WO2018021311A1 - 濃度測定装置 - Google Patents

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measurement cell
concentration measuring
optical
window
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隆 府川
大輝 服部
正明 永瀬
一輝 田中
西野　功二
池田　信一
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Fujikin Inc
University of Tokushima NUC
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Definitions

  • the present invention relates to a concentration measuring apparatus, and in particular, a concentration for measuring the concentration of a fluid to be measured by causing light to enter a measuring cell into which the fluid to be measured is introduced and detecting light passing through the fluid to be measured emitted from the measuring cell. It relates to a measuring device.
  • a source gas such as a gas formed from a liquid material such as an organic metal (MO) or a solid material is incorporated in a gas supply line that supplies the semiconductor manufacturing apparatus, and the concentration of the gas flowing through the gas supply line is measured.
  • a configured concentration measuring device so-called in-line concentration measuring device
  • concentration measurement device In this type of concentration measurement device, light having a predetermined wavelength is incident from a light source through a light incident window to a measurement cell to which a fluid to be measured is supplied, and transmitted light that has passed through the measurement cell is received by a light receiving element. Measure the absorbance by. Further, the concentration of the fluid can be obtained from the measured absorbance according to Lambert-Beer's law (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • the measurement cell includes not only a cell structure branched from the gas supply line and separately arranged, but also a transmitted light detection structure provided in the middle of the gas supply line as shown in Patent Document 1. .
  • Patent Document 2 a concentration measuring device in which a light entrance window and a light exit window are arranged to face each other at both ends of a measurement cell.
  • the end of the optical fiber connected to the light source is fixed outside the light incident window, and the detection light can be incident on the measurement cell through the light incident window.
  • the end of the optical fiber connected to the photodetector is fixed outside the light exit window, and the light emitted from the light exit window is guided to the photodetector.
  • the size of the entire concentration measuring device tends to be large.
  • the optical fiber is preferably connected to each device by bending with a radius of curvature of a certain degree or more. This is because it is necessary to secure a relatively large space on both sides of the measurement cell.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its main object is to provide a concentration measuring apparatus suitable for miniaturization.
  • a concentration measuring apparatus emits light that enters a measurement cell having a flow path of a fluid to be measured and a translucent window that is in contact with the flow path, and enters the measurement cell through the window.
  • a light source a reflecting member that reflects the light propagating through the measurement cell, and emits the reflected light from the measurement cell through the window, and the light emitted from the window of the measurement cell
  • a light detector that detects the concentration of the fluid to be measured based on a detection signal of the light detector, and guides the light emitted from the light source to the window portion of the measurement cell.
  • an optical device that guides the light emitted from the window portion of the measurement cell to the photodetector.
  • the reflecting member is disposed so as to face the window portion with the flow channel interposed therebetween.
  • the optical apparatus includes a light guide member and a beam splitter connected to the light guide member, and the beam splitter receives light from the light source and passes the light guide member through the light guide member. While making it enter into a measurement cell, the said light radiate
  • the optical apparatus emits an optical fiber for emitting light to guide the light emitted from the light source to the window portion of the measurement cell, and the window portion of the measurement cell. And an optical fiber bundle including a light receiving optical fiber for guiding the light to the photodetector.
  • an inlet and an outlet that communicate with the flow path are provided at both ends of the measurement cell.
  • one of the inflow port and the outflow port is disposed in the vicinity of the window portion, and the other is disposed in the vicinity of the reflecting member.
  • the light is ultraviolet light
  • the reflective member includes a reflective layer made of a material containing aluminum or a reflective layer made of a dielectric multilayer film.
  • the reflective member includes a translucent plate and a reflective layer provided on one surface of the translucent plate, and the surface on which the reflective layer is provided is identified from the other surface. It has a front / back identification structure.
  • the front / back identification structure is provided on a flat surface provided on a side surface of the translucent plate, a recess or a through hole provided on the translucent plate, or provided on the translucent plate. Any one of the convex portions is configured by asymmetric arrangement.
  • a concentration measuring apparatus emits light that enters a measurement cell having a flow path of a fluid to be measured and a translucent window that is in contact with the flow path, and enters the measurement cell through the window.
  • a light source a reflecting member that reflects the light propagating through the measurement cell, and emits the reflected light from the measurement cell through the window, and the light emitted from the window of the measurement cell
  • a light detector that detects the concentration of the fluid to be measured based on a detection signal of the light detector, and guides light emitted from the light source to the window portion of the measurement cell.
  • a first optical device, and a second optical device that guides the light emitted from the window of the measurement cell to the photodetector, and the reflection member is formed from the first optical device.
  • An outlet is provided, and one of the inlet and the outlet is disposed in the vicinity of the window portion, and the other is disposed in the vicinity of the reflecting member.
  • the light from the light source may be branched and made incident on a reference light detector as reference light.
  • the optical path of the reflected light is parallel to the optical path of the incident light.
  • the reflecting member includes a triangular prism.
  • the reflecting member includes a reflecting surface inclined from a surface perpendicular to the traveling direction of the incident light.
  • the second light is provided in the vicinity of the window, receives the emitted light from the first optical device and enters the measurement cell, and receives the reflected light from the measurement cell and receives the second light.
  • An optical element that is incident on the optical device, and an optical axis of the optical element is disposed between the first optical device and the second optical device.
  • a concentration measuring device that is easy to maintain and can be miniaturized is provided.
  • FIG. 3 is a diagram showing a reflecting member provided in the concentration measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention, wherein (a) to (e) correspond to different aspects, respectively, and in (a) and (b), the upper part is a plan view and the lower part is a plan view. Sectional views are shown, and (c) to (e) are plan views. It is sectional drawing which shows the connection part to the measurement cell of the optical instrument with which the density
  • (A) is sectional drawing which shows typically the principal part of the density
  • (b) is sectional drawing of an optical fiber bundle. It is sectional drawing which shows typically the principal part of the density
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a concentration measuring apparatus 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the concentration measuring apparatus 100 includes a measuring cell 4 having an inflow port 4a, an outflow port 4b, and a flow path 4c for a fluid to be measured, and provided with a translucent window 3 in contact with the flow path 4c.
  • a light source 1 that generates light that enters the measurement cell 4 through the window 3 and a light that propagates through the measurement cell 4 are reflected, and the reflected light is emitted from the measurement cell 4 through the window 3.
  • a window part (not shown) may be provided in front of the reflecting member 5.
  • light includes not only visible light, but also at least infrared rays and ultraviolet rays, and may include electromagnetic waves having an arbitrary wavelength.
  • translucency means that the internal transmittance
  • the calculation unit 8 may be configured using, for example, a processor or a memory provided on the circuit board PCB, and includes a computer program that executes a predetermined calculation based on an input signal, and includes hardware and software. It can be realized by a combination.
  • the light source 1 has a plurality of light emitting elements 12 to 15, and the light emitting elements 12 to 15 are LEDs that emit light having different wavelengths.
  • Each of the light emitting elements 12 to 15 is supplied with drive currents having different frequencies using an oscillation circuit.
  • frequency analysis for example, fast Fourier transform or wavelet transform
  • the intensity of light corresponding to each wavelength component can be measured from the detection signal detected by the measurement light detector 7.
  • Lights of a plurality of wavelengths emitted from the light emitting elements 12 to 15 are combined by WDM (wavelength division multiplexing) multiplexers 17, 18, and 19 and are incident on the measurement cell 4.
  • WDM wavelength division multiplexing
  • the light wavelength of the light emitting element 12 is 255 nm
  • the light wavelength of the light emitting element 13 is 280 nm
  • the light wavelength of the light emitting element 14 is 310 nm
  • the light wavelength of the light emitting element 15 is 365 nm.
  • the driving current frequency of the element 12 is 216 Hz
  • the driving current frequency of the light emitting element 13 is 192 Hz
  • the driving current frequency of the light emitting element 14 is 168 Hz
  • the driving current frequency of the light emitting element 15 is 144 Hz.
  • the light source 1 is configured to output ultraviolet light including a plurality of wavelength components.
  • the light emitting elements 12 to 15 light emitting elements other than LEDs, for example, LD (laser diode) can be used.
  • a concentration measuring apparatus that uses multi-wavelength combined ultraviolet light as measuring light is disclosed in, for example, Patent Document 2 (International Publication No. 2017/029792), and the same light source, arithmetic unit, and the like are also used in the present invention. can do.
  • Patent Document 2 International Publication No. 2017/029792
  • the entire disclosure of WO 2017/029792 is incorporated herein by reference.
  • a single wavelength light source can be used instead of a plurality of combined lights having different wavelengths as a light source.
  • a multiplexer and a frequency analysis circuit can be omitted.
  • the combined light is formed using four light emitting elements is shown, but the combined light may be formed using any one to three of these light emitting elements. Needless to say, more than one light emitting element may be used.
  • an optical device 10 including an optical fiber 10a that is a light guide member and a beam splitter 10b is provided between the light source 1 and the measurement cell 4.
  • the light emitted from the light source 1 is guided to the window 3 of the measurement cell 4 by the optical device 10.
  • the optical device 10 also has a function of guiding the light reflected by the reflecting member 5 to the measurement light detector 7.
  • the beam splitter 10b can also branch a part of the light emitted from the light source 1 and enter the reference light detector 9 as reference light.
  • the reference light detected by the reference light detector 9 is used for correcting the measurement light.
  • an optical fiber is used as a light guide member.
  • the present invention is not limited to this.
  • a translucent member made of glass or the like can be used as the light guide member.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a main part of the concentration measuring apparatus 100.
  • one end of the optical fiber 10a is attached to the measurement cell 4 by a connecting part 10d, and the other end is connected to the beam splitter 10b.
  • An optical element 24 such as a collimating lens may be provided in the connection portion 10d to the measurement cell 4, and thereby, light is appropriately emitted into the measurement cell 4 and light from the measurement cell 4 is appropriately emitted. It can receive light.
  • the beam splitter 10b transmits a part of the light emitted from the light source 1 and emits the light to the optical fiber 10a, and reflects the light reflected from the reflecting member 5 and returned from the measurement cell 4 through the optical fiber 10a.
  • a 50% reflection filter 10c may be provided in order to transmit and reflect light, for example.
  • the measurement cell 4 has a flow path 4c through which gas flows from the inlet 4a to the outlet 4b, and the inlet 4a and the outlet 4b are provided apart from each other at both ends of the measurement cell 4.
  • the inflow port 4 a is disposed in the vicinity of the window portion 3
  • the outflow port 4 b is disposed in the vicinity of the reflecting member 5.
  • the measurement cell 4 has a vertical configuration, and the flow path 4c extends in the vertical direction.
  • the concentration measuring apparatus 100 can measure the concentration in a state where the gas to be measured flows through the vertical flow path 4c.
  • the measurement cell 4 of the present embodiment has a first flow path forming member 8A (for example, a pipe or a flow path block) provided outside the inflow port 4a and an outside of the outflow port 4b.
  • the second flow path forming member 8B is provided, and the first flow path forming member 8A and the second flow path forming member 8B have line connecting portions 8a to the gas supply line, respectively. 8b is provided.
  • the concentration measuring apparatus 100 is configured to flow gas in the horizontal direction (arrangement direction of the line connecting portions 8a and 8b) as a whole when it is incorporated in the gas supply line.
  • the flow path 4c of the measurement cell 4 extends in a direction orthogonal to the entire flow direction in the gas supply line, and such a configuration is used for the vertical measurement cell 4 or the flow path 4c extending in the vertical direction. I call it.
  • the present invention is not limited to this, and the flow path 4c only needs to extend in a direction that forms an angle of, for example, 45 ° or more, and preferably an angle of 60 ° or more with respect to the entire flow direction. If the measurement cell 4 is used, it is possible to realize a countermeasure for dead space and space saving when incorporated in the gas supply line, and to obtain an advantage that maintenance is easy.
  • the positions of the window 3 and the reflecting member 5 may be reversed.
  • the positions of the inlet 4a and the outlet 4b are also reversed.
  • the inflow port 4a is provided in the vicinity of the window 3 and the outflow port 4b is provided in the vicinity of the reflecting member 5.
  • the inflow port 4a is provided in the vicinity of the reflecting member 5, and the window portion. 3 may be provided with an outlet 4b.
  • the measurement cell 4 is provided with a window portion (translucent plate) 3 for light incidence and light emission.
  • a window portion transparent plate
  • sapphire glass which is resistant to detection light used for concentration measurement such as ultraviolet light and has high transmittance and is mechanically and chemically stable is preferably used.
  • quartz glass can also be used.
  • the body (flow path forming part) of the measurement cell 4 may be made of, for example, SUS316L.
  • the window 3 and the reflecting member 5 are arranged to face each other with the flow path 4c interposed therebetween.
  • the reflecting member 5 is provided such that the reflecting surface is perpendicular to the traveling direction of the incident light. For this reason, the reflected light is reflected to the window portion 3 through substantially the same optical path as the incident light.
  • the reflection side window 6 is disposed with a gap in front of the reflection member 5, and sapphire glass is also preferably used as the reflection side window 6.
  • the present invention is not limited to this mode, and the reflection member 5 may be configured to include the reflection-side window 6.
  • the reflection member 5 has a configuration in which an aluminum layer as a reflection layer is formed on the back surface of sapphire glass by sputtering. You may do it.
  • the reflection member 5 may have a configuration in which a reflection mirror is disposed on the back surface of the sapphire glass.
  • the reflection member 5 may include a dielectric multilayer film as a reflection layer. If the dielectric multilayer film is used, light in a specific wavelength region (for example, near ultraviolet rays) can be selectively reflected. .
  • the dielectric multilayer film is composed of a laminate of a plurality of optical coatings having different refractive indexes (for example, a laminate of a high refractive index thin film and a low refractive index thin film), and the thickness and refractive index of each layer are appropriately set. By selecting, light of a specific wavelength can be reflected or transmitted.
  • the dielectric multilayer film can reflect light at an arbitrary ratio, for example, when incident light is reflected by the reflecting member 5, the incident light is not reflected 100% but partially ( (For example, 10%) is transmitted and receives light transmitted by an optical device (not shown) installed under the reflecting member 5 (position facing the reflecting-side window 6 when viewed from the reflecting member 5). You can also Then, the transmitted light can be used as reference light, and an optical device can be substituted for the reference light detector 9. Alternatively, since the transmitted light is light after passing through the gas in the measurement cell 4 and receiving light absorption by the gas, the concentration of the gas may be calculated using the transmitted light. In that case, you may make it monitor the temporal change of the reflection member 5 or the reflection side window part 6 using the reflected light.
  • the reflecting member 5 may be configured by a retroreflecting plate (for example, a corner cube array). If the retroreflecting plate is used, the light can be retroreflected in the vicinity of the light incident position even when the reflecting surface is not arranged perpendicular to the light incident direction. The arrangement can be designed more freely.
  • a retroreflecting plate for example, a corner cube array
  • the window 3 is arranged on a plane perpendicular to the traveling direction of incident light in the illustrated embodiment, but may be arranged so as to be slightly tilted from the vertical plane in other embodiments. As a result, the light reflected by the window 3 is prevented from entering the optical device 10 as detection light, so that the measurement accuracy can be improved.
  • the optical path length of the light propagating in the measurement cell 4 can be defined by twice the distance between the window 3 and the surface of the reflecting member 5.
  • the optical path length of the light passing through the gas (Sometimes referred to as the optical path length of the measurement cell) can be defined as twice the distance between the window 3 and the reflection-side window 6.
  • the concentration measuring apparatus 100 In the concentration measuring apparatus 100 described above, light having an absorption wavelength component out of light incident on the measurement cell 4 and then reflected by the reflecting member 5 is absorbed by the gas present in the flow path 4 c in the measurement cell 4. The The magnitude of absorption depends on the gas concentration.
  • the calculating part 8 (refer FIG. 1) can measure the light absorbency A (lambda) in the said absorption wavelength by frequency-analyzing the detection signal from the measurement light detector 7, Furthermore, following formula
  • the gas concentration C can be calculated from the absorbance A ⁇ based on the Lambert-Beer law shown in FIG.
  • I 0 is the intensity of incident light incident on the measurement cell
  • I is the intensity of light that has passed through the gas in the measurement cell
  • ⁇ is the molar extinction coefficient (m 2 / mol)
  • L is The optical path length (m) and C of the measurement cell are concentrations (mol / m 3 ).
  • the molar extinction coefficient ⁇ is a coefficient determined by the substance.
  • the incident light intensity I 0 in the above formula when there is no light-absorbing gas in the measurement cell 4 (for example, when a purge gas that does not absorb ultraviolet light is filled or when it is evacuated)
  • the intensity of the light detected by the measurement light detector 7 may be regarded as the incident light intensity I 0 .
  • the optical path length L of the measurement cell 4 can be defined as twice the distance between the window 3 and the reflection-side window 6 as described above, the light entrance window and the light exit window are measured.
  • the optical path length can be doubled as compared with the conventional concentration measuring device provided on both sides of the cell. Thereby, the measurement accuracy can be improved in spite of the miniaturization.
  • the concentration measuring apparatus 100 light incidence and light reception are performed using only one optical device 10 through one window 3 provided on one side of the measurement cell 4, so that the number of parts can be reduced.
  • the reflecting member 5 includes a translucent plate 30 made of sapphire glass and an aluminum layer 31 as a reflective layer provided on the back surface of the translucent plate 30. .
  • the reflection member 5 is attached to the measurement cell 4, but can be attached so as to be in contact with the gas flow path 4c without providing the reflection side window portion 6 as shown in FIG.
  • the aluminum layer 31 exhibits a high reflectance (for example, 90% or more) with respect to ultraviolet light, but can be a factor for mixing aluminum into the gas flowing through the flow path.
  • the reflection member 5 preferably has a front / back identification structure for identifying the surface provided with the reflection layer (aluminum layer) from the other surface.
  • one orientation flat (a flat surface provided on the side surface of the translucent plate 30) 32 and one through hole 33 are formed on the surface of the translucent plate 30. It is provided at a position that does not oppose the center of the translucent plate 30 above (ie, asymmetrically). In this way, when two front and back identification structures that can be distinguished from each other are used, if they are arranged so as not to face each other and a corresponding fitting shape is provided on the tray side of the measurement cell 4, the front and back of the reflecting member 5 are mistaken. This prevents the aluminum from being mixed into the gas.
  • FIG. 3B shows a mode in which one orientation flat 32 and one convex portion 34 are provided as the front and back identification structure. By arranging these so as not to face each other across the center on the translucent plate 30, they can function as a front / back identification structure.
  • the three orientation flats 32, the three through holes 33, or the three protrusions 34 are asymmetric. That is, it can be made to function as a front / back identification structure by arranging asymmetrically so as not to be line symmetric with respect to an arbitrary axis passing through the center of the translucent plate 30 on the surface of the translucent plate 30. . Needless to say, four or more front and back identification structures may be provided.
  • the orientation flat 32, the through-hole 33, and a combination thereof from the viewpoint of the manufacturing process, but the front / back identification structure may be various modes.
  • a recess may be used instead of the through hole 33, and a cutout portion or a corner portion may be provided on the side surface instead of the orientation flat 32.
  • a tapered chamfered portion or a stepped notch portion may be formed along the peripheral edge of one surface of the translucent plate 30.
  • connection portion 10d for attaching the optical device 10 to the measurement cell 4
  • the connecting portion 10d is a portion arranged in the vicinity of the window portion 3 of the measurement cell 4, and the concentration of the measurement target gas flowing through the measurement cell 4 is high and accurate even when the gas to be measured is hot. It is preferably designed to allow measurement.
  • the connecting part 10d of the optical device 10 includes an inner cylindrical part 21 as a protective member covering the end of the optical fiber 10a, a holding part 22 of the inner cylindrical part 21, and an optical element 24 inside. And a fixed distal end cylindrical portion 23.
  • the holding part 22, the inner cylinder part 21, and the tip cylinder part 23 may be made of stainless steel (SUS316L or SUS304), for example.
  • the optical fiber 10a may have a polyimide layer as a coating layer on the outer peripheral surface.
  • the core and clad of the optical fiber 10a may be made of, for example, quartz.
  • the optical element 24 is a collimating lens made of quartz, and is fixed to the inner side of the distal end cylindrical portion 23 by, for example, an epoxy resin.
  • the connecting portion 10d constitutes a collimator.
  • connection part 10d is comprised by the cylindrical metal member which protects the optical fiber 10a, even if it is a case where high temperature gas flows through the measurement cell 4 after attaching to a concentration measurement apparatus, The connection portion 10d is not damaged, and a high detection light output can be maintained.
  • the optical device 10 described above it is possible to cope with not only a material that is gaseous at low and normal temperatures, but also high-temperature gas that is vaporized by heating, for example, up to 200 ° C., and can measure the concentration of the fluid to be measured in a wide range of applications. Can be performed with high accuracy.
  • the concentration measuring apparatus 200 of the present embodiment is different from the concentration measuring apparatus 100 of Embodiment 1 in terms of the configuration of the optical instrument.
  • the configuration of the measurement cell 4 and the like is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given and detailed description is omitted.
  • an optical fiber bundle 40 configured by bundling a plurality of optical fibers is used for connection between the light source 1 and the measurement light detector 7 and the measurement cell 4.
  • the optical fiber bundle 40 includes at least one optical fiber 40a for emitting light and at least one optical fiber 40b for receiving reflected light.
  • each reflected light receiving optical fiber 40b are disposed so as to surround the periphery of one light emitting optical fiber 40a.
  • light can be incident on the measurement cell 4 from the central portion, and reflected light can be received by the optical fiber 40b disposed in the periphery.
  • the configuration of the optical fiber bundle 40 is not limited to the illustrated embodiment, and the number and arrangement of the light emitting optical fibers 40a and the light receiving optical fibers 40b may be arbitrary.
  • the one end side of the optical fiber bundle 40 is attached to the measurement cell 4 by the connecting portion 10d as in the first embodiment. Moreover, the other end side of the optical fiber bundle 40 is branched in the middle in this embodiment. In the branched optical fiber, the end of the light incident optical fiber 40 a is connected to the beam splitter 10 b, and the end of the reflected light receiving optical fiber 40 b is connected to the measurement light detector 7.
  • the beam splitter 10b splits the light from the light source 1 into the reference light and the incident light to the measurement cell 4, but unlike the first embodiment, the beam splitter 10b does not receive the reflected light from the measurement cell 4 and reflects the reflected light. Is directly output to the measurement light detector 7. For this reason, the reflected light is further reflected by the beam splitter 10b for guiding the light to the measurement light detector 7, and the output is not lowered, so that a higher detection light output can be obtained.
  • the concentration measuring apparatus 300 of the present embodiment uses the reflecting member 60 composed of a prism or the like, and the incident light and the reflected light are parallel to each other in the measurement cell 4. It is configured to pass through different optical paths. Note that the configuration for performing density measurement using light reflected by the prism is disclosed in, for example, Patent Document 3, but the density measurement device disclosed in Patent Document 3 is inline as in the present embodiment. It is not a concentration measuring device of the formula.
  • the inlet 4a and the outlet 4b communicating with the flow path 4c are separated at both ends of the measurement cell 4 as in the first embodiment.
  • the flow path 4c has a vertical configuration extending in the vertical direction.
  • the inflow port 4 a is disposed in the vicinity of the window portion 3, and the outflow port 4 b is disposed in the vicinity of the reflecting member 60. In this configuration, when incorporated in the gas supply line, it is possible to realize an advantage that space saving can be realized and maintenance is easy.
  • an optical fiber 50a for light incidence and an optical fiber 50b for light reception are respectively attached to the measurement cell 4 by separate connection portions 10d (and optical elements 24). That is, in the concentration measuring apparatus 300, the first optical device that guides the light emitted from the light source 1 to the window 3 of the measurement cell 4 and the light emitted from the window 3 of the measurement cell 4 are detected by the measurement light. A second optical device for guiding light to the device 7 is provided separately. However, each of the connection portions 10d of each optical device is disposed at one end portion (in the vicinity of the window portion 3) of the vertical measurement cell 4, and also in this configuration, the entire concentration measurement apparatus 300 can be reduced in size. ing.
  • the light emitted from the optical fiber 50a of the first optical device travels toward the reflecting member 60 along the flow path 4c through the optical element 24 and the window 3.
  • the incident light travels in the same direction as the gas flow in the measurement cell 4.
  • the light reflected by the reflecting member 60 travels toward the connecting portion 10d of the second optical device (optical fiber 50b) through a different optical path parallel to the incident light.
  • the reflected light travels in the direction opposite to the gas flow in the measurement cell 4.
  • the direction of gas flow may be opposite to the illustrated direction (that is, the inflow port 4a may be provided in the vicinity of the reflecting member 5 and the outflow port 4b may be provided in the vicinity of the window portion 3).
  • the traveling direction of the incident light is opposite to the gas flow
  • the traveling direction of the reflected light is the same direction as the gas flow.
  • either incident light or reflected light in the measurement cell 4 travels in the same direction as the gas flow, and the other is opposite to the gas flow. Proceed in the direction of. Thereby, even if it is an in-line type concentration measuring apparatus, the stable concentration measurement which is hard to be influenced by the flow of gas can be performed.
  • the reflecting member 60 may be constituted by, for example, a triangular prism, and is reflected twice by two reflecting surfaces of the prism as shown in FIG. 6 so that it passes through another optical path parallel to the optical path of the incident light.
  • the reflected light travels.
  • the prism may be fitted into a concave portion of a metallic holding member, or may be provided with its reflecting surface exposed so as to be in contact with a low refractive index medium such as air.
  • a metal film or a dielectric multilayer film as a reflection layer may be formed on the reflection surface of the prism.
  • FIG. 6 shows a mode in which the prism as the reflection member 60 and the reflection side window 6 are separately provided. However, these are integrally formed, and the back side of the reflection side window 6 is formed.
  • a prism member provided with a prism structure may be used as the reflecting member 60.
  • the concentration measurement apparatus 400 of the present embodiment is configured such that incident light and reflected light pass through different optical paths in the measurement cell 4 using the reflection member 70. ing.
  • the concentration measuring apparatus 400 is a first optical device (light incident optical fiber) that guides the light emitted from the light source 1 to the window 3 of the measuring cell 4. 50a) and a second optical device (light receiving optical fiber 50b) for guiding the light emitted from the window 3 of the measurement cell 4 to the measurement light detector 7 are separately provided.
  • the inlet 4a and the outlet 4b communicating with the flow path 4c are provided separately at both ends of the measurement cell 4, and the flow path 4c is formed. It has a vertical configuration extending in the vertical direction.
  • the inflow port 4a (or the outflow port 4b) is disposed in the vicinity of the window portion 3, and the outflow port 4b (or the inflow port 4a) is disposed in the vicinity of the reflecting member 60.
  • the reflecting member 70 has a reflecting surface arranged so as to be slightly inclined from a surface perpendicular to the traveling direction of incident light.
  • the reflecting surface of the reflecting member 70 is formed of a dielectric multilayer film (for example, a laminate of a high refractive index thin film and a low refractive index thin film).
  • the inclination angle of the reflecting surface can be determined from, for example, the distance from the connecting portion 10d of the first optical device to the reflecting surface and the distance between the connecting portions 10d of each optical device.
  • the reflected light is guided to the second optical device through an optical path different from the incident light, and is separately reflected without being reflected by the beam splitter 10b as in the first embodiment. It is detected by the provided measuring light detector 7. Thereby, it is possible to detect a higher light output.
  • FIG. 7 shows a mode in which the traveling direction of the incident light is the vertical direction in the drawing and the reflecting surface of the reflecting member 70 is inclined.
  • the traveling direction of the incident light is shown. May be set to an oblique direction, and the reflecting surface of the reflecting member 70 may be set to a horizontal plane.
  • the optical axis of the optical element 24 provided with respect to the first optical member is slightly tilted from the vertical direction to the left side, and the second optical member.
  • the optical axis of the optical element 24 provided with respect to may be slightly inclined from the vertical direction to the right side.
  • the optical path length of the measurement cell 4 is the distance between the window 3 and the reflection-side window 6 when the length of the measurement cell 4 is sufficiently larger than the distance between the connection portions 10d. It can be approximated by twice L 3-6 , but when the length of the measurement cell 4 is relatively short, the distance L 3-6 between the window 3 and the reflection side window 6 and L 3 ⁇ 6 / cos ⁇ (where ⁇ is the angle of inclination of the reflecting surface) and the sum (L 3-6 + L 3-6 / cos ⁇ ).
  • the concentration measuring apparatus 500 of the present embodiment also includes a first optical device (light incident optical fiber 50a) that guides light from the light source 1 to the measurement cell 4, and the measurement cell 4. And a second optical device (light receiving optical fiber 50b) for guiding the light emitted from the measuring light detector 7 to the measurement light detector 7, and the light paths incident on the measurement cell 4 and the reflected light are different from each other. It is configured to pass.
  • a first optical device light incident optical fiber 50a
  • a second optical device for guiding the light emitted from the measuring light detector 7 to the measurement light detector 7, and the light paths incident on the measurement cell 4 and the reflected light are different from each other. It is configured to pass.
  • an inflow port 4a and an outflow port 4b communicating with the flow channel 4c are provided apart from each other at both ends of the measurement cell 4, and the flow channel 4c extends in the vertical direction. It has a configuration.
  • the inflow port 4 a (or the outflow port 4 b) is disposed in the vicinity of the window portion 3, and the outflow port 4 b (or the inflow port 4 a) is disposed in the vicinity of the reflecting member 5.
  • the optical element 54 that receives the light emitted from the first optical device and enters the measurement cell 4 and receives the reflected light from the measurement cell 4 and enters the second optical device is a window portion. 3 is provided in the vicinity.
  • the optical element 54 may be a lens that collimates incident light, and is provided in common for the first optical device and the second optical device.
  • the optical axis 54x of the optical element 54 is disposed between the first optical device and the second optical device. At this time, the center of the range in which the light emitted from the first optical device irradiates the optical element 54 is formed at a position away from the center (on the optical axis) of the optical element 54.
  • the light refracted by the optical element 54 travels in the measurement cell 4 in an oblique direction inclined from the vertical direction, and the light reflected by the reflecting member 5 passes through an optical path different from the incident light. And proceed diagonally. Then, after entering the optical element 54 again, it is refracted by the optical element 54 and is condensed to the second optical device.
  • the concentration measuring apparatus according to the first to fifth embodiments of the present invention has been described above.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. is there.
  • light used for measurement light in a wavelength region other than the ultraviolet region can be used.
  • the concentration measuring apparatus is incorporated in a gas supply line used in a semiconductor manufacturing apparatus or the like, and is preferably used for measuring the concentration of gas flowing through a flow path.

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Abstract

濃度測定装置（１００）は、被測定流体の流路（４ｃ）および流路に接する透光性の窓部（３）を有する測定セル（４）と、測定セルに窓部を介して入射する光を発する光源（１）と、測定セル内を伝播する光を反射し反射した光を窓部を介して測定セルから出射させる反射部材（５）と、測定セルの窓部から出射した光を検出する光検出器（７）と、光検出器の検出信号に基づいて被測定流体の濃度を演算する演算部（８）と、光源から発せられた光を測定セルの窓部に導光するとともに測定セルの窓部から出射した光を光検出器に導光する光学機器（１０）とを備える。

Description

濃度測定装置
　本発明は、濃度測定装置に関し、特に、被測定流体が導入された測定セルに光を入射させ、測定セルから出射した被測定流体通過光を検出することによって被測定流体の濃度を測定する濃度測定装置に関する。
　従来、有機金属（ＭＯ）等の液体材料や固体材料から形成されたガス等の原料ガスを半導体製造装置に供給するガス供給ラインに組み込まれ、ガス供給ラインを流れるガスの濃度を測定するように構成された濃度測定装置（いわゆるインライン式濃度測定装置）が知られている。
　この種の濃度測定装置では、被測定流体が供給される測定セルに、光入射窓を介して光源から所定波長の光を入射させ、測定セル内を通過した透過光を受光素子で受光することにより吸光度を測定する。また、測定された吸光度から、ランベルト・ベールの法則に従って流体の濃度を求めることができる（例えば、特許文献１および特許文献２）。
　本明細書において、内部に導入された被測定流体の濃度を検出するために用いられる種々の透過光検出構造を広く測定セルと呼んでいる。測定セルには、ガス供給ラインから分岐して別個に配置されたセル構造だけでなく、特許文献１に示されるようなガス供給ラインの途中に設けられた透過光検出構造も含まれるものとする。
特開２０１４－２１９２９４号公報 国際公開第２０１７／０２９７９２号 特開２０１４－３８０６９号公報
　本願出願人は、国際公開第２０１７／０２９７９２号（特許文献２）において、測定セルの両端に光入射窓と光出射窓とが対向するように配置された濃度測定装置を開示している。この構成において、光入射窓の外側には、光源に接続された光ファイバの端部が固定されており、光入射窓を介して測定セルに検出用の光を入射させることができる。他方、光出射窓の外側には、光検出器に接続された光ファイバの端部が固定されており、光出射窓から出射された光が光検出器へと導光される。
　しかしながら、光入射用の光ファイバと光検出用の光ファイバとを測定セルの両端部に別個に取り付ける構成では、濃度測定装置全体のサイズが大きくなりがちであった。これは、破損や伝送効率の低下を防止するために、光ファイバは、ある程度以上の曲率半径で湾曲させるなどして各機器に接続されていることが好ましく、光ファイバを配設するためには測定セルの両側に比較的広いスペースの確保が必要になるからである。
　本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、小型化に適した濃度測定装置を提供することをその主たる目的とする。
　本発明の実施形態による濃度測定装置は、被測定流体の流路および前記流路に接する透光性の窓部を有する測定セルと、前記測定セルに前記窓部を介して入射する光を発する光源と、前記測定セル内を伝播する前記光を反射し、前記反射した前記光を前記窓部を介して前記測定セルから出射させる反射部材と、前記測定セルの前記窓部から出射した前記光を検出する光検出器と、前記光検出器の検出信号に基づいて前記被測定流体の濃度を演算する演算部と、前記光源から発せられた前記光を前記測定セルの前記窓部に導光するとともに前記測定セルの窓部から出射した前記光を前記光検出器に導光する光学機器とを備える。
　ある実施形態において、前記反射部材は、前記流路を挟んで前記窓部と対向するように配置されている。
　ある実施形態において、前記光学機器は、導光部材と、前記導光部材に接続されたビームスプリッタとを有し、前記ビームスプリッタは、前記光源からの光を受け取り前記導光部材を介して前記測定セルに入射させるとともに、前記測定セルから出射され前記導光部材によって導かれた前記光を受け取り前記光検出器に入射させる。
　ある実施形態において、前記光学機器は、前記光源から発せられた前記光を前記測定セルの前記窓部に導光するための光出射用の光ファイバと、前記測定セルの窓部から出射された前記光を前記光検出器に導光するための受光用の光ファイバとを含む光ファイババンドルを有している。
　ある実施形態において、前記測定セルの両端部において前記流路に連通する流入口と流出口とが設けられている。
　ある実施形態において、前記流入口および前記流出口のうちのいずれか一方は前記窓部の近傍に配置され、他方は前記反射部材の近傍に配置されている。
　ある実施形態において、前記光は紫外光であり、前記反射部材はアルミニウムを含む材料から形成された反射層または誘電体多層膜からなる反射層を含む。
　ある実施形態において、前記反射部材は、透光性プレートと、前記透光性プレートの片面に設けられた反射層とを有し、前記反射層が設けられた面を他方の面と識別するための表裏識別構造を有している。
　ある実施形態において、前記表裏識別構造は、前記透光性プレートの側面に設けられた平坦面、前記透光性プレートに設けられた凹部または貫通孔、もしくは、前記透光性プレートに設けられた凸部のうちのいずれかを、非対称に配置することによって構成されている。
　本発明の実施形態による濃度測定装置は、被測定流体の流路および前記流路に接する透光性の窓部を有する測定セルと、前記測定セルに前記窓部を介して入射する光を発する光源と、前記測定セル内を伝播する前記光を反射し、前記反射した前記光を前記窓部を介して前記測定セルから出射させる反射部材と、前記測定セルの前記窓部から出射した前記光を検出する光検出器と、前記光検出器の検出信号に基づいて前記被測定流体の濃度を演算する演算部と、前記光源から発せられた光を前記測定セルの前記窓部に導光する第１の光学機器、および、前記測定セルの窓部から出射された前記光を前記光検出器に導光する第２の光学機器とを備え、前記反射部材は、前記第1の光学機器から入射し前記測定セルの前記流路内を伝播した入射光を受け、前記入射光の光路と異なる光路を通って前記第２の光学機器へと反射光を反射させるように構成されており、前記測定セルの両端部において前記流路に連通する流入口と流出口とが設けられ、前記流入口および前記流出口のうちのいずれか一方は前記窓部の近傍に配置され、他方は前記反射部材の近傍に配置されている。
　ある実施形態において、前記光源からの前記光を分岐し、参照光として参照光検出器に入射させてもよい。
　ある実施形態において、前記反射光の前記光路は、前記入射光の前記光路と平行である。
　ある実施形態において、前記反射部材は、三角柱状のプリズムを含む。
　ある実施形態において、前記反射部材は、前記入射光の進行方向に対して垂直な面から傾いた反射面を含む。
　ある実施形態において、前記窓部の近傍に設けられ、前記第１の光学機器からの前記出射光を受けて前記測定セルに入射させるとともに、前記測定セルからの前記反射光を受けて前記第２の光学機器に入射させる光学素子をさらに有し、前記光学素子の光軸が、前記第１の光学機器と前記第２の光学機器との間に配されている。
　本発明の実施形態によれば、メンテナンスしやすく小型化可能な濃度測定装置が提供される。
本発明の実施形態１による濃度測定装置の全体構成を示す模式図である。 本発明の実施形態１による濃度測定装置の要部を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態１による濃度測定装置が備える反射部材を示す図であり、（ａ）～（ｅ）はそれぞれ異なる態様に対応し、（ａ）、（ｂ）において上段に平面図、下段に断面図を示し、（ｃ）～（ｅ）には平面図を示す。 本発明の実施形態１による濃度測定装置が備える光学機器の測定セルへの接続部を示す断面図である。 （ａ）は本発明の実施形態２による濃度測定装置の要部を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は光ファイババンドルの断面図である。 本発明の実施形態３による濃度測定装置の要部を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態４による濃度測定装置の要部を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態５による濃度測定装置の要部を模式的に示す断面図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
　（実施形態１）
　図１は、本発明の実施形態１による濃度測定装置１００の全体構成を示す模式図である。濃度測定装置１００は、被測定流体の流入口４ａ、流出口４ｂおよび流路４ｃを有し、流路４ｃに接する透光性の窓部３が設けられた測定セル４と、透光性の窓部３を通して測定セル４内に入射させる光を発生させる光源１と、測定セル４内を伝播する光を反射し、反射した光を窓部３を介して測定セル４から出射させるように構成された反射部材５と、反射部材５によって反射され測定セル４から出射した光を検出する測定光検出器７と、測定光検出器７の検出信号に基づいて被測定流体の濃度を演算する演算部８と、光源１からの参照光を検出する参照光検出器９と、温度センサ１１とを備えている。なお、反射部材５の前には、窓部（図示せず）が設けられていてもよい。
　本明細書において、光とは、可視光線のみならず、少なくとも赤外線、紫外線を含み、任意の波長の電磁波を含み得る。また、透光性とは、測定セルに入射させる前記の光に対する内部透過率が濃度測定を行い得る程度に高いことを意味する。
　測定光検出器７および参照光検出器９を構成する受光素子としては、フォトダイオードが用いることができるが、これに限られず、例えばフォトトランジスタなどを用いてもよい。演算部８は、例えば、回路基板ＰＣＢ上に設けられたプロセッサやメモリなどを用いて構成されていてよく、入力信号に基づいて所定の演算を実行するコンピュータプログラムを含み、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせによって実現され得る。
　光源１は、複数の発光素子１２～１５を有しており、発光素子１２～１５は、ここでは、それぞれ異なる波長の光を発光するＬＥＤである。発光素子１２～１５のそれぞれには、発振回路を用いて異なる周波数の駆動電流が流される。この場合、周波数解析（例えば、高速フーリエ変換やウェーブレット変換）を行うことによって、測定光検出器７が検出した検出信号から、各波長成分に対応した光の強度を測定することができる。発光素子１２～１５が発する複数の波長の光は、ＷＤＭ（波長分割多重方式）の合波器１７、１８、１９によって合成されて測定セル４に入射される。ここで一例を示すと、発光素子１２の光の波長は２５５ｎｍ、発光素子１３の光の波長は２８０ｎｍ、発光素子１４の光の波長は３１０ｎｍ、発光素子１５の光の波長は３６５ｎｍであり、発光素子１２の駆動電流の周波数は２１６Ｈｚ、発光素子１３の駆動電流の周波数は１９２Ｈｚ、発光素子１４の駆動電流の周波数は１６８Ｈｚ、発光素子１５の駆動電流の周波数は１４４Ｈｚである。このように、本実施形態において、光源１は、複数の波長成分を含む紫外光を出力するように構成されている。発光素子１２～１５としては、ＬＥＤ以外の発光素子、例えばＬＤ（レーザダイオード）を用いることもできる。
　複数波長の合波紫外光を測定光として用いる濃度測定装置は、例えば、特許文献２（国際公開第２０１７／０２９７９２号）に開示されており、本願発明においても同様の光源や演算部等を利用することができる。参考のために、国際公開第２０１７／０２９７９２号の開示内容の全てを本明細書に援用する。なお、複数の異なる波長の合波光を光源に用いる代わりに、単一波長の光源を利用することもでき、この場合、合波器や周波数解析回路は省略できる。また、上記には４個の発光素子を用いて合波光を形成する態様を示したが、このうちの任意の１～３個の発光素子を用いて合波光を形成してもよいし、５個以上の発光素子を用いてもよいことは言うまでもない。
　本実施形態の濃度測定装置１００において、光源１と測定セル４との間には、導光部材である光ファイバ１０ａと、ビームスプリッタ１０ｂとを含む光学機器１０が設けられている。光源１から発せられた光は、光学機器１０によって測定セル４の窓部３に導光される。また、光学機器１０は、反射部材５によって反射された光を測定光検出器７に導光する機能も兼ね備えている。ビームスプリッタ１０ｂは、光源１から発せられた光の一部を分岐させて参照光として参照光検出器９に入射させることもできる。参照光検出器９で検出された参照光は、測定光の補正のために用いられる。
　本実施形態では導光部材として光ファイバを用いる例を説明するが、これに限定されず、例えば、ミラーによる反射を用いて所定空間中を導光可能なように構成された部材や、樹脂性やガラス製の透光性部材などを導光部材として用いることもできる。
　図２は、濃度測定装置１００の要部を模式的に示す断面図である。図２に示すように、光ファイバ１０ａの一端部は、接続部１０ｄによって測定セル４に取り付けられており、他端部はビームスプリッタ１０ｂに接続されている。測定セル４への接続部１０ｄにはコリメートレンズなどの光学素子２４が設けられていてよく、これによって、測定セル４内に適切に光を出射し、また、測定セル４からの光を適切に受光することができる。
　ビームスプリッタ１０ｂは、光源１から出射された光の一部を透過させて光ファイバ１０ａへと出射するとともに、反射部材５によって反射され測定セル４から光ファイバ１０ａを介して戻ってきた光の一部を反射して測定光検出器７へと出射するが、光の透過と反射とを行うために例えば５０％反射フィルタ１０ｃを備えていてよい。
　次に、測定セル４の構成を説明する。測定セル４は、流入口４ａから流出口４ｂへとガスを流す流路４ｃを有しており、流入口４ａと流出口４ｂとは測定セル４の両端部において離間して設けられている。本実施形態では、流入口４ａは窓部３の近傍に配置され、流出口４ｂは反射部材５の近傍に配置されている。測定セル４は縦型の構成を有し、流路４ｃが垂直方向に延びている。濃度測定装置１００は、被測定対象のガスが垂直方向の流路４ｃを流れている状態において、濃度を測定することができる。
　より具体的に説明すると、本実施形態の測定セル４は、流入口４ａの外側に設けられた第１の流路形成部材８Ａ（例えば、配管や流路ブロック）と、流出口４ｂの外側に設けられた第２の流路形成部材８Ｂとを有しており、第１の流路形成部材８Ａおよび第２の流路形成部材８Ｂには、それぞれ、ガス供給ラインとのライン接続部８ａ、８ｂが設けられている。濃度測定装置１００は、ガス供給ラインに組み込まれたときに、全体として水平方向（ライン接続部８ａ、８ｂの配置方向）にガスを流すように構成されている。これに対し、測定セル４の流路４ｃは、ガス供給ラインにおける全体の流れ方向に直交する方向に延びており、このような構成を、縦型の測定セル４または垂直方向に延びる流路４ｃと呼んでいる。ただし、これに限られず、流路４ｃは、全体の流れ方向に対して例えば４５°以上の角度、好適には６０°以上の角度をなす方向に延びていればよく、このような縦型の測定セル４を用いれば、ガス供給ラインに組み込まれたときにデッドスペースへの対策や省スペース化を実現できるとともに、メンテナンスがしやすいという利点が得られる。
　また、本実施形態においては、窓部３と反射部材５の位置が逆になっていても良く、この場合、流入口４ａ及び流出口４ｂの位置も逆になる。さらに、本実施形態では、流入口４ａは窓部３の近傍に設けられ、流出口４ｂは反射部材５の近傍に設けられているが、反射部材５の近傍に流入口４ａを設け、窓部３の近傍に流出口４ｂを設けるようにしてもよい。
　測定セル４には、光入射用および光出射用の窓部（透光性プレート）３が設けられている。窓部３としては、紫外光等の濃度測定に用いる検出光に対して耐性および高透過率を有し、機械的・化学的に安定なサファイアガラスが好適に用いられるが、他の安定な素材、例えば石英ガラスを用いることもできる。測定セル４のボディ（流路形成部）は例えばＳＵＳ３１６Ｌ製であってよい。
　測定セル４において、流路４ｃを挟んで、窓部３と反射部材５とが対向するように配置されている。本実施形態において反射部材５は、反射面が入射光の進行方向に対して垂直になるように設けられている。このため、反射光は入射光と実質的に同じ光路を通って窓部３へと反射される。なお、図示する態様では、反射部材５の前面に間隙を開けて反射側窓部６が配置されており、反射側窓部６としても、サファイアガラスが好適に用いられる。ただし、この態様に限られず、反射部材５は、反射側窓部６を含むように構成されていてよく、例えば、サファイアガラスの裏面にスパッタリングによって反射層としてのアルミニウム層が形成された構成を有していてもよい。反射部材５は、サファイアガラスの裏面に反射ミラーが配置された態様であってもよい。
　また、反射部材５は、反射層として誘電体多層膜を含むものであってもよく、誘電体多層膜を用いれば、特定波長域の光（例えば近紫外線）を選択的に反射させることができる。誘電体多層膜は、屈折率の異なる複数の光学被膜の積層体（例えば、高屈折率薄膜と低屈折率薄膜との積層体）によって構成されるものであり、各層の厚さや屈折率を適宜選択することによって、特定の波長の光を反射したり透過させたりすることができる。
　また、誘電体多層膜は、任意の割合で光を反射させることが出来るため、例えば、入射光が反射部材５によって反射される際、入射した光を１００％反射するのではなく、一部（例えば１０％）は透過するようにし、反射部材５の下部（反射部材５から見て、反射側窓部６とは対向する位置）に設置した光学機器（図示せず）で透過した光を受光することもできる。そして、透過した光を参照光として利用し、光学機器を参照光検出器９の代替とすることも可能である。もしくは、透過した光は、測定セル４内のガス中を通過し、ガスによる光吸収を受けた後の光であるので、透過した光を用いてガスの濃度を算出しても良い。その際、反射した光を用いて、反射部材５や反射側窓部６の経時的変化を監視するようにしても良い。
　反射部材５は、再帰反射板（例えばコーナーキューブアレイ）によって構成されていてもよい。再帰反射板を用いれば、光入射方向に対して反射面が垂直に配置されていないときにも、光入射位置の近傍に光を再帰反射させることができるので、光入射部および反射部材５の配置をより自由に設計し得る。
　窓部３は、図示する態様では、入射光の進行方向に対して垂直な面上に配置されているが、他の態様において垂直面から僅かに傾くように配置されていてもよい。これによって、窓部３において反射した光が検出光として光学機器１０に入射されることが防止されるので測定精度を向上させ得る。
　以上に説明した測定セル４において、測定セル４内を伝播する光の光路長は、窓部３と反射部材５の表面との距離の２倍によって規定することができる。また、図２に示したように、反射部材５の前面に間隙を開けて流路の端部をシールする反射側窓部６が設けられている場合に、ガス中を通過する光の光路長（測定セルの光路長と呼ぶことがある）は、窓部３と反射側窓部６との距離の２倍として規定することができる。
　上記の濃度測定装置１００において、測定セル４に入射され、その後、反射部材５によって反射された光のうちの吸収波長成分の光が、測定セル４内の流路４ｃに存在するガスにより吸収される。吸収の大きさはガスの濃度に依存する。そして、演算部８（図１参照）は、測定光検出器７からの検出信号を周波数解析することによって、当該吸収波長での吸光度Ａλを測定することができ、さらに、以下の式（１）に示すランベルト・ベールの法則に基づいて、吸光度Ａλからガス濃度Ｃを算出することができる。
　Ａλ＝－ｌｏｇ10（Ｉ／Ｉ0）＝αＬＣ　　　・・・（１）
　上記の式（１）において、Ｉ0は測定セルに入射する入射光の強度、Ｉは測定セル内のガス中を通過した光の強度、αはモル吸光係数（ｍ2／ｍｏｌ）、Ｌは測定セルの光路長（ｍ）、Ｃは濃度（ｍｏｌ／ｍ3）である。モル吸光係数αは物質によって決まる係数である。
　なお、上記式における入射光強度Ｉ0については、測定セル４内に吸光性のガスが存在しないとき（例えば、紫外光を吸収しないパージガスが充満しているときや、真空に引かれているとき）に測定光検出器７によって検出された光の強度を入射光強度Ｉ0と見なしてよい。
　ここで、測定セル４の光路長Ｌは、上記のように、窓部３と反射側窓部６との距離の２倍として規定することができるので、光入射窓と光出射窓とを測定セルの両側に備える従来の濃度測定装置に比べて、２倍の光路長を得ることができる。これにより、小型化したにも関わらず、測定精度を向上させることができる。また、濃度測定装置１００では、測定セル４の片側に設けた１つの窓部３を介して１つの光学機器１０のみを用いて光入射および受光を行うので、部品点数を削減することができる。
　図３（ａ）～（ｅ）は、反射部材５の種々の態様を示す図である。図３（ａ）に示すように、反射部材５は、サファイアガラスからなる透光性プレート３０と、透光性プレート３０の裏面に設けられた反射層としてのアルミニウム層３１とを有している。
　反射部材５は測定セル４に取り付けられるが、図２に示したような反射側窓部６を設けずにガスの流路４ｃに接するように取り付けることもできる。しかし、アルミニウム層３１は、紫外光に対して高い反射率（例えば９０％以上）を示す反面、流路を流れるガスにアルミニウムを混入させる要因となり得、例えば半導体製造装置に接続されている場合には大きな問題となる。そこで、アルミニウムの混入を防止するために、反射部材５の取り付け方向を間違えないようにし、アルミニウム層３１が設けられた面がガス流路４ｃに接しないように外側に配置されることが求められる。このために、反射部材５は、好適には、反射層（アルミニウム層）が設けられた面を他方の面と識別するための表裏識別構造を有している。
　図３（ａ）には、表裏識別構造として、１つのオリエンテーションフラット（透光性プレート３０の側面に設けられた平坦面）３２と、１つの貫通孔３３とが、透光性プレート３０の面上で透光性プレート３０の中心を挟んで対向しない位置に（すなわち非対称に）設けられている。このように、２つの互いに区別できる表裏識別構造を用いる場合、これらを対向しないように配置し、対応する嵌合形状を測定セル４の受け皿側に設けておけば、反射部材５の裏表を間違えて取り付けることがなくなり、アルミニウムがガスに混入することが防止される。
　図３（ｂ）は、表裏識別構造として、１つのオリエンテーションフラット３２と、１つの凸部３４とを設けた態様を示す。これらも透光性プレート３０上で中心を挟んで対向しないように配置することによって、表裏識別構造として機能させることができる。
　さらに図３（ｃ）～図３（ｅ）に示すように、同じ態様の表裏識別構造を用いる場合には、３つのオリエンテーションフラット３２、３つの貫通孔３３、または、３つの凸部３４を非対称に、すなわち、透光性プレート３０の面上で透光性プレート３０の中心を通る任意の軸に対して線対称とならないように非対称に配置させることによって、表裏識別構造として機能させることができる。なお、４つ以上の表裏識別構造を設けてもよいことは言うまでもない。
　実際に透光性プレート３０に設ける構造としては、製造工程上の観点から、オリエンテーションフラット３２、貫通孔３３およびこれらの組み合わせを用いることが好ましいが、表裏識別構造は種々の態様であってよい。例えば、貫通孔３３ではなく凹部を用いてもよいし、オリエンテーションフラット３２に代えて側面に切欠き部や角部を設けてもよい。また、透光性プレート３０の片面の周縁に沿ってテーパ状の面取り部や段差状の切欠き部が形成されていてもよい。
　以下、光学機器１０を測定セル４へ取り付けるための接続部１０ｄの一態様を説明する。接続部１０ｄは、図２に示すように測定セル４の窓部３の近傍に配置される部分であり、測定セル４を流れる被測定対象のガスが高温のときにも破損なく高精度に濃度測定を行えるように設計されていることが好ましい。
　図４に示すように、光学機器１０の接続部１０ｄは、光ファイバ１０ａの端部を覆う保護部材としての内側筒部２１と、内側筒部２１の保持部２２と、内側に光学素子２４が固定された先端筒部２３とを有している。
　保持部２２、内側筒部２１および先端筒部２３は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３０４）製であってよい。光ファイバ１０ａは、外周面に被覆層としてのポリイミド層を有していてもよい。光ファイバ１０ａのコアおよびクラッドは例えば石英から形成されていてよい。光学素子２４は、石英からなるコリメートレンズであり、先端筒部２３の内側に例えばエポキシ樹脂によって固定される。この態様において、接続部１０ｄはコリメータを構成している。
　このように、光ファイバ１０ａを保護する筒状の金属部材によって接続部１０ｄが構成されているので、濃度測定装置に取り付けた後に、仮に高温のガスが測定セル４を流れる場合であっても、接続部１０ｄに損傷が生じることがなく、高い検出光出力を維持することが可能になる。上記の光学機器１０を用いれば、低温及び常温においてガス状である材料だけでなく、加熱により気化された例えば２００℃までの高温ガスにも対応可能であり、幅広い用途で被測定流体の濃度測定を高精度に行うことができる。
　（実施形態２）
　以下、図５（ａ）および（ｂ）を参照しながら、実施形態２の濃度測定装置２００を説明する。
　本実施形態の濃度測定装置２００は、光学機器の構成の点で、実施形態１の濃度測定装置１００と異なっている。その他、測定セル４等の構成は実施形態１と同様であるので、同じ参照符号を付すとともに詳細な説明を省略する。
　濃度測定装置２００が備える光学機器では、光源１および測定光検出器７と測定セル４との接続のために、複数の光ファイバを束ねて構成された光ファイババンドル４０が用いられている。光ファイババンドル４０は、少なくとも１本の光出射用の光ファイバ４０ａと、少なくとも１本の反射光受光用の光ファイバ４０ｂとを含んでいる。
　本実施形態では、図５（ｂ）に示すように、１本の光出射用の光ファイバ４０ａの周囲を囲むように４本の反射光受光用の光ファイバ４０ｂが配置されている。この構成では、中央部から測定セル４に光を入射させるとともに、周囲に配置された光ファイバ４０ｂで反射光を受け取ることができる。ただし、光ファイババンドル４０の構成は図示する態様に限られず、光出射用光ファイバ４０ａおよび受光用光ファイバ４０ｂの本数や配置は任意のものであってよい。
　光ファイババンドル４０の一端側は、実施形態１と同様に、接続部１０ｄによって測定セル４に取り付けられている。また、光ファイババンドル４０の他端側は、本実施形態では、途中で分岐されている。分岐された光ファイバにおいて、光入射用の光ファイバ４０ａの端部はビームスプリッタ１０ｂに接続され、反射光受光用の光ファイバ４０ｂの端部は測定光検出器７に接続されている。
　この構成において、入射光と反射光とは別個の光ファイバ４０ａ、４０ｂによって導光されるので、信号の干渉が低減され、高精度な濃度測定を実現し得る。また、ビームスプリッタ１０ｂは、光源１からの光を参照光と測定セル４への入射光とに分岐させるが、実施形態１と異なり、測定セル４からの反射光を受け取ることはなく、反射光は、直接的に測定光検出器７に出力される。このため、反射光が、測定光検出器７への導光のためにビームスプリッタ１０ｂでさらに反射されて出力が低下することがなく、より高い検出光出力を得ることが可能になる。
　（実施形態３）
　以下、図６を参照しながら、実施形態３の濃度測定装置３００を説明する。実施形態１と同様の構成要素については、同じ参照符号を付すとともに詳細な説明を省略する。
　本実施形態の濃度測定装置３００は、実施形態１の濃度測定装置１００とは異なり、プリズムなどから構成される反射部材６０を用いて、測定セル４内で入射光と反射光とが互いに平行な異なる光路を通るように構成されている。なお、プリズムによって反射させた光を用いて濃度測定を行う構成は、例えば、特許文献３に開示されているが、特許文献３に開示されている濃度測定装置は、本実施形態のようなインライン式の濃度測定装置ではない。
　図６に示すように、濃度測定装置３００の測定セル４においても、実施形態１と同様に、流路４ｃに連通する流入口４ａと流出口４ｂとが測定セル４の両端部において離間して設けられ、流路４ｃが垂直方向に延びる縦型の構成を有している。流入口４ａは窓部３の近傍に配置され、流出口４ｂは反射部材６０の近傍に配置されている。この構成において、ガス供給ラインに組み込まれたときに、省スペース化を実現できるとともにメンテナンスしやすいという利点が得られる。
　測定セル４には、光入射用の光ファイバ５０ａと、受光用の光ファイバ５０ｂとが、それぞれ、別個の接続部１０ｄ（および光学素子２４）によって測定セル４に取り付けられている。すなわち、濃度測定装置３００では、光源１から発せられた光を測定セル４の窓部３に導光する第１の光学機器と、測定セル４の窓部３から出射された光を測定光検出器７に導光する第２の光学機器とが別個に設けられている。ただし、各光学機器の接続部１０ｄはいずれも縦型の測定セル４の一端部（窓部３の近傍）に配置されており、本構成においても、濃度測定装置３００全体の小型化を実現している。
　第1の光学機器の光ファイバ５０ａから出射された光は、光学素子２４および窓部３を通り、流路４ｃに沿って反射部材６０に向かって進行する。このとき、入射光は、測定セル４内のガスの流れと同じ方向に進む。その後、反射部材６０によって反射された光は、入射光と平行な異なる光路を通って第２の光学機器（光ファイバ５０ｂ）の接続部１０ｄに向かって進む。このとき、反射光は、測定セル４内のガスの流れと逆の方向に進む。なお、ガスの流れの方向は図示する方向と反対の方向であってもよく（すなわち、反射部材５の近傍に流入口４ａを設け、窓部３の近傍に流出口４ｂを設けていてもよく）、この場合には、入射光の進行方向がガスの流れと逆の方向になり、反射光の進行方向がガスの流れと同じ方向となる。
　以上に説明したように、本実施形態３および他の実施形態において、測定セル４内における入射光および反射光のいずれか一方はガスの流れと同じ方向に進行し、他方はガスの流れと逆の方向に進行する。これにより、インライン式の濃度測定装置であっても、ガスの流れの影響を受けにくい安定した濃度測定を行うことができる。
　反射部材６０は、例えば、三角柱状のプリズムによって構成されていてよく、図６に示すようにプリズムの２つの反射面で２回反射することによって、入射光の光路と平行な別の光路を通って反射光が進行する。プリズムは、例えば、金属性の保持部材の凹部に嵌着されていてもよいし、空気などの低屈折率媒体と接するように反射面が露出して設けられていてもよい。また、プリズムの反射面に反射層としての金属膜や誘電体多層膜が形成されていてもよい。さらに、図６には、反射部材６０としてのプリズムと反射側窓部６とが別個に設けられた態様が示されているが、これらが一体的に形成され、反射側窓部６の背面側にプリズム構造が設けられたものを反射部材６０として用いてもよい。
　（実施形態４）
　以下、図７を参照しながら、実施形態４の濃度測定装置４００を説明するが、実施形態１～３と同様の構成要素については同じ参照符号を付すとともに詳細な説明を省略する。
　本実施形態の濃度測定装置４００は、実施形態１の濃度測定装置１００とは異なり、反射部材７０を用いて、測定セル４内で入射光と反射光とが互いに異なる光路を通るように構成されている。また、濃度測定装置４００は、実施形態３の濃度測定装置３００と同様に、光源１から発せられた光を測定セル４の窓部３に導光する第１の光学機器（光入射用光ファイバ５０ａ）と、測定セル４の窓部３から出射された光を測定光検出器７に導光する第２の光学機器（受光用光ファイバ５０ｂ）とを別個に備えている。
　濃度測定装置４００の測定セル４においても、実施形態１と同様に、流路４ｃに連通する流入口４ａと流出口４ｂとが測定セル４の両端部において離間して設けられ、流路４ｃが垂直方向に延びる縦型の構成を有している。流入口４ａ（または流出口４ｂ）は窓部３の近傍に配置され、流出口４ｂ（または流入口４ａ）は反射部材６０の近傍に配置されている。
　濃度測定装置４００において、反射部材７０は、入射光の進行方向に対して垂直な面からわずかに傾くように配置された反射面を有している。本実施形態では、反射部材７０の反射面は誘電体多層膜（例えば、高屈折率薄膜と低屈折率薄膜との積層体）によって形成されている。反射面の傾斜角は、例えば、第1の光学機器の接続部１０ｄから反射面までの距離と、各光学機器の接続部１０ｄ間の距離とから決定することができる。
　このような反射部材７０を用いることによって、反射光は入射光と異なる光路を通って第２の光学機器へと導かれ、実施形態１のようにビームスプリッタ１０ｂで反射されることなく、別個に設けられた測定光検出器７において検出される。これにより、より高い光出力を検出することが可能である。
　なお、図７には、入射光の進行方向が図中の垂直方向であり、反射部材７０の反射面が傾斜している態様が示されているが、他の態様において、入射光の進行方向を斜め方向にするとともに、反射部材７０の反射面を水平面に設定してもよい。このように入射光の進行方向を斜めにするために、例えば、第１の光学部材に対して設けられた光学素子２４の光軸を垂直方向から左側にわずかに傾けるとともに、第２の光学部材に対して設けられた光学素子２４の光軸を垂直方向から右側にわずかに傾けるようにしてもよい。
　また、本実施形態において、測定セル４の光路長は、測定セル４の長さが接続部１０ｄ間の距離に比べて十分に大きい場合には、窓部３と反射側窓部６との距離Ｌ3-6の２倍で近似することができるが、測定セル４の長さが比較的短い場合には、窓部３と反射側窓部６との距離Ｌ3-6と、Ｌ3-6／ｃｏｓθ（ただしθは反射面の傾斜角度）との和（Ｌ3-6＋Ｌ3-6／ｃｏｓθ）によって規定することができる。
　（実施形態５）
　以下、図８を参照しながら、実施形態５の濃度測定装置５００を説明するが、実施形態１～４と同様の構成要素については同じ参照符号を付すとともに詳細な説明を省略する。
　本実施形態の濃度測定装置５００も、実施形態３および４と同様に、光源１からの光を測定セル４に導光する第１の光学機器（光入射用光ファイバ５０ａ）と、測定セル４から出射された光を測定光検出器７に導光する第２の光学機器（受光用光ファイバ５０ｂ）とを別個に備え、測定セル４内に入射した光と反射光とが互いに異なる光路を通るように構成されている。
　濃度測定装置５００の測定セル４においても、流路４ｃに連通する流入口４ａと流出口４ｂとが測定セル４の両端部において離間して設けられ、流路４ｃが垂直方向に延びる縦型の構成を有している。流入口４ａ（または流出口４ｂ）は窓部３の近傍に配置され、流出口４ｂ（または流入口４ａ）は反射部材５の近傍に配置されている。
　濃度測定装置５００において、第１の光学機器からの出射光を受けて測定セル４に入射させるとともに、測定セル４からの反射光を受けて第２の光学機器に入射させる光学素子５４が窓部３の近傍に設けられている。光学素子５４は、入射光をコリメートするレンズであってよく、第１の光学機器と第２の光学機器とに対して共通に設けられている。
　本実施形態において、光学素子５４の光軸５４ｘは、第１の光学機器と第２の光学機器との間に配されている。このとき、第１の光学機器から出射された光が光学素子５４を照射する範囲の中心は、光学素子５４の中心（光軸上）から離れた位置に形成される。
　この構成において、光学素子５４による屈折作用を受けた光が、測定セル４内を垂直方向から傾いた斜め方向に進行するとともに、反射部材５で反射された光は、入射光と異なる光路を通って斜め方向に進行する。そして、再び光学素子５４に入射した後は、光学素子５４による屈折作用を受けるとともに第２の光学機器へと集光される。
　以上、本発明の実施形態１～５による濃度測定装置を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、測定に用いられる光としては、紫外領域以外の波長領域の光も利用可能である。
　本発明の実施形態にかかる濃度測定装置は、半導体製造装置などに用いられるガス供給ラインに組み込まれて、流路を流れるガスの濃度を測定するために好適に用いられる。
　１　光源
　３　窓部
　４　測定セル
　４ａ　流入口
　４ｂ　流出口
　４ｃ　流路
　５　反射部材
　６　反射側窓部
　７　測定光検出器
　８　演算部
　８Ａ　第１の流路形成部材
　８Ｂ　第２の流路形成部材
　１０　光学機器
　１０ａ　光ファイバ
　１０ｂ　ビームスプリッタ
　１０ｄ　接続部
　２４　光学素子
　５０ａ　光入射用光ファイバ（第１の光学機器）
　５０ｂ　受光用光ファイバ（第２の光学機器）
　１００　濃度測定装置

Claims (15)

  1. 　被測定流体の流路および前記流路に接する透光性の窓部を有する測定セルと、
    　前記測定セルに前記窓部を介して入射する光を発する光源と、
    　前記測定セル内を伝播する前記光を反射し、前記反射した前記光を前記窓部を介して前記測定セルから出射させる反射部材と、
    　前記測定セルの前記窓部から出射した光を検出する光検出器と、
    　前記光検出器の検出信号に基づいて前記被測定流体の濃度を演算する演算部と、
    　前記光源から発せられた前記光を前記測定セルの前記窓部に導光するとともに前記測定セルの窓部から出射した光を前記光検出器に導光する光学機器と
    　を備える、濃度測定装置。
  2. 　前記反射部材は、前記流路を挟んで前記窓部と対向するように配置されている、請求項１に記載の濃度測定装置。
  3. 　前記光学機器は、導光部材と、前記導光部材に接続されたビームスプリッタとを有し、
    　前記ビームスプリッタは、前記光源からの前記光を受け取り前記導光部材を介して前記測定セルに入射させるとともに、前記測定セルから出射され前記導光部材によって導かれた前記光を受け取り前記光検出器に入射させる、請求項１または２に記載の濃度測定装置。
  4. 　前記光学機器は、前記光源から発せられた前記光を前記測定セルの前記窓部に導光するための光出射用の光ファイバと、前記測定セルの窓部から出射された前記光を前記光検出器に導光するための受光用の光ファイバとを含む光ファイババンドルを有している、請求項１または２に記載の濃度測定装置。
  5. 　前記測定セルの両端部において前記流路に連通する流入口と流出口とが設けられている請求項１から４のいずれかに記載の濃度測定装置。
  6. 　前記流入口および前記流出口のうちのいずれか一方は前記窓部の近傍に配置され、他方は前記反射部材の近傍に配置されている、請求項５に記載の濃度測定装置。
  7. 　前記光は紫外光であり、前記反射部材はアルミニウムを含む材料から形成された反射層または誘電体多層膜からなる反射層を含む、請求項１から６のいずれかに記載の濃度測定装置。
  8. 　前記反射部材は、透光性プレートと、前記透光性プレートの片面に設けられた反射層とを有し、前記反射層が設けられた面を他方の面と識別するための表裏識別構造を有している、請求項１から７のいずれかに記載の濃度測定装置。
  9. 　前記表裏識別構造は、前記透光性プレートの側面に設けられた平坦面、前記透光性プレートに設けられた凹部または貫通孔、もしくは、前記透光性プレートに設けられた凸部のうちのいずれかを、非対称に配置することによって構成されている、請求項８に記載の濃度測定装置。
  10. 　被測定流体の流路および前記流路に接する透光性の窓部を有する測定セルと、
    　前記測定セルに前記窓部を介して入射する光を発する光源と、
    　前記測定セル内を伝播する前記光を反射し、前記反射した前記光を前記窓部を介して前記測定セルから出射させる反射部材と、
    　前記測定セルの前記窓部から出射した前記光を検出する光検出器と、
    　前記光検出器の検出信号に基づいて前記被測定流体の濃度を演算する演算部と、
    　前記光源から発せられた前記光を前記測定セルの前記窓部に導光する第１の光学機器、および、前記測定セルの窓部から出射された光を前記光検出器に導光する第２の光学機器と
    　を備え、
    　前記反射部材は、前記第1の光学機器から入射し前記測定セルの前記流路内を伝播したた入射光を受け、前記入射光の光路と異なる光路を通って前記第２の光学機器へと反射光を反射させるように構成されており、
    　前記測定セルの両端部において前記流路に連通する流入口と流出口とが設けられ、前記流入口および前記流出口のうちのいずれか一方は前記窓部の近傍に配置され、他方は前記反射部材の近傍に配置されている、濃度測定装置。
  11. 　前記光源からの前記光を分岐し、参照光として参照光検出器に入射させる、請求項１０に記載の濃度測定装置。
  12. 　前記反射光の前記光路は、前記入射光の前記光路と平行である、請求項１０または１１に記載の濃度測定装置。
  13. 　前記反射部材は、三角柱状のプリズムを含む、請求項１２に記載の濃度測定装置。
  14. 　前記反射部材は、前記入射光の進行方向に対して垂直な面から傾いた反射面を含む、請求項１０または１１に記載の濃度測定装置。
  15. 　前記窓部の近傍に設けられ、前記第１の光学機器からの前記出射光を受けて前記測定セルに入射させるとともに、前記測定セルからの前記反射光を受けて前記第２の光学機器に入射させる光学素子をさらに有し、前記光学素子の光軸が、前記第１の光学機器と前記第２の光学機器との間に配されている、請求項１０または１１に記載の濃度測定装置。
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