JP5022363B2 - 光音響検出器及び光音響検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、光音響自由場検出器に関する。この種の光音響検出器により、たとえわずかな量の希ガスでも、複雑なサンプリングなしで単純な方法で検出することである。

光音響検出は、吸収剤によって励起光を吸収することによって行われる。その結果発熱する。熱により、特にガスを加熱したときに膨張する。ここでガスの膨張は、間接的にも起こりうる。たとえば、特に加熱された固体粒子により周囲のガスを加熱することによってなされる。加熱およびその結果としての膨張が十分急速に起こった場合、マイクロホンなどの音響センサで検出可能な音が生成される。このようにして検出された音は、励起光の強度およびまた吸収剤の種類と集中度に依存した吸収エネルギーの尺度となる。

従来技術によると、透明の窓を持つ閉じたセルとして設計された光音響検出器がある。この種の検出器では、実際の光音響検出が、光音響共振器でなされる。検出すべき吸収材料が中に存在する気体またはガスは、通常は希ガスであり、ここではセルを通過して流れる。これは通常ポンプを用いることにより効果的となる。ここでまたいわゆるマルチパス配置も、既知であり、この配置により励起光が光音響測定セルを数回通過する。光反射要素、通常はミラーは、この目的のために必要とされるが、各パスで励起光が２つの窓をきちんと通過するように、これを測定セルの外側に配置する。これにしたがって励起光は弱められ、低レベルの信号増幅のみが起こる。窓で吸収が起こることにより次の不都合がある。すなわち、吸収の結果、望ましくない光音響背景信号が生成されてしまい、これが測定信号に重ね合わされ、したがって測定感度を下げることになってしまう。

その他の配置として、調査対象となる気体またはガスが測定セルを流れるというものがあるが、この場合、吸気口および排気口がガスに向かって開かれ、一方で生成される音波に対しては閉じられている。しかしながらこの種の測定配置により、気体の装填と吸収剤を対応付けるような、自由場測定をすることができなくなる。その理由は、音波に対して閉じている吸気口および排気口により、調査されている気体の供給のみを妨げることができるからである。したがって、いわゆる音響的に開いた光音響検出器もまた開発されてきている。しかしながらこの種の光音響検出器では、吸収によって生成されたマイクロホン上の音圧は、すでに十分弱められ、望ましくない形で測定感度が下がる。

ＪＰ６２−２７２１５３Ａの要約によると、開いたセルによる光音響測定配置は、すでに知られている。ここで、測定セルおよび参照セルがあり、サンプルの表面に押し付けられる。このようにして気密の領域が形成される。変調された光は、ファイバーにより導入され、サンプルを照射する。その結果、圧力波が生成されてマイクロホンに届く。マイクロホンの位置は調整可能である。

ＪＰ０５−１９６４４８Ａの要約によると、さらに開いた光音響測定セルが知られている。アルゴンイオンレーザーからの変調光が、石英窓を通って測定面に導かれる。レーザーのサイクル周波数は、測定コラムの自然振動周波数に一致する。これにより、高い感度での測定が可能になる。また、ＪＰ０５−０２６６２７Ａの要約によると、開いた光音響測定セルが知られている。

特許ＤＥ２９６１７７９０Ｕ１によると、光伝導ケーブルおよびマイクロホンを用いて、肌、特に人の肌を評価するための開いた光音響測定セルは、従来から知られたものである。測定セルは、開いた非共振の光音響測定チャンバを有する点で区別される。マイクロホンに加え、関連する増幅器も測定セルに適合される。ボディの一部に動かすことなく測定セルを保持するためには、２つの保持腕を備える。マイクロホンの一実施形態としては、エレクトレット・マイクロホンがある。

ＵＳ４，５３３，２５２によると、光合成活性組織の光合成活性度測定のための移植可能な測定セルは、従来から知られたものである。測定セルは、一方の端部で開いた筐体に適合される。音響プローブは、この筐体の中に配置される。筐体は、光合成活性サンプル上に適用される。変調されるとともに継続的に放射される光源が与えられ、その手段は変調光とともに継続光をサンプルに伝えるために与えられている。

ＵＳ４，６８８，９４２によると、放射状または方位角への非共振光音響貫流測定セルが、窓を使わなくとも動作するものとして従来から知られている。この方法では、窓によって生成される背景信号が除去される。セルは長い管として設計される。セルの長さは、３４ｘ１０３ｃｍであり、光源の変調周波数によって分散され、そして導電材料によって構成される。

特許ＡＴ００６８９４Ｕ２によると、放射吸収剤、特に気体状サンプルの放射吸収粒子を継続的に測定するための光音響センサ用測定チャンバは、従来から知られたものである。サンプルには、少なくとも１つの吸気口と少なくとも１つの排気口が備えられている。管状の部分を有しているが、ここをサンプルが長さ方向に通ることができ、またここにマイクロホンが配置される。さらに、レーザービームのための少なくとも１つの入口と出口ステーションが、管状部分に並べられて用意される。入口と出口ステーションは、それぞれの場合にチャンバによって測定チューブから分離される。放射線の入口ステーションとしての窓の汚染を減らすために、そして窓の測定エアロゾル粒子の沈着を鈍化するために、２つの吸入口が用意される。その位置は、吸気口の間の中心位置にある１つの排気口と同様、管状部分の相互に対向する端部である。このようにして、高い感度の測定セルを操作することは、長期の時間にわたって可能となる。

ＤＥ３３２２８８７０Ａ１によると、ガスに含まれる粒子の集中を継続的に測定するための光音響測定装置が、従来から知られている。これは、レーザー光が通過する、互いに平行な測定セルを有している。粒子を有さないガスが第１の測定セルに供給される。２つの測定セルのそれぞれの前の光学経路に、チョッパが配置される。ここで第１のチョッパは、第１の測定セルの共振周波数に対応するチョッピング周波数で動作するのに対し、第２チョッパのチョッピング周波数は、第２測定セルの共振周波数に対応する。この種の測定装置により、たとえば車による排気ガスの粒子比率を求めることが可能になる。

本発明の目的は、十分な音圧が音響センサにあるような、音響的に開いた光音響自由場検出器をつくることである。さらに本発明の他の目的は、対応する音響測定方法を提供することである。この目的の達成方法は、クレームに記載の通りである。これに付随する更なる利点は、従属クレームに記載の通りである。

光音響検出器には、筐体によって完全には囲まれていない音響的に開かれた測定領域が備えられている。測定領域に続くところでは、吸収によって生成された音圧が、比較的大きな実施形態ではサンプル気体について、吸気口および排気口から逃げることのできるようなものとして理解される。

この光音響検出器は、測定領域に位置する吸収剤によって、音響エネルギー生成により、励起光を吸収することができるように、励起光を測定領域に導入手段を含む。さらに少なくとも１つの音響センサを備える。この検出器は、音響エネルギー集中のための手段がある点において区別される。これらの手段によって、ある位置で少なくとも、音圧の極大値を達成することができる。ここで音圧の極大値は、周囲の環境と比較して、音圧が感知できる程度に増加する位置として理解される。その後、少なくとも１つの音響センサは、生成される音圧の極大値が存在するまたは生成しうる少なくとも１つの位置の近傍に配置される。生成される音圧の集中により、十分な感度がある音響的に開いた測定領域で、測定を行うことができるようになる。このようにして、上述のような音響的に開いた測定領域をもつ光音響検出器の利点を達するが、音響センサでの音圧を望まれないように減らさなければならないということはない。

上述の説明は気体サンプルに関するものであるが、本出願の主な領域は、混合の気体またはガス中の希ガスまたは粒子の測定であるので、光音響自由場検出器を用いて、液体を測定することも考えられる。十分に高い音圧を生成することが気体の場合に比べて液体ではより困難である一方、液体中の吸収材の光音響測定は、にも関わらず既に知られており、試験において実用的であることが分かっている。

得られる光音響信号については、さらに次のようにすることができる。すなわち、光学的に反射される要素を配置することにより、励起光が測定領域を数回通ることができる。この場合、より高いレベルのエネルギーが吸収され、それにより対応するより高いレベルの音が生成されることになる。

音響エネルギーが集中する可能性の１つは、励起光の吸収により生成される音響エネルギーに影響を与える要素が存在するかどうかにかかっており、それにより、少なくとも１つの位置が音圧の極大値に達することができる。このようにして、すでに生成された音は適切に管理される。

しかしながら、音響エネルギーの集中については、励起光を分散可能とする要素を備えることも可能であり、それにより励起光によって生成された音響エネルギーが、音響エネルギーが集中可能となるような分布を持つことになる。このようにして、音圧が極大値を持つ少なくとも１つの位置に達することができる。言うまでもなく２つの方法、すなわち既に生成された音の集中と励起光の分散を、生成された音自身が所定の位置に幾何学的配置で集中する傾向となるように、組み合わせることができる。双方の変数により、音響的に開いた測定領域に音響エネルギーを集中させることが可能となる。

音響ミラーは音響エネルギーを集中させるのに適している。これらにより、生成された音圧を管理することができ、それにより音圧が極大値をもつ位置に達する。音響ミラーを放物線ミラーとして設計した場合には、以上の点を特に有益に達することができる。光反射要素は、励起光を分散させるのに適している。ここで光学ミラーは特に適している。

励起光を分散させることができ、それにより音響エネルギーの生成を、測定領域についての円状、らせん状、多角形の副領域で発生させることができるように光音響検出器を設計することは有用であることが分かった。この種の励起光の分布により、音圧の極大値が起こるところに位置が形成される。

光音響では通常のこととして、この光音響検出器は、パルスや変調励起光で動作させることもできる。ここで、光パルスの変調周波数を音響センサの最大感度に一致させることは合理的である。赤外放射線を発するレーザーダイオードは、１００メガヘルツの整数倍まで周波数が変調されることは事実である。レーザービームの内径がこれら高い周波数に限定されていることを理由として、後者は光音響で用いることができない。しかしながら、１００ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲の周波数は、光音響測定に適している。励起光について強度と波長の両方を変調することも可能である。

パルス化されたソリッドステートのレーザーは、パルス化された励起光で検出器を操作するのに適しており、これらは１０から５０ｎｓの耐久度のパルスを発する。パルスの時間に関するプロファイルは、ガウス分布に近似する。ガスによりレーザーパルスを吸収することで、音響パルスが発生し、そのプロファイルは励起光の時間に関するバリエーションに対応する。このようにして、単極性のレーザーパルスは、ほぼ同じ方向を有する双極性音響パルスを発生させる。この種の双極性音響パルスは、吸収剤が存在する限り、放射線が通過する領域全体で発生する。レーザーパルスを超える音響パルスの耐久度全体は、音響パルスがレーザーパルスを伝播するのに必要とされる時間に比例する。１ｍｍパルスの励起レーザーの仮定ビーム径に対して、音響パルスの耐久度は、３ｐｓと見積もることができる。この種の音響パルスの周波数スペクトルは、３００ｋＨｚのピーク周波数周辺で、ガウス分布に近似する。

本発明にかかる光音響検出器については共振がないので、光パルスの繰り返し周波数や変調周波数を共振器の共振周波数に一致させることは適切ではない。むしろ、光パルスの繰り返し周波数や光源の変調周波数を、使用される音響センサの最大感度に一致させることは合理的である。周波数の上限が５０−１００ｋＨｚの範囲にある、コンデンサマイクロホンやエレクトレットマイクロホンにすることで、音響センサとして適切かつ感度の良いものとなることが分かった。

１−１０ｋＨｚとなる励起光の繰り返し周波数により、測定を高調波で実行することができるとすると、続いてコンデンサやエレクトレットのマイクロホンが適切に設計される。このように設計されるマイクロホンについて、マイクロホンの最大感度は、励起光の繰り返し周波数に一致させることにより達成することができる。

超音波センサを音響センサとして使用することも可能である。幅広い周波数にわたってマッチしない超音波センサを使用することも考えられる。４０ｋＨｚや８０ｋＨｚなどの周波数値に一致する超音波センサを使用することが可能であることも例として挙げられる。この種の超音波センサは、魅力的な価格で入手することができる。

上述の光音響検出器、およびこの光音響検出器を用いて吸収剤を検出する方法は、内部空間の空気品質を監視するのに適しており、特に内部空間のための換気システムへと吸い込まれる空気を監視するのに適している。というのも、内部空間でじゃまになりうる様々な種類の吸収剤の光音響検出について、幅広い範囲の測定をカバーしうるからである。換気装置については、換気装置を検出された汚染物の集中に適応することが望ましいので、複雑なサンプリングを回避できることがさらに必要とされる。

（実施例）
本発明の適用方法については、図１−３を補助的に用いて後述する。

図１および図２は、光音響検出器の一例を示す。図示しないがレーザーの励起光ビーム１は、測定領域に入射する。内径約５０ｍｍの２つの光学ミラー２を用いて、光を数回反射させる。反射光ビームは、１つの平面（図３）に配置される。２つの音響ミラー３，４がある。第１音響ミラー３は、正方形の平面ミラーであり、厚さは８ｍｍで側部の長さは１００ｍｍである。その中心において、マイクロホン５のための空間がある。対向する第２音響ミラーは、正方形で側部の長さが１００ｍｍである。外側の領域において、第２の音響ミラー４は、３０ｍｍの厚さを有する。内側の領域は８０ｍｍの内径を有し、第２の音響ミラーは、測定領域方向に向かってくぼむように設計されている。マイクロホンは、音響ミラーに対して軸対称に配置されている。ここでマイクロホン５は、第２音響ミラー４から２５ｍｍの距離のところにある。

図３は、励起光ビーム１が、測定領域を数回通過する構造を示している。吸収剤がある限りにおいて、各通路では一定の割合が吸収される。励起光ビーム１は、光ミラーとして設計された光学ミラー２で反射する。図４は、第２音響ミラー４の詳細な外観図である。ここでくぼみは最大で１６ｍｍである。第２音響ミラー４の中心点からの放射距離は、Ｘで示され、くぼみの深さはｚである。くぼみの形状は次の式で説明される。式は、Ｘ＝ｓｑｒｔ（１００＊（１６−ｚ））である。

光音響検出器の一例を示す図である。 光音響検出器の一例を示す図である。 励起光ビームが、測定領域を数回通過する構造を示す図である。 第２音響ミラーの詳細な外観図である。

符号の説明

１ 励起光ビーム
２ 光学ミラー
３ 第１音響ミラー
４ 第２音響ミラー
５ マイクロホン

Claims (13)

1. 音響的に開いた測定領域を有し、筐体によって完全には覆われていない、希ガス測定のための光音響検出器であって、
   測定領域に位置する吸収剤によって、音響エネルギー生成により励起光を吸収することができるように、励起光を測定領域に導入する手段と、
   少なくとも１つの音響センサと、
   前記励起光が前記測定領域を数回通過できるように前記測定領域を挟んで対向する２つの光反射要素と、前記測定領域を挟んで対向する２つの音響ミラーを有することにより、少なくとも１つの位置で、音圧の極大値を達成する手段（２，３，４）とを備え、
   生成されたまたは生成しうる音圧が極大値となる少なくとも１つの位置の近傍に、前記少なくとも１つの音響センサ（５）が配置されることを特徴とする光音響検出器。
2. 前記２つの音響ミラーは、前記光反射要素と異なる方向で前記測定領域を挟んで対向することを特徴とする請求項１に記載の光音響検出器。
3. 前記２つの音響ミラーは、少なくとも１つの位置に前記音圧の極大値で達することができるように、前記励起光の吸収により生成された前記音響エネルギーに影響を与えることができる要素（３，４）であることを特徴とする請求項１または２に記載の光音響検出器。
4. 前記音圧が極大値をもつような少なくとも１つの位置に、達することができるような音響エネルギー集中が起こりうるような分布を、前記励起光によって生成された音響エネルギーが持つように、前記光反射要素を、音響エネルギーの集中について備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光音響検出器。
5. 前記音響ミラーのうち少なくとも１つは、前記測定領域に向かってくぼんで構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光音響検出器。
6. 前記音響ミラーは、放物線状のミラーであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光音響検出器。
7. 前記光反射要素は、前記励起光の分布のための要素として備えられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の光音響検出器。
8. 前記励起光はパルス化と変調の一方または両方をして導入することができ、
   前記光パルスの前記繰り返し周波数と前記変調周波数の一方または両方が、前記音響センサ（５）の最大感度にマッチすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の光音響検出器。
9. 周波数の上限が５０−１００ｋＨｚの範囲であるコンデンサマイクロホン（５）とエレクトレットマイクロホンの一方または両方が、音響センサとして備えられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光音響検出器。
10. 前記コンデンサマイクロホン（５）とエレクトレットマイクロホンの一方または両方を、励起光の繰り返し周波数を１−１０ｋＨｚで設計することにより、高調波で測定することを特徴とする請求項９に記載の光音響検出器。
11. 超音波センサが音響センサとして備えられることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光音響検出器。
12. 請求項１〜１１のいずれか１つに記載の光音響検出器が用いられる吸収材料の光音響検出方法。
13. 内部空間での気体の品質を監視するステップであって、特に内部空間での換気システムに吸い込まれる気体を監視することを含む、請求項１２に記載の光音響検出方法。

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