松田 秀幸

鉄鋼試料中に含まれる非金属元素（酸素、窒素、イオウ、リンなど）を、グロープラズマを用いてスパッタリングによるサンプリングと励起を行い、その励起された非金属元素の原子吸光を、最近容易に入手できる近赤外用波長可変半導体レーザーを用いて測定することにより定量分析を試みる。

極微量の鋼中ガス成分を発光分光法により分析する場合、N、Oであれば外部より分析装置に混入する空気による汚染が問題となり、超高真空装置のように極力漏れの少ない分析装置を開発する必要がある。Cの場合には装置内部の汚れなどからCは混入しやすく、装置およびガスの配管のクリーニング法や希ガスを使う場合にはその純化法などを考える必要があり、装置全体としては大がかりな物となることが予想される。もし鉄鋼試料中に含まれるN，O，Cと外部からの汚染によるN，O，Cが区別できれば前に述べた装置上の制約はかなり緩和でき、分析装置の構造は単純化できる。本研究では試料のサンプリングはダイオード励起YAGレーザーによるレーザーアブレーションを用い、励起源には鋼中ガス成分のような高い励起エネルギーを持つ元素の励起に適したヘリウムグロープラズマを用いる発光分析装置を開発する。レーザーアブレーションによりプラズマ中に試料を導入している間は、鉄鋼中に含まれる元素の発光＋ヘリウムの発光＋不純物ガスの発光が観測され、レーザーを停止するとヘリウムの発光＋不純物ガスの発光が観測されるので、両者を差し引けば上記の目的が達成できる。

転炉や２次精錬では、終点成分制御精度向上や精錬時間の短縮による合理化などを目的とした分析値フィードバック迅速化、高精度化のニーズが大きい。それは分析値のフィードバック時間が少しでも短縮することができれば、非常に高価な耐火物の消耗や炉などの温度を保つためのエネルギー消費量を抑えることができ、かなりの額の生産コストが削減できるためである。工程管理分析は各精錬プロセスで主にスパーク発光分析法により行われているが、スパーク放電発光分析装置の迅速化は、高速度発光、時間分解測光、コンピュータ利用によるシステム化などですでに限界に達しており、分析時間をなお一層短縮するには、分析時間の大半を占める試料調整の簡略化が欠かせない要素になっている。本研究では、スパーク放電が落雷現象に類似していることから、試料調整を簡略化した（つまり表面が荒れ汚れた状態の）鉄鋼試料表面にレーザー誘起プラズマを発生させ、プラズマが導体であることを利用して避雷針代わりに使うことにより、スパーク放電をレーザー誘起プラズマ発生地点に誘導してその放電の安定化を図り、また避雷針として働くレーザー誘起プラズマ中にはレーザーアブレーションにより多量の試料原子蒸気が含まれているので、スパーク放電単独の場合に比べ発光に関わる試料原子量が増加することにより試料原子発光が高輝度化した、従来に比べ分析時間を大幅に短縮できる安定した新しいスパーク放電発光光源を開発することを目的としている。

環境問題への対応から飲料缶や自動車部品を中心にリサイクル率が年々高まり，これらスクラップを鉄源として使用する機会が増加している。それに伴い，スクラップから混入するCu，Snといったトランプエレメントの分析のニーズが増大している。トランプエレメントの定量分析を行う場合，スクラップ材から試験片を切り出し，湿式分析やスパーク放電発光分光分析法などの機器分析により行うのが一般的であるが，分析に必要な時間やコストを下げるためには，より迅速かつ簡便な分析法の開発が望まれている。また，固体試料を直接分析する元素分析法は，素材製造業における工程管理，オンサイト分析法として重要である。 一方，申請者はこの数年にわたり，石炭や廃棄物等の燃焼排ガス中には揮発性重金属を対象として，評価，分析，対策技術に関する研究を行っている。（燃焼分野ではトランプエレメントという呼び方は一般的ではないが，その興味の対象となる銃金属元素の種類や注目すべき理由など，共通点は多い。）特に，排ガス中に浮遊する数ミクロン以下のダストに凝集・濃縮する傾向にあるとされる重金属について，ダストの各粒径範囲への重金属の分配を簡便かつ迅速に測定することを目的としたオンサイト分析法の開発を行ってきた。この中では，ダスト粒径分布のオンライン測定を実現する測定機器としてはカスケードインパクタの一種であるELPI（Electrical Low Pressure Impactor）を利用し，その試料の元素分析には発光分光分析の一種であるLIBS（Laser Induced Breakdown Spectroscopy）を用いている。粒径分布測定後の微粒子試料の元素分析を既存の分析装置を用いて行う場合，捕集された粒子の溶解・水溶液化等の前処理に多大な時間を必要とするが，LIBSを用いた場合には，粒子試料の前処理を一切必要とせずに，ELPIによる粒径分布のオンライン測定に追随して，数十分サイクルでの微粒子中重金属の分析が可能となる。しかし，重金属として興味や規制の対象となる元素はダストの主成分ではなく，ダストに対して数パーセント未満であることが多い。申請者の保有する現状のシステムでは，数パーセント未満の元素の測定は，線スペクトルの強い発光を持つ一部の元素に限られており，したがってLIBSによる元素分析においても感度および精度の向上を実現することが，次ステップの大きな課題である。そのために有力な改良手段の一つとして現在の候補に挙げられるのが減圧条件の適用である。以上により，本研究では，金属材料研究所内，我妻教授，松田助手の協力により，上記分析対象に対して最も有望と考えられる“減圧レーザ誘起プラズマ”による発光分析法の特性解明，及びタスト等の粒子試料の組成評価への応用性，特に鉄鋼等素材のオンサイト分析との技術的な共通点と相違点を検討す

次世代鉄鋼迅速オンサイト分析の実用化