JP2001050894A - レーザー光により大気中の微量物質の濃度、距離等を遠隔かつオンラインで測定する方法 - Google Patents

レーザー光により大気中の微量物質の濃度、距離等を遠隔かつオンラインで測定する方法

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JP2001050894A
JP2001050894A JP11229581A JP22958199A JP2001050894A JP 2001050894 A JP2001050894 A JP 2001050894A JP 11229581 A JP11229581 A JP 11229581A JP 22958199 A JP22958199 A JP 22958199A JP 2001050894 A JP2001050894 A JP 2001050894A
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Yoichiro Maruyama
庸一郎 丸山
Masaaki Kato
政明 加藤
Akira Ozu
章 大図
Katsuaki Akaoka
克昭 赤岡
Tsunetaka Baba
恒孝 馬場
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Japan Atomic Energy Agency
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 不測の事態又は平常時にに化学工場や原子力
施設などから大気中に放出される微量な有害物質の濃
度、成分、位置、移動方向、移動速度を短時間で精度良
く測定する方法を提供する。 【解決手段】 繰り返し数の高いレーザー光を利用して
大気中の微量物質の濃度、距離等を遠隔かつオンライン
で精度良く測定する方法であって、そのレーザー光とし
て、その光の繰り返し数が0.5kHz〜10kHzで
あるものを使用し、そのレーザー光源として波長可変レ
ーザーであるものを使用することを特徴とする。レーザ
ー光としては、パルス発振レーザー光が使用され、その
パルス幅が1ns〜1psであり、波長が紫外〜赤外域
の波長であるものが使用される。可視から赤外域の波長
を一台のレーザー装置で発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、不測の事態により
化学工場や原子力施設などから大気中に放出される微量
な有害物質の濃度、成分、位置、移動方向、移動速度を
短時間で精度良く測定するための方法に関するものであ
る。加えて、平常時の大気中の種々の拡散物質を従来の
50〜1000分の1の短時間で測定する方法を提供す
る。
【0002】
【従来の技術】これまで、工場などでの不測の事態によ
って放出される有害物質の量や種類が分析されることは
放射性物質を除いて殆どなかった。しかし、種々の化学
物質が大量に合成されるようになった現在、事故時に放
出される有害物質のモニタリング技術は住民の安全及び
迅速な避難などの観点から重要となりつつある。
【0003】また、放射性物質の場合、放出される物質
は大気のサンプルング或いは地上に降下した物質を分析
することによって行なわれている。しかし、これれの方
法は通常、サンプリング、分析という手順が必要である
ため、結果が得られるまでにかなりの時間を要する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の分
析手段では、拡散物質の移動方向などは分析後となるた
め緊急に非難を行う際のデーター提供は困難である。ま
た、拡散物質が有害である場合、リモートかつオンライ
ン測定が不可欠である。このような方法の一つとしてレ
ーザー光を使ったリモートセンシング(ライダー)技術
がある。この方法は、これまで大気中の汚染物質、エア
ロゾルなどの測定に利用されてきたが、上述した緊急事
態などへの適用は考慮されたことはない。
【0005】この大きな理由は、従来のライダー用レー
ザー光源は繰り返しが遅く時々刻々移動する拡散物質の
測定が困難であったことや、レーザー光源の効率が低く
大型の電源が必要であり機動性が無いことなどによる。
放出される物質には種々のものが考えられるため、測定
には任意の波長を安定して発生させることができ、ピー
ク出力の高いレーザーが不可欠である。また、放出され
る物質の量も、それらが時間とともに拡散することを考
慮するとppbからサブppbのオーダーであり、高い
測定精度が要求される。
【0006】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明は、レー
ザー光を使ったリモートセンシング(ライダー)技術に
おいて、次の点を目的として改良したものである。
【0007】(1)大気中を拡散する種々の元素を短時
間で測定する。 (2)pptレベルの大気拡散物質を短時間で精度良く
測定する。 (3)高いピーク出力のレーザー光を発生する。
【0008】(4)電力消費量を低減し、装置を機動性
に富んだものとする。 即ち、本発明は、繰り返し数の高いレーザー光を利用し
て大気中の微量物質の濃度、距離等を遠隔(リモート)
かつオンラインで精度良く測定する方法であって、その
レーザー光として、その光の繰り返し数が0.5kHz
〜10kHz(毎秒500回〜10000回)であるも
のを使用し、そのレーザー光源として波長可変レーザー
であるものを使用することを特徴とする測定方法であ
る。
【0009】さらに、本発明のレーザー光としては、パ
ルス発振レーザー光が使用され、そのパルス幅が1ns
〜1ps(10-9秒〜10-12秒)であり、又そのレー
ザー光の波長が紫外〜赤外域の波長であるものが使用さ
れる。そして、本発明においては、可視から赤外域の波
長を一台のレーザー装置で発生させ、その光を用いて測
定するものである。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明におけるレーザー光による
測定方法を、更に具体的に説明すると、次のとおりであ
る。
【0011】(1)大気中を拡散する種々の元素を短時
間で精度良く測定するため、高繰り返しの波長可変レー
ザーを光源として使用する。多くの元素は紫外〜赤外域
に吸収を待つので、差分吸収法などによりその濃度測定
が可能となる。
【0012】(2)従来の光源の繰り返し数は10〜2
0Hzである。しかし、大気は絶えず動いているため繰
り返しの遅い光源では長時間レーザー照射を行うと測定
対象物質が移動し、信号自体が変化するため、精度の高
い測定が不可能となる。
【0013】S・N比を向上するためには繰り返し(レ
ーザー光照射回数)の増大が最も有効である。しかし、
繰り返しの遅い光源では照射回数の増加には長い時間を
必要とするため、そこで高い繰り返しの光源を利用す
る。なお、ここで、Sは信号、Nはノイズを表し、信号
とノイズの比(信号の大きさをノイズの大きさで割り算
する)が大きい程測定精度が高くできる。
【0014】現在、半導体レーザーで励起される固体レ
ーザーでは0.5〜10kHzの繰り返しが実現可能で
ある。これを波長可レーザーのポンプ光源として利用す
ることにより、従来と同じ時間内に50〜1000倍の
データが蓄積でき、その結果、S・H比は一桁以上改善
できる。現状の測定限界が数ppbレベルであることを
考慮するとpptレベルの測定が可能になる。
【0015】(3)レーザーを物質に照射して得られる
信号の大きさはレーザー光のピーク出力に依存する。レ
ーザーパルスを短くすることによってピーク出力は1G
W〜10GWにも達する。従って、信号強度も従来のn
sレーザーに比べて2桁〜3桁増加する。
【0016】(4)レーザーの電力は、その殆どが波長
可変レーザーを駆動するためのポンプレーザーに消費さ
れる。従って、ポンプレーザーの効率化により消費電力
の低減を図る。具体的には、ポンプレーザーのレーザー
発振媒質を固体結晶とし、これに半導体レーザーでエネ
ルギーを注入する。
【0017】半導体レーザーの電気−光変換効率は50
%を上回る。従って、固体レーザーとして約10%の電
気−光変換効率が実現可能である。従来の固体レーザー
の電気−光変換効率が0.5%程度であることを考える
と必要電力は20分の1程度に低減できる。
【0018】波長可変レーザーとしては、色素レーザー
が代表的である。しかし、色素レーザーはその発振媒質
としてアルコール等に溶かした色素溶液が必要であり、
可搬性に欠ける。このため波長可変レーザーも全固体と
する。
【0019】発振器のレーザー媒質は非線形結晶を用い
たOPO(光パラメトリック発振)とする(OPOは、
ある波長の光を非線形結晶等の特殊な結晶に入射する
と、波長の異なる2つのレーザー光に変換される現象で
ある)。OPOの発振波長域は600〜4000nmで
ある。このレーザー光の和周波(2倍波、4倍波)差周
波(3倍波)などを発生させることにより紫外域から赤
外域の広い波長範囲でレーザー光の発生が可能となる。
【0020】
【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。
図1に、本発明の測定を行うための測定装置の例を示
す。この例では、波長可変光源にチタンサファイアレー
ザー、そのポンプ光源に最大繰り返し数5kHzの固体
レーザーを用いたシステムを示す(測定例では1000
Hzで運転)。チタンサファイアレーザーは、高繰り
返し固体レーザーによってポンピングされる。レーザ
ーコリメータで拡大されたレーザー光は測定対象で
あるガスを通過、吸収される。からの蛍光及び後方
散乱レーザー光はカセグレイン型の集光器で集光さ
れ、分光器に導かれ、迷光が取り除かれ、拡散物質を
同定するために分光される。分光器をでた信号は高速の
光検出器で検出され、オシロスコープよって積算さ
れる。
【0021】図2に、このシステムを用いて測定したデ
ータを示す。レーザー光の繰り返し数を増すと同じ時間
内の積算回数が増加するためノイズ成分は低下し、信号
が精度良く測定できる。これにより高繰り返しレーザー
を光源として利用することの有効性が確認できた。
【0022】図2のは、レーザーの繰り返し数が2H
z(毎秒2回)の場合の測定例で、2個の信号を積算し
ても信号はノイズに完全に埋まっていることが分かる。
、及びはレーザーの繰り返し数(積算回数)を次
第に増していった場合の測定例で、繰り返し数とともに
S・N比が改善されていくことが分かる。本発明の測定
例では繰り返しを1000Hzに設定しているので、積
算回数2000回の場合でも測定時間は僅か2秒であ
る。
【0023】従来用いられている繰り返し数が10Hz
のレーザーを利用すると測定時間はの場合で約3分必
要である。しかし、測定に長い時間をかけると測定対象
が移動してしまい精度の高いデータは得られない緊急時
に対応できないなどの問題がある。しかし、本発明の測
定方法は短時間で精度の高い測定には極めて有効であ
る。
【0024】S・N比が改善されることを図2からみる
と、図2のでは、信号SとノイズNの比は殆ど1であ
り、これは信号の大きさとノイズの大きさがほぼ同じあ
ることを表している。これに対し、図2のではS・N
比は数百以上である。繰り返し信号の場合、平均化処理
することによってノイズが少なくなる。即ち、平均する
信号数のルートでノイズが減少する(例えば、1万個の
信号を平均化処理すれば、ノイズは100分の1に減少
する)。したがって、同じ時間であれば、繰り返しが高
い程S・N比が改善されることになる。本発明において
は、大気中の拡散状況を時々刻々測定しなければならな
い。このためには測定を短時間に行う必要があり、それ
には高い繰り返しのレーザー光源が不可欠である。
【0025】
【発明の効果】本発明によって以下の効果が発生する。 (1)高繰り返し光源の利用により短時間に大気拡散物
質が測定できると同時に測定限界をpptレベルに向上
できる。
【0026】(2)一式のレーザー光源で紫外から赤外
の波長域に吸収を持つ物質が測定できる(特定なレーザ
ー光と非線形結晶を用意することにより、紫外から赤外
までの光を発生させることができる)。
【0027】(3)レーザー光源の効率が1桁改善され
コンパクトになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の高繰り返しレーザーを利用した大気
中の微量物質測定装置の構造を示す図である。
【図2】 図1で示したシステムを用いて実施したレー
ザーの繰り返し数を変化させた場合のS・Nの改善を示
す測定例である。
【符号の説明】
1 高繰り返しポンプレーザー装置 2 波長可変チタンサファイアレーザー装置 3 コリメータ 4 波長可変レーザー光 5 測定対象ガス 6 集光器 7 分光器 8 光検出器 9 デジタルオシロスコープ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大図 章 茨城県那珂郡東海村白方字白根2番地の4 日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 赤岡 克昭 茨城県那珂郡東海村白方字白根2番地の4 日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 馬場 恒孝 茨城県那珂郡東海村白方字白根2番地の4 日本原子力研究所東海研究所内 Fターム(参考) 2G059 AA01 BB02 CC02 CC20 EE11 GG01 HH01 HH02 HH03

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 繰り返し数の高いレーザー光を利用して
    大気中の微量物質の濃度、距離等を遠隔(リモート)か
    つオンラインで精度良く測定する方法。
  2. 【請求項2】 レーザー光の繰り返し数が0.5kHz
    〜10kHz(毎秒500回〜10000回)であるこ
    とを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. 【請求項3】 レーザー光源が波長可変レーザーである
    ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 パルス発振レーザー光を利用することを
    特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の方
    法。
  5. 【請求項5】 パルス幅が1ns〜1ps(10-9秒〜
    10-12秒)であることを特徴とする請求項4記載の方
    法。
  6. 【請求項6】 レーザー光の波長が紫外〜赤外域の波長
    であることを特徴とする請求項1乃至請求項5にいずれ
    かに記載の方法。
  7. 【請求項7】 可視から赤外域の波長を一台のレーザー
    装置で発生させ、その光を用いて測定することを特徴と
    する請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の方法。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007171012A (ja) * 2005-12-22 2007-07-05 Japan Atomic Energy Agency 特定物質を含むエアロゾルの遠隔選別画像計測法
JP2010528309A (ja) * 2007-05-29 2010-08-19 ユニベルシテ・クロード・ベルナール・リヨン・プルミエ 媒体中の化合物の光学遠隔検出方法
JP2016070853A (ja) * 2014-10-01 2016-05-09 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 レーザによる放射線測定方法及びその装置

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49112650A (ja) * 1973-02-26 1974-10-26
JPS54135596A (en) * 1978-04-12 1979-10-20 Toshiba Corp Laser radar
JPS55177642U (ja) * 1980-04-23 1980-12-19
JPH05154154A (ja) * 1991-12-06 1993-06-22 Tosoh Corp 波長可変レーザーを用いた光ct装置
JPH05333150A (ja) * 1992-05-29 1993-12-17 Nippon Steel Corp ライダ装置
JPH07128232A (ja) * 1993-11-08 1995-05-19 Tokyo Gas Co Ltd 気体の濃度測定装置
JPH07234280A (ja) * 1994-01-11 1995-09-05 Vaisala Oy 視程および現気象を測定するための装置および方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS49112650A (ja) * 1973-02-26 1974-10-26
JPS54135596A (en) * 1978-04-12 1979-10-20 Toshiba Corp Laser radar
JPS55177642U (ja) * 1980-04-23 1980-12-19
JPH05154154A (ja) * 1991-12-06 1993-06-22 Tosoh Corp 波長可変レーザーを用いた光ct装置
JPH05333150A (ja) * 1992-05-29 1993-12-17 Nippon Steel Corp ライダ装置
JPH07128232A (ja) * 1993-11-08 1995-05-19 Tokyo Gas Co Ltd 気体の濃度測定装置
JPH07234280A (ja) * 1994-01-11 1995-09-05 Vaisala Oy 視程および現気象を測定するための装置および方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALLARIO F: "NASA Chooses tunable solid-state lasers for future remote-sensing applications", LASER FOCUS, vol. 24, no. 10, JPN6008047442, October 1988 (1988-10-01), pages 65 - 66, ISSN: 0001136429 *
JELINKOVA H , ET.AL.: "Multifrequency picosecond laser for high precision ranging and atmospheric sounding", PROCEEDINGS. SPIE - THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING, vol. 3404, JPN6008047439, 22 July 1998 (1998-07-22), pages 276 - 281, ISSN: 0001136428 *
MILTON M J T , ET.AL.: "Injection-seeded optical parametric oscillator for range-resolved DIAL measurements of atmospheric m", OPTICS COMMUNICATIONS, vol. 142, JPN6008047444, 1 October 1997 (1997-10-01), pages 153 - 160, XP004094057, ISSN: 0001136430, DOI: 10.1016/S0030-4018(97)00260-5 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007171012A (ja) * 2005-12-22 2007-07-05 Japan Atomic Energy Agency 特定物質を含むエアロゾルの遠隔選別画像計測法
JP2010528309A (ja) * 2007-05-29 2010-08-19 ユニベルシテ・クロード・ベルナール・リヨン・プルミエ 媒体中の化合物の光学遠隔検出方法
JP2016070853A (ja) * 2014-10-01 2016-05-09 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 レーザによる放射線測定方法及びその装置

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