(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空紫外光発生手段から発生された真空紫外光によりサンプルガスをイオン化するイオン化手段と、
前記真空紫外光によりイオン化されたイオンのうち、特定質量のイオンを蓄積するイオントラップと、
前記イオントラップ中に蓄積された前記イオンを加速させ、その加速されたイオンの飛行時間に基づいて前記サンプルガス中の前記特定質量の化学物質を同定する飛行時間型質量分析手段と、
を備えた化学物質検出装置において、
前記イオン化手段は、イオンが通過する孔を有する仕切り壁により、イオン生成用の第１空間とイオン蓄積用の第２空間とに仕切られており、前記第１空間には、前記真空紫外光発生手段が具備されており、前記第２空間中には、前記イオントラップが配置されており、前記第１空間中で生成されたイオンを前記第２空間中の前記イオントラップ中に引き込む引き込み電極が設けられている、ことを特徴とする化学物質検出装置。
【請求項２】
前記第２空間中の圧力を前記第１空間中の圧力よりも低くする差動排気手段が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の化学物質検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、化学物質検出装置に係り、特に、特定の化学物質を高精度に検出することができる化学物質検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、微量有害物質の検出および濃度測定を的確に行うことが、特に強く求められている。
【０００３】
上述のような化学物質の検出、濃度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によるものが知られており、そのうち、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優れている。
【０００４】
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。
【０００５】
上述のような飛行時間型質量分析法は、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。
【０００６】
このため、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開発されている。また、計測対象物質の光吸収波長に合わせたレーザ光を照射し、その物質を選択的に多光子イオン化する共鳴多光子イオン化法が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、計測感度を高めることができる共鳴多光子イオン化法は、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、イオン化効率の低下を補うために、超短パルスレーザが必要になる。このため、従来装置では、上述のような特定物質の計測のために、高価な装置となってしまう。
【０００８】
そこで、この出願人は、特定物質のイオン化効率を高め、光子エネルギーより高いイオン化エネルギーを持つ他物質のイオン化の阻止、及び特定物質のフラグメント生成を抑制することで計測感度を向上することと、装置の低コスト化、簡素化を図れる化学物質検出装置（特願２０００−１７８９８５号）を先に出願した。
【０００９】
先願の化学物質検出装置は、サンプルガスを真空紫外光によりイオン化するイオン化手段と、前記真空紫外光によりイオン化されたイオンのうち、特定質量のイオンを蓄積するイオントラップと、前記イオントラップ中に蓄積された前記イオンを加速させ、その加速されたイオンの飛行時間に基づいて前記サンプルガス中の前記特定質量の化学物質を同定する飛行時間型質量分析手段と、を備える。
【００１０】
この発明は、先願の化学物質検出装置の改良にかかり、特定の化学物質を高精度に検出することができる化学物質検出装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、以下の構成を特徴とする。すなわち、イオン化手段は、イオンが通過する孔を有する仕切り壁により、イオン生成用の第１空間とイオン蓄積用の第２空間とに仕切られており、前記第１空間には、前記真空紫外光発生手段が具備されており、前記第２空間中には、前記イオントラップが配置されており、前記第１空間中で生成されたイオンを前記第２空間中の前記イオントラップ中に引き込む引き込み電極が設けられている。
【００１２】
この結果、請求項１にかかる発明は、第１空間と第２空間とを仕切り壁で仕切ることにより、第２空間中のイオントラップの機能が損なわれない程度に、第１空間中のガス圧（ガス密度）を増加させることができる。また、第１空間側の真空紫外光発生手段と第２空間側のイオントラップとを仕切り壁で仕切ることにより、第１空間中において、サンプルガスに対する真空紫外光の照射体積を増加させることができる。前記ガス圧および真空紫外光の照射体積を増加することにより、イオンの生成量が増加する。このために、飛行時間型質量分析手段の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００１３】
また、請求項２にかかる発明は、第２空間中の圧力を第１空間中の圧力よりも低くする差動排気手段が設けられている、ことを特徴とする。
【００１４】
この結果、請求項２にかかる発明は、差動排気手段により、第２空間中のガス圧を上げることなく、第１空間中のガス圧を増加させることができる。このために、さらに、イオンの生成量が増加して特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる化学物質検出装置の実施の形態の１例を添付図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によりこの化学物質検出装置が限定されるものではない。
【００１６】
（実施の形態の構成の説明）
図１において、１はサンプルガスを真空紫外光によりイオン化するイオン化手段である。このイオン化手段１は、主に、イオン化室２と、サンプルガス導入管３と、イオン加速電極４と、真空紫外光発生手段としてのランプ５とから構成されている。前記イオン化室２中には、サンプルガス（図示せず）が前記サンプルガス導入管３を介して導入されている。また、前記イオン加速電極４は、後記イオントラップ９と後記飛行時間型質量分析手段１９との間に配置されている。
【００１７】
前記ランプ５は、供給されたランプガス６（たとえば、Ｈ２  ／Ｈｅなど）をμ波で放電させて、Ｈ２  の固有の発光線エネルギー１０．２ｅＶを持つ真空紫外光７を発生させるものである。このランプ５は、放電するランプガス６の種類を変えることにより、発生する真空紫外光７の持つ光子エネルギー量を変化させて、イオン化する物質を選定することができる。また、このランプ５中は、たとえば、約１０Ｔｏｒｒ以下に減圧されている。
【００１８】
前記ランプ５は、ＭｇＦ２  窓８を介して前記イオン化室２に配置されている。前記真空紫外光７は、前記ＭｇＦ２  窓８を経て前記イオン化室２中に照射される。前記ＭｇＦ２  窓８は、真空紫外光７の透過性が良い。
【００１９】
図１において、９は前記真空紫外光７によりイオン化されたイオンのうち、特定質量のイオンを蓄積するイオントラップである。このイオントラップ９は、図２に示すように、２個のエンドキャップ電極１０、１１と、１個のリング電極１２とから構成されている。また、このイオントラップ９は、前記電極１０、１１、１２で囲まれた空間２４を有する。
【００２０】
前記エンドキャップ電極１０、１１および前記リング電極１２は、その内面が凸曲面をなす。前記２個のエンドキャップ電極の一方１０のほぼ中央には、生成された後記イオン２８を中に引き込むための孔、すなわち引き込み孔１３が設けられている。また、前記２個のエンドキャップ電極の他方１１のほぼ中央には、蓄積された後記イオン１８を外に引き出すための孔、すなわち引き出し孔１４が設けられている。
【００２１】
前記エンドキャップ電極１０、１１の端部とリング電極１２の端部との間には、絶縁物１５（たとえば、セラミック製の絶縁物）が固定されている。そして、これらエンドキャップ電極１０、１１およびリング電極１２および絶縁物１５は、ホルダ１６により、保持されている。
【００２２】
前記エンドキャップ電極１０、１１および前記リング電極１２には、図１に示すように、高周波電圧を印加するための高周波電源１７が接続されている。この高周波電源１７から印加される高周波電圧の周波数と電圧とを調整することにより、引き込まれたイオン２８のうち、特定の質量のイオン１８を前記空間２４中において選別蓄積することができる。すなわち、周波数と電圧とが調整された高周波電界により、特定の質量のイオン１８がそのイオン軌道上を対流して保持蓄積されるものである。その他のイオンは、電極１０、１１、１２に当って消失する。
【００２３】
前記イオントラップ９中のイオンの蓄積時間は、蓄積する化学物質により変わるが、約１〜２秒間である。その蓄積時間が終了した時点で、イオン加速電極４に電圧を印加して電界を加える。すると、イオントラップ９中に蓄積されたイオン１８が引き出し孔１４から外に引き出されて加速されることとなる。
【００２４】
前記イオン化室２内には、仕切り壁２５が配置されている。これにより、前記イオン室２内は、イオン生成用の第１空間２６と、イオン蓄積用の第２空間２７とに仕切られる。前記仕切り壁２５には、イオン２８が通過する孔２９が設けられている。
【００２５】
前記第１空間２６には、前記サンプルガス導入管３と前記ランプ５とポンプ３０とがそれぞれ接続されている。前記真空紫外光７の照射方向とイオン１８の加速方向とは、ほぼ直交する。すなわち、前記イオントラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域に真空紫外光７が照射されない位置に、前記ランプ５が配置されている。前記第１空間２６中には、サンプルガス（図示せず）が充満している。前記第１空間２６中に充満しているサンプルガスは、前記真空紫外光７によりイオン化される。
【００２６】
前記第２空間２７中には、前記イオン加速電極４と前記イオントラップ９とが配置されている。また、前記第２空間２７には、差動排気用ポンプ３１が接続されている。この差動排気用ポンプ３１は、前記第２空間２７内の圧力を前記第１空間２６内の圧力よりも低くするものである。
【００２７】
前記第１空間２６と、前記第２空間２７の仕切り壁２５、イオントラップ９間とには、イオン引き込み電極３２がそれぞれ配置されている。このイオン引き込み電極３２は、前記第１空間２６中で生成されたイオン２８をイオン通過孔２９を経て前記第２空間２７中の前記イオントラップ９中に引き込むためのものである。
【００２８】
図１において、１９は前記加速されたイオン１８の飛行時間に基づいてサンプルガス中の特定質量の化学物質を同定する飛行時間型質量分析手段（いわゆる、ＴＯＦＭＳ）である。この飛行時間型質量分析手段１９の飛行室２０が前記第２空間２７と連通して配置されている。
【００２９】
前記飛行室２０には、ポンプ２１が接続されている。このポンプ２１の作動により、相互に連通する前記飛行室２０および前記第２空間２７中の圧力が高真空、たとえば、約１０−５Ｔｏｒｒ以下に保持されている。この高真空は、前記第２空間２７および前記飛行室２０中を飛行するイオン１８が他の分子と衝突して消失しない程度のものである。
【００３０】
前記飛行室２０のうち、前記イオン１８が到達する箇所には、イオン検出器２２が設置されている。このイオン検出器２２は、たとえば、マイクロチャンネルプレート（いわゆる、ＭＣＰ）や電子増倍管などから構成されているものである。このイオン検出器２２は、図３に示すように、前記イオン１８を検出した時点で信号を出力するものである。なお、前記イオン検出器２２の信号出力のレベルは、前記イオン１８の量によって変わる。
【００３１】
前記イオン検出器２２には、オシロスコープ２３が接続されている。このオシロスコープ２３は、図３に示すように、前記イオン検出器２２でイオン１８を検出した時点で出力する信号の時間波形を表示するものである。
【００３２】
（実施の形態の作用の説明）
この実施の形態における化学物質検出装置は、以上の如き構成からなり、以下、その作用について説明する。なお、この例における検出対象の化学物質は、たとえば、ダイオキシン類やその前駆体である。
【００３３】
まず、サンプルガスをサンプルガス導入管３を介してイオン化室２の第１空間２６中に導入する。すると、サンプルガスは、イオン化室２の第１空間２６中に充満する。このとき、イオン化室２は、第１空間部２６と第２空間部２７とに仕切られており、かつ、第２空間部２７は差動排気用ポンプ３１により差動排気されている。このために、第１空間２６中のガス圧を増加させることが可能である。
【００３４】
一方、ランプ５を作動させて真空紫外光７を、ＭｇＦ２  窓８を経て、イオン化室２の第１空間２６中に照射させる。すると、サンプルガスは、真空紫外光７により、イオン化される。このとき、前記真空紫外光７の前記第１空間２６中への照射体積は、ランプ５の照射口径の大きさに準じて増加させることができる。また、前記真空紫外光７は、イオントラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域には照射されない。
【００３５】
前記真空紫外光７の照射において、サンプルガス中の検出対象の化学物質のイオン化エネルギーに対して、それよりも高い光子エネルギーを持つ真空紫外光７を照射する。この結果、検出対象の化学物質は、１光子エネルギーにより、イオン化されるので、イオン化効率が良い。
【００３６】
前記第１空間２６中においてイオン化されたイオン２８は、引き込み電極３２により、イオン通過孔２９、引き込み孔１３を経て第２空間２７中のイオントラップ９中に引き込まれる。このイオントラップ９中に引き込まれたイオン２８のうち、特定質量のイオン１８は、イオントラップ９中の空間２４において１〜２秒間蓄積される。これにより、イオン１８の密度が高くなる。
【００３７】
イオン１８がイオントラップ９において蓄積された後、イオン加速電極４に電圧を印加する。すると、イオントラップ９中のイオン１８パケット（集団）が引き出し孔１４から引き出されて加速される。このとき、前記イオン１８パケットの引き出し加速方向と、前記真空紫外光７の照射方向とは、ほぼ直交する。
【００３８】
加速されたイオン１８パケットは、イオン化室２の第２空間２７および飛行室２０中を飛行してイオン検出器２２に到達する。そのイオン１８パケットの飛行時間に基づいてサンプルガス中の特定質量の化学物質が同定される。
【００３９】
たとえば、図３に示すように、飛行時間（μｓ）がＴ１の場合、質量Ｍ１（たとえば、１１２）の化学物質Ｘ１（たとえば、モノクロロベンゼン）が同定される。また、飛行時間（μｓ）がＴ２の場合、質量Ｍ２（たとえば、１４６）の化学物質Ｘ２（たとえば、ジクロロベンゼン）が同定される。ここで、図３において、時間０は、イオン加速電極４に電圧を印加した時点をいう。
【００４０】
しかも、図３に示すように、イオン検出器２２からの信号出力のレベルから検出対象の化学物質の濃度が判明する。たとえば、濃度特性から、基準の信号出力レベル（図３中の最小の三角形のレベル）の濃度を１ｐｐｍとする。この場合において、飛行時間Ｔ１における信号出力レベルＳ１が基準の信号出力レベルの２倍となっているので、質量Ｍ１の化学物質Ｘ１の濃度は、２ｐｐｍとなる。また、飛行時間Ｔ２における信号出力レベルＳ２が基準の信号出力レベルの３倍となっているので、質量Ｍ２の化学物質Ｘ２の濃度は、３ｐｐｍとなる。
【００４１】
（実施の形態の効果の説明）
このように、この実施の形態における化学物質検出装置は、イオン化室２中の第１空間２６と第２空間２７とを仕切り壁２５で仕切ることにより、第２空間２７中のイオントラップ９の機能が損なわれない程度に、第１空間２６中のガス圧を増加させることができる。また、第１空間２６側のランプ５と第２空間２７側のイオントラップ９とを仕切り壁２５で仕切ることにより、第１空間２６中において、サンプルガスに対する真空紫外光７の照射体積を増加させることができる。
【００４２】
前記ガス圧および真空紫外光７の照射体積を増加することにより、イオン２８の生成量が増加する。このために、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００４３】
特に、この実施の形態における化学物質検出装置は、第２空間２７中の圧力を第１空間２６中の圧力よりも低くする差動排気用ポンプ３１により、第２空間２７中のガス圧を上げることなく、第１空間２６中のガス圧を増加させることができる。このために、さらに、イオン２８の生成量が増加して特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００４４】
このように、この実施の形態における化学物質検出装置は、サンプルガスを真空紫外光７によりイオン化する領域を、イオントラップ９中と別個に区画されたイオン化室２の第１空間２６に設けたものである。このために、イオントラップ９のガス圧の制限および真空紫外光７の照射体積の制限よりも緩やかな制限下において、イオン２８の生成量の増加が図られる。
【００４５】
また、この実施の形態においては、サンプルガスは、真空紫外光７の１光子エネルギーにより、イオン化されるので、イオン化効率が良い。
【００４６】
さらに、この実施の形態においては、真空紫外光７の発生手段としてランプ５を使用したので、コスト上非常に優れている。しかも、ランプ５は、パルスレーザと比較して、光子密度が小さいが、連続発光であるから、光子量はトータル的にほぼ同等となる。その上、イオントラップ９でイオンを蓄積するので、光子密度の小ささは、特に問題とはならない。
【００４７】
さらにまた、この実施の形態においては、飛行時間型質量分析手段１９として、イオン１８が直進するリニア型方式のものを使用する。このために、イオンが電極により反射するリフレクトロン型方式の飛行時間型質量分析手段と比較して、イオンが電極に衝突して消失する量が少ない。この結果、この実施の形態においては、イオン検出器２２におけるイオン１８の検出が正確となる。
【００４８】
その上、この実施の形態における化学物質検出装置は、イオン１８の引き出し加速方向と真空紫外光７の照射方向とが直交するものであるから、真空紫外光７がイオントラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域に照射されない。このために、イオン加速域に存在するサンプルガスが真空紫外光７によりイオン化してノイズとなるのを抑制することができる。その結果、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００４９】
（実施の形態以外の例）
なお、この実施の形態においては、検出対象の化学物質としては、ダイオキシン類やその前駆体であるが、この発明は、その他の化学物質の検出にも適用できる。
【００５０】
また、この実施の形態において、第２空間２７に差動排気用ポンプ３１を接続したものであるが、この発明においては、特に、第２空間２７に差動排気用ポンプ３１を接続しなくても良い。
【００５１】
さらに、この実施の形態においては、真空紫外光７の照射方向とイオン１８の引き出し方向とが直交するものであるが、この発明の化学物質装置においては、真空紫外光７の照射方向とイオン１８の引き出し方向とが同一方向であっても良い。
【００５２】
【発明の効果】
以上から明らかなように、この発明にかかる化学物質検出装置（請求項１）は、第１空間と第２空間とを仕切り壁で仕切ることにより、第２空間中のイオントラップの機能が損なわれない程度に、第１空間中のガス圧を増加させることができる。また、第１空間側の真空紫外光発生手段と第２空間側のイオントラップとを仕切り壁で仕切ることにより、第１空間中において、サンプルガスに対する真空紫外光の照射体積を増加させることができる。前記ガス圧および真空紫外光の照射体積を増加することにより、イオンの生成量が増加する。このために、飛行時間型質量分析手段の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００５３】
また、この発明にかかる化学物質検出装置（請求項２）は、第２空間中の圧力を第１空間中の圧力よりも低くする差動排気手段が設けられている。この差動排気手段により、第２空間中のガス圧を上げることなく、第１空間中のガス圧を増加させることができる。このために、さらに、イオンの生成量が増加して特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の化学物質検出装置の実施の形態を示す説明図である。
【図２】同じく、イオントラップを示す縦断面図である。
【図３】同じく、オシロスコープにおいて表示されるイオン検出器からの信号出力とイオンの飛行時間とを示したグラフである。
【符号の説明】
１  イオン化手段
２  イオン化室
３  サンプルガス導入管
４  イオン加速電極
５  ランプ（真空紫外光発生手段）
６  ランプガス
７  真空紫外光
８  ＭｇＦ２  窓
９  イオントラップ
１０、１１  エンドキャップ電極
１２  リング電極
１３  引き込み孔
１４  引き出し孔
１５  絶縁物
１６  ホルダ
１７  高周波電源
１８  イオン
１９  飛行時間型質量分析手段
２０  飛行室
２１  ポンプ
２２  イオン検出器
２３  オシロスコープ
２４  空間
２５  仕切り壁
２６  第１空間
２７  第２空間
２８  イオン
２９  イオン通過孔
３０  ポンプ
３１  差動排気用ポンプ
３２  イオン引き込み電極
【図１】
0003572256.tif 000002
【図２】
0003572256.tif 000003
【図３】
0003572256.tif 000004