JP2000088745A - ガス計測装置およびそれを用いた呼気テスト方法 - Google Patents

ガス計測装置およびそれを用いた呼気テスト方法

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JP2000088745A
JP2000088745A JP25846598A JP25846598A JP2000088745A JP 2000088745 A JP2000088745 A JP 2000088745A JP 25846598 A JP25846598 A JP 25846598A JP 25846598 A JP25846598 A JP 25846598A JP 2000088745 A JP2000088745 A JP 2000088745A
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gas
light
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resonator
atmosphere
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JP25846598A
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Hirohisa Sakuma
博久 佐久間
Satoshi Yamashita
敏 山下
Tatsumi Sakanaka
竜巳 坂中
Yuichiro Okajima
裕一郎 岡島
Norihiro Konda
徳大 根田
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Tokyo Gas Co Ltd
Original Assignee
Tokyo Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光による、小型で高感度なガス計測装置およ
びそれを用いた呼気テスト方法の提供。 【解決手段】 微小球を用いたガスセンサ部40におい
て、光ファイバ42からの入射光の一部は、プリズム4
4を介して微小球共振器46に入射する。この微小球共
振器46の直径は、数μmから数mmである。微小球共
振器46において、この中を光がまわることで共振状態
となり(ささやき回廊モード)、この状態で、微小球か
ら染み出す光によるエバネッセント場43と雰囲気47
との相互作用を検出することにより、雰囲気に含まれる
ガスを計測することができる。このように、微小球共振
器46内を光が回っているため、光路長が長くしたとき
と同じ効果が得られ、雰囲気中のガスを高感度で検出す
ることができる。このガス計測装置を用いて呼気テスト
を行うと、付帯設備が必要なく、簡易に行うことができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガス計測装置に関
し、特に光を用いたガス計測装置およびそれを用いた呼
気テスト方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から、光を用いたガス計測装置があ
る。たとえば、図1に示すように、光源12から光を検
知対象のガスが入っている試料セル14に照射して、そ
の光吸収強度から、ガスの有無や濃度を検知するもので
ある。このようなガス計測装置は、光を用いているため
にガスに対して爆発を誘起しない防爆型であるので、ガ
ス漏洩検知器に用いられている。また、ガスの種類を特
定して計測することができる高選択性を生かして、呼気
テスト用同位体ガス検知装置に用いられたりしている。
【0003】また、ガスがエバネッセント場からエネル
ギを吸収することを利用した光ファイバ型の検知装置も
考案されている。このエバネッセント場を図2を用いて
説明する。光ファイバ22等の屈折率の高い媒質から検
知対象のガスを含む屈折率が低い雰囲気26に対して全
反射するような角度で入力する光は、雰囲気中に1波長
程度浸透する。このように、光が雰囲気中に浸透してい
る場24がエバネッセント場である。このエバネッセン
ト場で、光がガス等と相互作用を起こし、エネルギをガ
スが吸収する等が起こるのでこれを検出することで、ガ
スを計測することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】さて、従来の光を用い
たガス検知装置では、低濃度のガスを検知する場合は、
光路長を長くするとることが必要となるため、空間分解
能が低い。
【0005】また、エバネッセント場を利用した光ファ
イバ・ガス検知装置では、保護層を取り除いた光ファイ
バを長くとる必要があり、強度が低下する。このような
直接ガスに接して検知する計測装置の場合、検知部の汚
れが感度低下を引き起こすので、検知部を定期的に交換
する必要あるが、検知部が長いと交換作業に手間取るこ
とが多い。
【0006】本発明の目的は、上述のような課題を解決
することができる光を用いたガス計測装置を提供するこ
とである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、光を用いたガス計測装置において、光源
と、前記光源からの光を入力して、周囲のガスとエバネ
ッセント場により相互作用する微小球共振器を含むガス
センサと、前記ガスセンサからの出力光を受ける受光器
とを備えることを特徴とする。
【0008】このように、微小球共振器を用いてガス計
測装置を構成することにより、計測装置を小型・高感度
・高分解能とすることができる。
【0009】このようなガス計測装置では、光源として
半導体レーザを用いてもよく、計測に使用する光の波長
を選択することにより、計測するガスの種類を選択する
ことができる。
【0010】このガス計測装置では、前記微小球共振器
のQ値を計測することにより、または、前記微小球共振
器の中心周波数における強度を計測することにより、周
囲のガスの濃度を計測することができる。
【0011】これらのガス計測装置を用いて呼気テスト
を行うと、窒素ボンベ等の付帯設備が必要でなく、また
連続測定が可能である。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、図面を参照
して詳細に説明する。
【0013】図3は、本発明の石英ガラス等で作成され
た微小球共振器を用いた実施形態を模式的に示してい
る。図3において、40が微小球を用いたガスセンサ部
で、光ファイバ42からの入射光の一部は、プリズム4
4を介して微小球共振器46に入射する。この微小球共
振器46の直径は、数μmから数mmである。
【0014】微小球共振器46において、この中を光が
まわることで共振状態となり(ささやき回廊モード)、
この状態で、微小球から染み出す光によるエバネッセン
ト場43と雰囲気47との相互作用を検出することによ
り、雰囲気に含まれるガスを計測することができる。こ
のように、微小球共振器46内を光が回っているため、
光路長が長くしたときと同じ効果が得られ、雰囲気中の
ガスを高感度で検出することができる。
【0015】図4に、この微小球を用いたガスセンサ4
0によるガス計測装置を示している。光源からの光は、
微小球共振器を組み込んだガスセンサ40を介して、光
検出器50におり、雰囲気とエバネッセント場との相互
作用を検出する。
【0016】実際には、使用する光の波長を検知対象の
ガスの吸収波長と一致させておくと、検知対象中のガス
濃度に依存した光強度等の光がガスセンサから出力さ
れ、これを検出する。たとえば、炭酸ガスCO2 なら
ば、1.6μm、メタンガスCH4 ならば1.66μm
の吸収波長を有しているので、この波長を選択する。こ
の波長の光を発生するものとしては、活性層材料とし
て、たとえば、InGaAsP系を用いた半導体レーザ
等があり、光源30として用いることができる。光検出
器50としては、たとえば、InGaAsを用いたフォ
トディテクタを使用することができる。
【0017】図5は、具体的に、どのようにしてガスセ
ンサ40が構成されているかを示している。図5のガス
センサ40は、2つのプリズム44、45を用いてお
り、プリズム44は、微小球共振器46へ光を入射する
ためであり、プリズム45は、微小球共振器46から、
エバネッセント場43により雰囲気47と相互作用した
結果の光を取り出して光検出器50へ送るために設けら
れている。このように、微小球共振器46から光を取り
出すことにより、微小球共振器46からの光のみを検出
することができる。
【0018】図5のようなガス計測装置において、エバ
ネッセント場43による、雰囲気47中のガスによる光
の吸収のために、微小球共振器46の共振のQ値や、共
振の中心周波数における光の強度が変化する。これを示
したのが図6のグラフである。
【0019】図6において、中心周波数f0 における光
の強度は、検出対象のガス濃度が増加すると、減少する
(たとえば、SからS′)。また、同様に、Q値も減少
する(QからQ′)。これを計測することでガスの検知
や濃度を検出することができる。
【0020】たとえば、Qは、光源30に用いられてい
る半導体レーザの発振周波数を変調して、中心周波数f
0 に対して変化させることにより計測することができ
る。中心周波数は180THz程度であり、半導体レー
ザの変調の分解能は10kHzまで実現可能であるの
で、Q値としては、1010程度まで求めることができ
る。
【0021】また、共振周波数における強度変化は、光
源の周波数を共振周波数に設定しておき、その時の微小
球からの出力光の強度変化を検出すればよい。
【0022】このようにして、たとえば、検知感度は、
60ppb程度まで実現することができる。また、計測
に使用する光の波長を選択することにより、検知対象の
ガスを選択することが可能である。
【0023】このように、微小球共振器を用いているの
で、測定濃度範囲も広く、たとえば9桁の範囲のガス濃
度を計測することが可能である。その上計測のリニアリ
ティも高い。微小球共振器中では、雰囲気との光に対す
る相互作用により計測しているので、応答性も高い。
【0024】本発明で使用する微小球共振器やプリズム
等は、石英ガラスを用いて作成されているが、計測に使
用する光を透過するものであればよい。微小球共振器の
Q値は、透過率が高いほどよいものが得られる。
【0025】また、図3や図5において、微小球共振器
を1つのみ使用しているように図示しているが、複数個
を用いてもよい。
【0026】本発明では、微小球共振器を用いてガス計
測装置を構成しているので、微小球共振器を使用したガ
スセンサ部が小さいため、ガス計測装置全体を小型化す
ることができる。この微小球共振器は、雰囲気中に直接
置かれるため、試料セルを設ける必要がない。
【0027】また、微小球共振器の直径程度の高い空間
分解能を得ることが可能である。このガス計測装置を複
数個並べて計測することにより、高い分解能を有する空
間分布を計測することができる。
【0028】本発明のガス計測装置は高い感度を有して
いるため、呼気成分を分析する呼気テストに用いると、
キャリアガスとしての窒素ボンベ等の付帯設備が不要と
なる。又、呼気中に微小球共振器を置くことで呼気成分
の連続測定が可能となる。
【0029】
【発明の効果】上記の説明のように、微小球共振器を用
いてガス計測装置を構成することにより、計測装置を小
型化・高感度・高分解能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の光を用いたガス検知器を示す図である。
【図2】エバネッセント場を説明する図である。
【図3】本発明の微小球共振器を用いたガスセンサを示
す図である。
【図4】本発明のガス計測装置を示す図である。
【図5】本発明のガス計測装置の具体例を示す図であ
る。
【図6】微小球共振器による計測を説明するグラフであ
る。
【符号の説明】
12 光源 14 試料セル 22 光ファイバ 24 場 26 雰囲気 30 光源 40 ガスセンサ 42 光ファイバ 43 エバネッセント場 44 プリズム 44、45 プリズム 46 微小球共振器 47 雰囲気 50 光検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡島 裕一郎 東京都町田市森野5−26−16 (72)発明者 根田 徳大 東京都目黒区中目黒4−13−21 アーバン ハイツ中目黒B306 Fターム(参考) 2G045 AA40 CB22 DB01 FA12 FA40 GC10 2G059 AA01 AA05 BB01 CC01 CC04 EE01 EE12 FF03 GG01 GG02 GG09 JJ12 JJ17 JJ21 KK01 LL03

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光を用いたガス計測装置において、 光源と、 前記光源からの光を入力して、周囲のガスとエバネッセ
    ント場により相互作用する微小球共振器を含むガスセン
    サと、 前記ガスセンサからの出力光を受ける受光器と を備えることを特徴とするガス計測装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のガス計測装置において、
    前記光源として半導体レーザを用いることを特徴とする
    ガス計測装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または2記載のガス計測装置に
    おいて、計測に使用する光の波長を選択することによ
    り、計測するガスの種類を選択することを特徴とするガ
    ス計測装置。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3いずれか記載のガス計測装
    置において、 前記微小球共振器のQ値を計測することにより、前記ガ
    スの濃度を計測することを特徴とするガス計測装置。
  5. 【請求項5】 請求項1〜3いずれか記載のガス計測装
    置において、 前記微小球共振器の中心周波数における光強度を計測す
    ることにより、前記ガスの濃度を計測することを特徴と
    するガス計測装置。
  6. 【請求項6】 呼気成分を分析する呼気テスト方法にお
    いて、請求項1〜5いずれか記載のガス計測装置を用い
    て計測することを特徴とする呼気テスト方法。
JP25846598A 1998-09-11 1998-09-11 ガス計測装置およびそれを用いた呼気テスト方法 Pending JP2000088745A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002044696A1 (fr) * 2000-12-01 2002-06-06 Advantest Corporation Procede et appareil de surveillance de l'environnement et appareil de production de semi-conducteur
JP2007170928A (ja) * 2005-12-20 2007-07-05 Stanley Electric Co Ltd 表面プラズモン共鳴センサー素子
JP2007183644A (ja) * 2005-12-28 2007-07-19 Honeywell Internatl Inc 極薄導波路及び光ファイバを用いたセンサ
KR101854073B1 (ko) 2017-02-07 2018-05-02 연세대학교 산학협력단 회랑 모드 기반 센서, 그를 이용하여 분자를 측정하는 장치 및 상기 회랑 모드 기반 센서의 제조 시 금속 나노 입자를 캐비티에 형성하는 방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002044696A1 (fr) * 2000-12-01 2002-06-06 Advantest Corporation Procede et appareil de surveillance de l'environnement et appareil de production de semi-conducteur
JP2007170928A (ja) * 2005-12-20 2007-07-05 Stanley Electric Co Ltd 表面プラズモン共鳴センサー素子
JP2007183644A (ja) * 2005-12-28 2007-07-19 Honeywell Internatl Inc 極薄導波路及び光ファイバを用いたセンサ
KR101854073B1 (ko) 2017-02-07 2018-05-02 연세대학교 산학협력단 회랑 모드 기반 센서, 그를 이용하여 분자를 측정하는 장치 및 상기 회랑 모드 기반 센서의 제조 시 금속 나노 입자를 캐비티에 형성하는 방법

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