元素分析装置および元素分析方法
【課題】ＬＩＢＳ法を用いてより多くの元素を分析できるようにする。
【解決手段】元素分析装置は、試料１６に照射するとプラズマが発生するパルスレーザ光３を生成するレーザ光発振器１と、レーザ光集光レンズ６により試料表面１６ａ上で最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光可能に構成されたレーザ光集光部と、試料表面１６ａ上の集光領域に照射するレーザ光照射部を有する。レーザ光照射部のレーザ光照射側には、内部に試料１６を設置可能に構成されてレーザ光照射を受ける試料表面１６ａの雰囲気が気密に保持された試料配置部１５が配置される。プラズマ２１から発生する蛍光２２のうち試料表面１６ａから光軸方向に所定の距離だけ離れた位置から放出される蛍光２２を集光する蛍光集光部１３と、蛍光集光部１３で集光した蛍光２２の波長およびこの波長の強度に基づいて元素含有量を定量する手段と、を有する。
【解決手段】元素分析装置は、試料１６に照射するとプラズマが発生するパルスレーザ光３を生成するレーザ光発振器１と、レーザ光集光レンズ６により試料表面１６ａ上で最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光可能に構成されたレーザ光集光部と、試料表面１６ａ上の集光領域に照射するレーザ光照射部を有する。レーザ光照射部のレーザ光照射側には、内部に試料１６を設置可能に構成されてレーザ光照射を受ける試料表面１６ａの雰囲気が気密に保持された試料配置部１５が配置される。プラズマ２１から発生する蛍光２２のうち試料表面１６ａから光軸方向に所定の距離だけ離れた位置から放出される蛍光２２を集光する蛍光集光部１３と、蛍光集光部１３で集光した蛍光２２の波長およびこの波長の強度に基づいて元素含有量を定量する手段と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ誘起ブレイクダウン法を用いた元素分析装置およびその分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料中に含まれる各種元素を検出して定量する元素分析は、多くの分野で用いられている技術である。例えば、鉄鋼の生産ラインでは、製品に含有される不純物元素を管理することは必須の工程である。
【０００３】
鉄鋼成分の元素分析では、先ず銑鉄をサンプリングし、分析装置で測定可能な形状に試料を切り出す。その後に、例えばスパーク分光分析装置などによって含有する炭素（Ｃ）や硫黄（Ｓ）などの軽元素から重金属元素までを、生産ラインとは別の場所で分析している。
【０００４】
また、今後、拡大が予想される水素エネルギ利用で問題となる金属材料の水素脆化の評価においても、水素（Ｈ）の迅速定量分析技術の開発が望まれている。この水素分析は、金属試料をサンプリングして分析装置に合わせた形に試料を切り出した後に高温燃焼させて、この高温燃焼によって発生するガスの成分を分析している。このような元素分析方法では、サンプリングや試料の加工、その後のオフライン分析などに多くの時間を必要とする。
【０００５】
一方、鉄鋼生産や鉄鋼取り扱いの現場では、ライン上で短時間に構成元素の成分が分析可能な手法が要求されている。
【０００６】
この手法の一つとして、レーザ光を用いたレーザ誘起ブレイクダウン分光法（Laser-induced Breakdown Spectroscopy；以下ＬＩＢＳ法と称す。）が開発されている。このＬＩＢＳ法では、例えば特許文献１および特許文献２に開示されているように、パルスレーザ光を測定試料に直接照射してプラズマを発生させる。このプラズマから発生するプラズマ光を分光し、原子固有の波長の発光を検出することによって、試料中の元素の種類、元素の量等を検出できる。このため、試料の前処理が不要で、迅速且つ簡便な元素分析が可能である。
【特許文献１】特開２００４−２０５２６６号公報
【特許文献２】特開２０００−３１０５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＬＩＢＳ法は、元素から発生する蛍光を測定対象としている。この蛍光には、レーザ光照射により試料表面のレーザ光照射領域の蒸発した原子が発する原子固有の発光と、雰囲気ガス中に含まれる原子の発光が含まれる。
【０００８】
ＬＩＢＳ法では、レーザ光の集光は１枚ないし複数枚のレンズで集光し、照射領域の大きさは直径が数１００μｍ程度であることが一般的である。したがって、発生する蛍光はこの数１００μｍの領域で発生する。
【０００９】
一方、試料の組成が多成分系の場合、数１００μｍ以下の微小な領域で、元素成分比が異なる場合も多い。また、水素化物のようなデンドライトは１００μｍ以下の微小領域で形成される。このような微小領域で元素分析を行うためには、レーザ照射領域をより小さくする必要がある。
【００１０】
また、分析対象とする元素によっては、雰囲気を空気以外のガス置換することも必要となる。発光するプラズマ光中の元素発光は、空間分布があり、生成するプラズマの空間位置において、分析対象元素により発光強度の高い位置が異なる。このため、生成される蛍光中に含まれる元素毎の発光を詳細に測定するためには、分析対象元素に適した蛍光計測条件を設定可能な蛍光計測装置が必要である。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＬＩＢＳ法を用いてより多くの元素を高精度に分析できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため本発明に係る元素分析装置は、試料に含有される元素濃度を分析する元素分析装置において、前記試料に照射するとプラズマが発生するレーザ光を生成するレーザ光発振装置と、前記レーザ光を伝送するレーザ光伝送部と、前記レーザ光伝送部により伝送された前記レーザ光を、レーザ光集光用レンズにより試料表面上で、最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光可能に構成されたレーザ光集光部と、前記レーザ光集光部で集光された前記レーザ光を、前記集光領域に照射するレーザ光照射部と、前記レーザ光照射部のレーザ光照射側に配置されて、内部に前記試料を設置可能に構成されて、レーザ光照射を受ける前記試料表面の雰囲気を気密に保持された試料配置部と、前記プラズマから発生する蛍光のうち前記試料表面から前記光軸方向に所定の距離だけ離れた位置から放出される蛍光を集光する蛍光集光部と、前記蛍光集光部で集光した前記蛍光の波長およびこの波長の強度に基づいて、元素含有量を定量する手段と、を有する。
【００１３】
また、本発明に係る元素分析方法は、試料に含有される元素濃度を分析する元素分析方法において、パルスレーザ光が前記試料表面上で、最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光するように調整する集光領域調整工程と、前記照射領域調整工程の後に、前記集光領域に前記パルスレーザ光を照射するレーザ光照射工程と、前記プラズマ光から発生する蛍光の一部を集光する蛍光検出工程と、集光された前記蛍光の元素含有量を定量する元素分析工程と、を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＬＩＢＳ法を用いてより多くの元素を高精度に分析できるようにすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る元素分析装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
［第１の実施形態］
本発明に係る元素分析装置の第１の実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る第１の実施形態の元素分析装置の構成を示すブロック図である。図２は、図１の試料ユニット１５および蛍光集光ユニット１３の詳細を示す正面図である。図３は、図２の上面図である。図４は、試料１６、蛍光集光レンズ２３、および蛍光伝送用光ファイバ２６の相対的な位置関係を示す概略上面図である。図５は、図２の試料ユニット１５の立断面図である。
【００１８】
先ず、本実施形態の元素分析装置の構成について説明する。
【００１９】
本実施の形態の元素分析装置は、固体の試料１６の表面（試料表面１６ａ）に含まれる成分元素を分析する装置である。この元素分析装置は、レーザ発振器１、レーザ電源２、タイミングコントローラ３１、蛍光検出器２７、および計測制御用コンピュータ２９を有している。
【００２０】
レーザ発振器１は、例えばＹＡＧレーザ等のパルスレーザ光３を発振する発振器である。このレーザ発振器１はレーザ電源２に接続されている。レーザ電源２は、タイミングコントローラ３１に接続されている。蛍光検出器２７は元素分析を行うための蛍光を検出する装置であって、計測制御用コンピュータ２９を介してタイミングコントローラ３１に接続されている。
【００２１】
また、元素分析装置は、レーザ光照射ユニット１０、試料ユニット１５、蛍光集光ユニット１３、およびモニタカメラ３３を有している。
【００２２】
レーザ光照射ユニット１０は、レーザ光を反射させる反射ミラー４、光軸を調整するための光軸調整ミラー５を有する。このレーザ光照射ユニット１０の一部は、筐体１２に固定されており、この筐体１２には、ダイクロイックミラー１１、レーザ光集光レンズ６、パルスレーザ光３の集光位置を調節可能な微動ステージ３４が配置されている。なお、図１では、ダイクロイックミラー１１の固定方法等の図示は省略している。
【００２３】
ダイクロイックミラー１１は、これに入射するパルスレーザ光３の全部またはほとんどを反射して、可視光の一部を透過させる特性を有している。
【００２４】
レーザ光集光レンズ６は、入射されたパルスレーザ光３を試料表面１６ａに集光させる機能を有している。このレーザ光集光レンズ６は、例えば光学顕微鏡などに用いられる８０倍の対物レンズによって、試料表面１６ａのレーザ光照射領域の最大直径が約５０μｍ程度となるように構成されている。また、５０倍の対物レンズを用いるときは照射領域の最大直径は約８０μｍで、２０倍の対物レンズを用いるときは約２００μｍとなるように構成されている。本実施形態では、８０倍対物レンズを用いて、比較的微小な領域にパルスレーザ光３を集光させるように構成されている。なお、これら３種類の倍率の対物レンズが取付け可能であるが、これらに限らない。
【００２５】
モニタカメラ３３は、ダイクロイックミラー１１の上方で、このダイクロイックミラー１１と対向する位置に配置されている。このモニタカメラ３３には、レーザ光集光レンズ６の位置を移動したときに生じる焦点位置のシフトを補正する機能などが備えられている。
【００２６】
試料ユニット１５は、レーザ光照射ユニット１０におけるパルスレーザ光３の下流側に配置されている。図１の例ではレーザ光照射ユニット１０の下方に配置されている。この試料ユニット１５は、内部が気密に保たれた略直方体形状の容器で、内部には、試料１６を固定可能な試料ホルダ１７が配置されている。試料ホルダ１７は、試料ホルダ固定台１８に取り付けられている。試料ユニット１５の上面には、例えば光学ガラスなどにより形成されてレーザ光を透過させるレーザ照射窓１４が設けられている。
【００２７】
微動ステージ３４は、レーザ光集光レンズ６の焦点を試料表面１６ａに合わせるために、上下移動する機能を有している。
【００２８】
さらに、レーザ光軸に沿った側面には、内部の雰囲気を所望のバッファガスに置換するためのバッファガス導入口１９と、内部のバッファガスを排気するためのバッファガス排気口２０が形成されている。図１および図２では、バッファガス導入口１９およびバッファガス排気口２０の開口位置等の詳細な図示は省略している。図４および図５に示すように、バッファガス導入口１９は、試料ユニット１５の側面に形成されて、バッファガス排気口２０は、バッファガス導入口１９が形成された側面に対向する側面に形成されている。
【００２９】
試料ユニット１５内には、バッファガスがバッファガス導入口１９から供給されてバッファガス排気口２０から排気されるように構成されたバッファガス流路が形成される。試料ホルダ１７は、このバッファガス流路の底面に分析対象となる試料１６を複数設置可能になるように配置されている。図４および図５では、３つの試料１６が、バッファガスの流路に沿って配列された例を示している。
【００３０】
試料ユニット１５の内部雰囲気の水分を排除して試料１６中の水素や酸素を検出する場合には、バッファガスとして例えばＨｅガスなどが用いられる。
【００３１】
バッファガス導入口１９と垂直な試料ユニット１５の両側の側面には、レーザ光照射によって発生するレーザ生成プラズマ２１の蛍光を蛍光集光ユニット１３に透過させる蛍光観察窓２５が形成されている。これらの蛍光観察窓２５は、互いに対向するように形成されている。
【００３２】
また、試料ユニット１５内には、カートリッジヒータやシーズヒータ等のヒータ（図示せず）が取り付け可能に構成されている。ヒータの図示は省略しているが、このヒータは、図２に示す試料ユニット１５の側面に形成されたヒータ挿入孔３７から、試料ユニット１５内に設置することができるように構成されている。
【００３３】
蛍光集光ユニット１３は、蛍光集光レンズ２３、この蛍光集光レンズ２３で集光された蛍光を蛍光検出器２７に導光する蛍光伝送用光ファイバ２６、この蛍光伝送用光ファイバ２６を支持する蛍光伝送用光ファイバスリーブ２４、および蛍光伝送用光ファイバスリーブ２４を固定する固定スリーブ３８を有する。図２〜図４では、２枚の蛍光集光レンズ２３を有する例を示している。なお、図１では、１枚の蛍光集光レンズ２３のみを図示し、もう１枚の蛍光集光レンズ２３は省略している。
【００３４】
蛍光集光ユニット１３は、図２に示すように、パルスレーザ光３の光軸に対してほぼ垂直な方向（水平方向）に延びたアーム１３ａを有する。このアーム１３ａは、レーザ光集光レンズ６の外枠を取り囲むリング１３ｂに接続されている。
【００３５】
このアーム１３ａには、２枚の蛍光集光レンズ２３をそれぞれ固定するための支柱３６が配置されている。２枚の蛍光集光レンズ２３は、水平方向に並んで配列されて、これらの光軸はアーム１３ａとほぼ平行、すなわち水平方向になるように配置されている。
【００３６】
蛍光集光レンズ２３を固定する支柱３６は、アーム１３ａに沿って水平方向に移動可能に構成されている。支柱３６は、水平移動させて固定する位置が定まった後に、固定ねじ３５等によって固定される。
【００３７】
これらの蛍光集光レンズ２３は、支柱３６をアーム１３ａに沿って水平移動させることによって、焦点を調整できるように構成されている。これらの蛍光集光レンズ２３の焦点は、試料ユニット１５の一方の側面に形成された蛍光観察窓２５を介して試料ユニット１５内部に合うように設定されている。
【００３８】
試料ユニット１５に遠い方の蛍光集光レンズ２３と対向する位置には、蛍光集光レンズ２３で集光した蛍光が入射される蛍光伝送用光ファイバ２６が配置されている。上記の通り、この蛍光伝送用光ファイバ２６は蛍光伝送用光ファイバスリーブ２４によって支持されて、この蛍光伝送用光ファイバスリーブ２４は固定スリーブ３８によって固定される。固定スリーブ３８は、支柱３６を介して固定ねじ３５などによりアーム１３ａに取り付けられている。
【００３９】
アーム１３ａは、レーザ光集光レンズ６の外枠を取り囲むリング１３ｂに接続されているため、レーザ光集光レンズ６を微動ステージ３４などにより上下方向に移動させると、この上下移動に伴って蛍光集光ユニット１３全体も上下移動可能に構成されている。
【００４０】
この蛍光集光レンズ２３は、図２に示すように、パルスレーザ光３を照射することによって生成する試料１６からのレーザ生成プラズマ２１の像を、蛍光伝送用光ファイバ２４の入射面に任意の拡大率で結像させて、所望のプラズマ光の特定場所の光のみを蛍光検出器２７へ導光する。なお、図２では、試料表面１６ａ付近のパルスレーザ光３の図示を省略している。
【００４１】
なお、この元素分析装置には、パルスレーザ光３の焦点合わせなどを補助するためのアライメント用照明器７と、このアライメント用照明器７で発生するアライメント用照明光８を試料表面１６ａ等に照射するためのハーフミラー９を有する。
【００４２】
続いて、パルスレーザ光の流れについて説明する。
【００４３】
レーザ発振器１から発振されたパルスレーザ光３は、反射ミラー４および光軸調整ミラー５で反射して、レーザ光軸がほぼ水平な状態でダイクロイックミラー１１に入射される。ダイクロイックミラー１１は、水平に入射されたパルスレーザ光３を９０度反射させて、鉛直下向き方向に光路変更させる。
【００４４】
ダイクロイックミラー１１で反射して鉛直下向きに光路変更されたパルスレーザ光３は、レーザ光集光用レンズ６によって、試料表面１６ａに集光される。
【００４５】
ダイクロイックミラー１１は、可視光を透過させる特性を有しているため、試料表面１６ａにパルスレーザ光３を照射したときに発生するレーザ生成プラズマ２１のプラズマ光を透過させることができる。したがって、モニタカメラ３３によって、このレーザ生成プラズマ２１等を観察することができる。
【００４６】
レーザ発振器１によって１つのパルスエネルギが１ｍＪ程度で、パルス幅５ｎｓ程度のパルスレーザ光３を試料表面１６ａに照射させる。この場合、このパルスレーザ光３の１パルスの出力は、０．２ＭＷ程度となる。
【００４７】
通常では、この程度の強度のパルスレーザ光３を試料表面１６ａに照射させてもレーザ生成プラズマ２１は形成されない。これを、レーザ光集光レンズ６によって、照射領域を数μｍ〜数１００μｍ程度の大きさに集光させると、いわゆるブレイクダウンの閾値を超えて、試料表面１６ａの一部がプラズマ化する。この場合、例えば８０倍の対物レンズを用いることによって、照射領域の最大直径を５０μｍ程度に設定することで、レーザ生成プラズマ２１を形成させることができる。
【００４８】
このようにしてレーザ生成プラズマ２１が発生すると、このレーザ生成プラズマ２１は、パルスレーザ光３の照射終了と共に再結合が始まり、数μｓ〜数十μｓの間は、試料表面１６ａの構成元素が励起状態の原子となる。この励起状態の原子は、下準位に遷移するときに原子数に比例した蛍光２２を放出する。
【００４９】
この蛍光２２のうち、レーザ生成プラズマ２１の計測領域で発生したもののみを、蛍光集光ユニット１３の蛍光集光レンズ２３で集光させて、蛍光伝送用光ファイバ２６を介して蛍光検出器２７に入射させる。蛍光検出器２７に入射した蛍光２２は、蛍光２２の波長およびこの波長の強度の情報を電気信号に変換される。電気信号に変換された蛍光信号２８は、計測制御用コンピュータ２９に伝達される。
【００５０】
計測制御用コンピュータ２９は、タイミングコントローラ３１により出力されたタイミング信号３２から、所定時間だけ遅れた蛍光測定用のゲート信号３０を伝達する。これらの信号伝達によって、計測制御用コンピュータ２９は、レーザ光照射後の特定の時間帯に生成された蛍光２２のみを計測し、この蛍光２２の元素分析を行う。
【００５１】
以上の説明からわかるように、本実施形態では、試料表面１６ａに対して、測定対象元素を分析する領域を、最大直径が数１００μｍ程度の微小領域になるように設定して、レーザ生成プラズマ２１の蛍光２２の測定領域と測定時間を最適化する。これによりパルスレーザ光３を照射した後の特定の時間帯において、レーザ生成プラズマ２１中の特定位置の蛍光２２を計測する。
【００５２】
これにより、試料表面１６ａの微小領域における測定対象の元素から放出される蛍光２２を高感度且つ高Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）で計測することができ、微小領域におけるレーザ誘起ブレイクダウン分光法による元素分析が可能となる。したがって、より多くの種類の元素を高精度に分析できるようにすることが可能になる。
【００５３】
試料１６中の水素や酸素の成分を高精度に分析する場合には、空気中に存在する水分の影響を排除する必要がある。本実施形態の元素分析装置によれば、バッファガスをバッファガス導入口１９から試料ユニット１５内に供給し続けて、バッファガス排気口２０から排気することにより、試料ユニット１５内をバッファガスに置換することができる。試料１６が設置された雰囲気をバッファガスで置換することによって、空気中に存在する水分などの影響を排除することが可能になる。
【００５４】
一般に、空気中におかれた試料表面１６ａには水分が多く吸着しており、この水分が測定の大きな妨げとなる。本実施形態によれば、試料１６へのレーザ照射を行う前に、試料ユニット１５内に配置されたヒータによって、試料ユニット１５内および試料表面１６ａに付着した水分除去することができる。このヒータによって、水分等の影響を低減することが可能となり、より高精度に試料中の元素分析が可能となる。
【００５５】
また、本実施形態の元素分析装置によれば、蛍光集光レンズ２３から遠い方に形成された蛍光観察窓２５によって、パルスレーザ光３を試料表面１６ａに照射している状況を目視確認（モニタリング）することができる。一方の蛍光観察窓２５でモニタリングしながら、蛍光集光レンズ２３に近い側のもう一方の蛍光観察窓２５を介して蛍光集光レンズ２３へ集光することができる。
【００５６】
これにより、パルスレーザ光３の照射状態を容易に確認することができる。
【００５７】
レーザ光照射ユニット１０において、パルスレーザ光３を試料表面１６ａへ照射する位置と、この位置で発生する蛍光２２との相関評価が重要となる。本実施形態によれば、レーザ光集光レンズ６に光学顕微鏡で用いる光学系（対物レンズ）を用いているため、レーザ光集光レンズ６を光学顕微鏡として用いることもできる。よって、このレーザ光集光レンズ６により、試料表面１６ａの分析対象となる位置を予め容易に設定することができる。
【００５８】
また、モニタカメラ３３によって、試料表面１６ａへのパルスレーザ光３を照射している状況をモニタリングできる。このモニタカメラ３３により、試料表面１６ａの分析対象となる位置を予め設定することも可能である。
【００５９】
これらの手法により、試料表面１６ａ上の設定した位置にパルスレーザ光３を照射する照準を容易に合わせることができる。設定した位置に照準を合わせてパルスレーザ光３を照射して、元素分析を行う。測定後においても、光学顕微鏡またはモニタカメラ３３によって試料表面１６ａの照射領域の状態を再度確認することが可能となる。
【００６０】
レーザ光照射ユニット１０において、パルスレーザ光３の集光位置および蛍光計測のレーザ光軸方向の高さ位置を厳密に調整し設定する必要がある。また、試料表面１６ａの元素分布のマッピングには、試料表面１６ａの正確な位置を把握することが重要となる。本実施形態では、微動ステージ３４によって、測定試料の正確な位置を設定することが可能である。
【００６１】
本実施形態では、レーザ光集光レンズ６の外枠に、蛍光集光ユニット１３のリング１３ｂが取り付けられている。このため、レーザ光集光レンズ６の焦点を合わせるために、試料ユニット１５を微動ステージ３４により上下移動した場合においても、レーザ光集光レンズ６と蛍光集光ユニット１３との空間的な相対位置が保持される。これにより、蛍光２２を高感度に検出可能な位置を保持することが可能になる。
【００６２】
［第２の実施形態］
本発明に係る元素分析装置の第２の実施形態について、図６および図７を用いて説明する。図６は、本実施形態の元素分析装置の構成の一部を示す正面図である。図７は、図６の上面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。
【００６３】
本実施形態では、蛍光集光レンズ２３（図１〜図４）を介さずに、蛍光を直接、蛍光伝送用光ファイバ２６に入射するように構成されている。分析対象の元素によっては、蛍光集光レンズ２３を用いなくても、蛍光伝送用光ファイバ２６に入射できるものもある。
【００６４】
これにより、元素分析装置をより簡素化し、より効率的に分析することが可能になる。
【００６５】
［第３の実施形態］
本発明に係る元素分析装置の第３の実施形態について、図８を用いて説明する。図８は、本発明に係る第３の実施形態の元素分析装置の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。
【００６６】
本実施形態では、レーザ発振器１で発生させたパルスレーザ光３は、光ファイバ入射光学系３９を介してレーザ光伝送用光ファイバ４１に入射される。このレーザ光伝送用光ファイバ４１を介してパルスレーザ光３はコリメータレンズ４０に入射される。コリメータレンズ４０を透過したパルスレーザ光３は、ダイクロイックミラー１１で反射されて、第１の実施形態と同様に、試料表面１６ａに照射される。
【００６７】
これにより、レーザ発振器１の持ち込みが困難な場所にある分析対象に対しても、その場での元素分析を行うことが可能となる。
【００６８】
［その他の実施形態］
上記の実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成はこれらの実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００６９】
上記の第１〜第３の実施形態では、レーザ発振器１にはＹＡＧレーザ発振器が適用されているが、これに限らない。レーザブレイクダウンが可能なパルスレーザであれば、例えばエキシマレーザやＣＯ２レーザなどを用いることもできる。
【００７０】
また、第１〜第３の実施形態の特徴を組み合わせることも可能である。例えば第２の実施形態の元素分析装置に、第３の実施形態の特徴である光ファイバを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の元素分析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の試料ユニットおよび蛍光集光ユニットの詳細を示す正面図である。
【図３】図２の上面図である。
【図４】図１の試料、蛍光集光レンズ、および蛍光伝送用光ファイバの相対的な位置関係を示す概略上面図である。
【図５】図２の試料ユニットの概略立断面図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態の元素分析装置の構成の一部を示す正面図である。
【図７】図６の上面図である。
【図８】本発明に係る第３の実施形態の元素分析装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７２】
１…レーザ発振器、２…レーザ電源、３…パルスレーザ光、４…反射ミラー、５…光軸調整ミラー、６…レーザ光集光レンズ、７…アライメント用照明器、８…アライメント用照明光、９…ハーフミラー、１０…レーザ光照射ユニット、１１…ダイクロイックミラー、１２…筐体、１３…蛍光集光ユニット、１３ａ…アーム、１３ｂ…リング、１４…レーザ照射窓、１５…試料ユニット、１６…試料、１６ａ…試料表面、１７…試料ホルダ、１８…試料ホルダ固定台、１９…バッファガス導入口、２０…バッファガス排出口、２１…レーザ生成プラズマ、２２…蛍光、２３…蛍光集光レンズ、２４…蛍光伝送用光ファイバスリーブ、２５…蛍光観察窓、２６…蛍光伝送用光ファイバ、２７…蛍光検出器、２８…蛍光信号、２９…計測制御用コンピュータ、３０…ゲート信号、３１…タイミングコントローラ、３２…タイミング信号、３３…モニタカメラ、３４…微動ステージ、３５…固定ねじ、３６…支柱、３７…ヒータ挿入孔、３８…固定スリーブ、３９…光ファイバ入射光学系、４０…コリメータレンズ、４１…レーザ光伝送用光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ誘起ブレイクダウン法を用いた元素分析装置およびその分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料中に含まれる各種元素を検出して定量する元素分析は、多くの分野で用いられている技術である。例えば、鉄鋼の生産ラインでは、製品に含有される不純物元素を管理することは必須の工程である。
【０００３】
鉄鋼成分の元素分析では、先ず銑鉄をサンプリングし、分析装置で測定可能な形状に試料を切り出す。その後に、例えばスパーク分光分析装置などによって含有する炭素（Ｃ）や硫黄（Ｓ）などの軽元素から重金属元素までを、生産ラインとは別の場所で分析している。
【０００４】
また、今後、拡大が予想される水素エネルギ利用で問題となる金属材料の水素脆化の評価においても、水素（Ｈ）の迅速定量分析技術の開発が望まれている。この水素分析は、金属試料をサンプリングして分析装置に合わせた形に試料を切り出した後に高温燃焼させて、この高温燃焼によって発生するガスの成分を分析している。このような元素分析方法では、サンプリングや試料の加工、その後のオフライン分析などに多くの時間を必要とする。
【０００５】
一方、鉄鋼生産や鉄鋼取り扱いの現場では、ライン上で短時間に構成元素の成分が分析可能な手法が要求されている。
【０００６】
この手法の一つとして、レーザ光を用いたレーザ誘起ブレイクダウン分光法（Laser-induced Breakdown Spectroscopy；以下ＬＩＢＳ法と称す。）が開発されている。このＬＩＢＳ法では、例えば特許文献１および特許文献２に開示されているように、パルスレーザ光を測定試料に直接照射してプラズマを発生させる。このプラズマから発生するプラズマ光を分光し、原子固有の波長の発光を検出することによって、試料中の元素の種類、元素の量等を検出できる。このため、試料の前処理が不要で、迅速且つ簡便な元素分析が可能である。
【特許文献１】特開２００４−２０５２６６号公報
【特許文献２】特開２０００−３１０５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＬＩＢＳ法は、元素から発生する蛍光を測定対象としている。この蛍光には、レーザ光照射により試料表面のレーザ光照射領域の蒸発した原子が発する原子固有の発光と、雰囲気ガス中に含まれる原子の発光が含まれる。
【０００８】
ＬＩＢＳ法では、レーザ光の集光は１枚ないし複数枚のレンズで集光し、照射領域の大きさは直径が数１００μｍ程度であることが一般的である。したがって、発生する蛍光はこの数１００μｍの領域で発生する。
【０００９】
一方、試料の組成が多成分系の場合、数１００μｍ以下の微小な領域で、元素成分比が異なる場合も多い。また、水素化物のようなデンドライトは１００μｍ以下の微小領域で形成される。このような微小領域で元素分析を行うためには、レーザ照射領域をより小さくする必要がある。
【００１０】
また、分析対象とする元素によっては、雰囲気を空気以外のガス置換することも必要となる。発光するプラズマ光中の元素発光は、空間分布があり、生成するプラズマの空間位置において、分析対象元素により発光強度の高い位置が異なる。このため、生成される蛍光中に含まれる元素毎の発光を詳細に測定するためには、分析対象元素に適した蛍光計測条件を設定可能な蛍光計測装置が必要である。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＬＩＢＳ法を用いてより多くの元素を高精度に分析できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため本発明に係る元素分析装置は、試料に含有される元素濃度を分析する元素分析装置において、前記試料に照射するとプラズマが発生するレーザ光を生成するレーザ光発振装置と、前記レーザ光を伝送するレーザ光伝送部と、前記レーザ光伝送部により伝送された前記レーザ光を、レーザ光集光用レンズにより試料表面上で、最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光可能に構成されたレーザ光集光部と、前記レーザ光集光部で集光された前記レーザ光を、前記集光領域に照射するレーザ光照射部と、前記レーザ光照射部のレーザ光照射側に配置されて、内部に前記試料を設置可能に構成されて、レーザ光照射を受ける前記試料表面の雰囲気を気密に保持された試料配置部と、前記プラズマから発生する蛍光のうち前記試料表面から前記光軸方向に所定の距離だけ離れた位置から放出される蛍光を集光する蛍光集光部と、前記蛍光集光部で集光した前記蛍光の波長およびこの波長の強度に基づいて、元素含有量を定量する手段と、を有する。
【００１３】
また、本発明に係る元素分析方法は、試料に含有される元素濃度を分析する元素分析方法において、パルスレーザ光が前記試料表面上で、最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光するように調整する集光領域調整工程と、前記照射領域調整工程の後に、前記集光領域に前記パルスレーザ光を照射するレーザ光照射工程と、前記プラズマ光から発生する蛍光の一部を集光する蛍光検出工程と、集光された前記蛍光の元素含有量を定量する元素分析工程と、を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ＬＩＢＳ法を用いてより多くの元素を高精度に分析できるようにすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る元素分析装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
［第１の実施形態］
本発明に係る元素分析装置の第１の実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る第１の実施形態の元素分析装置の構成を示すブロック図である。図２は、図１の試料ユニット１５および蛍光集光ユニット１３の詳細を示す正面図である。図３は、図２の上面図である。図４は、試料１６、蛍光集光レンズ２３、および蛍光伝送用光ファイバ２６の相対的な位置関係を示す概略上面図である。図５は、図２の試料ユニット１５の立断面図である。
【００１８】
先ず、本実施形態の元素分析装置の構成について説明する。
【００１９】
本実施の形態の元素分析装置は、固体の試料１６の表面（試料表面１６ａ）に含まれる成分元素を分析する装置である。この元素分析装置は、レーザ発振器１、レーザ電源２、タイミングコントローラ３１、蛍光検出器２７、および計測制御用コンピュータ２９を有している。
【００２０】
レーザ発振器１は、例えばＹＡＧレーザ等のパルスレーザ光３を発振する発振器である。このレーザ発振器１はレーザ電源２に接続されている。レーザ電源２は、タイミングコントローラ３１に接続されている。蛍光検出器２７は元素分析を行うための蛍光を検出する装置であって、計測制御用コンピュータ２９を介してタイミングコントローラ３１に接続されている。
【００２１】
また、元素分析装置は、レーザ光照射ユニット１０、試料ユニット１５、蛍光集光ユニット１３、およびモニタカメラ３３を有している。
【００２２】
レーザ光照射ユニット１０は、レーザ光を反射させる反射ミラー４、光軸を調整するための光軸調整ミラー５を有する。このレーザ光照射ユニット１０の一部は、筐体１２に固定されており、この筐体１２には、ダイクロイックミラー１１、レーザ光集光レンズ６、パルスレーザ光３の集光位置を調節可能な微動ステージ３４が配置されている。なお、図１では、ダイクロイックミラー１１の固定方法等の図示は省略している。
【００２３】
ダイクロイックミラー１１は、これに入射するパルスレーザ光３の全部またはほとんどを反射して、可視光の一部を透過させる特性を有している。
【００２４】
レーザ光集光レンズ６は、入射されたパルスレーザ光３を試料表面１６ａに集光させる機能を有している。このレーザ光集光レンズ６は、例えば光学顕微鏡などに用いられる８０倍の対物レンズによって、試料表面１６ａのレーザ光照射領域の最大直径が約５０μｍ程度となるように構成されている。また、５０倍の対物レンズを用いるときは照射領域の最大直径は約８０μｍで、２０倍の対物レンズを用いるときは約２００μｍとなるように構成されている。本実施形態では、８０倍対物レンズを用いて、比較的微小な領域にパルスレーザ光３を集光させるように構成されている。なお、これら３種類の倍率の対物レンズが取付け可能であるが、これらに限らない。
【００２５】
モニタカメラ３３は、ダイクロイックミラー１１の上方で、このダイクロイックミラー１１と対向する位置に配置されている。このモニタカメラ３３には、レーザ光集光レンズ６の位置を移動したときに生じる焦点位置のシフトを補正する機能などが備えられている。
【００２６】
試料ユニット１５は、レーザ光照射ユニット１０におけるパルスレーザ光３の下流側に配置されている。図１の例ではレーザ光照射ユニット１０の下方に配置されている。この試料ユニット１５は、内部が気密に保たれた略直方体形状の容器で、内部には、試料１６を固定可能な試料ホルダ１７が配置されている。試料ホルダ１７は、試料ホルダ固定台１８に取り付けられている。試料ユニット１５の上面には、例えば光学ガラスなどにより形成されてレーザ光を透過させるレーザ照射窓１４が設けられている。
【００２７】
微動ステージ３４は、レーザ光集光レンズ６の焦点を試料表面１６ａに合わせるために、上下移動する機能を有している。
【００２８】
さらに、レーザ光軸に沿った側面には、内部の雰囲気を所望のバッファガスに置換するためのバッファガス導入口１９と、内部のバッファガスを排気するためのバッファガス排気口２０が形成されている。図１および図２では、バッファガス導入口１９およびバッファガス排気口２０の開口位置等の詳細な図示は省略している。図４および図５に示すように、バッファガス導入口１９は、試料ユニット１５の側面に形成されて、バッファガス排気口２０は、バッファガス導入口１９が形成された側面に対向する側面に形成されている。
【００２９】
試料ユニット１５内には、バッファガスがバッファガス導入口１９から供給されてバッファガス排気口２０から排気されるように構成されたバッファガス流路が形成される。試料ホルダ１７は、このバッファガス流路の底面に分析対象となる試料１６を複数設置可能になるように配置されている。図４および図５では、３つの試料１６が、バッファガスの流路に沿って配列された例を示している。
【００３０】
試料ユニット１５の内部雰囲気の水分を排除して試料１６中の水素や酸素を検出する場合には、バッファガスとして例えばＨｅガスなどが用いられる。
【００３１】
バッファガス導入口１９と垂直な試料ユニット１５の両側の側面には、レーザ光照射によって発生するレーザ生成プラズマ２１の蛍光を蛍光集光ユニット１３に透過させる蛍光観察窓２５が形成されている。これらの蛍光観察窓２５は、互いに対向するように形成されている。
【００３２】
また、試料ユニット１５内には、カートリッジヒータやシーズヒータ等のヒータ（図示せず）が取り付け可能に構成されている。ヒータの図示は省略しているが、このヒータは、図２に示す試料ユニット１５の側面に形成されたヒータ挿入孔３７から、試料ユニット１５内に設置することができるように構成されている。
【００３３】
蛍光集光ユニット１３は、蛍光集光レンズ２３、この蛍光集光レンズ２３で集光された蛍光を蛍光検出器２７に導光する蛍光伝送用光ファイバ２６、この蛍光伝送用光ファイバ２６を支持する蛍光伝送用光ファイバスリーブ２４、および蛍光伝送用光ファイバスリーブ２４を固定する固定スリーブ３８を有する。図２〜図４では、２枚の蛍光集光レンズ２３を有する例を示している。なお、図１では、１枚の蛍光集光レンズ２３のみを図示し、もう１枚の蛍光集光レンズ２３は省略している。
【００３４】
蛍光集光ユニット１３は、図２に示すように、パルスレーザ光３の光軸に対してほぼ垂直な方向（水平方向）に延びたアーム１３ａを有する。このアーム１３ａは、レーザ光集光レンズ６の外枠を取り囲むリング１３ｂに接続されている。
【００３５】
このアーム１３ａには、２枚の蛍光集光レンズ２３をそれぞれ固定するための支柱３６が配置されている。２枚の蛍光集光レンズ２３は、水平方向に並んで配列されて、これらの光軸はアーム１３ａとほぼ平行、すなわち水平方向になるように配置されている。
【００３６】
蛍光集光レンズ２３を固定する支柱３６は、アーム１３ａに沿って水平方向に移動可能に構成されている。支柱３６は、水平移動させて固定する位置が定まった後に、固定ねじ３５等によって固定される。
【００３７】
これらの蛍光集光レンズ２３は、支柱３６をアーム１３ａに沿って水平移動させることによって、焦点を調整できるように構成されている。これらの蛍光集光レンズ２３の焦点は、試料ユニット１５の一方の側面に形成された蛍光観察窓２５を介して試料ユニット１５内部に合うように設定されている。
【００３８】
試料ユニット１５に遠い方の蛍光集光レンズ２３と対向する位置には、蛍光集光レンズ２３で集光した蛍光が入射される蛍光伝送用光ファイバ２６が配置されている。上記の通り、この蛍光伝送用光ファイバ２６は蛍光伝送用光ファイバスリーブ２４によって支持されて、この蛍光伝送用光ファイバスリーブ２４は固定スリーブ３８によって固定される。固定スリーブ３８は、支柱３６を介して固定ねじ３５などによりアーム１３ａに取り付けられている。
【００３９】
アーム１３ａは、レーザ光集光レンズ６の外枠を取り囲むリング１３ｂに接続されているため、レーザ光集光レンズ６を微動ステージ３４などにより上下方向に移動させると、この上下移動に伴って蛍光集光ユニット１３全体も上下移動可能に構成されている。
【００４０】
この蛍光集光レンズ２３は、図２に示すように、パルスレーザ光３を照射することによって生成する試料１６からのレーザ生成プラズマ２１の像を、蛍光伝送用光ファイバ２４の入射面に任意の拡大率で結像させて、所望のプラズマ光の特定場所の光のみを蛍光検出器２７へ導光する。なお、図２では、試料表面１６ａ付近のパルスレーザ光３の図示を省略している。
【００４１】
なお、この元素分析装置には、パルスレーザ光３の焦点合わせなどを補助するためのアライメント用照明器７と、このアライメント用照明器７で発生するアライメント用照明光８を試料表面１６ａ等に照射するためのハーフミラー９を有する。
【００４２】
続いて、パルスレーザ光の流れについて説明する。
【００４３】
レーザ発振器１から発振されたパルスレーザ光３は、反射ミラー４および光軸調整ミラー５で反射して、レーザ光軸がほぼ水平な状態でダイクロイックミラー１１に入射される。ダイクロイックミラー１１は、水平に入射されたパルスレーザ光３を９０度反射させて、鉛直下向き方向に光路変更させる。
【００４４】
ダイクロイックミラー１１で反射して鉛直下向きに光路変更されたパルスレーザ光３は、レーザ光集光用レンズ６によって、試料表面１６ａに集光される。
【００４５】
ダイクロイックミラー１１は、可視光を透過させる特性を有しているため、試料表面１６ａにパルスレーザ光３を照射したときに発生するレーザ生成プラズマ２１のプラズマ光を透過させることができる。したがって、モニタカメラ３３によって、このレーザ生成プラズマ２１等を観察することができる。
【００４６】
レーザ発振器１によって１つのパルスエネルギが１ｍＪ程度で、パルス幅５ｎｓ程度のパルスレーザ光３を試料表面１６ａに照射させる。この場合、このパルスレーザ光３の１パルスの出力は、０．２ＭＷ程度となる。
【００４７】
通常では、この程度の強度のパルスレーザ光３を試料表面１６ａに照射させてもレーザ生成プラズマ２１は形成されない。これを、レーザ光集光レンズ６によって、照射領域を数μｍ〜数１００μｍ程度の大きさに集光させると、いわゆるブレイクダウンの閾値を超えて、試料表面１６ａの一部がプラズマ化する。この場合、例えば８０倍の対物レンズを用いることによって、照射領域の最大直径を５０μｍ程度に設定することで、レーザ生成プラズマ２１を形成させることができる。
【００４８】
このようにしてレーザ生成プラズマ２１が発生すると、このレーザ生成プラズマ２１は、パルスレーザ光３の照射終了と共に再結合が始まり、数μｓ〜数十μｓの間は、試料表面１６ａの構成元素が励起状態の原子となる。この励起状態の原子は、下準位に遷移するときに原子数に比例した蛍光２２を放出する。
【００４９】
この蛍光２２のうち、レーザ生成プラズマ２１の計測領域で発生したもののみを、蛍光集光ユニット１３の蛍光集光レンズ２３で集光させて、蛍光伝送用光ファイバ２６を介して蛍光検出器２７に入射させる。蛍光検出器２７に入射した蛍光２２は、蛍光２２の波長およびこの波長の強度の情報を電気信号に変換される。電気信号に変換された蛍光信号２８は、計測制御用コンピュータ２９に伝達される。
【００５０】
計測制御用コンピュータ２９は、タイミングコントローラ３１により出力されたタイミング信号３２から、所定時間だけ遅れた蛍光測定用のゲート信号３０を伝達する。これらの信号伝達によって、計測制御用コンピュータ２９は、レーザ光照射後の特定の時間帯に生成された蛍光２２のみを計測し、この蛍光２２の元素分析を行う。
【００５１】
以上の説明からわかるように、本実施形態では、試料表面１６ａに対して、測定対象元素を分析する領域を、最大直径が数１００μｍ程度の微小領域になるように設定して、レーザ生成プラズマ２１の蛍光２２の測定領域と測定時間を最適化する。これによりパルスレーザ光３を照射した後の特定の時間帯において、レーザ生成プラズマ２１中の特定位置の蛍光２２を計測する。
【００５２】
これにより、試料表面１６ａの微小領域における測定対象の元素から放出される蛍光２２を高感度且つ高Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）で計測することができ、微小領域におけるレーザ誘起ブレイクダウン分光法による元素分析が可能となる。したがって、より多くの種類の元素を高精度に分析できるようにすることが可能になる。
【００５３】
試料１６中の水素や酸素の成分を高精度に分析する場合には、空気中に存在する水分の影響を排除する必要がある。本実施形態の元素分析装置によれば、バッファガスをバッファガス導入口１９から試料ユニット１５内に供給し続けて、バッファガス排気口２０から排気することにより、試料ユニット１５内をバッファガスに置換することができる。試料１６が設置された雰囲気をバッファガスで置換することによって、空気中に存在する水分などの影響を排除することが可能になる。
【００５４】
一般に、空気中におかれた試料表面１６ａには水分が多く吸着しており、この水分が測定の大きな妨げとなる。本実施形態によれば、試料１６へのレーザ照射を行う前に、試料ユニット１５内に配置されたヒータによって、試料ユニット１５内および試料表面１６ａに付着した水分除去することができる。このヒータによって、水分等の影響を低減することが可能となり、より高精度に試料中の元素分析が可能となる。
【００５５】
また、本実施形態の元素分析装置によれば、蛍光集光レンズ２３から遠い方に形成された蛍光観察窓２５によって、パルスレーザ光３を試料表面１６ａに照射している状況を目視確認（モニタリング）することができる。一方の蛍光観察窓２５でモニタリングしながら、蛍光集光レンズ２３に近い側のもう一方の蛍光観察窓２５を介して蛍光集光レンズ２３へ集光することができる。
【００５６】
これにより、パルスレーザ光３の照射状態を容易に確認することができる。
【００５７】
レーザ光照射ユニット１０において、パルスレーザ光３を試料表面１６ａへ照射する位置と、この位置で発生する蛍光２２との相関評価が重要となる。本実施形態によれば、レーザ光集光レンズ６に光学顕微鏡で用いる光学系（対物レンズ）を用いているため、レーザ光集光レンズ６を光学顕微鏡として用いることもできる。よって、このレーザ光集光レンズ６により、試料表面１６ａの分析対象となる位置を予め容易に設定することができる。
【００５８】
また、モニタカメラ３３によって、試料表面１６ａへのパルスレーザ光３を照射している状況をモニタリングできる。このモニタカメラ３３により、試料表面１６ａの分析対象となる位置を予め設定することも可能である。
【００５９】
これらの手法により、試料表面１６ａ上の設定した位置にパルスレーザ光３を照射する照準を容易に合わせることができる。設定した位置に照準を合わせてパルスレーザ光３を照射して、元素分析を行う。測定後においても、光学顕微鏡またはモニタカメラ３３によって試料表面１６ａの照射領域の状態を再度確認することが可能となる。
【００６０】
レーザ光照射ユニット１０において、パルスレーザ光３の集光位置および蛍光計測のレーザ光軸方向の高さ位置を厳密に調整し設定する必要がある。また、試料表面１６ａの元素分布のマッピングには、試料表面１６ａの正確な位置を把握することが重要となる。本実施形態では、微動ステージ３４によって、測定試料の正確な位置を設定することが可能である。
【００６１】
本実施形態では、レーザ光集光レンズ６の外枠に、蛍光集光ユニット１３のリング１３ｂが取り付けられている。このため、レーザ光集光レンズ６の焦点を合わせるために、試料ユニット１５を微動ステージ３４により上下移動した場合においても、レーザ光集光レンズ６と蛍光集光ユニット１３との空間的な相対位置が保持される。これにより、蛍光２２を高感度に検出可能な位置を保持することが可能になる。
【００６２】
［第２の実施形態］
本発明に係る元素分析装置の第２の実施形態について、図６および図７を用いて説明する。図６は、本実施形態の元素分析装置の構成の一部を示す正面図である。図７は、図６の上面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。
【００６３】
本実施形態では、蛍光集光レンズ２３（図１〜図４）を介さずに、蛍光を直接、蛍光伝送用光ファイバ２６に入射するように構成されている。分析対象の元素によっては、蛍光集光レンズ２３を用いなくても、蛍光伝送用光ファイバ２６に入射できるものもある。
【００６４】
これにより、元素分析装置をより簡素化し、より効率的に分析することが可能になる。
【００６５】
［第３の実施形態］
本発明に係る元素分析装置の第３の実施形態について、図８を用いて説明する。図８は、本発明に係る第３の実施形態の元素分析装置の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。
【００６６】
本実施形態では、レーザ発振器１で発生させたパルスレーザ光３は、光ファイバ入射光学系３９を介してレーザ光伝送用光ファイバ４１に入射される。このレーザ光伝送用光ファイバ４１を介してパルスレーザ光３はコリメータレンズ４０に入射される。コリメータレンズ４０を透過したパルスレーザ光３は、ダイクロイックミラー１１で反射されて、第１の実施形態と同様に、試料表面１６ａに照射される。
【００６７】
これにより、レーザ発振器１の持ち込みが困難な場所にある分析対象に対しても、その場での元素分析を行うことが可能となる。
【００６８】
［その他の実施形態］
上記の実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成はこれらの実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００６９】
上記の第１〜第３の実施形態では、レーザ発振器１にはＹＡＧレーザ発振器が適用されているが、これに限らない。レーザブレイクダウンが可能なパルスレーザであれば、例えばエキシマレーザやＣＯ２レーザなどを用いることもできる。
【００７０】
また、第１〜第３の実施形態の特徴を組み合わせることも可能である。例えば第２の実施形態の元素分析装置に、第３の実施形態の特徴である光ファイバを用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の元素分析装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の試料ユニットおよび蛍光集光ユニットの詳細を示す正面図である。
【図３】図２の上面図である。
【図４】図１の試料、蛍光集光レンズ、および蛍光伝送用光ファイバの相対的な位置関係を示す概略上面図である。
【図５】図２の試料ユニットの概略立断面図である。
【図６】本発明に係る第２の実施形態の元素分析装置の構成の一部を示す正面図である。
【図７】図６の上面図である。
【図８】本発明に係る第３の実施形態の元素分析装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７２】
１…レーザ発振器、２…レーザ電源、３…パルスレーザ光、４…反射ミラー、５…光軸調整ミラー、６…レーザ光集光レンズ、７…アライメント用照明器、８…アライメント用照明光、９…ハーフミラー、１０…レーザ光照射ユニット、１１…ダイクロイックミラー、１２…筐体、１３…蛍光集光ユニット、１３ａ…アーム、１３ｂ…リング、１４…レーザ照射窓、１５…試料ユニット、１６…試料、１６ａ…試料表面、１７…試料ホルダ、１８…試料ホルダ固定台、１９…バッファガス導入口、２０…バッファガス排出口、２１…レーザ生成プラズマ、２２…蛍光、２３…蛍光集光レンズ、２４…蛍光伝送用光ファイバスリーブ、２５…蛍光観察窓、２６…蛍光伝送用光ファイバ、２７…蛍光検出器、２８…蛍光信号、２９…計測制御用コンピュータ、３０…ゲート信号、３１…タイミングコントローラ、３２…タイミング信号、３３…モニタカメラ、３４…微動ステージ、３５…固定ねじ、３６…支柱、３７…ヒータ挿入孔、３８…固定スリーブ、３９…光ファイバ入射光学系、４０…コリメータレンズ、４１…レーザ光伝送用光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に含有される元素濃度を分析する元素分析装置において、
前記試料に照射するとプラズマが発生するレーザ光を生成するレーザ光発振装置と、
前記レーザ光を伝送するレーザ光伝送部と、
前記レーザ光伝送部により伝送された前記レーザ光を、レーザ光集光用レンズにより試料表面上で、最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光可能に構成されたレーザ光集光部と、
前記レーザ光集光部で集光された前記レーザ光を、前記集光領域に照射するレーザ光照射部と、
前記レーザ光照射部のレーザ光照射側に配置されて、内部に前記試料を設置可能に構成されて、レーザ光照射を受ける前記試料表面の雰囲気を気密に保持された試料配置部と、
前記プラズマから発生する蛍光のうち前記試料表面から前記光軸方向に所定の距離だけ離れた位置から放出される蛍光を集光する蛍光集光部と、
前記蛍光集光部で集光した前記蛍光の波長およびこの波長の強度に基づいて、元素含有量を定量する手段と、
を有することを特徴とする元素分析装置。
【請求項２】
前記試料配置部は、
前記試料配置部内の雰囲気を置換するためのバッファガスを供給するバッファガス供給口と、
前記試料配置部内の前記バッファガスを排出するバッファガス排出口と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の元素分析装置。
【請求項３】
前記試料配置部は、前記プラズマを前記光軸方向に交わる方向から視認可能なプラズマ観測窓が形成されていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の元素分析装置。
【請求項４】
前記試料配置部は、前記試料配置部内を加熱して前記試料に付着した水分を除去するためのヒータが取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項５】
前記レーザ光集光用レンズを介して前記試料表面を観察可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項６】
前記試料表面が前記光軸方向に沿って移動可能に構成された試料移動機構を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項７】
前記レーザ光の光路と交わるように配置されて、所定の波長帯を反射させて可視光の一部を透過するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーに対して前記試料と反対側に配置されたモニタ用カメラと、
を有し、
前記モニタ用カメラによって、前記試料表面およびプラズマを視認可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項８】
前記蛍光集光部および前記レーザ光用集光レンズを互いに固定して、前記蛍光を集光する位置と、前記レーザ光集光位置との相対位置が所定の距離を保持するように固定したことを特徴する請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項９】
前記蛍光集光部には、複数の蛍光集光用レンズが配置されて、
前記プラズマの像を前記蛍光分光用光ファイバの入射面に、前記蛍光集光用レンズにより所定の拡大率で結像させて、所定の領域の蛍光のみを前記蛍光分光用光ファイバに導光することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項１０】
前記レーザ伝送部は、光ファイバにより前記レーザ光を伝送するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項１１】
試料に含有される元素濃度を分析する元素分析方法において、
パルスレーザ光が前記試料表面上で、最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光するように調整する集光領域調整工程と、
前記照射領域調整工程の後に、前記集光領域に前記パルスレーザ光を照射するレーザ光照射工程と、
前記プラズマ光から発生する蛍光の一部を集光する蛍光検出工程と、
集光された前記蛍光の元素含有量を定量する元素分析工程と、
を有することを特徴とする元素分析方法。
【請求項１２】
前記レーザ光を集光するためのレーザ光集光用レンズで、前記試料表面を観察する試料表面観察工程を有することを特徴とする請求項１１に記載の元素分析方法。
【請求項１３】
前記元素分析工程および試料表面観察工程を並行して行うことを特徴とする請求項１２に記載の元素分析方法。
【請求項１】
試料に含有される元素濃度を分析する元素分析装置において、
前記試料に照射するとプラズマが発生するレーザ光を生成するレーザ光発振装置と、
前記レーザ光を伝送するレーザ光伝送部と、
前記レーザ光伝送部により伝送された前記レーザ光を、レーザ光集光用レンズにより試料表面上で、最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光可能に構成されたレーザ光集光部と、
前記レーザ光集光部で集光された前記レーザ光を、前記集光領域に照射するレーザ光照射部と、
前記レーザ光照射部のレーザ光照射側に配置されて、内部に前記試料を設置可能に構成されて、レーザ光照射を受ける前記試料表面の雰囲気を気密に保持された試料配置部と、
前記プラズマから発生する蛍光のうち前記試料表面から前記光軸方向に所定の距離だけ離れた位置から放出される蛍光を集光する蛍光集光部と、
前記蛍光集光部で集光した前記蛍光の波長およびこの波長の強度に基づいて、元素含有量を定量する手段と、
を有することを特徴とする元素分析装置。
【請求項２】
前記試料配置部は、
前記試料配置部内の雰囲気を置換するためのバッファガスを供給するバッファガス供給口と、
前記試料配置部内の前記バッファガスを排出するバッファガス排出口と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の元素分析装置。
【請求項３】
前記試料配置部は、前記プラズマを前記光軸方向に交わる方向から視認可能なプラズマ観測窓が形成されていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の元素分析装置。
【請求項４】
前記試料配置部は、前記試料配置部内を加熱して前記試料に付着した水分を除去するためのヒータが取り付けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項５】
前記レーザ光集光用レンズを介して前記試料表面を観察可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項６】
前記試料表面が前記光軸方向に沿って移動可能に構成された試料移動機構を有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項７】
前記レーザ光の光路と交わるように配置されて、所定の波長帯を反射させて可視光の一部を透過するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーに対して前記試料と反対側に配置されたモニタ用カメラと、
を有し、
前記モニタ用カメラによって、前記試料表面およびプラズマを視認可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項８】
前記蛍光集光部および前記レーザ光用集光レンズを互いに固定して、前記蛍光を集光する位置と、前記レーザ光集光位置との相対位置が所定の距離を保持するように固定したことを特徴する請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項９】
前記蛍光集光部には、複数の蛍光集光用レンズが配置されて、
前記プラズマの像を前記蛍光分光用光ファイバの入射面に、前記蛍光集光用レンズにより所定の拡大率で結像させて、所定の領域の蛍光のみを前記蛍光分光用光ファイバに導光することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項１０】
前記レーザ伝送部は、光ファイバにより前記レーザ光を伝送するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の元素分析装置。
【請求項１１】
試料に含有される元素濃度を分析する元素分析方法において、
パルスレーザ光が前記試料表面上で、最大直径が５０μｍ以上で２００μｍ以下の領域内に集光するように調整する集光領域調整工程と、
前記照射領域調整工程の後に、前記集光領域に前記パルスレーザ光を照射するレーザ光照射工程と、
前記プラズマ光から発生する蛍光の一部を集光する蛍光検出工程と、
集光された前記蛍光の元素含有量を定量する元素分析工程と、
を有することを特徴とする元素分析方法。
【請求項１２】
前記レーザ光を集光するためのレーザ光集光用レンズで、前記試料表面を観察する試料表面観察工程を有することを特徴とする請求項１１に記載の元素分析方法。
【請求項１３】
前記元素分析工程および試料表面観察工程を並行して行うことを特徴とする請求項１２に記載の元素分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−３８５６０（Ｐ２０１０−３８５６０Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９８３４３（Ｐ２００８−１９８３４３）
【出願日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５０３３８２５４２）東芝電子管デバイス株式会社 (369)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月３１日（２００８．７．３１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（５０３３８２５４２）東芝電子管デバイス株式会社 (369)
【Ｆターム（参考）】
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