Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
## 4 ．結果及び考察

## (1) AIST-IAGの基本特性の評価

## 1 ）AIST-IAG の粒子発生頻度範囲の評価

3－（1）－1）で説明したように、AIST-IAGへと入力するインクジェット液滴の発生頻度より粒子発生頻度が正確に制御できる範囲の評価を行った。AIST-IAGより溶剤のみをインクジェット液滴として発生させ、インクジェット液滴の発生頻度に対するAIST-IAG出口で粒子発生頻度をCPCで測定した。図18はAIST-IAGの下流で測定された粒子計数頻度をAIST-IAGへとインプットした液滴発生頻度の関数として示している。液滴発生頻度に対する粒子計数頻度がほぼ同一である範囲は、UPWおよびIPAを吐出液溶剤とした場合、それぞれ20-500 s⁻¹および100-900 s⁻¹である。これを粒子数濃度に直すと、それぞれ1.2-30個cm⁻³および6-54個cm⁻³となる。AIST-IAGの発生可能な粒子数濃度の範囲は流量に依存するが、この範囲は数個から100個cm⁻³以下と見込まれる。したがって、AIST-IAGはCPCやOPCなど比較的低い濃度下において正確に粒子数濃度を行うエアロブル計測器の校正や動作確認に適している。

図 18 AIST-IAG 下流での粒子発生頻度 vs. AIST-IAG へとインプットした液滴発生頻度

## 2 ）AIST-IAG で発生可能な粒径範囲の評価

3－（1）－2）で説明したように、AIST-IAGが発生できる粒径範囲をSEMSとAPSを使い評価した。図19にAIST-IAGで発生させたUPWおよびIPAに含まれる不揮発性不純物による蒸発残渣粒子の粒径分布を示す。
図19 AIST-IAGで発生させた超純水(UPW)およびイソプロピルアルコール(IPA)に含まれる不揮発性不純物による蒸発残渣粒子の粒径分布

孔径30 μmのインクジェットノズルを使用し、超純水(UPW)、イソプロピルアルコール(IPA)を溶剤として使用した場合の不純物粒子の粒径はそれぞれ約0.17 μmと0.2 μmである。不純物濃度は実験毎におけるばらつきがあり、AIST-IAGの粒径制御能力を低下させる要因となるため、超純水中の不純物濃度のばらつきが粒径にあたえる影響を評価した。体積等価粒径の不確かさが95%信頼区間で5%以下となることを目指す場合、AIST-IAGで粒径制御が可能な粒径の最小値は約0.35 μmとなる。

図20にUPWをインクジェット溶液の溶剂として発生させた塩化ナトリウムおよびイオン性液体エアロゾル粒子の粒径分布をAPSで測定した結果を示す。

図20 超純水をインクジェット溶液の溶剤として発生させたエアロブル粒子の粒径分布。溶液の溶質として(a)塩化ナトリウムを使い生成した個体粒子、および(b)イオン性液体を溶質とした生成した不揮発性液体粒子

図が示すように、空気力学粒径として20 μmまで単分散性の高い固体および液体のエアロゾル粒子が発生できている。粒径が下がるにつれて分布が広くなっているように見える。これは、粒径が
下がるにつれて、APSによる粒子飛行時間の測定誤差が、粒径の測定誤差へとより大きく伝播するためである。AIST-IAGで生成した粒径約0.5μmのイオン性液体粒子群を移動度分級し、データの逆計算によりこれら粒子群の粒径分布関数を解析した結果を図21に示す。粒径分布幅の広さを定量的に表現するため、粒径軸は測定された粒径分布の平均粒径（=0.505μm）で規格化した。粒径分布の相対分布幅は2%以下であった。したがって、AIST-IAGの発生エアロブル粒子の単分散性は高いと結論した。

図21 AIST-IAGで発生させたイオン性液体粒子の粒径分布。粒径軸は平均粒径（=0.505 μm）で規格化した。

## 3 ）AIST-IAG発生粒子の粒径制御能力の評価

AIST-IAG発生粒子の体積等価粒径 $ D_{ve} $ を定義する式3における、溶質のバルク密度 $ \rho_{s} $ 以外の4つの変数 $ C_{m} $ ， $ m_{d} $ ， $ C_{V0} $ ，および $ V_{d0} $ のそれぞれの変動係数 $ \tilde{\sigma}_{C_{m}} $ 、 $ \tilde{\sigma}_{m_{d}} $ 、 $ \tilde{\sigma}_{C_{V0}} $ 、および $ \tilde{\sigma}_{V_{d0}} $ を3－（1）－3）で説明した手法により見積もった。これらの変動係数より伝播する $ D_{ve} $ の変動係数 $ \tilde{\sigma}_{D_{ve}(C_{m})} $ 、 $ \tilde{\sigma}_{D_{ve}(m_{d})} $ 、 $ \tilde{\sigma}_{D_{ve}(C_{V0})} $ 、 $ \tilde{\sigma}_{D_{ve}(V_{d0})} $ を図22に示す。また、同図にこれら4つの変動係数を合成して算出した $ D_{ve} $ の変動係数 $ \tilde{\sigma}_{D_{ve}} $ も示す。

粒径0.4 μm以上の範囲においては、 $ D_{ve} $ の不確かさは全て $ m_{d} $ の不確かさに起因すると言ってよい。 $ m_{d} $ のばらつきの原因が実験毎の $ m_{d} $ の変動によるものなのか、それとも $ m_{d} $ の計測法の精度の低さによるものなのかを明確に判断することは難しい。 $ \tilde{\sigma}_{D_{ve}} $ が示す様に粒径約0.4-10 μmの範囲におけ体積等価粒径の変動係数は3%である。これより、AIST-IAGによる $ D_{ve} $ の95%信頼区間は約6%と結論した。粒径0.4 μm以下になると超純水中の不揮発性不純物濃度 $ C_{V0} $ の不確かさが $ D_{ve} $ の不確かさへと大きく伝播する。 $ C_{V0} $ のばらつきは計測に起因するものではなく、 $ C_{V0} $ の値そのものが実験毎にばらつくためと想定される。溶質の濃度 $ C_{m} $ による $ D_{ve} $ の不確かさへの寄与が最も小さい。これは、質量天秤を使用することにより、希釈倍率を正確に求めることが可能なためである。
図22 AIST-IAG発生粒子の体積等価粒径 $D_{ve}$ を定義する溶質のバルク密度以外の変数 $C_{m}, m_{d}, C_{V_{0}}, V_{d0}$ の不確かさより伝播する体積等価粒径 $D_{ve}$ の変動係数 ($\tilde{\sigma}_{D_{ve}(C_{m})}, \tilde{\sigma}_{D_{ve}(m_{d})}, \tilde{\sigma}_{D_{ve}(C_{V_{0}})}, \tilde{\sigma}_{D_{ve}(V_{d0})}$)。これらの変動係数を合成し算出した $D_{ve}$ の変動係数 $\tilde{\sigma}_{D_{ve}}$。

## (2) AIST-IAGによるCPC・OPCの粒子計数効率の動作確認

## 1 ）AIST-IAGによるCPCを対象とした粒子計数効率の動作確認

3－（２）－１）で説明したように、AIST-IAGがCPCの動作確認を行うためのテスト粒子を観測現場で安定して発生できるかを評価した。AIST-IAGにより発生された粒子がCPC入口へと輸送される割合$\eta_{IAG}$を、3か月間にわたり評価した結果を図23に示す。約3カ月間における$\eta$の平均値は0.99であり、異なる実験日の間での95%信頼区間は0.016である。これは$\eta_{IAG}$の日ごと安定性が良好であることを示している。したがって、AIST-IAGにより超純水のみをインクジェット溶液として使用し、AIST-IAGにより粒径0.1-0.2μmに属する粒子を発生させ、これらのほぼすべてをCPCへと安定して輸送できる。したがって、AIST-IAGを使うことにより、CPCの基本性能の動作確認を観測現場で行うことができる。
図23 AIST-IAGにより発生された粒子がCPC入口へと輸送される割合 $ \eta_{IAG} $ を週約1回3か月にわたり評価した結果。エラーバーは平均値の標準不確偏差

## 2 ）AIST-IAGによるOPCを対象とした粒子計数効率の動作確認

図24はAIST-IAGへとインプットである液滴発生頻度に対するOPCのからのアウトプットである粒子計数頻度を、粒径の関数として示している。図11に示したように、見かけ効率η（粒子計数頻度を液滴発生頻度で規格化した値）として表している。

図24 AIST-IAGへとインプットである液滴発生頻度に対するOPCのからのアウトプットの粒径依存性。粒子材質およびエアロゾル流量はそれぞれ(a) 塩化ナトリウムと0.5 L/min、(b) 塩化ナトリウムと1.0 L/min、(c) イオン性液体と1.0 L/min.

エアロゾル流量0.5～1.0 L/minの範囲において、見かけ上の効率ηは0.992以上である。この値のみではη_{IAG}およびη_{OPC}のいずれの値も決定できない。したがって、粒径0.2-10 μmにおけるη_{IAG}の真値は0.992から1.00の範囲にあると結論するのが妥当である。観測現場でのOPCの動作確認において、1%以下の測定精度が求められることはない。これより、エアロゾル流量範囲0.5～1.0 L/minでAIST-IAGを使用し、粒径範囲0.2-10 μmの微粒子を発生させる場合、液滴発生頻度と同一の頻度で粒子が発生されるとみなすことができる。
## 3 ）AIST-IAGより発生される粒子径とPSL標準粒子との同等性の実証

3－（2）－3）で説明したように市販のOPCで測定する粒径とは、光散乱信号の強さが検出された粒子と同じになるPSL球の粒径である。したがって、AIST-IAG発生粒子についても、光散乱信号の強さがAIST-IAG粒子と同じになるPSL球の粒径を示す必要がある。図25にAIST-IAGより発生させたNaCl粒子の体積等価粒径とPSL光散乱等価粒径との関係を示す。

Volume equivalent diameter ( $ \mu m $ )

図25 AIST-IAGより発生させたNaCl粒子の体積等価粒径とRION KC-01D1 OPCを使い評価したPSL光散乱等価粒径との関係

粒径に対する感度の違う同型式のRION KC-01D1 OPCを2台使用した。SN10220548はより大きな粒子からの光散乱信号を得るために低感度に調整してあり、SN11020680は通常のRION KC-01D1の仕様となっている。実験結果が示すように、AIST-IAG発生粒子の体積等価粒径とPSL光散乱等価粒径との間には1対1の相関関係がある。したがって、AIST-IAGで校正されたOPCの粒子計数効率に対してPSL光散乱等価粒径を明記することができる。

微粒子からの光散乱の大きさは、入射光波長や集光角度と範囲にも依存する。使用したOPCの入射光波長は0.78μmであり側方からの光散乱を角度70°の範囲より集光している。実験結果においても、体積等価粒径0.8μm付近でPSL光散乱等価粒径が比較的小さくなる傾向が確認できる。このように、校正対象となるOPCの仕様によって関係は大きく異なるため、AIST-IAGでOPCの粒子計数効率を校正する際には、AIST-IAG発生粒子の体積等価粒径とPSL光散乱等価粒径の校正を個々のOPCに対して行う必要がある。

## (3) 実用化を念頭に置いたAIST-IAGの改良

## 1 ）AIST-IAGプロトタイプの設計見直しおよびメンテナンス性の向上

図26にAIST-IAGプロトタイプ2号機を部分的に示す。これまでのリボンヒータを排除し、AIST-IAG専用のヒータユニットを製作した。これにより、IAG内部の温度分布の再現性は向上さ
れる（図26の①）。これまでリボンヒータで温めていた液滴発生部を約半分に縮め、断熱材で囲むことによりヒータ一部からの熱を保持する構造にした（図26の②）。 $ ^{241} $ Am両極イオン発生源からの照射方向をユーザーが背を向けるようにし、放射線に対する安全性を大きく向上させた（図26の③）。インクジェットノズルへの電圧線および吐出溶液の供給管は、コネクタで外側と内側から接続できる構造にし、IAG内部の気密保持が可能になった。これにより、AIST-IAG内部への清浄気流の流量測定が可能になったため、発生粒子数濃度を正確に算出することができる（図26の④）。

図26 AIST-IAGプロトタイプ2号機の写真

## 2 ）軟X線源を両極イオン発生源としたAIST-IAGの開発および安全確認

H24年度4月に労働安全衛生法の定める様式27-放射線装置摘要書を労働基準監督署を提出し、軟X線源を実験室内に設置できる状況を達成した。また、届出には可搬型であることを明記し、軟X線源が設置されたAIST-IAGを外部ユーザーへと貸出しできる状況も整えた。

図27に示す画像は、軟X線源型AIST-IAGプロトタイプ2号の液滴発生部と軟X線用警報灯の画像である。図27(a)が示すようにインクジェットノズル先端へのアクセス窓には、電磁式インターロックが設置されており、AIST-IAG内部で軟X線源により両極イオンが発生した状態のままでアクセス窓を開こうとしても、開かれる途中で軟X線源への電源が切断される仕組みになっている。また、軟X線源の動作中は必ず警報灯が点火される仕組みにした（図27(b)）。一方、軟X線源の漏えいを防止するため、線源がAIST-IAGとが接触する隙間を粘着式金属薄膜で覆った（図27(c)）。Geiger-Müller管式検出部をAIST-IAGへとから数cm以下の距離へと近づけても、測定される毎時線量当量は背景レベルと同様の0.1μSv/hrであり漏えいが発生していないことを強く示唆している。
図27. (a) 軟X線源型AIST-IAGの液滴発生部およびアクセス窓の電磁式インターロック、(b) 軟X線動作時に作動する警報灯、(c) 金属粘着膜による軟X線の漏えい防止策。

## 2 ）プロトタイプ2号AIST-IAGの性能評価

軟X型と放射線源型のプロトタイプ2号の比較実験結果を表1にまとめる。新型AIST-IAGへのインプット液滴発生頻度を100個/秒とした場合に、AIST-IAG出口で測定されたCPCの粒子計数頻度である。

表1 液滴発生頻度100個/秒に対し測定されたCPCの粒子計数頻度

AIST-IAGの両極イオン発生源	測定時間(hr)	CPCの粒子計数頻度（個/秒）
平均値	標準偏差
アメリシウム241	1.0	95.62	0.37
軟X線源	6.9	95.58	0.36

軟X線源型プロトタイプ2号を使った場合のCPCの粒子計数頻度は、放射線源型の値とよく一致している。この実験結果は、軟X線源型プロトタイプ2号がこれまでの放射線源型と同等の性能を有していることを示している。

## (４) 環境行政・研究へのAIST-IAGの応用

### 1 ）PM_{2.5}自動測定装置の校正へのAIST-IAG応用

## a 大流量エアロゾル計測器へとAIST-IAG発生粒子を輸送できることの実証

PM_{2.5}分粒部の校正を行うためには、AIST-IAG出口からの0.5~1.0 L/min程度の低いエアロブル流量を高倍率希釈し、16.7 L/minでサンプルするPM_{2.5}自動測定装置へと粒子を損失無く輸送できる必要がある。これが可能であるかをサンプル流量28.3 L/minのOPC（RION KC-24）を使い評価した。図28にAIST-IAGへとインプットされた液滴発生頻度に対するOPCのアウトプットである粒子計数頻度を示す。粒径1 μm以下では全粒子が大サンプル流量のOPCへと輸送できている。粒径1 μm以上では徐々に輸送効率が下がり約2.4 μmで50%に減衰している。この点について製造メーカに確認したところ、OPC内部で流路が90°に3方向へと分岐されているため、この分岐点でマイクロメートル粒径域の粒子が配管壁へと慣性沈着している可能性が高いとのことであった。PM_{2.5}分粒部へとエアロブル粒子を誘導する配管は1本直管であり分岐していないため、図28のRION KC-24 OPC
での結果に見られる粒径1μm以上での沈着による損失は発生しない。これらの実験結果および考察より、AIST-IAG発生粒子を高倍率で希釈しても、損失無くPM_{2.5}分粒部へと輸送可能と結論した。

図28 AIST-IAGから大サンプル流量OPCへの粒子輸送効率

## b AIST-IAG発生粒子の体積等価粒径が空気力学粒径として表現できることの検証

PM_{2.5}分粒部の分粒特性を校正するためには、AIST-IAG発生粒子の体積等価粒径を空気力学粒径として変換できる必要があるため、この評価を3－（4）－1－bに記述した手順で評価した。図29はAIST-IAGにより発生させたNaCl粒子とイオン性液体粒子を、空気力学粒径の関数として示している。

図29 AIST-IAGにより発生させたNaCl粒子およびイオン性液体粒子の体積等価粒径と空気力学粒径の関係

図が示す様に、AIST-IAGによる体積等価粒径は粒径約0.5~10 μmの範囲で空気力学粒径として表すことができる。これより、AIST-IAGはPM_{2.5}分粒部の校正に必要な粒径範囲1~4 μmの単分散粒子を発生できる。さらに、AIST-IAGにより発生される体積等価粒がPM_{2.5}分粒部の校正に要求される再現性を有しているかについて考察した。PM_{2.5}分粒部の校正手順についてはJIS Z 8851「大気中の
PM2.5測定用サンプラ」 $ ^{4)} $ 規定されている。この規格では分粒部の粒子の透過率を評価を粒径1~4μmの範囲で5点以上で行うこととしている。したがって、となりあう試験粒子の粒径間の間隔は $ (4.0-1.0)/(5-1)=0.75\ \mu m $ 以下である必要がある。

図30はPM_{2.5}分級部の透過率の校正のために発生させるテスト粒子の平均粒径の確率分布の模式図である。

図30 PM_{2.5}分級部の透過率の校正のために発生させるテスト粒子の平均粒径の確率分布の模式図

幅0.75μm毎に行う校正では、二つのとなり合う校正用粒子の平均粒径の分布のピーク間の距離が0.75μmとなる。PM_{2.5}分粒部の透過率の粒径依存性を正しく評価するためには、これら二つのとなり合う校正用粒子群の粒径が十分に分離されていることが重要である。十分に分離されていることの条件を決めるにあたって、ここでは質量スペクトル分析で一般的に受け入れられている条件を適用する。二つの隣接するスペクトルが明確に分離されている条件を、図30で示す様に両スペクトルの重なりによる谷間の高さがピークの10%以下あることとする。ピーク同士の距離が0.75μmであるとすれば、10%谷間の高さでのスペクトルの全幅も0.75μmとなる。平均粒径の確率分布は正規分布に従うと仮定すると、10%谷間の高さでのスペクトルの全幅と標準偏差σには

$$ 10\% 谷間 \mathcal{O} 全幅 =\sigma\cdot(2\sqrt{2\ln10}) $$

の関係がある。これより、10％谷間の全幅が0.75 μmの場合、標準偏差は0.175 μmとなる。これをPM_{2.5}分粒部校正用粒子に求められる粒径に対する変動係数$\tilde{\sigma}_{\mathrm{PM2.5}}$として表すと

$$ \tilde{\sigma}_{\mathrm{PM2.5}}\approx0.175/D_{p} $$

となり、ここに $ D_{p} $ は校正用粒子に値付けされている空気力学粒径である。図31に、粒径1~4 μmの範囲での5点の粒径での校正用粒子に必要とされる $ \tilde{\sigma}_{PM2.5} $ を示し、AIST-IAG発生粒子の空気力学粒径の再現性評価より得られた粒径の変動係数と比較する。
図31 PM_{2.5}分粒部の校正用粒子に求められる粒径の変動係数 $\tilde{\sigma}_{\mathrm{PM2.5}}$ と、AIST-IAG発生粒子の空気力学粒径の再現性評価より得られた粒径の変動係数との比較

図が示す様に、粒径1~4 μm の範囲でのAIST-IAG発生粒子の空気力学粒径の変動係数は、$\tilde{\sigma}_{\mathrm{PM2.5}}$ と同等もしくはそれ以下である。したがって、AIST-IAGにより発生される粒子群の空気力学粒径は、$\mathrm{PM}_{2.5}$ 分粒部の校正を行うための粒子に必要とされる粒径の再現性を有している。

## 2 ）AIST-IAG によるエアロゾル観測用配管の粒子輸送効率の評価

3－（4）－2）で説明したように、気象研究所で実施されている大気エアロゾル観測で使用されているサンプリング配管の粒子輸送効率をAIST-IAGを使い評価した。結果を図32に示す。

図32 AIST-IAGで評価した気象研究所でのエアロゾル観測に使用されているL字管と導電性チューブにより構成されるサンプリング系の粒子輸送効率

サンプリング系の粒子輸送効率は数μmまでは100％に近いが、これ以上では粒径の増加と共に徐々
に減少する傾向があり、配管輸送中に発生する粗大マイクロメートル粒子の慣性沈着の効果が精度よく評価できている。また、粒径10μm以上においては、液体粒子は個体粒子よりも輸送効率が高い傾向も確認できており、これは、ある一定大きさ以上の個体粒子は、配管壁へと衝突しても跳ね返り、壁への沈着を免れる可能性があることを示している。屋外から屋内に設置された計測器までの輸送効率が評価できれば、雲核や黄砂など気象や健康へと影響をあたえるマイクロメートル粒子の濃度の絶対値を知ることができる。この観点より、現行の環境研究における課題へとAIST-IAGを応用し貢献できた。

## 5 ．本研究により得られた成果

## (1) 科学的意義

AIST-IAGと似た既存のエアロゾル発生器として、振動オリフィスエアロゾル発生器(Vibrating orifice aerosol generator, VOAG)がある。VOAGはPM_{10}やPM_{2.5}インレット、サイクロン、カスケードインパクタ、空気力学スペクトロメータなど、マイクロメートル粒径域におけるエアロゾル計測器の評価に過去40年以上にわたりエアロゾル計測分野に貢献してきた。しかし、VOAGの欠点は、①単分散エアロゾル粒子の他に、インクジェット液滴同士の衝突による2量体が一定の確率で必ず発生してしまう、②装置内部での粒子損失が大きいためVOAG出口での粒子数濃度が制御できない点である。AIST-IAGはこの問題を乗り越えた標準エアロゾル発生器である。また、発生エアロゾル流量を、CPCやOPCのサンプル流量である0.5-1.5 L/minの範囲で調節できるため、発生させた全エアロゾル粒子を計測器へ輸送でき、従って濃度ではなく粒子数・粒子質量を基準とした高精度の評価を行うことができる。科学的意義のある応用用途を以下に挙げる。

現在国内では、粒子状物質による越境汚染の動態解明を目的とした研究が活発に行われている。この観測では、エアロゾル質量分析計による気中粒子状物質の化学成分の分析がリアルタイムで行われている。この装置の弱点は、サンプリングインレット入口から質量分析のために気化されるまでの効率が評価されていないため、定量性が低い点である。エアロゾル質量分析計の定量性を向上する目的に、AIST-IAGは大いに活用できる。空気力学粒径および分析対象となる化学成分の質量が既知であるエアロゾル粒子を既知の頻度で発生させ、定格流量1 L/minのエアロゾル質量分析計へと全粒子をサンプルさせることができる。そして、4－（4）－2）で実証したような粒子輸送と検出効率を含めたエアロゾル質量分析計の定量的な評価を行うことができる。今後、国内のエアロゾル観測に従事しているグループと積極的に情報交換を行い、環境省推進の研究プロジェクトへとAIST-IAGが貢献できる機会を確立する。

## (2) 環境政策への貢献

気候変動予測や健康影響の評価を目的として、大気エアロゾルの長期観測が重要視されつつある昨今、計測器を日常的に動作確認するための技術の開発が強く求められている。大気エアロゾル観測の基本となるナノメートルおよびマイクロメートル粒径域で粒径分布測定において、OPCやCPCはそれぞれ不可欠な計測器であるが、現状ではこれらの動作確認を現場で行う技術がない。AIST-IAGはこの技術ニーズに直接答え、品質保証体制の末端である観測現場にまで浸透させることのできるこれまでにない装置である。
＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

特にPM2.5関連の計測で今後活躍が期待できる。現状の環境政策におけるPM2.5自動測定装置への要求事項は、米国連邦標準測定法（Federal Reference Method，FRM）との比較による装置の型式承認のみである。PM2.5に対するリスク管理を長期的に維持するためには、PM2.5測定装置の校正を定期的に実施する必要がある。4－（4）－1）で実証したように、AIST-IAGはPM2.5分粒部の粒子透過率の校正を行う能力を十分に有している。しかし現状のAIST-IAGでは、検出部を含めた自動測定装置全体を校正するために必要な質量濃度は発生できない。今後、この濃度領域を達成するための改良と開発を実施したい。

### 6. 国際共同研究等の状況

国際共同研究計画名：気中粒子数濃度の計量標準の二国間比較

カウンターパート名 : Tampere University of Technology, Department of Physics, Aerosol Physics Laboratory, Tampere, Finland

国名：フィンランド

参加·連携状況：

実施期間：2011年3月～2011年6月

産業技術総合研究所(AIST)の気中粒子数濃度の国家標準と、フィンランドのタンペレ工科大で開発された気中粒子数濃度標準であるSingle Charged Aerosol Reference (SCAR)システムとの国際比較実験に参加した。気中粒子数濃度の計量標準は凝縮粒子カウンター(CPC)の校正に使われており、現状ではこの校正が行える粒径範囲の最大値はSCARシステムの粒径1μmである。これ以上の粒径でCPCの校正を精度よく行う新技術として、本事業で開発したインクジェットエアログル発生器を応用し、これまでに行われたことのない粒径1-10μmの範囲でのCPCの校正を行った。タンペレ工科大とAISTの共著でこの校正結果について以下の論文に執筆した。

# 論文名：CPC calibration in a wide particle size range: comparison of three overlapping particle number concentration standards

著者：Jaakko Yli-Ojanperä, Hiromu Sakurai, Kenjiro Iida, Jyrki M. Mäkelä, Kensei Ehara and Jorma Keskinen

国際共同研究計画名：凝縮粒子カウンターの計数効率の国際比較

カウンターパート名：ライプニッツ対流圏研究所 (Germany)

欧州圏内の国家計量研究機関

- Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB, Germany

National Physical Laboratory, United Kingdom

Federal Institute of Metrology, METAS, Switzerland

The centre for metrology and accreditation, MIKES, Finland

その他の公的研究機関
## 参加·連携状況：

## 实施期間：2013年10月14日～10月18日

欧州では自動車排ガスに含まれる粒子状物質の管理を、これまでの粒子質量濃度から粒子数濃度を基準にして行う方向へと動いている。そのためには粒子数濃度を測定するための凝縮粒子カウンター(CPC)の信頼性を検証する必要がある。欧州国家計量機関連合（EURAMET）が統括して実施している欧州計量研究プログラム（EMRP）で本年度実施されるCPCの比較ワークショップにアジアからの唯一の国家計量機関として参加することになった。このワークショップでの主な実験作業は、ワークショップの主たる目的である産業技術総合研究所で管理するCPCによる測定結果を他の参加機関のCPCによる結果と比較することであるが、この比較試験に加えて、AIST-IAGを使ったマイクロメートル粒径域におけるCPCの計数効率の比較も今回初めて行うこととなった。これは、H23年度に推進費で実施したドイツ・ライプニッツ対流圈研究所への訪問の際に、エアロゾル・雲研究グループのリーダーであるWiedensohler教授との打ち合わせにより達成した成果である。このワークショップでAIST-IAGによる校正が技術的に妥当と示すことができれば、推進費で開発したAIST-IAGがより広く関連研究コミュニティーへと波及する可能性は高い。

## 7 ．研究成果の発表状況

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) 飯田健次郎、桜井 博、齊藤 敬三、榎原 研正：エアロゾル研究, 24, 7, 341-349.

「インクジェット技術を使ったエアロゾル発生 aerosol generation using inkjet technology」

2) J. Yli-Ojanpera, H. Sakurai, K. Iida, J. M. Makela, K. Ehara, and J. Keskinen: Aerosol Science and Technology 46, 11, 1163-1173 (2012)

“Comparison of three particle number concentration calibration standards through calibration of a single CPC in a wide particle size range”

くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない

## （2） 口頭発表（学会等）

1）飯田健次郎、櫻井博、斉藤敬三、榎原研正（2010）インクジェット式エアロゾル発生器の開発，第27回エアロゾル科学・技術研究討論会，2010/08/03-08/05名古屋大学

2) Iida, K., Sakurai, H., Saito, K., Eahara, K. (2010) Development of Inkjet Aerosol Generator, International Aerosol Conference 2010, 2010/08/29-09/03, University of Helsinki, Finland.

3) 飯田健次郎 (2011) インクジェット式エアロゾル発生器の開発 日本粉体工学会 平成22年度 第2回分級ふるい分け分科会, 2011/03/04, 産業技術総合研究所

4) 飯田 健次郎、櫻井 博、齊藤 敬三、榎原 研正 (2011) インクジェットエアロゾル発
生器の開発 第28回 エアロゾル科学・技術研究討論会、2011/08/27-08/29,大阪府立大学

5) K. Iida, Sakurai, H., Saito, K., Ehara, K. (2011) Development of inkjet aerosol generator, American association for aerosol research 30th Annual Conference, 2011/10/3-10/7, Florida, U.S.A.

6) 飯田健次郎、桜井博、齊藤敬三、榎原研正 (2012) “Inkjet aerosol generator as particle number standard” 第1回日中エアロゾルシンポジウム、2012/9/28~9/29，金沢大学サテライト・プラザ

7) H. Sakurai, J. Yli-Ojanpera, K. Iida, J. M. Makela, K. Ehara, and J. Keskinen (2012) “粒径範囲10 nm～10 μmにおける3種類のCPC校正用粒子数濃度標準の比較”, 第29回エアロブル科学・技術研究討論会, 2012/8/28~30, 北九州学術研究都市会議場

8) J. Yli-Ojanpera, H. Sakurai, K. Iida, J. M. Makela, K. Ehara, and J. Keskinen (2012) "Comparison of three particle number concentration standards for CPC calibration in the particle size range from 10 nm up to 10 $ \mu $ m". European Aerosol Conference, 2012/9/2-9/7, Granada, Spain.

9) H. Sakurai, K. Iida, J. M. Makela, K. Ehara, and J. Keskinen (2012) “Comparison of three particle number concentration standards for CPC calibration in the particle size range from 10 nm up to 10 $ \mu $ m”. European Aerosol Conference, 2012/9/2-9/7, Granada, Spain.

10) K. Iida, H. Sakurai, K. Ehara (2013) “Inkjet aerosol generator as monodisperse particle number standard”, 19 $ ^{th} $ International Conference on Nucleation & Atmospheric Aerosols, 2013/6/24-6/28, Fort Collins, Colorado, USA.

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない

（４）シンポジウム、セミナー等の開催（主催のもの）

特に記載すべき事項はない

（５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない

## (6) その他

本研究費により主として得られた成果についての受賞

受賞者：飯田健次郎

交付者および受賞日：日本エアロゾル学会 2012/8/29

表彰の名称： 奨励賞

表彰のテーマ： 大気中の新粒子生成過程の解明と粒子標準の開発に関する研究

### 8 \. 引用文献

1. IPCC, Chapter 2: Changes in Atmospheric Constituents and in Radiative Forcing. Working Group I: The Physical Basis of Climate Change. 2007.

2. Friedlander, S.K., Smoke, dust, and haze : fundamentals of aerosol dynamics. 2 ed. 2000, New York: Oxford University Press.
3. ISO/TC24/SC4, ISO 21501-4: Determination of particle size distribution -- Single particle light interaction methods -- Part 4: Light scattering airborne particle counter for clean spaces. 2007.

4. 日本規格協会, JIS Z 8851: 大気中のPM2.5測定用サンプラ. 2008.
# Development of Ink-jet Based Aerosol-generation Device to Calibrate Particle Counter at Sampling Site

Principal Investigator: Kenjiro IIDA

Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)

Central 3, 1-1-1 Umezono, Tsukuba, Ibaraki 305-8563 JAPAN

Tel: 81-29-861-4209 / Fax: 81-29-861-4070

E-mail: kenjiro.iida@aist.go.jp

## [Abstract]

Key Words: Aerosol, Particle counter, Particle numberstandard, Inkjet, $ PM_{2.5} $

Optical particle counter (OPC) and condensation particle counter (CPC) are indispensable aerosol instruments for measuring the particle size distribution of the atmospheric aerosols. In this study, a particle-number-standard aerosol generator, which is called AIST Inkjet aerosol generator (AIST-IAG), was developed for calibrating the particle counting capability of OPCs and CPCs at samplings sites. AIST-IAG can generate highly monodisperse aerosol particles, and their particle diameter can be controlled within 0.35-20 µm range. The ranges of the particle generation rates are 20-500 particles/s and 100-900 particles/s when ultrapure water and isopropyl alcohol are used as the solvent of the inkjet solution, respectively.

We first characterized the particle diameters of the AIST-IAG generated-particles. The full width half maximum of the particle size distribution is about 2 percent indicating that AIST-IAG generates are highly monodisperse particles. AIST-IAG controls the particle sizes by changing the mass concentration of the solute in the inkjet solution. Accordingly, AIST-IAG generated particles are defined as the volume equivalent diameters, $ D_{ve} $ . On the other hand, the ISO standard for OPC calibration recommends using the polystyrene latex (PSL) spheres to evaluate the sizing capability of the OPCs. We have shown and proven the method for converting the $ D_{ve} $ of the AIST-IAG generated particles to the sizes optically equivalent to the diameter of the PSL. Accordingly, the AIST-IAG can calibrate the counting efficiencies of the OPCs as a function of the optical diameter of the PSL.

Second, we quantified the capability of the AIST-IAG as the particle number standard in terms of the particle transport efficiency, $ \eta_{IAG} $ , which is defined as the number of aerosol particles exiting from the AIST-IAG divided by the number of droplets generated. The values of $ \eta_{IAG} $ within 0.35-10 $ \mu $ m are essentially 100%, and the 95% confidence intervals of the values are all less than 1 %. The result strongly supports that
the AIST-IAG can calibrate the counting efficiency of the OPCs in submicrometer to micrometer range.

Then we discuss the application of the AIST-IAG for promoting the environmental administration in Japan. The $ PM_{2.5} $ measurement devices are not calibrated regularly since they are type-approved only once. The AIST-IAG can potentially be used for calibrating the penetration efficiency of the $ PM_{2.5} $ size-classification devices since the sizes of the AIST-IAG generated particle can be expressed in terms of the aerodynamic diameter, and these sizes are reproducible.
RF-1001-38

略語リスト

AIST-IAG: AIST Inkjet aerosol generator, 産総研インクジェットエアロゾル発生器,

OPC: Optical particle counter, 光散乱式気中パーティクルカウンタ

CPC: Condensational particle counter, 凝縮粒子カウンター

SEMS: Scanning electrical mobility spectrometer，走查型電気移動度スペクトロ

メータ

APS: Aerodynamic particle sizer, 空気力学粒径スペクトロメータ

PSL: polystyrene latex、粒径標準ポリスチレン球

UPW: Ultrapure water, 超純水

IPA: isopropyl alcohol, イソプロピルアルコール
気中パーティクルカウンタを現場にて校正するためのインクジェット式エアロソル発生器の開発

研究代表者：産業技術総合研究所 計測標準研究部門 飯田健次郎

## 光散乱式気中パーティクルカウンタ(OPC)による粒径分布測定

粒径サブマイクロメートルからマイクロメートル域の大気エアロゾルの粒径分布測定に広く利用されている。

☐ OPCの粒子計数能力の動作確認を行う技術がないため、長期観測での精度管理が実施できない。

## 産総研インクジェット式エアロゾル発生器 (AIST-IAG) を使ったOPCの現場校正スキーム

粒径が制御されたの単分散粒子を既知の頻度で発生する。

$$ 粒子計数効率 =\frac{ 校正对象 OPC が測定した粒子数濃度 }{AIST-IAG が発生した粒子数濃度 } $$

## 産総研IAGによる発生エアロゾル粒子の粒径範囲

移動度分布測定より得られたイオン性液体の粒径分布

サブマイクロメートルから20μmまでの粒径範囲において、個体および液体の単分散エアロゾル粒子が発生できる。

平均粒径(=505nm)で規格化された粒径

産総研IAGの粒子発生頻度の制御能力

産総研IAG内部で発生されたインクジェット液滴は、実質100%の確率でエアロゾル粒子として発生器出口より輸送されている。

産総研IAGによりOPCの現場校正を行うための技術を確立した。
九州大学応用力学研究所

竹村 俊彦

<研究協力者>

九州大学応用力学研究所（日本学術振興会特別研究員） 弓本 桂也

平成21～22年度累計予算額：22,230千円（うち、平成22年度予算額：10,530千円）

予算額は、間接経費を含む。

[要旨] エアロゾルの気候に対する影響の評価は、温室効果気体の気候影響評価と比較すると、依然として不確定性が高いのが現状である。その問題の打開策の1つとして、データ同化手法を導入した精度の高いエアロゾルの気候影響の評価が考えられる。本研究課題では、地球規模のエアロゾルの分布および気候影響を計算するエアロゾル気候モデルSPRINTARSに対して、観測データを直接導入するために、データ同化手法の1つである4次元変分法を適用することを最大の目的とした。つまり、観測データを用いて対象パラメータを修正しながら時間逆方向に積分するためのアジョイントモデルをSPRINTARS内に構築した。その後、構築された4次元変分法を適用したシステムをテストするための実験を行い、同化が有効に機能していることが確認され、また、エアロゾル排出量の逆推定に有用であることが示された。次に、実際の人工衛星による観測データを用いて、データ同化システムを組み込んだSPRINTARSによるシミュレーションを行った。その結果、データ同化後にはシミュレーション結果が観測値に近づいていることが確認され、エアロゾル発生量も観測データと整合的に修正されたことが示された。そして、エアロゾルの気候影響評価が可能であるSPRINTARSにデータ同化手法を組み込んだことから、観測データを用いてエアロゾル放射強制力の修正を行うことが可能となった。これは、数値気候モデルと観測データとを「融合」したエアロゾルの気候影響評価であることから、従来の研究手法による気候影響評価よりも信頼度が高まることが示唆される。本研究課題の成果は、将来の気候変動予測の高精度化へ寄与することが可能であり、気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の次期評価報告書等へ貢献することが期待される。さらに、大気環境が悪化している東アジアの風下側にある日本への影響を、データ同化手法を用いて定量的に把握し、環境行政に対して科学的根拠資料を提示することが期待される。

[キーワード] エアロゾル、データ同化、4次元変分法、気候変動、SPRINTARS

### 1. はじめに

大気浮遊粒子状物質（エアロゾル）は、人類および他生物の呼吸器系等に悪影響を及ぼしたり視界悪化を招いたりする他、気候変動に関する政府間パネル(IPCC)でも指摘されているように、気候変動を誘発する物質である。しかし、エアロゾルは発生源が多様であること、温室効果気体
とは異なり粒子であるために大気滞留時間が短いこと、さらに物理化学組成に依存して直接効果（太陽放射および赤外放射の散乱・吸収）および間接効果（雲の凝結核／水晶核の機能を通じた雲反射率および降水効率の変化）が大きく異なることなどから、地球規模のエアロゾルの分布および気候に対する影響を評価することは難しかった。しかし、エアロゾルの気候に対する影響は、IPCCにおいても温室効果気体に次ぐ大きさを持っていると見積もられていることから、気候変動を解明していく上で非常に重要な因子である。そこで、本研究課題の代表者は、これまでに対流圈主要エアロゾルである黒色炭素・有機物・硫酸塩・土壌粒子・海塩粒子の分布や気候影響を地球規模でシミュレートすることが可能なエアロゾル気候モデルSPRINTARSを開発してきた $ ^{1),2),3),4) $ 。SPRINTARSは国際的な研究プロジェクト等を通して、高精度なモデルであることが確認されている。SPRINTARSを用いた研究代表者によるこれまでの研究成果は、IPCC第1作業部会第4次評価報告書（2007年） $ ^{5)} $ の図表や参考文献として多数引用され $ ^{1),3),6),7) $ 、研究代表者自身が同報告書のContributing Authorとして第2章および第8章の執筆を担当した。

上述のように、気候変動を含む地球環境に対するエアロブルの影響は多大である。IPCC第4次評価報告書におけるエアロブルの気候に対する影響の評価は、本研究課題の代表者を含めた国内外の研究の進展により、以前の評価報告書よりも不確定性が減少した。しかし、温室効果気体の気候影響評価と比較すると、依然として不確定性が高いのが現状である。この問題の打開策の1つとして、データ同化手法を導入した精度の高いエアロブルの気候影響の評価が考えられる。

### 2. 研究目的

本研究課題では、

- 地球規模のエアロゾルの分布および気候影響をシミュレートするエアロゾル気候モデル

SPRINTARSに対して、観測データを直接導入するために、データ同化手法の1つである4次元変分法を適用する

ことを最大の目的とした。そして、

エアロゾルの気候に対する影響を評価する際の大きな不確定要素の1つであるエアロゾル排出量の時空間分布に関して、高精度な逆推定を行う

4次元データ同化を適用後にエアロゾルの放射強制力を算出することにより、従来の研究よりも信頼度の高いエアロゾルの気候に対する影響の評価を行う

ことを目的とした。大気の物質輸送モデルへのデータ同化適用の研究は、領域スケールから始まり $ ^{8),9),10),11) $ 、全球物質輸送モデルへの応用は端緒についたばかりであるため $ ^{12)} $ 、全球エアロゾルモデルへ4次元変分法を適用するシステムを開発すること自体に新規性がある。また、対流圏エアロゾルの発生源分布・強度の逆推定を全球スケールで複数年にわたって行った研究はない。さらに、エアロゾルの気候影響評価に同化結果を用いた前例はなく、IPCCをはじめとする気候変動の評価の精度向上に大きく寄与すると期待できる。
### 3. 研究方法

研究方法の概略を図1に示す。

図１ 研究方法の概略図。

## （１）エアロゾル気候モデルSPRINTARS

SPRINTARSは、対流圏主要エアロゾルである炭素性（黒色炭素・有機物）粒子・硫酸塩・土壌粒子・海塩粒子の分布や気候影響を地球規模でシミュレートすることが可能な数値モデルである。エアロゾルの輸送プロセス（発生・移流・拡散・化学反応・湿性沈着・乾性沈着・重力落下）を計算するだけでなく、大気放射過程や雲微物理過程と結合させてエアロゾル直接効果・間接効果を計算することが可能である。また、SPRINTARSは全球モデルであるが、例えば東アジア域における大気汚染物質や黄砂の飛来状況等の領域スケールで短時間の現象の再現性にも優れていることが確認されている $ ^{13),14} $ 。また、「1．はじめに」で述べた通り、SPRINTARSを用いた研究成果は、IPCC第4次評価報告書に数多く採用された $ ^{1),3),6),7} $ 。

## （２）４次元変分法同化システム（SPRINTARS-4DVAR）の構築

全球エアロゾル気候モデルSPRINTARSを対象に、データ同化*手法の1つである4次元変分法
(4D-Var)*を適応した。4次元変分法では、通常の時間順方向の積分を行った後、観測データを用いて対象パラメータを修正しながら時間逆方向に積分する（図2）。時間逆方向に解くためのアジョイントモデルを構築することが、本研究課題の鍵である。

具体的には、4次元変分法では、次のような評価関数Jを定義する。

$$ J{=}\frac{1}{2}(x{-}x^{b})^{T}\mathbf{B}^{-1}(x{-}x^{b}){+}\sum\frac{1}{2}(H(x){-}y)^{T}\mathbf{R}^{-1}(H(x){-}y) $$

ここで、x はモデル変数（初期条件など）、y は観測データ、H はモデル空間から観測空間への投影を表す観測演算子（モデルによる時間発展を含む）、B, R はそれぞれ背景誤差・観測誤差である。右辺第二項は、数値モデルの結果と観測データとの間の差の二乗和を表している。4次元変分法では、この評価関数が最小になるようにモデル変数 x を最適化する。

図２４次元変分法の概略図。灰色曲線が時間順方向積分、黒色曲線が時間逆方向積分を示す。

## （３）エアロゾル観測データ

データ同化に用いる観測データとして、TERRAおよびAQUA両衛星搭載のMODISセンサによって観測されるエアロゾル光学的厚さ(AOT) $ ^{15)} $ を用いた。AOTはSPRINTARSでも計算され、大気中のエアロゾル量を示す標準的なアウトプットの1つであり、同化に用いるのに適している。MODISは1日でほぼ全球をカバーできるため、時間分解能の高いデータ同化が期待できる。また、2000年から観測が継続されているため、複数年にわたるエアロゾル排出量の推定とその経年変化の評価への応用が可能となる。