JP3215309U - プラズマ発生装置及び発光分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの遮蔽性を高く保ちながら、作業性を向上できるプラズマ発生装置及び発光分析装置を提供する。【解決手段】プラズマ発生装置は、プラズマトーチ１と、誘導コイル１４と、トーチホルダ５１と、シールドケース１０とを備える。シールドケース１０内において、トーチホルダ５１は、プラズマトーチ１を保持している。シールドケース１０とトーチホルダ５１とは、一体的に構成されている。メンテナンスの際には、プラズマユニット３０自体を交換することで、プラズマトーチ１等の部品を交換できる。その結果、作業性を向上できる。また、シールドケース１０に開口部を形成する必要がないため、ノイズの遮蔽性を高く保つことができる。【選択図】 図３

Description

本考案は、プラズマを発生させるためのプラズマ発生装置、及び、当該プラズマ発生装置を備える発光分析装置に関するものである。

従来より、例えば、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ：Inductively Coupled Plasma）発光分析装置やなどの分析装置には、誘導コイルに高周波電力を供給することにより、プラズマトーチにプラズマを生成するような構成が採用されている。ＩＣＰ発光分析装置において、測定対象となる試料は、霧化されてキャリアガスとともにプラズマへと噴出され、その結果、試料中の成分が励起発光する。このとき発生する光を回折格子で分光し、光検出器で検出することにより、試料中の成分に固有の発光スペクトルを得ることができる。

このようなプラズマ発生装置では、誘導コイルに高周波電力が供給されるため、誘導コイルから周囲に向けてノイズが放射される。このノイズは、装置における誤動作等の原因となるばかりでなく、周囲に配置された他の電子機器の誤動作等の原因にもなり得る。そこで、従来より、プラズマ発生装置では、ノイズが周囲に漏洩しないように、ノイズ源を専用の筐体で覆ってシールドを施している（例えば、下記特許文献１参照）。

また、プラズマ発生装置では、プラズマトーチの交換等のメンテナンス作業を定期的に実施する必要がある。一方、プラズマトーチ等の光源部は、上記したように、筐体で覆われている。そのため、ユーザは、筐体の内部に対して作業等を行うこととなる。

実用新案登録第３１１８４３４号公報

上記したようなメンテナンス作業は、筐体内の部品に対する作業となるため、作業をするためのスペースが十分でなく、作業性が低いという不具合が生じる。そして、プラズマトーチの取付ミスや、プラズマトーチを落下させて破損が生じる可能性も高くなってしまう。

また、ＩＣＰ質量分析装置において、放射線を多く含む試料を用いる場合もある。この場合には、装置全体をコンクリートで形成された大型のセルで囲うとともに、安全性の観点からマスタースレーブマニピュレータ（ＭＳＭ）などのロボットアームを用いてメンテナンス作業を行う。この際には、ロボットアームで作業ができるように、プラズマトーチを覆う筐体に大きな開口部を形成する必要がある。しかし、このように、筐体に大きな開口部を形成すると、筐体におけるノイズの遮蔽性能が低下するという不具合が生じる。また、ロボットアーム（ＭＳＭ）での操作となるため、さらに、作業性が低下し、プラズマトーチ等の部品が破損する可能性も高くなる。

本考案は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ノイズの遮蔽性を高く保ちながら、作業性を向上できるプラズマ発生装置及び発光分析装置を提供することを目的とする。

（１）本考案に係るプラズマ発生装置は、誘導コイルと、プラズマトーチと、トーチホルダと、シールドケースとを備える。前記誘導コイルは、電磁界を形成する。前記プラズマトーチは、前記誘導コイルの内側に設けられた筒状の部材により構成され、前記誘導コイルにより形成される電磁界の作用により内部にプラズマが形成される。前記トーチホルダは、前記プラズマトーチを保持する。前記シールドケースは、前記トーチホルダと一体的に構成され、前記プラズマトーチの周囲を覆う。

このような構成によれば、プラズマトーチは、トーチホルダにより保持されており、トーチホルダは、シールドケースと一体的に構成されている。

そのため、プラズマトーチ、トーチホルダ及びシールドケースを、１つのユニットとして一体的に扱い、このユニット自体を交換するようにすれば、シールドケース内に対する作業を行うことなく、プラズマトーチ等の部品を交換できる。
その結果、作業性を向上できる。

また、マスタースレーブマニピュレータ（ＭＳＭ）などのロボットアームを用いてメンテナンス作業を行う場合であっても、プラズマトーチ、トーチホルダ及びシールドケースを１つのユニットとし、このユニット自体を交換するため、シールドケースに開口部を形成する必要がない。そのため、ノイズの遮蔽性を高く保つことができる。
このように、本考案に係るプラズマ発生装置によれば、ノイズの遮蔽性を高く保ちながら、作業性を向上できる。

（２）また、前記プラズマ発生装置は、位置決め部をさらに備えてもよい。前記位置決め部は、前記トーチホルダに設けられ、前記シールドケースと一体的に前記トーチホルダを位置決めする。

このような構成によれば、プラズマトーチ、トーチホルダ及びシールドケースを１つのユニットとし、このユニットを位置決め部により正確に位置決めできる。
そのため、プラズマを正確な位置で発生させることができる。そして、プラズマから発光する光を正確な位置に照射できる。

（３）また、前記位置決め部は、前記シールドケースの外側に突出するように前記トーチホルダに設けられていてもよい。
このような構成によれば、プラズマトーチ、トーチホルダ及びシールドケースを、正確に位置決めできる。

（４）また、前記プラズマ発生装置は、冷却機構をさらに備えてもよい。前記冷却機構は、前記シールドケースと一体的に構成され、当該シールドケースを冷却する。

このような構成によれば、プラズマトーチで発生したプラズマでシールドケースが高温になった場合に、冷却機構によって、シールドケースを冷却できる。
そのため、シールドケースを安定した状態に保つことができ、熱によるシールドケースの変形等を抑制できる。

（５）また、本考案に係る発光分析装置は、前記プラズマ発生装置を備える。前記発光分析装置では、前記プラズマ発生装置におけるプラズマから発光する光を検出して分析を行う。

本考案によれば、プラズマトーチは、トーチホルダにより保持されており、トーチホルダは、シールドケースと一体的に構成されている。そのため、プラズマトーチ、トーチホルダ及びシールドケースを、１つのユニットとして一体的に扱い、このユニット自体を交換するようにすれば、シールドケース内に対する作業を行うことなく、プラズマトーチ等の部品を交換できる。その結果、ユーザの作業性を向上できる。また、シールドケースに開口部を形成する必要がないため、ノイズの遮蔽性を高く保つことができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置を備えた発光分析装置を概略的に示した図である。 図１の発光分析装置の具体的な構成例を示した図である。 図１のプラズマユニットを一側面から見た状態の断面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

１．発光分析装置の概念的構成
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置を備えた発光分析装置を概略的に示した図である。図１では、発光分析装置の全体的な構成を概念的に示している。

この発光分析装置は、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ：Inductively Coupled Plasma）発光分析装置であり、プラズマトーチ１、高周波電力供給部２、プラズマガス供給部３、補助ガス供給部４、キャリアガス供給部５、霧化装置６、測光部７などを備えている。

プラズマトーチ１には、試料供給管１１、補助ガス供給管１２及びプラズマガス供給管１３が備えられている。これらの供給管１１，１２，１３は同心円上に設けられており、試料供給管１１の外側が間隔を隔てて補助ガス供給管１２により覆われるとともに、補助ガス供給管１２の外側が間隔を隔ててプラズマガス供給管１３により覆われている。プラズマガス供給管１３の先端部は、巻回された誘導コイル１４内に挿入されている。誘導コイル１４には、高周波電力供給部２から高周波電力が供給され、これにより、誘導コイル１４の内側に高周波電磁界が形成される。

補助ガス供給管１２とプラズマガス供給管１３との間の筒状の空間は、プラズマガス流路１５を構成している。プラズマガス流路１５内には、例えば、アルゴンガスからなるプラズマガスが導入される。プラズマガスは、プラズマガス供給部３からプラズマガス流路１５内に供給され、プラズマトーチ１の先端側に向かってプラズマガス流路１５内を螺旋状に移動する。そして、プラズマトーチ１の先端部において、誘導コイル１４が形成する高周波電磁界によってプラズマガスが電離され、プラズマ１８が生成される。このとき生成されるプラズマ１８は、筒状（ドーナツ状）となる。

試料供給管１１と補助ガス供給管１２との間の筒状の空間は、補助ガス流路１６を構成している。補助ガス流路１６内には、例えば、アルゴンガスからなる補助ガスが導入される。補助ガスは、補助ガス供給部４から補助ガス流路１６内に供給され、プラズマトーチ１の先端側に向かって補助ガス流路１６内を移動する。そして、プラズマトーチ１の先端部において、補助ガスがプラズマ１８へと噴出される。この補助ガスの流量を調整することにより、プラズマ１８の位置を制御することができる。

試料供給管１１の内部空間は、試料流路１７を構成している。測定対象となる試料Ｓは、霧化装置６により霧化されて霧化試料となった後、試料流路１７内に導入される。霧化装置６には、ネプライザ６１及びスプレーチャンバ６２が備えられている。ネプライザ６１には、例えば、アルゴンガスからなるキャリアガスがキャリアガス供給部５から供給される。液体の試料Ｓは、ネプライザ６１により霧化され、キャリアガスとともにスプレーチャンバ６２を介して試料流路１７内に導入される。そして、霧化された試料Ｓは、プラズマトーチ１の先端側に向かって試料流路１７内を移動し、筒状のプラズマ１８の内側に噴出される。

霧化された試料Ｓは筒状のプラズマ１８の内側を真っ直ぐ通過し、その過程で試料中の成分がプラズマ１８に接触することにより、励起発光することとなる。測光部７は、プラズマ１８において試料中の成分が励起発光した光を測定するためのものであり、集光レンズ７１、回折格子７２及び複数の光検出器７３などを備えている。励起発光により生じた光は、プラズマ１８からプラズマトーチ１の中心軸に沿って集光レンズ７１に入射し、回折格子７２の格子面に集光される。そして、回折格子７２の格子面で分光された各波長の光が複数の光検出器７３により検出され、その検出信号から得られる発光スペクトルに基づいて試料Ｓの分析を行うことができる。

２．発光分析装置の具体的構成
図２は、発光分析装置の具体的な構成例を示した図である。
発光分析装置は、上記した構成に加えて、セル８と、アーム９とを備えている。

セル８は、コンクリートからなり、大型の箱状に形成されている。この例では、発光分析装置で用いる試料Ｓは、放射線を多く含んでいる。試料Ｓは、セル８内に配置される霧化装置６で貯留されている。これにより、試料Ｓからの放射線がセル８によって遮蔽されている。セル８の壁面の一部には、開口８１が形成されている。

アーム９は、セル８の内面に取り付けられている。アーム９は、マスタースレーブマニピュレータ（ＭＳＭ）などのロボットアームであって、遠隔操作により動作する。

プラズマトーチ１は、シールドケース１０内に収容された状態で、セル８内に配置されている。詳しくは後述するが、プラズマトーチ１及びシールドケース１０は、プラズマユニット３０として、ユニット化されており一体的に構成されている。

試料Ｓの分析の際にプラズマトーチ１から照射された光は、シールドケース１０の窓１０１を通過し、コネクタ４１及び光ファイバ４２を介して、セル８の外部に設けられた測光部７に入射する。そして、上記したように、測光部７において、各波長の光が検出される。

この発光分析装置では、プラズマユニット３０は、アーム９の動作により一定位置に配置される。また、プラズマトーチ１の交換等、メンテナンスが必要となる場合には、プラズマユニット３０は、アーム９の動作により一定位置から開口８１を介して外部に出される。そして、セル８の外部において、古いプラズマユニット３０が回収され、新しいプラズマユニット３０が準備される。アーム９は、新しいプラズマユニット３０を開口８１を介してセル８内に取り入れて、そのプラズマユニット３０を一定位置に配置する。
このようにして、発光分析装置では、アーム９の動作により、プラズマユニット３０の交換が行われる。

３．プラズマユニットの詳細構成
図３は、プラズマユニット３０を一側面から見た状態の断面図である。図４は、図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

プラズマユニット３０は、上記したプラズマトーチ１、シールドケース１０及び誘導コイル１４に加えて、トーチホルダ５１、保持部５２及び冷却機構５３などを備えている。
プラズマトーチ１及び誘導コイル１４は、シールドケース１０内に収容されている。上記したように、プラズマトーチ１の先端部（一端部）は、巻回された誘導コイル１４内に挿入されている。プラズマトーチ１の他端部は、シールドケース１０の外方に配置されている。

シールドケース１０は、例えば、金属材料からなり、小型の箱状に形成されている。誘導コイル１４及びプラズマトーチ１の先端部（一端部）は、高周波ノイズを発生するノイズ源となる。これらの部材が、シールドケース１０内に収容されることで、ノイズが遮蔽される（シールドが施される）。

トーチホルダ５１は、プラズマトーチ１を保持するための部材であって、シールドケース１０内に配置されている。トーチホルダ５１は、基台部５１１と、１対の突出部５１２とを備えている。

基台部５１１は、平板状に形成されており、シールドケース１０内における下方に配置されており、シールドケース１０の下壁とわずかに間隔を隔てて配置されている。基台部５１１は、例えば、固定具（図示せず）によりシールドケース１０内で固定されている。すなわち、基台部５１１は、固定具で固定されることで、シールドケース１０と一体的な部材として構成されている。また、図示しないが、基台部５１１には、基台部５１１に向かって押圧される押圧部が取付られており、この押圧部と基台部５１１とでプラズマトーチ１の中央部を挟み込むことで、シールドケース１０内においてプラズマトーチ１を保持している。なお、基台部５１１は、シールドケース１０と一体的に形成されていてもよい。

図３に示すように、各突出部５１２は、基台部５１１の側端部から水平方向に突出している。各突出部５１２は、シールドケース１０の外方に配置されている。すなわち、トーチホルダ５１は、シールドケース１０の側壁を貫通しており、基台部５１１がシールドケース１０の内方に配置され、各突出部５１２がシールドケースの外方に配置されている（各突出部５１２は、シールドケース１０の外側に突出している）。各保持部５１２の先端部には、先端に向かって先細るテーパー面５１２Ａが形成されており、各保持部５１２の中央部には、Ｖ字状の溝５１２Ｂが形成されている。なお、図示しないが、一方の突出部５１２の突出方向の寸法は、他方の突出部５１２の突出方向の寸法よりも大きい。突出部５１２が位置決め部の一例である。

図４に示すように、保持部５２は、絶縁体であって、トーチホルダ５１の基台部５１１から上方に向かって突出している。保持部５２の先端部は、誘導コイル１４と接続されている。すなわち、保持部５２は、誘導コイル１４を保持している。誘導コイル１４の端部は、シールドケース１０の外方まで延びている。

図３及び図４に示すように、冷却機構５３は、シールドケース１０を冷却するための機構であって、シールドケース１０の上方に配置されている。冷却機構５３は、冷却ボックス５３１と、流入管５３２と、流出管５３３とを備えている。

冷却ボックス５３１は、シールドケース１０の上面に設けられており、シールドケース１０と一体的に構成されている。図示しないが冷却ボックス５３１内には、冷却水が通過する流路が形成されている。

流入管５３２及び流出管５３３のそれぞれは、冷却ボックス５３１に接続されている。流入管５３２及び流出管５３３のそれぞれは、冷却ボックス５３１内の流路と連通している。

４．セル内へのプラズマユニットの取付
プラズマユニット３０をセル８内（図２参照）の一定位置に取り付ける際には、まず、セル８の外部において、トーチホルダ５１にプラズマトーチ１が固定（保持）されて、プラズマユニット３０が構成される。そして、そのプラズマユニット３０がアーム９によって、セル８内に取り入れられる。

また、セル８内には、図３に示す取付部材９０が設けられている。取付部材９０は、上下方向に延びており、セル８内において固定されている。取付部材９０には、１対の凹部９１が形成されている。各凹部９１は、取付部材９１の側面から水平方向に窪んでいる。なお、図３では１つの凹部９１のみを示している。また、図示しないが、凹部９１には、上下方向に延びるプランジャが設けられている。このプランジャは、上下方向に移動可能に構成されており、例えば、ばねによって、凹部９１の内方側（中央側）に向かって付勢されている。

プラズマユニット３０は、アーム９の動作により、各突出部５１２が各凹部９１に挿入されるように、取付部材９０に近づけられて一定位置に配置される。

具体的には、まず、プラズマユニット３０における一方の突出部５１２（突出方向の寸法が大きい突出部５１２）の先端部が、取付部材９０における一方の凹部９１に挿入される。これにより、プラズマユニット３０のおよその位置決めが行われる。
その後、プラズマユニット３０における突出部５１２（突出方向の寸法が大きい突出部５１２）の先端部が、取付部材９０における他方の凹部９１に挿入される。

次いで、破線で示すように、各突出部５１２が各凹部９１内にさらに挿入されるように、プラズマユニット３０が取付部材９０側に移動される。

すると、各凹部９１内のプランジャ（図示せず）が各突出部５１２のテーパー面５１２Ａに当接する。さらにプラズマユニット３０が取付部材９０側に移動されると、各凹部９１内のプランジャがテーパー面５１２Ａによって押圧されて、各凹部９１から退避する。

そして、さらにプラズマユニット３０が取付部材９０側に移動されると、各凹部９１内のプランジャが各突出部５１２の溝５１２Ｂに入り込むように各凹部９１の中央側に向かって進出する。
これにより、突出部５１２が取付部材９０に固定されて、プラズマユニット３０の取付（位置決め）が完了する。

また、プラズマユニット３０が一定位置に取り付けられた状態で、プラズマユニット３０の冷却機構５３に冷却水を導入することが可能となる。図示しないが、誘導コイル１４内には、誘導コイル１４を冷却するための冷却水が導入されており、冷却機構５３には、この冷却水が導入される。
具体的には、冷却水は、流入管５３２から流入し、冷却ボックス５３１内を通過した後、流出管５３３から流出する。

これにより、シールドケース１０を冷却することができ、シールドケース１０が長期間にわてって高温状態になることを抑制できる。特に、シールドケース１０が小型化されているため、冷却機構５３によりシールドケース１０を冷却することが効果的である。

５．作用効果
（１）本実施形態によれば、プラズマ発生装置は、プラズマトーチ１と、誘導コイル１４と、トーチホルダ５１と、シールドケース１０とを備える。図３に示すように、プラズマトーチ１、誘導コイル１４及びトーチホルダ５１は、シールドケース１０内に収容されている。シールドケース１０内において、トーチホルダ５１は、プラズマトーチ１を保持している。シールドケース１０とトーチホルダ５１とは、一体的に構成されている。

すなわち、プラズマ発生装置において、プラズマトーチ１、誘導コイル１４、トーチホルダ５１及びシールドケース１０は、プラズマユニット３０として一体的に構成されている。
そのため、メンテナンスの際には、プラズマユニット３０自体を交換することで、プラズマトーチ１等の部品を交換できる。
その結果、作業性を向上できる。

また、アーム９の操作によりプラズマユニット３０を交換するが、プラズマユニット３０自体を交換するため、シールドケース１０に開口部を形成する必要がない。そのため、ノイズの遮蔽性を高く保つことができる。
このように、本実施形態によれば、ノイズの遮蔽性を高く保ちながら、作業性を向上できる。

（２）また、本実施形態によれば、プラズマ発生装置において、トーチホルダ５１は、突出部５１２を備えている。プラズマユニット３０をセル８内に取り付ける際には、図３に示すように、突出部５１２により、シールドケース１０及びトーチホルダ５１が一体的に位置決めされる。

そのため、プラズマユニット３０を正確に位置決めできる。
その結果、プラズマ発生装置において、プラズマを正確な位置で発生させることができる。そして、プラズマから発光する光を正確な位置に照射できる。

（３）また、本実施形態によれば、プラズマ発生装置において、トーチホルダ５１の突出部５１２は、図３に示すように、シールドケース１０の外側に突出している。
そのため、プラズマユニット３０を正確に位置決めできる。

（４）また、本実施形態によれば、プラズマ発生装置は、冷却機構５３を備えている。図３に示すように、冷却機構５３は、シールドケース１０と一体的に構成されており、冷却水が流入されることで、シールドケース１０を冷却する。

そのため、プラズマトーチ１で発生したプラズマでシールドケース１０が温度が高くなった場合に、冷却機構５３によって、シールドケース１０を冷却できる。
その結果、シールドケース１０を安定した状態に保つことができ、熱によるシールドケース１０
の変形等を抑制できる。

６．変形例
以上の実施形態では、トーチホルダ５１に突出部５１２が設けられており、プラズマユニット３０が取り付けられる際には、突出部５１２が取付部材９０の凹部９１に挿入されるとして説明した。しかし、取付部材９０に突出部が設けられ、トーチホルダ５１に凹部が設けられ、プラズマユニット３０が取り付けられる際に、これらが係合する構成であってもよい。

１ プラズマトーチ
１０ シールドケース
１４ 誘導コイル
１８ プラズマ
５１ トーチホルダ
５３ 冷却機構
５１２ 突出部

Claims (5)

1. 電磁界を形成する誘導コイルと、
   前記誘導コイルの内側に設けられた筒状の部材により構成され、前記誘導コイルにより形成される電磁界の作用により内部にプラズマが形成されるプラズマトーチと、
   前記プラズマトーチを保持するトーチホルダと、
   前記トーチホルダと一体的に構成され、前記プラズマトーチの周囲を覆うシールドケースとを備えることを特徴とするプラズマ発生装置。
2. 前記トーチホルダに設けられ、前記シールドケースと一体的に前記トーチホルダを位置決めするための位置決め部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ発生装置。
3. 前記位置決め部は、前記シールドケースの外側に突出するように前記トーチホルダに設けられていることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ発生装置。
4. 前記シールドケースと一体的に構成され、当該シールドケースを冷却するための冷却機構をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマ発生装置を備え、
   前記プラズマ発生装置におけるプラズマから発光する光を検出して分析を行うことを特徴とする発光分析装置。

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