(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央に孔を有する円盤部と前記孔と同心円状になるように前記円盤部の一方に連設された円筒部とを有する陽極と、この陽極の円筒部より大径の貫通孔が形成されて前記陽極とは電気的に絶縁された陰極とを、前記陽極の円筒部が前記陰極の大径貫通孔内に同心円状に位置して両者間に隙間が形成され、かつ、前記陽極の円筒部の開放端部が陰極の端面より凹んだ状態で配置してなるグロー放電管を、内部に貫通孔、排気系統及び不活性ガス導入路が形成され、かつ、前記貫通孔の一方の開放口が分光器方向への光導出用の窓により封止されているランプボディの前記窓を設けた側とは反対側の端面に押圧固定されており、このグロー放電管における前記陰極の大径貫通孔の大気開放側を封止するように前記陽極の円筒部に対向して分析対象試料を配置して該試料と前記陽極の円筒部との間に放電発光部を形成させ、前記排気系統の動作によりランプボディの貫通孔内及び前記放電発光部内を低圧とし、その低圧下で前記試料表面に前記不活性ガス導入路から不活性ガスを供給した状態で試料と陽極との間に高周波電圧または直流電圧を印加してグロー放電を発光させることにより、その放電発光を分析するように構成されているグロー放電分析装置において、前記陽極の円盤部に接触するように通電加熱用ヒータを該陽極の円筒部周りに環状に設けていることを特徴とするグロー放電分析装置。
【請求項２】
グロー放電管における陰極の陽極円筒部側の開放端には、その内部に分析対象試料をセツトして密閉された試料室を形成可能なハウジングが開閉自在に設けられているとともに、このハウジングには、密閉された試料室内を前記試料表面への不活性ガスの供給前に減圧する排気系統が接続されている請求項１に記載のグロー放電分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、グロー放電分析装置に関し、特に、グロー放電管の陽極の中空円筒状先端部と対向して試料を配置し、低圧下において前記試料表面に不活性ガスを供給した状態で、試料と陽極との間に高周波電圧または直流電圧を印加してグロー放電を発光させ、その放電発光を分析するように構成されているグロー放電分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、鉄鋼等材料の迅速分析には、スパーク放電発光分光分析法がよく使われている。しかし、このスパーク放電発光分光分析法は、自己吸収が激しく、検量線が曲線となり、スペクトル線が複雑で多く、焦点距離が１ｍ程度の高分解能の分光器を必要とする。
【０００３】
そこで、自己吸収がなく、検量線が直線であり、スペクトル線も単純で分解能もそれほど高くする必要がないところから焦点距離も０．５ｍ程度の分解能で済むグロー放電発光分光分析法が鉄鋼等の材料の迅速分析に適用されることが望まれている。
【０００４】
図４は、前記グロー放電発光分光分析法に則って動作するグロー放電発光分光分析装置の要部の構成を示すもので、この図において、まず、１はグロー放電管で、次のように構成されている。すなわち、２は適宜の金属材料よりなるランプボディで、その内部には、例えば断面視円形の貫通孔３が形成されている。この貫通孔３は後述する放電発光部３１と連なるもので、その一方の開放口は、例えばフッ化マグネシウムなどの光学レンズを兼ねた窓４によって封止され、前記放電発光部３１において生ずる光Ｌを分光器（図示していない）方向に導出するように構成されている。
【０００５】
そして、前記ランプボディ２の窓４を設けた側とは反対側の端面５には、陽極６と陰極７とが絶縁体８を介して押圧ブロック９によって押圧された状態で設けられている。すなわち、前記端面５には貫通孔３と同心円状にザグリ部１０が形成してある。そして、前記陽極６は、中央に孔１１を有するとともにこの孔１１から互いに等距離の位置に形成された孔１２，１３を備えた円盤部１４と、孔１１と同心円状になるように円盤部１４の一方に連設された円筒部１５とからなり、円盤部１４の一部をザグリ部１０に嵌入し、かつ、陽極円筒部１５の開放端部１６が陰極７の端面１７より凹んだ状態で設けられている。１８は円盤部１４の陽極円筒部１５を中心にして、貫通孔１２，１３を含む他面を削って形成されるザグリ面である。なお、陽極６はランプボディ２を介してアース電位となるように構成されている。
【０００６】
そして、前記陰極７は、前記陽極円盤部１４よりやや小径の大径部１９とこれより小径の小径部２０とからなり、中央に陽極円筒部１５よりやや大径の貫通孔２１が形成されており、貫通孔２１内に陽極円筒部１５を同心円状に位置させ、陽極円筒部１５との間にわずかな隙間２２を形成し、陽極６とは電気的に絶縁されるようにして設けられている。また、前記陽極円盤部１４と陰極大径部１９との間に介装される絶縁体８は、陽極円盤部１４と同径であり、その中央に貫通孔２１と同径の孔２３が形成されており、例えば耐熱性のフッ素樹脂よりなり、ザグリ面１８との間に隙間２４を形成した状態で設けられている。
【０００７】
前記押圧ブロック９は、前記陽極円盤部１４と同径の孔２５と陰極小径部２０よりやや大径の孔２６とを互いに連通し、同心円状となるように形成してなるもので、絶縁体８と同様の素材よりなる環状の絶縁体２７を介して陰極大径部１９をその外方から押圧するように、ボルト２８によってランプボディ２の端面に固定されている。
【０００８】
上述の説明から理解されるように、陰極７の貫通孔２１の陽極円筒部１５側が開放されているため、グロー放電管１の内部空間は大気開放状態である。
【０００９】
２９は前記大気開放された陽極円筒部１５側を封止するように設けられる分析対象の試料で、電圧印加電極を兼ねた試料押圧部材３０によって、貫通孔２１の開放端を封止するように陰極７に押圧される。このようにして試料２９がセットされることにより、陽極円筒部１５と試料２９との間に放電発光部として隙間３１が形成される。なお、押圧部材３０は、図示していない高周波電源に接続されている。
【００１０】
３２はランプボディ２に形成される不活性ガスＩＧの導入路で、貫通孔３と連通している。不活性ガスＩＧとしては例えばアルゴンガスやネオンガスが用いられ、貫通孔３，１１および陽極円筒部１５内を介して前記放電発光部３１を満たすように構成されている。
【００１１】
３３，３４はランプボディ２に形成される真空排気流路で、一つの真空排気流路３３は、貫通孔３に連なり、他の真空排気流路３４は、環状の流路３５、陽極円盤部１４に形成された孔１２，１３、隙間２４、２２を介して放電発光部３１と連なっている。これらの真空排気流路３２，３３は、図示していない排気系統に接続され、放電発光部３１およびこれに連なる陽極円筒部１５内部、貫通孔３などランプボディ２内の空間を所望の真空状態にするように構成されている。
【００１２】
なお、３６〜３８は例えばＯリングなどのシール部材である。また、３９はグロー放電管１に連接される分光器で、詳細な図示は省略しているが、その内部には、入射スリット、回折格子、複数の出射スリット、複数の光検出器などが設けられている。
【００１３】
上記構成のグロー放電管１を用いて例えば鉄鋼中に含まれる元素（例えば炭素など）を分析するには、大気開放された陽極円筒部１５側を封止するように、試料としての鉄鋼試料２９をセットする。そして、排気系統を動作させてランプボディ２内の空間を真空引きし低圧化する。その後、不活性ガス導入路３２からアルゴンガスをランプボディ２内の空間に満たし、アルゴンガス流の減圧下で高周波電源からの高周波電圧を押圧部材３０を介して鉄鋼試料２９に印加する。これにより、陽極６と鉄鋼試料２９との間にグロー放電が生じ、これに基づいてアルゴンイオンが生成し、このアルゴンイオンが高電界で加速され、鉄鋼試料２９の表面に衝突して、所定のスパッタリングが行われ、スパッタされた粒子（原子、分子、イオン）はプラズマ中で励起され、基底状態に戻る際に元素固有の発光が行われ、この発光は図４において符号Ｌで示す光として、グロー放電管１に連接された分光器３９方向に導出され、所望の分析が行われる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記構成のグロー放電発光分光分析装置においては、鉄鋼試料２９に含まれる重要成分であるＣ（炭素）を分析する場合、Ｃのスペクトル強度は、図５において実線Ａで示すように、時間の進行とともに減衰するが、鉄鋼試料２９中の炭素の相当する発光強度に到達するのに、２０分以上６０分も要し、迅速な分析は行えない。なお、図５において、仮想線ＢはＮ（窒素）の発光強度の時間的変化を示しており、Ｃの発光強度に比べてきわめて短時間で収束する。
【００１５】
上述のように、Ｎに比べてＣのスペクトル強度が長い時間を要して減衰していく現象は、試料２９をセットするまでの間、グロー放電管１が大気に曝されるためであり、このときに陽極６、特に円筒部１５内部に大気中のＣＯ2 （炭酸ガス）やＨＣ（炭化水素）などが付着し、これらの付着物がアルゴンガス流の減圧の下で徐々に脱離して、グロー放電中において発光するためであると考えられる。
【００１６】
上述の現象は、グロー放電発光分析装置のみならず、この装置と同様にグロー放電を用いるグロー放電質量分析装置（ＧＤＭＳ）においても生じているところである。
【００１７】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、陽極円筒部にＣＯ2 やＨＣなどの付着を少なくするとともに、付着したＣＯ2 やＨＣなどを可及的速やかに脱離させ、鉄鋼など試料中に含まれるＣの分析を極めて短い時間で測定することができるグロー放電分析装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、中央に孔を有する円盤部と前記孔と同心円状になるように前記円盤部の一方に連設された円筒部とを有する陽極と、この陽極の円筒部より大径の貫通孔が形成されて前記陽極とは電気的に絶縁された陰極とを、前記陽極の円筒部が前記陰極の大径貫通孔内に同心円状に位置して両者間に隙間が形成され、かつ、前記陽極の円筒部の開放端部が陰極の端面より凹んだ状態で配置してなるグロー放電管を、内部に貫通孔、排気系統及び不活性ガス導入路が形成され、かつ、前記貫通孔の一方の開放口が分光器方向への光導出用の窓により封止されているランプボディの前記窓を設けた側とは反対側の端面に押圧固定されており、このグロー放電管における前記陰極の大径貫通孔の大気開放側を封止するように前記陽極の円筒部に対向して分析対象試料を配置して該試料と前記陽極の円筒部との間に放電発光部を形成させ、前記排気系統の動作によりランプボディの貫通孔内及び前記放電発光部内を低圧とし、その低圧下で前記試料表面に前記不活性ガス導入路から不活性ガスを供給した状態で試料と陽極との間に高周波電圧または直流電圧を印加してグロー放電を発光させることにより、その放電発光を分析するように構成されているグロー放電分析装置において、前記陽極の円盤部に接触するように通電加熱用ヒータを該陽極の円筒部周りに環状に設けていることを特徴としている（請求項１）。
【００１９】
上記グロー放電分析装置においては、ヒータに通電して陽極を所定の温度で加熱するようにしているので、陽極、特に陽極円筒部内部にＣ分（炭素分）が付着しにくくするとともに、付着したＣ分を真空引きの段階や不活性ガスの充填段階あるいは予備放電の段階など、分析に先立つ早い段階で脱離させることができる。したがって、全分析に要する時間を６０秒以内といった短い時間で行うことができるようになり、迅速分析が可能になる。
【００２０】
そして、上記グロー放電分析装置において、グロー放電管における陰極の陽極円筒部側の開放端には、その内部に分析対象試料をセツトして密閉された試料室を形成可能なハウジングが開閉自在に設けられているとともに、このハウジングには、密閉された試料室内を前記試料表面への不活性ガスの供給前に減圧する排気系統が接続されていることが望ましい（請求項２）。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図において、図５に示した符号と同一のものは同一物である。
【００２２】
図１〜図３は、この発明の実施の形態を示す。この実施の形態におけるグロー放電発光分析装置が図４に示した従来のグロー放電発光分析装置と大きく異なる点は、陽極に接触するようにヒータを設け、分析に先立って、ヒータに通電して陽極を所定の温度で加熱するようにしたことである。そこで、この点に重点をおいて、この実施の形態を説明する。
【００２３】
まず、図１および図２において、４０は陽極６を加熱するためのヒータで、例えば薄いパネルヒータを環状に形成してなるもので、陽極６の円盤部１４のザグリ面１８にさらに凹部を形成して、この凹部に埋設されている。
【００２４】
そして、この実施の形態においては、分析に先立って、前記ヒータ４０に通電して陽極６を加熱する際、グロー放電管１内部を真空（低圧）下におくため、陰極７の陽極円筒部１５側の開放端に開閉・密閉自在な試料室を形成し、この試料室内部に試料２９を所定の状態でセットできるようにしている。以下、これについて、図３をも参照しながら説明する。
【００２５】
図１において、４１は片側が開放された円筒状の金属などよりなるハウジングで、その内径が少なくとも陰極７の小径部２０より大きく形成してあり、押圧ブロック９の一側に突設されるブラケット４２に形成されたヒンジ４３によって枢支され、矢印ＵまたＶ方向に回転する平面視円形の保持部材４４によって保持され、その開放端が押圧ブロック９の外面に当接することにより、内部に密閉された空間（試料室）４５を形成するように構成されている。４６は保持部材４４のヒンジ４３とは反対側に設けられる開閉用把手部である。また、４７はハウジング４１の開放端が押圧ブロック９の外面に当接したとき、両者の密着性を高め、試料室４５内の密閉性を高めるための付勢ばねで、ハウジング４１の外周を例えば４等分する位置にそれぞれ設けられている。４８はばね座、４９はばね座４８と保持部材４４との間に設けられ、ばね４７を挿通保持するための軸部材である。なお、５０は廻り止めである。
【００２６】
５１は試料２９を保持するターンテーブルで、図３に示すように、平面視円形で、回転中心５２を中心にして互いに点対称の位置に試料保持用の孔５３ａ，５３ｂが形成されている。このターンテーブル５１は、ハウジング４１の外側に設けられたモータ５４によって正逆いずれの方向にも回転する軸５５の先端に固着されている。この回転軸５５は詳細な図示は省略するが、モータ５４側の軸とターンテーブル５１側の軸とがスプライン構造で連結されており、ターンテーブル５１側の軸に、ハウジング４１の外側に設けられたシリンダ５６のロッド５７に接続された連結部材５８を回転自在に連結してあり、シリンダ５６の動作によって、ターンテーブル５１を矢印５９、６０のいずれかの方向に直線的に移動させるように構成されている。
【００２７】
６１は陽極円筒部１５に臨むようにしてターンテーブル５１に保持されている試料２９Ａを陰極７に対して押圧する試料押圧部材で、電圧印加電極も兼ねている。この試料押圧部材６１は、ハウジング４１の外側に設けられたシリンダ６２のロッド６３によって、前記矢印５９、６０のいずれかの方向に直線的に移動させるようにしてある。６４はハウジング４１の外側に設けられる高周波電源で、前記試料押圧部材６１に所定の電圧を付与するように構成されている。
【００２８】
６５は排気管で、図示していない排気系統に接続されている。
【００２９】
上述のように構成されたグロー放電発光分析装置の動作について説明する。分析を行わないときは、ハウジング４１が図１における矢印Ｕ方向に回動された状態となっており、陰極７の貫通孔２１の陽極円筒部１５側は開放されている。したがって、陽極円筒部１５内部には大気中のＣＯ2 やＨＣなどが付着している。
【００３０】
そして、例えば鉄鋼中の元素分析を行う場合、まず、ターンテーブル５１の試料保持用孔５３ａ，５３ｂにそれぞれ試料２９Ａ，２９Ｂをセットし、ハウジング４１を図１における矢印Ｖ方向に回動して、前記陰極７および陽極円筒部１５の開放端側を覆う。これにより、ハウジング４１によって試料室４５が形成される。
【００３１】
前記の状態で、モータ５４を動作させて一方の試料２９Ａが陽極円筒部１５の先端部と対応するように配置する。そして、シリンダ５６、６２を動作させて試料２９Ａの平面部を陰極７に密着させ、その開口端を封止する。そして、排気系統を動作させて、グロー放電管１の内部空間および試料室４５内部を、例えば１０-3Ｔｏｒｒレベルに減圧する。ヒータ４０は通電を行って、陽極６を６００℃程度まで加熱されている。この加熱により、陽極円筒部１５などの付着していたＣＯ2 やＨＣなどが陽極円筒部１５などから脱離する。
【００３２】
その後、不活性ガス導入路３２からアルゴンガスをランプボディ２内の空間に満たし、アルゴンガス流の減圧下で高周波電源６４からの高周波電圧を押圧部材４５を介して試料２９Ａに印加する。これにより、陽極６と試料２９Ａとの間に予備放電が生じ、これに基づいてアルゴンイオンが生成し、このアルゴンイオンが高電界で加速され、鉄鋼試料２９の表面に衝突して、所定のスパッタリングが行われ、以下、上述した従来の装置と同様に分析を行うことができる。
【００３３】
そして、陽極円筒部１５などから脱離したＣＯ2 やＨＣは、真空引きおよびアルゴンガスのフローの段階または予備放電の段階でも除去されるので、従来に比べて分析所要時間が大幅に短縮され、例えば６０秒以内で全分析を行うことができる。
【００３４】
そして、試料２９Ａに引き続いて試料２９Ｂの分析を行うには、シリンダロッド６３を、図１において矢印６０で示す方向に大きく移動させるとともに、シリンダロッド５７を前記矢印６０で示す方向に若干移動させて、試料２９Ａを陰極７から若干引き離し、その状態でモータ５４を動作させて、ターンテーブル５１を１８０°回転させ、試料２９Ｂを陽極円筒部１５の先端部と対応するように配置する。そして、シリンダ５６、６２を動作させて試料２９Ｂの平面部を陰極７に密着させ、その開口端を封止し、その状態で試料２９Ｂに高周波電圧を印加すれば、同様にグロー放電が生じ、所望の分析を行うことができる。
【００３５】
上記動作説明から理解されるように、この実施の形態においては、ハウジング４１を閉じた状態で、二つの試料２９Ａ，２９Ｂを連続的に分析することができる。
【００３６】
なお、上記の実施の形態において、ハウジング４１を省略してもよいが、その場合、一つの試料２９Ａの分析終了後、陽極円筒部１５を所定の真空下においてヒータ４０によって加熱する必要がある。
【００３７】
また、上記実施の形態において、ターンテーブル５１に３以上の試料保持用孔を設けるようにしてもよい。
【００３８】
さらに、ヒータ４０を常にオン状態とし、陽極円筒部１５が所定の温度になるようにしておいてもよい。また、このヒータ４０による加熱は必ずしも真空下においてしなくてもよい。
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【００４４】
上述の実施の形態は、いずれもグロー放電発光分析装置であったが、この発明は、このグロー放電発光分析装置と同様にグロー放電を用いるグロー放電質量分析装置に適用してもよいことはいうまでもない。また、試料２９と陽極６との間に直流電圧を印加するようにしてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のグロー放電分析装置は、陽極円筒部にＣＯ2 やＨＣなどの付着を少なくするとともに、付着したＣＯ2 やＨＣなどを可及的速やかに脱離させることができ、鉄鋼など試料中に含まれるＣの分析を極めて短い時間で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明のグロー放電発光分析装置の一例を示す縦断面図である。
【図２】  前記装置における要部を示す縦断面図である。
【図３】  前記装置に用いられるターンテーブルの一例を示す平面図である。
【図４】  従来のグロー放電発光分析装置を示す縦断面図である。
【図５】  従来技術の欠点を説明する図である。
【符号の説明】
１…グロー放電管、２…ランプボディ、３…貫通孔、４…窓、６…陽極、７…陰極、１１…孔、１４…陽極円盤部、１５…陽極円筒部、２１…大径貫通孔、２９，２９Ａ，２９Ｂ…試料、３２…不活性ガス導入路、４０…ヒータ、４１…ハウジング、４５…試料室、ＩＧ…不活性ガス。
【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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