JP2005140529A

JP2005140529A - 元素分析装置および元素分析方法

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Publication number: JP2005140529A
Application number: JP2003374463A
Authority: JP
Inventors: Masayo Kato; 昌代加藤; Akira Kuwako; 彰桑子; Yoshio Araki; 義雄荒木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】簡単に移動することができ、分析対象の微小領域の画像情報と含有元素情報を同時に得ることのできる元素分析装置を提供する。
【解決手段】パルスレーザ光を発生するパルスレーザ発振器２と、前記パルスレーザ光を受けて照射用光ファイバ１０に入射させる光ファイバ入射装置１５と、前記照射用光ファイバ１０に接続されて前記パルスレーザ光を分析対象物１３に照射し前記照射によって生成したブレイクダウンプラズマ１２から放出される蛍光を検出し分光する分光検出器４と、前記分光の結果および前記画像を表示する表示装置７と、前記パルスレーザ発振器２および前記分光検出器４の動作のタイミングを調整するタイミング調整装置１７とを備え、前記パルスレーザ発振器２、前記光ファイバ入射装置１５、前記分光検出器４、前記表示装置７および前記タイミング調整器１７は一体として移動しうる分析装置本体１を構成している構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、分析対象物にレーザ光を照射し、その際に発生するプラズマからの蛍光を測定し、分析対象物中に含まれる元素を分析する元素分析装置および元素分析方法に関する。

一般に、分析対象物中に含まれる各種元素を検出する技術は、多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分析することは、環境汚染防止の点で大切であり、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極めて重要なものとなっている。

これらの分析技術として蛍光Ｘ線分析やＩＣＰ誘導プラズマ発光分析がある。これらは高感度であるが、試料のサンプリングと複雑な前処理が必要であり測定の迅速性において問題がある。また、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）分光分析法がある（下記特許文献１参照）。この方法は、パルスレーザ光（ＬＩＢ用レーザ光）を測定試料に集光照射してここ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特長を有している。
特開平１１−３１１６０６号公報

従来の汎用の分析装置やレーザ光ブレイクダウン分光装置は据え置き型であり、試料の測定場所は装置設置場所に限定され、装置設置場所へサンプリングされた試料が搬送され分析されていた。しかしながら、実際には分析対象となる試料がある場所が屋外であったり、アクセスが容易でない場所であることが多く、このような試料に対するフィールド計測が可能な元素分析装置はこれまで無かった。また汎用の分析装置では、サンプリングされた試料は前処理により平均化されてしまい、空間的な情報が失われてしまうことも多い。

本発明は、このような問題点に対処してなされたもので、簡単に移動することができ、分析対象の微小領域の画像情報と含有元素情報を同時に得ることのできる元素分析装置および元素分析方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、パルスレーザ光を発生するパルスレーザ発振器と、前記パルスレーザ光を受けて照射用光ファイバに入射させる光ファイバ入射装置と、前記照射用光ファイバに接続されて前記パルスレーザ光を分析対象物に照射し前記照射によって生成したブレイクダウンプラズマから放出される蛍光を受光するとともに前記分析対象物のレーザ光照射部位の画像を採取する分析ヘッドと、前記照射用光ファイバおよび前記光ファイバ入射装置を経て伝送された前記蛍光を検出し分光する分光検出器と、前記分光の結果および前記画像を表示する表示装置と、前記パルスレーザ発振器および前記分光検出器の動作のタイミングを調整するタイミング調整装置とを備え、前記パルスレーザ発振器、前記光ファイバ入射装置、前記分光検出器、前記表示装置および前記タイミング調整器は一体として移動しうる分析装置本体を構成している構成とする。

請求項２の発明は、前記分析ヘッドは、前記蛍光の光路から前記画像採取用の光を分岐する部分透過ミラーを備えている構成とする。
請求項３の発明は、前記分析ヘッドは、前記蛍光の光路から前記画像採取用の光を分岐する可動型の反射ミラーを備え、前記反射ミラーを動かすことによって前記画像を採取するモードと前記レーザ光を照射して元素分析を行うモードを切り替える構成とする。

請求項４の発明は、前記分析ヘッドは、前記レーザ光の出射部に前記レーザ光を囲む永久磁石リングを備えている構成とする。
請求項５の発明は、前記蛍光を前記分析ヘッドから前記光ファイバ入射装置へ導く光ファイバが前記照射用光ファイバと別体で設けられ、前記分析ヘッドとの接続部において、前記照射用光ファイバと前記蛍光伝送用光ファイバは平行して密着され、集光レンズのｆ値に応じて先端の位置がずらされている構成とする。

請求項６の発明は、前記光ファイバ入射装置は、複数の四角形または六角形の小レンズまたは平行に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなり前記パルスレーザ光を光軸の異なる複数のレーザ光線に分割するレンズアレイと、前記分割されたレーザ光線を前記照射用光ファイバの入射端面上の所定の範囲内に集光させる集光光学系とを備えている構成とする。

請求項７の発明は、前記光ファイバ入射装置に前記照射用光ファイバの入射面での前記パルスレーザ光の入射強度分布を監視するモニター装置が接続されている構成とする。
請求項８の発明は、前記光ファイバ入射装置および前記照射用光ファイバおよび前記分析ヘッドはそれぞれ複数備えられ、前記パルスレーザ発振器と前記複数の光ファイバ入射装置の間に前記パルスレーザ光を複数のビームに分割する光分配器が設けられている構成とする。

請求項９の発明は、前記パルスレーザ発振器と前記光ファイバ入射装置の間に前記パルスレーザ光のパルス幅を調整するパルス幅調整装置を備えている構成とする。
請求項１０の発明は、前記パルスレーザ発振器は所定の時間間隔をもってパルスレーザ光を発生する２台が備えられ、前記２つのパルスレーザ光を同一の光路に合成する偏光ビームスプリッターを備えている構成とする。

請求項１１の発明は、前記分析対象物中の分析すべき元素の共鳴吸収ラインに調整された波長可変レーザ光を前記パルスレーザ光よりも遅延して発生する波長可変レーザ発振器を備え、前記パルスレーザ光と前記波長可変レーザ光は前記光ファイバ入射装置において同一の光路に合成される構成とする。

請求項１２の発明は、請求項１０または１１に記載の元素分析装置を用い、前記分析対象物にダブルパルスのレーザ光を照射して、または単一パルスのレーザ光と前記分析対象物中の分析すべき元素の共鳴吸収ラインに調整された波長可変レーザ光を前記単一パルスのレーザ光よりも遅延照射して前記分析対象物を構成する元素を分析する方法とする。

本発明によれば、簡単に移動することができ、分析対象の微小領域の画像情報と含有元素情報を同時に得ることのできる元素分析装置および元素分析方法を提供することができる。

以下、本発明に係る元素分析装置および方法の実施例を図面を参照して説明する。
第１の実施例を図１〜図１０を用いて説明する。本実施例の元素分析装置は図１に示すように、パルスレーザ発振器２と、光分配器１４と、光ファイバ入射装置１５と、光ファイバ１０，１１と、分析ヘッド５と、分光検出器４と、データ処理装置６と、表示装置７と、タイミング調整器１７から成っている。

このような構成によって、パルスレーザ発振器２から出力されたレーザ光を光分配器１４で複数系統に分配し、それぞれを光ファイバ入射装置１５により照射用光ファイバ１０に入射する。入射されたレーザ光は照射用光ファイバ１０により分析対象物である試料１３へ伝送され、分析ヘッド５により試料１３表面へ集光照射される。試料１３の表面では試料１３のブレイクダウンが起こり、ブレイクダウンプラズマ１２が発生する。このときブレイクダウンプラズマ１２から放出された蛍光は分析ヘッド５により再び照射用光ファイバ１０へ入射され、光ファイバ入射装置１５へ戻される。

光ファイバ入射装置１５はレーザ光と蛍光を分離する機能を具備しており、分離された蛍光は分光器入射用光ファイバ１１により分光検出器４へ導光される。分光検出器４において、分光器４ａにより分光された光は検出器４ｂにより電気信号に変換され、データ処理装置６によって処理される。データ処理装置６はまた、分光検出データの加工と保存および画像の拡大等の加工と保存を行う。パルスレーザ発振器２におけるレーザ発振および検出器４ｂにおける検出のタイミングはタイミング調整器１７により制御される。なお、試料１３が１点である場合には、光分配器１４を備えなくてよい。また、試料１３は各種設備や構造物から分離された形態でもよいし、分離されていない形態でもよい。

この構成によれば、分析部の画像情報と含有元素情報を同時に採取することができる。またそれにより、局在化した偏析物質などを選択的に分析することができ、従来の化学分析では平均化されて失われてしまう微小領域の空間的な組成情報なども得ることができる。

本実施例の元素分析装置は、図２に示すように、光分配器１４を構成するミラー９、ファイバ入射装置１５などの光学系を縦型定盤８にコンパクトにまとめ、パルスレーザ発振器２、パルスレーザ発振器電源３、分光検出器４、データ処理装置６、表示装置７をキャスター付きのひとつの筐体に収納することにより可動型の分析装置本体１としている。また、このように構成された分析装置本体１と、試料１３に設置された分析ヘッド５は光ファイバ１０で結ばれている。このような構成により、分析対象の試料１３がゴミ焼却場の煙突からの排煙内の重金属分析や地下深くの土壌中微量元素分析などアクセス困難場所にある場合などでも分析ヘッド５が設置可能であれば、分析装置本体１は別の場所に置いて分析を行うことができる。

本実施例の元素分析装置における分析ヘッド５は図３（ａ）に示すようになっている。分析ヘッド５においては、照射用光ファイバ１０により伝送されたレーザ光Ｌ_０は、球面あるいは非球面レンズの組み合わせであるレーザ集光レンズ１９ａおよび１９ｂにより試料１３の表面へパルスレーザ光Ｌ_１のように集光照射される。レンズ１９ａおよび１９ｂの焦点距離が適切であれば、レーザ光Ｌ_１は試料１３の表面上で十分小さく集光され、高エネルギー密度になることによりブレイクダウンが起こり、プラズマ１２が発生する。このときプラズマ１２から放出された蛍光Ｆ_０はレンズ１９ａ、１９ｂによりＦ_１のように集光され、再び照射用光ファイバ１０へ入射され、分析装置本体１へ戻される。

このような分析ヘッド５において、レーザ集光スポット径は通常１mm以下程度と極めて小さく、試料１３の表面がこれより大きな粒子などの要素から構成されるような不均一な構造をしている場合、照射部位によっては測定結果が大きく異なることがありうる。従って、照射部位の画像情報と成分元素情報を同時に得ることは非常に有益である。本実施例では、レーザ照射部位の側部にＣＣＤカメラ２１およびカメラ用フォーカスレンズ２０を設置し、カメラ２１のケーブル２２をケーブルカバー２４で光ファイバ１０と束ねて分析装置本体１と結ぶ。

この構成により、測定者は分析装置本体１を操作しながら、図３（ｂ）に示すように、表示装置７上に分析部の拡大画像２６および成分元素情報を同時に得ることができる。なお、カメラ２１および集光レンズ１９ａ、１９ｂ等がアブレーションにより生じる埃などで汚れないように、これらはガラス窓２３付きの箱の中に設けられている。

本実施例の元素分析装置における分析ヘッドの第２の例を図に示す。すなわち、レーザ集光レンズ１９ａ、１９ｂの間にレーザ光および蛍光波長は十分透過し可視光を反射するミラー２７を設置する。この構成により、集光レンズ１９ｂがカメラ用フォーカスレンズの一部を兼ねることができ、分析ヘッド５をコンパクト化することができる。またレーザ照射領域と画像情報を取り込む領域が一致し、試料１３の分析対象部分を正面から撮影することができ、歪みのない画像を得ることができる。

本実施例における分析ヘッドの第３の例を図５（ａ），（ｂ）に示す。（ａ）は画像情報測定モードの状態を示し、（ｂ）は元素分析モードの状態を示す。この実施例の分析ヘッド５は、集光レンズ１９ａ、１９ｂの間に、折りたたみ収納可能な切り替えミラー２８を備えている。切り替えミラー２８は光ファイバ１０側の面にレーザ光用の全反射コーティングを、試料１３側の面に可視光全反射コーティングを施してある。

このような構成により、（ａ）の画像情報測定モードでは、切り替えミラー２８はレーザ光Ｌ_０をＬ_２のように光ダンパ２９側へ反射し、レーザ光を外部へ放出しないため、安全に測定を行うことができる。また、このモードにおいてレーザ光を外部に放出せずに分析対象部位の狙いを定め、（ｂ）の元素分析モードに切り替えたときに試料１３上のターゲット領域をブレイクダウンすることで、分析したい微小部位を確実に測定することができる。

本実施例における分析ヘッドの第４の例を図６に示す。通常、ブレイクダウンプラズマ１２からの原子発光は励起状態から基底状態などの下位状態への遷移により生成されるがプラズマの拡散過程で一旦この遷移が起きたあとは発光を生じない。そこで、図６のように分析ヘッド５において、レーザ光の出射部に永久磁石のリング４８をレーザ光と同心位置に設置し、ブレイクダウンプラズマ１２の周囲に磁場を発生させる。すると、ブレイクダウンプラズマ１２の拡散過程において、イオン・電子の軌道が磁場によって曲げられ拡散が抑制されることにより、プラズマ１２中の電子とイオンの衝突頻度が多くなり励起の頻度が増加する。このため、同一の照射レーザ強度であっても生成蛍光の光度が増加し、元素の検出感度を増大させることができる。

この第１実施例の元素分析装置における分析ヘッド５の入口部の構成を、図７を用いて説明する。図７（ａ）は本実施例の分析ヘッド５の構成を示す。図７（ｂ）にはこれら束ねた光ファイバを拡大した図を示す。

すなわち、分析ヘッド５と光ファイバ入射装置１５をつなぐ光ファイバは、それぞれ別なファイバであるレーザ光照射用光ファイバ１０と蛍光伝送用光ファイバ４９ａを先端で平行して密着させ束ねた構造とする。

ブレイクダウンプラズマ１２が原子発光を生じるのはブレイクダウン発生後の数μｓ〜10μｓの時間帯であり、この間プラズマは試料１３の表面から約１０００m/sの速度で拡散しながら移動する。この時、プラズマ密度の高い場所は試料表面から数mm分析ヘッド５側へ移動しているため、蛍光を最も多く集光可能な位置は試料１３の表面のレーザ光照射位置よりもやや分析ヘッド５側にシフトした位置にある。従ってレンズ１９ａ、１９ｂは、レーザ光Ｌ_１は試料１３表面に焦点を持ち、試料１３より数mm分析ヘッド側の位置を光源とする蛍光Ｆ_０については、Ｆ_１のように蛍光伝送用光ファイババンドル４９上に焦点をもつ構成とする。更に、レーザ光照射用光ファイバ１０と蛍光伝送用光ファイババンドル４９の先端のずれの距離ｄは調整可能とし、レンズで１９ａ、１９ｂのｆ値で調整しきれない分を微調整できるようにしておく。この分析ヘッドの入口部の構成によれば、ブレイクダウンプラズマから発生する蛍光を効率よく受光することができる。

この第１実施例の元素分析装置における光ファイバ入射装置１５は図８に示すようになっている。すなわち、光分配器１４から伝送されるパルスレーザ光Ｌ_３を拡大する凹レンズ３３と、拡大されたレーザ光を平行光にする凸レンズ３４と、レーザ光を分割するレンズアレイ３５と、レンズアレイ３５により分割されたパルスレーザ光Ｌ_４を集光する集光レンズ３６と、パルスレーザ光を透過し蛍光を反射するダイクロイックミラー３７と、蛍光集光レンズ３８により構成されている。

このように構成された光ファイバ入射装置１５において、照射用光ファイバ１０の入射端を集光レンズ３６の焦点位置においた場合、集光されたパルスレーザ光Ｌ_５は光ファイバ１０の入射端面上で結像関係にあり、レンズアレイ３５により分割されたパルスレーザ光Ｌ_４が入射端面上で一つに重畳される。

通常、空間的にエネルギー密度分布のあるパルスレーザ光Ｌ_３は、単純に凸レンズで光ファイバに集光入射した場合、エネルギー密度が局所的に強い場所で、光ファイバを損傷してしまう。本実施例による光ファイバ入射装置１５では、分割されたパルスレーザ光Ｌ_４、Ｌ_５を光ファイバ１０の入射端面上で一つに重畳することにより、入射端面上でエネルギー密度分布が均一化され、端面全体ではより強いエネルギーを入射することが可能になる。なお、光ファイバ１０により伝送され、戻された分析対象表面のブレイクダウンプラズマからの蛍光Ｆ_２は、ダイクロイックミラー３７により反射され、レンズ３８により蛍光Ｆ_３のように集光され、分光器入射用光ファイバ１１に入射される。

レンズアレイ３５の構成は図９に示すようになっている。（ａ）は複数のシリンドリカルレンズ３５ａを同一方向に組み合わせて成る２組のレンズアレイを、それぞれシリンドリカルレンズ３５ａが互いに直交するように配置した構成である。（ｂ）は四角形の小レンズ３５ｂで、（ｃ）は六角形の小レンズ３５ｃで構成した例である。これらのレンズアレイは通常の円形レンズに隙間なく配置することが可能であり、端面による透過ロスを低減することができる。

本実施例の元素分析装置における光ファイバ入射装置の第２の例を図１０に示す。この例は、図８に示した光ファイバ入射装置に光ファイバ１０の入射端面を観察するカメラおよびモニターを追加したものである。すなわち、レンズアレイ３５と集光レンズ３６の間に、調整ミラー４４ａ、４４ｂを設置する。調整ミラー４４ｂの背後には、結像レンズ４５およびＣＣＤカメラ４６を設置し、わずかに透過してくる漏れ光をモニター４７で観察できるようにする。光ファイバによる高エネルギーレーザ光の伝送には、光ファイバの中心にレーザ光の強度中心を合致させて入射させることが重要であるが、図１０のように構成し、この状況をモニターしてレーザ入射することにより高強度のレーザ光伝送を行うことができる。なお、調整ミラー４４ｂをダイクロイックミラーとして、ＣＣＤカメラ４６が元素分析用の蛍光検出機能を兼ねるようにしてもよい。

次に本発明の第２の実施例を図１１，１２を用いて説明する。この実施例の元素分析装置は、図１１に示すように、パルスレーザ発振器２からのパルスレーザ光を、部分反射ミラー３０ａ、３０ｂと全反射ミラー３１から構成される光分配器１４により複数系統に分割し、複数の照射用光ファイバ１０に入射して、分析ヘッド５ａ，５ｂ，５ｃによって同時に複数の試料１３ａ，１３ｂ，１３ｃに照射する構成とする。このような構成とすることによって、離れた場所の複数の試料を同時に一台の元素分析装置で測定することができ、分析時間を短縮することができる。

本実施例の別の作用を図１２を用いて説明する。分析対象の表面に一部不純物の偏析がみられるなどの欠陥部の成分分析を例にとると、従来のサンプリング検査では成分の異なる欠陥部位ａとｂがあった場合に、両者を混在した分析結果となり、構造情報が失われてしまう場合がある。また、あるいは両者を区別し詳細な分析結果を出すためには、複雑な前処理が必要になり、多くの時間と作業を必要とする。本実施例の元素分析装置では、図１２（ａ）に示すように分析ヘッド５ａと５ｂをそれぞれ欠陥部位ａ、ｂに照準を合わせ、分析ヘッド５ｃを標準の試料に照準を合わせて測定を行い、その結果を図１２（ｂ）のように比較し標準試料と異なる波長成分を直接抽出することにより、欠陥部の元素成分をその場で迅速に推定することができる。

次に本発明の第３の実施例を説明する。この実施例の元素分析装置は図１３（ａ）に示すように、パルスレーザ発振器２と光ファイバ入射装置１５の間にパルス幅調整装置３９を備えている。このような構成によって、パルスレーザ発振器２から出力されたパルスレーザ光は、パルス幅調整装置３９において、部分反射ミラー４０により２つのビームラインに分割され、一方は全反射ミラー４１ａ、４１ｂにより適切な距離を引き回され、他方のレーザ光より遅延させられる。遅延されたレーザ光は１／２波長板４２により偏光調整され、偏光ビームスプリッター４３により、一方のレーザ光と合成される。このようにして、図１３（ｂ）に示すようにレーザ光のパルス幅を広げることができるので、ピーク出力密度を例えば１／２以下とすることができ、光ファイバ１０の損傷リスクを低減することができる。

一般に通常の高エネルギーパルスレーザ伝送用の光ファイバの耐出力は数MW/mm²である。一方、一般にブレイクダウン生成には、レーザ光強度としてパルス幅数ns〜数10nsで少なくとも10mJ/mm²以上必要である。一般的なブレイクダウン生成用レーザはＱスイッチ付きのNd:YAGレーザでそのパルス幅は通常10ns以下であり、出力密度に概算すると例えば５nsパルス場合10mJ÷５ns=２MW程度となり、ファイバの耐出力に近い条件となる。ここでパルス幅を２倍以上に広げることにより、出力密度は１／２以下となり、光ファイバの損傷リスクが低減する。従って、光ファイバ伝送に有利なレーザ条件とするにはパルス幅を数倍に可能なパルスストレッチャーの設置が効果的である。

次に本発明の第４の実施例を説明する。この実施例の元素分析装置は、図１４に示すように、２台のパルスレーザ発振器２ａ、２ｂを備え、それぞれの出力側に１／２波長板５１ａ、５１ｂを設置し、それぞれのレーザ光の偏光面を調整できるようにしてある。偏光面を調整された２つのレーザ光は偏光ビームスプリッター５３により合成され、一つのラインとされる。２台のレーザ発振器は２ａ、２ｂはタイミング調整器１７により発振間隔を適切に定める。

一般にレーザブレイクダウンプロセスにおいては、数μｓ〜数10μｓの間隔をあけてレーザパルスを照射することにより、蒸発と励起の効率が向上し高感度になる。本実施例によれば、100mJ/mm²以上のパルスレーザ伝送ができず照射可能なエネルギー密度に限界がある光ファイバ伝送においても、ダブルパルスの効果により元素分析の高感度化を達成することができる。

次に本発明の第５の実施例を説明する。この実施例の元素分析装置は、図１５に示すように、パルスレーザ発振器２とは別に、波長可変レーザ発振器５４を備えている。また光ファイバ入射装置１５は、図８に示した構成の他に、ダイクロイックミラー５７をを備えている。

このような構成によって、波長可変レーザ発振器５４から発振されたレーザ光はレンズ５６によりビーム広がりを適度に調整され、光ファイバ入射装置１５に入射される。光ファイバ入射装置１５において、ダイクロイックミラー５７により、パルスレーザ発振器２からのレーザ光と合成され、レンズ３６により照射用光ファイバ１０に入射される。波長可変レーザ発振器５４からのレーザ光は検出対象元素の共鳴吸収波長に設定され、パルスレーザ発振器２からのレーザ光に対し適度な遅れを持って照射される。パルスレーザ発振器２と波長可変レーザ発振器５４の発振タイミングはタイミング調整器１７により最適化される。

この実施例によれば、ブレイクダウンによりプラズマ化された対象原子の発光が弱く、プラズマのバックグラウンド発光に埋もれてしまい検出が困難な場合、共鳴吸収ラインに調整された波長可変レーザ光により再励起させることが可能になり、検出感度を増大することができる。

本発明の第１の実施例の元素分析装置の構成を示すブロック図。本発明の第１の実施例の元素分析装置の構成を示す斜視図。本発明の第１の実施例の元素分析装置の要部を示し、（ａ）は分析ヘッドの第１の例の構成を示す図、（ｂ）は表示装置に表示される画像を示す図。本発明の第１の実施例の元素分析装置における分析ヘッドの第２の例の構成を示す図。本発明の第１の実施例の元素分析装置における分析ヘッドの第３の例を示し、（ａ）は画像情報採取モード、（ｂ）は蛍光受光モードを示す図。本発明の第１の実施例の元素分析装置における分析ヘッドの第４の例の構成を示す図。本発明の第１の実施例の元素分析装置における分析ヘッドの第５の例を示し、（ａ）は全体構成図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図。本発明の第１の実施例の元素分析装置における光ファイバ入射装置の第１の例の構成を示す図。図８の光ファイバ入射装置におけるレンズアレイの構成例を示す図。本発明の第１の実施例の元素分析装置における光ファイバ入射装置の第２の例の構成を示す図。本発明の第２の実施例の元素分析装置の構成を示すブロック図。本発明の第２の実施例の元素分析装置の作用を示し、（ａ）はレーザ照射部位による画像例、（ｂ）は前記レーザ照射部位の蛍光スペクトルを示す図。本発明の第３の実施例の元素分析装置を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）は作用を示す波形図。本発明の第４の実施例の元素分析装置の構成を示す図。本発明の第５の実施例の元素分析装置の構成を示す図。

符号の説明

１…分析装置本体、２，２ａ，２ｂ…パルスレーザ発振器、３…パルスレーザ発振器電源、４…分光検出器、４ａ…分光器、４ｂ…検出器、５，５ａ，５ｂ，５ｃ…分析ヘッド、６…データ処理装置、７…表示装置、８…縦型定盤、９…ミラー、１０…照射用光ファイバ、１１…分光器入射用光ファイバ、１２…ブレイクダウンプラズマ、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…試料、１４…光分配器、１５…光ファイバ入射装置、１７…タイミング調整器、１９ａ，１９ｂ…レーザ集光レンズ、２０…カメラ用フォーカスレンズ、２１…ＣＣＤカメラ、２２…ケーブル、２３…ガラス窓、２４…ケーブルカバー、２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ…分析部拡大画像、２７…可視光反射ミラー、２８…切り替えミラー、２９…光ダンパ、３０ａ，３０ｂ…レーザ部分透過ミラー、３１…レーザ全反射ミラー、３２…レーザ照射位置を示す印、３３…凹レンズ、３４…凸レンズ、３５…レンズアレイ、３５ａ…シリンドリカルレンズ、３５ｂ…四角形小レンズ、３５ｃ…六角形小レンズ、３６…集光レンズ、３７…ダイクロイックミラー、３８…蛍光集光レンズ、３９…パルス幅調整装置、４０…部分反射ミラー、４１ａ，４１ｂ…全反射ミラー、４２…１／２波長板、４３…偏光ビームスプリッター、４４ａ，４４ｂ…調整ミラー、４５…結像レンズ、４６…ＣＣＤカメラ、４７…モニター、４８…永久磁石リング、４９…蛍光伝送ファイババンドル、４９ａ…蛍光伝送ファイバ、５１ａ，５１ｂ…１／２波長板、５２ａ，５２ｂ…全反射ミラー、５３…偏光ビームスプリッター、５４…波長可変レーザ発振器、５５ａ，５５ｂ，５５ｃ…全反射ミラー、５６…ビーム広がり調整レンズ、５７…ダイクロイックミラー、ｄ…レーザ伝送ファイバ先端と蛍光伝送ファイバ先端の距離、Ｌ_０，Ｌ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，Ｌ_４，Ｌ_５…パルスレーザ光、Ｆ_０，Ｆ_１，Ｆ_２，Ｆ_３…蛍光。

Claims

パルスレーザ光を発生するパルスレーザ発振器と、前記パルスレーザ光を受けて照射用光ファイバに入射させる光ファイバ入射装置と、前記照射用光ファイバに接続されて前記パルスレーザ光を分析対象物に照射し前記照射によって生成したブレイクダウンプラズマから放出される蛍光を受光するとともに前記分析対象物のレーザ光照射部位の画像を採取する分析ヘッドと、前記照射用光ファイバおよび前記光ファイバ入射装置を経て伝送された前記蛍光を検出し分光する分光検出器と、前記分光の結果および前記画像を表示する表示装置と、前記パルスレーザ発振器および前記分光検出器の動作のタイミングを調整するタイミング調整装置とを備え、前記パルスレーザ発振器、前記光ファイバ入射装置、前記分光検出器、前記表示装置および前記タイミング調整器は一体として移動しうる分析装置本体を構成していることを特徴とする元素分析装置。
前記分析ヘッドは、前記蛍光の光路から前記画像採取用の光を分岐する部分透過ミラーを備えていることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
前記分析ヘッドは、前記蛍光の光路から前記画像採取用の光を分岐する可動型の反射ミラーを備え、前記反射ミラーを動かすことによって前記画像を採取するモードと前記レーザ光を照射して元素分析を行うモードを切り替えることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
前記分析ヘッドは、前記レーザ光の出射部に前記レーザ光を囲む永久磁石リングを備えていることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
前記蛍光を前記分析ヘッドから前記光ファイバ入射装置へ導く光ファイバが前記照射用光ファイバと別体で設けられ、前記分析ヘッドとの接続部において、前記照射用光ファイバと前記蛍光伝送用光ファイバは平行して密着され、集光レンズのｆ値に応じて先端の位置がずらされていることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
前記光ファイバ入射装置は、複数の四角形または六角形の小レンズまたは平行に並べられた複数のシリンドリカルレンズからなり前記パルスレーザ光を光軸の異なる複数のレーザ光線に分割するレンズアレイと、前記分割されたレーザ光線を前記照射用光ファイバの入射端面上の所定の範囲内に集光させる集光光学系とを備えていることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
前記光ファイバ入射装置に前記照射用光ファイバの入射面での前記パルスレーザ光の入射強度分布を監視するモニター装置が接続されていることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
前記光ファイバ入射装置および前記照射用光ファイバおよび前記分析ヘッドはそれぞれ複数備えられ、前記パルスレーザ発振器と前記複数の光ファイバ入射装置の間に前記パルスレーザ光を複数のビームに分割する光分配器が設けられていることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
前記パルスレーザ発振器と前記光ファイバ入射装置の間に前記パルスレーザ光のパルス幅を調整するパルス幅調整装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
前記パルスレーザ発振器は所定の時間間隔をもってパルスレーザ光を発生する２台が備えられ、前記２つのパルスレーザ光を同一の光路に合成する偏光ビームスプリッターを備えていることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
前記分析対象物中の分析すべき元素の共鳴吸収ラインに調整された波長可変レーザ光を前記パルスレーザ光よりも遅延して発生する波長可変レーザ発振器を備え、前記パルスレーザ光と前記波長可変レーザ光は前記光ファイバ入射装置において同一の光路に合成されることを特徴とする請求項１記載の元素分析装置。
請求項１０または１１に記載の元素分析装置を用い、前記分析対象物にダブルパルスのレーザ光を照射して、または単一パルスのレーザ光と前記分析対象物中の分析すべき元素の共鳴吸収ラインに調整された波長可変レーザ光を前記単一パルスのレーザ光よりも遅延照射して前記分析対象物を構成する元素を分析することを特徴とする元素分析方法。