JP2018040719A5 - - Google Patents
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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。
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