JP2746887B2 - マイクロ波誘導プラズマ質量分析計 - Google Patents
マイクロ波誘導プラズマ質量分析計Info
- Publication number
- JP2746887B2 JP2746887B2 JP62252538A JP25253887A JP2746887B2 JP 2746887 B2 JP2746887 B2 JP 2746887B2 JP 62252538 A JP62252538 A JP 62252538A JP 25253887 A JP25253887 A JP 25253887A JP 2746887 B2 JP2746887 B2 JP 2746887B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- mass spectrometer
- waveguide
- coaxial waveguide
- microwave
- coaxial
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明はマイクロ波誘導プラズマをイオン源とする質
量分析計に係り、特に、高感度な元素分析を可能とする
ことを図ったマイクロ波誘導プラズマ質量分析計（以下
MIP−MSと記す）に関する。 〔従来の技術〕 プラズマをイオン源とする質量分析計は、近年、高感
度な元素分析計として注目され、開発が活発に行われて
いる。用いるプラズマにより、数十MHz程度の高周波を
用いる誘導結合プラズマ質量分析計と、マイクロ波を用
いるMIP−MSとに主として分けられる。前者に関連する
公知文献として例えば特開昭62−26757,特開昭62−6404
3が挙げられる。後者については、アナリティカル・ケ
ミストリ（Analytical Chemistry），第53巻,37頁（198
1年）及びスペクトロケミカ・アクタ（Spectrochimica
Acta）第38B巻,39頁（1983年）において論じられてい
る。 従来のMIP−MSにおいて用いられているプラズマ発生
部およびイオン取り込み口を第９図に示した。第９図に
おいて、100はビーネッカー・キャビティと呼ばれるマ
イクロ波空胴共振器であり、同軸線路101より2.45GHzの
マイクロ波が導入され、内部にはTM010モードの電磁界
が発生している。空胴共振器100の中心に石英管102が設
置されている。霧化された試料は脱溶媒され、キャリヤ
ガスと共に、石英管102の中を矢印で図示したように流
れる。プラズマ103は空胴共振器100の内部で形成され、
石英管102の出口より外側まで広がっている。空胴共振
器100の外側に質量分析計104が設置され、サンプリング
・オリフィス105はプラズマ103の尾の中にある。すなわ
ち、プラズマ103の尾の部分のイオンを質量分析計104に
取り込んで分析を行ってきた。このため、空胴共振器10
0内で発生したイオンが、空胴共振器100の外側の減少し
た部分から取り込んでおり、感度が十分でなかった。ま
た入力するマイクロ波電力も高々200W程度であり、高温
度のプラズマを形成させるには不十分であった。 なお、特開昭62−208535号公報には、上記誘導結合プ
ラズマ質量分析計においてプラズマを発生するプラズマ
トーチの先端部に入り込むようにサンプリングノズルの
先端部を配置して、プラズマからイオンを質量分析計に
取り込む構成が開示されている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記誘導結合プラズマ質量分析計のプラズマ発生部に
用いる高周波電源の容量は、1KWないし2KW程度が必要で
あり非常に高価である。また、高周波電源と負荷とのイ
ンピーダンス整合が微妙で難しく、かつ、整合可能な範
囲が狭いという問題がある。これらの問題はマイクロ波
を用いると比較的容易に解決できる。例えば、マイクロ
波源として比較的安価に大量に供給されているマグネト
ロンを用いることができる。また、インピーダンス整合
は、例えば３スタブチューナを用いることにより全負荷
範囲に対して容易に整合させることができる。 しかしながら、上記論文で論じられているMIP−MSに
おいては、プラズマに効率良く十分なエネルギーを供給
することができないため、脱溶媒が必要であり、また、
他元素による干渉が大きいという問題があった。 本発明の目的は、効率良く集中的にマイクロ波エネル
ギーをプラズマに供給することができ、これにより高感
度な元素分析を可能とするMIP−MSを提供することにあ
る。 〔問題点を解決するための手段〕 この目的を達成するため、本発明のマイクロ波誘導プ
ラズマ質量分析計においては、マイクロ波による電界を
伝搬する方形導波管と、被分析試料ガスを導入するガス
導入口と、前記方形導波管の外導体の一方がその外導体
とつながる如く接続されかつ前記方形導波管の外導体の
他方がその内導体となす如く接続され、その内導体がそ
の外導体より短く、その内導体の先端に開口部を有する
同軸導波管と、前記方形導波管と前記同軸導波管との間
に設けられた外導体を共用した変換部と、前記同軸導波
管で形成されたプラズマからイオンを取り出し前記イオ
ンを分析する質量分析部とを設け、前記開口部が前記同
軸導波管と前記質量分析部との結合部分となる構成とす
る。また、前記変換部をテーパ状とし、あるいはλ/4変
成器で構成する。また、前記質量分析部に前置真空室を
設け、また、前記同軸導波管をマイクロ波による電界を
伝搬する同軸の導波管と前記被分析試料ガスを導入する
ガス導入口を有する半同軸空洞共振器とから構成する。
また、前記開口部が前記同軸導波管と前記質量分析部と
の結合部分となる構成とする。また、前記開口部を先端
部ほど断面積が小となる形状とし、前記同軸導波管の内
側に突出させる。また、前記同軸導波管の一部を円錐状
とする。 〔作用〕 マイクロ波エネルギーを比較的狭い空間に集中的に効
率良く供給することができるので、それほど大きなマイ
クロ波源を用いなくても温度の高いプラズマを生成する
ことができるようになる。さらに、質量分析計のイオン
取り込み口を、最も高い温度のプラズマのすぐ近傍に設
置するので、最も効率良くイオンを取り込むことがで
き、高感度な元素分析を行えるようになる。 〔実施例〕 本発明の一実施例を第１図により説明する。第１図
（ａ）は全体構成図、（ｂ）は要部断面図である。マグ
ネトロン11で発振された2450MHzのマイクロ波は方形導
波管10を通り、12及び13で形成される円形同軸導波管に
伝搬する。12は同軸導波管の外導体であり、13は内導体
である。内導体13は途中で切断された形となっており、
内導体13の先端部において強い電界が生じている。方形
導波管10から同軸導波管12,13への変換には、同軸導波
管の内導体13を方形導波管内部で太くしたドアノブ変換
を用いている。同軸導波管の外導体12の内径と内導体13
の外径はそれぞれ25mm,10mmであり、特性インピーダン
スは55Ωである。方形導波管の変換部10−３の断面積は
長辺109.2mm,短辺8.4mmで、同軸導波管の特性インピー
ダンスと一致させてある。一方、方形導波管10のマグネ
トロン設置部10−１の断面は長辺109.2mm,短辺54.6mmで
ある。これらの方形導波管の接続には、テーパ状部10−
２を用いてインピーダンスを徐々に変換している。この
ため、アグネトロン11から同軸導波管12,13へのマイク
ロ波の伝搬が効率よく行われる。 アルゴンボンベ２から出たアルゴンガスはネブライザ
（霧化器）３に送られる。試料４もネブライザ３に送ら
れて霧化され、アルゴンガスとともに同軸導波管12,13
の根本部分において同軸導波管の内部に吹き出す。方形
導波管と同軸導波管の内部はテフロン製のスペーサ15で
仕切られているので、霧化した試料は同軸導波管の排出
口に向って流れる。同軸導波管の内導体13の先端部前面
には強い電界が発生しているため、この場所において放
電破壊が起こり、マイクロ波のトーチ放電が生じる。こ
のようなトーチ放電については、例えばジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジクス（Journal of Applied Phy
sics），第39巻,5478頁（1968年）において論じられて
いる。同軸導波管の内導体13は円筒状になっており、先
端部において直径約1mmの開口部13′がある。開口部1
3′は質量分析計１のサンプリング・オリフィスであ
り、内部に向って差動排気されている。前置真空室５の
圧力はおよそ1Torrである。トーチ放電の高温プラズマ
中のイオンはサンプリング・オリフィス13′から排出口
とは反対方向にある前置真空室５に入り、スキーマ・コ
ーン14の先端にあるスキーマ・オリフィス14′を経て質
量分析計１に入る。イオンは質量分離された後イオン検
出器６に入りカウントされる。 本実施例によれば、同軸導波管の内導体13の前面に形
成されるトーチ放電は、比較的狭い空間に集中的にエネ
ルギーが消費されるので、全体としてのマイクロ波電力
は少なくても、非常に高温度で安定なプラズマとなる。
試料はこのような高温度のプラズマ中に入るためイオン
化の割合が大きい。また、質量分析計のサンプリング・
オリフィスのすぐ近傍で形成されるため、効率良くイオ
ンを取り込むことができる。したがって、非常に高感度
な元素分析が行える。 従来、マイクロ波放電は発光分光分析に応用されてき
たが、その場合に次のような不都合点があった。プラズ
マの温度分布が、中心軸上が最も高温となる釣り鐘形を
している。したがって、イオンや電子の密度も中心軸上
が最も高く、周辺に行くに従って低くなっている。その
ため、中心軸から周辺に向って、いわゆる、ambipolor
fieldが生じて、イオンは中心から周辺部へと拡散す
る。一般に、試料元素は、キャリア・ガスよりイオン化
されやすいので、前記のambipolor fieldの影響を選択
的に受ける結果となり、中心の最も温度の高い部分の試
料密度が低下する。このため、比較的低温部の発光を利
用する結果、感度が下ったり、共存分子の影響を受けや
すくなるなどの不都合点があった。 これに対して、本実施例によれば、サンプリング・オ
リフィス13′から0.1〜10/min程度の流量でガスが取
り込まれる結果、プラズマの周辺部から中心に向ってガ
スの流れが生じる。この流れの流速が前記ambipolor fi
eldによる拡散速度と同等か、もしくは、それより大き
くなるので、前述のような試料原子の密度が中心軸上で
低下する不都合はなくなる。したがって、H2Oなどの共
存分子の影響もなくなる。 第２図に本発明の他の実施例の要部断面図を示す。な
お、本実施例及び以下の実施例において、符号は第１図
実施例と同一部品には同一符号を用いている。本実施例
では、同軸導波管12,13部分において特性インピーダン
スが変わらないように、各断面において、外導体12の内
径と内導体13の外径との比が一定となるように構成し
て、根本部分を円錐状の同軸導波管とした。したがっ
て、マイクロ波回路としては第１図の実施例と全く同一
であり、サンプリング・オリフィス13′の前面に高温度
のプラズマが形成される。また、本実施例では、方形導
波管の部分において３スタブチューナ16を設けてある。
これによって、マイクロ波の反射をより少なくすること
が可能である。例えば、水溶液中の試料や有機溶媒中の
試料などの各種の試料を分析する時は、プラズマのイン
ピーダンスが変化するので、導波管の途中に方向性結合
器を挿入して入射波と反射波とをモニタして自動的に３
スタブチューナ16の素子の挿入長を制御して、試料によ
らず常に反射波を少なくするように構成することができ
る。また、本実施例によれば、前置真空室５の排気が容
易となり、サンプリング・オリフィス13′とスキーマ・
オリフィス14′との距離を短くすることができるので、
より多くのイオンが質量分析計に入射してより高感度の
元素分析が可能となる。 第３図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例においては、第２図で示した実施例の構成
をさらに進めて、同軸導波管の内導体13をすべて円錐状
にしたものである。これにより、サンプリング・オリフ
ィス13′とスキーマ・オリフィス14′をさらに近づける
ことが可能となる。このため、イオンの取り込みがより
容易となり、より高感度な分析が可能となる。 第４図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例においては、マイクロ波はマイクロ波源
（図示せず）から同軸線路17により方形導波管10内に導
かれる。本実施例の方形導波管10は全域にわたって同軸
導波管とインピーダンスを等しくしてあるのでテーパ状
の部分は必要ない。同軸導波管の内導体13は先端部分13
−１と根本部分13−２とで構成され、先端部分13−１は
交換可能になっている。内導体の先端にあるサンプリン
グ・オリフィス13′は、その前面に形成されるトーチ放
電が高温度のプラズマであるために、浸食されたり、ま
た高濃度の試料の場合には目詰りを起こしたりする。本
実施例では、先端部分13−１が交換可能であるため、こ
のような場合にも容易に対処することができる。また、
サンプリング・オリフィス13′が浸食される場合には、
先端部分13−１の構成元素のイオンが質量分析計に導か
れるため、先端部分13−１の構成元素の分析は誤差が大
きく難しい。本実施例によれば、先端部分13−１を分析
対象に応じて容易に交換することができる。このため、
分析対象に最適な材質、オリフィス径等にすることがで
きる。 第５図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例においては、石英管18で同軸導波管内を二
重管構造にして内側に試料を含むキャリヤガスを同軸導
波管の根本部より流し、外側にキャリヤガスと同種の補
助ガスを流す。このような構造にすることによって、試
料は内導体13の先端部に効率良く導かれて、より高感度
な分析が可能となる。また本実施例では、方形導波管10
の長辺の長さはすべて等しく、電源側の方形導波管10−
１（短辺b1）と、負荷側の方形導波管10−３（短辺b3）
のインピーダンス整合にλ/4変成器を用いている。すな
わち、マイクロ波の管内波長をλｇとすると、方形導波
管10−１と方形導波管10−３の間に、λg/4の長さにわ
たって、短辺b2が である方形導波管10−４を挿入してある。このようにλ
/4変成器を用いることによって、テーパ状の導波管を用
いる場合に比べて、より厳密にインピーダンスを整合さ
せることができ、全体の長さを短くすることができる。 第６図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例では、同軸導波管部分は外部空間（大気
圧）と気密に遮断され、その内部圧力を変えることがで
きる。40は圧力調整器である。大気圧より低圧に保つ場
合は圧力調整器40において差動排気する。また大気圧よ
り高圧に保つ場合には圧力調整器40の流路の一部を小さ
く絞って流路の抵抗を大きくする。 本実施例において、低圧に保った場合は、プラズマの
発生が容易となる。また低圧に保つ場合はスキーマを除
くことができる。この時、サンプリング・オリフィス1
3′を通過したイオンはすべて質量分析計へ入射される
ことになり高感度となる。また、高圧に保った場合は、
高温度のプラズマが発生するのでイオン化の割合が大き
くなる。このため、イオン化ポテンシャルの高い元素で
特に高感度にすることができる。本実施例では、プラズ
マ発生部の圧力を変えることができるので、分析試料、
分析対象元素に最適のプラズマを形成することが可能と
なる。 第７図に本発明のさらに他の実施例の全体構成図を示
す。本実施例では、同軸導波管の外導体12の一部に開口
部を設けて、高温プラズマからの発光を横方向から観測
できるようになっている。高温プラズマ中では原子のイ
オン化が行われると同時に、励起原子、励起イオンが生
成されている。このため、各元素に特有のスペクトルを
放射しているので、これらを観測することにより元素の
定性・定量分析が可能である。プラズマからの光はレン
ズ20により分光器21の入口スリット上に結像される。分
光器21においては、複数の元素に対応する複数の特定の
スペクトル線強度が測定される。このため、本実施例で
は、質量分析計１で得られる質量スペクトルによる元素
分析と同時に発光スペクトルによる元素分析が行えるよ
うに構成されている。したがって、本実施例によれば、
次のような効果を生じる。質量スペクトルおよび発光ス
ペクトルによる元素分析のダイナミックレンジはいずれ
も４ないし５桁あるが、質量スペクトルによる元素分析
の方が１ないし３桁程度高感度である。したがって、こ
れらを同時に行える本実施例によれば、非常にダイナミ
ックレンジの広い元素分析が行えるようになる。さら
に、質量スペクトルおよび発光スペクトルとも単独で
は、分析にあたってキャリヤガスおよび他元素による干
渉が避けられないが、本実施例によれば、これらを互い
に補正しあって、より正確な元素分析が可能となる。 第８図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例では、同軸導波管部分を半同軸空胴共振器
30で構成している。半同軸空胴共振器30は、外囲器（外
導体）31と内導体32とで構成されているが、外囲器31は
円柱状部分と円錐状部分とより成っており、内導体32は
円錐状である。この円錐状の内導体32の先端部において
外囲器31とのギャップが形成されていて、この部分に強
い電界が集中するようになっている。半同軸空胴共振器
30は同軸線路33によってマイクロ波源（図示せず）に接
続されている。試料は試料導入口34より半同軸空胴共振
器30内にキャリヤガスとともに導入され、外囲器31の一
部に設けられた排出口35より流出する。円錐状の内導体
32の先端前面に強電界が存在するため、この場所で放電
破壊が起こり、高温度のプラズマが形成される。プラズ
マの一部は、内導体32の先端に設けられたサンプリング
・オリフィスから排出口35とは反対方向の前置真空室５
に吸入される。そして、さらにスキーマ・オリフィスを
経て質量分析計に導かれ、質量分離される。 以上、図面を参照しながら実施例を説明してきたが、
上記実施例の相互の組合せは自由である。例えば、第１
図の実施例において第２図で示した３スダブチューナを
用いることができる。また、上述実施例では示さなかっ
たが、サンプリング・オリフィス近傍などを水冷するこ
ともできる。また、上述実施例においては、試料の導入
方法、質量分析計や信号処理方法などについては特に説
明しなかったが、この分析計に用いられる各種の通常の
技術を用いることができる。例えば、固体試料をレーザ
光によって蒸発，気化して、キャリヤガスによってプラ
ズマ中に導入するように構成することもできる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、効率良く高温度のマイクロ波誘導プ
ラズマを生成でき、かつ効率良く質量分析計にイオンを
導入できるので、高感度なマイクロ波誘導プラズマ質量
分析計が実現できる。
量分析計に係り、特に、高感度な元素分析を可能とする
ことを図ったマイクロ波誘導プラズマ質量分析計（以下
MIP−MSと記す）に関する。 〔従来の技術〕 プラズマをイオン源とする質量分析計は、近年、高感
度な元素分析計として注目され、開発が活発に行われて
いる。用いるプラズマにより、数十MHz程度の高周波を
用いる誘導結合プラズマ質量分析計と、マイクロ波を用
いるMIP−MSとに主として分けられる。前者に関連する
公知文献として例えば特開昭62−26757,特開昭62−6404
3が挙げられる。後者については、アナリティカル・ケ
ミストリ（Analytical Chemistry），第53巻,37頁（198
1年）及びスペクトロケミカ・アクタ（Spectrochimica
Acta）第38B巻,39頁（1983年）において論じられてい
る。 従来のMIP−MSにおいて用いられているプラズマ発生
部およびイオン取り込み口を第９図に示した。第９図に
おいて、100はビーネッカー・キャビティと呼ばれるマ
イクロ波空胴共振器であり、同軸線路101より2.45GHzの
マイクロ波が導入され、内部にはTM010モードの電磁界
が発生している。空胴共振器100の中心に石英管102が設
置されている。霧化された試料は脱溶媒され、キャリヤ
ガスと共に、石英管102の中を矢印で図示したように流
れる。プラズマ103は空胴共振器100の内部で形成され、
石英管102の出口より外側まで広がっている。空胴共振
器100の外側に質量分析計104が設置され、サンプリング
・オリフィス105はプラズマ103の尾の中にある。すなわ
ち、プラズマ103の尾の部分のイオンを質量分析計104に
取り込んで分析を行ってきた。このため、空胴共振器10
0内で発生したイオンが、空胴共振器100の外側の減少し
た部分から取り込んでおり、感度が十分でなかった。ま
た入力するマイクロ波電力も高々200W程度であり、高温
度のプラズマを形成させるには不十分であった。 なお、特開昭62−208535号公報には、上記誘導結合プ
ラズマ質量分析計においてプラズマを発生するプラズマ
トーチの先端部に入り込むようにサンプリングノズルの
先端部を配置して、プラズマからイオンを質量分析計に
取り込む構成が開示されている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記誘導結合プラズマ質量分析計のプラズマ発生部に
用いる高周波電源の容量は、1KWないし2KW程度が必要で
あり非常に高価である。また、高周波電源と負荷とのイ
ンピーダンス整合が微妙で難しく、かつ、整合可能な範
囲が狭いという問題がある。これらの問題はマイクロ波
を用いると比較的容易に解決できる。例えば、マイクロ
波源として比較的安価に大量に供給されているマグネト
ロンを用いることができる。また、インピーダンス整合
は、例えば３スタブチューナを用いることにより全負荷
範囲に対して容易に整合させることができる。 しかしながら、上記論文で論じられているMIP−MSに
おいては、プラズマに効率良く十分なエネルギーを供給
することができないため、脱溶媒が必要であり、また、
他元素による干渉が大きいという問題があった。 本発明の目的は、効率良く集中的にマイクロ波エネル
ギーをプラズマに供給することができ、これにより高感
度な元素分析を可能とするMIP−MSを提供することにあ
る。 〔問題点を解決するための手段〕 この目的を達成するため、本発明のマイクロ波誘導プ
ラズマ質量分析計においては、マイクロ波による電界を
伝搬する方形導波管と、被分析試料ガスを導入するガス
導入口と、前記方形導波管の外導体の一方がその外導体
とつながる如く接続されかつ前記方形導波管の外導体の
他方がその内導体となす如く接続され、その内導体がそ
の外導体より短く、その内導体の先端に開口部を有する
同軸導波管と、前記方形導波管と前記同軸導波管との間
に設けられた外導体を共用した変換部と、前記同軸導波
管で形成されたプラズマからイオンを取り出し前記イオ
ンを分析する質量分析部とを設け、前記開口部が前記同
軸導波管と前記質量分析部との結合部分となる構成とす
る。また、前記変換部をテーパ状とし、あるいはλ/4変
成器で構成する。また、前記質量分析部に前置真空室を
設け、また、前記同軸導波管をマイクロ波による電界を
伝搬する同軸の導波管と前記被分析試料ガスを導入する
ガス導入口を有する半同軸空洞共振器とから構成する。
また、前記開口部が前記同軸導波管と前記質量分析部と
の結合部分となる構成とする。また、前記開口部を先端
部ほど断面積が小となる形状とし、前記同軸導波管の内
側に突出させる。また、前記同軸導波管の一部を円錐状
とする。 〔作用〕 マイクロ波エネルギーを比較的狭い空間に集中的に効
率良く供給することができるので、それほど大きなマイ
クロ波源を用いなくても温度の高いプラズマを生成する
ことができるようになる。さらに、質量分析計のイオン
取り込み口を、最も高い温度のプラズマのすぐ近傍に設
置するので、最も効率良くイオンを取り込むことがで
き、高感度な元素分析を行えるようになる。 〔実施例〕 本発明の一実施例を第１図により説明する。第１図
（ａ）は全体構成図、（ｂ）は要部断面図である。マグ
ネトロン11で発振された2450MHzのマイクロ波は方形導
波管10を通り、12及び13で形成される円形同軸導波管に
伝搬する。12は同軸導波管の外導体であり、13は内導体
である。内導体13は途中で切断された形となっており、
内導体13の先端部において強い電界が生じている。方形
導波管10から同軸導波管12,13への変換には、同軸導波
管の内導体13を方形導波管内部で太くしたドアノブ変換
を用いている。同軸導波管の外導体12の内径と内導体13
の外径はそれぞれ25mm,10mmであり、特性インピーダン
スは55Ωである。方形導波管の変換部10−３の断面積は
長辺109.2mm,短辺8.4mmで、同軸導波管の特性インピー
ダンスと一致させてある。一方、方形導波管10のマグネ
トロン設置部10−１の断面は長辺109.2mm,短辺54.6mmで
ある。これらの方形導波管の接続には、テーパ状部10−
２を用いてインピーダンスを徐々に変換している。この
ため、アグネトロン11から同軸導波管12,13へのマイク
ロ波の伝搬が効率よく行われる。 アルゴンボンベ２から出たアルゴンガスはネブライザ
（霧化器）３に送られる。試料４もネブライザ３に送ら
れて霧化され、アルゴンガスとともに同軸導波管12,13
の根本部分において同軸導波管の内部に吹き出す。方形
導波管と同軸導波管の内部はテフロン製のスペーサ15で
仕切られているので、霧化した試料は同軸導波管の排出
口に向って流れる。同軸導波管の内導体13の先端部前面
には強い電界が発生しているため、この場所において放
電破壊が起こり、マイクロ波のトーチ放電が生じる。こ
のようなトーチ放電については、例えばジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジクス（Journal of Applied Phy
sics），第39巻,5478頁（1968年）において論じられて
いる。同軸導波管の内導体13は円筒状になっており、先
端部において直径約1mmの開口部13′がある。開口部1
3′は質量分析計１のサンプリング・オリフィスであ
り、内部に向って差動排気されている。前置真空室５の
圧力はおよそ1Torrである。トーチ放電の高温プラズマ
中のイオンはサンプリング・オリフィス13′から排出口
とは反対方向にある前置真空室５に入り、スキーマ・コ
ーン14の先端にあるスキーマ・オリフィス14′を経て質
量分析計１に入る。イオンは質量分離された後イオン検
出器６に入りカウントされる。 本実施例によれば、同軸導波管の内導体13の前面に形
成されるトーチ放電は、比較的狭い空間に集中的にエネ
ルギーが消費されるので、全体としてのマイクロ波電力
は少なくても、非常に高温度で安定なプラズマとなる。
試料はこのような高温度のプラズマ中に入るためイオン
化の割合が大きい。また、質量分析計のサンプリング・
オリフィスのすぐ近傍で形成されるため、効率良くイオ
ンを取り込むことができる。したがって、非常に高感度
な元素分析が行える。 従来、マイクロ波放電は発光分光分析に応用されてき
たが、その場合に次のような不都合点があった。プラズ
マの温度分布が、中心軸上が最も高温となる釣り鐘形を
している。したがって、イオンや電子の密度も中心軸上
が最も高く、周辺に行くに従って低くなっている。その
ため、中心軸から周辺に向って、いわゆる、ambipolor
fieldが生じて、イオンは中心から周辺部へと拡散す
る。一般に、試料元素は、キャリア・ガスよりイオン化
されやすいので、前記のambipolor fieldの影響を選択
的に受ける結果となり、中心の最も温度の高い部分の試
料密度が低下する。このため、比較的低温部の発光を利
用する結果、感度が下ったり、共存分子の影響を受けや
すくなるなどの不都合点があった。 これに対して、本実施例によれば、サンプリング・オ
リフィス13′から0.1〜10/min程度の流量でガスが取
り込まれる結果、プラズマの周辺部から中心に向ってガ
スの流れが生じる。この流れの流速が前記ambipolor fi
eldによる拡散速度と同等か、もしくは、それより大き
くなるので、前述のような試料原子の密度が中心軸上で
低下する不都合はなくなる。したがって、H2Oなどの共
存分子の影響もなくなる。 第２図に本発明の他の実施例の要部断面図を示す。な
お、本実施例及び以下の実施例において、符号は第１図
実施例と同一部品には同一符号を用いている。本実施例
では、同軸導波管12,13部分において特性インピーダン
スが変わらないように、各断面において、外導体12の内
径と内導体13の外径との比が一定となるように構成し
て、根本部分を円錐状の同軸導波管とした。したがっ
て、マイクロ波回路としては第１図の実施例と全く同一
であり、サンプリング・オリフィス13′の前面に高温度
のプラズマが形成される。また、本実施例では、方形導
波管の部分において３スタブチューナ16を設けてある。
これによって、マイクロ波の反射をより少なくすること
が可能である。例えば、水溶液中の試料や有機溶媒中の
試料などの各種の試料を分析する時は、プラズマのイン
ピーダンスが変化するので、導波管の途中に方向性結合
器を挿入して入射波と反射波とをモニタして自動的に３
スタブチューナ16の素子の挿入長を制御して、試料によ
らず常に反射波を少なくするように構成することができ
る。また、本実施例によれば、前置真空室５の排気が容
易となり、サンプリング・オリフィス13′とスキーマ・
オリフィス14′との距離を短くすることができるので、
より多くのイオンが質量分析計に入射してより高感度の
元素分析が可能となる。 第３図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例においては、第２図で示した実施例の構成
をさらに進めて、同軸導波管の内導体13をすべて円錐状
にしたものである。これにより、サンプリング・オリフ
ィス13′とスキーマ・オリフィス14′をさらに近づける
ことが可能となる。このため、イオンの取り込みがより
容易となり、より高感度な分析が可能となる。 第４図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例においては、マイクロ波はマイクロ波源
（図示せず）から同軸線路17により方形導波管10内に導
かれる。本実施例の方形導波管10は全域にわたって同軸
導波管とインピーダンスを等しくしてあるのでテーパ状
の部分は必要ない。同軸導波管の内導体13は先端部分13
−１と根本部分13−２とで構成され、先端部分13−１は
交換可能になっている。内導体の先端にあるサンプリン
グ・オリフィス13′は、その前面に形成されるトーチ放
電が高温度のプラズマであるために、浸食されたり、ま
た高濃度の試料の場合には目詰りを起こしたりする。本
実施例では、先端部分13−１が交換可能であるため、こ
のような場合にも容易に対処することができる。また、
サンプリング・オリフィス13′が浸食される場合には、
先端部分13−１の構成元素のイオンが質量分析計に導か
れるため、先端部分13−１の構成元素の分析は誤差が大
きく難しい。本実施例によれば、先端部分13−１を分析
対象に応じて容易に交換することができる。このため、
分析対象に最適な材質、オリフィス径等にすることがで
きる。 第５図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例においては、石英管18で同軸導波管内を二
重管構造にして内側に試料を含むキャリヤガスを同軸導
波管の根本部より流し、外側にキャリヤガスと同種の補
助ガスを流す。このような構造にすることによって、試
料は内導体13の先端部に効率良く導かれて、より高感度
な分析が可能となる。また本実施例では、方形導波管10
の長辺の長さはすべて等しく、電源側の方形導波管10−
１（短辺b1）と、負荷側の方形導波管10−３（短辺b3）
のインピーダンス整合にλ/4変成器を用いている。すな
わち、マイクロ波の管内波長をλｇとすると、方形導波
管10−１と方形導波管10−３の間に、λg/4の長さにわ
たって、短辺b2が である方形導波管10−４を挿入してある。このようにλ
/4変成器を用いることによって、テーパ状の導波管を用
いる場合に比べて、より厳密にインピーダンスを整合さ
せることができ、全体の長さを短くすることができる。 第６図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例では、同軸導波管部分は外部空間（大気
圧）と気密に遮断され、その内部圧力を変えることがで
きる。40は圧力調整器である。大気圧より低圧に保つ場
合は圧力調整器40において差動排気する。また大気圧よ
り高圧に保つ場合には圧力調整器40の流路の一部を小さ
く絞って流路の抵抗を大きくする。 本実施例において、低圧に保った場合は、プラズマの
発生が容易となる。また低圧に保つ場合はスキーマを除
くことができる。この時、サンプリング・オリフィス1
3′を通過したイオンはすべて質量分析計へ入射される
ことになり高感度となる。また、高圧に保った場合は、
高温度のプラズマが発生するのでイオン化の割合が大き
くなる。このため、イオン化ポテンシャルの高い元素で
特に高感度にすることができる。本実施例では、プラズ
マ発生部の圧力を変えることができるので、分析試料、
分析対象元素に最適のプラズマを形成することが可能と
なる。 第７図に本発明のさらに他の実施例の全体構成図を示
す。本実施例では、同軸導波管の外導体12の一部に開口
部を設けて、高温プラズマからの発光を横方向から観測
できるようになっている。高温プラズマ中では原子のイ
オン化が行われると同時に、励起原子、励起イオンが生
成されている。このため、各元素に特有のスペクトルを
放射しているので、これらを観測することにより元素の
定性・定量分析が可能である。プラズマからの光はレン
ズ20により分光器21の入口スリット上に結像される。分
光器21においては、複数の元素に対応する複数の特定の
スペクトル線強度が測定される。このため、本実施例で
は、質量分析計１で得られる質量スペクトルによる元素
分析と同時に発光スペクトルによる元素分析が行えるよ
うに構成されている。したがって、本実施例によれば、
次のような効果を生じる。質量スペクトルおよび発光ス
ペクトルによる元素分析のダイナミックレンジはいずれ
も４ないし５桁あるが、質量スペクトルによる元素分析
の方が１ないし３桁程度高感度である。したがって、こ
れらを同時に行える本実施例によれば、非常にダイナミ
ックレンジの広い元素分析が行えるようになる。さら
に、質量スペクトルおよび発光スペクトルとも単独で
は、分析にあたってキャリヤガスおよび他元素による干
渉が避けられないが、本実施例によれば、これらを互い
に補正しあって、より正確な元素分析が可能となる。 第８図に本発明のさらに他の実施例の要部断面図を示
す。本実施例では、同軸導波管部分を半同軸空胴共振器
30で構成している。半同軸空胴共振器30は、外囲器（外
導体）31と内導体32とで構成されているが、外囲器31は
円柱状部分と円錐状部分とより成っており、内導体32は
円錐状である。この円錐状の内導体32の先端部において
外囲器31とのギャップが形成されていて、この部分に強
い電界が集中するようになっている。半同軸空胴共振器
30は同軸線路33によってマイクロ波源（図示せず）に接
続されている。試料は試料導入口34より半同軸空胴共振
器30内にキャリヤガスとともに導入され、外囲器31の一
部に設けられた排出口35より流出する。円錐状の内導体
32の先端前面に強電界が存在するため、この場所で放電
破壊が起こり、高温度のプラズマが形成される。プラズ
マの一部は、内導体32の先端に設けられたサンプリング
・オリフィスから排出口35とは反対方向の前置真空室５
に吸入される。そして、さらにスキーマ・オリフィスを
経て質量分析計に導かれ、質量分離される。 以上、図面を参照しながら実施例を説明してきたが、
上記実施例の相互の組合せは自由である。例えば、第１
図の実施例において第２図で示した３スダブチューナを
用いることができる。また、上述実施例では示さなかっ
たが、サンプリング・オリフィス近傍などを水冷するこ
ともできる。また、上述実施例においては、試料の導入
方法、質量分析計や信号処理方法などについては特に説
明しなかったが、この分析計に用いられる各種の通常の
技術を用いることができる。例えば、固体試料をレーザ
光によって蒸発，気化して、キャリヤガスによってプラ
ズマ中に導入するように構成することもできる。 〔発明の効果〕 本発明によれば、効率良く高温度のマイクロ波誘導プ
ラズマを生成でき、かつ効率良く質量分析計にイオンを
導入できるので、高感度なマイクロ波誘導プラズマ質量
分析計が実現できる。
【図面の簡単な説明】
第１図（ａ）は本発明の一実施例の全体構成図、（ｂ）
はその要部断面図、第２図，第３図，第４図，第５図，
第６図，第８図はそれぞれ本発明の他の実施例の要部断
面図、第７図は本発明の他の実施例の全体構成図、第９
図は従来例の要部断面図である。 符号の説明 １……質量分析計 ４……試料 ５……前置真空室 10……方形導波管 11……マグネトロン 12……同軸導波管の外導体 13……同軸導波管の内導体 13′……開口部（サンプリング・オリフィス） 14……スキーマ・コーン 14′……スキーマ・オリフィス 21……分光器 30……半同軸空胴共振器
はその要部断面図、第２図，第３図，第４図，第５図，
第６図，第８図はそれぞれ本発明の他の実施例の要部断
面図、第７図は本発明の他の実施例の全体構成図、第９
図は従来例の要部断面図である。 符号の説明 １……質量分析計 ４……試料 ５……前置真空室 10……方形導波管 11……マグネトロン 12……同軸導波管の外導体 13……同軸導波管の内導体 13′……開口部（サンプリング・オリフィス） 14……スキーマ・コーン 14′……スキーマ・オリフィス 21……分光器 30……半同軸空胴共振器
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 古賀 正太佳
茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日
立製作所那珂工場内
(56)参考文献 特開 昭62−208535（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−243953（ＪＰ，Ａ)
実開 昭54−169145（ＪＰ，Ｕ)
実開 昭61−61029（ＪＰ，Ｕ)
実開 昭54−118082（ＪＰ，Ｕ)
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．マイクロ波による電界を伝搬する方形導波管と、被
分析試料ガスを導入するガス導入口と、前記方形導波管
の外導体の一方がその外導体とつながる如く接続されか
つ前記方形導波管の外導体の他方がその内導体となす如
く接続され、その内導体がその外導体より短く、その内
導体の先端に開口部を有する同軸導波管と、前記方形導
波管と前記同軸導波管との間に設けられた外導体を共用
した変換部と、前記同軸導波管で形成されたプラズマか
らイオンを取り出し前記イオンを分析する質量分析部と
を有し、前記開口部が前記同軸導波管と前記質量分析部
との結合部分となる構成を特徴とするマイクロ波誘導プ
ラズマ質量分析計。 ２．前記変換部がテーパ状であることを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載のマイクロ波誘導プラズマ質量
分析計。 ３．前記変換部がλ/4変換器からなることを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載のマイクロ波誘導プラズマ
質量分析計。 ４．前記質量分析部は、前記開口部側に差動排気される
前置真空室を有することを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載のマイクロ波誘導プラズマ質量分析計。 ５．前記同軸導波管がマイクロ波による電界を伝搬する
同軸の導波管と前記被分析試料ガスを導入するガス導入
口を有する半同軸空洞共振器とからなることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載のマイクロ波誘導プラズ
マ質量分析計。 ６．前記開口部が先端部ほど断面積が小となる形状で前
記同軸導波管の内側に突出していることを特徴とする特
許請求の範囲第１項に記載のマイクロ波誘導プラズマ質
量分析計。 ７．前記同軸導波管の一部が円錐状であることを特徴と
する特許請求の範囲第１項に記載のマイクロ波誘導プラ
ズマ質量分析計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62252538A JP2746887B2 (ja) | 1987-10-08 | 1987-10-08 | マイクロ波誘導プラズマ質量分析計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62252538A JP2746887B2 (ja) | 1987-10-08 | 1987-10-08 | マイクロ波誘導プラズマ質量分析計 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6243844A Division JP2731512B2 (ja) | 1994-10-07 | 1994-10-07 | プラズマ質量分析計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0195459A JPH0195459A (ja) | 1989-04-13 |
| JP2746887B2 true JP2746887B2 (ja) | 1998-05-06 |
Family
ID=17238767
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62252538A Expired - Lifetime JP2746887B2 (ja) | 1987-10-08 | 1987-10-08 | マイクロ波誘導プラズマ質量分析計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2746887B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8704171B2 (en) | 2007-10-10 | 2014-04-22 | Mks Instruments, Inc. | Chemical ionization reaction or proton transfer reaction mass spectrometry |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4916023B2 (ja) * | 2007-10-26 | 2012-04-11 | ダイキョーニシカワ株式会社 | スポイラーの補強構造 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54118082U (ja) * | 1978-02-07 | 1979-08-18 | ||
| JPS54169145U (ja) * | 1978-05-19 | 1979-11-29 | ||
| JPS60243953A (ja) * | 1984-05-18 | 1985-12-03 | Hitachi Ltd | 同軸型マイクロ波イオン源 |
| JPS6161029U (ja) * | 1984-09-26 | 1986-04-24 | ||
| JPS62208535A (ja) * | 1986-03-10 | 1987-09-12 | Yokogawa Electric Corp | 高周波誘導結合プラズマ・質量分析装置 |
-
1987
- 1987-10-08 JP JP62252538A patent/JP2746887B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8704171B2 (en) | 2007-10-10 | 2014-04-22 | Mks Instruments, Inc. | Chemical ionization reaction or proton transfer reaction mass spectrometry |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0195459A (ja) | 1989-04-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5308977A (en) | Plasma mass spectrometer | |
| Okamoto | Annular-shaped microwave-induced nitrogen plasma at atmospheric pressure for emission spectrometry of solutions | |
| JP2675561B2 (ja) | プラズマ微量元素分折装置 | |
| US6586731B1 (en) | High intensity ion source apparatus for mass spectrometry | |
| US4965540A (en) | Microwave resonant cavity | |
| Jankowski et al. | Recent developments in instrumentation of microwave plasma sources for optical emission and mass spectrometry: Tutorial review | |
| US8822948B1 (en) | Method and apparatus for control of a plasma for spectrometry | |
| JP2014183049A (ja) | マイクロ波源及びプラズマトーチ並びに関連する方法 | |
| US4098554A (en) | Device for atomizing a sample for flameless atomic absorption measurements | |
| US4812040A (en) | Hollow cathode plasma plume | |
| Patel et al. | Tubular electrode torch for capacitatively coupled helium microwave plasma as a spectrochemical excitation source | |
| AU2016304411B2 (en) | Chambers for microwave plasma generation | |
| US11602040B2 (en) | Waveguide injecting unit | |
| Barnes et al. | Low-power inductively coupled nitrogen plasma discharge for spectrochemical analysis | |
| JP2731512B2 (ja) | プラズマ質量分析計 | |
| JP2746887B2 (ja) | マイクロ波誘導プラズマ質量分析計 | |
| JPH05256837A (ja) | 質量分析計 | |
| Okamoto | High-power microwave-induced helium plasma at atmospheric pressure for determination of halogens in aqueous solution | |
| JP2000164169A (ja) | 質量分析計 | |
| US4925306A (en) | Ion bombardment furnace for atomic spectroscopy | |
| US20220232691A1 (en) | Inductively coupled plasma torches and methods and systems including same | |
| Duan et al. | Comparative studies of surfatron and microwave plasma torch sources for determination of mercury by atomic emission spectrometry | |
| US5069546A (en) | Atmospheric pressure capacitively coupled plasma spectral lamp | |
| Borer et al. | Inductively coupled plasma–microwave induced plasma tandem source for atomic emission spectrometry | |
| JPH10142155A (ja) | Ｉｃｐ質量分析装置 |