JP6095901B2 - Substance identification device and substance identification method - Google Patents

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本発明は、任意の物質を特定する物質特定装置および物質特定方法に関する。   The present invention relates to a substance specifying device and a substance specifying method for specifying an arbitrary substance.

レーザ誘起ブレークダウン分光(LIBS:Laser-Induced Breakdown spectroscopy)による物質特定装置は、特定対象となる試料にパルスのレーザ光を照射し、かかるレーザ光によりプラズマ化されて高エネルギー状態に励起された分解物が元のエネルギー状態に戻る際に放射される光を測定して、その試料がどのような物質であるか特定するものである。   Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) material identification apparatus irradiates a sample to be identified with a pulsed laser beam, which is converted into plasma by the laser beam and excited into a high energy state. The light emitted when an object returns to its original energy state is measured to identify what kind of material the sample is.

例えば、レーザ誘起ブレークダウン分光を通じ、木材表面から得られる炭素の発光強度と木材の気乾密度との検量線を予め作成しておき、その検量線を用い、木材の含水率に拘わらず、炭素の蛍光強度から木材の気乾密度を非破壊的に測定する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。   For example, through laser-induced breakdown spectroscopy, a calibration curve between the emission intensity of carbon obtained from the wood surface and the air dry density of wood is prepared in advance, and the calibration curve is used to determine the carbon content regardless of the moisture content of the wood. A technique for nondestructively measuring the air-drying density of wood from the fluorescence intensity is disclosed (for example, Patent Document 1).

しかし、レーザ誘起ブレークダウン分光の計測結果は、レーザ発振強度のばらつきや測定場の温度変化により変動する。そこで、同一成分の異なる温度の発光信号を予め測定しておき、それらと実測した発光信号とを比較して材質を特定する技術が公開されている(例えば、特許文献2)。また、温度を含む多変量の環境変化に対応したレーザ誘起ブレークダウン分光の解析結果を得る技術も開示されている(例えば、特許文献3)。   However, the measurement result of laser-induced breakdown spectroscopy varies due to variations in laser oscillation intensity and temperature changes in the measurement field. In view of this, a technique has been disclosed in which light emission signals of the same component at different temperatures are measured in advance, and the material is identified by comparing the light emission signals with the actually measured light emission signals (for example, Patent Document 2). Also disclosed is a technique for obtaining an analysis result of laser-induced breakdown spectroscopy corresponding to multivariate environmental changes including temperature (for example, Patent Document 3).

特開2009−288147号公報JP 2009-288147 A 特開2001−349832号公報JP 2001-349832 A 特開2012−47592号公報JP 2012-47592 A

しかし、上述した特許文献1〜3の技術は、パルスレーザを照射した際のプラズマの温度および物質のいずれか一方が特定されている状態で、他方を特定するものであり、両方が未知または変動している場合には適用できなかった。   However, the above-described techniques of Patent Documents 1 to 3 specify the other in a state where either one of the plasma temperature and the substance when the pulse laser is irradiated is specified, and both are unknown or fluctuate. It was not applicable when

ここで、プラズマの温度さえ特定できれば、その温度に基づいて物質を特定することが可能だが、プラズマの温度は、レーザ光の当て方、レーザ装置と試料との距離、レーザ装置と試料との空間における透過率等の様々なパラメータの影響を受けるため、試料が置かれている雰囲気から客観的に求めるのは困難である。   Here, if the temperature of the plasma can be specified, the substance can be specified based on the temperature. However, the temperature of the plasma depends on how the laser light is applied, the distance between the laser device and the sample, and the space between the laser device and the sample. Therefore, it is difficult to obtain objectively from the atmosphere in which the sample is placed.

そこで本発明は、このような課題に鑑み、レーザや試料が置かれている雰囲気に拘わらず、レーザ誘起ブレークダウン分光によって適切に物質を特定することが可能な物質特定装置および物質特定方法を提供することを目的としている。   Therefore, in view of such problems, the present invention provides a substance specifying apparatus and a substance specifying method capable of appropriately specifying a substance by laser-induced breakdown spectroscopy regardless of the atmosphere in which the laser and the sample are placed. The purpose is to do.

上記課題を解決するために、本発明の物質特定装置は、プラズマの相異なる複数の温度における、プラズマ化した特定の分解物のレーザ誘起ブレークダウン分光による指標スペクトルと、複数の温度における、プラズマ化した2つの分解物発光強度のピーク比または2つの分解物の組成比、および、物質の種類を対応付けた物質特定情報と、を予め保持する保持部と、レーザ誘起ブレークダウン分光によって任意の物質をプラズマ化して物質スペクトルを導出するスペクトル導出部と、導出された物質スペクトルと指標スペクトルとを比較して任意の物質のプラズマの温度を特定する温度特定部と、物質スペクトルにおける2つの分解物発光強度のピーク比または組成比を導出し、物質特定情報を参照し、2つの分解物の発光強度のピーク比または組成比と特定されたプラズマの温度とに基づいて、任意の物質の種類を特定する物質特定部と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the substance identification device of the present invention is characterized in that an index spectrum obtained by laser-induced breakdown spectroscopy of a specific plasma decomposition product at a plurality of different plasma temperatures and a plasma conversion at a plurality of temperatures. the composition ratio of the peak ratio or two degradation products of the emission intensity of the two degradation products that, and a holding portion for holding the substance identification information associating the type of material, previously, any by laser-induced breakdown spectroscopy material spectrum deriving unit that derives the material spectrum into plasma, and the temperature specifying unit for specifying a temperature of the plasma optional materials by comparing the derived material spectrum and metrics spectrum, two in the substance spectrum The peak ratio or composition ratio of the emission intensity of the decomposition products is derived, the substance identification information is referenced, and the peak of the emission intensity of the two decomposition products is obtained. And a substance specifying unit for specifying any kind of substance based on the specified ratio or composition ratio and the specified plasma temperature.

物質の構造式および想定されるプラズマの温度に基づき、プラズマ化された物質の2つの分解物の組成比をシミュレーションにより導出して物質特定情報を生成する物質特定情報生成部をさらに備えてもよい。 The apparatus further includes a substance specifying information generating unit for generating substance specifying information by deriving a composition ratio of two decomposition products of the plasmaized substance based on a structural formula of the substance and an assumed plasma temperature by simulation. Good.

指標スペクトルは、Cスワンバンドのスペクトルであってもよい。 The index spectrum may be a C 2 swan band spectrum.

スペクトル導出部は、任意の物質のプラズマの熱平衡が成り立った後、物質スペクトルを導出してもよい。   The spectrum deriving unit may derive the material spectrum after the thermal equilibrium of the plasma of an arbitrary material is established.

上記課題を解決するために、本発明の物質特定方法は、プラズマの相異なる複数の温度における、プラズマ化した特定の分解物のレーザ誘起ブレークダウン分光による指標スペクトルと、複数の温度における、プラズマ化した2つの分解物発光強度のピーク比または2つの分解物の組成比、および、物質の種類を対応付けた物質特定情報と、を予め保持しておき、レーザ誘起ブレークダウン分光によって任意の物質をプラズマ化して物質スペクトルを導出し、導出された物質スペクトルと指標スペクトルとを比較して任意の物質のプラズマの温度を特定し、物質スペクトルの発光強度における2つの分解物ピーク比または組成比を導出し、物質特定情報を参照し、2つの分解物の発光強度のピーク比または組成比と特定されたプラズマの温度とに基づいて、任意の物質の種類を特定することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the material identification method of the present invention is characterized in that an index spectrum obtained by laser-induced breakdown spectroscopy of a specific decomposition product that has been converted into plasma at a plurality of different temperatures of plasma and plasma conversion at a plurality of temperatures. the composition ratio of the peak ratio or two degradation products of the emission intensity of the two degradation products that, and may be held with substance identification information associating the type of material, previously, any by laser-induced breakdown spectroscopy The substance is converted into plasma and the substance spectrum is derived, the derived substance spectrum is compared with the index spectrum to determine the temperature of the plasma of any substance, and the peak ratio of the two decomposition products in the emission intensity of the substance spectrum or Deriving the composition ratio, referring to the substance identification information, the peak ratio or composition ratio of the emission intensity of the two decomposition products and the plasma identified Based on the temperature, the type of an arbitrary substance is specified.

本発明によれば、レーザや試料が置かれている雰囲気に拘わらず、レーザ誘起ブレークダウン分光によって適切に物質を特定することが可能となる。   According to the present invention, a substance can be appropriately specified by laser-induced breakdown spectroscopy regardless of the atmosphere in which the laser and the sample are placed.

物質特定システムの概略的な構成を示した構成図である。It is the block diagram which showed the schematic structure of the substance specific system. 物質特定装置の概略的な構成を述べた機能ブロック図である。It is a functional block diagram describing a schematic configuration of a substance identification device. スワンバンドにおける指標スペクトルを説明するための説明図である。It is an explanatory diagram for explaining an index spectra in C 2 Swan bands. 物質特定情報を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating substance specific information. 物質特定情報を説明するための他の説明図である。It is another explanatory drawing for demonstrating substance specific information. 物質特定方法の処理の流れを示したフローチャートである。It is the flowchart which showed the flow of the process of the substance identification method. 理論計算により物質特定情報を求める場合のスペクトルを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the spectrum in the case of calculating | requiring substance specific information by theoretical calculation. スペクトル導出部が導出した物質スペクトルを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the substance spectrum which the spectrum derivation | leading-out part derived | led-out. 温度特定部の動作を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating operation | movement of a temperature specific part.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.

(物質特定システム100)
図1は、物質特定システム100の概略的な構成を示した構成図である。物質特定システム100は、ターゲットホルダ110と、レーザ装置112と、レンズ114と、フィルタ116と、プローブ118と、光ファイバ120と、物質特定装置122とを含んで構成され、レーザ誘起ブレークダウン分光を通じて物質(化合物)を特定する。特定対象となる物質は、例えば、プラスチック、穀物、生物剤、化学剤、爆薬等の有機化合物であり、元素としてC、H、O、Nのいずれかを含むものを想定する。また、物質の形状や状態は特に問わず、固体、バルク状態(固体の塊)、粉体、エアロゾル状態、液体、気体等であってもよい。
(Substance identification system 100)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of the substance identification system 100. The material identification system 100 includes a target holder 110, a laser device 112, a lens 114, a filter 116, a probe 118, an optical fiber 120, and a material identification device 122, and through laser-induced breakdown spectroscopy. Specify the substance (compound). The substance to be specified is, for example, an organic compound such as plastic, grain, biological agent, chemical agent, explosive, etc., and an element containing any of C, H, O, and N as an element is assumed. The shape and state of the substance are not particularly limited, and may be solid, bulk state (solid lump), powder, aerosol state, liquid, gas, or the like.

物質特定システム100におけるターゲットホルダ110は、特定対象となる任意の物質(以下、単に試料という。)102を固定的に保持する。レーザ装置112は、例えば、フェムト秒レーザによるパルスレーザ光を、レンズ114を通じて試料102に照射する。ここではフェムト秒レーザを用いる例を挙げて説明するが、これに限らず、ピコ秒レーザ、ナノ秒レーザであってもよく、また、レーザ光の波長も問わない。   A target holder 110 in the substance identification system 100 holds an arbitrary substance (hereinafter simply referred to as a sample) 102 to be identified in a fixed manner. The laser device 112 irradiates the sample 102 with, for example, pulse laser light from a femtosecond laser through the lens 114. Here, an example using a femtosecond laser will be described. However, the present invention is not limited to this, and a picosecond laser or a nanosecond laser may be used, and the wavelength of the laser light is not limited.

ただし、試料102のスペクトルのピーク値に近い波長は、レーザ光自体がノイズとなるため回避するのが望ましい。ここでは、波長780nm、出力1mJ、パルス幅120fs、周期1kHzのレーザ光を用いている。試料102は、レーザ光を受けてプラズマ化し、物質固有の波長の光を放射する。ここで、レーザ光が試料102に満遍なく照射されるように、ターゲットホルダ110とレーザ装置112との相対位置を変更できるようにターゲットホルダ110に回転機構等を備えるのが望ましい。   However, it is desirable to avoid the wavelength close to the peak value of the spectrum of the sample 102 because the laser light itself becomes noise. Here, laser light having a wavelength of 780 nm, an output of 1 mJ, a pulse width of 120 fs, and a period of 1 kHz is used. The sample 102 receives a laser beam to be turned into plasma, and emits light having a wavelength specific to the substance. Here, it is desirable that the target holder 110 be provided with a rotation mechanism or the like so that the relative position between the target holder 110 and the laser device 112 can be changed so that the sample 102 is uniformly irradiated with the laser light.

フィルタ116は、発光強度が高いレーザ光や背景光を遮断する。プローブ118は、試料102から放射された光を受光する。このとき、レンズ等を用いて集光してもよい。光ファイバ120は、プローブ118で受光された光を物質特定装置122に伝達する。   The filter 116 blocks laser light and background light with high emission intensity. The probe 118 receives light emitted from the sample 102. At this time, the light may be condensed using a lens or the like. The optical fiber 120 transmits the light received by the probe 118 to the substance specifying device 122.

物質特定装置122は、光ファイバ120を通じて受けた試料102の放射光を、例えばICCD(Intensified Charge Coupled Device)等を検知部とした分光器122aにより、複数の波長毎に分光し、それぞれの波長のピーク値を求めてスペクトルを導出し、試料102がいずれの物質であるか特定する。このとき、物質特定装置122は、レーザ装置112からレーザ光が照射されてから所定時間(例えばナノ秒レーザの場合1μsec)以上経過した後に放射光を受け付けるのが望ましい。所定時間経過するのを待つのは、試料102のプラズマが安定的に熱平衡に達している状態となるからである。こうすることで試料102の特定精度を高めることができる。以下、物質特定装置122の構成を詳述する。   The substance specifying device 122 separates the radiated light of the sample 102 received through the optical fiber 120 for each of a plurality of wavelengths by a spectroscope 122a using, for example, an ICCD (Intensified Charge Coupled Device) as a detection unit. A spectrum is derived by obtaining a peak value, and it is specified which substance the sample 102 is. At this time, it is desirable that the substance specifying device 122 accepts the radiated light after a predetermined time (for example, 1 μsec in the case of a nanosecond laser) or more has passed after the laser light is irradiated from the laser device 112. The reason for waiting for the elapse of a predetermined time is that the plasma of the sample 102 is in a state of stably reaching thermal equilibrium. By doing so, the identification accuracy of the sample 102 can be increased. Hereinafter, the configuration of the substance identification device 122 will be described in detail.

(物質特定装置122)
図2は、物質特定装置122の概略的な構成を述べた機能ブロック図である。物質特定装置122は、保持部130と、操作部132と、表示部134と、中央制御部136とを含んで構成される。保持部130は、ROM、不揮発性RAM、フラッシュメモリ、HDD等で構成され、プラズマの相異なる複数の温度における、プラズマ化した特定の分解物のレーザ誘起ブレークダウン分光による指標スペクトルと、複数の温度における、プラズマ化した特定の複数の分解物の発光強度のピーク比と物質とを対応付けた物質特定情報とを予め保持する。以下に、指標スペクトルおよび物質特定情報を例示する。ここで、分解物は、物質(化合物)から遊離した断片である。
(Substance identification device 122)
FIG. 2 is a functional block diagram illustrating a schematic configuration of the substance identification device 122. The substance identification device 122 includes a holding unit 130, an operation unit 132, a display unit 134, and a central control unit 136. The holding unit 130 includes a ROM, a non-volatile RAM, a flash memory, an HDD, and the like. The index spectrum obtained by laser-induced breakdown spectroscopy of a specific decomposition product converted into plasma at a plurality of different temperatures of plasma, and a plurality of temperatures. The substance specifying information in which the peak ratios of the emission intensities of the specific decomposed products converted into plasma and the substances are associated with each other is stored in advance. Below, an index spectrum and substance specific information are illustrated. Here, the decomposition product is a fragment released from a substance (compound).

(指標スペクトル)
図3は、Cスワンバンドにおける指標スペクトルを説明するための説明図である。ここでは、特定対象となる試料102に含まれることが想定される1または複数の分解物、例えば、Cスワンバンドについて、想定されるプラズマの温度範囲から選択された複数の温度、例えば、3000K、4000K、5000K、6000Kに関し、レーザ誘起ブレークダウン分光を通じてスペクトルを導出し、それを指標スペクトルとして保持部130に保持する。
(Indicator spectrum)
Figure 3 is an explanatory diagram for explaining an index spectra in C 2 Swan bands. Here, for one or a plurality of decomposition products assumed to be included in the sample 102 to be specified, for example, the C 2 swan band, a plurality of temperatures selected from the assumed plasma temperature range, for example, 3000K. With respect to 4000K, 5000K, and 6000K, a spectrum is derived through laser-induced breakdown spectroscopy, and the spectrum is held in the holding unit 130 as an index spectrum.

図3を参照すると、同一の分解物(ここではCスワンバンド)においては、温度に拘わらず複数の特定の波長で放射光を確認することができる。ただし、図3(a)〜図3(d)を比較して把握できるように、放射光の発光強度が温度に応じて異なる。したがって、試料102に分解物としてCが含まれる場合(または試料102に元素としてCが含まれる場合)、試料102のスペクトルが、どの温度の指標スペクトルと近似しているかを判断することで、試料102におけるプラズマの温度を推定することができる。 Referring to FIG. 3, in the same decomposition product (here, C 2 swan band), the emitted light can be confirmed at a plurality of specific wavelengths regardless of the temperature. However, the emission intensity of the radiated light varies depending on the temperature so that it can be grasped by comparing FIGS. 3 (a) to 3 (d). Therefore, when the sample 102 contains C 2 as a decomposition product (or when the sample 102 contains C as an element), by determining which temperature index spectrum the sample 102 approximates, The plasma temperature in the sample 102 can be estimated.

このような指標スペクトルは、プラズマの温度が低い範囲、すなわち、レーザ光のエネルギーが小さい範囲では、図3(a)〜図3(c)を比較して理解できるように発光強度のピーク比の変化率が大きく、プラズマの温度が高い範囲、すなわち、レーザ光のエネルギーが大きい範囲では、図3(c)と図3(d)とを比較して理解できるように発光強度のピーク比の変化率が鈍化するのが分かる。かかる指標スペクトルの数、すなわち、プラズマの温度の分解能を、ここでは4としたが、数に制限はなく、多ければ多いほどよい。ただし、以下に示す物質特定情報におけるプラズマの温度の分解能と合わせるのが望ましい。   Such an index spectrum has a peak ratio of emission intensity in a range where the temperature of the plasma is low, that is, in a range where the energy of the laser beam is small, as can be understood by comparing FIGS. 3 (a) to 3 (c). In the range where the rate of change is large and the temperature of the plasma is high, that is, the range where the energy of the laser beam is large, the change in the peak ratio of the emission intensity can be understood by comparing FIG. 3 (c) and FIG. You can see that the rate slows down. The number of such index spectra, that is, the resolution of the plasma temperature is four here, but the number is not limited, and the larger the better. However, it is desirable to match the resolution of the plasma temperature in the substance specifying information shown below.

(物質特定情報)
図4は、物質特定情報を説明するための説明図である。ここでは、想定されるプラズマの温度範囲から選択された複数の温度、例えば、4000K、5000K、6000K、7000Kについて、特定対象となり得る複数の物質、例えば、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ウレタンの発光強度のCのピークとHのピークの比であるC/Hピーク比をテーブル化して保持部130に保持する。
(Substance specific information)
FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the substance specifying information. Here, for a plurality of temperatures selected from an assumed plasma temperature range, for example, 4000K, 5000K, 6000K, and 7000K, the emission intensity of a plurality of substances that can be specified, for example, nylon, polyethylene, polystyrene, and urethane. The C / H peak ratio, which is the ratio of the C peak to the H peak, is tabulated and held in the holding unit 130.

図4を参照すると、同一のプラズマの温度であっても複数の物質の発光強度のC/Hピーク比は異なるので、C/Hピーク比が特定されれば、特定されたC/Hピーク比から物質を特定することができる。ただし、発光強度はプラズマの温度によって異なるためC/Hピーク比も異なることとなる。そこで、本実施形態では、各物質にC/Hピーク比を対応付けるのみならず、プラズマの温度も対応付ける。したがって、本実施形態では、温度とC/Hピーク比の2つのパラメータによって物質を特定する。   Referring to FIG. 4, since the C / H peak ratios of the emission intensities of a plurality of substances are different even at the same plasma temperature, if the C / H peak ratio is specified, the specified C / H peak ratio is determined. The substance can be identified from However, since the emission intensity varies depending on the plasma temperature, the C / H peak ratio also varies. Therefore, in this embodiment, not only the C / H peak ratio is associated with each substance, but also the plasma temperature is associated. Therefore, in this embodiment, a substance is specified by two parameters, temperature and C / H peak ratio.

このように、同一の物質であってもC/Hピーク比がプラズマの温度によって異なるのは、以下の理由による。プラズマ化されていない状態(エネルギーが低い状態)にあるとき分解物は生じていない。これらの物質はレーザ光を受けてプラズマ化し、エネルギーが高い状態に励起・分解するが、物質が全て分解物となる訳ではない。そのときのレーザ光の強度、照射後の時間に応じてプラズマの温度が変わると、物質が励起・分解する比率が変わり、存在するプラズマ成分(分解物)の比(組成比)が異なることとなる。このように分解物の組成比が異なると、所定の波長の発光強度も単純に分解物数に応じて異なることとなり、上記したようにC/Hピーク比も異なることとなる。なお、プラズマの温度が高いとHやC等、物質が原子状態にまで分解されるが、プラズマの温度が低いと、分解物としてCH、C等、分子状態のものが多くなる。 Thus, the reason why the C / H peak ratio varies depending on the plasma temperature even for the same substance is as follows. Decomposition products are not produced when the plasma is not formed (low energy state). These substances are converted into plasma by receiving laser light, and are excited and decomposed to a high energy state. However, not all substances are decomposed. If the temperature of the plasma changes according to the intensity of the laser beam and the time after irradiation, the ratio of the substance to be excited / decomposed changes, and the ratio (composition ratio) of the existing plasma components (decomposed products) changes. Become. When the composition ratios of the decomposed products are different as described above, the emission intensity at a predetermined wavelength also simply differs depending on the number of decomposed products, and the C / H peak ratio is also different as described above. Note that when the plasma temperature is high, substances such as H and C are decomposed into an atomic state, but when the plasma temperature is low, decomposition products such as CH and C 2 are increased in molecular state.

本実施形態では、物質を迅速に特定すべく、物質特定情報として、試料102のスペクトル(物質スペクトル)から容易に把握可能な分解物の発光強度のピーク比を用いるが、ピーク比が生じる元となる分解物の組成比を用いてもよい。   In this embodiment, in order to quickly identify the substance, the peak ratio of the emission intensity of the decomposition product that can be easily grasped from the spectrum of the sample 102 (substance spectrum) is used as the substance identification information. The composition ratio of the decomposition product may be used.

図5は、物質特定情報を説明するための他の説明図である。図5は、図4における発光強度のピーク比の代わりに、プラズマ化された分解物の組成比(C/H:分解物としてのCと分解物としてのHの比)がテーブル化されて示されている。したがって、プラズマ化された分解物の組成比が直接把握できる場合、かかるテーブルを参照し、温度と組成比の2つのパラメータによって物質を特定することができる。   FIG. 5 is another explanatory diagram for explaining the substance specifying information. FIG. 5 shows the composition ratio (C / H: ratio of C as a decomposed product to H as a decomposed product) in the form of a table instead of the peak ratio of the emission intensity in FIG. Has been. Therefore, when the composition ratio of the plasma-degraded decomposition product can be directly grasped, the substance can be specified by referring to such a table and using two parameters of temperature and composition ratio.

図2に戻って、操作部132は、操作キー、十字キー、ジョイスティック、表示部134の表示面に重畳されたタッチパネル、リモートコントローラ等で構成され、ユーザによる当該物質特定装置122への操作入力を受け付ける。表示部134は、液晶ディスプレイ、有機EL(Electro Luminescence)ディスプレイ等で構成され、操作部132を通じて入力された操作結果、特定処理の途中結果(例えば導出された物質スペクトル)、特定された物質等を表示する。   Returning to FIG. 2, the operation unit 132 includes an operation key, a cross key, a joystick, a touch panel superimposed on the display surface of the display unit 134, a remote controller, and the like, and allows an operation input to the substance identification device 122 by the user. Accept. The display unit 134 includes a liquid crystal display, an organic EL (Electro Luminescence) display, and the like, and displays operation results input through the operation unit 132, intermediate results of specific processing (for example, derived substance spectrum), specified substances, and the like. indicate.

中央制御部136は、中央処理装置(CPU)、プログラム等が格納されたROM、ワークエリアとしてのRAM等を含む半導体集積回路で構成され、物質特定装置122全体を管理および制御する。また、中央制御部136は、指標スペクトル生成部140、物質特定情報生成部142、スペクトル導出部144、温度特定部146、物質特定部148として機能する。   The central control unit 136 is composed of a semiconductor integrated circuit including a central processing unit (CPU), a ROM in which programs are stored, a RAM as a work area, and the like, and manages and controls the entire substance specifying device 122. In addition, the central control unit 136 functions as an index spectrum generation unit 140, a substance identification information generation unit 142, a spectrum derivation unit 144, a temperature identification unit 146, and a substance identification unit 148.

指標スペクトル生成部140は、事前準備において、プラズマの温度に基づいて、プラズマ化した特定の分解物のレーザ誘起ブレークダウン分光による指標スペクトルを生成する。物質特定情報生成部142は、事前準備において、プラズマ化した特定の複数の分解物に対する発光強度のピーク比または組成比と物質とを対応付けた物質特定情報を生成する。スペクトル導出部144は、物質特定時において、レーザ誘起ブレークダウン分光を用い、試料102をプラズマ化して物質スペクトルを導出する。温度特定部146は、物質特定時において、導出された物質スペクトルと指標スペクトルとを比較し、試料102のプラズマの温度を特定する。物質特定部148は、物質特定時において、スペクトル導出部144が導出した物質スペクトルの分解物の発光強度のピーク比または分解物の組成比を導出し、保持部130に保持された物質特定情報を参照し、導出した分解物の発光強度のピーク比または分解物の組成比と、温度特定部146が特定したプラズマの温度とに基づいて物質を特定する。以下、このような各機能部の詳細な動作を具体的に説明する。   In preparation, the index spectrum generation unit 140 generates an index spectrum by laser-induced breakdown spectroscopy of a specific decomposition product that has been converted to plasma based on the temperature of the plasma. In advance preparation, the substance specifying information generating unit 142 generates substance specifying information in which a peak ratio or composition ratio of emission intensity with respect to a plurality of specific decomposed products formed into plasma is associated with the substance. The spectrum deriving unit 144 derives a substance spectrum by converting the sample 102 into plasma using laser-induced breakdown spectroscopy at the time of substance identification. The temperature specifying unit 146 compares the derived substance spectrum with the index spectrum when specifying the substance, and specifies the temperature of the plasma of the sample 102. The substance specifying unit 148 derives the peak ratio of the emission intensity of the decomposition product of the substance spectrum derived by the spectrum deriving unit 144 or the composition ratio of the decomposition product at the time of specifying the substance, and the substance specifying information held in the holding unit 130 is obtained. The substance is identified based on the derived peak ratio of the emission intensity of the decomposed product or the composition ratio of the decomposed product and the plasma temperature specified by the temperature specifying unit 146. The detailed operation of each functional unit will be specifically described below.

(物質特定方法)
図6は、物質特定方法の処理の流れを示したフローチャートである。ここでは、事前準備において、指標スペクトルおよび物質特定情報を準備し、物質特定時に、プラズマの温度、発光強度のピーク比、物質といった順に特定していく。
(Substance identification method)
FIG. 6 is a flowchart showing a process flow of the substance specifying method. Here, in advance preparation, an index spectrum and substance identification information are prepared, and at the time of substance identification, the plasma temperature, the peak ratio of emission intensity, and the substance are identified in order.

(事前準備)
指標スペクトル生成部140は、事前準備において、図3を用いて説明したように、想定されるプラズマの温度範囲から選択された複数の温度、例えば、3000K、4000K、5000K、6000KにおけるCスワンバンドの指標スペクトルを生成する(S1)。かかる指標スペクトルは、レーザ誘起ブレークダウン分光を通じて実際に測定されたスペクトルを用いてもよいし、理論計算により導出されたスペクトルを用いてもよい。また、本実施形態では、Cスワンバンドの指標スペクトルを用いているが、Cスワンバンドに限られず、指標となる様々な分解物の指標スペクトルを用いることができる。
(Advance preparation)
As described with reference to FIG. 3, the index spectrum generation unit 140 is a C 2 swan band at a plurality of temperatures selected from an assumed plasma temperature range, for example, 3000K, 4000K, 5000K, and 6000K. The index spectrum is generated (S1). As the index spectrum, a spectrum actually measured through laser-induced breakdown spectroscopy may be used, or a spectrum derived by theoretical calculation may be used. In the present embodiment, the C 2 swan band index spectrum is used, but the index spectrum is not limited to the C 2 swan band, and index spectra of various decomposition products serving as indexes can be used.

物質特定情報生成部142は、事前準備において、図4を用いて説明したように、想定されるプラズマの温度範囲から選択された複数の温度、例えば、3000K、4000K、5000K、6000Kについて、特定対象となり得る複数の物質、例えば、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ウレタンの発光強度のC/Hピーク比を導出し、それをテーブル化して物質特定情報を生成する(S2)。   As described with reference to FIG. 4, the substance specifying information generation unit 142 specifies a plurality of temperatures selected from the assumed plasma temperature range, for example, 3000K, 4000K, 5000K, and 6000K. A C / H peak ratio of emission intensity of a plurality of substances such as nylon, polyethylene, polystyrene, and urethane is derived, and is tabulated to generate substance specifying information (S2).

かかる物質特定情報は、レーザ誘起ブレークダウン分光を通じて実際に測定されたスペクトルを用いてもよいし、理論計算により導出されたスペクトルを用いてもよい。例えば、想定される物質が、危険物等、予め物質スペクトルを測定するのが困難な物質である場合、理論計算により導出されたスペクトルを用いる。   As such substance specifying information, a spectrum actually measured through laser-induced breakdown spectroscopy may be used, or a spectrum derived by theoretical calculation may be used. For example, when the assumed substance is a substance that is difficult to measure in advance, such as a dangerous substance, a spectrum derived by theoretical calculation is used.

理論計算により物質特定情報を求める場合、物質特定情報生成部142は、物質の構造式と想定される温度とを入力値として受け付け、物質の構造式と温度とに基づき、物質がプラズマ化され熱平衡に達したときの分解物の組成比をシミュレーションにより導出する。そして、導出された分解物の組成比に各分解物の発光強度を加味して、図7に示すようなスペクトルを導出する。図7(a)〜(d)は、それぞれ、プラズマの温度が4000Kの場合のナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ウレタンのスペクトルを示す。かかるスペクトルは、既存の様々な技術を用いて導出することができるので、その詳細な手順を省略する。   When obtaining the substance identification information by theoretical calculation, the substance identification information generation unit 142 accepts the structural formula of the substance and the assumed temperature as input values, and based on the structural formula of the substance and the temperature, the substance is converted into plasma and is in thermal equilibrium. The composition ratio of the decomposition product when reaching the value is derived by simulation. Then, the spectrum as shown in FIG. 7 is derived by adding the emission intensity of each decomposition product to the derived composition ratio of the decomposition product. FIGS. 7A to 7D show spectra of nylon, polyethylene, polystyrene, and urethane, respectively, when the plasma temperature is 4000K. Since such a spectrum can be derived using various existing techniques, detailed procedures thereof are omitted.

そして物質特定情報生成部142は、スペクトルを分析してC/Hピーク比を導出する。このようなC/Hピーク比を、想定される物質および想定されるプラズマの温度範囲から選択された複数の温度の全てについて導出しテーブル化することで物質特定情報を生成する。   The substance specifying information generation unit 142 then analyzes the spectrum and derives the C / H peak ratio. Such C / H peak ratio is derived for all of a plurality of temperatures selected from the assumed material and the assumed temperature range of the plasma, and the material specifying information is generated.

このように理論計算によって物質特定情報を生成することで、想定される物質が、危険物等、予め物質スペクトルを測定するのが困難な物質であったとしても物質特定情報を生成することができ、後の物質特定において、そのような物質を高精度に特定することができる。   By generating substance identification information by theoretical calculation in this way, it is possible to generate substance identification information even if the assumed substance is a substance that is difficult to measure in advance, such as a dangerous substance. In the subsequent substance identification, such a substance can be identified with high accuracy.

(物質特定)
スペクトル導出部144は、物質特定時において、レーザ装置112にレーザ光の照射を指示し、ターゲットホルダ110に保持された試料102にレーザ光を照射させる。そして、スペクトル導出部144は、試料102の特定精度を高めるべく、プラズマの熱平衡が成り立つ条件下、すなわちレーザ装置112からレーザ光が照射されてから所定時間後に放射光を受け付けて物質スペクトルを導出する(S3)。このようにして、例えば、図8に示すような物質スペクトルを導出したと仮定する。この時点では、プラズマの温度および物質のいずれも不明である。
(Substance identification)
The spectrum deriving unit 144 instructs the laser device 112 to irradiate the laser beam at the time of specifying the substance, and irradiates the sample 102 held by the target holder 110 with the laser beam. Then, the spectrum deriving unit 144 derives the substance spectrum by receiving the radiated light under a condition in which the thermal equilibrium of the plasma is established, that is, a predetermined time after the laser beam is irradiated from the laser device 112, in order to increase the accuracy of specifying the sample 102. (S3). For example, it is assumed that a material spectrum as shown in FIG. 8 is derived. At this point, neither the plasma temperature nor the material is known.

温度特定部146は、物質特定時において、導出された物質スペクトルと指標スペクトルとを比較して任意の物質のプラズマの温度を特定する(S4)。上述したように、同一の分解物(ここではCスワンバンド)では、複数の特定の波長において、温度に応じて発光強度が異なる放射光を確認することができる。したがって、物質スペクトルにおいて発光強度がどのように分布しているかによって、試料102におけるプラズマの温度を推定することができる。 The temperature identification unit 146 identifies the plasma temperature of an arbitrary substance by comparing the derived substance spectrum and the index spectrum at the time of substance identification (S4). As described above, in the same decomposed product (here, C 2 swan band), it is possible to confirm radiated light having different emission intensities depending on temperature at a plurality of specific wavelengths. Therefore, the temperature of the plasma in the sample 102 can be estimated depending on how the emission intensity is distributed in the substance spectrum.

図9は、温度特定部146の動作を説明するための説明図である。ここでは、スペクトル導出部144が導出した、図8に示す物質スペクトル(図9中実線で示す)と、3000K、4000K、5000KのCスワンバンドの各指標スペクトル(図9(a)〜(c)中破線で示す)とを比較し、その相関度を判定する。かかる判定は、例えば、最小二乗法等を通じて物質スペクトルと指標スペクトルとの差分を導出し、差分が最小となる指標スペクトルの温度を、物質スペクトルの温度とする。 FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining the operation of the temperature specifying unit 146. Here, the substance spectrum shown in FIG. 8 (shown by a solid line in FIG. 9) derived from the spectrum deriving unit 144 and each index spectrum of 3000K, 4000K, and 5000K C 2 swan bands (FIGS. 9A to 9C). ) And the degree of correlation are determined. For this determination, for example, the difference between the substance spectrum and the index spectrum is derived through the least square method or the like, and the temperature of the index spectrum that minimizes the difference is set as the temperature of the substance spectrum.

図9においては、図9(b)に示す4000Kの指標スペクトルと物質スペクトルとが発光強度の比率に関し相関が高いので、温度特定部146は、当該物質スペクトルのプラズマの温度を4000Kと特定する。   In FIG. 9, since the index spectrum of 4000K and the substance spectrum shown in FIG. 9B are highly correlated with respect to the ratio of the emission intensity, the temperature specifying unit 146 specifies the temperature of the plasma of the substance spectrum as 4000K.

通常、プラズマの温度は、レーザ光の当て方、レーザ装置112と試料102との距離、レーザ装置112と試料102との空間における透過率等の様々なパラメータの影響を受けてしまい、試料102が置かれている雰囲気から客観的に求めるのは困難である。しかし、本実施形態では、プラズマの温度を、スペクトルを通じて特定できるので、その試験雰囲気に拘わらず、様々なパラメータの影響を受けることもない。したがって、レーザと試料102との距離も自由に設定することができ、例えば、レーザ光を遠隔から照射するリモート測定を行うことも可能となる。   In general, the temperature of plasma is affected by various parameters such as how to apply laser light, the distance between the laser device 112 and the sample 102, and the transmittance in the space between the laser device 112 and the sample 102. It is difficult to obtain objectively from the atmosphere. However, in this embodiment, since the temperature of the plasma can be specified through the spectrum, it is not affected by various parameters regardless of the test atmosphere. Therefore, the distance between the laser and the sample 102 can also be set freely. For example, it is possible to perform remote measurement by irradiating laser light from a distance.

また、図3を用いて説明したように、レーザ光のエネルギーが小さい範囲では、図3(a)〜図3(c)を比較して理解できるように発光強度の変化率が大きく、プラズマの温度が高い範囲、すなわち、レーザ光のエネルギーが大きい範囲では、図3(c)と図3(d)とを比較して理解できるように変化率が鈍化する。したがって、試験状況による物質スペクトルへの影響を考慮すると発光強度の変化率が小さいレーザ光のエネルギーが大きい範囲を用いるべきであるが、本実施形態では、レーザ光のエネルギーの大きさに拘わらず温度を高精度に特定できるので、レーザ光のエネルギーを小さくすることができ、レーザ光の消費電力を低減したり、レーザ光をより遠距離から試料102に照射することも可能となる。   Further, as described with reference to FIG. 3, in the range where the energy of the laser beam is small, the change rate of the emission intensity is large so that it can be understood by comparing FIGS. 3 (a) to 3 (c). In the range where the temperature is high, that is, the range where the energy of the laser beam is large, the rate of change slows down so that it can be understood by comparing FIG. 3C and FIG. Therefore, in consideration of the influence of the test conditions on the substance spectrum, a range in which the laser beam energy with a small rate of change in emission intensity is small should be used. Therefore, the energy of the laser beam can be reduced, the power consumption of the laser beam can be reduced, and the sample 102 can be irradiated with the laser beam from a longer distance.

物質特定部148は、物質特定時において、物質スペクトルにおける特定の複数の分解物に対する発光強度のピーク比または組成比を導出し、温度特定部146が特定したプラズマの温度における物質特定情報に基づいて物質を特定する(S5)。   The substance specifying unit 148 derives a peak ratio or a composition ratio of emission intensity for a plurality of specific decomposition products in the substance spectrum at the time of specifying the substance, and based on the substance specifying information at the plasma temperature specified by the temperature specifying unit 146. A substance is specified (S5).

例えば、物質特定部148は、図8におけるCのピーク値とHのピーク値との比を判定する。ここでは、例えば、C/H=9940330/784893=12.66という結果を得たとする。続いて、物質特定部148は、図4の物質特定情報を参照し、温度特定部146が特定した4000Kの欄においてC/Hピーク比が12.66に近似する物質が存在するか否か判定する。ここでは、「ナイロン」のC/Hピーク比が12.66なので、物質特定部148は、図8のような物質スペクトルを示す物質をナイロンと特定する。こうして、物質特定装置122は、1の物質を特定することができる。   For example, the substance specifying unit 148 determines the ratio between the peak value of C and the peak value of H in FIG. Here, for example, it is assumed that a result of C / H = 99030330/784893 = 12.66 is obtained. Subsequently, the substance specifying unit 148 refers to the substance specifying information in FIG. 4 and determines whether or not there is a substance having a C / H peak ratio close to 12.66 in the 4000 K column specified by the temperature specifying unit 146. To do. Here, since the C / H peak ratio of “nylon” is 12.66, the substance specifying unit 148 specifies the substance showing the substance spectrum as shown in FIG. 8 as nylon. In this way, the substance specifying device 122 can specify one substance.

以上説明したように、本実施形態によれば、レーザ装置112と試料102との距離等のパラメータの変動に拘わらず、プラズマの温度と物質が両方不明な場合であっても、レーザ誘起ブレークダウン分光によって適切に物質を特定することが可能となる。   As described above, according to the present embodiment, the laser-induced breakdown is achieved even when both the plasma temperature and the substance are unknown, regardless of variations in parameters such as the distance between the laser device 112 and the sample 102. It becomes possible to specify a substance appropriately by spectroscopy.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Is done.

例えば、上述した実施形態においては、発光強度のピーク比に基づいて物質を特定したが、プラズマ化された分解物の組成比が直接把握できる場合、プラズマ化された分解物の組成比がテーブル化された物質特定情報を用い、分解物の組成比に基づいて物質を特定することができる。   For example, in the above-described embodiment, the substance is specified based on the peak ratio of the emission intensity, but when the composition ratio of the plasma decomposition product can be directly grasped, the composition ratio of the plasma decomposition product is tabulated. Using the specified substance specifying information, the substance can be specified based on the composition ratio of the decomposition product.

また、本実施形態では、気圧が1気圧であることを前提に、プラズマの温度に基づいて物質を特定しているが、気圧が1気圧でない場合、温度にさらに気圧のパラメータを加えて物質特定情報を生成し、温度と気圧とに基づいて物質を特定することも可能である。   In this embodiment, the substance is specified based on the temperature of the plasma on the assumption that the atmospheric pressure is 1 atm. However, if the atmospheric pressure is not 1 atm, the substance is specified by adding a parameter of atmospheric pressure to the temperature. It is also possible to generate information and identify substances based on temperature and pressure.

本発明は、任意の物質を特定する物質特定装置および物質特定方法に利用することができる。   The present invention can be used for a substance specifying device and a substance specifying method for specifying an arbitrary substance.

100 …物質特定システム
122 …物質特定装置
130 …保持部
140 …指標スペクトル生成部
142 …物質特定情報生成部
144 …スペクトル導出部
146 …温度特定部
148 …物質特定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Substance identification system 122 ... Substance identification apparatus 130 ... Holding | maintenance part 140 ... Index spectrum generation part 142 ... Substance identification information generation part 144 ... Spectrum derivation | leading-out part 146 ... Temperature identification part 148 ... Substance identification part

Claims (5)

プラズマの相異なる複数の温度における、プラズマ化した特定の分解物のレーザ誘起ブレークダウン分光による指標スペクトルと、該複数の温度における、プラズマ化した2つの分解物発光強度のピーク比または該2つの分解物の組成比、および、物質の種類を対応付けた物質特定情報と、を予め保持する保持部と、
レーザ誘起ブレークダウン分光によって任意の物質をプラズマ化して物質スペクトルを導出するスペクトル導出部と、
導出された物質スペクトルと前記指標スペクトルとを比較して前記任意の物質のプラズマの温度を特定する温度特定部と、
前記物質スペクトルにおける前記2つの分解物発光強度のピーク比または組成比を導出し、前記物質特定情報を参照し、該2つの分解物の発光強度のピーク比または組成比と前記特定されたプラズマの温度とに基づいて、前記任意の物質の種類を特定する物質特定部と、
を備えることを特徴とする物質特定装置。
An index spectrum obtained by laser-induced breakdown spectroscopy of a specific decomposition product converted into plasma at a plurality of different temperatures of the plasma, and a peak ratio of the emission intensity of the two decomposition products converted into plasma at the plurality of temperatures or the 2 A holding unit that holds in advance the composition ratio of the two decomposition products and the substance specifying information in which the types of substances are associated;
A spectrum deriving unit for deriving a substance spectrum by converting any substance into plasma by laser-induced breakdown spectroscopy;
A temperature specifying unit that compares the derived substance spectrum with the index spectrum to specify the temperature of the plasma of the arbitrary substance;
Deriving a peak ratio or composition ratio of the emission intensity of the two degradation products in the substances spectrum, the reference to substance identification information, is the specific peak ratio or composition ratio of the emission intensity of the two degradation products A substance specifying unit for specifying the type of the arbitrary substance based on the temperature of the plasma;
A substance identification device comprising:
物質の構造式および想定されるプラズマの温度に基づき、プラズマ化された物質の前記2つの分解物の組成比をシミュレーションにより導出して前記物質特定情報を生成する物質特定情報生成部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の物質特定装置。 A substance specifying information generating unit for generating the substance specifying information by deriving the composition ratio of the two decomposition products of the plasmaized substance by simulation based on the structural formula of the substance and the assumed plasma temperature. The substance specifying device according to claim 1. 前記指標スペクトルは、Cスワンバンドのスペクトルであることを特徴とする請求項1または2に記載の物質特定装置。 The substance specifying device according to claim 1, wherein the index spectrum is a C 2 swan band spectrum. 前記スペクトル導出部は、前記任意の物質のプラズマの熱平衡が成り立った後、物質スペクトルを導出することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の物質特定装置。   4. The substance specifying device according to claim 1, wherein the spectrum deriving unit derives a substance spectrum after thermal equilibrium of the plasma of the arbitrary substance is established. 5. プラズマの相異なる複数の温度における、プラズマ化した特定の分解物のレーザ誘起ブレークダウン分光による指標スペクトルと、該複数の温度における、プラズマ化した2つの分解物発光強度のピーク比または該2つの分解物の組成比、および、物質の種類を対応付けた物質特定情報と、を予め保持しておき、
レーザ誘起ブレークダウン分光によって任意の物質をプラズマ化して物質スペクトルを導出し、
導出された物質スペクトルと前記指標スペクトルとを比較して前記任意の物質のプラズマの温度を特定し、
前記物質スペクトルの発光強度における前記2つの分解物ピーク比または組成比を導出し、前記物質特定情報を参照し、該2つの分解物の発光強度のピーク比または組成比と前記特定されたプラズマの温度とに基づいて、前記任意の物質の種類を特定することを特徴とする物質特定方法。
An index spectrum obtained by laser-induced breakdown spectroscopy of a specific decomposition product converted into plasma at a plurality of different temperatures of the plasma, and a peak ratio of the emission intensity of the two decomposition products converted into plasma at the plurality of temperatures or the 2 The composition ratio of the two decomposition products , and the substance identification information that associates the types of substances, are held in advance,
The material spectrum is derived by converting any material into plasma by laser-induced breakdown spectroscopy,
Compare the derived material spectrum with the index spectrum to identify the temperature of the plasma of the arbitrary material,
The peak ratio or composition ratio of the two decomposition products in the emission intensity of the substance spectrum is derived, and the peak ratio or composition ratio of the emission intensity of the two decomposition products is determined with reference to the substance specifying information. A method for specifying a substance , wherein the type of the arbitrary substance is specified based on a plasma temperature.
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