JP2018040718A5 - - Google Patents
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Description
前記BIDにおける放電部周辺の構成を図4に示す。放電部410は、上述のように石英などの誘電体から成る誘電体円筒管411を備え、この内部がプラズマ生成ガスとしての不活性ガスの流路となっている。誘電体円筒管411の外壁面には、それぞれ所定距離離間させて、金属(例えばSUS、銅など)から成る環状の電極が3個周設されている。これら3個の電極のうち、中央の電極412には低周波の高圧交流電圧を発生する励起用高圧交流電源415が接続されており、この電極の上下に配置された電極413、414はいずれも接地されている。以下、前記中央の電極を高圧電極412とよび、上下の電極をそれぞれ接地電極413、414とよび、これらを総称してプラズマ生成用電極とよぶ。プラズマ生成用電極と前記不活性ガスの流路との間には誘電体円筒管411の壁面が存在するから、誘電体であるこの壁面自体が電極412、413、414の表面を被覆する誘電体被覆層として機能し、誘電体バリア放電を可能としている。誘電体円筒管411内を不活性ガスが流通している状態で励起用高圧交流電源415が駆動されると、低周波の高圧交流電圧が高圧電極412とその上下に配置された接地電極413、414との間に印加される。これにより、前記二つの接地電極413、414で挟まれる領域に放電が起こる。この放電は誘電体被覆層(誘電体円筒管411の壁面)を通して行われるため誘電体バリア放電であり、これにより誘電体円筒管411中を流れるプラズマ生成ガスが広く電離されてプラズマ(大気圧非平衡プラズマ)が発生する。
こうしたAr−BIDにおけるSN比低下の原因を調べた結果、Arガス中での放電では、放電可能な電極間距離が上記の通り短いにもかかわらず、一度放電が始まるとプラズマ生成領域が誘電体円筒管411全体に拡大し、結果的に誘電体円筒管411の上端に設けられた管路先端部材416及び誘電体円筒管411の下端に接続された電荷収集部の接続部材421にまで到達していることが実験的に確認された。これらの管路先端部材416及び接続部材421はいずれも金属から成り且つ電気的に接地されていることから、このときの誘電体円筒管411内の放電は、誘電体被覆された高圧電極412と誘電体被覆されていない管路先端部材416又は接続部材421との間における片側バリア放電となっており、その結果として両側バリア放電の場合に比べてSN比が低下したと考えられる。
上記のように誘電体円筒管111の内壁面に半導体膜117を設けることにより、高圧電極112と管路先端部材116の間及び高圧電極112と接続部材121の間における沿面放電開始距離を、半導体膜117を形成しない場合に比べて短くすることができる。その結果、沿面放電を抑制するために必要な上流側接地電極113の長さ及び下流側接地電極114の長さも、半導体膜117を形成しない場合(例えば図6の電極514)に比べて小さくなる。従って、本実施例に係るAr−BIDによれば、検出器サイズの増大を最小限に抑えつつ沿面放電を抑制してSN比を改善することが可能となる。
なお、上記の例では、誘電体円筒管111の全域に半導体膜117を形成するものとしたが、半導体膜117は誘電体円筒管111のうち少なくとも高圧電極112を被覆している領域(以下「高圧電極被覆領域」とよぶ)の内周面、該高圧電極被覆領域よりも下流且つ電荷収集部120よりも上流の領域(以下「下流側領域」とよぶ)の内周面、又は前記高圧電極被覆領域よりも上流且つ管路先端部材116よりも下流の領域(以下「上流側領域」とよぶ)の内周面のいずれか一つ以上に形成すればよい。前記半導体膜を前記高圧電極被覆領域及び/又は前記下流側領域に設けた場合は、高圧電極112と電荷収集部120の間における沿面放電開始距離を短くすることができ、前記半導体膜を前記高圧電極被覆領域及び/又は前記上流側領域に設けた場合は、高圧電極112と管路先端部材116の間における沿面放電開始距離を短くすることができる。
なお、上述の通り、沿面放電の開始距離は、半導体膜の種類、厚さ及び面積、並びに低周波交流電圧の周波数、電圧振幅、電源波形、ガス種、誘電体材質などのパラメータに依存する。従って、本発明に係るAr−BIDにおける接地電極の長さは図2で示したものに限定されるものではなく、該Ar−BIDの構成及び使用条件に応じて適宜決定される。例えば、上記の各種パラメータを固定した状態で、下流側接地電極又は上流側接地電極の長さを種々に変更しつつ、プラズマが生成される領域の大きさや、高圧電極(図1の112)と接続部材(図1の121)の間に流れる電流、又は高圧電極と管路先端部材(図1の116)の間に流れる電流、又は試料測定時のSN比などが急激に変化するポイントを求めることにより、該ポイントにおける接地電極の長さが沿面放電の開始距離に相当すると推測することができる。そのため、下流側接地電極又は上流側接地電極の長さを前記ポイントにおける長さよりも大きくすることにより、沿面放電を抑制して高いSN比を達成することが可能となる。更に、予め上記各種パラメータを種々に変えながら上記のように沿面放電が生じなくなる接地電極の長さを調べておくことにより、所定の条件下において高SN比を達成可能な接地電極の長さを推測することもできる。
なお、図3では、金属線322をバイアス電極として機能させ、フランジ付金属管323をイオン収集電極として機能させるものとしたが、これらは逆にしてもよい。すなわち、金属線322を電流アンプ328に接続し、フランジ付金属管323をバイアス直流電源327に接続してもよい。また、フランジ付金属管323に代わり、図1の電荷収集部に設けられた円筒状の金属電極122又は123と同様のものを設け、これをイオン収集電極又はバイアス電極として機能させるようにしてもよい。
110、210、310…放電部
111、211…誘電体円筒管
112、212…高圧電極
113、213…上流側接地電極
114、214…下流側接地電極
115、215、315…励起用高圧交流電源
116、216、316…管路先端部材
117、217、317…半導体膜
120、320…電荷収集部
121、221、321…接続部材
122…バイアス電極
123…収集電極
126、326…試料導入管
127、327…バイアス直流電源
128、328…電流アンプ
311…外部誘電体管
312…環状電極
334…電極構造体
331…内部誘電体管
332…金属管
333…絶縁管
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323…フランジ付金属管
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