JPH05232014A - 光音響フローセル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 弁構造を採用しない共振型の光音響フローセ
ルを提供する。 【構成】 試料を流通させる透明な測定管３０の両端
は、一対の保持管３２によって保持されている。測定管
３０内における試料通過断面積と保持管３２内における
試料通過断面積との相違により、測定管の両端に音響イ
ンピーダンス境界面が設けられ、その音響インピーダン
ス境界面によって測定管３０が音響的に閉管とされてい
る。これによって、レーザ光１００の照射によって液状
試料３１によって生ずる音波は共振を起こし、それが音
響センサ３４によって検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光音響効果を用いて液
状試料の性質を分析する装置において液状試料を流通さ
せる光音響フローセルに関する。

【０００２】

【従来の技術】液状の試料の吸光度などの性質を測定す
るため光音響効果を利用した光音響分析装置が知られて
おり、例えば特公平２−１９８９４号に開示されてい
る。

【０００３】従来の光音響分析装置は、一般に、試料を
流通あるいは貯留させる透明な測定容器と、その測定容
器に対して変調された測定光を照射する光源部と、前記
測定容器に接合されて音波を検出する音響センサと、そ
の音響センサからの検出信号を処理する信号処理部な
ど、で構成されている。そして、装置の主要部である前
記測定容器は、それに配置される音響センサを含めて光
音響セル（あるいは光音響フローセル）と称されてい
る。

【０００４】光音響分析装置において、前記測定容器に
変調された測定光を照射すると、測定容器内の試料は光
を吸収し、これにて熱が発生する。この熱により音波が
測定容器内に生じ、それが音響センサにて検出され、そ
の検出結果から試料の吸光度などが求められる。

【０００５】本出願人は、特願平２−１７２４２３号
で、共振型の光音響セルを提案している。図５には、か
かる従来の光音響セル１０の構成が図示されている。透
明な管状の測定管１２には、その両端に弁１４が設けら
れ、それらの弁１４を閉じることによって測定管１２内
に密閉された試料室１６が形成され、図においては、試
料１８が充満している。また、測定管１２には、共振器
２０と圧電部材２２とから成る音響センサ２４が接合配
置されている。所定の周波数で断続変調されたレーザ光
が照射されると、試料１８は、前記変調周波数の音波を
発生し、それが音響センサ２４にて検出される。

【０００６】この場合、２つの弁１４の間の距離は、発
生する音波の半波長の整数倍に設定されているので、閉
管である測定管１２内部に定在波が生じて共振を起こ
し、大きな音圧を得ることができる。従って、この従来
の光音響セルによれば、試料が発生する音波を感度良く
検出することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
５で示した従来の光音響セルにおいては、弁１４によっ
て測定管１２が完全な閉管にされているため、フロー状
態で試料の測定を行うことができないという問題があっ
た。従って、流通する試料の連続測定には、適さないと
いう問題があった。

【０００８】また、弁１４付近に気泡が発生し、また気
泡が付着しやすく、共振を阻害するという問題があり、
更に弁１４回りの隙間に試料が残存しやすく汚染の原因
となっていた。

【０００９】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、弁構造を採用しない共振型の
光音響フローセルを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、測定光の照射が行われる液状試料を流通
させる透明な測定管と、前記測定管に接合して、測定光
の照射により前記液状試料が発生する音波を検出する音
響センサと、を含む光音響フローセルにおいて、試料の
流通断面積に段差をつけて前記測定管の両端に音響イン
ピーダンス境界面を設けたことを特徴とする。

【００１１】

【作用】以上のように、液状試料の通過断面積に段差を
設ければ、その段差面の内外で液状試料の固有インピー
ダンス、すなわち試料の密度に音速を乗じた量は同じで
あるが、それを断面積で除算した音響インピーダンスが
段差面の内側（測定管側）と外側とで相違し、結果とし
て音波を反射する音響的な境界面が築かれることにな
る。

【００１２】従って、測定管内が音響的に共鳴管とな
り、測定管内で音波の共振を起こさせることができ、感
度良く発生した音波を測定できる。本発明によれば、弁
構造を有していないので測定管内に液状試料を流通させ
ることができ、連続測定等が可能である。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例を図面に基づい
て説明する。

【００１４】図１には、本発明に係る光音響フローセル
の好適な実施例が示されており、図１はその外観図であ
る。

【００１５】本実施例の光音響フローセルは、測定管３
０と、一対の保持管３２と、音響センサ３４とで構成さ
れている。

【００１６】測定管３０は、液状試料を流通させる透明
な管状部材であって例えば石英ガラスなどで構成され
る。測定管３０の長さは、後述する補正を考慮して所定
の長さに設定され、液状試料が発生する音波を共振させ
る長さに設定されている。

【００１７】測定管３０の両端は、一対の保持管３２に
よって保持されている。図示されるように、保持管３２
の中に測定管３０の端部が挿入され、一方の保持管３２
から供給される液状試料は測定管３０を流通して他方の
保持管３２に流れる。ここで、保持管３２の材質として
は、例えば合成樹脂などを用いることができ、液状試料
に対して耐性を有する材質を用いることが好適である。
また、測定管３０と保持管３２との間の接触部分は、気
密状態とすることが必要とされ、例えばＯリング等を配
置してもよい。

【００１８】測定管３０には、図示されるように、リン
グ状の共振器３６とその共振器の外側に配置されたリン
グ状の圧電部材３８とから成る音響センサ３４が配置さ
れている。ここで、共振器３６は、例えばアルミや真鍮
などの金属部材等で構成され、また、圧電部材３８は、
例えばＰＺＴ等の材料で構成される。この音響センサに
よって、測定管３０内で発生する音波が検出され、図示
されていないプリアンプへ検出信号が送られる。

【００１９】この光音響フローセルに対しては、図示さ
れていない光源からレーザ光１００が照射される。その
レーザ光は後述する変調信号発生器によって所定の周波
数の断続的変調がかけられ、測定管３０内部ではその変
調周波数と同じ周波数を有する音波が発生する。即ち、
液状試料がレーザ光を吸収した際に生ずる熱によって、
音波が発生されるので、変調周波数を可変させることに
よって、発生する音波の周波数を可変できる。

【００２０】図２には、測定管３０の断面が示されてい
る。測定管３０の内径２ａは、良好な定在波を得るた
め、発生する音波の波長をλとして、λ／４以下に設定
されている。ちなみに、液状試料の流通断面積の段差が
設けられている境界面２００を境として、境界面の内側
（測定管３０側）の音響インピーダンスＺ１に対して、
境界面２００の外側の音響インピーダンスは、保持管３
２の内径を２Ａとすると、（ａ／Ａ）² 倍と概算され
る。すなわち境界面２００は音響インピーダンスの境界
面であり、この境界面２００の作用により測定管３０の
両端に音響的反射面が築かれることが理解される。しか
しながら、実際には流通断面積の比（ａ／Ａ）² の値が
小さくなってくると、保持管３２側では音波の回折が生
じるため、境界面２００から保持管３２を見込んだ音響
インピーダンスＺ２は境界面の内側の音響インピーダン
スＺ１の（ａ／Ａ）² 倍まで小さくなることはない。ま
たこの場合、音波の回折により、管の長さの設計におい
ては補正を考慮する必要がある。その補正量δの目安は
８ａ／３πであり、その補正量δを両端に加えた長さが
λ／２の整数倍になるように、測定管３０の全長を設定
する必要がある。このような場合においても流通断面積
の段差の存在によって、測定管３０の両端付近に音響的
反射面が築かれていることはいうまでもない。なお、特
別な場合を除き、補正量δの正確な値は計算によって求
めるのは難しいが実験で求めることは容易である。

【００２１】以上のように、測定管３０の両端に試料流
通断面積の段差を設けることによって、音響インピーダ
ンスの差を形成することができ、これによって測定管３
０内において音波の共振を生じさせることができる。

【００２２】図３には、光音響フローセルの変型例が示
されており、図３はその測定管４０の端部を示す要部拡
大図である。この変型例においては、測定管４０の管内
断面積Ｓ１より保持管４２の管内断面積Ｓ２が小さく設
定され、これによっても音響インピーダンス境界面２０
２を形成して、測定管４０内部で共振を起こさせること
ができる。

【００２３】図１において、音響センサ３４は、共振状
態にある音波の腹の位置に配置され、またレーザ光１０
０は、音響センサ３４と同様に、音波の腹の位置に照射
される。これによって、効率的な照射と感度のよい測定
が実現できる。

【００２４】図４には、本実施例の光音響フローセルを
備えた光音響分析装置の全体構成が示されている。変調
信号発生器５０は、例えば数百ｋＨｚの変調信号を発生
し、その変調信号をレーザダイオード駆動器５２を介し
てレーザダイオード５４に供給する。これによって、レ
ーザダイオード５４から断続的に変調されたレーザが光
学系５６を介して光音響フローセル５８に照射される。
この照射によって測定管３０内に存在する液状試料が前
記変調周波数と同じ周波数の音波を発生し、それが測定
管内で共振を起こしつつ音響センサ３４によって検出さ
れ、その検出信号がプリアンプ６０を介してロックイン
アンプ６２の一方の入力端子に入力されている。ロック
インアンプ６２の他方の入力端子には変調信号発生器５
０からの変調信号が供給され、ロックインアンプ６２か
ら出力された検出信号は信号処理器６４にて吸光度分析
等の信号処理が行われた後、ディスプレイ６６や記録器
６８へ出力される。なお、レーザダイオードの他に例え
ばＸｅランプや他のレーザを用いることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る光音響フロ
ーセルによれば、液状試料を測定管内に流通させつつ感
度の良い音波の検出を行え、液状試料の吸光度を精度良
く求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光音響フローセルの外観図と定在
波を示す説明図である。

【図２】図１に示す光音響フローセルの要部拡大図であ
る。

【図３】光音響フローセルの変型例の要部拡大図であ
る。

【図４】光音響分析装置の全体構成を示すブロック図で
ある。

【図５】本出願人が先に提案した光音響セルの外観図で
ある。

【符号の説明】

３０ 測定管 ３２ 保持管 ３４ 音響センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定光の照射が行われる液状試料を流通さ
   せる透明な測定管と、 前記測定管に密着して、測定光の照射により前記液状試
   料が発生する音波を検出する音響センサと、 を含む光音響フローセルにおいて、 試料の流通断面積に段差を設けることによって前記測定
   管の両端に音響インピーダンス境界面を設け、前記測定
   管内で前記音波が共振を起こすことを特徴とする光音響
   フローセル。