專利名稱：利用腔環降光譜法的微量氣體分析設備和方法
技術領域：
總的來說，本發明涉及吸收光譜法，具體而言，本發明針對的是利用腔環降腔光譜法檢測氣體中的微量物質(trace species)。
背景技術：
現在參考附圖，所有附圖中相似標號涉及相似元件，圖1A在對數標尺上說明電磁頻譜。光譜法學科研究光譜。與涉及頻譜其它部分的學科形成對比，光學具體涉及可見和近可見光——可用頻譜非常窄的一個部分，該部分在波長上從大約1毫米到大約1納米。近可見光包括比紅色更紅的顏色(紅外)以及比紫色更紫的顏色(紫外)。這個范圍延伸到可見光兩邊足夠遠，其中光仍然能夠用一般材料制作的大多數透鏡或者反射鏡來處理。常常必須考慮材料光學特性的波長依賴性。
吸收型光譜法具有高靈敏度，微秒量級的響應時間，無毒并且來自除被研究物質以外的分子物質干擾有限。可以利用吸收光譜法檢測或者識別各種分子物質。這樣，吸收光譜法提供一種檢測重要微量物質的通用方法。在氣相中，這一方法的靈敏度和選擇性最優，因為這些物質的吸收強度集中在一組尖銳譜線中。可以將這一頻譜中的窄線用于區分多數干擾的物質。
在許多工業過程中，必須高速、高精度地測量和分析流動氣體流和液體中微量物質的濃度。這種測量和分析是必要的，原因是對于最終產品的質量，污染物濃度常常是至關重要的。例如，像N2、O2、H2、Ar和He這樣的氣體被用來制造集成電路，那些雜質氣體的存在——即使是百萬分之幾(ppb)的程度——也會帶來損害，降低工作電路的產量。因此，以光譜方式監測水的相對高靈敏度對于半導體工業使用的高純度氣體的制造商而言非常重要。在其它工業應用中必須檢測各種雜質。此外，液體中雜質的存在，或者是固有的，或者是故意放置的，近來已經受到特別關注。
對于高純度氣體中的氣體污染物，光譜法已經獲得了百萬分之幾(ppm)程度的檢測。在某些情形中能夠獲得ppb級別的檢測靈敏度。因此，已經將幾種光譜方法應用于像氣體中定量污染物監測這樣的應用，包括傳統長路徑長度單元中的吸收測量，光聲光譜法，頻率調制光譜法，以及腔內激光吸收光譜法。這些方法具有幾個特征，在頒發給Lehmann的第5528040號美國專利中進行了討論，這些特征使得它們很難使用，并且對于工業應用不實際。因此，它們很大程度上局限于實驗室研究。
相反，連續波腔環降光譜法(CW-CRDS)已經成為應用于科學、工業過程控制以及大氣微量氣體檢測的重要光譜技術。已經證明CW-CRDS是一種擅長于在傳統方法沒有足夠靈敏度的低吸收狀態測量光吸收的技術。CW-CRDS將高精細度(finesse)的光學諧振器中光子的平均壽命用作對吸收敏感的可觀測物。
典型情況下，從結構適當以形成穩定光諧振器的一對窄帶、超高反射率電介質反射鏡形成所述諧振器。通過反射鏡將激光脈沖注入這個諧振器，以獲得平均壽命，這個平均壽命依賴于光子往返渡越時間(round-trip transit time)、諧振器長度、吸收截面和所述物質數密度以及是固有的諧振器損耗原因的因素(當衍射損失可以忽略的時候，這個損耗主要來自頻率依賴性反射鏡反射)。于是，光吸收的確定從傳統的功率比測量轉換成衰減時間測量。CW-CRDS的最終靈敏度由固有的諧振器損耗的幅度決定，而這一損耗可以利用能夠用于制造超低損耗光學器件的技術，諸如超拋光來最小化。
圖1B說明一種用于分析氣體中雜質的傳統CW-CRDS設備120。在圖1B中，將包含雜質的氣體引入腔環降單元108。腔環降單元108中填充有這種雜質氣體，并且連接到單元108的調壓器112在這個單元內維持恒定壓力。
從調諧到與雜質吸收頻率一致的預定頻率上的激光器100發射光101。由透鏡(或者透鏡系統)102將光101收集并聚焦，并且將得到的光束101a耦合到環降單元108。一旦耦合到單元108，光束101a接觸到反射性反射鏡124和125，它們充當穩定的光諧振器并且引起光激發。然后關閉激光器。當這些反射鏡在單元108中反射光的時候，一部分光被單元108中的氣體吸收掉。這一環降信號隨時間衰減。
與環降單元108連接的輸出檢測器114測量該單元中的環降率。輸出信號115代表了單元108中的環降率，并且被發送給處理器118。然后處理器118解釋這一環降率，并且通過將單元108中雜質吸收線峰值處的這一環降率與沒有任何吸收發生的基線處的環降率進行比較，來計算雜質的濃度。
只要尖峰或者基線背景中沒有任何干擾，傳統CW-CRDS能夠精確地確定氣體中雜質的濃度；例如，在惰性氣體是載體氣體，水是雜質的系統中。但是，在許多氣體系統里，載體氣體和雜質具有重疊的頻譜特征。在出現這些重疊頻譜特征的地方，沒有任何無干擾尖峰或者基線，用傳統CW-CRDS不能準確地確定雜質濃度。
在另一傳統系統里，將單元中的光強用于確定氣體中的雜質。這一技術的一個實例是授予Wu等人的6040915號美國專利。但是，這一系統具有這樣的缺點即從激光器到所述單元以及從所述單元到檢測器之間的空間對信號有貢獻。如果激光束路徑中存在失配或者變化，就會出現測量誤差。還有，檢測水汽的時候，必須凈化光束路徑，通常用高純度的氮氣，以減少外部干擾。這一凈化增加了操作成本。另外，檢測器和放大器的任何失配都會導致測量誤差。使用光強測量系統的另一缺點是為了在相減的時候抵消掉，兩個光束中的標準具效應(etalon effect)必須相似。
為了克服傳統系統的所述缺點，提供了使用CW-CRDS分析氣體中微量物質的一種改進的系統和方法。
發明內容
為了以上目的和其它目的，考慮到它的用途，本發明提供一種設備和方法，用于分析氣體中的雜質。該設備包括至少部分地包含具有雜質的第一氣體的第一單元以及至少部分地包含沒有該雜質的第二氣體的第二單元。分光器與光源光連接，將光分成第一光束和第二光束。將第一光束耦合進第一單元的輸入端，將第二光束耦合進第二單元的輸入端。第一檢測器與第一單元的輸出端連接，基于第一單元內第一光束的衰減率產生第一信號。另外，將第二檢測器與第二單元的輸出端連接，基于第二單元內第二光束的第二衰減率產生第二信號。基于第一衰減率和第二衰減率之差確定雜質濃度。
根據本發明的另一個方面，處理器與第一檢測器和第二檢測器連接，接收和處理第一信號和第二信號，確定雜質濃度。
根據本發明的另一個方面，第一光束和第二光束具有相同波長。
根據本發明的另一個方面，第一單元中第一氣體的壓力和第二單元中第二氣體的壓力基本相同。
根據本發明的另一個方面，光發射源包括CW激光器。
根據本發明的另一個方面，雜質濃度是通過比較氣體雜質吸收線的尖峰處的環降率和沒有雜質的基線環降率來確定的。
根據本發明的另一個方面，該方法包括以下步驟將包含所述雜質的第一氣體引入第一單元的至少一部分；將沒有所述雜質的第二氣體引入第二單元的至少一部分；從光源發射光；將來自光源的光分成第一束和第二束；引導第一束光通過第一單元；引導第二束光通過第二單元；測量第一單元內第一束光的衰減率；測量第二單元內第二束光的衰減率；以及基于第一和第二單元的衰減率之差，確定氣體中雜質的濃度。
顯然，本發明前面的一般描述和后面的詳細描述都是示例性的，而不是限制性的。
結合附圖，從以下詳細描述能夠最好地理解本發明。要強調的是，根據一般實踐，附圖的各個細節不是按比例畫出的。相反，為了清楚起見，任意地放大或者縮小了各個特征的尺寸。附圖包括圖1A在對數標尺上說明電磁頻譜；圖1B說明采用單環降單元的現有技術CRDS系統；圖2說明本發明的第一個示例性實施例；圖3說明本發明的第二個示例性實施例；以及圖4說明本發明的第三個示例性實施例。
具體實施例方式
圖2說明本發明的第一個示例性實施例。在圖2中，將包含雜質例如被分析物的氣體引入環降單元208，將沒有這種雜質的氣體引入環降單元210。可以是但是不限于腔環降單元的環降單元208、210或者可以填充它們各自的氣體，或者可以通過將氣體流過這些單元來引入這些氣體。(在這里不提供腔環降光譜法的詳細說明，因為這一技術對于本領域里的技術人員而言是公知的。)在一個示例性的實施例里，連接到每個單元208、210的調壓器212在這些單元內維持基本相同的壓力。
從可調諧光源200例如CW激光器發射光201。將光源200調諧到與雜質吸收頻率一致的預定頻率。由裝置202例如透鏡收集光201并將其聚焦，并且由光耦合到光源200的分束器204分光。將光201分成兩束具有相同波長近似相等的光束201a、201b。基本上同時地將第一光束201a耦合進第一環降單元208，將第二光束201b耦合進第二環降單元210。一旦耦合進它們各自的單元208、210，光束201a、201b接觸充當穩定光諧振器的反射性反射鏡224和225，并引起光激發。然后關閉光源。當這些反射鏡在單元208、210中反射光的時候，一部分光被單元中的氣體吸收掉。這一環降信號隨時間衰減。
耦合到第一單元的第一輸出檢測器214和耦合到第二單元的第二輸出檢測器216各自獨立地測量每個單元中的衰減率。輸出信號215、217分別代表單元208、210中的衰減率，并且被提供給處理器218。處理器218隨后解釋這些衰減信號，并且通過確定第一單元208中的衰減率與第二單元210中的衰減率之差來計算雜質濃度。
圖3說明本發明的第二個示例性實施例，通過它能夠檢測氣體中例如被分析物的雜質。參考圖3，將參考第一實施例來描述完成類似功能的元件，并且采用相同的標號。圖3中的實施例基本上與前面參考圖2所描述的實施例相同，差別在于用半反射鏡304將光201分成具有相同波長，近似相等的光束201a、201b，該半反射鏡304透過一部分(201b)光束，并將這個光束的剩余部分(201a)反射到第一環降單元208。過濾出來的那一部分光束隨后被反射鏡306反射(如果需要)進第二環降單元210中。在所有其它方面，這一示例性的實施例類似于第一示例性實施例。
圖4說明本發明的第三示例性實施例。參考圖4，將參考第一示例性的實施例描述完成類似功能的元件，并且將采用相同的標號。這一實施例提供這樣一種處理，用于分析每個都有不同雜質的多種氣體，并且相對于沒有這些雜質的參考氣體確定雜質濃度。圖4中的實施例與參考圖2所描述的實施例基本相同。差別是用分束器404將光分成具有相同波長的多個光束(在這個特定實例中是四束)。在光束201a、201b、201c、201d通過這些單元，且用檢測器214、216測量到各自衰減率的時候，處理器418通過計算第一單元中衰減率與其它單元中衰減率之差，互相獨立地確定每一種氣體中的雜質水平。雖然這一示例性的實施例是相對于提供光的單個波長的單個光源200來描述的，但是本發明不限于此。還想到這一光源可以產生多個頻率的光，從而使系統的獨立對，例如上面參考圖2所描述的，可以耦合到分束器404，從而使分束器404提供一種頻率的光給第一對單元，并提供第二頻率的光給第二單元。
本發明可以應用于各種氣體系統，并且相對于現有技術具有在包含雜質的氣體具有與雜質頻譜特征重疊的頻譜特征的系統中提供更高精度的優點。一個非限制性的實例是包含作為雜質的水的氨。相對于現有技術，本發明還具有進出單元時影響光強的外部干擾得到消除的優點，因為環降率是基于時間而不是強度來測量雜質濃度的。結果，不像雙單元可調諧二極管激光吸收光譜法(TDLAS)，用于檢測水汽的時候，本發明不需要用高純度的氮來凈化光源和單元以及該單元和檢測器之間的光束路徑。本發明也不受限制TDLAS系統靈敏度的光束變化、檢測器失配，以及源自標準具效應的失真的影響。
作為相對于現有技術的另一個優點，本發明的另一個實施例涉及將尖峰吸收線與基線環降率或者沒有雜質的環降率進行比較的能力。另一個優點是在偏離尖峰位置測量基線環降率的能力，它使得可以外推尖峰波長。另外，通過測量整個尖峰曲線，包括強度和線形信息，通過擬合線形來確定雜質濃度。
雖然參考了具體實施例來說明和描述本發明，但是不是要將本發明限制于所示細節。相反，在本發明權利要求等同物的范圍內可以進行各種詳細的改進而不背離本發明。
權利要求
1.一種用于分析氣體中雜質的方法，包括以下步驟將包含所述雜質的第一氣體引入第一單元的至少一部分；將沒有所述雜質的第二氣體引入第二單元的至少一部分；從光源發射光；將來自所述光源的所述光分成第一光束和第二光束；引導所述第一光束光通過所述第一單元；引導所述第二光束光通過所述第二單元；測量所述第一單元中第一光束的衰減率；測量所述第二單元中第二光束的衰減率；以及基于所述第一和第二單元的所述衰減率之差，確定所述氣體中的雜質濃度。
2.如權利要求1的方法，還包括在所述第一單元和所述第二單元中維持基本相同壓力的步驟。
3.如權利要求1的方法，其中所述第一光束和所述第二光束具有相同波長。
4.如權利要求1的方法，還包括將所述光源調諧到預定頻率的步驟。
5.如權利要求1的方法，還包括利用腔環降光譜法分析所述第一氣體和所述第二氣體的步驟。
6.如權利要求5的方法，其中所述第一單元填充有所述第一氣體，所述第二單元填充有所述第二氣體。
7.如權利要求5的方法，其中所述第一氣體流經所述第一單元，所述第二氣體流經所述第二單元。
8.如權利要求5的方法，其中所述第一單元填充有所述第一氣體，所述第二氣體流經所述第二單元。
9.一種利用光源分析氣體中雜質的裝置，包括至少部分地包含具有所述雜質的第一氣體的第一單元；至少部分地包含沒有所述雜質的第二氣體的第二單元；與所述光源光耦合，將來自所述光源的光分成第一光束和第二光束的分光器，所述第一光束耦合進所述第一單元的輸入端，且所述第二光束耦合進所述第二單元的輸入端；第一檢測器耦合到所述第一單元的輸出端，并且基于所述第一單元內的所述第一光束的衰減率，產生第一信號；以及第二檢測器耦合到所述第二單元的輸出端，并且基于所述第二單元內所述第二光束的第二衰減率，產生第二信號，其中所述雜質的濃度是基于所述第一衰減率和所述第二衰減率之差確定的。
10.如權利要求9的裝置，還包括連接到所述第一檢測器和所述第二檢測器的處理器，用于接收和處理所述第一信號和所述第二信號，以確定所述雜質濃度。
11.如權利要求9的裝置，其中所述第一光束和所述第二光束具有相同波長。
12.如權利要求9的裝置，其中所述第一檢測器測量所述第一單元中所述第一光束的衰減率。
13.如權利要求9的裝置，其中所述第二檢測器測量所述第二單元中所述第二光束的衰減率。
14.如權利要求9的裝置，其中所述第一單元中所述第一氣體的壓力和所述第二單元中所述第二氣體的壓力基本相同。
15.如權利要求9的裝置，其中所述氣體包括氨，所述雜質包括水。
16.如權利要求9的裝置，其中所述光發射源包括CW激光器。
17.如權利要求16的裝置，其中所述激光器是可調諧的。
18.如權利要求9的裝置，其中所述第一單元和所述第二單元每一個都包括腔環降光譜法單元。
19.如權利要求18的裝置，其中所述雜質的濃度是通過將所述氣體的雜質尖峰吸收線處的環降率，與沒有所述雜質的基線環降率進行比較而確定的。
20.如權利要求18的裝置，其中所述基線環降率的濃度是基于向尖峰波長的外推在偏離尖峰的曲線上測量的。
21.如權利要求18的裝置，其中所述雜質濃度是基于整個尖峰曲線的測量確定的，其包含強度和線形形成，所述雜質的濃度是通過擬合所述線形確定的。
22.如權利要求18的裝置，其中所述第一單元填充有所述第一氣體，且所述第二單元填充有所述第二氣體。
23.如權利要求18的裝置，其中所述第一氣體流經所述第一單元，且所述第二氣體流經所述第二單元。
24.如權利要求18的裝置，其中所述第一單元填充有所述第一氣體，且所述第二氣體流經所述第二單元。
25.一種用于分析氣體中雜質的裝置，包括將包含雜質的第一氣體引入第一單元，且將沒有雜質的氣體引入第二單元的模塊；將光發射到所述第一單元和所述第二單元中的模塊；確定所述第一單元和所述第二單元中各自的光衰減率的模塊；以及基于所述第一單元和所述第二單元中各自的衰減率之差，確定所述氣體中所述雜質濃度的模塊。
全文摘要
提供用于分析氣體中雜質的一種裝置和方法。該裝置包括包含具有所述雜質的第一氣體的第一單元(208)以及包含沒有所述雜質的第二氣體的第二單元(210)。將第一光束(201a)耦合進所述第一單元(208)，將第二光束(201b)耦合進所述第二單元(210)。第一檢測器(214)連接到所述第一單元(208)的輸出端，并且基于所述第一單元(208)內所述第一光束的衰減率產生第一信號。第二檢測器(216)連接到所述第二單元(210)的輸出端，并且基于所述第二單元(210)內所述第二光束的第二衰減率產生第二信號。基于所述第一衰減率和所述第二衰減率之差確定所述雜質的濃度。
文檔編號G01J3/42GK1890555SQ200480035728
公開日2007年1月3日 申請日期2004年12月1日 優先權日2003年12月3日
發明者閻文斌 申請人:虎光學公司