JP2804913B2 - プラズマイオン源微量元素質量分析装置 - Google Patents

プラズマイオン源微量元素質量分析装置

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JP2804913B2 JP7319981A JP31998195A JP2804913B2 JP 2804913 B2 JP2804913 B2 JP 2804913B2 JP 7319981 A JP7319981 A JP 7319981A JP 31998195 A JP31998195 A JP 31998195A JP 2804913 B2 JP2804913 B2 JP 2804913B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は材料科学などの分野にお
ける微量元素の定量法としてプラズマイオン源微量元素
質量分析装置に係り、特に、プラズマガスイオンと同重
体元素との干渉を低減し、定量性を向上させる手段に関
する。
【0002】
【従来の技術】従来の高周波プラズマを用いたプラズマ
イオン源微量元素質量分析装置は、アナリスト、108
(1983年)第159頁から第165頁(Analyst, 1
08(1983)pp.159-165) において論じられている。図2は
この従来装置の概略図を示す。ここで、10は高周波発
振器、20は負荷コイル、30は放電管、40はプラズ
マ、ガス50は補助ガス、60は試料、70はプラズ
マ、180はサンプリングコーン、190はスキマー、
200はイオン引出し電極、210は光子ストッパ、2
20はイオンレンズ系、140はスリット、160は質
量分析器(4重極型)、170はイオン検出器(チャネ
ルトロンなど)である。
【0003】一方、マイクロ波プラズマを用いた従来装
置として、スペクトロケミカ、アクタ、42B、5(1
987年)第705頁から第712頁(Spectrochimica
Acta, 42B, 5(1987) pp.705-712) に論じられており、
その概略はプラズマ生成部を除いて図2と同じある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、プラ
ズマガス、補助ガスおよび試料のキャリアガスとして、
アルゴン(Ar:原子量40)ガスが用いられている。
このため、Arに起因する分子ピークが多数形成され、
そのために、同重体元素にあたるK(原子量,39)、
Ca(40)、Fe(56)については、Arの分子ピ
ークによる干渉のため定量性が悪くなるなどの問題があ
った。この干渉を低減するために、質量分析器として高
分解能の分析器を用いることも検討されているが、干渉
が強いため精度の著しい改善はなく、高価になるなどの
問題があった。さらに、Arに代ってHeを用いること
も検討されているが、Heの消費量が多いため高価とな
り実用的ではない。
【0005】本発明も上記問題を解決することを目的と
しており、さらに、プラズマから放射される光子による
S/N(信号/雑音)比を向上させる手段を提供するこ
とを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、図1の本発明の原理図に示す如く、プラズマから引
出された高速のイオンビーム200(例えば、A+,B
+,C+などの混合から成るとする)は、低速のガス13
0(例えば、A+の原子・分子)が満たされた(10-5
〜5×102Torr ) 共鳴電荷交換反応セル120(入
口:121,出口122)で−原子・分子反応を行い、
その後、エネルギー分析器(例えば、90°型静電エネ
ルギー分析器など)150でエネギー分析され、さら
に、質量分析器で質量分析されるよう構成した。
【0007】共鳴電荷交換反応セル120は、プラズマ
から引出された高速のイオン(例えば、A+,B+,C+
などの混合ビーム)200を、低速の反応ガス130
(例えば、A)と次のように反応させる。
【0008】 A+(高速)+A(低速)→A(高速)+A+(低速) …(1) B+(高速)+A(低速)→B(高速)+A+(低速) C+(高速)+A(低速)→C(高速)+A+(低速) …(2) このとき、反応(1)の生ずる確率は、反応(2)の生
ずる確率の10〜100倍以上(AとしてアルゴンAr
のとき、高速イオンのエネルギーの減少とともに増大)
となる(イオンと原子が同種の場合起り易い。
【0009】すなわち、衝突で交換されるエネルギーが
小さい程:エネルギー共鳴に近い程起り易い)したがっ
て、高速のA+が高速のAに変換されることになり、低
速のAは低速のA+に変換される(共鳴電荷交換反
応)。
【0010】このように、電荷交換されたビームは、次
の静電エネルギー分析器150(例えば90°型、限定
するものではない)へ導入する(電位は、例えば外側電
極に+V0/2、内側電極に−V0/2を印加する)。中
性のビーム(高速の中性ビームA)は、前記エネルギー
分析器150では偏向されないので、前記エネルギー分
析器150の外側の電極に設けたアパーチャ151(図
1参照:入射ビームの方向)を直進する。一方、高速の
B+やC+などのイオンビームは、前記エネルギー分析器
150に印加した±V0/2(電極間V0)の電位により
偏向され、前記エネルギー分析器150を通過して、次
の質量分析器へ輸送される。なお、前記低速のイオンビ
ーム(A+)は、前記±V0/2の電位により大きな偏向
を受け、質量分析器に導入されることなく消滅する。
【0011】このようにして、高速のイオンビーム(A
+,B+,C+など)のうち、高速のB+やC+などが質量
分析され、高速のA+は高速のAに変換されるので質量
分析はされないことになり、上記従来技術の干渉の問題
は解決される。
【0012】すなわち、原理的には、プラズマ生成部の
ガスと反応ガスとを同種に選び、例えばAr(アルゴリ
ズム)ガスを用い、試料としてKやCaなどが混合した
とき(A+:Ar+,B+:K+,C+:Ca+,A:Arに
対応)、K+やCa+などが検出され、Ar+はArとし
て中性化され、検出されないことになり、このときの妨
害イオンであるArは除去される(干渉の低減)。な
お、前記Arガスに代ってN2やHeガスを用いてもよ
い。
【0013】また、前記共鳴電荷交換反応セル120で
はプラズマからの光子を吸収し、さらに、前記エネルギ
ー分析器150に設けたアパーチャ151は通過してき
た光子を直進させる効果もあるので、前記光子による前
記S/N比の低下を低減できる(なお、前記エネルギー
分析器の内面を導電性材料で黒色化すると反応を低減で
きるので一層効果果的になる)。
【0014】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図3により説明す
る。ここで、11はマイクロ波プラズマトーチ、21は
ヘリカルコイル、31は放電器、41は冷却ガス(空気
など)、51はプラズマガス(Ar,He,N2
ど)、60は試料(キャリアガス含む)、70はプラズ
マ、71は拡散プラズマ、80はプラズマサンプリング
電極(材質Niなど)、81は80に設けたオリフィ
ス、90はイオン引出し電極(Niなど)、91は90
に設けたオリフィス、100はイオン加速電極SUS−
34など)、101は100に設けたオリフィス、11
0はレンズ系(アインツェレンズなど)、120は共鳴
電荷交換反応セル、121と122は120に設けたオ
リフィス、140はスリット,150はエネルギー分析
器(平行平板型を含む任意の角度の静電エネルギー分析
器、通常、90°型、151は150の外導体に設けた
オリフィス(入射ビームの軸に一致)、160は質分析
器(通常、四重極型)、170はイオン検出器(チャン
ネルトロン、マルチプレート、ホトマルチプライヤな
ど)である。
【0015】各部の主な機能は図3に示した通りで、そ
の詳細は次の通りである。すなわち、プラズマ生成部
は、例えば、マイクロ波プラズマトーチ11から成り、
同軸ヘリカル21によりマイクロ波電力をプラズマ70
に吸収させる。このとき、プラズマガス51として、例
えば、Arを用いると、ドーナツ状のアルゴンプラズマ
ーが例えば、大気中で発生し、その中心にネプライザか
ら試料(例えば、K,Caなど)をキャリアガス(この
ときAr)とともに導入する。すると、これらはは電化
→原子化→電離を経て、プラズマガスともにイオン化さ
れる(Ar+,K+,Ca+などのイオンを含んだプラズ
マ70の生成)。
【0016】このプラズマ70の中心部は、プラズマサ
ンプリング電極(通常接地電位)80に設けたオリフィ
ス81(直径0.5〜2mmφ程度)から、中気圧(1
〜10-1Torr程度)領域に拡散し、拡散プラズマを形
成する。この拡散プラズマ71に後して、オリフィス9
1(直径0.3〜1.5mmφ程度)を有するイオン引出
し電極90が設けてある。その背景に(ギャップ0.3
〜1.5mm程度)オリフィス101(直径0.1〜1m
mφ程度)を有するイオン加速電極100が設けてあ
り、前記イオン引出し電極90との間にイオン引出し電
圧VEが印加されている。このとき、前記イオン引出し
電極90のオリフィス91の近傍にはイオンシースが形
成され、前記拡散プラズマからイオン(例えば、前記A
r+,K+,Ca+など)が引出され、イオンビーム20
0を形成する。
【0017】このイオンビームはイオンレンズ系110
で集束され、共鳴電荷交換反応セル120内に導入され
る。この共鳴電荷交換反応セル120の内部には反応ガ
ス130(この例の場合にはArガス)が封入されてい
て(10-5〜5×102Torr)、主に、前記共鳴電荷交
換反応が生ずる(高速Ar++低速Ar→高速Ar+低
速Ar+)、前記共鳴電荷交換反応で生じた高速のArと
低速のAr+、および電荷交換反応をほとんど起さなか
った前記K+やCa+などの高速のイオンは、スリット1
40を経て、エネルギー分析器150(内面は導電性黒
色膜を形成)に導入される。
【0018】前記エネルギー分析器150に導入された
高速のAr,K+,Ca+などと低速のAr+は、エネルギ
ー分析器150に印加した電圧V0によって中性のAr
のを除いて偏向される。高速のK+やCa+などが、この
エネルギー分析器150を通過するように前記V0を設
定すると、低速のAr+は前記エネルギー分析器150
の電極などに衝突して消滅する(妨害イオンの除去)。
【0019】図1および図3に示すような90°型静電
エネルギー分析器の場合、入射イオンのエネルギーEと
両電極(偏向板)に印加する電圧V0との間にはE=V
/2logr1/r2(r1とr2は偏向板のおのおの内径と
外径を示す)なる関係があり、r1=6.7cm,r2
7.3cmに設計するとE=6.50Vになる。
【0020】一方、中性で高速のArは、別向を受け
ず、前記エネルギー分析器150の外電極に設けたオリ
フィス151(入射ビーム方向)を直進し、検出器18
0でモニターする。
【0021】前記エネルギー分析器150を通過した高
速のK+やCa+などのイオンビームは質量分析器160
(4重極型など)に導入されて質量分析され、検出器1
70より信号を得る。これらの信号は、パソコンなどの
コンピュータでデータ処理され、必要な情報が得られる
ように構成してある。
【0022】なお、本発明では、プラズマの生成につい
ては、マイクロ波放電について述べたが、高周波放電や
コロナ放電、直流グロー放電などでもよく、特に限定す
るものではない。また、これらプラズマからのイオンの
引出し方法についても、本発明に限定するものではな
く、全てのイオン引出し方法を用いることができる。さ
らに、前記エネルギー分析器150は、本説明に用いた
90°型の静電エネルギー分析器に限定するもでなく、
平行平板型などイオンのエネルギーが分析が出来るも
の、すなわち、低速のイオンをカットするものであれば
よい。
【0023】また、本発明は、中性ビーム(前記高速の
Aビーム)発生装置として応用できることは自明であ
る。
【0024】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように、以下に
記載するような効果がある。すなわち、検出信号の妨害
となる光子や中性粒子をエネルギー分析器から除去する
ことにより、一層の高感度化(S/N比の向上)が達成
でき、本装置の性能は一段と向上した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理説明図。
【図2】従来装置の構成図。
【図3】本発明を用いた装置の一実施例を示す。
【符号の説明】
11…マイクロ波プラズマストーチ、41冷却ガス、5
1…プラズマガス、60…試料、80…プラズマサンプ
リング電極、90…イオン引出し電極、100…イオン
加速電極、120…共鳴電荷交換反応セル、130…反
応ガス、150…エネルギー分析器、160…質量分析
器、170…イオン検出器、200…イオンビーム、V
E…イオン引出し電圧。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01J 49/26 G01N 27/62 H01J 37/317 H01J 49/06 H05H 3/06

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】分析すべき試料をキャリアガスと共に導入
    して上記試料及び上記キャリアガスを含むガスのプラズ
    マを生成するプラズマ生成部と、生成された プラズマからイオンを引き出してイオンビ
    ームを生成するイオンビーム生成部と、生成された上記 イオンビームを集束するイオンビーム集
    束部と、集束された上記イオンビーム中のイオンを反応ガスと共
    鳴電荷交換反応させる電荷交換反応部と、 上記電荷交換反応部を通過したイオンビーム中のイオン
    をエネルギー分析及び質量分析する 分析部と、エネルギー分析及び質量 分析された上記イオンを検出す
    イオン検出部とを備えてなるプラズマイオン源微量元
    素質量分析装置であって、上記分析部 はエネルギー分析部と質量分析部からな
    り、上記エネルギー分析部はそこに入射してきた上記イ
    オンビーム中に混入している電荷を持たない粒子を通過
    させるための開口部を有してなることを特徴とするプラ
    ズマイオン源微量元素質量分析装置。
  2. 【請求項2】前記開口部は前記イオンビーム集束部の光
    の延長線上に設けられていることを特徴とする請求項
    1記載のプラズマイオン源微量元素質量分析装置。
  3. 【請求項3】前記エネルギー分析部の前記開口部を通過
    した前記電荷を持たない粒子を検出するための粒子検出
    手段がさらに設けられてなることを特徴とする請求項2
    記載のプラズマイオン源微量元素質量分析装置。
  4. 【請求項4】前記イオンビーム集束部はアインツェ
    ンズから成ることを特徴とする請求項1記載のプラズマ
    イオン源微量元素質量分析装置。
  5. 【請求項5】前記プラズマ生成部はマイクロ波プラズマ
    トーチから成ることを特徴とする請求項1記載のプラズ
    マイオン源微量元素質量分析装置。
  6. 【請求項6】前記キャリアガスがArガスであることを
    特徴とする請求項記載のプラズマイオン源微量元素質
    量分析装置。
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