JPH03239950A - レーザブレイクダウン分析装置 - Google Patents

レーザブレイクダウン分析装置

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JPH03239950A
JPH03239950A JP2037925A JP3792590A JPH03239950A JP H03239950 A JPH03239950 A JP H03239950A JP 2037925 A JP2037925 A JP 2037925A JP 3792590 A JP3792590 A JP 3792590A JP H03239950 A JPH03239950 A JP H03239950A
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JP
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laser
breakdown
sample
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analysis
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JP2037925A
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English (en)
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Takeshi Nishitarumi
剛 西垂水
Tadataka Koga
古賀 正太佳
Tetsuya Matsui
哲也 松井
Kenji Yokose
横瀬 賢次
Masaharu Sakagami
坂上 正治
Takehiko Kitamori
武彦 北森
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

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、気体または液体の分析装置に係り、試料に照
射したレーザの誘起ブレイクダウンにより試料中の粒子
数または成分を分析する分析装置に関する。
〔従来の技術〕
半導体の製造等に使用される超純水や、高純度薬品中の
成分あるいは不純物の粒子数の分析にレーザブレイクダ
ウンを利用する方法がある(北森他:ジャパニーズ・ジ
ャーナル・オブ・アプライド・フィジックス 27巻、
5983〜5985頁、1988年、または、特開昭6
3−44149号公報)。
これは、分析すべき液体(または気体)試料を入れた特
定の試料セルにレーザを照射し、該液体中の分析対象物
によって起こるレーザブレイクダウンにより生じた音響
波やプラズマの発光を圧電素子等の検出器により検出し
、予め求めておいた検量線によって定量するものである
〔発明が解決しようとする課題〕
前記従来技術では、分析試料の光の屈折率の違いにより
レーザの収束部が異なるために、検出器との相対的な位
置関係がずれてくる。このために、屈折率の異なる試料
を測定すると、ブレイクダウンにより生じた音響波やプ
ラズマの発光等を正確に検出できないために、どうして
も測定誤差が生じると云う問題があった。
本発明の目的は、レーザの収束部と検出器の位置関係を
、試料の屈折率に対応させて一定に設定し、ブレイクダ
ウンにより生じた音響波やプラズマからの発光等を正確
に検出することJこよって誤差の少ない測定を行なうこ
とができる装置を提供することにある。
〔3題を解決するための手段〕 上記目的を達成する本発明の要旨は次のとおりである。
試マ゛キセル中の分析試料に収束したレーザを照射する
手段、該レーザによる誘起ブレイクダウンにより生じた
音響波、荷電粒子または発光を検出する検出手段、該検
出手段により検出した信号により前記分析試料中の粒子
の計測、粒子および媒質の成分分析を行う分析手段を備
えたレーザブレイクダウン分析装置において、 前記レーザの収束部または対向位置に前記検出手段が常
に配置されるように構成されていることを特徴とするレ
ーザブレイクダウン分析装置。
本発明のレーザ収束手段の一つとしては、凹球面反射鏡
がある。これは試料セル内、あるいは。
試料セルの一部を構成するように凹球面反射鏡を配置し
たものである。凹球面反射鏡の収束部は、その曲率半径
によって一義的に決まるため、照射されたレーザはセル
内部の分析試料の屈折率に依存せず、常に一定の位置に
収束されるため、該試料セル内あるいはその近傍に配置
された検出器と常に所定の位置関係を保つことができる
また、他の手段として検出器および試料セルを固定して
おき、試料の屈折率に応じてレーザ収束手段を光軸上で
平行移動させることにより、レーザ収束部を検出器の所
定の位置に移動させることにより、所定の位置関係を保
つことができる。
また、レーザ収束手段を固定し、測定すべき試料の屈折
率に応じて検出器をレーザ収束部に移動することで、検
出器と所定の位置関係を保つことができる。
上記により、誘起ブレイクダウンによる音響波やプラズ
マからの発光等の強度を正確に検出することができるの
で、誤差の少ない測定を行なうことができる。
〔作用〕
レーザ収束手段に凹球面反射鏡を用いることによって、
試料の屈折率によらず、レーザは常に一定位置に収束さ
れるので、検出器とレーザ収束部は常に所定の位置関係
を保つことができる。
また、予め試料の屈折率に対応しレーザ収束手段あるい
は検出器の位置を移動対応させることによっても所定の
位置関係を保つことができ、誤差の少ない測定を行うこ
とができる。
〔実施例〕
以下、図面を参照しながら本発明を詳述する。
第1図は、本発明のレーザブレイクダウン分析装置の全
体構成を示す一実施例である。
YAGレーザ発生装M1は、制御部12により制御され
てレーザビーム2を発生する。YAGレーザとしては、
波長11064nのレーザを発生するが、レーザビーム
2は11064nの基本波でも高調波(532,355
,266nm)でもよいし、また、これら複数の波長が
混合されたものでもよい。
レーザビーム2は、石英等の平行平板からなるビームサ
ンプラー3によりその一部が反射される。
反射されずにビームサンプラー3を透過したレーザは、
試料セル5の光学窓4を透過し、セル5の一部を形成す
るように構成された凹球面反射鏡7によってセル中央部
に収束される。凹球面反射鏡7は、ガラス製で反射面上
には99%以上の反射率を与えるコーティングが施こさ
れている。
測定試料は、導入口9より試料セル5に導入され排出口
8より排呂される。
セル5の中央部には、レーザブレイクダウンにより生じ
た音響波の検出器として圧電素子6が設けられており、
検出された音響波は音響信号として信号処理部11に伝
達する。
一方、ビームサンプラー3で反射された一部のレーザ(
レーザビーム2′)は、ピンフォトダイオード等の高速
の光検出器10に入射され、参照信号として、信号処理
部11に伝達される。
前記圧電素子6は、高インピーダンスでノイズを拾い易
いために信号処理部11では、参照信号に同期した音響
信号のみを取込むように予め設定されている。また、レ
ーザ出力が変動するような場合には、信号処理部11で
参照信号に基づき音響信号を補正することができる。
信号処理部11で収集した音響信号は制御部12に伝達
される。制御部12はこの音響信号により、試料中の粒
子密度および粒径分布を計算し、その結果をプリンタ等
に出力する。
また、制御部12はYAGレーザ発生装置1を制御し、
状態をモニターしながらレーザ発振トリガを出力する。
第4図に示すように、レーザの平行光束18は、曲率半
径Rの凹球面反射鏡19に対して、常に凹球面からR/
2の位置に収束される。この収束部は、試料セル内に充
填され反射面に接する媒質の屈折率にかかわらず常に一
定である。また、平行光束18の波長にもかかわらず一
定である。
なお、該反射鏡に金属反射鏡を使えば、レーザに対する
損傷しきい値が高く、自己集束効果がない(レーザハン
ドブック第804頁、オーム社発光)と云う利点があり
、レーザ収束手段としてはレンズよりも優れている。
曲率半径100 m m凹球面反射鏡を用いると、凹球
面から50mmの位置にレーザを収束させることができ
る。
次に、音響波の検出手段である圧電素子6としては1本
実施例ではチタン酸ジルコン酸釦を材料とした長さ14
mm、内径9 m m 、外杆11mm円筒状の圧電素
子を用いた。この素子は円筒の内側に正電極、外側に負
電極を有し、径方向の伸縮により両電極間に電圧を発生
するものである。
第5図は上記圧電素子の感度特性を示すグラフである。
圧電素子の軸上の0点から、圧電素子の内面に対する立
体角から求めたものであり、圧電素子の中心より離れる
に従って感度が低下することが分かる。このことから、
レーザ収束部が圧電素子6の中心と一致するように配置
することが測定誤差を最小にすることができる。
なお、レーザブレイクダウンの発生領域が、収束部の前
後2mm以内となるようにレーザ出力を設定すると、測
定誤差を2%以下にすることができる。
上記のように、本実施例においては試料の屈折率に関係
なく、レーザを常に圧電素子6の中心部に収束すること
ができ、レーザブレイクダウンにより生じた音響波を正
確に検出できる。これによって、試料中の粒子の粒径分
布および密度を正確に測定することができる。
次に、他の実施例を第2図に示す。
この分析装置は、YAGレーザ発生装置1により発生さ
せたレーザビーム2は、ビームサンプラー3を透過し、
レンズ13により、試料セル20内に収束されるように
したものである。
試料セル20を透過したレーザは、光ダンパー14によ
り吸収され外部に洩れないようになっている。分析試料
は屈折率計21を経て導入口9より試料セル20に導入
され、排出口8より排出される6セル20は、透明な石
英ガラス製でブレイクダウンにより生じたプラズマから
のレーザ散乱光、あるいはプラズマ自体からの発光を、
セル外部に設けた検出器17により検出できるようにな
っている。
光検出器17は、ピンフォトダイオードやフォトマル等
の高速応答の光検出器であり、ステッピングモータ等の
駆動手段16により、制御部120指令に基づき光軸に
平行移動される。
また、レンズ13も上記と同様に駆動手段15によって
制御部12の指令により光軸に平行移動される。制御部
12としてはパソコンを用いることができ、屈折率計2
1により測定された試料の屈折率を直接人力するか、ま
たは、キーボードにより入力することができるものであ
る。
制御部12は、予め、光検出器17の位置を固定した場
合、レーザビーム2が光検出器17の中央部で収束する
ように試料の屈折率とレンズの位置を対応づけておき、
得られた試料の屈折率に応じて、駆動手段15を介して
、レンズ13を光軸に沿って所定の位置に移動すること
ができる。
また、同様にレンズ13を固定しておき、予め試料の屈
折率と光検出器17の位置を対応づけておき、試料の屈
折率に応じて光検出器17を即動f段16により所定の
位置に移動することもできる。
第3図は、本実施例における試料の屈折率に応じたレン
ズ13の位置および検出器17の位置を示す。
化学便覧基礎編(日本化学会編、丸善出版)によれば、
空気、水および硫酸(H2SO4)の屈折率nはそれぞ
れ1.00,1.33および1.43である。これに基
づいて、第3図(a)には検出器17を固定した場合の
レンズ13のそれぞれの位置を示した。検出器17は、
試料セル2oのレーザ入射端面より50mmの位置に固
定し、光学窓4は十分薄くレーザに影響を与えないもの
とする。
また、第3図(b)は、レンズ13を試料セル20のレ
ーザ入射端面より50 m mの位置に固定した場合の
検出器17のそれぞれの位置を示す。
以上のように本実施例によれば、試料の屈折率の違いに
関係なく、常にレーザの収束部を光検出器17の中央に
位置させることができる。これによって、レーザブレイ
クダウンにより生じたプラズマからのレーザ散乱光や、
プラズマ自体の発光を正確に検出することができる。
なお、前記実施例においてレーザ収束手段としてレンズ
を用いたが、凹面鏡を用いることもできる。
〔発明の効果〕
本発明の分析装置によれば、レーザの収束部に常に所定
の位置関係を保持して検出器を配置するようにしたこと
により、レーザブレイクダウンにより生じた音響波や発
光等を正確に測定できる効果があり、誤差の極めて少な
いレーザブレイクダウン分析装置を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は凹球面反射鏡を用いた本発明の一実施例のレー
ザブレイクダウン分析装置の構成図、第2図および第3
図はレーザ収束部を分析試料の屈折率に対応して調整で
きるようにしたレーザブレイクダウン分析装置の部分構
成図、第4図は凹球面反射鏡の平行光束の収束部を示す
模式図、第5図は円筒形圧電素子の軸方向の感度特性を
示すグラフである。 1・・YAGレーザ発生装置、2,2′・・レーザビー
ム、3・ビームサンプラー、4・・光学窓、5゜20・
・試料セル、6・・圧電素子、7,19・・・凹球面反
射鏡、8 ・排出口、9・・・導入口、10,17・・
光検出器、11・・信号処理部、12・・・制御部、1
3・・・レンズ、14 ・光ダンパー、15.16・・
・翻F)+手段、18・・・平行光束、21・・・屈折
率計。 第 図 2 13・ し、・ズ、14−光ダンバー、15.16・・
駆動手段、17 光検出器、20 試料セル、21 屈
折主計。 ザビ 3・・・ビ ムサ/プラ 用益。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、試料セル中の分析試料に収束したレーザを照射する
    手段、該レーザによる誘起ブレイクダウンにより生じた
    音響波、荷電粒子または発光を検出する検出手段、該検
    出手段により検出した信号により前記分析試料中の粒子
    の計測、粒子および媒質の成分分析を行う分析手段を備
    えたレーザブレイクダウン分析装置において、 前記レーザの収束部または対向位置に前記検出手段が常
    に配置されるように構成されていることを特徴とするレ
    ーザブレイクダウン分析装置。 2、試料セル中の分析試料に収束したレーザを照射する
    手段、該レーザによる誘起ブレイクダウンにより生じた
    音響波、荷電粒子または発光を検出する検出手段、該検
    出手段により検出した信号により前記分析試料中の粒子
    の計測、粒子および媒質の成分分析を行う分析手段を備
    えたレーザブレイクダウン分析装置において、 前記分析試料のセル内にレーザ収束のための凹球面反射
    鏡を配置し、該レーザの収束部または対向位置に前記検
    出手段を配置したことを特徴とするレーザブレイクダウ
    ン分析装置。 3、試料セル中の分析試料に収束したレーザを照射する
    手段、該レーザによる誘起ブレイクダウンにより生じた
    音響波、荷電粒子または発光を検出する検出手段、該検
    出手段により検出した信号により前記分析試料中の粒子
    の計測、粒子および媒質の成分分析を行う分析手段を備
    えたレーザブレイクダウン分析装置において、 前記レーザの収束手段としてレンズまたは凹面鏡を用い
    、 前記分析試料の屈折率に応じて前記収束手段または前記
    検出手段の少なくとも1方を、レーザの光軸に沿って平
    行移動することによりレーザ収束部または対向位置に前
    記検出手段が配置されるよう構成されていることを特徴
    とするレーザブレイクダウン分析装置。 4、試料セル中の分析試料に収束したレーザを照射する
    手段、該レーザによる誘起ブレイクダウンにより生じた
    音響波、荷電粒子または発光を検出する検出手段、該検
    出手段により検出した信号により前記分析試料中の粒子
    の計測、粒子および媒質の成分分析を行う分析手段を備
    えたレーザブレイクダウン分析装置において、 前記レーザの収束手段としてレンズまたは凹面鏡を用い
    、 前記分析試料の屈折率測定手段を備え、測定され屈折率
    情報を入力できる制御手段を有し、前記屈折率情報に基
    づき制御手段より前記収束手段または前記検出手段の少
    なくとも1方を、レーザの光軸に沿って平行移動させる
    移動手段を備え、 前記移動手段によりレーザ収束部または対向位置に前記
    検出手段が配置されるよう構成されていることを特徴と
    するレーザブレイクダウン分析装置。
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