図 発光分光測定システム
実験装置 フォトディテクター
発光分光測定に用いたフォトディテクターを図 に示す。ディテクターは、円筒形の パイプ、パイプホルダ、スリット 、石英平面凸レンズ 焦点距離 、
直径 、レンズホルダー、マルチモード光ファイバー コア径 、開口数
で構成されており、ロボットに取り付けられている。このディテクターは平行光のみをファ イバに入射させるように設計されている。したがって、このディテクターの位置分解能は スリットの大きさ 縦 横 により決定される。この位置分解能でフォトン
が取り込まれていることを確認するために図 に示されるように、実際のリアクター形 状に即したモデルにおいて、石英管の中心軸からディテクターの入射スリットまでの距離 を に固定して 軸方向に走査した場合のレイ トレーシングを行なった。
ある位置 において発生したフォトンが光ファイバーに入射する確率 は次式で表される。
ある位置 で発生したフォトンが の方向に放射されたとき、石英管およびレ
ンズの境界面での屈折を考慮してフォトンの軌跡を決定し、フォトンが光ファイバーの径 内に入射するかどうか軌道を計算する。入射時は 、その他は としてい
る。フォトンの放射方向 、 は 、 で
と等分割し、全ての に対して を計算して 式から 空間全域にわたっ て入射確率 を求めている。
ディテクターに取り込まれる発光の線積分ラインと中心軸からの距離 が の場合の入射確率 の空間分布を図 図 に示す。各位置 に
おける線積分ラインは図中の斜線部に対応している。これにより、各位置 における線積 分ライン上での入射確率 は の場合のみで大きく異なり、に の変化
に対する入射確率 についても同様のことが言える。 以外で入射確率
が 軸方向に対して大きく変化しない要因としてはレンズ面での屈折を考慮に入れたこと が大きい。また、石英管の壁近傍である では発光がほとんどないため、放電空
間にわたって入射確率は一定であるとしてよく、その一定値は であ る。
m N.A 0.2 φ 100µ
Holder
Optical filber Slit
1mm 2mm
lens 55mm
1.1mm
図 フォトディテクター
4.3mm 2.0mm
47.1mm 50.0mm
20mm
n = 1.46 r = 23mm z
x y
ϕ
k (x ,y ,z )1 θi j
3.9mm 51mm Quartz Tube
n = 1.46
z
y k (x ,y ,z )1
x y
200mm 4.3mm
47.1mm
図 レイ トレーシングのモデル
0.0 1.3 2.6
k
1(10
-7)
x(mm) -51
0 y(mm) 51
5
0
-5
-60 -40 -20 0 20 40 60
x [mm]
y = 0mm
60
-80 -60 -40 -20 0 20 40
y [mm]
図 の入射確率
0.0 1.3 2.6
k
1(10
-7)
x(mm) -51
0
51 y(mm)
15
10
5
-60 -40 -20 0 20 40 60
x [mm]
y = 10mm
60
-80 -60 -40 -20 0 20 40
y [mm]
図 の入射確率
0.0 1.3 2.6
k
1(10
-7)
x(mm) -51
0
51 y(mm)
25
20
15
-60 -40 -20 0 20 40 60
x [mm]
y = 20mm
60
-80 -60 -40 -20 0 20 40
y [mm]
図 の入射確率
0.0 1.3 2.6
k
1(10
-7)
x(mm) -51
0
51 y(mm)
35
30
25
-60 -40 -20 0 20 40 60
x [mm]
y = 30mm
60
-80 -60 -40 -20 0 20 40
y [mm]
図 の入射確率
0.0 1.4 2.8
k
1(10
-7)
x(mm) -51
0
51 y(mm)
45
40
35
-60 -40 -20 0 20 40 60
x [mm]
y = 40mm
60
-80 -60 -40 -20 0 20 40
y [mm]
図 の入射確率
0.0 2.6 5.1
k
1(10
-7)
x(mm) -51
0
51 y(mm)
55
50
45
-60 -40 -20 0 20 40 60
x [mm]
y = 50mm
60
-80 -60 -40 -20 0 20 40
y [mm]
図 の入射確率
ロボット
ロボット 三協精機 は水平多関節型ロボットで 水平方向 軸 、垂直方
向 軸 、回転方向 軸 の計 軸が稼働する汎用スカラーロボットで、コンピュータ により制御される。ロボットの回転軸に ステージが取り付けられ、 ステー
ジにディテクターが取り付けられている。 方向へは手動で回転することができる。ロボッ トの位置繰り返し精度は水平方向 、垂直方向 回転方向 度でディ
テクターの位置分解能に比べ十分高い精度で動作することができる。
分光器
プラズマから照射される光の中で、特定の波長のスペクトルのみを選択するために、分 光器 焦点距離 回折格子 本 を使用する。分光器の
回折効率を図 に示す。この分光器は波長を最小 ピッチで走査できる。これ
は後述する波長分解能に比べて十分に小さい。分光器の入射スリット、出射スリットをそ れぞれ 、 と設定した。波長分解能はこのスリットを含めた装置構造に依
存する。実際の波長分解能を知るために、水銀ランプ のスペクト ル線 に対して波長分解分光測定を行なった。図 に示した結果から、波 長分解能は と求まった。
光電子増倍管
分光器により選択されたフォトンは光電子増倍管 により電流パ
ルスに変換される。光電子増倍管はフォトンカウント用途に用いられ、その量子効率を図 に示した。広域波長に渡り高い量子効率を有する。また光電子増倍管の光電面やダイ ノードからは入射光の有無にかかわらず、熱電子が放出され、それが暗電流の主な要因と なる。そこで、この熱電子を減少させ、さらに 比をさらに良くするために冷却器
を用いて光電面を 以下に冷却している。また、ダイノードにはフォ
トマル電源により負バイアスを印加する。この負バイアスを調整することにより光電子増 倍管を変化させることができる。本研究ではフォトンカウントの統計誤差を考慮した上で の最適の 比となるように負バイアスを印加する。
フォトンカウンティング法
光電子増倍管からの電流パルスは、アンプ で増幅され、 ディスクリ ミネータ に導かれる。ディスクリミネータは
300 400 500 600 0.2
0.4 0.6 0.8 1.0
0