微粒子形状分析装置
【課題】気体中を浮遊する煤微粒子の形状情報を選択的に分析する。また、煤微粒子の吸収断面積を分析する。
【解決手段】光通路１を通過する直線偏光の光にエアロゾルを含む気体を導入する。第１白熱光検出部３は、第１の方向に進む白熱光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する。第２白熱光検出部４は、第２の方向に進む白熱光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する。解析部７は、第１白熱光検出部３で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、第２白熱光検出部４で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、エアロゾルについての吸収断面積を算出する処理を行う。
【解決手段】光通路１を通過する直線偏光の光にエアロゾルを含む気体を導入する。第１白熱光検出部３は、第１の方向に進む白熱光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する。第２白熱光検出部４は、第２の方向に進む白熱光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する。解析部７は、第１白熱光検出部３で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、第２白熱光検出部４で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、エアロゾルについての吸収断面積を算出する処理を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば煤などの微粒子の形状を分析するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
煤粒子は、化石燃料やバイオマスの燃焼に伴なって発生する。この煤粒子は、太陽放射を効率的に吸収して大気を加熱する。近年の気候変動の研究に依れば、煤粒子は、CO2に次ぐ二番目に大きな正の放射強制力をもたらしている温暖化原因物質と認識されている。煤粒子の光吸収効率は、その形状に大きく依存するため、大気中における煤粒子の形状の理解は重要な課題とされている。
【０００３】
従来、微粒子の形状の測定法としては、電子顕微鏡写真を解析する手法が用いられている。この方法では、エアロゾル（気体中に含まれる微粒子）を、このエアロゾルを含む気体と共にフィルターに衝突させ、これによって取得した微粒子サンプルを電子顕微鏡写真で解析することによって、微粒子形状を測定する。しかしながら、この方法では、所定時間あたりに測定できる粒子の数が非常に少ない（つまり時間分解能が低い）ことや、測定に要する労力の問題がある。このため、この方法では、微粒子形状について統計的に有意なデータを得ることは困難であった。
【０００４】
統計的に有意なデータを得るためには、実時間型の分析法が必要である。実時間型で個々の微粒子の形状を測定するための従来法としては、エアロゾルに照射した光の散乱を利用した手法(下記特許文献１及び非特許文献１)しか存在しない。しかし、この原理は、計測信号から粒子成分を同定することができないため、成分と形状の対応関係を知ることができない。したがって、様々な成分の微粒子が混在している大気中で、煤粒子の形状を分析することは、この方法では困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３２９６９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Sachweh et al., J. Aerosol. Sci., 30, 1257-1270, 1999
【非特許文献２】Tsang, Radio Sci., 19, 966-974, 1984
【非特許文献３】Moteki et al., J. Aerosol. Sci., 40, 790-801, 2009
【非特許文献４】Stephens et al., Appl. Opt., 42, 3726-3736, 2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記の状況に鑑みてなされたものである。本発明は、煤に高選択的に検出感度がある手法を用いて、個々の煤粒子の形状についての実時間測定を行うことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
【０００９】
（項目１）
光通路と、導入部と、第１白熱光検出部と、第２白熱光検出部と、解析部とを備えており、
前記光通路は、直線偏光の光を通過させる構成となっており、
前記導入部は、前記光通路を通過する前記光に、測定対象であるエアロゾルを含む気体を導入する構成となっており、
前記第１白熱光検出部は、前記光が前記エアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第１の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっており、
前記第２白熱光検出部は、前記光が前記エアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第２の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっており、
前記解析部は、前記第１白熱光検出部で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、前記第２白熱光検出部で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、前記エアロゾルについての吸収断面積を算出する処理を行う構成となっている
ことを特徴とする微粒子形状分析装置。
【００１０】
煤（金属微粒子を含む）は、強い光を照射することにより高温に加熱され、白熱光を発する。空間に固定された粒子から放出される白熱光のある特定の方位への放出強度とその偏光状態は、本発明者等の知見によれば、その方位から観測した粒子の吸収断面積と、その吸収断面積の偏光状態依存性に対応する。この白熱光の偏光状態を少なくとも二つの方位において検出することにより、各方位、各偏光成分についての吸収断面積の算出が可能になる。一般に、吸収断面積は、その方向から見た粒子の射影面積で支配的に決まり、吸収断面積の偏光依存性は射影面積についての各偏光方向での長さの比で支配的に決まる。したがって白熱光の放出強度の方位依存性、偏光状態依存性は形状情報を備えている。また、煤以外の微粒子は、一般に、白熱光を放出しないので、白熱光を用いることによって、煤の形状情報を選択的に取り出すことができる。
【００１１】
（項目２）
前記解析部で算出される吸収断面積は、前記Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光に対応した成分をそれぞれ含んでいる
項目１に記載の微粒子形状分析装置。
【００１２】
白熱光の偏光状態を用いて、前記Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光に対応した吸収断面積の成分をそれぞれ算出することができる。
【００１３】
（項目３）
前記第１白熱光検出部は、Ｓ偏光を検出する第１Ｓ偏光検出部と、Ｐ偏光を検出する第１Ｐ偏光検出部とを備えており、
前記第２白熱光検出部は、Ｓ偏光を検出する第２Ｓ偏光検出部と、Ｐ偏光を検出する第２Ｐ偏光検出部とを備えている
項目１又は２に記載の微粒子形状分析装置。
【００１４】
（項目４）
前記第１の方向と前記第２の方向とは直交している
項目１〜３のいずれか１項に記載の微粒子形状分析装置。
【００１５】
第１の方向と第２の方向とが直交することにより、各方向の情報の独立性が増す。このため、形状情報の抽出可能性を高める事が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、個々の煤粒子の形状の実時間測定を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態における微粒子形状分析装置の概略的な構成を示す説明図である。
【図２】本実施形態の微粒子形状分析装置を用いて微粒子形状の分析を行うための手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】本実施形態の微粒子形状分析装置の動作を説明する前提となる座標系を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る微粒子形状分析装置について説明する。
【００１９】
（本実施形態の構成）
本実施形態の微粒子形状分析装置は、図１に概略的に示されるように、光通路１と、導入部２と、第１白熱光検出部３と、第２白熱光検出部４と、第１散乱光検出部５と、第２散乱光検出部６と、解析部７とを備えている。
【００２０】
光通路１は、直線偏光の光を通過させる構成となっている。この実施形態では、光通路１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザを用いた光源（図示せず）から発生した、直線偏光のレーザビームを通過させるための閉鎖空間となっている。
【００２１】
導入部２は、光通路１を通過する光に、測定対象である微粒子を含む気体を導入する構成となっている。導入部２は、本実施形態では、光通路１の内部に微粒子を搬送するためのノズルを用いて構成することができる。また、本実施形態の導入部２は、なるべく単一の微粒子が光通路１を順次通過するように、導入部２の内部における気体通路の直径を絞ることが好ましい。ここで、図１においては、紙面と平行な方向に気体通路を延長しているが、紙面と直交する方向に延長することが好ましい。これは、白熱光及び散乱光の光路と導入部２との干渉を避けるためである。
【００２２】
第１白熱光検出部３は、レーザ光がエアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第１の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっている。
【００２３】
具体的には、この実施形態の第１白熱光検出部３は、第１ロングパスフィルタ３１と、第１広帯域偏光ビームスプリッタ３２と、第１Ｓ偏光検出部３３と、第１Ｐ偏光検出部３４とを備えている。
【００２４】
第１ロングパスフィルタ３１は、この実施形態では、波長４２０ｎｍ以上の光を通過させるものとなっている。つまり、このフィルタ３１は、広い波長範囲を持つ白熱光を通過させることができるものとなっている。
【００２５】
第１広帯域偏光ビームスプリッタ３２は、この実施形態では、４２０〜６８０ｎｍの波長を持つ光を、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する構成となっている。このような偏光ビームスプリッタとしては、既存のものを使用できるので、これについての詳しい説明は省略する。
【００２６】
第１Ｓ偏光検出部３３は、偏光ビームスプリッタ３２で反射されたＳ偏光を検出する構成となっている。
【００２７】
第１Ｐ偏光検出部３４は、偏光ビームスプリッタ３２を通過したＰ偏光を検出する構成となっている。
【００２８】
第１Ｓ偏光検出部３３及び第１Ｐ偏光検出部３４としては、広い波長範囲の光を検出できる光電子増倍管（PMT）が用いられている。
【００２９】
また、第１白熱光検出部３における光路上には、光束の大きさを適宜に変更するためのレンズが配置されている。
【００３０】
第２白熱光検出部４は、レーザ光がエアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第２の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっている。ここで、この実施形態においては、この第２の方向は、前記した第１の方向とは直交している。第１の方向と第２の方向とが直交することは必須ではないが、直交に近いほうが、２方向から見た粒子の射影面積の違いが顕著になるので、微粒子形状の測定精度の向上が期待できる。
【００３１】
第２白熱光検出部４は、白熱光を取得する方位においては異なるものの、基本的な構成については、前記した第１白熱光検出部３と同様となっている。すなわち、この実施形態の第２白熱光検出部４は、第２ロングパスフィルタ４１と、第２広帯域偏光ビームスプリッタ４２と、第２Ｓ偏光検出部４３と、第２Ｐ偏光検出部４４とを備えている。また、第２白熱光検出部４における第２ロングパスフィルタ４１は、波長４２０ｎｍ以上の光を通過させるものとなっている。第２広帯域偏光ビームスプリッタ４２は、４２０〜６８０ｎｍの波長を持つ光を、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する構成となっている。第２Ｓ偏光検出部４３は、偏光ビームスプリッタ４２で反射されたＳ偏光を検出する構成となっている。第２Ｐ偏光検出部４４は、偏光ビームスプリッタ４２を通過したＰ偏光を検出する構成となっている。また、第２白熱光検出部４における光路上には、光束の大きさを適宜に変更するためのレンズが配置されている。
【００３２】
第１散乱光検出部５は、レーザ光がエアロゾルに照射されたことによって生じる散乱光のうち、第１の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっている。なお、散乱光における第１の方向は、白熱光における前記した第１の方向と同じであってもよいが、一般的には、異なる方向となっている。
【００３３】
具体的には、この実施形態の第１散乱光検出部５は、第１バンドパスフィルタ５１と、第１狭帯域偏光ビームスプリッタ５２と、散乱光用の第１Ｓ偏光検出部５３と、散乱光用の第１Ｐ偏光検出部５４とを備えている。
【００３４】
第１バンドパスフィルタ５１は、この実施形態では、照射されるレーザ光と同じ１０６４ｎｍの波長の光を通過させるものとなっている。つまり、このフィルタ５１は、微粒子で反射した散乱光を通過させることができるものとなっている。
【００３５】
第１狭帯域偏光ビームスプリッタ５２は、この実施形態では、照射されるレーザ光と同じ１０６４ｎｍの波長の光を、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する構成となっている。このような偏光ビームスプリッタとしては、既存のものを使用できるので、これについての詳しい説明は省略する。
【００３６】
散乱光用の第１Ｓ偏光検出部５３は、偏光ビームスプリッタ５２で反射されたＳ偏光を検出する構成となっている。
【００３７】
散乱光用の第１Ｐ偏光検出部５４は、偏光ビームスプリッタ５２を通過したＰ偏光を検出する構成となっている。
【００３８】
散乱光用の第１Ｓ偏光検出部５３及び第１Ｐ偏光検出部５４としては、この実施形態では、散乱光の波長に対して高い感度を持つアバランシェフォトダイオード（APD）が用いられている。
【００３９】
また、第１散乱光検出部５における光路上には、光束の大きさを適宜に変更するためのレンズが配置されている。
【００４０】
第２散乱光検出部６は、散乱光を取得する方位においては異なるものの、基本的な構成については、前記した第１散乱光検出部５と同様となっている。すなわち、この実施形態の第２散乱光検出部６は、第２バンドパスフィルタ６１と、第２狭帯域偏光ビームスプリッタ６２と、散乱光用の第２Ｓ偏光検出部６３と、散乱光用の第２Ｐ偏光検出部６４とを備えている。また、第２散乱光検出部６における第２バンドパスフィルタ６１は、照射されるレーザ光と同じ波長の光を通過させるものとなっている。第２狭帯域偏光ビームスプリッタ６２は、レーザ光と同じ波長を持つ光を、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する構成となっている。散乱光用の第２Ｓ偏光検出部６３は、偏光ビームスプリッタ６２で反射されたＳ偏光を検出する構成となっている。散乱光用の第２Ｐ偏光検出部６４は、偏光ビームスプリッタ６２を通過したＰ偏光を検出する構成となっている。また、第２散乱光検出部６における光路上には、光束の大きさを適宜に変更するためのレンズが配置されている。
【００４１】
解析部７は、第１白熱光検出部３で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、第２白熱光検出部４で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、エアロゾルについての吸収断面積を算出する処理を行う構成となっている。
【００４２】
さらに、この実施形態の解析部７は、第１散乱光検出部５で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、第２散乱光検出部６で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、エアロゾルについての散乱断面積を算出する処理を行う構成となっている。
【００４３】
解析部７での処理の詳細については後述する。
【００４４】
（第１実施形態の動作）
以下、図２をさらに参照して、本実施形態における微粒子形状分析装置の動作を説明する。
【００４５】
（図２のステップＳＡ−１）
まず、光通路１に、波長１０６４ｎｍの、直線偏光とされたレーザ光を通過させる。
【００４６】
（図２のステップＳＡ−２）
ついで、導入部２を介して、微粒子を含む気体を、光通路１の内部に導入する。これにより、気体に含まれる微粒子にレーザ光を照射することができる。レーザ光が微粒子に照射されると、微粒子の性質により、２種類の光が発生する。
【００４７】
微粒子が煤（金属微粒子を含む）である場合、高強度のレーザ光が照射されると、微粒子は白熱光を発する。つまり、照射されるレーザ光の波長よりもかなり広い波長帯域を持つ光（例えば４２０〜６８０ｎｍの波長帯域を持つ光）を発する（前記非特許文献４）。これは、煤が、光吸収性を持ち、かつ高沸点（例えば４０００Ｋ以上）だからである。逆に、このような性質を持ち、かつ空気中を浮遊する微粒子は、現実的には煤のみと考えてよい。さらに、この白熱光の偏光状態は、本発明者等の知見によれば、煤微粒子についての形状情報を備えている（なお、前記非特許文献２及び３参照）。この白熱光の偏光状態を少なくとも二つの方位において検出することにより、吸収断面積の算出が可能になる。また、煤以外の微粒子は、一般に、白熱光を放出しないので、白熱光を用いることによって、煤の形状情報を選択的に取り出すことができる。
【００４８】
一方、微粒子の材質に拘わらず、微粒子にレーザ光が照射されると、微粒子によってレーザ光が散乱される。この散乱光の波長は、一般に、照射されたレーザ光と同じである。散乱光の偏光状態を少なくとも二つの方位において検出することにより、微粒子の散乱断面積の算出が可能になる。
【００４９】
（図２のステップＳＡ−３）
微粒子が煤である場合、第１の方向に進む白熱光は、第１ロングパスフィルタ３１を通過して、第１広帯域偏光ビームスプリッタ３２によって、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。ここで、偏光ビームスプリッタ３２は、４２０〜６８０ｎｍの光を通過させる一方、レーザ光の波長である１０６４ｎｍの光は通過させないので、散乱光の影響を排除することができる。
【００５０】
白熱光用の第１Ｓ偏光検出部３３は、白熱光から分離されたＳ偏光成分の強度を検出する。同様に、白熱光用の第１Ｐ偏光検出部３４は、白熱光から分離されたＰ偏光成分の強度を検出する。
【００５１】
同様にして、第２の方向に進む白熱光は、第２ロングパスフィルタ４１を通過して、第２広帯域偏光ビームスプリッタ４２によって、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。白熱光用の第２Ｓ偏光検出部４３は、白熱光から分離されたＳ偏光成分の強度を検出する。同様に、白熱光用の第２Ｐ偏光検出部４４は、白熱光から分離されたＰ偏光成分の強度を検出する。
【００５２】
（図２のステップＳＡ−４）
ついで、解析部７は、前記のようにして得た、第１の方向及び第２の方向のそれぞれにおける、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の強度値から、微粒子の吸収断面積を算出する。算出手順の詳細は後述する。本実施形態では、解析部７での算出をコンピュータ処理により行うことができるので、実時間での微粒子形状の分析が可能となる。
【００５３】
（図２のステップＳＡ−５）
ついで、解析部７は、算出結果を出力する。出力先としては、プリンタやディスプレイなどの情報提示装置であってもよいし、あるいは、算出結果をさらに処理するための情報処理装置であってもよい。要するに、出力先は、算出結果を利用可能にするものであればよい。
【００５４】
（図２のステップＳＡ−６）
微粒子での散乱により発生した散乱光のうち、第１の方向に進む散乱光は、第１バンドパスフィルタ５１を通過して、第１狭帯域偏光ビームスプリッタ５２によって、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。ここで、偏光ビームスプリッタ５２は、レーザ光の波長である１０６４ｎｍ付近の光のみを通過させるので、散乱光以外の光（つまり外乱）の影響を排除することができる。
【００５５】
散乱光用の第１Ｓ偏光検出部５３は、散乱光から分離されたＳ偏光成分の強度を検出する。同様に、散乱光用の第１Ｐ偏光検出部５４は、散乱光から分離されたＰ偏光成分の強度を検出する。
【００５６】
同様にして、第２の方向に進む散乱光は、第２バンドパスフィルタ６１を通過して、第２狭帯域偏光ビームスプリッタ６２によって、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。散乱光用の第２Ｓ偏光検出部６３は、散乱光から分離されたＳ偏光成分の強度を検出する。同様に、散乱光用の第２Ｐ偏光検出部６４は、散乱光から分離されたＰ偏光成分の強度を検出する。
【００５７】
（図２のステップＳＡ−７）
ついで、解析部７は、前記のようにして得た、第１の方向及び第２の方向のそれぞれにおける、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の強度値から、微粒子の散乱断面積を算出する。散乱断面積の算出は、例えば前記した非特許文献１の手法を利用することで実施可能である。解析部７により、微粒子の散乱断面積の算出も、実時間で行うことができる。
【００５８】
（図２のステップＳＡ−８）
ついで、解析部７は、ステップＳＡ−５と同様に算出結果を出力する。このステップＳＡ−８は、ステップＳＡ−５と独立している必要は無く、同時に行われてもよい。
【００５９】
（吸収断面積及び散乱断面積の算出）
ここで、解析部７において実行される、吸収断面積及び散乱断面積の算出について詳しく説明する。
【００６０】
（微小楕円体モデル）
まず、説明の前提として、微小楕円体モデルを説明する。微粒子形状の測定は、微粒子が微小楕円体に近似できるという前提で行われる。
【００６１】
波長に比べて十分小さい楕円体粒子（つまり微小楕円体）について、吸収断面積Cabsと、観測されるＳ及びＰ偏光の信号強度との理論的関係を説明する。微分散乱断面積dCsca/dΩとＳ及びＰ偏光の信号強度との関係についても合わせて述べる。
【００６２】
モデルとして微小楕円体粒子を用いるのは、粒子の微物理特性（つまり屈折率、形状、３次元方位）と吸収断面積、散乱断面積の間に陽的関係が存在する（おそらく）唯一の非球形モデルだからである。
【００６３】
モデルを構築するうえで、座標系を図３のように定義する。この図において、入射光（つまり、微粒子に照射されるレーザ光）は、±z方向に進行する定在波で、あり、電場はx方向に直線偏光となっている。また、散乱及び白熱についての集光光学系の４つの光軸はy-z平面内に含まれる。エアロゾルの進行方向は−ｘ方向となっている。
【００６４】
微小楕円体粒子では、双極子近似が成り立つため、吸収散乱断面積は分極率テンソルで記述できる。x,y,z軸を主軸にとり、各主方向の分極率がα10, α20, α30の楕円体の分極率テンソルは、下記（１）式で表される。
【００６５】
【００６６】
分極率テンソルの成分は、その楕円体の屈折率と主方向の半径a,b,cとから計算できる。実際の計測では、楕円体は任意に回転しているので、その主軸方向は(xyz)方向から(x'y'z')へとずれている。オイラー角(α,β,γ)で成分表示した回転行列を
【００６７】
【００６８】
とすると、回転後の分極率テンソルは
【００６９】
【００７０】
となる。成分表示では、
【００７１】
【００７２】
である。任意の回転後の配向における微小楕円体の吸収・散乱断面積はこの分極率テンソルの成分で陽的に記述できる。
【００７３】
（吸収断面積の算出）
吸収断面積Cabsと白熱信号強度STEの関係は
【００７４】
【００７５】
と表すことができる。（５）式において[ ]内の添字は、いずれか一方という意味を示す。つまり、[1,2]は、第１又は第２の方向を意味し、[θ,φ]は、Ｓ又はＰ偏光成分を意味する。
【００７６】
式（５）に示すように、白熱信号強度は吸収断面積に比例する。比例定数Scalibは校正実験（キャリブレーション）で決定できる。キャリブレーションには、球形粒子を用いる。具体的には、例えばAlfa Aesar社の球形ガラス状炭素粒子を用いてキャリブレーションを行うことができる。
【００７７】
前記した（１）式の左辺における吸収断面積のθ、φ偏光成分（つまりＳ、Ｐ偏光成分）は、分極率テンソルの成分（４）を用いて、
【００７８】
【００７９】
と表すことができる。
【００８０】
ただし行列Rは(xyz)座標系から(rθφ)座標系への変換行列であり、
【００８１】
【００８２】
で定義される。ここで例えば式（６）におけるR2jは、行列Rにおける２行ｊ列成分を示す。ここで、吸収断面積における方位[1,2]への依存性は、式（９）のθ及びφの値で決定される。
【００８３】
具体的には、第１の方向に進んだ白熱光のＳ偏光成分は、図３の座標系における単位ベクトルｅθに平行であり、Ｐ偏光成分は、単位ベクトルｅφに平行である。第１の方向に対応するθとφの値を指定すれば、第１の方向における各偏光成分についての吸収断面積を算出できる。同様に、第２の方向に進んだ光のＳ偏光成分とＰ偏光成分とを用いて、各偏光成分についての吸収断面積を算出できる。
【００８４】
ここで、吸収断面積はその方向から見た射影面積で支配的に決定されるため、第１の方向と第２の方向が直交していると、多くの形状で射影面積の違いが最大になるため、２方向で観測できる形状に関する情報の独立性を高めることができる。
【００８５】
また、式（６）及び式（７）に示されるように、本実施形態においては、吸収断面積におけるθ方向成分（つまりＳ偏光成分）とφ方向成分（つまりＰ偏光成分）とのそれぞれの寄与を、独立して算出することができる。つまり、本実施形態の解析部７で算出される吸収断面積は、Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光に対応した成分をそれぞれ含んでいる。すると例えば、式（６）の値と式（７）の値との比を用いて微粒子の解析を行うことができるという利点がある。
【００８６】
さらに、式（６）及び式（７）に示されるように、この実施形態では、分極率の虚部の値を取り出すことができる。これにより、微粒子形状の特定精度の向上を期すことができる。
【００８７】
さらに、本実施形態では、微粒子に含まれる成分に対して選択的に形状を測定できるという利点もある。すなわち、大気中に存在しかつ白熱光を放出する成分は現実的には煤のみであるため、多成分が混合したサンプルにおいても、煤に対して選択的に形状を測定することができる。
【００８８】
（散乱断面積の算出）
散乱断面積の算出は、前記したとおり、既存の手法を利用可能であるが、以下において概略を述べる。微分散乱断面積dCsca/dΩと散乱信号強度SSCの関係は
【００８９】
【００９０】
で表される。[ ]内の添字はいずれか一方という意味である。[1,2]はいずれかの方位を示し，[θ,φ]はいずれかの偏光成分を示す。
【００９１】
式（１０）に示すように、散乱信号強度は微分散乱断面積に比例する。比例定数は校正実験（キャリブレーション）で決定できる。キャリブレーションには、微分散乱断面積が既知のポリスチレンラテックス粒子を用いることができる。
【００９２】
（１０）式の左辺における微分断面積のθ、φ偏光成分は、x方向に偏光している入射光については、式（４）に示す分極率テンソルの成分を用いて、
【００９３】
【００９４】
と表すことができる。
【００９５】
ただし
である。
【００９６】
ここでのθ及びφも、前記と同様に、散乱光検出部５及び６で取得したＳ方向成分及びＰ方向成分に対応するので、検出したＳ偏光及びＰ偏光の値から、各偏光成分についての散乱断面積を算出することができる。
【００９７】
本実施形態の装置は、例えば以下の用途に利用可能である。
・大気環境中の微粒子の物理特性分析
・自動車等の排気ガスから放出される微粒子の物理特性分析
・炎や高温での反応で発生する微粒子の物理特性分析
・宇宙空間に浮遊する微粒子の物理特性分析
【００９８】
なお、本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得るものである。
【符号の説明】
【００９９】
１ 光通路
２ 導入部
３ 第１白熱光検出部
３１ 第１ロングパスフィルタ
３２ 第１広帯域偏光ビームスプリッタ
３３ 白熱光用の第１Ｓ偏光検出部
３４ 白熱光用の第１Ｐ偏光検出部
４ 第２白熱光検出部
４１ 第２ロングパスフィルタ
４２ 第２広帯域偏光ビームスプリッタ
４３ 白熱光用の第２Ｓ偏光検出部
４４ 白熱光用の第２Ｐ偏光検出部
５ 第１散乱光検出部
５１ 第１バンドパスフィルタ
５２ 第１狭帯域偏光ビームスプリッタ
５３ 散乱光用の第１Ｓ偏光検出部
５４ 散乱光用の第１Ｐ偏光検出部
６ 第２散乱光検出部
６１ 第２バンドパスフィルタ
６２ 第２狭帯域偏光ビームスプリッタ
６３ 散乱光用の第２Ｓ偏光検出部
６４ 散乱光用の第２Ｐ偏光検出部
７ 解析部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば煤などの微粒子の形状を分析するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
煤粒子は、化石燃料やバイオマスの燃焼に伴なって発生する。この煤粒子は、太陽放射を効率的に吸収して大気を加熱する。近年の気候変動の研究に依れば、煤粒子は、CO2に次ぐ二番目に大きな正の放射強制力をもたらしている温暖化原因物質と認識されている。煤粒子の光吸収効率は、その形状に大きく依存するため、大気中における煤粒子の形状の理解は重要な課題とされている。
【０００３】
従来、微粒子の形状の測定法としては、電子顕微鏡写真を解析する手法が用いられている。この方法では、エアロゾル（気体中に含まれる微粒子）を、このエアロゾルを含む気体と共にフィルターに衝突させ、これによって取得した微粒子サンプルを電子顕微鏡写真で解析することによって、微粒子形状を測定する。しかしながら、この方法では、所定時間あたりに測定できる粒子の数が非常に少ない（つまり時間分解能が低い）ことや、測定に要する労力の問題がある。このため、この方法では、微粒子形状について統計的に有意なデータを得ることは困難であった。
【０００４】
統計的に有意なデータを得るためには、実時間型の分析法が必要である。実時間型で個々の微粒子の形状を測定するための従来法としては、エアロゾルに照射した光の散乱を利用した手法(下記特許文献１及び非特許文献１)しか存在しない。しかし、この原理は、計測信号から粒子成分を同定することができないため、成分と形状の対応関係を知ることができない。したがって、様々な成分の微粒子が混在している大気中で、煤粒子の形状を分析することは、この方法では困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２３２９６９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Sachweh et al., J. Aerosol. Sci., 30, 1257-1270, 1999
【非特許文献２】Tsang, Radio Sci., 19, 966-974, 1984
【非特許文献３】Moteki et al., J. Aerosol. Sci., 40, 790-801, 2009
【非特許文献４】Stephens et al., Appl. Opt., 42, 3726-3736, 2003
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、前記の状況に鑑みてなされたものである。本発明は、煤に高選択的に検出感度がある手法を用いて、個々の煤粒子の形状についての実時間測定を行うことを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
【０００９】
（項目１）
光通路と、導入部と、第１白熱光検出部と、第２白熱光検出部と、解析部とを備えており、
前記光通路は、直線偏光の光を通過させる構成となっており、
前記導入部は、前記光通路を通過する前記光に、測定対象であるエアロゾルを含む気体を導入する構成となっており、
前記第１白熱光検出部は、前記光が前記エアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第１の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっており、
前記第２白熱光検出部は、前記光が前記エアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第２の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっており、
前記解析部は、前記第１白熱光検出部で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、前記第２白熱光検出部で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、前記エアロゾルについての吸収断面積を算出する処理を行う構成となっている
ことを特徴とする微粒子形状分析装置。
【００１０】
煤（金属微粒子を含む）は、強い光を照射することにより高温に加熱され、白熱光を発する。空間に固定された粒子から放出される白熱光のある特定の方位への放出強度とその偏光状態は、本発明者等の知見によれば、その方位から観測した粒子の吸収断面積と、その吸収断面積の偏光状態依存性に対応する。この白熱光の偏光状態を少なくとも二つの方位において検出することにより、各方位、各偏光成分についての吸収断面積の算出が可能になる。一般に、吸収断面積は、その方向から見た粒子の射影面積で支配的に決まり、吸収断面積の偏光依存性は射影面積についての各偏光方向での長さの比で支配的に決まる。したがって白熱光の放出強度の方位依存性、偏光状態依存性は形状情報を備えている。また、煤以外の微粒子は、一般に、白熱光を放出しないので、白熱光を用いることによって、煤の形状情報を選択的に取り出すことができる。
【００１１】
（項目２）
前記解析部で算出される吸収断面積は、前記Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光に対応した成分をそれぞれ含んでいる
項目１に記載の微粒子形状分析装置。
【００１２】
白熱光の偏光状態を用いて、前記Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光に対応した吸収断面積の成分をそれぞれ算出することができる。
【００１３】
（項目３）
前記第１白熱光検出部は、Ｓ偏光を検出する第１Ｓ偏光検出部と、Ｐ偏光を検出する第１Ｐ偏光検出部とを備えており、
前記第２白熱光検出部は、Ｓ偏光を検出する第２Ｓ偏光検出部と、Ｐ偏光を検出する第２Ｐ偏光検出部とを備えている
項目１又は２に記載の微粒子形状分析装置。
【００１４】
（項目４）
前記第１の方向と前記第２の方向とは直交している
項目１〜３のいずれか１項に記載の微粒子形状分析装置。
【００１５】
第１の方向と第２の方向とが直交することにより、各方向の情報の独立性が増す。このため、形状情報の抽出可能性を高める事が可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、個々の煤粒子の形状の実時間測定を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態における微粒子形状分析装置の概略的な構成を示す説明図である。
【図２】本実施形態の微粒子形状分析装置を用いて微粒子形状の分析を行うための手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】本実施形態の微粒子形状分析装置の動作を説明する前提となる座標系を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る微粒子形状分析装置について説明する。
【００１９】
（本実施形態の構成）
本実施形態の微粒子形状分析装置は、図１に概略的に示されるように、光通路１と、導入部２と、第１白熱光検出部３と、第２白熱光検出部４と、第１散乱光検出部５と、第２散乱光検出部６と、解析部７とを備えている。
【００２０】
光通路１は、直線偏光の光を通過させる構成となっている。この実施形態では、光通路１は、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザを用いた光源（図示せず）から発生した、直線偏光のレーザビームを通過させるための閉鎖空間となっている。
【００２１】
導入部２は、光通路１を通過する光に、測定対象である微粒子を含む気体を導入する構成となっている。導入部２は、本実施形態では、光通路１の内部に微粒子を搬送するためのノズルを用いて構成することができる。また、本実施形態の導入部２は、なるべく単一の微粒子が光通路１を順次通過するように、導入部２の内部における気体通路の直径を絞ることが好ましい。ここで、図１においては、紙面と平行な方向に気体通路を延長しているが、紙面と直交する方向に延長することが好ましい。これは、白熱光及び散乱光の光路と導入部２との干渉を避けるためである。
【００２２】
第１白熱光検出部３は、レーザ光がエアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第１の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっている。
【００２３】
具体的には、この実施形態の第１白熱光検出部３は、第１ロングパスフィルタ３１と、第１広帯域偏光ビームスプリッタ３２と、第１Ｓ偏光検出部３３と、第１Ｐ偏光検出部３４とを備えている。
【００２４】
第１ロングパスフィルタ３１は、この実施形態では、波長４２０ｎｍ以上の光を通過させるものとなっている。つまり、このフィルタ３１は、広い波長範囲を持つ白熱光を通過させることができるものとなっている。
【００２５】
第１広帯域偏光ビームスプリッタ３２は、この実施形態では、４２０〜６８０ｎｍの波長を持つ光を、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する構成となっている。このような偏光ビームスプリッタとしては、既存のものを使用できるので、これについての詳しい説明は省略する。
【００２６】
第１Ｓ偏光検出部３３は、偏光ビームスプリッタ３２で反射されたＳ偏光を検出する構成となっている。
【００２７】
第１Ｐ偏光検出部３４は、偏光ビームスプリッタ３２を通過したＰ偏光を検出する構成となっている。
【００２８】
第１Ｓ偏光検出部３３及び第１Ｐ偏光検出部３４としては、広い波長範囲の光を検出できる光電子増倍管（PMT）が用いられている。
【００２９】
また、第１白熱光検出部３における光路上には、光束の大きさを適宜に変更するためのレンズが配置されている。
【００３０】
第２白熱光検出部４は、レーザ光がエアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第２の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっている。ここで、この実施形態においては、この第２の方向は、前記した第１の方向とは直交している。第１の方向と第２の方向とが直交することは必須ではないが、直交に近いほうが、２方向から見た粒子の射影面積の違いが顕著になるので、微粒子形状の測定精度の向上が期待できる。
【００３１】
第２白熱光検出部４は、白熱光を取得する方位においては異なるものの、基本的な構成については、前記した第１白熱光検出部３と同様となっている。すなわち、この実施形態の第２白熱光検出部４は、第２ロングパスフィルタ４１と、第２広帯域偏光ビームスプリッタ４２と、第２Ｓ偏光検出部４３と、第２Ｐ偏光検出部４４とを備えている。また、第２白熱光検出部４における第２ロングパスフィルタ４１は、波長４２０ｎｍ以上の光を通過させるものとなっている。第２広帯域偏光ビームスプリッタ４２は、４２０〜６８０ｎｍの波長を持つ光を、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する構成となっている。第２Ｓ偏光検出部４３は、偏光ビームスプリッタ４２で反射されたＳ偏光を検出する構成となっている。第２Ｐ偏光検出部４４は、偏光ビームスプリッタ４２を通過したＰ偏光を検出する構成となっている。また、第２白熱光検出部４における光路上には、光束の大きさを適宜に変更するためのレンズが配置されている。
【００３２】
第１散乱光検出部５は、レーザ光がエアロゾルに照射されたことによって生じる散乱光のうち、第１の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっている。なお、散乱光における第１の方向は、白熱光における前記した第１の方向と同じであってもよいが、一般的には、異なる方向となっている。
【００３３】
具体的には、この実施形態の第１散乱光検出部５は、第１バンドパスフィルタ５１と、第１狭帯域偏光ビームスプリッタ５２と、散乱光用の第１Ｓ偏光検出部５３と、散乱光用の第１Ｐ偏光検出部５４とを備えている。
【００３４】
第１バンドパスフィルタ５１は、この実施形態では、照射されるレーザ光と同じ１０６４ｎｍの波長の光を通過させるものとなっている。つまり、このフィルタ５１は、微粒子で反射した散乱光を通過させることができるものとなっている。
【００３５】
第１狭帯域偏光ビームスプリッタ５２は、この実施形態では、照射されるレーザ光と同じ１０６４ｎｍの波長の光を、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する構成となっている。このような偏光ビームスプリッタとしては、既存のものを使用できるので、これについての詳しい説明は省略する。
【００３６】
散乱光用の第１Ｓ偏光検出部５３は、偏光ビームスプリッタ５２で反射されたＳ偏光を検出する構成となっている。
【００３７】
散乱光用の第１Ｐ偏光検出部５４は、偏光ビームスプリッタ５２を通過したＰ偏光を検出する構成となっている。
【００３８】
散乱光用の第１Ｓ偏光検出部５３及び第１Ｐ偏光検出部５４としては、この実施形態では、散乱光の波長に対して高い感度を持つアバランシェフォトダイオード（APD）が用いられている。
【００３９】
また、第１散乱光検出部５における光路上には、光束の大きさを適宜に変更するためのレンズが配置されている。
【００４０】
第２散乱光検出部６は、散乱光を取得する方位においては異なるものの、基本的な構成については、前記した第１散乱光検出部５と同様となっている。すなわち、この実施形態の第２散乱光検出部６は、第２バンドパスフィルタ６１と、第２狭帯域偏光ビームスプリッタ６２と、散乱光用の第２Ｓ偏光検出部６３と、散乱光用の第２Ｐ偏光検出部６４とを備えている。また、第２散乱光検出部６における第２バンドパスフィルタ６１は、照射されるレーザ光と同じ波長の光を通過させるものとなっている。第２狭帯域偏光ビームスプリッタ６２は、レーザ光と同じ波長を持つ光を、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する構成となっている。散乱光用の第２Ｓ偏光検出部６３は、偏光ビームスプリッタ６２で反射されたＳ偏光を検出する構成となっている。散乱光用の第２Ｐ偏光検出部６４は、偏光ビームスプリッタ６２を通過したＰ偏光を検出する構成となっている。また、第２散乱光検出部６における光路上には、光束の大きさを適宜に変更するためのレンズが配置されている。
【００４１】
解析部７は、第１白熱光検出部３で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、第２白熱光検出部４で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、エアロゾルについての吸収断面積を算出する処理を行う構成となっている。
【００４２】
さらに、この実施形態の解析部７は、第１散乱光検出部５で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、第２散乱光検出部６で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、エアロゾルについての散乱断面積を算出する処理を行う構成となっている。
【００４３】
解析部７での処理の詳細については後述する。
【００４４】
（第１実施形態の動作）
以下、図２をさらに参照して、本実施形態における微粒子形状分析装置の動作を説明する。
【００４５】
（図２のステップＳＡ−１）
まず、光通路１に、波長１０６４ｎｍの、直線偏光とされたレーザ光を通過させる。
【００４６】
（図２のステップＳＡ−２）
ついで、導入部２を介して、微粒子を含む気体を、光通路１の内部に導入する。これにより、気体に含まれる微粒子にレーザ光を照射することができる。レーザ光が微粒子に照射されると、微粒子の性質により、２種類の光が発生する。
【００４７】
微粒子が煤（金属微粒子を含む）である場合、高強度のレーザ光が照射されると、微粒子は白熱光を発する。つまり、照射されるレーザ光の波長よりもかなり広い波長帯域を持つ光（例えば４２０〜６８０ｎｍの波長帯域を持つ光）を発する（前記非特許文献４）。これは、煤が、光吸収性を持ち、かつ高沸点（例えば４０００Ｋ以上）だからである。逆に、このような性質を持ち、かつ空気中を浮遊する微粒子は、現実的には煤のみと考えてよい。さらに、この白熱光の偏光状態は、本発明者等の知見によれば、煤微粒子についての形状情報を備えている（なお、前記非特許文献２及び３参照）。この白熱光の偏光状態を少なくとも二つの方位において検出することにより、吸収断面積の算出が可能になる。また、煤以外の微粒子は、一般に、白熱光を放出しないので、白熱光を用いることによって、煤の形状情報を選択的に取り出すことができる。
【００４８】
一方、微粒子の材質に拘わらず、微粒子にレーザ光が照射されると、微粒子によってレーザ光が散乱される。この散乱光の波長は、一般に、照射されたレーザ光と同じである。散乱光の偏光状態を少なくとも二つの方位において検出することにより、微粒子の散乱断面積の算出が可能になる。
【００４９】
（図２のステップＳＡ−３）
微粒子が煤である場合、第１の方向に進む白熱光は、第１ロングパスフィルタ３１を通過して、第１広帯域偏光ビームスプリッタ３２によって、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。ここで、偏光ビームスプリッタ３２は、４２０〜６８０ｎｍの光を通過させる一方、レーザ光の波長である１０６４ｎｍの光は通過させないので、散乱光の影響を排除することができる。
【００５０】
白熱光用の第１Ｓ偏光検出部３３は、白熱光から分離されたＳ偏光成分の強度を検出する。同様に、白熱光用の第１Ｐ偏光検出部３４は、白熱光から分離されたＰ偏光成分の強度を検出する。
【００５１】
同様にして、第２の方向に進む白熱光は、第２ロングパスフィルタ４１を通過して、第２広帯域偏光ビームスプリッタ４２によって、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。白熱光用の第２Ｓ偏光検出部４３は、白熱光から分離されたＳ偏光成分の強度を検出する。同様に、白熱光用の第２Ｐ偏光検出部４４は、白熱光から分離されたＰ偏光成分の強度を検出する。
【００５２】
（図２のステップＳＡ−４）
ついで、解析部７は、前記のようにして得た、第１の方向及び第２の方向のそれぞれにおける、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の強度値から、微粒子の吸収断面積を算出する。算出手順の詳細は後述する。本実施形態では、解析部７での算出をコンピュータ処理により行うことができるので、実時間での微粒子形状の分析が可能となる。
【００５３】
（図２のステップＳＡ−５）
ついで、解析部７は、算出結果を出力する。出力先としては、プリンタやディスプレイなどの情報提示装置であってもよいし、あるいは、算出結果をさらに処理するための情報処理装置であってもよい。要するに、出力先は、算出結果を利用可能にするものであればよい。
【００５４】
（図２のステップＳＡ−６）
微粒子での散乱により発生した散乱光のうち、第１の方向に進む散乱光は、第１バンドパスフィルタ５１を通過して、第１狭帯域偏光ビームスプリッタ５２によって、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。ここで、偏光ビームスプリッタ５２は、レーザ光の波長である１０６４ｎｍ付近の光のみを通過させるので、散乱光以外の光（つまり外乱）の影響を排除することができる。
【００５５】
散乱光用の第１Ｓ偏光検出部５３は、散乱光から分離されたＳ偏光成分の強度を検出する。同様に、散乱光用の第１Ｐ偏光検出部５４は、散乱光から分離されたＰ偏光成分の強度を検出する。
【００５６】
同様にして、第２の方向に進む散乱光は、第２バンドパスフィルタ６１を通過して、第２狭帯域偏光ビームスプリッタ６２によって、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。散乱光用の第２Ｓ偏光検出部６３は、散乱光から分離されたＳ偏光成分の強度を検出する。同様に、散乱光用の第２Ｐ偏光検出部６４は、散乱光から分離されたＰ偏光成分の強度を検出する。
【００５７】
（図２のステップＳＡ−７）
ついで、解析部７は、前記のようにして得た、第１の方向及び第２の方向のそれぞれにおける、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の強度値から、微粒子の散乱断面積を算出する。散乱断面積の算出は、例えば前記した非特許文献１の手法を利用することで実施可能である。解析部７により、微粒子の散乱断面積の算出も、実時間で行うことができる。
【００５８】
（図２のステップＳＡ−８）
ついで、解析部７は、ステップＳＡ−５と同様に算出結果を出力する。このステップＳＡ−８は、ステップＳＡ−５と独立している必要は無く、同時に行われてもよい。
【００５９】
（吸収断面積及び散乱断面積の算出）
ここで、解析部７において実行される、吸収断面積及び散乱断面積の算出について詳しく説明する。
【００６０】
（微小楕円体モデル）
まず、説明の前提として、微小楕円体モデルを説明する。微粒子形状の測定は、微粒子が微小楕円体に近似できるという前提で行われる。
【００６１】
波長に比べて十分小さい楕円体粒子（つまり微小楕円体）について、吸収断面積Cabsと、観測されるＳ及びＰ偏光の信号強度との理論的関係を説明する。微分散乱断面積dCsca/dΩとＳ及びＰ偏光の信号強度との関係についても合わせて述べる。
【００６２】
モデルとして微小楕円体粒子を用いるのは、粒子の微物理特性（つまり屈折率、形状、３次元方位）と吸収断面積、散乱断面積の間に陽的関係が存在する（おそらく）唯一の非球形モデルだからである。
【００６３】
モデルを構築するうえで、座標系を図３のように定義する。この図において、入射光（つまり、微粒子に照射されるレーザ光）は、±z方向に進行する定在波で、あり、電場はx方向に直線偏光となっている。また、散乱及び白熱についての集光光学系の４つの光軸はy-z平面内に含まれる。エアロゾルの進行方向は−ｘ方向となっている。
【００６４】
微小楕円体粒子では、双極子近似が成り立つため、吸収散乱断面積は分極率テンソルで記述できる。x,y,z軸を主軸にとり、各主方向の分極率がα10, α20, α30の楕円体の分極率テンソルは、下記（１）式で表される。
【００６５】
【００６６】
分極率テンソルの成分は、その楕円体の屈折率と主方向の半径a,b,cとから計算できる。実際の計測では、楕円体は任意に回転しているので、その主軸方向は(xyz)方向から(x'y'z')へとずれている。オイラー角(α,β,γ)で成分表示した回転行列を
【００６７】
【００６８】
とすると、回転後の分極率テンソルは
【００６９】
【００７０】
となる。成分表示では、
【００７１】
【００７２】
である。任意の回転後の配向における微小楕円体の吸収・散乱断面積はこの分極率テンソルの成分で陽的に記述できる。
【００７３】
（吸収断面積の算出）
吸収断面積Cabsと白熱信号強度STEの関係は
【００７４】
【００７５】
と表すことができる。（５）式において[ ]内の添字は、いずれか一方という意味を示す。つまり、[1,2]は、第１又は第２の方向を意味し、[θ,φ]は、Ｓ又はＰ偏光成分を意味する。
【００７６】
式（５）に示すように、白熱信号強度は吸収断面積に比例する。比例定数Scalibは校正実験（キャリブレーション）で決定できる。キャリブレーションには、球形粒子を用いる。具体的には、例えばAlfa Aesar社の球形ガラス状炭素粒子を用いてキャリブレーションを行うことができる。
【００７７】
前記した（１）式の左辺における吸収断面積のθ、φ偏光成分（つまりＳ、Ｐ偏光成分）は、分極率テンソルの成分（４）を用いて、
【００７８】
【００７９】
と表すことができる。
【００８０】
ただし行列Rは(xyz)座標系から(rθφ)座標系への変換行列であり、
【００８１】
【００８２】
で定義される。ここで例えば式（６）におけるR2jは、行列Rにおける２行ｊ列成分を示す。ここで、吸収断面積における方位[1,2]への依存性は、式（９）のθ及びφの値で決定される。
【００８３】
具体的には、第１の方向に進んだ白熱光のＳ偏光成分は、図３の座標系における単位ベクトルｅθに平行であり、Ｐ偏光成分は、単位ベクトルｅφに平行である。第１の方向に対応するθとφの値を指定すれば、第１の方向における各偏光成分についての吸収断面積を算出できる。同様に、第２の方向に進んだ光のＳ偏光成分とＰ偏光成分とを用いて、各偏光成分についての吸収断面積を算出できる。
【００８４】
ここで、吸収断面積はその方向から見た射影面積で支配的に決定されるため、第１の方向と第２の方向が直交していると、多くの形状で射影面積の違いが最大になるため、２方向で観測できる形状に関する情報の独立性を高めることができる。
【００８５】
また、式（６）及び式（７）に示されるように、本実施形態においては、吸収断面積におけるθ方向成分（つまりＳ偏光成分）とφ方向成分（つまりＰ偏光成分）とのそれぞれの寄与を、独立して算出することができる。つまり、本実施形態の解析部７で算出される吸収断面積は、Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光に対応した成分をそれぞれ含んでいる。すると例えば、式（６）の値と式（７）の値との比を用いて微粒子の解析を行うことができるという利点がある。
【００８６】
さらに、式（６）及び式（７）に示されるように、この実施形態では、分極率の虚部の値を取り出すことができる。これにより、微粒子形状の特定精度の向上を期すことができる。
【００８７】
さらに、本実施形態では、微粒子に含まれる成分に対して選択的に形状を測定できるという利点もある。すなわち、大気中に存在しかつ白熱光を放出する成分は現実的には煤のみであるため、多成分が混合したサンプルにおいても、煤に対して選択的に形状を測定することができる。
【００８８】
（散乱断面積の算出）
散乱断面積の算出は、前記したとおり、既存の手法を利用可能であるが、以下において概略を述べる。微分散乱断面積dCsca/dΩと散乱信号強度SSCの関係は
【００８９】
【００９０】
で表される。[ ]内の添字はいずれか一方という意味である。[1,2]はいずれかの方位を示し，[θ,φ]はいずれかの偏光成分を示す。
【００９１】
式（１０）に示すように、散乱信号強度は微分散乱断面積に比例する。比例定数は校正実験（キャリブレーション）で決定できる。キャリブレーションには、微分散乱断面積が既知のポリスチレンラテックス粒子を用いることができる。
【００９２】
（１０）式の左辺における微分断面積のθ、φ偏光成分は、x方向に偏光している入射光については、式（４）に示す分極率テンソルの成分を用いて、
【００９３】
【００９４】
と表すことができる。
【００９５】
ただし
である。
【００９６】
ここでのθ及びφも、前記と同様に、散乱光検出部５及び６で取得したＳ方向成分及びＰ方向成分に対応するので、検出したＳ偏光及びＰ偏光の値から、各偏光成分についての散乱断面積を算出することができる。
【００９７】
本実施形態の装置は、例えば以下の用途に利用可能である。
・大気環境中の微粒子の物理特性分析
・自動車等の排気ガスから放出される微粒子の物理特性分析
・炎や高温での反応で発生する微粒子の物理特性分析
・宇宙空間に浮遊する微粒子の物理特性分析
【００９８】
なお、本発明は、前記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加え得るものである。
【符号の説明】
【００９９】
１ 光通路
２ 導入部
３ 第１白熱光検出部
３１ 第１ロングパスフィルタ
３２ 第１広帯域偏光ビームスプリッタ
３３ 白熱光用の第１Ｓ偏光検出部
３４ 白熱光用の第１Ｐ偏光検出部
４ 第２白熱光検出部
４１ 第２ロングパスフィルタ
４２ 第２広帯域偏光ビームスプリッタ
４３ 白熱光用の第２Ｓ偏光検出部
４４ 白熱光用の第２Ｐ偏光検出部
５ 第１散乱光検出部
５１ 第１バンドパスフィルタ
５２ 第１狭帯域偏光ビームスプリッタ
５３ 散乱光用の第１Ｓ偏光検出部
５４ 散乱光用の第１Ｐ偏光検出部
６ 第２散乱光検出部
６１ 第２バンドパスフィルタ
６２ 第２狭帯域偏光ビームスプリッタ
６３ 散乱光用の第２Ｓ偏光検出部
６４ 散乱光用の第２Ｐ偏光検出部
７ 解析部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光通路と、導入部と、第１白熱光検出部と、第２白熱光検出部と、解析部とを備えており、
前記光通路は、直線偏光の光を通過させる構成となっており、
前記導入部は、前記光通路を通過する前記光に、測定対象であるエアロゾルを含む気体を導入する構成となっており、
前記第１白熱光検出部は、前記光が前記エアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第１の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっており、
前記第２白熱光検出部は、前記光が前記エアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第２の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっており、
前記解析部は、前記第１白熱光検出部で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、前記第２白熱光検出部で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、前記エアロゾルについての吸収断面積を算出する処理を行う構成となっている
ことを特徴とする微粒子形状分析装置。
【請求項２】
前記解析部で算出される吸収断面積は、前記Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光に対応した成分をそれぞれ含んでいる
請求項１に記載の微粒子形状分析装置。
【請求項３】
前記第１白熱光検出部は、Ｓ偏光を検出する第１Ｓ偏光検出部と、Ｐ偏光を検出する第１Ｐ偏光検出部とを備えており、
前記第２白熱光検出部は、Ｓ偏光を検出する第２Ｓ偏光検出部と、Ｐ偏光を検出する第２Ｐ偏光検出部とを備えている
請求項１又は２に記載の微粒子形状分析装置。
【請求項４】
前記第１の方向と前記第２の方向とは直交している
請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子形状分析装置。
【請求項１】
光通路と、導入部と、第１白熱光検出部と、第２白熱光検出部と、解析部とを備えており、
前記光通路は、直線偏光の光を通過させる構成となっており、
前記導入部は、前記光通路を通過する前記光に、測定対象であるエアロゾルを含む気体を導入する構成となっており、
前記第１白熱光検出部は、前記光が前記エアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第１の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっており、
前記第２白熱光検出部は、前記光が前記エアロゾルに照射されたことによって生じる白熱光のうち、第２の方向に進む光のＳ偏光とＰ偏光とをそれぞれ測定する構成となっており、
前記解析部は、前記第１白熱光検出部で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値と、前記第２白熱光検出部で検出したＳ偏光及びＰ偏光の検出値とを用いて、前記エアロゾルについての吸収断面積を算出する処理を行う構成となっている
ことを特徴とする微粒子形状分析装置。
【請求項２】
前記解析部で算出される吸収断面積は、前記Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光に対応した成分をそれぞれ含んでいる
請求項１に記載の微粒子形状分析装置。
【請求項３】
前記第１白熱光検出部は、Ｓ偏光を検出する第１Ｓ偏光検出部と、Ｐ偏光を検出する第１Ｐ偏光検出部とを備えており、
前記第２白熱光検出部は、Ｓ偏光を検出する第２Ｓ偏光検出部と、Ｐ偏光を検出する第２Ｐ偏光検出部とを備えている
請求項１又は２に記載の微粒子形状分析装置。
【請求項４】
前記第１の方向と前記第２の方向とは直交している
請求項１〜３のいずれか１項に記載の微粒子形状分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−８８１７８（Ｐ２０１２−８８１７８Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３５１２０（Ｐ２０１０−２３５１２０）
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構、開発課題「実時間型エアロゾル多成分複合分析計の開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２１年度、独立行政法人科学技術振興機構、開発課題「実時間型エアロゾル多成分複合分析計の開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受けるもの）
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
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