JP5981044B2 - 遠隔化学物質分析のためのモジュール式装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ誘起プラズマの分光方法を用いて行われる遠隔化学物質分析のためのモジュール式装置の構成に関する。

化学物質分析のために使用される方法のうちの１つは、原子発光分光法（ＡＥＳ）の原理に基づく、ＬＩＢＳ（レーザ誘起ブレークダウン分光法、Ｌａｓｅｒ−Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）と呼ばれるレーザ誘起プラズマの分光方法である。元素の組成を判定するために、集束されたレーザパルスによって試料の表面上で形成されたプラズマ放射のスペクトル分析が使用される。スペクトル内の鮮明な輝線は、対応する元素が試料の物質内に存在することを示し、一方、検出限界はｐｐｍ単位の程度にまで及ぶ。この方法が普及した理由は、化学物質分析の他の技法と比較して、この方法によって提供される利点にある。その利点とは、特に、いかなる特別な準備もなしに全ての状態及びサイズの試料を分析することが可能であり、一方、測定の結果はほぼリアルタイムで自在に得られるということである。この方法の基本原理は、例えば次の刊行物、ＲＡＤＺＩＥＭＳＫＩ，Ｌ．Ｊ．（ラジエムスキー，Ｌ．Ｊ．）、ＣＲＥＭＥＲＳ，Ｄ．（クレマーズ，Ｄ．）著「Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（レーザ誘起ブレークダウン分光法ハンドブック）」Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ．２００６．２８３ｐ、ＩＳＢＮ ０−４７０−０９２９９−８に記載されている。

一般に、ＬＩＢＳ方法を用いた分析のための装置は、試料の表面上にプラズマを誘起するためのパルスレーザと、レーザパルスの集束のための光学システムと、プラズマ放射の収集のための光学システムと、波長によるプラズマ放射の分散及びその記録のための検出システムと、パルスレーザ及び検出システムの同期のための装置とからなる。電磁放射をエネルギー及び信号のキャリアとして使用する原理により、（実験室外の状況における）遠隔分析及びその場分析のためにＬＩＢＳ方法を修正することが可能である。その結果、従来の一連の手順すなわち試料の取得及びその輸送が、困難又は危険を伴ってのみ実現可能なあるいはその他の多くの理由で意味を有さないような対象でさえ分析することが可能になる。

ＬＩＢＳ方法を用いた遠隔分析のためのシステムは、２つのグループに分けることができる。第１は、電磁放射の転送のために光ファイバを利用するものであり、「遠隔ＬＩＢＳ」と呼ばれ、第２は、電磁放射の転送のために試料の直接可視性を利用するものであり、「スタンドオフＬＩＢＳ」と呼ばれる。「遠隔ＬＩＢＳ」は、より小さな除去穴によって、及び直接的に可視ではないが光ファイバを用いて接近することが可能な試料を分析する可能性によって特徴付けられる。「スタンドオフＬＩＢＳ」分析は、実質的に無制限の高エネルギーを利用し、これにより、より低濃度の元素まで検出限界を拡大する可能性を提供する。光ファイバで分析できない試料は、直接可視性に基づくことによってのみ分析することが可能である。欠点は、ノイズに関連して、得られる信号の値が概してより低いということ、及び同時に、除去穴のサイズの程度がより大きいということであり、これについては例えば次の刊行物、ＦＯＲＴＥＳ，Ｆ．Ｊ．（フォーテス，Ｆ．Ｊ．）、ＬＡＳＥＲＮＡ，Ｊ．Ｊ．（ラセルナ，Ｊ．Ｊ．）著「Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｆｉｅｌｄａｂｌｅ ｌａｓｅｒ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ： Ｎｏ ｌｉｍｉｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎ．（現場で使用可能なレーザ誘起ブレークダウン分光計の開発：地平線上に限界はない）」Ｓｐｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ Ｐａｒｔ Ｂ−Ａｔｏｍｉｃ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ．２０１０年、ｖｏｌ．６５ ｎｏ．１２、９７５〜９９０ページに記載されている。両方の方法はそれらの原理及び利点に関して好適に補完し合うものであるが、両方のバリアントを単に組み合わせてそれにより活動領域を拡張するいかなる装置も知られていない。

試料から癌を検出する機能を有するＬＩＢＳ装置の特定の適用例が記載された米国特許第７０９２０８７号明細書による他の装置、及び、放射能汚染を検出する機能を有するＬＩＢＳ装置の特定の適用例が記載された米国特許出願公開第２００３０１４７０７２号明細書による他の装置が知られている。これらの装置の構成は、記載されている限りでは、両方の方法すなわち「スタンドオフＬＩＢＳ」及び「遠隔ＬＩＢＳ」を用いた分析を可能にするものではなく、また、これらの両方の方法でレーザパルスの共通ソースを使用できるようにレーザパルスをルーティングすることを可能にする、レーザビームルータも含まない。

次に、米国特許第８１２５６２７号明細書では、「スタンドオフＬＩＢＳ」方法を用いた分析の実行を可能にする装置が記載されているが、これはモジュール式として設計されてはいない。これは「遠隔ＬＩＢＳ」方法を用いた分析を可能にする部品を含まず、また、「スタンドオフＬＩＢＳ」又は「遠隔ＬＩＢＳ」方法を用いた分析のためにレーザパルスの共通ソースを使用できるようにレーザパルスをルーティングすることを可能にする、レーザビームルータも含まない。この装置は２次レーザと、ラマン分光器と、その他の特殊部品とを備え、結果として設計が複雑になり購入コストが増加する。米国特許出願公開第２０１１０８０５７７号明細書、及び米国特許出願公開第２０１２０６２８７４号明細書に記載されている装置は、２つの検出器を使用し、それらのうちの少なくとも一方がラマンスペクトルを検出し、これにより同様に結果として更に複雑な構成となり、両方の方法を用いたＬＩＢＳ分析のためのモジュール式ユニットとしてこれらの装置を使用することは不可能となる。

米国特許第７０９２０８７号明細書 米国特許出願公開第２００３０１４７０７２号明細書 米国特許第８１２５６２７号明細書 米国特許出願公開第２０１１０８０５７７号明細書 米国特許出願公開第２０１２０６２８７４号明細書

提示される発明の目的は、「スタンドオフＬＩＢＳ」方法又は「遠隔ＬＩＢＳ」方法を用いた測定を組み合わせることを、モジュール式セットアップにより、すなわちレーザパルスをルーティングして両方の測定方法のためにレーザビームの共通ソースを使用することを可能にするレーザビームルータの設計により、可能にする構成を有する新規な装置を導入することである。

規定された目的は、輸送モジュールを用いて形成された基本機能ユニットを有する遠隔化学物質分析のためのモジュール式装置である発明を用いて達成され、輸送モジュールは、可動フレーム構成を部分的に備え、少なくとも、レーザの電源と、波長によるプラズマ放射の分散及びその記録のために設計された検出システムと、ＰＣの形態の制御及び評価ブロックと、制御電子ブロックとを用いてセットアップされ、部分的に、レーザパルスのソースとして働くレーザヘッドを含むレーザモジュールと接続される。本発明の本質は、レーザモジュールが、「スタンドオフＬＩＢＳ」方法が実行される場合はスタンドオフモジュール内に、又は「遠隔ＬＩＢＳ」方法が実行される場合はファイバモジュール内にレーザパルスを光ルーティングする、レーザビームルータを備えるという事実である。

装置の有利な設計では、レーザモジュールは、輸送モジュールのフレーム構成への、又はスタンドオフモジュール内への、見込まれる取り外し可能な固定のための固定要素を備える。

輸送モジュールからの試料の直接可視性という状況で「スタンドオフＬＩＢＳ」方法を用いて分析する場合の使用のために、スタンドオフモジュールは、少なくとも、試料上へのレーザパルスの集束のために設計されたスタンドオフ１次光学システムと、放出された電磁放射の収集のために設計されたスタンドオフ２次光学システムと、スキャンカメラと、距離計システムとを用いて形成され、一方、スタンドオフモジュールは、レーザモジュールとは、レーザパルスのルーティングのための接続要素の助力で着脱自在に接続され、輸送モジュールとは、電磁放射のルーティングのためのスタンドオフ収集ケーブルの助力で着脱自在に接続される。

装置の最適設計において、輸送モジュールのフレーム構成上のセットアップ又は取り外し可能なセットアップの可能性のために、スタンドオフモジュールは接続部材を備え、一方、輸送モジュールは、対応する形状及びサイズの固定プラットフォームを有する。

更に有利には、ファイバモジュールは、「遠隔ＬＩＢＳ」方法を用いた分析のための装置の使用のために、レーザパルスの集束のために設計されたファイバ１次光学システムと、放出された電磁放射の収集のために設計されたファイバ２次光学システムとからなり、一方、ファイバモジュールは、レーザモジュールとは、レーザパルスのルーティングのための光ケーブルを介して着脱自在に接続され、輸送モジュールとは、電磁放射のルーティングのためのファイバ収集ケーブルの助力で着脱自在に接続される。

この提示された発明を用いることにより、次の点で新規な且つより高い効率が達成される。輸送モジュールとスタンドオフモジュール又はファイバモジュールとの、ツールを使用しない接続及び切断を可能にする構成部材の助力により、この装置は、「スタンドオフＬＩＢＳ」及び「遠隔ＬＩＢＳ」という両方の遠隔バリアントを組み合わせることを可能にし、これにより既存の解決法とは異なり、直接可視性に基づく対象の遠隔分析と、それに加えて、ファイバ検出プローブの助力による、アクセスしにくい対象の分析とを可能にする。同時に、装置は、計画される用途に応じて、単に「スタンドオフＬＩＢＳ」モジュール又は「遠隔ＬＩＢＳ」モジュールを用いて、あるいはそれらの両方を用いてセットアップされることが可能である。装置は同様に、化学分析の両方の方法のためにレーザビームの共通ソースを使用することを可能にし、従って装置の重量及び製造コストが減少し、またそのモジュール性により、モジュールのうちの１つのみを分析の場所に輸送する可能性がユーザに提供され、これにより輸送要件も減少する。

本発明の特定の設計を添付の図面に概略的に示す。

装置の概略ブロック図及びそれらの相互結合を、「スタンドオフＬＩＢＳ」方法の及び「遠隔ＬＩＢＳ」方法の実現のための機能モジュールの考えられる接続の例示と共に示す。 「スタンドオフＬＩＢＳ」方法の実現のためのスタンドオフモジュールを有する装置の構成を、簡略ブロック図の形態で示す。 「遠隔ＬＩＢＳ」方法の実現のためのファイバモジュールを有する装置の構成を、やはり簡略ブロック図の形態で示す。

提示される発明を示し、従って説明される特定の設計例を示す図面は、定義において述べられた保護の範囲を、どのような場合にも、どのような方法でも限定するものではなく、本発明の本質を明らかにするものにすぎない。

遠隔化学物質分析のための、目的のモジュール式装置の基本機能ユニットは、より詳細には図示されていないフレーム構成を用いて形成された輸送モジュール２であり、このフレーム構成は、表面１上での任意の方向における移動を可能にするための、例えば車輪などの、同様に図示されていない走行手段と、場合によっては、この表面１の選択された場所に輸送モジュール２を固定するための安定化脚とを有する。輸送モジュール２は、遠隔化学分析の実現のために必要な相互接続された基本機能要素を用いて、すなわち少なくとも、図１に示すように、レーザの電源２１と、波長によるプラズマ放射の分散及びその記録のための検出システム２２と、ＰＣの形態の制御及び評価ブロック２３と、制御電子ブロック２４とを用いてセットアップされる。輸送モジュール２は、ケーブルを介してレーザモジュール４に接続され、レーザモジュール４は、レーザパルスのソースとして働くレーザヘッド４１と、スタンドオフモジュール６内への又はファイバモジュール８内へのレーザパルスのルーティングを可能にする図示されていない標準機能要素を有するレーザビームルータ４２とからなる。レーザモジュール４は、取付具の形態の詳細には指定されない固定要素も備え、固定要素は、「スタンドオフＬＩＢＳ」又は「遠隔ＬＩＢＳ」という測定方法の選択肢に応じて、図２及び図３に示すように、輸送モジュール２のフレーム構成への、又はスタンドオフモジュール６内への、図示されていない固定要素を用いたレーザモジュール４の可変の取り外し可能な固定を可能にする。

スタンドオフモジュール６は、輸送モジュール２からの試料１０の直接可視性に伴い「スタンドオフＬＩＢＳ」方法を用いて分析する場合の使用のために、少なくとも、試料１０上へのレーザパルス９の集束のために設計されたスタンドオフ１次光学システム６１と、図示されていない反射望遠鏡を含み且つ放出された電磁放射１１の収集のために設計されたスタンドオフ２次光学システム６２と、スキャンカメラ６３と、距離計システム６４とを用いて形成され、これによりレーザパルス９を試料１０の表面上に集束させてルーティングすること、及び同時に、プラズマによって放出された発生した電磁放射１１を収集することが可能になる。スタンドオフモジュール６は、レーザモジュール４とは、レーザパルス９をルーティングする接続要素１２の助力で着脱自在に接続され、輸送モジュール２とは、電磁放射１１をルーティングするスタンドオフ収集ケーブル１３の助力で着脱自在に接続される。輸送モジュール２のフレーム構成上のセットアップ又は取り外し可能なセットアップを可能にするために、スタンドオフモジュール６は接続部材７を備え、一方、輸送モジュール２は、対応する形状及びサイズの固定プラットフォーム３を有する。

ファイバモジュール８は、「遠隔ＬＩＢＳ」方法を使用する場合の装置の使用のために、レーザパルス９の集束のために設計されたファイバ１次光学システム８１と、放出された電磁放射１１の収集のために設計されたファイバ２次光学システム８２とからなり、スタンドオフモジュール６と同様に、レーザパルス９を試料１０の表面上に集束させてルーティングすること、及び同時に、プラズマによって放出された発生した電磁放射１１を収集することを可能にする。ファイバモジュール８は、レーザモジュール４とは、レーザパルス９をルーティングする光ケーブル１４を介して着脱自在に接続され、輸送モジュール２とは、電磁放射１１をルーティングするファイバ収集ケーブル１５の助力で着脱自在に接続される。

モジュール式装置が「スタンドオフＬＩＢＳ」方法を用いた分析のために使用される場合、レーザモジュール４は、輸送モジュール２のフレーム構成上に接続要素７及び固定プラットフォーム３の助力でセットアップされたスタンドオフモジュール６内に配置される。制御及び評価ブロック２３の助けによって、レーザパルスは、レーザヘッド４１から、レーザモジュール４のレーザビームルータ４２を通し、設定されたスタンドオフモジュール６のスタンドオフ１次光学システム６１を通して、調査される試料１０の表面にルーティングされる。形成されたプラズマによって放出された電磁放射１１は、スタンドオフ２次光学システム６２を用いて収集され、次に輸送モジュール２の検出システム２２内にルーティングされ、その部材及び評価ブロック２３の助力で、放射１１のスペクトル特性が評価される。

モジュール式装置が「遠隔ＬＩＢＳ」方法を用いた分析のために使用される場合、レーザモジュール４は、輸送モジュール２内に配置される。ファイバモジュール８は、光ケーブル１４及びファイバ収集ケーブル１５の助けによって、輸送モジュール２に、及びレーザモジュール４に接続される。制御及び評価ブロック２３の助けによって、レーザパルスは、レーザヘッド４１から、レーザモジュール４のレーザビームルータ４２を通し、設定されたファイバモジュール８のファイバ１次光学システム８１を通して、調査される試料１０の表面にルーティングされる。形成されたプラズマによって放出された電磁放射１１は、ファイバ２次光学システム８２を用いて収集され、次に輸送モジュール２の検出システム２２内に導かれ、その部材及び評価ブロック２３の助けによって、放射１１のスペクトル特性が評価される。

本発明による遠隔化学物質分析のためのモジュール式装置は、科学及び産業の多くの部門において利用可能であり、例えば、鉄鋼業及びエネルギー産業における材料の品質及び汚染の制御のため、環境診断、生体試料中の重金属検出、地質学における鉱物及びマイナー（ｍｉｎｅｒｓ）の検出、環境を汚染している物質を検出するための宇宙研究又は民間防衛における元素分析のために利用可能である。

Claims (7)

1. 輸送モジュール（２）を用いて形成された基本機能ユニットを有する遠隔化学物質分析のためのモジュール式装置であって、
   前記輸送モジュール（２）は、可動フレーム構成を部分的に備え、
   少なくとも、レーザの電源（２１）と、波長によるプラズマ放射分散及びその記録のために設計された検出システム（２２）と、ＰＣの形態の制御及び評価ブロック（２３）と、制御電子ブロック（２４）とを用いてセットアップされ、
   部分的に、レーザパルスのソースとして働くレーザヘッド（４１）を含むレーザモジュール（４）と接続され、
   前記レーザモジュール（４）は、スタンドオフＬＩＢＳ方法を用いた分析の場合はスタンドオフモジュール（６）内に、又は遠隔ＬＩＢＳ方法を用いた分析の場合はファイバモジュール（８）内にレーザパルスを光ルーティングする、レーザビームルータ（４２）を備え、
   前記モジュール式装置が前記スタンドオフＬＩＢＳ方法を用いた分析のために使用される場合には、前記レーザモジュール（４）は、前記輸送モジュール（２）のフレーム構成上に接続要素（７）及び固定プラットフォーム（３）の助力でセットアップされたスタンドオフモジュール（６）内に配置され、
   前記モジュール式装置が前記遠隔ＬＩＢＳ方法を用いた分析のために使用される場合には、前記レーザモジュール（４）は、前記輸送モジュール（２）内に配置される
   ことを特徴とするモジュール式装置。
2. 前記レーザモジュール（４）は、前記輸送モジュール（２）の前記可動フレーム構成への、又は前記スタンドオフモジュール（６）内への、取り外し可能な固定のための固定要素を備える、請求項１に記載のモジュール式装置。
3. 前記スタンドオフモジュール（６）は、前記輸送モジュール（２）からの試料（１０）の直接可視性という状況で前記スタンドオフＬＩＢＳ方法を用いて分析する場合の使用のために、少なくとも、前記試料（１０）上への前記レーザパルス（９）の集束のために設計されたスタンドオフ１次光学システム（６１）と、放出された電磁放射（１１）の収集のために設計されたスタンドオフ２次光学システム（６２）と、スキャンカメラ（６３）と、距離計システム（６４）とを用いて形成される、請求項１又は２に記載のモジュール式装置。
4. 前記スタンドオフモジュール（６）は、前記レーザモジュール（４）とは、前記レーザパルス（９）のルーティングのための接続要素（１２）により着脱自在に接続され、前記輸送モジュール（２）とは、電磁放射（１１）のルーティングのためのスタンドオフ収集ケーブル（１３）により着脱自在に接続される、請求項３に記載のモジュール式装置。
5. 前記輸送モジュール（２）の前記可動フレーム構成の上のセットアップ又は取り外し可能なセットアップの可能性のために、前記スタンドオフモジュール（６）は前記接続要素（７）を備え、又、前記輸送モジュール（２）は、対応する形状及びサイズの固定プラットフォーム（３）を有する、請求項３又は４に記載のモジュール式装置。
6. 前記ファイバモジュール（８）は、前記遠隔ＬＩＢＳ方法を用いた分析のための装置の使用のために、前記レーザパルス（９）の集束のために設計されたファイバ１次光学システム（８１）と、放出された電磁放射（１１）の収集のために設計されたファイバ２次光学システム（８２）とからなる、請求項１又は２に記載のモジュール式装置。
7. 前記ファイバモジュール（８）は、前記レーザモジュール（４）とは、前記レーザパルス（９）のルーティングのための光ケーブル（１４）を介して着脱自在に接続され、前記輸送モジュール（２）とは、電磁放射（１１）のルーティングのためのファイバ収集ケーブル（１.５）によって着脱自在に接続される、請求項６に記載のモジュール式装置。

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