(57)【要約】【課題】流通ガスに含まれる種々の測定対象物質の濃度、量等を高い応答性で高精度に計測すること。【解決手段】計測領域にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、計測領域にプラズマによって励起された測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射するレーザ照射手段と、計測領域で発生するプラズマに起因する電気的特性を電流で検出する電流検出手段と、電流検出手段で検出した電流値に基づいて流通ガスに含まれる測定対象物質を検出する解析装置とプラズマ発生手段、レーザ照射手段および解析装置の動作を制御する制御装置と、を有し、計測領域に設定した強度のプラズマが発生しており、かつ、プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長のレーザ光が照射されている状態で電流検出手段が検出した電流値と、それ以外の状態で電流検出手段が検出した電流値とを比較して、流通ガスに含まれる測定対象物質を検出すること。【選択図】図１
2013015344.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置であって、
前記流通ガスが流れる計測セルユニットと、
前記計測セルユニットの前記計測領域にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
前記計測セルユニットの前記計測領域に前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記計測領域で発生する前記プラズマに起因する電気的特性を電流で検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段で検出した電流値に基づいて流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する解析装置と、
前記プラズマ発生手段、前記レーザ照射手段および解析装置の動作を制御する制御装置と、を有し、
前記制御装置は、前記レーザ照射手段から出力するレーザ光の波長、前記レーザ照射手段から出力するレーザ光の出力強度および前記プラズマ発生手段で発生させるプラズマの強度の少なくとも１つを変化させ、
前記解析装置は、前記計測領域に設定した強度の前記プラズマが発生しており、かつ、前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長のレーザ光が照射されている状態で前記電流検出手段が検出した電流値と、それ以外の状態で前記電流検出手段が検出した電流値とを比較して、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出することを特徴とする物質計測装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記プラズマ発生手段により、前記計測領域で前記プラズマを発生させる状態と、前記計測領域で前記プラズマを発生させない状態とを周期的に切り換えること特徴とする請求項１に記載の物質計測装置。
【請求項３】
前記制御装置は、前記プラズマ発生手段により、前記計測領域で発生させる前記プラズマの強度を第１強度と第２強度とに周期的に切り換えさせること特徴とする請求項１に記載の物質計測装置。
【請求項４】
前記電流検出手段は、前記プラズマ発生手段が前記プラズマを周期的に変化させる変調信号を参照信号として、前記計測領域で発生する電流の検出値から前記参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する位相敏感検出器を有し、
前記位相敏感検出器で抽出した検出値に基づいて、前記電流検出手段で検出した電流値を検出することを特徴とする請求項２または３に記載の物質計測装置。
【請求項５】
前記制御装置は、前記レーザ照射手段により、出力するレーザ光の波長を前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長を中心として設定した周波数幅で周期的に変調させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記レーザ照射手段により、出力するレーザ光の波長を前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長を中心として設定した周波数幅で周期的に変調させ、さらに、前記測定対象物質の励起波長を中心として設定した周波数幅よりも短い周波数幅でかつ前記測定対象物質の励起波長を中心として設定した周波数幅で周期的に変調させる周波数よりも短い周波数で変調させることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項７】
前記制御装置は、前記レーザ照射手段により、レーザ光を出力する状態と、レーザ光を出力しない状態とを周期的に切り換えること特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項８】
前記レーザ照射手段が出力するレーザ光を周期的に変化させる変調信号を参照信号として、前記計測領域で発生する電流の検出値から前記参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する前記位相敏感検出器を、前記レーザ光を周期的に変化させる変調信号の周波数成分毎に有し、
抽出する周波数成分の周波数が大きい前記位相敏感検出器から順に前記計測領域で発生する電流の検出値に対して抽出処理を行い、抽出した検出値に基づいて、前記電流検出手段で検出した電流値を検出することを特徴とする請求項４から７のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項９】
前記計測領域を通過したレーザ光の強度を検出するレーザ強度検出手段を、さらに有し、
前記解析装置は、前記前記レーザ強度検出手段で検出したレーザ光強度に基づいて、前記電流検出手段で検出した電流値に含まれる前記レーザ光強度の影響を補正して測定対象物質を検出することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１０】
前記レーザ強度検出手段は、前記計測領域を通過したレーザ光を受光する第１受光装置と、前記計測セルユニットの前記計測領域の周囲を通過する背景光を受光する第２受光装置と、
前記第１受光装置で検出した光の検出値から前記第２受光装置で受光した光の検出値を減算する差分検出器と、
前記差分検出器で検出した検出値からレーザ光の検出成分を抽出する信号処理装置と、を有し、
前記差分検出器で検出した値に基づいてレーザ光の強度を検出することを特徴とする請求項９に記載の物質計測装置。
【請求項１１】
前記レーザ強度検出手段は、前記計測領域を通過したレーザ光を受光する受光装置と、
前記受光装置で検出した検出値からレーザ光の検出成分を抽出する信号処理装置と、を有することを特徴とする請求項９に記載の物質計測装置。
【請求項１２】
前記計測セルユニットは、前記計測領域と前記受光装置の間に配置されている窓部を有し、
前記窓部は、前記レーザ光が通過する領域の周りが光を透過しない部材で形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の物質計測装置。
【請求項１３】
前記信号処理装置は、前記レーザ照射手段から出力するレーザ光の波長、前記レーザ照射手段から出力するレーザ光の出力強度および前記プラズマ発生手段で発生させるプラズマの強度の少なくとも１つを変調させる場合の全ての変調周波数の成分を低減するローパスフィルタであることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１４】
前記解析装置は、前記流通ガスに含まれる前記測定対象物質の濃度を検出することを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１５】
前記測定対象物質は、重金属であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１６】
前記測定対象物質は、水銀、鉛、クロム、コバルト、カドミウム、砒素の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の物質計測装置。
【請求項１７】
流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測方法であって、
計測セルユニットに前記流通ガスを流すステップと、
前記計測セルユニットの計測領域にプラズマを発生させ、前記計測セルユニットの前記計測領域に前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射する第１計測ステップと、
前記第１計測ステップで前記計測領域に発生する前記プラズマに起因する電気的特性を電流で検出する第１電流計測ステップと、
前記第１計測ステップで出力するレーザ光の波長、前記第１計測ステップで出力するレーザ光の出力強度および前記第１計測ステップで発生させるプラズマの強度の少なくとも１つを変化させる第２計測ステップと、
前記第２計測ステップで前記計測領域に発生するプラズマに起因する電気的特性を電流で検出する第２電流計測ステップと、
前記第１電流計測ステップで検出した検出値と、前記第２電流計測検出ステップで検出した電流値とを比較して、前記流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する物質検出ステップと、を有することを特徴とする物質計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管路内を流れる流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置および物質計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、内燃機関、焼却炉等の燃焼機関から排出されるガスは、種々の物質（ガス状物質、粒子状物質等）が混合した混合ガスとなっている。このように混合ガスに含まれる物質には、種々の物質が含まれるため、混合ガスに有毒な物質が含まれているかを検知したい場合がある。また、試験、評価等のために、混合ガスに含まれる特定物質の濃度、量を検出したい場合もある。これに対して、複数のガス状物質で構成されている混合ガスの中から特定の物質の濃度、量を計測する種々の装置が提案されている。
【０００３】
例えば、本件出願人が出願した特許文献１には、管路内を流れるガス（主に流通ガス）に含まれる特定物質の濃度計測方法として、管路の所定経路に、レーザ光を通過させ、その入出力から測定対象の特定物質の濃度を計測する方法が記載されている。具体的には、測定対象とされるガス状物質に固有な吸収波長のレーザ光を発振する光源と、この光源から発振されるレーザ光の発振波長を少なくとも２つの異なる周波数で変調する手段と、この変調手段により変調されたレーザ光をガス状物質が存在する測定領域に導く手段と、この測定領域において透過または反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、この受光手段で受光した信号の中から変調された信号を周波数毎に順次それぞれ復調する複数の位相敏感検波器と、を具備することを特徴とするガス濃度計測装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３３４２４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の装置は、高い応答性で測定対象の特定物質（測定対象物質）を計測することができる。しかしながら、特許文献１に記載の装置は、測定対象の特定物質が近赤外域に吸収波長のある物質である必要があり、また、測定対象の特定物質の吸収波長のレーザ光を出力する光源が必要となる。そのため、測定対象とすることができる物質が限られてしまう。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、流通ガスに含まれる種々の物質を測定対象物質とすることができ、測定対象物質の濃度、量等を高い応答性で高精度に計測することが可能である物質計測装置および物質計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測装置であって、前記流通ガスが流れる計測セルユニットと、前記計測セルユニットの前記計測領域にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記計測セルユニットの前記計測領域に前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、前記計測領域で発生する前記プラズマに起因する電気的特性を電流で検出する電流検出手段と、前記電流検出手段で検出した電流値に基づいて流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する解析装置と、前記プラズマ発生手段、前記レーザ照射手段および解析装置の動作を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記レーザ照射手段から出力するレーザ光の波長、前記レーザ照射手段から出力するレーザ光の出力強度および前記プラズマ発生手段で発生させるプラズマの強度の少なくとも１つを変化させ、前記解析装置は、前記計測領域に設定した強度の前記プラズマが発生しており、かつ、前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長のレーザ光が照射されている状態で前記電流検出手段が検出した電流値と、それ以外の状態で前記電流検出手段が検出した電流値とを比較して、流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出することを特徴とする。
【０００８】
ここで、前記制御装置は、前記プラズマ発生手段により、前記計測領域で前記プラズマを発生させる状態と、前記計測領域で前記プラズマを発生させない状態とを周期的に切り換えることが好ましい。
【０００９】
また、前記制御装置は、前記プラズマ発生手段により、前記計測領域で発生させる前記プラズマの強度を第１強度と第２強度とに周期的に切り換えさせることが好ましい。
【００１０】
また、前記電流検出手段は、前記プラズマ発生手段が前記プラズマを周期的に変化させる変調信号を参照信号として、前記計測領域で発生する電流の検出値から前記参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する位相敏感検出器を有し、前記位相敏感検出器で抽出した検出値に基づいて、前記電流検出手段で検出した電流値を検出することが好ましい。
【００１１】
また、前記制御装置は、前記レーザ照射手段により、出力するレーザ光の波長を前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長を中心として設定した周波数幅で周期的に変調させることが好ましい。
【００１２】
また、前記制御装置は、前記レーザ照射手段により、出力するレーザ光の波長を前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長を中心として設定した周波数幅で周期的に変調させ、さらに、前記測定対象物質の励起波長を中心として設定した周波数幅よりも短い周波数幅でかつ前記測定対象物質の励起波長を中心として設定した周波数幅で周期的に変調させる周波数よりも短い周波数で変調させることが好ましい。
【００１３】
また、前記制御装置は、前記レーザ照射手段により、レーザ光を出力する状態と、レーザ光を出力しない状態とを周期的に切り換えることが好ましい。
【００１４】
また、前記レーザ照射手段が出力するレーザ光を周期的に変化させる変調信号を参照信号として、前記計測領域で発生する電流の検出値から前記参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する前記位相敏感検出器を、前記レーザ光を周期的に変化させる変調信号の周波数成分毎に有し、抽出する周波数成分の周波数が大きい前記位相敏感検出器から順に前記計測領域で発生する電流の検出値に対して抽出処理を行い、抽出した検出値に基づいて、前記電流検出手段で検出した電流値を検出することが好ましい。
【００１５】
また、前記計測領域を通過したレーザ光の強度を検出するレーザ強度検出手段を、さらに有し、前記解析装置は、前記前記レーザ強度検出手段で検出したレーザ光強度に基づいて、前記電流検出手段で検出した電流値に含まれる前記レーザ光強度の影響を補正して測定対象物質を検出することが好ましい。
【００１６】
また、前記レーザ強度検出手段は、前記計測領域を通過したレーザ光を受光する第１受光装置と、前記計測セルユニットの前記計測領域の周囲を通過する背景光を受光する第２受光装置と、前記第１受光装置で検出した光の検出値から前記第２受光装置で受光した光の検出値を減算する差分検出器と、前記差分検出器で検出した検出値からレーザ光の検出成分を抽出する信号処理装置と、を有し、前記差分検出器で検出した値に基づいてレーザ光の強度を検出することが好ましい。
【００１７】
また、前記レーザ強度検出手段は、前記計測領域を通過したレーザ光を受光する受光装置と、前記受光装置で検出した検出値からレーザ光の検出成分を抽出する信号処理装置と、を有することが好ましい。
【００１８】
また、前記計測セルユニットは、前記計測領域と前記受光装置の間に配置されている窓部を有し、前記窓部は、前記レーザ光が通過する領域の周りが光を透過しない部材で形成されていることが好ましい。
【００１９】
また、前記信号処理装置は、前記レーザ照射手段から出力するレーザ光の波長、前記レーザ照射手段から出力するレーザ光の出力強度および前記プラズマ発生手段で発生させるプラズマの強度の少なくとも１つを変調させる場合の全ての変調周波数の成分を低減するローパスフィルタであることが好ましい。
【００２０】
また、前記解析装置は、前記流通ガスに含まれる前記測定対象物質の濃度を検出することが好ましい。
【００２１】
また、前記測定対象物質は、重金属であることが好ましい。
【００２２】
また、前記測定対象物質は、水銀、鉛、クロム、コバルト、カドミウム、砒素の少なくとも１つであることが好ましい。
【００２３】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、流通ガスに含まれる測定対象物質を計測する物質計測方法であって、計測セルユニットに前記流通ガスを流すステップと、前記計測セルユニットの計測領域にプラズマを発生させ、前記計測セルユニットの前記計測領域に前記プラズマによって励起された前記測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射する第１計測ステップと、前記第１計測ステップで前記計測領域に発生する前記プラズマに起因する電気的特性を電流で検出する第１電流計測ステップと、前記第１計測ステップで出力するレーザ光の波長、前記第１計測ステップで出力するレーザ光の出力強度および前記第１計測ステップで発生させるプラズマの強度の少なくとも１つを変化させる第２計測ステップと、前記第２計測ステップで前記計測領域に発生するプラズマに起因する電気的特性を電流で検出する第２電流計測ステップと、前記第１電流計測ステップで検出した検出値と、前記第２電流計測検出ステップで検出した電流値とを比較して、前記流通ガスに含まれる前記測定対象物質を検出する物質検出ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、流通ガスに含まれる種々の物質を測定対象物質とすることができ、測定対象物質の濃度、量等を高い応答性で高精度に計測することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、ＲＦ制御装置で生成されるＲＦ制御信号の一例を示す波形図である。
【図３】図３は、半導体レーザ制御装置で生成されるレーザ光の発振信号の一例を示す波形図である。
【図４】図４は、濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。
【図５】図５は、濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。
【図６】図６は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図７】図７は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図８】図８は、ＲＦ制御装置で生成されるＲＦ制御信号の一例を示す波形図である。
【図９】図９は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１０】図１０は、半導体レーザ制御装置で生成されるレーザ光の発振信号の一例を示す波形図である。
【図１１】図１１は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１２】図１２は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１３】図１３は、半導体レーザ制御装置で生成されるレーザ光の発振信号の一例を示す波形図である。
【図１４】図１４は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図１５】図１５は、半導体レーザ制御装置で生成されるレーザ光の発振信号の一例を示す波形図である。
【図１６】図１６は、図１５に示すレーザ光の発振信号の一部を拡大して示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明にかかる物質計測装置および物質計測方法の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。例えば、本実施形態では、物質計測装置および物質計測方法として、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度を計測するが、本発明はこれに限定されず、ガスに含まれる測定対象物質の量を計測してもよい。物質計測装置および物質計測方法は、管路を流れる種々のガスを流通ガスとすることができる。例えば、物質計測装置をディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガスを流通ガスとし、流通ガスに含まれる測定対象物質を計測することができる。なお、排ガスを排出する機関、つまり測定対象のガスを排出（供給）する装置は、これに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。さらに、ゴミ焼却炉から排出されるガスを流通ガスとして、流通ガスに含まれる種々の物質を測定対象物質として計測することもできる。
【００２７】
［実施形態１］
図１は、本発明の濃度計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。濃度計測装置１０は、計測対象配管８を流れる流通ガスの一部を採取（サンプリング）して、流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度を計測する物質計測装置である。濃度計測装置１０は、図１に示すように、計測セルユニット１２と、プラズマ発生手段１３と、レーザ光照射手段１４と、レーザ強度検出手段１６と、電流検出手段２０と、解析装置２２と、制御装置２４と、を有する。
【００２８】
計測セルユニット１２は、計測対象配管８と接続されており流通ガスＧを案内する経路および流通ガス含まれる測定対象物質を計測する計測領域を構成する。計測セルユニット１２は、計測セル３２と、流入管３４と、排出管３６と、ポンプ４２と、を有する。
【００２９】
計測セル３２は、筒形状の部材であり、内部に流通ガスＧが流れる。計測セル３２の筒形状の一方の端部（図１中左側、上面）には窓３８が配置され、他方の端部（図１中右側、下面）には窓４０が配置されている。つまり、計測セル３２は、筒形状の上面と下面が、それぞれ窓３８、窓４０に塞がれた形状となっている。なお、窓３８、４０は、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、計測セル３２は、窓３８、４０が設けられている両端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。つまり、計測セル３２の外部から内部に光を入射させ、計測セル３２の内部から外部に光を射出させることができる。
【００３０】
流入管（サンプリング配管）３４は、計測対象配管８と接続し、計測対象配管８を流れる流通ガスＧの一部を捕集する配管である。流入管３４は、一方の端部（流通ガスＧの流れ方向において上流側の端部）が計測対象配管８の内部に配置されており、他方の端部（流通ガスＧの流れ方向において下流側の端部）が、計測対象配管８の外部に配置されている。また、流入管３４は、他方の端部が計測セル３２の側面（周面）の窓３８側に接続されている。流入管３４は、一方の端部の開口面が流通ガスＧの流れ方向に対して、直交または、直交方向よりも下流側に向けた向きで配置されている。これにより流入管３４は、捕集した流通ガスＧに含まれる煤塵等を少なくすることができる。
【００３１】
排出管３６は、一方の端部が、計測セル３２の側面（周面）の窓４０側に接続され、他方の端部が、より下流側の配管（ポンプ４２が配置されている配管）と接続されている。ポンプ４２は、流通ガスＧの流れ方向において、計測セル３２の下流側となる排出管３６に配置されている。ポンプ４２は、流通ガスＧが流入管３４から計測セル３２に向けて流れる向きに、空気を吸引する。
【００３２】
計測セルユニット１２は、計測対象配管８を流れる流通ガスＧの一部を流入管３４で捕集し、流入管３４から計測セル３２に供給する。また、計測セルユニット１２は、計測セル３２を流れた流通ガスＧを排出管３６から外部に排出する。このようにして計測セルユニット１２は、計測対象配管８を流れる流通ガスＧの一部を流入管３４、計測セル３２、排出管３６の順で流す流路を形成する。また、計測セルユニット１２は、ポンプ４２で流通ガスＧを吸引することで、流通ガスＧが流入管３４、計測セル３２、排出管３６の順で流れる流量を適宜調整することができる。
【００３３】
プラズマ発生手段１３は、計測セル３２の内部にプラズマを発生させる機構であり、ＲＦ（高周波、Radio Frequency）発振器４４と、銅リング４６、４７と、ＲＦ制御装置４８と、を有する。ＲＦ発振器４４は、高周波の電圧を発生させる発振器である。ＲＦ発振器４４は、発生させた高周波の電圧を銅リング４６と銅リング４７とに印加する。銅リング４６と銅リング４７とは、計測セル３２の外周に配置されている。銅リング４６と銅リング４７とは、所定の間隔で離れた位置に配置されている。ＲＦ制御装置４８は、ＲＦ制御信号を生成し、ＲＦ発振器４４に送る。ＲＦ制御信号は、ＲＦ発振器４４で発生させる高周波の電圧の周波数や電圧値を制御する信号である。また、本実施形態のＲＦ制御装置４８は、ＲＦ発振器４４で発生させる高周波の電圧値が周期的に変化する制御信号を生成する。また、ＲＦ制御装置４８は、ＲＦ発振器４４に供給するＲＦ制御信号と同期した制御信号であるＲＦ制御参照信号を電流検出手段２０の後述する第２位相敏感検出器８４に送る。
【００３４】
図２は、ＲＦ制御装置で生成されるＲＦ制御信号の一例を示す波形図である。図２に示すグラフは、縦軸を出力の指数とし、横軸を時間とする。縦軸の出力の指数は、模式的な数値である。本実施形態の出力値＝０は、計測領域でプラズマを発生させない電圧を印加する信号である。出力値＝１は、計測領域でプラズマを発生させる所定の高周波の電圧を印加する信号である。本実施形態のＲＦ制御装置４８は、図２に示すように一波長９２が出力０と出力１が交互に切り換る方形波形状となり、当該一波長９２が周波数５００Ｈｚの周期で繰り返す信号をＲＦ制御信号、ＲＦ制御参照信号として出力する。
【００３５】
プラズマ発生手段１３は、以上のような構成であり、ＲＦ発振器４４は、ＲＦ制御装置４８から供給されるＲＦ制御信号に基づいて銅リング４６と銅リング４７とに高周波の電圧を印加する。プラズマ発生手段１３は、銅リング４６と銅リング４７とに高周波の電圧を印加することで、銅リング４６と銅リング４７との間にプラズマＰを発生させる。
【００３６】
レーザ光照射手段１４は、半導体レーザ発振装置５０と、光ファイバ５２と、半導体レーザ制御装置５４と、を有する。
【００３７】
半導体レーザ発振装置５０は、測定対象物質がプラズマで励起された状態の励起準位に相当する波長のレーザ光を出力する。半導体レーザ発振装置５０は、発光素子として半導体レーザ（レーザーダイオード、ＬＤ）を有する。なお、本実施形態では、レーザ光を出力する発光装置として、発光素子に半導体レーザを用いた半導体レーザ発振装置５０を用いたが、発光装置はこれに限定されない。発光装置は、レーザ光を出力する機構であればよい。半導体レーザ発振装置５０は、入力される信号に基づいて出力するレーザ光の波長や強度を調整することができる。
【００３８】
光ファイバ５２は、一方の端部が半導体レーザ発振装置５０に連結され、他方の端部が窓３８に連結されている。光ファイバ５２は、他方の端部の先端が計測セル３２の内部に露出している。光ファイバ５２は、半導体レーザ発振装置５０から出力されるレーザ光Ｌを計測セル３２内に案内する。
【００３９】
半導体レーザ制御装置５４は、レーザ制御信号を生成し、半導体レーザ発振装置５０に送る。レーザ制御信号は、半導体レーザ発振装置５０から出力するレーザ光の波長や強度を制御する信号である。半導体レーザ発振装置５０は、レーザ光の波長および強度の少なくとも一方を周期的に変化させるレーザ制御信号を生成する。また、半導体レーザ制御装置５４は、半導体レーザ発振装置５０に供給するレーザ制御信号と同期した制御信号であるレーザ制御参照信号を電流検出手段２０の後述する第１位相敏感検出器８２に送る。
【００４０】
ここで、図３は、半導体レーザ制御装置で生成されるレーザ光の発振信号の一例を示す波形図である。図３に示すグラフは、縦軸をレーザ光の波長（出力）の指数とし、横軸を時間とする。縦軸の波長（出力）の指数は、模式的な数値である。本実施形態の出力値＝０は、基準となる波長（プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長）である。出力値＝１、−１は、プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長から一定波長離れた波長である。本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、図３に示すように一波長９４がｓｉｎ波となり、当該一波長９４が周波数１０ｋＨｚの周期で繰り返す信号をレーザ制御信号、レーザ制御参照信号として出力する。これにより、半導体レーザ発振装置５０は、出力するレーザ光の波長が、所定の波長幅（指数−１から１に対する波長幅）で正弦波の波形となるように周波数１０ｋＨｚの周期で時間変化する。
【００４１】
レーザ光照射手段１４は、以上のような構成であり、半導体レーザ制御装置５４から半導体レーザ発振装置５０にレーザ制御信号が送信される。半導体レーザ発振装置５０は、レーザ制御信号に基づいてレーザ光Ｌを出力し、出力したレーザ光Ｌを光ファイバ５２に入射させる。光ファイバ５２は、入射されたレーザ光Ｌを案内して、計測セル３２内に入射させる。
【００４２】
レーザ強度検出手段１６は、受光装置６０と、信号処理装置６２と、を有する。受光装置６０は、計測セル３２の内部を通過し、窓４０から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、受光装置６０は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光装置６０は、受光したレーザ光の強度を信号として、信号処理装置６２に送る。信号処理装置６２は、受光装置６０が受信した信号からノイズ成分を除去し、計測セル３２を通過したレーザ光Ｌのレーザ強度を示すレーザ強度信号を生成する。信号処理装置６２は、信号の高周波成分を低減するローパスフィルタや、所定の周波数成分のみを抽出するロックインアンプ（位相敏感検出器）等で構成される。信号処理装置６２は、生成したレーザ強度信号を解析装置２２に送る。
【００４３】
電流検出手段２０は、電流検出部８０と、第１位相敏感検出器８２と、第２位相敏感検出器８４と、を有する。
【００４４】
電流検出部８０は、計測セル３２の銅リング４６と銅リング４７との間のプラズマＰが発生する領域（計測領域）に発生するプラズマＰに起因する電気的特性を電流で検出する機構である。電流検出部８０は、計測セル３２の銅リング４６と銅リング４７と挟まれた領域の外周にまきつけられたコイルと、コイルに流れた電流を電流値の信号として検出する回路と、を有する。電流検出部８０は、計測領域で発生したプラズマＰによってコイルに流れる電流を検出する。また、電流検出部８０は、計測領域で発生したプラズマＰの状態に応じて、流れる電流が変化する。
【００４５】
第１位相敏感検出器８２は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第１位相敏感検出器８２は、半導体レーザ制御装置５４から送られたレーザ制御参照信号を参照信号として、電流検出部８０から送られた電流値信号から、レーザ制御参照信号の位相に対応する成分を抽出する。つまり、第１位相敏感検出器８２は、電流値信号からレーザ制御参照信号の位相に対応して変化する成分（同一の周波数で変化する成分）を抽出する。第１位相敏感検出器８２は、参照信号であるｓｉｎ波のレーザ制御参照信号に基づいて一波長において同一波長となる２つの位相の成分を検出するいわゆる２ｆ検波（参照周波数の２倍の周波数）で成分を抽出する。第１位相敏感検出器８２は、検出した信号を第２位相敏感検出器８４に送る。なお、第１位相敏感検出器８２は、半導体レーザ制御装置５４から送られたレーザ制御参照信号を参照信号として、電流検出部８０から送られた電流値信号に対してロックイン処理を行う、つまり、処理対象の信号に含まれる参照信号の周波数の成分以外の成分を低減させる処理を行ういわゆるロックイン処理を行うロックインアンプを用いてもよい。
【００４６】
第２位相敏感検出器８４は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第２位相敏感検出器８４は、ＲＦ制御装置４８から送られたＲＦ制御参照信号を参照信号として、第１位相敏感検出器８２から送られた電流値信号から、ＲＦ制御参照信号の位相に対応する成分を抽出する。第２位相敏感検出器８４は、参照信号である方形波のＲＦ制御参照信号に基づいて一波長において１つの位相の成分を検出するいわゆる１ｆ検波で成分を抽出する。第２位相敏感検出器８４は、検出した信号を解析装置２２に送る。なお、電流検出手段２０は、第１位相敏感検出器８２と第２位相敏感検出器８４のように、複数の位相敏感検出器で処理を行う場合、参照信号の周波数が高い方の位相敏感検出器での処理を先に実行する。本実施形態は、ＲＦ制御参照信号が５００Ｈｚであり、レーザ制御参照信号の周波数が１０ｋＨｚであるため、電流検出手段２０は、レーザ制御参照信号を参照信号として信号を処理する第１位相敏感検出器８２による処理を行った後、第２位相敏感検出器８４による処理を行う。
【００４７】
解析装置２２は、電流検出手段２０で検出したプラズマに起因して発生する電流値に基づいて流通ガスＧに含まれる測定対象物質濃度を計測する。また、解析装置２２は、レーザ強度信号に基づいて、電流検出手段２０で検出したプラズマに起因して発生する電流値に含まれるレーザ強度の影響を補正し、流通ガスＧに含まれる測定対象物質濃度を算出する。
【００４８】
解析装置２２は、電流検出手段２０で検出したプラズマに起因して発生する電流値に基づいて、計測セル３２内の計測領域にプラズマが発生しておりかつ計測領域にプラズマによって励起された測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射している状態で電流検出手段２０により検出した電流値と、それ以外の状態（本実施形態では計測セル３２にプラズマが発生していない状態）で電流検出手段２０により検出した電流値とを比較して、流通ガスＧに含まれる測定対象物質の濃度を検出する。なお、本実施形態の濃度計測装置１０は、電流検出手段２０が第１位相敏感検出器８２と、第２位相敏感検出器８４により、電流値信号に含まれる各種成分のうち、レーザ制御参照信号とＲＦ制御参照信号とに対応する信号成分を抽出している。これにより、濃度計測装置１０は、電流検出手段２０で検出された信号として、上述した比較した結果の少なくとも一部を実行した信号を取得することができ、解析装置２２での演算を低減することができる。
【００４９】
制御装置２４は、ＲＦ制御装置４８、半導体レーザ制御装置５４、解析装置２２の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて各部の動作を制御する。具体的には、制御装置２４は、ＲＦ制御装置４８および半導体レーザ制御装置５４で生成する制御信号の周波数、強度、出力タイミング等を制御する。また、制御装置２４は、解析装置２２に解析に必要な条件の設定も実行する。濃度計測装置１０は、以上のような構成である。
【００５０】
次に、図４および図５を用いて、濃度計測装置１０の動作を説明する。図４および図５は、それぞれ濃度計測装置の動作を説明するフロー図である。
【００５１】
濃度計測装置１０の制御装置２４は、ステップＳ１２として流通ガスの流通を開始する。具体的には、制御装置２４は、計測対象配管８に流通ガスが流れている状態で、測定が開始の指示が入力されると、ポンプ４２を駆動させ、計測対象配管８に流れている流通ガスを流入管３４から吸引する。
【００５２】
制御装置２４は、ステップＳ１２で流通ガスの流通を開始したら、ステップＳ１４として、プラズマ発生手段１３を駆動し、計測セル３２の計測領域にプラズマＰを発生させる。ここで、プラズマ発生手段１３は、図２で上述したように、周波数５００Ｈｚの方形波の信号に基づいてプラズマＰを発生させる。つまり、プラズマ発生手段１３は、高周波電圧を印加する状態と高周波電圧を印加しない状態とを一定間隔で切り換えて、高周波電圧の印加をＯＮ／ＯＦＦする。これにより、計測領域は、プラズマが発生している状態とプラズマが発生していない状態とが周波数５００Ｈｚで繰り返される。
【００５３】
制御装置２４は、ステップＳ１４でプラズマ発生手段１３を駆動したら、ステップＳ１６として、レーザ光照射手段１４を駆動し、計測領域にレーザ光Ｌを照射する。ここで、レーザ光照射手段１４は、図３で上述したように、周波数１０ｋＨｚのｓｉｎ波の信号に基づいてレーザ光Ｌを発生させる。つまり、レーザ光照射手段１４は、プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長を中心波長として、一定の波長幅で波長をｓｉｎ波の時間変調させたレーザ光Ｌを照射する。これにより、計測領域に入射するレーザ光Ｌは、時間により波長が周期的に変化する。なお、制御装置２４は、ステップＳ１２からステップＳ１６の処理の順番は特に限定されない。
【００５４】
制御装置２４は、ステップＳ１６でレーザ光照射手段１４を駆動したら、ステップＳ１８として、電流の検出を行う。具体的には、上述したように電流検出手段２０により計測セル３２に発生するプラズマに起因する特性を計測セル３２の周囲に巻いたコイルで電流として検出する。
【００５５】
制御装置２４は、ステップＳ１８で電流を検出したら、ステップＳ２０としてレーザ強度（レーザ光の強度）を検出する。具体的には、計測セル３２の計測領域を通過し窓４０を通過したレーザ光Ｌを受光装置６０で検出し、受光装置６０で検出したレーザ光Ｌに含まれるノイズ等を信号処理装置６２で除去することで、計測領域を通過したレーザ光Ｌの強度を検出する。なお、制御装置２４は、ステップＳ１８の処理とステップＳ２０の処理の順番を逆にしてもよい。
【００５６】
制御装置２４は、ステップＳ２０でレーザ光の強度を検出したら、ステップＳ２２として濃度を検出する。制御装置２４は、解析装置２２により、ステップＳ１８とステップＳ２０の結果を用いて計測領域を流れる流通ガスＧに含まれる測定対象物質の濃度を検出する。なお、検出方法は後述する。
【００５７】
制御装置２４は、ステップＳ２２で濃度を検出したら、ステップＳ２４で検出処理終了か（測定対象物質の濃度の検出を終了するか）を判定する。制御装置２４は、ステップＳ２４で処理終了ではない（Ｎｏ）と判定した場合、ステップＳ１８に進み、ステップＳ１８からステップＳ２２を実行する。また、制御装置２４は、ステップＳ２４で処理終了である（Ｙｅｓ）と判定した場合、本処理を終了する。
【００５８】
以下、図５を用いて濃度検出の一例について説明する。解析装置２２は、ステップＳ３０として第１条件での電流を検出する。ここで、第１条件とは、計測セル３２内の計測領域にプラズマが発生しておりかつ計測領域にプラズマによって励起された測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射している状態である。本実施形態では、プラズマ発生手段１３でプラズマがＯＮ（図２のグラフの信号の出力＝１）で、レーザ光Ｌの波長がプラズマによって励起された測定対象物質の励起波長（図３のグラフで波長＝０）の場合が第１条件となる。本実施形態では、ＲＦ制御信号（ＲＦ制御参照信号）の周波数が５００Ｈｚであり、レーザ制御信号（レーザ制御参照信号）の周波数が１０ｋＨｚであるため、プラズマ発生手段１３で１回プラズマがＯＮになっている間、レーザ光Ｌの波長が複数回プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長となる。
【００５９】
解析装置２２は、ステップＳ３０で第１条件での電流を検出したら、ステップＳ３２として、第２条件での電流を検出する。ここで、第２条件とは、第１条件以外の条件、計測セル３２内の計測領域にプラズマが発生していないまたは計測領域にプラズマによって励起された測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射していない状態である。本実施形態では計測セル３２にプラズマが発生していない状態で計測領域にプラズマによって励起された測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射している状態である。本実施形態では、プラズマ発生手段１３でプラズマがＯＦＦ（図２のグラフの信号の出力＝０）で、レーザ光Ｌの波長がプラズマによって励起された測定対象物質の励起波長（図３のグラフで波長＝０）の場合が第２条件となる実施形態も、プラズマがＯＦＦになっている間に複数回第２条件を満たす状態となる。また、本実施形態では、計測セル３２にプラズマが発生している状態で計測領域にプラズマによって励起された測定対象物質の励起波長を含むレーザ光を照射していない状態も第２条件とする。
【００６０】
解析装置２２は、ステップＳ３２で第２条件での電流を検出したら、ステップＳ３４として、差分を検出する。具体的には、第１条件で算出した電流値と第２条件で算出した電流値との差分を算出する。これにより、プラズマが発生していない状態の電流値とプラズマが発生している状態の電流値の差分を検する。また、プラズマが発生している状態でレーザ光の波長が励起波長である場合の電流値と、励起波長ではない場合の電流値と、の差分を検出する。解析装置２２は、第１条件と第２条件との差分を検出することで、プラズマによって励起された測定対象物質に励起波長のレーザ光を照射することで発生する電流の変化値を検出する。なお、本実施形態では、上述したように電流検出手段２０の第１位相敏感検出器８２と第２位相敏感検出器８４とで所定の位相成分を抽出することで、電流値の一部の差分を検出する。
【００６１】
解析装置２２は、ステップＳ３４で差分を検出したら、ステップＳ３６として補正処理を行う。解析装置２２は、ステップＳ３４で検出した電流値の差分を、レーザ光の強度に基づいて補正する。つまり、レーザ光の強度を加味することで、算出した電流値の差分を濃度に比例する電流値とする。
【００６２】
解析装置２２は、ステップＳ３６で補正処理を行ったら、ステップＳ３８として濃度を算出する。具体的には、ステップＳ３６で補正した差分の電流値に基づいて、測定対象物質の濃度を算出する。解析装置２２は、ステップＳ３８の処理を行ったら本処理を終了する。
【００６３】
濃度計測装置１０は、以上のように、計測セル３２にプラズマを発生させ、測定対象物質を励起状態とし、プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長のレーザ光を照射し、測定対象物質をさらに励起させ、当該励起状態の変化により生じるプラズマの状態の変化を電流で計測することで、測定対象の物質の濃度を計測することができる。
【００６４】
また、プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長のレーザ光を照射することで発生するプラズマ状態の変化を検出することで、短時間で、かつ、高い精度で濃度を計測することができる。つまり、プラズマの発生状態とレーザ光の波長は、短い周期で（高い周波数）で変調することができるため、短時間で計測することができる。
【００６５】
また、濃度計測装置１０は、測定対象物質をプラズマで励起することで、種々の物質を測定対象とすることができる。例えば、測定対象の吸収波長の近赤外の波長域のレーザ光を照射し、レーザ光の吸収を計測するＴＤＬＡＳ法では計測することができない物質も計測することができる。
【００６６】
濃度計測装置１０は、プラズマの発生状態およびレーザ光の波長を周期的に変化させることで、第１条件と第２条件との差分、つまり測定対象物質を励起状態とし、プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長のレーザ光を照射し、測定対象物質をさらに励起させた状態と、それ以外の状態との差分を計測することができる。これにより、それ以外の状態を基準として、測定対象物質を励起状態とし、プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長のレーザ光を照射し、測定対象物質をさらに励起させた状態で生じるプラズマの変化を好適に検出することができ、測定対象物質の濃度をより高い精度で計測することが可能となる。なお、濃度計測装置１０は、それ以外の状態として基準とする状態を、プラズマの発生強度、レーザ光の波長、レーザ光の出力強度の少なくとも１つを変調させることで生じる状態とすることが好ましい。また、プラズマの発生強度、レーザ光の波長、レーザ光の出力強度のうち２つを変調させることが好ましく、３つ全てを変調させることがさらに好ましい。
【００６７】
また、本実施形態のように、レーザ光を、励起波長を中心として一定波長幅で変調させることで、計測時の状態により励起波長が変化したり、印加する電圧、電流とレーザ光から出力される波長との関係が変化したりしても、励起波長を中心として一定波長幅で変調させた波長範囲の中で、測定対象物質を励起できる波長のレーザ光を照射することができる。これにより、計測の環境によらず（励起波長がずれた場合でも）、レーザ光で測定対象物質を励起させることができる。つまり、計測結果のピーク値を検出することでレーザ光により測定対象物質を最も励起できている状態を検出することができる。これにより、計測精度をより高くすることができる。
【００６８】
ここで、濃度計測装置１０は、装置を調整することで、流通ガスに含まれる種々の物質を測定対象物質とすることができる。また、測定対象物質としては、流通ガスに含まれる種々の物質を対象とすることができる。測定対象物質は、流通ガス中に浮遊粒子状物質（ＳＰＭ、Suspended Particulate Matter）、粒子状物質（ＰＭ、Particulate Matter、Particulate）やガス状物質等として存在する。また、測定対象物質としては、レーザ光で出力可能な波長範囲にプラズマによって励起された状態でさらに励起される励起波長を備える各種物質を用いることができる。
【００６９】
ここで、測定対象物質としては、重金属に含まれる物質を用いることが好ましい。重金属（Heavy Metals）とは、一般的に比重が４〜５以上の金属元素で鉄以上の比重を持つ金属の総称である。測定対象物質として重金属を選定する場合、人体に有害な物質、排出が厳しく制限されている物質を対象にすることがより好ましい。具体的には、水銀（Ｈｇ）、鉛（Ｐｂ）、カドミウム（Ｃｄ）、砒素（Ａｓ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ウラン（Ｕ）、プルトニウム（Ｐｕ）等の中から少なくとも１つを選定することが好ましい。水銀、鉛、カドミウム、砒素、クロム等は、プラズマ状態に励起して、さらにレーザ光で励起することで、濃度を好適に測定することができる。また、水銀、鉛、カドミウム、砒素、クロム等は、環境に与える影響が大きく、また各種機器から排出される流通ガスに含まれやすい物質であり、かつ、規制の対象物質であるため、これらを測定対象物質とすることで、装置をより有用に用いることができる。また、本発明の濃度計測装置は、これらの物質を計測する際、従来技術では前処理等で必要とされてきた硫酸、硝酸、水酸化ナトリウム等の劇毒物を用いることなく実行することができ、計測もより簡単に行うことができる。
【００７０】
ここで、レーザ光は、近赤外波長域のレーザ光を用いることが好ましい。具体的には、測定対象物質が水銀の場合は励起波長として１０１４ｎｍ、鉛の場合は励起波長として７２３ｎｍ、カドミウムの場合は励起波長として６４４ｎｍ、砒素の場合は励起波長として９６３ｎｍ、クロムの場合は励起波長として６８８ｎｍを用いることが好ましい。これにより、流通ガスに測定対象物質以外の成分が混在した状態であっても、測定対象物質の濃度を適切に測ることができる。つまり、測定対象物質以外の成分がノイズとなりにくくすることができる。これにより、フィルタや、除湿の工程をなくすまたは少なくすることができ、計測対象配管８から流通ガスを吸引してから、計測を行い、計測結果を算出するまでの時間を短時間にすることができる。つまり、計測の時間遅れを少なくすることができる。これにより、応答性を高くすることができる。
【００７１】
濃度計測装置１０は、本実施形態のように第１位相敏感検出器８２、第２位相敏感検出器８４を設けることで電流検出部８０が検出した電流値の含まれるノイズを好適に低減することができる。また、第２位相敏感検出器８４を設けることで、プラズマのＯＮ／ＯＦＦでの検出値の変化の差分を抽出することができる。なお、濃度計測装置１０は、上述したように、プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長のレーザ光を照射し、励起させることで生じるプラズマの変化を電流で検出し、その電流で濃度を検出すればよく、プラズマの制御やレーザ光の制御はこれに限定されない。また、濃度計測装置１０は、プラズマやレーザ光を周期的に調整することで、より具体的には、レーザ光照射手段１４から出力するレーザ光の波長、レーザ光照射手段１４から出力するレーザ光の出力強度およびプラズマ発生手段１３で発生させるプラズマの強度の少なくとも１つを周期的に変化させることで、上述した第１条件と第２条件との差分を好適に抽出することができる。
【００７２】
また、濃度計測装置１０は、ポンプ４２を設けることで、計測対象配管８を流れる流通ガスを適切に流入管３４から吸引することができる。なお、ポンプ４２は設けることが好ましいが、計測セルユニット１２の構成や、計測対象配管８を流れる流通ガスの圧力等により、計測セルユニット１２に一定流量以上の流通ガスが流れる場合は、ポンプ４２は設けなくてもよい。
【００７３】
ここで、濃度計測装置は、上記実施形態に限定されず、種々の実施形態とすることができる。以下、図６から図１６を用いて、他の実施形態について説明する。
【００７４】
［実施形態２］
図６は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図６に示す濃度計測装置１００は、計測セルユニット１０２と、プラズマ発生手段１３と、レーザ光照射手段１４と、レーザ強度検出手段１０３と、電流検出手段２０と、解析装置２２と、制御装置２４と、を有する。ここで、濃度計測装置１００は、計測セルユニット１０２とレーザ強度検出手段１０３の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置１０と同様である。濃度計測装置１００の構成のうち濃度計測装置１０と同様の構成については説明を省略する。
【００７５】
計測セルユニット１０２は、計測セル３２の排出管３６側の端面に配置された窓４０に代えて窓１０４を備える点が計測セルユニット１２とは異なる。窓１０４は、光を透過する透明部１０６と、光を遮蔽する遮光部１０８と、を有する。
【００７６】
透明部１０６は、光を透過する材料で形成されており、窓１０４に到達するレーザ光が通過する領域に配置されている。なお透明部１０６の大きさは、窓１０４に到達するレーザ光Ｌの領域と略同じか当該領域よりも若干大きい形状である。遮光部１０８は、光を遮蔽する（遮る）材料で形成されており、レーザ光Ｌを中心として透明部１０６よりも外側の領域に配置されている。窓１０４は、透明部１０６と遮光部１０８とで計測セル３２の下面を塞いでいる。
【００７７】
レーザ強度検出手段１０３は、受光装置６０とローパスフィルタ１２４とを有する。受光装置６０は、上述したレーザ強度検出手段１６の受光装置６０と同様である。ローパスフィルタ１２４は、上述した信号処理装置６２と同様に受光装置６０が受信した信号からノイズ成分を除去し、計測セル３２を通過したレーザ光Ｌのレーザ強度を示すレーザ強度信号を生成する装置である。ローパスフィルタ１２４は、受光装置６０が受信した信号に含まれる成分のうち、しきい値周波数以上の成分を低減し、しきい値周波数未満の成分をそのまま通過させるフィルタである。ローパスフィルタ１２４は、ＲＦ制御信号に含まれる変調周波数とレーザ制御信号に含まれる変調周波数のいずれよりも低い周波数をしきい値周波数とする。これにより、ローパスフィルタ１２４は、プラズマと、レーザ光とに起因して生じるレーザ光の変化の影響を除去、低減することができる。なお、上記実施形態では、ローパスフィルタ１２４は、５００Ｈｚ以下の周波数、例えば、１００Ｈｚをしきい値周波数とすればよい。
【００７８】
濃度計測装置１００は、窓１０４のレーザ光Ｌが通過しない領域は遮光部１０８とすることで、計測セル３２から窓１０４に到達する周囲光が受光装置６０に入ることを抑制することができる。これによりレーザ光Ｌの強度をより高い精度で計測することができる。
【００７９】
［実施形態３］
図７は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図７に示す濃度計測装置１５０は、計測セルユニット１２と、プラズマ発生手段１３と、レーザ光照射手段１４と、レーザ強度検出手段１５２と、電流検出手段２０と、解析装置２２と、制御装置２４と、を有する。ここで、濃度計測装置１５０は、レーザ強度検出手段１５２の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置１０と同様である。濃度計測装置１５０の構成のうち濃度計測装置１０と同様の構成については説明を省略する。
【００８０】
レーザ強度検出手段１５２は、第１受光装置１６２と第２受光装置１６４と差分検出器１６６とローパスフィルタ１６８とを有する。第１受光装置１６２と第２受光装置１６４は、上述したレーザ強度検出手段１６の受光装置６０と同様に、窓４０から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、第１受光装置１６２と第２受光装置１６４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。第１受光装置１６２は、光を受光する受光面（検出面）が窓４０に到達するレーザ光が通過する領域の少なくとも一部に配置されている。光を受光する受光面（検出面）の大きさは、レーザ光Ｌの領域と略同じか当該領域よりも若干大きくすることが好ましい。第２受光装置１６４は、レーザ光Ｌを中心として透明部１０６よりも外側の領域に配置されている。第２受光装置１６４は、窓４０を通過する光のうちレーザ光Ｌ以外の光である周辺光Ｌａを受光し、その光の強度を検出する。第２受光装置１６４は、第１受光装置１６２と同一の大きさの受光面を備えることが好ましい。また、第１受光装置１６２と第２受光装置１６４とは、受光面の距離を５ｍｍ以上離すことが好ましい。これにより、第２受光装置１６４は、好適に周辺光Ｌａを検出することができる。第１受光装置１６２と第２受光装置１６４とは、受光した光の強度を信号として、差分検出器１６６に送る。
【００８１】
差分検出器１６６は、信号の差分を検出する機構であり、第１受光装置１６２から送られてきた光の強度の信号から、第２受光装置１６４から送られてきた光の強度の信号を減算する。つまり差分検出器１６６は、第１受光装置１６２が検出したレーザ光の強度の信号に含まれる周辺光Ｌａの成分を第２受光装置１６４が検出した周辺光の強度の信号を用いて除去、低減する。差分検出器１６６は、レーザ光とは関係のない成分の光を用いて光の強度を規格化して減算することが好ましい。差分検出器１６６は、第１受光装置１６２から送られてきた光の強度の信号と第２受光装置１６４から送られてきた光の強度の信号とを同一基準とした後、差分を検出することで第１受光装置１６２が検出した信号から周辺光の成分を適切に取り除くことができる。差分検出器１６６は、処理を行った信号をローパスフィルタ１６８に送る。
【００８２】
ローパスフィルタ１６８は、差分検出器１６６を通過した信号に含まれる成分のうち、しきい値周波数以上の成分を低減し、しきい値周波数未満の成分をそのまま通過させるフィルタである。ローパスフィルタ１６８は、ＲＦ制御信号に含まれる変調周波数とレーザ制御信号に含まれる変調周波数のいずれよりも低い周波数をしきい値周波数とする。これにより、ローパスフィルタ１６８は、プラズマと、レーザ光とに起因して生じるレーザ光の変化の影響を除去、低減することができる。
【００８３】
濃度計測装置１５０は、周辺光Ｌａを検出する第２受光装置１６４を設け、差分検出器１６６で第１受光装置１６２での検出結果から第２受光装置１６４で検出した周辺光Ｌａの成分を除去することで、第１受光装置１６２の検出結果に含まれる計測セル３２から窓４０に到達する周辺光Ｌａの成分を除去することができる。これによりレーザ光Ｌの強度をより高い精度で計測することができる。また、本実施形態の濃度計測装置１５０は、第１受光装置１６２が検出した結果に含まれる周辺光Ｌａの成分も除去できるため、レーザ光Ｌの強度をより好適に検出することができる。
【００８４】
［実施形態４］
図８は、ＲＦ制御装置で生成されるＲＦ制御信号の一例を示す波形図である。図８に示すグラフは、図２と同様に、縦軸を出力の指数とし、横軸を時間とする。縦軸の出力の指数は、模式的な数値である。本実施形態の出力値＝０は、計測領域でプラズマを発生させない電圧を印加する信号である。出力値＝１は、計測領域でプラズマを発生させる所定の高周波の電圧を印加する信号である。第４実施形態は、ＲＦ制御装置で生成するＲＦ制御信号、ＲＦ参照制御信号の波形が異なるのみで、装置構成は、上記実施形態、後述する実施形態のいずれの構成でもよい。
【００８５】
ＲＦ制御装置４８は、上述した実施形態ではＲＦ制御信号を出力０と出力１とに切り換えられる方形波形状としたが、これに限定されない。ＲＦ制御装置４８は、ＲＦ制御信号として、図８に示すように、一波長１９２が出力０．５と出力１が交互に切り換る方形波形状となり、当該一波長１９２が周波数５００Ｈｚの周期で繰り返す信号をＲＦ制御信号として出力する。ＲＦ制御装置４８は、図８に示すＲＦ制御信号と同様の信号をＲＦ制御参照信号として出力する。
【００８６】
本実施形態の濃度計測装置のＲＦ制御装置４８は、ＲＦ制御信号として、図８に示すように、出力０．５と出力１で交互に切り換る信号を用いることで、計測セル３２の計測領域内で発生するプラズマの特性（強度）を２段階に切り換えることができる。また、計測セル３２の計測領域内で常にプラズマが発生した状態とすることができる。
【００８７】
これにより、出力０と出力１を交互に切り換えた場合と同様に、プラズマの状態が周期的に変化するため、一方の状態を基準として、他方の状態との差分を検出することで、測定対象物質に励起波長のレーザ光が照射されることで生じるプラズマ状態の変化を電流で検出することができる。また、出力０．５と出力１とを交互に切り換えることで、常にプラズマを発生させた状態とすることができる。これにより、プラズマが発生していない状態からプラズマが発生した状態に切り換る際に生じる変動を抑制することができ、ノイズの発生を好適に抑制することができる。なお、本実施形態では、出力を０．５と１との２段階としたが、切り換える２段階の出力のバランスはこれに限定されない。例えば、出力を０．２と１とで切り換えてもよいし、０．３と０．８とで切り替えてもよい。
【００８８】
［実施形態５］
図９は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１０は、半導体レーザ制御装置で生成されるレーザ光の発振信号の一例を示す波形図である。図９に示す濃度計測装置２００は、計測セルユニット１２と、プラズマ発生手段１３と、レーザ光照射手段１４と、レーザ強度検出手段１５２と、電流検出手段２０２と、解析装置２２と、制御装置２４と、を有する。ここで、濃度計測装置２００は、電流検出手段２０２の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置１５０と同様である。濃度計測装置２００の構成のうち濃度計測装置１５０と同様の構成については説明を省略する。
【００８９】
ここで、本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、レーザ制御信号として図１０に示す波形の信号を出力する。図１０に示すグラフは、縦軸をレーザ光の出力（波形）の指数とし、横軸を時間とする。縦軸の波長（出力）の指数は、模式的な数値である。本実施形態の出力値＝０は、出力０でありレーザ光を出力しない状態である。また、出力値＝１は、基準となる波長（プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長）である。本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、図１０に示すように一波長２３２が出力値＝０と出力値＝１とで交互に切り換る方形波であり、当該一波長２３２が周波数１０ｋＨｚの周期で繰り返す信号に、一波長２３６がｓｉｎ波となり、当該一波長２３６が周波数２００ｋＨｚの周期で繰り返す信号を重畳した信号をレーザ制御信号として出力する。なお、一波長２３６の振幅は、出力値＝０と出力値＝１との間隔よりも短い出力の変化であり、当該変化は、出力するレーザの波長が所定の波長幅で正弦波の波形となるように時間変化させることで生じる出力の変化である。これにより、半導体レーザ発振装置５０は、出力するレーザ光の波長が、所定の波長幅で正弦波の波形となるように周波数２００ｋＨｚの周期で時間変化し、さらに、周波数１０ｋＨｚでレーザ光が出力される状態とレーザ光が出力されない状態とが切り換えられる。なお、図１０に示す波形では、出力値＝０の場合も、出力値＝１の場合と同様に２００ｋＨｚで信号が時間変化するが、装置の設定により出力値＝０の近傍で信号の出力が変化している状態では、レーザ光を出力しないようにすることができる。
【００９０】
本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、レーザ制御信号に対応した参照信号として、第１レーザ制御参照信号と、第２レーザ制御参照信号と、を生成する。第１レーザ制御参照信号と第２レーザ制御参照信号とは、レーザ制御信号の変調周波数をそれぞれ抽出した信号である。第１レーザ制御参照信号は、上述した一波長２３６で変調する信号であり、２００ｋＨｚで変調されるｓｉｎ波である。第２レーザ制御参照信号は、上述した一波長２３２で変調する信号であり、１０ｋＨｚで変調される方形波（Ｏｎ／Ｏｆｆ）である。半導体レーザ制御装置５４は、第１レーザ制御参照信号を電流検出手段２０２の第１位相敏感検出器８２に送り、第２レーザ制御参照信号を電流検出手段２０２の後述する第３位相敏感検出器２１２に送る。
【００９１】
電流検出手段２０２は、電流検出部８０と、第１位相敏感検出器８２と、第２位相敏感検出器８４と、第３位相敏感検出器２１２と、を有する。電流検出部８０は、上述した濃度検出装置１５０の電流検出部８０と同様の構成であるので、説明を省略する。電流検出部８０は、検出した電流値信号を第１位相敏感検出器８２に送る。
【００９２】
第１位相敏感検出器８２は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第１位相敏感検出器８２は、半導体レーザ制御装置５４から送られた第１レーザ制御参照信号（２００ｋＨｚのｓｉｎ波）を参照信号として、電流検出部８０から送られた電流値信号から、第１レーザ制御参照信号の位相に対応する成分を抽出する。つまり、第１位相敏感検出器８２は、電流値信号から第１レーザ制御参照信号の位相に対応して変化する成分（同一の周波数で変化する成分）を抽出する。第１位相敏感検出器８２は、参照信号である２００ｋＨｚのｓｉｎ波の第１レーザ制御参照信号に基づいて一波長において同一波長となる２つの位相の成分を検出するいわゆる２ｆ検波（参照周波数の２倍の周波数）で成分を抽出する。第１位相敏感検出器８２は、検出した信号を第３位相敏感検出器２１２に送る。なお、第１位相敏感検出器８２は、半導体レーザ制御装置５４から送られた第１レーザ制御参照信号を参照信号として、電流検出部８０から送られた電流値信号に対してロックイン処理を行う、つまり、処理対象の信号に含まれる参照信号の周波数の成分以外の成分を低減させる処理を行ういわゆるロックイン処理を行うロックインアンプを用いてもよい。
【００９３】
第３位相敏感検出器２１２は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第３位相敏感検出器２１２は、半導体レーザ制御装置５４から送られた第２レーザ制御参照信号（１０ｋＨｚの方形波）を参照信号として、第１位相敏感検出器８２から送られた電流値信号（第１位相敏感検出器８２で特定の成分を抽出した信号）から第２レーザ制御参照信号の位相に対応して変化する成分（同一の周波数で変化する成分）を抽出する。第３位相敏感検出器２１２は、参照信号である１０ｋＨｚの方形波の第２レーザ制御参照信号に基づいて一波長において１つの位相の成分を検出するいわゆる１ｆ検波で成分を抽出する。第３位相敏感検出器２１２は、検出した信号を第２位相敏感検出器８４に送る。なお、第３位相敏感検出器２１２は、半導体レーザ制御装置５４から送られたレーザ制御参照信号を参照信号として、第１位相敏感検出器８２から送られた電流値信号に対してロックイン処理を行う、つまり、処理対象の信号に含まれる参照信号の周波数の成分以外の成分を低減させる処理を行ういわゆるロックイン処理を行うロックインアンプを用いてもよい。
【００９４】
第２位相敏感検出器８４は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第２位相敏感検出器８４は、ＲＦ制御装置４８から送られたＲＦ制御参照信号を参照信号として、第３位相敏感検出器２１２から送られた電流値信号（第１位相敏感検出器８２および第３位相敏感検出器２１２で特定の成分を抽出した信号）から、ＲＦ制御参照信号の位相に対応する成分を抽出する。第２位相敏感検出器８４は、検出した信号を解析装置２２に送る。
【００９５】
なお、電流検出手段２０２は、上述した電流検出手段２０と同様に、参照信号の周波数が高い方の位相敏感検出器での処理を先に実行するため、第１位相敏感検出器８２による処理を行った後、第３位相敏感検出器２１２による処理を行い、さらに、第２位相敏感検出器８４による処理を行う。
【００９６】
濃度計測装置２００は、レーザ光を制御する制御信号を図１０に示す波形とすることで、１０ｋＨｚの方形波でレーザ光の出力のＯｎ／Ｏｆｆを切り換え、２００ｋＨｚのｓｉｎ波でレーザ光の波長を変調することができる。これにより、濃度計測装置２００は、レーザ光を出力している状態とレーザ光を出力していない状態とを切り換えることができ、さらにレーザ光を出力している間は、励起波長を中心として波長を変調することができる。このように、レーザ光をＯｎ／Ｏｆｆと出力波長の２つで変調できることで、計測領域の状態をより多くの状態で計測することができる。つまり、第２条件として検出できる条件をより増やすことができる。具体的には、濃度計測装置１５０と比べて、レーザ光が照射されてない状態でプラズマが発生している場合の電流値、レーザ光が照射されていない状態でプラズマが発生していない場合の電流値を計測することができる。これにより、濃度計測時の比較対象をより増やすことができ、計測精度をより高くすることができる。
【００９７】
濃度計測装置２００は、第３位相敏感検出器２１２でレーザ光のＯｎ／Ｏｆｆで生じる差分を抽出することで、演算処理をより簡単にすることができる。
【００９８】
［実施形態６］
図１１は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１１に示す濃度計測装置２５０は、計測セルユニット１２と、プラズマ発生手段１３と、レーザ光照射手段１４と、レーザ強度検出手段２５２と、電流検出手段２０２と、解析装置２２と、制御装置２４と、を有する。ここで、濃度計測装置２５０は、レーザ強度検出手段２５２の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置２００と同様である。濃度計測装置２５０の構成のうち濃度計測装置２００と同様の構成については説明を省略する。
【００９９】
ここで、本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、ＲＦ制御信号に対応した参照信号のＲＦ制御参照信号をレーザ強度検出手段２５２の後述する第５位相敏感検出器２６４にも送る。また、本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、レーザ制御信号に対応した参照信号の第２レーザ制御参照信号をレーザ強度検出手段２５２の後述する第４位相敏感検出器２６２にも送る。
【０１００】
レーザ強度検出手段２５２は、受光装置６０と、第４位相敏感検出器２６２と、第５位相敏感検出器２６４と、を有する。受光装置６０は、上述した濃度検出装置１０の受光装置６０と同様の構成であるので、説明を省略する。受光装置６０は、検出した信号を第４位相敏感検出器２６２に送る。
【０１０１】
第４位相敏感検出器２６２は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第４位相敏感検出器２６２は、半導体レーザ制御装置５４から送られた第２レーザ制御参照信号（１０ｋＨｚの方形波）を参照信号として、受光装置６０から送られた信号から第２レーザ制御参照信号の位相に対応して変化する成分（同一の周波数で変化する成分）を抽出する。第４位相敏感検出器２６２は、参照信号である１０ｋＨｚの方形波の第２レーザ制御参照信号に基づいて一波長において１つの位相の成分を検出するいわゆる１ｆ検波で成分を抽出する。第４位相敏感検出器２６２は、半導体レーザ制御装置５４から送られた第２レーザ制御参照信号を参照信号として、受光装置６０から送られた信号に対してロックイン処理を行う、つまり、処理対象の信号に含まれる参照信号の周波数の成分以外の成分を低減させる処理を行ういわゆるロックイン処理を行うロックインアンプを用いてもよい。
【０１０２】
第５位相敏感検出器２６４は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第５位相敏感検出器２６４は、ＲＦ制御装置４８から送られたＲＦ制御参照信号を参照信号として、第４位相敏感検出器２６２から送られた電流値信号（第４位相敏感検出器２６２で特定の成分を抽出した信号）から、ＲＦ制御参照信号の位相に対応する成分を抽出する。第５位相敏感検出器２６４は、参照信号である方形波のＲＦ制御参照信号に基づいて一波長において１つの位相の成分を検出するいわゆる１ｆ検波で成分を抽出する。第５位相敏感検出器２６４は、検出した信号を解析装置２２に送る。
【０１０３】
なお、レーザ強度検出手段２５２は、上述した電流検出手段２０と同様に、複数の位相敏感検出器を用いる場合、参照信号の周波数が高い方の位相敏感検出器での処理を先に実行するため、第２レーザ制御参照信号を参照信号として信号を処理する第４位相敏感検出器２６２による処理を行った後、第５位相敏感検出器２６４による処理を行う。
【０１０４】
濃度計測装置２５０は、レーザ強度検出手段２５２の受光装置６０を処理する信号処理装置として、電流検出手段２０２と同様に位相敏感検出器を用いることができる。このように、位相敏感検出器を用いて、各変調成分に対応する成分を抽出することで、ノイズによる影響をより適切に除去することができ、レーザ光の強度を高い精度で検出することができる。レーザ光の強度を高い精度で検出できることで、解析装置で実行する補正処理の精度を向上させることができ、計測精度をより向上させることができる。
【０１０５】
［実施形態７］
図１２は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１３は、半導体レーザ制御装置で生成されるレーザ光の発振信号の一例を示す波形図である。図１２に示す濃度計測装置３００は、計測セルユニット１２と、プラズマ発生手段１３と、レーザ光照射手段１４と、レーザ強度検出手段３０２と、電流検出手段３０４と、解析装置２２と、制御装置２４と、を有する。ここで、濃度計測装置３００は、レーザ強度検出手段３０２と、電流検出手段３０４の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置２５０と同様である。濃度計測装置３００の構成のうち濃度計測装置２５０と同様の構成については説明を省略する。
【０１０６】
ここで、本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、レーザ制御信号として図１３に示す波形の信号を出力する。図１３に示すグラフは、縦軸をレーザ光の出力（波形）の指数とし、横軸を時間とする。縦軸の波長（出力）の指数は、模式的な数値である。本実施形態の出力値＝０は、基準となる波長（プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長）である。出力値＝１、−１は、プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長から一定波長離れた波長である。本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、図１３に示すように一波長３９２がｓｉｎ波となり、当該一波長３９２が周波数１０ｋＨｚの周期で繰り返し、一波長３９６がｓｉｎ波となり、当該一波長３９６が周波数２００ｋＨｚの周期で繰り返す信号を重畳した信号をレーザ制御信号として出力する。なお、一波長３９６の振幅は、出力値＝−１と出力値＝１との間隔よりも短い出力の変化であり、当該変化は、出力するレーザの波長が所定の波長幅で正弦波の波形となるように時間変化させることで生じる出力の変化である。これにより、半導体レーザ発振装置５０は、出力するレーザ光の波長が、所定の波長幅で正弦波の波形となるように周波数２００ｋＨｚの周期で時間変化し、さらに、周波数１０ｋＨｚで周波数２００ｋＨｚの変調の波長幅よりも大きい波長幅で時間変化する。つまり、半導体レーザ発振装置５０は、２つの周波数で２重変調したレーザ光を照射する。
【０１０７】
本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、レーザ制御信号に対応した参照信号として、第１レーザ制御参照信号と、第２レーザ制御参照信号と、を生成する。第１レーザ制御参照信号と第２レーザ制御参照信号とは、レーザ制御信号の変調周波数をそれぞれ抽出した信号である。第１レーザ制御参照信号は、上述した一波長３９６で変調する信号であり、２００ｋＨｚで変調されるｓｉｎ波である。第２レーザ制御参照信号は、上述した一波長３９２で変調する信号であり、１０ｋＨｚで変調されるｓｉｎ波である。半導体レーザ制御装置５４は、第１レーザ制御参照信号を電流検出手段３０４の第１位相敏感検出器８２に送り、第２レーザ制御参照信号を電流検出手段３０４の後述する第３位相敏感検出器３１２に送る。
【０１０８】
レーザ強度検出手段３０２は、受光装置６０と、第５位相敏感検出器２６４と、を有する。受光装置６０は、上述した濃度検出装置１０の受光装置６０と同様の構成であるので、説明を省略する。受光装置６０は、検出した信号を第５位相敏感検出器２６４に送る。
【０１０９】
第５位相敏感検出器２６４は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第５位相敏感検出器２６４は、ＲＦ制御装置４８から送られたＲＦ制御参照信号を参照信号として、受光装置６０から送られた信号から、ＲＦ制御参照信号の位相に対応する成分を抽出する。第５位相敏感検出器２６４は、検出した信号を解析装置２２に送る。レーザ強度検出手段３０２は、以上のように、第４位相敏感検出器２６２を備えない点を除いて、レーザ強度検出手段２５２と同様の構成である。
【０１１０】
電流検出手段３０４は、電流検出部８０と、第１位相敏感検出器８２と、第２位相敏感検出器８４と、第３位相敏感検出器３１２と、を有する。電流検出部８０と、第１位相敏感検出器８２と、第２位相敏感検出器８４とは、上述した濃度検出装置２５０の電流検出部８０と同様の構成であるので、詳細な説明を省略する。電流検出部８０は、検出した電流値信号を第１位相敏感検出器８２に送る。
【０１１１】
第１位相敏感検出器８２は、半導体レーザ制御装置５４から送られた第１レーザ制御参照信号（２００ｋＨｚのｓｉｎ波）を参照信号として、電流検出部８０から送られた電流値信号から、レーザ制御参照信号の位相に対応する成分を抽出する。
【０１１２】
第３位相敏感検出器３１２は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第３位相敏感検出器３１２は、半導体レーザ制御装置５４から送られた第２レーザ制御参照信号（１０ｋＨｚのｓｉｎ波）を参照信号として、第１位相敏感検出器８２から送られた電流値信号（第１位相敏感検出器８２で特定の成分を抽出した信号）から第２レーザ制御参照信号の位相に対応して変化する成分（同一の周波数で変化する成分）を抽出する。第３位相敏感検出器３１２は、参照信号である１０ｋＨｚのｓｉｎ波の第２レーザ制御参照信号に基づいて一波長において２つの位相の成分を検出するいわゆる２ｆ検波で成分を抽出する。第３位相敏感検出器３１２は、検出した信号を第２位相敏感検出器８４に送る。第３位相敏感検出器３１２は、半導体レーザ制御装置５４から送られた第２レーザ制御参照信号を参照信号として、第１位相敏感検出器８２から送られた電流値信号に対してロックイン処理を行う、つまり、処理対象の信号に含まれる参照信号の周波数の成分以外の成分を低減させる処理を行ういわゆるロックイン処理を行うロックインアンプを用いてもよい。
【０１１３】
第２位相敏感検出器８４は、ＲＦ制御装置４８から送られたＲＦ制御参照信号を参照信号として、第３位相敏感検出器３１２から送られた電流値信号から、ＲＦ制御参照信号の位相に対応する成分を抽出する。第２位相敏感検出器８４は、検出した信号を解析装置２２に送る。
【０１１４】
なお、電流検出手段３０４は、上述した電流検出手段２０と同様に、参照信号の周波数が高い方の位相敏感検出器での処理を先に実行するため、第１位相敏感検出器８２による処理を行った後、第３位相敏感検出器３１２による処理を行い、さらに、第２位相敏感検出器８４による処理を行う。
【０１１５】
濃度計測装置３００は、レーザ光を制御する制御信号を図１３に示す波形とすることで、１０ｋＨｚのｓｉｎ波でレーザ光の波長を変調し、２００ｋＨｚのｓｉｎ波でレーザ光の波長をさらに短い波長幅で変調することができる。これにより、濃度計測装置３００は、励起波長を中心として波長をより細かく変調することができ、レーザ光の変調に応じて変化するプラズマの状態をより細かく検出することができる。これにより、濃度の計測精度をより高くすることができる。
【０１１６】
［実施形態８］
図１４は、濃度計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。図１５は、半導体レーザ制御装置で生成されるレーザ光の発振信号の一例を示す波形図である。図１６は、図１５に示すレーザ光の発振信号の一部を拡大して示す波形図である。図１４に示す濃度計測装置４００は、計測セルユニット１２と、プラズマ発生手段１３と、レーザ光照射手段１４と、レーザ強度検出手段４０２と、電流検出手段４０４と、解析装置２２と、制御装置２４と、を有する。ここで、濃度計測装置４００は、レーザ強度検出手段４０２と、電流検出手段４０４の構成を除いて、他の構成は濃度計測装置２５０と同様である。濃度計測装置４００の構成のうち濃度計測装置２５０と同様の構成については説明を省略する。
【０１１７】
ここで、本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、レーザ制御信号として図１５および図１６に示す波形の信号を出力する。図１５および図１６に示すグラフは、それぞれ縦軸をレーザ光の出力（波形）の指数とし、横軸を時間とする。縦軸の波長（出力）の指数は、模式的な数値である。本実施形態の出力値＝０は、出力０でありレーザ光を出力しない状態である。また、出力値＝１は、基準となる波長（プラズマによって励起された測定対象物質の励起波長）である。本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、図１５および図１６に示すように一波長４９２が出力値＝０と出力値＝１とで交互に切り換る方形波であり、当該一波長４９２が周波数１０ｋＨｚの周期で繰り返す信号に、一波長４９６がｓｉｎ波となり、当該一波長４９６が周波数２００ｋＨｚの周期で繰り返す信号を重畳し、さらに、一波長４９８がｓｉｎ波となり、当該一波長４９８が周波数４ＭＨｚの周期で繰り返す信号を重畳した信号をレーザ制御信号として出力する。なお、一波長４９６の振幅は、出力値＝０と出力値＝１との間隔よりも短い出力の変化であり、当該変化は、出力するレーザの波長が所定の波長幅で正弦波の波形となるように時間変化させることで生じる出力の変化である。また、一波長４９８の振幅は、一波長４９６の振幅（波長幅）よりも短い振幅（波長幅）の出力の変化であり、当該変化は、出力するレーザの波長が所定の波長幅で正弦波の波形となるように時間変化させることで生じる出力の変化である。これにより、半導体レーザ発振装置５０は、出力するレーザ光の波長が、所定の波長幅で正弦波の波形となるように周波数４ＭＨｚの周期で時間変化し、所定の波長幅で正弦波の波形となるように周波数２００ｋＨｚの周期で時間変化し、さらに、周波数１０ｋＨｚでレーザ光が出力される状態とレーザ光が出力されない状態とが切り換えられる。なお、図１５に示す波形では、出力値＝０の場合も、出力値＝１の場合と同様に２００ｋＨｚおよび４ＭＨｚで信号が時間変化するが、装置の設定により出力値＝０の近傍で信号の出力が変化している状態では、レーザ光を出力しないようにすることができる。つまり、半導体レーザ発振装置５０は、２つの周波数で２重変調し、さらにＯＮ／ＯＦＦが切り換えられるレーザ光を照射する。
【０１１８】
本実施形態の半導体レーザ制御装置５４は、レーザ制御信号に対応した参照信号として、第１レーザ制御参照信号と、第２レーザ制御参照信号と、第３レーザ制御参照信号と、を生成する。第１レーザ制御参照信号と第２レーザ制御参照信号と第３レーザ制御参照信号とは、レーザ制御信号の変調周波数をそれぞれ抽出した信号である。第１レーザ制御参照信号は、上述した一波長４９６で変調する信号であり、２００ｋＨｚで変調されるｓｉｎ波である。第２レーザ制御参照信号は、上述した一波長４９２で変調する信号であり、１０ｋＨｚで変調されるｓｉｎ波である。第３レーザ制御参照信号は、上述した一波長４９８で変調する信号であり、４ｋＨｚで変調されるｓｉｎ波である。半導体レーザ制御装置５４は、第１レーザ制御参照信号を電流検出手段４０４の第１位相敏感検出器４２２に送り、第２レーザ制御参照信号を電流検出手段４０４の後述する第３位相敏感検出器４２６およびレーザ強度検出手段４０２の第４位相敏感検出器４１２に送り、第３レーザ制御参照信号を電流検出手段４０４の後述する第６位相敏感検出器４２８に送る。
【０１１９】
レーザ強度検出手段４０２は、受光装置６０と、第４位相敏感検出器４１２と第５位相敏感検出器４１４と、を有する。受光装置６０は、上述した濃度検出装置１０の受光装置６０と同様の構成であるので、説明を省略する。また、第４位相敏感検出器４１２と第５位相敏感検出器４１４とは、上述した濃度計測装置２５０の第４位相敏感検出器２６２と第５位相敏感検出器２６４と同様の構成である。
【０１２０】
電流検出手段４０４は、電流検出部８０と、第１位相敏感検出器４２２と、第２位相敏感検出器４２４と、第３位相敏感検出器４２６と、第６位相敏感検出器４２８と、を有する。電流検出部８０は、上述した濃度検出装置２５０の電流検出部８０と同様の構成であるので、詳細な説明を省略する。また、第１位相敏感検出器４２２と第２位相敏感検出器４２４と第３位相敏感検出器４２６とは、上述した第１位相敏感検出器８２と第２位相敏感検出器８４と第３位相敏感検出器２１２と同様の構成である。電流検出部８０は、検出した電流値信号を第６位相敏感検出器４２８に送る。
【０１２１】
第６位相敏感検出器４２８は、参照信号を用い、処理対象の信号から参照信号の位相に対応する位相関係を備える成分を抽出する機器である。第６位相敏感検出器４２８は、半導体レーザ制御装置５４から送られた第３レーザ制御参照信号（４ＭＨｚのｓｉｎ波）を参照信号として、電流検出部８０から送られた電流値信号から第３レーザ制御参照信号の位相に対応して変化する成分（同一の周波数で変化する成分）を抽出する。第６位相敏感検出器４２８は、参照信号である４ＭＨｚのｓｉｎ波の第３レーザ制御参照信号に基づいて一波長において同一波長となる２つの位相の成分を検出するいわゆる２ｆ検波で成分を抽出する。第６位相敏感検出器４２８は、検出した信号を第１位相敏感検出器４２２に送る。第６位相敏感検出器４２８は、半導体レーザ制御装置５４から送られたレーザ制御参照信号を参照信号として、電流検出部８０から送られた電流値信号に対してロックイン処理を行う、つまり、処理対象の信号に含まれる参照信号の周波数の成分以外の成分を低減させる処理を行ういわゆるロックイン処理を行うロックインアンプを用いてもよい。
【０１２２】
濃度計測装置４００は、レーザ光を制御する制御信号を図１５、１６に示す波形とすることで、４ＭＨｚのｓｉｎ波でレーザ光の波長を変調し、２００ｋＨｚのｓｉｎ波でレーザ光の波長をさらに短い波長幅で変調することができ、さらに、１０ｋＨｚでレーザ光のＯＮ／ＯＦＦを切り換えることができる。これにより、上述した各種実施形態、特に濃度計測装置２５０と濃度計測装置３００の効果を組み合わせた効果を得ることができる。
【０１２３】
なお、上記実施形態では、いずれもプラズマ発生手段でのプラズマ励起方法として、高周波励起法を採用しているがこれに限定されない。プラズマ発生手段としては、レーザ照射による検出に影響を与えない種々のプラズマ励起方法を用いることができ、例えば、並行平板や、誘導結合（ＩＣＰ）等のプラズマ励起方法を採用することができる。
【０１２４】
また、濃度計測装置は、計測精度をより高くできるため、上記実施形態のように、レーザ光の強度を検出し、レーザ強度による補正を行うことが好ましいがこれに限定されない。濃度計測装置は、レーザ強度による補正を行わなくてもよいし、レーザ光の強度の検出を行わず設定値を用いて補正を行ってもよい。
【０１２５】
また、上記実施形態では、いずれも流通ガスに含まれる測定対象物質の濃度を計測したが、本発明はこれに限定されず、測定対象物質の量を算出することもできる。
【符号の説明】
【０１２６】
８  計測対象配管
１０、１００、１５０、２００、２５０、３００、４００  濃度計測装置
１２、１０２  計測セルユニット
１３  プラズマ発生手段
１４  レーザ光照射手段
１６、１０３、１５２、２５２、３０２、４０２  レーザ強度検出手段
２０、２０２、３０４、４０４  電流検出手段
２２  解析装置
２４  制御装置
３２  計測セル
３４  流入管
３６  排出管
３８、４０、１０４  窓
４２  ポンプ
４４  ＲＦ発振器
４６、４７  銅リング
４８  ＲＦ制御装置
５０  半導体レーザ発振装置
５２  光ファイバ
５４  半導体レーザ制御装置
６０  受光装置
６２  信号処理装置
８０  電流検出部
８２、４２２  第１位相敏感検出器
８４、４２４  第２位相敏感検出器
１０６  透明部
１０８  遮光部
１２４、１６８  ローパスフィルタ
１６２  第１受光装置
１６４  第２受光装置
１６６  差分検出器
２１２、３１２、４２６  第３位相敏感検出器
２６２、４１２  第４位相敏感検出器
２６４、４１４  第５位相敏感検出器
４２８  第６位相敏感検出器
Ｇ  流通ガス
Ｌ  レーザ光
Ｐ  プラズマ
【図１】
2013015344.tif 000003
【図２】
2013015344.tif 000004
【図３】
2013015344.tif 000005
【図４】
2013015344.tif 000006
【図５】
2013015344.tif 000007
【図６】
2013015344.tif 000008
【図７】
2013015344.tif 000009
【図８】
2013015344.tif 000010
【図９】
2013015344.tif 000011
【図１０】
2013015344.tif 000012
【図１１】
2013015344.tif 000013
【図１２】
2013015344.tif 000014
【図１３】
2013015344.tif 000015
【図１４】
2013015344.tif 000016
【図１５】
2013015344.tif 000017
【図１６】
2013015344.tif 000018