JP2561210B2 - Isotope analyzer - Google Patents

Isotope analyzer

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JP2561210B2
JP2561210B2 JP33040592A JP33040592A JP2561210B2 JP 2561210 B2 JP2561210 B2 JP 2561210B2 JP 33040592 A JP33040592 A JP 33040592A JP 33040592 A JP33040592 A JP 33040592A JP 2561210 B2 JP2561210 B2 JP 2561210B2
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isotopes
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は同位体を含む試料にレー
ザ光を照射し、同位体の光吸収スペクトルより同位体の
存在比を求める同位体分析装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an isotope analyzer for irradiating a sample containing an isotope with a laser beam and obtaining the abundance ratio of the isotope from the optical absorption spectrum of the isotope.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、発光スペクトル幅の非常に狭い半
導体レーザを波長可変光源とし、そのレ−ザ光を同位体
を含んだ試料に照射し、同位体相互のスペクトルが干渉
せず、かつ水分の影響を受けない光吸収スペクトルを測
定し、同位体比の変化を高精度かつ高感度にトレースす
る同位体分析装置が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor laser having an extremely narrow emission spectrum width is used as a wavelength tunable light source, and its laser light is irradiated to a sample containing isotopes so that the spectra of the isotopes do not interfere with each other and water content is high. There is known an isotope analyzer that measures an optical absorption spectrum that is not affected by the above and traces changes in the isotope ratio with high accuracy and high sensitivity.

【0003】図3は従来の同位体分析装置を示すブロッ
ク構成図である。1は半導体レーザ、2は試料セル、3
は試料ガス導入口、4は試料ガス排出口、5は光検出
器、6はロックイン増幅器、7は半導体レーザの温度制
御部、8は半導体レーザの電流制御部、9は半導体レー
ザに電流変調を掛けるための発振器、10はロックイン
増幅器6の出力信号をアナログ/デジタル変換するAD
変換器である。
FIG. 3 is a block diagram showing a conventional isotope analyzer. 1 is a semiconductor laser, 2 is a sample cell, 3
Is a sample gas inlet, 4 is a sample gas outlet, 5 is a photodetector, 6 is a lock-in amplifier, 7 is a semiconductor laser temperature controller, 8 is a semiconductor laser current controller, and 9 is a semiconductor laser current modulator. The oscillator 10 for multiplying the signal is an AD for analog / digital converting the output signal of the lock-in amplifier 6.
It is a converter.

【0004】半導体レーザ1は半導体レーザ1の温度ま
たは駆動電流を掃引することにより容易に波長可変光源
となる。半導体レーザ1は温度制御部7により存在比の
低い同位体(以下単に微量同位体と呼ぶ)の吸収スペク
トルと存在比の高い同位体(以下単に多量同位体と呼
ぶ)の吸収スペクトル近辺を掃引するように温度掃引さ
れる。また、電流制御部8により適当な光出力となるよ
うに半導体レーザ1の駆動電流は制御されている。さら
に、発振器9の信号により電流変調され僅かに周波数変
調がかけられている。
The semiconductor laser 1 easily becomes a wavelength tunable light source by sweeping the temperature or driving current of the semiconductor laser 1. The semiconductor laser 1 sweeps around the absorption spectrum of an isotope having a low abundance ratio (hereinafter simply referred to as a trace isotope) and the absorption spectrum of an isotope having a high abundance ratio (hereinafter simply referred to as a major isotope) by the temperature control unit 7. So that the temperature is swept. Further, the drive current of the semiconductor laser 1 is controlled by the current control unit 8 so that an appropriate light output is obtained. Further, it is current-modulated by the signal of the oscillator 9 and slightly frequency-modulated.

【0005】このように波長掃引および周波数変調され
た半導体レーザ1からのレーザ光は試料セル2に入射さ
れる。試料セル2に入射されたレーザ光はセル内の同位
体と相互作用して吸収され、光検出器5で検出される。
光検出器5で検出された信号はロックイン増幅器6で発
振器9と同期の取れた信号のみが検出され、その結果、
半導体レーザ1の光強度のドリフトが除去できS/N比
の良い信号が検出できる。ロックイン増幅器6の出力信
号をAD変換回路10にてデジタル値に変換した後にコ
ンピュータに送られる。
The laser light from the semiconductor laser 1 thus wavelength-swept and frequency-modulated is incident on the sample cell 2. The laser light incident on the sample cell 2 interacts with the isotope in the cell, is absorbed, and is detected by the photodetector 5.
Of the signals detected by the photodetector 5, only the signal synchronized with the oscillator 9 is detected by the lock-in amplifier 6, and as a result,
The drift of the light intensity of the semiconductor laser 1 can be removed and a signal with a good S / N ratio can be detected. The output signal of the lock-in amplifier 6 is converted into a digital value by the AD conversion circuit 10 and then sent to the computer.

【0006】このようにして検出された信号は、吸収ス
ペクトルの1次微分形状(このような検出方法を以下単
に1f検出と呼ぶ)となっている。したがって、多量同
位体、微量同位体の両検出信号のピーク値を求めて両吸
収の比を求めれば同位体比が求まる(図4、12CO2
13CO2 スペクトル測定例)。さらに、発振器9の2倍
の周波数の信号をロックイン増幅器6で同期検波するこ
とにより吸収スペクトルの2次微分形状(このような検
出方法を以下単に2f検出と呼ぶ)が検出できる。2f
検出では光強度のドリフトをさらに除去できS/N比の
良い信号が検出できる。
The signal thus detected has the first-order differential shape of the absorption spectrum (such a detection method is simply referred to as 1f detection hereinafter). Therefore, the isotope ratio can be obtained by obtaining the peak values of the detection signals of both the major isotope and the trace isotope and determining the ratio of both absorptions (Fig. 4, 12 CO 2 and
13 CO 2 spectrum measurement example). Furthermore, by synchronously detecting a signal having a frequency twice that of the oscillator 9 by the lock-in amplifier 6, a second-order differential shape of the absorption spectrum (such a detection method is simply referred to as 2f detection hereinafter) can be detected. 2f
In the detection, the drift of the light intensity can be further removed and a signal with a good S / N ratio can be detected.

【0007】このように同位体相互の吸収スペクトルが
干渉せず水の影響を受けない両スペクトルをロックイン
増幅器で測定しており、また発振スペクトル幅が非常に
狭いレーザ光を波長可変光源としており、さらに小型か
つ信頼性の高い半導体レーザを用いているので、同位体
比を高精度で測定できるとともに、信頼性の高い同位体
分析装置が得られる。
In this way, both absorption spectra of isotopes do not interfere with each other and are not affected by water, and both spectra are measured by a lock-in amplifier, and a laser beam having an extremely narrow oscillation spectrum width is used as a wavelength tunable light source. Since a semiconductor laser having a smaller size and higher reliability is used, the isotope ratio can be measured with high accuracy, and a highly reliable isotope analyzer can be obtained.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】しかし、通常同位体の
天然存在比は大きく異なっており(例として炭素同位体
の天然存在比は12C:98.9%、13C:1.1 %、窒素同位
体の存在比は14N:99.6%、15N:0.4 %)、その結果
多量同位体(12C、14N)と微量同位体(13C、15N)
の吸収強度は大きく異なる。さらに、同位体比測定精度
として0.1 〜1permilと非常に高い精度が要求されてい
る。これらの要求を満たすには、非常にダイナミックレ
ンジの広いロックイン増幅器、超高精度のAD変換器が
必要となる。その結果、通常のロックイン増幅器では高
精度で同位体比が測定できない上にダイナミックレンジ
の広いロックイン増幅器は高価なので装置のコストが高
くなる。また、15bit 以上のAD変換器の実現は困難
などの問題がある。
However, the natural abundance ratios of isotopes are usually very different (for example, the natural abundance ratios of carbon isotopes are 12 C: 98.9%, 13 C: 1.1%, and nitrogen isotopes). Abundance ratios are 14 N: 99.6%, 15 N: 0.4%), and as a result, major isotopes ( 12 C, 14 N) and trace isotopes ( 13 C, 15 N).
The absorption strengths of are greatly different. Furthermore, the isotope ratio measurement accuracy is required to be as high as 0.1 to 1 permil. In order to meet these requirements, a lock-in amplifier with a very wide dynamic range and an AD converter with ultrahigh precision are required. As a result, an ordinary lock-in amplifier cannot measure the isotope ratio with high accuracy, and a lock-in amplifier having a wide dynamic range is expensive, which increases the cost of the device. Further, there is a problem that it is difficult to realize an AD converter of 15 bits or more.

【0009】これらの問題に対して、光路長の長い吸収
セルと光路長の短い吸収セルを用いて吸収強度差を小さ
くできるが、温度や振動などにより光路長が変化し、安
定に同位体比が測定できない。また、微量同位体の測定
に吸収係数が大、多量同位体の測定に吸収係数が小であ
るスペクトルを選択して吸収強度差を小さくできるが、
選択できる適当なスペクトルが非常に少ない問題があ
る。
To address these problems, the absorption intensity difference can be reduced by using an absorption cell with a long optical path length and an absorption cell with a short optical path length, but the optical path length changes due to temperature, vibration, etc., and the isotope ratio is stable. Cannot be measured. Also, it is possible to reduce the difference in absorption intensity by selecting a spectrum with a large absorption coefficient for measuring trace isotopes and a small absorption coefficient for measuring large amounts of isotopes.
The problem is that there are very few suitable spectra to choose from.

【0010】そこで、本発明の技術的課題は、上記欠点
に鑑み、ダイナミックレンジの広いロックイン増幅器、
超高精度のAD変換器を必要とせず、同位体比を高精度
で容易に測定することができ、かつ低価格な同位体分析
装置を提供することである。
In view of the above drawbacks, the technical problem of the present invention is to provide a lock-in amplifier having a wide dynamic range,
It is an object of the present invention to provide an inexpensive isotope analysis device that does not require an ultra-high-precision AD converter and can easily measure the isotope ratio with high precision.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
レーザの発振波長を掃引し、これにより試料セル内の同
位体ガスの光吸収スペクトルを測定し、同位体の光吸収
量より同位体の存在比を求める同位体分析装置におい
て、微量同位体と多量同位体との吸収量のスペクトル測
定時に照射するそれぞれのレーザ光強度を、同位体の天
然存在比と微量同位体の吸収係数及び多量同位体の吸収
係数よりそれぞれ求め、微量同位体のスペクトル測定時
と多量同位体のスペクトル測定時のレーザ光強度を、微
量同位体と多量同位体との吸収量の差を実質的に同程度
とするように、制御する光強度制御器を有することを特
徴とする同位体分析装置が得られる。
According to the present invention, the oscillation wavelength of a semiconductor laser is swept to measure the optical absorption spectrum of the isotope gas in the sample cell, and the isotope is determined from the optical absorption amount of the isotope. In the isotope analyzer that determines the abundance ratio of the isotopes, the laser light intensities of each of the laser beams irradiated at the time of measuring the absorption amount of the trace isotopes and the abundance of the isotopes are determined by the natural abundance ratio of the isotopes and the absorption coefficient of the abundance of the isotopes. Obtained from the absorption coefficient of each isotope, the laser light intensity at the time of the spectrum measurement of the trace isotope and the spectrum of the trace isotope, and the difference in the absorption amount between the trace isotope and the isotope is substantially the same. As described above, an isotope analysis device is obtained which has a controlling light intensity controller.

【0012】また、本発明によれば、半導体レーザの発
振波長を掃引し、これにより試料セル内の同位体ガスの
光吸収スペクトルを測定する一方、前記半導体レーザの
波長掃引と同時に前記半導体レーザに周波数変調させ、
同位体の光吸収スペクトルをロックイン増幅器を用いて
同期検波し、同位体の光吸収量より同位体の存在比を求
める同位体分析装置において、微量同位体と多量同位体
のスペクトル測定時に周波数変調の変調振幅を同位体の
天然存在比と微量同位体の吸収係数及び多量同位体の吸
収係数よりそれぞれ求め、微量同位体のスペクトル測定
時と多量同位体のスペクトル測定時の変調振幅を、微量
同位体と多量同位体の吸収量の差を実質的に同程度とす
るように、制御する変調振幅制御器を有することを特徴
とする同位体分析装置が得られる。
According to the present invention, the oscillation wavelength of the semiconductor laser is swept, and the optical absorption spectrum of the isotope gas in the sample cell is measured by this, while the semiconductor laser is swept simultaneously with the wavelength sweep of the semiconductor laser. Frequency modulation,
An isotope analyzer that synchronously detects the optical absorption spectrum of an isotope using a lock-in amplifier and determines the abundance ratio of the isotope from the optical absorption amount of the isotope. The modulation amplitudes of the isotope natural abundance, the absorption coefficient of the trace isotope, and the absorption coefficient of the major isotope, respectively, are calculated. An isotope analysis device is provided which has a modulation amplitude controller for controlling so that the difference in absorption amount between the body and the abundant isotope is substantially the same.

【0013】また、本発明によれば、駆動電流により駆
動する半導体レーザと、該半導体レーザの温度を制御す
る温度制御部と、前記駆動電流を制御する電流制御部
と、該電流制御部に出力信号を出力することにより、前
記半導体レーザに周波数変調をかける発振器と、測定試
料を収容するための試料セルと、前記半導体レーザから
前記試料セルを通って入射するレーザ光を検出する光検
出器と、該光検出器の検出信号を入力する一方、前記発
振器からの出力信号を入力して同期のとれた信号のみを
検出するロックイン増幅器とを有する同位体分析装置に
おいて、前記半導体レーザと前記試料セルとの間の光路
上に設けられた透過光強度可変光学素子と、微量同位体
と多量同位体との吸収量のスペクトル測定時に照射する
レーザ光強度を、同位体の天然存在比と微量同位体の吸
収係数及び多量同位体の吸収係数よりそれぞれ求め、微
量同位体と多量同位体との吸収量の差を実質的に同一に
なるように、前記透過光強度可変光学素子へ制御信号を
出力する光強度制御器とを有し、微量同位体のスペクト
ル測定時と多量同位体のスペクトル測定時のレーザ光強
度を制御することを特徴とする同位体分析装置が得られ
る。
Further, according to the present invention, a semiconductor laser driven by a drive current, a temperature control section for controlling the temperature of the semiconductor laser, a current control section for controlling the drive current, and an output to the current control section. An oscillator that frequency-modulates the semiconductor laser by outputting a signal, a sample cell for accommodating a measurement sample, and a photodetector that detects laser light incident from the semiconductor laser through the sample cell. In the isotope analysis device having a lock-in amplifier for inputting a detection signal of the photodetector and detecting only a synchronized signal by inputting an output signal from the oscillator, the semiconductor laser and the sample The transmitted light intensity variable optical element provided on the optical path between the cell and the laser light intensity irradiated at the time of spectrum measurement of the absorption amount of the trace isotope and the isotope The transmitted light intensity so that the difference between the absorption amount of the trace isotope and that of the trace isotope is substantially the same. An isotope analyzer characterized by having a light intensity controller for outputting a control signal to a variable optical element, and controlling laser light intensity during spectrum measurement of a trace isotope and spectrum measurement of a large amount of isotopes. can get.

【0014】また、本発明によれば、半導体レーザと、
該半導体レーザの温度を制御する温度制御部と、前記半
導体レーザの駆動電流を制御する電流制御部と、該電流
制御部へ出力信号を出力することにより、前記半導体レ
ーザに周波数変調をかける発振器と、測定試料を収容す
るための試料セルと、前記半導体レーザから前記試料セ
ルを通って出射するレーザ光を検出する光検出器と、該
光検出器の検出信号を入力する一方、前記発振器からの
信号を入力して同期のとれた信号のみを検出するロック
イン増幅器とを有する同位体分析装置において、前記発
振器からの信号を増幅して前記電流制御部へ出力する増
幅器と、微量同位体と多量同位体のスペクトル測定時に
周波数変調の変調振幅を、同位体の天然存在比と微量同
位体の吸収係数及び多量同位体の吸収係数よりそれぞれ
求め、微量同位体と多量同位体の吸収量との差を実質的
に同一になるように、前記増幅器へ制御信号を出力する
変調振幅制御器とを有し、微量同位体のスペクトル測定
時と多量同位体のスペクトル測定時の変調振幅を制御す
ることを特徴とする同位体分析装置が得られる。
According to the present invention, a semiconductor laser,
A temperature control unit for controlling the temperature of the semiconductor laser; a current control unit for controlling the driving current of the semiconductor laser; and an oscillator for outputting a signal to the current control unit to frequency-modulate the semiconductor laser. A sample cell for accommodating a measurement sample, a photodetector for detecting a laser beam emitted from the semiconductor laser through the sample cell, and a detection signal of the photodetector are input, while the oscillator from the oscillator is input. In an isotope analyzer having a lock-in amplifier that inputs a signal and detects only a synchronized signal, an amplifier that amplifies the signal from the oscillator and outputs the amplified signal to the current control unit, and a large amount of trace isotopes. When measuring the spectrum of isotopes, the modulation amplitude of frequency modulation is obtained from the natural abundance ratio of isotopes, the absorption coefficient of trace isotopes, and the absorption coefficient of high-volume isotopes. A modulation amplitude controller that outputs a control signal to the amplifier so that the difference between the absorption amount of the major isotope and the absorption amount of the major isotope is substantially the same. An isotope analysis device is obtained which is characterized by controlling the modulation amplitude over time.

【0015】[0015]

【作用】上記の構成によれば、レーザ光強度の制御ある
いはレーザ光の周波数変調振幅の制御により、多量同位
体と微量同位体とのスペクトルの光吸収量を同程度と
し、高精度かつ容易に同位体比を測定すること可能とな
り、さらに低価格の装置を提供することが可能となる。
According to the above construction, by controlling the laser light intensity or the frequency modulation amplitude of the laser light, the light absorption amounts of the spectra of the major isotope and the minor isotope are made to be approximately the same, and with high accuracy and ease. It becomes possible to measure the isotope ratio, and it becomes possible to provide an apparatus of lower cost.

【0016】[0016]

【実施例】次に本発明に係る同位体分析装置の実施例に
ついて図面を参照して説明する。
EXAMPLES Examples of the isotope analyzer according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0017】第1実施例 図1において、1は半導体レーザ、2は試料セル、3は
試料ガス導入口、4は試料ガス排出口、5は光検出器、
6はロックイン増幅器、7は半導体レーザの温度制御
部、8は半導体レーザの電流制御部、9は半導体レーザ
に電流変調を掛けるための発振器、10はロックイン増
幅器6の出力信号をアナログ/デジタル変換するAD変
換器、11は光強度を制御する光強度制御器、12は透
過光強度を可変する光学素子、17は同位体の天然存在
比、微量同位体・多量同位体の吸収係数を記憶する記憶
部、18は微量同位体・多量同位体測定を指示する信号
である。
First Embodiment In FIG. 1, 1 is a semiconductor laser, 2 is a sample cell, 3 is a sample gas inlet, 4 is a sample gas outlet, 5 is a photodetector,
6 is a lock-in amplifier, 7 is a temperature controller of the semiconductor laser, 8 is a current controller of the semiconductor laser, 9 is an oscillator for current-modulating the semiconductor laser, 10 is an analog / digital output signal of the lock-in amplifier 6. A / D converter for conversion, 11 is a light intensity controller for controlling light intensity, 12 is an optical element for varying transmitted light intensity, 17 is a natural abundance ratio of isotopes, and absorption coefficients of trace isotopes and macro isotopes are stored. The storage unit 18 for storing signals is a signal for instructing measurement of a trace isotope and a macro isotope.

【0018】半導体レーザ1は、半導体レーザ1の温度
または駆動電流を掃引することにより容易に波長可変光
源となる。半導体レーザ1は温度制御部7により存在比
の低い同位体(以下単に微量同位体と呼ぶ)の吸収スペ
クトルと存在比の高い同位体(以下単に多量同位体と呼
ぶ)の吸収スペクトル近辺を掃引するように温度掃引さ
れる。また、電流制御部8により適当な光出力となるよ
うに半導体レーザ1の駆動電流は制御されている。さら
に、発振器9の信号により電流変調され僅かに周波数変
調がかけられている。
The semiconductor laser 1 becomes a variable wavelength light source easily by sweeping the temperature or driving current of the semiconductor laser 1. The semiconductor laser 1 sweeps around the absorption spectrum of an isotope having a low abundance ratio (hereinafter simply referred to as a trace isotope) and the absorption spectrum of an isotope having a high abundance ratio (hereinafter simply referred to as a major isotope) by the temperature control unit 7. So that the temperature is swept. Further, the drive current of the semiconductor laser 1 is controlled by the current control unit 8 so that an appropriate light output is obtained. Further, it is current-modulated by the signal of the oscillator 9 and slightly frequency-modulated.

【0019】このように波長掃引および周波数変調され
た半導体レーザ1からのレーザ光は光学素子12を通っ
て試料セル2に入射される。試料セル2に入射されたレ
ーザ光はセル内の同位体と相互作用して吸収され、光検
出器5で検出される。光検出器5で検出された信号はロ
ックイン増幅器6で発振器9と同期の取れた信号のみが
検出され、その結果、半導体レーザ1の光強度のドリフ
トが除去できS/N比の良い信号が検出できる。ロック
イン増幅器6の出力信号をAD変換回路10にてデジタ
ル値に変換した後にコンピュータに送られる。
The laser light from the semiconductor laser 1 thus wavelength-swept and frequency-modulated is incident on the sample cell 2 through the optical element 12. The laser light incident on the sample cell 2 interacts with the isotope in the cell, is absorbed, and is detected by the photodetector 5. Of the signals detected by the photodetector 5, only the signal synchronized with the oscillator 9 is detected by the lock-in amplifier 6, and as a result, the drift of the light intensity of the semiconductor laser 1 can be eliminated and a signal with a good S / N ratio can be obtained. Can be detected. The output signal of the lock-in amplifier 6 is converted into a digital value by the AD conversion circuit 10 and then sent to the computer.

【0020】一方、光強度制御器11に記憶部17より
測定同位体の天然存在比、および微量同位体、多量同位
体の吸収係数が入力され、天然存在比における微量同位
体、多量同位体の吸収量が求められる。吸収量ΔIは吸
収が弱い場合は(1)式で近似できる。
On the other hand, the natural abundance ratios of the measured isotopes and the absorption coefficients of the trace isotopes and the major isotopes are input to the light intensity controller 11 from the storage unit 17, and the trace isotopes and the major isotopes of the natural abundance ratios are calculated. The amount of absorption is required. The absorption amount ΔI can be approximated by the equation (1) when the absorption is weak.

【0021】 ΔI=I0 ・α・L・P (1) ここで、I0 は入射光強度、αは同位体の吸収係数、L
は試料セル2の光路長、Pは試料セル2内のガス圧力を
示す。ここでは試料セル内のガス圧力は一定であり、各
同位体の分圧力、すなわち天然存在比をPとする。光強
度制御器11は求めた各吸収量が同程度となるようにI
0 の比を決める。
ΔI = I 0 · α · L · P (1) where I 0 is the incident light intensity, α is the absorption coefficient of the isotope, L
Is the optical path length of the sample cell 2, and P is the gas pressure in the sample cell 2. Here, the gas pressure in the sample cell is constant, and the partial pressure of each isotope, that is, the natural abundance ratio is P. The light intensity controller 11 adjusts the I
Determine the ratio of 0 .

【0022】次に、光強度制御器11は入力した微量同
位体・多量同位体測定信号18にしたがって入射強度が
求めたI0 の比となるように透過光強度可変光学素子1
2を制御し入射強度を変化させる。
Next, the light intensity controller 11 controls the transmitted light intensity variable optical element 1 so that the incident intensity becomes a ratio of I 0 determined according to the input trace isotope / major isotope measurement signal 18.
2 is controlled to change the incident intensity.

【0023】ここでは透過光強度可変光学素子12を用
いたが電流制御部8の電流を制御して光強度を変えても
よい。
Although the transmitted light intensity variable optical element 12 is used here, the light intensity may be changed by controlling the current of the current controller 8.

【0024】上記実施例によれば、スペクトル幅の非常
に狭い半導体レーザ1を波長可変光源とし、同位体相互
干渉せず、水のスペクトルの影響を受けないで光吸収ス
ペクトルをロックイン増幅器6を用いて測定し、光強度
制御器により多量同位体と微量同位体のスペクトルの光
吸収量を同程度としているので高精度かつ容易に同位体
比が測定でき、かつ低価格な装置となる。
According to the above embodiment, the semiconductor laser 1 having a very narrow spectral width is used as the wavelength variable light source, the mutual absorption of isotopes does not occur, and the optical absorption spectrum of the lock-in amplifier 6 is not affected by the spectrum of water. The isotope ratio can be measured with high accuracy and easily, and the apparatus is low-priced because the light absorption amount of the spectra of the major isotope and the trace isotope is made approximately the same by the light intensity controller.

【0025】次に、図2を用いて本発明の第2実施例を
説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0026】図2において、13は周波数変調の変調振
幅を制御する変調振幅制御器、14は電流制御部8にて
周波数変調する変調振幅の増幅器である。なお、図2に
おいて図1と同一の部分には同一の符号を付して重複説
明を省略する。
In FIG. 2, 13 is a modulation amplitude controller for controlling the modulation amplitude of frequency modulation, and 14 is an amplifier for modulation amplitude for frequency modulation in the current control section 8. In FIG. 2, the same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

【0027】変調振幅制御器13に記憶部17より測定
同位体の天然存在比、および微量同位体、多量同位体の
吸収係数を入力し、入射光強度I0 を一定で第1実施例
と同様にして天然存在比における微量同位体と多量同位
体の吸収量比を求める。この吸収量比よりロックイン増
幅器6で検出する微量同位体、多量同位体の吸収量が同
程度となるように周波数変調の変調振幅aを制御する。
The natural abundance ratio of measured isotopes and absorption coefficients of trace isotopes and major isotopes are input from the storage unit 17 to the modulation amplitude controller 13, and the incident light intensity I 0 is kept constant as in the first embodiment. Then, the absorption ratio of the trace isotope and the major isotope in the natural abundance ratio is obtained. Based on this absorption amount ratio, the modulation amplitude a of the frequency modulation is controlled so that the absorption amounts of the trace isotope and the macro isotope detected by the lock-in amplifier 6 become approximately the same.

【0028】論文:Second-Harmonic Detection with T
unable Diode Laser-Comparison ofExperiment and The
ory (Appl.Phys.B26 、203-210(1981))に記載されてい
るように、2f検出においては吸収スペクトルのピーク
値はa/Δν=2.2(Δν:吸収スペクトルの半値半
幅)で最大となり、a/Δνが小となるにしたがって小
さくなる。1f検出ではa/Δν=1で最大となり、a
/Δνが小となるにしたがって小さくなることが分か
る。
Paper: Second-Harmonic Detection with T
unable Diode Laser-Comparison of Experiment and The
As described in ory (Appl.Phys.B26, 203-210 (1981)), the peak value of the absorption spectrum in 2f detection is a / Δν = 2.2 (Δν: half-width at half maximum of absorption spectrum). It becomes maximum and becomes smaller as a / Δν becomes smaller. In 1f detection, it becomes maximum at a / Δν = 1,
It can be seen that the smaller / Δν, the smaller.

【0029】この関係をうまく利用して微量同位体と多
量同位体の吸収のピーク値が同一となるように変調振幅
aを制御する。その方法は2f検出ではY=(a/Δ
ν)/2.2、1f検出ではY=a/Δνと直線近似し
てaに依存した吸収スペクトルのピーク値の相対強度Y
を求め、先に求めた微量同位体と多量同位体の吸収量比
とこれらより多量同位体と微量同位体のピーク値が同一
となるようにaの値を決める。
By making good use of this relationship, the modulation amplitude a is controlled so that the absorption peak values of the trace isotope and the isotope are the same. The method is Y = (a / Δ for 2f detection.
ν) /2.2, if 1f detection, the relative intensity Y of the peak value of the absorption spectrum depending on a by linearly approximating Y = a / Δν
Is determined, and the value of a is determined so that the absorption ratio of the previously obtained trace isotope and the isotope of large amount is the same as the peak value of the isotope of large amount and that of the trace isotope.

【0030】次に、変調振幅制御器13は微量同位体・
多量同位体測定信号18にしたがって変調振幅aが上記
により求めた値となるように変調信号の増幅器14の増
幅率を制御する。
Next, the modulation amplitude controller 13 is a trace isotope
The amplification factor of the amplifier 14 for the modulation signal is controlled so that the modulation amplitude a becomes the value obtained by the above according to the abundance isotope measurement signal 18.

【0031】この第2実施例においても、前記第1実施
例と同様の効果がある。
The second embodiment has the same effect as that of the first embodiment.

【0032】[0032]

【発明の効果】以上説明したように、本発明はスペクト
ル幅の非常に狭い半導体レーザを波長可変光源とし、同
位体相互干渉せず、水のスペクトルの影響を受けないで
光吸収スペクトルをロックイン増幅器を用いて測定し、
光強度の制御、変調振幅の制御などにより多量同位体と
微量同位体のスペクトルの光吸収量を同程度としている
ので高精度かつ容易に同位体比が測定でき、かつ低価格
な装置となる。
As described above, according to the present invention, a semiconductor laser having a very narrow spectral width is used as a wavelength tunable light source, the isotope mutual interference does not occur, and the optical absorption spectrum is locked in without being affected by the spectrum of water. Measured with an amplifier,
By controlling the light intensity and the modulation amplitude, the amount of light absorption in the spectra of the major isotope and the trace isotope is set to be approximately the same, so that the isotope ratio can be measured with high accuracy and easily, and the device is inexpensive.

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

【図1】本発明に係る同位体分析装置の第1実施例を示
すブロック構成図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of an isotope analyzer according to the present invention.

【図2】本発明の第2実施例を示すブロック構成図であ
る。
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.

【図3】従来の同位体分析装置を示すブロック構成図で
ある。
FIG. 3 is a block diagram showing a conventional isotope analyzer.

【図4】従来のCO2 同位体分析装置によるCO2 の赤
外吸収スペクトル図である。
FIG. 4 is an infrared absorption spectrum diagram of CO 2 by a conventional CO 2 isotope analyzer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体レーザ 2 試料セル 3 試料ガス導入口 4 試料ガス排出口 5 光検出器 6 ロックイン増幅器 7 半導体レーザの温度制御部 8 半導体レーザの電流制御部 9 発振器 10 AD変換器 11 光強度制御器 12 透過光強度可変素子 13 変調振幅制御器 14 増幅器 17 記憶部 18 微量同位体・多量同位体測定信号 1 Semiconductor Laser 2 Sample Cell 3 Sample Gas Inlet 4 Sample Gas Outlet 5 Photodetector 6 Lock-in Amplifier 7 Semiconductor Laser Temperature Controller 8 Semiconductor Laser Current Controller 9 Oscillator 10 AD Converter 11 Light Intensity Controller 12 Transmitted light intensity variable element 13 Modulation amplitude controller 14 Amplifier 17 Storage section 18 Trace isotope / major isotope measurement signal

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体レーザの発振波長を掃引し、これ
により試料セル内の同位体ガスの光吸収スペクトルを測
定し、同位体の光吸収量より同位体の存在比を求める同
位体分析装置において、 微量同位体と多量同位体との吸収量のスペクトル測定時
に照射するそれぞれのレーザ光強度を、同位体の天然存
在比と微量同位体の吸収係数及び多量同位体の吸収係数
よりそれぞれ求め、微量同位体のスペクトル測定時と多
量同位体のスペクトル測定時のレーザ光強度を、微量同
位体と多量同位体との吸収量の差を実質的に同程度とす
るように、制御する光強度制御器を有することを特徴と
する同位体分析装置。
1. An isotope analyzer in which the oscillation wavelength of a semiconductor laser is swept, the optical absorption spectrum of the isotope gas in the sample cell is measured, and the abundance ratio of the isotope is determined from the optical absorption amount of the isotope. , The laser light intensities to be irradiated when measuring absorption spectra of trace isotopes and macro isotopes are obtained from the natural abundance ratio of isotopes, the absorption coefficient of trace isotopes, and the absorption coefficient of macro isotopes. A light intensity controller that controls the laser light intensity at the time of measuring the spectrum of the isotope and that at the time of measuring the spectrum of the major isotope so that the difference in absorption amount between the trace isotope and the major isotope is substantially the same. An isotope analysis device comprising:
【請求項2】 半導体レーザの発振波長を掃引し、これ
により試料セル内の同位体ガスの光吸収スペクトルを測
定する一方、前記半導体レーザの波長掃引と同時に前記
半導体レーザに周波数変調させ、同位体の光吸収スペク
トルをロックイン増幅器を用いて同期検波し、同位体の
光吸収量より同位体の存在比を求める同位体分析装置に
おいて、 微量同位体と多量同位体のスペクトル測定時に周波数変
調の変調振幅を同位体の天然存在比と微量同位体の吸収
係数及び多量同位体の吸収係数よりそれぞれ求め、微量
同位体のスペクトル測定時と多量同位体のスペクトル測
定時の変調振幅を、微量同位体と多量同位体の吸収量の
差を実質的に同程度とするように、制御する変調振幅制
御器を有することを特徴とする同位体分析装置。
2. The oscillation wavelength of the semiconductor laser is swept, and thereby the optical absorption spectrum of the isotope gas in the sample cell is measured, while the semiconductor laser is frequency-modulated at the same time as the wavelength sweep of the semiconductor laser. In the isotope analyzer that detects the optical absorption spectrum of the isotope by using a lock-in amplifier and obtains the abundance ratio of the isotope from the optical absorption amount of the isotope, the modulation of the frequency modulation when measuring the spectra of trace isotopes and abundant isotopes. The amplitude is calculated from the natural abundance ratio of isotopes, the absorption coefficient of trace isotopes, and the absorption coefficient of major isotopes, and the modulation amplitude at the time of measuring the spectra of the minor isotopes and the spectra of the major isotopes is calculated as the minor isotopes. An isotope analyzer having a modulation amplitude controller for controlling so that the difference in absorption amount of a large amount of isotopes is substantially the same.
【請求項3】 駆動電流により駆動する半導体レーザ
と、該半導体レーザの温度を制御する温度制御部と、前
記駆動電流を制御する電流制御部と、該電流制御部に出
力信号を出力することにより、前記半導体レーザに周波
数変調をかける発振器と、測定試料を収容するための試
料セルと、前記半導体レーザから前記試料セルを通って
入射するレーザ光を検出する光検出器と、該光検出器の
検出信号を入力する一方、前記発振器からの出力信号を
入力して同期のとれた信号のみを検出するロックイン増
幅器とを有する同位体分析装置において、 前記半導体レーザと前記試料セルとの間の光路上に設け
られた透過光強度可変光学素子と、 微量同位体と多量同位体との吸収量のスペクトル測定時
に照射するレーザ光強度を、同位体の天然存在比と微量
同位体の吸収係数及び多量同位体の吸収係数よりそれぞ
れ求め、微量同位体と多量同位体との吸収量の差を実質
的に同一になるように、前記透過光強度可変光学素子へ
制御信号を出力する光強度制御器とを有し、 微量同位体のスペクトル測定時と多量同位体のスペクト
ル測定時のレーザ光強度を制御することを特徴とする同
位体分析装置。
3. A semiconductor laser driven by a drive current, a temperature controller for controlling the temperature of the semiconductor laser, a current controller for controlling the drive current, and an output signal output to the current controller. An oscillator for frequency-modulating the semiconductor laser, a sample cell for accommodating a measurement sample, a photodetector for detecting laser light incident from the semiconductor laser through the sample cell, and a photodetector of the photodetector. While inputting a detection signal, in an isotope analysis device having a lock-in amplifier for inputting an output signal from the oscillator and detecting only a synchronized signal, the light between the semiconductor laser and the sample cell is detected. The transmitted light intensity variable optical element installed on the road and the laser light intensity irradiated at the time of the spectrum measurement of the absorption amount of the trace isotope and the isotope are set to the natural abundance ratio of the isotope. Obtained from the absorption coefficient of the isotope and the absorption coefficient of the high-volume isotope, respectively, a control signal to the transmitted light intensity variable optical element so that the difference in absorption amount between the trace isotope and the high-volume isotope becomes substantially the same. An isotope analyzer having a light intensity controller for outputting and controlling the laser light intensity during spectrum measurement of a trace isotope and spectrum measurement of a large amount of isotopes.
【請求項4】 半導体レーザと、該半導体レーザの温度
を制御する温度制御部と、前記半導体レーザの駆動電流
を制御する電流制御部と、該電流制御部へ出力信号を出
力することにより、前記半導体レーザに周波数変調をか
ける発振器と、測定試料を収容するための試料セルと、
前記半導体レーザから前記試料セルを通って出射するレ
ーザ光を検出する光検出器と、該光検出器の検出信号を
入力する一方、前記発振器からの信号を入力して同期の
とれた信号のみを検出するロックイン増幅器とを有する
同位体分析装置において、 前記発振器からの信号を増幅して前記電流制御部へ出力
する増幅器と、 微量同位体と多量同位体のスペクトル測定時に周波数変
調の変調振幅を、同位体の天然存在比と微量同位体の吸
収係数及び多量同位体の吸収係数よりそれぞれ求め、微
量同位体と多量同位体の吸収量との差を実質的に同一に
なるように、前記増幅器へ制御信号を出力する変調振幅
制御器とを有し、 微量同位体のスペクトル測定時と多量同位体のスペクト
ル測定時の変調振幅を制御することを特徴とする同位体
分析装置。
4. A semiconductor laser, a temperature control section for controlling the temperature of the semiconductor laser, a current control section for controlling a drive current of the semiconductor laser, and an output signal to the current control section to output the output signal. An oscillator for frequency-modulating a semiconductor laser, a sample cell for containing a measurement sample,
A photodetector that detects laser light emitted from the semiconductor laser through the sample cell, and a detection signal of the photodetector are input, while a signal from the oscillator is input to obtain only a synchronized signal. In an isotope analyzer having a lock-in amplifier for detecting, an amplifier that amplifies a signal from the oscillator and outputs the amplified signal to the current control unit, and a modulation amplitude of frequency modulation during spectrum measurement of a trace isotope and a large amount of isotope. , The natural abundance ratio of isotopes, the absorption coefficient of a trace isotope, and the absorption coefficient of a macro-isotope, respectively, so that the difference between the absorption amounts of the trace isotope and the macro-isotope becomes substantially the same. An isotope analysis device having a modulation amplitude controller for outputting a control signal to control the modulation amplitude at the time of spectrum measurement of a trace isotope and at the time of spectrum measurement of a large amount of isotopes.
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