JPH05340872A - Carbon isotope analyzing instrument - Google Patents

Carbon isotope analyzing instrument

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JPH05340872A
JPH05340872A JP14753492A JP14753492A JPH05340872A JP H05340872 A JPH05340872 A JP H05340872A JP 14753492 A JP14753492 A JP 14753492A JP 14753492 A JP14753492 A JP 14753492A JP H05340872 A JPH05340872 A JP H05340872A
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wavelength
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直人 北林
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陽二 東
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Abstract

PURPOSE:To obtain an isotopic CO2 analyzing instrument which can analyze a light absorption spectrum for a carbon isotope. CONSTITUTION:The title analyzing instrument is provided with a semiconductor laser-excited Tm: YAG solid-state laser 13 having an oscillation wavelength of about 2mum and a variable wavelength, piezo-electric element controlling section 15 which sweeps the oscillation frequency of the laser 13, oscillator 14 which modulates the frequency of the laser 13, and a lock-in amplifier 17 which detects light absorption characteristics in a sample cell 2 and analyzes a light absorption spectrum for isotopic CO2.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、試料に光を照射し、そ
の光吸収スペクトルから13CO2 12CO2を分析する
炭素同位体分析装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a carbon isotope analyzer for irradiating a sample with light and analyzing 13 CO 2 and 12 CO 2 from its light absorption spectrum.

【0002】[0002]

【従来の技術】炭素(C)には、その質量数が12のも
の(12C)の他、質量数が13である安定同位体(以下
13C)や、14である放射性同位体等が存在する。
2. Description of the Related Art Carbon (C) has a mass number of 12 ( 12 C) as well as stable isotopes having a mass number of 13 (hereinafter
13 C) and radioactive isotopes such as 14 exist.

【0003】これらの中で、13Cは、放射性同位体と違
い、放射線被爆がなく取扱いが容易である。その為、医
療分野に於いて、同位体比の変化をトレースすることに
より診断を行う等、その利用が積極的に研究されてい
る。
Of these, 13 C, unlike radioactive isotopes, is not exposed to radiation and is easy to handle. Therefore, in the medical field, its use is actively studied, for example, by making a diagnosis by tracing the change of isotope ratio.

【0004】この様な分析を行う従来の炭素同位体分析
装置に、赤外域の光吸収スペクトルを利用したものがあ
る。一般に、炭素は赤外域の光と直接共鳴しないので、
二酸化炭素(CO2 )化され、二酸化炭素の同位体(12
CO2 13CO2 )のスペクトルを測定することによ
り、炭素同位体(12C、13C)の分析を行っている。
[0004] As a conventional carbon isotope analyzer for performing such an analysis, there is one using an optical absorption spectrum in the infrared region. In general, carbon does not directly resonate with light in the infrared region, so
It is converted to carbon dioxide (CO 2 ) and isotope of carbon dioxide ( 12
Carbon isotopes ( 12 C, 13 C) are analyzed by measuring spectra of CO 2 , 13 CO 2 .

【0005】従来、12CO2 13CO2 の光吸収スペク
トルを測定し、炭素同位体の分析を行う際、分散型の分
光計が使用されてきた。この分光計の構成を図3に示
す。
Conventionally, a dispersion type spectrometer has been used when measuring the optical absorption spectra of 12 CO 2 and 13 CO 2 and analyzing carbon isotopes. The structure of this spectrometer is shown in FIG.

【0006】図3において、その発光スペクトル域が赤
外であり、スペクトル幅の広いランプ1をでた光は、試
料セル2に導入される。そこで、光は、試料セル2の内
部の試料と相互作用し、共鳴吸収される。試料セル2よ
りでた光は、スリット3a、ミラー4を経て、回折格子
5へ入射し、分光される。
In FIG. 3, the light emitted from the lamp 1 whose emission spectrum region is infrared and has a wide spectrum width is introduced into the sample cell 2. There, the light interacts with the sample inside the sample cell 2 and is resonantly absorbed. The light emitted from the sample cell 2 passes through the slit 3a and the mirror 4 and enters the diffraction grating 5 to be dispersed.

【0007】このとき、回折格子5の角度を連続的に変
え、回折格子5からの光をスリット3bを通して検知す
ることにより、連続的な波長変化に対する光の強度変化
を検出器6aで測定する。この様にして、試料の光吸収
スペクトルを測定する。また、回折格子5と検出器6a
の間のスリット3bの幅を変えることにより、この装置
のスペクトル分解能を変えることができる。
At this time, the angle of the diffraction grating 5 is continuously changed, and the light from the diffraction grating 5 is detected through the slit 3b, whereby the intensity change of the light with respect to the continuous wavelength change is measured by the detector 6a. In this way, the light absorption spectrum of the sample is measured. In addition, the diffraction grating 5 and the detector 6a
By changing the width of the slit 3b between them, the spectral resolution of this device can be changed.

【0008】上述した従来の炭素同位体分析装置の分解
能の限界は、使用している回折格子の溝の本数とスリッ
トの幅とにより決まる。
The limit of the resolution of the above-mentioned conventional carbon isotope analyzer is determined by the number of grooves of the diffraction grating used and the width of the slit.

【0009】測定対象となる、二酸化炭素12CO2 13
CO2 とは、質量差の違いにより各々の光吸収スペクト
ルの周波数が異なる為、その光吸収強度比を求めること
により同位体比の変化をトレースすることができる。
Carbon dioxide 12 CO 2 and 13 to be measured
Since the frequency of each light absorption spectrum differs from that of CO 2 due to the difference in mass difference, the change in the isotope ratio can be traced by determining the light absorption intensity ratio.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところで、12CO2
13CO2 との光吸収スペクトルの微細構造(振動・回転
スペクトル)は、接近しており、一部重なりあってい
る。また、自然の状態では13CO2 は、12CO2 の1/
100程度しか存在しておらず、光吸収強度は、12CO
2 の1/100程度である。
By the way, with 12 CO 2
The fine structures (vibration / rotation spectra) of the light absorption spectrum with 13 CO 2 are close to each other and partially overlap each other. In the natural state, 13 CO 2 is 1/12 of 12 CO 2 .
There is only about 100, and the light absorption intensity is 12 CO
It is about 1/100 of 2 .

【0011】更に、各微細構造のスペクトルは、大気中
に於いて、半値全幅で、0.1cm-1程度のスペクトル
幅を持っている。この様なスペクトルに対し、上記の分
散型分光計のスペクトル分解能は、1cm-1程度と低い
為、上記分散型分光計によってCO2 の同位体の光吸収
スペクトルを測定した結果は、12CO2 13CO2 との
両方のスペクトルが重なり、微弱な13CO2 のスペクト
ルの分離は簡単ではない。この様な測定結果は、2つの
スペクトルの間でお互いに影響を及ぼし合う。また、上
記の様に存在比が大きく異なる為、濃度の変化に対する
吸収強度の変化が、12CO2 13CO2 とでは、異な
る。即ち、13CO2 は、ほぼリニアな変化をするのに対
し、12CO2 は、対数的な変化をする。従って、測定結
果そのままでは、12CO2 13CO2 との比のトレース
が正確に行えない。
Further, the spectrum of each fine structure has a full width at half maximum of about 0.1 cm -1 in the atmosphere. In contrast to such a spectrum, the spectral resolution of the above-mentioned dispersive spectrometer is as low as about 1 cm −1, so the result of measuring the optical absorption spectrum of the isotope of CO 2 by the above-mentioned dispersive spectrometer is 12 CO 2 And 13 CO 2 spectra overlap, and separation of the weak 13 CO 2 spectrum is not easy. Such measurement results influence each other between the two spectra. Further, since the abundance ratios differ greatly as described above, the change in absorption intensity with respect to the change in concentration differs between 12 CO 2 and 13 CO 2 . That is, 13 CO 2 changes almost linearly, while 12 CO 2 changes logarithmically. Therefore, the trace of the ratio of 12 CO 2 and 13 CO 2 cannot be accurately performed with the measurement result as it is.

【0012】この様な測定結果に対し、分析の際、計算
による補正を行うが、精度良い同位体比の変化の測定に
は限度がある。また、試料中に含まれる不純物や、光路
上に存在する吸収強度の強い水分(H2 O)などの光吸
収スペクトルの影響も、上述の様にスペクトル分解能が
低い為、無視できない。更に、極微量の同位体の変化を
検出する際には、感度を上げる為、スリット3bの幅を
広げる必要がある。これは、分解能の更なる低下を招
く。
Although such a measurement result is corrected by calculation during analysis, there is a limit to accurate measurement of change in isotope ratio. Further, the influence of the light absorption spectrum of impurities contained in the sample and moisture (H 2 O) existing on the optical path and having high absorption intensity cannot be ignored because the spectral resolution is low as described above. Furthermore, when detecting a trace amount of isotope change, it is necessary to widen the width of the slit 3b in order to increase the sensitivity. This leads to a further reduction in resolution.

【0013】すなわち、従来の分散型分光計による炭素
同位体の測定には、装置の分解能、及び、この装置で測
定可能である光吸収スペクトルの組み合わせに起因す
る、以上の様な問題点があった。
That is, the measurement of carbon isotopes by the conventional dispersive spectrometer has the above problems due to the resolution of the device and the combination of the optical absorption spectra measurable by this device. It was

【0014】そこで、本発明の技術的課題は、上記欠点
に鑑み、光吸収スペクトルから炭素同位体を高精度に分
析する炭素同位体分析装置を提供することである。
Therefore, in view of the above-mentioned drawbacks, a technical object of the present invention is to provide a carbon isotope analyzer for analyzing carbon isotopes with high accuracy from an optical absorption spectrum.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、光吸収
スペクトルより13CO2 12CO2 を分析する炭素同位
体分析装置において、発振波長が2μm近辺であり波長
可変である半導体レーザ励起Tm:YAG固体レーザ
と、前記固体レーザの発振波長を掃引する手段と、前記
固体レーザの周波数を変調させる手段と、試料セル内の
光吸収特性を検出するロックイン増幅器とを、有し、13
CO2 の検出に、波数4877.57±0.20cm-1
のときの光吸収スペクトルを求め、12CO2 の検出に、
波数4878.29±0.20cm-1のときの光吸収ス
ペクトルを求め、前記両光吸収スペクトルの強度比に基
づいて、13CO2 12CO2 を検出することを特徴とす
る炭素同位体分析装置が得られる。
According to the present invention, in a carbon isotope analyzer for analyzing 13 CO 2 and 12 CO 2 from an optical absorption spectrum, a semiconductor laser excitation having an oscillation wavelength in the vicinity of 2 μm and a variable wavelength is used. tm: a YAG solid state laser, means for sweeping the oscillation wavelength of the solid-state laser, means for modulating the frequency of the solid-state laser, and a lock-in amplifier to detect the light absorption characteristics in the sample cell, have, 13
Wave number 4877.57 ± 0.20 cm −1 for CO 2 detection
The light absorption spectrum at the time of is obtained, and for the detection of 12 CO 2 ,
A carbon isotope analysis characterized by obtaining an optical absorption spectrum at a wave number of 4878.29 ± 0.20 cm −1 and detecting 13 CO 2 and 12 CO 2 based on the intensity ratio of the both optical absorption spectra. The device is obtained.

【0016】また、本発明によれば、前記炭素同位体分
析装置において、13CO2 12CO2 とのそれぞれの検
出に、下記の表2に示すスペクトルの組み合わせを用い
ることを特徴とする炭素同位体分析装置が得られる。
Further, according to the present invention, in the carbon isotope analyzer, the combination of spectra shown in Table 2 below is used for detection of 13 CO 2 and 12 CO 2 , respectively. An isotope analyzer is obtained.

【0017】[0017]

【表2】 [Table 2]

【0018】すなわち、本発明は、発振スペクトル幅が
非常に狭く、発振波長が広範囲に可変であり、CO2
吸収強度の強い2μmの波長帯で発振する、半導体レー
ザ励起Tm:YAG固体レーザを分光用光源とする。
That is, the present invention provides a semiconductor laser-excited Tm: YAG solid-state laser which has an extremely narrow oscillation spectrum width, a wide range of oscillation wavelengths, and oscillates in a wavelength band of 2 μm where CO 2 absorption intensity is strong. Use as a light source for spectroscopy.

【0019】これを試料に照射し、この透過光を測定す
ることにより、12CO2 13CO2との相互の影響や、
2 Oの影響を受けず、高分解能に光吸収スペクトルを
測定し、炭素同位体の変化を高精度・高感度に測定する
ものである。
By irradiating the sample with this and measuring the transmitted light, the mutual influence of 12 CO 2 and 13 CO 2, and
It is a method for measuring a light absorption spectrum with high resolution without being affected by H 2 O and for measuring changes in carbon isotopes with high accuracy and high sensitivity.

【0020】高出力の半導体レーザの普及により、半導
体レーザ励起による固体レーザの研究・開発が急速に広
がっている。これに伴い、従来のランプ励起では、発振
しなかった発振線や液体窒素等の冷却を必要とした発振
線を、ペルチェ素子で冷却可能な温度や室温で、発振を
実現させることに成功している。これらは、励起源とし
て、半導体レーザを用いているので、低消費電力で効率
が良く、小形軽量である、長寿命、高信頼性である、な
どの多くの利点を持つ。
With the widespread use of high-power semiconductor lasers, research and development of solid-state lasers excited by semiconductor lasers are rapidly expanding. Along with this, in the conventional lamp excitation, we succeeded in oscillating an oscillation line that did not oscillate or an oscillation line that needed cooling such as liquid nitrogen at a temperature or room temperature that could be cooled by the Peltier element. There is. Since they use a semiconductor laser as an excitation source, they have many advantages such as low power consumption, high efficiency, small size and light weight, long life and high reliability.

【0021】この様な半導体レーザ励起により発振が容
易となった固体レーザの中に、2μm帯レーザがある。
A 2 μm band laser is one of the solid-state lasers which can be easily oscillated by such semiconductor laser excitation.

【0022】半導体レーザ励起Tm:YAG固体レーザ
とは、固体レーザの母体結晶であるYAGに、Tm3+
オンをドープしたTm:YAGを用い、励起光源とし
て、発振波長785nmの高出力半導体レーザを使用し
たものである。
The semiconductor laser pumped Tm: YAG solid-state laser is a high-power semiconductor laser having an oscillation wavelength of 785 nm, which is obtained by using Tm: YAG doped with Tm 3+ ions in YAG which is a host crystal of the solid-state laser. It was used.

【0023】半導体レーザ励起Tm:YAG固体レーザ
は、2.02μm(4950cm-1)を中心に、1.8
7〜2.16μm(5350〜4630cm-1)の範囲
で波長可変であるレーザである。
The semiconductor laser pumped Tm: YAG solid state laser has a center of 2.02 μm (4950 cm −1 ) and 1.8.
The wavelength tunable laser is in the range of 7 to 2.16 μm (5350 to 4630 cm −1 ).

【0024】固体レーザの発振スペクトル幅は、3×1
-6cm-1〜3×10-4cm-1であり、分散型分光計に
比べ、遥かに狭い。
The oscillation spectrum width of the solid-state laser is 3 × 1.
It is 0 −6 cm −1 to 3 × 10 −4 cm −1, which is much narrower than that of a dispersion spectrometer.

【0025】また、Tm:YAG固体レーザは、発振波
長が、CO2 の吸収強度の強い2μm帯(3000〜5
000cm-1)であるので、CO2 の振動・回転の各ス
ペクトルを高密度に測定可能である。
The Tm: YAG solid-state laser has an oscillation wavelength of 2 μm band (3000 to 5) in which CO 2 absorption intensity is strong.
Since it is 000 cm −1 , each spectrum of vibration and rotation of CO 2 can be measured at high density.

【0026】しかし、同位体比の測定に際し不適切なス
ペクトルがあり、同位体比の測定に適した12CO2 13
CO2 との光吸収スペクトルの組み合わせが必要とな
る。その条件は、以下の様になる。
However, there is an unsuitable spectrum when measuring the isotope ratio, and 12 CO 2 and 13 which are suitable for measuring the isotope ratio are used.
A combination of light absorption spectra with CO 2 is required. The conditions are as follows.

【0027】前述の様に、13CO2 の光吸収スペクトル
の吸収強度は、12CO2 の吸収強度の1/100程度と
なる。従って、12CO2 のスペクトルの影響を受けない
様、吸収強度の強い13CO2 のスペクトルと、それに対
して、吸収強度の弱い12CO2 のスペクトルを選択し、
その組み合わせに於いて測定することが望ましい。
As described above, the absorption intensity of the optical absorption spectrum of 13 CO 2 is about 1/100 of the absorption intensity of 12 CO 2 . Thus, 12 CO 2 in the manner which is not affected by spectrum, the spectrum of strong absorption intensity 13 CO 2, whereas, select the spectra of the weak 12 CO 2 absorption strength,
It is desirable to measure in that combination.

【0028】かつ、同位体比が正確にトレースできる
様、天然存在比に於ける12CO2 13CO2 との各々の
光吸収スペクトルの強度は、ほぼ等しい。
In addition, in order that the isotope ratio can be traced accurately, the intensities of the light absorption spectra of 12 CO 2 and 13 CO 2 in the natural abundance ratio are almost equal.

【0029】目的とする、12CO2 13CO2 との振動
・回転スペクトルの他に、微弱な振動・回転スペクトル
が多く存在する。これらの影響を受けない。
In addition to the desired vibration / rotation spectrum of 12 CO 2 and 13 CO 2 , there are many weak vibration / rotation spectra. Not affected by these.

【0030】12CO2 13CO2 との光吸収スペクトル
の同一条件下の測定、同時測定が望まれる。従って、両
スペクトルは、相互に影響を及ぼさない程度に極力近接
している。
It is desired to measure the light absorption spectra of 12 CO 2 and 13 CO 2 under the same conditions, and to measure them simultaneously. Therefore, the two spectra are as close as possible so that they do not affect each other.

【0031】試料ガス中に含まれる吸収強度の強い不純
物、特にH2 Oの光吸収スペクトルの影響を受けない。
It is not affected by the light absorption spectrum of impurities having a high absorption intensity contained in the sample gas, particularly H 2 O.

【0032】以上の条件を満たす、即ち、同位体比の測
定に適した12CO2 13CO2 との光吸収スペクトルの
組み合わせの内、上記Tm:YAG固体レーザにより掃
引可能である範囲にあるものとして、13CO2 の487
7.57±0.20cm-112CO2 の4878.29
±0.20cm-1をペアとする組み合わせ、及び、表1
に示す組み合わせがあることが分かった。
In the combination of the optical absorption spectra of 12 CO 2 and 13 CO 2 which is suitable for the isotope ratio measurement, it is within the range that can be swept by the above Tm: YAG solid state laser. As a whole, 13 CO 2 487
7.57 ± 0.20 cm −1 and 12 CO 2 4878.29
Combination of ± 0.20 cm -1 as a pair, and Table 1
It turns out that there are combinations shown in.

【0033】これらのスペクトルの組み合わせを測定に
使用し、前記固体レーザを分光用光源として用いれば、
高精度かつ容易に、13CO2 12CO2 の比の測定が実
現できる。
If a combination of these spectra is used for measurement and the solid-state laser is used as a light source for spectroscopy,
Highly accurate and easy measurement of the ratio of 13 CO 2 and 12 CO 2 can be realized.

【0034】[0034]

【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings.

【0035】図1に、本発明の光源となる半導体レーザ
励起Tm:YAG固体レーザ13の実施例の1つを概略
で示す。7は、高出力半導体レーザであり、高出力半導
体レーザ7は、その温度制御により発振波長をTm:Y
AGの吸収波長である785nmに合わせてある。同時
に、駆動電流も制御されており、その結果、半導体レー
ザ7の光出力は、一定に制御される。8は、半導体レー
ザの発振光をレーザ共振器に結合させる光学系である。
9は、Tm:YAGロッドであり、半導体レーザ側の端
面aは、励起波長785nmに対し透過率が高く、発振
波長に対しては、HRのコーティングがなされている。
また、レーザ共振器側の端面bは、発振波長に対してA
Rコーティングがなされている。ロッド9の端面bを発
振波長に対するブリュスタ角にしても良い。この場合
は、端面bにコーティングは必要ない。10は、波長選
択素子であり、複屈折フィルタの組み合わせ、エタロン
等である。11は、レーザ共振器のアウトプットミラ
ー、12は、アウトプットミラーに取り付けられた圧電
素子を各々、示す。
FIG. 1 schematically shows one embodiment of a semiconductor laser pumped Tm: YAG solid state laser 13 which is a light source of the present invention. Reference numeral 7 denotes a high-power semiconductor laser, and the high-power semiconductor laser 7 has an oscillation wavelength of Tm: Y by controlling its temperature.
It is adjusted to the absorption wavelength of 785 nm of AG. At the same time, the drive current is also controlled, and as a result, the optical output of the semiconductor laser 7 is controlled to be constant. Reference numeral 8 denotes an optical system that couples the oscillation light of the semiconductor laser to the laser resonator.
Reference numeral 9 is a Tm: YAG rod, and the end face a on the semiconductor laser side has a high transmittance with respect to the excitation wavelength of 785 nm, and is HR coated with respect to the oscillation wavelength.
Further, the end face b on the laser resonator side is A with respect to the oscillation wavelength.
R coating is applied. The end face b of the rod 9 may have a Brewster angle with respect to the oscillation wavelength. In this case, the end surface b does not need to be coated. Reference numeral 10 denotes a wavelength selection element, which is a combination of birefringent filters, an etalon, and the like. Reference numeral 11 is an output mirror of the laser resonator, and 12 is a piezoelectric element attached to the output mirror.

【0036】ここで、Tm:YAGロッド9の端面aと
アウトプットミラー11とにより、レーザ共振器が形成
される。
A laser resonator is formed by the end face a of the Tm: YAG rod 9 and the output mirror 11.

【0037】高出力半導体レーザ7から出力された励起
光は、光学系8により、このレーザ共振器の発振の基本
モードに合う様に結合される。その結果、高効率でT
m:YAGロッド9は励起され、前記共振器によりレー
ザ発振し、その発振光は、アウトプットミラー11より
取り出される。レーザ共振器中に挿入された波長選択素
子10により、その発振波長を1.87〜2.16μm
の間で、任意の波長に選択、及び、掃引を行う事ができ
る。適切な素子を選択し、挿入することによりレーザ発
振光のスペクトル線幅の制御も行える。
The pumping light output from the high-power semiconductor laser 7 is coupled by the optical system 8 so as to match the fundamental mode of oscillation of this laser resonator. As a result, T is highly efficient.
The m: YAG rod 9 is excited and oscillates by the resonator, and the oscillation light is extracted from the output mirror 11. With the wavelength selection element 10 inserted in the laser resonator, its oscillation wavelength is 1.87 to 2.16 μm.
In between, it is possible to select and sweep to an arbitrary wavelength. The spectral line width of the laser oscillation light can also be controlled by selecting and inserting an appropriate element.

【0038】励起パワー、即ち、高出力半導体レーザ7
の光出力は、上記の様に一定に制御されている為、発振
光の光出力は、ある波長に制御されているときは、一定
に制御される。
Excitation power, that is, high-power semiconductor laser 7
Since the optical output of the laser is controlled to be constant as described above, the optical output of the oscillation light is controlled to be constant when controlled to a certain wavelength.

【0039】また、アウトプットミラー11についた圧
電素子12に、適当なバイアス電圧と変調電圧を加える
ことにより、レーザ共振器長を微少に変化させ、発振周
波数に変調をかけることができる。
Further, by applying an appropriate bias voltage and modulation voltage to the piezoelectric element 12 attached to the output mirror 11, the laser resonator length can be slightly changed and the oscillation frequency can be modulated.

【0040】図2に、上記の半導体レーザ励起Tm:Y
AG固体レーザを用いた本発明の一実施例を示す。
FIG. 2 shows the semiconductor laser excitation Tm: Y described above.
An embodiment of the present invention using an AG solid state laser will be shown.

【0041】13は、上記の半導体レーザ励起Tm:Y
AG固体レーザ、2は、試料セル、6bは、光検出器で
ある。14は、固体レーザ13の発振光に周波数変調を
かける際、使用する発振器であり、15は、図1に示し
た圧電素子12を制御する圧電素子制御部、16は、E
O(Electro−Optic)モジュレータ、17
は、ロックインアンプである。
Reference numeral 13 denotes the semiconductor laser excitation Tm: Y
AG solid-state laser, 2 is a sample cell, and 6b is a photodetector. Reference numeral 14 is an oscillator used when frequency-modulating the oscillation light of the solid-state laser 13, reference numeral 15 is a piezoelectric element control unit for controlling the piezoelectric element 12 shown in FIG.
O (Electro-Optic) modulator, 17
Is a lock-in amplifier.

【0042】いま、固体レーザ13は、その発振周波数
が前記の13CO2 12CO2 のスペクトルの組み合わ
せ、即ち、13CO2 の4877.57±0.20cm-1
12CO2 の4878.29±0.20cm-1との両ス
ペクトルをカバーする範囲を掃引する様に制御される。
これは、波長選択素子10によって行われる。このと
き、両スペクトルの間の不必要な部分を飛ばしても良
く、両スペクトルの間全てを連続して掃引する必要はな
い。発振器14からの変調信号は、圧電素子制御部15
により増幅され、バイアス電圧と共に、固体レーザ13
の圧電素子12に印加される。
Now, in the solid-state laser 13, the oscillation frequency thereof is a combination of the spectra of 13 CO 2 and 12 CO 2 , that is, 4877.57 ± 0.20 cm −1 of 13 CO 2.
And 12 CO 2 at 4878.29 ± 0.20 cm −1 are controlled to sweep over a range covering both spectra.
This is done by the wavelength selection element 10. At this time, unnecessary portions between both spectra may be skipped, and it is not necessary to continuously sweep all over both spectra. The modulation signal from the oscillator 14 is supplied to the piezoelectric element controller 15
Is amplified by the solid-state laser 13 together with the bias voltage.
Is applied to the piezoelectric element 12.

【0043】この様にして、固体レーザ13の発振スペ
クトルに変調が加えられる。また、圧電素子12を用い
ずに、図中の点線で示したEOモジュレータ16を使用
し、上記信号をこれに加えることにより、発振スペクト
ルに変調を加えてもよい。なお、EOモジュレータ16
は、固体レーザ13の外部に設置する他に、レーザ共振
器の内部、即ち、図1に於いて、ロッド9とアウトプッ
トミラー11との間に設置する事も可能である。
In this way, the oscillation spectrum of the solid-state laser 13 is modulated. Alternatively, instead of using the piezoelectric element 12, the EO modulator 16 shown by the dotted line in the figure may be used, and the oscillation spectrum may be modulated by adding the above signal thereto. In addition, the EO modulator 16
In addition to being installed outside the solid-state laser 13, it can be installed inside the laser resonator, that is, between the rod 9 and the output mirror 11 in FIG.

【0044】この様にして、周波数変調され、波長掃引
された固体レーザ13からの出力光は、試料セル2に導
入される。試料セル2には、CO2 の光吸収スペクトル
の微細構造が分離できる程度の圧力で、試料が入れられ
ている。そのセル内に導入されたレーザ光は、レーザ光
の波長が上記波数であるとき、内部の試料、即ち、CO
2 と相互作用し、共鳴吸収が起きる。試料セル2を出た
光は、光検出器6bにより検出され、ロックインアンプ
17により、発振器14と同期のとれた信号のみが検出
される。
The output light from the solid-state laser 13 which has been frequency-modulated and wavelength-swept in this way is introduced into the sample cell 2. The sample cell 2 is filled with the sample at a pressure at which the fine structure of the optical absorption spectrum of CO 2 can be separated. When the wavelength of the laser light is the above wave number, the laser light introduced into the cell is a sample inside, that is, CO
Reacts with 2 , causing resonance absorption. The light emitted from the sample cell 2 is detected by the photodetector 6b, and only the signal synchronized with the oscillator 14 is detected by the lock-in amplifier 17.

【0045】この様に同期検波を行う結果、波長掃引時
の光出力の変動や、固体レーザ特有のノイズなどが除去
でき、S/N比の良い信号が検出できる。検出器6bか
らの信号はロックインアンプ17により、必要に応じ、
光吸収スペクトルの形状の1次微分、2次微分の形とし
て求める。得られた12CO2 13CO2 とのそれぞれの
光吸収スペクトル信号のピークの値、または形状の面積
を求め、その比より12CO2 13CO2 との吸収強度の
比を得る事により、同位体比が得られる。
As a result of performing the synchronous detection in this way, it is possible to remove the fluctuation of the optical output during the wavelength sweep, the noise peculiar to the solid-state laser, etc., and it is possible to detect a signal with a good S / N ratio. The signal from the detector 6b is supplied by the lock-in amplifier 17 as necessary.
It is determined as the form of the first derivative and second derivative of the shape of the light absorption spectrum. The resulting 12 CO 2 and 13 peak values of each of the light absorption spectrum signal with CO 2, or the shape and measuring the area, by obtaining a ratio of the absorption intensity than the ratio 12 CO 2 and 13 CO 2 , The isotope ratio is obtained.

【0046】以上の様に、CO2 の光吸収強度の強い波
長帯で、12CO2 13CO2 との吸収強度のバランスが
良く、他の不純物の影響を受けない光吸収スペクトルの
組み合わせを選択し、かつ、その組み合わせは、お互い
が適度に離れている為、測定の対象として最適である。
更に、このスペクトルの組み合わせの測定用として、こ
の波長帯で波長可変である半導体レーザ励起固体レーザ
を用いているので、装置が小形軽量可能であり、同位体
比を高精度かつ高感度に測定する事ができ、信頼性の高
い炭素同位体分析装置が実現できる。
[0046] As described above, with a strong waveband of light absorption intensity of CO 2, well-balanced in absorption intensity of 12 CO 2 and 13 CO 2, the combination of the light absorption spectrum that is not affected by other impurities The selection and the combination thereof are suitable for measurement because they are appropriately separated from each other.
Furthermore, since a semiconductor laser pumped solid-state laser that is tunable in this wavelength band is used for measuring this combination of spectra, the device can be made compact and lightweight, and the isotope ratio can be measured with high accuracy and high sensitivity. And a highly reliable carbon isotope analyzer can be realized.

【0047】上記実施例に於いては、13CO2 の487
7.57±0.20cm-112CO2 の4878.29
±0.20cm-1の光吸収スペクトルの組み合わせを用
いているが、表1に示した他の光吸収スペクトルの組み
合わせを測定対象として同位体比の測定を行っても良
い。
In the above example, 487 of 13 CO 2 was used.
7.57 ± 0.20 cm −1 and 12 CO 2 4878.29
Although the combination of the light absorption spectra of ± 0.20 cm −1 is used, the isotope ratio may be measured by using other combinations of the light absorption spectra shown in Table 1 as the measurement targets.

【0048】[0048]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、13
CO2 12CO2 の相互間の影響や、H2 Oの強い吸収
スペクトルの影響を受けず、適度に近接し、吸収強度の
バランスの良い13CO2 12CO2 のスペクトルの組み
合わせを測定対象とし、分光用光源として、半導体レー
ザ励起Tm:YAG固体レーザを使用しているので、高
精度・高感度な炭素同位体比の測定が可能となる。
As described above, according to the present invention, 13
Measures a combination of spectra of 13 CO 2 and 12 CO 2 that are reasonably close to each other and have a well-balanced absorption intensity without being affected by the mutual absorption of CO 2 and 12 CO 2 or the strong absorption spectrum of H 2 O. Since a semiconductor laser-excited Tm: YAG solid-state laser is used as a light source for spectroscopy as a target, it is possible to measure the carbon isotope ratio with high accuracy and high sensitivity.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一部である半導体レーザ励起固体レー
ザの一実施例である。
FIG. 1 is an example of a semiconductor laser pumped solid state laser which is a part of the present invention.

【図2】本発明の装置の一実施例である。FIG. 2 is an embodiment of the device of the present invention.

【図3】従来の分散型分光計を用いた炭素同位体測定装
置の概略図である。
FIG. 3 is a schematic diagram of a carbon isotope measurement device using a conventional dispersion type spectrometer.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ランプ 2 試料セル 3a,3b スリット 4 ミラー 5 回折格子 6a,6b 光検出器 7 高出力半導体レーザ 8 光学系 9 ロッド 10 波長選択素子 11 アウトプットミラー 12 圧電素子 13 固体レーザ 14 発振器 15 圧電素子制御部(高電圧電源) 16 EOモジュレータ 17 ロックインアンプ 1 Lamp 2 Sample cell 3a, 3b Slit 4 Mirror 5 Diffraction grating 6a, 6b Photodetector 7 High-power semiconductor laser 8 Optical system 9 Rod 10 Wavelength selection element 11 Output mirror 12 Piezoelectric element 13 Solid-state laser 14 Oscillator 15 Piezoelectric element control Part (high voltage power supply) 16 EO modulator 17 Lock-in amplifier

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光吸収スペクトルより13CO2 12CO
2 を分析する炭素同位体分析装置において、 発振波長が2μm近辺であり波長可変である半導体レー
ザ励起Tm:YAG固体レーザと、 前記固体レーザの発振波長を掃引する手段と、 前記固体レーザの周波数を変調させる手段と、 試料セル内の光吸収特性を検出するロックイン増幅器と
を、有し、13 CO2 の検出に、波数4877.57±0.20cm
-1のときの光吸収スペクトルを求め、12 CO2 の検出に、波数4878.29±0.20cm
-1のときの光吸収スペクトルを求め、 前記両光吸収スペクトルの強度比に基づいて、13CO2
12CO2 を検出することを特徴とする炭素同位体分析
装置。
1. A light absorption spectrum of 13 CO 2 and 12 CO
In the carbon isotope analyzer for analyzing 2 , a semiconductor laser pumped Tm: YAG solid-state laser having an oscillation wavelength in the vicinity of 2 μm and a variable wavelength, means for sweeping the oscillation wavelength of the solid-state laser, and a frequency of the solid-state laser are set. It has a means for modulating and a lock-in amplifier for detecting the light absorption characteristics in the sample cell, and has a wave number of 4877.57 ± 0.20 cm for detecting 13 CO 2.
The light absorption spectrum at -1 was obtained, and the wave number was 4878.29 ± 0.20 cm for the detection of 12 CO 2.
The optical absorption spectrum at -1 is obtained, and based on the intensity ratio of the two optical absorption spectra, 13 CO 2
And a carbon isotope analyzer characterized by detecting 12 CO 2 .
【請求項2】 請求項1記載の炭素同位体分析装置にお
いて、13 CO2 12CO2 とのそれぞれの検出に、表1に示す
スペクトルの組み合わせを用いることを特徴とする炭素
同位体分析装置。 【表1】
2. The carbon isotope analyzer according to claim 1, wherein a combination of spectra shown in Table 1 is used for detecting 13 CO 2 and 12 CO 2 , respectively. .. [Table 1]
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