JPH09184808A

JPH09184808A - エアロゾル分析装置

Info

Publication number: JPH09184808A
Application number: JP7344114A
Authority: JP
Inventors: Akira Kuwako; 彰桑子; Chie Hayashi; 千枝林; Tokuyuki Takeshima; 徳幸竹島
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-12-28
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 1997-07-15
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: JP3559635B2

Abstract

(57)【要約】【課題】狭い空間領域におけるエアロゾル測定を、元素
単位に分割するための大掛かりな機構を必要とすること
なくコンパクトな構成で、また誤動作のおそれもなく、
遠隔操作等によって容易に、かつ高精度で行うことがで
きるようにする。【解決手段】エアロゾル１９を含むガスの出入口１０，
１１および複数の光学窓を有するとともに内部に反応領
域１２を設定したサンプリングセルと、ガス中のエアロ
ゾルをプラズマ化させるためのレーザ光５を発するブレ
ークダウン用レーザ装置１と、このレーザ装置１で発し
たレーザ光をサンプリングセルに光学窓１７ａから導入
して反応領域１２に集光させるレーザ光集光手段と、反
応領域で集光したレーザ光によるエアロゾルのブレーク
ダウンによって発生する蛍光１３を他の光学窓１７ｂの
部位に集光させる蛍光集光手段１４と、集光した蛍光を
他の光学窓１７ｂから入力してその蛍光の波長分別によ
りエアロゾルの構成元素の分析を行う光計測器とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種ガス中に含ま
れるエアロゾルの成分を分析するために適用されるエア
ロゾル分析装置に係り、特に狭い空間領域におけるエア
ロゾル測定を容易に、かつ高精度で行えるようにしたエ
アロゾル分析装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エアロゾルとは分散媒体が気体
（ガス）で、分散質が液体または固体のコロイドを示
す。分散質が液体の場合には、エアロゾルは霧、もや、
雲、等となり、分散質が固体の場合には、ちり、煙、煙
霧、等となり、このエアロゾルの構成成分の測定は、環
境状態の評価に重要な意味を持つ。

【０００３】エアロゾルに対して広範囲領域に対する測
定としては、例えば大気汚染測定がある。環境汚染や近
年の大気汚染の原因となる車の排気ガスや工業プラント
の排煙には、硫黄化合物（ＳＯｘ、Ｈ_２Ｓ等）、窒素化
合物（ＮＯＸ、ＮＨ_３等）、炭化水素等が含まれ、これ
らは化学反応または光化学反応によって硫酸塩あるいは
硝酸塩となり、大気中の水蒸気を吸収して液体状のエア
ロゾルとなる。このような広範囲領域のエアロゾル計測
は、大気汚染の状況把握およびその対策のために非常に
重要な技術である。

【０００４】一方、狭い領域におけるエアロゾル成分の
測定例としては、例えば工業用プラントにおける漏洩検
出がある。これは、通常密閉されて検出されることのな
い物質の漏洩等の異常を、エアロゾル検出によって検出
するもので、プラントの安全性を維持する上で非常に重
要な技術である。その具体的な例として、高速増殖炉に
おけるナトリウムエアロゾルの検出がある。

【０００５】高速増殖炉においては、冷却材として金属
ナトリウムを使用しており、ナトリウムを収納した容
器、機器、配管等からナトリウムが漏洩すると、原子炉
の冷却が不可能となる。また、ナトリウムは化学的に活
性であり、ナトリウムの漏洩から火災に進展する可能性
もある。したがって、ナトリウムは可能な限り、少量の
漏洩を短時間で検出できることが望ましい。

【０００６】このエアロゾルの一般的な測定技術とし
て、広範囲な空間領域測定を主眼においたものでは、レ
ーザレーダによる計測がある。これは、大気中に照射し
たレーザ光の散乱による戻り光の強度と、その時間とを
測定することにより、エアロゾル濃度の高度分布を測定
するものである。ただし、この測定はエアロゾルによる
戻り光強度が十分でないと測定できず、狭い領域の測定
に対しては適用が難しい。したがって、狭い領域の測定
には異なった原理による計測が必要である。

【０００７】この狭い空間領域に対するエアロゾル測定
に関する従来技術としては、エアロゾル成分の同定をす
ることなくエアロゾル量を検出するものと、その成分を
測定することができるものとがある。前者の技術として
は半導体型、煙感知式等があり、後者の技術としてはレ
ーザ励起型等がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、狭い
空間領域を対象としたエアロゾル測定器としては、半導
体型や煙感知式等があるが、これらは分析対象以外のエ
アロゾルや埃でも反応し、分析目的に反して誤動作する
可能性がある。

【０００９】また、従来では分析対象とするエアロゾル
成分を選択的に測定するレーザ励起型の検出器が知られ
ているが、これまでの技術ではエアロゾル成分を元素単
位に分解するために大型の高周波プラズマ化装置が必要
であり、システム全体が大掛かりになるとともに、長期
間の耐用寿命が得られない等の問題があった。

【００１０】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、特に狭い空間領域におけるエアロゾル測定を、
元素単位に分割するための大掛かりな機構を必要とする
ことなくコンパクトな構成で、また誤動作のおそれもな
く、遠隔操作等によって容易に、かつ高精度で行うこと
ができ、しかも耐用寿命の長期化も図れるエアロゾル分
析装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述したように、エアロ
ゾルは、その構成する原子や分子が核となりミクロンサ
イズまで成長したものであり、その構成物質を計測する
ためには原子ないしは分子単位までに分解する必要があ
る。たとえば漏洩したナトリウムは、Ｎａ金属単体、Ｎ
ａ_２Ｏ、ＮａＯのエアロゾルとなり、このエアロゾルを
原子ないしは分子単位までに分解する方法としてプラズ
マ化が一般的である。

【００１２】気体中でパルスレーザ光による強力な電場
を集中させることにより、ブレークダウン（気中放電）
を生じさせることが可能なことは周知の事実である。こ
の場合、パルスレーザとしてはＱスイッチＹＡＧレーザ
が代表的なものであるが、ブレークダウン生成のために
は、数１００ＭＷ／ｃｍ^２〜数ＧＷ／ｃｍ^２のレーザ出
力密度が達成できるものであれば、どのようなレーザで
も適用可能である。

【００１３】ブレークダウンは、気体中にエアロゾルが
存在すると、それによるエネルギ吸収のためにエアロゾ
ルがプラズマ化されることにより促進される。このプラ
ズマからは種々の光が発生するが、それはレーザ照射か
らの時間とともに変化する。レーザ光照射直後のナノ秒
（１０^−９ｓ）オーダーより短い時間帯では、プラズマ
からの白色光が主要な光であるが、マイクロ秒（１０
^−６ｓ）オーダ近くになると、プラズマ化されたイオン
が電子と再結合し、エアロゾルを構成する原子の蛍光が
現れ、その後、光は消滅する。

【００１４】そこで、エアロゾルを含むガスが導入され
るサンプリングセルを使用し、エアロゾル成分を元素単
位に分解するためにレーザ光の照射、または電気放電に
よってプラズマを生成させ、これによって生じる特定元
素の蛍光を測定するか、あるいは特定元素の励起波長に
同調させたレーザ光を照射し、これによって生じるレー
ザ誘起蛍光を測定することにより、エアロゾル中の特定
元素の存在率を測定することが考えられる。

【００１５】本発明はこの現象を主に利用したもので、
エアロゾルを原子化させるための高周波プラズマ化装置
のような専用装置を設置することなく、エアロゾル構成
原子の蛍光を生成させるためのレーザ光と、エアロゾル
をプラズマ化させるためのレーザ光とを兼ねさせる構成
とし、エアロゾルの成分元素とその量を、測定される元
素特有の波長の蛍光から計測するものである。

【００１６】すなわち、請求項１の発明に係るエアロゾ
ル分析装置は、エアロゾルを含むガスの出入口および複
数の光学窓を有するとともに内部に反応領域を設定した
サンプリングセルと、前記ガス中のエアロゾルをプラズ
マ化させるためのレーザ光を発するブレークダウン用レ
ーザ装置と、このレーザ装置で発したレーザ光を前記サ
ンプリングセルに前記光学窓から導入して前記反応領域
に集光させるレーザ光集光手段と、前記反応領域で集光
したレーザ光によるエアロゾルのブレークダウンによっ
て発生する蛍光を他の光学窓の部位に集光させる蛍光集
光手段と、集光した蛍光を前記他の光学窓から入力して
その蛍光の波長分別により前記エアロゾルの構成元素の
分析を行う光計測器とを備えたことを特徴とするもので
ある。

【００１７】本発明において、レーザ光はナノ秒（１０
^−９s ）程度のパルス幅を有するパルスレーザ光が効果
的である。この場合、レーザ出力が数１００ｍＪ／パル
ス程度あると、レーザ光の集光の程度によっては集光点
での電界強度が数ＭＶ／ｃｍにもなる。また、エネルギ
ー的にも数ＧＷ／ｃｍ^２にもなり、レーザ光照射領域に
存在するエアロゾルなどは瞬時にプラズマ化される。本
発明ではエアロゾルに対してこのようなレーザ光をレー
ザ装置からサンプリングセルへ伝送し、サンプリングセ
ル外部から光学窓ガラスを介してエアロゾルとの光反応
領域へ導光する。サンプリングセル内に封入されたガス
は、レーザ光によってプラズマ化され、その構成元素は
高励起状態へ励起ないしはイオン化され、それらはその
元素の基底状態へある寿命を持って遷移する。その際、
元素特有の波長の蛍光を発生するため、その蛍光信号を
光検出器によって計測することにより、エアロゾルを構
成する元素の含有量を測定することができる。

【００１８】なお、ブレークダウン用レーザ装置として
は、Ｎｄ；ＹＡＧレーザ、エキシマレーザ、銅蒸気レー
ザ、半導体レーザ、ＣＯ_２レーザ、Ｎ_２レーザ等が好適
である。

【００１９】また、この蛍光測定において、ブレークダ
ウン用レーザ光の照射タイミングから蛍光測定時間をデ
ィレイさせ、測定対象とする元素の蛍光生成量が最も大
きい時間のみに蛍光測定用ウィンドウを設けることによ
り、測定対象元素の検出感度を増加させることが望まし
い。

【００２０】本発明によれば、エアロゾルをレーザ光に
より遠隔で計測することができ、かつ、複数の検出系を
１系統のレーザ装置および信号処理システムで対応が可
能となる。また、光による信号伝送を行うため、電磁気
的な外来雑音の影響を受けることもない。

【００２１】なお、ブレークダウンによる元素の励起が
十分でない場合や、ブレークダウンで生成しうる励起状
態の制限により、生成される蛍光信号が十分でない場合
もある。また、分析対象とする元素の蛍光波長が近接す
る場合には、測定精度が必ずしも十分に得られない可能
性がある。このような場合においては、第１のブレーク
ダウン用のレーザ光照射直後に、分析対象とする元素の
励起量の大きな波長の第２のレーザ光を照射し、そこか
ら生じるレーザ誘起蛍光を計測することにより、特定元
素の含有量を高精度で評価することが可能となる。

【００２２】そこで、請求項２の発明は、請求項１記載
のエアロゾル分析装置において、エアロゾルをプラズマ
化させるためのブレークダウン用レーザ装置に加え、プ
ラズマ化されるエアロゾルの構成元素のうち分析対象と
する元素に対応する特定の励起波長を有するレーザ光を
発して特定元素の励起により蛍光を生じさせるレーザ誘
起蛍光生成用レーザ装置と、このレーザ誘起蛍光生成用
レーザ装置から発するレーザ誘起蛍光生成用レーザ光を
光学窓を介してサンプリングセル内の反応領域に照射す
る照射手段とを備え、光計測器は、レーザ誘起蛍光強度
を波長分別することによりエアロゾルの存在量を測定す
る機能を有することを特徴とするものである。

【００２３】本発明において、第２のレーザ光であるレ
ーザ誘起蛍光生成用レーザ光の照射タイミングは、第１
のレーザ光であるブレークダウン用レーザ光によるブレ
ークダウン後のプラズマが基底状態に遷移するμｓオー
ダ後とする。このようにして、単なるブレークダウンで
は生成し得ない蛍光も測定できるようになり、極微量の
エアロゾルの成分検出も可能となる。

【００２４】レーザ光によって分解されプラズマ化され
たエアロゾルの原子ないし分子の選択的な検出のために
は、波長可変レーザ光を用いてその原子ないしは分子の
共鳴状態の波長に同調させたレーザ光照射によるレーザ
誘起蛍光計測が極めて有効である。例えばエアロゾルの
主成分がナトリウムである場合には、照射するレーザ光
の波長はいわゆるナトリウムのＤ線（５８９．６ｎｍあ
るいは５８９．０ｎｍ）に同調させたレーザ光を照射す
ることにより高感度のナトリウム検出が可能となる。そ
の波長可変レーザ光を生成するレーザ光装置としては色
素レーザ、または、非線形光学素子を用いた固体レー
ザ、等、波長可変レーザ、等が適用可能である。

【００２５】なお、この蛍光測定において、ブレークダ
ウン用レーザ光の照射タイミングからレーザ誘起蛍光生
成用レーザ光の照射時間をディレイさせ、測定対象とす
る元素の蛍光生成量が最も大きい時間にレーザ誘起蛍光
測定用レーザ照射時間のウィンドウを設け、これにより
測定対象元素の検出感度を増加させることが望ましい。

【００２６】次に、請求項３の発明は、請求項１記載の
エアロゾル分析装置において、サンプリングセル内のレ
ーザ光照射位置にエアロゾルを捕獲するフィルタを設置
し、光計測器は、前記フィルタの表面に付着するエアロ
ゾルへのレーザ光照射によって生じるアブレーションプ
ラズマからの蛍光を波長分別してエアロゾルを構成する
元素およびその量を分析する機能を有することを特徴と
する。

【００２７】本発明では、エアロゾルをガス流路に設置
したフィルタにより捕獲し、この状態でレーザ光を照射
し、フィルター表面でアブレーションプラズマを生成さ
せる。この後のプロセスについては第１の発明と同様で
あり、フィルタに付着したエアロゾルの構成元素は高励
起状態へ励起ないしイオン化され、その元素の基底状態
へある寿命を持って遷移する。その際、元素特有の波長
の蛍光を発生するため、その蛍光信号を光検出器によっ
て計測することにより、エアロゾルを構成する元素の含
有量を測定することができる。

【００２８】ところで、本発明では請求項２の発明と同
様に、レーザ光による生成プラズマ内の元素の励起が十
分でない場合や、ブレークダウンで生成しうる励起状態
の制限で生成される蛍光信号が十分ではない場合、また
分析対象とする元素の蛍光波長が近接する場合には測定
精度に問題が生じる場合もある。このような場合におい
ては、請求項２の発明と同様に、第１のブレークダウン
用のレーザ光照射直後に、分析対象とする元素の励起量
の大きな波長の第２のレーザ光を照射し、そこから生じ
るレーザ誘起蛍光を計測することが有効である。

【００２９】そこで、請求項４の発明は、請求項２記載
のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内の
レーザ誘起蛍光生成用レーザ光の照射位置にエアロゾル
を捕獲するフィルタを設置し、光計測器は、前記フィル
タの表面に付着するエアロゾルのレーザ誘起蛍光強度を
波長分別することによりエアロゾルの存在量を測定する
機能を有することを特徴とする。

【００３０】これにより、レーザ光による生成プラズマ
内の元素の励起を高め、計測に十分な蛍光信号を得るこ
とができ、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接す
る場合でも測定精度を高めることができる。

【００３１】請求項５の発明は、エアロゾルを含むガス
の出入口および光学窓を有するとともに内部に反応領域
を設定したサンプリングセルと、このサンプリングセル
内の反応領域に設置され、電圧印加によって前記ガス中
のエアロゾルをプラズマ化させる放電電極と、この放電
電極によるエアロゾルのプラズマ化によって発生する蛍
光を前記光学窓の部位に集光させる蛍光集光手段と、集
光した蛍光を前記光学窓から入力してその蛍光の波長分
別により前記エアロゾルの構成元素の分析を行う光計測
器とを備えたことを特徴とする。

【００３２】本発明によれば、プラズマ生成用レーザ光
照射の代わりに、放電電極により電極間に導入したエア
ロゾルを含むガス中で電気放電を発生させ、ここで発生
する蛍光を波長分別可能な光計測器により、エアロゾル
を構成する元素およびその量を計測することができる。
本発明では、放電用の電源が必要となるが、ブレークダ
ウン用レーザとその伝送用の光学経路は不要となる。

【００３３】請求項６の発明は、請求項５記載のエアロ
ゾル分析装置において、エアロゾルをプラズマ化させる
ための放電電極に加え、プラズマ化されるエアロゾル構
成元素のうち分析対象とする元素に対応する特定励起波
長を有するレーザ光を発するレーザ誘起蛍光生成用レー
ザ装置と、このレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置から発
するレーザ誘起蛍光生成用レーザ光を他の光学窓を介し
てサンプリングセル内の反応領域に照射する照射手段と
を備え、光計測器は、レーザ誘起蛍光強度を波長分別す
ることによりエアロゾルの存在量を計測する機能を有す
ることを特徴とする。

【００３４】本発明によれば、電極間の電気放電によっ
て生成されるプラズマからの蛍光強度が低い場合に、電
極間のエアロゾルをプラズマ化させるための電圧印加に
引き続き、プラズマ化された元素のうち、分析対象とす
る元素の特定励起波長を有するレーザ光を照射すること
で、レーザ誘起蛍光強度を高感度で計測することができ
るようになる。

【００３５】請求項７の発明は、請求項１から６までの
いずれかに記載のエアロゾル分析装置に加え、連続発振
レーザ装置と、この連続発振レーザ装置から発するレー
ザ光を光学窓を介してサンプリングセル内の反応領域に
照射する照射手段とを備え、光計測器は、前記サンプリ
ングセル内における前記反応領域での連続発振レーザ光
の散乱強度に基づいてエアロゾルの大きさと数とを測定
する機能を有することを特徴とする。

【００３６】本発明によれば、プラズマ発生領域にレー
ザ散乱計測用のレーザ光を照射することで、反応部にお
けるエアロゾルの成分およびその絶対量を計測すること
ができる。すなわち、ミクロンサイズの微粒子にレーザ
光を照射すると、一般に知られるレイリー散乱あるいは
ミー散乱によりレーザ光の散乱が生じる。これらの散乱
メカニズムは、散乱要因となるエアロゾルの粒子径に依
存し、また強度はエアロゾルの数密度に依存する。した
がって、レーザ光の散乱強度を測定することによりエア
ロゾルの数を定量することができ、最近では一般的な計
測技術となっている。本発明は、このレーザ散乱計測を
その成分評価を結びつけたものであり、反応部における
エアロゾルの成分の計測制度の向上が図れる。

【００３７】請求項８の発明は、請求項７記載のエアロ
ゾル分析装置であって、連続発振レーザ装置とレーザ誘
起蛍光生成用レーザ装置とを共に有するものにおいて、
前記連続発振レーザ装置で発するレーザ光と前記レーザ
誘起蛍光生成用レーザ装置で発するレーザ光とをサンプ
リングセルへの導光経路途中で同軸合成する手段と、合
成後のレーザ光を前記サンプリングセルに導光して反応
領域に照射する照射手段を備えたことを特徴とする。

【００３８】本発明によれば、光伝送のための光ファイ
バの本数の削減ができ、システムの簡素化が可能とな
る。すなわち、請求項７の発明の場合、エアロゾル粒子
数計測用のレーザ光としては連続光が好ましいが、その
出力はｍＷオーダで十分である。したがって、サンプリ
ングセルまでの光伝送は、レーザ誘起蛍光測定用のレー
ザ光と同一の光学経路で伝送が可能であり、最も容易な
伝送手段は光ファイバである。そこで本発明では、それ
ぞれのレーザ装置からのレーザ光をダイクロイックミラ
ーやハーフミラー等の光合成用光学素子によって同軸上
に空間合成し、光ファイバに入射することで、光ファイ
バ本数の削減等が図れ、システムの簡素化が可能となる
ものである。

【００３９】請求項９の発明は、請求項１から４まで、
または請求項６から８までのいずれかに記載のエアロゾ
ル分析装置において、レーザ装置は１系統設置するとと
もに、サンプリングセルは複数設置し、前記１系統のレ
ーザ装置から発するレーザ光を前記複数のサンプリング
セルへ導光する手段として、光分配器と、この光分配器
から各サンプリングセルへの光学経路を構成する複数の
光ファイバまたは光ガイドパイプとを備えたことを特徴
とする。

【００４０】本発明では、１系統のレーザ装置からレー
ザ光を複数のサンプリングセルへ導光する手段を、複数
のファイバへ入射可能な光分配器、光分配器からサンプ
リングセルへの光学経路として光ファイバあるいは光ガ
イドパイプで構成する。光ガイドパイプの場合、エルボ
部分にプリズムあるいはミラーが設置された中空のパイ
プを用いることが望ましい。

【００４１】請求項１０の発明は、請求項９記載のエア
ロゾル分析装置において、光分配器は、レーザ光を所定
の光ファイバまたは光ガイドパイプの方向に切換えるプ
リズムまたはミラーと、このプリズムまたはミラーの切
換え動作を行うステップモータとを備えたことを特徴と
する。

【００４２】本発明によれば、レーザ光を複数の光ファ
イバへ入射する光分配器として、プリズムあるいはミラ
ーを有し、これをステップモータにより所望のファイバ
へ向けることにより、そのファイバへの導光を可能とす
るものである。なお、ステップモータの回転角度θによ
って導光するファイバは一義的に決まるため、この角度
を計測すれば、どのサンプリングセルの計測を行ってい
るかの確認が可能となる。

【００４３】請求項１１の発明は、請求項１から１０ま
でのいずれかに記載のエアロゾル分析装置において、サ
ンプリングセルの設置数よりも光計測器の設置数を少な
くし、そのサンプリングセルから光計測器に蛍光を導く
光学経路を集合させ、その集合した蛍光を前記光計測器
で集中計測するようにしたことを特徴とする。

【００４４】本発明によれば、サンプリングセル数より
も少ない数の光計測装置で集中計測することで、構成の
簡素化が図れるようになる。

【００４５】請求項１２の発明は、請求項１１記載のエ
アロゾル分析装置において、複数のサンプリングセルか
らの蛍光を光計測器に導く光学経路は、複数の光ファイ
バと、この複数の光ファイバからの蛍光を一点に集光し
得る光分配器と、集光した蛍光を導光する１系統の光フ
ァイバまたは光ガイドパイプとを有することを特徴とす
る。

【００４６】サンプリングセル内でレーザ光によるブレ
ークダウンを生じさせるためには、ｍＪ／パルス程度の
高出力レーザを伝送させる必要がある。本発明では、光
ファイバないし中空の光ガイドパイプによるレーザ光の
伝送を行うことで、レーザ装置から離れた場所に設置し
たサンプリングセルでの計測が可能となり、遠隔操作性
を持たせることができる。なお、光ファイバを使用する
か光ガイドパイプを使用するかについては、レーザ光の
伝送効率や耐レーザ強度、あるいは使用環境条件等を考
慮して選択すればよい。例えば、ブレークダウンさせる
ためのレーザ光強度が光ファイバの耐レーザ光強度を越
えるような場合には、光ガイドパイプを用いることが望
ましい。

【００４７】請求項１３の発明は、請求項１から４ま
で、または請求項６から１２までのいずれかに記載のエ
アロゾル分析装置において、レーザ装置からサンプリン
グセルまでレーザ光を導く光学経路と、前記サンプリン
グセルから光計測器まで蛍光を導く光学経路とを、共通
な光学経路として構成し、その共通な光学経路は、レー
ザ光と蛍光とを分ける手段としてダイクロイックミラー
を有することを特徴とする。

【００４８】本発明の前提となるレーザ光の伝送は最大
の組合せで、（１）プラズマ発生のためのブレークダウ
ン用レーザ光、（２）レーザ誘起蛍光生成用レーザ光、
（３）エアロゾル数密度計測のための連続発振レーザ光
の３つの組合せがある。また、蛍光伝送として、（４）
エアロゾルの成分対応のレーザ誘起蛍光、（５）エアロ
ゾルの数密度評価用の散乱光の２つがある。

【００４９】これらの光は、波長やパルス波形、出力な
ど異なるが、それぞれの伝送用の光学経路はそれぞれ独
立に取る必要はなく、むしろ同一経路で伝送出来るもの
はそうした方がよりシステムを簡素化出来る。このため
本発明では、サンプリングセルで照射するレーザ光と、
これによって生じる蛍光とをを導光するための光学経路
を共有するものとし、その端部等において照射レーザ光
と蛍光を分けるためのダイクロイックミラーを有するも
のとしている。ただし、これらの構成については、分析
対象のエアロゾルの特性によってレーザ光の波長か測定
する蛍光波長等に応じたシステムとして最適な構成があ
り、対象に応じて最適化させるべきものである。

【００５０】請求項１４の発明は、請求項１から４ま
で、または請求項６から１３までのいずれかに記載のエ
アロゾル分析装置において、光学経路を多バンドル光フ
ァイバで構成し、その多バンドル光ファイバ部の一部を
レーザ装置からサンプリングセルまでレーザ光を導く光
学経路として適用し、残りの部分を前記サンプリングセ
ルから光計測器まで蛍光を導く光学経路として適用した
ことを特徴とする。

【００５１】本発明においては、例えば多バンドル光フ
ァイバの一部をレーザ光の伝送用に、また残りのファイ
バを蛍光伝送用とし、本体部は１本で両端をそれぞれの
機能毎に分割してバンドル化する。こうすることによ
り、レーザ装置および光計測器側と、サンプリングセル
側との間の光ファイバは一本化できる。

【００５２】請求項１５の発明は、請求項１から１４ま
でのいずれかに記載のエアロゾル分析装置において、サ
ンプリングセル内の反応領域で発生する蛍光を集光させ
る蛍光集光手段は、そのサンプリングセルの内部に設け
た反射装置または外部に設けたレンズ装置であることを
特徴とする。

【００５３】光反応部で生成する蛍光の計測は、高感度
であればあるほどエアロゾルの組成元素の検出が高感度
になる。したがって、発生する蛍光の検出によってカバ
ーする立体角は大きいほど好ましい。本発明では、プラ
ズマ発生点から生じる蛍光をサンプリングセル外部の蛍
光伝送系への集光効率を増加させるため、サンプリング
セル内部あるいは外部にエアロゾルを含むガスとレーザ
光の反応点からの蛍光を集光する集光手段を設けたもの
である。集光手段としては、凹面ミラーあるいは凸レン
ズ等が好適である。これにより、蛍光検出系の有する立
体角を増加させることができ、検出感度を大きく引き上
げることが可能となる。

【００５４】請求項１６の発明は、請求項１から４ま
で、または請求項６から１５までのいずれかに記載のエ
アロゾル分析装置において、レーザ装置で発したレーザ
光をサンプリングセル内の反応領域に集光させるレーザ
光集光手段は、複数回の反射を繰返す多重反射装置であ
ることを特徴とする。

【００５５】プラズマ発生のためのレーザ光強度が強け
れば、プラズマ化は容易に行われるが、その反面レーザ
装置や光伝送系などへの仕様への要求が難しくなる。し
たがって、エアロゾル検出システムにおけるプラズマ生
成用レーザはその出力が低くできれば好ましい。このた
め、本発明では照射したレーザ光を有効利用するため
に、サンプリングセルの内部で多重反射させ、複数回に
わたってレーザ光の集光領域にレーザ光を集光させるも
のである。こうすることにより、少ないレーザ出力で効
果的にブレークダウンを生じさせることができる。

【００５６】請求項１７の発明は、請求項１から４ま
で、または請求項６から１６までのいずれかに記載のエ
アロゾル分析装置において、サンプリングセルはエアロ
ゾルを含むガスを導入するための複数のエアロゾル導入
口を間隔的に有するものであり、レーザ光集光手段はレ
ーザ光集光位置を前記の各エアロゾル導入口の位置に移
動する集光位置調整機能を有することを特徴とする。

【００５７】サンプリングセルにエアロゾルを供給する
複数のサンプリング配管を設ければ複数点のモニタが１
つのサンプリングセルで可能となる。そこで本発明で
は、レーザ光の集光点を順次サンプリング配管からのエ
アロゾル導入口に集光照射するようにし、そこでの蛍光
を計測することで、１つのサンプリングセルで複数のサ
ンプリング配管から導入されるエアロゾルの分析が可能
となる。

【００５８】請求項１８の発明は、請求項１７記載のエ
アロゾル分析装置において、集光位置調整機能を有する
レーザ光集光手段は、照射するレーザ光の焦点を各サン
プリング配管のエアロゾル導入口の位置に順次調節する
ことが可能な複合レンズ装置であることを特徴とする。

【００５９】複数のサンプリング配管を設置したサンプ
リングセルにおいては、サンプリング配管のエアロゾル
導入口の配列が例えばライン状に配置されているもので
あれば、複合レンズ装置によって、例えば順次焦点位置
をエアロゾル導入口の位置に変化させることで対応が可
能となる。このようにして、１つのサンプリングセルで
複数のサンプリング配管から導入されるエアロゾルの分
析を行うが可能となる。

【００６０】請求項１９の発明は、請求項１７記載のエ
アロゾル分析装置において、集光位置調整機能を有する
レーザ光集光手段は、照射するレーザ光の向きを各サン
プリング配管のエアロゾル導入口の位置に順次調節する
ことが可能な回転式の反射ミラーまたはプリズムである
ことを特徴とする。

【００６１】複数のサンプリング配管を設置したサンプ
リングセルにおいては、サンプリング配管のエアロゾル
導入口の配列が、例えば同心円上で径方向に向けて設置
されているものであれば、レーザ光の焦点位置は変更す
る必要がなく、レーザ光の光路変更を反射ミラーまたは
プリズムで行うことができる。このようにして１つのサ
ンプリングセルで、複数のサンプリング配管からのエア
ロゾルの分析が行えるようになる。

【００６２】請求項２０の発明は、請求項１から１９ま
でのいずれかに記載のエアロゾル分析装置において、蛍
光発生状況をモニタする画像処理装置と、レーザ光の焦
点位置、プラズマ生成状況、蛍光発生位置等の情報をモ
ニタする手段とを備えたことを特徴とする。

【００６３】本発明において、サンプリングセル内の蛍
光発生状況は、ＣＣＤカメラ等の画像処理装置にてモニ
タすることにより、レーザ光の焦点位置、プラズマ生成
状況、蛍光発生位置等の情報が得られ、検出装置の稼働
状況を常時モニタすることが可能となる。また、複数の
サンプリング配管を具備するサンプリングセルにおいて
は蛍光の生成位置の画像データを得ることにより、どの
配管からのエアロゾルを測定したかの情報も得ることが
可能となる。

【００６４】請求項２１の発明は、エアロゾルを含むガ
スが流動するサンプリング用の配管と、この配管に挿入
され、その挿入端に集光レンズを有するレーザ光照射用
の光ファイバと、この光ファイバを介してレーザ光を前
記配管内に照射するレーザ装置と、前記レーザ光の照射
によって前記配管内のエアロゾルから生成される蛍光を
受光する光ファイバと、この光ファイバを介して蛍光信
号を入力して前記エアロゾルの構成元素およびその量を
分析する光計測器とを備え、前記蛍光受光用の光ファイ
バは、前記レーザ光照射用の光ファイバと同一または別
の光ファイバであることを特徴とする。

【００６５】本発明はサンプリングセルを設けることな
く、流路（配管）に直接レーザ光を入射させるものであ
り、その配管には例えば熱電対ウェルの構造を設け、そ
こに例えばスウェジロックのようなもので光ファイバと
レンズとを一体構造にしたものを挿入し、気密シールす
る。このような構造とすれば、ねじ込みによって位置精
度を高めることが可能となり、メンテナンスも容易とな
る。また、本発明では光学窓を設ける必要がなく、構成
がコンパクトとなる。

【００６６】請求項２２の発明は、請求項１から２１ま
でのいずれかに記載のエアロゾル分析装置に加え、模擬
エアロゾルを発生させる模擬エアロゾル生成器と、この
模擬エアロゾル生成器で発生した模擬エアロゾルをサン
プリングセルまたはサンプリング用の配管に導入する導
入機構とを備えたことを特徴とする。

【００６７】本発明によると、サンプリングセルの較正
用の模擬エアロゾルを導入することにより、定期点検の
際の較正が、サンプリングセルまたはサンプリング用の
配管を設置した実際の配管等の現場で可能となるばかり
でなく、サンプリングセルがエアロゾルを異常検知した
際の確認を行うことも可能となる。

【００６８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態で
示すエアロゾル分析装置は、例えば高速増殖炉のナトリ
ウムを内包する容器、機器、配管等からのナトリウム漏
洩検出、工場排煙中の微量金属検出等に適用されるもの
である。

【００６９】図１は本発明の第１実施形態によるエアロ
ゾル分析装置の構成を示す図である。

【００７０】本実施形態のエアロゾル分析装置は図１に
示すように、ブレークダウン生成用レーザ装置１を備え
ており、このブレークダウン生成用レーザ装置１から発
したレーザ光５が光分配器３、入力端子４ａ、光ファイ
バ４および出力端子４ｂを経て球状のサンプリングセル
６の内部に、光学窓７ａを介して入射されるようになっ
ている。このレーザ光入射用の光学窓７ａはサンプリン
グセル６の側面側の上部近傍位置に設けられ、レーザ光
５は光学窓７からサンプリングセル６の内部に斜め下方
に向かって照射されるようになっている。光学窓７の外
側には、レーザ集光手段としての集光レンズ８が設けら
れ、この集光レンズ８によって、光ファイバ４から出射
されたレーザ光５がサンプリングセル６の内部の一箇
所、例えば底部近傍に集光されるようになっている。

【００７１】分析対象となるナトリウム等のエアロゾル
９を含むガスは、サンプリングセル６の上部に設けたエ
アロゾル導入口１０を介してサンプリングセル６内に下
方に向って導入されるようになっている。そして、エア
ロゾル導入口１０と対向するサンプリングセル６の底部
位置にエアロゾル排出口１１が設けられ、エアロゾル９
を含むガスは、このエアロゾル排出口１１を介して外方
に流下して排出されるようになっている。前述した集光
レンズ８の焦点位置は、このエアロゾル排出口１１の近
傍に設定されており、この焦点位置の領域が反応領域
（本実施形態では光反応領域）とされている。

【００７２】そして、サンプリングセル６内でエアロゾ
ル導入口１０からエアロゾル排出口１１に流れるエアロ
ゾル９は、集光レンズ８の焦点位置で光反応し（以下、
この位置を光反応点１２という）、励起によるプラズマ
化でブレークダウンを生じ、これにより蛍光１３が発せ
られるようになっている。

【００７３】サンプリングセル６の内部には、蛍光集光
手段としての蛍光集光ミラー１４が固定配置されてい
る。この蛍光集光ミラー１４は、内面を反射面とする椀
形の凹面鏡状のものであり、その底部位置に孔１４ａが
形成されている。そして、この蛍光集光ミラー１４は、
その底部が光学窓７ａに対向する状態で斜め下向きに配
置され、その軸心がレーザ光５の導光軸心と一致するよ
うになっている。

【００７４】これによりレーザ光５は、蛍光集光ミラー
１４の底部の孔１４ａを貫通して、サンプリングセル６
内に導入され、斜め下向きとなった蛍光集光ミラー１４
の大径開口部側の内側下方で集光し、ここでエアロゾル
９との光反応によって蛍光１３が生じるようになってい
る。蛍光１３は図１に破線矢印で示すように、蛍光集光
ミラー１４の内面で反射して、サンプリングセル６の斜
め下方の周壁近傍で集光するようになっている。

【００７５】この蛍光１３の集光位置に第２の光学窓７
ｂが設けられ、この光学窓７ｂに臨んで蛍光伝送用光フ
ァイバ１５の入力端子１５ａが配設されている。そし
て、蛍光１３は蛍光伝送用光ファイバ１５を介して外部
に伝送された後、出力端子１５ｂから蛍光分配器１６を
経て、光計測器１７に入射されるようになっている。

【００７６】本実施形態においては、レーザ装置１から
例えば１０^-9ｓのパルス幅を有するパルスレーザ光２が
出力１００ｍＪ／パルスで発せられ、このレーザ光２が
光ファイバ４を介してサンプリングセル６に伝送され、
集光レンズ８によってサンプリングセル６内の集光点
（光反応点１２）で集光される。

【００７７】ここで電界強度は数ＭＶ／ｃｍとなり、レ
ーザ光照射領域に存在するエアロゾル９は瞬時にプラズ
マ化され、エアロゾル９の構成元素は高励起状態で励起
ないしイオン化されて基底状態へ遷移し、その際に元素
特有の光反応点１２で蛍光１３が発せられる。

【００７８】光反応点１２で発した蛍光１３は、蛍光集
光ミラー１４の内面で反射して一点に集光され、第２の
光学窓７ｂから蛍光伝送用光ファイバ１５を介して光計
測器１７に入力されて計測が行われ、エアロゾル９を構
成する元素の含有量が測定される。本実施形態において
は、光計測器１７が例えばバンドパスフィルタを設置し
た光電子増倍管、または分光器が適用されている。前者
のバンドパスフィルタにおいては、単一の元素の測定の
み可能である。また、後者の光電子増倍管の場合には、
蛍光波長を分光することにより同時にエアロゾルを構成
する元素を分析することが可能である。この光計測にお
いては、測定の時間タイミングでゲート設定器によりゲ
ート処理が行われ、測定対象とする元素に対して最も感
度の高い時間設定をすることにより、Ｓ／Ｎ比を改善す
ることが可能となっている。

【００７９】なお、レーザ光５によるプラズマ生成のポ
イントは、パルスあたりのエネルギおよびパルス時間で
定まる。本実施形態ではプラズマ生成用レーザ光のパル
スエネルギが最高で数１００ｍＪ程度である。パルス幅
はナノ秒（１０^−９ｓ）オーダ、あるいはそれ以下であ
る。また、ブレークダウン用レーザ装置１は、Ｎｄ；Ｙ
ＡＧレーザ、エキシマレーザ、銅蒸気レーザ、半導体レ
ーザ、ＣＯ_２レーザ、Ｎ_２レーザ等が適用されている。

【００８０】以上の第１実施形態によれば、エアロゾル
９をレーザ光５により遠隔で計測することができ、か
つ、複数の検出系を１系統のレーザ装置１および信号処
理システムで対応が可能となる。また、光による信号伝
送を行うため、電磁気的な外来雑音の影響を受けること
もない。

【００８１】図２は本発明の第２実施形態によるエアロ
ゾル分析装置の構成を示す図である。

【００８２】本実施形態のエアロゾル分析装置は基本的
に前記の第１実施形態と同様であるが、これにレーザ誘
起蛍光生成用レーザ装置１８を付加したものである。即
ち、サンプリングセル６には、その内部の光反応点１２
を通る直線上の位置に第３の光学窓７ｃおよび第４の光
学窓７ｄが設けられている。そして、レーザ誘起蛍光生
成用のレーザ装置１８から発したレーザ光１９が光分配
器２０、入力端子２１ａ、光ファイバ２１および出力端
子２１ｂを介し、第３の光学窓７ｃからサンプリングセ
ル６内に入射されるようになっている。なお、本実施形
態において、前記第１実施形態と同様の構成部分には、
図２の対応部分に図１と同一の符号を付して説明を省略
する。

【００８３】本実施形態においては、レーザ光１９を測
定対象とする元素の検出感度が最も高い波長に同調させ
る。例えば、エアロゾルの成分がナトリウムである場合
には、Ｄ線として有名な５８９．５ｎｍあるいは５８
９．０ｎｍの波長に同調させる。このレーザ光１９は、
光分配器２０および光ファイバ２１を経て、光反応部１
２へ照射される。ここで生成されるレーザ誘起蛍光は集
光ミラー１４で集光され、光計測器１７で検出される。
レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８として波長可変レ
ーザ光を生成するレーザ光装置には、色素レーザ、非線
形光学素子を用いた固体レーザ等が好適である。

【００８４】また、レーザ光１９によって生成したプラ
ズマからの蛍光ないし生成直後の波長可変レーザ光の照
射によって生じるレーザ誘起蛍光を計測する前記の光計
測器１７には、バンドパスフィルタを設置した光電子増
倍管、光電子増倍管やＣＣＤ検出器を設置した分光器等
が適用される。これらの装置により元素特有の波長を分
別して計測することが可能で、エアロゾルを構成する元
素およびその量を選択的に分析することができる。

【００８５】この第２実施形態によれば、ブレークダウ
ン用の第１のレーザ光の照射直後に、分析対象とする元
素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光を照射し、そ
こから生じるレーザ誘起蛍光を計測することにより、特
定元素の含有量を高精度で評価することが可能となる。
この場合の第２のレーザ光の照射タイミングは第１のレ
ーザ光によるブレークダウン後のプラズマが基底状態に
遷移するμｓオーダ後とする。このようにして、単なる
ブレークダウンでは生成し得ない蛍光も測定できるた
め、極微量のエアロゾルの成分検出も可能となる。

【００８６】したがって、本実施形態ではブレークダウ
ンによる元素の励起が十分でない場合やブレークダウン
で生成しうる励起状態の制限で生成される蛍光信号が十
分でない場合、また分析対象とする元素の蛍光波長が近
接して測定精度に問題が生じるような場合に特に有効で
ある。

【００８７】図３は本発明の第３実施形態によるエアロ
ゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図３に
はサンプリングセル６の構成を拡大して示している。そ
の他の構成は図１に示した第１実施形態と同様であるか
ら説明を省略する。

【００８８】本実施形態では、サンプリングセル６内に
エアロゾルを捕獲するフィルタ２２が、エアロゾル９の
流路とプラズマを生成用のレーザ光５の光路との交差
点、すなわち光反応点１２を含む位置に設置されてい
る。この光反応点１２で生成される蛍光１３は、集光ミ
ラー１４により蛍光計測用光ファイバ１５に導光され、
前記各実施形態と同様に分光されるようになっている。

【００８９】エアロゾル捕獲用のフィルタ２２として
は、一般のＨＥＰＡフィルタでも可能であるが、微細金
属粉末を焼結した多孔質金属（例えば多孔質タングステ
ン）が長期間のレーザ照射に好適である。

【００９０】本実施形態によると、エアロゾル９を含む
ガスを単に気中放電させる前記第１実施形態と異なり、
エアロゾル９をガス流路に設置したフィルタ２２により
捕獲し、この状態でレーザ光５を照射し、フィルタ２２
の表面でプラズマを生成させるので、光反応がより効率
的に行われる。

【００９１】この後のプロセスについては第１実施形態
と同様であり、フィルタ２２に付着した元素はプラズマ
化され、その構成元素は高励起状態へ励起ないしはイオ
ン化され、それらはその元素の基底状態へある寿命を持
って遷移する。その際、元素特有の波長の蛍光を発生す
るため、その蛍光信号を光計測器１７によって計測する
ことによりエアロゾルを構成する元素の含有量を測定す
ることができる。

【００９２】図４は本発明の第４実施形態によるエアロ
ゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図４に
はサンプリングセル６の構成を拡大して示している。そ
の他の構成は図２に示した第２実施形態と同様であるか
ら説明を省略する。

【００９３】本実施形態のエアロゾル分析装置は、第２
実施形態の構成に加え、サンプリングセル６内のレーザ
誘起蛍光生成用レーザ光１９の照射位置に、エアロゾル
９を捕獲するフィルタ２２が設置されている。そして光
計測器１７は、フィルタ２２の表面に付着するエアロゾ
ル９のレーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエ
アロゾル９の存在量を測定する機能を有する構成とされ
ている。

【００９４】このような第４実施形態の構成によれば、
第３実施形態の装置でレーザ光による生成プラズマ内の
元素の励起が十分でない場合や、ブレークダウンで生成
しうる励起状態の制限で生成される蛍光信号が十分では
ない場合、また分析対象とする元素の蛍光波長が近接し
て測定精度に問題が生じる場合等において、第１のブレ
ークダウン用のレーザ光５の照射直後に、分析対象とす
る元素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光１９を照
射し、そこから生じるレーザ誘起蛍光１３を計測するこ
とで、レーザ光による生成プラズマ内の元素の励起を高
め、計測に十分な蛍光信号を得ることができ、また分析
対象とする元素の蛍光波長が近接する場合でも測定精度
を高めることができる。

【００９５】図５は本発明の第５実施形態によるエアロ
ゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図５で
もサンプリングセル６の構成を拡大して示している。

【００９６】本実施形態のエアロゾル分析装置では、前
記各実施形態のものと異なり、プラズマ生成用レーザ光
照射に代えて、放電電極により電極間に導入したエアロ
ゾルを含むガス中で電気放電を発生させるようになって
いる。

【００９７】すなわち、図５に示すように、サンプリン
グセル６にエアロゾル９を含むガスの出入口１０，１１
と、蛍光を取出すための一つの光学窓７ｂとが設けられ
ている。サンプリングセル６の内部に反応領域が設定さ
れるとともに、前記各実施形態と同様の蛍光集光手段と
しての蛍光集光ミラー１４が設置されている。

【００９８】そして、サンプリングセル６内の反応領域
に、電圧印加によってガス中のエアロゾル９をプラズマ
化させる１対の放電電極２３が設けられている。この放
電電極には、図示しない外部電源から高圧電流が供給さ
れ、例えばパルス的な電気放電が行われる。この放電電
極２３によるエアロゾル９のプラズマ化によって発生す
る蛍光１３が、前記の蛍光集光ミラー１４によって光学
窓７ｂの部位に集光されるようになっている。集光され
た蛍光は、光学窓７ｂから蛍光伝送用光ファイバ１５を
介して図示しない光計測器に入力されて計測され、エア
ロゾル９を構成する元素の含有量が測定される。

【００９９】このような構成の本実施形態によれば、プ
ラズマ生成用レーザ光照射の代わりに、放電電極２３に
よるパルス的な放電によって、サンプリングセル６内に
導入したエアロゾル９を含むガス中で電気放電を発生さ
せ、ここで発生する蛍光を波長分別可能な光計測器によ
り、エアロゾルを構成する元素およびその量を計測する
ことができる。本実施形態では、放電用の電源が必要と
なるが、ブレークダウン用レーザとその伝送用の光学経
路は不要となる。

【０１００】図６は本発明の第６実施形態によるエアロ
ゾル分析装置の構成を示す図である。なお、この図６で
もサンプリングセル６の構成を拡大して示している。

【０１０１】本実施形態のエアロゾル分析装置は、第５
実施形態の構成に加え、サンプリングセル６内の放電電
極２３の放電位置に、図２に示したものと同様のレーザ
誘起蛍光生成用レーザ装置（図示省略）からレーザ光１
９が照射されるようになっている。その他の構成は、図
５に示した第５実施形態と略同様である。なお、図示し
ない光計測器は、エアロゾル９のレーザ誘起蛍光強度を
波長分別することにより、エアロゾル９の存在量を測定
する機能を有する構成とされている。

【０１０２】このような第６実施形態の構成によれば、
第５実施形態の装置で生成プラズマ内の元素の励起が十
分でない場合等において、放電直後に分析対象とする元
素の励起量の大きな波長の第２のレーザ光１９を照射
し、そこから生じるレーザ誘起蛍光１３を計測すること
で、生成プラズマ内の元素の励起を高め、計測に十分な
蛍光信号を得ることができ、測定精度を高めることがで
きる。

【０１０３】なお、本実施形態において、電気放電によ
って生成したプラズマからの蛍光ないしはその生成直後
の波長可変レーザ光の照射によって生じるレーザ誘起蛍
光の計測を行うための光計測器には、バンドパスフィル
タを設置した光電子増倍管、光電子増倍管、あるいはＣ
ＣＤ検出器を設置した分光器等が適用できる。

【０１０４】図７は本発明の第７実施形態によるエアロ
ゾル分析装置の構成を示す図である。本実施形態は、図
２に示した第２実施形態の装置に、レーザ散乱強度測定
用の連続発振レーザ装置を付加し、光反応点にレーザ散
乱強度測定用のレーザ光を照射するようにしたものであ
る。

【０１０５】即ち、本実施形態では図７に示したよう
に、サンプリングセル６に、その内部の光反応点１２を
通る直線上の位置に第５の光学窓７ｅおよび第５の光学
窓７ｆが設けられている。そして、レーザ散乱強度測定
用の連続発振レーザ装置２４から発したレーザ光２５が
入力端子２７ａ、光ファイバ２７および出力端子２７ｂ
を介し、第５の光学窓７ｅからサンプリングセル６内に
入射されるようになっている。そして、光計測器は、サ
ンプリングセル６内における光反応点１２での連続発振
レーザ光２５の散乱強度に基づいて、エアロゾル９の大
きさと数とを測定する機能を有する構成とされている。
なお、他の構成については、前記第２実施形態と略同様
であるから、図７の対応部分に図２と同一の符号を付し
て説明を省略する。

【０１０６】本実施形態によれば、プラズマ発生領域に
レーザ散乱計測用のレーザ光２５を照射することで、光
反応部１２におけるエアロゾル９の成分およびその絶対
量を計測することができる。すなわち、ミクロンサイズ
の微粒子にレーザ光２５を照射することで、レイリー散
乱あるいはミー散乱によりレーザ光２５の散乱が生じ、
その散乱メカニズムは散乱要因となるエアロゾルの粒子
径に依存し、また強度はエアロゾル９の数密度に依存す
るので、レーザ光２５の散乱強度を測定することによ
り、エアロゾル９の数を定量することができる。したが
って、本実施形態によれば、レーザ散乱計測をその成分
評価を結びつけることにより、光反応部１２におけるエ
アロゾル９の成分の計測制度の向上が図れるものであ
る。

【０１０７】図８は本発明の第８実施形態によるエアロ
ゾル分析装置の構成を示す図である。

【０１０８】本実施形態は、図７に示した第７実施形態
の装置と同様に、連続発振レーザ装置２４とレーザ誘起
蛍光生成用レーザ装置１８とを共に有するものである
が、連続発振レーザ装置２４で発するレーザ光２５とレ
ーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１８で発するレーザ光１
９とをサンプリングセル６への導光経路途中で同軸合成
する手段として、ダイクロイックミラー２６（またはハ
ーフミラー）が設けられている。また、合成後のレーザ
光１９，２５をサンプリングセル６に導光して光反応点
１２に照射する照射手段として、入力端子２８ａ、光フ
ァイバ２８および出力端子２８ｂが設けられている。他
の構成については、第７実施形態と略同様であるから、
図８の対応部分に図７と同一の符号を付して説明を省略
する。

【０１０９】本実施形態によれば、レーザ散乱強度測定
用のレーザ光２５とレーザ誘起蛍光計測用のレーザ光１
９とがダイクロイックミラー２６で合成され、光ファイ
バ２８を経て光反応部１２へ照射される。そして、散乱
光は集光ミラー１４で集光されて光ファイバ１５を介し
て光計測装置１７に導かれ、ここで照射したレーザ波長
における散乱強度が計測される。したがって、光伝送の
ための光ファイバの本数の削減ができ、システムの簡素
化が可能となる。

【０１１０】図９（ａ），（ｂ），（ｃ）は、以上の各
実施形態におけるレーザ光の照射タイミングの概念図を
示したものである。図９（ａ）はプラズマ生成用レーザ
光（ブレークダウン用レーザ光）５の照射タイミングａ
を示し、同図（ｂ）はレーザ誘起蛍光計測用のレーザ光
１９の照射タイミングｂを示し、同図（ｃ）はエアロゾ
ル量の計測用のレーザ光（レーザ散乱計測用の連続発振
レーザ光）２５の照射タイミングｃを示している。

【０１１１】これらの図中において、Δｔ１はプラズマ
生成用レーザ光２５の時間間隔を示したもので、たとえ
ば１０Ｈｚの繰り返しでエアロゾル計測をする場合には
０．１秒となる。また、Δｔ２はレーザ誘起蛍光計測用
のレーザ光１９のプラズマ生成用レーザ光５の照射タイ
ミングからの遅れであり、これは生成されるプラズマの
状況に応じてナノ秒からマイクロ秒のオーダまで様々で
ある。この決定はサンプリングするエアロゾルを構成す
る原子がプラズマ化されてから原子状態に至る時間とプ
ラズマからの白色光（バックグラウンド光）の減衰時間
によって行われる。

【０１１２】図１０は本発明の第９実施形態によるエア
ロゾル分析装置の構成、特に光学経路の構成を示す図で
あり、図１１は図１０のＡ矢視図である。

【０１１３】本実施形態は、図示しないが前記実施形態
によるレーザ装置１，１８，２４を基本的に１系統設置
するとともに、サンプリングセル６を複数設置する場合
において、その光学経路の構成についてのものである。
即ち、本実施形態では１系統のレーザ装置から発するレ
ーザ光５（１９，２５）を複数のサンプリングセルへ導
光する手段として、光分配器２９と、この光分配器２９
から各サンプリングセルへの光学経路を構成する複数の
光ファイバ４（２１，２７）とを備えたものである。

【０１１４】そして本実施形態では、光分配器２９が、
レーザ光５（１９，２５）を集光するコリメータレンズ
３０と、このコリメータレンズ３０によって集光したレ
ーザ光５（１９，２５）を所定の光ファイバ４（２１，
２７）の方向に切換えるプリズムまたはミラー３２と、
このプリズムまたはミラー３２の切換え動作を行うステ
ップモータ３１とを備えた構成とされている。

【０１１５】このような構成によると、レーザ光５（１
９，２５）をコリメータレンズ３０によって集光した
後、光分配器２９としてのプリズムまたはミラー３２を
介して、複数の光ファイバ４（２１，２７）へ選択的に
入射することができ、光学経路の構成ひいてはシステム
構成の簡素化が図れるようになる。しかも、ミラー３２
をステップモータ３１により所望の光ファイバ４（２
１，２７）へ任意に向けるようにしたので、光ファイバ
４（２１，２７）への導光の切換えが容易かつ確実に行
える。なお、ステップモータ３１の回転角度θによって
導光する光ファイバ４（２１，２７）が一義的に定まる
ため、この回転角度θを計測すれば、どのサンプリング
セルの計測を行っているかの確認が可能となる。

【０１１６】図１２は本発明の第１０実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特に光学経路の構成を示す図
であり、図１３は図１２のＢ矢視図である。

【０１１７】本実施形態では、図１０および図１１に示
した第９実施形態の光ファイバ４（２１，２７）に代え
て、光学経路を光ガイドパイプ３３としたものである。
この光ガイドパイプ３３は、パイプ内面にアルミニウム
等の光学メッキを施し、経路局部となるエルボ部分に
は、反射プリズム３４または反射ミラー３５等の光学反
射体を設置した構成とされている。他の構成について
は、前記第９実施形態と略同様であるから、図１２およ
び図１３の対応部分に図１０および図１１と同一の符号
を付して説明を省略する。

【０１１８】このような構成の第１０実施形態によって
も、前記第９実施形態と同様に、光学経路の切換えの容
易化およびシステム構成の簡素化等の作用効果が奏され
る。図１４は本発明の第１１実施形態によるエアロゾル
分析装置の構成、特に蛍光伝送用の光学経路の構成を示
す図である。

【０１１９】本実施形態では図１４に示すように、蛍光
伝送用光学経路が、図示しない複数のサンプリングセル
６から蛍光１３を一点に向かって導く複数の光ファイバ
１５と、この各光ファイバ１５の出力端子１５ｂの向く
位置に配置された光分配器３６とを備えている。光分配
器３６は、前記のレーザ光を導光するための光学経路と
同様に、各光ファイバ１５の向きに対して回動可能なプ
リズムまたはミラー３７と、このプリズムまたはミラー
３７の切換え動作を行うステップモータ３８とを有して
いる。プリズムまたはミラー３７から出射される蛍光１
３は、コリメータレンズ３９で集光された後、一本の光
ファイバ１５の入力端子１５ａに入射され、図示しない
光検出器１７に導かれるようになっている。

【０１２０】このような構成によると、蛍光１３の伝送
のための光学経路についても、複数のサンプリングセル
６に対して少数の光計測器１７が適用でき、光計測系統
における機器の効率化が図れるとともに、その光学経路
の切換え動作も容易かつ確実に行える等の作用効果が奏
される。

【０１２１】なお、本実施形態の光学経路についても、
光ファイバ１５に代えて光ガイドパイプを適用すること
ができるのは勿論である。

【０１２２】図１５は本発明の第１２実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成を示すシステム構成図である。
本実施形態では、３系統のサンプリングセル６ａ，６
ｂ，６ｃと、各１系統のブレークダウン用レーザ装置
１、光計測器１７、レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１
８および連続発振レーザ装置２４とが、光ファイバ４
ｂ，１５ｂ，２８ｂで接続されている。

【０１２３】このシステム構成に、上述した図１０〜図
１４に示す実施形態の光学経路構成が適用されている。
即ち、各サンプリングセル６ａ，６ｂ，６ｃから導かれ
る各３本の光ファイバ４，１５，２８がそれぞれまとめ
られ、これらに光分配器２９，３６が適用されて光学経
路が構成されている。なお、レーザ誘起蛍光生成用レー
ザ装置１８と連続発振レーザ装置２４とはダイクロイッ
クミラー２６によって同軸上で合成され、図７に示した
前記の第７実施形態の構成が採用されている。

【０１２４】このような構成の第１２実施形態による
と、サンプリングセル６の設置数よりも各レーザ装置
１，１８，２４および光計測器１７の設置数が少なく、
システム全体としての構成が簡素化できる。なお、サン
プリングセル６の設置数および各レーザ装置１，１８，
２４および光計測器１７の設置数は図１５に示したもの
以外に各種選定できることは勿論である。

【０１２５】図１６は本発明の第１３実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成を示すシステム構成図である。

【０１２６】本実施形態のエアロゾル分析装置は、一つ
のサンプリングセル６に対し、高出力レーザ装置４０お
よび低出力レーザ装置４１からレーザ光が供給される２
系統レーザ光供給タイプのものである。これら各レーザ
装置４０，４１から発振するレーザ光は、ダイクロイッ
クミラー４２および１本の光ファイバ４３を経てサンプ
リングセル６側に導光されるようになっている。そし
て、光ファイバ４３の先端側では、別のダイクロイック
ミラー４４によって光出力端子４５および低出力端子４
６に導かれ、サンプリングセル６に対して２系統で入射
されるようになっている。

【０１２７】また、一つの光計測器１７および蛍光入力
用端子４７が設けられ、サンプリングセル６側から蛍光
入力用端子４７を介して入力される蛍光も、ダイクロイ
ックミラー４４、同一の光ファイバ４３およびダイクロ
イックミラー４２を経て光計測器１７側に導光されるよ
うになっている。なお、レーザ誘起蛍光計測用レーザ光
の波長と蛍光計測波長が同一である場合には、ダイクロ
イックミラーを部分反射ミラーに置換することで対応で
きる。

【０１２８】このような構成によれば、簡素化されたシ
ステム構成で、高低２系統のレーザ出力および蛍光受信
が効率よく行える。

【０１２９】図１７は本発明の第１４実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成を示すシステム構成図である。

【０１３０】本実施形態でも前記の第１３実施形態と同
様に高低出力レーザ装置４０，４１を有する２系統タイ
プとされているが、前記のものと異なり、高出力レーザ
装置４０から発振されるレーザ光のみが、光ガイドパイ
プ４８を介してサンプリングセル６側に導光されるよう
になっている。その他の構成は第１３実施形態と略同様
であるから、図１７に図１６と同一符号を付して説明を
省略する。

【０１３１】このような構成によっても、第１３実施形
態と略同様の効果が奏されるが、高出力レーザ装置４０
から発振されるレーザ光を光ガイドパイプ４８を介して
伝送するようにしたことにより、より高出力のレーザ光
の伝送が確実に行える。なお、光ファイバを使用するか
光ガイドパイプを使用するかについては、レーザ光の伝
送効率や耐レーザ強度、あるいは使用環境条件で選択す
ればよい。例えば、ブレークダウンのためのレーザ光強
度が光ファイバの耐レーザ光強度を越えるような場合に
は、光ガイドパイプを用いることが望ましい。

【０１３２】図１８は本発明の第１５実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特に光ファイバの構成を示す
図である。

【０１３３】本実施形態では、光学経路を構成する光フ
ァイバが、複数の独立したファイバ要素を束ねた多バン
ドル光ファイバ４９とされている。この多バンドル光フ
ァイバ４９の各ファイバ要素は、例えば太径単一光ファ
イバ５０、細径単一光ファイバ５１および細径多芯光フ
ァイバ５２からなり、それらの両端はホルダによって個
別に被覆されて独立状態となっているが、途中の部分は
１本のバンドルにまとめられている。そして、これらの
各光ファイバ５０，５１，５２によって、それぞれレー
ザ光および蛍光の伝送を行うようになっている。即ち、
太径単一光ファイバ５０によってブレークダウン用レー
ザ光の伝送を行い、また細径単一光ファイバ５１によっ
てレーザ誘起蛍光生成用およびエアロゾル量計測用の連
続発振レーザの伝送を行い、さらに細径多芯光ファイバ
５２によって蛍光伝送を行うようになっている。

【０１３４】このような本実施形態の多バンドル光ファ
イバ４９を使用することにより、レーザ装置および光計
測器側と、サンプリングセル側との間の光学経路を構成
する光ファイバを１本化することができ、構成の簡素化
が図れる。

【０１３５】図１９は本発明の第１６実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成
を示す図である。

【０１３６】本実施形態では、エアロゾル９を含むガス
とレーザ光５との反応領域である光反応点１２で発生す
る蛍光１３を集光させる蛍光集光手段を、サンプリング
セル６の内部に設けた蛍光集光ミラー１４としたもので
ある。この蛍光集光ミラー１４は凹面鏡状のもので、サ
ンプリングセル６の内面に沿う半径を有し、光反応点１
２の上側に位置してサンプリングセル６の内部空間の略
半分程度を覆う構成とされている。この蛍光集光ミラー
１４の形状は、図１に示した第１実施形態の説明で詳述
したものと略同様であり、斜め上向きの底部の孔１４ａ
からレーザ光５およびエアロゾル９が下向きに通過し得
るとともに、光反応点１２で発生した蛍光１３の反射に
よる焦点が蛍光計測用光ファイバ１５の入力端子１５ａ
位置となるように設定されている。

【０１３７】このような構成により、蛍光検出系の有す
る立体角を増加させることができ、検出感度を増加させ
ることが可能となる。

【０１３８】図２０は本発明の第１７実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成
を示す図である。

【０１３９】本実施形態では、光反応点１２で発生する
蛍光１３を集光させる蛍光集光手段を、サンプリングセ
ル６の外部に設けた集光レンズ４５としたものである。
この場合、集光レンズ４５に蛍光１３を十分集光させる
ために、サンプリングセル６の光学窓は広い面積を有す
る構成とすることが望ましい。そして、集光レンズ４５
の外側の焦点位置に蛍光計測用光ファイバ１５の入力端
子１５ａが配置されて、その光ファイバ１５内で蛍光が
導光されるようになっている。

【０１４０】このような構成によっても、蛍光検出系の
有する立体角を増加させることができ、検出感度を増加
させることが可能となる。本実施形態の場合は、蛍光集
光手がサンプリングセル６の外部に配置されるので、構
成が簡素化できる利点がある。

【０１４１】図２１は本発明の第１８実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成
を示す図である。

【０１４２】本実施形態では、サンプリングセル６が箱
形とされ、その上下壁部にエアロゾル９を含むガスの出
入口１０，１１が設けられるとともに、上壁部および周
壁部に複数の光学窓７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが設けられ
ている。また、内部空間にはエアロゾルの流動方向と交
差するように、例えば水平にフィルタ２２が設けられて
いる。このように、本発明では前記の各実施形態の如く
サンプリングセル６が球形のものに限らず、種々の形状
で実施することができる。

【０１４３】なお、箱形のサンプリングセル６の材質に
ついては、全体をレーザ光およびレーザ誘起蛍光の透過
率が高い材質で構成し、また光を通す場所のみに光学ガ
ラス窓を設置し、さらに光学ガラスで全体構成する等、
種々の組み合わせが可能である。

【０１４４】図２２は本発明の第１９実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成
を示す図である。

【０１４５】本実施形態では、サンプリングセル６が球
形で上下に２分割可能な構成とされ、中間部のフランジ
５４，５５がボルト５６によって着脱自在に締結されて
いる。

【０１４６】このような構成によれば、サンプリングセ
ル６の保守のための内部クリーニング、部品交換等が容
易に行える。

【０１４７】図２３は本発明の第２０実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの構成
を示す図である。

【０１４８】本実施形態では、箱形のサンプリングセル
６の内部に、焦点をサンプリングセル６の中央部に設定
したレーザ光集光用レンズ５７と、それにより形成され
る光反応点１２の側方に位置するレーザ誘起蛍光集光用
レンズ５８とが設置されている。また、レーザ光集光用
レンズ５７と対向する部位には、プラズマ生成用レーザ
光５を反射する凹面鏡等からなる多重反射ミラー５９が
設置されている。

【０１４９】このような構成によると、レーザ光５はレ
ーザ光集光用レンズ５７による集光照射と、多重反射ミ
ラー５９による反射とによって、２回にわたり集光領域
に集光されることになる。したがって、少ないレーザ出
力でも効果的にプラズマ発生を行うことができる。な
お、反射ミラーを種々組合せることによって、いわゆる
積分球の構造とすれば、さらに多くの反射回数を行うこ
とが可能となり、一層効果的にプラズマ発生を行うこと
ができる。

【０１５０】図２４は本発明の第２１実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの応用
例を示す図である。

【０１５１】本実施形態では、サンプリングセル６が筒
状に構成されており、このサンプリングセル６の周壁部
に軸方向に沿って間隔的に複数のエアロゾル導入口１０
が開口している。そして、サンプリングセル６の軸方向
一端側にレーザ光５照射用の光学窓７ａが設けられ、こ
の光学窓７ａの外側に設けたレーザ光集光手段としての
複合レンズ６０によって、レーザ光５の集光用の焦点が
調節可能とされ、焦点位置６１を各エアロゾル導入口１
０の位置に移動できるようになっている。なお、エアロ
ゾル出口１１および排気系６２は、エアロゾル導入口１
０と対向する側壁側に設けられている。

【０１５２】このような本実施形態の構成によれば、ラ
イン状に配列されたエアロゾル導入口１０に対し、複合
レンズ６０の調節によりレーザ光５の焦点位置６１を順
次に変化させることで、１つのサンプリングセル６を使
用して複数のサンプリング配管を介しての複数のエアロ
ゾル分析が行えるようになる。

【０１５３】図２５は本発明の第２２実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルの応用
例を示す横断面図であり、図２６は同縦断面図である。

【０１５４】本実施形態では、サンプリングセル６が大
径筒状とされており、エアロゾル導入口１０はサンプリ
ングセル６の周壁部に周方向に沿って間隔的に複数、径
方向に向って開口している。プラズマ生成用のレーザ光
５は、サンプリングセル６の中心部下方から光ファイバ
４の出力端子４ｂを介して照射されるようになってい
る。そして、サンプリングセル６内の中心位置に、レー
ザ光５の光路変更用の反射ミラーまたはプリズム６３が
設けられ、図示しないステップモータで間欠回転動作す
るようになっている。そして、サンプリングセル６内に
照射されたレーザ光５は、反射ミラーまたはプリズム６
３によって、各エアロゾル導入口１０に向う中間点に設
定された光反応点１２で集光されるようになっている。
また、サンプリングセル６の下方には、光反応点１２で
発生する蛍光１３を集光するための集光レンズ６４およ
び計測用の光ファイバ１５の入力端子１５ａが配置して
いる。

【０１５５】このような構成によると、レーザ光５の焦
点位置を変更する必要なく、レーザ光５の光路変更を反
射ミラーまたはプリズム６３で行うことができる。そし
て、１つのサンプリングセル６で複数のサンプリング導
入口１０からのエアロゾルの分析が可能となる。また、
サンプリングセル６内の蛍光発生状況をＣＣＤカメラ等
の画像処理装置にてモニターすれば、レーザ光５の焦点
位置、プラズマ生成状況、蛍光発生位置等の情報が得ら
れ、検出装置の稼働状況を常時モニタすることが可能と
なるばかりでなく、複数のサンプリング配管を具備する
サンプリングセルにおいて蛍光の生成位置の画像データ
を得ることにより、どのサンプリング配管からのエアロ
ゾルを測定したかの情報も容易に得ることができる。

【０１５６】図２７は本発明の第２３実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルを使用
しない例を示す縦断面図であり、図２６は同横断面図で
ある。

【０１５７】本実施形態では、エアロゾル９を含むガス
が流動するサンプリング用の配管６５と、この配管６５
に挿入され、その挿入端に集光レンズ６６を有するレー
ザ光５照射用の光ファイバ６７と、この光ファイバ６７
を介してレーザ光５を配管６５内に照射する図示しない
レーザ装置と、レーザ光５の照射によって配管６５内の
エアロゾル９から生成される蛍光１３を受光する光ファ
イバ６８と、この光ファイバ６８を介して蛍光信号を入
力し、エアロゾル９の構成元素およびその量を分析する
図示しない光計測器とを備えた構成とされている。

【０１５８】なお、本実施形態では、レーザ照射用の光
ファイバ６７と蛍光受光用の光ファイバ６８とが、同一
の光ファイバで構成されている。また、光ファイバ６７
（６８）は、配管６５に対し、例えばスウェジロックの
ようなコネクタ６９により、集光レンズ６６と一体構造
で挿入され、気密シールされている。

【０１５９】このような構成によれば、レーザ光５の集
光レンズ６６を先端に具備した光ファイバ６７を配管６
５に挿入し、その配管６５内の焦点位置７０で生成した
エアロゾル９からの蛍光１３を同一光ファイバ６７（６
８）で伝送して、エアロゾル９を構成する元素およびそ
の量を分析することができる。この場合、サンプリング
セルおよびサンプリング配管等を設ける必要なく、流路
（配管６５）に直接レーザ光５を入射させて蛍光検出が
行える。

【０１６０】なお、配管６５に光ファイバ６７と集光レ
ンズ６６を一体構造にして挿入し、気密シールした構成
によると、位置精度を高めることが可能で、メンテナン
スも容易となる。また、本実施形態では光学窓等を設け
る必要がない。

【０１６１】図２９は本発明の第２４実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成、特にサンプリングセルを使用
しない例を示す縦断面図であり、図３０は同横断面図で
ある。

【０１６２】本実施形態は、図２７および図２８に示し
た前記第２３実施形態と略同一構成であるが、レーザ照
射用の光ファイバ６７と蛍光受光用の光ファイバ６８と
が、異なる光ファイバで構成されている。即ち、蛍光受
光用の光ファイバ６８は、配管６５の中心線回りで略９
０°異なる位置で、レーザ照射用の光ファイバ６７の場
合と同様に、スウェジロックのようなコネクタ７１によ
り、集光レンズ７２と一体構造で挿入され、気密シール
されている。他の構成は図２７および図２８に示した第
２３実施形態のものと変らないから、図２９および図３
０に、図２７および図２８と同一の符号を付して説明を
省略する。

【０１６３】このような本実施形態においても、前記第
２３実施形態と同様に、レーザ光５の集光レンズ６６を
先端に具備した光ファイバ６７を配管６５に挿入し、そ
の配管６５内の焦点位置７０で生成したエアロゾル９か
らの蛍光１３を光ファイバ６８で伝送して、エアロゾル
９を構成する元素およびその量を分析することができる
等の効果が奏される。

【０１６４】図３１は本発明の第２５実施形態によるエ
アロゾル分析装置の構成を示す図である。

【０１６５】本実施形態は、前記の各実施形態で示した
エアロゾル分析装置に加え、模擬エアロゾルを発生させ
る模擬エアロゾル生成器７３と、この模擬エアロゾル生
成器７３で発生した模擬エアロゾル７４をサンプリング
セル６（またはサンプリング用の配管）に導入する導入
機構７５およびサンプリング配管７６とを備えた構成と
されている。

【０１６６】即ち、本実施形態では図３１に示すよう
に、所定のエアゾル計測雰囲気７７からエアゾル９をサ
ンプリング配管７６を介して導入する複数、例えば１対
のサンプリングセル６が設けられている。これらのサン
プリングセル６に対して、模擬エアロゾル生成器７３が
サンプリング配管７６を介して模擬エアロゾル７４を導
入することができるようになっている。この模擬エアロ
ゾル７４の導入操作をサンプリング配管７６近傍の導入
機構７５によって行うようになっている。

【０１６７】このような構成の本実施形態によると、サ
ンプリングセル６の較正用の模擬エアロゾル７４を必要
に応じて導入することにより、例えば定期点検の際の較
正が、サンプリングセル６（またはサンプリング用の配
管）を設置した実際の配管等の現場で可能となるばかり
でなく、サンプリングセル６がエアロゾル９を異常検知
した際の確認を行うことも可能となる。

【０１６８】なお、以上の実施形態において、サンプリ
ングセル６の数が多くなると、分散化されたサンプリン
グセル６のどれからの蛍光信号であるかを認識する必要
がある。いま、レーザ装置１とサンプリングセル６との
間の距離をＬ１（ｍ）、サンプリングセル６と光計測器
１７との距離をＬ２（ｍ）とすると、レーザ光がサンプ
リングセルに伝送され、さらに蛍光が光計測系に検出さ
れるまでの時間Ｔは、

【数１】Ｔ＝（Ｌ１＋Ｌ２）／ｃ；ｃは光速となる。

【０１６９】したがって、予めレーザ装置１とサンプリ
ングセル６との光路長を評価しておけば、レーザ照射か
ら蛍光測定までに要した時間から、光の伝搬距離を評価
し、光路長との対応でどのサンプリングセルからの信号
であるかを間違いなく評価することが可能となる。

【０１７０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、特に狭い
空間領域におけるエアロゾル測定を、元素単位に分割す
るための大掛かりな機構を必要とすることなくコンパク
トな構成で、また誤動作のおそれもなく、遠隔操作等に
よって容易に、かつ高精度で行うことができ、しかも耐
用寿命の長期化も図れる等の効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図。

【図２】本発明の第２実施形態を示す構成図。

【図３】本発明の第３実施形態を示す構成図。

【図４】本発明の第４実施形態を示す構成図。

【図５】本発明の第５実施形態を示す構成図。

【図６】本発明の第６実施形態を示す構成図。

【図７】本発明の第７実施形態を示す構成図。

【図８】本発明の第８実施形態を示す構成図。

【図９】（ａ），（ｂ），（ｃ）は前記各実施形態にお
けるレーザ光の照射タイミングを示すグラフ。

【図１０】本発明の第９実施形態を示す構成図。

【図１１】図１０のＡ矢視図。

【図１２】本発明の第１０実施形態を示す構成図。

【図１３】図１２のＢ矢視図。

【図１４】本発明の第１１実施形態を示す構成図。

【図１５】本発明の第１２実施形態を示す構成図。

【図１６】本発明の第１３実施形態を示す構成図。

【図１７】本発明の第１４実施形態を示す構成図。

【図１８】本発明の第１５実施形態を示す構成図。

【図１９】本発明の第１６実施形態を示す構成図。

【図２０】本発明の第１７実施形態を示す構成図。

【図２１】本発明の第１８実施形態を示す構成図。

【図２２】本発明の第１９実施形態を示す構成図。

【図２３】本発明の第２０施形態を示す構成図。

【図２４】本発明の第２１実施形態を示す構成図。

【図２５】本発明の第２２実施形態を示す横断面図。

【図２６】本発明の第２２実施形態を示す縦断面図。

【図２７】本発明の第２３実施形態を示す縦断面図。

【図２８】本発明の第２３実施形態を示す横断面図。

【図２９】本発明の第２４実施形態を示す縦断面図。

【図３０】本発明の第２４実施形態を示す横断面図。

【図３１】本発明の第２５実施形態を示す構成図。

【符号の説明】

１ブレークダウン生成用レーザ装置３光分配器４光ファイバ４ａ入力端子４ｂ出力端子５レーザ光６，６ａ，６ｂ，６ｃサンプリングセル７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ光学窓８集光レンズ９エアロゾル１０エアロゾル導入口１１エアロゾル排出口１２光反応点１３蛍光１４蛍光集光ミラー１５蛍光伝送用光ファイバ１５ａ入力端子１５ｂ出力端子１６蛍光分配器１７光計測器１８レーザ誘起蛍光生成用レーザ装置１９レーザ光２０光分配器２１光ファイバ２１ａ入力端子２１ｂ出力端子２２フィルタ２３放電電極２４連続発振レーザ装置２５レーザ光２６ダイクロイックミラー（ハーフミラー）２７光ファイバ２７ａ入力端子２７ｂ出力端子２８光ファイバ２８ａ入力端子２８ｂ出力端子２９光分配器３０コリメータレンズ３１ステップモータ３２ミラー３３光ガイドパイプ３４反射プリズム３５反射ミラー３６光分配器３７ミラー３９コリメータレンズ４０高出力レーザ装置４１低出力レーザ装置４２ダイクロイックミラー４３光ファイバ４４ダイクロイックミラー４５光出力端子４６低出力端子４７蛍光入力用端子４８光ガイドパイプ４９多バンドル光ファイバ５０太径単一光ファイバ５１細径単一光ファイバ５２細径多芯光ファイバ５４，５５フランジ５６ボルト５６５７レーザ光集光用レンズ５８レーザ誘起蛍光集光用レンズ５９多重反射ミラー６０複合レンズ６１焦点位置６２排気系６３プリズム６４集光レンズ６５配管６６集光レンズ６７光ファイバ６８ファイバ６９コネクタ７０焦点位置７３模擬エアロゾル生成器７４模擬エアロゾル７５導入機構７６サンプリング配管７７エアゾル計測雰囲気

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エアロゾルを含むガスの出入口および複
数の光学窓を有するとともに内部に反応領域を設定した
サンプリングセルと、前記ガス中のエアロゾルをプラズ
マ化させるためのレーザ光を発するブレークダウン用レ
ーザ装置と、このレーザ装置で発したレーザ光を前記サ
ンプリングセルに前記光学窓から導入して前記反応領域
に集光させるレーザ光集光手段と、前記反応領域で集光
したレーザ光によるエアロゾルのブレークダウンによっ
て発生する蛍光を他の光学窓の部位に集光させる蛍光集
光手段と、集光した蛍光を前記他の光学窓から入力して
その蛍光の波長分別により前記エアロゾルの構成元素の
分析を行う光計測器とを備えたことを特徴とするエアロ
ゾル分析装置。
【請求項２】請求項１記載のエアロゾル分析装置にお
いて、エアロゾルをプラズマ化させるためのブレークダ
ウン用レーザ装置に加え、プラズマ化されるエアロゾル
の構成元素のうち分析対象とする元素に対応する特定の
励起波長を有するレーザ光を発して特定元素の励起によ
り蛍光を生じさせるレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置
と、このレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置から発するレ
ーザ誘起蛍光生成用レーザ光を光学窓を介してサンプリ
ングセル内の反応領域に照射する照射手段とを備え、光
計測器は、レーザ誘起蛍光強度を波長分別することによ
りエアロゾルの存在量を測定する機能を有することを特
徴とするエアロゾル分析装置。
【請求項３】請求項１記載のエアロゾル分析装置にお
いて、サンプリングセル内のレーザ光照射位置にエアロ
ゾルを捕獲するフィルタを設置し、光計測器は、前記フ
ィルタの表面に付着するエアロゾルへのレーザ光照射に
よって生じるアブレーションプラズマからの蛍光を波長
分別してエアロゾルを構成する元素およびその量を分析
する機能を有することを特徴とするエアロゾル分析装
置。
【請求項４】請求項２記載のエアロゾル分析装置にお
いて、サンプリングセル内のレーザ誘起蛍光生成用レー
ザ光の照射位置にエアロゾルを捕獲するフィルタを設置
し、光計測器は、前記フィルタの表面に付着するエアロ
ゾルのレーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエ
アロゾルの存在量を測定する機能を有することを特徴と
するエアロゾル分析装置。
【請求項５】エアロゾルを含むガスの出入口および光
学窓を有するとともに内部に反応領域を設定したサンプ
リングセルと、このサンプリングセル内の反応領域に設
置され、電圧印加によって前記ガス中のエアロゾルをプ
ラズマ化させる放電電極と、この放電電極によるエアロ
ゾルのプラズマ化によって発生する蛍光を前記光学窓の
部位に集光させる蛍光集光手段と、集光した蛍光を前記
光学窓から入力してその蛍光の波長分別により前記エア
ロゾルの構成元素の分析を行う光計測器とを備えたこと
を特徴とするエアロゾル分析装置。
【請求項６】請求項５記載のエアロゾル分析装置にお
いて、エアロゾルをプラズマ化させるための放電電極に
加え、プラズマ化されるエアロゾル構成元素のうち分析
対象とする元素に対応する特定励起波長を有するレーザ
光を発するレーザ誘起蛍光生成用レーザ装置と、このレ
ーザ誘起蛍光生成用レーザ装置から発するレーザ誘起蛍
光生成用レーザ光を他の光学窓を介してサンプリングセ
ル内の反応領域に照射する照射手段とを備え、光計測器
は、レーザ誘起蛍光強度を波長分別することによりエア
ロゾルの存在量を計測する機能を有することを特徴とす
るエアロゾル分析装置。
【請求項７】請求項１から６までのいずれかに記載の
エアロゾル分析装置に加え、連続発振レーザ装置と、こ
の連続発振レーザ装置から発するレーザ光を光学窓を介
してサンプリングセル内の反応領域に照射する照射手段
とを備え、光計測器は、前記サンプリングセル内におけ
る前記反応領域での連続発振レーザ光の散乱強度に基づ
いてエアロゾルの大きさと数とを測定する機能を有する
ことを特徴とするエアロゾル分析装置。
【請求項８】請求項７記載のエアロゾル分析装置であ
って、連続発振レーザ装置とレーザ誘起蛍光生成用レー
ザ装置とを共に有するものにおいて、前記連続発振レー
ザ装置で発するレーザ光と前記レーザ誘起蛍光生成用レ
ーザ装置で発するレーザ光とをサンプリングセルへの導
光経路途中で同軸合成する手段と、合成後のレーザ光を
前記サンプリングセルに導光して反応領域に照射する照
射手段とを備えたことを特徴とするエアロゾル分析装
置。
【請求項９】請求項１から４まで、または請求項６か
ら８までのいずれかに記載のエアロゾル分析装置におい
て、レーザ装置は１系統設置するとともに、サンプリン
グセルは複数設置し、前記１系統のレーザ装置から発す
るレーザ光を前記複数のサンプリングセルへ導光する手
段として、光分配器と、この光分配器から各サンプリン
グセルへの光学経路を構成する複数の光ファイバまたは
光ガイドパイプとを備えたことを特徴とするエアロゾル
分析装置。
【請求項１０】請求項９記載のエアロゾル分析装置に
おいて、光分配器は、レーザ光を所定の光ファイバまた
は光ガイドパイプの方向に切換えるプリズムまたはミラ
ーと、このプリズムまたはミラーの切換え動作を行うス
テップモータとを備えたことを特徴とするエアロゾル分
析装置。
【請求項１１】請求項１から１０までのいずれかに記
載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセルの
設置数よりも光計測器の設置数を少なくし、そのサンプ
リングセルから光計測器に蛍光を導く光学経路を集合さ
せ、その集合した蛍光を前記光計測器で集中計測するよ
うにしたことを特徴とするエアロゾル分析装置。
【請求項１２】請求項１１記載のエアロゾル分析装置
において、複数のサンプリングセルからの蛍光を光計測
器に導く光学経路は、複数の光ファイバと、この複数の
光ファイバからの蛍光を一点に集光し得る光分配器と、
集光した蛍光を導光する１系統の光ファイバまたは光ガ
イドパイプとを有することを特徴とするエアロゾル分析
装置。
【請求項１３】請求項１から４まで、または請求項６
から１２までのいずれかに記載のエアロゾル分析装置に
おいて、レーザ装置からサンプリングセルまでレーザ光
を導く光学経路と、前記サンプリングセルから光計測器
まで蛍光を導く光学経路とを、共通な光学経路として構
成し、その共通な光学経路は、レーザ光と蛍光とを分け
る手段としてダイクロイックミラーを有することを特徴
とするエアロゾル分析装置。
【請求項１４】請求項１から４まで、または請求項６
から１３までのいずれかに記載のエアロゾル分析装置に
おいて、光学経路を多バンドル光ファイバで構成し、そ
の多バンドル光ファイバ一部の一部をレーザ装置からサ
ンプリングセルまでレーザ光を導く光学経路として適用
し、残りの部分を前記サンプリングセルから光計測器ま
で蛍光を導く光学経路として適用したことを特徴とする
エアロゾル分析装置。
【請求項１５】請求項１から１４までのいずれかに記
載のエアロゾル分析装置において、サンプリングセル内
の反応領域で発生する蛍光を集光させる蛍光集光手段
は、そのサンプリングセルの内部に設けた反射装置また
は外部に設けたレンズ装置であることを特徴とするエア
ロゾル分析装置。
【請求項１６】請求項１から４まで、または請求項６
から１５までのいずれかに記載のエアロゾル分析装置に
おいて、レーザ装置で発したレーザ光をサンプリングセ
ル内の反応領域に集光させるレーザ光集光手段は、複数
回の反射を繰返す多重反射装置であることを特徴とする
エアロゾル分析装置。
【請求項１７】請求項１から４まで、または請求項６
から１６までのいずれかに記載のエアロゾル分析装置に
おいて、サンプリングセルはエアロゾルを含むガスを導
入するための複数のエアロゾル導入口を間隔的に有する
ものであり、レーザ光集光手段はレーザ光集光位置を前
記の各エアロゾル導入口の位置に移動する集光位置調整
機能を有することを特徴とするエアロゾル分析装置。
【請求項１８】請求項１７記載のエアロゾル分析装置
において、集光位置調整機能を有するレーザ光集光手段
は、照射するレーザ光の焦点を各サンプリング配管のエ
アロゾル導入口の位置に順次調節することが可能な複合
レンズ装置であることを特徴とするエアロゾル分析装
置。
【請求項１９】請求項１７記載のエアロゾル分析装置
において、集光位置調整機能を有するレーザ光集光手段
は、照射するレーザ光の向きを各サンプリング配管のエ
アロゾル導入口の位置に順次調節することが可能な回転
式の反射ミラーまたはプリズムであることを特徴とする
エアロゾル分析装置。
【請求項２０】請求項１から１９までのいずれかに記
載のエアロゾル分析装置において、蛍光発生状況をモニ
タする画像処理装置と、レーザ光の焦点位置、プラズマ
生成状況、蛍光発生位置等の情報をモニタする手段とを
備えたことを特徴とするエアロゾル分析装置。
【請求項２１】エアロゾルを含むガスが流動するサン
プリング用の配管と、この配管に挿入され、その挿入端
に集光レンズを有するレーザ光照射用の光ファイバと、
この光ファイバを介してレーザ光を前記配管内に照射す
るレーザ装置と、前記レーザ光の照射によって前記配管
内のエアロゾルから生成される蛍光を受光する光ファイ
バと、この光ファイバを介して蛍光信号を入力して前記
エアロゾルの構成元素およびその量を分析する光計測器
とを備え、前記蛍光受光用の光ファイバは、前記レーザ
光照射用の光ファイバと同一または別の光ファイバであ
ることを特徴とするエアロゾル分析装置。
【請求項２２】請求項１から２１までのいずれかに記
載のエアロゾル分析装置に加え、模擬エアロゾルを発生
させる模擬エアロゾル生成器と、この模擬エアロゾル生
成器で発生した模擬エアロゾルをサンプリングセルまた
はサンプリング用の配管に導入する導入機構とを備えた
ことを特徴とするエアロゾル分析装置。