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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Diagnosesystem und ein Kalibrierungssystem für Analysevorrichtungen und insbesondere auf ein System für die Diagnose und Korrektur von Vorrichtungseigenschaften eines induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometers (ICP-MS; inductively coupled plasma mass spectrometer).
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Das ICP-MS ist als eine hochempfindliche Analysevorrichtung zum Erfassen von Spuren von Metallionen bekannt. Mit Hilfe dieser Analysevorrichtung wird eine Probe, die gemessen werden soll, in das Plasma eingebracht, und die Probe, die gemessen werden soll, wird zu Tonen, diese Ionen werden extrahiert und eine Masseanalyse wird ausgeführt, und die Grundstruktur dieses Spektrometers weist einen Plasmaerzeugungsteil zum Erzeugen von Plasma aus einer Probe, wie z. B. einer Flüssigkeit, und einen Masseanaylseteil zum Extrahieren von Ionen aus dem erzeugten Plasma und Analysieren dieser Ionen auf.
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Der Plasmaerzeugungsteil, insbesondere in dem Fall einer flüssigen Probe, weist einen Zerstäuber bzw. Atomiseur zum Zerstäuben einer flüssigen Probe unter Verwendung eines Gases mit einer spezifischen Flussrate; eine Sprühkammer zum Isolieren eines Teils der zerstäubten Flüssigkeitstropfen in der Form eines Aerosols zusammen mit einem geeigneten Gas; und einen Plasmabrenner auf, derart, dass Plasma aus dem Plasmagas erzeugt wird und das Aerosol in dieses Plasma eingebracht wird.
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Genauer gesagt wird das Aerosol durch zumindest ein Trägergas erzeugt, das in den Zerstäuber zusammen mit der flüssigen Probe eingebracht wird. Wenn dieser Teil des Trägergases die flüssige Probe aufbläst, wird die flüssige Probe zerstäubt. Die zerstäubten Flüssigkeitstropfen zirkulieren innerhalb der Sprühkammer, und nur die Flüssigkeitstropfen, die in ihrem Durchmesser relativ klein sind, werden hin zu dem Plasmabrenner übertragen. Diese Flüssigkeitstropfen mit geringem Durchmessers bilden zusammen mit dem Trägergas zur Zerstäubung das Aerosol und werden in den Plasmabrenner eingebracht. Das Trägergas ist üblicherweise ein inertes Gas, üblicherweise Argongas.
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Der Plasmabrenner weist ein Innenrohr, in das Aerosol, das die Probe enthält, eingebracht wird, und ein oder eine Mehrzahl von Außenrohren auf, die derart angeordnet sind, dass sie das Innenrohr umgeben. Hilfsgas und Plasmagas zum Erzeugen des Plasmas können in das Außenrohr eingebracht werden. Sobald das Plasma durch das Plasmagas durch die Operation einer Arbeitsspule erzeugt wurde, wird das Aerosol, das die Probe enthält, eingebracht und als Ergebnis wird das Metall in der Probe ionisiert und in dem Plasma dispergiert.
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Eine Schnittstelle, die dem erzeugten Plasma zugewandt ist, ist an dem Vorderende des Masseanalysierungsteils angeordnet, das hinter dem Plasmaerzeugungsteil angeordnet ist. Die Schnittstelle weist eine Zweistufenstruktur eines Probenahmekegels und eines Skimmerkegels auf, und jeder derselben weist eine Öffnung zum Extrahieren der Ionen aus dem erzeugten Plasma auf. Extraktorelektroden zum Extrahieren der Ionen in der Form eines Ionenstrahls sind hinter der Schnittstelle angeordnet. Der extrahierte Ionenstrahl wird zu der Masseanalysiervorrichtung geführt, die an dem folgenden Teil angeordnet ist, und der Messprozess der Masseanalyse wird ausgeführt. Die Analyseergebnisse können dadurch in der Form eines Massespektrums erhalten werden.
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Die Analysevorrichtung kann einen Computer aufweisen. Der Computer wird verwendet, um Steuersignale zu liefern, derart, dass die Flussrate des verwendeten Gases gesteuert ist, oder um die Analyseergebnisse aufzuspalten und verschiedene andere Verarbeitungsaufgaben auszuführen. Der Computer kann in Kombination mit einer Benutzerschnittstelle verwendet werden, die eine Eingabevorrichtung und eine Anzeigevorrichtung aufweist, um die gewünschte Wirkung bereitzustellen.
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Eine Hoch-Matrix-Probe ist ein Beispiel einer potentiellen Probe, die durch eine solche Vorrichtung analysiert werden soll. Eine „Hoch-Matrix-Probe” (high-matrix sample) ist eine Probe, die die Elemente enthält, die gemessen werden sollen, sowie wasserlösliche Substanzen, wie z. B. Metallsalze in hoch konzentrierten Proben. Meerwasser ist ein Beispiel einer Hoch-Matrix-Probe. Wenn eine Hoch-Matrix-Probe durch herkömmliche Verfahren unter Verwendung herkömmlicher Vorrichtungen analysiert wird, bestehen insofern Probleme, dass dadurch, dass eine große Anzahl von Ionen zu dem Ende der Vorrichtung geführt wird, Oxide und ähnliches abgelagert werden und die Oberflächen des Probenahmekegels, Skimmerkegels etc. verschmutzen, und die Öffnungen verstopft werden, was die Analyse unmöglich macht. Folglich ist es in dem Fall der Analyse solcher Proben notwendig, die Menge an Matrixmaterial zu reduzieren, das in den Masseanalyseteil über die Schnittstelle eintritt.
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Ein einzelnes Massenspektrometer, das zu einer hochempfindlichen Analyse von flüssigen Proben in der Lage ist und einen großen Bereich an Matrixkonzentrationen aufweist, wäre zur praktischen Verwendung sehr effektiv. Das Verfahren, durch das eine hochkonzentrierte Probe, die nicht direkt analysiert werden kann, zu einem angemessenen Maße vor einer Aerosolerzeugung verdünnt wird, ist ein Beispiel. Die Verdünnung kann manuell oder automatisch unter Verwendung eines Autodilutors ausgeführt werden. Zum Beispiel beschreiben die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung
JP (Kokai) 11-6788 und die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung
JP (Kokai) 1-124,951 Verfahren zum Verdünnen einer flüssigen Probe unter Verwendung eines Autodilutors.
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Das Ausführen einer Verdünnung von Hand braucht Zeit. Das Verdünnen vieler Proben ist besonders nachteilhaft im Hinblick auf die Zeit, und es besteht ferner die Möglichkeit, dass Fehler bei der Verdünnung auftreten. Daher besteht ein Bedarf nach einem automatisierten System für das Verdünnungsverfahren, wie in den Patentreferenzen 1 und 2 beschrieben ist. Trotzdem besteht die Möglichkeit, dass die Probe durch die Außenumgebung oder die Werkzeuge verschmutzt wird, die während der Verdünnung der flüssigen Probe verwendet werden.
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Aus dieser Sicht besteht ein Bedarf nach einer neuen Einrichtung zur Verdünnung, mit der es möglich ist, eine ausgezeichnete Reproduzierbarkeit zu realisieren und einen ausreichend großen Verdünnungsbereich durch eine andere Einrichtung als die Einrichtung zum Verdünnen einer flüssigen Probe in einem flüssigen Zustand zu garantieren. In diesem Fall ist es notwendig, die Operationszeit durch den Benutzer zu minimieren. Es ist insbesondere notwendig, eine zweckmäßige Benutzeroperation zu garantieren, wenn Parameter vorliegen, die den Operationsstatus einer Vorrichtung bestimmen, wie z. B. der oben erwähnten Vorrichtung. Diese Betriebszweckmäßigkeit ist auch wirksam beim Verhindern von Fehlern bei Messdaten, die durch eine fehlerhafte Verwendung des Verfahrens erzeugt werden.
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Die Anmelderin hat vorangehend eine Steuereinrichtung, derart, dass sich der Zustand des Plasmas, das der Schnittstelle zugewandt ist, ändert, in der
JP-Anmeldung (Tokugan) 2006-219,520 vorgeschlagen, eingereicht vor der vorliegenden Anmeldung als eine Einrichtung zum Analysieren einer Probe, die Matrizen verschiedener Konzentrationen mit guter Reproduzierbarkeit unter Verwendung des oben erwähnten induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometers aufweist. Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, die Anzahl von Ionen zu reduzieren, die durch die Öffnung der Schnittstelle passieren, und sie mit guter Reproduzierbarkeit durch Ändern drei primärer Parameter unter spezifischen Bedingungen zu analysieren. Diese drei Primärparameter sind die Ausgabe der Hochfrequenzleistungsquelle, die den Zustand des Plasmas selbst bestimmt; die Flussrate des Trägergases, das die Flüssigkeitstropfen in dem Aerosol transportiert, das zu dem Plasmabrenner geführt wird; und die Distanz zwischen dem Plasmabrenner und der Schnittstelle (hierin nachfolgend Probenahmetiefe). Es sollte im Hinblick auf den dritten Parameter darauf hingewiesen werden, dass dieser Parameter genauer gesagt ein solcher ist, der die Distanz zwischen dem Ende der Arbeitsspule und der Schnittstelle anzeigt. Üblicherweise sind die Arbeitsspule und der Plasmabrenner an spezifischen Positionen verankert, die miteinander korreliert sind; daher werden im Stand der Technik und der Beschreibung der Offenbarung die zwei Versionen des dritten Parameters als dieselben betrachtet und werden als die Distanz zwischen dem Plasmabrenner und der Schnittstelle beschrieben.
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Wenn mit Hilfe dieses Verfahrens eine Hoch-Matrix-Probe analysiert wird, sind die verschiedenen Parameter derart eingestellt, dass die Anzahl der Ionen, die durch die Schnittstelle passieren, minimiert ist und die Empfindlichkeit reduziert ist, während wenn eine Niedrig-Matrix-Probe analysiert wird, die verschiedenen Parameter derart eingestellt sind, dass die Anzahl von Ionen, die durch die Schnittstelle passieren, erhöht ist und die Empfindlichkeit erhöht ist. Es ist möglich, Hoch-Matrix- und Niedrig-Matrix-Proben austauschbar oder kontinuierlich durch derartiges Steuern der Parameter zu analysieren.
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Das erste Problem bei diesem Verfahren ist, dass die Messergebnisse zu Schwankungen neigen, da zusätzlich zu Drift und ähnlichen Problemen bei den drei primären Parametern viele Parameter vorliegen, die die Anzahl von Ionen beeinflussen, die durch die Schnittstelle passieren, die genauer gesagt die Messempfindlichkeit beeinflussen, und jene umfassen, die schwierig zu steuern sind. Spezifische Beispiele anderer Parameter sind Probenflüssigkeits-Transportbedingungen und der Feinabstimmungszustand der Ausrüstung. Im Wesentlichen besteht insofern ein Problem, dass sogar wenn die Analyse durch eine Vorrichtung ausgeführt wird, ein Problem insofern besteht, dass sich die Messempfindlichkeit ändert und die Messdaten in Folge geringer Abweichungen bei jeglichen dieser vielen Parameter schwanken.
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Das zweite Problem bei diesem Verfahren ist, dass viele Steuerparameter vorliegen, wie oben erwähnt wurde, und die Neigung besteht, dass Unterschiede bei Eigenschaften zwischen Vorrichtungen vorhanden sind. Im Wesentlichen werden, sogar wenn die Vorrichtungsstruktur die gleiche ist, Unterschiede bei Eigenschaften mit einer geringen Abweichung zwischen Vorrichtungen in Bezug auf jeglichen der oben erwähnten Parameter erzeugt. Dies ist insofern problematisch, als es z. B. das Abstimm- bzw. Einstell-Verfahren kompliziert macht, das durch das Wartungspersonal ausgeführt wird.
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Daher schafft die vorliegende Offenbarung ein Diagnose- und Kalibrierungssystem, mit dem es möglich ist, die Eigenschaften, die dem Plasma eines induktiv gekoppelten Massenspektrometers zugeordnet sind, in einem kurzen Zeitraum zu diagnostizieren, und es möglich ist, die Einstellungen der Vorrichtung automatisch zu ändern, derart, dass sie nach Bedarf optimiert werden, mit der Absicht, die Probleme zu beseitigen, die dem Vorhandensein vieler Parameter zugeordnet sind.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Diagnosesystem und ein Kalibrierungssystem mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Diagnosesystem gemäß Anspruch 1 und ein Kalibrierungssystem gemäß Anspruch 9 und 11 gelöst.
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Um die oben erwähnten Probleme zu lösen, liefert die vorliegende Offenbarung ein neues Diagnosesystem zum Diagnostizieren von Vorrichtungseigenschaften eines induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometers, und ein Kalibrierungssystem, des dieses Diagnosesystem aufweist. Das Diagnosesystem, das durch die vorliegende Offenbarung geschaffen wird, ist ein Diagnosesystem zum Diagnostizieren der Vorrichtungseigenschaften, die dem Plasmazustand eines induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometers zugeordnet sind, mit dem ein Aerosol, das Trägergas und Flüssigkeitstropfen aufweist, die eine Analyseprobe enthalten, in einen Plasmabrenner eingebracht wird, der in der Nähe einer Arbeitsspule angeordnet ist, die mit einer Hochfrequenzleistungsquelle verbunden ist, um Plasma zu erzeugen, auf solche Weise, dass es Ionen des Elements in dem Aerosol enthält, hin zu einer Schnittstelle, die eine Öffnung aufweist, derart, dass ein Teil der Komponenten, die das Plasma bilden, durch die Öffnung passieren können und in den Masseanalyseteil eingebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansammlung aus Parameterkombinationen gespeichert ist, was eine Ansammlung aus Kombinationen von Parametern ist, die aus einem ersten Parameter zum Bestimmen der Ausgabe der Hochfrequenzleistungsquelle, einem zweiten Parameter zum Bestimmen der Flussrate des Trägergases in dem Aerosol und einem dritten Parameter zum Bestimmen der Distanz zwischen dem Plasmabrenner und der Schnittstelle besteht, und das ein spezifisches Array bildet, derart, dass die Messpunkte, die den entsprechenden Kombinationen entsprechen, in Reihenfolge entlang der Richtung der Länge einer Hüllkurve aufgereiht sind, die das Ende auf der Hochempfindlichkeitsseite eines Graphen bildet, gezeichnet als eine Ansammlung aller Messpunkte auf einem Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis-Graphen, und eine Diagnosemessung mit einer spezifischen Diagnoseprobe unter Verwendung des Parameterwerts jeder Kombination der Parameterkombination wird ausgeführt, die die Ansammlung bzw. das Aggregat bilden, derart, dass die Eigenschaften aus der Position auf der Hüllkurve auf dem Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis-Graphen der tatsächlichen Messpunkte, die jeder Kombination entsprechen, bestätigt werden können.
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Zum Beispiel kann das System der vorliegenden Offenbarung zur Diagnose eine Einrichtung zum Bestimmen der Position von Messpunkten auf der Hüllkurve bei einem Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis-Graphen aufweisen, die jeder Kombination entsprechen, basierend auf den Koordinaten tatsächlicher Messpunkte, wobei die Empfindlichkeit auf einem Maximum ist.
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Vorzugsweise weist die Ansammlung aus Parameterkombinationen, die bei der Messung verwendet werden, eine erste Gruppe aus Parameterkombinationen auf, wobei der dritte Parameter fest ist und zumindest entweder der erste oder zweite Parameter variiert ist, derart, dass der Punkt, an dem die Empfindlichkeit auf einem Maximum ist, durch eine Diagnosemessung mit einer spezifischen Diagnoseprobe bestimmt wird. Ferner weist die Ansammlung aus Parameterkombinationen, die bei der Messung verwendet wird, vorzugsweise eine zweite Gruppe aus Parameterkombinationen auf, wobei das Oxidionenverhältnis auf der kleinen Seite verteilt ist, im Vergleich zu der ersten Gruppe, auf dem Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis-Graphen, und ist zur Verwendung mit oder ohne Modifikation durch Kalibrierung nach der Diagnose geplant. In diesem Fall überlappen, abhängig davon, wie die Parameterkombinationen ausgewählt sind, die Messpunkte, die den Parameterkombinationen entsprechen, die die erste Gruppe bilden, und die Messpunkte, die den Parameterkombinationen entsprechen, die die zweite Gruppe bilden, entlang der Hüllkurve auf dem Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis-Graphen.
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Ferner liegt vorzugsweise eine Einrichtung zur Voreinstellung vor, wodurch vor der Diagnose einige der Vorrichtungsanforderungen eingestellt werden und die Empfindlichkeit vor der Diagnose optimiert wird. In diesem Fall weist die Einrichtung zur Voreinstellung zumindest eines der nachfolgenden Elemente auf: eine Brennerpositions-Einstelleinrichtung, mit der vor der Messung unter Verwendung der Ansammlung aus Parameterkombinationen zur Diagnose die Empfindlichkeit unter Verwendung von Parametern gemessen wird, die auf einen spezifischen Wert gesetzt sind, und die Position des Plasmabrenners automatisch in der Richtung eingestellt wird, die die Achse des Plasmabrenners schneidet, derart, dass sie zu der Position wird, an der die Messempfindlichkeit auf einem Maximum ist, und eine Ionenlinseneinstelleinrichtung, mit der vor der Messung unter Verwendung der Ansammlung aus Parameterkombinationen für eine Diagnose die Empfindlichkeit unter Verwendung von Parametern gemessen wird, die auf einen spezifischen Wert gesetzt sind, und die Zustände der Ionenlinse, die hinter der Schnittstelle innerhalb des Masseanalyseteils angeordnet ist, auf Zustände eingestellt werden, bei denen die Messempfindlichkeit auf einem Maximum innerhalb eines spezifischen Zustandsbereichs ist.
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Vorzugsweise wird ein gemeinschaftlich verwendetes Softwaremodul zum Lesen der Parameter, die bei der Messung verwendet werden, sowohl für eine Voreinstellung als auch Diagnosemessung verwendet. Das Softwaremodul kann ein Abtastmodul zum Messen mit Abtasten eines gesamten spezifischen Bereichs von jedem der ausgewählten Parameter, und ein Sprungmodul zum Messen, für eine spezifische Parametergruppe, eines Teils des spezifischen Bereichs gemäß dem ausgewählten Parameter oder Verwendungszweck, aufweisen.
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Die vorliegende Offenbarung stellt ferner ein Kalibrierungssystem bereit, das das oben erwähnte Diagnosesystem aufweist. Das erste Kalibrierungssystem weist eine Kalibrierungseinrichtung zum Vorauswählen eines Messpunkts auf, der einer spezifischen Kombination aus der Ansammlung aus Parameterkombinationen entspricht, als den geschätzten Maximalempfindlichkeitspunkt, wo die Empfindlichkeit schätzungsweise auf einem Maximum ist, und, wenn sich der geschätzte Maximalempfindlichkeitspunkt von dem tatsächlichen Messpunkt unterscheidet, wo die Empfindlichkeit auf einem Maximum ist, wie aus den Diagnoseergebnissen erkannt wird, zum Korrigieren jedes Parameterwerts von zumindest einigen der Parameterkombinationen, die in der Ansammlung aus Parameterkombinationen enthalten sind, durch eine spezifische Regel, derart, dass eine maximale Empfindlichkeit an den Punkten, die den geschätzten Maximalempfindlichkeitspunkten während der tatsächlichen Messung entsprechen erzeugt werden kann. In diesem Fall kann der Parameter, der durch eine Kalibrierung geändert wird, der zweite Parameter sein.
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Das zweite Kalibrierungssystem weist eine Kalibrierungseinrichtung auf, bei der, wenn das Verhältnis der Empfindlichkeit an einem tatsächlichen Messpunkt, wo die Empfindlichkeit basierend auf Diagnoseergebnissen auf einem Maximum ist, und der Empfindlichkeit an einem vorbestimmten Referenzmesspunkt, der einer Kombination der Ansammlung aus Parameterkombinationen entspricht, außerhalb eines spezifischen Verhältnisses ist, jeder Parameter von zumindest einigen der Parameterkombinationen, die in der Ansammlung aus Parameterkombinationen enthalten sind, durch eine spezifische Regel korrigiert wird. In diesem Fall kann der Parameter, der durch Kalibrierung geändert wird, der zweite oder dritte Parameter sein.
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Mit Hilfe des Diagnose- und Kalibrierungs-Systems der vorliegenden Offenbarung kann ein Benutzer des oben erwähnten ICP-MS vor Ort bestätigen, ob die Standardeigenschaften einer Vorrichtung stabil sind oder nicht, und die Reproduzierbarkeit kann verbessert werden, wenn Proben verschiedener Matrixkonzentrationen tatsächlich gemessen werden. Ferner kann das Diagnose- und Kalibrierungs-System der vorliegenden Offenbarung auch verwendet werden, wenn der Benutzer Wartungsoperationen ausführt, und der Operator kann ohne weiteres die Eigenschaften der Vorrichtung in kurzer Zeit bestätigen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Zeichnung, die primär den Plasmaerzeugungsteil des Hauptabschnitts des ICP-MS zeigt, das durch die vorliegende Offenbarung verwendet wird;
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2 eine Zeichnung, die einen Graph des so genannten Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnisses zeigt, auf das Bezug genommen wird, um die Steuerfaktoren bei der vorliegenden Offenbarung zu bestimmen;
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3 eine Zeichnung, die einen Graph desselben Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnisses zeigt wie in 2, und eine Zeichnung zum Beschreiben der Theorie hinter dem Diagnoseverfahren der vorliegenden Offenbarung ist;
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4 eine Zeichnung, die die Struktur der Software zeigt, die ein Teil des Diagnosesystems der vorliegenden Offenbarung ist;
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5 eine Zeichnung, die die Details der Modulbereitstellungseinrichtung beschreibt, die ein Teil der Software ist, die in 4 gezeigt ist;
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6 ein Flussdiagramm, das den Operationsmodus des Kalibrierungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt;
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7 eine Zeichnung, die die Datenstruktur für die Diagnosemessung zeigt, die in dem Modul enthalten ist, das bei der Operation der vorliegenden Offenbarung verwendet wird; und
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8 eine Zeichnung, die einen Graph des Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnisses für die Messergebnisse basierend auf der oben erwähnten Datenstruktur zeigt.
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Das Diagnose- und Kalibrierungs-System für ein ICP-MS, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ist, wird nun beschrieben, während Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen genommen wird. Zuerst wird die allgemeine Struktur des ICP-MS gezeigt und dann wird das Diagnose- und Kalibrierungs-System beschrieben. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass der Ausdruck „Verdünnung”, wie er bei der Beschreibung des Operationsmodus der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, die folgt, alle Mittel umfasst, mit denen es möglich ist, die Menge an Probenionen zu reduzieren, die durch den Schnittstellenteil passieren, und sich an anderen Stellen als der Beschreibung des Stands der Technik auch auf eine so genannte „trockene” Verdünnung bezieht, durch die keine Flüssigkeit verwendet wird.
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1 zeigt primär den Plasmaerzeugungsteil des Hauptabschnitts des ICP-MS der vorliegenden Offenbarung. Dieser Typ eines ICP-MS weist einen Massenspektrometerteil an der Rückseite des Plasmaerzeugungsteils auf. 1 zeigt nur einen Probenahmekegel 15 und einen Skimmer- bzw. Abschöpf-Kegel 16, die an der Vorderseite des Masseanalysierungsteils sind und den Schnittstellenteil bilden, der wirkt, um den Ionenstrahl zu extrahieren. Obwohl dies nicht dargestellt ist, wird der Ionenstrahl, der hin zu der Rückseite des Skimmerkegels 16 gerichtet wird, zu dem Massenspektrometer gerichtet, der weiter hinten positioniert ist. Der Ionenstrahl wird dadurch basierend auf dem Masse-Ladung-Verhältnis getrennt und die Elemente werden identifiziert.
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Die primären Strukturelemente eines Plasmaerzeugungsteils 10 sind eine Aerosolerzeugungseinrichtung 30 und ein Plasmabrenner 20. Die Aerosolerzeugungseinrichtung 30 weist einen Zerstäuber 40 zum Zerstäuben einer flüssigen Probe und eine Sprühkammer 50 zum zirkulieren der zerstäubten flüssigen Probe und Isolieren ausschließlich der Flüssigkeitstropfen, die im Durchmesser relativ klein sind, auf.
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Eine flüssige Probe 61 und ein Gas 76A zum Erzeugen eines Aerosols werden zu dem Zerstäuber 40 geliefert. Die flüssige Probe 61 kann durch Blasen von Gas 76A mit einer spezifischen Flussrate auf die flüssige Probe 61 zerstäubt werden, die eingebracht wird. Ein inertes Gas, üblicherweise Argongas, wird zum Erzeugen des Aerosols verwendet. Eine Steuerung des Gasbetrags, der geliefert wird, wird später erörtert.
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Die flüssige Probe 61 wird durch eine Flüssigprobenzuführeinrichtung 60 eingebracht. Die Flüssigprobenzuführeinrichtung 60 weist einen Behälter 62, in dem eine flüssige Probe gelagert ist, und eine Peristaltikpumpe 63, die an einer Position entlang der Rohrleitung angeordnet ist, auf. Die Peristaltikpumpe 63 wird durch ein Steuerteil 64 gesteuert. Im Wesentlichen steuert das Steuerteil 64 die Peristaltikpumpe 63 derart, dass die Pumpe die notwendige Menge flüssiger Probe 61 aus dem Behälter 62 zu dem Zerstäuber 40 zuführt.
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Die Sprühkammer 50 häust eine Kammer 51, durch die die zerstäubten Flüssigkeitstropfen zirkulieren können. Eine zylindrische Wand 52 ist innerhalb der Kammer 51 derart gebildet, dass Gas in entgegengesetzten Richtungen innerhalb und außerhalb der Kammer fließt. Die zerstäubten Flüssigkeitstropfen werden durch die Gasflüsse transportiert. Die Flüssigkeitstropfen jedoch, die in ihrem Durchmesser relativ groß sind, haften an der Innenwandoberfläche der Kammer 51 und werden durch einen Ablauf 53 ausgelassen.
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Die Flüssigkeitstropfen mit relativ kleinem Durchmesser andererseits werden als Aerosol durch eine Verbindungsöffnung 54 in der Richtung eines Verbindungsrohres 31 ausgelassen.
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Das Aerosol wird durch das Verbindungsrohr 31 zu dem Plasmabrenner 20 geliefert. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass ein Einlass 32 für zusätzliches Verdünnungsgas 76B, das zur Verdünnung hinzugefügt wird, in der Mitte des Verbindungsrohrs 31 angeordnet ist. Die Wirkung von zusätzlichem Verdünnungsgas 76B wird später erörtert.
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Der Plasmabrenner 20 weist ein erstes und zweites Außenrohr 22 und 23 an der Außenseite eines Innerohrs auf, in das Aerosol eingebracht wird. Ein Hilfsgas (oder Mittelgas) 77A wird in das erste Außenrohr 22 eingebracht, und ein Plasmagas 77B wird in das äußerste zweite Außenrohr 23 eingebracht. Eine Arbeitsspule 25, die mit einer Hochfrequenzleistungsquelle (HF-Leistungsquelle) 80 über einen Anpassungskasten 81 verbunden ist, ist an der Spitze des Plasmabrenners 20 angeordnet.
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Die Arbeitsspule 25 liefert dem Plasmabrenner 20 die Energie zum Erzeugen eines Plasmas 5. Es ist möglich, das Plasma 5 in einen entzündeten Zustand zu versetzen, durch Einschalten der Hochfrequenzleistungsquelle 80, nachdem das Hilfsgas 77A und Plasmagas 77B zu dem Plasmabrenner 20 geliefert wurden. Dann wird, um die Probe zu analysieren, das Aerosol, des die Flüssigkeitstropfen der flüssigen Probe enthält, aus dem Innenroh 21 eingebracht. Als Ergebnis werden die Elemente, die in den Flüssigkeitstropfen des Aerosols vorhanden sind, in dem Plasma 5 ionisiert.
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Es ist möglich, die Anzahl von Ionen, die durch die Schnittstelle 15 und 16 passieren, durch Ändern der Ausgabe der Hochfrequenzleistungsquelle 80 zu erhöhen oder zu verringern. Es ist möglich, die Anzahl von Ionen zu reduzieren, die durch die Schnittstelle 15 und 16 passieren, durch Anheben der Ausgabe der Hochfrequenzleistungsquelle 80 unter den spezifischen Bedingungen, die später in Bezug auf den Oxidionenverhältisgraphen beschrieben werden.
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Mit Hilfe des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Plasmabrenner 20 auf einem Tisch 26 verankert, der durch einen Antriebsmechanismus 27 bewegt werden kann, wie z. B. einen Motor. Folglich kann der Plasmabrenner 20 entlang der Richtung der Einbringung des Aerosols bewegt werden. Dies stellt die Distanz Z zwischen dem Plasmabrenner 20 und der Schnittstelle 15 und 16 (Probenahmetiefe) ein. Ein Koordinatentisch wird üblicherweise als Tisch 26 verwendet. Der Antriebsmechanismus 27 wird durch ein Steuerteil 90 gesteuert. 1 zeigt nur den auf Tisch 26 verankerten Plasmabrenner, aber es ist auch möglich, zusätzlich zu dem Plasmabrenner 20 die anderen Teile des Systems an dem Tisch zu verankern, die Sprühkammer 50 und Zerstäuber 40 umfassen, derart, dass diese Teile ebenfalls durch den Antriebsmechanismus 27 bewegt werden können. Ferner ist es ebenfalls möglich, die Struktur an der Brennerseite zu verankern und die Position der Schnittstelle zu verändern, um den Wert von Z zu verändern.
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Im Allgemeinen zeigt die Anzahl von Ionen, die durch die Schnittstelle 15 und 16 passiert, eine Tendenz hin zu einem Anstieg, wenn die Distanz Z kürzer wird, und die Anzahl von Ionen, die durchpassieren, zeigt eine Tendenz hin zu einer Verringerung, wenn die Distanz Z länger wird. Folglich ist es möglich, die Anzahl von Ionen einzustellen, die durch die Schnittstelle 15 und 16 passiert, durch die Einstellungsdistanz Z zwischen dem Plasmabrenner und der Schnittstelle.
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Ein charakterisierendes Merkmal dieses Geräts ist, dass es möglich ist, die flüssige Probe, wie z. B. eine Hoch-Matrix-Probe, durch geeignetes Steuern von sowohl dem Trägergas, das das Aerosol bildet, als auch dem Plasma, das die Metallionen aufweist, die in dem Aerosol enthalten sind, einfach und mit guter Reproduzierbarkeit zu verdünnen. Im Wesentlichen ist ein zeitaufwändiger Verdünnungsprozess unter Verwendung einer Flüssigkeit mit Hilfe des Steuersystems der vorliegenden Vorrichtung unnötig, und das Verfahren, das durch einen Benutzer ausgeführt werden muss, ist sehr einfach. Die Wirkung des Steuersystems wird nun beschrieben.
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Das ICP-MS des vorliegenden Ausführungsbeispiels weist eine Steuervorrichtung 70, einen Speicher 95, der mit der Steuervorrichtung verbunden ist, und eine Benutzerschnittstelle 100 auf. Diese können ein einzelner Computer sein. Die Steuervorrichtung 70 ist derart entworfen, dass Steuersignale 73A, 73B und 73C zu der Hochfrequenzquelle 80, zu dem Steuerteil 90 zum Steuern des Antriebsmechanismus 27 bzw. zu dem Steuerteil 64 zum Steuern der Peristaltikpumpe 63 zum Zuführen der flüssigen Probe 61 gesendet werden. Ferner weist die Steuervorrichtung 70 auch ein Gassteuerteil 79 zum Steuern von Gas auf.
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Das Gassteuerteil 79 kann Steuersignale 71A, 71B, 72A und 72B zu Gasflussratensteuervorrichtungen 74A, 74B, 75A und 75B senden. Die Steuersignale 71A und 71B bestimmen die Menge an Aerosolerzeugungsgas 76A und zusätzlichem Verdünnungsgas 768, die zu den entsprechenden Gasflussratensteuervorrichtungen 74A und 74B zugeführt werden soll, und die Steuersignale 72A und 72B bestimmen die Menge an Hilfsgas 77A und Plasmagas 77B, das zu den Gasflussratensteuervorrichtungen 75A und 75B zugeführt werden soll.
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Die Steuervorrichtung 70 kann eine oder mehrere ICs aufweisen. Ferner kann die Steuervorrichtung 70 als ein Computer mit einer Anzeige entworfen sein, die durch Kombination, als eine Einheit oder getrennt von der Benutzerschnittstelle 100 erhalten wird. Ein Speicher 95 kann als ein Speicher entworfen sein, der überschrieben werden kann. Der Speicher 95 ist mit der Steuervorrichtung in 1 verbunden, kann jedoch ferner derart entworfen sein, dass der mit der Benutzerschnittstelle 100 verbunden ist.
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Ein Steuern durch das Gassteuerteil 79 kann eine Verdünnung ergeben, ausgeführt in einem Aerosolzustand. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, ist es möglich, zusätzliches Verdünnungsgas 76B zu dem Aerosol hinzuzufügen, das aus der Sprühkammer 50 übertragen wird, und das Verhältnis von Flüssigkeitstropfen der flüssigen Probe zu der Gesamtmenge an Trägergas zu reduzieren. Wenn der Schritt der Verdünnung bei dem Aerosol nicht notwendig ist, wie z. B. in dem Fall einer Analyse einer Niedrig-Matrix-Probe, dient ausschließlich Aerosolerzeugungsgas 76A als das Trägergas für das Aerosol. In dem Fall einer Analyse einer Hoch-Matrix-Probe andererseits ist es möglich, das Aerosol durch Hinzufügen von zusätzlichem Verdünnungsgas 76B zu verdünnen. In dem letzteren Fall dienen sowohl Aerosolerzeugungsgas als auch zusätzliches Verdünnungsgas als das Trägergas.
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Im Wesentlichen können mit Hilfe des vorliegenden Ausführungsbeispiels das Verhältnis der Flüssigkeitstropfen, die in dem Aerosol enthalten sind, das den Plasmabrenner 20 erreicht, und die Flussrate des Trägergases umfassend bestimmt werden, aber auf einer Eins-zu-Eins-Basis, durch Steuern der Menge an flüssiger Probe 61, die zugeführt wird, über Steuersignale 73C, und durch Steuern der Flussrate des Aerosolerzeugungsgases 76A und des zusätzlichen Verdünnungsgases 76B über die Steuersignale 71A und 71B.
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Daher ist es möglich, die Beziehung zwischen dem Flüssigkeitstrapfengehaltsverhältnis in dem Aerosol und der Flussrate des Aerosolerzeugungsgases 76A und/oder der Menge der zugeführten flüssigen Probe aufzuzeichnen und den Grad, zu dem das Aerosol verdünnt ist, numerisch umzuwandeln, durch Hinzufügen der Flussrate des verdünnenden zusätzlichen Gases 76B zu der Flussrate des Trägergases. Diese numerische Umwandlung ist ein effektives Mittel zum Garantieren einer guten Reproduzierbarkeit einer Verdünnung.
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Das Ausführen einer steuerbaren Verdünnung nach der Aerosolerzeugung ist auch wirksam im Hinblick auf das Steuern von Plasma 5, was nachfolgend erörtert wird. In dem Fall, dass keine Einrichtung zum Liefern von zusätzlichem Verdünnungsgas 76B vorliegt, wenn das Flüssigkeitstropfengehaltverhältnis geändert wird, durch Reduzieren der Menge an Aerosolerzeugungsgas, das während der Aerosolerzeugung zugeführt wird, um die Probe zu verdünnen, wird auch der Gesamtfluss von Trägergas reduziert. Folglich wird das Ausmaß, zu dem Plasma 5, das durch den Plasmabrenner 20 erzeugt wird, durch das Trägergas des Aerosols gekühlt wird, reduziert. In diesem Fall wird es schließlich sehr schwierig, die Anzahl von Ionen mit guter Genauigkeit zu steuern, die durch die Schnittstelle 15 und 16 passieren.
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Sogar wenn die Menge von Aerosolerzeugungsgas, das geliefert wird, reduziert wird, ist die Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels in der Lage, Änderungen an der Gesamtflussrate des Trägergases zu verhindern, die aus der Hinzufügung der optimalen Menge an zusätzlichem Verdünnungsgas resultieren. Daher ist es möglich, zu dem Plasmabrenner 20 Aerosol zuzuführen, das nur im Hinblick auf dem Flüssigkeitstropfengehalt unterschiedlich ist, ohne die Flussrate des Trägergases in dem Aerosols zu ändern, und dadurch eine ausreichende Reproduzierbarkeit der Analyseergebnisse zu garantieren.
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Die grundlegenden Daten zum Steuern jedes Gases durch den Gassteuerteil 79 können direkt unter Verwendung der Benutzerschnittstelle 100 eingegeben werden oder können vorab in dem Speicher 95 gespeichert sein. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann die Benutzerschnittstelle 100 eine Eingabevorrichtung und eine Anzeige zum Anzeigen von Eingabe- und Steuerstatus und ähnliche Merkmale aufweisen.
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2 ist ein Graph, der die so genannte Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis-Eigenschaft zeigt, auf die Bezug genommen wird, um die Steuerfaktoren der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels zu bestimmen. Dieser Graph des Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnisses zeigt die Erfassungsempfindlichkeit für ein spezifisches Ion auf der x-Achse und das Oxidionenverhältnis des betreffenden Ions auf der y-Achse, dargestellt als ein Logarithmus. Die Region, die durch gekrümmte Linien in der Figur eingeschlossen ist, zeigt die Verteilung von Messpunkten, wenn die oben erwähnten Faktoren, im Wesentlichen die Trägergasflussrate, die Hochfrequenz-Leistungsquellen-Ausgabe und die Distanz Z zwischen dem Plasmabrenner und der Schnittstelle, als variable Parameter verändert werden. Mit Hilfe des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird Ce (Cerium) als das spezifische Ion verwendet, es ist jedoch auch möglich, Ba (Barium) oder La (Lanthan) zu verwenden. Ferner ist der Indikator nicht auf das Oxidionenverhältnis beschränkt und kann ein Verhältnis der Empfindlichkeit für Ionen und eine andere Verbindung sein, das ein Indikator eines physischen Phänomens ist, wie durch die vorliegende Offenbarung dargestellt ist.
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Mit Hilfe der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist eine Steuerung dadurch möglich, dass es möglich ist, die Steuerparameter konstant zu regulieren. Diese Fähigkeit zum Regulieren ist abgeleitet aus dem Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis. Wie dargestellt ist, sind die Messpunkte innerhalb der Region R1 verteilt, die sandwichartig zwischen zwei gekrümmten Linien angeordnet ist. Mit Hilfe der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist jeder der oben erwähnten Parameter derart gesetzt, dass sie zu einem Punkt entlang dem Pfeil P werden, wenn sie am Boden einer Außenhüllkurve 110 positioniert sind. Anders ausgedrückt sind alle Faktoren, die durch die Steuervorrichtung gesteuert werden, derart gesetzt bzw. eingestellt, dass sie auf dem Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis-Graphen, der die Beziehung zwischen der Empfindlichkeit für ein spezifisches Metallion und Oxidionen des Metallions zeigt, Zuständen entsprechen, die entlang der Hüllkurve liegen, wobei der log des Oxidionenverhältnisses praktisch proportional relativ zu der Empfindlichkeit ist, wenn das Oxidionenverhältnis praktisch das Minimum für jede Empfindlichkeit ist.
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Im Wesentlichen ist es mit Hilfe der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels möglich, nur die Menge der Flüssigkeitstropfen zu ändern, ohne die Gesamtflussrate des Trägergases in dem Aerosol zu ändern, das geliefert wird, und es ist möglich, nur die Trägergasflussrate zu ändern, ohne die Menge an Flüssigkeitstropfen zu ändern, die pro Zeiteinheit geliefert werden. In dem letzteren Fall ändert sich der Plasmazustand, wie z. B. die Plasmatemperatur, gemäß der Flussrate des Trägergases.
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Nichtsdestotrotz, wenn die Plasmatemperatur besonders niedrig ist, verbindet sich das Matrixelement mit anderen Elementen, so dass es nicht in dem Zustand von Einelementionen ist, und eine Störung wird erzeugt, die zu einem Hindernis für die Analyse des Elements wird, das gemessen werden soll. Dieser Zustand ist unerwünscht, wenn er absichtlich erzeugt wird, insbesondere wenn die Analyse eines spezifischen Elements das Ziel ist. Daher, egal ob die Gesamtflussrate des Trägergases niedrig oder hoch ist, werden mit Hilfe der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels die oben erwähnten Parameter derart gesetzt, dass die Temperatur des Plasmas (insbesondere die Gastemperatur) nicht fällt. In dem Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist es z. B. möglich, einen Punkt, der einer Kombination aus Steuerparametern entspricht, als einen Punkt auf der Innenseite der Region R2 zu bestimmen, die durch ein spezifisches Oxidionenverhältnis und eine Empfindlichkeit abgegrenzt ist, wie durch das Parallelogramm in dem Graphen in 2 gezeigt ist. Die Region kann durch eine Vielzahl von Verfahren bestimmt werden, wie z. B. Erfüllen einer spezifischen numerischen Beziehung, oder durch Einstellen eines spezifischen numerischen Bereichs.
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Durch Verwenden dieses Parametereinstellverfahrens ist es möglich, während der Analyse eine relativ hohe Gastemperatur beizubehalten und negative Wirkungen auf die Analysegenauigkeit als Ergebnis davon zu verhindern, dass das Element, das gemessen wird, andere Verbindungen bildet, egal ob die Flussrate des Trägergases relativ niedrig ist, oder umgekehrt, die Flussrate des Trägergases zur Verdünnung erhöht wurde, wie nachfolgend erörtert wird.
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Wie vorangehend erwähnt wurde, wenn die variablen Parameter durch direkte Eingabe durch einen Benutzer bestimmt werden, ist es möglich, die Verwendung des Eingangswerts abzulehnen, wenn der Eingangswert außerhalb eines spezifischen Bereichs ist (z. B. außerhalb der Region R2 in 2). Im Wesentlichen, z. B. wenn die Benutzerschnittstelle 100 bestimmt, dass ein Eingangsparameter ungeeignet ist, nachdem Parameter in Folge eingegeben wurden, ist es möglich, den Parameter abzulehnen, oder ein anderes mögliches Beispiel ist die Verwendung eines Alarms, sobald alle Parameter eingegeben wurden. Andererseits, wenn die Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels derart entworfen ist, dass jeder variable Parameter vorab in dem Speicher 95 gespeichert ist, ist es möglich, eine Gruppe von gespeicherten Parametern auszuwählen, die die oben erwähnten Bedingungen erfüllt.
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Wie vorangehend beschrieben wurde, ist es mit Hilfe des ICP-MS schwierig, eine Reproduzierbarkeit zu realisieren, wenn die Anzahl von Ionen in einer Probe, die durch die Schnittstelle passiert, sich mit dem Plasmazustand verändert, relativ zu der Schnittstelle, aufgrund der vielen Parameter, die solche Bedingungen bestimmen. Im Wesentlichen ändert sich der Zustand des Plasmas sogar mit nur einer leichten Verschiebung bei bestimmten Parametertypen, und in solchen Fällen besteht ein Problem mit der Glaubwürdigkeit der Messergebnisse. Ferner, wenn zumindest die grundlegenden Parameter eingestellt sind, wenn Proben hoher Matrixkonzentration gemessen werden, ist es möglich, das Ausmaß der Verdünnung mit guter Genauigkeit zu bestimmen. Daher ist es mit Hilfe der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels möglich, Vorrichtungseigenschaften nach Bedarf zu diagnostizieren und die Parameter zu kalibrieren, die die Vorrichtung betreiben, derart, dass ein Zustand nahe dem geschätzten Plasmazustand mit guter Reproduzierbarkeit während einer Messung geliefert werden kann.
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3 ist eine Zeichnung, die einen Graph des Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnisses wie in 2 zeigt, und wird zum Beschreiben der Theorie hinter der Diagnoseeinrichtung der vorliegenden Offenbarung verwendet. Die Theorie von Diagnose und Korrektur der vorliegenden Offenbarung wird Bezug nehmend auf 3 beschrieben.
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Mit Hilfe der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist das Kriterium zum Bewerten der Eigenschaften, die sich auf das Plasma dieser Vorrichtung beziehen, die Position der Punkte entlang der Hüllkurve, die das Ende der Hochempfindlichkeitsseite in der Zeichnung aller Messpunkte auf dem Graphen des Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnisses bildet. Fünf Messpunkte A, B, C, D und E sind als Beispiel in 3 dargestellt. Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung haben experimentell bestätigt, dass, wenn die Plasmaeinstellungen (Plasmabedingungen, die die Temperatur und die Anzahl von Ionen bestimmen, die durch die Schnittstelle der vorliegenden Anwendung passieren; hierin nachfolgend auch einfach als Plasmabedingungen bezeichnet) verändert werden, oder wenn sie sich im Lauf der Zeit verändern, sich diese Punkte entlang der Längsrichtung dieser Hüllkurve bewegen. Die Bewegung jedes Punkts entspricht schätzungsweise der Beziehung zu der Plasmatemperatur, was eine Kombination der Plasmaelektronentemperatur und der Gastemperatur ist. Im Wesentlichen bildet die eindimensionale Richtung entlang der Hüllkurve die Beziehung monotoner Erhöhung im Hinblick auf die Plasmatemperatur des Systems. In der Figur ist die Plasmatemperatur auf der A-Seite relativ niedrig und die Plasmatemperatur auf der E-Seite ist relativ hoch.
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Die Pfeile, die in beide Richtungen in der Figur zeigen, zeigen die Richtung der Bewegung der Messpunkte, schränken aber den Bewegungsbereich nicht ein. Solange z. B. eine große Änderung bei den Plasmabedingungen vorliegt, kann sich Messpunkt A bis in die Nähe der Position bewegen, die als Punkt C dargestellt ist. Die Länge des Pfeils jedoch stellt das Ausmaß der Bewegung dar. Im Wesentlichen ändert sich die Position des Messpunkts A beträchtlich ansprechend auf eine Änderung bei den Plasmabedingungen. Andererseits ist Messpunkt E nicht empfindlich gegenüber Änderungen bei Plasmabedingungen und der Betrag, um den sich dieser Punkt bewegt, ist klein.
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Basierend auf dem oben Erwähnten ist deutlich, dass die Eigenschaften dieser Vorrichtung, die Plasmabedingungen zugeordnet sind, basierend auf der Position jedes Messpunkts auf dem Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis-Graphen bewertet werden können. 3 zeigt nur fünf Punkte, aber bei einer tatsächlichen Diagnose kann die Form der Hüllkurve durch Verwendung von mehr Messpunkten gekennzeichnet sein. Obwohl die Anzahl von Messpunkten zu dem Punkt erhöht werden kann, dass eine Kurve durch eine Interpolation zwischen Punkten gezeichnet wird, braucht es mehr Zeit als nötig für eine Diagnosemessung, wenn viele Messpunkte vorliegen, was unerwünscht ist. Zu praktischen Zwecken ist es bevorzugt, dass die Anzahl von Punkten derart ist, dass eine Diagnosemessung in ungefähr 5 Minuten abgeschlossen werden kann.
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Mit Hilfe der Vorrichtung des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird eine Diagnose nach dem Finden des Punkts, an dem eine Messempfindlichkeit auf einem Maximum ist, und dem Finden der Form der Hüllkurve unter Verwendung dieses Punkts als das Kriterium ausgeführt, um ohne weiteres und präzise eine Diagnosebewertung auszuführen. Das Verwenden des Punktes maximaler Empfindlichkeit als das Kriterium macht eine Bewertung durch numerische Werte basierend auf diesen Koordinaten möglich und bezieht sich auf eine präzisere Diagnosebewertung. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass in 3 Messpunkt C als der Punkt maximaler Empfindlichkeit gezeigt ist.
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4 ist eine Zeichnung, die die Struktur der Software zeigt, die einen Teil des Diagnosesystems der vorliegenden Erfindung bildet. 5 ist eine Zeichnung, die die Details der Moduleinrichtung beschreibt, die Teil der Software ist, die in 4 gezeigt ist. 6 ist ein Flussdiagramm, das die Wirkung des Kalibrierungssystems des vorliegenden Ausführungsbeispiels darstellt. 7 ist eine Tabelle, die die Datenstruktur zur Diagnosemessung zeigt, die in dem Modul enthalten ist, das bei der Operation der vorliegenden Offenbarung verwendet wird, und 8 ist ein Graph, der das Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnis zeigt, als das Messergebnis, basierend auf dieser Datenstruktur.
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Das Diagnose- und Kalibrierungssystem der vorliegenden Offenbarung wird unter Verwendung von 4 bis 8 beschrieben. Der Operationsmodus der vorliegenden Offenbarung wird in Reihenfolge beschrieben, und die Softwarestruktur wird nach Bedarf beschrieben, basierend auf dem Flussdiagramm in 6. Der Operationsmodus des gesamten Kalibrierungssystems ist in 6 gezeigt, aber ein Diagnosesystem, das keinen Endmodus zur Einstellung oder Korrektur von Parametern aufweist, fällt ebenfalls in die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung.
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Eine automatisierte Operation des Systems wird gestartet (Schritt 301), wenn das Kalibrierungssystem eingeschaltet wird. Für eine Erleichterung der Operation durch einen Benutzer vor Ort ist das System des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein System, durch das eine Operation automatisiert ist, bis die Kalibrierung abgeschlossen ist. Obwohl dies nicht dargestellt ist, ist es im Fall von Wartungsoperationen etc. auch möglich, den Modus so einzustellen, dass das Verfahren nach einem spezifischen Schritt vorübergehend gestoppt wird.
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Ein System, das eingeschaltet wurde, kann zuerst eine Voreinstellung (Schritt 302) ausführen. Eine Voreinstellung ist der Operationsmodus, durch den vor einer Diagnosemessung die Position in der Richtung, die die Achse des Plasmabrenners schneidet, optimiert und mit der Achse ausgerichtet wird, und der Spannungszustand der Ionenlinse für eine Diagnosemessung optimiert wird. Wenn nötig ist es möglich, nur einen dieser zwei Modi zu verwenden. Wenn die Position des Plasmabrenners oder der Spannungszustand der Ionenlinse nicht optimiert ist, besteht eine Möglichkeit, dass die oben erwähnte Form der Empfindlichkeit-Oxidionen-Hüllkurve ungeeignet ist und eine Diagnose nicht geeignet ausgeführt wird. Daher sollte üblicherweise eine Voreinstellung ausgeführt werden, jedes Mal wenn eine Diagnosemessung ausgeführt wird. Wenn jedoch garantiert werden kann, dass die Einstellungen abgeschlossen wurden, und es notwendig ist, die Probenmesszeit zu kürzen, kann diese Voreinstellung weggelassen werden. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass, obwohl die einzige Voreinstellung bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Ausrichtung des Plasmabrenners und die Einstellung des Ionenlinsen-Spannungszustands ist, abhängig von der Vorrichtung auch andere Parameter eingestellt werden können.
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Wenn die Voreinstellungsoperation gestartet wird, ist das erste Modul, das ausgelesen wird, das Modul, das die Parameter als Messbedingungen enthält. Die Struktur der Software des Systems des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird in Bezug auf das Lesen des Moduls beschrieben.
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Wie vorangehend beschrieben wurde, ist die Softwarestruktur des Systems des vorliegenden Ausführungsbeispiels in 4 gezeigt. Wenn das oben erwähnte System zur Diagnose und Kalibrierung durch eine Gemeinschaftsoperation einer Softwareeinrichtung bereitgestellt wird, die in der Steuervorrichtung 70 vorhanden ist, und dem Speicher 95, und ähnliches, und durch andere Hardwareeinrichtungen, ist nur die Struktur dieser Softwareeinrichtung in 4 gezeigt. Bezugszeichen 200 in 4 ist eine Kalibrierungseinrichtung. Die Kalibrierungseinrichtung 200 weist eine Diagnoseeinrichtung 210 und eine Parameterkorrektureinrichtung 220 auf. Die Diagnoseeinrichtung 210 weist ferner eine Voreinstellungseinrichtung 211, eine Diagnosemesseinrichtung 214 und eine Modulbereitstellungseinrichtung 215 auf, und die Voreinstellungseinrichtung 211 weist eine Vormesseinrichtung 212 und eine Einstellbefehlseinrichtung 213 auf.
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Von diesen werden die Voreinstellungseinrichtung 211 und die Modulbereitstellungseinrichtung 215 für die oben erwähnte Voreinstellung verwendet. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass ein charakterisierender Punkt ist, dass die Modulbereitstellungseinrichtung 215 nicht nur in Zusammenarbeit mit der Vormesseinrichtung 212 sondern auch mit der Diagnosemesseinrichtung 214 arbeitet.
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Die Details der Modulbereitstellungseinrichtung 215 sind in 5 gezeigt. Die Modulbereitstellungseinrichtung 215 verwendet zwei Module. Eines ist ein Abtastmodul 231 und das andere ein Sprungmodul 232. Das Abtastmodul 231 legt einige einer Mehrzahl von Parametern fest und misst N Abmessungen innerhalb des gesamten Bereichs der verbleibenden notwendigen Parameter. Das Sprungmodul 232 andererseits misst nur eine spezifische Parametergruppe aus spezifischen Parametern, wie es für jene Parameter als geeignet erachtet wird. Die Einstellungen für jeden Parameter entsprechend dem Abtastmodul 231 und dem Sprungmodul 232 sind in dem Speicher 95 vorgespeichert. Das Abtastmodul 231 und das Sprungmodul 232, die dem Parametertyp entsprechen, werden durch die Steuervorrichtung 70 gemäß der notwendigen Operation gelesen.
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Um die Operation der oben erwähnten Module mit einem einfachen Beispiel zu beschreiben, werden drei Parameter genommen und die orthogonalen Koordinaten dieser drei Parameter werden eingestellt. Wenn das Abtastmodul 231 verwendet wird, wird eine Messung für alle kontinuierlichen oder diskreten Punkte innerhalb des Parameterbereichs ausgeführt, der dem Gesamtvolumen entspricht, wie durch ein Quader- oder regelmäßiges Hexaeder dargestellt ist, während, wenn ein Sprungmodul verwendet wird, Messungen an sporadischen Messpunkten ausgeführt werden, so wie sie sich auf die Parameter in Frage beziehen, die gemäß den Parametern ausgewählt wurden.
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Das Abtastmodul 231 und das Sprungmodul können nicht nur in Diagnosesystemen verwendet werden, die sich auf Plasmazustände beziehen, wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben ist, sondern auch für eine Diagnose und Kalibrierung, die sich auf verschiedene Parameter beziehen. Zum Beispiel ist es möglich, diese Module von außerhalb des Diagnosesystems aufzurufen und sie für eine Vielzahl von Parametern zu verwenden, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht gezeigt sind, wenn die Diagnose ausgeführt wird, die für Operationen benötigt wird, wie z. B. Wartung.
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Üblicherweise wird das Abtastmodul 231 für eine Vormessung aufgerufen. Die Parameter, die Gegenstand der Vormessung sind, sind die Koordinaten in zwei Dimensionen innerhalb der Ebene, die die Achse des Plasmabrenners schneidet, und der eindimensionale oder zweidimensionale Spannungsbereich, der an die Ionenlinse angelegt wird. Die drei primären Parameter zum Einstellen der Plasmabedingungen, im Wesentlichen der erste Parameter zum Bestimmen der Ausgabe der Hochfrequenzleistungsquelle, der zweite Parameter zum Bestimmen der Flussrate des Trägergases in dem Aerosol und der dritte Parameter zum Bestimmen der Distanz zwischen dem Plasmabrenner und der Schnittstelle, sind während der Vormessung auf einen vorbestimmten, spezifischen Wert festgelegt.
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Die Vormesseinrichtung 212 gibt die Vorrichtungsparameter, die sich auf einen spezifischen Bereich von Koordinaten für zwei Dimensionen innerhalb der Ebene beziehen, die die Achse des Plasmabrenners schneidet, und den Spannungsbereich, der an die Ionenlinse angelegt ist, basierend auf dem Abtastmodul, das bei Schritt 303 aufgerufen wurde, führt eine mehrdimensionale Vormessung aus und sammelt Messdaten (Schritt 304). Es sollte darauf hingewiesen werden, dass eine Standardprobe für die Vormessung und die später beschriebene Diagnosemessung verwendet wird. Zum Beispiel kann diese Probe eine Ce-Lösungs-Probe mit einer spezifischen Konzentration sein (z. B. einer Konzentration von 10 ppb oder 1 ppb).
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Der Parameterwert, bei dem eine Empfindlichkeit unter diesen Bedingungen auf einem Maximum ist, wird als der Optimalwert aus den Ergebnissen der Vormessung ausgewählt (Schritt 304). Die Einstellbefehlseinrichtung 213, gezeigt in 4, liefert den notwendigen Befehl zur Einrichtung zum Ändern der Plasmabrennerposition, oder einer Spannungseinstellvorrichtung für die Ionenlinsenelektrode, basierend auf dem ausgewählten Wert, und stellt den Plasmabrenner oder die Ionenlinse ein (Schritt 305).
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Sobald eine Voreinstellung abgeschlossen wurde, wird eine Vorbereitung zur Diagnosemessung gestartet. Wie in dem Fall einer Vormessung ist es der erste Schritt, das Modul aufzurufen (Schritt 304). In dem Fall einer Diagnosemessung ist es notwendig, in der Lage zu sein, das Verhalten zu einem bestimmten Ausmaß zu schätzen, das jedem Parameter zugeordnet ist, ohne die Messung kompliziert zu machen, und die Messzeit zu verkürzen. Daher wird üblicherweise das Sprungmodul 232 aufgerufen. Die Parameter, die der Gegenstand der Messung sind, sind in diesem Fall die oben erwähnten drei primären Parameter, im Wesentlichen der erste bis dritte Parameter.
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Die Diagnosemesseinrichtung 214 gibt die Vorrichtungsparameterwerte basierend auf dem Sprungmodul 232 bezüglich der drei primären Parameter, die aufgerufen wurden, führt eine Diagnosemessung aus und sammelt die Messdaten (Schritt 307). 7 zeigt ein Beispiel einer Liste aus Parametern, ausgewählt durch das Sprungmodul 232, und 8 zeigt die Messergebnisse derselben.
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Wie in 7 gezeigt ist, sind die erste und die zweite Gruppe von Ansammlungen von Parameterkombinationen die Ansammlungen von Parameterkombinationen, die der Auswahl des Sprungmoduls zugeordnet sind, bezüglich der drei primären Parameter, verwendet bei der Diagnose des vorliegenden Ausführungsbeispiels. Ein charakterisierendes Merkmal ist, dass bei der ersten Gruppe, der Probenahmetiefe, im Wesentlichen die Distanz zwischen dem Plasmabrenner und der Ionenlinse, konstant gehalten wird, als ein relativ kleiner oder der kleinste Wert, und in der zweiten Gruppe die Ausgabe der Hochfrequenzleistungsquelle (HF-Ausgabe) konstant gehalten wird.
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Der Grund dafür ist, im Gegensatz zu der Tatsache, dass die Parameterkombinationen der ersten Gruppe zum Zweck des Suchens nach Messpunkten verwendet werden, wo die Empfindlichkeit während einer Diagnosemessung auf einem Maximum ist, die Parameterkombinationen der zweiten Gruppe zur Messung von Proben mit einer hohen Matrixkombination nach der Diagnosemessung verwendet werden. Es sollte betont werden, dass, im Vergleich zu der ersten Gruppe aus Parameterkombinationen, mit der die maximale Empfindlichkeit erhalten werden kann, die zweite Gruppe aus Parameterkombinationen basierend auf relativ stabilen, robusten Bedingungen bestimmt wird, die Messpunkten entsprechen, wobei das Oxidionenverhältnis des Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnisses auf der kleinen Seite ist. Solche robusten Bedingungen können z. B. realisiert werden durch eine solche Einstellung, dass die Probenahmetiefe etwas größer eingestellt ist, aber in diesem Fall würde sich der Punkt, der der entsprechenden Kombination jedes Parameters entspricht, etwas hin zu der Innenseite der Hüllkurve bewegen.
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Es sollte darauf hingewiesen werden, dass, obwohl die erste und zweite Gruppe während einer Messung nicht differenziert werden, wie vorangehend beschrieben wurde, nur geplant ist, dass die zweite Gruppe tatsächlich für eine Messung von Proben mit einer hohen Matrixkonzentration verwendet wird, und die zweite Gruppen daher separat voneinander während einer Diagnosebewertung und Korrekturverarbeitung gehandhabt werden.
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Die Kombinationen aus Parametern, die die erste und zweite Gruppe bilden, sind als Ergebnis der Messung unter dem Standardzustand vor dem Versand, die Hüllkurve in dem Diagramm, gebildet durch alle Messwerte auf dem Graphen des Empfindlichkeit-Oxidionen-Verhältnisses und werden vorab als Parameter verwendet, die Messpunkten an Positionen entlang der Hüllkurve entsprechen, die das Ende der Seite bildet, wo die Empfindlichkeit hoch ist. Die Anzahl von Parameterkombinationen kann in Reihenfolge zugewiesen werden, von der Seite, wo die oben erwähnte Plasmatemperatur schätzungsweise niedrig ist. Mit Hilfe des Beispiels aus 7 werden die Probenahmetiefe und HF-Ausgabe auf konstante Werte für alle der ersten und zweiten Gruppe eingestellt, aber es ist nicht wesentlich, dass alle der Werte konstant sind, und es ist möglich, dass ein kleiner Teil der ersten oder zweiten Gruppe konstante Parameterwerte aufweist.
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Gemäß den Messergebnissen, die in 8 gezeigt sind, ist der Messpunkt, der „10” in der Tabelle in 7 entspricht, der Punkt, wo eine Messempfindlichkeit auf einem Maximum ist. Eigenschaftsqualität wird basierend auf diesem Ergebnis bewertet (Schritt 308). Die Eigenschaft der Vorrichtung, wie sie sich auf Plasmabedingungen bezieht, kann als gut bewertet werden, wenn die Voraussetzungen von (1) der Punkt maximaler Empfindlichkeit sollte der Messpunkt „10” sein, (2) das Verhältnis der Empfindlichkeit eines spezifischen Messpunkts über der maximalen Empfindlichkeit liegt in einem spezifischen Bereich, und (3) diese Empfindlichkeit ist in einem konstanten zulässigen Bereich etc., erfüllt werden, als Diagnosekriterien gemäß dem Verfahren zur Korrektur aus dem Standardzustand vor dem Versand, was nachfolgend beschrieben ist. Andererseits können, wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, die Eigenschaften der Vorrichtung als „schlecht” bewertet werden. Der Graph in 8 kann in dem geeigneten Format auf der Benutzerschnittstelle 100 angezeigt sein.
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Wenn der Benutzer dieses System als ein Diagnosesystem verwendet, wird der gesamte Operationsmodus bei Schritt 307 abgeschlossen. Wenn nötig, kann der Operationsmodus als ein Kalibrierungssystem nachfolgend in Weiterführung ausgeführt werden. Wenn die Diagnosebewertung „gut” ist, wird die Operation ohne Korrigieren von Parametern abgeschlossen (Schritt 311). Wenn die Bewertung „schlecht” ist, wird die notwendige Parameterkorrektur ausgeführt.
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Die Parameterkorrektur für die Kalibrierung wird durch eine Operationsparameterkorrektureinrichtung 220 ausgeführt. Die Parameterkorrektureinrichtung 220 berechnet den Betrag einer Parameterkorrektur für eine Kalibrierung (Schritt 309) und korrigiert Parameter basierend auf dem berechneten Betrag einer Korrektur (Schritt 310). Mit Hilfe des vorliegenden Ausführungsbeispiels werden die folgenden zwei Verfahrenstypen als Verfahren zum Korrigieren von Parametern verwendet. Es ist möglich, ein beliebiges der Verfahren zu verwenden, oder eine Kombinationskorrektur kann ausgeführt werden.
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Das erste Verfahren ist das Verfahren, durch das bestimmt wird, dass unter normalen Bedingungen der Punkt maximaler Empfindlichkeit ein spezifischer Punkt ist, und der Betrag einer Parameterkorrektur wird aus der Größe der Differenz zwischen dem spezifischen Punkt und dem entsprechenden tatsächlichen Messpunkt berechnet. Bei einer Erklärung unter Verwendung von 3, wenn der Messpunkt der maximalen Empfindlichkeit unter Standardbedingungen der Messpunkt C ist, wenn eine Diagnosemessung unter den Parameterbedingungen für Messpunkt C ausgeführt wird und der entsprechende Messpunkt der Messpunkt C' ist, der keine maximale Empfindlichkeit liefert, ergibt sich der Betrag einer Korrektur aus der Größe der Differenz bei diesen Messpunkten in den Koordinaten (Schritt 309). Im Wesentlichen ist der Messpunkt C' der Punkt, wo die Empfindlichkeit ursprünglich auf einem Maximum ist; daher wird eine Korrektur durch Ändern von zumindest einem der Primärparameter ausgeführt, wobei der aktuelle Zustand der Vorrichtung derart berücksichtigt wird, dass dieser Messpunkt der Punkt maximaler Empfindlichkeit wird. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass bevorzugt ist, dass der zu korrigierende Parameter der zweite Parameter ist, d. h. die Trägergasflussrate. Der Grund dafür ist, dass, wenn der Punkt maximaler Empfindlichkeit gesucht wird, der Operationsbereich breiter sein kann als die anderen Parameter und es einfacher ist, in einem engeren Bereich einzustellen.
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Das zweite Verfahren ist das Verfahren, durch das das Verhältnis der Empfindlichkeit an einem spezifischen Messpunkt zu der maximalen Empfindlichkeit unter Standardbedingungen bestimmt wird, wobei das Verhältnis der Empfindlichkeit an dem tatsächlichen Messpunkt, der diesem spezifischen Messpunkt entspricht, über der maximalen Empfindlichkeit, die als Ergebnis der tatsächlichen Diagnosemessung erhalten wird, gefunden wird, und wenn eine Differenz bei diesen Verhältnissen vorliegt, der Korrekturbetrag gefunden wird, der dieser Differenz entspricht (Schritt 309). Gemäß 3, wenn ein spezifischer Messpunkt der Messpunkt D ist, und der Messpunkt, der diesem Punkt in der tatsächlichen Messung entspricht, Messpunkt D' in der Figur ist, wird das Verhältnis von SD' zu der tatsächlichen maximalen Empfindlichkeit (Smax) mit dem Verhältnis SD zu der anfänglichen maximalen Empfindlichkeit (Sini max) verglichen, und der Betrag einer Korrektur gemäß dieser Differenz wird bestimmt. Wie in dem Fall der ersten Korrektur kann der zu korrigierende Parameter der zweite Parameter sein, im Wesentlichen die Trägergasflussrate, aber der Gegenstand der Korrektur kann auch der dritte Parameter sein, die Probenahmetiefe, im Wesentlichen die Distanz zwischen dem Plasmabrenner und der Schnittstelle.
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Folglich, wenn das erste Verfahren bei den Beispielen in 7 und 8 verwendet wird, wird die entsprechende Korrektur (Parameterkorrektur 1) ausgeführt, außer Messpunkt „10” ist der Messpunkt, wo anfänglich geschätzt wurde, dass die Empfindlichkeit auf einem Maximum ist. Andererseits, wenn das zweite Verfahren verwendet wird, wird die entsprechende Korrektur (Parameterkorrektur 2) ausgeführt durch Vergleichen des Verhältnisses der Empfindlichkeit S19 über der maximalen Empfindlichkeit Smax mit dem Verhältnis unter Standardbedingungen, wenn z. B. Punkt „19” der spezifische Messpunkt ist.
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Wie in Bezug auf 3 gezeigt ist, unterscheidet sich der Betrag einer Änderung, der einer Differenz bei den Plasmabedingungen entspricht, auf der Hoch-Plasma-Temperatur-Seite und der Niedrig-Plasma-Temperatur-Seite. Folglich wird eine Berechnung des Korrekturbetrags, die durch das erste und zweite Korrekturverfahren ausgeführt wird, basierend auf einer spezifischen Konversionsregel oder durch eine spezifische Konversionstabelle ausgeführt, die auf Erfahrung basiert.
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Die Korrektur der Parameterwerte kann für alle Kombinationen aus Parametern ausgeführt werden, aber wie vorangehend beschrieben wurde, wenn eine Messung basierend auf dem Sprungmodul während einer Diagnosemessung ausgeführt wurde, weisen die Parameterkombinationen zwei Gruppen auf, da nur die zweite Gruppe der zwei Gruppen für eine Messung nach einer Kalibrierung verwendet wird; es ist ferner möglich, nur die zweite Gruppe von Parameterkombinationen zu korrigieren. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass eine Parameterkorrektur auch direkt vor der tatsächlichen Probenmessung ausgeführt werden kann. Ferner kann der berechnete Korrekturbetrag und die Geschichte der Parameter nach einer Korrektur gespeichert und für eine nachfolgende Diagnosemessung oder tatsächliche Probenmessung verwendet werden.
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Wie vorangehend beschrieben wurde, kann die Größe der Differenz aus dem Standardzustand, die berechnet wurde, um diesen Korrekturbetrag zu finden, zum Bewerten der Qualität während einer Diagnose verwendet werden. Im Wesentlichen ist es gemäß dem Beispiel in 3 möglich, eine Diagnosebewertung mit Hilfe des ersten Verfahrens auszuführen, basierend darauf, ob das Ausmaß, zu dem die Differenz bei den Koordinaten zwischen dem Messpunkt C und dem Messpunkt C' innerhalb eines spezifischen Bereichs liegt oder nicht, oder durch das zweite Verfahren, basierend darauf, ob die Differenz bei dem Verhältnis von SD' über der maximalen Empfindlichkeit und dem Verhältnis von SD über der maximalen Empfindlichkeit unter Standardbedingungen in einem spezifischen Bereich liegt oder nicht.
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Als ein Ergebnis der oben erwähnten Korrektur sind die Parameter optimiert und das Kalibrierungsverfahren ist abgeschlossen (Schritt 311). Die Vorrichtung kann dann für eine tatsächliche Messung von Proben mit verschiedenen Matrixkonzentrationen verwendet werden.
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Die oben erwähnte Beschreibung beschrieb ein Diagnosesystem und ein Kalibrierungssystem, die die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung sind, aber diese sind ausschließlich darstellende Beispiele und schränken die vorliegende Offenbarung in keiner Weise ein, und eine Vielzahl von Abänderungen ist durch Fachleute auf dem Gebiet möglich.
