微粒分级测定装置、粒子浓度分布均匀的试样制作装置、以及纳米粒子膜成膜装置制造方法
【专利摘要】在能够使流经内部的试样气体形成层流的平行的流路的入口侧配置有带电器，带电器包含放电电极，使试样气体中的微粒带电。在该流路的相对的一对面中的一个面上，在带电器的下游，将1个或多个吸引侧电极沿着流路方向配置于离流路入口不同距离的位置上。在该流路的相对的一对面中的另一面上配置有分级电极。分级电极与吸引侧电极相对配置，在分级电极与吸引侧电极之间，发生将流经流路的试样气体中的带电微粒吸附于吸引侧电极一侧的电场。
【专利说明】微粒分级测定装置、粒子浓度分布均匀的试样制作装置、以 及纳米粒子膜成膜装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及适合使用于汽车废气中的纳米微粒浓度的监测、大楼卫生管理、劳动 安全卫生等的微粒测定装置，特别是涉及根据粒径分级测定微粒的微粒分级测定装置、粒 子浓度分布均匀的试样制作装置、及纳米粒子膜成膜装置。
【背景技术】
[0002] 作为数纳米到数十纳米以上的微小粒径的微粒数的计数装置，已知有以微粒为 核，使其周围凝聚水、丁醇等工作流体蒸汽，以增大微粒直径，然后对该微粒照射光线，检测 其特定散射角的散射光脉冲数，以测定微粒数浓度的CPC(condensingparticlecounter: 凝聚核粒子计数器）。
[0003] 另一方面，对于粒径在从300纳米以上到数微米范围内的粒径大的微粒，已知有 对其照射光线，检测其特定散射角的散射光脉冲数、散射光强度或透射光强度，以测定微粒 直径和微粒数浓度的光学粒子计数器以及粉尘计。这些装置的测定对象微粒的直径互不相 同。
[0004] 又，作为具备对纳米级粒径的微粒进行微粒尺寸分级的分级机构的测定装置，已 知有微分型电迁移率分析仪（DMA)或积分型电迁移率分析仪。分级机构采用从分级部侧壁 面导入试样气体，同样从分级部侧壁面吸出包含分离为所希望的粒径的微粒的气体的机构 (参照专利文献1?5、参照非专利文献1、2)。
[0005] 对纳米材料利用TEM(透射型电子显微镜）、SEM(扫描型电子显微镜）、AFM(原 子力显微镜）等进行的形状观察、利用每一粒径的GC-MS(气相色谱-质谱分析计）、及 ICP-MS(感应耦合等离子体质谱仪）等进行的定性定量分析，对于其毒性评价或排出源的 确定是重要的。为了制作这样的分析用的试样，作为将气溶胶（aerosol)收集于捕集板的 装置之一，采用冲击器（impacter)。冲击器是利用喷嘴喷出的气溶胶的惯性冲击将气溶胶 采集于捕集板的装置，捕集的气溶胶的粒径利用为了从喷嘴喷出而吸引的空气的流量和喷 嘴的直径来进行调整。
[0006] 但是，冲击器由于喷嘴前后发生的压力损失的影响，在试样粒子上施加了压应力。 在这个过程中，低沸点成分的粒子发生蒸发。而且，将从微小口径的喷嘴高速喷出的粒子捕 集于冲击板的这种方法中，喷嘴正面捕集的粒子浓度高，越是远离喷嘴正面粒子浓度越下 降是不可避免的。而且，大粒径粒子被捕集于喷嘴正面的狭窄的范围内，微小的粒子分散于 相对较大的范围的，与粒子直径相关的分布也是不可避免的。
[0007] 形成数纳米到十数纳米的纳米粒子构成的纳米粒子膜，将其作为低折射率膜使用 于IC曝光光源用的投影透镜的技术正在实用化。这样的纳米粒子膜，从防止投影图像的畸 变这一点考虑，膜的均匀性是重要的。
[0008] 研究要应用于燃料电池或2次电池的纳米尺寸的催化剂，是在高分子电解质膜中 添加纳米尺寸的催化剂粒子的催化剂。纳米尺寸的催化剂可以期待通过将催化剂粒子做成 纳米尺寸以提高催化剂效率。为了用纳米尺寸的催化剂提高总利用效率，有必要使催化剂 粒子均匀分散。要求成膜方法在这样的纳米尺寸的催化剂的制作过程中，在向电解质膜添 加催化剂时，催化剂粒子的动能和热等不会给电解质膜造成损坏。向来使用的旋转涂布法 等湿式法不能够消除粒子的不均匀分布，蒸镀、溅射等干式法不能避免对膜造成损坏。
[0009] 现有技术文献
[0010] 专利文献1:美国专利申请公开第2005/0162173号
[0011] 专利文献2:美国专利第6230572号
[0012] 专利文献3:美国专利第6828794号
[0013] 专利文献4:美国专利第6230572号
[0014] 专利文献5:美国专利第6787763号
[0015] 非专利文献
[0016]非专利文献I :Chen, D-R, D. Y. H. Pui, D. Hummes, H. Fissan, F. R. Quant, and G.J.Sem, [1998],"Design and Evaluation of a Nanometer Aerosol Differential Mobility Analyzer(Nano-DMA), Journal of Aerosol Science 29/5:497-509.
[0017]非专利文献2 :Fissan, H. J.,C. Helsper, and H. J. Thielen [1983], "Determinatio n of Particle Size Distribution by Means of an Electrostatic Classifier. ''Journal of Aerosol Science, 14:354.
[0018]非专利文献3 :粉体工学会誌，Vol. 22, No. 4, pp. 231-244(1985)
【发明内容】
[0019]发明要解决的问题
[0020] 利用DM进行的分级中，对鞘气流垂直施加电场，借助于此，利用引起的静电吸引 力，带电微粒横越鞘气流，向对置电极移动的过程中，受到来自鞘气流的与粒径相关的阻 力，以对微粒进行分级。由于需要鞘气流，装置的结构与控制必然复杂化，价格也贵。
[0021] 又，其粒径分辨率由鞘气流量与试样流量的商决定，因此即使是为增加信号量想 要增加试样流量，试样流量的增加也有限度。
[0022] 而且，其使用的廉价微粒数计数器、即法拉第杯电流计，如果不是从带电的捕集微 粒得到的电流值为数IOfA以上的微粒浓度，就不能够进行可靠的测定。因此，低微粒浓度 的测定使用昂贵的凝聚核粒子计数器。
[0023] 另一测定装置光学式粒子计数器价格比DM便宜，但是不能够对300纳米以下粒 径的微粒进行测定。
[0024] 本发明的第1个目的在于，能够不像DM那样利用鞘流，利用特定的测定电极检测 电迁移率范围明确的带电粒子。
[0025] 纳米材料的形状观察和定性定量分析用的试样，或其特定粒径的粒子偏于一处， 或在取样过程中粒子的特定成分蒸发，或取样过程中粒子被破坏，形状发生变化等，一旦取 样中发生取样不均匀或变质，分析结果就不能够反映现实。而且，哪个电迁移率（这是粒径 的函数）的粒子相对于原来的浓度以什么样的关系取样，即电迁移率与浓度分布的关系能 够定量把握，对于从观察结果或分析结果推定原来的状态是不可或缺的。
[0026]本发明的第2个目的在于，提供粒子浓度分布均匀，而且与存在于原来的空间的 粒子浓度的关系在定量上清楚的试样的制作装置。
[0027] 本发明的第3个目的在于，提供适合作为低折射率膜和纳米尺寸的催化剂使用的 均匀分散的纳米粒子膜、以及适合不对燃料电池用高分子电解质膜造成损坏地添加催化剂 的纳米粒子膜成膜装置。
[0028] 解决课题用的手段
[0029] 为了实现第1个目的，本发明的微粒分级测定装置具备能够使流经内部的试样气 体形成层流的平行的流路。该流路的出口侧或入口侧，最好是出口侧配置送风机构，该送风 机构以从该流路的入口吸入试样气体，并且以吸入的试样气体在流路内形成层流流动的条 件被驱动。在该流路的入口侧配置带电器，带电器包含放电电极、放射线源、X射线管等使 试样气体带电的结构，使试样气体中的微粒带电。
[0030] 该流路的相对的一对面的一个面上，在带电器的下游配置有1个或多个吸引侧电 极。这些吸引侧电极沿着流路方向配置于离流路入口互不相同的距离的位置上，各吸引侧 电极在流路方向上具有规定的电极宽度，且在电气上相互分离。在该流路的相对的一对面 的另一面上配置有分级电极。分级电极与吸引侧电极相对配置，在分级电极与吸引侧电极 之间发生将流经流路的试样气体中的带电微粒吸附于吸引侧电极一侧的电场。
[0031] 吸引侧电极的至少一个作为测定电极使用。测定电极上连接有各检流电路，检流 电路检测到达测定电极的微粒所具有的电荷量。
[0032] 检流电路连接于运算部。运算部根据检流电路检测出的电荷量计算到达测定电极 的带电微粒的分级的微粒量。
[0033] 本发明的一实施形态中，吸引侧电极包含2个以上的测定电极。测定电极上连接 有各检流电路，不同粒径范围的带电微粒达到各测定电极，达到各测定电极的带电微粒的 电荷量由各检流电路检测出。
[0034] 流路剖面积从入口到出口为一定值的情况下，如果使第η个和第n+1个测定电极 的流动方向上的宽度相等，而且在与其正交的方向上的电极宽度也相等，则电极面积相等， 在这种情况下，测定的带电微粒的粒径分布的大粒径侧的尾高相同。由于电极宽度不同造 成电极面积不同的情况下，利用电极面积比将两个电极的测定值补正为相同面积下的值， 即将一电极的测定值乘以电极面积比，也能够使粒径分布的大粒径侧的尾高相同。
[0035] 检流电路与运算部之间，还可以具备取第η个与第n+1个两个测定电极的各自的 检流电路的测定信号的差分的差分电路。借助于此，可以使到达两个测定电极的大粒径侧 带电微粒相抵消，可以在更有限的粒径范围测定到达第η个测定电极的带电微粒。在这种 情况下，对第η个与第n+1个两个测定电极分别测定的带电微粒的粒径分布的大粒径侧的 尾高被调整为相同的情况下，能够正确地将到达两个测定电极的带电微粒相抵消。差分、以 及利用电极面积比进行的使大粒径侧的尾高相同的调整可以利用电路实施，也可以利用软 件进行的运算实施。
[0036] 本发明的另一实施形态中，吸引侧电极包含配置于最上游侧的陷阱电极和配置于 其下游侧的1个或多个测定电极。到达测定电极的是分别包含规定的粒径的粒径范围的带 电微粒，到达陷阱电极的是比这些粒径范围小的微粒和比这些粒径范围大的带电微粒。关 于比这些粒径范围大的带电微粒，由于重力沉降的影响大，到达陷阱电极，或到达陷阱电极 之前到达流路的底面，从而被从试样气体流中去除。
[0037]对带电器的放电电极施加电压的充电电源可采用能够改变施加电压的电源。在这 种情况下，可利用充电电源改变放电电极产生的电场强度，以改变到达相同的测定电极的 带电微粒的分级粒径范围。
[0038] 设置多个测定电极的形态的情况下，通过改变测定电极的位置、电极宽度、以及测 定电极数中的至少1项，能够改变相同的测定电极测定的分级粒径范围。
[0039] 只设置一个测定电极的形态的情况下，通过改变测定电极的位置及电极宽度中的 至少一项，能够改变相同的测定电极测定的分级粒径范围。
[0040]可以在送风机构上设置流量调整阀等流量调整机构。通过对该流量调整机构进行 调节，改变试样气体流量，能够改变到达相同测定电极的带电微粒的分级粒径范围。
[0041] 为了在分级电极与吸引侧电极之间发生将带电微粒吸附在吸引侧电极一侧的电 场，对分级电极施加分级电压的分级电源可以采用能够改变分级电压的大小的电源。在这 种情况下，通过改变分级电压，能够改变到达相同的测定电极的带电微粒的分级粒径范围。 又可以沿着流路将分级电极分割为多个，施加不同的电场强度，改变测定的电迁移率的分 级宽度。例如，也可以对入口侧的分级电极，赋予低电场，电迁移率大的粒子用细小的电迁 移率宽度采取，对出口侧的分级电极赋予高电场，电迁移率小的粒子用大电迁移率宽度采 取。
[0042] 为了实现第2目的，本发明的试样制作装置具备：能够使流经内部的试样气体形 成层流的平行的流路；从所述流路的入口吸入试样气体，并且以吸入的试样气体在所述流 路内形成层流流动的条件被驱动的送风机构；配置于所述流路的入口侧，使试样气体中的 微粒带电的带电器；吸引侧电极，其在所述流路的相对的一对面的一个面上，在所述带电器 的下游沿着流路方向配置，所述吸引侧电极的表面构成取样用的捕集基板的载置面；以及 分级电极，其在所述一对面的另一个面上，与所述吸引侧电极相对配置，在所述分级电极与 所述吸引侧电极之间发生将流经所述流路的试样气体中的带电粒子吸附于所述吸引侧电 极一侧、并捕集于所述取样用的捕集基板的电场。
[0043]取样用的捕集基板，是捕集试样气体中的带电粒子，制作TEM、SEM、GC/ME、ICP/MS等化学分析和形状观察等用的试样用的基板，例如铝箔、硅基板、蓝宝石基板、TEM网格、SEM 试样台等。
[0044] 为了实现第3目的，本发明的纳米粒子膜成膜装置具备：能够使流经内部的试样 气体形成层流的平行的流路；从所述流路的入口吸入试样气体，并且以吸入的试样气体在 所述流路内形成层流流动的条件被驱动的送风机构；配置于所述流路的入口侧，使试样气 体中的微粒带电的带电器；吸引侧电极，其在所述流路的相对的一对面的一个面上，在所述 带电器的下游沿着流路方向配置，所述吸引侧电极的表面构成纳米粒子膜成膜基板的载置 面；以及分级电极，其在所述一对面中的另一面上，与所述吸引侧电极相对配置，在所述分 级电极与所述吸引侧电极之间，发生将流经所述流路的试样气体中的带电粒子吸附于所述 吸引侧电极侧、并堆积于所述纳米粒子膜成膜基板的电场。
[0045] 纳米粒子膜成膜基板，是使试样气体中的带电粒子堆积，形成纳米粒子膜用的玻 璃基板、形成纳米尺寸的催化剂用的高分子电解质膜形成的基板等。
[0046]本发明的试样制作装置及纳米粒子膜成膜装置中的流路、送风机构、带电器、吸引 侧电极及分级电极，可以采取与本发明的微粒分级测定装置的这些构件相同的构成。但是， 在试样制作装置及纳米粒子膜成膜装置中，不测定带电微粒分级得到的微粒的量，因此不 以吸引侧电极为测定电极，不需要检流电路和计算带电微粒分级得到的微粒量的运算部。
[0047]取样用捕集基板和纳米粒子膜成膜基板载置于吸引侧电极的表面，而且使其不妨 碍层流，也不扰动电场。作为不妨碍层流，而且不扰动电场的载置方法，可以采用在吸引电 极上设置凹部，在该凹部配置基板，以使基板不突出于流路中，或将吸引电极设计的厚度设 为减薄了基板的厚度的量，或使吸引电极比流路低基板厚度的尺寸，以基板覆盖整个吸引 电极，以防止基板突出于流路，避免妨碍层流的结构。
[0048] 发明效果
[0049]本发明的微粒分级测定装置将含带电微粒的试样气体形成为层流导入分级区域， 根据粒径将带电微粒分级，利用具有规定的电极宽度的测定电极进行检测，因此利用特定 的测定电极检测出的带电微粒的测定粒径范围明确，而且能够实现能测定该范围内的微粒 数的效果。
[0050]而且，本发明的微粒分级测定装置除送风机构外不具有可动部，形成简单而坚固 的结构，因此具有廉价、可携带而且牢固的特性。
[0051]而且，本发明的微粒分级测定装置中，由于像DM那样不使用鞘流，试样流量没有 限制，能够加大试样流量，因此检测器使用电流计的情况下，检测灵敏度能够达到10个/ CCo
[0052]本发明的纳米粒子膜成膜装置中，施加于粒子的外力只有电场的库仑力和流体的 阻力，与蒸镀和溅射等相比，粒子的动能低，对基板的损坏小。作为纳米粒子的分级取样装 置，与用冲击器等的空气力学分级方法相比，不受粒子受冲击时的冲击变形、减压时挥发成 分的蒸发的影响，能够保持原来的状态。而且，根据下述（16)式，对取样点的单位时间、周 围地区的粒子浓度、原来的空间存在的粒子浓度的关系有定量的了解，根据TEM、SEM、AFM 观察的结果，能够计算出原来的粒径分布。
[0053]根据本发明的纳米粒子膜成膜装置，对均匀分散的纳米粒子膜、燃料电池用的高 分子电解质膜不会造成损坏，能够得到添加了催化剂的纳米粒子膜。
【专利附图】
【附图说明】
[0054] 图1是表示本发明一实施例的大概立体图。
[0055] 图2是表示在一实施例中利用单极充电方式带电的微粒的粒径与电迁移率的关 系的实验值利用文献值补充的曲线图。
[0056] 图3是表示形成层流的试样气体进入分级电场时的带电微粒的移动轨迹的概念 图。
[0057]图4是表示一实施例中施加的电场强度与离开入口的距离不同的位置上配置的 电极检测出的电流密度的关系的曲线图。
[0058] 图5是表示该实施例中施加一定的电场强度的条件下的导入粒子数浓度与检测 信号的关系的曲线图。
[0059]图6是表示在一实施例中利用单极充电方式带电的微粒的粒径与电迁移率（粒子 浓度）的关系、以及粒径与每1000个/cc的该粒径的粒子的检测电流值（灵敏度）的实验 值用文献值补充的曲线图。
[0060] 图7是表示一实施例中测定电极的差分信号提供的粒径范围的曲线图。
[0061] 图8是表示一实施例中2级电极型装置的测定电极捕捉到的带电微粒的粒径与每 一电极的捕捉率的关系、以及第1电极与第2电极的差分信号提供的粒径范围的曲线图。[0062] 图9是表示一实施例中8级电极型装置的测定电极捕捉到的带电微粒的粒径与每 一电极的捕捉率的关系的曲线图。
[0063] 图10是表示该同8级电极型装置的测定电极间的差分信号提供的粒径范围的曲 线图。
[0064] 图IlA是表示使用于一实施例的运算部的第1例的曲线图。
[0065]图IlB是表示使用于一实施例的运算部的第2例的曲线图。
[0066] 图12是表示本发明另一实施例的大概立体图。
[0067] 图13是表示借助于该实施例的单极充电方式带电的微粒的粒径与电迁移率的关 系的实验值用文献值补充的曲线图。
[0068]图14是表示在该实施例的分级部的试样气体的风速分布（a)、以及带电微粒的移 动轨迹（a以外）的曲线图。
[0069]图15是表示该实施例的带电微粒的粒径与测定电极的捕捉率的曲线图。
[0070] 图16是表示图18?图20所示的实施例中利用单极充电方式带电的微粒的粒径 与平均价数的关系、以及各粒径的粒子浓度为1000个/cc时的每单位时间的测定电极单位 面积捕捉的粒子密度的关系的实验值用文献值补充的曲线图。
[0071] 图17是利用基准粒度分布测定装置对本发明装置进行定价时的概念图。
[0072] 图18是又一实施例的系统图。
[0073] 图19A是该实施例的大概平面剖面图。
[0074] 图19B是该实施例的大概正面剖面图。
[0075] 图20是沿着该实施例的流路的剖面图。
[0076] 图21是表示试样制作装置及纳米粒子膜成膜装置的实施例的吸引侧电极近旁的 剖面图。
【具体实施方式】
[0077] 图1大概表示本发明的微粒分级测定装置的一实施例。流路10在入口 12和出口 14具有开口，流动方向和流路宽度方向都形成剖面为长方形的扁平形状。其流路尺寸、形状 没有特别限定，例如是纵向（高度）4mm、横向（流路宽度）250mm、深度（流路长度）450mm 的扁平的长方体。
[0078] 在流路10的出口 14侦彳，配置作为吸引试样用的送风机构的风扇15。使风扇15旋 转的马达16由驱动电路17驱动。在风扇15的试样气体吸入侧设置作为流量调整阀18的 手动的蝶阀，通过调节流量调整阀18可以改变试样气体流量。风扇15在流路10的整个宽 度上均匀吸气，从流路10的入口 12吸入试样气体。风扇15以能够使吸入的试样气体在流 路10内形成层流的流动条件驱动。形成层流的条件是雷诺数大概在2000以下。
[0079] 在流路10的出口侧，在风扇15的下游设置对流经流路的试样气体流量进行测定 的流量计19。流量计19也可以配置于流路10的入口侧与出口侧中的任一位置，但是由于 试样气体中的粒子也附着于流量计19,这一实施例和下述图12的实施例最好是配置于出 口侧。
[0080] 在流路10的入口附近，配置使试样气体中的微粒带电的带电器。在这个实施例 中，带电器形成能够采取单极充电方式的结构。带电器由夹着流路10安装于一侧的线状的 放电电极20和与这些放电电极20相对，配置于流路10的另一侧的对置电极22构成。放 电电极20上连接充电电源21，使放电电极20与对置电极22之间能够发生放电。放电电极 20的形状不限于线状，也可以是与对置电极22垂直安装的1枚或多枚针，与对置电极22之 间能够产生放电即可。
[0081] 流路10的宽幅对置的一对底面（实施例中为天花板面与底面）相互平行，具有相 同的宽度。作为其一方的底面即下底面上，沿着流路方向在离入口 12不同距离的位置上配 置多个吸引侧电极24、26。吸引侧电极24、26沿着流路方向分别具有规定的电极宽度，相互 在电气上分离。吸引侧电极24、26中包含测定电极24 - 1、?24 -n(也有测定电极24 - 1、?24 -η的符号简单表示为「24」的情况。检流电路28也相同）和陷阱电极26。为了 检测到达测定电极的微粒具有的电荷量，在各测定电极24 - 1、?24 -η上，连接各检流电 路28 - 1、?28-η。测定电极24 - 1、?24-η也可以相互靠近配置，也可以像图示的 实施例那样在测定电极间留出间隙配置。陷阱电极26上不连接检流电路，但是想要测定极 微小粒径的情况下，也可以在这里连接检流电路。相邻的吸引侧电极间夹着绝缘构件，或隔 着空气层，电极间相互电气分离。这些绝缘构件只要能够使电极间实现电气分离即可，因此 不必加厚，例如0. 5_左右即可，但是当然该厚度取决于绝缘构件的体积电阻率。
[0082] 流路10的宽幅对置的一对底面中的另一底面即天花板面上，与吸引侧电极24、26 相对地配置分级电极30。分级电极30在其与吸引侧电极24、26之间发生将流经流路10的 试样气体中的带电微粒吸附于吸引侧电极一侧的电场。
[0083] 最好使分级电极30的面积与吸引侧电极24、26的总面积大致相等，空间上也正面 相对，从而使得该电场与流经流路10的试样气体的流动方向垂直或大致垂直。因此，吸引 侧电极24、26相互电气分离，但是相邻的吸引侧电极24、26的间隙以小为宜。吸引侧电极 24、26可以只用测定到达的带电微粒的电荷量的测定电极24构成，但是也可以像这一实施 例这样，包含虽然带电微粒到达但是不作为测定电极使用的陷阱电极26。在包含陷阱电极 26的情况下，为了使与流经流路10的试样气体的流动方向垂直或大约垂直的电场起作用， 对陷阱电极26也赋予与测定电极24相同的电位。在这里，相同的电位包含接地电位。
[0084] 在这一实施例中，在测定电极24中最接近流路入口的第1测定电极24 - 1的入 口侧配置1个陷阱电极26,该陷阱电极26的入口侧的前端位置与分级电极30的入口侧的 前端位置定位于流路方向（图3中的y方向）的相同的位置，该位置成为分级区域的基点 (图3中的y= 0的位置）。在以后的说明中，测定电极24的位置与宽度的确定以离该分 级区域的基点的距离表示。分级电极30与吸引侧电极24、26之间构成分级区域。从流路 的入口到分级区域的基点的距离被称为助跑距离。在助跑距离中，带电微粒尚未到达分级 区域，因此未受分级电场的影响，跟随试样气体流移动。
[0085] 在这一实施例中，测定电极24 - 1、?24 -η与陷阱电极26相同电位，与分级电 极30之间形成与流经流路的试样气体流垂直或大致垂直的电场。分级电极30上连接施加 分级电压用的分级电源32，由分级电源32施加电压，在分级电极30与吸引侧电极24、26之 间形成将试样气体中的带电微粒向吸引侧电极一侧吸引的方向的电场。分级电源32以如 下方式对分级电极30施加电压，例如，吸引侧电极24、26为接地电位时，带电微粒具有负电 荷的情况下，使分级电极30的电压为负电压，反之，带电微粒具有正电荷的情况下，使分级 电极30的电压为正电压。
[0086] 例如，使对置电极22处于接地电位，使放电电极20处于正侧，进行单极放电时，试 样气体中的微粒为正单极带电，因此吸引侧电极的测定电极24 - 1、?24 -η与陷阱电极 26处于接地电位，使分级电极30为正侧。
[0087]在这一实施例中，在使带电器工作，使分级电场起作用的状态下使风扇16工作 时，将试样气体从流路10的入口引入，试样气体中包含的微粒因带电器的放电而带电。在 分级电极30与吸引侧电极24、26之间施加着分级电场，因此带电的微粒沿着试样气体流 被送到分级电场中。在带电器作用下带电的微粒在试样气体流的方向上移动，直到分级电 场存在的地方，一旦到达分级电场，在分级电场作用下，开始向吸引侧电极24、26的方向移 动。
[0088] 在这里，微粒的粒径与其在电场中的移动速度的关系，设定以扩散带电为主的带 电条件时，微粒的电荷量大致与其粒径成正比。将带电的微粒置于电场中时，小微粒电荷量 小，但受空气的阻力也小，因此很快就在静电力吸引下在电场中移动。另一方面，粒径大时， 更受空气阻力的支配，因此在电场中移动的速度低。但是，虽然粒径进一步增大时受到的空 气阻力也增大，但是电荷量也增大，因此静电力的效果也大，其结果是，某一粒径以上的微 粒在电场中移动的速度不变。图2表示粒径与在电场中移动的容易程度（电迁移率）的关 系。图2的数据是以文献值为基础的模拟补充的实测值。不限于图2,从图6到图10所示 的数据也是用一实施例的装置使其带电的情况下的数据。
[0089] 带电的微粒在分级部的电场中，一边顺着试样气体流流向排气侧，一边向吸引侧 电极移动。小微粒更多被入口附近的吸引侧电极捕捉。但是，在靠近吸引侧电极的位置、即 流路的下底面侧的位置，被吸入的大微粒也被入口附近的吸引侧电极所捕捉。吸引侧电极 中，到达测定电极24 - 1、?24 -η的微粒的电荷被各测定电极24 - 1、?24 -η上连接 的检流电路28 - 1、?28 -η检测出。但是，到达测定电极的带电微粒的检测不限于检流 电路28 - 1、?28 -η进行的检测，作为另一实施例，也可以用例如晶体振子进行的重量测 定等其他检测方法。
[0090] 在这里,示出每一粒径的带电微粒到达测定电极的比例（捕捉率）的计算方法。其 计算模式如下所示。
[0091] 流路10的试样气体，以在电极间（分级电极30与吸引侧电极24、26之间）形成 层流的条件流动。这时的速度分布由（1)式表示。
[0092] V=f(x) (1)
[0093] 在这里，V为试样气体流速，X为以流路的下底面为基准时的电极间方向的距离。
[0094] 沿着流路10,分级电场开始作用的点为基点，以向流路出口方向的方向为y方向 时，如图3所示，该层流中的微粒对y方向以速度V移动，借助于分级电场向吸引侧电极一 侧以速度Vx移动。速度\表示为电迁移率Zp与分级电场的电场强度E之积，可用（2)式 表不。
[0095] vx =ZpE(2)
[0096] 电迁移率Zp如下所述，电场强度E用分级电极与吸引侧电极之间施加的分级电压 V与电极间距离d表示为
[0097] E=V/d(3)
[0098] 在这里，在分级电场开始作用的基点（y= 0)，x方向的任意位置Xtl上的具有电迁 移率Zp的带电微粒到达吸引侧电极的时间tx(l如下所示。
[0099] tx0 =x〇/vx
[0100] =x〇d/ZpV (4)
[0101] 该带电微粒到达吸引侧电极时的y方向的移动距离Ltl可如下所示表示。
[
【权利要求】
1. 一种微粒分级测定装置，其特征在于，具备： 能够使流经内部的试样气体形成层流的平行的流路； 从所述流路的入口吸入试样气体，并且以吸入的试样气体在所述流路内形成层流流动 的条件被驱动的送风机构； 包含配置于所述流路入口侧的放电电极，并使试样气体中的微粒带电的带电器； 1个或多个吸引侧电极，其在所述流路的相对的一对面的一个面上，在所述带电器的下 游沿着流路方向配置于离所述流路的入口不同距离的位置上，分别在流路方向上有规定的 电极宽度，且电气上相互分离； 分级电极，其在所述一对面的另一面上，与所述吸引侧电极相对配置，在所述分级电极 与所述吸引侧电极之间发生将流经所述流路的试样气体中的带电微粒吸附于所述吸引侧 电极一侧的电场； 以所述吸引侧电极的至少1个为测定电极，连接于测定电极，检测到达该测定电极的 微粒所具有的电荷量的每一测定电极的检流电路；以及 连接于所述检流电路，根据所述检流电路检测出的电荷量，计算到达所述测定电极的 带电微粒的分级的微粒量的运算部。
2. 根据权利要求1所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 所述测定电极有2个以上，在各测定电极上连接有所述检流电路，用各测定电极检测 不同的粒径范围的带电微粒产生的电荷量。
3. 根据权利要求2所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 对于第n个与第n+1个两个测定电极，使所述2个测定电极的电极面积相同，或将测定 电流值修正为相等电极面积的值，以使分别测定的带电微粒的粒径分布的大粒径侧的尾高 相同。
4. 根据权利要求2或3所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 还具备连接于所述检流电路与所述运算部之间的、取第n个与第n+1个两个测定电 极的各自的检流电路的测定信号的差分的差分电路、或利用软件对差分信号进行运算的功 能。
5. 根据权利要求1所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 所述吸引侧电极包含配置于最上游侧的陷阱电极和配置于所述陷阱电极的下游侧的1 个或多个测定电极， 分别包含规定的粒径的粒径范围的带电微粒到达所述测定电极，比所述粒径范围大的 带电微粒与比所述粒径范围小的微粒到达所述陷阱电极。
6. 根据权利要求1?5中的任一项所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 所述运算部具备粒子数计算部，用于计算到达测定电极的带电微粒的微粒数作为到达 测定电极的带电微粒的分级的微粒的量， 所述粒子数计算部保持表示每一测定电极的电荷量与微粒数的关系的微粒数校准数 据，对于测定电极，基于所述微粒数校准数据，根据检流电路检测出的电荷量计算到达该测 定电极的带电微粒的微粒数。
7. 根据权利要求1?5中的任一项所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 所述运算部具备总表面积计算部，用于计算到达测定电极的带电微粒的总表面积作为 到达测定电极的带电微粒的分级的微粒的量， 所述总表面积计算部保持表示每一测定电极的电荷量与总表面的关系的总表面积校 准数据，对于测定电极，基于所述总表面积校准数据，根据检流电路检测出的电荷量计算到 达该测定电极的带电微粒的总表面积。
8. 根据权利要求1?5中的任一项所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 所述运算部具备总重量计算部，用于计算到达测定电极的带电微粒的总重量作为到达 测定电极的带电微粒的分级的微粒的量， 所述总重量计算部保持表示每一测定电极的电荷量与总表面的关系的总重量校准数 据，对于测定电极，基于所述总重量校准数据，根据检流电路检测出的电荷量计算到达该测 定电极的带电微粒的总重量。
9. 根据权利要求6?8中的任一项所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 在所述流路的入口侧或出口侧还设置测定试样气体流量的流量计， 所述运算部具备将计算出的微粒数、总表面积或总重量除以所述流量计测定的试样气 体流量，计算出各浓度值的浓度值计算部。
10. 根据权利要求1?9中的任一项所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 在所述带电器的放电电极上施加电压的充电电源是能够改变施加电压的电源， 利用所述充电电源改变放电电极产生的电场强度，以此改变到达相同的测定电极的带 电微粒的分级粒径范围。
11. 根据权利要求1?4、6?10中的任一项所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 通过改变所述测定电极的所述位置、所述电极宽度、以及测定电极数中的至少一个，改 变相同的测定电极测定的分级粒径范围。
12. 根据权利要求5所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 通过改变所述测定电极的所述位置和所述电极宽度中的至少一个，改变利用相同的测 定电极测定的分级粒径范围。
13. 根据权利要求1?12中的任一项所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 在所述送风机构的试样气体吸入侧设置流量调整阀，调节所述流量调整阀，改变试样 气体流量，以改变到达相同的测定电极的带电微粒的分级粒径范围。
14. 根据权利要求1?13中的任一项所述的微粒分级测定装置，其特征在于， 为了在所述分级电极与吸引侧电极之间发生将带电微粒吸附于吸引侧电极一侧的电 场而在所述分级电极上施加分级电压的分级电源，是能够改变所述分级电压的大小的电 源， 通过改变所述分级电压，改变到达相同测定电极的带电微粒的分级粒径范围。
15. -种试样制作装置，其特征在于，具备： 能够使流经内部的试样气体形成层流的平行的流路； 从所述流路的入口吸入试样气体，并且以吸入的试样气体在所述流路内形成层流流动 的条件被驱动的送风机构； 包含配置于所述流路的入口侧的放电电极，使试样气体中的微粒带电的带电器； 吸引侧电极，其在所述流路的相对的一对面的一个面上，在所述带电器的下游沿着流 路方向配置，所述吸引侧电极的表面构成取样用的捕集基板的载置面；以及 分级电极，其在所述一对面的另一个面上，与所述吸引侧电极相对配置，在所述分级电 极与所述吸引侧电极之间发生将流经所述流路的试样气体中的带电粒子吸附于所述吸引 侧电极一侧、并捕集于所述取样用的捕集基板的电场。
16. -种纳米粒子膜成膜装置，其特征在于，具备： 能够使流经内部的试样气体形成层流的平行的流路； 从所述流路的入口吸入试样气体，并且以吸入的试样气体在所述流路内形成层流流动 的条件被驱动的送风机构； 包含配置于所述流路的入口侧的放电电极，使试样气体中的微粒带电的带电器； 吸引侧电极，其在所述流路的相对的一对面的一个面上，在所述带电器的下游沿着流 路方向配置，所述吸引侧电极的表面构成纳米粒子膜成膜基板的载置面；以及 分级电极，其在所述一对面中的另一面上，与所述吸引侧电极相对配置，在所述分级电 极与所述吸引侧电极之间，发生将流经所述流路的试样气体中的带电粒子吸附于所述吸引 侧电极侧、并堆积于所述纳米粒子膜成膜基板的电场。
【文档编号】G01N15/02GK104380078SQ201380029887
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2012年6月6日
【发明者】奥田浩史 申请人:株式会社岛津制作所