JP3377699B2 - レーザを用いた微量成分計測手法及びその装置 - Google Patents

レーザを用いた微量成分計測手法及びその装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザを用いた微
量成分計測手法及びその装置に関する。詳しくは、気
体、液体、固体物質中に含まれるNa,Cl,Mg等の微
量成分の計測に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の微量成分計測装置を図2に示す。
同図に示すように、測定場の固体サンプルをサンプラー
01にてサンプルし、サンプル試料を分析装置02(X
線分析器、化学分析器等)で成分を分析していた。
【0003】レーザを用いた微量成分検出法としては、
下記に示す方法が提案されている。 (1)レーザ光を気体、液体、固体物質に集光し、物質
中の成分をプラズマ化させ、そのプラズマ発光を検出し
て、微量成分濃度を測定する方法(以下この方法をレー
ザを用いた従来法1と呼ぶ。)。
【0004】(2)検出すべき成分の電子エネルギー差
に対応した波長を持つレーザ光を入射し、励起された測
定対象成分が発する蛍光強度を検出して、微量成分濃度
を測定する方法(以下この方法をレーザを用いた従来法
2と呼ぶ)。
【0005】(3)第一のレーザ光を気体、液体、固体
物質に集光し、物質中の測定対象成分を原子化(プラズ
マ化を含む)させ、一定時間後に検出すべき成分の電子
エネルギー差に対応した波長を持つ第二のレーザ光を入
射し、励起された測定対象成分が発する蛍光強度を検出
して、微量成分濃度を測定する方法(以下この方法をレ
ーザを用いた従来法3と呼ぶ)。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図2における従来法で
は、以下の行程が必要となる。 1)測定場からサンプル試料を採取する。 2)サンプル試料を成分分析器まで輸送する。 3)成分分析器02にてサンプル試料を分析する。
【0007】そのため、測定場から試料を採取し、分析
結果が得られるまで、かなりの時間(10〜120分)
を必要とする。またサンプリング配管において、検出成
分が混入や、サンプリング配管にサンプリング物質が滞
留し検出成分の濃縮が発生する等の不具合点が存在し、
計器の管理、設置場所などが厳しく制限される不具合点
が存在していた。また、自動化する場合には、サンプル
試料の輸送装置、輸送配管、装置設置施設などが必要と
なり、装置が高価となる欠点を有していた。
【0008】更に、従来のレーザを用いる計測では、プ
ラズマ化用レーザ光のみ用いる方法や計測対象成分の電
子エネルギー差に対応した波長を持つレーザ光を入射す
る方法が存在していたが、(1)レーザを用いた従来法
1では検出限界濃度が低くできない、(2)レーザを用
いた従来法2では、成分の結合状態の影響が大きいた
め、結合状態毎にレーザ波長を変化させなくてはなら
ず、装置が複雑となるほか、計測不可能となる可能性も
発生する。
【0009】例えば、Naを検出する場合に、NaClと
NaSO4では化学結合のためにNaのエネルギー凖位が
変化し、そのため励起される波長が変化し、単一波長で
は同時に励起できなくなる。例として、Naでは励起さ
れる波長として330nm,568nm,589nm、
Clでは233nm等が存在するが、NaClでは193
nm等が励起波長となる。
【0010】また、この方法では定量計測が困難とな
る。一般に、レーザ励起された成分が発する蛍光強度I
とその成分濃度nには以下の関係が存在する。 I=K・n/Q …(1) ここで、Kは比例定数、Qはクエンチング速度である。
Qは測定場の成分組成並びに温度の関数として以下の式
で表される。
【0011】
【数1】
【0012】ここで、Xiはi成分の濃度、σi(T) はi
成分の衝突断面積であり、測定場の温度の関数となる。
式(1)及び(2)より測定対象成分が発する蛍光強度
Iからその成分濃度nを求めるためには、測定対象場の
成分組成並びに温度の情報が必要となるが、その情報を
知ることは難しく、測定対象成分の定量化が困難とな
る。レーザを用いた従来法3では、(2)の方法で述べ
たようにクエンチング速度の問題が発生し、定量計測を
行うことが困難となる等の欠点が存在していた。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明で用いた手段の概
略図を図4に示す。先ず、図4(a)に示すように、第
一のパルスレーザ光を気体、液体、固体物質のいずれか
に集光し、物質中の成分をプラズマ化させ、プラズマ内
の物質を原子化させる。
【0014】次に、図4(b)に示すように、プラズマ
を生成させてから一定時間後に、検出すべき成分の電子
エネルギー差に対応した波長を持つ第二のレーザ光を、
レーザで誘起されたプラズマ中に入射して検出すべき成
分をレーザ励起する。
【0015】第一のレーザ光照射により発生するプラズ
マ光を検出し、プラズマ部に存在する成分組成及びプラ
ズマ温度を同定すると共に、第二のレーザ光照射により
励起された測定対象成分が発する蛍光強度を光検出器を
用いて検出する。測定対象成分が発する蛍光強度を、プ
ラズマ部に存在する成分組成及びプラズマ温度で補正す
ることにより、気体、液体、固体物質中に存在する微量
成分の濃度を測定する。
【0016】〔作用〕従来法では、試料の採取、分析装
置への輸送などが、微量成分のリアルタイム計測の大き
な支障となっていたが、本発明により、計測場でのin−
situ計測が可能となるほか、サンプル試料の輸送などが
必要なくなるため、装置のコスト低減が可能となる。
【0017】また、本発明では、サンプリング配管を使
用しないため、サンプリング配管における検出成分の混
入や、サンプリング配管にサンプリング物質が滞留する
ことによる検出成分の濃縮等がなく、従来法の不具合点
を除去することが可能となる。
【0018】また、従来のレーザを用いる計測で問題と
なっている、(1)レーザを用いた従来法1では検出限
界濃度が低くできない、(2)レーザを用いた従来法2
では化学結合が変化すると、励起される波長変化し、単
一波長では同時に励起できなくなる、また定量化が困難
である、(3)レーザを用いた従来法3では定量化が困
難であるに対し、本発明では、まずプラズマ用レーザで
局所的な場所の温度を10,000〜20,000℃に上昇させるた
め、ほとんど全ての化学種が原子状態となり、結合状態
による励起波長の変化はなくなる。
【0019】プラズマ化された測定分子に対する電子エ
ネルギー差に対応した波長を持つレーザ光を入射するた
め、プラズマ用レーザを用いる場合に比べ、検出感度を
大幅に向上(3桁から5桁程度)可能となる。また、プ
ラズマ発光を計測することにより、測定場(プラズマ
場)の成分組成並びにプラズマ温度を求めることができ
るため、式(2)を用いてクエンチング速度を計算で
き、式(1)より計測成分の定量化が可能となる。
【0020】図5にプラズマ発光例を示す。各成分から
の発光強度の比から成分組成(濃度)が算出される。ま
た、発光が複数の波長に現れる成分に対し(図中Nの発
光)、同一成分に起因する異なった波長の発光強度の比
は温度の依存性を有しているものがあり(図中発光1と
発光2の強度比)、その比からプラズマの温度が算出で
きる。
【0021】
【実施例】本発明の第1の実施例における装置を図1に
示す。同図に示すように、プラズマ用パルスレーザ1を
レンズ2を用いてパージ光学窓を通して測定場に集光
し、測定場に存在する気体、液体、固体物質をプラズマ
化させる。プラズマ用パルスレーザ1とは、測定場にレ
ーザで誘起されたプラズマを生成させるためのレーザで
ある。
【0022】プラズマ用パルスレーザと同期させて、成
分励起用パルスレーザ3の出力をミラー4、ビームコン
バイナー5及びレンズ2を介してレーザ誘起されたプラ
ズマ中に入射する。成分励起用パルスレーザ3とは、物
質中の測定成分の励起波長に対応する波長を発振するレ
ーザである。
【0023】プラズマ発光並びに成分励起用パルスレー
ザ光により励起された計測成分が発する蛍光は、ミラー
6を介してレンズ7で集光される。それぞれの光はビー
ムスプリッター8で2方向に分割される。プラズマ光は
分光器9に入射され、CCDカメラ10にて検出され
る。計測成分が発する蛍光は光検出器11で検出され
る。
【0024】それぞれの信号はコンピュータ12に転送
され、プラズマ発光の信号より、測定場(プラズマ場)
の成分組成並びにプラズマ温度を求め、その情報より蛍
光強度の補正を行い測定場に存在する微量成分の濃度を
算出する。プラズマ用パルスレーザ1及び成分励起用パ
ルスレーザ3の発振とCCDカメラ10、光検出器11
とは、同期ライン13にて同期させられている。
【0025】プラズマ用レーザと成分励起用レーザの波
長の例を下記に示す。例えば、プラズマ用レーザ波長例
としては、1064nm(YAGレーザの基本波)、5
32nm(YAGレーザの第2高調波)、355nm
(YAGレーザの第3高調波)のいずれか、成分励起用
レーザ波長例としては、Naについて330nm,56
8nm,589nmのいずれか、Clについては233
nmが挙げられる。尚、測定対象により、プラズマ用パ
ルスレーザ及び成分励起用パルスレーザの波長を変化さ
せることにより、広範囲な対象及び成分の計測が可能と
なる。
【0026】本発明の第2の実施例における装置を図3
に示す。本実施例では、プラズマ発光と計測成分が発す
る蛍光を同一のCCDカメラ10で検出する点に特徴が
ある。 その他の構成は、前述した第1の実施例と同じ
構成であり、同様な効果を奏する。
【0027】
【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明によれば、気体、液体、固体物質中に
含まれるNa,Cl,Mg等の微量成分のin−situ計測が
可能となり、計測の自動化、高精度化により、各種プラ
ントの安全運転、余寿命予測などが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例に係わる実施例の微量成分
計測装置の構成図である。
【図2】従来法を用いた微量成分計測装置の構成図であ
る。
【図3】プラズマ発光及び測定成分の蛍光に対し1つの
検出装置を用いた本発明の第2の実施例の構成図であ
る。
【図4】プラズマ発光スペクトル並びに発光強度比の温
度依存性を示すグラフである。
【図5】本発明の計測原理略図である。
【符号の説明】
1 プラズマ用パルスレーザ 2 レンズ 3 成分励起用パルスレーザ 4 ミラー 5 ビームコンバイナー 6 ミラー 7 レンズ 8 ビームスプリッター 9 分光器 10 CCDカメラ 11 光検出器 12 コンピュータ 13 同期ライン 01 サンプラー 02 分析装置(X線分析器、化学分析器等)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−321340(JP,A) 特開 平3−245043(JP,A) 特開 平2−242140(JP,A) 特開 平3−90841(JP,A) 特開 平4−52551(JP,A) 特表 平6−504849(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/62 - 21/74 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 気体、液体、固体物質中に含まれる微量
    成分を検出するに際して、第一のレーザ光を気体、液
    体、固体物質に集光し、物質中の成分をプラズマ化さ
    せ、プラズマを生成させてから一定時間後に誘起された
    プラズマ中に、検出すべき成分の電子エネルギー差に対
    応した波長を持つ第二のレーザ光を入射し、プラズマ中
    に存在する検出すべき成分をレーザ励起し、第一のレー
    ザ光照射により発生するプラズマ光を検出し、プラズマ
    部に存在する成分組成及びプラズマ温度を同定すると共
    に、第二のレーザ光照射により励起された測定対象成分
    が発する蛍光強度を光検出器を用いて検出し、測定対象
    成分が発する蛍光強度をプラズマ部に存在する成分組成
    及びプラズマ温度で補正することにより、気体、液体、
    固体物質中に存在する微量成分の濃度を測定することを
    特徴とするレーザを用いた微量成分計測手法。
  2. 【請求項2】 気体、液体、固体物質中に含まれる微量
    成分を検出する計測装置であって、気体、液体、固体物
    質中の成分をプラズマ化させる第一のレーザ光を出力す
    るプラズマ用レーザ光源及び該レーザ光を前記物質に集
    光する光学系と、検出すべき成分の電子エネルギー差に
    対応した波長を持ちプラズマ中に存在する検出すべき成
    分をレーザ励起する第二のレーザ光をプラズマ生成から
    一定時間後に出力する成分励起用レーザ光源及び該レー
    ザ光を誘起されたプラズマ中に入射させる光学系と、第
    一のレーザ光照射により発生するプラズマ光を検出し、
    プラズマ部に存在する成分組成及びプラズマ温度を同定
    する手段と、第二のレーザ光照射により励起された測定
    対象成分が発する蛍光強度を光検出器を用いて検出し、
    測定対象成分が発する蛍光強度をプラズマ部に存在する
    成分組成及びプラズマ温度で補正する手段とを有し、気
    体、液体、固体物質中に存在する微量成分の濃度を測定
    することを特徴とするレーザを用いた微量成分計測装
    置。
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