WO2016208048A1 - 気体分析装置 - Google Patents
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- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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- G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
Definitions
- the present invention relates to a gas analyzer and a gas analysis method for analyzing a gas using terahertz waves.
- Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-169637
- Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-260688 states that “a measurement target can be satisfactorily measured for a terahertz transmission spectrum without increasing its size even when the object to be measured is a gas having a small absorption coefficient for terahertz waves”.
- terahertz waves which are electromagnetic waves having a frequency of several hundred GHz to several tens of THz. This is because many substances exhibit a characteristic absorption spectrum called a fingerprint spectrum with respect to terahertz waves.
- Patent Document 1 by increasing the optical path length of the terahertz wave in the gas, the amount of terahertz wave absorbed by the gas is increased, and a trace gas can be analyzed.
- Patent Document 1 when a terahertz wave generator that oscillates a single-frequency terahertz wave is used for low cost and downsizing, the technique of Patent Document 1 excessively absorbs the terahertz wave when the gas concentration increases. There is a problem that the amount of terahertz waves reaching the detector is below the noise level of the detector and the gas cannot be analyzed sufficiently.
- an object of the present invention is to expand a gas concentration range that can be analyzed in a gas analyzer using a terahertz wave.
- a light generation unit that generates light of a single oscillation frequency terahertz band, and light of the terahertz band generated by the light generation unit is received and the amount of light is received.
- the first and second detection units to be measured, and a gas cell through which the light of the terahertz band generated by the light generation unit passes, and the first and second detection units include the terahertz A gas analyzer that is arranged at different points in the same optical path of the light of the band and analyzes the gas in the gas cell from the amount of light measured by the first and second detectors.
- the gas concentration range that can be analyzed can be expanded in a gas analyzer using terahertz waves.
- the figure showing the gas analyzer in Example 1 The figure showing the calculating part in the gas analyzer in this invention The figure showing the gas analyzer in Example 1 The figure showing the gas analyzer in Example 2.
- the figure showing the terahertz wave generator in the gas analyzer in Example 2 The figure showing the gas analyzer in Example 2.
- the figure showing the gas analyzer in Example 3 The figure showing the modulation signal and detection signal of a terahertz wave in Example 3
- the figure showing the modulation signal of the terahertz wave in Example 3 The figure showing the gas analyzer in Example 4.
- FIG. 1 shows an example of a basic configuration of a gas analyzer in the present embodiment.
- the terahertz wave 102 generated from the terahertz wave generator 101 having a single oscillation frequency is incident on the gas cell 103.
- the gas cell 103 is made of a material that transmits the terahertz wave to some extent, such as ceramics, as a whole or a portion through which the terahertz wave passes.
- the gas cell 103 may be a pipe through which a gas flows or a container in which a gas is sealed.
- the terahertz wave 102 reflects the half mirror 104 and the mirror 105 arranged so as to sandwich the gas cell 103 several times, and enters the terahertz wave detector 107.
- Expression 1 is an expression showing the light amount I of the terahertz wave that reaches the terahertz wave detector 107 when the light amount of the terahertz wave generated from the terahertz wave generator 101 is I 0 .
- a represents the absorption coefficient of the terahertz wave by the gas inside the gas cell 103
- L represents the optical path length of the terahertz wave in the gas cell 103.
- the absorption coefficient a of the terahertz wave by the gas varies depending on the type of gas, and is a function of the gas concentration and the frequency of the terahertz wave.
- the terahertz wave generator 101 uses a terahertz wave generator in which a plurality of terahertz wave generators having different frequencies are integrated or arranged, or a terahertz wave generator capable of sweeping a single oscillation frequency.
- the gas may be analyzed by calculating an absorption coefficient.
- the intensity of the absorption line and the width of the absorption line are calculated using a terahertz wave generator with a single oscillation frequency that can sweep the oscillation frequency at least within the full width at half maximum of the absorption line due to the gas in the gas cell.
- the gas may be analyzed.
- the partial light quantity of the terahertz wave 102 incident on the half mirror 104 is transmitted through the half mirror 104.
- the terahertz wave 102 that has passed through the half mirror 104 enters the terahertz wave detector 106.
- the reflectivity of the terahertz wave by the half mirror 104 is R
- the optical path length in the gas cell 103 from the terahertz wave generator 101 to the terahertz wave detector 106 is L1
- the gas from the terahertz wave generator 101 to the terahertz wave detector 107 is
- the optical path length in the cell 103 is L2
- the amount of light of the terahertz wave 102 reaching the terahertz wave detector 106 is (1-R) I 0 exp ( ⁇ aL1)
- the terahertz wave 102 reaching the terahertz wave detector 107 is The amount of light becomes RI 0 exp (-aL2).
- FIG. 2 shows an example of the configuration of the arithmetic unit 201 that processes the light quantity of the terahertz wave 102 detected by the terahertz wave detectors 106 and 107 in this embodiment.
- the amount of light of the terahertz wave 102 detected by the terahertz wave detectors 106 and 107 is input to the calculation unit 201 and transferred to the analysis unit 202 that analyzes the gas in the gas cell 103.
- the analysis unit 202 calculates the absorption coefficient a of the terahertz wave 102 by the gas in the gas cell 103 from the light amount of the terahertz wave 102.
- the absorption coefficient a using the light amount of the terahertz wave 102 detected by the terahertz wave detector 107 is obtained.
- the absorption coefficient a is calculated using the amount of the terahertz wave 102 detected by the terahertz wave detector 106.
- the analysis unit 102 analyzes the gas with reference to the data stored in the data storage unit 203 that stores the data that associates the absorption coefficient a with the type and concentration of the gas.
- the gas concentration in the gas cell 103 is low, the optical path length in the gas cell 103 is long, and the amount of terahertz waves absorbed by the gas is large, reaching the terahertz wave detector 107.
- the gas is analyzed based on the light quantity of the wave 102.
- the gas concentration in the gas cell 103 is high, the optical path length in the gas cell 103 is short, the amount of terahertz waves absorbed by the gas is small, and the amount of light of the terahertz wave 102 reaching the terahertz wave detector 106 is also obtained. And analyze the gas. By analyzing the gas concentration by such a method, the range of gas concentrations that can be analyzed can be expanded.
- the light amount used for gas analysis can be selected from among a plurality of light amounts, for example, a light amount that is greater than the noise equivalent light amount of the terahertz wave detector. It ’s fine.
- the structure of the gas analyzer in a present Example is not restricted to the structure shown here, For example, even if it measures by the length of three or more types of optical path lengths using three or more terahertz wave detectors
- the mirror 105 may be replaced with a half mirror, and a terahertz wave detector may be disposed behind the mirror 105.
- the terahertz wave detected by the terahertz wave detector is not limited to the one that has passed through the gas cell 103, and as shown in FIG. 3, a partial light amount of the terahertz wave 102 before entering the gas cell 103 is detected.
- a terahertz wave detector 301 may be added. With such a configuration, the light quantity of the terahertz wave 102 generated from the terahertz wave generator 101 is calculated by calculating the product of the change rate of the light quantity detected by the terahertz wave detector 301 and the light quantity detected by another terahertz wave detector. Fluctuations and deterioration over time can be corrected.
- the present embodiment is different from the first embodiment in that the gas analyzer of the present embodiment has a plurality of terahertz wave generators, and a terahertz wave generation unit and a terahertz are provided for each different terahertz wave optical path length in the gas cell. This is the point where the wave detectors are paired.
- FIG. 4 shows an example of the basic configuration of the gas analyzer in this embodiment.
- the terahertz waves 404 to 406 generated from the terahertz wave generators 401 to 403 pass through different regions of the gas cell 103 and enter the terahertz wave detectors 407 to 409, respectively.
- the gas cell 103 has a tapered structure as shown in FIG. 4, for example, and the optical path length in the gas cell 103 changes according to the position where the terahertz wave is incident. For this reason, the optical path lengths in the gas cell 103 of the terahertz waves 404 to 406 are different.
- the optical path length of the terahertz wave used for gas analysis can be selected according to the gas concentration in the gas cell, and the range of gas concentrations that can be analyzed can be expanded.
- the terahertz wave is reflected on the surface of the gas cell due to a decrease in the amount of terahertz wave due to the branching of the terahertz wave at the half mirror 104 and the terahertz wave transmitted through the gas cell a plurality of times. Loss can be suppressed.
- the tapered structure of the gas cell 103 may be designed so that the terahertz wave is incident on the gas cell 103 at a Brewster angle, and the reflection loss of the terahertz wave on the surface of the gas cell 103 may be suppressed.
- the structure of the gas cell is not limited to the above, and any structure may be used as long as the terahertz wave optical path lengths in the gas cell of the terahertz waves incident from different positions are different.
- the method of changing the terahertz wave optical path length in the gas cell for each pair of the terahertz wave generation unit and the terahertz wave detection unit is not limited to the above method, and for example, the terahertz wave generation unit 501 shown in FIG. good.
- the terahertz wave generation unit 501 has a plurality of terahertz wave light emitting surfaces 502 to 504, and the terahertz wave light emitting surfaces 502 to 504 are arranged with steps.
- FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a basic configuration of a gas analyzer using the terahertz wave generation unit 501.
- the terahertz waves 404 to 406 generated from the terahertz wave light emitting surfaces 502 to 504 of the terahertz wave generation unit 501 disposed inside the gas cell 103 are incident on the terahertz wave detections 407 to 409.
- the optical path lengths of the terahertz waves 404 to 406 in the gas cell 103 can be made different from each other.
- the configuration of the terahertz wave generation unit 501 is not limited to that shown in this embodiment, and a terahertz wave light emitting surface may be arranged in a two-dimensional array.
- the above step structure is not limited to a terahertz generator, and a terahertz wave detector may be used in which a plurality of terahertz light receiving surfaces are provided with steps.
- the terahertz wave generation unit 501 and the terahertz wave detection units 407 to 409 are all arranged inside the gas cell 103.
- the terahertz wave generation unit and the terahertz wave detection unit only the one provided with the step structure is the gas cell. You may arrange
- This embodiment is different from Embodiment 2 in that terahertz waves generated from a plurality of terahertz wave generators are incident on the same terahertz wave detector and detected.
- FIG. 7 shows an example of the basic configuration of the gas analyzer in this embodiment.
- the modulator 701 applies amplitude modulation to the terahertz wave detection generators 401 to 403, and the terahertz wave generators 401 to 403 generate amplitude-modulated terahertz waves 404 to 406. It is possible to discriminate the terahertz waves 404 to 406 generated from the terahertz wave generators 401 to 403 by applying different modulations to the terahertz wave generators 401 to 403 and detecting the respective modulation components with the terahertz wave detector 407. It becomes possible.
- FIG. 8A is a graph showing a modulation signal applied from the modulator 701 to the terahertz wave generators 401 to 403.
- Terahertz waves 404 to 406 generated from terahertz wave generators 401 to 403 are modulated by modulation signals 801 to 803 having modulation frequencies f1, f2, and f3, respectively.
- Modulated terahertz waves 404 to 406 are incident on the same terahertz wave detector 407.
- FIG. 8B is a graph showing the amount of terahertz wave detected by the terahertz wave detector 407.
- the amount of light detected by the terahertz wave detector 407 is the sum of the amounts of light of the terahertz waves 404 to 406.
- FIG. 8C shows the result of Fourier transform of the waveform of the detection signal shown in FIG.
- the detection signal can be decomposed into frequency peaks 804 to 806 of the modulation frequencies f1, f2, and f3 by Fourier transform.
- the signal intensities at the frequency peaks 804 to 806 correspond to the light amounts of the terahertz waves 404 to 406, respectively.
- the amplitude modulation of the terahertz wave is not limited to the above-described modulation using a sine wave having a different frequency for each terahertz wave generator, and all terahertz wave generators are added with modulation having the same frequency component. Also good.
- FIG. 9 shows an example of a modulation signal applied in this case.
- the modulation signals 901 to 903 output from the modulator 701 are all square waves having the same frequency and duty ratio, and the modulation signals 901 to 903 modulate the terahertz wave generators 401 to 403, respectively.
- the modulated signals 901 to 903 differ from each other only in phase components, and the timing at which the terahertz waves 404 to 406 are incident on the terahertz wave detector 407 is shifted.
- the terahertz wave detector 407 the light amounts of the terahertz waves 404 to 406 are time-divisionally measured in synchronization with the modulation signals 901 to 903, so that the light amounts of terahertz waves generated from a plurality of terahertz wave generators can be converted into a single terahertz wave. It becomes possible to detect with a wave detector
- Embodiment 2 is different from Embodiment 1 in that a plurality of terahertz light emitting units that continuously oscillate a terahertz wave having a single oscillation frequency are used.
- FIG. 10 shows an example of the basic configuration of the gas analyzer in this embodiment.
- the terahertz generator 101 generates terahertz waves 1001 to 1004 having different single oscillation frequencies.
- the generated terahertz waves 1001 to 1004 pass through the gas cell 103 and then enter the terahertz wave detector 107.
- FIG. 11 shows an example of the configuration of the terahertz wave generator 101 and the terahertz detector 107 in this embodiment.
- the terahertz wave generator 101 has terahertz wave emission surfaces 1101-1104 that continuously oscillate terahertz waves having a single oscillation frequency, and the terahertz wave emission surfaces 1101-1104 oscillate terahertz waves 1001 to 1004 having different frequencies.
- the terahertz wave detector 107 has terahertz wave light receiving surfaces 1105 to 1108, the terahertz wave light receiving surface 1105 has a terahertz wave 1001, the terahertz wave light receiving surface 1106 has a terahertz wave 1002, the terahertz wave light receiving surface 1107 has a terahertz wave 1003, The terahertz wave receiving surface 1108 receives the terahertz wave 1004.
- the terahertz wave generator and detector are not limited to a terahertz wave emitting surface and a light receiving surface arranged in a two-dimensional array, but may be arranged in a line or a terahertz wave having one terahertz wave emitting surface.
- a plurality of terahertz wave detectors each having a generator and one terahertz wave light receiving surface may be provided.
- the measurable terahertz wave frequency range can be expanded.
- the gas concentration in the gas cell 103 is high by selecting a light amount of a plurality of terahertz wave frequencies detected by the terahertz wave detector 107 that is equal to or greater than the noise equivalent light amount of the terahertz wave detector, Since gas can be analyzed at a frequency where the absorption coefficient a of the terahertz wave is small, the range of gas concentrations that can be analyzed can be expanded.
- the accuracy of gas analysis can be improved by measuring the light quantity of terahertz waves having a plurality of frequencies.
- the absorption coefficient a of the terahertz wave by the gas is not simply proportional to the gas concentration, and the ratio of the absorption coefficient a of the terahertz wave at a plurality of frequencies does not depend on the optical path length in the gas cell.
- the gas concentration can be determined uniquely.
- the change in the ratio of the absorption coefficient a according to the gas concentration can be remarkably confirmed, and a plurality of terahertz wave frequencies are selected to constitute the gas analyzer of this embodiment, and the gas is calculated from the ratio of the absorption coefficient a at the plurality of frequencies.
- the number and configuration of the terahertz wave light emitting surfaces and the terahertz wave light receiving surfaces are not limited to those shown in the present embodiment, and any structure that uses at least two terahertz wave frequencies may be used.
- the gas concentration range that can be analyzed can be expanded in the gas analyzer using the terahertz light source having a single oscillation frequency.
- this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
- the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
- a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
- the following configuration is given as a modification.
- a gas analyzer that analyzes a gas using a terahertz wave, at least one generating unit that generates light in a terahertz band having a single oscillation frequency, and the terahertz generated from the generating unit
- the terahertz at different points in the same optical path of the light of the terahertz band, comprising at least two or more detection units that receive the light of the band and a gas cell through which the light of the terahertz band passes.
- a gas analyzer comprising: measuring a part of the amount of light of the band with the detection unit; and analyzing the gas in the gas cell from the light amount at different points measured by the detection unit.
- the light in the terahertz band generated from the generation unit oscillates in a range of at least one full width at half maximum of at least one absorption line in the terahertz band of the gas.
- a gas analyzer characterized by being able to sweep.
- the gas analyzer according to the first modification includes a plurality of the generation units, and the generation units generate the terahertz band lights having different single oscillation frequencies. Gas analyzer.
- a data accumulation unit that accumulates the measurement value of the light quantity at different points, and data that associates the measurement value with the type / concentration of the gas
- the data accumulation unit And an analysis unit for analyzing the gas type / concentration in the gas cell based on the measurement value and the data that associates the measurement value with the gas type / concentration.
- the gas analyzer As a modification example 5, in the gas analyzer according to the modification example 1, before the light in the terahertz band is incident on the gas cell, the light that branches a part of the light in the terahertz band generated from the generation unit A branching light detector that measures the light quantity of the branched light that is generated by the light splitting element and does not pass through the gas cell, and has a light quantity ratio between the light quantity of the branched light and the light quantity of the terahertz wave. A gas analyzer for analyzing gas in the gas cell.
- a gas analyzer that analyzes a gas using a terahertz wave, at least two or more generators that generate light in a terahertz band having a single oscillation frequency, and the terahertz generated from the generators And at least two or more detection units that receive light in a band and pair with each of the generation units, and a gas cell through which the light in the terahertz band passes, the gas cell including the generation A structure in which the optical path length in the gas cell is made different for each detection unit paired with a unit, and the gas in the gas cell is analyzed from the light quantity obtained from the detection unit.
- Gas analyzer in a gas analyzer.
- a gas analyzer that analyzes a gas using a terahertz wave
- the generator configured to generate light in a terahertz band having a single oscillation frequency and including at least two light emitting surfaces, and the generation
- a detector configured to receive at least two light receiving surfaces that are paired with the light emitting surface, and receive at least one of the generating unit and the detecting unit.
- the optical path length between the light emitting surface and the light receiving surface is different for each pair of the generating unit and the detecting unit, and the light emitting surface and the light source are obtained from the light amount obtained from the detecting unit.
- a gas analyzer that analyzes a gas between light receiving surfaces.
- a gas analyzer that analyzes a gas using a terahertz wave, at least two or more generators that generate light in a terahertz band having a single oscillation frequency, and two or more of the generators It has at least one detection unit that receives the generated terahertz band light, and a gas cell through which the terahertz band light passes, and the terahertz band light is different for each of the generation units.
- Amplitude modulation is performed at a modulation frequency
- the detection unit measures the amount of light of the terahertz band generated from different generation units by measuring the amount of light of the terahertz band for each different modulation frequency, and the detection
- the gas analyzer which analyzes the gas in the said gas cell from the said light quantity obtained from a part.
- a gas analyzer that analyzes a gas using a terahertz wave, at least two or more generators that generate terahertz band light having a single oscillation frequency, and two or more of the generators
- the terahertz band light has at least one detection unit that receives the generated terahertz band light, and a gas cell through which the terahertz band light passes.
- the amplitude is modulated with the same modulation frequency of different phases
- the detection unit measures the amount of light generated from the different generation units by measuring the amount of light for each light of the terahertz band having a different phase, and the detection unit
- the gas analyzer is characterized in that the gas in the gas cell is analyzed from the light quantity obtained in step (1).
- a gas analyzer that analyzes a predetermined gas using a terahertz wave, at least two or more generation units that generate terahertz band lights having different single oscillation frequencies, and the terahertz band light
- the gas in the gas cell is calculated from at least one detection unit that measures the amount of light, a gas cell through which the light in the terahertz band passes, and the amount of light in the terahertz band obtained by the detection unit.
- An arithmetic unit that analyzes the data, and the arithmetic unit includes a data selection step of selecting the light amount equal to or greater than the noise equivalent light amount of the detection unit from the light amount obtained by the detection unit.
- the gas analysis apparatus characterized in that the calculation unit analyzes the gas in the gas cell from the ratio of the light amounts selected in (1).
- each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit.
- Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor.
- Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, or an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
- Terahertz wave detector 409 ... terahertz wave detector, 501 ... terahertz wave generator, 502 ... terahertz wave emission surface 503 ... terahertz wave emission surface, 504 ... t Hertz wave light emitting surface, 701 ... modulator, 801 ... modulation signal, 802 ... modulation signal, 803 ... modulation signal, 804 ... frequency peak, 805 ... frequency peak, 806 ... Frequency peak, 901 ... modulated signal, 902 ... modulated signal, 903 ... modulated signal, 1001 ... terahertz wave, 1002 ... terahertz wave, 1003 ... terahertz wave, 1004 ...
- Terahertz wave 1101... Terahertz wave light emitting surface, 1102... Terahertz wave light emitting surface, 1103... Terahertz wave light emitting surface, 1104. ..Terahertz wave light receiving surface, 1107 ... Terahertz wave light receiving surface, 1108 ... Terahertz wave light receiving surface
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Abstract
テラヘルツ波を用いた気体分析装置において、分析可能な気体濃度レンジを拡大する。 テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する、少なくとも１つ以上の光発生部と、前記光発生部からが生成した前記テラヘルツ帯の光を受光し、光量を測定する、少なくとも２つ以上の第１と第２の検出部と、前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、を有し、前記第１と第２の検出部は、前記テラヘルツ帯の光の同一光路中の異なる地点に配置され、おける、前記テラヘルツ帯の光の光量の一部を前記検出部で測定し、前記第１と第２の検出部で測定した異なる地点の前記光量から、前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする気体分析装置で解決できる。
Description
本発明は、テラヘルツ波を用いて気体を分析する気体分析装置および気体分析方法に関する。
本技術分野の背景技術として、例えば特開２０１１－１６９６３７（特許文献１）がある。特許文献１には課題として「被測定対象物がテラヘルツ波に対する吸収係数の小さい気体であっても、構成を大型化することなく良好にテラヘルツ透過スペクトル測定を行うことができるようにする。」と記載があり、解決手段として「被測定対象物が収容される内部空間１５を有すると共に、入射口１１Ａを介して入射したテラヘルツ波を内部空間１５で複数回内部反射させた後、出射口側に導くフォトニック結晶型の共振器構造を有する基板を用いる。テラヘルツ波を内部空間内で複数回内部反射させることによって測定に必要とされる伝搬距離が十分に確保される。これにより、テラヘルツ波に対する吸収係数の小さい気体であっても、構成を大型化することなく良好にテラヘルツ透過スペクトル測定を行うことが可能となる。」と記載されている。
近年、数１００ＧＨｚ～数１０ＴＨｚの周波数を有する電磁波である、テラヘルツ波を利用した種々の気体の分析技術が注目を集めている。これは、多くの物質がテラヘルツ波に対して指紋スペクトルという、特徴的な吸収スペクトルを示すことによる。
特許文献１では、気体中のテラヘルツ波の光路長を増やすことで、気体によるテラヘルツ波の吸収量を増加させ、微量気体の分析を可能としている。
しかしながら、低コスト・小型化のため、単一周波数のテラヘルツ波を発振するテラヘルツ波発生器を用いると、特許文献１の技術では、気体の濃度が高くなった場合、テラヘルツ波が過剰に吸収され、検出器に到達するテラヘルツ波の光量が検出器のノイズレベル以下になり、十分に気体を分析できないという課題がある。
そこで本発明は、テラヘルツ波を用いた気体分析装置において、分析可能な気体濃度レンジを拡大することを目的とする。
上記課題は、例えば下記の構成により解決される。
テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する光発生部と、前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光を受光し、光量を測定する第１と第２の検出部と、前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、を有し、前記第１と第２の検出部は、前記テラヘルツ帯の光の同一光路中の異なる地点に配置され、前記第１と第２の検出部で測定した光量から前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする気体分析装置。
本発明によれば、テラヘルツ波を用いた気体分析装置において、分析可能な気体濃度レンジを拡大することができる。
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
本発明の実施形態を添付図面にしたがって説明する。図１は本実施例における気体分析装置の基本的な構成の一例を示したものである。
単一発振周波数のテラヘルツ波発生器１０１から発生したテラヘルツ波１０２は気体セル１０３に入射する。気体セル１０３は、全体もしくはテラヘルツ波が通過する部分をセラミックスなど、テラヘルツ波をある程度透過する材質で構成されたものとする。また、気体セル１０３は気体が流れる配管でも良いし、気体を密封した容器であっても良い。
テラヘルツ波１０２は気体セル１０３をはさむ様に配置したハーフミラー１０４とミラー１０５を数回反射し、テラヘルツ波検出器１０７に入射する。
式1はテラヘルツ波発生器１０１から発生したテラヘルツ波の光量をＩ０としたときに、テラヘルツ波検出器１０７に到達するテラヘルツ波の光量Ｉを示す式である。ここでaは気体セル１０３内部の気体によるテラヘルツ波の吸収係数をあらわし、Ｌは気体セル１０３中のテラヘルツ波の光路長をあらわす。気体によるテラヘルツ波の吸収係数ａは、気体の種類によって変化し、さらに気体の濃度およびテラヘルツ波の周波数の関数となっている。そのため、テラヘルツ波検出器１０７に到達するテラヘルツ波の光量Iから気体セル１０３内の気体の判別と濃度の算出が可能となる。
(式１) Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ(-ａＬ)
なお、テラヘルツ波発生器１０１は、異なる周波数のテラヘルツ波発生器を複数個集積もしくは並べたものや、単一発振周波数を掃引できるテラヘルツ波発生器を用いて、複数の周波数における気体によるテラヘルツ波の吸収係数を算出し、気体を分析しても良い。また、少なくとも気体セル内の気体による吸収線の半値全幅以上の範囲で、発振周波数を掃引可能な単一発振周波数のテラヘルツ波発生器を用いて、吸収線の強さと吸収線の幅を算出し、気体を分析してもよい。
(式１) Ｉ＝Ｉ０ｅｘｐ(-ａＬ)
なお、テラヘルツ波発生器１０１は、異なる周波数のテラヘルツ波発生器を複数個集積もしくは並べたものや、単一発振周波数を掃引できるテラヘルツ波発生器を用いて、複数の周波数における気体によるテラヘルツ波の吸収係数を算出し、気体を分析しても良い。また、少なくとも気体セル内の気体による吸収線の半値全幅以上の範囲で、発振周波数を掃引可能な単一発振周波数のテラヘルツ波発生器を用いて、吸収線の強さと吸収線の幅を算出し、気体を分析してもよい。
ところで、低濃度の気体を精度よく分析するために、気体セル１０３内の光路長を長くすることで気体によるテラヘルツ波の吸収量を増やす方法も考えられる。しかし、ある程度高濃度の気体を分析する際、テラヘルツ波が過剰に吸収されるため、テラヘルツ波検出器１０７に到達するテラヘルツ波の光量が、テラヘルツ波検出器１０７の雑音等価光量以下となり、気体の種類や濃度を適切に分析可能なレンジが狭まるという課題がある。
次に、本実施例における気体分析装置の特徴である、分析可能な気体濃度レンジの拡大方法について説明する。
図１に示した、ハーフミラー１０４に入射したテラヘルツ波１０２の一部光量はハーフミラー１０４を透過する。ハーフミラー１０４を透過したテラヘルツ波１０２はテラヘルツ波検出器１０６に入射する。
ハーフミラー１０４による、テラヘルツ波の反射率をＲ、テラヘルツ波発生器１０１からテラヘルツ波検出器１０６までの気体セル１０３内の光路長をＬ１、テラヘルツ波発生器１０１からテラヘルツ波検出器１０７までの気体セル１０３内の光路長をＬ２とおくと、テラヘルツ波検出器１０６に到達するテラヘルツ波１０２の光量は(１-Ｒ)Ｉ０ｅｘｐ(-ａＬ１)、テラヘルツ波検出器１０７に到達するテラヘルツ波１０２の光量はＲＩ０ｅｘｐ(-ａＬ２)となる。
図２は本実施例における、テラヘルツ波検出器１０６、１０７で検出したテラヘルツ波１０２の光量を処理する演算部２０１の構成の一例を示したものである。テラヘルツ波検出器１０６、１０７で検出したテラヘルツ波１０２の光量は、演算部２０１へ入力され、気体セル１０３内の気体を分析する分析部２０２へと転送される。分析部２０２はテラヘルツ波１０２の光量から気体セル１０３内の気体によるテラヘルツ波１０２の吸収係数aを計算する。
このとき、テラヘルツ波検出器１０７で検出したテラヘルツ波１０２の光量が、テラヘルツ波検出器１０７の雑音等価光量以下の場合、テラヘルツ波検出器１０７で検出したテラヘルツ波１０２の光量を用いた吸収係数aの算出は行わず、テラヘルツ波検出器１０６で検出したテラヘルツ波１０２の光量を用いた吸収係数aの算出を行う。その後、分析部１０２は、吸収係数aと気体の種類及び濃度を対応付けるデータを蓄積したデータ蓄積部２０３に蓄積されたデータを参照し、気体の分析を行う。
以上の構成とすることで、気体セル１０３内の気体濃度が低い場合には、気体セル１０３内の光路長が長く、気体によるテラヘルツ波の吸収量が大きい、テラヘルツ波検出器１０７に到達するテラヘルツ波１０２の光量をもとに気体を分析する。
一方、気体セル１０３内の気体濃度が高い場合には、気体セル１０３内の光路長が短く、気体によるテラヘルツ波の吸収量が小さい、テラヘルツ波検出器１０６に到達するテラヘルツ波１０２の光量をもとに気体を分析する。このような方法で気体濃度を分析することで、分析可能な気体濃度のレンジを拡大することが可能となる。
テラヘルツ波検出器１０６と１０７で検出したテラヘルツ波１０２の光量のうち、気体分析に使用する光量は、例えば、複数の光量の中から、光量がテラヘルツ波検出器の雑音等価光量以上のものを選べば良い。
なお、本実施例における気体分析装置の構成は、ここで示した構成に限らず、例えば３つ以上のテラヘルツ波検出器を用いて、３通り以上の光路長の長さで測定を行っても良いし、ミラー１０５をハーフミラーで置き換え、その後方にもテラヘルツ波検出器を配置しても良い。
また、テラヘルツ波検出器が検出するテラヘルツ波は、気体セル１０３内を透過したものに限らず、図３に示したように、気体セル１０３に入射する前のテラヘルツ波１０２の一部光量を検出するテラヘルツ波検出器３０１を追加しても良い。このような構成とし、テラヘルツ波検出器３０１で検出した光量の変化率と他のテラヘルツ波検出器で検出した光量の積を計算することで、テラヘルツ波発生器１０１から発生するテラヘルツ波１０２の光量のゆらぎや、経時劣化を補正することが可能となる。
本実施例が実施例１と異なるのは、本実施例の気体分析装置が複数のテラヘルツ波発生器を有しており、気体セル内の異なるテラヘルツ波光路長ごとに、テラヘルツ波発生部とテラヘルツ波検出部が対となっている点である。
図４は本実施例における気体分析装置の基本的な構成の一例を示したものである。テラヘルツ波発生器４０１～４０３から発生したテラヘルツ波４０４～４０６は、それぞれ気体セル１０３の異なる領域を透過し、それぞれテラヘルツ波検出器４０７～４０９へと入射する。
気体セル１０３は、例えば図４に示すようにテーパー構造を有しており、テラヘルツ波が入射する位置に応じて、気体セル１０３内の光路長が変化する。このため、テラヘルツ波４０４～４０６の気体セル１０３内の光路長はそれぞれ異なる。
以上の構成によると、気体セル内の気体濃度に応じて気体分析に用いるテラヘルツ波の光路長を選択することができ、分析可能な気体濃度のレンジを拡大することが可能になる。また、実施例１では課題となる、ハーフミラー１０４でのテラヘルツ波の分岐によるテラヘルツ波の光量の低下や、テラヘルツ波が気体セルを複数回透過することによる、テラヘルツ波の気体セル表面での反射損失を抑制することができる。
なお、気体セル１０３のテーパー構造は、テラヘルツ波が気体セル１０３にブリュースター角で入射するように設計し、気体セル１０３の表面におけるテラヘルツ波の反射損失を抑制しても良い。また、気体セルの構造は上記に限らず、異なる位置から入射したテラヘルツ波の、気体セル内のテラヘルツ波光路長が、それぞれ異なるような構成であれば構わない。
また、テラヘルツ波発生部とテラヘルツ波検出部の対ごとに、気体セル内のテラヘルツ波光路長を変える方法は、以上の方法に限らず、例えば図５に示すテラヘルツ波発生部５０１を用いても良い。テラヘルツ波発生部５０１は複数のテラヘルツ波発光面５０２～５０４を有しており、テラヘルツ波発光面５０２～５０４は互いに段差をつけて配置される。
図６は、テラヘルツ波発生部５０１を用いた気体分析装置の基本的な構成の一例を示す図である。気体セル１０３の内部に配置された、テラヘルツ波発生部５０１のテラヘルツ波発光面５０２～５０４からそれぞれ発生したテラヘルツ波４０４～４０６は、テラヘルツ波検出４０７～４０９に入射する。以上の構成により、テラヘルツ波４０４～４０６の気体セル１０３中の光路長を互いに異なる長さにすることが可能となる。
なお、テラヘルツ波発生部５０１の構成は本実施例に示したものに限らず、テラヘルツ波発光面を２次元アレー状に配置したものでも良い。また、以上の段差構造はテラヘルツ発生器に限らず、複数のテラヘルツ受光面に互いに段差をつけて配置したテラヘルツ波検出器を用いても良い。
図６ではテラヘルツ波発生部５０１とテラヘルツ波検出部４０７～４０９をすべて気体セル１０３の内部に配置したが、テラヘルツ波発生部とテラヘルツ波検出部のうち、段差構造を設けたものだけを気体セル１０３内に配置しても良い。
本実施例が実施例２と異なるのは、複数のテラヘルツ波発生器から発生したテラヘルツ波を、同一のテラヘルツ波検出器に入射して検出する点である。
図７は本実施例における気体分析装置の基本的な構成の一例を示したものである。変調器７０１はテラヘルツ波検発生器４０１～４０３に振幅変調を加え、テラヘルツ波発生器４０１～４０３は振幅変調されたテラヘルツ波４０４～４０６を発生する。テラヘルツ波発生器４０１～４０３にそれぞれ異なる変調を加え、テラヘルツ波検出器４０７でそれぞれの変調成分を検出することで、テラヘルツ波発生器４０１～４０３から発生したテラヘルツ波４０４～４０６を判別することが可能となる。
本実施例における、変調器７０１によってテラヘルツ波発生器４０１～４０３に加える変調信号および、テラヘルツ波検出器４０７で検出した、テラヘルツ波の検出信号の一例を図８を用いて説明する。
図８（ａ）は変調器７０１からテラヘルツ波発生器４０１～４０３に加える変調信号を示したグラフである。テラヘルツ波発生器４０１～４０３から発生するテラヘルツ波４０４～４０６はそれぞれ変調周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の変調信号８０１～８０３で変調される。
変調されたテラヘルツ波４０４～４０６は同一のテラヘルツ波検出器４０７に入射する。図８（ｂ）はテラヘルツ波検出器４０７で検出されるテラヘルツ波の光量を示したグラフである。テラヘルツ波検出器４０７で検出される光量はテラヘルツ波４０４～４０６の光量の和である。図８（ｃ）は図８（ｂ）の検出信号の波形をフーリエ変換したものである。フーリエ変換によって検出信号を変調周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の周波数ピーク８０４～８０６に分解することができる。周波数ピーク８０４～８０６の信号強度はそれぞれテラヘルツ波４０４～４０６の光量に相当する。
以上の構成によると、単一のテラヘルツ波検出器で複数のテラヘルツ波発生器から発生したテラヘルツ波の光量を検出することが可能となる。このため、実施例２と比較してテラヘルツ波の検出器の個数を減らすことができるため、気体分析装置の低コスト化、小型化につながる。
なお、テラヘルツ波の振幅変調は以上に示した、テラヘルツ波発生器ごとに周波数の異なる正弦波による変調に限らず、すべてのテラヘルツ波発生器に同じ周波数成分を有する変調を加えたものであっても良い。図９に、この場合に加える変調信号の一例を示す。変調器７０１から出力される、変調信号９０１～９０３はすべて同じ周波数とデューティ比を有する方形波であり、変調信号９０１～９０３はそれぞれテラヘルツ波発生器４０１～４０３を変調する。変調信号９０１～９０３は、位相成分のみが互いに異なっており、テラヘルツ波検出器４０７にテラヘルツ波４０４～４０６が入射するタイミングがずれている。テラヘルツ波検出器４０７において、変調信号９０１～９０３と同期してテラヘルツ波４０４～４０６の光量を時分割測定することで、複数のテラヘルツ波発生器から発生したテラヘルツ波の光量を、単一のテラヘルツ波検出器で検出することが可能となる
本実施例が実施例１と異なるのは、単一の発振周波数のテラヘルツ波を連続発振するテラヘルツ波発光部を複数個用いる点である。
図１０は本実施例における気体分析装置の基本的な構成の一例を示したものである。テラヘルツ発生器１０１は、互いに異なる単一発振周波数を有するテラヘルツ波１００１～１００４を発生する。発生したテラヘルツ波１００１～１００４は気体セル１０３を透過した後にテラヘルツ波検出器１０７に入射する。
図１１は本実施例におけるテラヘルツ波発生器１０１とテラヘルツ検出器１０７の構成の一例を示したものである。テラヘルツ波発生器１０１は単一の発振周波数のテラヘルツ波を連続発振するテラヘルツ波発光面１１０１－１１０４を有し、テラヘルツ波発光面１１０１－１１０４はそれぞれ異なる周波数のテラヘルツ波１００１～１００４を発振する。
テラヘルツ波検出器１０７はテラヘルツ波受光面１１０５～１１０８を有し、テラヘルツ波受光面１１０５はテラヘルツ波１００１を、テラヘルツ波受光面１１０６はテラヘルツ波１００２を、テラヘルツ波受光面１１０７はテラヘルツ波１００３を、テラヘルツ波受光面１１０８はテラヘルツ波１００４を、受光する。
なお、テラヘルツ波発生器と検出器は、テラヘルツ波発光面と受光面を２次元アレー状に並べたものに限らず、一列に並べたものでも良いし、１つのテラヘルツ波発光面を有するテラヘルツ波発生器および１つのテラヘルツ波受光面を有するテラヘルツ波検出器をそれぞれ複数ならべる構成としても良い。
以上の構成によれば、測定可能なテラヘルツ波周波数のレンジを拡大することができる。テラヘルツ波検出器１０７で検出した、複数のテラヘルツ波周波数の光量のうち、光量がテラヘルツ波検出器の雑音等価光量以上のものを選ぶことで、気体セル１０３内の気体濃度が高い場合は気体によるテラヘルツ波の吸収係数ａが小さい周波数で気体を分析することができるため、分析可能な気体濃度のレンジを広げることが可能になる。
また、複数の周波数のテラヘルツ波の光量を測定することで、気体分析精度を向上することができる。例えば気体によるテラヘルツ波の吸収係数ａは、気体濃度に対して単純に比例しないことが知られており、複数の周波数におけるテラヘルツ波の吸収係数ａの比から、気体セル中の光路長によらず、気体濃度を一意に求めることができる。気体濃度に応じた吸収係数ａの比の変化が顕著に確認できる、複数のテラヘルツ波の周波数を選択して本実施例の気体分析装置を構成し、複数の周波数における吸収係数ａの比から気体の分析を行うことで、振動や変形などの外乱による気体セル中の光路長変化の影響を取り除いた測定が可能になる。
なお、本実施例ではテラヘルツ波発光面、およびテラヘルツ波受光面の数、構成は本実施例に示したものに限らず、少なくとも２つ以上のテラヘルツ波周波数を利用する構成であれば良い。
以上の構成によれば、単一発振周波数のテラヘルツ波光源を用いた気体分析装置において、分析可能な気体濃度レンジを拡大することが可能になる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。変形例としては下記の構成が挙げられる。
変形例１として、テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する、少なくとも１つ以上の発生部と、前記発生部から生成した前記テラヘルツ帯の光を受光する、少なくとも２つ以上の検出部と、前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、を有し、前記テラヘルツ帯の光の同一光路中の異なる地点における、前記テラヘルツ帯の光の光量の一部を前記検出部で測定し、前記検出部で測定した異なる地点の前記光量から、前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする気体分析装置。
変形例２として、変形例１に記載の気体分析装置において、前記発生部から生成した前記テラヘルツ帯の光は、前記気体のテラヘルツ帯の少なくとも１つの吸収線の、半値全幅以上の範囲で発振周波数を掃引できること、を特徴とする気体分析装置。
変形例３として、変形例１に記載の気体分析装置において、複数の前記発生部を有し、前記発生部は、互いに異なる単一発振周波数の前記テラヘルツ帯の光を生成する、ことを特徴とする気体分析装置。
変形例４として、変形例１に記載の気体分析装置において、異なる地点の前記光量の測定値、および前記測定値と気体の種類・濃度を対応付けるデータを蓄積するデータ蓄積部と、前記データ蓄積部に蓄積した、前記測定値、および前記測定値と気体の種類・濃度を対応付けるデータをもとに、前記気体セル中の気体の種類・濃度を分析する分析部と、から構成されることを特徴とする気体分析装置。
変形例５として、変形例１に記載の気体分析装置において、前記テラヘルツ帯の光が前記気体セルに入射する前に、前記発生部から生成した前記テラヘルツ帯の光の一部光量を分岐する光分岐素子と、前記光分岐素子により生成され、前記気体セルを通過しない分岐光の光量を測定する、分岐光検出部と、を有し前記分岐光の光量と前記テラヘルツ波の光量の光量比から、前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする気体分析装置。
変形例６として、テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する、少なくとも２つ以上の発生部と、前記発生部から生成した前記テラヘルツ帯の光を受光し、前記発生部それぞれと対となる、少なくとも２つ以上の検出部と、前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、を有し、前記気体セルは、前記発生部と対となる検出部ごとに前記気体セル内の光路長を異なる長さにする構造とし、前記検出部から得られる前記光量から、前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする、気体分析装置。
変形例７として、テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する、少なくとも２つ以上の発光面で構成される発生部と、前記発生部から生成した前記テラヘルツ帯の光を受光し、前記発光面と対になる少なくとも２つ以上の受光面で構成される検出部と、を有し、前記発生部と前記検出部の少なくとも一方は、前記発生部と前記検出部との対ごとに前記発光面と前記受光面との間の光路長を異なる長さにする構造とし、前記検出部から得られる前記光量から、前記発光面と前記受光面の間の気体を分析する、ことを特徴とする、気体分析装置。
変形例８として、テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する、少なくとも２つ以上の発生部と、２つ以上の前記発生部から生成したテラヘルツ帯の光を受光する、少なくとも１つ以上の検出部と、前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、を有し、前記発生部ごとに、前記テラヘルツ帯の光を異なる変調周波数で振幅変調し、前記検出部は異なる変調周波数ごとに前記テラヘルツ帯の光の光量を測定することで、異なる前記発生部から生成される前記テラヘルツ帯の光の光量を測定し、前記検出部から得られる前記光量から、前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする気体分析装置。
変形例９として、テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する、少なくとも２つ以上の発生部と、２つ以上の前記発生部から生成したテラヘルツ帯の光を受光する、少なくとも１つ以上の検出部と、前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、を有し、異なる前記発生部ごとに、前記テラヘルツ帯の光は異なる位相の同一変調周波数で振幅変調され、前記検出部は異なる位相をもつ前記テラヘルツ帯の光ごとに光量を測定することで、異なる前記発生部から生成された前記光量を測定し、前記検出部で得られる前記光量から、前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする気体分析装置。
変形例１０として、テラヘルツ波を用いて所定の気体を分析する気体分析装置において、それぞれ異なる単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する、少なくとも２つ以上の発生部と、前記テラヘルツ帯の光の光量を測定する、少なくとも１つ以上の検出部と、前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、前記検出部で得られる前記テラヘルツ帯の光の光量から、前記気体セル中の気体を分析する演算部と、を有し、前記演算部は、前記検出部で得られる前記光量から前記検出部の雑音等価光量以上の前記光量を選択するデータ選択工程を有し、前記データ選択工程で選択された前記光量の比から、前記気体セル中の気体を前記演算部で分析する、ことを特徴とする気体分析装置。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD（Solid State Drive）等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
１０１・・・テラヘルツ波発生器、１０２・・・テラヘルツ波、１０３・・・気体セル、１０４・・・ハーフミラー、１０５・・・ミラー、１０６・・・テラヘルツ波検出器、１０７・・・テラヘルツ波検出器、２０１・・・演算部、２０２・・・分析部、２０３・・・データ蓄積部、３０１・・・テラヘルツ波検出器、４０１・・・テラヘルツ波発生器、４０２・・・テラヘルツ波発生器、４０３・・・テラヘルツ波発生器、４０４・・・テラヘルツ波、４０５・・・テラヘルツ波、４０６・・・テラヘルツ波、４０７・・・テラヘルツ波検出器、４０８・・・テラヘルツ波検出器、４０９・・・テラヘルツ波検出器、５０１・・・テラヘルツ波発生器、５０２・・・テラヘルツ波発光面
５０３・・・テラヘルツ波発光面、５０４・・・テラヘルツ波発光面、７０１・・・変調器、８０１・・・変調信号、８０２・・・変調信号、８０３・・・変調信号、８０４・・・周波数ピーク、８０５・・・周波数ピーク、８０６・・・周波数ピーク、９０１・・・変調信号、９０２・・・変調信号、９０３・・・変調信号、１００１・・・テラヘルツ波、１００２・・・テラヘルツ波、１００３・・・テラヘルツ波、１００４・・・テラヘルツ波、１１０１・・・テラヘルツ波発光面、１１０２・・・テラヘルツ波発光面、１１０３・・・テラヘルツ波発光面、１１０４・・・テラヘルツ波発光面、１１０５・・・テラヘルツ波受光面、１１０６・・・テラヘルツ波受光面、１１０７・・・テラヘルツ波受光面、１１０８・・・テラヘルツ波受光面
５０３・・・テラヘルツ波発光面、５０４・・・テラヘルツ波発光面、７０１・・・変調器、８０１・・・変調信号、８０２・・・変調信号、８０３・・・変調信号、８０４・・・周波数ピーク、８０５・・・周波数ピーク、８０６・・・周波数ピーク、９０１・・・変調信号、９０２・・・変調信号、９０３・・・変調信号、１００１・・・テラヘルツ波、１００２・・・テラヘルツ波、１００３・・・テラヘルツ波、１００４・・・テラヘルツ波、１１０１・・・テラヘルツ波発光面、１１０２・・・テラヘルツ波発光面、１１０３・・・テラヘルツ波発光面、１１０４・・・テラヘルツ波発光面、１１０５・・・テラヘルツ波受光面、１１０６・・・テラヘルツ波受光面、１１０７・・・テラヘルツ波受光面、１１０８・・・テラヘルツ波受光面
Claims (13)
- テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、
単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する光発生部と、
前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光を受光し、光量を測定する第１と第２の検出部と、
前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、を有し、
前記第１と第２の検出部は、前記テラヘルツ帯の光の同一光路中の異なる地点に配置され、
前記第１と第２の検出部で測定した光量から前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする気体分析装置。 - 請求項１に記載の気体分析装置において、
前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光は、前記気体のテラヘルツ帯の少なくとも１つの吸収線の、半値全幅以上の範囲で発振周波数を掃引する、ことを特徴とする気体分析装置。 - 請求項１に記載の気体分析装置において、
前記光発生部を複数有し、
前記光発生部は、互いに異なる単一発振周波数の前記テラヘルツ帯の光を生成する、ことを特徴とする気体分析装置。 - 請求項１に記載の気体分析装置において、
前記第１と第２の検出部における前記光量の測定値と、前記測定値と気体の種類および濃度を対応付けるデータとを蓄積するデータ蓄積部と、
前記データ蓄積部に蓄積した、前記測定値と、前記測定値と気体の種類および濃度を対応付けるデータをもとに、前記気体セル中の気体の種類および濃度を分析する分析部と、
を備える、ことを特徴とする気体分析装置。 - 請求項１に記載の気体分析装置において、
前記テラヘルツ帯の光が前記気体セルに入射する前に、前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光の一部光量を分岐する光分岐素子と、
前記光分岐素子により分岐され、前記気体セルを通過しない分岐光の光量を測定する分岐光検出部と、を有し
前記分岐光の光量と前記テラヘルツ波の光量の光量比から、前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする気体分析装置。 - テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、
単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する第１と第２の光発生部と、
前記第１の光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光を受光し、光量を測定する第１の検出部と、前記第２の光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光を受光し、光量を測定する第２の検出部と、
前記第１と第２の光発生部が生成したテラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、を有し、
前記第１と第２の光発生部と、前記第１と第２の検出部と、前記気体セルは、前記気体セル内の光路長が、前記第１の光発生部と前記第１の検出部との間の光路長と、前記第２の光発生部と前記第２の検出器との間の光路長とで異なる長さになるよう配置され、
前記第１と第２の検出部で測定した前記光量から、前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする、気体分析装置。 - 請求項６に記載の気体分析装置において、
前記気体セルは、前記第１の光発生部と前記第１の検出部と、前記第２の光発生部と前記第２の検出部との前記気体セル内での光路長が異なる光路長になるように、前記第１と第２の光発生部と前記第１と第２の検出部との間に配置される、ことを特徴とする気体分析装置。 - 請求項６に記載の気体分析装置において、
前記第１と第２の光発生部と、前記第１と第２の検出部は、前記第１の光発生部と前記第１の検出部との間の光路長と、前記第２の光発生部と前記第２の検出器との間の光路長とで異なる長さになるように気体セル内に配置される、ことを特徴とする気体分析装置。 - テラヘルツ波を用いて、気体を分析する気体分析装置において、
単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する、２つ以上の光発生部と、
前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光を受光し、光量を測定する検出部と、
前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、
それぞれの前記光発生部ごとに生成した前記テラヘルツ帯の光を、それぞれ異なる振幅変調する変調器と、を有し、
前記検出部が、異なる変調ごとに前記テラヘルツ帯の光の光量を測定することで、前記気体セル中の気体を分析する、ことを特徴とする気体分析装置。 - 請求項９に記載の気体分析装置において、
前記変調器は、それぞれの前記光発生部ごとに生成した前記テラヘルツ帯の光を、それぞれ異なる変調周波数で振幅変調し、
前記検出部は、異なる変調周波数ごとに前記テラヘルツ帯の光の光量を測定する、ことを特徴とする気体分析装置。 - 請求項９に記載の気体分析装置において、
前記変調器は、それぞれの前記光発生部ごとに生成した前記テラヘルツ帯の光を、それぞれ異なる位相の同一変調周波数で振幅変調し、
前記検出部は、異なる位相ごとに前記テラヘルツ帯の光の光量を測定すること、
を特徴とする気体分析装置。 - テラヘルツ波を用いて所定の気体を分析する気体分析装置において、
それぞれ異なる単一発振周波数のテラヘルツ帯の光を生成する２つ以上の光発生部と、
前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光を受光し、光量を測定する検出部と、
前記光発生部が生成した前記テラヘルツ帯の光が内部を通過する気体セルと、
前記検出部でそれぞれ異なる周波数ごとに測定した前記テラヘルツ帯の光の光量から、前記気体セル中の気体を分析する演算部と、を有し、
前記演算部は、前記検出部でそれぞれ異なる周波数ごとに測定した前記光量から前記検出部の雑音等価光量以上の前記光量を選択し、
前記選択した光量から、前記気体セル中の気体を前記演算部で分析する、ことを特徴とする気体分析装置。 - 請求項１２に記載の気体分析装置において、
異なる周波数の前記選択した光量の比から、前記気体セル中の気体を前記演算部で分析する、ことを特徴とする気体分析装置。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020045444A1 (ja) * | 2018-08-31 | 2020-03-05 | 国立研究開発法人理化学研究所 | テラヘルツ波を用いた検査装置と検査方法 |
| KR20230044060A (ko) * | 2021-09-24 | 2023-04-03 | 한국원자력연구원 | 회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63261140A (ja) * | 1987-04-17 | 1988-10-27 | Nippon Steel Corp | 気体濃度検出装置 |
| JPS649339A (en) * | 1987-07-01 | 1989-01-12 | Hitachi Ltd | Atomic absorption photometer |
| US6147351A (en) * | 1996-12-30 | 2000-11-14 | Instrumentarium Corp. | Accurate measurement for the concentration of a gas component in a gas mixture, wherein other components influence the concentration analysis |
| US6181426B1 (en) * | 1998-04-03 | 2001-01-30 | Mcdonnell Douglas Corporation | Gas concentration monitoring system |
| JP2006145512A (ja) * | 2004-11-17 | 2006-06-08 | Semiconductor Res Found | 流体中含有物質を高感度検出する測定装置および方法 |
| JP2011007669A (ja) * | 2009-06-26 | 2011-01-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | テラヘルツ分光システム及び物質同定方法 |
| JP2011169637A (ja) * | 2010-02-16 | 2011-09-01 | Sony Corp | テラヘルツ分光用デバイスおよびその製造方法、ならびにテラヘルツ分光装置 |
| JP2012061232A (ja) * | 2010-09-17 | 2012-03-29 | Konica Minolta Sensing Inc | 光学的内部情報計測装置 |
| JP2013167591A (ja) * | 2012-02-17 | 2013-08-29 | Murata Mfg Co Ltd | 物質センシング方法及び物質センシング装置 |
| JP2014062892A (ja) * | 2012-08-30 | 2014-04-10 | Arkray Inc | テラヘルツ波分光測定装置及び方法、非線形光学結晶の検査装置及び方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013138112A (ja) * | 2011-12-28 | 2013-07-11 | Pioneer Electronic Corp | テラヘルツ波発生装置および測定装置 |
-
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Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63261140A (ja) * | 1987-04-17 | 1988-10-27 | Nippon Steel Corp | 気体濃度検出装置 |
| JPS649339A (en) * | 1987-07-01 | 1989-01-12 | Hitachi Ltd | Atomic absorption photometer |
| US6147351A (en) * | 1996-12-30 | 2000-11-14 | Instrumentarium Corp. | Accurate measurement for the concentration of a gas component in a gas mixture, wherein other components influence the concentration analysis |
| US6181426B1 (en) * | 1998-04-03 | 2001-01-30 | Mcdonnell Douglas Corporation | Gas concentration monitoring system |
| JP2006145512A (ja) * | 2004-11-17 | 2006-06-08 | Semiconductor Res Found | 流体中含有物質を高感度検出する測定装置および方法 |
| JP2011007669A (ja) * | 2009-06-26 | 2011-01-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | テラヘルツ分光システム及び物質同定方法 |
| JP2011169637A (ja) * | 2010-02-16 | 2011-09-01 | Sony Corp | テラヘルツ分光用デバイスおよびその製造方法、ならびにテラヘルツ分光装置 |
| JP2012061232A (ja) * | 2010-09-17 | 2012-03-29 | Konica Minolta Sensing Inc | 光学的内部情報計測装置 |
| JP2013167591A (ja) * | 2012-02-17 | 2013-08-29 | Murata Mfg Co Ltd | 物質センシング方法及び物質センシング装置 |
| JP2014062892A (ja) * | 2012-08-30 | 2014-04-10 | Arkray Inc | テラヘルツ波分光測定装置及び方法、非線形光学結晶の検査装置及び方法 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2020045444A1 (ja) * | 2018-08-31 | 2020-03-05 | 国立研究開発法人理化学研究所 | テラヘルツ波を用いた検査装置と検査方法 |
| JP2020034530A (ja) * | 2018-08-31 | 2020-03-05 | 国立研究開発法人理化学研究所 | テラヘルツ波を用いた検査装置と検査方法 |
| JP7232498B2 (ja) | 2018-08-31 | 2023-03-03 | 国立研究開発法人理化学研究所 | テラヘルツ波を用いた検査装置と検査方法 |
| KR20230044060A (ko) * | 2021-09-24 | 2023-04-03 | 한국원자력연구원 | 회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법 |
| KR102584122B1 (ko) * | 2021-09-24 | 2023-10-06 | 한국원자력연구원 | 회절소자를 포함하는 동위원소 측정 장치 및 이를 이용한 동위원소 측정방법 |
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