JP6632289B2

JP6632289B2 - ガス検知装置

Info

Publication number: JP6632289B2
Application number: JP2015187601A
Authority: JP
Inventors: 通雄中山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-09-25
Filing date: 2015-09-25
Publication date: 2020-01-22
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: JP2017062176A

Description

本発明の実施形態は、ガス検知装置に関する。

赤外光を用いたガス検知装置は、環境測定や危険ガスの検知などに使用される。

多くのガスは、固有の吸収スペクトルにしたがって赤外線を吸収する。このため、対象とする空間領域に赤外線を照射したとき、その領域からの散乱光の強度が基準値よりも低くなると対象とする空間領域にガスが存在していると判断できる。

可燃ガス、爆発物、有毒ガスなどの検体を迅速にかつ遠隔検知できると危険ガスを早期処理することができ、安全が確保できる。

米国特許第８１０１９１５号明細書

検体ガスを迅速にかつ遠隔でも検知可能なガス検知装置を提供する。

本実施形態のガス検知装置は、励起用光源と、検知用光源と、走査光学部と、受光光学部と、光検出器と、を有する。前記励起用光源は、検体に吸収されガスを発生させる第１の赤外光を照射する。前記検知用光源は、前記ガスの吸収スペクトルのピークの１つを含む波長範囲内で発光波長をチューニング可能な第２の赤外光を照射する。前記走査光学部は、前記空間領域に対して前記第１および第２の赤外光を走査しつつ照射する。前記受光光学部は、前記空間領域で前記ガスにより散乱された前記第２の赤外光の散乱光の一部を集光する。前記光検出部は、前記散乱光の前記一部の光強度を測定可能である。前記ガス検知装置は、前記光検出器により測定された前記光強度が前記基準値よりも低くなったとき、前記空間領域には前記ガスが存在すると判定する。

図１（ａ）は第１の実施形態にかかるガス検知装置の作用を表す模式図、図１（ｂ）は検体ガスの吸収スペクトルの模式図、図１（ｃ）は受光スペクトル強度を説明する模式図、である。第１の実施形態にかかるガス検知装置の詳細な構成を表す図である。カセグレン望遠鏡構造を有する受光光学部の模式断面図である。図４（ａ）は、検知用光源の構成図、図４（ｂ）は複数のガスの吸収スペクトルのグラフ図、図４（ｃ）は波長制御を説明する図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかるガス検知装置の作用を表す模式図、図１（ｂ）は検体ガスの吸収スペクトルの模式図、図１（ｃ）は受光スペクトル強度を説明する模式図、である。
ガス検知装置１０は、光源２０と、走査光学部と、受光光学部と、光検出器４０と、を有する。

光源２０は、検体５に吸収される第１の赤外光Ｇ１と、発光波長をチューニング可能な第２の赤外光Ｇ２と、を放出する。光源２０が化合物半導体を含む量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：Quantum Cascade Laser）からなるものとすると、光源２０の小型化が容易となる。

走査光学部は、対象とする空間領域Ｓに対して第１および第２の赤外光Ｇ１、Ｇ２を走査しつつ照射する。走査光学部は、第１および第２の赤外光Ｇ１、Ｇ２を３次元的に走査する。

受光光学部は、空間領域Ｓにより散乱された第２の赤外光Ｇ２の散乱光Ｇ３の一部Ｇ３ａを集光する。

光検出器４０は、散乱光Ｇ３の一部Ｇ３ａの光強度を測定する。ガス検知装置１０は、対象とする検体５（またはガス５ａ）が空間領域Ｓに存在しないときの散乱光Ｇ３の一部Ｇ３ａの光強度を基準値とし、散乱光Ｇ３の一部Ｇ３ａの光強度が基準値よりも低くなったとき、空間領域Ｓには検体５（または５ａ）が存在すると判断する。

図１（ｂ）において、縦軸は相対吸収スペクトル、横軸は赤外光波長、である。検体５（または５ａ）は４〜１２μｍの（中）赤外光において、複数の吸収ピークを有する。本図では、波長λ１、λ２、λ３の近傍に吸収線を有する。第１の赤外光Ｇ１は、いずれのピーク近傍でも検体５に吸収される。

もし、検体５が液体状であり、かつ吸収スペクトル強度が最も高い波長λ１近傍のレーザ光を第１の赤外光Ｇ１とすると、吸収量が増え液体の温度が上がり効率よく気化が促進される。検体５が固体であっても、昇華または融解後の気化などにより検体ガス５ａを発生させることができる。

図１（ｃ）において、縦軸は受光スペクトル強度を表す。第２の赤外線Ｇ２の波長は、吸収スペクトルを構成する吸収線のうちの１つに微調整（チューニング）させる。検体ガス５ａが存在しないとき、散乱光Ｇ３のうちの一部Ｇ３ａのスペクトル強度Ｉ０が光検出器４０により測定される。他方、検体ガス５ａが存在するとき、散乱光Ｇ３のうちの一部Ｇ３ａのスペクトル強度Ｉ（＜Ｉ０）が光検出器４０により測定される。スペクトル強度Ｉ０、Ｉに基づいて、吸光度やガス濃度が求められる。

本実施形態では、検体ガス５ａがガスセルに導入されないのでガス濃度分布が定常状態にはなりにくい。スペクトル強度Ｉ０を基準値とすると、測定したスペクトル強度Ｉが基準値Ｉ０よりも低くかつその差に有意差があれば検体５が存在すると判断する。定量的ガス濃度を算出しなくとも、危険ガスの有無を、たとえば、１０秒以内で判断することができる。

第２の赤外光Ｇ２の波長と第１の赤外光Ｇ１の波長とは、同一でも、同一でなくてもよい。第２の赤外光Ｇ２による測定感度を高めるためには、チューニングの精度が高いことが好ましい。

図２は、第１の実施形態にかかるガス検知装置の詳細な構成を表す図である。
光源２０は、励起用光源２１と、検知用光源３０と、を有する。励起用光源２１はＱＣＬ電源２３を含み、検知用光源３０は波長制御用電源３４を含む。

走査光学部５０は、スキャン（走査）ミラー５３と、スキャン機構電源５４と、スキャンミラー５３に向けて第１および第２の赤外光Ｇ１、Ｇ２を折り曲げるダイクロイックミラー（またはプリズム）５１、５２と、を有する。第１の赤外光Ｇ１と第２の赤外光Ｇ２とは、光軸合わせをされたのち走査ミラー５３に入射することができる。

スキャンミラー５３から放出される第１および第２の赤外光Ｇ１、Ｇ２は、平行光でも発散光でもよい。

制御部７０は、赤外光の波長や出力を制御する信号を光源２０に向けて出力し、スキャン機構電源５４を制御する。また、制御部７０には、出力モニタ８０で測定された第２の赤外光Ｇ２の出力、センサで測定された温度、湿度、風向、風速などの情報が入力される。入力されたこれらの情報に基づいて、制御部７０は、第１および第２の赤外光Ｇ１、Ｇ２の波長および出力の制御、スキャンミラー制御、ガス濃度演算などを行う。

図３は、カセグレン望遠鏡構造を有する受光光学部の模式断面図である。
受光光学部６０を構成するカセグレン望遠鏡型構造は、凹面を有する主鏡６１と、凸面または平面を有する副鏡６２と、を有し、散乱光Ｇ３の一部Ｇ３ａを集光して光検出器４０へ入射させる。カセグレン望遠鏡構造により、散乱光Ｇ３の遠隔検知が容易となる。

図４（ａ）は、検知用光源の構成図、図４（ｂ）は複数のガスの吸収スペクトルのグラフ図、図４（ｃ）は波長制御を説明する図である。
検知用光源３０をＱＣＬとする。ＱＣＬは、半導体レーザチップ３２と、半導体レーザチップ端面に設けられた低反射膜ＡＲと、他方のチップ端面に設けられた部分反射膜ＰＲと、集光レンズ３５、３６と、回折格子３４と、を有する。

回折格子３４は、半導体レーザチップ３２の光軸３８と交差するように設けられる。回折格子３４と、部分反射膜ＰＲと、は、外部共振器を構成する。図４（ａ）に表すように、回折格子３４を回転することにより、第１、第２ガスなどの吸収スペクトルに応じて第２の赤外光Ｇ２の入射角βをβ１〜β４などに変化させ、第２の赤外光Ｇ２の波長を変化させる。このようにすると、第２の赤外光Ｇ２の波長は、図４（ｃ）に表すように、異なるガスに対応して粗調整できる。外部共振器を設けることにより、複数の波長の赤外光を放出可能な小型の光源が可能となる。

また、回折格子３４を回転させずに一定とし、半導体レーザチップ３２の動作電流値またはデューティを変化するか、半導体レーザチップ３２の動作温度をペルチェ素子などを用いて変化するか、外部共振器長をピエゾ素子などにより変化するか、などにより波長の微調整（チューニング）ができる。

次に、本実施形態のガス検知装置の応用例について説明する。
ヒトに対する有毒ガスとして、たとえば、ＶＸガス、サリンＧＢ、ホスゲン、窒息剤、ビラン剤、硫黄マスタード類、シアン化物、シアン化水素などがある。これらのガスは、短時間（たとえば、１０秒以下）で、かつ高い感度で検知されることが要求される。また、地域紛争やテロにおける有毒ガス被害を防止するには、ガス検知装置を移動させつつ遠隔検知することが好ましい。

移動手段として、車両、タンク、無人操縦可能な車両や小型飛行機などを用いることができる。

図１（ａ）に表すように、ガス検知装置１０を車両などに搭載し、１０ｋｍ／ｈ以上で走行しつつ、たとえば、前方に向けて、赤外光を３次元的に走査しつつ照射する。第１の赤外光Ｇ１で照射された液体状の検体５が高いエネルギーを有するレーザビームを吸収すると加熱され急速に気化する。この結果、たとえば、揮発性の低いＶＸガスなどの検知が容易となる。

ガス状の検体５ａに第２の赤外光Ｇ２が吸収されると、散乱光Ｇ３のスペクトル強度Ｉが減少する。カセグレン望遠鏡を有する受光光学部６０を通過する散乱光Ｇ３の一部Ｇ３ａのスペクトル強度Ｉが低下するため、光検出器４０は、有毒な検体を遠隔検知することにより早期に処理ができる。

光源は、たとえば、Ｃｒ：ＺｎＳｅレーザから放出された２〜２．７μｍ近傍波長のレーザ光をＺｎＧｅＰ_２系光パラメトリック発振器などを介して６〜１０μｍなどの波長のレーザ光を放出する構成とすることができる。しかし、光源の構成が複雑になり、移動用途としては不適である。

また、水素ガスを燃焼しつつ、炎色スペクトルからリンと硫黄を検知する車載ガス検知装置がある。しかしながら、リンまたは硫黄を含まない検体を検知することができない。

これに対して、本実施形態にかかるガス検知装置１０では、ＱＣＬなどを光源に用いて、第１および第２の赤外光Ｇ１、Ｇ２を放出できるので小型であり移動が容易である。検体ガス５ａが複数であっても、複数のＱＣＬを備えることにより対応できる。

また、回折格子３４などを含む外部共振器を備えると、複数の波長の赤外光を短時間で切り替えて放出できる光源２０が可能となる。このため、複数のガスを１０秒以内で検知することが容易となる。この結果、光源２０の小型化が容易となる。

本実施形態によれば、検体ガスを迅速にかつ遠隔でも検知可能なガス検知装置が提供される。また、ガス検知装置の小型化が可能であり、移動用途に適している。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

５検体、５ａ検体ガス、１０ガス検知装置、２０光源、３０検知用光源（ＱＣＬ）、４０光検出器、５０走査光学部、５３走査ミラー、６０受光光学部、７０制御部、Ｇ１第１の赤外光、Ｇ２第２の赤外光、Ｇ３散乱光、Ｇ３ａ散乱光の一部、Ｓ空間領域、ＩＯ（スペクトル強度の）基準値、Ｉ（スペクトル強度の）測定値

Claims

対象とする空間領域内の検体を遠隔検知可能なガス検知装置であって、
前記検体に吸収されガスを発生させる第１の赤外光を照射する励起用光源と、
前記ガスの吸収スペクトルのピークの１つを含む波長範囲内で発光波長をチューニング可能な第２の赤外光を照射する検知用光源と、
前記空間領域に対して前記第１および第２の赤外光を走査しつつ照射する走査光学部と、
前記空間領域内で前記ガスにより散乱された前記第２の赤外光の散乱光の一部を集光する受光光学部と、
前記散乱光の前記一部の光強度を測定可能な光検出器と、
を備え、
前記光検出器により測定された前記光強度が基準値よりも低くなったとき、前記空間領域には前記ガスが存在すると判別する、ガス検知装置。
前記励起用光源および前記検知用光源は量子カスケードレーザをそれぞれ含み、
前記第１および第２の赤外光の波長は、それぞれ４μｍ以上かつ１２μｍ以下の範囲である請求項１記載のガス検知装置。
前記走査光学部は、前記第１および第２の赤外光を３次元的に走査する請求項１または２に記載のガス検知装置。
前記走査光学部は、走査ミラーを有し、
前記第１の赤外光と前記第２の赤外光とは、光軸合わせがされたのち前記走査ミラーに入射する、請求項１〜３のいずれか１つに記載のガス検知装置。
前記第２の赤外光の前記波長範囲は、前記第１の赤外光の波長範囲の一部である請求項１〜４のいずれか１つに記載のガス検知装置。
前記受光光学部は、カセグレン望遠鏡構造を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載のガス検知装置。