JP2876267B2 - Carbon isotope analyzer - Google Patents

Carbon isotope analyzer

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JP2876267B2
JP2876267B2 JP14753492A JP14753492A JP2876267B2 JP 2876267 B2 JP2876267 B2 JP 2876267B2 JP 14753492 A JP14753492 A JP 14753492A JP 14753492 A JP14753492 A JP 14753492A JP 2876267 B2 JP2876267 B2 JP 2876267B2
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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、試料に光を照射し、そ
の光吸収スペクトルから13CO2 12CO2を分析する
炭素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 a carbon isotope analyzer for irradiating a sample with light and analyzing 13 CO 2 and 12 CO 2 from its light absorption spectrum.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭素(C)には、その質量数が12のも
の(12C)の他、質量数が13である安定同位体(以下
13C)や、14である放射性同位体等が存在する。
BACKGROUND OF THE INVENTION Carbon (C), the mass number other things 12 (12 C), stable isotope mass number is 13 (hereinafter
13 C), 14 radioisotopes, and the like.

【0003】これらの中で、13Cは、放射性同位体と違
い、放射線被爆がなく取扱いが容易である。その為、医
療分野に於いて、同位体比の変化をトレースすることに
より診断を行う等、その利用が積極的に研究されてい
る。
[0003] Among them, 13 C is different from radioisotopes and is easy to handle because it is not exposed to radiation. Therefore, in the medical field, its use is actively studied, for example, diagnosis is performed by tracing changes in the isotope ratio.

【0004】この様な分析を行う従来の炭素同位体分析
装置に、赤外域の光吸収スペクトルを利用したものがあ
る。一般に、炭素は赤外域の光と直接共鳴しないので、
二酸化炭素(CO2 )化され、二酸化炭素の同位体(12
CO2 13CO2 )のスペクトルを測定することによ
り、炭素同位体(12C、13C)の分析を行っている。
A conventional carbon isotope analyzer for performing such an analysis uses an infrared light absorption spectrum. In general, carbon does not directly resonate with light in the infrared,
It is converted to carbon dioxide (CO 2 ) and isotope of carbon dioxide ( 12
Carbon isotopes ( 12 C, 13 C) are analyzed by measuring the spectrum of CO 2 , 13 CO 2 ).

【0005】従来、12CO2 13CO2 の光吸収スペク
トルを測定し、炭素同位体の分析を行う際、分散型の分
光計が使用されてきた。この分光計の構成を図3に示
す。
Conventionally, a dispersion type spectrometer has been used when measuring the light absorption spectra of 12 CO 2 and 13 CO 2 and analyzing carbon isotopes. FIG. 3 shows the configuration of this spectrometer.

【0006】図3において、その発光スペクトル域が赤
外であり、スペクトル幅の広いランプ1をでた光は、試
料セル2に導入される。そこで、光は、試料セル2の内
部の試料と相互作用し、共鳴吸収される。試料セル2よ
りでた光は、スリット3a、ミラー4を経て、回折格子
5へ入射し、分光される。
In FIG. 3, the emission spectrum is infrared, and light emitted from a lamp 1 having a wide spectrum width is introduced into a sample cell 2. Then, the light interacts with the sample inside the sample cell 2 and is resonantly absorbed. The light from the sample cell 2 enters the diffraction grating 5 via the slit 3a and the mirror 4, and is separated.

【0007】このとき、回折格子5の角度を連続的に変
え、回折格子5からの光をスリット3bを通して検知す
ることにより、連続的な波長変化に対する光の強度変化
を検出器6aで測定する。この様にして、試料の光吸収
スペクトルを測定する。また、回折格子5と検出器6a
の間のスリット3bの幅を変えることにより、この装置
のスペクトル分解能を変えることができる。
At this time, by continuously changing the angle of the diffraction grating 5 and detecting light from the diffraction grating 5 through the slit 3b, a change in light intensity with respect to a continuous wavelength change is measured by the detector 6a. In this way, the light absorption spectrum of the sample is measured. Further, the diffraction grating 5 and the detector 6a
By changing the width of the slit 3b between the two, the spectral resolution of this device can be changed.

【0008】上述した従来の炭素同位体分析装置の分解
能の限界は、使用している回折格子の溝の本数とスリッ
トの幅とにより決まる。
The limit of the resolution of the above-mentioned conventional carbon isotope analyzer is determined by the number of grooves and the width of the slit of the diffraction grating used.

【0009】測定対象となる、二酸化炭素12CO2 13
CO2 とは、質量差の違いにより各々の光吸収スペクト
ルの周波数が異なる為、その光吸収強度比を求めること
により同位体比の変化をトレースすることができる。
[0009] Carbon dioxide 12 CO 2 and 13 to be measured
Since the frequency of each light absorption spectrum is different from that of CO 2 due to the difference in mass difference, the change in the isotope ratio can be traced by obtaining the light absorption intensity ratio.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところで、12CO2
13CO2 との光吸収スペクトルの微細構造(振動・回転
スペクトル)は、接近しており、一部重なりあってい
る。また、自然の状態では13CO2 は、12CO2 の1/
100程度しか存在しておらず、光吸収強度は、12CO
2 の1/100程度である。
[Problems to be Solved by the Invention] By the way, 12 CO 2 and
The fine structure (vibration / rotation spectrum) of the light absorption spectrum with 13 CO 2 is close and partially overlaps. In the natural state, 13 CO 2 is 1/12 of 12 CO 2
There are only about 100, and the light absorption intensity is 12 CO
It is about 1/100 of 2 .

【0011】更に、各微細構造のスペクトルは、大気中
に於いて、半値全幅で、0.1cm-1程度のスペクトル
幅を持っている。この様なスペクトルに対し、上記の分
散型分光計のスペクトル分解能は、1cm-1程度と低い
為、上記分散型分光計によってCO2 の同位体の光吸収
スペクトルを測定した結果は、12CO2 13CO2 との
両方のスペクトルが重なり、微弱な13CO2 のスペクト
ルの分離は簡単ではない。この様な測定結果は、2つの
スペクトルの間でお互いに影響を及ぼし合う。また、上
記の様に存在比が大きく異なる為、濃度の変化に対する
吸収強度の変化が、12CO2 13CO2 とでは、異な
る。即ち、13CO2 は、ほぼリニアな変化をするのに対
し、12CO2 は、対数的な変化をする。従って、測定結
果そのままでは、12CO2 13CO2 との比のトレース
が正確に行えない。
Further, the spectrum of each fine structure has a full width at half maximum of about 0.1 cm -1 in the atmosphere. To such spectra, the spectral resolution of the dispersive spectrometer described above, 1 cm -1 degree and for a low, a result of measuring the light absorption spectrum of isotopes of CO 2 by the dispersive spectrometer, 12 CO 2 Separation of the faint 13 CO 2 spectrum is not straightforward, as both the spectra of the 13 CO 2 and 13 CO 2 overlap. Such measurement results affect each other between the two spectra. In addition, since the abundance ratio is largely different as described above, the change of the absorption intensity with respect to the change of the concentration is different between 12 CO 2 and 13 CO 2 . That is, 13 CO 2 changes almost linearly, while 12 CO 2 changes logarithmically. Therefore, the trace of the ratio of 12 CO 2 to 13 CO 2 cannot be accurately traced without any measurement result.

【0012】この様な測定結果に対し、分析の際、計算
による補正を行うが、精度良い同位体比の変化の測定に
は限度がある。また、試料中に含まれる不純物や、光路
上に存在する吸収強度の強い水分(H2 O)などの光吸
収スペクトルの影響も、上述の様にスペクトル分解能が
低い為、無視できない。更に、極微量の同位体の変化を
検出する際には、感度を上げる為、スリット3bの幅を
広げる必要がある。これは、分解能の更なる低下を招
く。
Although such a measurement result is corrected by calculation at the time of analysis, accurate measurement of a change in isotope ratio is limited. Further, the influence of the light absorption spectrum such as impurities contained in the sample and water (H 2 O) having a high absorption intensity existing on the optical path cannot be ignored because the spectral resolution is low as described above. Further, when detecting a very small amount of isotope change, it is necessary to increase the width of the slit 3b in order to increase the sensitivity. This leads to a further decrease in resolution.

【0013】すなわち、従来の分散型分光計による炭素
同位体の測定には、装置の分解能、及び、この装置で測
定可能である光吸収スペクトルの組み合わせに起因す
る、以上の様な問題点があった。
That is, the measurement of carbon isotopes by the conventional dispersive spectrometer has the above-mentioned problems due to the resolution of the apparatus and the combination of light absorption spectra that can be measured by this apparatus. Was.

【0014】そこで、本発明の技術的課題は、上記欠点
に鑑み、光吸収スペクトルから炭素同位体を高精度に分
析する炭素同位体分析装置を提供することである。
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a carbon isotope analyzer for analyzing carbon isotopes with high accuracy from an optical absorption spectrum in view of the above-mentioned drawbacks.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、光吸収
スペクトルより13CO2 12CO2 を分析する炭素同位
体分析装置において、発振波長が2μm近辺であり波長
可変である半導体レーザ励起Tm:YAG固体レーザ
と、波長選択素子を有しこの波長選択素子を制御して前
記固体レーザの発振波長を掃引する波長掃引手段と、ア
ウトプットミラーとこのアウトプットミラーに取り付け
られた圧電素子とを有し前記固体レーザの周波数を変調
させる周波数変調手段と、前記波長掃引手段により波長
掃引されかつ前記周波数変調手段により周波数変調され
た前記固体レーザの出力光が試料セル内に導入された状
態において、この試料セル内の光吸収特性を検出するロ
ックイン増幅器とを、有し、13CO2 の検出に、波数4
877.57±0.20cm-1のときの光吸収スぺクト
ルを求め、12CO2 の検出に、波数4878.29±
0.20cm-1のときの光吸収スペクトルを求め、前記
両光吸収スペクトルの強度比に基づいて、13CO2 12
CO2 を検出することを特徴とする炭素同位体分析装置
が得られる。
According to the present invention, in a carbon isotope analyzer for analyzing 13 CO 2 and 12 CO 2 from an optical absorption spectrum, a semiconductor laser pump having an oscillation wavelength near 2 μm and a variable wavelength is provided. A Tm: YAG solid-state laser, wavelength sweeping means having a wavelength selection element, controlling the wavelength selection element to sweep the oscillation wavelength of the solid-state laser, an output mirror, and a piezoelectric element attached to the output mirror. Frequency modulating means for modulating the frequency of the solid-state laser, and in a state where the output light of the solid-state laser that has been wavelength-swept by the wavelength sweeping means and frequency-modulated by the frequency modulating means has been introduced into the sample cell. and a lock-in amplifier to detect the light absorption characteristics in the sample cell, have, for the detection of 13 CO 2, the wave number 4
The light absorption spectrum at 877.57 ± 0.20 cm −1 was determined, and the wave number 4878.29 ± was used to detect 12 CO 2.
The light absorption spectrum at 0.20 cm -1 was obtained, and based on the intensity ratio between the two light absorption spectra, 13 CO 2 and 12 CO 2
A carbon isotope analyzer characterized by detecting CO 2 is obtained.

【0016】また、本発明によれば、前記炭素同位体分
析装置において、13CO2 および12CO2 の検出に、波
数4877.57±0.20cm-1および波数487
8.29±0.20cm-1のときの光吸収スペクトルを
それぞれ求める代りに、13CO2 および12CO2 の検出
に、波数5007.36±0.20cm-1および波数5
007.79±0.20cm-1のときの光吸収スペクト
ル、或いは波数4978.02±0.20cm-1および
波数4978.61±0.20cm-1のときの光吸収ス
ペクトル、或いは波数4978.02±0.20cm-1
および波数4976.27±0.20cm-1のときの光
吸収スペクトル、或いは波数4879.28±0.20
cm-1および波数4879.54±0.20cm-1のと
きの光吸収スペクトルを、それぞれ求めることを特徴と
する炭素同位体分析装置が得られる。
Further, according to the present invention, in the above-mentioned carbon isotope analyzer, the detection of 13 CO 2 and 12 CO 2 is carried out with a wave number of 4877.57 ± 0.20 cm −1 and a wave number of 487.
Instead of obtaining the light absorption spectrum at 8.29 ± 0.20 cm −1 , the detection of 13 CO 2 and 12 CO 2 was carried out using the wave number 5007.36 ± 0.20 cm −1 and the wave number 5.
Light absorption spectrum when the 007.79 ± 0.20cm -1, or an optical absorption spectrum when the wavenumber 4978.02 ± 0.20 cm -1 and a wavenumber of 4978.61 ± 0.20cm -1, or wavenumber 4978.02 ± 0.20cm -1
And the light absorption spectrum at a wave number of 4976.27 ± 0.20 cm −1 or a wave number of 4879.28 ± 0.20
The optical absorption spectrum when the cm -1 and a wavenumber of 4879.54 ± 0.20cm -1, carbon isotope analyzer and obtaining respectively obtained.

【0017】[0017]

【0018】すなわち、本発明は、発振スペクトル幅が
非常に狭く、発振波長が広範囲に可変であり、CO2
吸収強度の強い2μmの波長帯で発振する、半導体レー
ザ励起Tm:YAG固体レーザを分光用光源とする。
That is, the present invention provides a semiconductor laser-pumped Tm: YAG solid-state laser which has a very narrow oscillation spectrum width, a widely variable oscillation wavelength, and oscillates in a wavelength band of 2 μm in which the absorption intensity of CO 2 is strong. A light source for spectroscopy.

【0019】これを試料に照射し、この透過光を測定す
ることにより、12CO2 13CO2との相互の影響や、
2 Oの影響を受けず、高分解能に光吸収スペクトルを
測定し、炭素同位体の変化を高精度・高感度に測定する
ものである。
By irradiating this with a sample and measuring the transmitted light, the mutual influence between 12 CO 2 and 13 CO 2 and
The method is to measure the light absorption spectrum with high resolution without being affected by H 2 O, and to measure the change of the carbon isotope with high accuracy and high sensitivity.

【0020】高出力の半導体レーザの普及により、半導
体レーザ励起による固体レーザの研究・開発が急速に広
がっている。これに伴い、従来のランプ励起では、発振
しなかった発振線や液体窒素等の冷却を必要とした発振
線を、ペルチェ素子で冷却可能な温度や室温で、発振を
実現させることに成功している。これらは、励起源とし
て、半導体レーザを用いているので、低消費電力で効率
が良く、小形軽量である、長寿命、高信頼性である、な
どの多くの利点を持つ。
With the spread of high-power semiconductor lasers, research and development of solid-state lasers excited by semiconductor lasers have been rapidly expanding. Along with this, we succeeded in realizing oscillation at a temperature or room temperature at which Peltier elements can cool oscillation lines that did not oscillate or oscillation lines that required cooling of liquid nitrogen etc. with conventional lamp excitation. I have. Since these use a semiconductor laser as an excitation source, they have many advantages such as low power consumption, high efficiency, small size and light weight, long life and high reliability.

【0021】この様な半導体レーザ励起により発振が容
易となった固体レーザの中に、2μm帯レーザがある。
Among solid-state lasers whose oscillation has been facilitated by such semiconductor laser excitation, there is a 2 μm band laser.

【0022】半導体レーザ励起Tm:YAG固体レーザ
とは、固体レーザの母体結晶であるYAGに、Tm3+
オンをドープしたTm:YAGを用い、励起光源とし
て、発振波長785nmの高出力半導体レーザを使用し
たものである。
The semiconductor laser-pumped Tm: YAG solid-state laser is a high-power semiconductor laser having an oscillation wavelength of 785 nm as a pumping light source using Tm: YAG obtained by doping Tm 3+ ions into YAG, which is a host crystal of the solid-state laser. Used.

【0023】半導体レーザ励起Tm:YAG固体レーザ
は、2.02μm(4950cm-1)を中心に、1.8
7〜2.16μm(5350〜4630cm-1)の範囲
で波長可変であるレーザである。
The semiconductor laser-pumped Tm: YAG solid-state laser has a center of 2.02 μm (4950 cm −1 ) and is 1.8.
It is a laser whose wavelength is variable within a range of 7 to 2.16 μm (5350 to 4630 cm −1 ).

【0024】固体レーザの発振スペクトル幅は、3×1
-6cm-1〜3×10-4cm-1であり、分散型分光計に
比べ、遥かに狭い。
The oscillation spectrum width of the solid-state laser is 3 × 1
It is 0 -6 cm -1 to 3 × 10 -4 cm -1, which is much narrower than a dispersion type spectrometer.

【0025】また、Tm:YAG固体レーザは、発振波
長が、CO2 の吸収強度の強い2μm帯(3000〜5
000cm-1)であるので、CO2 の振動・回転の各ス
ペクトルを高密度に測定可能である。
The Tm: YAG solid-state laser has an oscillation wavelength in the 2 μm band (3000 to 5) where CO 2 absorption is strong.
000 cm -1 ), so that each spectrum of vibration and rotation of CO 2 can be measured at high density.

【0026】しかし、同位体比の測定に際し不適切なス
ペクトルがあり、同位体比の測定に適した12CO2 13
CO2 との光吸収スペクトルの組み合わせが必要とな
る。その条件は、以下の様になる。
However, there is an unsuitable spectrum for the measurement of the isotope ratio, and 12 CO 2 and 13
A combination of a light absorption spectrum with CO 2 is required. The conditions are as follows.

【0027】前述の様に、13CO2 の光吸収スペクトル
の吸収強度は、12CO2 の吸収強度の1/100程度と
なる。従って、12CO2 のスペクトルの影響を受けない
様、吸収強度の強い13CO2 のスペクトルと、それに対
して、吸収強度の弱い12CO2 のスペクトルを選択し、
その組み合わせに於いて測定することが望ましい。
As described above, the absorption intensity of the light absorption spectrum of 13 CO 2 is about 1/100 of the absorption intensity of 12 CO 2 . Therefore, in order not to be affected by the spectrum of 12 CO 2, a spectrum of 13 CO 2 having a strong absorption intensity and a spectrum of 12 CO 2 having a weak absorption intensity are selected,
It is desirable to measure in that combination.

【0028】かつ、同位体比が正確にトレースできる
様、天然存在比に於ける12CO2 13CO2 との各々の
光吸収スペクトルの強度は、ほぼ等しい。
In order to accurately trace the isotope ratio, the intensity of the light absorption spectrum of each of 12 CO 2 and 13 CO 2 in the natural abundance ratio is almost equal.

【0029】目的とする、12CO2 13CO2 との振動
・回転スペクトルの他に、微弱な振動・回転スペクトル
が多く存在する。これらの影響を受けない。
In addition to the intended vibration and rotation spectra of 12 CO 2 and 13 CO 2 , there are many weak vibration and rotation spectra. Unaffected by these.

【0030】12CO2 13CO2 との光吸収スペクトル
の同一条件下の測定、同時測定が望まれる。従って、両
スペクトルは、相互に影響を及ぼさない程度に極力近接
している。
It is desired to measure and simultaneously measure the light absorption spectra of 12 CO 2 and 13 CO 2 under the same conditions. Therefore, both spectra are as close as possible without affecting each other.

【0031】試料ガス中に含まれる吸収強度の強い不純
物、特にH2 Oの光吸収スペクトルの影響を受けない。
It is not affected by the light absorption spectrum of impurities having a high absorption intensity, particularly H 2 O, contained in the sample gas.

【0032】以上の条件を満たす、即ち、同位体比の測
定に適した12CO2 13CO2 との光吸収スペクトルの
組み合わせの内、上記Tm:YAG固体レーザにより掃
引可能である範囲にあるものとして、13CO2 の487
7.57±0.20cm-112CO2 の4878.29
±0.20cm-1をペアとする組み合わせ、及び、表1
に示す組み合わせがあることが分かった。
The combination of the light absorption spectra of 12 CO 2 and 13 CO 2 suitable for the measurement of the isotope ratio, which satisfies the above conditions, is in a range that can be swept by the Tm: YAG solid-state laser. 487 of 13 CO 2
4878.29 for 7.57 ± 0.20 cm −1 and 12 CO 2
± 0.20 cm -1 pairs and Table 1
It was found that there is a combination shown in FIG.

【0033】これらのスペクトルの組み合わせを測定に
使用し、前記固体レーザを分光用光源として用いれば、
高精度かつ容易に、13CO2 12CO2 の比の測定が実
現できる。
If a combination of these spectra is used for measurement and the solid-state laser is used as a light source for spectroscopy,
The measurement of the ratio of 13 CO 2 to 12 CO 2 can be realized with high accuracy and easily.

【0034】[0034]

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0035】図1に、本発明の光源となる半導体レーザ
励起Tm:YAG固体レーザ(後述する図2の13)の
実施例の1つを概略で示す。7は、高出力半導体レーザ
であり、高出力半導体レーザ7は、その温度制御により
発振波長をTm:YAGの吸収波長である785nmに
合わせてある。同時に、駆動電流も制御されており、そ
の結果、半導体レーザ7の光出力は、一定に制御され
る。8は、半導体レーザの発振光をレーザ共振器に結合
させる光学系である。9は、Tm:YAGロッドであ
り、半導体レーザ側の端面aは、励起波長785nmに
対し透過率が高く、発振波長に対しては、HRのコーテ
ィングがなされている。また、レーザ共振器側の端面b
は、発振波長に対してARコーティングがなされてい
る。ロッド9の端面bを発振波長に対するブリュスタ角
にしても良い。この場合は、端面bにコーティングは必
要ない。10は、波長選択素子であり、複屈折フィルタ
の組み合わせ、エタロン等である。11はレーザ共振器
のアウトプットミラー、12はアウトプットミラーに取
り付けられた圧電素子を各々、示す。
FIG. 1 schematically shows one embodiment of a semiconductor laser-pumped Tm: YAG solid-state laser (13 in FIG. 2 described later) serving as a light source of the present invention. Reference numeral 7 denotes a high-output semiconductor laser. The high-output semiconductor laser 7 has its oscillation wavelength adjusted to 785 nm, which is the absorption wavelength of Tm: YAG, by controlling its temperature. At the same time, the drive current is also controlled, and as a result, the optical output of the semiconductor laser 7 is controlled to be constant. Reference numeral 8 denotes an optical system for coupling the oscillation light of the semiconductor laser to the laser resonator. Reference numeral 9 denotes a Tm: YAG rod. The end face a on the semiconductor laser side has a high transmittance for an excitation wavelength of 785 nm, and is coated with an HR for an oscillation wavelength. Further, the end face b on the laser resonator side
Have an AR coating for the oscillation wavelength. The end face b of the rod 9 may have a Brewster angle with respect to the oscillation wavelength. In this case, no coating is needed on end face b. Reference numeral 10 denotes a wavelength selection element, which is a combination of birefringent filters, an etalon, and the like. Reference numeral 11 denotes an output mirror of the laser resonator, and reference numeral 12 denotes a piezoelectric element attached to the output mirror.

【0036】ここで、Tm:YAGロッド9の端面aと
アウトプットミラー11とにより、レーザ共振器が形成
される。
Here, a laser resonator is formed by the end face a of the Tm: YAG rod 9 and the output mirror 11.

【0037】高出力半導体レーザ7から出力された励起
光は、光学系8により、このレーザ共振器の発振の基本
モードに合う様に結合される。その結果、高効率でT
m:YAGロッド9は励起され、前記共振器によりレー
ザ発振し、その発振光は、アウトプットミラー11より
取り出される。レーザ共振器中に挿入された波長選択素
子10により、その発振波長を1.87〜2.16μm
の間で、任意の波長に選択、及び、掃引を行う事ができ
る。適切な素子を選択し、挿入することによりレーザ発
振光のスペクトル線幅の制御も行える。
The pump light output from the high-power semiconductor laser 7 is coupled by the optical system 8 so as to match the fundamental mode of oscillation of the laser resonator. As a result, T
The m: YAG rod 9 is excited and laser-oscillates by the resonator, and the oscillation light is extracted from the output mirror 11. The oscillation wavelength is set to 1.87 to 2.16 μm by the wavelength selection element 10 inserted in the laser resonator.
In between, a desired wavelength can be selected and a sweep can be performed. By selecting and inserting an appropriate element, the spectral line width of the laser oscillation light can be controlled.

【0038】励起パワー、即ち、高出力半導体レーザ7
の光出力は、上記の様に一定に制御されている為、発振
光の光出力は、ある波長に制御されているときは、一定
に制御される。
Excitation power, ie, high power semiconductor laser 7
Is controlled to be constant as described above, so that the optical output of the oscillation light is controlled to be constant when it is controlled to a certain wavelength.

【0039】また、アウトプットミラー11についた圧
電素子12に、適当なバイアス電圧と変調電圧を加える
ことにより、レーザ共振器長を微少に変化させ、発振周
波数に変調をかけることができる。
Further, by applying an appropriate bias voltage and an appropriate modulation voltage to the piezoelectric element 12 attached to the output mirror 11, the laser resonator length can be slightly changed, and the oscillation frequency can be modulated.

【0040】図2に、上記の半導体レーザ励起Tm:Y
AG固体レーザを用いた本発明の一実施例を示す。
FIG. 2 shows the above-described semiconductor laser excitation Tm: Y
1 shows an embodiment of the present invention using an AG solid-state laser.

【0041】13は、上記の半導体レーザ励起Tm:Y
AG固体レーザ、2は、試料セル、6bは、光検出器で
ある。14は、固体レーザ13の発振光に周波数変調を
かける際、使用する発振器であり、15は、図1に示し
た圧電素子12を制御する圧電素子制御部、16は、E
O(Electro−Optic)モジュレータ、17
は、ロックインアンプである。
Reference numeral 13 denotes the semiconductor laser excitation Tm: Y
An AG solid-state laser, 2 is a sample cell, and 6b is a photodetector. Reference numeral 14 denotes an oscillator used when frequency-modulating the oscillation light of the solid-state laser 13, reference numeral 15 denotes a piezoelectric element control unit that controls the piezoelectric element 12 shown in FIG.
O (Electro-Optic) modulator, 17
Is a lock-in amplifier.

【0042】いま、固体レーザ13は、その発振周波数
が前記の13CO2 12CO2 のスペクトルの組み合わ
せ、即ち、13CO2 の4877.57±0.20cm-1
12CO2 の4878.29±0.20cm-1との両ス
ペクトルをカバーする範囲を掃引する様に制御される。
これは、波長選択素子10によって行われる。このと
き、両スペクトルの間の不必要な部分を飛ばしても良
く、両スペクトルの間全てを連続して掃引する必要はな
い。発振器14からの変調信号は、圧電素子制御部15
により増幅され、バイアス電圧と共に、固体レーザ13
の圧電素子12に印加される。
Now, the solid-state laser 13 has an oscillation frequency of the combination of the above-mentioned 13 CO 2 and 12 CO 2 spectra, ie, 4877.57 ± 0.20 cm −1 of 13 CO 2.
It is controlled so as to sweep the range covering both the spectra of 12 CO 2 and 4878.29 ± 0.20 cm −1 .
This is performed by the wavelength selection element 10. At this time, unnecessary portions between the two spectra may be skipped, and it is not necessary to continuously sweep all the portions between the two spectra. The modulation signal from the oscillator 14 is transmitted to the piezoelectric element control unit 15
Is amplified by the solid-state laser 13 together with the bias voltage.
Is applied to the piezoelectric element 12.

【0043】この様にして、固体レーザ13の発振スペ
クトルに変調が加えられる。また、圧電素子12を用い
ずに、図中の点線で示したEOモジュレータ16を使用
し、上記信号をこれに加えることにより、発振スペクト
ルに変調を加えてもよい。なお、EOモジュレータ16
は、固体レーザ13の外部に設置する他に、レーザ共振
器の内部、即ち、図1に於いて、ロッド9とアウトプッ
トミラー11との間に設置する事も可能である。
Thus, the oscillation spectrum of the solid-state laser 13 is modulated. Alternatively, the oscillation spectrum may be modulated by using the EO modulator 16 shown by a dotted line in the figure without using the piezoelectric element 12 and adding the above signal to the EO modulator 16. The EO modulator 16
Can be installed inside the laser resonator, that is, between the rod 9 and the output mirror 11 in FIG.

【0044】この様にして、周波数変調され、波長掃引
された固体レーザ13からの出力光は、試料セル2に導
入される。試料セル2には、CO2 の光吸収スペクトル
の微細構造が分離できる程度の圧力で、試料が入れられ
ている。そのセル内に導入されたレーザ光は、レーザ光
の波長が上記波数であるとき、内部の試料、即ち、CO
2 と相互作用し、共鳴吸収が起きる。試料セル2を出た
光は、光検出器6bにより検出され、ロックインアンプ
17により、発振器14と同期のとれた信号のみが検出
される。
The output light from the solid-state laser 13 that has been frequency-modulated and wavelength-swept as described above is introduced into the sample cell 2. The sample is placed in the sample cell 2 at such a pressure that the fine structure of the light absorption spectrum of CO 2 can be separated. When the wavelength of the laser light is the above-mentioned wave number, the laser light introduced into the cell has an internal sample, ie, CO 2
Interacts with 2 and resonance absorption occurs. Light exiting the sample cell 2 is detected by the photodetector 6b, and only signals synchronized with the oscillator 14 are detected by the lock-in amplifier 17.

【0045】この様に同期検波を行う結果、波長掃引時
の光出力の変動や、固体レーザ特有のノイズなどが除去
でき、S/N比の良い信号が検出できる。検出器6bか
らの信号はロックインアンプ17により、必要に応じ、
光吸収スペクトルの形状の1次微分、2次微分の形とし
て求める。得られた12CO2 13CO2 とのそれぞれの
光吸収スペクトル信号のピークの値、または形状の面積
を求め、その比より12CO2 13CO2 との吸収強度の
比を得る事により、同位体比が得られる。
As a result of performing the synchronous detection in this manner, fluctuations in optical output during wavelength sweeping, noise peculiar to a solid-state laser, and the like can be removed, and a signal having a good S / N ratio can be detected. The signal from the detector 6b is supplied by the lock-in amplifier 17 as required.
It is obtained as a form of first derivative and second derivative of the shape of the light absorption spectrum. The resulting 12 CO 2 and 13 peak values of each of the light absorption spectrum signal with CO 2, or the shape and measuring the area, by obtaining a ratio of the absorption intensity than the ratio 12 CO 2 and 13 CO 2 , Isotope ratio.

【0046】以上の様に、CO2 の光吸収強度の強い波
長帯で、12CO2 13CO2 との吸収強度のバランスが
良く、他の不純物の影響を受けない光吸収スペクトルの
組み合わせを選択し、かつ、その組み合わせは、お互い
が適度に離れている為、測定の対象として最適である。
更に、このスペクトルの組み合わせの測定用として、こ
の波長帯で波長可変である半導体レーザ励起固体レーザ
を用いているので、装置が小形軽量可能であり、同位体
比を高精度かつ高感度に測定する事ができ、信頼性の高
い炭素同位体分析装置が実現できる。
[0046] As described above, with a strong waveband of light absorption intensity of CO 2, well-balanced in absorption intensity of 12 CO 2 and 13 CO 2, the combination of the light absorption spectrum that is not affected by other impurities The selections and the combinations are appropriately separated from each other, and thus are optimal as the measurement targets.
Further, since a semiconductor laser-excited solid-state laser that is tunable in this wavelength band is used for measuring this spectrum combination, the device can be small and lightweight, and the isotope ratio can be measured with high accuracy and high sensitivity. And a highly reliable carbon isotope analyzer can be realized.

【0047】上記実施例に於いては、13CO2 および12
CO2 の検出に、4877.57±0.20cm-1およ
び4878.29±0.20cm-1のときの光吸収スペ
クトルをそれぞれ用いているが、13CO2 および12CO
2 の検出に、波数5007.36±0.20cm-1およ
び波数5007.79±0.20cm-1のときの光吸収
スペクトル、或いは波数4978.02±0.20cm
-1および波数4978.61±0.20cm-1のときの
光吸収スペクトル、或いは波数4978.02±0.2
0cm-1および波数4976.27±0.20cm-1
ときの光吸収スペクトル、或いは波数4879.28±
0.20cm-1および波数4879.54±0.20c
-1のときの光吸収スペクトルを、それぞれ測定対象と
して同位体比の測定を行っても良い。
In the above example, 13 CO 2 and 12 CO 2
The detection of CO 2, is used each light absorption spectrum when the 4877.57 ± 0.20 cm -1 and 4878.29 ± 0.20cm -1, 13 CO 2 and 12 CO
2 , the light absorption spectrum at the wave number of 5007.36 ± 0.20 cm −1 and the wave number of 5007.79 ± 0.20 cm −1 or the wave number of 4978.02 ± 0.20 cm −1
Light absorption spectrum at -1 and wave number 4978.61 ± 0.20 cm −1 or wave number 4978.02 ± 0.2
Light absorption spectrum when the 0 cm -1 and a wavenumber of 4976.27 ± 0.20cm -1, or wavenumber 4,879.28 ±
0.20 cm -1 and wave number 4879.54 ± 0.20c
The isotope ratio may be measured using the light absorption spectrum at m -1 as a measurement object.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、13
CO2 12CO2 の相互間の影響や、H2 Oの強い吸収
スペクトルの影響を受けず、適度に近接し、吸収強度の
バランスの良い13CO2 12CO2 のスペクトルの組み
合わせを測定対象とし、分光用光源として、半導体レー
ザ励起Tm:YAG固体レーザを使用しているので、高
精度・高感度な炭素同位体比の測定が可能となる。
As described above, according to the present invention, 13
Influence of mutual of CO 2 and 12 CO 2, without the influence of strong absorption spectrum of H 2 O, reasonably close, measured combination of spectral balance of the absorption intensity good 13 CO 2 and 12 CO 2 Since a semiconductor laser-excited Tm: YAG solid-state laser is used as the light source for spectroscopy, it is possible to measure the carbon isotope ratio with high accuracy and high sensitivity.

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

【図1】本発明の一部である半導体レーザ励起固体レー
ザの一実施例である。
FIG. 1 is an embodiment of a semiconductor laser pumped solid-state laser which is a part of the present invention.

【図2】本発明の装置の一実施例である。FIG. 2 is an embodiment of the apparatus of the present invention.

【図3】従来の分散型分光計を用いた炭素同位体測定装
置の概略図である。
FIG. 3 is a schematic view of a conventional carbon isotope measuring apparatus using a dispersion type spectrometer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ランプ 2 試料セル 3a,3b スリット 4 ミラー 5 回折格子 6a,6b 光検出器 7 高出力半導体レーザ 8 光学系 9 ロッド 10 波長選択素子 11 アウトプットミラー 12 圧電素子 13 固体レーザ 14 発振器 15 圧電素子制御部(高電圧電源) 16 EOモジュレータ 17 ロックインアンプ Reference Signs List 1 lamp 2 sample cell 3a, 3b slit 4 mirror 5 diffraction grating 6a, 6b photodetector 7 high output semiconductor laser 8 optical system 9 rod 10 wavelength selection element 11 output mirror 12 piezoelectric element 13 solid state laser 14 oscillator 15 piezoelectric element control Section (high voltage power supply) 16 EO modulator 17 Lock-in amplifier

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−42041(JP,A) 特開 平3−170848(JP,A) 特開 平3−80587(JP,A) 特開 昭59−167080(JP,A) Acta Physica Acad emiae Scientiarum Hungaricae,48(1),p93 −102(1980) Opt.Lett,V ol.15,No.9,(1990)p486− 488 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 21/35 - 21/39 WPI(DIALOG) JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) References JP-A-4-42041 (JP, A) JP-A-3-170848 (JP, A) JP-A-3-80587 (JP, A) JP-A-59-167080 (JP) , A) Acta Physica Acad emiea Scientiarum Hungaricae, 48 (1), p93-102 (1980) Opt. Lett, Vol. 15, No. 9, (1990) p486-488 (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G01N 21/35-21/39 WPI (DIALOG) JICST file (JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 光吸収スペクトルより13CO2 12CO
2 を分析する炭素同位体分析装置において、 発振波長が2μm近辺であり波長可変である半導体レー
ザ励起Tm:YAG固体レーザと、 波長選択素子を有しこの波長選択素子を制御して前記固
体レーザの発振波長を掃引する波長掃引手段と、 アウトプットミラーとこのアウトプットミラーに取り付
けられた圧電素子とを有し前記固体レーザの周波数を変
調させる周波数変調手段と、 前記波長掃引手段により波長掃引されかつ前記周波数変
調手段により周波数変調された前記固体レーザの出力光
が試料セル内に導入された状態において、この試料セル
内の光吸収特性を検出するロックイン増幅器とを、有
し、13 CO2 の検出に、波数4877.57±0.20cm
-1のときの光吸収スぺクトルを求め、12 CO2 の検出に、波数4878.29±0.20cm
-1のときの光吸収スペクトルを求め、 前記両光吸収スペクトルの強度比に基づいて、13CO2
12CO2 を検出することを特徴とする炭素同位体分析
装置。
1. An optical absorption spectrum of 13 CO 2 and 12 CO
A Tp: YAG solid-state laser having an oscillation wavelength of about 2 μm and variable in wavelength, and a wavelength selection element, and controlling the wavelength selection element to control the solid-state laser. Wavelength sweeping means for sweeping an oscillation wavelength; frequency mirroring means having an output mirror and a piezoelectric element attached to the output mirror for modulating the frequency of the solid-state laser; and In the state where the output light of the solid-state laser frequency-modulated by the frequency modulating means is introduced into the sample cell, a lock-in amplifier that detects a light absorption characteristic in the sample cell, and 13 CO 2 Wave number 4877.57 ± 0.20 cm for detection
The light absorption spectrum at the time of -1 was obtained, and the wave number 487.29 ± 0.20 cm was used for the detection of 12 CO 2.
The light absorption spectrum at the time of -1 is obtained, and based on the intensity ratio of the two light absorption spectra, 13 CO 2
And carbon dioxide isotope analyzer for detecting 12 CO 2 .
【請求項2】 請求項1記載の炭素同位体分析装置にお
いて、13 CO2 および12CO2 の検出に、波数4877.57
±0.20cm-1および波数4878.29±0.20
cm-1のときの光吸収スペクトルをそれぞれ求める代り
に、13CO2 および12CO2 の検出に、波数5007.
36±0.20cm-1および波数5007.79±0.
20cm-1のときの光吸収スペクトル、或いは波数49
78.02±0.20cm-1および波数4978.61
±0.20cm-1のときの光吸収スペクトル、或いは波
数4978.02±0.20cm-1および波数497
6.27±0.20cm-1のときの光吸収スペクトル、
或いは波数4879.28±0.20cm-1および波数
4879.54±0.20cm-1のときの光吸収スペク
トルを、それぞれ求めることを特徴とする炭素同位体分
析装置。
2. The carbon isotope analyzer according to claim 1, wherein a wave number of 4877.57 is used for detecting 13 CO 2 and 12 CO 2.
± 0.20 cm −1 and wave number 4878.29 ± 0.20
The optical absorption spectrum when the cm -1 instead of obtaining respectively, the detection of the 13 CO 2 and 12 CO 2, the wave number 5007.
36 ± 0.20 cm −1 and wave number 5007.79 ± 0.
Light absorption spectrum at 20 cm -1 or wave number 49
78.02 ± 0.20 cm −1 and wave number 4978.61
Light absorption spectrum when the ± 0.20 cm -1 or wavenumber 4,978.02 ± 0.20 cm -1 and a wavenumber of 497,
Light absorption spectrum at 6.27 ± 0.20 cm −1 ,
Alternatively, a carbon isotope analyzer characterized by obtaining light absorption spectra at a wave number of 4879.28 ± 0.20 cm −1 and a wave number of 4879.54 ± 0.20 cm −1 .
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