JPH01152342A - メタンの検出 - Google Patents
メタンの検出Info
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- JPH01152342A JPH01152342A JP63110621A JP11062188A JPH01152342A JP H01152342 A JPH01152342 A JP H01152342A JP 63110621 A JP63110621 A JP 63110621A JP 11062188 A JP11062188 A JP 11062188A JP H01152342 A JPH01152342 A JP H01152342A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
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- G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
- G01N21/3504—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing gases, e.g. multi-gas analysis
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は大気中のメタンの検出に関するものであって、
もちろんこれに限るものではないが、港や鉱山のような
設備でのメタンの遠隔操作検出に対する特別の応用を有
している。そのような検出の目的は存在するメタンのｍ
が爆発性の又はほかの段階に近づくときに気がつくこと
である。
もちろんこれに限るものではないが、港や鉱山のような
設備でのメタンの遠隔操作検出に対する特別の応用を有
している。そのような検出の目的は存在するメタンのｍ
が爆発性の又はほかの段階に近づくときに気がつくこと
である。
大気中のメタンの存在を検出するために分光学的な技術
を使用することは知られている。過去の提案は強い３．
３９μｍの吸収線を検出するためのＨｅ：Ｎｅレーザー
（米国特許用３．９９８゜５５７号）、１．６４５μｍ
で同調させられたＥｒ：ＹＡＧレーザ−〔ワトキンスら
（Ｗａｔｋｉｎｓｅｔ ａｌ ） 、Ｒｅｖ、 Ｓｃｉ
、 Ｉｎｓｔｒｕｍ （１９８１） ５２（１１）、１
６８２）、及びおよそ１．３３μｍのＶ ＋２Ｖ３吸収
バンドを検出するためのＩ ｎＧａＡｓＰ半導Ａｓ−ザ
ー〔ヂャンら（Ｃｈａｎｅｔ ａｌ ） 、Ａｐ
ｐｌｉｅｄ ０ｐｔｉｃｓ（１９８３）２２ （２
３）、３８０２）の使用を包含していた。これらの提案
のどれも広い商業的な応用に対して全く十分であること
を立証しなかった。メタンの強い吸収線、たとえば３．
３９μｍの線は本物により近いメタンによる吸収が大き
な距離の位置をおおうが如き港湾設備又は露天掘り鉱山
のようなかなりな距離にわたる遠隔操作検出には適して
いなかった。示唆されたさまざまなレーザーは不十分な
出力、高い値段及び不十分ながんじょうさを含む一つ又
はそれ以上のいくつかの不利益に苦しんでいる。
を使用することは知られている。過去の提案は強い３．
３９μｍの吸収線を検出するためのＨｅ：Ｎｅレーザー
（米国特許用３．９９８゜５５７号）、１．６４５μｍ
で同調させられたＥｒ：ＹＡＧレーザ−〔ワトキンスら
（Ｗａｔｋｉｎｓｅｔ ａｌ ） 、Ｒｅｖ、 Ｓｃｉ
、 Ｉｎｓｔｒｕｍ （１９８１） ５２（１１）、１
６８２）、及びおよそ１．３３μｍのＶ ＋２Ｖ３吸収
バンドを検出するためのＩ ｎＧａＡｓＰ半導Ａｓ−ザ
ー〔ヂャンら（Ｃｈａｎｅｔ ａｌ ） 、Ａｐ
ｐｌｉｅｄ ０ｐｔｉｃｓ（１９８３）２２ （２
３）、３８０２）の使用を包含していた。これらの提案
のどれも広い商業的な応用に対して全く十分であること
を立証しなかった。メタンの強い吸収線、たとえば３．
３９μｍの線は本物により近いメタンによる吸収が大き
な距離の位置をおおうが如き港湾設備又は露天掘り鉱山
のようなかなりな距離にわたる遠隔操作検出には適して
いなかった。示唆されたさまざまなレーザーは不十分な
出力、高い値段及び不十分ながんじょうさを含む一つ又
はそれ以上のいくつかの不利益に苦しんでいる。
それゆえ本発明の目的は商業的なメタン検出装置により
よく実用的に応用しうるレーザー放射バンドとメタン吸
収バンドの改善された組合せを達成することにある。本
発明者らは、その目的が特別に同調させられたネオジム
レーザーと、前にＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザーについ
てのみ示唆された大きく監視されたｖ ＋２Ｖ３のメタ
ン吸収バンドとの組合せによって達成できることを如実
に示した。
よく実用的に応用しうるレーザー放射バンドとメタン吸
収バンドの改善された組合せを達成することにある。本
発明者らは、その目的が特別に同調させられたネオジム
レーザーと、前にＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザーについ
てのみ示唆された大きく監視されたｖ ＋２Ｖ３のメタ
ン吸収バンドとの組合せによって達成できることを如実
に示した。
本発明は従って大気中のメタンの存在を検出する分光学
的方法において、大気を通り抜けてメタンの■ ＋２Ｖ
３の少な（とも１本の重要な吸収線を含む蛍光線幅を有
する波長でネオジムレーザーによって放射される光を管
理すること、および前記吸収線を検出するためにガス体
を横断後の前記の光を監視することを特徴とするメタン
の検出の分光学的り法を提供する。
的方法において、大気を通り抜けてメタンの■ ＋２Ｖ
３の少な（とも１本の重要な吸収線を含む蛍光線幅を有
する波長でネオジムレーザーによって放射される光を管
理すること、および前記吸収線を検出するためにガス体
を横断後の前記の光を監視することを特徴とするメタン
の検出の分光学的り法を提供する。
国−１から生じる、近赤外領域のおよそ１．３３μｍの
倍音結合バンドである。
倍音結合バンドである。
関心を引く大気中の光によって横断される距離は少なく
とも１５ｍ１最も好ましくは２００ｍまでの範囲内であ
る。
とも１５ｍ１最も好ましくは２００ｍまでの範囲内であ
る。
本発明はさらに大気中のメタンの存在を分光学的に検出
する装置であって、メタンのｖ２＋２Ｖ３バンドの少な
くとも１本の重要な吸収線を含む蛍光線幅を有する波長
で放射するように同調させられたネオジムレーザー、受
け取った光の中の前記吸収線を検出するために光を受け
取って監視するための検出手段、及び大気を通り抜けて
検出手段へ向けてレーザーによって放射された光を検出
するための手段を備えていることを特徴とするメタンの
検出装置、たとえばライダー装置を提供する。
する装置であって、メタンのｖ２＋２Ｖ３バンドの少な
くとも１本の重要な吸収線を含む蛍光線幅を有する波長
で放射するように同調させられたネオジムレーザー、受
け取った光の中の前記吸収線を検出するために光を受け
取って監視するための検出手段、及び大気を通り抜けて
検出手段へ向けてレーザーによって放射された光を検出
するための手段を備えていることを特徴とするメタンの
検出装置、たとえばライダー装置を提供する。
前記レーザーはイットリウアルミニウムガーネット中の
ネオジム（Ｎｄ ： ＹＡＧ）レーザーであって、それ
は１．３１８μｍ（７５８１α−１）で放射するように
改造された、よく知られたがんじような商業用レーザー
であり、その放射線は転移Ｒ２→Ｘ１から生じ、波数７
５８５．８０でＶ２＋２Ｖ３バンドのＲ（６）吸収線を
包含するのに適した、ｌＣｍ−１のオーダーのレーザー
光線を発する線幅（ｌｉｎｃｗｉｄｔｈ ）及び約７１
−１の傾向線幅を有しでいる。
ネオジム（Ｎｄ ： ＹＡＧ）レーザーであって、それ
は１．３１８μｍ（７５８１α−１）で放射するように
改造された、よく知られたがんじような商業用レーザー
であり、その放射線は転移Ｒ２→Ｘ１から生じ、波数７
５８５．８０でＶ２＋２Ｖ３バンドのＲ（６）吸収線を
包含するのに適した、ｌＣｍ−１のオーダーのレーザー
光線を発する線幅（ｌｉｎｃｗｉｄｔｈ ）及び約７１
−１の傾向線幅を有しでいる。
第１図はこの分光学的一致を描写しており、ｖ ＋ｖ３
メタン吸収バンドのＲ，Ｑ及びＰブランチ、並びに波数
線上の１．３１８μｍ放射線及びＲ（６）吸収線の位置
を示している。
メタン吸収バンドのＲ，Ｑ及びＰブランチ、並びに波数
線上の１．３１８μｍ放射線及びＲ（６）吸収線の位置
を示している。
代りに、レーザーは１．３３３μｍの領域に放射するよ
うに改造されたガラス中のネオジム（Ｎｄ ：ＧＬＡＳ
Ｓレーザーであってよく、その放射線は数α−１のレー
ザー光線を発する線幅及びおよそ２００υ−１の蛍光線
幅を持っている。この線は、波数７５０９．９の吸収線
を含むＶ２ト２Ｖ３バンドのＱブランチを含むように正
確に同調させられることができる。
うに改造されたガラス中のネオジム（Ｎｄ ：ＧＬＡＳ
Ｓレーザーであってよく、その放射線は数α−１のレー
ザー光線を発する線幅及びおよそ２００υ−１の蛍光線
幅を持っている。この線は、波数７５０９．９の吸収線
を含むＶ２ト２Ｖ３バンドのＱブランチを含むように正
確に同調させられることができる。
通常１．０６４μｍで放射するこれらのレーザーの修整
又は同調は、ステッパーモーター（Ｓｔｅｐｐｅｒ ｍ
ｏｔｏｒ ）を経たコンピュータｉｔ、ｆＪ ａｌｌの
もとで、エタロン及び／又は回折格子、たとえば空どう
内エアスペースエタロンのような１ｉ１１ａ要素によっ
て成し遂げることができる。レーザーの波長は（所望の
波長での操作を確認するために）小さな低分解能分光計
及びメタンを含有している光音響セル（ｐｈｏｔｏａｃ
ｏｕｓｔｉｃ ｃｅｌｌ）を用イテ監視できる。
又は同調は、ステッパーモーター（Ｓｔｅｐｐｅｒ ｍ
ｏｔｏｒ ）を経たコンピュータｉｔ、ｆＪ ａｌｌの
もとで、エタロン及び／又は回折格子、たとえば空どう
内エアスペースエタロンのような１ｉ１１ａ要素によっ
て成し遂げることができる。レーザーの波長は（所望の
波長での操作を確認するために）小さな低分解能分光計
及びメタンを含有している光音響セル（ｐｈｏｔｏａｃ
ｏｕｓｔｉｃ ｃｅｌｌ）を用イテ監視できる。
ネオジム： ＹＡＧレーザーは高出力のよく立証された
がんじょうなレーザーである。Ｒ（６）線及び■ ＋２
Ｖ３メタン吸収バンドのＱブランチビーり線、及び類似
のピーク振幅のバンドのほかの線は、理想的な妥協範囲
内にある振幅を持っており、特に放射源としてネオジム
レーザーによって、合理的な値段で信頼できかつ正確な
線の検出を可能にするためには十分高いが、しかし港、
鉱山及びガス貯蔵用地のようなＩＭ設で要求されるよう
な、実質的な距離、たとえば２００ｍまでの、又は１触
若しくは数層までもの距離を越える遠隔操作の検出を解
決する範囲にまでその方法を使用することを許すには十
分に低いことがわかっている。Ｑブランチは、特に魅力
的であるとみなされ、そしてこの線を監視することを要
求されるＮｄ：ＧＬＡＳＳレーザーはイツトリウム ア
ルミニウムガーネット（ＹＡＧ）親物質（ｈｏｓｔ ｍ
ａｔｅｒｉａｌ ）を適切な選定されたガラスで置換す
ることによって商業用のＮｄ：ＹＡＧレーザーから容易
に誘導することが可能である。
がんじょうなレーザーである。Ｒ（６）線及び■ ＋２
Ｖ３メタン吸収バンドのＱブランチビーり線、及び類似
のピーク振幅のバンドのほかの線は、理想的な妥協範囲
内にある振幅を持っており、特に放射源としてネオジム
レーザーによって、合理的な値段で信頼できかつ正確な
線の検出を可能にするためには十分高いが、しかし港、
鉱山及びガス貯蔵用地のようなＩＭ設で要求されるよう
な、実質的な距離、たとえば２００ｍまでの、又は１触
若しくは数層までもの距離を越える遠隔操作の検出を解
決する範囲にまでその方法を使用することを許すには十
分に低いことがわかっている。Ｑブランチは、特に魅力
的であるとみなされ、そしてこの線を監視することを要
求されるＮｄ：ＧＬＡＳＳレーザーはイツトリウム ア
ルミニウムガーネット（ＹＡＧ）親物質（ｈｏｓｔ ｍ
ａｔｅｒｉａｌ ）を適切な選定されたガラスで置換す
ることによって商業用のＮｄ：ＹＡＧレーザーから容易
に誘導することが可能である。
第２図はすでに記述された線に沿う模範的な遠隔操作検
出用分光計装置を描写する図である。分光計はＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザ−１０、エタロン波長同調器１２、光音響（
ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ）比較セル１４、並びに
セル１４及びレシーバ−検出器２０に対するアナログ／
デジタルインターフェース１８をもった制御用コンピュ
ータ１６を備えている。
出用分光計装置を描写する図である。分光計はＮｄ：Ｙ
ＡＧレーザ−１０、エタロン波長同調器１２、光音響（
ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ）比較セル１４、並びに
セル１４及びレシーバ−検出器２０に対するアナログ／
デジタルインターフェース１８をもった制御用コンピュ
ータ１６を備えている。
第３図は、レーザーから２０ｍで拡散したターゲットの
前面５ｍに配置された、長さ２６０ｍで直径３００ｍの
１００％メタンの試験セル２２を使用せる、第２図の分
光計の波数に対するコンピュータでなめらかにした吸収
の図表である。おおよそ９０％の吸収が吸収係数０．０
１％Ｃ＃Ｉ−１に相当する最大メタンビークで得られた
。
前面５ｍに配置された、長さ２６０ｍで直径３００ｍの
１００％メタンの試験セル２２を使用せる、第２図の分
光計の波数に対するコンピュータでなめらかにした吸収
の図表である。おおよそ９０％の吸収が吸収係数０．０
１％Ｃ＃Ｉ−１に相当する最大メタンビークで得られた
。
既知の分光学的技術に従って、大気中のメタンの濃度は
検出された吸収信号と当該線の既知の強度から測定でき
ることが理解されよう。
検出された吸収信号と当該線の既知の強度から測定でき
ることが理解されよう。
いくつかの従来のライダー（すなわち、レーザーレーダ
ー）配置が一連の変形させられたメタンの遠隔制御検出
器械を形成するために本発明の分光学的一致を満たすた
めに使用することがｒきる。
ー）配置が一連の変形させられたメタンの遠隔制御検出
器械を形成するために本発明の分光学的一致を満たすた
めに使用することがｒきる。
放射作動及び休止吸収を同調させることによって従来の
示差吸収ライダーはエーロゾル散乱を用いてガス体中の
メタンの濃度を解決される範囲を生じさせるであろう。
示差吸収ライダーはエーロゾル散乱を用いてガス体中の
メタンの濃度を解決される範囲を生じさせるであろう。
そのようなライダー配置の一般原理は、Ｃ０２示差吸収
ライダーシステムによる常圧アンモニアの遠隔操作検出
に関連して、たとえばフォースら（Ｆｏｒｃｅ ｅｔ
ａｌ ）の八ｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ ２４ （１
７） ２８３７に開示されている。
ライダーシステムによる常圧アンモニアの遠隔操作検出
に関連して、たとえばフォースら（Ｆｏｒｃｅ ｅｔ
ａｌ ）の八ｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ ２４ （１
７） ２８３７に開示されている。
第２の、そしてめったにない技術はレーデ−出力のスペ
クトル幅がメタンの線幅より大ぎく配列される、いわゆ
るくさび吸収を含む。このことはレーザー出力のスパイ
ク状の性質と共に、各レーザーパルスに対して数百の分
光学的測定がなされ、くさびを生じることを意味する。
クトル幅がメタンの線幅より大ぎく配列される、いわゆ
るくさび吸収を含む。このことはレーザー出力のスパイ
ク状の性質と共に、各レーザーパルスに対して数百の分
光学的測定がなされ、くさびを生じることを意味する。
くさび吸収技術は、たとえばＥｒ：ＹＡＧレーザーによ
るメタンの遠ｆｉｌ操作検出に関連して、ワトキンスら
（Ｗａｔｋｉｎｓ ａｔ ａｌ ）の前出の報文に記述
されている。
るメタンの遠ｆｉｌ操作検出に関連して、ワトキンスら
（Ｗａｔｋｉｎｓ ａｔ ａｌ ）の前出の報文に記述
されている。
典型的に、実用的な装置においては、装置は監視下に大
気中のメタン濃度が特殊のしきり値に越えるとぎ警報信
号又は制御信号を発生するように形成され又は計画され
ている。このしきい濃度は、メタンが大気中の爆発性の
、ほかの危険な又は容認できない水準に近づくことの指
示として通常選定されている。
気中のメタン濃度が特殊のしきり値に越えるとぎ警報信
号又は制御信号を発生するように形成され又は計画され
ている。このしきい濃度は、メタンが大気中の爆発性の
、ほかの危険な又は容認できない水準に近づくことの指
示として通常選定されている。
しぎい上のメタン濃度の位置は適切な周波数を変えられ
たか又はパルスにされた光透過を用いる飛行測定技術の
時間によって決定してよい。
たか又はパルスにされた光透過を用いる飛行測定技術の
時間によって決定してよい。
第１図は、■ ＋２Ｖ３メタン吸収バンドのＲ１Ｑ及び
Ｐブランチ、並びに波数線上の１．３１８μｍｆｉ射線
及びＲ（６）吸収線の位置を示す図である。 第２図は、遠隔操作検出用分光計装置を描写する図であ
る。 第３図は、波数と吸収％の関係を示したものである。 第１図の用語 ■ 蛍光利得曲線 ■ レーザー出力 ■ シフト ■ 幅ｍ・２α−１ ■ メタンＲ（６１＄９に対するＮｄ：ＹＡＧ同調■
透過％ ■ 波数 第２図の用語 ■ 光音’ＩＩ （ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ）信
号■ マイクロホン ■ エネルギー監視器 ■ 光音響比較セル ■ 波長可変レーザー ■ レシーバ− ■ 復帰信号 ■ 波長制御 ■ コンピュータ ０１００％メタン含有試験セル ■ 拡散ターゲット 第３図の用語 ■ 吸収％ ■ 波数（相対）
Ｐブランチ、並びに波数線上の１．３１８μｍｆｉ射線
及びＲ（６）吸収線の位置を示す図である。 第２図は、遠隔操作検出用分光計装置を描写する図であ
る。 第３図は、波数と吸収％の関係を示したものである。 第１図の用語 ■ 蛍光利得曲線 ■ レーザー出力 ■ シフト ■ 幅ｍ・２α−１ ■ メタンＲ（６１＄９に対するＮｄ：ＹＡＧ同調■
透過％ ■ 波数 第２図の用語 ■ 光音’ＩＩ （ｐｈｏｔｏａｃｏｕｓｔｉｃ ）信
号■ マイクロホン ■ エネルギー監視器 ■ 光音響比較セル ■ 波長可変レーザー ■ レシーバ− ■ 復帰信号 ■ 波長制御 ■ コンピュータ ０１００％メタン含有試験セル ■ 拡散ターゲット 第３図の用語 ■ 吸収％ ■ 波数（相対）
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、大気中のメタンの存在を検出する分光学的方法にお
いて、大気を通り抜けてメタンのＶ＿２＋２Ｖ＿３バン
ドの少なくとも１本の重要な吸収線を含む蛍光線幅（ｌ
ｉｎｅｗｉｄｔｈ）を有する波長でネオジムレーザーに
よつて放射される光を管理すること、および前記吸収線
を検出するために大気を横断後の前記の光を監視するこ
とを特徴とするメタンの検出の分光学的方法。 ２、利用されたネオジムレーザーが１．３１８μｍで、
転移Ｒ＿２→Ｘ＿１を放射するように改造されたＮｄ：
ＹＡＧレーザーである請求項１記載の分光学的方法。 ３、利用されたネオジムレーザーが１．３３３μｍで放
射するように改造されたＮｄ：ＧＬＡＳＳレーザーであ
る請求項１記載の分光学的方法。 ４、前記大気中で前記の光によつて横断された距離が少
なくとも１５ｍである請求項１、２又は３のいずれか１
項に記載の分光学的方法。 ５、前記大気中で前記の光によつて横断された距離が２
００ｍまでである請求項１、２又は３のいずれか１項に
記載の分光学的方法。 ６、大気中のメタンの存在を分光学的に検出する装置で
あつて、メタンのＶ＿２＋２Ｖ＿３バンドの少なくとも
１本の重要な吸収線を含む蛍光線幅を有する波長で放射
するように同調させられたネオジムレーザー、受け取つ
た光の中の前記吸収線を検出するために光を受け取つて
監視するための検出手段、および大気を通り抜けて検出
手段へ向けてレーザーによつて放射された光を検出する
ための手段を備えていることを特徴とするメタンの検出
装置。 ７、前記ネオジムレーザーが１．３１８μｍで、転移Ｒ
＿２→Ｘ＿１を放射するように改造されたＮｄ：ＹＡＧ
レーザーである請求項６記載の装置。 ８、前記ネオジムレーザーが１．３３３μｍで放射する
ように改造されたＮｄ：ＧＬＡＳＳレーザーである請求
項６記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
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| AUPI180887 | 1987-05-08 | ||
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