(57)【要約】  【課題】  化学的および生物学的エーロゾルの検出および分析のための装置を提供すること。  【解決手段】  放射線ビームが、エローゾルを含む標的の雲を照射するために用いられる。雲によって吸収される放射線エネルギーは、放射線を吸収して熱を発生する分子間の衝突エネルギー移動に因り熱化される。電磁線の波長は、雲の中に存在する水若しくは酸素分子の吸収線と共鳴状態となるように、又は熱を発生する雲の中に存在する既知の標的分子の吸収線と共鳴状態となるように選択する。雲の温度上昇は分子の放射強度を背景に対して増加させ、その結果としてエローゾル中の標的分子の検出が改善される。追跡望遠鏡が放射線ビームによって生ぜしめられた熱放射を集める。分光計が、雲からの放射を受け取り、そして放射スペクトルを生じさせる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の試料雲中における化学的および／または生物学的エーロゾルを検出および分析する装置であって：
放射線源（ここで、該放射線源は放射線ビームを試料雲の方に向け、該放射線ビームはその雲を加熱して雲の温度をその背景に対して上昇させる）；および
上記雲からの放射に応答するスペクトル分析デバイス（ここで、該スペクトル分析デバイスは上記放射から上記雲の中の化学的および／または生物学的エーロゾルの放射スペクトルを生じさせる）
を含む装置。
【請求項２】
スペクトル分析デバイスが分光計である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
分光計が、フーリエ変換赤外分光計、格子同調型分光計、光音響分光計、円形可変フィルター分光計、線形可変分光計およびMEMS分光計より成る群から選ばれる、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
スペクトル分析デバイスがスペクトル撮像機である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
放射線源が、マイクロ波放射線源、ミリメートル波放射線源、CO2レーザー、ＨＦレーザー、ＤＦレーザー、固体レーザーおよびファイバーレーザーより成る群から選ばれる、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
ビームエキスパンダー望遠鏡をさらに含み、該ビームエキスパンダー望遠鏡は放射線ビームを受け取り、そして拡大し、その後にその放射線ビームが試料の雲を照射する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
受取り望遠鏡をさらに含み、該受取り望遠鏡が試料雲からの放射に応答し、そしてその放射をスペクトル分析デバイスに収束させる、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
化学的または生物学的エーロゾルを検出および分析する装置であって：
上記エーロゾルを収容するチャンバー（ここで、該チャンバーは第一端部および第二端部を含み、該第一端部は第一の窓を有する）；
放射線源（ここで、該放射線源は放射線ビームを発生させ、そのビームを第一の窓を通して向けて上記チャンバー内のエーロゾルを加熱する）；および
上記チャンバーの第一端部に対して配置されたスペクトル分析デバイス（ここで、該スペクトル分析デバイスは第一の窓を通して放射された試料からの放射に応答し、該スペクトル分析デバイスは上記エーロゾルの放射スペクトルを生じさせる）
を含む装置。
【請求項９】
第一の窓が、磨き塩窓、セレン化亜鉛窓および反射防止塗膜を有する他の適切な窓より成る群から選ばれる高透過性の窓である、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
試料チャンバーが、粉末を攪拌してエーロゾルにするための少なくとも１つのファンを含んでいる、請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
スペクトル分析デバイスが分光計である、請求項８に記載の装置。
【請求項１２】
分光計が、フーリエ変換赤外分光計、格子同調型分光計、光音響分光計、円形可変フィルター分光計、線形可変分光計およびMEMS分光計より成る群から選ばれる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
スペクトル分析デバイスがスペクトル撮像機である、請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
放射線源が、マイクロ波放射線源、ミリメートル波放射線源、CO2レーザー、ＨＦレーザー、ＤＦレーザー、固体レーザーおよびファイバーレーザーより成る群から選ばれる、請求項８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
１．発明の分野
この発明は、一般に、化学的および生物学的エーロゾルを遠隔操作により検出および分析する装置、さらに詳しくは標的の雲（target cloud）を加熱してその温度を背景に対して上昇させるためにその雲にレーザービームを照射するためのレーザー源、並びに上記雲の中の化学的および生物学的エーロゾルを検出および分析するための分光計を含む検出装置に関する。
【０００２】
２．関連技術の議論
空気中の化学的雲内におけるある種特定の物質を、その雲を構成している分子のスペクトル分析によって検出することはこの技術分野で公知である。このタイプの化学的検出には、埋設パイプの自然なガス漏れ、化学的流出物からの化学的雲、化学プロセスからの揮発性有機蒸気（VOC）、煙突等からの汚染、軍事化学戦用薬剤、および空気中に存在する他の有毒物質を検出することを含めて多数の適用例がある。典型的には、化学的雲のこのタイプのスペクトル分析は、雲の中の物質は有毒で、従って健康に対して脅威である可能性があるか、または化学的雲を直接検出することは実行できない可能性があるので、遠隔操作により、時には１０−２０ｋｍまで離れて行われる。この遠隔タイプの受動検知（passive sensing）のために雲から離れていなければならない検出装置の距離は特定の適用例に依存し、そして異なる適用例には異なる装置がある。
【０００３】
このタイプの検出および分析を行うために、フーリエ変換赤外（FTIR）分光計のような分光計が遠く離れた場所から雲の方に向けられ、従ってその分光計はその雲からの放射を受動的に受け取る。化学的雲が分光計の視野に沿う空、山または他の地面のような背景より暖かいならば、その雲の中における標的分子は空からの背景放射よりも大きいエネルギーを有する放射を示す。化学的雲が空と同じ温度であるならば、その雲内の標的分子はそれら分子が光子を放射している同じ速度で光子を吸収し、そのため雲と背景との間にはエネルギーの交換はなく、従って背景に対して差異がない。雲の温度が上昇すると、それにつれて分光計によって受け取られるべく利用可能なより多くの光子が雲中の物質から放出される。
【０００４】
放射から分光計により生じせしめられたスペクトル表示は、雲の中の原子および分子を示すある特定の波長における放射の線およびバンドを与える。各物質はその分子を代表するそれ自身のスペクトル「指紋」を有するので、検出スペクトル表示は、特定化学物質の既知の「指紋」と比較してその化学物質が雲の中に存在するかどうかを決めることができる。
【０００５】
２００３年３月１１日にChou等に発行された、この出願の譲受人に譲渡され、ここで参照することにより本明細書に含められる米国特許第６，５３１，７０１号明細書は、空気中における化学的蒸気の遠隔検出および分析のための装置を開示している。電磁線源からの電磁線のビームを推測された化学的雲に照射する。雲によって吸収される放射線エネルギーは、放射線を吸収する分子とその周囲の空気分子との間の急速な衝突エネルギー移動の結果として速やかに熱化される（thermalized）。この衝突エネルギーの再分配の結果として、雲の中の物質が加熱されることになる。雲の温度上昇は分子の放射強度を背景に対して増加させ、その結果として雲中の物質の検出が改善される。
【０００６】
追跡望遠鏡が化学的蒸気から放射線によって生ぜしめられた熱放射を集める。FTIR分光計のような分光計が、放射線によって高められた雲からの放射を分解し、そして放射スペクトルを生じさせるために用いられる。放射スペクトルは、検出された放射を雲中における推測化学的蒸気の既知の「指紋」振動スペクトルと比較することによってその推測化学的蒸気を同定するために用いられる。
【０００７】
この技術分野には、人の健康面および国の保安面の両適用のために、有毒なバイオエーロゾルおよび化学的エーロゾルの迅速な検出および分析の必要が存在する。この検出および分析は、大きな地域を監視できるようにすることが可能でなければならない。人の健康面の適用では、エーロゾルとして住宅のような建物の内外に存在する有毒なカビおよび花粉を挙げることができる。国の保安面の適用では、エーロゾルとして化学薬剤および有毒な工業化学物質の液体エーロゾル、並びに細菌、ウイルスおよび毒素のバイオエーロゾルを挙げることができる。
【０００８】
目下のところ、この技術分野で公知の、液体の化学的または生物学的エーロゾルの検出および分析に迅速かつ正確である適切な方法はない。バイオエーロゾルは、この技術分野の当業者に知られているバイオアッセイ技術で分析することができる。しかし、現行のバイオアッセイ技術は比較的遅く、緊急の状況には有効でないだろう。バイオエーロゾルは、また、紫外線（ＵＶ）蛍光技術によっても検出することができる。しかし、公知のＵＶ蛍光技術は、自然に生ずるバイオエーロゾルから人造のバイオエーロゾルを同定する際の選択性が比較的乏しい。
【０００９】
２００３年６月６日に出願され、この出願の譲受人に譲渡された、「化学物質および生物物質の検出および分析（Detection and Analysis of Chemical and Biological Materials）」という名称の米国特許出願第１０／４５６，０９８号明細書は、試料中のバイオエーロゾルおよび化学的エーロゾルを検出および分析する装置を開示している。この’０９８号出願明細書に開示される装置は、背景と試料を含む標的との間に熱のコントラストを与え、それによって試料の放射または吸収を増加させるために、冷却または加熱された背景をその標的に対して使用するものである。しかし、上記’０９８号出願明細書に開示される装置には、分光計と冷たいまたは熱い背景との間に画成された前もって定められた光路に沿っての検出と言う必要のために諸制限がある。上記’０９８号出願に開示される装置は、また、広域監視についても若干の制限がある。
【００１０】
発明の概要
本発明の教示によれば、雲のような試料内の化学的および生物学的エーロゾルの遠隔検出および分析のための装置が開示される。レーザーのような電磁線源からの放射線ビームが試料の雲を照射するために用いられる。雲によって吸収される放射線エネルギーは、放射線を吸収する分子とその周りの空気分子との間の急速な衝突エネルギー移動に因り速やかに熱化される。この衝突エネルギーの再分配の結果として、雲の中の物質が加熱される。雲の温度上昇は分子の放射強度を背景に対して増加させ、その結果として雲中の物質の検出が改善される。
【００１１】
追跡望遠鏡が標的分子から放射線によって生ぜしめられた熱放射を集める。FTIR分光計のような分光計が雲から放射を受け取り、分解して放射スペクトルにする。放射スペクトルは、検出された放射を雲中における推測分子の既知の「指紋」振動スペクトルと比較することによってその推測分子を同定するために用いられる。
【００１２】
電磁線は、マイクロ波、ミリメートル波（MMW）、赤外線、可視線または紫外線であることができる。電磁線の波長は、推測エーロゾル中の分子、または雲の中に一般に存在する水蒸気若しくは酸素分子の吸収線（absorption lines）と共鳴状態となるように選択することができる。電磁線の波長がエーロゾル分子の吸収線と共鳴しているならば、励起波長の関数としての放射強度はエーロゾル分子の背景物質に対する弁別を向上させる。
【００１３】
本発明の追加の利点および特長は、添付図面に関連してなされる次の説明および添付特許請求の範囲から明らかになるだろう。
諸態様の詳細な説明
化学的および生物学的エーロゾルの遠隔検出および分析装置に関する本発明の諸態様についての次の議論は、実際は単に例示するものであって、本発明またはその適用例若しくは用途を制限しようとするものでは決してない。
【００１４】
図１は、本発明の１つの態様による、空気中における標的の雲１２内の化学的および／または生物学的エーロゾルを検出および分析する検出および分析装置１０の平面図である。化学的または生物学的エーロゾルは、例えば工業化学物質、化学薬剤、細菌、ウイルス、花粉、生物学的薬剤並びに他の化学的および生物学的物質の細かい液滴であることができる。装置１０は放射線源１４、集光望遠鏡（collection telescope）１６および分光計１８を含む。放射線源１４はレンズ２２によって焦点が合わされ、次いでビーム拡大望遠鏡２４により望ましい大きさまで拡大され、そして平行にされる放射線ビーム２０を放射する。放射線ビーム２０は望遠鏡２４によって雲１２の方に向けられる。雲１２からの受動放射（passive emissions）２６は望遠鏡１６によって集められ、そして分光計１８に向けられる。
【００１５】
放射線源１４は、本明細書で議論される目的に適した任意のレーザー源、ミリメートル波源またはマイクロ波源であることができる。この態様において、放射線源１４は、雲１２内の標的エーロゾルの吸収バンドに整調される持続波（ＣＷ）CO2レーザーである。他の適用可能なレーザーに、ＨＦレーザー、ＤＦレーザー、固体レーザーおよびファイバーレーザーがある。この態様において、望遠鏡１６はニュートン式望遠鏡であり、それは雲１２からの放射２６を受け取るための集光（collecting）ミラー２８および回転（turning）ミラー３０を含む。しかし、望遠鏡１６は放射線を本明細書における議論と一致する現場から受け取り、そして収束させるのに適した任意の適当な望遠鏡であることができる。分光計１８は、赤外周波数帯のような関心のある周波数帯中に検出される放射のスペクトルを与える任意のタイプのスペクトル検出デバイスであることができる。適した例に、フーリエ変換赤外分光計、格子同調型（grating tuned）または分散型分光計、音響光（acoustic-optic）分光計、円形可変フィルター（circularly variable filter）分光計、線形可変（linear variable）分光計およびMEMS分光計がある。或いはまた、ハイパースペクトル撮像機（hyperspectral imager）のような撮像分光計が位置分解（spatially resolved）スペクトルを得るために使用することができる。
【００１６】
放射線源１４、望遠鏡１６および分光計１８は適当なハウジング内に取り付けることができ、また監視を強めるために広い領域にわたって走査することが可能なプラットフォームの上に含めることができる。さらに、装置１０は場所から場所へと容易に移動せしめるためにコンパクトかつ携帯可能にすることもできる。
【００１７】
放射線源１４は、放射線ビーム２０の波長が検出される雲１２内の特定の標的分子または分子類と共鳴状態になるように選ぶことができる。放射線ビーム２０の波長は、また、空気中に一般に存在する水蒸気または酸素分子の吸収線と共鳴状態になるように選ぶこともできる。共鳴は標的分子、水蒸気または酸素分子を回転または振動させ、このことがそれらのエネルギーを増加させる。雲１２中の水蒸気、酸素分子または標的分子によって吸収される放射線エネルギーは、分子間緩和を引き起こす衝突エネルギー移動の結果として熱化される。大気圧においてこの熱化は非常に急速である。この衝突エネルギーの再分配の結果、雲１２中の分子は加熱される。雲１２の温度上昇は雲１２中の分子の放射強度を背景に対して増加させ、このことが分子の改善された検出をもたらす。
【００１８】
電磁線の波長が標的分子の吸収線と共鳴状態となるように選択されるならば、励起波長の関数としての戻り放射強度が、あり得る妨害背景化学物質に対する弁別の追加の方法を提供するために利用することができる。これは、励起が標的分子の共鳴吸収線に整調されるので標的分子からの戻り放射強度が実質的に増大すべきだからである。これに対して、背景化学物質からの放射強度はこれらの励起波長において余り増大すべきでない。
【００１９】
望遠鏡１６は雲１２から戻った熱放射２６を集める。次に、放射２６のスペクトル成分が分光計によって分析される。放射スペクトル、典型的には８−１４ミクロン領域の放射スペクトルが、検出された放射を前もって定められた分子の既知の「指紋」振動スペクトルと比較することによって雲１２中の分子を同定するのに用いられる。位置分解スペクトルからのコントラストが、存在する可能性がある任意の他の妨害性背景化学物質に対して弁別するのにさらに用いることができる。
【００２０】
図２は、本発明のもう１つの態様による、試験チャンバー４２中の化学的または生物学的エーロゾルを検出する検出および分析装置４０の平面図である。１つの態様では、エーロゾルは、実例エーロゾルとしてそれぞれ約１．５μｍおよび３．８μｍの直径を有するＢＧ胞子またはCab-O-Silである。Cab-O-Silは燃焼法で製造される酸化ケイ素微粉末の商標名である。ＢＧ胞子、Cab-O-Silまたは他の試料物質の微粉末は初めに試験チャンバー４２の内部に置かれる。ファン４４および４６がその微粉末を吹き飛ばしてチャンバー４２の内部を循環するエーロゾルにする。
【００２１】
CW CO2レーザー４８が、折り曲げミラー５２によって透明な窓５４を通ってチャンバー４２に入るレーザービーム５０を生じさせる。この態様では、レーザービーム５０はチャンバー４２の反対側の端において透明な窓５６を通ってチャンバー４２から外に向けられる。窓５４および５６は、磨き塩窓（polished salt windows）、セレン化亜鉛窓および反射防止塗膜を有する他の適切な窓のような、本明細書において議論される目的に適した任意の透明な窓であることができる。１つの態様において、レーザービーム５０の入射電力（incident power）は約１．５Ｗである。FTIR分光計５８がチャンバー４２内から窓５４を通って受動放射６０を受け取る。分光計５８は、レーザービーム５０によって周囲温度の背景に対して加熱されるチャンバー４２内のエーロゾルの放射スペクトルを分解する。
【００２２】
図３は、ＢＧエーロゾルがCO2レーザーからのレーザービームにより約１．５Ｗのレーザー電力において照射されるときの、背景より高いそのＢＧエーロゾルの正味放射スペクトルを示している水平軸上の波長と垂直軸上の相対強度に関するグラフである。レーザー４８が１０．５９μｍ近くのオフレゾナンスＢＧ吸収バンドに整調されるとき（グラフの線７０）、窓５４および５６から散乱することによって引き起こされるだろう散乱レーザー光を除いては、レーザー線による正味の高められた放射はほとんどない。レーザー４８が９．２５μｍ近くのＢＧ吸収バンドのピークに整調されるときは（グラフの線７２）、散乱レーザー光に加えて、レーザー照射によってはるかに強い正味の放射強度が存在する。散乱レーザー光からのスペクトルを除いて正味の放射スペクトルはＢＧエーロゾルから予想されるスペクトルと一致する。
【００２３】
図４は、CO2レーザーによる９．２５μｍにおける照射時のCab-O-Silエーロゾルの正味放射スペクトル（グラフの線７４）、およびCO2レーザーによる約１０．５９μｍにおける約１．５Ｗのレーザー電力での照射時のCab-O-Silエーロゾルの正味放射スペクトル（グラフの線７６）を示している水平軸上の波長と垂直軸上の相対強度に関するグラフである。レーザー４８が１０．５９μｍ近くのCab-O-Silのオフレゾナンス吸収バンドに整調されるとき、ある散乱レーザー光の存在を除いては、正味の放射強度は全く低い。レーザー４８が１．５Ｗのレーザー電力において９．２５μｍ近くのCab-O-Sil吸収バンドのピークに整調されるときは、正味の放射強度ははるかに強くなる。
【００２４】
図５は、CO2レーザーによる９．５５２μｍ、DMMP吸収バンドのピークおよび約１．５Ｗのレーザー電力における照射時の、チャンバー４２が空であるときの背景の放射スペクトル（グラフの線８０）、およびジメチルメチルホスホネート（DMMP）の０．８４トルのチャンバー４２内圧力における放射スペクトル（グラフの線８２）を示している水平軸上の波長と垂直軸上の放射強度に関するグラフである。
【００２５】
図６は、CO2レーザーによる９．５５２μｍおよび１．５Ｗにおける照射時の、DMMP蒸気の０．８４トルのチャンバー４２内圧力における正味放射スペクトルを示している水平軸上の波長と垂直軸上の相対強度に関するグラフである。
【００２６】
以上の議論は、本発明の例示態様を単に開示し、説明するものである。この技術分野の当業者は、このような議論から、並びに添付の図面および特許請求の範囲から、本発明においては前記特許請求の範囲で定義される発明の精神と範囲から逸脱することなく色々な変更、修正および変化をなし得ることは直ちに認められるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の１つの態様による、空中の化学的または生物学的エーロゾルを検出するための遠隔スペクトル検出および分析装置の平面図である。
【図２】本発明のもう１つの態様による、エーロゾルがレーザービームで加熱される試験チャンバー中の化学的または生物学的エーロゾルを検出するための検出および分析装置の平面図である。
【図３】CO2レーザーによる９．２５μｍおよび約１０．５９μｍにおける照射時のＢＧエーロゾルの正味放射スペクトルを示している水平軸上の波長と垂直軸上の相対強度に関するグラフである。
【図４】CO2レーザーによる９．２５μｍおよび約１０．５９μｍにおける照射時のCab-O-Silエーロゾルの正味放射スペクトルを示している水平軸上の波長と垂直軸上の相対強度に関するグラフである。
【図５】CO2レーザーによる９．５５２μｍおよび１．５Ｗにおける照射時の背景およびジメチルメチルホスホネート（DMMP）の放射スペクトルを示している水平軸上の波長と垂直軸上の放射強度に関するグラフである。
【図６】CO2レーザーによる９．５５２μｍおよび１．５Ｗにおける照射時のDMMPの０．８４トルにおける正味放射スペクトルを示している水平軸上の波長と垂直軸上の相対強度に関するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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