專利名稱：用二極管激光器對氣體中雜質量進行分析的方法和儀器的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣體試樣中雜質(諸如水蒸汽)含量檢測這一領域，它尤其涉及采用近紅外激光光譜測定技術檢測和定量該雜質含量(痕量)的方法。
提到檢測水蒸汽含量的例子，在紅外激光光譜分析技術(在文獻中大多被稱作“TDLAS”，即“利用調諧二極管激光器的吸收光譜測量技術”)出現之前，市場上現有的濕度計(例如無論是露點濕度計、振蕩石英晶體濕度計還是P2O5電解濕度計)都表現出不令人滿意的性能。這些不良性能包括較低的探測極限(大于10ppb)和該類裝置的多于1小時的禁止響應時間，并通常需要好幾個小時的操作時間。
通常所說的APIMS方法(即氣壓質譜儀)與傳統濕度計相比第一次在性能上得到顯著提高。它具有的探測極限可達到在中性氣體中可檢測出低至10ppb的水蒸汽并且針對從一種試樣到另一種試樣的橫跨三個數量級的含量變化檢測來說，只需幾分鐘響應時間。
然而無論是傳統濕度計或APIMS，它們并不適合應用于腐蝕性氣體(如HCl，HBr，HF，等)的雜質測量。這些濕度計在理想情況下具有不低于100ppb的靈敏度，它們的性能由于這些腐蝕性氣體的存在而會大大降低，有時甚至由于儀器的性能降低而無法實現正常的操作運行(材料的不兼容性)。
在過去的幾年中出現了大量涉及上述TDLAS探測技術的文獻，它們基于通常測量雜質分子在紅外區的光吸收強度來定量雜質(如水蒸汽)痕量。其原理如下雜質吸收一定波長的光，知道這些波長及相應吸收譜(具有洛侖茲曲線的外形)的強度和其分布形狀就能確定該分子的存在并在所分析介質中對其進行定量分析。
仍采用水分子檢測的例子，激光源(大多使用半導體二極管激光器)能發射位于近紅外區具有非常精確波長的光束，該波長能通過調節溫度及二極管輸入電流而改變。
比爾—朗伯定律常被用于表示經包含雜質分子的氣體介質透射后的光強度，它在這些雜質分子的波長上被衰減，按照公式I(λ)＝I0(λ)·exp(-k·LN·/π·γ)其中，N表示吸收分子的密度，I0表示由二極管發射的光束的原始強度，該光束進入所分析的氣體試樣，k表示吸收譜的強度，L表示所分析氣體試樣中的光程，γ表示譜線寬度。
由此能看出能夠利用二極管激光器掃描某一特征吸收譜的分布形狀來檢測該雜質。還可以觀察到記錄信號的強度將隨著所分析試樣中的雜質密度，所選吸收譜線的強度以及由二極管發射的、通過所分析氣體試樣的光束的光程的增加而增強。
三個參數中的第一個完全由所研究的雜質含量的范圍(如ppb數量級)所確定。然而總可以在該分子的光譜中選擇一個較強的吸收譜，并可設法使通過所分析試樣的光束按最大光程傳播(同時設法獲得對整套儀器的最小的不利效果)。
此公式還表示出，對于弱的吸收，所分析試樣中吸收雜質的密度可以由該譜線的吸收率線性推導得出。
如前所述，在過去幾年中，該原理被廣泛用于水蒸汽痕量檢測這一領域，此種情況下二極管激光器設定在1.37μm波長左右；此原理也應用于CH4或N2O痕量檢測。(可詳細參考下列文章D.Cas-sidy等，發表于“應用光學”，1982.7.p.2527；J.Mncha等，發表于“ISA會刊”，1986，Vol.25，P25；G.Devyatykh等，發表于“SPIE”Vol.1724，“可調諧二極管激光器應用”，P335；S.Bone等，發表于“應用光譜分析”，1993，Vol.47，p.834)。
發表于這些文章中的性能分析顯示出以下幾個特點—由于采用接近或大于大氣壓力的氣壓會導致吸收譜變寬且幅度減小，這些文章大都選擇低壓操作環境。
—這種低壓環境對于該方法應用于工業環境中是一個主要障礙，而工業環境又經常需要這種測量。
—這些低壓環境還表現出與下述有關的缺點復雜程度、成本和對過程的特殊要求，以及由于使用所需的泵所引起的振動問題，此類振動難以控制并對探測極限有不利影響。
—已報道的探測等級仍然非常高(通常是幾十ppb)，有些報道的極低的等級是推算出的。(已得到了外推結果)；
—由于這些結果涉及到中性氣體中的水蒸汽檢測，沒有資料提及這些方法對腐蝕性氣態介質的適用性，而且真空泵無論如何不適合使用在這種腐蝕性環境中。
—現有的探測等級和對腐蝕性氣體缺乏兼容性使得這些方法無法應用于微電子制造廠輸氣線路這類場合。該場合的探測等級必須達到1ppb的數量級，且載體氣體大不相同，它們可能是惰性氣體(氮、氬、等)，或是按照不同情形所采用的相對具有腐蝕性的特殊氣體(SiH4，HBr，HCl等)。
在本文中，本發明的目的是提供一種用于在氣體試樣中分析至少一種雜質含量的方法—使探測等級達到1ppb；—無論含雜質氣體試樣的特性(例如無論它是中性氣體還是對電子線路起反應的特殊氣體)；—易于在工業環境中使用，從而就這方面而言應具有小體積輕重量這些特點(可運輸甚至是便攜式儀器)；—能方便快捷地使用(例如合理的清洗時間至少應少于30分鐘)，且具有短的響應時間(幾秒鐘數量級)；及—適于在大氣壓或高于大氣壓(在實際中是幾個大氣壓)的環境中操作。
由申請公司在該領域完成的工作已表明，盡管其中一些目的是互相沖突的，但能夠在這些目的之間找到一個很好的折衷解決方法。
這種方法，基于半導體二極管激光器紅外光譜學的原理，采用將由二極管發出的光束分為至少兩個分支光束的辦法。其中一支，被稱為測量光束，它穿過處于至少等于大氣壓力的所分析氣體試樣(沿著所謂的測量光路)；而另一支，被稱為參考光束，不穿過與該氣體試樣(沿著所謂的參考光路)。在二極管和位于測量光路末端的光探測器之間的測量光路與在二極管和位于參考光路末端的光探測器之間的參考光徑其光程是相等的。此外還采用了包括至少一個指數型函數的調制函數來對由二極管發出光束的波長進行調制。
由申請公司完成的尤其在水蒸汽含量檢測領域的工作實際上表明了下述事實的重要性，即為了獲得1ppb數量級探測極限應使測量光路和參考光路在空氣中的光程相等，這樣做是為了克服周圍空氣中的濕度對測量信號的影響。包含指數分量的特定的調制更有助于調節由于在接近大氣壓力的氣壓下操作而導致的吸收譜變寬和幅度減弱，對高于大氣壓力情況也是如此。該指數調制與常規所用調制如方波、正弦波、三角波或斜坡波相比具更好的效果，尤其是產生了接近理想洛侖茲理論分布的較對稱的吸收波峰。
按照本發明利用一可調諧二極管激光器分析氣體試樣中至少一種雜質含量的方法，在此方法中要測量出被檢測雜質對二極管發射的光束的吸收能力。二極管的輸入電流包括一個恒定分量和一個變化分量從而能對發射波長進行調制，以便描繪出至少一種雜質吸收譜線的全部或部分分布形狀。由二極管發射的光束被分為至少兩個分支光束，其中一支，被稱作測量光束，它沿著一條測量光路導向所分析的氣體試樣，它在聚焦到一個測量用光探測器上之前穿過一個多通道容器；另一支光束，被稱作參考光束，它沿著一條參考光路直接聚焦到一個參考光探測器上而不穿過氣體試樣。分別位于二極管和測量光探測器之間及位于二極管和參考光探測器之間的測量光路和參考光路，它們在空氣中的光程相等。該方法中所分析的氣體試樣處于至少與大氣壓力相等的壓力下，且引入的調制包括至少一個指數型函數。
按照本發明，詞句“一個指數型函數”既指一個實際的指數(例如I0(1-Aexp(-at)))也可指一個非線性多項式的和(因為一個指數函數可以分解為一個多項式的和)。
按照本發明工作氣壓最好位于絕對壓力〔105Pa，3×105pa〕范圍內。但下述內容對本領域的專家來說是顯而易見的，即在工業管路的某些情形下會遇到高于幾個大氣壓的壓力。
在吸收容器外的光程借助于光路調節機構來使之相等，其精度必須在亞毫米甚至微米級。使光程相等比如說可以通過采用一組平面反射鏡來實現。該組平面鏡被放置在參考光束的光路上以便能改變二極管激光器與參考光探測器之間參考光路的光程而不改變其準直特性。
如上所述，所采用的包含一個指數型函數(例如I0(1-Aexp(-at)))的調制與通常所用或文獻中介紹的調制相比具顯著改進效果。該調制將在后文的例中詳細說明，它對由于在接近大氣壓力的氣壓下操作而導致的吸收譜線的變寬和幅度減小現象有較好的調節作用。
使用的激光源最好是銦鎵砷(InGaAsP)型半導體二極管(即精通此技術者熟知的所謂DFB，DBR，DFB/DBR型)或摻雜晶體固體激光型二極管。
對于本領域專家來說顯而易見的是根據所分析氣體試樣中所需檢測的雜質，二極管的發射光束將集中在與上述雜質吸收譜對應的波長上(例如在為了檢測水蒸汽的含量應接近1.37μm的波長上，或是接近1.9μm的波長上)。
二極管最好是溫度穩定的(例如采用珀爾帖效應元件)，為將二極管的發射光束集中在選定的吸收譜上，二極管的輸入電流能夠調制波長以便能描述出上述雜質分子所選定的吸收譜的全部或部分分布(二極管的輸入電流包括一個恒定分量和一個變化分量，后者用于調制發射波長)。
按照本發明的一個實施例，在二極管和參考光探測器之間的參考光路上未安裝吸收容器。
理想的情況是二極管和/或測量及參考光探測器是無窗口的。
所采用的多通道容器是比如說Herriot型，它由兩個具有相同焦距的球面鏡構成。其中一個包括一個偏心孔，光束通過該孔進入容器并經過一定次數的反射后離開該室。該容器的入射窗口最好以布魯斯特(Brewster)角傾斜，這樣二極管激光器的偏振光束能夠全部透過，同時減小了作為信號擾動來源的附加反射。
也可以設想一種例如象散型的多通道容器。
可以有選擇地將采用的多通道容器做成與各種類型的所分析氣體試樣物理相容的形式。這些氣體或是高純度的氣體(例如在具有很高純度的氮或氬中在1ppb的等級上探測殘余的水蒸汽含量)，或是用于微電子工業中的腐蝕性氣體，諸如HF，HCL，HBr等。可以利用以下材料有選擇地制做容器以及制成該容器中的鏡子，首先對腐蝕性氣體具有很高的適應性，諸如鎳或耐鹽酸鎳基合金；而且對所探測分子而言應有極低的脫氣/解吸系數。
還可以有選擇地按照與超真空條件或高純度氣體有關的標準來建造該容器，采用金屬材料而避免用聚合物材料，對于密封件來說也是如此，除非在必須采用聚合物材料的情況下方不用金屬材料(尤其在窗口周圍)。
按照本發明的一個最佳實施例，該容器由一個金屬塊制成(由整塊實心金屬機械加工而成)，必須沒有焊縫或焊珠，這些焊縫或焊珠代表了潛在地易受腐蝕的部位。
為了減小光噪聲和其他附加反射，還可有選擇地采用一個薄且相當干凈的分束元件(例如一個分束板)，用該元件將由二極管發射的光束分成盡可能多的分支光束。還應將探測器充分地傾斜以減小向二極管激光器的反射并需清潔該二極管激光器的后表面，總之要隨時防止在分束元件的下游處光束被阻擋。
為了達到1ppb探測極限的目的(例如1ppb的水蒸汽)，理想的情況是，作為前述使分析/參考光程相等這一措施的一個補充措施，可利用一種保護性氣體吹洗充注(以下簡稱吹洗)位于二極管激光器和每個探測器之間的空間。這種保護性氣流一方面減小了由于存在于探頭處雜質所引起的附加信號；也增加了光能的透過率，這是因為它減少了由于附加雜質的存在所產生的吸收。
這種保護性氣體(理想的是氮或氬)最好能吹洗位于外殼中組件之間的空間，此組件由下述各項構成二極管、測量和參考光探測器以及容納有所分析氣體的多通道容器。該外殼與周圍空氣隔離并被保護性氣流吹洗。就存在有無法吹洗的死區這一局限性而言，選用無窗的探測器和二極管是有益的。
保護性氣體的吹洗最好是層流狀態，以提高氣流的效率和穩定性，同時也優化氣體消耗量。
為了在本方法中便于改善響應時間這一指標，最為理想的是減少該容器中被分析氣體試樣中分子的滯留時間。這點已由申請公司按照本發明而實現。它通過減少氣體進入該容器和流經該容器時的死區及渦流現象，確保容器內氣體的層流或準層流狀態。下文將給出一個獲得此類層流狀態的實施例的說明。
本發明還涉及一種用于分析氣體試樣中至少一種雜質含量并適于實現本發明的儀器。它包括—一個半導體二極管激光器；—至少一個分束系統，它能夠將由二極管發射的光束分為至少兩個分支光束，一個稱為測量光束而另一個稱為參考光束。
—一個容納有所分析氣體試樣的多通道容器。
—一個能將測量光束沿測量光路導至多通道容器的光學部件。
—一個測量用光探測器。
—一個能將多通道容器輸出的測量光束導至測量用光探測器的光學部件。
—一個參考光探測器。
—一個能將參考分支光束沿參考光路導至參考光探測器的光學部件。
—用來對由兩個光探測器所產生的信號進行采集處理。
該儀器還包括能使測量光路和參考光路的光程相等的裝置，上述兩光路分別位于二極管與測量用光探測器之間及二極管與參考光探測器之間。
本儀器包含調制二極管輸入電流的裝置，它能夠引入包含至少一個指數型函數的調制。
使光程相等的裝置可包括比如說設置在分束系統與參考光探測器之間的參考光路上的一組平面反射鏡。
按照本發明的一個特點，該儀器包括一個珀爾帖效應元件，它能夠穩定二極管的溫度。
二極管和/或測量及參考光探測器最好是無窗口的。
由二極管、測量和參考光探測器及容納所被分析氣體的多通道容器構成的組件最好是放置在一個外殼內，從而與周圍空氣隔離。該外殼內裝有能使保護性氣流吹洗外殼內部的裝置。用于實現吹洗的裝置最好加工成使充入氣流呈層流狀態。
比如說可以設想用多孔通道來得到這樣一個層流態。也可以參照由申請公司完成的工作，該工作涉及用于在有限封閉空間內產生保護性環境的氣體噴射系統(法國專利申清No.93,15503，1993，12，22)。
多通道容器最好是具有由整塊實心金屬機械加工而成的單個金屬塊的形式(沒有焊縫和焊珠)。
按照本發明的一個特點，氣體注入該容器及氣體離開該容器的部位應設計成使得容器內的被分析氣體能形成一層流狀態。
本發明的其余特點和優點將在下面實施例的描述中顯現，參考附圖這些實施例以不包含任何限制條件的形式予以說明。其中—

圖1是一個表示適于實現本發明的整套儀器的簡圖；—圖2是一個表示位于測量和參考光路上的部分光學元件的簡圖；—圖3是一個二極管激光器電流的調制函數的示例，它包括一個指數分量；—圖4表示出對所分析氣體試樣中變化的H2O密度采用1.exp(-2.5t)指數調制的情況下所得的結果；—圖5和6表示在所分析氣體試樣中無水蒸汽情況下所得信號的比較結果，分別使用鋸齒波調制(At＋B)和指數調制(1.exp(-2.5t))；—圖7和8表示一個多通道容器內所分析氣體處于層流態的示例性實施例。
圖1簡略地表明從二極管至數據采集、處理系統的測量光束和參考光束的光路，一調諧半導體二極管1(此處為銦鎵砷磷型)發出一光束2，該光束通過一分束板20分解成一無偏離測量光束3和一反射參考光束4。
二極管是溫度穩定的，例如通過采用一珀爾帖效應器件12使其溫度接近于周圍環境溫度。
由一電流發生器13提供的電流包含一恒定分量和一變化分量用來調制二極管發出光束的波長，以便描繪出所要分析的分子的選定的特征吸收譜線的全部或部分分布。
測量光束3是對準無偏移的并在一給定點處射入一容器5，該容器最好是Herriot型(包含有被分析氣體)，并具有給定的方向系數。容器5的輸入窗口最好按布魯斯特角傾斜以便讓偏振光束得到充分傳輸。
容器出口處得到的測量光束3′聚焦照射在一探測器6上(例如銦鎵砷或者是鍺探測器)。
光電探測器6所產生的電流由一互(跨)阻抗放大器7進行前置放大，得到的電壓信號被送往一差分放大器9。
另一部分即參考光束4被引至一反光鏡系統(此圖中未示出)，它使光束聚焦至一光探測器15上，該反射鏡系統也可使二極管激光器和探測器15之間的參考光路的光程發生改變但并不改變其準直特性，這樣就可使參考和測量光路在空氣中的光程相等(與實現測量和基準光路的光程相等的有關器件在有關圖2的下文中將詳細敘述。
由光探測器15所產生的電流此處再次在一互阻抗放大器8內進行前置放大，得到的電壓信號被送往上面提到的差分放大器9，在差分放大器中與前置放大器7輸來的信號進行相減，這樣做的目的是重新構造所分析氣體中雜質含量的吸收譜線的分布形狀。
在所示出的實例中，每一光束經互阻抗放大器(7，8)前置放大后相減。在相減操作中，在獲得前置放大信號之后執行相減操作可得到一變化量。
由此得到的信號被送往一數據采集和積分系統10，在系統10內信號經濾波、采樣并轉換為數字信號后貯入存儲器，這些操作在利用二極管1所發出的信號的情況下應對所掃描出的吸收譜線的每一波長均要實施，于是操作對這些波長中的每一個都要重復進行，相應的信號加到以前的信號中去，這樣做的目的是為改善信/噪比，該操作最好有必要多次重復以便獲得一滿意的信/噪比。
圖2提供了在二極管1和數據采集、處理系統10之間的測量光束3和參考光束4所遭遇到的光學器件的細節。
二極管激光器1射出的光束在此情況下經光學準直件23和一光闌圈22被導向分束板20，于是該射出光束被分解成測量光束3和參考光束4。
測量光束3在穿過容器入射窗口17到達多通道容器5之前與一反射鏡24相遇，在所示實例中該入射窗是按布魯斯特角傾斜的，容器5為Herriot型，在所示實例中它是由兩個焦距相同的球面鏡18和19組成，其中一個鏡上有一偏心小孔28，光束3通過小孔28進入并經多次反射后經28離開容器(輸出光束用3′標出)。由多通道容器5射出的光束3′通過一拋物面鏡被導至測量用光探測器6上。
分束板20送出的另一參考光束4通過一組平面(11，25)及拋物面(14)鏡系被導至參考光探測器15上。安裝在一平移板上的平面鏡系統25可使二極管激光器與參考光探測器15之間的參考光路的光程得以改變但不改變其準直性，其目的是使測量和參考光路獲得相等的光程。
圖3示出采用電流發生器13所建立并供給二極管激光器1的電流調制函數的一個實例，該實例所示是周期為1KHz的1-Aexp.(-2.5t)調制函數。
在此情況下，由橫座標及縱座標值所代表的調制，其單位可以是任意的(如橫座標為時間單位，縱座標為電壓單位)。
圖4表示出如上述圖1和圖2所描述的儀器的各種實例中在探測所分析氮氣試樣中水蒸汽情況下所得到的結果。此處使用的調制函數是1-exp.(-2.5t)，被調節的二極管溫度應能使處于水蒸汽吸收譜線附近的二極管激光發射波長得以調節，該波長接近1.37μm(光譜復蓋范圍約為1.364μm至1.372μm)。
對于每個水蒸汽含量的檢測實例，所述信號對應于所獲得的參考與測量光束兩者之差，掃描上述波長范圍的操作(數據采集、處理，存入存儲器并加到以前信號上去)對每個處理情況應重復96,000次。
五個信號是對應于范圍從0ppb(容器中充滿高純度氮氣，這種情況下“0”ppb被認為是兩束在同一氮氣環境下遭遇的光束的相減差值)至16ppb水蒸汽含量，另三條信號曲線是對應于氮中含水汽量的三個中間值3，7和12ppb，這些水蒸汽含量通過滲氣濾芯被引入參考氮氣中。
對所有這些實例而言，整個探測頭(二極管，多通道容器，探測器)被置于一經干燥氮氣流吹洗干凈的密閉外殼內。
在此，圖4中橫座標和縱座標所代表的單位仍是任意的(相對應的橫座標為時間單位而縱座標是電壓單位)。
圖4中示出對“0ppb”曲線存在弱吸收性(曲線存在一微小的隆起部)，這種情況意味著容器中可能殘存水蒸汽，或意味著(可能由上述一些原因的綜合作用)由于光程相等的輕微不完善，或意味著水蒸汽含量隨著時間變化和/或經過探測頭的空間后或在容器內，其均勻性不太理想。
我們可以滿意地觀察到，盡管有這微小的不完善性(它可采取補求措施或處理中予以考慮)，可觀察到對于每種(水汽含量)濃度的情況，甚至是含量最低水平情況下，所獲得信號仍有顯著的區別，因為有極大的可能來區分對應于0.3和7ppb所獲得的曲線。
圖5和圖6所示的是待分析氣體中未摻入水蒸汽的情況(只用干燥氮氣吹洗)，所觀察到的是用指數調制函數(按1-exp.(-2.5t)調制)來取代傳統用的鋸齒調制函數而得到的。
圖5(鋸齒調制函數情況)示出當采用鋸齒調制函數情況下，即使所分析的氮氣試樣中“缺乏”水蒸汽仍可觀察到特別明顯的增厚現象。
圖7示出噴射分析氣體進入一圓柱形容器31的一個實例，采用圓柱形容器可使氣體在容器內呈層流狀態。圖7表示的容器31的輸入區的局部剖面圖中展示出一輸入鏡29(為表示簡明和有助于觀察起見只示出鏡子的一半)，容器31在其位于鏡子下方的輸入面有三個氣體噴入切口，切口呈局部環形(花冠型)圍繞容器軸線大致按等角度均衡分布。被分析氣體到達容器的輸入口后在進入容器的圓柱形本體前穿入鏡子下方并進入每個切口內。為避免使圖形過于復雜，進入的氣流用三個簡單的箭頭30來表示，每個箭頭指向一個切口。
圖8簡明地代表按上述結構氣體越過容器口和出口處的鏡子在入口與出口之間所獲得氣流的模擬圖，為簡化起見圖上未表示出切口，該圖是象微性表明所得的結果，即表明不存在渦流現象或使此現象減至最少程度，容器內的氣流大致是按層流分布的。
圖7和圖8所示僅是大體上能獲得層流的氣體進入和導出裝置多種可能的實施例中之一，也可設想到采用其他結構形式，諸如采用圍繞容器的軸線大致按圓周等角分布的噴射小孔。
盡管在參閱附圖情況下對本發明進行了描述，但決不是對本發明有所制約，與此相反，對本領域專家來說可以作出種種改變得到多種變型。
所以盡管特別提到探測水蒸汽含量的情況并提出以上所述的實例，可以理解本發明的應用要廣泛得多，可通過吸收法探測其他雜質含量，在這方面作為例子可舉出采用十分有利的大致為1.3618μm的HF譜線來探測HF和WF6，由于HF是在-WF6槽內通過WF6與H2O(水)之間的反應而生成的，于是通過對HF的定量分析就可間接地對WF6的組成作出定量分析，因而可對原來槽內存在的水蒸汽量作出分析。
同樣對于氣體載體而言，以上實例十分具體地討論了氣體載體為氮氣時的情況(探測氮氣中水蒸汽含量從1ppb至若干ppb的量級)，然而應指出由發明申請公司所完成的工作已證明，按本發明的儀器和方法在探測諸如CF4，SF6以及NF3等化學氣體中的水蒸汽含量時，探測的量級可以精確到幾個ppb的水平。
權利要求
1.一種利用調諧二極管激光器(1)來對一氣體試樣中至少一種雜質含量進行分析的方法，在此方法中，要測量出所檢測雜質對二極管發出光束的吸收能力，二極管輸入電流包括一恒定分量和一變化分量從而使其能對所發射的波長進行調制，這是為了能描繪出所述雜質的至少一條吸收譜線的全部或部分形狀。二極管發出的光束至少分離成兩個分支光束，其中之一稱為測量光束(3)，它沿測量光路直接射入所要分析的氣體試樣，它在聚焦于一測量用光探測器(6)之前要穿過一多通道容器(5)；另一分支光束，稱為參考光束(4)，它沿一參考光路傳播并且不經過氣體試樣而直接聚焦在一參考光探測器(15)上，分別處于二極管與測量用光探測器之間和二極管與參考光探測器之間的測量光路和參考光路，它們在空氣中的光程是相等的，其特征在于所述氣體試樣的壓力至少與大氣壓力相同，其特征還在于所采用的調制函數至少包括一指數型函數。
2.按權利要求1的方法，其特征在于所述氣體試樣的所述絕對壓力不超過3×105Pa。
3.按權利要求2的方法，其特征在于所述氣體試樣的所述絕對壓力在〔105Pa，3×105Pa〕這一范圍內。
4.按權利要求1到3中任一項的方法，其特征在于二極管激光器和每一探測器之間的空間均經保護氣體充注吹洗。
5.按權利要求4的方法，其特征在于所充入的氣體呈層流分布。
6.按權利要求項1到5中任一項的方法，其特征在于所分析的雜質是水(H2O)。
7.按權利要求6的方法，其特征在于利用調制所能實現的波長范圍可延伸接近下述兩個波長中的一個1.37μm或1.9μm。
8.適于用來實現權利要求1到7中任一項所述的方法的用來分析—氣體試樣中至少一種雜質含量的儀器，包括—一半導體二極管激光器(1)，—至少一個分束系統(20)，它可將二極管發出的光束至少分離成兩個分支光束，一個稱為測量光束(3)，另一個稱為參考光束(4)；—一個容納有所要分析的氣體試樣的多通道容器(5)；—一光學部件(24)，它可使由分束系統輸入的測量分支光束沿一測量光路傳輸到多通道容器上；—一測量用光探測器(6)；—一光學部件(21)，它可使由多通道容器輸出的測量光束(3′)傳到測量用光探測器上；—參考光探測器(15)；—部件(26，25，27)，它可將由分束系統輸出的參考分支光束沿一參考光路直接傳輸到參考光探測器上；—元件(7，8，9，10)，用來采集處理由測量用光探測器和參考光探測器所產生的信號；—使分別位于二極管與測量用光探測器之間，和二極管與參考光探測器之間的測量光路和參考光路的光程相等的裝置；該儀器包括有裝置(13)，它用來調制二極管的輸入電流，它可使調制函數至少包括一個指數型函數。
9.按權利要求8的儀器，其特征在于用來使光程相等的所述裝置包括反射鏡系統(25)，(25)位于分束系統和參考光探測器之間的參考光路上，并且裝在一平移板上。
10.按權利要求8或9中任一項的儀器，它包括有裝置(12)，該裝置用來穩定二極管的溫度。
11.按權利要求8或10中任一項的儀器，其特征在于在由二極管，測量用光探測器和參考光探測器組成的元件組合中，至少有一個元件不帶窗口。
12.按權利要求8到11中任一項的儀器，其特征在于由二極管，測量和參考光探測器，容納有所需分析的氣體的多通道容器所組成的組件通過安裝在一外殼中而與周圍大氣隔離，該外殼裝配有用來往外殼內注入氣流的裝置。
13.按權利要求12的儀器，其特征在于用來注入氣流的裝置其尺寸大小應按下述要求所述氣流可大體上呈層流分布。
14.按權利要求8到13中任一項的儀器，其特征在于容器由單個金屬塊制成。
15.按權利要求8到14中任一項的儀器，其特征在于容器具有裝置(32，33，34)，這些裝置用來將所分析的氣體送入容器，和從容器中送出，從而可使容器內的氣體呈層流狀態。
全文摘要
一種分析一氣體試樣中至少一種雜質含量的方法，通過測量所檢測雜質對二極管激光器發出光束的吸收能力從而分析出來雜質含量，所述光束分離成至少兩個分支，一個稱為測量光束，它聚焦于測量用光探測器之前先穿過多通道容器中的氣體試樣；另一分支稱為參考光束，它不經過氣體試樣直接聚焦在一參考光探測器上，此方法中氣體試樣的壓力至少等于大氣壓以及采用了對二極管輸入電流進行調制的技術，調制函數至少包括一指數型函數。
文檔編號G01N21/35GK1148173SQ9610514
公開日1997年4月23日 申請日期1996年4月19日 優先權日1995年4月21日
發明者卡特琳·榮杰, 法布里斯·布奈克斯, 帕特里克·莫韋, 弗雷德里克·斯托克爾 申請人:喬治·克勞德方法的研究開發空氣股份有限公司