JP6084961B2 - 多重反射容器 - Google Patents
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Description
また、光源にレーザ光を用いてガス成分の吸光度を測定するレーザ吸収分光法は、高い測定精度と感度の点から、混合ガス中の微量物質を分析する方法として広く用いられている。
また、吸収される光量と入射光量の比である光利用率ηは、(2)式で表される。
光反応の場合においては、光を吸収した分子が反応のポテンシャル障壁を乗り越えて分子結合を切断・再結合することにより、光反応が進行する。したがって、光反応速度は光利用率を増加させることによって大きくなる。また、分光分析においては、光利用率が高いほど高感度で物質を検出することができる。
このように、光反応もしくは分光分析のいずれにおいても光利用率を増加させることが重要となる。
これらの方法のうち、長光路化を実現するものとして、ミラー等の反射面によりレーザ光を複数回反射させる多重反射容器が知られており、その代表例としてヘリオットセルがある。
方法1:球面ミラーの外周部を挟んで固定する2枚以上の部材をボルトにより締め付け、該ボルトにより球面ミラーに対して応力を加えることにより、球面ミラーの反射面を変形させる方法(非特許文献2)。
方法2:光軸に直交するx軸方向とy軸方向の曲率半径ry及びryが異なる凹状反射面を有する一対の球面ミラーを予め製造し、互いに対向するように配置する方法(非特許文献3)。
また、周囲環境の温度変化により、ボルトが緩むことや、球面ミラーを固定する部材と球面ミラーとの間に熱応力が発生することにより、反射面の変形量が変化する恐れがある。
さらに、ボルトを締め付けるための工具スペースをヘリオットセル内に確保する必要がある。
さらに、前記の方法1と同様に、周囲環境の温度変化によって、球面ミラーを固定する部材と球面ミラーとの間に発生する熱応力により反射面が変形する恐れがある。
本発明の一実施の形態に係る多重反射容器を、図1〜図3に基づいて説明する。
多重反射容器1は、図1に示すように、両端に底部3bを備える容器本体3、球面ミラー5及び7、保持固定部材9、冷却部材11、調整構造体13、窓15、ガイドミラー17から構成され、保持固定部材9を冷却する冷却機構として熱媒体流路19、熱媒体入側流路21、熱媒体出側流路23、冷凍機25及び温度計27を備えている。
また、容器本体3には、ガス分析又は光反応を行う際にガスを流通させるためのガス流路入口29、ガス流路出口31が備えられている。
レーザ光は容器本体3に設けられた窓15より入射し、球面ミラー7の近傍に設けられたガイドミラー17で反射した後、球面ミラー5及び7間で多重反射する。球面ミラー5及び7において多重反射したレーザ光はガイドミラー17で反射し、再度窓15を通って容器本体3の外へと出射する。
また、上記の説明において保持固定部材9は椀型形状であったが、円筒形状のものであっても、椀型形状のものと同様の効果が得られる。
本発明の他の実施の形態は、図4に示す多重反射容器41に関するものであり、容器本体3の底部3bの外壁面に取り付けられた分割冷却部材43及び45により間接的に保持固定部材9を冷却する構造としたものである。
図4において、図1と同一部分には同一の符号を付しており、以下その説明を省略する。
このように低温の熱媒体を循環させることで、多重反射容器41の壁面内部の熱伝導や、内壁面と内部ガスとの間の対流伝熱等により、保持固定部材9が冷却される。
多重反射容器の容積と表面積を減少することは、容器表面からのアウトガスを減らすことにつながるため、多重反射容器を反応器や分析機器として用いる際の待ち時間を削減することができる。
多重反射容器51は実施の形態1で示した多重反射容器1に、スポットパターンの確認及び撮影用の観察窓53とカメラ55を追加して設置したものである。
観察窓53にはコバール窓を用い、カメラ55には市販のデジタルカメラを用いた。カメラ55は、レーザ光の波長に対して感度を有し長時間露光の撮影が可能であればよい。
熱媒体は冷凍機25により所定の目標温度まで冷却され、多重反射容器51に供給される。本実施例では、冷凍機25には-120℃以下に冷却できる能力を持つHFC冷凍機を用いた。冷却部材11の内部に設けた熱媒体流路19と接続する熱媒体入側流路21及び熱媒体出側流路23は結露防止のため発泡ウレタン材で断熱した。
保持固定部材9を常温から-120℃まで冷却した時の収縮量は次式で算出される。
ΔL=πD×α×ΔT
ここでΔLは固定部材の内円周の変化量[mm]、Dは固定部材の代表内径[mm]、αは部材の線膨張率[℃-1]、ΔTは温度変化量[℃]である。
π×75.0×1.73×10-5×{25-(-120)}=0.591mm
該収縮量は保持固定部材9の内円周の変化量であり、内径の変化量に換算すると約0.2mmの収縮に相当する。
画像中央付近にて円状に広がるのがスポットパターンである。また、画像左上に円弧状に明るくなっている箇所は、多重反射容器51の内部における散乱光がカメラ55に写り込んだものである。
撮影したスポットパターンからスポット数を測定すると、球面ミラー5における反射回数は68回であった。
図6に示した冷却前のスポットパターンと比べて、保持固定部材9を冷却して球面ミラー5及び7の凹状反射面を変形させることによりスポット数が飛躍的に増加している。また、図7に示すスポットパターンは、非特許文献3のHerriottらの実験でも出現したスポットパターンと類似しており、本実施例に係る多重反射容器51に入射したレーザ光の多重反射が非点収差化したことを示すものである。
3 容器本体
3a 底部
5 球面ミラー
5a 外周部
7 球面ミラー
7a 外周部
9 保持固定部材
11 冷却部材
13 調整構造体
15 窓
17 ガイドミラー
19 熱媒体流路
21 熱媒体入側流路
23 熱媒体出側流路
25 冷凍機
27 温度計
29 ガス流路入口
31 ガス流路出口
33 調整材
41 多重反射容器
43 分割冷却部材
45 分割冷却部材
47 熱媒体流路
49 断熱材
51 多重反射容器
53 観察窓
55 カメラ
Claims (7)
- レーザ光を複数回反射するために対向して設けられた一対の凹状球面ミラーを内装し、光反応もしくは分光分析に用いる多重反射容器であって、
前記球面ミラーの外周部を保持して固定する保持固定部材と、
該保持固定部材を所定の温度に冷却する冷却機構を備え、
該冷却機構によって前記保持固定部材を冷却することで、前記球面ミラーに対して応力を付与し、該応力により前記球面ミラーの反射面を変形させて焦点距離を変化させることを特徴とする多重反射容器。 - 前記冷却機構は所定の温度に調節された熱媒体を流通させることにより前記保持固定部材を冷却することを特徴とする請求項1記載の多重反射容器。
- 前記保持固定部材は、前記熱媒体が流通する流路を有し、前記冷却機構により前記保持固定部材を冷却することを特徴とする請求項2記載の多重反射容器。
- 前記冷却機構は、前記熱媒体が流通する流路を備える冷却部材を有し、該冷却部材を前記保持固定部材と当接させて、熱伝導によって前記保持固定部材を冷却することを特徴とする請求項2記載の多重反射容器。
- 前記冷却機構は、前記熱媒体が流通する流路を備える冷却部材を有し、該冷却部材を前記多重反射容器の外壁面に設置し、前記保持固定部材を間接的に冷却することを特徴とする請求項2記載の多重反射容器。
- 前記保持固定部材は、椀型又は円筒形状であり、前記球面ミラーの外周部を保持することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の多重反射容器。
- 前記保持固定部材と前記球面ミラーとの間の隙間を、周方向において異なるように調整し、前記冷却機構によって前記保持固定部材を冷却することで前記球面ミラーに付与される前記応力が周方向において異なる構造としたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の多重反射容器。
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