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
３２２…金属線
３２３…フランジ付金属管
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