JPH1090184A - 揮発性物質の検出方法および装置 - Google Patents

揮発性物質の検出方法および装置

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JPH1090184A
JPH1090184A JP9216201A JP21620197A JPH1090184A JP H1090184 A JPH1090184 A JP H1090184A JP 9216201 A JP9216201 A JP 9216201A JP 21620197 A JP21620197 A JP 21620197A JP H1090184 A JPH1090184 A JP H1090184A
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レイボーン ディヴィッド
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フルー ギレスピー ロバート
Ivor Hall Stephen
イーヴァー ホール スティーヴン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の目的は、可搬性があり、頑丈でかつ
簡単に使用できる、ガス媒体中の揮発性物質の検出装置
を提供することにある。 【解決手段】 ガス媒体中の揮発性物質の存在を検出す
る装置において、ガス媒体をプラズマ状態に励起するの
に充分なエネルギ密度をもつ局部電界をセンサチャンバ
内に形成する手段と、ガス媒体中の揮発性物質の存在に
よるプラズマのパラメータ変化を検出する手段とを有す
ることを特徴とする装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス媒体中の揮発
性物質の存在を検出する技術に関し、より詳しくは、空
気または流出液流（effluent streams）中の揮発性有機
化合物の検出技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】多くの有機化合物は毒性または発癌性を
有する。従って、呼吸装置またはプロセスプラントから
の流出液ダクトからこれらの化合物を除去すべく設計さ
れたフィルタの交換、或いは揮発性有機化合物を含有し
または副生物として揮発性有機化合物を形成するプロセ
スの作動パラメータの変更等の対策活動を行なうことが
できるように、有機化合物を容易に検出することが強く
望まれている。ガス媒体中の揮発性有機化合物の伝統的
検出方法は、赤外線吸収分光法またはガスクロマトグラ
フィーに基づいている。このような方法は検出が遅くな
り易くかつ面倒な機器を必要とする。この方法は固定の
化学プラントにおけるプロセス制御の分野では許容でき
るが、現場での使用には適していない。
【０００３】米国特許第3 843 257 号には、ガス媒体中
の物質を検出する装置および方法が開示されており、該
装置および方法では、ガス媒体にマイクロ波エネルギが
照射され、励起されたガス媒体からの発光を分析してガ
ス媒体中の前記物質の存在を検出するように構成されて
いる。しかしながら、この米国特許に開示された装置お
よび方法は、マイクロ波を照射する前に、第１ガス媒体
の粒状または液体成分を霧化しかつ混合する予備段階を
有し、これにより、キャリヤガス中に放電を生じさせ、
第１ガス媒体の霧化成分から光放射線を発生させる。従
って、この装置は比較的複雑であり、現場で使用するよ
りも研究所での使用の方が適している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、可搬
性があり、頑丈でかつ簡単に使用できるガス媒体中の揮
発性物質の検出装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の１つの観点によ
れば、チャンバと、検出すべき揮発性物質が存在するガ
ス媒体をチャンバに通す手段とを有するガス媒体中の揮
発性物質の存在を検出する装置において、ガス媒体をプ
ラズマ状態に励起するのに充分なエネルギ密度をもつ局
部領域をチャンバ内に形成する手段と、ガス媒体中の揮
発性物質の存在によるプラズマのパラメータ変化を検出
する手段とを有することを特徴とする装置が提供され
る。揮発性物質の存在によるプラズマ状態の変化は、プ
ラズマ中に生じるガス媒体と揮発性物質との反応による
プラズマの温度変化、ガス媒体による放射線の吸収効率
の変化、或いは揮発性物質または該揮発性物質から派生
された反応生成物の励起状態からの光放射線の変化であ
る。
【０００６】ガス媒体中の揮発性物質の検出に本発明が
適している揮発性物質の特定形態は揮発性有機化合物で
あり、放射線の特に適した形態はマイクロ波放射線であ
るが、レーザ放射線のような他の形態の放射線を使用す
ることもできる。本発明によれば、ガス媒体中の揮発性
物質の存在を検出する方法において、ガス媒体をプラズ
マ状態に励起するのに充分なエネルギ密度をもつ放射線
で、検出すべき揮発性物質が存在するガス媒体の局部領
域を照射するステップと、ガス媒体中の揮発性物質の存
在によるプラズマのパラメータ変化を検出するステップ
とからなることを特徴とする方法が提供される。揮発性
物質の存在によるプラズマの状態変化を検出する手段
は、プラズマ中の揮発性物質から生じる励起種からの特
定光放射線を検出する手段で構成するのが好ましい。
【０００７】プラズマ中の揮発性物質から生じる励起種
からの特定光放射線を検出する手段は、プラズマ中の揮
発性物質から生じる特定光放射線を選択できる光学フィ
ルタと関連する少なくとも１つの光感知デバイスで構成
できる。或いは、プラズマ中の揮発性物質の存在による
プラズマの状態変化を検出する手段は、プラズマの温度
を測定する手段で構成できる。プラズマ中の揮発性物質
の存在によるプラズマの状態変化を検出する他の手段
は、プラズマ中への励起放射線のカップリング効率の変
化を測定する手段で構成できる。好ましくは、ガス媒体
をプラズマ状態に励起する手段がチャンバ内にマイクロ
波放射線をカップリングする手段からなり、チャンバ内
には１対の電極が設けられており、該電極は、これらの
近傍に増強された電界領域を形成し、チャンバ内のガス
媒体中に局部プラズマを発生させる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態を説明する。図１を参照すると、ガス媒体中
の揮発性有機化合物の存在を検出するセンサはチャンバ
１０１を有し、該チャンバ１０１は、ステンレス鋼から
なる２つの端板１０２、１０３と、物質により放射され
ると予想される光放射線（該光放射線の検出にはセンサ
が使用される）を透過する材料で作られた円筒状の壁１
０４とからなる。壁１０４は、端板１０２、１０３に取
り付けられておりかつＯリングシール１０５により気密
にされている。放射された放射線がスペクトルの光領域
および紫外線領域にある場合に、使用できる適当な材料
は水晶である。外壁１０６は、チャンバ１０１にエネル
ギを供給する導波管の一部を形成する。この組立体は、
取付けねじ（図示せず）により一体にクランプされてい
る。また、チャンバ１０１の内部へのマイクロ波放射線
をカップリングする手段も設けられているが、該手段も
図示されていない。外壁１０６には多数の光ポート１０
７が取り付けられており、図面には、これらのうちの２
つが示されている。各光ポート１０７は、チャンバ１０
１内で放射された光を、関連する光ファイバ１０９内に
合焦させるレンズ１０８を備えている。各端板１０２、
１０３は、それぞれ円錐状の突出部１１０、１１１を有
し、該突出部は、それぞれ鋭い環状チップ１１２、１１
３に終端している。チップ１１２、１１３はそれぞれの
端板１０２、１０３に螺着されており、従って必要に応
じて交換できる。チップ１１２、１１３に適した材料
は、モリブデン、タングステンまたは同様な耐火性金属
である。円錐状突出部１１０、１１１は、１対の電界増
強電極を形成する。光ポート１０７は、電界増強電極１
１０、１１１間のギャップ１２０を観察できるように位
置決めされている。
【０００９】端板１０２は、検出すべき揮発性有機化合
物が存在するガス媒体のための２つの入口ポート１１４
と、冷却媒体の入口１１５および出口１１６とを有して
いる。端板１０２のチップ１１２および端板１０３は軸
線方向孔１１７を有し、該孔１１７により前記ガス媒体
がチャンバ１から抽出される。端板１０３は中空であり
かつ冷却媒体の入口１１８および出口１１９を有してい
る。端板１０２、１０３の突出部１０９、１１０のチッ
プ１１１、１１２の間のギャップ１２０は、約0.1 〜５
mmの間で調節できる。この組立体は１対の電極１２０を
形成する。図２に示すように、使用に際し、前記ガス媒
体が0.001 〜１バールの範囲内の圧力でチャンバ１に通
され、また、チャンバ１０１のそれぞれの端板１０２、
１０３の突出部１１０、１１１により形成される電極１
２０が、チャンバ１０１を通るマイクロ波の伝播方向を
横切るようにして、2.45 Ghzの周波数で５００ワットま
での出力のマイクロ波がチャンバ１０１に供給される。
電極１２０は、ガス媒体が電極１２０間のギャップ１２
０の領域においてプラズマ状態に励起される程度まで、
チャンバ１０１内のマイクロ波放射を集中させる。
【００１０】図２に示すように、チャンバ１０１内でプ
ラズマにより放出される光放射線は、レンズ１０８によ
り集光されかつ光ファイバ１０９内に合焦され、次に、
光学フィルタ２０１を介して光検出器２０２に伝達され
る。光検出器２０２からの出力信号はマイクロプロセッ
サ２０３に入力され、ガス媒体中の揮発性有機化合物の
存在の表示が視覚ディスプレイユニット２０４上に表さ
れる。光学フィルタ２０１は、関心のある励起種（exci
ted species)から発生する発光バンドが生じることが予
測されるスペクトル領域を選択できるように配置され、
光検出器２０２はこれらの範囲における集中光強度の放
射を与える。例えば、ガス媒体が空気または窒素のよう
な窒素含有キャリヤガスを有する場合で、かつ揮発性有
機化合物も存在する場合には、予測される励起種とし
て、ＣＮ基、ＣＨ基またはＣ2 基がある。
【００１１】より詳しくは、例えば、３８７nmに中心を
もつ狭バンド幅光学フィルタを用いて、空気中のトルエ
ンを検出できる。このような光学フィルタは、ＣＮ基の
Ｂ→ｘ電子項遷移のΔｖ＝０振動シーケンス（Δｖ＝０
vibrational sequence)における放射を選択する。或い
は、ガス媒体が酸化性を有する場合（例えば空気または
酸素）には、光学フィルタ２０１は、揮発性有機化合物
の励起酸化生成物（excited oxidation products）か
ら、放射バンドを分離できるものが選択される。自らが
検出可能放射線を発生しないガスは、該ガスと第２ガス
とを反応させて、プラズマ励起の結果として検出可能放
射線を発生できる生成物を作ることにより検出できる。
例えば、半導体ウェーハ製造プラントから排出される四
フッ化炭素を検出したい場合には、通常は検出できない
放射線が発生されるであろう。しかしながら、四フッ化
炭素と窒素とを混合した場合には、ＣＮ基が生成されよ
うが、これは、上記のように、検出可能な放射線を発生
しない。
【００１２】本発明の方法の変更例では、非放射線発生
化合物を検出すべきガス媒体が、本件出願人に係る英国
特許第2 273 027 号に開示されているようなプラズマ発
生器に通され、ここで、光放射を発生すべく励起される
種に変換される。これらの前駆種は、次に、本発明のセ
ンサに通され、プラズマ状態に励起され、かつ前述のよ
うにして光放射線分析される。プラズマ中で分解される
揮発性有機化合物については、該揮発性有機化合物の回
転的または振動的に励起される分子からの放射バンドを
検出できることは必ずしも必要でない。図３には、本発
明の実施に使用できるセンサの第２形態が示されてい
る。図３に示すセンサでは、光学部品１０７、レンズ１
０８および光ファイバ１０９が省略されており、これら
は、電極１１０内のボア３０３内で同軸状に取り付けら
れた単一のフォトダイオード３０１および関連光ファイ
バ３０２により置換されている。他のセンサは図１に関
連して説明したものと同じであり、同じ参照番号が使用
されている。
【００１３】図４には光ポート１０７の別の形態が示さ
れており、この光ポートは、前述のように、電極１１
０、１１１のチップ１１２、１１３間の領域１２０を観
察できるようにセンサの外壁１０６内に取り付けられる
ハウジング４０１を有している。ハウジング４０１の内
部には、多数の適当な光学フィルタ４０３、フォトダイ
オード４０４および出力ソケット４０５からなるレンズ
系４０２が設けられている。本発明の装置の他の形態
（図示せず）では、プラズマからの光放射線検出器が省
略されている。この検出器は、プラズマ温度測定手段で
置換される（このパラメータ（温度）は、ガス媒体と該
ガス媒体中に含有される揮発性化合物との反応生成物の
生成熱により影響されるからである）か、または、チャ
ンバ１０１内への励起放射線のカップリング効率を測定
する手段で置換される（このパラメータ（カップリング
効率）もガス媒体中の揮発性物質および該物質から派生
される生成物の存在により影響されるからである）。こ
れは、チャンバ１０１に供給する導波管に電力計を組み
込むことにより達成される。
【００１４】プラズマの温度を測定する適当な手段は熱
電対である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施に使用するセンサを示す断面図で
ある。
【図２】本発明を実施する図１のセンサを備えた装置を
示すブロック図である。
【図３】本発明を実施するセンサに使用する別の光放射
検出器を示す図面である。
【図４】本発明を具現するセンサに使用する他の光放射
検出器を示す図面である。
【符号の説明】
１０１ チャンバ １０２、１０３ 端板 １０７ 光ポート １０９、３０２ 光ファイバ １１０、１１１ 突出部（電極） １１２、１１３ チップ ２０１ 光学フィルタ ２０２ 光検出器 ２０３ マイクロプロセッサ ３０１、４０４ フォトダイオード ４０２ レンズ系
フロントページの続き (72)発明者 フィオーナ ウィンターボトム イギリス オーエックス11 ０アールエイ オックスフォードシャー ディドコット ハーウェル 329 エイイーエイ テク ノロジー パブリック リミテッド カン パニー パテンツ デパートメント内 (72)発明者 ロバート フルー ギレスピー イギリス オーエックス11 ０アールエイ オックスフォードシャー ディドコット ハーウェル 329 エイイーエイ テク ノロジー パブリック リミテッド カン パニー パテンツ デパートメント内 (72)発明者 スティーヴン イーヴァー ホール イギリス オーエックス11 ０アールエイ オックスフォードシャー ディドコット ハーウェル 329 エイイーエイ テク ノロジー パブリック リミテッド カン パニー パテンツ デパートメント内

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チャンバと、検出すべき揮発性物質が存
    在するガス媒体をチャンバに通す手段とを有するガス媒
    体中の揮発性物質の存在を検出する装置において、ガス
    媒体をプラズマ状態に励起するのに充分なエネルギ密度
    をもつ局部領域をチャンバ内に形成する手段と、ガス媒
    体中の揮発性物質の存在によるプラズマのパラメータ変
    化を検出する手段とを有することを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 ガス媒体中の揮発性物質の存在によるプ
    ラズマのパラメータ変化を検出する前記手段が、揮発性
    物質から派生されたプラズマ中の励起種からの特定光放
    射線を検出する手段からなることを特徴とする請求項１
    に記載の装置。
  3. 【請求項３】 ガス媒体中の揮発性物質の存在によるプ
    ラズマのパラメータ変化を検出する前記手段が、プラズ
    マの温度を測定する手段からなることを特徴とする請求
    項１に記載の装置。
  4. 【請求項４】 ガス媒体が、マイクロ波放射手段により
    プラズマ状態に励起され、ガス媒体中の揮発性物質の存
    在によるプラズマのパラメータ変化を検出する前記手段
    が、チャンバ内への励起放射線のカップリング効率を測
    定する手段からなることを特徴とする請求項１に記載の
    装置。
  5. 【請求項５】 ガス媒体中の揮発性物質の存在を検出す
    る方法において、ガス媒体をプラズマ状態に励起するの
    に充分なエネルギ密度をもつ放射線で、検出すべき揮発
    性物質が存在するガス媒体の局部領域を照射するステッ
    プと、ガス媒体中の揮発性物質の存在によるプラズマの
    パラメータ変化を検出するステップとからなることを特
    徴とする方法。
  6. 【請求項６】 ガス媒体中の揮発性物質の存在によるプ
    ラズマのパラメータ変化を検出する前記ステップが、揮
    発性物質から派生された励起生成種からの光放射線を検
    出するステップからなることを特徴とする請求項５に記
    載の方法。
  7. 【請求項７】 ガス媒体中の揮発性物質の存在によるプ
    ラズマのパラメータ変化を検出する前記ステップが、ガ
    ス媒体と揮発性物質とのプラズマ中での反応の結果とし
    てのプラズマの温度変化を検出するステップからなるこ
    とを特徴とする請求項５に記載の方法。
  8. 【請求項８】 ガス媒体が、マイクロ波放射手段により
    プラズマ状態に励起され、ガス媒体中の揮発性物質の存
    在によるプラズマのパラメータ変化を検出する前記ステ
    ップが、ガス媒体中にプラズマを維持すべくガス媒体中
    に励起放射線をカップリングする効率の変化を検出する
    ステップからなることを特徴とする請求項５に記載の方
    法。
  9. 【請求項９】 揮発性物質を、プラズマ状態に励起され
    たときに検出可能な光放射線を発生しない第１形態か
    ら、プラズマ状態に励起されたときに検出可能な光放射
    線を発生する第２ガス状種に変換するステップを有する
    ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
JP9216201A 1996-08-10 1997-08-11 揮発性物質の検出方法および装置 Pending JPH1090184A (ja)

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GB9616841:4 1996-08-10
GBGB9616841.4A GB9616841D0 (en) 1996-08-10 1996-08-10 The detection of volatile substances

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