JP4462575B2 - 試料導入システム - Google Patents
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Description
本発明は、分析試料を分析装置に導入するための試料導入システムに関する。
近年、生活環境や労働環境に対する関心の高まりから、大気中に存在する微粒子の組成や濃度を測定する分析技術の向上が求められている。また、原料ガスの高純度化や製造工程における雰囲気ガス制御が必要な半導体産業に代表されるような産業においては、微粒子を含む原料ガスや雰囲気ガスの分析を容易かつ高精度に行うことが要望されている。
そこで、ガスクロマトグラフ質量分析法（ＧＣ−ＭＳ法）、誘導結合プラズマ分析法（ＩＣＰ法）、マイクロ波プラズマ分析法（ＭＩＰ法）等の高感度分析法を用いる分析装置により、試料ガスに含まれる微粒子や特定ガス成分といった分析試料を分析することが行われている。例えばＩＣＰ法やＭＩＰ法においては、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等をプラズマガスとして高温のプラズマを生成し、プラズマ中に分析試料を導入し、プラズマからの信号変化を検出することで分析を行っている。
そのような試料ガスに含まれる分析試料の分析を高精度に行うには、試料ガスから不要成分を除去する前処理を行う前処理装置が必要になる。例えば、気体状の分析試料を含む試料ガスを用いる場合、その試料ガスに含まれる分析試料以外の不純物ガス成分や水分等を不要成分として除去する必要がある。また、溶剤中に分析試料が溶け込んだ溶液を噴霧器等により噴霧ガス中に浮遊する液滴とし、その噴霧ガスを試料ガスとする場合、その試料ガスに含まれる溶剤蒸気や水分等を不要成分として除去する必要がある。
そのような前処理装置として、ガス置換装置、微粒子分級装置、ドライヤ等が用いられている。例えば、特許文献１に記載されたガス置換装置においては、分析試料を溶かし込んだ溶剤を噴霧器によって霧状とすることで試料ガスを生成し、加熱することで液滴を溶剤蒸気と分析試料とに分離し、その試料ガスを多孔材製の管状密閉フィルタに導入し、その溶剤蒸気を密閉フィルタ外部に拡散させることで除去している。特許文献２に記載された微粒子分級装置においては、試料ガスに含まれる分析試料である微粒子を荷電して分級する際に、試料ガス中のガス状汚染成分を除去し、微粒子を所望のガス種からなる雰囲気中に浮遊させた状態としている。非特許文献１に記載されたドライヤにおいては、分析試料を溶かし込んだ水溶液を霧状とすることで試料ガスを生成し、その試料ガスに含まれる水分をナフィオン（デュポン社登録商標：perfluoro-3,6-dioxa-4-methyl-7octene-sulfonic とtetrafluoroethylene の共重合体）製の非多孔質膜を介して除去している。
分析装置に導入される分析試料を含むガスの流量は、最適な分析条件を充足するよう、分析試料を構成する元素の種類等に応じて変更される。例えばプラズマを用いた高感度分析においては、分析試料に含まれる複数の分析対象元素を分析するため、プラズマに分析試料と共に導入されるガス流量を自動的に切り替えるオートチューニングが行われている。また、プラズマのイオン化作用を利用した質量分析においては、分析対象元素と同様の質量数を有する多原子イオンにより分析が妨げられないように、プラズマに導入されるガス流量を自動的に変動させている。
特表平７−５００４１６号公報
特開２００１−２３９１８１号公報
Journal of Analytical Atomic Spectrometry, January 1998, vol. 13(13-18)
従来においては、分析試料と共に分析装置に導入されるガスの流量を変化させるため、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させていた。しかし、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させる場合、前処理装置において試料ガスの流量や圧力が変化するため、その変化に応じて処理条件を変化させる必要がある。そうすると、分析条件の多様性に適合するのが困難になり、簡便な試料導入が阻害される。また、前処理装置と分析装置との間のガス流路においてガスの圧力変動が生じ、シールが破れて周囲環境等における汚染物質が分析装置に混入するおそれがある。特にプラズマ分析装置においては、プラズマの温度変化や電子密度変化等が誘発され、安定したプラズマが維持できず高感度分析が阻害されるおそれがある。
本発明の試料導入システムは、分析試料を含む未処理試料ガスから不要成分を除去する前処理を行う前処理装置と、前記前処理装置により処理された処理済試料ガスを分析装置に導く接続ガス流路と、前記分析装置に向かい流動する前記処理済試料ガスに前記接続ガス流路においてキャリアガスを付加するガス付加装置と、前記ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動を規制する圧力調整装置とを備え、前記ガス付加装置は前記キャリアガスの付加流量の変更手段を有し、前記圧力調整装置はシールガス流路を有し、前記シールガス流路は、シールガスの供給源に接続される入口と、大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通する出口とを有し、前記シールガス流路は前記ガス付加装置の上流に連通され、前記シールガス流路に導入される前記シールガスの一部が前記ガス付加装置の上流に導かれることで、前記ガス付加装置の上流における圧力低下がキャンセルされる。
本発明によれば、前処理装置と分析装置との間における接続ガス流路を流れる処理済試料ガスへのキャリアガスの付加流量がガス付加装置により変更され、ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動が圧力調整装置により規制される。これにより、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させることなく、また、前処理装置において分析試料を含むガスの圧力変動を生じさせることなく、分析試料と共に分析装置に導入されるガスの流量を変化させることができる。よって、前処理装置による処理条件を変化させる必要がないので分析条件の多様性に適合することができる。さらに、ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動が規制されることで、前処理装置と接続ガス流路との接続部におけるシール等を介して周囲環境等における汚染物質が分析装置に混入したり、処理済試料ガスが外部に漏洩するのを防止できる。よって、安定した分析結果を得ることができ、特にプラズマ分析装置においては、プラズマの温度変化や電子密度変化を生じることなく安定したプラズマを維持でき、高感度分析に貢献できる。
本発明によれば、前処理装置と分析装置との間における接続ガス流路を流れる処理済試料ガスへのキャリアガスの付加流量がガス付加装置により変更され、ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動が圧力調整装置により規制される。これにより、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させることなく、また、前処理装置において分析試料を含むガスの圧力変動を生じさせることなく、分析試料と共に分析装置に導入されるガスの流量を変化させることができる。よって、前処理装置による処理条件を変化させる必要がないので分析条件の多様性に適合することができる。さらに、ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動が規制されることで、前処理装置と接続ガス流路との接続部におけるシール等を介して周囲環境等における汚染物質が分析装置に混入したり、処理済試料ガスが外部に漏洩するのを防止できる。よって、安定した分析結果を得ることができ、特にプラズマ分析装置においては、プラズマの温度変化や電子密度変化を生じることなく安定したプラズマを維持でき、高感度分析に貢献できる。
前記圧力調整装置は連通流路を有し、前記シールガス流路の入口と出口との間は、前記接続ガス流路における前記前処理装置と前記ガス付加装置との間に前記連通流路を介して連通され、前記前処理装置への前記未処理試料ガスの導入流量の設定手段が設けられ、前記未処理試料ガスの導入流量は一定値に設定されるのが好ましい。
これにより、接続ガス流路における前処理装置とガス付加装置との間は、大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通し、前処理装置への未処理試料ガスの導入流量は一定になる。よって、キャリアガスの付加流量を変化させる際に、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させることなく、確実に前処理装置におけるガスの圧力変動を防止できる。また、シールガス流路を流れるシールガスにより、試料導入システムと外部との間をシールできる。すなわち、可動部材を用いることなく、前処理装置でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
これにより、接続ガス流路における前処理装置とガス付加装置との間は、大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通し、前処理装置への未処理試料ガスの導入流量は一定になる。よって、キャリアガスの付加流量を変化させる際に、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させることなく、確実に前処理装置におけるガスの圧力変動を防止できる。また、シールガス流路を流れるシールガスにより、試料導入システムと外部との間をシールできる。すなわち、可動部材を用いることなく、前処理装置でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
さらに、本発明の試料導入システムは、前記前処理装置へ前記未処理試料ガスを導入する導入流路を備え、前記圧力調整装置は連通流路を有し、前記シールガス流路の入口と出口との間は、前記導入流路に前記連通流路を介して連通され、前記前処理装置への前記未処理試料ガスの導入流量の設定手段が設けられ、前記未処理試料ガスの導入流量は一定値に設定されるのが好ましい。
これにより、導入流路は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通し、前処理装置への未処理試料ガスの導入流量は一定になる。よって、キャリアガスの付加流量を変化させる際に、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させることなく、確実に前処理装置におけるガスの圧力変動を防止できる。また、シールガス流路を流れるシールガスにより、試料導入システムと外部との間をシールできる。すなわち、可動部材を用いることなく、前処理装置でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
これにより、導入流路は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通し、前処理装置への未処理試料ガスの導入流量は一定になる。よって、キャリアガスの付加流量を変化させる際に、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させることなく、確実に前処理装置におけるガスの圧力変動を防止できる。また、シールガス流路を流れるシールガスにより、試料導入システムと外部との間をシールできる。すなわち、可動部材を用いることなく、前処理装置でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
さらにまた、本発明の試料導入システムは、分析試料を含む未処理試料ガスから不要成分を除去する前処理を行う前処理装置と、前記前処理装置により処理された処理済試料ガスを分析装置に導く接続ガス流路と、前記分析装置に向かい流動する前記処理済試料ガスに前記接続ガス流路においてキャリアガスを付加するガス付加装置と、前記ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動を規制する圧力調整装置と、前記前処理装置へ前記未処理試料ガスを導入する導入流路とを備え、前記ガス付加装置は前記キャリアガスの付加流量の変更手段を有し、前記圧力調整装置は、前記導入流路から分岐する排気流路を有し、前記排気流路は、大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通する出口を有し、前記導入流路への前記未処理試料ガスの供給流量の設定手段と、前記前処理装置への前記未処理試料ガスの導入流量の設定手段とが設けられ、前記未処理試料ガスの導入流量は一定値に設定され、前記未処理試料ガスの前記供給流量の設定値は前記導入流量の設定値よりも大きくされ、前記排気流路の出口が大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通され、前記未処理試料ガスの導入流量が一定値に設定されることで、前記前処理装置でのガスの圧力変動が規制される。
これにより、排気流路の出口は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通し、前処理装置への未処理試料ガスの導入流量は一定になるため、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させることなく、確実に前処理装置におけるガスの圧力変動を防止できる。また、導入流路への未処理試料ガスの供給流量の設定値が前処理装置への未処理試料ガスの導入流量の設定値よりも大きくされているので、排気流路を流れる未処理試料ガスにより、試料導入システムと外部との間をシールできる。すなわち、可動部材を用いることなく、前処理装置でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
これにより、排気流路の出口は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通し、前処理装置への未処理試料ガスの導入流量は一定になるため、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量を変化させることなく、確実に前処理装置におけるガスの圧力変動を防止できる。また、導入流路への未処理試料ガスの供給流量の設定値が前処理装置への未処理試料ガスの導入流量の設定値よりも大きくされているので、排気流路を流れる未処理試料ガスにより、試料導入システムと外部との間をシールできる。すなわち、可動部材を用いることなく、前処理装置でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
前記分析試料は固体微粒子とされ、前記前処理装置は多孔性隔壁を有し、前記前処理装置により、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分を前記多孔性隔壁での分圧差による拡散を介して置換ガスと置換するガス置換機能が奏され、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分と置換された置換ガスにより前記処理済試料ガスが構成されるのが好ましい。
これにより、未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分を置換ガスと置換することで不要成分を除去できる。この際、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量や前処理装置でのガス圧力が変動しないので、置換ガスの流量や圧力等の処理条件を変化させる必要がなく、分析装置に導入されるガス流量の変化に容易に対応できる。さらに、多孔性隔壁を挟んだ領域でのガス圧力差を低減し、未処理試料ガスと置換ガスとの分圧差による多孔性隔壁での拡散を介するガス置換が阻害されるのを防止できる。また、分析装置に導入されるガス流量と無関係にガス置換できることから、ガス置換に際して分析試料である微粒子等の散逸を防止できるだけでなく、ガス置換効率を一定に維持できる。
しかも、分析試料の種類に応じてガス置換効率が変化しないように未処理試料ガスの流量を変化させる場合、未処理試料ガスの流量変化に応じてキャリアガスの流量を変化させることで、分析装置に導入されるガス流量を分析に最適な値に維持できる。これにより、前処理装置でのガス置換効率を最適化すると同時に、分析装置に導入されるガス流量を最適化し、特にプラズマ分析装置においては安定したプラズマを維持することができる。
また、本発明の試料導入システムは、分析試料を含む未処理試料ガスから不要成分を除去する前処理を行う前処理装置と、前記前処理装置により処理された処理済試料ガスを分析装置に導く接続ガス流路と、前記分析装置に向かい流動する前記処理済試料ガスに前記接続ガス流路においてキャリアガスを付加するガス付加装置と、前記ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動を規制する圧力調整装置と、前記前処理装置へ前記未処理試料ガスを導く導入流路とを備え、前記ガス付加装置は前記キャリアガスの付加流量の変更手段を有し、前記分析試料は固体微粒子とされ、前記前処理装置は、第１配管と、第２配管と、前記第１配管と前記第２配管を隔てる多孔性隔壁を有し、前記第１配管は、前記導入流路に接続される第１入口と、前記接続ガス流路に接続される第１出口と、前記第１入口と前記第１出口との間の第１ガス流路とを有し、前記第２配管は、置換ガスの供給源に接続される第２入口と、前記置換ガスと置換された前記未処理試料ガスを含む排出ガスを流出させるための第２出口と、前記第２入口と前記第２出口との間の第２ガス流路とを有し、前記前処理装置により、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分を前記多孔性隔壁での分圧差による拡散を介して前記置換ガスと置換するガス置換機能が奏され、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分と置換された前記置換ガスにより前記処理済試料ガスが構成され、前記多孔性隔壁の各孔径は、前記第１ガス流路におけるガス圧力と前記第２ガス流路におけるガス圧力との差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止するように設定され、前記圧力調整装置は、前記導入流路を、前記第１入口の近傍において前記第２出口に連通させる分岐流路を有し、前記導入流路に供給された前記未処理試料ガスの一部を、前記分岐流路を介して前記排出ガスと共に吸引するガス吸引手段と、前記前処理装置への前記未処理試料ガスの導入流量の設定手段と、前記ガス吸引手段による前記未処理試料ガスと前記排出ガスの合計吸引流量の設定手段と、前記置換ガスの前記第２配管への供給流量の設定手段とが設けられ、前記導入流路に供給される前記未処理試料ガスの圧力は大気圧あるいは一定圧とされ、前記未処理試料ガスの導入流量は一定値に設定され、前記未処理試料ガスと前記排出ガスの合計吸引流量の設定値は、前記置換ガスの供給流量の設定値よりも大きくされ、前記ガス吸引手段のガス排出側は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通する。
これにより、導入流路に供給される未処理試料ガスの圧力は大気圧あるいは一定圧とされ、未処理試料ガスと排出ガスの合計吸引流量の設定値は、第２配管への置換ガスの供給流量の設定値よりも大きくされる。よって、導入流路に供給される未処理試料ガスの一部は、確実に分岐流路を介してガス吸引手段により吸引される。そして、ガス吸引手段のガス排出側は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通するので、導入流路における第１入口の近傍において未処理試料ガスの圧力を略大気圧あるいは一定圧にできる。これにより、導入流路が長いために未処理試料ガスの圧力損失が大きく、導入流路の長さや径の相違により圧力損失の大きさが一定でない場合でも、導入流路における第１入口の近傍でのガスの圧力変動を阻止し、前処理装置でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
これにより、未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分を置換ガスと置換することで不要成分を除去できる。この際、前処理装置に導入される未処理試料ガスの流量や前処理装置でのガス圧力が変動しないので、置換ガスの流量や圧力等の処理条件を変化させる必要がなく、分析装置に導入されるガス流量の変化に容易に対応できる。さらに、多孔性隔壁を挟んだ領域でのガス圧力差を低減し、未処理試料ガスと置換ガスとの分圧差による多孔性隔壁での拡散を介するガス置換が阻害されるのを防止できる。また、分析装置に導入されるガス流量と無関係にガス置換できることから、ガス置換に際して分析試料である微粒子等の散逸を防止できるだけでなく、ガス置換効率を一定に維持できる。
しかも、分析試料の種類に応じてガス置換効率が変化しないように未処理試料ガスの流量を変化させる場合、未処理試料ガスの流量変化に応じてキャリアガスの流量を変化させることで、分析装置に導入されるガス流量を分析に最適な値に維持できる。これにより、前処理装置でのガス置換効率を最適化すると同時に、分析装置に導入されるガス流量を最適化し、特にプラズマ分析装置においては安定したプラズマを維持することができる。
また、本発明の試料導入システムは、分析試料を含む未処理試料ガスから不要成分を除去する前処理を行う前処理装置と、前記前処理装置により処理された処理済試料ガスを分析装置に導く接続ガス流路と、前記分析装置に向かい流動する前記処理済試料ガスに前記接続ガス流路においてキャリアガスを付加するガス付加装置と、前記ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動を規制する圧力調整装置と、前記前処理装置へ前記未処理試料ガスを導く導入流路とを備え、前記ガス付加装置は前記キャリアガスの付加流量の変更手段を有し、前記分析試料は固体微粒子とされ、前記前処理装置は、第１配管と、第２配管と、前記第１配管と前記第２配管を隔てる多孔性隔壁を有し、前記第１配管は、前記導入流路に接続される第１入口と、前記接続ガス流路に接続される第１出口と、前記第１入口と前記第１出口との間の第１ガス流路とを有し、前記第２配管は、置換ガスの供給源に接続される第２入口と、前記置換ガスと置換された前記未処理試料ガスを含む排出ガスを流出させるための第２出口と、前記第２入口と前記第２出口との間の第２ガス流路とを有し、前記前処理装置により、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分を前記多孔性隔壁での分圧差による拡散を介して前記置換ガスと置換するガス置換機能が奏され、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分と置換された前記置換ガスにより前記処理済試料ガスが構成され、前記多孔性隔壁の各孔径は、前記第１ガス流路におけるガス圧力と前記第２ガス流路におけるガス圧力との差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止するように設定され、前記圧力調整装置は、前記導入流路を、前記第１入口の近傍において前記第２出口に連通させる分岐流路を有し、前記導入流路に供給された前記未処理試料ガスの一部を、前記分岐流路を介して前記排出ガスと共に吸引するガス吸引手段と、前記前処理装置への前記未処理試料ガスの導入流量の設定手段と、前記ガス吸引手段による前記未処理試料ガスと前記排出ガスの合計吸引流量の設定手段と、前記置換ガスの前記第２配管への供給流量の設定手段とが設けられ、前記導入流路に供給される前記未処理試料ガスの圧力は大気圧あるいは一定圧とされ、前記未処理試料ガスの導入流量は一定値に設定され、前記未処理試料ガスと前記排出ガスの合計吸引流量の設定値は、前記置換ガスの供給流量の設定値よりも大きくされ、前記ガス吸引手段のガス排出側は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通する。
これにより、導入流路に供給される未処理試料ガスの圧力は大気圧あるいは一定圧とされ、未処理試料ガスと排出ガスの合計吸引流量の設定値は、第２配管への置換ガスの供給流量の設定値よりも大きくされる。よって、導入流路に供給される未処理試料ガスの一部は、確実に分岐流路を介してガス吸引手段により吸引される。そして、ガス吸引手段のガス排出側は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通するので、導入流路における第１入口の近傍において未処理試料ガスの圧力を略大気圧あるいは一定圧にできる。これにより、導入流路が長いために未処理試料ガスの圧力損失が大きく、導入流路の長さや径の相違により圧力損失の大きさが一定でない場合でも、導入流路における第１入口の近傍でのガスの圧力変動を阻止し、前処理装置でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
前記分析装置は、前記キャリアガスを付加された前記処理済試料ガスをプラズマに導くためのチューブを有するプラズマ分析装置であるのが好ましい。
キャリアガスの処理済試料ガスへの付加流量が変化する際、そのチューブにおいてガスが絞られることから接続ガス流路の内圧は変動しようとする。しかし、前処理装置とガス付加装置との間における接続ガス流路のガスの圧力変動は圧力調整装置により規制されることで、前処理装置と接続ガス流路との接続部におけるシール等を介して周囲環境等における汚染物質が分析装置に混入したり、処理済試料ガスが外部に漏洩するのを防止できる。
キャリアガスの処理済試料ガスへの付加流量が変化する際、そのチューブにおいてガスが絞られることから接続ガス流路の内圧は変動しようとする。しかし、前処理装置とガス付加装置との間における接続ガス流路のガスの圧力変動は圧力調整装置により規制されることで、前処理装置と接続ガス流路との接続部におけるシール等を介して周囲環境等における汚染物質が分析装置に混入したり、処理済試料ガスが外部に漏洩するのを防止できる。
前記ガス付加装置は、前記接続ガス流路に導入されるキャリアガスの圧力ヘッド低下に基づき前記処理済試料ガスを前記接続ガス流路に導くアスピレータを有するのが好ましい。
これにより、接続ガス流路に可動部材や動力源を設けることなくキャリアガスを付加できる。また、未処理試料ガスを前処理装置に導入するのに必要な圧力を未処理試料ガス自身が有さない場合であっても、可動部材や動力源を設けることなく、所定量の未処理試料ガスを前処理装置に導入できる。
これにより、接続ガス流路に可動部材や動力源を設けることなくキャリアガスを付加できる。また、未処理試料ガスを前処理装置に導入するのに必要な圧力を未処理試料ガス自身が有さない場合であっても、可動部材や動力源を設けることなく、所定量の未処理試料ガスを前処理装置に導入できる。
本発明によれば、分析装置に導入されるガス流量に影響されることなく分析条件の多様化に容易に適合できる柔軟性を持ち、分析試料を無駄なく分析装置に導入でき、簡便で精度の高い高感度分析に寄与する試料導入システムを提供できる。
１…前処理装置、２…内管、２Ａ…多孔性隔壁、２ａ…内側入口、２ｂ…内側出口、３…外管、３ａ…外側入口、３ｂ…外側出口、８、４３、４６、６１…流量制御器、１０…導入流路、２０…接続ガス流路、３０…分析装置、３０ｂ…センターチューブ、４０、４０Ａ…ガス付加装置、５０、５０Ｂ、５０Ｃ…圧力調整装置、５０ａ…分岐流路、５０′…排気流路、５０″…排気流路出口、５２ａ…シールガス流路、５３ａ…連通流路、６０…真空ポンプ、１０１、１０２…配管、Ｇ１…未処理試料ガス、Ｇ３…置換ガス、Ｇ４…処理済試料ガス、Ｇ７…キャリアガス、Ｇ８…シールガス、Ｐ…プラズマ
図１に示す第１実施形態の試料導入システムＡ１は、分析試料を含む未処理試料ガスＧ１から、水分、不純物、溶剤蒸気等の不要成分を除去する前処理を行う前処理装置１と、前処理装置１へ未処理試料ガスＧ１を供給源から導入する導入流路１０を備えている。
前処理される分析試料は液体状でも気体状でもよい。例えば、未処理試料ガスＧ１の供給源として図２に示す噴霧器１１を用いることができる。噴霧器１１は、溶剤中に分析試料が溶け込んだ溶液１２を噴霧ガスＧ２中に浮遊する液滴状とし、粒径の大きな液滴Ｌを除去した残りを加圧された未処理試料ガスＧ１として前処理装置１に供給する。そのような噴霧器１１は公知のものを用いることができる。本実施形態においては、ガスボンベ等の圧力容器から供給される加圧された噴霧ガスＧ２の流量を質量流量コントローラ（ＭＦＣ）、流量制御弁等の流量制御器１３により制御し、その流量制御器１３を前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量の設定手段として用いる。
また、気体状の分析試料を含む加圧ガスを充填した圧力容器を未処理試料ガスＧ１の供給源とし、その圧力容器を前処理装置１に導入流路１０を構成する配管を介して接続し、その配管に前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量の設定手段として流量制御器を設けてもよい。
本実施形態においては、導入流路１０への未処理試料ガスＧ１の供給流量が前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量とされ、前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量は一定値に設定される。
本実施形態の分析試料は固体微粒子とされている。すなわち、未処理試料ガスＧ１に含まれる分析試料である微粒子は、例えば鉄粉等の金属、酸化物や硫化物等の金属化合物、セラミックや高分子化合物等の有機物等である。前処理装置１は、多孔性隔壁２Ａを有し、未処理試料ガスＧ１における少なくとも一部のガス成分を、多孔性隔壁２Ａでの分圧差による拡散を介して置換ガスＧ３と置換するガス置換機能を奏する。これにより、未処理試料ガスＧ１に含まれる溶剤蒸気等の不要成分を除去できる。
前処理装置１は、横断面円環形の直管である内管２を第１配管として備え、また、内管２を覆う横断面円環形の直管である外管３を第２配管として備える二重管構造である。内管２の両端は外管３から突出し、外管３の両端近傍は次第に小径とされて内管２の外周に接合されている。なお、内外管２、３の形状は限定されず、例えば直管でなく湾曲管でもよい。
内管２は、一端に形成された内側入口２ａを第１入口として有し、他端に形成された内側出口２ｂを第１出口として有し、内側入口２ａと内側出口２ｂとの間の内側ガス流路２ｃを第１ガス流路として有する。内側入口２ａに導入流路１０が接続されることで内側ガス流路２ｃに未処理試料ガスＧ１が導入される。
外管３は、置換ガスＧ３を導入するために一端近傍の周壁に形成された外側入口３ａを第２入口として有し、他端近傍の周壁に形成された外側出口３ｂを第２出口として有し、外側入口３ａと外側出口３ｂとの間の外側ガス流路３ｃを第２ガス流路として有する。外側入口３ａは置換ガスＧ３の供給源に接続される。その供給源として、例えば加圧された置換ガスＧ３を充填した圧力容器が用いられ、その圧力容器を外側入口３ａに接続する配管に、置換ガスＧ３の外管３への供給流量の設定手段として質量流量コントローラ（ＭＦＣ）、流量制御弁等の流量制御器８が設けられる。
内側入口２ａ、内側出口２ｂ、外側入口３ａおよび外側出口３ｂは、内側ガス流路２ｃにおける未処理試料ガスＧ１の流動方向と外側ガス流路３ｃにおける置換ガスＧ３の流動方向とが互いに逆方向となるように配置されている。
多孔性隔壁２Ａにより第１配管である内管２と第２配管である外管３とが隔てられている。すなわち、内管２における内側ガス流路２ｃを覆う周壁の両端間部位は、未処理試料ガスＧ１と置換ガスＧ３との分圧差による拡散によって未処理試料ガスＧ１を内側ガス流路２ｃ外に移動させると共に置換ガスＧ３を内側ガス流路２ｃ内に移動させるための多孔性隔壁２Ａにより構成されている。多孔性隔壁２Ａの各孔径は、内側ガス流路２ｃにおけるガス圧力と外側ガス流路３ｃおけるガス圧力との差による多孔性隔壁２Ａを介するガス移動を実質的に阻止するように設定され、本実施形態では実質的に０．８μｍ〜０．００１μｍとされる。各孔径は、ガスＧ１、Ｇ３の置換効率が低下して装置が大型化するのを防止するために０．００１μｍ以上とされ、好ましくは０．００２μｍ以上であり、より好ましくは０．０２μｍ以上である。また各孔径は、微粒子が各孔を透過したり各孔に捕捉されて分析精度が低下したりガス圧力差によるガス移動が生じるのを防止するため０．８μｍ以下とされ、好ましくは０．５μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以下である。なお、多孔性隔壁２Ａにおいて、ガス置換機能に影響することのない程度の僅かな数の孔の径が０．８μｍ〜０．００１μｍの範囲外であっても良く、実質的に０．８μｍ〜０．００１μｍであればよい。多孔性隔壁２Ａの気孔率は特に制限されないが、ガス置換効率および機械的強度の観点から４０％〜８０％であるのが好ましい。多孔性隔壁２Ａの材質は、上記条件に合致する多孔性材であれば特に制限されず、石英ガラス等のガラスやセラミック等が好ましく、例えばシラス多孔質ガラス（ＳＰＧ）を用いることができる。内管２の両端近傍部位２Ｂ、２Ｃは多孔性隔壁２Ａと内外径が等しく滑らかに結合される。なお、内側ガス流路２ｃを覆う周壁全体を多孔性隔壁２Ａとしてもよく、内側ガス流路２ｃの少なくとも一部を覆う部位を多孔性隔壁２Ａとすればよい。
内管２の両端近傍部位２Ｂ、２Ｃと外管３の材質は特に限定されず、複数の異なる材質から構成してもよい。例えば、加工容易性および内管２に導入された未処理試料ガスＧ１の加熱容易性や耐熱性の観点から、金属、セラミック、ガラスであるのが好ましく、セラミックや石英ガラスのようなガラスとするのが望ましい。
内管２の両端近傍部位２Ｂ、２Ｃと外管３の材質は特に限定されず、複数の異なる材質から構成してもよい。例えば、加工容易性および内管２に導入された未処理試料ガスＧ１の加熱容易性や耐熱性の観点から、金属、セラミック、ガラスであるのが好ましく、セラミックや石英ガラスのようなガラスとするのが望ましい。
前処理装置１によるガス置換は、内管２に内側入口２ａから微粒子を含む未処理試料ガスＧ１を導入し、多孔性隔壁２Ａにより囲まれた内側ガス流路２ｃにおいて流動させ、置換ガスＧ３を外側入口３ａから外管３に流入させて多孔性隔壁２Ａの周囲における外側ガス流路３ｃにおいて未処理試料ガスＧ１の流動方向と逆方向に流動させることで行う。これにより、未処理試料ガスＧ１と置換ガスＧ３との分圧差による拡散により、換言すれば内側ガス流路２ｃの内外における未処理試料ガスＧ１と置換ガスＧ３との濃度差を推進力として、未処理試料ガスＧ１の大部分を多孔性隔壁２Ａを介して内側ガス流路２ｃ外に移動させると共に置換ガスＧ３の一部を多孔性隔壁２Ａを介して内側ガス流路２ｃ内に移動させる。内側ガス流路２ｃにおいては、内側入口２ａから内側出口２ｂに向かうに従い未処理試料ガスＧ１の濃度が次第に低下すると共に置換ガスＧ３の濃度が次第に増加する。外側ガス流路３ｃにおいては、外側入口３ａから外側出口３ｂに向かうに従い置換ガスＧ３の濃度が次第に低下すると共に未処理試料ガスＧ１の濃度が次第に増加する。これにより、未処理試料ガスＧ１のすくなくとも一部のガス成分と置換された置換ガスＧ３は、微粒子と僅かな未処理試料ガスＧ１と共に内側出口２ｂから流出する処理済試料ガスＧ４を構成する。また、未処理試料ガスＧ１と置換ガスＧ３を外側出口３ｂから排出ガスＧ５として流出させることができる。この際、内側ガス流路２ｃと外側ガス流路３ｃとのガス圧力差、すなわち内側ガス流路２ｃの内外のガス圧力差による多孔性隔壁２Ａを介するガス移動を多孔性隔壁２Ａにより実質的に阻止できる。よって、多孔性隔壁２Ａの各孔径、気孔率、肉厚、管径、長さ、形状、外管３の内径、形状、未処理試料ガスＧ１および置換ガスＧ３の流量等を適宜設定することで、内側出口２ｂから流出する処理済試料ガスＧ４の不要成分を、分析装置における分析に悪影響を及ぼさないだけの限界量以下にまで削減できる。
前処理装置１においては、内側ガス流路２ｃ外に移動する未処理試料ガスＧ１の量と内側ガス流路２ｃ内に移動する置換ガスＧ３の量とを略等しくし、内側ガス流路２ｃにおいて未処理試料ガスＧ１の殆どを置換ガスＧ３に置換し、内側出口２ｂから流出する処理済試料ガスＧ４の流量が変動するのを防止できる。この際、内側ガス流路２ｃにおける微粒子は、その径が多孔性隔壁２Ａの孔径を超えるものは各孔を透過したり各孔に捕捉されることはなく、また、その孔径以下のものもガスより拡散速度が遅く拡散ガスの流れによる慣性力も非常に弱いことから、大部分の微粒子は外側ガス流路３ｃに移動することなく置換ガスＧ３と共に内側出口２ｂから流出する。よって、内側ガス流路２ｃに未処理試料ガスＧ１と共に導入された微粒子を減損することなく、未処理試料ガスＧ１とほぼ同流量の置換ガスＧ３と共に分析装置に供給することができる。
前処理装置１により前処理された処理済試料ガスＧ４は、内側出口２ｂから接続ガス流路２０へ流出し、接続ガス流路２０を介して分析装置３０に導かれる。本実施形態の分析装置３０はプラズマ分析装置とされている。分析装置３０は、アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等をプラズマガスＧ６としてプラズマＰを形成するためのプラズマトーチ３０ａと、処理済試料ガスＧ４をプラズマＰに導くためにプラズマトーチ３０ａの中心に配置されるセンターチューブ３０ｂを有する。プラズマ分析装置は公知のものを用いることができる。噴霧ガスＧ２、置換ガスＧ３はプラズマガスＧ６と同一組成とするのが好ましい。
図１および図３に示すように、接続ガス流路２０に、ガス付加装置４０と、前処理装置１の下流であってガス付加装置４０の上流に配置される圧力調整装置５０が設けられている。接続ガス流路２０はガス付加装置４０と圧力調整装置５０の内部を貫通する。
ガス付加装置４０は、分析装置３０に向かい流動する処理済試料ガスＧ４に接続ガス流路２０においてキャリアガスＧ７を付加し、そのキャリアガスＧ７の付加流量の変更手段を有する。本実施形態のガス付加装置４０は、接続ガス流路２０に導入されるキャリアガスＧ７の圧力ヘッド低下に基づき処理済試料ガスＧ４を接続ガス流路２０に導くアスピレータを有する。
すなわちガス付加装置４０は、第１ダクト４１と、第１ダクト４１に接続される第２ダクト４２と、キャリアガスＧ７の付加流量の変更手段として質量流量コントローラ（ＭＦＣ）、流量制御弁等の流量制御器４３を有する。両ダクト４１、４２は接続ガス流路２０の一部を構成する。第１ダクト４１の一端開口は接続ガス流路２０のガス流出口２０ｂを構成し、分析装置３０のセンターチューブ３０ｂの入口に接続される。第１ダクト４１内に、絞り部４１ａと、絞り部４１ａの出口に連なるディフューザ４１ｂが形成されている。第１ダクト４１の他端開口はキャリアガスＧ７の供給源４４に流量制御器４３を介して接続される。第２ダクト４２の入口は後述の圧力調整装置５０の第１パイプ５１を介して前処理装置１の内側出口２ｂに通じ、第２ダクト４２の出口は絞り部４１ａの出口近傍におけるキャリアガスＧ７の噴出領域に通じる。供給源４４は、例えばガスボンベのような圧力容器とされ、加圧されたキャリアガスＧ７を第１ダクト４１に供給する。これにより、接続ガス流路２０に導入されるキャリアガスＧ７の絞り部４１ａからの噴出による圧力ヘッド低下に基づき、処理済試料ガスＧ４が接続ガス流路２０に吸引され、キャリアガスＧ７が処理済試料ガスＧ４に付加される。すなわちガス付加装置４０はアスピレータを構成する。このアスピレータは公知のものを用いることができる。このキャリアガスＧ７の付加流量は流量制御器４３により変更される。キャリアガスＧ７を付加された処理済試料ガスＧ４は、分析装置３０のセンターチューブ３０ｂを介しプラズマＰに導かれる。キャリアガスＧ７はプラズマガスＧ６と同一組成とするのが好ましい。
圧力調整装置５０は、ガス付加装置４０の上流において分析試料を含むガスの圧力変動を規制する。本実施形態の圧力調整装置５０は、接続ガス流路２０における前処理装置１とガス付加装置４０との間において、ガスの圧力変動を規制する。そのため本実施形態の圧力調整装置５０は、接続ガス流路２０を構成する第１パイプ５１と、シールガス流路５２ａを構成する第２パイプ５２と、第１パイプ５１と第２パイプ５２を連結する連結パイプ５３を有し、連結パイプ５３の内部が連通流路５３ａとされている。
第１パイプ５１の一端開口は、接続ガス流路２０のガス流入口２０ａを構成し、前処理装置１の内側出口２ｂに接続される。第１パイプ５１の他端開口は、ガス付加装置４０の第２ダクト４２の入口に接続される。これにより、前処理装置１から流出する処理済試料ガスＧ４は、接続ガス流路２０を介して分析装置３０のセンターチューブ３０ｂに導かれる。シールガス流路５２ａの入口５２ａ′はシールガスＧ８の供給源５４に質量流量コントローラ（ＭＦＣ）、流量制御弁等の流量制御器５５を介して接続され、シールガス流路５２ａの出口５２ａ″は大気中に連通される。なお、シールガス流路５２ａの出口５２ａ″は一定圧力の雰囲気中に連通されてもよい。シールガス流路５２ａにおける入口５２ａ′と出口５２ａ″との間は、接続ガス流路２０における前処理装置１とガス付加装置４０との間に、連通流路５３ａを介して連通する。
ガス付加装置４０による処理済試料ガスＧ４の吸引等により、ガス付加装置４０の上流の接続ガス流路２０においてガス圧力が低下すると、シールガス流路５２ａに入口５２ａ′から導入されるシールガスＧ８の一部が接続ガス流路２０に導かれ、その圧力低下がキャンセルされる。これにより、前処理装置１とガス付加装置４０との間において接続ガス流路２０内を略大気圧に維持できる。よって、キャリアガスＧ７の付加流量変更時に、接続ガス流路２０内のガスの圧力変動を前処理装置１とガス付加装置４０との間において規制することで、前処理装置１におけるガスの圧力変動を規制できる。シールガスＧ８はプラズマガスＧ６と同一組成とするのが好ましい。シールガスＧ８の流量は、試料導入システムＡ１と外部との間のガスシールが破壊されることのない予め定めた充分な流量に設定すればよい。
上記実施形態によれば、接続ガス流路２０を流れる処理済試料ガスＧ４へのキャリアガスＧ７の付加流量がガス付加装置４０により変更され、前処理領域におけるガスの圧力変動が圧力調整装置５０により規制される。これにより、前処理装置１に導入される未処理試料ガスＧ１の流量を変化させることなく、また、前処理装置１におけるガスの圧力変動を生じさせることなく、分析試料と共に分析装置３０に導入されるガスの流量を変化させることができる。よって、前処理装置１による処理条件を変化させる必要がないので分析条件の多様性に適合できる。
さらに、前処理装置１とガス付加装置４０との間において接続ガス流路２０はシールガス流路５２ａを介して大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通し、前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量は一定になる。よって、キャリアガスＧ７の付加流量を変化させる際に、前処理装置１に導入される未処理試料ガスＧ１の流量を変化させることなく、確実に前処理装置１におけるガスの圧力変動を防止できる。また、キャリアガスＧ７の付加流量が変化しても、前処理装置１とガス付加装置４０との間における接続ガス流路２０の内圧を均一かつ一定に保持できる。さらに、シールガス流路５２ａを流れるシールガスＧ８により、試料導入システムＡ１と外部との間をガスシールできる。すなわち、可動部材を用いることなく接続ガス流路２０の内圧変動を規制すると共に、接続ガス流路２０の内部と周囲環境との間をシールすることでシステム内の汚染を防止できる。これにより、前処理装置１と接続ガス流路２０との接続部におけるシール等を介して周囲環境等における汚染物質が分析装置３０に混入したり、処理済試料ガスＧ４が外部に漏洩するのを防止できる。よって、安定した分析結果を得ることができ、特にプラズマ分析装置３０においては、プラズマＰの温度変化や電子密度変化を生じることなく安定したプラズマＰを維持でき、高感度分析に貢献できる。
また、前処理装置１において、未処理試料ガスＧ１における少なくとも一部のガス成分を置換ガスＧ３と置換することで不要成分を除去できる。この際、前処理領域１に導入される未処理試料ガスＧ１の流量や前処理装置１でのガス圧力が変動しないので、置換ガスＧ３の流量や圧力等の処理条件を変化させる必要がなく、分析装置３０に導入されるガス流量の変化に容易に対応できる。さらに、多孔性隔壁２Ａを挟んだ領域でのガス圧力差を低減し、未処理試料ガスＧ１と置換ガスＧ３との分圧差による多孔性隔壁２Ａでの拡散を介するガス置換が阻害されるのを防止できる。また、分析装置３０に導入されるガス流量と無関係に前処理装置１においてガス置換できることから、ガス置換に際して分析試料である微粒子の散逸を防止できるだけでなく、ガス置換効率を一定に維持できる。しかも、分析試料の種類に応じてガス置換効率が変化しないように未処理試料ガスＧ１の流量を変化させる場合、未処理試料ガスＧ１の流量変化に応じてキャリアガスＧ７の流量を変化させることで、分析装置３０に導入されるガス流量を分析に最適な値に維持できる。これにより、前処理装置１でのガス置換効率を最適化すると同時に、分析装置３０に導入されるガス流量を最適化して安定したプラズマＰを維持することができる。
プラズマＰにセンターチューブ３０ｂを介して分析試料をガスと共に導く際、そのセンターチューブ３０ｂにおいてガスが絞られることから、もし前処理装置１と分析装置３０を直接に接続するとセンターチューブ３０ｂへの導入ガス流量の変化により接続ガス流路２０の内圧は変動する。しかし、本実施形態では、前処理装置１と分析装置３０はガス付加装置４０を介して接続され、ガス付加装置４０によりセンターチューブ３０ｂへの導入ガス流量が変更され、その導入ガス流量の変更時における前処理装置１とガス付加装置４０との間における接続ガス流路２０のガスの圧力変動は圧力調整装置５０により規制されるので、前処理装置１と接続ガス流路２０との接続部におけるシール等を介して周囲環境等における汚染物質がシステム内に混入したり、処理済試料ガスＧ４が外部に漏洩するのを防止できる。例えば、センターチューブ３０ｂの先端部の内径が１〜２ｍｍ、プラズマＰに導入されるガス流量が５００〜２０００ｍｌ／ｍｉｎである場合、もし前処理装置１と分析装置３０を直接に接続すると前処理装置１の内管２の内圧は数百Ｐａになることから、分析試料が多孔性隔壁２Ａを介してシステム外へ散逸するのを防止する必要がある。そのためには、置換ガスＧ３の供給条件等の設定を厳密にして外管３内のガス圧力を制御する必要があるため、分析装置３０における分析条件の変化に容易に対応できない。しかし上記実施形態によれば、圧力調整装置５０により内管２の内圧変動を防止できるので、そのような外管３内のガス圧力の制御は不要である。これにより、分析試料を構成する元素の種類等に応じてプラズマＰに導入されるガス流量を自動的に切り替えるオートチューニングにより分析条件の最適化を容易に行える。
ガス付加装置４０としてアスピレータを用いることで、接続ガス流路２０に可動部材や動力源を設けることなくキャリアガスＧ７を付加できる。また、未処理試料ガスを前処理装置１に導入するのに必要な圧力を未処理試料ガスＧ１自身が有さない場合であっても、可動部材や動力源を設けることなく、所定量の未処理試料ガスＧ１を前処理装置１に導入できる。アスピレータの性能は特に限定されないが、吸引される処理済試料ガスＧ４の流量はキャリアガスＧ７の流量以上であるのが好ましい。例えば、キャリアガスＧ７の流量が５００ｍｌ／ｍｉｎのとき、吸引される処理済試料ガスＧ４の流量は５００ｍｌ／ｍｉｎ以上とされる。アスピレータの材質は、システム内を汚染したり特定成分を選択的に吸着する等の不具合のないものであればよく、例えば石英ガラスやタイゴン（Norton Performance Plastics 社商標：ポリ塩化ビニル）等を用いることができる。
図４〜図６は本発明の第２実施形態の試料導入システムＡ２を示す。以下、第２実施形態において第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
第２実施形態においては、圧力調整装置５０は前処理装置１の上流に配置され、シールガス流路５２ａにおける入口５２ａ′と出口５２ａ″との間が、接続ガス流路２０ではなく導入流路１０に連通流路５３ａを介して連通される。そのため、第２実施形態のガス付加装置４０における第２ダクト４２の入口は、前処理装置１の内側出口２ｂに直接に接続される。圧力調整装置５０における第１パイプ５１の一端開口は、導入流路１０のガス流出口１０ａを構成し、前処理装置１の内側入口２ａに接続される。第１パイプ５１の他端開口は、導入流路１０を構成する配管を介して未処理試料ガスＧ１の供給源に接続される。シールガス流路５２ａにおける入口５２ａ′と出口５２ａ″との間は、導入流路１０における前処理装置１の内側入口２ａ近傍に、連通流路５３ａを介して連通する。
ガス付加装置４０による処理済試料ガスＧ４の吸引等により、導入流路１０においてガス圧力が低下すると、シールガス流路５２ａに入口５２ａ′から導入されるシールガスＧ８の一部が導入流路１０に導かれ、その圧力低下がキャンセルされる。これにより、導入流路１０内のガスの圧力変動を規制することで、前処理装置１におけるガスの圧力変動を規制できる。
なお、シールガスＧ８が導入流路１０に導かれることで、前処理装置１へは未処理試料ガスＧ１だけでなくシールガスＧ８も導入されるが、前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量自体は一定であるので、前処理装置１による処理条件を変化させる必要はない。
他は第１実施形態と同様である。
ガス付加装置４０による処理済試料ガスＧ４の吸引等により、導入流路１０においてガス圧力が低下すると、シールガス流路５２ａに入口５２ａ′から導入されるシールガスＧ８の一部が導入流路１０に導かれ、その圧力低下がキャンセルされる。これにより、導入流路１０内のガスの圧力変動を規制することで、前処理装置１におけるガスの圧力変動を規制できる。
なお、シールガスＧ８が導入流路１０に導かれることで、前処理装置１へは未処理試料ガスＧ１だけでなくシールガスＧ８も導入されるが、前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量自体は一定であるので、前処理装置１による処理条件を変化させる必要はない。
他は第１実施形態と同様である。
図７、図８は本発明の第３実施形態の試料導入システムＡ３を示す。以下、第３実施形態において第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
第３実施形態においては、圧力調整装置５０Ｂは前処理装置１の上流に配置され、シールガスを用いることなくガスの圧力変動を防止する。そのため。第３実施形態の圧力調整装置５０Ｂは、第１実施形態における圧力調整装置５０の構成に代えて、導入流路１０から分岐する排気流路５０′を有する。本実施形態においては、排気流路５０′を導入流路１０から分岐させるため、排気流路５０′と導入流路１０をＴ字管により構成している。導入流路１０に第１実施形態と同様に供給される加圧された未処理試料ガスＧ１は、一部が前処理装置１に導入され、残部が排気流路５０′の出口５０″から排出される。排気流路５０′の出口５０″は大気中に連通される。なお、排気流路５０′の出口５０″は一定圧力の雰囲気中に連通されてもよい。
第３実施形態のガス付加装置４０Ａにおける第２ダクト４２の入口は、前処理装置１の内側出口２ｂに直接に接続される。また、第３実施形態のガス付加装置４０Ａは、第１実施形態のガス付加装置４０と同様の構成に加えて、第３ダクト４５と、流量制御器４６を有する。第３ダクト４５の一端開口はディフューザ４１ｂよりも下流において第１ダクト４１の内部に連なり、第３ダクト４５の他端開口は流量制御器４６を介してキャリアガスＧ７′の供給源４７に接続される。供給源４７は、例えばガスボンベのような圧力容器とされ、加圧されたキャリアガスＧ７′を第３ダクト４５を介して第１ダクト４１に供給する。キャリアガスＧ７′はプラズマガスＧ６と同一組成とするのが好ましい。これにより、第３実施形態のガス付加装置４０Ａにおいては、供給源４４から流量制御器４３を介して供給されるキャリアガスＧ７だけでなく、供給源４７から流量制御器４６を介して供給されるキャリアガスＧ７′が処理済試料ガスＧ４に付加される。第３実施形態におけるガス付加装置４０ＡによるキャリアガスＧ７′の付加流量の変更手段は流量制御器４６により構成される。
第３実施形態においては、ガス付加装置４０Ａが構成するアスピレータによる未処理試料ガスＧ１の吸引流量が、前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量とされる。その吸引流量は流量制御器４３により設定されるキャリアガスＧ７の流量に応じて定まることから、流量制御器４３が前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量の設定手段として機能する。その前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量は一定値に設定される。
第３実施形態においては、導入流路１０へ加圧された未処理試料ガスＧ１が第１実施形態と同様に供給源から供給され、その導入流路１０への未処理試料ガスＧ１の供給流量の設定手段が設けられている。第１実施形態と同様に導入流路１０に未処理試料ガスＧ１を噴霧器１１により供給する場合、噴霧ガスＧ２の流量を設定する流量制御器１３が未処理試料ガスＧ１の供給流量の設定手段として機能する。また、気体状の分析試料を含む加圧ガスを未処理試料ガスＧ１として充填した圧力容器を供給源とし、その圧力容器を導入流路１０に供給流量の設定手段として機能する流量制御器を介して接続してもよい。導入流路１０への未処理試料ガスＧ１の供給流量の設定値は、前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量の設定値よりも大きくされる。
他は第１実施形態と同様とされる。
他は第１実施形態と同様とされる。
第３実施形態によれば、排気流路５０′の出口は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通し、前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量は一定になるため、前処理装置１に導入される未処理試料ガスＧ１の流量を変化させることなく、確実に前処理装置１におけるガスの圧力変動を防止できる。また、導入流路１０への未処理試料ガスＧ１の供給流量の設定値が前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量の設定値よりも大きくされているので、排気流路５０′を流れる未処理試料ガスＧ１により、試料導入システムＡ３と外部との間をガスシールできる。すなわち、可動部材を用いることなく、前処理装置１でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
図９は本発明の第４実施形態の試料導入システムＡ４を示す。以下、第４実施形態において第１実施形態と同様部分は同一符号で示し、相違点を説明する。
第４実施形態においては、導入流路１０に供給される未処理試料ガスＧ１の圧力は大気圧あるいは一定圧とされ、導入流路１０の入口は質量流量コントローラ（ＭＦＣ）、流量制御弁等の流量制御器を介することなく直接に未処理試料ガスＧ１の雰囲気中に連通する。例えば、導入流路１０の入口が大気中や一定圧力の雰囲気中に連通するものとされ、その大気あるいは雰囲気が未処理試料ガスＧ１とされる。
第４実施形態においては、圧力調整装置５０Ｃは前処理装置１の上流に配置され、シールガスを用いることなくガスの圧力変動を防止する。第４実施形態の圧力調整装置５０Ｃは、第１実施形態における圧力調整装置５０の構成に代えて、導入流路１０から分岐する分岐流路５０ａを有する。分岐流路５０ａを構成する配管の一端は、前処理装置１の内側入口２ａの近傍において導入流路１０を構成する配管に接続され、分岐流路５０ａを構成する配管の他端は前処理装置１の外側出口３ｂに接続される。これにより、分岐流路５０ａは導入流路１０を内側入口２ａの近傍において外側出口３ｂに連通させる。
導入流路１０に供給された未処理試料ガスＧ１の一部を、分岐流路５０ａを介して前処理装置１の外側出口３ｂからの排出ガスＧ５と共に吸引するガス吸引手段が設けられている。本実施形態のガス吸引手段は真空ポンプ６０により構成され、真空ポンプ６０のガス吸引側は分岐流路５０ａを構成する配管に流量制御器６１を介して接続される。真空ポンプ６０のガス排出側は大気中に連通される。ガス吸引手段は真空ポンプ６０に限定されず、例えばブロアやファンにより構成してもよい。また、真空ポンプ６０のガス排出側は一定圧力の雰囲気中に連通されてもよい。その流量制御器６１により、真空ポンプ６０による未処理試料ガスＧ１と排出ガスＧ５の合計吸引流量の設定手段が構成される。真空ポンプ６０による未処理試料ガスＧ１と排出ガスＧ５の合計吸引流量の設定値は、流量制御器８により設定される外管３への置換ガスＧ３の供給流量の設定値よりも大きくされている。
第４実施形態においては、第１実施形態のガス付加装置４０に代えて第３実施形態と同様のガス付加装置４０Ａを備え、流量制御器４６がガス付加装置４０ＡによるキャリアガスＧ７′の付加流量の変更手段として機能する。また、第４実施形態においては、ガス付加装置４０Ａが構成するアスピレータによる未処理試料ガスＧ１の吸引流量が、前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量とされる。その吸引流量は流量制御器４３により設定されるキャリアガスＧ７の流量に応じて定まることから、流量制御器４３が前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量の設定手段として機能する。その前処理装置１への未処理試料ガスＧ１の導入流量は一定値に設定される。
他は第１実施形態と同様とされる。
他は第１実施形態と同様とされる。
第４実施形態によれば、導入流路１０に供給される未処理試料ガスＧ１の圧力は大気圧あるいは一定圧とされ、未処理試料ガスＧ１と排出ガスＧ５の合計吸引流量の設定値は、外管３への置換ガスＧ３の供給流量の設定値よりも大きくされる。よって、導入流路１０に供給される未処理試料ガスＧ１の一部は、確実に分岐流路５０ａを介して真空ポンプ６０により吸引される。そして、真空ポンプ６０のガス排出側は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通するので、導入流路１０における内側入口２ａの近傍において未処理試料ガスＧ１の圧力を略大気圧あるいは一定圧にできる。これにより、導入流路１０が長いために未処理試料ガスＧ１の圧力損失が大きく、導入流路１０の長さや径の相違により圧力損失の大きさが一定でない場合でも、導入流路１０における内側入口２ａの近傍でのガスの圧力変動を阻止し、前処理装置１でのガスの圧力変動を規制すると共に周囲環境に対するシールができる。
本発明は上記実施形態に限定されない。
例えば、圧力調整装置を圧力調整弁により構成してもよい。
また、第１、第２実施形態において、ガス付加装置として、アスピレータに代えてポンプ、ブロア、ファン等のガス吸引手段により処理済試料ガスを吸引し、そのガス吸引手段の下流の接続ガス流路において、高圧ボンベやポンプから吐出されるキャリアガスを質量流量コントローラ（ＭＦＣ）、流量制御弁等の流量制御器を介して処理済試料ガスに付加する構成としてもよい。
第３、第４実施形態においては、供給源４７から流量制御器４６を介してキャリアガスＧ７′を処理済試料ガスＧ４に付加できるので、ガス付加装置４０Ａはアスピレータに代えて未処理試料ガスＧ１を吸引するポンプ、ブロアあるいはファン等のガス吸引手段を有するものであってもよい。
また、上記各実施形態の前処理装置１においては内管２を第１配管とし、外管３を第２配管としたが、これに代えて、内管２を第２配管とし、外管３を第１配管としてもよい。この場合、内側入口２ａが第２入口とされ、内側出口２ｂが第２出口とされ、内側ガス流路２ｃが第２ガス流路とされ、外側入口３ａが第１入口とされ、外側出口３ｂが第１出口とされ外側ガス流路３ｃが第１ガス流路とされる。これにより、内側入口２ａは置換ガスＧ３の供給源に接続され、内側出口２ｂから未処理試料ガスＧ１と置換ガスＧ３が排出ガスＧ５として流出され、外側入口３ａに導入流路１０が接続されることで外側ガス流路３ｃに未処理試料ガスＧ１が導入され、外側出口３ｂに接続される接続ガス流路２０を介して分析装置３０に処理済試料ガスＧ４が導かれる。
さらに、上記各実施形態の前処理装置１は内管２を第１配管とし外管３を第２配管とする二重管構造を備えるが、これに代えて、図１０の変形例に示すように、互いに平行に配置される２本の配管１０１、１０２を備え、両配管１０１、１０２が多孔性隔壁２Ａを共有する構造を採用してもよい。この場合、両配管１０１、１０２の中の一方が第１配管とされ、他方が第２配管とされ、両配管１０１、１０２が多孔性隔壁２Ａにより隔てられる。
分析装置はプラズマ分析装置に限定されず、例えばガスクロマトグラフ質量分析法による分析を行う分析装置でもよい。
前処理装置による不要成分の除去方法は上記実施形態に限定されず、例えば従来技術として示したような、不要成分として水分を除去するドライヤや、分析試料である微粒子を荷電して分級する際にガス状汚染成分を除去し、微粒子を所望のガス種からなる雰囲気中に浮遊させる微粒子分級装置を用いてもよい。
例えば、圧力調整装置を圧力調整弁により構成してもよい。
また、第１、第２実施形態において、ガス付加装置として、アスピレータに代えてポンプ、ブロア、ファン等のガス吸引手段により処理済試料ガスを吸引し、そのガス吸引手段の下流の接続ガス流路において、高圧ボンベやポンプから吐出されるキャリアガスを質量流量コントローラ（ＭＦＣ）、流量制御弁等の流量制御器を介して処理済試料ガスに付加する構成としてもよい。
第３、第４実施形態においては、供給源４７から流量制御器４６を介してキャリアガスＧ７′を処理済試料ガスＧ４に付加できるので、ガス付加装置４０Ａはアスピレータに代えて未処理試料ガスＧ１を吸引するポンプ、ブロアあるいはファン等のガス吸引手段を有するものであってもよい。
また、上記各実施形態の前処理装置１においては内管２を第１配管とし、外管３を第２配管としたが、これに代えて、内管２を第２配管とし、外管３を第１配管としてもよい。この場合、内側入口２ａが第２入口とされ、内側出口２ｂが第２出口とされ、内側ガス流路２ｃが第２ガス流路とされ、外側入口３ａが第１入口とされ、外側出口３ｂが第１出口とされ外側ガス流路３ｃが第１ガス流路とされる。これにより、内側入口２ａは置換ガスＧ３の供給源に接続され、内側出口２ｂから未処理試料ガスＧ１と置換ガスＧ３が排出ガスＧ５として流出され、外側入口３ａに導入流路１０が接続されることで外側ガス流路３ｃに未処理試料ガスＧ１が導入され、外側出口３ｂに接続される接続ガス流路２０を介して分析装置３０に処理済試料ガスＧ４が導かれる。
さらに、上記各実施形態の前処理装置１は内管２を第１配管とし外管３を第２配管とする二重管構造を備えるが、これに代えて、図１０の変形例に示すように、互いに平行に配置される２本の配管１０１、１０２を備え、両配管１０１、１０２が多孔性隔壁２Ａを共有する構造を採用してもよい。この場合、両配管１０１、１０２の中の一方が第１配管とされ、他方が第２配管とされ、両配管１０１、１０２が多孔性隔壁２Ａにより隔てられる。
分析装置はプラズマ分析装置に限定されず、例えばガスクロマトグラフ質量分析法による分析を行う分析装置でもよい。
前処理装置による不要成分の除去方法は上記実施形態に限定されず、例えば従来技術として示したような、不要成分として水分を除去するドライヤや、分析試料である微粒子を荷電して分級する際にガス状汚染成分を除去し、微粒子を所望のガス種からなる雰囲気中に浮遊させる微粒子分級装置を用いてもよい。
上記第１実施形態の試料導入システムＡ１を用い、分析装置３０のセンターチューブ３０ｂに導入されるガス流量を変化させ、前処理装置１の内側出口２ｂにおけるガス圧力とセンターチューブ３０ｂにおけるガス流量を測定した。
本実施例では、未処理試料ガスＧ１の流量は一定（３００ｍｌ／ｍｉｎ）とし、キャリアガスＧ７の流量を変化させることで分析装置３０のセンターチューブ３０ｂに導入されるガス流量を変化させた。
分析装置３０のセンターチューブ３０ｂの先端部の内径は１．５ｍｍとした。前処理装置１の外側出口３ｂ、シールガス流路５２ａの出口５２ａ″、センターチューブ３０ｂの出口におけるガス圧力はそれぞれ大気圧とした。
本実施例では、未処理試料ガスＧ１の流量は一定（３００ｍｌ／ｍｉｎ）とし、キャリアガスＧ７の流量を変化させることで分析装置３０のセンターチューブ３０ｂに導入されるガス流量を変化させた。
分析装置３０のセンターチューブ３０ｂの先端部の内径は１．５ｍｍとした。前処理装置１の外側出口３ｂ、シールガス流路５２ａの出口５２ａ″、センターチューブ３０ｂの出口におけるガス圧力はそれぞれ大気圧とした。
センターチューブ３０ｂの先端部の内径を１．８ｍｍとした以外は実施例１と同様にして、前処理装置１の内側出口２ｂにおけるガス圧力を測定した。
第１実施形態の試料導入システムＡ１に代えて図１１に示す比較例の試料導入システムＢを用い、分析装置３０のセンターチューブ３０ｂに導入されるガス流量を変化させ、前処理装置１の内側出口２ｂにおけるガス圧力を測定した。
比較例の試料導入システムＢは、ガス付加装置４０と圧力調整装置５０を除き、前処理装置１と分析装置３０を接続ガス流路２０を介して直接に接続した以外は実施形態の試料導入システムＡ１と同一構成であり、実施形態の試料導入システムＡ１と同一部分は同一符号で示している。
本比較例の試料導入システムＢにおいては、未処理試料ガスＧ１の流量を実施例１における分析装置３０のセンターチューブ３０ｂに導入されたガス流量と同様に変化させた。
分析装置３０のセンターチューブ３０ｂの先端部の内径は１．５ｍｍとした。前処理装置１の外側出口３ｂ、センターチューブ３０ｂの出口におけるガス圧力はそれぞれ大気圧とした。
比較例の試料導入システムＢは、ガス付加装置４０と圧力調整装置５０を除き、前処理装置１と分析装置３０を接続ガス流路２０を介して直接に接続した以外は実施形態の試料導入システムＡ１と同一構成であり、実施形態の試料導入システムＡ１と同一部分は同一符号で示している。
本比較例の試料導入システムＢにおいては、未処理試料ガスＧ１の流量を実施例１における分析装置３０のセンターチューブ３０ｂに導入されたガス流量と同様に変化させた。
分析装置３０のセンターチューブ３０ｂの先端部の内径は１．５ｍｍとした。前処理装置１の外側出口３ｂ、センターチューブ３０ｂの出口におけるガス圧力はそれぞれ大気圧とした。
センターチューブ３０ｂの先端部の内径を１．８ｍｍとした以外は比較例１と同様にして、前処理装置１の内側出口２ｂにおけるガス圧力を測定した。
以下の表１は各実施例における測定結果を示し、表２は各比較例における測定結果を示す。
表１、表２から、実施例１および２では前処理装置１の内側出口２ｂにおけるガス圧力は略大気圧であり、圧力調整装置５０の作用によりセンターチューブ３０ｂの径が変化してもガス圧力は略一定であり、比較例１および２におけるような大きなガスの圧力変動を生じないことを確認できる。すなわち本発明の実施例によれば、分析装置３０における分析条件の変化に応じてキャリアガスＧ７の流量を変化させても、分析試料である微粒子等の散逸を防止し、前処理装置１におけるガス置換効率を一定に維持できることを確認できる。
Claims (8)
- 分析試料を含む未処理試料ガスから不要成分を除去する前処理を行う前処理装置と、
前記前処理装置により処理された処理済試料ガスを分析装置に導く接続ガス流路と、
前記分析装置に向かい流動する前記処理済試料ガスに前記接続ガス流路においてキャリアガスを付加するガス付加装置と、
前記ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動を規制する圧力調整装置とを備え、
前記ガス付加装置は前記キャリアガスの付加流量の変更手段を有し、
前記圧力調整装置はシールガス流路を有し、
前記シールガス流路は、シールガスの供給源に接続される入口と、大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通する出口とを有し、
前記シールガス流路は前記ガス付加装置の上流に連通され、
前記シールガス流路に導入される前記シールガスの一部が前記ガス付加装置の上流に導かれることで、前記ガス付加装置の上流における圧力低下がキャンセルされる試料導入システム。 - 前記圧力調整装置は連通流路を有し、
前記シールガス流路の入口と出口との間は、前記接続ガス流路における前記前処理装置と前記ガス付加装置との間に前記連通流路を介して連通され、
前記前処理装置への前記未処理試料ガスの導入流量の設定手段が設けられ、
前記未処理試料ガスの導入流量は一定値に設定される請求項１に記載の試料導入システム。 - 前記前処理装置へ前記未処理試料ガスを導入する導入流路を備え、
前記圧力調整装置は連通流路を有し、
前記シールガス流路の入口と出口との間は、前記導入流路に前記連通流路を介して連通され、
前記前処理装置への前記未処理試料ガスの導入流量の設定手段が設けられ、
前記未処理試料ガスの導入流量は一定値に設定される請求項１に記載の試料導入システム。 - 分析試料を含む未処理試料ガスから不要成分を除去する前処理を行う前処理装置と、
前記前処理装置により処理された処理済試料ガスを分析装置に導く接続ガス流路と、
前記分析装置に向かい流動する前記処理済試料ガスに前記接続ガス流路においてキャリアガスを付加するガス付加装置と、
前記ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動を規制する圧力調整装置と、
前記前処理装置へ前記未処理試料ガスを導入する導入流路とを備え、
前記ガス付加装置は前記キャリアガスの付加流量の変更手段を有し、
前記圧力調整装置は、前記導入流路から分岐する排気流路を有し、
前記排気流路は、大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通する出口を有し、
前記導入流路への前記未処理試料ガスの供給流量の設定手段と、
前記前処理装置への前記未処理試料ガスの導入流量の設定手段とが設けられ、
前記未処理試料ガスの導入流量は一定値に設定され、
前記未処理試料ガスの前記供給流量の設定値は前記導入流量の設定値よりも大きくされ、
前記排気流路の出口が大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通され、前記未処理試料ガスの導入流量が一定値に設定されることで、前記前処理装置でのガスの圧力変動が規制される試料導入システム。 - 分析試料を含む未処理試料ガスから不要成分を除去する前処理を行う前処理装置と、
前記前処理装置により処理された処理済試料ガスを分析装置に導く接続ガス流路と、
前記分析装置に向かい流動する前記処理済試料ガスに前記接続ガス流路においてキャリアガスを付加するガス付加装置と、
前記ガス付加装置の上流において分析試料を含むガスの圧力変動を規制する圧力調整装置と、
前記前処理装置へ前記未処理試料ガスを導く導入流路とを備え、
前記ガス付加装置は前記キャリアガスの付加流量の変更手段を有し、
前記分析試料は固体微粒子とされ、
前記前処理装置は、第１配管と、第２配管と、前記第１配管と前記第２配管を隔てる多孔性隔壁を有し、
前記第１配管は、前記導入流路に接続される第１入口と、前記接続ガス流路に接続される第１出口と、前記第１入口と前記第１出口との間の第１ガス流路とを有し、
前記第２配管は、置換ガスの供給源に接続される第２入口と、前記置換ガスと置換された前記未処理試料ガスを含む排出ガスを流出させるための第２出口と、前記第２入口と前記第２出口との間の第２ガス流路とを有し、
前記前処理装置により、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分を前記多孔性隔壁での分圧差による拡散を介して前記置換ガスと置換するガス置換機能が奏され、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分と置換された前記置換ガスにより前記処理済試料ガスが構成され、
前記多孔性隔壁の各孔径は、前記第１ガス流路におけるガス圧力と前記第２ガス流路におけるガス圧力との差による前記多孔性隔壁を介するガス移動を実質的に阻止するように設定され、
前記圧力調整装置は、前記導入流路を、前記第１入口の近傍において前記第２出口に連通させる分岐流路を有し、
前記導入流路に供給された前記未処理試料ガスの一部を、前記分岐流路を介して前記排出ガスと共に吸引するガス吸引手段と、
前記前処理装置への前記未処理試料ガスの導入流量の設定手段と、
前記ガス吸引手段による前記未処理試料ガスと前記排出ガスの合計吸引流量の設定手段と、
前記置換ガスの前記第２配管への供給流量の設定手段とが設けられ、
前記導入流路に供給される前記未処理試料ガスの圧力は大気圧あるいは一定圧とされ、
前記未処理試料ガスの導入流量は一定値に設定され、
前記未処理試料ガスと前記排出ガスの合計吸引流量の設定値は、前記置換ガスの供給流量の設定値よりも大きくされ、
前記ガス吸引手段のガス排出側は大気中あるいは一定圧力の雰囲気中に連通する試料導入システム。 - 前記分析試料は固体微粒子とされ、
前記前処理装置は多孔性隔壁を有し、
前記前処理装置により、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分を前記多孔性隔壁での分圧差による拡散を介して置換ガスと置換するガス置換機能が奏され、前記未処理試料ガスにおける少なくとも一部のガス成分と置換された置換ガスにより前記処理済試料ガスが構成される請求項１〜４の中の何れかに記載の試料導入システム。 - 前記分析装置は、前記キャリアガスを付加された前記処理済試料ガスをプラズマに導くためのチューブを有するプラズマ分析装置である請求項１〜６の中の何れか１項に記載の試料導入システム。
- 前記ガス付加装置は、前記接続ガス流路に導入されるキャリアガスの圧力ヘッド低下に基づき前記処理済試料ガスを前記接続ガス流路に導くアスピレータを有する請求項１〜７の中の何れか１項に記載の試料導入システム。
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