JPH0894475A - 光散乱による気体圧力測定装置 - Google Patents
光散乱による気体圧力測定装置Info
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- JPH0894475A JPH0894475A JP23173294A JP23173294A JPH0894475A JP H0894475 A JPH0894475 A JP H0894475A JP 23173294 A JP23173294 A JP 23173294A JP 23173294 A JP23173294 A JP 23173294A JP H0894475 A JPH0894475 A JP H0894475A
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- Japan
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- gas
- light
- laser light
- pressure
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- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 レーザー光を使用して非接触で気体圧力或い
は気体粒子の密度を精度よく測定できる小型の装置を提
供する 【構成】 圧力を測定する気体の導入開口４を有する密
閉測定容器２にコリメートしたレーザー光７を導入する
入射窓３を設けると共に該密閉測定容器の側方に該気体
により散乱したレーザー光の散乱光を導出する導出窓５
を設け、該密閉測定容器の外部に導出窓に対向して集光
レンズ１２を設けてこれで集光した散乱光を検出器１３
により電気信号に変換し、該レーザー光の光源６として
半導体レーザーを設けた 【効果】 光の散乱を用いて圧力或いは粒子密度を非接
触式に測るので、腐食性ガスの圧力測定や燃焼ガスの非
擾乱測定、気体粒子の局部圧力或いは粒子の密度の測定
に好都合であり、半導体レーザーを光源とすることによ
り装置の寸法を小形化できる
は気体粒子の密度を精度よく測定できる小型の装置を提
供する 【構成】 圧力を測定する気体の導入開口４を有する密
閉測定容器２にコリメートしたレーザー光７を導入する
入射窓３を設けると共に該密閉測定容器の側方に該気体
により散乱したレーザー光の散乱光を導出する導出窓５
を設け、該密閉測定容器の外部に導出窓に対向して集光
レンズ１２を設けてこれで集光した散乱光を検出器１３
により電気信号に変換し、該レーザー光の光源６として
半導体レーザーを設けた 【効果】 光の散乱を用いて圧力或いは粒子密度を非接
触式に測るので、腐食性ガスの圧力測定や燃焼ガスの非
擾乱測定、気体粒子の局部圧力或いは粒子の密度の測定
に好都合であり、半導体レーザーを光源とすることによ
り装置の寸法を小形化できる
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、気体の圧力或いは気体
粒子の密度を気体に接触することなく計測する装置に関
する。
粒子の密度を気体に接触することなく計測する装置に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の気体の圧力を計測する装
置として、例えば隔膜真空計、熱伝導真空計、電離真空
計などが知られている。
置として、例えば隔膜真空計、熱伝導真空計、電離真空
計などが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の真空計は、被測
定気体と触圧子とを直接接触させて測定しており、例え
ば、半導体の製造プロセスに於いて圧力センサーに対す
る腐食性のあるガス種の圧力測定や、燃焼ガスの非擾乱
の測定、さらには気体粒子の局部圧力（あるいは粒子の
密度）の測定などの特別の場合には、触圧子が腐食、融
解したり、測定を行えない不都合がある。被測定気体と
直接接触することなく圧力測定を行えるならば、かかる
不都合を解消でき、発明者等は、レーザー光の中性粒子
による弾性散乱であるレイリー散乱を利用すれば、大気
圧程度から０．１Pa程度の中真空領域までの広い圧力範
囲あるいは粒子密度を非接触で測定できる可能性を追及
した。圧力測定装置は真空装置に付帯的に設けられるも
のであるから小型であることが好ましい。
定気体と触圧子とを直接接触させて測定しており、例え
ば、半導体の製造プロセスに於いて圧力センサーに対す
る腐食性のあるガス種の圧力測定や、燃焼ガスの非擾乱
の測定、さらには気体粒子の局部圧力（あるいは粒子の
密度）の測定などの特別の場合には、触圧子が腐食、融
解したり、測定を行えない不都合がある。被測定気体と
直接接触することなく圧力測定を行えるならば、かかる
不都合を解消でき、発明者等は、レーザー光の中性粒子
による弾性散乱であるレイリー散乱を利用すれば、大気
圧程度から０．１Pa程度の中真空領域までの広い圧力範
囲あるいは粒子密度を非接触で測定できる可能性を追及
した。圧力測定装置は真空装置に付帯的に設けられるも
のであるから小型であることが好ましい。
【０００４】本発明は、レーザー光を使用して非接触で
気体圧力或いは気体粒子の密度を精度よく測定できる小
型の装置を提供することを目的とするものである。
気体圧力或いは気体粒子の密度を精度よく測定できる小
型の装置を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明では、圧力を測定
する気体の導入開口を有する密閉測定容器にコリメート
したレーザー光を導入する入射窓を設けると共に該密閉
測定容器の側方に該気体により散乱したレーザー光の散
乱光を導出する導出窓を設け、該密閉測定容器の外部に
導出窓に対向して集光レンズを設けてこれで集光した散
乱光を検出器により電気信号に変換し、該レーザー光の
光源として半導体レーザーを設けることにより、上記の
目的を達成するようにした。
する気体の導入開口を有する密閉測定容器にコリメート
したレーザー光を導入する入射窓を設けると共に該密閉
測定容器の側方に該気体により散乱したレーザー光の散
乱光を導出する導出窓を設け、該密閉測定容器の外部に
導出窓に対向して集光レンズを設けてこれで集光した散
乱光を検出器により電気信号に変換し、該レーザー光の
光源として半導体レーザーを設けることにより、上記の
目的を達成するようにした。
【０００６】
【作用】半導体レーザーの光源からコリメートしたレー
ザー光を密閉測定容器内に導入すると、レーザー光の中
性粒子がその内部の気体によりレイリー散乱される。こ
のレイリー散乱の散乱光子数は気体粒子の密度ｎn に比
例するので、散乱光子数を測定して粒子密度を求める。
温度（絶対温度Ｔ＝273 ＋Ｃ、ただし、Ｃは摂氏温度）
は多くの場合他の方法で10％以内の精度で求められるの
で、圧力Ｐ（Ｐ＝ｎn ｋＴ、ｋはボルツマン定数）が求
められる。
ザー光を密閉測定容器内に導入すると、レーザー光の中
性粒子がその内部の気体によりレイリー散乱される。こ
のレイリー散乱の散乱光子数は気体粒子の密度ｎn に比
例するので、散乱光子数を測定して粒子密度を求める。
温度（絶対温度Ｔ＝273 ＋Ｃ、ただし、Ｃは摂氏温度）
は多くの場合他の方法で10％以内の精度で求められるの
で、圧力Ｐ（Ｐ＝ｎn ｋＴ、ｋはボルツマン定数）が求
められる。
【０００７】レーザー光の１パルス当たりのレイリー散
乱の受光光子数Ｎphは次式で表される。 Ｎph＝（ＥL ／ｈν）・Ｌ・ｎn ・σR ・Ω・Ｔr …………(1) ここで、ＥL はレーザーパルス当たりのエネルギー、ｈ
νは光子１個のエネルギー、Ｌは散乱長、σR はレイリ
ー散乱微分断面積、Ωは受光立体角、Ｔr は受光系の透
過率である。右辺の各項はそれぞれ既知または測定可能
である。
乱の受光光子数Ｎphは次式で表される。 Ｎph＝（ＥL ／ｈν）・Ｌ・ｎn ・σR ・Ω・Ｔr …………(1) ここで、ＥL はレーザーパルス当たりのエネルギー、ｈ
νは光子１個のエネルギー、Ｌは散乱長、σR はレイリ
ー散乱微分断面積、Ωは受光立体角、Ｔr は受光系の透
過率である。右辺の各項はそれぞれ既知または測定可能
である。
【０００８】本発明の装置では、密閉測定容器の内部で
起きるレイリー散乱光が集光レンズにより集められ、こ
れが検出器によりその光量に比例した電気信号として検
出されると、気体温度が既知であるのでその信号強度か
ら気体圧力を求めることができる。該光源に波長の短い
半導体レーザーを使用することにより、密閉測定容器を
小型に構成することができ、真空容器への取り付けに便
利になる。
起きるレイリー散乱光が集光レンズにより集められ、こ
れが検出器によりその光量に比例した電気信号として検
出されると、気体温度が既知であるのでその信号強度か
ら気体圧力を求めることができる。該光源に波長の短い
半導体レーザーを使用することにより、密閉測定容器を
小型に構成することができ、真空容器への取り付けに便
利になる。
【０００９】
【実施例】本発明の実施例を図１及び図２に基づき具体
的に説明すると、これらの実施例は真空容器１の内部の
気体圧力を測定する例で、図１及び図２の符号２は反射
防止膜を設けたガラスの入射窓３を備えた円筒状の密閉
測定容器を示し、図示のものでは全長230mm 、内径40mm
程度に構成した。該密閉測定容器２は、該入射窓３の反
対側の壁面に気体の導入開口４を有し、その周囲のフラ
ンジにより該真空容器１の外部に取付けると、該真空容
器１の内部の気体が該導入開口４から流入して該真空容
器１内と該密閉測定容器２内が同圧になるようにした。
５は該密閉測定容器２の側方に設けた導出窓である。
的に説明すると、これらの実施例は真空容器１の内部の
気体圧力を測定する例で、図１及び図２の符号２は反射
防止膜を設けたガラスの入射窓３を備えた円筒状の密閉
測定容器を示し、図示のものでは全長230mm 、内径40mm
程度に構成した。該密閉測定容器２は、該入射窓３の反
対側の壁面に気体の導入開口４を有し、その周囲のフラ
ンジにより該真空容器１の外部に取付けると、該真空容
器１の内部の気体が該導入開口４から流入して該真空容
器１内と該密閉測定容器２内が同圧になるようにした。
５は該密閉測定容器２の側方に設けた導出窓である。
【００１０】該入射窓３の外方に半導体レーザーの光源
６を設け、該光源６からのレーザー光７をコリメーティ
ングレンズ８によりコリメートし、入射窓３を介して密
閉測定容器２の内部へ導入するようにした。該真空容器
１の導入開口４と反対側の壁面に出射窓９を設けて外部
へレーザー光７を導出し、該出射窓９と対向する位置に
レーザー光７の強さを測定するフォトダイオードのモニ
ター１０を設けた。該密閉測定容器２の内部には、迷光
を抑制するためにレーザー光７が通過する４個のバッフ
ル１１ａ〜１１ｄを設け、レーザー光７の最も光源側に
設けた第１バッフル１１ａによりレーザー光７の拡がり
成分をカットし、次の第２バッフル１１ｂで該入射窓３
での該レーザー光７の乱散乱及び多重反射成分をカット
し、次の第３バッフル１１ｃで該第２バッフル１１ｂの
内径のエッジの反射光が導出窓５に入光することを防止
し、最後の第４バッフル１１ｄで出射しようとする乱散
乱光成分を該密閉測定容器２の外部へと逃がすと共に出
射側で乱散乱するレーザー光が該密閉測定容器２の内部
へ戻らないように、注意深く寸法と位置を決定して配置
した。
６を設け、該光源６からのレーザー光７をコリメーティ
ングレンズ８によりコリメートし、入射窓３を介して密
閉測定容器２の内部へ導入するようにした。該真空容器
１の導入開口４と反対側の壁面に出射窓９を設けて外部
へレーザー光７を導出し、該出射窓９と対向する位置に
レーザー光７の強さを測定するフォトダイオードのモニ
ター１０を設けた。該密閉測定容器２の内部には、迷光
を抑制するためにレーザー光７が通過する４個のバッフ
ル１１ａ〜１１ｄを設け、レーザー光７の最も光源側に
設けた第１バッフル１１ａによりレーザー光７の拡がり
成分をカットし、次の第２バッフル１１ｂで該入射窓３
での該レーザー光７の乱散乱及び多重反射成分をカット
し、次の第３バッフル１１ｃで該第２バッフル１１ｂの
内径のエッジの反射光が導出窓５に入光することを防止
し、最後の第４バッフル１１ｄで出射しようとする乱散
乱光成分を該密閉測定容器２の外部へと逃がすと共に出
射側で乱散乱するレーザー光が該密閉測定容器２の内部
へ戻らないように、注意深く寸法と位置を決定して配置
した。
【００１１】該レーザー光７は紙面に対して垂直に偏光
して配置し、このレーザー入射方向と偏向方向の両方に
対して90°の方向（図１の下方向）に位置した密閉測定
容器２の導出窓５から取出される散乱光を１：１の倍率
で直径60mmの２枚組の凸レンズ（f=70mm）からなる集光
レンズ１２により集光し、これを検出器１３で電気信号
に変換した。この信号を電流電圧変換回路１８を介して
デジタル・オシロスコープ（Tektronix 製2440型）１４
で観測すると共に、更に、計算機１４に取り込み、ＳＮ
比を向上するための積算を行った。１６は、レイリー散
乱信号と比較するために設けた隔膜真空計で、２種類の
もの（MKS Insutruments,Inc. 製、Baratron390 型、お
よび日本真空技術〓製、LPC501型、以下、それぞれBara
tron390 およびLPC501と略記する）を用いた。真空容器
１の排気系（図示してない）には、油回転ポンプとター
ボ分子ポンプを使用し、5.3 ×10-4Paの到達真空度が得
られるようにした。隔膜真空計１６のゼロ点調整はこの
圧力5.3 ×10-4Paで行った。検出器１３には、光電子増
倍管（ＰＭＴ）あるいは半導体デバイスを用いた。１７
は検出器１３の受光面の手前に設けたアパーチャであ
る。
して配置し、このレーザー入射方向と偏向方向の両方に
対して90°の方向（図１の下方向）に位置した密閉測定
容器２の導出窓５から取出される散乱光を１：１の倍率
で直径60mmの２枚組の凸レンズ（f=70mm）からなる集光
レンズ１２により集光し、これを検出器１３で電気信号
に変換した。この信号を電流電圧変換回路１８を介して
デジタル・オシロスコープ（Tektronix 製2440型）１４
で観測すると共に、更に、計算機１４に取り込み、ＳＮ
比を向上するための積算を行った。１６は、レイリー散
乱信号と比較するために設けた隔膜真空計で、２種類の
もの（MKS Insutruments,Inc. 製、Baratron390 型、お
よび日本真空技術〓製、LPC501型、以下、それぞれBara
tron390 およびLPC501と略記する）を用いた。真空容器
１の排気系（図示してない）には、油回転ポンプとター
ボ分子ポンプを使用し、5.3 ×10-4Paの到達真空度が得
られるようにした。隔膜真空計１６のゼロ点調整はこの
圧力5.3 ×10-4Paで行った。検出器１３には、光電子増
倍管（ＰＭＴ）あるいは半導体デバイスを用いた。１７
は検出器１３の受光面の手前に設けたアパーチャであ
る。
【００１２】本発明の装置は、原理的に上限は大気圧以
上まで測定可能であり、検出下限はレイリー散乱信号を
検出できるレベルまでである。以下に本発明の詳細な実
施例を説明する。
上まで測定可能であり、検出下限はレイリー散乱信号を
検出できるレベルまでである。以下に本発明の詳細な実
施例を説明する。
【００１３】実施例 １ 図１および図２に示す装置で、光源６に半導体レーザー
励起YLF レーザーの第二高調波（波長523nm 、パルス幅
7ns）を用いた。出力は0.1mJ 、繰り返し周波数は 1〜
10 kHzである。レーザーヘッドの長さは約360mm 、レー
ザービームの出射窓での直径は0.2mm 、ビーム発散角は
10mrad以下であった。このレーザーは、このようにビー
ム直径と発散角が小さく、繰り返し周波数は高く、更に
波長が可視域にあってレイリー散乱断面積及びＰＭＴ
（光電子増倍管）の量子効率が高い。そのため、迷光の
低減および高ＳＮ比を得るのに有利である。レーザービ
ームをコリメートするため、焦点距離f=300mm のコリメ
ーティングレンズ８を使用した。検出器１３にはＰＭＴ
（浜松ホトニクスＲ1333型）を用いた。
励起YLF レーザーの第二高調波（波長523nm 、パルス幅
7ns）を用いた。出力は0.1mJ 、繰り返し周波数は 1〜
10 kHzである。レーザーヘッドの長さは約360mm 、レー
ザービームの出射窓での直径は0.2mm 、ビーム発散角は
10mrad以下であった。このレーザーは、このようにビー
ム直径と発散角が小さく、繰り返し周波数は高く、更に
波長が可視域にあってレイリー散乱断面積及びＰＭＴ
（光電子増倍管）の量子効率が高い。そのため、迷光の
低減および高ＳＮ比を得るのに有利である。レーザービ
ームをコリメートするため、焦点距離f=300mm のコリメ
ーティングレンズ８を使用した。検出器１３にはＰＭＴ
（浜松ホトニクスＲ1333型）を用いた。
【００１４】まず、１Pa領域の圧力測定を可能とするた
め、迷光レベルを抑制する必要がある。そのため、各バ
ッフル１１をレーザー光７に触れないように配置し、第
１バッフル１１ａをレーザーのメインビーム以外の拡が
り成分をカットするように配置し、第２バッフル１１ｂ
により入射窓３でのレーザー光７の乱散乱および多重反
射成分をカットした。更に、第２バッフル１１ｂの内径
エッジに当たった光が受光系に入らないように第３バッ
フル１１ｃを配置し、出射側に、出射しようとする乱散
乱光成分をなるべく測定容器２の外部へ逃がすと同時に
出射側で乱散乱するレーザー光が戻らないように寸法を
決定した第４バッフル１１ｄを配置した。ＰＭＴの受光
面の手前に幅１mm×５mmのアパーチャ１７を取付けた。
以上の迷光対策により、迷光レベルは窒素ガス圧換算で
2.7 Paまで抑えることができた。このレベルでは、１Pa
の圧力の窒素ガスからの散乱信号の検出において、迷光
に起因するショットノイズに対してＳ／Ｎ＝１０程度が
確保でき（ただし、2560回の信号積算の後で）、同圧力
での散乱信号の検出が可能となる。
め、迷光レベルを抑制する必要がある。そのため、各バ
ッフル１１をレーザー光７に触れないように配置し、第
１バッフル１１ａをレーザーのメインビーム以外の拡が
り成分をカットするように配置し、第２バッフル１１ｂ
により入射窓３でのレーザー光７の乱散乱および多重反
射成分をカットした。更に、第２バッフル１１ｂの内径
エッジに当たった光が受光系に入らないように第３バッ
フル１１ｃを配置し、出射側に、出射しようとする乱散
乱光成分をなるべく測定容器２の外部へ逃がすと同時に
出射側で乱散乱するレーザー光が戻らないように寸法を
決定した第４バッフル１１ｄを配置した。ＰＭＴの受光
面の手前に幅１mm×５mmのアパーチャ１７を取付けた。
以上の迷光対策により、迷光レベルは窒素ガス圧換算で
2.7 Paまで抑えることができた。このレベルでは、１Pa
の圧力の窒素ガスからの散乱信号の検出において、迷光
に起因するショットノイズに対してＳ／Ｎ＝１０程度が
確保でき（ただし、2560回の信号積算の後で）、同圧力
での散乱信号の検出が可能となる。
【００１５】真空容器１内に窒素ガスを作動ガスとして
導入し、その圧力を1.3 〜1.2 ×10 3 Paの範囲で変化さ
せ、レイリー散乱信号を観測した。原理的にガス温度お
よび式(1) の右辺の各パラメータの値がわかれば、レイ
リー散乱信号出力からガス圧力の絶対値を求めることが
できる。ここでは、レイリー散乱信号出力と高精度の隔
膜真空計１６（Baratron390 、フルスケール1.3 ×103
Pa、有効分解能フルスケールの10-6、公称精度は読みの
0.08％）を比較することにした。隔膜真空計（Baratron
390 ）１６による圧力指示値とレイリー散乱信号強度と
の比例関係を1.3 〜1.2 ×103 Paの範囲で調べた結果を
図３に示す。その結果として、レイリー散乱信号は圧力
と1.3 〜1.2 ×103 Paの広い範囲で比例関係にあること
が分かる。隔膜真空計１６の圧力値とレイリー散乱信号
測定値との関係をより詳細に調べるために、隔膜真空計
１６の測定範囲の最大値（1.3 ×103 Pa）近くの1.2 ×
103 Paを圧力の基準点とし、圧力値と散乱信号の積算値
が比例して変わるとした45°の直線上の値と散乱信号と
の差を求めた。直線上の値に対するこの差は、1.3Pa で
の値（45°の直線からの外れは約20％である）を除い
て、2.7 〜1.2 ×103Paの範囲で 7％以内であることが
確かめられた。ここで測定値の直線上からのはずれの程
度（ばらつき）は、光電子数と積算回数との積の平方根
の逆数で評価できる。更にレイリー散乱による圧力測定
精度を上げるためには、光電子数を増やすかまたは積算
回数を増やせばよい。
導入し、その圧力を1.3 〜1.2 ×10 3 Paの範囲で変化さ
せ、レイリー散乱信号を観測した。原理的にガス温度お
よび式(1) の右辺の各パラメータの値がわかれば、レイ
リー散乱信号出力からガス圧力の絶対値を求めることが
できる。ここでは、レイリー散乱信号出力と高精度の隔
膜真空計１６（Baratron390 、フルスケール1.3 ×103
Pa、有効分解能フルスケールの10-6、公称精度は読みの
0.08％）を比較することにした。隔膜真空計（Baratron
390 ）１６による圧力指示値とレイリー散乱信号強度と
の比例関係を1.3 〜1.2 ×103 Paの範囲で調べた結果を
図３に示す。その結果として、レイリー散乱信号は圧力
と1.3 〜1.2 ×103 Paの広い範囲で比例関係にあること
が分かる。隔膜真空計１６の圧力値とレイリー散乱信号
測定値との関係をより詳細に調べるために、隔膜真空計
１６の測定範囲の最大値（1.3 ×103 Pa）近くの1.2 ×
103 Paを圧力の基準点とし、圧力値と散乱信号の積算値
が比例して変わるとした45°の直線上の値と散乱信号と
の差を求めた。直線上の値に対するこの差は、1.3Pa で
の値（45°の直線からの外れは約20％である）を除い
て、2.7 〜1.2 ×103Paの範囲で 7％以内であることが
確かめられた。ここで測定値の直線上からのはずれの程
度（ばらつき）は、光電子数と積算回数との積の平方根
の逆数で評価できる。更にレイリー散乱による圧力測定
精度を上げるためには、光電子数を増やすかまたは積算
回数を増やせばよい。
【００１６】実施例 ２ 図１、２に示す装置で、光源６に可視光の連続発振半導
体レーザー（SpectraDiode Laboratories製、SDL-7431-
H1 型、出力0.5W、波長680nm ）を用いた。比較的低出
力の半導体レーザーを光源とする場合、光電子数を確保
し、検出器１３で発生するショットノイズを抑えるた
め、連続発振半導体レーザーを幅の長いパルス出力に変
調して用いることが必要である。本発明装置で半導体レ
ーザーの駆動電流を制御することにより、連続の光出力
をパルス出力に変調した。受光光子数の確保および観測
する周波数帯域幅を考慮して変調パルス幅を0.5ms 、繰
り返し周波数を１kHz に設定した。検出器１３にフォト
ダイオードを用いている場合、増幅器が必要である。負
荷抵抗で発生するジョンソンノイズが散乱光信号と一緒
に増幅されるので、信号の検出は非常に困難なものとな
ることが実験で確かめられた。それに対して、内部増幅
機能（電流増倍率は300 〜500 倍である）を持つアバラ
ンシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いれば、信号は
増幅され、他方、ジョンソンノイズは増幅されないの
で、ＳＮ比は大幅に改善できる。本発明装置では、検出
器１３には、ＡＰＤ（Advanced Photonix Inc.製、TL15
CA型）を用いた。ＡＰＤで検出した光電流を電圧信号に
変換するため、電流電圧変換回路１８に高圧電源、プリ
アンプ一体型モジュールＡＰＭ-22 を用いた。広がり角
の大きな半導体レーザービームをコリメートするため、
焦点距離f=8mm 、有効口径 8mm、開口数0.5 のコリメー
ティングレンズ８を用いた。小型の密閉測定容器２およ
び散乱光集光レンズ１２は実施例１のものと同じものを
用いた。測定は104 Pa程度の圧力から始めた。このた
め、実施例１の場合で用いたものより圧力測定範囲が高
い圧力側に広い隔膜真空計１６（LPC501、測定範囲13〜
1.3 ×105 Pa）を比較に用いた。
体レーザー（SpectraDiode Laboratories製、SDL-7431-
H1 型、出力0.5W、波長680nm ）を用いた。比較的低出
力の半導体レーザーを光源とする場合、光電子数を確保
し、検出器１３で発生するショットノイズを抑えるた
め、連続発振半導体レーザーを幅の長いパルス出力に変
調して用いることが必要である。本発明装置で半導体レ
ーザーの駆動電流を制御することにより、連続の光出力
をパルス出力に変調した。受光光子数の確保および観測
する周波数帯域幅を考慮して変調パルス幅を0.5ms 、繰
り返し周波数を１kHz に設定した。検出器１３にフォト
ダイオードを用いている場合、増幅器が必要である。負
荷抵抗で発生するジョンソンノイズが散乱光信号と一緒
に増幅されるので、信号の検出は非常に困難なものとな
ることが実験で確かめられた。それに対して、内部増幅
機能（電流増倍率は300 〜500 倍である）を持つアバラ
ンシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いれば、信号は
増幅され、他方、ジョンソンノイズは増幅されないの
で、ＳＮ比は大幅に改善できる。本発明装置では、検出
器１３には、ＡＰＤ（Advanced Photonix Inc.製、TL15
CA型）を用いた。ＡＰＤで検出した光電流を電圧信号に
変換するため、電流電圧変換回路１８に高圧電源、プリ
アンプ一体型モジュールＡＰＭ-22 を用いた。広がり角
の大きな半導体レーザービームをコリメートするため、
焦点距離f=8mm 、有効口径 8mm、開口数0.5 のコリメー
ティングレンズ８を用いた。小型の密閉測定容器２およ
び散乱光集光レンズ１２は実施例１のものと同じものを
用いた。測定は104 Pa程度の圧力から始めた。このた
め、実施例１の場合で用いたものより圧力測定範囲が高
い圧力側に広い隔膜真空計１６（LPC501、測定範囲13〜
1.3 ×105 Pa）を比較に用いた。
【００１７】まず、数百Pa領域の圧力測定を可能にする
ため、迷光レベルの低減をはかった。実施例１の場合の
迷光対策と同様に、バッフルの配置および内径を注意深
く調整し、また受光側のＡＰＤの検出器１３に 8mm× 6
mmのアパーチャ１７を取付けた結果、迷光レベルを窒素
ガス圧換算で約1.3 ×102 Paまで抑えた。
ため、迷光レベルの低減をはかった。実施例１の場合の
迷光対策と同様に、バッフルの配置および内径を注意深
く調整し、また受光側のＡＰＤの検出器１３に 8mm× 6
mmのアパーチャ１７を取付けた結果、迷光レベルを窒素
ガス圧換算で約1.3 ×102 Paまで抑えた。
【００１８】次に、窒素ガスを作動ガスとして、ガス圧
を1.3 ×102 〜6.7 ×103 Paの範囲で変化させ、レイリ
ー散乱信号と隔膜真空計１６による圧力との比例関係を
調べた。ＡＰＤの検出器１３の電流増倍率は500 倍に設
定した。各圧力点で、2560回の積算を行って得られた波
形を、更にオシロスコープ時間軸の125 点を取って移動
平均処理をした（処理時間0.5ms ）。その結果の波形
を、1.3 ×102 〜1.3 ×103 の範囲で図４に示したが、
1.3 ×102 Paまでのレイリー散乱信号が明確に検出でき
た。1.3 ×102 〜6.7 ×103 Paの範囲で、レイリー散乱
出力（図４の波形のピーク値から迷光を引いた結果）と
隔膜真空計１６で測定した圧力との関係を図５に示し
た。6.7 ×103 Paを基準とした45°の直線上の点からの
各データ点の外れは 9％以内にある。散乱信号のゆらぎ
の要因は、ＡＰＤの光電面で発生したショットノイズに
よって決まっている。ショットノイズはＡＰＤの冷却お
よび周波数帯域幅の制限により改善できるので、それに
より圧力検出下限が更に下がる可能性がある。
を1.3 ×102 〜6.7 ×103 Paの範囲で変化させ、レイリ
ー散乱信号と隔膜真空計１６による圧力との比例関係を
調べた。ＡＰＤの検出器１３の電流増倍率は500 倍に設
定した。各圧力点で、2560回の積算を行って得られた波
形を、更にオシロスコープ時間軸の125 点を取って移動
平均処理をした（処理時間0.5ms ）。その結果の波形
を、1.3 ×102 〜1.3 ×103 の範囲で図４に示したが、
1.3 ×102 Paまでのレイリー散乱信号が明確に検出でき
た。1.3 ×102 〜6.7 ×103 Paの範囲で、レイリー散乱
出力（図４の波形のピーク値から迷光を引いた結果）と
隔膜真空計１６で測定した圧力との関係を図５に示し
た。6.7 ×103 Paを基準とした45°の直線上の点からの
各データ点の外れは 9％以内にある。散乱信号のゆらぎ
の要因は、ＡＰＤの光電面で発生したショットノイズに
よって決まっている。ショットノイズはＡＰＤの冷却お
よび周波数帯域幅の制限により改善できるので、それに
より圧力検出下限が更に下がる可能性がある。
【００１９】本発明の装置により、プラズマなどの電離
気体の自由電子の密度（レーザー光の電子によるトムソ
ン散乱を利用して）を測ることも考えられる。また、出
力の高いレーザーを用いれば、レイリー散乱による圧力
測定精度を向上できるので、本発明装置を中真空領域の
標準真空計として適用することも考えられる。
気体の自由電子の密度（レーザー光の電子によるトムソ
ン散乱を利用して）を測ることも考えられる。また、出
力の高いレーザーを用いれば、レイリー散乱による圧力
測定精度を向上できるので、本発明装置を中真空領域の
標準真空計として適用することも考えられる。
【００２０】
【発明の効果】以上のように本発明によるときは、光の
散乱を用いて圧力或いは粒子密度を非接触式に測るの
で、腐食性ガスの圧力測定や燃焼ガスの非擾乱測定、気
体粒子の局部圧力或いは粒子の密度の測定に好都合であ
り、半導体レーザーを光源とすることにより装置の寸法
を小形化でき、請求項２のバッフルの配列とすることに
より散乱光を正確に導出することができて正確な測定が
可能になる等の効果がある。
散乱を用いて圧力或いは粒子密度を非接触式に測るの
で、腐食性ガスの圧力測定や燃焼ガスの非擾乱測定、気
体粒子の局部圧力或いは粒子の密度の測定に好都合であ
り、半導体レーザーを光源とすることにより装置の寸法
を小形化でき、請求項２のバッフルの配列とすることに
より散乱光を正確に導出することができて正確な測定が
可能になる等の効果がある。
【図１】 本発明の実施例の全体側面図
【図２】 図１の要部の断面図
【図３】 実施例１に於ける隔膜真空計による圧力指示
値と本発明によるレイリー散乱信号強度との比例関係を
示す線図
値と本発明によるレイリー散乱信号強度との比例関係を
示す線図
【図４】 実施例２に於ける本発明装置のレイリー散乱
信号と隔膜真空計による圧力との比例関係を示す線図
信号と隔膜真空計による圧力との比例関係を示す線図
【図５】 実施例２に於けるレイリー散乱信号出力の波
形のピーク値から迷光を引いた結果と隔膜真空計による
圧力との関係を示す線図
形のピーク値から迷光を引いた結果と隔膜真空計による
圧力との関係を示す線図
１ 真空容器 ２ 密閉測定容器
３ 入射窓 ４ 導入開口 ５ 導出窓
６ レーザー光源 ７ レーザー光 ８ コリメーティングレンズ
９ 射出窓 １０ モニター １１ａ〜１１ｄ 第１〜第４バ
ッフル １２ 集光レンズ １３ 検出器
１４ 計算機 １７ アパーチャ １８ 電流電圧変換器
３ 入射窓 ４ 導入開口 ５ 導出窓
６ レーザー光源 ７ レーザー光 ８ コリメーティングレンズ
９ 射出窓 １０ モニター １１ａ〜１１ｄ 第１〜第４バ
ッフル １２ 集光レンズ １３ 検出器
１４ 計算機 １７ アパーチャ １８ 電流電圧変換器
Claims (4)
- 【請求項１】 圧力を測定する気体の導入開口を有する
密閉測定容器にコリメートしたレーザー光を導入する入
射窓を設けると共に該密閉測定容器の側方に該気体によ
り散乱したレーザー光の散乱光を導出する導出窓を設
け、該密閉測定容器の外部に導出窓に対向して集光レン
ズを設けてこれで集光した散乱光を検出器により電気信
号に変換し、該レーザー光の光源として半導体レーザー
を設けたことを特徴とする光散乱による気体圧力測定装
置。 - 【請求項２】 上記密閉測定容器の内部に、上記レーザ
ー光の拡がり成分をカットする第１バッフルと、上記入
射窓での該レーザー光の乱散乱及び多重反射成分をカッ
トする第２バッフル及び該第２バッフルの内径エッジの
反射光が導出窓へ入光することを阻止する第３バッフル
を、該レーザー光の進行方向に順次に設けたことを特徴
とする請求項１に記載の光散乱による気体圧力測定装
置。 - 【請求項３】 上記検出器にこれよりの信号を演算処理
してその結果を表示する計算機を接続したことを特徴と
する請求項１に記載の光散乱による気体圧力測定装置。 - 【請求項４】 上記密閉測定容器に導入されたレーザー
光の強さを測定するモニターを設けたことを特徴とする
請求項１に記載の光散乱による気体圧力測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23173294A JPH0894475A (ja) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | 光散乱による気体圧力測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23173294A JPH0894475A (ja) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | 光散乱による気体圧力測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0894475A true JPH0894475A (ja) | 1996-04-12 |
Family
ID=16928171
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23173294A Pending JPH0894475A (ja) | 1994-09-27 | 1994-09-27 | 光散乱による気体圧力測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0894475A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004077030A1 (ja) * | 2003-02-26 | 2004-09-10 | Hamamatsu Photonics K.K. | 免疫クロマト試験片の測定装置及び光源装置 |
| JP2006226727A (ja) * | 2005-02-15 | 2006-08-31 | Hamamatsu Photonics Kk | 吸収計測装置 |
| KR100670950B1 (ko) * | 2005-10-05 | 2007-01-17 | 한국표준과학연구원 | 광전자 계수에 의한 진공용기의 초고진공 압력 측정 시스템 |
-
1994
- 1994-09-27 JP JP23173294A patent/JPH0894475A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004077030A1 (ja) * | 2003-02-26 | 2004-09-10 | Hamamatsu Photonics K.K. | 免疫クロマト試験片の測定装置及び光源装置 |
| US7173704B2 (en) | 2003-02-26 | 2007-02-06 | Hamamatsu Photonics K.K. | Measuring device for immunochromatography test piece and light source device |
| KR101033392B1 (ko) * | 2003-02-26 | 2011-05-09 | 하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤 | 면역 크로마토 그래피 시험편의 측정 장치 및 광원 장치 |
| JP2006226727A (ja) * | 2005-02-15 | 2006-08-31 | Hamamatsu Photonics Kk | 吸収計測装置 |
| KR100670950B1 (ko) * | 2005-10-05 | 2007-01-17 | 한국표준과학연구원 | 광전자 계수에 의한 진공용기의 초고진공 압력 측정 시스템 |
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