(57)【要約】      （修正有）【課題】ＬＩＢＳ法を用いた成分計測装置及び成分計測方法において、統計精度を向上させる。【解決手段】成分計測装置１０は、レーザー光１５を繰り返し発生する光源１１と、試料３１が継続的に通過する計測空間３０を異なる方向から通る複数の光軸１２ａ、１２ｂをもつレーザー光の照射光学系１２と、計測空間を通る光軸１３ａをもつ観測光学系１３と、レーザー光によって試料から放出され、観測光学系１３によって導かれる光の波長と強度を計測する分析装置１４とを備える。【選択図】図１
2020101441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の成分計測装置であって、
レーザー光を繰り返し発生する光源と、
前記試料が継続的に通過する計測空間を異なる方向から通る複数の光軸をもつ前記レーザー光の照射光学系と、
前記計測空間を通る光軸をもつ観測光学系と、
前記レーザー光によって前記試料から放出され、前記観測光学系によって導かれる光の波長と強度を計測する分析装置と
を備える成分計測装置。
【請求項２】
前記試料は前記計測空間を時間的且つ空間的に不規則に通過するものである、請求項１に記載の成分計測装置。
【請求項３】
前記照射光学系の前記複数の光軸は、前記計測空間において複数の照射点のそれぞれを通る、請求項１又は２に記載の成分計測装置。
【請求項４】
試料の成分計測方法であって、
前記試料が継続的に通過する計測空間に異なる方向からレーザー光を繰り返し照射し、
前記レーザー光によって前記試料から放出された光の波長と強度を計測する成分計測方法。
【請求項５】
前記試料は前記計測空間を時間的且つ空間的に不規則に通過するものである、請求項４に記載の成分計測方法。
【請求項６】
前記試料は、前記計測空間に落下する粉体である、
請求項４又は５に記載の成分計測方法。
【請求項７】
前記レーザー光は、前記計測空間における複数の照射点のそれぞれに繰り返し照射される、請求項４〜６のうちの何れか一項に記載の成分計測方法。
【請求項８】
請求項１〜３のうちの何れか一項に記載の成分計測装置が設けられた廃棄物処理プラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーザー光を利用した試料の成分計測装置及び成分計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物質の組成を分析する手段として、レーザー誘起ブレークダウン分光法（Ｌａｓｅｒ  Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：以下、ＬＩＢＳ）が知られている。ＬＩＢＳでは、測定対象である試料にパルス状のレーザー光を照射する。レーザー光は物質をプラズマ化させる十分なエネルギーを有しており、照射領域には試料のプラズマが発生する。プラズマは加熱されており、その中のイオン（場合によっては中性粒子）は励起されている。励起されたイオンは脱励起過程で、物質固有の波長の光を放出する。つまり、プラズマから放出された光の波長と強度を計測することによって、試料の組成や濃度などを分析することができる（特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１２１５５８号公報
【特許文献２】特開２００４−２２６２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＬＩＢＳでは試料を短時間にプラズマ化させる必要がある。つまり、レーザー光の照射領域には、プラズマ化に必要なエネルギー密度をもつレーザー光を照射する必要がある。従って、レーザー光は、通常、試料に向けて集光される。
【０００５】
しかしながら、試料が常に移動している場合、或いは、試料の形状が常に変化している場合、当該試料に対するレーザー光の適切な集光が困難になる。換言すれば、レーザー光の集光位置に、試料が適切に位置しない場合が多くなる。一方、ＬＩＢＳでは、試料に対して１０Ｈｚ程度の頻度でレーザー光の照射を繰り返す。従って、試料が移動或いは変形する場合、単位時間当たりの信号強度の変動が大きくなりやすく、成分の特定等に利用できる有効信号数の変動も大きくなる。その結果、例えば、計測結果に対する十分な統計精度が得られるまでの時間にもばらつきが大きく，計測の定量性が損なわれる。
【０００６】
本開示は、上述の事情を鑑みて成されたものである。即ち、本開示は、ＬＩＢＳを用いた成分計測装置及び成分計測方法において、統計精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の第１の態様は試料の成分計測装置であって、レーザー光を繰り返し発生する光源と、前記試料が継続的に通過する計測空間を通る複数の光軸をもつ前記レーザー光の照射光学系と、前記計測空間を通る光軸をもつ観測光学系と、前記レーザー光の照射によって前記試料から放出され、前記観測光学系によって導かれる光の波長と強度を計測する分析装置とを備えることを要旨とする。前記試料は前記計測空間を時間的且つ空間的に不規則に通過するものであってもよい。前記照射光学系の前記複数の光軸は、前記計測空間において複数の照射点のそれぞれを通ってもよい。
【０００８】
本開示の第２の態様は試料の成分計測方法であって、前記試料が継続的に通過する計測空間に異なる方向からレーザー光を繰り返し照射し、前記レーザー光の照射によって前記試料から放出された光の波長と強度を計測することを要旨とする。前記試料は前記計測空間を時間的且つ空間的に不規則に通過するものであってもよい。前記試料は前記計測空間に落下する粉体であってもよい。前記レーザー光は、前記計測空間における複数の照射点のそれぞれに繰り返し照射されてもよい。
【０００９】
本開示の第３の態様は廃棄物処理プラントであって、前記第１の態様に係る成分計測装置を備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１０】
本開示によれば、ＬＩＢＳを用いた成分計測装置及び成分計測方法において、統計精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る成分計測装置の構成図である。
【図２】本実施形態に係る計測空間及びその周辺の拡大図であり、成分計測装置による計測を説明するための図である。
【図３】本実施形態に係る成分計測方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の実施形態について添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る成分計測装置１０の構成図である。図２は、本実施形態に係る計測空間３０及びその周辺の拡大図であり、成分計測装置による計測を説明するための図である。本実施形態に係る成分計測装置１０は、上述のＬＩＢＳを用いて、測定対象（観察対象）としての試料３１に含まれる成分の特定及び当該成分の濃度（成分量）を計測する。試料３１は、例えば、計測空間３０を通過（例えば落下）する粉体（粒体、塊体）であり、所定の期間中、試料供給源３２から計測空間３０に継続的に供給される。
【００１４】
試料３１は、計測空間３０を時間的且つ空間的に不規則に通過する。即ち、試料３１が計測空間３０を通過する単位時間あたりの頻度は変化し（即ち、一定ではなく）、試料３１が計測空間３０内を通過する位置も変化する（即ち、一定ではない）。
【００１５】
成分計測装置１０は、例えば、廃棄物処理プラント（図示せず）に設置される。この場合、試料供給源３２は廃棄物処理プラントであり、試料３１としての粉体は飛灰である。成分計測装置１０は、例えば、この飛灰に含まれる微量な重金属の成分及びその濃度を計測する。
【００１６】
図１に示すように、成分計測装置１０は、光源１１と、照射光学系１２と、観測光学系１３と、分析装置１４とを備える。
【００１７】
光源１１は、レーザー光１５を所定の周期で繰り返し発生する。光源１１は、例えば、パルスレーザー光源であるＮｄ：ＹＡＧレーザーである。本実施形態のＮｄ：ＹＡＧレーザーは２倍波である５３２ｎｍのパルスレーザー光を、数十ｆ〜数百ｎｓのパルス幅、且つ、１０Ｈｚ程度の周波数で出力する。
【００１８】
なお、レーザー光３１の波長は測定対象の組成に応じて設定される。例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの基本波（１０６４ｎｍ）、３倍波（３５５ｎｍ）、或いは、４倍波（２６６ｎｍ）でもよい。また、光源１１はＮｄ：ＹＡＧレーザーに限られず、測定対象固有の発光を促す波長とエネルギーをもつレーザー光を発生する他の光源でもよい。波長は例えば１９３ｎｍ〜１０．６μｍであり、エネルギー（パルスエネルギー）は例えば０．１ｍＪ以上である。
【００１９】
照射光学系１２は、レンズ、（平面、凹面）ミラー、光ファイバ等の周知の光学素子によって構成され、光源１１から出力されたレーザー光１５を、試料３１が通過する計測空間３０に導く。ただし、計測空間３０に導かれるレーザー光１５の数は複数である。つまり、照射光学系１２は、レーザー光１５を分岐した上で、異なる方向から計測空間３０内に集光させる。例えば、照射光学系１２は、分岐したレーザー光１５を計測空間３０内の複数の照射点のそれぞれに集光させる。換言すれば、照射光学系１２は、異なる方向から計測空間３１を通る複数の光軸をもつ。例えば、照射光学系１２は、複数の照射点のそれぞれを通る複数の光軸をもつ。なお、この集光は同時に発生する。ここで言う「同時」には、光路差に伴う時間差を含む。
【００２０】
ＬＩＢＳによる計測においては、レーザー光を試料に照射してから発光が起こるまでの時間（遅延時間）も、所望の成分に関する情報（例えば当該成分の有無、濃度、種々の反応過程など）を取得するための計測条件（例えばシャッター（ゲート）時間の設定）となる場合がある。この場合、複数のレーザー光の照射タイミングの差は小さいほど良いため、例えば、図１に示すように複数のレーザー光（第１レーザー光１５ａおよび第２レーザー光１５ｂ）の光路長が互いに等しくなるように光学系を設置してもよい。なお、レーザー光の分岐には、周知のビームスプリッタ、ハーフミラー、分波器などが使用される。また、レーザー光の集光には、周知のレンズ、凹面ミラーなどが使用される。
【００２１】
以下、説明の便宜上、照射光学系１２から出力されるレーザー光の数を２本として説明する。即ち、照射光学系１２は、光源１１から出力されたレーザー光１５を、第１レーザー光１５ａおよび第２レーザー光１５ｂに分岐する。更に、照射光学系１２は、第１レーザー光１５ａを計測空間３０の照射点３０ａに集光させ、且つ、第２レーザー光１５ｂを計測空間３０の照射点３０ｂに集光させる（図２参照）。つまり、照射点３０ａは、照射光学系１２の光軸１２ａ上、換言すれば、第１レーザー光１５ａを集光させる最終段（最下流）のレンズ１７の光軸１２ａ上に位置する。同様に、照射点３０ｂは、照射光学系１２の光軸１２ｂ上、換言すれば、第２レーザー光１５ｂを集光させる最終段（最下流）のレンズ１８の光軸１２ｂ上に位置する。
【００２２】
なお、光軸１２ａと光軸１２ｂは同一線上に並んでもよく、互いに交差していてもよい。また、照射点３０ａと照射点３０ｂは互いに離れていてもよく、一致していてもよい。何れの場合も、第１レーザー光１５ａと第２レーザー光１５ｂは、異なる方向から計測空間３０に入射する。
【００２３】
観測光学系１３は、照射光学系１２と同様に、レンズ、（平面、凹面）ミラー、光ファイバ等の周知の光学素子によって構成される。観測光学系１３の光軸１３ａは、計測空間３０を通る。例えば、観測光学系１３の光軸１３ａは、照射点３０ａ及び照射点３０ｂのうちの少なくとも１つを通過する。なお、計測空間３０において、観測光学系１３の光軸１３ａは、照射光学系１２の光軸１２ａ及び光軸１２ｂのうちの何れかに一致していてもよい。間隔を置いて平行でもよい。
【００２４】
計測空間３０は観測光学系１３が試料３１を見据える空間であり、その大きさ（幅や深さなど）は観測光学系１３の光学的仕様（焦点距離、有効口径、屈折率、素材など）に依存する。換言すれば、光学的仕様によって規定される。計測空間３０内で試料３１から放出され且つ観測光学系１３に入射した光３３は、後述の分析装置１４に適切に導かれる。即ち、当該光は、分析装置１４が規定する最大受容立体角の範囲内の角度で分析装置１４に入射する。
【００２５】
試料３１が計測空間３０を通過する粉体である場合、当該粉体は照射点３０ａ、３０ｂを通過しない場合もあり得る。しかしながら、第１レーザー光１５ａ及び第２レーザー光１５ｂは照射光学系１２によって計測空間３０で充分に集光されている。従って、図２に示すように、試料３１のプラズマ（発光）は、照射点３０ａ、３０ｂ以外の場所でも第１レーザー光１５ａ又は第２レーザー光１５ｂの照射によって発生する。観測光学系１３は、計測空間３０において照射点３０ａ、３０ｂ以外の場所で発生した光３３を受光し、分析装置１４に導く。
【００２６】
分析装置１４は所謂分光器である。レーザー光１５（第１レーザー光１５ａ及び第２レーザー光１５ｂ）によって試料３１から放出され、観測光学系１３によって導かれる光３３の波長と強度を計測する。本実施形態の分析装置１４は、所定の範囲内の波長の光を一度に計測するポリクロメータやマルチチャネル型分光器である。但し、分析装置１４は、モノクロメータでもよい。
【００２７】
制御部１６は、光源１１及び分析装置１４を制御する。制御部１６は、例えばコンピュータであり、レーザー光１５の発生及び繰り返し周期を制御する。また、制御部１６は、分析装置１４から出力された波長及び強度を分析し、試料３１の組成を特定（検出）する。
【００２８】
本実施形態に係る成分計測方法について説明する。図３は、本実施形態に係る成分計測方法のフローチャートである。この図に示すように、本実施形態では、まず、試料供給源３２によって、計測空間３０に試料３１を継続的に通過させる（ステップＳ１）。なお、この通過は落下でもよい。
【００２９】
ステップＳ１における試料３１は、計測空間３０を時間的且つ空間的に不規則に通過する。即ち、試料３１が計測空間３０を通過する単位時間あたりの頻度は変化し（即ち、一定ではなく）、試料３１が計測空間３０内を通過する位置も変化する（即ち、同一ではない）。
【００３０】
次に、光源１１及び照射光学系１２によって、計測空間３０に、異なる方向からレーザー光（第１レーザー光１５ａ及び第２レーザー光１５ｂ）が繰り返し照射される（ステップＳ２）。例えば、計測空間３０における複数の照射点３０ａ、３０ｂのそれぞれにレーザー光１５（第１レーザー光１５ａ及び第２レーザー光１５ｂ）が繰り返し照射される。なお、ステップＳ１とステップＳ２の各工程の順序は任意であり、同時に行われてもよい。
【００３１】
次に、レーザー光１５（第１レーザー光１５ａ及び第２レーザー光１５ｂ）によって試料３１から放出された光３３の波長と強度が、分析装置１４によって計測される（ステップＳ３）。
【００３２】
図２に示すように、計測空間３０には、試料供給源３２から試料３１が供給される。試料３１が粉体の場合、粉体は、空間的にも、時間的にもランダムに計測空間３０を通過（落下）する。一方、計測空間３０には、第１レーザー光１５ａ及び第２レーザー光１５ｂが異なる方向から照射される。つまり、１本レーザー光を用いる場合と比べて、レーザー光によって試料３１がプラズマ化される空間が拡大される。即ち、一回の照射において、試料３１がプラズマ化される領域が大きくなる。
【００３３】
観測光学系１３は、レーザー光１５（第１レーザー光１５ａ及び第２レーザー光１５ｂ）によって試料３１から放出された光３３、即ち、試料３１の発光を捕捉する。しかも、観測光学系１３は、異なる位置からの複数の発光を同時に捕捉することできる。従って、一回の照射において、分析装置１４にはより広い領域からの光が入射される。
【００３４】
上述の通り、ＬＩＢＳではレーザー光１５の照射が繰り返される。従って、本実施形態によれば、単位時間当たりの、試料３１中の特定の成分を示す信号（有効信号）の数が増加するので、測定結果の統計精度を向上させることができる。
【００３５】
なお、本開示は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含む。
【符号の説明】
【００３６】
１０…成分計測装置、１１…光源、１２…照射光学系、１２ａ、１２ｂ…光軸、１３…観測光学系、１３ａ…光軸、１４…分析装置、１５…レーザー光、１５ａ…第１レーザー光、１５ｂ…第２レーザー光、１６…制御部、１７、１８…レンズ、３０…計測空間、３０ａ、３０ｂ…照射点、３１…試料、３２…試料供給源、３３…光
【図１】
2020101441.tif 000003
【図２】
2020101441.tif 000004
【図３】
2020101441.tif 000005