JP2017223547A - Multiple reflection cell - Google Patents

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健大 五十嵐
Takehiro Igarashi
健大 五十嵐
貴史 神邊
Takashi Kanbe
貴史 神邊
政輝 石井
Masateru Ishii
政輝 石井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multiple reflection cell that causes photoreaction of sample gas while preventing the sample gas from coming in contact with reflection surfaces of concave mirrors.SOLUTION: A multiple reflection cell 1 according to the invention includes a container 3 receiving supply of sample gas being an object of photoreaction, and concave mirrors 5 and 7 being housed in the container 3 and arranged so as to face each other. A laser beam is made incident to the container 3, and the incident laser beam is reflected plural times between the concave mirrors 5 and 7 so as to perform the photoreaction. The multiple reflection cell 1 further includes: a shield gas jet nozzle 9 ejecting shield gas for preventing the sample gas from coming in contact with reflection surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7; and a shield gas supply pipe 11 supplying the shield gas to the shield gas jet nozzle 9.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、向かい合わせに配置された複数の凹面ミラーの間でレーザー光を複数回反射させる多重反射セルに関し、特に、光反応に用いる多重反射セルに関する。   The present invention relates to a multi-reflection cell that reflects laser light a plurality of times between a plurality of concave mirrors arranged facing each other, and more particularly to a multi-reflection cell used for photoreaction.

近年、容器内のガスに特定の波長のレーザー光を照射し、特定のエネルギー準位間の光学遷移を誘起することで光反応を引き起こす技術が広く用いられている。例えば、特許文献1には、酸素原子の安定同位体である18Oを含むオゾン分子(16O16O18O)に特定の周波数(波長)のレーザー光を照射し、18Oを濃縮する技術が開示されている。 In recent years, a technique for causing a photoreaction by irradiating a gas in a container with laser light having a specific wavelength and inducing an optical transition between specific energy levels has been widely used. For example, Patent Document 1 discloses a technique for concentrating 18 O by irradiating an ozone molecule ( 16 O 16 O 18 O) containing 18 O, which is a stable isotope of an oxygen atom, with laser light having a specific frequency (wavelength). Is disclosed.

このような光反応を引き起こす技術においては、レーザー光が光反応にどれだけ用いられたかを示す「光利用率」を高めることにより、投入エネルギーに対する成果を示す「エネルギー収率」が向上する。
「光利用率」を高める代表的な方法として、レーザー光と反応対象ガスが接する経路の長光路化が挙げられる。
そして、長光路化の方法としては、単純に反応が行われる容器の長さをレーザー光の照射方向に沿って直線上に延長することが挙げられるが、この場合、容器の大きさや、設置スペース等の観点から限度がある。
そのため、複数枚の凹面ミラーを向い合せに設置し、当該凹面ミラー間にレーザー光を複数回反射させて長光路化を達成する方法が一般的に用いられている。そして、凹面ミラー間を所定回数反射したレーザー光は、レーザー透過窓を通して容器の外に導かれ、検出器で検出される。
In the technology that causes such a photoreaction, by increasing the “light utilization” indicating how much laser light is used in the photoreaction, the “energy yield” indicating the result with respect to the input energy is improved.
As a typical method for increasing the “light utilization rate”, there is an increase in the length of the path where the laser beam and the reaction target gas are in contact with each other.
And, as a method of lengthening the optical path, it is possible to simply extend the length of the container in which the reaction is performed along a straight line along the irradiation direction of the laser light, but in this case, the size of the container and the installation space There is a limit from the point of view.
Therefore, a method is generally used in which a plurality of concave mirrors are installed facing each other and laser light is reflected a plurality of times between the concave mirrors to achieve a long optical path. The laser beam reflected between the concave mirrors a predetermined number of times is guided out of the container through the laser transmission window and detected by the detector.

このように凹面ミラーを配置してレーザー光を複数回反射させる構造は、一般に、多重反射セルと呼ばれる。
特許文献2には、筐体に複数の凹面ミラーが配置され、該凹面ミラーの間で光ビームを多重反射させる試料セルが開示されている。
Such a structure in which the concave mirror is arranged to reflect the laser light a plurality of times is generally called a multiple reflection cell.
Patent Document 2 discloses a sample cell in which a plurality of concave mirrors are arranged in a casing and a light beam is multiply reflected between the concave mirrors.

通常、凹面ミラー表面(反射面)においては入射したレーザー光の一部が拡散するため、凹面ミラーの反射面におけるレーザー光の反射点が光点となってカメラ等で観察することができる。そのため、多重反射セルにおいては、図5に示すように凹面ミラーの反射面に複数の光点が観察され、これらの光点群をスポットパターンと呼ぶ。   Usually, since a part of the incident laser light diffuses on the concave mirror surface (reflection surface), the reflection point of the laser light on the reflection surface of the concave mirror becomes a light spot and can be observed with a camera or the like. For this reason, in the multiple reflection cell, a plurality of light spots are observed on the reflection surface of the concave mirror as shown in FIG. 5, and these light spot groups are called spot patterns.

そして、このようなスポットパターンを確認することによって、凹面ミラー間においてレーザー光が所定の回数反射するように、凹面ミラーの位置及び向きの調整を行うことができる。   By checking such a spot pattern, the position and orientation of the concave mirror can be adjusted so that the laser light is reflected a predetermined number of times between the concave mirrors.

特許第4364529号公報Japanese Patent No. 4364529 特開平8−35926号公報JP-A-8-35926

一般的に、凹面ミラーによりレーザー光を反射させる場合、凹面ミラーの反射面に入射したレーザー光の一部のエネルギーはロスとなって反射されないことが知られている。このエネルギーロスのうち約25%は、凹面ミラーの反射面において熱に変換される。   In general, when laser light is reflected by a concave mirror, it is known that a part of the energy of the laser light incident on the reflecting surface of the concave mirror is lost and not reflected. About 25% of this energy loss is converted to heat at the reflecting surface of the concave mirror.

そして、例えば多重反射セルに試料ガスとしてオゾンを供給し、凹面ミラー間で多重反射したレーザー光を用いてオゾン分子(例えば16O16O18O)を光反応により分解して酸素同位体18Oの濃縮を行う場合、凹面ミラーの反射面に入射したレーザー光が熱に変換されると、この熱により凹面ミラーの反射面に接触したオゾン分子が分解されてしまう。 Then, for example, ozone is supplied to the multiple reflection cell as a sample gas, multiple reflection oxygen isotope 18 ozone molecules using laser light (e.g., 16 O 16 O 18 O) is decomposed by photoreaction O between the concave mirror When the laser beam incident on the reflecting surface of the concave mirror is converted into heat, the ozone molecules contacting the reflecting surface of the concave mirror are decomposed by this heat.

この熱によるオゾン分子の分解量は、多重反射セル中におけるオゾン分子の成分割合に従うため、成分の約99.8%を占める16O16O16Oが分解して16O16Oが大量に生成してしまい、光反応による18Oの濃縮を妨げる大きな原因となっていた。 The amount of ozone molecules decomposed by this heat follows the proportion of ozone molecules in the multiple reflection cell, so 16 O 16 O 16 O, which accounts for about 99.8% of the components, decomposes and a large amount of 16 O 16 O is produced. Thus, it was a major cause of hindering 18 O concentration by photoreaction.

このような問題に対しては、凹面ミラーの反射面に試料ガスが接触することを防ぐことが効果的であると考えられる。   For such a problem, it is considered effective to prevent the sample gas from contacting the reflecting surface of the concave mirror.

例えば特許文献2には、光反応によりオゾンの分解を行うものではないが、腐食性の高い試料ガスによる凹面ミラーの腐食を防ぐため、凹面ミラーを収容した筐体内に反射を抑えた光の入出部を持つガス容器を備え、当該ガス容器に試料ガスを供給することによって試料ガスと凹面ミラーとを隔離する構造とした試料セルが開示されている。しかしながら、特許文献2に開示されている試料セルは、試料ガスが供給されるガス容器を筐体内に設置するものであるため、構造が複雑になるといった問題があった。   For example, Patent Document 2 does not decompose ozone by photoreaction, but in order to prevent corrosion of the concave mirror due to highly corrosive sample gas, light entering and exiting the housing with the concave mirror is suppressed. There is disclosed a sample cell including a gas container having a portion and configured to isolate the sample gas and the concave mirror by supplying the sample gas to the gas container. However, the sample cell disclosed in Patent Document 2 has a problem that the structure is complicated because the gas container to which the sample gas is supplied is installed in the casing.

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、試料ガスが凹面ミラーの反射面に接触するのを防ぐことにより、凹面ミラーの反射面における試料ガスの反応を抑制して試料ガスの光反応を行う多重反射セルを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and suppresses the reaction of the sample gas on the reflecting surface of the concave mirror by preventing the sample gas from contacting the reflecting surface of the concave mirror. An object of the present invention is to provide a multiple reflection cell that performs photoreaction of a sample gas.

(1)本発明に係る多重反射セルは、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザー光を入射し、該入射したレーザー光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行うものであって、前記凹面ミラーの反射面に前記試料ガスが接触することを防止するシールドガスを噴出するシールドガス噴出ノズルと、該シールドガス噴出ノズルに前記シールドガスを供給するシールドガス供給配管と、を備えたことを特徴とするものである。 (1) A multiple reflection cell according to the present invention includes a container that receives a supply of a sample gas that is a target of a photoreaction, and a plurality of concave mirrors that are housed in the container and arranged to face each other. A laser beam is incident on the container, and the incident laser beam is reflected between the concave mirrors a plurality of times to cause a photoreaction, and the sample gas is prevented from contacting the reflective surface of the concave mirror. And a shield gas supply pipe for supplying the shield gas to the shield gas injection nozzle.

(2)上記(1)に記載のものにおいて、前記シールドガス噴出ノズルは、前記シールドガスを噴出する向きを変更可能に設置されていることを特徴とするものである。 (2) In the above (1), the shield gas ejection nozzle is installed such that the direction in which the shield gas is ejected can be changed.

(3)上記(1)又は(2)に記載のものにおいて、前記シールドガスは、前記試料ガスに対して不活性なものであることを特徴とするものである。 (3) In the above (1) or (2), the shield gas is inert to the sample gas.

(4)上記(1)乃至(3)のいずれかに記載のものにおいて、前記試料ガスは、オゾンであることを特徴とするものである。 (4) In any of the above (1) to (3), the sample gas is ozone.

(5)上記(1)乃至(4)のいずれかに記載のものにおいて、前記シールドガスは、希ガス、フロンガス、又は、希ガスとフロンガスの混合ガスであることを特徴とするものである。 (5) In any of the above (1) to (4), the shield gas is a rare gas, a chlorofluorocarbon gas, or a mixed gas of a rare gas and a chlorofluorocarbon gas.

本発明においては、光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有してなり、前記容器にレーザー光を入射し、該入射したレーザー光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行うものであって、前記凹面ミラーの反射面に前記試料ガスが接触することを防止するシールドガスを噴出するシールドガス噴出ノズルと、該シールドガス噴出ノズルに前記シールドガスを供給するシールドガス供給配管と、を備えたことにより、シールドガスが凹面ミラー表面に試料ガスが接触するのを防止することができ、凹面ミラーの反射面における試料ガスの反応、特に熱分解反応を抑制することができる。   In the present invention, a container for receiving a sample gas to be subjected to a photoreaction, and a plurality of concave mirrors accommodated inside the container and arranged to face each other, a laser beam is applied to the container. Incident, the incident laser beam is reflected between the concave mirrors a plurality of times to cause a photoreaction, and a shielding gas is jetted to prevent the sample gas from coming into contact with the reflective surface of the concave mirror By providing a shield gas ejection nozzle and a shield gas supply pipe for supplying the shield gas to the shield gas ejection nozzle, the shield gas can prevent the sample gas from contacting the concave mirror surface, The reaction of the sample gas on the reflecting surface of the concave mirror, particularly the thermal decomposition reaction, can be suppressed.

本実施の形態に係る多重反射セルの概要を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the outline | summary of the multiple reflection cell which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る多重反射セルに用いられるシールドガス噴出ノズルの形状及び個数を説明する説明図である(その1)。It is explanatory drawing explaining the shape and number of shield gas injection nozzles used for the multiple reflection cell which concerns on this Embodiment (the 1). 本実施の形態に係る多重反射セルに用いられるシールドガス噴出ノズルの形状及び個数を説明する説明図である(その2)。It is explanatory drawing explaining the shape and number of shield gas ejection nozzles used for the multiple reflection cell which concerns on this Embodiment (the 2). 本実施の形態に係る多重反射セルに用いられるシールドガス噴出ノズルの形状及び個数を説明する説明図である(その3)。It is explanatory drawing explaining the shape and number of shield gas ejection nozzles used for the multiple reflection cell which concerns on this Embodiment (the 3). 多重反射セルの凹面ミラーに照射されたレーザー光のスポットパターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the spot pattern of the laser beam irradiated to the concave mirror of the multiple reflection cell.

本発明の実施の形態に係る多重反射セル1は、図1に示すように、光反応の対象とする試料ガスの供給を受ける容器3と、容器3の内部に収容されて配設した2枚の凹面ミラー5及び7と、凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7aに前記試料ガスが接触することを防止するためのシールドガスを噴出するシールドガス噴出ノズル9と、シールドガス噴出ノズル9に前記シールドガスを供給するシールドガス供給配管11とを備えたものである。   As shown in FIG. 1, a multiple reflection cell 1 according to an embodiment of the present invention includes a container 3 that receives supply of a sample gas that is a target of a photoreaction, and two sheets that are housed and disposed inside the container 3. The concave mirrors 5 and 7, the shield gas jet nozzle 9 for jetting a shield gas for preventing the sample gas from contacting the reflective surfaces 5 a and 7 a of the concave mirrors 5 and 7, and the shield gas jet nozzle 9. A shield gas supply pipe 11 for supplying the shield gas is provided.

以下、多重反射セル1の各構成を詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示されている場合があるが、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。   Hereinafter, each configuration of the multiple reflection cell 1 will be described in detail. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the characteristics easy to understand, there are cases where the characteristic portions are enlarged for convenience, but the dimensional ratios of the respective components are the same as the actual ones. Is not limited.

<凹面ミラー>
凹面ミラー5及び7は、凹形状の反射面5a及び7aを有し、入射したレーザー光を反射面5a及び5aにおいて複数回反射させるため、凹面ミラー5と凹面ミラー7が向かい合わせに対向して設けられている。
<Concave mirror>
The concave mirrors 5 and 7 have concave reflecting surfaces 5a and 7a, and the reflecting mirrors 5 and 5a reflect the incident laser light a plurality of times on the reflecting surfaces 5a and 5a. Is provided.

本実施の形態において、凹面ミラー5及び7は、直径200mm、厚さ23mmの合成石英製のものを用い、凹面ミラー間距離は760mmとした。また、凹面ミラー5及び7の反射率は99%である。しかしながら、これに限定されるものではなく、任意の形状(直径、厚さ等)と距離を選択することができる。
また、凹面ミラー5及び7を設置する枚数には限定はなく、レーザー光を所定の回数、反射することができるものであれば良い。
In this embodiment, the concave mirrors 5 and 7 are made of synthetic quartz having a diameter of 200 mm and a thickness of 23 mm, and the distance between the concave mirrors is 760 mm. The reflectivity of the concave mirrors 5 and 7 is 99%. However, the present invention is not limited to this, and an arbitrary shape (diameter, thickness, etc.) and distance can be selected.
The number of the concave mirrors 5 and 7 is not limited, and any number can be used as long as the laser beam can be reflected a predetermined number of times.

<容器>
容器3は、筒状のものであり、内部に凹面ミラー5及び7を収容する。
容器3には、レーザー光源13から出射したレーザー光が透過するレーザー透過窓15と、レーザー透過窓15を通して照射されたレーザー光を凹面ミラー7に向かって反射させるガイドミラー17が設けられている。
<Container>
The container 3 is cylindrical and accommodates concave mirrors 5 and 7 inside.
The container 3 is provided with a laser transmission window 15 through which laser light emitted from the laser light source 13 is transmitted, and a guide mirror 17 that reflects the laser light emitted through the laser transmission window 15 toward the concave mirror 7.

容器3には、観察窓19が設置され、凹面ミラー7の反射面7aにおけるレーザー光のスポットパターンを観察するとともに、該スポットパターンをカメラ21により撮影することができる。   An observation window 19 is installed in the container 3, and the spot pattern of the laser beam on the reflection surface 7 a of the concave mirror 7 can be observed and the spot pattern can be photographed by the camera 21.

容器3内において所定の回数反射したレーザー光は、ガイドミラー17に再び入射して反射した後、レーザー透過窓15を通して容器3外へと出射する。図1に示す多重反射セル1においては、容器3から出射したレーザー光を検出する検出器23が設置されている。   The laser beam reflected a predetermined number of times in the container 3 is incident again on the guide mirror 17 and reflected, and then exits the container 3 through the laser transmission window 15. In the multiple reflection cell 1 shown in FIG. 1, a detector 23 for detecting the laser light emitted from the container 3 is installed.

さらに、容器3には、ガス導入管25及びガス導出管27がそれぞれ接続し、光反応に供される試料ガスはガス導入管25を経て容器3内に導入され、光反応した後の試料ガスはガス導出管27を経て導出される。   Furthermore, the gas introduction pipe 25 and the gas outlet pipe 27 are connected to the container 3, respectively, and the sample gas to be used for the photoreaction is introduced into the container 3 through the gas introduction pipe 25 and undergoes the photoreaction. Is led out through the gas lead-out pipe 27.

本実施の形態において、容器3には、外径300mm、厚さ4mm、長さ1000mmのSUS304製の鋼管を用いているが、容器3のサイズ及び材質はこれに限定されることではなく、任意に選択することができる。   In the present embodiment, the container 3 is a steel pipe made of SUS304 having an outer diameter of 300 mm, a thickness of 4 mm, and a length of 1000 mm. However, the size and material of the container 3 are not limited to this, and are arbitrary. Can be selected.

また、レーザー透過窓15には直径34mm、厚さ2mmのコバール製を、ガイドミラー17には直径5mm、反射角度45度の合成石英製を、観察窓19には直径137mm、厚さ8mmのコバール製のものをそれぞれ用いているが、サイズ及び材質はこれらに限定されるものではなく、任意に選択することができる。   The laser transmission window 15 is made of Kovar having a diameter of 34 mm and a thickness of 2 mm, the guide mirror 17 is made of synthetic quartz having a diameter of 5 mm and a reflection angle of 45 degrees, and the observation window 19 is made of Kovar having a diameter of 137 mm and a thickness of 8 mm. Although the thing made from each is used, size and material are not limited to these, It can select arbitrarily.

<ミラー固定部材>
ミラー固定部材29及び31は、凹面ミラー5及び7の背面側を保持し、容器3に固定するものである。
<Mirror fixing member>
The mirror fixing members 29 and 31 hold the back side of the concave mirrors 5 and 7 and fix them to the container 3.

凹面ミラー5及び7は、ミラー固定部材29及び31により位置(ミラー間距離)及び向き(あおり方向、首振り方向)が固定された状態で容器3の内部に設置される。   The concave mirrors 5 and 7 are installed inside the container 3 with their positions (distance between mirrors) and directions (tilting direction, swinging direction) fixed by mirror fixing members 29 and 31.

ミラー固定部材29及び31は、凹面ミラー5及び7の位置及び向きを厳密に調整するミラー調整機構を有するものであることがより好ましい。
この場合、凹面ミラー5及び7の位置及び向きの調整は、常温常圧時に、凹面ミラー5及び7の位置(ミラー間方向、鉛直方向)及び向き(あおり方向及び首振り方向)がミラー調節機構により調整される。
More preferably, the mirror fixing members 29 and 31 have a mirror adjustment mechanism that strictly adjusts the position and orientation of the concave mirrors 5 and 7.
In this case, the position and orientation of the concave mirrors 5 and 7 are adjusted by adjusting the position (direction between mirrors and vertical direction) and direction (tilting direction and swinging direction) of the concave mirrors 5 and 7 at normal temperature and normal pressure. It is adjusted by.

<シールドガス噴出ノズル>
シールドガス噴出ノズル9は、試料ガスと反応しない(不活性な)シールドガスを凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7a側にそれぞれ噴出するものである。
<Shield gas ejection nozzle>
The shield gas ejection nozzle 9 ejects (inactive) shield gas that does not react with the sample gas toward the reflecting surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7, respectively.

ここで、シールドガス噴出ノズル9から噴出されるシールドガスによって試料ガスが反射面5a及び7aに接触することを効果的に防止するべく、シールドガス噴出ノズル9をシールドガス供給配管11の先端に設置する際には、シールドガスを噴出する向きを適宜調整して変更可能に設置できることが望ましい。   Here, in order to effectively prevent the sample gas from coming into contact with the reflection surfaces 5a and 7a by the shield gas ejected from the shield gas ejection nozzle 9, the shield gas ejection nozzle 9 is installed at the tip of the shield gas supply pipe 11. In doing so, it is desirable that the direction in which the shielding gas is ejected can be adjusted as appropriate so that it can be changed.

さらに、シールドガス噴出ノズル9の形状及び個数は、例えば図2〜図4に示すように、任意に決めることができる。   Further, the shape and the number of the shield gas ejection nozzles 9 can be arbitrarily determined as shown in FIGS.

図2は、図1と同様に、シールドガス噴出ノズル9が反射面5aの上方と下方に配置されたものである。
図3は、シールドガス噴出ノズル9が反射面5aの上下左右の4方向に配置されたものである。
図4は、円環状のシールドガス噴出ノズル10が、反射面5aの外周縁形状に合わせて上方と下方に配置されたものであり、シールドガス噴出ノズル10の内周面から反射面5a側に向かってシールドガスが噴出される。
いずれも、シールドガスが凹面ミラー5の表面に対してほぼ平行に噴出されることが望ましい。
FIG. 2 shows a shield gas ejection nozzle 9 disposed above and below the reflecting surface 5a, as in FIG.
In FIG. 3, the shield gas ejection nozzles 9 are arranged in four directions, up, down, left, and right of the reflecting surface 5a.
In FIG. 4, the annular shield gas ejection nozzle 10 is arranged on the upper and lower sides according to the outer peripheral edge shape of the reflection surface 5 a, and from the inner circumferential surface of the shield gas ejection nozzle 10 to the reflection surface 5 a side. Shield gas is jetted out.
In any case, it is desirable that the shielding gas be ejected substantially parallel to the surface of the concave mirror 5.

さらに、本実施の形態において、シールドガス噴出ノズル9の材質にはSUS304製のステンレスを用いたが、シールドガス噴出ノズル9の材質はこれに限定されるものではなく、試料ガスやシールドガスに反応しない材質であれば、任意の材質を選択することができる。   Further, in the present embodiment, stainless steel made of SUS304 is used as the material of the shield gas ejection nozzle 9, but the material of the shield gas ejection nozzle 9 is not limited to this, and reacts to the sample gas or shield gas. Any material can be selected as long as it does not.

<供給配管>
シールドガス供給配管11は、シールドガス噴出ノズル9にシールドガスを供給するための配管である。
<Supply piping>
The shield gas supply pipe 11 is a pipe for supplying shield gas to the shield gas ejection nozzle 9.

本実施の形態において、シールドガス供給配管11にはSUS304製のステンレス配管を用いたが、シールドガス供給配管11の材質はこれに限定されるものではなく、試料ガスやシールドガスに反応しない材質であれば、任意の材質を選択することができる。
また、シールドガス供給配管11の途中にシールドガスの流量を制御するための調節弁が設けられていてもよい。
In the present embodiment, stainless steel pipe made of SUS304 is used for the shield gas supply pipe 11, but the material of the shield gas supply pipe 11 is not limited to this, and is made of a material that does not react with the sample gas or the shield gas. Any material can be selected as long as it exists.
In addition, a control valve for controlling the flow rate of the shield gas may be provided in the middle of the shield gas supply pipe 11.

次に、本実施の形態に係る多重反射セル1を用いたレーザー光反応方法について、オゾンガス中の酸素同位体18Oを光反応により濃縮する場合を例として、図1に基づいて以下に説明する。 Next, a laser light reaction method using the multiple reflection cell 1 according to the present embodiment will be described below with reference to FIG. 1 by taking as an example the case where oxygen isotope 18 O in ozone gas is concentrated by photoreaction. .

まず容器3の外部に、レーザー光源13とカメラ21を設置する。本実施の形態では、レーザー光源13には半導体レーザーを用いた。ここで、レーザー光の強度は0.3Wとし、レーザー光の波長はオゾン中の同位体成分である16O16O18Oのみを分解する988nmとした。 First, the laser light source 13 and the camera 21 are installed outside the container 3. In the present embodiment, a semiconductor laser is used as the laser light source 13. Here, the intensity of the laser beam was 0.3 W, and the wavelength of the laser beam was 988 nm, which decomposes only 16 O 16 O 18 O, which is an isotope component in ozone.

次に、ミラー調節機構を有するミラー固定部材29及び31により、凹面ミラー5の反射面5aと凹面ミラー7の反射面7aとが対向するように容器3内に固定する。   Next, the mirror fixing members 29 and 31 having a mirror adjusting mechanism are fixed in the container 3 so that the reflecting surface 5a of the concave mirror 5 and the reflecting surface 7a of the concave mirror 7 face each other.

そして、凹面ミラー5及び7の位置及び向きをミラー固定部材29及び31のミラー調節機構により厳密に調節する。ここでは、凹面ミラー間距離を760mmに設定し、この時の凹面ミラー5及び7間におけるレーザー光の反射回数は約160回である。   Then, the positions and orientations of the concave mirrors 5 and 7 are strictly adjusted by the mirror adjusting mechanism of the mirror fixing members 29 and 31. Here, the distance between the concave mirrors is set to 760 mm, and the number of reflections of the laser light between the concave mirrors 5 and 7 at this time is about 160 times.

そして、レーザー光源13からレーザー光を出射し、レーザー透過窓15を通して容器3の内部に導入する。   Then, laser light is emitted from the laser light source 13 and introduced into the container 3 through the laser transmission window 15.

容器3内に導入されたレーザー光は、ガイドミラー17により凹面ミラー7側に反射される。そして、凹面ミラー5及び7の間を所定回数(=約160回)反射したレーザー光は、再びガイドミラー17に入射してレーザー透過窓15に向かって反射し、レーザー透過窓15を通して容器3外へと出射する。   The laser light introduced into the container 3 is reflected by the guide mirror 17 toward the concave mirror 7 side. The laser light reflected between the concave mirrors 5 and 7 a predetermined number of times (= about 160 times) is incident on the guide mirror 17 again and reflected toward the laser transmission window 15, and passes through the laser transmission window 15 and is outside the container 3. Exit to.

凹面ミラー5及び7の間におけるレーザー光の反射回数は、凹面ミラー7の反射面7aに照射されたレーザー光のスポットパターンをカメラ21で撮影することにより計測することができる。   The number of reflections of the laser light between the concave mirrors 5 and 7 can be measured by photographing a spot pattern of the laser light irradiated on the reflection surface 7 a of the concave mirror 7 with the camera 21.

撮影したスポットパターンにより凹面ミラー5及び7の位置及び向きが調整されていることを確認した後、レーザー光源13からのレーザー光の出射を停止する。そして、図示しない真空ポンプにより、ガス導出管27を経て容器3内を真空引きした後、光反応の試料ガスであるオゾンをガス導入管25から容器3内に供給する。   After confirming that the positions and orientations of the concave mirrors 5 and 7 are adjusted by the photographed spot pattern, the emission of the laser light from the laser light source 13 is stopped. Then, after the inside of the container 3 is evacuated by a vacuum pump (not shown) through the gas outlet pipe 27, ozone, which is a photoreaction sample gas, is supplied from the gas introduction pipe 25 into the container 3.

同時に、シールドガス供給配管11からシールドガスの供給を受けて、シールドガス噴出ノズル9から反射面5a及び7a側にシールドガスとしてアルゴンガスを噴出する。   At the same time, the shield gas is supplied from the shield gas supply pipe 11 and argon gas is ejected from the shield gas ejection nozzle 9 as the shield gas to the reflective surfaces 5a and 7a.

最後に、レーザー光源13からレーザー光を出射し、レーザー透過窓15を通してレーザー光を容器3に導入することで、オゾンの光反応を行うことができる。   Finally, by emitting laser light from the laser light source 13 and introducing the laser light into the container 3 through the laser transmission window 15, ozone photoreaction can be performed.

以上より、本発明に係る多重反射セル1は、凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7a付近において噴出されたアルゴンガスにより、凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7aにオゾン分子が接触することを防ぐことができ、凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7aでのオゾン分子の熱分解が抑制されるため、安定同位体18Oの濃縮効率を大幅に上げることができる。 As described above, in the multiple reflection cell 1 according to the present invention, ozone molecules come into contact with the reflection surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7 by the argon gas ejected in the vicinity of the reflection surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7. This can be prevented, and the thermal decomposition of ozone molecules on the reflecting surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7 is suppressed, so that the concentration efficiency of the stable isotope 18 O can be greatly increased.

なお、上記の説明では、シールドガスには試料ガスであるオゾンと反応しない希ガスの一つであるアルゴンガスを用いたが、本発明に係るシールドガスはこれに限定されるものではなく、他の希ガスであっても良く、フロンガス、若しくは、希ガスとフロンガスの混合ガスであっても良い。   In the above description, the shielding gas is argon gas, which is one of the rare gases that do not react with ozone, which is the sample gas. However, the shielding gas according to the present invention is not limited to this, and other Or a mixed gas of rare gas and Freon gas.

[多重反射セルにおける酸素安定同位体の濃縮効果]
本実施の形態に係る多重反射セル1によりオゾンガス中の酸素同位体18Oを濃縮すに際して、凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7a側にシールドガスが噴出されることによって、反射面5a及び7aにおけるオゾン分子の熱分解による酸素分子の生成が防止された場合における18Oの濃縮効果を試算する。
[Concentration effect of oxygen stable isotopes in multiple reflection cells]
When the oxygen isotope 18 O in the ozone gas is concentrated by the multi-reflection cell 1 according to the present embodiment, the shielding gas is ejected to the reflecting surfaces 5a and 7a side of the concave mirrors 5 and 7, whereby the reflecting surfaces 5a and The concentration effect of 18 O in the case where generation of oxygen molecules due to thermal decomposition of ozone molecules in 7a is prevented is estimated.

酸素原子の安定同位体である18Oを含むオゾン分子(16O16O18O)に特定の周波数のレーザー光を照射したときの18Oの濃縮は、以下の反応機構に従うことが知られている(特許文献2参照)。 It is known that the enrichment of 18 O follows the following reaction mechanism when an ozone molecule ( 16 O 16 O 18 O) containing 18 O, which is a stable isotope of oxygen atom, is irradiated with laser light of a specific frequency. (See Patent Document 2).

まず、オゾン分子O3(例えば16O16O18O)にレーザー光が照射されると、式(1)のように、1個の酸素分子と1個の酸素原子に分離する。
O3+ 「レーザー光照射」 → O2 + O ・・・・・(1)
First, when laser light is irradiated to ozone molecules O 3 (for example, 16 O 16 O 18 O), as shown in the formula (1), they are separated into one oxygen molecule and one oxygen atom.
O 3 + “Laser irradiation” → O 2 + O (1)

式(1)の反応で生成された酸素原子Oはエネルギーを得ているため、式(2)のように、周りに存在するオゾン分子O3をいくつか分解する。
O + nO3 → 0.5(1+3n)O2 ・・・・・(2)
Since the oxygen atom O generated by the reaction of the formula (1) has gained energy, as shown in the formula (2), some of the ozone molecules O 3 existing around are decomposed.
O + nO 3 → 0.5 (1 + 3n) O 2 (2)

式(2)において、nは巻き込み係数と呼ばれる。仮にn=5であった場合、レーザー光照射により1個のオゾン分子が分解されると、式(2)により5個のオゾン分子が分解されるため、式(1)と式(2)の反応により計6個のオゾン分子(18Oの自然存在割合は約0.2%であることから、ほぼすべてが16O16O16O)が分解されて9個の酸素分子O2が生成する。 In equation (2), n is called the entrainment factor. If n = 5, if one ozone molecule is decomposed by laser light irradiation, five ozone molecules are decomposed according to equation (2). Therefore, the equations (1) and (2) The reaction decomposes a total of six ozone molecules (the natural abundance of 18 O is about 0.2%, so almost all are 16 O 16 O 16 O), resulting in nine oxygen molecules O 2 .

このとき、生成した9個の酸素分子に含まれる18O濃度は、約5.6%となり、18Oの自然存在割合(=約0.2%)との比較より、約28倍の濃縮効果に相当する。 At this time, the concentration of 18 O contained in the generated nine oxygen molecules is about 5.6%, which corresponds to a concentration effect of about 28 times compared with the natural abundance ratio of 18 O (= about 0.2%).

次に、レーザー光によるオゾン分子の分解量を試算する。
本発明の実施の形態に係る多重反射セル1を用いた18Oの濃縮において、容器3内のオゾンの圧力を-60kPaG、温度を-60℃、レーザー光のエネルギーを0.3W、波長を992nm、18Oの自然存在割合0.2%とし、これらの条件からレーザー光によるオゾン分子の分解量を試算すると、8.48×10-9 [mol/sec]となる。
Next, the amount of ozone molecules decomposed by laser light is estimated.
In the concentration of 18 O using the multiple reflection cell 1 according to the embodiment of the present invention, the pressure of ozone in the container 3 is −60 kPaG, the temperature is −60 ° C., the laser beam energy is 0.3 W, the wavelength is 992 nm, When the natural abundance ratio of 18 O is 0.2%, and the amount of ozone molecules decomposed by laser light is calculated from these conditions, it is 8.48 × 10 −9 [mol / sec].

ここで、式(2)における巻き込み係数がn=5であった場合、酸素分子の製造量は、
8.48×10-9×9=7.63×10-8 [mol/sec] ・・・・・(3)
となる。
Here, when the entrainment coefficient in Equation (2) is n = 5, the production amount of oxygen molecules is
8.48 × 10 -9 × 9 = 7.63 × 10 -8 [mol / sec] (3)
It becomes.

一方、比較対象として、凹面ミラーの反射面にシールドガスが噴出されない従来の多重反射セルによる18Oの濃縮効果を算出した。 On the other hand, as a comparison object, the concentration effect of 18 O by a conventional multiple reflection cell in which shield gas was not jetted onto the reflecting surface of the concave mirror was calculated.

凹面ミラーの反射率が99%である場合、1回目の反射で0.3Wのレーザー光のうち、
0.3×0.99=0.297 [W] ・・・・・(4)
が反射され、
0.3−0.297=0.003 [W] ・・・・・(5)
が、凹面ミラーでのロスとなる。
If the reflectivity of the concave mirror is 99%, the first reflection of 0.3W laser light,
0.3 × 0.99 = 0.297 [W] (4)
Is reflected,
0.3−0.297 = 0.003 [W] (5)
However, it is a loss at the concave mirror.

よって、凹面ミラー間で160回の反射が生じた場合におけるロスの総和は、
0.3×(1−0.99160)=0.24 [W] ・・・・・(6)
となる。このロスの総和のうち、約25%が凹面ミラーの反射面において熱に変換される。
Therefore, the total loss when 160 reflections occur between the concave mirrors is
0.3 × (1-0.99 160 ) = 0.24 [W] (6)
It becomes. About 25% of the total loss is converted into heat at the reflecting surface of the concave mirror.

熱によりオゾン分子を分解するのに必要なエネルギーは101kJ/molであることから、凹面ミラーの反射面において熱分解するオゾンの量は、
0.24×0.25/(101×103)=5.94×10-7 [mol/sec] ・・・・・(7)
となる。
Since the energy required to decompose ozone molecules by heat is 101 kJ / mol, the amount of ozone thermally decomposed on the reflecting surface of the concave mirror is
0.24 x 0.25 / (101 x 10 3 ) = 5.94 x 10 -7 [mol / sec] (7)
It becomes.

さらに、オゾンの熱分解により製造される酸素分子の製造量を求めると、熱分解反応においてはオゾン分子1個から酸素分子は1.5個製造されることから、
5.97×10-7×1.5=8.96×10-7 [mol/sec] ・・・・・(8)
となる。
Furthermore, when the amount of oxygen molecules produced by the thermal decomposition of ozone is determined, in the thermal decomposition reaction, 1.5 oxygen molecules are produced from one ozone molecule.
5.97 × 10 −7 × 1.5 = 8.96 × 10 −7 [mol / sec] (8)
It becomes.

よって、従来の多重反射セルを用いた場合における18O濃度は、
(0.002×8.96×10-7+0.056×7.63×10-8)/(8.96×10-7+7.63×10-8)=0.0062=0.62% ・・・・・(9)
となる。
Therefore, the 18 O concentration in the case of using the conventional multiple reflection cell is
(0.002 × 8.96 × 10 −7 + 0.056 × 7.63 × 10 −8 ) / (8.96 × 10 −7 + 7.63 × 10 −8 ) = 0.0062 = 0.62% (9)
It becomes.

これは、18Oの自然存在割合である約0.2%と比較すると、約3倍の濃縮効果となる。
つまり、本実施の形態に係る多重反射セル1を用いてオゾンを光反応させて酸素同位体18Oを濃縮する場合、凹面ミラー5及び7の反射面5a及び7aにシールドガスを噴出してオゾンの熱分解を防ぐことによって、従来の多重反射セルを用いた場合と比較すると、5.6%/0.62%=約9倍の安定同位体18Oの濃縮効果が得られることが示唆された。
This is a concentration effect that is about three times that of the natural abundance of 18 O, which is about 0.2%.
That is, when ozone is photoreacted by using the multiple reflection cell 1 according to the present embodiment to concentrate the oxygen isotope 18 O, the shielding gas is ejected to the reflection surfaces 5a and 7a of the concave mirrors 5 and 7 to generate ozone. It was suggested that by preventing the thermal decomposition of, the enrichment effect of stable isotope 18 O was obtained 5.6% / 0.62% = about 9 times that in the case of using the conventional multiple reflection cell.

以上より、本発明に係る多重反射セルによれば、試料ガスを光反応する場合においては、シールドガスを凹面ミラーの反射面側に噴出して凹面ミラーの反射面に試料ガスが接触するのを防止することにより、凹面ミラーの反射面における試料ガスの反応、特に熱分解反応を抑制して、試料ガスを効果的に光反応させることができる。   As described above, according to the multiple reflection cell according to the present invention, when the sample gas is photoreacted, the shield gas is ejected to the reflecting surface side of the concave mirror so that the sample gas contacts the reflecting surface of the concave mirror. By preventing the reaction of the sample gas on the reflecting surface of the concave mirror, particularly the thermal decomposition reaction, the sample gas can be photoreacted effectively.

1 多重反射セル
3 容器
5 凹面ミラー
5a 反射面
7 凹面ミラー
7a 反射面
9 シールドガス噴出ノズル
10 シールドガス噴出ノズル
11 シールドガス供給配管
13 レーザー光源
15 レーザー透過窓
17 ガイドミラー
19 観察窓
21 カメラ
23 検出器
25 ガス導入管
27 ガス導出管
29 ミラー固定部材
31 ミラー固定部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Multiple reflection cell 3 Container 5 Concave mirror 5a Reflective surface 7 Concave mirror 7a Reflective surface 9 Shield gas ejection nozzle 10 Shield gas ejection nozzle 11 Shield gas supply piping 13 Laser light source 15 Laser transmission window 17 Guide mirror 19 Observation window 21 Camera 23 Detection 25 Gas inlet pipe 27 Gas outlet pipe 29 Mirror fixing member 31 Mirror fixing member

Claims (5)

光反応の対象となる試料ガスの供給を受ける容器と、該容器の内部に収容されて対向して配設した複数の凹面ミラーを有し、前記容器内にレーザー光を入射し、該入射したレーザー光を前記凹面ミラー間で複数回反射させて光反応を行う多重反射セルであって、
前記凹面ミラーの反射面に前記試料ガスが接触することを防止するシールドガスを噴出するシールドガス噴出ノズルと、
該シールドガス噴出ノズルに前記シールドガスを供給するシールドガス供給配管と、を備えたことを特徴とする多重反射セル。
A container that receives supply of a sample gas to be subjected to a photoreaction, and a plurality of concave mirrors that are accommodated inside the container and arranged to face each other. A multi-reflection cell that performs photoreaction by reflecting laser light a plurality of times between the concave mirrors,
A shield gas ejection nozzle that ejects a shield gas that prevents the sample gas from contacting the reflecting surface of the concave mirror;
And a shield gas supply pipe for supplying the shield gas to the shield gas ejection nozzle.
前記シールドガス噴出ノズルは、前記シールドガスを噴出する向きを変更可能に設置されていることを特徴とする請求項1記載の多重反射セル。   The multiple reflection cell according to claim 1, wherein the shield gas ejection nozzle is installed so that a direction in which the shield gas is ejected can be changed. 前記シールドガスは、前記試料ガスに対して不活性なものであることを特徴とする請求項1又は2記載の多重反射セル。   3. The multiple reflection cell according to claim 1, wherein the shield gas is inert to the sample gas. 前記試料ガスは、オゾンであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の多重反射セル。   The multiple reflection cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the sample gas is ozone. 前記シールドガスは、希ガス、フロンガス、又は、希ガスとフロンガスの混合ガスであることを特徴とする請求項1乃至のいずれか一項に記載の多重反射セル。   The multiple reflection cell according to claim 1, wherein the shielding gas is a rare gas, a chlorofluorocarbon gas, or a mixed gas of a rare gas and a chlorofluorocarbon gas.
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