CN103403536B - 放电电离电流检测器 - Google Patents
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Abstract
作为被覆用于引起低频阻挡放电的金属制的等离子体生成用电极(4、5、6)的表面的圆筒管(2),使用OH含量为5ppm以下的低OH含量的石英玻璃。在低频阻挡放电中,明确了如下情况:电介质所包含的源自OH的H、O在较长的期间内放出到等离子体气体中,这是基线电流增加的主要原因,通过使用低OH含量的石英玻璃,能够大幅降低基线电流,由此还能够改善S/N、检测界限。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种适合作为气相色谱仪(GC)用的检测器的放电电离电流检测器,更详细而言,涉及一种利用了低频阻挡放电的放电电离电流检测器。
背景技术
作为GC用的检测器,以往以来,供实际使用的有热导率检测器(TCD)、电子捕获检测器(ECD)、氢火焰电离检测器(FID)、火焰光度检测器(FPD)、火焰热离子检测器(FTD)等各种方式的检测器。在这些检测器的中最通常的,特别是为了检测有机物而使用的是FID。FID是利用氢火焰对试样气体中的试样成分进行电离并测量其离子电流的检测器,实现了6位左右的较大的动态范围。然而,FID具有以下缺陷:(1)由于电离效率较低,因此无法获得足够低的最小检测量;(2)对于醇类、芳香族、氯系物质的电离效率较低;(3)由于需要危险性较高的氢气,因此需要设置防爆设备等特殊的设备,处理也比较麻烦。
另一方面,作为能够以高灵敏度对从无机物到低沸点有机化合物的广泛的化合物进行检测的检测器,以往公知有脉冲放电电离电流检测器(PDD:PulsedDischargeDetector)(参照专利文献1等)。在PDD中,利用高电压的脉冲放电来激发氦分子等,利用处于该激发状态的分子恢复到基态时所产生的光能来对作为分析对象的分子进行电离。然后,检测由生成的离子所形成的离子电流,获得与作为分析对象的分子的量(浓度)相对应的检测信号。
在上述PDD中,通常能够实现高于FID的电离效率。举一个例子,FID对丙烷的电离效率仅为0.0005%左右,相对于此,PDD能够获得0.07%左右的电离效率。然而,尽管如此,PDD的动态范围却不及FID,实际上比FID的动态范围低1位左右以上。这是PDD不像FID那样普及的一个原因。
认为以往的PDD的动态范围的受限主要因素是由于电离而引起的等离子体的不稳定性、等离子体状态的周期性变动。对此,提出了一种为了使等离子体状态稳定化、正常化而利用了低频交流激发电介质阻挡放电(以下称为“低频阻挡放电”)的放电电离电流检测器(参照专利文献2、专利文献3等)。在低频阻挡放电中,由于表面由电介质被覆的电极被使用于放电,因此,具有使用了金属电极的情况那样的、热电子、二次电子等放出较少、等离子体的稳定性较高的特点。另外,由于通过利用低频高压激发氦等而生成气体温度非常低的(几乎不发热的)非平衡等离子体,因此能够抑制因加热导致气体配管内壁材料而产生杂质气体,还能够获得较高的稳定性。由于等离子体的稳定化会带来电离效率的稳定化,进而会带来电离电流输出的低噪声化,因此,利用低频阻挡放电的电离电流检测器能够实现较高的S/N。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:美国特许第5394092号说明书
专利文献2:国际公开第2009/119050号小册子
专利文献3:日本特开2010-60354号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而,利用低频阻挡放电的电离电流检测器存在以下这样的问题。
即,在放电电离电流检测器中,即使在未流动有试样气体的状态、也就是在检测器中只流动有载气和等离子体气体的状态下,也检测通常称为基线(日文:ベースライン)电流或者基底电流的恒定电流(以下将该电流称为“基线电流”)。认为产生基线电流的原因有各种,但认为主要原因是因包含在载气和等离子体气体中的杂质的电离而产生的电流。由于基线电流是恒定的电流,因而不会影响色谱峰值。然而,基线电流较大、即气体中杂质量较多时,可能会引起以下问题:(1)在受到温度等周围环境变化的影响导致基线电流产生了变动的情况下,该变动以噪声形式被观测到而使S/N劣化;(2)在杂质从气体配管内壁等放出的情况下,导致检测信号长时间的漂移。由此,为了尽可能地减小基线电流,优选使用高纯度的载气、等离子体气体、使用清洁的气体配管等,但这样的对策不仅花费成本,而且即使是做了这样的对策也难以充分地抑制基线电流。
本发明即是鉴于上述课题而做成的,其目的在于提供一种放电电离电流检测器,该放电电离电流检测器与以往的装置相比能够通过抑制基线电流,提高测量精度、测量灵敏度。
用于解决问题的方案
以往装置中,在观测利用低频阻挡放电而发出的等离子体光的发光光谱时,除了作为受激态物质的氦的发光以外,还能够看到H(氢原子)的发光(大约656nm)、O(氧原子)的发光(777nm)等。认为通常在放电电离电流检测器中有助于试样成分的电离的是紫外光波长区域的光,因此上述的红色~近红外光波长区域的光基本上没有影响。对此,本申请的发明者通过各种实验等发现了H、O的存在自身对基线电流的增加有影响,还发现了暴露于等离子体气体中的、用于被覆电极的电介质自身成为了H、O的供给源。通常石英玻璃等电介质中含有羟基(OH),因此,虽然假定为在使用初期某种程度地放出H、O,但是在使用了低频阻挡放电的放电电离电流检测器中,由于电介质直接持续地暴露于等离子体中,因此能够推测:OH不仅是从电介质表面的极浅的范围逐渐向表面移动,还会从略深的部分逐渐向表面移动,在比较长的期间内会持续地放出H、O。
本发明的第1技术方案的放电电离电流检测器是基于上述这样的见解而做成的,其特征在于,该放电电离电流检测器包括:放电用电极,以暴露在供等离子体气体流通的气体流路中的方式配设该放电用电极,其表面由电介质被覆;交流电压施加部件,其用于对上述放电用电极施加低频交流电压,以便在上述气体流路中发生电介质阻挡放电而从上述等离子体气体生成等离子体;和电流检测部件,用于对由在上述气体流路中因上述等离子体的作用而被电离了的试样气体中的试样成分引起的离子电流进行检测,
上述电介质使用羟基含量为5ppm以下的石英玻璃。
应用于半导体制造工序用工具、各种光学装置等的石英玻璃大致区分为溶融石英玻璃和合成石英玻璃,其中任一种羟基含量在5ppm以下的石英玻璃应用于由羟基导致的光吸收成为问题这样的高精度红外区域光学构件等。
另外,本发明的第2技术方案的特征在于,不使用第1技术方案的放电电离电流检测器中的电介质,而是使用在规定的非活性气体气氛中对羟基含量的上限超过5ppm的石英玻璃施加了500℃以上的热处理而得到的电介质。
若在N2气氛中对羟基含量为约200ppm的高纯度石英玻璃实施8小时左右1000℃以上的热处理,则在距表面2μm左右的深度范围内羟基含量成为5ppm以下。在该程度的深度范围内羟基含量成为5ppm以下这样的热处理的条件(温度和时间)是第2技术方案中的热处理的主要条件。
另外,还可以不使用第1技术方案的放电电离电流检测器的低羟基含量的石英玻璃的电介质,而是使用蓝宝石、高纯度氧化铝。
另外,还可以不使用第1技术方案的放电电离电流检测器的作为低羟基含量的石英玻璃的电介质,而是使用在距与等离子体相接触的表面2μm的深度范围内形成有羟基含量为5ppm以下的电介质的薄膜层的电介质。
在本发明的放电电离电流检测器中,作为等离子体气体,能够使用氦气、氩气、氮气、氖气、氙气中的任一种,或是这些气体的混合气体等。另外,在需要稀释试样气体的情况下,该稀释气体也能够使用与上述等离子体气体相同的气体。另外,上述低频交流电压的频率能够设定为1kHz~100kHz的范围。
发明的效果
在本发明的放电电离电流检测器中,作为用于被覆金属等导体即电极主体的电介质,使用该材料自身的羟基含量较低的电介质,或者使用实施了使得至少在距与等离子体相接触的表面规定深度的范围内羟基含量变得较低那样的处理的电介质。由此,与使用了通常的石英玻璃等的电介质的情况相比,从放电用电极放出到等离子体气体中的以H、O为主体的杂质浓度降低。特别是,即使是由于长期使用导致被覆放电用电极的表面的电介质持续暴露于等离子体中,也能够维持放出到等离子体气体中的杂质浓度较低的状态。因此,能够抑制基线电流,还能够抑制由周围环境变化等导致的基线电流变动。其结果,噪声减少而能够改善S/N。由此,还能够提高检测界限,从而能够实现与作为当前GC用检测器通常广泛应用的FID持平的检测界限,或者实现超过该FID的检测界限。而且,采用本发明的放电电离电流检测器,由于放出到气体配管中的杂质量原本较少并且其变动也较小,因此还能够降低检测信号的长时间漂移。
附图说明
图1是本发明的一实施例的放电电离电流检测器的概略结构图。
图2是表示对OH含量为200ppm的玻璃材料实施了8小时的1000℃的热处理的情况下的OH含量深度分布的图,图2的(a)是线性标度的曲线图,图2的(b)是对数标度的曲线图。
图3是表示在对OH含量为20ppm的石英玻璃进行了5小时的大约640℃的热处理的情况下的OH含量的深度方向分布的图。
具体实施方式
参照图1说明本发明的一实施例的放电电离电流检测器。图1是本实施例的放电电离电流检测器的概略结构图。
在本实施例的放电电离电流检测器中,由电介质构成的圆筒管2的内部成为第1气体流路3,在该圆筒管2的外壁面,分别分开规定距离地环绕设置有金属(例如SUS、铜等)制的环状的等离子体生成用电极4、5、6。由于在等离子体生成用电极4、5、6和第1气体流路3之间存在圆筒管2的壁面,因此,电介质的该壁面自身作为被覆等离子体生成用电极4、5、6的表面的电介质被覆层而发挥功能,能够进行电介质阻挡放电。在圆筒管2的上端连接有气体供给管7,兼用作稀释气体的等离子体气体经过该气体供给管7而流入到第1气体流路3中。
在三个等离子体生成用电极4、5、6中,中央的等离子体生成用电极4连接有激发用高压电源10,配置于该等离子体生成用电极4的上下的等离子体生成用电极5、6均接地。这样地将被施加高压的等离子体生成用电极4做成由两个接地的等离子体生成用电极5、6夹着的构造,从而能够抑制放电中产生的等离子体扩散到气体上游侧(图1的下方)和下流侧(图1的上方),从而能够将实质的等离子体生成区域限制在等离子体生成用电极5、6之间。激发用高压电源10用于产生低频的高压交流电压,该低频的高压交流电压的频率优选为在1kHz~100kHz的范围内,进一步优选的是在5kHz~50kHz的范围内。另外,交流电压的波形形状可以是正弦波、矩形波、三角波、锯齿形状等中的任意形状。
在圆筒管2的下方以氧化铝、PTFE树脂等绝缘体15介于反冲电极12、偏置电极16及离子收集电极17之间的方式配置有反冲电极12、偏置电极16及离子收集电极17。反冲电极12、偏置电极16及离子收集电极17均为相同内径的圆筒形状体,由于在它们的内侧形成有与圆筒管2中的第1气体流路3连续的第2气体流路11,因此反冲电极12、偏置电极16及离子收集电极17直接暴露于该第2气体流路11中的气体中。位于第1气体流路3与第2气体流路11相连接的连接部的反冲电极12接地,防止等离子体中的带电粒子到达离子收集电极17。由此,能够降低噪声,改善S/N。偏置电极16连接于包含在离子电流检测部20内的偏置直流电源21,离子收集电极17连接于同样包含在离子电流检测部20内的电流放大器22。在第2气体流路11中,偏置电极16的内侧和离子收集电极17的内侧以及偏置电极16和离子收集电极17之间为实质的电流检测区域。
在将圆筒管2的上端、即气体供给管7的连接部作为第1气体流路3的始端的情况下,在该气体流路3的终端连接有第1气体排出管8,在第1气体排出管8上设有第1流量调节器9。另一方面,在将第1气体排出管8的连接部作为第2气体流路11的始端的情况下,在该气体流路11的终端连接有第2气体排出管13,在第2气体排出管13上设有第2流量调节器14。而且,第2气体流路11中插入有细径的试样导入管18,包含作为测量对象的试样成分在内的试样气体经过试样导入管18而在第2气体流路11中供给至接近第1气体排出管8的连接部的位置。
说明利用该放电电离电流检测器进行的检测工作。
如图1中箭头所示,等离子体气体经过气体供给管7而供给到第1气体流路3中。等离子体气体为易电离的气体,例如能够使用氦气、氩气、氮气、氖气、氙气等中的一种或它们之中的两种以上混合而成的气体。第1流量调节器9的流量和第2流量调节器14的流量分别预先设定为适宜的值。当前,若将利用第1流量调节器9进行调节的经过了第1气体排出管8的气体流量设为L1,将利用第2流量调节器14进行调节的经过了第2气体排出管13的气体流量设为L2,则经过气体供给管7供给的气体流量为L1+L2。
如图1中所示,等离子体气体在第1气体流路3中向下流动,通过等离子体生成区域,其中的一部分(气体流量L1)经过第1气体排出管8排出到外部。剩余部分(气体流量L2)作为稀释气体在第2气体流路11中向下流动,与经过试样导入管18供给的试样气体合流并通过电流检测区域,最终经过第2气体排出管13排出到外部。
在如上所述那样等离子体气体在第1气体流路3中流通的状态下,驱动激发用高压电源10,激发用高压电源10在一个等离子体生成用电极4与另外的两个等离子体生成用电极5、6之间施加低频的高压交流电压。由此,在第1气体流路3中,在由等离子体生成用电极5、6夹着的等离子体生成区域产生放电。由于该放电经过电介质被覆层(圆筒管2)地进行,因此是电介质阻挡放电。利用该电介质阻挡放电,使得在第1气体流路3中流动的等离子体气体广泛地被电离从而产生等离子体(大气压非平衡微等离子体)。
从大气压非平衡微等离子体中放出的激发光经过第1气体流路3和第2气体流路11中到达存在有试样气体的部位,对该试样气体中的试样成分分子(或原子)进行电离。这样生成的试样离子在施加于偏置电极16的偏置直流电压的作用下,利用离子收集电极17接受电子。由此,与生成的试样离子的量、即试样成分的量相对应的离子电流输入于电流放大器22,电流放大器22将该离子电流放大并作为检测信号输出。这样,在该放电电离电流检测器中,输出与导入的试样气体所包含的试样成分的量(浓度)相对应的检测信号。
在第2气体流路11中流动的稀释气体的流量L2根据测量对象的试样浓度范围设定为适宜的稀释比即可。特别是,若在试样浓度较低的情况下减小气体流量L2,则试样气体会以基本上未被稀释的状态通过电流检测区域,因此能够以高灵敏度检测微量成分。即,能够确保等离子体的稳定性且实现较高的电离效率,并且能够进行高灵敏度的检测。另一方面,为了使等离子体稳定并且电离效率良好,气体流量L1设定成使在等离子体生成区域流动的气体流量L1+L2某种程度地变大即可。
在本实施例的放电电离电流检测器中,将圆筒管2做成由特别是OH含量较少的石英玻璃构成的部件,该圆筒管2作为用于被覆等离子体生成用电极4、5、6的表面的电介质被覆层而发挥功能,外径为Φ4mm,内径为Φ2mm(管壁厚度:1mm)。具体而言,作为高精度红外区域光学材料使用比较容易得到的、OH含量在5ppm以下(目录值)的石英玻璃。这是为了将在进行分析过程中从圆筒管2中放出的H、O尽可能抑制成较少。
在此,说明使用了除各种石英玻璃以外的其他的电介质材料作为圆筒管2的情况下的灵敏度、基线电流值等的实测结果。实测所使用的电介质材料如下。
(1)标准的石英(OH含量在200ppm以下,美国モメンティブ·パフォーマンス·マテリアルズ公司制)
(2)低OH含量石英(OH含量在5ppm以下,美国モメンティブ·パフォーマンス·マテリアルズ公司制)
(3)在氮气气氛中对标准的石英(OH含量为200ppm)进行8小时1050℃的热处理而得到的材料
(4)蓝宝石
(5)氧化铝(材质:TA010,京セラ制)
在上述(3)中实施的热处理的温度远远高于通常进行的退火的温度(最高也只是数百℃左右)。根据文献(西本、其他5名、「エバリュエイション·オブ·シラノール·コンセントレイション·オン·クォーツ·グラス·サーフェス·フォー·イーオーエフ·スタビリティ·オブ·シーイー·チップ(EvaluationofSilanolConcentrationonQuartzGlassSurfaceforEOFStabilityofCEChip)」、マイクロ·トータル·アナリシス·システムズ(MicroTotalAnalysisSystems)2001年、pp.595-596),在上述的高温下进行加热处理后的石英玻璃在距其表面数十μm的深度范围内形成OH含量大幅降低的区域。这样的利用热处理而形成的OH含量的深度方向分布能够利用菲克(Fick)的扩散公式求得,若计算如(3)所述那样对整体(日文:バルク)的OH含量为200ppm的石英玻璃进行了热处理的情况下的OH含量深度分布,则如图2所示。图2的(a)是线性标度的曲线图,图2的(b)是对数标度的曲线图,曲线自身相同。从图2中可知:在距表面大约2μm的深度范围内,与(2)的石英相同,(3)的OH含量也在5ppm以下。
使用由上述(1)~(5)的五种电介质材料构成的圆筒管,并使用标准试样(试样:十二烷,熔剂:己烷),对灵敏度和基线电流值进行了实测。然后,从噪声的测量值计算了(1)~(3)的检测界限。由材料、结构等的不同导致灵敏度存在偏差,因此,通过将基线电流值除以灵敏度,计算出了等效的杂质流量。在以下的表1中表示实测结果和基于该实测结果的计算结果。
表1
如表1中所明确那样,通过使用(2)~(5)的OH含量较少的电介质材料,能够使基线电流值减少,减少等效杂质流量。另外,检测界限也能够与等效杂质流量的减少相对应地改善。在当前通常作为GC用检测器广泛应用的FID中,检测界限为>1.5pgC/sec左右。通过使用(2)或(3),能够确认实现超过FID的检测界限。
即,采用上述实施例的使用了低OH含量的石英玻璃作为圆筒管2而成的放电电离电流检测器,与以往的放电电离电流检测器相比,能够使基线电流降低,由此能够将检测界限改善为与FID持平或者超过FID的程度。另外,也可以不使用低OH含量的石英玻璃,而是使用(3)~(5)的电介质材料。
另外,特别是看(3)的检测结果,可知:对于圆筒管2的管壁厚1mm来说,OH含量在5ppm以下的是距与等离子体相接触的表面2μm左右的深度范围。因而,不是圆筒管整体都必须是低OH含量电介质,只要该程度的深度范围是由(2)、(4)~(5)这样的低OH含量的材料构成的被覆层就能够期待获得相同程度的效果、即较低的基线电流值、以及由其引起的足够低的检测界限。
(3)的热处理条件能够根据整体材料的OH含量来进行变更。例如在对整体材料的OH含量为20ppm的石英玻璃进行了5小时大约640℃的热处理的情况下,计算其OH含量的深度方向分布,其结果如图3所示。从该图中可知能够在距表面的深度为2μm的范围内形成OH含量在5ppm以下的区域,能够期待与(3)所示的性能同等的性能。同样地,对OH含量为10ppm的材料进行12小时以上500℃的热处理即可。
另外,明确的是:即使不通过对圆筒管的管壁材料进行热处理而生成低OH含量的区域,而是通过由厚度为2μm以上的低OH含量的材料被覆管壁,也能够期待同样的效果。作为低OH含量的电介质材料,例如使用硅玻璃、氮化硅、氧化铝、类金刚石等,利用溅射、CVD等制膜方法在圆筒管2的表面形成厚度在2μm以上的覆膜层即可。
另外,在由产生等离子体而导致圆筒管2的内壁成为高温的情况下,如图(3)所示的材料那样在OH含量上产生深度方向的梯度时,认为存在随着使用期间变长而其表面附近的OH含量逐渐增加的可能性。相对于此,由于低频交流激发电介质阻挡放电中几乎不发热,因此,即使包括装置设置时的前期烘烤处理等,等离子体形成区域的温度也不会超过150℃。因此,OH的扩散系数从1000℃时的~1E-9[cm2/sec](500℃时为~1E-13)降低到<1E-18[cm2/sec]。因此,利用500℃以上的热处理确定的OH含量的深度分布在通常的时间范围(日文:スケール)内完全不发生变化,从而能够长期获得足够稳定的性能。
另外,上述实施例是本发明的一例,当然,在本发明的宗旨的范围内进行适宜变形、修正、追加也都包含于本申请的权利要求内。
附图标记说明
2、圆筒管;3、第1气体流路;4、5、6、等离子体生成用电极;7、气体供给管;8、第1气体排出管;9、第1流量调节器;10、激发用高压电源;11、第2气体流路;12、反冲电极;13、第2气体排出管;14、第2流量调节器;15、绝缘体;16、偏置电极;17、离子收集电极;18、试样导入管;20、离子电流检测部;21、偏置直流电源;22、电流放大器。
Claims (3)
1.一种放电电离电流检测器,其特征在于,
该放电电离电流检测器包括:放电用电极,以暴露在供等离子体气体流通的气体流路中的方式配设该放电用电极,其表面由电介质被覆;交流电压施加部件,其用于对上述放电用电极施加低频交流电压,以便在上述气体流路中发生电介质阻挡放电而从上述等离子体气体生成等离子体;和电流检测部件,其用于对由在上述气体流路中因上述等离子体的作用而被电离了的试样气体中的试样成分引起的离子电流进行检测,
上述电介质使用羟基含量为5ppm以下的石英玻璃。
2.一种放电电离电流检测器,其特征在于,
该放电电离电流检测器包括:放电用电极,以暴露在供等离子体气体流通的气体流路中的方式配设该放电用电极,其表面由电介质被覆;交流电压施加部件,其用于对上述放电用电极施加低频交流电压,以便在上述气体流路中发生电介质阻挡放电而从上述等离子体气体生成等离子体;和电流检测部件,其用于对由在上述气体流路中因上述等离子体的作用而被电离了的试样气体中的试样成分引起的离子电流进行检测,
上述电介质使用在规定的非活性气体气氛中对羟基含量的上限超过5ppm的石英玻璃施加了500℃以上的热处理而得到的电介质。
3.一种放电电离电流检测器,其特征在于,
该放电电离电流检测器包括:放电用电极,以暴露在供等离子体气体流通的气体流路中的方式配设该放电用电极,其表面由电介质被覆;交流电压施加部件,其用于对上述放电用电极施加低频交流电压,以便在上述气体流路中发生电介质阻挡放电而从上述等离子体气体生成等离子体;和电流检测部件,其用于对由在上述气体流路中因上述等离子体的作用而被电离了的试样气体中的试样成分引起的离子电流进行检测,
上述电介质在距与等离子体相接触的表面2μm的深度范围内形成有羟基含量为5ppm以下的电介质的薄膜层。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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