KR100449654B1 - 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 방법 및 그 장치 - Google Patents
가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 방법 및 그 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 단일 레이저 빔을 사용하면서도 두 개 이상의 준평형 에너지 준위를 갖는 가돌리니움(Gd) 원자의 증기 밀도를 실시간으로 측정하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 측정방법은 임의의 레이저 빔 발생수단을 이용하여 제1 주파수 대역의 레이저 빔을 형성하는 제1 과정과; 제1 과정을 통해 생성되는 제1 주파수 대역의 레이저 빔을 394.55 nm UV 레이저 빔으로 변환하는 제2 과정과; 제2 과정을 통해 변환되어진 레이저 빔을 가돌리니움 원자증기 발생장치로 입사시키되, 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이선의 동위원소 158Gd과 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이선의 160Gd 동위원소의 공동 흡수영역으로 조사되도록 하는 제3 과정; 및 두 개의 영역에 존재하는 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이선의 동위원소 158Gd과 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이선의 160Gd 동위원소 그 각각이 상기 제3 과정을 통해 조사되는 394.55 nm UV의 레이저 빔을 흡수하는 상태의 흡수 스펙트럼과 스펙트럼 분석기 신호를 이용하여 자연 성분비를 고려한 뒤, 준평형 상태의 밀도들을 계산하여 합산하여 전체 밀도를 측정하는 제4 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 방법 및 그에 따른 장치를 제공하여 원자 들뜸 온도변화를 고려해 두 개의 에너지 준위의 밀도를 동시에 측정하도록 함으로써 단일 레이저 빔을 사용하되 두 개의 에너지 준위의 밀도를 동시에 측정할 수 있다.
Description
본 발명은 가돌리니움 원자증기 측정 시스템에 관한 것으로 특히, 단일 전이선을 사용한 밀도 측정에 따른 기존 방식에서 탈피하여 전자빔을 사용한 증기화 장치에서 발생하는 원자 들뜸 온도변화를 고려해 두 개의 에너지 준위의 밀도를 동시에 측정하도록 함으로써 단일 레이저 빔을 사용하면서도 실시간으로 가돌리니움 원자의 증기 밀도를 모니터링할 수 있는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 원자밀도를 측정하는 방법은 크게 램프 광원을 이용하는 방법과 레이저 빔을 이용하는 방법으로 구분할 수 있다.
그에 따른 선행 특허로는 미국 특허번호 5,880,823호(명칭: Method and apparatus for measuring atomic vapor density in deposition systems)에 기재되어 있는 것이 있다. 이 선행특허의 특징은 램프의 광원을 두 개로 구비하고서, 구비되어 있는 램프 광원 중 한 광원을 조사빔으로 하고, 다른 빔을 기준빔으로 하여 원자밀도 측정의 정밀도를 향상시키는 데 있다.
특히, 레이저 빔을 이용한 원자 밀도 측정방법은 진공 챔버에 창을 내고, 레이저 빔을 진공 챔버에 입사시켜 원자 증기에 입사시킨 후, 원자증기에서 이루어지는 흡수를 측정하여 원자 증기내의 평균적인 원자밀도를 측정하는 방식이다.
그에 따른 선행 특허로는 미국 특허번호 5,550,636호(명칭: Self-tuning method for monitoring the density of a gas vapor component using a tunable laser)에 기재되어 있는 것이 있다. 이 선행특허의 특징은 진공 챔버에 창을 내어 원자 증기에 레이저 빔을 입사시킨 후 흡수를 측정하여 원자증기 내의 평균적인 원자밀도를 측정하는 데 있다.
이와 같이 진공챔버 내의 원자 증기에 입사시킨 레이저 빔의 흡수를 측정하여 원자밀도를 측정하도록 되어 있는 종래의 방법이 가지고 있는 문제점은 하나의 레이저 빔 또는 단색광 하나만을 사용하여, 하나의 에너지 준위에서의 밀도만을 측정하기 때문에 전체 밀도와는 차이가 있다는 것이다. 희토류 원소와 더불어 금속 또는 비금속 원소들은 녹는점이 높기 때문에 일반적으로 전자빔 가열 방법을 사용하는데, 전자빔으로 원소를 증기화하였을 경우에는 녹는 표면온도와 증발 원자의 들뜸 온도가 다르다고 보고된 바와 같이, 전자빔 출력이 증가하면서 원자 들뜸온도가 낮아지게 된다.
이는 기저 준위와 같은 특정 에너지 준위에 있는 원자 밀도만으로는 전체 밀도를 정확하게 측정할 수 없다는 것을 시사하며, 정확한 밀도측정을 위하여는 두 개 이상의 에너지 준위에 있는 밀도를 측정하여 원자 들뜸 온도를 측정하고, 측정된 온도에서 준 평형상태에 있는 밀도를 계산하여 모든 준위에 대한 밀도를 합하여야만 전체 밀도를 구할 수 있다.
또한, 또 다른 선행 특허로는 일본 특허 1995-203622호(명칭: 용융 금속의 직접 분석 방법 및 장치)에 기재되어 있는 것이 있는데, 이 선행특허의 특징은 기본적으로 융해 금속 표면 바로 위에서 증기의 성분을 원자 흡광 분석함으로써 융해 금속의 성분 농도를 구하는 방법이 있으나, 이는 일반적인 흡광 분석을 나타내는 것으로 가돌리니움등 전자빔을 사용한 증기화 장치에서 정확한 증기밀도를 측정하기 위해 적용하기에는 불합리하다는 문제점을 내포하고 있다.
따라서 선행 기술들로서는 기술적 한계가 있거나, 그 구조의 복잡성이 증가하거나, 효율이 낮은 등등의 문제점을 내포하고 있어 가돌리니움 원자 증기 밀도를 모니터링하기 위한 새로운 방식의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
본 발명은 위와 같은 종래의 원자밀도 측정 방법 및 장치가 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 단일 전이선을 사용한 밀도 측정에 따른 기존 방식에서 탈피하여 전자빔을 사용한 증기화 장치에서 발생하는 원자 들뜸 온도변화를 고려해 두 개의 에너지 준위의 밀도를 동시에 측정하도록 함으로써 단일 레이저 빔을 사용하되 두 개의 에너지 준위의 밀도를 동시에 측정하는 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 방법 및 그 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 가돌리니움(Gd) 원자의 사용 부분 에너지 준위 및 레이저 빔 개념 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 원리를 설명하기 위한 예시도.
도 3은 도 2에 도시되어 있는 본 발명에 따른 모니터링 방식에 의한 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이와 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이의 흡수 스펙트럼 예시도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 레이저 다이오드 2 : 펑션 제너레이터
3a, 3b : 옵티컬 아이솔레이터 4a~4e : 렌즈
5 : 테이퍼 증폭기 6 : 미러
7 : 빔 스플리터 8 : 스펙트럼 분석기
9 : 제 2 고조파 크리스탈 10 : 편광 빔 스플리터
11 : 다이크로익 미러 12 : 원자 증기 챔버
13 : 슬릿 14 : 포토 다이오드
15 : AD 보드 16 : 데이터 처리기
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 방법의 특징은, 임의의 레이저 빔 발생수단을 이용하여 제1 주파수 대역의 레이저 빔을 형성하는 제1 과정과; 상기 제1 과정을 통해 생성되는 제1 주파수 대역의 레이저 빔을 394.55 nm UV 레이저 빔으로 변환하는 제2 과정과; 상기 제2 과정을 통해 변환되어진 레이저 빔을 가돌리니움 원자증기 발생장치로 입사시키되, 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이선의 동위원소 158Gd과 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이선의 160Gd 동위원소의 공동 흡수영역으로 조사되도록 하는 제3 과정; 및 상기 두 개의 영역에 존재하는 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이선의 동위원소 158Gd과 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이선의 160Gd 동위원소 그 각각이 상기 제3 과정을 통해 조사되는 394.55 nm UV의 레이저 빔을 흡수하는 상태의 흡수 스펙트럼과 스펙트럼 분석기 신호를 이용하여 자연 성분비를 고려한 뒤, 준평형 상태의 밀도들을 계산하여 합산함으로써 전체 밀도를 측정하는 제4 과정;을 포함하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 방법의 다른 특징은 상기 제1 주파수 대역의 레이저 빔은 789.1 nm 파장의 적외선(IR: Infrared) 레이저 빔을 사용하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 장치의 특징은 일정 주파수 영역의 레이저 빔을 발생하는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드에서 발생되는 레이저 빔의 세기를 필요한 제2고조파 출력을 얻도록 증폭하는 테이퍼 증폭기와; 상기 테이퍼 증폭기를 통해 증폭되어진 레이저 빔을 분리하기 위한 빔 스플리터와; 상기 빔 스플리터를 통해 분리되어진 일 측의레이저 빔을 입력받아 빔의 간섭 정도를 판독하여 그 결과를 출력하는 스펙트럼 분석기와; 상기 빔 스플리터를 통해 분리되어진 타 측의 레이저 빔을 입력받아 임의의 제2고조파 영역으로 빔 주파수를 변동하는 고조파 크리스탈과; 상기 고조파 크리스탈을 통해 발진되어진 레이저 빔이 입사되면 기 설정된 특정 주파수 대역의 레이저 빔 만을 필터링하는 다이크로익(dichroic) 미러와; 가돌리니움 원자 증기로 충진되어 있으며 동위원소의 흡수선을 구별 할 수 있도록 원자 빔의 횡 방향 속도성분을 가르는 슬릿을 구비하고 있는 원자 증기 챔버와; 상기 다이크로익 미러를 통해 분리되어진 기 설정된 특정 주파수 대역의 레이저 빔이 상기 원자 증기 챔버를 투과하는 것을 입력받아 전기적인 신호로 변환하기 위한 포토다이오드와; 상기 포토다이오드와 상기 스펙트럼 분석기를 통해 출력되는 신호를 입력받아 디지털 데이터로 변환하는 AD보드와; 상기 레이저 다이오드를 통해 발생되는 레이저 빔의 주파수 영역을 조정하는 펑션 제너레이터와; 및 상기 AD보드를 통해 상기 포토다이오드의 출력신호를 입력받아 이를 분석하는 데이터 처리기를 포함하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 장치의 부가적인 다른 특징은 상기 고조파 크리스탈과 다이크로익 미러 간의 빔 진행 경로 상에 위치하며 상기 고조파 크리스탈을 통해 발진되어진 레이저 빔이 입사되면 해당 제2고조파인 자외선 레이저광의 편광상태만을 선택하여 투과시키고, 이와 수직인 편광 상태를 갖는 789.1 nm 파장의 레이저광은 반사시켜 분리하여, 제 2 고조파와 같은 편광상태의 빔만을 상기 다이크로익 미러측으로 진행시키는 편광 빔 스플리터를 더 포함하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 장치의 부가적인 또 다른 특징으로 상기 원자 증기 챔버내에 구비되어 있는 슬릿은 동위원소의 흡수선이 구별 될 정도(흡수선폭(FWHM) < 400 MHz)의 간극을 갖는 데 있다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
우선, 본 발명에 적용되어진 기술적 사상을 간략히 살펴보면, 전자빔 사용을 통한 준평형 상태 밀도의 재분포를 나타내는 원자 들뜸 온도를 측정하기 위해서는 보통 두 개의 레이저 빔을 사용하여야 한다는 것은 주지적인 사실로 받아들여지고 있다.
이때, 전자빔을 사용한 증기화 장치에서 발생하는 원자 들뜸 온도변화를 고려해 두 개의 에너지 준위의 밀도를 동시에 측정할 수 있다면 단일 레이저 빔을 사용하기 때문에 구조가 단순하면서도 실시간 측정이 가능할 것이라는 데 착안한 것이다.
즉, 첨부한 도 1을 참조하여 살펴보면, 도 1은 가돌리니움 원자의 사용 부분 에너지 준위 및 레이저 빔 개념 예시도로서, 가돌리니움 원자에서 다섯 개의 낮은 준평형 준위(0 cm-1, 215.124cm-1, 532.977 cm-1, 999.121 cm-1, 1719.087 cm-1)와 자외선 영역의 레이저 빔으로 여기 할 수 있는 여기준위 26337.071 cm-1, 25337.755cm-1를 나타내고 있다.
이 에너지 준위에서 0cm-1- 25337.755cm-1전이와 999.121cm-1- 26337.071cm-1전이에 필요한 광자에너지는 거의 비슷하여 394.554nm UV 광을 십수 GHz로 스캔하여 동시에 흡수를 측정할 수 있다.
즉, 중심파장 785 nm 상용 다이오드 레이저 빔은 단일 종 모드를 유지하면서 수 mW 로 발진할 수 있고, ±10 nm 정도의 파장 튜닝을 할 수 있다.
또한 한 파장에서 PZT를 구동하여 약 40 GHz의 주파수를 약 80 Hz로 스위프(sweep)할 수 있다. 이 레이저 빔을 레이저빔 세기 증폭기(tapered amplifier)를 사용하여 단일 종모드 발진기(oscillator)의 주파수 특성을 유지하면서 세기를 약 500 mW 정도까지 증폭시킨다.
증폭시킨 레이저 빔은 제2 고조파 발생 결정을 통과하여 도 1의 전이에 사용되는 파장 394.554 nm를 발생시키게 되는 것이다.
상술한 바와 같은 원리를 이용하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시 예를 첨부한 도 2와 도 3을 참조하여 살펴보기로 한다.
첨부한 도 2는 본 발명에 따른 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 원리를 설명하기 위한 장치 예시도이며, 도 3은 첨부한 도 2에 도시되어 있는 본 발명에 따른 모니터링 방식에 의한 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이와 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이의 흡수 스펙트럼 예시도이다.
도 2에 따르면 본 발명에 따른 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 장치는 전체적으로 레이저 다이오드(1), 제1 옵티컬 아이솔레이터(3a), 테이퍼 증폭기(5), 제2 옵티컬 아이솔레이터(3b), 미러(6), 빔 스플리터(7), 간섭계(8), 고조파 크리스탈(9), 편광 빔 스플리터(10), 다이크로익 미러(11), 원자 증기 챔버(12), 포토다이오드(14), AD보드(15), 펑션 제너레이터(2), 및 데이터 처리기(16)로 구성된다.
여기에서, 레이저 다이오드(1)는 일정 주파수 영역의 레이저 빔을 발생하도록 되어 있으며, 레이저 다이오드(1)에 인접 설치된 제1 옵티컬 아이솔레이터(3a)는 레이저 다이오드(1)에서 발생된 레이저 빔이 이후의 광학계에서 되반사되어 레이저 다이오드가 영향을 받는 것을 방지 하는 역할을 한다.
이와 같이 제1 옵티컬 아이솔레이터(3a)를 거친 빔을 증폭하기 위해 아이솔레이터(3a) 출구측에 집광렌즈(4a)를 사이에 두고 인접 설치된 테이퍼 증폭기(5)는 제1 옵티컬 아이솔레이터(3a)를 통하여 나온 레이저 빔을 테이퍼(tapered) 영역을 거치도록하여 레이저 빔의 출력을 높이도록 되어 있다.
또한, 집광렌즈(4b,4c)를 사이에 두고 테이퍼 증폭기(5)에 연이어 설치된 제2 옵티컬 아이솔레이터(3b)는 제1 옵티컬 아이솔레이터(3a)와 마찬가지로 테이퍼 증폭기(5)에서 발생된 레이저 빔이 이후의 광학계에서 되 반사되어 테이퍼 증폭기가 영향을 받는 것을 방지하도록 되어있다.
상기 제2 옵티컬 아이솔레이터(3b)의 출력측에는 상기 제 2옵티컬 아이솔레이터(3b)를 통과한 레이저 빔의 진행방향을 바꾸기 위한 미러(6)가 설치되어 있으며, 이 미러(6)를 통해 진행방향이 바뀐 레이저 빔을 분리하기 위해서 미러(6)의 출력측에 빔 스플리터(7)가 설치되어 있는데, 이 빔 스플리터(7)에 의해 분리된 빔은 이분되어 각각 스펙트럼 분석계(8)와 제 2고조파 크리스탈(9)을 향하게 된다.
분석계(8)는 빔 스플리터(7)에 의해 반사 분리된 한 쪽 레이저 빔을 입력 받을 수 있도록 설치되어 있으며, 입력된 빔의 간섭 정도를 판독하여 레이저광의 주파수 스캔 정도를 출력하여 레이저 빔의 주파수를 모니터하게 된다. 빔 스플리터(7)를 통과해 분리된 다른 한 쪽 레이저 빔이 집광렌즈(4d)를 거쳐 입력되도록 설치된 제 2고조파 크리스탈(9)은 입력된 레이저 빔의 주파수를 제 2고조파 영역으로 변동시키게 된다.
집광렌즈(4e)를 사이에 두고 제2고조파 크리스탈(9) 출력측에 설치되어 있는 편광 빔 스플리터(10)는 제2고조파 크리스탈(9)에 의해 발진되어 렌즈(4e)를 거쳐 입사된 IR 및 UV(Ultraviolet) 레이저 빔에서 편광상태를 이용하여 제2고조파(UV레이저빔)만을 골라내기 위한 것으로, 제2 고조파와 같은 편광상태를 갖는 IR 및 UV 레이저 빔은 투과시키고, 그이외의 편광상태를 갖는 IR 레이저빔은 반사시켜 적외선 빔과 자외선 빔을 분리시키는 역할을 한다. 이 편광 빔 스플리터(10)를 투과하여 P파 혹은 S파 중 선택된 편광상태를 갖게 된 UV레이저 빔과 편광 빔스플리터를 통과한 IR 레이저 빔이 입사되도록 스플리터(10) 출력측에 설치된 다이크로익 미러(11)는 기 설정된 UV 대역의 레이저 빔만을 반사시키고 그 외의 대역을 갖는 레이저 빔은 그대로 통과시킴으로써 빔 스플리터(10)에서 입사되는 빔을 분리하도록 되어 있다.
미러(11)에 의해 반사된 레이저 빔이 입사되도록 미러(11) 출력 측에 설치된 원자 증기챔버(12)는 내부에 가돌리니움 원자 증기를 만들어내는 전자빔이 설치되어 있으며, 도시된 것처럼 전자빔에 의하여 생성된 원자빔이 일정방향성을 갖도록 내부에 원자빔 슬릿(13)이 형성되어 있다. 이 원자 증기챔버(12)의 출력측에 설치된 포토다이오드(14)는 원자 증기챔버(12)의 슬릿(13)으로 일정방향성을 갖도록 선택된 원자증기를 통과한 레이저 빔을 입력 받아 전기적인 신호로 변환시키도록 되어 있다.
포토다이오드(14)의 출력측에 인접 설치된 AD보드(15)는 이 포토 다이오드(14)와 간섭계(8)로부터 출력되는 신호를 입력 받아 디지털 데이터로 변환시키는 역할을 하며, 레이저 다이오드(1)를 제어하도록 AD보드(15)와 레이저 다이오드(1) 사이에 설치되어 있는 펑션 제너레이터(2)는 주파수 스캔 시작신호인 트리거 신호를 AD 보드(15)에 주면서, 레이저 다이오드(1)에서 발생되는 레이저 빔의 주파수를 조정하도록 되어 있다. 끝으로, AD보드(15) 일측에 부착된 데이터 처리기(16)는 AD보드(15)를 통해 포토다이오드(14)로부터의 출력신호를 입력 받아 분석하는 역할을 하도록 되어 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 장치의 동작을 살펴보면, 제2 고조파 발생과 더불어, 발생된 394.554 nm UV 파장과 적외선 레이저 빔과의 분리, 파장측정, 주파수 스캔, 원자빔 발생, 흡수 스펙트럼 측정에 대한 도식을 나타낸 것으로, 레이저 다이오드(1)에서 미러(6)까지의 구성은 일반적인 종래의 기술구성과 동일하므로 상세한 설명은 생략하겠다.
참조번호 9로 지칭되는 고조파 크리스탈을 통해 상기 레이저 다이오드(1)에서 발생되어 조사되는 레이저 빔의 주파수를 394.554 nm 파장의 레이저 빔으로 변환하게 된다. 이후 편광 빔 스플리터(10)와 다이크로익 미러(11)를 통해 기명시된 특정 파장의 빛을 분리하여 이를 원자 증기 챔버(12)에 입사시키게 된다.
상기 원자 증기 챔버(12)를 투과한 레이저 빔은 광 다이오드(14)를 통해 수신되어 전기적인 신호로 변환되고 이는 참조번호 16으로 지칭되는 데이터 처리기에서 측정 처리되어 진다. 이때, 원자빔은 동위원소의 흡수선이 서로 분리될 수 있을 정도인 흡수선폭(FWHM)<400MHz의 슬릿(13)을 사용하여 원자빔의 횡 방향 속도성분을 가른다.
상기 슬릿(13)을 보다 자세히 설명하면, 해당 슬릿(13)은 하나의 슬릿으로 이루어져 있으며, 슬릿과 원자빔 발생장치와는 거리, 슬릿 폭은 퍼져 나가는 원자빔을 거르는 역할을 하는데, 퍼지는 정도가 작을수록 원자의 횡방향 속도 선택이 크게 되어짐에 따라 첨부한 도 3에 보여진 스펙트럼이 더욱 날카롭게 형성된다.
또한, 슬릿(13)을 표현하는데 있어 "흡수선폭"이란 슬릿 폭(s)과 슬릿-원자빔 발생장치와의 거리(d)에 의하여 슬릿을 통과하는 원자빔은 퍼짐각이 약 s/d 인 원자빔을 형성하고, 이것은 여러 횡방향 속도 성분을 갖는 원자들 중 일부분 만을 거르게 되었다는 의미가 되어 슬릿 폭이 좁거나, 슬릿-원자빔 발생장치와의 거리가 길면 원자빔의 퍼짐각이 작아지게 되어 슬릿을 통과하는 원자빔에서 흡수된 흡수 분광신호의 선폭은 좁아지게 된다. (단, 본 실험에서는 횡방향 속도성분이 0 근처에 있으면서 흡수선폭이 400MHz 이내가 되도록 횡방향 속도 성분을 갖는 원자를 사용한다).
또한, 주 발진기(master oscillator) 레이저 빔의 주파수는 참조번호 2로 지칭되는 펑션 제너레이터를 통해 주파수가 스캔되고, 스캔되는 주파수에 동조하여 포토다이오드(14)로 측정되는 흡수 파형을 오실로 스코우프로 측정하면 실시간 흡수 파형을 얻을 수 있다. 흡수파형을 AD보드(15)로 읽어 들인 후 158Gd(0 cm-1- 25337.755 cm-1전이), 와 160 Gd(999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이)의 흡수율을 데이터 처리기(16)에서 계산한다.
즉, 본 발명은 전자빔 충돌현상에서 나타나는 밀도의 재분포 현상을 단일 레이저 빔으로 측정하고자 하는 것으로 394.55 nm의 UV 레이저 빔을 사용한다.
다른 파장의 레이저 빔을 사용하는 경우에는 두 개 이상의 파장의 레이저 빔을 사용하여야만 두 개의 준위밀도를 측정할 수 있으나, 394.55 nm 레이저 빔을 사용한 흡수 분광을 하면 0 cm-1- 25337.755 cm-1와 999 cm-1- 26337.071 cm-1전이선에 대한 흡수선을 동시에 얻을 수 있다.
일반적으로 두 에너지 준위는 매우 가깝기 때문에 중첩되어 있다. 따라서 10 mm 의 슬릿을 두어 슬릿을 통과하는 원자에 대하여 독립적인 동위원소 흡수선을 얻을 수 있도록 한다. 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이선에서 독립적인 흡수선을 구할 수 있는 158Gd 흡수선과 999 cm-1- 26337.071 cm-1전이선에서의 160Gd 흡수선을 선택하여 동위원소의 자연성분비를 고려한 준위밀도를 계산하여 두 에너지 준위에서의준위밀도의 비로부터 원자 들뜸 온도를 측정한다.
원자 들뜸 온도가 결정되면 가장 지배적으로 밀도에 영향을 주는 네 개의 준평형 상태와 기저상태에 분포하는 준위 밀도를 볼쯔만 분포로부터 계산할 수 있고, 이들 합으로부터 전체 밀도를 측정할 수 있다.
본 발명은 기존 방법의 단점을 보완하여 가돌리니움 원자에서 394.55 nm의 UV 빔을 사용하여 두 개의 에너지 준위를 동시에 여기 시켜 두 개의 준 평형상태의 밀도를 동시에 측정하는 방법을 특징으로 하는 기술이다. 각각 에너지 준위의 밀도 측정과 원자 들뜸 온도를 측정하여, 전체 밀도를 실시간으로 측정하는 방법을 특징으로 한다.
이때, 첨부한 도 3은 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이와 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이의 흡수 스펙트럼과 스펙트럼 분석기신호(기준신호)의 실험 결과이다. 즉, 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이와 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이가 대부분 구별이 되지만 일부는 홀수 동위원소의 초미세구조의 영향을 받고 있다.
다른 동위원소의 영향을 받지 않는 동위원소는 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이에서는 158Gd 이고, 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이에서는 160Gd 이므로, 두 개의 흡수선에 창을 두어 각각 흡수율을 측정한다. 각각의 흡수율로부터 슬릿 바로 위쪽의 밀도를 측정할 수 있고, 이는 0 cm-1과 999.121 cm-1준위에 있는 158Gd와 160Gd의밀도를 의미한다. 각각 자연성분비를 고려하면 준위밀도를 계산할 수 있고, 0 cm-1과 999.121 cm-1준위밀도로부터 원자의 들뜸 온도를 구할 수 있다. 따라서 원자의 들뜸 온도를 알고, 기저상태의 준위밀도를 알면, 모든 준위의 밀도를 구할 수 있고, 이로부터, 전체 가돌리니움의 밀도를 측정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 본 발명은 하나의 레이저 빔만을 사용하고 있기 때문에 전자빔을 사용한 원자증기발생장치에서 발생하는 들뜸 온도의 변화에 의하여 생기는 기존의 레이저 응용 원자증기 측정 방법의 단점을 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 가돌리니움 원자 증기 밀도 측정을 경제적으로 수행할 수 있게 된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
Claims (5)
- 임의의 레이저 빔 발생수단을 이용하여 제1 주파수 대역의 레이저 빔을 형성하는 제1 과정과;상기 제1 과정을 통해 생성되는 제1 주파수 대역의 레이저 빔을 394.55 nm UV 레이저 빔으로 변환하는 제2 과정과;상기 제2 과정을 통해 변환되어진 레이저 빔을 가돌리니움 원자증기 발생장치로 입사시키되, 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이선의 동위원소 158Gd과 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이선의 160Gd 동위원소의 공동 흡수영역으로 조사되도록 하는 제3 과정; 및상기 두 개의 영역에 존재하는 0 cm-1- 25337.755 cm-1전이선의 동위원소 158Gd과 999.121 cm-1- 26337.071 cm-1전이선의 160Gd 동위원소 그 각각이 상기 제3 과정을 통해 조사되는 394.55 nm UV의 레이저 빔을 흡수하는 상태의 흡수 스펙트럼과 스펙트럼 분석기 신호를 이용하여 자연 성분비를 고려한 뒤, 준평형 상태의 밀도들을 계산하여 합산함으로써 전체 밀도를 측정하는 제4 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 방법.
- 제1 항에 있어서,상기 제1 주파수 대역의 레이저 빔은 789.1 nm 파장의 IR 레이저 빔인 것을 특징으로 하는 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 방법.
- 일정 주파수 영역의 레이저 빔을 발생하는 레이저 다이오드와;상기 레이저 다이오드에서 발생되는 레이저 빔을 테이퍼 영역을 거치면서 레이저빔의 세기를 증폭하기 위한 테이퍼 증폭기와;상기 테이퍼 증폭기를 통해 증폭되어진 레이저 빔을 분리하기 위한 빔 스플리터와;상기 빔 스플리터를 통해 분리되어진 일 측의 레이저 빔을 입력받아 빔의 간섭 정도를 판독하여 그 결과를 출력하는 스펙트럼 분석기;상기 빔 스플리터를 통해 분리되어진 타 측의 레이저 빔을 입력받아 임의의 고조파 영역으로 빔 주파수를 변동하는 제2고조파 크리스탈과;상기 제2고조파 크리스탈을 통해 발진되어진 레이저 빔이 입사되면 기 설정된 특정 주파수 대역의 레이저 빔 만을 필터링하는 다이크로익 미러와;가돌리니움 원자 증기로 충진되어 있으며 동위원소의 흡수선이 구별되도록 원자빔의 횡 방향 속도성분을 가르는 슬릿을 구비하고 있는 원자 증기 챔버와;상기 다이크로익 미러를 통해 분리되어진 기 설정된 특정 주파수 대역의 레이저 빔이 상기 원자 증기 챔버를 투과하는 것을 입력받아 전기적인 신호로 변환하기 위한 포토다이오드와;상기 포토다이오드와 상기 간섭계를 통해 출력되는 신호를 입력받아 디지털 데이터로 변환하는 AD보드와;레이저 빔의 주파수 영역 혹은 세기를 조정하고, AD 보드에 다이오드 레이저의 주파수 스캔 시작 신호를 주는 펑션 제너레이터; 및상기 AD보드를 통해 상기 포토다이오드의 출력신호를 입력받아 이를 분석하는 데이터 처리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 장치.
- 제3 항에 있어서,상기 고조파 크리스탈과 다이크로익 미러 간의 빔 진행 경로 상에 위치하며 상기 고조파 크리스탈을 통해 발진되어진 레이저 빔이 입사되면, 편광상태를 이용하여 제 2고조파(UV레이저빔)만을 골라내기 위하여, 제2 고조파와 같은 편광상태를 갖는 IR 및 UV 레이저 빔은 투과시키고, 그이외의 편광상태를 갖는 IR 레이저빔은 반사시켜 자외선 레이저 빔과 같은 편광을 갖는 레이저 빔만을 상기 다이크로익 미러측으로 진행시키는 편광 빔 스플리터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 장치.
- 제3 항에 있어서,상기 원자 증기 챔버내에 구비되어 있는 슬릿은 동위원소의 흡수선이 서로 구별 될 수 있도록 흡수선폭(FWHM)<400MHz의 간극을 갖는 것을 특징으로 하는 가돌리니움 원자 증기 밀도 모니터링 장치.
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