CN1890555A - 利用腔环降光谱法的微量气体分析设备和方法 - Google Patents
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Abstract
提供用于分析气体中杂质的一种装置和方法。该装置包括包含具有所述杂质的第一气体的第一单元(208)以及包含没有所述杂质的第二气体的第二单元(210)。将第一光束(201a)耦合进所述第一单元(208)，将第二光束(201b)耦合进所述第二单元(210)。第一检测器(214)连接到所述第一单元(208)的输出端，并且基于所述第一单元(208)内所述第一光束的衰减率产生第一信号。第二检测器(216)连接到所述第二单元(210)的输出端，并且基于所述第二单元(210)内所述第二光束的第二衰减率产生第二信号。基于所述第一衰减率和所述第二衰减率之差确定所述杂质的浓度。
Description
技术领域
总的来说，本发明涉及吸收光谱法，具体而言，本发明针对的是利用腔环降腔光谱法检测气体中的微量物质(trace species)。
背景技术
现在参考附图，所有附图中相似标号涉及相似元件，图1A在对数标尺上说明电磁频谱。光谱法学科研究光谱。与涉及频谱其它部分的学科形成对比，光学具体涉及可见和近可见光——可用频谱非常窄的一个部分，该部分在波长上从大约1毫米到大约1纳米。近可见光包括比红色更红的颜色(红外)以及比紫色更紫的颜色(紫外)。这个范围延伸到可见光两边足够远，其中光仍然能够用一般材料制作的大多数透镜或者反射镜来处理。常常必须考虑材料光学特性的波长依赖性。
吸收型光谱法具有高灵敏度，微秒量级的响应时间，无毒并且来自除被研究物质以外的分子物质干扰有限。可以利用吸收光谱法检测或者识别各种分子物质。这样，吸收光谱法提供一种检测重要微量物质的通用方法。在气相中，这一方法的灵敏度和选择性最优，因为这些物质的吸收强度集中在一组尖锐谱线中。可以将这一频谱中的窄线用于区分多数干扰的物质。
在许多工业过程中，必须高速、高精度地测量和分析流动气体流和液体中微量物质的浓度。这种测量和分析是必要的，原因是对于最终产品的质量，污染物浓度常常是至关重要的。例如，像N2、O2、H2、Ar和He这样的气体被用来制造集成电路，那些杂质气体的存在——即使是百万分之几(ppb)的程度——也会带来损害，降低工作电路的产量。因此，以光谱方式监测水的相对高灵敏度对于半导体工业使用的高纯度气体的制造商而言非常重要。在其它工业应用中必须检测各种杂质。此外，液体中杂质的存在，或者是固有的，或者是故意放置的，近来已经受到特别关注。
对于高纯度气体中的气体污染物，光谱法已经获得了百万分之几(ppm)程度的检测。在某些情形中能够获得ppb级别的检测灵敏度。因此，已经将几种光谱方法应用于像气体中定量污染物监测这样的应用，包括：传统长路径长度单元中的吸收测量，光声光谱法，频率调制光谱法，以及腔内激光吸收光谱法。这些方法具有几个特征，在颁发给Lehmann的第5528040号美国专利中进行了讨论，这些特征使得它们很难使用，并且对于工业应用不实际。因此，它们很大程度上局限于实验室研究。
相反，连续波腔环降光谱法(CW-CRDS)已经成为应用于科学、工业过程控制以及大气微量气体检测的重要光谱技术。已经证明CW-CRDS是一种擅长于在传统方法没有足够灵敏度的低吸收状态测量光吸收的技术。CW-CRDS将高精细度(finesse)的光学谐振器中光子的平均寿命用作对吸收敏感的可观测物。
典型情况下，从结构适当以形成稳定光谐振器的一对窄带、超高反射率电介质反射镜形成所述谐振器。通过反射镜将激光脉冲注入这个谐振器，以获得平均寿命，这个平均寿命依赖于光子往返渡越时间(round-trip transit time)、谐振器长度、吸收截面和所述物质数密度以及是固有的谐振器损耗原因的因素(当衍射损失可以忽略的时候，这个损耗主要来自频率依赖性反射镜反射)。于是，光吸收的确定从传统的功率比测量转换成衰减时间测量。CW-CRDS的最终灵敏度由固有的谐振器损耗的幅度决定，而这一损耗可以利用能够用于制造超低损耗光学器件的技术，诸如超抛光来最小化。
图1B说明一种用于分析气体中杂质的传统CW-CRDS设备120。在图1B中，将包含杂质的气体引入腔环降单元108。腔环降单元108中填充有这种杂质气体，并且连接到单元108的调压器112在这个单元内维持恒定压力。
从调谐到与杂质吸收频率一致的预定频率上的激光器100发射光101。由透镜(或者透镜系统)102将光101收集并聚焦，并且将得到的光束101a耦合到环降单元108。一旦耦合到单元108，光束101a接触到反射性反射镜124和125，它们充当稳定的光谐振器并且引起光激发。然后关闭激光器。当这些反射镜在单元108中反射光的时候，一部分光被单元108中的气体吸收掉。这一环降信号随时间衰减。
与环降单元108连接的输出检测器114测量该单元中的环降率。输出信号115代表了单元108中的环降率，并且被发送给处理器118。然后处理器118解释这一环降率，并且通过将单元108中杂质吸收线峰值处的这一环降率与没有任何吸收发生的基线处的环降率进行比较，来计算杂质的浓度。
只要尖峰或者基线背景中没有任何干扰，传统CW-CRDS能够精确地确定气体中杂质的浓度；例如，在惰性气体是载体气体，水是杂质的系统中。但是，在许多气体系统里，载体气体和杂质具有重叠的频谱特征。在出现这些重叠频谱特征的地方，没有任何无干扰尖峰或者基线，用传统CW-CRDS不能准确地确定杂质浓度。
在另一传统系统里，将单元中的光强用于确定气体中的杂质。这一技术的一个实例是授予Wu等人的6040915号美国专利。但是，这一系统具有这样的缺点：即从激光器到所述单元以及从所述单元到检测器之间的空间对信号有贡献。如果激光束路径中存在失配或者变化，就会出现测量误差。还有，检测水汽的时候，必须净化光束路径，通常用高纯度的氮气，以减少外部干扰。这一净化增加了操作成本。另外，检测器和放大器的任何失配都会导致测量误差。使用光强测量系统的另一缺点是为了在相减的时候抵消掉，两个光束中的标准具效应(etalon effect)必须相似。
为了克服传统系统的所述缺点，提供了使用CW-CRDS分析气体中微量物质的一种改进的系统和方法。
发明内容
为了以上目的和其它目的，考虑到它的用途，本发明提供一种设备和方法，用于分析气体中的杂质。该设备包括至少部分地包含具有杂质的第一气体的第一单元以及至少部分地包含没有该杂质的第二气体的第二单元。分光器与光源光连接，将光分成第一光束和第二光束。将第一光束耦合进第一单元的输入端，将第二光束耦合进第二单元的输入端。第一检测器与第一单元的输出端连接，基于第一单元内第一光束的衰减率产生第一信号。另外，将第二检测器与第二单元的输出端连接，基于第二单元内第二光束的第二衰减率产生第二信号。基于第一衰减率和第二衰减率之差确定杂质浓度。
根据本发明的另一个方面，处理器与第一检测器和第二检测器连接，接收和处理第一信号和第二信号，确定杂质浓度。
根据本发明的另一个方面，第一光束和第二光束具有相同波长。
根据本发明的另一个方面，第一单元中第一气体的压力和第二单元中第二气体的压力基本相同。
根据本发明的另一个方面，光发射源包括CW激光器。
根据本发明的另一个方面，杂质浓度是通过比较气体杂质吸收线的尖峰处的环降率和没有杂质的基线环降率来确定的。
根据本发明的另一个方面，该方法包括以下步骤：将包含所述杂质的第一气体引入第一单元的至少一部分；将没有所述杂质的第二气体引入第二单元的至少一部分；从光源发射光；将来自光源的光分成第一束和第二束；引导第一束光通过第一单元；引导第二束光通过第二单元；测量第一单元内第一束光的衰减率；测量第二单元内第二束光的衰减率；以及基于第一和第二单元的衰减率之差，确定气体中杂质的浓度。
显然，本发明前面的一般描述和后面的详细描述都是示例性的，而不是限制性的。
附图说明
结合附图，从以下详细描述能够最好地理解本发明。要强调的是，根据一般实践，附图的各个细节不是按比例画出的。相反，为了清楚起见，任意地放大或者缩小了各个特征的尺寸。附图包括：
图1A在对数标尺上说明电磁频谱；
图1B说明采用单环降单元的现有技术CRDS系统；
图2说明本发明的第一个示例性实施例；
图3说明本发明的第二个示例性实施例；以及
图4说明本发明的第三个示例性实施例。
具体实施方式
图2说明本发明的第一个示例性实施例。在图2中，将包含杂质例如被分析物的气体引入环降单元208，将没有这种杂质的气体引入环降单元210。可以是但是不限于腔环降单元的环降单元208、210或者可以填充它们各自的气体，或者可以通过将气体流过这些单元来引入这些气体。(在这里不提供腔环降光谱法的详细说明，因为这一技术对于本领域里的技术人员而言是公知的。)在一个示例性的实施例里，连接到每个单元208、210的调压器212在这些单元内维持基本相同的压力。
从可调谐光源200例如CW激光器发射光201。将光源200调谐到与杂质吸收频率一致的预定频率。由装置202例如透镜收集光201并将其聚焦，并且由光耦合到光源200的分束器204分光。将光201分成两束具有相同波长近似相等的光束201a、201b。基本上同时地将第一光束201a耦合进第一环降单元208，将第二光束201b耦合进第二环降单元210。一旦耦合进它们各自的单元208、210，光束201a、201b接触充当稳定光谐振器的反射性反射镜224和225，并引起光激发。然后关闭光源。当这些反射镜在单元208、210中反射光的时候，一部分光被单元中的气体吸收掉。这一环降信号随时间衰减。
耦合到第一单元的第一输出检测器214和耦合到第二单元的第二输出检测器216各自独立地测量每个单元中的衰减率。输出信号215、217分别代表单元208、210中的衰减率，并且被提供给处理器218。处理器218随后解释这些衰减信号，并且通过确定第一单元208中的衰减率与第二单元210中的衰减率之差来计算杂质浓度。
图3说明本发明的第二个示例性实施例，通过它能够检测气体中例如被分析物的杂质。参考图3，将参考第一实施例来描述完成类似功能的元件，并且采用相同的标号。图3中的实施例基本上与前面参考图2所描述的实施例相同，差别在于用半反射镜304将光201分成具有相同波长，近似相等的光束201a、201b，该半反射镜304透过一部分(201b)光束，并将这个光束的剩余部分(201a)反射到第一环降单元208。过滤出来的那一部分光束随后被反射镜306反射(如果需要)进第二环降单元210中。在所有其它方面，这一示例性的实施例类似于第一示例性实施例。
图4说明本发明的第三示例性实施例。参考图4，将参考第一示例性的实施例描述完成类似功能的元件，并且将采用相同的标号。这一实施例提供这样一种处理，用于分析每个都有不同杂质的多种气体，并且相对于没有这些杂质的参考气体确定杂质浓度。图4中的实施例与参考图2所描述的实施例基本相同。差别是用分束器404将光分成具有相同波长的多个光束(在这个特定实例中是四束)。在光束201a、201b、201c、201d通过这些单元，且用检测器214、216测量到各自衰减率的时候，处理器418通过计算第一单元中衰减率与其它单元中衰减率之差，互相独立地确定每一种气体中的杂质水平。虽然这一示例性的实施例是相对于提供光的单个波长的单个光源200来描述的，但是本发明不限于此。还想到这一光源可以产生多个频率的光，从而使系统的独立对，例如上面参考图2所描述的，可以耦合到分束器404，从而使分束器404提供一种频率的光给第一对单元，并提供第二频率的光给第二单元。
本发明可以应用于各种气体系统，并且相对于现有技术具有在包含杂质的气体具有与杂质频谱特征重叠的频谱特征的系统中提供更高精度的优点。一个非限制性的实例是包含作为杂质的水的氨。相对于现有技术，本发明还具有进出单元时影响光强的外部干扰得到消除的优点，因为环降率是基于时间而不是强度来测量杂质浓度的。结果，不像双单元可调谐二极管激光吸收光谱法(TDLAS)，用于检测水汽的时候，本发明不需要用高纯度的氮来净化光源和单元以及该单元和检测器之间的光束路径。本发明也不受限制TDLAS系统灵敏度的光束变化、检测器失配，以及源自标准具效应的失真的影响。
作为相对于现有技术的另一个优点，本发明的另一个实施例涉及将尖峰吸收线与基线环降率或者没有杂质的环降率进行比较的能力。另一个优点是在偏离尖峰位置测量基线环降率的能力，它使得可以外推尖峰波长。另外，通过测量整个尖峰曲线，包括强度和线形信息，通过拟合线形来确定杂质浓度。
虽然参考了具体实施例来说明和描述本发明，但是不是要将本发明限制于所示细节。相反，在本发明权利要求等同物的范围内可以进行各种详细的改进而不背离本发明。
Claims (25)
1.一种用于分析气体中杂质的方法，包括以下步骤：
将包含所述杂质的第一气体引入第一单元的至少一部分；
将没有所述杂质的第二气体引入第二单元的至少一部分；
从光源发射光；
将来自所述光源的所述光分成第一光束和第二光束；
引导所述第一光束光通过所述第一单元；
引导所述第二光束光通过所述第二单元；
测量所述第一单元中第一光束的衰减率；
测量所述第二单元中第二光束的衰减率；以及
基于所述第一和第二单元的所述衰减率之差，确定所述气体中的杂质浓度。
2.如权利要求1的方法，还包括在所述第一单元和所述第二单元中维持基本相同压力的步骤。
3.如权利要求1的方法，其中所述第一光束和所述第二光束具有相同波长。
4.如权利要求1的方法，还包括将所述光源调谐到预定频率的步骤。
5.如权利要求1的方法，还包括利用腔环降光谱法分析所述第一气体和所述第二气体的步骤。
6.如权利要求5的方法，其中所述第一单元填充有所述第一气体，所述第二单元填充有所述第二气体。
7.如权利要求5的方法，其中所述第一气体流经所述第一单元，所述第二气体流经所述第二单元。
8.如权利要求5的方法，其中所述第一单元填充有所述第一气体，所述第二气体流经所述第二单元。
9.一种利用光源分析气体中杂质的装置，包括：
至少部分地包含具有所述杂质的第一气体的第一单元；
至少部分地包含没有所述杂质的第二气体的第二单元；
与所述光源光耦合，将来自所述光源的光分成第一光束和第二光束的分光器，所述第一光束耦合进所述第一单元的输入端，且所述第二光束耦合进所述第二单元的输入端；
第一检测器耦合到所述第一单元的输出端，并且基于所述第一单元内的所述第一光束的衰减率，产生第一信号；以及
第二检测器耦合到所述第二单元的输出端，并且基于所述第二单元内所述第二光束的第二衰减率，产生第二信号，
其中所述杂质的浓度是基于所述第一衰减率和所述第二衰减率之差确定的。
10.如权利要求9的装置，还包括连接到所述第一检测器和所述第二检测器的处理器，用于接收和处理所述第一信号和所述第二信号，以确定所述杂质浓度。
11.如权利要求9的装置，其中所述第一光束和所述第二光束具有相同波长。
12.如权利要求9的装置，其中所述第一检测器测量所述第一单元中所述第一光束的衰减率。
13.如权利要求9的装置，其中所述第二检测器测量所述第二单元中所述第二光束的衰减率。
14.如权利要求9的装置，其中所述第一单元中所述第一气体的压力和所述第二单元中所述第二气体的压力基本相同。
15.如权利要求9的装置，其中所述气体包括氨，所述杂质包括水。
16.如权利要求9的装置，其中所述光发射源包括CW激光器。
17.如权利要求16的装置，其中所述激光器是可调谐的。
18.如权利要求9的装置，其中所述第一单元和所述第二单元每一个都包括腔环降光谱法单元。
19.如权利要求18的装置，其中所述杂质的浓度是通过将所述气体的杂质尖峰吸收线处的环降率，与没有所述杂质的基线环降率进行比较而确定的。
20.如权利要求18的装置，其中所述基线环降率的浓度是基于向尖峰波长的外推在偏离尖峰的曲线上测量的。
21.如权利要求18的装置，其中所述杂质浓度是基于整个尖峰曲线的测量确定的，其包含强度和线形形成，所述杂质的浓度是通过拟合所述线形确定的。
22.如权利要求18的装置，其中所述第一单元填充有所述第一气体，且所述第二单元填充有所述第二气体。
23.如权利要求18的装置，其中所述第一气体流经所述第一单元，且所述第二气体流经所述第二单元。
24.如权利要求18的装置，其中所述第一单元填充有所述第一气体，且所述第二气体流经所述第二单元。
25.一种用于分析气体中杂质的装置，包括：
将包含杂质的第一气体引入第一单元，且将没有杂质的气体引入第二单元的模块；
将光发射到所述第一单元和所述第二单元中的模块；
确定所述第一单元和所述第二单元中各自的光衰减率的模块；以及
基于所述第一单元和所述第二单元中各自的衰减率之差，确定所述气体中所述杂质浓度的模块。
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