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クォーツ増幅光音響分光法(QEPAS)用音響検出モジュール


  • Designed for Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy (QEPAS)
  • Acoustic Microresonator Tubes and Matched Preamplifier for Optimal SNR
  • Custom Quartz Tuning Fork with 0.8 mm Prong Separation
  • Low Resonance Frequency
  • High Q Factor

ADM01

Acoustic Detection Module for QEPAS

Zoomed-In View Through Window

Quartz
Tuning
Fork

Microresonator Tubes

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モジュール内部図

特長

  • カスタム仕様のクォーツチューニングフォーク、マイクロ共振器(µR)チューブ、高利得プリアンプを内蔵
  • 低共振周波数
  • 大気圧でのQファクタ: > 12000(典型値)
  • 小さなサンプルガス体積:7 cm3
  • 200 nm~11 µm用のØ12.7 mm(Ø1/2インチ)フッ化バリウム(BaF2)ウィンドウ、コーティング無し、ウェッジ付き

音響検出モジュールはクォーツ増幅光音響分光(QEPAS)システムに簡単に組み込めるように設計された光音響セルです。モジュールADM01には試料ガスが密閉されたチャンバに送り込むためのインレットとアウトレットがあり、そのチャンバ内にはマイクロ共振器チューブとカスタム仕様のクォーツチューニングフォーク(QTF、水晶製の音叉)が納めれています。外部のレーザ光源からの光がウェッジ付きウィンドウを通して入射されるとターゲットの分子が励起され、その分子の緩和過程で生成された音響信号はチューブによって増幅されます。その音響信号はカスタム仕様のQTFによって電気信号に変換され、さらに内蔵の高利得プリアンプによって増幅されます。このような構成により、優れたSN比の信号が得られます。この技術についての詳細は「QEPAS」タブをご覧ください。

ガス接続部
各モジュールADM01にはガス接続ポートが2つ付いています。フローセルとしてお使いにならない場合は、2つ目のガスポートは、セルにプレッシャーゲージやその他のデバイスを接続してご使用いただけます。ガスポートには6 mmチューブ用の標準的なステンレススチール製Hylokチューブ継手が付いています。チューブ継手を取り外して、G1/8メス型ストレートネジコネクタをご使用いただくことも可能です。

200 nm~11 µm用のØ12.7 mm(Ø1/2インチ)ウェッジ付きウィンドウは、それ以外の波長で測定したいときには交換することができます。またマイクロ共振器チューブは、N2ガス以外のマトリックスで測定したいときには交換することができます。詳細については当社までお問い合わせください。

取付けについて
右図でご覧いただけるように、モジュールADM01には直接ブレッドボードに固定するための貫通穴が4つ付いています。モジュールの底部にはスロット付き取付けプレートPY005A1/M上の5軸ステージPY005/Mに取り付けるためのM4タップ穴が付いています。この組み合わせで使用するときは、まず5軸ステージをスロット付きプレートに取り付け後、モジュールADM01をステージ上に取り付けてください。そして最後にPY005A1/Mのスロットを使用してアセンブリ全体をブレッドボードに取り付けてください。モジュールには、回転止め用のØ2.1 mm穴がいくつか付いています。5軸ステージのM3タップ穴にDIN915ネジを1個取り付け、そのDIN915の頭を4つあるØ2.1 mm穴の1つ入るようにするとモジュールの回転位置が固定されます。

アライメント
レーザ光源とモジュールADM01とのアライメントは、2枚のミラーでビームをステアリングするか、あるいはモジュールを5軸ステージPY005/Mのような多軸ステージに取り付けることで調整できます。光熱効果の影響を排除するため、レーザービームはチューブ面に当たらないようにしなくてはなりません。そのため、ビーム径はチューブ内径の1.6 mmより小さくする必要があります。パワーセンサを用いてモジュールの前後でパワー損失が無いかどうかを測定し、ビームがチューブ面に当たっていないことを確認することができます。信号強度を最適化するために、QTFの位置でレーザ光が集光するようにレンズを置くこともできます。

なお、こちらの製品の廃棄については、当社までご相談ください。

Electrical Connections
ColorPurposeComment
Red+12 VRecommended Voltage, up to 24 V Maximum
BlackGND-
Blue-12 VRecommended Voltage, up to 24 V Maximum
WhiteMODULATION INElectrical Modulation (sine) IN for QTF Characterization
GreenSIGNAL OUTAmplified QTF Signal OUT
Linear up to 1.8 V, 50 Ω Termination
ADM01 Specifications
Resonant Frequency f0 a12455 Hz (Typ.)
Q Factora> 12000 (Typ.)
Volume of Sample Chamber7 cm3
Microresonator Tubes (2)Inner Diameter: 1.6 mm
Length, Each: 12.4 mm
Wedged Windows(2)WW00530
Uncoated BaF2, 200 nm - 11 µm
Gas ConnectorsG1/8 Straight for 6 mm Tubing
Recommended Gas Flow< 200 sccm
Maximum Gas Pressure1.5 bar
  • 大気圧
  • ウェッジ付きウィンドウは別の励起波長に適したウィンドウに交換することも可能です。詳細は当社までお問い合わせください。
Acoustic Detection Module Diagram
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QEPASの概要図

光音響分光法は光音響効果に基づく技術で、トレースガスの濃度を精度良く検出することができ、様々な用途に用いることができます。レーザ吸収分光法と同様に気密チャンバ内にレーザ光を導入し、ターゲットのガス分子を励起します。しかし光検出器で吸収線を検出するのではなく、励起された分子の緩和過程で生成された圧力波をトランスデューサで検出します。

クォーツ増幅光音響分光法(QEPAS)の場合は、このトランデューサとして鋭い共振ピークを持つクォーツチューニングフォーク(QTF)が用いられます。音響に対する共振のQ値が高いため、従来の手法における音響共振についての制限を越え、小さな体積での微弱な励起も検出することができます。レーザ光を正弦波で変調したとき、生成される圧力(音響)波の周波数は光の変調周波数の2倍になるため、レーザ光の変調周波数はQTFの共振周波数の半分に設定しなければなりません。QTFから得られる振幅はサンプル内のトレースガスの濃度に正比例します。

またQTFは音響的には四重極子であることから耐環境ノイズの点でも優れています。これは1次振動モードで圧電的に活性になるためには、QTFのプロングが互いに離れる方向に動かなければならないためです。外部からの音の波長はプロング間の距離よりも長く、従ってそのような音は2つのプロングを同じ方向に動かすことになり、結果として圧電的な応答は発生しません。

QEPASの原理について詳細は下記の引用文献をご参照ください。

音響検出モジュールADM01
モジュールADM01はOn-Axis型のQEPASとして設計されており、右の図のようにQTFの両側に光を通過させる音響マイクロ共振器のチューブが配置されています。各チューブの長さはおよそλ/4で、QTFとの間に小さな隙間があります。ここで、λはQTFの共振周波数の音波の大気中における波長です。音響マイクロ共振器は生成された音波とQTFとの相互作用長を増大させるため、QTFは近接した場で生成された光音響波に対する高い感度を得ることができます。

P. Patimisco, A. Sampaolo, L. Dong, F. K. Tittel, and V. Spagnolo, "Recent advances in quartz enhanced photoacoustic sensing," Appl. Phys. Rev. 5, 011106 (2018). 


Posted Comments:
Ryan Sun  (posted 2020-05-27 04:25:02.667)
Dear Thorlabs, I am trying to lower the pressure inside the ADM01 to 1Torr. I want to know if the ADM01's window can withstand a relative pressure of almost 1atm and if it can be repaired if it breaks. I completed the test from 1.5bar to 0.5bar pressure, but the experiment was stopped because I was not sure whether the ADM01 could work normally at a pressure of 0.5bar or less. Please explain the exact limit of the window installed in ADM01. Thank you :)
wskopalik  (posted 2020-06-04 06:54:09.0)
This is a response from Wolfgang at Thorlabs. Thank you for your inquiry! The windows in the ADM01 can withstand a pressure of 1 Torr on the inside. We have tested the ADM01 successfully with low pressures in this range. There would however need to be continuous gas flow and pumping at such low pressures to keep the pressure low. In the case of static measurements at low pressures, the pressure would rise quickly, i.e. you would draw air from the outside. In case of a damage, the windows can easily be exchanged. The windows WW00530 are used in the ADM01 which are available in our catalog. I will contact you directly to provide further assistance.
yazhou wang  (posted 2020-04-23 14:01:50.773)
Hello, It mentioned that: 'When the laser source is modulated with a sine wave, the induced pressure (sound) wave will have double the frequency as that of the light modulation; therefore, the laser source modulation must be at half of the resonance frequency of the quartz tuning fork (QTF).' I feel confused that why the induced pressure (sound) wave will have double the frequency as that of the light modulation. Cloud you please give some comments on this? Thanks!
dpossin  (posted 2020-05-04 04:22:19.0)
Dear Customer, Thank you for your feedback. Well, for photoacoustic purposes the frequency of the incident laser light is modulated. Therefore the absorption line of the gas inside the QUEPAS cell is hit twice within one full modulation wave. One time in the first half wave when the laser wavelenght rises and a second time in the second half wave when the laser wavelenght drops again. The vibronic movement of the gas leads to sound waves which have double the modulation frequency of those of the incident laser light. To make sure, that the resonance frequency of the quartz tuning fork (QTF) is met, the modulation of the incident laser must be half the resonance frequency of the QTF. Because the bandwith of the QTF is quite narrow it is crucial that the resonance freqency is hit. I am reaching out to you for further discussion.
Mincheol Jeon  (posted 2020-02-02 19:48:57.607)
Hello Thorlabs, in sepcs, its maximum gas pressure is 1.5bar. But how about in vacuum? Is it possible to measure gas with adm01 even in vacuum? Thank you!
dpossin  (posted 2020-02-19 08:16:39.0)
Dear customer, Thank you for your feedback. There are many things to care of when you like to evacuate the ADM01 chamber. As an example I will enlarge on two different topics: Leakage: How good the vacuum can be depends very much on the leakage rate and the power of the pump. Leakage rate is given by the seals of the ADM01 cell itself and also on the fact if and how much the inner components are outgasing. As we did not tested the ADM01 for that purpose we can not say if vacuum can be applied there. However the Entrance and output windows withstand the ambient pressure. Limit of detection (LOD): The limit of detection also depends on the pressure as for lower gas pressure or even vacuum, there won´t be ambient gas any more which transmits the vibrational movements onto the tuning fork. As an result, most probably the LOD will decrease.
Ryan Sun  (posted 2020-01-13 03:50:37.59)
Dear Thorlabs, Could you explain to me what is the current's range(ampere) required by the power supply of ADM01?
nreusch  (posted 2020-01-14 02:04:48.0)
This is a response from Nicola at Thorlabs. Thank you for contacting us. The current consumption is about 20-30 mA.
Mincheol Jeon  (posted 2019-12-06 03:21:37.25)
Dear Thorlabs, could you please inform the drawing or size of the QTF?(ex. width, length of each tine and length between two tines...) Thank you!
nreusch  (posted 2019-12-09 02:30:37.0)
This is a response from Nicola at Thorlabs. Thank you for your feedback. You can download the AutoCAD file by clicking on the red document icon next to the item number and then choosing the Auto CAD PDF document or any other file format that you are interested in. Please contact your local Tech Support team if any information is missing.
Mincheol Jeon  (posted 2019-11-11 04:56:58.69)
I want to know what kind of the electrical modulation(sine) IN for QTF characterization.(voltage modulation? or current modulation..) And I want to know how much modulation input I have to put in. Best regards, Mincheol.
dpossin  (posted 2019-11-12 03:21:26.0)
Hello Mincheol, Thank you for your feedback. To characterize the QTF an sine signal between 3 and 50 mV (peak to peak) shall be applied. The actual voltage level depends on the pressure inside the measuring cell. To find the resonance frequency of the QTF one should start with a frequency slightly below 12455 Hz and slowly increase the frequency until resonant vibration is found. Please note that the applied voltage into the MODULATION IN is reduced by an factor of 256 via an voltage divider before it reaches the QTF.
Mincheol Jeon  (posted 2019-11-11 04:53:01.51)
I want to know what kind of the electrical modulation(sine) IN for QTF characterization.(voltage modulation? or current modulation..) Best regards, Mincheol.
Jean-Michel Melkonian  (posted 2019-09-20 08:41:50.633)
Dear Thorlabs, could you please update the specs of ADM01 to confirm whether it can be pumped down to near vacuum, because in relative pressure this results in -1 bar. Thank you.
MKiess  (posted 2019-10-14 06:08:23.0)
This is a response from Michael at Thorlabs. Thank you for the Feedback. We stated 1.5bar maximum pressure since that was up to now the maximum we tested with QEPAS measurements and are confident that it works. In terms of vacuum the lower limit depends on two factors: the tightness of the ADM01 and the pump that is used to evacuate. The strongest pump we have in our labortory brought us to the lower limit. The pressure sensor we have can measured 1Torr. Therefore, it would be worth considering changing the pressure specifications as follows: 1mbar to 1.5 bar (absolute pressure), i.e. from 1 Torr to 1125 Torr.
Ryan Sun  (posted 2019-09-09 16:37:17.883)
I wonder if the Maximum Gas Pressure in the specifications is absolute or relative. And what is the available temperature range of the module? Please explain these things, Best Regards. Ryan
dpossin  (posted 2019-09-10 09:10:56.0)
Hello Ryan, Thank you for your feedback. In general, the epoxy adhesive limits the mechanical use of the ADM module. The specified temperature range of this adhesive is from -40°C up to +90°C. Further the noise of the integrated pre amplifier shows higher noise with respect to increasing temperature. The temperature range for this part is -40°C up to 125°C. The specified pressure is given in absolute value.

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ADM01QEPAS用音響検出モジュール、Hylok繋手、フッ化バリウムウィンドウ
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