JP2010048555A - 発光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】オシロスコープ等の測定機器を用いずに放電強度の時間的変化を確認できるような機能を持たせる。
【解決手段】単一波長の発光光を検出する検出器の検出信号を積分する積分器の積分開始と積分終了とで決まる測定期間をずらしながら、それぞれｎ回の繰り返し放電に対する積分データを取得する。同一の測定期間に対して得られたｎ個の積分データを平均して平均値データを求め、放電開始から終了までの期間をカバーするように設定した複数の測定期間毎の平均値データをデータ補間処理することで連続波形を得る。この連続波形を指定波長の放電プロファイル波形として表示部に出力する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スパーク放電、アーク放電などのいわゆる火花放電により試料を励起発光させ、その発光光を分光測定する発光分析装置に関する。

発光分析装置では、一般に、金属又は非金属である固体試料にスパーク放電やアーク放電などによりエネルギーを与えることによって、該試料を蒸発気化及び励起発光させる。そして、その発光光を分光器に導入して各元素に特有な波長を有するスペクトル線を取り出してその強度を検出し、その検出結果に基づいて試料の同定や試料中の不純物の定量などを行う。こうした発光分析装置は精度の高い分析が可能であるため、例えば鉄鋼材や非鉄金属材などの生産工場等において、生産された金属体中の組成分析を行うためなどに広く利用されている。

こうした発光分析装置に利用される放電のうち、スパーク放電は短時間に鋭いピーク状の放電エネルギー強度が得られるのに対し、アーク放電は比較的長い時間（スパーク放電に比較すれば）に亘って安定した放電エネルギー強度が得られる、という特徴を持つ。分析感度の点でいずれの放電が適しているのかは元素によって相違する。そのため、様々な元素をそれぞれ高感度で分析するために、スパーク放電とアーク放電とを１回の放電で同時に行わせるという放電手法が従来から知られている（特許文献１など参照）。

こうした同時放電における放電強度の時間的な変化を示す波形（以下「放電プロファイル波形」という）の一例を図４に示す。この放電プロファイル波形において、前半の鋭いピーク状の波形はスパーク放電によるもの、後半のなだらかな波形はアーク放電によるものである。

上記のような放電プロファイル波形の形状、つまり放電強度の時間的変化は、各放電を生起させる際の印加電圧、印加時間、印加のタイミングなどの放電条件パラメータに依存する。また、どのような形状の放電プロファイル波形が適切であるのかは、分析対象である試料の含有元素の種類や含有比率、或いは分析目的などによっても異なる。そこで、従来より、発光分析装置を使用するユーザは、分析対象の試料や分析目的などに応じて、放電条件パラメータを適宜設定することにより放電プロファイル波形の形状を所望の状態に調整するようにしている。こうした調整の際には、オシロスコープなどの波形観測装置を用いて放電電流を観測することにより、設定した放電条件パラメータによって所望の放電プロファイル波形が得られるかどうかを確認することが行われている。

しかしながら、放電プロファイル波形を観察するために、いちいち波形観測装置を発光分析装置に接続するのは面倒で手間が掛かるという問題があった。また、発光分析装置の稼働状況によっては波形観測装置を接続することが困難であるような場合もあり、そうした場合には実際の放電プロファイル波形の形状を確認することができないという問題があった。

特公平６−１００５４６号公報

上記のような問題は、波形観測装置に相当するハードウエアを発光分析装置に組み込むことで解決するが、そうすると発光分析装置の大きなコストアップ要因となるおそれがある。また、ユーザが既に所有している既存の発光分析装置について対応することは困難である。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、波形観測装置を含む特別なハードウエアを使用したり追加したりすることなく、発光分析装置のファームウエアやデータ処理のためのソフトウエアなどの変更によって放電プロファイル波形を得ることができる発光分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、放電に応じて試料から放出される発光光を分光測定する発光分析装置であって、前記放電の時間的な強度変化を設定可能な発光分析装置において、
a)１回の放電に対して発光光の強度測定を開始する測定開始タイミングとその強度測定を終了する測定終了タイミングとを設定するための測定期間設定手段と、
b)前記測定期間設定手段により設定される測定期間を順次変更しながら、複数回の放電に対する所定試料からの発光光の強度測定を実施する測定実行手段と、
c)前記測定実行手段により取得された異なる測定期間に対する発光光強度測定結果を用いて、放電の時間的な強度変化に対応した放電プロファイル波形を作成して描出する波形作成処理手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る発光分析装置では、放電を生起させる放電部において放電電流などを観測する代わりに、所定試料に対し放電を実行したときに該試料から発せられる光によって検出器に生じる検出信号（光電流信号）を観測し、この信号に基づいて放電プロファイル波形を作成する。１回の放電毎に、測定期間設定手段により設定された測定期間における放電強度を反映した検出信号が得られる。したがって、１回の放電の開始から終了までの放電期間をカバーするように複数の測定期間を設定することにより、放電強度の時間的な変化に応じた離散的な検出信号が得られ、時間的に隣接する２つの検出信号の間を適宜の手法で補間することで放電プロファイル波形を求めることができる。

離散的な検出信号の時間間隔が開き過ぎると、１回の放電に対する放電強度の時間的な急な変化を捉えることが困難になる。そこで、実際の放電強度の変化を反映するような放電プロファイル波形を取得するためには、１回の放電の開始から終了までの放電期間の中で十分な数の測定点が得られる程度に上記測定期間を十分に短く設定しておくことが望ましい。

また一般に発光分析では、放電に対する試料からの発光の強度のばらつきが比較的大きく、通常の測定でも試料上の同一箇所に対し複数回の放電を実行し、各放電に対して得られた測定結果を平均する等の処理を行うことでばらつきの軽減を行っている。そこで、本発明に係る発光分析装置の好ましい一態様として、前記測定実行手段は、同一の測定期間に対して複数回の放電及び発光光強度測定を実施し、前記波形作成処理手段は、同一の測定期間に対する複数の発光光強度測定結果を用いてその値のばらつきを軽減する処理を実行する構成とするとよい。

ここで、ばらつきを軽減する処理とは、例えば複数のデータの平均化、極端に過小又は過大なデータの廃棄、或いはそれらの組合せ、などとすることができる。これにより、各測定期間における測定結果の信頼性が向上し、ひいてはこれに基づいて作成される放電プロファイル波形の精度向上を図ることができる。

また本発明に係る発光分析装置では、前記放電プロファイル波形を作成する発光光の波長を指定する波長指定手段をさらに備え、前記波形作成処理手段は、前記波長指定手段により指定された波長の発光光強度測定結果を用いて放電プロファイル波形を作成する構成とすることができる。

例えば、バッシェンルンゲ型分光器と複数の検出器（光電子増倍管等）とを用いた多波長同時分析の構成である場合、特定の検出器で得られた測定結果は単一波長の測定結果である。そこで、ユーザが波長指定手段により指定した波長に対応した検出器で得られる検出結果を選択的に利用することで、指定された波長における放電プロファイル波形を容易に作成することができる。もちろん、複数の検出器は同時に異なる単一波長光を測定可能であるから、複数の指定波長における放電プロファイル波形をそれぞれ作成することもできる。

本発明に係る発光分析装置における測定実行手段は、通常の発光分析を行うハードウエアをそのまま利用し、制御手順を定めるファームウエアやソフトウエアを変更するだけで実現が可能である。また、波形作成手段もコンピュータ上で動作させるデータ処理用ソフトウエアにより実現可能である。したがって、本発明に係る発光分析装置によれば、放電プロファイル波形を確認するために、オシロスコープなどの別の測定装置を用いる必要がないのはもちろんのこと、特別なハードウエアも当該装置に追加する必要がなく、ファームウエアやソフトウエアの変更・追加により放電プロファイル波形描出機能を付加することができる。そのため、そうした機能を付加するためのコスト増加を抑えることができるとともに、ユーザが既に所有している既存の装置への機能付加も比較的容易に行える。

さらにまた、本発明に係る発光分析装置では、発光光を分光した後の単一波長の放電プロファイル波形が得られるので、放電強度の時間的変化を調整する作業の際の精度向上を図ることができ、ひいては発光分析の精度向上にも寄与する。

本発明に係る発光分析装置の一実施例について、図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施例の発光分析装置の要部の構成図である。

放電部１はスパーク放電とアーク放電とを同時に生起可能なものであり、放電条件設定部２により設定された放電条件（印加電圧、電圧印加時間、電圧印加タイミングなど）に従って試料３に対し放電を実行する。この放電により試料３が励起発光され、その発光光は分光器４に導入されて波長分散される。分光器４はパッシェンルンゲ型の構成であり、入口スリットと、凹面回折格子と、ローランド円上に配設された複数の出口スリットと、を含む。複数の出口スリットは、波長分散光のうちの特定の元素に特有の波長光（ここではそれぞれの波長をλ１、λ２、λ３とする）を通過可能な位置に配置されている。分光器４の各出口スリットから取り出された単一波長光は、それぞれ別の光検出器５ａ、５ｂ、５ｃに導入される。光検出器５ａ、５ｂ、５ｃは典型的には光電子増倍管であり、入射光の強度に応じた光電流を発生する。

光検出器５ａ、５ｂ、５ｃ毎に設けられた積分器６ａ、６ｂ、６ｃは放電毎に発生する光電流を積分するものである。１回の放電に対する各積分器６ａ、６ｂ、６ｃの積分開始のタイミングと積分終了のタイミングとは制御部１５により設定される。積分器６ａ、６ｂ、６ｃにおける積分開始及び終了のタイミングが、本発明における測定開始タイミング及び測定終了タイミングに相当する。積分器６ａ、６ｂ、６ｃによる光電流の積分値のうちの１つが切替部７により選択され、Ａ／Ｄ変換器８によりデジタルデータに変換されてデータ処理部１０に入力される。

データ処理部１０は、本発明に特徴的な機能ブロックとして放電プロファイル作成部１１を備え、放電プロファイル作成部１１にはデータ記憶部１２、平均化演算部１３、補間処理部１４などを含む。このデータ処理部１０と、発光分析動作を制御する制御部１５とは、例えばパーソナルコンピュータ２０を中心として具現化することができ、放電条件パラメータや後述する各種パラメータなどをユーザが設定可能な入力部２１と、放電プロファイル波形などを表示するための表示部２２とが付設されている。

以下、本実施例の発光分析装置において放電プロファイル波形の作成動作を行う際の手順と動作を説明する。このとき、ユーザは、放電繰り返し回数ｎ、１回の放電毎の測定期間ｍ、指定波長λ（λ１、λ２又はλ３からの選択）などの条件パラメータを入力部２１から予め入力する。

動作が開始されると、制御部１５の指示の下に、放電部１は放電条件設定部２に設定された放電条件パラメータに従った放電をｎ回繰り返す。スパーク放電とアーク放電とが同時に行われる場合、１回の放電における放電強度の時間的変化は図４に示すようになる。また制御部１５は、初期設定として、放電開始時点ｔ＝０を積分開始タイミングとし、ｔ＝ｍを積分終了タイミングとするように積分器６ａ〜６ｃを設定する。なお、ここでは指定波長がλ１のみである場合を考えると、波長λ１に対応した積分器６ａのみを使用すればよい。

１回目からｎ回目までのｎ回の繰り返し放電の際には、１回の放電に対して図２（ａ）中に斜線で示す時間範囲で、光検出器５ａに生起される光電流が積分器６ａで積分される。その積分値が放電毎にＡ／Ｄ変換器８でデジタル化され（このデータを積分データということとする）、データ記憶部１２に一旦記憶される。ｎ回目の放電が終了してｎ個の積分データがデータ記憶部１２に蓄積されると、平均化演算部１３がｎ個の積分データの平均値を計算し、その平均値データをＰ（１）としてデータ記憶部１２に記憶する。なお、何らかの異常により極端に過大なデータや過小なデータが存在すると平均値データの精度が落ちるおそれがあるため、こうした極端に過大なデータや過小なデータを排除した後に平均化処理を実行してもよい。

一方、ｎ回目の放電が終了すると、制御部１５は、ｔ＝ｍを積分開始タイミングとし、ｔ＝２ｍを積分終了タイミングとするように、積分器６ａ〜６ｃの設定を変更する。そして、引き続き、ｎ回の放電を繰り返すように放電部１を制御する。このｎ＋１回目から２ｎ回目までのｎ回の繰り返し放電の際には、１回の放電に対して図２（ｂ）中に斜線で示す時間範囲で、光検出器５ａに生起される光電流が積分器６ａで積分される。その積分値が放電毎にＡ／Ｄ変換器８でデジタル化され、データ記憶部１２に一旦記憶される。そして、上記の１〜ｎ回目の繰り返し放電の際と同様に、ｎ回の放電に対してそれぞれ取得した積分データの平均値を算出し、その平均値データをＰ（２）としてデータ記憶部１２に記憶する。

こうしてｎ回の繰り返し放電毎に積分開始タイミングと積分終了タイミングとをずらしながら、つまり異なる測定期間を設定しながら、各放電毎の積分データを収集し、ｎ個の積分データが集まると平均値データを算出する、という動作を放電終了時点まで繰り返す（図２（ｃ）、（ｄ）参照）。この結果、放電開始から放電終了までの放電期間全体に亘り、測定期間ｍ毎に区切った時間範囲に対応する平均値データＰ（１）〜Ｐ（ｋ）が収集される。

各測定期間ｍにおいて時間的に中間の位置に平均値データが位置するものとすると、平均値データＰ（１）〜Ｐ（ｋ）は図３（ａ）に示すようにプロットされる。これは、指定波長λ１における放電強度の時間的変化を示す放電プロファイル波形に沿った離散的なデータである。時間的に隣接する２個の平均値データの時間間隔がｍである。したがって、測定期間ｍが小さいほど、放電強度の急な時間的変化も正確に反映されることになる。さらに、こうして得られた時間軸上で離散的なデータに基づいた連続波形を作成するために、補間処理部１４はデータ補間処理を実行する。このデータ補間処理には、時間的に前後の２点のデータのみならず、前後の多数点のデータを利用した高次のデータ補間処理を実行することが好ましい。このようなデータ補間処理によって図３（ｂ）に示すような曲線状の波形が再現されるから、これを放電プロファイル波形として表示部２２に出力する。

複数の波長、例えばλ１とλ２とが指定された場合、積分器６ａで得られる積分値のほか、積分器６ｂで得られる積分値に基づいて、上記と同様にして放電プロファイル波形を作成し、表示部２２に出力する。

以上のようにして、本実施例の発光分析装置では、発光強度の測定結果を利用して指定波長における放電プロファイル波形を作成・描出することができる。したがって、これにより放電プロファイル波形を確認しながら、それが所望の波形形状になるように放電条件パラメータの調整を行うことができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

本発明の一実施例である発光分析装置の概略構成図。 本実施例の発光分析装置における放電プロファイル作成処理の説明図。 本実施例の発光分析装置における放電プロファイル作成処理の説明図。 放電強度の時間的変化の一例を示す図。

符号の説明

１…放電部
２…放電条件設定部
３…試料
４…分光器
５ａ、５ｂ、５ｃ…光検出器
６ａ、６ｂ、６ｃ…積分器
７…切替部
８…Ａ／Ｄ変換器
１０…データ処理部
１１…放電プロファイル作成部
１２…データ記憶部
１３…平均化演算部
１４…補間処理部
１５…制御部
２０…パーソナルコンピュータ
２１…入力部
２２…表示部

Claims (3)

1. 放電に応じて試料から放出される発光光を分光測定する発光分析装置であって、前記放電の時間的な強度変化を設定可能な発光分析装置において、
   a)１回の放電に対して発光光の強度測定を開始する測定開始タイミングとその強度測定を終了する測定終了タイミングとを設定するための測定期間設定手段と、
   b)前記測定期間設定手段により設定される測定期間を順次変更しながら、複数回の放電に対する所定試料からの発光光の強度測定を実施する測定実行手段と、
   c)前記測定実行手段により取得された異なる測定期間に対する発光光強度測定結果を用いて、放電の時間的な強度変化に対応した放電プロファイル波形を作成して描出する波形作成処理手段と、
   を備えることを特徴とする発光分析装置。
2. 請求項１に記載の発光分析装置であって、
   前記測定実行手段は、同一の測定期間に対して複数回の放電及び発光光強度測定を実施し、
   前記波形作成処理手段は、同一の測定期間に対する複数の発光光強度測定結果を用いてその値のばらつきを軽減する処理を実行することを特徴とする発光分析装置。
3. 請求項１又は２に記載の発光分析装置であって、
   前記放電プロファイル波形を作成する発光光の波長を指定する波長指定手段をさらに備え、前記波形作成処理手段は、前記波長指定手段により指定された波長の発光光強度測定結果を用いて放電プロファイル波形を作成することを特徴とする発光分析装置。

Images