JPH0254147A - ブレイクダウンプラズマ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は液体又は気体試料中の粒状物質の分析装置に係
り、特に、粒状物質を計数し、また、粒状物質の粒径を
測定するのに好適な分析装置に関する。

［従来の技術］ 従来の、光を試料に照射し、その中の粒状物質をブレイ
クダウンさせて試料を分析する方法は、試料中の粒状物
質をブレイクダウンさせた時に発生する光波または音響
波を検出することにより。

試料中の粒状物質の計数及び粒径画定を行なうものであ
る。その例として特開昭６２−０３８３４５号公報が挙
げられる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の従来技術は、粒状物質の計数精度は良いが、粒状
物質がブレイクダウンして生ずるプラズマの大きさは照
射光の幅より大きいため、粒径計測の精度は十分ではな
いという問題があった。

本発明の目的は、ブレイクダウンプラズマの数及び大き
さを検出し、測定対象である粒状物質の個数（ひいては
濃度）及び大きさを精度良く測定することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、試料内に設けた二電極間に光を集光照射し
て発生した測定対象粒状物質のブレイクダウンに伴うプ
ラズマによる該二電極間の導電率変化を検出し、その導
電率変化の回数から測定対象粒状物質の数を、また導電
率変化の大きさから粒径を求めることにより、達成され
る。

［作　　　用コ 試料内に光をレンズにより集光照射し、その実光領域に
おいて眩光が測定対象粒状物質のブレイクダウン閾値を
上回るエネルギ密度になる様に設定する。そのブレイク
ダウンの発生する領域を挾むように設置した二電極に電
圧をかけ、該電極間に流れる電流を」り定する。ブレイ
クダウンプラズマが発生すると該電極間の導電率が増加
し、電流値が増大する。その増大を゛検出した計数値か
ら試料内の測定対象粒状物質の数が求められ、また、増
大した電流の大きさから（の粒径が求められる。

気泡が電極間に入っても、導電率が低下するだけなので
気泡を誤計数することはない。

［実　施　例コ 本発明の一実施例を第１図により説明する。まず、本実
施例の全体構成について述べる。セル３内には入口２０
から出口２１へ電極４間を通って試料が流れる。光源１
からでた励起光１０は、レンズ２により集光され、セル
３内に光のエネルギ密度の高い領域（以下、ビームウェ
スト領域と呼ぶ）１１を形成する。このビームウェス１
〜領域１１内において、セル３内を流れる試料中の測定
対象粒状物質のブレイクダウンが生じ、ブレイクダウン
プラズマが発生する。２つの電極４はこのビームウェス
ト１１を挾むように設置してあり、この電極４間に電源
５により電圧をかけておき、電流計測装置６により電極
４間に流れる電流値を計測する。ブレイクダウンプラズ
マが発生すると電極４間の導電率が上昇し、電流値が増
大する。

電流値の増加の回数と強度をデータ処理装置７に記憶し
、■す定対象粒状物質の数と粒径を求める。

上記の構成における主要な部分について、更に説明する
。光源１は前記ブレイクダウンを起こすために必要なエ
ネルギを供給する必要があるため、大出力のレーザを用
いる。レンズ２は焦点距離か短いほどビームウェスト領
域１１の体積が小さくなるので、測定対象粒状物質の濃
度範囲に応じて適切な焦点距離のものを選択して用いる
。セル３の材質は、励起光１０が入射する光学窓の部分
は光の透過率の高い石英ガラス等を用いる。電極４はブ
レイクダウンの衝撃波により損傷しない金属材料で作ら
れ、電極間の距離が変動しないように支持される。電源
５は安定性にすぐれたものを用いることが、測定精度の
向上につながるので重要であり、又、電流計測装置６は
、応答の早いものを使用する必要がある。特に光源１に
パルスレーザを用いる場合は、レーザのパルス幅がｌｏ
−３〜１０１ｎｓｅｃであり、それにより発生するブレ
イクダウンプラズマの寿命は１０１〜１０３μｓｅｃと
考えられているので、ブレイクダウンプラズマによる導
電率変化を十分測定できる応答の早い電流計測装置を用
いなければならない。

次に、第２図を用いて本実施例の原理を説明する。

この図は第１図のブレイクダウンプラズマ検出部を拡大
したものである。試料内のビームウェスト領域１１にお
ける励起光１００強度もしくはエネルギ密度は、試料中
の測定対象粒状物質のブレイクダウン閾値より高く、か
つ試料の媒質のブレイクダウン閾値より低く設定される
。試料中の測定対象粒状物質１２がビームウェスｉ・領
域１１内に入るとブレイクダウンを起こし、ブレイクダ
ウンプラズマ１３が発生する。ブレイクダウンプラズマ
及び試料媒質の導電率を表１に示す。

表１　導電率の比較 表かられかるようにブレイクダウンプラズマ１３の導電
率は他と比較して大きいので、ブレイクダウンプラズマ
１３が発生すると電極４間に流れる電流値は増加する。

この電流値の変化を第３図に示す。励起光を図のように
パルス状に照射するとき、励起光が照射されたときに測
定対象粒状物質がビームウェスト領域１１内に存在する
と、電流値は増加する。逆に、励起光が照射されていな
いときは測定対象粒状物質が電極４間を通過しても大き
な変化は生じない。いま、励起光パルスを入射した時に
ビームウェスト領域１１内に測定対象粒状物質が存在す
る期待値は、ビームウェスト領域１１の体積■と測定対
象粒状物質の数密度Ｎとの積で与えられる。したがって
、励起光パルスをｎショット入射したときの電流値変化
のカウント数ＣはＣ＝　ｎ　Ｖ　Ｎとなる。実際の測定
のときにはＶとｎは既知であるから、カウント数Ｃを計
測すれば、測定対象粒状物質の数密度Ｎを求めることが
できる。また、液体試料を測定する場合、気泡がビーム
ウェスト領域１１内に存在しても、これはブレイクダウ
ンを起こさないので電流値の変化はない。これらのこと
から、励起光のショツト数に対する電流値増加の数をカ
ウントすれば測定対象粒状物質の数を求めることができ
る。

第２図において、電極４間の距離をり、測定対象粒状物
質１２の大きさ（粒径）をγＳ、ブレイクダウンプラズ
マ１３の大きさをγρとする。いま、ブレイクダウンプ
ラズマ１３の大きさは、プラズマ密度が一定と仮定する
と、 ｙｐ　ｏｃ　γＳ　　・・・・（１） となる。電極４間に流れる電流を１．電極４間にかける
電圧をＶ（一定）とすると、ｙｐとＩとの間の関係は、
電極４間の抵抗が媒質とプラズマとによると考えられる
ので、 ■ ””ａ（１−ｙｐ）＋ｂ／ｙｐ　　　・・・・・■と表
される。ここで、ａ、ｂは定数である。γＳはγＰに比
例するので、これらより、γＳが増加すると工も増加す
ることがわかる。この関係を第４図に示す。この結果か
ら、電流値の大きさを測定することにより、ａｌｆｆ定
対象粒状物質の大きさを求められることがわかる。

以上のように、本実施例によれば、測定対象粒状物質の
数（ひいては濃度）及び大きさを測定できる。

第５図はセル３と電極４の形状に関するもので、図のよ
うなセル３において、励起光１０は光学窓３１を通って
′電極４の間にビームウェスト領域を形成するようにす
る。試料は図のように入口２゜から入り、電極４間を通
って出口２１へ流れるが、電極４間はセル中の他の部分
の流路に比べて十分狭いので、電極４間の局所だけにお
いて試料がよどむことのないように、横断面図である第
６図（ｂ）に示すととく流路を電極全体で絞り込むよう
にする。このようにすれば、電極４間の局所においての
み試料がよどんで測定精度を悪化する現象が起こらない
という効果がある。

第６図は第５図において、さらに電極４の先端を平面に
し、該平面が励起光１０及びセル３内の試料の流れに平
行になる様に設置したものである。

一般にビームウェスト領域の形状は励起光１０の進行方
向に円筒形をしているためブレイクダウンの発生位置は
この円筒形のビームウェスト領域内で変動するが、本実
施例によれば、ブレイクダウンの発生位置が変動しても
、その影響を受けることがないという効果がある。

本発明におけるセル３の更に別な実施例を第７図を用い
て説明する。本実施例においてはセル３に設置する電極
４の位置を旺動する電極即動装置３２をセル３に設置し
ている。式（２）に示すように。

ｉｉｌ！ｌ定される電流値はブレイクダウンプラズマの
大きさγＰのみならず、電極４間の距′４Ｌにも依存し
、Ｌがγｐに近づく程得られる電流値は大きくなる。本
実施例では、電極４間距離を調節することにより、最適
な８１！Ｉ定条件を設定できるという効果を有する。

以上のｔｉ実施例におけるセル３に１例えば半導体製造
プロセスに用いるプロセス流体を試料として流すように
すれば、該プロセス流体中の微量な不純物としての粒状
物質の測定が可能になる。

第８図、第９図は、光ファイバ８を用いたプローブ９に
より、測定したい槽４２内の試料中の不純物を測定し得
るようにした実施例である。第１図の光ｇ１、電源５、
電流計測装置６、データ処理装置７を組み込んだ筐体を
キャスター３４により可搬にしである。本実施例は、ブ
レイクダウンプラズマの検出部を光ファイバ８を用いて
プローブ化したものであり、光ファイバ８により光ｇ１
から送光された励起光１０は、光ファイバ８の出射口に
取付けられたプローブ９内においてレンズ２により集光
され５発生したブレイクダウンプラズマはプローブ８内
に組み込まれた′１ヒ極４により前述し原理により検出
される。光源及び電流値の測定系は前述したとおりであ
る。本実施例によれば、検出部を容易に移動でき、測定
したいポイントへ自由に移動できるという効果がある。

［発明の効果コ 本発明によれば、ブレイクダウンプラズマの数及び大き
さを精度よく測定することができ、これにより、試料中
の測定対象粒状物質の数（ひいては１度）及び大きさを
精度よく測定することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の装置構成図、第２図は本発
明の測定原理図、第３図は励起光と測定電流値の時間変
化を示す図、第４図は１″は流値の粒径依存性を示す図
、第５図（ａ）、（ｂ）、第６図（ａ）。 （ｂ）は夫々測定セルの例を示す縦断面および横断面図
、第７図は電極間距離が可変なセルを示す図、第８図お
よび第９図は本発明の他の実施例のプローブおよび使用
態床を示した図である。 １・・・光ｇ　　　　　　　２・・・レンズ３　セル　
　　　　　　４°゛°電極 ５・・・電源　　　　　　　６・・・電流計測装置７・
・データ処理装置　　８・・・光ファイバ９・・・プロ
ーブ　　　　　１０・・励起光１１・・・ビームウェス
ト領域 １２・・・測定対象粒状物質 １３・・・ブレイクダウンプラズマ ２０・・・試料人口　　　　２１・・・同出口３１・・
・光学窓 ３２・・電極１！ｉｌ動装置 谷 活水 即日 兜１図 篤３図 篤４図 料 ４号

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　試料内に光を集光照射し試料内の該集光領域におけ
   る光の強度もしくはエネルギー密度を試料中の測定対象
   粒状物質のブレイクダウン閾値より高く且つ試料の媒質
   のブレイクダウン閾値より低く設定する光照射手段と、
   該集光領域を挾んで設置された二電極と、測定対象粒状
   物質のブレイクダウンで生ずるプラズマに因る該電極間
   の導電率変化を検出してこれを計数しその計数値から試
   料内の測定対象粒状物質の数を求める手段とを備えたブ
   レイクダウンプラズマ測定装置。 ２　測定対象粒状物質のブレイクダウンで生ずるプラズ
   マに因る前記電極間の導電率の大きさを測定しその測定
   値に基づいて測定対象粒状物質の粒子径を測定する手段
   を備えた請求項１記載のブレイクダウンプラズマ測定装
   置。 ３　前記二電極は試料の流れるセル内に横切って設置さ
   れ、試料の流動方向から見た該二電極間の間隔が一様で
   ある請求項１又は２記載のブレイクダウンプラズマ測定
   装置。 ４　前記二電極の先端面を前記光の進行方向と平行な平
   面にした請求項３記載のブレイクダウンプラズマ測定装
   置。 ５　前記二電極間の間隔を調節する手段を有する請求項
   １、２、３又は４記載のブレイクダウンプラズマ測定装
   置。 ６　試料に照射光を送光する光ファイバと、該光ファイ
   バの出射部に接続され、該光ファイバの出射部からの光
   を集光するレンズおよび該レンズによる集光領域を挾ん
   で設置された前記二電極を内蔵したプローブ部とを備え
   た請求項１ないし５のいずれかに記載のブレイクダウン
   プラズマ測定装置。