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発生気体分析装置
説明

発生気体分析装置

【課題】加熱して発生したガスの分析精度をより高める。
【解決手段】発生気体分析装置10は、先細りの先端側に第1オリフィス22があり他端側にガス供給管26が接続された筒状体の試料セル20と、先細りの先端側に第2オリフィス52があり他端側に四重極質量分析器62が配設された筒状体のスキマー部51と、をオリフィス側で対向させ減圧室30に内包した状態で配設している。減圧室30は、拡散ポンプ33及びロータリポンプ34で減圧される。試料セル20は、高耐熱性材料(アルミナなど)により取り外し可能に配設されており、試料ホルダ23を接続管24側から試料セル20に挿入することにより試料を配置する。この発生気体分析装置10はで、減圧室30を減圧することにより対向した両オリフィスの間の試料ガスの移動を分子流領域で行うことが可能であり、試料ガスの不要な拡散を抑制可能である。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発生気体分析装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、発生気体分析装置としては、図12に示すように、先端に細孔452を設けた第1スキマー451とこの第1スキマー451の外側に配置され先端に細孔472を設けた第2スキマー471からなる二重スキマーの中間空間をポンプ473,474で減圧すると共に第1スキマー451の内部をポンプ463,464で更に低真空に減圧し、隣接する試料室420の試料ホルダ423に載置した測定試料を加熱炉440により加熱して発生する気体成分(試料ガス)をキャリアガス流Sで細孔472,452から導入する大気圧・低真空・高真空室のインタフェース方式を用い、第1スキマー451を介して高真空の測定室450に導入された気体成分を分析器462により分析することにより、高感度分析する発生気体分析装置410が提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2003−36809号公報
【特許文献2】特開2005−127931号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、この特許文献1,2に記載された発生気体分析装置では、二重スキマーの外側が大気圧であり、かつ試料を加熱して高温であるため、二重スキマーを介して導入された試料ガスに二重スキマーの外部の壁面などから脱離した不要成分が混入することがあり、測定を繰り返して行う場合などには、ベースが安定しないなど、試料ガスを正確に分析することができない場合があった。また、例えば、高温領域(例えば1000℃以上など)で発生する金属等の凝縮性ガスを測定しようとすると、スキマーの細孔が閉塞してしまうことがあり、このようなガスを精度よく分析することも困難であった。
【0005】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、加熱して発生したガスの分析精度をより高めることができる発生気体分析装置を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。
【0007】
即ち、本発明の発生気体分析装置は、
第1のオリフィスが設けられ該第1オリフィスと異なる位置にガスを供給する供給管が配設され、試料を配置する試料室と、
少なくとも前記試料室を加熱し前記試料から試料ガスを発生させる温度に加熱可能な加熱部と、
前記試料から生成した試料ガスを導入する第2のオリフィスと内部空間を減圧する測定室用減圧機と該導入された試料ガスを検出する検出器とが配設された測定室と、
前記試料室の第1オリフィスと前記測定室の第2オリフィスとが対向するように前記試料室と前記測定室とを内包して配設し該内包した空間を減圧する内包空間減圧機が配設されている減圧室と、
を備えたものである。
【0008】
この発生気体分析装置では、試料を配置した試料室の第1オリフィスと測定室の第2オリフィスとが対向するようにこれら試料室と測定室とを減圧室の内部に配設し、この内包した空間を減圧する。そして、試料室を加熱し試料から生成した試料ガスを第1オリフィス、内包空間、第2オリフィスを介して測定室へ導入してこれを検出する。このように、減圧室を減圧することにより第1オリフィスと第2オリフィスとの間の試料ガスの移動を減圧下、例えば分子流領域で行うことが可能であり、加熱して発生した試料ガス分子と減圧空間の残留成分分子との衝突や試料ガスに含まれる成分同士の衝突など、試料ガスの不要な拡散を抑制可能である。したがって、ガスの分析精度をより高めることができる。
【0009】
本発明の発生気体分析装置において、前記試料室は、先端側が先細りになる筒状体に形成されており該先端側に前記第1オリフィスが設けられ他端側に前記供給管が配設されて前記ガスが供給され、前記測定室は、前記試料室に向かって先細りになる筒状体に形成されており先端側に前記第2オリフィスが設けられ他端側に前記検出器が配設されているものとしてもよい。こうすれば、排気コンダクタンスを高めやすい。また、第1オリフィスと第2オリフィスとを形成しやすいし、第1オリフィスと第2オリフィスとを対向させやすいため、ガスの分析精度を高めやすい。
【0010】
本発明の発生気体分析装置において、前記試料室は、前記減圧室に設けられた貫通孔に外部から挿入され、取り外し可能に前記減圧室に配設される筒状体の試料セルであるものとしてもよい。こうすれば、試料室を交換しやすく、試料室を交換することにより試料室に付着した成分による測定誤差を抑制可能であり、ガスの分析精度を高めやすい。また、例えば、測定の繰り返しにより第1オリフィスが閉塞してしまったときにおいても、試料室を交換しやすく好ましい。このとき、前記試料室は、前記第1オリフィスが設けられ前記減圧室の貫通孔から挿入された供給管が配設されガスが供給可能なクヌッセンセルであるものとしてもよい。このとき、前記加熱部は、前記クヌッセンセルの外周に一体化して設けられているものとしてもよい。こうすれば、コンパクト化を図ることができる。
【0011】
本発明の発生気体分析装置において、前記試料室は、前記試料を載置した試料ホルダを前記他端側から挿入することにより前記試料を配置するものとしてもよい。こうすれば、より測定室側に試料を配置可能であるため、試料ガスを第2オリフィスを介して測定室へより導入しやすく、ひいてはガスの分析精度を高めやすい。また、繰り返しガス分析を行う際に試料室へ試料を配置しやすく、試料の取り替えが容易である。
【0012】
本発明の発生気体分析装置において、前記減圧室は、前記減圧室内を冷却して物質をトラップする冷却トラップが配設されているものとしてもよい。こうすれば、冷却トラップにより減圧室内の壁面から脱離する成分を除去することができるので、より高い検出精度でガス分析を実行することができる。ここで、冷却トラップとしては、冷媒を有しているものとすればよく、例えば、液体窒素トラップとしてもよいし、水冷トラップとしてもよい。
【0013】
本発明の発生気体分析装置において、前記減圧室は、前記第1オリフィスと前記第2オリフィスと前記検出器とが直線上に配置されるよう前記測定室と前記試料室とが配設されているものとしてもよい。こうすれば、試料室から導入された試料ガスが検出器に到達しやすいため、ガスの分析精度を一層高めることができる。この点について、例えば、高温領域(例えば1000℃以上など)で発生する金属等の凝縮性ガスを試料室から検出器へ導入する際に有効である。このとき、前記減圧室は、更に前記測定室用減圧機が前記第1オリフィスと前記第2オリフィスと前記検出器と直線上に配置されるよう前記測定室と前記試料室とが配設されているものとしてもよい。こうすれば、試料室から導入された試料ガスが検出器を通過して除去され易いため、ガスの分析精度を更に高めることができる。
【0014】
本発明の発生気体分析装置において、前記測定室は、前記測定室用減圧機と前記検出器とが配設された検出部と、該検出部に設けられ先端側に前記第2オリフィスが形成され先細りになる筒状体に形成されたスキマー部とを有しているものとしてもよい。こうすれば、スキマー部を利用してオリフィスを形成しやすく、ひいてはガスの分析精度を高めやすい。このとき、本発明の発生気体分析装置は、前記スキマー部と前記減圧室との間に配設され前記第2オリフィス側に第3のオリフィスが設けられた外部スキマー部により形成され、内部空間を減圧する中間減圧機が配設された中間室、を備えたものとしてもよい。こうすれば、中間室で更に余剰の試料ガスを除去することができるため、より高い検出精度でガス分析を実行することができる。
【0015】
本発明の発生気体分析装置において、前記加熱部は、前記測定室のうち前記第2オリフィスが形成されている部位と、前記試料室とを加熱するよう該第2オリフィスが形成された部位と該試料室との外周側且つ前記減圧室に設けられているものとしてもよい。こうすれば、1つの加熱部により第2オリフィスと試料室及び第1オリフィスとを加熱可能であるため、第2オリフィス近傍での試料ガスの蓄積を抑制すると共に、構成を簡略化することができる。
【0016】
本発明の発生気体分析装置において、前記試料室は、石英及びアルミナから選ばれる1以上の部材により形成されているものとしてもよい。こうすれば、温度耐久性が高いため、より高温でガス分析測定を行うことができる。
【0017】
本発明の発生気体分析装置において、前記測定室用減圧機は、前記第2オリフィスから流入するガス流量よりも高い減圧能力を有しているものとしてもよい。こうすれば、測定室で試料ガスを測定しやすい。ここで、測定室用減圧機や内包空間減圧機、中間減圧機などの減圧機としては、例えば、ターボ分子ポンプや拡散ポンプ、ロータリーポンプ、クライオポンプなどから選ばれる1以上を任意に組み合わせて用いるものとしてもよい。
【0018】
本発明の発生気体分析装置において、前記内包空間減圧機は、前記試料室内の圧力が760Torr以下の範囲で前記試料ガスを発生したときに、前記減圧室の圧力を10-1Torr以下に保持する減圧能力を有しているものとしてもよい。こうすれば、試料室から測定室への試料ガスの導入を分子流にしやすい。
【0019】
本発明の発生気体分析装置において、前記測定室用減圧機は、前記試料室内の圧力が760Torr以下の範囲で前記試料ガスを発生したときに、前記測定室の圧力を1×10-3Torr以下に保持する減圧能力を有しているものとしてもよい。こうすれば、より微少な成分を含む試料ガスを精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の発生気体分析装置10の構成の概略を示す構成図である。
【図2】試料セル20及びスキマー部51の説明図である。
【図3】別の態様の発生気体分析装置110の構成の概略を示す構成図である。
【図4】発生気体分析装置210の構成の概略を示す構成図である。
【図5】発生気体分析装置310の構成の概略を示す構成図である。
【図6】発生気体分析装置10における窒素気流中でのm/z=18,32,44のバックグラウンド測定結果である。
【図7】発生気体分析装置410におけるHe気流中でのm/z=18のバックグラウンド測定結果である。
【図8】発生気体分析装置10における窒素気流中でのm/z=32の6N−窒素、酸素の測定スペクトルである。
【図9】発生気体分析装置10における窒素気流中での亜鉛アセチルアセトナート試料からのC10144Zn+昇温脱離スペクトルである。
【図10】発生気体分析装置10のHe気流中でのZn箔の昇温脱離スペクトルである。
【図11】発生気体分析装置10のHe気流中でのAg箔の昇温脱離スペクトルである。
【図12】発生気体分析装置410の構成の概略を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
次に、本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。
【0022】
図1は、本発明の一実施形態である発生気体分析装置10の構成の概略を示す構成図であり、図2は、試料セル20及びスキマー部51の説明図である。本実施形態の発生気体分析装置10は、図1に示すように、試料を配置する試料室としての試料セル20と、試料セル20を内包しこの内包した空間を減圧可能な減圧室30と、減圧室30に内包され試料セルからの試料ガスを導入するスキマー部51と導入した試料ガスを検出する検出器としての四重極質量分析器62が配設された検出部61とを有する測定室50と、試料セル20とスキマー部51とを同時に加熱可能な加熱部としての管状抵抗炉40と、を備えている。この発生気体分析装置10は、高温領域(例えば室温〜1500℃など)での試料から発生する試料ガスを分析可能な、高温発生気体分析装置として構成されている。
【0023】
試料セル20は、図2に示すように、先端に貫通孔である第1オリフィス22が設けられ先端側が先細りになる筒状体に形成されたセル本体21と、セル本体21の後端側に設けられガス供給管26が接続される接続管24と、セル本体21と接続管24との間に設けられた円盤状のフランジ25とを有している。セル本体21は、耐熱性の部材によって形成されている。耐熱性の部材は、例えば、石英及びアルミナから選ばれる1以上などが挙げられる。ここでは、セル本体21は、アルミナにより形成されており、1500℃程度までの耐熱性を有しているものとした。第1オリフィス22は、スキマー部51の第2オリフィス52のサイズ以下のサイズとするのが好ましく、5μm以上5mm以下のサイズとするのが好ましく、10μm以上1mm以下のサイズとするのがより好ましい。ここでは、第1オリフィス22は、100μmのサイズで形成しているものとした。この試料セル20において、接続管24及びフランジ25は、金属によって形成することができ、セル本体21とは耐熱性を有する接着剤により接合してあり、1×10-8Torr以下の高真空に耐えうるシール性を有している。この試料セル20の先端側の内部空間には、測定試料を載置する試料ホルダ23が配置されている。この試料ホルダ23は、セル本体21内部を移動可能であり、試料を載置したのち、試料セル20の後端側である接続管24から挿入して、所定の配置位置に配置される。試料ホルダ23には、その温度を測定する熱電対28が接続されている。この試料セル20は、図1に示すように、発生気体分析装置10の本体外部から挿入され、取り外し可能となるように本体に固定されることにより減圧室30に配設されている。試料セル20は、減圧室30の壁体31に設けられた貫通孔32に挿入し、フランジ25に設けられた固定孔25aに差し込まれたビス16により本体に固定することができる。なお、貫通孔32と試料セル20との間には、耐熱性Oリングが設けられており、気密性が保持されている。この試料セル20は、後端側に接続されたガス供給管26からキャリアガス(例えば窒素ガスやヘリウムガスなど)が供給され、試料から発生した試料ガスがこのキャリアガスにより第1オリフィス22から流出するように構成されている。
【0024】
減圧室30は、試料セル20の第1オリフィス22とスキマー部51の第2オリフィス52とが対向するように試料セル20とスキマー部51とを内包して配設している。この減圧室30は、試料セル20やスキマー部51を配設する壁体31が円筒状に形成されており、その円筒状の空間(内包空間とも称する)の下方にこの内包空間を減圧する拡散ポンプ33及びロータリポンプ34が配設されている。この減圧室30には、試料セル20のセル本体21へ接続される減圧管36と、減圧管36を閉塞開放するバルブ37とが配設されており、拡散ポンプ33及びロータリポンプ34により試料セル20内部も減圧することができるようになっている。この拡散ポンプ33及びロータリポンプ34は、試料セル20をも減圧した状態(以下ベース状態ともいう)としたときに、減圧室30の内部の圧力を10-3Torr以下に保持する減圧能力を有していることが好ましい。また、拡散ポンプ33及びロータリポンプ34は、試料セル20内の圧力が760Torr以下の範囲で試料ガスを発生したときに、減圧室30の内部の圧力を10-1Torr以下に保持する減圧能力を有していることが好ましい。こうすれば、試料セル20からスキマー部51への試料ガスの導入が分子流となるようにしやすい。なお、試料セル20から出る試料ガスを分子流とすると、試料ガスに含まれる成分が互いに衝突せず直線的に移動し、装置内の残留ガスや他の壁面などに衝突することなく測定室50へ導入することができる。また、減圧室30は、試料セル20とスキマー部51とを配設した状態で1×10-8Torr以下の高真空に耐えうるシール性を有している。試料セル20の第1オリフィス22とスキマー部51の第2オリフィス52との間隔は、試料ガスを分子流とすることができる範囲とすればよく、減圧室30の真空度にもよるが1mm以上30mm以下とすることが好ましい。発生気体分析装置10では、第1オリフィス22と第2オリフィス52との間隔が3mmとなるように試料セル20を配設するように設定されている。なお、ここでは、減圧室30を減圧するポンプを拡散ポンプとロータリポンプとしたが、特にこれに限定されず、目的とする圧力範囲とすることができるものを、ターボ分子ポンプや拡散ポンプ、ロータリーポンプ、クライオポンプなどから選ばれる1以上を適宜組み合わせて用いるものとすればよい。以下に説明する減圧用のポンプ類でも同様である。また、減圧室30には、その内包空間の圧力を測定する真空計35が設けられている。また、減圧管36には、減圧管36の管内の圧力、即ち試料セル20内の圧力を測定する真空計38が設けられている。この真空計35や真空計38は、目的とする圧力を測定可能なもの、例えば、圧力計、ピラニゲージ、クリスタルゲージ、クリスタルイオンゲージ、ヌードイオンゲージなどから選ばれるいずれかを用いことができる。ここでは、真空計35は、クリスタルイオンゲージとし、真空計38は、クリスタルゲージとした。
【0025】
管状抵抗炉40は、試料セル20を加熱し試料から試料ガスを発生させる温度に加熱するものであり、測定室50のうち第2オリフィス52が形成されているスキマー部51と、試料セル20の試料ホルダ23とを加熱するように、このスキマー部51と試料ホルダ23とを内側に含む長さで、且つ減圧室30の外周に設けられている。この管状抵抗炉40は、電力の供給により試料ホルダ23を1500℃まで加熱可能な白金ヒータとして構成されている。この管状抵抗炉40は、1〜20℃/分で、1500℃まで昇降温可能に構成されている。
【0026】
測定室50は、内部空間を減圧する測定室用減圧機としてのターボ分子ポンプ63、ロータリポンプ64及びクライオポンプ56と試料ガスを検出する四重極質量分析器62と圧力ゲージである真空計65とが配設された検出部61と、この検出部61に設けられ先端側に第2オリフィス52が形成されたスキマー部51と、を有している。このように、測定室50は、試料セル20側である先端側に第2オリフィス52が設けられ他端側に四重極質量分析器62が配設されている。スキマー部51は、試料セル20からの試料ガスを導入する部材であり、先端が丸くなるように先細りになる筒状体に形成されている。このスキマー部51は、耐熱性の部材によって形成されている。耐熱性の部材は、例えば、石英及びアルミナから選ばれる1以上などが挙げられる。ここでは、スキマー部51は、アルミナにより形成されており、1500℃程度までの耐熱性を有しているものとした。第2オリフィス52は、第1オリフィス22のサイズ以上の大きさとすることが好ましく、5μm以上5mm以下のサイズとするのが好ましく、10μm以上1mm以下のサイズとするのがより好ましい。ここでは、第2オリフィス52は、250μmのサイズで形成しているものとした。スキマー部51と検出部61との間には、スキマー部51の内部空間と検出部61の内部空間との開放・閉塞を行うゲートバルブ54が設けられている。四重極質量分析器62は、イオン化したガスの分子量を測定する質量分析計として構成されており、その先端に検出器イオン化領域62aが形成されるものである。この四重極質量分析器62は、検出部61の上面から内部に挿入されて固定されている。ターボ分子ポンプ63、ロータリポンプ64、クライオポンプ56は、拡散ポンプ33及びロータリポンプ34よりも高い減圧能力を有していることが好ましい。この検出部61に配設されたポンプは、試料セル20をも減圧したベース状態としたときに、検出部61の内部の圧力を10-9Torr以下に保持する減圧能力を有していることが好ましい。また、検出部61に配設されたポンプは、試料セル20内の圧力が760Torr以下の範囲で試料ガスを発生したときに、減圧室30の内部の圧力を10-3Torr以下に保持する減圧能力を有していることが好ましい。こうすれば、より微少な成分(例えば数十ppmなど)を含む試料ガスを精度よく測定することができる。この測定室50は、ベース状態で1×10-9Torr以下の高真空に耐えうるシール性を有している。なお、真空計65は、ヌードイオンゲージとした。発生気体分析装置10において、減圧室30は、第1オリフィス22と第2オリフィス52と四重極質量分析器62の検出器イオン化領域62aと更にクライオポンプ56とが直線上に配置されるよう測定室50と試料セル20とが配設されているものとするのが好ましい。
【0027】
この発生気体分析装置10は、四重極質量分析器62と電気的に接続されたパソコン(PC)11を備えている。このPC11は、四重極質量分析器62からの検出信号などが入力されている。このPC11は、四重極質量分析器62で検出した検出信号を入力し、入力した信号を解析してディスプレイに表示する機能を有している。
【0028】
このように構成された発生気体分析装置10では、大気、O2、N2、希ガスなどをキャリアガスや反応ガスとして用いることが可能であり、減圧室30内は1×10-3〜大気圧の領域で使用可能である。また、発生気体分析装置10は、使用温度が室温〜1500℃の範囲であり、検出可能イオン種が、イオン質量/電荷比を表すm/z=1〜400、検出下限がH2O,CO,N2,O2,CO2では1ppm、その他のガスでは100ppbであり、金属などの凝縮性ガスでは1〜10ppmレベルの感度で検出することができる。
【0029】
次に、この発生気体分析装置10での試料の測定方法について説明する。ます、測定者は、試料を載置した試料ホルダ23を接続管24側から挿入し第1オリフィス22側に配置する。次に、接続管24へ熱電対28を挿入し、ガス供給管26を接続してキャリアガスを供給可能とする。次に、測定者は、昇温速度や到達温度を管状抵抗炉40に接続された図示しない温度調節器に入力し、入力した内容で管状抵抗炉40を制御させると共に、発生気体分析装置10のポンプ類などのスイッチを入れ、試料セル20、減圧室30及び測定室50の減圧を実行させる。次に、測定者は、測定室50、減圧室30及び試料セル20の内部が所定圧まで減圧するまで各ポンプ類を駆動させ、所定圧まで減圧すると、バルブ37を閉鎖すると共に図示しないバルブを駆動してキャリアガスを試料セル20へ導入し測定を開始する。ここでは、例えば、試料セル20の内部を大気圧、減圧室30の内部の圧力を10-1Torr以下、測定室50の内部の圧力を10-3Torr以下の条件として室温から1500℃まで昇温するなどの制御を行う。PC11は、昇温中の四重極質量分析器62からの出力値を記憶し、測定終了後に、測定結果を画面上に表示する処理を行うものとした。
【0030】
以上詳述した本実施形態の発生気体分析装置10によれば、減圧室30を減圧することにより第1オリフィス22と第2オリフィス52との間の試料ガスの移動を減圧下、例えば分子流領域で行うことが可能であり、試料ガスに含まれる成分同士の衝突など、試料ガスの不要な拡散を抑制可能であるため、ガスの分析精度をより高めることができる。また、先細りの先端側に第1オリフィス22があり他端側にガス供給管26が接続された筒状体の試料セル20と、先細りの先端側に第2オリフィス52があり他端側に四重極質量分析器62が配設された筒状体のスキマー部51と、をオリフィス側で対向しているため、排気コンダクタンスを高めやすい。また、第1オリフィス22と第2オリフィス52とを形成しやすいし、これらを対向させやすいため、ガスの分析精度を高めやすい。更に、試料セル20は取り外し可能に配設されているため、試料セル20を交換することにより内壁に付着した成分による測定誤差を抑制可能であり、ガスの分析精度を高めやすい。また、測定の繰り返しにより第1オリフィス22が閉塞してしまったときにおいても、試料セル20を交換しやすく好ましい。更にまた、試料ホルダ23を他端側から試料セル20に挿入することにより試料を配置するため、より測定室50側に試料を配置可能であり、試料ガスをより測定室へ導入しやすく、ひいてはガスの分析精度を高めやすい。また、繰り返しガス分析を行う際に試料セル20へ試料を配置しやすく、試料の取り替えが容易である。そして、減圧室30は、第1オリフィス22と第2オリフィス52と四重極質量分析器62と、更にクライオポンプ56とが直線上に配置されるようスキマー部51と試料セル20とが配設されているため、試料セル20から導入された試料ガスが検出器イオン化領域62aに到達しやすく、試料ガスが検出器イオン化領域62aを通過して除去され易いため、ガスの分析精度を更に高めることができる。特に、高温領域(例えば1000℃以上など)で発生する金属等の凝縮性ガスを試料セル20から四重極質量分析器62へ導入する際に有効である。そしてまた、測定室50は、ターボ分子ポンプ63、ロータリポンプ64、クライオポンプ56と四重極質量分析器62とが配設された検出部61と、検出部61に設けられ先端側に第2オリフィス52が形成されたスキマー部51とを有しているため、スキマー部51を利用してオリフィスを形成しやすく、ひいてはガスの分析精度を高めやすい。そして更に、管状抵抗炉40は、スキマー部51と試料ホルダ23とを加熱するよう第2オリフィス52と試料ホルダ23との周り且つ減圧室30の外周に設けられているため、1つの加熱部により第2オリフィス52と試料ホルダ23とを加熱可能であるため、第2オリフィス52近傍での試料ガスの成分の蓄積を抑制すると共に、構成を簡略化することができる。そして更にまた、試料セル20は、耐熱性の材料(アルミナ)によって作製されているため、温度耐久性が高く、より高温でガス分析測定を行うことができる。
【0031】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【0032】
例えば、上述した実施形態では、スキマー部51を1つ備えるものとしたが、二重スキマーを備えるものとしてもよい。具体的には、スキマー部51と減圧室30との間に配設され第2オリフィス52側に第3のオリフィスが設けられた外部スキマー部により形成された中間室を備え、この中間室の内部空間を減圧する中間減圧機が配設されたものとしてもよい。こうすれば、中間室で更に余剰の試料ガスを除去することにより余剰の試料ガスが壁面に付着してしまうのを抑制することが可能であり、より高い検出精度でガス分析を実行することができる。
【0033】
上述した実施形態では、特に説明しなかったが、減圧室30の内部に減圧室内を冷却して物質をトラップする冷却トラップを配設するものとしてもよい。こうすれば、冷却トラップにより減圧室内の壁面から脱離する成分を除去することができるので、より高い検出精度でガス分析を実行することができる。ここで、冷却トラップとしては、液体窒素トラップとしてもよいし、水冷トラップとしてもよい。なお、上述した実施形態では、極低温で物質をトラップするクライオポンプ56を検出部61に配設するものとしたが、これに代えてこの冷却トラップを検出部61に配設するものとしてもよい。
【0034】
上述した実施形態では、円筒状に形成された試料セル20を用いるものとしたが、特にこれに限定されず、第1オリフィスが設けられ減圧室30の貫通孔32から挿入されたガス供給管が配設されガスが供給可能なクヌッセンセルを用いるものとしてもよい。このとき、クヌッセンセルの外周に一体化して加熱部(管状抵抗炉40)を設けるものとしてもよい。こうすれば、コンパクト化を図ることができる。あるいは、上述した実施形態では、取り外し可能な試料セル20としたが、取り外ししない試料室としてもよい。
【0035】
ここで、別の態様の発生気体分析装置について説明する。図3は、別の態様の発生気体分析装置110の構成の概略を示す構成図であり、図4は、発生気体分析装置210の構成の概略を示す構成図であり、図5は、発生気体分析装置310の構成の概略を示す構成図である。説明の便宜のため、上述した実施形態と同様の構成については同じ符号を付してその説明を省略して以下説明する。図3に示す発生気体分析装置110は、第1オリフィス122が先端に形成された試料室としてのクヌッセンセル型の試料セル120と、第3オリフィス72が設けられた外部スキマー部71がスキマー部51の外側に配設された二重スキマーにより形成された中間室70と、中間室70を減圧する中間減圧機としてのターボ分子ポンプ73及びロータリポンプ74と、二重スキマーと試料セル120とを内包しこの内包空間を拡散ポンプ33などにより減圧する減圧室130と、試料セル120の外周側且つ減圧室130の内部に配設された液体窒素による冷却トラップ180と、クライオポンプ56の代わりに設けられた液体窒素による冷却トラップ182と、四重極質量分析器62が配設された測定室50とを備えている。試料セル120の外周には、試料セル120を加熱する加熱部140が一体化して配設されており、コンパクト化を図っている。この発生気体分析装置110においても、試料セル120の第1オリフィス122と、第2オリフィス52及び第3オリフィス72とが直線上に対向して減圧室130に配設されている。また、試料セル120は、熱電対28が接続されると共に、第1オリフィス122の他端側にガス供給管126が接続され、セル内をキャリアガスが第1オリフィス122に向かって流通可能となっている。また、ガス供給管126の挿入側には、キャリアガスの供給・停止を行う供給バルブ111と、ロードロック部112とが設けられている。ロードロック部112にはターボ分子ポンプ76が配設され、このターボ分子ポンプ76が中間室70側のロータリポンプ74に接続されている。また、中間室70には、圧力を測定する真空計75が配設されている。測定室50では、2台のターボ分子ポンプ63とロータリポンプ64とを直列に接続すると共に、スキマー部51側にもターボ分子ポンプ63及びロータリポンプ64を設けており、測定室50内部を減圧する減圧能力を高めている。四重極質量分析器62は、ここでは、測定室50内部に横置きし、検出器イオン化領域62aがゲートバルブ54側となるように配置した。また、発生気体分析装置110では、上述した真空計35、真空計65なども配設されている。このように構成した発生気体分析装置110でも、減圧室130を減圧することにより、試料セル120から第3オリフィス72、第2オリフィス52を介して四重極質量分析器62へ試料ガスを分子流により導入可能であるため、ガスの分析精度をより高めることができる。また、冷却トラップ180により、ガスの分析精度をより高めることができる。なお、発生気体分析装置110において、二重スキマーを採用しなくても構わない。
【0036】
また、図4に示す発生気体分析装置210は、第1オリフィス222が先端に形成された試料室としてのクヌッセンセル型の試料セル220と、第3オリフィス72が設けられた外部スキマー部71がスキマー部51の外側に配設された二重スキマーにより形成された中間室70と、中間室70を減圧する中間減圧機としてのターボ分子ポンプ73及びロータリポンプ74と、二重スキマーと試料セル220とを内包しこの内包空間を拡散ポンプ33などにより減圧する減圧室230と、試料セル220と二重スキマーのスキマー部51及び外部スキマー部71とを外周側で取り囲むよう形成され且つ減圧室230の内側に設けられた管状抵抗炉240と、減圧室230に配設された液体窒素による冷却トラップ180と、クライオポンプ56の代わりに設けられた液体窒素による冷却トラップ182と、四重極質量分析器62が配設された測定室50とを備えている。この発生気体分析装置210においても、試料セル220の第1オリフィス222と、第2オリフィス52及び第3オリフィス72とが直線上に対向して減圧室230に配設されている。また、試料セル220は、熱電対28が接続されると共に、第1オリフィス222の他端側にガス供給管126が接続され、セル内をキャリアガスが第1オリフィス222に向かって流通可能となっている。また、ガス供給管126の挿入側には、キャリアガスの供給・停止を行う供給バルブ111と、ロードロック部112とが設けられている。ロードロック部112にはターボ分子ポンプ76が配設され、このターボ分子ポンプ76が中間室70側のロータリポンプ74に接続されている。また、中間室70には、圧力を測定する真空計75が配設されている。測定室50では、2台のターボ分子ポンプ63とロータリポンプ64とを直列に接続すると共に、スキマー部51側にもターボ分子ポンプ63及びロータリポンプ64を設けており、測定室50内部を減圧する減圧能力を高めている。四重極質量分析器62は、検出器イオン化領域62aがゲートバルブ54側となるように配置した。また、発生気体分析装置210では、上述した真空計35、真空計65なども配設されている。このように構成した発生気体分析装置210では、減圧室230を減圧することにより、ガスの流通が可能なクヌッセンセルである試料セル220から第3オリフィス72、第2オリフィス52を介して四重極質量分析器62へ試料ガスを分子流により導入可能であるため、ガスの分析精度をより高めることができる。また、冷却トラップ180により、ガスの分析精度をより高めることができる。また、管状抵抗炉240で二重スキマーも加熱するため、二重スキマーでの試料ガス成分の堆積を抑制することができる。なお、発生気体分析装置210において、二重スキマーを採用しなくても構わない。
【0037】
また、図5に示す発生気体分析装置310は、第1オリフィス322が先端に形成されたセル型ではない試料室320と、スキマー部51と試料室320とを内包しこの内包空間を拡散ポンプ33などにより減圧する減圧室330と、試料室320の外周に一体として形成された管状抵抗炉340と、減圧室330に配設され、管状抵抗炉340の外周側に配設された液体窒素による冷却トラップ180と、クライオポンプ56の代わりに設けられた液体窒素による冷却トラップ182と、四重極質量分析器62が配設された測定室50とを備えている。この発生気体分析装置310においても、試料室320の第1オリフィス322と、第2オリフィス52とが直線上に対向して減圧室330に配設されている。また、試料室320には、試料ホルダ323に熱電対28が接続されると共に、第1オリフィス322の他端側にガス供給管126が接続され、室内をキャリアガスが第1オリフィス322に向かって流通可能となっている。また、ガス供給管126の挿入側には、キャリアガスの供給・停止を行う供給バルブ111と、ロードロック部112とが設けられている。ロードロック部112にはターボ分子ポンプ76が配設され、このターボ分子ポンプ76が減圧室330のロータリポンプ34に接続されている。測定室50では、2台のターボ分子ポンプ63とロータリポンプ64とを直列に接続すると共に、スキマー部51側にもターボ分子ポンプ63及びロータリポンプ64を設けており、測定室50内部を減圧する減圧能力を高めている。四重極質量分析器62は、検出器イオン化領域62aがゲートバルブ54側となるように配置した。また、発生気体分析装置310では、上述した真空計35、真空計65なども配設されている。このように構成した発生気体分析装置310では、減圧室330を減圧することにより、ガスの流通が可能な試料室320から第2オリフィス52を介して四重極質量分析器62へ試料ガスを分子流により導入可能であるため、ガスの分析精度をより高めることができる。また、冷却トラップ180により、ガスの分析精度をより高めることができる。なお、発生気体分析装置310において、二重スキマーを採用しても構わない。
【実施例】
【0038】
以下には、図1に示した発生気体分析装置10を作製して測定を行った結果について、図を用いて説明する。なお、図12に示した発生気体分析装置410のバックグラウンド測定についても参考例として説明する。
【0039】
図6は、発生気体分析装置10における窒素気流中でのm/z=18,32,44のバックグラウンド測定結果であり、図7は、参考例としての発生気体分析装置410におけるHe気流中でのm/z=18のバックグラウンド測定結果である。図6に示すように、発生気体分析装置10では、発生気体分析装置410と比較して、温度の上昇に伴うバックグラウンド変化が抑えられており、より高精度のガス分析を実行可能であることが示唆された。
【0040】
次に、実際の試料を測定した結果について示す。図8は、発生気体分析装置10のキャリアガスを6N−N2ガス、10ppmO2 in N2ガス、20ppmO2 in N2ガスを測定したときのイオン質量/電荷比を表すm/z=32スペクトルであり、図9は、発生気体分析装置10における窒素気流中での亜鉛アセチルアセトナート試料からのC10144Zn+昇温脱離スペクトルであり、図10は、発生気体分析装置10におけるHe気流中でのZn箔の昇温脱離スペクトルであり、図11は、発生気体分析装置10におけるHe気流中でのAg箔の昇温脱離スペクトルである。ここで、図8での測定条件は、6N−窒素をキャリアガスとし、試料セル20の内圧を760Torrとした。また、図9での測定条件は、試料を1.2mg用い、m/z=262とし、Heをキャリアガスとし、昇温速度を10℃/分、到達温度を250℃とし、試料セル20の内圧を760Torrとした。図10での測定条件は、Zn箔試料を0.5mg、m/z=64,66,68、キャリアガスをHe、昇温速度を10℃/分、到達温度を1000℃とし、試料セル20の内圧を760Torrとした。図11での測定条件は、Ag箔試料を0.7mg、m/z=107,109、キャリアガスをHe、昇温速度を10℃/分、到達温度を1450℃とし、試料セル20の内圧を760Torrとした。図8より、O2のスペクトルが10ppm及び20ppmという濃度でも十分に明確に測定可能であることがわかった。また、図9〜図11において、200℃程度から1400℃以上の温度範囲でも、高い測定精度で測定することができることがわかった。
【0041】
以上の実験結果より、発生気体分析装置10では以下の効果が得られた。発生気体分析装置10では、試料セル20内を大気圧、減圧室30を高真空(10-1Torr以下)、測定室50を超高真空(10-3Torr以下)とし、試料セル20の第1オリフィス22から流出したガス流を自由分子流とすることができ、試料から発生したガスに含まれる成分が互いに衝突せず直線的に移動するものとすることができる。そして、試料ホルダ23と第1オリフィス22と第2オリフィス52と検出器イオン化領域62aとが直線上に配設されているため、検出器イオン化領域62aへ導入される試料ガスは、他の壁面などに衝突することなく試料ホルダ23から生じたガスだけに限定される。この結果、発生気体分析装置10では、試料セル20の壁面や減圧室30の壁面などから発生した他の成分の流入を抑制し、高感度な分析を実現することができた。また、昇温時にガス分析を行う際に、試料セル20で生じたガスが分子流で直線的に四重極質量分析器62へ到達するから、高温領域(例えば1000℃以上など)で発生する金属等の凝縮性ガスを測定しやすい。また、発生気体分析装置410では、二重スキマーが大気中に曝されるため、凝集成分によるオリフィスの閉塞が問題になるが、発生気体分析装置10では、スキマー部51の外部は高真空に保たれており、曝されたとしても分子流が第2オリフィス52近傍を通過するだけであるので、オリフィスの閉塞が抑制され、より再現性の高い分析を実現することができた。また、試料セル20やスキマー部51を耐熱材料で構成したため、1500℃という高温でもガス分析を行うことができるようになった。
【符号の説明】
【0042】
10,110,210,310,410 発生気体分析装置、11 パソコン(PC)、16 ビス、20,120,220 試料セル、21 セル本体、22,122,222,322 第1オリフィス、23,323,423 試料ホルダ、24 接続管、25 フランジ、25a 固定孔、26,126 ガス供給管、28 熱電対、30,130,230,330 減圧室、31 壁体、32 貫通孔、33 拡散ポンプ、34 ロータリポンプ、35,38,65,75 真空計、36 減圧管、37 バルブ、40,240,340 管状抵抗炉、50,450 測定室、51 スキマー部、52 第2オリフィス、54 ゲートバルブ、56 クライオポンプ、61 検出部、62 四重極質量分析器、62a 検出器イオン化領域、63,73,76 ターボ分子ポンプ、64,74 ロータリポンプ、70 中間室、71 外部スキマー部、72 第3オリフィス、111 供給バルブ、112 ロードロック部、126 ガス供給管、130 減圧室、140 加熱部、180,182,184 冷却トラップ、320,420 試料室、463,464,473,474 ポンプ、440 加熱炉、451 第1スキマー、452,472 細孔、462 分析器、471 第2スキマー。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1のオリフィスが設けられ該第1オリフィスと異なる位置にガスを供給する供給管が配設され、試料を配置する試料室と、
少なくとも前記試料室を加熱し前記試料から試料ガスを発生させる温度に加熱可能な加熱部と、
前記試料から生成した試料ガスを導入する第2のオリフィスと内部空間を減圧する測定室用減圧機と該導入された試料ガスを検出する検出器とが配設された測定室と、
前記試料室の第1オリフィスと前記測定室の第2オリフィスとが対向するように前記試料室と前記測定室とを内包して配設し該内包した空間を減圧する内包空間減圧機が配設されている減圧室と、
を備えた発生気体分析装置。
【請求項2】
前記試料室は、先端側が先細りになる筒状体に形成されており該先端側に前記第1オリフィスが設けられ他端側に前記供給管が配設されて前記ガスが供給され、
前記測定室は、前記試料室に向かって先細りになる筒状体に形成されており先端側に前記第2オリフィスが設けられ他端側に前記検出器が配設されている、請求項1に記載の発生気体分析装置。
【請求項3】
前記試料室は、前記減圧室に設けられた貫通孔に外部から挿入され、取り外し可能に前記減圧室に配設される筒状体の試料セルである、請求項1又は2に記載の発生気体分析装置。
【請求項4】
前記試料室は、前記試料を載置した試料ホルダを前記他端側から挿入することにより前記試料を配置する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発生気体分析装置。
【請求項5】
前記減圧室は、前記減圧室内を冷却して物質をトラップする冷却トラップが配設されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の発生気体分析装置。
【請求項6】
前記減圧室は、前記第1オリフィスと前記第2オリフィスと前記検出器とが直線上に配置されるよう前記測定室と前記試料室とが配設されている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の発生気体分析装置。
【請求項7】
前記減圧室は、更に前記測定室用減圧機が前記第1オリフィスと前記第2オリフィスと前記検出器と直線上に配置されるよう前記測定室と前記試料室とが配設されている、請求項6に記載の発生気体分析装置。
【請求項8】
前記測定室は、前記測定室用減圧機と前記検出器とが配設された検出部と、該検出部に設けられ先端側に前記第2オリフィスが形成され先細りになる筒状体に形成されたスキマー部とを有している、請求項1〜7のいずれか1項に記載の発生気体分析装置。
【請求項9】
請求項8に記載の発生気体分析装置であって、
前記スキマー部と前記減圧室との間に配設され前記第2オリフィス側に第3のオリフィスが設けられた外部スキマー部により形成され、内部空間を減圧する中間減圧機が配設された中間室、を備えた発生気体分析装置。
【請求項10】
前記加熱部は、前記測定室のうち前記第2オリフィスが形成されている部位と、前記試料室とを加熱するよう該第2オリフィスが形成された部位と該試料室との外周側且つ前記減圧室に設けられている、請求項1〜9のいずれか1項に記載の発生気体分析装置。
【請求項11】
前記試料室は、石英及びアルミナから選ばれる1以上の部材により形成されている、請求項1〜10のいずれか1項に記載の発生気体分析装置。
【請求項12】
前記測定室用減圧機は、前記第2オリフィスから流入するガス流量よりも高い減圧能力を有している、請求項1〜11のいずれか1項に記載の発生気体分析装置。
【請求項13】
前記内包空間減圧機は、前記試料室内の圧力が760Torr以下の範囲で前記試料ガスを発生したときに、前記減圧室の圧力を10-1Torr以下に保持する減圧能力を有している、請求項1〜12のいずれか1項に記載の発生気体分析装置。
【請求項14】
前記測定室用減圧機は、前記試料室内の圧力が760Torr以下の範囲で前記試料ガスを発生したときに、前記測定室の圧力を1×10-3Torr以下に保持する減圧能力を有している、請求項1〜13のいずれか1項に記載の発生気体分析装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図8】
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【図9】
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【図12】
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【図6】
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【図7】
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【図10】
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【図11】
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【公開番号】特開2011−232108(P2011−232108A)
【公開日】平成23年11月17日(2011.11.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−101410(P2010−101410)
【出願日】平成22年4月26日(2010.4.26)
【出願人】(000004064)日本碍子株式会社 (2,325)
【出願人】(000250339)株式会社リガク (206)
【Fターム(参考)】