TW200427986A - System and method for measuring trace gases - Google Patents

Description

200427986 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】 本發明疋有關於一種吸收光譜儀（absorption spectroscopy )’且特別是有關於一種使用下環腔光譜法 (cavity ring down spectroscopy)以量測來自流體的 微量氣體之量測系統與方法。 【先前技術】

一氣相層析儀（gas chromatograph, GC)之偵測器 可持續地量測自管柱（co 1 umn )流出之氣體的特殊物理性 質’並可描繪出此特殊物理性質的改變所呈現出的層析圖 (chromatogram)。一熱傳導係數偵測器（thermal ⑶nductivity detector，TCD)或一火焰游離偵測器 (hydrogen flame ionization detector，FID)很典型 地被使用來當作一氣相層析系統的偵測器。一待測物之結 構成分可疋性地（qualitatively)依據此層析圖之每個 峰值（peak)的高度（或面積）及停滯時間（retenti〇n 11 me )來量測。然而，習知的氣相層析系統是有缺陷的， 因為其偵測微量物質乃是被限制於百萬分之一 (parts-per-million，ppm)或次百萬分之一（sub一ppm )的量測等級。

一方面’ 一氣相層析儀/質譜儀 spectrometer，MS)可藉由質譜儀來實行被管柱分解之待 測物，其每一個結構成分的質譜分析（mass spectrometnc analySls)，並達成每一個結構成分之高 敏感度與正確的辨識。雖然可藉由質量光譜法（mass

12630pif.ptd 第5頁 200427986 五、發明說明（2) spectroscopy)以及氣相層析法（gas chromatography) 的結合來增進偵測的敏感度，但是卻必需耗費大量的經費 才可達成。此外，習知的質譜儀裝置過大以致於很難與習 知的氣相層析儀連接在一起。

相較於其他部分的技術領域，在光譜學門的技術領域 中’其中光學特別探討有關於可見光（V i S i b丨e ! i gh t ) 與接近可見光（near-visible light)--( —可獲得光譜 的微小範圍，其波長由大約1 mni延伸至大約1 nm )，而近可 見光包含比紅外線更紅的色彩以及比紫外線更紫的色彩。 由於光譜兩端的能見度範圍延伸的夠大，使得光線可藉由 一般材質所製的透鏡與反射鏡來處理，或亦可考慮到可影 響光線波長之光學特性的材料。 V 相對於質量光譜法，吸收形式（absorption-type) 的光譜法可提供高敏感度、微秒等級的反應時間、中毒免 疫（immunity from poisoning)及相較於其他研究物質 (the species under study)之下，限制分子物質的干 涉。許多分子物質可被吸收光譜儀偵測或辨識，因此，吸 收光譜儀提供一普遍的方法來偵測重要的微量物質。在氣 相中’此方法的敏感度與選擇性是最有效的，因為具有j固 別的吸收強度之物質會集中於一組尖的光譜線内。/寬的光 譜線可用以區分大部分已干涉的物質。 在許多工業製程中，在流動氣流、液體内之微量物質 濃度必須以高度快速與準確的方式分析出來。如此的量測 與分析是需要的，因為污染物濃度時常對於最終產品的品

200427986 五、發明說明（3) ，是，重要的。在製造積體電路中，常使用例如為氮、 氧、氮、氬及氦等氣體，其中這些氣體雜質之出現，例如 甚至在十億分之一（Parts per bi 11 ion, ppb )的層級， 其了破壞並降低操作電路場（the yieid of operational circuits )。因此，對製造者而言，對水及其他微量物質 使用相對高靈敏度之光譜監測是非常重要的，尤其是用於 半導體產業的高純度氣體，而在其他工業應用上，還有許 多的雜質必須被偵測，更進一步地說，不論是原本就固有 或者是由外界故意置入之存在的雜質，於液體中的雜質在 近年來已變得特別重要。 光譜儀已可在高純度氣體的氣態污染物中，獲得百萬 分之一的彳貞測層級。在某些例子，偵測靈敏度可達到十億 分之一的層級。於是，許多光譜方法已被應用於氣體内定 量污染物之監測，其包含在傳統長路徑距離腔體（丨〇ng pathlength cells)的吸收量測（abs〇rpti〇n measurements)、光聲光譜法（ph〇t〇ac〇ustic spectroscopy )、頻率調製光譜法（frequency modulation spectroscopy)以及内腔雷射吸收光譜法 (intracavity laser absorption spectroscopy)。 連續波下環腔光谱法（c〇ntinu〇us wave-cavhy ring-down spectroscopy， CW—CRDS )已變成一重要的光 譜技術，其巧用於科學、工業製程控制及大氣微量氣體的 偵測上。連縯波下環腔光譜法為一光學吸收的量測技術， 其勝過習知方法之具有不合適的靈敏度的低吸收法

12630pif.ptd $ 7頁 200427986 五、發明說明（4) (low-absorbance regime)。連續波下環腔光譜法利用 在一高適應度（high-fitness)的光學共振器（〇pticai resonator )之光子的平均哥命以提高吸收靈敏度。 很典型地，共振器由一對名目上相等之窄帶（narr〇w band)的超高反射性之介電鏡（d i e 1 ec t r i c m i rror )， 而適當地形成一穩定的光學共振器。雷射光子經由一反射 鏡而注入共振器以經歷一平均壽命，其依據共振器的長 度、吸收橫剖面（absorption cross section)、物質的 數字密度（number density)以及累計固有的共振器損失 因子（當繞射損失（diffraction losses)可忽略時，其 來自於頻率相依之反射鏡的反射係數乃大幅上升）。因 此，光學吸收的決定因素可由習知的功率比量測 (power - ratio measurement )改變自至衰減時間(decay t i me )的量測。連續波下環腔光譜法之最大靈敏度乃是由 固有的共振器的強度（magni tude )損失所決定，此損失 可利用例如為超磨光（s u p e r ρ ο 1 i s h i n g )技術來達到最 低，此超磨光（superpolishing)技術可製造超低損失的 光件。 上述之下環腔光譜法（及連續波下環腔光譜法）可正 常運作，因為在下環腔光譜室内之氣體的路徑長度很長， 且結果靈敏度係由十億分之一至次十億分之一（sub-ppb )的層級。然而，假設有許多氣體成分存在於樣本氣體 (sample gas)，它們的光譜也許會彼此干涉而導致靈敏 度的下降。

12630pif.ptd 第8頁 / you 五、發明說明（5) 為了克服習知谓測系 … 流體内之微量物質的層級斑少、”、 必須改良用來量測在 【發明内容】 ㈢/、存在之系統與方法。 有鑑於此，本發明之目 測量系統與方法，用以量 就疋在提供一種微量氣體之 體之量測等級。 ，*自於一氣相層析儀的微量氣 為達本發明之上述目的， 測量系統，包括—色層分析儀用^ ，出一種微量氣體之 氣態成分，這些氣態成分自=声乂流體分解成多數個 以及—下環腔光譜單元係連接二^ί儀之一輪出口輪出， 中下環腔光譜單元係依據色層分析^分=儀之輸出口，其 分的至少一部分，以測定至少一微旦，提供之這些氣態成 統 發明的較佳實施例所述：：：：：量測等級。 其中色層分析儀為一氣相声 放里乳體之測量系 依照本發明的較佳每 、且流體為一氣體。 統 一中色層分析儀為一液相層 放里乳體之測量系 為達本發明之上述目的，^ 、且流體為一液體。 測f方法’此方法包括多數個步i明提f一種微量氣體之 成多數個氣態成分。才妾著，提 y先’將-流體分解 光譜單元。之後，根據下環腔光譜^虱態成分至一下環腔 份的這些氣態成分，以測定至二凡所提供之至少—部 級。 城量物質之一量測等 依照本發明的較佳實施例所述 法，更包含加熱提供至下環腔光 试罝，體之測量方 曰早凡的氣態成分。 12630pif.ptd 第9頁 200427986 五、發明說明（6) 為讓本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂， 下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如 下： 【實施方式】 請參照第1圖，其繪示為本發明一較佳實施例的一種 微量氣體之測量系統的示意圖。如第1圖所示，系統1 0 0包 含色層分析儀102及下環腔光譜單元110 (cavity Hng-down ceU，CRDS)。色層分析儀1〇2可為一氣相層 析儀（gas chromatograph，GC)或一液相層析儀 U 1 quid chromatograph, LC )。一流體（圖未示）由色 層分析儀102之輸入口 104進入。如同在已知的習知技術 中’在色層分析儀102内，管柱1〇3將流體分解成氣態成分 (圖未不）並由輸出口 1〇β依序輸出。連接器1〇8係連接於 輸出口106與下環腔光譜單元110的輸入口112之間。氣態 成分係提供至下環腔光譜單元110，且包含於氣態成分内 之微量物質的量測等級乃是使用習知技術來測定，例如為 連接至下壞腔光讀單元110的一處理器（圖未示）。 請參照第2圖，其繪示為本發明另一較佳實施例的一 種微量氣體之測量系統的示意圖。如第2圖所示，為了讓 氣體保持在氣相狀態，可如同加熱下環腔光譜單元11〇般 地加熱連接器108，其連接於色層分析儀1〇2的輸出口1〇6 以及下環腔光譜單元11〇的輪入口112之間。可將加熱帶 114包覆於連接器108與下環腔光譜單元11〇來加埶，或者 是例如在下環腔光譜單元110及/或連接器1〇8的四周使用

第10頁 200427986 五、發明說明（7) _ 烘爐116#，以提供熱的環境。 雖然如圖所示之色層分析儀1 02與下環腔φ ;分開的構件，但若是需要時，則可將它了整 = 體之貞測微量氣體的靈敏度’本發明所述微量氣 之測量糸統有能力解決氣體種類之光譜重4 一！氣體 (overlapping spectra)問題。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離;^發明 神和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明= 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 μ

200427986 圖式簡單說明 第1圖繪示為本發明一較佳實施例微量氣體之測量系 統的示意圖。 第2圖繪示為本發明另一較佳實施例微量氣體之測量 糸統的不意圖。 【圖式標示說明】

100 系 統 102 色 層 分 析 儀 103 管 柱 104 入 D 106 輸 出 D 108 連 接 器 110 下 環 腔 光 譜單元 112 輸 入 V 114 加 熱 帶 116 烘 爐

12630pif.ptd 第12頁

Claims (1)

1. 200427986 六、申請專利範圍 J · 一種微量氣體之 一色層分析儀，將二=系统，包括： 些氣態成分自該色層分ϋ體分解成多數匈 一下環腔光譜單=析儀之—輪出口輪出礼態成分，讀 口 ’其中該下環腔光譜單連該色層分柝儀：： 些氣態成分的至少—Λ 70依據戎色層分桁I二輪出 測等級。 …以測定至少 2.如申請專利範圍 、 里 統，其中該色層分拚1項所述之微量氣體之測量系 體。 義為—氣相層析儀且該流體為一氣 3 ·如申請專利範 統，其中該色層分析項所述之微量氣體之測量系 體。 儀為一液相層析儀且該流體為一液 4.如申請真刹 統 ^ , α j乾圍第1項所述之微量氣體之測量系 ，更包括一遠技盟 β、 下環腔光譜單元：：认位於該色層”斤儀的該輸出口與該 5 主 輸入口之間。 ，i ^ 4凊專利範圍第4項所述之微量氣體之測量系 At八At ϋ玄連接器包括一加熱器以維持該些氣態成分於一 氣態狀態。 6 ·如申請專利範園第5項所述之微量氣體之測量系 統，其中該加熱器係一烘爐及/加熱帶的其中之一。 7· —種微量氣體之測量方法，該方法包括多數個步 驟· 態 將一流體分解成多數個氣 12630pif.ptd 第13育 200427986 六、申請專利範圍 提供該些氣態成分至一下環腔光譜單元；以及 根據該下環腔光譜單元所提供之至少一部份的該些氣 態成分，以測定至少一微量物質之一量測等級。 8.如申請專利範圍第7項所述之微量氣體之測量方 法，更包括加熱該氣態成分之步驟，而該氣態成分係提供 至該下環腔光譜單元。 9 ·如申請專利範圍第7項所述之微量氣體之測量方 法，其中該流體為一液體。

   1 0,如申請專利範圍第7項所述之微量氣體之測量方 法，其中該流體為一氣體。 1 1. 一種微量氣體之測量系統，包括： 一色層分析儀，將一流體分解成多數個氣態成分，該 些氣態成分自該色層分析儀之一輸出口輸出；以及 一下環腔光譜單元，連接於該色層分析儀之該輸出 口，其中該下環腔光譜單元依據該色層分析儀所提供之該 些氣態成分的至少一部分，以測定至少一微量物質之一量 測等級。 1 2. —種微量氣體之測量方法，該方法包括多數個步

   驟： 將一流體分解成多數個氣態成分； 提供該些氣態成分至一下環腔光譜單元；以及 根據該下環腔光譜單元所提供之至少一部份的該些氣 態成分，以測定至少一微量物質之一量測等級。

   12630pif.ptd 第14頁