JP2016061754A - ガス分析装置及びガスセル - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば、ガス分析装置は、ガスセルと、光源部と、検出部と、第1反射部と、第2反射部と、を含む。ガスセルは、試料気体が導入される空間を含む。光源部は、空間に導入された試料気体に測定光を入射する。検出部は、空間から出射した測定光を検出する。前記空間は、前記第1反射部と前記第2反射部との間に配置される。前記第1状態において前記空間に入射して前記空間から出射するまでの前記測定光の第1光路長は、前記第2状態において前記空間に入射して前記空間から出射するまでの前記測定光の第2光路長とは異なる。
【選択図】図1
Description
なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に相当し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。
また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
図1(a)及び図1(b)は、第1の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。
図1(a)に示すように、本実施形態に係るガス分析装置110は、ガスセル20と、光源部30と、検出部40と、演算部45と、回転駆動部53と、を含む。
これらの図は、試料気体50中に複数の物質(例えば第1物質G1及び第2物質G2)が含まれる場合について、例示している。これらの図は、第1状態ST1に対応する。
これらの図は、第2状態ST2に対応する。
これらの図は、ガス分析に関する特性を例示するグラフ図である。図4(a)及び図4(b)の縦軸は、透過率Trである。横軸は、波長λ(nm)である。
図5に示すように、ガス分析装置111においては、光源部30、ガスセル20、回転駆動部53及び検出部40に加えて、ウェッジ基板55が設けられる。ウェッジ基板55は、第2透過領域22bと検出部40との間に設けられる。ウェッジ基板の断面はくさび状である。ウェッジ基板55は、第1反射部21から第2反射部22に向かう方向を軸として回転する。この例では、ウェッジ基板55は、第1基板55a及び第2基板55bを含む。これらの基板の断面は、くさび状である。すなわち、厚さが変化している。これらの基板が回転する。
図6に示すように、ガス分析装置112には、光源部30、ガスセル20、回転駆動部53及び検出部40に加えて、受光側ガルバノミラー部56が設けられる。受光側ガルバノミラー部56は、第2透過領域22bと検出部40との間の光路上に設けられる。
図7に示すように、ガス分析装置113には、光源部30、ガスセル20、回転駆動部53及び検出部40に加えて、レンズ57が設けられる。レンズ57は、第2透過領域22bと検出部40との間に設けられる。第2透過領域22bから出射した測定光30Lは、屈折して進行方向を変え、検出部40に入射する。レンズ57の直径は、例えば、第2反射部22のサイズ以上である。第2透過領域22bの位置が回転により変化したときにも、測定光30Lは検出部40に入射する。
図8に示すように、ガス分析装置114には、光源部30、ガスセル20、回転駆動部53及び検出部40が設けられる。検出部40は、受光面40aを有する。受光面40aの面積は、第2透過領域22bの回転に伴う可動領域の面積以上である。例えば、受光面40aの面積は、第2透過領域22bの回転の半径を有する円の面積以上である。受光面40aの面積は、例えば、第2反射部22の面積以上である。これにより、第2透過領域22bの位置が回転により変化したときにも、測定光30Lは、受光面40aに入射できる。
図9に示すように、ガス分析装置115には、光源部30、ガスセル20、回転駆動部53及び検出部40が設けられる。検出部40は、複数の検出器(第1検出器42a及び第2検出器42bなど)を含む。第1検出器42aは、例えば、第1位置P1に対応する。第2検出器42bは、例えば、第2位置P2に対応する。第1検出器42aは、例えば、第1状態ST1において、第2透過領域22bから出射した測定光30Lの強度を検出する。第2検出器42bは、第2状態ST2において、第2透過領域22bから出射した測定光30Lの強度を検出する。
図10は、第2の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。
図10に示すように、ガス分析装置120は、光源部30と、ガスセル20と、光源側ガルバノミラー部58と、受光側ガルバノミラー部56と、を含む。光源側ガルバノミラー部58は、ミラー部58aとミラー部58bとを含む。受光側ガルバノミラー部56は、ミラー部56aとミラー部56bとを含む。
図11は、第3の実施形態に係るガス分析装置を例示する模式図である。
図11に示すように、ガス分析装置121は、光源部30と、ガスセル20と、光源側ガルバノミラー部58と、受光側ガルバノミラー部56と、を含む。
すなわち、第1反射部21は、光反射性の反射領域(第1反射領域21a)と、光透過性の複数の透過領域と、を含む。第1光路長は、第1入射角で複数の透過領域の1つに入射して第1反射部21及び第2反射部22で反射して複数の透過領域のいずれかから出射するまでの距離である。第2光路長は、第2入射角で複数の透過領域の1つに入射して第1反射部及び第2反射部22で反射して複数の透過領域の別のいずれかから出射するまでの距離である。第1光路長は、第2光路長とは異なる。このように、複数の光路長が設けられる。これにより、種々の物質において適正な光路長が適用でき、種々の物質において高精度の検出ができる。
これらの図は、パス数モニタ68によって撮像された第1反射部21の像を例示している。図12(a)においては、パス数が182である。図12(b)においては、パス数が28である。このように、撮像することでパス数(反射回数)を知ることができる。
ガス分析装置は、例えば、呼気の診断に用いられる。物質は、例えば、二酸化炭素同位体である。この場合、例えば、ピロリ菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、メタンである。この場合、例えば、腸内嫌気性菌に関する情報が得られる。物質は、例えば、エタノールである。この場合、例えば、飲酒に関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトアルデヒドである。この場合、例えば、飲酒代謝産物及び肺がんに関する情報が得られる。物質は、例えば、アセトンである。この場合、例えば、糖尿病に関する情報が得られる。物質は、例えば、一酸化窒素である。この場合、例えば、ぜんそくに関する情報が得られる。物質は、例えば、アンモニアである。この場合、例えば、肝炎に関する情報が得られる。物質は、例えば、ノナナールである。この場合、例えば、肺がんに関する情報が得られる。実施形態において、呼気に含まれる測定対象の物質は任意である。ガス分析装置は、例えば、産業用ガスの分析に用いても良い。例えば、半導体工場などの処理装置の排気ガスの処理システムの監視に用いることができる。例えば、エッチング処理の排気ガスの場合、物質は、例えば、フッ化物である。フッ化物としては、例えば、CF4、C2F6、C3F8、c−C4F8、CHF3、NF3、SF6等が挙げられる。
この例は、ガス分析装置を呼気診断装置として用いる場合についての例である。
ガス分析装置においては、例えば、呼気を空間23sに導入した状態での第1動作が行われる。そして、呼気を空間23sに導入しない(空気が導入される)状態での第2第2動作が行われる。第1動作は、例えば、呼気(試料気体50)に含まれる目的の物質の濃度を検出する検出動作である。第2動作は、例えば、基準となる信号を得るためのキャリブレーション動作(準備動作)である。
図13は、実施形態に係るガス分析装置の一部を例示する模式図である。
図13に表したように、光源部30(発光部30a)は、半導体発光素子30aLと、波長制御部30aCと、を有する。後述するように、半導体発光素子30aLは、例えば、複数の量子井戸のサブバンドにおける電子のエネルギー緩和により発光光を放射する。波長制御部30aCは、例えば、発光光の波長を調整して第1光L1と、第2光L2と、を生成する。
図14は、発光部30aの別の例を示している。
この例においては、第1調整機構として、回折格子71aが用いられる。回折格子71aは、半導体発光素子30aLの光軸31Lxに対して所定の入射角γで交差するXY面内で移動する。回折格子71aは、例えば、ステッピングモータ99及び駆動制御部98により、移動する。回折格子71aと、半導体発光素子30aLの部分反射コート膜PRと、により、外部共振器(EC)が形成される。部分反射コート膜PRから放出された測定光30Lは、ガスセル20に入射する。
これらの図は、回折格子71aの例を示す模式的平面図である。
図15(a)及び図15(b)に例示したように、回折格子71は、複数の領域を有する。複数の領域において、格子のピッチが異なる。
図16(a)は、模式的斜視図である。図16(b)は、図16(a)のA1−A2線断面図である。図16(c)は、光源部30の動作を例示する模式図である。
この例では、光源部30として、半導体発光素子30aLが用いられる。半導体発光素子30aLとして、レーザが用いられる。この例では、量子カスケードレーザが用いられる。
本実施形態は、ガスセルに係る。上記の実施形態に関して説明したガスセル及びそれらの変形のガスセルが用いられる。
複数の物質に対応でき、高精度の分析が可能なガスセルが提供できる。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
例えば、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除若しくは設計変更を行ったもの、又は、工程の追加、省略若しくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
Claims (20)
- 試料気体が導入される空間を含むガスセルと、
前記空間に導入された前記試料気体に測定光を入射する光源部と、
前記空間から出射した前記測定光を検出する検出部と、
第1反射部と、
第2反射部と、
を備え、
前記空間は、前記第1反射部と前記第2反射部との間に配置され、
第1状態において前記空間に入射して前記空間から出射するまでの前記測定光の第1光路長は、第2状態において前記空間に入射して前記空間から出射するまでの前記測定光の第2光路長とは異なる、ガス分析装置。 - 前記第1光路長と前記第2光路長との差に応じた値を導出する導出部をさらに備えた請求項1記載のガス分析装置。
- 前記検出部で検出された前記測定光の検出結果と、前記導出部で推定された前記値と、に基づいて、前記試料気体中に含まれる物質の濃度を算出する演算部をさらに備えた請求項2記載のガス分析装置。
- 前記第1反射部は、光反射性の第1反射領域と光透過性の第1透過領域とを含み、
前記第2反射部は、光反射性の第2反射領域と光透過性の第2透過領域とを含み、
前記測定光は、前記第1透過領域から前記空間に入射し、前記第1反射領域と前記第2反射領域とで反射し、前記第2透過領域から出射し、
前記第1状態における前記第2透過領域の前記第1透過領域に対する相対的な位置は、前記第2状態における前記第2透過領域の前記第1透過領域に対する相対的な位置とは異なり、
前記第1光路長は、前記第1状態において前記第1透過領域に入射して前記第2透過領域から出射するまでの距離であり、
前記第2光路長は、前記第2状態において前記第1透過領域に入射して前記第2透過領域から出射するまでの距離である、請求項1〜3のいずれか1つに記載のガス分析装置。 - 前記第1反射部及び前記第2反射部の少なくもいずれかは、前記第1反射部から前記第2反射部に向かう方向を軸として回転する、請求項4記載のガス分析装置。
- 前記第1反射部から前記第2反射部に向かう方向を軸として前記第2反射部を回転させる回転駆動部をさらに備えた請求項4または5に記載のガス分析装置。
- 前記導出部は、前記第2反射部の回転角をモニタし、前記回転駆動部の動作を制御する回転制御部を備えた請求項6記載のガス分析装置。
- 前記回転駆動部は、前記第2反射部の回転に連動して前記検出部を回転させる、請求項6または7に記載のガス分析装置。
- 前記第2透過領域と前記検出部との間に設けられ断面がくさび状のウェッジ基板をさらに備え、
前記ウェッジ基板は、前記方向を軸として回転し、
前記第2透過領域から出射した前記測定光は、前記ウェッジ基板を透過して前記検出部に入射する請求項6または7に記載のガス分析装置。 - 前記第2透過領域と前記検出部との間の光路上に設けられた受光側ガルバノミラー部をさらに備え、
前記第2透過領域から出射した前記測定光は、前記受光側ガルバノミラー部で反射して前記検出部に入射する請求項6または7に記載のガス分析装置。 - 前記第2透過領域と前記検出部との間の光路上に設けられたレンズをさらに備え、
前記第2透過領域から出射した前記測定光は、前記レンズを透過して前記検出部に入射する請求項6または7に記載のガス分析装置。 - 前記検出部の受光面の面積は、前記第2透過領域の前記回転に伴う可動領域の面積以上である請求項6または7に記載のガス分析装置。
- 前記検出部は、
前記第1状態において前記第2透過領域から出射した前記測定光の強度を検出する第1検出器と、
前記第2状態において前記第2透過領域から出射した前記測定光の強度を検出する第2検出器と、
を含む、請求項6または7に記載のガス分析装置。 - 前記第1状態において前記空間に入射する前記測定光の第1入射角は、前記第2状態において前記空間に入射する前記測定光の第2入射角とは異なる、請求項1〜3のいずれか1つに記載のガス分析装置。
- 前記第1反射部は、光反射性の第1反射領域と光透過性の第1透過領域とを含み、
前記第2反射部は、光反射性の第2反射領域と光透過性の第2透過領域とを含み、
前記測定光は、前記第1透過領域から前記空間に入射し、前記第1反射領域と前記第2反射領域とで反射し、前記第2透過領域から出射し、
前記第1光路長は、前記第1入射角で前記第1透過領域に入射して前記第2透過領域から出射するまでの距離であり、
前記第2光路長は、前記第2入射角で前記第1透過領域に入射して前記第2透過領域から出射するまでの距離である、請求項14記載のガス分析装置。 - 前記第1反射部は、光反射性の反射領域と光透過性の透過領域とを含み、
前記第1光路長は、前記第1入射角で前記透過領域に入射して前記第2反射部で反射して前記透過領域から出射するまでの距離であり、
前記第2光路長は、前記第2入射角で前記透過領域に入射して前記第2反射部で反射して前記透過領域から出射するまでの距離である、請求項14記載のガス分析装置。 - 前記第1反射部は、光反射性の反射領域と、光透過性の複数の透過領域とを含み、
前記第1光路長は、前記第1入射角で前記複数の透過領域の1つに入射して前記第1反射部及び前記第2反射部で反射して前記複数の透過領域のいずれかから出射するまでの距離であり、
前記第2光路長は、前記第2入射角で前記複数の透過領域の前記1つに入射して前記第1反射部及び前記第2反射部で反射して前記複数の透過領域の別のいずれかから出射するまでの距離である、請求項14記載のガス分析装置。 - 前記光源部から出射される前記測定光の方向を変更して前記第1反射部に入射させて前記空間に入射する前記測定光の入射角を変更する光源側ガルバノミラー部をさらに備えた、請求項14〜17のいずれか1つに記載のガス分析装置。
- 試料気体が導入される空間を含む容器と、
光反射性の第1反射領域と光透過性の第1透過領域とを含む第1反射部と、
光反射性の第2反射領域と光透過性の第2透過領域とを含む第2反射部と、
を備え、
前記空間は、前記第1反射部と前記第2反射部との間に配置され、
測定光が、前記第1透過領域から前記空間に入射し、前記第1反射領域と前記第2反射領域とで反射し、前記第2透過領域から出射し、
第1状態における前記第2透過領域の前記第1透過領域に対する相対的な位置が、第2状態における前記第2透過領域の前記第1透過領域に対する相対的な位置とは異なり、
前記第1状態において前記第1透過領域に入射して前記第2透過領域から出射するまでの前記測定光の第1光路長は、前記第2状態において前記第1透過領域に入射して前記第2透過領域から出射するまでの前記測定光の第2光路長とは異なる、ガスセル。 - 前記第1反射部及び前記第2反射部の少なくもいずれかは、前記第1反射部から前記第2反射部に向かう方向を軸として回転する、請求項19記載のガスセル。
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