KR950014941B1

KR950014941B1 - 레이저-실행 라만 광 산란에 의해 다중-채널 분자 개스 분석 장치 및 방법

Info

Publication number: KR950014941B1
Application number: KR1019890701038A
Authority: KR
Inventors: 리차드 에이. 반 와게넨; 제플리 디. 가이슬러; 도널드 이. 그레 고니스; 데니스 엘. 콜멘
Original assignee: 알비온 인스트루먼츠; 조지 엠. 심즈
Priority date: 1987-10-06
Filing date: 1988-09-28
Publication date: 1995-12-18
Anticipated expiration: 2008-09-28
Also published as: EP0380580A1; WO1989003515A1; DE3885104D1; DE3885104T2; CA1323205C; KR890702008A; AU2607888A; EP0380580A4; JPH0786462B2; EP0380580B1; US4784486A; AU612732B2; JPH03501518A

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

레이저-실행 라만 광 산란에 의해 다중-채널 분자 개스 분석 장치 및 방법

[도면의 간단한 설명]

제1a도는 다중 채널 조준 비임 라만 분광 시스템을 도시한 본 발명의 한 실시예의 개략도이다.

제1b도는 라만 분광계내에 편광 레이저 광을 사용하기 위한 산란 기학적 형태를 도시한 3-차원 좌표계이다.

제1c도는 다중 채널 접속 비임 라만 분광 시스템을 도시한 본 발명의 한 실시예의 개략도이다.

제2도는 캐비티내부 개스 셀 및 조준 레이저 비임을 사용하는 레이저-실행 라만 산란, 샘플링 및 다중채널 검출 시스템의 완전하고 바람직 실시예를 도시한 상부 개략도이다.

제3a도는 제2도에 도시한 다중 채널 조준 비임 시스템내의 사용된 바와 같은 개스 샘플링 셀의 상면도이다.

제3b도는 제3a도에서 도시한 개스 셀의 측면도이다.

제3c도는 제3a도 및 제3d도에서 도시한 개스 셀의 단부도이다.

제3d도는제3a도, 제3b도 및 제3c도에서 도시한 개스 셀의 사시도이다.

제4도는 개스 셀 내외로의 개스의 흐름을 도시한 개략도이다.

제5도는 개스 셀에 인접한 위치내에 도시한 검출기 채널의 바람직한 실시예의 단면도이다.

제6도는 호흡개스 및 마취제를 분석하기 위한 메인 마이크로프 세서 루틴에 대한 플루오차트이다.

제7a도는 계산 절차에 대한 플루우챠트이다.

제7b도는 제7a도의 연속 도면이다.

제8도는 트렌드(trend) 데이타 절차를 갱신하기 위한 플루오 챠트이다.

제9도는 차체 검정 절차에 대한 플루오챠트이다.

제10도는 트렌드 데이타의 표시 루틴에 대한 플루우챠트이다.

제11a도는 개스 셀이 공진 캐비티 외부에 배치되어 있는 것과, 1개 이상의 개스셀이 배치될 수 있는 캐비티내부 지점을 나타내는 레이저 공진기 및 개스 셀 구성의 측면도이다.

제11b, c, d 및 e도는 공진기 부분들이 캐비티내부 개스 셀 부분으로서 어떻게 작용할 수 있는지를 도시한 제11a도에 도시한 공진기 부분들의 상부 개략도이다.

[발명의 상세한 설명]

[발명의 분야]

본 발명은 전반적으로 개스 분석 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게 말하자면 레이저-유도 라만(Raman)광 산란에 의해 다수의 개스를 동시에 분석하기 위한 시스템에 관한 것이다.

[발명의 배경]

마취 중의 환자의 안정성을 향상시키는데 있어서 수술실 내에서의 환자의 호흡개스를 계속적으로 정밀하게(breath-by-breath) 분석하는 것이 점점 중요해지고 있는 실정이다. 특수한 트레이서(tracer) 및 호흡 개스의 흡입 및 발생에 기초를 두고 있는 특수한 심장 및 폐 기능의 측정(determination)뿐만 아니라, 호흡 및 마취 개스의 검사는 정교한 감지기, 변환기 및 컴퓨터의 개발로 높은 수준의 기술 진보 단계에 도달하였다. 이러한 검사 기술에 의해 환자 상태의 양호하지 못한 증세를 신속히 진단하여 치료할 수 있으므로, 생존율이 증가되며, 수술 후 조속히 발관(extubation)할 수 있으며, 집중 치료 부 (internsive care unit ; ICU)의 시간을 단축시킬 수 있다. 호흡 개스 및 마취제 검사는 산소 소모량, 이산화탄소 발생, 마취제 흡입 및 마취기 회로 분리와 혈액내로의 공기 색전물(air emboli)의 유입 검출가능성을 측정하는데도 응용된다. 환자의 호흡 개스의 정밀한 검사 및 집중 치료부 및 다른 응급 상황 시에 환자 체내의 다수의 특수한 호흡 개스 및 마취제를 동시에 측정함으로써 때때로 진단 및 치료를 용이하게 할 수 있어, 다가올 문제점 발생을 예상 및 방지할 수 있으며, 치료시에 사용하도록 즉석 데이타를 의사 및 다른 건강 관리원에게 제공할 수 있다. 심장 출력 및 폐 기능에 대한 비-침입성 측정용으로 사용되는 개스 혼합물의 정밀한 분석도 마찬가지이다.

수술실 및 집중 치료부에서는 질량 분석 기술을 사용하여 응급 환자의 호흡을 검사하여 특수한 휘발성 마취제를 식별하고 질소량을 측정하고 있다. 다중-베드 샘플링(multiple-bed sampling)기술에 의해 가격이 비싸고 다중화된 질량 분석기를 사용할 수 있는데, 그 이유는 이것이 다수의 환자들간에 공유될 수 있기 때문이다. 질량 분광계 장치는 크고, 이방성에서 저방으로 이동되기가 어렵기 때문에, 일반적으로, 원격 장소에 배치되어, 환자와 이 장치를 연결시키기 위해 기다란 모세관이 사용된다. 이 모세관 송 시스템은 개스 샘플 혼합, 시간 지연, 파형 왜곡 및 분리의 가능성을 증가시켜 마취, 응급 치료 및 의하적 연구시에 사용하기에는 고유 제한을 갖고 있다. 더욱이, 질량 분광계는 가격 및 유지비를 증가시키고, 신뢰성이 떨어지는 진공 시스템을 필요로 한다. 또한, 이러한 진공 시스템에 의해 헬륨 또는 다른 불활성 개스들이 존재하는 여러 상황시는 질량 분광계를 사용할 수 없게 된다. 불활성 기체들은 때때로 환자에게 레이저를 사용할 위치를 세척하기위해 레이저 수술 과정 중에 사용되는데, 이 불활성 개스가 질량 분광계의 진공 시스템내로 확산됨으로써 호흡 개스 분석용으로 쓸모없게 되어 버린다.

이와는 다르게, 함께 사용할 경우 마취제 및 호흡 개스를 측정할 수 있는 적외선 흡수와 플라로그래픽(polarographic) 및 고상 반도체 분석을 포함하는 몇가지 상이한 물리적 원리에 기초를 둔 다양한 개스 검출기들이 있다. 이들 검출기들의 몇가지 단점으로써는 총합 비용이 비싸고, 부피가 크며, 응답 시간이 느리고, 데이타를 환자 파라메터에 대한 하나의 포괄적인 디스플레이내로의 통합하기가 어렵다는 것이다.

응급 치료 상황 중에 몇가지 개스를 동시에 검사하는데 사용하도록 제안된 다른 기술은 라만 광 산란에 기초를 두고 있다. 라만 광 산란 효과는, 단색광이 개스 분자들의 진동/회전 모드에 작용하여 입사 방사선의 주파수가 산란 개스 분자의 진동/회전 에너지에 대응하는 양만큼 주파수 천이된 산란광이 발생할 때 나타난다. 입사광 광자가 충돌시에 에너지를 손실하면, 이것은 입사 광자보다 낮은 에너지 및 낮은 주파수를 갖고 있는 산란관으로서 재 방출된다. 이러한 비탄성 산란을 스토크스 라만(Stokes Raman) 산란이라 한다. 동일하게, 입사 광자가 충돌시에 에너지를 얻으면, 이것은 입사 광자보다 높은 에너지 및 높은 주파수를 갖고 있는 산란 광으로서 재 방출된다. 이런 형태의 비탄성 산란을 반-스토크스 라만 산란이라 한다. 이들 에너지 전이들이 종류에 따라 특수하기 때문에, 라만 스펙트럼내에 존재하는 여러 주파수 성분들을 분석하면 산란 용적내에 존재하는 개스들을 화학적으로 식별할 수 있다. 여러 주파수 성분 또는 라만 라인들의 세기에 의해 존재하는 개스들을 정량화할 수 있으므로 적합한 소정의 행할 수 있다. 상이한 개스들에 대한 상대 감도는 절대적으로 정해져 있으므로 교정을 자주 핼할 필요가 없다. 실제로, 스토크스 또는 반-스토크스 라만 산란을 사용할 수 있으나, 실온에서는, 스토크스 라만 효과가 일반적으로 더 강하다.

라만 기술은 대기 검사 및 연소(combustion) 응용 용으로 널리 사용되어 왔다. 1ppm보다 양호한 감도가 입증되었다. 컴퓨터-지원 신호 처리 기술과 결합한 전형적인 라만 산란 분석 응용은 Pleu㎚ Press가 발생한(1974년) 라프(Lapp) 등이 쓴 "Laser Raman Gas Diagnostics"에 보고되었다.

또한, 라만 산란 분석 기술은 다음과 같은 특허 문헌에도 기술되어 있다. 베너(Benner) 등의 미합중국 특허 제4,648,714호, 첩(Chupp)의 미합중국 특허 제3,704,951호, 해첸뷸러(Hatzenbuhler)의 미합중국 특허 제3,807,862호, 및 레오나르도(Laonard)의 미합중국 특허 제3,723,007호에서는 라만 분석 기술에 대해 요약되어 있다.

다수의 개스를 동시에 검출하기 위한 시스템은 알브레흐트(Albrecht)등의 독일연방공화국 특허 제DE 2723 939 C2호(1983)에 기술되어 있다. 이 특허에는 2개의 오목 반사경 사이의 영역내의 비편광 레이저 비임을 제한시키는 2개의 오목 반사경을 갖고 있는 캐비티외부 다중-패스 샘플 셀이 기술되어 있다. 2개의 오목반사경들은 레이저 비임이 집속 영역, 또는 광 세기가 증가된 영역을 통해 2개의 반사경 사이에서 반복적으로 전후 반사하도록 배향되어 있다. 이 집속 영역으로부터 분석 중의 샘플로부터의 라만 산란 집광되어, 분석된다. 집속 영역으로부터의 산란 광은 라만 산란광에 360 적동 검사 기하학적 형태를 제공하기 위해 집속 영역 주위에 장작된 일련의 6개의 검출기 채널에 의해 집광된다. 각 채널은 집광렌즈, 간섭 필터 및 광자 검출기를 갖고 있다. 간섭 필터는 각 채널이 특수 개스에 감응하도록 선택된다. 이것은 광대역 필터를 한 개스-특수 필터와 결합시킴으로써 달성된다. 그러므로, 6개 채널들은 6개의 독립된 라만 라인으로부터의 신호들을 수집하여 6개의 상이한 개스 성분들을 동시에 검사한다. 검출기 채널들이 적도면내에 배열되고, 셀 내의 광 세기가 높은 단일 지점을 목표로 하는 이 방법은 자체적으로, 샘프로부터의 라만 광을 집광하기 위한 채널당 유효 입체각이 거의 f/1 집광렌즈에 상응한다는 사실로 인해 6개 이하의 검출기로 제한된다. 이러한 집광 렌즈를 사용하여 광 산란을 최적으로 이용할 수 있다.

6개 이상의 개스 성분을 검사해야 할 경우, 등재된 광 산란은 여러 검출기에 연속 루트되는 몇개의 개스-특수 성분으로 분할된다. 이것은, 제1필터에서 검출될 개스가 오목 반사경에 반사되어 다른 특수 광성분을 필터 아웃시키는 다른 필터를 통과하게 되는 나머지 광과 함께 검출기를 통과하도록 소정의 입사각으로 일련의 간섭 필터 및 오목 반사 경상에 산란 광을 보내는 집광 렌즈를 사용하여 달성된다. 이 프로세서는 희망하는 수의 채널을 얻기 위해 필요한 만큼의 다수의 필터, 검출기 및 반사경에 대해서 계속된다. 직렬 체인내의 최종 필터로부터의 광을 직접 반사시키는 반사경은 인입방향과 인출 방향이 일치하도록 체인을 통해 나머지 광을 다시 통과시키고, 광선은 반대 순서로 모든 필터를 통과한다. 이 정교한 기법은 필터 및 반사경의 정확한 각도 설정을 필요로 한다. 더욱이, 몇개의 필터 및 반사경으로 부터의 반사후에 매우 중요하게 되는 각 반사에 따른 광 세기의 누적 손실이 있게 된다. 라만 산란광이 입사광보다 현저하게 약하기 때문에, 각각의 모니터된 파장의 산란 광을 최소수의 굴절 및 반사로 검출기에 보내고, 수집하여, 필터하고, 집속시키는 것이 바람직하다. 또한, 적도 샘플링면 기하학적 행태에선은 개스 샘플로부터 적합하고 균일한 라만 신호들을 얻기 위해서는 레이저 비임이 편광되지 않아야 한다.

알브레흐트 시스템은 많은 제한을 제거하는 라만 산란광의 집광 및 검출에 의해 다수의 다원자 개스를 거의 동시에 검출하기 위한 개량된 시스템은 베너 등의 미합중국 특허 제4,648,714호내에 기술되어 있다. 이 특허에는 개스 샘플이 레이저의 공진 공동 내에 배치된 샘플링 셀내에 배치되는 시스템 및 방법이 기술되어 있다. 라만 산란 광의 검출가능한 신호들을 발생시키기에 충분한 세기를 갖고 있는 편광된 레이저 비임은 셀 및 개스를 통과한다. 비탄성 라만 산란광과 탄성 레이저-산란 광은 레이저 비임의 축과 레이저 비임의 편광 벡터에 수직인 광학축을 갖고 있는 집광 렌즈에 의해 편광 레이저 비임의 단일 집속 영역으로부터 집광된다. 산란 광의 부분은 레이저 비임의 측에 수직하게 배향된 광학축을 갖고 있고, 집속 영역에 인접하여 배치된 반사경에 의해 포착되어 집착 렌즈로 다시 보내진다. 반사경은 개스 셀 외부에 있다. 집광된 산란 신호들은 산란 탄성 레이저 신호들이 필터 아웃되어 비탄성 라만 산란 신호들이 일련의 간섭 필터를 포함하는 회전 필터 휠에 전달되는 다층 유전체 레이저 라인 제파 필터상에 보내지는데, 상기 각 필터는 한 라만 라인 전송에 고유한 것이다. 회전 필터를 통과하는 라만 라인들은 단일 검출기에 의해 순차적으로 감지되고, 증폭되어, 처리되는 디지탈 전기 펄스로 변환되어, 분석 중인 개스내에 존재하는 각각의 다원자 분자들의 정체 및 농도를 나타내는 시각적 판독물로 변환된다.

비록 베너등의 특허에 기술된 시스템이 종래 기술보다 상당히 개량된 것이지만, 단일 검출기 및 다수의 간섭 필터를 포함하는 필터 휠의 사용에 관련된 실용상의 제한이 있다. 예를 들어, 단일 검출기로 거의 동시에 일련의 샘플링을 행하려면 "n"개 채널로부터의 모든 순차 데이타를 처리하기에 충분히 신속하고 강력한 마이크로프로세서를 필요로 한다. 또한, 신호가 매우 짧은 기간내에 분석될 수 있도록 각 필터 위치마다 검출기에 충분한 신호의 세기가 존재하는 것이 필요로 된다. 채널들, 예를 들어 마취개스가 산화질소 채널 사이의 누화를 보정하려면 데이타가 일렬로 획득될 때 신속한 마이크로프로세서를 필요로 한다.

그러므로, 6개 이상의 채널들이 사용될 때 성능이 저하되지 않는 라만 산란 기술을 사용하여 다수의 개스들을 동시에 검사하기 위한 장치 및 방법이 필요하게 된다. 또한, 이러한 장치는 초 고속 전자 프로세서 또는 외래 광 시스템을 필요로 하지 않고서 동시에 6개 이상의 개스 종류를 신속하게 검사할 수 있어야 한다. 이 검사 장치는 시스템의 응답 시간 또는 측정의 정확성을 저하시키지 않고서 상술한 목적을 달성해야 한다.

[발명의 요약]

본 발명은, 레이저-유도 라만 광 산란에 의해 개스 샘플을 포함하는 다수의 개스들을 동시에 검출 및 분석하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 상기 개스 샘플은 레이저 광원의 공진 캐비티의 내부 또는 외부에 배치된다. 상기 개스 샘플로 로부터 라만 산란 광 신호를 수집하여 정량화 하기 위한 다수의 전용 광학장치 및 검출기들을 사용한다. 분석 중인 각 개스 종류마다 전용의 광학 검출기를 사용한다.

더욱 상세하게 말하자면, 본 발명은, 입사 레이저 비임이 레이저 공진 캐비티 내부에 또한 공진 공동 외부에 배치된 호흡 개스 샘플을 통과하는, 환자의 호흡을 포함하여 다수의 호흡 개스 및 증기 마취제를 연속으로 정밀하게 분석하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 각각의 특수 라만 신호를 정량하기 위한 샘플로부터의 라만 산란 광을 적합한 검출기상에 전송하기 위한 일련의 집광 광학 장치 및 간섭 필터를 사용함으로써, 각각의 특수 개스는 호흡 샘플을 포함하게 된다.

본 발명의 개스 분석기는 유리하게, 환자의 호흡을 포함하여 다수의 개스들을 동시에 연속 분석하기 위해 라만 또는 원리를 사용한다. 종래 시스템과는 대조적으로, 가격이 저렴하고, 본 발명을 단일 환자에게만 전용한다는 점에서는 가격면에서 실용적이다. 단일 환자에게만 사용함으로서 검출 응답 시간을 향상시키고, 다수의 환자들이 고유하는 시스템에 내재하고 있는 대부분의 제한이 제거된다. 이 장점들은 분석질을 저하시키지 않고서 달성된다.

본 발명에 따라 구성된 개스 분석기는 수술실, 집중 치료부, 회복실, 및 환자의 호흡 개스의 연속 검사가 요구되는 다른 장소에서 통상사용하는데 필요한 신뢰성 및 융통성을 갖는다. 다수의 개스 종류를 동시에 검사하고 개스 농도의 실시간 분석을 수행할 수 있는 능력은 의료진이 환자의 상태를 더욱 정확히 검사할 수 있도록 하게 한다. 부수적으로, 잘못된 형태의 마취제 또는 잘못된 용량의 투여 사고는 본 발명을 사용할 때 감소되는데, 그 이유는 환자 체내의 마취제의 형태 및 대응 농도를 환자가 호흡을 할 때마다 측정할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명은 종래의 기수가 때때로 고장이 나는 환경에서도 사용될 수 있다. 상세하게 말하자면, 레이저 수술시에, 헬륨 개스를 이용하여 레이저가 조사되는 환자의 부위를 덮는다. 진공실을 사용하는 개스분석 시스템, 예를 들어 질량 분광계는 때때로 헬륨 개스가 존재할시에는 완전히 동작불가능하게 된다. 외부 개스의 존재는 본 발명의 동작에 영향을 미치지 않는데, 그 이유는 진공 시스템을 필요로 하지 않기 때문이다. 또한, 진공 시스템을 사용하지 않음으로써 본 발명의 신뢰성을 향상시키고, 이것의 생산 및 유지 비용을 감소시킨다.

본 발명은 유리하게 동시에 검사할 수 있는 개스 종류수를 증가시키기 위한 다수의 수지 영역을 포함한다. 이 다수의 영역들은 광원에 의해 발생된 방사선 비임의 종축을 따라 배치된다. 개스 샘플로부터 산란된 광 나타내는 광학 신호들은 방사선 비임의 축을 따르는 다수의 수집 영역에서의 샘플로부터 광을 수신하기위해 배치된 다수의 수집 채널에 의해 수집된다. 이 수집 영역들은 방사선 비임의 조준 영역 또는 집속 영역에 배치될 수 있다. 조준 영역으로부터 수집이 행해질 때는 광원은 편광된 광을 발생시키는 것이 바람직하며, 집속 영역으로부터 수집이 행해질 때는 광원은 편광되지 않은 광을 발생시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 종래의 데이타 분석 기술 및 마이크로프로세서를 사용하여 몇개의 수집 채널로부터의 데이타를 동시에 처리함으로써 몇가지 개스 종류에 대한 신속한 데이타 분석을 수행한다. 이 효율적인 데이타 처리에 기여하는 본 발명의 한가지 특징은 각 채널의 개스 종류에 대해 관여하는 스토크스 및/또는 반-스토크스 라만 라인을 통과시키면서 탄성-산란 레이저 광(레일리 산란)을 제파하는 다수의 수집 채널내의 일련의 필터이다.

본 발명의 한 실시예는 편광 레이저 광-개시 라만 산란에 의해 다수의 개스들을 동시에 검사하기 위한 개량된 시스템 및 방법을 제공한다. 이 시스템은 개비티 내부 또는 캐비티외부 샘플링 셀과, 샘플로부터 스토크스 및/또는 반-스토크스 라만 라인 스펙트럼을 수신하는 다수의 검출기를 사용한다. 특정한 개스 종류에 각각 특유한 다수의 광학 장치-필터 채널들은 수집 광학 장치 및 협대역 간섭 필터를 포함한다.

본 발명은 개스 샘플링 셀을 사용함으로써 개스 정체 및 농도를 측정하기 위한 응답 시간을 향상시키는데, 여기서 샘플링 용적은 작고 연속적이며, 광학장치-필터 채널은 개스 샘플로부터 라만 산란 광을 직접 수신하도록 샘플링 셀에 관련하여 정렬된다.

이 시스템의 한 실시예는 라만 산란 신호를 증강시키기 위해 레이전의 공진 캐비티내에 배치된 개스 샘플링 셀을 포함하는 편광 레이저 원을 포함한다. 그러나, 공진기 캐비티외부에 배치된 개스 셀을 사용할 수도 있다. 라만 산란 광은 개스 셀로부터 일련의 정렬된 광학 장치-필터-검출기 채널에 동시에 보내진다. 각 채널은, (a)집광 렌즈 또는 일련의 비반사-코팅 집광 렌즈를 포함하는 광학부 ; (b) 탄성-산란 레이저 광을 감쇠시켜, 샘플 중인 개스 분자들과의 충돌로부터 발생되는 비탄성 산란 스토크스 및/또는 반-스토크스 라만 라인을 전송하기 위한 레이저 라인 제파 필터, 및 개별의 분자 종류에 대응하는 1개 이상의 라만 라인을 통과시키도로 선택된 협대역 간섭 필터를 포함하는 필터부 ; (c) 상기 라만 라인을 집속시키기 위한 선택적 집속 렌즈 ; 및 (d) 상기 라만 라인을 수신, 증폭하여 검출 중인 각각의 분자 종류의 농도를 표시하는 유용한 데이타로 프로세스하기 위한 검출기를 포함한다.

증폭 및 검출 수단의 대표적인 것은 광자 계수 또는 광전류 전자 장치, 또는 제한적인 것은 아니지만 애벌런치(avalanche) 포토다이오드, 보강된 다이오드 어레이 또는 전하-결합 장치와 같은 다양한 고상 광검출기와 함께 사용되는 광전자 증배관(PMT)이다. 그러므로 일련의 집광 광학장치, 간섭 필터, 집속 광학장치(필요시) 및 검출기로 구성된 각 개스-고유 채널은 고유한 선택 개스를 감지한다. 이 선택 개스의 대응 농도는 적합한 검정이 행해진 후에 측정된다. 그러므로, 각 개스의 측정은 동시에 거의 순간적으로 행해진다. 각 검출기로부터의 데이타는 마이크로프로세서에 보내져 검출 중인 각 개스의 농도를 처리하여 필요시에 인쇄되거나 표시될 수 있는 정확한 체적 % 분율의 각 개스의 판독 및/또는 파형은 희망하는 시간 간격으로 출력될 수 있다..

본 발명에서는, 종축(20)을 따라 광 방사선 비임(18)을 발생시키기 위한 광원(10)을 포함하며 라만 광 산란을 사용하여 개스 샘플 내의 개스들을 분석하기 위한 장치가 기술되어 있다. 본 발명의 이 장치는 광 방사선 비임(18)이 종축(20)을 따르는 여러 지점에서의 개스 샘플에 입사되고 상기 지점의 개스 샘플을 포함하기 위한 샘플 용기(26)와, 종축(20)을 따르는 여러 지점에서의 샘플에 입사되는 비임(18)을 벗어나 산란된 다수의 광 에너지 샘플을 동시에 획득하기 위한 다수의 광 검출기 채널(16,40)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

제1실시예의 경우, 본 발명의 장치는, 광원(10)으로부터의 광선 비임을 접속시킴으로써, 비임을 따라 세기가 증가된 다수의 영역(36)을 발생시키는 다수의 광학 소자(38)을 포함하며, 상기 영역(26)으로 입사하는 광은 영역(36)에서 거의 수렴되고, 영역(36)에서 방출되는 광선은 거의 발산하게 되는 것을 특징으로 한다. 다수의 영역(36)은 비임의 일반적인 전파 방향으로 광축을 따라 배치됨으로써, 고강도 다수의 영역(36)에서의 샘플에 의해 비임을 벗어나 산란된 광이 검출된다. 전형적으로, 고강도 영역(36)은 다수의 종방향 지점과 일치한다. 광원(10)이 비편광 광을 박생시키게 하는 것이 바람직할 수 있다.

제2실시예내에서, 본 발명은 광원(10)으로부터 방출된 광 방사선 비임을 종축(20)을 따라 전달되는 조준된 광 방사선 비임으로 조준하기 위한 조준기(12,14)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 조준된 방사선 비임은 종축(20)의 영역을 따르는 거의 평행한 광선을 포함하는데, 조준된 비임은 샘플과 상호작용한다.

전형적으로, 광 광사선 비임은 선형 편광되므로, 편광 벡터를 형성하게 된다. 편광 벡터 및 종축(20)은 추가로 평광면을 형성한다. 때때로, 검출기 채널(16,40)이 검출축에 따라 전달되는 광을 선별적으로 수신하고, 검출측이 편광면에 거의 수직하게 배향되는 것이 바람직하다.

광원(10)은 공진 캐비티를 갖고 있는 레이저를 포함한다. 레이저 공진 캐비티는 플라즈마 방전관(80)을 포함할 수 있고, 레이저 공진 캐비티의 한 단부는 출력 결합기 반사경(94)를 포함할 수 있으며, 다른 단부는 고 반사율 반사경(108)을 포함 한다. 샘플 용기(26)은 출력 결합기 반사경(94)와 플라즈마 방전관(80)의 인접 단부 사이에 배치될 수 있다. 부수적으로, 또는 선택적으로 샘플 용기(26)은 고 반사율 반사경(108)과 플라즈마 방전관(80)의 인접 단부사이에 배치될 수 있다.

때때로, 개스 샘플을 수용하기 위한 다수의 지점들이 공진 캐비티 내에 배치되는 것이 유리하다. 그러나, 개스 샘플들을 수용하기 위한 다수의 지점들은 공진 개비티외부에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서는 개스 샘플을 수용하기 위한 다수의 지점들을 공진 캐비티내부와 공진 캐비티 외부에 배치시킬 수 있다.

양호하게도, 개스 샘플을 수용하기 위한 샘플 용기(26)은 개스 구속실(104)를 갖고 있는 개스 셀(50)을 포함한다. 이 개스 구속기(104)는 광 방사선 비임 종축(20)과 거의 일치하는 종축을 갖는다. 부수적으로, 샘플 용기(26)은 다수의 개스 구속실(104)를 갖고 있는 개스 셀(50)을 포함할 수 있다. 다수의 개스 구속실(104)는 광 방사선 비임 종축(20)을 따르는 다수의 지점에 배치된다.

전형적으로, 레이저 원(10)은 레이저 캐비티를 포함하고, 개스 구속실(104)는 측벽에 의해 상호연결된 단부 광학 수단을 포함한다. 개스 셀(50)은, 레이저 비임이 실행될 때, 레이저 비임이 개스실(104)의 종축과 일치하고 이 종축을 관통하도록 레이저 공진 캐비티에 관련하여 배향된다. 광학 단부 수단은 개스실(104)의 종축을 따라 레이저 비임을 반사 또는 투과시키도록 배치된다. 또한, 개스 셀(50)은 개스실(104)의 종축에 평행하고 어느 한 측상에 있는 측벽 내의 대향정렬 측 윈도우(146)을 가질 수 있다. 양호하게도, 개스셀(50)은 측벽에 의해 상호연결된 대향 평행 단부 윈도우(102,106)을 갖는다. 한 실시예내에서, 단부 윈도우는 개스실 (104)의 종축에 거의 직각이 되도록 배치된다. 다른 실시예내에서, 개스셀(50)은 흑벽에 의해 상호연결된 단부 윈도우들을 가지며, 여기서 단부 윈도우들은 개스실(104)의 종축에 대해 거의 브류스터 각(Brewster's angle)을 이루도록 배치되어 있다. 단부 윈도우는 선택된 레이저 비임 파장에 적합한 반사 방지 코팅으로 코팅되는 것의 바람직하다. 부수적적으로, 개스 셀(50)내의 측 윈도우(146)은 희망의 파장의 비탄성 라만 산란 광을 통과시키기에 적합한 광대역 반사 방지 코팅으로 코팅될 수 있다.

전형적으로, 셀(50)은 이 셀(50)을 통해 샘플 개스를 통과시키도록 개스실(104)와 통하는 입구 및 출구수단을 더 포함한다.

때때로, 광 검출기 채널(16,40)은 광학부, 라인 제거 필터(216), 협대역 필터(217), 및 광자 검출기(219)를 포함하는 것이 바람직하다. 광학부는 광 방사선 비임(18)에 관련하여 배치된 집광 렌즈(214), 및 종축(20)을 따르는 다수의 지점들로부터의 산란 광 에너지를 수집하기 위한 샘플 용기(26)을 포함한다. 라인 제파 필터(216)은 탄성 산란 광 또는 레일리 광을 감쇠시키도록 선택된다. 협대역 필터(217)은 특정한 해당 라만 라인에 대응하는 좁은 파장대역 내역 광 신호들을 전송하도록 선택된다. 광자 검출기(219)는 라인 제파 필터(216) 및 라인 협대역 필너(217)을 통해 전송되는 광신호들을 수신한다. 바람직하게도, 라인 제파 필터(216) 및 라인 통과 필터(217)은 간섭 필터이다. 때때로, 광자 검출기(219)는 광전 증배관(PMT)를 포함한다. 선택적으로, 광자 검출기(217)은 광감성 고상 다이오드를 포함할 수 있다.

한 실시예내에서, 라인 제파 필터(216)은 라인 통과 필터(217)에 선행하도록 채널(16,40)내에 배치된다. 다른 실시예의 경우에는 라인 통과 필터(217)가 라인 제파 필터(216)에 선행하도록 채널(16,40)내에 배치된다.

전형적으로, 라인 통과 필터(217)은 특정한 다원자 개스의 특성인 특정한 스토크스 또한 반-스토크스 라만 파장 전송에 적합하다.

또한, 본 발명은 또한 개스 샘플로부터의 산랑 광 에너지를 표시하는 신호들을 검출기 채널(16,40)로부터 수신하여 분석하는 데이타 분석 시스템을 포함할 수 있다. 이 데이타 분석 시스템은 전형적으로 검출기 채널(16,40)으로부터의 신호들 을 해석하여, 이들을 개스 샘플에서 선택된 다원자 분자 개스의 농도를 표시하는 출력 신호들로 변환시키기 위한 프로세싱 수단(70,72)을 포함한다.

본 발명의 한 실시예 내에서, 광 검출기 채널(16,40)은 1개 이상의 특정한 해당 라만 라인에 대응하는 좁은 파장 대역내의 광 신호들을 선택하는 협대역 필터(217), 및 협대역 필터(217)에 의해 선택되는 광 신호를 수신하기 위한 광자 검출기(219)을 포함한다.

본 발명의 다른 형태에 따르면, 개스 샘플을 분석하는 방법이 기술되어 있다. 이 방법은 종축(20)을 따라 전달되는 광 방사선 비임을 발생시키는 단계와, 방사선 비임이 샘플을 통해 전달되도록 종축(20)을 따르는 영역 내로 개스 샘플을 구속하는 단계와, 종축(20)을 따르는 다수의 지점들로부터의 개스 샘플과의 방사선 비임의 상호작용으로부터 발생하는 라만 산란 광을 집광시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 방법은 다수의 지점들내의 방사선 비임을 실제로 조준하는 단계를 포함한다. 선택적으로, 상기 방법은 다수의 지점에서 고강도 영역을 형성하기 위해 방사선 비임을 집속시키는 단계를 더 포함한다.

방사선 비임은 레이저 비임을 포함하고, 공진 캐비티를 갖고 있는 레이저에 의해 발생되는 것이 바람직하다. 상기 방법은 공진 캐비티내에 다수의 지점들을 배치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 방법은 개스 샘플을 포함하는 개스의 분자 종류를 식별하는 정량화하기 위한 라만 산란 광을 분석하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 장치는 호흡 및 마취 개스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 다원자 개스를 분석하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 장치는 질소, 산소, 이산화탄소, 아산화 질소 및 할로겐화 마취 개스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 다원자 개스를 분석하기 위해 사용될 수 있다.

[발명의 상세한 설명]

제1a 및 c도는 본 발명의 바람직한 실시예의 특징을 포함하는 2가지 라만 분석 구성을 도시한 개략 블럭이다. 제1a도는 조준 비임 시스템이라 칭해질 구성 2를 도시한 것이고, 제11d도는 집속 비임 시스템이라 칭해질 구성 4를 도시한 것이다.

제1a도는 광원(10), 광 비임 조준기(12 및 14), 및 다수의 분석 채널(16)을 포함하는 조준 광 비임 시스템(2)를 도시한 것이다. 분석 채널(16a 내지 16h)는 광 비임(18)에 인접하여 배치된다. 광 비임(18)은 종축(20)을 따라 광원(10)에 의해 방출된다. 광 비임(18)의 종축(20)과 거의 일치하는 종축(28)을 갖고 있는 샘플링 영역(26)은 분석을 위한 개스 샘플을 수용하고 있다. 콜리메이터(12 및 14)는, 광 비임(18)이 축(20)을 따라 통과할 때 거의 조준되는, 즉 초점으로부터의 작은 발산각 또는 초음을 향한 작은 수렴 각을 나타내는 거의 평행한 광선(22,24)로 구성되도록 축(20) 주위에 배치된다(제1a도에 도시한 발산상태를 명확히 도시하기 위해 확대한 것이다). 콜리메이트(12 및 14)는 광원(10)이 저 발산 광비임을 발생시킬때 불필요하게 될 수도 있다. 이것은 때때로 광원이 레이저를 포함하는 경우이다. 또한, 영역(26)의 기하학적 구성이 광 비임(18)이 더욱 조준될 수 있다. 영역(26)이 샘플로 부터 산란된 광은 분석 채널(16a 내지 16h)에 의해 검출되어 분석된다. 채널(16)은 광 비임(18) 및 샘플링 영역(26)의 종축(20,28)에 인접하고 이 종축을 따라 배치된다. 분석 채널(16)은 채널(16a,16b,16e,16f,16g 및 16h)로 도시한 바와 같이 축(28)의 어느 한 측, 또는 채널(16c)로 도시한 바와 같은 양 측으로부터의 영역(26)으로부터 산란된 광을 집광시킨다. 채널(16c)에 대향하는 축(28)의 측을 향해 산란된 광은 집광되어, 반사경(16d)에 의해 채널(16c)로 다시 반사된다. 반사경(16d)는 평면 반사경 또는 집속 반사경으로 될 수 있다.

조준 비임 시스템(2)를 사용하는 한 실시예의 경우, 광 비임(18)은 편광된다. E-벡터의 편광 방향은, 제1a도를 참조하여 도면의 평면에 수직한 축인 Y-축을 따른다. 광 비임(18)의 전달 방향은 Z-축을 따르고, 검출기 채널들은 X-축과 정렬되어, XZ평면측에 놓인다.

편광 광 라만 산란에 대한 산란 기하학적 형태가 제1b도에 도시되어 있다. 산란 샘플은 XYZ좌표계의 원점(30)에 배치되고, Z-축(20)을 따라 전파되는 편광 광(31)에 의해 조사(illuminate)된다. 편광 광(31)의 E-벡터 편광 상태(32)는 YZ-평면 중에 있다. 전파 Z-축에 평행한 2개의 직교 평면(평면 YZ 및 XZ)내로 산란된 라만 광의 산란 특성은 이 기하학적 형태내에서 특정한 관심의 대상이 된다.

라만 산란 광은 등방성 및 비-등방성 성분으로 구성된다. 공간내의 최종의 산란 세기 분포는 평균 평광도의 척도인 불변량 a, 편광도의 비등방성 γ², 및 관찰 평면내의 각으로 기술될 수 있다. XZ평면내에서, 벡터 o1로 표시된 총 관찰 방향은 Z-축에 대해 각 φ를 형성된다. YZ평면내에서, 벡터 Om으로 표시된 총 관찰 방향은 Z-축에 대해 각 φ로 형성된다. 파수

, 입사 편광 상태 Pi 및 방사도(irradiance) τ의 단색 방사선이 조사된 샘플내의 N개의 불규칙하게 배향된 분자들을 어셈블할 때, 방향 Om 및 o1로 산란된 편광 상태 Ps의 산란 방사선의 세기를 나타내는 Pi_IPS(θ) 및 Pi_IPS(φ)는 다음과 같이 주어진다.

여기서,

는 υ_fυ_i의 진동 전이에 관련된 파수 크기의 절대값이고, - 및 +부호는 스토크스 및 반-스토크스 라마산란을 각각 나타낸다. Nυ_i는 초기 진동상태 υ_i내의 분자수이고, f(a²,γ²,δ²,θ) 및 f(a²,γ²,δ²,φ)는 불변량 a²,γ²,δ²및 관찰각 θ 및 φ의 함수이다.

⊥I(φ)가 편광 E-벡터에 수직한 XZ평면의 φ의 함수인 라만 I(φ) 산란 세기이고, ∥I(θ)가 편광 E-벡터에 평행한 YZ평면내의 θ의 함수인 라만 산라 세기이면, 다음과 같다.

McGraw-Hill발행(1977년), 디.에이.롱(D.A.Long)저,

, CRS6-CRS7페이지로 부터 다음과 같이 된다.

식(5)는 라만 산란 세기가 E-벡터에 수직한 평면(XZ평면)내에서 등방성이라는 것을 나타낸다. 다시 말해, ⊥I(φ)는 XZ평면 내의 각 φ에 따라 함수적으로 변하지 않는다. 한편, 식(6)은 방사선의 E-벡터와 평행한 YZ평면내의 라만 산란 신호 세기 중에서의 비-등방성 cos²θ 변화를 나타낸다. 즉, 소정 값 φ의 경우, 지점(30)을 통과하는 전기 E-벡터에 평행한 무한수의 평면들중 소정의 평면에 대한 라만 신호 세기 내에는 cos²θ 변화가 있게 된다. 그러므로, YZ평면내의 최대 라만 산란 신호는 θ=0일때 발생된다. θ=π/2일때, 라만 산란 세기는 최소이지만, 일반적으로 비-제로 값이다. 공간 라만 산란 세기 분포는 식(5)와 (6)의 합에 의해 주어지고, XZ평면 내에서 최대이다.(θ=0)

θ=0일때, φ은 산란 세기를 변화시키지 않고서 0° 에서 360°까지 변할수 있지만, φ이 0 및 π에 접근할 때, 입사 레이저 광 세기 및 레일리 산란 세기는 라만 신호를 크게 압도한다.

상기 설명으로 부터, 산란 라만 광을 최적으로 집광하기 위해서는, XZ평면중에 라만 광을 집광하도록 각 분석 채널(16)을 배치시키는 것이 바람직하다는 것이 명백해진다. XZ평면 중에서 특히 편리한 방향은 레이저 비임축(20) 및 전기 E-벡터 축(32)에 수직한 X축의 방향이다. 본 분야에 숙력된 기술자는 이러한 희망의 정렬 상태를 달성하기 위한 여러 방법이 있다는 것을 쉽사리 인식할 수 없을 것이다. 그러므로, 본 명세서에 기술된 기술들은 단지 예시를 하기 위한 것으로 제한적인 것이 아니다.

제1c도에 도시한 바와 같이, 집속 비임을 사용하는 본 발명의 실시예 4의 경우, 다수의 고강도 영역(36) 또는 초점은 종방향 비임축(20)을 따라 형성된다. 초점(36)은 광원(10)으로터의 비임(18)을 광학 렌즈(38) 또는 다른 등가 집속 수단으로 통과시킴으로써 형성된다. 분석 패널(40)은 이들 고강도 영역(36)에 배치된 샘플들로부터 라만 산란 광을 샘플하도록 배치된다. 분석 채널은 채널(40a,40d 및 40e)에 의해 도시된 바와 같이 축(20) 주위의 소정 위치내에 배치될 수 있다. 라만 산란 광은 반사경(40c)에 대향하여 배치된 채널(40b)와 함께 집광 반사경(40c)를 사용함으로써 축(20)의 대향측으로 부터 집광될 수 있다. 선택적으로, 채널(40f)의 어레이를 축(20) 주위의 적도 평면(42) 및 고강도 영역(36d) 내에 배치시킬 수 있다. 적도 어레이(40f)를 사용할 때, 입사 비임(18)이 편광되지 않게 하는 것이 바람직하다.

분석 채널(40)을 고강도 영역(36) 주위에 배치시키기 위한 이 방법 및 그외의 다른 방법은 본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지되어 있다. 특히, 디. 에이. 롱저

, 132-135페이지에는 집속된 레이저 비임으로부터 광을 집광시키는 분석 채널 위치에 대해 기술되어 있다.

, 제32권, 제3호(1978년)에 허첼(Herchel)등이 발표한 "An Efficient Intracavity Laser Raman Spectromerer"란 명칭의 논문에는 레이저 비임의 접속 위치에서의 라만 산란에 대해 기술되어 있다. 알브레흐트 등의 독일연방공화국 특허 제DE. 27 23 939 C2호(1983)에는 고강도 또는 집속 영역 주위의 적도 평면 내에서의 분석 채널들의 어레이에 대해 기술되어 있다.

조준 비임 기하학적 형태를 포함하는 본 발명의 한 실시예가 제2도에 도시되어 있다. 이 시스템은 대체적으로 한 단부가 개스 셀(50)에 접속되어 있는 편광 레이저 방사선 원(10)을 포함하고 있다. 검출기 채널(60)의 어레이는 개스 셀(50)에 인접하여 배치되어 있다. 마이크로프로세서(70)가 검출기(60)에 접속되어 있다. 동작 중에, 레이저 원(10)은 개스 셀(50)내로 전파되어 개스 셀내에 포함된 개스 샘플로부터 산란되는 조준된 편광 광 방사 비임(78)을 발생시킨다. 상술한 바와 같이, 비등방성으로 방출되는 라만 산란 광은 입사 레이저 광에 의해 형성된 원통형의 축의 어느 한측에 거의 수직하게, 또한 이 측상에 배치되는 일련의 검출기 채널(60)에 의해 가능한 큰 입체각으로 집광된다. 라만 신호들은 신호들은 마이크로프로세서(70)에 의해 분석된다. 라만 산란 광 신호 분석에 기초를 두고, 마이크로프로세서(70)은 개스 샘플을 포함할 수 있는 최대 8개의 특수 개스의 정체 및 농도를 보고한다.

[레이저 원]

레이저 원(10)은 488㎚의 파장을 갖고 있는 편광된 광 비임(78)을 발생시킬 수 있는 연속파 이르곤 이온 레이저이다. 레이저 원(10)은 플라즈마 방전관(80), 이 방전관(80)의 한 단부 근방에 배치된 캐소드(82), 및 방전관(80)의 방향 단부근방에 배치된 애노드(84)를 포함한다. 전원 공급 장치(86)은 라인(88 및 90)에 의해 캐소드(82) 및 애노드(84)에 접속된다.

라디에이터 또는 열 교환기(92)는 캐소드(82)와 애노드(84) 사이에 배치된 방전판(80)의 일부분에 열적으로 접촉하여, 이 부분을 둘러싼다. 아르곤 개스를 포함하는 레이징 개스 혼합물은 플라즈마 방전관(80)내에 구속된다.

전원 공급 장치(86)은 캐소드(82)와 애노드(84), 사이에 고전압을 공급하므로, 플라즈마 방전관(80)내의 레이징 개스 혼합물을 통해 플라즈마 방전을 일으키게 된다. 개스 혼합물에 포함된 아르곤 원자는 더 높은 에너지 레벨로 여기되고, 적합하게 자극된 때 낮은 에너지 레벨로 동시에 탈 여기(de-excite)되므로, 특수 특성 파장에서의 광의 레이저 방출을 발생시키게 된다. 아르곤의 한 이러한 파장 특성은 488㎚이다. 최적한 광 증폭을 발생시키기 위해, 방출된 광은 공진 캐비티를 통해 전파되어야 하므로, 추가의 여기된 아르곤 원자의 방출을 더 자극하게 된다.

상술한 특성을 갖고 있는 레이저 원(10)은 유타쥬 솔트레이크 시에 소재한 Iron Laser Technology Corporation제품인 모델 번호 제350A이다. 이 레이저부터의 비임의 여분의 캐비티 전력은, 98% 반사율 출력 결합기(94)를 사용할 때, 수십 mW정도인 것이 바람직하다.

제2도에 도시한 실시예의 공진 캐비티는 방전관(80)의 캐소드(82) 부분에 대향한 출력 결합기 반사경(94)로부터 방전관(80)의 애노드(84) 부분에 대향한 단부 반사경(108)로 연장되는 영역을 포함하고 있다. 레이저 원(10)에 의해 발생된 광비임(78)은, 제2도의 좌측에서 우측으로, 출력 결합기 반사경(94), 제1브류스터 윈도우(96), 방전관(80), 제2브류스터 윈도우(98), 캐비티내부 구멍(100), 제2브류스터 윈도우(102), 개스 셀(50)의 내부실(104), 제4브류스터 윈도우(106), 및 단부 반사경(108)을 포함하고 있는 공진 캐비티를 통하는 광 경로를 따른다. 전형적으로, 출력 결합기 반사경(94)는 다층 유전체 코팅으로 코팅되고 반사율 만곡 반사경 포함한다. 방진 슬리브(dust-tight sleeve)(109)가 반사경(94), 브류스터 윈도우(94), 및 플라즈마 방전관(80)의 캐소드 단부를 둘러싸고 있어 공진 캐비티내에서 순환하는 광 전력에 악영향을 미칠 수 있는 입자 및 분자 오염으로부터 상기 부품들을 보호한다. 이와 유사하게, 방진 슬리브(119)가 프라즈마 방전관(80)의 애노드 단부, 브류스터 윈도우(98), 캐비티내부 구멍(100), 및 개스 셀(50)상의 브류스터 윈도우(102)를 둘러싸고 있어 오염으로부터 공진 캐비티의 이들 부분을 보호한다. 제3방진 슬리브(121)은 개스 셀(50)상의 브류스터 윈도우(106) 및 단부 반사경(108)을 보호한다. 단부 반사경(108)은 리트로우(Littrow)프리즘의 배면상에 코팅된 고 반사율 반사경을 포함한다. 선택적으로, 단부 반사경(108)은 레이저 라인 선택적 코팅을 갖고 있는 평면반사경을 포함할 수도 있다. 이 경우에, 출력 결합기(94)는 파장 선택을 위해 레이저 라인 선택적 코팅으로 코팅될 수 있다. 브류스터 윈도우(96,98,102,106)과 단부 반사경(94,108) 및 이들의 각각의 코팅 및/또는 배향은 공진 캐비티내에서 순환하는 편광 선택 파장광의 전력을 최대화 시키도록 선택된다. 또한, 브류스터 윈도우(96,98,102 및 106)은 레이져 비임(78)이 제2도의 평면에 거의 수직한 편팡 벡터를 갖도록 배향된다.

개스 셀(50) 및 플라즈마 방전관(80)이 레이저의 공진 캐비티내부에 위치되어 있다. 이러한 구성을 때때로 캐비티내부 배치라 불리워진다. 공진 캐비티 내에 개스 셀(50)이 배치됨으로써 개스 실(104)내의 개스 분자들에 의해 라만 산란에 이용하는 레이저 전력량이 증가된다. 캐비티내부 배치의 전력은 캐비티외부 배치의 전력보다 계수[1+R]/T만큼 더 높은데, 여기서 R 및 T는 출력 결합기 반사경(94)의 반사율 및 투과율이다. 캐비티내부 배치의 셀(50)을 사용할 때 공진 캐비티로부터 상당량의 레이저 광을 추출할 필요가 없기 때문에, 단부 반사경(102)과 출력반사경(94)는 약 99.9%이상의 반사율을 가질 수 있으므로, 캐비티외부 배치에 비해 캐비티내부 샘플 배치의 경우에 순환 광 전력 및 라만 산란 신호를 상당히 증가시키게 된다.

레이저 비임(78)에 대한 안정화는 출력 결합기 반사경(94), 협 레이저 라인필터(112), 확산기(114), 및 광 검출기(116)을 포함하는 비임 분석 시스템(110)에 의해 제공된다. 필터(112)는 출력 결합기 반사경(94)에 인접하여 배치되고, 확산기(114)는 필터(112)와 검출기(116) 사이에 배치된다. 검출기(116)은 라인(118)을 통해 레이저 전원 공급 장치(86)에 접속된다. 필터(112)는 확산 아르곤 플라즈마 글로우(glow)는 제거시키고, 출력 결합기 반사경(94)를 투과하는 소량의 레이저 광은 투과시키도록 작용한다.

안정화는, 검출기(116)을 통하여 광 비임(78)의 세기를 모니터하고, 광 비임(78)의 세기 변화에 응답하여 전원 공급 장치(86)을 조정함으로써, 궤환 시스템이 형성되어 달성되어진다. 광 비임(78)의 소량(약 0.1%) 샘플을 약 99.9%이상의 반사율을 갖도록 선택되는 출력 결합기 반사경(94)를 통해 공진 캐비티로부터 추출한다. 팰터(112)는 약 488㎚의 파장을 갖고 있는 광이 확산기(114)를 통과하게 한다. 확산기(114)는 샘플되고 필터된 488㎚ 광 샘플이 검출기(116)의 감응 영역의 상당한 부분상에 확산되어지도록 하게 함으로써, 균일하게 될 수 없는 검출기의 감응 영역에 대한 비임 편류 현상을 감소시킨다. 샘플된 광 비임 세기의 함수인 검출기(116)으로부터의 출력은 전원 공급 장치(86)으로부터 플라즈마 방전관(80)으로의 출력을 제어하기 위해 사용되므로, 레이저 비임(78)의 세기를 안정화시키기 위한 궤환 루프를 완성하게 된다.

개스실(104)내에 실제로 조준된 광 비임을 제공하기 위해서, 집속 출력 결합기 반사경(94)는 개시 셀(50)으로부터 가장 멀리 떨어진 캐비티의 단부에 배치된다. 또한, 평면단부 반사경(108)은 또한 개스 셀(50) 내에 협소한 실제로 조준된 비임(78)을 보존하도록 작용한다. 또한, 플라즈마 방전관(80)의 구멍 직경 [약 1.3㎜(0.050인치)]은 레이저 비임을 성형하여 이것을 개스셀 내에서 조준하도록 작용하는 유효구멍으로서 작용한다. 또한, 캐비티내부 구멍(100)은 개스셀내부에 도달하는 플라즈마 방전관의 평행 방사선을 효율적으로 감소시키기 위해 방전관(80) 근처에서 개스 셀(50)으로부터 약 [7.6㎝(3인치)] 떨어져 배치된다. 광소자들을 이와같이 배치하면, 집속 소자들이 개스 셀(50)의 개스 셀 실(104)근처에 배치되지 않으므로, 개스 셀 실 내에서 광선의 조준을 향상시키게 된다.

그러므로, 상술한 레이저 시스템은 개스 셀(50)의 개스 실(104)내에 사실상 조준되고, 편광되고 고강도의 488㎜파장을 갖는 캐비티내부 비임(78)을 제공한다.

[개스 샘플 셀]

개스 셀(50)은 캐비티 내에서 순환 광 전력을 사실상 감소시키지 않고서 샘플을 레이저의 공진 캐비티내에 배치시킬 수 있는 개스 샘플 분석용으로 사용되는 저장 수단을 제공한다. 이러한 장치에 의해 라만 산란을 발생시키는 개스 분자들과 레이저 비임사이의 상호작용 횟수를 최대화시킴으로써 유용한 레이저 출력 전력을 효율적으로 사용할 수 있다. 제2도와 제3도에 도시한 바와 같이, 개스 셀(50)의 바람직한 실시예의 중앙 개스실(104), 및 중앙 개스실(104)와 개스 셀 외부 사이에 광 통로를 형성하는 8개 출력 채널(120)을 포함한다. 8개 출력 채널들은 이들이 레이저 비임(78)의 전파 축에 일치하는 개스 실(104)의 종축(121)에 수직하도록 배열된다. 또한 출력 채널(120)은 레이저 광 비임(78)의 편광 E 벡터 축과 수직한 평면인 제2도의 XZ평면내에 배치된 대칭 축을 갖는다.

개스 셈플 셀(50)의 한 실시예는 제3a, b, c 및 d도에 상세하게 도시되어 있고, 중공 내부(104)를 갖고 있는 골조(framework)(140), 개스 샘플을 중공 내부 내외로 이동시키기 위한 통로(142, 144), 및 라만 산란 광이 통과할 수 있는 출력 채널(120)을 포함한다. 내부 개스 실(104)의 축(121)은 개스실(104)의 축 중심을 통과하는 레이저 비임(78)의 통과에 적합하도록 배향되어 있다. 한 실시예의 경우, 개스 실은 약 3.2㎜(0.125인치)의 직경을 갖고 있는 중공 원통형을 형성하지만, 다른 형태 및 크기들이 사용될 수 있다. 개스실 용적은 응답시간이 신속하도록 가능한 작게 되도록 선택하지만, 분석하기에 적합한 개스 용적을 제공하기에 충분히 크게 선택한다. 또한, 개스 실의 구멍 크기는 레이저 비임 전력의 상당한 퍼센테이지가 개스 샘플과 상호작용 할 수 있도록 선택되어야 한다. 또한, 개스실 형태는 개스 샘플 부분들이 개스 실 내부에 수집될 수 있는 정체 공기 공간(dead air space)을 가능한 많이 제거시키는 것이 바람직하다. 하우징(140)이 양 단부에는 브류스터 윈도우(102 및 106, 제2도)이 장착되어 있다. 브류스터 윈도우(102 및 106) 제공의 목적은 3가지(three-fold)인데, 즉, 첫째, 이들은 샘플 개스를 개스실(104) 내에 구속하므로, 응답 시간을 감소시키는 샘플 용적을 최소화시키고, 둘째 이들은 개스실(104)내의 레이저 비임(78)의 순환 캐비티내부전력을 유지시키도록 작용하며, 셋째 이들은 개스 샘플로부터 발생되는 가능한 오염으로부터 공진 캐비티내의 다른 광 소자들을 보호한다.

제2도 및 제3a도에 도시한 바와 같이, 개스 셀(50)은 이들의 양쪽에 대향하는 광 측 윈도우(146)을 포함하고 있다. 측 윈도우(146)은 셀 하우징(140)의 측을 따라 연속될 수 있거나, 도시한 바와 같이 셀 하우징 벽내의 채널(120)내에 장착된 일련의 윈도우(146)으로 될 수 있다. 측 윈도우(146)은 편광 레이저 비임(78)로부터 출력 채널(120)으로의 산란 광 신호들의 최적 통과를 제공하기 위해 하우징(140)의 종축 및 레이저 비임(78)에 평행하게 장착되는데 바람직하다. 윈도우(146)이 라만 산란 광을 검출기에 투과시켜야 하기 때문에, 이들은 희망의 파장을 통과시켜야 한다. 그러므로, 고 효율 광대역 반사방지 코팅이 적합하다. 광대역 코팅을 전형적으로, 커버된 스펙트럼 범위의 전체 반사율을 매우 낮은 레벨로 감소시키도록 결합된 각종 굴절율 투과 물질 충돌을 고대로 포함하는 다층 유전체 막으로 형성된다. 광대역 범위에서, 반사율은 일반적으로 1.0%를 초과하지 않고, 0.6% 미만으로 된다.

측 윈도우(146)은 개스 샘플을 구속할 수 있고 라만 산란 광을 투과시키는 소정 물질로 될 수 있다. 윈도우들은 제1도, 제2도 및 제3a도에 도시한 바와 같이 평면형으로 될 수 있다. 선택적으로, 제2도에 도시한 집광 광학 장치(214)는 렌즈(214)의 초점 길이가 레이저 비임(78)의 광 중심과 일체하는 한 측 윈도우(146)용으로 사용될 수 있다. 또한, 소정의 다른 형태의 측 윈도우는 탄성 산란 레이저 광을 제파하기 위해 V-대역 다층 유전체 코팅으로 코팅될 수도 있다.

제4도에 도시한 바와 같이, 개스 셀(50)은 분석해야 할 개스원에 입구(142)에 의해 접속된다. 출구(144)는 개스 셀 실(104)로부터의 샘플 개스를 방출시키기 위해 제공된 것이다. 셀(50)은 레이저 전형적으로 약 0.1과 1.0㎤ 사이의 매우 작은 용적의 개스가 레이저 비임(78)을 통해 계속 흐르도록 설계되어 있다. 또한, 셀(50)은 분석해야 할 소정 개스의 작은 샘플만이 필요로 되는 배치-형(batch-type) 동작시에 사용하기에 적합하다. 입구(142)는 공급 라인(148)을 통해 3-방식 솔레노이드 밸브(149)에 연결된다. 샘플 개스는 튜빙 라인(153)을 통해 출구 (144)에 연결되는 공기 펌프(150)에 의해 셀 내부(104)로 들어간다. 입력 라인(151 및 152)에 부착되는 솔레노이드(149)의 입력 위치에 따라, 다수의 원들은 개스 샘플을 셀(50)에 공급할 수 있다. 라인(151)은, 솔레노이드 밸브(160)가 비실행일 경우에는 질소 및 산소개스에 대한 시스템 검정을 위해 실내 공기가 라인(161)을 통해 셀(50)내로 들어가게 하고, 솔레노이드(160)이 실행될 때 검정 개스 혼합물이 라인(157)을 통해 셀(50)내로 들어가게 하는 제2의 3-방식 솔레노이드 밸브(160)에 접속된다. 선택적으로, 호흡 개스 또는 다른 샘플 개스는 환자의 기도(airway) 또는 다른 샘플 원으로부터 라인(152)를 통해 인출될 수 있다. 막(membrane) 필터(156)을 포함하는 필터 하우징(155)을 솔레노이드(149)의 상류에서 라인(152)내에 배치시켜 환자의 기도로부터 샘플링할 때 샘플로부터 불필요한 입자를 제거시켜 셀(50)내의 단부 및 측 윈도우 오염을 최소화시킨다. 또한, 제2필터(162)를 사용하여 검정 개스들에 의한 셀(50)의 오염을 방지시킬 수 있다. 셀 출구(144)에 연결된 튜브(153)은 셀(50) 밖에서 샘플된 개스를 펌프(150)으로 이송한다. 펌프(150)에 연결된 튜브(154)는 환자의 기도내로의 배치 또는 재-유입, 또는 수집 및 저장을 위해 펌프로부터 샘플된 개스를 이송한다. 전자 기압계(158)가 샘플 튜브(159)를 통해 샘플 라인(153)에 연결되어, 샘플 셀(50)의 내부 기압 모니터로서 작용한다. 막 필터(156)이 플러그되면, 샘플 셀(50)내의 기압은 임계값 밑으로 강하되어, 측정된 신호는 잘못되어진다. 이러한 경우에, 전자 기압계(158)은 사용자 또는 조작자에게 경고할 것을 마이크로프로세서(70)에 신호를 전송한다.

제2도를 다시 참조하면, 개스 셀(50)은 슬리브(119)를 개스 셀(50)으로부터 떨어져 플라즈마 방전관(80)을 따라 슬라이드시킴으로써 캐비티내부 공간으로부터 용이하게 제거될 수 있다. 그 다음, 셀은 슬리브(121)로부터 떨어져 슬라이드되고, 공진 캐비티 밖으로 리프트되어진다. 개스 셀(50)의 용이한 제거로 인해 현장 서비스 및 유지가 용이해진다. 예를 들어, 단부 윈도우(102 및 106)가 먼지 입자 또는 유기막에 의해 오염될 경우에 이들을 청소할 필요가 있다.

[다중 검출기 채널]

제2도에 도시한 바와 같이, 라만 산란 광은 윈도우(146)을 통해 개스 셀(50)으로부터 방출되어, 검출기 채널(60) 어레이로 도입된다. 제2도의 실시예내에 도시한 검출기 어레이(60)은 개스 셀(50)의 양쪽에 일련의 개개의 8개 검출 채널을 포함하는데, 1개의 채널은 개스 셀(50)의 각각의 8개 출력 윈도우(146)으로부터 출력된 광을 검출하도록 배치된다. 8개 검출기 채널을 모두 유사하므로, 명확히 설명하기 위해 단지 1개의 채널에 대해서만 상세하게 기술되어 있는데, 이 설명은 나머지 7개 채널에도 적용된다. 8개 채널의 선택은 단지 도시하기 위한 것으로, 샘플되고 검출되는 개스의 수에 따라 개스 셀의 양쪽에 다른 수의 채널들이 정렬될 수 있다.

전형적인 검출기 채널(60a)는 윈도우(146)을 통해 개스 실(104)내에 배치된 영역(122)로부터 광을 수신하도록 배치된 입력 집광 렌즈(214)를 포함한다. 1개 이상의 직렬 배향된 높은 제파율 레이저 라인 필터(216)들은 렌즈(214)로부터의 하류에 배치된다. 협대역폭 간섭 필터(217)은 필터(216)에 인접하여 배치되고, 출력렌즈(218)은 필터(217)에 인접하여 배치된다. 사용된 검출기 형태에 따라, 렌즈(217)은 필요한 수도 있고 필요하지 않을 수도 있다. 한 실시예내에서, 집광 렌즈(214)와 출력 집속 렌즈(218)은 플래노 볼록 보로실리케이트 렌즈이지만, 다른 적합한 렌즈 형태 및 물질이 사용될 수도 있다.

바람직한 실시예에서 렌즈(214), 필터(216 및 217)을 통과한 후의 셀로부터의 광을 검출하기 위해 광전증배관(PMT)(219)를 사용하므로, 렌즈(218)을 제거하게 된다. PMT는 경로(221)을 통해 전원 공급 장치(220)에 연결된다. PMT(219)에 의해 검출된 광을 나타내는 전기 펄스들은 라인(222)를 통해, 이 펄스들이 처리되고 분석되는 증폭기 식별기(224)로 전송된다. 처리된 펄스들은 라인(226)을 통해 마이크로프로세서(70)으로 전송되는데, 여기서 이 펄스들은 누산되고, 분석되며, 격납되어 디스플레이(71)상에 표시된다.

선택적으로, 검출기(219)는 포토다이오드, 강화된 다이오드 어레이, 전하 결합 장치 또는 라인(221)을 통해 적합한 전원 공급 장치(220)에 의해 파워되고 광전 증배관과 같은 광자 계수 또는 광전류 전자 장치를 사용하는 소정의 적합한 검출기로 될 수 있다.

전형적인 검출기 채널(60a)의 더욱 상세한 단면도가 제5도에 도시되어 있다. 검출기(60a)는 검출기 채널(60a)의 광 축(230)의 레이저 비임(78)의 전달축에 수직할 뿐만아니라 레이저 비임의 E-벡터의 편광 방향에 수직하도록 개스 셀(50)에 대해 배치된다. 제1b도 및 제2도 내에서, 이 방향은 X-축을 따르는 방향이다. 개스실(104)의 영역(122)로부터의 라만 산란 광은 윈도우(16)을 통해 전송되고, 렌즈(214)에 의해 집광 및 조준되며, 라만 라인 대역통과 필터(217) 및 레이저 라인 제파 필터(216)에 의해 필터된 후 PMT(219)에 의해 검출된다. 렌즈(218)은 2가지 작용을 하는데 첫째, 이것은 라만 산란 광을 집광한다. 둘째, 이것은, 필터(216 및 217)을 통해 진행할 때 필터들이 탄성 산란을 제파하고 특수 라만 산란 광을 전송시키도록 이 광을 조준한다. 집광 렌즈(214)는 실제로 모두 반사 방지 코팅되는 일련의 최적 형태로 된 렌즈 소자들로 될 수 있다. 한가지 이러한 예가 고속(f/1.2) 카메라 렌즈이다. 각 집광렌즈(214)는 개스 셀(50)으로부터 산란 광을 효율적으로 집광하기 위해 레이저 비임(78)에 대해 적절하게 정렬되어야 한다. 각 채널(60)내의 렌즈(214)에 의해 집광된 탄성 및 비탄성-산란 광은 1개 이상의 직렬-배향된 높은 제파율 레이저 라인 필터(216)으로 보내진다. 필터(216)은 라만 또는 비탄성-산란광과의 간섭을 최소화시키도록 탄성-산란 레이저 라인(레일리 산란)를 크게 감쇠시켜, 거의 모든 비탄성-산란 라만 라인을 투과시킨다. 산란 분자의 진동/회전 에너지에 대응하여 샘플 개스와 상호작용하는 입사 레이저 비임으로부터 발생하는 투과된 라만 라인들은 간섭 필터(217)을 통해 투과된다.

필터부는 탄성-산란 레이저 광, 및 해당하는 특수 라인을 제외한 모든 라만 라인을 제파하도록 설계되어 있다. 이것은 2개의 필터를 사용함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 1개의 필터가 2개의 필터(216 및 217)의 직렬 배열과 동일한 기능을 수행하도록 설계된 필터가 시판 중에 있다. 필터(216)은 라만 산란 광의 간섭을 최소화시키고 라만 산란 광의 모든 파장들이 필터를 통해 투과되게 하도록 탄성-산란 레이저 라인을 크게 감쇠시키는 높은 제파율 레이저 라인 필터이다. 필터(217)은 희망의 파장을 제외한 모든 레일리 및 라만 산란 광 파장을 제파하는 특수하게 선택된 간섭 필터이다. 경우에 따라, 필터(216 및 217)은 반대 순서로 될 수 있은데, 필터(217)은 렌즈(214)와 레이저 라인 필터(216) 사이에 배치된다.

라만 스펙트럼 라인-특수 필터(217)은 각 채널내에서 상이하게 될 수 있고, 계기가 관신 대상의 다수의 상이한 다원자 개스를 검출하여 정량할 수 있도록 선택된다. 그러므로, 사용될 채널의 수는 식별되어 정량될 개스의 수에 따라 변한다.

제1a도 및 제2도에 도시한 본 발명의 조준 비임 실시예는 개스 셀(50)내의 좁은 장방형 영역(122)로부터 광선을 집광한다. 예를 들어, 제3도의 출력 채널(120b)를 참조한다. 그러므로, 이상적인 광 시스템은 장방형 초점을 갖고 있는 렌즈 시스템을 포함하게 되고, 개스실(104)로부터 집광된 광을 필터(217 및 218)을 통해 더욱 전달하기 위해 조준시키는 렌즈 시스템을 포함할 수 있다. 이것은 탄성 산란 레이저 광을 제파하고 특수 라만 라인을 투과시키도록 설계되는 다층 유전체 필터들이 입사광이 매우 양호하게 조준될 때 가장 양호하게 작용하기 때문에 바람직하다. 이러한 특수 목적 렌즈들은 제조하기가 어렵고 가격이 비싸다.

선택적으로, 본 발명의 조준 비임 실시예를 실시하기 위한 한가지 해결 방법은 개스 셀(50)내의 레이저 비임(78)의 가능한 넓은 차단 각으로부터 신호들을 수집하기 위해 단일 플래노-볼록 집광 렌즈(214)를 사용한다. 실제 응용시에, 폭이 약 0.5㎜이고, 길이가 수㎜인 칫수를 갖고 있는 레이저 비임의 장방형 영역(122)로부터 광이 집광된다. 그 결과, 렌즈(214)는 레이저 비임(78)내의 지점 원(point source)를 관찰한 경우보다 더 많은 광(탄성과 비탄성)을 집광한다. 결국, 라만 신호들은 더 높게 된다. 그러나, 확장된 원으로부터 광이 집광되기 때문에, 집광 광 중 일부는 비정상적으로(즉, 완전히 조준되지 않은 상태로) 필터(216 및 217)상에 입사되어, 표유 광 배경 신호의 비-제로 레벨이 검출기(219)로 전송되어진다. 그러므로, 라만 신호들은 비교적 높지만, 신호 대 표유 광 배경 비는 비교적 낮다. 이 비의 전형적인 값은 CO₂인 경우에 230 : 1이고, 5% 할로탄(Halothane)인 경우에 7 : 1이다. 높은 라만 신호레벨로부터 생겨나는 장점은 종래의 것보다 우세하고, 신호 대 배중 레벨이 높아진다.

기술한 본 발명에 따라 설계된 기구로 검사한 결과, 분자 N₂, O₂, CO₂및 N₂O에 대한 검출된 신호 레벨 범위는 아이리스 격막(iris diaphragm)을 통해 지점원 집광을 이용하는 순수 개스인 경우에는 초당 약 20,000 내지 100,000카운트이고, 개스 셀내의 전체 레이저 비임[0.5㎜(직경)×4㎜(길이)]로부터의 집광의 경우에는 초당 약 50,000 내지 250,000카운트였다. 레일리 라인의 탄성 산란으로 인한 대응 표유 광 산란 배경들은 순수 아르곤을 사용하는 이 2가지 집광 기하학적 형태용으로 결정되었고, 각각 초당 약 500카운트 및 1,000카운트인 것으로 발견되었다.

필요시에, 표유 산란 레이저 광을 감소시키고 배경 잡음을 최소화시키기 위해 광 필터-검출기 채널(60)및 개스 셀(50)내에서 소정의 정련(refinement)이 행해질 수 있다. 예를 들어, 종축을 따라 개스 셀에 출입하는 레이저 비임 경로의 구멍 크기는 단부 윈도우(102 및 104) 바로 내부의 셀(50)의 어느 한 단부 또는 양 단부에 배치된 아이리스 또는 원형 배플(도시하지 않음)에 의해 결정될 수 있다. 이와 유사하게, 아이리스 또는 배플(도시하지 않음) 또는 일련의 배플이 각 측 윈도우(146)과 대응 집광 렌즈(214) 사이의 채널내에 배치될 수 있다. 다른 배플(도시하지 않음)은 표유 광을 최소화시키기 위해, 집광 렌즈(214), 필터(216 및 217) 사이, 및 집속 광학 장치(218)과 광검출기(219) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제2도에 도시한 바와 같이, 캐비티내부 구멍(100)은 배경신호에 대한 평행 플라즈마 글로우 기여도를 감소시키도록 작용한다. 또한, 표유 광 배경을 흡수하기 위해 평탄한 검정 색도료를 사용하여 광 집광 채널(60)의 내부 표면을 코팅시킬 수 있다.

집광 렌즈(214)는 단일 광 섬유 또는 최적으로 어레이된 일련의 광섬유로 대체될 수 있다. 이러한 광섬유는 일반적으로 렌즈보다 훨씬 많은 구멍수를 갖고 있으므로, 더욱 효과적인 집광기이다. 라만 산란 광을 집광한 후, 신호를 광 필터시스템 및/또는 검출기에 전송하거나 다시 보내는 소정의 수단, 즉 렌즈와 같은 굴절성 광학 장치, 반사경과 같은 반사성 광학 장치, 또는 광섬유와 같은 투과성 광학 장치를 사용할 수 있다.

다원자 개수 분자들에 의한 산란이 이 분자들의 진동/회전 에너지에 대응하는 양만큼 입사 방사선의 주파수에서 주파수 천이되어 종류에 적합하기 때문에, 라만 산란 광내의 존재하는 주파수 성분을 분석함으로써 산란 체적내에 존재하는 개스를 식별 및 정량화할 수 있다. 정량화는 기준 개스 및 공지된 라만 산란 단면에 대해 검정된 라만 신호들의 측정된 세기로부터 결정된다.

각 개스 종류를 정량화하기 위해서, 협 대역폭 간섭 필터(217)은 해당 개스에 대한 라만 라인의 파장을 투과시키도록 선택된다. 제2도 및 제5도내에 도시한 바와 같이, 이 필터들은 각 채널(60)내에 배치된 분자 종류에 대응하는 1개 이상의 라만 산란 라인을 따라 통과하도록 선택된다. 각 채널마다 다른 필터를 사용함으로써, 각 채널은 상이한 다원자 개스종류의 검출에 적합하게 된다. 개스 정량화를 위해 1개 이상의 개별 라만 라인을 투과시키는 필터를 사용할 수 있다. 적합한 예가 2900㎝^-1내지 3100㎝^-1범위내에서 라만 주파수 천이된 마취 개스의 C-H 스트레치(stretch) 라인이다. 또한, 사용중인 마취제 형태를 식별하기 위해 2개 이상의 채널로부터의 데이타를 사용할 수 있다.

본 발명의 일차 관심은 호흡 및 마취제 개스의 분석에 집중되기 때문에, 다음 표에서 관심 대상의 몇가지 대표적인 개스에 대한 스토크스 라만 주파수 천이 및 상대 산란 단면을 나타낸다. 마취제에 대한 라만 스펙트럼은 매우 복잡하다. 그러므로, 표 1에 도시한 마취제에 대한 주파수 천이는 바람직한 실시예에서 실험적으로 사용하기 위해 선택된 것들이다. 마취 개스 및 C-H 스트레치에 대한 상대 산란 단면은 스펙트럼이 복잡하기 때문에 쉽사리 이용할 수 없다.

[표 1]

몇가지 호흡 및 마취 개스에 대한 주파수 천이 및 정규화된 상대 산란 단면

특수 개스 종류에 대한 검출 채널(60)에서, 선택된 주파수를 갖고 있는 라만 산란 광은 각 채널내의 간섭필터(217)을 통과하여, 독립된 검출기(219)에 입력된다. 선택적 집속 렌즈(218)은 일부 필터 및 검출기 용으로 사용될 수 있다. 검출기(219)은 광 신호를 수신하고, 증폭하며, 이것을 유용한 데이타로 처리할 수 있는 소정의 장치로 될 수 있다. 제2도 및 제5도에는, 라만 신호를 디스플레이 장치(71), 예를 들어 디지탈 디스플레이, CRT스크린 및/또는 프린터상에 디스플레이되는 유용한 아날로그 또는 디지탈 데이타로 증폭, 처리 및 정량화할 수 있는 광자카운터, 광전류 증폭기 또는 중앙 처리 장치 또는 마이크로프로세서를 포함하는 다른 장치로 될 수 있는 신호 프로세싱 장치(224)에 접속되는 광전 증배관(PMT)(219)가 도시되어 있다. 표 1에서는 관심 대상의 이 개스들이 증기에 대한 주파수 천이보다 상당히 작은 주파수 천이를 갖는다는 것을 나타내고 있다. 그러므로, 증기로부터의 라만 신호들은 관심 대상의 라만 신호들과 간섭하지 않는데, 그 이유는 라만 신호들 사이에 소정의 스펙트럼 중첩부가 거의 없기 때문이다. 이것은 높은(>1,000) 대역외 제파를 갖는 좁은(최대치의 절반인 1㎚ 전폭) 대역통과 간섭 필터를 사용한 경우에는 진정한 것이다.

마취제 및 호흡개스를 식별하고 정량화하기 위한 바람직한 실시예에서는 8개의 다층 유전체 필터(217)이 사용된다. 마취제 할로탄, 엔플루란 및 이소플루란은 505.7㎚, 508.2㎚ 및 512.9㎚의 중심 파장을 갖고 있는 필터(217)에 의해 검출된다. 이산화탄소, 산소, 아산화 질소 및 질소는 523.5㎚, 528.1㎚, 547.4㎚ 및 550.6㎚의 중심 파장을 갖고 있는 필터(217)에 의해 정량화된다. 상기 모든 필터들은 약 1㎚의 1/2 대역폭을 갖는다. 마취제는 572.6㎚의 중심 파장 및 10㎚의 1/2 대역폭을 갖고 있는 필터(217)에 의해 정량화된다. 이 필터들은 488㎚에서 아르곤 레이저 라인의 라만 산란용에 적합하다.

[데이타 처리]

제2도를 다시 참조하면, 전원 공급 장치(220)에 의해 파워되는 검출기(219)에서 수신된 광자는 전류 또는 전압으로 변환되고, 증폭되어, 펄스 증폭기-식별기 또는 전류 또는 전압 증폭기 회로(224)에 광전류 또는 광전압으로서 신호 라인(226)을 통해 보내진다. 이 신호들은 표준 디지탈 펄스로 변환되어, 신호 라인(226)을 통해 마이크로프로세서(70)으로 중계된다. 검출기(219)로 입력되는 특수 라만 라인들의 유용한 데이타로의 처리는 공지된 수단에 의해 달성되고, 마이크로프로세서(70)에 입력되는 신호들은 라인(73)을 통해 디지탈 또는 아날로그 CRT디스플레이(71)로 보내질 희망 데이타를 제공하도록 소프트웨어로 처리될 수 있다.

현 기술 상태를 이용해서 데이타를 처리하지만, 데이타가 수집되고, 처리되어 표시되는 방식은 최종 사용자의요구에 따라 변형될 수 있다.

마이크로프로세스(70)의 주 기능은 수집 채널(60)으로부터 수신된 데이타를 누산, 분석, 격납 및 표시하는 것이다. 제2기능은 개스 셀내의 개스 흐름, 레이저 세기 출력, 시스템전반에 걸친 온도 등의 루틴 모니터링을 포함할 수 있다.

호흡 개스 및 마취제를 모니터하기 위한 바람직한 실시예 응용에서의 마이크로프로세서(70)의 전반적인 기능이 제6도의 플로우챠트로 도시되어 있다. 마이크로프로세서의 파워 업시, 소프트웨어는 하드웨어를 초기화시키고, 프로그램의 인터럽트 구조를 셋업(set-up)시키며, 전역 변수를 초기 값으로 셋트시킨다. 이것은 레이저가 입력되기를 기다리고, 사용자가 전역 변수내의 플래그들을 셋트시키거나 변경시킬 수 있는 개시 옵션 스크린을 표시한다. 1개의 메뉴 옵션은 주 프로그램의 실행을 시작한다. 이 작업들은 실험 블럭(300)내에 표시되어 있다. 작업 개시 명령 수신시에, 주 프로그램 소프트웨어는 판단 블럭 및 경로(304,306,308,310,312 및 314)를 포함하는 무한 루프로 실행된다. 이 루프내에서, 데이타는 프로그램의 실행을 중지시켜 실행 블럭(300)의 일부분으로서 표시된 개시 옵션 스크린으로 제어를 복귀시키는 대기 키 압압이 판단 블럭(312)내에서 검출될 때까지 유용하게 되는 것으로서 처리된다.

마이크로프로세서 타이머 채널은 수집 채널(60)으로부터의 데이타가 마이크로프로세서에 의해 허용될 준비 상태에 있다는 것을 시스템에 신호하기 위해 100㎳ 스트로브를 제공한다. CPU시간이 적합하게 될 때 프로세싱하기 위해, 스트로브는 인터럽트를 발생시키고, 검출기 채널은 해독되며, 데이타는 큐 데이타 구조내에서 전체적으로 유용하게 된다. 이 작업들은 판단 블럭(304)내에서 실행된다.

데이타가 인터럽트 큐상에서 유용하지 않을 경우에, 제어는 경로(306)로 진행하여 무한 루프가 계속된다. 데이타가 인터럽트 큐상에서 유용한 경우에, 제어는 경로(316)을 통해 농도를 계산하기 위한 절차를 실행하는 실행 블럭(318)로 진행한다. 블럭(318)내에서 수행된 작업들은 제7a 및 b도의 플로우챠트내에 상세하게 도시되어 있다.

제7a도내에 도시한 계산 절차의 주요 동작은 3가지 증기 마취제 즉, 이소플루란, 할로탄, 또는 엔플루란들 중 1개의 증기 마취제 뿐만 아니라, 4가지 개스 즉, 산호(O₂), 질소(N₂), 아산화 질소(N₂O) 및 이산화탄소(CO₂)의 체적 퍼센트 농도를 계산하는 것이다.

산소 농도를 직접 계산할 수 있으므로, 미리 식별된 마취제 농도도 계산할 수 있다. 증기 마취제가 아직 식별되지 않았거나 표시되지 않았을 경우, 증기 마취제가 이소플루란이란 가정은 엔플루란에 대한 거의 정확한 결과를 제공하고, 할로탄 농도를 100%로 과대 개산하지만, 이 상태는 20초이상 계속되지 않게 된다.

실행 블럭(322)내에서, 배경 신호 레벨은 산소, 질소, 아산화 질소, 및 이산화 탄소 채널들을 나타내는 신호로부터 공제된다. 블럭(322)내에서의 배경 공제 후에, 실행 블럭(324)는 아산화 질소로부터의 누화 기여도에 대해 질소 채널을 보정한 다음에, 질소 농도를 계산한다. 아산화 질소 누화 기여도는 아산화 질소의 미리 정해진 농도로부터 계산된다. 질소, 및 산소에 대한 체적 퍼센트 개스는 100% 개스를 나타내는 신호에 의해 각각의 채널 신호를 나눔으로써 실행 블럭(326)내에서 정해진다. 이때, 이산화 탄소 채널내의 증기 마취제에 대한 누화값은 실행 블럭(328)내에서 정해지고 전체 신호에서 공제된다. 이와 유사하게, 아산화 질소 채널내의 질소로부터의 누화가 정해지고, 전체 신호에서 제공된다. 실행 블럭(330)내의 이산화 탄소 및 아산화 질소 신호에서 누화의 최종 공제후에 실행 블럭(332)는 가우스 제거라 부르는 n개의 미지수를 갖고 있는 n개의 방정식의 해법을 사용하여 이산화 탄소 및 아산화 질소에 대한 농도를 계산한다. 이때, 제7a도 내지 플로우챠트는 제7b도내의 플로우챠트와 연결된다.

제7b도를 참조하면, 계기가 증기 마취제를 식별하도록 셋트되지 않은 경우에, 제어는 판단 블럭(334)로부터 제어 경로(336)을 통해 계산 루틴의 종료로 진행한다. 계기가 증기 마취제를 식별하도록 셋트된 경우에는, 마취제를 정량화하기 위해 사용된 CH-스트레치 채널내에서 검출된 증기 마취제의 양을 모니터하게 된다. 제어는 판단 블럭(334)로부터 경로(338)을 통해, 증기 마취제의 농도가 임계값에 비교되는 판단 블럭(340)으로 진행된다. 증기 마취제 농도가 임계값미만일 경우에 제어는 블럭(340)으로부터 경로(342)를 통해, 다수의 검출기 채널의 신호를 나타내는 합이 클리어되고 플래그가 증기 마취제가 식별되지 않았다는 것을 나타내도록 셋트되는 블럭(344)로 진행한다. 이후에 제어는 경로(346)을 통해 계산 절차의 종료부로 진행한다.

판단 블럭(340)내에서, 증기 마취제 농도가 임계값이상인 것으로 판명된 경우에, 제어는 경로(348)을 통해, CH-스트레치 채널뿐만 아니라 3개의 마취 필터 채널 및 아산화 질소 채널로부터의 신호가 총 10초동안 적분되는 실행 블럭(360)으로 진행된다.

제어는 실행 블럭(350)으로부터 경로(352)를 통해, 적분 시간의 기간이 검사되는 판단 블럭(354)로 진행된다. 적분 시간이 충분치않을 경우에, 제어는 경로(356)을 통해 계산 절차의 종료부로 진행된다. 적분 시간이 충분한 경우에, 제어는 판단 블럭(354)로부터 경로(358)을 통해, 데이타가 평균되고 배경이 공제되는 실행 블럭(360)으로 진행된다.

신호 평균 및 배경 공제 후에, 제어는 경로(362)를 통해, 데이타가 4개의 미지수를 갖고 있는 5개의 식으로서 프로세스되고 해가 가우스 제거 기술들은 사용하여 다시 구해지는 실행 블럭(364)로 진행된다.

실행 블럭(364)내에서 결정된 증기 마취제의 농도는 경로(366)을 통해 판단 블럭(368)로 전송된다. 증기 마취제의 농도가 임계값 이상이 아닐경우에, 제어는 경로(37)을 통해 계산 루틴의 종료부로 진행된다. 소정의 증기 농도가 임계값 이상인 경우에, 제어는 경로(372)를 통해 판단 블럭(374)로 진행된다. 1가지 이상의 증기 마취제가 임계값보다 큰 농도를 갖고 있는 경우에, 제어는 경로(376)을 통해, 다수의 증기 마취제가 존재한다는 것을 표시하는 경보가 발해지는 실행 블럭(378)로 진행한다. 다음에 제어는 경로(380)을 통해 실행 블럭(384)로 진행한다. 판단 블럭(374)내에서, 단지 1가지의 증기 마취제가 임계값보다 큰 경우에, 제어는 경로(382)를 통해, 어느 증기 마취제가 가장 높은 농도로 존재하는지를 표시하도록 식별 플래그가 셋트되는 실행 블럭(384)로 진행한다. 그 다음에, 제어는 경로(386)을 통해 디스플레이 스크린을 식별된 증기 마취제의 정체에 의해 갱신시키는 실행 블럭(388)로 진행한다. 그 다음에, 제어는 경로(390)을 통해 계산 루틴의 종료부로 진행하고, 제6도의 메인 루틴에 대한 플로우챠트의 실행 블럭(392)로 계속 진행한다.

메인 루틴의 실행 블럭(392)내에서, CO₂농도 데이타는 저역 통과 평균 디지탈 필터를 사용하여 필터된다. 그 다음에, 제어는 경로(394)를 통해 판단 블럭(396)으로 진행되는데, 여기서, 계기의 디스플레이 모드가 파형을 나타내도록 셋트되었을 경우에, 제어는 경로(398)을 통해, 디스플레이 스크린상의 새로운 농도 데이타 지점을 페인트하는 판단 블럭(400)으로 진행한다. 그 다음에, 제어는 경로(402)를 통해 실행 블럭(408)로 진행한다. 판단 블럭(396)내에서 디스플레이 모드가 엔에이블되지 않은 경우에, 제어는 경로(406)을 통해, 환자가 숨을 내쉬는지 또는 들이 쉬는지의 여부를 판단하기 위한 검사를 행하는 실행 블럭(480)로 진행한다. 이 판단은 호기(expiration)를 나타내는, 이산화탄소 농도가 임계값을 초과하는지의 여부를 관찰함으로써 행해진다. 이 정보는 전역 플래그에 의해 프로그램의 나머지부분에 전달된다. 숨 검출 사이의 데이타 스트로브의 수를 측정하여 호흡을 값을 제공한다. 모든 데이타는 경로(410)을 통해, 모든 데이타를 사용자에 의해 셋트된 바와 같은 경보 상한값 및 하한값과 비교하는 판단 블럭(412)로 보내지고, 소정의 농도가 경보 상한값을 초과하거나 경보 하한값 미만인 경우에, 알람 상태가 디스플레이상에 표시된다. 경보 한계값을 검사한 후에, 제어는 경로(414)를 통해, 스크린상의 디지탈 데이타를 갱신하는 절차를 행하는 실행블럭(416)으로 진행한다. 이 절차에 대한 상세한 플로우챠트는 제8도내에 도시되어 있다.

제8도내에 도시한 판단 블럭(417)은 호기가 발생하는지를 결정하는 호기가 발생하는 경우에, 제어는 경로(418)을 통해, 현재 호기 데이타를 호기 데이타 합에 가산시키는 실행 블럭(420)으로 진행한다. 그 다음에, 제어는 경로(422)를 통해 판단 블럭(424)로 진행한다. 판단 블럭(417)에서 호기가 발생하지 않은 경우에 제어는 경로(425)를 통해, 현재 데이타를 흡기 합에 가산시키는 실행 블럭(427)로 진행한다. 그 다음에, 제어는 경로(429)를 통해 판단 블럭(424)로 진행한다. 매 9초마다 1회씩 발생하는 특정한 개스에 대해 스크린을 갱신할 때, 제어는 판단 블럭(424)로부터 경로(426)을 통해 판단 블럭(248)로 진행한다. 흡기 및 호기합 레지스터내에 데이타가 있는 경우에, 제어는 판단 블럭(428)로부터 경로(430)을 통해, 흡기와 호기 합을 각각의 합을 형성하는 성분의 갯수로 분할하여, 평균값을 발생시키는 실행 블럭(432)로 진행한다. 그 다음에, 제어는 경로(434)을 통해 실행 블럭(436)으로 보내진다. 흡기와 호기 합 레지스터내에 데이타가 없는 경우에, 제어는 판단 블럭(428)으로부터 경로(438)을 통해, 흡기 값이 디폴트(default)값에 의해 이전의 흡기 값으로 셋트되는 실행 블럭(440)으로 보내진다. 그 다음에, 제어는 경로(434)를 통해, 트렌드 데이타가 트렌드 버퍼내에 저장되고, 갱신 농도값이 CPU시간이 유용하게 될 때 표시하기 위한 페인트 큐상에 배치되는 실행 블럭(436)으로 진행한다. 그 다음에, 갱신 루틴은 종료되어, 경로(439)를 통해 메인 프로그램 판단블럭(440)으로 복귀하게 된다.

매 5분마다 발생하는 자체-검정시에 메인 프로그램은 경로(442)를 통해 자체-검정 절차를 수행하는 실행 블럭(444)로 진행한다. 자체-검정 절차의 상세한 플로우챠트 제9도내에 도시되어 있다. 자체-검정 루틴으로 들어가면, 경로(442)를 통해, 현재 메시지가 클리어되고 검정 메시지가 기입되는 실행블럭(445)내로 들어가게 된다. 그 다음에 제어는 계기에 샘플 검정 포트를 접속시키는 실행 블럭(446)으로 진행한다. 실행블럭(448)로 진행하면, 공장 검정 데이타가 메모리로부터 해독된다. 실행 블럭(450)에서, 데이타는 실내 공기 샘플로부터 취해진다. 실내 공기 샘ㅂ플을 얻은 후에, 계기는 온-보드(on-board) 아르곤 탱크가 아르곤 개스를 계기의 샘플링 포트에 공급하는 실행 블럭(452)에서, 아르곤 샘플링 포트로 스위치된다. 아르곤 개스는 배경을 얻기 위해 실행 블럭(454)내에서 사용된다. 실행 블럭(456)에서, 샘플링 포트 압력은 일정한 값에 대해 검사된다. 실내 공기 샘플내의 산소 및 질소의 농도는 고정되므로, 실행 블럭(458)내의 공장 검정 값과 비교하여 산소 및 질소에 대한 신호가 소정의 변화를 나타내면 채널들내의 신호들이 동일하게 변환된다. 그 다음에, 실행 블럭(460)내에서, 산소 및 질소 신호들은 공장 검정 값에 대한 비율로 되고, 이 비율은 다른 모든 개스에 대한 검정율을 변형시키기 위해 사용된다. 그 다음에, 샘플링 포트는 실행 블럭(462)내의 환자 포트로 스위치된다. 실행 블럭(464)에서, 시스템은 검정 메시지를 클리어하고, 제어 경로(466)을 따라 메인 루틴으로 복귀함으로써, 상태를 회복한다.

제6도를 다시 참조하면, 판단 블럭(440)에서, 자체-검정을 할 때가 아니면, 제어는 라인(466)을 통해 판단 블럭(308)로 진행한다. 시스템이 디스플레이 스크린상의 디지탈데이타를 페인트할 준비가 된 경우에 제어는 라인(468)을 통해, 스크린상의 디지탈 정보를 갱신하는 실행 블럭(470)으로 진행한다. 트렌드 데이타를 디스플레이할 때의 페인트 스크린 소프트웨어의 상세한 플로우챠트는 제10도에 도시되어 있다.

제10도의 경로(468)을 통해 제1실행 블럭(471)로 들어가면, 소프트웨어는 정확한 디스플레이를 나타내고, 그 다음에 경로(472)를 통해, 트렌드 데이타가 트렌드 버퍼로부터 추출되는 실행 블럭(472)로 진행한다. 그 다음에, 제어는 경로(476)을 통해 데이타를 호기 및 흡기값을 나타내는 합에 가산시키는 실행 블럭(478)으로 진행한다. 경로(480)을 통해 판단 블럭(482)로 진행하면, 트렌드 데이타의 종료부 도달하지 않았을 경우에, 제어는 경로(484)를 따라 판단 블럭(486)으로 계속 진행한다. 데이타를 평균할 때가 아닌 경우에, 제어는 라인(488)을 통해 실행 블럭(474)로 복귀된다. 판단 블럭(486)을 통해 실행 블럭(474)으로 개시되는 단계는 데이타를 평균하는 시간까지 계속되는데, 이때 제어는 경로(490)을 통해, 데이타를 평균하는 실행 블럭(492)로 진행한다. 제어는 경로(488)을 통해 실행 블럭(474)로 복귀되고, 트렌드 버퍼의 종료부와 같은 시간에 도달될 때까지 판단 블럭(482)까지 계속 진행한다. 이것에 발생할 때, 제어는 경로(494)를 통해, 정확한 농도 눈금이 선택되어 디스플레이되는 실행 블럭(496)으로 진행한다. 그 다음에, 제어는 경로(498)을 통해, 시간의 함수로서 호기 및 흡기된 트렌드에 대한 데이타가 플로트 윈도우상에 디스플레이되는 실행 블럭(500)으로 진행된다. 그 다음, 경로(502)를 통해 판단 블럭(312)로의 메인 루틴으로 복귀된다.

디지탈 데이타가 제6도의 판단 블럭(308)에서 스크린상에 페인트될 준비를 하지 않은 경우에, 제어는 경로(310)을 통해 실행 블럭(312)로 직접 진행된다. 판단 블럭(312)에서, 키패드는 소정 명령이 모드를 변경 시키기 위해 사용자로부터 수신되었는지를 알아보기 위해 해독한다. 키 압압이 수신되었을 경우에, 제어는 경로(504)를 통해, 키 압압이 이것을 각 키마다의 모드 변경 명령 리스트와 비교함으로써 파스(parse)되는 실행 블럭(506)으로 진행한다. 이 명령들은 전역 플래그의 셋팅 및 디스플레이의 재도시만을 포함한다. 그 다음, 제어는 라인(314)를 통해 메인 프로그램 무한 루프의 개시 판단 블럭(304)로 복귀한다.

[선택된 다중 셀 형태]

제2도를 다시 참조하면, 개스 셀(50)을 이 브류스터 윈도우(102 및 106)으로 종단되는 것의 대안으로서, 개스 셀 단부 윈도우와 같이 공진 캐비티의 단부에서 플라즈마 방전관(80) 및 반사경(108)상에 브류스터 윈도우(98)을 사용할 수 있다. 개스 샘플은 여전히 구속되고, 적합하게 설계된 때, 설 체적은 적합한 응답 시간을 위해 최소화될 수 있다. 단점은 브류스터 윈도우(98)과 반사경(108)의 오염 위험성이다. 그러나, 단부 윈도우 오염의 가능성은 배치 가능한 인터페이스 튜브 선행 라인(152) 및 환자를 검출시스템에 연결시키는 필터하우징(155,제4도)에 막-형필터(도시하지 않음)를 사용함으로써 바람직한 실시예내에서 최소화된다. 제4도에 도시한 바와 같이, 제2막 필터 하우징(155), 및 솔레노이드(149), 개스 셀(50) 및 펌프(150) 상류에 있는 필터(156)은 단부 윈도우 오염에 대한 부수적인 보호물로서 작용한다. 최종적으로, 제2전자 기압계(도시하지 않음)는 샘플내의 소정 개스의 농도를 Hg의 ㎜로 정확히 계산하는데 필요한 대기압내의 변화를 감지하기 위해 시스템내에 편리하게 배치될 수 있다. 또한, 제2도로부터, 다른 캐비티내부 개스 셀(도시하지 않음)이 반사경(94)와 브류스터 윈도우(96) 사이의 플라즈마 방전관(80)의 다른 측상의 공진기 캐비티내에 배치될 수 있다는 것이 명백해진다. 제11a도는 개스 셀의 단부를 정하고, 공진기 캐비티내의 개스 샘플을 포함하기 위해 브류스터 윈도우 및 공진기 반사경을 사용하는 이 해결 방법의 확장부를 도시한 것이다. 제11a도는 제2도내에서 정의된 것과 유사한 레이저(10), 라디에이터(92), 캐소드(82), 애노드(84) 및 플라즈마 방전관(80)을 광범위하게 도시한 것이다. 캐비티내부 레이저 비임은 참조 번호(78)로 다시 표시되어 있다. 플라즈마 방전관(80)의 양측상에 1개씩 있는 2개의 캐비티내부 셀들이 정해진다. 제1셀은 반사경(94) 및 브류스터 윈도우(96)에 의해 정해지는 플라즈마 방전관(80)의 좌측에 있다. 제2셀은 브류스터 윈도우(98) 및 반사경(108)에 의해 정해지는 플라즈마 방전관(80)의 우측에 있다. 슬리브(560 및 562)는 제3도내에 도시한 개스 셀(50)과 동일한 방식으로 측 윈도우(도시하지 않음)를 포함할 수 있다. 제11a도내에 도시한 실시예내에서는 2개의 부수적인 윈도우(546 및 566)이 플라즈마 방전관(80)의 양측상에 정해진 좌측 및 우측 개스 셀내에 포함되었다. 이 2개의 단부 윈도우(546 및 566)이 플라즈마 방전관(80)의 양측상에 정해진 좌측 및 우측 개스 셀내에 포함되었다. 이 2개의 단부 윈도우(546 및 566)의 존재는 레이저의 공진 캐비티를 제2도에 도시한 셀(50)과 유사한 방식으로 사용하기에 적합하게 될 수 있는 4개의 캐비티내부 개스 셀로 효율적으로 분할시킨다. 각각의 이 4개의 셀들은 제11b 내지 e도내에 더욱 상세하게 도시되어 있다.

제11b도는 반사경(94)와 윈도우(564)사이의 제11a도의 부분(50a)의 부분 상단면도이다. 슬리브(560)은 비탄성-산란 라만 광 및 레일리 산란 탄성 레이저 광이 제2도, 제3도 및 제5도에 관련하여 이미 기술한 바와 동일한 방식으로 광학 필터-검출기 채널(60)에 전송될 수 있는 측 윈도우(146a)를 포함한 수 있도록 변형되었다. 셀(50a)는 반사경(94), 단부 윈도우(564), 및 측 윈도우(146)을 포함하는 하우징(560)(변형된 슬리브)에 의해 정해진다. 인접 반사경(94) 및 단부 윈도우(564)는 실제 광 집광 영역으로 들어가는 반사경(94) 및 단부 윈도우(564)로부터의 산란 광을 최소화시키도록 작용하는 배플(570 및 572)이다.

제11c도는 윈도우(564)와 플라즈마 방전관(80)의 브류스터 윈도우(96) 사이의 제11a도의 일부분(506)의 부분 상단면도이다. 슬리브(560)은 제11b도에 관련하여 기술한 바와 같이 측 윈도우(146b)를 포함하도록 변형되었다. 셀(50b)는 단부 윈도우(564), 브류스터 윈도우(96), 및 측 윈도우(146b)를 포함하는 하우징(560)(변형된 슬리브)에 의해 정해진다. 인접 단부 윈도우(564) 및 브류스터 윈도우(96)은 실제 광 집광 영역으로 들어가는 단부 윈도우(564) 및 브류스터 윈도우(96)으로부터의 산란광을 최소화시키도록 작용하는 배플(574 및 576)이다.

제11e도는 윈도우(566)과 단부 반사경(108) 사이의 제11a도의 일부분의 부분 상단면도이다. 슬리브(562)은 제11b도에 관련하여 기술한 바와 같이 측 윈도우(145d)를 포함하도록 변형되었다. 셀(50d)는 단부 윈도우(566), 단부 반사경(108), 및 측 윈도우(146d)를 포함하는 하우징(562)(변형된 슬리브)에 의해 정해진다. 인접 단부 윈도우(566) 및 단부 반사경(108)은 실제 광 집광 영역으로 들어가는 단부 윈도우(566) 및 단부 반사경(108)으로부터의 산란 광을 최소화시키도록 작용하는 배플(582 및 584)이다.

또한, 제11a도는 제3도에 도시한 것과 유사한 개스 셀(50e)가 레이저 공진기 외부에 있는 캐비티 외부 모드로 사용될 수 있다는 것을 나타낸다. 이 셀(50e)는 제11a도내의 캐비티 외부 위치내에 도시한 것과 같이, 하우징(586), 단부 윈도우(602 및 604), 및 제1도 내지 제3도내에 도시한 것과 동일한 작용을 하는 측 윈도우(146e)로 구성된다. 이 경우에, 캐비티 외부 비임(600)은 검출 가능한 라만 산란 신호들을 발생시키기에 충분한 광 전력을 가져야 한다. 단부 윈도우(602 및 604)는 개스 셀(50e)내에 개스를 구속하고, 캐비티 외부 비임이 셀(50e)를 통해 전달될 수 있게 한다. 윈도우(602 및 604)는 레이저의 특정한 파장용 매우 효율적인 협대역 반사방지 코팅, 즉 "V"코팅으로 코팅된다. V-코팅은 광 부품의 반사율을 매우 좁은 파장범위의 경우에 거의 0으로 감소시키는 다중 유전성 반사 방지 코팅이고, 일반적으로 정상 또는 것의 정상입사시에 사용된다. 그러므로, 윈도우(602 및 604)는 서로 평행하고, 하우징(586) 및 레이저 비임(600)의 축에 거의 수직이다. 이러한 코팅은 약 0.25% 보다 크지 않은 최대 반사율을 달성하게 되고, 지정된 파장에서의 표면적당 약 0.1% 반사율만을 허용하는 것이 효과적이다. 그러므로, 이들은 레이저의 공진 캐비티를 통하는 레이저 비임의 전송에 간섭하지 않는다. 선택적으로, 단부 윈도우(602 및 604)는 브류스터 각으로 배향된 피막되지 않은 용융 실리카이다.

본 명세서내에 기술된 시스템 및 프로세스는 호흡 및 마취제 개스를 모니터하기 위해 개발되었다. 그러나, 이것은[적합한 샘플링 카테테르(catheter)에 관련하여] 혈액 및 조직 개스, 폐기능 및 심장 출력 측정용으로 사용된 개스, 및 작업장내의 위험 개스를 모니터하고, 화학 처리 공장, 의심스러운 화학 및 주위 한경오염물의 모니터링 레벨, 및 다원자 개스 분자들이 검출 및 측정해야 할 다른 응용내의 누출을 검출하기에 유용하게 될 수 있다.

상술한 설명은 호흡 개스 분석에 응용된 것과 같은 본 발명의 한 바람직한 실시예를 포함하지만, 본 분야에 숙련된 기술자들은 그외의 다른 것들이 있다는 것을 알게 된다. 부수적으로, 본 분야에 숙련된 기술자들은, 이 시스템을 개작하면, 오염 모니터링, 화학처리 모니터링 등과 같은 여러 형태의 라만 분광 분석용으로 유용하다는 것을 용이하게 알게 된다.

본 발명은 본 발명의 원리 및 특성으로부터 벗어나지 않고서 다른 특수한 형태로 실시될 수 있다. 기술한 실시예들은 기술적인 것으로, 제한적이 아니다. 그러므로, 본 발명의 범위는 상술한 설명에 의해서가 아니라 첨부한 특허청구의 범위에 의해 제한된다.

Claims

종축(20)을 따라 방사선 비임(18)을 발생시키기 위한 광원(10)을 포함하는, 라만 광 산란을 이용하여 개스 샘플내의 개스를 분석하기 위한 장치에 있어서, 상기 광 방사선 비임(18)이 상기 종축(20)을 따르는 다수의 지점에서 상기 개스 샘플에 입사되도록 상기 다수의 지점에서 상기 개스 샘플을 수용하기 위한 샘플용기(26), 및 상기 종축(20)을 따르는 상기 다수의 지점들로부터 샘플에 입사되는 상기 비임(18) 외부로 산란된 광 에너지의 다수의 샘플들을 동시에 얻기 위한 다수의 광 검출기 채널(16,40)을 포함하는 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.
제1항에 있어서, 상기 광원(10)으로부터 방출된 상기 광 방사선 비임을 상기 종축을 따라 전파되는 조준된 광 방사선 비임으로 조준하기 위한 콜리메이터(12,14)를 더 포함하고, 상기 조준된 방사선 비임은 상기 조준된 비임이 상기 샘플과 상호작용하는 상기 종축(20)의 영역을 따라 실질적으로 평행한 광선을 포함하는 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.
제1항에 있어서, 상기 광 방사선 비임(18)이 선형으로 편광되어 편광 벡터(32)를 형성하고, 상기 편광 벡터(32)와 상기 종축(20)은 평광 평면(YZ)를 형성하고, 상기 검출기 채널(16,40)은 검출 축을 따라 전파되는 광을 우선적으로 수신하고, 상기 검출 축은 상기 편광 평면(YZ)에 실질적으로 수직으로 배향되는 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.
제1항에 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 광원(10)은 공진 캐비티를 갖는 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.
제4항에 있어서, 상기 개스 샘플을 수용하기 위한 상기 다수의 지점은 상기 공진 캐비티내에 배치되는 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.
제1항에 있어서, 상기 광 검출기 채널(16,40)은 하나 또는 그 이상의 해당되는 특정한 라만 라인에 대응하는 좁은 파장 대역내에서 광 신호를 선택하는 협대역 필터(217), 및 상기 협대역 필터(217)에 의해 선택된 광 신호들을 수신하기 위한 광자 검출기(219)를 포함하는 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.
제6항에 있어서, 상기 협대역 필터(217)는 간섭 필터이고, 상기 광자 검출기(219)는 광 증배관이거나 광감성 포토다이오드인 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.
제1항에 있어서, 상기 개스 샘플로부터의 상기 산란된 광 에너지를 나타내는 검출기 채널(16,40)으로부터의 신호를 수신하여 분석하는 데이타 프로세서(70,71)을 더 포함하고, 상기 프로세서(70,71)은 또한 상기 검출기 채널(16,40)으로부터의 상기 신호들을 해석하여 그들을 상기 개스 샘플내의 선택된 다원자 분자 개스의 농도를 나타내는 출력 신호들로 변환시키는 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.
개스 샘플을 분석하는 방법에 있어서, 종축(20)을 따라 전파되는 광 방사선 비임을 발생시키는 단계, 상기 광 방사선 비임이 상기 샘플에 전파되도록 상기 종축(20)을 따르는 영역내에 상기 개스 샘플을 구속시키는 단계, 및 상기 광 방사선 비임과, 상기 종축(20)을 따르는 다수의 지점으로부터의 상기 개스 샘플의 상호 작용으로부터의 발생된 라만 산란 광을 집광시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 개스 샘플 분석 방법.
제9항에 있어서, 공진 캐비티를 갖는 레이저에 의해 상기 광 방사선 비임을 발생시키는 단계, 및 상기 공진 캐비티내에 상기 다수의 지점을 배치시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 개스 샘플 분석 방법.
제9항에 있어서, 상기 개스 샘플내에 함유된 상이한 분자 개스 종류를 확인하여 정량화하기 위해 상기 라만 산란 광을 분석하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개스 샘플 분석 방법.
제1, 2, 3, 5, 6, 7 또는 8항에 있어서, 상기 개스는 다원자 개스를 포함하는 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.
제4항에 있어서, 상기 개스는 다원자 개스를 포함하는 것을 특징으로 하는 개스 분석 장치.