JPS62294961A - 検出装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔産業上の利用分野〕 本発明はガスクロマトグラフィに関し、特にガスクロマ
トグラフィにおいてサンプル・ガス中の低濃度の特定の
ガスを検出する検出装置に関する。

〔従来技術とその問題点〕

光イオン化検出器（ｐｈｏｔｏｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ　
ｄｅｔｅｃｔｏｒ）はこの分野で使用される検出器の一
つの形式であり、−１’Ｇ的に、約１０−４からＩＱ−
１０の濃度を有する、突き止めるべきガスを検出するこ
とができる。光イオン化検出器には二つの型があり、そ
の一つは大気圧で作動可能な「ウィンドウ型」検出器で
じｗｉｎｄｏｗ−ｔｙｐｅ−’　ｄｅｔｅｃｔｏｒ）　
、他の一つは低圧、すなわち５０Ｔｏｒｒ未満で作動す
るように設計された「ウィンドウレス型」検出器（”ｗ
ｉｎｄｏｗｌｅｓｓ−ｔｙｐｅ”　ｄｅｔｅｃｔｏｒ）
である。本願発明は、主に「ウィンドウレス型」検出器
に関連する。

ウィンドウレス型光イオン化検出器は典型的には、低圧
真空ポンプを接続するための出口ポートを有し、石英管
等からなる中空の容器と、紫外線を供給する管の一端に
あるガス源と、管の他端にあるサンプル・ガスの入口と
から構成されている。

石英管（ガラスまたは適当な金属でも管の材料として使
用することができる）の両端部間に、管に沿ってサンプ
ル・ガスの入口に向って紫外線をコリメートさせるコリ
メータが設けられている。陰極が典型的にはガス源のガ
スが石英管に入る入口等、ガス源に設けられ、陽極がサ
ンプル・ガス入口の口元（ｍｏｕｔｈ）に設けられてい
る。金属製の円筒で区切られたイオン室（ｉｏｎ　ｃｈ
ａｍｂｅｒ）が長手方向にサンプル・ガスの入口の口元
を包囲し、通常は陽極に対して接地電位に保たれている
。

検出器の動作において、イオン室の円筒はサンプル・ガ
スに作用する放射線により発生したイオンを収集し、そ
して、収集されたイオンによる電流を特定のガスの存在
または非存在を示す信号に変換するモニタ及び測定装置
に接続される。

ウィンドウレス型光イオン化検出器の幅広い用途を妨げ
てきた欠点はバックグラウンド電流（ｂａｃｋ−ｇｒｏ
ｕｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ）が比較的高レベルで、このた
め受信信号にノイズが生ずることである。観測されるノ
イズ・レベルは最小検出可能信号に厳しい制限を課す。

バックグラウンド電流は以下に記載する電極および他の
内表面からの光電放出。

（ｂ）準安定状態の原子または分子と検出器の電極の表
面または他の内表面間のイオン化衝突。

（Ｃ）紫外線源からイオン室に入り込むイオン。

これらの影響はすべて紫外線源の不安定性によりノイズ
を増大させる。

〔発明の目的〕

したがって、本発明の目的は、上述の問題点をマー 解消し、高精度なイオン化されたサンプル・ガス検出が
可能な検出装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明はキャリア・ガス流内のサンプル・ガス中のガス
を検出する検出装置を提供するものである。本装置は陰
極と、紫外線を供給するため、ガス源のガスを導入する
ことができる第１の入口と、第２のサンプル・ガスおよ
びキャリア・ガスの入口と、真空ポンプ手段を接続する
ことができるポートと、イオン化により生ずるイオンを
収集するコレクタ電極手段とから成る容器、および圧力
を０．１ｔｏｒｒと５０Ｔｏｒｒ間に保つ真空ポンプ手
段とから構成される光イオン化検出器を含み、光イオン
化検出器内の検出すべきイオンの遷移時間より周期が短
かくなる速さで電源を陰極に対して交互にオン／オフの
切換えを行う手段を有する。

上述の光イオン化検出器の周囲温度を２００℃から３０
σ′会までの範囲に保つ手段を設けるのが望ましい。

本装置において、ポートは検出器内に存在する準安定物
質を排気することができるような位置に設置することが
望ましい。

そして、陰極は容器の第１の室に収容された中ン化室に
設けられていることが望ましい。

第１および第２の入口を同一直線上に配置し、検出器の
使用中にガス源のガスにより放出される紫外線を同一直
線にして第１および第２の入口と同一直線上のビームを
発生させて紫外線を第２の入口を通って検出器の第２室
に流入するサンプル・ガスに向けることができるように
する手段を設けることが望ましい。

更にコレクタ電極手段と接続し、イオン裏収集により、
発生した信号を増幅する増幅手段と、増幅手段に接続し
、増幅手段からの出力をゲーティングして前記信号によ
る信号電流を識別するゲート手段と、ゲート手段に接続
する低域フィルタ手段と、低域フィルタ手段の出力をモ
ニタあるいは検出してサンプル・ガス中の所定ガスの存
在が検出されたことを示す手段とを備えることもできる
。

更にゲート手段と交互開閉手段との間に接続され、電源
の開閉を安定にするフィードバック・ループを供給する
遅延手段を備えることもできる。

本発明は更に、紫外線のコリメートされたビームを発生
することができる手段と、紫外線を入口を通って検出器
に流入するガスに向けることができるように設置された
サンプル・ガス／キャリア・ガス入口と、真空ポンプ手
段を接続することができるポートと、検出器内のイオン
化により発生したイオンを収集するコレクタ電極手段と
を備え、入口とコレクタ電極とはイオン化室内で離れて
配置されており、入口とコレクタ電極との間の一定の電
位グラジェントを供給する手段も備えることが可能であ
る。

上述の装置では、更に、一定の電位グラジェントを供給
する手段は入口とコレクタ電極の間に同軸関係に規則正
しく配置され且つコレクタ電極へ向うイ、牙ンの移動速
度を制御するように電気的に＋で１ 接続された複数の環状の電極を備えていることが望まし
い。

環状の電極は検出器の円筒状の室内でコレクタ電極と入
口に隣接して設けられた別の電極との間に設置すること
が望ましい。

一定の電位グラジェントを供給する手段はこれに接続さ
れて低電流を管に沿って流させる手段を有するセラミッ
ク管を交互に備えることもできる。

本発明は更に、ウィンドウレス型光イオン化検出器に対
して、それを通してイオン化放射線が室内に入射が可能
となる第１の入口と、それを通してサンプル・ガスがイ
オン化放射線によりイオン化される室に流入することが
できる第２の入口と、−−一方がコレクタ電極となる二 つの離れて配置された電極とから成るイオン化室は、二
つの離れて配置された電極の間に同軸関係に規則正しく
配置され、コレクタ電極に向うイオンの移動速度を制御
するために一定の電界を供給する複数個の環状電極を備
えている。

紫外線源のノイズ・レベルは中空の電極を用いるか、代
りに、紫外線発生のための誘導結合または容量結合のプ
ラズマを用いること等によって下げることができる。

〔発明の実施例〕

以下に、図示した、２つの本発明の好適な実施例を詳細
に説明する。これらは、本］頭発明を詳述するために選
ばれた実施例であり、本願発明の解釈を制限するためで
はないことは明らかである。

第１図において、本発明に好適なウィンドウレス光イオ
ン化検出器を示す。これは、ガラスまたは石英で作られ
、それ自身板状部（ｔａｂｕｌａｒ　ｐｏｒ−ｔｉｏｎ
）１２と円すい台部１４とから成る容器１１を備えてい
る。板状部１２には入口１６があり、ここを通って紫外
線を供給するガス源のガスが容器１１に導入される。板
状部１２中には、電源（第２図に示す）と接続し、ガス
源から高い強度で安定な放射線を放出する中空の陰極１
日が取付けられている。板状部１２はまた容器１１内の
圧力を０．ＩＴｏｒｒから５０Ｔｏｒｒまでの間に保つ
ことができる真空ポンプ（図示せず）に接続される出力
ボート２０を備えている。

容器１１の二つの部分の接合部またはその付近に、容器
１１の板状部１２の軸に沿って入口１６と共心となって
いる開口を備えたコリメーク２２が取付けられている。

容器１１の円すい台部１４はコリメータの開口および入
口１６と共心となっている入口２４を備えている。入口
１６の中にはプラチナまたはニッケル線からなる陽極２
６が設置され、入口２４の口元から円すい台部１４の中
に延長される。陽極２６を円周状に取り囲むコレクタ電
極２８（ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）も
また円すい台の形状をしておりイオン化電流を収集する
ように配置されている。コレクタ電極２８は接地電位、
すなわち陽極２６に対して負に保たれているので電極２
６と２８との間に印加電界が存在し、この電界はイオン
を収集するには充分であるが、強いイオン化の電界を生
じさせる（ｆｉｅｌｄ　１ｎｔｅｎｓｉ−ｆｉｅｄ　１
ｏｎｉｚａｔｉｏｎ）はどには太き（ない。

光イオン化検出器を使用する場合、ガス源のガスは入口
１６を通して供給される。紫外線を供給するのに最も一
般的に用いられるガスはヘリウム、アルゴン、および水
素である。紫外線を供給するに充分な電位を陰極１８と
陽極１６間に電源３０（第２図に示す）より印加させる
。この電源３０は、以下に説明する理由により、たとえ
ば、それに供給される電気エネルギを変調するか脈動さ
せるかすること等により紫外線を遮断するように動作す
ることができる。

紫外線が維持されている期間と同時に、検出す良きガス
を含むサンプル・ガスを検出器に沿って入口２４を通し
て紫外線に対して実質上透明なガス、たとえば、窒素、
空気、水蒸気または二酸化炭素のキャリア・ガス流に断
続的に導入する。サンプル・ガスは最も多い有機蒸気（
ｏｒｇｓｏｔｃ　ｖａｐｏｕｅｓ）ばかりでなく、Ｃ３
ｚ　、ＮＯ，ＮＨ：ｌおよびＨ２Ｓを含む多数の無機ガ
スおよび蒸気のいずれか一つを含んでいることがある。

サンプル・ガスのイオン化可能な成分はサンプル・ガス
が入口２４から出てコレクタ電極２８に向って移動する
につれてサンプル・ガスは紫外線によりイオン化され、
コレクタ電極２８で収集され、電力増幅器へ信号として
印加される電流を発生する。

紫外線“はまた電極から光電放出を起させるとともにた
とえば、容器１１の内面等の他の表面から類似の放出を
起させることが可能である。イオンは紫外線源からイオ
ン室２９へ入り込むこともできる。

容器１１の板状部１２中のこのような放出はコリメータ
の開口部によりある程度制限することができるが、円す
い台状部１４内に生じる効果は電極２８の表面上に収集
する電荷を生じさせる。加えて、紫外線のガスとして用
いることによって導入されることが可能な稀ガスの原子
は電子衝突によってその準安定状態に容易に励起するこ
とができる。これらの準安定原子間で、あるいはキャリ
ア・ガスの分子間で、および陽性と他の表面間で、イオ
ン化衝突が生じ、イオンを発生させる。このイオンもま
た、電極２８に収集される。従来の技術の場合のように
、放射が連続で中断されなければ、これら各付加的効果
がバックグラウンドノイズを発生することとなり、この
ノイズは例えば、検出すべきサンプル・ガスに対応する
信号等の所望の信号に重なると検出器の検出能力に重大
な影響を及ぼす程度に信号を覆いかくす可能性がある。

これらの望まれない効果は第２図に示す等の本発明に係
る検出装置により克服することができる。

本装置の特徴は、紫外線源を断続的に動作させる電源を
備えているという点にある。この簡単な手段により、各
種様々な放射物とイオンの異なる移動速度（ｍｉｇｒａ
ｔｉｏｎ　ｒａｔｅｓ）という長所を活用して、第３図
に示すように、それぞれが発生した信号を分離すること
ができる。紫外線源を「フラッシュ」（“ｆｌａｓｈｉ
ｎｇ”）させることにより、上述の各効果が起る。光電
子電流はまず電子の速度の方が大きいことにより検出さ
れるが、上に引用した準安定物質および分子により、ま
たは紫外線源からのイオンにより発生した電流に対応す
る信号ははるかに遅れて現われる。使用するガスと、検
出器の構成要素の構造に使用する材料に依存するが、こ
れは、陽極２６から電極２８までサンプル・ガスのイオ
ンが移動した距離と比較したときコレクタ電極からのガ
ス源の距離の方が大きいこと、および準安定物質あるい
は分子が検出すべきイオンより重い場合移動速度力１遅
いことに起因するものであることが考えられる。

パルス速度が各パルス周期がイオンの遷移時間より短く
なる　（たとえば、１７１０ミリ秒）ように維持される
場合、第３図に示すように各効果を分離することができ
る。第３図では、光電電流による信号は方形波部分Ａに
より示してあり、検出すべしたことから生ずる信号と、
その結果生ずる二次効果とによるものである。

準安定物質の存在による効果はすべて光イオン化検出器
の周囲温度を２００℃から３００℃までの温度範囲にす
ることによって、大幅に減らすことができる。このよう
な高い温度では準安定物質は急速に消滅する。準安定物
質の効果を削減する別の方法は準安定物質が容器１０か
ら排気可能な位置にポンプ・ポート２０を設置すること
である。

第２図において、増幅器３２からの増幅出力信号はゲー
ト回路３４によりゲートされるので信号電流は他の効果
によるものから分離させることができる。本回路には低
域フィルタ３６への出力を有し、源３０へのフィードバ
ック・ループ内の遅延回路３８への出力とがある。

紫外線レベルの変動に直接起因する固有のノイズも装置
の感度に影響し、したがって観測した信号にピークを検
出する能力、つまりガスの存在を検出する能力に重大な
影響を与える可能性がある。

ノイズの影響を最小化するには、紫外線源からの出力を
ガス源にフィードバック・ループ（図示せず）を付して
出力を安定させ、そして一定のレベルに維持することに
よって放射線のレベルを制御するために用いることがで
きる。

次に、ガス源のガスを検出器に導入する速さを与えれば
、ガスにより放出される放射線を放射線により生ずるノ
イズとともに一定の強さに保つことができる。

第４図←（本発明に用いる光イオン化検出器の第２の実
施例を示す。第４図では、中空の管１１５により接続さ
れている実質上二つの室１１２と１１４とから構成する
。室１１２は円筒状であり、第１図と同様、紫外線を発
生するガス源のガスを室１１２に導入することができる
ガス入口１１６が設けられている。室１１２内には導体
１１９により電ｍ＜第２図の３０）の負端子に接続され
た中空の管状の陰極１１８（ｈｏｌｌｏｗ　ｃａｎｉｓ
ｔｅｒ−ｓｈａｐｅｄ　ｃａｔｈｏｄｅ）が取付けられ
ている。中空の管１１５は真空ポンプを接続するための
出口ボート１２０を備えており、管が陰極１１８から出
る紫外線をコリメートさせるような直径を有するものと
することができる。代わりに、コリメータ１１２を管１
１５内に設置することができる。

室１１４は管１１５の軸および陰極１１８の軸と同軸の
入口１２４を備えている。この室１１４は両端が閉じた
直立の円筒形で、室１１４の基底に隣接して取付けられ
絶縁体１２９を通じて延長する導体１２７を介して分極
電位（ｐｏｌａｒｉｚｉＢ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）源（
図示せず）の第１端子に接続されている円形の、平坦な
プレート状の電極１２６を備えている。電極１２６と同
様の第２の電極１２８は室１１４の頂部に取付けられ、
絶縁体１３３を貫いて延長する導体１３１を介して分極
電位源の第２端子に接続されている。

数の環状の電極１３５ａ、　１３５ｂ、　１３５ｃ、　
１３５ｄ、　１３５ｅ。

１３５ｆが取付けられている。これら環状電極は電極１
２６と室１１４の壁との間に直列に接続されており、電
極１３５ｆは電極１２８の表面上に設けられている。

これらは隣接する電極の間に接続された適切な抵抗器１
３７ａ、　１３７ｂ、　１３７ｃ、　１３７ｄ、　１３
７ｅ、　１３７ｆによって設置される。電極１３５ａ〜
１３５［は制御された電位グラジェントを維持され、よ
って、電極１２６と１２８間のイオン移動速度を制御す
る。検出器を使用する場合、二つの電極１２６と１２８
との間の電位はイオン化されるガスと検出器内に保持さ
れる圧力に依存し、典型的には１０から１００ボルトで
ある。

圧力が大きくなり電極により収集されるイオンが重いほ
ど、電位差は大きくなる。電極１２６は、集められるイ
オンの極性により、コレクタ電極１２８に対して正また
は負の電位に保たれる。それに沿ってイオンが移動する
電界グラジェントはそれに沿って電流が流下するわずか
に導電性のセラミック管でも得ることができる。これに
よって、組立するとかなり高価な複数個の導電性リング
を使用しなくてよい。

検出器を使用する場合、紫外線は陰極１１８と室１１４
との電位差により人口１１６を通って流入したガスによ
り放射され、放射線は管に沿って伝達され、サンプル・
ガス人口１２４を通して導入されるガスをイオン化する
。サンプル・ガスのイオン化により発生したイオンは第
１図に基づいて詳述したようにコレクタ電極１２８に向
って移動する。ドリフト管中でイオンに逆らって移動す
るガス流を一定にすることが有利なこともある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本願発明では、光イオン化検出器
を用い検出するガスへ断続的に、その遷移時間よりも短
い時間で紫外線を供給することにより、バックグラウン
ド・ノイズの原因と考えられる（紫外線による）電極や
他の表面からの光電子放出や紫外線を供給するガス、キ
ャリア・ガス等が準安定状態に励起して起きる自由電子
の衝突による光電流のピークと検出するガスのイオン化
によって生じた電流ピークと分離するごとが可能となる
。

また、フィードバック・ループを設けることによって、
紫外線の出力レベルを一定に制５’ＪＩＩＬ、その出力
レベルの変動によって生ずるノイズを除去することもで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の検出装置を構成するウィンドウレス
型光イオン化検出器の概略間。第２図は、本発明に係る
検出装置のブロック図。第３図は、本発明に係る検出装
置の特徴を表わす図。第４図は、本発明の検出装置を構
成する、第２閂の、ウィンドウレス型光イオン化検出器
の概略図。 ２０．１２０：出口ポート、　２２，１２２：コリメー
タ、１８゜１１８：陰極、　２６．１２６．１２８　：
電極、２９：イオン化室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ウィンドウレス光イオン化検出器とポンプ手段を含む検
   出装置において、前記ウィンドウレス光イオン化検出器
   内で紫外線による検出ガスの遷移時間より短い時間で前
   記紫外線の放電をオン／オフ制御する手段を設けたこと
   を特徴とする検出装置。