JP2018040719A5

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Publication number: JP2018040719A5
Application number: JP2016175502A
Authority: JP
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2019-02-28
Anticipated expiration: 2036-09-08

Description

前記ＢＩＤにおける放電部周辺の構成を図８に示す。放電部６１０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６１１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６１１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６１２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６１５が接続されており、この電極の上下に配置された電極６１３、６１４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６１２とよび、上下の電極をそれぞれ接地電極６１３、６１４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６１１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６１２、６１３、６１４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６１１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６１５が駆動されると、低周波の高圧交流電圧が高圧電極６１２とその上下に配置された接地電極６１３、６１４との間に印加される。これにより、前記二つの接地電極６１３、６１４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６１１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６１１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６１１全体に拡大し、結果的に、誘電体円筒管６１１の上端に設けられた管路先端部材６１６及び誘電体円筒管６１１の下端に接続された電荷収集部の接続部材６２１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６１６及び接続部材６２１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６１１内の放電は、誘電体被覆された高圧電極６１２と、誘電体被覆されていない管路先端部材６１６又は接続部材６２１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。

上述したようにプラズマ生成ガスが誘電体円筒管１１１中に流通しているときに、励起用高圧交流電源１１５は、高圧交流電圧を高圧電極１１２と上流側接地電極１１３との間及び高圧電極１１２と下流側接地電極１１４との間に印加する。これにより、誘電体円筒管１１１中で誘電体バリア放電が起こり、プラズマ生成ガスが電離されてプラズマ（大気圧非平衡プラズマ）が発生する。大気圧非平衡プラズマから放出された励起光は、放電部１１０及び電荷収集部１２０中を通って試料ガスが存在する部位まで到達し、その試料ガス中の試料成分をイオン化する。こうして生成されたイオンは、バイアス電極１２２に印加されている直流電圧によって形成される電場の作用によって収集電極１２３に近づくように移動し、収集電極１２３において電子を授受する。これにより、前記励起光の作用によって生成された、試料成分由来のイオンの量、つまりは試料成分の量に応じたイオン電流が電流アンプ１２８に入力され、電流アンプ１２８はこれを増幅して検出信号を出力する。このようにして、本実施例に係るＡｒ−ＢＩＤでは、試料導入管１２６を通して導入された試料ガスに含まれる試料成分の量（濃度）に応じた検出信号が出力される。

本実施例のＡｒ−ＢＩＤの基本的な構成要素は一般的なＢＩＤと同じである。また、上述した基本的な検出動作は一般的なＢＩＤと同様である。本実施例のＡｒ−ＢＩＤにおける構成上の特徴は、誘電体円筒管１１１が、従来のＡｒ−ＢＩＤで使用される誘電体材料（例えば、石英、サファイア、高純度アルミナ等）よりも表面抵抗率又はバルク抵抗率（以下単に「抵抗率」と総称する）が低い素材から構成されている点、並びに、上流側接地電極１１３及び下流側接地電極１１４の長さが、該抵抗率に依存して決まる（高圧電極１１２と管路先端部材１１６との間及び高圧電極１１２と電荷収集部１２０との間の）沿面放電開始距離よりも長くなっている点にある。なお、従来のＡｒ−ＢＩＤで誘電体材料として使用される高純度アルミナ、サファイア、石英の抵抗率はいずれも常温（２０℃程度）で約1.0×10¹⁴ Ωcmであり、本実施例における誘電体材料としては、これよりも低い抵抗率を有する誘電体材料を使用する。具体的には、本実施例における誘電体円筒管１１１は、抵抗率が常温で1.0×10¹³ Ωcm以下の誘電体材料で構成され、上流側接地電極１１３（又は下流側接地電極１１４）の長さは、前記抵抗率、並びに低周波交流電圧の周波数、電圧振幅、電源波形、及びガス種などのパラメータに応じて、高圧電極１１２と管路先端部材１１６の間における沿面放電が生じない長さ（又は高圧電極１１２と電荷収集部１２０、具体的には接続部材１２１の間における沿面放電が生じない長さ）に調整される。なお、前記抵抗率が1.0×10¹³ Ωcm以下の誘電体材料としては、例えば、Ａ４４５アルミナ材又はＡＨアルミナ材（いずれも京セラ株式会社製）等を使用することができる。

上記本実施例に係るＡｒ−ＢＩＤによれば、誘電体円筒管１１１の材料として、従来のＡｒ−ＢＩＤよりも抵抗率が低い誘電体材料を使用することにより、上記従来のＡｒ−ＢＩＤのように石英ガラス等から成る誘電体管を使用した場合に比べて、高圧電極１１２と管路先端部材１１６の間及び高圧電極１１２と電荷収集部１２０（具体的には接続部材１２１）の間における沿面放電開始距離を短くすることができ、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の長さ及び下流側接地電極の長さも、石英ガラス等から成る従来の誘電体管を使用した場合（例えば図１０）に比べて小さくすることができる。そのため、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、図５では、金属線４２２をバイアス電極として機能させ、フランジ付金属管４２３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４２２を電流アンプ４２８に接続し、フランジ付金属管４２３をバイアス直流電源４２７に接続してもよい。また、フランジ付金属管４２３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。

本実施例において、環状電極５１２よりも下流側における、金属管５３２の内部誘電体管５３１で被覆された領域、すなわち誘電体被覆領域（接地電極）の長さは、外部誘電体管５１１の前記環状電極被覆領域及び前記下流側領域における、前記凹凸の数や深さ（すなわち環状電極５１２と電荷収集部の沿面距離）、並びに低周波交流電圧の周波数、電圧振幅、電源波形、及びガス種などのパラメータに応じて、環状電極５１２と電荷収集部の間で沿面放電が生じない長さに調整される。また、環状電極５１２よりも上流側における金属管５３２の誘電体被覆領域（接地電極）の長さは、前記環状電極被覆領域及び前記上流側領域における、前記凹凸の数や深さ（すなわち環状電極５１２と管路先端部材の間の沿面距離）と上記の各パラメータに応じて、環状電極５１２と管路先端部材の間で沿面放電が生じない長さに調整される。