JP2004109136A - 炭素の１９３ｎｍスペクトル線の検出に発光分光法を適用するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】　空気中でＯＥＳ測定を行うための測定装置および方法を提供すること。
【解決手段】　アーク電極（２０１、５０１）が、ある特定の太さと、ある特定の切削角を有する先のとがった端部とを有する。保持手段（２０２、５０２）がアーク電力（２０１、５０１）を、測定されることになる材料からある特定の距離に保持する。電圧および電流供給源（２０３）が、アーク電極と測定されることになる材料との間に電圧を生成し、かつ保持し、アーク内に電流を供給する。集束および検出光学系（２０５等）が光放射を収集し、検出する。アーク電極（２０１、５０１）の太さは３ないし１０ｍｍであり、切削角は５０ないし１３０°である。集束および検出光学系（２０５等）は１９３ｎｍの波長において少なくとも光放射を収集し、検出する。
【選択図】　　　図２

Description

　本発明は全般に発光分光法を利用する測定方法および装置の技術に関する。本発明は特に、炭素の１９３ｎｍスペクトル線を検出することに関する既知の問題を克服する解決策を見つけることに関する。

　発光分光法（あるいは略してＯＥＳ）とは概して、ターゲット材料の原子および分子に、ある特定の励起状態に励起するようになるだけの十分な刺激を与え、その自発的な緩和が、電磁放射のスペクトルの光学波長において検出可能な放出を生ずる測定方法のことである。

　図１は、従来技術の特許公報ＤＥ３８　４０　１０６から知られているＯＥＳ構成を示す。測定用ヘッドあるいは検査プローブ１０１が導電性ターゲット材料１０２と接触する。ターゲット材料１０２と測定用ヘッド内の電極１０３との間に高い電圧が印加され、それにより、その間に電気アークが発生するようになる。放電に伴うエネルギーによって、ターゲット材料１０２の原子および分子が、電極１０３の下端を包囲する箱状の空間１０４内に気化されるようになり、励起されて気化した粒子がプラズマを生成する。励起状態の粒子が自発的に緩和することにより、光学的な範囲内の電磁放射が放出されるようになる。放出される電磁放射の一部はコリメータ１０５内を移動し、偏向ミラー１０６に衝当し、それによりその放射はスリット１０７を通り抜けて、波長分散型集束ミラー１０８に送られ、さらにその後、検出器１０９に送られる。光学系の特徴がわかっていれば、電磁放射が検出器１０９に衝当するスポットに注目することにより、入射する電磁放射のある特定の部分の波長を推定することができる。

　ＯＥＳ測定のための応用形態の主な領域は冶金学の分野であり、選別、材料制御および工程管理のような目的のために研究所あるいは現場の両方の条件においてＯＥＳ分析が頻繁に用いられる。その合金特性のゆえに、炭素はこの点で重要な元素であり、多くのＯＥＳ測定において、炭素が確実に測定できることは特に有利であろう。最も分析に適した炭素のスペクトル線は、真空中で１９３．０９０ｎｍの波長で放出される放射に対応する。このスペクトル線は一般的に、炭素の「１９３ｎｍ線」と呼ばれる。しかしながら一般的には、アーク箱が外気から分離されないＯＥＳ構成の場合には、それを測定するのは不可能であると見なされている。炭素の１９３ｎｍ線を測定するための発光分光計が市販されているが、それらの分光計は、検査プローブが不活性ガス媒質、通常はアルゴンでフラッシングされる必要があるという一般的な特徴を持つ。さらに、導光路に関していくつかの問題がある。既知の光ファイバ導光路の透過率は、約２００ｎｍ未満の波長において劇的に降下する傾向がある。

　空気中で炭素の１９３ｎｍ線を検出することに関する問題は、たとえば、K. Slickers著「Automatic-Emission-Spectroscopy」（Bruhlsche Universitetsdruckerei, Giessen, Germany, 2nd, edition, p. 310, 1993）で取り扱われている。その文献は、一般に当技術分野において最も権威がある研究論文と見なされている。同じページにおいて、アルゴンでフラッシングされる検査プローブで測定することが、現場で連続して検出することに対する最も可能性が高い方法であることを著者が示唆している。

　アルゴンでフラッシングされる検査プローブで炭素の１９３ｎｍ線を測定することは比較的容易であるので、現場で用いられる全ての市販のＯＥＳ測定装置はアルゴンフラッシングを利用する状況になっている。それにより測定において思い通りの結果を得ることはできるが、加圧されたアルゴンの容器を持ち運ぶ必要があることが、ＯＥＳ装置の有用性を制限する大きな問題である。

　炭素のＯＥＳ測定に対する別の手法は、３８７．１ｎｍの波長を有するものが最も容易に利用可能である、いわゆるＣＮ発光バンドの分子を利用することである。そのような手法がたとえば、N. N. SorokinaおよびP. A. Kondrat' ev著「A Spectral Method for Determining Carbon by Cyanogen Bands」（russ.）, Zavodskaja Lab. 31(1964), pp.1344-1345）に記載されている。ＣＮ発光バンドは、１９３ｎｍの原子輝線と同じような厳密かつ明確な結果を得るのが容易ではない。

　それゆえ、本発明の目的は、不活性ガス媒質による検査プローブのフラッシングを必要とすることなく、炭素の１９３ｎｍスペクトル線を測定するための方法および装置を提供することである。本発明のさらに別の目的は、空気中で炭素の１９３ｎｍスペクトル線を測定するための方法および装置を提供することである。本発明のさらに別の目的は、本発明による方法および装置を、ポータブル測定装置とともに現場で利用可能なようにすることである。

　本発明の目的は、適当な態様で測定パラメータを選択し、測定エリア内の温度を、炭素の１９３ｎｍ線が検出できるようになるだけの十分に低い温度にしておくことができるようにすることにより達成される。特に、アーク電極が比較的太く、かつその先端が丸くされる。アーク電流、アーク電圧および点弧電圧も比較的低く抑えられ、それにより炭素原子が有効に励起される時間を比較的長くしながら、酸化および炭素分子付着を十分に少なく抑えることができるようにする。

　本発明による測定装置は、測定装置に関する併記の独立特許請求項に記載される特徴によって特徴付けられる。

　また本発明は測定方法にも当てはまり、その方法は測定方法に関する併記の独立特許請求項に記載される特徴によって特徴付けられる。

　本発明の種々の実施形態が従属請求項に提起される。

　本発明に繋がった研究において、１９３ｎｍ波長での発光に関連付けられる炭素原子の励起状態の緩和、酸化および分子付着のようなマスキング反応とが、実際には競合する過程であることがわかった。最も重要な観察結果は、マスキングが本質的に化学的な過程であるため、その反応速度が温度の指数関数であるということである。これに対して、炭素原子内の励起状態の緩和は量子物理に関連する現象であり、基本的には温度には依存しない。したがって、アークの温度を十分に低くしておくことにより、マスキング過程の影響を抑えることができ、結果として、十分な数の励起された炭素原子が緩和作用を受け、１９３ｎｍの波長において測定可能な強度で発光する。

　いくつかのプロセスパラメータが存在し、そのパラメータの値がアークの温度に影響を及ぼし、結果として、炭素の１９３ｎｍ線を検出する機会に影響を及ぼす。最初に、アークを生成するために用いられる電極が細く、かつ先鋭である必要はなく、代わりに比較的太く、かつ先端を丸くすることができる。これは、アークが空間的に非常に小さなエリアに集中しないようにする役割を果たし、それは言ってみれば、太い電極によって空間電流密度を低く抑えるようにすることと同じである。同じ目的、すなわち低電流密度を達成するために、アーク内の電流も制限される。適当に選択されなければならない他のパラメータは、電極と測定されることになる材料との間の距離、マークを点弧するために用いられる点弧スパーク電圧、および測定期間中にアークを保持するために用いられるアーク電圧である。

　ＤＣアークの場合、上記のプロセスパラメータのための以下の有効範囲がわかっている。
アーク電流１〜１０Ａ
アーク電圧２０〜１６０Ｖ
点弧スパーク電圧５〜２０ｋＶ
ＡｇあるいはＣｕ電極の太さ３〜１０ｍｍ
電極の先端角５０〜１３０°
電極と測定される材料との間の距離０．５〜３ｍｍ

　これらのパラメータ値を用いる場合、炭素の１９３ｎｍ線を検出する際に、０．５〜５秒の全測定時間で良好な結果が生成されることが観測されている。

　簡単なＤＣアークに対する代替形態として、２〜５００Ｈｚのパルス周波数を有する、パラメータ化されたパルス状ＤＣアークを用いることもできる。

　本発明の特徴を示すものとみなされる新規の特徴は特に併記の特許請求項に記載される。しかしながら、本発明そのもの、すなわち、そのさらに別の目的および利点とともに、その構成およびその動作の方法に関しては、添付の図面を参照しながら以下の特定の実施形態の説明を読むことから最も深く理解されるであろう。

　本特許出願において提供される本発明の例示的な実施形態は、併記の特許請求項の適用可能性への制限をもたらすものと解釈されるべきではない。本特許出願おいて、動詞「含む」は、記載されていない機構が存在することも除外しない広い制限として用いられる。従属請求項に記載される特徴は、ほかに明確に述べられなければ、互いに自由に組み合わせることができる。

　図２は、本発明に従って重要な要件が課せられるＯＥＳ測定装置の構成要素を概略的に示す。測定装置と検査されることになる材料との間に生成される電気アークの一端となる電極２０１が存在しなければならない。測定期間中に電極２０１と材料表面との間の機械的な関係を標準化するために、ある種のホルダ２０２が必要とされる。電極２０１と測定されることになる材料との間の点弧電圧を設定し、さらに測定期間中にアークを維持するために高電圧源２０３が存在しなければならない。高電圧制御ユニット２０４が高電圧源２０３の動作を制御する。アーク生成エリアの直ぐ近くに少なくとも部分的にある特定の集束光学系２０５が配置されなければならない。その集束光学系２０５の役割は、アーク内のプラズマの粒子によって放出される電磁放射を収集することである。収集された波長を互いに分離し、かつ各波長に関連付けられる強度を検出するために、検出光学系２０６が必要とされ、上記の集束光学系２０５に光学的に結合される。

　検出光学系２０６で生成される信号を適当に収集し、増幅し、さらに処理して、それらの信号がデータ記憶ユニット２０８に格納されるようにするために、電子信号処理ユニット２０７が存在しなければならない。装置の中央の部分は制御およびユーザインターフェースユニット２０９であり、それはユーザから受信されるコマンドに応じて、高電圧制御ユニット２０４、信号処理ユニット２０７およびデータ記憶ユニット２０８を制御するように接続される。制御およびユーザインターフェースユニット２０９はさらに、システムの状態および得られた測定結果を記述する、ユーザのための出力を提供する。

　本発明が図２に示される構成要素に課す要件は以下の通りである。電極２０１は、空間的に大きなアークを生成し、維持できるようにするほど十分に太く、かつ先のとがった端部が丸くなければならない。同じ理由のために、ホルダ２０２は、電極の先端部と測定されることになる材料との間の離れた距離を十分に短くしておくように配置されなければならない。これに関して何をもって「十分」とするかは、図３を参照しながら後に詳細に検討される。高電圧源２０３および高電圧制御ユニット２０４の組み合わせは、比較的低いアーク電流を生成し、かつ比較的遅いアーク点弧過程を生じさせるように配置されなければならない。集束光学系２０５の光透過率は、１９３ｎｍの波長においてできる限り良好でなければならず、また検出光学系２０６は、この波長の放射を検出器に適当に送り、かつ１９３ｎｍにおいて検出される放射の強度を明らかにする、良好で、鋭い信号を生成するように配置されなければならない。また信号処理およびデータ記憶ユニット２０７および２０８は最適化され、１９３ｎｍにおいて検出される放射の量を示す結果が文書化され、格納できるようにしなければならない。

　図３は、アーク生成エリアが機械的に如何に厳密に設計されるべきかという問題に対するいくつかの説明を提供する。電極２０１は通常、銀あるいは銅から形成される。いずれの場合においても、その材料はできる限り良好な電気導体でなければならない。また、電極の材料は不純物を含まず、高い融点を有することが有利であるが、これらは、全てのＯＥＳアーク電極に当てはまる要件である。装置が炭素のために使用される場合は、電極の材料はできるだけ炭素を含まないようにすべきである。本発明によれば、電極の少なくとも一部の太さｄは２〜１０ｍｍであり、電極の先端角あるいは切削角αは４０〜１３０°であり、電極の先端部と測定されることになる材料との間の分離ｈは０．５〜３ｍｍである。その寸法をこれらの限度内にしておくことにより、炭素原子の十分な励起が生じるが、酸化および分子付着のマスキング作用を少なく抑えることができるように、アーク内の空間電流密度を十分に低く抑えられることがわかっている。

　本発明に関しては、集束光学系の最も重要な特徴は、１９３ｎｍにおいて最適化された透過率である。この特許出願の優先日において知られている光ファイバ材料の場合、数メートルのファイバ長は認められない可能性があるが、６０ｃｍ未満の長さを有する光ファイバを用いることができる。図４は、集束光学系および検出光学系の例示的な組み合わせを概略的に示す。アーク４０１の最も近くには集束レンズ４０２が存在し、それにより、放出される光放射の一部が光ファイバ４０３に送られる。ファイバ４０３の他端にはコリメータ４０４およびスリット４０５が存在し、それらはともに、回折格子４０６に衝当する、十分にコリメートされた細い光ビームを生成する。回折格子４０６の目的は、光放射を波長に応じて空間的に分散させ、光放射が回折格子４０６から反射ミラー４０７上まで持続し、さらに線形検出器４０８まで続くときに、異なる波長の放射成分が検出器の異なる位置に衝当するようにすることである。ミラー４０７の１つの目的は光学経路を長くすることである。分解能が著しく影響を及ぼされない場合には、検出器は、その光学経路上の回折格子の直後に配置されることもできる。さらに、光学経路の回折格子の後にミラーを用いることもできる。さらに、ミラーを用いて光学経路を「折り曲げる」ことにより、測定ヘッドの機構が有利な態様で設計されるようになる。なぜなら、一方向に長い直線寸法は有利な態様ではなく、一方向に長い直線寸法は必要とされないためである。検出の信頼性を高めるために、スリット４０５と検出器４０８との間に光制限器４０９を配置し、結果として、スリットから散乱されたあらゆる迷光放射が検出器への経路上に現れないようにすることが有効であることがわかっている。

　集束および検出光学系の厳密な実施態様は、炭素の１９３ｎｍ線を有効に、かつ確実に検出する作業を達成できるのであれば、本発明にとって最も重要なものではない。図４の例示的な構成は、種々の態様で変更されることができる。たとえば、その光学的な構成が図１あるいはＤＥ　３８　４０　１０６に開示されるその代替形態の任意のものの既知の構成と同じように構成される場合には、光ファイバは全く必要とされない。リニア半導体検出器の代わりに、２次元マトリクス検出器、あるいは一群の隣接するフォトダイオードおよび光電子倍増管を用いることもできる。半導体検出器は、ＰＤＡ（フォトダイオードアレイ）、ＣＣＤ（電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（相補形金属酸化膜半導体）あるいはＣＩＤ（電荷注入素子）のような既知の技術のうちの任意の技術を基にすることができる。

　必然的に本発明は、アルゴンあるいはいくつかの他の不活性ガス媒質を用いてアーク生成エリアおよび光学経路をフラッシングすることを妨げる。しかしながら、フラッシングを用いないことには数多くの利点がある。アーク生成エリアが外気に対して封止される必要がないので、測定されることになる材料の大きな面積を研磨する必要がない。これは、測定のために必要とされる全時間を短縮するのに役立つ。測定されることになる材料の塊は、少なくともアルゴンフラッシングを用いる測定において必要とされる程度までは、一定の形を有する必要はない。比較的コストがかかるフラッシングガスを消費しないことにより、必然的に運用コストを削減できるようになる。

　図５は、本発明の一実施形態による測定ヘッドの機械的な構造を部分断面図で示す。アーク電極５０１が、その一端が開放されている（図５の左端）シールド用チューブ５０２内に同軸に配置される。シールド用チューブ５０２の壁の一部は開放端の近くで切り取られており、切り取られた部分の縁部５０３がアーク生成エリアを視認できるようにする窓を画定する。レンズおよびファイバホルダ５０４がシールド用チューブ５０２の一方の側に沿って配置される。レンズおよびファイバホルダ５０４には、レンズ５０５および光ファイバ５０６が取り付けられる。レンズ５０５の光学軸５０７はアーク生成エリアに向けられており、電極の先端部と、測定されることになる材料の表面が現れる平面との間にある点において、アーク電極５０１およびシールド用チューブ５０２の共通の中央軸５０８を横切るようになる。測定されることになる材料の表面が平坦であるものと仮定すると、その平面は、開放端におけるシールド用チューブ５０２の縁部の平面と一致する。

　光ファイバ５０６の一端はレンズ５０５の光学軸５０７上に配置され、アーク生成エリアから到来し、レンズ５０５に衝当する光放射が光ファイバ５０６に誘導されるようにする。こうして、光ファイバ５０６の中央軸は、レンズ５０５から前方に集束光学系構成の光学軸を延長させる。本発明のこの実施形態では、光ファイバ５０６の長さは約６５ｍｍである。光ファイバ５０６の他端には、光ファイバ５０６を出る光放射を収集してうまくコリメートされたビームにするレンズあるいは対応するコリメータ装置５０９が存在する。図５の測定ヘッドは、検出光学系を含む別の物に取り付けられることになっており、それは、そのような別の物において、放射入力部（通常はスリット）が存在し、その光学軸がコリメータ装置５０９内に形成された、コリメートされたビームと一致しなければならないことを意味する。

　測定ヘッドの一部（図５の最も右側にある部分）は、測定ヘッドを検出光学系ユニットに接続し、かつアーク電極にアーク電圧および電流を供給するための機械的な取付け手段５１０および高電圧接続手段５１１を含む。ある特定の目的を果たすために、その機械的な取付け手段５１０は、検出光学系ユニットへの取付けを気密にするための封止表面およびガスケット５１２を含むか、あるいは備えることができることが有用な場合がある。

　図６は、図５の実施形態による測定ヘッド６０１の有利な使用法を示す。この構成においては、空気中で炭素の１９３ｎｍ線を測定することになっている測定ヘッド６０１は、普通なら従来技術のテクノロジーであるガスフラッシング型の測定ヘッド６０２と交換可能である。必要とされる検出光学系ユニット６０３は１つだけである。上記のヘッドは、現状の検出光学系６０４と、測定ヘッド内の機械的な取付け手段に合致し、接続される測定ヘッドからコリメートされたビームとして到来する光放射を受光するように設計されている光−機械インターフェース６０５とを含む。検出された放射を表す信号をさらに供給するために、検出光学系ユニット６０３は信号処理インターフェース６０６を含む。さらに、検出光学系ユニット６０３は、検出器装置のための動作電圧を検出光学系ユニット６０３に導入するための１つあるいは複数の動作電圧インターフェース６０７を含む。通常、検出光学系ユニット６０３を通して測定ヘッドにアーク電圧および電流を供給することも有利であり、その場合には、動作電圧インターフェース６０７は、必要とされる高電圧入力および出力も含む。

　空気がある特定の重要な波長を大きく減衰させること、また検出光学系６０４において、収集された放射がかなりの距離の自由空間を通り抜けることを考慮すると、空気よりも適したガス媒質で検出光学系６０４をフラッシングすることが有用であることがわかる。この目的を果たすために、検出光学系ユニット６０３はフラッシュインターフェース６０８を含むことができ、そのインターフェースを通して、フラッシング媒質を供給することができる。さらに、外気に対して開放された測定ヘッド６０１はフラッシングを必要としないが（しかしながら、それを排除することもない）、ガスフラッシング型の測定ヘッド６０２が当然、フラッシングを必要とすることを考慮に入れると、バルブを含むように光−機械インターフェース６０５を設計することが有利であり、その設定を通して、フラッシインターフェース６０８に供給されるガスが測定ヘッドにも流れ込むようにしてもよいか否かを選択することができる。検出光学系６０４がガスでフラッシングされるが、アーク生成が空気中で実行されることになる場合には特に、図５に関連して先に記載された封止表面およびガスケットが有用である。なぜなら、検出光学系ユニット６０３と測定ヘッド６０１との間の気密の表面によって、貴重なフラッシングガスが検出光学系ユニット６０３から漏れ出さないようにできるためである。

　測定ヘッドを変更するには、あるいはさらに種々の測定のために１つの測定ヘッドを利用するには、検出光学系ユニット６０３においてある特定の調整が行われることが必要とされる場合がある。たとえば、後続の測定が異なる波長に関係する場合には、光学系の互いの位置および／または方向を変更することが必要な場合がある。それゆえ、検出光学系ユニット６０３において、ある種の調整を可能にしておくことが望ましい。図６には、これが調整インターフェース６０９として概略的に示される。

　１つの測定ヘッドを備える１つの測定装置しか必要とされない場合には、ガスフラッシング型の測定ヘッド６０２、フラッシュインターフェース６０８および調整インターフェース６０８は不要であり、図６においてそれらが破線で描かれているのはそのためである。

　容易かつ実用的な使用のため、図６に示された部品をできるだけ片手で保持できるように集約することが望ましい。本発明の開発の過程において概略ピストル型のものが製作された。この装置において、測定ヘッド６０１（または６０２）は銃口および照準部分を有し、検出光学系ユニット６０３はハンドル部分に設けられている。

　図７は、測定期間中にアーク電極と測定されることになる材料との間の電圧および電流の例示的な振舞いを概略的に示す。時刻ｔ０では、アーク電極と測定されることになる材料との間の電圧が立ち上がり始める。この電圧が所定の値Ｕ１に達したとき、急激な高電圧スパイクがその電圧の上に生じる。この高電圧スパイクによって、アーク電極と測定されることになる材料との間に、点弧スパークとしても知られる初期の放電が生じる。高電圧スパイクを印加する瞬間ｔ１が測定のための開始時刻である。高電圧スパイク中に、その電圧は値Ｕ２に達するが、非常に急速に値Ｕ１あるいはそれ未満まで降下する。図７では、瞬間ｔ１における高電圧スパイク後に、その電圧はレベルＵ３で安定し、後の瞬間ｔ２までそのレベルに留まり、その後、電圧は０まで減衰できるようになるものと仮定する。瞬間ｔ１とｔ２との間の時間が全測定時間である。

　アーク電極と測定されることになる材料との間の電流は時刻ｔ１において流れ始める。その初期の瞬間から、高電圧源内の電流リミッタが電流値を値Ｉ１に制限するまでその電流値は増加し、瞬間ｔ２において電圧を遮断することにより、電流が０まで減衰するようになるまで、その値に留まる。瞬間ｔ１とｔ２との間の電圧値と電流値との間の結合は、高電圧源の構造および制御方法に依存する。定電力制御が適用される場合には、放電時間電圧Ｕ３は初期電圧Ｕ１よりも確実に低くなる。なぜなら、電圧および電流の積が同じ値のままでなければならないためである。他の種類の制御原理、たとえば定電圧および定電流制御を適用することもでき、その場合には、非常に短い時間の間にＵ２まで突出した後に、電圧は再び値Ｕ１に安定するであろう。

　上記の基本的な測定に対する代替形態として、いわゆる予備放電を用いることができ、それは、測定時刻が開始される瞬間ｔ１から、終了時刻ｔ２よりも前に来る、後の瞬間ｔ１’まで、アーク内の電流が、わずかに高い値Ｉ１’に達することができるようになることを意味する。これは、電流曲線のほかに破線で示される。定電力制御を想定すると、電流を高くできることは、瞬間ｔ１’まで電圧値をＵ３’に低減し、その後、Ｕ３およびＩ１の標準的な放電が再開されることを意味する。

　通常の値は、Ｕ１≒１６０Ｖ、５ｋＶ≦Ｕ２≦２０ｋＶ、２０Ｖ≦Ｕ３≦１６０Ｖ（通常はＵ３≒５０Ｖ）であり、１Ａ≦Ｉ１≦１０Ａである。この値を用いる場合、全測定時間は０．５ｓ〜５ｓである。

　本発明によれば、不活性ガス媒質による検査プローブのフラッシングを必要とすることなく、炭素の１９３ｎｍスペクトル線を測定するための方法および装置を実現することができる。その方法および装置によれば、空気中で炭素の１９３ｎｍスペクトル線を測定することができ、ポータブル測定装置とともに現場で利用可能なようにすることができる。

既知のＯＥＳ測定装置を示す図である。 本発明のＯＥＳ測定装置のある特定の構成要素を示す概略図である。 アーク電極に関連するある特定の寸法に関する態様を示す図である。 本発明の測定装置内のある特定の光学的な構成要素を示す概略図である。 本発明による測定ヘッドの機械的な構造を示す図である。 本発明による交換可能な測定ヘッドの原理を示す図である。 本発明の方法におけるある特定の電圧および電流特性を示す図である。

Claims (16)

1. 　電気アークを用いて測定すべき材料の構成粒子を励起し、励起された状態からの緩和の瞬間に、励起された構成粒子によって放出される光放射の強度を検出するための測定装置であって、該測定装置は、
   　ある特定の太さの棒状部と、ある特定の研削角を有する鋭端部とを含むアーク電極（２０１、５０１）と、
   　前記アーク電極（２０１、５０１）の前記鋭端部を、測定期間中に前記測定すべき材料からある特定の距離に保持するための保持手段（２０２、５０２）と、
   　前記アーク電極と前記測定されることになる材料との間に電圧を生成および保持し、測定期間中、前記アーク電極内に電流を供給するための電圧および電流供給源（２０３）と、
   　前記アーク電極と前記測定すべき材料との間の電気アークから光放射を収集し、該収集された光放射のうちのある特定の選択された波長に関連する強度を検出するための集束および検出光学系（２０５、２０６、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８、５０５、５０６、５０９、６０４）とを備えており、
   　前記アーク電極内の前記棒状部（２０１、５０１）の太さは２ないし１０ｍｍであり、
   　前記アーク電極の前記鋭端部の前記切削角は４０ないし１３０°であり、
   　前記保持手段（２０２、５０２）は、前記アーク電極の前記鋭端部を、測定期間中に前記測定すべき材料から０．５ないし３ｍｍの距離に保持するように構成され、
   　前記電圧および電流供給源（２０３）は、５ないし２０ｋＶの点弧スパーク電圧と、２０ないし１６０Ｖのアーク電圧と、１ないし１０Ａのアーク電流とを供給するように構成され、
   　前記集束および検出光学系（２０５、２０６、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８、５０５、５０６、５０９、６０４）は、１９３ｎｍの波長において少なくとも光放射を収集および検出するように構成されることを特徴とする測定装置。
2. 　前記保持手段（２０２、５０２）は、円形の断面と開放端とを有するチューブ（５０２）を備え、前記開放端にある前記チューブ（５０２）の縁部が、前記チューブ（５０２）の長手方向の次元に垂直である平面を画定し、
   　前記アーク電極（２０１、５０１）は前記チューブと同軸に前記チューブ（５０２）内に配置され、
   　前記アーク電極（２０１、５０１）の前記鋭端部は、前記開放端にある前記チューブの前記縁部によって画定される前記平面から前記チューブ（５０２）の内部に、０．５ないし３ｍｍの距離に配置されることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 　前記チューブの側壁の一部が前記開放端から開始して切り取られて、該切り取られた部分（５０３）の縁部が前記チューブへの開放窓を画定することを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
4. 　前記集束光学系は、前記アーク電極（２０１、５０１）と前記測定される材料との間の電気アークから光放射を収集し、該収集された光放射を前記集束および検出光学系にさらに送るためのレンズ（４０２、５０５）を備え、該レンズはある特定の光学軸（５０７）を有し、
   　該測定装置は、前記チューブ（５０２）の外側にある前記レンズ（４０２、５０５）を、前記光学軸（５０７）の一端が前記窓を通って前記アーク電極（２０１、５０１）の前記鋭端部と前記開放端にある前記チューブ（５０２）の前記縁部によって画定される前記平面との間の空間内に延在した位置に保持するように構成されるホルダ（５０４）を含むことを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 　前記ホルダ（５０４）は、光ファイバ（４０３、５０６）を、前記光学軸（５０７）の他端が前記光ファイバ（５０６）内に延びる位置に保持するように構成されることを特徴とする請求項４に記載の測定装置。
6. 　前記光ファイバ（４０３、５０６）の長さは６０ｃｍ未満であることを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
7. 　前記光学軸（５０７）は前記光ファイバ（４０３、５０６）の一端内に延在し、
   　該測定装置は、前記光ファイバ（４０３、５０６）のもう一方の端部にあるコリメータ（４０４、５０９）、ならびに前記コリメータ（４０４、５０９）から到来する光放射からビームを分離するように構成されるスリット（４０５）とを備え、
   　該測定装置はさらに、前記スリット（４０５）から到来する光放射を分散させるように構成される回折格子（４０６）、ならびに前記回折格子（４０６）からの分散された光を受光および検出するように構成される、位置検出可能な検出器（４０８）とを備えることを特徴とする請求項５に記載の測定装置。
8. 　前記回折格子（４０６）と前記位置検出可能な検出器（４０８）との間にミラー（４０７）を備えることを特徴とする請求項７に記載の測定装置。
9. 　測定ヘッド（６０１、６０２）および該測定ヘッド（６０１、６０２）から離れた検出光学系ユニット（６０３）と、
   　前記測定ヘッド（６０１、６０２）を前記検出光学系ユニット（６０３）に取外し可能に取り付けるための機械的な取付け手段（５１０）とを備え、
   　前記測定ヘッド（６０１、６０２）は前記アーク電極（２０１、５０１）と、前記保持手段（２０２、５０２）と、前記集束光学系（２０５、４０２、４０３、５０５、５０６、５０９）とを備え、前記検出光学系ユニット（６０３）は検出光学系（４０５、４０６、４０７、４０８、６０４）を備え、
   　前記機械的な取付け手段（５１０）は、連続した光学軸が前記測定ヘッド（６０１、６０２）から前記検出光学系ユニット（６０３）内に延在するように、前記測定ヘッド（６０１、６０２）と前記検出光学系ユニット（６０３）とを互いに位置合わせするように構成されることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
10. 　前記測定ヘッド（６０１、６０２）と前記検出光学系ユニット（６０３）との間に気密封止手段（５１２）を備え、前記検出光学系ユニット（６０３）は、前記検出光学系ユニット（６０３）がガス媒質でフラッシングされるようにするためのフラッシュインターフェース（６０８）を備えることを特徴とする請求項９に記載の測定装置。
11. 　前記測定ヘッド（６０１、６０２）と前記検出光学系ユニット（６０３）との間の光−機械インターフェース（６０５）において、フラッシングガス媒質が前記検出光学系ユニット（６０３）から前記測定ヘッド（６０１、６０２）に選択的に流れ込むようにするためのバルブを備えることを特徴とする請求項１０に記載の測定装置。
12. 　測定すべき材料の組成を特徴付けるための方法であって、
    　前記測定すべき材料の表面に電気アークを生成するステップであって、それにより、アーク生成エリアを画定するステップと、
    　前記アーク生成エリア内の励起された粒子によって放出された光放射を収集するステップと、
    　少なくとも１つの関心波長において収集された光放射の強度を検出するステップと、
    　前記検出された強度と前記測定されることになる材料の特性とを関連付けるステップとを含み、
    　前記アーク生成エリアを外気に対して開放するステップと、
    　前記電気アーク内の電流密度を、前記アーク生成エリア内の励起された炭素原子が１９３．０９０ｎｍの波長において意味のある数の光放射量子を放出するだけの十分に低い値にするステップと、
    　前記１９３．０９０ｎｍの波長において収集された光放射の強度を検出するステップとを含むことを特徴とする方法。
13. 　前記電気アーク内の電流密度を十分に低い値にする前記ステップは、前記電気アークを大きな断面に空間的に分布させるために、太く、先端が丸いアーク電極（２０１、５０１）を用いるステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 　前記電気アーク内の電流密度を十分に低い値にする前記ステップは、前記電気アークを大きな断面に空間的に分布させるために、アーク電極（２０１、５０１）を前記測定されることになる材料の表面に近づけておくステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 　前記電気アーク内の電流密度を十分に低い値にする前記ステップは、測定期間中に前記電気アーク内の電流を制限するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. 　前記電気アーク内の電流密度を十分に低い値にする前記ステップは、測定期間中に前記電気アークにかかる電圧を制限するステップを含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
    

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