JPH055301B2 - - Google Patents
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Description
産業上の利用分野
本発明は、レーザ多段励起直接発光分析方法及
び装置に関する。 従来の技術及び発明が解決しようとする問題点 従来の発光分光分析方法は、C、P、S、As、
Sn等の分析をする場合、真空分光器を用いて、
波長が200nm以下の真空紫外域の発光スペクト
ル光強度光検出器でとらえていた。真空紫外域の
光は空気等のガスによつて吸収される。それがた
め従来の発光分析装置では、励起発光装置と分光
分析装置とを一体化しなければならなかつた。一
般に分光分析装置では、分析の精度を上昇させる
ために清浄な室内に設置しなければならない。そ
のため励起発光装置と分光分析装置とが一体とな
つている従来の発光分析装置を作業現場等に設置
してリアルタイルでその場合分析を行なうことは
できなかつた。 このため、本発明者は広範な研究をおこない、
レーザパルスの多段励起によつて、被検試料を蒸
発・励起すれば、標的分析元素の発光線スペクト
ル光のうち200nm以上の長波長成分を特に強く
発光させることができることを発見し、本発明に
至つた。 本発明の構成 本発明の第1番目の発明は、第1のレーザ発振
器からの第1のレーザパルスを被検試料上に集光
して被検試料を励起し、次いで0.1nsから10μs後
に第2発振器からの第2のレーザパルスを第1の
レーザパルスと同一光軸で被検試料の同一位置に
集光するか又は第1のレーザパルスの光軸と平行
又はほぼ平行な光軸で第1のレーザ光パルスの被
検試料上への集光位置の極近傍の位置に集光し、
さらに被検試料を励起し、波長200nm以上の発
光線スペクトル光を反射鏡、レンズ、および/ま
たは光フアイバー等の手段により分光分析器に導
き、分光分析することからなるレーザ多段励起直
接発光分析方法に関する。 本発明の第2番目の発明は分光分析器、第1の
レーザ発振器電気的遅延装置に連結した第2のレ
ーザ発振器を固定し、前記第1のレーザ発振器の
出射口近傍に必要に応じて光路変更のためのプリ
ズムおよび/または誘電体多層膜鏡を固定し、2
つのレーザ発振器からのレーザビームを重ねるた
め第1のレーザビーム上に波長板および第2のレ
ーザビームを曲げるための偏光ビームスプリツタ
ーを設けるか、又は2つのレーザビームを近接し
て平行又はほぼ平行になるように第2のレーザビ
ーム用のレーザ光反射鏡を設け、2つのレーザビ
ーム中に集光レンズを固定し、被検試料からの発
光線スペトルを分光分析器に伝送するための反射
鏡、レンズおよび/または光フアイバー等の手段
を設けたレーザ多段励起直接発光分析装置に関す
る。 本発明の第3番目の発明は、第2番目の発明に
おいて第1のレーザ発振器と電気的遅延装置に連
結した第2のレーザ発振器とを位置的に逆にした
場合の態様である。 本発明の発光装置の原理について説明する。 本発明のレーザ多段励起直接発光分析装置は、
被検試料にレーザ光パルスを二発集光し目的分析
元素種類に対応した200nm以上の長波長の固有
線スペクトル光の光強度を従来より強め、検出感
度及び精度を向上させる方法を用いている。 被検試料を発光させるために、まずレーザパル
ス1発、被検試料上に集光する。すると、被検試
料上にプラズマができる。このプラズマは、レー
ザパルスのエネルギーにより被検試料の含有元素
の原子が励起されてできたものであり、レーザパ
ルスが被検試料に集光されてから数nsから数十sn
の時間をおいて各々の元素固有の線スペクトル光
を発光する。その発光の時間的変化を第1図に示
す。第1図は、横軸に時間を取り縦軸に発光強度
をとつたものである。この図は、本発明にかかる
研究過程で得られたものであり、鉄(Fe)の線
スペクトル光の位置である259.3nmの波長で
100mJのQスイツチRUBYレーザ光を焦点距離
50mmの溶融石英製のレンズにより低炭素鋼に集光
してできたプラズマを分光分析したものを模式的
にあらわしたものである。 発光の過程は、レーザ光パルスが被検試料にあ
たつてから、30nsから4μs程度の時間、連続スペ
クトル光を放射する。固有線スペクトル光は、数
十nsの時間をおいてから放射される。固有線スペ
クトル光の発光時間は、元素の種類及び元素の含
有量および個々の固有線スペクトル光によつて異
る。通常のレーザ励起の発光分析では、測光装
置、例えば光電子倍増管によりこの固有線スペク
トル光強度を測光し、元素の濃度を分析する。こ
の発光過程から本発明者らは、レーザ光が被検試
料に当つてから固有線スペクトル光が出てくるま
での時間に原子がどのように励起されていくの
か、広範な研究をおこない、各々の元素の固有線
スペクトル光のうち長波長成分の強度を強める方
法を発明した。 固有線スペクトル光の発光現象は、励起された
原子のエネルギー状態の変化によつておこり、電
子の軌道間の遷移の確率の高いものが、そのエネ
ルギー準位間の差に相当する波長の光を放出す
る。また、固有線スペクトル光の強度は個々のエ
ネルギー準位間にある原子の数に比例し、当該準
位により多くの原子を励起できれば、発光強度は
強くなる。 本発明は、この理論にのつとりレーザ光パルス
を1発被検試料に集光し、できた試料雲にもう一
度レーザ光パルスを集光し効率の良い励起を行な
い長波長にある固有線スペクトル光に対応する励
起状態の原子の存在確率を増加せしめより発光し
やすい条件をつくり、また、より多くの原子を励
起し発光強度を強め、検出感度、精度を向上させ
た。 本発明のレーザ多段励起直接発光分析装置にお
いて、分光分析器は従来公知のものを使用する。
分光分析器は光検出器例えば光電子増倍管およ
び/またはホトダイオードアレイなどの多チヤン
ネル光検出器を備えている分光器と例えば光検出
器からの電気信号の増幅器、電気信号処理装置、
光検出器からのデータを計算処理し、濃度値を出
力するコンピユータを備えているものを含む。し
かし分光分析器は200nm以上の波長の発光スペ
クトル光を分析するものであればどのようなもの
でも使用できる。本発明では200nm以上の長波
長の光を分析するため、分光器は、真空装置を備
えていなくてもよく、光検出器も従来より長波長
に感度のあるものを使用できる。 レーザ発振器は、レーザ光の発振部であり、レ
ーザに電力を供給する電源部分は、外部に備えつ
け、電気ケーブルによつてレーザ発振器に供給し
てもよい。発振周期は1発/分〜100Kppsであ
る。レーザ光パルスは、半値半幅で1μsec以下、
10mJ/pulse以上のエネルギーが必要であり、波
長はなるべく固有線スペクトル光の波長から離れ
ているものを使用する。2台のレーザ装置は、同
じ波長のものでなくてもよい。またレーザ光パル
スのエネルギーもおなじでなくてもよい。電気的
遅延回路は、0.1nsから10μs程度まで、任意にレ
ーザの発振を遅らせ、励起する効率を目的分析元
素によつて変化させ、より効率を向上させる。 2台のレーザ発振器からのレーザ光パルスを同
一の被検試料の同一箇所又はほぼ同一箇所に集光
させるためには、どちらか一方のレーザ光光軸に
もう一方のレーザ光パルスの光軸を合わせる方法
と2つの光軸を近接平行にし、被検試料に集光す
る2方法がある。前者の方法の一例として、直線
偏波のレーザ光パルスを1/2波長板に入射させ偏
波方向を変更し、2方向からの直線偏波のレーザ
光パルスを同一光軸上を通過するように、2方向
からの光軸の交点に偏光ビームスプリツターをお
き、一方のレーザ光パルスを通過し、もう一方の
レーザ光パルスを反射させて光軸を合わせる方法
がある。後者の方法として、2つの光軸のレーザ
光パルスをレーザ反射鏡を用いて、殆ど同軸とみ
なさせるくらい近接、平行させ、被検試料上に集
光する方法がある。レーザ光パルスの反射鏡、お
よびレンズは、レーザ光パルスの波長、単一パル
スあたりの光エネルギー量を考え、材質等を決め
なくてはならない。 励起されてできたプラズマからの光を分光分析
器まで導くのは、紫外域に高い透過効率を有する
光フアイバーを用いてもよい。 このレーザ多段励起直接発光分析装置を例え
ば、鉄鋼精錬現場の工程管理分析に応用する場
合、従来、溶融被検試料をサンプリング・冷却固
化し、分析室へ搬送し、スパーク放電励起により
固有線スペクトル光を分析していた方法に代わ
り、鉄鋼精練現場にレーザ発振器を備えた励起・
発光を鉄鋼精練現場でおこない得られるプラズマ
光を光フアイバーにより分析室に伝送し分析室で
清浄状態で保持されている分光分析器によつて目
的元素の濃度を算出し現場の精練処理を行なうこ
とができる。連続分析の可能性も非常に高いと考
えられる。 また、非接触で分析ができること、および遠距
離から分析をおこなえることが非常に重要なこと
である。又各現場に励起発光装置を数台を設置
し、その数台の励起発光装置からの発光スペクト
ルを清浄な室内に設置し1台の分光分析器で分析
できる。 本発明ではさらに1台又は数台のレーザ発振器
を設置して、第2のレーザパルスで集光後、
0.1ns〜10μs後にさらに1又は2以上のレーザパ
ルスを被検試料の同一位置に集光させてもよい。 本発明の装置を図面により説明する。 第2図は、レーザ多段励起直接発光分析装置の
フローシートである。 1は、第1のレーザ発振器、1′は第2のレー
ザ発振器、2は分光器、3は光検出器、4は増幅
器、5は電気信号処理装置、6は電子制御器、7
は1のレーザのコントローラ、7′は1′のレーザ
発振器のコントロータ、8は電気的遅延装置、9
はプリズム、10は1/2波長板、11は偏光ビー
ムスプリツター、12は集光レンズ、13は被検
試料、14は光フアイバー、15は光フアイバー
集光レンズ、16は1のレーザ発振器、16′は
1′のレーザ発振器のレーザ電源である。 このうち、2の分光器、3の光検出器、4の増
幅器、5の電気信号処理装置、6の電子制御器が
分光分析器を構成している。分光分析器としてこ
のような5つの部分から構成されることは必要の
要件ではなく、多の分光分析器も使用できる。 第2図において第1のレーザ発振器の位置に電
気的遅延装置8に連結した第2のレーザ発振器を
設け、第2のレーザ発振器の位置に第1のレーザ
発振器を設け、第2のレーザ発振器からの第2の
レーザパルスを1/2波長板10を通し、第1のレ
ーザ発振器からの第1のレーザパルスを偏光ビー
ムスプリツター11により、屈曲させてもよい。 横型のレーザ発振器を図示したが縦型レーザ発
振器を使用できる。このような装置で発光分析を
行なう場合、2つのレーザパルスの焦点位置に被
検試料13を置き、2つのレーザ発振器からのレ
ーザパルスを時間的間隔を置いて被検試料13上
に集光させ、その試料を励起させ、その発光スペ
クトルを光フアイバー14で分光分析器に導き、
分析を行なう。 第3図は、レーザ多段励起直接発光分析装置の
別の態様例である。17はレーザ光反射鏡であ
る。この第3図に示す態様では2つのレーザ光の
光軸を近接して平行又はほぼ平行になるように第
2のレーザ用のレーザ光反射鏡を設けた例であ
る。 第4図は、レーザ多段励起直接発光分析装置の
別の態様例である。19は現場、20は光学台で
ある。第4図において点線から左側の部分は現場
に設置し、点線から右側の部分は清浄な室に設置
できる。 第2図において6のコンピユーターから1のレ
ーザ発振器のコントローラーに発射の信号が伝送
される。すると、1のレーザ発振器からレーザ光
パルスが発射される。1′のレーザ発振器は8の
遅延回路により所定の時間遅延された後発射され
る。1のレーザ発振器から発射されたレーザ光パ
ルスによつて13の被検試料は励起されプラズマ
状態となる。その瞬間、あるいは、蒸気状態の瞬
間、1のレーザ発振器から発射されたレーザ光パ
ルスが蒸気状あるいはプラズマ状の試料に集光さ
れ、より高密度なプラズマが被検試料上にでき
る。 プラズマから放射される光は、15の光フアイ
バー集光レンズによつて効率よく14の光フアイバ
ーに取り込められ、2の分光器まで伝送される。
その後、2の分光器により波長別に分光され長波
長の固有線スペクトル光の位置に精密におかれた
3の光検出器によつて線スペクトル光が検出さ
れ、光電変換され4の増幅器を経由し、5の電気
信号処理装置によつてサンプルホールド、アナロ
グ−デジタル変換をおこない、6のコンピユータ
とのデータ転送のための制御をおこない、6のコ
ンピユータに取り込まれる。6のコンピユータで
は、とりこまれたデータの演算処理が行なわれ、
濃度計算値が出力される。また、第1図の態様例
では2台のレーザ発振器からのレーザ光パルスを
13の被検試料上の同一箇所に集光するために1
のレーザ発振器は直線偏波のレーザ光パルスを出
力するものとし、この偏波面を10の1/2波長板
によつて回転子11の偏光ビームスプリツターを
透過させ、1′のレーザ発振器からのレーザ光パ
ルスは、11の偏光ビームスプリツターにより反
射され、光軸を同一として被検試料に集光させる
構造である。 第3図は、2台のレーザ発振器からのレーザ光
パルスを13の被検試料上の同一箇所に集光する
ために7′のレーザ発振器からのレーザ光パルス
を17のレーザ反射鏡によつて反射させ、1のレ
ーザ発振器の光軸に近接平行させて13の被検試
料に集光させる構造である。 第4図は、現場の工程管理分析にレーザ多段励
起発光分析装置を使用するときの態様例である。 1および7′のレーザ発振器、9のプリズム、
10の1/2波長板および11の偏光ビームスプリ
ツター12の集光レンズを、現場の環境に対応し
た構造の20の光学台に固定し、従来の分析室に
は、7のレーザコントローラー、8の電気的遅延
回路、16のレーザ電源、2,3,4,5,6か
らなる分光分析器を備え、13の被検試料および
20の光学台は、現場に備えつけておく。固有線
スペクトル光の分光器2までの伝送は14の光フ
アイバーによつておこない、高精度な分光分析を
容易に行なうことができる。 本発明における被検試料は固体、液体または気
体の状態であつても良い。又被検試料が溶融金属
である場合第5〜6図に示すような消耗型サンプ
リングプローブを用いる。そのサンプリングプロ
ーブは、下端閉鎖型の筒状をなしており、それの
下端又は下端近くの壁面に溶融金属取入口を設
け、そのプローブが測定すべき溶融金属のスラグ
層を通過する間、その溶融スラグが、その取入口
からプローブの中に入らないような構成を有して
いる。 第5図は消耗型サンプリングプローグの一態様
例を示す。 113は紙管、125は溶融金属取入口、13
1はその取入口に取付けた溶融金属の温度で溶融
又は燃焼する金属板、130は鉄、セラミツク又
はシエルモールド製の鋳型、128は溶融金属温
度測定センサー、溶融金属中の含有酸素量測定セ
ンサー又は測温と酸素量測定を兼ねるセンサーで
あつてもかまわない、129はリード線、126
はメス型のコネクター、114はレベルセンサー
である。 第6図に、消耗型サンプリングプローブの構造
の別の態様例を示す。 第6図は、外側に材質を紙製または鉄製の円筒
管113を配置し、その内部に砂あるいは鉄の型
130を固定し、型の表面に、金属のコーテイン
グ127をほどこし、鋳型下部側面に、溶融金属
取入口125を有し、スラグ遮蔽板131を取入
口125に取り付け、型上部に、メス型コネクタ
126を有し、その下部、壁面にガス排出口13
5を有し、下端部は、耐火セメント136によつ
て閉鎖している。 発明の効果 第1表にレーザ多段励起直接発光分析装置及び
方法による実験結果を記載する。この表は、固有
線スペクトル光(以下、Sとする)の時間積分強
度を分子に、連続光成分(以下、Bとする)の時
間積分強度を分母にとり、レーザ光パルス単発の
場合とレーザ光パルスが二発の場合について値
S/Bにより波長300nm帯の線スペクトルの検
出感度の違いを比較したものである。値S/B
は、大きいほど検出感度が高いことになり、検出
感度を比較するときの目安となる。 第1表から、レーザ光パルス単発の時のS/B
とレーザ光パルスが二発の時のS/Bを比較する
とレーザ光パルスが二発の時の方が3倍から10倍
ほどS/Bが大きい。これは、すなわち、従来の
レーザ光パルス単発の方法よりレーザ光パルス二
発の方法が分析感度の改善に効果があることを表
すものである。 このように、レーザ多段励起直接発光分析装置
及び方法を利用すれば、発光量の少なかつた長波
長の固有線スペクトル光を強めて分析に供するこ
とができる。 第1表の実験結果は、波長1.06μm、パルス幅
にns、パルスエネルギー850mJの直線偏波の
Nd:YAGレーザ発振器を第1段目のレーザ発振
器とし、波長1.06μm、パルス幅15ns、パルスエ
ネルギー500mJの直線偏波のNd:YAGレーザ発
振器を第2段目のレーザ発振器とし、低炭素鋼、
溶融はんだ、ニツケル系ステンレス鋼を被検試料
とし、第1段目のレーザ光パルスを被検試料上に
集光してから40ns後に第2段目のレーザ光パルス
を被検試料上に集光し、集光してできたプラズマ
からの光を紫外光用光フアイバーで、Czerny−
Turner型の1m常圧分光器に伝送、分光した後、
光検出器である光電子増倍管にて光電変換し、増
幅し電気的処理装置に積分操作などをしたのち、
コンピユータにより算出し出力したものである。 固有線スペクトル光の値Sは、固有線スペクト
ル光のある波長の光の強度から、固有線スペクト
ル光のない波長の光の強度を差し引いたものであ
り、連続光の値Bは、固有線スペクトル光のない
波長におけるの光の強度として求めたものであ
る。但、分光器の出射スリツト幅を一定と考えて
いる。 以上のことから、本発明のレーザ多段励起直接
発光分析装置により300nm以上の長波長の固有
線スペクトル光を強く発光させ、長波長の固有線
スペクトル光による分光分析を可能とした。これ
により、分光分析器の光学系装置の簡略化およ
び、メンテナンスの簡略化をはかり、分析時間を
ほとんど極限まで短くすることができた。
び装置に関する。 従来の技術及び発明が解決しようとする問題点 従来の発光分光分析方法は、C、P、S、As、
Sn等の分析をする場合、真空分光器を用いて、
波長が200nm以下の真空紫外域の発光スペクト
ル光強度光検出器でとらえていた。真空紫外域の
光は空気等のガスによつて吸収される。それがた
め従来の発光分析装置では、励起発光装置と分光
分析装置とを一体化しなければならなかつた。一
般に分光分析装置では、分析の精度を上昇させる
ために清浄な室内に設置しなければならない。そ
のため励起発光装置と分光分析装置とが一体とな
つている従来の発光分析装置を作業現場等に設置
してリアルタイルでその場合分析を行なうことは
できなかつた。 このため、本発明者は広範な研究をおこない、
レーザパルスの多段励起によつて、被検試料を蒸
発・励起すれば、標的分析元素の発光線スペクト
ル光のうち200nm以上の長波長成分を特に強く
発光させることができることを発見し、本発明に
至つた。 本発明の構成 本発明の第1番目の発明は、第1のレーザ発振
器からの第1のレーザパルスを被検試料上に集光
して被検試料を励起し、次いで0.1nsから10μs後
に第2発振器からの第2のレーザパルスを第1の
レーザパルスと同一光軸で被検試料の同一位置に
集光するか又は第1のレーザパルスの光軸と平行
又はほぼ平行な光軸で第1のレーザ光パルスの被
検試料上への集光位置の極近傍の位置に集光し、
さらに被検試料を励起し、波長200nm以上の発
光線スペクトル光を反射鏡、レンズ、および/ま
たは光フアイバー等の手段により分光分析器に導
き、分光分析することからなるレーザ多段励起直
接発光分析方法に関する。 本発明の第2番目の発明は分光分析器、第1の
レーザ発振器電気的遅延装置に連結した第2のレ
ーザ発振器を固定し、前記第1のレーザ発振器の
出射口近傍に必要に応じて光路変更のためのプリ
ズムおよび/または誘電体多層膜鏡を固定し、2
つのレーザ発振器からのレーザビームを重ねるた
め第1のレーザビーム上に波長板および第2のレ
ーザビームを曲げるための偏光ビームスプリツタ
ーを設けるか、又は2つのレーザビームを近接し
て平行又はほぼ平行になるように第2のレーザビ
ーム用のレーザ光反射鏡を設け、2つのレーザビ
ーム中に集光レンズを固定し、被検試料からの発
光線スペトルを分光分析器に伝送するための反射
鏡、レンズおよび/または光フアイバー等の手段
を設けたレーザ多段励起直接発光分析装置に関す
る。 本発明の第3番目の発明は、第2番目の発明に
おいて第1のレーザ発振器と電気的遅延装置に連
結した第2のレーザ発振器とを位置的に逆にした
場合の態様である。 本発明の発光装置の原理について説明する。 本発明のレーザ多段励起直接発光分析装置は、
被検試料にレーザ光パルスを二発集光し目的分析
元素種類に対応した200nm以上の長波長の固有
線スペクトル光の光強度を従来より強め、検出感
度及び精度を向上させる方法を用いている。 被検試料を発光させるために、まずレーザパル
ス1発、被検試料上に集光する。すると、被検試
料上にプラズマができる。このプラズマは、レー
ザパルスのエネルギーにより被検試料の含有元素
の原子が励起されてできたものであり、レーザパ
ルスが被検試料に集光されてから数nsから数十sn
の時間をおいて各々の元素固有の線スペクトル光
を発光する。その発光の時間的変化を第1図に示
す。第1図は、横軸に時間を取り縦軸に発光強度
をとつたものである。この図は、本発明にかかる
研究過程で得られたものであり、鉄(Fe)の線
スペクトル光の位置である259.3nmの波長で
100mJのQスイツチRUBYレーザ光を焦点距離
50mmの溶融石英製のレンズにより低炭素鋼に集光
してできたプラズマを分光分析したものを模式的
にあらわしたものである。 発光の過程は、レーザ光パルスが被検試料にあ
たつてから、30nsから4μs程度の時間、連続スペ
クトル光を放射する。固有線スペクトル光は、数
十nsの時間をおいてから放射される。固有線スペ
クトル光の発光時間は、元素の種類及び元素の含
有量および個々の固有線スペクトル光によつて異
る。通常のレーザ励起の発光分析では、測光装
置、例えば光電子倍増管によりこの固有線スペク
トル光強度を測光し、元素の濃度を分析する。こ
の発光過程から本発明者らは、レーザ光が被検試
料に当つてから固有線スペクトル光が出てくるま
での時間に原子がどのように励起されていくの
か、広範な研究をおこない、各々の元素の固有線
スペクトル光のうち長波長成分の強度を強める方
法を発明した。 固有線スペクトル光の発光現象は、励起された
原子のエネルギー状態の変化によつておこり、電
子の軌道間の遷移の確率の高いものが、そのエネ
ルギー準位間の差に相当する波長の光を放出す
る。また、固有線スペクトル光の強度は個々のエ
ネルギー準位間にある原子の数に比例し、当該準
位により多くの原子を励起できれば、発光強度は
強くなる。 本発明は、この理論にのつとりレーザ光パルス
を1発被検試料に集光し、できた試料雲にもう一
度レーザ光パルスを集光し効率の良い励起を行な
い長波長にある固有線スペクトル光に対応する励
起状態の原子の存在確率を増加せしめより発光し
やすい条件をつくり、また、より多くの原子を励
起し発光強度を強め、検出感度、精度を向上させ
た。 本発明のレーザ多段励起直接発光分析装置にお
いて、分光分析器は従来公知のものを使用する。
分光分析器は光検出器例えば光電子増倍管およ
び/またはホトダイオードアレイなどの多チヤン
ネル光検出器を備えている分光器と例えば光検出
器からの電気信号の増幅器、電気信号処理装置、
光検出器からのデータを計算処理し、濃度値を出
力するコンピユータを備えているものを含む。し
かし分光分析器は200nm以上の波長の発光スペ
クトル光を分析するものであればどのようなもの
でも使用できる。本発明では200nm以上の長波
長の光を分析するため、分光器は、真空装置を備
えていなくてもよく、光検出器も従来より長波長
に感度のあるものを使用できる。 レーザ発振器は、レーザ光の発振部であり、レ
ーザに電力を供給する電源部分は、外部に備えつ
け、電気ケーブルによつてレーザ発振器に供給し
てもよい。発振周期は1発/分〜100Kppsであ
る。レーザ光パルスは、半値半幅で1μsec以下、
10mJ/pulse以上のエネルギーが必要であり、波
長はなるべく固有線スペクトル光の波長から離れ
ているものを使用する。2台のレーザ装置は、同
じ波長のものでなくてもよい。またレーザ光パル
スのエネルギーもおなじでなくてもよい。電気的
遅延回路は、0.1nsから10μs程度まで、任意にレ
ーザの発振を遅らせ、励起する効率を目的分析元
素によつて変化させ、より効率を向上させる。 2台のレーザ発振器からのレーザ光パルスを同
一の被検試料の同一箇所又はほぼ同一箇所に集光
させるためには、どちらか一方のレーザ光光軸に
もう一方のレーザ光パルスの光軸を合わせる方法
と2つの光軸を近接平行にし、被検試料に集光す
る2方法がある。前者の方法の一例として、直線
偏波のレーザ光パルスを1/2波長板に入射させ偏
波方向を変更し、2方向からの直線偏波のレーザ
光パルスを同一光軸上を通過するように、2方向
からの光軸の交点に偏光ビームスプリツターをお
き、一方のレーザ光パルスを通過し、もう一方の
レーザ光パルスを反射させて光軸を合わせる方法
がある。後者の方法として、2つの光軸のレーザ
光パルスをレーザ反射鏡を用いて、殆ど同軸とみ
なさせるくらい近接、平行させ、被検試料上に集
光する方法がある。レーザ光パルスの反射鏡、お
よびレンズは、レーザ光パルスの波長、単一パル
スあたりの光エネルギー量を考え、材質等を決め
なくてはならない。 励起されてできたプラズマからの光を分光分析
器まで導くのは、紫外域に高い透過効率を有する
光フアイバーを用いてもよい。 このレーザ多段励起直接発光分析装置を例え
ば、鉄鋼精錬現場の工程管理分析に応用する場
合、従来、溶融被検試料をサンプリング・冷却固
化し、分析室へ搬送し、スパーク放電励起により
固有線スペクトル光を分析していた方法に代わ
り、鉄鋼精練現場にレーザ発振器を備えた励起・
発光を鉄鋼精練現場でおこない得られるプラズマ
光を光フアイバーにより分析室に伝送し分析室で
清浄状態で保持されている分光分析器によつて目
的元素の濃度を算出し現場の精練処理を行なうこ
とができる。連続分析の可能性も非常に高いと考
えられる。 また、非接触で分析ができること、および遠距
離から分析をおこなえることが非常に重要なこと
である。又各現場に励起発光装置を数台を設置
し、その数台の励起発光装置からの発光スペクト
ルを清浄な室内に設置し1台の分光分析器で分析
できる。 本発明ではさらに1台又は数台のレーザ発振器
を設置して、第2のレーザパルスで集光後、
0.1ns〜10μs後にさらに1又は2以上のレーザパ
ルスを被検試料の同一位置に集光させてもよい。 本発明の装置を図面により説明する。 第2図は、レーザ多段励起直接発光分析装置の
フローシートである。 1は、第1のレーザ発振器、1′は第2のレー
ザ発振器、2は分光器、3は光検出器、4は増幅
器、5は電気信号処理装置、6は電子制御器、7
は1のレーザのコントローラ、7′は1′のレーザ
発振器のコントロータ、8は電気的遅延装置、9
はプリズム、10は1/2波長板、11は偏光ビー
ムスプリツター、12は集光レンズ、13は被検
試料、14は光フアイバー、15は光フアイバー
集光レンズ、16は1のレーザ発振器、16′は
1′のレーザ発振器のレーザ電源である。 このうち、2の分光器、3の光検出器、4の増
幅器、5の電気信号処理装置、6の電子制御器が
分光分析器を構成している。分光分析器としてこ
のような5つの部分から構成されることは必要の
要件ではなく、多の分光分析器も使用できる。 第2図において第1のレーザ発振器の位置に電
気的遅延装置8に連結した第2のレーザ発振器を
設け、第2のレーザ発振器の位置に第1のレーザ
発振器を設け、第2のレーザ発振器からの第2の
レーザパルスを1/2波長板10を通し、第1のレ
ーザ発振器からの第1のレーザパルスを偏光ビー
ムスプリツター11により、屈曲させてもよい。 横型のレーザ発振器を図示したが縦型レーザ発
振器を使用できる。このような装置で発光分析を
行なう場合、2つのレーザパルスの焦点位置に被
検試料13を置き、2つのレーザ発振器からのレ
ーザパルスを時間的間隔を置いて被検試料13上
に集光させ、その試料を励起させ、その発光スペ
クトルを光フアイバー14で分光分析器に導き、
分析を行なう。 第3図は、レーザ多段励起直接発光分析装置の
別の態様例である。17はレーザ光反射鏡であ
る。この第3図に示す態様では2つのレーザ光の
光軸を近接して平行又はほぼ平行になるように第
2のレーザ用のレーザ光反射鏡を設けた例であ
る。 第4図は、レーザ多段励起直接発光分析装置の
別の態様例である。19は現場、20は光学台で
ある。第4図において点線から左側の部分は現場
に設置し、点線から右側の部分は清浄な室に設置
できる。 第2図において6のコンピユーターから1のレ
ーザ発振器のコントローラーに発射の信号が伝送
される。すると、1のレーザ発振器からレーザ光
パルスが発射される。1′のレーザ発振器は8の
遅延回路により所定の時間遅延された後発射され
る。1のレーザ発振器から発射されたレーザ光パ
ルスによつて13の被検試料は励起されプラズマ
状態となる。その瞬間、あるいは、蒸気状態の瞬
間、1のレーザ発振器から発射されたレーザ光パ
ルスが蒸気状あるいはプラズマ状の試料に集光さ
れ、より高密度なプラズマが被検試料上にでき
る。 プラズマから放射される光は、15の光フアイ
バー集光レンズによつて効率よく14の光フアイバ
ーに取り込められ、2の分光器まで伝送される。
その後、2の分光器により波長別に分光され長波
長の固有線スペクトル光の位置に精密におかれた
3の光検出器によつて線スペクトル光が検出さ
れ、光電変換され4の増幅器を経由し、5の電気
信号処理装置によつてサンプルホールド、アナロ
グ−デジタル変換をおこない、6のコンピユータ
とのデータ転送のための制御をおこない、6のコ
ンピユータに取り込まれる。6のコンピユータで
は、とりこまれたデータの演算処理が行なわれ、
濃度計算値が出力される。また、第1図の態様例
では2台のレーザ発振器からのレーザ光パルスを
13の被検試料上の同一箇所に集光するために1
のレーザ発振器は直線偏波のレーザ光パルスを出
力するものとし、この偏波面を10の1/2波長板
によつて回転子11の偏光ビームスプリツターを
透過させ、1′のレーザ発振器からのレーザ光パ
ルスは、11の偏光ビームスプリツターにより反
射され、光軸を同一として被検試料に集光させる
構造である。 第3図は、2台のレーザ発振器からのレーザ光
パルスを13の被検試料上の同一箇所に集光する
ために7′のレーザ発振器からのレーザ光パルス
を17のレーザ反射鏡によつて反射させ、1のレ
ーザ発振器の光軸に近接平行させて13の被検試
料に集光させる構造である。 第4図は、現場の工程管理分析にレーザ多段励
起発光分析装置を使用するときの態様例である。 1および7′のレーザ発振器、9のプリズム、
10の1/2波長板および11の偏光ビームスプリ
ツター12の集光レンズを、現場の環境に対応し
た構造の20の光学台に固定し、従来の分析室に
は、7のレーザコントローラー、8の電気的遅延
回路、16のレーザ電源、2,3,4,5,6か
らなる分光分析器を備え、13の被検試料および
20の光学台は、現場に備えつけておく。固有線
スペクトル光の分光器2までの伝送は14の光フ
アイバーによつておこない、高精度な分光分析を
容易に行なうことができる。 本発明における被検試料は固体、液体または気
体の状態であつても良い。又被検試料が溶融金属
である場合第5〜6図に示すような消耗型サンプ
リングプローブを用いる。そのサンプリングプロ
ーブは、下端閉鎖型の筒状をなしており、それの
下端又は下端近くの壁面に溶融金属取入口を設
け、そのプローブが測定すべき溶融金属のスラグ
層を通過する間、その溶融スラグが、その取入口
からプローブの中に入らないような構成を有して
いる。 第5図は消耗型サンプリングプローグの一態様
例を示す。 113は紙管、125は溶融金属取入口、13
1はその取入口に取付けた溶融金属の温度で溶融
又は燃焼する金属板、130は鉄、セラミツク又
はシエルモールド製の鋳型、128は溶融金属温
度測定センサー、溶融金属中の含有酸素量測定セ
ンサー又は測温と酸素量測定を兼ねるセンサーで
あつてもかまわない、129はリード線、126
はメス型のコネクター、114はレベルセンサー
である。 第6図に、消耗型サンプリングプローブの構造
の別の態様例を示す。 第6図は、外側に材質を紙製または鉄製の円筒
管113を配置し、その内部に砂あるいは鉄の型
130を固定し、型の表面に、金属のコーテイン
グ127をほどこし、鋳型下部側面に、溶融金属
取入口125を有し、スラグ遮蔽板131を取入
口125に取り付け、型上部に、メス型コネクタ
126を有し、その下部、壁面にガス排出口13
5を有し、下端部は、耐火セメント136によつ
て閉鎖している。 発明の効果 第1表にレーザ多段励起直接発光分析装置及び
方法による実験結果を記載する。この表は、固有
線スペクトル光(以下、Sとする)の時間積分強
度を分子に、連続光成分(以下、Bとする)の時
間積分強度を分母にとり、レーザ光パルス単発の
場合とレーザ光パルスが二発の場合について値
S/Bにより波長300nm帯の線スペクトルの検
出感度の違いを比較したものである。値S/B
は、大きいほど検出感度が高いことになり、検出
感度を比較するときの目安となる。 第1表から、レーザ光パルス単発の時のS/B
とレーザ光パルスが二発の時のS/Bを比較する
とレーザ光パルスが二発の時の方が3倍から10倍
ほどS/Bが大きい。これは、すなわち、従来の
レーザ光パルス単発の方法よりレーザ光パルス二
発の方法が分析感度の改善に効果があることを表
すものである。 このように、レーザ多段励起直接発光分析装置
及び方法を利用すれば、発光量の少なかつた長波
長の固有線スペクトル光を強めて分析に供するこ
とができる。 第1表の実験結果は、波長1.06μm、パルス幅
にns、パルスエネルギー850mJの直線偏波の
Nd:YAGレーザ発振器を第1段目のレーザ発振
器とし、波長1.06μm、パルス幅15ns、パルスエ
ネルギー500mJの直線偏波のNd:YAGレーザ発
振器を第2段目のレーザ発振器とし、低炭素鋼、
溶融はんだ、ニツケル系ステンレス鋼を被検試料
とし、第1段目のレーザ光パルスを被検試料上に
集光してから40ns後に第2段目のレーザ光パルス
を被検試料上に集光し、集光してできたプラズマ
からの光を紫外光用光フアイバーで、Czerny−
Turner型の1m常圧分光器に伝送、分光した後、
光検出器である光電子増倍管にて光電変換し、増
幅し電気的処理装置に積分操作などをしたのち、
コンピユータにより算出し出力したものである。 固有線スペクトル光の値Sは、固有線スペクト
ル光のある波長の光の強度から、固有線スペクト
ル光のない波長の光の強度を差し引いたものであ
り、連続光の値Bは、固有線スペクトル光のない
波長におけるの光の強度として求めたものであ
る。但、分光器の出射スリツト幅を一定と考えて
いる。 以上のことから、本発明のレーザ多段励起直接
発光分析装置により300nm以上の長波長の固有
線スペクトル光を強く発光させ、長波長の固有線
スペクトル光による分光分析を可能とした。これ
により、分光分析器の光学系装置の簡略化およ
び、メンテナンスの簡略化をはかり、分析時間を
ほとんど極限まで短くすることができた。
【表】
実施例
以下、第2図に示される装置を参照することに
より、本発明のレーザ二段励起発光分析方法によ
る実施例を説明する。 第2図はレーザ二段励起発光分析方法及び装置
を示す。スイツチング回路(図示せず)と電気的
遅延回路(図示せず)にレーザ発射のトリガをか
ける。スイツチング回路は第一のレーザ装置1に
発射の信号を送り、第一のレーザビームが発射さ
れる。電気的遅延回路はコントロール部からのト
リガを受けてから10nsec〜2000nsecの時間、内部
のLC回路等により時間をおいた後、スイツチン
グ回路にレーザ発射のトリガをかけ、第二のレー
ザ装置1′から第二のレーザビームが発射される。
ゆえに第一と第二のレーザビームの時間間隔
10nsec〜2000nsecとなる。 第一のレーザビームはプリズム9により反射さ
れ、偏光ビームスプリツター11を透過し、対物
レンズ12により分析試料13に集光され蒸気雲
をつくる。 第二のレーザビームは偏光ビームスプリツター
11により反射され第一のレーザビームと同一光
軸となり、対物レンズ12により、蒸気雲上に集
光され、高励起プラズマをつくる。このプラズマ
から発光する光は対物レンズ15により、分光器
2に向け取り出される。 第2図に示す装置によつて得られたデータを表
2および図7に示す。 第一及び第二のレーザ装置としてYAGレーザ
を用いスイツチング回路及びYAGレーザ装置の
ポツケルセルにトリガをかけることによつて具体
的に第一及び第二のレーザビームの時間間隔を制
御した。そのため、ジツターは2nsec以内であつ
た。分析対象試料は99.999%の電解鉄粉を溶解固
化したのち、各種分析をおこない不純物が0.005
%以下であることを確認した純鉄である。 第7図において縦軸は相対光強度、横軸は波長
である。中心波長を380nmとし約4.5nmの波長範
囲を一度に側光した。第7−1図は第二のレーザ
ビームを発射せずに側光した原子スペクトルであ
る。第7−2図は本発明のレーザ二段励起発光分
析装置での実施例であり、第一のレーザビームの
出力パワーは300mJ、第二のレーザビームの出力
パワーは100mJ、トータル400mJである。また、
第一と第二のレーザビームの時間間隔は500nsec
とした。第7−1図の第一のレーザビームの出力
パワーは400mJとした。第7−1図及び第7−2
図は実施に際して10回の実験をおこなつた後積算
し平均化した。 この結果、第7−2図に示す原子スペクトルの
発光強度の方が第7−1図に示す原子スペクトル
の発光強度より大きいことがわかる。これをS/
B値により比較したのが表1である。原子スペク
トルの波長における相対光強度のピーク値をSと
し、原子スペクトルのない波長における相対光強
度をBとし、S/B値を表わした。なお、バツク
グランドBは378.3nmとし原子スペクトルは側光
波長内に現れたものを任意に選択した。 この結果、本発明によるレーザ二段励起発光分
析によるものは、従来の一段のものと比較して
S/B値で3.4〜6.6倍程度改善されていることが
わかる。
より、本発明のレーザ二段励起発光分析方法によ
る実施例を説明する。 第2図はレーザ二段励起発光分析方法及び装置
を示す。スイツチング回路(図示せず)と電気的
遅延回路(図示せず)にレーザ発射のトリガをか
ける。スイツチング回路は第一のレーザ装置1に
発射の信号を送り、第一のレーザビームが発射さ
れる。電気的遅延回路はコントロール部からのト
リガを受けてから10nsec〜2000nsecの時間、内部
のLC回路等により時間をおいた後、スイツチン
グ回路にレーザ発射のトリガをかけ、第二のレー
ザ装置1′から第二のレーザビームが発射される。
ゆえに第一と第二のレーザビームの時間間隔
10nsec〜2000nsecとなる。 第一のレーザビームはプリズム9により反射さ
れ、偏光ビームスプリツター11を透過し、対物
レンズ12により分析試料13に集光され蒸気雲
をつくる。 第二のレーザビームは偏光ビームスプリツター
11により反射され第一のレーザビームと同一光
軸となり、対物レンズ12により、蒸気雲上に集
光され、高励起プラズマをつくる。このプラズマ
から発光する光は対物レンズ15により、分光器
2に向け取り出される。 第2図に示す装置によつて得られたデータを表
2および図7に示す。 第一及び第二のレーザ装置としてYAGレーザ
を用いスイツチング回路及びYAGレーザ装置の
ポツケルセルにトリガをかけることによつて具体
的に第一及び第二のレーザビームの時間間隔を制
御した。そのため、ジツターは2nsec以内であつ
た。分析対象試料は99.999%の電解鉄粉を溶解固
化したのち、各種分析をおこない不純物が0.005
%以下であることを確認した純鉄である。 第7図において縦軸は相対光強度、横軸は波長
である。中心波長を380nmとし約4.5nmの波長範
囲を一度に側光した。第7−1図は第二のレーザ
ビームを発射せずに側光した原子スペクトルであ
る。第7−2図は本発明のレーザ二段励起発光分
析装置での実施例であり、第一のレーザビームの
出力パワーは300mJ、第二のレーザビームの出力
パワーは100mJ、トータル400mJである。また、
第一と第二のレーザビームの時間間隔は500nsec
とした。第7−1図の第一のレーザビームの出力
パワーは400mJとした。第7−1図及び第7−2
図は実施に際して10回の実験をおこなつた後積算
し平均化した。 この結果、第7−2図に示す原子スペクトルの
発光強度の方が第7−1図に示す原子スペクトル
の発光強度より大きいことがわかる。これをS/
B値により比較したのが表1である。原子スペク
トルの波長における相対光強度のピーク値をSと
し、原子スペクトルのない波長における相対光強
度をBとし、S/B値を表わした。なお、バツク
グランドBは378.3nmとし原子スペクトルは側光
波長内に現れたものを任意に選択した。 この結果、本発明によるレーザ二段励起発光分
析によるものは、従来の一段のものと比較して
S/B値で3.4〜6.6倍程度改善されていることが
わかる。
第1図はレーザパルスが被検試料に集光された
際のその発光量の時間的変化を示すグラフであ
る。第2図乃至第4図は本発明の好ましい装置の
フローシートである。第5図乃至第6図はサンプ
リングプローブの概略図である。第7−1図はレ
ー一段ザ励起発光分析方法で測定した純鉄の発光
スペクトル図、第7−2図はレーザ二段励起発光
分析方法で測定した純鉄の発光スペクトル図であ
る。
際のその発光量の時間的変化を示すグラフであ
る。第2図乃至第4図は本発明の好ましい装置の
フローシートである。第5図乃至第6図はサンプ
リングプローブの概略図である。第7−1図はレ
ー一段ザ励起発光分析方法で測定した純鉄の発光
スペクトル図、第7−2図はレーザ二段励起発光
分析方法で測定した純鉄の発光スペクトル図であ
る。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 第1のレーザ発振器からの第1のレーザパル
スを被検試料上に集光して被検試料を励起し、次
いで0.1nsから10μs後に第2発振器からの第2の
レーザパルスを第1のレーザパルスと同一光軸で
被検試料の同一位置に集光するか又は第1のレー
ザパルスの光軸と平行又はほぼ平行な光軸で第1
のレーザパルスの被検試料上への集光位置の極近
傍の位置に集光し、さらに被検試料を励起し、波
長200nm以上の発光線スペクトル光を反射鏡、
レンズ、および/または、光フアイバー等の手段
により分光分析器に導き、分光分析することから
なるレーザ多段励起直接発光分析方法。 2 第2のレーザパルスによる被検試料上への集
光後さらに1又は2以上のレーザパルスを時間的
間隔を置いて被検試料の同一位置又はそれの極近
傍位置に集光することからなる特許請求の範囲第
1項記載の方法。 3 分光分析器、第1のレーザ発振器、電気的遅
延装置に連結した第2のレーザ発振器を固定し、
前記第1のレーザ発振器の出射口近傍に必要に応
じて光路変更のためのプリズムおよび/または誘
電体多層膜鏡を固定し、2つのレーザ発振器から
のレーザビームを重ねるための第1のレーザビー
ム上に波長板および第2のレーザビームを曲げる
ための偏光ビームスプリツターを設けるか、又は
2つのレーザビームを近接して平行又はほぼ平行
になるように第2のレーザビーム用のレーザ光反
射鏡を設け、2つのレーザビーム中に集光レンズ
を固定し、被検試料からの発光線スペクトルを分
光分析器に伝送するための反射鏡、レンズおよ
び/または光フアイバー等の手段を設けたレーザ
多段励起直接発光分析装置。 4 分光分析器、第1のレーザ発振器、電気的遅
延装置に連結した第2のレーザ発振器を固定し、
前記第2のレーザ発振器の出射口近傍に必要に応
じて光路変更のためのプリズムおよび/または誘
電体多層膜鏡を固定し、2つのレーザ発振器から
のレーザビームを重ねるため第2のレーザビーム
上に波長板および第1のレーザビームを曲げるた
めの偏光ビームスプリツターを設けるか、又は2
つのレーザビームを近接して平行又はほぼ平行に
なるように第1のレーザビーム用のレーザ光反射
鏡を設け、2つのレーザビーム中に集光レンズを
固定し、被検試料からの発光線スペクトルを分光
分析器に伝送するための反射鏡、レンズおよび/
または光フアイバー等の手段を設けたレーザ多段
励起直接発光分析装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22576485A JPS62188919A (ja) | 1985-10-09 | 1985-10-09 | レ−ザ多段励起直接発光分析方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22576485A JPS62188919A (ja) | 1985-10-09 | 1985-10-09 | レ−ザ多段励起直接発光分析方法及び装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS62188919A JPS62188919A (ja) | 1987-08-18 |
JPH055301B2 true JPH055301B2 (ja) | 1993-01-22 |
Family
ID=16834439
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP22576485A Granted JPS62188919A (ja) | 1985-10-09 | 1985-10-09 | レ−ザ多段励起直接発光分析方法及び装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS62188919A (ja) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2602928B2 (ja) * | 1988-11-16 | 1997-04-23 | 日本鋼管株式会社 | レーザー発光分光分析方法 |
US4986658B1 (en) * | 1989-04-21 | 1996-06-25 | Univ Lehigh | Transient spectroscopic method and apparatus for in-process analysis of molten metal |
US6008897A (en) * | 1999-01-19 | 1999-12-28 | National Research Council Of Canada | Method and apparatus for materials analysis by enhanced laser induced plasma spectroscopy |
EP1223423A3 (en) | 2001-01-16 | 2004-01-28 | National Research Council of Canada | Method and apparatus for enhanced laser-induced plasma spectroscopy using mixed-wavelength laser pulses |
JP2006266792A (ja) * | 2005-03-23 | 2006-10-05 | Jfe Steel Kk | 溶融金属の発光分光分析装置 |
JP5483408B2 (ja) * | 2009-06-26 | 2014-05-07 | 四国電力株式会社 | 連続式濃度測定装置および方法 |
-
1985
- 1985-10-09 JP JP22576485A patent/JPS62188919A/ja active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS62188919A (ja) | 1987-08-18 |
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