JPH09329543A

JPH09329543A - 混合ガス内の特定ガスの濃度測定方法、アナライザ、及び、楕円偏光計（エリプソメータ）を、混合ガス内の特定ガスの濃度を連続的に測定するために用いる方法

Info

Publication number: JPH09329543A
Application number: JP8328454A
Authority: JP
Inventors: Rolf Castor; カストールロルフ
Original assignee: Siemens Elema AB
Current assignee: Siemens Elema AB
Priority date: 1995-12-11
Filing date: 1996-12-09
Publication date: 1997-12-22
Also published as: US5739910A; SE9504417D0; EP0779507A1

Abstract

(57)【要約】【課題】混合ガス内の特定ガスの濃度を測定するため
の、改善された新たな方法及びアナライザを提供するこ
と。【解決手段】アナライザは、試料ガスが搬送される検
査室を有しており、試料ガスは、第１コーティング及び
第２コーティングが設けられている第１基板を通過す
し、第２コーティングは、選択的に特定ガスを吸収する
物質から形成されており、光源から、基板及びコーティ
ングで所定の偏光が生じるように配向されて光ビームが
放射され、反射光ビームの偏光が、コーティングでの反
射及びコーティングとの相互作用に起因して変化し、こ
の変化は、光検出器で反射光ビームの偏光を測定するこ
とによって、計算ユニットによって計算され、吸収によ
って生じる偏光の変化は、特定ガスの濃度にしか関連し
ておらず、従って、そのガスを識別することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、混合ガス内の特定
ガスの濃度測定方法に関する。

【０００２】本発明は、混合ガス内の特定ガスの濃度を
識別乃至測定するためのアナライザに関する。

【０００３】本発明は、楕円偏光計（エリプソメータ）
を、混合ガス内の特定ガス、有利には、呼吸気内の麻酔
ガスの濃度を連続的に測定するために用いる方法であっ
て、反射面上のコーティングに光ビームが放射され、前
記反射面から反射された光が検出され、入射光の偏光と
反射光の偏光との差が分析される方法に関する。

【０００４】

【従来の技術】混合ガス内の特定ガスを識別、殊に、混
合ガス内の特定ガスの濃度を測定する方法及びアナライ
ザを一層高速、一層良質、乃至一層高信頼度で達成する
ことは、多くの技術分野で関心が持たれている。

【０００５】これらの各領域の１つは、麻酔中、患者に
供給される混合ガス内の麻酔剤の濃度の測定に関するも
のである。麻酔技術での２つの一般的な分析方法は、Ｉ
Ｒ分光分析及び水晶周波数分析である。後者は、水晶結
晶に施された吸収コーティングによる麻酔ガス分子の吸
収によって生じた振動水晶結晶の周波数変化に基づいて
いる。

【０００６】使用された麻酔ガスが分かっている限り、
両方法とも、優れた性質を示すものである。最も一般的
な麻酔ガスは、デスフルラン、エンフルラン、ハロタ
ン、イソフルタン、セボフルタンである。これらの麻酔
ガスは、非常に類似した医学的性質を有している。これ
ら各麻酔ガス間の微妙な差異というものは、ガスが実際
に使われた場合には、事実上払拭されるのである。と言
うのは、これらの麻酔ガスは、通常異なった濃度で供給
されるからである。そのようにして、それぞれの方法を
用いて測定すると、ほぼ同じ信号強度の測定信号が生じ
る。万が一、間違った麻酔ガスが不注意から使用された
場合、誤った濃度の麻酔ガスが供給されることがある。

【０００７】楕円偏光解析法は、極端に薄い薄膜を検査
するための公知の解析法、即ち、極端に薄い薄膜の測定
方法である。この方法は、薄膜が光ビームの偏光に作用
する仕方の解析に基づいている。複数の楕円偏光解析法
が公知であり、例えば、ゼロ楕円偏光解析法、測光楕円
偏光解析法及びＰＣＳＡ楕円偏光解析法である。それら
については、他のところで余すところなく記述されてい
るので、ここでは、詳述する必要はない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、混合ガス内の特定ガスの濃度を測定するための、改
善された新たな方法を提供することにある。

【０００９】本発明の第２の目的は、この方法及び相応
の解析を実施するアナライザを提供することにある。

【００１０】本発明の第３の目的は、楕円偏光計（エリ
プソメータ）を、混合ガス内の特定ガスの濃度を連続的
に測定するために用いる新規な方法を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の目的は、
請求項１記載の方法によって解決される。

【００１２】即ち、混合ガスの少なくとも一部を、光反
射面に施された第１コーティングを通過させ、前記第１
コーティングは、特定ガスを吸収する第１物質から形成
されており、前記第１コーティングで所定の偏光作用を
受けるように光ビームを配向し、前記第１コーティング
及び光反射面から反射された前記光ビームの偏光を検出
し、前記第１物質で特定ガスが吸収されて、前記第１コ
ーティングの複屈折率に影響を及ぼすことによって生じ
た、入射光ビームの偏光と、反射光ビームの偏光との差
を測定し、測定された前記偏光差から、前記特定ガスの
濃度を測定するのである。

【００１３】

【発明の実施の形態】この方法は、楕円偏光解析法と多
少類似している。特定の偏光を受けた光は、測定領域に
てビーム形成され、この測定領域で、この光ビームは、
所定のコーティングを通過して、反射領域から反射され
る。光の一部は、コーティング面から反射され、また、
光の一部は、コーティングの表面と反射面との間で、１
度乃至数回反射される。全体としては、光偏光の面が変
えられる。この変化の大きさは、コーティングの複屈折
率に依存する。しかし、主要な差異は、特定ガスを吸収
する物質の層乃至コーティングを使用する点にある。特
定のガスが、このコーティングによって吸収された場
合、複屈折率は変化する。この変化の具合は、特定ガス
の濃度に依存する。特定ガスの濃度は、これらの変化が
光の偏光に影響を及ぼす仕方を解析することによって測
定することができる。特定ガスの既知の濃度に対して、
較正することができる。

【００１４】ここでは、コーティングを、特定ガス乃至
類似の分子構造のガスだけを選択的に吸収する物質から
形成すると有利である。この方法を用いる際には、当
然、コーティングに必要な物質のタイプに左右される。
例えば、混合ガス内の他のガスの濃度が一定である場
合、特定ガスがない場合に基準値を形成することができ
る。その際、このコーティングは、選択的であるように
する必要はない。

【００１５】特定ガスを完全に確実に識別するために、
この方法を、公知の他の方法（前述の水晶周波数解析の
ような）と結合することができる。その際、反射面は、
適切に、振動水晶の一部であるようにする必要がある。
その際、ガスは、両方の方法で解析することができ、測
定値を、数学的に異なったやり方でマージして、各特定
ガスに対して唯一の信号を生じるようにすることができ
る。各測定は、交互に（一時に一測定）又は同時に行う
ことができる。同時測定の利点は、その測定が、正確に
同一状態の試料で確実に行われるという点である。この
ことは、以前の、混合ガスの複数の測定方法を使用し
て、結合された各濃度測定が用いられていた場合には、
行うことができなかったのである。

【００１６】また、この方法を、ＩＲ分光分析のような
他の測定方法と組み合わせることができる。この場合に
は、放射経路を適切に選択することによって、実質的に
同一試料で解析を行うことができる。

【００１７】択一選択的に、異なった経路で、特定ガス
を吸収する異なった２つの物質を相互に隣合わせて配置
することができる。その際、測定は、両コーティング
で、並列的に又は連続して行うことができる。２つの測
定値の数学的マージにより、濃度値を一層良いものにす
ることができ、識別し易いようにすることができる。他
の選択としては、厚さは異なっているが、同一物質から
形成された２つの並列コーティングを使用することがで
きる。

【００１８】本発明の方法の他の有利な各実施例は、独
立請求項１の方法の各従属請求項に記載されている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前述の第２の課題は、本
発明によると、独立請求項５記載のアナライザによって
解決することができる。

【００２０】即ち、測定ユニット、反射面、第１コーテ
ィング、光源、光検出器、計算ユニットとを有してお
り、測定ユニットは、分析されるべき混合ガスの少なく
とも一部が通過するように構成されており、反射面は、
測定ユニット内に設けられており、第１コーティング
は、特定ガスを吸収する物質から形成されており、光源
は、反射面で所定の偏光作用を受ける光ビームを放射す
るように構成されており、光検出器は、反射面から反射
された光ビームを測定するように構成されており、反射
された光ビームは、第１コーティングと相互作用するよ
うに構成されており、計算ユニットは、反射面に入射し
た入射光ビームと、反射面から反射された反射光ビーム
との差から、特定ガスの濃度を測定するように構成され
ているのである。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明のアナライザの有利な各実
施例は、独立請求項５のアナライザの各従属請求項に記
載されている。

【００２２】アナライザは、本発明の上述の方法同様他
のタイプの各測定を行うことができる。従って、アナラ
イザは、所定の偏光面上での強度変化を測定することが
でき、その際、特定ガスの濃度がゼロの場合の基準値と
測定強度とが比較された際の強度変化から濃度を測定す
ることができる。

【００２３】

【実施例】本発明のアナライザの図示の１実施例を用い
て、本発明について、以下詳細に説明する。

【００２４】アナライザ２は、第１基板６が設けられて
いる検査室４を有している。第１コーティング８は、第
１基板６に施されている。第１コーティング８は、所定
の光学的性質を有しており、周囲の空気に対して不活性
である。第２コーティング１０は、第１コーティング８
上に配設されている。第２コーティング１０は、特定ガ
ス、１特定グループのガス、又は、複数特定グループの
ガスを吸収する物質から形成されている。適切な物質の
選択は、分析すべき特定ガス及び被検ガス中の特定ガス
に伴うガスの構成成分に基づいてなされる。吸収は、吸
収されるガスの周囲環境濃度によって影響される。第２
コーティング１０の光学的性質、特に、その複屈折率
は、吸収される量に関連して変化する。

【００２５】被検ガスは、検査室４を通って送給される
（矢印１２で示されている）。被検ガスは、大量の被分
析混合ガスからの１試料又は被分析全混合ガスからなる
ようにすることができる。麻酔ガスが分析される場合、
被検ガスは、呼吸気である。被検ガスは、連続的に、又
は、非連続的に検査室４を通って流れることができる。

【００２６】被検ガスの分析は、以下のようにして行わ
れる；所定のように偏光される光ビーム１６は、光源１
４から放射される。光ビーム１６は、部分的に第２コー
ティング１０から反射され、部分的に第２コーティング
１０を通って第１コーティング８に伝送される。光ビー
ム１６は、部分的に第１コーティング８から反射され、
部分的に第１コーティング８を通って基板６に伝送され
る。光ビーム１６の大部分は、基板６から反射される。
また、多重反射が、コーティング８，１０間で生じる。
全体として、複合された反射光ビーム１８となる。この
反射光ビーム１８は、光検出器２０によって検出され
て、計算ユニット２２で分析される。

【００２７】通常の楕円偏光の計算を、反射光ビーム１
８で使用することができ、その際、光検出器２０によっ
て、反射光ビーム１８の偏光が測定される。しかし、こ
の場合、計算ユニット２２によって、入射光ビーム１６
と反射光ビーム１８との偏光差に基づいて、特定ガスの
濃度が測定される。

【００２８】その際、ガス分析方法の複数の選択が可能
になる。第１に、第２コーティング１０によって広範囲
のガスが吸収されるものとされる点である。

【００２９】既知成分の既知ガスが、検査室４を通って
流れる場合、この既知ガスは、第２コーティング１０に
よって吸収されて、偏光を変化させる。その後は、各ガ
ス成分の部分圧力が変化しない限り、偏光は変化しな
い。それから、新たなガス成分を導入することができ
る。この新たなガス成分は、吸収されて、偏光が変化す
る。計算ユニットが、この新たなガス成分の既知の濃度
に対して較正されている場合、この新たなガス成分の濃
度は、偏光の変化に基づいて連続的に測定することがで
きる。この処理の実用的な１適用分野は、麻酔ガスの分
析である。既知成分の呼吸気は、検査室４に送給され、
それから、吸収の均衡状態が生じる。較正は、特定麻酔
ガスの既知の濃度に対して行われる。それから、麻酔ガ
スの濃度を、（連続的に）モニタすることができる。
（吸気及び呼気により）混合ガスの圧力が系統的に変化
するのを補償することができる。この補償は、この変化
の周期的特性に基づいて、乃至、換気装置からの情報に
基づいて行うことができる。それ故、較正は、圧力乃至
構成成分の周期的変化に基づいて行うことができる。

【００３０】第２コーティング１０が、１つの特定ガス
或いは数種の特定ガスしか吸収しないならば、処理は、
非常に単純化される。つまり、単純な較正で充分であ
る。

【００３１】基板６、又は、第１コーティング８を、振
動水晶から形成して、特定ガス成分を確実に識別するこ
とができる（又は、正しいガス成分が使用されていると
いうことを確認することができる）。上述のように、水
晶周波数分析による濃度の測定は従来技術である。従っ
て、水晶の振動周波数は、吸収によって影響を受けて、
濃度信号が発生される。２つの測定方法の数学的マージ
によって、それぞれの特定ガス、例えば、重要な、異な
った麻酔ガスに対して得られた基準値に対して比較する
ことができる唯一の信号組合せが得られる。その際、こ
のようにすることによって、識別することができるよう
になる。

【００３２】各測定は、交互に又は同時に行うことがで
きる。各測定が同時に行われる場合、偏光の変化の計算
の際、水晶の振動に対して補償する必要があると思われ
る。各測定は、明らかに１つの且つ同一試料で行われ
る。その際、このようにすることによって、被検試料
が、検査室から検査室に伝送される他の公知の方法に比
べて信頼度を改善することができる。

【００３３】択一選択的に、各測定を、何らかの他の方
法でガスを吸収する何らかの他の物質で行うこともでき
る。図では、このことは、第３コーティング２６及び第
４コーティング２８が配設されている第２基板２４で示
されている。第１及び第２コーティング８，１０を有す
る第１基板６、及び、第３，第４コーティング２６，２
８を有する第２基板２４は、交互に光ビーム１６の方に
動かすことができる（矢印３０で示されている）。これ
は、第２光源及び光検出器アレイを利用するよりも安価
な手続きである。

【００３４】それ故、択一選択的なものの組合せの際、
基板６，１４の両方、又は、第１及び第３コーティング
８，２６を振動水晶から形成することができる。その
際、各測定は、交互に各基板上で同時に行うことがで
き、即ち、楕円偏光法を第１基板６上で行うことがで
き、水晶周波数分析を第２基板２４上で行うことができ
る。

【００３５】通常の楕円偏光法の代わりに、アナライザ
の光検出器を、特定ガスの濃度の測定の際、１つ又は複
数の特定の偏光方向の強度変化を測定するように装置構
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアナライザの実施例を示す図

【符号の説明】

２アナライザ４検査室６第１基板８第１コーティング１０第２コーティング１２被検ガス１４光源１６光ビーム１８反射光ビーム２０光検出器２２計算ユニット２４第２基板２６第３コーティング２８第４コーティング３０矢印

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】混合ガス内の特定ガスの濃度測定方法に
おいて、混合ガスの少なくとも一部を、光反射面に施さ
れた第１コーティングを通過させ、前記第１コーティン
グは、特定ガスを吸収する第１物質から形成されてお
り、前記第１コーティングで所定の偏光作用を受けるよ
うに光ビームを配向し、前記第１コーティング及び光反
射面から反射された前記光ビームの偏光を検出し、前記
第１物質で特定ガスが吸収されて、前記第１コーティン
グの複屈折率に影響を及ぼすことによって生じた、入射
光ビームの偏光と、反射光ビームの偏光との差を測定
し、測定された前記偏光差から、前記特定ガスの濃度を
測定することを特徴とする特定ガスの濃度測定方法。
【請求項２】少なくとも１つの付加的なコーティング
が、第１コーティングと反射面との間に設けられている
請求項１記載の方法。
【請求項３】少なくとも１つの付加的な吸収コーティ
ングが、第１コーティングの隣に設けられており、偏光
差は、前記付加的な吸収コーティングで測定され、それ
から、特定ガスの濃度測定乃至識別は、種々の吸収コー
ティングの偏光差から行われる請求項１又は２記載の方
法。
【請求項４】反射面は、第１コーティングで吸収され
た特定ガス量により変化する振動周波数で振動するよう
に形成されており、特定ガスの濃度は、測定面の振動周
波数の変化から測定され、前記特定ガスは、２つの濃度
測定の数学的マージによって識別される請求項１〜３ま
での何れか１記載の方法。
【請求項５】混合ガス内の特定ガスの濃度を識別乃至
測定するためのアナライザにおいて、測定ユニット
（４）、反射面（６，２４）、第１コーティング（１
０，２８）、光源（１４）、光検出器（２０）、計算ユ
ニット（２２）とを有しており、前記測定ユニット
（４）は、分析されるべき混合ガスの少なくとも一部が
通過するように構成されており、前記反射面（６，２
４）は、前記測定ユニット（４）内に設けられており、
前記第１コーティング（１０，２８）は、特定ガスを吸
収する物質から形成されており、前記光源（１４）は、
前記反射面（６，２４）で所定の偏光作用を受ける光ビ
ーム（１６）を放射するように構成されており、前記光
検出器（２０）は、前記反射面（６，２４）から反射さ
れた光ビーム（１８）を測定するように構成されてお
り、前記反射された光ビーム（１８）は、前記第１コー
ティング（１０，２８）と相互作用するように構成され
ており、前記計算ユニット（２２）は、前記反射面
（６，２４）に入射した入射光ビームと、前記反射面
（６，２４）から反射された反射光ビームとの差から、
特定ガスの濃度を測定するように構成されていることを
特徴とするアナライザ。
【請求項６】光検出器（２０）は、反射された光ビー
ム（１８）の偏光を検出するように構成されており、計
算ユニット（２２）は、入射光ビーム（１６）の偏光と
反射光ビーム（１８）の偏光との差から、特定ガスの濃
度を測定するように構成されている請求項５記載のアナ
ライザ。
【請求項７】光検出器（２０）は、特定の偏光方向で
反射された光ビーム（１８）の強度を検出するように構
成されており、特定ガスがない場合の強度は、基準強度
として使用され、計算ユニット（２２）は、前記反射光
ビーム（１８）の強度の変化から、前記特定ガス濃度を
測定するように構成されている請求項５記載のアナライ
ザ。
【請求項８】反射面（６，２４）は、振動している水
晶上に完全に又は部分的に設けられており、前記水晶の
振動周波数は、物質内で吸収された特定ガス量に従って
変化し、計算ユニット（２２）は、前記振動している水
晶の振動周波数の変化から特定ガスの濃度を測定するよ
うに構成されている請求項５〜７までの何れか１記載の
アナライザ。
【請求項９】計算ユニット（２２）は、２つの別個の
濃度測定値から特定ガスを識別する請求項８記載のアナ
ライザ。
【請求項１０】少なくとも１つの付加的なコーティン
グ（８，２６）は、反射面（６，２４）に設けられてい
る請求項５〜９までの何れか１記載のアナライザ。
【請求項１１】少なくとも１つの付加的な吸収コーテ
ィング（２８）は、第１コーティング（１０）の隣に設
けられており、偏光の変化は、前記付加的な吸収コーテ
ィング（２８）で測定され、計算ユニット（２２）は、
異なった前記各吸収コーティング（１０，２８）で測定
された偏光の変化から、特定ガスの濃度を測定乃至特定
ガスを識別する請求項１０記載のアナライザ。
【請求項１２】楕円偏光計（エリプソメータ）を、混
合ガス内の特定ガス、有利には、呼吸気内の麻酔ガスの
濃度を連続的に測定するために用いる方法であって、反
射面上のコーティングに光ビームが放射され、前記反射
面から反射された光が検出され、入射光の偏光と反射光
の偏光との差が分析される方法において、コーティング
は、特定ガスを吸収する物質から形成されており、混合
ガスの少なくとも一部の連続的な流れが、測定面を通過
するように構成されていることを特徴とする楕円偏光計
（エリプソメータ）を、混合ガス内の特定ガスの濃度を
連続的に測定するために用いる方法。
【請求項１３】反射面は、振動周波数で振動するよう
に構成されており、有利には、振動する水晶結晶から形
成されており、物質内の、特定ガスの吸収によって生じ
る振動周波数の変化が測定され、各偏光差に関して、楕
円偏光計（エリプソメータ）の分析が補完され、又は、
測定面の振動周波数で測定された特定の変化を用いて補
償されることを特徴とする請求項１２記載の楕円偏光計
（エリプソメータ）を、混合ガス内の特定ガスの濃度を
連続的に測定するために用いる方法。