(57)【要約】  炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部、二酸化炭素同位体精製部を備える二酸化炭素同位体生成装置と；１組のミラーを有する光共振器、光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と；光源、光源からの光を分岐させる分岐手段、分岐手段からの光を集光する集光レンズ、集光レンズからの光を反射して集光レンズと分岐手段を介して光源に光を送り返すミラーを備える光発生装置と；を備える炭素同位体分析装置。光源の安定性が改善された、炭素同位体分析装置およびそれを用いた炭素同位体分析方法が提供される。
2018135619.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部、二酸化炭素同位体精製部を備える二酸化炭素同位体生成装置と、
１組のミラーを有する光共振器、前記光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と、
光源、前記光源からの光を分岐させる分岐手段、前記分岐手段からの光を集光する集光レンズ、前記集光レンズからの光を反射して前記集光レンズと前記分岐手段を介して前記光源に光を送り返すミラーを備える光発生装置と、を備える炭素同位体分析装置。
【請求項２】
前記光源は、中赤外量子カスケードレーザーである請求項１に記載の炭素同位体分析装置。
【請求項３】
前記炭素同位体は放射性炭素同位体１４Ｃであり、前記二酸化炭素同位体は放射性二酸化炭素同位体１４ＣＯ２である請求項１または２に記載の炭素同位体分析装置。
【請求項４】
前記二酸化炭素同位体の吸収波長を有する光は、４．５μｍ帯の光である請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
【請求項５】
前記分光装置は、前記光共振器を冷却する冷却装置をさらに備える請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
【請求項６】
前記分光装置は、前記光共振器を収容する真空装置をさらに備える請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
【請求項７】
前記分光装置は、振動吸収手段をさらに備える請求項１〜６のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
【請求項８】
前記放射性炭素同位体１４Ｃに対する検出感度は、０．１ｄｐｍ／ｍｌ程度である請求項１〜７のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
【請求項９】
二酸化炭素同位体生成装置と光共振器をつなぐ導入管と、
前記導入管の二酸化炭素同位体生成装置側に配置されたスリーポート弁と、
前記導入管の光共振器側に配置された導入弁と、
前記光共振器とポンプをつなぐ排出管と、
前記排出管上に設けられた排出弁と、を備える二酸化炭素同位体導入排出制御装置をさらに備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
【請求項１０】
炭素同位体から二酸化炭素同位体を生成する工程と、
前記二酸化炭素同位体を１対のミラーを有する光共振雰囲気内に充填する工程と、
光源から前記二酸化炭素同位体の吸収波長を有する照射光を発生させる工程と、
前記光源からの光を分岐手段を用いて分岐させ、分岐させた光を集光レンズに集光し、集光させた光をミラーを用いて反射させ、前記ミラーと前記分岐手段を介して前記光源に送り返すフィードバック工程と、
前記二酸化炭素同位体に前記照射光を照射し共振させた際に得られる透過光の強度を測定する工程と、
前記透過光の強度から炭素同位体濃度を計算する工程と、を有する炭素同位体分析方法。
【請求項１１】
前記炭素同位体は放射性炭素同位体１４Ｃであり、前記二酸化炭素同位体は放射性二酸化炭素同位体１４ＣＯ２である請求項１０に記載の炭素同位体分析方法。
【請求項１２】
二酸化炭素生成雰囲気内の圧力を大気圧よりも高くし、光共振雰囲気内の圧力を大気圧よりも低くする第一の工程と、
二酸化炭素生成雰囲気内の温度を閾値温度以上まで加熱する第二の工程と、
二酸化炭素生成雰囲気内の温度が閾値温度に到達してから数秒後に、二酸化炭素同位体を光共振雰囲気内に導入する第三の工程と、
二酸化炭素生成雰囲気内の圧力を大気圧よりも高くし、光共振雰囲気内の圧力を下げる第四の工程と、
光共振雰囲気内の圧力を１０〜４０Ｔｏｒｒとする第五の工程と、を有する請求項１０又は１１に記載の炭素同位体分析方法。
【請求項１３】
光源、前記光源からの光を分岐させる分岐手段、前記分岐手段からの光を集光する集光レンズ、前記集光レンズからの光を反射して前記集光レンズと前記分岐手段を介して前記光源に光を送り返すミラーを備える光発生装置。
【請求項１４】
二酸化炭素同位体生成装置と光共振器をつなぐ導入管と、
前記導入管の二酸化炭素同位体生成装置側に配置されたスリーポート弁と、
前記導入管の光共振器側に配置された導入弁と、
前記光共振器とポンプをつなぐ排出管と、
前記排出管上に設けられた排出弁と、を備える二酸化炭素同位体導入排出制御装置。
【請求項１５】
１組のミラーを有する光共振器、前記光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と、
光源、前記光源からの光を分岐させる分岐手段、前記分岐手段からの光を集光する集光レンズ、前記集光レンズからの光を反射して前記集光レンズと前記分岐手段を介して前記光源に光を送り返すミラーを備える光発生装置と、を備える炭素同位体分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素同位体分析装置および炭素同位体分析方法に関する。より詳しくは、放射性炭素同位体１４Ｃ等の測定に有用な放射性炭素同位体分析装置および放射性炭素同位体分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素同位体は、従来より炭素循環に基づく環境動態評価や年代測定による歴史学の実証研究など、文理に渡る広範な応用展開がなされている。炭素同位体は、地域・環境によりわずかに異なるものの、安定同位体元素である１２Ｃと１３Ｃはそれぞれ９８．８９％と１．１１％、放射性同位体１４Ｃは１×１０−１０％天然に存在している。同位体は重量の相違があるだけで、化学的には同じ挙動を示すため、存在比の低い同位体の濃度を人工的な操作により高くし、精度よく測定を行うことで様々な反応過程の観測が可能となる。【０００３】
特に、臨床の分野においては医薬品体内動態評価を行うために、標識化合物として、例えば放射性炭素同位体１４Ｃを生体に投与し分析することは極めて有用であり、例えばPhase Ｉ、Phase IIａにおいて実際に分析されている。ヒトにおいて薬理作用を発現すると推定される投与量（薬効発現量）を超えない用量（以下「マイクロドーズ」ともいう）の標識化合物として、極微量の放射性炭素同位体１４Ｃ（以下「１４Ｃ」ともいう）を人体に投与し、分析することは、体内動態の問題に起因する医薬品の薬効・毒性についての知見が得られるため、創薬プロセスにおける開発リードタイムを大幅に短縮するものとして期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６００４４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者等は、簡易、かつ迅速な１４Ｃの分析が可能な炭素同位体分析装置およびそれを用いた炭素同位体分析方法を提案した（特許文献１参照）。これにより、１４Ｃを用いたマイクロドーズの研究を簡易かつ安価に行なえることとなった。
ここで、１４Ｃの分析に用いられ得る中赤外（ＭＩＲ）レーザの１態様として、分布帰還型（ＤＦＢ）量子カスケードレーザ（以下「ＱＣＬ」ともいう。）システムの要望が高まっている。その理由は、それらのシステムは市販されており、数ナノメートルの広いモードホップフリー同調範囲と数ＭＨｚの典型的な線幅の単一モード発光で簡単に取り扱えるからである。
ところが、ＱＣＬシステムは、多くの分光用途においては上記の性能で十分であるが、レーザーとＣＲＤＳで使用される高フィネス光共振器(反射率Ｒ>９９．９％)とのカップリングにおいては、線幅１００ｋＨｚ以下が求められていた。この線幅を減少させるという課題を解決する手段としては、例えば周波数弁別器を用いた高速の電気信号フィードバック（例えば、ＰＤＨロック）があるが、高速な信号処理系が必要であり、また高価であるという問題があった。さらに、レーザー光源に高帯域幅変調が必要であった。
このように、１４Ｃの分析を行なうに当たっては、光源の安定性の更なる改善が求められていた。そこで、本発明は、光源の安定性が改善された、炭素同位体分析装置およびそれを用いた炭素同位体分析方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）炭素同位体から二酸化炭素同位体を含むガスを生成する燃焼部、二酸化炭素同位体精製部を備える二酸化炭素同位体生成装置と；１組のミラーを有する光共振器、光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と；光源、光源からの光を分岐させる分岐手段、分岐手段からの光を集光する集光レンズ、集光レンズからの光を反射して集光レンズと分岐手段を介して光源に光を送り返すミラーを備える光発生装置と；を備える炭素同位体分析装置。
（２）光源は、中赤外量子カスケードレーザーである（１）に記載の炭素同位体分析装置。
（３）炭素同位体は放射性炭素同位体１４Ｃであり、二酸化炭素同位体は放射性二酸化炭素同位体１４ＣＯ２である（１）または（２）に記載の炭素同位体分析装置。
（４）二酸化炭素同位体の吸収波長を有する光は、４．５μｍ帯の光である（１）〜（３）のいずれか１項に記載の炭素同位体分析装置。
（５）分光装置は、光共振器を冷却する冷却装置をさらに備える（１）〜（４）のいずれか１つに記載の炭素同位体分析装置。
（６）分光装置は、光共振器を収容する真空装置をさらに備える（１）〜（５）のいずれか１つに記載の炭素同位体分析装置。
（７）分光装置は、振動吸収手段をさらに備える（１）〜（６）のいずれか１つに記載の炭素同位体分析装置。
（８）放射性炭素同位体１４Ｃに対する検出感度は、０．１ｄｐｍ／ｍｌ程度である（１）〜（７）のいずれか１つに記載の炭素同位体分析装置。
（９）二酸化炭素同位体生成装置と光共振器をつなぐ導入管と、導入管の二酸化炭素同位体生成装置側に配置されたスリーポート弁と、導入管の光共振器側に配置された導入弁と、光共振器とポンプをつなぐ排出管と、排出管上に設けられた排出弁と、を備える二酸化炭素同位体導入排出制御装置をさらに備える請求項１〜８のいずれか１つに記載の炭素同位体分析装置。
（１０）炭素同位体から二酸化炭素同位体を生成する工程と、二酸化炭素同位体を１対のミラーを有する光共振雰囲気内に充填する工程と；光源から二酸化炭素同位体の吸収波長を有する照射光を発生させる工程と；光源からの光を分岐手段を用いて分岐させ、分岐させた光を集光レンズに集光し、集光させた光をミラーを用いて反射させ、ミラーと分岐手段を介して光源に送り返すフィードバック工程と；二酸化炭素同位体に照射光を照射し共振させた際に得られる透過光の強度を測定する工程と；透過光の強度から炭素同位体濃度を計算する工程と；を有する炭素同位体分析方法。
（１１）炭素同位体は放射性炭素同位体１４Ｃであり、二酸化炭素同位体は放射性二酸化炭素同位体１４ＣＯ２である（１０）に記載の炭素同位体分析方法。
（１２）二酸化炭素生成雰囲気内の圧力を大気圧よりも高くし、光共振雰囲気内の圧力を大気圧よりも低くする第一の工程と；二酸化炭素生成雰囲気内の温度を閾値温度以上まで加熱する第二の工程と；二酸化炭素生成雰囲気内の温度が閾値温度に到達してから数秒後に、二酸化炭素同位体を光共振雰囲気内に導入する第三の工程と；二酸化炭素生成雰囲気内の圧力を大気圧よりも高くし、光共振雰囲気内の圧力を下げる第四の工程と；光共振雰囲気内の圧力を１０〜４０Ｔｏｒｒとする第五の工程と；を有する（１０）又は（１１）に記載の炭素同位体分析方法。
（１３）光源、光源からの光を分岐させる分岐手段、分岐手段からの光を集光する集光レンズ、集光レンズからの光を反射して集光レンズと分岐手段を介して光源に光を送り返すミラーを備える光発生装置。
（１４）二酸化炭素同位体生成装置と光共振器をつなぐ導入管と；導入管の二酸化炭素同位体生成装置側に配置されたスリーポート弁と；導入管の光共振器側に配置された導入弁と；光共振器とポンプをつなぐ排出管と；排出管上に設けられた排出弁と；を備える二酸化炭素同位体導入排出制御装置。
（１５）１組のミラーを有する光共振器、光共振器からの透過光の強度を検出する光検出器を備える分光装置と；光源、光源からの光を分岐させる分岐手段、分岐手段からの光を集光する集光レンズ、集光レンズからの光を反射して集光レンズと分岐手段を介して光源に光を送り返すミラーを備える光発生装置と；を備える炭素同位体分析装置。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は炭素同位体分析装置の概念図である。
【図２】図２は１４ＣＯ２と競合ガスの４．５μｍ帯吸収スペクトルを示す図である。
【図３】図３Ａ、図３Ｂはレーザー光を用いた高速走査型のキャビティーリングダウン吸収分光法の原理を示す図である。
【図４】図４はＣＲＤＳにおける１３ＣＯ２と１４ＣＯ２の吸収量Δβの温度依存性を示す図である。
【図５】図５は分析試料の吸収波長と吸収強度の関係を示す図である。
【図６】図６は光共振器の変形例の概念図である。
【図７】図７は炭素同位体分析装置の実施態様を示す概念図である。
【図８】図８（ａ）は、傾斜三角波で電流を変調する場合におけるフィードバックの出力に及ぼす効果を示す図であり、図８（ｂ）は電流増加中の発振閾値近くのフィードバックの出力に及ぼす効果を示す図である。
【図９】図９はフィードバックの有無による出力で規格化された低フィネスＦＰＩ伝送信号を示す図である。
【図１０】図１０はキャビティ伝送線全域走査中のＣＲＤキャビティからの伝送のフォトダイオード信号を示す図である。
【図１１】図１１はペリオドグラムを用いて平均化されたフォトダイオード信号の出力スペクトル密度を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）、図１２（ｂ）は試料ガスをガスセルに導入する際の自動バルブ開閉動作方法の違いによる、リングダウンレートおよびセル内圧力の時間変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明者等は研究の結果、周波数弁別器を用いた高速の電気信号フィードバックの代替案として、遅延自己注入として知られている光フィードバックを用いる方法に着目した。この受動フィードバックをＱＣＬに応用することにより、最小限の費用でレーザ線幅を低減することができることを知見した。以下詳述する。
なお、実施形態を挙げて本発明の説明を行うが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。図中同一の機能又は類似の機能を有するものについては、同一又は類似の符号を付して説明を省略する。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【０００９】
（炭素同位体分析装置）
図１は、炭素同位体分析装置の概念図である。炭素同位体分析装置１は、二酸化炭素同位体生成装置４０と、光発生装置２０と、分光装置１０と、さらに演算装置３０とを備える。ここでは、分析対象として、炭素同位体である放射性同位体１４Ｃを例にあげて説明する。なお、放射性同位体１４Ｃから生成される二酸化炭素同位体１４ＣＯ２の吸収波長を有する光は４．５μｍ帯の光である。詳細は後述するが、測定対象物質の吸収線、光発生装置、及び光共振器モードの複合による選択性により、高感度化を実現することが可能となる。
【００１０】
本明細書において「炭素同位体」とは、特に断りのない限り安定炭素同位体１２Ｃ、１３Ｃ、及び放射性炭素同位体１４Ｃを意味する。また、単に元素記号「Ｃ」と表示される場合、天然存在比での炭素同位体混合物を意味する。
酸素の安定同位体は１６Ｏ、１７Ｏ及び１８Ｏが存在するが、元素記号「Ｏ」と表示される場合、天然存在比での酸素同位体混合物を意味する。
「二酸化炭素同位体」とは、特に断りのない限り１２ＣＯ２、１３ＣＯ２及び１４ＣＯ２を意味する。また、単に「ＣＯ２」と表示される場合、天然存在比の炭素及び酸素同位体により構成される二酸化炭素分子を意味する。
【００１１】
本明細書において「生体試料」とは、血液、血漿、血清、尿、糞便、胆汁、唾液、その他の体液や分泌液、呼気ガス、口腔ガス、皮膚ガス、その他の生体ガス、さらには、肺、心臓、肝臓、腎臓、脳、皮膚などの各種臓器およびこれらの破砕物など、生体から採取し得るあらゆる試料を意味する。さらに、当該生体試料の由来は、動物、植物、微生物を含むあらゆる生物が挙げられ、好ましくは哺乳動物、より好ましくはヒトの由来である。哺乳動物としては、ヒト、サル、マウス、ラット、モルモット、ウサギ、ヒツジ、ヤギ、ウマ、ウシ、ブタ、イヌ、ネコなどが挙げられるが、これらに限定されない。
【００１２】
〈二酸化炭素同位体生成装置〉
二酸化炭素同位体生成装置４０は、炭素同位体を二酸化炭素同位体に変換可能であれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができる。二酸化炭素同位体生成装置４０としては、試料を酸化させ、試料中に含まれる炭素を二酸化炭素にする機能を有していることが好ましい。
例えば全有機炭素（total organic carbon 以下「ＴＯＣ」という）発生装置、ガスクロマトグラフィー用の試料ガス発生装置、燃焼イオンクロマトグラフィー用の試料ガス発生装置、元素分析装置（Elemental Analyzer：ＥＡ）等の二酸化炭素生成装置（Ｇ）４１を用いることができる。
【００１３】
なお、有機元素分析計を用いる場合のキャリアガスは、少なくとも炭素、窒素及び硫黄元素をできるだけ含まないガスが好ましく、ヘリウムガス（Ｈｅ）が例示できる。キャリアガスの流量は、５０ｍＬ／ｍｉｎから５００ｍＬ／ｍｉｎの範囲が好ましく、１００ｍＬ／ｍｉｎから３００ｍＬ／ｍｉｎの範囲がより好ましい。
【００１４】
図２に、２７３Ｋ、ＣＯ２分圧２０％、ＣＯ分圧１．０×１０−４％、Ｎ２Ｏ分圧３．０×１０−８％の条件下における１４ＣＯ２と競合ガス１３ＣＯ２，ＣＯ，及びＮ２Ｏの４．５μm帯吸収スペクトルを示す。
前処理後の生体試料を燃焼させることにより、二酸化炭素同位体１４ＣＯ２（以下、「１４ＣＯ２」ともいう）を含むガスを生成できる。しかし、１４ＣＯ２の発生と共に、ＣＯ、Ｎ２Ｏといった夾雑ガスも発生する。これらＣＯ、Ｎ２Ｏは、図２に示すように、それぞれ４．５μm帯の吸収スペクトルを有するので、１４ＣＯ２が有する４．５μm帯の吸収スペクトルと競合する。そのため、分析感度を向上させるために、ＣＯ、Ｎ２Ｏを除去することが好ましい。
ＣＯ、Ｎ２Ｏの除去方法としては、以下のように１４ＣＯ２を捕集・分離する方法が挙げられる。また、酸化触媒や白金触媒により、ＣＯ、Ｎ２Ｏを除去・低減する方法、及び捕集・分離方法との併用が挙げられる。
【００１５】
〈分光装置〉
図１に示すように、分光装置１０は、光共振器１１と、光共振器１１からの透過光の強度を検出する光検出器１５とを備える。光共振器（Optical resonator or Optical cavity）１１は、分析対象の二酸化炭素同位体が封入される筒状の本体と、本体の内部の長手方向の一端と他端に凹面が向かい合うように配置された高反射率の１対のミラー１２ａ、１２ｂ（反射率：99.99％以上）と、本体内部の他端に配置されたミラー１２ａ、１２ｂ間隔を調整するピエゾ素子１３と、分析対象ガスが充填されるセル１６と、を備える。なお、ここでは図示を省略しているが、本体の側部に二酸化炭素同位体を注入するためのガス注入口や、本体内の気圧を調整する気圧調整口を設けておくことが好ましい。
光共振器内部１１にレーザー光を入射し閉じ込めると、レーザー光はミラーの反射率に対応した強度の光を出力しながら、数千回〜一万回というオーダーで多重反射を繰り返す。そのため実効的な光路が数１０ｋｍにも及ぶため、光共振器内部に封入された分析対象のガスが極微量であっても大きな吸収量を得ることができる。
【００１６】
図３Ａ、図３Ｂはレーザー光を用いたキャビティーリングダウン分光法（Cavity Ring-Down Spectroscopy 以下「ＣＲＤＳ」ともいう）の原理を示す図である。
図３Ａに示すように、ピエゾ素子１３を作動させてミラー間隔が共鳴条件を満たすようになったときは、高強度の信号が光共振器から透過される。一方、入射光を遮断すると、光共振器内に蓄積された光は時間に対し指数関数的に減少する。光共振器からの出力光強度を測定することで、図３Ａに示すような指数関数的な減衰信号［リングダウン信号（Ringdown signal）］を観測することができる。リングダウン信号を観測する別の方法として、入力レーザー光を光学スイッチにて素早く遮断する方法が挙げられる。
光共振器の内部に吸収物質が充填されていない場合、透過してくる時間依存のリングダウン信号は図３Ｂの点線で示すような曲線となる。一方、光共振器内に吸光物質が充填されている場合、図３Ｂの実線で示すように、レーザー光が光共振器内で往復するごとに吸収されるため、光の減衰時間が短くなる。この光の減衰時間は、光共振器内の吸光物質濃度及び入射レーザー光の波長に依存しているため、Beer-Lambertの法則iiを適用することで吸収物質の絶対濃度を算出することができる。また光共振器内の吸収物質濃度と比例関係にある減衰率（リングダウンレート）の変化量を測定することにより、光共振器内の吸収物質濃度を測定することができる。
光共振器から漏れ出た透過光を光検出器により検知し、演算装置を用いて１４ＣＯ２濃度を算出した後、１４ＣＯ２濃度から１４Ｃ濃度を算出することができる。
【００１７】
光共振器１１のミラー１２ａ、１２ｂ間隔、ミラー１２ａ、１２ｂの曲率半径、本体の長手方向長さや幅等は、分析対象である二酸化炭素同位体が持つ吸収波長により変化させることが好ましい。想定される光共振器長は１ｍｍ〜１０ｍが挙げられる。
二酸化炭素同位体１４Ｃの場合、光共振器長が長いことは光路長を確保するのに有効であるが、光共振器長が長くなるとガスセルの体積が増え、必要な試料量が増えるため、光共振器長は１０ｃｍ〜６０ｃｍの間が好ましい。またミラー１２ａ、１２ｂの曲率半径は、光共振器長と同じか、長くすることが好ましい。
なおミラー間隔は、ピエゾ素子１３を駆動することにより、一例として数マイクロメートルから数十マイクロメートルのオーダーで調整することが可能である。最適な共鳴条件を作り出すために、ピエゾ素子１３による微調整を行うこともできる。
なお、１対のミラー１２ａ、１２ｂとしては、１対の凹面鏡を図示して説明してきたが、十分な光路が得られるのであれば、その他にも凹面鏡と平面鏡の組み合わせや、平面鏡同士の組み合わせであっても構わない。
ミラー１２ａ、１２ｂを構成する材料としては、サファイアガラスを用いることができる。
分析対象ガスを充填するセル１６は、容積がより小さいことが好ましい。少ない分析試料であっても効果的に光の共振効果を得ることができるからである。セル１６の容量は、８ｍＬ〜１０００ｍＬが例示できる。セル容量は、例えば測定に供することができる１４Ｃ源の量に応じて適宜好ましい容量を選択でき、尿のように大量に入手できる１４Ｃ源では８０ｍＬ〜１２０ｍＬのセルが好適であり、血液や涙液のように入手量が限られる１４Ｃ源では８ｍＬ〜１２ｍＬのセルが好適である。
【００１８】
光共振器の安定性条件の評価
ＣＲＤＳにおける１４ＣＯ２吸収量と検出限界を評価するため、分光データに基づく計算を行った。１２ＣＯ２、１３ＣＯ２などに関する分光データは大気吸収線データベース（ＨＩＴＲＡＮ）を利用し、１４ＣＯ２に関しては文献値（「S. Dobos et al., Z. Naturforsch, 44a, 633-639 (1989)」）を使用した。
ここで、１４ＣＯ２の吸収によるリングダウンレート（指数関数的減衰の割合）の変化量Δβ（＝β−β0、β：試料有りの減衰率、β0：試料なしの減衰率）は、１４ＣＯ２の光吸収断面積σ１４、分子数密度Ｎ、光速ｃにより以下のように表せる。
Δβ＝σ１４(λ,Ｔ,Ｐ)Ｎ(Ｔ,Ｐ,Ｘ１４)ｃ
（式中、σ１４、Ｎは、レーザー光波長λ、温度Ｔ、圧力Ｐ、Ｘ１４=１４Ｃ/TotalＣ比の関数である。）
図４は、計算で求められた１３ＣＯ２と１４ＣＯ２の吸収によるΔβの温度依存性を示す図である。図４より、１４Ｃ/TotalＣが１０−１０、１０−１１、１０−１２では、室温３００Ｋでの１３ＣＯ２による吸収が１４ＣＯ２の吸収量を超えるか同程度となるため、冷却を行う必要があることが分かった。
一方、光共振器由来のノイズ成分であるリングダウンレートのばらつきΔβ0〜１０１ｓ−１が実現できれば、１４Ｃ/TotalＣ比〜１０−１１の測定を実現できることが分かる。これにより、分析時の温度として摂氏−４０度程度の冷却が必要であることが明らかとなった。例えば、定量下限として１４Ｃ/TotalＣを１０−１１とすると、ＣＯ２ガスの濃縮によるＣＯ２ガス分圧の上昇（例えば２０％）と、前記温度条件とが必要であることが示唆される。
【００１９】
光共振器１１について説明したが、光共振器の具体的態様の概念図（一部切欠図）を図６に示す。図６に示すように、光共振器５１は、真空装置としての円筒状の断熱用チャンバー５８と、断熱用チャンバー５８内に配置された測定用ガスセル５６と、測定用ガスセル５６の両端に配置された１対の高反射率ミラー５２と、測定用ガスセル５６の一端に配置されたミラー駆動機構５５と、測定用ガスセル５６の他端に配置されたリングピエゾアクチュエーター５３と、測定用ガスセル５６を冷却するペルチェ素子５９と、循環冷却器（図示せず）に接続された冷却パイプ５４ａを有する水冷ヒートシンク５４と、を備える。なお、水冷ヒートシンク５４により、ペルチェ素子５９から出る熱を放熱させることができる。
【００２０】
〈冷却装置〉
図５（Applied Physics Vol.24, pp.381-386, 1981より引用）は、分析試料１２Ｃ１６Ｏ２、１３Ｃ１８Ｏ２、１３Ｃ１６Ｏ２、１４Ｃ１６Ｏ２の吸収波長と吸収強度の関係を示す。図５に示すように、それぞれの炭素同位体を含む二酸化炭素は、固有の吸収線を有している。実際の吸収では、各吸収線は試料の圧力や温度に起因する拡がりによって有限の幅を持つ。このため、試料の圧力は大気圧以下、温度は２７３Ｋ（０℃）以下にすることが好ましい。
【００２１】
１４ＣＯ２の吸収強度は温度依存性があるため、光共振器１１内の設定温度を、できるだけ低く設定することが好ましい。具体的な光共振器１１内の設定温度は２７３Ｋ（０℃）以下が好ましい。下限値は特に制限はないが、冷却効果と経済的観点から、１７３Ｋ〜２５３Ｋ（−１００℃〜−２０℃）、特に２３３Ｋ（−４０℃）程度に冷却することが好ましい。
【００２２】
図１に図示されてはいないが、分光装置１０内に、光共振器１１を冷却する冷却装置を設けてもよい。１４ＣＯ２の光吸収は温度依存性を有するため、冷却装置により光共振器１１内の設定温度を低くすることで、１４ＣＯ２の吸収線と１３ＣＯ２、１２ＣＯ２の吸収線との区別が容易になり、１４ＣＯ２の吸収強度が強くなるからである。光共振器１１を冷却する冷却装置としては、ペルチェ素子が挙げられる。ペルチェ素子の他にも、例えば、液体窒素槽、ドライアイス槽などを用いることができる。分光装置１１を小型化できる観点からはペルチェ素子を用いることが好ましく、装置の製造コストを下げる観点からは液体窒素水槽もしくはドライアイス槽を用いることが好ましい。
【００２３】
〈除湿装置〉
図１の光共振器１１を冷却する際、除湿装置により、光共振器１１内を除湿することが好ましい。
除湿条件は、ＣＲＤＳ分析セルを−４０℃以下(２３３Ｋ以下)に冷却した場合に、その温度条件下で結露・凍結しないガス条件(水分量)になることが好ましい。ペルチェ素子等の冷却手段により除湿してもよいが、フッ素系イオン交換樹脂膜といった水蒸気除去用高分子膜を使用した膜分離法により除湿することもできる。また二酸化炭素生成部(試料導入部ユニット)内に、吸湿剤もしくはガスドライヤーを配置してもよい。
吸湿剤としては、例えば、ＣａＨ２、ＣａＳＯ４、Ｍｇ(ＣｌＯ４)２、モレキュラーシーブ、Ｈ２ＳＯ４、シカサイド（Sicacide）、五酸化リン、シカペント（Sicapent）（登録商標）またはシリカゲルを用いることができる。なかでも、五酸化リン、シカペント（登録商標）、ＣａＨ２、Ｍｇ(ＣｌＯ４)２またはモレキュラーシーブが好ましく、シカペント（登録商標）がより好ましい。ガスドライヤーとしては、ナフィオン（登録商標）ドライヤー（Nafion dryers：Perma Pure Inc.製）が好ましい。吸湿剤とガスドライヤーはそれぞれ単独で用いてもよいし、併用してもよい。上述の「その温度条件下で結露・凍結しないガス条件(水分量)」は、露点を測定して確認した。言い換えると、−４０℃以下（２３３Ｋ以下）の露点となるように、除湿できることが好ましい。露点の表示は、瞬間露点であっても、単位時間当たりの平均露点であってもよい。露点の測定は、市販の露点センサーを用いて測定することができ、例えば、ゼントール露点センサーHTF Al2O3（登録商標）（三菱化学アナリテック社製）、ヴァイサラDRYCAP（登録商標）DM70ハンディタイプ露点計（ヴァイサラ社製）が使用できる。
【００２４】
〈真空装置〉
図１に図示されてはいないが、光共振器１１を真空装置内に配置してもよい。光共振器１１が外気に晒されることを防止して外部温度の影響を軽減することにより分析精度が向上するからである。
真空装置としては、光共振器１１を収納でき、また光発生装置２０からの照射光を光共振器１１内に照射でき、透過光を光検出器に透過できるものであれば、特に制限なく様々な真空装置を用いることができる。
【００２５】
〈二酸化炭素同位体導入排出制御装置〉
図１の二酸化炭素同位体生成装置４０で生成された二酸化炭素同位体を分光装置１０に導入する方法としては、フロースルー法（Flow through）とストップドフロー法（Stopped flow）とがある。フロースルー法は、複雑な導入機構が不要なので比較的簡易に試料解析ができるが、高感度測定に不向きである。一方、ストップドフロー法は、高感度測定が可能であるが、導入制御が必要であり、サンプルのロスが生じ易いという欠点がある。そこで、本発明者等は、高感度測定が可能なストップドフロー法において、導入制御の課題について検討した。その結果、自動バルブ開閉系デザインの最適化と、ガス封入方法を最適化することにより、上述の課題を解決するに至った。
【００２６】
自動バルブ開閉系デザインの１つとしては、図１に示されるような、二酸化炭素同位体導入排出装置６０を用いることができる。図１の二酸化炭素同位体導入排出制御装置６０は、二酸化炭素同位体生成装置４０と光共振器１１をつなぐ導入管６１ａと、導入管６１ａの川上側（二酸化炭素同位体生成装置４０側）に配置されたスリーポート弁６３ａと、導入管６１ａの川下側（光共振器１１側）に配置された導入弁６３ｂと、光共振器１１とポンプ６５をつなぐ排出管６１ｂと、排出管６１ｂ上に設けられた排出弁６３ｃと、を備える。
【００２７】
二酸化炭素同位体導入排出装置６０のスリーポート弁６３ａ等の開放タイミングを図ることにより、ガスをセル内に封入することができる。具体的には以下のタイミングで制御することができる。
【００２８】
まず第一の工程において、スリーポート弁６３ａを閉じ、二酸化炭素生成装置内の圧力を大気圧よりも高くする。また、導入弁６３ｂと排出弁６３ｃを開放し、セル内の圧力を大気圧よりも低くする。具体的には３０Ｔｏｒｒ以下、より好ましくは１０Ｔｏｒｒ以下とする。
【００２９】
次に、第二の工程においてカラム温度を閾値温度以上まで加熱する。閾値温度は、具体的には８０℃〜２００℃、好ましくは９０℃〜１２０℃、より好ましくは９０℃〜１１０℃である。
カラム温度が一定の温度を超えるとＣＯ２ガスがパルス状に放出されるため、どのタイミングでＣＯ２ガスが放出されるかを把握することにより、パルス状に放出されたＣＯ２ガスがガスセルに到達するまでの時間がわかる。本発明者らは、カラム温度を監視することにより、カラム温度が所定の温度（閾値温度）を超えてから数秒後にＣＯ２ガスがガスセルに到達することを知見した。具体的には、閾値温度が１００℃の場合、２０秒から３０秒、好ましくは２５秒から２７秒後にＣＯ２ガスがガスセルに到達することを知見した。
【００３０】
第三の工程において、カラム温度が閾値温度に到達してから数秒後に、スリーポート弁６３ａを開放し、また導入弁６３ｂを閉じ、ガス（二酸化炭素同位体）をガスセル内に導入する。導入時間はガスセルの大きさ等により変化するものであるが１秒未満が好ましい。なお、出弁６３ｃは閉じておく。
【００３１】
第四の工程において、導入弁６３ｂを閉じたままで、スリーポート弁６３ａを閉じ、二酸化炭素生成装置内の圧力を大気圧よりも高くし、ガスセル内の圧力を下げる。
第三の工程において、ガス圧は、スリーポート弁６３ａを開放してガスを二酸化炭素生成装置からガスセルに導入し、その後、導入弁を閉じるまでの１秒間で０Ｔｏｒｒから６０Ｔｏｒｒまで上昇する。このままではガスセル圧力が高すぎ、吸収線の測定に向かない。そのため、第四の工程においてガスセル内の圧力を下げる。
【００３２】
第五の工程において、ガスセル内の圧力が１０〜４０Ｔｏｒｒ程度になるまで排出弁６３cを開放し（約１秒間）、その後、排出弁６３cを閉じる。ガスセル内の圧力は、好ましくは１８〜２２Ｔｏｒｒである。
導入弁６３ｂが閉じられた状態で排出弁６３ｃを開放すると、ガスセル内のガスが排出されるために、ガスセル内の圧力が徐々に低下する。ガスセル内の圧力が２０Ｔｏｒr程度まで低下した後に、排出弁６３ｃを閉じる。
【００３３】
なお、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に、本発明の二酸化炭素同位体導入排出制御装置を用いた場合の、光共振器内におけるリングダウンレートとガスセル圧力変化の関係を示す。
上段（図１２（ａ））はスリーポート弁６３ａと導入弁６３ｂと排出弁６３ｃを開放し、ＣＯ2ガスが放出される前の二酸化炭素生成装置からのキャリアガスをガスセルに導入しておき、ＣＯ2ガスが放出さてガスセルに到達した瞬間にスリーポート弁６３ａと導入弁６３ｂと排出弁６３ｃを同時に閉じた場合のリングダウンレートとガスセル圧力変化の関係である。ＣＯ2ガスの導入後のセル内の圧力は約６０Ｔｏｒｒと高く、吸収線の測定に向かない。また、ＣＯ2ガスがガスセルに到達した際にセル内にキャリアガスが存在するため、ＣＯ2ガスをガスセルに閉じ込めるとキャリアガスで希釈され、セル内のＣＯ2ガス濃度が低下し、ＣＯ2ガスの吸収量に比例するリングダウン信号が小さくなる。
これと比較し、下段（図１２（ｂ））に示すように、本発明の二酸化炭素同位体導入排出制御装置を用いて適切にバルブを自動開閉した場合は、ＣＯ2ガスの導入後のセル内の圧力は約２０Ｔｏｒｒであり、吸収線の測定に適しており、キャリアガスとの希釈もほぼ起こらないため、セル内のＣＯ2ガス濃度が減少せず、リングダウン信号は減少しない。
なお、図１２に示すデータを得る際に、レーザーの波長を常に掃引し、およそ５秒に１回ずつにＣＯ2の吸収線スペクトルを取得した。
【００３４】
〈光発生装置〉
図１の光発生装置２０としては、二酸化炭素同位体の吸収波長を有する光を発生できる装置であれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができる。ここでは、放射性炭素同位体１４Ｃの吸収波長である４．５μｍ帯の光を簡易に発生させ、しかも装置サイズがコンパクトな光発生装置を例に挙げて説明する。
【００３５】
光発生装置２０は、光源２３と、光源２３からの光を分岐させる分岐手段（ディレイライン）２８と、分岐手段２８からの光を集光する集光レンズ２５ｂ、集光レンズ２５からの光を反射して集光レンズ２５と分岐手段２８を介して光源２３に光を送り返すミラー２５ａからなるキャットアイ２５とを備える。光発生装置２０は、さらに光学分離器２９を備える。
キャットアイ２５により角度調整に及ぼす後方反射の依存性が小さくなることで、ＱＣＬへの容易な再入射が可能となる。光学分離器２９により光の遮断が可能となる。
【００３６】
光源２３としては、中赤外量子カスケードレーザー（Quantum Cascade Laser: QCL）を用いることができる。
【００３７】
光ファイバー２１としては、生成した高強度な超短パルス光の特性を劣化させずに伝送できる光ファイバーを用いることが好ましい。材料は、溶融石英でできたファイバーを用いることが好ましい。
【００３８】
〈演算装置〉
図１の演算装置３０としては、上述の減衰時間やリングダウンレートから光共振器内の吸収物質濃度を測定し、吸収物質濃度から炭素同位体濃度を測定できるものであれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができる。
演算制御部３１としては、ＣＰＵ等の通常のコンピュータシステムで用いられる演算手段等で構成すればよい。入力装置３２としては、例えばキーボード、マウス等のポインティングデバイスが挙げられる。表示装置３３としては、例えば液晶ディスプレイ、モニタ等の画像表示装置等が挙げられる。出力装置３４としては、例えばプリンタ等が挙げられる。記憶装置３５としてはＲＯＭ、ＲＡＭ、磁気ディスクなどの記憶装置が使用可能である。
【００３９】
上述の炭素同位体分析装置１をマイクロドーズに用いる場合、サンプル中の放射性炭素同位体１４Ｃに対する検出感度は「０．１ｄｐｍ／ｍｌ」程度が想定される。この検出感度「０．１ｄｐｍ／ｍｌ」を達成するためには、光源として「狭帯域レーザー」を用いるだけでは不十分であり、光源の波長（周波数）の安定性が求められる。即ち、吸収線の波長からずれないこと、線幅が狭いことが要件となる。この点、炭素同位体分析装置１は、低濃度の放射性炭素同位体を含む検体に対しても測定が可能であるという有利な作用効果を奏する。
炭素同位体分析装置１のサンプル中の放射性炭素同位体１４Ｃの検出感度は「０．１ｄｐｍ／ｍｌ」程度、より好ましくは「０．１ｄｐｍ／ｍｌ」以下である。
なお、先行文献（廣本  和郎等、「キャビティーリングダウン分光に基づく１４Ｃ連続モニタリングの設計検討」、日本原子力学会春の年会予稿集、2010年3月19日、Ｐ432）には、原子力発電関連の使用済み燃料の濃度モニタリングに関連して、ＣＲＤＳにより二酸化炭素中の１４Ｃ濃度を測定する旨が開示されている。しかし、先行文献に記載された、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いた信号処理方法は、データ処理が早くなるものの、ベースラインのゆらぎが大きくなるため、検出感度「０．１ｄｐｍ／ｍｌ」を達成することは困難である。
【００４０】
以上、炭素同位体分析装置について実施形態を挙げて説明してきたが、炭素同位体分析装置は、上述の実施形態に係る装置に限定されることなく、種々の変更を加えることができる。以下に炭素同位体分析装置の変形例について変更点を中心に説明する。
【００４１】
分光装置は、振動吸収手段をさらに備えてもよい。分光装置の外部からの振動によりミラー間隔がずれることを防止して、測定精度を上げることができるからである。振動吸収手段としては、例えば衝撃吸収剤（高分子ゲル）や免震装置を用いることができる。免震装置としては外部振動の逆位相の振動を分光装置に与えることができる装置を用いることができる。
【００４２】
上述の実施形態においては、リングダウン信号の取得手段として、分光装置１０内においてピエゾ素子１３によるミラー間隔の調整を用いたが、リングダウン信号を得るために、光発生装置２０内において光共振器１１への光を遮断する光遮断装置を設けて光共振器に照射される照射光のオンオフ制御を行う構成としてもよい。光遮断装置としては、二酸化炭素同位体の吸収波長の光をすばやく遮断できる装置であれば特に制限されることなく種々の装置を用いることができ、例えば光学スイッチを用いることができる。なお、光共振器内の光の減衰時間よりも十分にすばやく光を遮断する必要がある。
【００４３】
（生体試料の前処理）
生体試料の前処理は、広義には、生体由来の炭素源除去工程と、夾雑ガス除去（分離）工程とが含まれる。が、ここでは、生体由来の炭素源除去工程を中心に説明する。
マイクロドーズ試験では極微量の１４Ｃ標識化合物が含まれる生体試料（例えば、血液、血漿、尿、糞、胆汁など）について分析が行われる。そのため、分析効率を上げるためには、生体試料の前処理を行うことが好ましい。ＣＲＤＳ装置の特性上、生体試料中１４Ｃと全炭素との比(１４Ｃ/TotalＣ)が測定の検出感度を決定する要素の一つであるため、生体試料中から生体由来の炭素源を除去することが好ましい。
【００４４】
（炭素同位体分析方法）
分析対象として放射性同位体１４Ｃを例にあげて説明する。
【００４５】
（イ）まず図１に示すような炭素同位体分析装置１を用意する。また放射性同位体１４Ｃ源として、１４Ｃを含む生体試料、例えば、血液、血漿、尿、糞、胆汁などを用意する。
（ロ）生体試料の前処理として除タンパクを行うことにより、生体由来炭素源を除去する。除タンパクの方法としては、酸や有機溶媒によりタンパク質の不溶化させる除タンパク法、分子サイズの違いを利用する限外濾過または透析による除タンパク法、固相抽出による除タンパク法等が例示できる。後述するように、１４Ｃ標識化合物の抽出が行えることや、有機溶媒自身の除去が容易であることから、有機溶媒による除タンパク法が好ましい。
有機溶媒を用いた除タンパク法の場合、まず生体試料に有機溶媒を添加し、タンパク質を不溶化する。このとき、タンパク質に吸着している１４Ｃ標識化合物が、有機溶媒含有溶液へ抽出される。１４Ｃ標識化合物の回収率を高めるために、前記有機溶媒含有溶液を別の容器に採取後、残差にさらに有機溶媒を添加し、抽出する操作を行ってもよい。前記抽出操作は複数回繰り返してもよい。なお、生体試料が糞である場合、肺など臓器である場合等、有機溶媒と均一に混合しにくい形態の場合には、該生体試料をホモジネートする等、生体試料と有機溶媒とが均一に混合されるための処理をすることが好ましい。また必要に応じて、不溶化したタンパク質を、遠心操作、フィルターによるろ過等により除去してもよい。
その後、有機溶媒を蒸発させることにより１４Ｃ標識化合物を含む抽出物を乾固させ、有機溶媒由来の炭素源を取り除く。前記有機溶媒は、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、またはアセトニトリル(ＡＣＮ)が好ましく、アセトニトリルがさらに好ましい。
【００４６】
（ハ）前処理後の生体試料を加熱・燃焼させて、放射性同位体１４Ｃ源から二酸化炭素同位体１４ＣＯ２を含むガスを生成する。そして、得られたガスからＮ2Ｏ、ＣＯを除去する。
【００４７】
（ニ）得られた１４ＣＯ２から水分を取り除く。例えば二酸化炭素同位体生成装置４０内にて、１４ＣＯ２を炭酸カルシウム等の乾燥剤上を通過させたり、１４ＣＯ２を冷却して水分を結露させることにより水分を除去することが好ましい。１４ＣＯ２に含まれる水分に起因する光共振器１１の着氷・着霜によるミラー反射率低下が検出感度を低下させるため、水分を除去しておくことで分析精度が上がるからである。なお、分光工程を考慮すると、分光装置１０へ１４ＣＯ２を導入する前に１４ＣＯ２を冷却しておくことが好ましい。室温の１４ＣＯ２を導入すると、共振器の温度が大きく変化し、分析精度が低下するためである。
【００４８】
（ホ）１４ＣＯ２を、図１に示すような１対のミラー１２ａ、１２ｂを有する光共振器１１内に充填する。そして１４ＣＯ２を２７３Ｋ（０℃）以下に冷却することが好ましい。照射光の吸収強度が高まるからである。また光共振器１１を真空雰囲気に保つことが好ましい。外部温度の影響を軽減させることで、測定精度が高まるからである。
【００４９】
（ヘ）光源２３からレーザー光を発生させ、得られた光を光ファイバー２１に伝送する。光源としてはＱＣＬを用いることが好ましい。光源２３からの光を分岐手段２８を用いて分岐させ、分岐させた光を集光レンズ２５ｂに集光し、集光させた光をミラー２５ａを用いて反射させ、ミラー２５ａと分岐手段２８を介して光源２３に送り返す（フィードバック工程）。
以上のようにして、二酸化炭素同位体１４ＣＯ２の吸収波長の４．５μｍ帯の光を照射光として発生させる。
【００５０】
（ト）二酸化炭素同位体１４ＣＯ２に照射光を照射し共振させる。その際、測定精度を上げるためには、光共振器１１の外部からの振動を吸収し、ミラー１２ａ、１２ｂ間隔にずれが生じないようにすることが好ましい。また照射光が空気に触れないように、光ファイバー２１の下流側の他端をミラー１２ａに当接させながら照射することが好ましい。そして光共振器１１からの透過光の強度を測定する。なお、リングダウン信号を得るためには、共鳴から非共鳴となるように、共振器長を高速に変化させるか、光共振器１１に入射する光を遮断する方法がある。ここでは、光学分離器（スイッチ）２９により、光共振器１１に入射する光を遮断している。
【００５１】
（チ）透過光の強度から炭素同位体１４Ｃ濃度を計算する。
【００５２】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
実施形態に係る炭素同位体分析装置においては、分析対象である炭素同位体として放射性同位体１４Ｃを中心に説明した。放射性同位体１４Ｃの他にも、安定同位体元素である１２Ｃ、１３Ｃを分析することができる。その場合の照射光としては、例えば、１２Ｃ及び１３Ｃ 分析を１２ＣＯ２及び１３ＣＯ２の吸収線分析として行う場合は、２μｍ帯や１．６μｍ帯の光を用いることが好ましい。
１２ＣＯ２、及び１３ＣＯ２の吸収線分析を行う場合、ミラー間隔は１０〜６０ｃｍ、ミラーの曲率半径はミラー間隔と同じかそれ以上、とすることが好ましい。
なお、１２Ｃ、１３Ｃ、１４Ｃはそれぞれ化学的には同じ挙動を示すが、安定同位体元素１２Ｃ、１３Ｃよりも放射性同位体１４Ｃの天然存在比が低いことから、放射性同位体１４Ｃはその濃度を人工的な操作により高くし、精度よく測定を行うことで様々な反応過程の観測が可能となる。
その他にも、例えば、実施形態において説明した構成を一部に含む医療診断装置、環境測定装置も同様に製造することができる。また実施形態において説明した光発生装置を測定装置として用いることができる。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【実施例】
【００５３】
以下に実施例を挙げて本発明をより詳しく説明する。なお、実施例において用いられた装置は特に限定されることなく、同様の機能を有するものであれば、他の装置を用いることができる。
図７はＱＣＬシステムの模式図である。このシステムは光フィードバックの研究に加えてＣＲＤＳ測定用に設計されている。ＦＰＩ（光共振器）、音響光学変調器（ＡＯＭ）および光ファイバ結合を含む全レーザシステムは６０×６０ｃｍ光学実験用光学台に組み込まれ、光ファイバ結合は６０×６０ｃｍ別の光学実験用光学台に組み込まれており、再調整なしに持ち運びが簡単にできる。【００５４】
２．実験手順
図７に光学レイアウトの模式図を示す。ＤＦＢ・ＱＣＬ（浜松ホトニクス社製、L12004-2209H-C）を低ノイズ電流駆動装置（Ｔｅａｍｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ，ＱＣＬ・ＬＡＢ１０００）により操作し、印加電流を操作することでレーザ波長を変調した。帰還のために５０／５０ビーム分割器（実際の反射率測定値Ｒ＝４０％）を用いてレーザ光の一部を取り出した。２５ｃｍから４ｍの可変遅延パスの後、この光を金鏡（いわゆる「キャットアイ」反射鏡として機能する）に集光させる。このキャットアイにより角度調整に及ぼす後方反射の依存性が小さくなることで、ＱＣＬへの容易な再入射が可能となる。【００５５】
レーザー出力と周波数変化に対するフィードバックの効果を検証するために、２つの５０：５０ビームスプリッタで構成されたファブリペロー共振器（ＦＳＲ＝１．８６ ＧＨｚ、フィネス４．５）を導入した。【００５６】
低コストで広帯域であり（＞１ＭＨｚ）、室温で動作可能な、２つのＩｎＡｓＳｂフォトダイオード（浜松ホトニクス、Ｐ１３２４３−０１１ＭＡ）を使用した。一方は出力パワーの参照用として、他方は低フィネスＦＰＩからの透過光を検出用として使用した。これらの結果から、ＱＣＬ電流スキャン中の、出力光強度で規格化されたＦＰＩ透過光信号が得られた。【００５７】
シングルモードファイバーにカップリングされた後、レーザー光はＣＲＤ共振器(反射率>９９．９８、長さ=３０ｃｍ、実験的に評価されたフィネスは約１０，０００)に導入された。ＣＲＤ共振器の共振器長はピエゾ素子によりスキャンした。光は、共振器の共鳴条件が、共振器長Ｌ=ｎλ／２（ｎ=１,２...、λ：波長）に近い場合にのみ、共振器を透過した。
典型的なリングダウン信号の測定においては、レーザーは音響光学変調器（ＡＯＭ、高速光スイッチとして動作）を用いてすばやく遮断される。ここで、後に示すレーザー線幅の評価の際にはＡＯＭは常にｏｎとなっていた。透過光は、液体窒素冷却型ＩｎＳｂ検出器で測定され、高速電流アンプにて増幅された。【００５８】
３．フィードバックの効果
傾斜三角波電圧を電流駆動装置の変調入力に印加することによりＱＣＬ電流を変調した。光フィードバックのない場合のために、キャットアイ反射装置の集束レンズの真後ろにビームブロックを取り付けた。
図８は出力の印加電流依存性を示す。フィードバックの影響が一目瞭然である。電流の減少中にフィードバックの強いヒステリシス効果に加え、ＱＣＬのモードホッピングによる出力の揺れは図８（ａ）におけるフィードバックによる外部キャビティのＦＳＲごとに起こっている。さらに、図８（ｂ）に示すように、電流の発振閾値は数パーセント減少する。この減少を監視することでフィードバックのレベルを最適化が容易になる、というのはフィードバックがより強いと発振閾値はより小さくなるからである。
図９は印加電流とＦＰＩ伝送信号の出力に及ぼす依存性を示す。ＱＣＬのモードホッピングはＦＰＩ波形により明確に観測されている。ＦＰＩの結果に、僅かな通例の振動数シフトが見られるが、再注入された出力からの熱の影響によるものと思われる。【００５９】
レーザー線幅に対するフィードバックの効果は、ＣＲＤ共振器の透過光をモニタリングすることで評価した。このために、ＱＣＬの電流は８５０ｍＡに固定され、透過光ピークの範囲で共振器長をゆっくりとスキャンした。【００６０】
図１０に、ＣＲＤ共振器の透過光ピークを示す。共鳴近傍の急峻な周波数依存性のために、信号の強度変調より、レーザー光源の発振周波数拡がりの情報が得られる。フィードバックがない場合、信号には多くのスパイクが広い範囲に渡って存在する。これは、ＱＣＬの周波数が高速に変動していることを示しており、おそらく使用したＱＣＬ電流ドライバのノイズに起因している。一方で、フィードバックがある場合のＱＣＬの透過光信号は、明瞭なシングルピークを示しており、わずかな変動しかないと言える。フィードバックありの場合の線幅は、およそＣＲＤ共振器の透過特性ピークの幅と同程度、約５０ｋＨｚ、であると見積もられる。このことから、フィードバックは、線幅を劇的に減少させることと言える。ノイズのパワー密度は、１００回の透過イベントの平均として示されている（図１１）。高周波数領域における強度変動は共振器のローパス特性によって一般的には減少されるが、１００ｋＨｚ以上の周波数領域で、光フィードバックにより３０ｄＢほどノイズレベルが減少した。より長いフィードバックパスはさらなるレーザーの安定化をもたらすようにみえるが、低周波数領域（音響周波数領域<５ｋＨｚ）でのノイズは増加した。この低周波数領域の増加は、フィードバックパスの音響振動や空気の流れ、温度の不安定性に起因するものと思われる。
【符号の説明】
【００６１】
１  炭素同位体分析装置
１０  分光装置
１１  光共振器
１２  ミラー
１３  ピエゾ素子
１５  光検出器
１６  セル
２０  光発生装置
２１  光ファイバー
２３  光源
２５  キャットアイ
２５ａ  ミラー
２５ｂ  集光レンズ
２９  光学分離器
３０  演算装置
４０  二酸化炭素同位体生成装置
６０  二酸化炭素同位体導入排出制御装置
６１ａ  導入管
６１ｂ  排出管６１ｂ
６３ａ  スリーポート弁
６３ｂ  導入弁
６３ｃ  排出弁
６５  ポンプ
【図１】
2018135619.tif 000003
【図２】
2018135619.tif 000004
【図３】
2018135619.tif 000005
【図４】
2018135619.tif 000006
【図５】
2018135619.tif 000007
【図６】
2018135619.tif 000008
【図７】
2018135619.tif 000009
【図８】
2018135619.tif 000010
【図９】
2018135619.tif 000011
【図１０】
2018135619.tif 000012
【図１１】
2018135619.tif 000013
【図１２】
2018135619.tif 000014
【国際調査報告】
2018135619.tif 000015
2018135619.tif 000016
2018135619.tif 000017
2018135619.tif 000018
2018135619.tif 000019
2018135619.tif 000020
2018135619.tif 000021
2018135619.tif 000022