JPH0617869B2 - 同位体分析装置 - Google Patents
同位体分析装置Info
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- JPH0617869B2 JPH0617869B2 JP14879590A JP14879590A JPH0617869B2 JP H0617869 B2 JPH0617869 B2 JP H0617869B2 JP 14879590 A JP14879590 A JP 14879590A JP 14879590 A JP14879590 A JP 14879590A JP H0617869 B2 JPH0617869 B2 JP H0617869B2
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Description
本発明は、複数の同位体が混在する試料物質に光を照射
し、その光吸収スペクトルから同位体の比率を求める同
位体分析装置に関する。
し、その光吸収スペクトルから同位体の比率を求める同
位体分析装置に関する。
自然界には同位体が僅かに存在し、この同位体の変化を
トレースすることにより、医学分野では病気の診断、農
業分野では光合成の研究や植物の代謝作用の研究、地球
科学分野では生態系の捕捉に利用できる。 このような用途の安定同位体の分析装置として、従来か
ら使用されている装置の一例が第４図に示されている。
同図の装置は赤外域の光吸収スペクトルを利用した装置
で、図中の１は可視から赤外域の発光波長範囲の広いラ
ンプ、２は試料セル、３は試料ガス導入口、４は試料ガ
ス排出口、５は分散型分光器、６はミラー、７は回折格
子、８はスリット、９は検知器である。 この装置で、試料ガスは試料ガス導入口３から試料セル
２内に導入され、試料ガス排出口４より排出される。ラ
ンプ１から出た光は試料セル２に入射し、試料セル２内
の試料ガスと相互作用して一部が共鳴吸収される。残余
の光が試料セル２を通過して分散型分光器５に入り、ミ
ラー６でビーム方向が変えられ、回折格子７に照射され
る。回折格子７により波長分散がされ、スリット８で波
長選択がされて検知器９で選択された波長の光強度が検
知される。ここで回折格子７の角度をθ方向に連続的に
回転することにより選択波長が変えられ、試料の光吸収
スペクトルが測定できる。 このような分析に使われる同位体として、窒素、酸素、
炭素がある。なかでも窒素は、比較的長い半減期の放射
性同位体が存在しないため、質量数が１４の窒素（以下
「14N」と記す。）と質量数が１５の窒素（以下「15N」と記
す。）の安定同位体が測定の対象となることが多い。こ
の14N と15N は質量差があるので、極僅かに光吸収周波
数が異なる。そのため14N を含んだ窒素化合物と15N を
含んだ窒素化合物の光吸収スペクトルを同時に測定し、
両者の比を求めることにより安定同位体の変化がトレー
スできる。 測定にあたって、一般に窒素は、予めアンモニアNH3 や
二酸化窒素NO2 等の窒素化合物化されて試料セル２に導
入される。その窒素化合物のスペクトルが測定されるこ
とになる。 大気中での同位体ガスの光吸収スペクトル幅は0.03cm-1
程度であり、このスペクトル形状を正確に測定するには
０．００３cm-1程度のスペクトル分解能が必要である。
同位体ガス相互の光吸収スペクトルは非常に隣接してい
るので、相互のスペクトルが影響を受けないためにも、
高いスペクトル分解能が必要である。また、試料ガス中
には同位体ガス以外にも多くの不純物を含んでおり、そ
の不純物も光を吸収するので、不純物の光吸収スペクト
ルが同位体ガスの近辺に存在すると影響を受け測定誤差
となる。この不純物の影響を極力除去するためにもスペ
クトル分解能を高くする必要がある。しかも、一般に同
位体は大気中に極微量含まれているので、高いスペクト
ル分解能を損なうことなく、高感度で同位体を検出する
必要がある。
トレースすることにより、医学分野では病気の診断、農
業分野では光合成の研究や植物の代謝作用の研究、地球
科学分野では生態系の捕捉に利用できる。 このような用途の安定同位体の分析装置として、従来か
ら使用されている装置の一例が第４図に示されている。
同図の装置は赤外域の光吸収スペクトルを利用した装置
で、図中の１は可視から赤外域の発光波長範囲の広いラ
ンプ、２は試料セル、３は試料ガス導入口、４は試料ガ
ス排出口、５は分散型分光器、６はミラー、７は回折格
子、８はスリット、９は検知器である。 この装置で、試料ガスは試料ガス導入口３から試料セル
２内に導入され、試料ガス排出口４より排出される。ラ
ンプ１から出た光は試料セル２に入射し、試料セル２内
の試料ガスと相互作用して一部が共鳴吸収される。残余
の光が試料セル２を通過して分散型分光器５に入り、ミ
ラー６でビーム方向が変えられ、回折格子７に照射され
る。回折格子７により波長分散がされ、スリット８で波
長選択がされて検知器９で選択された波長の光強度が検
知される。ここで回折格子７の角度をθ方向に連続的に
回転することにより選択波長が変えられ、試料の光吸収
スペクトルが測定できる。 このような分析に使われる同位体として、窒素、酸素、
炭素がある。なかでも窒素は、比較的長い半減期の放射
性同位体が存在しないため、質量数が１４の窒素（以下
「14N」と記す。）と質量数が１５の窒素（以下「15N」と記
す。）の安定同位体が測定の対象となることが多い。こ
の14N と15N は質量差があるので、極僅かに光吸収周波
数が異なる。そのため14N を含んだ窒素化合物と15N を
含んだ窒素化合物の光吸収スペクトルを同時に測定し、
両者の比を求めることにより安定同位体の変化がトレー
スできる。 測定にあたって、一般に窒素は、予めアンモニアNH3 や
二酸化窒素NO2 等の窒素化合物化されて試料セル２に導
入される。その窒素化合物のスペクトルが測定されるこ
とになる。 大気中での同位体ガスの光吸収スペクトル幅は0.03cm-1
程度であり、このスペクトル形状を正確に測定するには
０．００３cm-1程度のスペクトル分解能が必要である。
同位体ガス相互の光吸収スペクトルは非常に隣接してい
るので、相互のスペクトルが影響を受けないためにも、
高いスペクトル分解能が必要である。また、試料ガス中
には同位体ガス以外にも多くの不純物を含んでおり、そ
の不純物も光を吸収するので、不純物の光吸収スペクト
ルが同位体ガスの近辺に存在すると影響を受け測定誤差
となる。この不純物の影響を極力除去するためにもスペ
クトル分解能を高くする必要がある。しかも、一般に同
位体は大気中に極微量含まれているので、高いスペクト
ル分解能を損なうことなく、高感度で同位体を検出する
必要がある。
上記した従来の分析装置では、分解能を高くするために
はスリット８の幅を非常に狭くしなければならない。し
かし、それを狭くすると光強度が弱くなり感度が低下す
るという相反する関係がある。従来の分析装置では最高
分解能は０．３cm-1程度までであり、ガスの光吸収スペ
クトル幅より１０倍以上広いので、同位体相互の光吸収
スペクトルの影響を受け、不純物の光吸収スペクトルの
影響により測定誤差を生じて正確なスペクトル形状を測
定できないという問題がある。またランプ１から出た光
をスリット８で選択し、極一部の光のみしか利用してい
ないので感度が低いという問題がある。 本発明は、これらの問題点を除去し、同位体相互や不純
物、外乱の影響を受けることなく、正確かつ高感度に同
位体比がトレースできる同位体分析装置を提供するもの
である。
はスリット８の幅を非常に狭くしなければならない。し
かし、それを狭くすると光強度が弱くなり感度が低下す
るという相反する関係がある。従来の分析装置では最高
分解能は０．３cm-1程度までであり、ガスの光吸収スペ
クトル幅より１０倍以上広いので、同位体相互の光吸収
スペクトルの影響を受け、不純物の光吸収スペクトルの
影響により測定誤差を生じて正確なスペクトル形状を測
定できないという問題がある。またランプ１から出た光
をスリット８で選択し、極一部の光のみしか利用してい
ないので感度が低いという問題がある。 本発明は、これらの問題点を除去し、同位体相互や不純
物、外乱の影響を受けることなく、正確かつ高感度に同
位体比がトレースできる同位体分析装置を提供するもの
である。
上記課題を解決するための同位体分析装置を発明するに
あたり、本発明の発明者は、装置の光源として半導体レ
ーザを使用することを想起して調査、研究した結果、以
下のうような知見を得た。 AlGaAs系または InGaAsP系材料を用いた近赤外域の半導
体レーザは、光通信や光情報処理用として研究、開発さ
れ、小型、高効率、高信頼性になっている。鉛塩系材料
の赤外域半導体レーザは常温で発振しないため液体ヘリ
ウムや液体窒素等による大型の冷却機が必要となるが、
近赤外域の半導体レーザは常温で発振しペルチェ素子を
用いて半導体レーザの温度を制御すれば波長可変光源と
なる。このような実用上優れた特長を持つ近赤外域の半
導体レーザを用いれば装置全体が非常に小型化でき、取
扱いが容易でかつ信頼性の高い装置が実現できる。 上記の知見の下になされた本発明の第１発明の同位体分
析装置は、第１図に示すように、光吸収スペクトル強度
比から複数の同位体が混在する被検物の同位体比を検出
する同位体分析装置において、該複数の同位体が同一振
動状態および同一回転状態で吸収するスペクトルの波長
を発光する近赤外域の半導体レーザ１０と、該半導体レ
ーザ10に周波数変調をかける周波数変調手段１３と、該
半導体レーザ１０から該複数の同位体が混在する被検物
を通過したレーザ光を検出する光検出器１６と、該周波
数変調手段１３の変調周波数と該光検出器１６で検出し
た前記レーザ光の信号周波数の整合を検出するロックイ
ン増幅器１９を有し、その整合性のある信号から前記被
検物の光吸収スペクトル強度比を検出することを特徴と
する。 同じく第２発明の同位体分析装置は、第２図に示すよう
に、光吸収スペクトル強度比から複数の同位体が混在す
る被検物の同位体比を検出する同位体分析装置におい
て、該複数の同位体が同一振動状態および同一回転状態
で吸収するスペクトルの波長を発光する近赤外域の半導
体レーザ１０と、該被検物を入れるシュタルクセル２０
と、該シュタルクセル２０内の電極２１に変調電圧をか
ける周波数変調手段２３と、該半導体レーザ１０から該
複数の同位体が混在する被検物を通過したレーザ光を検
出する光検出器と、該周波数変調手段２３の変調周波数
と該光検出器１６で検出した前記レーザ光の信号周波数
の整合を検出するロックイン増幅器１９を有し、その整
合性のある信号から前記被検物の光吸収スペクトル強度
比を検出することを特徴とする。 同じく第３発明は、前記半導体レーザ１０からのレーザ
光を分岐する手段１４と、該分岐手段14により分岐され
て標準被検物を通過したレーザ光を検出する検出手段１
８を有し、第１発明または第２発明の同位体分析装置で
検出された前記被検物の光吸収スペクトル強度比と検出
手段１８による検出信号とが比較可能なことを特徴とす
る。 前記半導体レーザ１０が波長掃引することにより該複数
の同位体の同一振動状態および同一回転状態で吸収する
スペクトルの複数波長を発光することが可能である。 また前記半導体レーザ１０が複数設けられ、前記複数の
同位体の同一振動状態および同一回転状態で吸収するス
ペクトルの波長を夫々発光し、その発光レーザ光が交互
に被検物を通過するものであってもよい。
あたり、本発明の発明者は、装置の光源として半導体レ
ーザを使用することを想起して調査、研究した結果、以
下のうような知見を得た。 AlGaAs系または InGaAsP系材料を用いた近赤外域の半導
体レーザは、光通信や光情報処理用として研究、開発さ
れ、小型、高効率、高信頼性になっている。鉛塩系材料
の赤外域半導体レーザは常温で発振しないため液体ヘリ
ウムや液体窒素等による大型の冷却機が必要となるが、
近赤外域の半導体レーザは常温で発振しペルチェ素子を
用いて半導体レーザの温度を制御すれば波長可変光源と
なる。このような実用上優れた特長を持つ近赤外域の半
導体レーザを用いれば装置全体が非常に小型化でき、取
扱いが容易でかつ信頼性の高い装置が実現できる。 上記の知見の下になされた本発明の第１発明の同位体分
析装置は、第１図に示すように、光吸収スペクトル強度
比から複数の同位体が混在する被検物の同位体比を検出
する同位体分析装置において、該複数の同位体が同一振
動状態および同一回転状態で吸収するスペクトルの波長
を発光する近赤外域の半導体レーザ１０と、該半導体レ
ーザ10に周波数変調をかける周波数変調手段１３と、該
半導体レーザ１０から該複数の同位体が混在する被検物
を通過したレーザ光を検出する光検出器１６と、該周波
数変調手段１３の変調周波数と該光検出器１６で検出し
た前記レーザ光の信号周波数の整合を検出するロックイ
ン増幅器１９を有し、その整合性のある信号から前記被
検物の光吸収スペクトル強度比を検出することを特徴と
する。 同じく第２発明の同位体分析装置は、第２図に示すよう
に、光吸収スペクトル強度比から複数の同位体が混在す
る被検物の同位体比を検出する同位体分析装置におい
て、該複数の同位体が同一振動状態および同一回転状態
で吸収するスペクトルの波長を発光する近赤外域の半導
体レーザ１０と、該被検物を入れるシュタルクセル２０
と、該シュタルクセル２０内の電極２１に変調電圧をか
ける周波数変調手段２３と、該半導体レーザ１０から該
複数の同位体が混在する被検物を通過したレーザ光を検
出する光検出器と、該周波数変調手段２３の変調周波数
と該光検出器１６で検出した前記レーザ光の信号周波数
の整合を検出するロックイン増幅器１９を有し、その整
合性のある信号から前記被検物の光吸収スペクトル強度
比を検出することを特徴とする。 同じく第３発明は、前記半導体レーザ１０からのレーザ
光を分岐する手段１４と、該分岐手段14により分岐され
て標準被検物を通過したレーザ光を検出する検出手段１
８を有し、第１発明または第２発明の同位体分析装置で
検出された前記被検物の光吸収スペクトル強度比と検出
手段１８による検出信号とが比較可能なことを特徴とす
る。 前記半導体レーザ１０が波長掃引することにより該複数
の同位体の同一振動状態および同一回転状態で吸収する
スペクトルの複数波長を発光することが可能である。 また前記半導体レーザ１０が複数設けられ、前記複数の
同位体の同一振動状態および同一回転状態で吸収するス
ペクトルの波長を夫々発光し、その発光レーザ光が交互
に被検物を通過するものであってもよい。
上記の構成の装置で、被検物が14NH3 と15NH3 の混合物
である場合を例に挙げてその作用を説明する。 近赤外域での14NH3 の光吸収スペクトルは、波数6568.4
1cm-1、6548.62cm-1、6528.77cm-1 近辺で特に強い。同じ
く15NH3 の光吸収スペクトルは、波数６５５６．１０ｃ
ｍ-1、６５３６．４８cm-1、６５１６．２９cm-1で特に
強い。これら近赤外域での光吸収スペクトルは、ガスを
成している分子が基底状態から励起状態へ遷移した時の
分子の振動、回転状態の変化を表わしている。14NH3の
波数６５６８．４１cm-1における光吸収スペクトルと、
15NH3の波数６５５６．１０cm-1における光吸収スペク
トルは、同一振動、同一回転状態の変化で光を吸収して
いる。14NH3 の波数６５４８．６２cm-1における光吸収
スペクトルに15NH3 の波数６５３６．４８cm-1における
光吸収スペクトル、および14NH3 の波数６５２８．７７
cm-1における光吸収スペクトルと15NH3 の波数６５１
６．２９cm-1における光吸収スペクトルもそれぞれ同一
振動、同一回転状態の変化で光を吸収している。光吸収
スペクトルは電場、温度等の外乱の影響を受け僅かに変
化するが同一振動、同一回転状態の光吸収スペクトルを
測定すれば同一の影響を受けるので外乱の影響を除去で
きる。前記した14NH3 と15NH3 の光吸収スペクトルを夫
々比較すると、相互に近隣には存在してないので、これ
ら同位体どうしが光吸収スペクトルの影響を受けること
がない。 したがって前記の装置で、14NH3 と15NH3 の光吸収スペ
クトル強度比を検出することができる。
である場合を例に挙げてその作用を説明する。 近赤外域での14NH3 の光吸収スペクトルは、波数6568.4
1cm-1、6548.62cm-1、6528.77cm-1 近辺で特に強い。同じ
く15NH3 の光吸収スペクトルは、波数６５５６．１０ｃ
ｍ-1、６５３６．４８cm-1、６５１６．２９cm-1で特に
強い。これら近赤外域での光吸収スペクトルは、ガスを
成している分子が基底状態から励起状態へ遷移した時の
分子の振動、回転状態の変化を表わしている。14NH3の
波数６５６８．４１cm-1における光吸収スペクトルと、
15NH3の波数６５５６．１０cm-1における光吸収スペク
トルは、同一振動、同一回転状態の変化で光を吸収して
いる。14NH3 の波数６５４８．６２cm-1における光吸収
スペクトルに15NH3 の波数６５３６．４８cm-1における
光吸収スペクトル、および14NH3 の波数６５２８．７７
cm-1における光吸収スペクトルと15NH3 の波数６５１
６．２９cm-1における光吸収スペクトルもそれぞれ同一
振動、同一回転状態の変化で光を吸収している。光吸収
スペクトルは電場、温度等の外乱の影響を受け僅かに変
化するが同一振動、同一回転状態の光吸収スペクトルを
測定すれば同一の影響を受けるので外乱の影響を除去で
きる。前記した14NH3 と15NH3 の光吸収スペクトルを夫
々比較すると、相互に近隣には存在してないので、これ
ら同位体どうしが光吸収スペクトルの影響を受けること
がない。 したがって前記の装置で、14NH3 と15NH3 の光吸収スペ
クトル強度比を検出することができる。
以下、本発明の実施例を図面により詳細に説明する。 第１図は本発明の第１発明を適用する同位体分析装置の
実施例のブロック図を示すものである。同図で１０は近
赤外域の半導体レーザ、１１は半導体レーザ１０の波数
を掃引するための温度制御部、１２は半導体レーザ１０
の光出力を制御するための電流制御部、１３は電流制御
部１２に変調周波数を与える発振器、１４はレーザ光を
透過光と反射光に分けるビームスプリッタ、１５はミラ
ー、１６および１８は光検出器、１９は光検出器１６の
検出周波数と発振器１３の発振周波数との同期が取れた
信号のみを検出するロックイン増幅器である。２は 14N
H3ガスと 15NH3ガスが混在する試料ガスを収納するセ
ル、３は試料ガス導入口、４は試料ガス排出口である。
また17は 14NH3ガス50％と 15NH3ガス50％が封入されて
いる参照セルである。 上記した装置で、近赤外域の半導体レーザ１０は、常温
で連続発振し、半導体レーザの温度または駆動電流を掃
引することにより波長可変光源となる。半導体レーザ１
０の発光波数は、温度制御部１１により温度を制御され
て、第３図に示すように、波数６５６８．４１cm-1と６
５５６．１０cm-1近辺を交互に掃引される。半導体レー
ザ１０の駆動電流は、発振器１３の信号で電流制御部１
２により電流変調され僅かに周波数変調がかけられてい
る。このように波数掃引、周波数変調された半導体レー
ザ１０からのレーザ光は、ビームスプリッタ１４で透過
光と反射光に分けられ、透過光は試料セル２に入射す
る。その入射レーザ光はセル内に混在する 14NH3ガスお
よび 15NH3ガスと相互作用し吸収される。試料セル２か
らの出射レーザ光は、光検出器１６で検出される。光検
出器１６で検出された光信号は、ロックイン増幅器１９
で発振器１３と同期の取れた信号のみが検出される。そ
の結果、半導体レーザ１０の光強度のドリフトが除去で
き、 S/N比の良い信号が検出できる。このようにして検
出された光信号は、光吸収強度の１次微分となってい
る。したがって、波数６５６８．４１cm-1と６５５６．
１０cm-1の波数近辺での両検出信号のピーク値または吸
収の面積を求めて吸収量の比を求めれば、セル２内に混
在する 14NH3ガスと 15NH3ガスの比、すなわち同位体比
が求められる。 ビームスプリッタ１４で反射されたレーザ光は、ミラー
１５で参照セル１７に導入され、セル内に50％ずつ混在
する 15NH3ガスおよび 14NH3ガスと相互作用し吸収され
る。参照セル１７を透過したレーザ光は検出器１８で検
出される。検出器１８で検出された信号よりNH3 スペク
トルテーブルを参照し、前記で求めた同位体比をより正
確に求めることができる。 なお上記実施例では半導体レーザ１０を１個で温度制御
して両ペアの波数近辺を掃引するようにしたが、半導体
レーザを２個用いて両ペアの波数のレーザ光を同時に発
振させ、交互に試料セル２内に入射させてもよい。 第２図は本発明の第２発明を適用する同位体分析装置の
実施例のブロック図を示すものである。同図で２０は
14NH3ガスと 15NH3ガスが混在する試料ガスを収納して
いるシュタルクセル、２１はシュタルクセル２０内の平
行電極、２３は平行電極２１に交流電圧を印加するため
の発振器である。その他の構成は、第１図に示した構成
と同一であり、同一符号を付してあるので再度の説明を
省略する。この実施例では、半導体レーザ１０に周波数
変調をかけることなく、セル２０内の平行電極２１に発
振器２３から交流電圧をかけ、この交流電圧信号と同期
の取れた信号のみがロックイン増幅器１９で検出され
る。 電気双極子モーメントを有する分子が電場中に置かれる
とシュタルク効果によりポテンシャル・エネルギーが変
化し、光吸収周波数が変化する。 NH3は強い電気双極子
モーメントを有しており電場中に置かれると光吸収周波
数は大きく変化する。従って、平行電極の両端に交流電
圧をかければその電圧に従って光吸収周波数は変化す
る。その結果、前記第１図に示した実施例で半導体レー
ザ１０に周波数変調をかけたのと同様な効果が得られ
る。 半導体レーザ１０は、制御部１１で温度を制御されて、
第３図に示すように波数６５６８．４１cm-1と６５５
６．１０cm-1近辺を交互に掃引される。また電流制御部
１２により適度な光出力となるように半導体レーザ１０
の駆動電流は制御されている。このように波長掃引され
た半導体レーザ１０からのレーザ光は、ビームスプリッ
タ１４で透過光と反射光に分けられる。透過光はシュタ
ルクセル２０に入射し、セル２０内のガスと相互作用し
吸収される。平行電極２１には発振器２３により交流電
圧がかけられている。シュタルクセル２０からの出射光
は光検出器１６で検出される。 したがって第１図に示す実施例の装置と同様な検出効果
が得られる。 なお上記の各実施例で、試料ガスとして 14NH3ガスと
15NH3ガスを使用して半導体レーザ１０の発光波数を６
５６８．４１cm-1と６５５６．１０cm-1近辺を交互に掃
引させたが、試料ガスが変わらなければ同一振動、同一
回転状態の波数６５４８．６２cm-1と６５３６．４８cm
-1の組み合わせ、または波数６５２８．７７cm-1と６５
１６．２６cm-1の組み合わせでその波数近辺を交互に掃
引してもよい。 このように 14NH3ガスおよび 15NH3ガスの夫々光吸収強
度の強いスペクトルを測定することができ、同位体相互
の吸収の影響を受けることがなく、外乱の影響を除去で
きる。スペクトル幅０．０００３〜０．００３cm-1と発
振スペクトル幅が非常に狭いうえに、小型で信頼性の高
い近赤外域の半導体レーザを波長可変光源として使用
し、同一振動、回転モードの両ペアの波数のスペクトル
をロックイン増幅器１９で測定しているため、スペクト
ル形状を正確に測定できる。 また、同一振動、同一回転状態のスペクトル測定による
同位体の分析は、上記実施例に示した窒素以外の同位体
分析、例えば炭素同位体、水素同位体分析にも適用でき
る。
実施例のブロック図を示すものである。同図で１０は近
赤外域の半導体レーザ、１１は半導体レーザ１０の波数
を掃引するための温度制御部、１２は半導体レーザ１０
の光出力を制御するための電流制御部、１３は電流制御
部１２に変調周波数を与える発振器、１４はレーザ光を
透過光と反射光に分けるビームスプリッタ、１５はミラ
ー、１６および１８は光検出器、１９は光検出器１６の
検出周波数と発振器１３の発振周波数との同期が取れた
信号のみを検出するロックイン増幅器である。２は 14N
H3ガスと 15NH3ガスが混在する試料ガスを収納するセ
ル、３は試料ガス導入口、４は試料ガス排出口である。
また17は 14NH3ガス50％と 15NH3ガス50％が封入されて
いる参照セルである。 上記した装置で、近赤外域の半導体レーザ１０は、常温
で連続発振し、半導体レーザの温度または駆動電流を掃
引することにより波長可変光源となる。半導体レーザ１
０の発光波数は、温度制御部１１により温度を制御され
て、第３図に示すように、波数６５６８．４１cm-1と６
５５６．１０cm-1近辺を交互に掃引される。半導体レー
ザ１０の駆動電流は、発振器１３の信号で電流制御部１
２により電流変調され僅かに周波数変調がかけられてい
る。このように波数掃引、周波数変調された半導体レー
ザ１０からのレーザ光は、ビームスプリッタ１４で透過
光と反射光に分けられ、透過光は試料セル２に入射す
る。その入射レーザ光はセル内に混在する 14NH3ガスお
よび 15NH3ガスと相互作用し吸収される。試料セル２か
らの出射レーザ光は、光検出器１６で検出される。光検
出器１６で検出された光信号は、ロックイン増幅器１９
で発振器１３と同期の取れた信号のみが検出される。そ
の結果、半導体レーザ１０の光強度のドリフトが除去で
き、 S/N比の良い信号が検出できる。このようにして検
出された光信号は、光吸収強度の１次微分となってい
る。したがって、波数６５６８．４１cm-1と６５５６．
１０cm-1の波数近辺での両検出信号のピーク値または吸
収の面積を求めて吸収量の比を求めれば、セル２内に混
在する 14NH3ガスと 15NH3ガスの比、すなわち同位体比
が求められる。 ビームスプリッタ１４で反射されたレーザ光は、ミラー
１５で参照セル１７に導入され、セル内に50％ずつ混在
する 15NH3ガスおよび 14NH3ガスと相互作用し吸収され
る。参照セル１７を透過したレーザ光は検出器１８で検
出される。検出器１８で検出された信号よりNH3 スペク
トルテーブルを参照し、前記で求めた同位体比をより正
確に求めることができる。 なお上記実施例では半導体レーザ１０を１個で温度制御
して両ペアの波数近辺を掃引するようにしたが、半導体
レーザを２個用いて両ペアの波数のレーザ光を同時に発
振させ、交互に試料セル２内に入射させてもよい。 第２図は本発明の第２発明を適用する同位体分析装置の
実施例のブロック図を示すものである。同図で２０は
14NH3ガスと 15NH3ガスが混在する試料ガスを収納して
いるシュタルクセル、２１はシュタルクセル２０内の平
行電極、２３は平行電極２１に交流電圧を印加するため
の発振器である。その他の構成は、第１図に示した構成
と同一であり、同一符号を付してあるので再度の説明を
省略する。この実施例では、半導体レーザ１０に周波数
変調をかけることなく、セル２０内の平行電極２１に発
振器２３から交流電圧をかけ、この交流電圧信号と同期
の取れた信号のみがロックイン増幅器１９で検出され
る。 電気双極子モーメントを有する分子が電場中に置かれる
とシュタルク効果によりポテンシャル・エネルギーが変
化し、光吸収周波数が変化する。 NH3は強い電気双極子
モーメントを有しており電場中に置かれると光吸収周波
数は大きく変化する。従って、平行電極の両端に交流電
圧をかければその電圧に従って光吸収周波数は変化す
る。その結果、前記第１図に示した実施例で半導体レー
ザ１０に周波数変調をかけたのと同様な効果が得られ
る。 半導体レーザ１０は、制御部１１で温度を制御されて、
第３図に示すように波数６５６８．４１cm-1と６５５
６．１０cm-1近辺を交互に掃引される。また電流制御部
１２により適度な光出力となるように半導体レーザ１０
の駆動電流は制御されている。このように波長掃引され
た半導体レーザ１０からのレーザ光は、ビームスプリッ
タ１４で透過光と反射光に分けられる。透過光はシュタ
ルクセル２０に入射し、セル２０内のガスと相互作用し
吸収される。平行電極２１には発振器２３により交流電
圧がかけられている。シュタルクセル２０からの出射光
は光検出器１６で検出される。 したがって第１図に示す実施例の装置と同様な検出効果
が得られる。 なお上記の各実施例で、試料ガスとして 14NH3ガスと
15NH3ガスを使用して半導体レーザ１０の発光波数を６
５６８．４１cm-1と６５５６．１０cm-1近辺を交互に掃
引させたが、試料ガスが変わらなければ同一振動、同一
回転状態の波数６５４８．６２cm-1と６５３６．４８cm
-1の組み合わせ、または波数６５２８．７７cm-1と６５
１６．２６cm-1の組み合わせでその波数近辺を交互に掃
引してもよい。 このように 14NH3ガスおよび 15NH3ガスの夫々光吸収強
度の強いスペクトルを測定することができ、同位体相互
の吸収の影響を受けることがなく、外乱の影響を除去で
きる。スペクトル幅０．０００３〜０．００３cm-1と発
振スペクトル幅が非常に狭いうえに、小型で信頼性の高
い近赤外域の半導体レーザを波長可変光源として使用
し、同一振動、回転モードの両ペアの波数のスペクトル
をロックイン増幅器１９で測定しているため、スペクト
ル形状を正確に測定できる。 また、同一振動、同一回転状態のスペクトル測定による
同位体の分析は、上記実施例に示した窒素以外の同位体
分析、例えば炭素同位体、水素同位体分析にも適用でき
る。
以上、詳細に説明したように、本発明を適用する同位体
分析装置は、小型で信頼性の高い近赤外域の半導体レー
ザを波長可変光源として使用し、複数の同位体の同一振
動、回転モードの波数のスペクトルを測定しているた
め、同位体相互間、不純物、外乱の影響を受けることな
く正確、高感度に窒素同位体比がトレースできる。
分析装置は、小型で信頼性の高い近赤外域の半導体レー
ザを波長可変光源として使用し、複数の同位体の同一振
動、回転モードの波数のスペクトルを測定しているた
め、同位体相互間、不純物、外乱の影響を受けることな
く正確、高感度に窒素同位体比がトレースできる。
第１図は本発明を適用する同位体分析装置の実施例のブ
ロック図、第２図は本発明を適用する同位体分析装置の
別な実施例のブロック図、第３図は半導体レーザの温度
と発振波数の関係を示す図、第４図は従来の同位体分析
装置の一例を示すブロック図である。 １……ランプ、２……試料セル、 ３……試料ガス導入口、４……試料ガス排出口 ５……分散型分光器、６、15……ミラー ７……回折格子、８……スリット ９、16、18……光検出器、10……半導体レーザ 11……温度制御部、12……電流制御部 13、23……発振器、14……ビームスプリッタ 17……参照セル、19……ロックイン増幅器 20……シュタルクセル、21……平行電極
ロック図、第２図は本発明を適用する同位体分析装置の
別な実施例のブロック図、第３図は半導体レーザの温度
と発振波数の関係を示す図、第４図は従来の同位体分析
装置の一例を示すブロック図である。 １……ランプ、２……試料セル、 ３……試料ガス導入口、４……試料ガス排出口 ５……分散型分光器、６、15……ミラー ７……回折格子、８……スリット ９、16、18……光検出器、10……半導体レーザ 11……温度制御部、12……電流制御部 13、23……発振器、14……ビームスプリッタ 17……参照セル、19……ロックイン増幅器 20……シュタルクセル、21……平行電極
Claims (5)
- 【請求項１】光吸収スペクトル強度比から複数の同位体
が混在する被検物の同位体比を検出する同位体分析装置
において、該複数の同位体が同一振動状態および同一回
転状態で吸収するスペクトルの波長を発光する近赤外域
の半導体レーザと、該半導体レーザに周波数変調をかけ
る周波数変調手段と、該半導体レーザから該複数の同位
体が混在する被検物を通過したレーザ光を検出する光検
出器と、該周波数変調手段の変調周波数と該光検出器で
検出した前記レーザ光の信号周波数の整合を検出するロ
ックイン増幅器を有し、その整合性のある信号から前記
被検物の光吸収スペクトル強度比を検出することを特徴
とする同位体分析装置。 - 【請求項２】光吸収スペクトル強度比から複数の同位体
が混在する被検物の同位体比を検出する同位体分析装置
において、該複数の同位体が同一振動状態および同一回
転状態で吸収するスペクトルの波長を発光する近赤外域
の半導体レーザと、該被検物を入れるシュタルクセル
と、該シュタルクセル内の電極に変調電圧をかける周波
数変調手段と、該半導体レーザから該複数の同位体が混
在する被検物を通過したレーザ光を検出する光検出器
と、該周波数変調手段の変調周波数と該光検出器で検出
した前記レーザ光の信号周波数の整合を検出するロック
イン増幅器を有し、その整合性のある信号から前記被検
物の光吸収スペクトル強度比を検出することを特徴とす
る同位体分析装置。 - 【請求項３】前記半導体レーザからのレーザ光を分岐す
る手段と、該分岐手段により分岐されたレーザ光が標準
被検物を通過して検出される検出手段を有し、請求第１
項または第２項に記載の同位体分析装置で検出された前
記被検物の光吸収スペクトル強度比と検出手段による検
出信号とが比較可能なことを特徴とする同位体分析装
置。 - 【請求項４】前記半導体レーザが波長掃引することによ
り該複数の同位体の同一振動状態および同一回転状態で
吸収するスペクトルの複数波長を発光することを特徴と
する請求項第１項、第２項または３項に記載の同位体分
析装置。 - 【請求項５】前記半導体レーザが複数設けられ、前記複
数の同位体の同一振動状態および同一回転状態で吸収す
るスペクトルの波長を夫々発光し、その発光レーザ光が
交互に被検物を通過することを特徴とする請求項第１
項、第２項または第３項に記載の同位体分析装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14879590A JPH0617869B2 (ja) | 1990-06-08 | 1990-06-08 | 同位体分析装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14879590A JPH0617869B2 (ja) | 1990-06-08 | 1990-06-08 | 同位体分析装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0442041A JPH0442041A (ja) | 1992-02-12 |
| JPH0617869B2 true JPH0617869B2 (ja) | 1994-03-09 |
Family
ID=15460872
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14879590A Expired - Fee Related JPH0617869B2 (ja) | 1990-06-08 | 1990-06-08 | 同位体分析装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0617869B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05296922A (ja) * | 1992-04-16 | 1993-11-12 | Japan Radio Co Ltd | 炭素同位体分析装置 |
| US7324203B2 (en) * | 2005-02-08 | 2008-01-29 | General Electric Company | Method and apparatus for optical detection for multi-phase combustion systems |
| US8456738B2 (en) * | 2005-04-14 | 2013-06-04 | The United States Of America, As Represented By The Secretary, Department Of Health And Human Services | Ultrahigh-resolution fiber-optic confocal microscope and method |
| JP5314301B2 (ja) * | 2008-03-14 | 2013-10-16 | 三菱重工業株式会社 | ガス濃度計測方法および装置 |
| JP2010032454A (ja) * | 2008-07-31 | 2010-02-12 | Fuji Electric Systems Co Ltd | ガス分析装置及びガス分析方法 |
| JP2012108156A (ja) * | 2012-02-29 | 2012-06-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | ガス濃度計測方法および装置 |
-
1990
- 1990-06-08 JP JP14879590A patent/JPH0617869B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0442041A (ja) | 1992-02-12 |
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