(57)【要約】  ある体積のサンプルガスを受け入れ、収容するように構成されたサンプルチャンバと、少なくとも１つのレーザハウジング内にある１つ以上のレーザであって、各レーザが、サンプルガス中の１つ以上の異なる物質を励起するためのそれぞれのレーザビームを生成するように構成され、１つ以上のレーザが、サンプルチャンバの外にある、１つ以上のレーザと、サンプルチャンバから出力された光を検出するための検出器装置と、１つ以上のレーザからのレーザビームを少なくとも部分的に透過させる少なくとも１つの窓を有する、サンプルチャンバに対する第１の光学インターフェースであって、使用の際に、レーザビームがレーザハウジングと少なくとも１つの窓との間の通過によって実質的に変化することのないように、少なくとも１つのレーザハウジングが、第１の光学インターフェースの少なくとも１つの窓に対して密結合構成で配置される、第１の光学インターフェースと、を備える、レーザ検出システム。
2020505599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある体積のサンプルガスを受け入れて収容するように構成されたサンプルチャンバと、
少なくとも１つのレーザハウジング内にある１つ以上のレーザであって、各レーザが、前記サンプルガス中の１つ以上の異なる物質を励起するためのそれぞれのレーザビームを生成するように構成され、前記１つ以上のレーザが、前記サンプルチャンバの外にあるものと、
前記サンプルチャンバから出力された光を検出するための検出器装置と、
前記１つ以上のレーザからの前記レーザビームを少なくとも部分的に透過させる少なくとも１つの窓を有する、前記サンプルチャンバに対する第１の光学インターフェースであって、使用の際に、前記レーザビームが前記レーザハウジングと前記少なくとも１つの窓との間の通過によって実質的に変化することのないように、前記少なくとも１つのレーザハウジングが、前記第１の光学インターフェースの前記少なくとも１つの窓に対して密結合構成で配置されるものと、を備える、
レーザ検出システム。
【請求項２】
前記サンプルチャンバから出力された光を少なくとも部分的に透過させる、前記サンプルチャンバに対する少なくとも１つの窓を有する第２の光学インターフェースであって、使用の際に、前記レーザビームが前記第２の光学インターフェースの前記少なくとも１つの窓から前記検出器装置への通過によって実質的に変化することのないように、前記検出器装置が、前記第２のインターフェースに対して密結合構成となるように構成されるものをさらに備える、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記密結合構成が、
前記レーザハウジングの少なくとも１つの出力開口と前記第１の光学インターフェースの前記少なくとも１つの窓との間に１０ｍｍ未満、場合により５ｍｍ未満、場合により１ｍｍ未満の間隔があることと、
前記第２の光学インターフェースの前記少なくとも１つの窓と前記検出器装置との間に１０ｍｍ未満、場合により５ｍｍ未満、場合により１ｍｍ未満の間隔があることと、
のうちの少なくとも１つとなるように構成されたものである、
請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つのレーザハウジングの前記少なくとも１つの開口が、動作の際に前記レーザビームが通過する、少なくとも１つの窓を備え、前記少なくとも１つのレーザハウジングの前記少なくとも１つの窓が、前記第１の光学インターフェースの前記少なくとも１つの窓と直接接触することと、
前記第２の光学インターフェースの前記少なくとも１つの窓が、前記検出器装置と直接接触することと、
のうちの少なくとも１つである、
請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのレーザハウジングを前記密結合構成に保持するように構成された少なくとも１つの結合手段をさらに備える、
請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の光学インターフェースの前記少なくとも１つの窓が、１つ以上の平坦または楔形の光学窓を備え、各窓が、前記レーザのうちの対応する少なくとも１つに関連付けられる、
請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１の光学インターフェースの前記窓または前記窓のうちの少なくとも１つに関連付けられた少なくとも１つのコリメートレンズを備える、
請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記１つ以上の窓を通過するレーザビームを前記サンプルチャンバ内の光学セルに指向させるように構成された、前記サンプルチャンバ内にある少なくとも１つの指向デバイスであって、前記少なくとも１つの指向デバイスが、前記レーザビームを共通の光路に沿って前記光学セルに指向させるように構成されるものをさらに備える、
請求項６または７に記載のシステム。
【請求項９】
前記サンプルチャンバ内にある前記少なくとも１つの指向デバイスが、各レーザビームについて、前記光学部品のうちの対応する少なくとも１つが、前記レーザビームを前記共通の光路に沿って指向させるように構成された複数の光学部品を備える、
請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数の光学部品が、実質的に直線状に構成されることと、
前記光学部品のうちの少なくとも１つが、平坦または非楔形の光学部品を含むことと、
のうちの少なくとも１つである、
請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記窓および／または複数の光学部品のそれぞれが、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲の厚さを有する、
請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記レーザビームが時間においてインターリーブされたパルスレーザビームであるように、前記１つ以上のレーザの動作を制御するように構成されたコントローラ
をさらに備える、
請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記サンプルガスが、エチレン、Ｈ２、Ｎ２、または天然ガスのうちの少なくとも１つを含む、
請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記複数の物質が、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４、およびＮＨ３のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数の物質が、Ｈ２Ｏ、ＭｅＯＨ、ＮＨ３、Ｃ２Ｈ２、Ｏ２、ＨＦ、ＨＣｌ、Ｈ２Ｓ、ＣＯ、およびＣＯ２のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記レーザのそれぞれが、それぞれの異なる波長または波長範囲のレーザビームを生成するように構成される、および／または各検出器装置が、それぞれの異なる波長または波長範囲の放射を検出するように構成される、
請求項１から１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記波長または波長範囲のうちの少なくとも１つが、以下の範囲、すなわち、４．２１〜４．２４μｍ、４．５６〜４．５９μｍまたは４．７２〜４．７６μｍ、６．０９〜６．１４μｍ、７．４３〜７．４７μｍ、および１０．００〜１０．１１μｍから選択される、
請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記波長または波長範囲のうちの少なくとも１つが、以下の範囲、すなわち、６．１１〜６．１２μｍ、７．４２〜７．４４μｍ、６．１４〜６．１６μｍ、７．４１〜７．４３μｍ、４．２３〜４．２４μｍ、ならびに４．７３および４．７４μｍから選択される、
請求項１６または１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記波長または波長範囲の少なくとも１つが、以下の範囲、すなわち、２．４７〜２．４８μｍ、１．７４〜１．７５μｍ、２．６３〜２．６４μｍ、５．５１８〜５．５３０μｍ、および４．８５４〜４．８７８μｍから選択される、
請求項１６から１８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記波長または波長範囲のうちの少なくとも１つが、以下の範囲、すなわち、７５９〜７６１ｎｍから選択される、
請求項１６から１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記システムが、連続排出監視システムまたはＨ２純度測定システムまたはＮ２純度測定または天然ガス純度測定システムまたはエチレン純度測定システムである、
請求項１から２０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２２】
請求項１から２１のいずれか一項に記載のレーザ検出システムで使用するためのレーザであって、
前記レーザが、前記レーザを前記密結合構成で前記サンプルチャンバに結合するための少なくとも１つの結合手段を備える、
レーザ。
【請求項２３】
請求項１から２１のいずれか一項に記載のレーザ検出システムで使用するための検出器装置であって、
前記検出器装置が、前記検出器装置を前記密結合構成で前記サンプルチャンバに結合するための少なくとも１つの結合手段を備える、
検出器装置。
【請求項２４】
請求項１から２１のいずれか一項に記載のレーザ検出システムで使用するためのサンプルチャンバであって、
前記サンプルチャンバが、前記サンプルチャンバを密結合構成で、前記少なくとも１つのレーザおよび前記検出器装置のうちの少なくとも１つに結合するための少なくとも１つの結合手段を備える、
サンプルチャンバ。
【請求項２５】
サンプルガス中の少なくとも１つの物質の存在、非存在、または量を検出する方法であって、
前記少なくとも１つの物質を含み得るサンプルガスにレーザ照射を適用するステップと、前記サンプルガスからの放射を検出するステップと、前記検出された放射に基づいて前記少なくとも１つの物質の存在、非存在、または量を判定するステップと、を含む、
方法。
【請求項２６】
前記サンプルガスが、エチレン、Ｈ２、Ｎ２、または天然ガスのうちの少なくとも１つを含む、
請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの物質が、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４、およびＮＨ３のうちの少なくとも１つを含む、
請求項２５または２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの物質が、Ｈ２Ｏ、ＭｅＯＨ、ＮＨ３、Ｃ２Ｈ２、Ｏ２、ＨＦ、ＨＣｌ、Ｈ２Ｓ、ＣＯ、およびＣＯ２のうちの少なくとも１つを含む、
請求項２５から２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記レーザ照射が、以下の範囲、すなわち、４．２１〜４．２４μｍ、４．５６〜４．５９μｍまたは４．７２〜４．７６μｍ、６．０９〜６．１４μｍ、７．４３〜７．４７μｍ、および１０．００〜１０．１１μｍから選択された波長または波長範囲を有する、
請求項２５から２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記レーザ照射が、以下の範囲、すなわち、６．１１〜６．１２μｍ、７．４２〜７．４４μｍ、６．１４〜６．１６μｍ、７．４１〜７．４３μｍ、４．２３〜４．２４μｍ、ならびに４．７３および４．７４μｍから選択された波長または波長範囲を有する、
請求項２５から２９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３１】
前記レーザ照射が、以下の範囲、すなわち、２．４７〜２．４８μｍ、１．７４〜１．７５μｍ、２．６３〜２．６４μｍ、５．５１８〜５．５３０μｍ、および４．８５４〜４．８７８μｍから選択された波長または波長範囲を有する、
請求項２５から３０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記レーザ照射が、以下の範囲、すなわち、７５９〜７６１ｎｍから選択された波長または波長範囲を有する、
請求項２５から３１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指定されたガスの存在または量を検出するためのレーザ検出システムに関し、例えば、レーザ吸収分光法に基づくガス分析のためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス製造業者にとって、ガスの純度測定とは不可欠である。純度を測定することにより、指定された品質でガスを販売できる。生産されたガスのうち製造業者が設定する品質要件を満たさないガスは、無駄になることが多く、例えばフレアリングされることが多い。従って、無駄を避けるために、純度測定が信頼できるものであることが重要である。
【０００３】
様々な産業現場、例えば発電所、プロセス産業工場、および商業出荷施設での産業汚染の排出を監視するために、連続排出監視装置がますます求められている。このような求めは、効率の改善、健康および安全の考慮、ならびに法的要件から生じている。法的要件は、多くの場合、多岐にわたる複数の排出化合物、例えば二酸化硫黄、窒素酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水、および酸素の測定を対象としている。
【０００４】
既知のガス分析システムが感知できるのは、単一種の化合物またはわずかな種類の化合物である。既知のシステムを使用して複数種の化合物をカバーするには、いくつかの異なる連続排出監視装置を設置することが必要になる場合があり、これは、非効率的であり、複雑であり、かなりの空間を占めることになり得る。
【０００５】
既知のガス分析システムはまた、分析対象のガスサンプルを収容するためであり、かつガスサンプルと相互作用するためのレーザビームが通過する、１つ以上の光学セル、例えば１つ以上のヘリオットセルを備える。光学セルおよび他の光学部品の構成はガス分析システムの形状およびサイズに影響するため、システムをコンパクトにして、例えばシステムをコンパクトで輸送可能なハウジング内に収めることができるようにするには、光学セルおよび他の光学部品を適切に構成することが重要である。
【０００６】
既知のガス分析システムには、雰囲気中の空気がもたらす潜在的な交差干渉の影響のリスクがある場合がある。これが問題となるのは、測定される典型的な不純物中に、空気中に存在する化合物が含まれる場合であり、特にこれらの不純物の量を大気中に見出されるレベル以下で測定しようとする場合である。大気中に見出され得る不純物としては、限定するものではないが、メタン、水、および二酸化炭素が挙げられる。ガス検出器の周囲の空間の雰囲気を変えるには、乾燥窒素を使用したパージシステムを使用することができる。あるいは、この問題に対処するために、二酸化炭素および／または酸素のスクラバーなどの化学洗浄も使用できる。どちらも設計が難しく、乾燥窒素や計装用空気などのユーティリティの存在に依拠することになり得る。
【０００７】
他の手法も存在する。他の手法としては、交差干渉の影響を考慮した分析ソフトウェアの使用が挙げられる。ただし、バックグラウンドは可変であるため、この手法は制限される。さらに、レーザからの光は、著しい干渉を受けると、光学セルに到達する前に劣化し、得られる測定値が、弱く、信頼性の低いものになり得る。
【発明の概要】
【０００８】
本発明によれば、ある体積のサンプルガスを受け入れ、収容するように構成されたサンプルチャンバと、少なくとも１つのレーザハウジング内にある１つ以上のレーザであって、各レーザが、サンプルガス中の１つ以上の異なる物質を励起するためのそれぞれのレーザビームを生成するように構成され、１つ以上のレーザが、サンプルチャンバの外にある、１つ以上のレーザと、サンプルチャンバから出力された光を検出するための検出器装置と、１つ以上のレーザからのレーザビームを少なくとも部分的に透過させる少なくとも１つの窓を有する、サンプルチャンバに対する第１の光学インターフェースであって、使用の際に、レーザビームがレーザハウジングと少なくとも１つの窓との間の通過によって実質的に変化することのないように、少なくとも１つのレーザハウジングが、第１の光学インターフェースの少なくとも１つの窓に対して密結合構成で配置される、第１の光学インターフェースと、を備える、レーザ検出システムが提供される。
【０００９】
サンプルチャンバは、光学セルを備え得る。光学セルは、サンプルガスの受け入れおよび収容を行うように構成され得る。物質（複数可）は、任意の適切な化合物（複数可）、例えば任意の適切な気体化合物を含み得る。
【００１０】
密結合構成は、動作の際に、レーザハウジングと少なくとも１つの窓との間に存在するガスによってレーザビームが実質的に吸収されないような構成であり得る。例えば、レーザビームの強度は、レーザハウジングと少なくとも１つの窓との間の通過により、１％未満、場合により０．１％未満低減され得る。レーザハウジングと少なくとも１つの窓との間の間隔は、ハウジング内の各レーザビームの経路長の１％未満、場合により０．１％未満であり得る。
【００１１】
システムは、サンプルチャンバから出力された光を少なくとも部分的に透過させる、サンプルチャンバに対する少なくとも１つの窓を有する第２の光学インターフェースであって、使用の際に、レーザビームがサンプルチャンバの出力から第２の光学インターフェースの少なくとも１つの窓への通過によって実質的に変化することのないように、検出器装置が、第２のインターフェースに対して密結合構成となるように構成され得る、第２の光学インターフェースをさらに備え得る。
【００１２】
サンプルチャンバは、密閉され得る、ならびに／またはシステムは、サンプルチャンバの圧力および／もしくは気体含有量を制御するための手段を備え得る。
【００１３】
各レーザハウジングは、密閉され得る、および／または真空下にあり得る、もしくは選択されたガスを含み得る、および／または選択された圧力であり得る。
【００１４】
検出器装置は、ハウジングを備えることができ、検出器装置が、密閉され得る、および／または真空下にあり得る、もしくは選択されたガスを含み得る、および／または選択された圧力であり得る、のうちの少なくとも１つであり得る。
【００１５】
密結合構成（複数可）が、レーザハウジングの少なくとも１つの出力開口と第１の光学インターフェースの少なくとも１つの窓との間に１０ｍｍ未満、場合により５ｍｍ未満、場合により１ｍｍ未満の間隔があることと、第２の光学インターフェースの少なくとも１つの窓と検出器装置との間に１０ｍｍ未満、場合により５ｍｍ未満、場合により１ｍｍ未満の間隔があることと、のうちの少なくとも１つであるような構成であり得る。
【００１６】
少なくとも１つのレーザハウジングの少なくとも１つの開口が、動作の際にレーザビームが通過する、少なくとも１つの窓を備え、少なくとも１つのレーザハウジングの少なくとも１つの窓が、第１の光学インターフェースの少なくとも１つの窓と直接接触し得る。第２の光学インターフェースの少なくとも１つの窓は、検出器装置と直接接触し得る。
【００１７】
少なくとも１つのレーザハウジングは、それぞれのレーザビームがレーザを出る出口開口を備えてもよく、密結合構成では、レーザ出口開口のそれぞれが、第１の光学インターフェースの窓または窓のうちのそれぞれ１つに対して、直接接触し得る、または１ｍｍ未満だけ離隔され得る。
【００１８】
検出器装置は、サンプルチャンバから出力された光が通過するための入口開口を有するハウジングを備えてもよく、密結合構成では、検出器入口開口は、第２の光学インターフェースの窓または窓のうちのそれぞれ１つに対して、直接接触し得る、または１ｍｍ未満だけ離隔され得る。
【００１９】
システムは、少なくとも１つのレーザハウジングを密結合構成に保持するように構成された少なくとも１つの結合手段をさらに備え得る。
【００２０】
第１の光学インターフェースの少なくとも１つの窓が、１つ以上の平坦または楔形の光学窓を備えることができ、各窓が、レーザのうちの対応する少なくとも１つに関連付けられ得る。
【００２１】
システムは、第１の光学インターフェースの窓または窓のうちの少なくとも１つに関連付けられた少なくとも１つのコリメートレンズを備え得る。
【００２２】
システムは、１つ以上の窓を通過するレーザビームをサンプルチャンバの光学セルに指向させるように構成された、サンプルチャンバ内にある少なくとも１つの指向デバイスであって、少なくとも１つの指向デバイスが、レーザビームを共通の光路に沿って光学セルに指向させるように構成され得る、少なくとも１つの指向デバイスをさらに備え得る。
【００２３】
サンプルチャンバ内にある少なくとも１つの指向デバイスが、各レーザビームについて、光学部品のうちの対応する少なくとも１つが、上記レーザビームを共通の光路に沿って指向させるように構成された複数の光学部品を備え得る。
【００２４】
複数の光学部品は、実質的に直線状に構成され得る。光学部品のうちの少なくとも１つは、平坦または非楔形の光学部品を含み得る。
【００２５】
レーザおよび関連する窓のそれぞれは、動作の際に、レーザのそれぞれが、上記直線に実質的に直交する方向に、光学部品のうちの対応する少なくとも１つの光学部品にレーザビームを送信するように構成され得る。
【００２６】
複数の光学部品は、少なくとも１つの部分反射ミラーおよび／または少なくとも１つのダイクロイックミラーを備え得る。
【００２７】
光学部品は直列に構成され、動作の際に、各光学部品が、各自が関連するレーザからのレーザビームを上記共通の光路に合流するように指向させ、直列になっている前の光学部品からのレーザビーム（複数可）を上記共通の光路に沿って指向させる、または通過を可能にするように構成され得る。
【００２８】
光学部品のそれぞれは、少なくとも部分的に反射性であり、少なくとも部分的に透過性であり得る。
【００２９】
少なくとも１つの指向デバイスは、上記複数の光学部品の最後の光学部品と光学セルとの間に、レーザビームを光学セルに指向させるように構成された、操向光学系を備え得る。
【００３０】
検出器装置は、１つ以上の検出器であってもよく、各検出器は、それぞれの波長または波長範囲の放射を検出するように構成される。
【００３１】
第２の光学インターフェースの少なくとも１つの窓が、１つ以上の平坦または非楔形の光学窓を備えることができ、各窓が、検出器のうちの対応する１つに関連付けられる。
【００３２】
システムは、サンプルチャンバ内において光学セルと第２の光学インターフェースとの間に、光学セルからの光を第２の光学インターフェースに指向させるように構成された、さらなる操向光学系を備え得る。
【００３３】
窓および／または複数の光学部品のそれぞれが、０．１ｍｍ〜１ｍｍの範囲の厚さを有し得る。
【００３４】
システムは、レーザビームが時間においてインターリーブされたパルスレーザビームであるように、１つ以上のレーザの動作を制御するように構成されたコントローラをさらに備え得る。
【００３５】
コントローラは、検出装置とレーザとの動作を同期させ、それにより一連の検出信号を取得するように構成され、各検出信号は、レーザのうちの対応する１つに関連付けられ得る。
【００３６】
コントローラは、各レーザビームが１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲、場合により１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲のレートでパルス化されるようにレーザの動作を制御するように構成され得る、および／またはコントローラは、各レーザビームが１００ｎｓ〜２０，０００ｎｓの範囲のパルス長でパルス化されるようにレーザを制御するように構成され得る。
【００３７】
サンプルガスが、エチレン、Ｈ２、Ｎ２、または天然ガスのうちの少なくとも１つを含み得る。
【００３８】
複数の物質が、ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＨ４、およびＮＨ３のうちの少なくとも１つを含み得る。
【００３９】
複数の物質が、Ｈ２Ｏ、ＭｅＯＨ、ＮＨ３、Ｃ２Ｈ２、Ｏ２、ＨＦ、ＨＣｌ、Ｈ２Ｓ、ＣＯ、およびＣＯ２のうちの少なくとも１つを含み得る。
【００４０】
複数のレーザのそれぞれは、赤外線レーザ照射を生成するように構成され得る。
【００４１】
レーザのそれぞれが、それぞれの異なる波長もしくは波長範囲のレーザビームを生成するように構成され得る、および／または各検出器装置が、それぞれの異なる波長もしくは波長範囲の放射を検出するように構成される。
【００４２】
波長または波長範囲のうちの少なくとも１つが、以下の範囲、すなわち、４．２１〜４．２４μｍ、４．５６〜４．５９μｍまたは４．７２〜４．７６μｍ、６．０９〜６．１４μｍ、７．４３〜７．４７μｍ、および１０．００〜１０．１１μｍから選択され得る。サンプルガスは、Ｈ２またはＮ２を含み得る。
【００４３】
波長または波長範囲のうちの少なくとも１つが、以下の範囲、すなわち、６．１１〜６．１２μｍ、７．４２〜７．４４μｍ、６．１４〜６．１６μｍ、７．４１〜７．４３μｍ、４．２３〜４．２４μｍ、および４．７３〜４．７４μｍから選択され得る。サンプルガスは、エチレンを含み得る。
【００４４】
波長または波長範囲のうちの少なくとも１つが、以下の範囲、すなわち、２．４７〜２．４８μｍ、１．７４〜１．７５μｍ、および２．６３〜２．６４μｍから選択され得る。サンプルガスは、天然ガスまたは煙道からのガスを含み得る。
【００４５】
波長または波長範囲のうちの少なくとも１つが、以下の範囲、すなわち、７５９〜７６１ｎｍから選択され得る。サンプルガスは、Ｈ２もしくはＮ２、エチレン、天然ガス、または煙道からのガスのうちの１つを含み得る。少なくとも１つの物質は、Ｏ２を含み得る。
【００４６】
検出器装置は、１つ以上のレーザおよび少なくとも１つの指向デバイスに対して光学セルの反対側に構成され得る。
【００４７】
システムは、サンプルガスをサンプルチャンバに供給するように構成されたガス供給装置をさらに備え得る。
【００４８】
光学セルは、ヘリオットセルを含み得る。
【００４９】
光学セルは、非点収差ヘリオットセルを含み得る。
【００５０】
システムは、連続排出監視システム（ＣＥＭ）またはＨ２純度測定システムまたはＮ２純度測定または天然ガス純度測定システムまたはエチレン純度測定システムを含み得る。ＣＥＭは、煙道からのガス、例えば発電所、プロセス産業工場、または出荷施設の煙道からのガスを測定するように構成され得る。
【００５１】
さらなる態様において、レーザ検出システムで使用するためのレーザであって、レーザが、レーザを密結合構成でサンプルチャンバに結合するための少なくとも１つの結合手段を備える、レーザが提供される。
【００５２】
さらなる態様において、レーザ検出システムで使用するための検出器装置であって、検出器装置が、検出器装置を密結合構成でサンプルチャンバに結合するための少なくとも１つの結合手段を備える、検出器装置が提供される。
【００５３】
さらなる態様では、レーザ検出システムで使用するためのサンプルチャンバであって、サンプルチャンバが、サンプルチャンバを密結合構成で、少なくとも１つのレーザおよび検出器装置のうちの少なくとも１つに結合するための少なくとも１つの結合手段を備える、サンプルチャンバが提供される。
【００５４】
独立して提供され得るさらなる態様では、サンプルガス中の少なくとも１種の物質の、場合により複数種の物質の存在、非存在、または量を検出する方法であって、物質（複数種可）を含み得るサンプルガスにレーザ照射を適用するステップと、サンプルガスからの放射を検出するステップと、検出された放射に基づいて複数種の物質の存在、非存在、または量を判定するステップと、を含む、方法が提供される。
【００５５】
本方法は、他の任意の態様による、および／または特許請求の範囲または本明細書で記載されるシステムまたは装置を使用して実行され得る。本方法は、特許請求の範囲または本明細書で記載される波長または波長範囲の放射を使用することを含み得る。
【００５６】
１つの態様における特徴は、任意の他の態様における特徴として、任意の適切な組み合わせで提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
ここで、本発明の様々な態様を、単なる例として、添付の図面を参照して説明する。
【００５８】
【図１】レーザ分光システムの概略図である。
【図２】レーザ分光システムのサンプルチャンバの概略図である。
【図３】レーザ分光システムのレーザ装置の概略図である。
【図４】レーザ分光システムの検出器装置の概略図である。
【図５】レーザ分光システムの斜視図である。
【図６】光学インターフェースの断面斜視図である。
【図７】光学インターフェースの断面斜視図である。
【図８】閉じた構成にあるレーザ分光システムのハウジングの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
図１は、光学セル１０内に収集されたガスを分析するためのレーザ分光システムの概略図である。システムは、レーザ装置１２と、コントローラ１４と、サンプル装置１６と、検出器装置１７と、を備える。コントローラ１４は、電子的、電気的、または他の方法でレーザ装置１２およびサンプル装置１６に接続される。レーザ装置１２は、サンプル装置１６に光学的に結合され、サンプル装置１６は、検出器装置１７に光学的に結合される。レーザ装置１２は、１つ以上のレーザ１８を備える。１つ以上のレーザ１８のそれぞれが、それぞれのハウジングおよびレーザビーム（複数可）が動作の際に通過する窓を含み得る開口を有するレーザモジュールに含まれ得る。
【００６０】
サンプル装置１６は、光学セル１０を備える。サンプル装置１６はまた、第１の光学インターフェース２０と、第２の光学インターフェース２２と、サンプルチャンバ２４と、を備える。サンプル装置１６はまた、図３に関連して後により詳細に説明するように、１つ以上のレーザ１８からのレーザビームを共通の光路に沿って光学セル１０内に指向させるように構成された複数の光学部品２６の形態で、少なくとも１つの指向デバイスを備える。
【００６１】
光学セル１０は、サンプルチャンバ２４内に収容される。少なくとも１つの指向デバイスおよび操向部品２８もサンプルチャンバ２４内に収容される。サンプルチャンバ２４は、第１の光学インターフェース２０によってレーザ装置１２に光学的に結合される。サンプルチャンバ２４は、第２の光学インターフェース２２によって検出器装置１７に光学的に結合される。
【００６２】
検出器装置１７は、複数の検出器を備える。検出器は、光学セル１０からの光を検出するように構成される。光は、赤外線または可視光線、または任意の他の適切な波長の光、または電磁スペクトルの任意の適切な部分からの光であり得る。コントローラ１４は、制御モジュール３０と、信号プロセッサ３２と、を備える。制御モジュール３０は、レーザ１８の動作を制御するように構成され、信号プロセッサ３２は、検出器装置１７から取得された信号を処理するように構成される。コントローラ１４は、例えば、適切にプログラムされたＰＣまたは他のコンピュータの形態であってもよいし、専用回路または他のハードウェア、例えば、１つ以上のＡＳＩＣもしくはＦＰＧＡまたはハードウェアとソフトウェアとの任意の適切な混合体を含んでもよい。制御モジュール３０および処理モジュールは、図１に示すのと同じコントローラ部品内に提供されるのではなく、いくつかの実施形態では別個の異なる部品、例えば別個の処理リソースとして提供され得る。
【００６３】
光学セル１０は、光学的入口開口および光学的出口開口を有する。光学セル１０は、例えば、ヘリオットセルまたは任意の他の適切なタイプの光学セルとすることができる。光学セル１０は、サンプルチャンバ２４内に設置される。図１のサンプルチャンバ２４は、ガスのサンプルを導入および収集できる第１の密閉容積を画定する。光学セル１０は、サンプルチャンバ２４の第１の密閉容積よりも小さく、かつ第１の密閉容積の内側にある第２の開放容積を画定する。従って、第１の密閉容積に導入および収集されたガスのサンプルは、光学セル１０によって画定される第２の開放容積に導入および収集される。
【００６４】
ガスは、関心対象の１つ以上の異なる化合物または他の物質を含むことができる。光学セル１０内に収集されたガス中にこれらの化合物が存在することの指標は、レーザ１８からの光を光学セル１０に通過させることにより測定され得る。光が関心対象の化合物の吸収スペクトルまたは吸収線に対応する波長範囲にある場合、セルを通過する際の光の吸収は、サンプル中に関心対象の化合物が存在していることに起因し得る。吸収のレベルは、測定されると、サンプル中の関心対象の化合物の物理的特性、例えば濃度を測定するために使用できる。異なる化合物は異なる波長に吸収スペクトルを持つため、異なる波長の光が光学セル１０に供給される。
【００６５】
１つ以上のレーザ１８は、第１の光学インターフェース２０に密結合構成で直接結合される。同様に、検出器装置１７の検出器は、第２の光学インターフェース２２に密結合構成で直接結合される。いくつかの実施形態では、密結合構成は、光学部品が１ｍｍ未満の距離だけ離隔されるような構成であり得る。いくつかの実施形態では、密結合構成では、光学部品は接触（ｃｏｎｔａｃｔ）、接触（ｔｏｕｃｈ）、および／または突き合わせ結合とすることができる。
【００６６】
レーザと検出器とをサンプルチャンバの光学インターフェースに直接結合することにより、レーザビームが通過するレーザと検出器と間の光路が、サンプルチャンバ内に実質的に含まれるという利点がもたらされる。光学セル１０の外側のレーザ光の経路長は、２ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満である。これを、セルの外側の経路長が５０〜７０ｃｍになり得る典型的な従来技術の構成と比較されたい。これは、レーザビームが、サンプルチャンバの外側の雰囲気中の空気およびその中に含まれる化合物に曝されないという効果を有する。換言すれば、レーザビームは、サンプルチャンバに収容されているサンプルガスにのみ曝され得る。
【００６７】
図２は、サンプル装置１６のより詳細な概略図である。図２は、ハウジングを有するレーザ装置１２を代表するレーザ３４と、ハウジングを有する検出器装置１７を代表する検出器３６と、を示している。レーザ３４のハウジングは、レーザからのレーザビームが動作の際に通過する窓を有する開口を含む。図２はまた、サンプルチャンバ２４も示している。図１に関連して説明したように、サンプルチャンバ２４は、第１の光学インターフェース２０を介してレーザ装置１６に結合され、第２の光学インターフェース２２を介して検出器装置１７に結合される。第１の光学インターフェース２０は、図２において、第１の窓３８およびレンズ４２によって表されている。第２の光学インターフェース２２は、第２の窓４０によって表されている。第１の窓３８および第２の窓４０は、平坦または非楔形の窓である。レンズ４２は、コリメートレンズであり、サンプルチャンバ２４内において第１の窓３８に配置されている。
【００６８】
図２では、第１の窓３８と第２の窓４０とは両方ともサンプルチャンバ２４の同じ面に配置されている。しかしながら、図２は概略図にすぎず、第１の窓および第２の窓の位置が異なり得ることに留意されたい。特に、複数のレーザもしくは複数の検出器がサンプルチャンバに結合される場合、または異なる光学セルのタイプが使用される場合、サンプル装置１６のレイアウトは異なり得る。
【００６９】
図２はまた、第１の反射要素４３と第２の反射要素４４とを備える、サンプルチャンバ２４内の光学セル１０を示している。特に、光学セル１０は、第１の反射要素４３と第２の反射要素４４とを備えるヘリオットセルとすることができる。第１の反射要素４３は、第１の窓３８の最も近くに配置されている。第１および第２の反射要素は、入口開口４６および出口開口４８を有する。図２では、入口開口と出口開口との両方が第１の反射要素４３に配置されている。あるいは、入口開口４６が第１の反射要素４３に配置され、出口開口４８が第２の反射要素４４に配置されてもよい。有利なことに、これは、よりコンパクトなシステム設計につながる。
【００７０】
図２はまた、窓３８およびレンズ４２を介してサンプルチャンバ２４に導入された光を、光学セル１０の入口開口４６に指向させるための、サンプルチャンバ２４内の第１の組の光学操向部品を示している。第１の組の光学操向部品５０は、第１および第２の操向ミラーを備える。第１および第２の操向ミラーは、一緒に作動して、レーザビームの入射角について、その方向を変え、位置決めし、調整するように構成される。図２はまた、光を出口開口４８から第２の窓４０に指向させるための第２の組の光学操向部品５２も示している。第２の組の光学操向部品５２は、第３および第４の操向ミラーを備える。第３および第４の操向ミラーは、一緒に作動して、レーザビームの入射角について、その方向を変え、位置決めし、調整するように構成される。
【００７１】
図３は、図１に示すレーザ分光システムのレーザ装置１２の一部のより詳細な概略図である。図３は、レーザ分光システムに複数のレーザを組み込む方法を示している。図３は、図１のレーザ１８、サンプルチャンバ２４、第１の光学インターフェース２０、および光学部品２６をより詳細に示している。
【００７２】
光学部品２６は、１組の部分反射ミラー５４およびダイクロイックミラー５６を含む。本実施形態はＯ２の測定に関連して使用され得るため、ダイクロイックミラーが含まれている。他の実施形態では、以下でさらに論じるように、ダイクロイックミラーは使用されない。部分反射ミラー５４は、第１のミラー６０と、第２のミラー６２と、第３のミラー６４と、第４のミラー６６と、第５のミラー６７と、を含む。レーザ１８は、第１のレーザ６８と、第２のレーザ７０と、第３のレーザ７２と、第４のレーザ７４と、第５のレーザ７６と、第６のレーザ７８と、を含む。第１の光学インターフェース２０は、第１の窓８０と、第２の窓８２と、第３の窓８４と、第４の窓８６と、第５の窓８８と、第６の窓９０と、を含む。第１の光学インターフェース２０はまた、第１の窓８０に関連する第１のレンズ９２と、第２の窓８２に関連する第２のレンズ９４と、第３の窓８４に関連する第３のレンズ９６と、第４の窓８６に関連する第４のレンズ９８と、第５の窓８８に関連する第５のレンズ１００と、第６の窓９０に関連する第６のレンズ１０２と、を含む。レーザ６８、７０、７２、７４、７６、および７８のそれぞれは、対応する窓８０、８２、８４、８６、８８、および９０を有する。レーザ１８のそれぞれは、対応する窓に直接結合される。レーザのそれぞれからの光は、対応する窓およびレンズを介してサンプルチャンバ２４内に入力される。
【００７３】
部分反射ミラー５４およびダイクロイックミラー５６は、レーザ１８からのレーザビームを共通の光路に沿ってポイント１０４に指向させるように構成される。ポイント１０４から共通の光路に沿って光学セル１０に結合レーザビーム１０６を操向するための追加の操向光学部品がシステムに含まれているが、図３には示されていない。追加の操向光学部品は図２に概略的に示されている。レーザ６８、７０、７２、７４、７６、および７８のそれぞれは、対応するミラー６０、６２、６４、６６、６７、および５６を有する。部分反射ミラー５４およびダイクロイックミラー５６は直線状に配置される。各ミラーは、この直線に対して４５度の角度で傾斜している。直線は、第１のミラー５８からダイクロイックミラー５６へ、さらにポイント１０４への伝播の方向を規定する。結合レーザビーム１０６は、伝播方向に沿って伝播する。
【００７４】
任意の適切な部分反射ミラーを使用できる。図３の実施形態では、部分反射ミラーのそれぞれが、前面の広帯域反射を制御するために光学コーティングが施された、コーティングされた赤外線ＢａＦ２またはＣａＦ２窓を備える。代替的な実施形態では、他の任意の適切な物質を使用することができる。図３の実施形態では、８０：２０（透過率８０％、反射率２０％）と、５０：５０（透過率５０％、反射率５０％）と、の２種のコーティングが使用されている。これにより、様々なレーザ出力を調整して、各レーザの出力を（実用的な制限内の）一貫した値に調和させることができる。代替的な実施形態では、より多くの、またはより少ないコーティングを使用することができる。図３の部分反射ミラーのコーティングは、広帯域に設計されており、波長の変化、特に関心対象の波長周辺の変化に対する応答の変動が低減または最小限に抑えられる。
【００７５】
任意の適切なダイクロイックミラーを使用できる。図３の実施形態では、ダイクロイックミラーは、指定された波長よりも低い光を反射させ、上記指定された波長よりも高い光を透過させるための光学コーティングが施された、コーティングされた赤外線ＢａＦ２窓を備える。代替的な実施形態では、他の任意の適切な物質を使用することができる。図３の実施形態では、コーティングは、波長が１μｍ未満の光を反射し、波長が１μｍを超える光を透過するようなコーティングである。
【００７６】
任意の適切な窓を使用できる。図３の実施形態では、窓のそれぞれが、コーティングされた赤外線ＢａＦ２またはＣａＦ２窓を備える。
【００７７】
他の実施形態では、他の適切なタイプのミラーまたは光学デバイスが、部分反射ミラーおよびダイクロイックミラーの代わりに使用され得る。例えば、いくつかの実施形態では、ダイクロイックミラー以外のミラーまたは部分反射ミラーを、ダイクロイックミラー５６の位置、例えばポイント１０４の前の最後のミラーの位置で使用することができる。このようなミラーを最後の位置で使用して、セルにより多くの出力を導入することができる。これは、レーザが最後の位置を通過する必要がないように、最後の位置の後ろに追加のレーザがないことから、すなわち最後の位置の後ろに追加のレーザがなければ、可能になり得る。代替的な実施形態では、部分反射ミラーおよびダイクロイックミラーの任意の適切な数および組み合わせを使用することができる。
【００７８】
部分反射ミラー５４のそれぞれが、自身への入射光を部分的に反射し、部分的に透過するように構成される。ミラーの反射および透過特性は、レーザ１８からのレーザビームを共通の光路に沿って指向させるように選択される。図３の実施形態では、部分反射ミラー５４のそれぞれが、レーザ１８のうちの対応する１つからの入射光の２０％を反射し、入射光の８０％を透過する。代替的な実施形態では、部分反射ミラー５４は、異なる反射および透過特性を有し得る。ダイクロイックミラー５６は、反射波長範囲によって規定され、反射波長範囲内の波長を有する光を反射し、反射波長範囲外の波長を有する光を透過するように構成される。ダイクロイックミラー５６の反射波長範囲は、第６のレーザ７８からの光が反射され、第１〜第５のレーザからの光が透過されるように、第６のレーザ７８の波長範囲に対応するように選択される。ミラーは、平坦または非楔形の光学部品である。有利なことに、これにより、システムは直交方式で動作できる。例えば、システムは、第１のミラー６０からダイクロイックミラー５６への伝播方向がレーザ１８から出力されるレーザビームに実質的に直交するような幾何学的構成を有する。
【００７９】
実施形態において平坦または非楔形の光学部品を使用する別の利点は、例えば光学部品によって引き起こされる歪みの影響または他のアーティファクトが実質的に波長と無関係であり得るように、共通の光路にレーザビームを指向させることが実質的に波長と無関係であり得ることである。しかしながら、部分反射ミラーを使用すると、結果として得られる光信号が干渉縞の影響を受ける可能性がある。これらの影響は、システムの自由スペクトル領域を制御するように、光学部品の寸法、特に厚さを選択することにより低減できる。自由スペクトル領域は、連続する２つの最大値または最小値間の波長差の尺度である。自由スペクトル領域は、ＦＳＲ＝１／（２×ｎ×Ｌ）で表すことができ、ここで、Ｌはガラスの厚さであり、ｎは屈折率である。通常、光学部品の適切な厚さは１ｍｍ未満である。この選択は、例えばＢａＦ２などの物質の特定の選択では、悪くても４ｃｍ−１以上の自由スペクトル領域を与える。自由スペクトル領域を制御することにより、干渉縞の影響が発生する周波数をずらして、光学セル１０内の化合物の測定値と同じ周波数にないように、および／または干渉しないようにすることができる。
【００８０】
この大きさの自由スペクトル領域は、レーザスキャン全体でカバーされるスペクトル窓と幅が似たスペクトル窓をもたらす。予期される影響は、レーザパルスのバックグラウンドの湾曲である。このバックグラウンドは、信号処理の一部としてスペクトルフィッティングアルゴリズムを使用して容易に除去できる。サンプル装置１６の操向光学部品２８および非平坦または楔形の光学部品の使用により光学セル１０に光を操向するために使用される光学系では、さらなる干渉縞の影響が回避される。
【００８１】
図３の各レーザは、１組の５つの部分反射ミラー５４およびダイクロイックミラー５６に属する、対応するミラーを有する。動作の際、第１のレーザ６８からのレーザビームは、第１の窓８０および第１のレンズ９２を通過してサンプルチャンバ２４内に入る。レーザビームは、第１のミラー６０まで進み続け、次いで、第１のミラー６０からポイント１０４まで進み続ける。第１のミラー６０は、第１のレーザ６８からのレーザビームが第１のミラー５８によって直角に反射されるように傾けられる。同様に、第２〜第５のレーザのそれぞれが、第２〜第５の窓、レンズ、およびミラーによって規定される、対応する光路を有する。同様に、第６のレーザ７８からダイクロイックミラー５６、そしてポイント１０４までの第６の光路が規定される。すべてのミラーは、光路のそれぞれがその対応するミラーとの交点で直角に曲がるように、第１のミラー６０と同じ傾斜角で構成される。
【００８２】
ミラーは、レーザ６８、７０、７２、７４、７６、および７８からのレーザビームが、それらの対応する窓８０、８２、８４、８６、８８、および９０を通過し、それらの対応するレンズ９２、９４、９６、９８、１００、および１０２によって集束され、それらの対応する光学部品６０、６２、６４、６６、６７、および５８によって反射された後、ポイント１０４を介するセル１０への共通の光路に沿って通過するように構成される。共通の光路は、例えば、第１のミラー６０に一端を有し、光学セル１０への入口開口に他端を有することができ、かつポイント１０４を通って延びることができ、各それぞれのレーザの光路は、共通の光路に沿って通過するように指向されると、共通の光路に合流する。従って、各レーザの光路は、実質的に重なり得る。
【００８３】
レーザモジュールは、他のレーザモジュールと交換できる。従って、図３および上記の対応する説明は、レーザモジュールの構成の１つの選択の説明のための例である。いくつかの実施形態では、レーザ分光システムは、最大６つのレーザモジュールを動作させることができる。図３の構成は、Ｏ２を検出するのに適したサブレンジを有する第６のレーザ７８を含む。第６のレーザ７８に対応するダイクロイックミラー５６もシステムに含まれる。後述するように、システムがＯ２を含まない１組の成分を検出するように構成されている場合、第６のレーザ７８は適切な波長範囲のレーザに置き換えられ、ダイクロイックミラー５６は第６の部分反射ミラーに置き換えられる。
【００８４】
図４は、図１に示すレーザ分光システムの検出部分のより詳細な概略図である。図４は、レーザ分光システムに複数の検出器を組み込む方法を示している。図４は、図１の光学セル１０、光学操向部品２８、サンプルチャンバ２４、第２の光学インターフェース２２、および外側ハウジングを備える検出器装置１７をより詳細に示している。
【００８５】
図４は、第１の出力窓１０８と第２の出力窓１１０とを備える第２のインターフェース２２を示している。検出器装置１７は、第１の検出器１１２と第２の検出器１１４とを有する。サンプルチャンバ２４内の操向光学部品２８は、光学セル１０からの光を、検出器装置１１２の第１の検出器１１２または検出器装置１７の第２の検出器１１４に操向するように構成される。第１の検出器１１２は、第１の出力窓１０８に直接結合される。第２の検出器１１４は、第２の出力窓１１０に直接結合される。第１の検出器１１２は、レーザ装置１２のレーザの第１のサブセット内の１つ以上のレーザからの光を感知できる。第２の検出器１１４は、レーザ装置１２のレーザの第２のサブセット内の１つ以上のレーザからの光を感知できる。ダイクロイックミラーを用いる図３に関連して説明した構成では、第１の検出器は第１〜第５からのレーザの光を感知し、第２の検出器は第６のレーザからの光を感知する。
【００８６】
表１に、分光システムにおけるレーザモジュールの可能な構成と、システムに実装できる対応する検出器の詳細を示す。レーザの波長範囲を注意深く選択すると、レーザ波長ごとに複数の測定が可能になる。表１の最初の列は、検出される化合物を示している。２列目および３列目は、化合物の検出に適した１つ以上の波長範囲を示している。表３の３列目は、検出器タイプを示している。最後の列には、波長範囲の選択の典型的だが非限定的な用途が示されている。
【００８７】
【表１】
2020505599.tif 000003
【００８８】
表１からわかるように、３つの検出器Ａ、Ｂ、Ｃが記載されている。検出器Ａ、Ｂ、およびＣのそれぞれが、異なる波長または波長範囲の光を感知できる。図５を参照して説明されるように、システムの物理的ハウジングと検出器との互換性により、検出器の特定の組み合わせをシステムに含めることができる。オプションは、（ｉ）検出器Ａのみ、（ｉｉ）検出器Ｂのみ、（ｉｉｉ）検出器Ｃのみ、（ｉｖ）検出器Ａおよび検出器Ｂ、ならびに（ｖ）検出器Ａおよび検出器Ｃを含む。他で説明されるように、Ｏ２を検出するために検出器Ｃが含まれる場合（オプション（ｉｉｉ）および（ｖ））、ダイクロイックミラー５６を含める必要がある。オプション（ｉ）、（ｉｉ）、および（ｉｖ）の場合、ダイクロイックミラーは含まれず、すべてのミラーは部分反射ミラーである。代替的な実施形態では、表に記載された波長または波長範囲のうちの１つ以上を使用して、表に記載された関心対象の物質のいずれかを検出するために、検出器の任意の適切な組み合わせが提供され得る。
【００８９】
ここで、図１、図３、および図４を参照して、システムの動作を説明する。動作の際、レーザ１８は、制御モジュール３０、または他の実施形態における他の制御部品によって制御されて、パルスを連続的に生成する。シーケンスは以下のとおりであり得る。第１のレーザ６８は、第１のパルスを生成し、第１のパルスが、光学部品によってポイント１０４に指向され、光学セル１０に向かって進む。その後、第２のレーザ７０は、第２のパルスを生成し、第２のパルスが、光学部品によってポイント１０４に指向され、光学セル１０に向かって進む。これに続いて、第３のレーザ７２によって生成された第３のパルスが、光学部品によってポイント１０４に指向され、光学セル１０に向かって進み、第４のレーザ７４によって生成された第４のパルスが、光学部品によってポイント１０４に指向され、光学セル１０に向かって進み、第５のレーザ７６によって生成された第５のパルスが、光学部品によってポイント１０４に指向され、光学セル１０に向かって進み、第６のレーザ７８によって生成された第６のパルスが、光学部品によってポイント１０４に指向され、光学セル１０に向かって進む。第６のパルスに続いて、このシーケンスが繰り返される。レーザのそれぞれからのパルスビームは、時間的にインターリーブされる、および／または重なり合わず、共通の経路に沿って光学セル１０に伝播する。
【００９０】
上記のシーケンスに続いて、第１のパルスは、第１の窓８０および第１のレンズ９２に入射して通過し、次いで、第１のミラー６０に入射して反射し、次いで、第２、第３、第４、第５のミラーおよびダイクロイックミラーをポイント１０４まで透過し、光学セル１０、そして検出器装置１７まで進み続ける。その後、第２のパルスは、第２の窓８２および第２のレンズ９４に入射して通過し、次いで、第２のミラー６２に入射して反射し、次いで、第３、第４、および第５のミラーおよびダイクロイックミラーをポイント１０４まで透過し、光学セル１０、そして検出器装置１７に向かう。その後、第３のパルスは、第３の窓８４および第３のレンズ９６に入射して通過し、次いで、第３のミラー６４に入射して反射し、次いで、第４および第５のミラーおよびダイクロイックミラーをポイント１０４まで透過し、光学セル１０、そして検出器装置１７に向かう。その後、第４のパルスは、第４の窓８６および第４のレンズ９８に入射して通過し、次いで、第４のミラーに入射して反射し、次いで、第５のミラーおよびダイクロイックミラー５６をポイント１０４まで透過し、光学セル１０、そして検出器装置１７に向かう。その後、第５のパルスは、第５の窓８８および第５のレンズ１００に入射して通過し、次いで、第５のミラー６７に入射して反射し、次いで、ダイクロイックミラー５６をポイント１０４まで透過し、光学セル１０、そして検出器装置１７に向かう。シーケンスの最後のパルスは第６のパルスであり、このパルスは、第６の窓１０２および第６のレンズ１０２に入射して通過し、次いで、ダイクロイックミラー５６に入射してポイント１０４まで反射し、光学セル１０、そして検出器装置１７に向かう。その後、パルスシーケンスが繰り返される。
【００９１】
パルスは、光学セル１０を通って第２の光学インターフェース２２に向かって伝播する。パルスは、第２の光学インターフェース２２を通過して検出器装置１７に到達する。サンプル装置１６の操向光学部品２８は、光学セル１０からの（第１〜第５のレーザから発する）光を第１の出力窓１０８を介して第１の検出器１１２に操向する。第１の検出器は、第１〜第５のレーザからの光を感知できる。従って、本実施形態では、検出器のうちの１つは、複数のレーザからの光を感知できる。サンプルチャンバ２４の操向光学部品２８は、セルからの（第６のレーザから発する）光を第２の出力窓１１０を介して第２の検出器１１４に操向する。第２の検出器は、第６のレーザ７８からの光を感知できる。操向光学部品２８は、第６のレーザ７８の光を第２の検出器１１４に指向させ、第１〜第５のレーザの光を第１の検出器１１２に指向させる、第２のダイクロイックミラーを備える。第２のダイクロイックミラーの光学特性は、ダイクロイックミラー５６の特性と一致し得る。操向光学部品２８は、２つの異なる光の分岐を２つの検出器上に集束させるために、２つの別個の軸外放物面ミラーを備える。制御モジュール１４は、検出信号のそれぞれが、レーザのうちのそれぞれ１つから受信した光に対応するように、レーザと第１および第２の検出器との動作を同期させる。
【００９２】
図１のレーザ１８は、サブレンジの波長にわたって光を生成するように動作可能な半導体ダイオードレーザである。レーザは、量子カスケードレーザ、例えばチャープパルス量子カスケードレーザであってもよいが、任意の他の適切なタイプのレーザが代替的な実施形態で使用されてもよい。例えば、バンド間カスケードレーザおよびチューナブルダイオードレーザを使用できる。レーザは、例えば、直径が２〜３ｍｍ、または任意の他の適切なサイズのビームを生成する。
【００９３】
波長のサブレンジは、赤外線スペクトル内にあり得る。波長範囲は、１つ以上の化合物の測定に対応するように選択される。このことと併せて、装置は、複数の波長範囲の光を提供し、例えば可視光、近赤外光、および／または中赤外光を組み合わせて、各化合物に最適な波長を利用することができる。レーザ分光システムは、雰囲気中の空気に見られる不純物を測定するように構成される。通常の空気中に見出され得る不純物には、メタン、水、および二酸化炭素が含まれるが、これらに限定されない。
【００９４】
表２は、レーザ１８の波長範囲、対応する波数範囲、およびこの波長範囲の光によって検出される対応する化合物の第１の実施例を示している。図１のレーザの構成は、エチレン純度の測定に適している。第１の例では、必要な検出器のタイプは１つだけであり（表１の検出器タイプＡに対応）、ダイクロイックミラーは不要である。
【００９５】
【表２】
2020505599.tif 000004
【００９６】
表３は、レーザ１８の波長範囲、対応する波数範囲、およびこの波長範囲の光によって検出される対応する化合物の代替的な実施例を示している。表２に示すレーザの波長は、Ｈ２／Ｎ２純度の測定に適している。
【００９７】
表２を実施するには、図３に示す実施形態の変更が必要である。特に、第６のレーザ７８および対応するダイクロイックミラー５６、または第６の窓９０および第６のレンズ１０２は存在しない。
【００９８】
【表３】
2020505599.tif 000005
【００９９】
制御モジュール３０は、１つ以上の電子制御信号をレーザ１８に送信するように構成される。電子制御信号に応じて、レーザ１８は結合レーザビーム１０６を生成する。制御信号は、レーザ１８を連続的にパルス化するように作用する。換言すれば、制御信号は、サンプル時間間隔にわたって１つのレーザからの光のみが光学部品２６に提供されるように、レーザ１８のそれぞれを順次駆動するように作用する。よって、レーザビーム経路に沿った任意の時点および位置での結合レーザビームが参照されるが、その位置および時点での結合レーザビームは、レーザのうちの１つのみからの光で構成され得る。結合レーザビームは、異なるレーザからのインターリーブされた重なり合わないパルスで構成される。光学部品２６は、各レーザからの光を、光学セル１０への共通の経路をたどるようにレーザの光路に沿って指向させるように構成される。このようにして、制御モジュール３０は、レーザ装置１２を制御して、結合レーザビーム１０６を生成し、結合レーザビーム１０６を光学セル１０に供給する。結合レーザビーム１０６は、時間的にインターリーブされた、および／または重なり合わないレーザのそれぞれからのパルスビームを含む。
【０１００】
レーザ間のスイッチング周波数は、検出器装置１７での信頼できる測定を確保するように選択される。特に、光パルスがその光学セルの光路を通過するのにかかる時間は、パルスの物理的特性および光学セル１０の寸法に依存する。後続のパルスのパルス長および周波数は、パルスが物理的に重なり合わないように制御および選択される。パルスが重なり合うことにより、干渉および信頼性の低い測定値につながる。２つ以上のパルスが物理的に重なり合わない限り、マルチパスセルに同時に２つ以上のパルスを存在させることができる。レーザ１８からのパルスに適したパルス幅は、１００ナノ秒〜２０，０００ナノ秒であり得る。いくつかの実施形態では、連続パルスの周波数は最大１００ｋＨｚであり得る。
【０１０１】
信号プロセッサ３２は、検出器からの検出信号を処理して、調査対象の異なる化合物の濃度および／または相対量を測定するか、任意の他の所望の特性を測定する。信号プロセッサ３２は、任意の適切な既知の処理技法を使用して、濃度、相対量、または他の特性を測定する。
【０１０２】
場合により、アライメント機構が提供され得る。例示的なアライメント機構は、カメラとミラー調整機構とを備える。カメラは、結合レーザビーム１０６の所望の伝播方向と交差するように、ポイント１０４またはその付近に配置される。所望の伝播方向は、通常の動作の際に、結合レーザビーム１０６が共通の光路を介して光学セル１０に入るような方向である。アライメント工程の際に、サンプルビームは、レーザ１８により生成され、サンプルビームは、光学部品２６によりカメラに指向される。カメラは、入射するサンプルビームの位置を、所望の伝播方向に対して検出する。ミラー調整機構は、部分反射ミラー５４およびダイクロイックミラー５６の位置、特に伝播方向に対する傾きを調整して、レーザ１８の光路を所望の伝播方向に実質的にアライメントし、互いの光路を実質的にアライメントする。例えば、光路は、１．１°の公差内で実質的にアライメントされる。アライメント工程は、レーザ１８のそれぞれについて繰り返される。
【０１０３】
図５は、レーザ分光システムのための内部ケーシングの斜視図である。ケーシングは、上部光学プレート１１６と下部ベースセクション１１８とを有する。上部光学プレート１１６は、レーザ装置を受け入れるサイズおよび寸法になっており、ここでは、レーザモジュール１２０を含み６つのレーザモジュール１２１を含むレーザ装置が示されている。上部光学プレート１１６はまた、第１の検出器１２２、第２の検出器１２４、圧力計１２６、および温度計１２８を有する。また、上部光学プレート１１６上には、較正機構１３０が配置されている。較正機構１３０は、レーザ較正用のエタロンを含むことができる。加えて、オプションでレーザビームを減衰させるために、着脱可能なミラー１３１が追加され得る。下部ベースセクション１１８は、サンプルチャンバ２４を収容する。光学セル１０は、光学プレート１１６の下面に取り付けられる。下部ベースセクション１１８は、ガス注入口１３２およびガス排出口１３４を介してガス供給装置と結合されるように構成される。ガス注入口１３２およびガス排出口１３４を除いて、下部ベースセクション１１８は密閉されている。
【０１０４】
図６は、レーザとサンプルチャンバとの間の例示的な光学インターフェースの断面斜視図である。図６は、レーザ分光システムのインターフェースプレート１１７に取り付けられたレーザモジュール１２０を示している。図６はまた、上部光学プレート１１６と、サンプルチャンバが配置される下部ベースセクション１１８と、を示している。レーザモジュール１２０と下部ベースセクション１１８のサンプルチャンバとの間の光学インターフェース１３６が示されている。
【０１０５】
図７は、光学インターフェース１３６の拡大図を示す図６の拡大図である。レーザモジュール１２０のレーザパッケージ１３８が示されている。レーザパッケージ１３８は下面１４０を有する。下面１４０は平坦である。下面１４０の中心点には、レーザ光がレーザモジュール１２０から出るための開口１４２がある。開口１４２は、レーザパッケージを密閉する役割を果たす窓を収容する。
【０１０６】
インターフェースプレート１１７は、レーザモジュール１２０を分光システムに収容するように構成される。図６および図７の実施形態では、インターフェースプレート１１７は、対応するレーザモジュール１２０用の結合部材１４４を有する。結合部材１４４は、インターフェースプレート１１７の上面から延びる中空の円筒状突出部である。結合部材１４４の上端には、縁のある円形の台座１４６がある。図６および図７は、縁のある円形の台座１４６に固定された円形の窓１４８を示している。円形の窓１４８および縁のある円形の台座１４６は、窓１４８が縁のある円形の台座１４６に配置された状態で、結合部材１４４の上面がレーザモジュール１２０に対して平坦かつ水平面を呈するような寸法である。
【０１０７】
レーザモジュール１２０は、インターフェースプレート１１７の結合部材１４４の形状を補完し、それに適合するような寸法の空洞１５０を有する。空洞は、レーザパッケージ１３８の下面１４０の真下に配置されている。レーザモジュール１２０をインターフェースプレート１１７に取り付けるために、レーザモジュール１２０の空洞１５０は、結合部材１４４上に配置され、それにより結合部材１４４に取り付けられる。空洞１５０のサイズは、取り付けられたときに、レーザパッケージ１３８の下面１４０が結合部材１４４の上面と同一平面になるようなサイズである。このようにして、レーザモジュール１２０は、結合部材１４４の窓１４８に接触および／または突き合わせ結合される。結合部材の中空内に少なくとも部分的に配置されているのは、コリメートレンズ１５２である。コリメートレンズ１５２は、インターフェースプレート１１７の下部内面に接続され、そこから垂れ下がるレンズホルダ１５４によって所定の位置に保持される。コリメートレンズ１５２は、それに入射するレーザビームをコリメートするように作用する。
【０１０８】
図８は、閉構成のレーザ分光システムのハウジングの斜視図である。ハウジングは、ハウジングの周囲に配置された、一群の取り外し留め具１６４によりベースセクション１６２に閉位置で固定されたリフトオフカバー１６０を有する。
【０１０９】
サンプル供給管の形態のガス供給装置は、例えばガス注入口を介してサンプルチャンバにガスを供給する。サンプル戻り管は、例えばガス排出口を介して、サンプルチャンバからのガスの排出口を提供する。通気口を介して光学セルに換気が提供される。リフトオフカバー１６０は、ローカルオペレータディスプレイ１６６およびユーザ入力パッド１６８を有する。図８の実施形態では、ユーザディスプレイおよびユーザ入力パッドは、分析器との相互作用および測定値およびステータスの視覚的伝達のためのものである。本実施形態では、ユーザ入力ディスプレイによっていくつかのメンテナンス機能が提供されるが、その目的は主に測定値およびステータスの伝達である。
【０１１０】
ハウジングは、点火イベントを封じ込めることができるように製造されている。ハウジングは、火炎防止器を含む。ハウジングは、突然の高圧イベント、例えば爆発に確実に耐えることができるように試験される。このハウジングにより、追加のパージ装置が不要になり得る。
【０１１１】
ハウジングには、３つの出力コンジット（図示せず）も接続されている。コンジットは、電力および制御信号をシステムに送信し、データをシステムから送信できるようにする電気的なブレークスルーを提供する。送信されるデータは、例えば、デジタル信号、デジタル健康信号、ガスの測定値を示すアナログ信号、例えば４〜２０ｍＡの信号、Ｍｏｄｂｕｓなどのより洗練されたプロトコル、または任意の他の適切な形式の形態であり得る。上記の構成は、コンパクトなシステムを提供する。いくつかの実施形態では、ハウジングは、６００ｍｍ×４９０ｍｍ×２７４ｍｍの寸法を有し得る。
【０１１２】
サンプル供給管およびサンプル戻り管は、サンプルチャンバおよび光学セルを通る連絡経路に流体を供給する。サンプルガスは、遠隔地から収集することができ、サンプリングするために、サンプル供給管を介してサンプルチャンバに送達することができる。次いで、サンプルガスは、サンプル戻り管を介してサンプルチャンバから排出され得る。サンプル供給管とサンプル戻り管とを組み合わせることで、その場排出検知とは対照的に、装置を遠隔操作できる。代替的な実施形態では、他の任意の適切なガス供給構成を使用することができる。
【０１１３】
光学セル１０内のガスの圧力を制御するために、サンプル取り扱いシステム（ＳＨＳ）ユニット（図示せず）を設けることができる。任意の適切なＳＨＳユニットまたは他の圧力制御デバイス使用することができ、これは、ポンプを含んでも含まなくてもよく、またはポンプで駆動されても駆動されなくともよく、バルブ構成などの他の圧力制御部品を含んでも含まなくてもよい。図８の実施形態では、ＳＨＳユニットは、ポンプではなく吸引装置を含むが、他の実施形態ではポンプまたは他の圧力制御デバイスまたは部品を使用することができる。
【０１１４】
任意の適切な光学セルを光学セル１０として使用できる。例えば、光学セルとしてヘリオットセルが使用される。任意の適切なヘリオットセル、または任意の適切なマルチパス分光吸収セル、または、例えば、ガスを収容しているチャンバの表面間におけるレーザビームの反射により、レーザビーム（複数可）とサンプルガスと間の相互作用を提供するように構成された任意の他のセルを使用することができる。例えば、光学セルは、非点収差ヘリオットセルであり得る。
【０１１５】
様々の実施形態において、サンプルチャンバは、密閉され得る、ならびに／またはシステムは、サンプルチャンバの圧力および／または気体含有量を制御するための手段を備え得る。同様に、各レーザはハウジングを備えることができ、各レーザハウジングが、密閉され得る、および／または真空下にある、または選択されたガスを含む、および／または選択された圧力である、のうちの少なくとも１つであり得る。様々な実施形態において、検出器装置は、ハウジングを備え、検出器装置が、密閉される、および／もしくは真空下にある、または選択されたガスを含む、および／または選択された圧力であり得る、のうちの少なくとも１つである。
【０１１６】
当業者であれば、特許請求の範囲に記載された発明の範囲から逸脱することなく、記載された実施形態の変形が可能であることを理解するはずである。例えば、コントローラの制御モジュールを使用して、レーザの出力を連続的にパルス化して、結合ビームを生成できることが説明されているが、他のコントローラ構成も使用できる。１つの代替策は、１つのレーザのみが所与の時間間隔にわたって光学部品に光を供給するように、レーザ光を物理的に制御する機械的光学スイッチング構成である。別の例として、ある波長範囲にわたって動作する半導体ダイオードレーザを説明した。しかしながら、レーザは、適切な波長の光を提供できる任意の適切な放射源であってもよい。加えて、レーザは、単一波長のレーザであってもよい。修正の別の例は、軸外放物面ミラーを任意の適切な集束構成に置き換えることである。加えて、第１の光学インターフェースは、接触および／または突き合わせ結合の意味での直接結合であり得るが、第２の光学インターフェースは、間隔が１ｍｍ未満であるという意味での直接結合であり得る。加えて、サンプルチャンバは、マルチパス構成を規定するために２つのミラーを備える光学セルを含まないようなサンプルチャンバであってもよい。例えば、光学セルは、１つのミラーを備えてもよいし、ミラーを備えなくてもよく、サンプルチャンバは、シングルパス構成を提供してもよい、および／またはサンプルセルを含まなくてもよい。従って、特定の実施形態の上記の説明は、例としてのみなされたものであり、限定の目的のためになされたものではない。記載された動作に大きな変更を加えることなく、わずかな修正を加えることができることは、当業者には明らかなはずである。
【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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