JP2003222591A - ガス測定装置 - Google Patents
ガス測定装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型、安価で測定精度の高いアンモニアガス
測定装置を提供する。 【解決手段】 λ１の波長を出力する第１レーザ光源
と、λ２の波長を出力する第２レーザ光源と、これら２
つの波長を入力し、少なくとも測定対象ガスに対する吸
収波長λ３を生成して出力する非線形結晶と、この非線
形結晶から出力した光のうち前記λ３の波長を通過させ
るフィルタと、このフィルタを通過したレーザ光を入力
する被測定ガスが導入されたガスセルと、このガスセル
を透過した光を受光する受光素子を備えたガス測定装置
であって、前記ガスセル内の圧力を０．３気圧以下に下
げた状態で被測定ガス濃度を測定する。
測定装置を提供する。 【解決手段】 λ１の波長を出力する第１レーザ光源
と、λ２の波長を出力する第２レーザ光源と、これら２
つの波長を入力し、少なくとも測定対象ガスに対する吸
収波長λ３を生成して出力する非線形結晶と、この非線
形結晶から出力した光のうち前記λ３の波長を通過させ
るフィルタと、このフィルタを通過したレーザ光を入力
する被測定ガスが導入されたガスセルと、このガスセル
を透過した光を受光する受光素子を備えたガス測定装置
であって、前記ガスセル内の圧力を０．３気圧以下に下
げた状態で被測定ガス濃度を測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体プロセスなど
で重要な指標となる例えばアンモニアガスの濃度測定装
置に関する。
で重要な指標となる例えばアンモニアガスの濃度測定装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体プロセス中、特に露光プロセスに
おいてはアンモニアガスの存在が品質を左右する。品質
に影響を与えるアンモニアガスの濃度は１〜０．１ppb
オーダである。従ってアンモニアガスの測定装置は高感
度・高精度が要求される。図８は従来から用いられてい
るアンモニアガス測定装置の一例を示す概略構成図であ
る。
おいてはアンモニアガスの存在が品質を左右する。品質
に影響を与えるアンモニアガスの濃度は１〜０．１ppb
オーダである。従ってアンモニアガスの測定装置は高感
度・高精度が要求される。図８は従来から用いられてい
るアンモニアガス測定装置の一例を示す概略構成図であ
る。
【０００３】図において、２１は拡散スクラバーであ
り、アンモニア吸収液である純水を循環させる純水循環
装置２２を有している。この拡散スクラバーは図では省
略するが、ガラス管の中に多孔質テフロン（登録商標）
チューブが挿入された二重管構造とされ、外側を純水循
環装置２２の吸収液が循環し、内側をクリーンルームな
どで収集した雰囲気ガスが流れるようになっている。２
３は雰囲気ガスを吸引するガス捕集ポンプである。
り、アンモニア吸収液である純水を循環させる純水循環
装置２２を有している。この拡散スクラバーは図では省
略するが、ガラス管の中に多孔質テフロン（登録商標）
チューブが挿入された二重管構造とされ、外側を純水循
環装置２２の吸収液が循環し、内側をクリーンルームな
どで収集した雰囲気ガスが流れるようになっている。２
３は雰囲気ガスを吸引するガス捕集ポンプである。
【０００４】雰囲気ガスを吸収した吸収液は切替バルブ
２５及びサンプルポンプ２６を介して分析手段２４側に
配置された自動切替えバルブ２７に送出される。自動切
替えバルブ２７は吸収液を濃縮カラム２８で濃縮し、溶
離液ポンプ２９からの溶離液とともに分離カラム３０側
に送出する。検出器３１は分離カラム３０で分離された
成分毎に雰囲気ガスに含まれていたガス成分の分析を行
なう。
２５及びサンプルポンプ２６を介して分析手段２４側に
配置された自動切替えバルブ２７に送出される。自動切
替えバルブ２７は吸収液を濃縮カラム２８で濃縮し、溶
離液ポンプ２９からの溶離液とともに分離カラム３０側
に送出する。検出器３１は分離カラム３０で分離された
成分毎に雰囲気ガスに含まれていたガス成分の分析を行
なう。
【０００５】上述の分析装置の他にもアンモニアガスな
どの測定手段として、図９に示す半導体式赤外線分析計
や図１０に示すマイクロホン式赤外線分析計が知られて
いる。
どの測定手段として、図９に示す半導体式赤外線分析計
や図１０に示すマイクロホン式赤外線分析計が知られて
いる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図８に示す
測定装置においては、濃縮分離に時間がかかるとともに
装置が大掛かりとなり、メンテナンスも大変で非常に高
価であるという問題があり、図９，１０に示す従来装置
では、被測定ガス中の微量特定ガスの濃度測定を実施す
る場合他のガスの影響を受けることで、目的とするガス
の濃度測定が困難になる場合が多く、特に水分が広い領
域に悪影響を与える。
測定装置においては、濃縮分離に時間がかかるとともに
装置が大掛かりとなり、メンテナンスも大変で非常に高
価であるという問題があり、図９，１０に示す従来装置
では、被測定ガス中の微量特定ガスの濃度測定を実施す
る場合他のガスの影響を受けることで、目的とするガス
の濃度測定が困難になる場合が多く、特に水分が広い領
域に悪影響を与える。
【０００７】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたもので、高感度の分析計測を可能とし小型化をはか
ったガス測定装置を実現することを目的とするものであ
る。
れたもので、高感度の分析計測を可能とし小型化をはか
ったガス測定装置を実現することを目的とするものであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】このような問題点を解決
するために本発明は、請求項１においては、λ１の波長
を出力する第１レーザ光源と、λ２の波長を出力する第
２レーザ光源と、これら２つの波長を入力し、少なくと
も測定対象ガスに対する吸収波長λ３を生成して出力す
る非線形結晶と、この非線形結晶から出力した光のうち
前記λ３の波長を通過させるフィルタと、このフィルタ
を通過したレーザ光を入力する被測定ガスが導入された
ガスセルと、このガスセルを透過した光を受光する受光
素子を備えたガス測定装置であって、前記ガスセル内の
圧力を０．３気圧以下に下げた状態で被測定ガス濃度を
測定することを特徴とする。
するために本発明は、請求項１においては、λ１の波長
を出力する第１レーザ光源と、λ２の波長を出力する第
２レーザ光源と、これら２つの波長を入力し、少なくと
も測定対象ガスに対する吸収波長λ３を生成して出力す
る非線形結晶と、この非線形結晶から出力した光のうち
前記λ３の波長を通過させるフィルタと、このフィルタ
を通過したレーザ光を入力する被測定ガスが導入された
ガスセルと、このガスセルを透過した光を受光する受光
素子を備えたガス測定装置であって、前記ガスセル内の
圧力を０．３気圧以下に下げた状態で被測定ガス濃度を
測定することを特徴とする。
【０００９】請求項２においては、請求項1記載のガス
測定装置において、前記λ１，λ２のうちいずれか若し
くは両方を掃引してλ３の波長を２．２１１５〜２．２
１４μｍを含む範囲で掃引することを特徴とする。
測定装置において、前記λ１，λ２のうちいずれか若し
くは両方を掃引してλ３の波長を２．２１１５〜２．２
１４μｍを含む範囲で掃引することを特徴とする。
【００１０】請求項３においては、請求項1または２記
載のガス測定装置において、前記受光素子からの出力信
号の吸収ピーク値近傍で前記λ３の波長をＦＭ変調し、
２ｆ信号を出力信号とすることを特徴とする。
載のガス測定装置において、前記受光素子からの出力信
号の吸収ピーク値近傍で前記λ３の波長をＦＭ変調し、
２ｆ信号を出力信号とすることを特徴とする。
【００１１】請求項４においては、請求項1乃至３いず
れかに記載のガス測定装置において、前記ガスセルの前
段にハーフミラーを設けてλ３の波長の光を分割すると
ともに、分割した光を入射する参照ガスセルを設け、こ
の参照ガスセルの内圧を０．３ｋｇ／ｃｍ２として既知
の濃度の測定対象ガス若しくは既知の濃度の測定対象ガ
スを含むガスを導入し、測定レーザ（λ３）の波長を校
正するようにしたことを特徴とする。
れかに記載のガス測定装置において、前記ガスセルの前
段にハーフミラーを設けてλ３の波長の光を分割すると
ともに、分割した光を入射する参照ガスセルを設け、こ
の参照ガスセルの内圧を０．３ｋｇ／ｃｍ２として既知
の濃度の測定対象ガス若しくは既知の濃度の測定対象ガ
スを含むガスを導入し、測定レーザ（λ３）の波長を校
正するようにしたことを特徴とする。
【００１２】請求項５においては、請求項1乃至４いず
れかに記載のガス測定装置において、ガスセル内に被測
定ガスを導入するに際し、ガスの導入口にノズルを設け
このノズルの先端からガスを吹き出しながら導入するこ
とを特徴とする。
れかに記載のガス測定装置において、ガスセル内に被測
定ガスを導入するに際し、ガスの導入口にノズルを設け
このノズルの先端からガスを吹き出しながら導入するこ
とを特徴とする。
【００１３】請求項６においては、請求項1乃至５いず
れかに記載のガス測定装置において、前記ガスセル中で
測定レーザ（λ３）が奇数回反射した後受光素子側に出
射するようにしたことを特徴とする。
れかに記載のガス測定装置において、前記ガスセル中で
測定レーザ（λ３）が奇数回反射した後受光素子側に出
射するようにしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】はじめに、図６を用いて２〜２．
５μmの範囲での各種ガスにおける波長と吸収量の関係
について説明する。このような関係は一般的に知られて
いる。ここでは大気中のガスを対象とし、水蒸気（湿
度）；１０％、ＣＯ２；３３０ppm、Ｎ２Ｏ;０．３ppm、
ＣＨ４；１．６ppmを含み、アンモニアガスが１ppbの濃
度で存在するとして表示した。図において、横軸は波
長、縦軸は吸収量（無単位）を示している。なお、一点
鎖線で囲った部分は各ガスの分布範囲を示している。
５μmの範囲での各種ガスにおける波長と吸収量の関係
について説明する。このような関係は一般的に知られて
いる。ここでは大気中のガスを対象とし、水蒸気（湿
度）；１０％、ＣＯ２；３３０ppm、Ｎ２Ｏ;０．３ppm、
ＣＨ４；１．６ppmを含み、アンモニアガスが１ppbの濃
度で存在するとして表示した。図において、横軸は波
長、縦軸は吸収量（無単位）を示している。なお、一点
鎖線で囲った部分は各ガスの分布範囲を示している。
【００１５】図によればＨ２Ｏは全範囲に渡って吸収が
あり、ＣＯ２は２〜２．１５μmと２．５μm付近に、Ｎ
２Ｏは２、２．１〜２．１８５、２．２５〜２．３２、
２．４５〜２．４５３μm付近に、ＣＨ４は２．１４〜
２．５μm付近に、ＮＨ３は２〜２．０９と２．１２５
〜２．４８μm付近に吸収があることが分かる。
あり、ＣＯ２は２〜２．１５μmと２．５μm付近に、Ｎ
２Ｏは２、２．１〜２．１８５、２．２５〜２．３２、
２．４５〜２．４５３μm付近に、ＣＨ４は２．１４〜
２．５μm付近に、ＮＨ３は２〜２．０９と２．１２５
〜２．４８μm付近に吸収があることが分かる。
【００１６】図７は図６に示す波長範囲を特定の範囲に
絞って表わしたものでここでは横軸の波長範囲を２．２
０８〜２．２１８μmとしている。図から分かるように
この波長範囲ではＣＯ２，Ｎ２Ｏ，ＣＨ４に対する吸収
は見られずＨ２ＯとＮＨ３のみに吸収が見られる。
絞って表わしたものでここでは横軸の波長範囲を２．２
０８〜２．２１８μmとしている。図から分かるように
この波長範囲ではＣＯ２，Ｎ２Ｏ，ＣＨ４に対する吸収
は見られずＨ２ＯとＮＨ３のみに吸収が見られる。
【００１７】そして、更に矢印Ａで示す波長範囲２．２
１１５〜２．２１２４μｍ及び矢印Ｂで示す波長範囲
２．２１３〜２．２１３８５μｍに注目するとこの範囲
ではＨ ２Ｏによる吸収の影響がなく、また、波長範囲
２．２１１５〜２．２１４μｍの範囲であればＨ２Ｏの
影響はほとんどないので、この波長範囲ではアンモニア
のみによる吸収が行なわれるものと見なすことができ
る。
１１５〜２．２１２４μｍ及び矢印Ｂで示す波長範囲
２．２１３〜２．２１３８５μｍに注目するとこの範囲
ではＨ ２Ｏによる吸収の影響がなく、また、波長範囲
２．２１１５〜２．２１４μｍの範囲であればＨ２Ｏの
影響はほとんどないので、この波長範囲ではアンモニア
のみによる吸収が行なわれるものと見なすことができ
る。
【００１８】ところで、現在一つのレーザ光源で上述の
波長範囲を出力できるものは市販されていない。図１は
２つのレーザ光源を用いて上述の波長範囲のレーザを出
力するアンモニアガス測定装置の要部構成図である。以
下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明
の実施形態の一例を示す構成図である。図において、１
は波長λ１を出射する第１レーザ光源、２は波長λ２を
出射する第２レーザ光源である。これら光源からのレー
ザ光は非線形結晶３に入射し、この非線形結晶３により
波長λ１とλ２に基づいて生成されたλ３とともに出射
する。
波長範囲を出力できるものは市販されていない。図１は
２つのレーザ光源を用いて上述の波長範囲のレーザを出
力するアンモニアガス測定装置の要部構成図である。以
下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図１は本発明
の実施形態の一例を示す構成図である。図において、１
は波長λ１を出射する第１レーザ光源、２は波長λ２を
出射する第２レーザ光源である。これら光源からのレー
ザ光は非線形結晶３に入射し、この非線形結晶３により
波長λ１とλ２に基づいて生成されたλ３とともに出射
する。
【００１９】４は非線形結晶３から出射した光を入射す
るフィルタで、主としてλ３の波長の光を透過する。フ
ィルタ４を透過した波長λ３の光はガスセル５を通過し
て受光素子６を照射する。ガスセルには例えば半導体プ
ロセスの露光装置が設置された室内から収集した空気が
ノズル５０を介して気密にガスセル内に導入され、導入
されたガスは真空ポンプ５１で吸引されて外部に排出さ
れる。
るフィルタで、主としてλ３の波長の光を透過する。フ
ィルタ４を透過した波長λ３の光はガスセル５を通過し
て受光素子６を照射する。ガスセルには例えば半導体プ
ロセスの露光装置が設置された室内から収集した空気が
ノズル５０を介して気密にガスセル内に導入され、導入
されたガスは真空ポンプ５１で吸引されて外部に排出さ
れる。
【００２０】なお、図では省略するがガスセルには内部
の圧力を監視する圧力計が取付けられており、ガスセル
内の圧力が０．３気圧以下になるように真空ポンプの出
力が調整されている（ガスセル内の圧力を０．３気圧以
下にする根拠については後述する）。
の圧力を監視する圧力計が取付けられており、ガスセル
内の圧力が０．３気圧以下になるように真空ポンプの出
力が調整されている（ガスセル内の圧力を０．３気圧以
下にする根拠については後述する）。
【００２１】ところで、非線形結晶３で生成される波長
λ３は、 １／λ３＝（１／λ１）−（１／λ２） 但し（λ１＜λ２） の関係がある。非線形結晶３の出力光には３つの波長λ
１，λ２，λ３の光が混じってためλ１，λ２の通過を
フィルタにより阻止する。そして、λ１，λ２のいずれ
か若しくは両方を掃引させることによりλ３の波長を前
述のアンモニアの吸収波長の範囲で掃引することができ
る。
λ３は、 １／λ３＝（１／λ１）−（１／λ２） 但し（λ１＜λ２） の関係がある。非線形結晶３の出力光には３つの波長λ
１，λ２，λ３の光が混じってためλ１，λ２の通過を
フィルタにより阻止する。そして、λ１，λ２のいずれ
か若しくは両方を掃引させることによりλ３の波長を前
述のアンモニアの吸収波長の範囲で掃引することができ
る。
【００２２】ここでλ１；８５２ｎｍ
λ２；１３８６ｎｍ
としてλ３を計算するとλ３＝２２１１ｎｍとなり、こ
の付近の波長を基にλ１，λ２のいずれか若しくは両方
を掃引して２．２１１５〜２．２１４μｍの範囲を掃引
する。
の付近の波長を基にλ１，λ２のいずれか若しくは両方
を掃引して２．２１１５〜２．２１４μｍの範囲を掃引
する。
【００２３】ここで、ガス吸収光分光法に関する一般理
論は下記の式により表わされる。 ガスの吸収断面積 ａ ｃｍ２ 単位体積当りの濃度 Ｎ 個／ｃｍ３ セルの長さを Ｌ ｃｍ とすれば、ガスの吸収はランバートベールの式により下
記（1）式で表現される。なおａは1個の分子の特定波長
に対する吸収面積として定義された値である。
論は下記の式により表わされる。 ガスの吸収断面積 ａ ｃｍ２ 単位体積当りの濃度 Ｎ 個／ｃｍ３ セルの長さを Ｌ ｃｍ とすれば、ガスの吸収はランバートベールの式により下
記（1）式で表現される。なおａは1個の分子の特定波長
に対する吸収面積として定義された値である。
【００２４】ここでａは各分子のおのおのの波長におけ
る吸収係数（吸収断面積）であり、気体中に存在する種
々の気体や、個々の気体の振動モードで決まる波長λの
関数と成る。 ａ１ｍはある気体（例えばａ１ｍは酸素ガス、ａ２ｍは
窒素ガス、ａ３ｍは炭酸ガス …のような）に対するｎ
個の振動モードに対する吸収関数を表している。
る吸収係数（吸収断面積）であり、気体中に存在する種
々の気体や、個々の気体の振動モードで決まる波長λの
関数と成る。 ａ１ｍはある気体（例えばａ１ｍは酸素ガス、ａ２ｍは
窒素ガス、ａ３ｍは炭酸ガス …のような）に対するｎ
個の振動モードに対する吸収関数を表している。
【００２５】ここでａｍの形状について考える。ａｍが
励起状態からの放出時間が有限であること、あるいは気
体中の原子の圧力による広がりによるものに起因する。
しかし、実際には気体の圧力による影響が支配的であ
る。圧力による広がりは大きく分類すると２種類に分類
される。第一は、原子分子間の衝突により生じるもので
ローレンツ形の分布をしている。多種類のガスが存在す
る場合には、その分圧から下記（２）式によりローレン
ツ幅（αＬ）を計算する。
励起状態からの放出時間が有限であること、あるいは気
体中の原子の圧力による広がりによるものに起因する。
しかし、実際には気体の圧力による影響が支配的であ
る。圧力による広がりは大きく分類すると２種類に分類
される。第一は、原子分子間の衝突により生じるもので
ローレンツ形の分布をしている。多種類のガスが存在す
る場合には、その分圧から下記（２）式によりローレン
ツ幅（αＬ）を計算する。
【００２６】ここでαＡ,αＳは個々のスペクトルのラ
イン幅（あるスペクトルの頂部から３ｄＢ下がったとこ
ろの幅）、Ｔ,Ｔ0はガス温度と標準温度（296ｋ）Ｐ0は
1気圧（1.013×105pa）Ｐ´はガスの分圧、Ｐは全圧力
である。衝突による以外の線幅の増大はドップラシフト
により生じる。その時の線幅は下記（３）式のように表
現される。
イン幅（あるスペクトルの頂部から３ｄＢ下がったとこ
ろの幅）、Ｔ,Ｔ0はガス温度と標準温度（296ｋ）Ｐ0は
1気圧（1.013×105pa）Ｐ´はガスの分圧、Ｐは全圧力
である。衝突による以外の線幅の増大はドップラシフト
により生じる。その時の線幅は下記（３）式のように表
現される。
【００２７】ここでｋＢはボルツマ定数Ｃは光速であ
る。以上の前題のもとにｉ番目のラインでの吸収を考え
ると、下記（４）式のように表現される。 ここでＳｉは温度によるライン波形の変化を、Ｋｉはそ
の他のパラメータによるラインの変化を示す波形関数で
ある。これから、すべての吸収に対するｊ点での吸収係
数は、下記（５）式のように表現される。
る。以上の前題のもとにｉ番目のラインでの吸収を考え
ると、下記（４）式のように表現される。 ここでＳｉは温度によるライン波形の変化を、Ｋｉはそ
の他のパラメータによるラインの変化を示す波形関数で
ある。これから、すべての吸収に対するｊ点での吸収係
数は、下記（５）式のように表現される。
【００２８】ａ）計算の具体例
前述した（4）式を計算することにより、任意の圧力温
度ガスの種類によるラインシェープを計算できる。しか
し、解析的に大変複雑な計算となるため、ここでは NH
3 1963.028nmの吸収線を効率よく計算するため、一例
として以下の条件にて計算を行なう。 NH3 １ppb NH3以外の成分 H2O 1％（相対温度20％） CO2 100ppm N2O 1ppm の濃度でセル長100ｍ
度ガスの種類によるラインシェープを計算できる。しか
し、解析的に大変複雑な計算となるため、ここでは NH
3 1963.028nmの吸収線を効率よく計算するため、一例
として以下の条件にて計算を行なう。 NH3 １ppb NH3以外の成分 H2O 1％（相対温度20％） CO2 100ppm N2O 1ppm の濃度でセル長100ｍ
【００２９】a-1 計算結果
吸収量
（2）信号の検出方法
NH3の吸収点近傍で波長をΔλ掃引して信号検出すると
そのとき得られる信号は最悪点を考えて、ディスターバ
ンスの傾きの圧力依存性 GH2O＝‐0.016P GCO2＝5.4×10-3 P2 GNO2＝0
そのとき得られる信号は最悪点を考えて、ディスターバ
ンスの傾きの圧力依存性 GH2O＝‐0.016P GCO2＝5.4×10-3 P2 GNO2＝0
【００３０】アンモニア
GNH3＝8×10-4（1-P）+1.5×10-4
ディスターバンスの信号 Sd ω
アンモニアの信号 2ω
S／N比の最大点
分子＝0として
＝0 小さい方が良い。
となり圧力が小さいとき程S／Nが良くなる。
しかし、実際は周波数帯域がωと２ωで違うからS／Nの
値としては20倍以上期待できるのでＰ＝0.1でS／N＝10
としても0.1ppbまで計測できることになる。但し、ここ
でのS／Nは検出器部分のみの値である。
値としては20倍以上期待できるのでＰ＝0.1でS／N＝10
としても0.1ppbまで計測できることになる。但し、ここ
でのS／Nは検出器部分のみの値である。
【００３１】図２（ａ，ｂ，ｃ）は温度３００Ｋ（ケル
ビン）における或ガスの組成条件をＨ２Ｏ １×１０
−２（１００００ppm）、ＣＯ２ １×１０−４（１０
０ppm）、ＣＨ４ １×１０−６（１ppm）、 Ｎ２Ｏ
１×１０−６（１ppm）、ＮＨ３ １×１０−６（１pp
m）として、上述の計算式を用い各圧力（セル内の）に
おける各種ガスの波長（ｎm）と吸収度（無単位）の関
係の計算結果を示すものである。
ビン）における或ガスの組成条件をＨ２Ｏ １×１０
−２（１００００ppm）、ＣＯ２ １×１０−４（１０
０ppm）、ＣＨ４ １×１０−６（１ppm）、 Ｎ２Ｏ
１×１０−６（１ppm）、ＮＨ３ １×１０−６（１pp
m）として、上述の計算式を用い各圧力（セル内の）に
おける各種ガスの波長（ｎm）と吸収度（無単位）の関
係の計算結果を示すものである。
【００３２】図２（ａ）によれば、1気圧ではＨ２Ｏの
みのスペクトル吸収が認められ、図２（ｂ）に示す0.1
気圧では全てのガスの吸収が認められ、図２（ｃ）に示
す0.01気圧では全てのガスのスペクトル吸収がより鮮明
に認められる。なお、ＮＨ３のスペクトラムは図２
（ｂ）の0.1気圧では明瞭に観測されているが、この傾
向は0.3気圧くらいから顕著になる。この結果を踏まえ
てこの発明ではセル内の圧力を0.3以下としている。
みのスペクトル吸収が認められ、図２（ｂ）に示す0.1
気圧では全てのガスの吸収が認められ、図２（ｃ）に示
す0.01気圧では全てのガスのスペクトル吸収がより鮮明
に認められる。なお、ＮＨ３のスペクトラムは図２
（ｂ）の0.1気圧では明瞭に観測されているが、この傾
向は0.3気圧くらいから顕著になる。この結果を踏まえ
てこの発明ではセル内の圧力を0.3以下としている。
【００３３】図３は受光素子６からの出力信号の吸収ピ
ーク値近傍でλ３の波長を光源１又は２の少なくとも一
方でＦＭ変調し、２ｆ信号を出力した波形図でピーク値
を正確に測定することができる。
ーク値近傍でλ３の波長を光源１又は２の少なくとも一
方でＦＭ変調し、２ｆ信号を出力した波形図でピーク値
を正確に測定することができる。
【００３４】図４はガスセル５に入射した光をガスセル
の内壁で反射させ、進行方向をずらしながら往復させ、
最終的に奇数回（図では３回）反射した光を受光素子６
で受光するようにしたものである。このような構成によ
れば感度を向上させることができ、また、セル内を流れ
るガスのドップラーシフトの影響を除去することができ
る。そして、このような構成によれば光源として半導体
レーザを使用することにより従来例に比較して小型化，
低コスト化が可能となる。
の内壁で反射させ、進行方向をずらしながら往復させ、
最終的に奇数回（図では３回）反射した光を受光素子６
で受光するようにしたものである。このような構成によ
れば感度を向上させることができ、また、セル内を流れ
るガスのドップラーシフトの影響を除去することができ
る。そして、このような構成によれば光源として半導体
レーザを使用することにより従来例に比較して小型化，
低コスト化が可能となる。
【００３５】図５は図1に示す装置において、フィルタ4
から出射したλ３の光をハーフミラー７で分割し、分割
した光を参照ガスセル５ａに入射させるようにしたもの
である。この場合、参照セルにも被測定ガスを導入して
ガスセル５で検出した信号と比較すれば光源の変動の影
響を除去することができる。また、この参照ガスセルに
被測定ガス（ここではアンモニアガス）と同一のガスを
導入すれば、波長校正と感度校正を同時に行なうことが
できる。また、参照ガスセルの内部ガス圧を0.3気圧以
下にした状態で濃度が既知のアンモニアガスを導入し、
吸収スペクトルの幅を狭くすることにより吸収波長を正
確に校正することができる。
から出射したλ３の光をハーフミラー７で分割し、分割
した光を参照ガスセル５ａに入射させるようにしたもの
である。この場合、参照セルにも被測定ガスを導入して
ガスセル５で検出した信号と比較すれば光源の変動の影
響を除去することができる。また、この参照ガスセルに
被測定ガス（ここではアンモニアガス）と同一のガスを
導入すれば、波長校正と感度校正を同時に行なうことが
できる。また、参照ガスセルの内部ガス圧を0.3気圧以
下にした状態で濃度が既知のアンモニアガスを導入し、
吸収スペクトルの幅を狭くすることにより吸収波長を正
確に校正することができる。
【００３６】本発明の以上の説明は、説明および例示を
目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。し
たがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、
変形をなし得ることは当業者に明らかである。実施例で
は測定対象ガスをアンモニアとしたが同様の条件を満た
す他のガスであっても良い。特許請求の範囲の欄の記載
により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、
変形を包含するものとする。
目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。し
たがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、
変形をなし得ることは当業者に明らかである。実施例で
は測定対象ガスをアンモニアとしたが同様の条件を満た
す他のガスであっても良い。特許請求の範囲の欄の記載
により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、
変形を包含するものとする。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
によれば、λ１の波長を出力する第１レーザ光源と、λ
２の波長を出力する第２レーザ光源と、これら２つの波
長を入力し、少なくとも測定対象ガスに対する吸収波長
λ３を生成して出力する非線形結晶と、この非線形結晶
から出力した光のうち前記λ３の波長を通過させるフィ
ルタと、このフィルタを通過したレーザ光を入力する被
測定ガスが導入されたガスセルと、このガスセルを透過
した光を受光する受光素子を備えたガス測定装置であっ
て、前記ガスセル内の圧力を０．３気圧以下に下げた状
態で被測定ガス濃度を測定するので、高精度な測定およ
び小型化，低コスト化が可能となる。
によれば、λ１の波長を出力する第１レーザ光源と、λ
２の波長を出力する第２レーザ光源と、これら２つの波
長を入力し、少なくとも測定対象ガスに対する吸収波長
λ３を生成して出力する非線形結晶と、この非線形結晶
から出力した光のうち前記λ３の波長を通過させるフィ
ルタと、このフィルタを通過したレーザ光を入力する被
測定ガスが導入されたガスセルと、このガスセルを透過
した光を受光する受光素子を備えたガス測定装置であっ
て、前記ガスセル内の圧力を０．３気圧以下に下げた状
態で被測定ガス濃度を測定するので、高精度な測定およ
び小型化，低コスト化が可能となる。
【００３８】請求項２によれば、λ１，λ２のうちいず
れか若しくは両方を掃引してλ３の波長を２．２１１５
〜２．２１４μｍを含む範囲で掃引するようにしたので
Ｓ／Ｎの高い測定を実現することができる。
れか若しくは両方を掃引してλ３の波長を２．２１１５
〜２．２１４μｍを含む範囲で掃引するようにしたので
Ｓ／Ｎの高い測定を実現することができる。
【００３９】請求項３によれば、前記受光素子からの出
力信号の吸収ピーク値近傍で前記λ３の波長をＦＭ変調
し、２ｆ信号を出力信号とするようにしたので、感度の
高い測定を行なうことができる。
力信号の吸収ピーク値近傍で前記λ３の波長をＦＭ変調
し、２ｆ信号を出力信号とするようにしたので、感度の
高い測定を行なうことができる。
【００４０】請求項４によれば、ガスセルの前段にハー
フミラーを設けてλ３の波長の光を分割するとともに、
分割した光を入射する参照ガスセルを設け、この参照ガ
スセルの内圧を０．３ｋｇ／ｃｍ２以下として既知の濃
度の測定対象ガス若しくは既知の濃度の測定対象ガスを
含むガスを導入し、測定レーザ（λ３）の波長を校正す
るようにしたので、波長校正と感度校正を正確に同時に
行なうことができる。
フミラーを設けてλ３の波長の光を分割するとともに、
分割した光を入射する参照ガスセルを設け、この参照ガ
スセルの内圧を０．３ｋｇ／ｃｍ２以下として既知の濃
度の測定対象ガス若しくは既知の濃度の測定対象ガスを
含むガスを導入し、測定レーザ（λ３）の波長を校正す
るようにしたので、波長校正と感度校正を正確に同時に
行なうことができる。
【００４１】請求項５によれば、ガスセル内に被測定ガ
スを導入するに際し、ガスの導入口にノズルを設けこの
ノズルの先端からガスを吹き出しながら導入するので、
ガスが冷却され精度の良い測定ができる。
スを導入するに際し、ガスの導入口にノズルを設けこの
ノズルの先端からガスを吹き出しながら導入するので、
ガスが冷却され精度の良い測定ができる。
【００４２】請求項６によれば、ガスセル中で測定レー
ザ（λ３）が奇数回反射した後受光素子側に出射するよ
うにしたのでガスの流れに起因するドップラーシフトの
影響を除去することができＳ／Ｎの良い測定ができる。
ザ（λ３）が奇数回反射した後受光素子側に出射するよ
うにしたのでガスの流れに起因するドップラーシフトの
影響を除去することができＳ／Ｎの良い測定ができる。
【図１】本発明のガス測定装置の実施形態の一例を示す
構成図である。
構成図である。
【図２】温度３００Ｋ（ケルビン）における或ガスの組
成条件におけるセル内の圧力および各種ガスの波長と吸
収度の関係の計算結果を示すものである。
成条件におけるセル内の圧力および各種ガスの波長と吸
収度の関係の計算結果を示すものである。
【図３】波長をＦＭ変調し、２ｆ信号を出力する波形図
である。
である。
【図４】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図６】各種ガスの波長に対する吸収特性を示す図であ
る。
る。
【図７】図６の一部拡大図である。
【図８】従来例を示す構成図である。
【図９】他の従来例を示す構成図である。
【図１０】他の従来例を示す構成図である。
１ 光源１
２ 光源２
３ 非線形結晶
４ フィルタ
５ ガスセル
５ａ 参照ガスセル
６ 受光素子
７ ハーフミラー
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 2G020 AA03 BA02 BA12 CB23 CB42
CB55 CC32 CC48 CD04 CD22
CD39
2G057 AA01 AB02 AB06 AC03 BA05
BB01 BB10 BC05 DA03 DC07
GA01 JA20
2G059 AA01 BB01 CC20 DD12 EE01
EE12 FF08 GG01 GG09 HH01
HH08 JJ01 JJ02 JJ13 JJ22
JJ24 KK01 LL03 MM05 MM14
Claims (6)
- 【請求項１】λ１の波長を出力する第１レーザ光源と、
λ２の波長を出力する第２レーザ光源と、これら２つの
波長を入力し、少なくとも測定対象ガスに対する吸収波
長λ３を生成して出力する非線形結晶と、この非線形結
晶から出力した光のうち前記λ３の波長を通過させるフ
ィルタと、このフィルタを通過したレーザ光を入力する
被測定ガスが導入されたガスセルと、このガスセルを透
過した光を受光する受光素子を備えたガス測定装置であ
って、前記ガスセル内の圧力を０．３気圧以下に下げた
状態で被測定ガス濃度を測定することを特徴とするガス
測定装置。 - 【請求項２】前記λ１，λ２のうちいずれか若しくは両
方を掃引してλ３の波長を２．２１１５〜２．２１４μ
ｍを含む範囲で掃引することを特徴とする請求項1記載
のガス測定装置。 - 【請求項３】前記受光素子からの出力信号の吸収ピーク
値近傍で前記λ３の波長をＦＭ変調し、２ｆ信号を出力
信号とすることを特徴とする請求項1記載のガス測定装
置。 - 【請求項４】前記ガスセルの前段にハーフミラーを設け
てλ３の波長の光を分割するとともに、分割した光を入
射する参照ガスセルを設け、この参照ガスセルの内圧を
０．３ｋｇ／ｃｍ２以下として既知の濃度の測定対象ガ
ス若しくは既知の濃度の測定対象ガスを含むガスを導入
し、測定レーザ（λ３）の波長を校正するようにしたこ
とを特徴とする請求項1又は２に記載のガス測定装置。 - 【請求項５】ガスセル内に被測定ガスを導入するに際
し、ガスの導入口にノズルを設けこのノズルの先端から
ガスを吹き出しながら導入することを特徴とする請求項
1〜４のいずれかに記載のガス測定装置。 - 【請求項６】前記ガスセル中で測定レーザ（λ３）が奇
数回反射した後受光素子側に出射するようにしたことを
特徴とする請求項1〜５いずれかに記載のガス測定装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002020894A JP2003222591A (ja) | 2002-01-30 | 2002-01-30 | ガス測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002020894A JP2003222591A (ja) | 2002-01-30 | 2002-01-30 | ガス測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003222591A true JP2003222591A (ja) | 2003-08-08 |
Family
ID=27744265
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002020894A Withdrawn JP2003222591A (ja) | 2002-01-30 | 2002-01-30 | ガス測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003222591A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011149718A (ja) * | 2010-01-19 | 2011-08-04 | Shimadzu Corp | ガス分析装置 |
| JP2012002799A (ja) * | 2010-05-18 | 2012-01-05 | Horiba Ltd | 吸着性ガス分析装置 |
| JP2014235103A (ja) * | 2013-06-03 | 2014-12-15 | 日本電信電話株式会社 | 光吸収測定用レーザ光源およびそれを用いた光吸収測定装置 |
| EP2541700A3 (en) * | 2011-06-29 | 2017-08-30 | Honeywell International Inc. | Simple, low power microsystem for saturation spectroscopy |
| GB2560870A (en) * | 2016-12-01 | 2018-10-03 | Photon Fire Ltd | Gas concentration measurement apparatus |
| CN109445227A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-03-08 | 安徽理工大学 | 一种多次相位匹配的非线性光学成像系统 |
| JP2020052033A (ja) * | 2018-09-19 | 2020-04-02 | 富士電機株式会社 | レーザ式ガス分析計 |
-
2002
- 2002-01-30 JP JP2002020894A patent/JP2003222591A/ja not_active Withdrawn
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011149718A (ja) * | 2010-01-19 | 2011-08-04 | Shimadzu Corp | ガス分析装置 |
| JP2012002799A (ja) * | 2010-05-18 | 2012-01-05 | Horiba Ltd | 吸着性ガス分析装置 |
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| GB2560870A (en) * | 2016-12-01 | 2018-10-03 | Photon Fire Ltd | Gas concentration measurement apparatus |
| JP2020052033A (ja) * | 2018-09-19 | 2020-04-02 | 富士電機株式会社 | レーザ式ガス分析計 |
| JP7334502B2 (ja) | 2018-09-19 | 2023-08-29 | 富士電機株式会社 | レーザ式ガス分析計 |
| CN109445227A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-03-08 | 安徽理工大学 | 一种多次相位匹配的非线性光学成像系统 |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050615 |
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050830 |
|
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