JP4635949B2 - 発光分析装置 - Google Patents

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（図３）では、主放電電源１２とイグナイタ回路１３が、金属試料３２と電極３１により形成される放電ギャップ１１に接続されており、主放電電流経路を形成している。主放電電源１２では、コンデンサが数百Vに充電されており、放電ギャップ１１（金属試料３２と電極３１との間隙）に放電が開始した後に、大電流のスパーク放電を形成するためのエネルギーを供給する。制御装置１４は、主放電電源１２やイグナイタ回路１３の充電電圧やタイミングなどを制御する。

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と電極３１との間隙は、通常希ガスなどで満たされている。金属試料３２と電極３１は、数mm程度の間隔をおいて配置されており、数百Vの電圧印加により放電が開始することはない。イグナイタ回路１３は、イグニッショントランス２１の二次コイルに発生させた１０ｋＶ程度の高電圧を電極３１に印加することにより、放電を開始させるのに使用される。

イグニッショントランス２１の一次コイルには励磁電源２３と電流制御装置２２が接続されており、励磁電流経路を形成している。まず、電流制御装置２２を導通状態にすることにより、励磁電源２３から一次コイルへ電流を流して、一次コイルを励磁する。この時、放電ギャップ１１には、主放電電源１２のコンデンサに充電された電圧がイグニッショントランス２１の二次コイルを通して印加されているが、電圧が低いため放電は開始しない。

一次コイルに所定の電流を流している時に、電流制御装置２２を遮断状態にすることにより、イグニッショントランス２１に蓄えられた磁気エネルギーは、二次コイルに１０ｋＶ以上の誘導電圧を発生し、放電ギャップ１１（金属試料３２と電極３１との間隙）を絶縁破壊して放電を開始させる。

一旦放電が始まると、主放電電源１２からイグニッショントランス２１の二次コイルを通して放電ギャップ１１にエネルギーが供給されて放電電流は急速に増加し、放電ギャップ１１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。

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。

ただし、スパーク放電で発生したプラズマは、試料表面の状態などにより放電条件が異なるため、複数回の放電では蒸発する元素の量や発光強度は必ずしも一定ではなく、毎回ランダムに変化することになる。このため、多数の測定を繰り返し、得られた発光強度の信号に積算や平均化の処理を行うことで、測定値の確度を高めている。また、測定の開始時は、発光強度の測定を行わずに放電のみを行って（予備放電）、金属試料３２と電極３１の表面状態が安定するのを待ち、その後に分析を行うことにより測定値の確度を高めている。

試料表面は放電により削られてゆくので、適当な回数の測定を行う度に、試料表面の測定部位を移動したり、試料表面を再研磨したりして、放電条件をできるだけ一定に保つように注意が払われている。

一方、放電により金属試料３２の表面から蒸発した原子は、周辺の絶縁体や電極３１の表面に付着する。絶縁体には、放電プラズマから見えない部分を作るなどして絶縁を確保するが、電極３１は常に金属試料３２やプラズマに面しており、電極３１の先端部には試料から蒸発した堆積物が付着して放電条件を変化させる。そして、最終的には正常な放電を阻害する。このため、分析試料の研磨と同時に電極３１の研磨作業も必要になり、分析作業の他に余分なメンテナンス作業が発生するため、装置の稼働率を減少させる。

特許文献１に記載の先行技術においては、上記の電極３１の研磨作業の負担を軽減するために、主放電の電流の向き（極性）を反転させて、電極３１上の堆積物を除去するという技術が開示されている。

図４は、この先行技術を利用した発光分析装置の構成図である。図３の構成では主放電電源１２は極性が固定されたものであったが、図４の構成では極性反転が可能な主放電電源１５を使用する。ただし、主放電電源１５の極性のみを反転させるだけでは、安定な放電が得られないため、イグナイタ回路内部に補助放電ギャップ２４を設けて、イグニッショントランスを主放電電流経路から切り離している。

放電が開始する時の放電ギャップ１１の電圧（放電開始電圧）は、その時の電極３１や金属試料３２の表面の状態などによって変化する。イグニッショントランス２１の磁気エネルギーは、電気エネルギーに変換される際に二次側の容量負荷を充電して放電開始電圧より高い電圧を発生できるように、充分なエネルギーが与えられる。したがって、図３の構成で放電が開始した時には、イグニッショントランス２１にはまだ磁気エネルギーが残っており、放電開始時と同じ向きの電流を維持する。このため、主放電電源の電圧極性を反転させた時には、逆向きの主放電電流をうまく立ち上げることができない。

図４においては、イグニッショントランス２１と主放電電源１５を並列に接続することで、放電開始時の電流と、主放電電流の向きが逆の場合においても、安定にスパーク放電を立ち上げることを可能にしている。イグニッショントランス２１と主放電電源１５が並列に接続されているため、補助放電ギャップ２４を用いてイグニッショントランス２１を主放電電源１５からＤＣ的に切り離して、主放電電源１５のコンデンサからイグニッショントランス２１へと放電してしまうのを防いでいる。イグニッショントランス２４に高電圧が発生した際に、補助放電ギャップ２４は絶縁破壊して電極３１に高電圧を印加し、引き続いて放電ギャップ１１を絶縁破壊して放電を開始する。一旦放電が開始して、電極３１の電圧が低下すると、補助放電ギャップ２４の電極間の放電は止まり、主放電電源１５から放電ギャップ１１への主放電電流のみが増加してスパーク放電を形成する。この図４に示した発光分析装置において、主放電電流の極性を反転させることにより、電極３１上の堆積物を除去することが可能となり、電極３１の研磨作業の負担を軽減することが可能となった。

実公昭５６−４７５６４号公報

従来の発光分析装置においては、多数のスパーク放電を行うことにより、電極３１上に試料電極から蒸発した堆積物が形成され、これを除去するための電極３１の研磨作業が負担となっていた。図４に示される先行技術においては、逆極性の放電により電極３１上の堆積物を除去することにより、電極３１の研磨作業の負担を軽減した。

しかし、補助電極ギャップ２４にも、電流量は小さいが、放電ギャップ１１と同様の放電電流が流れるため、補助電極ギャップ２４の電極も研磨作業を行う必要が生じる。電極研磨作業の頻度は低下したが、依然として分析作業の他に余分なメンテナンス作業が発生するため、装置の稼働率を減少させるという問題が発生する。

上記課題を解決するために、本願発明においては、放電ギャップと前記放電ギャップに放電を開始させるためのイグナイタ回路と前記放電ギャップに放電を維持する主放電電源を有する発光分析装置において、前記イグナイタ回路は、イグニッショントランスと一対の電流制御装置と励磁電源とを有し、前記イグニッショントランスの二次コイルには前記放電ギャップと前記主放電電源が直列に接続されて主放電電流経路を形成し、前記イグニッショントランスの一次コイルには前記一対の電流制御装置と前記励磁電源が直列に接続されて励磁電流経路を形成し、さらに前記一対の電流制御装置は、互いに逆の極性で接続されることを特徴とする発光分析装置が提供される。

さらに、本願発明による発光分析装置においては、前記励磁電源の電圧極性を反転することにより、前記イグニッショントランスの二次コイルに発生させる高電圧の極性を反転することを特徴とする。

さらに、本願発明による発光分析装置においては、前記励磁電源の電圧極性の反転と同時に、前記主放電電源の電圧極性を反転することにより、主放電電流の向きを反転することを特徴とする。

さらに、本願発明による発光分析装置においては、前記電流制御装置は、一つの、あるいは並列に接続された複数のパワー系スイッチング素子により構成されることを特徴とする。

さらに、本願発明による発光分析装置においては、前記励磁電源回路は、コンデンサと充電回路から構成され、前記イグニッショントランスの二次コイルに発生させる高電圧の極性に応じて、前記コンデンサの充電電圧の極性を切り換え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、主放電電流の向きを反転して、電極３１上の堆積物を除去することにより、電極３１の研磨作業の負担を軽減する。また、補助電極ギャップを使用しないため、余計な電極の研磨作業を行う必要が生じない。

電極研磨作業の頻度を大幅に低下させることによって、分析作業の他に余分なメンテナンス作業が発生せず、装置の稼働率を向上させる。

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１は、発光分析装置の構成図の一例であり、図３乃至図４と同じものには同じ番号が付してある。装置の構成は、図３に示した従来技術に係る発光分析装置と類似している。主放電電源１５とイグナイタ回路１３が、金属試料３２と電極３１により形成される放電ギャップ１１に接続されて、主放電電流経路を形成している。主放電電源１５では、コンデンサが数百Vに充電されており、放電ギャップ１１（金属試料３２と電極３１との間隙）に放電が開始した後に、大電流のスパーク放電を形成するためのエネルギーを供給する。制御装置１４は、主放電電源１５やイグナイタ回路１３の充電電圧やタイミング及び電圧極性などを制御する。

イグニッショントランス２１の一次コイルには励磁電源４０と一対の電流制御装置２２、２５が直列に接続されており、励磁電流経路を形成している。一対の電流制御装置２２、２５は、互いに逆の極性で接続される。図１では電流制御装置の一例としてＭＯＳＦＥＴが使用されている。ＩＧＢＴなどの、別の電流制御装置を用いてもかまわない。また、電流量を大きくするために、複数のＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどを並列接続したものを一つの電流制御装置として使用しても良い。この実施例においては、イグニッショントランス２１の一次コイルの両端に、一対の電流制御装置２２、２５のドレイン端子が接続されている。電流制御装置２２、２５が励磁電流経路に沿って逆向きに配置されていれば、両方共にイグニッショントランス２１の片側に接続しても原理的にはかまわない。しかし、イグニッショントランス２１に高電圧が発生するときに、電流制御装置２２、２５の制御端子や励磁電源４０の電圧変動を小さくするためには、図１のごとく、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子をイグニッショントランス２１の一次コイルに接続する形態がより好ましい。

励磁電源４０の構成の一例を図２に示す。イグニッショントランス２１の励磁電流は、コンデンサ４１から一対の電流制御装置２２、２５を通して一次コイルへと供給される。このため、励磁を行う前にはコンデンサ４１を適当な電圧に充電しておく必要がある。さらに、放電電流の極性を反転する際には、コンデンサ４１の充電電圧も反転する必要がある。このため、コンデンサ４１には充電電圧切り換え器４２ａ、４２ｂと充電用電源４３が接続されている。図２には明示されていないが、充電用電源４３には充電のタイミングを制御するためのアナログスイッチやリレー等の素子が含まれており、制御装置１４の信号に応じたタイミングで充電電圧や電圧極性、充電のタイミングが制御される。

図２に示した充電電圧切り換え器４２ａ、４２ｂの極性状態でのイグナイタ回路１３の動作を説明する。あらかじめコンデンサ４１を充電した後に、電流制御装置２２を導通状態にする。電流制御装置２５は、ＭＯＳＦＥＴなどの場合は、通常ボディーダイオードによってこの極性に対しては自動的に導通状態になっているが、順方向電圧降下による損失を防ぐためには、ゲート電圧を操作して積極的に導通状態にしても良い。あるいは、ボディーダイオードなどがなく、自動的に導通状態にならないタイプの電流制御装置である場合には、積極的に導通状態にする必要がある。

一次コイルの電流が所定の電流値に達した時に、電流制御装置２２を遮断状態にする。励磁されたイグニッショントランス２１は、一次コイルや二次コイルの線間容量や浮遊容量を含んだ負荷容量を充電しながら次第にエネルギーを失って行く。二次コイルに高電圧を発生させるために、二次コイルの巻数は大きくしてあるため、二次側の容量の影響が大きく、容量ができるだけ小さくなるように配慮されている。二次コイルに接続された放電ギャップ１１に充分な高電圧が発生すると、放電ギャップ１１（金属試料３２と電極３１との間隙）が絶縁破壊して放電が開始する。

放電が開始する電圧は、電極３１や金属試料３２の表面状態などに依存して毎回変動するために、イグニッショントランス２１の励磁エネルギーは、余分に与えてある。このため、放電が開始した直後は、残りの磁気エネルギーによって電流が持続される。主放電電源１５には、この電流を増加させる向きの電圧が印加されているので、放電電流は時間と共に増加し、放電ギャップ１１に高エネルギーのスパーク放電が形成される。

多くの試料構成原子を蒸発させるためには、主放電電流を大きくして、短時間に金属試料３２の表面を高温に加熱する必要がある。このため。イグニッショントランス２１の二次コイルのインダクタンスはできるだけ小さくなるように構成される。また、二次コイルに高電圧を発生させた時に、一次コイルに発生する電圧を、電流制御装置２２、２５が使用しうる実用的な電圧値（例えば１ｋＶ）に抑えるために、一次コイルのインダクタンスはさらに小さくなる。このため、所望の励磁エネルギーを得るために一次コイルに流す励磁電流は１００Ａを超える大電流となる。

このように、高電圧かつ大電流が発生する一次コイルでは、電流の極性を切り換えるために、通常のリレーなどを使用することは、耐電圧や電流容量の点から不可能となる。ＭＯＳＦＥＴ等の電流制御装置２２、２５は、比較的容易に１００Ａを超える大電流を制御することができるが、通常は単一の極性で使用するように設計されている。そこで、一対の電流制御装置２２、２５を図１や図２に示すように励磁電流経路に沿って逆向きに接続すれば、電流の極性を切り換えた時に、どちらか一方の電流制御装置はその電流を遮断することができ、さらにドレイン端子に発生する高電圧に耐えることができる。励磁電源４０に接続されているソース端子や、制御装置１４に接続されているゲート端子は、一次コイルの両端に発生する例えば１ｋＶ程度の高電圧パルスによる影響を受けず、誤動作を防ぐことができる。

電極３１に付着した堆積物を除去するために反対極性の放電を行う際には、主放電電源に充電する電圧を反転させておき、さらに充電電圧切り換え器４２ａ、４２ｂの電圧を切り換えて、励磁電源４０内部のコンデンサ４１の充電電圧を反転させておく。電流制御装置２５を導通状態にすることで、励磁電流を逆向きに流す。この時、電流制御装置２２は、先に示したごとく、電流が流れる状態にさえしておけば良い。電流制御装置２５を遮断状態にすることで、イグニッショントランス２１の二次コイルに発生する高電圧の極性も反転し、逆極性に充電された主放電電源１５により、主放電電流が逆向きのスパーク放電が形成される。

このように、本願発明の発光分析装置によれば、逆極性のスパーク放電を容易に発生することができ、試料から蒸発して電極３１の先端部に付着した堆積物を除去することが可能となる。さらに、補助放電ギャップを使用しないために、補助放電ギャップの電極の研磨などの作業が必要になることもない。このため、電極研磨作業の頻度を大幅に低下させることによって、分析作業の他に余分なメンテナンス作業が発生せず、装置の稼働率を向上させる。

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。

本発明の一実施例である発光分析装置の構成図。 本発明の一実施例である発光分析装置のイグナイタ回路の構成図。 従来技術による発光分析装置の構成図。 従来技術による別の発光分析装置の構成図。

符号の説明

１１・・・放電ギャップ
１２・・・主放電電源
１３・・・イグナイタ回路
１４・・・制御装置
１５・・・主放電電源
２１・・・イグニッショントランス
２２・・・電流制御装置
２３・・・励磁電源
２４・・・補助放電ギャップ
２５・・・電流制御装置
３１・・・電極
３２・・・金属試料
４０・・・励磁電源
４１・・・コンデンサ
４２ａ、４２ｂ・・・充電電圧極性切り換え器
４３・・・充電用電源

Claims (5)

1. 放電ギャップと前記放電ギャップに放電を開始させるためのイグナイタ回路と前記放電ギャップに放電を維持する主放電電源を有する発光分析装置において、
   前記イグナイタ回路は、イグニッショントランスと一対の電流制御装置と励磁電源とを有し、
   前記イグニッショントランスの二次コイルには前記放電ギャップと前記主放電電源が直列に接続されて主放電電流経路を形成し、
   前記イグニッショントランスの一次コイルには前記一対の電流制御装置と前記励磁電源が直列に接続されて励磁電流経路を形成し、
   さらに前記一対の電流制御装置は、互いに逆の極性で接続されることを特徴とする発光分析装置。
2. 請求項１に記載の発光分析装置において、
   前記励磁電源の電圧極性を反転することにより、前記イグニッショントランスの二次コイルに発生させる高電圧の極性を反転することを特徴とする発光分析装置。
3. 請求項１から２に記載の発光分析装置において、
   前記励磁電源の電圧極性の反転と同時に、前記主放電電源の電圧極性を反転することにより、主放電電流の向きを反転することを特徴とする発光分析装置。
4. 請求項１から３に記載の発光分析装置において、
   前記電流制御装置は、一つの、あるいは並列に接続された複数の、パワー系スイッチング素子により構成されることを特徴とする発光分析装置。
5. 請求項１から４に記載の発光分析装置において、
   前記励磁電源回路は、コンデンサと充電回路から構成され、前記イグニッショントランスの二次コイルに発生させる高電圧の極性に応じて、前記コンデンサの充電電圧の極性を切り換えることを特徴とする発光分析装置。
   

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