JP4453599B2

JP4453599B2 - 発光分析装置

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Publication number: JP4453599B2
Application number: JP2005120712A
Authority: JP
Inventors: 栄三河藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2025-04-19
Also published as: CN1854717A; JP2006300630A; CN1854717B

Description

本発明は、放電により試料の構成原子を蒸発・発光させて、その発光強度を測定することにより試料の元素組成を分析する発光分析装置に関する。特に、金属試料と放電電極との間に大電流のスパーク放電を発生させて、短時間に多元素同時分析を行うことを特徴とする発光分析装置に関する。

発光分析装置では、金属試料と放電電極との間（放電ギャップ）にスパーク放電を発生させる。大電流の放電により、金属試料の表面の原子を蒸発させると同時に、放電プラズマによってこの原子を励起する。励起された原子は、それぞれの元素固有の線スペクトルで発光するため、この光を分光器に導入し、特定の波長の光の強度を測定することによって、プラズマ中に存在する元素の量が特定される。複数の波長の光を同時に測定することにより、プラズマ中の各種の元素の量が判明し、その情報から金属試料を構成していた元素の組成を特定することができる。

従来の発光分析装置においては、数百Vに充電されたコンデンサを金属試料と電極との間（放電ギャップ）に接続しておき、イグナイタ回路１２（１２ａ〜１２ｄ）を用いて放電を開始させる。イグナイタ回路は、放電ギャップ１１とコイル１３、コンデンサ１４によって形成される放電経路に直列に接続される場合（図１ａ，図１ｃ）や、並列に接続される場合（図１ｂ，図１ｄ）がある。一度放電が開始すると、コンデンサ１４に蓄えられたエネルギーが、放電電流を急速に増加させ、金属試料３２と放電電極３１との間に高エネルギーのスパーク放電が形成される。この時、金属試料３２の表面は局所的に高温になり、試料を構成する原子の蒸発が開始する。コイル１３は、放電電流を制限するために接続されている。また、放電によりエネルギーを失ったコンデンサ１４を再充電するための再充電回路１５も設けられている。

蒸発した原子は、プラズマ中の電子により励起される。そして、励起された原子が安定な状態にもどるときに、そのエネルギー差に相当する波長の光を発する。それぞれの元素には固有のエネルギー準位が存在するため、光の波長も元素固有の線スペクトルを形成する。このプラズマ中の発光を効率良く分光器に導入し、複数の元素のそれぞれについて、元素固有の光の強度を同時に測定する。それぞれの波長の光強度は、単純に元素の組成比に比例しているわけではない。しかし、それぞれの元素の量には概ね比例しているため、あらかじめ発光強度と元素の量との関係を求めておくことにより、発光強度を元素の量に換算して、元素組成を決定することが可能になる。

分析中の試料表面状態の変化を避けるために、金属試料３２と放電電極３１との間は、通常希ガスなどで満たされている。金属試料３２と放電電極３１は、数mm程度の間隔（放電ギャップ）をおいて配置されており、数百Vの電圧印加によって放電が開始することはない。そこで、放電ギャップに高電圧を発生させて予備放電を起こすための、イグナイタ回路１２が設けられている。イグナイタ回路１２には、トランスの昇圧機能を利用したもの（図１ａ，図１ｂ）や、電流を遮断した際に発生する起電力を利用したもの（図１ｃ，図１ｄ）などがある。例えば、トランスの１次回路に数百Vの電圧を印加し、２次回路に数kV〜数十kVの高電圧を発生させて、これを放電ギャップに印加する。あるいは、１次回路に数十Vの電圧を一定の時間印加し続け、電流が数A〜数十Aになったところで１次回路の電圧印加を停止すると誘導起電力が発生し、２次回路に数kV〜数十kVの高電圧を発生させることができる。ただし、１次回路と２次回路は必ずしも分離されている必要はなく、互いに接続されていても良い。あるいは一つのコイルを励磁して、このコイルで誘導起電力を発生させてもかまわない。

イグナイタ回路１２によって放電ギャップ１１に高電圧が発生すると、ギャップ間に放電が発生して放電電流が流れ、同時にギャップ間電圧は急速に減少する。数百Vに充電したコンデンサ１４を放電ギャップ１１に接続しておくと、コンデンサ１４からエネルギーが供給されて、大電流のプラズマが形成される。しかし、電流が増加するにつれてプラズマのインピーダンスは減少するため、コンデンサ１４を直接放電ギャップに接続すると、過大な電流が流れてしまい、プラズマを一定時間持続することができない。そこで、コンデンサ１４と放電ギャップ１１の間には、通常、コイル１３が接続されており、電流の増加率を制限して適当な電流値を保つ工夫がなされている。コンデンサ１４の容量と充電電圧、コイル１３のインダクタンスを適当に選ぶことにより、数十A〜数百Aの適当な電流波形が選ぶことができる。あるいは、図２に示すごとく、これらコンデンサ１４とコイル１３の直列回路を幾つか用意しておき、用途に応じて適当な組み合わせの回路を接続することで、より複雑な電流波形を合成することもできる。図２において、図１と同じものには同じ番号が付してあり、図中２２はイグナイタ回路、２３ａ〜２３ｃはコイル、２４ａ〜２４ｃはコンデンサ、２５ａ〜２５ｃは再充電回路、２７ａ〜２７ｃは放電経路切り替え素子を示す。組み合わせの変更には、リレーのように機械式のものや、MOSFETやサイリスタのように半導体式のものなどが使用されている。また、それぞれの再充電回路は、共通の電源を用いてもかまわない。

このように、コンデンサとコイルの組み合わせで電流波形を選択することはできるが、得られる電流波形はコンデンサとコイルの組み合わせで決まる固定的なもので、任意の電流値を選択できるわけではない。また、コンデンサに充電された電荷が失われた時に放電が終了するため、放電の持続時間を任意に制御することもできない。

そこで、放電電流を任意の値に制御するために、例えば、図３に示す駆動回路１６が使用される。まず、コンデンサの容量を十分に増やしたり、あるいは放電ギャップに常時電流を供給し続けることができる電源３４を用意する。そして、コイル１３をこのコンデンサや電源に接続したり、あるいは直接放電経路（グランド）に接続したり、接続を切り替えるためのスイッチング素子３３を設ける。ただし、コンデンサには、再充電のための回路が設けられる。このコンデンサや電源３４と、スイッチング素子３３とによって構成される駆動回路１６を用いることにより、放電電流の値を任意に制御することが可能になる。これは、電源回路の分野では、一般にフォワードコンバータと呼ばれている方式である。電流値が目標とする値より減った場合には、コイルをコンデンサあるいは電源と接続して、コイルを通過する電流を増加させる。電流値が目標とする値を超えた場合には、コイルをグランドに接続して、コイルに蓄えられた電磁エネルギーでコイルを通過する電流を維持する。スイッチング素子には、ある程度高速の切り替え速度が必要とされるため、図４ａ，図４ｂに示すMOSFETなどの半導体素子が通常使われている。図４ａにおいて、３５，３６はMOSFET、３７はMOSFET制御回路である。但し、図４ｂに示すようにグランドに接続する素子は、簡略化のためにダイオード３８が使われる場合もある。

従来の発光分析装置においては、フォワードコンバータ方式の採用によって電流波形の制御が可能になるが、コイルを電源に接続している間は電流が増加し、コイルを電源から開放している間は電流が減少するので、電流波形は鋸歯状になる。このため、発光強度も鋸歯状に振動することになり、分析精度や再現性を損なう原因となっている。駆動回路を切り替える間隔を短くすることによって電流値の変動量は減少するが、駆動回路のスイッチング素子の損失が増えることにより、エネルギー伝達の効率が低下してしまうという問題が発生する。

上記課題を解決するためになされた本願発明は、放電ギャップにイグナイタ回路が接続され、さらにコイルと駆動回路の複数の組が並列に接続されることによって放電経路が形成され、前記駆動回路は、前記コイルに一定の電位差を印加してコイルを通過する電流を増加させるＯＮ状態と前記コイルを直接前記放電経路に接続してコイルを通過する電流を持続させるＯＦＦ状態とを有している発光分析装置において、それぞれの前記駆動回路で、前記放電経路に接続する前記駆動回路の状態に対して切り替えを行なう際に、接続する全ての前記駆動回路中から順に選択並びに切り替えを行い、放電電流が上限値に到達する時、前記駆動回路の一つをＯＦＦ状態に切り替えた後、電流値が依然として増加を継続する場合、その他の駆動回路をＯＦＦ状態に切り替える操作を繰り返し、放電電流が下限値に到達する時、前記駆動回路の一つをＯＮ状態に切り替えた後、電流値が依然として減少を継続する場合、その他の駆動回路をＯＮ状態に切り替える操作を繰り返すように制御することを特徴とする。

また、発光分析装置の制御方法では、放電ギャップにイグナイタ回路が接続され、さらにコイルと駆動回路の複数の組が並列に接続されることによって放電経路が形成され、前記駆動回路は、前記コイルに一定の電位差を印加してコイルを通過する電流を増加させるＯＮ状態と前記コイルを直接前記放電経路に接続してコイルを通過する電流を持続させるＯＦＦ状態とを有している発光分析装置の制御方法において、それぞれの前記駆動回路で、前記放電経路に接続する前記駆動回路の状態に対して切り替えを行なう際に、接続する全ての前記駆動回路中から順に選択並びに切り替えを行い、放電電流が上限値に到達する時、前記駆動回路の一つをＯＦＦ状態に切り替えた後、電流値が依然として増加を継続する場合、その他の駆動回路をＯＦＦ状態に切り替える操作を繰り返し、放電電流が下限値に到達する時、前記駆動回路の一つをＯＮ状態に切り替えた後、電流値が依然として減少を継続する場合、その他の駆動回路をＯＮ状態に切り替える操作を繰り返すように制御することを特徴とする。

本発明に係る発光分析装置によれば、放電電流を複数のコイルと駆動回路に分散することにより、各素子で制御する電流量も小さく、同時に各素子の切り替え頻度も減少するため、駆動回路のスイッチング損失を抑制し、エネルギー伝達の効率を高めることが可能となる。

あるいは、エネルギー伝達効率を一定に保った場合には、放電電流の変化量を減少させることができるため、従来の発光分析装置に比べて、発光強度の変化量も少なくなり、分析精度や再現性を向上することができる。

以下、本発明に係る発光分析装置を図面を参照して詳細に説明する。
図５は、発光分析装置の放電回路の一例であり、図１乃至図３と同じものには同じ番号が付してある。まず、従来の発光分析装置と同様に、イグナイタ回路２２を用いて放電ギャップ１１に放電を開始させる。放電が開始すると、いくつかの駆動回路２６ａ〜２６ｃを、コイルを通過する電流を増加させる状態に維持する。この駆動回路の状態を簡単のためＯＮ状態と呼ぶことにする。これにより、金属試料３２と放電電極３１との間（放電ギャップ）に高エネルギーのスパーク放電を形成する。放電電流があらかじめ決められた所定の上限電流値に到達すると、ＯＮ状態に維持された制御回路を、コイルを通過する電流を持続させる状態に切り替える。この駆動回路の状態は簡単のためＯＦＦ状態と呼ぶことにする。一方、放電電流があらかじめ決められた所定の下限電流値に到達すると、ＯＦＦ状態に維持された制御回路をＯＮ状態に切り替える。このように、放電経路に接続されている駆動回路２６ａ〜２６ｃの状態を切り替える際に、接続されている全ての駆動回路の内から順に選んで切り替えるようにする。また、上限電流値に達した際に、一つの駆動回路をＯＦＦ状態に切り替えても電流値が増加しつづける場合には、さらに別の駆動回路をＯＦＦ状態に切り替えるという操作を繰り返す。逆に、下限電流値に達した際に、一つの駆動回路をＯＮ状態に切り替えても電流値が減少しつづける場合には、さらに別の駆動回路をＯＮ状態に切り替えるという操作を繰り返す。

図６には、発光分析装置が三つの駆動回路２６ａ，２６ｂ，２６ｃを有する場合を例に、各駆動回路の状態と放電電流の変化の様子を示している。イグナイタ回路によって放電が開始された直後には、三つの駆動回路２６ａ〜２６ｃが全てＯＮ状態に維持されている。放電電流が上限電流値に到達すると、駆動回路２６ａをＯＦＦ状態に切り替える。この場合、駆動回路２６ｂと２６ｃがＯＮ状態にあって放電電流が増加する状態にあるため、さらに駆動回路２６ｂをＯＦＦ状態に切り替える。この時、駆動回路２６ｃだけがＯＮ状態であり、放電電流は減少する。放電電流が減少し、放電電流下限値に到達すると、先にＯＦＦ状態に切り替えていた駆動回路２６ａをＯＮ状態に切り替える。放電電流が増加し、再び放電電流上限値に到達すると、今度は駆動回路２６ｃをＯＦＦ状態に切り替える。この動作を順次繰り返すことにより、電流値は、あらかじめ設定された放電電流上限値と放電電流下限値の間で振動することになる。所定の放電時間が経過した後、駆動回路２６ａ〜２６ｃを全てＯＦＦ状態に切り替えると、放電は終了する。

上記実施例においては、放電開始時は、三つの駆動回路２６ａ〜２６ｃが全てＯＮ状態であるが、目的に応じて必要な電流増加率を得るために、ＯＮ状態にする駆動回路の数は異なっていても良い。また、イグナイタ回路２２によって放電を開始する以前の各駆動回路２６ａ〜２６ｃの状態は、実際の装置で許される状態であれば、ＯＮ状態でもＯＦＦ状態でもかまわない。

ここでは一定の上限値と下限値を用いた制御を例に挙げたが、上限値と下限値を時間と共に変更することにより、任意の放電電流波形を生成することが可能であることは明らかである。

また、三つの駆動回路を有する場合を例にしたが、コイルと駆動回路の組の数を増やすことにより、より詳細に電流値を制御できるようになることは明白である。

上記の説明においては、全ての駆動回路の電源電圧とコイルのインダクタンスは等しいことを前提にしていたが、非周期的、非継続的な放電電流を発生させるために、コイルのインダクタンスや電源の電圧が異なる駆動回路を、さらに並列に接続していても良い。例えば、放電開始直後に大電流のプラズマを形成するように、放電電流の増加率を高めたい場合には、単に複数の放電回路をＯＮ状態にするだけではなく、電源電圧が高くコイルのインダクタンスが小さい回路を別途設けて、これをＯＮ状態に切り替えることにより急速に電流値を増加させることが有効である。コイルに直列にダイオードを接続して逆流を防止することが必要である。

上記の回路例では、不要な誘導起電力を吸収するためのスナバ回路などは省略してあるが、必要に応じてコンデンサ、ダイオード、抵抗などが接続される。また、駆動回路のＯＮ状態、ＯＦＦ状態を切り替える制御回路なども省略してあるが、適当な制御回路が付加されることは言うまでもない。

さらにまた、放電ギャップからの発光を分光器に導き、適当な波長の光を検出し、データを収集・分析する部分など、図に記載されていない部分については、従来の発光分析装置と全く同じ物が使用される。

従来のフォワードコンバータ方式の放電回路を、先に示した三つの駆動回路を有する本発明の例と比較した場合、３倍のインダクタンスのコイルと１／３の電流値の駆動回路を三つ並列に接続し、これら三つの駆動回路を同時に切り替えていることに相当する。この場合、三つの駆動回路が同時にＯＮ状態での電流値と、三つの駆動回路が同時にＯＦＦ状態での電流値とで、電流値の変化量が大きいため、放電電流は上限値と下限値の間をより速く変化する。したがって、駆動回路の切り替え頻度が上昇するため、スイッチング素子での損失が本発明に比べて著しく増え、エネルギー伝達の効率は減少してしまうことになる。

上述のように、本発明に係る発光分析装置によれば、放電電流を複数のコイルと駆動回路に分散することにより、各素子で制御する電流量も小さく、同時に各素子の切り替え頻度も減少するため、駆動回路のスイッチング損失を抑制し、エネルギー伝達の効率を高めることが可能となる。

また、上記実施例は本発明の単に一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正したものも本発明に包含されることは明らかである。

従来技術による放電回路の構成図。従来技術による放電電流制御回路の構成図。フォワードコンバータ方式の放電回路。フォワードコンバータの駆動回路の例。本発明の一実施例である発光分析装置の放電電流制御回路の構成図。本発明の一実施例である発光分析装置を用いた放電電流の制御方法の説明図。

符号の説明

１１…放電ギャップ
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ…イグナイタ回路
１３…コイル
１４…コンデンサ
１５…再充電回路
１６…駆動回路
２２…イグナイタ回路
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…コイル
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ…コンデンサ
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ…再充電回路
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ…駆動回路
２７ａ、２７ｂ、２７ｃ…放電経路切り替え素子
３１…放電電極
３２…金属試料
３３…スイッチング素子
３４…電源もしくは容量の十分に大きなコンデンサ
３５、３６…電流制御素子（ＭＯＳＦＥＴ）
３７…ＭＯＳＦＥＴ制御回路
３８…ダイオード

Claims

放電ギャップにイグナイタ回路が接続され、さらにコイルと駆動回路の複数の組が並列に接続されることによって放電経路が形成され、
前記駆動回路は、前記コイルに一定の電位差を印加してコイルを通過する電流を増加させるＯＮ状態と前記コイルを直接前記放電経路に接続してコイルを通過する電流を持続させるＯＦＦ状態とを有している発光分析装置において、
それぞれの前記駆動回路で、前記放電経路に接続する前記駆動回路の状態に対して切り替えを行なう際に、接続する全ての前記駆動回路中から順に選択並びに切り替えを行い、
放電電流が上限値に到達する時、前記駆動回路の一つをＯＦＦ状態に切り替えた後、電流値が依然として増加を継続する場合、その他の駆動回路をＯＦＦ状態に切り替える操作を繰り返し、
放電電流が下限値に到達する時、前記駆動回路の一つをＯＮ状態に切り替えた後、電流値が依然として減少を継続する場合、その他の駆動回路をＯＮ状態に切り替える操作を繰り返すように制御することを特徴とする発光分析装置。
放電ギャップにイグナイタ回路が接続され、さらにコイルと駆動回路の複数の組が並列に接続されることによって放電経路が形成され、
前記駆動回路は、前記コイルに一定の電位差を印加してコイルを通過する電流を増加させるＯＮ状態と前記コイルを直接前記放電経路に接続してコイルを通過する電流を持続させるＯＦＦ状態とを有している発光分析装置の制御方法において、
それぞれの前記駆動回路で、前記放電経路に接続する前記駆動回路の状態に対して切り替えを行なう際に、接続する全ての前記駆動回路中から順に選択並びに切り替えを行い、
放電電流が上限値に到達する時、前記駆動回路の一つをＯＦＦ状態に切り替えた後、電流値が依然として増加を継続する場合、その他の駆動回路をＯＦＦ状態に切り替える操作を繰り返し、
放電電流が下限値に到達する時、前記駆動回路の一つをＯＮ状態に切り替えた後、電流値が依然として減少を継続する場合、その他の駆動回路をＯＮ状態に切り替える操作を繰り返すように制御することを特徴とする発光分析装置の制御方法。