JP2004333323A

JP2004333323A - 発光分光分析装置

Info

Publication number: JP2004333323A
Application number: JP2003130201A
Authority: JP
Inventors: Katsutoyo Osanai; 克豊小山内
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-05-08
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2004-11-25

Abstract

【課題】発光分光分析装置に用いる主放電直流電源において、簡易な構成によりコンデンサの充電電圧を安定化させること。
【解決手段】コンデンサ４に充電した電荷を分析用の試料７上に放電し、当該放電により発生する光を分光分析する発光分光分析装置１であり、コンデンサを充放電する充放電回路３と、この充放電回路とは別の微少放電回路１０とを備え、微少放電回路１０は、充放電回路により充電されたコンデンサの過充電電圧分を放電させることにより、充電電圧を所定電圧に保持し、これによりコンデンサの電圧を一定に保つ。微少放電回路１０は、コンデンサの充電電圧を比較電圧と比較する比較回路と、コンデンサの接地を制御する半導体スイッチ回路とを備える構成とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパーク放電により試料を発光させ、当該発光を分光分析する発光分光分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光分光分析装置として、コンデンサに充電した電荷を分析用の試料上に放電し、この放電により試料から発生する光を分光分析する装置が知られている。
【０００３】
この発光分光分析装置では、分析試料との間で放電を行うギャップに対して、主放電直流電源及びイグナイタを接続し、このイグナイタによりギャップにスパーク放電を発生させ、主放電直流電源からギャップに電荷を供給して分析用の放電を生じさせている。
【０００４】
図５は従来の発光分光分析装置の概略構成図である。図５において、発光分光分析装置１０１は、試料１０７と電極との間に形成したギャップ１０８に発生させた放電による試料１０７からの発光を分光することにより試料分析を行う。
【０００５】
発光分光分析装置１０１は、ギャップ１０８に放電を発生させるために、電荷を貯めるコンデンサ１０４と、このコンデンサ１０４の充放電を行う直流電源１０２及び充放電回路１０３を含む主放電直流電源とを備えると共に、放電を開始させるために、イグナイタ１０６及びスパークギャップ１０５を備える。
【０００６】
主放電直流電源において、コンデンサ１０４は、充放電回路１０３を介して直流電源１０２により充電される。充電されたコンデンサ１０４は、イグナイタ１０６によってスパークギャップ１０５に放電を発生させることにより、試料１０４側のギャップ１０８に放電を発生させ、試料を発光させる。
【０００７】
充放電回路１０３は、コンデンサ１０４を充電する回路であり、直流電源１０２とコンデンサ１０４との間の接続を制御する半導体スイッチ、及び電圧比較回路を備える。半導体スイッチは、例えば、大電流を供給する６００Ｖ程度の直流電源１０２と数μＦのコンデンサ１０４との間に配置する。電圧比較回路は、コンデンサ１０４の両端電圧を基準電圧と比較する。半導体スイッチはこの電圧比較回路の出力により開閉制御を行い、コンデンサ１０４に基準電圧で定まる所定電圧を充電する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
充放電回路に使用する半導体スイッチは、通常、数十アンペア〜数百案アンペアの大電流を流す必要があるため、その動作速度は比較的に遅い。
【０００９】
また、回路電圧も例えば３００Ｖ〜６００Ｖと高いことが多い。半導体スイッチを制御する制御回路はこのような高い電圧を扱うため、光アイソレ−タ（ホトカプラ）を使用したり、制御回路の段数を多くした構成とすることにより、絶縁性を高めている。
【００１０】
そのため、半導体スイッチの制御回路では、充電完了の信号によって半導体スイッチをオフ制御してから実際にオフするまでに数十マイクロ秒以上かかり遅延が生じる。
【００１１】
このように、半導体スイッチを用いた充放電回路では、半導体スイッチそのものの特性や制御回路により遅延が生じる。その遅延は、コンデンサの充電電流やコンデンサの容量を変えた場合、充電完了電圧が変化することになる。
【００１２】
図６はコンデンサの充電電圧を説明するための図である。なお、図６（ａ），（ｃ）は半導体スイッチのオン・オフ状態を示し、図６（ｂ），（ｄ）はコンデンサの充電電圧を示し、図６（ａ），（ｂ）はコンデンサＣの充電時定数が小さい場合の例を示し、図６（ｃ），（ｄ）はコンデンサＣの充電時定数が大きい場合の例を示している。
【００１３】
半導体スイッチがオンとコンデンサＣの充電が開始し、コンデンサＣの充電電圧が目標電圧（図中の一点鎖線で示す）を越えたときに半導体スイッチがオフに切り替わる。このとき、半導体スイッチのオフへの切り替わりの遅延が生じると（図中の破線で示す）、コンデンサＣの充電電圧は目標電圧を越えて過充電状態となる。この過充電分は、コンデンサの充電時定数により変化する。コンデンサの充電時定数は、例えば、コンデンサの充電電流やコンデンサの容量等により異なり、これらが変化すると充電完了電圧が変化することになる。図６（ｂ）は充電時定数が小さい場合を示し、図６（ｄ）は充電時定数が大きい場合を示しており、半導体スイッチが実際にオフするまでの遅延時間に応じて過充電分ΔＶ１と過充電分ΔＶ２が異なることになる。
【００１４】
充電電流を一定にするための構成として、大容量で且つ高安定の直流電源を用いる構成や、充電電流を一定に制御する定電流充電回路を用いる構成が考えられるが、これらの直流電源や定電流充電回路は大型であるという問題があり、また、価格も高く費用がかさむという問題もある。
【００１５】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、発光分光分析装置に用いる主放電直流電源において、簡易な構成によりコンデンサの充電電圧を安定化させることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光分光分析装置は、コンデンサに充電した電荷を分析用の試料上に放電し、当該放電により発生する光を分光分析する発光分光分析装置において、コンデンサを充放電する充放電回路と、この充放電回路とは別の微少放電回路とを備える。微少放電回路は、充放電回路により充電されたコンデンサの過充電電圧分を放電させることにより、充電電圧を所定電圧に保持し、これによりコンデンサの電圧を一定に保つ。
【００１７】
本発明の微少放電回路は、コンデンサの充電電圧を比較電圧と比較する比較回路と、コンデンサの接地を制御する半導体スイッチ回路とを備える構成とし、半導体スイッチ回路は、比較回路の出力に基づいて開閉動作を行い、コンデンサの充電電圧が比較電圧を越えている間にコンデンサを接地してコンデンサを放電させ、目的の電圧となった時点で放電を停止する。
【００１８】
本発明の発光分光分析装置によれば、微少放電回路によりコンデンサの充電電圧を検出して目的とする電圧となるようにコンデンサの放電を制御することにより、コンデンサの充電電流やコンデンサの容量が変動した場合であっても、コンデンサの充電電圧が一定に保持することができる。
【００１９】
また、微少放電回路は、比較回路と半導体スイッチ回路により、簡易な回路で構成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の発光分析装置の概略構成を説明するための概略図である。
【００２２】
図１において、発光分光分析装置１は、試料７と試料７と対向する電極との間に形成したギャップ８に放電を発生させ、この放電により試料１０７から放出される発光を分光することにより試料分析を行う。
【００２３】
発光分光分析装置１は、ギャップ８に放電を発生させるために、電荷を貯めるコンデンサ４と、このコンデンサ４の充放電を行う直流電源２及び充放電回路３を含む主放電直流電源を備えると共に、放電を開始させるためにイグナイタ６及びスパークギャップ５を備え、さらに、これらの構成に加えて、コンデンサ４の過充電電圧を放電させるための微少放電回路１０を備える。
【００２４】
主放電直流電源において、コンデンサ４は、充放電回路３を介して直流電源２により充電される。充電されたコンデンサ４は、イグナイタ６によってスパークギャップ５に放電を発生させることにより、試料７と電極との間のギャップ８に放電を発生させ、試料を発光させる。
【００２５】
充放電回路３は、コンデンサ４に所定電圧を充電する回路であり、直流電源２とコンデンサ４との間の接続を制御する半導体スイッチ、及び電圧比較回路を備える。半導体スイッチは、例えば、大電流を供給する６００Ｖ程度の直流電源２と数μＦのコンデンサ４との間に配置する。電圧比較回路はコンデンサ４の両端電圧を基準電圧と比較し、半導体スイッチは電圧比較回路の出力により開閉制御を行い、コンデンサ４に基準電圧で定まる所定電圧を充電する。
【００２６】
微少放電回路１０はコンデンサ４の過充電を監視し、充放電回路３がコンデンサ４を充電している間に、コンデンサ４の電圧が目標とする電圧を越えて過充電となった場合には、コンデンサ４を接地させてコンデンサ４に充電されている電荷を放電する。コンデンサ４を放電することによりコンデンサ４の電圧は低下する。コンデンサ４の電圧が目標とする電圧まで低下した場合には、コンデンサ４の放電を停止する。これにより、コンデンサ４の電圧を目標電圧に保持する。
【００２７】
図２は、本発明の微少放電回路によるコンデンサの電圧変化を説明するための図である。
【００２８】
時刻ｔ１において、充放電回路３がコンデンサ４への充電を開始すると、コンデンサ４の電圧は、充電電流やコンデンサの容量に応じた時定数で上昇する。充放電回路３は、コンデンサ４の電圧が目標電圧を越えた時点（図中の時刻ｔ２）で充電を停止する電圧制御を行うが、半導体スイッチや制御回路の特性による応答遅れにより充電は続行し、コンデンサ４は過充電となる。
【００２９】
本発明の微少放電回路１０は、コンデンサ４の電圧が目標電圧を越えた時点（時刻ｔ２）で、コンデンサ４を接地する制御を行い、過充電分の放電を開始する。この放電により、図中のＡで示すように、コンデンサ４の電圧は低下を始める。この放電は、コンデンサ４の電圧が目標電圧となるまで行い、コンデンサ４の電圧が目標電圧となった時点（図中の時刻ｔ３）で放電を停止する。これにより、コンデンサ４の電圧は目標電圧に保持される。この後、イグナイタ６の作用により試料７のギャップ８の放電が開始されるとコンデンサ４は電圧は低下する（図中の時刻ｔ４）。この後、次の充放電サイクルにより、同様の充放電が繰り返される。なお、図２中の破線は、本発明の微少放電回路による電圧制御を行わない場合の電圧状態を示している。
【００３０】
次に、本発明の発光分光分析装置の回路構成例、及び電圧変化について図３，４を用いて説明する。
【００３１】
図３において、発光分光分析装置は、試料７のギャップ８を放電部とし、この放電で得られる発光を分光分析する。ギャップ８には、コイルＬ１，Ｌ２を介してコンデンサ４が接続され、このコンデンサ４に充電された電荷により放電が行われる。ギャップ８の放電は、イグナイタ６によってスパークギャップ５に放電を発生させることで開始される。
【００３２】
コンデンサ４の充放電は、直流電源２と充放電回路３とを含む主充放電回路と、コンデンサ４の充電電圧を一定に保持する微少放電回路１０により行われる。直流電源２は、例えば交流昇圧トランスと整流器で構成することができ、例えば、交流２００Ｖを５００Ｖに昇圧して直流７００Ｖを得る。なお、直流電源２の構成は、これに限らず任意の構成とすることができる。
【００３３】
充放電回路３は、直流電源２とコンデンサ４との間の接続を制御することによりコンデンサ４を充電する。直流電源２とコンデンサ４との間には、半導体スイッチＩＧＢＴ及び電流調整用の抵抗Ｒ１が接続される。半導体スイッチＩＧＢＴは、フォトカプラ（ＰＣ）によりオン・オフ制御が行われる。
【００３４】
半導体スイッチＩＧＢＴの制御は、電圧比較回路ＣＯＭＰ１の出力により行う。電圧比較回路ＣＯＭＰ１の一方に入力端には、コンデンサ４の両端電圧を抵抗Ｒ２，Ｒ３で分圧して得られる電圧が入力され、他方の入力端には比較電圧となる基準電圧が入力される。電圧比較回路ＣＯＭＰ１は、コンデンサ４の電圧が比較電圧よりも低い場合には所定電圧を出力し、コンデンサ４の電圧が比較電圧よりも高い場合には接地電圧となる。
【００３５】
フォトカプラ（ＰＣ）は、この電圧比較回路ＣＯＭＰ１の出力端ＣＰ１の信号を受けて半導体スイッチＩＧＢＴのオン・オフ制御を行う。半導体スイッチＩＧＢＴのオン制御は、図示しない制御部から駆動信号を出力端ＣＰ１に入力することにより、フォトカプラ（ＰＣ）を駆動して行う。半導体スイッチＩＧＢＴがオンすると、直流電源２の電圧が電流調整用の抵抗Ｒ１を通しコンデンサ４に印加される。コンデンサ４は、この電圧印加により充電が開始される。ここで、コンデンサ４は、例えば２〜１０μＦの容量とする。また、抵抗Ｒ１は４０Ω（電力は例えば８００Ｗ）とする。
【００３６】
コンデンサ４の充電に伴って、コンデンサ４の両端電圧は上昇する。電圧比較回路ＣＯＰＭ１は、コンデンサ４の両端電圧を抵抗Ｒ２，Ｒ３で分圧した電圧と比較電圧とを比較する。出力端ＣＰ１の電圧は、分圧電圧が比較電圧を越えると低下し、半導体スイッチＩＧＢＴはオフ制御される。
【００３７】
半導体スイッチＩＧＢＴは、オフ制御から遅延した後、直流電源２からの電圧印加が停止する。コンデンサ４には、この遅延の間、直流電源２から電圧が印加され、過充電状態となる。なお、比較電圧及び、抵抗Ｒ２，Ｒ３は、コンデンサ４の目標電圧により調整する。
【００３８】
本発明の微少放電回路１０は、高速応答する半導体スイッチＴＲ１と電圧比較回路ＣＯＰＭ２を備える。半導体スイッチＴＲ１は、一端は接地され、他端は抵抗Ｒｘを介してコンデンサ４に接続され放電回路を構成している。電圧比較回路ＣＯＰＭ２の一端には、電圧比較回路ＣＯＰＭ１の一方の入力端が接続されて、コンデンサ４の分圧電圧が印加され、他端には、電圧比較回路ＣＯＰＭ１の他方の入力端が接続されて比較電圧が印加される。
【００３９】
電圧比較回路ＣＯＰＭ２は、電圧比較回路ＣＯＰＭ１と同様に、コンデンサ４の分圧電圧と比較電圧とを比較し、比較結果に基づいてコンデンサ４の放電制御を行う。半導体スイッチＴＲ１は、電圧比較回路ＣＯＰＭ２の出力端ＣＰ２を制御端に入力し、コンデンサ４の分圧電圧が比較電圧よりも高い場合にはオン制御してコンデンサ４を接地し、コンデンサ４を放電する。一方、コンデンサ４の分圧電圧が比較電圧よりも低い場合にはオフ制御してコンデンサ４の接地を切断し、コンデンサ４の放電を停止する。
【００４０】
したがって、微少放電回路１０は、コンデンサ４の電圧の目標電圧より越えた過充電分のみを放電し、コンデンサ４を目標電圧に保持する。このコンデンサ４の電圧は、充電電流やコンデンサの容量が変動して、過充電分が変動したとしても、常に一定に保持される。
【００４１】
微少放電回路１０によって目標電圧に保持された状態において、イグナイタ６の制御により試料７のギャップ８の放電が開始されると、コンデンサ４に充電された電荷が放出され、この間の放電により試料の分析が行われる。
【００４２】
図４は、放電サイクルが５００ＣＰＳの場合を示し、充電開始から放電開始までを１ｍｓとし、放電開始から次の充電開始までを１ｍｓとしている。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、発光分光分析装置に用いる主放電直流電源において、簡易な構成によりコンデンサの充電電圧を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光分析装置の概略構成を説明するための概略図である。
【図２】本発明の微少放電回路によるコンデンサの電圧変化を説明するための図である。
【図３】本発明の発光分光分析装置の回路構成例を説明するための図である。
【図４】本発明の発光分光分析装置の電圧変化を説明するための図である。
【図５】従来の発光分光分析装置の概略構成図である。
【図６】コンデンサの充電電圧を説明するための図である。
【符号の説明】
１，１０１…発光分光分析装置、２，１０２…直流電源、３，１０３…充放電回路、４，１０４…コンデンサ、５，１０５…スパークギャップ、６，１０６…イグナイタ、７，１０７…試料、８，１０８…ギャップ、１０…微少放電回路、ＣＯＭＰ１，ＣＯＰＭ２…電圧比較回路、ＩＧＢＴ…半導体スイッチ、ＰＣ…フォトカプラ。

Claims

コンデンサに充電した電荷を分析用の試料上に放電し、当該放電により発生する光を分光分析する発光分光分析装置において、
前記コンデンサを充放電する充放電回路と、
前記充放電回路により充電されたコンデンサの過充電電圧分を放電させ、充電電圧を所定電圧に保持する微少放電回路とを備えることを特徴とする発光分光分析装置。
前記微少放電回路は、前記コンデンサの充電電圧を比較電圧と比較する比較回路と、前記コンデンサの接地を制御する半導体スイッチ回路とを備え、
前記半導体スイッチ回路は、前記比較回路の出力に基づいて開閉動作を行い、コンデンサの充電電圧が比較電圧を越えている間に前記コンデンサを接地してコンデンサを放電させることを特徴とする請求項１に記載の発光分光分析装置。