JP3664977B2

JP3664977B2 - Chemical substance detection device

Info

Publication number: JP3664977B2
Application number: JP2000385984A
Authority: JP
Inventors: 実団野; 英男山越; 薫典鶴我; 志頭真栗林
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: JP2002181791A

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、請求項１にかかる発明は、イオントラップを構成する電極には、真空紫外光がイオントラップ中に照射されるための照射孔が設けられており、電極のうち照射孔と対向する箇所には、真空紫外光を入射方向と異なる方向に反射させる反射手段が設けられており、反射手段は、凸面鏡である、ことを特徴とする。
【００１２】
この結果、請求項１にかかる発明は、反射手段により、照射孔からイオントラップ中に照射された真空紫外光が入射方向と異なった方向に反射されるので、イオントラップ中を１回通過した真空紫外光を再度利用することができる。また、請求項１にかかる発明は、反射手段を凸面鏡とすることにより、真空紫外光を拡散反射光として拡散反射させることができるので、さらに、イオントラップ中のサンプルガスと真空紫外光との照射体積を増加させることができる。これにより、請求項１にかかる発明は、イオントラップ中で真空紫外光によりイオン化されるイオンの生成量が大量となるので、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〜図３は、この発明にかかる化学物質検出装置の実施の形態を示す。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。前記イオン化室２中には、サンプルガス（図示せず）が前記サンプルガス導入管３を介して導入されている。また、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孔、すなわち照射孔２６が設けられている。
【００１９】
前記リング電極１２のほぼ中央であって、前記照射孔２６と対向する内面には、反射手段としての凸面鏡２７が設けられている。この凸面鏡２７は、真空紫外光７を入射方向と異なる方向に拡散反射光２８として反射させるものである。また、この凸面鏡２７は、前記イオントラップ９と別個のものから構成されている。
【００２０】
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。前記照射孔２６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。
【００２１】
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。
【００２２】
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中には、イオン化室２中のサンプルガス（図示せず）が前記照射孔２６および引き出し孔１４を介して充満している。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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
前記飛行室２０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飛行室２０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。
【００２７】
前記飛行室２０のうち、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、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。
【００２８】
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。
【００２９】
（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。
【００３０】
まず、サンプルガスをサンプルガス導入管３を介してイオン化室２中に導入する。すると、サンプルガスは、照射孔２６および引き出し孔１４を介してイオントラップ９の空間２４中に充満する。
【００３１】
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２６とを経て、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。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
（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、凸面鏡２７により、イオントラップ９中に照射された真空紫外光７が入射方向と異なった方向に反射されるので、イオントラップ中を１回通過した真空紫外光７を再度利用することができる。これにより、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１８の生成量が大量となるので、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。
【００３９】
また、この実施の形態における化学物質検出装置は、反射手段として凸面鏡２７を使用したので、真空紫外光７を拡散反射光２８として拡散反射させることができる。この結果、イオントラップ９中のサンプルガスと真空紫外光７との照射体積を増加させることができる。これにより、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１８の生成量が大量となるので、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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
（実施の形態以外の例）
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。
【００４５】
また、この実施の形態において、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に直接導入するように構成しても良い。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。
【００４６】
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。
【００４７】
さらにまた、この実施の形態において、反射手段としては、イオントラップ９と別個の凸面鏡２７を使用したものであるが、この発明においては、イオントラップ９のリング電極１２の凸面を鏡面仕上げして、イオントラップ９と一体の凸面鏡としても良い。
【００４８】
【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（請求項１）は、反射手段により、照射孔からイオントラップ中に照射された真空紫外光が入射方向と異なった方向に反射されるので、イオントラップ中を１回通過した真空紫外光を再度利用することができる。また、この発明にかかる化学物質検出装置は、反射手段を凸面鏡とすることにより、真空紫外光を拡散反射光として拡散反射させることができるので、さらに、イオントラップ中のサンプルガスと真空紫外光との照射体積を増加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、イオントラップ中で真空紫外光によりイオン化されるイオンの生成量が大量となるので、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
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
２６照射孔
２７凸面鏡（反射手段）
２８真空紫外光の拡散反射光[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, according to a first aspect of the present invention, the electrode constituting the ion trap is provided with an irradiation hole for irradiating the vacuum ultraviolet light into the ion trap. Reflecting means for reflecting the vacuum ultraviolet light in a direction different from the incident direction is provided at a position facing the irradiation hole, and the reflecting means is a convex mirror .
[0012]
As a result, according to the first aspect of the present invention, since the vacuum ultraviolet light irradiated from the irradiation hole into the ion trap is reflected by the reflecting means in a direction different from the incident direction, the vacuum that has passed through the ion trap once. Ultraviolet light can be used again. Further, in the invention according to claim 1, since the reflecting means is a convex mirror, the vacuum ultraviolet light can be diffusely reflected as the diffuse reflected light, so that the irradiation with the sample gas in the ion trap and the vacuum ultraviolet light is further performed. The volume can be increased. As a result, the invention according to claim 1 has a large amount of ions ionized by vacuum ultraviolet light in the ion trap, so that the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometry means is improved. Chemical substances can be detected with high accuracy.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter will be described the form status of implementation of the chemical sensor device according to the present invention with reference to the accompanying drawings. In addition, this chemical substance detection apparatus is not limited by this embodiment.
[0014]
(Description of configuration in the form status of implementation)
1 to 3 show the form status of the implementation of the chemical sensor device according to the present invention. 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. A sample gas (not shown) is introduced into the ionization chamber 2 through the sample gas introduction pipe 3. The ion accelerating electrode 4 is disposed between an ion trap 9 and a time-of-flight mass analyzing means 19 which will be described later.
[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. A hole for irradiating the vacuum ultraviolet light 7, that is, an irradiation hole 26 is provided at substantially the center of the ring electrode 12.
[0019]
A convex mirror 27 as a reflecting means is provided on the inner surface of the ring electrode 12 that is substantially in the center and faces the irradiation hole 26. The convex mirror 27 reflects the vacuum ultraviolet light 7 as diffuse reflected light 28 in a direction different from the incident direction. Further, the convex mirror 27 is configured separately from the ion trap 9.
[0020]
A small hole for extracting the accumulated ions to the outside, that is, an extraction hole 14 is provided in the approximate center of one of the two end cap electrodes 11. The irradiation hole 26 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.
[0021]
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.
[0022]
In the ion trap 9, that is, in the space 24 formed by the end cap electrodes 10, 11 and the ring electrode 12, the sample gas (not shown) in the ionization chamber 2 is irradiated with the irradiation hole 26 and the extraction hole. 14 is full. The sample gas filled in the space 24 is ionized by the vacuum ultraviolet light 7.
[0023]
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.
[0024]
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.
[0025]
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.
[0026]
A pump 21 is connected to the flight chamber 20. By the operation of the pump 21, the pressure in the flight chamber 20 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.
[0027]
An ion detector 22 is installed in the flight chamber 20 where the ions 18 reach. The ion detector 22 is composed of, for example, a microchannel plate (so-called MCP) or an electron multiplier. As shown in FIG. 3, the ion detector 22 outputs a signal when the ions 18 are detected. Note that the level of the signal output of the ion detector 22 varies depending on the amount of the ions 18.
[0028]
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.
[0029]
(Description of the action of the form status of implementation)
The definitive chemical sensor according to the shape condition of the embodiment is made above such a structure, the following, and its function will be described. Note that the chemical substances to be detected in this example are dioxins and precursors thereof, for example.
[0030]
First, the sample gas is introduced into the ionization chamber 2 through the sample gas introduction pipe 3. Then, the sample gas fills the space 24 of the ion trap 9 through the irradiation hole 26 and the extraction hole 14.
[0031]
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 26 of the ion trap 9 in the ionization chamber 2. Then, the sample gas is ionized by the vacuum ultraviolet light 7 . Also, the vacuum ultraviolet light 7 is not irradiated to the ion acceleration region between the ion trap 9 and the ion acceleration electrode 4.
[0032]
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.
[0033]
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.
[0034]
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.
[0035]
The accelerated ion 18 packet flies through the ionization chamber 2 and the flight chamber 20 and reaches 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.
[0036]
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.
[0037]
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.
[0038]
(Description of the effect of the form status of implementation)
Thus, chemical detection device which definitive the form status of this embodiment, the convex mirror 27, since the vacuum ultraviolet light 7 emitted in the ion trap 9 is reflected in different directions as the incident direction, through the ion trap The vacuum ultraviolet light 7 that has passed once can be used again. As a result, the amount of ions 18 ionized by the vacuum ultraviolet light 7 in the ion trap 9 becomes large, so that the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometry means is improved, and a specific chemical substance is highly accurate. Can be detected.
[0039]
Moreover, since the chemical substance detection apparatus in this embodiment uses the convex mirror 27 as the reflecting means, the vacuum ultraviolet light 7 can be diffusely reflected as the diffuse reflection light 28. As a result, the irradiation volume of the sample gas in the ion trap 9 and the vacuum ultraviolet light 7 can be increased. As a result, the amount of ions 18 ionized by the vacuum ultraviolet light 7 in the ion trap 9 becomes large, so that the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometry means 19 is improved, and a specific chemical substance is increased accordingly. It can be detected with accuracy.
[0040]
In particular, Oite the form status of this embodiment, the sample gas is by one photon energy of the vacuum ultraviolet light 7, since it is ionized, the ionization efficiency is good.
[0041]
Further, Oite the form status of this embodiment, since the use of the lamp 5 as the generator of the vacuum ultraviolet light 7, are very good cost. 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.
[0042]
Furthermore, Oite the form status of this embodiment, as the time-of-flight mass spectrometry unit 19, to use a linear type scheme ions 18 are straight. 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.
[0043]
Furthermore, chemical detection device definitive the form status of this embodiment, since the irradiation direction of the drawer acceleration direction and vacuum ultraviolet light 7 of ions 18 is to perpendicular, vacuum ultraviolet light 7 is the ion trap 9 and the ion acceleration The ion acceleration area between the electrodes 4 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.
[0044]
(Examples of OUTLINE embodiment Tai以)
Incidentally, Oite the form status of this embodiment, as the chemical substance to be detected, is a dioxins and precursors thereof, the present invention can also be applied to detection of other chemicals.
[0045]
Further, Oite the form status of this embodiment, by connecting the sub Npurugasu introducing pipe 3 into the ion trap 9, the sample gas may be configured to introduce directly into the space 24 in the ion trap 9. 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.
[0046]
Furthermore, Oite the form status of this embodiment is one in which the pull-out direction of the irradiation direction and the ion 18 in the vacuum ultraviolet light 7 is orthogonal, in chemical apparatus of the present invention, the irradiation direction of the vacuum ultraviolet light 7 And the extraction direction of the ions 18 may be the same direction.
[0047]
Furthermore, in this embodiment, as the reflecting means, a convex mirror 27 separate from the ion trap 9 is used, but in the present invention, the convex surface of the ring electrode 12 of the ion trap 9 is mirror-finished, A convex mirror integrated with the ion trap 9 may be used.
[0048]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, in the chemical substance detection apparatus according to the present invention (claim 1), the vacuum ultraviolet light irradiated from the irradiation hole into the ion trap is reflected in a direction different from the incident direction by the reflecting means. Therefore, the vacuum ultraviolet light that has passed through the ion trap once can be reused. Moreover, since the chemical substance detection apparatus according to the present invention can diffusely reflect vacuum ultraviolet light as diffuse reflected light by using a reflecting mirror as the reflecting means, the sample gas in the ion trap and the vacuum ultraviolet light can be further reflected. The irradiation volume of can be increased. As a result, the chemical substance detection apparatus according to the present invention has a large amount of ions that are ionized by vacuum ultraviolet light in the ion trap, so that the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometry means is improved. A specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the shape condition of the embodiment of the chemical sensor according to the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view similarly showing an ion trap.
FIG. 3 is also a graph showing a signal output from an ion detector and an ion flight time displayed on an oscilloscope.
[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 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 26 Irradiation hole 27 Convex mirror (reflection means)
28 Diffuse reflected light of vacuum ultraviolet light

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 electrode constituting the ion trap is provided with an irradiation hole for irradiating the vacuum ultraviolet light into the ion trap, and a portion of the electrode facing the irradiation hole is provided with the vacuum ultraviolet light. A chemical substance detection apparatus, comprising: a reflecting means for reflecting light in a direction different from an incident direction, wherein the reflecting means is a convex mirror.