Angesichts
der voranstehend geschilderten Situation besteht ein Ziel der vorliegenden
Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Einrichtung
zur Bestimmung der Menge einer Verunreinigung in einem Gas, mit
welchen exakt die Konzentration der gasförmigen Verunreinigung gemessen werden
kann, obwohl die Konzentration der gasförmigen Verunreinigung sehr
gering ist.
Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration
einer in einem Gas enthaltenen Verunreinigung folgende Schritte:
Entfernen der Verunreinigung aus dem Gas, Einlassen des Gases in
eine erste Zelle, und Messen der Intensität des Lichts, das durch die
erste Zelle hindurchgelassen wird; Einlassen von Gas, das eine Verunreinigung
enthält,
deren Konzentration bekannt ist, in die erste Zelle oder eine zweite
Zelle, die eine optische Weglänge
gleich jener der ersten Zelle aufweist, und Messen der Intensität des Lichts,
das durch die erste Zelle oder die zweite Zelle durchgelassen wird,
wobei die Temperatur und der Druck auf jenen Werten gehalten werden,
wie sie bei der voranstehend geschilderten Messung verwendet wurden; Ermitteln
der dekadischen Extinktion der Verunreinigung auf Grundlage des
Verhältnis
der beiden Lichtintensitätsdaten,
die bei den beiden, voranstehend geschilderten Messungen erhalten
wurden, und Speichern dieser dekadischen Extinktion der Verunreinigung
als Funktion einer Verunreinigungskonzentration; Einlassen von Gas,
das eine Verunreinigung enthält,
deren Konzentration unbekannt ist, in die erste Zelle, die zweite
Zelle, oder eine dritte Zelle, die eine optische Weglänge gleich
jener der ersten Zelle aufweist, und Messen der Intensität des Lichts,
das durch die erste Zelle, die zweite Zelle oder die dritte Zelle
durchgelassen wird, wobei die Temperatur und der Druck auf jenen
Werten gehalten werden, wie sie bei den voranstehend geschilderten
Messungen verwendet wurden; und Ermitteln der dekadischen Extinktion
der Verunreinigung auf Grundlage der soeben erhaltenen Lichtintensität und der
Intensität
des Lichts, das durch die erste Zelle hindurchgelassen wurde, und
Anwenden der so erhaltenen, dekadischen Extinktion bei der Funktion,
um so die Verunreinigungskonzentration zu erhalten.
Bei
dem voranstehend geschilderten Verfahren wird die Intensität des Lichts,
das eine Absorption in einem Probengas erfahren hat, wobei die gasförmige Verunreinigung
entfernt wurde, als eine Bezugsgröße gemessen, und wird weiterhin,
unter Bedingungen mit der selben Temperatur, dem selben Druck und
der selben optischen Weglänge,
die Intensität
des Lichts gemessen, das eine Absorption in einem Probengas erfahren
hat, welches eine gasförmige
Verunreinigung enthält,
deren Konzentration bekannt ist. Dann wird das Verhältnis (bzw.
die Differenz beim Logarithmus) zwischen diesen zwei Lichtintensitätsdaten
berechnet, um die dekadische Extinktion der Verunreinigung zu erhalten,
und wird die so erhaltene, dekadische Extinktion der Verunreinigung
als Funktion einer Verunreinigungskonzentration gespeichert. Dann
wird unter Bedingungen mit der selben Temperatur, dem selben Druck
und der selben optischen Weglänge
die Intensität
von Licht gemessen, das eine Absorption in einem Probengas erfahren
hat, welches eine gasförmige
Verunreinigung enthält,
deren Konzentration unbekannt ist. Dann wird die dekadische Extinktion
der Verunreinigung erhalten. Wenn die so erhaltene dekadische Extinktion
der Verunreinigung auf die Funktion angewendet wird, kann die Verunreinigungskonzentration erhalten
werden.
Daher
kann exakt die Konzentration der Verunreinigung allein gemessen
werden, wobei der Einfluss des Probengases ausgeschaltet ist.
Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Einrichtung zur Bestimmung
der Konzentration einer in einem Gas enthaltenen Verunreinigung
zur Verfügung,
wobei vorgesehen sind: eine Zelle, in welche Gas eingelassen wird;
eine Lichtquelle zum Bestrahlen der Zelle mit Licht; ein Detektor
zur Messung der Intensität
des Lichts, das durch die Zelle hindurchgegangen ist; eine Wärmeisoliervorrichtung, um
die Zelle auf einer festen Temperatur zu halten; eine Druckeinstellvorrichtung
zur Einstellung des Drucks des Gases in der Zelle auf einen vorbestimmten
Wert; ein erstes Gaseinlasssystem zum Einlassen eines Probengases
in die Zelle, dessen Verunreinigungskonzentration gemessen werden
soll; ein zweites Gaseinlasssystem zum Einlassen, in die Zelle,
von Gas, das eine Verunreinigung aufweist, deren Konzentration bekannt
ist; eine Verunreinigungsentfernungsvorrichtung, die in dem ersten
Gaseinlasssystem angeordnet ist, um von einem Probengas eine Verunreinigung
zu entfernen; eine erste Lichtintensitätsmessvorrichtung zum Einlassen,
in die Zelle, eines Gases, dessen Verunreinigung durch die Verunreinigungsentfernungsvorrichtung
entfernt wurde, und zur Messung der Intensität des Lichts, das durch die
Zelle hindurchgegangen ist; eine zweite Lichtintensitätsmessvorrichtung
zum Einlassen, in die Zelle, von Gas, welches eine Verunreinigung
enthält,
deren Konzentration bekann ist, und zur Messung der Intensität des Lichts,
das durch die Zelle hindurch gegangen ist; eine Speichervorrichtung zum
Dividieren der Lichtintensität,
die bei der Messung erhalten wurde, die mit der zweiten Lichtintensitätsmessvorrichtung
durchgeführt
wurde, durch die Lichtintensität,
die durch die Messung erhalten wurde, die mit der ersten Lichtintensitätsmessvorrichtung
durchgeführt
wurde, um hierdurch die dekadische Extinktion der Verunreinigung
zu erhalten, und zum Speichern der so erhaltenen dekadischen Extinktion
der Verunreinigung als Funktion einer Verunreinigungskonzentration;
eine dritte Lichtintensitätsmessvorrichtung
zum Einlassen, in die Zelle, von Gas, das eine Verunreinigung enthält, deren
Konzentration unbekannt ist, und zur Messung der Intensität des Lichts,
das durch die Zelle hindurchgegangen ist; und eine Konzentrationsmessvorrichtung
zum Dividieren der Lichtintensität,
die bei der Messung erhalten wurde, die mit der dritten Lichtintensitätsmessvorrichtung
durchgeführt
wurde, durch die Lichtintensität,
die bei der Messung erhalten wurde, die mit der ersten Lichtintensitätsmessvorrichtung
durchgeführt wurde,
um hierdurch die dekadische Extinktion der Verunreinigung zu erhalten,
und zum Anwenden der so erhaltenen dekadischen Extinktion der Verunreinigung
auf die Funktion, die in der Speichervorrichtung gespeichert ist,
um hierdurch die Verunreinigungskonzentration zu erhalten.
Diese
Einrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer in einem Gas
enthaltenen Verunreinigung entspricht daher dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Bestimmung der Konzentration einer in einem Gas enthaltenen
Verunreinigung. Mit dieser Einrichtung kann exakt die Konzentration
der Verunreinigung allein gemessen werden, wobei der Einfluss des
Probengases ausgeschaltet ist.
Vorzugsweise
sind die Lichtquelle und der Detektor getrennt in jeweiligen, luftdichten
Behältern aufgenommen.
Bei dieser Anordnung können
die luftdichten Behälter
einfach evakuiert und mit Gas gefüllt werden, welches nicht Licht
an der Wellenlänge
des Absorptionsspektrums der Verunreinigung absorbiert. Dies verhindert,
dass die Lichtquelle und der Detektor verunreinigt werden. Daher
wird das zu messende Verunreinigungsspektrum nicht durch Verunreinigungen
beeinflusst, wodurch das Auftreten eines Messfehlers verhindert
wird.
Es
ist vorzuziehen, dass der Verbindungsabschnitt zwischen dem ersten
luftdichten Behälter
und der Zelle den luftdichten Zustand in dem ersten luftdichten
Behälter
aufrechterhalten kann, wenn die Zelle entfernt ist, und dass der
Verbindungsabschnitt zwischen dem zweiten luftdichten Behälter und
der Zelle den luftdichten Zustand in dem zweiten luftdichten Behälter aufrechterhalten
kann, wenn die Zelle entfernt ist. Bei einer derartigen Anordnung
kann die Zelle einfach so durch eine andere Zelle ersetzt werden,
dass der luftdichte Zustand jedes der luftdichten Behälter beibehalten
bleibt.
Vorzugsweise
ist eine Stromversorgungseinheit zum Liefern elektrischen Stroms
an die Lichtquelle oder den Detektor außerhalb des ersten und zweiten
luftdichten Behälters
angeordnet. Hierdurch wird die Auswirkung der Abstrahlung von der
Stromversorgungseinheit verringert, die eine Wärmeerzeugungsquelle darstellt.
Vorzugsweise
ist weiterhin ein Computer dazu vorgesehen, die Funktion der ersten
Lichtintensitätsmessvorrichtung,
der zweiten Lichtintensitätsmessvorrichtung,
der Speichervorrichtung, der dritten Lichtintensitätsmessvorrichtung
und der Konzentrationsmessvorrichtung durchzuführen, und ist der Computer
außerhalb
des ersten und zweiten luftdichten Behälters angeordnet. Eine derartige
Anordnung verringert ebenfalls die Auswirkungen der Abstrahlung
von dem Computer, wie im Falle der Stromversorgungseinheit.
Die
Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
1 eine
Ansicht eines Messsystems zur Messung der Lichtintensität eines
Probengases (Bezugsgröße), von
welchem eine Verunreinigung entfernt wurde;
2 eine
Ansicht eines Messsystems zur Messung, zum Zwecke der Erzeugung
einer Kalibrierkurve, eines Standardprobengases, das eine Verunreinigung
enthält,
deren Konzentration bekannt ist;
3 ein
Diagramm, welches im Vergleich (i) das Absorptionsspektrum rektifizierten
Ammoniakgases zeigt, gemessen mit dem Messsystem von 1,
nachdem das Partialdruckverhältnis
der Verunreinigung oder von Dampf so eingestellt wurde, dass die
Dampfkonzentration 100 ppb beträgt,
in Bezug auf das Ammoniakgas, und (ii) das Absorptionsspektrum von
Ammoniakgas, welches eine Verunreinigung oder Feuchtigkeit enthält, gemessen
mit dem Messsystem von 2;
4 ein
Diagramm, welches die dekadische Extinktion zeigt, die auf Grundlage
des Verhältnisses
der beiden Absorptionsspektren in 3 erhalten
wurde;
5 eine
Ansicht eines Messsystems zur Messung einer Probe, die eine Verunreinigung
enthält,
deren Konzentration nicht bekannt ist;
6 eine
Ansicht eines Messsystems, in welchem eine Infrarotquelle G, ein
Interferometer S, ein Infrarotdetektor D und dergleichen innerhalb
ausreichend luftdichter Behälter
angeordnet sind; und
7 eine
Ansicht des Messsystems von 6, wobei
die Gaszelle 15 entfernt und nicht mehr mit der Verbindung
C2 verbunden ist.
1 ist
eine Ansicht eines Messsystems zur Messung der Lichtintensität eines
Probengases (Bezugsgröße), von
welchem eine Verunreinigung entfernt ist.
In 1 ist
eine Probengasflasche 11, die ein Probengas enthält, an einen
Gaseinlass IN einer Gaszelle 15 über eine Mengendurchflusssteuerung 12 zur
Einstellung der Flussmenge von Gas angeschlossen, über eine
Verunreinigungsrektifiziervorrichtung 13 zum Entfernen
einer Verunreinigung, und ein Ventil 14, das geöffnet werden
kann. Dieser Kanal wird als ein erstes Gaseinlasssystem bezeichnet.
Andererseits
sind ein Einstellventil 16 und eine Vakuumerzeugungsvorrichtung 17 (die
auch eine Druckausstoßvorrichtung
sein kann) zur Erzeugung eines Unterdrucks an einen Gasauslass OUT der
Gaszelle 15 angeschlossen. Die Vakuumerzeugungsvorrichtung 17 ist
an eine Hochdruckgasflasche 25 angeschlossen, welche Luft
oder Stickstoff enthält.
Mit dieser Konstruktion ist eine Drucksteuerung oder Druckregelung
von 0,1 Pa in Bezug auf Atmosphärendruck
(100 kPa) möglich.
Bei
der ersten Ausführungsform
dient die Gaszelle 15 als die erste, die zweite und die
dritte Zelle mit der selben optischen Weglänge, wie dies voranstehend
beschrieben wurde.
Wie
in 1 gezeigt, weist die Gaszelle 15 eine
gehäuseartige
Zellenkammer 15a auf, die ein festes Volumen hat, und Lichtdurchlassfenster 15b, 15c,
jeweils eines an einer Endoberfläche
der Zellenkammer 15a. Die Zellenkammer 15a weist
den Gaseinlass IN und den Gasauslass OUT auf, und ist weiterhin
mit einem Anschluss versehen, an welchen ein Druckwandler 18 angeschlossen
ist, zur Messung des Drucks in der Zellenkammer 15a.
Die
Mengendurchflusssteuerung 12, das Einstellventil 16,
und der Druckwandler 18 sind an eine Drucksteuereinheit 19 angeschlossen.
Die Drucksteuereinheit 19 ist dazu ausgebildet, auf Grundlage
des Drucks, der von dem Druckwandler 18 gemessen wird,
die Flussmenge eines Probengases und das Ausmaß der Öffnung des Einstellventils 16 einzustellen,
damit der Druck in der Gaszelle 15 auf einem vorbestimmten
Druck gehalten wird.
Die
Lichtdurchlassfenster 15b, 15c bestehen beispielsweise
aus Saphir, da derartige Fenster Infrarotstrahlung durchlassen.
Um
die Gaszelle 15 so gut wie möglich auf einer vorbestimmten
Temperatur zu halten, ist die Gaszelle 15 von einem Isoliermaterial
wie beispielsweise Styrolschaum oder dergleichen (nicht gezeigt) umgeben.
Die gesamte Gaszelle 15 ist in einem wärmeisolierten Behälter (nicht
gezeigt) aufgenommen, zusammen mit einer Infrarotquelle G, einem
Spektroskop oder Interferometer S, und einem Infrarotdetektor D,
wie dies nachstehend erläutert
wird. Das Innere des wärmeisolierten
Behälters
wird auf einer vorbestimmten Temperatur durch eine Heizvorrichtung, ein
Peltierelement oder dergleichen gehalten.
Das
Bezugszeichen G bezeichnet die Infrarotquelle G. Es kann jede Art
und Weise der Infrarotstrahlungserzeugung eingesetzt werden. So
kann beispielsweise eine Keramikheizvorrichtung (Oberflächentemperatur
450°C) oder
dergleichen eingesetzt werden. Weiterhin ist das Spektroskop oder
Interferometer S zur Auswahl der Wellenlänge der Infrarotstrahlung vorgesehen.
Weiterhin kann ein Strahlzerhacker (nicht gezeigt) dazu vorgesehen sein,
in regelmäßigen Zyklen
Licht zu sperren und durchzulassen, das von der Infrarotquelle G
erzeugt wird.
Licht,
das von der Infrarotquelle G abgestrahlt wird, und in die Gaszelle 15 durch
das Lichtdurchlassfenster 15c hineingelangt, wird von der Gaszelle 15 durch
das Lichtdurchlassfenster 15b ausgesandt, und dann von
dem Infrarotdetektor D nachgewiesen. Der Infrarotdetktor D ist als
DtGs-Detektor (ein Deuteriumtriglycinsulfatdetektor), als InAs-Detektor,
als CCD-Element oder dergleichen ausgebildet.
Ein
Messsignal des Infrarotdetektors D wird von einer Messeinheit 20 für die dekadische
Extinktion bzw. die Konzentration untersucht. Das Untersuchungsverfahren
wird nachstehend erläutert.
Die
Drucksteuereinheit 19 und die Messeinheit 20 für die dekadische
Extinktion bzw. die Konzentration werden durch einen Personalcomputer
zur Verfügung
gestellt. Jede der Verarbeitungsfunktionen der Drucksteuereinheit 19 und
der Messeinheit 20 für die
dekadische Extinktion bzw. die Konzentration wird von dem Computer
durchgeführt,
der ein Programm ausführt,
das auf einem vorbestimmten Medium gespeichert ist, beispielsweise
einer CD-ROM, einer Festplatte oder dergleichen. Ein Speicher 20a, der
an die Messeinheit 20 für
die dekadische Extinktion bzw. die Konzentration angeschlossen ist,
wird durch eine Datei, die beschreibbar ist, bereitgestellt, die
in einem Aufzeichnungsmedium wie beispielsweise einer Festplatte
oder dergleichen vorgesehen ist.
Bei
dem voranstehend geschilderten Messsystem wird eine Verunreinigung
(beispielsweise Feuchtigkeit) in einem Probengas (beispielsweise Ammoniakgas),
aufbewahrt in der Probengasflasche 11, durch ein Absorptionsmittel
für die
Verunreinigung (beispielsweise Feuchtigkeit absorbierende Chemikalien
wie Silikagel oder dergleichen) in der Verunreinigungsrektifiziervorrichtung 13,
und dann wird das Probengas der Gaszelle 15 zugeführt.
Der
Druck in der Gaszelle 15 wird durch den Druckwandler 18 gemessen.
Die Drucksteuereinheit 19 steuert die Mengendurchflusssteuerung 12 und das
Einstellventil 16 so, dass der gemessene Druckwert gleich
einem Sollwert wird. Durch diese Rückkopplungsregelung wird das
Innere der Gaszelle 15 schließlich auf dem gewünschten,
festen Druck gehalten, der mit Ps bezeichnet ist.
In
diesem Zustand wird Licht von der Infrarotquelle G abgestrahlt,
um eine spektrale Abtastung des Spektroskops oder Interferometers
S durchzuführen,
und wird die Intensität
des durch die Gaszelle 15 durchgelassenen Lichts von dem
Infrarotdetektor D erfasst. Auf diese Weise kann das Lichtintensitätsspektrum
des Probengases mit davon entfernter Verunreinigung gemessen werden,
wobei das Probengas in die Gaszelle 15 eingefüllt ist.
Wenn beispielsweise das Probengas Ammoniakgas ist, und die Verunreinigung
Feuchtigkeit, kann das Lichtintensitätsspektrum des Ammoniakgases
erhalten werden, von welchem die Feuchtigkeit entfernt wurde.
Das
erhaltene Lichtintensitätsspektrum
des Probengases mit davon entfernter Verunreinigung dient dazu,
die Lichtmengenänderung
der Infrarotquelle G, die Empfindlichkeitsänderung des Detektors, und
dergleichen zu korrigieren.
2 ist
eine Ansicht eines Messsystems zur Messung, zum Zwecke der Erzeugung
einer Kalibrierkurve, eines Standardprobengases, das eine Verunreinigung
enthält,
deren Konzentration bekannt ist.
Das
Messsystem in 2 ist in der Hinsicht ebenso
ausgebaut wie das System in 1, als ein System
zum Liefern eines Probengases von einer Probengasflasche 11 vorgesehen
ist, ein System zum Ablassen des Gases von der Gaszelle 15,
und ein optisches Messsystem zur Messung eines Spektrums.
Das
Messsystem in 2 unterscheidet sich von jenem
in 1 in der Hinsicht, dass vorgesehen sind: (i) ein
System mit einer Verunreinigungsgasflasche 21, die ein
Verunreinigungsgas enthält,
dessen Konzentration bekannt ist, (ii) eine Mengendurchflusssteuerung 22,
und (iii) ein Ventil 23, so dass das Verunreinigungsgas
in die Gaszelle 15 eingelassen werden kann. Dieser Kanal
wird als ein zweites Gaseinlasssystem bezeichnet.
Bei
dem Messsystem mit der voranstehend geschilderten Ausbildung wird
das Probengas (beispielweise Ammoniakgas), das in der Probengasflasche 11 aufbewahrt
ist, in die Gaszelle 15 über eine Verunreinigungsrektifiziervorrichtung 13 eingelassen,
während
die Flussmenge des Probengases durch eine Mengendurchflusssteuerung 12 gesteuert wird.
Die Temperatur der Gaszelle 15 ist gleich jener Temperatur,
auf welcher die Messung mit dem Messsystem in 1 durchgeführt wurde.
Zu diesem Zeitpunkt wird das Verunreinigungsgas (beispielsweise Dampf),
dessen Konzentration bekannt ist, von der Verunreinigungsgasflasche 21 in
die Gaszelle 15 eingelassen, während seine Flussmenge durch
die Mengendurchflusssteuerung 22 gesteuert wird.
Durch
Einstellung des Verhältnisses
der Flussmengen der beiden Mengendurchflusssteuerungen 12, 22 kann
das Partialdruckverhältnis
r zwischen dem Verunreinigungsgas und dem Probengas je nach Wahl
eingestellt werden. Der einzustellende Partialdruck des Verunreinigungsgases
ist mit Pi bezeichnet, während
der Probengasdruck mit Ps bezeichnet ist. Pi ist gleich rPs.
Eine
Drucksteuereinheit 19 steuert die Mengendurchflusssteuerungen 12, 22 und
ein Einstellventil 16 so, dass der Gesamtdruck des Probengases und
des Verunreinigungsgases gleich (Pi + Ps) ist.
Es
wird darauf hingewiesen, dass im Allgemeinen Pi erheblich kleiner
als Ps ist, um 3 oder 4 Stellen. Daher wird in der Praxis so vorgegangen, dass
Pi im Wesentlichen unberücksichtigt
bleibt, so dass die Drucksteuereinheit 19 eine solche Steuerung
durchführt,
dass der Gesamtdruck des Probengases und des Verunreinigungsgases
nicht gleich (Pi + Ps) ist, sondern gleich Ps.
Wie
voranstehend erläutert,
sind in der Gaszelle 15 das Probengas auf dem Partialdruck
Ps und das Verunreinigungsgas auf dem Partialdruck Pi vorhanden.
In
diesem Zustand wird Licht von einer Infrarotquelle G abgestrahlt,
um eine spektrale Abtastung eines Spektroskops oder Interferometers
S durchzuführen,
und wird die Intensität
des durch die Gaszelle 15 hindurchgegangenen Lichts von
einem Infrarotdetektor D erfasst. Daher kann das Absorptionsspektrum
des Probengases gemessen werden, welches die Verunreinigung enthält, deren
Konzentration bekannt ist, während
das Probengas in die Gaszelle 15 eingefüllt ist.
Wenn
beispielsweise das Probengas Ammoniakgas ist, und die Verunreinigung
Feuchtigkeit ist, kann das Absorptionsspektrum des Ammoniakgases erhalten
werden, welches die Feuchtigkeit enthält, deren Konzentration bekannt
ist.
3 ist
ein Diagramm, welches im Vergleich (i) das Absorptionsspektrum rektifizierten
Ammoniakgases zeigt, gemessen von dem Messsystem in 1,
nachdem das Partialdruckverhältnis
der Verunreinigung oder des Dampfes so eingestellt wurde, dass die
Dampfkonzentration 100 ppb in Bezug auf das Ammoniakgas
beträgt,
und (ii) das Absorptionsspektrum von Ammoniakgas, welches eine Verunreinigung
oder Feuchtigkeit enthält,
gemessen von dem Messsystem in 2. In 3 ist
auf der Abszisse die Wellenzahl (cm-1) aufgetragen,
während
die Ordinate in freiwählbarem
Maßstab
die Lichtintensität
angibt. Die Wellenzahl auf der Abszisse liegt im Bereich von 3870
(cm-1) bis 3780 (cm-1),
was einer Wellenlänge
im Bereich von 2583 nm bis 2645 nm entspricht.
3 zeigt
einen Unterschied, obwohl dieser sehr gering ist, zwischen dem Absorptionsspektrum
des rektifizierten Ammoniakgases und dem Absorptionsspektrum des
Feuchtigkeit enthaltenden Ammoniakgases.
4 ist
ein Diagramm, welches die dekadische Extinktion zeigt, die durch
Umwandlung des Verhältnisses
der beiden Absorptionsspektren in 3 erhalten
wird. In 4 ist auf der Ordinate die dekadische
Extinktion aufgetragen.
Hierbei
ist die dekadische Extinktion ein Logarithmus log (R0/R1) des Verhältnisses
(R0/R1) zwischen einer erfassten Lichtintensität R0, die bei der Messung erhalten
wird, die mit einem Probengas durchgeführt wird, das keine Verunreinigung
aufweist, und in der Gaszelle 15 vorhanden ist, und einer erfassten
Lichtintensität
R1, die bei der Messung erhalten wird, die mit einem Probengas,
das eine Verunreinigung enthält,
durchgeführt
wird, das in der Gaszelle 15 vorhanden ist.
Das
Diagramm in 4 zeigt die Spektren der dekadischen
Extinktion von Feuchtigkeit mit einer Konzentration von 100 ppb
in der Gaszelle 15.
Die
Messeinheit 20 für
die dekadische Extinktion bzw. Konzentration speichert im Speicher 20a die
Spektren von 4 als Daten in Abhängigkeit
von der Wellenlänge.
Dann
wird eine große
Anzahl derartiger Daten erhalten, während die Verunreinigungskonzentration
geändert
wird. Für
jede Wellenlänge
erhält
man eine Kurve, welche die Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration
und der dekadischen Extinktion angibt. Diese Kurve wird als Kalibrierkurve bezeichnet.
Es
wird angenommen, dass sich die Steigung der Kalibrierkurve nicht
wesentlich ändert,
obwohl die Wellenlänge
geändert
wird. Daher kann die Kalibrierkurve für zumindest eine repräsentative
Wellenlänge
verwendet werden. Die repräsentative
Wellenlänge
ist jene Wellenlänge,
bei welcher das Verunreinigungsspektrum einen typischen Peak zeigt.
So taucht beispielsweise in 4 der höchste Peak
bei 3854 (cm-1) auf. Daher kann die Kalibrierkurve
bei dieser Wellenlänge
verwendet werden.
5 ist
eine Ansicht eines Messsystems zur Messung einer Probe, die eine
Verunreinigung enthält,
deren Konzentration unbekannt ist. Das Messsystem in 5 ist
im Wesentlichen ebenso wie in 1 aufgebaut,
mit Ausnahme der Tatsache, dass keine Verunreinigungsrektifiziervorrichtung
zum Entfernen der Verunreinigung von dem Probengas vorhanden ist.
Daher wird ein eine Verunreinigung enthaltendes Probengas in die
Gaszelle 15 über
dem Gaseinlass IN eingelassen. Hierbei ist die Konzentration der
Verunreinigung nicht bekannt. Es werden solche Vorkehrungen getroffen,
dass die Temperatur der Gaszelle 15 zum Zeitpunkt der Messung die
gleiche ist wie jene bei der Messung, die mit jedem der Messsysteme
in den 1 und 2 durchgeführt wurde. Weiterhin werden
derartige Vorkehrungen getroffen, dass der Druck in der Gaszelle 15 gleich
dem Druck Ps ist, der voranstehend erwähnt wurde. Das Intensitätsspektrum,
das mit dem Messsystem von 5 gemessen
wird, ist das Intensitätsspektrum
einer Gasmischung aus dem Probengas und dem Verunreinigungsgas.
Bei
dem Verfahren zur Bestimmung der Menge der Verunreinigung im Gas
gemäß der vorliegenden
Erfindung führt
die Messeinheit 20 für
die dekadische Extinktion bzw. die Konzentration die folgende Datenverarbeitung
durch.
Zuerst
wird das Intensitätsspektrum,
das von dem Messsystem in 5 gemessen
wurde, durch das Intensitätsspektrum
dividiert, das von dem Messsystem in 1 gemessen
wurde. Dann kann das Absorptionsspektrum oder das Spektrum der dekadischen
Extinktion des Verunreinigungsgases erhalten werden.
Dann
wird das Spektrum der dekadischen Extinktion des Verunreinigungsgases
auf die bereits vorbereitete Kalibrierkurve angewendet, um hierdurch
die Konzentration des Verunreinigungsgases zu erhalten.
Wie
voranstehend erwähnt,
kann die Konzentration des Verunreinigungsgases festgestellt werden,
dessen Konzentration unbekannt war.
Nachstehend
werden Abänderungen
des Messsystems erläutert.
Bei jedem der Messsysteme, die in den 1, 2 und 5 gezeigt
sind, sind die Infrarotquelle G, das Spektroskop oder das Interferometer
S, und der Infrarotdetektor D in der Raumluft angeordnet. Allerdings
gibt es Fälle,
bei denen ein Bestandteil wie beispielsweise Feuchtigkeit gemessen
werden soll, Kohlenstoffdioxidgas, Stickstoffgas oder dergleichen,
welcher Infrarotstrahlung absorbiert. Derartige Bestandteile sind
jedoch auch in der Luft vorhanden. Daher ist es für eine exakte
Messung erforderlich, einen derartigen Bestandteil, der in der Luft
enthalten ist, von der Infrarotquelle G, dem Spektroskop oder dem
Interferometer S, und dem Infrarotdetektor D fernzuhalten.
Hierbei
kann man so vorgehen, dass die Infrarotquelle G, das Spektroskop
oder Interferometer S, der Infrarotdetektor D und dergleichen im
Innern eines ausreichend luftdichten Behälters angeordnet sind, und
dieser Behälter
evakuiert wird, oder mit einem äußerst reinem
Gas gefüllt
wird, welches keine Infrarotstrahlung absorbiert.
6 ist
eine Ansicht eines Messsystems, bei welchem die Infrarotquelle G,
das Interferometer S, der Infrarotdetektor D und dergleichen innerhalb eines
ausreichend luftdichten Behälters
angeordnet sind.
In 6 sind
die Gasflusskanäle
wie beispielsweise das Gaseinlasssystem und dergleichen weggelassen.
Die Infrarotquelle G und das Interferometer S sind innerhalb eines
ausreichend luftdichten Behälters 31 angeordnet,
wobei ein Schlitz 32 und eine Fokussierlinse oder ein Spiegel 34 in
dem optischen Weg vorhanden sind. Ein Vakuumanschluss 37 ist an
einer Außenwand
des Bodens des luftdichten Behälters 31 angeordnet.
Ein Stromversorgungskabel von einer Stromversorgungseinheit 44 und
dergleichen sind an dem Vakuumverbinder 37 angeschlossen.
Eine Vakuumpumpeneinlassöffnung
ist an eine Verbindung C4 angeschlossen.
Laserlicht
von einer Laservorrichtung L wird in den luftdichten Behälter 31 durch
ein Lichtdurchlassfenster 35 eingelassen. Bei dem Interferometer
S wird dieses Laserlicht zur Auswahl von Licht mit einer bestimmten
Wellenlänge
eingesetzt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Anordnung mit dem
Interferometer S, welches die Laservorrichtung L verwendet, bei
der in 1 gezeigten Anordnung eingesetzt werden kann.
Eine
Verbindung C1 zum Anschluss an die Gaszelle 15 ist an einer
Querwand des luftdichten Behälters 31 angebracht.
Ein Lichtdurchlassfenster 41 ist auf der Verbindung C1
angebracht. Der Verbindungsabschnitt zwischen der Verbindung C1
und dem Lichtdurchlassfenster 41 wird im luftdichten Zustand
gehalten. Daher tritt kein Gas von der Verbindung C1 aus, so dass
der luftdichte Zustand im Inneren des luftdichten Behälters 31 aufrechterhalten bleibt.
Ein O-Ring 40 ist dazu vorgesehen, die Verbindung C1 mit
der Gaszelle 15 zu verbinden.
Weiterhin
ist ein ausreichend luftdichter Behälter 33 vorgesehen,
der den Infrarotdetektor D aufnimmt. Eine Fokussierlinse oder ein
Spiegel 36 ist in dem ausreichend luftdichten Behälter 33 zusammen mit
dem Infrarotdetektor D vorgesehen. Ein Vakuumverbinder 38 ist
an der Außenwand
des Bodens des luftdichten Behälters 33 angeordnet.
Ein Stromversorgungskabel von der Stromversorgungseinheit 44 und
dergleichen sind mit dem Vakuumverbinder 38 verbunden.
Eine Vakuumpumpeneinlassöffnung
ist an eine Verbindung C3 angeschlossen.
Eine
Verbindung C2 zur Verbindung mit der Gaszelle 15 ist ebenfalls
an einer Querwand des luftdichten Behälters 33 angeordnet.
Ein Lichtdurchlassfenster 43 ist auf der Verbindung C2
angebracht. Die Verbindung C2 weist einen O-Ring 40 auf, über welchen
der luftdichte Behälter 33 mit
der Gaszelle 15 verbunden ist. Die Verbindung C2 kann in
Richtung der optischen Achse bewegt werden, um das Anbringen und
Abnehmen des Behälters 33 an
bzw. von der Gaszelle 15 zu erleichtern. Ein O-Ring 42 ist
dazu vorgesehen, einen Austritt von Gas zu verhindern, wenn die
Verbindung C2 in Richtung der optischen Achse bewegt wird.
Weiterhin
kann eine Vakuumpumpe an einen Verbinder 47 der Verbindung
C1 angeschlossen sein, um sowohl Luft, die in den Raum zwischen
dem Fenster 41 der Verbindung C1 und dem Fenster 15c der
Gaszelle 15 eingedrungen ist, als auch Luft zu entfernen,
die in den Raum zwischen dem Fenster 15b der Gaszelle 15 und
dem Fenster 43 der Verbindung C2 eingedrungen ist. Diese
beiden Räume
stehen miteinander über
ein Durchgangsloch 48 in Verbindung, das in der Gaszelle 15 vorgesehen
ist. Daher kann die Luft innerhalb der beiden Räume gleichzeitig abgesaugt
werden, einfach durch Anschluss der Vakuumpumpe an den Verbinder 47 der
Verbindung C1.
Bei
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Anordnung so, dass andere Hauptbestandteile,
beispielsweise die Laservorrichtung L, die Stromversorgungseinheit 44,
der Personalcomputer und dergleichen, mit Ausnahme der Infrarotquelle
G, des Interferometers S und des Infrarotdetektors D, außerhalb
der luftdichten Behälter 31, 33 angeordnet
sind. Die Wärmeströmung ist
im Vakuum nämlich
extrem verringert. Wenn die Laservorrichtung, die Stromversorgungseinheit,
der Computer und dergleichen innerhalb der luftdichten Behälter 31, 33 angeordnet
sind, wird daher keine Wärme
von der Laservorrichtung, der Stromversorgungseinheit, dem Computer
und dergleichen nach außen übertragen.
Hierdurch wird die Temperatur innerhalb der luftdichten Behälter 31, 33 abnorm
stark erhöht,
was die Messsysteme negativ beeinflusst.
Wenn
bei dem in 6 gezeigten Messsystem das Spektrum
der dekadischen Extinktion oder der Absorption des Verunreinigungsgases
gemäß dem Verfahren
gemessen wird, das im Zusammenhang mit den 1 bis 5 erläutert wurde,
wobei die luftdichten Behälter 31, 33 auf
unterhalb von Atmosphärendruck
im Innern evakuiert wurden (beispielsweise 10-4 bis
10-6 Torr), wird hierdurch der Einfluss
jener in der Luft enthaltenen Bestandteile ausgeschaltet, welche
Infrarotstrahlung absorbieren. Daher kann eine exaktere Messung
der dekadischen Extinktion oder der Absorption durchgeführt werden.
7 ist
eine Ansicht des Messsystems von 6, wobei
die Gaszelle 15 entfernt und nicht mehr mit der Verbindung
C2 verbunden ist. Bei dieser Anordnung kann die Gaszelle 15 durch
eine andere Gaszelle ersetzt werden. Wie voranstehend erläutert, halten
die Verbindungen C1, C2 den luftdichten Zustand der luftdichten
Behälter 31, 33 aufrecht.
Selbst zum Zeitpunkt des Austausches einer Gaszelle wird daher das
Vakuum der luftdichten Behälter 31, 33 nicht
verschlechtert.
Daher
kann nach Fertigstellung des Austausches sofort mit der Messung
begonnen werden.
Voranstehend
wurden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung erläutert.
Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die voranstehend
geschilderten Ausführungsformen
beschränkt.
So kann beispielsweise eine größere Wellenlänge (40μm) als voranstehend
erwähnt
verwendet werden. In diesem Fall kann ein Bestandteil gemessen werden,
der herkömmlich
nicht gemessen werden konnte, oder ein Bestandteil, bei dem bislang
die Messung schwierig war (beispielsweise ein Wolframbestandteil
oder ein Phosphorbestandteil). Allerdings ist es in diesem Fall erforderlich,
dass jedes der Lichtdurchlassfenster 15b, 15c der
Gaszelle, der Lichtdurchlassfenster 41, 43 der
Verbindungen C1, C2, und der Lichtdurchlassabschnitt des Interferometers
S aus einem Material bestehen, welches Licht bei einer derartigen
größeren Wellenlänge durchlassen
kann. Wenn beispielsweise der Lichtdurchlassabschnitt des Interferometers
S aus CsI (Zäsiumjodid)
besteht, und die Lichtdurchlassfenster aus KRS-5 (45,7% Thalliumbromid und 54,3% Thalliumjodid)
bestehen, kann eine stabile Messung im Infrarotbereich durchgeführt werden (CsI
ist ein Optikmaterial, das eine Lichtdurchlassrate von 80% oder
mehr im Wellenlängenbereich
von 0,5 bis 40 μm
aufweist, und KRS-5 ist ein Optikmaterial, das eine Lichtdurchlassrate
von 70% oder mehr im Wellenlängenbereich
von 3 bis 40 μm
aufweist).
Weiterhin
kann das Fenster 41 der Verbindung C1 und das Fenster 43 der
Verbindung C2 entfernt werden. Bei dieser Anordnung kann der luftdichte
Zustand in jedem der luftdichten Behälter 31, 33 dadurch
aufrechterhalten werden, dass die Gaszelle 15 an die Verbindungen
C1, C2 angeschlossen wird. Die beiden luftdichten Behälter 31, 33 stehen
miteinander über
das Durchgangsloch 48 der Gaszelle 15 in Verbindung.
Daher können
die luftdichten Behälter 31, 33 insgesamt
einfach dadurch evakuiert werden, dass eine Vakuumpumpe an einen
der Behälter 31, 33 angeschlossen
wird.
Die
Offenbarung der Japanischen Patentanmeldung Nr. 2004-210693, eingereicht
am 16. Juli 2004, wird durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung
eingeschlossen.