JP2006058009A - レーザ式多重反射セル式ガス分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】
ミラー間の距離補正を簡単に行ない、それによってミラーの曲率半径の誤差を調整する。
【解決手段】
ミラーの曲率半径を予め若干大きくなるように機械加工しておき、表面を研磨加工後に３次元の表面計測を行ない、真のミラー曲率を求める。次に、真のミラー曲率に合わせて、セルボディ１３とフランジミラー１，３の間に、真空シール用のガスケット１６及びミラー間の距離調整用のガスケット１７の２種のガスケットを使用し、ミラー１ａ，３ａ間の距離を調整する。ガスケット１７は変形することがない堅いＳＵＳ板を用いる。一方ガスケット１６は、ナイフエッジ１８が食い込む軟質の材料を用いる。
【選択図】図１

Description

ガス中の不純物ガスなどの微量成分濃度の測定分野に関し、特に測定器内の光学的調整技術に関する。

環境汚染や近年の大気汚染の原因となる車の排気ガスや工業プラントの排煙には、硫黄化合物（ＳＯ_x，Ｈ₂Ｓ等）、窒素化合物（ＮＯ_x，ＮＨ₃等）、炭化水素等が含まれ、これらは化学反応もしくは光化学反応によって硫酸塩又は硝酸塩となり、ガス状で大気中に存在している。これらの構成成分の測定は、環境状態の評価や健康影響などの研究分野において重要な意味を有し、例えば大気汚染測定などではガス分析計が用いられている。

ガス分析計として、多重反射セル式ガス分析計の基本となる多重反射セルについては、Ｈｅｒｒｉｏｔｔ式のものがよく知られている（非特許文献１参照。）。
Ｈｅｒｒｉｏｔｔ式のガスセルは、２枚の球面鏡又は放物面鏡を対向させて配置し、一方のミラーの周縁部に設けた小孔から光を入射し、２枚のミラーの間で多重反射させた後、再び、入射孔から入射光とは異なる角度で光束を取り出すものである。

従来のＨｅｒｒｉｏｔｔ式の多重反射セルには、図２に示されるように、対向する２個のミラーの一方であるミラー組立体２をセル内部１３に取り入れて、ミラー組立体２全体をガイドネジ１９に取り付けた支持台２０に固定し、このガイドネジ１９を回転させて、ミラー組立体２をスライドさせることで距離を変えるようにしたものがある。

光が多重反射の後に入射光と同じ孔から出てくるためには、装置内での反射回数、ミラー間の距離、及びミラーの曲率半径（球面鏡の場合）又は焦点距離（非球面鏡の場合）における関係が厳密に正確でなければならない。
ミラー間の距離はセルボディの加工精度で決まるが、セルボディの単純な構造から一般に距離精度は出しやすい。
しかしミラーの曲率半径又は焦点距離（両方を含めて曲率半径ということもある。）については、曲面構造という特殊性や、金属の延性などの性質によって、工業製品での加工誤差が避けられないこともあり、その精度は非常に出しにくい。

D.R.Hwrriott, H.Kogelnik, and R.Kompfer, Appl. Opt. 3, 523(1964).

本発明者らは、独自に行なった光線追跡の計算結果で、ミラーの曲率半径又は焦点距離の誤差をミラー間の距離を変えることで、補正を行なうことが可能であることを見出した。

しかし、図２のようなミラー間距離を可変にした構造では、ミラー組立体２をスライドさせるためのガイドネジ１９の動きを滑らかにするために、Ｏリング１１などに潤滑剤を塗布する場合、潤滑剤から揮発蒸気成分が揮発して、応答時間が長くなる影響があった。
カートリッジヒータ９又はケーブル１０が断線した場合、装置内部を分解して部品を交換することになり作業効率が悪くなった。

そこで、本発明は装置内部を減圧に保持するとともに、ミラー間の距離補正が簡単に行なえる方法の開発を目的とする。

本発明は、セルボディの両端をフランジ（パッキンとも言う）で封止したセル内に対向した一対のミラーを配置し、セル内を減圧にして試料ガスを導入するとともに、前記ミラー間でレーザ光を多重反射させて試料ガス中の特定ガス分子の光吸収による前記レーザ光の減衰から特定ガス分子の濃度を測定する多重反射セル式ガス分析計において、前記ミラーをそれぞれ前記フランジにとりつけ、前記フランジとセルボディ間を第１のガスケットにより気密に封止するとともに、少なくとも一方のフランジとセルボディ間には第１のガスケットとは異なる第２のガスケットを介在させて、前記ミラー間距離を調節したことを特徴とするレーザ式多重反射セル式ガス分析計である。

第２のガスケットは、第１のガスケットよりも硬度の高い材質とすることが好ましい。
ミラー加熱用のヒータはミラーにではなく、ミラーと一体となったフランジに埋め込まれていることが好ましい。

本発明では、セルボディはその両端間の距離を正確に出すことができるので、ミラー間の距離は簡単にわかり、また、第２のガスケットとして適当な厚さのものを選択することでミラー間の距離を調整でき、球面鏡、非球面鏡のどちらを使用した場合でも、レンズの曲率半径を補正することができる。

測定対象ガスなどの影響やその他の原因によって劣化したミラーを交換するとき、ミラーの曲率半径が設計値通りに正確に製作できないことから、ミラー間の距離で調整しなければならない。セルボディの内部を調整する場合、従来はミラー間距離の正確な調整には多くの労力と時間を費やしたが、本発明によればミラーの曲率半径を計測し、それに応じた厚みのガスケットを挟んで、組み立てるだけであるので、短時間でセルの調節ができる。

第２のガスケットは第１のガスケットよりも硬度の高い材質のものとすれば、硬度の低い材質の第１のガスケットによって密閉構造が保持され、硬度の高い材質の第２のガスケットによってセルボディの距離を調整することができる。

フランジとミラーが一体構造であり、フランジのボディ部にミラー加熱用のヒータを埋め込めば、ヒータケーブルやミラースライド機構などに水分子が付着することがなくなり、付着水蒸気の影響による応答時間の長期化や、水分子と測定対象ガスとの反応で生じる水酸化物などの堆積などの問題がなくなる。

図１は一実施例を表し、レーザ式ガス分析計の構成としてＨｅｒｒｉｏｔｔ式の多重セル形ガス分析計を採用する。光源にはレーザを使用する。これは、ハロゲンランプなどのランプ光源では、ミラー１ａ，３ａの間で多重反射する間に光束の発散が大きくなり、出射孔から充分な光量を取り出せないからである。

ミラー１ａ，３ａは、セルボディ１３の中にミラー１ａ，３ａの凹面が向き合うように対向して配置され、フランジ１ｂ，３ｂとそれぞれ一体となっている。フランジにミラーが一体化したものをフランジミラーと呼ぶ。
ミラー１ａには石英ガラスの光透過窓４が設けられ、その光透過窓４を通過して、孔２１からセルボディ１３内部に光が入り、ミラー１ａ，３ａの凹面で多重反射した後、再びその孔２１から外部へ出射する。孔２１は光の入射孔であるとともに、出射孔を兼ねている。
フランジ１ｂ，３ｂにはカートリッジヒータ９が取り付けられており、フランジミラー１，３全体を暖めるようにしてあるカートリッジヒータ９は、ケーブル１０を介して、セルボディ１３内部を経由せずに、外部電源装置につながっている。

ガスケット１６は、セルボディ１３とフランジ１ｂ，３ｂの接触面に、ナイフエッジ１８を介して挟まれるように配置された気密封止用の第１のガスケットであり、とめつけネジ１５を締めることで、セルボディ１３内を密閉できる構造になっている。
ガスケット１７は、セルボディ１３とフランジ１ｂ，３ｂの接触面に配置された、ミラー１ａ，３ａ間の距離を調整する第２のガスケットである。このガスケット１７を適当な厚みのものとし、それに応じて第１のガスケット１６の厚みも選択することにより、ミラー１ａ，３ａ間の距離を調整する。

セルボディ１３には測定ガスを導入、又は排気するための出入り口７，８が設置されている。入り口７は、ユーザ側のライン、又はバッチ測定用にガスボンベに接続されている。また、出口８は、ユーザ側の排気ライン、大気放散、又は真空ポンプなどに接続されている。

本分析計は、大気圧から弱真空（〜０．０１気圧）のものまで、幅広い測定対象ガスを扱うため、分析計内のセルボディ１３は密閉構造をしている。セルボディ１３とフランジミラー１，３の材質には、耐腐食性を考慮してステンレス（ＳＵＳ）を使用する。
測定対象ガスの切り換え時には、周辺大気又は測定ガス中に含まれる水分子が内部に混入し、水分子がミラー等に吸着することがある。そこで、カートリッジヒータ９がミラー１ａ，３ａを加熱して温度調整できるようになっている。
水分子の吸着を防ぐため、さらにセルボディ１３にもシート状のヒータやバンド状のヒータを外側に巻きつけて加熱し、温度調整できる構造にしてある。

ミラー表面に水分子が吸着した場合、水分子は化学的活性が高いため、測定ガスと反応してミラー表面に水酸化物の膜を堆積し、ミラーの反射機能を低下させる結果、分析計の性能を著しく低下させることがあるからである。

レーザ素子５から出射した光束は、ミラー１ａに設置してある光透過窓４を通過して、孔２１からセルボディ１３に入る。光束は、セルボディ１３の反射面を構成するミラー１ａ，３ａの間で多重反射したあと、再び孔２１から出てくる。その後、光透過窓４を通って光検出器６で光電変換され電気信号となる。この電気信号は既知の信号処理回路により増幅、検波されて濃度信号となる。

セルボディ１３は、反射回数、ミラー間の距離Ｌ及びミラーの曲率半径の関係が厳密に決まっており、実施例での仕様は反射回数が３０回、ミラー間距離が２６０ｍｍ、ミラーの曲率半径が２７５ｍｍである。
しかし、ミラーの曲率半径の正確性は加工精度によってバラツキがあり、工業生産上、設計値通りにすることは実質的に不可能である。

以下に、本発明のレーザ式多重反射セル式ガス分析計の、ミラー曲率半径の調整機構について説明する。
ミラー１ａ，３ａの曲率半径の工業上の精度誤差が同じ場合を例として、孔２１の中心から入ったレーザ光束が３０回の多重反射を繰り返した後、孔２１から出るときの、曲率半径と、入射孔の光軸からずれた位置変化の関係を表１に示す。
ここで、曲率半径の誤差とは加工上の精度による誤差によって生じた曲率半径のズレを言う。

表１より、曲率半径の誤差１．０ｍｍに対し、出射光の位置ズレは、約１．６ｍｍであることがわかる。
次にミラーの曲率半径の誤差を、ミラー間の距離を変えることで、出射光の位置のズレをどれだけ補正できるかを表２に示す。

表２より、曲率半径の誤差が−２．０ｍｍのときにミラー間の距離を−２．０ｍｍ変化させた場合、出射光の位置ズレは−０．３ｍｍまで小さくなることがわかった。
レーザ光の光束寸法は約２ｍｍ程度である。また、孔２１の直径は、他の多重反射光が欠けることのないようにするため大きくはできず、５〜６ｍｍ程度である。そのため表１から許容できる曲率半径の誤差は±０．５ｍｍ程度であることがわかる。
しかし、ＳＵＳ製のミラーの曲率半径をノミナル値（設計値）である２７５ｍｍ±０．５ｍｍに合わせることは、実際には非常に困難である。

ここで、ノミナル値のミラー曲率半径Ｒに対して、実際に製作するミラーの曲率半径をＲ’とした場合、
Ｒ≠Ｒ’
Ｒ'−Ｒ＝ΔＲ
とする。

本発明者らは、光線追跡計算によりΔＲが正の場合、ミラー間距離Ｌをノミナル値よりも大きくすることで、入射光と出射光をほぼ同じ孔位置から取り出せることを見出した。セルボディ１３は通常ＳＵＳで作られており、これを短くすることはできない。
しかし、実質的にセルホディを長くすることは、セルボディ１３とミラー１ａ，３ａの間に、スペーサとしてガスケット１７を介在させることにより可能となる。

そこで、ミラーの曲率半径を予めノミナル値よりも若干大きくなるように機械加工しておき、表面を研磨加工後に３次元の表面計測を行ない、真のミラー曲率を求める。
次に、真のミラー曲率に合わせ、セルボディ１３とミラー１ａ，３ａの間に、真空シール用のガスケット１６、及びミラー１ａ，３ａ間の距離を調整するためのガスケット１７の、２種のガスケットを使用してミラー１ａ，３ａ間の距離を調整する。

上記の方法を実際に適用した結果を、表２の結果に鑑みて表３に示した。
ガスケット１７はミラー間距離を厳密に決定するものであるので、変形することがない堅いＳＵＳ板を用いる。一方ガスケット１６は、セルボディ先端部及びフランジ内側に設置されたナイフエッジ１８が食い込むことができる、軟質の材料を用いる。そのような軟質の材料として銅やニッケルなどが適当である。
ガスケット１６の厚みは、組み合わせて使用されるガスケット１７の厚みより２．０ｍｍ厚いものとなるように、セルボディ及びフランジが製作されている。

予め３次元表面計測装置（例えば、キヤノン製Ｚｙｇｏ）を用いた測定結果で、曲率半径の誤差がミラー１ａ側が＋１．０ｍｍ、ミラー３ａ側が＋２．０ｍｍである場合、平均の誤差は＋１．５ｍｍとなる。そこでガスケット１７として、厚みが＋１．５ｍｍのものを用いる。
ガスケット１６，１７の種類は、４組程度あれば実用的には充分である。
それらのガスケットの間の誤差の調整は、レーザ光源の位置を若干調節することで、補完的な補正ができる。

本発明は以上の装置構成に限定されるものではなく、光学系をはじめとするピント、位置補正を行なう場合の長さなどの補正に関するものであり、特に密閉が要求されるような装置の長さを変更しにくい場合に、気密封止用のガスケットと長さ調整用のガスケットを組み合わせて用いることで、光学系の補正を行なうことを特徴とするものであれば、本発明により解決することができる。

ガス中の微量不純物ガス濃度の測定分野に関し、測定器内の光学的調整技術を行なうことができる。

一実施例のレーザ式多重反射セル式ガス分析計の断面図である。 従来型のレーザ式多重反射セル式ガス分析計の断面図である。

符号の説明

１，３ フランジミラー
１ａ，３ａ ミラー
１ｂ，３ｂ フランジ
２ ミラー組立体
４ 光透過窓
５ レーザ素子
６ 光検出器
７，８ ガス入出口
９ カートリッジヒータ
１０ ケーブル
１３ セルボディ
１４，１５ とめつけネジ
１６ 真空シール用のガスケット
１７ ミラー間の距離を調整するためのガスケット
１８ ナイフエッジ
１９ ガイドネジ
２０ 支持台
２１ 孔

Claims (3)

1. セルボディの両端をフランジで封止したセル内に対向した一対のミラーを配置し、
   前記セル内を減圧にして試料ガスを導入するとともに、
   前記ミラー間でレーザ光を多重反射させて試料ガス中の特定ガス分子の光吸収による前記レーザ光の減衰から特定ガス分子の濃度を測定する多重反射セル式ガス分析計において、
   前記ミラーをそれぞれ前記フランジに取りつけ、
   前記フランジとセルボディ間を第１のガスケットにより気密に封止するとともに、
   少なくとも一方のフランジとセルボディ間には第１のガスケットとは異なる第２のガスケットを介在させて、前記ミラー間距離を調節したことを特徴とするレーザ式多重反射セル式ガス分析計。
2. 第２のガスケットは第１のガスケットよりも硬度の高い材質のものである請求項１に記載のレーザ式多重反射セル式ガス分析計。
3. 前記フランジにはミラー加熱用のヒータが埋め込まれている請求項１又は２に記載のレーザ式多重反射セル式ガス分析計。

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