JP2010025952A - 微量成分計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス中の微量成分の計測を簡易にしかも感度良く計測することができるガス中の微量元素成分濃度を計測する微量成分計測装置を提供する。
【解決手段】ガスＧの供給・排出ラインを備えた減圧セル１０１と、該減圧セル１０１内に噴射されたガスＧ中の微量成分をプラズマ化する放電装置１０２と、前記放電により発生したプラズマ光１０３を分光し、分光して得られたプラズマスペクトルのうち、波長１７５乃至８５０ｎｍの発光強度を検出する検出装置１０４とを具備する微量成分計測装置であって、前記減圧セル内の条件が７００〜２００Ｐａであると共に、前記放電電極に印加する電圧が、２〜６ｋＶの高電圧パルスであり、前記高電圧パルスの時間長さが３０ｎｓ以下であり、且つ前記放電電極の間隔が１０ｍｍである。
【選択図】 図１

Description

本発明はガス中の微量元素成分濃度を計測する微量成分計測装置に関する。

近年環境問題の高まりから、水銀（Ｈｇ）等の重金属の排出を規制する動向があり、セメント・ソーダ・鉄鋼等の各種工場において、排ガス水銀分析計の設置を義務付けることが求められており、簡易且つ迅速な微量成分の計測装置の出現が望まれている。

そこで、本発明者等は先に、微量成分をプラズマ化手段によりプラズマ化させてガス中の微量元素成分濃度を計測する微量成分計測装置を提案した（特許文献１）。

図８に従来の微量成分計測装置を示す。図８に示すように、従来技術にかかる微量成分計測装置１０は、燃料ガス１１の供給・排出ライン１２，１３を備えた減圧セル１４と、該減圧セル１４内に供給されたガス１１中の微量成分をプラズマ化するプラズマ化手段１５と、一定のディレイ時間を経た後に、上記プラズマ化により発生したプラズマ光２５を分光器１７で分光し、該分光器１７により分光して得られたプラズマスペクトルのうち、波長１７５乃至８５０ｎｍの発光強度のみを検出する検出手段１８とを具備するものである。図中、符号１９は減圧セル内を５０ｋＰａ以下となるように減圧する真空ポンプ、２０はレーザ光を吸収するビームダンパである。

図８においては、上記プラズマ化手段１５として、レーザ照射手段１５Ａを用いており、該レーザ照射手段１５Ａからの発振されたレーザ光２１は集光レンズ２２により集光されて減圧セル１４に設けられた計測窓２３を介して測定場２４に集光される。このため、測定場２４に存在する微粒子がプラズマ化し、プラズマ化した成分物質からはプラズマ光２５が発生する。

発生したプラズマ光は、測定場２４の計測窓（図示せず）から外部に出力され、レンズ２６で集光されて分光器１７に入射される。分光器１６は、波長が１７５乃至８５０ｎｍ（或いはこの範囲内の一部の波長域）のプラズマ光２５を分光し、分光した光成分をＩＣＣＤカメラ等の検出手段１８に入力する。

特開２００４−５３２９４号公報

しかしながら、特許文献１にかかる装置において、微量成分である例えばＨｇを計測するに際し、特にレーザ照射によってプラズマ化させる場合、圧力を低下させるとプラズマが発生しにくくなり、計測不能となるという問題がある。

そこで、対向する電極に高電圧を印加して放電させることで、プラズマ化することはできるものの、ノイズが多くなり、微量成分の信号強度は小さい場合検出が困難であるという問題がある。

本発明は、前記問題に鑑み、ガス中の微量成分の計測を簡易にしかも感度良く計測することができるガス中の微量元素成分濃度を計測する微量成分計測装置を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、ガスの供給・排出ラインを備えた減圧セルと、該減圧セル内に供給されたガス中の微量成分である水銀をプラズマ化する一対の放電電極を有する放電装置と、前記発生したプラズマ光を分光し、分光して得られたプラズマスペクトルのうち、波長１７５乃至８５０ｎｍの発光強度を検出する検出装置とを具備する微量成分計測装置であって、前記減圧セル内の条件が７００〜２００Ｐａであると共に、前記放電電極に印加する電圧が、２〜６ｋＶの高電圧パルスであり、前記高電圧パルスの時間長さが３０ｎｓ以下であり、且つ前記放電電極の間隔が１０ｍｍであることを特徴とする微量成分計測装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記減圧セルと放電電極との距離が１００ｍｍ以下であることを特徴とする微量成分計測装置にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記放電装置の放電電極が、絶縁材を介して減圧セルから仕切られていることを特徴とする微量成分計測装置にある。

第４の発明は、第１又は２において、前記検出装置が、減圧セルの内部から外部に光を導光する導光部材を設けたことを特徴とする微量成分計測装置にある。

第５の発明は、第１又は２の発明において、前記減圧セルが非導電体、非磁性体のいずれかからなることを特徴とする微量成分計測装置にある。

第６の発明は、第５の発明において、前記減圧セルが、光透過部材からなると共に、減圧セルの周囲に反射ミラーを配設し、該反射ミラーによりプラズマ光を集光してなることを特徴とする微量成分計測装置にある。

本発明によれば、微量成分の信号強度が小さい場合でも、ノイズが低減し、ガス中の微量成分の計測を簡易にしかも感度良く計測することができる。

図１は、実施例１にかかる微量成分計測装置の概略図である。 図２は、実施例２にかかる微量成分計測装置の模式図である。 図３は、実施例３にかかる微量成分計測装置の模式図である。 図４は、実施例４にかかる微量成分計測装置の模式図である。 図５は、実施例５にかかる微量成分計測装置の模式図である。 図６は、信号強度と波長との関係図である。 図７は、信号強度と波長との関係図である。 図８は、従来技術にかかる微量成分計測装置の模式図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例１に係る微量成分計測装置について、図面を参照して説明する。
図１は、実施例１に係る微量成分計測装置を示す概念図である。
図１に示すように、本実施例に係る微量成分計測装置１００は、ガスＧの供給・排出ラインを備えた減圧セル１０１と、該減圧セル１０１内に噴射されたガスＧ中の微量成分をプラズマ化する放電装置１０２と、前記放電により発生したプラズマ光１０３を分光し、分光して得られたプラズマスペクトルのうち、波長１７５乃至８５０ｎｍの発光強度を検出する検出装置１０４とを具備するものである。

前記減圧セル１０１は真空ポンプ１１１にて７００〜２００Ｐａまで減圧している。
本発明では減圧セルの真空度合いを極めて低くすることで、検出対象である微量成分以外の不純物のノイズを低減するようにしている。なお、減圧条件が７００Ｐａを超える場合には、図６に示すように、ガス中の微量成分（例えば水銀）が他のノイズと区別することができないからであり、２００Ｐａ未満であると、信号強度が小さくなり、定量精度が不安定となるからである。

前記放電装置１０２は、一対の放電電極１１２−１、１１２−２と、超短パルスを発生させる高電圧電源１１３を備えた超短パルス発生装置１１４とからなる。

また検出装置１０４は、プラズマ光１０３を集光する集光光学系１１５と集光されたプラズマ光１０３の波長が１７５乃至８５０ｎｍ（或いはこの範囲内の一部の波長域）の帯域を分光する分光器１１６と、該分光した光成分を検出する高感度カメラ（例えばＩＣＣＤカメラ等）１１７と、該高感度カメラ１１７の画像を表示する画像処理装置１１８とを具備するものである。
なお、超短パルス発生装置１１４と高感度カメラ１１７とを同期させるタイミング制御装置１１９が設けられている。

ここで、前記高電圧電源は２〜６ｋＶ程度とし、超短パルス発生装置１１４からの高電圧パルスの時間長さ（パルス半値幅）を５０ｎｓ以下、好ましくは４０ｎｓ以下、より好ましくは３０ｎｓ以下とするのが好ましい。これは、図７に示すように、パルス半値幅を短くすることで、検出対象である微量成分（Ｈｇ）以外の不純物のノイズの低減を図ることができるようにしている。
なお、パルス半値幅とは、ピーク電圧に対する半分の電圧を超える時間長さをいう。
よって、パルス半値幅を５０ｎｓ以下とすることでノイズが低減した微量成分の検出が可能となる。

ここで、前記微量成分計測装置において、減圧セル１０１内の電極１１２−１，１１２−２間で放電するためには、減圧セル１０１と＋側電極１１２−１との間での放電条件に比べて、接地側電極１１２−２の放電条件が優位(放電電圧が低い)である必要がある。
減圧セルを模式化した図２に示すように、圧力変動などの要因を考慮し、電極１１２−１、１１２−２間の距離をＬ、減圧セル１０１と電極の距離をｄとすると、ｄ＝１０×Ｌ程度とするのが望ましい。
試験の結果、放電電圧を２ｋＶにすると、電極の間隔Ｌは１０ｍｍ程度で放電した。この結果、ｄ＝１００ｍｍとなり、直径２００ｍｍの容器にする必要がある。
しかしながら、減圧セル１０１が大きくなることは、応答性、利便性の面から計測装置の減圧セル容器としては好ましくない。
そこで、実施例２乃至４のようにすることで、減圧セルをコンパクトとしても計測が可能とするようにした。以下に装置のコンパクト化の実施例について説明する。

本実施例は、図２の図面において、減圧セル１０１の材質をガラス、密度の高いセラミックス等の非導電体で構成してする。なお、本実施例では、減圧セルと放電電極のみを示し、他の構成は実施例１にかかる図１と同様であるので、省略する（以下の実施例においても同様）。
減圧セル１０１を非導電体とすることで、減圧セル１０１と放電電極との放電をなくし、電極間のみでの放電を行うことができる。
これにより、減圧セルを大型化することなく、コンパクトな計測装置とすることができる。

図３は実施例３にかかる計測装置の模式図である。
図３に示すように、減圧セル１０１内に対向して設けられる電極１１２−１、１１２−２は、減圧セル内において周囲に絶縁材２２０を用いて、減圧セル１０１から仕切られるようにしている。この絶縁材２２０を設けることにより、減圧セル１０１と電極間とで放電が発生せず、容器を小さくしても電極１１２−１、１１２−２間での放電を行うことができる。すなわち、絶縁材２２０を設けることで、絶縁破壊が発生しないようにし、これによって、減圧セルが小さい場合においても、電極間での放電が可能となる。

図４は実施例４にかかる計測装置の模式図である。
図４に示すように、本実施例では、減圧セル１０１内に、プラズマ光を導光する導光部材１３０を設けて、減圧セル１０１の外部へプラズマ光を導くようにしている。なお、導光部材１３０により集められた光はレンズ１３１により集光され、分光器光導入部１３２を介して、図示しない分光器１１６に送られる。

前記導光部材１３０としては、例えば石英の棒等を例示することができるが、プラズマ光を導光できる材質であれば、これに限定されるものではない。
この結果、微量成分の光の発散量が小さいうちにおいて、導光部材１３０により外部へ導光されるので、検出感度が向上する。
また、導光部材１３０はプラズマ光側の径を大きく、レンズ１３１側の径を小さいテーパ形状とすることで、より効率良く光を集めることができる。

図５は実施例５にかかる計測装置の模式図である。本実施例では、実施例２と同様に減圧セル１０１をガラス容器とすると共に、さらに、ガラスの減圧セル１０１の周囲に光反射体であるミラー１４０を配設し、ガラスから周囲に放出する光を集めて分光器導入部１３２に集めるようにしている。
これにより、減圧セル１０１の周囲に放出した光を集光することができるので、微量成分の検出感度が向上する。

以上のように、本発明にかかる微量成分計測装置は、微量成分の信号強度が小さい場合でも、ノイズが低減し、ガス中の微量成分の計測を簡易計測することができ、例えば排ガス中の有害物質の計測に用いて適している。

１００ 微量成分計測装置
１０１ 減圧セル
１０２ 放電装置
１０３ プラズマ光
１０４ 検出装置
１１２−１、１１２−２ 放電電極
２２０ 絶縁材
１３０ 導光部材
１４０ ミラー

Claims (6)

1. ガスの供給・排出ラインを備えた減圧セルと、
   該減圧セル内に供給されたガス中の微量成分である水銀をプラズマ化する一対の放電電極を有する放電装置と、
   前記発生したプラズマ光を分光し、分光して得られたプラズマスペクトルのうち、波長１７５乃至８５０ｎｍの発光強度を検出する検出装置とを具備する微量成分計測装置であって、
   前記減圧セル内の条件が７００〜２００Ｐａであると共に、
   前記放電電極に印加する電圧が、２〜６ｋＶの高電圧パルスであり、
   前記高電圧パルスの時間長さが３０ｎｓ以下であり、
   前記放電電極の間隔が１０ｍｍであることを特徴とする微量成分計測装置。
2. 請求項１において、
   前記減圧セルと放電電極との距離が１００ｍｍ以下であることを特徴とする微量成分計測装置。
3. 請求項１又は２において、前記放電装置の放電電極が、絶縁材を介して減圧セルから仕切られていることを特徴とする微量成分計測装置。
4. 請求項１又は２において、前記検出装置が、減圧セルの内部から外部に光を導光する導光部材を設けたことを特徴とする微量成分計測装置。
5. 請求項１又は２において、前記減圧セルが非導電体、非磁性体のいずれかからなることを特徴とする微量成分計測装置。
6. 請求項５において、前記減圧セルが、光透過部材からなると共に、減圧セルの周囲に反射ミラーを配設し、該反射ミラーによりプラズマ光を集光してなることを特徴とする微量成分計測装置。

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