JP2000055800A

JP2000055800A - レ―ザ―誘起白熱光における絶対光度測定

Info

Publication number: JP2000055800A
Application number: JP11141355A
Authority: JP
Inventors: David R Snelling; アールスネリングデイビット; J Smallwood Gregory; ジェイスモールウッドグレゴリー; L Gulder Omer; エルギュルダーオメール
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2000-02-25
Anticipated expiration: 2019-05-21
Also published as: EP0959329A3; JP4563525B2; CA2272255C; EP0959329A2; CA2272758C; CA2272758A1; CA2272255A1; US6181419B1; US6154277A

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）の絶対光度測
定で粒子容積分率を決定する。【解決手段】微粒子加熱の数値的モデル又は微粒子温
度の実験的観察からの粒子温度の知識を用いる。既知の
粒子温度を用い、粒子容積分率を計算する。これは既知
の粒子容積分率や粒子濃度で微粒子のソースを較正する
必要を回避する。検出システムの感度は、既知の放射輝
度の拡張ソースを較正して決定して測定されたＬＩＩ信
号を解明するのに用いる。モデル化プロセスは、蒸発、
媒体への熱移動、粒子加熱等のパラメータを含む粒子と
周囲ガスの熱／エネルギー移動を記述する微分方程式の
解法を含む。その解法は、粒子の温度と直径値を与え
る。これらの値はプランクの式で放射値に変換される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー誘起白熱
光（ＬＩＩ）における絶対光度測定法、およびその装置
に関し、より詳細には微粒子体の容積分率の決定のため
のＬＩＩ中の絶対光度測定に関する。

【０００２】

【発明の技術背景】環境における煤粒子のような微粒子
体の存在は、微粒子濃縮の決定方法、およびそのデバイ
スの開発に大きな関心を引起した。例えば、エンジン、
動力発生機関、焼却炉、あるいは炉からの煤の放出は、
有用なエネルギーの損失を表し、更には、重大な環境汚
染、および健康への危険である。しかしながら、火炎中
の煤の存在は、また前向きな効果も持つ。例えば、燃焼
プロセスからのエネルギーの移動は、煤からの放射熱移
動によって大いに促進される。このように、煤の形成を
理解し、および煤の放出、あるいは形成に対する制御戦
略を発展させるために、煤濃縮の測定が必要である。レ
ーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）は、ＬＩＩ信号が微粒子容
積の割合に比例するので、微粒子の測定用の良い診断ツ
ールである。

【０００３】プランクの法則により、総ての物体は電磁
放射を放出している。この放射は、９００Ｋ以下の温度
では助力のない眼に対しては見えない。しなしながら、
もし、物体が３０００Ｋを超える温度に加熱されれば、
総ての可視波長の放出光度が物体を白熱して見せるに十
分になる、即ち白熱光が生じる。電磁放射の強度は物体
の温度と共に上昇し、放出のピーク波長は短波長に向か
ってシフトする。

【０００４】レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）において、
ガス吸蔵微粒子体の容積、例えば煤は、パルス状高強度
レーザー光源にさらされる。微粒子体や粒子はレーザー
光エネルギーを吸収し、周囲の媒体よりも遥か上の温度
に加熱される。例えば、煤の場合には、約４０００−４
５００Ｋのこれらの上昇した温度において、粒子は光ス
ペクトルの可視および赤外領域近傍の全領域に亘って強
く白熱する。最大粒子温度は、粒子の蒸発が卓越熱損失
メカニズムになる点によって制御される。それ以降のレ
ーザー光エネルギーの増加は、粒子温度の増加よりもむ
しろ蒸発率の増加に帰着する傾向がある。

【０００５】プランクの放射法則によれば、これらの上
昇した温度における放射的放出は強度（光度）が非常に
増加し、非レーザー加熱粒子および火炎ガスと比較し、
青光波長にシフトする。このようにして、ＬＩＩ白熱光
信号は容易に自然の火炎の放出から分離される。その大
きな動的範囲と同様に、急速な時間スケールおよび良好
な空間的分解能により、ＬＩＩは乱流中の粒子容積分率
を測定するための光学的診断として、即ち時間変化、燃
焼および実用的なデバイスとして良く適している。この
技術は、先の方法では提供されない、高度の時間的およ
び空間的分解能を提供する。

【０００６】今日、リアルタイム風媒微粒子濃縮測定、
および乱流燃焼環境における煤測定の必要性がある。更
に、空間の分析測定が必要である。

【０００７】乱流火炎中の微粒子体を測定するために、
以下の要求が満たされなければならない。即ち、良好な
空間的分解能、良好な時間的分解能、火炎放射に対する
識別、および大きな動的範囲である。乱流火炎は、ガソ
リンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービンエン
ジン、炉、およびボイラのような最も実用的な燃焼器に
見られ、放出粒子の制御は、健康への危険性を低減する
ために必要である。

【０００８】ディーゼル微粒子を測定する現在の方法
は、ＢｏｓｃｈＳｍｏｋｅ数と直接質量サンプリング
である。ＢｏｓｃｈＳｍｏｋｅ数の方法において、微
粒子は排出流の一部からフィルタ紙の上に集められ、そ
して収集サンプルを通した光伝導が測定される。これ
は、粒子質量流を決定するために較正チャートと比較さ
れる。この方法は、乏しい、時間および空間的な分解能
を持つ。直接質量サンプリング方法はＥＰＡの公式方法
であり、フィルタ上の煤の質量からフィルタの質量を減
じた差から煤の質量を測定する。この方法はしかしなが
ら、特に低放出車両に対して限定された精度を持つ。両
方法共、粒子放出のソースが低放出の時、精度上の損失
を受け、こうして低放出燃焼器に対しては十分に長い試
験検査を必要とする。

【０００９】ＬＩＩは、ＬＩＩ信号が広い動的範囲に亘
って微粒子容積分率に比例するので、微粒子測定に対す
る要求を満足する。しかしながら、ＬＩＩは微粒子濃縮
の相対測定を提供し、微粒子濃縮の定量化に対して較正
を必要とする。現在、絶対的な微粒子濃縮に対する較正
技術は、従来の方法を通じて決定される既知の粒子容積
分率を持つシステムに対して、ＬＩＩ信号の自然状態で
の比較によって為される。この経験的較正手順を用い
て、ＬＩＩは定常状態および時間変動拡散火炎、予混合
火炎、エンジン内部、およびエンジン排気流中の粒子容
積分率を測定するために用いられる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ＬＩＩにおける絶対光
度測定を実施し、既知の濃度と微粒子のソースにおいて
の較正の必要性を避けることが、本発明の目的である。
ＬＩＩでの絶対光度測定を用いて粒子容積分率を決定す
ることが、本発明の次の目的である。これは、微粒子加
熱の数値的モデル、あるいは微粒子温度の実験的観察の
何れかからの粒子温度の知識を必要とする。

【００１１】微粒子濃度を測定するために較正の必要の
ない、即ち既知の濃度および粒子タイプの微粒子のソー
スを必要としない、方法および装置を提供することが本
発明の目的である。

【００１２】更に、絶対光度測定の開発は、携帯用ＬＩ
Ｉ測定器を提供する基礎を予期している。これは、研究
室におけるエンジン試験セル、放出準拠性測定、および
道路脇チェックにおける排気微粒子測定の応用、炉およ
びボイラ内の堆積微粒子測定の応用、風媒微粒子モニタ
用、および既知の濃度との微粒子のソースの較正が実施
できない場合のオンラインプロセスモニタ用に、特に有
用である。

【００１３】

【発明の概要】本発明は絶対光度測定を用いるレーザー
誘起白熱光（ＬＩＩ）により、粒子容積分率の決定の方
法およびその装置を提供する。これは、微粒子加熱の数
値的モデルと微粒子温度の実験的観察の何れかからの粒
子温度の知識を必要とする。更に、既知の粒子温度を使
用して、粒子容積分率が計算される。これは、既知の粒
子容積分率、あるいは粒子濃度で微粒子のソースを較正
する要求を回避する。

【００１４】検出システムの感度は、既知放射輝度の拡
張ソースから較正され、次いでこの感度は測定されたＬ
ＩＩ信号を解明するために用いられる。これは、粒子容
積分率や粒子濃度測定の方法および装置の較正非依存に
帰着する。モデル化プロセスは、蒸発、媒体への熱移
動、粒子加熱等を記述するパラメータを含む、粒子およ
び周囲ガスの熱／エネルギー移動を記述する微分方程式
の解法を含む。この解法は、時間にわたっての粒子に対
する温度および直径値を与える。これらの値は、プラン
クの方程式を用いて放射値に変換される。このようにし
て、本発明による方法および装置は、較正目的のための
既知微粒子濃度のソースを必要としない。

【００１５】本発明によれば、下記のステップを有す
る、レーザー誘起白熱光信号からの粒子容積分率を決定
する方法が提供されている。すなわち、光検出器応答を
較正するステップと；パルス化レーザー光ビームで一個
以上の粒子を内蔵したガスの容積を照射し、前記パルス
化レーザー光ビームで前記一個以上の粒子の白熱光を生
じさせるステップと；レーザー光パルス後の実質的に不
変の光強度の期間内のプロンプト信号、レーザー光パル
ス後の時間期間に亘って時間積分された信号、および時
間依存信号の内の一つである、白熱光信号における白熱
光強度の信号を光検出器で測定するステップと；粒子放
射を計算するステップと；白熱光強度と絶対光強度（絶
対光度）の信号から粒子容積分率を計算するステップ
と；を有することを特徴とするレーザー誘起白熱光信号
から粒子容積分率を決定する方法。

【００１６】本発明によれば、下記のステップを有して
ＬＩＩ信号から粒子容積分率を決定する較正から独立し
て粒子容積分率を決定する方法が提供されている。すな
わち、そのステップは、（ａ）ＬＩＩ信号を得る前に、
光検出システムを較正するために既知の発光温度をもっ
た既知の放射輝度の拡張ソースを提供し、拡張ソースを
ＬＩＩ信号発生領域に配置するステップと；（ｂ）光強度信号は光子の数であり、既知の放射輝度の
拡張ソースからの光強度信号を検出システムで測定する
ステップと；（ｃ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号と既知の
放射輝度の拡張ソースの既知の発光温度からソース温度
を計算するステップと；（ｄ）温度と波長の関数として既知の放射輝度の拡張ソ
ースの放射率からソース放射輝度を予め定めた波長のも
とで計算するステップと；（ｅ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号とステッ
プ（ｄ）のソース放射輝度から光検出システムを較正す
る較正係数を決定するステップと；（ｆ）較正係数を使用して、観測されたＬＩＩ信号から
粒子容積分率を決定するステップである。

【００１７】本発明によれば、レーザー誘起白熱光信号
から粒子容積分率を決定する下記構成の装置が提供され
ている。すなわち、測定容積内にパルス化レーザー光ビ
ームを発生して、測定容積内に一個以上の粒子のレーザ
ー誘起白熱光信号を生じさせるレーザーと；一個以上の
粒子のレーザー誘起白熱光信号を検出する較正された光
検出器と；レーザー誘起白熱光信号と粒子特性、ガス特
性、レーザーおよびレーザー光ビームジオメトリ特性を
含む数学的モデルとを用いて、粒子容積分率を計算する
プロセッサーと；を有する。

【００１８】有利なことに、本発明による方法および装
置は、既知の粒子容積分率のソースを使用して、ＬＩＩ
測定における較正を行う必要性を回避する。これは、多
くの場所で容易に使用できる携帯用装置を提供する基礎
を創造する。

【００１９】更なる利点が、当該技術に習熟した人々に
は、例示用のみの以下の図面を参照しながら、好ましい
実施形態例の詳細な記述から理解されるであろう。

【００２０】

【発明の実施の形態】レーザー誘起白熱光（ＬＩＩ）
は、ガスおよび燃焼火炎（たとえそれが乱流火炎である
としても）中の、粒子容積分率と粒子の大きさを測定す
るために光学的診断として用いられる。本発明による方
法および装置は、煤粒子に対して最適化されているが、
アルミナ、シリカ、チタニア、および多くの金属および
金属酸化物のような、測定可能な白熱光を作り出すため
に十分に高い蒸発温度を持ってレーザー光エネルギーを
吸収できる他の耐熱性の粒子にも作動する。

【００２１】ＬＩＩは、レーザー光ビームが、ガス中の
これらの微粒子体に出会った時、生じる。微粒子は、レ
ーザー光エネルギーを吸収し、白熱光温度まで加熱さ
れ、煤の場合、これは４０００Ｋから４５００Ｋであ
る。加熱に続く放射は検出され、記録され、そして相対
微粒子容積分率を決定するのに用いられる。更に、長期
冷却は粒子の直径に依存しているので、長期時定数を採
用することにより、あるいは絶対光度測定から、粒子の
大きさは決定される。最高粒子温度は、粒子蒸発が卓越
熱損失メカニズムになる点によって制御される。レーザ
ー光エネルギーの更なる増加は、粒子温度の増加よりも
むしろ粒子の蒸発の増加に帰着する傾向となる。短期間
であって通常のガス温度での粒子放射に比較して青波長
にシフトして生じる放射は、容易に検出できる。ＬＩＩ
は一般的に１０ｎｓの時間的分解能を持ち、ガス中の点
測定を行うために用いられる。

【００２２】図１は、本発明による装置の基礎的な実施
形態例を示す。蒸発温度に到達するために、煤に対して
例えば０．２Ｊ／ｃｍ^２あるいはそれ以上の十分なエネ
ルギー密度でレーザー光ビーム３を提供できるパルス化
レーザー２は、その中で測定が望まれている媒体を通過
する。本発明による他の可能なエネルギー源は、コンパ
クトなＹＡＧレーザー、ダイオードレーザー、高繰返し
率レーザー、あるいは他のパルス化レーザーである。

【００２３】レーザービーム３に対して如何なる任意の
角度（θ）９に位置する光検出器４は、レーザー光ビー
ムと媒体中に含まれている粒子間の相互作用によって作
り出される放射を検出する。代替的には、通例の、ある
いはコンパクト光電子倍増管、ＣＣＤカメラ、強化型Ｃ
ＣＤ、アバランシェフォトダイオード検出器（ＡＰ
Ｄ）、あるいはガリウム砒素（ＧａＡｓ）検出器のよう
な他の検出器が、本発明の範囲から逸脱せずに用いられ
る。測定容積は、光検出器の視野とレーザー光ビームの
経路によって決定される。

【００２４】本発明によれば、測定容積は、点測定、レ
ーザー光ビームがそれに沿って進む経路を測定する視線
測定、レーザー光シートの小さな部分ではなく全平面を
サンプルする全平面測定、一時に総ての粒子を照射する
巨大レーザー光ビームを用いる容積測定、あるいはＣＣ
Ｄカメラを用いて単一レーザー光パルス内の空間分布を
測定する撮像測定のような複数の測定から選択される。

【００２５】測定容積１は更に、レーザービーム３に対
する焦点レンズ（図示せず）、光検出器４の収集レンズ
の使用、あるいは収集アーム８の開口部５の使用によっ
て随意的に定められる。光検出器４からの信号は、コン
ピュータ７におけるような次の処理のための過渡デジタ
イザ６によって、あるいはゲート型積分器（図示せず）
によって記録される。

【００２６】本発明による装置のより詳細な実施形態例
が、図２に示してある。レーザー１２は、半波長板１４
および偏光器１６を通してビーム膨張レンズシステム１
８にパルス化レーザー光ビーム１０を導く。レーザー光
ビーム１０は、次いで鏡１９まで通過し、そこで反射さ
れ、レーザー光ビーム１０をアイリス２２に向けて下方
に導く焦点レンズ２０を通過し、アイリスを通してレー
ザー光ビーム１０は測定位置２４を通るレーザー光シー
トとして出現する。

【００２７】レーザー光ビームに垂直で（空間的最大分
解能に対して）測定位置２４に向けられた収集レンズ２
６は、レーザー光パルスによって発生された白熱光放射
を収集し、光ファイバ入力２８に焦点を結ぶ。測定容積
は、レーザー光シートの幅とレーザー光シートでのファ
イバ先端の像によって決定される。ファイバ２９によっ
て導かれた信号は、プロンプト信号を検出するためにゲ
ート型積分器に接続された光電子倍増管である第一検出
器３２とプロンプト白熱光信号と同時に積分白熱光信号
を収集するために電荷結合増幅器に接続された光電子倍
増管である第二検出器３４間のスプリッタ３０を通して
分割される。

【００２８】過渡デジタイザ３６は、測定されたアナロ
グ信号をデジタル信号に変換するものである。代替的に
は、白熱光信号は一つの検出器に送られ、次にデジタル
化される。プロンプトおよび積分された量は、デジタル
化された信号から数値的に決定される。最もシンプルな
実施形態例では、装置は、プロンプト白熱光信号を測定
するためにゲート型積分器に接続されるか、あるいは完
全なＬＩＩ光パルスを測定するために過渡デジタイザに
接続される単一の検出器により構成できる。

【００２９】好ましいレーザー１２は、その広範囲な利
用性、その使用の容易性、およびその短期間のＱ−切り
替えパルスの故に、コンテニウムサークライト（Ｃｏ
ｎｔｉｎｕｕｍＳｕｒｃｌｉｔｅ）１のようなＮｄ：
ＹＡＧレーザーである。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは、１０
６４ｎｍのその基本的な波長で動作する。レーザー光ビ
ームの質は、近傍と遠方のフィールドにガウスプロファ
イルを作り出すレーザー共振器中に、適当な大きさの開
口部を挿入することにより最適化される。この修正は、
利用し得る最大光エネルギーを低減する。

【００３０】更に、レーザー光ビーム１０の減衰は、測
定位置に送られるエネルギーを制御する垂直偏光器１６
と組み合わせて、偏光面を回転する半波長板１４を用い
ることにより制御される。ポケットセル、あるいはＫｅ
ｒｒセルのような他の手段は、レーザー光ビームを希望
のレーザー光強度に自動的に減衰するために用いられ
る。勿論、ダイオードレーザー、高繰返し率レーザー、
あるいは他のパルス化レーザーのような他のレーザー
も、それらが光波長、ビームジオメトリ、および励起容
積における微粒子組成が与えられて測定可能な白熱光を
作り出すために十分な光エネルギーを放出するならば、
これらも使用できる。

【００３１】短光パルス期間、即ち略２０ｎｓより小さ
いかあるいは等しい光パルス期間を持つレーザーは、レ
ーザー光パルスの間の粒子蒸発を最小にするために好ま
しい。煤に対しては、蒸発させる微粒子温度に上昇する
ために十分な光エネルギーは、０．２乃至０．８Ｊ／ｃ
ｍ^２である。

【００３２】ビーム膨張器１８、焦点レンズ２０、およ
びアイリス２２光学システムは、実質的にただ一個の平
面でのガウス適合プロファイルを持つ測定位置２４の容
積におけるレーザー光シートを創り出す。ビーム光強度
のプロファイルは、二つの直交平面において平坦であ
る。最大の正確さで、光ビーム強度プロファイルが測定
される。白熱光信号はレーザー光エネルギー強度プロフ
ァイルに高度に依存するので、測定容積について最小の
変化で良く規定された既知のレーザー光強度（単位面積
当りのレーザー光パワー、例えばワット／ｃｍ^２）を創
り出すことは、重要である。

【００３３】このモデルでは、ピーク光強度以外での粒
子に対するエネルギー値は、ガウス光強度プロファイル
とアライメントする光軸付近の粒子の均一な分布を用い
て計算される。ピーク値に位置していない粒子は、比例
的に少ない光エネルギーを受け、較正で決定されるよう
な、与えられた時間ステップで全白熱光信号を決定する
ために積算的に加えられる、異なる白熱光信号を作り出
す。好ましい実施形態例において、流束量や光エネルギ
ーのガウス光強度分布が用いられる一方、レーザー光シ
ート全体を通して一定の光強度を持つレーザー流束量の
「トップ−ハット」又は方形光強度プロファイルが有益
である。

【００３４】原理的に、強度の如何なる分布も、測定容
積を通じてその分布が測定される限り、用いることがで
きる。しかしながら、より均一な光強度プロファイル
は、微粒子温度が測定容積全体を通じてより均一である
ことを確実にする。このことは、数値的なモデル化の容
易さおよび正確さを増し、多波長微粒子測定から得られ
た平均的微粒子温度が測定容積中の粒子温度をより良く
表示することを確実にする。

【００３５】好都合なことに、信号ピックアップは、コ
ンパクトな多用途の装置を創り出す光ファイバアッセン
ブリにより作られる。ＬＩＩ白熱光信号は、ファイバの
開口数に整合する入力ファイバ先端２８に、レンズ２６
によって焦点が結ばれる。ＬＩＩ信号は次に、ビームが
視準される光ビームスプリッタ３０に運ばれる。

【００３６】次に光要素は、視準光ビームを二つ以上の
部分に分割し、その分割部分は、次いでその出力が光検
出器に終わる出力ファイバに焦点を結ぶ。光スプリッタ
は、入力光ビームを異なる波長帯域に分割するか、ある
いは分割された光強度を全波長が供される所へ提供す
る。随意的に、干渉フィルタ３８が、更に各光検出器へ
進む光波長範囲を選択するために、最終焦点レンズ前に
挿入される。

【００３７】光ファイバは、最早自由空間光アライメン
トに依存しない、よりコンパクトなアッセンブリを提供
して検出器への光信号のより良い分離を提供する。光フ
ァイバの使用は、光検出器の位置決めにより柔軟性を与
え、単一の入力ファイバは、全光検出器がガスの同一の
領域を視ることを確実にする。これは、レシーバレンズ
の後焦点面の共通の開口部を持つことによって成しとげ
られる。

【００３８】図３は、通常の光学機械を使用する本発明
による装置の他の実施形態例の略式図である。図３に見
られるように、ビームスプリッタ３０で分割された後、
光信号は、温度検出用に狭い単色波長に近い領域を選択
するために光干渉フィルタ３８を通過する。

【００３９】図３は、既知の制御火炎特性を持つバーナ
ー５０を用いるベンチスケールモデルを図示する。白熱
光信号は、選択された間隔を測定するために設定された
ゲート幅を持つゲート型積分器４０によってそれぞれ制
御される光電子倍増管３２，３４によって検出される。
プロンプト白熱光信号検出用の第一検出器３２は、その
ゲート幅が２５ｎｓに設定されているゲート型積分器４
０に直接接続されている。

【００４０】光検出器３２，３４は、コンパクト光電子
倍増管、ＣＣＤカメラ、あるいはアバランシェフォトダ
イオード（ＡＰＤ）、あるいはガリウム砒素（ＧａＡ
ｓ）検出器のような他の光検出器でも良い。プロンプト
白熱光信号を検出する第一光検出器３２は、２５ｎｓに
設定されたゲート幅を持つゲート型積分器４０に直接接
続されている。

【００４１】ＬＩＩ信号期間、即ち約１０００ｎｓ間に
収集された全電荷を測定する積分された信号を検出する
光電子倍増管３４は、電荷結合増幅器４２に接続されて
いる。代替的には、ＬＩＩ白熱光信号を時間関数として
記録し、それによってプロンプトおよび積分された信号
を、記録された信号から引き出す単一の光検出器が用い
られる。電荷結合増幅器に接続されたゲート型積分器４
０は、単一のサンプルによって容易に置き換えられ、時
間積分されたレーザー光パルスを測定するように回路を
保つ。

【００４２】白熱光の収集は、干渉フィルタ３８を用い
て二つ以上の分離した波長で為される。一般的に２０乃
至４０ｎｍの狭波長領域が、本質的に二つの単色信号を
得るためにフィルタによって選択される。上昇温度によ
って光強度に変化を示す第一波長が、選択される。この
ような高温において、波長における最大のシフトはＵＶ
範囲に近い波長で認識される。第二波長で検出される光
強度は、白熱光強度／時間プロファイル中の相対的変化
が、温度／時間の測定値を与えるように測定される。二
つの光波長の信号の比は、粒子温度に関係する。

【００４３】この装置は、それには限らないが大きさが
約１０−１００ｎｍの粒子、および０．０１乃至１０ｐ
ｐｍの範囲の濃度を測定するのに有効である。この方法
は、測定容積を増すことにより、あるいは測定における
信号対雑音比を増すように多くのレーザー光パルスによ
って作り出されたＬＩＩ光信号を平均化することによ
り、低濃度にも容易に拡張できる。

【００４４】図８は、プロンプト白熱光信号を測定する
ためにゲート型積分器３７に接続された、単一の光検出
器３５を持つ、図２の実施形態例に同類の本発明の別の
実施形態例を示す。単一の狭波長帯域が収集される。粒
子温度は、数学的モデルから決定される。代替的には、
単一の光検出器３５は、完全な白熱光信号を測定するた
めに過渡ディジタイザ３７に接続される。有利なこと
に、絶対光強度較正を持つこの経済的なシステムは、コ
ンパクトで実用的配置での粒子容積分率測定を提供す
る。

【００４５】本発明による方法は、実質的に瞬時の光エ
ネルギー源（約１０ｎｓ期間）を与えるために、レーザ
ー１２からの焦点を結んだパルス状光ビームを、粒子２
４を含む容積に導く。数ｍＪのエネルギーが、煤の場合
には約４５００Ｋである蒸発温度に粒子を急速に加熱す
るのに十分である。この温度で粒子は、火炎の周囲温度
に戻るように冷却しながら白熱光を放射し、周囲温度は
一般的に１５００−２０００Ｋで、ディーゼルエンジン
が排出するような他の燃焼システムではそれ以下であ
る。

【００４６】白熱光信号は収集され、一対の検出器３
２，３４にイメージ化（結像化）される。第一検出器３
２は、実質的にピーク強度、あるいはそれに近い強度で
約２５ｎｓの期間プロンプト測定を提供する。第二検出
器３４は同時に、電荷結合増幅器４２および時間ゲート
型積分器４０を通して積分された信号を収集する。プロ
ンプトおよび積分された信号は、粒子が冷却し、熱が周
囲のガスに移動する全時間に亘って、ピーク光強度およ
び全光強度を提供する。図４は、二つの白熱光信号の減
衰曲線を図示する全時間に亘る光強度のグラフである。
プロンプトと積分された信号の比は、一次粒子の大きさ
の関数である。更に、プロンプト白熱光信号からの白熱
光は、広い動的範囲に亘って微粒子容積分率に比例して
いる。

【００４７】プロンプト白熱光信号は、信号中の小さな
変化を見る十分短い期間の実質的に瞬時の測定である。
信号幅は時間ゲート型積分器４０を通して制御される。
積分された信号は、信号の重要な部分が収集されるよう
に、ピーク強度で始まり、少なくとも光強度がピーク強
度の１０％以下になる時間まで至る期間を持つことが好
ましい。一般的な積分された信号のゲート幅は、０．３
乃至１．０ｍｓである。

【００４８】本質的ではないが、周囲の媒体への熱の移
動による粒子の冷却が少ないように、パルス期間は十分
短いことが望ましい。２０ｎｓと等しいか、それ以下の
短い光パルス期間を持つレーザーパルスは、粒子がより
短い時間の間最高温度に保持されるので、粒子蒸発の量
を最小にする。もし、プロンプト白熱光信号がピーク白
熱光、あるいはその近く、例えばパルス開始の１０−２
５ｎｓ以内で取られるならば、より良い精度が達成され
る。

【００４９】しかしながら、若干の冷却が生じた後の遅
れた測定が可能である。積分された白熱光信号は、プロ
ンプト白熱光信号と重複すべきである。単純なサンプ
ル、および保持回路も用いられるが、ゲート型積分器が
電荷結合検出器の出力を測定するために用いられる。電
荷結合増幅器は、ＬＩＩ光パルス（一般的に１μｓの期
間）中に生じる総てのＬＩＩ光信号を効果的に積分し、
レーザー光パルスの終期でこの光検出器の出力が記録さ
れる必要がある。

【００５０】モデル化プロセスは、粒子および周囲媒体
の熱／エネルギー移動を記述する微分方程式の解法を含
む。これは、蒸発、媒体への熱移転、および粒子加熱を
記述するようなパラメータが、モデル化プロセスに用い
られることを意味する。これらの微分方程式の解法は、
全時間に亘る粒子の温度および直径値を与える。これら
の値は、プランクの方程式、あるいは他の適当な理論を
用いて放射値に変換される。モデルは、粒子形態論のシ
ミュレーションを必要とする。粒子は、一般的に密集し
た一次粒子の集塊として理想化される。このような集塊
による放射の吸収は、もし一次粒子が極めて過密に一緒
に固められなければ、集塊内の一次粒子の数およびその
直径によって決定される。走査電子顕微鏡写真は、この
ような粒子集塊がフラクタルによって記述される独特の
パターンに存在することを示す。

【００５１】粒子容積分率ｆｖは、直径ｄ_ｐ、集塊当り
の一次粒子の平均数ｎ_ｐ、および測定容積中の集塊の数
密度Ｎによって特徴付けられる殆ど球状の一次粒子によ
って記述され、下式で与えられる。

【００５２】ｆ_Ｖ＝（π／６）Ｎｎ_ｐｄ^３ _ｐ

【００５３】本発明による測定技術の一つの実施は、そ
のピーク白熱光、および減衰率の調査から粒子の温度経
歴を描く数学的モデルに依存している。本発明によるモ
デルは、粒子の冷却減衰曲線を先行技術に見られるより
もより良く記述し、従って正確な粒子の大きさの判断を
与える。このモデルは、測定容積中のガウス光強度プロ
ファイルのピークには居ない粒子によって受け取られた
より少ない光エネルギーを補償する、レーザー強度のガ
ウスプロファイルとアライメントする光軸に沿う、粒子
の均一な分布を仮定している。

【００５４】この提供モデルの追加の特性は、温度依存
ガスおよび粒子の特性の使用、仮定した分布の代わりに
空間および時間のレーザー光強度の真のプロファイルの
モデル化、文献からの仮定した値の代わりに測定した粒
子特性の使用、および広帯域サンプル収集よりもむしろ
光波長依存フィルタ透過データの使用、等によって測定
の精度を大いに改善する。

【００５５】図５を参照し、本発明の実施形態例によっ
て用いられるモデル化プロセスのフローチャートが下記
する次のパラメータを含んで示されている。モデルは一
般に、測定可能な白熱光を作り出すのに十分高い蒸発温
度を持つレーザー光エネルギーを吸収する如何なる粒子
にも適用可能である。モデルは、粒子が集塊し、均一な
重複のない一次球状粒子に作り上げられることを考慮す
る。集塊容積は、集塊内部の一次粒子の数であるＮｐを
単一一次粒子の容積に乗じることにより見出される。第
一に、粒子特性、ガス特性およびレーザー光特性が、そ
れぞれブロック１０２，１０４および１０６に略述され
るように考慮される。

【００５６】粒子特性１０２は、粒子のタイプに依存
し、蒸発熱、密度、屈折率、蒸気圧、および分子量を含
む。ガス特性１０４は、温度、圧力、分子量、および熱
伝導性を含む。レーザー光特性１０６は、時間的プロフ
ァイル、測定容積におけるレーザー流束量空間プロファ
イル、および波長を含む。これらの特性は、ブロック１
０８に略述された時間関数としてサンプル粒子温度と直
径を記述する微分方程式を解くために組み入れられる。

【００５７】これらの方程式（等式）は、レーザー光加
熱、粒子蒸発、粒子白熱光放射、および周囲のガスへの
粒子の熱移動を含む。これらの方程式は、ブロック１１
０に示された時間関数としてのサンプル粒子直径と温度
を決定する。粒子特性１０２と共に、時間１１０の関数
としてのサンプル粒子直径および温度、並びに、時間お
よび波長１１２の関数としてのサンプル粒子光放射は、
任意の特定波長１１４でのプロンプトＬＩＩ信号、任意
の特定波長１１６での積分されたＬＩＩ信号、および任
意の波長１１８に対する信号減衰曲線対時間Ｉ（ｔ）を
提供するサンプル、に対して予告される。

【００５８】これらの三つの異なる方法から得られた測
定は、次いで粒子容積分率と粒子の大きさを決定するた
めに用いられる。用いられたモデルは、薄いエッジを横
切る固定した流束量を持つレーザー光シートに対して、
および実寿命状況を示すガウス光エネルギー分布を持つ
レーザーシートに対して、信号を予告する。

【００５９】代替的には、任意の光エネルギー分布が、
それらがモデル中に特徴付けられ、そして組み入れられ
るならば用いられる。

【００６０】ＬＩＩ中の絶対光強度の測定は、微粒子加
熱の数値的モデルから、あるいは微粒子温度の実験的測
定から決定される微粒子温度の知識を必要とする。微粒
子温度の実験的測定は、未知の粒子の場合には粒子容積
分率の決定により良く適している。粒子容積分率は、モ
デルから計算される単一の粒子放出からか、あるいは全
放射の実験的測定と関連して実験的に測定された粒子温
度から計算される単一の粒子放出の何れかから、決定さ
れる。

【００６１】この方法は、如何なる測定流束量分布にも
容易に拡張できる。

【００６２】図６はＬＩＩにより粒子容積分率を決定す
る方法を図示するフローチャートである。レーザー光お
よびビームジオメトリ１０６、ガス１０４、および粒子
１０２の基礎特性は、信号発生１２０、および数学的モ
デル１３０に貢献する。粒子は、モデルが非球形粒子か
らの放射を計算するように修正されるならば、球形であ
る必要はない。信号発生１２０は、プロンプト信号１２
２および積分された信号１２４を含む。

【００６３】代替的には、第三の信号１２６は、非常に
多くの時点で時間に亘る信号の減衰を測定する。プロン
プト、積分、あるいは時間依存信号測定１２２、１２
４，１２６の何れかは、較正ソース１４０と組み合わせ
ることによって、あるいは絶対光度１４２と組み合わせ
ることによって粒子容積分率１５０を決定するのに十分
である。プロンプト信号１２２は、それが仮定した粒子
の大きさに依存する度合いが遥かに少ないので、好まし
い。

【００６４】数学的モデル１３０は、入力特性１０２，
１０４，１０６に基づいた理論的粒子直径１３２を、同
様に入力特性に基づいた理論的温度１３４又は実験的温
度１３６と結合する。実験的温度１３６は、光強度減衰
曲線上の温度を示す白熱光強度特性を与える二つ以上の
異なる光波長１２８で、信号１２６をサンプリングする
ことにより決定される。温度情報１３４又は１３６は、
周囲のガス１３８に対する正味の粒子白熱光放射を予告
するために粒子直径と結合される。この値は、従来の較
正を避けるようにシステムの絶対光強度１４２の較正を
提供するために用いられる。

【００６５】図６に、絶対光度測定のために少なくとも
二つの異なる波長での、モデルからあるいはＬＩＩ信号
測定の何れかから得られる粒子温度が必要である、とい
うことが誇示されている。既知の放射率の粒子に対し
て、粒子温度は、異なる波長での二つの測定のＬＩＩ信
号強度の比に比例する。もし、モデルが粒子温度を予測
するために用いられるならば、粒子のタイプとその特性
に関する知識が図５のフローチャートに記述されるよう
に必要である。代替的には、従来の方法が既知の粒子容
積分率１４０のソースを較正するのに用いられる。この
較正された光放射は、プロンプト、積分、あるいは時間
依存信号１２２，１２４，１２６から容積分率測定１５
０を決定するために用いられる。

【００６６】図６に、粒子放射は、粒子容積分率を決定
するために絶対光度測定と共に用いられることが示され
ている。一般的に、ＬＩＩにおいて、容積分率、あるい
は粒子濃度を測定する前に較正を得ることが必要であ
る。これは、粒子分率の既知の曇状中のＬＩＩ信号を測
定することにより為される。ＬＩＩにおける絶対光度測
定は、それらが測定されたＬＩＩ信号を既知濃度に参照
する事前の較正方法を避けることにより、粒子容積分
率、および粒子の大きさの測定を緩和するので有利であ
る。このように、絶対光度測定により、粒子容積分率に
対して得られた測定は、絶対光度測定と粒子温度の知識
に基づいている。

【００６７】本発明の実施形態例によれば、ＬＩＩ光検
出器で既知の光パワーを発生する、フィラメントランプ
のような、較正され拡張された既知の光放射ソースが採
用される。この入射強度によって作り出されたＬＩＩ検
出器信号が記録される。これは、ＬＩＩ微粒子信号から
生じる光強度を決定するために用いられるＬＩＩ光検出
器の較正を提供する。従って、ＬＩＩにおける絶対光度
測定により、ランプからの信号は粒子容積分率の決定に
直接用いられる。

【００６８】現在、信号が光検出器によって得られる時
は何時でも、その信号を作り出した光強度が知られる。
光強度を決定するために、良いモデルを持つことと、レ
ーザー光励起のパターンを知ることが重要である。測定
容積内部の総てのサンプル粒子が均一に照射されること
が好ましい。これは、実寿命状況においては困難な仕事
である。光が焦点を結んだ時、均一なプロファイルを得
ることが困難であることは、光の特性に関係しており、
ガウス光強度プロファイルがここに記述される。

【００６９】光強度が総ての空間的方向で変化する時
は、状況は特に困難である。このようにして、レーザー
光のシートの小さな部分を使用することにより、均一な
強度変化が二方向で得られ、および第三の方向には視線
の軸に沿ってガウス光強度分布が得られる。絶対光度測
定に対して、粒子がどのように励起されるかを知るこ
と、および空間における放射の分布を決定することが重
要である。採用したモデルは、測定容積内部の粒子数の
温度を正しく明らかにしなければならない。例えば、低
エネルギー励起粒子は本発明によって採用されたモデル
によって説明され、以下に詳細に論じられる。

【００７０】このようにして、粒子濃度は、絶対ＬＩＩ
信号を測定することにより決定され、それを粒子の濃度
を計算するために、粒子当りの計算された理論的光放射
と比較する。その発光温度が知られている既知の放射輝
度の拡張ソース（パワー／ソース−ステラディアン−波
長間隔の単位面積）は、検出システムを較正するために
用いられる。好ましい実施形態例では、フィラメント線
条が既知の放射輝度の拡張ソースとして用いられる。フ
ィルタ特性、レンズ収集効率、開口部の大きさ、および
光システム倍率における不確実性に関係する誤差は、こ
の較正処理を用いて大いに取り除かれる。

【００７１】モデルの解法から粒子当りの理論的信号を
計算する代わりに、粒子表面温度が、二個以上のＬＩＩ
信号を同時に記録することにより測定され、実験的温度
を得るためにこれらの信号の比が用いられる。モデルか
ら得られた粒子温度よりもむしろ実験的粒子温度が、次
いで粒子当りの放射を計算するために用いられる。測定
された絶対ＬＩＩ信号光強度と計算された粒子放射強度
から、粒子の数が計算される。結果として、絶対光度測
定は粒子容積分率決定をより実際的にする。

【００７２】既知の放射輝度信号の拡張ソースの絶対光
強度較正のための光概要図が、図７に示されている。本
発明の実施形態例において、１．０４ｍｍの直径を持つ
開口部が、フィルタと光電子倍増管（ＰＭ）の前に置か
れる。この開口部は、放射ソース上のレンズでイメージ
化される。本発明の一実施形態例で、放射ソースはフィ
ラメントランプ線条であり、開口部は、較正されたフィ
ラメントランプ線条のフィラメント上にイメージ化され
るが、既知のスペクトル放射輝度の他の拡張ソース、例
えば黒体較正ソースは、この目的のために使用すること
ができる。

【００７３】更に、本発明の一実施形態例で、レンズは
１９０ｍｍの焦点距離、５４ｍｍの直径、およびＭ＝
０．５の倍率を持つ。レンズの倍率は、距離ｕ、即ち、
フィラメントとレンズ間の距離、および距離ｖ、即ち、
レンズと開口部間の距離、および等式Ｍ＝ｕ／ｖから決
定される。較正されたランプはそのフィラメントがＬＩ
Ｉ信号発生領域と一致するように置かれる。本発明の実
施形態例においてそのフィラメントが３ｘ８ｍｍである
ランプは、ランプ電流の関数として６５４ｎｍにおいて
既知の発光温度を持つ。

【００７４】本発明の別の実施形態例において、ＬＩＩ
放射は、光ファイバ先端に焦点を結ぶ。この場合、入力
開口はファイバコア直径である。

【００７５】較正放射ソース信号は、ランプのスペクト
ル放射輝度、即ち単位面積当り、単位立体角当り、およ
び単位波長間隔当りに放出される光パワーによって決定
され、数１（式（１））で与えられる。

【００７６】

【数１】

【００７７】ここで第一、および第二放射定数はＣ_１＝
３．７４１７７ｘ１０^−１６ｗｍ⁻ ^３、およびＣ_２＝
０．０１４３８８ｍＫであり、ε（λ、Ｔ）は波長およ
び温度の関数である。

【００７８】較正されたランプは、６５４ｎｍの波長に
おけるように特定の波長において既知の発光温度Ｔ_Ｂを
持つ。発光温度Ｔ_Ｂは、完全黒体が同じスペクトル放射
輝度を放出する温度として規定される。式（１）のスペ
クトル放射輝度用の指数項は、本発明によって考慮され
る温度および波長に対して>>１であるので、真のフィラ
メント温度（Ｔ_Ｓ）は、発光温度Ｔ_Ｂから数２（式
（２））に示されるように得られる。

【００７９】

【数２】

【００８０】最初は知られていないが、フィラメント温
度でのタングステンの放射率が要求される。第一の解法
として、発光温度Ｔ_Ｂでの放射率が予測フィラメント温
度を得るために用いられる。この予測温度におけるタン
グステンの放射率は、次いで新予測フィラメント温度を
得るために用いられる。波長に対するタングステン放射
率の変動は大きくないので、２あるいは３回の繰り返し
がケルビン度の数分の一以内で正しいＴ_Ｓの予測を作り
出す。

【００８１】タングステンのようなフィラメントの既知
の放射率を用いて、温度および波長の関数としてフィラ
メント放射輝度が数１（式（１））から如何なる希望の
波長においても得られる。検出器に入射するフィラメン
ト放射輝度パワーは、数３（式（３））で与えられる。

【００８２】

【数３】

【００８３】ここで、Ａ_ＡＰは開口部の面積であり、τ
（λ）は光波長の関数としてのフィルタ透過であり、ｕ
およびＭはそれぞれ放射ソースとレンズ間の距離、およ
びレンズの倍率として図７に規定されている。較正ラン
プから観察された信号Ｖ_ＣＡ _Ｌは、次のように検出シス
テム較正を提供する。

【００８４】η＝Ｐ_ＣＡＬ／Ｖ_ＣＡＬ

【００８５】理論的ＬＩＩ強度は、以下に説明するよう
に決定される。上に規定した較正係数を用いて、観察さ
れたＬＩＩ光電子倍増管信号は、検出された強度に変換
される。この観察信号は、次いでＬＩＩモデルで計算さ
れた信号と比較される。検出器上にイメージされた加熱
粒子の容積は、断面積Ｍ^２Ａ_ＡＰで、レーザー光シート
の厚みに等しい長さのシリンダにより規定される。狭い
光シート厚み上にイメージされた区域内の変動はいずれ
も小さく、通常無視される。レーザー流束量は、シリン
ダの端部を横切って実質的に一定であるが、シリンダ軸
に沿って、即ちレーザー光シートを通して、ガウス依存
性を持つ。もし、光シートに直交する寸法をｘ、レーザ
ービーム伝搬の方向をｚと規定すると、レーザー光シー
トの観察されたガウス行動によって、流束量は数４（式
（４））によって記述される。

【００８６】

【数４】

【００８７】ここで、ｑ_ＴＯＴはレーザー光パルスエネ
ルギーであり、ｗ_ｘおよびｗ_ｙはガウス１／ｅ半幅であ
る。本発明の実施形態例において、観察された実験的
０．２２ｍｍおよび１．８１ｍｍの１／ｅ^２半幅は、√
２で除されなければならない。ピーク流束量は次いで数
５（式（５））で記述される。

【００８８】

【数５】

【００８９】イメージされた（０．２７ｍｍ）シリンダ
の測定容積領域の半径は実質的にｗ _ｙよりもちいさいの
で、ｙおよびｚ方向の流束量の変動は無視される。イメ
ージされた領域の流束量は、次いで数６（式（６））で
与えられる。

【００９０】

【数６】

【００９１】４πステラジアンに放射された全ＬＩＩス
ペクトルパワー（ＰＳ_Ｐ）は、単一粒子に対して計算さ
れる。この全ＬＩＩスペクトルパワーは、単位波長当り
のパワーである。ＰＳ_Ｐは、レーザー流束量、波長、時
間、狭い範囲でガス温度の関数、レーザー光パルス期
間、の関数である。実験上の検出条件に対応する単一粒
子に対する理論的ＬＩＩパワー（Ｐ_Ｐ）は、次いで数７
（式（７））で記述される。

【００９２】

【数７】

【００９３】２５ｎｓの実験上の検出ゲートに対する対
応する計算エネルギーは、数８（式（８））で記述され
る。

【００９４】

【数８】

【００９５】ここでｔ_０は、ＬＩＩ信号が最大になるよ
うにゲート位置を設定する実験上の手順に対応して、時
間積分を最大化するように選択される。波長積分は、フ
ィルタ帯域に亘っており、Ａ_Ｌ／４πｕ^２はレンズによ
って収集された全放射の一部分である。検出器上にイメ
ージされる空間の領域に亘る積分ＰＳ_Ｐ（Ｆ）による実
験において、単一粒子から観察される、全粒子数密度ｎ
_ｐに対する理論的総パワー（ＰＴ_Ｐ）が、今や計算され
る。これは数９（式（９））で記述される。

【００９６】

【数９】

【００９７】この実施形態例において、一つの例しかガ
ウス流束量プロファイルに与えられていないが、実際に
は、流束量の如何なる既知の分布も使用することがで
き、式（９）のｘ（およびもし必要ならばｙおよびｚ）
に亘る積分が、要求される流束量Ｆ（Ｘ）（あるいはＦ
（ｘ、ｙ、ｚ））について行うことができる。

【００９８】数９（式（９））において、観察された容
積は、シート厚に等しい長さを持つ断面積Ｍ^２Ａ_ＡＰの
シリンダとして規定される。ここで、空間的積分が、流
束量の距離による変動を計算するために式（６）を用い
てレーザー光シートを横断して行われる。観察領域内の
粒子濃度の如何なる変動も無視される。

【００９９】理論的ＬＩＩ信号は、実験的ＬＩＩ信号と
比較される。実験的に観察されたＬＩＩ信号電圧、Ｖ
_ＥＸＰは、上に規定したようにシステム較正ηを用いて
パワーに変換され、即ちＰ_ＥＸＰ＝ηＶ_ＥＸＰ、次い
で理論的光強度に等しくされる。

【０１００】

【数１０】

【０１０１】他の量は測定されるか、あるいは理論から
得られるので、全粒子数密度ｎ_Ｐは数１０（式（１
０））から計算される。この式（１０）から、倍率
（Ｍ）、開口部の大きさ（Ａ_ＡＰ）、およびレンズの収
集立体角度（Ａ_Ｌ／ｕ^２）は数１０（式（１０））の両
辺で共通であり、こうしてそれらは相殺される、という
ことが明らかである。較正は、これらの量に対して仮定
された正確な値から独立している。フィルタ帯域に亘る
積分は、両辺で共通であり、おもに相殺される。

【０１０２】このようにして、フィラメント較正ランプ
線条のような放射ソースは、フィルタ特性、収集立体角
度、あるいは視野領域断面区域の如何なる正確な知識か
らも独立している、粒子放射との比較に用いられる既知
の放射輝度のソースを提供する。較正ランプ放射輝度、
およびＬＩＩ信号も波長の関数であるので、式（１０）
において、フィルタ帯域に亘る積分に用いられるフィル
タ透過曲線は、厳密には相殺しない。しかしながら、良
好な近似に向け、フィルタ透過曲線は、中心波長λ
_Ｃ、帯域通過△_ｆ、および透過τ_ＭＡＸ、を持つ
等価なフィルタで置き換えられる。ここで後者は、フィ
ルタの観察されたピーク透過である。等価的な帯域通過
は数１１（式（１１））で与えられる。

【０１０３】

【数１１】

【０１０４】積分は全フィルタ帯域に亘る。中心波長λ
_Ｃは、数１１（式（１１））の積分が全白熱光波長に
亘る全積分の１／２となる波長限界である。フィルタ透
過は、λ_Ｃ −△_ｆ／２からλ_Ｃ＋△_ｆ／２まで
である。数１０（式（１０））の積分はτ_Ｐ△_ｆ・Ｒ
（λ_Ｃ）で置き換えられ、ここでランプ放射輝度はフィ
ルタ帯域の中心で用いられる。式（３）の全積分、およ
び式（１０）の左辺への近似は、４０ｎｍの帯域幅、４
００ｎｍでの中心、および１６００Ｋのフィラメント温
度を持つフィルタに対して約１０％の誤差を持つ。

【０１０５】誤差は、ランプフィラメント温度、あるい
は粒子温度、あるいは中心波長が増加するに従い減少す
るので、これは較正で遭遇する可能性のある最大の誤差
である。ＬＩＩ信号の波長による変動は較正ランプのそ
れよりも少ないので、式（７）の積分、および式（１
０）の右辺の同様な置き換えに含まれる誤差は、より小
さい。一般的なレーザー加熱粒子温度において、誤差は
<１％である。ランプ較正に対して、積分の式（１１）
での置き換えに含まれる誤差に対する最終較正は、誤差
の数値的予測を用いて修正される。

【０１０６】理論的に得られた粒子白熱光強度を用い
て、一次粒子数密度を計算する単純化された較正手法が
今や記述された。式（１０）における倍率、立体角、お
よびフィルタ透過の相殺は、この等式のかなりの単純化
につながる。それはまた、倍率、立体角、およびフィル
タ透過の測定における小さな誤差は、それらが計算され
た理論的強度に影響を与えるのと同じように較正に影響
を与えるので、十分に相殺する、ということにおける実
験上の精度の重要な増加に至る。このようにして、単純
化された較正は、式（３）の代わりに、フィラメント中
心波長（Ｒ_Ｓ（λ _Ｃ））におけるフィラメント放射輝度
が用いられる。式（３）は今や式（３ｂ）となる。

【０１０７】Ｐ_ＣＡＬ＝Ｍ^２Ａ_ＡＰＡ_Ｌτ_ＰΔ_ｆＲ_Ｓ（λ_Ｃ）／ｕ^２・・・・・（３ｂ）

【０１０８】較正定数／係数ηは今や、η＝Ｒ
_Ｓ（λ_Ｃ）／Ｖ_ＣＡＬを用いて計算される。較正係数η
の単位は今や、Ｗ・ｃｍ^−２・ｓｒ^−１・Ｖ^−１・単位
波長間隔^−１、又はＶ^−１・ｃｍ^−３・ｓｒ^−１・Ｗで
ある。数７（式（７））は、今や式（７ｂ）となる。

【０１０９】Ｐ_Ｐ（Ｆ，ｔ）＝Ａ_Ｌτ_ＰΔ_ｆＰＳ_Ｐ（Ｆ，λ_Ｃ，ｔ）／（４πｕ^３）・・・・・・・・・・・・・・（７ｂ）およびこのようにして式（１０）は、数１２（式（１０
ｂ））となる。

【０１１０】

【数１２】

【０１１１】粒子数密度ｎ_ｐは、数１２（式（１０
ｂ））から計算される。粒子容積分率は次の式（１１）
で与えられる。

【０１１２】ｆ_Ｖ＝πｄ^３ _Ｐｎ_Ｐ／６・・・・・・・・・（１１）

【０１１３】Ｐ_ｐおよびこのようなＰＳ_ｐは、一次粒子
容積、即ちｄ_ｐ ^３に比例するので、粒子容積分率は数１
２（式（１０ｂ））および式（１１）で仮定されたｄ_ｐ
の正確な値から独立している。このようにして、ｄ_ｐお
よびｎ_ｐを別々にするというよりもむしろ、πｄ^３ _Ｐｎ
_Ｐ／６の積、即ち容積分率が決定される。次いでＬＩＩ
信号測定からのｄ_ｐの決定が、ｎ_ｐを得るために必要と
なる。

【０１１４】実験的に得られた粒子温度を用いて粒子容
積分率を計算する単純化された較正手順が、今や記述さ
れた。もし、独立した波長での二個以上の信号が記録さ
れれば、レーザー光シートを横切る平均粒子表面温度
が、検出感度に対して修正された観察された信号の比、
および既知の粒子光吸収断面を用いて計算される。直径
ｄ_ｐの単一の粒子によって放射されるパワーは、数１３
（式（１２））で与えられる。

【０１１５】

【数１３】

【０１１６】ここで合成屈折率ｍは、波長の関数であ
る。二つの波長でのパワーの比は、次いで数１４（式
（１３））で与えられる。

【０１１７】

【数１４】

【０１１８】二つの波長Ｖ_ＥＸＰ（λ_１）／Ｖ_ＥＸＰ
（λ_２）における観察された信号比は、数１５（式（１
４））に記述されるように較正係数を用いて相対パワー
（Ｐ _Ｅ）に変換される。

【０１１９】

【数１５】

【０１２０】この実験的に決定されたパワー比、および
Ｅ（ｍ）の既知の値を用いて、数１５（式（１４））は
Ｔに対して解かれる。この場合、粒子表面温度を決定す
るのに重要であるのは、ただ粒子吸収断面の光波長によ
る変動だけである。二つの白熱光波長におけるパワー比
測定から得られたこの温度は、ガウス光シートを通した
或る平均粒子表面温度を表している。数１２（式（１０
ｂ））の右辺側の積分は、数１６（式（１５））に記述
されるように近似される。

【０１２１】

【数１６】

【０１２２】ここで、Ｐ_Ｐを計算するモデルから得られ
るよりもむしろ、実験的粒子温度が用いられ、こうして
数１２（式（１０ｂ））は数１７（式（１０ｃ））とな
る。

【０１２３】

【数１７】

【０１２４】他の総ての量が知られているので、一次粒
子数密度ｎ_Ｐは今や数１７（式（１０ｃ））から計算さ
れる。平均温度が厳密に絶対放射輝度を再現していない
ので、数１７（式（１０ｃ））は近似値である。正しい
放射輝度パワーに比較されるこの平均近似値の直接数値
的シミュレーションは、それがパワーを〜２０％過小評
価している、ということを示す。数１７（式（１０
ｃ））の近似から得られた粒子数密度は〜２０％高くな
る。実用に当って、適当な修正を加えて、数値的シミュ
レーション結果を使用することは、この誤差を低減す
る。数値的シミュレーションはまた、「トップ−ハッ
ト」プロファイルにより近いレーザー流束量プロファイ
ル、即ちレーザー光シートを横切る一定の流束量が、遥
かに小さい誤差に帰着する、ということを示す。

【０１２５】下記は、上記の絶対光度測定において用い
られた用語の解説である。大文字Ａ面積（ｍ^２）ＡＰ開口部Ｃ_１第一放射定数（３．７４１７７４９・１０^−１６Ｗ・ｍ^２）Ｃ_２第二放射定数（０．０１４３８７６９ｍ・Ｋ）Ｅ（ｍ）屈折率依存関数Ｆ流束量（Ｊ・ｃｍ^−２）Ｍ倍率Ｐパワー（Ｗ）ＰＳスペクトルパワー（Ｗ・ｎｍ^−１）ＰＴ全パワー（Ｗ）Ｒスペクトル放射輝度（Ｗ・ｍ^−２・ｓｒ^−１・ｎｍ）Ｓ放射源（フィラメント）Ｔ温度（Ｋ）小文字ｃ光速（２．９９７９２４５８・１０^８ｍ・ｓ^−１）ｄ一次粒子直径（ｎｍ）ｆｖ容積分率（ｐｐｍ）ｈプランク定数（６．６２６０７５５・１０^−３４Ｊ・ｓ）ｋボルツマン定数（１．３８０６５８・１０^−２３Ｊ・Ｋ^−１）ｍ屈折率ｎ数密度（ｍ^−３）ｑエネルギー（Ｊ）ｔ時間（ｎｓ）ｕ対象物距離（ｍ）ｖ像距離（ｍ）ｗ幅（ｍ）ｘ，ｙ，ｚ直交座標系（ｍ）ギリシャ文字 △_ｆフィルタ帯域幅（ｎｍ） ε 放射率 λ 光の波長（ｎｍ） λｓ放射源の較正波長（ｎｍ） τ フィルタ透過 η 較正係数下付き文字ＡＰ開口部ＡＶ平均Ｂ発光ｃ中心ＣＡＬ較正ＥＸＰ実験値ｆフィルタＬレンズｍａｘ最大ｐ粒子Ｓ放射ソース（フィラメント）ＴＯＴ合計Ｖ容積

【０１２６】熱移動エネルギーバランス用の式は、数１
８（式（１６））で表される。

【０１２７】

【数１８】

【０１２８】数１８（式（１６））は、粒子が一次粒子
で作られた密集する球形の集塊であり、一次粒子がレイ
リー臨界にある、ということを仮定する吸収レーザー光
エネルギーの項を含む。式は更に、周囲のガスへの熱移
動、炭素の蒸発、周囲への正味の粒子放射、および最終
的に粒子加熱の項を含む。

【０１２９】上式の用語の解説は以下の通りである。Ｃ_ａ煤粒子の光吸収断面（ｍ^２）Ｃ_ｓ炭素の比熱ｄ_ｐ一次煤粒子直径Ｇジオメトリ依存熱移転係数Ｇ＝８ｆ／（α（γ＋１）） ΔＨ_ｖ炭素の蒸発熱ｋ_ａ周囲の空気の熱伝導性Ｍ_ｖ分子量炭素蒸気Ｍ炭素の質量ｑレーザー光強度Ｔ煤表面および蒸気圧Ｔ_０ガス温度 λ_ＭＦＰ平均自由行程λ_ＭＦＰ＝１／（２^０．５π（σ_ＡＢ）２）剛体球近において（ｍ） ρ_ｓ煤の密度（ｋｇ／ｍ^３）

【０１３０】本発明の上記実施形態例は、本発明の例示
として意図され、多くの数値的変更、変化、および適応
は特許請求の範囲に規定された本発明の範囲と意図から
逸脱せずに、本発明の特定の実施に供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の基本的な実施形態例の図で
ある。

【図２】本発明による装置のより詳細な実施形態例の略
式図である。

【図３】本発明による装置の更に詳細な実施形態例の略
式図である。

【図４】４０ｍｍ高さのエチレン／空気火炎における蒸
発域（>３００ｎｓ）の時定数変化の実側値と予測値を
含む典型的なＬＩＩ信号減衰曲線のグラフである。

【図５】数学的モデル化プロセスを図示するフローチャ
ートである。

【図６】ＬＩＩにより粒子容積分率の決定方法を図示す
るフローチャートである。

【図７】絶対強度較正のための光学的な略式図である。

【図８】単一光検出器を持つ、更に詳細な実施形態例の
略式図である。なお、各図で同様の数字は、同様要素を
示すのに用いられている。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年７月２１日（１９９９．７．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７９】

【数２】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者グレゴリージェイスモールウッドカナダオンタリオ州Ｋ１Ｓ１Ｊ７オリンズシルバーパインズクレセント 1991 (72)発明者オメールエルギュルダーカナダオンタリオ州Ｋ１Ｖ０Ｐ６オタワハケットストリート49

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光検出器応答を較正するステップと；パ
ルス化レーザー光ビームで一個以上の粒子を内蔵したガ
スの容積を照射し、前記パルス化レーザー光ビームで前
記一個以上の粒子の白熱光を生じさせるステップと；レ
ーザー光パルス後の実質的に不変の光強度の期間内のプ
ロンプト信号、レーザー光パルス後の時間期間に亘って
時間積分された信号、および時間依存信号の内の一つで
ある、白熱光信号における白熱光強度の信号を光検出器
で測定するステップと；粒子放射を計算するステップ
と；白熱光強度と絶対光強度の信号から粒子容積分率を
計算するステップと；を有することを特徴とするレーザ
ー誘起白熱光信号から粒子容積分率を決定する方法。
【請求項２】絶対光強度較正を提供するために光検出
器応答を較正するステップは、ガスの容積をパルス化レ
ーザー光ビームで照射するに先立って、光検出器を較正
するために既知の発光温度を持つ既知の放射輝度の拡張
ソースを提供し、拡張ソースがＬＩＩ信号発生領域に置
かれるステップと；光強度信号は光子の数であり、既知
の放射輝度の拡張ソースからの光強度信号を光検出器で
測定するステップと；既知の放射輝度の拡張ソースの温
度を、光強度信号と既知放射輝度の拡張ソースの既知の
発光温度から計算するステップと；既知の放射輝度の拡
張ソースの放射率からの放射輝度を、温度と波長の関数
として予め定められた波長のもとで計算するステップ
と；測定された光強度信号と計算されたフィラメント放
射輝度から検出器応答を較正する較正係数を決定するス
テップと；を有することを特徴とする請求項１記載の方
法。
【請求項３】粒子放射は粒子直径と粒子温度から計算
されることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】粒子直径は、粒子特性、ガス特性、レー
ザーおよびレーザー光ビームジオメトリ特性を含む数学
的モデルから得られることを特徴とする請求項３記載の
方法。
【請求項５】粒子温度は理論的温度と実験的温度の一
つから得られ、前記理論的温度は数学的モデルから得ら
れ、前記実験的温度は二つの異なる光波長において測定
された白熱光強度の信号から得られることを特徴とする
請求項４記載の方法。
【請求項６】実験的温度は二つの異なる光波長におい
て測定された白熱光強度を含む信号の比から計算される
ことを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】時間積分信号は全白熱光強度の主要部分
を有する期間に亘って検出されることを特徴とする請求
項６記載の方法。
【請求項８】時間積分信号は、実質的にピーク白熱光
強度の時間から白熱光強度がピーク白熱光強度の１０％
以下である時間までの期間に亘って検出されることを特
徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】プロンプト信号は、実質的にピーク白熱
光強度において検出されることを特徴とする請求項７記
載の方法。
【請求項１０】パルス化レーザー光ビームは、近傍の
フィールドと遠方のフィールドにおいて制御された空間
的プロファイルを持つように最適化されていることを特
徴とする請求項９記載の方法。
【請求項１１】パルス化レーザー光ビームは、信号発
生領域を通してレーザーシートを形成するように焦点が
結ばれることを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】既知の放射輝度の拡張ソースはフィラ
メントランプ線条であることを特徴とする請求項２記載
の方法。
【請求項１３】（ａ）ＬＩＩ信号を得る前に、光検出
システムを較正するために既知の発光温度をもった既知
の放射輝度の拡張ソースを提供し、拡張ソースをＬＩＩ
信号発生領域に配置するステップと；（ｂ）光強度信号は光子の数であり、既知の放射輝度の
拡張ソースからの光強度信号を検出システムで測定する
ステップと；（ｃ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号と既知の
放射輝度の拡張ソースの既知の発光温度からソース温度
を計算するステップと；（ｄ）温度と波長の関数として既知の放射輝度の拡張ソ
ースの放射率からソース放射輝度を予め定めた波長のも
とで計算するステップと；（ｅ）ステップ（ｂ）で測定された光強度信号とステッ
プ（ｄ）のソース放射輝度から光検出システムを較正す
る較正係数を決定するステップと；（ｆ）較正係数を使用して、観測されたＬＩＩ信号から
粒子容積分率を決定するステップと；を有することを特
徴とする、ＬＩＩ信号から粒子容積分率を較正に非依存
して決定する方法。
【請求項１４】観測されたＬＩＩ信号は、レーザービ
ーム光パルス後の実質的に不変の光強度の期間内のプロ
ンプト信号、レーザービーム光パルス後の時間の期間に
亘る時間積分信号、および時間依存信号のうちの一つで
あることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】粒子容積分率を決定するために数学的
モデルから粒子直径を決定するステップを更に含むこと
を特徴とする請求項１４記載の方法。
【請求項１６】数学的モデルは、レーザー光強度のガ
ウスプロファイルとアライメントする光軸に沿う一個以
上の粒子の均一な分布を仮定していることを特徴とする
請求項１５記載の方法。
【請求項１７】測定容積内にパルス化レーザー光ビー
ムを発生して、測定容積内に一個以上の粒子のレーザー
誘起白熱光信号を生じさせるレーザーと；一個以上の粒
子のレーザー誘起白熱光信号を検出する較正された光検
出器と；レーザー誘起白熱光信号と粒子特性、ガス特
性、レーザーおよびレーザー光ビームジオメトリ特性を
含む数学的モデルとを用いて、粒子容積分率を計算する
プロセッサーと；を有することを特徴とするレーザー誘
起白熱光信号から粒子容積分率を決定する装置。
【請求項１８】粒子容積分率を計算する数学的モデル
は粒子放射を含み、前記粒子放射は粒子直径と粒子温度
から計算され、前記粒子直径は数学的モデルから得ら
れ、前記粒子温度は理論的粒子温度と実験的粒子温度の
一つから得られ、前記理論的粒子温度は数学的モデルか
ら得られ、前記実験的粒子温度は二つの異なる波長にお
いて測定されたレーザー誘起白熱光信号から得られるも
のであることを特徴とする請求項１７記載の装置。
【請求項１９】レーザー誘起白熱光信号は、レーザー
パルス後の実質的に不変光強度の期間内のプロンプト信
号、レーザービーム光パルス後の時間の期間に亘る時間
積分信号、および時間依存信号の一つから選択されるこ
とを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】パルス化レーザー光ビームで測定容積
を照射するに先立って、較正された検出器の絶対光強度
較正を提供して検出器応答を較正するために、既知の発
光温度を持つ既知の放射輝度の拡張ソースをさらに含
み、既知の放射輝度の拡張ソースはレーザー誘起白熱光
信号発生領域に置かれていることを特徴とする請求項１
８記載の装置。
【請求項２１】既知の放射輝度の拡張されたソースは
フィラメントランプ線条であることを特徴とする請求項
２０記載の装置。
【請求項２２】実験的粒子温度を得るために少なくと
も二つの異なる波長でのレーザー誘起白熱光信号をフィ
ルタするために較正された検出器と関連する少なくとも
二個のフィルタを含むことを特徴とする請求項２０記載
の装置。
【請求項２３】レーザー誘起白熱光信号を較正された
検出器に導く収集光学装置を含み、測定容積は収集光学
装置とパルス化レーザー光ビームによって決定される収
集直径の交点を有することを特徴とする請求項２２記載
の装置。
【請求項２４】近傍のフィールドと遠方のフィールド
内に制御された空間的強度プロファイルを持つパルス化
レーザー光ビームが測定容積を通過するように最適化す
る光学的要素をさらに含むことを特徴とする請求項２３
記載の装置。