(57)【要約】検知器を備えるポータルまたはゲートウェイであって、前記検知器は：チャープレーザと；オープン光学試料セルと、セルを透過したチャープレーザからの光を検出するための検出器とを備える。チャープレーザは量子カスケードレーザであっても構わない。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャープレーザと、オープンな光学試料セルと、当該セルを透過したチャープレーザからの光を検出する検出器とを包含するポータルまたはゲートウェイ。
【請求項２】
光がセル中を多数回通過するように、前記の光学試料セルを配置した請求項１に記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項３】
光がセル中を１００回もしくはそれ以上通過するように、前記の光学試料セルを配置した請求項２に記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項４】
オープンな試料セルが実質的にポータルの全長にわたって延在した前記請求項の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項５】
オープンな試料セルの長さが１メートルより長い、好ましくは、１．５メートルより長い前記請求項の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項６】
ポータル内の気体をオープンな試料セルに道案内する手段を備える前記請求項の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項７】
前記の道案内手段が１つまたはそれ以上のファンである請求項６に記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項８】
オープンな試料セルがポータルまたはゲートウェイの垂直支柱に組み込まれている前記請求項の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項９】
チャープレーザが、半導体ダイオードレーザで例示される半導体レーザ、好ましくは、量子カスケードレーザである前記請求項の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項１０】
それぞれが連続波長チャープを持つところの、前記の光学試料セルに注入するための１個またはそれ以上のパルスをレーザから出力させるために、半導体ダイオードレーザに１個または一連の実質的段階関数の電気パルスを当ててチャープ光を発生させる請求項８に記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項１１】
半導体ダイオードレーザに当てるパルスの持続時間が、１５０ｎｓより長い、とりわけ２００ｎｓより長い請求項１０に記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項１２】
半導体ダイオードレーザに当てるパルスの持続時間が、１５０ｎｓから３００ｎｓの、好ましくは、２００から３００ｎｓの範囲内にある請求項１０に記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項１３】
光の干渉を実質的に防止できる程度にセルの反射素子上のスポット間（当該スポットは、注入チャープがセル壁から反射する場所を意味する）に時間遅延が生起するように、チャープ率が選択される請求項１０〜１２の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項１４】
各検出パルスの持続時間が、１５０ｎｓより長い、とりわけ、２００ｎｓより長い請求項１０〜１３の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項１５】
各検出パルスの持続時間が、１５０ｎｓから３００ｎｓの、好ましくは２００から３００ｎｓの範囲内にある請求項１０〜１４の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項１６】
光学セルが非共鳴である前記請求項の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイ。
【請求項１７】
前記請求項の何れかに記載のポータルまたはゲートウェイを複数個備えたシステム。
【請求項１８】
複数のポータルまたはゲートウェイが、単一の検出器を共有する請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
複数のポータルまたはゲートウェイからの光を、光ファイバ・ケーブルを使って単一の検出器に送る請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質検出、具体的には、危険物または有害物の検出に利用されるポータルまたはゲートウェイに関する。
【背景技術】
【０００２】
セキュリティは、例えば空港など多くの環境において、ますます大きな課題になっている。テロリズムの脅威が高まる中で、潜在的危険物、特に、空港のセキュリティゲートを通して持ち込まれる危険物の検出がますます重要になってきている。実際、多くの場合、物質の痕跡程度しか存在しないため、既存システムの大半の検出感度ではこうした低レベルを感知できない。 
【０００３】
空港環境における危険物検出のための周知のシステムとして、イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）を使用している。典型的に、セキュリティゲートであるサンプル領域から粒子を収集し、空気流またはサンプルラインを通じて、試料収集室に輸送する。所定の濃度の試料を収集するまでこれを行う。所定濃度の試料を得たら、気相に達するまで粒子を加熱し、続いてイオン化することで、２個の帯電板の飛行時間測定により質量を判断できる。分子量は、収集した粒子の正体を示唆する。
【０００４】
ＩＭＳの課題は、多数の異なる分子が類似の質量を有するため、偽陽性や偽陰性の誤検出を起こしやすい。別の課題は、粒子を収集するサンプル領域が相対的に制限されるため、関心のある粒子の可能性を捕え損なうことが懸念される。さらに、サンプルを予め凝縮、加熱、イオン化する必要があり、測定反応時間は、典型的に数十秒程度となる。これは、保安用途としては、遅過ぎる。
【発明の概要】
【０００５】
本発明によれば、チャープレーザと；オープン光学試料セルと；セルを透過したチャープレーザからの光を、好ましくは複数回、検出するための検出器と、を備えるガス検知器を具備して成るポータルまたはゲートウェイを提供する。好ましくは、オープン光学試料セルは、非共鳴セルである。
【０００６】
オープン光学試料セルは、実質的に、ポータルの全長に沿って伸長可能である。オープン光学試料セルの長さは、１メートルを超え、理想的には１．５メートルより長くて構わない。
【０００７】
波長チャープ自身によって生じる波長変動を利用して、波長走査を行う。従って、例えば、パルス列に重ね合わさる緩やかな直流電流ランプなどの使用によってスペクトル領域を横切る有効発光線幅を調整する必要がない。これは、サンプリングレートが高く、完全スペクトル解析をすばやく実行できることを意味する。高速チャープの使用は、乱流効果と振動騒音を克服できることを意味する。これは有意に好都合である。
【０００８】
チャープレーザは、例えば、半導体ダイオードレーザなどの半導体レーザであっても構わない。半導体ダイオードレーザに１個または一連の実質的段階関数電気パルスを適用することで、光学セルに注入するための１個または複数のパルス出力をレーザに生じさせて、チャープ光を生成する。このとき各パルスは連続波長チャープを有する。レーザは量子カスケードレーザであっても構わない。
【０００９】
各々の適用パルスの持続時間は、１５０ｎｓより長く、具体的には、２００ｎｓより長い。各適用パルスの持続時間は、１５０ｎｓから３００ｎｓの範囲内で、好ましくは、２００から３００ｎｓである。これは、約６０GHｚの同調レンジを提供できる。
【００１０】
チャープ率を選択することで、光の干渉を実質的に防止できる程度に非共鳴セルの反射素子のスポット間に時間遅延を生じさせることができる。この場合、スポットは、セル壁が注入チャープを反射する位置を定義する。
【００１１】
各検出パルスの持続時間は、１５０ｎｓより長く、具体的には、２００ｎｓより長い。各検出パルスの持続時間は、１５０ｎｓから３００ｎｓの範囲内で、好ましくは、２００から３００ｎｓである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明による単一ポータルの回路図である。
【図２】複数のポータル配置の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照しながら、本発明を実施例の形で説明する。図１は、例えば空港などのような保安区域または管理区域に、ヒトが入るために通過しなければならないポータルまたはゲートウェイ１０を示す。このポータルは、上部の水平リンテル１４と、２つの対向する垂直支柱１６，１７を持つアルミニウム製のオープンな骨組み（open aluminium framework）１２を備えている。一方の垂直支柱１６内に、オープンな非共鳴光学試料セル（open non-resonant optical sample cell）１８が設けられ、その両端にミラー２０が配置されている。ここで、"オープン"とは、光学セル１８とポータル開口部２２との間に何ら物的障害物が無いことを意味する。なるべく多数の分子を吸収損失無しに、セル１８に入れるため、そのセル１８は、支柱１６の垂直方向の全範囲にわたって延設されている。従って、事実上、オープン試料セル１８の長さは、好ましくは１メール以上で、理想的には、１．５メートル以上である。
【００１４】
完全にオープンで相対的に長い光学セル１８を使用することは、例えば、１０億分の１など濃度の低い気体を検出する上で重要な利点である。気体をクローズドセルに圧入すると、分子がセル壁に付着し、セルのリフレッシュ後、長い時間検出できない。これは、誤検出を招き、応答時間を減少させる。この問題を避けるために、セル全体を加熱する。しかし、本発明のオープンな骨組みを使用すれば、セルの加熱は必要ない。長さが長く、オープンな骨組み構造が、分子のセルへの付着を防ぎ、セルを高速なリフレッシュと、極めて迅速な測定を可能にする。
【００１５】
試料セル１８と対向する支柱１７には、一連のファン２４が配置され、これらは試料セル１８に向かって実質的に水平に空気を吹き付ける。これにより、空気流全体の方向が確実に試料セル１８に向かうことになる。任意に、試料セルの支柱１６にファン２６を設けて、空気を吸い込み、セル１８への分子の引き付けを増加させることもできる。これらのファン２６は、セルのリフレッシュレートを速めるのにも有効である。
【００１６】
光ファイバ・ケーブル３０を使って、量子カスケードレーザ２８からの光をセルと結合させる。段階関数の電気パルスを量子カスケードレーザ２８に当てて、連続波長チャープを出力させる。好ましくは、当てた各パルスの持続時間は、１５０ｎｓより長く、特に２００ｎｓより長い。当てた各パルスの持続時間は、１５０ｎｓから３００ｎｓの、好ましくは２００から３００ｎｓの範囲内である。これにより約６０ＧＨｚの同調レンジが提供できる。
【００１７】
光ファイバ結合３０によって、連続波長チャープが光学セル１８に注入される。この注入によって引き起こされる波長変動が、イントラパルススキャンとして使用される。光学セルで発生する光の干渉を実質的に防ぐために、チャープ率が選択される。具体的には、光の干渉を実質的に防止するに十分な非共鳴セルの反射素子上のスポット間に、時間遅延が生じるように、チャープ率が選択される。ここで、上記のスポットは、注入されたチャープが、セルの壁から反射する場所を言う。チャープ率の選択により、検出器操作のフリンジフリー（fringe free）が保証される。このような技術は、ＷＯ03087787に開示されていて、その内容を参照用に本明細書は援用する。
【００１８】
セル１８に注入された光は、複数回セルを通過する。高レベル感度を実現するために、セル１８は、光が好ましくは１００またはそれ以上の通過するように配置される。セル１８から放出される光は、光ファイバ・ケーブル３４を通じて検知器３２と結合される。適用されたチャープパルスの波長変動によって、例えば過酸化物やＥＧＤＮなどの所定の物質の化学的フィンガープリントが検出される。この手法では、例えば、検出したフィンガープリントを保存した公知物質のフィンガープリントと比較することにより、検出光を使って、特に危険物または有害物などの所定の化学薬品を明確に特定できる。理想的には、化学薬品を確実に確認するが、任意で、正体不明の信号を利用して、低レベルの警報を出すこともできる。
【００１９】
この構成に量子カスケードレーザを用いることは、多くの利点をもたらす。まず、応答速度が極めて速いため、他の構成と比べて、測定時間を有意に削減できる。また、試料セル１８は完全にオープンなので、輸送ラインまたはその他の試料収集構成による損失が起こらない。さらに、従来型の測定結果と比較して、測定感度が有意に向上する。
【００２０】
発明の範囲から逸脱することなく、多様な変更が可能なことは当業者であれば理解されよう。例えば、本発明をヒトが通過するポータルの見地から説明したが、例えば、保安区域または管理区域に進入する前に物品を通過させるポータル、開口部、またはゲートウェイであっても構わない。同様に、図１には単一ポータルが記載されているが、図２に示すように、複数のポータルを備え、それらの出力を単一検出器に送ることもできる。従って、本書に記載する特定の実施例は、あくまで参考例であって、本発明を限定するものではない。開示内容に有意な変更を加えることなく、若干の応用が可能なことは当業者であれば理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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