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JP3572256B2 - Chemical substance detection device - Google Patents
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JP3572256B2 JP2000385982A JP2000385982A JP3572256B2 JP 3572256 B2 JP3572256 B2 JP 3572256B2 JP 2000385982 A JP2000385982 A JP 2000385982A JP 2000385982 A JP2000385982 A JP 2000385982A JP 3572256 B2 JP3572256 B2 JP 3572256B2
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Description

【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、H/Heなど)をμ波で放電させて、H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、MgF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MgF窓8を経て前記イオン化室2中に照射される。前記MgF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、MgF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 MgF
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
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a chemical substance detection device, and more particularly to a chemical substance detection device capable of detecting a specific chemical substance with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
Trace amounts of harmful chemical substances, such as chlorobenzenes and dioxins, are contained in exhaust gas discharged from combustion furnaces and metal refining furnaces and are discharged. There is a particularly strong demand for accurate detection and concentration measurement of such trace harmful substances.
[0003]
As a device for detecting the above-described chemical substances and measuring the concentration, gas chromatograph methods and those using conventional techniques such as mass spectrometry are known. Among them, the mass spectrometry method is compared with the gas chromatograph method. It is excellent in that the measurement time is short.
[0004]
In mass spectrometry, a sample gas is ionized using plasma generated by RF discharge (high-frequency discharge), an electron beam from an electron gun, and the like, and the ions are instantaneously accelerated to perform mass separation, and a flight time corresponding to the mass number This is a method of identifying the substance by measuring the amount of the substance.
[0005]
Time-of-flight mass spectrometry, as described above, is a process in which a sample gas is ionized. In addition, the fragments generated by the decomposition are complicated, and it is difficult to identify a specific substance, resulting in a decrease in the measurement sensitivity.
[0006]
For this reason, techniques for preventing ionization of substances other than the substance to be measured in the sample gas have been developed. In addition, a resonance multiphoton ionization method is known in which a laser beam is radiated according to a light absorption wavelength of a substance to be measured, and the substance is selectively multiphoton ionized.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the resonance multiphoton ionization method that can increase measurement sensitivity is based on the fact that, among chlorobenzenes and dioxins, the more chlorine-containing substances such as dichlorobenzene and trichlorobenzene, the lower the ionization efficiency. Since sensitivity is reduced, an ultrashort pulse laser is required to compensate for the reduction in ionization efficiency. For this reason, the conventional apparatus is an expensive apparatus for measuring the specific substance as described above.
[0008]
Therefore, the applicant has improved the measurement sensitivity by increasing the ionization efficiency of a specific substance, preventing the ionization of another substance having ionization energy higher than the photon energy, and suppressing the fragmentation of the specific substance. Filed a patent application for a chemical substance detection device (Japanese Patent Application No. 2000-178985) capable of reducing the cost and simplifying the method.
[0009]
The chemical substance detection device of the prior application is an ionization means for ionizing a sample gas with vacuum ultraviolet light, an ion trap for accumulating ions of a specific mass among ions ionized by the vacuum ultraviolet light, and Time-of-flight mass spectrometry means for accelerating the accumulated ions and identifying the chemical substance of the specific mass in the sample gas based on the time of flight of the accelerated ions.
[0010]
An object of the present invention is to improve a chemical substance detection device of the prior application, and to provide a chemical substance detection device capable of detecting a specific chemical substance with high accuracy.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the invention according to claim 1 has the following configuration. That is, the ionization means is partitioned into a first space for ion generation and a second space for ion accumulation by a partition wall having a hole through which ions pass, and the first space includes the vacuum ultraviolet light. Generating means, wherein the ion trap is disposed in the second space, and a drawing electrode for drawing ions generated in the first space into the ion trap in the second space. Is provided.
[0012]
As a result, according to the first aspect of the present invention, the first space and the second space are separated by the partition wall, so that the function of the ion trap in the second space is not impaired. (Gas density) can be increased. Further, by separating the vacuum ultraviolet light generating means on the first space side and the ion trap on the second space side by a partition wall, the irradiation volume of the sample gas with vacuum ultraviolet light can be increased in the first space. . By increasing the gas pressure and the irradiation volume of vacuum ultraviolet light, the amount of generated ions increases. For this reason, the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometer is improved, and accordingly, a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0013]
The invention according to claim 2 is characterized in that a differential exhaust means is provided for lowering the pressure in the second space than the pressure in the first space.
[0014]
As a result, according to the second aspect of the invention, the gas pressure in the first space can be increased by the differential pumping means without increasing the gas pressure in the second space. For this reason, the generation amount of ions further increases, and a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of a chemical substance detection device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The embodiment is not intended to limit the chemical substance detection device.
[0016]
(Description of Configuration of Embodiment)
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes ionization means for ionizing a sample gas by vacuum ultraviolet light. The ionization means 1 mainly includes an ionization chamber 2, a sample gas introduction tube 3, an ion acceleration electrode 4, and a lamp 5 as a vacuum ultraviolet light generation means. A sample gas (not shown) is introduced into the ionization chamber 2 through the sample gas introduction pipe 3. The ion accelerating electrode 4 is disposed between an ion trap 9 described later and a time-of-flight mass spectrometer 19 described later.
[0017]
The lamp 5 discharges a supplied lamp gas 6 (for example, H 2 / He) with a microwave to generate vacuum ultraviolet light 7 having a specific emission line energy of H 2 of 10.2 eV. is there. This lamp 5 can change the type of the lamp gas 6 to be discharged, thereby changing the amount of photon energy of the generated vacuum ultraviolet light 7 and selecting a substance to be ionized. The pressure in the lamp 5 is reduced to, for example, about 10 Torr or less.
[0018]
The lamp 5 is arranged in the ionization chamber 2 via a MgF 2 window 8. The vacuum ultraviolet light 7 is applied to the ionization chamber 2 through the MgF 2 window 8. The MgF 2 window 8 has good transmittance of the vacuum ultraviolet light 7.
[0019]
In FIG. 1, reference numeral 9 denotes an ion trap for accumulating ions of a specific mass among ions ionized by the vacuum ultraviolet light 7. This ion trap 9 is composed of two end cap electrodes 10 and 11 and one ring electrode 12, as shown in FIG. The ion trap 9 has a space 24 surrounded by the electrodes 10, 11, and 12.
[0020]
The inner surfaces of the end cap electrodes 10 and 11 and the ring electrode 12 are convex. At a substantially center of one of the two end cap electrodes 10, a hole for drawing in the generated ions 28 described later, that is, a drawing hole 13 is provided. In addition, a hole for extracting the accumulated ions 18 to the outside, that is, a drawing hole 14 is provided at substantially the center of the other end 11 of the two end cap electrodes.
[0021]
An insulator 15 (for example, a ceramic insulator) is fixed between the end of the end cap electrodes 10 and 11 and the end of the ring electrode 12. The end cap electrodes 10 and 11, the ring electrode 12 and the insulator 15 are held by a holder 16.
[0022]
As shown in FIG. 1, a high-frequency power supply 17 for applying a high-frequency voltage is connected to the end cap electrodes 10 and 11 and the ring electrode 12. By adjusting the frequency and voltage of the high-frequency voltage applied from the high-frequency power supply 17, ions 18 having a specific mass among the drawn ions 28 can be selectively accumulated in the space 24. That is, the ions 18 having a specific mass are held and accumulated by convection on the ion orbit by the high-frequency electric field whose frequency and voltage are adjusted. Other ions disappear on the electrodes 10, 11 and 12.
[0023]
The accumulation time of the ions in the ion trap 9 varies depending on the chemical substance to be accumulated, but is about 1 to 2 seconds. At the end of the accumulation time, a voltage is applied to the ion acceleration electrode 4 to apply an electric field. Then, the ions 18 accumulated in the ion trap 9 are drawn out from the extraction hole 14 and accelerated.
[0024]
A partition wall 25 is arranged in the ionization chamber 2. Thus, the inside of the ion chamber 2 is partitioned into a first space 26 for generating ions and a second space 27 for storing ions. The partition wall 25 is provided with a hole 29 through which the ions 28 pass.
[0025]
The first space 26 is connected to the sample gas inlet tube 3, the lamp 5, and the pump 30 respectively. The irradiation direction of the vacuum ultraviolet light 7 and the acceleration direction of the ions 18 are substantially orthogonal. That is, the lamp 5 is arranged at a position where the vacuum ultraviolet light 7 is not irradiated to the ion acceleration region between the ion trap 9 and the ion acceleration electrode 4. The first space 26 is filled with a sample gas (not shown). The sample gas filling the first space 26 is ionized by the vacuum ultraviolet light 7.
[0026]
The ion accelerating electrode 4 and the ion trap 9 are arranged in the second space 27. Further, a differential pump 31 is connected to the second space 27. The differential evacuation pump 31 reduces the pressure in the second space 27 to be lower than the pressure in the first space 26.
[0027]
Between the partition 25 and the ion trap 9 of the first space 26 and the second space 27, an ion drawing electrode 32 is disposed. The ion attracting electrode 32 is for attracting the ions 28 generated in the first space 26 through the ion passage holes 29 into the ion trap 9 in the second space 27.
[0028]
In FIG. 1, reference numeral 19 denotes a time-of-flight mass spectrometer (so-called TOFMS) for identifying a chemical substance having a specific mass in a sample gas based on the time of flight of the accelerated ions 18. The flight room 20 of the time-of-flight mass spectrometry means 19 is arranged in communication with the second space 27.
[0029]
A pump 21 is connected to the flight room 20. By the operation of the pump 21, the pressure in the flight room 20 and the second space 27 communicating with each other is maintained at a high vacuum, for example, about 10 −5 Torr or less. The high vacuum is such that the ions 18 flying in the second space 27 and the flight chamber 20 do not disappear by colliding with other molecules.
[0030]
An ion detector 22 is installed in the flight room 20 where the ions 18 reach. The ion detector 22 includes, for example, a microchannel plate (so-called MCP), an electron multiplier, and the like. As shown in FIG. 3, the ion detector 22 outputs a signal when the ions 18 are detected. The level of the signal output of the ion detector 22 varies depending on the amount of the ions 18.
[0031]
An oscilloscope 23 is connected to the ion detector 22. As shown in FIG. 3, the oscilloscope 23 displays a time waveform of a signal output when the ions 18 are detected by the ion detector 22.
[0032]
(Explanation of the operation of the embodiment)
The chemical substance detection device according to this embodiment has the above-described configuration, and its operation will be described below. The chemical substance to be detected in this example is, for example, dioxins and their precursors.
[0033]
First, a sample gas is introduced into the first space 26 of the ionization chamber 2 via the sample gas introduction pipe 3. Then, the sample gas fills the first space 26 of the ionization chamber 2. At this time, the ionization chamber 2 is partitioned into a first space 26 and a second space 27, and the second space 27 is differentially evacuated by the differential evacuation pump 31. For this reason, the gas pressure in the first space 26 can be increased.
[0034]
On the other hand, the lamp 5 is operated to irradiate the vacuum ultraviolet light 7 into the first space 26 of the ionization chamber 2 through the MgF 2 window 8. Then, the sample gas is ionized by the vacuum ultraviolet light 7. At this time, the irradiation volume of the vacuum ultraviolet light 7 into the first space 26 can be increased according to the size of the irradiation aperture of the lamp 5. Further, the vacuum ultraviolet light 7 is not applied to an ion acceleration region between the ion trap 9 and the ion acceleration electrode 4.
[0035]
In the irradiation with the vacuum ultraviolet light 7, the vacuum ultraviolet light 7 having a higher photon energy than the ionization energy of the chemical substance to be detected in the sample gas is irradiated. As a result, the chemical substance to be detected is ionized by one-photon energy, so that the ionization efficiency is high.
[0036]
The ions 28 ionized in the first space 26 are drawn into the ion trap 9 in the second space 27 through the ion passing hole 29 and the drawing hole 13 by the drawing electrode 32. Among the ions 28 drawn into the ion trap 9, the ions 18 having a specific mass are accumulated in the space 24 in the ion trap 9 for 1 to 2 seconds. Thereby, the density of the ions 18 increases.
[0037]
After the ions 18 are accumulated in the ion trap 9, a voltage is applied to the ion acceleration electrode 4. Then, 18 packets (group) of ions in the ion trap 9 are drawn out from the extraction hole 14 and accelerated. At this time, the direction of accelerating the extraction of the ions 18 and the direction of irradiation of the vacuum ultraviolet light 7 are substantially orthogonal to each other.
[0038]
The accelerated ion 18 packet flies through the second space 27 of the ionization chamber 2 and the flight room 20 and reaches the ion detector 22. A specific mass of the chemical substance in the sample gas is identified based on the flight time of the ion 18 packet.
[0039]
For example, as shown in FIG. 3, when the flight time (μs) is T1, the chemical substance X1 (for example, monochlorobenzene) having the mass M1 (for example, 112) is identified. When the flight time (μs) is T2, the chemical substance X2 (for example, dichlorobenzene) having the mass M2 (for example, 146) is identified. Here, in FIG. 3, time 0 refers to a point in time when a voltage is applied to the ion acceleration electrode 4.
[0040]
Moreover, as shown in FIG. 3, the concentration of the chemical substance to be detected is determined from the level of the signal output from the ion detector 22. For example, from the density characteristics, the density of the reference signal output level (the minimum triangular level in FIG. 3) is 1 ppm. In this case, since the signal output level S1 at the flight time T1 is twice the reference signal output level, the concentration of the chemical substance X1 in the mass M1 is 2 ppm. In addition, since the signal output level S2 at the flight time T2 is three times the reference signal output level, the concentration of the chemical substance X2 of the mass M2 is 3 ppm.
[0041]
(Explanation of effects of the embodiment)
As described above, the chemical substance detection device according to the present embodiment separates the first space 26 and the second space 27 in the ionization chamber 2 by the partition wall 25, thereby providing the function of the ion trap 9 in the second space 27. The gas pressure in the first space 26 can be increased to such an extent that is not impaired. In addition, the irradiation volume of the vacuum ultraviolet light 7 to the sample gas in the first space 26 is increased by partitioning the lamp 5 on the first space 26 side and the ion trap 9 on the second space 27 side by the partition wall 25. be able to.
[0042]
Increasing the gas pressure and the irradiation volume of the vacuum ultraviolet light 7 increases the amount of ions 28 generated. For this reason, the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometer 19 is improved, and accordingly, a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0043]
In particular, in the chemical substance detection device according to this embodiment, the gas pressure in the second space 27 is increased by the differential pump 31 that makes the pressure in the second space 27 lower than the pressure in the first space 26. Without this, the gas pressure in the first space 26 can be increased. For this reason, the generation amount of the ions 28 is further increased, and a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0044]
As described above, the chemical substance detection device according to the present embodiment is configured such that the region for ionizing the sample gas by the vacuum ultraviolet light 7 is provided in the first space 26 of the ionization chamber 2 which is separated from the ion trap 9. It is. For this reason, the generation amount of the ions 28 is increased under a restriction less strict than the restriction on the gas pressure of the ion trap 9 and the restriction on the irradiation volume of the vacuum ultraviolet light 7.
[0045]
Further, in this embodiment, the sample gas is ionized by one-photon energy of the vacuum ultraviolet light 7, so that the ionization efficiency is high.
[0046]
Further, in this embodiment, since the lamp 5 is used as a means for generating the vacuum ultraviolet light 7, the cost is very excellent. In addition, the lamp 5 has a lower photon density than the pulse laser, but emits light continuously, so that the total amount of photons is substantially equal. In addition, since the ions are accumulated in the ion trap 9, the small photon density does not cause any particular problem.
[0047]
Furthermore, in this embodiment, as the time-of-flight mass spectrometer 19, a linear type in which the ions 18 travel straight is used. For this reason, compared with a reflectron-type time-of-flight mass spectrometer in which ions are reflected by the electrodes, the amount of ions that collide with the electrodes and disappear is small. As a result, in this embodiment, the detection of the ions 18 by the ion detector 22 becomes accurate.
[0048]
In addition, in the chemical substance detection device according to the present embodiment, the direction in which the ions 18 are extracted and accelerated is orthogonal to the direction in which the vacuum ultraviolet light 7 is irradiated. Is not irradiated to the ion acceleration region between For this reason, it is possible to suppress the sample gas existing in the ion acceleration region from being ionized by the vacuum ultraviolet light 7 and becoming a noise. As a result, the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometry means 19 is improved, and accordingly, a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0049]
(Examples other than the embodiment)
In this embodiment, the chemical substance to be detected is a dioxin or a precursor thereof, but the present invention can be applied to the detection of other chemical substances.
[0050]
Further, in this embodiment, the differential exhaust pump 31 is connected to the second space 27, but in the present invention, in particular, the differential exhaust pump 31 is not connected to the second space 27. Is also good.
[0051]
Further, in this embodiment, the irradiation direction of the vacuum ultraviolet light 7 and the extraction direction of the ions 18 are orthogonal, but in the chemical substance device of the present invention, the irradiation direction of the vacuum ultraviolet light 7 and the ions 18 May be the same direction.
[0052]
【The invention's effect】
As is clear from the above, in the chemical substance detection device according to the present invention (claim 1), the function of the ion trap in the second space is impaired by dividing the first space and the second space by the partition wall. The gas pressure in the first space can be increased to the extent that it does not occur. Further, by separating the vacuum ultraviolet light generating means on the first space side and the ion trap on the second space side with a partition wall, the irradiation volume of the sample gas with vacuum ultraviolet light can be increased in the first space. . By increasing the gas pressure and the irradiation volume of vacuum ultraviolet light, the amount of generated ions increases. For this reason, the measurement sensitivity of the time-of-flight mass spectrometer is improved, and accordingly, a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[0053]
Further, the chemical substance detection device according to the present invention (claim 2) is provided with a differential exhaust unit that makes the pressure in the second space lower than the pressure in the first space. By this differential evacuation means, the gas pressure in the first space can be increased without increasing the gas pressure in the second space. For this reason, the generation amount of ions further increases, and a specific chemical substance can be detected with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing an embodiment of a chemical substance detection device according to the present invention.
FIG. 2 is a vertical sectional view showing the ion trap.
FIG. 3 is a graph showing a signal output from an ion detector and a flight time of ions displayed on an oscilloscope.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ionization means 2 Ionization chamber 3 Sample gas introduction pipe 4 Ion acceleration electrode 5 Lamp (vacuum ultraviolet light generation means)
Reference Signs List 6 lamp gas 7 vacuum ultraviolet light 8 MgF 2 window 9 ion trap 10, 11 end cap electrode 12 ring electrode 13 lead-in hole 14 lead-out hole 15 insulator 16 holder 17 high-frequency power source 18 ion 19 time-of-flight mass spectrometer 20 flight room 21 Pump 22 Ion detector 23 Oscilloscope 24 Space 25 Partition wall 26 First space 27 Second space 28 Ions 29 Ion passage hole 30 Pump 31 Differential pump 32 Ion pull-in electrode

Claims (2)

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。
Ionization means for ionizing the sample gas with vacuum ultraviolet light generated from the vacuum ultraviolet light generation means,
Of the ions ionized by the vacuum ultraviolet light, an ion trap that accumulates ions of a specific mass,
Time-of-flight mass spectrometry means for accelerating the ions accumulated in the ion trap and identifying the chemical substance of the specific mass in the sample gas based on the time of flight of the accelerated ions,
In the chemical substance detection device provided with
The ionization means is partitioned into a first space for ion generation and a second space for ion accumulation by a partition wall having a hole through which ions pass, and the first space has the vacuum ultraviolet light generation space. Means are provided, and the ion trap is disposed in the second space, and a drawing electrode for drawing ions generated in the first space into the ion trap in the second space is provided. A chemical substance detection device provided.
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。The chemical substance detection device according to claim 1, further comprising a differential exhaust unit configured to lower a pressure in the second space from a pressure in the first space.
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