JP7356498B2 - プラズマスペクトル分析を介してサンプルの材料組成を分析するための装置 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年９月１３日に出願された米国特許出願シリアル番号１６／１３０，５６３号の利益を主張し、この内容は、引用により全体が本明細書に組み込まれる。

（技術分野）
本発明は、一般に、レーザー誘起ブレークダウン分光システムに関する。

レーザー誘起ブレークダウン分光法（「ＬＩＢＳ」）は、高エネルギーレーザーパルスを励起源として使用する原子発光分光法の一種である。レーザーが集束されてプラズマを形成し、これによりサンプルが霧化及び励起される。原理上、ＬＩＢＳは、固体、液体、又は気体といった物理的状態に関係なく、あらゆる物質を分析することができる。全ての元素は十分な高温に励起されると特性周波数の光を放出するので、ＬＩＢＳは、全ての元素を検出でき、使用するレーザービームの出力、並びに分光器及び検出器の感度と波長範囲によってのみ制限される。

分析対象の材料の成分が分かっている場合、ＬＩＢＳを使用して、各構成元素の相対存在量を評価するか、又は不純物の存在を監視することができる。実際には、検出限界は、ａ）プラズマ励起温度、ｂ）集光ウィンドウ、及びｃ）観測遷移の線強度の関数である。ＬＩＢＳは、発光分光法を利用しており、この点に関してアーク／スパーク発光分光法と極めて類似している。

ＬＩＢＳは、レーザービームをサンプル表面の小領域に集束させることによって動作する。レーザービームが放出されると、ナノグラムからピコグラムの範囲の極めて少量の材料がアブレーションされ、１００，０００Ｋを超える温度でプラズマプルームが生成される。データの収集中、通常は局所的な熱力学的平衡が確立された後、プラズマ温度は、５，０００～２０，０００Ｋの範囲になる。初期プラズマ中の高温では、アブレーションされた材料は、励起されたイオン種と原子種に解離（分解）する。この間、プラズマは、存在する種に関する有用な情報を含まない一連の放射線を放出するが、極めて短い時間枠内で、プラズマが超音速で膨張して冷却される。この時点で、元素の特徴的な原子発光を観察することができる。

プラズマスペクトル分析を介してサンプルの材料組成を分析するための装置は、プラズマスペクトル分析のためにビームを放出するように構成されたレーザー組立体と、ターゲットのプラズマスペクトル分析のためにビームをターゲットに向けるように構成された光学組立体とを含むことができる。光学組立体は、プラズマから放出されたプラズマ放出光を収集し、プラズマ放出光を分散モジュールに提供するように構成することができる。

分散モジュールは、第１の回折格子を含むことができ、第１の回折格子は、光学組立体から放出されたプラズマが第１の回折格子によって回折されるように構成される。分散モジュールはまた、第２の回折格子を含むことができ、第２の回折格子は、第１の回折格子によって回折された光が第２の回折格子によっても回折されるように構成される。第１の回折格子及び第２の回折格子は、分散モジュール内に位置決めされ、光学組立体から受け取った光が、分散モジュールから方向付けされる前に、第１の回折格子に少なくとも２回接触するようにする。

本発明の更なる目的、特徴、及び利点は、本明細書に添付されてその一部を形成する図面及び特許請求の範囲を参照しながら、以下の説明を精査すると、当業者には容易に明らかになるであろう。

分散モジュールを有する、スペクトル分析によってサンプルの材料組成を分析するためのシステムを示す図である。 分散モジュールの実施例を示す図である。 分散モジュールの実施例を示す図である。 より多くの反射及び、ひいてはより大きな分散用に構成された分散モジュールの別の実施例を示す図である。 検出器を有する分散モジュールのもう一つの実施例を示す図である。

図１を参照すると、スペクトル分析によってサンプル２０の材料組成を分析するためのシステム１０が示されている。主要な構成要素として、システム１０は、サンプル２０の材料組成を分析するための装置１２を含む。装置１２は、図２及び本明細書の後半に記載される幾つかの構成要素を内包することができるハウジング１４を含むことができる。例えば、ハウジング１４は、レーザービーム２２を生成するためのレーザー組立体１３と、レーザービーム２２をサンプル２０に向けるための光学組立体１７と、を含むことができる。更に、光学組立体１７は、プラズマ放出光２４を、光ファイバ２８を介して分光計３０に向けるように機能することができる。

装置１２は、２つの主要な機能を有する。装置１２は、レーザービーム２２にビーム成形及び送達を提供し、また、プラズマからのプラズマ放出光２４を効率的に収集して、分光計３０に送達する。レーザービーム２２は、強いプラズマプルームを生成するためにサンプル２０上で２０ミクロンの集束直径を有する単一モードレーザービームとすることができる。作動距離は、約１０ｍｍ又はそれよりも大きくすることができる。

光学組立体１７はまた、分散モジュール１００を含むことができる。分散モジュール１００は、光学組立体１７の一部とすることができ、又は光学組立体１７から分離されていてもよい。分散モジュール１００は、この詳細な説明の後半でより詳細に説明する。分散モジュール１００は、現在利用可能なものより遙かにコンパクトな装置において遙かに高い解像度を可能にする。これにより、例えば、サンプル２０内の炭素量の迅速且つ正確な測定が可能になる。分散モジュール１００は、上述のように、装置１２内に配置することができ、或いは、分光計３０内に配置することができる。何れの場合も、分散モジュール１００は、プラズマから放出された光２４を受け取るものであり、次に、送出された光を検出器に向ける。

ハウジング１４の壁部分１５は、そこに形成された開口部１６を有することができる。開口部１６は、窓１８を含むことができる。窓１８は、レーザービーム２２及びプラズマ放出光２４などの、装置１２との間の光の透過を可能にする透明な窓とすることができる。ハウジング１４は、気密シールすることができ、不活性ガスで充填することができる。

上述のように、装置１２は、サンプル２０に向けてレーザービーム２２を放出するように構成される。レーザービーム２２がサンプル２０に当たると、プラズマプルームが形成され、プラズマ放出光２４が反射されて窓１８に戻る。プラズマ放出光２４は、光ファイバ２８を介して分光計３０に向け直される。ファイバアダプタ２６は、プラズマ放出光２４を光ファイバ２８に光学的に向ける。次に、光ファイバ２８は、プラズマ放出光２４を分光計３０に向ける。

分散モジュール１００は、分散モジュールが装置１２内に配置されている状況において、最初にプラズマ放出光２４を受け取り、この光を、光ファイバ２８を介して分光計３０に向ける。或いは、分散モジュール１００は、分光計３０内に配置することができ、この詳細な説明の節で後述するように、検出器に提供する前に、光ファイバ２８からプラズマ放出光２４を最初に受け取ることができる。

分光計３０は、プラズマ放出光２４の複数の異なるスペクトル分析を実行し、これらの光信号を、デジタル分析器３２に提供される電気信号に変換することができる。

分光計３０は、それぞれ、モノクロメータ（走査）又はポリクロメータ（非走査）並びに光電子増倍管又はＣＤＣ（電荷結合装置）検出器を含むことができる。分光計３０は、可能な限り最も広い波長範囲にわたって電磁放射を収集し、特定の各要素について検出される輝線の数を最大化する。分光計３０の応答は、１１００ｎｍ（近赤外線）から１７０ｎｍ（深紫外線）とすることができる。

分光計３０によって生成された電気信号は、ケーブル３４によりデジタル分析器３２に提供することができる。しかしながら、別々の装置からデジタルデータを送信するのに利用される複数の異なる方法のうちの何れか１つを使用できることを理解されたい。例えば、デジタル分析器３２は、無線プロトコルを利用して、分光計３０と通信することができる。デジタルアナライザ３２は、出力装置３３及び１又は２以上の入力装置３５を有する専用装置とすることができる。出力装置３３は、ディスプレイとすることができ、入力装置３５は、キーボード及び／又はマウスとすることができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、分光計用の分散モジュール２００及び２５０の実施例を示している。ここで、図１の分散モジュール１００は、分散モジュール２００と呼ばれる。図示のように、分散モジュール２００は、光を受けるための入口２１０と、第１の回折格子２２０であって、入口２１０で受け取られた光が第１の回折格子２２０によって回折されるように分散モジュール内に取り付けられる、第１の回折格子２２０と、第２の回折格子２３０であって、第１の回折格子２２０によって回折された光が第２の回折格子２３０によっても回折されるように、第１の回折格子２２０に対して分散モジュール２００内に取り付けられる、第２の回折格子２３０と、第１及び第２の回折格子によって回折された後、モジュールから光を透過させるための出口２４０と、を備える。図示のように、第１の回折格子２２０及び第２の回折格子２３０は、入口２１０にて受け取られた光２９０（図１の放出光２４におけるプラズマなど）が、出口に向けられる前に第１の回折格子２２０に少なくとも２回接触するように、分散モジュール２００内に取り付けられる。

少なくとも幾つかの分散モジュールでは、第１の回折格子２２０及び第２の回折格子２３０は、反射型回折格子である。特定のモジュールは、第１又は第２の回折格子として透過回折格子を利用している。一部のモジュールは、第１及び第２の回折格子の両方に透過回折格子を利用している。特定のモジュールでは、第１及び第２の回折格子の少なくとも１つは、ブレーズド回折格子、例えば、１５０ｎｍから２５０ｎｍの間、より具体的には１７５ｎｍから２００ｎｍの間の波長に最適化されたブレーズド回折格子である。

特定の分散モジュール内で、第１の反射回折格子２２０及び第２の反射回折格子２３０は、モジュールの調整を提供するために、分散モジュール２００内に移動可能に取り付けられる。第１の反射型回折格子２２０及び／又は第２の反射型回折格子２３０は、透過型回折格子とすることができる。

本発明による幾つかの分散モジュールは、少なくとも２０ｍｒａｄ／ｎｍ、好ましくはＸｍｒａｄ／ｎｍ、最も好ましくはＹｍｒａｄ／ｎｍの分散定格を有する。

本発明による特定の分散モジュールは、モジュールへの入口としてレンズを使用する。一部のモジュールは、入口としてスリットを利用している。特定の分散モジュール内には、第１の回折格子と接触すると、入口のスリット又はレンズによって引き起こされる実質的に平行な光線がある。

図２Ａにも見られるように、本発明による少なくとも幾つかの分散モジュールは、モジュールの同じ側に入口及び出口を提供する。この配置は、幅広い用途で使用できるよりコンパクトなモジュールを提供する。

図示のように、本発明による分散モジュールは、格子当たりに複数の反射を可能にする。長さ当たりにラインをグレーティングするグレーティング上での反射に対して適用される。言い換えると、３６００ライン／ｍｍを有するグレーティングで２回反射すると、７２００ライン／ｍｍの有効グレーティングが得られる。このように、光を各々５回反射するように２つのグレーティングを配置すると、３６０００ライン／ｍｍ（５＊ ２＊３６００ライン／ｍｍ）の有効グレーティングが得られる。このようにして、本発明による分散モジュールは、１ｍｍ当たりの遙かに大きな有効ラインを提供する。

本発明による分散モジュールは、モジュールを出る光の正確な読み取り及び一貫した使用を提供するのに十分な効率を維持しながら、遙かに高い解像度を可能にする。少なくとも一部の用途では、正確な測定のために１％の光のみを保持する必要がある。このため、分散格子による反射当たり９０％の効率及び反射当たり９０％で１０回の反射でも、およそ３５％の光が残り、８５％の効率では２０％が残り、６０％でも０．６％が残る。特定の用途では、このような割合の分散光を遙かに高解像度で使用することができる。

図２Ｂに例示されるように、本発明による少なくとも幾つかの分散モジュール２００は、モジュールの出口の後に配置された検出器２５５を使用する。この検出器２５５は、モジュール２００内に配置することができ、又は図１の分光計３０として示されるような別個のモジュールに配置することができる。

図３は、より多くの数の反射及びひいてはより大きな分散用に構成された本発明の少なくとも幾つかの実施形態による分散モジュール３００を示している。同様の要素を参照するために、同様の参照番号が使用される。図示のように、第１の分散格子３２０及び第２の分散格子３３０は、入口３１０にてモジュール３００に入る光３９０（プラズマ放出光２４など）が、出口３４０でモジュール２００を出る前に第１の分散格子３２０及び第２の分散格子３３０の両方に２回接触するように間隔及び角度が付けられて配置される。この場合も同様に、検出器３５５が示されている。

図４は、本発明による分散モジュールを含む分光計４００を示している。同様の要素を参照するために同様の参照番号が利用されている。この場合も同様に、モジュールは、第１の４２０及び第２の分散格子４３０、光３９０を受けるための入口３１０、及びモジュールから光を送信するための出口４４０から構成される。分光計４００は更に、分散モジュールを出る光を検出するために分光計内に取り付けられた検出器４５０を備える。

本発明による特定の分光計は、分散モジュールがここで使用されることに起因して、少なくとも３０ｐｍ、好ましくは１５ｐｍ、最も好ましくは１０μｍの解像度を有する。

本発明による少なくとも幾つかの分光計は、光を提供し、ひいてはサンプル４９５の分光分析を実行することができるようにするために、分光計に取り付けられた統合光源４０５を有する。特定の分光計は更に、検出器によって提供される情報を分析するように構成された少なくとも１つのプロセッサ４５６と、プロセッサによって実行可能な命令を格納するための少なくとも１つのメモリ４５７とを備える。

上記で例示されたように、分散モジュールの入口は、光が適切な角度で回折格子に当たることを可能にする限り、分散格子に対してどこにあってもよい。同様に、光が格子に接触する機会があった後、出口は格子に関連する任意の場所にあってもよい。

この用途の図内では、角度は純粋に例示的なものである。図示の光は、説明を容易にするためのものであり、モジュールが受け取る単なる代表的な光であると理解されるべきである。

上述のように、本発明による分散モジュールは、幅広い用途で使用することができる。例えば、ＬＩＢＳ用途内では、様々な要素の検出がスクラップの分類及び溶接部の検査に役立つ。これらの用途では、多くの場合、セクションで比較的近いピーク波長間の差を検出する必要があり、従って、より高い解像度が必要になる。例えば、炭素を検出するための波長範囲は、約１７５～２００ｎｍであり、この範囲内では、１９３ｎｍの炭素、１７８ｎｍの硫黄、及び１７５ｎｍのリンの発光がある。上記のように、２５ｎｍ帯域幅内の解像度が高いほど、分光分析がより正確になる。実際に、炭素検知用途内では、炭素の１９３ｎｍ波長発光は、鉄発光に比較的近いので、炭素比の決定が複雑になる。しかしながら、１０ｐｍの解像度は、発光を区別できる用途を提供する。

この解像度は、輝線間の振幅の比率を決定する場合に特に有用とすることができる。例えば、炭素と鉄の輝線の比率は、鋼鉄内の炭素の比率を決定付けて、高炭素鋼又は低炭素鋼を分類する一助とすることができる。本発明による少なくとも幾つかの分散モジュールは、上記で概説したように炭素検出を支援するように構成され、従って、光がモジュールを出る前に少なくとも３回分散格子に接触するように構成されている。このような用途で検出器に十分な解像度を提供するためには、４又は５の接点が好ましい。しかしながら、３つの接点で十分な解像度を提供することができる。このような分散モジュールは、少なくとも３０～１０ｐｍの解像度を提供する。

本発明による少なくとも幾つかの分散モジュールは、波長可変レーザーに使用される。波長可変レーザーは、１つの吸収線のみが生成されるように使用することができる。すなわち、１種類のガスによってのみ吸収される波長を有するレーザーが放出され、反射光に対して測定が実施される。本発明を考えると、波長可変レーザーが必要とされないほど十分な解像度で測定することが可能であろう。本発明は、光ファイバーネットワーク又は他の通信システムを試験するのに用いることができる十分な解像度で標準昼光を測定することになる。光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）と呼ばれることが多い、通信機器のチェックに装置を使用した。
試験機器の波長

開示される本発明の実施形態は、本明細書に開示される特定の構造、プロセスステップ、又は材料に限定されず、当業者によって認識されるであろうこれらの均等物にまで拡張されることを理解されたい。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を記載する目的でのみ使用され、限定することを意図するものではないことも理解されたい。

本明細書全体を通して一実施形態又はある実施形態への言及は、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造、又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じた様々な場所での「一実施形態において」又は「ある実施形態において」という表現の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を指すとは限らない。例えば、約又は実質的になどの用語を使用して数値を参照する場合、正確な数値も開示される。

本明細書で使用される場合、複数のアイテム、構造要素、構成要素、及び／又は材料は、便宜上共通のリストに提示することができる。しかしながら、これらのリストは、リストの各メンバーが別個の一意のメンバーとして個々に識別されているかのように解釈すべきである。従って、このようなリストの個々のメンバーは、反対の指示なしに共通のグループでの提示のみに基づいて、同じリストの他の何れかのメンバーと事実上同等であると解釈すべきではない。更に、本発明の様々な実施形態及び実施例は、その様々な構成要素の代替形態と共に本明細書で参照することができる。このような実施形態、実施例、及び代替形態は、互いに事実上同等であると解釈すべきではなく、本発明の別個の自律的な表現と見なすべきであることは理解される。

更に、記載された特徴、構造、又は特性は、１又は２以上の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。本明細書では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために、長さ、幅、形状、その他の実施例など、多数の特定の詳細が提供される。しかしながら、関連技術の当業者は、本発明が、１又は２以上の特定の詳細なしで、又は他の方法、構成要素、材料などを用いて実施できることを認識するであろう。他の例では、本発明の態様を曖昧にすることを避けるために、周知の構造、材料、又は動作は詳細に示されていないか、又は記載されていない。

代替の実施形態では、特定用途向け集積回路、プログラマブルロジックアレイ、及び他のハードウェア装置などの専用ハードウェア実装を構築して、本明細書で記載される方法の１又は２以上を実装することができる。様々な実施形態の装置及びシステムを含むことができる用途は、様々な電子及びコンピュータシステムを広く含むことができる。本明細書に記載される１又は２以上の実施形態は、２以上の特定の相互接続されたハードウェアモジュール、又はモジュール間及びモジュールを介して、通信できる関連する制御及びデータ信号を備えた装置又は特定用途向け集積回路の一部として使用して機能を実装することができる。従って、本システムは、ソフトウェア、ファームウェア、及びハードウェア実装を包含する。

本開示の様々な実施形態によれば、本明細書に記載の方法は、コンピュータシステムによって実行可能なソフトウェアプログラムによって実装することができる。更に、例示的で非限定的な実施形態では、実装は、分散処理、コンポーネント／オブジェクト分散処理、及び並列処理を含むことができる。或いは、仮想コンピュータシステム処理は、本明細書で記載されるような方法又は機能の１又は２以上を実装するように構築することができる。

更に、本明細書に記載の方法は、コンピュータ可読媒体にて具体化することができる。「コンピュータ可読媒体」という用語は、集中型又は分散型データベースなどの単一の媒体又は複数の媒体、及び／又は１又は２以上の命令セットを格納する関連するキャッシュ及びサーバーを含む。「コンピュータ可読媒体」という用語はまた、プロセッサによって実行するための一連の命令を格納、符号化、又は保持することができる、又はコンピュータシステムに本明細書に開示される方法又は操作の何れかの１又は２以上を実行させる任意の媒体を含むものとする。

当業者が容易に理解するように、上記の説明は、本発明の原理の例示として意図されている。本明細書は、添付の特許請求の範囲にて定義されるように、本発明の精神から逸脱することなく、本発明が修正、変形、及び変更が可能であるという点で、本発明の範囲又は適用を限定することを意図するものではない。

Claims (11)

1. レーザー放射下にあるターゲットの材料から生成されたプラズマ放出光のプラズマスペクトル分析を介してサンプルの材料組成を分析するための装置であって、
   プラズマスペクトル分析用のビームを放出するように構成されたレーザー組立体と、
   前記ターゲットのプラズマスペクトル分析のために前記ターゲットにビームを向け、前記ビームの放射下にある前記ターゲットから生成されたプラズマからのプラズマ放出光を収集するように構成された光学組立体と、
   収集された前記プラズマ放出光を前記光学組立体から受け取るように前記光学組立体に対して配置された分散モジュールと、を備え、
   前記分散モジュールが第１の回折格子を含み、該第１の回折格子は、前記光学組立体から放出されたプラズマが前記第１の回折格子によって回折されるように構成され、
   前記分散モジュールが第２の回折格子を含み、該第２の回折格子は、前記第１の回折格子によって回折された光が前記第２の回折格子によっても回折されるように構成され、
   前記分散モジュールは、前記光が前記第１及び第２の回折格子によって回折された後、前記分散モジュールから光を透過するように構成され、
   前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、前記光学組立体から受け取った光が前記分散モジュールから方向付けされる前に少なくとも２回前記第１の回折格子に接触するように前記分散モジュール内に位置決めされ、
   前記装置は、更に、前記レーザー組立体、前記光学組立体、及び前記分散モジュールを内包するハウジングを備えている、
   ことを特徴とする装置。
2. 前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子が、反射型回折格子である、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、前記分散モジュールの調整を提供するために前記分散モジュール内に移動可能に取り付けられる、
   請求項１に記載の装置。
4. 前記分散モジュールが、２０ｍｒａｄ／ｎｍの全体的な分散定格を有する、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子のうちの少なくとも１つが透過型回折格子である、
   請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子のうちの少なくとも１つがブレーズド回折格子である、
   請求項１に記載の装置。
7. 前記ブレーズド回折格子が、１５０ｎｍから２５０ｎｍの間の波長に最適化されている、
   請求項６に記載の装置。
8. １７５ｎｍから２００ｎｍの間の波長に最適化されたブレーズド回折格子である、
   請求項７に記載の装置。
9. 前記分散モジュールからの光を受け取るように構成されたファイバアダプタを更に備える、
   請求項１に記載の装置。
10. 前記ファイバアダプタに光学的に結合された分光計を更に備える、
    請求項９に記載の装置。
11. 前記分光計が、情報を分析するように構成された少なくとも１つのプロセッサと、前記プロセッサによって実行可能な命令を格納する少なくとも１つのメモリと、を備えている、
    請求項１０に記載の装置。

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