒径 Dp の z 価の荷

いては，分級粒径，分級幅，粒子損失の 3 つのパラメータについ

電効率 fz(Dp)が一意に決定できるため，全粒子数を N(Dp)とすれ

1)て検討されている ．その DMA 分級粒径は，粒子質量と密度かば，z 価の粒子数 Nz(Dp)は，Nz(Dp) = N(Dp)fz(Dp) となる．実際にら粒径を決定する計数ミリカン法 2)によって値付けられた標準粒は，DMA を用いて+1 価の粒子数 N1(Dp)を測定し，それを+1 価子を用いて校正される．また，DMA 分級幅と DMA 粒子損失のの荷電効率 f1(Dp)で割ることにより全粒子数 N(Dp)を推定していパラメータは，2 台の DMA を直列につないで測定するタンデム

る．

DMA 法を用いた値付けが行われている．また計数器には多くの荷電効率の計算式としては Wiedensohler (1988)3)の近似式が場合凝集型粒子計数器(Condensation Particle Counter : CPC)が広く用いられており，TSI 社の SMPS の荷電効率計算でもこの近用いており，その CPC は電気的な粒子計数法であるエアロゾル・似式が用いられている．にもかかわらず，SMPS に用いられる中

キーワード : DMA, Am-241, 電荷中和器, 荷電効率, イ
オン移動度* 産業技術総合研究所 計測標準研究部門 (305-8563 茨城
県つくば市梅園 1-1-1 中央第 3）
National Institute of Advanced Industrial Science andTechnology, 1-1-1 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8563, Japan.
1
satou-yoshihiro@aist.go.jp

和器の荷電効率がこの Wiedensohler の荷電効率と同じであるか調べられているわけではない．例えば，中和器によって容器内
形状や放射線源が異なり，使用環境によってエアロゾルの流量や温度や湿度や個数濃度も異なる．その中で，放射線源に関して言えば，アメリカでは中和器用放射線源としでβ線源の 85Krやα線源の 210Po が用いられる．一方，日本ではα線源の 241Amが用いられている．

15

エアロゾル電荷中和器の荷電効率とイオン移動度の時間変化の関係（佐藤佳宏ら）
それらの，異なる中和器間の荷電効率の測定についてはいく
つかの報告がある．Hoppel and Frick (1990)4)は形状や放射線源

120

Aの異なる中和器を比較し，それらの荷電効率が大きく異なること

241Am

5)

を示した．また Covert et al. (1997) は+1 価の荷電効率を測定し210

Po 線源中和器ではどの流量でも Wiedensohler の荷電効率と一致していたのに対して，85Kr 線源中和器では 1.0 L/min 以上の6)流量で一致しないことを報告した．また，Ji et al. (2004) は 0 価の

19B

荷 電 効 率 を 測 定 し ， 210Po 線源 中 和 器 で は ど の 流 量 で も1585

Wiedensohler の荷電効率と一致していたのに対して， Kr 線源
85

中和器では 0.6 L/min 以上の流量で一致しないことを報告した．
このような，中和器ごとの荷電効率にばらつきがある場合，Wiedensohler の荷電効率を前提とした SMPS による粒径分布測C150定において，その定量性に大きな影響を与える．
日本国内の事情としては，前述の通り中和器に用いることが出来る放射線源は 241Am のみと言ってよく，アメリカにおける中和器の荷電効率調査がそのまま適用できるとは限らない．また，同
じα線源である 210Po と 241Am を比較した場合，アメリカで用いら

71

Fig. 1 The cross-section views of three neutralizers.

れる 210Po の放射能は 18.5 MBq 以上であるのに対して，日本で入手できる 241Am の放射能は 3.0 MBq と 1/5 以下であり，この放(1)

射能で十分な中和が出来るのかという問題もある．

Electro
Spray

日本国内の

241

Am 線源の中和器の荷電効率の研究としては，

MFC-1

MFC-2

Bypass

DMA-2

DMA-1
CPC-1

Kousaka et al. (1983)7)や Adachi et al. (1985)8)の初期の研究や，
Han et al. (2003)9)や Lee et al. (2005)10)による軟 X 線エアロゾル荷

(2)

MFC-1

11)12)

電器との比較や，Kwon et al. (2005, 2006)の表面放電マイクロプラズマ・エアロゾル荷電器(SMAC)との比較がある．

Particle
Generator

DMA-1

DMA-2
Neutralizer Path

MFC-2

MFC-1

Neutralizer A

Nano
DMA

HEPA
filterの測定された荷電効率が Wiedensohler とは異なることを報告した
13)(佐藤ら(2007) )．その研究の中で，エアロゾル流量が 1.5 L/min
Wiedensohler の荷電効率と一致していたのに対して，0.3 L/minAE
Neutralizer
without RI(3)

器内の線源の位置を変えながら測定し，測定条件によってはその場合は中和器出口から線源までの距離が離れていてもMFC-2

Bypass

また，我々は 241Am 線源の中和器の荷電効率をタンデム
DMA 型の荷電効率測定装置を用いて，エアロゾル流量や中和

CPC-2

Neutralizer
Neutralizer Path

AE

241Am

Fig. 2 The schematic diagram of three type of experiments.
(MFC: Mass Flow Controller).

では線源が中和器出口から 50 mm 以内では Wiedensohler の荷
電効率とほぼ一致していたが，60 mm 以上では大きく異なって

Fuchs (1963)14)理論を用いてイオン移動度を推定し，さらに中和いることを示した．その違いが時間経過によるイオンの状態変化

器内流速の直接測定からイオン滞留時間を推定し，そのイオンに由来するのではないかと考え，線源からのα線の飛程から中和滞留時間とイオン移動度の関係を解析した．

器出口までのイオンドリフト距離を，流量と中和器断面積から計算した平均流速で割って，イオン滞留時間を計算し，そのイオン

2.

実験方法

滞留時間に対する荷電効率変化を調べた．しかし，イオンの状

2.1

実験(1):中和器の荷電効率の測定

態変化の起点を線源からにするかα線の飛程からにするかという本研究では Fig. 1 に示す 3 台の中和器の荷電効率を測定する．

問題や，中和器全体にイオンが拡散することを前提として計算し中和器 A は試作品．中和器 B は株式会社司測研製．中和器 C

た流速は実際の流速とは異なる可能性もあった．また，そのイオは東京ダイレック株式会社製で日本国内では TSI 社製の SMPS

ンの状態がなぜ時間変化するかを明らかに出来なかった．さらに，に内蔵されて販売されている．それらの中和器では放射線源に比較するパラメータとして，個々の粒径に値付けられる荷電効率

日本アイソトープ協会の 241Am (3.0 MBq)を 1 個用いている．また，を用いていたために，そのパラメータの一般化が難しかった．

それぞれの図には中和器の容器内全長と，放射線源の端から中

本研究では，中和器の荷電特性の評価手法の確立のために，中和器の荷電効率を異なる条件で測定し，その荷電効率から

和器出口までの距離を mm で表示している．
Fig. 2 の(1)に，荷電効率測定実験の配置図を示す．測定粒子

16

第 35 巻静電気学会誌

第 1 号 (2011)にはポリスチレンラテックス(PSL)の単分散粒子を用いた．単分散粒子を用いる理由は多分散粒子では多価荷電した粒子が混入

wN =し正しい荷電効率が得られないからである．使用した PSL は JSR
STADEX の SC-0030A, SC-0050D, SC-0070D, SC-0100D,
SC-016S であり中心粒径はそれぞれ，30, 50, 70, 100, 160 nm で

L N wB
L N + wB t

(1)

ここで，LN は中和器の中心長さ，SB は Bypass チューブ内断面積，wB は Bypass チューブ内平均流速で wB=Qa/SB である．

ある．また，使用した 2 台の DMA は TSI 3081 で流量条件はエア実験(3):イオン濃度の時間変化測定

ロゾル流量(Qa)=1.0 L/min，シース流量(Qs)=10 L/min とした．そ

2.3の荷電効率の測定では，最初に PSL ダイマーの発生を抑止する

Fig. 2の(3)にイオン濃度の時間変化測定実験の配置図を示す．

ためにエレクトロスプレー(TSI 3480)で粒子発生させ，1 次中和器

この測定では中和器 A の中の線源の位置を変えながら中和器で中和したあとに DMA-1 を用いてその PSL の粒径で分級し，分出口のイオン濃度変化を測定する．最初に HEPA フィルターを級された粒子は Bypass 経路ではそのまま，中和経路では測定通した清浄空気を中和器 A に通し，線源でイオン化する．その対象中和器を通してから CPC-1 と DMA-2 に送られる．その中和

中和器内流量は出口の流量を調節することで 0.3, 0.6 1.0 ,1.5

器内流量は前後の流量を調節することで 0.3, 0.6 1.0 ,1.5 L/min

L/min に変更可能にした．イオン化した空気は Nano-DMA (TSIに変更可能にした．その CPC-1 では 1 次分級個数 N1 を計数す

3085. Qa=1.5 L/min, Qs=15 L/min)で正負イオンのみを分級し AE

る．DMA-2 では 1 次分級径を中心に DMA 分級電圧 V をステッ

(TSI 3068A. 吸引流量 5.0 L/min)を用いてイオン滞留時間 ti にプ状に上げながら CPC-2 で計数し，V に対するスペクトル N2(V)

対するイオン電流 I(ti)を測定した．ここで，そのイオン滞留時間 tiを得る．このとき，V が負であれば正荷電スペクトルが，V が正でを次に示す．

あれば負荷電スペクトルが得られる．その N2(V)を N1 で割って正規化し，Bypass 経路の正規化したスペクトルを NB(V)，中和経路

ti =の正規化した正・負荷電スペクトルを NN±(V)とする．以上から各スペクトルのピーク電圧を Vp とすると，粒径 d の+1 価の荷電効率
はg1+(d)=

NN+(Vp)/Nb(Vp) ， -1

価の荷電効率は

g1-(d)=

NN-(Vp)/NB(Vp)となる．

Li
wN

(2)

ここで，Li は線源から中和器出口までの距離，wN は実験 (2)で測定した中和器 A の平均流速である．この I(ti)の出口配管損
失を補正し正規化し，イオン滞留時間 ti に対する正規化イオン濃度を計算した．同じ計算を負イオンに対しても行い，その ti ごとの2.2

実験(2):中和器内平均流速の測定

Fig. 2 の(2)に中和器内流速測定実験の配置図を示す．この測定では DMA-2 をパルス状エアロゾル発生器として用い，パルスの平均遅延時間から流速を推定する．最初に，粒子発生器(TSI

平均値からイオン滞留時間に対する正規化イオン濃度 Y(ti)を求
めた．
3.

結果と考察

3.1

理論荷電効率3076)で発生させた NaCl 粒子を中和して DMA-1 で 100 nm に分中和器の荷電効率の計算には Fuchs (1963)14)の両極拡散荷級してから DMA-2 を通し，放射線源を除いた測定対象中和器も電理論が使われる．実際の荷電効率計算では Fuchs 理論をベー

しくは，その中和器の中心距離と同じ長さの Bypass ステンレス・スに，Hussin et al. (1983)16), Adachi et al. (1985)8), Kousaka et al.

チューブ(内径 4.2 mm)を通してから AE (TSI 3068A)で粒子電流(1985)17), Hoppel et al. (1986)18)により体系化された手法を用いる．

を測定した．その中和器内流量は前後の流量を調節することで本研究では特に Reischl et al. (1996)19)で書かれた手順に基づい

0.3, 0.6 1.0 ,1.5 L/min に変更可能にした．その 2 台の DMA は
TSI 3081 で流量条件は Qa=1.5 L/min，Qs=15 L/min とした．また
100 nm 相当の分級電圧を V1，その V1 の半分の分級電圧を V2とする．流速測定では，DMA-2 電圧を V2 とし，1 秒間だけ V1 に昇圧した後に V2 に戻しパルス状のエアロゾルを発生させる．そして，Bypass の場合と中和器を通した場合の 2 通りの時間プロファ
イル fB(t)と fN(t)を AE を用いて測定し，fB(t)に対する fN(t)の遅延
時間分布 P(t)を非線形最小二乗法の１つである Levenberg
15)て荷電効率を計算する．
最初に，z 価の粒子に正(+)・負(-)イオンが付着する確率を表
すイオン付着係数(combination coefficient) ηz±を計算する．単位は(m3/s)である．

η z± =πc ±αδ ±2 exp(− φz± (δ ± )/ kT )πc ±αδ ± 2 d /( 2δ )±1 + exp(− φz± (δ ± )/ kT )±∫ exp(φz (d /(2 x)) / kT )dx
4D a

0

(3)
ここで，d は粒子直径，T は温度，k はボルツマン定数，D±はイオンの拡散係数で D± = (kT/e)Zi±．ここで Zi±はイオン移動度，e は-Marquardt 法 (以下，マルカート法)を用いて推定した．そして，素電荷である．また c± はイオンの平均熱運動速度で c± =その遅延時間 t を次式を用いて中和器内流速 wN に変換した．

(8kT/(πmi±))1/2．ここで mi±はイオン質量である．またδ±は次に示
す仮想的な有効半径である．

17エアロゾル電荷中和器の荷電効率とイオン移動度の時間変化の関係（佐藤佳宏ら）
5/ 2

⎞
⎟
⎟
⎠

(4)
±

±

1/2

ここで，λ はイオンの平均自由行程でありλ = ((16(2)

D±)/

±

(3πc ))(Mair/(Mair + mi±))1/2，Mair は空気質量である．またφz±(r)はポテンシャルエネルギーで次に示す．

φ z± (r ) =⎛ ε1 − 1 ⎞± ze 2e2(d / 2)3⎜⎟−2
4πε 0 r 8πε 0 r (r 2 − (d / 2) 2 ) ⎜⎝ ε1 + 1 ⎟⎠1

Charged fractiond 3 ⎛⎜ 1 ⎛ 2λ± ⎞ 1 ⎛ 4λ± 2 ⎞⎛ 2λ± ⎞2 ⎛ 4λ± 2 ⎞⎜1 +⎟ − ⎜⎜1 + 2 ⎟⎟⎜⎜1 +⎟ + ⎜⎜1 + 2 ⎟⎟±2⎜⎟⎟
8λ ⎜ 5 ⎝d ⎠ 3⎝d ⎠⎝d ⎠ 15 ⎝
d ⎠
⎝
3

δ± =

(5)

z=-1

0.1

z=+1
●○ Qa=0.3 L/min▲△ Qa=0.6 L/min■□ Qa=1.0 L/min＋× Qa=1.5 L/min

0.01
10

100

ここで，ε1は粒子の比誘電率である．また，次のインパクトパラ
メータ bz±(r)の r を d/2 からδ±まで変化させたときの bz±(r)の最小値
を bmin とする．

)

(6)

この bmin から，α=(bmin/δ±2)1/2 となる．このαを Fuchs のαパラメー
タと呼び，100 nm 以上ではα≈1 となる．
以上で計算したηz±から Reischel et al.の方法に従い荷電効率を計算する．最初に粒子荷電生成消滅速度比 Az±を次のように計算する．

A +j = nrη +j −1η −j + nrη +j − η −j +1 A +j +1

η −j −1
A =n
η +j + nr−1η −j − η +j +1 A −j +1
−

1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
A

0.2

0.6

(7)

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Fig. 4 The positive ion mobility for the flowrates in theneutralizers A, B, and C.
1.0

れ，陽イオンと負イオンの個数である．この計算では，中和器中心部におけるイオン消滅は正負イオンの再結合によるもののみ

0.7

Qa=0.3
Qa=0.6
Qa=1.0Qa=1.50.6P(t)と仮定し，その再結合過程では正イオンと負イオンは同数ずつ

(a)

0.9
0.8

減少するため nr=1 と近似する．最後に±z 価の荷電効率 fz±を計

0.5
0.4
0.3

算する．

0.2

z

f =

0.4

Aerosol flowrate Qa (L/min)

ここで，nr はイオン濃度比で nr=(ni+/ni-)，また ni+と ni-はそれぞ

±
z

B
C

1.1
1.0

−1
r

j

Fig. 3 The charged fractions of the neutralizer A. The solid line
and the dashed line are the charged fractions of the Wiedensohler(1988).

2/Vs)
Positive
Ion mobility
Zi+ (cm2/Vs)
Positive
Ion mobility(

2 ⎞ ± ±⎛±bz± (r ) = r 2 ⎜1 +⎟ φ z (δ ) − φ z (r )⎝ 3kT ⎠

1000

Particle diameter (nm)

∏A

0.1

±
j

0.0

j =1

⎛
⎞
1 + ∑ ⎜⎜ ∏ A+j + ∏ A−j ⎟⎟k =1 ⎝ j =1
j =1
⎠
∞

k

0.0

(8)

0.5

1.0

1.5

2.5

3.0

3.5

4.0

1.0

(b)

0.9

ここで，分母の総和(Summation)は 1 μm までなら 10 価，10 μm

Qa=0.3
Qa=0.6
Qa=1.0Qa=1.50.8
0.7までなら 100 価程度まで加算することで十分な計算精度が得ら

0.6
U(ti)

れる．

2.0

Delay time t (s)

k

0.5
0.4

3.2

正イオン移動度の推定

実験(1)で得られた中和器 A の荷電効率分布を Fig. 3 に示す．
この粒径に対する±1 価の荷電効率に Fuchs の理論荷電効率をフィットして，イオンパラメータを推定する．Fuchs の理論荷電効率の計算に必要なパラメータは粒径 d と，正負イオン移動度 Zi±と，正負イオン質量 mi±である．このうち負イオン移動度は Nagato

0.3
0.2
0.1
0.0
0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Ion residence time ti (s)Fig. 5 (a) Delay time distribution for each flowrate in theneutralizer A. (b) Ion residence time distribution for each flowrate
in the neutralizer A.

18

静電気学会誌

第 35 巻

第 1 号 (2011)

et al. (1998)20)の負イオン移動度の測定結果から，Zi-と mi-は時間

Positive ion

変化しないと仮定し，また Wiedensohler の近似式の負イオン移動1.0

度が 1.6 cm2/Vs であることから，Zi- = 1.6 cm2/Vs, mi- = 100 amu と0.9仮定する．また，Resischl et al. (1997)19)の Zi+と mi+の関係から Zi+
で Fuchs の理論荷電効率を計算する．また，その両極イオンは中

0.7
0.6
Y(ti)

から mi+が一意に決まると仮定し，d と Zi+の 2 つのパラメータのみ

0.5
0.4

和器に導入される粒子を十分に平衡帯電状態に出来る濃度で

0.3
0.2

あると仮定する．そして，実験で得られた d に対する±1 価の荷0.1

電効率 g1±(d)と，計算した理論荷電効率 f1±(d, Zi+)が等しくなるよ

0.0
0.0

うに Zi+をマルカート法による非線形最小二乗法により最適化した．
この最適化計算は中和器 A, B, C に対して行った．その結果をFig. 4 に示す．ここで，横軸は中和器内流量，縦軸は正イオン移動度である．中和器 A, B は，どの流量でも 1.35 cm2/Vs 前後であ秒以下の短い時間に急激に小さくなる現象を報告している．本

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

A
B
C

500
Ion residence time ti (ms)Nagato et al. (1998) 20)は電離生成した正イオンの移動度が 0.5

0.3

600

1.5 L/min では約 1.3 cm /Vs になり，流量が大きくなると移動度もイオン移動度とイオン滞留時間の関係

0.2

Fig. 6 Normalized ion concentration change to the residence timeof the positive ion.

2

3.3

0.1

Ion residence time ti (s)るのに対して，中和器 C では流量が 0.3 L/min では 1.15 cm2/Vs，
大きくなる傾向があった．

Qa=0.3
Qa=0.6
Qa=1.0Qa=1.5

0.8

400
300
200
100

研究では荷電効率から推定した正イオン移動度に，このような時
0間変化があるか確認するための実験を行った．Fig. 5a に実験(2)0.0分の割合を表している．その遅延時間 t を式(1)を用いて中和器

こで，イオンの状態変化の起点を放射線源端としている理由は，放射線源から放射されるα線の放射立体角が不明なためである．
また，イオンの状態変化の終点を中和器出口までとしている理由
は，例えば直径 10 nm の粒子の移動度が 0.02 cm2/Vs であるのに対し，イオン移動度は 1.1～1.6 cm2/Vs と非常に大きく，イオンが中和器出口から内径 4.2 mm のステンレス配管に入った場合，
配管壁面との吸着により急速に減少し，粒子荷電への寄与が小

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.6
Positive ion mobility Zi+ (cm2 /Vs)

Fig. 5b に中和器 A の Qa ごとの滞留時間分布 U(ti)を示す．こ0.6

Fig. 7 The ion residence time for the aerosol flowrate in theneutralizers A, B, and C.

内流速 wN に変換する．さらに式(2)を用いてイオンが電離生成してから中和器出口に到達するまでのイオン滞留時間 ti を得た．

0.4

Aerosol flowrate Qa (L/min)

で測定した中和器 A の Qa ごとの遅延時間分布 P(t)を示す．そのP(t)は中和器を通る空気の Bypass 測定に対して遅延している成

0.2

A
B
C
Nagato (1998)

1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.0
10

100

1000

10000

Ion residence time ti (ms)Fig. 8 The positive ion mobility for the ion residence time of theneutralizers A, B, and C.

さくなると考えられるからである．ここで，さらに考慮すべきことは，中和器内の正負イオンは再結合により減少するため，滞留時間

Qa に対するイオン滞留時間 Fig. 7 に示す．そして，その中和器の長いイオンの寄与が減る効果である．そこで，実験(3)で中和

A, B, C のイオン滞留時間と正イオン移動度の関係を Fig. 8 に示器 A のイオン滞留時間に対する正規化イオン濃度 Y(ti)を測定しす．図中の直線は，Nagato et al. (1998)20)の Am-241 線源で両極た．その結果を Fig. 6 に示す．そして U(ti)に，Y(ti)を時間ごとに発生させた正イオンのドリフト時間ごとの移動度分布の図から計かけ，再結合によるイオンの減少も考慮したイオン滞留時間分布

算した，ドリフト時間ごとの平均正イオン移動度である．ただし，

U’(ti)を計算した．その U’(ti)の一次モーメントから平均イオン滞

Nagato et al.で同じ条件で測定された負イオン移動度は約 1.8

留時間を計算した．ただし，中和器C は放射線源を取り外せない

cm2/Vs であるが，本研究の Fuchs の理論荷電効率計算には構造であるため，中和器 C の wN には，ほぼ同じ形状の中和器 A

Wiedensohler の負イオン移動度 1.6 cm2/Vs を用いているため，の値を用いた．その中和器 A, B, C の中和器内エアロゾル流量

正イオン移動度に 1.6/1.8 をかけて変換している．

エアロゾル電荷中和器の荷電効率とイオン移動度の時間変化の関係（佐藤佳宏ら）
各中和器で測定された荷電効率から推定された，イオン滞留
時間と正イオン移動度の関係は，Nagato et al. のイオンドリフト時
間と正イオン移動度の関係とよく似ていた．しかし，滞留時間が100 ms 以下の領域では Nagato et al.の結果とは異なり 1.4 cm2/Vs
前後の値になっていた．この理由として考えられるのは，中和器から出た後の正負イオンはただちに配管に吸着し除去されるわ
けではなく，条件によっては配管内でも粒子荷電反応が進むため，中和器出口を終点として計算した滞留時間よりも実際の滞留時間が長くなり，正イオン移動度が推定よりも小さくなったのではないかと考えられる．また，Adachi et al . (1980)21)で指摘されているように配管中の低いイオン濃度では必ずしも平衡帯電状態には達しないため，その影響も考えられる．
しかし，実際の SMPS 測定では出口配管も含めて中和器として機能するため，その荷電状態を評価し，正イオン移動度でパラメータ化し，SMPS 測定されたデータの定量性を高め高精度化に役立てるという目的から言えば，現状でも十分であると考えら
れる．

4.

まとめ

SMPS など電気移動度を用いた粒径分布測定において，両極
拡散電荷中和器の荷電特性は非常に重要である．しかしその荷電特性は中和器ごと，使用条件ごとに異なる問題があった．
本研究では，中和器の荷電特性の評価手法を確立するために，中和器内で電離生成する正イオンの移動度に着目し，中和器で荷電された粒子の荷電効率からその中和器の正イオン移動度を推定する手法を用いて，その中和器の流量ごとの正イオン移動度を推定した．その正イオン移動度は電離生成直後から減少しはじめ，電離生成してからの滞留時間で変化するが，中和器の形状や線源位置や流量などによりその滞留時間に違いが生じ，その滞留時間の違いによる正イオン移動度の違いが中和器の荷電特性に影響するのではないかと考えられる．

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