JP2003222591A - Gas measurement device - Google Patents

Gas measurement device

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JP2003222591A
JP2003222591A JP2002020894A JP2002020894A JP2003222591A JP 2003222591 A JP2003222591 A JP 2003222591A JP 2002020894 A JP2002020894 A JP 2002020894A JP 2002020894 A JP2002020894 A JP 2002020894A JP 2003222591 A JP2003222591 A JP 2003222591A
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gas
wavelength
cell
measured
light
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JP2002020894A
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Japanese (ja)
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Toshitsugu Ueda
敏嗣 植田
Sunao Sugiyama
直 杉山
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small and inexpensive ammonia gas measurement device having high measurement accuracy. <P>SOLUTION: This gas measurement device is provided with: a first laser beam source for outputting a wavelength of λ1; a second laser beam source for outputting a wavelength of λ2; a nonlinear crystal for generating and outputting a wavelength of λ3 absorptive for at least a measurement object gas by inputting the two wavelengths; a filter for passing the wavelength of λ3 out of light outputted from the nonlinear crystal; a gas cell with the measured gas for inputting the laser beam passing the filter introduced; and a light receiving element for receiving the light passing the gas cell. The concentration of the measured gas is measured with the pressure in the gas cell lowered to 0.3 atm. or below. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体プロセスなど
で重要な指標となる例えばアンモニアガスの濃度測定装
置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a concentration measuring device for ammonia gas, which is an important index in semiconductor processes and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体プロセス中、特に露光プロセスに
おいてはアンモニアガスの存在が品質を左右する。品質
に影響を与えるアンモニアガスの濃度は1〜0.1ppb
オーダである。従ってアンモニアガスの測定装置は高感
度・高精度が要求される。図8は従来から用いられてい
るアンモニアガス測定装置の一例を示す概略構成図であ
る。
2. Description of the Related Art The presence of ammonia gas influences the quality of semiconductor processes, especially in the exposure process. The concentration of ammonia gas that affects quality is 1 to 0.1 ppb
It is an order. Therefore, the ammonia gas measuring device is required to have high sensitivity and high accuracy. FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventionally used ammonia gas measuring device.

【0003】図において、21は拡散スクラバーであ
り、アンモニア吸収液である純水を循環させる純水循環
装置22を有している。この拡散スクラバーは図では省
略するが、ガラス管の中に多孔質テフロン(登録商標)
チューブが挿入された二重管構造とされ、外側を純水循
環装置22の吸収液が循環し、内側をクリーンルームな
どで収集した雰囲気ガスが流れるようになっている。2
3は雰囲気ガスを吸引するガス捕集ポンプである。
In the figure, reference numeral 21 denotes a diffusion scrubber, which has a pure water circulating device 22 for circulating pure water which is an ammonia absorbing liquid. Although not shown in the figure, this diffusion scrubber is made of porous Teflon (registered trademark) in a glass tube.
It has a double-tube structure in which a tube is inserted, the absorption liquid of the pure water circulation device 22 circulates on the outside, and the atmospheric gas collected in a clean room or the like flows on the inside. Two
Reference numeral 3 is a gas collection pump for sucking the atmospheric gas.

【0004】雰囲気ガスを吸収した吸収液は切替バルブ
25及びサンプルポンプ26を介して分析手段24側に
配置された自動切替えバルブ27に送出される。自動切
替えバルブ27は吸収液を濃縮カラム28で濃縮し、溶
離液ポンプ29からの溶離液とともに分離カラム30側
に送出する。検出器31は分離カラム30で分離された
成分毎に雰囲気ガスに含まれていたガス成分の分析を行
なう。
The absorbing liquid which has absorbed the atmospheric gas is sent to an automatic switching valve 27 arranged on the analysis means 24 side via a switching valve 25 and a sample pump 26. The automatic switching valve 27 concentrates the absorption liquid in the concentration column 28 and sends it to the separation column 30 side together with the eluent from the eluent pump 29. The detector 31 analyzes the gas component contained in the atmospheric gas for each component separated by the separation column 30.

【0005】上述の分析装置の他にもアンモニアガスな
どの測定手段として、図9に示す半導体式赤外線分析計
や図10に示すマイクロホン式赤外線分析計が知られて
いる。
In addition to the above-mentioned analysis device, a semiconductor infrared analyzer shown in FIG. 9 and a microphone infrared analyzer shown in FIG. 10 are known as means for measuring ammonia gas and the like.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、図8に示す
測定装置においては、濃縮分離に時間がかかるとともに
装置が大掛かりとなり、メンテナンスも大変で非常に高
価であるという問題があり、図9,10に示す従来装置
では、被測定ガス中の微量特定ガスの濃度測定を実施す
る場合他のガスの影響を受けることで、目的とするガス
の濃度測定が困難になる場合が多く、特に水分が広い領
域に悪影響を与える。
By the way, in the measuring device shown in FIG. 8, there is a problem that it takes time for concentration and separation, the device becomes large in size, and maintenance is very difficult and very expensive. In the conventional device shown in (1), when measuring the concentration of a trace amount of a specific gas in the gas to be measured, it is often difficult to measure the concentration of the target gas due to the influence of other gases, and especially when the water content is wide. Adversely affect the area.

【0007】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたもので、高感度の分析計測を可能とし小型化をはか
ったガス測定装置を実現することを目的とするものであ
る。
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to realize a gas measuring apparatus which enables highly sensitive analytical measurement and is downsized.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】このような問題点を解決
するために本発明は、請求項1においては、λ1の波長
を出力する第1レーザ光源と、λ2の波長を出力する第
2レーザ光源と、これら2つの波長を入力し、少なくと
も測定対象ガスに対する吸収波長λ3を生成して出力す
る非線形結晶と、この非線形結晶から出力した光のうち
前記λ3の波長を通過させるフィルタと、このフィルタ
を通過したレーザ光を入力する被測定ガスが導入された
ガスセルと、このガスセルを透過した光を受光する受光
素子を備えたガス測定装置であって、前記ガスセル内の
圧力を0.3気圧以下に下げた状態で被測定ガス濃度を
測定することを特徴とする。
In order to solve such a problem, the present invention provides a first laser light source which outputs a wavelength of λ1 and a second laser which outputs a wavelength of λ2. A light source, a nonlinear crystal that inputs these two wavelengths and generates and outputs at least an absorption wavelength λ3 for the gas to be measured, a filter that passes the wavelength λ3 of the light output from this nonlinear crystal, and this filter A gas measuring device having a gas cell into which a gas to be measured for inputting laser light that has passed through is introduced, and a light receiving element for receiving light transmitted through this gas cell, wherein the pressure in the gas cell is 0.3 atm or less. It is characterized in that the measured gas concentration is measured in a state of being lowered to.

【0009】請求項2においては、請求項1記載のガス
測定装置において、前記λ1,λ2のうちいずれか若し
くは両方を掃引してλ3の波長を2.2115〜2.2
14μmを含む範囲で掃引することを特徴とする。
According to a second aspect, in the gas measuring apparatus according to the first aspect, either or both of the λ1 and λ2 are swept to set the wavelength of λ3 to 2.2115 to 2.2.
It is characterized by sweeping in a range including 14 μm.

【0010】請求項3においては、請求項1または2記
載のガス測定装置において、前記受光素子からの出力信
号の吸収ピーク値近傍で前記λ3の波長をFM変調し、
2f信号を出力信号とすることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the gas measuring apparatus according to the first or second aspect, the wavelength of λ3 is FM-modulated near the absorption peak value of the output signal from the light receiving element,
It is characterized in that the 2f signal is used as an output signal.

【0011】請求項4においては、請求項1乃至3いず
れかに記載のガス測定装置において、前記ガスセルの前
段にハーフミラーを設けてλ3の波長の光を分割すると
ともに、分割した光を入射する参照ガスセルを設け、こ
の参照ガスセルの内圧を0.3kg/cmとして既知
の濃度の測定対象ガス若しくは既知の濃度の測定対象ガ
スを含むガスを導入し、測定レーザ(λ3)の波長を校
正するようにしたことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, in the gas measuring device according to any of the first to third aspects, a half mirror is provided in front of the gas cell to split the light having a wavelength of λ3, and the split light is incident. A reference gas cell is provided, a measurement target gas having a known concentration or a gas containing a measurement target gas having a known concentration is introduced with the internal pressure of the reference gas cell being 0.3 kg / cm 2 , and the wavelength of the measurement laser (λ3) is calibrated. It is characterized by doing so.

【0012】請求項5においては、請求項1乃至4いず
れかに記載のガス測定装置において、ガスセル内に被測
定ガスを導入するに際し、ガスの導入口にノズルを設け
このノズルの先端からガスを吹き出しながら導入するこ
とを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the gas measuring device according to any of the first to fourth aspects, when introducing the gas to be measured into the gas cell, a nozzle is provided at the gas inlet and the gas is introduced from the tip of the nozzle. Characterized by introducing while blowing out.

【0013】請求項6においては、請求項1乃至5いず
れかに記載のガス測定装置において、前記ガスセル中で
測定レーザ(λ3)が奇数回反射した後受光素子側に出
射するようにしたことを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, in the gas measuring apparatus according to any of the first to fifth aspects, the measuring laser (λ3) is reflected to the light receiving element side after being reflected an odd number of times in the gas cell. Characterize.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】はじめに、図6を用いて2〜2.
5μmの範囲での各種ガスにおける波長と吸収量の関係
について説明する。このような関係は一般的に知られて
いる。ここでは大気中のガスを対象とし、水蒸気(湿
度);10%、CO;330ppm、NO;0.3ppm、
CH;1.6ppmを含み、アンモニアガスが1ppbの濃
度で存在するとして表示した。図において、横軸は波
長、縦軸は吸収量(無単位)を示している。なお、一点
鎖線で囲った部分は各ガスの分布範囲を示している。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, referring to FIG.
The relationship between the wavelength and the amount of absorption in various gases in the range of 5 μm will be described. Such a relationship is generally known. Here, targeting gas in the atmosphere, water vapor (humidity): 10%, CO 2 ; 330 ppm, N 2 O; 0.3 ppm,
CH 4 ; containing 1.6 ppm, was indicated as ammonia gas being present at a concentration of 1 ppb. In the figure, the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents absorption amount (no unit). The portion surrounded by the alternate long and short dash line shows the distribution range of each gas.

【0015】図によればHOは全範囲に渡って吸収が
あり、COは2〜2.15μmと2.5μm付近に、N
Oは2、2.1〜2.185、2.25〜2.32、
2.45〜2.453μm付近に、CHは2.14〜
2.5μm付近に、NHは2〜2.09と2.125
〜2.48μm付近に吸収があることが分かる。
According to the figure, H 2 O has absorption over the entire range, and CO 2 has N of about 2 to 2.15 μm and 2.5 μm.
2 O is 2, 2.1 to 2.185, 2.25 to 2.32,
In the vicinity of 2.45 to 2.453 μm, CH 4 is 2.14 to
In the vicinity of 2.5 μm, NH 3 contains 2 to 2.09 and 2.125.
It can be seen that there is absorption at around 2.48 μm.

【0016】図7は図6に示す波長範囲を特定の範囲に
絞って表わしたものでここでは横軸の波長範囲を2.2
08〜2.218μmとしている。図から分かるように
この波長範囲ではCO,NO,CHに対する吸収
は見られずHOとNHのみに吸収が見られる。
FIG. 7 shows the wavelength range shown in FIG. 6 narrowed down to a specific range. Here, the wavelength range on the horizontal axis is 2.2.
It is set to 08 to 2.218 μm. As can be seen from the figure, absorption in CO 2 , N 2 O, and CH 4 is not seen in this wavelength range, but only in H 2 O and NH 3 .

【0017】そして、更に矢印Aで示す波長範囲2.2
115〜2.2124μm及び矢印Bで示す波長範囲
2.213〜2.21385μmに注目するとこの範囲
ではH Oによる吸収の影響がなく、また、波長範囲
2.2115〜2.214μmの範囲であればHOの
影響はほとんどないので、この波長範囲ではアンモニア
のみによる吸収が行なわれるものと見なすことができ
る。
Further, the wavelength range 2.2 shown by the arrow A is 2.2.
115 to 2.2124 μm and wavelength range indicated by arrow B
Focusing on 2.213 to 2.21385 μm, this range
Then H TwoThere is no influence of absorption by O, and the wavelength range
H in the range of 2.215 to 2.214 μmTwoO's
Ammonia is not affected in this wavelength range because it has almost no effect.
Can be regarded as being absorbed only by
It

【0018】ところで、現在一つのレーザ光源で上述の
波長範囲を出力できるものは市販されていない。図1は
2つのレーザ光源を用いて上述の波長範囲のレーザを出
力するアンモニアガス測定装置の要部構成図である。以
下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。図1は本発明
の実施形態の一例を示す構成図である。図において、1
は波長λ1を出射する第1レーザ光源、2は波長λ2を
出射する第2レーザ光源である。これら光源からのレー
ザ光は非線形結晶3に入射し、この非線形結晶3により
波長λ1とλ2に基づいて生成されたλ3とともに出射
する。
By the way, at present, one laser light source that can output the above wavelength range is not commercially available. FIG. 1 is a configuration diagram of a main part of an ammonia gas measuring apparatus that outputs lasers in the above wavelength range using two laser light sources. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of an embodiment of the present invention. In the figure, 1
Is a first laser light source emitting a wavelength λ1 and 2 is a second laser light source emitting a wavelength λ2. The laser light from these light sources enters the non-linear crystal 3, and is emitted together with λ3 generated by the non-linear crystal 3 based on the wavelengths λ1 and λ2.

【0019】4は非線形結晶3から出射した光を入射す
るフィルタで、主としてλ3の波長の光を透過する。フ
ィルタ4を透過した波長λ3の光はガスセル5を通過し
て受光素子6を照射する。ガスセルには例えば半導体プ
ロセスの露光装置が設置された室内から収集した空気が
ノズル50を介して気密にガスセル内に導入され、導入
されたガスは真空ポンプ51で吸引されて外部に排出さ
れる。
Numeral 4 is a filter which makes the light emitted from the nonlinear crystal 3 incident, and mainly transmits light having a wavelength of λ3. The light of wavelength λ3 that has passed through the filter 4 passes through the gas cell 5 and illuminates the light receiving element 6. For example, air collected from a room in which an exposure apparatus for a semiconductor process is installed is gastightly introduced into the gas cell into the gas cell through a nozzle 50, and the introduced gas is sucked by a vacuum pump 51 and discharged to the outside.

【0020】なお、図では省略するがガスセルには内部
の圧力を監視する圧力計が取付けられており、ガスセル
内の圧力が0.3気圧以下になるように真空ポンプの出
力が調整されている(ガスセル内の圧力を0.3気圧以
下にする根拠については後述する)。
Although not shown in the figure, a pressure gauge for monitoring the internal pressure is attached to the gas cell, and the output of the vacuum pump is adjusted so that the pressure in the gas cell becomes 0.3 atm or less. (The reason why the pressure in the gas cell is 0.3 atm or less will be described later).

【0021】ところで、非線形結晶3で生成される波長
λ3は、 1/λ3=(1/λ1)−(1/λ2) 但し(λ1<λ2) の関係がある。非線形結晶3の出力光には3つの波長λ
1,λ2,λ3の光が混じってためλ1,λ2の通過を
フィルタにより阻止する。そして、λ1,λ2のいずれ
か若しくは両方を掃引させることによりλ3の波長を前
述のアンモニアの吸収波長の範囲で掃引することができ
る。
The wavelength λ3 generated by the nonlinear crystal 3 has a relationship of 1 / λ3 = (1 / λ1)-(1 / λ2), where (λ1 <λ2). The output light of the nonlinear crystal 3 has three wavelengths λ
Since the light of 1, λ2 and λ3 are mixed, the passage of λ1 and λ2 is blocked by the filter. Then, by sweeping either or both of λ1 and λ2, the wavelength of λ3 can be swept within the range of the absorption wavelength of ammonia described above.

【0022】ここでλ1;852nm λ2;1386nm としてλ3を計算するとλ3=2211nmとなり、こ
の付近の波長を基にλ1,λ2のいずれか若しくは両方
を掃引して2.2115〜2.214μmの範囲を掃引
する。
When λ3 is calculated with λ1; 852 nm, λ2; 1386 nm, λ3 = 2211 nm, and either or both of λ1 and λ2 are swept based on the wavelength in the vicinity to obtain a range of 2.215 to 2.214 μm. To sweep.

【0023】ここで、ガス吸収光分光法に関する一般理
論は下記の式により表わされる。 ガスの吸収断面積 a cm 単位体積当りの濃度 N 個/cm セルの長さを L cm とすれば、ガスの吸収はランバートベールの式により下
記(1)式で表現される。なおaは1個の分子の特定波長
に対する吸収面積として定義された値である。
The general theory of gas absorption spectroscopy is represented by the following equation. Gas absorption cross-section a cm 2 Concentration per unit volume N cells / cm 3 If the cell length is L cm, gas absorption is expressed by the following equation (1) according to the Lambert-Beer equation. Note that a is a value defined as an absorption area of one molecule for a specific wavelength.

【0024】ここでaは各分子のおのおのの波長におけ
る吸収係数(吸収断面積)であり、気体中に存在する種
々の気体や、個々の気体の振動モードで決まる波長λの
関数と成る。 1mはある気体(例えばa1mは酸素ガス、a2m
窒素ガス、a3mは炭酸ガス …のような)に対するn
個の振動モードに対する吸収関数を表している。
Here, a is the absorption coefficient (absorption cross section) at each wavelength of each molecule, and is a function of the wavelength λ determined by various gases existing in the gas and the vibration mode of each gas. a 1m is n for a certain gas (for example, a 1m is oxygen gas, a 2m is nitrogen gas, a 3m is carbon dioxide gas ...)
Shows the absorption function for each vibration mode.

【0025】ここでaの形状について考える。a
励起状態からの放出時間が有限であること、あるいは気
体中の原子の圧力による広がりによるものに起因する。
しかし、実際には気体の圧力による影響が支配的であ
る。圧力による広がりは大きく分類すると2種類に分類
される。第一は、原子分子間の衝突により生じるもので
ローレンツ形の分布をしている。多種類のガスが存在す
る場合には、その分圧から下記(2)式によりローレン
ツ幅(α)を計算する。
[0025] think about the shape of the individual in a m. It a m is a finite release time from the excited state, or resulting from by broadening due to pressure of the atoms in the gas.
However, in reality, the influence of the gas pressure is dominant. Broadening due to pressure is roughly classified into two types. The first is caused by collisions between atoms and molecules and has a Lorentzian distribution. When there are many kinds of gas, the Lorentz width (α L ) is calculated from the partial pressure by the following equation (2).

【0026】ここでαA,αは個々のスペクトルのラ
イン幅(あるスペクトルの頂部から3dB下がったとこ
ろの幅)、T,T0はガス温度と標準温度(296k)P0
1気圧(1.013×105pa)P´はガスの分圧、Pは全圧力
である。衝突による以外の線幅の増大はドップラシフト
により生じる。その時の線幅は下記(3)式のように表
現される。
Where α A and α S are line widths of individual spectra (widths 3 dB below the top of a certain spectrum), T and T 0 are gas temperature and standard temperature (296 k) P 0 is
1 atm (1.013 × 10 5 pa) P ′ is the partial pressure of gas, and P is the total pressure. The increase in line width other than due to collision is caused by Doppler shift. The line width at that time is expressed by the following equation (3).

【0027】ここでkはボルツマ定数Cは光速であ
る。以上の前題のもとにi番目のラインでの吸収を考え
ると、下記(4)式のように表現される。 ここでSは温度によるライン波形の変化を、Kはそ
の他のパラメータによるラインの変化を示す波形関数で
ある。これから、すべての吸収に対するj点での吸収係
数は、下記(5)式のように表現される。
Here, k B is the Voltsma constant C is the speed of light. Considering the absorption at the i-th line based on the above-mentioned preamble, it is expressed as the following equation (4). Here, S i is a waveform function indicating a change in line waveform due to temperature, and K i is a waveform function indicating a change in line due to other parameters. From this, the absorption coefficient at point j for all absorptions is expressed by the following equation (5).

【0028】a)計算の具体例 前述した(4)式を計算することにより、任意の圧力温
度ガスの種類によるラインシェープを計算できる。しか
し、解析的に大変複雑な計算となるため、ここでは NH
3 1963.028nmの吸収線を効率よく計算するため、一例
として以下の条件にて計算を行なう。 NH3 1ppb NH3以外の成分 H2O 1%(相対温度20%) CO2 100ppm N2O 1ppm の濃度でセル長100m
A) Specific example of calculation By calculating the above-mentioned formula (4), the line shape can be calculated depending on the type of gas at any pressure and temperature. However, since this is an analytically complicated calculation, NH here is used.
3 In order to calculate the absorption line at 1963.028 nm efficiently, the calculation is performed under the following conditions as an example. NH 3 1ppb Components other than NH 3 H 2 O 1% (relative temperature 20%) CO 2 100ppm N 2 O 1ppm concentration cell length 100m

【0029】a-1 計算結果 吸収量 (2)信号の検出方法 NH3の吸収点近傍で波長をΔλ掃引して信号検出すると
そのとき得られる信号は最悪点を考えて、ディスターバ
ンスの傾きの圧力依存性 GH2O=‐0.016P GCO2=5.4×10-3 P2 GNO2=0
A-1 Calculation result Absorption amount (2) Signal detection method Considering the worst point of the signal obtained when the signal is detected by sweeping the wavelength by Δλ in the vicinity of the NH 3 absorption point, the pressure dependence of the disturbance slope is considered G H2O = -0.016P G CO2 = 5.4 x 10 -3 P 2 G NO2 = 0

【0030】アンモニア GNH3=8×10-4(1-P)+1.5×10-4 ディスターバンスの信号 Sd ω アンモニアの信号 2ω S/N比の最大点 分子=0として =0 小さい方が良い。 となり圧力が小さいとき程S/Nが良くなる。 しかし、実際は周波数帯域がωと2ωで違うからS/Nの
値としては20倍以上期待できるのでP=0.1でS/N=10
としても0.1ppbまで計測できることになる。但し、ここ
でのS/Nは検出器部分のみの値である。
Ammonia G NH3 = 8 × 10 -4 (1-P) + 1.5 × 10 -4 Disturbance signal Sd ω Ammonia signal Maximum point of 2ω S / N ratio Numerator = 0 = 0 Smaller is better. The lower the pressure, the better the S / N. However, in reality, since the frequency band is different between ω and 2ω, the S / N value can be expected to be 20 times or more, so P = 0.1 and S / N = 10.
As a result, it is possible to measure up to 0.1 ppb. However, S / N here is a value only for the detector part.

【0031】図2(a,b,c)は温度300K(ケル
ビン)における或ガスの組成条件をHO 1×10
−2(10000ppm)、CO 1×10−4(10
0ppm)、CH 1×10−6(1ppm)、 N
1×10−6(1ppm)、NH 1×10−6(1pp
m)として、上述の計算式を用い各圧力(セル内の)に
おける各種ガスの波長(nm)と吸収度(無単位)の関
係の計算結果を示すものである。
FIG. 2 (a, b, c) shows the composition conditions of a certain gas at a temperature of 300 K (Kelvin) as H 2 O 1 × 10.
-2 (10000ppm), CO 2 1 × 10 -4 (10
0 ppm), CH 4 1 × 10 −6 (1 ppm), N 2 O
1 × 10 −6 (1 ppm), NH 3 1 × 10 −6 (1 pp
As m), the calculation result of the relationship between the wavelength (nm) of each gas and the absorption (no unit) at each pressure (in the cell) is shown by using the above-mentioned calculation formula.

【0032】図2(a)によれば、1気圧ではHOの
みのスペクトル吸収が認められ、図2(b)に示す0.1
気圧では全てのガスの吸収が認められ、図2(c)に示
す0.01気圧では全てのガスのスペクトル吸収がより鮮明
に認められる。なお、NHのスペクトラムは図2
(b)の0.1気圧では明瞭に観測されているが、この傾
向は0.3気圧くらいから顕著になる。この結果を踏まえ
てこの発明ではセル内の圧力を0.3以下としている。
According to FIG. 2 (a), the spectral absorption of H 2 O alone was observed at 1 atm, and 0.1% shown in FIG. 2 (b) was observed.
Absorption of all gases is recognized at atmospheric pressure, and spectral absorption of all gases is more clearly recognized at 0.01 atmosphere shown in FIG. 2 (c). The NH 3 spectrum is shown in Fig. 2.
Although it is clearly observed at 0.1 atm of (b), this tendency becomes remarkable from about 0.3 atm. Based on this result, the pressure in the cell is set to 0.3 or less in this invention.

【0033】図3は受光素子6からの出力信号の吸収ピ
ーク値近傍でλ3の波長を光源1又は2の少なくとも一
方でFM変調し、2f信号を出力した波形図でピーク値
を正確に測定することができる。
In FIG. 3, the wavelength of λ3 is FM-modulated by at least one of the light sources 1 and 2 in the vicinity of the absorption peak value of the output signal from the light receiving element 6, and the peak value is accurately measured by the waveform diagram which outputs the 2f signal. be able to.

【0034】図4はガスセル5に入射した光をガスセル
の内壁で反射させ、進行方向をずらしながら往復させ、
最終的に奇数回(図では3回)反射した光を受光素子6
で受光するようにしたものである。このような構成によ
れば感度を向上させることができ、また、セル内を流れ
るガスのドップラーシフトの影響を除去することができ
る。そして、このような構成によれば光源として半導体
レーザを使用することにより従来例に比較して小型化,
低コスト化が可能となる。
In FIG. 4, the light incident on the gas cell 5 is reflected by the inner wall of the gas cell and is reciprocated while shifting the traveling direction.
Finally, the light reflected by an odd number of times (three times in the figure) is received by the light receiving element 6.
The light is received at. With such a configuration, the sensitivity can be improved and the influence of the Doppler shift of the gas flowing in the cell can be removed. Further, according to such a configuration, by using the semiconductor laser as the light source, the size is reduced as compared with the conventional example,
Cost reduction is possible.

【0035】図5は図1に示す装置において、フィルタ4
から出射したλ3の光をハーフミラー7で分割し、分割
した光を参照ガスセル5aに入射させるようにしたもの
である。この場合、参照セルにも被測定ガスを導入して
ガスセル5で検出した信号と比較すれば光源の変動の影
響を除去することができる。また、この参照ガスセルに
被測定ガス(ここではアンモニアガス)と同一のガスを
導入すれば、波長校正と感度校正を同時に行なうことが
できる。また、参照ガスセルの内部ガス圧を0.3気圧以
下にした状態で濃度が既知のアンモニアガスを導入し、
吸収スペクトルの幅を狭くすることにより吸収波長を正
確に校正することができる。
FIG. 5 shows the filter 4 in the apparatus shown in FIG.
The light of λ3 emitted from is split by the half mirror 7, and the split light is made incident on the reference gas cell 5a. In this case, the influence of the fluctuation of the light source can be removed by introducing the gas to be measured into the reference cell and comparing it with the signal detected by the gas cell 5. If the same gas as the gas to be measured (here, ammonia gas) is introduced into this reference gas cell, wavelength calibration and sensitivity calibration can be performed simultaneously. In addition, the concentration of known ammonia gas was introduced while the internal gas pressure of the reference gas cell was 0.3 atm or less,
The absorption wavelength can be accurately calibrated by narrowing the width of the absorption spectrum.

【0036】本発明の以上の説明は、説明および例示を
目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。し
たがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、
変形をなし得ることは当業者に明らかである。実施例で
は測定対象ガスをアンモニアとしたが同様の条件を満た
す他のガスであっても良い。特許請求の範囲の欄の記載
により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、
変形を包含するものとする。
The above description of the present invention has been presented only with reference to particular preferred embodiments for purposes of illustration and illustration. Accordingly, the invention is subject to many modifications without departing from its essence,
It will be apparent to those skilled in the art that variations can be made. In the embodiment, the gas to be measured is ammonia, but other gas satisfying the same condition may be used. The scope of the present invention, which is defined by the description in the section of the claims, includes modifications within the scope,
Modifications shall be included.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
によれば、λ1の波長を出力する第1レーザ光源と、λ
2の波長を出力する第2レーザ光源と、これら2つの波
長を入力し、少なくとも測定対象ガスに対する吸収波長
λ3を生成して出力する非線形結晶と、この非線形結晶
から出力した光のうち前記λ3の波長を通過させるフィ
ルタと、このフィルタを通過したレーザ光を入力する被
測定ガスが導入されたガスセルと、このガスセルを透過
した光を受光する受光素子を備えたガス測定装置であっ
て、前記ガスセル内の圧力を0.3気圧以下に下げた状
態で被測定ガス濃度を測定するので、高精度な測定およ
び小型化,低コスト化が可能となる。
As described above, according to the first aspect of the present invention.
According to the first laser light source that outputs a wavelength of λ1,
A second laser light source that outputs two wavelengths, a non-linear crystal that inputs these two wavelengths and generates and outputs an absorption wavelength λ3 for at least the gas to be measured, and a light output from the non-linear crystal that has the λ3 A gas measuring device comprising a filter that passes a wavelength, a gas cell into which a gas to be measured that inputs laser light that has passed through this filter is introduced, and a light receiving element that receives light that has passed through this gas cell, wherein the gas cell Since the measured gas concentration is measured while the internal pressure is reduced to 0.3 atm or less, highly accurate measurement, downsizing, and cost reduction can be achieved.

【0038】請求項2によれば、λ1,λ2のうちいず
れか若しくは両方を掃引してλ3の波長を2.2115
〜2.214μmを含む範囲で掃引するようにしたので
S/Nの高い測定を実現することができる。
According to the second aspect, either or both of λ1 and λ2 are swept to set the wavelength of λ3 to 2.2115.
Since the sweep is performed in the range including .about.2.214 .mu.m, high S / N measurement can be realized.

【0039】請求項3によれば、前記受光素子からの出
力信号の吸収ピーク値近傍で前記λ3の波長をFM変調
し、2f信号を出力信号とするようにしたので、感度の
高い測定を行なうことができる。
According to the third aspect, since the wavelength of λ3 is FM-modulated in the vicinity of the absorption peak value of the output signal from the light receiving element and the 2f signal is used as the output signal, highly sensitive measurement is performed. be able to.

【0040】請求項4によれば、ガスセルの前段にハー
フミラーを設けてλ3の波長の光を分割するとともに、
分割した光を入射する参照ガスセルを設け、この参照ガ
スセルの内圧を0.3kg/cm以下として既知の濃
度の測定対象ガス若しくは既知の濃度の測定対象ガスを
含むガスを導入し、測定レーザ(λ3)の波長を校正す
るようにしたので、波長校正と感度校正を正確に同時に
行なうことができる。
According to claim 4, a half mirror is provided in front of the gas cell to split the light of wavelength λ3, and
A reference gas cell for injecting divided light is provided, and a measurement target gas having a known concentration or a gas containing a measurement target gas having a known concentration is introduced with the internal pressure of the reference gas cell being 0.3 kg / cm 2 or less, and a measurement laser ( Since the wavelength of λ3) is calibrated, the wavelength calibration and the sensitivity calibration can be performed accurately at the same time.

【0041】請求項5によれば、ガスセル内に被測定ガ
スを導入するに際し、ガスの導入口にノズルを設けこの
ノズルの先端からガスを吹き出しながら導入するので、
ガスが冷却され精度の良い測定ができる。
According to the fifth aspect, when the gas to be measured is introduced into the gas cell, a nozzle is provided at the gas introduction port and the gas is introduced from the tip of the nozzle while blowing out the gas.
The gas is cooled and accurate measurement can be performed.

【0042】請求項6によれば、ガスセル中で測定レー
ザ(λ3)が奇数回反射した後受光素子側に出射するよ
うにしたのでガスの流れに起因するドップラーシフトの
影響を除去することができS/Nの良い測定ができる。
According to the sixth aspect, the measuring laser (λ3) is reflected to the light receiving element side after being reflected an odd number of times in the gas cell, so that the influence of the Doppler shift caused by the gas flow can be eliminated. Good S / N can be measured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のガス測定装置の実施形態の一例を示す
構成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of an embodiment of a gas measuring device of the present invention.

【図2】温度300K(ケルビン)における或ガスの組
成条件におけるセル内の圧力および各種ガスの波長と吸
収度の関係の計算結果を示すものである。
FIG. 2 shows the calculation results of the relationship between the pressure in the cell and the wavelength of various gases and the absorptivity under a certain gas composition condition at a temperature of 300 K (kelvin).

【図3】波長をFM変調し、2f信号を出力する波形図
である。
FIG. 3 is a waveform diagram for FM-modulating a wavelength and outputting a 2f signal.

【図4】本発明の他の実施例を示す構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram showing another embodiment of the present invention.

【図5】本発明の他の実施例を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing another embodiment of the present invention.

【図6】各種ガスの波長に対する吸収特性を示す図であ
る。
FIG. 6 is a diagram showing absorption characteristics with respect to wavelengths of various gases.

【図7】図6の一部拡大図である。FIG. 7 is a partially enlarged view of FIG.

【図8】従来例を示す構成図である。FIG. 8 is a configuration diagram showing a conventional example.

【図9】他の従来例を示す構成図である。FIG. 9 is a configuration diagram showing another conventional example.

【図10】他の従来例を示す構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram showing another conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 光源1 2 光源2 3 非線形結晶 4 フィルタ 5 ガスセル 5a 参照ガスセル 6 受光素子 7 ハーフミラー 1 light source 1 2 light source 2 3 Non-linear crystal 4 filters 5 gas cells 5a Reference gas cell 6 Light receiving element 7 Half mirror

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2G020 AA03 BA02 BA12 CB23 CB42 CB55 CC32 CC48 CD04 CD22 CD39 2G057 AA01 AB02 AB06 AC03 BA05 BB01 BB10 BC05 DA03 DC07 GA01 JA20 2G059 AA01 BB01 CC20 DD12 EE01 EE12 FF08 GG01 GG09 HH01 HH08 JJ01 JJ02 JJ13 JJ22 JJ24 KK01 LL03 MM05 MM14   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F term (reference) 2G020 AA03 BA02 BA12 CB23 CB42                       CB55 CC32 CC48 CD04 CD22                       CD39                 2G057 AA01 AB02 AB06 AC03 BA05                       BB01 BB10 BC05 DA03 DC07                       GA01 JA20                 2G059 AA01 BB01 CC20 DD12 EE01                       EE12 FF08 GG01 GG09 HH01                       HH08 JJ01 JJ02 JJ13 JJ22                       JJ24 KK01 LL03 MM05 MM14

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】λ1の波長を出力する第1レーザ光源と、
λ2の波長を出力する第2レーザ光源と、これら2つの
波長を入力し、少なくとも測定対象ガスに対する吸収波
長λ3を生成して出力する非線形結晶と、この非線形結
晶から出力した光のうち前記λ3の波長を通過させるフ
ィルタと、このフィルタを通過したレーザ光を入力する
被測定ガスが導入されたガスセルと、このガスセルを透
過した光を受光する受光素子を備えたガス測定装置であ
って、前記ガスセル内の圧力を0.3気圧以下に下げた
状態で被測定ガス濃度を測定することを特徴とするガス
測定装置。
1. A first laser light source for outputting a wavelength of λ1,
A second laser light source that outputs a wavelength of λ2, a nonlinear crystal that inputs these two wavelengths and generates and outputs an absorption wavelength λ3 for at least the gas to be measured, and a light output from this nonlinear crystal A gas measuring device comprising a filter that passes a wavelength, a gas cell into which a gas to be measured that inputs laser light that has passed through this filter is introduced, and a light receiving element that receives light that has passed through this gas cell, wherein the gas cell A gas measuring device, characterized in that the concentration of a gas to be measured is measured while the internal pressure is reduced to 0.3 atm or less.
【請求項2】前記λ1,λ2のうちいずれか若しくは両
方を掃引してλ3の波長を2.2115〜2.214μ
mを含む範囲で掃引することを特徴とする請求項1記載
のガス測定装置。
2. Either or both of λ1 and λ2 are swept to set the wavelength of λ3 to 2.2115 to 2.214 μ.
2. The gas measuring device according to claim 1, wherein sweeping is performed in a range including m.
【請求項3】前記受光素子からの出力信号の吸収ピーク
値近傍で前記λ3の波長をFM変調し、2f信号を出力
信号とすることを特徴とする請求項1記載のガス測定装
置。
3. The gas measuring device according to claim 1, wherein the wavelength of λ3 is FM-modulated in the vicinity of the absorption peak value of the output signal from the light receiving element, and the 2f signal is used as the output signal.
【請求項4】前記ガスセルの前段にハーフミラーを設け
てλ3の波長の光を分割するとともに、分割した光を入
射する参照ガスセルを設け、この参照ガスセルの内圧を
0.3kg/cm以下として既知の濃度の測定対象ガ
ス若しくは既知の濃度の測定対象ガスを含むガスを導入
し、測定レーザ(λ3)の波長を校正するようにしたこ
とを特徴とする請求項1又は2に記載のガス測定装置。
4. A half mirror is provided in front of the gas cell to split light having a wavelength of λ3, and a reference gas cell for making the split light incident is provided, and the internal pressure of the reference gas cell is set to 0.3 kg / cm 2 or less. The gas measurement according to claim 1 or 2, wherein a measurement target gas having a known concentration or a gas containing a measurement target gas having a known concentration is introduced to calibrate the wavelength of the measurement laser (λ3). apparatus.
【請求項5】ガスセル内に被測定ガスを導入するに際
し、ガスの導入口にノズルを設けこのノズルの先端から
ガスを吹き出しながら導入することを特徴とする請求項
1〜4のいずれかに記載のガス測定装置。
5. When introducing the gas to be measured into the gas cell, a nozzle is provided at the gas introduction port, and the gas is introduced while being blown out from the tip of the nozzle.
The gas measuring device according to any one of 1 to 4.
【請求項6】前記ガスセル中で測定レーザ(λ3)が奇
数回反射した後受光素子側に出射するようにしたことを
特徴とする請求項1〜5いずれかに記載のガス測定装
置。
6. The gas measuring apparatus according to claim 1, wherein the measuring laser (λ3) is reflected to the light receiving element side after being reflected an odd number of times in the gas cell.
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