CN107561034A - 气体浓度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种气体浓度测量装置，能够在光纤中不容易产生温度变化，尽管结构简单却不浪费多余的能量，并且不容易因周围环境的空气进入测量光的光路而对测量精度产生影响，所述气体浓度测量装置包括：第一密封件(5)，在所述气体池(1)的所述射入面(14)和第一端面(25)之间设置成包围射出口(24)的周围，所述第一端面(25)形成在所述光射出单元(2)的所述射出口(24)的周围；以及第二密封件(6)，在所述气体池(1)的所述射出面(15)和第二端面(35)之间设置成包围射入口(34)的周围，所述第二端面(35)形成在所述受光单元(3)的所述射入口(34)的周围。

Description

气体浓度测量装置
技术领域
本发明涉及一种气体浓度测量装置，该气体浓度测量装置向气体池内导入气体，并且基于该气体的吸光率来测量气体的浓度。
背景技术
例如在半导体制造工序中，对各种液体材料进行加热而使其汽化来作为材料气体，并且将所述材料气体导入在基板上进行成膜的真空室内。为了保证制造的半导体的质量，需要将导入的材料气体的浓度保持为固定。
为了进行所述浓度控制，将基于NIR法(近红外光谱法)测量材料气体的浓度的气体浓度测量装置安装在室内。
所述气体浓度测量装置有一种包括：气体池，导入材料气体；第一光纤，一端导入从卤素光源射出的测量光，并且从另一端射出测量光；第一透镜，使从第一光纤射出的测量光准直化，并且向所述气体池内射出；第二透镜，对通过了所述气体池内的测量光进行聚光；以及第二光纤，从一端导入被第二透镜聚光了的测量光，并且从另一端向光检测器射出测量光(参照专利文献1)。根据由所述检测器测量的规定波长的光的吸光度和预先制作的校准曲线来计算气体浓度，所述校准曲线表示每种气体的吸光度和浓度的关系。
但是，为了防止材料气体在气体池内冷却并再次液化而对浓度测量产生影响，需要对气体池自身进行加热。由此，存在下述情况，由于所述热量产生的温度变化而使设置在气体池附近的各光纤的导光特性发生变化，对测量的吸光度产生影响，从而使浓度的测量精度下降。
为了解决这样的问题，可以考虑在分别保持各光纤和各透镜的保持器与气体池之间设置间隙而使它们分开，从而使用于对气体池进行加热的热量不容易通过各保持器向各光纤传导。
但是，如果在各保持器和气体池之间具有间隙，则周围环境的空气有可能流入该间隙并进入到测量光的光路上，测量光的吸光度有可能受到材料气体以外的气体的影响。此外，在利用加热机构对气体池进行加热来防止试样气体再次液化的情况下，由于相对于被加热机构加热了的周围空气，透镜的温度低，所以有时在透镜上发生冷凝而导致光学系统的特性发生变化。但是，如果用外壳覆盖整个气体浓度测量装置，并且将周围环境的空气温度控制成固定，则同时进行对气体池加热和对各保持器冷却的相反方向的控制，在整个系统中浪费能量
现有技术文献
专利文献1：日本专利公开公报特开平6-94609号
发明内容
本发明是为了一举解决所述的问题而做出的发明，本发明的目的在于提供一种气体浓度测量装置，该气体浓度测量装置能够使光纤不容易产生温度变化，尽管结构简单却不会伴随浪费多余的能量，并且能够不容易因周围环境的空气进入测量光的光路而影响测量精度。
此外，本发明是鉴于所述的问题而做出的发明，本发明的目的在于提供一种气体浓度测量装置，该气体浓度测量装置能够通过在气体池内将试样气体的温度保持为高温来防止再次液化，并且使热量不容易向用于射出或接收测量光的光纤传导，从而使其导光特性不容易变化。
即，本发明提供一种气体浓度测量装置，其包括：气体池，具有测量光向内部射入的射入面和测量光向外部射出的射出面，向内部导入试样气体；加热机构，对所述气体池进行加热；光射出单元，通过射出口将从设置在内部的第一光纤的端面射出的测量光向所述气体池射出；受光单元，使射入射入口的通过了所述气体池的测量光射入设置在内部的第二光纤的端面；第一密封件，在所述气体池的所述射入面和第一端面之间设置成包围所述射出口的周围，所述第一端面形成在所述光射出单元的所述射出口的周围；以及第二密封件，在所述气体池的所述射出面和第二端面之间设置成包围所述射入口的周围，所述第二端面形成在所述受光单元的所述射入口的周围。
按照该气体浓度测量装置，由于所述光射出单元和所述受光单元与所述气体池分开并未成为一体，所以即使为了防止试样气体再次液化而利用所述加热机构对所述气体池进行加热，也可以使所述热量难以向所述第一光纤和所述第二光纤传导。因此，使所述第一光纤和所述第二光纤不容易产生温度变化，从而能够将其导光特性保持为大体固定。
此外，利用所述第一密封件和所述第二密封件，能够防止周围环境的空气和其它气体流入所述射出口和所述射入口。因此，能够防止因试样气体以外的气体在测量光的光路内流通而使测量的吸光度产生误差。此外，由于被所述加热机构加热的周围环境的空气等不会流入，所以能够在构成所述光射出单元和所述受光单元的低温构件中，防止周围环境的空气等凝结并发生冷凝而使光学系统产生变化。
由此，尽管结构简单却不伴随浪费多余的能量，并且能够保持气体浓度测量的高精度。
为了可以通过所述第一密封件和所述第二密封件来降低从所述气体池向所述光射出单元和所述受光单元的热传导，从而可以进一步防止所述第一光纤和所述第二光纤的温度变化，保持气体浓度的高测量精度，优选的是，所述第一密封件和第二密封件是O型环。O型环例如可以是树脂制的构件，也可以是金属制的构件。
为了使所述光射出单元和所述受光单元不与所述气体池直接接触，将来自所述气体池的热量的传导路径大体限定为通过所述第一密封件和所述第二密封件的路径，从而不产生第一光纤和第二光纤的温度变化，优选的是，在设置有所述第一密封件和所述第二密封件的状态下，在所述气体池的所述射入面和所述光射出单元的所述第一端面之间形成有第一间隙，在所述气体池的所述射出面和所述受光单元的所述第二端面之间形成有第二间隙。
为了以使所述第一密封件和所述第二密封件被挤压的方式，可靠地防止周围环境的空气等流入所述射出口和所述射入口，并且防止从所述气体池向所述光射出单元和所述受光单元传导热量，优选的是，所述第一间隙和所述第二间隙的尺寸大体相同，所述第一密封件和所述第二密封件的变形前的厚度尺寸设定为比所述第一间隙和所述第二间隙大。
为了例如即使试样气体是像H2O2这样相对于金属反应性高的气体，也能够抑制其反应，对浓度测量不产生影响，并且更容易地防止向所述第一光纤和所述第二光纤传导热量，优选的是，所述气体池由石英玻璃形成，所述光射出单元包括：第一光纤，测量光从端面射出；第一透镜，使从所述第一光纤的端面射出的测量光准直化；以及树脂制的第一保持器，将所述第一光纤和所述第一透镜保持在内部，所述射出口和所述第一端面形成于所述第一保持器，所述受光单元包括：第二光纤，从端面导入测量光；第二透镜，将测量光向所述第二光纤的端面聚光；以及树脂制的第二保持器，将所述第二光纤和所述第二透镜保持在内部，所述射入口和所述第二端面形成于所述第二保持器。
为了使所述加热机构仅对所述气体池进行加热并使热量不向所述光射出单元和所述受光单元直接传导，优选的是，所述加热机构是套管加热器，所述套管加热器设置成缠绕在所述气体池周围，并且与所述第一端面和所述第二端面分开。
为了以所述气体池为中心使所述光射出单元和所述受光单元对称配置，并且以在光学系统中不产生差异的方式自然地配置在与设计值相同的位置，优选的是，所述气体浓度测量装置还包括：固定机构，在使所述光射出单元的第一端面和所述受光单元的第二端面离开规定距离的状态下固定所述光射出单元的第一端面和所述受光单元的第二端面；以及临时保持机构，以相对于测量光的光轴方向可滑动的方式临时保持所述气体池，利用所述第一密封件和所述第二密封件的斥力，将所述气体池按压夹持在所述光射出单元和所述受光单元之间。
作为良好地使用本发明的气体浓度测量装置的具体的结构，可以例举的是，导入所述气体池的试样气体是包括H2O2的气体，所述测量光包括近红外区域的光，所述气体浓度测量装置还包括浓度计算器，所述浓度计算器基于由所述受光单元接收的测量光的吸光度，计算导入所述气体池内的H2O2的浓度。
即，本发明还提供一种气体浓度测量装置，其包括：气体池，其包括：池主体，向内部导入试样气体；射入部，向所述池主体内射入测量光；以及射出部，通过了所述池主体的测量光向外部射出；加热机构，对所述气体池或导入所述气体池的试样气体进行加热；第一光纤，设置成从端面射出测量光并使所述测量光射入所述射入部；以及第二光纤，设置成通过了所述射出部的测量光射入端面，所述射入部和所述射出部具有内部保持为真空或在内部存在气体的双重窗结构。
按照该气体浓度测量装置，由于所述射入部和所述射出部具有双重窗结构，所以即使利用所述加热机构以使试样气体不会再次液化的方式进行加热，也能够利用所述双重窗结构的隔热效果，使所述热量不容易向所述第一光纤和所述第二光纤传导。因此，可以使所述第一光纤和所述第二光纤不容易产生温度变化，从而可以将其导光特性保持为大体固定。
此外，由于仅利用所述射入部和所述射出部的双重窗结构，就能够防止因热量对所述第一光纤和所述第二光纤产生影响，所以可以不需要在所述池主体上形成设置有内侧壁和外侧壁的双重结构而使热量不从该池主体向外部传导，就可以直接设置所述加热机构。因此，能够高效地对在所述气体池内流通的试样气体进行加热，并且能够可靠地防止再次液化。
由此，尽管结构简单却不浪费多余的能量，并且能够保持气体浓度测量的高精度。
为了使所述气体池内的测量光的光路容易与不具备所述双重窗结构的以往的气体池大体相同，从而提高气体浓度测量的精度，优选的是，所述双重窗结构包括：内窗板，安装于所述池主体；外窗板，以与所述内窗板平行的方式从所述内窗板离开规定距离设置；以及封闭壁，连接所述内窗板和所述外窗板之间，形成封闭空间，所述封闭空间内保持为真空、或在所述封闭空间内存在气体。
为了即使所述气体池因在所述射入部和所述射出部形成双重窗结构而在整体的形状上产生误差，也能够使组装性良好且容易形成从所述第一光纤到所述第二光纤的光路，并且不会因固定而对气体池自身产生大的负荷，从而延长产品寿命，优选的是，所述池主体是长条状的构件，所述射入部和所述射出部分别与所述池主体的各端部连接，所述气体浓度测量装置还包括支承机构，所述支承机构一点支承所述池主体的中央部。
为了以能够在所述池主体内对所述试样气体进行均匀加热的方式容易地将所述加热机构均匀地安装在所述池主体内，优选的是，所述池主体是长条状的构件，所述射入部和所述射出部分别与所述池主体的各端部连接，所述气体浓度测量装置还包括支承机构，所述支承机构在所述射入部和所述射出部两端支承所述气体池。按照该结构，能够稳定地支承所述气体池，并且能够在所述池主体设置所述加热机构，从而可以不设置会妨碍以使室内的温度更均匀稳定的方式进行加热的构件。
此外，为了容易均匀地设置在所述池主体上而使在内部流通的试样气体不容易产生温度不均，优选的是，所述加热机构是缠绕在所述池主体上的套管加热器。
为了即使形成所述双重窗结构，也容易使作为气体池的机械强度、尺寸公差、相对于测量光的光通过特性达到与以往相同的程度，优选的是，所述气体池由多个石英玻璃构件形成，所述射入部和所述射出部利用光胶与所述池主体连接。此外，按照该结构，即使试样气体是相对于金属的反应性高的气体，也能够使试样气体不产生变化。
为了在所述第一光纤和所述第二光纤或其附近的光学构件中，不容易产生例如因被所述加热机构加热了的周围环境的空气冷却而冷凝从而使光学特性变化的问题，优选的是，所述气体浓度测量装置还包括：光射出单元，通过射出口将从设置在内部的所述第一光纤的端面射出的测量光向所述气体池射出；受光单元，使射入射入口的通过了所述气体池的测量光射入设置在内部的所述第二光纤的端面；第一密封件，在射入面和第一端面之间设置成包围所述射出口的周围，所述射入面是在所述射入部中测量光从外侧最初射入的面，所述第一端面形成在所述光射出单元的所述射出口的周围；第二密封件，在射出面和第二端面之间设置成包围所述射入口的周围，所述射出面是在所述射出部中测量光最后射出的面，所述第二端面形成在所述受光单元的所述射入口的周围。
为了使所述加热机构仅对所述气体池进行加热，并且使热量不向所述光射出单元和所述受光单元直接传导，优选的是，所述加热机构是套管加热器，所述套管加热器设置成缠绕在所述气体池周围，并且与所述第一端面和所述第二端面分开。
作为良好地使用本发明的气体浓度测量装置的具体结构，可以例举的是，导入所述气体池的试样气体是包括H2O2的气体，所述测量光包括近红外区域的光，所述气体浓度测量装置还包括浓度计算器，所述浓度计算器基于由所述受光单元接收的测量光的吸光度，计算导入所述气体池内的H2O2的浓度。
如上所述，按照本发明的气体浓度测量装置，即使对所述气体池进行加热时，也可以使热量几乎不向各光纤传导，从而使其导光特性不容易产生变化。此外，由于利用所述第一密封件和所述第二密封件来防止周围环境的空气进入所述射出口和所述射入口的周围，所以能够防止因试样气体以外的气体的吸光的影响和周围环境的空气冷凝所导致的气体浓度的测量精度的下降。此外，即使因加热机构的加热使构成气体浓度测量装置的例如树脂等的构件一部分汽化，也能够防止所述汽化的气体进入所述射出口和所述射入口。
此外，如上所述，按照本发明的气体浓度测量装置，通过所述双重窗结构，即使在对所述气体池进行加热时，也能够使热量几乎不向各光纤传导，从而可以使其导光特性不容易产生变化。此外，能够在所述池主体中利用所述加热机构对试样气体进行直接加热，并且能够可靠地防止该池主体内的试样气体再次液化。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的气体浓度测量装置和气体浓度控制系统的示意图。
图2是表示第一实施方式的气体浓度测量装置的结构的示意图。
图3是表示第一实施方式的气体池及其附近设备的结构的示意性立体图。
图4是表示第一实施方式的气体池及其附近设备的结构的示意性主视图。
图5是表示第一实施方式的光射出单元的内部结构和相对于气体池的位置关系的示意性剖视图。
图6是表示第一实施方式的受光单元的内部结构和相对于气体池的位置关系的示意性剖视图。
图7是表示本发明第二实施方式的气体池及其附近设备的结构的示意性立体图。
图8是表示第二实施方式的气体池及其附近设备的结构的示意性主视图。
图9是表示第二实施方式的气体池射入侧附近的结构的示意性剖视图。
图10是表示第二实施方式的气体池射出侧附近的结构的示意性剖视图。
图11是表示第二实施方式的气体池的变形例的示意性主视图。
附图标记说明
100···气体浓度测量装置
1···气体池
14···射入面
15···射出面
1A···池主体
1B···射入部
1C···射出部
2···光射出单元
21···第一光纤
22···第一透镜
23···第一保持器
24···射出口
25···第一端面
3···受光单元
31···第二光纤
32···第二透镜
33···第二保持器
34···射入口
35···第二端面
4···固定机构
5···第一密封件
6···第二密封件
具体实施方式
参照图1至图6，说明本发明第一实施方式的气体浓度测量装置100和使用该气体浓度测量装置100的气体浓度控制系统200。
图1所示的所述气体浓度控制系统200例如在半导体制造工序中边将作为材料气体的H2O2保持为固定的浓度边将其向用于在基板上形成氧化膜的室内供给。
所述气体浓度控制系统200包括：汽化装置VA，产生H2O2气体，并且控制其浓度；以及浓度测量装置100，设置在所述汽化装置VA和室之间，测量通过的H2O2气体的浓度。另外，由于H2O2气体由于与金属接触而产生分解，成为H2O和O2，所以利用金属以外的材料来形成所述气体浓度控制系统200的全部的接触气体部分。
如图1所示，所述汽化装置VA包括：载气管道CL，设置有质量流量控制器MFC，该质量流量控制器MFC控制作为载气的N2的流量；液体材料管道ML，设置有在内部收容有H2O2溶液的容器TN和测量流动的H2O2溶液流量的液体质量流量计LMFM；以及汽化器VP，设置在所述载气管道CL和所述液体材料管道ML的合流点，对H2O2溶液进行加热而使其蒸发。另外，通过以规定压力向所述容器TN内供给N2气体，将H2O2溶液压送到所述汽化器VP。此外，所述质量流量控制器MFC控制载气的流量，以使由所述气体浓度测量装置100测量的H2O2气体的测量浓度与目标浓度的偏差变小。
如图1所示，所述气体浓度测量装置100包括：气体池机构GS，使作为试样气体的H2O2气体流通，并且使测量光通过该H2O2气体；以及气体浓度监测器GM，产生测量光，并且测量所述气体池机构GS中通过了H2O2气体的测量光的吸光度。
更具体地说，如图2所示，所述气体浓度测量装置100基于NIR法来测量H2O2气体的浓度，其包括：参照光光路L1，从卤素光源HL射出的近红外区域的波长的光不经由所述气体池机构GS而作为参照光射入检测器DT；以及测量光光路L2，从所述卤素光源HL射出的光作为测量光经由所述气体池机构GS而到达所述检测器DT。此外，所述气体浓度测量装置100包括第一切换反射镜FM1和第二切换反射镜FM2两个切换反射镜，用于将从所述卤素光源HL射出的光的光路切换为所述参照光光路L1或所述测量光光路L2中的任一个。即，在从所述卤素光源HL射出的光通过所述参照光光路L1而到达所述检测器DT的情况下，所述第一切换反射镜从光路上离开，第二切换反射镜FM2配置在光路上。此外，在从所述卤素光源HL射出的光通过所述测量光光路L2而到达所述检测器DT的情况下，所述第二切换反射镜FM2从光路上离开，第一切换反射镜FM1配置在光路上。
所述检测器DT例如根据参照光和测量光的强度来测量H2O2和H2O的吸收波长区域的吸光度。所述气体浓度监测器GM还包括气体浓度计算器C，该气体浓度计算器C基于测量的吸光度，计算H2O2气体和H2O气体的浓度。所述气体浓度计算器C在包括CPU、存储器、输入输出装置和A/C、D/C转换器等的所谓的计算机中执行存储在存储器内的程序，并且通过各设备协同工作来实现所述功能。即，气体浓度计算器C基于吸光度与表示吸光度和气体浓度之间关系的校准曲线来计算气体浓度。通过实验等预先制作所述校准曲线。
接着，参照图3至图6，对所述气体池机构GS进行详细说明。
如图3和图4所示，所述气体池机构GS构成连接所述汽化器VP和所述室之间的管道的一部分，其包括：气体池1，导入H2O2气体；光射出单元2，向所述气体池1射入测量光；受光单元3，接收通过了所述气体池1的测量光；以及固定机构4，以保持规定的位置关系的状态将所述气体池1、所述光射出单元2和所述受光位置单元固定。所述光射出单元2和所述受光单元3在光学上具有相同的结构要素，如图4的主视图所示，所述气体池机构GS配置成以所述气体池1为中心对称。此外，在本实施方式中，所述气体池1、所述光射出单元2和所述受光单元3分别形成为单独个体。
所述气体池1包括：大体圆筒状的主体管11，配置在所述光射出单元2和所述受光单元3之间；气体导入管12，垂直设置在所述主体管11的侧面上游；以及气体导出管13，设置在所述主体管11的侧面下游。所述气体池1由石英玻璃形成，使H2O2气体不容易产生分解反应。所述主体管11上游的端面是射入面14，从所述光射出单元2射出的测量光射入所述射入面14，下游的端面是射出面15，通过了H2O2气体的测量光从所述射出面15向外部射出。即，测量光的光轴和所述主体管11的轴一致。
为了防止汽化的H2O2气体被冷却而再次液化，如图1所示，所述气体池1上缠绕有作为加热机构的套管加热器JH，该套管加热器JH覆盖所述主体管11的周围、所述气体导入管12和所述气体导出管13的周围。套管加热器JH在作为隔热材料的带状树脂材料上设置有电热线，缠绕成覆盖各管的整个侧面。另外，套管加热器JH不与所述光射出单元2和所述受光单元3接触而设置成具有间隙。
如图3、图4和图5所示，所述光射出单元2包括：第一光纤21，引导从所述卤素光源HL射出的测量光；第一透镜22，设置成与所述第一光纤21的端面相对；以及第一保持器23，呈与所述主体管11大体相同直径的圆筒状，将所述第一光纤21和所述第一透镜22保持在内部。
所述第一保持器23是树脂制的构件，在一个端面上开设有用于将所述第一光纤21插入内部的插入孔，在作为另一个端面的第一端面25上、且在所述第一透镜22的光射出侧的附近形成有射出口24，将通过了所述第一透镜22的测量光从该射出口24向外部射出。在所述第一端面25上以所述射出口24为中心形成有圆形的第一凹槽26。此外，所述第一端面25设置成与所述气体池1的所述射入面14接近且相对。
如图5所示，在所述光射出单元2的第一端面25和所述气体池1的所述射入面14之间设置有O型环，该O型环是收容在第一凹槽26内的第一密封件5。即，所述第一密封件5设置成以气密方式包围所述射出口24的周围。此外，所述光射出单元2和所述气体池1固定在所述固定机构4上，在所述第一密封件5沿厚度方向被挤压的状态下，在所述第一端面25和所述射入面14之间形成有第一间隙7。换句话说，在组装的状态下，所述光射出单元2不与所述气体池1直接接触，仅通过所述第一密封件5间接地从所述气体池1传递来热量。
如图3、图4和图6所示，所述受光单元3包括：第二透镜32，对通过了所述气体池1的测量光进行聚光；第二光纤31，端面设置成与所述第二透镜32相对，将通过了所述第二透镜32的测量光向所述检测器DT引导；以及第二保持器33，呈与所述主体管11大体相同直径的圆筒状，将所述第二透镜32和所述第二光纤31保持在内部。
所述第二保持器33是树脂制的构件，在作为一个端面的第二端面35上、且在所述第二透镜32的光射入侧的附近形成有射入口34，该射入口34使通过了所述气体池1的测量光射入内部，在另一个端面上开设有插入孔，该插入孔用于将所述第二光纤31插入内部。在所述第二端面35上以所述射入口34为中心形成有圆形的第二凹槽36。此外，所述第二端面35设置成与所述气体池1的所述射出面15接近且相对。
如图6所示，在所述气体池1的所述射出面15和所述受光单元3的所述第二面之间设置有O型环，该O型环是收容在第二凹槽36内的第二密封件6。即，所述第二密封件6设置成以气密方式包围所述射入口34的周围。此外，所述气体池1和所述受光单元3固定在所述固定机构4上，在所述第二密封件6沿厚度方向被挤压的状态下，在所述射出面15和所述第二端面35之间形成有第二间隙8。换句话说，在组装状态下，所述受光单元3不与所述气体池1直接接触，仅通过所述第二密封件6间接从所述气体池1传导来热量。此外，所述第一间隙7和所述第二间隙8为大体相同尺寸，所述第一密封件5和所述第二密封件6变形前的厚度尺寸比所述第一间隙7和所述第二间隙8大。
所述固定机构4包括：大体长方形板状的金属制基座41；以及直立设置在所述基座41上的树脂制的第一支承台42、第二支承台43和中央支承台44。
所述第一支承台42是板状构件，直立设置在所述基座41的一端侧，固定所述光射出单元2。更具体地说，如图5所示，所述第一保持器23的所述第一端面25侧形成为两级圆筒状，所述第一端面25侧的小直径部分插入所述第一支承台42。所述第一保持器23的大直径部分的端面为基准面，在与所述第一支承台42的一面抵接的状态下，所述第一端面25与所述第一支承台42的另一面大体位于同一平面上。通过在该状态下从所述第一保持器23的侧面进行螺丝固定，固定所述光射出单元2并限定所述第一端面25的位置。
所述第二支承台43是板状构件，直立设置在所述基座41的另一端侧，固定所述受光单元3。更具体地说，如图6所示，所述第二保持器33的所述第二端面35侧形成为两级圆筒状，所述第二端面35侧的小直径部分插入所述第二支承台43。所述第二保持器33的大直径部分的端面为基准面，在与所述第二支承台43的另一面抵接的状态下，所述第二端面35与所述第二支承台43的一面大体位于同一平面上。通过在该状态下从所述第二保持器33的侧面进行螺丝固定，固定所述受光单元3并限定所述第二端面35的位置。
这样，仅通过相对于所述固定机构4固定所述第一保持器23和所述第二保持器33，就能够在离开规定距离的状态下准确地配置所述第一端面25和所述第二端面35。因此，所述第一光纤21、所述第一透镜22、所述第二透镜32和所述第二光纤31也在所述光轴上配置在设计上的位置上。
所述中央支承台44是临时保持机构，以沿测量光的光轴方向可滑动的方式临时保持所述气体池1的主体管11。例如在将所述第一保持器23固定在所述固定机构4上的状态下，将所述气体池1插入所述中央支承台44，在所述第一端面25和所述射入面14之间夹持第一密封件5的状态下，将所述气体池1向所述第一支承台42侧按压。接着，在所述射出面15和所述第二端面35之间夹持第二密封件的状态下，通过将所述第二保持器33固定在所述第二支承台43上，将所述气体池1向所述第一支承台42侧按压。通过以该方式进行安装，所述气体池1通过分别从所述第一密封件5和所述第二密封件6接受相反方向的斥力，移动到各力均衡的位置。因此，所述气体池1到配置到所述第一端面25和所述第二端面35的中央为止自然地移动，在该状态下，所述气体池1通过螺丝固定在所述中央支承台44上。即，虽然通过所述固定机构4和所述临时保持机构，所述气体池1、所述光射出单元2和所述受光单元3分别构成为单独个体，但是利用所述第一密封件5和所述第二密封件6的斥力，所述气体池1被按压夹持在所述光射出单元2和所述受光单元3之间，从而能够精度良好地将各部分所具有的光学构件配置在设计上的位置。
按照以所述方式构成的气体浓度测量装置100，由于所述第一密封件5和所述第二密封件6设置成分别以气密方式包围所述射出口24和所述射入口34，所以能够防止所述气体池机构GS的周围环境的空气进入所述射出口24和所述射入口34。此外，即使因套管加热器JH发热而使形成隔热材料的树脂的一部分汽化，也能够防止所述汽化气体进入所述射出口24和所述射入口34。
因此，能够防止如下情况：因作为试样气体的H2O2以外的成分进入到测量光的光路上、或周围环境的空气和气体在所述第一透镜22或所述第二透镜32上冷凝，使测量的吸光度变化而不能高精度地测量气体浓度。
此外，由于所述光射出单元2和所述受光单元3不与被所述套管加热器加热的所述气体池1直接接触而是仅通过作为树脂的O型环接触，所以能够防止从所述气体池1通过热传导对所述第一光纤21和所述第二光纤31进行加热，从而能够防止产生温度变化。因此，可以将光纤的导光特性保持为固定，从而能够高精度地保持气体浓度的测量精度。
对第一实施方式的变形例进行说明。
在所述第一实施方式中，为了测量H2O2气体的浓度而使用本发明的气体浓度测量装置，但是也可以用于测量其它种类气体的浓度。例如可以用于在生成医疗系统的气体时测量其浓度而得到所希望的浓度的气体。在与H2O2气体不同的、对金属不具有反应性的气体的情况下，也可以由石英玻璃以外的材料形成气体池。此外，光射出单元和受光单元也可以由树脂以外的材料构成。
第一密封件和第二密封件并不限于O型环，例如可以是填充材料，该填充材料设置成填充光射出单元或受光单元与气体池的间隙。此外，O型环可以是树脂制的构件，也可以是金属制的构件。所述加热机构并不限定于套管加热器，只要是如下的加热器的即可：能够对所述气体池进行加热，并且加热至使在内部流通的试样气体不分解且不会再次液化的程度。
参照图7至图10，说明本发明第二实施方式的气体浓度测量装置100和使用该气体浓度测量装置100的气体浓度控制系统200。另外，第二实施方式的气体浓度测量装置100的结构与第一实施方式不同，气体浓度控制系统200与图1、图2所示的结构相同。
接着，参照图7至10，对所述气体池机构GS进行详细说明。
如图7和图8所示，所述气体池机构GS构成连接所述汽化器VP和所述室之间的管道的一部分，其包括：气体池1，导入H2O2气体；光射出单元2，向所述气体池1射入测量光；受光单元3，接收通过了所述气体池1的测量光；以及固定机构4，以保持规定的位置关系的状态固定所述气体池1、所述光射出单元2和所述受光位置单元。所述光射出单元2和所述受光单元3在光学上具有相同的结构要素，如图8的主视图所示，所述气体池机构GS配置成以所述气体池1为中心对称。此外，在本实施方式中，所述气体池1、所述光射出单元2和所述受光单元3分别形成为单独个体。
所述气体池1包括：池主体1A，向内部导入试样气体；射入部1B，向所述池主体1A内射入测量光；以及射出部1C，向外部射出通过了所述池主体1A的测量光。此外，所述气体池1由多个石英玻璃构件形成，不容易与H2O2气体产生分解反应。此外，所述气体池1在所述射入部1B和所述射出部1C的部分被后述的固定机构4两端支承。
所述池主体1A包括：大体圆筒状的主体管11，配置在所述光射出单元2和所述受光单元3之间；气体导入管12，垂直设置在所述主体管11的侧面上游；以及气体导出管13，设置在所述主体管11的侧面下游。
所述射入部1B和所述射出部1C具有内部保持为真空的双重窗结构D。在本实施方式中，利用光胶将相同直径的两端封闭的圆筒管与两端开口的大体圆筒状的主体管11连接。
另外，光胶是指不使用粘合剂而仅通过使平滑的玻璃彼此接触来进行连接的方法，例如在常温或高温下进行连接。光胶利用玻璃表面间的范德华力或由于吸附空气中的水分而形成的硅烷醇基之间的氢键而牢固地进行连接。即，所述气体池1是不伴随于因粘合剂或药剂而使玻璃溶解地多个石英玻璃构件彼此的平面直接接触而进行的连接。因此，能够不产生因粘合剂或玻璃溶解而导致的光学特性变化，并且能够保持双重窗结构D的真空，将所述气体池1的尺寸公差和强度保持为与连接前的所述池主体1A单体相同。
如图7至10所示，所述射入部1B、所述主体管11和所述射出部1C以该顺序呈一列排列设置，呈一根圆筒管，测量光的光轴和所述主体管11的轴一致。此外，所述射入部1B的外侧端面形成射入面14，从所述光射出单元2射出的测量光最初射入该射入面14。另一方面，在所述气体池1的下游，所述射出部1C的外侧端面形成射出面15，通过了H2O2气体的测量光最后通过该射出面15。
如图9和图10所示，双重窗结构D包括：圆板状的内窗板D1，利用光胶与所述池主体1A连接；圆板状的外窗板D2，从所述内窗板D1离开规定距离并列设置；两端开口的圆筒状的封闭壁D3，连接所述内窗板D1和所述外窗板D2之间，在内部形成封闭空间。利用光胶分别连接所述内窗板D1、所述外窗板D2和所述封闭壁D3。
为了防止汽化的H2O2气体被冷却而再次液化，如图1所示，所述气体池1缠绕有作为加热机构的套管加热器JH，该套管加热器JH覆盖所述主体管11的周围、所述气体导入管12和所述气体导出管13的周围。套管加热器JH在作为隔热材料的带状树脂材料上设置有电热线，缠绕成覆盖各管的整个侧面。另外，在本实施方式中，所述气体池1在所述射入部1B和所述射出部1C的部分被两端支承，由于缠绕有所述套管加热器JH的所述池主体1A未被支承，所以容易将所述套管加热器JH均匀地安装在主体管11上，从而容易实现气体池1内的均匀的温度分布。更具体地说，套管加热器JH仅设置在主体管11部分上，未覆盖所述射入部1B和所述射出部1C部分。即，套管加热器JH不与所述光射出单元2和所述受光单元3直接接触。
如图7、图8和图9所示，所述光射出单元2包括：第一光纤21，引导从所述卤素光源HL射出的测量光；第一透镜22，设置成与所述第一光纤21的端面相对；以及第一保持器23，呈与所述主体管11大体相同直径的圆筒状，将所述第一光纤21和所述第一透镜22保持在内部。
所述第一保持器23是树脂制的构件，在一个端面上开设有用于将所述第一光纤21插入内部的插入孔，在作为另一个端面的第一端面25上、且在所述第一透镜22的光射出侧的附近形成有射出口24，通过了所述第一透镜22的测量光从所述射出口24向外部射出。在所述第一端面25上以所述射出口24为中心形成有圆形的第一凹槽26。此外，所述第一端面25设置成与所述气体池1的所述射入面14接近且相对。
如图9所示，在所述光射出单元2的第一端面25和所述气体池1的所述射入面14之间设置有O型环，该O型环是收容在第一凹槽26内的第一密封件5。即，所述第一密封件5设置成以气密方式包围所述射出口24的周围。此外，所述光射出单元2和所述气体池1固定在所述固定机构4上，在所述第一密封件5沿厚度方向被挤压的状态下，在所述第一端面25和所述射入面14之间形成有第一间隙7。换句话说，在组装的状态下，所述光射出单元2不与所述气体池1直接接触。
如图7、图8和图10所示，所述受光单元3包括：第二透镜32，对通过了所述气体池1的测量光进行聚光；第二光纤31，设置成端面与所述第二透镜32相对，将通过了所述第二透镜32的测量光向所述检测器DT引导；以及第二保持器33，呈与所述主体管11大体相同直径的圆筒状，将所述第二透镜32和所述第二光纤31保持在内部。
所述第二保持器33是树脂制的构件，在作为一个端面的第二端面35上、且在所述第二透镜32的光射入侧的附近形成有射入口34，该射入口34用于使通过了所述气体池1的测量光射入内部，在另一个端面上开设有用于将所述第二光纤31插入内部的插入孔。在所述第二端面35上以所述射入口34为中心形成有圆形的第二凹槽36。此外，所述第二端面35设置成与所述气体池1的所述射出面15接近且相对。
如图10所示，在所述气体池1的所述射出面15和所述受光单元3的所述第二面之间设置有O型环，该O型环是收容在第二凹槽36内的第二密封件6。即，所述第二密封件6设置成以气密方式包围所述射入口34的周围。此外，所述气体池1和所述受光单元3固定在所述固定机构4上，在所述第二密封件6沿厚度方向被挤压的状态下，在所述射出面15和所述第二端面35之间形成有第二间隙8。换句话说，在组装的状态下，所述受光单元3不与所述气体池1直接接触。
此外，所述第一间隙7和所述第二间隙8为大体相同尺寸，所述第一密封件5和所述第二密封件6变形前的厚度尺寸比所述第一间隙7和所述第二间隙8大。
所述固定机构4包括：大体长方形板状的金属制的基座41；以及直立设置在所述基座41上的树脂制的第一支承台42、第二支承台43、射入部支承台44和射出部支承台45。
所述第一支承台42是直立设置在所述基座41一端侧的板状构件，固定所述光射出单元2。更具体地说，如图9所示，所述第一保持器23的所述第一端面25侧形成为两级圆筒状，所述第一端面25侧的小直径部分插入所述第一支承台42。所述第一保持器23的大直径部分的端面为基准面，在与所述第一支承台42的一面抵接的状态下，所述第一端面25与所述第一支承台42的另一面大体处于同一平面上。通过在该状态下从所述第一保持器23的侧面侧进行螺丝固定，固定所述光射出单元2并限定所述第一端面25的位置。
所述第二支承台43是板状构件，直立设置在所述基座41的另一端侧，固定所述受光单元3。更具体地说，如图10所示，所述第二保持器33的所述第二端面35侧形成为两级圆筒状，所述第二端面35侧的小直径部分插入所述第二支承台43。所述第二保持器33的大直径部分的端面为基准面，在与所述第二支承台43的另一面抵接的状态下，所述第二端面35与所述第二支承台43的一面大体处于同一平面上。通过在该状态下从所述第二保持器33的侧面侧进行螺丝固定，固定所述受光单元3并限定所述第二端面35的位置。
如上所述地，仅通过相对于所述固定机构4固定所述第一保持器23和所述第二保持器33，可以在离开规定距离的状态下准确地配置所述第一端面25和所述第二端面35。因此，所述第一光纤21、所述第一透镜22、所述第二透镜32和所述第二光纤31也在所述光轴上配置在设计上的位置上。
所述射入部支承台44和所述射出部支承台45在所述气体池1中仅与形成有双重窗结构D的部分接触。即，在所述气体池1中，在最不容易受到套管加热器JH的热量影响且容易将温度保持为固定的部分，封闭壁D3的外侧周面与所述射入部支承台44和所述射出部支承台45接触。另外，所述射入部支承台44和所述射出部支承台45也可以从所述射入部1B和所述射出部1C局部伸出，局部支承所述池主体1A。
按照以所述方式构成的气体浓度测量装置100，由于作为所述气体池1两端部的所述射入部1B和所述射出部1C具有双重窗结构D，所以套管加热器JH的热量在所述射入部1B和所述射出部1C被隔热，从而不容易向所述光射出单元2和所述受光单元3传热。因此，即使在所述气体池1内以不会再次液化的方式对试样气体进行充分加热，也可以防止因热量使各光纤的导光特性变化而使浓度测量的精度变化。
此外，套管加热器JH的热量也不容易向所述射入部支承台44和所述射出部支承台45直接传递，从而容易分别将它们的温度保持为固定。因此，由于所述气体池1虽然被两端支承但是所述射入部支承台44和所述射出部支承台45各自不容易分别产生热量变形，所以容易始终将所述气体池1的姿势保持为固定。因此，即使对试样气体进行加热，也可以使测量光的光轴和所述气体池1的光轴大体一致，防止光学特性变化，从而能够保持浓度的高测量精度。另外，直立设置在所述基座41上的第一支承台42和射入部支承台44可以成为一体，直立设置在所述基座41上的第一支承台43和射出部支承台45也可以成为一体。即，可以针对一方的一个台预先设置有对光射出单元2和射入部1B两方进行定位的第一卡合部，并且针对另一方的台预先设置对受光单元3和射出部1C两方进行定位的第二卡合部。按照该结构，仅通过将气体池1、光射出单元2和受光单元3安装在台上，就能够高精度地使各自的光轴一致，从而能够降低所述作业的繁杂性。
此外，由于所述第一密封件5和所述第二密封件6分别设置成以气密方式包围所述射出口24和所述射入口34，所以能够防止所述气体池机构GS周围环境的空气进入所述射出口24和所述射入口34。此外，即使因套管加热器JH发热而使形成隔热材料的树脂的一部分汽化，也能够防止所述汽化气体进入所述射出口24和所述射入口34。
因此，能够防止如下情况：因作为试样气体的H2O2以外的成分进入测量光的光路上、或周围环境的空气和气体在所述第一透镜22或所述第二透镜32上冷凝，使测量的吸光度变化而不能高精度地测量气体浓度。
对第二实施方式的变形例进行说明。
在所述第二实施方式中，所述气体池1利用固定机构4的所述射入部支承台44和所述射出部支承台45，两端支承射入部1B和射出部1C部分，但是如图11所示，也可以设置中央部支承台46，利用一点仅支承所述气体池1的池主体1A的中央部。
按照该结构，即使气体池1相对于光轴方向存在组装误差等，并且从射入部1B到射出部1C的形状偏离了设计值，与进行两端支承的情况相比，也能够以使光从光射出单元2到受光单元3通过的方式容易地组装气体池1。此外，由于利用一点支承气体池1的中央部，所以与两端支承的情况相比，不容易因形状误差而产生负荷，从而能够实现产品的长寿命化。
在所述第二实施方式中，为了测量H2O2气体的浓度，使用本发明的气体浓度测量装置，但是也可以用于测量其它种类气体的浓度。例如可以用于在生成医疗系统的气体时测量其浓度，从而得到所希望的浓度的气体。在与H2O2气体不同的、对金属不具有反应性的气体的情况下，也可以由石英玻璃以外的材料形成气体池。此外，光射出单元和受光单元也可以由树脂以外的材料构成。
此外，只要适当地设定双重窗结构的封闭空间内的真空度即可，可以是如下的真空度：能够以不会因加热机构的加热对各光纤产生影响的程度进行隔热。真空度例如可以为0.1torr以下1.0×10-3torr以上。此外，双重窗结构可以是封闭空间内不是真空而存在气体。例如所述封闭空间内可以是与试样气体不同种类的气体、或者是吸光波长与试样气体不同的气体。作为具体例，在所述封闭空间内作为气体充满了或流通有除去了水蒸气的干燥空气。按照这种结构，即使不是真空，封闭空间内的气体也能够作为具有透光性的隔热材料发挥功能，从而能够防止来自所述加热机构的热量向各光纤传导。此外，如果是干燥空气，则即使在双重窗结构内存在气体，也不会因H2O而产生吸光，例如能够在H2O2或其它气体的浓度测量中不会导致精度下降。此外，封闭空间内并不限定于完全密闭的空间，可以具有极小的间隙，例如真空度可以随自然老化而下降。另外，在双重窗结构的内部存在气体的情况下，可以与大气压相同，也可以与大气压相比减压。
此外，双重窗结构的直径可以与主体管的直径不同。此外，可以不通过密封件地使光射出单元和受光单元分别与射入部和射出部直接接触。即使是该结构，也可以利用射入部和射出部的隔热功能，不向光射出单元和受光单元进行热传导，从而将各光纤的温度保持为固定。
加热机构并不限定于对气体池进行直接加热，例如可以在向气体池导入试样气体前的配管中对试样气体进行加热。
第一密封件和第二密封件并不限定于O型环，例如可以是填充材料，该填充材料设置成填充射出单元或受光单元与气体池的间隙。此外，O型环可以是树脂制的构件，也可以是金属制的构件。所述加热机构并不限定于套管加热器，可以是如下的加热器：能够对所述气体池进行加热，并且加热至使在内部流通的试样气体不分解且不会再次液化的程度。
此外，只要不违反本发明的宗旨，可以进行各种实施方式的组合。
可以相互组合本发明的各个实施方式(实施例)中所记载的技术特征形成新的技术方案。

Claims (16)

1.一种气体浓度测量装置，其特征在于，
所述气体浓度测量装置包括：
气体池，具有测量光向内部射入的射入面和测量光向外部射出的射出面，向内部导入试样气体；
加热机构，对所述气体池进行加热；
光射出单元，通过射出口将从设置在内部的第一光纤的端面射出的测量光向所述气体池射出；
受光单元，使射入射入口的通过了所述气体池的测量光射入设置在内部的第二光纤的端面；
第一密封件，在所述气体池的所述射入面和第一端面之间设置成包围所述射出口的周围，所述第一端面形成在所述光射出单元的所述射出口的周围；以及
第二密封件，在所述气体池的所述射出面和第二端面之间设置成包围所述射入口的周围，所述第二端面形成在所述受光单元的所述射入口的周围。
2.根据权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在于，所述第一密封件和所述第二密封件是O型环。
3.根据权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
在设置有所述第一密封件和所述第二密封件的状态下，
在所述气体池的所述射入面和所述光射出单元的所述第一端面之间形成有第一间隙，
在所述气体池的所述射出面和所述受光单元的所述第二端面之间形成有第二间隙。
4.根据权利要求3所述的气体浓度测量装置，其特征在于，所述第一间隙和所述第二间隙的尺寸大体相同，所述第一密封件和所述第二密封件的变形前的厚度尺寸设定为比所述第一间隙和所述第二间隙大。
5.根据权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
所述气体池由石英玻璃形成，
所述光射出单元包括：
第一光纤，测量光从端面射出；
第一透镜，使从所述第一光纤的端面射出的测量光准直化；以及
树脂制的第一保持器，将所述第一光纤和所述第一透镜保持在内部，
所述射出口和所述第一端面形成于所述第一保持器，
所述受光单元包括：
第二光纤，从端面导入测量光；
第二透镜，将测量光向所述第二光纤的端面聚光；以及
树脂制的第二保持器，将所述第二光纤和所述第二透镜保持在内部，
所述射入口和所述第二端面形成于所述第二保持器。
6.根据权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在于，所述加热机构是套管加热器，所述套管加热器设置成缠绕在所述气体池周围，并且与所述第一端面和所述第二端面分开。
7.根据权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在，
所述气体浓度测量装置还包括：
固定机构，在使所述光射出单元的第一端面和所述受光单元的第二端面离开规定距离的状态下固定所述光射出单元的第一端面和所述受光单元的第二端面；以及
临时保持机构，以相对于测量光的光轴方向可滑动的方式临时保持所述气体池，
利用所述第一密封件和所述第二密封件的斥力，将所述气体池按压夹持在所述光射出单元和所述受光单元之间。
8.根据权利要求1所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
导入所述气体池的试样气体是包括H2O2的气体，
所述测量光包括近红外区域的光，
所述气体浓度测量装置还包括浓度计算器，所述浓度计算器基于由所述受光单元接收的测量光的吸光度，计算导入所述气体池内的H2O2的浓度。
9.一种气体浓度测量装置，其特征在于，
所述气体浓度测量装置包括：
气体池，其包括：池主体，向内部导入试样气体；射入部，向所述池主体内射入测量光；以及射出部，通过了所述池主体的测量光向外部射出；
加热机构，对所述气体池或导入所述气体池的试样气体进行加热；
第一光纤，设置成从端面射出测量光并使所述测量光射入所述射入部；以及
第二光纤，设置成通过了所述射出部的测量光射入端面，
所述射入部和所述射出部具有内部保持为真空或在内部存在气体的双重窗结构。
10.根据权利要求9所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
所述双重窗结构包括：
内窗板，安装于所述池主体；
外窗板，以与所述内窗板平行的方式从所述内窗板离开规定距离设置；以及
封闭壁，连接所述内窗板和所述外窗板之间，形成封闭空间，
所述封闭空间内保持为真空、或在所述封闭空间内存在气体。
11.根据权利要求9所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
所述池主体是长条状的构件，
所述射入部和所述射出部分别与所述池主体的各端部连接，
所述气体浓度测量装置还包括支承机构，所述支承机构一点支承所述池主体的中央部。
12.根据权利要求9所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
所述池主体是长条状的构件，
所述射入部和所述射出部分别与所述池主体的各端部连接，
所述气体浓度测量装置还包括支承机构，所述支承机构在所述射入部和所述射出部两端支承所述气体池。
13.根据权利要求9所述的气体浓度测量装置，其特征在于，所述加热机构是缠绕在所述池主体上的套管加热器。
14.根据权利要求9所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
所述气体池由多个石英玻璃构件形成，
所述射入部和所述射出部利用光胶与所述池主体连接。
15.根据权利要求9所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
所述气体浓度测量装置还包括：
光射出单元，通过射出口将从设置在内部的所述第一光纤的端面射出的测量光向所述气体池射出；
受光单元，使射入射入口的通过了所述气体池的测量光射入设置在内部的所述第二光纤的端面；
第一密封件，在射入面和第一端面之间设置成包围所述射出口的周围，所述射入面是在所述射入部中测量光从外侧最初射入的面，所述第一端面形成在所述光射出单元的所述射出口的周围；
第二密封件，在射出面和第二端面之间设置成包围所述射入口的周围，所述射出面是在所述射出部中测量光最后射出的面，所述第二端面形成在所述受光单元的所述射入口的周围。
16.根据权利要求9所述的气体浓度测量装置，其特征在于，
导入所述气体池的试样气体是包括H2O2的气体，
所述测量光包括近红外区域的光，
所述气体浓度测量装置还包括浓度计算器，所述浓度计算器基于由所述受光单元接收的测量光的吸光度，计算导入所述气体池内的H2O2的浓度。
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