JP2004205266A - Element analysis method and apparatus - Google Patents

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義雄 荒木
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順子 渡辺
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博信 木村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To analyze an element of a substance that is not solid in a normal state or a substance in a powder shape with improved reproducibility by a laser beam breakdown spectrochemical analysis. <P>SOLUTION: An element analysis apparatus comprises an analysis cell 1 for retaining a sample 1a, where a substance to be subjected to an element analysis is cooled and solidified; a laser oscillator 2 for generating a pulse laser beam 15; a total reflection mirror 18 and a laser beam condensation lens 20a for condensing and applying the pulse laser beams 15 to the sample 1a; a spectrograph 3 for detecting fluorescence 17 being discharged from plasma 21 that is generated by the sample 1a by receiving the pulse laser beams 15, and obtaining elements for composing the substance and the content according to the wavelength and intensity of the detected fluorescence 17; a fluorescence detector 4; and a boxcar integrator 16. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料にレーザ光を照射し、その際に発生するプラズマから放射される蛍光を測定して、試料中に含まれる元素を検出し定量する元素分析方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、試料中に含まれる各種の元素を検出し定量する技術は、多くの分野で適用されている。例えば、土壌中や排水中に含まれる元素を検出し定量することは、環境汚染防止のうえで大切である。また火力原子力発電プラントの分野では、冷却水中に含まれる不純物元素や原動機から発生する排ガスの成分管理にこの元素分析技術がきわめて重要なものとなっている。
【0003】
これらの元素分析技術として蛍光X線分析や誘導結合プラズマ発光分析があるが、レーザ光を用いた新しい技術としてレーザ光ブレイクダウン(Laser Induced Breakdown:LIB)分光分析がある(下記特許文献1および2参照)。この分析方法は、パルスレーザ光を分析試料に集光照射して生じるプラズマからの発生光をスペクトル分光分析するもので、簡便で多種の元素分析に適用できるという特長がある。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−311606号公報
【特許文献2】
特開2000−121558号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザ光ブレイクダウン分析においては、元素から発せられる蛍光を測定対象としている。この方法は簡便ではあるが、試料の形態によりレーザ光ブレイクダウンの発生強度に変動が大きく、これにより生成される蛍光強度のバラツキが大きく、測定精度およびその再現性に問題がある。特に液体や土壌のような粉体や流動形態さらに粘土形態を有する物質に対しては直接的な測定を行うことができない。
【0006】
本発明は、このような問題点に対処してなされたもので、常態において固体でない物質や粉末状の物質をレーザ光ブレイクダウン分光分析によって再現性よく安定に元素分析することのできる元素分析方法および装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は元素分析装置であり、元素分析すべき物質を冷却固化してなる試料を保持する分析セルと、パルスレーザ光を発生するレーザ発振器と、前記パルスレーザ光を前記試料に集光照射する光学系と、前記試料が前記パルスレーザ光を受けて生成するプラズマから放出される蛍光を検出し前記検出された蛍光の波長と強度から前記物質を構成する元素およびその含有量を求める蛍光分光測定手段とを備えた構成とする。
【0008】
請求項2の発明は、前記蛍光分光測定手段は、検出した蛍光の信号を、前記パルスレーザ光の照射時間と同期し対象元素毎に固有の時間でゲート処理する構成とする。
【0009】
請求項3の発明は、前記分析セルを移動させて前記試料のレーザ光照射位置を移動させるセル移動機構を備えている構成とする。
請求項4の発明は、前記分析セルは複数の試料を保持し、前記セル移動機構は、前記複数の試料が交互にレーザ光照射されるように動作する構成とする。
【0010】
請求項5の発明は、前記試料を冷却する冷却装置と、前記分析セル内を真空排気する排気装置とを備えている構成とする。
請求項6の発明は、元素分析方法であり、元素分析すべき物質を冷却固化してなる試料にパルスレーザ光を照射し、前記照射によって発生するプラズマから放出される蛍光の波長と強度を測定することによって、前記物質を構成する元素およびその含有量を求める構成とする。
【0011】
請求項7の発明は、前記プラズマの発光強度または特定元素の発光ライン強度により、分析対象とする元素の含有量を補正する構成とする。
請求項8の発明は、前記物質は粒径が一定でない粉体であり、前記試料は前記物質を微粉末に粉砕しプレスし冷却固化して形成されている構成とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の元素分析装置の実施の形態を図面を参照して説明する。図1に示すように、本実施の形態の元素分析装置は、主要な構成機器として、分析セル1、レーザ発振器2、分光器3、蛍光検出器4、内部観察カメラ5、データ収録装置6およびタイミングコントローラ7を備えている。
【0013】
分析セル1はレーザ光導入窓8と内部観察窓9を有し、真空ポンプ10が接続され、セル移動機構11上に載置されている。また、分析セル1の中には試料冷却ステージ12が設けられ、試料冷却ステージ12にはチラー13が接続されている。
【0014】
タイミングコントローラ7からは、レーザ発振器2からレーザ光ブレイクダウン用のパルスレーザ光15を発振するタイミングを規定するレーザ制御信号7aが出力される。また、これに一定の遅れをもって蛍光検出器4に対して蛍光測定用のゲートを規定する検出制御信号7bが出力され、所定の時間帯で生成される蛍光17のみが測定される。
【0015】
試料1aは、密封可能な分析セル1内において試料冷却ステージ12上に載置される。分析セル1内は真空ポンプ10で真空排気される。この分析セル1の全体はセル移動機構11の上に設けられて、試料1a上のレーザ照射位置が常にレーザ照射を受けていない場所へ移動できるようになっている。セル移動機構11としては、通常のXYステージが適用可能で、この場合は複数試料を並列に並べて、同時に複数試料の計測が可能である。もちろん、XYステージ以外にも例えば回転ステージなどを適用してもよい。
【0016】
光学系としては、全反射ミラー18、孔付きのスクレーパミラー19、集光レンズ20a,20bが設置されている。レーザ光ブレイクダウン用のパルスレーザ光15はスクレーパミラー19の孔を通過後、集光レンズ20aにより分析セル1内の試料1aに照射される。
【0017】
このレーザ照射により生成したプラズマ21から発生する蛍光17は、レーザ光集光レンズ20aにて平行ビームにされた後、スクレーパミラー19で反射され蛍光集光レンズ20bで集光されて分光器3に導かれる。分光器3で分光された蛍光はさらに蛍光検出器4に導かれて電気信号に変換され、この電気信号はボックスカー積分器16で積分されてデータ収録装置6にて収録される。さらに、分析セル1内のレーザブレイクダウンの発生状況を内部観察窓9を通して内部観察カメラ5によってモニターする。
【0018】
本実施の形態においては、分析対象が液体あるいは粘性物質である場合に、これを凝固点以下に冷却固化して試料1aとし、固体状態でレーザ光照射し試料1aをプラズマ化する。安定したプラズマ21を生成するためには試料表面を動かなくする必要があるが、分析対象が液体や粘性物質である場合には、レーザ光照射面の表面が変動するため、分析対象物質の固体化が有効である。
【0019】
試料1aを冷却固化するチラー13としてはドライアイスや液体窒素などを用いた冷媒冷却やペルチエ冷却素子を用いた電子冷却などの装置がある。融点がマイナス20度C程度以上の液体に対しては、ペルチエ冷却素子の利用が最も簡便である。
【0020】
また、本実施の形態においては、分析セル1内を真空ポンプ10によって真空排気することにより、レーザ光15の照射によるプラズマ21の生成を安定化させることができる。この真空度はロータリーポンプで排気可能な1Pa程度の低真空度で十分である。この真空排気により、窒素分の定量が必要な試料については、大気中での測定では空気中窒素の影響により測定できないものも測定可能となる。さらに、雰囲気を真空とすることで、プラズマ21の温度を下げることができ、プラズマ21による背景光強度の低下により低バックグラウンドの計測が可能となる。
【0021】
上記のように、本実施の形態においては、試料1aを保持する分析セル1を外部駆動するセル移動機構11を備えている。試料1aにレーザ光15の照射を受けるとその表面に存在する元素が瞬間的に気化し、その一部がプラズマ化する。このレーザ光ブレーション現象を継続するとわずかであるが試料表面が削られる。これによって表面の凹凸状態が変化すると生成されるプラズマ21の生成状況も変動してくる。このため、試料を構成する元素を平均的に測定するためにはレーザ光照射点を逐次変更する必要がある。
【0022】
試料中に検出目的の元素が不均一に存在する場合には、本実施の形態のように試料を移動し、連続的に測定を行った方が平均化して検出することができる。なお、レーザ光の集光点の大きさは数μ〜数10μであるが、試料によってはレーザ照射により100μオーダの凹部が形成される。したがって、試料の移動速度は100μ/パルス以上とする必要がある。
【0023】
いま、例えばパルスエネルギーが10mJ程度でパルス幅5nsのYAGレーザ光を考えると、その出力はパルス的に2MWの出力となる。試料1aにこのようなパルスレーザ光15を集光照射すると、いわゆるブレイクダウンが発生し、照射領域の試料が電離されてプラズマ21となる。
【0024】
このレーザ光照射を起因とするプラズマ21は、パルスレーザ光15の照射終了とともに再結合が始まり、数μ秒〜数十μ秒の間は照射試料の構成元素が励起状態の原子となり、この励起状態の原子が下準位に遷移するとき、原子数に比例した蛍光17を放出する。試料1aの中から対象元素を定量する際、プラズマ21から放出される蛍光17の所定の成分をとらえて高い分析精度を得ることができる。
【0025】
本実施の形態の元素分析装置における信号処理は次のように行われる。すなわち、図2に示すように、一定周波数で発振するタイミングコントローラ7からのマスタークロック信号26に対して、一定の遅れ時間Δt1をもってレーザ制御信号7aの中にレーザ発振信号27が出力される。
【0026】
レーザ発振信号27によって発射されるパルスレーザ光15の照射によって生じ経時変化する蛍光17の信号28に対して、その時間関数に適切に設定された遅れ時間Δt2をもって、検出制御信号7bの中に蛍光信号計測ゲート信号29が出力され、この時間帯で蛍光信号28がロックインアンプやボックスカー積分器16で計測される。
【0027】
この蛍光信号計測ゲート信号29のレーザ照射からの時間遅れΔt2とゲート幅30については、分析対象とする元素に対して適正化が必要である。一般に蛍光発生の励起寿命の短い元素に対しては、時間遅れΔt2を小さく、またゲート幅30も小さくした方がS/N比の高い計測を行うことができる。逆に励起寿命の長い原子に対しては、時間遅れΔt2を大きくとり、またゲート幅30も大きくした方がS/N比の高い計測を行うことができる。
【0028】
このように本実施の形態においては、蛍光検出器4で検出される蛍光信号28を、レーザ光15の照射時間と同期し、かつ、対象元素毎に固有の時間ゲートで処理する。これにより蛍光寿命の異なる元素に対して高S/N比の計測を行うことができる。
【0029】
蛍光計測には分光器が一般的であるが、特定元素のみの計測でよければ、干渉フィルターを設置した光電子増倍管での計測も可能である。また、試料中の検出すべき元素の含有率については標準試料と並行した測定により、当該波長の強度比で分析を行う。レーザ発振器については、ここではYAGレーザを例にとったが、レーザ光ブレイクダウンが可能なパルスレーザ光であればエキシマレーザなどのレーザも適用可能である。
【0030】
本実施の形態においては、ブレイクダウン用のレーザ光15により発生したプラズマ21の発光強度ないしは特定元素の発光ライン強度により、分析対象とする元素の含有率を補正する。レーザ光15により試料1aがプラズマ21を生成する際のプラズマ21の大きさや温度特性は、レーザ光15の出力の変動、試料1a表面から放出される元素量、試料1a表面の微細な凹凸などによって影響される。
【0031】
一般に、レーザ光15により生成されるプラズマ21の大きさや温度はプラズマ21から生成される黒体輻射による白色光ないしは特定元素の発光ライン強度と比例する関係にある。このため、測定のバラツキを少なくするためには、分析対象とする元素からの蛍光ないしはイオン信号を、レーザ光パルス毎のプラズマ生成量の変動で補正する。なお、定量した純水を試料1aの冷凍固着に用いた場合には、プラズマ生成の標準となるラインとして水素のHα(656.2nm)、Hβ(486.1nm)、Hγ(434.0nm)、Hδ(410.2nm)等のラインを用いるのがよい。
【0032】
本実施の形態における試料の配置とレーザ照射方法の他の例を図3,4,5を参照して説明する。すなわち図3に示すように、分析セル1内に試料として標準試料22と分析試料23が並べて置かれており、これらは冷却可能な試料冷却ステージ12上に設置されている。
【0033】
元素分析の測定を行う際には分析セル1は真空ポンプ10で真空排気され、分析セル1全体をセル移動機構11にて移動して、試料22,23上のレーザ照射位置が常にレーザ照射を未だ受けていない場所へ移動しながら計測する。図4はその一例を示したもので、この場合は、分析の際に試料22,23上のレーザ照射経路32を一筆書きのように連続的に移動することによって小さい試料で多くのデータを得ることができる。
【0034】
特定元素の比率を計測する場合には、図5に示すように、標準試料22と分析試料23の測定が交互になるようにトレースすることによって正確な比率を求めることができる。
【0035】
このように、分析セル1内に複数個の試料を装荷し、そのうちの分析試料23を測定対象元素の含有量が既知の標準試料22と同時あるいは交互に測定することにより、分析試料23中に含まれる元素の含有量を迅速に定量化することができる。
【0036】
分析対象物質が粉体の場合には固着材を混ぜて固化して試料とすることも有効である。この場合の冷凍固化の方法としては、分析対象物質中に水分があればそのまま凍結させることも可能で、固化に水分が不十分な場合には定量した純水を加えて固化させる方法が簡単である。
【0037】
このような試料の作成方法の一例について図6を参照して説明する。すなわち、粉体状の分析対象物質についてはその粒径を揃えるために、粉砕ミル33で10μ〜100μ程度の粒径以下とする(工程▲2▼)。粘土状の物質については粒径が上記程度であればそのままで問題ないが、100μ以上の粒径の粒子が存在する場合には、やはりミル等で粉砕処理を行う必要がある。
【0038】
次に、試料枠31の大きさに合わせたプレス枠35に分析対象物質を詰め、10MPa〜100MPaの圧力でプレスする。通常の土壌に対しては、この範囲の圧力で良好な固化が達成可能である。
【0039】
プレスによる分析対象物質の固化状況によっては、粒子のバインダーとして水を加える(工程▲3▼)ことにより、冷却時に固化が促進され、レーザ照射によるプラズマ生成のバラツキの少ない試料を作成することができる。また、分析対象物質が多量の水分を含む場合にはプレス可能な程度にまで乾燥させるのが好ましいが、乾燥により含有元素の量が変動してしまうような物質の場合には試料表面をナイフエッジ等で平坦化させて、試料冷却ステージ12に設置する。
【0040】
このように、分析対象物質が土壌のように粉体でかつ粒径が一定でない場合には、分析対象物質をあらかじめミルにより微粉末粉砕し、これをプレスして測定することにより、レーザ生成プラズマを安定に生成させることができ、測定のバラツキを低下させて信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【0041】
本実施の形態における試料の配置とレーザ照射方法の更に他の例を図7,図8を参照して説明する。すなわち図7に示すように、分析セル1内に試料として標準試料22と分析試料23が並べて置かれており、これらは冷却可能な回転ステージ36上に設置されている。
【0042】
元素分析の測定を行う際には分析セル1は真空ポンプ10で真空排気され、回転ステージ36の回転によってレーザ照射位置が試料22と試料23とで切り替わるようにして計測する。図8はその一例を示したもので、この場合は、分析の際に試料22,23上のレーザ照射経路が円を描くように移動することになる。また、分析セル1全体をセル移動機構11にて移動することにより、レーザ光の照射位置を回転ステージ36の回転中心から適宜移動させることができる。したがって、各試料22,23の表面上の任意の位置におけるデータを得ることが可能となる。
【0043】
【発明の効果】
本発明によれば、常態において固体でない物質や粉末状の物質をレーザ光ブレイクダウン分光分析によって再現性よく安定に元素分析することのできる元素分析方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の元素分析装置の構成図。
【図2】本発明の実施の形態の元素分析装置の動作を説明するグラフ。
【図3】本発明の実施の形態の元素分析装置における試料設置の他の例を示す断面図。
【図4】本発明の実施の形態における試料へのレーザ照射方法を示す斜視図。
【図5】本発明の実施の形態における試料へのレーザ照射方法の他の例を示す斜視図。
【図6】本発明の実施の形態における試料の作成手順の例を示す流れ図。
【図7】本発明の実施の形態の元素分析装置における試料設置の更に他の例を示す断面図。
【図8】本発明の実施の形態における試料へのレーザ照射方法の更に他の例を示す斜視図。
【符号の説明】
1…分析セル、1a…試料、2…レーザ発振器、3…分光器、4…蛍光検出器、5…内部観察カメラ、6…データ収録装置、6a…タイミング制御信号、7…タイミングコントローラ、7a…レーザ制御信号、7b…検出制御信号、8…レーザ光導入窓、9…内部観察窓、10…真空ポンプ、11…セル移動機構、12…試料冷却ステージ、13…チラー、14…レーザ電源、15…パルスレーザ光、16…ボックスカー積分器、16a…蛍光信号、17…蛍光、18…全反射ミラー、19…スクレーパミラー、20…分析セル排気系、20a…レーザ光集光レンズ、20b…蛍光集光レンズ、21…プラズマ、22…標準試料、23…分析試料、26…マスタークロック信号、27…レーザ発振器タイミング信号、28…蛍光信号、29…蛍光計測タイミング信号、30…蛍光計測ゲート幅、31…試料枠、32…レーザビームの照射経路、33…粉砕ミル、34…ポリ袋、35…プレス枠、36…回転ステージ。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for irradiating a sample with laser light, measuring fluorescence emitted from plasma generated at that time, and detecting and quantifying elements contained in the sample.
[0002]
[Prior art]
In general, techniques for detecting and quantifying various elements contained in a sample are applied in many fields. For example, detecting and quantifying elements contained in soil and wastewater is important for preventing environmental pollution. In the field of thermal nuclear power plants, this elemental analysis technique is extremely important for controlling impurity elements contained in cooling water and components of exhaust gas generated from a prime mover.
[0003]
These elemental analysis techniques include X-ray fluorescence analysis and inductively coupled plasma emission analysis, and a new technique using laser light includes laser-induced breakdown (LIB) spectroscopy (Patent Documents 1 and 2 below). reference). This analysis method is for spectrally analyzing light generated from plasma generated by converging and irradiating a pulsed laser beam onto an analysis sample, and has the advantage that it can be easily applied to various types of elemental analysis.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-31606 [Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-121558
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional laser beam breakdown analysis, fluorescence emitted from an element is measured. Although this method is simple, the intensity of occurrence of laser beam breakdown varies greatly depending on the form of the sample, and the intensity of the generated fluorescent light varies greatly, causing problems in measurement accuracy and reproducibility. In particular, it is not possible to directly measure a substance having a powder form, a fluid form, or a clay form such as liquid or soil.
[0006]
The present invention has been made in view of such problems, and an elemental analysis method capable of stably and reproducibly performing elemental analysis of a substance that is not a solid or a powdery substance in a normal state by laser beam breakdown spectroscopy. And an apparatus.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is an elemental analyzer, comprising: an analysis cell for holding a sample formed by cooling and solidifying a substance to be subjected to elemental analysis; a laser oscillator for generating pulsed laser light; and collecting the pulsed laser light on the sample. An optical system for irradiating light, the sample detects fluorescence emitted from plasma generated by receiving the pulsed laser beam, and obtains an element constituting the substance and its content from the wavelength and intensity of the detected fluorescence. And a fluorescence spectrometer.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, the fluorescence spectrometer is configured to gate the detected fluorescence signal at a time unique to each target element in synchronization with the irradiation time of the pulsed laser light.
[0009]
The invention according to claim 3 is configured to include a cell moving mechanism for moving the analysis cell to move a laser beam irradiation position of the sample.
According to a fourth aspect of the present invention, the analysis cell holds a plurality of samples, and the cell moving mechanism operates such that the plurality of samples are alternately irradiated with laser light.
[0010]
The invention according to claim 5 is configured to include a cooling device for cooling the sample and an exhaust device for evacuating the inside of the analysis cell.
The invention according to claim 6 is an elemental analysis method in which a sample obtained by cooling and solidifying a substance to be subjected to elemental analysis is irradiated with pulsed laser light, and the wavelength and intensity of fluorescence emitted from plasma generated by the irradiation are measured. In this manner, the elements constituting the substance and the content thereof are determined.
[0011]
The invention according to claim 7 is configured to correct the content of the element to be analyzed based on the emission intensity of the plasma or the emission line intensity of the specific element.
The invention according to claim 8 is configured such that the substance is a powder having a non-uniform particle size, and the sample is formed by pulverizing the substance into fine powder, pressing, and cooling and solidifying.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an elemental analyzer according to the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the elemental analyzer of the present embodiment includes, as main components, an analysis cell 1, a laser oscillator 2, a spectroscope 3, a fluorescence detector 4, an internal observation camera 5, a data recording device 6, A timing controller 7 is provided.
[0013]
The analysis cell 1 has a laser light introduction window 8 and an internal observation window 9, is connected to a vacuum pump 10, and is mounted on a cell moving mechanism 11. A sample cooling stage 12 is provided in the analysis cell 1, and a chiller 13 is connected to the sample cooling stage 12.
[0014]
The timing controller 7 outputs a laser control signal 7 a that defines the timing at which the laser oscillator 2 oscillates the pulsed laser beam 15 for laser beam breakdown. Further, a detection control signal 7b defining a fluorescence measurement gate is output to the fluorescence detector 4 with a certain delay, and only the fluorescence 17 generated in a predetermined time zone is measured.
[0015]
The sample 1a is placed on the sample cooling stage 12 in the sealable analysis cell 1. The inside of the analysis cell 1 is evacuated by a vacuum pump 10. The whole analysis cell 1 is provided on a cell moving mechanism 11 so that the laser irradiation position on the sample 1a can always move to a place where the laser irradiation is not performed. As the cell moving mechanism 11, a normal XY stage can be applied. In this case, a plurality of samples are arranged in parallel, and a plurality of samples can be measured at the same time. Of course, for example, a rotary stage or the like may be applied other than the XY stage.
[0016]
As the optical system, a total reflection mirror 18, a scraper mirror 19 with holes, and condenser lenses 20a and 20b are provided. After passing through the hole of the scraper mirror 19, the pulse laser beam 15 for laser beam breakdown is applied to the sample 1a in the analysis cell 1 by the condenser lens 20a.
[0017]
The fluorescent light 17 generated from the plasma 21 generated by the laser irradiation is converted into a parallel beam by a laser light collecting lens 20a, reflected by a scraper mirror 19, collected by a fluorescent light collecting lens 20b, and condensed by a spectroscope 3. Be guided. The fluorescence separated by the spectroscope 3 is further guided to the fluorescence detector 4 and converted into an electric signal. The electric signal is integrated by the boxcar integrator 16 and recorded by the data recording device 6. Further, the state of occurrence of laser breakdown in the analysis cell 1 is monitored by the internal observation camera 5 through the internal observation window 9.
[0018]
In the present embodiment, when the analysis target is a liquid or a viscous substance, it is cooled and solidified to a temperature below the freezing point to obtain a sample 1a, and the sample 1a is turned into a plasma by irradiating a laser beam in a solid state. In order to generate stable plasma 21, it is necessary to keep the sample surface stationary. However, when the analysis target is a liquid or a viscous substance, the surface of the laser light irradiation surface fluctuates, so that the solid Is effective.
[0019]
As the chiller 13 for cooling and solidifying the sample 1a, there are devices such as refrigerant cooling using dry ice or liquid nitrogen or electronic cooling using a Peltier cooling element. For liquids having a melting point of about minus 20 degrees C or higher, the use of a Peltier cooling element is the simplest.
[0020]
Further, in the present embodiment, by evacuating the inside of the analysis cell 1 by the vacuum pump 10, the generation of the plasma 21 by the irradiation of the laser beam 15 can be stabilized. As for the degree of vacuum, a low degree of vacuum of about 1 Pa that can be evacuated by a rotary pump is sufficient. With this evacuation, it is possible to measure a sample that needs to be quantified for nitrogen even if it cannot be measured in the atmosphere due to the influence of nitrogen in the air. Furthermore, by setting the atmosphere to a vacuum, the temperature of the plasma 21 can be reduced, and the background light intensity can be reduced by the plasma 21 to measure a low background.
[0021]
As described above, in the present embodiment, the cell moving mechanism 11 for externally driving the analysis cell 1 holding the sample 1a is provided. When the sample 1a is irradiated with the laser beam 15, the elements existing on the surface are instantaneously vaporized, and a part thereof is turned into plasma. If this laser beam brazing phenomenon is continued, the surface of the sample is slightly scraped. As a result, when the surface unevenness changes, the state of generation of the generated plasma 21 also changes. For this reason, it is necessary to sequentially change the laser beam irradiation point in order to measure the elements constituting the sample on average.
[0022]
When the element to be detected is non-uniformly present in the sample, the average can be detected by moving the sample and performing continuous measurement as in the present embodiment. The size of the focal point of the laser beam is several μm to several tens μm, but depending on the sample, a concave portion of the order of 100 μm is formed by laser irradiation. Therefore, the moving speed of the sample needs to be 100 μ / pulse or more.
[0023]
Now, for example, when a YAG laser beam having a pulse energy of about 10 mJ and a pulse width of 5 ns is considered, the output is a 2 MW pulse output. When the pulsed laser beam 15 is condensed and irradiated on the sample 1a, a so-called breakdown occurs, and the sample in the irradiated area is ionized to become plasma 21.
[0024]
The recombination of the plasma 21 caused by this laser beam irradiation starts when the irradiation of the pulse laser beam 15 is completed, and the constituent elements of the irradiated sample become excited atoms during several μsec to several tens μsec. When the atoms in the state transition to the lower level, they emit fluorescence 17 proportional to the number of atoms. When quantifying the target element from the sample 1a, a high analysis accuracy can be obtained by capturing a predetermined component of the fluorescence 17 emitted from the plasma 21.
[0025]
The signal processing in the element analyzer of the present embodiment is performed as follows. That is, as shown in FIG. 2, a laser oscillation signal 27 is output in the laser control signal 7a with a constant delay time Δt1 with respect to the master clock signal 26 from the timing controller 7 which oscillates at a constant frequency.
[0026]
The signal 28 of the fluorescent light 17 which is generated by irradiation of the pulsed laser light 15 emitted by the laser oscillation signal 27 and changes with time has a delay time Δt2 appropriately set in the time function, and the fluorescent light is included in the detection control signal 7b. The signal measurement gate signal 29 is output, and the fluorescence signal 28 is measured by the lock-in amplifier and the boxcar integrator 16 in this time zone.
[0027]
The time delay Δt2 from the laser irradiation of the fluorescence signal measurement gate signal 29 and the gate width 30 need to be optimized for the element to be analyzed. In general, for an element having a short excitation life of fluorescence generation, a smaller time delay Δt2 and a smaller gate width 30 can perform a measurement with a higher S / N ratio. Conversely, for atoms having a long excitation lifetime, a larger time delay Δt2 and a larger gate width 30 allow measurement with a higher S / N ratio.
[0028]
As described above, in the present embodiment, the fluorescence signal 28 detected by the fluorescence detector 4 is processed by a time gate unique to each target element in synchronization with the irradiation time of the laser light 15. This makes it possible to measure a high S / N ratio for elements having different fluorescence lifetimes.
[0029]
A spectrometer is generally used for fluorescence measurement, but if only a specific element is to be measured, measurement using a photomultiplier tube provided with an interference filter is also possible. In addition, the content of the element to be detected in the sample is analyzed by the measurement in parallel with the standard sample at the intensity ratio of the wavelength. Here, a YAG laser is taken as an example of the laser oscillator, but a laser such as an excimer laser can also be used as long as it is a pulsed laser light capable of laser light breakdown.
[0030]
In the present embodiment, the content of the element to be analyzed is corrected based on the emission intensity of the plasma 21 generated by the breakdown laser beam 15 or the emission line intensity of the specific element. The size and temperature characteristics of the plasma 21 when the sample 1a generates the plasma 21 by the laser light 15 depend on fluctuations in the output of the laser light 15, the amount of elements emitted from the surface of the sample 1a, and fine irregularities on the surface of the sample 1a. Affected.
[0031]
In general, the size and temperature of the plasma 21 generated by the laser light 15 are proportional to the intensity of the white light or the emission line intensity of the specific element due to the black body radiation generated from the plasma 21. Therefore, in order to reduce the variation in the measurement, the fluorescence or ion signal from the element to be analyzed is corrected by the fluctuation of the plasma generation amount for each laser light pulse. When the quantified pure water was used for freezing and fixing of the sample 1a, hydrogen Hα (656.2 nm), Hβ (486.1 nm), Hγ (434.0 nm), and Hδ (410.2 nm) were used as standard lines for plasma generation. It is better to use a line such as nm).
[0032]
Another example of the arrangement of the sample and the laser irradiation method in the present embodiment will be described with reference to FIGS. That is, as shown in FIG. 3, a standard sample 22 and an analysis sample 23 are placed side by side in the analysis cell 1 as samples, and these are set on a sample cooling stage 12 that can be cooled.
[0033]
When performing elemental analysis measurement, the analysis cell 1 is evacuated by the vacuum pump 10 and the entire analysis cell 1 is moved by the cell moving mechanism 11 so that the laser irradiation positions on the samples 22 and 23 always emit laser light. Measure while moving to a place not yet received. FIG. 4 shows an example of such a case. In this case, a large amount of data can be obtained with a small sample by continuously moving the laser irradiation path 32 on the samples 22 and 23 as a single stroke during analysis. be able to.
[0034]
When measuring the ratio of a specific element, an accurate ratio can be obtained by tracing the measurement of the standard sample 22 and the analysis sample 23 alternately as shown in FIG.
[0035]
As described above, a plurality of samples are loaded in the analysis cell 1, and the analysis sample 23 is simultaneously or alternately measured with the standard sample 22 having a known content of the element to be measured. The content of the contained element can be quickly quantified.
[0036]
When the substance to be analyzed is a powder, it is also effective to mix and fix a fixing material to obtain a sample. In this case, as a method of freezing and solidifying, if there is moisture in the substance to be analyzed, it can be frozen as it is, and when the moisture is insufficient for solidification, a method of adding a fixed amount of pure water and solidifying is simple. is there.
[0037]
An example of a method for preparing such a sample will be described with reference to FIG. That is, the powdery substance to be analyzed is reduced to a particle size of about 10 μm to 100 μm or less by the pulverizing mill 33 in order to make the particle diameter uniform (step (2)). There is no problem if the particle size of the clay-like substance is as large as above, but if particles having a particle size of 100 μm or more are present, it is also necessary to carry out a pulverizing treatment with a mill or the like.
[0038]
Next, the substance to be analyzed is packed in a press frame 35 corresponding to the size of the sample frame 31 and pressed at a pressure of 10 MPa to 100 MPa. For normal soils, good solidification can be achieved at pressures in this range.
[0039]
Depending on the state of solidification of the substance to be analyzed by the press, by adding water as a binder for the particles (step (3)), solidification is promoted during cooling, and a sample with less variation in plasma generation by laser irradiation can be prepared. . When the substance to be analyzed contains a large amount of water, it is preferable to dry the substance to the extent that it can be pressed. Then, the sample is flattened and placed on the sample cooling stage 12.
[0040]
As described above, when the substance to be analyzed is a powder like soil and the particle size is not constant, the substance to be analyzed is finely pulverized by a mill in advance, and then pressed and measured. Can be generated stably, and the variation in measurement can be reduced to obtain a highly reliable measurement result.
[0041]
Still another example of the arrangement of the sample and the laser irradiation method in the present embodiment will be described with reference to FIGS. That is, as shown in FIG. 7, a standard sample 22 and an analysis sample 23 are placed side by side in the analysis cell 1 as samples, and these are set on a rotatable stage 36 that can be cooled.
[0042]
When performing elemental analysis, the analysis cell 1 is evacuated by the vacuum pump 10 and the laser irradiation position is switched between the sample 22 and the sample 23 by the rotation of the rotary stage 36 for measurement. FIG. 8 shows an example thereof. In this case, the laser irradiation paths on the samples 22 and 23 move in a circle during the analysis. In addition, by moving the entire analysis cell 1 by the cell moving mechanism 11, the irradiation position of the laser beam can be appropriately moved from the rotation center of the rotary stage 36. Therefore, data at an arbitrary position on the surface of each of the samples 22 and 23 can be obtained.
[0043]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the elemental analysis method and apparatus which can stably perform elemental analysis with good reproducibility by laser beam breakdown spectroscopy on a substance which is not a solid in normal state or a powdery substance can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an element analysis device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph illustrating an operation of the elemental analysis device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of sample installation in the element analyzer according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing a method for irradiating a sample with a laser according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing another example of a method for irradiating a sample with a laser according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart showing an example of a procedure for preparing a sample in the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing still another example of sample installation in the element analyzer according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing still another example of a method for irradiating a sample with a laser according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Analysis cell, 1a ... Sample, 2 ... Laser oscillator, 3 ... Spectroscope, 4 ... Fluorescence detector, 5 ... Internal observation camera, 6 ... Data recording device, 6a ... Timing control signal, 7 ... Timing controller, 7a ... Laser control signal, 7b detection control signal, 8 laser light introduction window, 9 internal observation window, 10 vacuum pump, 11 cell moving mechanism, 12 sample cooling stage, 13 chiller, 14 laser power supply, 15 ... Pulse laser light, 16 ... Boxcar integrator, 16a ... Fluorescence signal, 17 ... Fluorescence, 18 ... Total reflection mirror, 19 ... Scraper mirror, 20 ... Analysis cell exhaust system, 20a ... Laser condensing lens, 20b ... Fluorescence Condensing lens, 21 ... plasma, 22 ... standard sample, 23 ... analytical sample, 26 ... master clock signal, 27 ... laser oscillator timing signal, 28 ... fluorescence signal, 29 ... Optical measurement timing signal, 30 ... fluorescence measurement gate width, 31 ... sample frame, 32 ... laser beam irradiation path, 33 ... grinding mill, 34 ... plastic bag, 35 ... press frame, 36 ... rotary stage.

Claims (8)

元素分析すべき物質を冷却固化してなる試料を保持する分析セルと、パルスレーザ光を発生するレーザ発振器と、前記パルスレーザ光を前記試料に集光照射する光学系と、前記試料が前記パルスレーザ光を受けて生成するプラズマから放出される蛍光を検出し前記検出された蛍光の波長と強度から前記物質を構成する元素およびその含有量を求める蛍光分光測定手段とを備えたことを特徴とする特徴とする元素分析装置。An analysis cell for holding a sample formed by cooling and solidifying a substance to be subjected to elemental analysis, a laser oscillator for generating pulsed laser light, an optical system for condensing and irradiating the sample with the pulsed laser light, and A fluorescence spectrometer for detecting the fluorescence emitted from the plasma generated by receiving the laser beam, and determining the elements constituting the substance and the content thereof from the wavelength and intensity of the detected fluorescence. Elemental analyzer that features: 前記蛍光分光測定手段は、検出した蛍光の信号を、前記パルスレーザ光の照射時間と同期し対象元素毎に固有の時間でゲート処理することを特徴とする請求項1に記載の元素分析装置。2. The element analyzer according to claim 1, wherein the fluorescence spectrometer measures a gate of the detected fluorescence signal at a specific time for each target element in synchronization with the irradiation time of the pulse laser beam. 前記分析セルを移動させて前記試料のレーザ光照射位置を移動させるセル移動機構を備えていることを特徴とする請求項1に記載の元素分析装置。The element analyzer according to claim 1, further comprising: a cell moving mechanism that moves the analysis cell to move a laser beam irradiation position of the sample. 前記分析セルは複数の試料を保持し、前記セル移動機構は、前記複数の試料が交互にレーザ光照射されるように動作することを特徴とする請求項3に記載の元素分析装置。The element analyzer according to claim 3, wherein the analysis cell holds a plurality of samples, and the cell moving mechanism operates so that the plurality of samples are irradiated with laser light alternately. 前記試料を冷却する冷却装置と、前記分析セル内を真空排気する排気装置とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の元素分析装置。The element analyzer according to claim 1, further comprising a cooling device for cooling the sample, and an exhaust device for evacuating the inside of the analysis cell. 元素分析すべき物質を冷却固化してなる試料にパルスレーザ光を照射し、前記照射によって発生するプラズマから放出される蛍光の波長と強度を測定することによって、前記物質を構成する元素およびその含有量を求めることを特徴とする元素分析方法。By irradiating the sample obtained by cooling and solidifying the substance to be subjected to elemental analysis with pulsed laser light, and measuring the wavelength and intensity of the fluorescence emitted from the plasma generated by the irradiation, the elements constituting the substance and the content thereof An elemental analysis method characterized by determining an amount. 前記プラズマの発光強度または特定元素の発光ライン強度により、分析対象とする元素の含有量を補正すること特徴とする請求項6に記載の元素分析方法。The element analysis method according to claim 6, wherein the content of the element to be analyzed is corrected based on the emission intensity of the plasma or the emission line intensity of the specific element. 前記物質は粒径が一定でない粉体であり、前記試料は前記物質を微粉末に粉砕しプレスし冷却固化して形成されていることを特徴とする請求項6に記載の元素分析方法。7. The elemental analysis method according to claim 6, wherein the substance is a powder having a non-uniform particle size, and the sample is formed by pulverizing the substance into fine powder, pressing, and solidifying by cooling.
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