JP2001337030A

JP2001337030A - 微粒子成分分析装置

Info

Publication number: JP2001337030A
Application number: JP2000158037A
Authority: JP
Inventors: Toshitsugu Ueda; 敏嗣植田; Muneaki Wakamatsu; 宗明若松
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2000-05-29
Filing date: 2000-05-29
Publication date: 2001-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】ブレークダウンの促進を図った微粒子測定装
置を提供する。【解決手段】セル内に微粒子を導入する手段と、セル
内の微粒子にレーザ光を照射する手段と、レーザ光の照
射によりブレークダウンして発光する微粒子の光を伝送
する伝送手段と、伝送手段により伝送された光を分光す
る分光手段と、分光された光を受光する光検出器を具備
し、前記微粒子の大きさや成分を分析する微粒子成分分
析装置において、前記セル内にアシストガスを導入する
手段を設け微粒子のブレークダウンの促進を図った。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば大気中やク
リーンルーム内に浮遊する微粒子若しくは液体中に含ま
れる微粒子の大きさや元素分析を行なう微粒子成分分析
装置に関し，装置の小型化，低価格化をはかった微粒子
成分分析装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】気体中でパルスレーザによる強力な電場
を集中させることにより分析対象とする微粒子の成分を
選択的に測定するレーザ励起型の検出器が知られてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
での技術では微粒子成分を元素単位に分解するために大
型で大パワーのレーザが必要であり、システム全体が大
掛かりになるとともに、長期間の耐用寿命が得られない
等の問題があった。

【０００４】本発明は上記従来技術の問題点を解決する
ためになされたもので、パルスレーザの上流に所定の距
離を隔ててによるブレークダウンを促進するガスを用い
たり微粒子とレーザの邂逅効率を上げて効果的なブレー
クダウンを図った微粒子成分分析装置を提供することを
目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、請求項１においては、セル内に微粒子を
導入する手段と、セル内の微粒子にパルスレーザを照射
する手段と、パルスレーザの照射によりブレークダウン
して発光する微粒子の光を伝送する伝送手段と、伝送手
段により伝送された光を分光する分光手段と、分光され
た光を受光する光検出器を具備し、前記微粒子の大きさ
や成分を分析する微粒子成分分析装置において、前記セ
ル内にアシストガスを導入する手段を設け微粒子のブレ
ークダウンの促進を図ったことを特徴とする。

【０００６】請求項２においては、請求項１記載の微粒
子成分分析装置において、パルスレーザの出力は前記ア
シストガスが電離し、電離したアシストガスが微粒子の
ブレークダウンを促進する程度のパワーに設定されてい
ることを特徴とする。請求項３においては、請求項１記
載の微粒子成分分析装置において、セル内は減圧され減
圧雰囲気中にアシストガスを導入することを特徴とす
る。

【０００７】請求項４においては、請求項１〜３いずれ
かに記載の微粒子成分分析装置において、アシストガス
として不活性ガスを用いたことを特徴とする。請求項５
においては、請求項４記載の微粒子成分分析装置におい
て、アシストガスはＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅガスのいずれか若
しくはこれらの混合ガスであることを特徴とする。

【０００８】請求項６においては、セル内に微粒子を導
入する手段と、セル内の微粒子にパルスレーザを照射す
る手段と、パルスレーザの照射によりブレークダウンし
て発光する微粒子の光を伝送する伝送手段と、伝送手段
により伝送された光を分光する分光手段と、分光された
光を受光する光検出器を具備し、前記微粒子の大きさや
成分を分析する微粒子成分分析装置において、セル内を
微粒子が一定速度で移動する構成とし、上流側に微粒子
検出手段を、下流側にブレークダウン用レーザ照射手段
を設けたことを特徴とする。

【０００９】請求項７においては、請求項６記載の微粒
子成分分析装置において、パルスレーザの上流に所定の
距離を隔ててＣＷレーザ照射手段を設け、ＣＷレーザで
微粒子の存在を検出し、所定時間経過後、後段のパルス
レーザで微粒子を照射してブレークダウンによる発光を
得るようにしたことを特徴とする。

【００１０】請求項８においては、請求項６記載の微粒
子成分分析装置において、パルスレーザの上流に所定の
距離を隔てて平行電極を設け、この平行電極の間を通過
する微粒子による静電容量変化により微粒子の存在を検
出し所定時間経過後、後段に設けたレーザで微粒子を照
射してブレークダウンによる発光を得るようにしたこと
を特徴とする。

【００１１】請求項９においては、セル内に微粒子を導
入する手段と、セル内の微粒子にパルスレーザを照射す
る手段と、パルスレーザの照射によりブレークダウンし
て発光する微粒子の光を伝送する伝送手段と、伝送手段
により伝送された光を分光する分光手段と、分光された
光を受光する光検出器を具備し、前記微粒子の大きさや
成分を分析する微粒子成分分析装置において、光検出器
は入射端にパルスパワーレーザの波長を阻止するダイク
ロイックミラーを備え、基準光源からの基準波長を伝搬
する回折格子形光ファイバからの出射光とブレークダウ
ンして発光した光を入射して所定の範囲の波長を伝搬す
る1以上の回折格子形光ファイバの出射光を受光するよ
うに構成したことを特徴とする。

【００１２】請求項１０においては、請求項９記載の微
粒子成分分析装置において、光検出器は入射端にパルス
パワーレーザの波長を阻止するダイクロイックミラーを
備え、基準光源からの基準波長を伝搬する回折格子形光
ファイバからの出射光とブレークダウンして発光した光
を入射して所定の範囲の波長を伝搬する1以上の回折格
子形光ファイバの出射光と、ブレークダウンして発光し
た全ての光を入射して伝搬する多モード光ファイバの出
射光を受光するように構成したことを特徴とする。

【００１３】請求項１１においては、セル内に微粒子を
導入する手段と、セル内の微粒子にレーザ光を照射する
手段と、レーザ光の照射によりブレークダウンした微粒
子を挟んで配置され所定の電圧が印加された電極からな
り、ブレークダウン時に電極に生じる電流若しくは波形
から前記微粒子の大きさや成分を分析することを特徴と
する。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の請求項１〜５に
関する実施形態の一例を示す要部構成説明図である。図
において、１は光を遮断した真空紫外光が減衰しないで
伝搬できるキャビティであり、このキャビティ１内には
透明部材からなるセル２が配置されている。３はパルス
レーザ生成手段であり、例えば光源としてＹＡＧレーザ
が用いられ、波長約１μｍ，強度１０〜１００Wでパル
ス幅０．１〜１００ｎｓ程度の出力のものを使用する。
ここで、レーザの波長は測定対象となる元素の発光波長
が０．１５〜０．９μｍ程度なので、レーザ光の波長を
測定成分の波長に重畳しないような範囲外の波長の使用
が望ましい。

【００１５】ここで生成されたレーザはミラー４及び非
球面レンズ５を介して焦点での直径を０．１ｍｍ程度と
され、透明体からなるセル２の絞り部分２ａを移動する
微粒子（例えば＞０．０３μm）６を照射する。セルの
一端には直径０．１mm程度のピンホール２ｂが設けられ
ている。７はセル内に微粒子を送り込む微粒子濃縮手段
であり、例えばサイクロン等によって空気中の微粒子が
濃縮され、その濃縮された微粒子がピンホール２ｂから
導入される。

【００１６】８はセル２の他端に配置された真空ポンプ
で、セル２内の空気を吸引して減圧雰囲気とする。な
お、セル２のピンホール２ｂが形成された付近にはセル
２内に貫通する貫通孔２ｃが設けられ、この貫通孔２ｃ
を介してセル２内にＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅガスなどのように
空気（Ｎ₂やＯ₂）に対して原子の直径が大きく、従って
光の吸収面積が大きくイオン化し易いガス（アシストガ
ス）１０が導入される。

【００１７】従ってセル内は減圧雰囲気の例えばＡｒガ
ス中に微粒子が浮遊する状態となる。9は紫外線光ファ
イバであり、先端の断面が逆円錐状に形成されている。
９ａはフィルタで測定対象となる元素の発光波長が０．
１５〜０．９μｍ以外の波長の通過を阻止する。なお、
図では省略するが紫外線光ファイバ９の他端には光検出
器が配置され光の強さとスペクトルから微粒子の大きさ
と成分が分析される。

【００１８】上記の構成において、アシストガス中でパ
ルスレーザ光による強力な電場を集中させることによ
り、微粒子をブレークダウン（気中放電）を生じさせ
る。ブレークダウンは、気体中に微粒子が存在すると、
それによるエネルギ吸収のためにプラズマ化されるもの
であり、Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅは何れも空気（Ｎ₂）よりも
大きいので、光を吸収して電離したりプラズマ化した気
体（アシストガス）が微粒子に衝突し微粒子のプラズマ
化を促進する。

【００１９】このプラズマからは種々の光が発生する
が、発光からの時間経過とともに変化する。発光直後の
ナノ秒（１０^-9ｓ）オーダーより短い時間帯では、プラ
ズマからの白色光が主要な光であるが、マイクロ秒（１
０^-6ｓ）オーダ近くになると、プラズマ化されたイオン
が電子と再結合し、微粒子を構成する原子の蛍光が現
れ、その後、光は消滅する。

【００２０】請求項１〜５の発明はアシストガス中でパ
ルスレーザ光を集中させることにより、微粒子をブレー
クダウン（気中放電）させたもので、強力なレーザ出力
を要することなく微粒子のプラズマ化が可能となる。な
お、例えば２００〜１６０ｎｍに含まれる炭素や硫黄な
どの短波長は空気中の酸素に吸収されるがキャビティ１
内に窒素ガス（Ｎ₂）を充填することにより減衰を防止
することができる。

【００２１】ところで、セル内の微粒子は濃縮手段で濃
縮されているとはいえ、その密度は必ずしも濃いとは言
えない。例えばパルスレーザ照射によるブレークダウン
領域（レーザスポット）は０．１ｍｍ球程度である。そ
して微粒子の密度が１個／ｍｍ³とするとレーザスポッ
トを微粒子が通過する確率は１／１０００となる。ま
た、パルスレーザは電力の消費量が大きく微粒子が存在
しない状態で駆動しておくのは経済的な損失となる。

【００２２】図２，図３は請求項６〜８における実施形
態の一例を示すもので、微粒子の存在を確認後パルスレ
ーザを照射するようにしてヒットする確率を向上させ、
合わせて電力消費量の削減を図ったものである。なお、
図１と同一要素には同一符号を付している。図２におい
ては微粒子の有無を認識する手段として連続発振を行う
ＣＷレーザを配置し、図３は電極を配置したものであ
る。

【００２３】図２において、セル２内には微粒子濃縮手
段７から微粒子６を含むガスが導入され、所定の速度で
流れている。１９はＣＷレーザであり、このレーザの照
射径はレンズ１１ａによってセル２の内径をカバーする
程度の大きさに絞られている。そして、このレーザ領域
を微粒子６が通過すると散乱光を発する。この光はレン
ズ１１bによって集光されフォトダイオード１２などの
光検出手段で電気信号に変換される。

【００２４】この信号はディレー発生装置１３に入力さ
れ、微粒子を含むガスがセル２内の距離Ｌを移動してレ
ーザスポットＰに達するまでの時間を遅らせてパルスレ
ーザ生成手段３にトリガ信号を送出する。このトリガ信
号はガスの流れのマージンを考慮して少し早めに送出さ
れ、パルスレーザ生成手段３はこのトリガによってオン
となり、一定時間経過したらオフとなるようにされてい
る。

【００２５】図３は図２におけるＣＷレーザ１９の代わ
りに平行平板電極１４を設けたもので、この電極間を微
粒子６が通過すると静電容量が変化し電流計１５の値が
変化する。この変化が電気信号としてディレー発生装置
１３に出力され、前述と同様パルスレーザ生成手段３の
オンオフが行なわれる。

【００２６】図４はＣＷレーザ１９の出力（ａ）、微粒
子からの散乱光（ｂ）、パルスレーザの出力（ｃ）およ
びブレークダウンによる発光（ｄ）のタイミングを示す
図である。図に示すように、ＣＷレーザ１０によって微
粒子６から散乱光が発され、Δt時間後にパルスレーザ
が出力され、この出力によってブレークダウンによる発
光が生じている。上述のように微粒子の存在を確認後パ
ルスレーザを照射するようにすればヒットの確率が向上
し、パルスレーザの電力消費量の削減を図ることができ
る。

【００２７】図５（ａ，ｂ）は請求項９，１０における
実施形態の一例を示すもので、図５（ｂ）は図５（ａ）
の拡大図である。なお、図１と同一要素には同一符号を
付している。図において、１６は基準光源、１７は入射
端にダイクロイックミラー１７ａが配置された光検出器
である。この実施例ではパルスレーザを搬送する手段と
して光ファイバは３ａを用いるが、３ｂ〜３ｄを含む光
ファイバ束を用いている。ダイクロイックミラー１７ａ
はパルスレーザの波長が光検出器１７に入射するのを阻
止するように作製されている

【００２８】この場合、光ファイバ３ａに入射するパル
スパワーレーザのパワーは光ファイバを破壊しない程度
の強さとし、出射側に屈折率分布型レンズを設け、この
レンズで出射したレーザを絞って微粒子をブレークダウ
ン可能なパワーとする。このような構成にすることによ
り光ファイバ３ａの破壊を防止でき、出力側ではエネル
ギー密度が大きくなるので微粒子のブレークダウンを容
易にすることができる。

【００２９】ブレークダウンによる発光は光ファイバ束
を構成する回折格子形光ファイバ３の一端から入射し光
検出器１７に搬送される。この回折格子形光ファイバ３
ｂは一点鎖線で示すようなカップラとファイバグレーテ
ィングの機能を有している。

【００３０】なお、回折格子形光ファイバ３ｂは図では
１本のみを示しているが、実際には検出したい元素の波
長によって複数本が用いられる。例えば炭素に特有な発
光波長である４９３〜５１５ｎｍの範囲を通す回折格子
形光ファイバを用いれば微粒子に含まれる炭素の有無を
知ることができる。

【００３１】光ファイバ３ｄはブレークダウンして発光
した全ての光を分光しないで入射して伝搬する多モード
光ファイバであり、回折格子形光ファイバ３ｂと同様に
光ファイバ束を構成している。基準光源１６からの光は
ダイクロイックミラー１７ａを介して直接光検出器１７
に入射する。

【００３２】上記の構成において、光ファイバ３ａで搬
送されたパルスレーザがセル２内に出射され、照射され
た微粒子６がブレークダウンによって発光するが、この
光の発光スペクトルはイで示すようなものとなる。そし
て、回折格子形光ファイバ３ｂによりロで示すように波
長が選択されて光検出器１７に入射し、波長に基づく成
分分析が行われる。

【００３３】光ファイバ３ｄはイで示す発光スペクトル
が全て入射して光検出器１７に搬送され、光検出器１７
はこの光ファイバからの出射光の強さを電気信号に変換
し微粒子の大きさとして測定する。基準光源１６からの
光は光検出器１７で分析する波長の校正波長として用い
られる。

【００３４】図６は請求項１１に関する実施形態の一例
を示すもので、ここでは要部の平行平板からなる電極２
０とこの電極に電圧を印加する電源２１および波形測定
のためのオシロスコープ２３のみを示す。微粒子は電極
間を通過中にパルスレーザで照射されてブレークダウン
を起こす。微粒子はブレークダウンにより原子，イオ
ン，電子に分解される。

【００３５】イオンや電子は電極２０にひきつけられ、
それらが電極に接すると電流が流れる。電子は質量が小
さいので一瞬にして電極に達する。イオンによる電流波
形をオシロスコープ２３により観測する。いま、イオン
の電荷量をｑとすると、イオンにかかる力ＦはＦ＝ｑＶ／ｄ …（１）であらわされる。

【００３６】イオンの質量をｍとするとＦ＝ｍａ …（２）の関係があるので、加速度をａとすると、ａ＝Ｆ／ｍ＝ｑＶ／ｄ／ｍ …（３）で示される加速度でイオンは加速される。（３）式から
加速度は質量が重いほど小さく質量が軽いほど大きなも
のとなる。このことはイオンの種類により電極に到達す
る時間が異なることを意味しておりその到達時間（波
形）と波形の大きさを観測することにより元素の大きさ
と種類を特定することができる。

【００３７】本発明の以上の説明は、説明および例示を
目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。し
たがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、
変形をなし得ることは当業者に明らかである。

【００３８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の請
求項１〜５によれば、セル内に微粒子を導入する手段、
セル内の微粒子にパルスレーザ光を照射する手段、レー
ザ光の照射により発光する微粒子の発光を伝送する伝送
手段、伝送手段により伝送された光を検出する光検出器
を有する微粒子成分分析装置において、セル内をアシス
トガス雰囲気としたのでプラズマ化を促進することがで
きる。

【００３９】また、請求項６〜８によれば、セル内を微
粒子が一定速度で移動する構成とし、上流側に微粒子検
出手段を、下流側にブレークダウン用レーザ照射手段を
設けたので、微粒子とパルスレーザスポットの邂逅度を
向上させることができ、パルスレーザ生成手段の電力の
消費量を押さえことができる。また、請求項９，１０に
よれば、回折格子形光ファイバを用いているので分光器
が不要となり、基準光源を設けたので波長の校正を容易
に行うことができる。また、請求項１１によれば電極と
オシロスコープで成分分析が可能となり構成を簡単にす
ることができる。

【００４０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す微粒子測定装置の要部
を示す構成図である。

【図２】微粒子の有無を認識する手段を設けた実施形態
の一例を示す要部構成図である。

【図３】微粒子の有無を認識する他の実施形態を示す要
部構成図である。

【図４】ＣＷレーザ、散乱光、パルスレーザの出力およ
びブレークダウンによる発光のタイミングを示す図であ
る

【図５】パルスレーザを光ファイバから出射し、ブレー
クダウン光を回折格子形光ファイバに入射するようにし
た要部構成図である。

【図６】ブレークダウン光の検出に電極を用いた実施形
態の一例を示す要部構成図である。

【符号の説明】１キャビティ２セル３レーザ生成手段４ミラー５非球面レンズ６微粒子７微粒子濃縮手段８真空ポンプ９紫外線ファイバー１０アシストガス１１レンズ１２フォトダイオード１３ディレー発生装置１４，２０電極１５電流計１６基準光源１７光検出器１７ａダイクロイックミラー１９ＣＷレーザ２１電源２３オシロスコープ３０屈折率分布型レンズ

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セル内に微粒子を導入する手段と、セル内
の微粒子にパルスレーザを照射する手段と、パルスレー
ザの照射によりブレークダウンして発光する微粒子の光
を伝送する伝送手段と、伝送手段により伝送された光を
分光する分光手段と、分光された光を受光する光検出器
を具備し、前記微粒子の大きさや成分を分析する微粒子
成分分析装置において、前記セル内にアシストガスを導入する手段を設け微粒子
のブレークダウンの促進を図ったことを特徴とする微粒
子成分分析装置。
【請求項２】パルスレーザの出力は前記アシストガスが
電離し、電離したアシストガスが微粒子のブレークダウ
ンを促進する程度のパワーに設定されていることを特徴
とする請求項１記載の微粒子成分分析装置。
【請求項３】セル内は減圧され減圧雰囲気中にアシスト
ガスを導入することを特徴とする請求項１記載の微粒子
成分分析装置。
【請求項４】アシストガスとして不活性ガスを用いたこ
とを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の微粒子成
分分析装置。
【請求項５】アシストガスはＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅガスのい
ずれか若しくはこれらの混合ガスであることを特徴とす
る請求項４記載の微粒子成分分析装置。
【請求項６】セル内に微粒子を導入する手段と、セル内
の微粒子にパルスレーザを照射する手段と、パルスレー
ザの照射によりブレークダウンして発光する微粒子の光
を伝送する伝送手段と、伝送手段により伝送された光を
分光する分光手段と、分光された光を受光する光検出器
を具備し、前記微粒子の大きさや成分を分析する微粒子
成分分析装置において、セル内を微粒子が一定速度で移動する構成とし、上流側
に微粒子検出手段を、下流側にブレークダウン用パルス
レーザ照射手段を設けたことを特徴とする微粒子成分分
析装置。
【請求項７】パルスレーザの上流に所定の距離を隔てて
ＣＷレーザ照射手段を設け、ＣＷレーザで微粒子の存在
を検出し、所定時間経過後、後段のパルスレーザで微粒
子を照射してブレークダウンによる発光を得るようにし
たことを特徴とする請求項６記載の微粒子成分分析装
置。
【請求項８】パルスレーザの上流に所定の距離を隔てて
平行電極を設け、この平行電極の間を通過する微粒子に
よる静電容量変化により微粒子の存在を検出し所定時間
経過後、後段に設けたレーザで微粒子を照射してブレー
クダウンによる発光を得るようにしたことを特徴とする
請求項６記載の微粒子成分分析装置。
【請求項９】セル内に微粒子を導入する手段と、セル内
の微粒子にパルスレーザを照射する手段と、パルスレー
ザの照射によりブレークダウンして発光する微粒子の光
を伝送する伝送手段と、伝送手段により伝送された光を
分光する分光手段と、分光された光を受光する光検出器
を具備し、前記微粒子の大きさや成分を分析する微粒子
成分分析装置において、光検出器は入射端にパルスレーザの波長を阻止するダイ
クロイックミラーを備え、基準光源からの基準波長を伝
搬する回折格子形光ファイバからの出射光とブレークダ
ウンして発光した光を入射して所定の範囲の波長を伝搬
する1以上の回折格子形光ファイバの出射光を受光する
ように構成したことを特徴とする微粒子成分分析装置。
【請求項１０】光検出器は入射端にパルスレーザの波長
を阻止するダイクロイックミラーを備え、基準光源から
の基準波長を伝搬する回折格子形光ファイバからの出射
光とブレークダウンして発光した光を入射して所定の範
囲の波長を伝搬する1以上の回折格子形光ファイバの出
射光と、ブレークダウンして発光した全ての光を入射し
て伝搬する多モード光ファイバの出射光を受光するよう
に構成したことを特徴とする請求項９記載の微粒子成分
分析装置。
【請求項１１】セル内に微粒子を導入する手段と、セル
内の微粒子にパルスレーザを照射する手段と、レーザの
照射によりブレークダウンした微粒子を挟んで配置され
所定の電圧が印加された電極からなり、ブレークダウン
時に電極に生じる電流若しくは波形から前記微粒子の大
きさや成分を分析することを特徴とする微粒子成分分析
装置。