[发明专利]气体分析方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及利用半导体激光器作为光源、通过光吸收谱分析法分析气体中微量成份的方法和设备，特别是涉及以高灵敏度和高精度实时地分析容器气体中的微量杂质(例如H₂O)浓度的方法和设备，分析过程消除了由在近红外区域存在吸收谱的气体(例如氨气和硅烷)引起的干扰吸收现象。

本申请基于日本专利申请第Hei9-91158号，其内容在此引用作为参考。

已经使用了各种利用半导体激光器作为光源的光谱分析方法。现有技术分析方法共有的特征是容器气体在光源波长处必须是透明的，光强可以通过待测杂质分子产生的吸收作用得到衰减。利用现有技术分析法，可以利用在同一波长处容器气体和目标杂质之间的吸收强度(吸收量)的差异识别微量杂质。

然而，大多数气体分子在近红外波长区域具有谐波(overtone)吸收带和复合频率(combination tone)吸收带。当容器气体和待测目标杂质在同一波长处一起吸收光线时，容器气体吸收的光量大于目标杂质，由于存在干扰吸收，所以测量的分辨力和精度下降。

还存在的问题是必须降低光源产生的噪声以提高检测灵敏度。在现有技术中，利用双光束测量法降低噪声。然而，利用该方法只能消除来自光源的噪声，而容器气体引起的干扰吸收和净化箱中(气室外部)的目标杂质引起的吸收带来的影响是无法消除的。

有两种方法消除现有双光束测量法中的噪声。在一种传统方法中，调节到达两个光检测器的光束功率使之平衡，再进行光电转换，然后利用差分放大器消除噪声。在另一种传统方法中，利用电流/电压转换前置放大器带来的放大增益，该前置放大器位于光检测器之后、锁定放大器之前，并调节该前置放大器使其两个通道的输出平衡，然后利用差分放大器消除噪声。利用这些方法，可以完全消除噪声，但是因为这些方法需要在时域精确地控制模拟信号，所以这些设备的调节非常复杂。

图3示出了现有分析设备的实例，该设备包括半导体激光器1(光源)，准直透镜11，半反射镜12，发射镜13，分光装置4，用以将半导体激光器1发出的光线分成两束，样品室2，其中有一束分光束通过，第一检测器5，用以测量光束强度，第二检测器6，其中有另一束分光束通过，第一和第二锁定放大器21和22，第一和第二AD变换器23和24，它们分别连接到第一和第二锁定放大器21和22，和计算机25，用以识别样品室2中的容器气体内部的微量杂质浓度。激光器电流驱动器1a驱动半导体激光器1，供气装置9将容器气体引入样品室2和将其排除。

图4到图7示出了利用现有分析设备得到的测量结果。图4示出NH₃和H₂O在波长1.37μm附近的吸收谱，图5示出SiH₄和H₂O在波长1.38μm附近的吸收谱。如图4和5所示，对NH₃和SiH₄中的微量水浓度的测量干扰了NH₃和SiH₄的吸收谱。

图6示出在向NH₃气体中添加H₂O的情况下测量得到的光谱，图7示出由图6的测量结果得到的校准曲线。从图7可以看出，由于NH₃的干扰吸收，与H₂O浓度对应的吸收谱峰不是线性变化的。

利用现有分析方法，不能消除容器气体引起的干扰吸收和净化箱中(气室外部)的目标杂质引起的吸收带来的影响。结果，在以高灵敏度和高精度识别具有干扰吸收的气体，例如NH₃和SiH₄，中的杂质的过程中，对同时消除容器气体的干扰吸收、光源噪声、净化箱(气室外部)中的目标杂质吸收带来的影响存在日益增长的需求。

本发明的目的是提供以高灵敏度和高精度分析微量杂质浓度同时消除干扰吸收的方法和设备。

为实现上述目的，根据本发明，分析气体中杂质的方法包括以下步骤：将含有杂质的气体引入第一气室；将不含杂质的气体引入第二气室；在第一和第二气室中保持相同的气压；由光辐照装置射出光线；利用分光装置将光线分开，以使第一光束通过第一气室，第二光束通过第二气室；利用第一测量装置测量透过第一气室的光强，利用第二测量装置测量透过第二气室的光强；根据第一测量装置和第二测量装置给出的测量数据之间的差异确定气体中杂质的吸收谱。