(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のエネルギーレベルの電子ビームを発生させるための装置と、
前記電子ビームによりイオン化されたサンプルガスを加速するための加速装置と、
前記電子ビームのエネルギーの大きさと前記エネルギーの幅を小さく調整するための調整装置と、
高周波電界が内部に生成されるイオントラップとを具え、
前記調整装置により前記エネルギーと前記エネルギーの幅が調整された前記電子ビームによりイオン化される前記サンプルガスの中の特定分子の存在確率が高められ、次に、前記イオントラップにより前記存在確率が乗算的に更に高められて蓄積される前記特定分子が前記加速装置により加速され、
前記特定分子にはハロゲン化有機化学物質が含まれ、
前記エネルギーの大きさは２０ｅＶよりも小さく、且つ、前記エネルギーの幅は２．０ｅＶよりも小さく調整される
化学物質の検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記調整装置は、
グリッド電極と、
前記グリッド電極に電圧を印加するための印加装置とを備え、
前記印加装置は、前記電圧を調整するための電圧調整装置を持つ
ことを特徴とする化学物質の検出装置。
【請求項３】
請求項２おいて、
前記調整装置は、更に、電子を引き出すための引き出し孔を有している
ことを特徴とする化学物質の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化学物質の検出装置、及び、その濃度測定方法に関し、特に、ハロゲン化有機化学物質のような微量分子を高精度に検出するための化学物質の検出装置、及び、その濃度測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
微量有害物質の検出が、特に強く求められている。クロロベンゼン類、ダイオキシン類のような微量で有害な化学物質が、燃焼炉、金属精錬炉から排出される排ガス中に含まれて排出されている。このような化学物質の検出、又は、その濃度の測定のための装置として、ガスクロマトグラフ法、質量分析法のような慣用技術が知られている。質量分析法は、ガスクロマトグラフ法に比べて、その計測時間が短い点ですぐれている。
【０００３】
質量分析法は、ＲＦ放電（高周波放電）によるプラズマ、電子銃による電子ビームなどを用いて、サンプルガスをイオン化し、そのイオンを一瞬に加速して質量分離を行い、その質量数に対応する飛行時間を計測することにより、その物質を同定する方法である。このような飛行型質量分析法は、サンプルガスをイオン化するプロセスで、検出対象物質以外の物質がイオン化したり、検出対象物質、検出対象でない物質の質量がより小さい分子、原子に分解され、分解されて生成するフラグメントが複雑になって、特定物質の同定が困難であり、その計測感度の低下を招いている。特に、クロロベンゼン類、ダイオキシン類は、イオン化の過程で分解しやすい。
【０００４】
サンプルガス中の計測対象物質以外の物質のイオン化を防止する技術が知られている。計測対象物質のみのエネルギー準位をあげてその物質のみをイオン化するために、一般的には、レーザーを用いることが有効である。しかし、計測感度を高めることができるレーザー・イオン化法は、クロロベンゼン類、ダイオキシン類のうちでジクロロベンゼン、トリクロロベンゼンのような塩素が多く含まれる物質ほど、イオン化の効率が低下しその計測感度が低下するので、このような特定物質の計測のためには有効であるとはいえない。
【０００５】
特定物質のイオン化エネルギーに対して照射エネルギーを調整して、その物質を選択的にイオン化する電子ビームを用いることを前提として、特定物質のイオン化効率を高め、その特定物質の分解確率を低減するとともに他物質のイオン化を抑えることにより計測対象物質の検出感度（存在検出感度）を高めることが望まれ、更には、その濃度の検出感度を高めることが望まれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、特定物質のイオン化エネルギーに対して照射エネルギーを調整して、その物質を選択的にイオン化する電子ビームを用いることを前提として、特定物質のイオン化効率を高め、その特定物質の分解確率を低減するとともに他物質のイオン化を抑えることができる化学物質の検出装置、及び、その濃度測定方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、特定物質のイオン化エネルギーに対して照射エネルギーを調整して、その物質を選択的にイオン化する電子ビームを用いることを前提として、特定物質のイオン化効率を高め、その特定物質の分解確率を低減するとともに他物質のイオン化を抑えることができ、更に、その濃度の検出感度を高めることができる化学物質の検出装置、及び、その濃度測定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中の請求項対応の技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応の技術的事項と実施の複数・形態のうちの少なくとも１つの形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にしているが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技術的事項に限定されることを示すためのものではない。
【０００８】
本発明による化学物質の検出装置は、所定のエネルギーレベルの電子ビーム（７）を発生させるための装置（６）と、電子ビーム（７）によりイオン化されたサンプルガス（８）を加速するための装置（９）と、電子ビーム（７）のエネルギーの幅を積極的に狭くするための幅調整装置とからなる。電子ビームのエネルギーを加速された物質の飛行時間の計測により質量を求めてその物質を同定する手段は、慣用手段である。調整することにより特定物質をその分解確率を低減させて選択的にイオン化した上で、更に、その幅を調整することにより、その確率を選択的に一層に低減させる。加速された物質の飛行時間の計測により質量を求めてその物質を同定する手段は、慣用手段である。
【０００９】
幅調整装置は、グリッド電極（１３）と、グリッド電極（１３）に電圧を印加するための印加装置（１５）とを備え、印加装置（１５）は、電圧を調整するための調整装置を積極的に持つ。印加装置（１５）は、幅だけでなく、電子ビームのエネルギーの絶対値をも調整することができる。
【００１０】
幅調整装置は、更に、電子を引き出すための引き出し孔（１４）を有し、引き出し孔（１４）は積極的に小さく形成される。サンプルガス（３）にはハロゲン化有機化学物質が含まれる。この場合、特に、エネルギー幅が２．０ｅＶよりも小さくなるように調整されている。更に、そのエネルギーは、２０ｅＶよりも小さく調整されている。
【００１１】
高周波電界が内部に生成されるイオントラップが追加されることは特に有効である。イオントラップに蓄積されたサンプルガス（８）が加速されることになる。イオントラップで、選択的にイオン化された特定分子が濃縮される。この濃縮は、特定イオンの存在確率を飛躍的に増大させる。エネルギー幅が小さい電子ビームにより選択的にイオン化されてその存在確率が高くなっている特定物質が更に濃縮され、乗算的に存在確率が高くなる。
【００１２】
この場合にも、サンプルガスにはハロゲン化有機化学物質が含まれ、エネルギー幅は２．０ｅＶよりも小さく、且つ、エネルギーは２０ｅＶよりも小さいことが特に有効であることが、実験により確認される。
【００１３】
本発明による化学物質の濃度測定方法は、ガス化された検出対象物質に電子ビームを照射するためのステップと、電子ビームのエネルギーとそのエネルギーの幅を適正化するためのステップとからなる。その適正化は、検出対象物質を選択的にイオン化する確率を高くすることである。エネルギーレベルを極端に低くすれば、負にイオン化することができる。
【００１４】
検出対象物質はハロゲン化有機化学物質であり、そのエネルギーは２０ｅＶ以下であり、その幅は２ｅＶ以下であることが望ましい。更に電子ビームを照射された検出対象物質を高周波電界中で濃縮するためのステップが追加されることが特にすぐれていることは、既述の通りである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図に一致対応して、本発明による化学物質の検出装置の実施の形態は、イオン化室がガス導入装置とともに設けられている。そのガス導入装置１は、図１に示されるように、ガス噴射管２を備えている。ガス噴射管２は、パルスバルブのようなオリフィスを用いた開閉弁又はキャピラリ管により形成されている。ガス噴射管２に導入側から導入されるサンプルガス３は、イオン化室４に導入される。
【００１６】
サンプルガス３には、クロロベンゼン類、ダイオキシン類のようなハロゲン化有機化合物（以下、検出対象物質という）が含まれていることが想定されている。ガス噴射管２の周囲には、ヒータ５が設けられている。ヒータ５は、検出対象物質がガス噴射管２の内面に付着することを防止するための加熱装置である。
【００１７】
イオン化室４は、電子銃６を備えている。電子銃６は、電子ビーム７を発生させる。イオン化室４に導入されたサンプルガス３は、電子ビーム７の照射を受け、それからそのエネルギーを受け取ってイオン化する。このようにイオン化したサンプルガス８は、質量分析装置９に導入される。質量分析装置９は、イオン化室４に隣接している。イオン化物質は、一瞬に加速電圧を受けて質量分析装置９に導入され、質量分析装置９の中で飛行する。その飛行時間が測定される。飛行時間と飛行物質の質量との間には、高精度の対応関係がある。
【００１８】
図２は、電子銃６の実施の形態を示している。電子銃６は、フィラメント１１を備えている。フィラメント１１には、フィラメント電圧１２が印加される。フィラメント１１の前方にグリッド電極１３が配置されている。グリッド電極１３には、引き出し孔１４が開けられている。グリッド電極１３には、引き出し電圧１５が印加される。
【００１９】
フィラメント電圧１２が印加されたフィラメント１１から、熱電子群が発生する。熱電子群は、グリッド電極１３に印加される引き出し電圧１５により加速され、引き出し孔１４から引き出されて、電子ビーム７が生成される。フィラメント１１の長さが短く、又は、フィラメント電圧１２が低く、又は、引き出し孔１４が小さい場合、電子ビーム７のエネルギー幅が小さい。更に、引き出し電圧１５を調整することにより、電子ビーム７のエネルギーレベルが低くなるように制御することができる。
【００２０】
【実施例１】
サンプルガス３として、ヘリウムガスにより希釈されたモノクロロベンゼンが用いられる。その濃度が調整されている。ガス噴射管２に導入されるサンプルガス３は、ヒータ５で加熱された後にイオン化室４に導入される。イオン化室４に導入されたサンプルガス３は、電子ビーム７の照射を受けてイオン化する。小さく調整された引き出し孔１４から引き出される電子ビーム７は、そのエネルギー幅が０．５ｅＶより小さい値に調整されている。更に、引き出し電圧１５は、０．５ｅＶ〜１０ｅＶの範囲で調整されている。
【００２１】
このような電子ビーム７の照射を受けてイオン化したサンプルガス８は、質量分析装置９によりその質量分析が行われる。質量分析の結果として得られたモノクロロベンゼンの最小検出濃度は、図３に示されるように、０．５ｐｐｍであった。同図には、従来方法による質量分析結果が示され、その最小検出濃度は１ｐｐｍであった。その従来方法では、サンプルガス８のエネルギーレベルは１００ｅＶに調整された。
【００２２】
図４は、本発明による化学物質の検出装置の実施の他の形態を示している。ガス導入装置１、イオン化室４、ヒータ５、電子銃６は、図１に示されるそれらに全く同一である。電子銃６として、図２に示されるものが用いられている点でも、先に既述した実施の形態に全く同じである。
【００２３】
図４に示される実施の形態では、更に、イオントラップ１６が追加されている。イオントラップ１６は、慣用技術である。イオントラップ１６には、高周波電圧１７が印加される。高周波電圧１７の周波数及び電圧と、イオントラップ１６の中で濃縮され蓄積されるイオンの質量数との間には、対応関係がある。ある特定の周波数の電圧を受けて蓄積される特定物質でない他の物質は、イオントラップ１６から弾き出され、その特定物質が高周波電圧１７の電界中で濃縮される。
【００２４】
濃縮された特定物質を一定時間蓄積した後（数秒後）に、その特定物質に加速電圧を印加することにより、濃縮された高濃度の特定イオン化物質が質量分析装置９に導入されて質量分析装置９の中で飛行する。その飛行時間が測定される。飛行時間と飛行物質の質量との間には、より高精度の対応関係がある。このような質量分析装置又は質量分析方法は、飛行時間型質量分析装置又は飛行時間型質量分析方法と呼ばれる慣用手段である。
【００２５】
【実施例２】
実施例１と全く同じく、電子ビーム７のエネルギー幅とそのエネルギーレベルが調整されている。イオントラップ１６の中で特定周波数の印加電圧を受けて特定物質であるイオン化されたモノクロロベンゼンが蓄積されている時間は、２秒である。飛行型質量分析装置による分析結果が、図５に示されている。本発明方法によれば、その最小検出濃度は０．０１ｐｐｍである。本発明と同様にイオントラップを追加した従来方法によれば、その最小検出濃度は０．１ｐｐｍである。
【００２６】
このように、先の実施の形態では、従来方法に比べて本発明方法は２倍の検出精度を持つが、後の実施の形態では、従来方法に比べて本発明方法は１０倍の検出精度を持つ。
【００２７】
【発明の効果】
本発明による化学物質の検出装置、及び、その濃度測定方法は、化学物質の濃度検出精度が向上する。イオントラップを用いることにより検出感度が飛躍的に増大する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による化学物質の検出装置の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図２は、電子銃を示す回路図である。
【図３】図３は、実験結果を示す表である。
【図４】図４は、本発明による化学物質の検出装置の実施の他の形態を示す断面図である。
【図５】図５は、実験結果を示す他の表である。
【符号の説明】
３，８…サンプルガス
６…電子ビーム発生装置
７…電子ビーム
９…加速装置（飛行型質量分析装置）
１３…グリッド電極
１４…引き出し孔
１５…印加装置
【図１】
0003652922.tif 000002
【図２】
0003652922.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003652922.tif 000005
【図５】
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