JPS5890150A - 小形状金属試料のプラズマア−ク直接溶解発光分光分析方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 析装置では形や寸法の制限を受けて対象とならない小形
状の金属試料を高温で溶解しながら直接発光分光分析す
る方法及び装置に関するものである。

金属製造業に於る金属や合金の製造工程管理あるいは製
品の品質管理には、主成分や含有される微量成分の分析
が必須で、この分析には一般に固体発光分光分析法が最
も活用されている。固体発光分光分析法は、金属試料片
と対電極間に高電圧をかけてスノヤーク放電あるいけア
ーク放電等を行なわせ、蒸発した各成分に基づく励起光
を分光し、各成分の発光スペクトル線強度から試料中の
各成分含有率を求める分析方法である。分析試料の形状
は、放電を行なわせる装置構造等から一定の制限を受け
、通常、直径１５ｍｍφ以上の平面をもっていることが
８装であわ、小径の塊状試料，シェー・ぐ−やドリルで
採取した切削試料、あるいは粉末状試料などについての
分析は困難である。小形状試料を一旦高温で加熱溶解し
てから冷却固化させて適当な形状に造シ変えてから発光
分光分析する方法もあるが、再溶解処理が畑雑である上
に成分偏析が起シ易い等の問題から実用されにくい。従
って、ほとんどの場合小形状試料を鉱酸で溶解して溶液
試料としたあと、吸光光度法，原子吸光法あるいは溶液
発光分光法等各種分析法によって分析している◇これら
の分析法は操作が煩雑で時間がかかシ、個人誤差が生じ
易いなど多くの問題があることから、小形状金属試料を
簡単・迅速に直接分析することができる新規分析装置の
開発が強く要請されていた。

本発明はかかる問題点に鑑み、小形状金属試料を直接発
光分光分析するための研究開発を実施し、プラズマアー
ク加熱一蒸発微粒子搬送一プラズマ励起発光分光分析法
を基本原理とし、簡単，迅速に高い精度，感度で分析で
きる新規分析方法及び装置を提供するにいたったもので
ある。

第１図に示した本発明実施例装置に基づいて本発明の詳
細な説明する。

本発明装置は大別すると微粒子発生装置１、搬送気体分
配装置１５及びプラズマ励起源を有する発光分光分析装
Ｗ２０から構成される。微粒子導入管＃１は、分相試料
３を収容する側火ルツぎ４、これをほとんど密閉状態で
収容する微粒子発生用円筒管２、ルツが４の中心部に対
向した直上位置に設置したプラズマアーク加熱装置６、
加熱装置６の外周に狭い隙間をもって同心円状に設置し
た微粒子搬送管７、円筒管２内の所定位置にルツが４を
設置して密閉状態を保持し、かつプラズマアーク加熱装
置６０対極ともなりうる冷却機構付きのルツボ設定装置
８、円筒管２内を不活性雰囲気に保ち、蒸発微粒子を分
析装置２０へ運ぶ搬送気体供給装置１２などから構成さ
れる。この微粒子発生装置１は微粒子搬送管７によって
、搬送気体排出管１６及び分析装置２０へ送シ込む微粒
子導入管１８が取付けられた円筒管から成る搬送気体分
配装置１５に接続されている。プラズマ励起源を有する
プラズマ発光分光分析装置２０は、微粒子導入管１８、
プラズマガス供給管２１、冷却ガス供給管２２、プラズ
マトーチ２３、トーチ２３上部に取り付けた高周波発生
装［２４などから成（５） るプラズマ発光部、プラズマ部２５中で励起発光した微
粒子成分の発光スペクトルの集光レンズ２６、スリット
、反射鏡３０、回折格子３１などから成る分光器２７、
各成分のスぜクトル線強度を測定する検出器２８及び含
有率算出装置２９などから構成される。

耐火ルツメ４中に入れた小形状金属試料片３は、プラズ
マアーク加熱装置６よ多発生したプラズマ炎によって短
時間で溶解され過熱状態となって金属試料の組成を代表
する微粒子を蒸発する。高周波誘導加熱によっても試料
の溶解及び微粒子の蒸発は起るが、試料量が少量の場合
はプラズマアーク加熱の方が溶解及び微粒子の蒸発の速
度が速く有利である。又、加熱温度も高いだめ試料中の
蒸発しにくい成分の蒸発も確実に行なえ、分析精度の向
上及び分析時間の短縮に寄与する。プラズマアーク加熱
装置６のプラズマ炎の発生口はルツが４の中心に対向し
た直上位置に設置するのが適尚である。その理由は、ル
ツボ中の試料片を均等に迅速に溶解して溶湯の過熱状態
を維持して効率よ（６） く微粒子を蒸発させるため及び蒸発した微粒子の分析装
置２０への搬送を効率よ〈実施するためである。プラズ
マ炎をルツボ中にある傾斜角をもって照射した場合は、
ルツボ４中の小形状試料片の高さｄ溶解されたあと低下
して溶湯面を形成することから、プラズマ炎を常時最適
試料位置に照射できなくなシ、加熱効率が低下する。又
、蒸発した金属微粒子は照射したプラズマ炎か湯面で反
対方向に反射される際にそのプラズマ炎の流れに乗って
飛散してし１５など分析装置への搬送に支障をきたす。

ルツボ４の直上からプラズマアーク炎を照射する場合、
プラズマアーク加熱装置６の先端のプラズマ炎発生口と
ルツボ４との距離は通常５〜１０ｃ１ｎくらいが適当で
あったが、試料の溶解による試料面位置の変動による加
熱効率はほとんど問題がなかった。蒸発した微粒子はプ
ラズマアーク加熱装置６のプラズマ炎発生管の外周に狭
い隙間をもって同心円の２重管として設置した微粒子搬
送管７へ運び込まれる。耐火ルツ日と４中で溶解された
分析試料３から煙状となって発生する微粒子は、プラズ
マ炎の高熱による対流から、通常溶湯表面から上方に移
動してゆき、そのあと一部はプラズマ炎に入シ込み、一
部は周囲に拡散する。

蒸発微粒子を粉体として補集することが目的の場合は、
拡散による多少の損失も問題にならないが、試料中の成
分量を分析する本発明に於ては、蒸発微粒子の全量ある
いは常時安定した一定割合の量を搬送気体と共に分析装
置へ送り込まなければならず、より効率の良い微粒子の
搬送技術が必須となる。本発明では、溶湯表面よシ蒸発
して直上方向に立ち昇った微粒子を周囲への拡散を防ぎ
、やはシ溶湯面を直上方向に向って流れる搬送気体の流
れに乗せて迅速に運び去る方法をとった。すなわち、微
粒子は溶湯表面とプラズマアーク加熱装置との間に在る
プラズマ炎を中心に上昇しては再び湯面に戻る対流運動
を起している。一方、円筒管２内に吹き込まれた搬送気
体は出口がプラズマアーク加熱装置６のプラズマ炎発生
管の外周に設けられた微粒子搬送管７たけなので、ルッ
ｄ？　４中の溶湯面上の近傍を通って同搬送管７へ入り
込む気体の流れが形成されている。従って、プラズマア
ークの加熱によって発生して上昇した微粒子は、その搬
送気体の気流に引き込捷れて、常時一定の希釈倍率をも
って搬送管７へ送ジ込まれる。故に第１図に示すように
プラズマアークが照射する溶湯の中心表面直上に搬送管
７を設けるのがよい。

プラズマ炎発生口の径は約１０簡φ程度の小型のものを
用いるので搬送管の径も１５〜２０冒φと小型である・
プラズマアークの電圧、電流及び吹き込むＡｒあ石いは
Ｈｅ等の気体の流量にも左右されるが、通常プラズマア
ーク発生管の長さよりも多少短かい搬送管を設けること
により、スプラッシーなどによる粗大粒子はルツが４中
に戻り微細粒子のみが搬送管７へ送り込まれる。

ルツボ４は高温で浸食されにくいアルミナ、マグネシア
あるいは炭素などで製作したものが適当であるが、金属
試料の量は数グラムの少量であるので小型のもので十分
である。ルツボ４の底部にはプラズマアーク加熱装置６
の対電極とするべき銅電極５を取υ付けたものを用いる
。小形状試料（９） の場合は上述のように耐火ルツボ４を用い々ければなら
ないが、比較的大きなブロック試料が用意できる場合は
、ルツボ４を用いず直接試料片を設置してプラズマアー
クが照射する部分だけを溶解して分析することも可能で
ある。分析試料の加熱溶解、微粒子の蒸発及び分析は数
分間の短時間で終了してしまうため、微粒子発生用円筒
管２内に分析試料を設定するルツボ設定装置８による分
析試料の交換操作は簡単、迅速に行なわなければならな
い。本発明実施例には、最も容易に行なえる例として上
部にルツが４をのせたルツが設定装置８の上下動作によ
る試料交換方法を採用した。ルツボ設定装置８は、熱伝
導率及び電気伝導率に優れる銅などで製作したたて長形
状のものが適当で、途中に受は台９を取シ付けてあシ、
試料交換を行なった後ルツボ設定装置８を円筒管２に対
向して押し上げることによって円筒管２内を密閉状態に
保持することができる。又ルツボ設定装置８には冷却水
供給管１０及び同排出管１１を取りつけて、ルツボ４底
部の銅電極５及び同設定装置８自体の（］０） 冷却を行なっている。又、同設定装ｗ８はプラズマアー
ク加熱装置６の対電極の役割を兼ねておシ、通常プラズ
マアーク加熱装置６には負電位○が与えられ、分析試料
３と接続するルツボ設定装置８には正電位■が与えられ
る。ルツ＋Ｍ’設定装置８に塩シイ」けられた受は台９
、あるい−、円筒管２の上部には搬送気体の吹込み管１
３を取り＋Ｊけ、これには気体流量を数段階に調節でき
る流量調節器１４を備えた搬送気体供給装置１２を接続
しである。分析試料３のプラズマアークによる加熱溶解
及び微粒子の蒸発は、金属の酸化反応防止等の目的で不
活性気体の雰囲気中で行なうので円筒管２内は常に不活
性気体を吹き込んでおかなければならなし。又、蒸発微
粒子の分析装置２ｏへの搬送及び微粒子の搬送管７等の
内壁への伺着残留を防ぐための不活性気体の高流速吹き
込みが必要である。これらの操作は、微粒子を励起発光
させるプラズマも通常Ａｒガスで行なうことから、微粒
子搬送気体供給装置１２から吹き込捷れる不活性気体、
主としてＡｒあるいはＨ，、Ｎ２ガス等によって行なう
のがよい。従って、蒸発微粒子は搬送気体及びプラズマ
アーク加熱装置６よシ吹き込まれる不活性気体によって
希釈されるが、希釈倍率が高くなシ過ぎると検出感度が
不足して定量できなくなる。

そのだめには微粒子を発生させる空間、すなわち微粒発
生用円筒管２は、内側に設置される耐火ルツボ４との間
隙を少なくした小径のものを用い内容積を極力小さくす
る必要がある。円筒管２の材質は熱伝導性、耐熱性にす
ぐれる石英ガラス等が適当である。

微粒子の蒸発発生速度及び粒径は、蒸発させる雰囲気の
圧力、加熱温度、雰囲気気体の種類等によって大きく影
響される、雰囲気を減圧にすれば蒸発速度は大となって
より多量の微粒子を得ることができる。従って、本実施
例には図示していないが微粒子発生量を多くする必要が
ある場合には、微粒子発生用円筒管２内を最初に真空ポ
ンプ等によって減圧状態にしておいて微粒子を発生させ
、次に不活性気体を吹き込んで大気圧に戻すと共に分析
装置へ搬送するなどの方法を採用する。微粒子の粒径は
、プラズマ励起源を有する発光分光分析に於て定量精度
に影響するので重要であシ、特に粒径を極力小さくし、
かつその粒度分布を整えることが必要である。本発明に
よって鉄鋼試料を対象に発生させた微粒子を電子顕微鏡
観察によって調査したところ、その粒径は大略０１μｍ
以下の極めて微細粒子であシ、粒度分布のｄ］も比較的
狭く、プラズマ発光分光分析には最適であった。そのｆ
ｌかに微小粒径の微粒子を得る条件としては、加熱温度
をあ捷り高くしない、雰囲気気体にＡｒ等の原子１の小
さい不活性気体を用いることなどがあけられる。

蒸発微粒子は吹き込んだ搬送気体流に乗せられて搬送管
７を通って搬送気体分配装置１５に搬送されるが、本発
明のように微粒子を対象として分析を行なう場合にはこ
の部分の内壁等に微粒子を付着残留させないことが最も
重要な問題になる。

微粒子発生用円筒管２及び微粒子搬送管７０入ロ部分は
プラズマアーク加熱による高熱によって内壁が加熱され
ているので微粒子は付着しにくいの（１３） であ捷り問題けないが、搬送管７の延長部分等は温度が
低下して付着残留が起り易いが、このような現象によっ
て搬送気体中の微粒子濃度が変動したシ、次の分析試料
に対するコンタミネーションとなって正確な分析値が得
られなくなる。蒸発微粒子は遅く静かな気体の流れによ
る搬送や温度の低下が起ることによって微粒子間の凝集
や壁面への付着残留が起シ易くなる。従って、搬送管７
はなるべく小径として搬送気体の流速を速くする必要が
あシ、第１図に示す如く加熱装置１９を設けて管を常時
加熱しておく、あるいは管内を流れる搬送気体を乱流と
して微粒子の付着を防止するために搬送管７を乱線状と
するか、管内面に加工を施す等の工夫が有効であった。

又、搬送管７を数十ｍのように長尺とする場合には、微
粒子の多少の残留が起シ易くなるが、この場合には微粒
子の残留割合を常時一定住するように搬送条件を考慮し
、なおかつ１試料の分析終了時点でそれらを確実に除去
するようにして次の試料に対するコンタミネーションを
防ぐことができた。種々の実験の（１４） 結果、管内壁等に＋ｊ九した蒸発微粒子は付着後短時間
以内に搬送気体を高速で吹きつりでやれば拌易に剥離し
て排除できるととが判明したので、ｌ試料の分析終了直
後毎に搬送気体の吹込み流量を増大させて排除する方法
を採用した。この搬送気体の流搦制御は、搬送気体供給
装置１２の流量調節弁１４の自動操作で行なった。搬送
気体の流量調節は例えば、分析試料を円筒管２内に挿入
した時点で１０〜１５１／／ｒ１１Ｉｎで流［７て円筒
管２内を不活性雰囲気に置換し、次に試料をプラズマア
ーク加熱する時は３〜５　ｌ／ｍｉ　ｎの一定流量で流
して蒸発微粒子を搬送し、数分間以内で行なわれるプラ
ズマ発光強度の測定終了直後に１０〜２０４／ｒｒＩＩ
ｎの高速で流して円筒管２、搬送管７、気体分配装＃２
０等の内部に残存する司能件のある浮遊微粒子及び付着
残留微粒子を剥離して系外に除去する方法を採った。

搬送気体分配装置１５は、搬送管７よシ搬送気体と共に
送られてきた微粒子を一旦空間部で拡散させ更に均一化
する、プラズマ部２５へ導入する搬送気体の最適流量を
得るためにある一定部分を系外に排出して搬送気体の分
配を打衣う、あるいは搬送されてくる間に凝集が進んで
特に粗大化した粒子を系外に排除して微粒子のみをプラ
ズマ部２５へ送シ込む分粒などを行なう働きをする。分
配装置１５は外周に加熱装置１９を取シ付けた小径の円
筒管で微粒子搬送管７を側壁より挿入して管床端部を上
向きに、又微粒子導入管１８を円筒管の上部より搬送管
７末端部と相対するように一定間隔をもって垂直に取り
付け、円筒管底部に流量調節器１７を備えだ排出管１６
を取り付けである。この３本の管はいずれも１０＋Ｍｎ
φ程度の細管であシ、粗大粒子及び分配された微粒子の
一部分は余剰の搬送気体と共に底部排出管１６よシ系外
に排出され、残りの微粒子は一定流量の搬送気体と共に
導入管１８へ導入される。流量調節器１７の作動け、上
述の搬送気体供給装置１２の流量調節器１４の作動と連
動させることは当然である。

微粒子導入管１８より導入された微粒子は、図に示す如
く導入管１８、プラズマガス供給管２１、冷却ガス供給
管２２から成る３重管のプラズマトーチ２３に運ひ込ま
ね、高周波発生装置２４によって形成される高温のプラ
ズマ部２５に達して励起発光される。実施例では、プラ
ズマガスにはＡｒを１〜１．５　ｌ７ｍ　Ｉ　ｎ　、冷
却ガスにけＡｒを１０〜１５１ＡｎＩｎ、微粒子搬送気
体にはＡｒを０５〜１１１７ｍ　Ｉ　ｎで流して行なっ
た。励起された微粒子の発光スペクトルは前述の構成か
ら成るプラズマ発光分光分析装置２゜によって各々のス
ペクトル線強度が測定され、分析試料中の各成分含有率
が迅速に求められる。微粒子を励起発光させる分析装置
には高周波誘導結合型発光分光分析装置が最も適してい
だが、そのほか合札のアーク放電、グロー放電等プラズ
マ発光分光分析装置あるいけ原子吸光分析装置などを使
用できる。

本発明によれば、分析試料の微粒子発生装置への挿入か
ら微粒子を発生させて試料中の各成分の含有率を求める
までの分析所敦時間は約５分以内の短時間で、はとんど
人手を用いずに簡単に分析することができる。定讐鞘度
についても、試料を（１７） 鉱酸で溶解してから操作が煩雑で長時間を有する吸光光
度分析法などと比較して遜色のない良好な結果を得るこ
とができだ。以上説明したように、本発明によってこれ
壕で直接発光分光分析が困難であった小形状金属試料に
対して簡単、迅速で多成分を同時分析できる直接発光分
光分析が可能になった。又、本発明は試料を一旦溶解す
るのでこれ渣での一定形状のブロック試料を対象とする
固体発光分光分析で試料形状制限以外に問題となってい
た試料の熱処理履歴による金属組織や試料内の各成分の
偏析に基づく定量精度の低下等の問題解決も成し得るこ
とができだ。

本発明は、金属製造業に於る工程管理あるいは品質管理
などに必須である金属材料中に含有される各成分を試料
形状、金属組織あるいは成分偏析の影響を受けずに簡単
、迅速にしかも高い鞘゛度で分析する新規分析方法及び
装置を提供したものであシ、この分野に於て多大の貢献
を成すものである。

（Ｊ８）

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例装置の説明図である。 ■・・・微粒子発生装置　２・・・微粒子発生用円筒管
３・・・分柄試料　　　　４・・・面ｌ火ルツデ６・・
・プラズマアーク加熱装置 ７・・・微粒子搬送管　　８・・・ルツボ設定装置１２
・・・搬送気体供給装置　１５・・・搬送気体分配装置
１８・・・微粒子導入管 ２０・・・プラズマ励起源を有する発光分光分析装置２
３・・・プラズマト−チ　　２７・・・分光器代理人　
　谷　山　輝　雄 本　　多　　小　　平 岸　　１）　正　　行 新部興治 （１９） 第　１　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　小容積の密閉状容器中に設置した耐火ルツが
   中で、小形状の金属試料片をその直上方向よシ照射する
   プラズマアーク加熱源によって加熱溶解し、蒸発した金
   属試料の微粒子の全量ないしは一定量を、プラズマアー
   クが照射する溶湯表面の中心に対して直上方向でかつプ
   ラズマアークの外周部に、常時一定流速で密閉状容器内
   に吹き込１れた搬送気体によって搬送管を介して高周波
   誘導結合型プラズマ等のプラズマ励起源を有する発光分
   光分析装置に導入し、各成分の発光スペクトル線の強度
   から分析試料中に含有される各成分量を測定することを
   特徴とする小形状金属試料のプラズマアーク直接溶解発
   光分光分析方法。
2. （２）分析試料を収容する小型動ｊ火ルツ？、該耐火ル
   ツボの外周を直近にと′りまく小径でたて長の密閉状円
   筒管、該円筒管の上部でルツボの中心に対向した直上位
   置に、その外周に狭い間隙をもって同心円状に微粒子搬
   送管を取シ付けたプラズマアーク加熱装置、該円筒管の
   上部又は下部に流量調節器を備えて取り付けた微粒子搬
   送気体供給装置、該円筒管の底部に設置してルツボの出
   し入れが可能でプラズマアーク加熱装置の対電極を兼ね
   、かつ該円筒管の密閉状態を保持できる冷却機格付ルツ
   が設定装置から成る微粒子発生装置、該発生装置とを微
   粒子搬送管で接続し、該搬送管末端部、発光装置への微
   粒子導入管及び流量調節器を備えた余剰搬送気体の排出
   管を増シ付けた搬送気体分配装置、該分配装置とを微粒
   子導入管で接続し、微粒子導入管、高周波誘導結合型プ
   ラズマ等のプラズマ励起源を有するプラズマ発光装置２
   分光器。 検出器及び成分含有率演算装置等から成るプラズマ発光
   分光分析装置を主体に摘成す為ことを特徴とする小形状
   金属試料のプラズマアーク直接溶解発光分光分析装置。