JP2014085268A - プラズマ用高周波電源及びそれを用いたicp発光分光分析装置 - Google Patents

プラズマ用高周波電源及びそれを用いたicp発光分光分析装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高周波回路基板に搭載された素子が充分に冷却され、プラズマ炎の連続点灯を可能とするプラズマ用高周波電源を提供する。
【解決手段】筐体31と、筐体31の内部に配置された高周波回路基板32とを備え、高周波回路基板32には、高周波誘導コイルに高周波電流を供給するための素子が搭載されたプラズマ用高周波電源30であって、高周波回路基板32を冷却する冷却ブロック34と、高周波回路基板32の素子に空気を送風するファン33とを備え、冷却ブロック34の表面には、空気を流通させることで空気を冷却することが可能なフィン34bが形成されており、筐体31には、フィン34bを流通した空気をファン33の吸気側へ供給するための空気流路31aが設けられるようにする。
【選択図】図2

Description

本発明は、プラズマ用高周波電源及びそれを用いたICP発光分光分析装置に関する。
ICP発光分光分析装置では、試料をプラズマ炎に導入して励起発光させ、その発光光を回折格子で波長分散させて光検出器で検出することにより、発光スペクトルを取得する。そして、発光スペクトルに現れているスペクトル線(輝線スペクトル)の波長の種類から試料中に含有されている元素の定性分析(同定)を行い、さらにその輝線スペクトルの強度からその元素の定量分析を行っている(例えば、特許文献1参照)。
図5は、従来のICP発光分光分析装置の一例を示す概略構成図である。ICP発光分光分析装置200は、プラズマ炎22を形成するための発光分光分析用プラズマトーチ18と、試料ガス供給部44と、プラズマ用ガス供給部41と、冷却用ガス供給部42と、発光光を検出する測光部43と、高周波電流Iを供給するためのプラズマ用高周波電源130と、ICP発光分光分析装置200全体を制御するコンピュータ(制御部)150とを備える。
発光分光分析用プラズマトーチ18は、円筒形状の試料ガス管11と、試料ガス管11の外周面を空間を空けて覆う円筒形状のプラズマ用ガス管12と、プラズマ用ガス管12の外周面を空間を空けて覆う円筒形状のクーラントガス管13と、クーラントガス管13の外周面の先端部分に2〜3ターン巻き付けられた高周波誘導コイル21とを備える。
プラズマ用ガス供給部41は、試料ガス管11の外周面とプラズマ用ガス管12の内周面との間に、アルゴンガスを比較的低速で上方向に流通させる。これにより、試料ガス管11の外周面とプラズマ用ガス管12の内周面との間に形成された流路の上端部からアルゴンガスが噴出され、噴出されたアルゴンガスが、高周波誘導コイル21が形成する高周波電磁界により加速された電子によって電離されることで、アルゴン陽イオンと電子とを生成する。生じた電子がさらにアルゴンに衝突し、電離を増殖させて安定したプラズマ炎22が上端部に形成される。
冷却用ガス供給部42は、プラズマ用ガス管12の外周面とクーラントガス管13の内周面との間に、アルゴンガスを比較的高速で上方向に流通させる。これにより、プラズマ用ガス管12の外周面とクーラントガス管13の内周面との間に形成された流路の上端部よりアルゴンガスが噴出され、噴出されたアルゴンガスが上端部に形成されているプラズマ炎22の外側を上方向に向かって流れる。
そして、試料を分析する際には、試料ガス管11の内周面で囲まれた空間に、試料とアルゴンガスとを上方向に流通させる。試料は、アルゴンガスに乗って試料ガス管11の先端部から噴出されることにより、プラズマ炎22に導入される。その結果、試料中に含まれる化合物は、プラズマ炎22と接することで、原子化されたりイオン化されたりして励起発光する。
測光部43は、筐体43aと、発光分光分析用プラズマトーチ18から出射される発光光を筐体43a内部に導入する集光レンズ43bと、発光光を波長分散させる回折格子43cと、発光スペクトルを検出する光検出器43dとを有する。
コンピュータ150は、CPU151と、キーボードやマウス等の入力装置52とにより構成され、光検出器43dで検出された発光スペクトルに基づいて、輝線スペクトルの波長の種類から試料中に含有される元素の定性分析を行い、さらにその輝線スペクトルの強度からその元素の定量分析を行う。
ところで、上述したようなICP発光分光分析装置200では、高周波誘導コイル21へ高周波電流Iを供給するためのプラズマ用高周波電源130が設けられている。プラズマ用高周波電源130は、開口部131a、131bを有する筐体131と、筐体131の内部に配置された高周波回路基板132と、筐体131の開口部131a付近に配置された冷却用ファン133とを備える。
筐体131は、内部空間を有する直方体形状(例えば50cm×20cm×35cm)をしており、その下面に開口部131aが形成されるとともに、その上面に開口部131bが形成されている。
高周波回路基板132は、平板形状のFR4(Flame Retardant Type 4、熱伝導率0.33W/mk)製の基板(例えば30cm×20cm×1.6mm)を2枚有し、基板の上面には、高周波誘導コイル21へ高周波電流Iを供給するための素子であるトランジスタや大型のコンデンサや増幅回路等が搭載されている。また、一般的に使用されているグリース(熱伝導率0.9W/mk)が塗布されている。そして、高周波回路基板132は、筐体131の内部の中央部に配置されている。
冷却用ファン133は、開口部131a付近で、吸気側が下側となり排気側が上側となるように配置されている。そして、ファンの回転により、空気を筐体131の開口部131aから筐体131の内部を通って筐体131の開口部131bへ流通させるようになっている。
このようなプラズマ用高周波電源130によれば、高周波電流Iを供給する際には高周波回路基板132の素子が発熱するため、冷却用ファン133を回転させることによって空気を流通させることで、高周波回路基板132の素子に発生する熱を放熱している。
また、高周波誘導コイル21からの反射波を小さくする構成として、プラズマ用高周波電源130と高周波誘導コイル21との間に、マッチングボックスを設け、マッチングボックスでコンデンサ容量を変えることによりインピーダンスを整合させているICP発光分光分析装置もある。
特開平11−101748号公報
しかしながら、上述したようなICP発光分光分析装置200では、高周波回路基板132の基板上面には、トランジスタ、大型のコンデンサ等が複数搭載されており、また、多段の増幅回路を有しているため、コストが高く、大型のものだった。
本発明者は、小型化、コストダウンを実現するために、高周波電源の制御方式を、トランジスタや大型のコンデンサ等が複数搭載される従来の周波数固定の静電容量同調方式から、磁励発振方式に変えて、パワーMOSFETや小型のセラミックコンデンサやパルストランスやパターンやL(インダクタ、LC回路のL銅板)やバイパスコンデンサを高周波回路基板に搭載したものを作製した。磁励発振方式の場合、高周波電流が流れるパターンが持つインダクタンスによる電力損失を低減するために、パワー半導体素子を用いることで、最短でパターンを引く必要があり、これが小型化につながる。
また、各素子の熱密度(発熱量)が上がることから、空気を流通させる冷却用ファンに代えて、冷却水(冷媒)を内部に流通させる金属製(例えば銅製)の冷却ブロックを用いることにした。つまり、熱密度(発熱量500W)が非常に高いパワーMOSFETを冷却ブロックで冷却するとともに、小型のセラミックコンデンサやパルストランスやパターンやL(インダクタ)やバイパスコンデンサを自然空冷で冷却するようにした。しかし、小型のセラミックコンデンサやL(インダクタ)やパルストランスの冷却が不充分となった。
なお、空気を流通させる冷却用ファンのみを用いてパワーMOSFETや小型のセラミックコンデンサやパルストランスやパターンやL(インダクタ)やバイパスコンデンサを強制空冷で冷却しても、冷却が不充分であった。
そこで、本発明者は、高周波回路基板の素子を冷却する冷却方法について検討した。高周波回路基板の基板に搭載された素子には、部品の構造や基板への取り付け方法(例えば、基板との接触面積の大きさ)によって、熱伝導による放熱が適したもの(パワーMOSFET、パターン)と、熱伝導による放熱が適さないもの(小型のセラミックコンデンサ、L(インダクタ))とが存在することがわかった。よって、熱伝導による放熱が適した素子を、冷却ブロックで冷却するとともに、熱伝導による放熱が適さない素子を、冷却用ファンからの風を直接当てる強制空冷で冷却することを見出した。また、冷却ブロックで冷却した空気を冷却用ファンの吸気側へ供給することを見出した。
すなわち、本発明のプラズマ用高周波電源は、筐体と、前記筐体の内部に配置された高周波回路基板とを備え、前記高周波回路基板には、高周波誘導コイルに高周波電流を供給するための素子が搭載されたプラズマ用高周波電源であって、前記高周波回路基板を冷却する冷却ブロックと、前記高周波回路基板の素子に空気を送風するファンとを備え、前記冷却ブロックには、空気を流通させることで空気を冷却することが可能なフィンが形成されており、前記筐体には、前記フィンを流通した空気を前記ファンの吸気側へ供給するための空気流路が設けられていることを特徴としている。
以上のように、本発明のプラズマ用高周波電源によれば、高周波回路基板に搭載された素子が充分に冷却され、プラズマ炎の連続点灯を可能とすることができる。
(他の課題を解決するための手段および効果)
また、上記の発明のプラズマ用高周波電源において、前記ファンと前記高周波回路基板とを対向して配置するとともに、前記ファンが空気を排出する部位に対向する前記高周波回路基板上の領域に前記冷却ブロックでの冷却が適さない素子を配置することによって、これらの素子に空気を直接送風するようにしてもよい。
また、上記の発明のプラズマ用高周波電源において、前記冷却ブロックでの冷却が適さない素子は、コンデンサ、パルストランス及びインダクタであるようにしてもよい。
また、上記の発明のプラズマ用高周波電源において、前記筐体の内部は、密閉されており、前記筐体の内部に、前記冷却ブロックと前記ファンと前記空気流路とを備えるようにしてもよい。
以上のように、本発明のプラズマ用高周波電源によれば、ICP発光分光分析装置が酸雰囲気や海水を含む雰囲気等の過酷な環境で使用される場合に、筐体の開口部から空気とともに埃等が侵入して、その埃等が高周波回路基板の素子等に付着し、素子を短絡させたり腐食させたりして破壊してしまうことがあったが、本発明ではプラズマ用高周波電源の筐体の内部を密閉空間にしたことにより埃等が侵入しないので、高周波回路基板の素子が破壊されることを防止することができる。
なお、本発明ではプラズマ用高周波電源の筐体の内部が密閉空間となり、外気から遮断されることになるが、素子から熱を奪って暖まった空気は、冷却ブロックに形成されたフィンを通過することで、冷却ブロックに熱を逃がして、冷やされた空気がファンの吸気側へ供給されるようにすればよい。
また、本発明のプラズマ用高周波電源において、前記冷却ブロックの上面に、前記高周波回路基板が配置されるとともに、前記冷却ブロックの下面に、前記フィンが形成されており、前記高周波回路基板の上方に、前記ファンが配置されているようにしてもよい。
また、本発明のプラズマ用高周波電源において、前記冷却ブロックの内部には冷媒が流通するための冷媒流路が形成されているか、或いは、前記冷却ブロックにはペルチェ素子が取り付けられているようにしてもよい。
そして、本発明のICP発光分光分析装置において、上述したようなプラズマ用高周波電源と、高周波誘導コイルを有するプラズマトーチと、発光光を検出する測光部と、前記プラズマトーチを用いてプラズマ炎を形成して、試料をプラズマ炎に導入することにより、元素を分析する制御部とを備えるようにしてもよい。
実施形態に係るICP発光分光分析装置の一例を示す概略構成図。 図1に示すプラズマ用高周波電源の断面斜視図。 高周波回路基板を示す平面図及び側面図。 熱回路網を示す図。 従来のICP発光分光分析装置の一例を示す概略構成図。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれる。
図1は、実施形態に係るICP発光分光分析装置の一例を示す概略構成図であり、図2は、図1に示すプラズマ用高周波電源の断面斜視図である。なお、ICP発光分光分析装置200と同様のものについては、同じ符号を付している。
ICP発光分光分析装置100は、プラズマ炎22を形成するための発光分光分析用プラズマトーチ18と、試料ガス供給部44と、プラズマ用ガス供給部41と、冷却用ガス供給部42と、発光光を検出する測光部43と、高周波電流Iを供給するためのプラズマ用高周波電源30と、ICP発光分光分析装置100全体を制御するコンピュータ(制御部)50とを備える。
プラズマ用高周波電源30は、密閉された筐体31と、筐体31の内部に配置された高周波回路基板32と、筐体31の内部に配置された冷却銅ブロック34と、筐体31の内部に配置された冷却用ファン33と、筐体31の外部に配置された冷媒供給部71とを備える。
筐体31は、内部空間を有する直方体形状(例えば30cm×30cm×30cm)となっており、その内部は密閉されている。つまり、筐体31の内部に埃等が侵入することがない。
ここで、図3(a)は、高周波回路基板の一例を示す平面図であり、図3(b)は、高周波回路基板の一例を示す側面図である。高周波回路基板32は、平板形状のFR4(Flame Retardant Type 4、熱伝導率0.33W/mk)製の基板(例えば27cm×18cm×1.6mm)を有し、基板の上面には、高周波誘導コイル21へ高周波電流Iを供給するための素子であるパワーMOSFET32eと小型のセラミックコンデンサ32cとパルストランス32aとパターン32bとL(インダクタ)32dとが搭載されるとともに、基板の下面には、バイパスコンデンサ32fが搭載されている。また、冷却ブロックへの熱伝導を良くするために 高熱伝導グリース(熱伝導率2.8W/mk、信越化学工業製)が塗布されている。そして、高周波回路基板32は、筐体31内部の中央部に配置されている。
冷却銅ブロック34は、直方体(例えば15cm×15cm×5cm)であり、その内部には冷却水(冷媒)が流通するための冷媒流路34aが蛇行するように形成され、一側面には流路入口と流路出口とが形成され、下面にはフィン34bが形成されている。フィン34bは、複数のアルミ製の板状体で形成されており、各板状体が冷却銅ブロック34の一側面から他側面まで伸び、かつ、平行となるように配置されている。
そして、冷却銅ブロック34の上面が高周波回路基板32の基板の下面に接触するように配置されている。このような冷却銅ブロック34によれば、冷媒流路34aに冷却水(例えば5〜31℃)が流通することで、冷却銅ブロック34自体が冷却され、さらに高周波回路基板32の基板が冷却されることにより、高周波回路基板32の基板上に搭載された素子(パワーMOSFET32e、パルストランス32a、パターン32b、バイパスコンデンサ32f、小型のセラミックコンデンサ32c)が冷却されるようになっている。
冷却用ファン33は、高周波回路基板32の上方に、吸気側が上側となり排気側が下側となるよう高周波回路基板32上面に対向して配置されている。そして、回転することで、吸気側から排気側へ空気を流通させるようになっている。このとき、冷却用ファン33は、パルストランス32aやL(インダクタ)32dや小型のセラミックコンデンサ32c等の熱伝導による冷却が適さない素子に、直接、送風が当たるように配置されている。
また、筐体31の内部には、フィン34bを流通した空気を冷却用ファン33の吸気側へ供給するためのダクト(空気流路)31aが設けられている。具体的には、ダクト31aは、空気が冷却銅ブロック34の下方を左側から右側に流通し、筐体31の右部を下側から上側に流通し、筐体31の上部を右側から左側に流通し、冷却用ファン33の内部を通過した後、高周波回路基板32の素子に送風され、再び、冷却銅ブロック34の下方を左側から右側に流通するように形成されている。つまり、空気は筐体31の内部を循環することになる。そして、空気が冷却銅ブロック34の下方を左側から右側に流通する際には、フィン34bを流通するようになっている。
このような冷却用ファン33とダクト31aとによれば、高周波電流Iを供給する際に高周波回路基板32の素子が発熱するため、冷却用ファン33を回転させることによって、空気が冷却銅ブロック34のフィン34bを左側から右側に流通して冷却され、この冷却された空気が冷却用ファン33の内部を通過した後、高周波回路基板32の素子に送風されることで、高周波回路基板32の素子(パワーMOSFET32e、パルストランス32a、パターン32b、バイパスコンデンサ32f、小型のセラミックコンデンサ32c、L(インダクタ)32d)に発生した熱を放熱し、再び、暖められた空気が冷却銅ブロック34のフィン34bを右側から左側に流通して冷却されることを繰り返すようになっている。
コンピュータ(制御部)50は、汎用のコンピュータ装置により構成され、そのハードウェアをブロック化して説明すると、CPU51と、キーボードやマウス等の入力装置52とにより構成される。また、CPU51が処理する機能をブロック化して説明すると、発光スペクトルに基づいて定性分析及び定量分析を行う測定部51bと、高周波電源制御部51aとを有する。
高周波電源制御部51aは、入力装置52からの入力信号に基づいて、高周波回路基板32と冷却用ファン33と冷媒供給部71とを制御する。具体的には、操作者によって入力装置52から入力信号「プラズマ点灯」が入力されたときには、高周波回路基板32の素子から高周波誘導コイル21に高周波電流Iを供給させるとともに、冷媒供給部71を用いて冷却水を冷却銅ブロック34の冷媒流路34aに流通させ、冷却用ファン33を用いて空気をダクト31aに流通させる。また、操作者によって入力装置52から入力信号「プラズマ消灯」が入力されたときには、高周波回路基板32の素子から高周波誘導コイル21に対して高周波電流Iの供給を停止させるとともに、冷媒供給部71を用いて冷却水が冷却銅ブロック34の冷媒流路34aに流通することを停止し、冷却用ファン33を用いて空気がダクト31aに流通することを停止させる。
以上のように、本発明のICP発光分光分析装置100によれば、高周波回路基板32に搭載された素子が充分に冷却され、プラズマ炎22の連続点灯を可能とすることができる。また、プラズマ用高周波電源30の筐体31の内部を密閉空間とすることにより、埃等の侵入に起因する高周波回路基板32の素子の破壊を防止することができる。
<他の実施形態>
上述したICP発光分光分析装置100において、冷却銅ブロック34の内部には冷却水を流通させるための冷媒流路34aが蛇行するように形成されている構成としたが、冷却銅ブロック34に、ペルチェ素子が取り付けられているような構成としてもよい。
以下に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
実施形態に係るプラズマ用高周波電源30の熱回路網を作成し、通過電流を20.7Armsとした際の高周波回路基板32に搭載された各素子等の表面温度を、下記式を用いて計算により算出した。
図4は、熱回路網を示す図である。なお、Twは、冷却水の温度であり、Tbは、冷却銅ブロック34の表面温度であり、Tgは、空気の温度である。また、T1は、パルストランス32aの表面温度であり、T2は、パターン32bの表面温度であり、T3は、小型のセラミックコンデンサ32cの表面温度であり、T9は、バイパスコンデンサ32fの表面温度であり、T5は、パワーMOSFET32eの表面温度であり、T4は、L(インダクタ)32dの表面温度である。なお、Qは熱量であり、Rは熱抵抗である。
T1−Tg=Q1×R1
T2−Tg=Q2×R2
T3−Tg=Q3×R3
T4−Tg=Q4×R4
T5−Tg=Q5×R5
T1−Tb=Q6×R6
T2−Tb=Q7×R7
T3−Tb=Q8×R8
T9−Tb=Q9×R9
T5−Tb=Q10×R10
Tg−Tw=Q11×R11
Tb−Tw=Q12×R12
Q1+Q6=11.2
Q2+Q7=5.7
Q3+Q8=6
Q4=4.8
Q9=4.4
Q5+Q10=571
Q11=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5
Q12=598.3−Q1−Q2−Q3−Q4−Q5
その結果、冷却水の温度Tw=31℃のときに、パルストランス32aの表面温度T1=53.2℃となり、パターン32bの表面温度T2=52℃となり、小型のセラミックコンデンサ32cの表面温度T3=65℃となり、バイパスコンデンサ32fの表面温度T9=63℃となり、L(インダクタ)32dの表面温度T4=57℃となり、パワーMOSFET32eの表面温度T5=78.2℃となり、冷却銅ブロック34の表面温度Tb=50.8℃となり、空気の温度Tg=35.7℃となった。
以上のように、実施形態に係るプラズマ用高周波電源30によれば、高周波回路基板32に搭載された素子を充分に冷却することができた。
本発明は、ICP発光分光分析装置等に利用することができる。
18 発光分光分析用プラズマトーチ
21 高周波誘導コイル
22 プラズマ炎
30 プラズマ用高周波電源
31 筐体
31a ダクト(空気流路)
32 高周波回路基板
33 冷却用ファン
34 冷却銅ブロック(冷却ブロック)
34a 冷媒流路
34b フィン

Claims (7)

  1. 筐体と、
    前記筐体の内部に配置された高周波回路基板とを備え、
    前記高周波回路基板には、高周波誘導コイルに高周波電流を供給するための素子が搭載されたプラズマ用高周波電源であって、
    前記高周波回路基板を冷却する冷却ブロックと、
    前記高周波回路基板の素子に空気を送風するファンとを備え、
    前記冷却ブロックには、空気を流通させることで空気を冷却することが可能なフィンが形成されており、
    前記筐体には、前記フィンを流通した空気を前記ファンの吸気側へ供給するための空気流路が設けられていることを特徴とするプラズマ用高周波電源。
  2. 前記ファンと前記高周波回路基板とを対向して配置するとともに、前記ファンが空気を排出する部位に対向する前記高周波回路基板上の領域に、前記冷却ブロックでの冷却が適さない素子を配置したことを特徴とする請求項1に記載のプラズマ用高周波電源。
  3. 前記冷却ブロックでの冷却が適さない素子は、コンデンサ、パルストランス及びインダクタであることを特徴とする請求項2に記載のプラズマ用高周波電源。
  4. 前記筐体の内部は、密閉されており、
    前記筐体の内部に、前記冷却ブロックと前記ファンと前記空気流路とを備えることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のプラズマ用高周波電源。
  5. 前記冷却ブロックの上面に、前記高周波回路基板が配置されるとともに、前記冷却ブロックの下面に、前記フィンが形成されており、
    前記高周波回路基板の上方に、前記ファンが配置されていることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のプラズマ用高周波電源。
  6. 前記冷却ブロックの内部には冷媒が流通するための冷媒流路が形成されているか、或いは、前記冷却ブロックにはペルチェ素子が取り付けられていることを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のプラズマ用高周波電源。
  7. 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のプラズマ用高周波電源と、
    高周波誘導コイルを有するプラズマトーチと、
    発光光を検出する測光部と、
    前記プラズマトーチを用いてプラズマ炎を形成して、試料をプラズマ炎に導入することにより、元素を分析する制御部とを備えることを特徴とするICP発光分光分析装置。
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