(57)【要約】【要  約】【課  題】  厚みが０．５ｍｍ以下の試料の表面分析を迅速にかつ試料の変形に起因する測定異常もなく正確に行うことが可能なグロー放電発光分光分析装置を提案する。【解決手段】  グロー放電発光分光分析装置用のグロー放電管であって、陽極管を内径が４．０ｍｍ未満でかつ１．０ｍｍ以上の円筒状（肉厚１．０ｍｍ）としたグロー放電管。【選択図】        図１
2005337951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部を持つ陽極ブロックと支持ブロックが絶縁体により互いに絶縁され、かつシールされていると共に、前記陽極ブロックの一端側に円筒状の陽極管をその内部が前記陽極ブロックの中空部に連通するように設け、さらに支持ブロックの中央部を貫通する貫通孔に挿入した構造のグロー放電発光分光分析装置用のグロー放電管であって、前記陽極管を内径が４．０ｍｍ未満でかつ１．０ｍｍ以上の円筒状としたことを特徴とするグロー放電発光分光分析装置用のグロー放電管。
【請求項２】
試料表面を分析する際にグロー放電管内を一旦高真空とした後、アルゴンガスを導入してアルゴンガス雰囲気とした状態で、陽極管および陰極である試料間に電圧を印加することでグロー放電を生じさせ、アルゴンイオンのスパッタリング作用により前記試料表面からはじき出された粒子が基底状態に戻る際に放出する光を窓板から分光器に導き分光分析するグロー放電発光分光分析装置であって、
中空部を持つ陽極ブロックと支持ブロックが絶縁体により互いに絶縁され、かつシールされていると共に、前記陽極ブロックの一端側に円筒状の陽極管をその内部が前記陽極ブロックの中空部に連通するように設け、さらに支持ブロックの中央部を貫通する貫通孔に挿入した構造のグロー放電発光分光分析装置用のグロー放電管を、前記陽極管の内径が４．０ｍｍ未満でかつ１．０ｍｍ以上の円筒状として前記支持ブロックの中央部を貫通する貫通孔に挿入した状態で陽極管の長手方向一端が分析する試料表面に近接配置したことを特徴とするグロー放電発光分光分析装置。
【請求項３】
前記試料表面を分析する際に試料を押しつける試料台に冷却水路が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のグロー放電発光分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、グロー放電発光分光分析装置に係り、特に薄い試料の表面分析を正確に行うことが可能なグロー放電発光分光分析装置用のグロー放電管およびグロー放電発光分光分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
グロー放電発光分光分析装置は試料の表面分析を行うのに使用され、ライン分析とは異なり面内の平均的な元素を同定するためによく用いられる。例えばグロー放電発光分光分析装置を用いて金属やセラミックスなど種々の材料の最表面層からの深さ方向組成分布や材料表面の皮膜の組成を迅速に調べることができる。
【０００３】
この装置を用いてグロー放電発光分光分析を行うには、グロー放電管内を２０〜１３００Ｐａのアルゴンガス雰囲気に置換した後、電極間に高電圧を印加してグロー放電を起こし、陽極でアルゴンイオンを生成させることにより高電界で加速したアルゴンイオンのスパッタリング作用により表層を規則的に浸食する。このスパッタリング作用により飛びだした微細な粒子がグロー放電によって生じたプラズマ中で励起されて基底状態に戻る際に元素固有の波長の光を放出するのでこの光を分光器で分光して元素を同定する。
【０００４】
その際、分析する試料が厚い場合には問題がないが、例えば電磁鋼板などの薄い試料の表面分析を行う場合には、電極内が高真空雰囲気であるために試料が電極内に引き込まれて盛り上がりが生じ、陽極管１０１Ａの先端と試料間の異常放電により設定値以上の電流が流れて正確な試料表面の分析を行うことができなくなったり、極端な場合には図５に示すように盛り上がり部１０５Ａと陽極管１０１Ａの先端が接触して分析が行えないという問題があった。
【０００５】
図４には、従来のグロー放電発光分光分析装置に厚みが０．２２ｍｍの鋼板試料１０５を装着した状態を示し、図５には、従来のグロー放電発光分光分析装置により試料表面の分析中の状態を示す。一般に従来のグロー放電発光分光分析装置は、支持ブロック１０３を貫通する開口径ａが６．４ｍｍの貫通孔に、外径が６．０ｍｍで内径が４．０ｍｍの陽極管１０１Ａが挿入されたグロー放電管を有している。
【０００６】
図５（ｂ）中、陽極管１０１Ａの長手方向から見た盛り上がり部１０５Ａの面積はπ・（ａ／２）2で与えられる。１０５Ｂは、試料表面の分析中、試料台１０６により支持ブロック１０３に設けたＯリングおよび絶縁体と支持ブロック１０３に押しつけられている鋼板試料１０５の平坦部を示す。
【０００７】
このような試料表面の盛り上がりは、グロー放電管内の圧力の影響を受けると共に金属の組成、熱履歴、厚み等により試料の剛性が不足した場合に生じると特許文献１に開示されており、特許文献１ではグロー放電発光分光分析方法により分析する際に分析面を平滑に保持する特殊な保持具を提案している。
【０００８】
一方、特許文献２には試料表面の分析中、試料の変形に起因する測定異常を解消できるグロー放電発光分光分析方法が記載されている。
【特許文献１】特開昭６０−１０１５４号公報
【特許文献２】特開平３−２５５９３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし前記した特許文献１に記載のグロー放電発光分光分析装置用の保持具は、試料装着前に、特殊な試料保持具の試料吸着用開口部に分析する試料面と反対側の試料面を吸着させて、試料吸着用開口への吸着力がグロー放電管側の吸引力と同じかそれより高くなるように試料吸着用開口の真空度を上げる必要があるため、迅速に表面分析を行うことができないという問題があった。
【００１０】
また特許文献２に記載のグロー放電発光分光分析方法は、特殊な保持具を用いる必要がないが、試料表面の分析を行う前に分析する試料面と反対側の試料面に接着剤を用いて補強材を接着する処理が必要であり、この前処理に時間を要するため、迅速に表面分析を行うことができないという問題があった。
【００１１】
そこで本発明は、厚みが０．５ｍｍ以下の試料の表面分析を迅速にかつ試料の変形に起因する測定異常もなく正確に行うことが可能なグロー放電発光分光分析装置を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、中空部を持つ陽極ブロックと支持ブロックが絶縁体により互いに絶縁され、かつシールされていると共に、前記陽極ブロックの一端側に円筒状の陽極管をその内部が前記陽極ブロックの中空部に連通するように設け、さらに支持ブロックの中央部を貫通する貫通孔に挿入した構造のグロー放電発光分光分析装置用のグロー放電管であって、前記陽極管を内径が４．０ｍｍ未満でかつ１．０ｍｍ以上の円筒状としたことを特徴とするグロー放電発光分光分析装置用のグロー放電管である。
【００１３】
また本発明は、試料表面を分析する際にグロー放電管内を一旦高真空とした後、アルゴンガスを導入してアルゴンガス雰囲気とした状態で、陽極管および陰極である試料間に電圧を印加することでグロー放電を生じさせ、アルゴンイオンのスパッタリング作用により前記試料表面からはじき出された粒子が基底状態に戻る際に放出する光を窓板から分光器に導き分光分析するグロー放電発光分光分析装置であって、中空部を持つ陽極ブロックと支持ブロックが絶縁体により互いに絶縁され、かつシールされていると共に、前記陽極ブロックの一端側に円筒状の陽極管をその内部が前記陽極ブロックの中空部に連通するように設け、さらに支持ブロックの中央部を貫通する貫通孔に挿入した構造のグロー放電発光分光分析装置用のグロー放電管を、前記陽極管の内径が４．０ｍｍ未満でかつ１．０ｍｍ以上の円筒状として前記支持ブロックの中央部を貫通する貫通孔に挿入した状態で陽極管の長手方向一端が分析する試料表面に近接配置したことを特徴とするグロー放電発光分光分析装置である。
【００１４】
また前記試料表面を分析する際に試料を押しつける試料台に冷却水路が設けられているグロー放電発光分光分析装置とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、厚みが０．５ｍｍ以下の試料でも試料表面の分析中、盛り上がりを抑制することができ、分析する試料表面と陽極管の長手方向一端との間の異常放電を抑止し、陽極管の内面と向き合う試料表面のみでグロー放電させることができる。
【００１６】
このため本発明のグロー放電発光分光分析装置により、特殊な保持具を用いる必要もなく、試料表面の分析を行う前に分析する試料面と反対側の試料面に接着剤を用いて補強材を接着する処理も必要とせず、試料の表面分析を迅速にかつ正確に行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図面を参照しつつ、本発明の実施の形態にかかるグロー放電発光分光分析装置について説明する。図１は本発明の実施の形態にかかるグロー放電発光分光分析装置に用いたグロー放電管の全体を示す断面模式図ある。また図２は、本発明のグロー放電管の内部構造を示す図１のＸ−Ｘ断面図である。
【００１８】
図１中、符号５は厚みが０．５ｍｍ以下の試料を示すが、本発明の実施の形態にかかるグロー放電発光分光分析装置は、厚みが０．５ｍｍを超える試料の場合であっても厚みが０．５ｍｍ以下の試料５と同様に、接着剤により分析する試料面と反対側の試料面に補強材を接着する前処理なしで表面分析を行うことができる。
【００１９】
本発明のグロー放電管は、図１に示すように、中空部８を有する陽極ブロック１と陽極ブロック１に対して対向配置した支持ブロック３を有し、陽極ブロック１と支持ブロック３は絶縁体２により互いに絶縁され、かつシールされている。
【００２０】
図１、図２に示したグロー放電管は、陽極ブロック１の一端側に円筒状の陽極管１Ａをその内部が陽極ブロック１の中空部８に連通するように設け、さらに支持ブロック３の中央部を貫通する貫通孔に挿入した構造を持つ。このようなグロー放電発光分光分析装置を用いて試料表面を分析する際には、試料台６を介して、試料５を陰極とする。なお陽極管１Ａと中空部８を有する陽極ブロック１および貫通孔を持つ支持ブロック３はそれぞれ一体とされている。絶縁体２としては例えばテフロン（デュポン社の登録商標）シートを用いることができる。
【００２１】
ここで本発明のグロー放電管は、陽極管１Ａを内径が４．０ｍｍ未満でかつ１．０ｍｍ以上の円筒状としたがこの理由は後述する。
【００２２】
試料表面を分析する場合には、グロー放電管は、支持ブロック３の中央部を貫通する貫通孔に挿入した状態で陽極管１Ａの先端が分析する試料表面に近接配置されて、試料表面の分析中、試料５と接触する側に平坦な面を持つ試料台６により試料５が支持ブロック３に設けたＯリング４および絶縁体１３と支持ブロック３に押しつけられている。このような構造のグロー放電管は、一端側の開口がＯリング４を介して試料５によりシールされているとともに試料５と反対側の開口が窓板７によってシールされている。そして図示しない真空ポンプを運転することにより２つの第１排気口１０および第２排気口１１を介してグロー放電管内を排気し、グロー放電管内を一旦１〜１００Ｐａの高真空とした後、アルゴンガスを導入して２０〜１３００Ｐａのアルゴンガス雰囲気とし、電源により電極間に所定の印下電圧を印下するとグロー放電が起こる。その後、アルゴンガス圧力を所定の範囲内に維持する。その際にグロー放電は、陽極管１０１Ａの内面と向き合う試料表面のみで起こすことが重要である。
【００２３】
図１中、１２Ａは、試料表面の分析中、試料５を冷却するための冷却水入口を示し、１２Ｂは冷却水出口を示す。
【００２４】
本発明では、陽極管１Ａを内径が４．０ｍｍ未満でかつ１．０ｍｍ以上の円筒状としたグロー放電管を、支持ブロック３の中央部を貫通する開口径がａの貫通孔に挿入した構造を持つ。なお図１、図２においては、図示を省略したが、支持ブロック３の中央部を貫通する貫通孔の開口径がａである。
【００２５】
このようにグロー放電管を数値限定する理由は、引張強さが３００ＭＰａ以上で厚みが０．５ｍｍ以下、０．１ｍｍ以上の薄い試料５であれば、接着剤により分析する試料面と反対側の試料面に補強材を接着する試料の補強なしで、しかも特殊な試料保持具も用いずに、試料５の表面分析を迅速にかつ試料の変形に起因する測定異常もなく正確に行うことができるからである。
【００２６】
すなわち、陽極管１Ａを内径が４．０ｍｍ未満の円筒状としたグロー放電管とすることにより、その陽極管１Ａの肉厚が１．０ｍｍ程度とすればその陽極管を挿入する貫通孔の開口径ａを６．４ｍｍ以下とすることができ、貫通孔の開口径ａが６．４ｍｍ以下の支持ブロック３を有するグロー放電管となる。貫通孔の開口径ａが６．４ｍｍ以下の支持ブロック３を有するグロー放電管を用いた場合には、試料５の表面分析を行うに際して、グロー放電管内を一旦１〜１００Ｐａの高真空としたときに、引張強さが３００ＭＰａで、厚みが０．５ｍｍ以下の薄い試料５のグロー放電管側への盛り上がり量を陽極管１Ａの先端から分析する試料表面までの距離で０．１〜０．３ｍｍとすることができる。この範囲内としたグロー放電発光分光分析装置によれば、安定したグロー放電を陽極管１Ａの内面と向き合う試料表面のみで起こすことができ、陽極管１Ａの先端と試料表面間の異常放電を抑止できるから、正確な試料表面の分析を行うことができる。
【００２７】
ただし引張強さが３００ＭＰａであってもその厚みが０．５ｍｍ以下、０．１ｍｍ以上の薄い試料５の範囲を外れ、厚みが０．１ｍｍ未満ともなるとその剛性は極めて小さくなるため、陽極管１Ａをその肉厚が１．０ｍｍ程度で内径が４．０ｍｍ未満の円筒状とし、かつ貫通孔の開口径ａが６．４ｍｍ以下の支持ブロック３を有するグロー放電管を用いた場合でも、グロー放電管側への盛り上がり量を陽極管１Ａの先端から分析する試料表面までの距離で０．１〜０．３ｍｍとすることが困難となる。
【００２８】
この点から上述したグロー放電発光分光分析装置用のグロー放電管は、引張強さが３００ＭＰａ以上で厚みが０．５ｍｍ以下、０．１ｍｍ以上の薄い試料５の表面分析に好適である。
【００２９】
また、本発明のグロー放電管において、円筒状の陽極管１Ａの内径の下限を１．０ｍｍとしたグロー放電管とする理由は、内径が１．０ｍｍを下回ると正確に試料表面の元素を同定することが難しいからである。
【００３０】
また本発明に係るグロー放電発光分光分析装置は、試料表面を分析する際に試料を押しつける試料台に冷却水路が設けられていることがより好ましい。この理由は、試料表面の分析中、試料表面がグロー放電やスパッタリング作用により加熱されて、試料温度が過度に上昇するのを効果的に抑止できるからである。試料温度が過度に上昇した場合には、試料表面の分析中、試料５が押しつけられる支持ブロック３の部分に設けたＯリング４が損傷を受けたり、試料の熱膨張によって試料表面が盛り上がって陽極管１Ａの先端と試料表面間に異常放電が生じる。
【実施例】
【００３１】
本発明例として陽極管１Ａの内径が２．０ｍｍ、陽極管１Ａの肉厚が１．０ｍｍ、支持ブロック３の開口径ａが４．４ｍｍであるグロー放電管を有するグロー放電発光分光分析装置を用い、厚みが０．２２ｍｍのＳｎめっき鋼板表面分析を行った。Ｓｎめっき鋼板の引張強さは３５０ＭＰａである。
【００３２】
グロー放電の条件は以下とした。
【００３３】
電極間の印下電圧：５００Ｖ
放電電流：２０ｍＡ
陽極管１Ａの先端から分析する試料表面までの距離の設定値：０．２ｍｍ
アルゴンガス導入前の圧力：１０Ｐａ
その結果を図３に示す。図３中、破線は本発明例のグロー放電発光分光分析装置で得た結果を示し、実線は従来のグロー放電発光分光分析装置で得た結果を示す。
【００３４】
従来のグロー放電発光分光分析装置の場合は、陽極管１０１Ａの内径が４．０ｍｍ、陽極管１０１Ａの肉厚が１．０ｍｍ、陰極ブロック１０３の開口径ａが６．４ｍｍであるグロー放電管を組み込んだ装置であり、厚みが０．２２ｍｍの試料は補強なしでは正確に試料の深さ方向の表面分析が行えないので厚みが３ｍｍの補強板を接着剤で接着する補強を行って試料の剛性を高める試料の補強が必要であった。
【００３５】
これに対して本発明例のグロー放電管を用いたグロー放電発光分光分析装置によれば、図３中の破線で示すように試料の補強なしで厚みが０．２２ｍｍの試料の深さ方向の表面分析が正確に行われていることがわかる。
【００３６】
ただし、本発明例のグロー放電発光分光分析装置により得られた強度レベルは、従来のグロー放電発光分光分析装置により得られた強度レベルより低くなっているがこの相違は、グロー放電発光分光分析装置に組み込んだ本発明例の陽極管１Ａの内径が従来例の陽極管１０１Ａの１／２となっており、陽極管１Ａの内面と向き合う試料表面の円の面積Ｓ１と従来例の陽極管１０１Ａの内面と向き合う試料表面の円の面積Ｓ２の比Ｓ１／Ｓ２が１／４となっていることによる。
【００３７】
図３中、Ｐ、Ｑは、従来と発明例のグロー放電発光分光分析装置を用いてグロー放電の条件および分光分析装置の感度を同一としたときのＳｎの最大強度レベルを示す。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のグロー放電発光分光分析装置のグロー放電管の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明のグロー放電発光分光分析装置のグロー放電管の内部構造を示す図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】本発明のグロー放電発光分光分析装置により試料の補強なしで試料の表面分析を行うことができていることを示す説明図である。
【図４】従来のグロー放電発光分光分析装置の問題点を示す要部縦断面模式図であって、試料装着時の状態を示す。
【図５】従来のグロー放電発光分光分析装置の問題点を示す要部縦断面模式図であって、（ａ）はグロー放電管内を真空引きした後の試料表面を分析するときの試料状態を示し、（ｂ）はグロー放電管内を真空引きした後の試料表面を分析中するときの試料表面の変形範囲を示す。
【符号の説明】
【００３９】
１  陽極ブロック
１Ａ  陽極管
２  絶縁体
３  支持ブロック
４  Ｏリング
５  試料
６  試料台
７  窓板
８  中空部
９  Ａｒ導入口
１０  第１排気口
１１  第２排気口
１２  冷却水路
１２Ａ  冷却水入口
１２Ｂ  冷却水出口
１３  絶縁体
１０１Ａ  陽極管
１０３  支持ブロック
１０５  鋼板試料
１０５Ａ  盛り上がり部
１０５Ｂ  平坦部
１０５Ｃ  空間
１０６  試料台
ａ  開口径
【図１】
2005337951.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005337951.tif 000006
【図５】
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