JP2022528563A - 分光システムおよび分光を実施する方法 - Google Patents

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Abstract

分光システムが開示されており、共振キャビティと、第１の端においてガス源に連結し、第２の端において、分析のための試料を含む吸着管の第１の端に連結するように構成される第１の導管と、第１の端において吸着管の第２の端に連結し、第２の端において共振キャビティに連結するように構成される第２の導管とを備える。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年４月３日に出願された米国仮特許出願第６２／８２８，７５０号の利益を主張し、その内容は本明細書において参照により全体において組み込まれている。
本明細書は、概して、気体試料分析に関し、詳細には、分光システムおよび分光を実施する方法に関する。
分光システムは、物質について学ぶために物質と放射との間の相互作用を分析する。概して、この分析は、知られている分子についての以前の基準の観察に従って、物質または構成物質を分類するために使用される。分光の１つのこのような形態は、吸収スペクトルを用いて試料における単一の被検物質を特定および定量化するために概して使用されるキャビティリングダウン分光（「ＣＲＤＳ： Ｃａｖｉｔｙ Ｒｉｎｇ－Ｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ」）である。典型的なＣＲＤＳシステムは、２つの高反射性鏡を有する室のキャビティへと向けられるビームを発生させるレーザーを用いる。ビームは、通常は、可視光スペクトルまたは近赤外線（「ＩＲ」）スペクトルの中にあり、単一の分子の存在を特定するために単一波長へと調整される。そして、ビームは鏡同士の間で繰り返し反射され、これは、光の一部分をリングダウンキャビティから逃がすことができる。レーザーがキャビティモードと共振しているとき、強め合う干渉のため、強度がキャビティにおいて増加する。キャビティに入る光が消滅させられるとき、リングダウンキャビティにおける光の強度は、所定の率で減衰する。僅かな一部分の光が鏡によって反射されず、リングダウンキャビティから逃げてしまう。逃げる光の強度は、減衰率を決定するためのセンサ構成部品によって測定される。
気体試料がリングダウンキャビティに配置されるとき、気体試料に存在する被検物質が光の一部を吸収し、それによってリングダウンキャビティにおける光の強度の減衰を加速させる。吸収スペクトルは、複数の特定の波長における気体試料のないときの光の減衰時間に対して、これらの波長における気体試料の存在するときの光の減衰時間を測定することで、生成される。様々な被検物質の知られている吸収スペクトルによる、気体試料についての測定された吸収スペクトルの線形回帰、または他の適切な方法は、気体試料における個々の被検物質の特定および定量化を可能にする。
試料の充填が問題になることがある。試料を充填するための従来の手法は、ＣＲＤＳシステムに含まれる気体試料の分析のために、プラスチックまたは他の材料から作られたバッグをＣＲＤＳシステムに連結することを含む。試料が人の呼気のものである場合、試料は、呼気の試料に含まれる他の物質の分子の吸収特性のため、その他の物質の分光と干渉し得るＣＯ２および水を含み得る。これは、水がこの波長範囲における光を吸収するため、赤外線スペクトルにおける波長を有するレーザーが用いられるときに特に当てはまる。さらに、ＣＯ２は、ＣＯ２レーザーによって発せられる波長において光を吸収する。
別の問題は、構成物質の一部が分光システムの内側の表面に付着する可能性があり、続いての試料の充填の間に剥がれ、それらの試料を汚染する可能性があることである。
一態様において、共振キャビティと、第１の端においてガス源に連結し、第２の端において、分析のための試料を含む回収媒体の第１の端に連結するように構成される第１の導管と、第１の端において回収媒体の第２の端に連結し、第２の端において共振キャビティに連結するように構成される第２の導管とを備える分光システムが、提供される。共振キャビティはリングダウンキャビティであり得る。
回収媒体は吸着管であり得る。吸着管が第１の導管および第２の導管に連結されるとき、吸着管を加熱するように加熱器が位置付けられ得る。
吸着管の第１の端は排気端とでき、吸着管の第２の端は試料受入端とできる。
ガス源は、試料の分析のための共振キャビティの中の目標試料圧力を上回るソースガス圧力においてガスを提供することができる。
分光システムは、ガスが吸着管から共振キャビティへと流れるとき、吸着管の上流に位置付けられる圧力センサをさらに備え得る。
分光システムは、測定圧力を圧力センサから受信するように圧力センサに連結され、ガス源と、吸着管および圧力センサとの間の流体連通を制御する弁に連結される制御システムをさらに備えてもよく、制御システムは、測定圧力が目標試料圧力になるまで、ガス源からより多くのガスを導入するために弁が繰り返し開閉される試料充填モードに条件付け可能である。
測定圧力は、弁が閉じられるとき、目標試料圧力と比較され得る。
弁は第１の弁とでき、分光システムは、第２の導管に沿って位置付けられる第２の弁と、第１の導管と流体連通しており、第２の弁と吸着管との間の位置において第２の導管と流体連通している第３の導管と、第３の導管を通る流体連通を制御する第３の弁と、第１の弁と吸着管との間で第１の導管と流体連通している第４の導管と、第３の導管と第４の導管との間で第１の導管に沿って位置付けられる第４の弁とをさらに備え得る。
圧力センサは、第１の導管と第３の弁との間で第３の導管に沿って位置付けられ得る。
分光システムは、第３の導管と吸着管との間で第２の導管に沿って位置付けられる第５の弁をさらに備え得る。
分光システムは、吸着管と第４の導管との間で第１の導管に沿って位置付けられる第６の弁をさらに備え得る。
制御システムは、吸着管および第４の導管を通じてガスを流すために、制御システムが、第１の弁、第３の弁、および第５の弁を開け、第２の弁および第４の弁を閉じる第１のモードと、吸着管を通じて共振キャビティへとガスを流すために、制御システムが、第１の弁、第４の弁、第２の弁、および第５の弁を開け、第３の弁を閉じる第２のモードとで動作するように構成され得る。
分光システムは、第２の導管に沿って位置付けられるフィルタをさらに備え得る。
他の態様において、分光を実施する方法であって、ガス源を、分析のための試料を含む回収媒体の第１の端に連結するステップと、回収媒体の第２の端を共振キャビティに連結するステップと、ガスをガス源から回収媒体を通じて共振キャビティへと流すステップとを含む方法が提供される。共振キャビティはリングダウンキャビティであり得る。
回収媒体は吸着管であり得る。方法は、吸着管を目標温度に加熱するステップを含み得る。
吸着管の第１の端は排気端とでき、吸着管の第２の端は試料受入端とできる。
方法は、ガスが吸着管から共振キャビティへと流れるとき、吸着管の上流に位置付けられる圧力センサを介して共振キャビティにおける圧力を測定するステップをさらに含み得る。
方法は、測定圧力が目標試料圧力レベルと一致するまで、ガス源と吸着管との間の流体連通を制御する弁を繰り返し開閉するステップをさらに含み得る。
測定圧力は、弁が閉じられるとき、目標試料圧力レベルと比較され得る。
流れるガスは、吸着管の第１の端から吸着管の第２の試料受入端へと吸着管を通る流れるガスを含むことができ、方法は、吸着管を通じて試料受入端から排気端へとガスを流すステップをさらに含み得る。
方法は、流れるガスが共振キャビティに入る前に流れるガスを濾過するステップを含み得る。
さらなる態様では、少なくとも１つの内部表面によって定められ、それ自体の第１の端に向けて位置付けられる第１の鏡と、それ自体の第２の端に向けて位置付けられる第２の鏡とを有する共振キャビティを備える分光システムであって、少なくとも１つの内部表面は不活性である、分光システムが提供される。共振キャビティはリングダウンキャビティであり得る。
分光システムは、共振キャビティに連結され、試料供給源と共振キャビティとの間で延びる少なくとも１つの導管を有する試料充填システムをさらに備えることができ、導管はその内部表面に不活性被覆を有する。
分光システムは、共振キャビティに連結され、共振キャビティと排気出口との間で延びる少なくとも１つの導管を有する試料充填システムをさらに備えることができ、少なくとも１つの導管は、それ自体に沿って位置付けられる弁を有し、共振キャビティと弁との間で延びる少なくとも１つの導管の一部分が、その内部表面に不活性被覆を有する。
分光システムは、ガスが共振キャビティに入る前にガスを濾過するように位置付けられるフィルタをさらに備え得る。
他の技術的利点は、以下の図および記載の検討の後、当業者には容易に明らかになり得る。
本明細書に記載された実施形態のより良い理解のために、および、実施形態がどのように実行に移され得るかをよりはっきりと示すために、ここで、例だけを用いて添付の図面が参照される。
一実施形態によるキャビティリングダウン分光システムの様々な光学構成部品および空気圧構成部品の概略図である。 図１のシステムを用いて分光を実施する大まかな方法の流れ図である。 リングダウンキャビティの充填／排出の間の窒素ガスの流れが指示されている、図１に示された空気圧構成部品の一部の概略図である。 水および／または二酸化炭素の放出の間の窒素ガスの流れが指示されている、図１に示された空気圧構成部品の一部の概略図である。 吸着管からの試料の充填の間の窒素ガスの流れが指示されている、図１に示された空気圧構成部品の一部の概略図である。 図１のキャビティリングダウン分光システムの空気圧構成部品の領域Ｆ４Ａの断面図である。 図１のキャビティリングダウン分光システムの空気圧構成部品のリングダウンキャビティとキャビティ出口弁との間の排出導管の断面図である。 不活性被覆が、リングダウンキャビティを定めるリングダウン室の内部表面に配置されている、図１のＣＲＤＳシステムのリングダウン室の一部分の断面図である。 図１に示されたキャビティリングダウン分光システムの様々な光学構成部品および空気圧構成部品を制御するための電気制御システムの概略図である。
他に明確に記されていない場合、図面において描写されている物品は必ずしも一定の縮尺で描かれていない。
図示の簡潔性および明確性のために、適切であると考えられる場合、参照符号は、対応する要素または類似の要素を指示するために図の間で繰り返される可能性がある。また、数多くの特定の詳細が、本明細書に記載されている実施形態の完全な理解を提供するために述べられている。しかしながら、本明細書に記載されている実施形態がこれらの特定の詳細なしで実施できることは、当業者によって理解されるものである。他の例では、よく知られている方法、手順、および構成要素は、本明細書に記載されている実施形態を不明瞭にしないように、詳細に記載されていない。例示の実施形態が図において示されて以下に記載されているが、本開示の原理が、現在知られていようがなかろうが、いくつもの技術を用いて実施されてもよいことは、初めに理解されるべきである。本開示は、図面において示されて以下に記載されている例示の実施および技術にいかなる形でも限定されるべきではない。
本記載を通じて使用されている様々な用語は、文脈が他に指示していない場合、以下のように読まれて理解され得る。全体を通じて使用されているような「または」は、「および／または」と書かれているかのように、包括的であり、全体を通じて使用されているような単一の品物および代名詞はそれらの複数の形態を含み、逆もまた然りであり、同様に、性別上の代名詞はそれらの反対の代名詞を含み、そのため代名詞は、本明細書において記載されたことを、片方の性別による使用、実行、実施に限定するとして理解されるべきではなく、「例示」は、「図示」または「例を用いる」として理解されるべきであり、他の実施形態に対して必ずしも「好ましい」として理解されるべきではない。用語についてのさらなる定義が本明細書において述べられる可能性があり、これらは、本記載を読むことから理解されるように、それらの用語の先の例および後の例に当てはまる可能性がある。
変更、追加、または省略が、本開示の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載されたシステム、装置、および方法に行われてもよい。例えば、システムおよび装置の構成部品は、一体化または分離されてもよい。さらに、本明細書に開示されているシステムおよび装置の動作は、より多くの構成部品、より少ない構成部品、または他の構成部品によって実施されてもよく、記載されている方法は、より多くのステップ、より少ないステップ、または他のステップを含んでもよい。また、ステップは任意の適切な順番で実施されてもよい。本明細書で使用されているように、「各々」は、セットの各々の部材、または、セットの部分セットの各々の部材を言っている。
命令を実行する本明細書で例示されている任意のモジュール、ユニット、コンポーネント、サーバー、コンピュータ、ターミナル、エンジン、またはデバイスは、例えば磁気ディスク、光学ディスク、またはテープなど、保存媒体、コンピュータ保存媒体、またはデータ保存デバイス（取り外し可能および／または取り外し不可能）などのコンピュータ読取可能媒体を含み得る、またはそれらへのアクセスを有し得る。コンピュータ保存媒体は、コンピュータ読取可能命令、データ構造、プログルラムモジュール、または他のデータなど、情報の保存のための任意の方法または技術で実施される揮発性、不揮発性、取り外し可能、および取り外し不可能な媒体を含み得る。コンピュータ保存媒体の例には、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ、他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、他の光学保存装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク保存装置、他の磁気保存装置、または、所望の情報を保存するために使用でき、アプリケーション、モジュール、もしくはそれら両方によってアクセスされ得る任意の他の媒体がある。任意のこのようなコンピュータ保存媒体は、装置の一部であり得る、または、装置にアクセス可能もしくは接続可能であり得る。さらに、文脈が他に明確に指示していない場合、本明細書に述べられている任意の処理装置または制御装置が、単一の処理装置として、または複数の処理装置として実施され得る。複数の処理装置は配列または分配されてもよく、本明細書で言及される任意の処理機能は、単一の処理装置が例示され得るとしても、１つまたは複数の処理装置によって実行されてもよい。本明細書に記載されている任意の方法、アプリケーション、またはモジュールは、このようなコンピュータ読取可能媒体によって保存またはそうでなければ保持され、１つまたは複数の処理装置によって実行され得るコンピュータ読取可能／実行可能な命令を用いて実施され得る。
特定の実施形態による分光システムの様々な構成部品が図１に示されている。この実施形態では、分光システムは、キャビティリングダウン分光（「ＣＲＤＳ」）システム２０であるが、電子分光システム、原子分光システムなど、任意の他の適切な分光システムであり得る。ＣＯ２レーザー２４および炭素－１３ Ｏ２レーザー２８が提供される。ＣＯ２レーザー２４および炭素－１３ Ｏ２レーザー２８は、調節可能な回折格子装置を用いて素早く選択され得る疑似的に均等に離間されたよく知られている一連の周波数で発するガス入り管レーザーである。ガス入り管レーザー技術は長い歴史を有し、正確に知られている周波数で赤外線放射を発生させる安定した堅牢な方法である。ＣＯ２レーザー２４と炭素－１３ Ｏ２レーザー２８との両方が中赤外スペクトルでの光を発する。
ＣＯ２レーザー２４と炭素－１３ Ｏ２レーザー２８との各々は、レーザーキャビティの長さの調節を可能にするために出力カプラを移動させる１つまたは複数の圧電体と、キャビティの後における格子の角度を変化させることで、格子がどの波長を反射するかを調節するために格子のピッチを変化させるためのアクチュエータとを有する。レーザーキャビティの長さを調節することと、格子の角度を変化させることとの両方によって、レーザーは、特定の波長および所望のモード品質に非常に正確に調整させることができる。
ＣＯ２レーザー２４は第１のレーザービーム３２を生成し、炭素－１３ Ｏ２レーザー２８は第２のレーザービーム３６を生成する。望まれている光周波数に依存して、ＣＯ２レーザー２４が調整されて第１のレーザービーム３２を発生させる一方で、炭素－１３ Ｏ２レーザー２８が離調させられるか、炭素－１３ Ｏ２レーザー２８が調整されて第２のレーザービーム３６を発生させる一方で、ＣＯ２レーザー２４が離調させられるかのいずれかである。この手法では、最大でＣＯ２レーザー２４および炭素－１３ Ｏ２レーザー２８の一方だけが任意の特定の時間にビームを出力し、そのため第１のビーム３２と第２のビーム３６とは同時に組み合わせられない。中赤外線、明確には、長い波長の赤外線が、最も揮発性の有機化合物がこの範囲における光を吸収するため、光の種類として選択された。結果として、複数の揮発性有機化合物が１つのシステムによって測定できる。ＣＯ２レーザーが、この範囲において動作し、リングダウン分光のための十分なパワーおよび線幅細さを有する。２つのレーザーを使用することは、ＣＲＤＳシステム２０が気体試料を分析するために使用できる利用可能な波長の範囲および数を増加させる。
第１のレーザービーム３２は、光学搭載部における鏡４０を介してビームスプリッタ４４に向けて方向転換される。ビームスプリッタ４４は、ある程度は反射性で、ある程度は透過性であり、第１のレーザービーム３２および第２のレーザービーム３６の各々を、サンプリングビーム４８と、サンプリングビーム４８と同じ特性を有し、サンプリングビーム４８と同様の強度のものであり得る作動ビーム５２との２つのビームへと分割する。
サンプリングビーム４８は高速赤外線検出器５６によって受け入れられる。高速赤外線検出器５６は、オシロスコープを用いてサンプリングビーム４８の振幅およびうなり周波数を測定する。うなり周波数は、ＣＯ２レーザー２４または炭素－１３ Ｏ２レーザー２８の最適未満の調整から生じるより高い次元のモードの存在を指し示す可能性がある。望ましくないうなり周波数の検出に応答して、対応するレーザー２４または２８は、強度を最大化しつつ、うなり周波数の振幅が最小化または排除されるまで調整される。うなり周波数の振幅が許容可能なレベル未満へと低減できない場合、レーザーは異なる波長へと調整され得る。
作動ビーム５２は第１の光変調器６０へと続き、第１の光変調器６０は作動ビーム５２を光学搭載部における鏡６４へと偏向する。鏡６４は光を第２の光変調器６８に向けて方向転換し、光変調器６８はさらに作動ビーム５２を焦点レンズ７２へと偏向する。光変調器は、レーザーによって発生させられる光ビームの強度を制御するために使用される。ここでの実施形態では、第１の光変調器６０および第２の光変調器６８は、ブラッグセルとも称される音響光学変調器（「ＡＯＭ： Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ」）である。ＡＯＭは、ゲルマニウムまたはガラスなどの材料に連結された圧電変換器を使用するある種類の光変調器である。記載されている実施形態では、材料はゲルマニウムである。振動する電気信号が圧電変換器に適用されるとき、圧電変換器は振動し、材料に音波を作り出す。これらの音波は材料を膨張および圧縮し、それによって屈折率に周期的な振動を作り出し、ブラッグ回折を可能にする。音波の伝搬の軸に対して垂直な平面に対する一次ブラッグ角においてＡＯＭに入る光は、最大効率におけるブラッグ角の２倍に等しい大きさで偏向されることになる。電気信号を消滅させると、材料のブラッグ回折特性を除去し、光を偏向させずに通過させ、偏向された光路に沿って光を効果的に減衰させる。ＡＯＭの副産物は、偏向された光の周波数が偏移させられることである。
他の実施形態では、光変調器は、代替で電気光学変調器であってもよい。電気光学変調器は、材料の分子の位置、配向、および／または形を歪めるためにＤＣまたは低周波の電界を材料に適用する別の種類の光変調器である。結果として、屈折率が変えられ、出て行くビームの位相を、適用された界の関数として変化させる。ビームを偏光子に通すように送ることで、位相変調が強度変調へと変換される。他の方法では、位相変調器が、干渉計の分岐に配置されるとき、強度変調器として作用することができる。
さらに、ＣＲＤＳシステム２０が２つの光変調器を有するとして記載されているが、他の実施形態では、ＣＲＤＳシステムは、より少ない数またはより多くの数の光変調器を有してもよい。
第１の光変調器６０および第２の光変調器６８は、作動ビーム５２の強度を調節し、リングダウン事象の開始においてビームを消滅させるために減衰器として作用する。リングダウン事象は、リングダウンキャビティを照らす作動ビーム５２の消滅、または、リングダウン室のためのレーザーの離調と、リングダウン室からの光強度データの回収とを含む。第１の光変調器６０および第２の光変調器６８はＡＯＭであるため、音波（通常は高周波における音波）を使用して光を回析するために音響光学効果を用いる。第１および第２の光変調器の各々において、圧電変換器が、ゲルマニウムまたはガラスなどの材料に連結され、振動する電気信号が圧電変換器を振動させるために使用される。振動する圧電変換器は、材料を膨張および圧縮し、それによって屈折率に周期的な振動を作り出し、ブラッグ回折を可能にする音波を材料に作り出す。音波の伝搬の軸に対して垂直な平面に対するブラッグ角においてＡＯＭに入る光は、最大効率におけるブラッグ角の２倍に等しい大きさで偏向されることになる。電気信号を消滅させると、材料のブラッグ回折特性を除去し、光を偏向させずに通過させ、偏向された光路に沿って光を効果的に消滅させる。したがって、音の強度が、偏向されたビームにおける光の強度を変調させるために使用され得る。
第１の光変調器６０および第２の光変調器６８の各々によって偏向された光の強度は、光変調器６０、６８の最大偏向効率を表す約８５％と、入力光強度の約０．１％以下の第１の光変調器６０および第２の光変調器６８の各々の減衰限度との間になり得る。ゲルマニウムに適用される音波が消されるとき、偏向されたビームは先の強度の約３０ｄＢまたは９９．９％以上を失う。減衰限度は、入力された光強度が光変調器によってどれくらい低減され得るかの上限を意味する。
光変調器は、副作用として、入力された光が第１の端で受け入れられるとき、第１のモードで光の周波数をドップラー偏移させ、入力された光が第２の端で受け入れられ、減衰パワーが同じであるとき、第１のモードと反対の第２のモードで光の周波数をドップラー偏移させる点において非対称である。しかしながら、光の周波数のドップラー偏移は、光が第１の端において入るか第２の端において入るかに拘わらず、同じ方向にある。
従来のＣＲＤＳシステムは単一の光変調器を使用し、結果として、周波数が偏移させられた作動ビームを有する。これらの周波数偏移が光の周波数に対して概して小さく、光がキャビティにおける物質によって吸収される手法を変え得るが、この周波数偏移は分析の間に補正されることができる。回析がＡＯＭの音波源に向かう場合、周波数偏移は下向きであり、回析が音波源から離れる場合、周波数偏移は上向きである。先に検討されているように、影響は最小である。
第２の光変調器６８によって偏向させられた作動ビーム５２は、焦点レンズ７２を介して焦点が合わせられる。レーザービーム、延いては作動ビーム５２は、ＣＯ２レーザー２４または炭素－１３ Ｏ２レーザー２８から進むにつれて、分岐し続ける。焦点レンズ７２は作動ビーム５２を元の焦点に戻すように合わせる。
その後、光学搭載部の鏡７６は作動ビーム５２をリングダウン室８０に向けて方向転換する。２つの鏡６４、７６は作動ビーム５２の経路の長さで延びる。
リングダウン室８０は、リングダウンキャビティ８４と称される共振キャビティを定める細長い管である。前キャビティ鏡８８ａおよび後キャビティ鏡８８ｂ（代替で、本明細書ではキャビティ鏡８８と称される）が、リングダウンキャビティ８４の長手方向の端に位置決めされている。キャビティ鏡８８は、リングダウンキャビティ８４の外側からキャビティ鏡８８へと向けられる光と、リングダウンキャビティ８４の中でキャビティ鏡８８へと向けられる光との両方に対して高反射性である。結果として、作動ビーム５２の一部分が前キャビティ鏡８８ａへと向けられ、約０．１％が前キャビティ鏡８８ａを通過し、リングダウンキャビティ８４へ入り、約９９．９％の作動ビーム５２の大部分が鏡７６に向けて戻るように反射させられる。
キャビティ鏡８８は、キャビティ鏡８８の位置決めおよび配向を調節するために作動可能である鏡搭載部９２に搭載される。具体的には、リングダウンキャビティ８４の前に向かう前キャビティ鏡８８ａは、３つの機械化されたマイクロメータ９６ａを介して作動可能である鏡搭載部９２に搭載される。リングダウンキャビティ８４の後に向かう後キャビティ鏡８８ｂは、光学的な位置合わせのために手作業で調節できる３つの圧電マイクロメータ９６ｂを介して作動可能である鏡搭載部９２、または、圧電駆動体でさらに調節させることができる圧電体で作動可能である鏡搭載部９２に搭載される。代替の実施形態では、前キャビティ鏡８８ａおよび後キャビティ鏡８８ｂは、圧電マイクロメータ、機械的マイクロメータなどを介してなど、任意の適切な手段によって作動させられ得る。
キャビティ鏡８８の各々の角度は、光ビームがリングダウンキャビティ８４に入るときに光ビームが逸脱しないように十分に位置合わせされるために、変化させることができる。キャビティ鏡８８のうちの１つが斜めである場合、光の一部はリングダウンキャビティ８４の側面に反射させられ、光の強度が失われ、特には高次のモードが生じる。マイクロメータ９６は、角度位置合わせに影響を与えることなくリングダウンキャビティ８４の長さを変化させるように同時に調整され得る。これは、リングダウンキャビティ８４に入る光の周波数においてリングダウンキャビティ８４が共振するように、リングダウンキャビティ８４の調整を可能にする。
焦点レンズ７２は、レーザー光の焦点をリングダウンキャビティ８４の光学モードに合わせ、それによって、ビームの最小のウエストがリングダウンキャビティ８４の最小のビームのウエストと同じ場所またはそのすぐ近くに位置決めされる。焦点レンズ７２の位置は、レーザー波長の範囲の光学モードに合致するように調節され得る。
液体窒素で冷却される検出器１００の形態での光センサが、後キャビティ鏡８８ｂを通って逃げる光を受け入れるために後キャビティ鏡８８ｂの後に位置決めされている。液体窒素冷却検出器１００は、リングダウンキャビティ８４から逃げる光の強度を測定する。逃げる光の強度を測定するための他の種類のセンサが、液体窒素冷却検出器１００の代わりに使用されてもよい。
試料が吸着管からリングダウンキャビティ８４へと充填される。吸着管は、サンプリングするガスおよび蒸気のための回収媒体である。吸着管は、典型的にはガラスまたはステンレス鋼から作られ、様々な種類の固体吸着材料（「吸着剤」）を収容することができる。典型的な吸着剤は、活性化された炭、シリカゲル、および有機多孔性ポリマを含み得る。吸着管における吸着剤は、興味のある化合物を捕らえるその能力に基づいて選択でき、興味ある化合物と反応せず、それによって、捕らえられた化合物を分析のために脱離させることができる。この実施形態では、吸着管は、試験のために気体試料を回収するために使用される熱脱離管１０４である。熱脱離管は、概してステンレス鋼から作られ、様々な種類の固体吸着材料を収容する。熱が、捕らえられた興味ある化合物を、熱脱離管における吸着剤から自由にするために使用できる。吸着管は、一方の方向において回収し、反対の方向において脱離することで使用されるように意図されている。吸着材料は、典型的には、吸着管の試料受入端に向けてより濃縮される。また、いくつかの吸着管は２つ以上の吸着剤を有し、その場合、異なる吸着剤を特定の順番で有し、吸着管を特定の方向で吸着および脱離することが望ましい可能性がある。
吸着管の利点は、吸着管が試料を濃縮させることができることである。例えば、試料が呼気の試料である場合、吸着管は、より小さい他の分子に対して、興味のあるより大きい特定の分子のより高い濃度を試料が含むように設計され得る。より大きい分子を捕まえるために具体的に設計されることで、より小さい分子に対するより大きい分子の濃度は増加させることができ、それによって呼気の試料の分析を向上させることができる。ＣＲＤＳシステム２０の濃度の特徴は、具体的には、２つ以上の被検物質、具体的には、１つの知られている被検物質が試料において分析される場合に特に有利である。試料の分析が、具体的な被検物質についてのスペクトルの一部分だけを分析するのではなく、スペクトルを全体として分析するように実施される場合、測定されたスペクトルを支配または圧倒し得る他の構成物質を濾過し、結果の正確性を低下させることが望ましい。
他の実施形態では、他の種類の吸着管および他の回収媒体が用いられてもよい。
具体的な例では、試料は、患者から回収された人の呼気の試料である。試料回収の間、試験のための呼気に由来する分子を捕まえるために、人が熱脱離管１０４の試料受入端１０８へと呼吸し、人の呼気の一部が熱脱離管の排気端１１０を介して追い出される。人の呼気は、二酸化炭素、酸素、および水の分子、ならびに他のより大きい分子を含め、様々な構成物質を含む。これらのより大きい分子は、試料受入端１０８のより近くで概して捕まえられる興味のある特定の化合物を含み、二酸化炭素、酸素、および水などのより小さい分子は、より均一に分配されるか、排気端に向けてより濃縮させられるか、または吸着管を真っ直ぐ通過するかのいずれかである。結果として、興味のある化合物は、熱脱離管１０４の試料受入端１０８に向けてより濃縮される。他の適用では、試料は、熱脱離管１０４の一方または両方の端１０８、１１０を介して回収できる。
空気圧試料充填システム１１２が、試料を熱脱離管１０４からリングダウンキャビティ８４へと充填し、リングダウンキャビティ８４を含めて試料充填システム１１２を排出するために使用される。試料の充填の間、試料充填システム１１２は、回収された試料でリングダウンキャビティ８４を満たし（つまり、熱脱離管１０４から気体試料を脱離し、汚染物を導入することなく気体試料をリングダウンキャビティ８４へと入れるために）、リングダウンキャビティにおける圧力を１気圧の目標試料圧力にし、温度を摂氏５０℃にし、リングダウンキャビティ８４を封止する。この実施形態では、測定された吸収スペクトルが比較される試料のセットについての吸収スペクトルは、結果に影響を与え得るこれらのパラメータの間の一貫性を確保するために、この圧力および温度において決定される。しかしながら、他の実施形態では、目標試料圧力および温度は、知られている吸収スペクトルおよび測定された吸収スペクトルについて、他の高さで固定されてもよい。試料の排出の間、試料充填システム１１２は、先に提供された試料を、リングダウンキャビティ８４と、熱脱離管１０４からリングダウンキャビティ８４へと試料を案内するための様々な導管とから一掃する。
試料充填システム１１２は、窒素ガス源１１６を含む吸入部分を有する。この実施形態では、ガス源は窒素ガス源であるが、他の実施形態では、ガス源は適切なガスの任意の他の供給源であり得る。窒素ガス源１１６は、加圧される、または、１気圧の圧力を少なくとも上回る窒素ガスを加圧することができる非常に清浄な窒素ガスの形態でのガスの供給部である。本実施形態では、窒素ガス源１１６は、周囲圧力を５ｐｓｉ上回るソースガス圧力を有するが、リングダウンキャビティ８４を、１気圧の目標試料圧力、または、分析が行われるいくらかの他の選択された大気圧まで加圧するのに圧縮が十分である限り、変化させられてもよい。図示されている実施形態では、窒素ガス源１１６は、液体窒素容器から蒸発する窒素ガスである。窒素ガス源１１６はガス供給導管１２０と流体連通しており、ガス供給導管１２０はさらに熱脱離管１０４と流体連通している。ガス吸入弁１２４ａはガス供給導管１２０のガス吸入配管１２０ａに沿って位置付けられている。補助ガス吸入弁１２４ｂが、他のガスの接続を可能にしているが、通常は用いられない。ガス吸入弁１２４ａおよび補助ガス吸入弁１２４ｂはガス吸入配管１２０ａと連通しており、ガス吸入配管１２０ａはさらにガス供給導管１２０の経路配管１２０ｂに連結されている。
熱脱離管１０４は、熱脱離管１０４の吸着剤から試料を自由にするために、熱脱離管１０４を加熱することができる加熱器１３２の中に位置付けられている。加熱器１３２は、熱脱離管全体を加熱するように位置付けられ得る、または代替で、吸着材料が位置させられている熱脱離管の部分だけを加熱するように位置付けられ得る。熱脱離管１０４の試料受入端１０８および排気端１１０が図１において加熱器１３２から延び出して示されているが、他の実施形態では、加熱器１３２は、熱脱離管１０４の大体または全部を覆ってもよい。
経路弁１２４ｅが経路配管１２０ｂに沿って位置付けられており、経路配管１２０ｂはガス供給導管１２０の管排気配管１２０ｃと流体連通している。経路弁１２４ｅは、管排気配管１２０ｃへの直接的なアクセスを可能または不可能にする。管排気配管１２０ｃは熱脱離管１０４の排気端１１０と流体連通している。管排気配管１２０ｃは前方管隔離弁１２４ｆを備える。したがって、ガス供給導管１２０はガス供給部１１６と熱脱離管１０４との間で延びている。
試料供給導管１２１が熱脱離管１０４の試料受入端１０８およびリングダウンキャビティ８４と流体連通している。後方管隔離弁１２４ｇは試料供給導管１２１の初期部分１２１ａに沿って位置付けられている。キャビティ入口弁１２４ｄは試料供給導管１２１の二次部分１２１ｂに沿って位置付けられている。フィルタ１３０ａは、キャビティ入口弁１２４ｄの前における試料供給導管１２１の二次部分１２１ｂに沿って位置付けられる。したがって、試料供給導管１２１は熱脱離管１０４とリングダウンキャビティ８４との間で延びている。フィルタ１３０ａは、汚染物がキャビティ鏡８８に堆積し、反射と干渉する可能性があり、エアロゾル粒子によって散乱するなど、リングダウンキャビティにおける光強度を低下させる可能性があるリングダウンキャビティ８４へのエアロゾルなどの汚染物の侵入を抑制する。
迂回導管１２２がガス供給導管１２０および試料供給導管１２１と流体連通している。圧力センサ１２８が迂回導管１２２に沿って位置付けられている。迂回導管弁１２４ｃが圧力センサ１２８と試料供給導管１２１との間で迂回導管１２２に沿って位置付けられている。
管排気導管１２３が経路弁１２４ｅと前方管隔離弁１２４ｆとの間でガス供給導管１２０の管排気配管１２０ｃと流体連通している。管排気導管１２３は試料排気弁１２４ｈと質量流制御装置１３６とを備える。
試料充填システム１１２は、試料およびガスをリングダウンキャビティ８４から排出するための排出サブシステムも有する。排出サブシステムは、リングダウンキャビティ８４と流体連通している排出導管１４０を備える。キャビティ出口弁１２４ｉは排出導管１４０に沿って位置付けられている。圧力センサ１４４がキャビティ出口弁１２４ｉと真空遮断弁１２４ｊとの間で排出導管１４０に沿って位置付けられている。真空ポンプ１４８が排出導管１４０に沿って位置付けられており、真空遮断弁１２４ｊによって圧力センサ１４４から離間されている。真空ポンプ１４８は試料充填システム１１２のための排気出口を提供する。真空吸入弁１２４ｋが、真空遮断弁１２４ｊと真空ポンプ１４８との間で排出導管１４０と流体連通しているポンプ吸入配管１５０に沿って位置付けられている。真空吸入弁１２４ｋの向こう側のポンプ吸入配管１５０の反対の端は、周囲空気と流体連通している。フィルタ１３０ｂが、真空ポンプ１４８の作動と干渉する可能性があるポンプ吸入配管１５０における汚染物の侵入を抑制するために、真空吸入弁１２４ｋとポンプ吸入配管１５０の反対の端との間でポンプ吸入配管１５０に位置付けられている。
弁１２４ａ～１２４ｋは、本明細書では代わりに弁１２４と称されることもある。
試料供給導管１２１、キャビティ入口弁１２４ｄ、排出導管１４０、およびキャビティ出口弁１２４ｉは、利便性のために、特定の場所においてリングダウンキャビティ８４に連結されて示されているが、導管１２１、１４０および弁１２４ｄ、１２４ｉがリングダウンキャビティ８４に連結される場所が変わってもよいことは理解されるものである。好ましい構成では、試料供給導管１２１は、前キャビティ鏡８８ａに隣接のリングダウンキャビティ８４の端に向けてリングダウンキャビティ８４と連通しており、排出導管１４０は、後キャビティ鏡８８ｂに隣接のリングダウンキャビティ８４の端に向けてリングダウンキャビティ８４と連通している。
図２は、概して符号３００での図１の分光システムで分光を実施する方法を示している。図１および図２を参照すると、新たな試料がリングダウンキャビティ８４に充填されるとき、新たな試料を含む熱脱離管１０４が試料充填システム１１２に連結される。具体的には、吸着管がガス源に連結され（３１０）、共振キャビティに連結される（３２０）。記載されている実施形態における吸着管は熱脱離管１０４であり、共振キャビティはリングダウンキャビティ８４である。熱脱離管１０４は、充填される異なる試料を含む異なる熱脱離管を可能にするように取り外し可能および再連結可能である。
排出過程の間、ガスは共振キャビティを通じて流される（３３０）。真空吸入弁１２４ｋは開けられ、真空ポンプ１４８は始動させられる。次に、真空吸入弁１２４ｋは閉じられ、真空遮断弁１２４ｊ、キャビティ出口弁１２４ｉ、キャビティ入口弁１２４ｄ、迂回導管弁１２４ｃ、および経路弁１２４ｅが連続して開けられる。この経路およびリングダウンキャビティ８４に沿う配管の内容物は、真空ポンプ１４８によってＣＲＤＳシステム２０から排出される。圧力センサ１４４は、システムが十分に排出されたときの決定、特には、圧力センサ１２８が真空ポンプ１４８から遮断されるときの決定を可能にする。試料充填システム１１２およびリングダウンキャビティ８４が十分に排出されたことが決定されるとき、これらの同じ開いた弁１２４ｊ、１２４ｉ、１２４ｄ、１２４ｃ、および１２４ｅは逆の順番で閉じられる。その後、窒素充填の局面の間、弁１２４ａ、１２４ｃ、１２４ｄ、１２４ｉ、および１２４ｊは、図３Ａに示されているように、窒素ガス源１１６からの窒素ガスを配管１２０ａ、１２２、および１２１に充填させるために開けられる。理解されるように、図１に示された排出導管１４０は窒素ガスでも満たされる。同時に、経路弁１２４ｅおよび後方管隔離弁１２４ｇは閉状態にある。次に、窒素ガスは他の排出局面を用いてパージされる。窒素充填局面および排出局面は、配管を一掃するために望まれるときに繰り返され得る。したがって、ＣＲＤＳシステム２０から、先に試験された試料が排出される。
次に、ガスが吸着管を通じて共振キャビティから追い払うように流される（３４０）。新たな試料の充填の間、熱脱離管１０４は、リングダウンキャビティ８４へと充填される二酸化炭素および水の量が最小とされるように、二酸化炭素および水を熱脱離管１０４から除去するためにフラッシングされる。熱脱離管１０４をフラッシングするために、ガス吸入弁１２４ａ、迂回導管弁１２４ｃ、後方管隔離弁１２４ｇ、前方管隔離弁１２４ｆ、および試料排気弁１２４ｈは、熱脱離管１０４を順行でフラッシングするように窒素ガスへの経路を与えるために、開けられる。同時に、経路弁１２４ｅおよびキャビティ入口弁１２４ｄは、図３Ｂに示されているように窒素の流れを方向付けるために閉状態にある。熱脱離管１０４は、気体試料を伴う二酸化炭素および水の回収を抑制するために選択されるが、一般的に、熱脱離管１０４にはなおもいくらかの二酸化炭素および水がある。
５００ｍｌの窒素ガスが、熱脱離管１０４に残っている二酸化炭素および水を元の試料から追い出すために、熱脱離管１０４に通される。質量流制御装置１３６は、窒素ガスと、含有された二酸化炭素および水とを、特定の流量で放出させることができる。ここでの構成では、この流量は５００ｍｌ／分である。次に、すべての弁１２４が閉じられる。
二酸化炭素および水が熱脱離管１０４から除去されると、試料充填システム１１２は、試料充填システム１１２配管において導入された窒素ガスを除去するために、先に検討されたのと同じ処理を用いて再び排出される。
したがって、試料充填システム１１２は、試料がリングダウンキャビティ８４へと充填される前に、できるだけ多くの二酸化炭素および水を熱脱離管１０４における試料から除去することができる。これは、水および二酸化炭素が、レーザー２４、２８によって発生させられ得るような中赤外線および長波長赤外線の波長を吸収するため、特に興味のあることである。
次に、熱脱離管１０４を包囲する加熱器１３２が、熱脱離管１０４の中の試料を熱的に脱離させるために、熱脱離管１０４を目標温度へと加熱する（３５０）。
ガスが吸着管を通じて共振キャビティへと流される（３６０）。熱脱離管１０４が十分に温まると、ＣＲＤＳシステム２０は試料充填モードへと切り替わる。そのため、ガス入口弁１２４ａ、経路弁１２４ｅ、前方管隔離弁１２４ｆ、後方管隔離弁１２４ｇ、およびキャビティ入口弁１２４ｄが、窒素ガス源１１６から、興味のある脱離された化合物を有する熱脱離管１０４を通じ、リングダウンキャビティ８４へと、窒素ガスに直接的な経路を提供するために開けられる。同時に、迂回導管弁１２４ｃ、試料排気弁１２４ｈ、およびキャビティ出口弁１２４ｉは、図３Ｃに示されているような経路に沿って窒素ガスを押し進めるために閉じられる。
次に、圧力が圧力センサを介して測定される（３７０）。リングダウンキャビティ８４の中に１気圧の目標試料圧力を達成することは、回収および分析された参照データのすべてがこの圧力の高さにあるため望ましく、それによって結果が再現可能であることを確保する。
図示および記載されている実施形態では、ガス吸入弁１２４ａはシステムによってトグルで開閉される。システムは、リングダウンキャビティ８４と、リングダウンキャビティ８４と流体連通しており、圧力センサ１２８が沿って位置させられている導管とにおいて、圧力が一様になるのを待つ。圧力センサ１２８は、弁１２４ａ、１２４ｅ、１２４ｆ、１２４ｇ、および１２４ｄが開けられ、弁１２４ｃおよび１２４ｈが閉じられ、それによって試料による汚染を防止するとき、熱脱離管１０４の上流に位置させられる。結果として、特に吸着管がガスを限られた速さでそれ自体を通過させ、それによって一様になる過程を遅くさせるため、圧力がリングダウンキャビティ８４と圧力センサ１２８との間で一様になることは短い時間の期間を取る可能性がある。他の実施形態では、絞り弁など、他の種類の弁が用いられてもよい。
次に、圧力が試料目標圧力にあるかどうかが決定される（３８０）。圧力センサ１２８が安定すると、圧力の読取りが１気圧の目標試料圧力未満である場合、ガス吸入弁１２４ａが再びトグルで開閉されて、一様化の後、圧力センサ１２８の圧力の読取りが１気圧の目標試料圧力になるまで、またはそれに十分に近くなるまで、過程を繰り返す。リングダウンキャビティ８４における圧力レベルが目標試料圧力またはその十分に近くにあることを圧力センサ１２８が示すとき、具体的には少なくとも弁１２４ａおよび１２４ｄといった弁が閉じられる。
目標試料圧力を達成または実質的に達成すると、後で記載されているように、分光分析が試料に実施される（３９０）。
複数の温度において脱離することが望まれる場合、真空吸入弁１２４ｋが開けられ、真空ポンプ１４８が始動させられ、真空吸入弁１２４ｋが再び閉じられ、真空遮断弁１２４ｊおよびキャビティ出口弁１２４ｉは、リングダウンキャビティ８４の中身を排出するために連続して開けられる。次に、脱離過程が繰り返される前にキャビティ出口弁１２４ｉが閉じられる。
完全な排出は、そうでない場合に失われることになるいくらかの気体試料が後方管隔離弁１２４ｇとキャビティ入口弁１２４ｄとの間で試料供給導管１２１に沿ってまだあるため、複数の脱離の間には概して実施されない。
気体試料を含む固定された容積のリングダウンキャビティをこの手法で所望の圧力の高さまで加圧することで、化合物が付着するリングダウンキャビティの中の表面積は、キャビティの中の圧力を所望の高さへと上昇させるために使用され得る可変容積リングダウンキャビティと比較して、小さくさせることができる。
導管１２０、１２１、１２２、および１２３と、弁１２４と、リングダウンキャビティ８４とは、不活性である内部表面を有する。再び図１を参照すると、不活性被覆８６がリングダウンキャビティ８４の内部表面に適用されて示されている。不活性被覆８６は、シリカに基づく材料または石英材料など、任意の適切な不活性物質から作ることができる。
図４Ａは、試料供給導管１２１が迂回導管１２２と交わる試料充填システム１１２の一部分を示している。導管１２１、１２２は、その内側または内部表面に不活性被覆１５２を有する。例えば、不活性被覆は、シリカに基づく材料から作られ得る。さらに、弁１２４の各々の内部表面は不活性である。例えば、弁１２４は、封止のために、ＶｉｔｏｎなどのＦＫＭを用いてもよい。代替の実施では、弁は銅圧縮リングなどを使用してもよい。
図４Ｂは、リングダウンキャビティ８４とキャビティ出口弁１２４ｉとの間の排出導管１４０の一部分を示している。排出導管１４０の内部表面およびキャビティ出口弁１２４ｉは、シリカに基づく材料など、不活性被覆１５２で被覆されている。キャビティ出口弁１２４ｉは、封止のために、ＶｉｔｏｎなどのＦＫＭを用いてもよい。代替の実施では、弁は銅圧縮リングなどを使用してもよい。排出導管およびキャビティ出口弁１２４ｉに存在する任意の分子が、可及的にはリングダウンキャビティ８４へと戻るように進む可能性があるため、これらの要素の内部表面に付着するこのような分子の可能性を低減することが望ましい。
図４Ｃは、リングダウンキャビティ８４を定める内部表面８７を有するリングダウン室８０の一部分を示している。不活性被覆８６はリングダウン室８０の内部表面８７を提供している。
試料充填システム１１２およびリングダウンキャビティ８４の内部表面における不活性材料の使用は、リングダウンキャビティ８４、導管１２０、１２１、１２２、弁１２４などに残る試料の量を少なくする。結果として、先に分析された試料は、試料充填システム１１２およびリングダウンキャビティ８４の中の表面により付着しにくくなり、したがって、剥がれやすくなり、後続の試料で分析されることで、後続の試料の結果をより汚染しにくくなる。
図５は、同じく図示されているＣＲＤＳシステム２０の様々な構成部品のための電子制御サブシステム２００の概略図である。すべての線は電気信号または電子信号を表しており、矢印は一方向の通信、電圧の設定などを表しており、矢印でない線は双方向通信を表している。
１つまたは複数の処理装置を含むコンピュータ２０４が、図１および図３Ａ～図３Ｃに示されている様々な構成部品の機能を制御する制御モジュールとして作用する。コンピュータ２０４は、１つまたは複数の処理装置２０５と、本明細書に記載されているように、処理装置２０５によって実行されるとき、処理装置２０５にＣＲＤＳシステム２０の他の構成部品を指図させるコンピュータ実行可能命令を保存する保存装置２０６とを有する。
ＲＦ駆動部２０８の対が、ＣＯ２レーザー２４および炭素－１３ Ｏ２レーザー２８に電力供給するためにおおよそ４０ＭＨｚの信号を送る。レーザー２４、２８の各々は、出力カプラおよび回析格子を使用して調整される。格子アクチュエータ２１２が回析格子を作動（回転）させる。他のアクチュエータが出力カプラを作動（並進）させる。各々の出力カプラは１０００Ｖの出力カプラ圧電体２１６によって駆動される。出力カプラ圧電体２１６に電力供給する２チャンネル高電圧増幅器２２０は０Ｖと１０００Ｖとの間で調節可能である。高電圧増幅器２２０は、コンピュータ２０４におけるデータ取得（「ＤＡＱ： Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ」）カード２２４からのアナログ出力信号で設定される。ＤＡＱは、０Ｖから１０Ｖの間の出力を生成し、高電圧増幅器２２０は信号を１００倍に増幅して０Ｖから１０００Ｖの信号を生成し、出力カプラ圧電体２１６に電力供給する。格子について角度を変える各々の格子アクチュエータ２１２は、ＲＳ－２３２を介してコンピュータ２０４によって命令が与えられるアクチュエータ駆動部２２８によって駆動される。各々の格子アクチュエータ２１２は何ミリメートルも移動させられ、この移動はレーザー２４、２８のピッチ角へと変換される。
試料充填システム１１２の圧力センサ１２８、１４４からのデータ信号はＲＳ－２３２を通じて受信される。
高速赤外線検出器５６は、レーザー２４、２８を調整するために使用されるビート信号の振幅および周波数を読み取るために使用できる小さい増幅器２３２およびオシロスコープ２３６に接続される。
熱脱離管の加熱器１３２のための温度制御装置２４０は、ＲＳ－２３２を介してコンピュータ２０４によって制御される。管加熱器１３２は、温度センサと、温度センサの周りに巻き付けられた加熱テープを有するアルミニウム片とを備える。加熱テープと温度センサとは、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御装置である温度制御装置２４０に両方とも接続されている。制御装置は、ＲＳ－２３２を介して主コンピュータ２０４に温度を設定して復唱する。
中継基板２４４がコンピュータ２０４に接続され、ソレノイド弁１２４および真空ポンプ１４８の各々をオンおよびオフするために使用される。
３チャンネル圧電駆動体２４８が、リングダウンキャビティ８４の長さを調節するためにマイクロメータ９６ｂを作動させる圧電アクチュエータ２５２を駆動する。各々の通路は、ＲＳ－２３２を通じた圧電駆動体への通信部と、ＤＡＱカード２２４からのアナログ入力部との２つの構成部品を有する。他の実施形態では、２つ以上の圧電駆動体が用いられてもよい。
各々の光変調器６０、６８は、おおよそ４０ＭＨｚの信号を送るＲＦ駆動部２５６で駆動される。ＲＦ駆動部２５６の周波数を変化させることで、所与の光学波長についてのブラッグ角を変化させる、または、所与または固定のブラッグ角が調和される光学波長を変化させる。ＲＦ駆動部２５６が特定の周波数に調整され、フルパワーに設定される場合、作動ビーム５２のほとんど（約８５％）は通過する。８０％、７０％に調節される場合、光変調器６０、６８は減衰することになる。ＲＦ駆動部２５６がゼロに設定される場合、光変調器６０、６８は完全に止まる。ＲＦ駆動部の周波数は、ＲＳ２３２を介して構成部品を通じて設定される。アナログおよびデジタルの構成部品は、ＲＦ駆動部２５６の振幅およびオン／オフ状態を設定することができる。具体的には、ＤＡＱカード２２４は信号をタイミング回路２６０に送り、タイミング回路２６０はさらに、ＲＦ駆動部の振幅を可能および設定するために必要とされる４つの必要信号を生成する。タイミング回路２６０は、定常状態条件で、または、タイミング回路２６０が４つの電圧をゼロに設定し、所定の時間の長さの後に以前の電圧レベルに戻るリングダウンを引き起こす条件とで動作することができる。
デジタイザ２６４を介してタイミング回路２６０を制御するＤＡＱカード２２４からのデジタル出力（「ＤＯ」）がある。
コンピュータ２０４は、測定圧力を圧力センサ１２８から受信するために圧力センサ１２８と、ガス源１１６と熱脱離管１０４との間の流体連通を制御するガス吸入弁１２４ａとに連結される制御システムである。コンピュータ２０４は試料充填モードに条件付けされ、試料充填モードでは、コンピュータ２０４は、圧力センサ１２８によって測定された圧力が目標試料圧力になるまで、ガス源１１６からより多くのガスを導入するために、ガス吸入弁１２４ａを繰り返し開閉するように制御する。
再び図１を参照すると、気体試料がリングダウンキャビティ８４に充填されると、１つのレーザー２４または２８が特定の波長に調整され、その光が第１の光変調器６０を通るように向けられ、鏡６４によって反射され、第２の光変調器６８に通され、焦点レンズ７２によって焦点が合わせられ、鏡７６によってリングダウン室８０へと反射される。光変調器６０、６８は、作動ビーム５２の強度を変調させるために作動ビーム５２をいくらか減衰させる。
作動ビーム５２が前キャビティ鏡８８ａに到達するとき、約０．１％の一部分が前キャビティ鏡８８ａを突き抜けてリングダウンキャビティ８４に入る。約９９．９％の作動ビームの大部分は、最初に、作動レーザー２４または２８への同じ経路に沿って戻るように反射される。
最初に、リングダウンキャビティ８４は照らされていない。光がリングダウンキャビティ８４に入り、リングダウンキャビティ８４における光の大部分は２つのキャビティ鏡８８の間で反射させられるため、リングダウンキャビティ８４における光の量またはパワーは、さらなる光が作動ビーム５２を介して外部から導入されるにつれて増加し始める。光の特定の一部分はキャビティ鏡８８を過ぎて漏れる。リングダウンキャビティ８４を光で「満たす」のは時間の期間が掛かり、これは、キャビティ長さが、調整されたレーザーについてのリングダウンキャビティ８４の隣接の共振長さに等しいときに起こり得る。この時点において、入ってくる光と漏れとの間には平衡がある。この平衡が達成されると、レーザー２４、２８は、消滅させられる、または、光変調器６０、６８を介してリングダウンキャビティ８４に入ることから停止させられる。他の実施形態では、レーザーは、構成されたキャビティ長さについて共振しないように離調させられ得る。
タイミング回路２６０は、光ビームの強度を第１の光変調器６０から低減するために光変調器６０、６８の減衰限度またはその近くに光ビームを減衰するように、第１の光変調器６０および第２の光変調器６８に同時に指図する。ＣＲＤＳシステム２０では、両方の光変調器６０、６８を同時に止めるように指図することで、短い時間の長さの間に第１の光変調器６０によって偏向される光の量は、第２の光変調器６８が止められるため、第２の光変調器６８によって著しく低減される。
リングダウンキャビティ８４に提供されるレーザー光の消滅はリングダウン事象を開始させることができる。リングダウンキャビティ８４に提供される共振レーザー光は、例えばレーザーを離調させることで、代替の実施形態において他の手法で消滅されてもよい。
リングダウン事象の間、コンピュータ２０４は、リングダウンキャビティ８４の後端から出る液体窒素冷却検出器１００によって報告される光強度データを登録する。リングダウン事象は、ここでの構成では約１０マイクロ秒にわたって続くが、他の実施形態ではより長い時間またはより短い時間にわたって続いてもよい。光減衰時間は約２マイクロ秒である。
リングダウン事象が引き起こされたときから約１００マイクロ秒後に、タイミング回路２６０は、リングダウンキャビティ８４へと作動ビーム５２を通過させることを再び開始するために光変調器６０、６８を指図する。次に、十分なリングダウンデータが回収されたかどうかが決定される。ＣＲＤＳシステム２０は、この実施形態では、５００回のリングダウン事象からデータを回収するように構成されている。５００回のリングダウン事象からのデータが捕らえられた場合、コンピュータ２０４は、圧電駆動体２４８の動作を停止し、次にリングダウン事象データから減衰率を決定する。代わりに、さらなるリングダウンデータが回収されることが決定される場合、コンピュータ２０４は、後キャビティ鏡８８ｂを作動させるように圧電駆動体２４８に指図し続ける。
試料についての吸収スペクトルを発生させるために、複数の周波数の光について処理が繰り返される。例えば、ＣＯ２レーザー２４によって発生させられる光は、ある範囲の周波数についての吸収係数を提供する。同様に、吸収係数が、炭素－１３ Ｏ２レーザー２８からの光についてのある範囲の周波数について発生させられ得る。この手法では、吸収スペクトルが試料について発展させられ得る。
先に記載されている実施形態では、光源が、中赤外線範囲での光を生成する２つのレーザーであるが、他の光源が用いられ得ることは理解されるものである。例えば、可視スペクトルでの光を生成するレーザー、または近赤外線のレーザーが用いられてもよい。さらに、いくつかの状況では、ＣＲＤＳシステムは、作動ビームを発生させるために、１つだけのレーザー、または３つ以上のレーザーを備え得る。
先に記載されている実施形態では、回収媒体は吸着管であり、具体的には熱脱離管であるが、他の種類の回収媒体が用いられてもよい。例えば、固相微量抽出（「ＳＰＭＥ」）装置がシステムと共に用いられてもよい。
電気光学変調器が音響光学変調器の代わりに使用されてもよい。
音響光学変調器は、作動ビームの周波数が上または下に偏移されるように構成され得る。音響光学変調器によってもたらされる正味の周波数の偏移が、反射した光が発生させられるレーザー光の帯域幅から外れるように、レーザーによって発生させられる作動ビームの周波数から相当に離れるように作動ビームの周波数を偏移させる限り、反射した光と発生させられた作動ビームとの間の干渉の大きさは最小限とされ得る。
他の実施形態では、３つ以上の光変調器が、さらなる消滅能力を提供して、リングダウン事象の開始において作動ビームをより素早く消滅させるために、ＣＲＤＳシステムに用いられてもよい。さらに、さらなる実施形態では、１つだけの光変調器が用いられてもよい。
１つまたは複数の焦点レンズが他の実施形態では用いられてもよく、レーザーの各々の波長のモード一致を可能にするようにレンズの再位置決めを可能にするために並進させられ得る。
同じ手法が、他の種類の共振キャビティのために、特には、光学共振キャビティのために採用されてもよい。
他の種類の事象は、キャビティ長さが具体的に選択された波長についてのキャビティの共振長さに近接するときに引き起こされ得る。
気体試料の分析は、他の実施形態では１気圧以外の圧力の高さで実施され得る。したがって、吸収スペクトルの幅が変化してもよい。
特定の利点が先に列挙されたが、様々な実施形態は、列挙された利点のうちのいくつか、もしくは全部を含んでもよく、またはいずれも含まなくてもよい。
先に記載されている実施形態では、共振キャビティがリングダウンキャビティであるが、他の実施形態では、他の種類の共振キャビティが採用されてもよい。
当業者は、なおもより多くの代替の実施および変形が可能であることと、上記の例は１つまたは複数の実施の単なる例示であることとを理解するものである。そのため、範囲は、本明細書に添付される特許請求の範囲によって限定されるだけである。
２０ ＣＲＤＳシステム
２４ ＣＯ２レーザー
２８ 炭素－１３ Ｏ２レーザー
３２ 第１のレーザービーム
３６ 第２のレーザービーム
４０ 鏡
４４ ビームスプリッタ
４８ サンプリングビーム
５２ 出力ビーム
５６ 高速赤外線検出器
６０ 第１の光変調器
６４ 鏡
６８ 第２の光変調器
７２ 焦点レンズ
７６ 鏡
８０ リングダウン室
８４ リングダウンキャビティ
８６ 不活性被覆
８７ 内部表面
８８ キャビティ鏡
８８ａ 前キャビティ鏡
８８ｂ 後キャビティ鏡
９２ 鏡搭載部
９６ マイクロメータ
９６ａ 機械化されたマイクロメータ
９６ｂ 圧電マイクロメータ
１００ 液体窒素冷却検出器
１０４ 熱脱離管
１０８ 試料受入端
１１０ 排気端
１１２ 試料充填システム
１１６ 窒素ガス源
１２０ 気体供給導管
１２０ａ ガス吸入配管
１２０ｂ 経路配管
１２０ｃ 管排気配管
１２１ 試料供給導管
１２１ａ 初期部分
１２１ｂ 二次部分
１２２ 迂回導管
１２３ 管排気導管
１２４ 弁
１２４ａ ガス吸入弁
１２４ｂ 補助ガス吸入弁
１２４ｃ 迂回導管弁
１２４ｄ キャビティ入口弁
１２４ｅ 経路弁
１２４ｆ 前方管隔離弁
１２４ｇ 後方管隔離弁
１２４ｈ 試料排気弁
１２４ｉ キャビティ出口弁
１２４ｊ 真空遮断弁
１２４ｋ 真空吸入弁
１２８ 圧力センサ
１３０ａ、１３０ｂ フィルタ
１３２ 加熱器
１３６ 質量流制御装置
１４０ 排出導管
１４４ 圧力センサ
１４８ 真空ポンプ
１５０ ポンプ吸入配管
１５２ 不活性被覆
２００ 電子制御サブシステム
２０４ コンピュータ
２０５ 処理装置
２０６ 保存装置
２０８ ＲＦ駆動部
２１２ 格子アクチュエータ
２１６ 出力カプラ圧電体
２２０ 高電圧増幅器
２２４ ＤＡＱカード
２２８ アクチュエータ駆動部
２３２ 増幅器
２３６ オシロスコープ
２４０ 温度制御装置
２４４ 中継基板
２４８ ３チャンネル圧電駆動体
２５２ 圧電アクチュエータ
２５６ ＲＦ駆動部
２６０ タイミング回路
２６４ デジタイザ
３００ 分光を実施する方法
３１０ ガス源を吸着管に連結する
３２０ 吸着管を共振キャビティに連結する
３３０ 共振キャビティを通じてガスを流す
３４０ 吸着管を通じて共振キャビティから追い払うようにガスを流す
３５０ 吸着管を目標温度へと加熱する
３６０ 吸着管を通じて共振キャビティへとガスを流す
３７０ 圧力センサを介して圧力を測定する
３８０ 圧力が目標試料圧力にあるか？
３９０ 分光分析を充填された試料に実施する

Claims (27)

  1. 共振キャビティと、
    第１の端においてガス源に連結し、第２の端において、分析のための試料を含む回収媒体の第１の端に連結するように構成される第１の導管と、
    第１の端において前記回収媒体の第２の端に連結し、第２の端において前記共振キャビティに連結するように構成される第２の導管と、
    を備える分光システム。
  2. 前記回収媒体は吸着管である、請求項１に記載の分光システム。
  3. 前記吸着管が前記第１の導管および前記第２の導管に連結されるとき、前記吸着管を加熱するように位置付けられる加熱器をさらに備える、請求項２に記載の分光システム。
  4. 前記吸着管の前記第１の端は排気端であり、前記吸着管の前記第２の端は試料受入端である、請求項２に記載の分光システム。
  5. 前記ガス源は、前記試料の分析のための前記共振キャビティの中の目標試料圧力を上回るソースガス圧力においてガスを提供する、請求項４に記載の分光システム。
  6. ガスが前記吸着管から前記共振キャビティへと流れるとき、前記吸着管の上流に位置付けられる圧力センサをさらに備える、請求項５に記載の分光システム。
  7. 前記分光システムは、測定圧力を前記圧力センサから受信するように前記圧力センサに連結され、前記ガス源と、前記吸着管および前記圧力センサとの間の流体連通を制御する弁に連結される制御システムをさらに備え、前記制御システムは、前記測定圧力が前記目標試料圧力になるまで、前記ガス源からより多くの前記ガスを導入するために前記弁が繰り返し開閉される試料充填モードに条件付け可能である、請求項６に記載の分光システム。
  8. 前記測定圧力は、前記弁が閉じられるとき、前記目標試料圧力と比較される、請求項７に記載の分光システム。
  9. 前記弁は第１の弁であり、前記分光システムは、
    前記第２の導管に沿って位置付けられる第２の弁と、
    前記第１の導管と流体連通しており、前記第２の弁と前記吸着管との間の位置において前記第２の導管と流体連通している第３の導管と、
    前記第３の導管を通る流体連通を制御する第３の弁と、
    前記第１の弁と前記吸着管との間で前記第１の導管と流体連通している第４の導管と、
    前記第３の導管と前記第４の導管との間で前記第１の導管に沿って位置付けられる第４の弁と、
    をさらに備える、請求項８に記載の分光システム。
  10. 前記圧力センサは、前記第１の導管と前記第３の弁との間で前記第３の導管に沿って位置付けられる、請求項９に記載の分光システム。
  11. 前記第３の導管と前記吸着管との間で前記第２の導管に沿って位置付けられる第５の弁をさらに備える、請求項１０に記載の分光システム。
  12. 前記分光システムは、前記吸着管と前記第４の導管との間で前記第１の導管に沿って位置付けられる第６の弁をさらに備える、請求項１１に記載の分光システム。
  13. 前記制御システムは、前記吸着管および前記第４の導管を通じてガスを流すために、前記制御システムが、前記第１の弁、前記第３の弁、および前記第５の弁を開け、前記第２の弁および前記第４の弁を閉じる第１のモードと、前記吸着管を通じて前記共振キャビティへとガスを流すために、前記制御システムが、前記第１の弁、前記第４の弁、前記第２の弁、および前記第５の弁を開け、前記第３の弁を閉じる第２のモードとで動作するように構成される、請求項１１に記載の分光システム。
  14. 前記第２の導管に沿って位置付けられるフィルタをさらに備える、請求項３に記載の分光システム。
  15. 分光を実施する方法であって、
    ガス源を、分析のための試料を含む回収媒体の第１の端に連結するステップと、
    前記回収媒体の第２の端を共振キャビティに連結するステップと、
    ガスを前記ガス源から前記回収媒体を通じて前記共振キャビティへと流すステップと、
    を含む方法。
  16. 前記回収媒体は吸着管である、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記吸着管を目標温度に加熱するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記吸着管の前記第１の端は排気端であり、前記吸着管の前記第２の端は試料受入端である、請求項１７に記載の方法。
  19. ガスが前記吸着管から前記共振キャビティへと流れるとき、前記吸着管の上流に位置付けられる圧力センサを介して前記共振キャビティにおける圧力を測定するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  20. 測定された圧力が目標試料圧力レベルと一致するまで、前記ガス源と前記吸着管との間の流体連通を制御する弁を繰り返し開閉するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記測定圧力は、前記弁が閉じられるとき、前記目標試料圧力レベルと比較される、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記流れるガスは、前記吸着管の第１の端から前記吸着管の第２の試料受入端へと前記吸着管を通る流れるガスを含み、前記方法は、
    前記吸着管を通じて前記試料受入端から前記排気端へとガスを流すステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
  23. 前記流れるガスが前記共振キャビティに入る前に前記流れるガスを濾過するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
  24. 少なくとも１つの内部表面によって定められ、それ自体の第１の端に向けて位置付けられる第１の鏡と、それ自体の第２の端に向けて位置付けられる第２の鏡とを有する共振キャビティを備える分光システムであって、前記少なくとも１つの内部表面は不活性である、分光システム。
  25. 前記分光システムは、前記共振キャビティに連結され、試料供給源と前記共振キャビティとの間で延びる少なくとも１つの導管を有する試料充填システムをさらに備え、前記導管はその内部表面に不活性被覆を有する、請求項２４に記載の分光システム。
  26. 前記分光システムは、前記共振キャビティに連結され、前記共振キャビティと排気出口との間で延びる少なくとも１つの導管を有する試料充填システムをさらに備え、前記少なくとも１つの導管は、それ自体に沿って位置付けられる弁を有し、前記共振キャビティと前記弁との間で延びる前記少なくとも１つの導管の一部分が、その内部表面に不活性被覆を有する、請求項２４に記載の分光システム。
  27. ガスが前記共振キャビティに入る前にガスを濾過するように位置付けられるフィルタをさらに備える、請求項２４に記載の分光システム。
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