JP3664976B2

JP3664976B2 - Chemical substance detection device

Info

Publication number: JP3664976B2
Application number: JP2000385983A
Authority: JP
Inventors: 実団野; 英男山越; 薫典鶴我; 志頭真栗林; 一朗山下
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-12-19
Filing date: 2000-12-19
Publication date: 2005-06-29
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: JP2002181789A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、化学物質検出装置に係り、特に、特定の化学物質を高精度に検出することができる化学物質検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
クロロベンゼン類、ダイオキシン類のような微量で有害な化学物質が、燃焼炉、金属精錬炉から排出される排ガス中に含まれて排出されている。このような、微量有害物質の検出および濃度測定を的確に行うことが、特に強く求められている。
【０００３】
上述のような化学物質の検出、濃度測定のための装置として、ガスクロマトグラフ法、質量分析法のような慣用技術によるものが知られており、そのうち、質量分析法は、ガスクロマトグラフ法に比べて、その計測時間が短い点で優れている。
【０００４】
質量分析法は、ＲＦ放電（高周波放電）によるプラズマ、電子銃による電子ビームなどを用いてサンプルガスをイオン化し、そのイオンを一瞬に加速して質量分離を行い、その質量数に対応する飛行時間を計測することにより、その物質を同定する方法である。
【０００５】
上述のような飛行時間型質量分析法は、サンプルガスをイオン化するプロセスで、検出対象物質以外の物質がイオン化したり、検出対象物質、検出対象でない物質の質量がより小さい分子、原子に分解され、分解されて生成するフラグメントが複雑になって、特定物質の同定が困難であり、その計測感度の低下を招いている。
【０００６】
このため、サンプルガス中の計測対象物質以外の物質のイオン化を防止する技術が開発されている。また、計測対象物質の光吸収波長に合わせたレーザ光を照射し、その物質を選択的に多光子イオン化する共鳴多光子イオン化法が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、計測感度を高めることができる共鳴多光子イオン化法は、クロロベンゼン類、ダイオキシン類のうちで、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼンのような塩素が多く含まれる物質ほど、イオン化の効率が低下し、その計測感度が低下するので、イオン化効率の低下を補うために、超短パルスレーザが必要になる。このため、従来装置では、上述のような特定物質の計測のために、高価な装置となってしまう。
【０００８】
そこで、この出願人は、特定物質のイオン化効率を高め、光子エネルギーより高いイオン化エネルギーを持つ他物質のイオン化の阻止、及び特定物質のフラグメント生成を抑制することで計測感度を向上することと、装置の低コスト化、簡素化を図れる化学物質検出装置（特願２０００−１７８９８５号）を先に出願した。
【０００９】
先願の化学物質検出装置は、サンプルガスを真空紫外光によりイオン化するイオン化手段と、前記真空紫外光によりイオン化されたイオンのうち、特定質量のイオンを蓄積するイオントラップと、前記イオントラップ中に蓄積された前記イオンを加速させ、その加速されたイオンの飛行時間に基づいて前記サンプルガス中の前記特定質量の化学物質を同定する飛行時間型質量分析手段と、を備える。
【００１０】
この発明は、先願の化学物質検出装置の改良にかかり、特定の化学物質を高精度に検出することができる化学物質検出装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明は、以下の構成を特徴とする。すなわち、イオン化手段のイオン化室に飛行時間型質量分析手段の飛行室が連通しており、この飛行室のうち前記イオン化室と反対側にはイオン検出器が配置されており、前記飛行室内には前記イオン化室と連通する第１空間と前記イオン検出器を含む第２空間とに仕切る仕切り壁が配置されており、この仕切り壁にはイオンが通過する孔が設けられており、前記第１空間には相互に連通する前記第１空間および前記イオン化室中の圧力を高真空に保持するポンプが接続されており、前記第２空間には前記第２空間内の圧力を前記第１空間内の圧力よりも低くする差動排気用ポンプが接続されており、前記イオン化室中には前記イオントラップが配置されており、前記イオントラップには、前記サンプルガスを前記イオントラップ中に直接導入するサンプルガス導入管が接続されている。
【００１２】
この結果、この発明は、ポンプの作動により相互に連通する第１空間およびイオン化室中の圧力を高真空に保持することができ、また、差動排気用ポンプの作動により第２空間内の圧力を第１空間内の圧力よりも低くすることができる。しかも、サンプルガス導入管によりサンプルガスをイオントラップ中に直接導入して充満させることができる。これにより、この発明は、第２空間内におけるイオン検出器のノイズを低減することができる。このために、この発明は、飛行時間型質量分析手段の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる化学物質検出装置の実施の形態の１例を添付図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によりこの化学物質検出装置が限定されるものではない。
【００１４】
（実施の形態の構成の説明）
図１において、１はサンプルガスを真空紫外光によりイオン化するイオン化手段である。このイオン化手段１は、主に、イオン化室２と、サンプルガス導入管３と、イオン加速電極４と、真空紫外光発生手段としてのランプ５とから構成されている。前記イオン加速電極４は、後記イオントラップ９と後記飛行時間型質量分析手段１９との間に配置されている。
【００１５】
前記ランプ５は、供給されたランプガス６（たとえば、Ｈ₂／Ｈｅなど）をμ波で放電させて、Ｈ₂の固有の発光線エネルギー１０．２ｅＶを持つ真空紫外光７を発生させるものである。このランプ５は、放電するランプガス６の種類を変えることにより、発生する真空紫外光７の持つ光子エネルギー量を変化させて、イオン化する物質を選定することができる。また、このランプ５中は、たとえば、約１０Ｔｏｒｒ以下に減圧されている。
【００１６】
前記ランプ５は、ＭｇＦ₂窓８を介して前記イオン化室２に配置されている。前記真空紫外光７は、前記ＭｇＦ₂窓８を経て前記イオン化室２中に照射される。前記ＭｇＦ₂窓８は、真空紫外光７の透過性が良い。
【００１７】
図１において、９は前記真空紫外光７によりイオン化されたイオンのうち、特定質量のイオンを蓄積するイオントラップである。このイオントラップ９は、前記イオン化室２中に配置されている。また、このイオントラップ９は、図２に示すように、２個のエンドキャップ電極１０、１１と、１個のリング電極１２とから構成されている。
【００１８】
前記エンドキャップ電極１０、１１および前記リング電極１２は、その内面が凸曲面をなす。前記リング電極１２のほぼ中央には、前記真空紫外光７が照射されるための小さな孔、すなわち照射孔１３が設けられている。また、前記２個のエンドキャップ電極の一方１１のほぼ中央には、蓄積されたイオンを外に引き出すための小さな孔、すなわち引き出し孔１４が設けられている。
【００１９】
前記照射孔１３と、前記引き出し孔１４とは、ほぼ直交する方向にそれぞれ設けられている。すなわち、前記イオントラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域に真空紫外光７が照射されない位置に、前記ランプ５が配置されることとなる。また、前記真空紫外光７の照射方向と後記イオン１８の加速方向とが合致しない方向に、前記ランプ５が配置されることとなる。
【００２０】
前記エンドキャップ電極１０、１１の端部とリング電極１２の端部との間には、絶縁物１５（たとえば、セラミック製の絶縁物）が固定されている。そして、これらエンドキャップ電極１０、１１およびリング電極１２および絶縁物１５は、ホルダ１６により、保持されている。
【００２１】
前記イオントラップ９のリング電極１２には、前記サンプルガス導入管３の先端が接続されている。これにより、サンプルガス導入管３を介してサンプルガス（図示せず）を前記イオントラップ９中、すなわち、前記エンドキャップ電極１０、１１および前記リング電極１２で形成される空間２４中に直接導入して充満させることができる。前記空間２４中に充満しているサンプルガスは、前記真空紫外光７によりイオン化される。
【００２２】
前記エンドキャップ電極１０、１１および前記リング電極１２には、図１に示すように、高周波電圧を印加するための高周波電源１７が接続されている。この高周波電源１７から印加される高周波電圧の周波数と電圧とを調整することにより、特定の質量のイオン１８を前記空間２４中において選別蓄積することができる。すなわち、周波数と電圧とが調整された高周波電界により、特定の質量のイオン１８がそのイオン軌道上を対流して保持蓄積されるものである。その他のイオンは、電極１０、１１、１２に当って消失する。
【００２３】
前記イオントラップ９中のイオンの蓄積時間は、蓄積する化学物質により変わるが、約１〜２秒間である。その蓄積時間が終了した時点で、イオン加速電極４に電圧を印加して電界を加える。すると、イオントラップ９中に蓄積されたイオン１８が引き出し孔１４から外に引き出されて加速されることとなる。
【００２４】
図１において、１９は前記加速されたイオン１８の飛行時間に基づいてサンプルガス中の特定質量の化学物質を同定する飛行時間型質量分析手段（いわゆる、ＴＯＦＭＳ）である。この飛行時間型質量分析手段１９の飛行室２０が前記イオン化室２と連通して配置されている。
【００２５】
前記飛行室２０のうち、前記イオン化室２と反対側であって、前記イオン１８が到達する箇所には、イオン検出器２２が設置されている。このイオン検出器２２は、たとえば、マイクロチャンネルプレート（いわゆる、ＭＣＰ）や電子増倍管などから構成されているものである。このイオン検出器２２は、イオン１８を検出する雰囲気の圧力が低ければ低いほど、ノイズが低下する傾向にある装置である。
【００２６】
前記イオン検出器２２は、図３に示すように、前記イオン１８を検出した時点で信号を出力するものである。なお、前記イオン検出器２２の信号出力のレベルは、前記イオン１８の量によって変わる。
【００２７】
前記イオン検出器２２には、オシロスコープ２３が接続されている。このオシロスコープ２３は、図３に示すように、前記イオン検出器２２でイオン１８を検出した時点で出力する信号の時間波形を表示するものである。
【００２８】
前記飛行室２０内には、仕切り壁２５が配置されている。これにより、前記飛行室２０内は、前記イオン化室２と連通する第１空間２６と、前記イオン検出器２２を含む第２空間２７とに仕切られる。前記仕切り壁２５には、イオン１８が通過する孔２９が設けられている。
【００２９】
前記第１空間２６には、ポンプ２１が接続されている。このポンプ２１の作動により、相互に連通する前記第１空間２６および前記イオン化室２中の圧力が高真空、たとえば、約１０^-5Ｔｏｒｒ以下に保持されている。この高真空は、前記イオン化室２および前記飛行室２０中を飛行するイオン１８が他の分子と衝突して消失しない程度のものである。
【００３０】
前記第２空間２７には、差動排気用ポンプ２８が接続されている。この差動排気用ポンプ２８は、前記第２空間２７内の圧力を前記第１空間２６内の圧力よりも低くするものである。
【００３１】
（実施の形態の作用の説明）
この実施の形態における化学物質検出装置は、以上の如き構成からなり、以下、その作用について説明する。なお、この例における検出対象の化学物質は、たとえば、ダイオキシン類やその前駆体である。
【００３２】
まず、サンプルガスをサンプルガス導入管３を介してイオントラップ９の空間２４中に直接導入して充満させる。
【００３３】
一方、ランプ５を作動させて真空紫外光７を、ＭｇＦ₂窓８と、イオン化室２中のイオントラップ９の照射孔１３を経て、イオントラップ９中に照射させる。すると、サンプルガスは、真空紫外光７により、イオン化される。このとき、前記真空紫外光７の前記イオントラップ９中への照射体積は、前記照射孔１３の開口の大きさに伴なって増大する。また、前記真空紫外光７は、イオントラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域には照射されない。
【００３４】
前記真空紫外光７の照射において、サンプルガス中の検出対象の化学物質のイオン化エネルギーに対して、それよりも高い光子エネルギーを持つ真空紫外光７を照射する。この結果、検出対象の化学物質は、１光子エネルギーにより、イオン化されるので、イオン化効率が良い。
【００３５】
イオン化されたイオンのうち、特定質量のイオン１８は、イオントラップ９中の空間２４において１〜２秒間蓄積される。これにより、イオン１８の密度が高くなる。
【００３６】
イオン１８がイオントラップ９において蓄積された後、イオン加速電極４に電圧を印加する。すると、イオントラップ９中のイオン１８パケット（集団）が引き出し孔１４から引き出されて加速される。このとき、前記イオン１８パケットの引き出し加速方向と、前記真空紫外光７の照射方向とは、ほぼ直交する。
【００３７】
加速されたイオン１８パケットは、イオン化室２および飛行室２０の第１空間２６、仕切り壁２５のイオン通過孔２９、第２空間２７中を飛行してイオン検出器２２に到達する。そのイオン１８パケットの飛行時間に基づいてサンプルガス中の特定質量の化学物質が同定される。
【００３８】
たとえば、図３に示すように、飛行時間（μｓ）がＴ１の場合、質量Ｍ１（たとえば、１１２）の化学物質Ｘ１（たとえば、モノクロロベンゼン）が同定される。また、飛行時間（μｓ）がＴ２の場合、質量Ｍ２（たとえば、１４６）の化学物質Ｘ２（たとえば、ジクロロベンゼン）が同定される。ここで、図３において、時間０は、イオン加速電極４に電圧を印加した時点をいう。
【００３９】
しかも、図３に示すように、イオン検出器２２からの信号出力のレベルから検出対象の化学物質の濃度が判明する。たとえば、濃度特性から、基準の信号出力レベル（図３中の最小の三角形のレベル）の濃度を１ｐｐｍとする。この場合において、飛行時間Ｔ１における信号出力レベルＳ１が基準の信号出力レベルの２倍となっているので、質量Ｍ１の化学物質Ｘ１の濃度は、２ｐｐｍとなる。また、飛行時間Ｔ２における信号出力レベルＳ２が基準の信号出力レベルの３倍となっているので、質量Ｍ２の化学物質Ｘ２の濃度は、３ｐｐｍとなる。
【００４０】
（実施の形態の効果の説明）
このように、この実施の形態における化学物質検出装置は、飛行時間型質量分析手段１９の飛行室２０内において、ポンプ２１の差動により相互に連通する第１空間２６およびイオン化室２中の圧力を高真空、たとえば、約１０ ^-5 Ｔｏｒｒ以下に保持することができ、また、差動排気用ポンプ２８の差動排気により、第２空間２７内の圧力を第１空間２６内の圧力よりも低くすることができる。
【００４１】
この結果、この実施の形態における化学物質検出装置は、第２空間２７内におけるイオン検出器２２のノイズを低減することができる。このために、この実施の形態における化学物質検出装置は、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００４２】
特に、この実施の形態においては、サンプルガスは、真空紫外光７の１光子エネルギーにより、イオン化されるので、イオン化効率が良い。
【００４３】
また、この実施の形態においては、真空紫外光７の発生手段としてランプ５を使用したので、コスト上非常に優れている。しかも、ランプ５は、パルスレーザと比較して、光子密度が小さいが、連続発光であるから、光子量はトータル的にほぼ同等となる。その上、イオントラップ９でイオンを蓄積するので、光子密度の小ささは、特に問題とはならない。
【００４４】
さらに、この実施の形態においては、飛行時間型質量分析手段１９として、イオン１８が直進するリニア型方式のものを使用する。このために、イオンが電極により反射するリフレクトロン型方式の飛行時間型質量分析手段と比較して、イオンが電極に衝突して消失する量が少ない。この結果、この実施の形態においては、イオン検出器２２におけるイオン１８の検出が正確となる。
【００４５】
さらにまた、この実施の形態における化学物質検出装置は、イオン１８の引き出し加速方向と真空紫外光７の照射方向とが直交するものであるから、真空紫外光７がイオントラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域に照射されない。このために、イオン加速域に存在するサンプルガスが真空紫外光７によりイオン化してノイズとなるのを抑制することができる。その結果、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００４６】
なお、この実施の形態においては、検出対象の化学物質としては、ダイオキシン類やその前駆体であるが、この発明は、その他の化学物質の検出にも適用できる。
【００４７】
また、この実施の形態においては、サンプルガス導入管３をイオントラップ９に接続して、サンプルガスをイオントラップ９中の空間２４に直接導入して充満させるものである。これにより、イオン化域であるイオントラップ９中のガス圧、すなわち、サンプルガス密度を高めることができるので、イオントラップ９中で真空紫外光７によりイオン化されるイオンの生成量が大量となる。また、イオン化手段１のイオン化室２および飛行時間型質量分析手段１９の飛行室２０中のガス圧を所定の圧力（約１０^-5Ｔｏｒｒ）以下に保持することができる。この結果、さらに、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００４８】
さらに、この実施の形態においては、真空紫外光７の照射方向とイオン１８の引き出し方向とが直交するものであるが、この発明の化学物質装置においては、真空紫外光７の照射方向とイオン１８の引き出し方向とが同一方向であっても良い。
【００４９】
【発明の効果】
以上から明らかなように、この発明にかかる化学物質検出装置は、ポンプの作動により相互に連通する第１空間およびイオン化室中の圧力を高真空に保持することができ、また、差動排気用ポンプの作動により第２空間内の圧力を第１空間内の圧力よりも低くすることができる。しかも、サンプルガス導入管によりサンプルガスをイオントラップ中に直接導入して充満させることができる。これにより、この発明にかかる化学物質検出装置は、第２空間内におけるイオン検出器のノイズを低減することができる。このために、この発明にかかる化学物質検出装置は、飛行時間型質量分析手段の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の化学物質検出装置の実施の形態を示す説明図である。
【図２】同じく、イオントラップを示す縦断面図である。
【図３】同じく、オシロスコープにおいて表示されるイオン検出器からの信号出力とイオンの飛行時間とを示したグラフである。
【符号の説明】
１イオン化手段
２イオン化室
３サンプルガス導入管
４イオン加速電極
５ランプ（真空紫外光発生手段）
６ランプガス
７真空紫外光
８ＭｇＦ₂窓
９イオントラップ
１０、１１エンドキャップ電極
１２リング電極
１３照射孔
１４引き出し孔
１５絶縁物
１６ホルダ
１７高周波電源
１８イオン
１９飛行時間型質量分析手段
２０飛行室
２１ポンプ
２２イオン検出器
２３オシロスコープ
２４空間
２５仕切り壁
２６第１空間
２７第２空間
２８差動排気用ポンプ
２９イオン通過孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a chemical substance detection apparatus, and more particularly to a chemical substance detection apparatus that can detect a specific chemical substance with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
Trace amounts of harmful chemical substances such as chlorobenzenes and dioxins are contained in exhaust gas discharged from combustion furnaces and metal smelting furnaces. There is a strong demand for accurate detection and concentration measurement of such a trace amount of harmful substances.
[0003]
As a device for the detection and concentration measurement of chemical substances as described above, those based on conventional techniques such as gas chromatography and mass spectrometry are known. Among them, mass spectrometry is compared with gas chromatography. , It is excellent in that the measurement time is short.
[0004]
In mass spectrometry, sample gas is ionized using plasma by RF discharge (high frequency discharge), electron beam from an electron gun, etc., and the ions are accelerated instantaneously to perform mass separation, and the time of flight corresponding to the mass number. It is a method of identifying the substance by measuring.
[0005]
Time-of-flight mass spectrometry as described above is a process of ionizing a sample gas. Substances other than the detection target substance are ionized, or the detection target substance and the non-detection target substance are decomposed into smaller molecules and atoms. Fragments generated by decomposition are complicated, making it difficult to identify a specific substance, resulting in a decrease in measurement sensitivity.
[0006]
For this reason, a technique for preventing ionization of substances other than the measurement target substance in the sample gas has been developed. In addition, a resonance multiphoton ionization method is known in which a laser beam in accordance with the light absorption wavelength of a measurement target substance is irradiated and the substance is selectively multiphoton ionized.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the resonance multiphoton ionization method, which can improve the measurement sensitivity, reduces the ionization efficiency of substances containing more chlorine, such as dichlorobenzene and trichlorobenzene, among chlorobenzenes and dioxins. Since sensitivity decreases, an ultrashort pulse laser is required to compensate for the decrease in ionization efficiency. For this reason, in a conventional apparatus, it will become an expensive apparatus for the measurement of the above specific substances.
[0008]
Therefore, the applicant improves the measurement sensitivity by increasing the ionization efficiency of the specific substance, preventing the ionization of other substances having an ionization energy higher than the photon energy, and suppressing fragment generation of the specific substance, The chemical substance detection device (Japanese Patent Application No. 2000-178985) that can achieve cost reduction and simplification is first filed.
[0009]
The chemical substance detection apparatus of the prior application includes an ionization means for ionizing a sample gas with vacuum ultraviolet light, an ion trap for storing ions of a specific mass among the ions ionized by the vacuum ultraviolet light, and the ion trap. Time-of-flight mass spectrometry means for accelerating the accumulated ions and identifying the chemical substance of the specific mass in the sample gas based on the time of flight of the accelerated ions.
[0010]
An object of the present invention is to provide a chemical substance detection apparatus capable of detecting a specific chemical substance with high accuracy in accordance with the improvement of the chemical substance detection apparatus of the prior application.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is characterized by the following configurations. That is, the flight chamber of the time-of-flight mass spectrometry means communicates with the ionization chamber of the ionization means, and an ion detector is disposed on the opposite side of the flight chamber from the ionization chamber. A partition wall is disposed to partition a first space communicating with the ionization chamber and a second space including the ion detector, and a hole through which ions pass is provided in the partition wall, and the first space Is connected to a pump that keeps the pressure in the first space and the ionization chamber communicating with each other in a high vacuum, and the pressure in the second space is applied to the second space. is connected to differential evacuation pump to be lower than the pressure, during the ionization chamber is disposed said ion trap, said ion trap, directly guiding the sample gas into the ion trap Sample gas inlet tube is connected.
[0012]
As a result, according to the present invention, the pressure in the first space and the ionization chamber communicated with each other by the operation of the pump can be maintained at a high vacuum, and the pressure in the second space can be maintained by the operation of the differential exhaust pump. Can be made lower than the pressure in the first space. Moreover, the sample gas can be filled directly by introducing the sample gas into the ion trap through the sample gas introduction pipe. Thereby, this invention can reduce the noise of the ion detector in 2nd space. For this reason, according to the present invention, the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometer is improved, and a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of a chemical substance detection apparatus according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, this chemical substance detection apparatus is not limited by this embodiment.
[0014]
(Description of configuration of embodiment)
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes ionization means for ionizing a sample gas with vacuum ultraviolet light. This ionization means 1 mainly comprises an ionization chamber 2, a sample gas introduction tube 3, an ion acceleration electrode 4, and a lamp 5 as vacuum ultraviolet light generation means . Before SL ion acceleration electrode 4 is disposed between the later ion trap 9 and later time-of-flight mass spectrometry unit 19.
[0015]
The lamp 5 discharges the supplied lamp gas 6 (for example, H ₂ / He) with μ waves to generate vacuum ultraviolet light 7 having an emission line energy of 10.2 eV of H _2. is there. The lamp 5 can select the substance to be ionized by changing the type of the lamp gas 6 to be discharged, thereby changing the photon energy amount of the generated vacuum ultraviolet light 7. The lamp 5 is decompressed to about 10 Torr or less, for example.
[0016]
The lamp 5 is disposed in the ionization chamber 2 through an MgF ₂ window 8. The vacuum ultraviolet light 7 is irradiated into the ionization chamber 2 through the MgF ₂ window 8. The MgF ₂ window 8 has good transparency for the vacuum ultraviolet light 7.
[0017]
In FIG. 1, reference numeral 9 denotes an ion trap that accumulates ions having a specific mass among the ions ionized by the vacuum ultraviolet light 7. The ion trap 9 is disposed in the ionization chamber 2. Further, as shown in FIG. 2, the ion trap 9 includes two end cap electrodes 10 and 11 and one ring electrode 12.
[0018]
The end cap electrodes 10 and 11 and the ring electrode 12 have convex inner surfaces. Near the center of the ring electrode 12, a small hole for irradiation with the vacuum ultraviolet light 7, that is, an irradiation hole 13 is provided. In addition, a small hole, that is, an extraction hole 14 for extracting accumulated ions to the outside is provided in the approximate center of one of the two end cap electrodes 11.
[0019]
The irradiation hole 13 and the extraction hole 14 are provided in directions substantially orthogonal to each other. That is, the lamp 5 is disposed at a position where the vacuum ultraviolet light 7 is not irradiated on the ion acceleration region between the ion trap 9 and the ion acceleration electrode 4. Further, the lamp 5 is arranged in a direction in which the irradiation direction of the vacuum ultraviolet light 7 and the acceleration direction of ions 18 described later do not match.
[0020]
An insulator 15 (for example, ceramic insulator) is fixed between the end portions of the end cap electrodes 10 and 11 and the end portion of the ring electrode 12. The end cap electrodes 10 and 11, the ring electrode 12, and the insulator 15 are held by a holder 16.
[0021]
The tip of the sample gas introduction tube 3 is connected to the ring electrode 12 of the ion trap 9. Thereby, a sample gas (not shown) is directly introduced into the ion trap 9, that is, the space 24 formed by the end cap electrodes 10, 11 and the ring electrode 12 through the sample gas introduction pipe 3. Can be charged. The sample gas filled in the space 24 is ionized by the vacuum ultraviolet light 7.
[0022]
As shown in FIG. 1, a high frequency power source 17 for applying a high frequency voltage is connected to the end cap electrodes 10 and 11 and the ring electrode 12. By adjusting the frequency and voltage of the high-frequency voltage applied from the high-frequency power source 17, ions 18 having a specific mass can be selectively accumulated in the space 24. That is, ions 18 of a specific mass are held and accumulated by convection on the ion trajectory by a high-frequency electric field whose frequency and voltage are adjusted. Other ions disappear upon hitting the electrodes 10, 11, 12.
[0023]
The accumulation time of ions in the ion trap 9 varies depending on the accumulated chemical substance, but is about 1 to 2 seconds. When the accumulation time ends, a voltage is applied to the ion acceleration electrode 4 to apply an electric field. Then, the ions 18 accumulated in the ion trap 9 are extracted from the extraction hole 14 and accelerated.
[0024]
In FIG. 1, reference numeral 19 denotes a time-of-flight mass analysis means (so-called TOFMS) for identifying a chemical substance having a specific mass in a sample gas based on the time of flight of the accelerated ions 18. The flight chamber 20 of the time-of-flight mass analyzing means 19 is arranged in communication with the ionization chamber 2.
[0025]
An ion detector 22 is installed in the flight chamber 20 on the side opposite to the ionization chamber 2 and where the ions 18 reach. The ion detector 22 is composed of, for example, a microchannel plate (so-called MCP) or an electron multiplier. The ion detector 22 is a device in which noise tends to decrease as the pressure of the atmosphere in which the ions 18 are detected is lower.
[0026]
As shown in FIG. 3, the ion detector 22 outputs a signal when the ion 18 is detected. Note that the level of the signal output of the ion detector 22 varies depending on the amount of the ions 18.
[0027]
An oscilloscope 23 is connected to the ion detector 22. As shown in FIG. 3, the oscilloscope 23 displays a time waveform of a signal output when the ion detector 22 detects the ions 18.
[0028]
A partition wall 25 is disposed in the flight chamber 20. As a result, the flight chamber 20 is partitioned into a first space 26 that communicates with the ionization chamber 2 and a second space 27 that includes the ion detector 22. The partition wall 25 is provided with a hole 29 through which the ions 18 pass.
[0029]
A pump 21 is connected to the first space 26. By the operation of the pump 21, the pressure in the first space 26 and the ionization chamber 2 communicating with each other is maintained at a high vacuum, for example, about 10 ⁻⁵ Torr or less. This high vacuum is such that the ions 18 flying in the ionization chamber 2 and the flight chamber 20 do not collide with other molecules and disappear.
[0030]
A differential exhaust pump 28 is connected to the second space 27. The differential exhaust pump 28 makes the pressure in the second space 27 lower than the pressure in the first space 26.
[0031]
(Description of the operation of the embodiment)
The chemical substance detection apparatus according to this embodiment has the above-described configuration, and the operation thereof will be described below. Note that the chemical substances to be detected in this example are dioxins and precursors thereof, for example.
[0032]
First, the sample gas is directly introduced into the space 24 of the ion trap 9 through the sample gas introduction pipe 3 to be filled.
[0033]
On the other hand, the lamp 5 is operated to irradiate the vacuum ultraviolet light 7 into the ion trap 9 through the MgF ₂ window 8 and the irradiation hole 13 of the ion trap 9 in the ionization chamber 2. Then, the sample gas is ionized by the vacuum ultraviolet light 7. At this time, the irradiation volume of the vacuum ultraviolet light 7 into the ion trap 9 increases with the size of the irradiation hole 13. Further, the vacuum ultraviolet light 7 is not applied to the ion acceleration region between the ion trap 9 and the ion acceleration electrode 4.
[0034]
In the irradiation of the vacuum ultraviolet light 7, the vacuum ultraviolet light 7 having higher photon energy than the ionization energy of the chemical substance to be detected in the sample gas is irradiated. As a result, since the chemical substance to be detected is ionized by one-photon energy, ionization efficiency is good.
[0035]
Among the ionized ions, the ions 18 having a specific mass are accumulated in the space 24 in the ion trap 9 for 1 to 2 seconds. Thereby, the density of the ions 18 is increased.
[0036]
After the ions 18 are accumulated in the ion trap 9, a voltage is applied to the ion acceleration electrode 4. Then, ions 18 packets (group) in the ion trap 9 are extracted from the extraction hole 14 and accelerated. At this time, the extraction acceleration direction of the ions 18 packets and the irradiation direction of the vacuum ultraviolet light 7 are substantially orthogonal to each other.
[0037]
The accelerated ions 18 packets fly through the first space 26 of the ionization chamber 2 and the flight chamber 20, the ion passage holes 29 of the partition wall 25, and the second space 27, and reach the ion detector 22. A specific mass of chemical in the sample gas is identified based on the flight time of the 18 packets of ions.
[0038]
For example, as shown in FIG. 3, when the time of flight (μs) is T1, a chemical substance X1 (eg, monochlorobenzene) having a mass M1 (eg, 112) is identified. When the time of flight (μs) is T2, a chemical substance X2 (for example, dichlorobenzene) having a mass M2 (for example, 146) is identified. Here, in FIG. 3, time 0 refers to the time when a voltage is applied to the ion acceleration electrode 4.
[0039]
In addition, as shown in FIG. 3, the concentration of the chemical substance to be detected is determined from the level of the signal output from the ion detector 22. For example, from the density characteristic, the density of the reference signal output level (the level of the smallest triangle in FIG. 3) is set to 1 ppm. In this case, since the signal output level S1 at the flight time T1 is twice the reference signal output level, the concentration of the chemical substance X1 having the mass M1 is 2 ppm. Further, since the signal output level S2 at the flight time T2 is three times the reference signal output level, the concentration of the chemical substance X2 having the mass M2 is 3 ppm.
[0040]
(Explanation of effect of embodiment)
As described above, the chemical substance detection apparatus according to this embodiment is configured so that the pressure in the first space 26 and the ionization chamber 2 communicated with each other by the differential of the pump 21 in the flight chamber 20 of the time-of-flight mass analysis means 19. Can be maintained at a high vacuum, for example, about 10 ⁻⁵ Torr or less, and the differential exhaust of the differential exhaust pump 28 causes the pressure in the second space 27 to be higher than the pressure in the first space 26 Can be lowered.
[0041]
As a result, the chemical substance detection apparatus in this embodiment can reduce the noise of the ion detector 22 in the second space 27. For this reason, in the chemical substance detection apparatus in this embodiment, the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometry means 19 is improved, and accordingly, a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0042]
In particular, in this embodiment, since the sample gas is ionized by the one-photon energy of the vacuum ultraviolet light 7, ionization efficiency is good.
[0043]
In this embodiment, since the lamp 5 is used as the means for generating the vacuum ultraviolet light 7, the cost is very good. Moreover, although the lamp 5 has a smaller photon density than the pulse laser, it has a continuous emission, so that the total amount of photons is almost the same. In addition, since ions are accumulated in the ion trap 9, the small photon density is not a problem.
[0044]
Furthermore, in this embodiment, a linear type system in which the ions 18 travel straight is used as the time-of-flight mass analyzing means 19. For this reason, compared with the reflectron type time-of-flight mass spectrometry means in which ions are reflected by the electrodes, the amount of ions colliding with the electrodes and disappearing is small. As a result, in this embodiment, the detection of the ions 18 in the ion detector 22 becomes accurate.
[0045]
Furthermore, in the chemical substance detection apparatus according to this embodiment, the direction in which the ions 18 are accelerated and the direction in which the vacuum ultraviolet light 7 is irradiated are orthogonal, so that the vacuum ultraviolet light 7 is converted into the ion trap 9 and the ion acceleration electrode 4. The ion acceleration region between is not irradiated. For this reason, it can suppress that the sample gas which exists in an ion acceleration area ionizes with the vacuum ultraviolet light 7, and becomes noise. As a result, the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometry means 19 is improved, and a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0046]
In this embodiment, the chemical substances to be detected are dioxins and their precursors, but the present invention can also be applied to the detection of other chemical substances.
[0047]
Further, in this embodiment , the sample gas introduction pipe 3 is connected to the ion trap 9 and the sample gas is directly introduced into the space 24 in the ion trap 9 to be filled. Thereby, since the gas pressure in the ion trap 9, which is an ionization region, that is, the sample gas density can be increased, the amount of ions ionized by the vacuum ultraviolet light 7 in the ion trap 9 becomes large. Further, the gas pressure in the ionization chamber 2 of the ionization means 1 and the flight chamber 20 of the time-of-flight mass spectrometry means 19 can be kept below a predetermined pressure (about 10 ⁻⁵ Torr). As a result, the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometry means 19 is further improved, and a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0048]
Furthermore, in this embodiment, the irradiation direction of the vacuum ultraviolet light 7 and the extraction direction of the ions 18 are orthogonal to each other. However, in the chemical substance device of the present invention, the irradiation direction of the vacuum ultraviolet light 7 and the ions 18 The direction of drawing out may be the same direction.
[0049]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, the chemical substance detection apparatus according to the present invention can maintain the pressure in the first space and the ionization chamber, which are in communication with each other by the operation of the pump, at a high vacuum, and for differential evacuation. By operating the pump, the pressure in the second space can be made lower than the pressure in the first space. Moreover, the sample gas can be filled directly by introducing the sample gas into the ion trap through the sample gas introduction pipe. Thereby, the chemical substance detection apparatus according to the present invention can reduce the noise of the ion detector in the second space. For this reason, the chemical substance detection apparatus according to the present invention improves the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometry means, and can detect a specific chemical substance with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an embodiment of a chemical substance detection apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view similarly showing an ion trap.
FIG. 3 is a graph showing a signal output from an ion detector and an ion flight time displayed on an oscilloscope, similarly;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ionization means 2 Ionization chamber 3 Sample gas introduction tube 4 Ion acceleration electrode 5 Lamp (vacuum ultraviolet light generation means)
6 Lamp gas 7 Vacuum ultraviolet light 8 MgF ₂ window 9 Ion trap 10, 11 End cap electrode 12 Ring electrode 13 Irradiation hole 14 Extraction hole 15 Insulator 16 Holder 17 High frequency power supply 18 Ion 19 Time-of-flight mass spectrometry means 20 Flight chamber 21 Pump 22 Ion detector 23 Oscilloscope 24 Space 25 Partition wall 26 First space 27 Second space 28 Differential exhaust pump 29 Ion passage hole

Claims

Ionization means for ionizing the sample gas with vacuum ultraviolet light;
Among the ions ionized by the vacuum ultraviolet light, an ion trap that accumulates ions of a specific mass;
Time-of-flight mass spectrometry means for accelerating the ions accumulated in the ion trap and identifying the specific mass chemical in the sample gas based on the time of flight of the accelerated ions;
In the chemical substance detection apparatus comprising
The ionization means has an ionization chamber,
The time-of-flight mass spectrometry means has a flight chamber in communication with the ionization chamber,
An ion detector is arranged on the opposite side of the flight chamber from the ionization chamber,
A partition wall that partitions the first space communicating with the ionization chamber and the second space including the ion detector is disposed in the flight chamber,
The partition wall is provided with a hole through which ions pass,
The first space is connected to a pump that keeps the pressure in the ionization chamber and the first space communicating with each other in a high vacuum,
The second space is connected to a differential exhaust pump that makes the pressure in the second space lower than the pressure in the first space ,
The ion trap is disposed in the ionization chamber,
A sample gas introduction pipe for directly introducing the sample gas into the ion trap is connected to the ion trap.
The chemical substance detection apparatus characterized by the above-mentioned.