JP2007513351A

JP2007513351A - キャビティリングダウン分光法を用いた微量ガスの分析装置及び分析方法

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Publication number: JP2007513351A
Application number: JP2006542706A
Authority: JP
Inventors: ウェン−ビン・ヤン
Original assignee: Tiger Optics LLC
Current assignee: Tiger Optics LLC
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2007-05-24
Also published as: WO2005057189A1; CN1890555A; US20050122523A1; KR20060120700A; TW200526942A; EP1692489A1

Abstract

気体中の不純物を分析するための装置及び方法が提供される。この装置は、不純物を含む第１の気体を収容している第１セル２０８と、不純物を含まない第２の気体を収容している第２セル２１０とを備えている。第１セル２０８には第１の光ビーム２０１ａが結合され、第２セル２１０には第２の光ビーム２０１ｂが結合されている。第１セル２０８の出力部には第１検出器２１４が結合され、この第１検出器２１４は、第１セル２０８内における第１光ビームの第１の減衰率に基づいて第１信号を生成する。第２セル２１０の出力部には第２検出器２１６が結合され、この第２検出器２１６は、第２セル２１０内における第２光ビームの第２の減衰率に基づいて第２信号を生成する。第１の減衰率と第２の減衰率との差に基づいて不純物の濃度が決定される。

Description

本発明は、一般的には吸収分光法（absorption spectroscopy）に関するものであり、とくにはキャビティリングダウン分光法（cavity ring-down spectroscopy）を用いた、気体中の微量種（trace species）の検出に向けられたものである。

以下、図面を参照しつつ説明するが、これらの図面において、同様の参照番号は、同様の要素を示している。図１は、対数目盛上の電磁スペクトルを示している。分光学（science of spectroscopy）は、スペクトルを研究するものである。スペクトルのその他の部分に関する科学とは対照的に、光（optics）は、とくに可視光及び近可視光（near-visible light）を含んでいる。――およそ１ｍｍからおよそ１ｎｍまでの波長に広がる利用可能なスペクトルの非常に狭い部分――近可視光は、赤よりも赤い色（赤外光）と、紫よりも紫の色（紫外光）とを含んでいる。この範囲は、各可視側に対して、光を通常の材料でつくられた大半のレンズ及びミラーによって取り扱うのに十分な範囲に広がっている。大抵の場合、材料の光学的特性の波長依存性を考慮しなければならない。

吸収型分光法は、感度が高く、マイクロ秒のオーダーでの応答時間が良く、被毒からの耐性（immunity from poisoning）が良く、かつ研究対象となっている種以外の分子種（molecular species）からの干渉が限定されるといった特徴がある。種々の分子種は、吸収分光法によって検出又は特定することができる。かくして、吸収分光法は、重要な微量の種（trace species）を検出する一般的な方法を提供する。気相において、この方法の感度及び選択性（selectivity）は最適なものとなる。なぜなら、種は、一群の鋭いスペクトル線において集中された吸収強度を有するからである。スペクトルにおける狭い線は、大半の干渉種に対して、識別するのに用いることができる。

多くの工業プロセスにおいては、流れている気体及び液体の中の微量の種の濃度を測定して、高速かつ高精度で分析することが必要である。汚染物質の濃度は、しばしば最終製品の品質に対して決定的に重要であるので、このような測定及び分析が要求される。Ｎ_２、Ｏ_２、Ｈ_２、Ａｒ及びＨｅなどの気体は、例えば、集積回路を製造するのに用いられるが、これらのガス中における不純物の存在は――たとえ１０億分の１（ｐｐｂ）のレベルであっても――有害であり、操作回路の収率（yield of operational circuits）を低下させる。それゆえ、水を分光法で監視することができるほどの比較的高い感度が、半導体工業で用いられる高純度の気体の製造にとって必要（重要）である。種々の不純物は、その他の工業分野（用途）においても検出しなければならない。さらに、液体中における、元々含まれていたか、又は意図的に加えられた不純物の存在は、近年、特別な関心事となっている。

分光法は、高純度の気体中の気体状の汚染物質に対して、１００万分の１（ｐｐｍ）レベルの検出を実現している。ｐｐｂレベルでの検出感度が実現可能な場合もある。したがって、従来の長光路セル（long pathlength cells）中における吸収測定、光音響分光法（photoacoustic spectroscopy）、周波数変調分光法（frequency modulation spectroscopy）、及び、キャビティ内レーザ吸収分光法（intracavity laser absorption spectroscopy）を含む、いくつかの分光法が、気体中における定量的な汚染物質の監視などの分野に応用されている。これらの分光法は、レーマン（Lehmann）に係る特許文献１中で論じられているいくつかの特徴を有している。しかし、これらは、工業に用いるのが困難であり、実用的ではない。それゆえ、それらは、大半は研究所での研究に限定されている。

これに対して、連続波キャビティリングダウン分光法（ＣＷ−ＣＲＤＳ）は、科学、工業プロセス制御、及び大気中の微量ガス検出への応用において、重要な分光技術となっている。ＣＷ−ＣＲＤＳは、従来の方法では感度が不十分である低吸光度形態（low-absorbance regime）において優れた光学吸収測定のための技術として紹介されている。ＣＷ−ＣＲＤＳは、吸収感応性がある観測可能な要素（absorption-sensitive observable）として、高性能光学共鳴器（high finesse optical resonator）中の光子の平均寿命（mean lifetime）を利用する。

典型的には、共鳴器は、帯域が狭く極めて高い反射率をもつ１対の誘電体の鏡（ミラー）で形成され、適切に配置されて安定な光学共鳴器を形成する。レーザパルスは、１つの鏡を通して共鳴器に注入され、平均寿命をもつ。この平均寿命は、光子往復通過時間と、共鳴器の長さと、種の数密度及び吸収断面と、固有の共鳴器損失の原因となる因子（これは、回折損失が無視できるときには、大半は、周波数に依存する鏡の反射率に起因する。）とに依存する。それゆえ、光学吸収の決定は、従来の出力比（power-ratio）の測定から遅延時間の測定に変わる。ＣＷ−ＣＲＤＳの最終的な感度は、超低損失光学製品の製作を可能にする超研磨（superpolishing）などの技術でもって最小化することができる固有の共鳴器損失の大きさによって決定される。

図１Ｂは、気体中の不純物を分析するための従来のＣＷ−ＣＲＤＳ装置１２０を示している。図１Ｂに示す装置においては、不純物を含有している気体がキャビティリングダウンセル１０８に導入される。キャビティリングダウンセル１０８は不純物を含有する気体で満たされ、セル１０８に連結された圧力制御器１１２は、セル内の圧力を一定に維持する。

レーザ１００から光１０１が放射される。このレーザ１００は、不純物の吸収周波数と合致する所定の周波数に調整される。光１０１は、レンズ（又はレンズ系）１０２によって集光され、焦点が合わされ、その結果光ビームは１０１ａはキャビティリングダウンセル１０８に結合される。光ビーム１０１ａは、一旦セル１０８に結合されると、安定な光共鳴器として機能して光学的励起を生じさせる２つの反射鏡１２４、１２５と接触する。この後、レーザは停止される。反射鏡がセル１０８内で光を反射させるのに伴って、光の一部分がセル１０８内の気体によって吸収される。このリングダウン信号は、時間の経過に伴って減衰する。

キャビティリングダウンセル１０８に結合された出力検出器１１４は、セル内のリングダウン率（ring-down rate）を測定する。出力信号１１５は、セル１０８内のリングダウン率を示し、処理装置１１８に伝送される。この後、処理装置１１８は、リングダウン率を解析し、不純物の吸収線のピークにおけるセル１０８内のリングダウン率を、吸収が生じていない基準線（baseline）におけるリングダウン率と比較することにより、不純物の濃度を計算する。

従来のＣＷ−ＣＲＤＳでは、基準線の背景又はピークに干渉がない場合、例えば搬送気体（キャリアガス）が不活性気体であり不純物が水である系の場合であれば、気体中の不純物の濃度を正確に決定することができる。しかしながら、多くの気体系においては、搬送気体と不純物とは、スペクトル特性は重複している。このように、スペクトル特性の重複が起こる場合は、干渉のないピーク又は基準線は存在せず、ＣＷ−ＣＲＤＳを用いて不純物の濃度を正確に決定することはできない。

もう１つの従来のシステムにおいては、セル内の光の強度が気体中の不純物を決定するのに用いられる。この技術の一例は、ウら（Wu et al.）に係る特許文献２に開示されている。しかしながら、このシステムには、レーザからセルまでの間の空間部と、セルから検出器までの間の空間部とが、信号に影響を及ぼすといった不具合がある。レーザビームの経路に不一致又は変化がある場合、測定誤差が生じるであろう。また、水分を検出する場合、通常は高純度の窒素を用いてビームの経路を掃気（パージ）し、外部干渉を低減しなければならない。このような掃気は、運転コストを増加させる。さらに、検出器と増幅器の不一致は測定誤差を生じさせる。光強度測定システムを用いる場合におけるもう１つの不具合は、２つのビームにおけるエタロン効果（etalon effect）が差し引き時における解除に対して同一でなければならないということである。
米国特許第５，５２８，０４０号明細書米国特許第６，０４０，９１５号明細書

本発明は、従来のシステムの上記欠点を克服するためになされたものであって、ＣＷ−ＣＲＤＳを用いて気体中の微量種を分析するための改善されたシステム及び方法を提供することを目的とする。

上記及びその他の目的を達するために、またこの目的に鑑み、本発明は、気体中の不純物を分析する装置及び方法を提供する。本発明に係る装置は、不純物を含む第１の気体を少なくとも部分的に収容している第１のセル（cell）と、上記不純物を含まない第２の気体を少なくとも部分的に収容している第２のセルとを備えている。スプリッタ（splitter）が光源に光学的に結合され、このスプリッタは光を第１の光ビームと第２の光ビームとに分ける（split）。第１の光ビームは第１のセルの入力部（input）に結合（光結合）され、第２の光ビームは第２のセルの入力部に結合される。第１の検出器が第１のセルの出力部（output）に結合され、この第１の検出器は、第１のセル内における第１の光ビームの減衰率（decay rate）に基づいて第１の信号を生成する。さらに、第２の検出器が第２のセルの出力部に結合され、この第２の検出器は、第２のセル内における第２の光ビームの第２の減衰率に基づいて第２の信号を生成する。第１の減衰率と第２の減衰率との差に基づいて、不純物の濃度が決定される。

本発明のもう１つの態様によれば、第１の検出器及び第２の検出器に処理装置（processor）が結合され、この処理装置は、第１の信号及び第２の信号を受け取って処理し、不純物の濃度を決定する。

本発明のさらにもう１つの態様によれば、第１の光ビーム及び第２の光ビームは、同一の波長を有している。

本発明のさらにもう１つの態様によれば、第１のセル内の第１の気体の圧力と、第２のセル内の第２の気体の圧力とが実質的に同一である。

本発明のさらにもう１つの態様によれば、光源（light emitting source）がＣＷレーザを含んでいる。

本発明のさらにもう１つの態様によれば、上記気体の不純物の吸収線（absorption line）のピーク（peak）でのリングダウン率（ring-down rate）を、不純物を含まない基準線のリングダウン率と比較することにより、不純物の濃度が決定される。

本発明のさらにもう１つの態様に係る方法は、不純物を含む第１の気体を第１のセルの少なくとも一部分に導入するステップと、上記不純物を含まない第２の気体を第２のセルの少なくとも一部分に導入するステップと、光源から光を放射させるステップと、光源から出た光を第１の光ビームと第２の光ビームとに分けるステップと、第１の光ビームを第１のセルを通るように方向付けるステップと、第２の光ビームを第２のセルを通るように方向付けるステップと、第１のセル内における第１の光ビームの減衰率を測定するステップと、第２のセル内における第２の光ビームの減衰率を測定するステップと、第１のセル内における減衰率と第２のセル内における減衰率との差に基づいて、気体中の不純物の濃度を決定するステップとを含む。

前記の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、いずれも本発明の典型例を示すものであって、本発明を制限するものではないということを理解すべきである。

本発明は、添付の図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより最も良く理解されるであろう。一般的な実務慣行により、図面の種々の特徴は正確な寸法のものではないということが強調される。また、種々の特徴の寸法は、特徴を明瞭化するために、任意に拡張又は縮小されている。図面は、図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３及び図４を含んでいる。

図２は、本発明の第１の典型的な実施の形態を示している。図２において、被分析物（analyte）などの、不純物を含有する気体がリングダウンセル２０８に導入される一方、不純物を含有しない気体がリングダウンセル２１０に導入される。リングダウンセル２０８、２１０は、限定されるわけではないが、キャビティリングダウンセルを用いることができる。そして、リングダウンセル２０８、２１０は、それぞれ各別の気体を充填してもよく、またセルを通して気体を流すことにより該気体を導入してもよい。（なお、キャビティリングダウン分光法についての詳細な説明は、当業者にはその技術内容がよく知られているので、ここでは省略する。）１つの典型的な実施の形態においては、セル２０８、２１０のそれぞれに結合（光結合）された圧力制御器２１２が、セル内を、実質的に同一の圧力に維持する。

例えば、ＣＷレーザなどの可変調の光源２００から光２０１が放射される。光源２００は、不純物の吸収周波数に合致する、予め設定された周波数に調整される。光２０１は、レンズなどの装置２０２によって集光されるとともに焦点が合わされ、光源２００に光学的に結合されたスプリッタ２０４によって分けられる。すなわち、光２０１は、波長が同一であるほぼ等しい２つの光ビーム２０１ａ、２０１ｂに分けられる。実質的には同時に、第１の光ビーム２０１ａが第１リングダウンセル２０８に結合される一方、第２の光ビーム２０１ｂが第２リングダウンセル２１０に結合される。光ビーム２０１ａ、２０１ｂは、一旦それぞれのセル２０８、２１０に結合された後、反射鏡２２４、２２５に接触する（contact）。これらの反射鏡２２４、２２５は、安定な光学共鳴器（optical resonator）として機能し、光学的励起を生じさせる。この後、光源２００の稼働は停止される。反射鏡がセル２０８、２１０内で光を反射させるのに伴って、光の一部はセル内の気体によって吸収される。このリングダウン信号は、時間の経過に伴って減衰する。

第１セルに結合された第１出力検出器２１４と第２セルに結合された第２出力検出器２１６とは、互いに独立して、各セル内における減衰率（decay rate）を測定する。出力信号２１５、２１７は、それぞれ、セル２０８、２１０内における減衰率を示すものであるが、処理装置２１８に供給される。この後、処理装置２１８は、減衰信号を解釈ないしは解析し（interpret）、第１セル２０８内における減衰率と第２セル２１０内における減衰率との差を決定することにより不純物の濃度を計算する。

図３は、被分析物などの、気体中の不純物を検出することができる、本発明の第２の典型的な実施の形態を示している。図３において、第１の典型的な実施の形態の要素と同様の機能を果たす要素には、同一の参照番号を付している。図３に示す実施の形態は、ハーフミラー３０４（half mirror）により光２０１を同一波長のほぼ等しい光ビーム２０１ａ、２０１ｂに分ける点を除けば、図２に示す上記の実施の形態と実質的に同一である。ここで、ハーフミラー３０４は、ビームの一部（２０１ｂ）を透過させる一方、ビームの残部（２０１ａ）を第１リングダウンセル２０８に向かうように反射させる。この後、ビームのノイズ除去された（filtered out）部分が、鏡３０６によって反射させられ（もし必要であれば）、第２リングダウンセル２１０に導入される。その他のすべての態様については、この典型的な実施の形態は第１の典型的な実施の形態と同様である。

図４は、本発明の第３の典型的な実施の形態を示している。図４において、第１の典型的な実施の形態の要素と同様の機能を果たす要素には、同一の参照番号を付している。この実施の形態は、それぞれ互いに異なる不純物を含む複数の気体を分析するとともに、これらの不純物を含まない基準気体（reference gas）に対して不純物の濃度を決定する手法ないしはプロセス（process）を提供する。図４に示す実施の形態は、以下の点を除けば、図２に示す上記の実施の形態と実質的に同一である。すなわち、異なるのは、ビームスプリッタ４０４により、光を同一波長の複数（この特定の例では４つ）のビームに分離する点である。光ビーム２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄがセルを透過し、各減衰率が検出器２１４、２１６によって測定される。この後、処理装置４１８は、互いに独立して、第１のセル内における減衰率とその他のセル内における減衰率との間の差を計算することにより、各気体中の不純物のレベル（level）を決定する。この典型的な実施の形態においては、放射する光の波長が単一である単一の光源２００について説明を行っているが、本発明はこれに限定されるものではない。また、光源は、以下で説明するような態様で、複数の周波数の光を生成することができるものであってもよい。すなわち、例えば、図２に示すような独立したシステムの対をスプリッタ４０４に結合し、このスプリッタ４０４が、第１の１対のセルにある周波数の光を供給し、第２の１対のセルに第２の周波数の光を供給するようになっていてもよい。

本発明は、種々の気体系に応用することができ、不純物を含有する気体が該不純物のスペクトル特性と重なるスペクトル特性を有する系においてより高い精度を実現することができるといった、従来の技術にはない利点を有する。これに限定されるものではないが、１つの具体例は、不純物として水を含有するアンモニアであろう。本発明はまた、セルに光が出入りするのに伴って光の強度に乱れを生じさせる（disrupt）外部干渉（external interference）を除去することができるといった、従来の技術にはない利点も有する。なぜなら、リングダウン率は、強度に基づくのではなく、時間に基づいて不純物の濃度を測定するからである。その結果、２セル可変調ダイオードレーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ：dual-cell tunable diode laser absorption spectroscopy）とは異なり、本発明は、光源とセルとの間にビームの経路（path）を必要とせず、かつ、水分の検出に用いられる場合でも高純度の窒素で検出器を掃気（パージ）する必要がない。本発明はまた、ビームの分散（variance）、ＴＤＬＡＳの感度を制限ないしは抑制する検出器の不整合（mismatch）、及び、エタロン効果に起因するひずみ（distortion）による影響を受けない。

従来の技術にはないその他の利点は、本発明のもう１つの実施の形態が、ピーク吸収線を、基準線リングダウン率又は不純物を含まないリングダウン率と比較する能力を備えていることである。さらにもう１つの利点は、ピークの波長に対する外挿を可能にする、非ピーク位置で測定された基準線リングダウン率を測定することができることである。これに代えて、強度及び線形情報（lineshape information）を含むすべてのピークの形状（whole peak profile）を測定することにより、不純物の濃度を線形フィッティング（lineshape fitting）により決定してもよい。

本明細書では、ある特定の実施の形態を参照しつつ図示及び説明が行われている。しかしながら、本発明は、このような詳細な記載に限定される趣旨でない。むしろ、請求の範囲の記載と等価な範囲及び領域内において、本発明の趣旨から離脱することなく、種々の修正がきめ細かくなされることができるであろう。

対数目盛による電磁スペクトルを示す図である。単一のリングダウンセルを用いた、従来技術に係るＣＲＤＳシステムを示す図である。本発明の第１の典型的な実施の形態を示す図である。本発明の第２の典型的な実施の形態を示す図である。本発明の第３の典型的な実施の形態を示す図である。

符号の説明

２００光源、２０１光、２０１ａビーム、２０１ｂビーム、２０２レンズ、２０４ビームスプリッタ、２０８第１リングダウンセル、２１０第２リングダウンセル、２１２圧力制御器、２１４第１出力検出器、２１５出力信号、２１６第２出力検出器、２１７出力信号、２１８処理装置、２２４反射鏡、２２５反射鏡。

Claims

気体中の不純物を分析する方法であって、
不純物を含む第１の気体を、第１のセルの少なくとも一部分に導入するステップと、
上記不純物を含まない第２の気体を、第２のセルの少なくとも一部分に導入するステップと、
光源から光を放射させるステップと、
上記光源から出た光を、第１の光ビームと第２の光ビームとに分けるステップと、
第１の光ビームを第１のセルを通るように方向付けるステップと、
第２の光ビームを第２のセルを通るように方向付けるステップと、
第１のセル内における第１の光ビームの減衰率を測定するステップと、
第２のセル内における第２の光ビームの減衰率を測定するステップと、
第１のセル内における減衰率と第２のセル内における減衰率との差に基づいて、気体中の不純物の濃度を決定するステップとを含むことを特徴とする方法。
第１のセル内と第２のセル内とを実質的に同一圧力に維持するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
第１の光ビームと第２の光ビームとが同一波長であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
光源を、予め設定された周波数の光を放射するように調整するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
キャビティリングダウン分光法を用いて第１の気体及び第２の気体を分析するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
第１のセルに第１のガスを充填するとともに、第２のセルに第２のガスを充填することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
第１のセルに第１のガスを流通させるとともに、第２のセルに第２のガスを流通させることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
第１のセルに第１のガスを充填する一方、第２のセルに第２のガスを流通させることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
光源とともに用いて気体中の不純物を分析する装置であって、
不純物を含む第１の気体を少なくとも部分的に収容している第１のセルと、
上記不純物を含まない第２の気体を少なくとも部分的に収容している第２のセルと、
光源に光学的に結合され、光源から出た光を、第１のセルの入力部に結合される第１の光ビームと、第２のセルの入力部に結合される第２の光ビームとに分けるスプリッタと、
第１のセルの出力部に結合され、第１のセル内における第１の光ビームの第１の減衰率に基づいて第１の信号を生成する第１の検出器と、
第２のセルの出力部に結合され、第２のセル内における第２の光ビームの第２の減衰率に基づいて第２の信号を生成する第２の検出器とを備えていて、
第１の減衰率と第２の減衰率との差に基づいて不純物の濃度を決定することを特徴とする装置。
第１の検出器及び第２の検出器に結合され、第１の信号及び第２の信号を受け取って処理し、不純物の濃度を決定する処理装置をさらに備えていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
第１の光ビーム及び第２の光ビームが同一波長であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
第１の検出器が、第１のセル内における第１の光ビームの減衰率を測定することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
第２の検出器が、第２のセル内における第２の光ビームの減衰率を測定することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
第１のセル内の第１の気体の圧力と、第２のセル内の第２の気体の圧力とが実質的に同一であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
上記気体がアンモニアを含み、上記不純物が水を含むことを特徴とする、請求項９に記載の装置。
上記光源がＣＷレーザを含むことを特徴とする、請求項９に記載の装置。
上記レーザが可変調であることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
第１のセル及び第２のセルが、それぞれ、キャビティリングダウン分光セルを含んでいることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
上記気体の不純物の吸収線のピークでのリングダウン率を、不純物を含まない基準線のリングダウン率と比較することにより不純物の濃度を決定することを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
基準線のリングダウン率の濃度を、ピーク波長についての外挿に基づいて、非ピーク形状部で測定することを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
上記不純物の濃度を、強度及び線形構造を含むすべてのピークの形状部の測定に基づいて決定するようになっていて、上記不純物の濃度を線形近似により決定することを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
第１のセルに第１のガスを充填するとともに、第２のセルに第２のガスを充填することを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
第１のセルに第１のガスを流通させるとともに、第２のセルに第２のガスを流通させることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
第１のセルに第１のガスを充填する一方、第２のセルに第２のガスを流通させることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
気体中の不純物を分析する装置であって、
不純物を含む第１の気体を第１セルに導入するとともに、上記不純物を含まない気体を第２のセルに導入する手段と、
第１のセルと第２のセルとに光を放射する手段と、
第１のセル内及び第２のセル内におけるそれぞれの光の減衰率を決定する手段と、
第１のセル内における減衰率と第２のセル内における減衰率との差に基づいて、気体中の不純物の濃度を決定する手段とを含むことを特徴とする装置。