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KR101235145B1 - 연속파 레이저 및 광전증배관을 이용하는 분광분석장치 - Google Patents

연속파 레이저 및 광전증배관을 이용하는 분광분석장치 Download PDF

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KR101235145B1
KR101235145B1 KR1020110060040A KR20110060040A KR101235145B1 KR 101235145 B1 KR101235145 B1 KR 101235145B1 KR 1020110060040 A KR1020110060040 A KR 1020110060040A KR 20110060040 A KR20110060040 A KR 20110060040A KR 101235145 B1 KR101235145 B1 KR 101235145B1
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KR
South Korea
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wave laser
irradiation unit
particles
continuous wave
laser irradiation
Prior art date
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KR1020110060040A
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박기홍
곽지현
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광주과학기술원
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Publication date
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Abstract

연속파 레이저 및 광전증배관을 이용하는 분광분석장치가 개시된다. 보다 상세하게는 본 발명은, 도입되는 입자로 연속파 레이저를 조사하는 연속파 레이저 조사부와, 연속파 레이저에 의해 입자에서 발생하는 산란광을 측정하는 산란광 측정부와, 산란광 측정부에서 측정된 측정값이 미리 설정된 값 이상인 경우 트리거링 신호를 발생시키는 트리거링 신호 발생부와, 트리거링 신호를 입력받아 입자로 펄스파 레이저를 조사하는 펄스파 레이저 조사부 및 펄스파 레이저에 의해 입자에서 발생하는 원자 분광선을 측정하여 입자의 원소성분을 분석하는 분광분석부를 포함하는 분광분석장치에 관한 것이다.

Description

연속파 레이저 및 광전증배관을 이용하는 분광분석장치{Spectrometer using Continuous Wave Laser and Photomultiplier Tube}
본 발명은 연속파 레이저를 및 광전증배관을 이용하는 분광분석장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은,
종래의 "G.A. Lithgow" 등 (Ambient measurements of metal-containing PM2.5 in an urban environment using laser-induced breakdown spectroscopy, Atmos. Environ. 38, 3319-3328, 2004)과 "Carranza" 등 (On-line analysis of ambient air aerosols using laser-induced breakdown spectroscopy, Spectrochim. Part B. 56, 851-864, 2001)에 의해 보고된 LIBS (레이저유도플라즈마 분광분석) 시스템을 이용한 대기 중 미세먼지 단일입자의 실시간 측정은, 공기 중에 부유한 미세먼지를 집속 노즐 등을 통하여 미세먼지 경로를 가운데로 모아준 후 여기에 높은 헤르쯔 (보통 10 Hz)의 레이저를 조사하는 free-firing 방식으로 입자를 측정하여 왔다. 그러나, 이러한 방법에서는 레이저가 미세먼지에 정확히 hitting 될 수 있는 hitting efficiency가 매우 낮아 (약 0.1%) 수천 개의 레이저 shot 중 일부 몇 개만의 shot에서 단일입자에 대한 LIBS 스펙트럼을 얻을 수밖에 없으며 이로 인하여 입자측정 효율이 떨어지고 불필요한 blank 스펙트럼이 데이터의 많은 용량을 차지하게 되는 단점이 발생한다. 또한, 특정한 이벤트 (예, 황사 또는 국지오염)가 발생했을 때 기존의 free-firing 방식의 입자측정은 입자의 빠른 탐지 및 식별에 있어 상대적으로 덜 민감하게 되는 문제점이 보고되어 왔다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 관점으로부터 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미세입자의 측정시 펄스파 레이저의 조사를 제어하여 미리 결정된 입자 크기 이상의 미세입자에만 펄스파 레이저를 조사하는 기술을 제공함에 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 미세입자에 펄스파 레이저를 조사하여 여기서 방출되는 미세입자의 원자 분광선을 측정함으로서 미세 입자의 원소성분을 탐지하는 기술을 제공함에 있다.
그러나, 본 발명의 기술적 과제는 상기에 언급된 사항으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명에 따른 분광분석장치는, 도입되는 입자로 연속파 레이저를 조사하는 연속파 레이저 조사부와, 상기 연속파 레이저에 의해 상기 입자에서 발생하는 산란광을 측정하는 산란광 측정부와, 상기 산란광 측정부에서 측정된 측정값이 미리 설정된 값 이상인 경우 트리거링 신호를 발생시키는 트리거링 신호 발생부와, 상기 트리거링 신호를 입력받아 상기 입자로 펄스파 레이저를 조사하는 펄스파 레이저 조사부 및 상기 펄스파 레이저에 의해 상기 입자에서 발생하는 원자 분광선을 측정하여 상기 입자의 원소성분을 분석하는 분광분석부를 포함한다.
여기서, 상기 산란광 측정부는 상기 산란광을 입력받아 전기적 신호로 변환하고 상기 전기적 신호를 증폭하는 광전증배관 및 상기 증폭된 전기적 신호를 전달받아 상기 전기적 신호를 전압(voltage)값으로 측정하는 오실로스코프를 포함하는 것도 바람직하다.
그리고, 상기 트리거링 신호 발생부는 상기 오실로스코프에서 측정된 전압값이 미리 설정된 값 이상인 경우 상기 펄스파 레이저 조사부로 상기 트리거링 신호를 인가하는 것도 좋다.
또한, 상기 트리거링 신호 발생부는 상기 측정된 전압값이 미리 설정된 값을 초과하는 정도에 따라 상기 트리거링 신호를 상기 펄스파 레이저 조사부로 인가하는 타이밍을 달리하는 것도 바람직하다.
또한 바람직하게는, 상기 연속파 레이저 조사부는 상기 입자의 진행방향에 수직한 방향에서 연속파 레이저를 조사할 수 있을 것이다.
또한, 상기 펄스파 레이저 조사부에서 조사되는 상기 펄스파 레이저와 상기 입자의 접촉점은 상기 연속파 레이저와 상기 입자의 접촉점으로부터 미리 결정된 거리만큼 이격된 것이어도 좋을 것이다.
바람직하게는, 상기 펄스파 레이저 조사부는 상기 입자의 진행방향을 마주보는 방향에서 펄스파 레이저를 조사할 수 있을 것이다.
또한, 바람직하게는, 상기 펄스파 레이저 조사부는 상기 펄스파 레이저를 집속하여 상기 입자로 조사하기 위해 상기 펄스 레이저의 진행경로에 집속렌즈를 구비할 수 있을 것이다.
그리고, 본 발명에서 상기 연속파 레이저 조사부는 640nm파장의 연속파 레이저를 조사하며, 상기 펄스파 레이저 조사부는 1064nm파장의 펄스파 레이저를 조사하는 것을 일 특징으로 할 수 있을 것이다.
본 명세서의 기재내용으로부터 파악되는 본 발명에 따르면, 미세입자가 미리 결정된 입자크기 이상인 경우에만 펄스파 레이저를 조사하게 되므로 레이저가 미세입자에 히팅(hitting)되는 적중효율(hitting efficiency)을 높여 입자측정의 효율을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 펄스파 레이저의 조사를 제어할 수 있으므로 불필요한 미세입자의 분광 스펙트럼 데이터의 발생을 줄이는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따르면, 특정 이벤트(황사 또는 국지오염)이 발생했을 때, 미세입자의 빠른 탐지 및 식별이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 분광분석장치에 대한 설명을 위해 도시한 도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석장치를 설명하기 위해 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석장치가 구현된 예를 설명하기 위해 도시한 도이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 여기의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소에 바로 연결될 수도 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있음을 의미한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
본 발명에 대한 상세한 설명에 앞서, 종래의 분광분석장치 및 이를 이용하여 미세입자의 분광분석을 시행하는 방법에 관하여 설명한다. 이는, 본 발명의 발명 범주에 포함되는 것은 아니나, 대비적 이해를 통해 본 발명에 대한 보다 명확한 이해가 가능하게 할 것이다.
종래의 분광분석장치는 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 분광분석장치에 대한 설명을 위해 도시한 도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 분광분석장치는 펄스파 레이저 조사부(400), 스펙트로미터(510) 및 컴퓨터(520)로 구성된다. 미세입자(P)는 내부 노즐과 외부 노즐로 구성된 입자 도입기로부터 도입된다. 여기의 입자 도입기는 미세입자(P)가 흐르는 통로가 되는 내부 노즐 밖으로 외부 노즐이 형성되어 있는데, 이 외부 노즐에는 깨끗한 공기(Sheath air)가 흐르게 되어 내부 노즐을 관통하는 미세입자가 중앙에 집중되어 흐를 수 있도록 한다.
펄스파 레이저 조사부(400)는 내부 노즐을 경유하여 외부로 흐르는 미세입자(P)에 펄스파 레이저를 조사한다. 구체적 구현예에서 이 펄스파 레이저 조사부(400, Q-switch laser) 1064nm 파장의 펄스파 레이저를 조사한다. 펄스파 레이저 조사부(400)의 전방에는 집속렌즈(L4)가 위치하여 펄스파 레이저를 집속하여 미세입자(P)에 조사될 수 있도록 한다.
펄스파 레이저가 미세입자(P)에 조사되면, 고온의 플라즈마가 형성되어 미세입자(P)가 생성된 플라즈마 안에서 원자화, 이온화되어 여기상태(excited state)로 된 후 기저상태(ground state)로 떨어진다. 스펙트로미터(510)는 미세입자(P)가 여기상태에서 기저상태로 떨어질 때 방출되는 원자 분광선(emission light)을 측정하여 미세입자의 원소성분을 분석한다.
이러한 종래의 분광분석장치에서는 미세입자에 펄스파 레이저를 조사함에 있어서, 약 10Hz의 펄스파 레이저를 free-firing방식으로 조사한다. 따라서, 펄스파 레이저가 미세입자에 접촉(hitting)되는 확률이 매우 낮아 수천 개의 레이저 샷(shot) 중 일부의 샷에서만 미세입자에 대한 분광스텍트럼을 얻게 되며, 이는 결국 미세입자 측정의 효율을 저해하고, 불필요한 blank 스텍트럼 데이터를 발생하게 하는 문제점이 있다.
이하에서는 상술한 문제점을 개선하기 위해 안출된 본 발명에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석장치는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 분광분석장치(10)는 연속파 레이저 조사부(100), 산란광 측정부(200), 트리거링 신호 발생부(300), 펄스파 레이저 조사부(400) 및 분광 분석부(500)를 포함한다.
연속파 레이저 조사부(100)는 도입되는 입자로 연속파 레이저를 조사한다. 여기서, 입자는 미세입자를 지칭하며, 미세입자는 종래 기술에서 개시된 바와 같이, 내부 노즐과 외부 노즐로 구성된 입자 도입기로부터 분광분석장치(10)로 도입된다. 연속파 레이저 조사부(100)는 도입되는 미세입자로 연속파 레이저를 조사하여 미세입자로부터 산란광이 방출되도록 한다.
산란광 측정부(200)는 상술한 연속파 레이저에 의해 미세입자에서 발생하는 산란광을 측정하기 위해 구비된다. 여기의 산란광 측정부(200)는 광전증배관(도 3의 210 참조)과 오실로스코프(도 3의 220 참조)를 포함하는데, 광전증배관은 산란광을 입력받아 전기적 신호로 변환하고 이 전기적 신호를 증폭시키며, 오실로스코프는 증폭된 전기적 신호를 전달받아 상기 전기적 신호를 전압(voltage)값으로 산출한다.
트리거링 신호 발생부(300)는 상술한 산란광 측정부(200)에서 측정된 측정값이 미리 설정된 값 이상인 경우 트리거링 신호를 발생시킨다. 보다 구체적으로 트리거링 신호 발생부(300)는 산란광 측정부(200)의 오실로스코프에서 산출된 전압값이 미리 설정된 값 이상인 경우 트리거링(triggering) 신호를 발생시키도록 구비된다. 즉, 오실로스코프에서 산출된 전압값은 미세입자의 입자 크기에 영향받는데, 전압값이 높다는 것은 미세입자의 크기가 크다는 것을 의미한다. 따라서, 타겟 미세입자의 입자크기 하한을 설정하고 이에 해당하는 전압값을 세팅하는 것에 일정 입자크기 이상의 미세입자가 포착된 경우에만 트리거링 신호는 발생된다.
펄스파 레이저 조사부(400)는 상기 트리거링 신호를 입력받아 미세입자로 펄스파 레이저를 조사한다. 다시 말하면 펄스파 레이저 조사부(400)에서 펄스파 레이저는 산란광 측정부(200)의 오실로스코프에서 산출된 전압값이 미리 설정된 값 이상인 경우에만 미세입자로 조사된다.
분광 분석부(500)는 상술한 펄스파 레이저 조사부(400)의 펄스파 레이저에 부딪히는 미세입자에서 발생하는 원자 분광선을 측정하여 상기 미세입자의 원소성분을 분석하기 위해 구비된다. 분광 분석부(500)의 구성은 종래의 분광분석장치와 동일하므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석장치의 구현예 및 그 작동과정에 대한 설명을 개시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석장치가 구현된 예를 설명하기 위해 도시한 도이다.
도 3에 도시된 바를 참조하면, 미세입자(P)는 입자도입기로부터 도입되는데, 여기의 입자도입기는 상술한 바 있으므로 여기서는 설명을 생략한다. 입자도입기로부터 도입된 미세입자(P)에 연속파 레이저 조사부(100)에서 연속파 레이저(continuous wave laser)가 조사된다. 연속파 레이저 조사부(100)는 구체적인 구현예에서 640nm 파장의 연속파를 발생하는 레이저 다이오드로 구현됨이 바람직하다. 또한, 연속파 레이저 조사부(100)는 미세입자(P)의 진행방향에 대하여 수직인 위치 즉, 도면상에서 측면에서 미세입자(P)가 흐르는 진행방향 쪽으로 연속파 레이저를 조사함이 바람직하다. 또한, 연속파 레이저 조사부(100)의 전방에 집속렌즈(L5)를 두어 집속된 연속파 레이저가 미세입자(P)로 조사될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
미세입자(P)은 연속파 레이저에 맞게 되면 산란광(scattering light)을 발생한다. 이 산란광은 산란광 측정부(200)에 의해 측정되는데, 구체적으로 산란광 측정부(200)의 광전증배관(210, PMT; PhotoMultiplier Tube)에서 산란광이 광-전 변환되어 전기적 신호로 변환되고 증폭된다. 도시된 전원 공급부(211, power supply)은 광전증배과에 전원을 공급하기 위한 것으로 별도의 것으로 도시되었으나, 광전증배관(210)의 내부에 포함되어 일체로 구현되는 것도 가능함을 물론이다. 또한, 산란광을 수집하기 위해 집속렌즈(L6)를 광전증배관(210)의 전단에 구비하는 것도 바람직하다.
증폭된 전기적 신호는 오실로스코프(220)로 전달된다. 오실로스코프(220)에서는 전기적 신호를 전압(voltage)값으로 산출한다.
트리거링 신호 발생부(300, delay generator)는 오실로스코프(220)에서 산출된 전압값을 입력받아 상기 전압값이 미리 설정된 값 이상이 경우에 트리거링 신호를 후술할 펄스파 레이저 조사부(400)로 인가한다. 여기서, 미리 설정된 값이란, 측정 대상이 되는 미세입자를 결정하기 위해 세팅되는 값으로, 미세입자의 입자크기에 따라 오실로스코프에서 산출되는 전압값이 달라짐을 이용하여 설정되는 값임은 상술한 바 있다.
한편, 트리거링 신호 발생부(300)에서 발생되는 트리거링 신호는 측정된 전압값이 미리 설정된 값을 초과하는 정도에 따라 상기 트리거링 신호를 펄스파 레이저 조사부(400)로 인가하는 타이밍을 달리하는 것이 좋다. 즉, 오실로스코프(220)에서 미세입자(P)의 크기가 클수록 큰 전압값이 산출되는데, 미세입자(P)에 의한 전압값의 크기가 미리 설정된 값을 넘으나 이러한 미리 설정된 값을 넘는 미세입자들 중 상대적으로 큰 전압값을 갖는 미세입자의 경우 상대적으로 낮은 전압값을 갖는 미세입자의 경우보다 트리거링 신호를 발생하는 타이밍을 빨리하는 것이 바람직하다. 이는 미세입자의 크기가 클수록 낙하 속도가 빠르게 되므로 펄스파 레이저 조사부(400)의 위치가 세팅된 경우 미세입자(P)에 조사되는 레이저의 초점거리를 정확히 맞추기 위함이다.
펄스파 레이저 조사부(400)는 상술한 트리거링 신호가 인가되는 경우에만 펄스 레이저를 미세입자(P)로 조사하도록 구비된다. 즉, 트리거링 신호는 특정한 입자크기 이상을 갖는 미세입자(P)에 의한 산란광으로부터 도출되므로 펄스파 레이저는 상기 특정한 입자크기 이상을 갖는 미세입자(P)에만 조사된다. 펄스파 레이저 조사부(400)는 구체적인 구현예에서 1064nm 파장의 펄스파를 발생한다. 또한, 펄스파 레이저 조사부의 전단에는 펄스파 레이저를 집속하여 미세입자(P)로 조사하기 위해 집속렌즈(400)를 구비함이 바람직하다. 이 때, 도 3 의 확대도면(원형 점선부분)을 참조하면, 펄스파 레이저 조사부(400)에서 조사되는 펄스파 레이저가 미세입자(P)와 접촉하는 접촉점(C2)은 연속파 레이저 조사부(100)에서 조사되는 연속파 레이저가 미세입자(P)와 접촉하는 접촉점(C1)으로부터 일정 거리 이격된다. 바람직하게는 펄스파 레이저 조사부(400)는 연속파 레이저 조사부(100)가 위치한 곳에서 미세입자(P)의 진행방향을 따라 아래쪽에 위치된다.
한편, 연속파 레이저 조사부(100)는 여러 미세입자들 전부에 연속파를 조사해야기 때문에 미세입자(P)의 진행방향에 수직하는 옆면에서 조사되도록 설치됨이 바람직한, 펄스파 레이저 조사부(400)는 특정한 미세입자 하나에 펄스파를 조사하는 것이므로 미세입자(P)의 진행방향을 정면으로 마주보도록 설치됨도 바람직하고, 또는 연속파 레이저 조사부(100)와 마찬가지로 미세입자(P)의 진행방향에 수직한 위치에 설치되는 것도 무방하다.
펄스파 레이저가 미세입자(P)에 조사되면, 고온의 플라즈마가 형성되어 미세입자(P)가 생성된 플라즈마 안에서 원자화, 이온화되어 여기상태(excied state)로 된 후 기저상태(ground state)로 떨어진다. 스펙트로미터(510)는 미세입자(P)가 여기상태에서 기저상태로 떨어질 때 방출되는 원자 분광선(emission light)을 측정하여 미세입자의 원소성분을 정성적 및 정량적으로 분석한다. 스펙트로미터에서 이루어지는 원소의 화학적 분석에 대하여는 공지의 기술을 참조하여 이해함이 가능하며, 이는 본 발명의 범주에 포함되는 것은 아니므로 이에 대한 설명은 생략한다.이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 사상적 범주에 속한다.
100:연속파 레이저 조사부 200:산란광 측정부
300:트리거링 신호 발생부 400:펄스파 레이저 조사부
500:분광 분석부

Claims (9)

  1. 도입되는 입자로 연속파 레이저를 조사하는 연속파 레이저 조사부;
    상기 연속파 레이저에 의해 상기 입자에서 발생하는 산란광을 측정하는 산란광 측정부;
    상기 산란광 측정부에서 측정된 측정값이 미리 설정된 값 이상인 경우 트리거링 신호를 발생시키는 트리거링 신호 발생부;
    상기 트리거링 신호를 입력받아 상기 입자로 펄스파 레이저를 조사하는 펄스파 레이저 조사부; 및
    상기 펄스파 레이저에 의해 상기 입자에서 발생하는 원자 분광선을 측정하여 상기 입자의 원소성분을 분석하는 분광분석부를 포함하고,
    상기 산란광 측정부는 상기 산란광을 입력받아 전기적 신호로 변환하고 상기 전기적 신호를 증폭하는 광전증배관; 및 상기 증폭된 전기적 신호를 전달받아 상기 전기적 신호를 전압(voltage)값으로 산출하는 오실로스코프를 포함하며,
    상기 트리거링 신호 발생부는 상기 오실로스코프에서 산출된 전압값이 미리 설정된 값 이상인 경우 상기 펄스파 레이저 조사부로 상기 트리거링 신호를 인가하되, 상기 측정된 전압값이 미리 설정된 값을 초과하는 정도에 따라 상기 트리거링 신호를 상기 펄스파 레이저 조사부로 인가하는 타이밍을 달리하는 것을 특징으로 하는 분광분석장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 연속파 레이저 조사부는
    상기 입자의 진행방향에 수직한 방향에서 연속파 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 분광분석장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 펄스파 레이저 조사부에서 조사되는 상기 펄스파 레이저와 상기 입자의 접촉점은 상기 연속파 레이저와 상기 입자의 접촉점으로부터 미리 결정된 거리만큼 이격된 것임을 특징으로 하는 분광분석장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 펄스파 레이저 조사부는
    상기 입자의 진행방향을 마주보는 방향에서 펄스파 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 분광분석장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 펄스파 레이저 조사부는
    상기 펄스파 레이저를 집속하여 상기 입자로 조사하기 위해 상기 펄스 레이저의 진행경로에 집속렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 분광분석장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연속파 레이저 조사부는 640nm파장의 연속파 레이저를 조사하며,상기 펄스파 레이저 조사부는 1064nm파장의 펄스파 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 분광분석장치.
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