JP2020118532A - 誘電体バリア放電イオン化検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体管内において沿面放電を発生しにくくすることで大型にならない検出器を提供する。【解決手段】管軸に沿う方向に互いに間隔をもって配置された一対の電極１４、１６が外壁に取り付けられた誘電体からなる誘電体管８を有するＢＩＤであって、誘電体管８の内部で第１端から導入されたプラズマ生成ガスに誘電体バリア放電を発生させてプラズマを生成する放電部２と、プラズマから発せられる光を利用して成分をイオン化する試料ガスを導入するための試料ガス導入部３１及び生成されたイオンを収集するための収集電極２６を有する検出部４と、一対の電極１４、１６の間に電位差を生じさせる電圧印加部６と、を備える。電圧印加部６は、一対の電極１４、１６の間が周期的に所定の最大電位差に達するようにそれぞれの電位を変動させるように構成された回路部３８、４０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体バリア放電イオン化検出器に関する。

ガスクロマトグラフ用の検出器として、誘電体バリア放電プラズマによるイオン化を利用した誘電体バリア放電イオン化検出器（Dielectric Barrier Discharge Ionization Detector；以下、ＢＩＤ）が実用化されている（特許文献１参照）。ＢＩＤは、電極表面が誘電体で覆われた誘電体バリア放電を利用することで、金属電極を利用した場合のような熱電子及び二次電子などの放出が少なく、また、低周波高圧電源により中性ガス温度が非常に低い（ほとんど発熱がない）非平衡プラズマを生成することで、内壁材量の加熱による不純物ガスの発生を抑えて安定性の高い放電状態を作り出し、高いＳＮ比を実現することができる。

特許文献１に開示されているＢＩＤは、大きく分けて放電部とその下方に設けられた電荷収集部とで構成されている。放電部では、石英ガラス等の誘電体からなる管（誘電体管）に周接された高圧電極及び接地電極の間に低周波の交流高電圧を印加することで、誘電体管の管路内に供給された不活性ガスを電離して大気圧非平衡プラズマを形成する。そして、このプラズマから発せられる光（真空紫外光）や励起種などの作用により、電荷収集部内に導入された試料ガス中の試料成分をイオン化し、生成されたイオンを収集電極により収集することで、試料ガス中の成分量を電荷として検出する。

特開２０１８−０４０７１８号公報

ＢＩＤでは、良好なＳＮ比を得るためには、放電部の高圧電極と接地電極との間で放電を安定的に起こさせる必要がある。しかし、放電時の条件によっては、放電が高圧電極と接地電極との間を超えた範囲にまで広がり、それが誘電体管の端部に接続された金属製の接続部品にまで達する場合がある。放電範囲が拡大する原因は、誘電体管の内壁表面での沿面放電によるものである。

沿面放電が発生して放電範囲が誘電体管の接続部品にまで達した場合、結果として不安定な放電となり、ＳＮ比を悪化させてしまう。そのため、放電範囲が誘電体管の端部の接続部品にまで達しないように、誘電体管の長さを十分に長くして誘電体管の端部の接続部品と放電用電極との間の距離を十分に確保する必要がある。しかし、そうすると、検出器全体が大型化する傾向にあり、検出器の小型化を図ることが難しい。また、誘電体間の端部と放電用電極との間の距離が長くなると、放電の発生している位置から電荷収集部までの距離が長くなってプラズマからの光が試料成分に届きにくくなるため、高い検出感度が得られない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、誘電体管内において沿面放電を発生しにくくして検出器の大型化を抑制することを目的とするものである。

本発明に係るＢＩＤは、誘電体からなる誘電体管を有し、前記誘電体管の外壁に一対の電極が取り付けられており、前記一対の電極は前記誘電体管の管軸に沿う方向に互いに間隔をもって配置され、前記誘電体管の第１端からプラズマ生成ガスが導入され、前記誘電体管の内部で誘電体バリア放電を発生させてプラズマを生成する放電部と、試料ガスを導入するための試料ガス導入部及びイオンを収集するための収集電極を有し、前記放電部において生成されたプラズマから発せられる光を利用して前記試料ガス中の成分をイオン化し、生成されたイオンを前記収集電極により収集して検出する検出部と、前記一対の電極の間に電位差を生じさせる電圧印加部と、を備えている。前記電圧印加部は、交流電源、及び、前記交流電源に電気的に接続され、前記一対の電極の間の電位差が周期的に所定の最大電位差に達するように、前記一対の電極のそれぞれの電位を変動させるように構成された回路部を備えている。

誘電体管の外壁に取り付けられた互いに対をなす電極のうちの一方が接地されている場合、誘電体管内において誘電体バリア放電を発生させるためには、互いに対をなす電極の間に放電に必要な大きさの電位差が生じるように、接地されていない放電用電極の電位を高くしたり低くしたりする必要がある。そうすると、誘電体管の端部の接続部品（電位はゼロ）と電極との間の電位差が大きくなり、誘電体管内で沿面放電が発生しやすくなる。一方で、誘電体管内において誘電体バリア放電を発生させるためには、互いに対をなす電極のうちのどちらか一方の電位のみを極端に高くしたり低くしたりする必要はなく、対をなす電極の間に放電に必要な大きさの電位差が生じればよい。すなわち、一方の電極の電位がプラスで他方の電極の電位がマイナスとなるようにすれば、いずれか一方の電極が接地されている場合に比べて、電極と接地電位の間の電位差を小さくしながら両電極間の電位差を大きくすることができる。

本発明に係るＢＩＤでは、放電部の誘電体管の外壁に取り付けられた一対の電極のそれぞれの電位を変動させながら、前記一対の電極の間の電位差を周期的に所定の最大電位差に到達させるように構成させているので、いずれか一方の電極が接地されている場合に比べて、一対の電極間に放電に必要な電位差を与えたときの誘電体管の端部の接続部品と電極との間の電位差が小さくなる。これにより、沿面放電が発生しにくくなるので、電極と誘電体管の端部との間の距離を長くとる必要がなくなり、検出器の大型化を抑制することができる。

ＢＩＤの一実施例を示す概略構成図である。 ＢＩＤの他の実施例を示す概略構成図である。 ＢＩＤの実施例の構成による効果を検証するために、誘電体管に取り付けた一対の電極のうちの一方を接地した比較例の構成を示す概略構成図である。 比較例において一対の電極間に５．７ｋＶの電圧を印加したときの誘電体管内の放電状態を示す画像である。 比較例において一対の電極間に７．５ｋＶの電圧を印加したときの誘電体管内の放電状態を示す画像である。 図１の実施例において一対の電極間に５．８ｋＶの電圧を印加したときの誘電体管内の放電状態を示す画像である。

以下、ＢＩＤの実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実現するための構成の例示に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。

図１はＢＩＤの一実施例を示している。この実施例のＢＩＤは、主として、放電部２、検出部４及び電圧印加部６を備えており、放電部２において誘電体バリア放電によるプラズマを発生させ、そのプラズマから発せられる励起光によって検出部４内の試料ガス中の成分をイオン化し、生成されたイオンを検出部４に設けられた収集電極２６によって収集して検出するものである。

放電部２は石英ガラスなどの誘電体からなる誘電体管８を備えている。誘電体管８の外壁には一対の電極１４，１６が取り付けられており、誘電体管８の第１端（図において上端）に接続部材１０が取り付けられている。一対の電極１４，１６は、誘電体管８の管軸に沿う方向に互いに間隔をもって、誘電体管８の外周面を取り巻くように誘電体管８に対して取り付けられている。接続部材１０には、ヘリウム、アルゴンなどを含有するプラズマ生成ガスを供給するためのプラズマ生成ガス用配管１２が流体的に接続されており、誘電体管８の第１端から誘電体管８内にプラズマ生成ガスが供給されるようになっている。

検出部４は、放電部２の誘電体管８の第２端（図において下端）に連結された中空管状の部位であり、放電部２からの励起光を利用して試料ガス中の成分をイオン化するための内部空間を備えている。検出部４は接続配管１８、バイアス電極２２、収集電極２６及び末端部材３０を備えている。接続部材１８は誘電体管８の第２端に接続され、接続部材１８との間に絶縁部材２０を挟んでバイアス電極２２が設けられている。収集電極２６はバイアス電極２２との間に絶縁部材２４を挟んで設けられ、末端部材３０は収集電極２６との間に絶縁部材２８を挟んで設けられている。接続部材１８及び末端部材３０にはそれぞれ、検出部４の内部空間のプラズマ生成ガス及び試料ガスを排出するための配管３２及び３４が接続されている。末端部材３０の底面からは試料ガスを導入するための試料ガス導入管３１（試料ガス導入部）が検出部４内に挿入されている。

電圧印加部６は交流電源３６と回路部からなる。回路部は、放電部２の誘電体管８に取り付けられた一対の電極１４，１６のそれぞれの電位を変動させながら、一対の電極１４，１６間の電位差を周期的に所定の最大電位差に到達させるように構成されたものである。

電圧印加部６の回路部は、第１昇圧トランス３８及び第２昇圧トランス４０を備えている。第１昇圧トランス３８の一次側コイルと第２昇圧トランス４０の二次側コイルは、互いに並列に交流電源３６に接続されている。第１昇圧トランス３８の二次側コイルの第１端（以下、Ｈ端）は電極１４に電気的に接続され、第２昇圧トランス４０の二次側コイルの第２端（以下、Ｌ端）は電極１６に電気的に接続されている。第１昇圧トランス３８の二次側コイルの第２端（以下、Ｌ端）と第２昇圧トランス４０の二次側コイルの第１端（以下、Ｈ端）はともに接地されている。

第１昇圧トランス３８の昇圧倍率をｍ、第２昇圧トランス４０の昇圧倍率をｎとする。交流電源３６から振幅Ｖの交流電圧を出力すると、第１昇圧トランス３８の二次側コイルのＨ端とＬ端の間には振幅ｍＶの交流高電圧が発生し、第２昇圧トランス４０の二次側コイルのＨ端とＬ端の間には振幅ｎＶの交流高電圧が発生する。第１昇圧トランス３８の二次側コイルのＬ端と第２昇圧トランス４０の二次側コイルのＨ端はともに接地されているため、第１昇圧トランス３８の二次側コイルに発生する交流高電圧と第２昇圧トランス４０の二次側コイルに発生する交流高電圧は、互いに位相が反転した（互いに位相が１８０度ずれた）波形をもつものとなる。

上記の構成により、一対の電極１４，１６の間には（ｍ＋ｎ）Ｖの大きさの最大電位差が周期的に生じることになる。したがって、最大電位差（ｍ＋ｎ）Ｖが両電極１４，１６間で誘電体バリア放電を発生させるために必要な電位差（放電開始電圧）よりも高くなるようにＶ、ｍ及びｎを設定すればよい。一方で、各電極１４，１６に印加される交流高電圧の振幅はそれぞれ、ｍＶ、ｎＶであるため、各電極１４，１６と誘電体管８の両端の接続部材１０及び１８（電位はゼロ）との間の最大電位差は放電開始電圧よりも低くなる。これにより、各電極１４，１６と誘電体管８の両端の接続部材１０及び１８との距離を短くしても電極１４，１６から接続部材１０及び１８への沿面放電が発生しにくくなり、誘電体バリア放電を安定的に発生させることができる。さらに、放電の発生する位置と検出部４との間の距離を短くすることができるので、検出感度の向上を図ることができる。

ここで、第１昇圧トランス３８の昇圧倍率ｍと第２昇圧トランス４０の昇圧倍率ｎの関係をｍ＝ｎとすることで、電極１４及び１６と接地電位との間の最大電位差を最小にすることができ、沿面放電を効率よく抑制することができる。なお、必ずしもｍ＝ｎである必要はない。

上記のように、この実施形態では、誘電体バリア放電を発生させるために必要な大きさの最大電位差を一対の電極１４，１６間に周期的に発生させ、かつ、電極１４，１６と接地電位との最大電位差を低く抑えることで、沿面放電の発生を抑制する。図１の実施例では、２つの昇圧トランス３８、４０を用いてそのような作用効果を実現しているが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。同様の作用効果は、図２に示されているように、１つの昇圧トランス３８のみを用いて実現することもできる。

図２に示されている実施例は、電圧印加部６’が交流電源３６と、１つの昇圧トランス３８を有する回路部とを備えている。電圧印加部６’の昇圧トランス３８は、二次側コイルの両端がそれぞれ電極１４、１６に電気的に接続されている。交流電源３６から振幅Ｖの交流電圧を出力すると、昇圧倍率がｍである昇圧トランス３８によって振幅ｍＶの交流高電圧が一対の電極１４、１６間に印加される。すなわち、一対の電極１４、１６間にはｍＶの最大電位差が周期的に生じる。

一方で、昇圧トランス３８の二次側コイルのＨ端、Ｌ端のいずれも接地されていないため、二次側コイルの両端で電位差が発生しても電流がアースに逃げる経路がなく、二次側コイルと放電電極全体の電気的中性は常に保たれる。したがって、昇圧トランス３８の二次側コイルのＨ端とＬ端の合計電位は常にゼロとなる。すなわち、電極１４と１６の電位は常に互いに位相の反転したものとなり、電極１４、１６の電位波形はいずれも振幅ｍＶ／２をもつものとなる。したがって、電極１４、１６と接地電位との最大電位差は放電発生電圧よりも小さくなり、沿面放電の抑制効果が得られる。

図３に示されているように、交流電源３６に接続された昇圧トランス３８の二次側コイルのＨ端を電極１４に接続し、Ｌ端を電極１６とともに接地した構成を考える。このような構成では、交流電源３８から振幅Ｖの交流電圧を出力すると、電極１４、１６間には振幅ｍＶの交流高電圧が印加される。一方で、電極１６は接地されており電極１６の電位は常にゼロであるため、電極１４の電位の波形が振幅ｍＶをもつことになる。すなわち、電極１４と接地電位との最大電位差が放電発生電圧と同じ大きさとなる。

図４Ａ及び図４Ｂは図３の構成を用いたときの放電状態の検証結果を示す画像であり、図４Ｃは図１の構成を用いたときの放電状態の検証結果を示す画像である。

図４Ａの検証では、図３の昇圧トランス３８の両端に振幅５．７ｋＶの交流高電圧を発生させているが、それによって電極１４と接地電位との間に最大で５．７ｋＶもの電位差が発生している。そのため、電極１４、１６よりも広い範囲にまで放電範囲が広がっていることがわかる。図４Ｂの検証では、昇圧トランス３８の両端に発生させる交流高電圧の振幅を７．５ｋＶにまで高めており、それによって放電範囲が誘電体管８の端部にまで達していることがわかる。

対照的に、図４Ｃに示されているように、図１の第１昇圧トランス３８、第２昇圧トランス４０のそれぞれの両端に振幅２．９ｋＶの交流高電圧を発生させると、電極１４と１６の間には最大電位差５．８ｋＶが周期的に生じ、電極１４と１６の間に誘電体バリア放電が安定的に発生している。電極１４、１６と接地電位との最大電位差は２．９ｋＶと放電開始電圧よりも小さいため、放電範囲が電極１４と１６の間の範囲内に留まっていることがわかる。

以上において説明した実施形態では、誘電体管８の外壁に一対の電極１４、１６のみが取り付けられている構成について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、互いに対をなす電極が１組以上設けられていればよい。

本発明に係るＢＩＤの一実施形態は、誘電体からなる誘電体管（８）を有し、前記誘電体管（８）の外壁に少なくとも一対の電極（１４、１６）が取り付けられており、前記一対の電極（１４、１６）は前記誘電体管（８）の管軸に沿う方向に互いに間隔をもって配置され、前記誘電体管（８）の第１端からプラズマ生成ガスが導入され、前記誘電体管（８）の内部で誘電体バリア放電を発生させてプラズマを生成する放電部（２）と、試料ガスを導入するための試料ガス導入部（３１）及びイオンを収集するための収集電極（２６）を有し、前記放電部（２）において生成されたプラズマから発せられる光を利用して前記試料ガス中の成分をイオン化し、生成されたイオンを前記収集電極（２６）により収集して検出する検出部（４）と、前記一対の電極（１４、１６）の間に電位差を生じさせる電圧印加部（６；６’）と、を備え、前記電圧印加部（６；６’）は、交流電源（３６）、及び、前記一対の電極（１４、１６）の間の電位差が周期的に所定の最大電位差に達するように、前記一対の電極（１４、１６）のそれぞれの電位を変動させるように構成された回路部（３８、４０）を備えている。

上記実施形態では、前記電圧印加部（６；６’）は、前記一対の電極（１４、１６）のそれぞれに対して互いに位相の反転した電位を与えるものである態様１が挙げられる。そうすれば、一対の電極（１４、１６）と接地電位との最大電位差を大きくすることなく、一対の電極（１４、１６）間の最大電位差を大きくとることができ、沿面放電を効果的に抑制することができる。

上記態様１の前記電圧印加部（６）の前記回路部の構成の一例として、前記交流電源（３６）から印加される電圧を昇圧させる第１昇圧トランス（３８）及び第２昇圧トランス（４０）を備え、前記第１昇圧トランス（３８）の１次側コイルと前記第２昇圧トランス（４０）の１次側コイルは互いに並列に前記交流電源（３６）に接続され、前記第１昇圧トランス（３８）の２次側コイルの第１端と前記第２昇圧トランス（４０）の２次側コイルの第２端が常に互いに位相の反転した電位となるように、前記第１昇圧トランス（３８）の２次側コイルの第２端と前記第２昇圧トランス（４０）の２次側コイルの第１端が接地されており、前記第１昇圧トランス（３８）の２次側コイルの第１端が前記一対の電極（１４、１６）の一方（１４）に接続され、前記第２昇圧トランス（４０）の２次側コイルの第２端が前記一対の電極（１４、１６）の他方（１６）に接続された構成が挙げられる。

上記回路部の構成において、前記第１昇圧トランス（３８）の昇圧倍率と前記第２昇圧トランス（４０）の昇圧倍率は同じであってよい。そうすれば、一対の電極（１４、１６）のそれぞれと接地電位との最大電位差を最小限にすることができ、沿面放電を効果的に抑制することができる。

また、上記態様１の電圧印加部（６’）の前記回路部の他の例として、前記交流電源から印加される電圧を昇圧させる昇圧トランスを有し、前記昇圧トランスの２次側コイルの第１端が前記一対の電極の一方に接続され、前記２次側コイルの第２端が前記一対の電極の他方に接続されている構成が挙げられる。

２ 放電部
４ 検出部
６，６’ 電圧印加部
８ 誘電体管
１０，１８ 接続部材
１２，３２，３４ 配管
１４，１６ 電極
２０，２４，２８ 絶縁部材
２２ バイアス電極
２６ 収集電極
３０ 末端部材
３１ 試料導入管
３６ 交流電源
３８，４０ 昇圧トランス

Claims (5)

1. 誘電体管を有し、前記誘電体管の外壁に一対の電極が取り付けられており、前記一対の電極は前記誘電体管の管軸に沿う方向に互いに間隔をもって配置され、前記誘電体管の第１端からプラズマ生成ガスが導入され、前記誘電体管の内部で誘電体バリア放電を発生させてプラズマを生成する放電部と、
   試料ガスを導入するための試料ガス導入部及びイオンを収集するための収集電極を有し、前記放電部において生成されたプラズマから発せられる光を利用して前記試料ガス中の成分をイオン化し、生成されたイオンを前記収集電極により収集して検出する検出部と、
   前記一対の電極の間に電位差を生じさせる電圧印加部と、を備え、
   前記電圧印加部は、交流電源、及び、前記交流電源に接続され、前記一対の電極の間の電位差が周期的に所定の最大電位差に達するように、前記一対の電極のそれぞれの電位を変動させるように構成された回路部を備えている、誘電体バリア放電イオン化検出器。
2. 前記電圧印加部は、前記一対の電極のそれぞれに対して互いに位相の反転した電位を与えるものである、請求項１に記載の誘電体バリア放電イオン化検出器。
3. 前記電圧印加部の前記回路部は、前記交流電源から印加される電圧を昇圧させる第１昇圧トランス及び第２昇圧トランスを備え、前記第１昇圧トランスの１次側コイルと前記第２昇圧トランスの１次側コイルは互いに並列に前記交流電源に接続され、前記第１昇圧トランスの２次側コイルの第１端と前記第２昇圧トランスの２次側コイルの第２端が常に互いに位相の反転した電位となるように、前記第１昇圧トランスの２次側コイルの第２端と前記第２昇圧トランスの２次側コイルの第１端が接地されており、前記第１昇圧トランスの２次側コイルの第１端が前記一対の電極の一方に接続され、前記第２昇圧トランスの２次側コイルの第２端が前記一対の電極の他方に接続されている、請求項２に記載の誘電体バリア放電イオン化検出器。
4. 前記第１昇圧トランスの昇圧倍率と前記第２昇圧トランスの昇圧倍率は同じである、請求項３に記載の誘電体バリア放電イオン化検出器。
5. 前記電圧印加部の前記回路部は、前記交流電源から印加される電圧を昇圧させる昇圧トランスを有し、前記昇圧トランスの２次側コイルの第１端が前記一対の電極の一方に接続され、前記２次側コイルの第２端が前記一対の電極の他方に接続されている、請求項２に記載の誘電体バリア放電イオン化検出器。