JP2002181790A

JP2002181790A - 化学物質検出装置

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Publication number: JP2002181790A
Application number: JP2000385982A
Authority: JP
Inventors: Minoru Danno; 実団野; Hideo Yamakoshi; 英男山越; Shigenori Tsuruga; 薫典鶴我; Shizuma Kuribayashi; 志頭真栗林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2002-06-26
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: JP3572256B2

Abstract

(57)【要約】【課題】化学物質を高精度に検出することができるこ
とを目的とする。【解決手段】第１空間２６と第２空間２７とを仕切り
壁２５で仕切ることにより、第２空間２７中のイオント
ラップ９の機能が損なわれない程度に、第１空間２６中
のガス圧を増加できる。第１空間２６側のランプ５と第
２空間２７側のイオントラップ９とを仕切り壁２５で仕
切ることにより、第１空間２６中において、サンプルガ
スに対する真空紫外光７の照射体積を増加できる。この
結果、イオン２８の生成量が増加して、飛行時間型質量
分析手段１９の計測感度が向上され、特定の化学物質を
高精度に検出することができる。また、差動排気用ポン
プ３１により、第２空間２７中のガス圧を上げることな
く、第１空間２６中のガス圧を増加させることができ
る。この結果、さらに、イオン２８の生成量が増加して
特定の化学物質を高精度に検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、化学物質検出装
置に係り、特に、特定の化学物質を高精度に検出するこ
とができる化学物質検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】クロロベンゼン類、ダイオキシン類のよ
うな微量で有害な化学物質が、燃焼炉、金属精錬炉から
排出される排ガス中に含まれて排出されている。このよ
うな、微量有害物質の検出および濃度測定を的確に行う
ことが、特に強く求められている。

【０００３】上述のような化学物質の検出、濃度測定の
ための装置として、ガスクロマトグラフ法、質量分析法
のような慣用技術によるものが知られており、そのう
ち、質量分析法は、ガスクロマトグラフ法に比べて、そ
の計測時間が短い点で優れている。

【０００４】質量分析法は、ＲＦ放電（高周波放電）に
よるプラズマ、電子銃による電子ビームなどを用いてサ
ンプルガスをイオン化し、そのイオンを一瞬に加速して
質量分離を行い、その質量数に対応する飛行時間を計測
することにより、その物質を同定する方法である。

【０００５】上述のような飛行時間型質量分析法は、サ
ンプルガスをイオン化するプロセスで、検出対象物質以
外の物質がイオン化したり、検出対象物質、検出対象で
ない物質の質量がより小さい分子、原子に分解され、分
解されて生成するフラグメントが複雑になって、特定物
質の同定が困難であり、その計測感度の低下を招いてい
る。

【０００６】このため、サンプルガス中の計測対象物質
以外の物質のイオン化を防止する技術が開発されてい
る。また、計測対象物質の光吸収波長に合わせたレーザ
光を照射し、その物質を選択的に多光子イオン化する共
鳴多光子イオン化法が知られている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、計測感度を高
めることができる共鳴多光子イオン化法は、クロロベン
ゼン類、ダイオキシン類のうちで、ジクロロベンゼン、
トリクロロベンゼンのような塩素が多く含まれる物質ほ
ど、イオン化の効率が低下し、その計測感度が低下する
ので、イオン化効率の低下を補うために、超短パルスレ
ーザが必要になる。このため、従来装置では、上述のよ
うな特定物質の計測のために、高価な装置となってしま
う。

【０００８】そこで、この出願人は、特定物質のイオン
化効率を高め、光子エネルギーより高いイオン化エネル
ギーを持つ他物質のイオン化の阻止、及び特定物質のフ
ラグメント生成を抑制することで計測感度を向上するこ
とと、装置の低コスト化、簡素化を図れる化学物質検出
装置（特願２０００−１７８９８５号）を先に出願し
た。

【０００９】先願の化学物質検出装置は、サンプルガス
を真空紫外光によりイオン化するイオン化手段と、前記
真空紫外光によりイオン化されたイオンのうち、特定質
量のイオンを蓄積するイオントラップと、前記イオント
ラップ中に蓄積された前記イオンを加速させ、その加速
されたイオンの飛行時間に基づいて前記サンプルガス中
の前記特定質量の化学物質を同定する飛行時間型質量分
析手段と、を備える。

【００１０】この発明は、先願の化学物質検出装置の改
良にかかり、特定の化学物質を高精度に検出することが
できる化学物質検出装置を提供することを目的としてい
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１にかかる発明は、以下の構成を特徴とす
る。すなわち、イオン化手段は、イオンが通過する孔を
有する仕切り壁により、イオン生成用の第１空間とイオ
ン蓄積用の第２空間とに仕切られており、前記第１空間
には、前記真空紫外光発生手段が具備されており、前記
第２空間中には、前記イオントラップが配置されてお
り、前記第１空間中で生成されたイオンを前記第２空間
中の前記イオントラップ中に引き込む引き込み電極が設
けられている。

【００１２】この結果、請求項１にかかる発明は、第１
空間と第２空間とを仕切り壁で仕切ることにより、第２
空間中のイオントラップの機能が損なわれない程度に、
第１空間中のガス圧（ガス密度）を増加させることがで
きる。また、第１空間側の真空紫外光発生手段と第２空
間側のイオントラップとを仕切り壁で仕切ることによ
り、第１空間中において、サンプルガスに対する真空紫
外光の照射体積を増加させることができる。前記ガス圧
および真空紫外光の照射体積を増加することにより、イ
オンの生成量が増加する。このために、飛行時間型質量
分析手段の計測感度が向上され、その分、特定の化学物
質を高精度に検出することができる。

【００１３】また、請求項２にかかる発明は、第２空間
中の圧力を第１空間中の圧力よりも低くする差動排気手
段が設けられている、ことを特徴とする。

【００１４】この結果、請求項２にかかる発明は、差動
排気手段により、第２空間中のガス圧を上げることな
く、第１空間中のガス圧を増加させることができる。こ
のために、さらに、イオンの生成量が増加して特定の化
学物質を高精度に検出することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる化学物質
検出装置の実施の形態の１例を添付図面を参照して説明
する。なお、この実施の形態によりこの化学物質検出装
置が限定されるものではない。

【００１６】（実施の形態の構成の説明）図１におい
て、１はサンプルガスを真空紫外光によりイオン化する
イオン化手段である。このイオン化手段１は、主に、イ
オン化室２と、サンプルガス導入管３と、イオン加速電
極４と、真空紫外光発生手段としてのランプ５とから構
成されている。前記イオン化室２中には、サンプルガス
（図示せず）が前記サンプルガス導入管３を介して導入
されている。また、前記イオン加速電極４は、後記イオ
ントラップ９と後記飛行時間型質量分析手段１９との間
に配置されている。

【００１７】前記ランプ５は、供給されたランプガス６
（たとえば、Ｈ₂／Ｈｅなど）をμ波で放電させて、Ｈ
₂の固有の発光線エネルギー１０．２ｅＶを持つ真空紫
外光７を発生させるものである。このランプ５は、放電
するランプガス６の種類を変えることにより、発生する
真空紫外光７の持つ光子エネルギー量を変化させて、イ
オン化する物質を選定することができる。また、このラ
ンプ５中は、たとえば、約１０Ｔｏｒｒ以下に減圧され
ている。

【００１８】前記ランプ５は、ＭｇＦ₂窓８を介して前
記イオン化室２に配置されている。前記真空紫外光７
は、前記ＭｇＦ₂窓８を経て前記イオン化室２中に照射
される。前記ＭｇＦ₂窓８は、真空紫外光７の透過性が
良い。

【００１９】図１において、９は前記真空紫外光７によ
りイオン化されたイオンのうち、特定質量のイオンを蓄
積するイオントラップである。このイオントラップ９
は、図２に示すように、２個のエンドキャップ電極１
０、１１と、１個のリング電極１２とから構成されてい
る。また、このイオントラップ９は、前記電極１０、１
１、１２で囲まれた空間２４を有する。

【００２０】前記エンドキャップ電極１０、１１および
前記リング電極１２は、その内面が凸曲面をなす。前記
２個のエンドキャップ電極の一方１０のほぼ中央には、
生成された後記イオン２８を中に引き込むための孔、す
なわち引き込み孔１３が設けられている。また、前記２
個のエンドキャップ電極の他方１１のほぼ中央には、蓄
積された後記イオン１８を外に引き出すための孔、すな
わち引き出し孔１４が設けられている。

【００２１】前記エンドキャップ電極１０、１１の端部
とリング電極１２の端部との間には、絶縁物１５（たと
えば、セラミック製の絶縁物）が固定されている。そし
て、これらエンドキャップ電極１０、１１およびリング
電極１２および絶縁物１５は、ホルダ１６により、保持
されている。

【００２２】前記エンドキャップ電極１０、１１および
前記リング電極１２には、図１に示すように、高周波電
圧を印加するための高周波電源１７が接続されている。
この高周波電源１７から印加される高周波電圧の周波数
と電圧とを調整することにより、引き込まれたイオン２
８のうち、特定の質量のイオン１８を前記空間２４中に
おいて選別蓄積することができる。すなわち、周波数と
電圧とが調整された高周波電界により、特定の質量のイ
オン１８がそのイオン軌道上を対流して保持蓄積される
ものである。その他のイオンは、電極１０、１１、１２
に当って消失する。

【００２３】前記イオントラップ９中のイオンの蓄積時
間は、蓄積する化学物質により変わるが、約１〜２秒間
である。その蓄積時間が終了した時点で、イオン加速電
極４に電圧を印加して電界を加える。すると、イオント
ラップ９中に蓄積されたイオン１８が引き出し孔１４か
ら外に引き出されて加速されることとなる。

【００２４】前記イオン化室２内には、仕切り壁２５が
配置されている。これにより、前記イオン室２内は、イ
オン生成用の第１空間２６と、イオン蓄積用の第２空間
２７とに仕切られる。前記仕切り壁２５には、イオン２
８が通過する孔２９が設けられている。

【００２５】前記第１空間２６には、前記サンプルガス
導入管３と前記ランプ５とポンプ３０とがそれぞれ接続
されている。前記真空紫外光７の照射方向とイオン１８
の加速方向とは、ほぼ直交する。すなわち、前記イオン
トラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域に
真空紫外光７が照射されない位置に、前記ランプ５が配
置されている。前記第１空間２６中には、サンプルガス
（図示せず）が充満している。前記第１空間２６中に充
満しているサンプルガスは、前記真空紫外光７によりイ
オン化される。

【００２６】前記第２空間２７中には、前記イオン加速
電極４と前記イオントラップ９とが配置されている。ま
た、前記第２空間２７には、差動排気用ポンプ３１が接
続されている。この差動排気用ポンプ３１は、前記第２
空間２７内の圧力を前記第１空間２６内の圧力よりも低
くするものである。

【００２７】前記第１空間２６と、前記第２空間２７の
仕切り壁２５、イオントラップ９間とには、イオン引き
込み電極３２がそれぞれ配置されている。このイオン引
き込み電極３２は、前記第１空間２６中で生成されたイ
オン２８をイオン通過孔２９を経て前記第２空間２７中
の前記イオントラップ９中に引き込むためのものであ
る。

【００２８】図１において、１９は前記加速されたイオ
ン１８の飛行時間に基づいてサンプルガス中の特定質量
の化学物質を同定する飛行時間型質量分析手段（いわゆ
る、ＴＯＦＭＳ）である。この飛行時間型質量分析手段
１９の飛行室２０が前記第２空間２７と連通して配置さ
れている。

【００２９】前記飛行室２０には、ポンプ２１が接続さ
れている。このポンプ２１の作動により、相互に連通す
る前記飛行室２０および前記第２空間２７中の圧力が高
真空、たとえば、約１０^-5Ｔｏｒｒ以下に保持されてい
る。この高真空は、前記第２空間２７および前記飛行室
２０中を飛行するイオン１８が他の分子と衝突して消失
しない程度のものである。

【００３０】前記飛行室２０のうち、前記イオン１８が
到達する箇所には、イオン検出器２２が設置されてい
る。このイオン検出器２２は、たとえば、マイクロチャ
ンネルプレート（いわゆる、ＭＣＰ）や電子増倍管など
から構成されているものである。このイオン検出器２２
は、図３に示すように、前記イオン１８を検出した時点
で信号を出力するものである。なお、前記イオン検出器
２２の信号出力のレベルは、前記イオン１８の量によっ
て変わる。

【００３１】前記イオン検出器２２には、オシロスコー
プ２３が接続されている。このオシロスコープ２３は、
図３に示すように、前記イオン検出器２２でイオン１８
を検出した時点で出力する信号の時間波形を表示するも
のである。

【００３２】（実施の形態の作用の説明）この実施の形
態における化学物質検出装置は、以上の如き構成からな
り、以下、その作用について説明する。なお、この例に
おける検出対象の化学物質は、たとえば、ダイオキシン
類やその前駆体である。

【００３３】まず、サンプルガスをサンプルガス導入管
３を介してイオン化室２の第１空間２６中に導入する。
すると、サンプルガスは、イオン化室２の第１空間２６
中に充満する。このとき、イオン化室２は、第１空間部
２６と第２空間部２７とに仕切られており、かつ、第２
空間部２７は差動排気用ポンプ３１により差動排気され
ている。このために、第１空間２６中のガス圧を増加さ
せることが可能である。

【００３４】一方、ランプ５を作動させて真空紫外光７
を、ＭｇＦ₂窓８を経て、イオン化室２の第１空間２６
中に照射させる。すると、サンプルガスは、真空紫外光
７により、イオン化される。このとき、前記真空紫外光
７の前記第１空間２６中への照射体積は、ランプ５の照
射口径の大きさに準じて増加させることができる。ま
た、前記真空紫外光７は、イオントラップ９とイオン加
速電極４との間のイオン加速域には照射されない。

【００３５】前記真空紫外光７の照射において、サンプ
ルガス中の検出対象の化学物質のイオン化エネルギーに
対して、それよりも高い光子エネルギーを持つ真空紫外
光７を照射する。この結果、検出対象の化学物質は、１
光子エネルギーにより、イオン化されるので、イオン化
効率が良い。

【００３６】前記第１空間２６中においてイオン化され
たイオン２８は、引き込み電極３２により、イオン通過
孔２９、引き込み孔１３を経て第２空間２７中のイオン
トラップ９中に引き込まれる。このイオントラップ９中
に引き込まれたイオン２８のうち、特定質量のイオン１
８は、イオントラップ９中の空間２４において１〜２秒
間蓄積される。これにより、イオン１８の密度が高くな
る。

【００３７】イオン１８がイオントラップ９において蓄
積された後、イオン加速電極４に電圧を印加する。する
と、イオントラップ９中のイオン１８パケット（集団）
が引き出し孔１４から引き出されて加速される。このと
き、前記イオン１８パケットの引き出し加速方向と、前
記真空紫外光７の照射方向とは、ほぼ直交する。

【００３８】加速されたイオン１８パケットは、イオン
化室２の第２空間２７および飛行室２０中を飛行してイ
オン検出器２２に到達する。そのイオン１８パケットの
飛行時間に基づいてサンプルガス中の特定質量の化学物
質が同定される。

【００３９】たとえば、図３に示すように、飛行時間
（μｓ）がＴ１の場合、質量Ｍ１（たとえば、１１２）
の化学物質Ｘ１（たとえば、モノクロロベンゼン）が同
定される。また、飛行時間（μｓ）がＴ２の場合、質量
Ｍ２（たとえば、１４６）の化学物質Ｘ２（たとえば、
ジクロロベンゼン）が同定される。ここで、図３におい
て、時間０は、イオン加速電極４に電圧を印加した時点
をいう。

【００４０】しかも、図３に示すように、イオン検出器
２２からの信号出力のレベルから検出対象の化学物質の
濃度が判明する。たとえば、濃度特性から、基準の信号
出力レベル（図３中の最小の三角形のレベル）の濃度を
１ｐｐｍとする。この場合において、飛行時間Ｔ１にお
ける信号出力レベルＳ１が基準の信号出力レベルの２倍
となっているので、質量Ｍ１の化学物質Ｘ１の濃度は、
２ｐｐｍとなる。また、飛行時間Ｔ２における信号出力
レベルＳ２が基準の信号出力レベルの３倍となっている
ので、質量Ｍ２の化学物質Ｘ２の濃度は、３ｐｐｍとな
る。

【００４１】（実施の形態の効果の説明）このように、
この実施の形態における化学物質検出装置は、イオン化
室２中の第１空間２６と第２空間２７とを仕切り壁２５
で仕切ることにより、第２空間２７中のイオントラップ
９の機能が損なわれない程度に、第１空間２６中のガス
圧を増加させることができる。また、第１空間２６側の
ランプ５と第２空間２７側のイオントラップ９とを仕切
り壁２５で仕切ることにより、第１空間２６中におい
て、サンプルガスに対する真空紫外光７の照射体積を増
加させることができる。

【００４２】前記ガス圧および真空紫外光７の照射体積
を増加することにより、イオン２８の生成量が増加す
る。このために、飛行時間型質量分析手段１９の計測感
度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出
することができる。

【００４３】特に、この実施の形態における化学物質検
出装置は、第２空間２７中の圧力を第１空間２６中の圧
力よりも低くする差動排気用ポンプ３１により、第２空
間２７中のガス圧を上げることなく、第１空間２６中の
ガス圧を増加させることができる。このために、さら
に、イオン２８の生成量が増加して特定の化学物質を高
精度に検出することができる。

【００４４】このように、この実施の形態における化学
物質検出装置は、サンプルガスを真空紫外光７によりイ
オン化する領域を、イオントラップ９中と別個に区画さ
れたイオン化室２の第１空間２６に設けたものである。
このために、イオントラップ９のガス圧の制限および真
空紫外光７の照射体積の制限よりも緩やかな制限下にお
いて、イオン２８の生成量の増加が図られる。

【００４５】また、この実施の形態においては、サンプ
ルガスは、真空紫外光７の１光子エネルギーにより、イ
オン化されるので、イオン化効率が良い。

【００４６】さらに、この実施の形態においては、真空
紫外光７の発生手段としてランプ５を使用したので、コ
スト上非常に優れている。しかも、ランプ５は、パルス
レーザと比較して、光子密度が小さいが、連続発光であ
るから、光子量はトータル的にほぼ同等となる。その
上、イオントラップ９でイオンを蓄積するので、光子密
度の小ささは、特に問題とはならない。

【００４７】さらにまた、この実施の形態においては、
飛行時間型質量分析手段１９として、イオン１８が直進
するリニア型方式のものを使用する。このために、イオ
ンが電極により反射するリフレクトロン型方式の飛行時
間型質量分析手段と比較して、イオンが電極に衝突して
消失する量が少ない。この結果、この実施の形態におい
ては、イオン検出器２２におけるイオン１８の検出が正
確となる。

【００４８】その上、この実施の形態における化学物質
検出装置は、イオン１８の引き出し加速方向と真空紫外
光７の照射方向とが直交するものであるから、真空紫外
光７がイオントラップ９とイオン加速電極４との間のイ
オン加速域に照射されない。このために、イオン加速域
に存在するサンプルガスが真空紫外光７によりイオン化
してノイズとなるのを抑制することができる。その結
果、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度が向上さ
れ、その分、特定の化学物質を高精度に検出することが
できる。

【００４９】（実施の形態以外の例）なお、この実施の
形態においては、検出対象の化学物質としては、ダイオ
キシン類やその前駆体であるが、この発明は、その他の
化学物質の検出にも適用できる。

【００５０】また、この実施の形態において、第２空間
２７に差動排気用ポンプ３１を接続したものであるが、
この発明においては、特に、第２空間２７に差動排気用
ポンプ３１を接続しなくても良い。

【００５１】さらに、この実施の形態においては、真空
紫外光７の照射方向とイオン１８の引き出し方向とが直
交するものであるが、この発明の化学物質装置において
は、真空紫外光７の照射方向とイオン１８の引き出し方
向とが同一方向であっても良い。

【００５２】

【発明の効果】以上から明らかなように、この発明にか
かる化学物質検出装置（請求項１）は、第１空間と第２
空間とを仕切り壁で仕切ることにより、第２空間中のイ
オントラップの機能が損なわれない程度に、第１空間中
のガス圧を増加させることができる。また、第１空間側
の真空紫外光発生手段と第２空間側のイオントラップと
を仕切り壁で仕切ることにより、第１空間中において、
サンプルガスに対する真空紫外光の照射体積を増加させ
ることができる。前記ガス圧および真空紫外光の照射体
積を増加することにより、イオンの生成量が増加する。
このために、飛行時間型質量分析手段の計測感度が向上
され、その分、特定の化学物質を高精度に検出すること
ができる。

【００５３】また、この発明にかかる化学物質検出装置
（請求項２）は、第２空間中の圧力を第１空間中の圧力
よりも低くする差動排気手段が設けられている。この差
動排気手段により、第２空間中のガス圧を上げることな
く、第１空間中のガス圧を増加させることができる。こ
のために、さらに、イオンの生成量が増加して特定の化
学物質を高精度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の化学物質検出装置の実施の形態を示
す説明図である。

【図２】同じく、イオントラップを示す縦断面図であ
る。

【図３】同じく、オシロスコープにおいて表示されるイ
オン検出器からの信号出力とイオンの飛行時間とを示し
たグラフである。

【符号の説明】

１イオン化手段２イオン化室３サンプルガス導入管４イオン加速電極５ランプ（真空紫外光発生手段）６ランプガス７真空紫外光８ＭｇＦ₂窓９イオントラップ１０、１１エンドキャップ電極１２リング電極１３引き込み孔１４引き出し孔１５絶縁物１６ホルダ１７高周波電源１８イオン１９飛行時間型質量分析手段２０飛行室２１ポンプ２２イオン検出器２３オシロスコープ２４空間２５仕切り壁２６第１空間２７第２空間２８イオン２９イオン通過孔３０ポンプ３１差動排気用ポンプ３２イオン引き込み電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｊ 49/42 Ｈ０１Ｊ 49/42 (72)発明者鶴我薫典横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者栗林志頭真横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社基盤技術研究所内Ｆターム(参考） 5C038 GG07 GH04 JJ02 JJ06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】真空紫外光発生手段から発生された真空
紫外光によりサンプルガスをイオン化するイオン化手段
と、前記真空紫外光によりイオン化されたイオンのうち、特
定質量のイオンを蓄積するイオントラップと、前記イオントラップ中に蓄積された前記イオンを加速さ
せ、その加速されたイオンの飛行時間に基づいて前記サ
ンプルガス中の前記特定質量の化学物質を同定する飛行
時間型質量分析手段と、を備えた化学物質検出装置において、前記イオン化手段は、イオンが通過する孔を有する仕切
り壁により、イオン生成用の第１空間とイオン蓄積用の
第２空間とに仕切られており、前記第１空間には、前記
真空紫外光発生手段が具備されており、前記第２空間中
には、前記イオントラップが配置されており、前記第１
空間中で生成されたイオンを前記第２空間中の前記イオ
ントラップ中に引き込む引き込み電極が設けられてい
る、ことを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項２】前記第２空間中の圧力を前記第１空間中
の圧力よりも低くする差動排気手段が設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の化学物質検出装置。