JP4290161B2 - Ｉｃｐ−ｏｅｓ及びｉｃｐ−ｍｓ誘導電流 - Google Patents

Description

本発明は、２００２年１２月１２日に提出された米国仮特許出願第６０／４３２，９６３号及び２００３年１２月９日に提出された米国通常特許出願第１０／７３０，７７９号に係る優先権を主張するものである。

本発明は、プラズマ中の材料サンプルを分光法で分析するための方法及び装置に関するものである。

従来の誘導結合プラズマ・発光分析（ＩＣＰ−ＯＥＳ）システム及び誘導結合プラズマ・原子発光分析（ＩＣＰ−ＭＳ）システムは、典型的には、分析のための関連した磁場中にプラズマと材料サンプルを閉じ込めるために、高周波電流（RF electrical current）を受け入れるソレノイドを利用している。

しかしながら、かかる装置は、ソレノイドの螺旋構造に起因して、ソレノイドの内部にその全長にわたって不均一な磁場を生成する。これは、サンプルの励起とプラズマ中でのイオンの軌道（trajectory）に影響を与える、プラズマ中の不均一な温度分布を生じさせる結果となる。さらに、ソレノイドは単一の素子であり、関連した磁場とプラズマ／サンプルの励起とを制御する上で柔軟性に欠ける。

サンプルを分光法で分析する方法においては、プラズマが生成される。磁気双極子によって磁場が生成され、ここでプラズマは磁場内に閉じ込められる。材料サンプルの原子がプラズマ中に導入され、サンプルの励起された原子（energized atoms）が少なくとも一時的にプラズマ中に閉じ込められる。励起されたサンプル原子の質量含有率（mass content）又はスペクトル成分（spectral content）が分析される。

分光分析システムにおいては、磁気双極子は関連した磁場（associated magnetic field）を有する。プラズマは磁場内に閉じ込められ、材料サンプルの原子がプラズマ中に導入される。分光計は、質量対電荷比を得るために、又はそれらの発光スペクトル（emission spectra）を得るために、励起された原子を分析する。

図１は、誘導結合プラズマ・発光分析（ＩＣＰ−ＯＥＳ）システム１００の模式的な図である。ＩＣＰ−ＯＥＳ１００は、普通、キャリアガス１０２をトーチ１１４に導くためのシステムを含んでいる。トーチ１１４では、キャリアガス１０２はイオン化されてホットプラズマ１１６（５０００〜１００００Ｋ）を生成する。プラズマ１１６は、前加熱ゾーン１９０と、誘導ゾーン１９２と、初期放射ゾーン１９４（initial radiation zone）と、プラズマ尾部１９８（plasma tail）とを含んでいる。また、霧化されたサンプル（atomized sample）は、ポンプ１０６と、ネブライザ１０８（nebulizer）と、スプレーチャンバ１６２とを経由して、プラズマ１１６に導かれる。高周波数（ＲＦ）電源１１０は、負荷コイル１１２（load coil）により、プラズマ１１６にＲＦ電力を供給する。

プラズマ１１６においては、励起されたサンプルの原子１０４が、より低い状態に減衰する（decay）のに伴って、光１３４を放射する。光１３４は集光器１１８によって集められ、分光器１２０に導かれ、そこでスペクトルに分離される（spectrally resolved）。検出器１２２は、スペクトルに分離された光１３４を検出し、信号１３８、１４０を、マイクロプロセッサ１２２と分析用コンピュータネットワーク１２４とに送る。図１において、プラズマ１１６は、該プラズマ１１６に対して直角の方向からみたものである。しかしながら、図１によれば、プラズマ１１６はまた軸１２６に沿った方向からみてもよいということが理解されるであろう。ここで実施される誘導結合プラズマ・発光分析は、図２に示すような誘導結合プラズマ・質量分光分析（ＩＣＰ−ＭＳ）システム１００における４極の質量分析器などの質量分析計（ＭＳ）で実施されてもよいということも理解されるであろう。ＲＦ電源１１０は、普通、１０ないし１００ＭＨｚの範囲、とくに２０ないし５０ＭＨｚの範囲、例えば２７ないし４０ＭＨｚの範囲で動作する。

図３は、図１及び図２に示すプラズマ１１６をより詳細にあらわしている。トーチ１１４は、３つの同心状のチューブ１１４、１５０、１４８を含んでいる。最も内側のチューブ１４８は、霧化されたサンプルの流れ１４６をプラズマ１１６中に供給する。真ん中のチューブ１５０は、補助のガス流れ１４４をプラズマ１１６に供給する。最も外側のチューブ１１４は、プラズマ１１６を維持するためのキャリアガスの流れ１２８を供給する。キャリアガスの流れ１２８は、真ん中のチューブ１５０のまわりを層流状態でプラズマ１１６に供給される。補助のガスの流れ１４４は、真ん中のチューブ１５０内を通ってプラズマ１１６に供給され、霧化されたサンプルの流れ１４６は、最も内側のチューブ１４８に沿ってスプレーチャンバ１６２からプラズマ１１６に導かれる。負荷コイル１１２内のＲＦ電流１３０、１３２は、負荷コイル１１２内に磁場を形成し、その中にプラズマ１１６を閉じ込める。

図４〜図１１は、種々の形態の電極１５２、１５６、１５８を示している。図４において、電極１５２は、互いに距離「Ｌ」を隔てて位置決めされた２つの平行なプレート１５２ａ、１５２ｂを含んでいる。これらの平行なプレート１５２ａ、１５２ｂは、それぞれ開口１５４を含み、トーチ１１４はこの開口１５４を通り抜けるように配置されている。ここで、トーチ１１４、最も内側のチューブ１４８、真ん中のチューブ１５０及び開口１５４は、軸１２６に沿って配列されている。平行なプレート１５２ａ、１５２ｂは、厚さ「ｔ」を有している。また、電極１５２の開口１５４は、幅「ｗ」のスロットを含んでいる。ここで、開口１５４は、その周囲と連通している。

図４及び図５に示すように、電極１５２は、普通、正方形又は長方形の平坦な（planar）形状を備えているが、図１２に示すようにワイヤであってもよい。図５に示すように、平坦な電極に供給されるＲＦ電流は、開口１５４（図１２参照）を通る環状の磁場１８２を生成する平坦な電流ループ１７２ａを含んでいることが分かるであろう。図６及び図７に示すように、電極１５６は、外側の直径がＤ_１であり、内側の開口の直径がＤ_２である円形のものである。図４〜図７に示す電極１５２、１５６は、逆の極性ＲＦ電流１７２が独立して供給される別の素子である。電極１５２の一部分１７６にＲＦ電力が供給される一方、電極１５２の第２の部分１７８はアース１７４に接続されている。かくして、プラズマ１１６のアーク点火（arc ignition）時において、もし点火アークが電極１５２に接触すれば、電極１５２に生成される望ましくない電流がアース点１７４に導かれ、ＲＦ電力供給部１１０には導かれない。各電極１５２に供給されるＲＦ電力及び周波数は、独立して制御することができ、最適な性能となるように変化させることができる。例えば、各電極１５２は、プラズマの放出及び励起を最適化するために、異なる周波数で駆動することができる。さらに、１つの電極を連続電力モードで動作させる一方、他の電極を変調させることが可能である（例えば、パルス状にされ又はゲートコントロールされたもの）。さらに、電極１５２は互いに連結されていないので、電極１５２間の距離「Ｌ」を調整することができ、これによりプラズマ１１６内の電力分布を調整することができる。さらに、開口１５４の直径Ｄ_２は、ＲＦ電極電力供給部１１０とプラズマ１１６との間の結合特性を調整するために、独立して調整することができる。図８〜図１１において、電極１５８は、共通の電気アース１７０に接続された２つの電極１６６、１６８を有する単一の素子として示されている。

図１４では、複数のループ電流１８４ａ、１８４ｂが、単一のＲＦ電流源１１０から生成されるものとして示されている。ループ電流１８４ａ、１８４ｂは、次のような態様で互いに方向付けられている。すなわち、正弦波形で交番する電流の半サイクルで交番するときに、第１のループ電流１８４ａにおける交番する電流１７２ａが、第２のループ電流１８４ｂにおける交番する電流１７２ｂの向きとは反対の向きに流れるようになっている。これは、複数のループ電流１８４ａ、１８４ｂが、単一の電源１１０から駆動されて、同一の空間的な向きを有する磁場１８２ａ、１８２ｂを生成することを可能にする。

本発明は、前記のとおり、特定の実施の形態を参照しつつ詳細に説明されているが、当業者にとっては、本発明の技術思想及び請求項の記載の範囲内における種々の変形例及び修正例は自明なことであろう。それゆえ、本発明は、請求項及びその等価な事項によってのみ限定されることが意図されている。

かくして、前記の説明に基づいて、サンプルを分光法で分析するための方法及び装置が開示されている。この方法は、プラズマを生成することと、磁気双極子により磁場を生成して該磁場中にプラズマを閉じ込めることと、サンプルの原子をプラズマ中に導入して励起されたサンプルの原子をプラズマ中に閉じ込めることと、励起されたサンプル原子の質量含有率又はスペクトル成分を分析することとを含む。

さらに、分光分析システムは、関連する磁場を有する磁気双極子と、磁場内に閉じ込められたプラズマと、プラズマ中に導入された励起された原子のサンプルと、励起されたサンプル原子の質量含有率又はスペクトル成分を分析するための分光計とを含んでいる。

誘導結合プラズマ・発光分析（ＩＣＰ−ＯＥＳ）システムの模式的な図である。 誘導結合プラズマ・質量分光分析（ＩＣＰ−ＭＳ）システムの模式的な図である。 ＩＣＰトーチ及びプラズマを示す図である。 ＩＣＰトーチ及びプラズマ並びに本発明に係る２つの電極側面図である。 プラズマを制御するための、開口を含んでいる電極の正面図である。 プラズマを制御するための、開口を含んでいる電極の正面図である。 図６に示す電極の側面図である。 本発明に係る単一部材電極の３次元図である。 図８に示す単一部材電極の正面図である。 図８に示す単一部材電極の側面図である。 図８に示す単一部材電極の上面図である。 ループ電流から生成された磁場の３次元図である。 ソレノイドの螺旋状態を示しているＩＣＰトーチの図である。 正弦波形で交番する電流の半サイクルを交番しているときの、単一のＲＦ電源によって駆動された複数のループ電流を示す図である。

符号の説明

１００ ＩＣＰ−ＯＥＳ、１０２ キャリアガス、１０４ 霧化されたサンプル、１０６ ポンプ、１０８ ネブライザ、１１０ ＲＦ電源、１１２ 負荷コイル、１１４ トーチ、１１６ プラズマ、１２０ 分光計。

Claims (17)

1. 材料サンプルを分光法で分析する方法であって、
   プラズマを生成することと、
   平面ループ電流であって正弦波形で交番するループ電流を生成して磁場を生成し、該磁場中にプラズマを閉じ込めることと、
   材料サンプルの原子をプラズマ中に導入し、励起されたサンプルの原子をプラズマ中に閉じ込めることと、
   励起されたサンプルの原子の特性を分析することとを含む方法。
2. 正弦波形で交番する上記ループ電流を生成することが、高周波電流を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 励起されたサンプルの原子の特性を分析することが、励起されたサンプルの原子の質量体電荷比又はスペクトル成分を分析することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 上記ループ電流を電気的に接地させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 上記ループ電流が開口を形成している、請求項１に記載の方法。
6. 上記ループ電流を生成することが、複数のループ電流を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 上記複数のループ電流を生成することが、予め設定された距離でもって離間された複数の平行又は非平行のループ電流を生成することを含む、請求項６に記載の方法。
8. 第１のループ電流における交番する電流が、正弦波形で交番する電流の半サイクルを交番するときに、第２のループ電流中の交番する電流の向きとは反対の向きに流れる、請求項７に記載の方法。
9. 上記開口の面積を調整することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
10. 上記の予め設定された距離を調整することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
11. 電源によって生成され、正弦波形で交番するループ電流であって、該ループ電流に関連した磁場を有するループ電流と、
    キャリアガス管路を経由して磁場内に導入されるキャリアガスの流れによって少なくとも部分的に生成され、磁場内に閉じ込められたプラズマと、
    材料サンプル管路を経由してプラズマ中に導入された、プラズマ中の励起された原子の材料サンプルと、
    励起された原子の特性を分析するための分光計とを含んでいて、
    正弦波形で交番する上記ループ電流が平面ループ電流である分光分析システム。
12. 上記ループ電流を生成するための発電装置をさらに含んでいる、請求項１１に記載の分光分析システム。
13. 正弦波形で交番する上記ループ電流が高周波電流である、請求項１１に記載の分光分析システム。
14. 上記ループ電流が開口を形成している、請求項１１に記載の分光分析システム。
15. 上記ループ電流が流れる電極がプレートを含んでいる、請求項１１に記載の分光分析システム。
16. 上記ループ電流が流れる電極が複数のプレートを含んでいる、請求項１１に記載の分光分析システム。
17. 上記複数のプレートが平行である、請求項１６に記載の分光分析システム。

Images