エアロゾル粒子径測定法は、一般的に、粒子の光との相互作用、流体中での慣性運動、電界への応答といった、粒子特有の動的・物理的特性を利用することに基づいています。本セクションでは、主要な測定技術のカテゴリーを批判的に評価し、その動作原理、測定メカニズム、そして固有の限界について詳述します。

3.1 光学的手法：光散乱

動作原理光学的測定法は、入射光線が粒子に当たると、光が予測可能なパターンで散乱するという原理に基づいています。ミー散乱理論によれば、この散乱光の強度と角度分布は、粒子の大きさ、形状、屈折率、および入射光の波長に依存します。光の波長よりも小さい粒子（レイリー散乱と呼ばれる領域）の場合、この関係は特に顕著で、散乱強度は粒子の直径の6乗に比例します。

測定メカニズム一般的な光学式粒子カウンターでは、エアロゾル流が高強度の光ビーム（多くの場合レーザー光）を通過する際に集束され、照射された「検出体積」が形成されます。単一の粒子がこの体積を通過すると、あらゆる方向に光を散乱させます。光電子増倍管などの検出器がビームに対して特定の角度で配置され、この散乱光を捕捉して電気パルスに変換します。このパルスの高さは散乱光の強度に比例するため、粒子の大きさと相関関係があります。

測定直径この方法は、等価光散乱直径を測定します。装置は、ポリスチレンラテックス（PSL）などの既知のサイズと屈折率を持つ標準球状粒子を使用して校正されます。未知の粒子の測定サイズは、同じ信号を生成するPSL球の直径として報告されます。

重要な考慮事項と制限事項光学的測定法の主な制限は、粒子組成への依存性です。粒子が散乱する光の量は、その屈折率に大きく影響されます。したがって、測定対象の粒子が、校正用エアロゾルと一致する既知の屈折率を持つ球形でない限り、測定された光学等価直径から実際の直径を評価することはできません。これは、混合組成または組成不明のエアロゾルを分析する際に、大きなサイズ測定誤差につながる可能性があります。

3.2 慣性法と重力法

このカテゴリーの技術は、粒子の慣性（速度変化に対する抵抗）または重力への応答を利用します。どちらの特性も粒子の質量とサイズに大きく依存しており、ガス流から粒子を物理的に分離することを可能にします。

3.2.1 インパクター法

作動原理　インパクターの作動原理は慣性衝突です。エアロゾル流はノズルを通して加速され、固体衝突面に向けて噴射されます。大きな粒子は慣性が大きいため、ガス流の急なカーブに沿って衝突面に到達することができません。一方、慣性が小さい小さな粒子はガス流に巻き込まれ、プレートの周囲を移動します。

測定メカニズム特定のサイズの粒子の捕集効率は、ストークス数（Stk）によって決まります。ストークス数（Stk）は、粒子の緩和時間（慣性の尺度）と衝突板周囲の流体の流れの特性時間の比を表す無次元パラメータです。各衝突器ステージには、特性捕集効率曲線があり、「カットオフサイズ」は、50%の効率で捕集される粒子サイズとして定義されます。サイズ分布を取得するために、直列に接続された複数のステージで構成されるカスケード衝突器が使用されます。各ステージではノズル寸法が小さくなり、エアロゾルジェットの速度が加速され、カットオフサイズが小さくなるため、後続の各プレートで徐々に小さな粒子を捕集することができます。サイズ分布は、各ステージで捕集された粒子の質量を測定することによって決定されます。

測定された直径この方法は粒子の慣性挙動に依存するため、ストークス直径または空気力学的直径に対応する慣性依存のサイズを測定します。

カスケードインパクターで正確な結果を得るには、いくつかの要素に細心の注意を払う必要があります。主な考慮事項と制限事項は次のとおりです。

• 粒子の反発: 固体粒子は衝突表面で跳ね返り、エアロゾル流に再混入される可能性があり、下流段階で誤った収集につながる可能性があります。
• 内部証言: 粒子は、指定された衝突面に集められるのではなく、装置の内壁に失われる可能性があります。
• データ削減: 隣接するステージの収集効率曲線は重なり合う可能性があり、正確なサイズ分布を取得するには、この相互感度を考慮したデータ反転技術が必要になります。

3.2.2 その他の慣性および沈降法

粒子の慣性や重力沈降を利用する他の技術もいくつかあります。

• 粒子加速法： この方法では、エアロゾルを収束ノズルに通してガス流を加速します。大きな粒子は慣性のため、周囲の空気ほど速く加速しません。ノズル出口に設置されたレーザー式速度計がこの速度差を検出し、粒子サイズとの相関関係を推定します。
• 沈降法： この簡単な方法は、重力下での粒子の末端沈降速度を直接観察することで粒子サイズを推定する。測定された沈降速度は、 ストークス直径.
• 遠心分離法： 沈降速度の低い小さな粒子を分析するために、この方法では強い遠心流場を用いて重力沈降を促進します。粒子は回転チャンバーに導入され、捕集面に沿ってサイズと密度に応じて分離されます。

3.3 電気移動度解析

動作原理　この技術は、静電場における荷電粒子の終端速度が、その粒子の大きさと電荷状態に直接依存するという基本原理に基づいています。この関係は粒子の電気移動度によって決まり、電荷状態が同じであれば、粒子が小さいほど電気移動度は高くなります。

測定メカニズム測定プロセスは、2つの重要なステップから構成されます。

1. 充電： まず、エアロゾルは帯電セクションを通過し、粒子に予測可能かつ明確な電荷分布を与えます。これは通常、拡散帯電によって実現されます。拡散帯電では、エアロゾルは放射性物質によって生成された高濃度の双極性イオン（正と負の両方）に曝露されます。このプロセスにより、粒子は平衡電荷状態になります。
2. 分類： 帯電したエアロゾルは分級部に入ります。分級部は通常、中央の高電圧電極と接地された外壁からなる円筒形のコンデンサです。粒子は清浄な空気のシースによって電極間の環状部を軸方向に下方に運ばれ、同時に径方向の電界によって外側に引き寄せられます。与えられた電圧に対して、狭い電気移動度範囲内の粒子だけが正しい軌道を描き、中央電極の底部にある小さなサンプリングスリットから排出されます。それ以外の粒子は、いずれかの電極に堆積されます。電圧を系統的に走査することで、高解像度の粒度分布を測定することができます。

測定直径この方法は、電気移動度等価直径を測定します。

重要な考慮事項と制限事項電気移動度分析の精度は、既知かつ予測可能な粒子電荷分布の実現に大きく依存します。基礎となる理論は、特定のサイズの粒子の電荷が既知であるという仮定に基づいています。目標は、双極性平衡電荷分布を実現することです。この分布では、特定の数の電荷（0、+1、-1、+2など）を持つ粒子の割合が、粒子サイズの既知の関数となります。この仮定された電荷分布からのずれは、サイズ測定の誤差につながります。

検討した多様な測定原理（光散乱、慣性衝突、電気移動度）は、それぞれ粒子サイズについて異なる視点を提供します。これは、対象となる粒子サイズの範囲に適しているだけでなく、研究課題に最も関連性の高い直径を測定する方法を選択することの重要性を浮き彫りにします。