KR100225775B1 - 고체표본 분석장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

고체 표본을 분석하기 위한 방법은 다음과 같은 단계들: 즉, 최소 100㎐이상의 주파수와 1㎲ec 혹은 그 이하의 반폭을 가지는 펄스 레이저빔을 생성하는 단계; 레이저 조사구역을 결정하는 단계; 미소입자를 생성하기 위해 고체 표본의 일부분을 증발하고 비활성 가스 흐름속에서 펄스 레이저빔을 조사하는 단계; 상기 미소입자를 검출기로 전달하는 단계 및 검출기에서 원소분석을 수행하는 단계로 이루어진다.

고체 표본분석 장치는 반도체 레이저를 포함하는 레이저 발진장치; 레이저빔을 수렴하기 위한 수렴장치; 미소입자를 생성하기 위해 수렴된 레이저빔을 조사하는 조사장치; 원소분석을 수행하기 위한 분석기; 및 상기 분석기에 미소입자를 전달하기 위한 전달장치로 구성된다.

Description

고체표본 분석장치 및 방법{METHOD FOR ANALYZING SOLID SPECIMEN AND APPARATUS THEREFOR}

본 발명의 목적은 분석의 정확성이 향상되고 장치의 크기와 무게가 감소된 고체표본 분석장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 고체표본을 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 미소입자를 집진하기 위해 레이저빔이 고체표본의 표면위에 조사되고 수집된 미소입자들이 원소분석을 위해 분석기에 전달되는 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래의 레이저 증발분석에 있어서, 수렴된 레이저 빔 펄스가 모 표본의 일부분을 증발시키기 위해 비활성 가스 유체속에서 금속이나 세라믹과 같은 고체 모 표본의 표면 위에 조사되고 이렇게 증발된 모 표본을 냉각하여 얻은 미소입자 표본은 원소분석을 위해 비활성 가스 유체속에서 분석기로 전달되므로서 모 표본에 존재하는 원소들이 미소입자에 대한 분석결과로부터 결정되어 졌다.

이와 같은 레이저 증발 분석기술의 전형적인 예는 일본 공개 특허공보 제7-72047에 잘 나타나 있는바, 여기서 관련 레이저조사조건들은 다음과 같다. 즉, 선택증발비(모 표본에 존재하는 원소의 농도에 대한 미소입자에 존재하는 원소의 분석농도 비)의 범위는 생성된 미소입자의 양에 의존하여 결정되고 레이저 빔 펄스는 100 ㎾／㎟에서 500 ㎿／㎟에 이르는 에너지 밀도, 100㎐ 혹은 그 이상의 주파수 및 50nsec에서 400nsec에 이르는 펄스 반폭에서 조사되어 진다.

그러나, 이러한 레이저 조사 조건들은 5%이내의 상대 표준편차를 가지는 분석에 대한 것이다. 실제 스파크 방출 분광분석이 2%이내의 상대 표준편차를 가지기 때문에 이러한 레이저 증발분석은 스파크 방출 분광분석에 버금가는 정확성이 요구된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 그 목적은 분석의 정확성이 향상되고 장치의 크기와 무게가 감소된 고체표본 분석장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 다음과 같은 단계들: 즉, (a)펄스 레이저빔을 생성하는 단계; (b)레이저 조사구역을 결정하는 단계; (c)미소입자를 생성하기 위해 펄스 레이저빔을 조사하는 단계; (d)미소입자를 더 생성하기 위해 단계(c)를 반복하는 단계; (e)생성된 미소입자를 검출기로 전달하는 단계; 및 (f)검출기에서 원소분석을 수행하는 단계로 이루어진 고체표본 분석방법을 제공한다.

상기 단계(a)에서, 펄스 레이저빔은 최소 100HZ이상의 주파수와 1μsec 혹은 그 이하의 반폭을 가진다.

단계(b)에서, 레이저 조사구역은 그 에너지 밀도가 아래의 방정식을 만족하도록 결정된다.

Q＞t^1／2ⅹα／γ

여기서, Q : 에너지 밀도(J／㎠)

t : 펄스 반폭

α : 분석표본의 고유 매개변수

γ : 레이저빔의 흡수계수

단계(c)에서, 미소입자는 비활성 가스유체속에서 고체표본의 표면 위 조사구역에 펄스 레이저빔을 조사하고 그 표본의 일부분을 증발시키는 것에 의해 생성된다.

단계(d)에서, 미소입자는 단계(c)에서 펄스 레이저빔이 조사된 동일표면위에 조사를 반복함으로써 더 생성되어진다.

단계(c) 및 (d)에서, 레이저는 반도체 레이저를 포함하는 레이저 발진수단으로부터 조사된다.

또한, 본 발명은 반도체 레이저를 포함하는 레이저 발진수단; 레이저 발진수단으로 부터 발진된 레이저빔을 수렴하는 수렴수단; 표본의 일부분을 증발해서 미소입자를 생성하기 위해 고체표본의 표면 위에 수렴된 레이저빔을 조사하는 미소입자생성수단; 및 생성된 미소입자 표본의 원소분석을 수행하기 위한 분석기 및 미소입자를 분석기로 전달하기 위한 전달수단으로 구성된 고체표본 분석장치를 제공한다.

상기에서, 레이저 발진수단은 반도체 레이저, 레이저 로드, 및 광섬유 케이블로 구성할 수 있다. 여기서 반도체 레이저는 레이저빔을 생성하고, 레이저 로드는 반도체 레이저로부터 레이저빔을 받으며 광섬유 케이블은 반도체 레이저와 레이저로드를 연결한다.

레이저 발진수단은 반도체 레이저, 레이저 로드, 및 레이저 로드의 양 끝단에 설치된 공진기로도 구성할 수 있다. 또한 레이저 발진수단은 펌핑 광원으로서의 반도체 레이저와 연속적으로 Q스위치 레이저빔을 발진하기 위한 고체 레이저매체 및Q스위치 소자로 구성될 수 있다.

수렴수단은 표본의 표면 위에 레이저 발진수단으로부터의 레이저빔을 수렴하기 위한 수렴렌즈와 표본의 표면 위에 레이저빔의 촛점을 소정 진폭으로 진동시키기 위한 촛점 진동수단으로 구성된다.

전달수단은 미소입자 표본과 밀접하게 접촉하는 것에 의해 그것을 분석기로 전달하기 위한 전달셀로 구성할 수 있다.

촛점 진동수단은 소정 진폭에 대해서 조사된 레이저빔에 직각인 수평. 수직방향으로 수렴렌즈를 진동시키기 위한 렌즈 진동수단으로 구성할 수 있다.

상기의 구성수단 대신에, 촛점 진동수단은 그 축이 서로 직각을 이루는 두쌍의 주사거울, 소정 각에서 주사거울을 왕복운동 시키기 위한 초음파 전동기 및 수렴렌즈로도 구성될 수 있다. 여기서 레이저빔의 축은 주사거울의 상반회전에 의해수직. 수평방향으로 진동된다.

또한 다르게는, 촛점 진동수단은 평면주사를 위해 레이저빔의 축을 편향시키는 음향광학 편향기로 구성될 수도 있다.

나아가, 본 발명은 미소입자를 생성하기 위해 고체표본 위에 펄스 레이저빔을 조사하는 과정, 및 미소 입자의 성분을 결정하는 과정, 소정 속도로 분석되어 지는 위치를 연속적으로 이동하는 과정, 미소입자의 성분이 1분의 시간간격으로 측정되어 지는 순시값을 측정하는 과정, 및 상기 순시값의 분석에 의해 비균일 용해부분에 포함된 성분의 양과 균일 용해부분에 포함된 성분의 양을 결정하는 과정으로 이루어진 고체표본의 분석방법을 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증발 분석방법이 적용된 장치구성을 나타내는 블록선도이다.

도2A는 선택증발비(m)가 1보다 작을 때, 조사주기수와 미소입자의 농도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도2B는 선택증발비(m)가 1보다 작을 때, 모표본의 깊이와 농도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도3A는 선택증발비(m)가 1보다 클 때, 조사주기수와 미소입자의 농도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도3B는 선택증발비(m)가 1보다 클 때, 모표본의 깊이와 농도 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도4는 금속표본에서 각 원소의 끊는점과 미소입자의 선택증발비 사이의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증발 분석기에 사용된 레이저 발진부분의 구성을 나타내는 블록선도이다.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증발 분석기의 전체구성을 나타내는 블록선도이다.

도7은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 개략도이다.

도8은 렌즈 진동 메커니즘의 정면 개략도이다.

도9 ~ 도13은 본 발명에 따른 장치의 다른 일 실시예의 개략도이다.

도14는 순시값의 보기를 나타내는 그래프이다.

도15는 파형분석의 일 실시예로서 분석구역의 분할을 나타내는 그래프이다.

도16은 비균일 침전부분에서 매분당 순시값을 나타내는 개략도이다.

도17은 분석위치의 이동을 나타내기 위한 레이저 증발장치의 개략도이다.

도18은 레이저 ICP(유도결합 플라스마)분석기의 평면 개략도이다.

도19는 종래의 방출 분광기술에서의 분석시간과 레이저 ICP 분석방법에 의한 분석시간을 비교한 도표이다.

도20A 및 도20B는 종래의 방출 분광기술을 사용한 변환기 동작과 레이저 ICP 분석방법에 의한 변환기 동작을 비교한 도표이다.

도21은 수동 레이저 ICP 분광기의 투시도이다.

도22는 본 발명을 수행하기 위한 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도23은 본 발명을 수행하기 위한 다른 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도24A, 도24B 및 도24C는 연속주조 탄소강의 중심편석의 점적시험 결과를 나타내는 그래프이다.

도25는 수동 레이저 ICP 분광기를 사용한 거친압연물질의 중심편석에 대한 분석의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도26은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예를 나타내는 정면 개략도이다.

도27은 본 발명에 따른 장치의 또 다른 일 실시예를 나타내는 평면 개략도이다.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1:전기 레이저 2:레이저 로드

3, 205, 305:Q-스위치 4, 206:빔확장기

5,6:주사거울 7,104, 207, 313:수렴렌즈

8:분석셀 10:아르곤소스

11:전달파이프 12:분석기

20,105:고체표본 101, 202:레이저 발진 부분

102:레이저빔 103:회전거울

108, 209, 315: 조사셀 114: 고주파수 플라스마 토치

112: 파이프 113: 유량조절기

116: 분광계 201,301: 반도체 레이저 발진기

204, 304:YAG 로드 208: 렌즈 진동 메카니즘

210: 프레임 212:스프링

216: 전동기 215: 캠

213: 이송나사 211: 테이블

217: 수직 지지대 218: 가스유입구

219, 317: 전달포트 302: 레이저 조사헤드

303: 전달케이블 307: 출력거울

308: 레이저수렴 메카니즘 309: 반사거울

311: 제1주사거울 312: 제2주사거울

310, 310': 초음파 전동기 316: 가스인입구

407: 음향광학편향기

본 발명에 따르면, 100㎐ 혹은 그 이상의 주파수 및 1㎲ec 혹은 그 이하의 반폭을 가지는 펄스 레이저빔이 표본의 조사표면위로 2차원 주사에 의해 조사되는데 조사 에너지 밀도는 분석표본의 열적 및 광학적 흡수도 특성에 의해 결정되는 한계치를 만족하고 이때 동일 조사표면은 반복된 조사주기에 의하여 미소입자를 형성하도록 에칭된다. 예를 들어, 표본위 조사점적의 직경은 10㎛ 혹은 그 이상이 되도록 설정되며 레이저 조사 조건과 광학 시스템은 평균 에너지 밀도가 아래의 방정식(1)을 만족하도록 설정되어 지고 이때 레이저빔은 전체 조사표면 위에 2차원적으로 주사되며 미소입자를 형성하기 위해 동일조사 표면에 반복 조사된다.

Q ＞ t^½× α／γ ............ (1)

여기서 t는 레이저 펄스 반폭을, α는 분석표본의 고유 매개변수를, γ은 레이저빔의 흡수계수를 나타낸다.

흡수계수 γ＝Q_a／Q_t에 의해 결정된다. 여기서, Q_a는 표본의 흡수열량이고 Qt는 전 조사열량이다. 조사전력P(W)를 가지는 레이저빔은 시간 t초 동안 표본에 조사되며 표본의 흡수열량Q_a는 Q-스위치의 적용없이 증발되지 않는 조건에서 측정된다. 전 조사 열량 Q_t는 방정식 Q_t＝Ｗ×ｔ／4.2 (㎈)에 의해 계산된다.

매개변수 α는 다음과 같이 결정된다.

순수한 금속과 같은 순수물질에서, 서로 다른 에너지 밀도를 갖는 레이저빔이 소정 흡수계수γ를 갖는 표본 위에 조사된다. 에너지 밀도의 한계치는 샘플 점적의 물리적 성질로부터 결정된다. 한계치에서, 표본은 증발되어 지고 샘플 점적은 구멍형을 이룬다. 매개변수α가 에너지 밀도의 한계치와 흡수계수γ로부터 결정된다. 복수개의 원소들이 결합된 표본에 있어서는, 순수한 원소 각각에 대해 매개변수α가 얻어지는데 그중 가장 높은 값의 매개변수α가 채택된다. 또 다른방법으로서, 매개변수α는 조성비와 에너지 밀도사이의 관계로부터 얻어질 수도 있을 것이다. 여기서 조성비는 가장 높은 매개변수α를 가지는 원소의 함량 대 가장 많이 포함된 원소의 함량비이다. 매개변수α는 높은 조성비를 가지는 안정한 에너지 밀도와 흡수계수γ로부터 얻어진다.

신뢰성 높은 레이저 증발분석에 있어서, 생성된 미소입자들은 다음의 특성들을 만족해야 한다.

(1) 미소입자의 조성은 거의 모 표본의 조성과 동일해야 한다. 즉, 선택증발비가 거의 1에 가깝다.

(2) 미소입자의 크기는 분석기에서 간단히 증발 분해되도록 단순 분산분포를 가진다.

선택증발비가 1로부터 멀어진다는 것은 표본의 선택적인 증발의 비율이 레이저 조사시에 큰 편차로 증가하고 표본의 양이 그 편차를 보상하기 위해 증가해야 한다는 것을 의미한다. 1에 가까운 안정한 선택 증발비는 편차가 거의 없는 동일조성의 미소입자를 형성하고 그 결과 분석의 정확성이 높아진다.

다음은 미소입자의 생성을 위한 기본적인 레이저 조사 조건이다.

(a) 레이저빔이 조사되어 지는 곳은 표본에 함유된 모든 성분이 증발되도록 높은 온도에서 순간적으로 가열된다. 레이저조사 후, 레이저빔이 조사된 곳은 서로 다른 증기압과 열 전도도에 기인하는 선택증발이 억제될 수 있도록 즉시 냉각된다.

(b) 레이저 조사시 용융이 최소화되고 용융물의 산란에 의한 미소입자의 생성이 극소화된다.

물질에 레이저빔이 가해졌을 경우의 효과에는 조사 레이저빔의 전력이 높지 않을 경우 레이저빔의 흡수에 기인하는 열생성 및 레이저빔의 고 전력 전자기파에 의해 생성된 전기장에서 물질이 직접 이온화되는 항복현상과 같은 주요한 효과를 포함한다. 표본증발을 위한 외부 에너지는 열 전도도, 비열, 밀도, 용융온도, 용융열, 증발온도, 및 증발열량에 의존한다. 레이저빔 에너지원에 있어서도, 외부 에너지는 표본의 레이저 흡수율에 의존한다. 레이저 흡수율은 표본에서의 고유 흡수율과 조도, 오염과 같은 표본의 표면특성에 의존한다. 소정 구역으로 조사된 레이저빔의 에너지 밀도가 한계치보다 높을 때, 표본에 존재하는 모든 성분들이 순간적으로 증발되는데 그 한계치는 표본의 고유한 성질인 열 전도도, 증발열량 등에 따라 변한다.

예를 들어, MO(몰리브덴) 및 W(텅스텐)와 같은 높은 비등점을 가진 순수금속이 증발될 수 있는 온도는 금속표본에 존재하는 모든 성분을 증발시키기 위한 온도조건으로 설정될 수 있다. 낮은 온도에서 조사하면, 높은 비등점을 가진 금속은 표본의 레이저 증발을 억제하는 순수 금속상태를 형성하기 위해 표면 상층부에 축적된다. 높은 비등점을 가진 순수 금속으로서W(텅스텐)의 증발조건은 연구되어져 있다. 20 nsec의 반폭을 가진 단일모드 조사 레이저에 대해, 펄스 에너지는 0.04mJ이고 촛점이 맞춰진 빔의 직경은 60㎛Ø이다. 합금과 같은 혼합물과 순수물질 사이의 가장 큰 차이점은 레이저광의 흡광도에 있다. 예를 들어, 순수한 구리가 1㎛ 파장의 빛에 대해 0.02의 흡광도를 가지는 반면 강철을 함유한 구리는 최소 10배이상의 흡광도를 가진다. 세라믹 표본은 그 낮은 열 전도도로 인해 동일 조사 에너지에 더 빨리 증발하므로 높은 비등점을 갖는 순수 금속에 대한 온도조건이 세라믹 표본에도 적용된다. 그러나, 매우 엄격한 증발조건이 석영유리와 같은 높은 레이저 투광도를 가진 물질에 요구되기 때문에 조사조건은 레이저 흡수율을 고려하여 결정되어야 한다.

실제 레이저빔은 2차원의 에너지 분포를 갖기 때문에 레이저빔으로 조사된 표면전체가 그러한 조건을 만족하기는 힘들다. 따라서 선택증발은 단일펄스 조사로 선택증발이 수행된다. 레이저빔이 균등하게 주사되고 개개의 점 직경을 무시할 수 있을 정도의 넓은 지역에 걸쳐 조사될 때, 그리고 개개의 조사펄스의 영향이 깊이 방향으로 무시될 수 있는 그러한 넓은 지역 위에 반복 조사될 때 선택증발은 실질상 일어나지 않는다.

단일펄스 조사시 어떤 지역에서 선택증발이 행해지지 않으면 모 표본의 잔여 표면조성은 생성된 미소입자의 조성과 반대가 된다. 즉, 증발되기 쉬운 성분들은 희석화되고 증발되기 어려운 성분들은 농축된다. 상기의 잔여표면에 단일펄스가 조사되면 선택증발을 한 결과처럼 모표본의 조성과 유사한 조성을 가진 미소입자가 생성되고 보다 깊은 층에까지 연속적으로 조사하면 모표본과 동일한 조성을 가지는 미소입자를 생성하기 위한 만족스런 상태를 만들어 낸다. 즉, 조사된 부분의 표면은 모표본에서의 조성과 달라지는 반면 동일한 부분에서 생성된 미소입자의 조성은 모표본의 조성과 일치된다. 실제 그러한 연속조사가 성취되기 위해서는 각 펄스의 조사 에너지 밀도는 모든 성분들을 증발하기에 충분할 정도로 높아야 하며 분석시간을 짧게 하기 위해 펄스조사는 고주파수로 반복되어야 한다.

라인 및 스포트 조사방법에서, 서로 다른 농도를 가진 용융부분은 증발이 초래한 압력 때문에 측면에 이동해서 응고되므로 서로 다른 농도를 가진 전체 부분은 다음 레이저 조사에 의해 증발될 수 없다. 따라서 연속되는 일련의 조사가 모표본과 다른 조성을 가진 부분에는 미칠 수 없게되어 미소입자의 조성은 거의 선택조사에 의해서만 영향을 받게된다. 다양한 농도를 가진 부분이 동일지역에서의 반복조사에 의해 완전히 증발될 수 있으며 모표본의 조성과 미소입자의 조성이 동일한 고정된 상태를 성취할 수 있다. 다른 농도를 가진 가장자리의 영향은 조사지역의 크기를 최대한 활용하는 것에 의해, 예를 들어, 단일펄스 점적직경의 최소 10배 이상의 지역을 조사하는 것에 의해 무시될 수 있다.

레이저 증발분석에서, 같은 지점에 관한 반복조사 사이클수는 이론적으로 다음과 같이 논의될 수 있을 것이다.

모표본에 함유된 주어진 원소의 농도를 C_O로 가정하고 최초 레이저 조사시 생성된 미소입자의 농도를 C_P1이라 가정한다. 주어진 조사조건에서 선택증발비를 m이라 할 때, 미소입자의 농도는 C_P1＝mC_O로 표현할 수 있다. 레이저 조사에 대하여 조사된 면적 S에 대한 그 깊이 d를 갖는 지역의 증발은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1) m＜1일 때, 혹은 미소입자에서의 원소농도가 모표본에서의 원소농도보다 작을 때(도2 참조):

C_O- C_P1의 농도를 가진 비증발 부분이 최초 조사단계 후에 표본의 표면 위에 축적되기 때문에 표면농도 C1은 다음과 같이 표현될 수 있다.:

C₁＝ C_O+ (C_O- C_P1)

＝ C_O｛1+(1-m)｝ ....................(2)

동일 표면에 관한 두 번째 조사단계에서 생성된 미소입자의 농도 C_P2는 다음과 같다.:

C_P2＝ mC₁

＝ C_O×m×｛1+(1-m)｝

따라서, 표면농도 C2는 다음과 같다.:

C₂＝ C_O+ (C₁- C_P2)

＝ C_O〔1+1+(1-m)-m｛1+(1-m)｝〕

＝ C_O〔1+(1-m)+(1-m)²〕＝

C_O〔1-(1-m)³〕/m ......................(3)

따라서, 동일 표면에 관한 세 번째 조사단계에서 생성된 미소입자의 농도 C_P3는 다음과 같다.:

C_P3＝ C_O〔1-(1-m)³〕

상기와 마찬가지로, 동일 표면에 관한 n 번째 조사단계에서 생성된 미소입자의 농도는 다음과 같다.:

C_PN＝ C_O〔1-(1-m)ⁿ〕.................................(4)

상기 방정식(4)는 m＞0일 때, 즉 모든 원소들이 증발할 수 있는 조건이 만족될 때 미소입자의 농도는 조사 횟수가 n으로 증가함에 따라 모표본의 농도 C_O에 접근한다는 것을 나타낸다. 더욱이, 방정식(4)은 최초 레이저 조사의 선택 증발비가선택 증발이 일어나지 않는 조사 사이클의 수를 결정한다는 것을 나타낸다. 예를 들어, 모표본의 농도와 미소입자의 농도사이에 존재하는 상대적인 차이를 5% 혹은 그 이하로 내리기 위해 필요한 조사 사이클수는 선택증발비가 0.9일 때 2이며, 그 비가 0.5일 때 5이고, 그 비가 0.1일 때 30이다.

(2) m＞1일 때, 혹은 미소입자에서의 원소농도가 모표본에서의 원소농도보다 훨씬 클 때(도3 참조):

원소는 모표본의 용융부분 및 이와 동등한 부분의 내부로부터 확산에 의해 표면층으로 이동하고 그 표면으로부터 증발한다. 이리하여, 표면에서 원소의 농도는 조사 후 감소된다. 이러한 농도의 감소는 두 번째 및 그 다음 조사단계시 내부로부터 확산에 의해 보상된다. 고정상태에 도달하기 위해 필요한 조사 사이클의 수는 레이저 조사조건에 의존한다. 본 발명에서, 농도편차가 순간적인 고전력 입력으로 인해 크기 때문에 확산층이 좁다. 따라서, 고정상태는 두 번째 조사단계 후에 얻어진다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증발 분석방법이 적용된 장치구성을 나타내는 블록선도이다. 이 장치에서, 전력이 전기 레이저(1)로부터 고체상 레이저 로드(2)로 공급된다. 고체상 레이저로드(2)는 전원에 의해 여기되고 발진된다. 광원을 여기하기 위하여 고체상 레이저로드(2)가까이에 설치된 램프 혹은 반도체 레이저와 같은 레이저 여기를 위한 전원에 전기 에너지가 공급되고 레이저빔은 펌핑광에 의해 발진되어진다. 달리 말해서, 펌핑광은 광섬유 및 이와 유사한 것을 통해 고체상 레이저로드(2)로 공급된다. 고체상 레이저로드(2)로부터 방사된 레이저빔은 고 에너지 레이저 펄스를 생성하기 위해 Q-스위치 소자(3)를 발진시킨다.

이렇게 생성된 고 에너지 레이저 펄스는 빔확장기(4)를 거쳐 두 개의 주사거울(5 및 6)에 조사되고 수렴렌즈(7)의 촛점을 향해 반사된다. 촛점의 위치와 광경로는 주사거울(5,6)의 반사각에 의하여 2차원적으로 변화된다. 집속된 빔의 직경은 레이저빔의 광학적 특성 및 수렴렌즈의 촛점거리에 의존한다. 촛점길이가 분석셀의 위치에 대해서 충분한 거리를 가질 때 고 레이저 에너지 밀도는 집속빔의 큰 직경으로 인해 성취될 수 없다. 이 경우에, 조사 레이저빔의 에너지 밀도는 빔의 직경이 감소되도록 빔확장기(4)의 배율을 변화시키거나 레이저 펄스의 주파수를 펄스당 에너지가 증가되도록 낮추는 것에 의해 한계치를 만족하도록 조정된다.

표본(20)은 분석셀(8)에 공급된 아르곤가스의 누출을 방지하는 O-링을 통해 분석셀(8)과 밀착된다. 실리콘 고무 혹은 금속기계밀봉 같은 다른 수단이 O-링 대신에 사용될 수 있다. 표본이 작을 경우에는, 용기 속에 표본이 위치되어 지고 그 용기와 분석셀 사이의 아르곤 유출을 방지하기 위한 구조가 사용되어져야 할 것이다.

주사거울(5,6)의 주사 주파수는 조사 레이저빔의 직경, 조사구역, 및 Q-스위치의 주파수를 고려하여 결정된다. 조사구역의 궤도가 주사 주파수의 비에 의해 결정되기 때문에, 주사거울(5 및 6)중의 하나는 상대적으로 수십 ㎐정도 이상의 비교적 더 높은 주파수로 진동되고 다른 하나는 이것보다 몇㎐정도 더 낮은 주파수로 진동한다.(예, 80:1 혹은 80:79)

레이저 조사시 생성된 미소입자는 아르곤소스(10)로부터 분석용 전달파이프 (11)를 통해 분석셀(8)에 도입된 아르곤가스로 운반되어 분석기(12)로 전달된다. 전달파이프(11)의 내경은 2㎜Ø나 그 이상이 적당하고 아르곤가스의 유량은 0.2 liter/min이 바람직하다. 분석기에 공급되는 미소입자의 적절한 양은 분석기의 특성에 의존한다. ICP(유도 결합 플라스마)방출 분광분석에서, 미소입자의 적절한 양은 1㎍/sec 혹은 그 이상이다. 강(steel)에 함유된 탄소함량을 결정할 때, 아르곤가스의 탄소 오염을 고려하여 더 많은 양의 미소입자를 공급하는 것이 바람직하다. 이와는 반대로, ICP-MS(유도 결합 플라스마 질량 분광분석)에서는 미소입자의 양이 작을수록 더 만족스러운 결과가 얻어진다. 분석기에 전달된 미소입자는 분석기에서의 고유한 조작에 기초하여 증발되어지고 분해된다. 이러한 방법을 통해 원소분석의 결과가 얻어진다.

도표1은 레이저 조사시 전형적인 금속원소에 관한 미소입자 생성조건의 한계치 α를 나타낸다.

도표 1

원소	α
Fe Zn Cu W Ti Al Al2O3	3.000 1.500 3.400 6.000 3.000 1.900 6.000

도4는 미소입자의 집진비 혹은 선택증발비와 금속표본에서 각 원소의 비등점 사이의 상호관계를 나타내는 그래프이다. 라인주사에 의해 미소입자가 생성될 때, 증발비는 비등점과 밀접한 상호관계를 가지면서 현저하게 변한다. 이와는 대조적으로, 본 발명에 따른 레이저 조사방법에서는 선택증발비가 거의 1에 가깝고 변화하지 않는다.

도표2는 다양한 조사방법들을 사용하는 경우 레이저 ICP 분석의 정확성에 대한 비교 데이터를 나타낸다. 도표2는 다음과 같은 결과들을 증명한다.

A: 본 발명에 따른 동일표면에 대한 반복조사는 1% 보다 더 낮은 상대 표준 편차를 준다;

B: 방법A에서와 같이 동일표면 위에 레이저빔을 조사하기 위해 단방향으로 주사거울 중 하나가 주사될 때 다른 거울도 신속히 따라 주사되는 단일주사 평면조사는 미소입자의 선택집진에 기인하는 방법A에 비해 더 큰 편차를 가지게 된다.

C: 라인주사조사는 집진된 미소입자의 작은 양으로 인해 좋지 못한 결과를 가져다준다.

도표 2

	상대 표준 편차 (%) Si Mn Cu Al Cr
A: 반복 조사 B: 단일 주사 조사 C: 라인 주사 조사	0.63 0.62 0.59 0.55 0.32 1.4 1.2 1.5 1.2 0.9 2.3 3 3.4 4.1 1.8

도표3은 레이저 조사조건의 전형적인 예를 나타낸다.

도표 3

	램프 여기 레이저	LD 여기 레이저
레이저 로드레이저 파장펌핑 소스발진을 위한 광학시스템빔 모드Q-스위치 시스템주파수펄스 반폭펄스 에너지주사 시스템빔 확장기촛점 거리집진 레이저빔의직경	Nd-YAG 6.064㎛ kr-arc 램프 수평 복합모드 음향 광학 1 kHz 110 nsec 10 mJ 두 개의 갈바노 거울 x3 100 mm 230 ㎛	ND-YVO41.064㎛ 레이저 다이오드 수직 단일 모드 음향 광학 50kHz 20 nsec 0.1 mJ en 개의 갈바노 거울 x3 100 mm 50 ㎛

발명의 일 실시예인 레이저 증발 분석기에 따르면, 레이저 발진부분으로부터의 레이저빔이 비활성 운반가스 유체속에서 고체표본 위에 조사되어 고체표본의 일부분이 미소입자로 집진된다. 이렇게 집진된 미소입자는 원소분석을 위해 검출기로 전달된다. 레이저 발진부분은 펑핌광을 방사하는 반도체 레이저를 가지고 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시예인 레이저 증발 분석기에 따르면, 레이저 발진부분은 펌핑광을 방사하는 반도체 레이저, 반도체 레이저로부터 나온 레이저빔을 증폭해서 한쪽 끝에서 받아들이는 레이저로드, 및 레이저로드의 양 끝단에 설치된 공진기를 가지고 있다.

역시 본 발명의 다른 일 실시예인 레이저 증발 분석기에 따르면, 펌핑소스로서 반도체 레이저는 레이저빔을 방사하고 방사된 레이저빔은 광학적으로 증폭되고 공진되며 이렇게 광학적으로 증폭된 레이저빔이 고체표본위로 조사된다. 반도체 레이저가 펌핑광소스로 사용되기 때문에 종래의 kr-arc 램프에 비해 레이저 발진부분이 간단하고 소형화되어진다. 반도체레이저로부터의 펌핑 레이저빔은 레이저로드의 한쪽 끝에 조사되고 광학적으로 단일모드 발진으로 증폭된다. 광학적으로 증폭된 레이저빔은 크게 응집되기 때문에 표본 위에 조사되는 레이저빔의 직경은 감소되어지고 그 결과 에너지 밀도가 증가하게 된다. 반도체 레이저를 사용한 그러한 수직모드 발진은 레이저로드를 더 짧게하고 공진기의 구성을 단순화시킨다.

본 발명의 다른 일 실시예인 레이저 증발 분석기에 따르면, 레이저 발진부분이 반도체 레이저와 레이저로드를 연결하기 위한 광전달 케이블을 아울러 가지고 있다.

역시 본 발명의 다른 일 실시예인 레이저 증발 분석기에 따르면, 반도체 레이저가 광케이블을 통해 레이저로드와 연결되어 반도체 레이저로부터의 레이저빔이 광케이블을 통해 레이저로드에 도입된다. 펌핑광 소스로서 반도체 레이저가 상기와 같은 구성으로 인해 레이저로드와 분리되기 때문에 레이저로드를 포함하는 헤드부분이 더욱 소형화되고 단순화된다.

도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 증발 분석기의 전체구성을 나타내는 블록선도이다. 레이저 발진부분(101)에서 발진된 레이저빔(102)은 회전거울 (103)에서 빔의 방향이 조절된 후 수렴렌즈(104)에서 수렴되어 고체표본(105)에 조사된다. 회전거울(103)은 앞에서 이미 언급한 것과 같은 그러한 회전 메카니즘에 의해 회전되고(도5 참조) 수렴렌즈는 평행이동 메카니즘(도면에 나타나 있지 않음)에 의해 움직인다. 고체표본(105)은 운반가스가 공급되는 동안 조사셀(108)내부에 위치되어진다. 실린더(110)로부터 공급된 운반가스가 요구에 따라 정제기(111)에서 정제된 후 그 운반가스는 파이프(112)를 통해 운반가스 혹은 연소가스로서 조사셀(108) 및 고주파수 플라스마 토치(114)에 공급된다. 이 실시예에서는 지르코늄-게터-형 정제장치가 사용되어 졌다. 파이프(112)에는 유량 조절기(113)가 설치되어 운반가스의 유량이 조절된다. 파이프(112)는 스테인레스강이 사용되어지고 조사셀(108) 및 플라스마 토치(114)는 유리로 만들어져서 그들 사이의 연결을 위해 O-링과 같은 밀봉물질이 사용되어진다.

미소입자는 고체표본 위에 레이저빔이 조사됨으로서 생성되며 생성된 미소입자는 운반가스에 의해 플라스마 토치(114)로 전달된다. 플라스마 토치(114)에서 미소입자가 Ar플라스마에 의해 분해되고 여기되며 개별 원소에 대한 고유 스펙트럼을 가지는 빛이 미소입자의 조성에 응하여 방사된다. 각 원소로부터 방사된 빛의 세기는 분광계(116)에서 결정되고 표본의 조성은 이미 결정되어 있는 검정곡선을 사용하여 데이터 처리 유닛(117)에서 결정된다.

도5는 상기에 이미 언급한바 있는 레이저 발진부분(101)의 구성을 나타내는 블록선도이다. 반도체 레이저 펌핑소스(120)의 출력은 광섬유(121)를 통해 레이저헤드(122)내부로 도입된다. 레이저 헤드(122)내부로 도입된 레이저빔은 수렴렌즈 (123)를 통해 YAG 레이저로드(124)의 한쪽 말단으로 들어가 광학적으로 증폭된다. Q-스위치(125)와 출력거울(126)은 YAG 레이저로드(124)의 출력 말단에 설비되고 반사필름(127)은 YAG 레이저로드(124)의 입력 말단에 설비된다. 출력거울(126)과 반사필름(127)(예를 들어, 0.80㎛의 빛은 투과하고 1.064㎛의 빛은 반사한다.)은 반도체 레이저로부터 입사된 레이저빔의 에너지를 공진에 의해 증폭하는 공진기를 형성하고 증폭된 레이저빔은 빔확장기(128)로 방사된다. 레이저빔의 직경은 빔확장기(128)에서 확장되고 45도 반사거울(129), 주사거울A(130), 주사거울B(131) 및 수렴렌즈(104)를 통해 조사셀(108)로 도입된다. 45도 반사거울(129), 주사거울A (130), 및 주사거울B(131)는 도6의 회전거울(103)에 대응하는 것이다. 주사거울A (130) 및 주사거울B(131)의 위치는 조사셀(108) 내부에 위치한 고체표본(105)위에 조사되는 레이저빔을 주사하기 위해 초음파 전동기(132,133)에 의해 조절된다.

도5에서 레이저 발진부분은 펌핑소스로서 높은 레이저 발진율을 가지는 반도체 레이저(120)를 사용한다. 종래의 램프방법에서는, 램프로부터 방사된 연속광의 일부분이 흡수되었다. 이와는 대조적으로, 특수한 파장(예를 들어, 0.81㎛)에 대해 높은 흡수계수를 가지는 레이저빔이 높은 레이저 발진율을 가진 반도체 레이저(120)으로부터 방사될 수 있다. 더 작은 용량의 전원(예를들어, 100V)이 냉각수 없이 사용될 수 있기 때문에 소형의 가벼운 장치가 제작될 수 있다. 이 실시예에서 사용된 반도체 레이저(120)은 게르마늄(Ga)-비소(As)형이며 809㎚, 20W의 레이저빔이 100V전원을 사용하여 방사된다. 레이저발진부분에서 반도체 레이저 (120)가 레이저헤드(122)로부터 분리되어 광섬유(121)를 통해 연결되므로 핸들링 하기에 적합한 더욱 소형화되고 가벼운 레이저헤드(122)(예를 들어,1.5㎏)가 성취되어질 수 있다. 종래의 전형적인 레이저헤드(예를 들어,22㎏)는 그것을 움직이기 위해서 턴 테이블이 요구되었다. 반도체 레이저(120)로부터 YAG 레이저로드(124)의 한쪽 말단에 조사된 펌핑광은 수직발진에 의해 광학적으로 증폭된다.(펌핑광은 로드의 측면에 조사된다.)

그런데, 그 발진은 단일 모드 발진으로서 실행된다. 광학적으로 증폭된 레이저빔은 크게 응집되어 있기 때문에 표본 위에 조사된 레이저빔의 직경은 감소되어지고 그 결과 에너지밀도가 증가하게 된다.(예를 들어, 이 실시예의 직경이 45㎛인 반면 종래의 방법에서는 230㎛이다.)

반도체 레이저를 사용하는 수직 모드 발진이 레이저로드를 더 짧게 할 수 있기 때문에 공진기의 구성은 간략화 되어질 수 있다. 이 실시예에서, 고체표본(105)위에 보다 높은 조사 에너지를 가하기 위해 Q-스위치(125)를 사용하여 짧은 펄스폭을 가진 레이저빔(예를 들어, 종래의 방법에서는 10 nsec에서 100 nsec까지 였음)이 조사되어졌다. 이리하여, 조사된 레이저빔의 직경은 더욱 집중되어진다. 레이저헤드(120)는 4W의 출력평균전력, 10 nsec의 펄스폭 및 50 KHz의 펄스 주파수를 가진 레이저빔을 방사할 수 있다. 덧붙여, 생성된 미소입자의 수를 증가시키기 위해, 레이저빔은 조사된 지역의 트랙을 넓히고, 미소입자의 생성을 촉진시키도록 주사거울 A(130) 및 B(131)로 조사되었다. 동시에, 레이저 펄스의 주파수는 증발을 위하여 효과적으로 에너지를 사용하기 위해 1 KHz에서 50 KHz로 증가되었다.

도 7은 본 발명에 따른 장치에 관한 일시예의 개략도이고 도 8은 렌즈 진동 메카니즘의 정면 개략도이다. 도 7에 나타난 바와 같이, 그 장치는 반도체레이저 발진기(201)와 그것에 제공된 레이저 조사헤드(202)로 구성된다. 레이저 조사헤드 (202)는 고체 레이저 매체로서 YAG로드(204)와 Q-스위치(205)로 구성되는 레이저 발진 부분에 제공되며, 반도체 레이저 발진기(201)로부터의 펌핑광을 사용하여 W-스위치 레이저빔을 발진한다. 레이저 조사헤드(202)는 분석되어져야 하는 표본의 표면 뒤에 레이저 발진부분으로부터의 레이저빔을 수렴하기 위한 수렴렌즈(207), 렌즈 진동메카니즘(208), 셀(209) 및 빔확장기(206)에 제공된다.

도 7과 도 8에 나타난 바와 같이, 수렴렌즈(207)는 테이블(211)위의 스프링 (212)을 경유하여 2개의 수직 지지대(217)사이에 수직으로 움직일 수 있도록 부착된 프레임(210)으로 지지된다. 렌즈 진동 메카니즘(208)은 수렴렌즈(207)를 지지하는 프레임(210)과 함께 테이블(211)이 주어진 진폭으로 레이저빔에 직각인 수평방향으로 상반되게 움직이는 수평렌즈 운동메카니즘과 주어진 진폭으로 레이저빔에 대해 직각인 수직방향으로 수렴렌즈(207)의 프레임(210)이 상반되게 움직이는 수직 렌즈운동 메카니즘으로 이루어진다. 수평렌즈 운동메카니즘은 테이블(211)에 덧붙여 형성된 선반을 맞물리게 하는 이송나사(213)와 이 이송나사(213)를 회전시키기 위한 가역전동기(214)로 이루어진다. 수렴렌즈(207) 및 프레임(210)과 함께 테이블(211)은 가역전동기(214)에 의해 작동되는 이송나사(213)의 전·후회전에 의해 주어진 진폭으로 레이저빔에 직각인 수평방향으로 상반되게 움직인다. 수직렌즈 운동메카니즘은 프레임(210)의 상단면에 부착된 캠(215)과 이 캠(215)을 회전시키기 위한 전동기(216)로 이루어진다. 스프링(212)은 테이블(211)과 프레임(210)의 바닥면 사이에 제공된다.

수렴렌즈(207)는 프레임과 함께 전동기(216)에 의해 작동되는 캠 215의 회전에 의해 주어진 진폭에 대해 레이저빔에 직각수직방향으로 상반되게 움직인다. 셀(209)은 비활성 가스생성기(도면에는 나타나 있지 않음)로부터 주어진 아르곤가스와 같은 비활성 가스를 공급하기 위한 비활성 가스 유입구(218)와 비활성 가스의 레이저 조사에 의해 형성된 미소입자를 전달하기 위한 전달포트(219)를 가지고 있다. 미소입자는 전달포트(219)에 연결된 파이프를 통하여 운반가스에 의해 ICP(유도결합 플라스마) 분광기(도면에 나타나 있지 않음)에 전달된다.

반도체 레이저 발진기(201)에 의해 여기되고 YAG로드(204)에 의해 발진되는 레이저빔의 에너지 밀도가 Q-스위치소자(205)에 의해 증대된 후, 레이저빔은 수렴렌즈(207)에 의해 수렴되고 나서 셀(209)을 경유하여 금속표본의 표면 위에 조사된다. 수렴렌즈(207)가 수직 및 수평렌즈 운동 메카니즘으로 이루어지는 렌즈진동 메카니즘 208에 의해 주어진 진폭에 대해 레이저빔에 직각 수직 및 수평방향으로 진동할 때, 레이저빔의 초점은 평면을 그리도록 셀 209을 통해 조사된 금속표본을 따라 움직인다.

증발된 미소입자들은 분석을 위한 비활성 가스를 지닌 ICP 분광기에 전달된다. 이리하여, 금속물질은 그것의 형태나 온도를 고려하지 않고 어떠한 예비 조작없이도 신속하고 정밀하게 분석되어 질 수 있다. 본 발명에 따른 장치에서 반도체 레이저 발진기가 펌핑광 소스로 사용되기 때문에 종래의 Kr-arc 램프소스와 달리 물을 냉각하는 과정이 필요치 않다. 이리하여, 소형화되고 경량화된 장치가 만들어질 수 있으며 낮은 전원으로 작동이 가능하다. 더 나아가, 본 장치는 반도체가 높은 흡수도를 가지는 특별한 파장의 빛을 방사하기 때문에 높은 레이저 여진율을 가진다.

집속 레이저빔이 조사되는 표면의 면적은 최소 1㎟이상 인 것이 바람직하다. 면적이 1㎟보다 더 작은 경우에는 편석현상으로 인해 분석의 신뢰성이 저하된다. 집속 레이저빔의 최소운동속도는 집속 레이저빔의 직경, 펄스 주파수 및 펄스당에너지를 고려하여 결정된다. 도 9는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 하나의 일 실시예의 개략도이다. 반도체 레이저발진기(201)는 레이저 조사헤드(202)와 따로 분리해서 설비되어 있으며 광섬유 케이블과 같은 경량의 전달 케이블(203)을통해 레이저 조사헤드(202)와 연결된다. 이리하여, 레이저 조사헤드(202)는 더 소형화되어 질 수 있고 분석 시 쉽게 이루어질 수 있다.

도 7 및 도 9에 나타난 바와 같이, 고온 강철조각의 성분이 다음에 열거된 명세를 가진 장치를 사용함으로써 결정되어진다:

펌핑광 소스: 반도체 레이저 발진기(파장: 817㎚)

레이저: 초음파 Q-스위치를 가진 Nd(네오디뮴)-YAG레이저

(파장: 1.06㎛)

운반가스: 아르곤

분석기: ICP 방출분광계

강철의 분석표면이 접지되어진 후, 조사셀(209)의 조사포트(209a)는 분석표면과 긴밀하게 접촉되어진다. 반도체 발진기(201)로부터 나온 10W의 출력평균전력과 50KHz의 주파수를 가지는 레이저빔 펄스가 강철의 분석표면 위에 조사되어지는 한편 수렴렌즈는 표면 위 3㎟의 면적이 집진된 레이저빔으로 조사되도록 레이저빔에 직각인 수평 및 수직방향의 렌즈진동 메카니즘(208)에 따라 진동한다. 분석표면으로부터 증발된 미소입자들은 아르곤 운반가스와 함께 ICP 분광계로 전달된다.

미소입자들은 다음과 같이 ICP 분광계에서 직접 여기되어 빛이 방사된다:

주파수:27MHz, 출력에너지:1.3KW, 플라스마 가스유량:15 liter/min, 보조가스유량:1 liter/min 및 운반가스유량:1 liter/min. 각 성분은 분광계로 결정된다. 강철의 조성이 30초 정도의 극히 짧은 시간내에 정확하고도 안정적으로 결정된다.

그 장치는 도 10을 참조해서 다음과 같이 설명되어진다. 레이저 조사헤드 (302)는 반도체레이저 발진기(301), 레이저 수렴 메카니즘(308) 및 레이저 조사셀을 구성한다. 이에 더하여, 레이저 조사헤드(302)는 고체상태 레이저 매체로서 YAG로드(304), Q-스위치소자(305), 수렴렌즈(306) 및 출력거울(307)로 설비되어진다. YAG로드(304) 및 Q-스위치소자(305)는 반도체 레이저로부터의 펌핑광에 의해 연속적으로 Q-스위치 레이저광을 발진시키기 위한 레이저 발진부분을 구성한다. 레이저 수렴 메카니즘(308)은 고정된 반사거울(309), 각자 따로 배치된 초음파전동기(310 및 310´)에 의해 주어진 각 내에서 상반되게 회전하는 제 1 주사거울(311) 과 제 2 주사거울(312), 및 수렴렌즈(313)으로도 이루어진다. 제 1 주사거울(311)과 제2주사거울(312)은 서로 수직으로 위치한다. 빔 확장기(314)는 레이저 조사헤드(302)와 레이저 수렴 메카니즘(308) 사이에 설비되어 진다. 빔 확장기(314)는 오목렌즈와 볼록렌즈로 이루어져 수렴특성이 증가되도록 빔의 직경을 확장한다.

반도체 레이저 발진기(301)에 의해 여기되고 YAG로드(304)로부터 발진된 레이저빔의 에너지 밀도가 Q-스위치소자(305)로 높여진 후, 레이저빔의 직경은 빔 확장기(314)로 확장된다. 레이저빔은 반사거울(309)로 40도 편향되어 레이저 수렴 메카니즘(308)에 조사된다. 레이저 수렴 메카니즘에서, 레이저빔은 초음파 전동기(310)에 의해 작동되는 제 1 주사거울(311)로 인해 주어진 진폭에 대해 레이저빔에 직각인 수평방향으로 진동한다. 수평으로 진동된 레이저빔은 초음파 전동기 (310´)에 의해 작동되는 제 2 주사거울로 인해 주어진 진폭에 대해 다시 레이저빔에 직각 수직 방향으로 진동된다.

수평 및 수직으로 진동된 레이저빔은 수렴렌즈(313)를 통해 수렴되고 레이저 조사셀(315)을 통해 분석 금속 표본의 표면 위에 조사된다. 레이저빔의 촛점은 평면을 그리도록 금속표본 위를 움직인다. 그리하여 2차원 표면내의 미소입자들이 증발되어진다. 레이저 조사셀(315)는 비활성 가스 생성기(도면에는 나타나 있지 않음)로부터 생성된 아르곤 가스와 같은 비활성 가스를 공급하기 위한 비활성 가스 인입구(316) 및 비활성 운반가스와 함께 레이저 조사에 의해 형성된 미소입자를 전달하기 위한 전달포트(317)로 설비되어져 있다. 미소입자들은 전달포트(317)에 연결된 파이프를 통해 비활성 운반가스와 함께 ICP(유도 결합 플라스마) 분석기(도면에 나타나 있지 않음)에 분석을 위해 전달된다.

반도체 레이저 발진기(301)는 본 발명에 따른 장치에서 펌핑광소스로 사용되기 때문에 종래의 Kr-arc램프소스와 달리, 물을 냉각하는 과정이 필요치 않다. 그리하여, 보다 소형화되고 경량화된 장치가 만들어질 수 있으며 적은 전원으로 작동할수 있다. 더 나아가 본 장치는 반도체가 높은 흡광도를 가지는 특별한 파장의 빛을 방사하기 때문에 높은 레이저 여진율을 가진다. 레이저 수렴 메카니즘(308)에서 제 1 주사거울(311) 및 제 2 주사거울(312)은 초음파 전동기(310 및 310´)에 의해 상반되게 회전하기 때문에, 그 작동이 부드럽게 이루어지고 레이저빔을 정확하게 진동한다. 증발된 미소입자들은 분석을 위한 비활성가스를 지닌 ICP분광기에 전달된다. 그리하여, 금속물질은 그것의 형태나 온도를 고려하지 않고 어떠한 예비조작없이도 신속하고 정밀하게 분석되어질 수 있다.

집속 레이저빔이 조사되는 표면의 면적은 최소 1㎟이상 인 것이 바람직하다. 면적이 1㎟보다 더 작은 경우에는 편석현상으로 인해 분석의 신뢰성이 저하된다. 집속 레이저빔의 최소 운동속도는 집속 레이저빔의 직경, 펄스 주파수 및 펄스당 에너지를 고려하여 결정된다.

도 11은 본 발명에 따른 장치의 또 다른 하나의 일 실시예의 개략도이다. 반도체 레이저 발진기(301)는 레이저 조사헤드(302)와 따로 분리되어 설비되어져 있으며 광섬유케이블과 같은 경량의 전달 케이블(303)을 통해 레이저 조사헤드 (302)와 연결된다. 그리하여, 레이저 조사헤드(302)는 더 소형화되어 질 수 있고 분석 시 쉽게 다루어질 수 있다.

도10에 나타난 바와 같이, 고온 강철조각의 성분이 다음에 열거된 명세를 가진 장치를 사용함으로써 결정되어진다:

펌핑광 소스: 반도체 레이저 발진기(파장: 817㎚)

레이저: 초음파 Q-스위치를 가진 Nd(네오디뮴)-YAG레이저

(파장: 1.06㎛)

운반가스: 아르곤

분석기: ICP 방출분광계

강철의 분석표면이 접지되어진 후, 조사셀(315)의 조사포트(315a)는 분석표면과 긴밀하게 접촉되어진다. 반도체 발진기(301)로부터 나온 10W의 출력평균전력과 50KHz의 주파수를 가지는 레이저빔펄스가 강철의 분석표면 위에 조사되어지는 한편 레이저 수렴 메카니즘(308)에서 제1 및 제2 주사거울이 각각의 초음파 전동기(310 및 310')에 의해 상반적으로 회전되며 그 결과 표면 위 3㎟의 면적이 집진된 레이저빔으로 조사되어진다.

분석표면으로부터 증발된 미소입자들은 아르곤 운반가스와 함께 ICP분광계로 전달된다. 미소입자들은 다음과 같은 조건 아래 ICP분광계에서 직접 여기되어 빛이 방사된다: 주파수:27MHz, 출력에너지:1.3KW, 플라스마 가스유량:15 liter/min,보조가스유량:1 liter/min 및 운반가스유량:1 liter/min. 각 성분은 분광계로 결정된다. 강철의 조성이 30초 정도의 극히 짧은 시간 내에 정확하고도 안정적으로 결정된다.

도 12는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 일시예의 개략도이다. 그 장치는 레이저 조사 헤드(402)와 반도체 레이저 발진기(401)가 직접 접촉되어 이루어진다. 더 나아가, 레이저 조사헤드(402)는 고체상태레이저 매체로서 YAG로드(404), Q-스위치소자(405), 빔 확장기(406), 음향광학편향기(407), 수렴렌즈(408) 및 셀(409)로 설비되어져 있다. YAG로드(404) 및 Q-스위치소자(405)는 반도체 레이저로부터의 펌핑광에 의해 연속적으로 Q-스위치 레이저광을 발진시키기 위한 레이저 발진부분을 구성한다. 빔 확장기(406)는 분석표본의 표면 위에 레이저빔을 수렴하고 음향광학편향기(407)는 주어진 진폭에 대해 표본의 표면 위에서 레이저빔을 진동시킨다.

레이저 조사셀(409)는 비활성 가스 생성기(도면에는 나타나 있지 않음)로부터 생성된 아르곤 가스와 같은 비활성 가스를 공급하기 위한 비활성 가스 인입구 (416) 및 비활성 운반가스와 함께 레이저 조사에 의해 형성된 미소입자를 전달하기 위한 전달포트(417)로 설비되어져 있다. 미소입자들은 전달포트(417)에 연결된 파이프를 통해 비활성 운반가스와 함께 ICP(유도결합 플라스마) 분석기(도면에 나타나 있지 않음)에 분석을 위해 전달된다. 음향광학편향기(407)에서, 초음파가 투명한 매체속으로 전파될 때 매체의 굴절률은 주기적으로 변하고, 빛은 회절을 유발하기 위해 매체내에서 위상 변조된다. 상기 음향광학편향기(407)에 의해, 레이저빔은 하나의 평면을 그리도록 편향되어지고 집속 레이저빔은 주어진 진폭에 대해서 높은 속도로 진동되어질 수 있다.

반도체 레이저발진기(401)에 의해 여기되고 YAG로드(404)로부터 발진된 레이저빔의 에너지 밀도는 Q-스위치소자(405)에 의해 강화된다. 이렇게 강화된 레이저빔은 하나의 평면을 그리도록 음향광학 편향기(407)로 편향되고 집속 레이저빔이 주어진 진폭에 대해 진동하는 그러한 레이저 조사셀(409)을 통해 금속물질의 표면위에 조사된다.

결과적으로, 평면 내에서 미소입자들은 증발되어지고 그러한 증발된 미소입자들은 분석을 위한 비활성 가스를 지닌ICP분광기에 전달된다. 그리하여, 금속물질은 그것의 형태나 온도를 고려하지 않고 어떠한 예비조작 없이도 신속하고 정밀하게 분석되어 질 수 있다. 본 발명에 따른 장치에서 반도체 레이저 발진기(401)가 펌핑광소스로 사용되기 때문에 종래의 Kr-arc 램프소스와 달리 물을 냉각하는 과정이 필요치 않다. 이리하여, 소형화되고 경량화된 장치가 만들어질 수 있으며 낮은 전원으로 작동이 가능하다. 더 나아가, 본 장치는 반도체가 높은 흡광도를 가지는 특별한 파장의 빛을 방사하기 때문에 높은 레이저 여진율을 가진다.

나아가, 레이저빔이 하나의 평면을 그리도록 음향광학 편향기(407)로 편향되기 때문에 집속레이저빔은 레이저 조사셀(402)을 통한 금속물질의 표면 위 조사시 부드럽게 진동되어질 수 있다. 집속 레이저빔이 조사되는 표면의 면적은 최소 1㎟이상 인 것이 바람직하다. 면적이 1㎟보다 더 작은 경우에는 편석현상으로 인해 분석의 신뢰성이 저하된다. 집속 레이저빔의 최소 운동속도는 집속 레이저빔의 직경, 펄스 주파수 및 펄스당 에너지를 고려하여 결정된다.

도 13는 본 발명에 따른 장치의 또 하나의 다른 일 실시예의 개략도이다. 반도체 레이저 발진기(401)는 레이저 조사헤드(402)와 따로 분리해서 설비되어 있으며 광섬유 케이블과 같은 경량의 전달 케이블(403)을 통해 레이저 조사헤드(402)와연결된다. 이리하여, 레이저 조사헤드(402)는 더 소형화되어 질 수 있고 분석시 쉽게 다루어질 수 있다.

도 12에 나타난 바와 같이, 고온 강철조각의 성분이 다음에 열거된 명세를 가진 장치를 사용함으로써 결정되어진다:

펌핑광 소스: 반도체 레이저 발진기(파장: 817㎚)

레이저: 초음파 Q-스위치를 가진 Nd(네오디뮴)-YAG레이저

(파장: 1.06㎛)

음향광학편향기: 음향광학 매체(단일결정 PbMoO4)

운반가스: 아르곤

분석기: ICP 방출분광계

강철의 분석표면이 접지되어진 후, 조사셀(409)의 조사포트(409a)는 분석표면과 긴밀하게 접촉되어진다. 반도체 발진기(401)로부터 나온 10W의 출력평균전력과 50KHz의 주파수를 가지는 레이저빔펄스가 강철의 분석표면 위에 조사되어지는 한편 평면에서 음향광학 편향기(407)로 레이저빔을 진동시켜 표면위 3㎟의 면적이 집진된 레이저빔으로 조사되도록 한다. 분석표면으로부터 증발된 미소입자들은 아르곤운반가스와 함께 ICP분광계로 전달된다.

미소입자들은 다음과 같은 조건 아래 ICP분광계에서 직접 여기되어 빛이 방사된다: 주파수:27MHz, 출력에너지:1.3KW, 플라스마 가스유량:15 liter/min, 보조가스유량:1 liter/min 및 운반가스유량:1 liter/min. 각 성분은 분광계로 결정된다. 강철의 조성이 30초 정도의 극히 짧은 시간내에 정확하고도 안정적으로 결정된다.

강철에 함유된 알루미늄처럼, 어떤 원소들은 강철내에 서로 다른 형태로, 즉 철내에 균질하게 용해되는 것 및 산화물 같은 화합물처럼 비균질하게 분포하는 것으로 존재한다. 그러한 원소에서, 그 자신의 농도 뿐만 아니라 농도 분포가 의미있는 정보를 제공한다. 그러나, 종래의 레이저 증발분석은 그러한 농도분포를 제공하는 것이 아니라 오로지 총괄 농도만을 제공한다. 수렴된 레이저 펄스가 표본위에 조사되고 생성된 미소입자들이 조성을 결정하기 위해 분석기에 전달되는 레이저 증발분석에서, 만약 분석위치가 순시값을 얻기 위해 분단위로 연속적으로 움직이고 연속적인 순시값이 분석되어 진다면, 목적원소의 농도가 균일하게 용해된 부분에서 뿐만 아니라 비균일하게 응결된 부분에서 각각 분리되어 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 레이저분석에서, 레이저조사에 의해 생성된 미소입자에 함유된 개별원소들의 함량결정은 연속적으로 분석위치를 움직이면서 분단위 연속측정으로 수행된다. 이렇게, 결정된 개별값은 분단위로 정의된 미소지역 내에서의 분석값에 대응한다. 총괄농도에 관한 정보는 종래의 결정기술로 얻어질 수 있는 반면에 개별미소지역과 전체지역에 관한 정보는 본 발명에 의해서만 얻을 수가 있다. 레이저빔의 운동은 분석위치와 시간사이에 일차관계가 성립되도록 주어진 속도에서수행된다. 때문에, 속도는 일정한 것이 바람직하다. 동시에 미소입자가 생성되는 깊이는 운동속도에 의해 조절될 수 있다.

분단위 측정으로 변하는 순시값을 표현하는 그래프에서, 만약 표본이 오로지 균일하게 용해된 부분만으로 구성된다면 그 그래프는 선형이면서 평탄하다. 만약 미소입자가 비균일하게 응결된 부분으로부터 수집된 것이라면, 특별한 원소들은 개별 순시값에서 더 높은 농도를 나타낸다.

비균일하게 응결된 부분으로부터 균일하게 용해된 부분을 식별하는 원리는 비균일 응결부분에서 매 분단위 측정의 순시값을 나타내는 개략도인 도 16을 참조하여 다음과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 501은 표본을 502는 비균일응결부분을, 503은 분석지역을 나타낸다. 그래프의 가로축은 도면의 아래에 나타난 개별조사위치를 반영한 분 단위측정시간을 나타내고, 세로축은 매분단위측정시간에서 목적원소의 농도에 대응하는 방출세기를 나타낸다.

일분의 측정시간 △t동안, 미소지역 △s에서 표본이 미소입자로 증발되어진다. 이때, 레이저빔으로 조사되어지는 위치를 움직인다. 미소지역 △s에 포함된 비균일 응결부분은 균일 용해부분과 동시에 미소입자로 증발된다. 목적원소의 일부분이 생성될 때, 비균일 응결부분(502)과 목적원소의 수지는 주성분원소에 용해되어져 있고, 목적원소의 농도는 균일 용해부분보다, 비균일 응결부분에서 더 높다. 이리하여, 비균일 응결부분을 포함하지 않는 미소지역 △s₂, △s₄및 △s_n으로부터의 미소입자는 균일 용해부분의 조성을 가지고 분단위 측정시간 △t₂, △t₄및 △t_n에 대응하는 방출세기 It₂, It₄및 It_n은 I₀와 동일하다. 한편으로, 비균일응결부분 (502)이 △s₁, △s₃및 △s₅에 포함되어 있을 때, 목적원소의 농도는 증가하게되고 분단위 측정시간 △t₁, △t₃및 △t₅에 대응하는 방출세기 It₁, It₃및 It₅는 비균일 응결된 양만큼 증가하게된다. 이리하여, 균일 용해부분과 비균일 응결부분은 분단위 측정시간분석에 의해 서로 구분되어 결정할 수 있다.

실제적인 측정에서, △t는 극히 짧고 그 폭도 상당한 크기를 갖지 않기 때문에 순시값의 연속은 파형으로 나타나게 된다. 파의 골은 도16에 나타난 것처럼 I0 혹은 균일 용해부분의 값에 일치한다. 골을 제외한 파의 모든 잔류부분은 비균일 응결의 내포를 나타내고 파의 고도는 비균일 응결의 함량을 나타낸다. 비균일응결의 함량은 검정곡선을 사용하여 결정되어 질 수 있다.

이미 언급한 바와 같이, 분단위 측정분석에서 균일 용해부분과 비균일 응결부분에 기초한 세기는 서로 구분되어지며 두 부분에서 목적원소의 농도는 세기로부터 얻어질 수 있다. 레이저빔 펄스의 주파수는 50Hz 혹은 그 이상이고 집속빔 직경범위는 50㎛에서 1㎜ 사이인 것이 적당하다. 촛점의 운동은 반사거울과 수렴렌즈의 병렬운동에 의해 수행되어진다. 도 17에 나타난 바와 같이, 레이저 빔(511)의 방향은 반사거울(512)에 의해 조절되어지고 수렴렌즈(513)에 의해 조사되어지도록 표본 (514)의 표면위에 수렴되어진다. 조사시, 분석지점은 반사거울(512)의 상반회전과 수렴렌즈(513)의 동기화 운동에 의해 연속적으로 변화되어진다.

증발된 표본은 표본(514)와 직접 맞닿아 있는 프로브(515)로부터 유도 결합 플라스마(ICP)분광계(516)에 아르곤 가스 유체 속에서 미소입자로서 전달되어진다.

도 15는 매 미소 측정시간이 100msec로 설정되어 있는 ICP 분광계에 의해 얻어진 목적원소의 방출세기를 나타내는 그래프이다. 피크와 골을 가지는 그래프는 0.1초의 미소 측정시간에 얻어진 각 300개의 순시값으로 구성된다.

미소 측정 시간분석의 보기는 다음과 같다: 가장 낮은 골로부터 순차적으로 몇 개의 골을 선택해서 그 몇 개의 골에 대한 평균세기 I0 와 중간세기를 계산하자. 예를 들어, 도 15에서는 6개의 골 B₁, B₂… B₆가 선택되어진다. 균일 용해부분의 농도는 세기 대 농도의 검정곡선을 사용한 평균세기 I₀로부터 측정되어진다. 다음으로, 누적세기는 I₀보다 더 큰 세기를 가지는 지역의 전체면적으로부터 계산되어지고 이것은 검정곡선을 사용하여 균일 응결부분의 농도로 전환된다.

비균일 응결 상태와 균일 용해상태 모두에 존재하는 원소의 예에는 철 슬랙 속의 칼슘(Ca), 무쇠 속의 탄소(C) 및 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 망간(Mn) 및 강 속의 칼슘(Ca)을 포함한다. 이들 원소들은 이러한 분석절차를 사용하여 개별상태에 대해 분리해서 측정되어 진다. 더군다나, 모르타르에 포함된 시멘트 성분과 모래 성분은 서로 분리해서 측정되어 질 수 있다.

강속에 포함된 Al의 상태분석이 실행되어진다. 강속에 포함된 Al은 Al이 Fe속에 균일하게 용해되지는 용해상태 및 Al이산 불용성 산화물을 형성하는 산화물 상태로 존재하고 Fe기질 속에서 비균일하게 응결되어진다. 10W의 출력 전력과 1KHz의 주파수를 가지는 레이저 빔 펄스가 생성되고 빔 직경이 100㎛로 수렴된다. 분석지역은 20㎛의 깊이, 2㎜의 폭, 및 6㎜의 길이를 가지며 분석지점은 0.2㎜/sec의 운동속도로 변화한다.

ICP 분광계는 60초의 데이터 습득 시간동안 0.2초의 매 미소 측정시간에 대해 실행되어진다. 그 결과는 주성분 Fe에 대한 Al의 상대 방출세기로서 표현되어진다. 일반적으로 주성분에 대한 상대 방출세기는 외부 외란에 기인하는 결과에서의 요동현상을 제거하기 위해 사용되어진다.

도 14에 그 결과가 나타나 있는바, 여기서 그래프 A는 목적표본을 나타내고 그래프 B는 산-불용성 Al을 함유하지 않은 표준표본을 나타낸다. 그래프 B는 기질 속에 균일하게 용해된 산-불용성 Al에 관한 데이터 획득에서의 편차를 반영하며 최대세기 I_EP및 최소세기 I_EB를 갖는다. 한편으로, 그래프 A에서의 세기는 데이터 획득에서의 편차뿐만 아니라 산-불용성 Al에 기초한 세기를 포함한다. 데이터 획득에서 변화는 산-가용성 Al의 함량에 비례한다는 것을 추측할 수 있으며, 그래프 A에서 산-가용성 Al에 대한 데이터 획득에서 편차는 그래프B에서 표준표본에 대한 편차를 고려함으로써 추측되어지고, 산-가용성 Al에 기초한 세기가 측정되어진다.

예를 들면, 목적표본에 함유된 산-가용성 Al에 대한 데이터 획득에서의 편차는(I_BP- I_BB)I_AB/I_BB이다. 여기서 I_AB는 그래프A에서 가장 낮은 골의 세기를 나타난다. 가장 낮은 세기 I_AB에 대응하는 세기의 아래한계와 위쪽한계 I_AP는 I_AB의 합이다. 달리 말하면, 관찰세기는 I_AB와 I_AP사이의 산-가용성 Al의 범위에 기초한다.

다음으로 평균세기 I는 상기의 세기 I_AP로부터 측정된다. 평균세기 I가 산-불용성 Al을 포함하는 미소지역의 세기를 나타내기 때문에, 평균세기 I는 산-불용성 Al에 기초한 세기 I_i를 포함한다. 이리하여, 산-불용성 Al에 기초한 세기 I_i는 I에서 I₀를 뺀 것에 의해 얻어진다.

I₀와 누적 미소 측정시간의 적 및 I_i와 누적 미소 측정시간의 적은 개별누적세기를 나타낸다. 이들 누적세기는 세기 대Al농도의 검정곡선을 사용함으로써 그들 각각의 농도로 전환된다. 도 14에서 산-가용성 Al의 농도는 0.032무게 퍼센트이고 산-불용성 Al의 농도는 0.003무게 퍼센트이다.

컨버터 작업에 대한 레이저 ICP분광분석의 적용

레이저 ICP분광분석법은 표본의 절단면의 레이저 빔 조사, 운반가스에 의해 ICP분광계로 운반되어지는 증발된 원소의 전달, 유도플라스마에서의 방출, 방사된 빛의 분광분석(파장 및 세기), 및 원소의 측정을 포함한다.

또한 상기의 분석방법은 도 18을 참조하여 다음과 같이 표현되어진다. 대략 두께 70㎜에 직경 30㎜ ø의 샘플이 서브랜스를 사용하여 변환기로부터 수집되어진다. 샘플(601)은 위치 A에서 크램프(619 및 620)으로 바짝 죄어진다. 바짝 죄어진 샘플(601)은 위치 B에 옮겨지고 절단기(603)으로 절단된다.

절단된 샘플은 전달수단(616)에 의해 레일(617)을 따라 레이저 조사지점으로 전달된다. 레이저 생성기(605)로부터 발생된 레이저 빔은 반사거울(609)로 반사되고, 수렴렌즈(610)으로 수렴된 후 레이저 조사 단위(607)의 앞단을 통해 샘플(601)의 절단면 위에 조사된다.

샘플의 절단면 위에 생성된 다양한 원소들을 포함하는 증기를 수집하기 위해서 레이저 조사 단위(607)의 앞단은 샘플(601)의절단면과 긴밀하게 접촉되어진다. 증기는 파이프(613)를 경유하여 조사단위(607)과 연결된 가스생성기(614)로부터 공급된아르곤 가스 혹은 이와 유사한 것에 의해 전달되어진다. 운반가스 속에서 증기는 ICP분광계(606)에 도달하기 위해 파이프(615)를 통과한다.

이러한 분석장치에서, 샘플의 절단시간은 대략 15초 정도이고, 절단샘플은 샘플의 냉각, 및 샘플표면의 연삭이나 연마없이 분석을 위해 즉시 다루어진다. 분석은 대략 30초 정도의 시간 내에 종료한다. 이리하여, 적절한 분석시간은 종래의 방출분광분석(대략 56초 정도)에 비해 상당히 감소되어진다. 더구나, 분석을 위한 전체시간이 샘플의 절단과 전달이외의 어떠한 예비과정이 필요치 않기 때문에 상당히 감소되어진다. 이러한 방법이 컨버터 동작에 응용되면 제강시간은 감소되어 질 수 있고 그 결과 향상된 동작을 얻을 수 있다.

레이저 ICP분광분석을 사용한 컨버터 동작은 다음과 같은 단계로 구성된다:

(a) 컨버터 제련에서 블로우잉 시작, 컨버터 제련에서 블로우잉의 시작시간으로부터 종료시간의 설정;

(b) 블로우잉 종료시간 전 예정 시간동안 전환로에서 용융물로부터 샘플수집;

(c) 평평한 단면을 형성하기 위해 수집된 샘플의 기계적 절단;

(d) 레이저 ICP분광계에 의해 샘플 절단면의 특별한 성분 측정;

(e) 분석결과에 기초한 동작조건의 변환, 혹은 동작조건의 변환 및 출탕없이 즉각적인 블로우잉작업의 종료.

도 19에는 본 발명에 따른 레이저 ICP분광분석의 분석시간과 종래의 방출분광분석의 분석시간을 비교해 놓았다. 서브랜스의 칩에 맞닿아 있는 프로브(탑촉자)샘플을 수집하기 위해 필요한 시간은 양자 모두 대략 12초 도이다. 분석자리로샘플의 수동 혹은 기계적 전달시간은 양자 모두에 대해 22초이다.

본 발명에서, 샘플은 연속적인 자동조작으로 도18에 도시된 것과 같은 단위를 사용하여 절단된다. 본 발명에서 절단시간은 15초 정도로 종래의 방출 분광분석에서의 20초보다 짧다. 샘플의 냉각과 연삭은 레이저 ICP분광분석에서는 생략되어질 수 있다. 반면에, 분광계에 수동으로 설비된 샘플은 물로 냉각되어져야하며 부드러운 표면을 얻기 위해 분석면은 절삭되어야 한다. 절단시간은 35초 정도가 요구된다. 이리하여, 레이저 ICP분광분석으로 인해 예비시간이 대략 60초 정도짧아졌다. 더구나, 레이저 ICP분광분석에서 대략 30초 정도 걸리는 적절한 분석시간은 방출분광분석에서의 대략 56초 정도에 비해 훨씬 짧아졌다. 결과적으로, 샘플의 수집으로부터 분석의 종료에 이르는 전체 분석시간은 레이저 ICP분광분석에서는 79초이고 방출분광분석에서는 170초가 걸린다. 이리하여, 레이저 ICP 분광분석은 대략 91초의 시간을 절약할 수 있게 되어 컨버터 작업의 효율을 개선시킨다.

도 20에서 본 발명에 따른 레이저 ICP분광분석을 사용한 컨버터 작업과정과 종래의 방출분광분석을 사용한 작업과정을 비교하였다. 종래 과정에서, 블로우잉의 시작 전에 예를 들어 20분정도의 블로우잉 시간이 미리 결정되어 있었다. 서브랜스는 블로우잉이 종료하기 120초 전에 샘플을 수집하기 위해 삽입되고 블로우잉은 과정에 변화가 없다면 서브랜스 삽입 120초 후에 종결되어진다. 종래의 방출분광분석에서는 분석결과가 서브랜스 삽입으로부터 170초 후에 얻어지기 때문에, 블로우잉의 종료 후 대략 50초 정도가 탭핑을 위한 대기시간으로 소비된다. 더구나, 분석결과가 소정 범위를 벗어나면 블로우잉 조작은 대기시간 후 탭핑전에 첨가된다. 도 20A는 종래의 방출분광분석에서 블로우잉을 위해 필요한 시간간격 및 분석단계를 나타낸다.

도 20B는 본 발명에 따른 레이저 ICP분광분석을 사용한 전형적 컨버터 작업에 대해 요구되는 시간간격을 나타낸다. 서브랜스는 블로우잉의 소정 종료 120초전에 삽입되고, 샘플수집으로부터 분석종료에 이르는 시간간격이 평균적으로 약 79초 정도 소요된다. 이리하여, 분석결과는 소정 블로우잉의 종료 41초전에 기록되어진다. 따라서, 필요하다면, 작업조건은 종료시간의 변환을 고려하여 변화되어 질 수 있으며 제련과정의 끝에 목적원소, 예를 들어 용강의 C, Mn 및 P의 성분들은 더 정확하게 측정되어 질 수 있다. 작업조건에서의 그러한 변화는 추가 블로우잉 과정을 반드시 요구하지 않는다.

따라서, 본 발명에 따른 레이저 ICP분광분석은 탭핑을 위한 50초 정도의 대기시간을 절약할 수 있고 블로우잉 과정은 요구에 따라 대기시간 내에 첨가될 수 있을 것이다. 탭핑은 블로우잉의 종료후 즉시 수행되어질 수 있다. 최종 성분에서의변화가 분석이 요구되어지는 것에 있어서 기본적이고도 확증적인 것이 아닐 때, 서브랜스는 소정 블로우잉의 종료 80초전에 삽입되어질 수 있다. 이리하여, 서비랜스는 샘플을 수집하기 위해 블로우잉의 예정된 종료 전 대략 80 및 120초 사이에 삽입될 수 있을 것이다.

탄소강의 블로우 제련에서 분석되어지는 탄소들은 C, Mn, P 및 S를 포함하고 스테인레스강의 블로우 제련에서는 Cr, Ni,Mo, V, W, Nb 및 Ti같은 특별한 성분들이 포함된다. 이들 원소들은 동시에 측정되어 질 수 있다. Si, Al, Sn, As 및 Pb같은 다른 원소들 또한 분석되어 질 수 있다.

도 20에 표현된 작업과정은 300톤 전환로를 사용하여 수행된다. 도표4는 150의 장입횟수를 가진 종래 과정과 본 발명에 따른 과정의 결과를 나타낸다.

종래과정에서, 최종성분 C 및 Mn의 가열비는 각각 90 및 85퍼센트이며, 탭핑을 위한 대기시간은 평균 50초이다. 그리고 장입의 8%는 블로우잉의 종료 후 분석값이 소정 범위를 벗어나기 때문에 추가 블로우잉 과정을 요구한다. 반대로, 본발명에 따른 과정에서, 분석값은 블로우잉의 종료 시간전에 얻어질 수 있으며, 최종 성분 C 및 Mn의 가열비는 각각 97 및92%이고 탭핑을 위한 대기시간은 평균 5초이며 단지 전하의 2%만이 추가 블로우잉 과정을 요구한다.

상기에서 언급된 바와 같이, 레이저 ICP분광분석을 사용한 전환로 작업과정은 다음과 같은 잇점을 가진다: 개선된 가열속도; 탭핑을 위한 짧은 대기시간(종래과정의 10분의 1정도); 및 추가 블로우잉을 요구하는 전하의 감소된 수(2퍼센트).본 발명에 따른 과정에서는 24시간(하루)당 41에서 42에 이르는 탭핑 사이클이 성취될 수 있는 반면에 종래 과정에서는 40사이클이 성취될 수 있다. 더구나, 탭핑온도가 극히 짧은 유휴시간으로 인해 감소되어 질 수 있으며 전환로 내화물질의내구성이 상당히 향상된다.

도표4

장입 횟수 n=150	최종성분의 가열속도 탭핑을 위한 대기시간 추가 블로우잉 [C] [Mn]
종 래 본 발명	90% 85% 50 sec 8% 97% 92% 5 sec 2%

연속주조에서 주조 생성물의 성분검사에 대한 레이저 ICP분광분석의 적용

레이저 ICP분광분석법은 표본의 절단면의 레이저빔 조사, 운반가스에 의해 ICP분광계로 운반되어지는 증발된 원소의 전달, 유도플라스마에서의 방출, 방사된 빛의 분광분석(파장 및 세기), 및 원소의 결정을 포함한다. 상기 분석방법은 도 21을 참조하여 다음과 같이 기술되어진다. 도 21에 도시된 가동분석장치는 입밀된 가스 공급부분(708), ICP분광계(710) 및 레이저 전원 공급원(712), 및 더 나아가 레이저조사유닛(720)으로 구성된다. 레이저 전력공급원(712)으로부터의 전력에 의해 레이저 발진수단(702)으로부터 생성된 레이저빔은 광학시스템(704)에 수렴되고, 레이저 조사유닛(720)의 앞단 셀로부터 조사된다. 다음은 그 장치의 명세들이다.

레이저: YAG Q-스위치 레이저

파장: 1.06㎛

평균출력전력: 10W

Q-스위치의 주파수: 1KHz

펄스폭: 100nsec

수렴렌즈: F=100㎜

최소조사면적: 2평방㎛

분석표면의 연삭: 벨트연삭 후, 레이저 연삭 150초

이러한 분석 장치에서, C, Mn, Si, P, S, Cr등은 대략 30초 정도의 분석시간을 요구한다. 그 정확성이 종래의 방출 분광분석과는 달리 분석표면의 온도에 의존하지 않는다. 연속적으로 주조 산물이 주어진 스케줄에 따라 절단된 후, 그 절단생성물은 그 절단이 오디너리한지 아닌지가 검사되어진다. 따라서, 정상의 단면이나 선행 장입물의 최종 주조산물 및 바닥의 단면이나 다음 장입물의 최초 주조 산물은 절단이 오디너리한지 아닌지를 검사하기 위해 고온상태에서 분석되어지고 필요하다면 주조산물이 재 절단되어진다.

연속주조에서 주조산물의 성분검사 절차는 다음과 같은 단계로 이루어진다.

(a) 주어진 계획에 따라 변화구역의 앞, 뒤에서 연속주조에 의해 생산된 주조산물의 절단;

(b) 레이저 ICP분광분석에 의해 선행하는 장입물로부터 절단주조산물의 중심단면에서 소정 원소의 측정;

(c) 레이저 ICP분광분석에 의해 다음 장입물로부터 절단주조산물의 주변단면에서 소정 원소의 측정;

(d) 이러한 결과들에 기초한 주조산물의 성분검사.

본 발명에서, 레이저 ICP분광분석은 모든 종류의 금속의 분석이 가능하기 때문에 용융 금속은 강, 알루미늄, 구리, 및 합금을 포함한다.

본 발명에 따른 일 실시예가 도 22를 참조하여 다음과 같이 기술되어진다. 주어진 계획에 따라 연속적으로 주조 생성물이 절단된 후, 뒤따르는 장입물의 바닥 주조 생성물(BA)과 선행하는 장입물의 정상 주조 생성물(TF)이 분석스탠드(724)로 전달된다. 분석 스탠드(724)는 연속 주조 플랜트에 놓여져 있으며, 주조 생성물을 나르기 위한 로울 스탠드와 연결되어진다. 상기에 언급된 BA 및 TF 주조 생성물은 그들의 개별위치센서(715)에 응하여 각각 분석스탠드(724)에서 소정 지점으로 전달된다. 레이저 챔버(714)에 위치한 ICP분광계의 레이저 조사 유닛(720)은 두 주조 생성물 사이의 중간지점을 향해레일(718)을 따라 움직인다. 상기에서 이미 언급된 바와 같이, 중심단면은 레이저 조사유닛(720)이 주조 생성물을 향해 움직여서 분석되어지는 지점과 긴밀하게 결합된 후 선행하는 장입물의 정상 주조 생성물에 대해 분석되어진다. 요구되는 분석시간은 대략 30초 정도이다.

다음으로, 레이저 조사유닛(720)은 뒤따르는 장입물의 바닥 주조 생성물의 주변 단면 표면을 분석하기 위해 턴테이블(716)위에서 회전된다. 요구되는 분석시간이 또한 30초 정도이다. 분석 시, 이들 주조 생성물들은 층(seam)이 절단된 후, 즉시 전달되기 때문에 적열 상태에 있다. 상기에 언급된 바와 같이, 적열상태에 있는 주조 생성물의 단면은 레이저(ICP)분광분석에 의해 분석되어 질 수 있다. 이리하여, 연속주조 금속은 온라인 절삭기로 절단되어 질 수 있고 절단 주조 생성물은 적열상태에서 분석되기 위해 즉시 분석스탠드로 전달된다. 위치선정과 분석이 즉석에서 수행되기 때문에, 위치선정시간을 포함하는 분석시간은 대략 2분정도이다. 이리하여 주조 생성물의 위치선정 및 전달을 포함하는 전체 분석시간이 10분이내가 되는 반면, 종래의 방법은 4일에서 5일정도가 요구된다. 만약 분석결과가 소정 범위내이면 주조산물은 다음압연단계로 전달되어 질수 있다(그래서 직접전달압연이라 부른다) 만약 분석결과가 소정 범위로부터 벗어나면 주조산물은 재 절단부분에 전달되어 거기서 재 절단되고 나서 분석스탠드에 전달되어 다시 분석된다.

필요하면 분석되어져야 할 지점이 다수 선택되어 질 수도 있을 것이다. 한 지점에 대해 요구되는 분석시간은 위치선정시간을 포함해서 2분이내이다. 측정되어지는 원소들은 탄소강의 주조산물에 대해 C, Mn, P, S, Si 및 Al을 포함한다. 나아가, 요구에 따라 Cr, Ni, Mo, V, W, Nb등이 특별한 성분을 포함하는 주조 생성물에 대해 측정되어진다. 본 발명은 용융강의 연속주조 뿐만 아니라 알루미늄,구리 및 그것의 합금의 연속주조에도 적용할 수 있다.

연속주조에서 주조생성물의 중심편석 체크에 대한 레이저 ICP분광분석의 적용

연속주조에서 주조 생성물의 중심편석에 대한 신속한 검사절차는 다음과 같은 단계에 의해 이루어진다:

(a) 예정에 따른 연속주조 생성물의 절단

(b) 적어도 하나이상의 절단생성물에서 레이저 ICP분광분석에 의해 소정 원소들의 측정, 이때 각각의 절단 생성물은 절단표면에 관한 중심을 포함하는 라인을 따라 혹은 중심에서 분석되어진다.

(c)분석결과에 기초한 주조 생성물의 중심편석체킹.

본 발명에 따른 일 실시예가 도 23을 참조하여 다음과 같이 기술되어진다.

연속주조에 의해 생성된 슬래브와 같은 주조 생성물이 소정 스케줄에 따라 주조 생성물(711)로 절단되어 분석스탠드(724)로 전달된다. 분석스탠드(724)는 연속주조 플랜트에 위치하고 주조 생성물 전달을 위한 롤 스탠드와 연결되어진다. 주조 생성물(711)은 분석 스탠드(724)내의 주어진 위치로 전달된다. 주조 생성물(711)의 위치는 위치센서(715)에 의해 측정된다. ICP 분광계의 레이저 조사 유닛(720)은 레이저 챔버(714)에서 레일(718)을 따라 주조 생성물(711)의 중심 가까이로 이동된다. 레이저 조사 유닛(720)이 절단면과 접촉되도록 레이저 조사 유닛(720)은 주조 생성물(711)의 절단면 위 분석지점으로 이동한다. 레이저 조사 유닛 (720)은 중심편석 분석을 위해 중심선으로부터 수직방향으로 대략 3㎜이내에 주사된다. 분석은 레이저 조사 유닛(720)이 중심선을 교차하는 연속주사에 의해 혹은 유닛(720)이 중심선을 교차하는 단계주사에 의해 수행되고 주어진 간격 0.5㎜정도에서 멈춘다. 중심편석은 일반적으로 1㎜ 혹은 그이하의 폭이나 두께를 가지기 때문에 수직으로 3㎜정도를 오르내리며 주사하는 것에 의해 확실하게 분석되어질 수 있다. 이리하여, 분석은 레이저 조사 유닛(720)의 이동없이 대략 60초 동안 레이저빔의 수직운동에 의해 수행되어진다. 단계주사에서, 레이저 조사 유닛(720)은 단계적으로 이동된다.

분석이 완료된 후, 필요하다면 레이저 조사 유닛(720)은 다른 지점을 분석하기 위해 레일(718)을 따라 움직일 것이다. 이러한 조작은 대략 60초 정도의 분석시간을 요구한다. 주조 생성물은 절단 후 즉시 전달되기 때문에 여전히 적열상태에 놓여있게 된다.

비록 도23이 주조 생성물의 일 예로서 슬래브를 나타내지만 각 빌릿과 둥근 빌릿과 같은 다른 주조 생성물 역시 유사한 방법으로 분석되어질 수 있다. 각 및 둥근 빌릿에서, 중심편석은 라인형이 아니라 반점형을 가진다.

상기에서 언급한바와 같이, 적열 상태에 놓여 있는 주조 생성물의 교차부분은 레이저 ICP분광계에 의해 분석되어질 수 있다. 이리하여, 연속 주조 생성물은 온-라인 커터로 절단될 수 있고 이러한 절단 주조 생성물은 적열상태에서 분석되어질 수 있도록 분석 스탠드로 즉시 전달된다. 분석시간은 대략 2분에서 5분 사이다. 따라서 주조 생성물의 위치선정 및 전달을 포함하는 총 분석시간이 10분 이내인 반면 종래의 방법은 4일에서 5일을 요구한다.

이리하여, 만약 분석결과가 소정 범위 내라면 주조 생성물은 다음 압연단계로 전달되어질 수 있다.(그래서 직접전달압연이라 지칭한다.) 만약 분석결과가 소정 범위를 벗어난다면 주조 생성물의 용법은 변하거나 중지된다.

필요하다면 분석되어지는 지점이 다수 선택되어질 수 있다. 한 지점에서 요구되는 분석시간은 2분에서 5분사이의 범위를 가지며 위치선정 시간을 포함하는 총 시간은 10분이내이다.

측정될 원소에는 탄소강의 주조 생성물에 대해 C, Mn, P,S,Si, 및 Al을 포함한다. 아울러 Cr,Ni,Mo,V,W,Nb 등은 요구에 따라 특별한 성분을 포함하는 주조 생성물에 대해서 측정되어진다. 구리합금 및 알루미늄합금에서, 합금의 구성원소가 측정되어질 수 있다.

보기에서와 같이, 0.23 wt%의 탄소를 포함하는 탄소강의 연속주조에 의해 생성된 슬래브의 절단면 위 중심 편석의 분석결과가 도24에 나타나있다. 중심편석은 가로축의 약 6㎜에 위치된다. C,P 및 S의 농도는 0.5㎜ 간격에서 단계적으로 측정되어진다. 도면에 나타난바와 같이 높은 중심편석이 존재하는 이러한 슬래브는 목적용법에 대해서 부적합하다는 것이 결론지어진다. 이리하여 슬래브의 용법이 변화된다.

주조잉곳의 중심편석 검사에 대한 레이저 ICP 분광분석의 적용

주조잉곳의 중심편석에 대한 신속한 검사절차는 다음과 같은 단계로 이루어진다.

(a) 소정 스케줄에 따라 거친 압연 주조잉곳의 상단 및 하단의 절단

(b) 레이저 ICP 분광계에 의한 주조잉곳의 상단 및 하단 절단면의 분석

(c) 분석 결과에 기초한 주조잉곳의 중심편석의 체킹

도25를 참조하여 본 발명에 따른 일 실시예가 다음과 같이 기술되어 진다. 주조나 거친 압연에 의해 생산된 주조잉곳이 정해진 스케줄에 따라 절단되고 절단 상단 및 하단면이 분석 스탠드(724)로 전달된다. 분석 스탠드(724)는 주조 플랜트에 위치하고 있고 주조잉곳을 전달하기 위한 롤 스탠드와 연결된다. 절단 주조잉곳 (701)은 분석 스탠드(724) 내의 정해진 지점으로 전달된다. 주조잉곳(701)의 위치는 위치선정 센서(715)에 의해 결정되어 진다.

ICP 분광계의 레이저 조사유닛(720)은 레일(718)을 따라 레이저 챔버(714)에서 주조잉곳(701)의 중심부로 움직인다. 레이저조사유닛(720)의 전면 말단이 절단면과 밀착되도록 레이저 조사유닛(720)은 주조잉곳(701)의 절단면 위의 분석 지점으로 움직인다.

레이저 조사유닛(720)은 중심편석 분석을 위해 중심선으로부터 수직방향으로 대략 3mm 이내로 주사된다. 레이저 조사 유닛(720)이 중심선과 교차되는 연속주사나 그 유닛(720)이 중심선과 교차하는 단계주사에 의해 분석이 수행되고 0.5mm 정도의정해진 간격에서 멈춘다. 주조잉곳이 거친 압연 슬래브일 때에는, 중심편석이 슬래브에서 일반적으로 1mm나 2mm이하의 폭이나 두께를 가지기 때문에 수직으로 3mm 정도의 범위로 주사하는 것에 의해 확실하게 분석되어 질 수 있다. 이리하여 대략 60초 동안 레이저 조사유닛(720)은 단계적으로 이동된다.

분석이 종료된 후, 필요하다면 레이저 조사 유닛(720)은 다른 지점을 분석하기 위해 레일(718)을 따라 움직일 것이다. 이러한 조작 역시 대략 60초 정도의 분석 시간을 요구한다. 주조 잉곳은 절단 후 즉시 전달되기 때문에 여전히 적열 상태에 놓여 있다. 비록 도 25가 주조잉곳의 예로써 거친 압연 슬래브를 나타내었다 할지라도 각 블룸 및 둥근 블룸과 같은 다른 주조잉곳 역시 유사한 방법으로 분석되어질 수 있다. 각 및 둥근 블룸에서, 중심편석은 라인형이 아닌 반점형을 가진다.

상기에서 이미 언급한 바와 같이, 적열 상태에 놓여 있는 주조잉곳의 단면은 레이저 ICP 분광계에 의해 분석되어질 수 있다. 이리하여, 주조잉곳은 온 라인 커터로 절단될 수 있으며 그러한 절단 주조잉곳은 적열 상태에서 분석되어지기 위해분석 스탠드로 즉시 전달된다. 분석 시간은 대략 2에서 5분 정도이다. 이와 같이, 주조잉곳의 전달 및 위치선정을 포함하는 총 분석 시간이 30분 이내인 반면 종래의 방법은 4일에서 8일 정도를 요구한다.

따라서, 분석 결과가 소정 범위내이면 주조잉곳은 다음 압연 단계로 전달되어 질 수 있다.(소위, 직접 전달압연이라 지칭한다.) 분석 결과가 정해진 범위를 벗어난다면 주조잉곳은 재 절단 부분으로 전달되어 재 절단되고 다시 분석 스탠드로 전달되어 또다시 분석되어 진다.

필요하다면 분석되어지는 지점이 다수 선택되어 질 수도 있을 것이다. 한 지점에 대해 요구되는 분석 시간은 2분에서 5분정도이며 위치 선정 시간을 포함하는 총 시간은 10분 이내이다. 측정되는 원소들은 탄소강의 주조잉곳에 대해 C, Mn,P, S, Si 및 Al을 포함한다. 아울러, Cr, Ni, Mo, V, W, Nb 등은 요구에 따라 특별한 성분을 포함하는 주조잉곳에 대해 측정되어 진다. 구리 합금과 알루미늄 합금에서, 합금을 구성하는 원소들이 측정되어 질 수 있다.

금속의 분석을 위해 사용하는 장치

금속의 분석은 레이저 발진기, 레이저빔 제어기, 레이저 조사셀 등을 나르는 왕복대를 가진 시스템을 사용하여 수행되어진다. 왕복대는 분석되어지는 금속의 맞은편 지점으로 이동하고, 셀의 레이저빔 조사포트는 금속의 분석표면과 밀착하고 레이저는 금속의 분석표면을 조사하는 레이저빔을 방사하기 위해 활성화되며 그 결과 미소입자들은 금속의 분석표면으로부터 제거되어 진다. 그리고 나서 미소입자들은 아르곤 가스와 같은 비활성 운반가스에 의해 분광계로 옮겨진다.

따라서, 분광계에 적용될 수 있도록 특수한 형상이나 크기로 금속표본을 연삭하기 위해 요구되는 까다로운 작업없이, 금속의 온도를 고려하지 않고 금속의 성분을 측정하기 위해 직접적이고도 신속하며 적당하게 금속을 분석하는 것이 가능하다.

도26은 본 발명에 따른 장치의 정면 개략도이다. 이 도면에 나타나 있는바와 같이, 장치는 분석되어지는 금속, 즉, 빌릿(801)을 향해 이동할 수 있는 왕복대를 가진다. 왕복대(802)는 레이저 발진기(803), 레이저 발진기(803)로부터 나온 레이저빔의 촛점을 제어하는 레이저빔 제어기(804), 및 레이저빔 조사셀(805)을 운반한다.

왕복대(802)는 그것의 아래쪽에 휠(808)을 가진 베이스(807)와 스토퍼(809)를 갖추고 있다. 아울러 왕복대(802)는 유압실린더와 같은 리프팅 기어(811)에 의해 아래, 위로 움직일 수 있는 리프트 테이블(810)을 갖추고 있다. 상기에 언급된레이저 발진기(803), 레이저빔 제어기(804) 및 레이저빔 조사셀(805)은 테이블(810)위에 탑재된다. 테이블(810)은 전체장치를 적절하게 위치시키기 위해 금속표본의 분석표면에 인접해 있는 다수의 위치선정 암(812)을 지니고 있다. 각각 L-형 말단을 가진 이들 위치선정 암(812)은 서로 평행하게 테이블(810)의 말단으로부터 수평으로 뻗쳐있다.

레이저 발진기(803)는 빔의 에너지가 빌릿(801)의 일부분을 증발시키기에 충분히 큰 밀도가 되도록 빌릿(801)의 분석표면위 한점에 레이저빔을 집속하도록 작동하고 그것에 의해 미소입자가 방출된다.

레이저빔 제어기(804)는 레이저빔 반사거울(813), 레이저빔의 간섭성을 향상하기 위한 빔 확장기(814) 및 수렴렌즈(815)를 포함한다. 수렴렌즈(815)는 공기압 실린더의 작동에 의해 수평으로 움직일 수 있도록 테이블(810)을 지탱하는 베이스(816)위에 설비되어져 있다. 빌릿(801)의 분석표면과 접촉하는 레이저빔 조사포트(805a)를 가진 레이저빔 조사셀(805)은 베이스(816)의 말단에 설비되어져 있다. 반사거울(813) 및 수렴렌즈(815)는 광학축의 변화가 가능할 뿐만 아니라 빌릿의 분석표면 위에 가해지는 레이저빔의 유효범위를 제어할 수 있도록 움직일 수 있으며 회전할 수 있다. 이리하여, 레이저빔 제어기(804)는 빌릿으로부터 미소입자를 더 높은 속도로 생성할 뿐만 아니라 분석의 정확성을 높이는데 효과적이며 한편으로는 편석분석에 기인하는 분석의 실패를 줄일 수 있다.

레이저소스는 왕복대에 의해 움직일 수 없도록 배치되어 있으며 이러한 레이저소스로부터의 레이저빔은 광섬유를 통해 인도된다. 그러나, Q-스위치가 켜진후 레이저소스로부터 방사된 고전력의 레이저빔은 레이저빔 제어기(804)에 의해 동일지점으로 인도된다. 이 때문에, 고전력 레이저출력 부분이 레이저빔 제어기(804)와 함께 왕복대위에 배치되는 것이 필수적이다.

상기에서 이미 언급한바와 같이, 레이저빔 조사셀(805)과 수렴렌즈(815)는 수평으로 가동할 수 있는 테이블(816)위에 탑재되어져 있다. 따라서, 베이스(816)에 압력을 가하는 공기압 실린더를 활성화시키는 것에 의해 셀(805) 말단의 레이저빔조사포트(805a)가 분석표면과 밀접하게 접촉되도록 셀을 빌릿의 분석표면에 밀착시키는 것이 가능하다. 셀이 빌릿의 분석표면에 밀착될 때 레이저빔이 분석표면 위에 집속 되도록 수렴렌즈(815)의 초점길이를 사전에 조절하는 것이 필요하다. 수렴렌즈(815)는 레이저빔 제어기(804)와 함께 테이블 위에 조절할 수 있도록 배치되어 진다.

조사포트가 분석표면에 밀착될 때 발생하는 바람직하지 않는 빌릿의 분석표면과 레이저빔 조사셀의 조사포트사이의 갭의 존재는 레이저빔의 조사로 빌릿으로부터 생성되는 미소입자의 수송속도의 감소를 초래하고 그 결과 분석기에 의해 수행되는 분석의 정확성이 떨어지게 된다. 따라서, 셀의 조사포트가 빌릿의 분석표면과 가능한 밀접하게 접촉을 유지하는 것이 힘들어 진다. 따라서 발명의 언급된 실시예에서, 공기압 실린더의 작용에 의해 셀 말단의 레이저 조사포트가 빌릿의 분석표면과 밀착될 때 테이블 말단으로부터 수평으로 돌출된 위치 선정암의 끝은 빌릿의 분석표면과 인접하게 되어지고 이리하여 빌릿의 분석표면과 조사포트사이의 높은 정도의 밀접성이 성취된다.

보다 상세하게 설명하면, 위치 선정암(812)의 L-형 말단의 끝은 셀의 레이저빔 조사포트의 평면과 평행하게 뻗쳐 형성되며 그 결과 위치 선정암이 빌릿의 분석표면과 접촉될 때 셀의 표면과 분석표면 사이의 어떤 상대적인 경사나 비틀림이 인지되어 질 수 있게 된다. 따라서, 셀의 레이저빔 조사포트가 빌릿의 분석표면과 긴밀하게 접촉되는 그러한 장치의 설치가 가능해 진다.

빌릿이 변할 때마다 신뢰할만한 접촉을 확인할 수 있도록 빌릿의 분석표면과 셀의 레이저빔 조사포트 사이의 접촉상태를 모니터하는 모니터 시스템을 사용하는 것에 의해 분석의 정확성에 있어서 더 나은 향상을 성취할 수 있다.

석영유리 윈도는 레이저빔 조사포트가 설치된 말단의 반대편 셀의 말단에 설비되어 진다. 비활성 가스소스(817)와 RF-ICP(유도 결합 플라스마)분광계(806)는 셀 내부와 가요성 관로(818)를 통해 연결되어 진다. 비활성 가스소스(817)는 레이저빔의 조사결과 빌릿으로부터 생성된 미소입자를 전달하고 운반하기 위해 셀 내부로 아르곤 가스같은 비활성 가스를 공급한다. 비활성 가스에 의해 운반된 미소입자는 미소입자의 조성을 분석하기 위해 ICP분광계로 도입된다.

빌릿의 분석표면은 산화막의 형성과 같은 문제를 회피하기 위해 미리 접지될 필요가 있다. 연삭은 소형 원판 연삭기나 벨트 연삭기에 의해 손쉽게 수행될 수 있다. 그러한 연삭장치는 레이저빔 제어기(804)와 함께 왕복대위에 탑재되어지거나 왕복대로부터 분리하여 설치될 수도 있다.

아래에 나타난 명세를 따르는 본 발명의 장치가 고열 빌릿의 조성을 분석한다.

셀: SUS로 만들어진 셀이 사용되었다. 표본과 셀 사이에 존재하는 접촉각의 편차를 흡수하기 위해서 벨로스 스프링이 셀의 접촉부분에 통합되어 있다.

레이저: 초음속 Q-스위치를 가진 Nd-YAG 레이저(파장 1.06㎛)가 사용되었다.

분석기: 분석기로 ICP 분광계가 사용되었다.

왕복대가 빌릿(801)의 분석표면을 마주보는 지점을 향해 움직인다. 연삭장치로 복무하기 위해 ＃60의 이산화지르코늄 입자로 이루어진 연삭벨트를 가진 벨트 연삭기가 레이저빔 조사셀 및 레이저빔 제어기와 평행하게 왕복대위에 놓인다. 30㎜의 폭과 30㎜의 길이를 갖는 빌릿의 분석표면에 원래부터 존재하는 2에서 3㎜높이의 블록은 빌릿의 분석표면이 대략 10초 정도의 연삭에 의해 평탄해지므로서 제거되어진다. 이와 마찬가지로 빌릿의 분석표면이 직경 150㎜의 이산화지르코늄 원판 연삭기에 의해 약 10초내에 평탄하게 될 수 있다는 것도 역시 확실하다.

빌릿의 분석표면 연삭 후, 테이블의 수평 및 수직조정과 같은 왕복대 이동의 결합효과에 의한 위치 선정암의 조력으로 레이저 조사셀의 조사포트는 빌릿의 분석표면과 밀착하게 된다. 빌릿의 분석표면과 셀의 조사포트 사이에 형성된 실의 내밀성을 확고하게 하기 위해 유량계 혹은 아르곤 강도계를 사용한 모니터링이 수행된다.

그리고 나서, 레이저 발진기는 빌릿의 분석표면을 조사하기 위하여 1㎑의 펄스 레이저빔을 방사하기 위해 12W로 여기 되어진다. 결과적으로 분석표면 위의 강(steel)물질이 미소입자를 방출하기 위해 증발되어 지고 이 미소입자는 가스소스(817)로부터 셀내부로 불어넣어진 아르곤 운반가스에 의해 ICP 분광계로 전달된다.

ICP분광계는 플라스마 가스, 보조가스, 및 운반가스의 유량을 각각 15 liter/min, 1 liter/min, 및 1 liter/min로 유지하면서 27.12㎒의 주파수에서 1.5㎾의 전력으로 작동되며 표본의 증발로 생성된 미소입자는 분광계에 의해 조성을 측정할 수 있도록 직접 빛이 비추어져 여기된다. 결과적으로, 빌릿의 조성은 약 60초 정도의 짧은 시간 내에 적절하고도 신속하게 성분이 측정되도록 분석되어 질 수 있다.

본 발명에 따르면, 표본이 노로부터 골라진 후 응결된 부분이 표본 이동장치에 의해 레이저 분석시스템과 표본 절단장치사이를 이동하게 되어진다. 따라서, 작업중 표본은 분석표면이 노출되도록 절단장치에 의해 절단되어지고 노출된 분석표면을 가진 표본은 절단 후 즉시 레이저 분석시스템이 위치해 있는 지점으로 운반되어 레이저빔이 멈춤없이 적용될 수 있게된다. 결과적으로, 분석표면 위에 발생하는 산화막과 같은 문제는 레이저빔에 의해 제거되고 레이저 조사의 결과로 표본으로부터 방출되어지는 미소입자는 비활성 운반가스에 의해 표본의 화학적 조성을 분석하는 분석기로 전달된다. 따라서, 표본이 여전히 적열상태에 있을 때에도 적절하고도 신속한 표본조성의 분석이 가능해진다.

이하 완성도면을 참고하여 본 발명에 따른 장치의 설명이 주어진다. 도27은 본 발명을 구체화한 장치의 평면 개략도이다. 이 도면에 나타나있는 바와 같이, 그 장치는 조성의 성분을 측정하기 위해 화학적 조성을 분석하도록 레이저로 표본을 조사하기 위한 레이저 분석기(902), 시험되어지는 분석표면이 노출되도록 표본(901)을 절단하기 위한 표본 절단장치(903),및 레이저 분석기(902)에 의한 분석과 표본 절단장치(903)에 의한 절단을 이루기 위한 위치로 표본을 순서에 따라 세트하도록 레이저 분석기(902)와 표본 절단장치(903) 사이에 움직일 수 있도록 설치된 표본 처킹 컨베이어장치를 가진다.

레이저 분석기(902)는 표본(901)물질의 미소입자를 생성하기 위해 레이저빔으로 표본을 조사하기 위한 레이저 발진기(905), ICP 분광계(906), 한쪽 말단에 레이저 조사포트(907a)가 다른 쪽 말단에는 석영유리 윈도(907b)가 설치되어 있는레이저 조사셀(907), 레이저빔 반사거울(909)과 수렴렌즈(910)를 가지는 레이저 안내튜브(908) 및 레이저빔에 의한 표본조사의 결과로 생성된 미소입자를 운반하기 위해 셀(907) 내부에 아르곤과 같은 비활성 운반가스를 공급하는 가스소스(914)를 포함한다.

셀(907)의 한쪽 옆면에는 가스 인입포트(911)가 다른쪽 옆면에는 가스 배출포트(912)가 설치되어져 있다. 상기의 가스소스(914)는 도관(913)을 통해 가스 인입구(911)와 연결되고 가스 배출구(912)는 도관을 통해 상기의 ICP분광계(906)와 연결된다. 셀의 레이저 조사포트(907a)는 표본(901)과 접촉되도록 유압 실린더(도시되어 있지 않음)의 작용에 의해 앞. 뒤로 움직일 수 있도록 고안되어져 있다.

표본 절단장치(903)는 전동기(903a)에 의해 고속으로 회전되는 연삭 디스크(903b)로 구체화된다. 표본 처킹 컨베이어(904)는 레이저 분석기(902)와 표본 절단장치(903) 사이에 놓인 레일을 따라 움직일 수 있도록 설계된 왕복대(916) 및 표본 절단장치(903)를 포함하며 왕복대위에는 척(918)이 설치되어 표본을 고정시키기 위해 사용된다. 척(918)은 고정된 제1핑거(919) 및 유압 실린더(도시되어 있지 않음)의 작용에 의해 제1핑거를 향해 수평으로 가까워졌다 멀어졌다 할 수 있도록 제1핑거의 맞은편에 설치된 가동식 제2핑거(920)를 가진다. 이러한 제2핑거(920)는 수평 회전운동을 위한 핀(921)에 의해 그것의 중간부분에서 지지된다.

적열상태에 있는 표본(901)이 컨버터로부터 용융된 강의 일부분을 서브랜스를 통한 채집에 의해서 준비되어지고 그러한 강 용융물은 표본금형 속으로 용탕주입된다. 이렇게 준비된 적열상태의 표본은 제1핑거와 제2핑거 사이의 협력에 의해 왕복대위의 척에 고정된다. 그리고 나서, 왕복대는 도27에 B로 나타난 지점으로 절단장치를 향해 추진되어진다. 결과적으로, 적열상태의 표본은 고속으로 회전하는 절단장치의 연삭기(903a)에 의해 절단되어지며 그 결과 시험되어지는 표본의 분석표면이 노출되어진다. 표본이 절단되어 질 때 여전히 고열이므로 절단 시 오로지 적은 부하만이 절단장치에 가해져서 절단이 짧은 시간 안에 완료되어 질 수 있다.

절단장치에 의해 수행된 표본의 절단 결과로 표본의 분석표면이 노출된 후 즉시 왕복대는 도27에서 C로 나타나는 지점으로 레이저 분석기를 향해 움직인다.셀 말단의 레이저빔 조사포트와 표본의 분석표면을 밀착시키기 위하여 레이저 분석기의유압 실린더는 왕복대위의 척에 의해 고정된 표본의 분석표면을 향해 셀을 내밀도록 작동화 된다. 절단의 결과로 노출된 표본의 분석표면이 평탄하기 때문에 고도로 친밀한 접촉이 이루어진다.

그리고 나서, 레이저 발진기는 레이저빔을 방사하기 위해 작동화된다. 이렇게 방사된 레이저빔은 레이저 발진기(905)높이의 위. 아래에 배치된 한 쌍의 반사거울(909)에 의해 반사되어지고 수렴렌즈(910)로 투사되어진다. 레이저빔은 석영 유리 윈도를 통해 셀로 들어가고 표본의 분석표면에 조사되도록 조사포트를 통해 방사되어진다. 그사이에, 아르곤 가스가 가스 인입구(911)를 경유해서 가스소스(914)로 부터 셀 내부로 공급되어진다. 표본물질의 증발의 결과로 방출된 미소입자는 가스 배출구(912)를 경유해서 도관(915)을 통해 ICP 분석기로 도입되고 분광기에 의해 분석되도록 플라스마의 에너지에 의해 비추어져 여기된다.

ICP 분광계에 있는 플라스마는 아르곤 여기의 결과로 생성된 플라스마로 구성되는데 이것은 질소 및 산소와 비교해서 더 작은 에너지로 여기 되어지는 잇점이 있다. 따라서, 공기 즉, 산소 및 질소가 시스템에 도입될 때 플라스마는 소멸되어지며 분광분석을 실행하는 것이 불가능해진다. 또한, 공기의 도입은 표본물질의 탄소를 일산화탄소로 변화시키는 표본의 산화를 초래하게 된다. ICP 분광계는 증기상과 미소입자를 서로 구별할 수 없기 때문에 공기의 도입은 분석에서 약간의 오차인자를 발생하므로 가능한 피해야한다. 본 발명의 기술된 실시예에서, 표본과 셀의 레이저빔 조사포트 사이에 형성된 실의 내밀성에 의해 공기의 도입이 거의 완벽하게 방지될 수 있어 그 분석은 고도의 신뢰성과 안정성을 가지고 수행될 수 있는바 이는 그들 사이의 고도의 내밀성에 기인하는 것이다.

컨버터에서 용융된 강의 분석에 적용된 본 발명의 기술된 장치의 작동의 한 예가 다음과 같이 기술되어진다. 그 작동은 바닥과 상단의 직경이 각각 30㎜ 및 33㎜이고 그 길이가 70㎜인 표본을 사용하여 수행된다. 표본은 컨버터에 강 용융물을 살짝 담그고 서브랜스의 말단에 부착된 프로브 속에서 강 용융물을 주조하는 것에 의해 제조되어진다.

약 1000℃정도의 표면온도를 가지고 여전히 적열상태에 놓여있는 표본이 도27에서 A로 표시된 지점에 위치되어지고 표본처킹 컨베이어(904)의 왕복대(916)위의 척에 의해 잡힌다. 이때 그 표본은 척(918)의 제1핑거(919)와 제2핑거(920) 사이에 고정된다. 그리고 나서, 왕복대는 도27에서 B로 표시된 지점으로 표본 절단장치를 향해 움직이고 그 표본은 절단장치에 부착되어 고속으로 회전하는 연삭 디스크(930b)에 의해 절단되며 그 결과 표본의 분석표면은 노출되어진다. 절단 후 즉시 왕복대는 도27에서 C로 표시된 지점에 위치하도록 레이저 분석기(902)를 향해 움직인다. 표본 처킹 컨베이어의 왕복대 운동의 타이밍과 속도는 도면에 도시되지 않은 제어기에 의해 제어되어진다.

분석은 다음과 같은 명세를 갖는 레이저 분석기를 사용하여 수행된다.

셀: 조사포트와 석영유리 윈도를 가진 말단에서 그 직경이 각각 10㎜ 및 50㎜이고 그 길이가 70㎜인 프루스토-코니칼 셀.

레이저: 초음파 Q스위치를 가진 Nd-YAG 레이저(파장 1.06㎛)가 레이저로 사용된다.

운반가스: 아르곤 가스가 운반가스로 사용된다.

분석기: ICP 분광계가 분석기로 사용된다.

셀이 왕복대위의 척에 의해 고정된 표본을 향해 내밀어 지도록 레이저 분석기의 유압 실린더가 활성화되어지고 나서 셀이 표본과 접촉되도록 표본위에 압착된다. 표본이 12W의 평균전력과 1㎑의 주파수를 가지고 조사되도록 레이저 발진기가 활성화되어진다.

조사 레이저빔은 75㎜의 초점을 가지도록 설계되어진 수렴렌즈를 통해 표본위에 100㎛ 혹은 그이하의 빔 스폿을 형성하기 위해 수렴되어진다. 초점 위치는 수렴렌즈와 레이저 발진기 사이의 광학축 위. 아래에 배치된 한쌍의 반사거울의 반사각을변화시키는 것을 통해 레이저빔의 광학축을 변화시킴으로서 제어되어진다. 반사거울 각각은 20㎜의 폭과 30㎜의 길이를 가지고 있으며 빔 발진의 각과 주기를 변화시키기 위한 메커니즘에 의해 유지된다. 보다 상세하게, 반사거울 중 하나는 2㎜의 진폭으로 초점을 발진시키기 위해 30㎐의 주파수나 주기로 회전되어지는 반면에 다른 것은 2㎜의 진폭을 넘어 3㎑의주파수로 촛점을 발진시키기 위해 회전되어진다.

산화막 및 오염막과 같이 분석을 방해하는 층을 제거하기 위해 예비 레이저빔 조사가 25초동안 표본의 표면 위에 미치게된다. 그리고 나서, 이어지는 레이저빔의 조사에 의해 표본물질로부터 미소입자가 방출되며 방출된 미소입자는 분광기를 통해 분석을 행하기 위해 ICP 분석기로 운반되어진다. 예비 레이저빔 조사의 지속은 25초 보다 더 짧으며 산화막 및 오염막이 효과적으로 제거되도록 제공된다. 오랜시간 동안 셀을 개방한 채 내버려 두는 것은 시스템에 공기의 침입을 허용하게되는 바람직하지 못한 결과를 초래하며 침입한 공기를 비활성 가스로 대체하고 셀과 튜브의 내부표면에 침전된 이슬을 제거하기 위한 어렵고도 시간이 오래 걸리는 작업이 필요하게 된다. 이리하여 분석에서 예비 조사시간이 연장된다. 따라서, 셀이 개방되는 시간을 최소화하기 위하여 분석을 중단할 때에는 셀의 레이저빔 조사포트가 닫혀있을 필요가 있다. 같은 이유로 인해, 도관(913,914)의 직경은 가능한 작은 것이 타당하다. 기술된 실시예에서 직경 2㎜의 튜브가 도관(913,914)으로 사용되었다.

레이저빔 조사에 의해 표본으로부터 방출된 미소입자는 가스 인입구(911)를 통해 셀로 공급된 아르곤 가스에 의해 가스배출구(912)를 경유한 도관(915)을 통해 ICP분광계로 77운반되어진다. 도관의 물질뿐만 아니라 아르곤 가스 속의 불순물이 표본분석의 정확성, 특히 탄소 성분의 측정의 정확성에 영향을 미치게된다. 따라서, 언급된 예에서 가스 속에 포함된 탄소의 농도를 1㎍/r 이하로 줄이기 위해 아르곤가스는 지르코늄(Zr)-게터 기술에 의해 정제되어지고 보통의 기술에 의한 강의 분석에서 탄소성분의 측정에 요구되는 것과 거의 같은 탄소의 성분을 유지하기 위하여 깨끗한 내부표면을 가진 스테인레스 강 튜브가 도관(915)으로 사용되었다. 상업적으로 이용할 수 있는 정제된 아르곤 가스의 탄소농도는 일반적으로 4㎍/liter과 5㎍/liter 사이의 범위를 갖는다. 더욱이 상기에 언급된 지르코늄-게터형 정제과정을 통해 탄소의 농도가 0.2㎍/liter로 줄어질 수 있다는 것이 확인되었다.

표본물질의 증발에 의해 방출된 미소입자를 직접적으로 여기하기 위하여, 플라스마 가스, 보조가스, 및 운반가스의 유량을 각각 15 liter/min, 1 liter/min, 1 liter/min으로 유지하면서 1.5㎾의 전력을 가지고 27.12㎒의 주파수로 ICP 분광계가 작동된다.

이 예에서 파셴-룬게 분광계가 분석기로 사용되었다. 분광계는 20㎚이하의 파장에서 측정이 가능하도록 비워진다. 분석광선으로 C:193㎚, P:178㎚, S:191㎚, Si:212㎚, Mn:252㎚, Al:396㎚, Ni:232㎚, Cr:268㎚, Mo:202㎚, Cu:325㎚, Fe:271㎚및 170㎚ 을 사용하여 분석이 수행되어진다. 분석지점의 각각에 슬릿과 광전자 배율기 튜브가 배치되어 있는 다원소 동시측정시스템을 사용하여 분석이 실행되어진다.

빛의 세기는 광전자 배율기에 의해 전류로 변화되고 나서 전압으로 전환된다. 이 전압값이 10초 이상의 시간동안 적분되어지고 이리하여 측정된 빛의 세기가 결정되어진다. 분석은 각각의 빛의 세기가 Fe 강도에 대한 비에 의하여 결정 되어지는세기 비교방법에 의존한다. 측정값을 분석값으로 변환할 목적으로 잘 알려진 조성을 갖는 표준표본이 작업곡선을 제공하는 동일측정을 겪게되고 분석값 즉, 원소의 성분이 작업곡선에 기초하여 측정값으로부터 변환되는 것에 의해 측정되어진다.

프로브로부터 표본을 채집하는 시간을 포함한 분석을 위해 요구되는 시간은 60초 정도로 짧으며 이것은 종래의 기술에서 요구되는 140초에 비하면 반에도 미치지 않는 시간이다. 이리하여, 분석시간이 본 발명에 의해 현저히 짧아졌다. 절단장치에 의한 표본절단으로 인해 적열상태의 표본이 프로브로부터 선택될 때 생성되어지는 버어(burr)에 의해 영향받는 것 없이 표본이 안정적으로 세트될 수 있다는 것은 주목할만한 것이다.

본발명의 고체분석장치 및 방법은 분석의 정확성이 향상되는 장치의 크기와 무게가 감소된다.

Claims (18)

1. 고체표본을 분석하기 위한 방법에 있어서,

   (a) 1μsec 혹은 그이하의 반폭과 최소 100Hz이상의주파수를 가진 펄스 레이저빔을 생성하는 단계;

   (b) 에너지 밀도가 방정식 Q t^½× α/γ(여기서, Q:에너지밀도(J/㎠),t:펄스반폭 α:고체표본의 고유매개변수, γ:레이저빔의 흡수계수), 를 만족하도록 레이저 조사구역을 결정하는 단계;

   (c) 비활성 가스 흐름 속에서 고체표본의 표면 위 조사구역에 펄스레이저빔을 조사하고 미소입자를 생성하기 위해 고체표본의 일부분을 증발하는 단계;

   (d) 미소입자를 더 생성하기 위해 상기 단계(c)에서 펄스레이저 빔이 조사된 동일표면 위에 단계(c)를 반복하는 단계; 및

   (e) 단계(c)및 (d)에서 생성된 상기 미소입자를 검출기에 전달하는 과정 및 (f) 검출기에서 원소분석을 수행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석방법.
2. 제 1 항에 있어서, 펄스레이저빔을 조사하는 단계(C)는 반도체 레이저를 포함한 레이저 발진수단으로부터 펄스 레이저빔을 조사하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 발진수단은 레이저빔을 방사하기 위한 반도체 레이저와, 반도체 레이저로부터 레이저빔을 수용하고 광학증폭에 의한 단일 모드 레이저빔을 증폭하기 위한 레이저 로드와, 레이저 로드와 반도체 레이저를 연결하기 위한 광전달 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 발진수단은 펌핑광으로서 레이저빔을 방사하기 위한 반도체 레이저와, 반도체레이저로부터 레이저빔을 광학적으로 증폭하고 수용하기 위한 레이저 로드 및 레이저 로드의 양면에 배치된 공진기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 표본 분석방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 레이저 발진수단은 레이저 로드와 반도체 레이저를 연결하기 위한 광전달 케이블을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석방법.
6. 제 1 항에 있어서, 펄스레이저빔을 조사하는 단계(C)는 조사구역이 서로 겹치도록 펄스레이저를 2차원적으로 주사하여 조사하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 조사구역의 직경이 10㎛에서 500㎛까지 인 것을 특징으로 하는 고체표본 분석방법.
8. 제 1 항에 있어서, 단계(c)를 반복하는 단계(d)가 적어도 2번 이상 실행되는 것을 특징으로 하는 고체표본분석방법.
9. 고체표본을 분석하기 위한 장치에 있어서,

   반도체 레이저를 포함하는 레이저 발진 수단;

   레이저 발진수단으로부터 발진된 레이저빔을 수렴하기 위한 수렴수단;

   표본의 일부분을 증발하고 미소입자를 생성하기 위해 고체표본의 표면위로 수렴된 레이저빔을 조사하기 위한 조사수단;

   미소입자의 원소분석을 수행하기 위한 분석기; 및

   분석기에 미소입자를 전달하기 위한 전달수단으로 구성된 것을 특징으로 하는 고체표본 분석장치.
10. 제 9 항에 있어서, 레이저 발진수단이 반도체 레이저로부터 레이저빔을 수용하고 광학증폭에 의해 단일모드 레이저빔을 방사하기 위한 레이저로드 및 레이저 로드와 반도체 레이저를 연결하기 위한 광전달 케이블로 구성된 것을 특징으로 하는 고체표본 분석장치.
11. 제 9 항에 있어서, 레이저 발진수단이 반도체 레이저로부터 레이저빔을 광학적으로 증폭하고 수용하기 위한 레이저로드 및 레이저로드의 양 말단에 설비된 공진기로 구성된 것을 특징으로 하는 고체표본 분석장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 레이저 발진수단은 레이저 로드와 반도체 레이저를 연결하기 위한 광 전달 케이블을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석장치.
13. 제 9 항에 있어서,

    상기 레이저 발진수단은 펌핑광 소스로서 반도체 레이저 및 Q-스위치 레이저빔을 연속적으로 발진하기 위한 고체 레이저 매체 및 Q-스위치 소자를 포함하고,

    상기 수렴수단은 표본의 표면 위에 레이저 발진수단으로부터 레이저빔을 수렴하기 위한 수렴렌즈 및 소정 진폭에 대해 표본의 표면 위에 레이저빔의 촛점을 진동시키기 위한 초점 진동수단을 포함하고,

    상기 전달수단이 표본과 밀접하게 접촉하는 것에 의해 분석기로 미소입자를 전달하기 위한 전달 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 촛점 진동수단은 조사된 레이저빔에 직각인 수직 및 수평방향으로 수렴렌즈를 소정 진폭으로 진동시키기 위한 렌즈 진동수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석장치.
15. 제 14항에 있어서, 상기 렌즈 진동수단은 소정 진폭으로 렌즈 지지프레임에 붙어있는 테이블을 수평으로 상반되게 움직이게 하는 수평렌즈운동 메카니즘 및 소정 진폭으로 렌즈 지지프레임을 수직방향으로 상반되게 움직이게 하는 수직 렌즈 운동 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석장치.
16. 제 13 항에 있어서, 상기 촛점 진동수단이 그 축이 서로 직각을 이루는 두 세트의 주사거울;

    소정 각에서 주사거울을 왕복 운동시키는 초음파 전동기; 및

    수렴렌즈를 포함하며,

    여기서 레이저빔의 축은 주사거울의 상반회전에 의해 수직 및 수평방향으로 진동되는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석장치.
17. 제 13 항에 있어서, 상기 촛점 진동수단은 평면을 그리도록 상기 레이저빔의 축을 편향시키기 위한 음향광학 평향기로 구성된 것을 특징으로 하는 고체표본 분석장치.
18. 미소입자를 생성하도록 고체표본 위에 펄스 레이저빔을 조사하고 그 미소입자의 성분을 측정하는 것으로 이루어지는 고체표본 분석방법으로서,

    소정 속도로 분석되어지는 지점을 연속적으로 이동하고;

    미소입자의 성분이분단위 간격으로 측정되어진 순시값을 측정하며;

    상기 순시값의 분석에 의해 비 균일 응결부분에 포함된 성분의 양과 균일 용해 부분에 포함된 목적성분의 양을 측정하는 것을 특징으로 하는 고체표본 분석방법.

Images