JP4709998B2 - 液体導入プラズマ装置 - Google Patents

Description

本発明は、分析試料やＣＶＤ原料などの液体をプラズマ中に直接導入することができるプラズマトーチなどの液体導入プラズマ装置に関するものである。

従来、プラズマ装置は、試料の分析用のほかに、表面処理、エッチング、ＣＶＤなどに使用されており、外部から直流、交流、高周波、マイクロ波等の電力を印加してプラズマのみを生成している。プラズマへ液体を導入する場合、例えば元素分析では、あらかじめネブライザによりスプレーチャンバ中に霧化したのち、プラズマ装置に輸送していた。この方法では、試料の大部分はスプレーチャンバや導入経路で液体に戻るためプラズマ中に導入されず、導入効率が良くなかった。また、試料を霧化してからプラズマに導入されるまでの経路に試料が付着し、試料導入終了後にも信号が検出されるメモリ効果が生じていた。そこで、本発明者は、プラズマ中に液体を直接噴霧できるプラズマ装置を発明し、出願している（特許文献１）。

特願２００３−２７２８９８

（１）本発明は、プラズマ中に液体を直接噴霧できるプラズマ装置において、気流を安定化することによって、プラズマの生成安定性を向上することにある。
（２）又は、本発明は、プラズマ中に噴霧した液体を乾燥させることで、プラズマの生成安定性を向上することにある。
（３）又は、本発明は、噴霧した液体をプラズマ中の所望の位置、例えばプラズマの中心部に導入することにある。

本発明の特徴は、プラズマ発生室に発生させたプラズマ中に液体を導入する液体導入プラズマ装置において、前記プラズマ発生室の内部に発生する前記プラズマに対面するように配置された噴霧口に向けて液体を送給する液体通路管と、前記液体通路管を取り囲むと共に前記噴霧口において前記液体通路管の外側から噴霧ガスを噴霧する噴霧ガス通路管とを有し、前記噴霧ガスにより前記噴霧口からプラズマ発生室内に液体を噴霧する噴霧装置と、噴霧装置の噴霧口の周囲にあり、プラズマ発生室に噴霧された液体の周囲を包囲する包囲ガスを吹き出し口から吹き出す包囲ガス導入管とを備え、包囲ガスにより噴霧された液体を包囲して、噴霧された液体の拡散を防ぐ、液体導入プラズマ装置にある。

本発明は、つぎのような効果を得ることができる。
（１）本発明は、プラズマ中に液体を直接噴霧できるプラズマ装置において、気流を安定化することによって、プラズマの生成安定性を向上することができる。
（２）又は、本発明は、プラズマ中に噴霧した液体を乾燥させることで、プラズマの生成安定性を向上することができる。
（３）又は、本発明は、噴霧した液体をプラズマ中の所望の位置、例えばプラズマの中心部に導入することができる。

（１）液体導入プラズマ装置
本発明の実施の形態の液体導入プラズマ装置は、液体導入プラズマトーチ、液体導入平行平板型プラズマ源など、プラズマ４を発生するプラズマ発生室２内に試料などの液体を導入できるプラズマ装置である。液体導入プラズマ装置は、分析試料やＣＶＤ原料などのほかに、液体混合物などの液体をプラズマ中に導入して、金属などの物質の表面改質、表面処理、エッチング、ＣＶＤなどのプラズマプロセッシングに使用できる。液体導入プラズマ装置は、例えば図１〜図３に示すように、プラズマ発生室２を有するプラズマ装置本体１と、液体をプラズマ発生室２に導入する噴霧装置３を備えている。液体導入プラズマ装置は、液体を直接プラズマ４中に噴霧することができる。この構成により、液体をプラズマ発生室２内に１００％の効率で導入することができる。そのため、極めて少ない液体でも、高い分析能力を得ることができる。また、液体導入プラズマ装置を小型化でき、取り扱いが容易になる。また、従来のようにスプレーチャンバや脱溶媒システムを必要とすることがなく、また、事前に使用した液体が付着することによって生じるメモリ効果を低減することができる。

この液体導入プラズマ装置は、プラズマ発生室２で、噴霧された液体の周囲を包囲ガスの気流で囲んで、噴霧された液体の拡散を防ぎ、噴霧された液体をプラズマ中の所望位置、例えばプラズマの中心部に導入することができる。

（２）プラズマ装置本体
プラズマ装置本体１は、プラズマ１４を発生するプラズマ発生室２と、プラズマ発生室２にヘリウムやアルゴンなどのプラズマガスを導入するプラズマガスの通路を包囲ガス導入管４の外面とで形成する。プラズマ発生室２でプラズマ１４を発生する手段は、外部から直流、交流、高周波、マイクロ波等の電力を印加するなど種々の方法が知られており、図示していない。プラズマ発生室２は、例えば図１に示すように、プラズマガス筒体１１と包囲ガス導入管４の端面１５で囲まれた空間であり、プラズマガスなどのガスが排出される開口部２１を有している。包囲ガス導入管４の端面１５は、プラズマ発生室２の開口部２１の面に対向しており、プラズマ発生室奥の端壁の面を形成している。プラズマガスは、プラズマガス注入口１３から注入され、プラズマガス筒体１１と包囲ガス導入管４との間のプラズマガス通路１２を通過してプラズマ発生室２に移送される。

プラズマガス筒体１１は、例えば、円筒とし、円筒の一端を開口部２１とし、円筒の他端から内部に包囲ガス導入管４を配置する。円筒の軸方向の長さは、分析の内容により適宜決められるが、例えば２５ｍｍ〜２００ｍｍの小型から３９０ｍｍ程度まで利用し、円筒の内径（直径）は、例えば３ｍｍ〜３０ｍｍの小型から３００ｍｍ程度まで利用する。プラズマ発生室２の軸方向の長さは、例えば１０ｍｍ〜１８０ｍｍの小型から３７０ｍｍ程度まで利用する。このプラズマ発生室２の軸方向の長さは、開口部２１からプラズマ発生室奥の端壁の面までの距離である。プラズマ装置本体の長さ（円筒の軸方向の長さ＋噴霧装置の円筒からの突出部の長さ）は、例えば３５ｍｍ〜２１０ｍｍの小型から４００ｍｍ程度まで利用する。包囲ガス導入管の軸方向の長さは、例えば１５ｍｍ〜１００ｍｍとする。包囲ガス導入管の外径（直径）は、プラズマ発生室側端部で大きく、反対側端部で小さいものでも、又は、全体に同一径でもよい。同一径の場合、その外径（直径）は、例えば筒体１１の内径（直径）より０．２ｍｍ〜３０ｍｍ小さいものを使用する。

（３）噴霧装置
噴霧装置３は、液体をプラズマ発生室２に直接に噴霧する装置である。噴霧装置３は、例えば図１〜図２に示すように、管状の噴霧装置本体３１と、噴霧装置本体３１の先端部に位置し、プラズマ発生室２に液体をほぼ直接に送り出す噴霧口３６を備えている。噴霧装置本体３１は、液体を注入する液体注入口３２とプラズマ室２に液体を移送する液体通路管３５、及び、噴霧ガスを注入する噴霧ガス注入口３３とプラズマ発生室２に移送する噴霧ガス液体通路管３７を備えている。噴霧装置本体３１は、噴霧ガス液体通路管３７の外管と、外管内に配置された液体通路管３５の内管を有している。

噴霧装置３は、包囲ガス導入管４により保持される。噴霧装置３は、小型化ができ、噴霧装置本体３１の軸方向の長さは、例えば、２０ｍｍ〜１５０ｍｍとし、外径（直径）は、例えば、３ｍｍ〜１５ｍｍの小型から２９９ｍｍ程度まで利用する。この噴霧装置本体３１の軸方向の長さは、噴霧口３６から噴霧ガス注入口３３までの距離である。このように噴霧装置３を小型化でき、取り扱いが容易になるとともに、噴霧装置３の表面に付着する液体の量を最小限に抑えることができる。

（４）包囲ガス導入管
包囲ガス導入管４は、プラズマ発生室２に噴霧された液体を気流で囲んで、拡散を防止するためのものである。包囲ガス導入管４は、例えば図１〜図３に示すように、管状の本体と、先端部にプラズマ発生室２に包囲ガスを送り出す吹き出し口４１と、包囲ガスを注入する包囲ガス注入口４２を備えている。管状の本体は、吹き出し口４１付近に包囲ガスをスムーズに吹き出すための走行路４３を備えている。包囲ガス導入管４の外周は、プラズマガス流路１２の一部を構成していてもよい。

包囲ガス導入管４は、噴霧された液体の広がり角度より狭い角度に包囲ガスを吹き出し、噴霧された液体を包囲して、噴霧された液体の拡散を防ぐことができる。これにより、噴霧した液体をプラズマ中の所望位置、例えばプラズマの中心部に導入することができる。特に、包囲ガスの吹き出し角度は、略まっすぐ（略０度）とするとよい。吹き出し角度は、広がる角度であり、円錐状に広がる場合、円錐の中心軸からの角度の２倍である。

それと共に、包囲ガスの平均流速を速くして、より確実に噴霧された液体を包囲して、噴霧された液体の拡散を防ぐことができる。分析用に使用されている一般的なネブライザの場合、噴霧ガスは、噴霧効果を得るために、噴霧口直前では１０ｍ／ｓ〜２０ｍ／ｓと流速が大きいと考えられている。それに伴い、噴霧された液体は、噴霧口直前では噴霧ガスと同様に流速が大きく、あまり減速しないと考えられる。ただ、噴霧ガスは、噴霧口直前で円錐状に広がるので、流速は、距離と共に急速に減少し、例えば０．４Ｌ／ｍｉｎ程度の流量では、噴霧口３６からほぼ１０ｍｍ先と２０ｍｍ先では、それぞれ０．４ｍ／ｓ程度と０．１１ｍ／ｓ程度になると考えられる。包囲ガスは、例えば０．６Ｌ／ｍｉｎ程度の流量とすると、３．６ｍ／ｓ程度の流速となり、あまり広がらないので、流速は、距離と共にはさほど落ちないと考えられる。そのため、包囲ガスの流速は、噴霧口３６から離れた位置では、噴霧ガスの流速とほぼ等しいか、それよりも速くすると、噴霧された液体の拡がりを更に抑制できる。

従来の中間ガスは、プラズマをプラズマ発生室２の開口部２１方向に押し出す働きをするものであり、通常１Ｌ／ｍｉｎ程度の少量を流し、流速に直すと、０．１３ｍ／ｓ程度と、包囲ガスの流速より極めて遅い。そのため、噴霧された液体の拡散を規制することができず、プラズマの生成を安定にできず、噴霧した液体がプラズマ中に広がり、中心部に液体を効率よく導入することができない。

包囲ガス導入管４は、噴霧された液体がなるべく広がらないように、走行路４３を設け、包囲ガスが直線状に放出されるようにする。走行路４３の形状を円筒状、ロート状などのように、包囲ガスが周面に沿って直線状に噴出される形状とし、その形状に沿った方向に包囲ガスを吹き出すとよい。走行路４３は、例えば図２に示すように、吹き出し口４１の口径とほぼ同じ口径の流路を所定の長さ形成する。この流路に包囲ガスが流れることにより、安定した気流をプラズマ発生室２に送り出すことができる。流路の長さは、噴霧状態、包囲ガスの流速、吹き出し口４１の口径などに依存しており、包囲ガスが、なるべくプラズマ発生室２内にて直線状に気流ができる程度の長さが好ましい。なお、吹き出し口４１の口径がほぼ同じ口径とは、噴霧された液体の拡散を抑えられる程度に口径が変化しても良く、口径が小さくなっても、又は大きくなっても良い。

走行路４３の吹き出し口４１は、包囲ガスが噴霧された液体の拡散を抑えることができる程度に、噴霧口３６付近の周囲に配置する。吹き出し口４１は、例えば図２（Ａ）に示すように、ほぼ噴霧口３６付近に配置し、吹き出し口４１と噴霧口３６が軸方向で同一の位置に配置される。これにより、噴霧された液体の周囲に包囲ガスが包囲するような流れが形成でき、そのまま、プラズマ発生室２内を移動することができる。又は、走行路４３は、図２（Ｂ）に示すように、噴霧口３６とプラズマ発生室２の間に形成する。特に、走行路４３の口径を小さくすると、噴霧された液体の流路を細くでき、プラズマの中心軸上に集中的に導入することができる。その場合、噴霧口３６付近の包囲ガス導入管４の口径より走行路４３の口径を小さくする。そして、これらの口径をテーパ状に又は階段状になだらかに連結する。これにより、噴霧された液体は、その周囲に包囲ガスが包囲するように、走行路４３を流れ、そのまま、プラズマ発生室２を移動することができる。

包囲ガス導入管４の他の形状は、図３に示す。図３（Ａ）は、中間ガス通路管５を包囲ガス導入管４の周囲に配置したものである。中間ガスは、包囲ガス導入管４と中間ガス通路管５の間の空間を通って、プラズマガス発生室２に移送される。中間ガスは、平均流速が遅く、プラズマをプラズマ発生室２の開口部２１方向に押し出すものであり、噴霧された液体の拡散を防止するものではない。中間ガス通路管５は、図３（Ａ）に限らず、他の形状のプラズマ装置においても必要に応じて設けることができる。

図３（Ａ）の包囲ガス導入管４の走行路４３は、噴霧口３６付近の周囲にあり、噴霧口３６を覆ってはいない。噴霧口３６は、包囲ガス導入管４の吹き出し口４１から少し突出している。図３（Ｂ）〜（Ｄ）では、逆に、噴霧口３６は、包囲ガス導入管４で覆われている。いずれにしろ、包囲ガスの広がり角度の制限と流速により、噴霧した液体を包囲することができる。図３（Ｂ）の走行路４３は、噴霧口３６の前方で口径が広くなり、一定になっている。図３（Ｃ）の走行路４３は、噴霧口３６の前方で口径が徐々に広がっているが、噴霧した液体を拡散させるほど広がるものではない。図３（Ｄ）の包囲ガス導入管４は、噴霧口３６の前方の一部で、口径が広がり、更に前方では、噴霧口３６の後方の口径より小さな口径で一定の走行路４３が形成されている。これにより、粒子の均一性が高まると考えられる。その他の形状としては、包囲ガスを、旋回させながら、吹き出しても良い。これにより、包囲ガスが噴霧した液体の周囲を均等に包囲でき、噴霧した液体の拡散を防ぐことができる。

包囲ガスの温度を室温より高温にすることにより、噴霧した液体を乾燥させる。これにより、プラズマへの負荷を軽減し、プラズマの安定度を向上できる。又は、それに伴い、分析の感度を向上することができる。包囲ガスの温度を液体の沸点（例えば１００℃）程度付近にすると、より乾燥することができるが、これに限らず、乾燥しやすい高温にすれば良い。高温にするには、例えば、包囲ガスを加熱する加熱装置を包囲ガスの配管中など、プラズマ装置に取り付ける。

噴霧ガスの種類を変えることにより、例えばアルゴンからヘリウムに変えることにより、分析の感度を向上することができるが、噴霧ガスを変更すると、粘性の違いにより、噴霧された液体の粒径が変化し、分析感度の向上が得られない恐れがある。そこで、噴霧ガスの種類を変更する代わりに、包囲ガスの種類を変えることにより、液体の粒径を変えずに済む。これにより、例えば分析感度を向上することができる。包囲ガスの種類の変更は、包囲ガス導入管４にガスの種類を変更する装置を接続することにより行うことができる。

（５）噴霧された液体の拡散状態
液体導入プラズマ装置による噴霧された液体粒子の拡がりの状態を写した写真を図４に示す。図４（Ａ）は包囲ガス導入管を備えた液体導入プラズマ装置によるものであり、図２（Ｂ）の形状の液体導入プラズマ装置を使用したものである。図４（Ｂ）は包囲ガス導入管を備えない液体導入プラズマ装置によるものであり、包囲ガスを排出しない図１の装置の形状と類似した液体導入プラズマ装置を使用したものである。図４（Ａ）の写真の条件は、噴霧ガス流量は、０．４Ｌ／ｍｉｎであり、包囲ガス流量は、０．６Ｌ／ｍｉｎであり、液体導入量は、５００μＬ／ｍｉｎである。包囲ガスは、走行路に沿って吹き出され、吹き出し角度は、０度であり、流速は、流量からしてほぼ３．６ｍ／ｓであると考えられる。この包囲ガスの吹き出しの圧力により、噴霧された液体は、拡がりが抑えられ、噴霧された液体の広がり角度は、ほぼ１８度（中心軸からの角度では９度）となっている。図４（Ｂ）の写真の条件は、噴霧ガス流量は、０．４Ｌ／ｍｉｎであり、液体導入量は、５００μＬ／ｍｉｎである。この場合、包囲ガスがないために、噴霧された液体の広がり角度はほぼ２５度（中心軸からの角度では１２．５度）と広くなっている。

包囲ガス導入管を備えた液体導入プラズマ装置では、噴霧された液体粒子が、包囲ガスの周囲からの圧力により拡がりが抑えられ、少し拡がる程度で、細い直線状の形状になり、プラズマの中心部に制限されている。それにより、プラズマの生成安定性を向上でき、噴霧した液体をプラズマの中心部に効率よく導入することができる。

それに対して、包囲ガス導入管を備えない液体導入プラズマ装置では、包囲ガスの圧力がないために、噴霧された液体粒子が拡がり、周辺がぼやけて、液体粒子がプラズマ中に広く分布していることを示している。そのため、プラズマの生成が不安定になり、高温部に液体を効率よく導入することができない。

液体導入プラズマ装置の説明図 液体導入プラズマ装置の走行路付近の一部拡大図 包囲ガス導入管の一部拡大図 噴霧された液体の拡散の状態を示す図

符号の説明

１・・・プラズマ装置本体
１１・・プラズマガス筒体
１２・・プラズマガス通路
１３・・プラズマガス注入口
１４・・プラズマ
１５・・端面
２・・・プラズマ発生室
２１・・開口部
３・・・噴霧装置
３１・・噴霧装置本体
３２・・液体注入口
３３・・噴霧ガス注入口管
３４・・噴霧液体
３５・・液体通路管
３６・・噴霧口
３７・・噴霧ガス通路管
４・・・包囲ガス導入管
４１・・吹き出し口
４２・・包囲ガス注入口
４３・・走行路
４４・・包囲ガス
５・・・中間ガス通路管

Claims (4)

1. プラズマ発生室に発生させたプラズマ中に液体を導入する液体導入プラズマ装置において、
   前記プラズマ発生室の内部に発生する前記プラズマに対面するように配置された噴霧口に向けて液体を送給する液体通路管と、前記液体通路管を取り囲むと共に前記噴霧口において前記液体通路管の外側から噴霧ガスを噴霧する噴霧ガス通路管とを有し、前記噴霧ガスにより前記噴霧口からプラズマ発生室内に液体を噴霧する噴霧装置と、
   噴霧装置の噴霧口の周囲にあり、プラズマ発生室に噴霧された液体の周囲を包囲する包囲ガスを吹き出し口から吹き出す包囲ガス導入管とを備え、
   包囲ガスにより噴霧された液体を包囲して、噴霧された液体の拡散を防ぐ、液体導入プラズマ装置。
2. 請求項１に記載の液体導入プラズマ装置において、
   包囲ガス導入管は、前記液体通路管の外側を通り前記吹き出し口に至る走行路を有し、包囲ガスは、走行路に沿って移動し、吹き出し口からプラズマ発生室に吹き出され、噴霧された液体を包囲して、噴霧された液体の拡散を防ぐ、液体導入プラズマ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の液体導入プラズマ装置において、
   包囲ガスの温度を前記液体の温度より高温にし、噴霧した液体を乾燥する、液体導入プラズマ装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液体導入プラズマ装置において、
   包囲ガスの種類を変更可能とし、噴霧ガスの種類を変更する代わりに、包囲ガスの種類を変更する、液体導入プラズマ装置。