(57)【要約】  ２以上の高周波数マイクロホンを使用して、光発光分析（ＯＥＳ）機器において、個々のスパーク又はその他の励起ビームがサンプルに当たる位置を決定する。スパークの位置は、スパークによって蒸発した、サンプル中の材料の元素組成と相関される。マイクロホンは、概略、機器のスパーク発生器のまわりの空気中に配置され、または、概略、サンプルに配置され、または、サンプルと空気中との両方に配置される。スパークからマイクロホンへの音の到達時間、または、到達時間の違いから、情報をもたらし、情報から、マイクロホンに対するスパークの位置を、もって、スパークの絶対位置を、例えば三角測量によって導く。任意的に又は加えて、スパークが発生したとき、時間を指示する信号は、分光計によって検出された１又は複数のスペクトルと相関され、蒸発したサンプルから得られたスペクトルは、サンプルの上方で加熱されたガスから得られたスペクトルと区別される。【選択図】図３
2009503448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の励起ビームを用いて分析されるサンプルの組成の分析とそのサンプルでの位置の確認との両方を行う装置であって、
サンプルの少なくとも一部分に励起ビームを当てるためのビーム発生器であって、それにより、サンプルの少なくとも一部分を励起し、音を発生させる上記ビーム発生器と、
サンプルの少なくとも一部分が励起されたときに発生した光信号を受けるように配置され、受けた光信号からスペクトルを発生させる分光計と、
ビーム発生器の付近において、互いに間隔を隔てた位置に配置されてなる少なくとも２つのマイクロホンと、
少なくとも２つのマイクロホンに接続されたタイミングモジュールであって、少なくとも２つのマイクロホンによって受けた音のタイミングと，少なくとも２つのマイクロホンの位置と，に少なくとも部分的に基づき、音の源の位置を確認するように働く、上記タイミングモジュールと、
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
励起ビームが発生した時間を指示するスタート信号の源をさらに備え、タイミングモジュールは、スタート信号の源に接続され、スタート信号に少なくとも部分的に基づき、音の源の位置を確認することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
スタート信号の源は、フォトダイオードを備えていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
スタート信号の源は、励起ビームを発生させる回路の少なくとも一部分を備えていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項５】
タイミングモジュールに接続され、発生したスペクトルを確認された音の源の位置に関連付ける回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも２つのマイクロホンは、ビーム発生器の付近において、互いに間隔を隔てた位置に配置されてなる少なくとも３つのマイクロホンを備え、
タイミングモジュールは、少なくとも３つのマイクロホンに接続され、少なくとも３つのマイクロホンによって受けた音のタイミングと，少なくとも３つのマイクロホンの位置と，に少なくとも部分的に基づき、音の源の位置を確認するように働く、ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、圧力波検出器の直線状のアレイを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、ガス媒体によって、サンプルから隔てられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、サンプルと機械的に接触していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、サンプルに対して垂直に向けられていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、サンプルに対して垂直以外に向けられていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
ビーム発生器は、電極を備え、励起ビームは、スパークから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
ビーム発生器は、レーザを備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
サンプルでの位置を確認するための方法であって、
少なくとも一部分の組成を分析すべき、サンプルを提供する段階と、
サンプルに当てる励起ビームを発生させて、それにより、音を発生させ、サンプルの少なくとも一部分を励起する段階と、
少なくとも２つの既知の位置に音が達するのに要する移動時間と，少なくとも２つの既知の位置についての配置と，に少なくとも部分的に基づき、音の源の位置を決定する段階と、を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１５】
サンプルの少なくとも一部分の励起によって発生した光信号からスペクトルを発生する段階と、
発生したスペクトルを決定された音の源の位置に相関させる段階と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
励起ビームを発生させる段階は、サンプルに当てられるスパークを発生させる段階を備え、それにより、音を発生させ、サンプルの少なくとも一部分を蒸発させることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
励起ビームを発生させる段階は、レーザビームを発生して、サンプルの少なくとも一部分を照射する段階を備え、それにより、音を発生し、サンプルの少なくとも一部分からプラズマを発生させることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
第２の既知の位置にて、サンプルに当てられる励起ビームを発生し、それにより、第２の音を発生させる段階と、
第２の音が少なくともひとつの既知の位置に達するのに要する移動時間を測定する段階と、をさらに備え、
第２の音が少なくともひとつの既知の位置に達するのに要する、測定された移動時間に少なくとも部分的に基づき、音の源の位置を決定する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
ビーム発生器からの励起ビームをサンプルに当てることで発生した光信号から、分光計によって発生したスペクトルを相関させる装置であって、
励起ビームが発生した時間を指示するスタート信号の源と、
スタート信号に対して、所定の時間に、分光計によって発生したスペクトルを記録する回路と、を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２０】
スタート信号の源は、フォトダイオードを備えていることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
スタート信号の源は、励起ビームを発生させる回路の少なくとも一部分を備えていることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記回路は、所定量の時間にわたって、スペクトルを記録することを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２３】
ビーム発生器からの励起ビームをサンプルに当てることで発生した光信号から、分光計によって発生したスペクトルを相関させる方法であって、
励起ビームの発生を検出する段階と、
励起ビームの発生の検出に応答して、励起ビームの発生の検出に対して、所定の時間に、分光計によって発生したスペクトルを特定する段階と、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項２４】
励起ビームの発生を検出する段階は、スパークの検出を備えていることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
励起ビームの発生を検出する段階は、レーザビームの検出を備えていることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光発光分析（ＯＥＳ）に関し、より詳しくは、アーク／スパークの光発光分析技術に基づいた、空間的に分解された元素分析を得るための、表面アブレーションに付随した音響測定に使用するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光発光分析（ＯＥＳ）は、材料の元素分析のための、成熟した確固とした技術である。金属については、発光スペクトルを発生させる有力な技術では、電気アーク又はスパーク、または、これらの両方（以下、まとめて「スパーク」と称する）を使用して、分析すべきサンプルの少量を蒸発させる。ＯＥＳ分析技術に関する調査は、１９９３年の、Automatic Atomic-Emission Spectroscopy, Second Edition誌における、Slickersの論文に見い出される。
【０００３】
【非特許文献１】Slickers, Automatic Atomic-Emission Spectroscopy, Second Edition (1993)
【０００４】
図１及び図２には、ＯＥＳ方法の基本的な要素を示している。導電サンプル１００は、電極１０２の下方に配置される。アークスパーク１０４は、適当な電子回路１０６によって発生し、戻り経路１０８を備え、スパーク１０４がサンプル１００に当たる、非常に局所化された箇所にて、少量の金属を蒸発させる。モノクロに見える及び／又は目に見えない（すなわち、赤外線及び／又は紫外線）光電子放出２００（図２）の蒸発した金属の元素の特性は、光ガイド２０２によって捕捉され、光を分光計２０４へと送り、スペクトルを分析して、元素の組成をもたらす。
【０００５】
測定から導かれた組成を信頼できるものとすべく、代表的にサンプル１００の小さな部分について行われる測定は、サンプル１００の全体の組成を代表し、例えば、含有物、マトリックス、及び表面汚染物からの影響を最小化するために、標準的な慣行においては、２〜３秒間の測定において、１００平方ｍｍの大きさの領域に当てられた、数千のスパークからのスペクトルを平均化している。この多数のスパークが当たることで、代表的に、当たった箇所には、黒くなった領域が残される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高度な技術では、１回の測定における数千のスパークからの個々のスペクトルを記録及び分析し、異常なスペクトルを排除し、サンプル１００のバルクについて、最も信頼できる組成分析を得る。しかしながら、このとき、個別のスパークがサンプル１００のどこに当たったのかを決定するためのいかなる方法も存在せず、故に、個々のスパークの位置は、スパークで励起された材料の元素組成と相関させることができない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、サンプルの組成の分析と、単一の励起ビームを用いて分析される、サンプルでの位置の確認との両方のための装置を提供する。装置は、サンプルの少なくとも一部分に励起ビームを当てるためのビーム発生器を具備している。サンプルの少なくとも一部分にビームを当てることで、サンプルの少なくとも一部分は励起して、音を発生させる。サンプルの少なくとも一部分が励起したとき、光信号が発生する。また、装置は、光信号を受けるように配置された分光計を具備している。分光計は、受けた光信号からスペクトルを発生させる。また、装置は、少なくとも２つのマイクロホンを具備している。マイクロホンは、ビーム発生器の付近において、互いに間隔を隔てた位置に配置されている。装置はさらに、少なくとも２つのマイクロホンに結合されてなる、タイミングモジュールを具備している。タイミングモジュールは、少なくとも２つのマイクロホンによって受けた音のタイミングと、少なくとも２つのマイクロホンの位置とに少なくとも部分的に基づき、音の発生源の位置を確認するように働く。
【０００８】
任意的には、装置は、スタート信号の発生源を具備している。スタート信号は、励起ビームが発生された時間を指示する。タイミングモジュールは、スタート信号の発生源と結合されている。タイミングモジュールは、スタート信号に少なくとも部分的に基づき、音の発生源の位置を確認する。
【０００９】
ひとつの実施形態においては、スタート信号の発生源は、フォトダイオードを具備している。
【００１０】
他の実施形態においては、スタート信号の発生源は、励起ビームを発生する回路の少なくとも一部分を具備している。
【００１１】
任意的には、装置は、タイミングモジュールに接続された回路を具備している。回路は、発生したスペクトルを、確認された音の発生源の位置と相関させる。
【００１２】
さらに別の実施形態においては、少なくとも２つのマイクロホンは、少なくとも３つのマイクロホンを具備している。マイクロホンは、ビーム発生器の付近において、互いに間隔を隔てた位置に配置されている。タイミングモジュールは、少なくとも３つのマイクロホンに接続される。タイミングモジュールは、少なくとも３つのマイクロホンで受けた音のタイミングと、少なくとも３つのマイクロホンの位置とに少なくとも部分的に基づき、音源の位置を確認する。
【００１３】
ひとつの実施形態においては、少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、圧力波検出器の直線状のアレイを具備している。
【００１４】
他の実施形態においては、少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、ガス媒体によって、サンプルから隔てられている。
【００１５】
変形例としては、少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、サンプルと機械的に接触している。
【００１６】
ひとつの実施形態においては、少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、サンプルに対して垂直に向けられている。
【００１７】
変形例としては、少なくとも２つのマイクロホンのそれぞれは、サンプルに対して垂直以外に向けられている。
【００１８】
ひとつの実施形態においては、ビーム発生器は、電極を具備し、励起ビームは、スパークである。
【００１９】
他の実施形態においては、ビーム発生器は、レーザを具備している。
【００２０】
本発明の別の実施形態は、サンプルでの位置を確認する方法を提供する。方法は、サンプルを提供する段階を具備している。サンプルの少なくとも一部分は、組成について分析される。また、方法は、サンプルに当てられる励起ビームを発生させる段階を具備している。サンプルにビームを当てると、音が発生し、サンプルの少なくとも一部分が励起される。また、方法は、音の発生源の位置を決定する段階を具備している。位置の決定は、音が少なくとも２つの既知の位置に達するのに要する移動時間に、少なくとも部分的に基づく。また、位置の決定は、少なくとも２つの既知の位置の配置に、少なくとも部分的に基づく。
【００２１】
任意的には、方法は、サンプルの少なくとも一部分における励起によって発生した、光信号からスペクトルを発生させる段階を具備している。この場合には、方法は、発生したスペクトルを、決定された音の発生源の位置に相関させる段階を具備している。
【００２２】
ひとつの実施形態においては、励起ビームを発生する段階は、サンプルに当たるスパークを発生させる段階を具備している。スパークを発生させる段階は、音を発生させ、サンプルの少なくとも一部分を蒸発させる。
【００２３】
他の実施形態においては、励起ビームを発生させる段階は、レーザビームを発生させて、サンプルの少なくとも一部分を照射する段階を具備している。レーザビームを発生して、サンプルの少なくとも一部分を照射する段階は、音を発生させ、サンプルの少なくとも一部分からプラズマを発生させる。
【００２４】
任意的には、方法は、サンプルにおける第２の既知の位置に当たる励起ビームを発生させる段階を具備し、それにより、第２の音を発生させる。この場合には、方法は、第２の音が少なくともひとつの既知の位置に達するのに要する移動時間を測定する段階を具備している。音の発生源の位置の決定は、第２の音が少なくともひとつの既知の位置に達するのに要する移動時間に、少なくとも部分的に基づく。
【００２５】
本発明のさらに別の実施形態においては、ビーム発生器からの励起ビームをサンプルに当てることで発生した光信号から、分光計によって発生したスペクトルを相関させる装置が提供される。装置は、励起ビームが発生した時間を指示する、スタート信号の源を具備している。また、装置は、スタート信号に対して、所定の時間に、分光計によって発生したスペクトルを記録する回路を具備している。
【００２６】
ひとつの実施形態においては、スタート信号の源は、フォトダイオードを具備している。
【００２７】
他の実施形態においては、スタート信号の源は、励起ビームを発生させる回路の少なくとも一部分を具備している。
【００２８】
任意的には、回路は、所定量の時間にわたって、スペクトルを記録する。
【００２９】
本発明のさらに別の実施形態においては、ビーム発生器からの励起ビームをサンプルに当てることで発生した光信号から、分光計によって発生したスペクトルを相関させる方法が提供される。方法は、励起ビームの発生を検出する段階を具備している。また、方法は、励起ビームの発生の検出に応答して、励起ビームの発生の検出に対して、所定の時間に、分光計によって発生したスペクトルを確認する段階を具備している。
【００３０】
ひとつの実施形態においては、励起ビームの発生を検出する段階は、スパークを検出する段階を具備している。
【００３１】
他の実施形態においては、励起ビームの発生を検出する段階は、レーザビームを検出する段階を具備している。
【００３２】
本発明の前述した特徴は、添付図面を参照しつつ、以下の詳細な説明を読むことで、より容易に理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明による実施形態は、ＯＥＳアーク／スパーク装置において、個々のスパークがサンプルのどこに当たったのかを決定するための方法及びシステムを含む。本発明による別の実施形態は、個々のスパークの位置を、スパークによって励起された材料の元素組成に相関させる方法及びシステムを含む。本願に開示される方法及びシステムは、例えば、ミクロン単位の高い空間分解能にて、元素組成の空間分布を決定できる。本開示に従った装置は、空間的に相関した元素分析を行うために、本発明による機器に加えることができる。
【００３４】
本発明の別の実施形態においては、興味があるスペクトルが発生し、または、興味がある複数のスペクトルが発生した、時間を決定するための方法及びシステムが含まれる。
【００３５】
本発明のさらに別の実施形態においては、個々のスパークの位置を、スパークによって励起した材料の元素組成と相関させる方法及びシステムが含まれる。
【００３６】
本発明の実施形態によって可能となるように、サンプル内の元素組成の空間的な変化を測定することによって、従前には入手できなかった有用な情報を、単一の測定で生じさせることができる。例えば、そうした測定によって、別の方法では均質なサンプルにおける、含有物のサイズ及び位置に関する情報を提供できる。また、測定によって、異なる合金間の境界にわたる、元素の変化に関する情報を提供できる。そうした測定値及び情報は、金属の生産又は取扱いにおいて、汚染物の分析を大いに容易にし、サンプルの元素組成の空間的な同質性を承認することができる。
【００３７】
［定義］
「励起ビーム」は、単位粒子あたり充分なエネルギーをもった、質量のある又は質量のない粒子の流れであって、サンプルの表面から原子を分離させるものを意味している。例としては、限定はしないが、スパーク中の電子又はイオン、レーザビーム中の光子などが含まれる。
【００３８】
「励起」は、サンプルに励起ビームを当てた結果、サンプルの少なくとも一部分に変化を生じ、サンプルの一部分が蒸発するか、サンプルの一部分からプラズマが発生することを意味している。サンプルを励起させると、サンプルの変化によって、サンプルの組成を分析することができる。
【００３９】
「ビーム発生器」は、電極、レーザ、又はその他の励起ビームの源であって、サンプルの一部分を充分に励起して、分析すべき励起部分から原子又は分子の放出を可能にするものを意味している。
【００４０】
［スパークの空間分布］
電極とサンプルとの間の個々のスパークは、圧力波を空気中（又はその他の媒体中）で発生させ、これを通ってスパークは進行し、金属サンプルに入る。ガス媒体においては、圧力パルスの速度は、ガス媒体中における音速に等しく、標準温度及び圧力の純粋な空気中においては、音速は、およそ３３．１８０×１０3ｃｍ／秒である。金属中における速度は、金属の組成と温度とに応じて変化する。例えば、鋼中における速度は、２０℃にて、およそ４．４×１０5ｃｍ／秒である。その他の金属中における速度は、当業者において周知であるか、決定できる。
【００４１】
本発明の実施形態においては、２以上の高周波数マイクロホンを、ガス媒体中に適当に配置し、または、金属サンプルに適当に配置し、または、サンプルとガスとの両方に配置する。スパークからマイクロホンへの音の到達時間、または、到達時間の違いは、情報をもたらし、情報から、マイクロホンに対するスパークの位置を、もって、スパークの絶対位置を、例えば三角測量によって導く。ガス中及び金属中における正確な音の速度は、マイクロホンに対して一定した既知の正確な位置に、基準となる「コールド」スパークを発生させることで、測定中に決定できる。従って、装置は、基準となるスパークを使用して較正される。
【００４２】
［ガス媒体中における移動時間の測定］
本発明のひとつの実施形態は、図３の上面図と、図４の破断側面図とに示している。簡単のために、図３及び図４には、２つだけのマイクロホン３００及び３０２を示しているが、その他の数のマイクロホンを使用しても良い。一般に、より多くのマイクロホンは、より少ないマイクロホンに比べて、高い精度を提供する。２つのマイクロホン３００及び３０２は、好ましくはメガヘルツ以上の帯域幅をもち、サンプル１００と平行な平面４０４（図４）に配置され、平面は、電極１０２とサンプル１００との間のスパークギャップと交差する。マイクロホン３００及び３０２は、サンプル１００とは機械的に接触せず、すなわち、マイクロホン３００及び３０２は、サンプル１００から、ガス媒体、例えば標準温度及び圧力の空気によって隔てられている。
【００４３】
いくつかの実施形態においては、マイクロホン３００及び３０２は、円３０４上にて、約９０゜隔てられ（図３）、円の半径は、例えば、電極１０２の中心線から約３ｃｍであり、電極１０２に中心がある。別の実施形態においては、マイクロホン３００及び３０２は、別の角度に配置され、及び／又は、別の半径を有する円に沿って配置される。例えば、３つのマイクロホン（図示せず）を、約１２０゜隔てて、円上に配置しても良い。
【００４４】
マイクロホンの信号は、スパーク１０４からマイクロホン３００及び３０２への音波の移動時間を測定するタイミングモジュール３０６へ送られる。スパーク１０４のスタートを示すパルス（スタートパルス３０８）は、スパーク１０４を開始させる電子回路１０６から得られ、フォトダイオード又は放電の近くのどこかに配置されたその他の適当な装置３１０によってピックアップされたスパーク１０４からの光信号から得られ、または、その他の適当な源から得られる。基準となるスパーク又はノイズ発生器によって測定される、空気中の音波の速度は、３３，１８０ｃｍ／秒とされる。
【００４５】
電極１０２の中心線の正確に下方で、サンプル１００に当たるスパークからの音のタイミングを考える。音は、空気を通って、マイクロホン３００及び３０２へ伝わる。それぞれのマイクロホン３００及び３０２からの音の信号は、スタートパルス３０８の後、約９０．４２μ秒で、タイミングモジュール３０６に入る。
３ｃｍ／３３，１８０ｃｍ／秒＝９０．４２μ秒
【００４６】
０．１μ秒程度のタイミングの不確実性があるので、マイクロホン３００及び３０２からの信号によって決定される、スパークのＸ及びＹ位置は、以下の精度にて計算される。
（１０-7／９０．４２）×１０-6×３＝３．３２×１０-3ｃｍ
【００４７】
パルス化超音波に使用される商業的なタイミング回路（例えば、非破壊検査に使用されるもの）は、約１ナノセカンド未満の不確実性を有している。従って、適切なタイミング回路を用いれば、スパークの位置（例えばＸＹ座標）は、少なくとも４ミクロン以下で決定することができる。決定されたスパーク１０４の位置は、分光計２０４によって発生したスペクトルと相関させられる。従って、組成分析は、分析されたサンプル１００の位置と相関させることができる。
【００４８】
しかしながら、スパーク１０４は、サンプル１００に対して垂直な直線に沿って伝わるか疑わしい。圧力波は、スパーク１０４の全体に沿って発生する。従って、この圧力波は、時間の範囲にわたって、それぞれのマイクロホン３００及び３０２に達し、スパークの位置の測定に不確実性をもたらす。スパーク１０４の角度、故に、スパークがサンプル１００に当たった位置は、周知の信号処理技術を用いて、２以上のマイクロホンからの波形を分析することで決定される。例えば、３つのマイクロホン（図示せず）を、約１２０゜隔てて、円上に配置する。
【００４９】
変形例としては、それぞれのマイクロホンに置き換えて、サンプル１００の表面に対して垂直に向けられた、圧力波検出器の直線状のアレイを用い、アレイの長さをスパークギャップの幅、すなわち、電極１０２とサンプル１００との間の距離に、概略等しくする。
【００５０】
この実施形態においては、標準温度及び圧力の空気が使用されているけれども、別の実施形態においては、別のガス媒体、温度、及び／又は、圧力を使用しても良い。もちろん、上述した計算は、選択された温度及び圧力における選択されたガス中での音速を考慮にいれて、変更される。
【００５１】
上述した実施形態においては、マイクロホン３００及び３０２は、電極１０２を中心とする円上に配置されているけれども、別の実施形態においては、マイクロホン３００及び３０２は、円上には配置されない。すなわち、電極１０２の中心線と、マイクロホン３００及び３０２との間の距離は等しくない。そうした実施形態においては、スパークの位置の計算は、マイクロホン３００及び３０２への音の経路の長さの違いを考慮に入れて変更される。
【００５２】
［サンプルの移動時間の測定］
本発明の別の実施形態は、図５の上面図と、図６の破断側面図とに示している。簡単のため、図５及び図６には、２つだけのマイクロホン５００及び５０２又はその他のタイプの圧力センサ又はトランスデューサ（以下、まとめてマイクロホンと称する）を示しているけれども、別の数のマイクロホンを使用しても良い。この実施形態においては、マイクロホン５００及び５０２は、サンプル１００に機械的に取り付けられ、サンプル１００の内部での音の移動時間が測定される。サンプル１００内の音の移動時間の測定は、ガス媒体中の音の移動時間の測定に比べて、より正確なＸＹ位置を提供できる。サンプル１００の内部での音の移動時間を測定する実施形態が、現在では好ましい。
【００５３】
マイクロホン５００及び５０２は、平面５０４にてサンプル１００に押圧されており、平面５０４でスパーク１０４がサンプル１００に当たる。マイクロホン５００及び５０２は、サンプル１００と機械的に接触し、直接的に、または、中間的な物質を介して、例えば、摩耗板、楔（後述）、音伝導グリースなどを介して接触する。マイクロホンは、好ましくは、電極１０２の中心線上に中心がある円の上において、約９０゜に隔てられている。しかしながら、上述したように、別の角度、半径、及びマイクロホンと電極との間の等しくない距離を使用しても良い。
【００５４】
サンプル１００内の音波は、スパーク１０４がサンプル１００に当たる箇所にて生起し、音波は、その箇所からマイクロホン５００及び５０２へと伝わる。上述したように、スタートパルス３０８は、スパーク１０４のスタートを指示する。タイミングモジュール３０６は、スパーク１０４が当たった位置からマイクロホン５００及び５０２までの音波の移動時間、または、移動時間の違いを測定する。スパーク１０４がサンプル１００に当たった箇所のＸＹ位置は、マイクロホン５００及び５０２までの音の移動時間に基づいて、または、移動時間の違いに基づいて計算される。サンプル１００中の音波の速度は、基準スパーク又はノイズ発生器を用いて測定され、この測定された速度は、位置決定に使用される。
【００５５】
マイクロホン５００及び５０２は、サンプル１００の内部を伝わった音に加えて、サンプル１００の上方のガス媒体を通って伝わった（スパーク１０４からの）音を検出する。従って、マイクロホン５００及び５０２は、余分な音を検出する。サンプル１００の中を移動する音速は、代表的に、サンプル１００の上方のガス媒体中を移動する音速に比べて、１オーダーの大きさだけ高い。従って、ガス媒体を通して伝わる音は、サンプル１００を通して伝わる音に比べて、著しく遅く、マイクロホン５００及び５０２に到達する。
【００５６】
任意的には、回路（図示せず）は、ガス媒体を通って伝わった音と、サンプル１００を通って伝わった音とを区別して、回路は、ガス媒体を通って伝わった音を無視する。例えば、回路は、所定の時間長さを越えて伝わった（すなわち、スタートパルス３０８の信号の後、所定の時間長さを越えてマイクロホン５００又は５０２に達した）音を無視し、ここで、所定の時間長さは、スパーク１０４がサンプル１００に当たった箇所１１０から、サンプル１００の最も離れた縁部にまで、音波が伝わるのに必要な時間の長さとおおよそ等しい。変形例としては、回路は、それぞれのマイクロホン５００及び５０２によって検出された第１の音に反応し、回路が次のスタートパルス３０８の信号を受けるまでは、それぞれのマイクロホンによって続いて検出された音を無視する。
【００５７】
マイクロホン５００及び５０２は、サンプル１００の表面に対して垂直に向けられる。変形例としては、図７に示すように、楔７００を使用して、それぞれのマイクロホン５００及び５０２を、サンプル１００の表面に対して斜めの角度７０２に向けても良い（図７は、図６の部分６００を拡大して示した断面図である。）。マイクロホン５００及び５０２を、サンプル１００と楔７００との境界を伝わる音の屈折角度７０４に対応又は近似した、斜めの角度７０２に向けることで、音の多くの部分をマイクロホン５００に導くことができる。
【００５８】
［マイクロホン及びトランスデューサ］
金属の非破壊試験（ＮＤＴ）のための超音波技術は、膨大な文献をもった成熟した技術である。例えば、ＮＤＴに関する基本的な原理、方法、及び用途は、www.ndt-ed.orgから入手可能である。
【００５９】
ＮＤＴの技術においては、時間分解能が約１０-10秒である、トランスデューサが使用される。そうしたトランスデューサを用いれば、サブミクロンの精度にて、スパークの位置を決定し、故に、かかる箇所において蒸発した材料の原子組成を決定することが可能になる。そうしたトランスデューサを用いれば、スタートパルス３０８と、マイクロホン５００又は５０２に達するスパーク１０４の音との間の時間は、約ナノセカンド内にて、又はそれをかなり下回って、測定することが可能になる。例えば、スパーク１０４からマイクロホン５００又は５０２までの平均距離が約２ｃｍであるならば、移動時間は約４ミリセカンドであり、測定された距離における不確実性は、１ナノセカンドの時間分解能について、約５ミクロンになる。
２ｃｍ×（１０-9秒）／（４×１０-6秒）＝５×１０-4ｃｍ
【００６０】
［スパーク時間とスペクトルの相関］
スパーク１０４がサンプル１００に当たる結果、様々なスペクトルが発生する。スペクトルは、可視及び不可視の、例えば赤外線及び／又は紫外線の光を含む。サンプル１００の一部分がスパーク１０４によって蒸発するとき、興味があるスペクトルが発生する。しかしながら、サンプル１００の一部分が蒸発する前及び／又は後には、スパーク１０４がサンプル１００に当たった箇所１１０の上方にある、加熱された又はイオン化されたガスも、スペクトルを発生するが、これにはほとんど又は全く興味がなく、サンプル１００の組成の不正確な分析につながる。
【００６１】
本発明のいくつかの実施形態においては、スパーク１０４の時間を、分光計２０４によって検出された様々なスペクトルと相関させて、蒸発したサンプル１００から得られたスペクトルを、加熱されたガスから得られたスペクトルから区別する。スパーク１０４の時間とスペクトルとを相関させることで、スパーク１０４を発生させる前に、一般的に行われていたように、サンプル１００の上方にある加熱されたガスによって発生する不都合なスペクトルを防止し又は減少させるために、例えば、アルゴンを用いて、スパークギャップを洗い流す必要性を低下させ又は解消させる。
【００６２】
そうしたひとつの実施形態においては、スタートパルス３０８、または、スパーク１０４の結果又はスパークに協調する別の時間信号は、分光計２０４にトリガーをかけて、信号の時間に、分光計２０４によって検出されたスペクトルを記録する。任意的には、分光計への時間信号を、適当な時間長さだけ遅らせて、信号の時間に分光計で検出されたスペクトルが、興味のあるスペクトルになるようにする。例えば、興味があるスペクトルは、スパーク１０４がサンプル１００に当たった後、所定の時間長さにて検出されたスペクトルである。この遅れは、スパーク１０４の角度に依存し、故に、スパークがサンプル１００に当たる位置に依存するが、これは、マイクロホンからの波形の分析によって決定される。
【００６３】
いったんトリガーされると、分光計２０４は、単一のスペクトルを記録し、または、分光計２０４は、所定の時間長さにわたって、スペクトルを記録する。
【００６４】
そうした別の実施形態においては、分光計２０４は、スペクトルを（例えば、不図示の汎用又は専用コンピュータに）、それぞれのスペクトルが発生した時間を指示するタイムスタンプと共に、記録する。また、スパーク１０４の時間、及び任意的には、スパーク１０４がサンプル１００に当たった時間も記録される。そして、記録されたスペクトル、及びスパークの（又は当たった）時間を相関させて、興味があるスペクトルを選択する。
【００６５】
［レーザで誘発された光学発光］
スパークに代えて、別の励起現象を使用して、サンプルを励起させ、分析されるスペクトルを発生させても良い。例えば、１又は複数のレーザを使用して、サンプル又はサンプルの一部分を励起させても良い。レーザによって照射されたサンプルの一部分は、蒸発し、または、サンプルの一部分からプラズマが発生する。本願に開示された方法及びシステムは、レーザ又は他のエネルギービームがサンプルに当たった位置を決定するために使用できる。
【００６６】
本願において、「励起ビーム」という用語は、スパーク、レーザビーム、及びその他の励起現象であって、サンプルの励起に使用できるものを称する。本願において、「励起」という用語は、サンプルに励起ビームを当てた効果であって、サンプルの一部分の蒸発、または、サンプルの一部分からのプラズマの発生を含み、励起したサンプルの一部分の組成の分析を容易にすることを称する。「ビーム発生器」という用語は、電極、レーザ、又はその他の励起ビームの源を称する。
【００６７】
［結論］
上述したように、時には多くの（時には数千の）スペクトルが、単一のサンプルから集められる。それぞれのスパークは、絶縁材料の層を残す傾向があるので、その後のスパークは、サンプル上の既に当たった位置には、当たりそうにない。従って、スパークは、サンプルの領域にわたって分配される傾向がある。
【００６８】
本願に開示された方法及び装置を用いることで、それぞれのスパークが当たった位置は、それに対応するスペクトルと相関させられる。故に、それぞれのスパークで励起された材料の元素組成は、スパークが当たった位置と相関させることができる。その結果、サンプル内の元素組成の空間的な分布を決定することができる。元素組成の空間的な分布は、別の具合では均質であるサンプルにおける、含有物のサイズ及び位置に関する情報を提供できる。また、このデータは、異なる合金の間の境界を横切る、元素変化に関する情報を提供できる。そうした測定値及び情報は、金属の生産又は取扱いにおいて、汚染物の分析を大いに容易にし、サンプルの元素組成の空間的な同質性を承認することができる。
【００６９】
励起ビームが当たった位置と、当たった場所におけるサンプルの元素組成との両方を、単一のビームを当てることで決定することができる。これは、経済的で正確なシステムを提供する。
【００７０】
本発明について、上述した例示的な実施形態に関して説明したけれども、当業者が理解するように、本願で開示された発明の概念から逸脱せずに、例示した実施形態に改変及び変更を施すことができる。さらに、好ましい実施形態は、様々なマイクロホン、トランスデューサ、及び圧力センサに関連させて説明したけれども、当業者が理解するように、システム及び方法は、音又は圧力波を検出可能な様々なセンサを用いて実施することができる。従って、本発明は、特許請求の範囲の精神及び範囲を除き、制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】従来技術による、光発光分析（ＯＥＳ）アーク／スパーク装置の側断面図である。
【図２】図１のＯＥＳアーク／スパーク装置を示した上面図である。
【図３】本発明のひとつの実施形態による、ＯＥＳアーク／スパーク装置における、スパークがサンプルのどこに当たったのかを決定するためのシステムを示した上面図である。
【図４】図３のシステムの側断面図である。
【図５】本発明の別の実施形態による、ＯＥＳアーク／スパーク装置における、スパークがサンプルのどこに当たったのかを決定するためのシステムを示した上面図である。
【図６】図５のシステムの側断面図である。
【図７】図６の一部分を示した拡大図である。
【符号の説明】
【００７２】
１００  サンプル
１０２  電極
１０４  アークスパーク
１０６  電子回路
１０８  戻り経路
２００  光電子放出
２０２  光ガイド
２０４  分光計
３００，３０２  マイクロホン
３０４  円
３０６  タイミングモジュール
３０８  スタートパルス
４０４  平面
５００，５０２  マイクロホン
５０４  平面
７００  楔
７０２  斜めの角度
７０４  屈折角度
【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６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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