粒子荷电装置的制作方法

本发明涉及一种使气体中的微粒带电的粒子荷电装置。

背景技术：

一般来说，将在气体中浮游的微小的液体或者固体的粒子称为悬浮颗粒(aerosol)。汽车的尾气、从工厂排出的煤烟中的污染物质的大多数都是悬浮颗粒，特别是粒径低于1μm的、所谓的纳米悬浮颗粒对健康的影响让人担忧。由于这样，其粒径的测定、粒径分布的测定在环境测定/评价等领域中变得非常重要。作为测定悬浮颗粒的粒径分布的装置(粒子分级装置)，广泛使用利用带电了的微粒在电场内的移动速度(电迁移率)的差异来对微粒进行分级的差分电迁移率分析器(DMA＝Differential Mobility Analyzer)(参照专利文献1等)。

在由DMA实施的测定中，在该测定之前，需要使作为测定对象的粒子(悬浮颗粒)带电，为此，以往使用基于几种方式的粒子荷电装置。较早以来使用的是通过将从镅(Am)发出的α射线、从氪(Kr)发出的β射线等放射线作为离子源、并且使通过该离子源产生的离子与作为荷电对象的粒子接触来使该粒子带电的粒子荷电装置(参照非专利文献1)。该装置还有时称为两极扩散中和器，或者简称为中和器。

然而，由于这种粒子荷电装置使用放射线源，所以在安全方面存在在处理中需要密切注意、并且移动性不足这样的问题。因此，作为替代它的粒子荷电装置，近年来，逐渐开始使用利用基于电晕放电等放电的离子源的粒子荷电装置。在该方式的粒子荷电装置中，例如如专利文献2中记载的那样，通过电晕放电等放电，使适当的载气分子离子化，使所生成的离子接触到作为荷电对象的样品粒子，从而使该粒子带电。

图8中示出包括这样的粒子荷电装置以及粒子分级装置的粒子分级/观察系统的结构的一个例子。在该粒子分级/观察系统中，将通过采样装置100采集到的作为测定对象的粒子(悬浮颗粒)送到粒子荷电装置200，在那里使该粒子带电之后将其送出到粒子分级装置300。被送到粒子分级装置300的带电粒子在利用其电迁移率的差异被分级之后，被送到粒子计数器400而针对每个粒径进行计数，或者由捕获装置500捕获而用于观察装置600中的观察。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：专利第4905040号公报

专利文献2：日本特开2007－305498号公报

非专利文献

非专利文献1：佐藤、桜井、榎原，“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”，静電気学会誌，Vol.35，No.1，2011年，pp.14－19(佐藤、樱井、榎原，“悬浮颗粒电荷中和器的荷电效率与离子迁移率的时间变化的关系”，静电学会志，Vol.35，No.1，2011年，pp.14－19)

技术实现要素：

发明要解决的技术问题

在上述粒子荷电装置中，为了提高后级的粒子分级装置中的分级精度，要求使样品粒子的荷电数(价数)一致。但是，一般来说，在尺寸大的粒子(重的粒子)的情况下，存在多价荷电的发生频度高且容易发生价数的偏差这样的问题。

本发明是鉴于上述情形而完成的，其目的在于，提供一种能够抑制多价荷电的发生频度并且使带电粒子的价数一致的粒子荷电装置。

解决技术问题的技术手段

作为在上述那样的尺寸大的粒子中容易发生多价荷电的理由，被熟知的尺寸大的粒子的表面积大，与尺寸小的粒子相比，与离子接触的机会多，但除此之外，尺寸大的粒子在气流中的移动慢，与尺寸小的粒子相比，在粒子荷电装置内的停滞时间变长而与离子的接触机会变多，这也被认为是理由之一。因此，本发明者为了使粒子荷电装置内的存在气体离子的区域中的样品粒子的停滞时间缩短而进行专心研究，得到本申请发明。

即，本发明涉及一种粒子荷电装置，其特征在于，具有：

a)框体；

b)过滤器，其由在将所述框体内分隔成第1空间和第2空间的假想的面内延伸的多个电极构成；

c)粒子导入单元，其将作为荷电对象的粒子导入到所述第1空间；

d)气体离子供给单元，其对所述第1空间供给气体离子；

e)电位梯度形成单元，其为了使所述气体离子以及由于所述粒子接触到该气体离子而生成的带电粒子从所述第1空间向所述第2空间移动，在所述框体内形成电位梯度；

f)交流电压施加单元，其对构成所述过滤器的所述多个电极中的各电极施加交流电压，对所述多个电极中的相互相邻的电极施加相位不同的电压；

g)控制单元，为了使从所述第1空间向所述第2空间移动的所述带电粒子以及所述气体离子中的所述带电粒子通过所述多个电极之间并且所述气体离子由该多个电极中的某一个捕捉，所述控制单元控制所述交流电压施加单元以将预先确定的电压施加到所述多个电极；以及

h)带电粒子取出单元，其将移动到所述第2空间的所述带电粒子取出到所述框体的外部。

根据上述结构，在第1空间中通过与气体离子的接触而生成的带电粒子通过上述电位梯度的作用而从第1空间向第2空间移动，通过上述过滤器而到达第2空间。此时，气体离子也将要从第1空间向第2空间移动，但该气体离子被上述过滤器捕捉，所以无法到达第2空间。由此，能够使在第1空间中生成的带电粒子迅速地移动到不存在气体离子的空间、即第2空间。其结果，能够减小气体离子与荷电对象粒子的接触时间，能够抑制多价荷电的发生。

在上述本发明的粒子荷电装置中，具体来说，例如预先以实验方式调查作为荷电对象的粒子的粒径与对适合于使该粒子通过而捕捉气体离子的过滤器的施加电压(例如振幅、频率、相邻的电极间的相位差等)的关系并存储。然后，在指示了作为目标的荷电对象粒子的粒径时，控制单元参照上述存储的信息来求出与作为目标的粒径对应的施加电压，控制交流电压施加部以将该电压施加到构成上述过滤器的多个电极。

此外，上述本发明中的“假想的面”既可以是平面，也可以是曲面。另外，气体离子供给单元既可以将在不同场所生成的气体离子导入到第1空间，或者也可以在第1空间内生成气体离子。进一步地，上述交流电压施加单元既可以将正弦波电压作为上述交流电压施加到各电极，或者也可以施加非正弦波电压例如矩形波电压。在设为施加矩形波电压的情况下，通过半导体开关元件等对直流电压进行切换，能够生成矩形波电压，所以存在能够容易地进行上述交流电压的频率变更、占空比控制、相位控制等这样的优点。

此外，关于上述过滤器的形状没有特别限定，例如，既可以是将多个棒状的电极平行地排列而成的形状，或者也可以是格子状地配置多个棒状的电极而成的形状。另外，还能够设为同心圆状地配置多个圆形的电极而成的形状。

上述带电粒子取出单元例如能够在与从第1空间向第2空间的方向交叉的方向上形成气流，通过该气流将带电粒子取出到框体外。

另外，上述带电粒子取出单元还能够在与从第1空间向第2空间的方向交叉的方向上形成电位梯度，通过沿着该电位梯度的带电粒子的移动将该带电粒子取出到框体外。

发明效果

如上所述，根据本发明的粒子荷电装置，能够抑制多价带电并提高一价带电的粒子的比例。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施方式的粒子荷电装置的纵剖面的示意图(a)以及(a)的A－A向视剖面图(b)。

图2是说明由过滤器实施的带电粒子与气体离子的分选的原理的图。

图3是示出本发明的另一实施方式的粒子荷电装置的纵剖面的示意图(a)以及(a)的A－A向视剖面图(b)。

图4是示出将过滤器设为格子状的例子的俯视图。

图5是示出将过滤器设为同心圆状的例子的俯视图。

图6是示出将过滤器设为双重旋涡状的例子的俯视图。

图7是示出在本发明中根据电位差进行带电粒子的取出的情况下的结构的图。

图8是示出粒子分级/观察系统的一个例子的框图。

图9是示出对本发明中的气体离子的轨道进行模拟而得到的结果的图。

图10是示出对本发明中的带电粒子的轨道进行模拟而得到的结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明用于实施本发明的方式。图1是本实施方式的粒子荷电装置的概略结构图，(a)示出粒子荷电装置的纵剖面图，(b)示出(a)的A－A向视剖面图。另外，图2是该粒子荷电装置中的过滤器的立体图。此外，下面，将图1的(a)中的X方向设为左方、将Y方向设为前方、将Z方向设为上方来定义前后、上下、左右。

本实施方式的粒子荷电装置在图8所示的粒子分级/观察系统中配置于采样装置100与分级装置300之间，包括粒子带电部20以及配置于其上部的气体离子产生部10(相当于本发明中的气体离子供给单元)。

粒子带电部20具有大致长方体状的腔室21(相当于本发明中的框体)，在腔室21的左侧面，在上下方向上排列配置有作为用于使气体从外部流入到腔室21内的开口部的上游侧第1开口22(相当于本发明中的粒子导入单元)以及上游侧第2开口23。另外，在腔室21的右侧面，在上下方向上排列配置有作为用于从腔室21向外部排出气体的开口部的下游侧第1开口24以及下游侧第2开口25。在腔室21的内部，收容有沿着腔室21的上表面配置的第1电极板26、沿着腔室21的下表面配置的第2电极板27以及配置于第1电极板26与第2电极板27之间的过滤器28。过滤器28是在相对于第1电极板26以及第2电极板27平行的面内将在前后方向上延伸的棒状的电极28a、28b相互平行且等间隔地排列多个而成的。此外，过滤器28实际上如图2所示，由大量的电极28a、28b构成，但在图1的(a)、(b)中，为了简化而仅图示出6根电极28a、28b。以下，将第1电极板26与过滤器28之间的空间称为第1空间29，将过滤器28与第2电极板27之间的空间称为第2空间30。

在粒子带电部的腔室21的外部，设置有对第1电极板26施加电压V₁并且对第2电极板27施加电压V₂的直流电源31以及用于对构成过滤器28的各电极施加交流电压的第1交流电源32和第2交流电源33。此外，第1交流电源32和第2交流电源33相当于本发明中的交流电压施加单元。另外，第1电极板26、第2电极板27以及直流电源31协作而作为本发明的电位梯度形成单元发挥功能。第1交流电源32对构成过滤器28的大量的电极28a、28b中的、从左边数第奇数根电极28a供给交流电压V₃sin(ωt)。与此相对地，第2交流电源33对上述大量的电极中的、从左边数第偶数根电极28b供给相位与第1交流电源32所供给的交流电压相差δ的交流电压V₄sin(ωt+δ)。此外，关于相位差δ没有特别限定，期望设为90°～270°。该第1交流电源32和第2交流电源33所供给的交流电压的振幅V₃、V₄、频率ω以及相位差δ通过控制部35来控制。此外，控制部35还控制上述直流电源31以及后述的放电用电源14，但为了简化，在图中省略控制线。

气体离子产生部10也具有大致长方体状的腔室11，在其内部空间，设置有从上表面垂直向下方向延伸的针状的放电电极12，另外在腔室11的内底部，设置有与放电电极12成对的平板状的接地电极13。另外，在腔室11的外部，设置有用于将用于引发放电的电压施加到放电电极12的放电用电源14。进一步地，在腔室11的侧面，形成有用于将气体离子生成用的气体(离子化用气体)导入到腔室11内的气体导入口15，在腔室11的下表面，形成有用于使在腔室11内生成的离子(以下称为“气体离子”)流出到上述第1空间29的开口部。此外，在接地电极13以及粒子带电部20的腔室21的上表面和第1电极板26中，还在与上述开口部对应的位置处设置有通孔，通过由这些开口部以及通孔构成的气体离子排出口16来将粒子带电部20的腔室21的内部空间与气体离子产生部10的腔室11的内部空间连通。

在通过本实施方式的粒子荷电装置生成荷电粒子时，首先，从气体导入口15将离子化用气体(例如空气)导入到气体离子产生部10的腔室11，进一步地，从放电用电源14对放电电极12施加电压。由此，在放电电极12与接地电极13之间发生放电，使腔室11内的离子化用气体离子化。此时生成的气体离子的极性取决于施加到放电电极12的电压的极性。此外，下面，设为上述气体离子是正离子来进行说明。由气体离子产生部10生成的气体离子经由气体离子排出口16流入到粒子带电部20内的第1空间29。

进一步地，在上述第1空间29中，由前级的采样装置100(图8)采集到的作为荷电对象的粒子搭乘于载气(例如空气)从上游侧第1开口22被导入。另外，与此同时，从载气供给部34向第2空间30供给的载气(不包括上述粒子)经由上游侧第2开口23被导入。通过以上操作，在腔室21的第1空间29以及第2空间30中，分别形成从左向右的载气流(图1的(a)中的粗的黑箭头)。此外，载气供给部34、上游侧第2开口23以及下游侧第2开口25相当于本发明中的带电粒子取出单元。

在第1空间29中，气体离子以高密度存在，所以从上游侧第1开口22导入到第1空间29的作为荷电对象的粒子与上述气体离子接触，从该气体离子接受电荷而带正电。

通过由直流电源31实施的电压施加，第1电极板26的电位V₁与第2电极板27的电位V₂变成V₁>V₂，由此，在两者之间，形成沿着图1的(a)中的白的粗箭头所示的方向变低的电位的梯度。导入到第1空间29的气体离子以及在第1空间29中被带电了的粒子(以下称为“带电粒子”)均具有正电荷，所以依照上述电位梯度而在腔室21内向下(即向第2空间30的方向)移动。

另一方面，针对设置于第1空间29与第2空间30之间的过滤器28，在左右相邻的电极28a与电极28b之间施加相位相互不同的交流电压。因此，如上所述在腔室21内向下方前进而将要通过2根电极28a、28b之间的气体离子以及带电粒子从左右的电极28a、28b交替地受到引力和斥力。在这里，迁移率(表示电场中的荷电粒子的移动的难易度的值)较大的物体被一方的电极迅速地吸附而碰撞到该电极，所以无法通过两电极之间。与此相对地，迁移率较小的物体在碰撞到一方的电极之前通过来自另一方的电极的引力而被向反方向吸附，所以能够一边在左右方向上稳定地振动一边通过2根电极28a、28b之间。

通过本实施方式的粒子荷电装置生成的带电粒子与上述气体离子相比，迁移率充分小，所以通过将由第1交流电源32和第2交流电源33施加的电压的条件(振幅、频率、相位差)调整成适当的值，能够使得仅带电粒子通过过滤器28而到达第2空间30，气体离子被过滤器28捕捉而不到达第2空间30。即，如图2所示，迁移率相对小的带电粒子42由于稳定地振动，所以能够穿过相邻的电极28a、28b之间而到达第2空间30。另一方面，迁移率相对大的气体离子41在一定程度上接近过滤器28的位置被电极28a或者电极28b吸引而碰撞到该电极，所以无法到达第2空间30。

此外，为了这样仅使带电粒子通过而施加到过滤器28的电压的条件例如针对荷电对象粒子的各种条件(种类、粒径等)分别预先以实验方式进行调查而存储于存储部36。然后，在由用户指定了作为目标的荷电对象粒子时，控制部35参照存储于存储部36的信息来求出与作为目标的粒子对应的电压的条件，控制第1交流电源32和第2交流电源33以将该电压施加到构成过滤器28的各电极28a、28b。

到达第2空间30的带电粒子通过从上游侧第2开口23向下游侧第2开口25的载气流而在第2空间30内被冲向右方。然后，将上述带电粒子从下游侧第2开口25取出到腔室21的外部，并送出到设置于后级的粒子分级装置300(图8)。此外，预先通过控制部35调整由直流电源31施加的电压的大小以及从载气供给部34供给的载气的流量等，使得通过过滤器28而到达第2空间30的带电粒子不碰撞到第2电极板27地被送出到腔室21外。

这样，根据本实施方式的粒子荷电装置，将通过与气体离子的接触而生成的带电粒子迅速地取出到不存在气体离子的区域(第2空间30)，所以能够有效地抑制多价荷电的发生，提高一价带电的粒子的比例。由此，在根据分级而取出某种粒径的粒子时，能够抑制混入虽然粒径不同但由于多价地带电而电迁移率大致相同的不期望的粒子，能够提高例如粒径分布的精度，或者关于特定的粒径的粒子而实现高的捕获效率。

此外，在上述例子中，构成为将气体离子设为正离子，并通过与该气体离子的接触而使粒子带正电，但相反地，也可以构成为将气体离子设为负离子，通过与该气体离子的接触而使粒子带负电。在该情况下，使第1电极板26的电位V₁低于第2电极板27的电位V₂。

另外，在上述例子中，以在前后方向、即与载气流正交的方向上延伸的方式配置构成过滤器28的电极28a、28b，但不限定于此。例如，如图3所示，也可以构成为以在左右方向、即与载气流平行的方向上延伸的方式配置构成过滤器51的多个电极51a、51b。

进一步地，过滤器除了如图1和图3所示地构成为相互平行地排列直线状的电极之外，还能够例如如图4所示的过滤器52那样构成为格子状地排列多个电极52a、52b。此外，在设为格子状的情况下，使得由纵向排列的电极52a、52b构成的电极群与由横向排列的电极52a、52b构成的电极群之间在由第1电极板26和第2电极板27形成的电场的方向(图1的上下方向)上间隔开。另外，还能够如图5所示，将过滤器53做成同心圆状地排列多个圆形的电极53a、53b而成的结构，或者如图6所示，由多个涡状的电极54a、54b构成过滤器54。在任一情况下，都在相互相邻的电极52a、52b之间、电极53a、53b之间或者电极54a、54b之间，与上述同样地施加相位不同的交流电压。

各电极的剖面形状也没有特别限定，除图1和图3所示的圆形之外，还可以设为三角形、四边形等多边形。

另外，在上述实施方式中，构成为通过载气流将到达第2空间30的带电粒子取出到腔室21的外部，但除此之外，例如也可以构成为通过形成于第2空间30内的引出电场来进行带电粒子的取出。在该情况下，如图7所示，在粒子带电部20的腔室21的侧面以夹着第2空间30的方式配置引出电极62和对置电极61，在这些电极之间施加直流电压，从而形成具有沿着从对置电极61向引出电极62的方向(图7中的加阴影的粗箭头所示的方向)变低的电位梯度的引出电场。由此，如上所述，通过过滤器28而到达第2空间30的带电粒子(带正电)从对置电极61向引出电极62移动，从形成于引出电极62的开口部63被取出到腔室21的外部。引出电极除了做成图7所示的具有开口部63的板状的电极之外，还能够做成网状的电极，构成为从该网状物的网眼取出带电粒子。此外，在使带电粒子带负电的情况下，与上述相反地，形成具有从对置电极61向引出电极变高的电位梯度的引出电场。

进一步地，本发明中的粒子取出单元还能够设为通过载气流和引出电场这两者来进行带电粒子的取出。在该情况下，在图7中的对置电极61处也设置开口部，通过从该开口部导入载气，形成从该开口部向引出电极的开口部63的载气流。

另外，本发明的粒子荷电装置除应用于图8所示的粒子分级/观察系统之外，还能够用作例如质量分析装置的离子化部。

实施例

以下说明为了确认本发明的粒子荷电装置的效果而进行的、基于数值计算的模拟。在该模拟中，在图1所示的装置中，将第1电极板26的电位V1设为1050V，将第2电极板27的电位V2设为-1050V，将从第1交流电源32供给的交流电压V3sin(ωt)与从第2交流电源33供给的交流电压V4sin(ωt+δ)设为V3＝V4＝2000V、ω＝5、25、50、250、500Hz，δ＝π。此外，电极28a、28b设为按15mm间隔排列直径1.0mm的电极。另外，将气体离子设为质量32Da、迁移率1.0E-04m2/Vs，将带电粒子设为质量1.0E+08Da、迁移率2.7E-08m2/Vs。

图9示出关于气体离子的模拟结果，图10示出关于带电粒子的模拟结果。此外，图中的白圆表示电极的剖面，图中的线表示气体离子或者带电粒子的轨道。如图9所示，从电极上方的各位置向下前进的气体离子在将上述交流电压设为上述任一频率的情况下均碰撞到电极，无法通过两个电极之间。另一方面，如图10所示，从电极上方的各位置向下前进的带电粒子虽然一部分碰撞到电极，但大部分不碰撞到电极地通过两个电极间。另外，可知随着上述交流电压的频率变高，碰撞到电极的带电粒子的比例变小。

符号说明

10…气体离子产生部

11…腔室

12…放电电极

13…接地电极

14…放电用电源

15…气体导入口

16…气体离子排出口

20…粒子带电部

21…腔室

22…上游侧第1开口

23…上游侧第2开口

24…下游侧第1开口

25…下游侧第2开口

26…第1电极板

27…第2电极板

28…过滤器

28a…电极

28b…电极

29…第1空间

30…第2空间

31…直流电源

32…第1交流电源

33…第2交流电源

34…载气供给部

35…控制部

36…存储部

41…气体离子

42…带电粒子

61…对置电极

62…引出电极

63…开口部。