JPH07110300A - グロー放電発光分光分析用放電発光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 平板状の材料から試料を切り出さずに、その
ままの状態の実際の材料の表面を分析するグロー放電発
光分光分析用放電発光装置を提供する。 【構成】 放電発光装置を目的の分析試料まで移動させ
装着後、放電発光部を真空に排気し不活性ガスを導入し
ながら放電発光装置の中の陽極と試料との間に高電圧を
かけ、放電で発生した光を光ファイバーを通して分光器
に送り、発光強度を測定する。 【効果】 実際に製造している大型の材料のオンサイト
の表面分析や実際に使用されている材料の表面分析など
を行うことができるようになった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、グロー放電発光分光分
析用放電発光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】グロー放電発光分光分析は、固体表面か
ら深さ方向への元素の分布についての情報を得る方法で
あり、工業的に広く用いられている。たとえば種々の鋼
板上の元素の深さ方向への組成分布など、鋼板などの金
属板の評価に対する分析方法の工業的な応用範囲はきわ
めて広い。

【０００３】従来のグロー放電発光分光分析では、通常
数cm角の平らな板を試料としている。分析手順として
は、試料を放電発光部の開口部に装着し、放電発光部を
真空に引く。その後、１Torrから２０Torrの圧力になる
ように不活性ガス、通常アルゴンを導入しながら、試料
を陰極にして放電発光部の中の陽極の間に電圧をかけ、
放電を起こさせ、プラズマを発生させる。ここで電圧は
通常直流電圧で１kV以下である。この放電とプラズマの
生成にともない発生する光の強度を分光器で測定するの
がこの装置の原理である。この方法により通常１００μ
ｍ以下の厚さの皮膜や表面層を分析することができる。
また、この方法により通常０．１原子％前後までの組成
を分析することができる。これらの分析装置は、たとえ
ば日本金属学会誌第４７巻（１９８３）、８４５頁など
に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のグロー放電発光
分光分析では、放電発光部が分析装置本体と一体になっ
て固定されており、適当な大きさに調整した試料のみを
放電発光部の開口部に装着して測定することができる。
そのため、通常数cm角の平らな板の試料しか測定でき
ず、測定試料の大きさに制限がある。また、遠隔で使用
するのは困難で、たとえ１cmでも離れた現物の試料その
ものを分析することはできない。

【０００５】しかしながら、実際の表面分析においては
製造中の広い面積をもつ材料、あるいは実際の環境で用
いられている材料の表面などの分析を行う必要があると
きが多い。たとえば、製造中の鋼板上に異常な模様が生
じたときには、その原因を調べるために、試料を切り出
さずにその部分の元素分析を行う必要がある。また、実
際の環境で局所的に劣化した鋼板の表面のむらを調べる
ときには、その場所の表面を切り出さずに分析する必要
がある。

【０００６】本発明は、これらのグロー放電発光分光分
析において、いろいろな広さの平板状の材料から試料を
切り出さずに実物を分析することができるグロー放電発
光分光分析用放電発光装置を提供することを目的として
いる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明請求項１は、前記
の課題を解決するために、グロー放電発光分光分析装置
における携帯用放電発光装置であって、該放電発光装置
のカバーの内部に、高電圧を加える陽極、接地する水冷
陰極、前記陽極と前記水冷陰極を絶縁する絶縁板、グロ
ー放電発光を起こさせる放電発光部、前記放電発光部を
真空に維持するＯ−リング、放電発光部の後部で放電発
光を伝達する光ファイバーおよび前記カバーと前記陽極
を絶縁する絶縁体を有することを特徴とするグロー放電
発光分光分析用放電発光装置を提供する。

【０００８】また、本発明請求項２は、前記の課題を解
決するために、グロー放電発光分光分析装置における携
帯用放電発光装置であって、該放電発光装置のカバーの
内部に、高電圧を加える陽極、接地する水冷陰極、前記
陽極と前記水冷陰極を絶縁する絶縁板、グロー放電発光
を起こさせる放電発光部、前記放電発光部を真空に維持
するベローズと真空シール、放電発光部の後部で放電発
光を伝達する光ファイバーおよび前記カバーと前記陽極
を絶縁する絶縁体を有することを特徴とするグロー放電
発光分光分析用放電発光装置を提供する。

【０００９】

【実施例】

（実施例１）本発明のグロー放電発光分光分析用放電発
光装置について、図面を参照しながら作用とともに説明
する。図１は本発明のグロー放電発光分光分析装置用放
電発光装置の側断面図である。図２、図３および図４は
それぞれ図１のＡ−Ａ正断面図、Ｂ−Ｂ正断面図および
Ｃ−Ｃ正断面図である。図５は本発明の放電発光装置を
用いたグロー放電発光分光分析装置系の斜視図を示す。

【００１０】携帯用の放電発光装置のカバー１の内部に
は、陽極３、絶縁板５、水冷陰極４、Ｏ−リング７、光
ファイバー８の端、放電発光部６および絶縁体９があ
る。放電発光装置のカバー１は放電発光装置全体の覆
い、放電発光装置を携帯しやすくする。

【００１１】絶縁体９は内部の部品を保持するために、
ネジなどで放電発光装置のカバー１と内部の陽極３とを
固定し絶縁する。絶縁体９の形状としては厚さが１mmか
ら６０mmまで、カバー１と陽極３の間の間隔の０．５mm
から３０mmまでを埋める形状をしているのがよく、その
材質にはテフロンなどの非電導性の材料が適している。

【００１２】陽極３は正の高電圧をかける電極であり、
水冷陰極４と試料２は共に接地し陽極に対し負の電圧に
なるようにする。陽極３の形状はガス導入管１３と排気
管１５が接続できる大きさで、直径１０mmから９０mm、
長さ５mmから９０mmの範囲で適宜選べばよい。

【００１３】水冷陰極４の形状は、給水管１９と排水管
２０が接続できる大きさで、直径１０mmから９０mm、厚
さ３mmから３０mmの範囲にすればよい。陽極３と水冷陰
極４は銅などの電気伝導性や熱伝導性に優れた材質のも
のがよい。

【００１４】絶縁板５は高電圧にある陽極３と水冷陰極
４を絶縁し、さらに真空グリースを塗ることなどによっ
て陽極３と水冷陰極４の間の真空が保てるようにする。
絶縁板５の材質にはテフロン（商品名）などの非電導性
の材料が適しており、厚さが０．２mmから２０mmの範囲
のものがよい。

【００１５】また、Ｏ−リング７は試料２を装着したと
きに、放電発光部６が真空になるように保つ。放電発光
部６は放電発光を起こさせる空間であり、放電によるス
パッター元素が堆積したときには必要に応じてクリーニ
ングを行う。

【００１６】光ファイバー８の端には放電発光部６で発
生した光が入る。光ファイバー８と陽極３の間は真空シ
ールで接続し、放電発光部６が真空に保てるようにす
る。光ファイバー８の端が放電発光部６に近いほど多く
の光を検出できるが、放電発光部６ではスパッターされ
た元素が堆積するのでそれらの間には適度な距離があっ
た方がよく、光ファイバー８の端と試料２の距離は５mm
から８０mm程度の距離が望ましい。また、放電発光部６
と光ファイバー８の直径は０．５mmから８mmまでが適当
であり、それらは同じである必要はない。

【００１７】従来の分光装置本体に固定された放電発光
装置の大きさも直径が２０cm程度、厚さが１５cm程度の
ものであったが、本発明では図１のような構造をとるこ
とにより放電発光装置は直径１０cm以下、厚さ１５cm以
下のコンパクトな形状にすることができ、遠隔で操作す
るのに適した形になった。

【００１８】光ファイバー８、ガス導入管１３、排気管
１５、高圧電線１７、給水管１９および排水管２０はい
ずれもフレキシブルで、放電発光装置のカバー１からそ
れらを束ねたフレキシブルなケーブル１０を出す。その
長さは必要に応じて定めればよく、３０cmから２０ｍま
での広範囲の範囲で適宜選べばよい。

【００１９】光ファイバー８は放電発光部６で発生した
光を分析装置本体１１へ送るためのものであり、ここで
用いる光ファイバー８は通常のもので可視光の波長の周
辺の波長（１５０nmから７００nm）の光を通すことがで
きる。それらの波長範囲にはＦｅ、Ａｌなどの金属元素
の発光波長が含まれており、Ｆｅなどの元素の発光を分
析装置本体１１まで送ることができる。

【００２０】高圧電線１７は高圧電源１６から放電のた
めの電圧を供給するためのものであり、陽極３にネジな
どによって接続される。高圧電源１６には通常の直流電
圧電源以外にも、高周波電源を用いてもよい。

【００２１】ガス導入管１３はプラズマ生成のためのガ
スをガス供給器８から供給し、陽極３の入口に止め金な
どによって固定し、陽極３内を通り放電発光部６に通じ
ている。

【００２２】排気管１５は陽極３の出口に止め金などに
よって固定し、放電発光部６中の空気および放電発光部
６に導入するガスを排気し、陽極３を通り排気装置１４
に通じている。

【００２３】給水管１９は放電発光部６周辺の温度上昇
を抑えるために給水器１８からの冷却水を送り、水冷陰
極４の入口に止め金などによって接続される。

【００２４】さらに排水管２０は冷却水を回収し、水冷
陰極４の出口に止め金によって接続される。ただし、放
電発光部６の温度上昇が問題にならない場合には、給水
器１８、給水管１９および排水管２０の冷却機構はなく
てもよい。

【００２５】フレキシブルなケーブル１０は放電発光装
置の操作性をよくするために、光ファイバー８、ガス導
入管１３、排気管１５、高圧電線１７、給水管１９およ
び排水管２０を束ねたものであり、ここでは全てを束ね
ているが、全てを束ねる必要はない。ケーブル１０の端
部は放電発光装置のカバー１の端部と止め金などで固定
する。また、必要に応じて適宜、放電発光装置のカバー
１外側に、分析装置本体１１、ガス供給器１２、排気装
置１４、高圧電源１６、給水器１８を操作するスイッチ
（図示せず）を付属させてもよく、それらのスイッチと
分析装置本体１１、高圧電源１６、ガス供給器１２、排
気装置１４、給水器１８を接続する電線をケーブル１０
内にいれてもよい。

【００２６】図５のような本発明の放電発光装置を用い
たグロー放電発光分光分析装置系で、薄鋼板を分析した
例を示す。薄鋼板の面積は１００cm×１２０cmであっ
た。薄鋼板まで放電発光装置を携帯し、鋼板上の分析場
所を選び、そこに放電発光部６の開口部を装着した。放
電発光部６を排気管１５を通じて排気装置１４で真空に
排気し、ガス供給器１２からアルゴンガスをガス導入管
１３を通じて１０Torrになるように導入しながら、陽極
３と接地している試料２の間に高圧電源１６で６００Ｖ
の電圧を加えた。ここでは給水器１８からの冷却水を給
水管１９と排水管２０を通じて放電発光部６周辺を冷却
した。高電圧を加えることによって、放電発光部６でプ
ラズマ生成が起こり、光が発生した。発生した光は光フ
ァイバー８によって分析装置本体１１に送られ、その発
光強度を測定したところ、図６のような発光強度と放電
時間の関係が得られた。表層にＡｌが濃化していた。こ
れにより、従来型のグロー放電発光分光分析では得られ
ないような形状の試料の分析ができ、グロー放電発光分
光分析のデータが得られた。

【００２７】なお、本発明の実施例においては放電発光
装置のカバー１や陽極３の正断面が円形のものについて
説明したが、本発明はこれに限らず、多角形の形状をし
ていてもよい。また、放電発光装置の接続においてガス
導入管１３、排気管１５、高圧電線１７、給水管１９、
排水管２０の配置が対称である場合について説明した
が、本発明はこれに限らず、非対称であってもよい。

【００２８】（実施例２）本発明請求項２のグロー放電
発光分光分析用放電発光装置について、図面を参照しな
がら作用とともに説明する。図７は本発明のグロー放電
発光分光分析装置用放電発光装置の側断面図である。図
８は図７のＤ−Ｄ正断面図である。

【００２９】携帯用の放電発光装置のカバー１の内部に
は、陽極３、絶縁板５、水冷陰極４、光ファイバー８の
端、放電発光部６、絶縁体９、ベローズ２１および真空
シール２２がある。放電発光装置のカバー１は放電発光
装置全体の覆い、放電発光装置を携帯しやすくする。

【００３０】絶縁体９は内部の部品を保持するために、
ネジなどで放電発光装置のカバー１と内部の陽極３とを
固定し絶縁する。絶縁体９の形状としては厚さが１mmか
ら６０mmまで、カバー１と陽極３の間の間隔の０．５mm
から３０mmまでを埋める形状をしているのがよく、その
材質にはテフロンなどの非電導性の材料が適している。

【００３１】陽極３は正の高電圧かける電極であり、水
冷陰極４と試料２は共に接地し陽極に対し負の電圧にな
るようにする。陽極３の形状はガス導入管１３と排気管
１５が接続できる大きさで、直径１０mmから９０mm、長
さ５mmから９０mmの範囲で適宜選べばよい。

【００３２】水冷陰極４の形状は給水管１９と排水管２
０が接続できる大きさで、直径１０mmから９０mm、厚さ
３mmから３０mmの範囲にすればよい。陽極３と水冷陰極
４は銅などの電気伝導性や熱伝導性に優れた材質のもの
がよい。絶縁板５は高電圧にある陽極３と水冷陰極４を
絶縁し、さらに真空グリースを塗ることなどによって陽
極３と水冷陰極４の間の真空が保てるようにする。絶縁
板５の材質にはテフロンなどの非電導性の材料が適して
おり、厚さが０．２mmから２０mmの範囲のものがよい。

【００３３】ベローズ２１は水冷陰極４と内部の真空が
保たれるように溶接や接着剤で接続し、ベローズ２１の
先端には真空シール２２を設ける。ベローズ２１は、そ
の伸縮性により試料２に放電発光部６を装着しやすく
し、密封性により内部を真空にするためのものである。
ベローズ２１の材質としては、ステンレス鋼や黄銅の金
属製やプラスチック製などの真空に耐えられるものがよ
い。

【００３４】真空シール２２は試料２の測定面にあて、
グリース（図示せず）や接着剤（図示せず）をそのシー
ル面に塗ることにより、ベローズ２１の内部や放電発光
部６の内部を真空に保つためのものである。真空シール
２２の材質としては、ゴム製や金属製などのものがよ
い。

【００３５】放電発光部６は放電発光を起こさせる空間
であり、放電によるスパッター元素が堆積したときには
必要に応じてクリーニングを行う。光ファイバー８の端
には放電発光部６で発生した光が入る。光ファイバー８
と陽極３の間は真空シールで接続し、放電発光部６が真
空に保てるようにする。光ファイバー８の端が放電発光
部６に近いほど多くの光を検出できるが、放電発光部６
ではスパッターされた元素が堆積するのでそれらの間に
は適度な距離があったほうがよく、光ファイバー８の端
と試料２の距離は５mmから８０mm程度の距離が望まし
い。また、放電発光部６と光ファイバー８の直径は０．
５mmから８mmまでが適当であり、それらは同じである必
要はない。

【００３６】従来の分光装置本体に固定された放電発光
装置の大きさも直径が２０cm程度、厚さが１５cm程度の
ものであったが、本発明では図７のような構造をとるこ
とにより放電発光装置は直径１２cm以下、厚さ１５cm以
下のコンパクトな形状にすることができ、遠隔で操作す
るのに適した形になった。

【００３７】光ファイバー８、ガス導入管１３、排気管
１５、高圧電線１７、給水管１９および排水管２０はい
ずれもフレキシブルで、放電発光装置のカバー１からそ
れらを束ねたフレキシブルなケーブル１０を出す。その
長さは必要に応じて定めればよく、３０cmから２０ｍま
での範囲で適宜選べばよい。

【００３８】光ファイバー８は放電発光部６で発生した
光を分析装置本体１１へ送るためのものであり、ここで
用いる光ファイバー８は通常のもので可視光の波長の周
辺の波長（１５０nmから７００nm）の光を通すことがで
きる。それらの波長範囲にはＦｅ，Ａｌなどの金属元素
の発光波長が含まれており、Ｆｅなどの元素の発光を分
析装置本体１１まで送ることができる。

【００３９】高圧電線１７は高圧電源１６から放電のた
めの電圧を供給するためのものであり、陽極３にネジな
どによって接続される。高圧電源１６には通常の直流電
圧電源以外にも、高周波電源を用いてもよい。

【００４０】ガス導入管１３はプラズマ生成のためのガ
スをガス供給器８から供給し、陽極３の入口に止め金な
どによって固定し、陽極３内を通り放電発光部６に通じ
ている。

【００４１】排気管１５は陽極３の出口に止め金などに
よって固定し、放電発光部６中の空気および放電発光部
６に導入するガスを排気し、陽極３を通り排気装置１４
に通じている。

【００４２】給水管１９は放電発光部６周辺の温度上昇
を抑えるために給水器１８からの冷却水を送り、水冷陰
極４の入口に止め金などによって接続される。

【００４３】さらに排水管２０は冷却水を回収し、水冷
陰極４の出口に止め金によって接続される。ただし、放
電発光部６の温度上昇が問題ならない場合には、給水器
１８、給水管１９および排水管２０の冷却機構はなくて
もよい。

【００４４】フレキシブルなケーブル１０は放電発光装
置の操作性をよくするために、光ファイバー８、ガス導
入管１３、排気管１５、高圧電線１７、給水管１９およ
び排水管２０を束ねたものであり、ここでは全てを束ね
ているが、全てを束ねる必要はない。ケーブル１０の端
部は放電発光装置のカバー１の端部と止め金などで固定
する。また、必要に応じて適宜、放電発光装置のカバー
１内に、分析装置本体１１、ガス供給器１２、排気装置
１４、高圧電源１６、給水器１８を操作するスイッチを
付属させてもよく、それらのスイッチ（図示せず）と分
析装置本体１１、高圧電源１６、ガス供給器１２、排気
装置１４、給水器１８を接続する電線をケーブル１０内
にいれてもよい。

【００４５】図７のような本発明請求項２の放電発光装
置を取り付けたグロー放電発光分光分析装置（図５）
で、薄鋼板の表面を分析した例を示す。薄鋼板の面積は
５０cm×８０cmであった。薄鋼板まで放電発光装置を携
帯し、鋼板上の分析場所を選び、そこに放電発光部６の
開口部を装着した。装着にあたっては、真空グリースを
真空シール２２に塗り、試料２と真空シール２２の間で
真空を保てるようにした。放電発光部６を排気管１５を
通じて排気装置１４で真空に排気し、ガス供給器１２か
らアルゴンガスをガス導入管１３を通じて１２Torrにな
るように導入しながら、陽極３と接地している試料２の
間に高圧電源１６で６００Ｖの電圧を加えた。ここでは
給水器１８からの冷却水を給水管１９と排水管２０を通
じて放電発光部６周辺を冷却した。高電圧を加えること
によって、放電発光部６でプラズマ生成が起こり、光が
発生した。発生した光は光ファイバー８によって分析装
置本体１１に送られ、その発光強度を測定したところ、
図１１のような発光強度と放電時間の関係が得られた。
表層にＡｌが濃化していた。この放電発光装置を用いる
ことにより、従来型のグロー放電発光分光分析では得ら
れないような形状の試料の分析ができ、グロー放電発光
分光分析のデータが得られた。

【００４６】なお、本発明の実施例２においては放電発
光装置のカバー１や陽極３の正断面が円形のものについ
て説明したが、本発明はこれに限らず、多角形の形状を
していてもよい。また、放電発光装置の接続においてガ
ス導入管１３、排気管１５、高圧電線１７、給水管１
９、排水管２０の配置が対称である場合について説明し
たが、本発明はこれに限らず、非対称であってもよい。

【００４７】

【発明の効果】本発明のグロー放電発光分光分析用放電
発光装置を用いることによって、従来の分析が困難であ
った３００mm角以上の広さの板、たとえば実際に製造し
ている大型の材料から試料を切り出さずにオンサイトで
の表面の分析が可能になった。また、実際に使用されて
いる固定された材料についても試料を切り出さずに、放
電発光装置を分析位置まで移動することにより、分析が
可能になった。これによって、表面分析用の試料の種類
や形状の範囲が広がり、またグロー放電発光分光分析装
置の汎用性が著しく拡大し、材料を評価する上での効果
が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のグロー放電発光分光分析用放電発光装
置を用いた測定中の側断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ正断面図。

【図３】図１のＢ−Ｂ正断面図。

【図４】図１のＣ−Ｃ正断面図。

【図５】本発明の放電発光装置を用いたグロー放電発光
分光分析装置系の斜視図。

【図６】ＦｅとＡｌの発光強度と放電時間の関係。

【図７】本発明のグロー放電発光分光分析用放電発光装
置を用いた測定中の側断面図を示す。

【図８】図７のＤ−Ｄ正断面図を示す。

【符号の説明】

１ 放電発光装置のカバー ２ 試料 ３ 陽極 ４ 水冷陰極 ５ 絶縁板 ６ 放電発光部 ７ Ｏ−リング ８ 光ファイバー ９ 絶縁体 １０ ケーブル １１ 分析装置本体 １２ ガス供給器 １３ ガス導入管 １４ 排気装置 １５ 排気管 １６ 高圧電源 １７ 高圧電線 １８ 給水器 １９ 給水管 ２０ 排水管 ２１ ベローズ ２２ 真空シール

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 グロー放電発光分光分析装置における携
   帯用放電発光装置であって、該放電発光装置のカバー
   （１）の内部に、高電圧を加える陽極（３）、接地する
   水冷陰極（４）、前記陽極（３）と前記水冷陰極（４）
   を絶縁する絶縁板（５）、グロー放電発光を起こさせる
   放電発光部（６）、前記放電発光部（６）を真空に維持
   するＯ−リング（７）、放電発光部（６）の後部で放電
   発光を伝達する光ファイバー（８）および前記カバー
   （１）と前記陽極（３）を絶縁する絶縁体（９）を有す
   ることを特徴とするグロー放電発光分光分析用放電発光
   装置。
2. 【請求項２】 グロー放電発光分光分析装置における携
   帯用放電発光装置であって、該放電発光装置のカバー
   （１）の内部に、高電圧を加える陽極（３）、接地する
   水冷陰極（４）、前記陽極（３）と前記水冷陰極（４）
   を絶縁する絶縁板（５）、グロー放電発光を起こさせる
   放電発光部（６）、前記放電発光部（６）を真空に維持
   するベローズ（２１）と真空シール（２２）、放電発光
   部（６）の後部で放電発光を伝達する光ファイバー
   （８）および前記カバー（１）と前記陽極（３）を絶縁
   する絶縁体（９）を有することを特徴とするグロー放電
   発光分光分析用放電発光装置。