JPS595856B2 - フオ−クトコウカオモチイタ ブンコウブンセキケイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フオークト効果すなわち磁場による光の複屈
折を用いた分光分析計に関するものである。

一般に不規則に分布する原子や分子からの散乱は、散乱
の前後で波長が変化しない場合は、入射光進行方向と同
一方向への散乱、すなわち前方散乱はコヒーレントな現
象であることが知られている（註１）。

このときの散乱光強度は、散乱に寄与した原子または分
子の濃度が低い場合には、それらの数の２乗に比例する
ことも知られている（註２）。一方、前方以外の方向に
散乱された光強度は、上記原子または分子の数の１乗に
比例するため、前方散乱を用いると、より強い散乱光を
得ることができ、原子または分子の検出に応用した場合
には、より低濃度の原子や分子の検出が可能になつてく
る。他方、入射光の波長を原子または分子の共鳴線波長
に合わせると、散乱光強度は、そうでない場合にくらべ
、桁違いに増大する。これらの共鳴線波長は既知である
から、入射光波長を適当に選ぶことにより、原子または
分子の同定が可能となる。以上述べた前方散乱と共鳴散
乱を組合わせることにより、より低濃度の原子または分
子の分析が可能となつてくる。しかしながら入射光波長
と散乱光波長は同じであるため、何らかの方法でこれを
区別する必要がある。そこで、一般には、試料中の原子
や分子に、入射光進行方向に垂直に磁場を印加し、散乱
光に複屈折、すなわち、フオークト効果を生じさせ、光
の偏光状態を変えることにより入射光と散乱光を区別す
る。従来行なわれているフオークト効果を用いた前方共
鳴散乱光観測法の概略を第１図に示す。検出対象元素原
子または分子（以下では簡単のため、単に原子と記す）
の共鳴線波長を含む光源１から出た光は、第１の偏光子
２により図中矢印で示された偏りをもつ直線偏光となり
、試料原子を含む容器３に入射する。試料原子には、図
中Ａで示される方向、例えば入射光偏光方向と４５０を
なす方向に、磁場が印加されている。試料原子により共
鳴散乱された光はフオークト効果により複屈折を生じて
いる。この結果、散乱光は一般に橢円偏光となり、第１
の偏光子と偏光方向が直交するように置かれている第２
の偏光子４に入射し、第１の偏光子の偏光方向に垂直な
光成分はこれを透過する。透過光は検出器５により検出
される。透過光強度は、元素原子の種類、原子のおかれ
ている環境の圧力、共存する他の物質、磁場の強さ等に
依存している。原子のおかれている環境の圧力を１気圧
程度とし、測定対象原子を水銀原子としたときの、透過
光強度と磁場Ｈの関係の観測例を第２図に示す。ここで
横軸は磁場の強さ、縦軸は透過光強度である。

十分な透過光強度を得るには、かなり強い磁場が必要な
ことがわかる。数キロエルステツド以上の強さの磁場を
出すには、ソレノイドコイルによる方法よりは、電磁石
または永久磁石がより適当である。一方、偏光子は、一
般には完全な偏光を作らないため、例えば第１図のよう
に１組の偏光子を直交して置き、磁場を印加しない状態
でも、一部の光はこの直交した第１、第２の偏光子を透
過し、このもれ光成分は測定に際して大きな障害となる
。第３図に示すように、第１図の配置でＯでない一定磁
場を試料原子に印加したときに、検出器で観測される透
過光強度を時間ｔに対し書くと、一般的には光源からの
光は時間的に、たえず変動しているため曲線ａのように
なる。一方磁場がＯのときには曲線ｂのようになる。試
料原子による信号は曲線ａとｂの差であるから、信号の
みを取り出すためには磁場の大きさを変調してやればよ
い。第４図に磁場を変調したときの透過光強度１の様子
を示す。ここでは第３図と同様、光源からの光は時間的
に変動していると考えている。曲線ａは磁場を変調した
ときに検出器で観測される透過光強度１であり、曲線ｂ
は磁場が０のときのもれ光であり、曲線ｃは変調に用い
た磁場である。このように透過光のうちの信号成分は磁
場の変調周波数で変調されているため、この周波数成分
をもつもののみを取り出すことにより、求める信号を得
ることが出来る。このように磁場を変調するためには、
電磁石が必要となる。しかしながら電磁石にした場合に
は、大きなコイルや、電流変調装置が必要となるため、
装置製作のための費用が高価につくこと、装置が大型に
なつてしまう欠点がある。本発明の目的は、上述した欠
点をなくし、小型で安価な分析計を提供することにある
。

本発明は、光学的に等方な物質は、一様な磁場中では、
磁場の方向を対称軸とする一軸異方性物質のようにふる
まうことを利用したものである。

すなわち第１図に示すように、試料原子を間にはさんで
、各々の偏光方向が互に直交するように一組の偏光子を
配置しておく。試料原子に印加する磁場Ｈの方向Ａを、
第１の偏光子２の偏光方向、すなわちこの偏光子を通過
してくる光の電気ベクトルＥの方向に対して変えていく
と、この一組の偏光子を透過する光の強さＩは、第５図
ａに示すようになる。ここでθは第５図ｂに示されるよ
うに、上記の磁場Ｈと光の電気ベクトルＥのなす角であ
る。これから磁場Ｈの方向と光の電気ベクトルＥの方向
が平行または垂直な場合は、透過光は偏光子が完全であ
れば０になることがわかる。実際には偏光子の不完全性
により、透過光は０にならないが、このとき透過してく
る光はもれ光成分のみであつて、試料原子からの信号光
成分は存在しない。角度θが０度または９０度の整数倍
以外のときは、透過光は信号光成分ともれ光成分との和
である。したがつて角度θ、すなわち第１の偏光子の偏
光方向と磁場の方向を相対的に変えることにより、信号
光成分のみを変調してやることが可能になり、この変調
された成分を透過光から取り出すことにより、結局試料
原子の分析が可能になる。この方法では磁場の大きさは
一定でよいから、永久磁石を用いることができる。以下
本発明を実施例によつて詳しく説明する。

第６図は本発明の一実施例である。ここでは磁場の大き
さと方向は、固定された永久磁石３を用いることにより
固定され、その代りに偏光方向が互に直交する一組の偏
光子１，２を、直交させたままで、入射光進行方向を軸
として回転させ、上述の角度θを変えている。ここで回
転とは１回転しない回転振動も含まれる。試料原子を収
容する容器４が偏光子１，２の間にあるため、偏光子１
，２を直交させたままで回転するのに第７図Ａ，ｂのよ
うな手段を用いる。ａはギアを介して機械的に偏光子を
回転させるもので、偏光子１，２は各各ギアのついたホ
ルダー５，６に取り付けられ、あらかじめ互にその偏光
方向が直交するように調整されている。ホルダー５，６
のギアには、共通の軸９に取り付けられたギア７，８が
接続しており、軸９をモーター１０により回転させるこ
とで、偏光子１，２を偏光方向を互に直貴させたままで
、入射光進行方向のまわりに回転させることができる。
ギアのかみ合いは、遊びが出来る限り小さくなる様に設
計する必要がある。この方法は回転速度はあげにくいが
廉価である。同図ｂはモーター１３，１４の回転子１１
，１２に偏光子１，２を取り付け、電気的に２つの偏光
子の回転の同期をとる方法である。

ここでも回転は回転振動を含む各々の回転子１１，１２
には小孔１７，１８があり、参照光源１５，１６からの
光は、偏光子１，２が丁度その偏光方向が互に直交した
ときに、各々最大光量が検出器１９，２０に入射するよ
うになつている。検出器１９，２０で検出された参照信
号は、位相比較器２３で位相を比較され、その位相差信
号が移相器２２に送られ、発振器２１から送られるモー
ター駆動用交流電流の位相をずらし、偏光子１，２の偏
光方向が直交するようになる。上記の場合はモーターと
して同期モーターを仮定しているが、直流サーボモータ
ーの場合には２１は直流電源とし、２２は電流制御器と
すれば同様の効果が得られる。偏光子の位相検出には、
他の方法、例えばピツクアツプコイルやホール素子によ
る磁気的方法でもよい。ｂの方法はａにくらべ多少高価
になるが、回転速度を土げることができる。第８図は本
発明の他の実施例である。

ここでは偏光子１，２は固定し、磁場を入射光進行方向
のまわりに回転させている。磁場は永久磁石によつて発
生させる。近年、稀土類元素を含む、高保磁力の磁石が
相次いで開発されたため、小型の磁石により、高い磁場
を発生させることが可能になつた。すなわち磁石３，３
５をヨーク５に取り付け、磁石３，３！の間に置かれた
試料原子を収容する容器４のまわりと、入射光進行方向
を軸として回転させる。この場合には、第６図で示した
偏光子を回転させる方法にくらべ、同期を取る必要がな
いので、機械的には多少大きくなるものの、構造が簡単
になり、安価となる。第９図に本発明の更に他の実施例
を示す。

分光分析計においては、透過光の強度が唯一の信号であ
るが、この信号から正しい試料中の原子濃度を得るため
には、入射光の強度がわかつている必要がある。光源か
らの光は、光源自身のふらつきにより変動するし、試料
中の検出対象以外の原子や分子あるいはもつと巨大な粒
子により吸収、散乱をうけるためにも変動する。したが
つて、この変動による透過光強度の変化を補正する必要
がある。ここでは本発明者等により既に昭和５０年２月
７日付で出願した特願昭５０−１５３３０号（特開昭５
１−９０８７１号公報）「磁気光学効果を用いる分光分
析計］明細書により提案されている方法、すなわち一種
の２波長法を用いている。すなわち光源から出た光は回
転チヨツパ一１０により時間的に断続する変調をうけた
後、回転する第１の偏光子１に入射し、透過光は直線偏
光となり、試料原子を収容する容器４に入射する。もち
ろん光源自身を他の方法で変調し、入射光強度を変調す
ることもできる。ここでは定磁場Ｈが図のように容器に
印加されている。容器４を透過した光は、偏光方向が第
１の偏光子と直交したまま回転する複像偏光プリズム２
に入射する。２を透過した光は、第１の偏光子の偏光方
向に垂直な成分と、平行な成分に分離する。

前者には試料原子による前方共鳴散乱光、すなわち信号
光が含まれ、後者には入射光と前方共鳴散乱光が含まれ
る。試料原子濃度が稀薄な場合には前方共鳴散乱光は極
めて弱いため、複像偏光プリズム２を透過し、第１の偏
光子の偏光方向に平行な偏光をもつ成分の強度は、ほぼ
入射光強度に等しいとしてよいのでこれを参照光とする
。したがつて光源からの光のふらつきや変動を補正する
ためには、上記より偏光プリズム２を透過した、互に直
交する偏光をもつた成分の強度比をとればよい。本実施
例においては、上記両成分光はプリズム２を出る角度が
異ることを用い、中央の孔のあいた鏡３により、一成分
のみをこの孔を通すことにより分離している。複像偏光
プリズムとして、例えばローシヨンプリズムをとると、
プリズムを出た後の一方の偏光をもつ光は入射光と角度
が変わらないので、求める信号光のみがこれに含まれる
ように選べば、プリズムを回転しても信号光は常に鏡３
の孔を通つて検出器６に達する。他方の偏光をもつ光は
プリズム２を一定の角度で出るため、プリズムの回転に
より、プリズムを頂点とする円錐面上を動く。このため
、鏡３で反射させた後、レンズ５で検出器７上へ像を結
ぶようにする必要がある。このようにして、検出器６で
検出された信号成分は増幅器８で適当な大きさ迄増幅さ
れ、検出器７で検出された参照成分と割算器９で比をと
られる。更に試料中の原子は一般には化合物の形で試料
に含まれるため、これを原子蒸気とするため、一般には
熱分解の方法がとられるが、このとき発生する光は迷光
として検出されてしまう。これを取り除くために、回転
チヨツパ一１０により光源からの光を断続させて、同期
検波する方法がとられている。このときの参照信号は、
参照用光源１２と検出器１３により作られる。また直接
光源を変調する方法では、その変調信号をとればよい。
この参照信号で、割算器９から出てきた信号を同期検波
器１４で検波し、記録計１５に記録する。以上説明した
ごとく、本発明によれば、永久磁石を用いて、小型で安
価、かつ、高精度のフオークト効果を用いた分光分析計
を得ることができる。

（註１） Ｄ．Ｍａｒｃｕｓｅ７Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎ
ｇＱｕａ一ＮｔｕｍＥｌｅｃｔｒＯｄｙｎａｍｉｃｓ．
ＨａｒｃＯｕｒｔ．Ｂｒａｃｅ＆ＷＯｒｌｄ．Ｉｎｃ．
ＮｅｗＹＯｒｋｌ９７Ｏ．（註２） Ａ．ＣＯｒｎｅｙ
，Ｂ．Ｐ．ＫｉｂｂｌｅａｎｄＧ．Ｗ．Ｓｅｒｉｅｓ２
ＰｒＯｃ．ＲＯｙ．ＳＯｃ．ＬＯｎｄ一０ｎ，Ａ２９３
，７０（１９６６）

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来行なわれているフオークト効果を用いた
前方共鳴散乱光観測法の概略図、第２図は直交偏光子間
に置かれた試料のフオークト効果による偏光子透過光強
度と磁場の関係を示す図、第３図は偏光子のもれと透過
光強度の状態を示す図、第４図は磁場を変調したときの
透過光強度の変化を示す図、第５図は直交偏光子の第１
の偏光子の偏光方向と磁場のなす角に対する、偏光子透
過光強度の関係を示す図、第６図は本発明の一実施例を
示す図、第７図は本発明の偏光子回転法の一実施例を示
す図、第８図は本発明の他の実施例を示す図、第９図は
本発明の更に他の実施例を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ フオークト効果を用いた分光分析計において、光源
   からの光を直線偏光とするための第１の偏光子と、被測
   定試料収容空間をはさんで上記第１の偏光子と相対して
   設置され、かつその偏光方向が直交している第２の偏光
   子との上記直交関係を保持したままで、上記第１の偏光
   子の偏光方向と、上記測定試料収容空間に印加する磁場
   の方向を相対的に変化させることを特徴とするフオーク
   ト効果を用いた分光分析計。