JP4078166B2 - 質量分析計を用いたガス分析装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、質量分析計を用いたガス分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００２−２３６１０９号公報
ガス分析計の一つに、赤外線吸収を利用した非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）がある。この非分散型赤外線ガス分析計は、構造が簡単で堅牢であり、高い選択性や連続測定可能などその優れた性能により、ガス分析の代表として広く用いられている。しかしながら、この非分散型赤外線ガス分析計は、赤外線領域に吸収特性を有するガスしか測定することができず、例えば、赤外吸収性の無い水素（Ｈ２）、ヘリウム（Ｈｅ）や、赤外吸収性を有していても吸光度の小さい硫化水素（Ｈ２Ｓ）などのガスの定量分析を行うことは困難であった。
【０００３】
これに対して、質量分析法に則った質量分析計（ＭＳ）がある。この質量分析計は、原子、分子などを電子衝撃や火花放電などの方法でイオン化し、生成したイオンを加速してイオンビームをつくり、電場および／または磁場に送入すると、イオンの質量によって異なった力を受けることを利用して各イオンを分別して測定するもので、前記非分散型赤外線ガス分析計で測定が困難であるガス種の分析に用いられるようになってきており、特に、セクタ型質量分析計は、連続測定が可能であり、リアルタイムに検出出力を得ることができるので、排ガス分析における単成分の連続測定に応用されるようになってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記セクタ型質量分析計などの質量分析計は、定性性に優れるものの、定量性の面では必ずしも十分ではなく、また、高感度ではあるものの安定性にやや欠けるといった欠点がある。そのため、定性性および安定性に優れたガスクロマトグラフ装置（ＧＣ）と組み合わせて所謂ＧＣ−ＭＳとした分析装置もあるが、ガスクロマトグラフ装置は高価であり、また、大がかりであるため、ＧＣ−ＭＳも自ずと高価になり、大型なものとなってしまう。
【０００５】
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、安価で構成が簡単でありながらも、定量性に優れ超低濃度の成分をも高感度、高精度で測定することのできる、質量分析計を用いたガス分析装置（以下、単にガス分析装置という）を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の請求項１に係るガス分析装置は、ガス分子をイオン化するイオン化部、そのイオン化ガス分子を加速し飛行させるイオン加速部、電場空間、前記イオン化ガス分子にイオン質量に応じた力を与えて各イオンに分別するセクタ型磁場及びこのセクタ型磁場の後段に設けられて測定対象ガスイオンのみを通過させ検出するイオンコレクタを備えてなる質量分析計を用いたガス分析装置であって、前記質量分析計のイオン化部へのガス供給ラインの上流側と、ベースガスに測定対象ガスが混入された試料ガスの供給ライン及び前記試料ガス中のベースガスの一つのガスからなる比較ガスの供給ラインとの間に、前記試料ガスと比較ガスとを前記イオン化部に連続的かつ交互に一定周期で供給することによって流体変調を行うガス流路切換え装置が設けられており、このガス流路切換え装置の一定周期での流路切換えによって前記イオンコレクタから前記一定周期に応じて出力される前記試料ガス中の測定対象ガス濃度に比例した出力信号及び前記比較ガス中に残留する測定対象ガス濃度に比例した出力信号を装置全体の制御用コントロールユニットに入力してそれぞれ交流増幅し、かつ、それら交流増幅された両出力信号の大きさの差を求めて試料ガス中の測定対象ガスの濃度として測定するように構成されていることを特徴としている。
【０００７】
また、この発明の請求項２に係るガス分析装置は、ガス分子をイオン化するイオン化部、そのイオン化ガス分子を加速し飛行させるイオン加速部、電場空間、前記イオン化ガス分子にイオン質量に応じた力を与えて各イオンに分別するセクタ型磁場及びこのセクタ型磁場の後段に設けられて測定対象ガスイオンのみを通過させ検出するイオンコレクタを備えてなる質量分析計を用いたガス分析装置であって、同一機能を有する二つの質量分析計を互いに並列的に設け、これら二つの質量分析計の各イオン化部へのガス供給ラインの上流側と、ベースガスに測定対象ガスが混入された試料ガスの供給ライン及び前記試料ガス中のベースガスの一つのガスからなる比較ガスの供給ラインとの間に、一方の質量分析計のイオン化部に試料ガスが供給されているとき、他方の質量分析計のイオン化部に比較ガスが供給され、かつ、一方の質量分析計のイオン化部に比較ガスが供給されているとき、他方の質量分析計のイオン化部に試料ガスが供給されるように、二つの質量分析計の各イオン化部に対して試料ガスと比較ガスとを連続的かつ交互に一定周期で供給することによって流体変調を行うガス流路切換え装置が設けられており、このガス流路切換え装置の一定周期での流路切換えによって前記各イオンコレクタから前記一定周期に応じて出力される前記試料ガス中の測定対象ガス濃度に比例した出力信号及び前記比較ガス中に残留する測定対象ガス濃度に比例した出力信号を装置全体の制御用コントロールユニットに入力してそれぞれ交流増幅し、かつ、それら交流増幅された両出力信号の大きさの差を求めて試料ガス中の測定対象ガスの濃度として測定するように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
上記構成のガス分析装置においては、ガス流路切換え装置として、例えば、ロータリバルブを用い、これを介して、質量分析計のイオン化部に対して試料ガスと比較ガスとを連続的かつ交互に一定周期で供給することによって流体変調を行うだけでよいから、装置全体を複雑化することなく安価に構成できるとともに、従来の質量分析計におけるような直流でのイオン電流検出に比べて、飛躍的に感度が向上し定量性に優れ超低濃度の成分をも高感度、高精度で測定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１および図２は、この発明の請求項１に相当する一つの実施の形態におけるガス分析装置の構成の一例を概略的に示すもので、図１において、１は分析部としてのセクタ型質量分析計で、例えば試料ガス中の水素（測定対象ガスの一例）のみを測定するものである。このセクタ型質量分析計１は、高真空の容器２内に、イオン化部３、イオン加速部４および電場空間５を設けるとともに、この電場空間５の後段にセクタ型磁場６を設け、さらに、このセクタ型磁場６の後段に、イオンコレクタ７を設けてなるものである。なお、７ａはスリットである。前記イオンコレクタ７で得られるイオン電流は、図示してないが、プリアンプ、メインアンプやＡＤ変換器を経てガス分析装置全体を制御するコントロールユニット（例えばコンピュータ）に入力され、適宜処理されるように構成されている。
【００１０】
そして、図１において、８はセクタ型質量分析計１のイオン化部３に対してガスを供給するラインで、流量調整手段としてのキャピラリ９が介装されるとともに、このキャピラリ９の上流側（セクタ型質量分析計１とは反対側）には、ガス流路切換え装置としてのロータリバルブ１０を備えている。このロータリバルブ１０は、例えば円周を４等配する位置に開口１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが設けてあり、一組の互いに対向する開口１０ａ，１０ｃにはそれぞれ試料ガスＳの供給ライン１１、比較ガスＲの供給ライン１２が接続されているとともに、他の対向する開口１０ｂ，１０ｄにはそれぞれセクタ型質量分析計１へのガス供給ライン８、排出ライン１３が接続されている。そして、ロータリバルブ１０の内部には、ロータ（仕切り板）１０ｅが設けられており、このロータ１０ｅはモータ（図示していない）によって、例えば図中の矢印Ａ方向に連続的に一定周期で回転して、図中の実線および仮想線で示す位置に切り替わるようにしてある。したがって、ロータリバルブ１０を作動することにより、試料ガスＳと比較ガスＲとが連続的かつ交互に一定周期で、ガス供給ライン８を介してセクタ型質量分析計１のイオン化部３に供給される。なお、前記ロータリバルブ１０は、前記コントロールユニットによって制御される。
【００１１】
そして、前記試料ガス供給ライン１１の上流側は、例えばメタノールを主原料として水素を生成するメタノール改質器（図示していない）に接続されている。したがって、この試料ガス供給ライン１１には、窒素や酸素などのベースガスに水素が混入したガスが試料ガスＳとして流れる。また、前記比較ガス供給ライン１２の上流側は、窒素ボンベに接続され、したがって、この比較ガス供給ライン１２には、１００％の窒素が比較ガスＲとして流れる。
【００１２】
上記構成のガス分析装置の作動について、図２をも参照しながら説明する。今、ロータリバルブ１０のロータ１０ｅが図１における実線で示す位置にあるものとする。この状態においては、試料ガス供給ライン１１を流れる試料ガスＳがロータリバルブ１０を経てガス供給ライン８のキャピラリ９を通ってセクタ型質量分析計１のイオン化部３に供給される一方、比較ガス供給ライン１２を流れる比較ガスＲは、排出ライン１３に流れる。
【００１３】
前記イオン化部３に供給された試料ガスＳ中の水素、窒素、酸素などのガス分子はそれぞれイオン化され、イオン加速部４で適宜加速された後、電場空間５を飛行してセクタ型磁場６に至り、このセクタ型磁場６において適宜のローレンツ力を受けることにより、前記水素や窒素、酸素などのイオン化ガス分子は、適宜の半径を描いてイオンコレクタ７の方向に飛行するが、水素ガスイオンのみがスリット７ａを通過し、イオンコレクタ７によって検出され、例えば図２において符号ＰＡで示すように、試料ガスＳ中の水素の濃度に比例した出力信号が得られる。
【００１４】
ついで、ロータリバルブ１０が動作してそのロータ１０ｅが図１における仮想線で示す位置にあるものとする。この状態においては、比較ガス供給ライン１２を流れる比較ガスＲがロータリバルブ１０を経てガス供給ライン８のキャピラリ９を通ってセクタ型質量分析計１のイオン化部３に供給される一方、試料ガス供給ライン１１を流れる試料ガスＳは、排出ライン１３に流れる。
【００１５】
前記イオン化部３に供給された比較ガスＲは、１００％の窒素であるが、イオン化部３には、多少の試料ガスＳが残留している。このため、窒素とともにわずかな水素、酸素などのガス分子がそれぞれイオン化され、イオン加速部４で適宜加速された後、電場空間５を飛行してセクタ型磁場６に至り、このセクタ型磁場６において適宜のローレンツ力を受けることにより、前記水素や窒素、酸素などのイオン化ガス分子は、適宜の半径を描いてイオンコレクタ７の方向に飛行するが、この場合、わずかな水素に基づく水素ガスイオンのみがスリット７ａを通過し、イオンコレクタ７によって検出され、例えば図２において符号ＰＢで示すように、イオン化部３に残留する水素の濃度に比例した出力信号が得られる。
【００１６】
前記出力信号ＰＡ，ＰＢは、ロータリバルブ１０を一定周期で一定方向に回転することにより、その周期に応じて順次交互に出力される。この場合、前記ＰＡ，ＰＢの大きさの差（ａ−ｂ）を試料ガスＳ中の水素濃度として得ることができる。そして、これらの出力信号を交流増幅することによりゼロドリフトがなくなるので、精度の高い出力が得られる。したがって、上記ガス分析装置によれば、従来の質量分析計におけるような直流でのイオン電流検出に比べて、飛躍的に測定感度が向上するので、定量性に優れ、測定対象成分である水素が超低濃度であっても、これを高感度、高精度で測定することができる。
【００１７】
図３は、この発明の請求項２に相当する他の実施の形態を示すもので、この実施の形態においては二つの同一機能を有する質量分析計、すなわち、水素のみを検出する機能を備えた二つの質量分析計１Ａ，１Ｂを互いに並列的に設け、それらの各イオン化部３，３にそれぞれキャピラリ９，９を備えたガス供給ライン８，８を接続する。この場合、一方の質量分析計１Ａに対するガス供給ライン８は、前記図１に示したものと同様に、ロータリバルブ１０の開口１０ｂに接続し、他方の質量分析計１Ｂに対するガス供給ライン８は、前記開口１０ｂに対向する開口１０ｄに接続する。このように構成してあるガス分析装置においては、ロータリバルブ１０の作用により、一方の質量分析計１Ａに試料ガスＳが供給されているとき、他方の質量分析計１Ｂに比較ガスＲが供給され、逆に、一方の質量分析計１Ａに比較ガスＲが供給されているとき、他方の質量分析計１Ｂに質量分析計が供給され、ロータリバルブ１０の流路切換えにより、質量分析計１Ａ，１Ｂに対して試料ガスＳと比較ガスＲとが連続的に一定周期で交互に供給される。
【００１８】
前記図３に示したガス分析装置においても、前記図１に示したガス分析装置と同様の効果が得られるとともに、この場合、信号の大きさは、図１に示したガス分析装置の約２倍になる。つまり、感度がより向上し、より定量性に優れ、測定対象成分である水素が超低濃度であっても、これをより高感度、より高精度で測定することができる。
【００１９】
なお、上述の実施の形態においては、ロータリバルブ１０によってガス流路切換え装置を構成していたが、これに代えて、三方電磁弁など他の切換え弁を複数個用いるなどしてもよい。また、測定対象成分としては水素に限られるものではないことは言うまでもない。
【００２０】
そして、測定対象成分の分析部としては、セクタ型質量分析計に限られるものではなく、四重極子型質量分析計であってもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のガス分析装置は、ガス流路切換え装置として、例えば、ロータリバルブを用い、これを介して、質量分析計のイオン化部に対して試料ガスと比較ガスとを交互に供給することにより流体変調を行うだけでよいから、装置全体を複雑化することない。そして、前記ガス流路切換え装置は安価であり、高価なガスクロマトグラフ装置を用いたりしてないので、装置全体を安価に構成することができる。そして、これらの出力を交流増幅することによりゼロドリフトがなくなるので、精度の高い出力が得られる。
【００２２】
したがって、この発明のガス分析装置によれば、従来の質量分析計におけるような直流でのイオン電流検出に比べて、飛躍的に測定感度が向上し、定量性に優れ、測定対象成分が超低濃度であっても、これを高感度、高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明のガス分析装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】 前記ガス分析装置の作動を説明するための図である。
【図３】 この発明のガス分析装置の構成の他の例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ…質量分析計、３…イオン化部、４…イオン加速部、５…電場空間、６…セクタ型磁場、７…イオンコレクタ、８…ガス供給ライン、１０…ロータリバルブ（流路切換え装置）、１１…試料ガス供給ライン、１２…比較ガス供給ライン、Ｓ…試料ガス、Ｒ…比較ガス。
【発明の属する技術分野】
この発明は、質量分析計を用いたガス分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００２−２３６１０９号公報
ガス分析計の一つに、赤外線吸収を利用した非分散型赤外線ガス分析計（ＮＤＩＲ）がある。この非分散型赤外線ガス分析計は、構造が簡単で堅牢であり、高い選択性や連続測定可能などその優れた性能により、ガス分析の代表として広く用いられている。しかしながら、この非分散型赤外線ガス分析計は、赤外線領域に吸収特性を有するガスしか測定することができず、例えば、赤外吸収性の無い水素（Ｈ２）、ヘリウム（Ｈｅ）や、赤外吸収性を有していても吸光度の小さい硫化水素（Ｈ２Ｓ）などのガスの定量分析を行うことは困難であった。
【０００３】
これに対して、質量分析法に則った質量分析計（ＭＳ）がある。この質量分析計は、原子、分子などを電子衝撃や火花放電などの方法でイオン化し、生成したイオンを加速してイオンビームをつくり、電場および／または磁場に送入すると、イオンの質量によって異なった力を受けることを利用して各イオンを分別して測定するもので、前記非分散型赤外線ガス分析計で測定が困難であるガス種の分析に用いられるようになってきており、特に、セクタ型質量分析計は、連続測定が可能であり、リアルタイムに検出出力を得ることができるので、排ガス分析における単成分の連続測定に応用されるようになってきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記セクタ型質量分析計などの質量分析計は、定性性に優れるものの、定量性の面では必ずしも十分ではなく、また、高感度ではあるものの安定性にやや欠けるといった欠点がある。そのため、定性性および安定性に優れたガスクロマトグラフ装置（ＧＣ）と組み合わせて所謂ＧＣ−ＭＳとした分析装置もあるが、ガスクロマトグラフ装置は高価であり、また、大がかりであるため、ＧＣ−ＭＳも自ずと高価になり、大型なものとなってしまう。
【０００５】
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、安価で構成が簡単でありながらも、定量性に優れ超低濃度の成分をも高感度、高精度で測定することのできる、質量分析計を用いたガス分析装置（以下、単にガス分析装置という）を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の請求項１に係るガス分析装置は、ガス分子をイオン化するイオン化部、そのイオン化ガス分子を加速し飛行させるイオン加速部、電場空間、前記イオン化ガス分子にイオン質量に応じた力を与えて各イオンに分別するセクタ型磁場及びこのセクタ型磁場の後段に設けられて測定対象ガスイオンのみを通過させ検出するイオンコレクタを備えてなる質量分析計を用いたガス分析装置であって、前記質量分析計のイオン化部へのガス供給ラインの上流側と、ベースガスに測定対象ガスが混入された試料ガスの供給ライン及び前記試料ガス中のベースガスの一つのガスからなる比較ガスの供給ラインとの間に、前記試料ガスと比較ガスとを前記イオン化部に連続的かつ交互に一定周期で供給することによって流体変調を行うガス流路切換え装置が設けられており、このガス流路切換え装置の一定周期での流路切換えによって前記イオンコレクタから前記一定周期に応じて出力される前記試料ガス中の測定対象ガス濃度に比例した出力信号及び前記比較ガス中に残留する測定対象ガス濃度に比例した出力信号を装置全体の制御用コントロールユニットに入力してそれぞれ交流増幅し、かつ、それら交流増幅された両出力信号の大きさの差を求めて試料ガス中の測定対象ガスの濃度として測定するように構成されていることを特徴としている。
【０００７】
また、この発明の請求項２に係るガス分析装置は、ガス分子をイオン化するイオン化部、そのイオン化ガス分子を加速し飛行させるイオン加速部、電場空間、前記イオン化ガス分子にイオン質量に応じた力を与えて各イオンに分別するセクタ型磁場及びこのセクタ型磁場の後段に設けられて測定対象ガスイオンのみを通過させ検出するイオンコレクタを備えてなる質量分析計を用いたガス分析装置であって、同一機能を有する二つの質量分析計を互いに並列的に設け、これら二つの質量分析計の各イオン化部へのガス供給ラインの上流側と、ベースガスに測定対象ガスが混入された試料ガスの供給ライン及び前記試料ガス中のベースガスの一つのガスからなる比較ガスの供給ラインとの間に、一方の質量分析計のイオン化部に試料ガスが供給されているとき、他方の質量分析計のイオン化部に比較ガスが供給され、かつ、一方の質量分析計のイオン化部に比較ガスが供給されているとき、他方の質量分析計のイオン化部に試料ガスが供給されるように、二つの質量分析計の各イオン化部に対して試料ガスと比較ガスとを連続的かつ交互に一定周期で供給することによって流体変調を行うガス流路切換え装置が設けられており、このガス流路切換え装置の一定周期での流路切換えによって前記各イオンコレクタから前記一定周期に応じて出力される前記試料ガス中の測定対象ガス濃度に比例した出力信号及び前記比較ガス中に残留する測定対象ガス濃度に比例した出力信号を装置全体の制御用コントロールユニットに入力してそれぞれ交流増幅し、かつ、それら交流増幅された両出力信号の大きさの差を求めて試料ガス中の測定対象ガスの濃度として測定するように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
上記構成のガス分析装置においては、ガス流路切換え装置として、例えば、ロータリバルブを用い、これを介して、質量分析計のイオン化部に対して試料ガスと比較ガスとを連続的かつ交互に一定周期で供給することによって流体変調を行うだけでよいから、装置全体を複雑化することなく安価に構成できるとともに、従来の質量分析計におけるような直流でのイオン電流検出に比べて、飛躍的に感度が向上し定量性に優れ超低濃度の成分をも高感度、高精度で測定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１および図２は、この発明の請求項１に相当する一つの実施の形態におけるガス分析装置の構成の一例を概略的に示すもので、図１において、１は分析部としてのセクタ型質量分析計で、例えば試料ガス中の水素（測定対象ガスの一例）のみを測定するものである。このセクタ型質量分析計１は、高真空の容器２内に、イオン化部３、イオン加速部４および電場空間５を設けるとともに、この電場空間５の後段にセクタ型磁場６を設け、さらに、このセクタ型磁場６の後段に、イオンコレクタ７を設けてなるものである。なお、７ａはスリットである。前記イオンコレクタ７で得られるイオン電流は、図示してないが、プリアンプ、メインアンプやＡＤ変換器を経てガス分析装置全体を制御するコントロールユニット（例えばコンピュータ）に入力され、適宜処理されるように構成されている。
【００１０】
そして、図１において、８はセクタ型質量分析計１のイオン化部３に対してガスを供給するラインで、流量調整手段としてのキャピラリ９が介装されるとともに、このキャピラリ９の上流側（セクタ型質量分析計１とは反対側）には、ガス流路切換え装置としてのロータリバルブ１０を備えている。このロータリバルブ１０は、例えば円周を４等配する位置に開口１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄが設けてあり、一組の互いに対向する開口１０ａ，１０ｃにはそれぞれ試料ガスＳの供給ライン１１、比較ガスＲの供給ライン１２が接続されているとともに、他の対向する開口１０ｂ，１０ｄにはそれぞれセクタ型質量分析計１へのガス供給ライン８、排出ライン１３が接続されている。そして、ロータリバルブ１０の内部には、ロータ（仕切り板）１０ｅが設けられており、このロータ１０ｅはモータ（図示していない）によって、例えば図中の矢印Ａ方向に連続的に一定周期で回転して、図中の実線および仮想線で示す位置に切り替わるようにしてある。したがって、ロータリバルブ１０を作動することにより、試料ガスＳと比較ガスＲとが連続的かつ交互に一定周期で、ガス供給ライン８を介してセクタ型質量分析計１のイオン化部３に供給される。なお、前記ロータリバルブ１０は、前記コントロールユニットによって制御される。
【００１１】
そして、前記試料ガス供給ライン１１の上流側は、例えばメタノールを主原料として水素を生成するメタノール改質器（図示していない）に接続されている。したがって、この試料ガス供給ライン１１には、窒素や酸素などのベースガスに水素が混入したガスが試料ガスＳとして流れる。また、前記比較ガス供給ライン１２の上流側は、窒素ボンベに接続され、したがって、この比較ガス供給ライン１２には、１００％の窒素が比較ガスＲとして流れる。
【００１２】
上記構成のガス分析装置の作動について、図２をも参照しながら説明する。今、ロータリバルブ１０のロータ１０ｅが図１における実線で示す位置にあるものとする。この状態においては、試料ガス供給ライン１１を流れる試料ガスＳがロータリバルブ１０を経てガス供給ライン８のキャピラリ９を通ってセクタ型質量分析計１のイオン化部３に供給される一方、比較ガス供給ライン１２を流れる比較ガスＲは、排出ライン１３に流れる。
【００１３】
前記イオン化部３に供給された試料ガスＳ中の水素、窒素、酸素などのガス分子はそれぞれイオン化され、イオン加速部４で適宜加速された後、電場空間５を飛行してセクタ型磁場６に至り、このセクタ型磁場６において適宜のローレンツ力を受けることにより、前記水素や窒素、酸素などのイオン化ガス分子は、適宜の半径を描いてイオンコレクタ７の方向に飛行するが、水素ガスイオンのみがスリット７ａを通過し、イオンコレクタ７によって検出され、例えば図２において符号ＰＡで示すように、試料ガスＳ中の水素の濃度に比例した出力信号が得られる。
【００１４】
ついで、ロータリバルブ１０が動作してそのロータ１０ｅが図１における仮想線で示す位置にあるものとする。この状態においては、比較ガス供給ライン１２を流れる比較ガスＲがロータリバルブ１０を経てガス供給ライン８のキャピラリ９を通ってセクタ型質量分析計１のイオン化部３に供給される一方、試料ガス供給ライン１１を流れる試料ガスＳは、排出ライン１３に流れる。
【００１５】
前記イオン化部３に供給された比較ガスＲは、１００％の窒素であるが、イオン化部３には、多少の試料ガスＳが残留している。このため、窒素とともにわずかな水素、酸素などのガス分子がそれぞれイオン化され、イオン加速部４で適宜加速された後、電場空間５を飛行してセクタ型磁場６に至り、このセクタ型磁場６において適宜のローレンツ力を受けることにより、前記水素や窒素、酸素などのイオン化ガス分子は、適宜の半径を描いてイオンコレクタ７の方向に飛行するが、この場合、わずかな水素に基づく水素ガスイオンのみがスリット７ａを通過し、イオンコレクタ７によって検出され、例えば図２において符号ＰＢで示すように、イオン化部３に残留する水素の濃度に比例した出力信号が得られる。
【００１６】
前記出力信号ＰＡ，ＰＢは、ロータリバルブ１０を一定周期で一定方向に回転することにより、その周期に応じて順次交互に出力される。この場合、前記ＰＡ，ＰＢの大きさの差（ａ−ｂ）を試料ガスＳ中の水素濃度として得ることができる。そして、これらの出力信号を交流増幅することによりゼロドリフトがなくなるので、精度の高い出力が得られる。したがって、上記ガス分析装置によれば、従来の質量分析計におけるような直流でのイオン電流検出に比べて、飛躍的に測定感度が向上するので、定量性に優れ、測定対象成分である水素が超低濃度であっても、これを高感度、高精度で測定することができる。
【００１７】
図３は、この発明の請求項２に相当する他の実施の形態を示すもので、この実施の形態においては二つの同一機能を有する質量分析計、すなわち、水素のみを検出する機能を備えた二つの質量分析計１Ａ，１Ｂを互いに並列的に設け、それらの各イオン化部３，３にそれぞれキャピラリ９，９を備えたガス供給ライン８，８を接続する。この場合、一方の質量分析計１Ａに対するガス供給ライン８は、前記図１に示したものと同様に、ロータリバルブ１０の開口１０ｂに接続し、他方の質量分析計１Ｂに対するガス供給ライン８は、前記開口１０ｂに対向する開口１０ｄに接続する。このように構成してあるガス分析装置においては、ロータリバルブ１０の作用により、一方の質量分析計１Ａに試料ガスＳが供給されているとき、他方の質量分析計１Ｂに比較ガスＲが供給され、逆に、一方の質量分析計１Ａに比較ガスＲが供給されているとき、他方の質量分析計１Ｂに質量分析計が供給され、ロータリバルブ１０の流路切換えにより、質量分析計１Ａ，１Ｂに対して試料ガスＳと比較ガスＲとが連続的に一定周期で交互に供給される。
【００１８】
前記図３に示したガス分析装置においても、前記図１に示したガス分析装置と同様の効果が得られるとともに、この場合、信号の大きさは、図１に示したガス分析装置の約２倍になる。つまり、感度がより向上し、より定量性に優れ、測定対象成分である水素が超低濃度であっても、これをより高感度、より高精度で測定することができる。
【００１９】
なお、上述の実施の形態においては、ロータリバルブ１０によってガス流路切換え装置を構成していたが、これに代えて、三方電磁弁など他の切換え弁を複数個用いるなどしてもよい。また、測定対象成分としては水素に限られるものではないことは言うまでもない。
【００２０】
そして、測定対象成分の分析部としては、セクタ型質量分析計に限られるものではなく、四重極子型質量分析計であってもよい。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のガス分析装置は、ガス流路切換え装置として、例えば、ロータリバルブを用い、これを介して、質量分析計のイオン化部に対して試料ガスと比較ガスとを交互に供給することにより流体変調を行うだけでよいから、装置全体を複雑化することない。そして、前記ガス流路切換え装置は安価であり、高価なガスクロマトグラフ装置を用いたりしてないので、装置全体を安価に構成することができる。そして、これらの出力を交流増幅することによりゼロドリフトがなくなるので、精度の高い出力が得られる。
【００２２】
したがって、この発明のガス分析装置によれば、従来の質量分析計におけるような直流でのイオン電流検出に比べて、飛躍的に測定感度が向上し、定量性に優れ、測定対象成分が超低濃度であっても、これを高感度、高精度で測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明のガス分析装置の構成の一例を概略的に示す図である。
【図２】 前記ガス分析装置の作動を説明するための図である。
【図３】 この発明のガス分析装置の構成の他の例を概略的に示す図である。
【符号の説明】
１，１Ａ，１Ｂ…質量分析計、３…イオン化部、４…イオン加速部、５…電場空間、６…セクタ型磁場、７…イオンコレクタ、８…ガス供給ライン、１０…ロータリバルブ（流路切換え装置）、１１…試料ガス供給ライン、１２…比較ガス供給ライン、Ｓ…試料ガス、Ｒ…比較ガス。
Claims (2)
- ガス分子をイオン化するイオン化部、そのイオン化ガス分子を加速し飛行させるイオン加速部、電場空間、前記イオン化ガス分子にイオン質量に応じた力を与えて各イオンに分別するセクタ型磁場及びこのセクタ型磁場の後段に設けられて測定対象ガスイオンのみを通過させ検出するイオンコレクタを備えてなる質量分析計を用いたガス分析装置であって、前記質量分析計のイオン化部へのガス供給ラインの上流側と、ベースガスに測定対象ガスが混入された試料ガスの供給ライン及び前記試料ガス中のベースガスの一つのガスからなる比較ガスの供給ラインとの間に、前記試料ガスと比較ガスとを前記イオン化部に連続的かつ交互に一定周期で供給することによって流体変調を行うガス流路切換え装置が設けられており、このガス流路切換え装置の一定周期での流路切換えによって前記イオンコレクタから前記一定周期に応じて出力される前記試料ガス中の測定対象ガス濃度に比例した出力信号及び前記比較ガス中に残留する測定対象ガス濃度に比例した出力信号を装置全体の制御用コントロールユニットに入力してそれぞれ交流増幅し、かつ、それら交流増幅された両出力信号の大きさの差を求めて試料ガス中の測定対象ガスの濃度として測定するように構成されていることを特徴とする質量分析計を用いたガス分析装置。
- ガス分子をイオン化するイオン化部、そのイオン化ガス分子を加速し飛行させるイオン加速部、電場空間、前記イオン化ガス分子にイオン質量に応じた力を与えて各イオンに分別するセクタ型磁場及びこのセクタ型磁場の後段に設けられて測定対象ガスイオンのみを通過させ検出するイオンコレクタを備えてなる質量分析計を用いたガス分析装置であって、同一機能を有する二つの質量分析計を互いに並列的に設け、これら二つの質量分析計の各イオン化部へのガス供給ラインの上流側と、ベースガスに測定対象ガスが混入された試料ガスの供給ライン及び前記試料ガス中のベースガスの一つのガスからなる比較ガスの供給ラインとの間に、一方の質量分析計のイオン化部に試料ガスが供給されているとき、他方の質量分析計のイオン化部に比較ガスが供給され、かつ、一方の質量分析計のイオン化部に比較ガスが供給されているとき、他方の質量分析計のイオン化部に試料ガスが供給されるように、二つの質量分析計の各イオン化部に対して試料ガスと比較ガスとを連続的かつ交互に一定周期で供給することによって流体変調を行うガス流路切換え装置が設けられており、このガス流路切換え装置の一定周期での流路切換えによって前記各イオンコレクタから前記一定周期に応じて出力される前記試料ガス中の測定対象ガス濃度に比例した出力信号及び前記比較ガス中に残留する測定対象ガス濃度に比例した出力信号を装置全体の制御用コントロールユニットに入力してそれぞれ交流増幅し、かつ、それら交流増幅された両出力信号の大きさの差を求めて試料ガス中の測定対象ガスの濃度として測定するように構成されていることを特徴とする質量分析計を用いたガス分析装置。
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