(57)【要約】【課題】レーザ光の吸収を利用した水分測定装置において、サンプルセル内の測定対象ガス中以外の光路上での妨害水分濃度を把握する。【解決手段】レーザ光を周波数変調する変調振幅をa1（＜a2）に設定し（Ｓ１)、その状態でレーザ光をサンプルセルに照射する。透過光の検出信号を同期検出して得られる２次高調波同期検出信号に基づいて水分濃度を算出すると、光学チャンバ内の妨害水分の影響は無視でき、サンプルセル内の測定対象ガスの水分濃度が得られる(Ｓ２)。例えばサンプルセル内が高真空雰囲気になって検出限界以下になると（Ｓ３でＹＥＳ）、変調振幅をより大きなa2に切り替える(Ｓ４)。すると、大気圧雰囲気中の妨害水分に対する検出感度が高くなり、２次高調波同期検出信号に基づいて妨害水分の濃度が算出される（Ｓ５)。【選択図】図３
2011117868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象ガスが導入されるサンプルセルと、該サンプルセルの外側に配置されたレーザ照射部及び受光部と、を具備し、周波数ｆで変調させたレーザ光を前記レーザ照射部から出射させて前記サンプルセル内の測定対象ガスに通過させた後に前記受光部により検出し、その検出信号を周波数ｆの整数倍の周波数で同期検出し、その検出結果に基づいて前記測定対象ガスに含まれる水分の濃度を算出する、ガス中の水分測定装置であって、
a)レーザ光の周波数変調の変調振幅を少なくとも２種類に切り替え可能に設定する変調振幅設定手段と、
b)前記変調振幅設定手段により相対的に小さな変調振幅が設定された状態で得られた検出信号に基づき前記サンプルセル内の水分の濃度を算出する一方、前記変調振幅設定手段により相対的に大きな変調振幅が設定された状態で得られた検出信号に基づき前記レーザ照射部から前記受光部までの光路中で前記サンプルセルを除く空間における妨害水分の濃度を算出する水分算出手段と、
を備えることを特徴とするガス中の水分測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス中の水分測定装置であって、前記変調振幅設定手段により相対的に小さな変調振幅が設定された状態で得られた検出信号又は該検出信号に基づいて算出される水分濃度が所定値を下回る場合に、前記変調振幅設定手段により相対的に大きな変調振幅を設定し、その状態で得られる検出信号に基づき妨害水分の濃度を算出するように、前記変調振幅設定手段及び前記水分算出手段を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とするガス中の水分測定装置。
【請求項３】
請求項１に記載のガス中の水分測定装置であって、前記サンプルセル内の測定対象ガスの全圧が１[Torr]よりも高真空雰囲気である条件の下で、妨害水分濃度を測定するように前記変調振幅設定手段及び前記水分算出手段を制御する制御手段を備えることを特徴とするガス中の水分測定装置。
【請求項４】
請求項１に記載のガス中の水分測定装置であって、前記レーザ照射部及び前記受光部を内部に収容した１乃至複数の密閉構造の光学チャンバが前記サンプルセルに接して配設され、該光学チャンバ内に除湿乾燥手段を備えることを特徴とするガス中の水分測定装置。
【請求項５】
請求項１に記載のガス中の水分測定装置であって、前記サンプルセルは、対向する壁面の間で複数回レーザ光が反射する多重反射型のセルであることを特徴とするガス中の水分測定装置。
【請求項６】
請求項１又は２に記載のガス中の水分測定装置であって、前記変調振幅設定手段により設定される２種の変調振幅ａ１及びａ２が、ａ１[cm-1] ＜０．０５＜ａ２[cm-1]、なる関係を満たすことを特徴とするガス中の水分測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光に対する吸収を利用してガス中の水分濃度を測定する水分測定装置に関する。特に、この水分測定装置はガス中の微量水分の濃度を測定するのに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
ガス中の水分（水蒸気）濃度を測定する方法として、従来、ガス中の水分を吸着する感応膜を貼付した水晶振動子の周波数変化を計測する水晶発振方式や、感応膜の電気容量変化を計測する静電容量方式などが知られている。しかしながら、こうした方式は微量水分の測定には不向きであり、また感応膜の劣化等により測定精度が低下するため測定の安定性も乏しい。これに対し、近年、赤外領域のレーザ光に対する吸収を利用した赤外吸収分光法により、ガス中の水分濃度を測定する水分測定装置が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００３】
この水分測定装置は、測定対象ガスが導入されたサンプルセルに所定波長のレーザ光を照射し、透過したレーザ光を解析し、ガス中の水分による吸収の程度から水分濃度を導出するものである。この装置は、測定対象ガスにセンサである受光部が接触しない、非接触型である。そのため、従来の水晶発振方式や静電容量方式の装置と異なり、腐食性ガス中の水分測定にも適用可能である。また、水分測定を短時間で行えるため、例えば流通するガス中の水分濃度を連続的に監視するような目的に適している。
【０００４】
上述したようなレーザ光による赤外吸収分光法の中でも、特に、２次高調波を用いた高調波検出（Harmonic Detection）によるスペクトル分光法がよく知られている（例えば非特許文献１参照）。非特許文献２には、高調波検出によるスペクトル分光法を用いた水分測定方法が開示されている。以下に、この文献に基づく水分測定方法の理論を簡単に説明する。
【０００５】
１気圧又はそれ以上のガス圧の空気又は窒素（測定対象ガス）中に気化した水分が存在する場合、吸光特性の形状は次の(1)式で示すローレンツプロファイルにより表される。
【数１】
2011117868.tif 000003
ここで、Ｉ0（ν）は周波数νにおける入射光強度、Ｉ（ν）は周波数νにおける透過光強度である。また、Ｐはガス圧、ｃは水分子の体積濃度、Ｌは測定対象ガスを通過する光路の長さ、Ｓは所定の吸収特性の線強度、である。さらに、γは吸収特性の半値幅、ν0は周波数変調の中心周波数である。中心周波数ν0の吸収強度Ｉ（ν0）は次の(2)式で表される。
【数２】
2011117868.tif 000004
【０００６】
きわめて低い全圧領域（測定対象ガスの全圧が１[Torr]よりも高高真空領域）の下での水分子による赤外吸収においては、吸収特性幅は上述したローレンツプロファイルの拡がりに比べて数分の１から数十分の１程度に狭くなる。この全圧領域において、吸収特性幅は主にドップラ効果により決まる。吸収特性幅は次の(3)式のガウス線形で表される。
【数３】
2011117868.tif 000005
【０００７】
この(3)式においてγEDがドップラ幅と呼ばれるものであり、吸収周波数の中心周波数、分子量、及び温度、に依存する。この場合、中心周波数ν0の吸収強度Ｉ（ν0）は次の(4)式で表される。
【数４】
2011117868.tif 000006
高真空状態で室温約２５℃の条件の下では、一般的な近赤外半導体レーザを利用可能な、比較的強い吸収がみられる領域に存在する吸収スペクトルの場合、γEDはほぼ０．０１[cm-1]に等しくなる。一方、１気圧の空気又は窒素のマトリックス内の水分子においては、γの一般的な値は０．１[cm-1]である。
【０００８】
高調波検出を行うためには、測定対象ガスへ照射する光の周波数を変調させる必要がある。いま、周波数変調のための正弦波信号の変調振幅をａ、周波数をωとすると、時間ｔにおける光の周波数は次の(5)式で規定される。
【数５】
2011117868.tif 000007
【０００９】
２次高調波検出（Second Harmonic Detection）では、２倍の周波数２ωに対応した信号成分が抽出される。１気圧である空気又は窒素中の水分子について、中心周波数ν0での２次高調波検出信号は次の(6)式によって規定される。
【数６】
2011117868.tif 000008
【００１０】
同様に、真空雰囲気中の水分子について、中心周波数ν0での２次高調波検出信号は次の(7)式によって規定される。
【数７】
2011117868.tif 000009
非特許文献２では、上記(6)式及び(7)式においてａ／γ（又はａ／γED）＝２．２になるような変調振幅ａを選択したときに、最も感度の高い信号signal(ν0）が得られることが証明されている。
【００１１】
上述したようなレーザ光を用いた水分測定方法は従来の他の測定方法に比べて優れているものの、次のような課題が未だ残されている。即ち、レーザ光は測定対象ガスのみならず、該ガス以外の空間を一部通過する。そのため、その空間に存在する大気由来の水分（以下「妨害水分」という）がバックグラウンドノイズとなって、測定結果に影響を与え得る。この影響を除去するために、一般的にはレーザ光源や光検出器などの光学系部材を収容したチャンバ内にパージガスを供給し、妨害水分の量を減らす方法が採られる。
【００１２】
しかしながら、妨害水分は大気中に多量に存在するため、上記方法によっても、妨害水分が確実に除去されていることを保証するには、妨害水分の状況を常に把握することが必要となる。特に半導体製造工程などにおいて測定対象ガス中の水分濃度のモニタリングを長期間に亘って行う装置では、大量に供給するパージガスの除湿能力を一定に維持することが重要であり、そのためにはパージガス中の妨害水分の測定が必要となる。しかしながら、従来、こうした妨害水分の測定を簡便に行う手法や装置は提案されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平５−９９８４５号公報
【特許文献２】特開平１１−８３６６５号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】ウエブスター（C.R.Webster）、「インフラレッド・レーザ・アブソープション：セオリー・アンド・アプリケーションズ・イン・レーザ・リモート・ケミカル・アナリシス（Infrared Laser Absorption : Theory and Applications in Laser Remote Chemical Analysis）」、ウィレイ（Wiley）、New York（ニュー・ヨーク）、1988
【非特許文献２】ウィルソン（G.V.H.Wilson）、「モジュレーション・ブロードニング・オブ・エヌエムアール・アンド・イーエスアール・ライン・シェープス（Modulation Broadening of NMR and ESR Line Shapes）」、ジャーナル・アプライド・フィジックス(J. Appl. Phys.)、Vol.34、 No.11、pp.3276(1963)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、妨害水分がバックグラウンドノイズとして測定系に影響を与えているか否かに拘わらず、妨害水分の量を的確に且つ簡便に把握することができ、測定系が異常状態に陥ることを防止することができる水分測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために成された本発明は、測定対象ガスが導入されるサンプルセルと、該サンプルセルの外側に配置されたレーザ照射部及び受光部と、を具備し、周波数ｆで変調させたレーザ光を前記レーザ照射部から出射させて前記サンプルセル内の測定対象ガスに通過させた後に前記受光部により検出し、その検出信号を周波数ｆの整数倍の周波数で同期検出し、その検出結果に基づいて前記測定対象ガスに含まれる水分の濃度を算出する、ガス中の水分測定装置であって、
a)レーザ光の周波数変調の変調振幅を少なくとも２種類に切り替え可能に設定する変調振幅設定手段と、
b)前記変調振幅設定手段により相対的に小さな変調振幅が設定された状態で得られた検出信号に基づき前記サンプルセル内の水分の濃度を算出する一方、前記変調振幅設定手段により相対的に大きな変調振幅が設定された状態で得られた検出信号に基づき前記レーザ照射部から前記受光部までの光路中で前記サンプルセルを除く空間における妨害水分の濃度を算出する水分算出手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１７】
本発明に係る水分測定装置において、サンプルセル内は、真空雰囲気であるか又は大気圧雰囲気に近い状態であっても測定対象ガスが低露点ガスであることなどにより、水分子の分圧が低い状態にあるものとする。一方、サンプルセルの外側、具体的には、レーザ照射部から受光部までの光路中でサンプルセルを除く空間のガス圧は、ほぼ大気圧雰囲気であるか大気圧よりも高いガス圧であるものとする。いま、レーザ光の周波数変調の変調振幅がａ１とａ２の２種類（ａ２＞ａ１）であるとすると、大気圧雰囲気における水分の検出感度は変調振幅がより大きなａ２のほうがａ１よりも高い。これに対し、真空雰囲気、特に全圧が１[Torr]よりも高真空雰囲気における水分の検出感度は変調振幅がより小さなａ１のほうがａ２よりも高い。
【００１８】
本発明に係る水分測定装置では、上記のようなガス圧雰囲気による変調振幅に対する感度差を利用し、真空雰囲気である測定対象ガス中の水分濃度を測定する際には変調振幅を相対的に小さく設定し、略大気圧又は大気圧以上の雰囲気であるサンプルセル外側のガス中の妨害水分濃度を測定する際には変調振幅を相対的に大きく設定する。ここで変調振幅はａ１、ａ２の大小関係を保てば適宜に設定することができるが、十分な感度差を得るためには、ａ１[cm-1] ＜０．０５＜ａ２[cm-1]、なる関係を満たすようにすることが好ましい。
【００１９】
本発明に係る水分測定装置では、好ましくは、前記変調振幅設定手段により相対的に小さな変調振幅が設定された状態で得られた検出信号又は該検出信号に基づいて算出される水分濃度が所定値を下回る場合に、前記変調振幅設定手段により相対的に大きな変調振幅を設定し、その状態で得られる検出信号に基づき妨害水分の濃度を算出するように、前記変調振幅設定手段及び前記水分算出手段を制御する制御手段をさらに備える構成とするとよい。
【００２０】
本発明に係る水分測定装置のもともとの目的は、多くの場合、測定対象ガス中の水分濃度の連続的な監視である。これに対し、上記構成によれば、測定対象ガス中の水分濃度の監視をほぼ連続的に行いつつ、正確な測定が行えない程度に測定対象ガス中の水分濃度が低い場合に、妨害水分の濃度を測定することができる。これにより、測定対象ガス中の水分濃度の監視を阻害することなく、妨害水分の濃度の測定を適宜行うことができる。
【００２１】
なお、高真空領域の場合、たとえサンプル内の水分濃度が所定値を上回っていたときでも、相対的に大きな変調振幅が設定された状態で得られる検出信号だけでなく、相対的に小さな変調振幅が設定された状態で得られる検出信号も一緒に利用すれば、妨害水分の濃度を大まかに把握することができる。これは、真空雰囲気の下での水分子の検出感度は大気圧雰囲気の下での水分子の検出感度ほど、変調振幅の相違による影響をそれほど受けないため、相対的に大きな変調振幅で得られた水分濃度から相対的に小さな変調振幅で得られた水分濃度を差し引けば、おおよそ妨害水分濃度となるとみなすことができるからである。
【００２２】
また、本発明に係る水分測定装置の一態様として、前記レーザ照射部及び前記受光部を内部に収容した１乃至複数の密閉構造の光学チャンバが前記サンプルセルに接して配設され、該光学チャンバ内に除湿乾燥手段を備える構成とすることができる。
【００２３】
ここで、除湿乾燥手段としては除湿乾燥剤を用いることができる。除湿乾燥剤は乾燥ガスの供給によるパージなどに比べて除湿能力の維持が難しいが、本発明に係る水分測定装置では妨害水分濃度を確認することができるので、除湿能力が低下した場合でも速やかにこれを検知し、除湿乾燥剤を交換する等の適切な対応が可能となる。
【００２４】
また本発明に係る水分測定装置の一態様として、前記サンプルセルは、対向する壁面の間で複数回レーザ光が反射する多重反射型のセルとすることができる。これによれば、測定対象ガス中の光路長が長くなるので、水分量が少ない場合でもレーザ光の吸収量が増加し、検出感度を上げることができる。これによって、測定対象ガス中の水分濃度の測定感度や精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係るガス中の水分測定装置によれば、目的とする測定対象ガス中の水分濃度の測定を行いつつ、同じ測定光学系や回路を利用して、妨害水分の影響を簡便且つ迅速に知ることができる。これにより、測定対象ガス中の水分濃度の測定の不正確性や上述したような除湿系の異常などを迅速にユーザに知らせることができ、例えば水分濃度が規定よりも高い測定対象ガスが半導体製造プロセスに供給されることなどによる不具合を未然に防止することができる。
【００２６】
また、妨害水分の影響を把握するために、大掛かりな可動機構や複雑な制御系回路などの追加は不要であり、レーザ光の変調振幅を変化させて測定を実施しさえすればよい。したがって、大きなコスト増加を避けることができ、省スペース性にも優れる。さらにまた、性能が変化し易く従来は使用が避けられていた乾燥剤を光学チャンバ内の除湿に利用できるため、乾燥ガスによるパージの必要がなく、コスト低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例である水分測定装置の測定光学系の概略構成図。
【図２】本実施例の水分測定装置の信号処理系及び制御系の概略構成図。
【図３】本実施例の水分測定装置における測定動作のフローチャート。
【図４】２ｆ同期検出信号の一例を示す図。
【図５】サンプルセル内の水分及び光学チャンバ内の水分に対する２次高調波同期検出信号の計算結果を示す図。
【図６】サンプルセル内の水分及び光学チャンバ内の水分に対する２次高調波同期検出信号の計算結果を示す図。
【図７】サンプルセル内の水分及び光学チャンバ内の水分に対する２次高調波同期検出信号の計算結果を示す図。
【図８】本発明の他の実施例による水分測定装置の測定光学系の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の一実施例である水分測定装置について、添付の図面を参照して説明する。図１は本実施例の水分測定装置における測定光学系の概略構成図、図２は信号処理系及び制御系の概略構成図である。
【００２９】
本実施例の水分測定装置は、測定対象ガスが上から下向きに流通するガス流路２の途中に、略水平方向にサンプルセル１を備える。サンプルセル１の左右の開口端には、対向して反射鏡３、４を備える。一方の反射鏡３には光のみが通過可能な透明窓５が設けられ、その透明窓５を挟んでサンプルセル１の外側には、略密閉構造で略大気圧雰囲気である光学チャンバ６が設置されている。この光学チャンバ６内には、レーザ照射部としての波長可変レーザ装置７と、受光部としての光検出部８とが収納されている。波長可変レーザ装置７としては例えばＤＦＢ（Distributed Feedback）型レーザで近赤外領域〜中赤外領域の波長のものを用いることができるが、これ以外でもよい。光検出部８は、フォトダイオード等の光電変換素子８１と、その光電変換素子で得られる電流信号を電圧信号に変換するＩ／Ｖ変換アンプ８２と、を含む。また、この例では、光学チャンバ６内の妨害水分を除去するために除湿乾燥剤９が配設されている。但し、除湿乾燥剤に代えて、後述するように、乾燥窒素などのパージガスを光学チャンバ６内に送給する構成としてもよい。
【００３０】
レーザ制御部１０による制御の下に波長可変レーザ装置７から出射したレーザ光Ｌ１は、透明窓５を通過してサンプルセル１内に入り、反射鏡３、４の間で反射を繰り返す。図１に記載した光路例では、レーザ光はガス流路２を横切って反射鏡３、４の間を２往復するが、さらに往復回数を増やす光学系としてもよい。ガス流路２を通過する際に、レーザ光は測定対象ガス中の各種成分による吸収を受ける。そうして吸収を受けた後のレーザ光Ｌ２が透明窓５を通って光学チャンバ６内に戻り、光検出部８に到達して検出され電気信号として取り出され信号処理部１１に入力される。なお、図１の例では、サンプルセル１へのレーザ光の入射用と出射用とで透明窓５が兼用されているが、別々に透明窓を設ける構成としてもよい。
【００３１】
図２に示すように、光検出部８で得られた電圧信号はアンプ２１で増幅された後に同期検出器２２に入力される。同期検出器２２には、後述する２ｆクロック生成部２７で生成された周波数２ｆのクロック信号が参照信号として入力されており、同期検出器２２は、アンプ２１を通して入力された検出信号から参照信号の位相及び周波数に同期した信号を抽出する。この同期検出信号はローパスフィルタ（ＬＰＦ）２３により高周波成分が除去され、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）によりデジタル信号に変換されて演算部２５に入力される。
【００３２】
制御部２６の制御の下に、２ｆクロック生成部２７は周波数２ｆのクロック信号を生成し、分周器２８はこのクロック信号を１／２に分周することで周波数がｆでデューティ比が５０％であるクロック信号を生成する。変調振幅制御用デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２９は、制御部２６から出力されるデジタルデータをアナログの直流電圧値に変換する。この直流電圧と周波数ｆのクロック信号とは乗算器３０で乗算されるから、乗算後のクロック信号は直流電圧により決まる振幅を有する。バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３２は中心周波数がｆである所定の通過帯域を有し、中心周波数が周波数ｆである矩形波状のクロック信号を中心周波数がｆである正弦波信号に変換する。この正弦波信号が周波数変調のための変調信号である。
【００３３】
ＬＤ波長走査用デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）３１は、制御部２６から出力される、水分子の吸収スペクトル付近の所定の波長領域に亘るスイープを行うためのデジタルデータをアナログのスイープ電圧に変換する。バンドパスフィルタ３２を通した正弦波信号は移相器３３において検出信号と同期するように位相がシフトされた後に、加算器３４により上記スイープ電圧に加算される。このスイープ電圧に変調信号が重畳された電圧が電圧／電流変換器３５により電流信号に変換され、波長可変レーザ装置７に駆動電流として供給される。これにより、波長可変レーザ装置７は時間経過に伴って波長が変化し、且つ所定の変調振幅で周波数変調が施されたレーザ光Ｌ１を出射する。この構成では、制御部２６から変調振幅制御用ＤＡＣ２９に出力するデータに応じて、変調振幅を簡単に変更することができる。
【００３４】
図４はＬＰＦ２３から出力される２ｆ同期検出信号の一例である。図４の横軸は周波数偏差ν−ν0、縦軸は同期検出信号の信号強度である。周波数偏差ゼロ、つまり中心周波数ν0における信号強度が水分による吸収の強さを示しており、これにより水分濃度を算出することができる。
【００３５】
図１に示す構成において、波長可変レーザ装置７から出射したレーザ光は光検出部８に到達するまでに、サンプルセル１内の測定対象ガスのほか、光学チャンバ６内の空間を通過する。したがって、測定対象ガスに含まれる水分のみならず、光学チャンバ６内空間に存在する微量の妨害水分による吸収を受ける。除湿乾燥剤９が十分に作用している場合には、妨害水分はごく微量であって測定対象ガス中の水分濃度算出結果に与える影響は軽微である。これに対し、例えば除湿乾燥剤９の効果が低下する等の要因によって光学チャンバ６内空間の水分濃度が上がると、測定対象ガス中の水分濃度算出の精度が下がる。そこで、この水分測定装置では、以下に説明するような特徴的な動作により、光学チャンバ６内の水分濃度を適宜監視するようにしている。
【００３６】
まず、測定の一例を挙げて、レーザ光を周波数変調する際の変調振幅の相違と水分検出の感度との関係を説明する。ここでは、サンプルセル１内の光路長が２００[cm]、光学チャンバ６内空間の光路長が２０[cm]、測定対象ガスの全圧が０．１[Torr]、光学チャンバ６内の全圧が７６０[Torr]、光学チャンバ６内の妨害水分の分圧が５０[ppm]、レーザ光の中心波長は約１．３「μm」、である。
【００３７】
図５は、変調振幅がａ１＝０．０１[cm-1]、サンプルセル１内の水分分圧が０．５[mTorr]であるときの、サンプルセル１内の水分及び光学チャンバ６内の水分に対する２次高調波同期検出信号の計算結果（シミュレーション結果）を示すものである。なお、実際の装置で得られる同期検出信号は、図５に示した２つの２次高調波同期検出信号の信号強度が加算されたものとなり、それらを演算上で分離することは困難である（後述の図６、図７も同様）。図５に示した状態では、サンプルセル１内の水分に対する２次高調波同期検出信号の強度が相対的に非常に大きいため、光学チャンバ６内の妨害水分の影響を無視することができる。即ち、演算部２５において同期検出信号に基づいて水分濃度を算出した結果が、サンプルセル１内の水分濃度であるとみなすことができる。
【００３８】
図６は、変調振幅がａ１＝０．０１[cm-1]、サンプルセル１内の水分分圧が０．００１[mTorr]であるときの、サンプルセル１内の水分及び光学チャンバ６内の水分に対する２次高調波同期検出信号の計算結果を示すものである。この場合、サンプルセル１内の水分が少なくレーザ光に対する吸収量が少ないため、信号強度が大幅に下がっている。実際にこの程度の信号強度しか得られないと、同期検出信号に基づいて水分濃度を正確に算出することは難しい。
【００３９】
図７は、図６の場合と同様に、サンプルセル１内の水分分圧が０．００１[mTorr]である場合で、変調振幅をａ２＝０．１[cm-1]に切り替えたときのサンプルセル１内の水分及び光学チャンバ６内の水分に対する２次高調波同期検出信号を示すものである。この場合、サンプルセル１内の水分に対する信号強度は図６の場合とほぼ同程度であるが、光学チャンバ６内の水分に対する信号強度は非常に大きく、サンプルセル１内の水分に対する信号強度は殆ど無視できる程度に低い。即ち、変調振幅をａ１からａ２に変更するだけで、光学チャンバ６内の水分濃度の検出が可能となることが分かる。
【００４０】
同期検出信号から光学チャンバ６内空間の水分を高い精度で検出するための好ましい条件を、以下に列挙する。
〔条件１〕：測定対象ガス測定時の変調振幅ａ１がａ１[cm-1]≦２．２×γEDであること。
〔条件２〕：〔条件１〕の下で測定対象ガス中の水分濃度が本装置の検出限界以下であること。
〔条件３〕：光学チャンバ６内空間の水分測定時の変調振幅ａ２がａ２[cm-1]≧１０×ａ１であること。
但し、上記条件は必須条件ではない。特に〔条件１〕及び〔条件３〕については、ａ１＜ａ２であればよく、ａ１[cm-1] ＜０．０５＜ａ２[cm-1]を満たせば、各変調振幅における感度の差が十分に生じる。
【００４１】
図３は、本実施例の水分測定装置における測定動作の一例のフローチャートである。
測定開始後に、まず制御部２６は変調振幅をａ１（＝０．０１[cm-1]）に設定し（ステップＳ１）、つまり変調振幅ａ１に対応したデータを変調振幅制御用ＤＡＣ２９に出力して、上述した動作により測定を実行する（ステップＳ２）。即ち、所定の範囲で波長がスイープされ且つ変調振幅ａ１で周波数変調されたレーザ光Ｌ１を波長可変レーザ装置７から出射させ、サンプルセル１内の測定対象ガス中を通過して吸収を受けた後のレーザ光Ｌ２を光検出部８で検出する。そして、これに基づく２次高調波同期検出信号を演算部２５で処理し、水分濃度を計算する。このときには得られる水分濃度は、サンプルセル１内の測定対象ガスの水分濃度であるとみなせる。
【００４２】
例えばサンプルセル１内が１[Torr]以下の高真空雰囲気になって水分子の分圧がきわめて低くなったり、或いは、略大気圧雰囲気であっても低露点ガスがガス流路２に供給された場合、サンプルセル１内の水による吸収が激減して上記〔条件２〕が満たされるようになる。即ち、演算部２５が同期検出信号の信号強度が閾値以下になって検出限界以下であると判断すると（ステップＳ３でＹＥＳ）、制御部２６は変調振幅をａ２（＝０．１[cm-1]）に変更する（ステップＳ４）。つまり制御部２６は変調振幅ａ２に対応したデータを変調振幅制御用ＤＡＣ２９に出力し、その状態で、上述した動作により測定を実行する（ステップＳ５）。
【００４３】
上述したように、このときに得られる同期検出信号は図７に示した２つの信号の加算したものとなるから、この同期検出信号に基づいて演算部２５で計算される水分濃度は、光学チャンバ６内空間の水分濃度であるとみなせる。そして、測定終了の指示の有無を判断し（ステップＳ６）、測定終了の指示がなければステップＳ１に戻って通常の測定を継続する。
【００４４】
これにより、測定対象ガス中の水分濃度が低い条件の下で、光学チャンバ６内空間の水分濃度を高い精度で算出することができる。こうして得られた算出結果は図示しない表示部上に表示され、例えばオペレータがこれを目視で確認する。或いは、光学チャンバ６内空間の水分濃度の測定値に上限を設定しておき、この上限を超えると異常報知が実施されるようにしてもよい。これにより、光学チャンバ６内の水分濃度が異常に高くなったことをオペレータは直ちに認識し、適切な対応をとることができる。
【００４５】
図８は本発明の他の実施例による水分測定装置の測定光学系の概略構成図である。上記実施例と同一の構成要素には同一符号を付して説明を略す。この実施例の構成では、サンプルセル１の両端にそれぞれ光学チャンバ６Ａ、６Ｂが設置され、光学チャンバ６Ａの外側に設置された波長可変レーザ装置７による出射レーザ光は光ファイバ等の導光路４０を経て光学チャンバ６Ａ内に導かれ、その導光路４０の端部から出射されてサンプルセル１内に照射される。他の光学チャンバ６Ｂ内には、光学チャンバ６Ｂの外側に設置された光検出部８まで光を導く別の導光路４１が配設され、この導光路４１の端部にサンプルセル１内を通過したレーザ光Ｌ２が入射する。光学チャンバ６Ａ、６Ｂ内には、乾燥ガスがパージガスとして連続的に供給されるが、上記実施例と同様に除湿乾燥剤を内部に収容してもよい。
【００４６】
このように測定光学系の構成が相違しても、信号処理系及び制御系は全く同一であり、測定動作も同じであって、光学チャンバ６Ａ、６Ｂ内空間の水分濃度を算出することができる。なお、図１に示す測定光学系に導光路を用いてレーザ光を導入・導出するようにしてもよい。
【００４７】
また、上記実施例は本発明の一例であり、上記に記載した以外の点において、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形や修正、追加などを行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【符号の説明】
【００４８】
１…サンプルセル
２…ガス流路
３、４…反射鏡
５…透明窓
６…光学チャンバ
７…波長可変レーザ装置
８…光検出部
８１…光電変換素子
８２…Ｉ／Ｖ変換アンプ
９…除湿乾燥剤
１０…レーザ制御部
１１…信号処理部
２１…アンプ
２２…同期検出器
２３…ローパスフィルタ
２４…アナログ／デジタル変換器
２５…演算部
２６…制御部
２７…２ｆクロック生成部
２８…分周器
２９…変調振幅制御用デジタル／アナログ変換器
３０…乗算器
３１…ＬＤ波長走査用デジタル／アナログ変換器
３２…バンドパスフィルタ
３３…移相器
３４…加算器
３５…電圧／電流変換器
４０、４１…導光路
【図１】
2011117868.tif 000010
【図２】
2011117868.tif 000011
【図３】
2011117868.tif 000012
【図４】
2011117868.tif 000013
【図５】
2011117868.tif 000014
【図６】
2011117868.tif 000015
【図７】
2011117868.tif 000016
【図８】
2011117868.tif 000017