JP2813896B2

JP2813896B2 - プラズマ放電管

Info

Publication number: JP2813896B2
Application number: JP1226360A
Authority: JP
Inventors: 茂樹花村
Original assignee: 茂樹花村
Priority date: 1989-08-31
Filing date: 1989-08-31
Publication date: 1998-10-22
Anticipated expiration: 2013-10-22
Also published as: JPH0393198A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明はヘリウムガスあるいはアルゴンガスのプラズ
マを発生させる放電管に関し、かつまたこのプラズマを
利用して元素や分子の励起を行うプラズマ励起装置に関
する。本発明のプラズマ励起装置は、例えば元素の励起
光を測定する分析装置の励起光源や質量分析装置のイオ
ン発生源装置として使用される。

（従来の技術）エミッタ電極を加熱するプラズマ放電管が知られてい
るが、一定密度の安定したプラズマを得ることが困難で
物性測定や特殊な用途のガス入り放電管に使用されてい
るに過ぎず、分析装置に一部としての実用例は見当たら
ない。また、単電極マイクロ波放電方式プラズマ励起装
置を使用した励起光分析装置が知られている（S.Hanamu
ra etal,Cnadian Journal of Speotroscopy,vol.3
0,No.2,46（1985））。

しかし、この方法によれば、プラズマを発生、維持す
るために、マグネトロンを使用しているので、高周波、
大容量の電源が必要で装置全体が比較的大型にならざる
をえず。また、電極の過熱を防ぐため、ヘリウムガスを
３〜４／秒で流さねばならず、高価なヘリウムガスを
多量に消費するという問題点がある。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は、安定で再現性のよいデータを得ることが出
来るプラズマ放電管を提供することを目的とし、また、
現場分析装置にも応用可能なコンパクトで、かつガス消
費量の少ないプラズマ励起装置を提供することを目的と
する。

（問題点を解決するための手段）本発明は加熱エミッタ電極と対電極を有し、ヘリウム
ガスあるいはアルゴンガス雰囲気下に当該電極に電圧を
印加し、電極間に放電を行わせることによりプラズマを
発生させるプラズマ放電管において、加熱エミッタ電極
の温度を制御するようにしたことを特徴とする。

（作用）一対の電極に電圧を印加した場合に電極より放出され
る熱電子の量はリチャードソン−ダッシュマン（Richar
dson−Dushuman）式に（（１）式）従うことが知られて
いる。プラズマ放電においても本式は適用される。

Ｉ＝AT²e^−w/kT ……（１）（１）式中、Ｉは熱イオン電流密度（A/cm²）、ｗは
エミッタ電極の仕事関数、Ｔはエミッタ電極の温度（゜
K）、Ａとｋは定数である。熱エミッタ電極より放出さ
れる熱電子はプラズマ放電を容易にする。また、プラズ
マ放電に伴って発生した電子と加熱電極からの熱電子の
合計量の電流が、プラズマが有する励起能力と直接関係
する。（１）式より、エミッタ電極の温度制御は、プラ
ズマ放電開始の制御並びにプラズマが有する励起能力の
制御に有用であることが明らかである。さらにまた、
（１）式よりプラズマ放電管のエミッタ電極を加熱すれ
ばプラズマの電子密度が増加することも読み取れる。

また、エミッタ電極の温度はプラズマ自身の発生する
温度ならびに電極近傍を通過するヘリウム等のガスの流
量変化にも影響されるので、プラズマ強度の一定化、安
定化のために、エミッタ電極の温度を必要に応じて調整
する温度制御手段が必要となる。さらに、エミッタ電極
の加熱手段をフィラメント電極で構成した場合は、加熱
電極の温度は加熱電極に供給される電流によるジュール
熱のみでなく、放電電流がフィラメント電極を通過する
ことに起因するジュール熱にも依存する。このため、プ
ラズマ放電の状態の制御または一定化の為にエミッタ電
極の温度を調整する温度制御手段が一層重要となる。こ
の温度制御手段はエミッタ電極温度測定手段からの信号
を温度制御手段にフィードバックする手段により可能で
あり、また手動で加熱手段の加熱強度を変更することも
可能である。

（実施例）以下図面にもとずき、本発明のプラズマ放電管ならび
にプラズマ励起装置の１実施例を説明する。

第１図は本発明のプラズマ放電管の断面図である。図
中、１はプラズマ放電管であり。２は加熱エミッタ電極
であり白金線を数回の螺旋状に形成して作られている。
電極材料を選択するにあたっては、白金は比較的仕事関
数が大きく熱電子の放出能力に関し不利であるが、化学
的な安定性、耐熱性が大きいことを考慮して白金が選ば
れた。この加熱エミッタ電極は電気抵抗を持っているの
で加熱電圧を供給するとこにより自身で発熱するととも
にプラズマ放電のエミッタ電極として作用する。３は対
電極であり、直径3mmの球形をした白金で作られてお
り、加熱エミッタ電極２との間に電圧を供給することに
より放電が行われる。４は白金−白金／ロジウム熱電対
で、加熱エミッタ電極２に接するかあるいはその極近傍
に位置し加熱エミッタ電極２の温度を測定する。５は管
で、外径24mm内径22mm長さ600mmの石英でつくられてい
る。６、７はゴム製のストッパーで、管５の両端を気密
に封止している。ストッパー６は導管８を有しかつ、加
熱エミッタ電極２と熱電対４のリード線を収納したセラ
ミック管10を固定している。ストッパー７は排気管９を
有しかつ、対電極３のリード線を収納したセラミック管
11を固定している。セラミック管９とセラミック管11に
おけるリード線の各収納部は図示しないゴム製のシール
で気密に封止されている。

ヘリウムガスは導管８から放電管１内に導入され、排
気管９から排気される。排気管９の内径は1mmである。
放電管１内気体が排気管９を通過する速度は導管８から
導入される気体量と排気管９の内径により定まるが、こ
の速度を5m/秒以上に設定すれば、放電管１外の空気が
拡散により放電管１内に侵入することを防ぐことができ
る。これは本発明のプラズマ励起装置を酸素、水素、炭
素等空気に含まれている元素の励起装置として使用する
場合に特に重要である。また、放電管１内はとくべつな
減圧、加圧を必要とせず、必要な流量のヘリウムガス導
入が可能な最少限の加圧ヘリウムガスが導管８から導入
される。本発明のプラズマ放電管は１／分以下のヘリ
ウムガス消費でプラズマ放電を維持でき、より好ましく
は0.8／分のヘリウムガスでプラズマ放電並びに元素
の励起が行なわれた。

第１図中、12及び13はねじであり、円状板14、15を介
して、ストッパー６、７を管５に押し付け放電管１内の
気密性を保つと共に加熱エミッタ電極２と対電極３の間
隙を一定に保持するために使用される。

第２図は本発明のプラズマ励起装置の概念並びに励起
光分析装置全体を示す概念図である。第２図中16は電源
コネクターで117ボルト、60Hzの電源が供給される。17
は降圧器、18は可変型変圧器である。降圧器17の出力が
加熱エミッタ電極２に供給され、加熱エミッタ電極２が
加熱される。この加熱電力は可変型変圧器18を調整する
ことにより制御される。

第２図中、破線で囲まれた部分25は加熱エミッタ電極
２の自動温度制御装置の一例である。熱電対４の２本の
リード線26、27はアンプ28に接続されている。熱電対４
の出力信号はアンプ28で増幅される。図中29は、電源30
と電圧調整器31から構成される加熱エミッタ電極温度設
定器である。加熱エミッタ電極温度設定器29の設定電圧
とアンプ28の出力電圧の差はアンプ33で増幅され、この
出力電圧によりモータ33が回転し、破線34で示した機械
力伝達手段を通じて可変電圧器18が調整される。このよ
うなフィードバック機構を利用した自動温度制御装置は
マイクロコンピュターや半導体を使用した公知の回路で
代替することが可能である。

本実施例では降圧器17の最大出力は６ボルト、10アン
ペアであり、通常３〜６ボルトで使用される。19は昇圧
器、20は可変型変圧器である。昇圧器19の出力が加熱エ
ミッタ電極２と対電極３間に供給され、放電の電力とな
る。この放電電力は可変型変圧器20を調整することによ
り制御される。本実施例では昇圧器19の最大出力は600
ボルト、50ミリアンペアである。通常は60Hz,550〜600
ボルト、40〜50mAの電力が供給される。21は３ヘンリー
のチョークコイル、22は２キロオームの抵抗であり、と
もに加熱エミッタ電極２と対電極３間で放電が開始され
た後で、過剰の放電電力が供給されることを防止する。
放電電流安定化のための回路部品チョークコイル21と抵
抗22は公知のネオン変圧器により代替可能である。ネオ
ン変圧器は放電開始前は電極間の電圧を高圧に維持し、
放電開始後は電極間の電圧を必要な値まで、降下させる
ものである。

23は励起対象元素の励起光を模式的に示したものであ
る。ヘリウムプラズマ中では準安定状態のヘリウム原子
ができ、準安定状態原子のペンニング効果により非金属
元素の励起がおこなわれる。24は励起光23を検出する分
光器である。この分光器は１波長の光を検出するもので
も良いし、異なる波長の光を同時に検出できるものであ
ってもよい。後者として、時分割式あるいはフォトダイ
オード式等公知のマルチ波長分光器が使用できる。

第３図は放電開始電圧に及ぼすエミッタ電極の温度の
影響を調べた実験グラフである。縦軸に放電開始電圧、
横軸にエミッタ電極温度が示されている。実験は、電極
間の間隙（ａ）5mm、（ｂ）4mm、（ｃ）3mmで行われ
た。第３図からエミッタ電極を加熱することにより、熱
電子が放電間隙に供給され、低い電極間電圧で放電を開
始できることが読み取れる。

第４図は本発明のプラズマ励起装置を使用して供給電
圧と水素原子の励起光強度の関係を調べた実験グラフで
ある。縦軸に水素原子の励起光強度を相対値で示し、横
軸に昇圧器19からの供給電圧が示されている。実験は、
加熱エミッタ電極温度（ａ）700℃、（ｂ）600℃で行わ
れた。水素ガスはヘリウムガス中に不純物として含まれ
ているものを使用した。第４図から供給電圧と加熱エミ
ッタ電極の温度変化が励起対象元素の励起光強度に直接
影響を与えることが読み取れる。

第１表は本発明のプラズマ励起装置を使用して非金属
元素の励起光測定により検出限界を調べた実験結果であ
る。

以上の一例で述べた本発明の概念に基ずき、本発明は
種々の態様で実施できる。例えば、放電管の一部に石英
の窓を設けプラズマにより励起される励起光を取り出す
様に構成することができる。

尚、加熱エミッタ電極は、本実施例のようにエミッタ
電極自身をフィラメント電極で構成して別の電圧をかけ
る方式のほか、エミッタ電極の近傍に他の加熱手段を設
けることにより構成してもよい。

（発明の効果）本発明のプラズマ放電管は一定密度の安定で再現性の
あるデータを得ることが可能な手段を有し、さらにヘリ
ウム、アルゴン等プラズマガスの消費が少ない。また、
本発明のプラズマ励起装置は簡単な電源装置で動作する
のでコンパクトな装置とすることができる。このため現
場に持ち運び容易な分析装置として応用が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のプラズマ放電管の断面図であり、第２
図は本発明のプラズマ励起装置の概念並びに励起光分析
装置全体を示す概念図であり、第３図は放電開始電圧に
及ぼすエミッタ電極の温度の影響を調べた実験グラフで
あり、第４図は本発明のプラズマ励起装置を使用して供
給電圧と水素原子の励起光強度を調べた実験グラフであ
る。 2:加熱エミッタ電極、3:対電極 4:熱電対、8:導管、9:排気管

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱エミッタ電極と対電極を有し、ヘリウ
ムガスあるいはアルゴンガス雰囲気下に当該電極に電圧
を印加し、電極間に放電を行わせることによりプラズマ
を発生させるプラズマ放電管において、加熱エミッタ電
極の温度測定手段と、この温度測定手段からの信号によ
り前記加熱エミッタ電極の温度を制御する温度制御手段
を設けたことを特徴とするプラズマ放電管。