特許 5906501 分析装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5906501

(24)【登録日】2016年4月1日

(45)【発行日】2016年4月20日

(54)【発明の名称】分析装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/63 20060101AFI20160407BHJP

   G01N 21/68 20060101ALI20160407BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/63 A

   G01N21/68

【請求項の数】12

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2012-534004(P2012-534004)

(86)(22)【出願日】2011年9月12日

(86)【国際出願番号】JP2011070774

(87)【国際公開番号】WO2012036138

(87)【国際公開日】20120322

【審査請求日】2014年9月9日

(31)【優先権主張番号】特願2010-207383(P2010-207383)

(32)【優先日】2010年9月15日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504293528

【氏名又は名称】イマジニアリング株式会社

(72)【発明者】

【氏名】池田 裕二

(72)【発明者】

【氏名】寉岡 亮治

【審査官】 田中 洋介

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０２５８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３４９８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０００８１３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第７８２１６３４（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】 米国特許第６００８８９７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 金子昌司 他，マイクロ波アシストブレイクダウン分光法の研究，自動車技術会 学術講演会 前刷集，２００９年 ５月２０日，No.18-09，pp.1-4

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／６２−２１／７４

Ｇ０１Ｎ ２１／３１−２１／３９

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空間中の物質にエネルギーを与えてプラズマ状態にした初期プラズマを生成し、該初期プラズマに電磁波を所定の時間に亘って照射してプラズマ状態を維持するプラズマ生成手段と、
上記電磁波により維持される電磁波プラズマ領域内の分析対象物質から発せられる光の発光強度の時間積分値を用いて、上記分析対象物質を分析する光分析手段とを備え、
上記電磁波プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値が、上記初期プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値よりも大きくなるように、上記プラズマ生成手段が制御されることを特徴とする分析装置。

【請求項2】

上記電磁波プラズマから発せられる光に分子の発光が含まれ、その分子の発光強度のピークを検出できるように、上記電磁波照射手段から照射される電磁波の単位時間当たりのエネルギーが調節される
ことを特徴とする請求項１に記載の分析装置。

【請求項3】

上記分析対象物質は、流体に含まれる粒子状の物質、又はガス状の物質であり、
上記光分析手段は、上記電磁波プラズマの形成領域内において上記初期プラズマの形成領域よりも大きい領域から取り込んだ光の発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質を分析する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の分析装置。

【請求項4】

上記分析対象物質の相状態に応じて、上記プラズマ生成手段により照射される電磁波の単位時間当たりエネルギーと該電磁波の照射継続時間との少なくとも一方が制御される
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の分析装置。

【請求項5】

上記プラズマ生成手段は、所定の動作周期でプラズマの生成と消滅とを繰り返し、
上記光検出手段は、上記プラズマ生成手段によりプラズマが生成される度に、上記電磁波プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値を用いて上記分析対象物質を分析し、
上記動作周期を短くするほど、上記プラズマ生成手段により照射される電磁波の単位時間当たりエネルギーを高くする
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の分析装置。

【請求項6】

前記プラズマ生成手段は、前記プラズマ生成手段がプラズマを維持するプラズマ維持期間中に、初期プラズマが生成される空間に設けられた放射アンテナから、電磁波を連続波で放射する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の分析装置。

【請求項7】

前記プラズマ維持期間に前記電磁波プラズマ領域に前記分析対象物質を移動させる
ことを特徴とする請求項６に記載の分析装置。

【請求項8】

前記プラズマ生成手段は、電圧値が一定のパルス信号を受けて前記放射アンテナから電磁波を放射し、
前記光分析手段は、前記プラズマ維持期間のうち、プラズマ光の発光強度の変動量が所定値以下の発光強度一定期間内で分析期間を設定し、前記分析期間のプラズマ光の発光強度に基づいて前記分析対象物質を分析する
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の分析装置。

【請求項9】

前記分析対象物質は、粉状の物質であり、
前記プラズマ生成手段では、前記プラズマ維持期間の電磁波の出力が、前記分析対象物質が飛散しない値に設定されている
ことを特徴とする請求項６、７又は８に記載の分析装置。

【請求項10】

前記プラズマ生成手段では、前記初期プラズマの発光強度の最大値より、前記プラズマ維持期間のプラズマの発光強度の最大値の方が大きくなるように、前記プラズマ維持期間の電磁波の出力が設定されている
ことを特徴とする請求項９に記載の分析装置。

【請求項11】

前記光分析手段は、前記プラズマ維持期間のプラズマ光を分析して、前記分析対象物質中に含まれる成分の混合比を検出する
ことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の分析装置。

【請求項12】

前記光分析手段は、前記プラズマ維持期間のプラズマ光を分析して、前記電磁波プラズマ領域内のガスの温度を検出する
ことを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマから発せられる光を分析することにより分析対象物質を分析する分析装置及び分析方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、プラズマから発せられる光を分析することにより分析対象物質を分析する分析装置及び分析方法が知られている。例えば特許文献１には、この種の分析装置が開示されている。

【0003】

具体的に、特許文献１には、レーザー誘起ブレイクダウン分光法（Laser-Induced Breakdown Spectroscopy）を利用した元素分析装置が記載されている。この元素分析装置では、レーザー発振器から発せられたパルスレーザー光を試料表面に集光させて、試料表面の一部をプラズマ化させる。試料表面の構成元素は励起状態の原子になる。この励起状態の原子は、下準位に遷移するときに蛍光を放出する。放出された蛍光は、光ファイバーを介して蛍光検出器に入射する。蛍光検出器は、蛍光の波長およびこの波長の強度に関する情報を電気信号に変換する。計測制御用コンピュータは、変換された電気信号に基づいて元素分析を行う。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−３８５６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、従来の分析装置では、パルスレーザー光だけを用いて分析対象物質をプラズマ化するので、プラズマが形成されている時間が短い。このため、プラズマから発せられる光の発光強度の積算値がそれほど大きな値にならず、高精度の分析を行うことが困難であった。また、分析精度を向上させるためには、高性能の分光器を使用する必要があった。

【0006】

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、プラズマから発せられるプラズマ光を分析することにより分析対象物質を分析する分析装置において、分析精度を向上させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１の発明は、分析対象物質にエネルギーを瞬間的に与えて該分析対象物質をプラズマ状態にした初期プラズマを生成し、該初期プラズマに電磁波を所定の時間に亘って照射してプラズマ状態を維持するプラズマ生成手段と、上記電磁波により維持される電磁波プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値を用いて、上記分析対象物質を分析する光分析手段とを備えている分析装置。

【0008】

第１の発明では、初期プラズマに所定の時間に亘って電磁波が照射されるので、電磁波の照射の停止直後までプラズマが維持される。電磁波の照射時間は容易に制御できるので、電磁波プラズマの存在時間は容易に制御できる。この第１の発明では、存在時間を制御可能な電磁波プラズマの発光強度の時間積分値が、分析対象物質の分析に用いられる。

【0009】

第２の発明は、第１の発明において、上記電磁波プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値が、上記初期プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値よりも大きくなるように、上記プラズマ生成手段が制御される。

【0010】

第３の発明は、第１又は第２の発明において、上記電磁波プラズマから発せられる光に分子の発光が含まれ、その分子の発光強度のピークを検出できるように、上記電磁波照射手段から照射される電磁波の単位時間当たりのエネルギーが調節される。

【0011】

第３の発明では、電磁波プラズマによるプラズマ光に分子の発光が含まれ、その分子の発光強度のピークを検出できるように、電磁波照射手段から照射される電磁波の単位時間当たりのエネルギーを調節している。

【0012】

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、上記分析対象物質が、流体に含まれる粒子状の物質、又はガス状の物質であり、上記光分析手段は、上記電磁波プラズマの形成領域内において上記初期プラズマの形成領域よりも大きい領域から取り込んだ光の発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質を分析する。

【0013】

第４の発明では、電磁波プラズマの形成領域内において初期プラズマの形成領域よりも大きい領域から取り込んだ光の発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質を分析する。ここで、分析対象物質が流体に含まれる粒子状の物質、又はガス状の物質である場合に、特定の物質の物質量が場所によって偏っているおそれがある。そのような場合に、小さい領域の成分を分析すれば、分析する度に分析結果に違いが生じ、分析結果の信頼性を確保することができない。そこで、ある程度の大きい領域の成分を分析することが考えられる。しかし、レーザープラズマから発せられたプラズマ光を分析したのでは、プラズマ形成領域が小さいので、大きい領域の成分を分析することができない。それに対して、第４の発明では、電磁波によりプラズマが拡大するので、初期プラズマの形成領域よりも大きい領域から取り込んだ光を分析することができる。従って、初期プラズマの形成領域よりも大きい領域から取り込んだ光の発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質が分析される。

【0014】

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、上記分析対象物質の相状態に応じて、上記プラズマ生成手段により照射される電磁波の単位時間当たりエネルギーと該電磁波の照射継続時間との少なくとも一方が制御される。

【0015】

第５の発明では、分析対象物質の相状態に応じて、電磁波の単位時間当たりエネルギーと該電磁波の照射継続時間との少なくとも一方が制御される。

【0016】

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、上記プラズマ生成手段が、所定の動作周期でプラズマの生成と消滅とを繰り返し、上記光検出手段は、上記プラズマ生成手段によりプラズマが生成される度に、上記電磁波プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値を用いて上記分析対象物質を分析し、上記動作周期を短くするほど、上記プラズマ生成手段により照射される電磁波の単位時間当たりエネルギーを高くする。

【0017】

第６の発明では、プラズマ生成手段の動作周期を短くするほど、それに対応して動作する光分析手段の動作周期が短くなる。つまり、分析装置の時間応答性が高くなる。分析装置の時間応答性を高くするほど、電磁波の単位時間当たりエネルギーは高くなる。ここで、プラズマ生成手段の動作周期を短くするほど、電磁波プラズマが形成されている期間を短くせざるを得ない。そのため、電磁波の単位時間当たりエネルギーが一定であれば、プラズマ生成手段の動作周期を短くするほど、電磁波プラズマの発光強度の時間積分値が小さくなる。そこで、第６の発明では、プラズマ生成手段の動作周期を短くしても、電磁波プラズマの発光強度の時間積分値が大きな値になるように、プラズマ生成手段の動作周期を短くするほど、電磁波の単位時間当たりエネルギーを高くしている。

【0018】

第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、前記プラズマ生成手段は、前記プラズマ生成手段がプラズマを維持するプラズマ維持期間中に、初期プラズマが生成される空間に設けられた放射アンテナから、電磁波を連続波で放射する。

【0019】

第７の発明では、プラズマ生成手段が、電磁波のエネルギーによりプラズマを維持するプラズマ維持期間に電磁波を連続波（ＣＷ）で放射する。分析対象物質が存在するプラズマ領域では、電磁波のエネルギーが電磁波パルスのように脈動することなく安定的に与えられる。従って、プラズマ維持期間にプラズマ領域で電磁波に起因する衝撃波が生じることが抑制される。

【0020】

第８の発明は、第７の発明において、前記プラズマ維持期間に前記電磁波プラズマ領域に前記分析対象物質を移動させる。

【0021】

第９の発明は、第７又は第８の発明において、前記プラズマ生成手段は、電圧値が一定のパルス信号を受けて前記放射アンテナから電磁波を放射し、前記光分析手段は、前記プラズマ維持期間のうち、プラズマ光の発光強度の変動量が所定値以下の発光強度一定期間内で分析期間を設定し、前記分析期間のプラズマ光の発光強度に基づいて前記分析対象物質を分析する。

【0022】

第１０の発明は、第７乃至第９の何れか１つの発明において、前記分析対象物質は、粉状の物質であり、前記プラズマ生成手段では、前記プラズマ維持期間の電磁波の出力が、前記分析対象物質が飛散しない値に設定されている。

【0023】

第１１の発明は、第１０の発明において、前記プラズマ生成手段では、前記初期プラズマの発光強度の最大値より、前記プラズマ維持期間のプラズマの発光強度の最大値の方が大きくなるように、前記プラズマ維持期間の電磁波の出力が設定されている。

【0024】

第１２の発明は、第７乃至第１１の何れか１つの発明において、前記光分析手段は、前記プラズマ維持期間のプラズマ光を分析して、前記分析対象物質中に含まれる成分の混合比を検出する。

【0025】

第１３の発明は、第７乃至第１１の何れか１つの発明において、前記光分析手段は、前記プラズマ維持期間のプラズマ光を分析して、前記電磁波プラズマ領域内のガスの温度を検出する。

【0026】

第１４の発明は、分析対象物質にエネルギーを瞬間的に与えて該分析対象物質をプラズマ状態にした初期プラズマを生成し、該初期プラズマに電磁波を所定の時間に亘って照射してプラズマ状態を維持するプラズマ生成ステップと、上記電磁波により維持される電磁波プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値を用いて、上記分析対象物質を分析する光分析ステップとを備えている分析方法。

【発明の効果】

【0027】

本発明では、存在時間を制御可能な電磁波プラズマの発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質が分析される。電磁波プラズマは、例えばパルスレーザー光だけを用いてプラズマを形成する場合よりも長い時間維持できる。従って、発光強度の時間積分値として大きな値を取得することが可能になるので、高性能の分光器を用いることなく、高精度の分析を行うことができる。

【0028】

また、上記第３の発明では、電磁波プラズマによるプラズマ光に分子の発光が含まれ、その分子の発光強度のピークを検出できるようにしているので、分子を分析可能な分析装置を実現することができる。

【0029】

また、上記第４の発明では、電磁波によりプラズマが拡大するので、初期プラズマの形成領域よりも大きい領域から取り込んだ光の発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質が分析される。従って、分析対象物質が流体に含まれる粒子状の物質、又はガス成分である場合に大きな領域の成分を分析可能な分析装置を実現することができる。そして、分析対象物質が流体に含まれる粒子状の物質、又はガス成分である場合に、信頼性の高い分析を行うことができる。

【0030】

また、上記第６の発明では、プラズマ生成手段の動作周期を短くしても、電磁波プラズマの発光強度の時間積分値が大きな値になるように、プラズマ生成手段の動作周期を短くするほど、電磁波の単位時間当たりエネルギーを高くしている。従って、プラズマ生成手段の動作周期を短くしても、つまり、分析装置の時間応答性を高くしても、高精度の分析を行うことができる。

【0031】

また、上記第７の発明では、プラズマ維持期間において、プラズマ領域に電磁波のエネルギーが安定的に与えられるので、電磁波に起因する衝撃波が生じることが抑制される。光分析手段が分析を行う分析期間は、プラズマ維持期間に存在している。そのため、粉状の物質を分析対象物質とする場合に、分析期間にプラズマ領域内の分析対象物質が飛散することを抑制することができる。プラズマ領域内の分析対象物質を物質の移動がほとんどない状態で分析することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】図１は、実施形態１分析装置の概略構成図である。

【図2】図２は、実施形態１のプラズマ生成維持動作を説明するための図である。

【図3】図３は、実施形態１のプラズマ生成装置により生成されたプラズマから発せられる光の発光強度の時系列変化を示すグラフである。

【図4】図４は、実施形態１のプラズマ生成装置により生成されたプラズマから発せられる光に対して、波長に応じた発光強度の時間積算値を示すスペクトル図である。

【図5】図５は、実施形態２の分析装置の概略構成図である。

【図6】図６は、実施形態２のプラズマ生成装置の概略構成図である。

【図7】図７は、実施形態３の分析装置の概略構成図である。

【図8】図８は、実施形態３のパルス発振信号と電磁波駆動信号との時間関係を示すタイムチャートである。

【図9】図９は、実施形態３のプラズマ生成装置により生成されたプラズマから発せられる光の発光強度の時系列変化を示すグラフである。

【図10】図１０は、実施形態４の分析装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
《実施形態１》

【0034】

実施形態１の分析装置１０は、図１に示すように、プラズマ生成装置１１、キャビティー１２、光分析装置１３及び制御装置１４を備えている。制御装置１４は、プラズマ生成装置１１及び光分析装置１３を制御する。なお、本実施形態１の分析装置１０は、プラズマ生成装置１１によりプラズマ状態にすることができる物質であれば、固体、液体、及び気体の相状態を問わず、分析対象物質として分析することができる。
−プラズマ生成装置の構成−

【0035】

プラズマ生成装置１１は、レーザー光源２１、集光光学系２２、マイクロ波発振器２３、マイクロ波伝送路２４〜２７、アンテナ２８、及びパルス電源２９を備えている。プラズマ生成装置１１は、分析対象物質１５にエネルギーを瞬間的に与えて分析対象物質１５をプラズマ状態にした初期プラズマを生成し、初期プラズマに電磁波を所定の時間に亘って照射してプラズマ状態を維持するプラズマ生成手段を構成している。レーザー光源２１及び集光光学系２２は、分析対象物質１５にエネルギーを与えて分析対象物質１５をプラズマ状態に変化させる初期プラズマ生成手段を構成している。マイクロ波発振器２３、マイクロ波伝送路２４〜２７、アンテナ２８、及びパルス電源２９は、初期プラズマ生成手段により生成された初期プラズマに電磁波を所定の時間に亘って照射してプラズマ状態を維持するプラズマ維持手段を構成している。

【0036】

レーザー光源２１は、分析対象物質１５をプラズマ状態にするためのレーザー光を発振する。レーザー光源２１から発振されたレーザー光は、集光光学系２２を通過し、集光光学系２２の焦点に集光される。集光光学系２２の焦点は、キャビティー１２内に位置している。なお、レーザー光源２１には、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光源が用いられる。集光光学系２２には、例えば、凸レンズが用いられる。

【0037】

プラズマ生成装置１１は、集光光学系２２の焦点に集光されたレーザー光のエネルギー密度が分析対象物質１５のブレイクダウン閾値以上になるように構成されている。すなわち、レーザー光の出力は、焦点に存在する分析対象物質１５がプラズマ化するのに必要な値以上に設定されている。

【0038】

マイクロ波発振器２３は、マイクロ波伝送路２４〜２７を介してアンテナ２８に接続されている。マイクロ波伝送路２４〜２７は、マイクロ波発振器２３に接続された導波管２４と、導波管２４に接続されたアイソレータ２５と、アイソレータ２５に接続された同軸導波管変換器２６と、同軸導波管変換器２６に接続された同軸ケーブル２７により構成されている。また、マイクロ波発振器２３は、パルス電源２９に接続されている。マイクロ波発振器２３は、パルス電源２９から電力の供給を受けるとマイクロ波を発振する。

【0039】

アンテナ２８は、同軸ケーブル２７に接続されている。アンテナ２８の先端は、集光光学系２２の焦点位置に向けられている。マイクロ波発振器２３から発振されたマイクロ波は、マイクロ波伝送路２４〜２７を経て、アンテナ２８から集光光学系２２の焦点位置に向けて照射される。

【0040】

なお、マイクロ波発振器２３には、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振するマグネトロンが用いられる。また、アンテナ２８には、マイクロ波発振器２３から発振されたマイクロ波に対して十分な利得を有するアンテナとして、例えば、３／４波長モノポールアンテナが用いられる。また、パルス電源２９には、例えば、インバータ方式の電源装置が用いられる。

【0041】

キャビティー１２は、マイクロ波の共振構造を有する略筒状の容器であり、マイクロ波が外部へ漏洩することを阻止する。キャビティー１２には、分析対象物質１５を支持する支持部材（図示省略）が設けられている。キャビティー１２には、レーザー光源２１から発振されたレーザー光を導入するための導入窓が設けられている。キャビティー１２には、レーザー光源２１から発振されたレーザー光が入射される。キャビティー１２の内側では、レーザー光により分析対象物質１５がプラズマ状態になる。また、キャビティー１２の内側では、プラズマ状態の分析対象物質１５にアンテナ２８からマイクロ波が照射される。
−プラズマ生成装置の動作−
プラズマ生成装置１１は、制御装置１４の指示に従って、分析対象物質１５をプラズマ状態にしてプラズマ状態を維持するプラズマ生成維持動作を行う。

【0042】

プラズマ生成維持動作では、パルス電源２９が、制御装置１４から出力された開始信号を受けるとマイクロ波発振器２３への電力の供給を開始する。これにより、マイクロ波発振器２３はマイクロ波の発振を開始し、アンテナ２８からキャビティー１２内の分析対象物質１５にマイクロ波が照射される。キャビティー１２内では、マイクロ波が共振し定在波を形成する。分析対象物質１５のレーザー照射面付近は、定在波の腹となって強電場領域となる。

【0043】

続いて、レーザー光源２１が、制御装置１４から出力された発振信号を受けるとパルス状のレーザー光を１発だけ発振する。レーザー光は、マイクロ波の照射開始直後に発振される。レーザー光源２１から発振されたレーザー光は、集光光学系２２により分析対象物質１５の表面に集光される。分析対象物質１５には、瞬間的に高密度のエネルギーが与えられる。

【0044】

分析対象物質１５の表面では、レーザー光の照射領域のエネルギー密度が上昇して分析対象物質１５のブレイクダウン閾値を超える。そうすると、図２に示すように、レーザー光の照射領域の物質が電離し、プラズマ状態になる。すなわち、分析対象物質１５を原料とするプラズマが生成される。なお、以下では、レーザー光により生成されるプラズマを「レーザープラズマ」という。レーザープラズマは、初期プラズマに相当する。

【0045】

レーザー発振終了の直後は、マイクロ波の照射が継続されている。従って、レーザープラズマは、図２に示すように、マイクロ波のエネルギーを吸収して拡大する。拡大したプラズマは、マイクロ波により維持される。以下では、マイクロ波により維持されるプラズマを「マイクロ波プラズマ」という。マイクロ波プラズマは、電磁波プラズマに相当する。

【0046】

その後、パルス電源２９が、制御装置１４から出力された停止信号を受けるとマイクロ波発振器２３への電力の供給を停止する。これにより、マイクロ波発振器２３はマイクロ波の発振を停止する。マイクロ波発振器２３は、レーザー光の発振後に停止される。マイクロ波の照射は、レーザー光の発振の終了から例えば５秒後に停止される。そうすると、電子の再結合が起こり、マイクロ波プラズマが消滅する。

【0047】

なお、パルス電源２９は、開始信号を受けてから停止信号を受けるまでの間に亘って、パルス波（又はバースト波）を繰り返しマイクロ波発振器２３へ供給する。パルス電源２９は、所定のデューティー比（オン／オフのデューティー比）で電力をマイクロ波発振器２３へ供給する。マイクロ波発振器２３は、マイクロ波の発振と停止を所定のデューティー比で繰り返す。マイクロ波プラズマは、熱プラズマになることがなく、非平衡プラズマで維持される。本実施形態１では、マイクロ波の発振開始は、最初のパルス波を受けた時点であり、マイクロ波の発振終了は、最後のパルス波を受けた時点である。開始信号を受けてから停止信号を受けるまでの間は、マイクロ波の照射期間としている。また、マイクロ波の単位時間当たりのエネルギーは、マイクロ波の照射期間に亘って、調節されることなく一定に保たれる。

【0048】

また、本実施形態１では、マイクロ波の発振開始タイミングは、レーザー光の発振前であるが、レーザープラズマが消滅する前であればレーザー光の発振後であってもよい。

【0049】

ここで、プラズマが形成されている期間において、プラズマから発せられるプラズマ光の発光強度の時系列変化を見ると、図３に示すように、まずレーザープラズマによる発光強度のピークが瞬間的に見られ、発光強度がゼロ近くの極小値まで低下する。そして、発光強度が極小値となった後、マイクロ波プラズマにより発光強度が再び増加し、マイクロ波プラズマの消滅が開始されるまで、発光強度がある程度一定の強さに保たれる。

【0050】

なお、本明細書では、レーザープラズマによる発光強度のピーク直後の極小値までのプラズマを「レーザープラズマ」と定義し、極小値以降のプラズマを「マイクロ波プラズマ」と定義する。本実施形態１では、レーザープラズマの方がマイクロ波プラズマよりも発光強度の最大値が大きくなるように、プラズマ生成装置１１が構成されている。レーザープラズマよりもマイクロ波プラズマの方がプラズマにおけるエネルギー密度が高くなるように、レーザー光源２１の出力とマイクロ波発振器２３の出力が設定されている。
−光分析装置の構成−

【0051】

光分析装置１３は、プラズマ生成維持動作中にマイクロ波プラズマから発せられるプラズマ光だけを分析する。光分析装置１３は、電磁波により維持される電磁波プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質１５を分析する光分析手段を構成している。光分析装置１３は、ビームサンプラー３０、第１パワーメータ３１Ａ、第２パワーメータ３１Ｂ、光学素子３２、光ファイバー３３、分光器３４、光検出器３５、及び信号処理装置３６を備えている。

【0052】

ビームサンプラー３０は、レーザー光源２１におけるレーザー光の出射部と集光光学系２２との間に配置されている。ビームサンプラー３０は、レーザー光源２１から発振されたレーザー光の一部を分離する。第１パワーメータ３１Ａは、ビームサンプラー３０により分離された光を受光する。第１パワーメータ３１Ａの出力信号は、信号処理装置３６に入力される。一方、第２パワーメータ３１Ｂは、レーザー光源２１に対してキャビティー１２の反対側に配置され、キャビティー１２を通過したレーザー光を受光する。第２パワーメータ３１Ｂの出力信号は、信号処理装置３６に入力される。

【0053】

光学素子３２は、光が透過するレンズ等により構成されている。光学素子３２には、例えば、集光光学系のものが使用される。その場合は、光学素子３２は、その焦点がマイクロ波プラズマの形成領域に位置するように配置される。

【0054】

分光器３４は、光ファイバー３３を介して光学素子３２に接続されている。分光器３４には、光学素子３２に入射したプラズマ光が取り込まれる。分光器３４は、回折格子又はプリズムを用いて、入射したプラズマ光を波長に応じて異なる向きに分散させる。

【0055】

ここで、本実施形態の分光器３４の入口には、プラズマが形成されている期間においてマイクロ波プラズマから発せられるプラズマ光だけが分析されるようにプラズマ光を分析する時間を区切るための分析時間区切手段として、シャッター３７が設けられている。シャッター３７は、制御装置１４により、分光器３４に光が入射することを許容する開状態と、分光器３４に光が入射することを禁止する閉状態との間で切り替えられる。なお、制御装置１４が、光検出器３５の露光タイミングを制御できる場合には、制御装置１４が分析時間区切手段を構成してもよい。

【0056】

光検出器３５は、分光器３４により分散された光のうち所定の波長帯域の光を受光するように配置されている。光検出器３５は、制御装置１４から出力された指令信号に応答して、受光した波長帯域の光を波長毎に電気信号に変換して出力する。光検出器３５には、例えば電荷結合素子（Charge Coupled Device）が用いられる。光検出器３５から出力された電気信号は、信号処理装置３６に入力される。

【0057】

信号処理装置３６は、光検出器３５から出力された電気信号に基づいて、波長毎に発光強度の時間積算値を算出する。信号処理装置３６では、シャッター３７が開状態になっている間に分光器３４に入射したプラズマ光に対して、波長毎の発光強度の時間積分値（発光スペクトル）が得られる。信号処理装置３６は、図４に示すような波長毎の発光強度の時間積分値を示すグラフを作成する。また、信号処理装置３６は、波長毎の発光強度の時間積算値から、発光強度が強い波長成分を見つけて分析対象物質１５の成分を同定する。

【0058】

また、信号処理装置３６は、第１パワーメータ３１Ａの出力値と、ビームサンプラー３０によるレーザー光の分離率とを用いて、レーザー光源２１から発振されたレーザー光のエネルギーを検出する。また、信号処理装置３６は、第２パワーメータ３１Ｂの出力値を用いて、キャビティー１２を通過したレーザー光のエネルギーを検出する。信号処理装置３６は、レーザー光源２１から発振されたレーザー光のエネルギーと、キャビティー１２を通過したレーザー光のエネルギーとの差から、プラズマに吸収されたエネルギーを検出する。
−光分析装置の動作−

【0059】

光分析装置１３は、制御装置１４の指示に従って、プラズマから発せられるプラズマ光を分析する光分析動作を行う。光分析動作は、プラズマ生成維持動作に連動して行われる。また、プラズマ生成維持動作では、制御装置１４により、マイクロ波プラズマが形成されている期間だけ開状態になるようにシャッター３７が制御される。

【0060】

具体的に、光分析装置１３では、図３に示すシャッター３７が開状態の期間だけ、マイクロ波プラズマから発せられるプラズマ光が、光学素子３２、光ファイバー３３を順番に通過して分光器３４に入射する。分光器３４では、入射したプラズマ光が波長に応じて異なる向きに分散される。そして、所定の波長帯域のプラズマ光が光検出器３５に到達する。光検出器３５では、受光した波長帯域のプラズマ光が波長毎に電気信号に変換される。信号処理装置３６では、光検出器３５の出力信号に基づいて、波長毎に発光強度の時間積算値が算出される。信号処理装置３６は、波長毎の発光強度の時間積算値から、発光強度が強い波長成分を見つけて分析対象物質１５の成分を同定する。

【0061】

なお、信号処理装置３６は、図４に示すような波長毎の発光強度の時間積算値を示すグラフを作成し、そのグラフを信号処理装置３６のモニターに表示してもよい。分析装置１０の使用者はこのスペクトル図を見ることにより、分析対象物質の成分分析として、分析対象物質に含まれる原子を同定することができる。

【0062】

また、分析装置１０は、検量線を用いて、特定した原子の含有量を算出してもよい。原子の含有量を算出する場合は、信号処理装置３６は、レーザー光源２１から発振されたレーザー光のエネルギーの検出値を用いて、発光スペクトルから得た原子の含有量を補正してもよい。また、信号処理装置３６は、プラズマに吸収されたエネルギーの検出値を用いて、発光スペクトルから得た原子の含有量を補正してもよい。

【0063】

ところで、本実施形態の分析装置１０は、原子だけでなく、分析対象物質１５に含まれる分子の同定、及び分子の含有量の算出を行うことができる。ここで、レーザー光プラズマから発せられるプラズマ光を用いて分析対象物質を分析する場合は、レーザーのエネルギー密度が高すぎて、分析対象物質に含まれる分子のほとんどが分解されて原子になってしまう。そのため、分子の発光が弱く、分子の発光のピークを検出することができない。それに対して、本実施形態１では、アンテナ２８から照射するマイクロ波の単位時間当たりのエネルギーが、マイクロ波プラズマから発せられる光に分子（例えば、ＯＨラジカル）の発光が含まれ、その分子の発光強度のピークを検出できる値以下に調節される。従って、マイクロ波プラズマ内において、多くの分子が分解されずに残り、分析装置１３にて検出される発光スペクトルから、分子の発光強度のピークを検出できる。
−実施形態１の効果−

【0064】

本実施形態１では、存在時間を制御可能なマイクロ波プラズマの発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質１５が分析される。マイクロ波プラズマは、パルスレーザー光だけを用いてプラズマを形成する場合よりも長い時間維持できる。従って、発光強度の時間積分値として大きな値を取得することが可能になるので、高性能の分光器を用いることなく、高精度の分析を行うことができる。

【0065】

また、本実施形態１では、マイクロ波プラズマによるプラズマ光に分子の発光が含まれ、その分子の発光強度のピークを検出できるようにしているので、分子を分析可能な分析装置１０を実現することができる。
−実施形態１の変形例１−

【0066】

変形例１の分析装置１０は、流体に含まれる粒子状の物質、又はガス状の物質を分析対象物質として分析する装置である。光分析装置１３では、マイクロ波プラズマ形成領域に焦点を合わせた光学素子３２を使用せずに、マイクロ波プラズマの形成領域内においてレーザープラズマの形成領域よりも大きい分析対象領域から発せられた光を取り込むことができる光学素子３２が用いられる。その場合、分析対象領域から発せられたプラズマ光が分光器３４に取り込まれ、分析装置１３にて、その分析対象領域の発光強度の時間積分値が算出され、その時間積分値を用いて分析対象物質の成分が分析される。

【0067】

変形例１では、マイクロ波によりプラズマが拡大するので、レーザープラズマの形成領域よりも大きい領域から取り込んだ光の発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質が分析される。従って、分析対象物質が流体に含まれる粒子状の物質、又はガス状の物質である場合に大きな領域を分析可能な分析装置を実現することができる。そして、分析対象物質が流体に含まれる粒子状の物質、又はガス状の物質である場合に、信頼性の高い分析を行うことができる。
−実施形態１の変形例２−

【0068】

変形例２では、分析対象物質の相状態に応じて、マイクロ波発振器２３から発振されるマイクロ波の単位時間当たりエネルギーが調節される。

【0069】

具体的に、分析装置１０には、分析対象物質の相状態を入力する入力部が設けられている。分析装置１０の使用者は、分析対象物質１５に応じて入力部を操作する。分析装置１０では、入力部の出力信号に応じて、パルス電源２９が出力するパルス波の最高電圧が設定される。その結果、マイクロ波発振器２３から発振されるマイクロ波の単位時間当たりエネルギーが、分析対象物質の相状態に応じた値になる。例えば、気体よりも固体の方が、ブレイクダウン閾値が高い。従って、気体よりも固体の方が、マイクロ波の単位時間当たりエネルギーが大きな値に設定される。

【0070】

なお、入力部の出力信号に応じて、マイクロ波発振器２３から発振されるマイクロ波の照射継続時間を調節してもよい。これにより、分析対象物質の相状態に応じて、マイクロ波発振器２３から発振されるマイクロ波の照射継続時間が調節される。
−実施形態１の変形例３−

【0071】

変形例３の分析装置１０は、使用者が分析時間間隔を設定可能になっている。また、使用者により設定された分析時間間隔が短いほど、マイクロ波発振器２３から発振されるマイクロ波の単位時間当たりエネルギーが高い値に調節される。

【0072】

この分析装置１０では、プラズマ生成装置１１が、入力された分析時間間隔を動作周期として、プラズマの生成と消滅とを繰り返す。また、光分析装置１３は、プラズマ生成装置１１に連動して動作し、プラズマ生成装置１１によりプラズマが生成される度に、マイクロ波プラズマから発せられる光の発光強度の時間積分値を用いて分析対象物質の成分を分析する。このように、分析装置１０では、使用者により設定された分析時間間隔で、分析対象物質を分析する光分析動作が行われる。

【0073】

変形例３では、分析時間間隔を短くしてもマイクロ波プラズマの発光強度の時間積分値が大きな値になるように、分析時間間隔を短くするほど、マイクロ波の単位時間当たりエネルギーを高くしている。従って、分析時間間隔を短くしても、つまり、分析装置１０の時間応答性を高くしても、高精度の分析を行うことができる。
《実施形態２》

【0074】

実施形態２は、初期プラズマ生成手段が実施形態１とは異なる。

【0075】

実施形態２では、分析対象物質をプラズマ状態に変化させるのに、放電装置（例えば、スパークプラグ）が用いられる。具体的に、図５及び図６に示すように、プラズマ生成装置１１は、パルス電圧生成器５１、マイクロ波発振器２３、混合器５２、整合器５３、及びスパークプラグ５４を備えている。図５に示すように、パルス電圧生成器５１、混合器５２、整合器５３、及びスパークプラグ５４は、一体化されて点火ユニット５８を構成している（図５において整合器５３の記載は省略している）。

【0076】

パルス電圧生成器５１は、外部の直流電源６０から直流電力の供給を受ける。パルス電圧生成器５１は、制御装置１４から出力された放電信号を受けると、高電圧のパルス電圧を生成して出力する。パルス電圧は、ピーク電圧が例えば６ｋＶ〜４０ｋＶ程度のインパルス状の電圧信号である。パルス電圧の諸元は、スパークプラグ５４にパルス電圧を印加した場合に絶縁破壊を生じるように適宜設定すればよい。

【0077】

混合器５２は、パルス電圧生成器５１からパルス電圧を受けると共に、マイクロ波発振器２３からマイクロ波を受ける。混合器５２は、パルス電圧とマイクロ波とを混合した混合信号を生成して出力する。混合信号は、整合器５３を介してスパークプラグ５４に伝送される。整合器５３は、混合器５２から出力されたマイクロ波のインピーダンス整合がとる。

【0078】

スパークプラグ５４では、放電電極５４ａと接地電極５４ｂの間に放電ギャップが形成されている。スパークプラグ５４では、混合信号の印加を受けると、放電が生じると共に、マイクロ波が放射される。その結果、スパークプラグ５４の先端の放電ギャップでは、放電により小規模の放電プラズマ（初期プラズマ）が形成され、その放電プラズマがマイクロ波のエネルギーを吸収して拡大する。拡大したプラズマは、マイクロ波プラズマとなる。マイクロ波は、所定の時間に亘って照射される。

【0079】

なお、本実施形態２では、マイクロ波の発振開始タイミングは、スパーク放電前であるが、放電プラズマが消滅する前であればスパーク放電後であってもよい。

【0080】

本実施形態２では、図５に示すように、放電ギャップに分析対象物質１５が配置される。分析対象物質１５は、支持部材（図示省略）により支持されている。

【0081】

プラズマ生成維持動作では、プラズマ状態の分析対象物質１５から発せられた光が、分析対象物質１５に対面するように配置された光学素子３２に入射し、実施形態１と同様に、光分析装置１３において分析対象物質１５の分析が行われる。
《実施形態３》

【0082】

実施形態３の分析装置１０は、粉状の物質を分析対象物質１００として、その分析対象物質１００の成分分析を行う装置である。分析装置１０は、例えば不純物の検出に利用される。分析装置１０は、図１に示すように、分析対象物質１００を移動させるベルトコンベア１０１に対して設置されている。分析装置１０は、プラズマ生成装置１１１、キャビティー１１２、光分析装置１１３及び制御装置１１４を備えている。

【0083】

キャビティー１１２は、マイクロ波の共振構造を有する容器である。キャビティー１１２は、下側が開放された略円筒状に形成されている。キャビティー１１２は、メッシュ状の部材により構成されている。キャビティー１１２は、後述する放射アンテナ１２８からキャビティー１１２の内部空間へ放射されたマイクロ波が外部へ漏れないように、メッシュの大きさが設定されている。キャビティー１１２の上面には、レーザー用プローブ１２３及びアンテナ用プローブ１２６が取り付けられている。また、制御装置１１４は、プラズマ生成装置１１１及び光分析装置１１３を制御する。
−プラズマ生成装置の構成−

【0084】

プラズマ生成装置１１１は、空間中においてプラズマを生成し、放射アンテナ１２８から放射するマイクロ波のエネルギーによりプラズマを維持するプラズマ生成手段を構成している。プラズマ生成装置１１１は、空間中の物質に瞬間的にエネルギーを与えて、その物質をプラズマ状態にした初期プラズマを生成し、その初期プラズマにマイクロ波を所定の時間に亘って照射してプラズマ状態を維持する。

【0085】

プラズマ生成装置１１１は、図７に示すように、レーザー発振装置１１５と電磁波放射装置１１６とを備えている。レーザー発振装置１１５は、レーザー光源１２１、光ファイバー１２２、及びレーザー用プローブ１２３を備えている。電磁波放射装置１１６は、マイクロ波発振器１２４、マイクロ波伝送線路１２５、及びアンテナ用プローブ１２６を備えている。

【0086】

レーザー光源１２１は、制御装置１１４からレーザー発振信号を受けると、初期プラズマを生成するためのレーザー光を発振する。レーザー光源１２１は、光ファイバー１２２を介してレーザー用プローブ１２３に接続されている。レーザー用プローブ１２３の先端には、光ファイバー１２２を通過したレーザー光を集光させる集光光学系１２７が設けられている。レーザー用プローブ１２３は、その先端がキャビティー１１２の内部空間に望むようにキャビティー１１２に取り付けられている。集光光学系１２７の焦点は、キャビティー１１２の下側の開口より少しだけ下側に位置している。レーザー光源１２１から発振されたレーザー光は、レーザー用プローブ１２３の集光光学系１２７を通過して、集光光学系１２７の焦点に集光される。

【0087】

なお、レーザー光源２１には、例えば、マイクロチップレーザーが用いられる。集光光学系１２７には、例えば、凸レンズが用いられる。

【0088】

レーザー発振装置１１５では、集光光学系１２７の焦点に集光されたレーザー光のエネルギー密度が分析対象物質１００のブレイクダウン閾値以上になるようにレーザー光源１２１の出力が設定されている。すなわち、レーザー光源１２１の出力は、焦点に存在する分析対象物質１００がプラズマ化するのに必要な値以上に設定されている。

【0089】

マイクロ波発振器１２４は、制御装置１１４からマイクロ波駆動信号を受けると、その電磁波駆動信号のパルス幅の時間に亘ってマイクロ波を連続的に出力する。電磁波駆動信号は、電圧値が一定のパルス信号である。マイクロ波発振器１２４におけるマイクロ波の出力は、粉状の分析対象物質１００が飛散しないように、１００ワット以下の出力値（例えば、８０ワット）に設定されている。マイクロ波発振器１２４は、マイクロ波伝送線路１２５を介してアンテナ用プローブ１２６に接続されている。アンテナ用プローブ１２６には、マイクロ波伝送線路１２５を通過したマイクロ波を放射するための放射アンテナ１２８が設けられている。アンテナ用プローブ１２６は、放射アンテナ１２８の先端が集光光学系１２７の焦点を向くように取り付けられている。放射アンテナ１２８は、マイクロ波による強電界領域が集光光学系１２７の焦点を含んで形成されるように設けられている。

【0090】

なお、マイクロ波発振器１２４は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を出力する。マイクロ波発振器１２４では、半導体発振器がマイクロ波を生成する。なお、他の周波数帯域のマイクロ波を発振する半導体発振器を使用してもよい。
−光分析装置の構成−

【0091】

光分析装置１１３は、プラズマ生成装置１１１がマイクロ波のエネルギーによりプラズマを維持するプラズマ維持期間に、プラズマ領域Ｐ内に位置するプラズマ状態の分析対象物質１００から発せられるプラズマ光を分析して、分析対象物質１００を分析する光分析手段を構成している。光分析装置１１３は、プラズマ維持期間のうち後述する分析期間のプラズマ光の発光強度の時間積分値を用いて、分析対象物質１００を分析する。光分析装置１１３は、光学プローブ１３０、光ファイバー１３１、分光器１３２、光検出器１３３、及び信号処理装置１３４を備えている。

【0092】

光学プローブ１３０は、キャビティー１１２の内部空間のプラズマ光を導出するための装置である。光学プローブ１３０は、筒状のケーシングの先端部に、比較的広い範囲の光を取り込み可能なレンズを取り付けたものである。光学プローブ１３０は、プラズマ領域Ｐの全体から発せられるプラズマ光をレンズに導入できるように、キャビティー１１２の側面に取り付けられている。

【0093】

分光器１３２は、光ファイバー１３１を介して光学プローブ１３０に接続されている。分光器１３２には、光学プローブ１３０に入射したプラズマ光が取り込まれる。分光器１３２は、回折格子又はプリズムを用いて、入射したプラズマ光を波長に応じて異なる向きに分散させる。

【0094】

なお、分光器１３２の入口には、プラズマ光を分析する分析期間を区切るためのシャッターが設けられている。シャッターは、制御装置１１４により、分光器１３２に光が入射することを許容する開状態と、分光器１３２に光が入射することを禁止する閉状態との間で切り替えられる。なお、光検出器１３３の露光タイミングを制御できる場合には、光検出器１３３を制御して分析期間を区切るようにしてもよい。

【0095】

光検出器１３３は、分光器１３２により分散された光のうち所定の波長帯域の光を受光するように配置されている。光検出器１３３は、制御装置１１４から出力された指令信号に応答して、受光した波長帯域の光を波長毎に電気信号に光電変換して出力する。光検出器１３３には、例えば電荷結合素子（Charge Coupled Device）が用いられる。光検出器１３３から出力された電気信号は、信号処理装置１３４に入力される。

【0096】

信号処理装置１３４は、光検出器１３３から出力された電気信号に基づいて、波長毎に発光強度の時間積算値を算出する。信号処理装置１３４は、シャッターが開状態になっている分析期間に分光器１３２に入射したプラズマ光に対して、波長毎の発光強度の時間積分値（発光スペクトル）を算出する。信号処理装置１３４は、波長毎の発光強度の時間積算値から、発光強度が強い波長成分を検出し、検出した波長成分に対応する物質を分析対象物質１００の成分として同定する。
−分析装置の動作−

【0097】

分析装置１０が分析対象物質１００の成分分析を行う分析動作について説明する。分析動作は、ベルトコンベア１０１の動作中に行われる。分析動作では、プラズマ生成装置１１１によるプラズマ生成維持動作と、光分析装置１１３による光分析動作とが連動して行われる。

【0098】

まず、プラズマ生成維持動作について説明する。プラズマ生成維持動作は、プラズマ生成装置１１１がプラズマを生成して維持する動作である。プラズマ生成装置１１１は、制御装置１１４の指示に従って、レーザー光源１２１を駆動して初期プラズマを生成し、マイクロ波発振器１２４を駆動して初期プラズマにマイクロ波を照射してプラズマ状態を維持するプラズマ生成維持動作を行う。

【0099】

具体的に、制御装置１１４は、レーザー光源２１へレーザー発振信号（短パルスの信号）を出力する。レーザー光源１２１は、レーザー発振信号を受けると、パルス状のレーザー光を１発だけ発振する。レーザー光源１２１から発振されたレーザー光は、集光光学系１２７により分析対象物質１００の表層に集光される。分析対象物質１００には、瞬間的に高密度のエネルギーが与えられる。

【0100】

分析対象物質１００の表層では、レーザー光の照射領域のエネルギー密度が上昇して分析対象物質１００のブレイクダウン閾値を超える。そうすると、レーザー光の照射領域の物質が電離し、プラズマ状態になる。すなわち、分析対象物質１００を原料とするプラズマ（初期プラズマ）が生成される。

【0101】

続いて、制御装置１１４は、図８に示すように、レーザー発振信号の立ち下がりの直後に、マイクロ波発振器１２４へマイクロ波駆動信号を出力する。マイクロ波発振器１２４は、マイクロ波駆動信号を受けると、マイクロ波の連続波（ＣＷ）を放射アンテナ１２８へ出力する。マイクロ波は、放射アンテナ１２８からキャビティー１１２の内部空間へ放射される。マイクロ波は、マイクロ波駆動信号のパルス幅の時間に亘って放射アンテナ１２８から放射される。なお、レーザー発振信号の立ち下がり時点から電磁波駆動信号の立ち上がり時点までの時間Ｘは、初期プラズマが消滅する前にマイクロ波の放射が開始されるように設定されている。

【0102】

キャビティー１１２の内部空間では、集光光学系１２７の焦点を中心とする領域が強電界領域（キャビティー１１２の内部空間において電界強度が相対的に強い領域）となる。初期プラズマは、マイクロ波のエネルギーを吸収して拡大し、ボール状のマイクロ波プラズマになる。キャビティー１１２の内部空間では、分析対象物質１００の表層部を含むように、マイクロ波プラズマが存在するプラズマ領域Ｐが形成される。マイクロ波プラズマは、マイクロ波の放射期間Ｙに亘って維持される。マイクロ波の放射期間Ｙはプラズマ維持期間となる。

【0103】

その後、電磁波駆動信号の立ち下がりタイミングにおいて、マイクロ波発振器１２４がマイクロ波の出力を停止すると、マイクロ波プラズマが消滅する。マイクロ波の放射期間Ｙは、例えば、数十マイクロ秒から数十秒である。マイクロ波発振器１２４は比較的長い時間に亘ってマイクロ波を出力する場合であっても、マイクロ波プラズマが熱プラズマにならないように、マイクロ波の出力値が所定値（例えば、８０ワット）に設定されている。

【0104】

ここで、初期プラズマの生成からマイクロ波プラズマの消滅までの期間において、プラズマから発せられるプラズマ光の発光強度の時系列変化を見ると、図９に示すように、まず初期プラズマの発光強度のピークが瞬間的に見られ、発光強度がゼロ近くの極小値まで低下する。そして、発光強度が極小値となった後、マイクロ波プラズマの発光強度が増加する発光強度増加期間が見られ、その発光強度増加期間に引き続き、マイクロ波発光強度がほぼ一定値になる発光強度一定期間（プラズマ光の発光強度の変動量（増加量）が所定値以下の期間）が見られる。

【0105】

なお、本実施形態３のプラズマ生成装置１１１では、図９に実線で示すように、マイクロ波の放射前のプラズマ光の発光強度の最大値より、プラズマ維持期間のプラズマ光の発光強度の最大値の方が大きくなるように、プラズマ維持期間のマイクロ波の出力が設定されている。これにより、分析対象物質１００の飛散を防止しつつ、プラズマ光から大きな発光強度が得られるので、分析対象物質１００の分析をより正確に行うことができる。ただし、十分な発光強度が得られるのであれば、図９に破線で示すように、マイクロ波の放射前のプラズマ光の発光強度の最大値の方が、プラズマ維持期間のプラズマ光の発光強度の最大値より大きくなるように、プラズマ維持期間のマイクロ波の出力を設定してもよい。

【0106】

光分析動作は、光分析装置１１３がプラズマ状態の分析対象物質１００から発せられる光（プラズマ光）を分析する動作である。光分析装置１１３は、制御装置１１４の指示に従って、プラズマ光を分光分析して分析対象物質１００の成分分析を行う光分析動作を行う。また、光分析装置１１３では、プラズマ維持期間のうち前記発光強度一定期間内で分析期間が設定され、分析期間のプラズマ光の発光強度に基づいて分析対象物質が分析される。制御装置１１４は、発光強度安定期間の全体が分析期間に設定されるように、その分光器のシャッターを制御すると共に、光検出器１３３が光電変換を行う期間を制御する。なお、発光強度安定期間の一部を分析期間に設定してもよい。

【0107】

ところで、初期プラズマの生成時には、レーザー光による衝撃波により分析対象物質１００が飛散する。しかし、ベルトコンベア１０１が動作しているので、分析対象物質１００が飛散した箇所は、発光強度一定期間の開始時点ではプラズマ領域Ｐを通過している。発光強度一定期間の開始時点でプラズマ領域Ｐに存在している分析対象物質１００は、プラズマ維持期間にプラズマ領域Ｐに入っている。プラズマ維持期間にプラズマ領域Ｐに入った分析対象物質１００は、飛散による影響を受けておらず、物質の移動がほとんどない状態である。

【0108】

光分析装置１１３では、図９に示す発光強度一定期間（分析期間）中だけ、プラズマ領域Ｐに位置するプラズマ状態の分析対象物質１００から発せられるプラズマ光が、光学プローブ１３０、光ファイバー１３１を順番に通過して分光器１３２に入射する。

【0109】

分光器１３２では、入射したプラズマ光が波長に応じて異なる向きに分散される。そして、所定の波長帯域のプラズマ光が光検出器１３３に到達する。光検出器１３３では、受光した波長帯域のプラズマ光が波長毎に電気信号に光電変換される。信号処理装置１３４では、光検出器１３３の出力信号に基づいて、波長毎に発光強度一定期間（分析期間）における発光強度の時間積算値が算出される。信号処理装置１３４は、図４に示すような、波長に応じた発光強度の時間積算値を示すスペクトル図を作成する。信号処理装置１３４は、波長毎の発光強度の時間積算値から、発光強度のピークが現れる波長を検出し、検出した波長に対応する物質（原子又は分子）を分析対象物質１００の成分として同定する。

【0110】

信号処理装置１３４は、例えば３７９．４ｍｍに発光強度のピークが現れた場合は、分析対象物質１００の成分としてモリブデンを同定する。例えば４２２．７ｍｍに発光強度のピークが現れた場合は、分析対象物質１００の成分としてカルシウムを同定する。例えば３４５．２ｍｍに発光強度のピークが現れた場合は、分析対象物質１００の成分としてコバルトを同定する。例えば３５７．６ｍｍに発光強度のピークが現れた場合は、分析対象物質１００の成分としてクロムを同定する。

【0111】

なお、信号処理装置１３４、図４に示すようなスペクトル図を分析装置１０のモニターに表示してもよい。分析装置１０の使用者はこのスペクトル図を見ることにより、分析対象物質に含まれる成分を同定することができる。
−実施形態３の効果−

【0112】

本実施形態３では、プラズマ維持期間において、プラズマ領域Ｐにマイクロ波のエネルギーが安定的に与えられるので、マイクロ波に起因する衝撃波が生じることが抑制される。光分析装置１１３が分析を行う分析期間は、プラズマ維持期間に存在している。そのため、粉状の物質を分析対象物質１００とする場合に、分析期間にプラズマ領域Ｐ内の分析対象物質１００が飛散することを抑制することができる。プラズマ領域Ｐ内の分析対象物質１００を物質の移動がほとんどない状態で分析することができる。

【0113】

また、本実施形態３では、粉状の物質をそのまま分析できる。ここで、従来は、粉状の物質を分析対象物質１００とする場合に、粉状の物質をバインダで固めたペレットの状態で分析が行われていた。しかし、本実施形態３では、粉状の物質をそのまま分析できるので、バインダに起因するノイズが発光強度に表れることなく、ノイズを除去するフィルタを省略することができる。

【0114】

また、本実施形態３では、プラズマ維持期間のマイクロ波プラズマの強度がそれほど強くない。従って、放射アンテナ１２８を構成する金属がほとんど励起されることなく、そのような金属に起因するノイズを抑制することができる。
−実施形態３の変形例１−

【0115】

変形例１では、信号処理装置１３４が、分析対象物質１００における複数成分の混合比を検出する。実施形態３のプラズマ生成装置１１１が維持するプラズマは、レーザー光だけで生成するプラズマに比べて大きい。従って、大きい領域のプラズマ光を取り込むことで、その領域の成分の混合比の検出が可能になる。

【0116】

信号処理装置１３４は、複数の物質に対して、発光強度と含有量の関係を示す検量線のデータを記憶している。信号処理装置１３４は、発光強度のピークが現れる波長に対応する物質を複数検出し、検量線のデータに基づいて、検出した物質の含有量を算出する。信号処理装置１３４は、発光強度のピークが現れる波長に対応する物質の含有量の比率を算出して、分析対象物質に含まれる成分の混合比を検出する。

【0117】

変形例１によれば、例えば分析装置１０が薬品の品質管理に使用する場合に、薬品における特定成分の混合比が所定の範囲内にあるか否かを検出することができる。信号処理装置１３４は、例えば、薬品粉末に含まれるＡ成分及びＢ成分の各々に対応する波長の発光強度から、Ａ成分及びＢ成分の含有量をそれぞれ算出する。そして、信号処理装置１３４は、Ａ成分の含有量とＢ成分の含有量から、Ａ成分に対するＢ成分の混合比（含有量の重量比）を算出する。

【0118】

なお、信号処理装置１３４は、電磁波放射装置１１６の放射アンテナ１２８におけるマイクロ波の反射波のエネルギーに基づいて、発光強度から得られる物質の含有量を補正してもよい。反射波が大きければ大きいほど、マイクロ波プラズマの維持に投入されるマイクロ波のエネルギーは少なくなり、発光強度は小さくなる。信号処理装置１３４は、マイクロ波の反射波のエネルギーが大きいほど、発光強度から計算される物質の含有量を大きな値に補正する。
−実施形態３の変形例２−

【0119】

変形例２では、光分析装置１１３が、プラズマ維持期間のプラズマ光を分析して、マイクロ波プラズマ領域Ｐ内のガスの温度を検出する。
《実施形態４》
実施形態４は、初期プラズマを生成する手段が実施形態３とは異なる。

【0120】

実施形態４では、初期プラズマを生成するのに、図１０に示すように、スパークプラグ２２３（放電器）が用いられる。制御装置１１４は、初期プラズマを生成する際に、パルス電圧生成器１２１にスパーク生成信号を出力する。そうすると、パルス電圧生成器１２１は、高電圧パルスをスパークプラグ２２３に出力し、スパークプラグ２２３の電極１５０間の放電ギャップでスパーク放電が生成される。スパーク放電の経路では、初期プラズマが生成される。なお、高電圧パルスは、ピーク電圧が例えば６ｋＶ〜４０ｋＶ程度のインパルス状の電圧信号である。

【0121】

実施形態４では、放射アンテナ１２８がスパークプラグ２２３に埋設されている。制御装置１１４は、スパーク生成信号の立ち下がりの直後に、マイクロ波発振器１２４へマイクロ波駆動信号を出力する。マイクロ波発振器１２４は、実施形態３と同様に、放射アンテナ１２８からマイクロ波を連続波で出力する。その結果、スパーク放電により生成された初期プラズマは、マイクロ波のエネルギーを吸収して拡大する。なお、放射アンテナ１２８をスパークプラグ２２３とは別途に設けてもよい。
《その他の実施形態》

【0122】

上記実施形態は、以下のように構成してもよい。

【0123】

上記実施形態では、分析対象物質１５の分析に用いる発光強度の時間積分値が、マイクロ波プラズマによる発光強度がほぼ一定に保たれている期間だけの発光強度の時間積分値であったが、マイクロ波プラズマにより発光強度が増加する期間（レーザープラズマによる発光強度のピーク後の極小値以降の増加期間）の発光強度の積分値を含んでいてもよいし、マイクロ波プラズマの消滅後に発光強度が減少する期間の発光強度の積分値を含んでいてもよい。

【0124】

また、上記実施形態において、レーザー光源２１として、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光源以外の固体レーザー光源を用いてもよいし、液体レーザー光源、ガスレーザー光源、半導体レーザー光源、または、自由電子レーザー光源を用いてもよい。

【0125】

また、上記実施形態において、ブレイクダウンを生じさせるための手段（初期プラズマ生成手段）は、ブレイクダウンを生じさせるのに十分なエネルギーを与えることができればよく、レーザー光源２１やスパークプラグ５４以外に、グロープラグなどの熱電子生成器、レーザーダイオード若しくは高輝度発光ダイオード半導体発光素子などであってもよい。

【0126】

また、上記実施形態においては、マイクロ波発振器２３として半導体発振器などの他の発振器を使用してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0127】

以上説明したように、本発明は、プラズマから発せられる光を分析することにより分析対象物質を分析する分析装置及び分析方法について有用である。

【符号の説明】

【0128】

10 分析装置（プラズマ生成手段）
11 プラズマ生成装置
12 キャビティー
13 光分析装置（光分析手段）
21 レーザー光源
22 集光光学系
23 マイクロ波発振器
28 アンテナ
32 光学素子
33 光ファイバー

【図3】

【図4】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図1】

【図2】

【図5】

【図6】