JP5305411B2 - マルチマイクロホローカソード光源および原子吸光分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、多元素同時吸光分析に用いることができる多元同時発光可能なマルチマイクロホローカソード光源および原子吸光分析装置に関する。

試料中に含まれる微量金属の量を高精度に測定する方法として、原子吸光分析法が知られている。これは、試料を高温で原子化させ、その雰囲気に光を照射して吸収スペクトルを測定することで、試料中に含まれる微量金属の量を分析する方法である。この分析方法に用いる光源には、測定対象の元素の輝線スペクトルを発光する光源が必要となり、複数の元素を同時に測定するためには、それらの複数の元素の輝線スペクトルを有する光を発光する光源が必要となる。

そのような複数元素の輝線スペクトルを有する光を発光する光源として、特許文献１にマルチマイクロホローカソード光源が記載されている。特許文献１では、陽極板、絶縁板、銅製または銅合金製のカソード板とを積層し、これを貫通する直径１ｃｍ以下の貫通孔を複数設け、カソード板の貫通孔の開口部に、所望の輝線スペクトルが得られる金属板をそれぞれ配設することで、複数の金属元素の輝線スペクトルを発光する光源を実現している。つまり、所望の金属元素毎の複数のホローカソード放電による点光源で構成された光源である。

特開２００７−２５７９００

しかし、特許文献１のマルチマイクロホローカソード光源では、ホローカソード放電による複数の点光源で構成されるため、各放電の制御が困難であった。また、特許文献１のマルチマイクロホローカソード光源の光を利用するとき、点光源ごとに光路を構築する必要があるため、光路の構築が複雑でコストがかかるという問題もあった。

そこで本発明の目的は、ホローカソード放電による１つの点光源でありながら、複数の元素の輝線スペクトルを有した光源を実現することである。

第１の発明は、雰囲気ガス中において、マイクロホロープラズマを生成して光源とするマルチマイクロホローカソード光源において、２次電子放出係数の高い金属からなるカソード板と、絶縁板と、カソード板に対して絶縁板を介在させて配設されたアノード板と、カソード板、絶縁板、アノード板を貫通する直径１ｃｍ以下の１つの孔と、得るべき複数の輝線スペクトルに対応した、それぞれ異なる元素を含む複数の金属片と、雰囲気ガスとを有し、カソード板は、孔を中心とし、その孔に連続して放射状に伸びた複数の溝を有し、複数の金属片は、各溝に埋め込まれている、ことを特徴とするマルチマイクロホローカソード光源である。

金属片の量は、材料ごとに変えてもよい。金属片の量は、厚さや枚数などによって容易に変更でき、厚さや枚数はカソード板の溝の幅を変えることで容易に調整可能である。溝には複数枚の金属片を埋め込んでもよく、それらの金属片は材料が異なっていてもよい。また、複数の溝のうちいくつかに、同一材料の金属片を埋め込んでもよい。各金属片の量によって、各金属元素のスペクトル強度を制御することができる。

複数の溝のパターンは、孔を中心に放射状に伸びるパターンであれば任意であり、たとえば十字型に４本の溝がのびるパターンなどである。カソード板の溝は、そのカソード板の主面に垂直な方向に貫通していることが望ましい。溝に埋め込まれる金属片の孔の軸方向の長さが増し、孔の側面に露出する各金属片の面積を増やすことができるため、金属片がスパッタされる効率が向上し、金属元素のスペクトル強度が増大するからである。また、カソード板の溝を貫通させた方が作製上も容易である。また、溝の数が多すぎたり、溝の幅が広すぎると、カソード板の孔の側壁に露出する２次電子放出係数の高い金属の面積が減少するため、金属片をスパッタする効率が低下して望ましくない。そのため、溝の数は２〜８本程度、溝の幅は孔の直径の０．１〜０．９倍程度とすることが望ましい。

孔の直径は、１ｍｍ以下であることがより望ましい。孔内に高密度でプラズマを閉じ込めることができるためである。また、点光源を得る意味でも望ましい。また、本発明の光源は、雰囲気ガスの圧力を大気圧か、これよりも少し低い圧力での使用を想定しているが、エキシマなどのブロードな発光をさせることを考えれば、加圧下で使用することも考えられる。一般に雰囲気ガスの圧力が高いほど孔の直径を小さくすることができ、上記のように使用する圧力を考慮すれば、孔の直径は１０μｍ以上とすることが望ましい。絶縁板の孔の直径は、カソード板、アノード板の孔の直径よりも少し大きくすることが望ましい。具体的には、カソード板、アノード板の孔の直径よりも１００〜１０００μｍ大きくするのがよい。放電時に絶縁板が溶解してしまうのを防止するためである。

雰囲気ガスには、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅなどの不活性ガスを用いることが望ましい。特にＨｅ、Ｎｅを用いるのが望ましい。金属からの２次電子放出効率が高くなるためである。

カソード板の材料である２次電子放出係数の高い金属は、たとえば銅、銅合金、銀、銀合金、モリブデン、モリブデン合金、タングステン、タングステン合金などである。２次電子放出係数が０．２以上の金属がより望ましく、１．０以上の金属がさらに望ましい。特に、銅または銅合金が望ましい。安価で入手が容易であり、２次電子放出係数や熱伝導性が高いからである。アノード板もまた、銅または銅合金であることが望ましい。

第２の発明は、第１の発明において、２次電子放出係数の高い金属は、銅または銅合金であることを特徴とするマルチマイクロホローカソード光源である。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、雰囲気ガスは、ヘリウムからなることを特徴とするマルチマイクロホローカソード光源である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、孔の直径は、１ｍｍ以下であることを特徴とするマルチマイクロホローカソード光源である。

第５の発明は、多元素を同時に測定する原子吸光分析装置において、第１の発明から第４の発明のマルチマイクロホローカソード光源を有することを特徴とする原子吸光分析装置である。

本発明によると、カソード板の孔の側壁に露出した複数の金属片を同時に効率的にスパッタすることができ、複数の金属元素による高密度プラズマを生成することができる。これにより、複数の所望の金属元素に対応した輝線スペクトルの光を得ることができる。また、孔が１ヶ所であるから本発明の光源は１ヶ所の点光源である。そのため、光を利用するための光路構築が非常に簡便となり、本発明の光源を用いて原子吸光分析装置などを構成すれば、装置の低コスト化を図ることができる。一ヶ所の孔での放電であるから、放電制御も容易である。また、埋め込む金属片の枚数等によって、容易に輝線スペクトルの強度を制御することができる。

実施例１のマルチマイクロホローカソード光源の構成を示した図。 電極板１の構成を示した断面図。 電極板１をカソード板１１側から見た平面図。 発光スペクトルを示したグラフ。 実施例２の原子吸光分析装置の構成を示した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のマルチマイクロホローカソード光源の構成を示した図である。このマルチマイクロホローカソード光源は、電極板１、筐体２、レンズ３、電極板固定部４、を備えている。筐体２はガラス製であり、内部は密閉された円筒状の空洞となっている。筐体２の内部には、電極板固定部４が設けられている。電極板固定部４は、筐体２の内部において、電極板１をその面方向が円筒の軸方向となるように固定する。筐体２内部にはヘリウムガスが封入されている。筐体２の円筒の軸方向の一方側には、筐体２の内部で発光した光を集光して外部に出力するレンズ３を備えている。

なお、筐体２に配管を設けることで、筐体２内部のヘリウムガスを還流できるようにしたり、内圧を調整できるようにしてもよい。発光強度を高めるためには内圧は０．０１〜０．１ａｔｍとすることが望ましい。

図２は、電極板１の構成を拡大して示した断面図である。電極板１は、図２に示すように、カソード板１１と、絶縁板１２と、アノード板１３と、金属片１４と、によって構成されている。絶縁板１２は、カソード板１１とアノード板１３との間に挟まれるように配置されている。カソード板１１およびアノード板１３は銅、絶縁板１２はセラミックからなる。カソード板１１、アノード板１３には配線が接続されており、電源装置に接続されている。そして、電源装置によってカソード板１１はアース電位に、アノード板１３には正電圧が印加されるよう構成されている。もちろん、逆にアノード板１３をアースし、カソード板１１に負電圧を印加する構成としてもよい。

カソード板１１の厚さは１ｍｍ、絶縁板１２、アノード板１３の厚さは０．３ｍｍである。また、カソード板１１、絶縁板１２、アノード板１３は円形であり、その直径は２ｃｍである。カソード板１１、絶縁板１２、アノード板１３の中心にはそれぞれ円形の孔１５ａ、１５ｂ、１５ｃが設けられており、これらの孔１５ａ〜１５ｃの中心を一致させ、一続きに貫通した孔１５を構成している。カソード板１１の孔１５ａとアノード板１３の孔１５ｃは、直径１ｍｍであり、絶縁板１２の孔１５ｂは、直径１．２ｍｍである。絶縁板１２の孔１５ｂを、カソード板１１の孔１５ａ、アノード板１３の孔１５ｃよりも若干大きな径としているのは、放電時に絶縁板１２が溶解しないようにするためである。

図３は、電極板１をカソード板１１側から見た平面図である。図３に示されているように、カソード板１１には、孔１５ａを中心とし、その孔１５ａに連続して十字型に伸びた４本の直線状の溝１６が設けられている。この溝１６は、カソード板１１を貫通している。溝１６の幅は０．２ｍｍ、長さは６ｍｍである。４つの溝１６には、互いに材料の異なる４つの金属片１４がそれぞれ挿入され、埋め込まれている。４つの金属片１４は、それぞれＺｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｃｒからなる。また、金属片１４は、１ｍｍ×５ｍｍの長方形の板状で、厚さは０．２ｍｍである。

次に、実施例１のマルチマイクロホローカソード光源の発光原理について説明する。

カソード板１１とアノード板１３との間に電圧を印加すると、筐体２に封入されているヘリウムガスが電離して、孔１５内部および開口部付近にプラズマが発生する。このプラズマ中のイオンは電界によってカソード板１１に引きつけられて衝突し、このイオン衝撃によりカソード板１１を構成するＣｕや電子がはじき出される。このはじき出された電子は２次電子と呼ばれ、プラズマ中で新たな原子の電離を促す作用を持っており、効率よくプラズマを生成することができる。

ここで、カソード板１１に２次電子放出係数が高い銅を用いているため、孔１５の内部および開口部付近に高密度にプラズマを発生させることができる。そして、孔１５内に発生した高密度プラズマが、孔１５ａの側壁に露出する４つの金属片１４を効率的にスパッタする。これにより、各金属片１４を構成する金属元素であるＺｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｃｒと、カソード板１１の材料であるＣｕとの５つの金属元素のプラズマを高密度で発生させることができる。その結果、マイクロホローカソード放電による発光スペクトルは、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｐｂ、Ｃｒ、Ｃｕの５つの金属元素の輝線スペクトルを有している。

以上のように、実施例１のマルチマイクロホローカソード光源によると、マイクロホローカソード放電による１ヶ所の点光源でありながら、複数の金属元素の輝線スペクトルを有した光を得ることができる。

図４は、発光スペクトルの測定結果を示したグラフである。電流値は２５ｍＡ、内圧は０．０５ａｔｍとした。このグラフから、波長２１３ｎｍのＺｎ、波長３５７ｎｍのＣｒ、波長２８３．３ｎｍのＰｂ、波長３２４ｎｍのＣｕ、波長２２８ｎｍのＣｄ、の輝線スペクトルをそれぞれ確認することができ、これら５つの金属元素の輝線スペクトルを有する光をマルチマイクロホローカソード光源から得られたことがわかる。Ｐｂ、Ｃｒからの発光強度が弱く、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｃｄに比べて明瞭な輝線が得られていないが、溝１６の幅を広げてＰｂおよびＣｒからなる金属片１４の枚数を増やす、もしくは金属片１４をより厚くすることによって、Ｐｂ、Ｃｒの発光強度を高め、より明瞭な輝線が得られるように制御することは可能である。

実施例２は、実施例１のマルチマイクロホローカソード光源を用いた原子吸光分析装置の例である。原子吸光分析装置は、図５に示すように、実施例１のマルチマイクロホローカソード光源１００と、コリメートレンズ１０１と、スパッタ装置１０２と、集光レンズ１０３と、受光素子アレイ１０４と、によって構成されている。マルチマイクロホローカソード光源１００は、測定対象とする複数の金属元素の輝線スペクトルを有した光を発光する光源である。スパッタ装置１０２は、試料をプラズマ化させる装置である。マルチマイクロホローカソード光源１００からの複数の金属元素の輝線スペクトルを有した光は、コリメートレンズ１０１によって平行光にされたのち、スパッタ装置１０２内のプラズマ１０５に照射される。プラズマ１０５を透過した平行光は、集光レンズ１０３によって集光されて受光素子アレイ１０４に到達する。これにより、プラズマ１０５中の測定対象とする複数の金属元素を同定することができ、元素の吸収率を測定することによって複数の金属元素の密度を同時に定量することができる。

この原子吸光分析装置は、光源として実施例１のマルチマイクロホローカソード光源１００を用いているため、光軸は１つであり、光源から受光素子アレイ１０４に至る光路の構築が非常に簡便である。そのため、原子吸光分析装置を小型で低コストとすることができる。

なお、実施例２では、試料を高温で原子化する方法として、スパッタによりプラズマを発生させる方法を用いたが、レーザーアブレーション、火炎、電気加熱など、従来より原子吸光分析で用いられている方法でもよい。

本発明のマルチマイクロホローカソード光源は、原子吸光分析法などに用いることができる。

１：電極板
２：筐体
３：レンズ
４：電極板固定部
１１：カソード板
１２：絶縁板
１３：アノード板
１４：金属片
１５：孔
１６：溝
１００：マルチマイクロホローカソード光源
１０１：コリメートレンズ
１０２：スパッタ装置
１０３：集光レンズ
１０４：受光素子アレイ

Claims (5)

1. 雰囲気ガス中において、マイクロホロープラズマを生成して光源とするマルチマイクロホローカソード光源において、
   ２次電子放出係数の高い金属からなるカソード板と、
   絶縁板と、
   前記カソード板に対して前記絶縁板を介在させて配設されたアノード板と、
   前記カソード板、前記絶縁板、前記アノード板を貫通する直径１ｃｍ以下の１つの孔と、
   得るべき複数の輝線スペクトルに対応した、それぞれ異なる元素からなる複数の金属片と、
   雰囲気ガスと、
   を有し、
   前記カソード板は、前記孔を中心とし、その孔に連続して放射状に伸びた複数の溝を有し、
   複数の前記金属片は、各前記溝に埋め込まれている、
   ことを特徴とするマルチマイクロホローカソード光源。
2. 前記２次電子放出係数の高い金属は、銅または銅合金であることを特徴とする請求項１に記載のマルチマイクロホローカソード光源。
3. 前記雰囲気ガスは、ヘリウムからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマルチマイクロホローカソード光源。
4. 前記孔の直径は、１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のマルチマイクロホローカソード光源。
5. 多元素を同時に測定する原子吸光分析装置において、
   請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のマルチマイクロホローカソード光源を有することを特徴とする原子吸光分析装置。

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