(57)【要約】【課題】元素の分析精度に優れた元素分析装置および元素分析装置を用いた元素分析方法を提供する。【解決手段】元素分析装置は、パルスレーザ光を被測定物１表面に集光照射するレーザ照射手段１０と、集光照射された被測定物に含まれる原子から放出される蛍光３を集光する蛍光集光手段２０と、集光された蛍光の波長およびその強度から被測定物に含有した元素を定量する蛍光分光測定手段３０と、集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを変化させるとともに、照射エネルギを変化させた状態でパルスレーザ光を照射させるよう制御するレーザ出力調整手段４０と、を備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光を被測定物表面に集光照射するレーザ照射手段と、前記集光照射された被測定物に含まれる原子から放出される蛍光を集光する蛍光集光手段と、前記集光された蛍光の波長およびその強度から前記被測定物に含有した元素を定量する蛍光分光測定手段と、前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを変化させるとともに、前記照射エネルギを変化させた状態でパルスレーザ光を照射させるよう制御するレーザ出力調整手段と、を備えていることを特徴とする元素分析装置。
【請求項２】
前記レーザ出力調整手段は、前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを２点以上変化させて照射させるよう制御することを特徴とする請求項１に記載の元素分析装置。
【請求項３】
前記レーザ出力調整手段は、前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを２０ｍＪないし２５０ｍＪの範囲内に調整することを特徴とする請求項２に記載の元素分析装置。
【請求項４】
前記レーザ出力調整手段は、前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギ密度を１００ｍＪ／ｍｍ２ないし１２００ｍＪ／ｍｍ２の範囲内に調整することを特徴とする請求項２に記載の元素分析装置。
【請求項５】
パルスレーザ光を被測定物表面に集光照射し、
前記集光照射された被測定物に含まれる原子から放出される蛍光を集光し、
前記集光された蛍光の波長およびその強度から前記被測定物に含有した元素を定量し、
前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを変化させるとともに、前記照射エネルギを変化させた状態でパルスレーザ光を照射する、
ことを特徴とする元素分析方法。
【請求項６】
前記パルスレーザ光を集光照射する際、前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを２点以上変化させて照射することを特徴とする請求項５に記載の元素分析方法。
【請求項７】
前記パルスレーザ光を集光照射する際、前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを２０ｍＪないし２５０ｍＪの範囲内に調整することを特徴とする請求項６に記載の元素分析方法。
【請求項８】
前記パルスレーザ光を集光照射する際、前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギ密度を１００ｍＪ／ｍｍ２ないし１２００ｍＪ／ｍｍ２の範囲内に調整することを特徴とする請求項６に記載の元素分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、元素分析装置および元素分析装置を用いた元素分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、試料中に含まれる各種元素を検出し定量する分析技術として蛍光Ｘ線分析やＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）誘導プラズマ発光分析が知られている。近年、各種元素を分析する新しい技術として、レーザ光ブレイクダウン（Laser Induced Breakdown：ＬＩＢ）分光分析法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法は、分析装置により、パルスレーザ光（ＬＩＢ用レーザ光）を被測定物質に集光照射することにより放出される蛍光（発生光）をスペクトル分光分析するものである。これにより、簡便で多種の元素分析を瞬時に行うことができる。
【特許文献１】特開２００１−３４９８３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記したように、従来のレーザ光を用いた分析装置は、レーザ光を照射することにより発生する蛍光の波長および強度を多数測定している。このように、蛍光の波長に対する蛍光強度の変化を測定した場合、元素の判別およびその濃度値を得ることが困難であった。また、濃度を特定する蛍光強度は照射エネルギの安定性、および被測定物質表面の状態等の影響で安定した値が得られない課題があった。  
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、元素の分析精度に優れた元素分析装置および元素分析装置を用いた元素分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、本発明の態様に係る元素分析装置は、パルスレーザ光を被測定物表面に集光照射するレーザ照射手段と、前記集光照射された被測定物に含まれる原子から放出される蛍光を集光する蛍光集光手段と、前記集光された蛍光の波長およびその強度から前記被測定物に含有した元素を定量する蛍光分光測定手段と、前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを変化させるとともに、前記照射エネルギを変化させた状態でパルスレーザ光を照射させるよう制御するレーザ出力調整手段と、を備えていることを特徴としている。
【０００５】
また、本発明の他の態様に係る元素分析装置を用いた元素分析方法は、パルスレーザ光を被測定物表面に集光照射し、前記集光照射された被測定物に含まれる原子から放出される蛍光を集光し、前記集光された蛍光の波長およびその強度から前記被測定物に含有した元素を定量し、前記集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを変化させるとともに、前記照射エネルギを変化させた状態でパルスレーザ光を照射する、ことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、元素の分析精度に優れた元素分析装置および元素分析装置を用いた元素分析方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照しながらこの発明の元素分析装置を、有害金属であるクロム（Ｃｒ）の測定に用いた実施の形態について説明する。  
図１に示すように、元素分析装置は、レーザ照射手段１０、蛍光集光手段２０、蛍光分光測定手段３０、レーザ光出力調整手段４０、およびモニタ５０を有している。
【０００８】
レーザ照射手段１０は、発振器としてのＥｄ：ＹＡＧレーザ発振器１１、およびこのＹＡＧレーザ発振器から出力されるパルスレーザ光をクロムで構成された被測定物１表面まで伝送するレーザ伝送手段を有している。このレーザ伝送手段は、ＹＡＧレーザ発振器１１から出力されたパルスレーザ光を反射する反射鏡１２、この反射鏡を介したパルスレーザ光が入射されるとともに入射されたパルスレーザ光を集光する入射光学系１３、この入射光学系で集光されたパルスレーザ光を被測定物１表面まで伝送するレーザ伝送光ファイバ１４、およびこのレーザ伝送光ファイバで伝送されたパルスレーザ光を集光して被測定物表面に照射する集光光学系１５を有している。
【０００９】
ここで、パルスレーザ光は、図示しない主制御装置により所定のタイミングで駆動パルスが生成され、この駆動パルスに基づいてＹＡＧレーザ発振器１１から所定パルス幅で出力されている。上記したことから、レーザ照射手段１０において、集光光学系１５を上下方向（矢印の方向）に移動させることにより、パルスレーザ光は集光点２に集光され、被測定物１表面に照射される。なお、パルスレーザ光が照射された場合、被測定物１が気化する場合がある。
【００１０】
蛍光集光手段２０は、被測定物１であるクロムを原子化およびプラズマ化し、被測定物１中に存在するクロムや不純物等の各元素から放出（放射）される固有の蛍光（蛍光を含むスペクトル）３を集光する。ここで、図示しないタイミング調整機構により、蛍光集光手段２０の動作は制御されている。このため、被測定物１に含まれる原子から放出される蛍光３が、蛍光集光手段２０により集光される。
【００１１】
蛍光分光測定手段３０は、蛍光（光）をスペクトル成分等に分離するとともに被測定物等に含まれる元素固有の波長を計測し、計測された波長を波長別に分光する分光器３２、蛍光集光手段２０で集光した蛍光を分光器まで伝送する蛍光伝送光ファイバ３１、および分光器で波長別に分光された蛍光強度を測定する蛍光強度測定器３３を有している。このため、蛍光分光測定手段３０により、集光された蛍光の波長、プラズマ温度に対する蛍光強度、パルスレーザ光の照射エネルギに対する蛍光強度、およびパルスレーザ光の照射密度に対する蛍光強度を測定することができる。
【００１２】
レーザ光出力調整手段４０は、計算機４１および出力調整器４２を有している。計算機４１は、分光器３２および蛍光強度測定器３３で測定された蛍光強度等、蛍光の測定データを採取および整理する他、図示しない温度計により計測されたプラズマの温度のデータも採取している。計算機４１で整理した測定データはモニタ５０に表示可能である。
【００１３】
出力調整器４２は、集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを変化させるとともに、その照射エネルギを変化させた状態でパルスレーザ光を照射させるよう制御している。出力調整器４２から出力される制御信号はＹＡＧレーザ発振器１１へ伝送される。
【００１４】
このため、図２に示すように、上記した制御信号により、ＹＡＧレーザ発振器１１のコンデンサ充電電圧を調整することでパルスレーザ光の照射エネルギが制御されている。このため、出力調整器４２は、パルスレーザ光の照射エネルギを、２０ｍＪないし２５０ｍＪの範囲内に調整することが可能である。例えば、パルスレーザ光のエネルギを５０ｍＪ程度に調整し、パルス幅を約５ｎｓとした場合、そのパルスレーザ光の出力はパルス的に１０ＭＷの出力となる。
【００１５】
レーザ光出力調整手段４０において、出力調整器４２によりパルスレーザ光の照射エネルギを調整する他、計算機４１により集光光学系１５を上下方向に移動するよう制御することができる。このため、レーザ光出力調整手段４０は、パルスレーザ光の照射エネルギ密度を１００ｍＪ／ｍｍ２ないし１２００ｍＪ／ｍｍ２の範囲内に調整することができる。また、レーザ光出力調整手段４０は、集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを２点以上変化させてパルスレーザ光を照射させるよう制御することができる。  
上記したように蛍光を測定することにより蛍光の波長およびその強度が測定されるため、被測定物に含有した元素およびその濃度を定量できる。
【００１６】
次に、上記し元素分析装置を用い、上述した被測定物１を構成するクロムおよびクロムの含有濃度を測定する手法について説明する。  
図１に示すように、被測定物１を所定の位置にセットした後、レーザ照射手段１０のＹＡＧレーザ発振器１１によりパルスレーザ光を出力する。ここで、出力するパルスレーザ光の照射エネルギは５０ｍＪである。出力されたパルスレーザ光は、反射鏡１２、および入射光学系１３を介し、レーザ伝送光ファイバ１４により、被測定物１表面まで伝送される。
【００１７】
その後、パルスレーザ光を集光光学系１５により被測定物１表面に集光する。これにより、被測定物１表面はプラズマ化される。このプラズマはパルスレーザの照射終了とともに再結合を始め、数μ秒ないし数十μ秒の間は被測定物１の構成元素が励起状態の原子となる。そして、この励起状態の原子が下準位に遷移するとき、原子は原子数に比例した蛍光を放出する。ここで、被測定物１表面がプラズマ化した際、プラズマの温度を計測する。
【００１８】
放出された蛍光は、蛍光集光手段２０により集光し、蛍光分光測定手段３０の蛍光伝送光ファイバ３１を介して分光器３２によりスペクトルを計測し、蛍光強度測定器３３により蛍光強度を測定する。測定されたデータは計算機４１に伝送される。
【００１９】
次に、出力調整器４２から制御信号を出力することにより、出力調整器は、ＹＡＧレーザ発振器１１のパルスレーザ光の照射エネルギを７０ｍＪに制御する。これにより、パルスレーザ光の照射エネルギが変化する。そして、パルスレーザ光の照射エネルギを８０ｍＪとした状態で、被測定物１表面にパルスレーザ光を照射する。その後、上記した工程と同様の工程により、蛍光強度等の各データを測定する。次いで、パルスレーザ光の照射エネルギを１００ｍＪ、１４０ｍＪ、１８０ｍＪ、および２００ｍＪに変化させ、上記した工程と同様の工程により、蛍光強度等の各データを測定する。
【００２０】
図３および図４に示すように、上記した工程により、プラズマ温度に対する蛍光強度の変化を示すデータ、およびパルスレーザ光の照射エネルギに対する蛍光強度の変化を示すデータが得られる。このため、得られたデータから被測定物１を構成する物質の元素がクロムであることが判別される。また、蛍光強度により、被測定物１に含有したクロムの濃度値を得ることができる。
【００２１】
以上のように構成された元素分析装置および元素分析装置を用いた元素分析方法によれば、元素分析装置は、集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを変化させるとともに、その照射エネルギを変化させた状態でパルスレーザ光を照射させるよう制御するレーザ光出力調整手段４０を有している。このため、レーザ光出力調整手段４０は、集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを２点以上変化させて照射させるよう制御している。
【００２２】
このため、パルスレーザ光の照射エネルギと、被測定物１から放出される蛍光の強度およびその波長との関係は、元素によって異なることを利用することにより、被測定物を構成する物質の元素を確実に特定できるとともに、その元素の含有濃度を得ることができる。また、被測定物１に対しては、パルスレーザ光の照射エネルギ値を走査することにより、パルスレーザ光の照射エネルギを２点以上変化させて照射しているため、高感度、かつ、高精度の元素分析を行うことができ、測定精度を向上させることができる。さらに、パルスレーザ光の照射エネルギを２点以上変化させて照射することにより、被測定物１を構成する物質の微少元素の分析も高精度に行うことができる。
【００２３】
レーザ光出力調整手段４０は、集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギを２０ｍＪないし２５０ｍＪの範囲内に調整できるとともに、照射エネルギ密度を１００ｍＪ／ｍｍ２ないし１２００ｍＪ／ｍｍ２の範囲内に調整できる。このため、被測定物１を構成する物質の元素を良好に分析することができる。集光照射するパルスレーザ光の照射エネルギの範囲は、被測定物１を構成する物質の元素により異ならせることもできる。  
上記したことから、元素の分析精度に優れた元素分析装置および元素分析装置を用いた元素分析方法を提供することができる。
【００２４】
なお、この発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能である。例えば、被測定物１を構成する物質の元素はクロムに限らず、様々な元素であっても良い。図５に示すように、被測定物１を構成する物質の元素を鉄（Ｆｅ）、およびマンガン（Ｍｎ）とした場合でも良好に元素を分析できるとともに、その元素の濃度値を得ることができる。図６に示すように、被測定物１を構成する物質の元素をＦｅ、およびＦｅで構成された物質に含有したＭｎとした場合でも元素を良好に分析できるとともに、その元素の濃度値を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明の実施の形態に係る元素分析装置の概略図。
【図２】図１に示した発振器のコンデンサ充電電圧に対するパルスレーザ光の照射エネルギの変化を示した図。
【図３】Ｃｒのプラズマ温度に対する蛍光強度の変化を示した図。
【図４】パルスレーザ光の照射エネルギに対するＣｒの蛍光強度の変化を示した図。
【図５】パルスレーザ光の照射エネルギ密度に対するＦｅおよびＭｎの蛍光強度の変化を示した図。
【図６】パルスレーザ光の照射エネルギ密度に対するＦｅ、およびＦｅで構成された物質に含有したＭｎの蛍光強度の変化を示した図。
【符号の説明】
【００２６】
１…被測定物、１０…レーザ照射手段、１１…ＹＡＧレーザ照射手段、１５…集光光学系、２０…蛍光集光手段、３０…蛍光分光測定手段、３２…分光器、３３…蛍光強度測定器、４０…レーザ光出力調整手段、４１…計算機、４２…出力調整器。
【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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