KR100465965B1 - Apparatus for measuring the density of gas using laser multi-pass gas cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다중 경로 가스셀(multi-pass gas cell)을 이용하여 LOG(Laser-opto galvanic effect)방식에 의한 가스농도 측정과 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)방식에 의한 가스농도 측정을 가능하게 하는 복합 가스농도 측정장치를 공개한다. 이러한 본 발명의 장치는 광원부; 광원부로부터 입사된 광을 분할하는 광분활기; 표준가스가 입출력되며, 광분활기에 의해 분할된 광이 통과되는 표준 가스관; 표준 가스관을 거친 광을 집중시켜 전기적인 신호로 변환하기 위한 보정용 광검출수단; 측정대상 가스가 입출력되며, 광분활기에 의해 분할된 광이 전반사되어 다중 경로로 통과하고, 고주파신호가 인가되어 내부에 방전이 일어나도록 된 다중경로 가스관; 다중경로 가스관을 통해 흐르는 전류신호를 검출하여 LOG방식으로 가스 농도를 측정하기 위한 전류검출수단; 다중경로 가스관을 통과한 광을 집광하여 전기적인 신호로 변환하여 TDLAS방식으로 가스농도를 측정하기 위한 측정용 광검출수단; 및 전류검출수단과 측정용 광검출수단 및 보정용 광검출수단으로부터 입력된 신호를 분석하여 측정 대상 가스의 농도를 계산하는 신호처리수단으로 구성된다.The present invention enables the gas concentration measurement by the laser-opto galvanic effect (LOG) method and the gas concentration measurement by the Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) method using a multi-pass gas cell. Reveal complex gas concentration measuring device. Such an apparatus of the present invention comprises a light source unit; An optical splitter that splits the light incident from the light source unit; A standard gas pipe through which standard gas is input and output, and light divided by a light splitter passes; Correction photodetecting means for concentrating light passing through the standard gas pipe and converting the light into an electrical signal; A multipath gas pipe in which a measurement target gas is inputted and outputted, the light split by the optical splitter is totally reflected and passed through the multipath, and a high frequency signal is applied to cause discharge to occur therein; Current detecting means for detecting a current signal flowing through the multipath gas pipe and measuring the gas concentration in a LOG method; Measuring light detecting means for collecting the light passing through the multi-path gas pipe and converting the light into an electrical signal to measure the gas concentration by TDLAS; And signal processing means for calculating the concentration of the gas to be measured by analyzing signals input from the current detecting means, the measuring light detecting means, and the correcting light detecting means.
Description
본 발명은 초정밀 가스 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 경로 가스 셀(multi-pass gas cell)을 이용하여 경로를 증가시킴으로써 경로상에 존재하는 측정 분자에 의한 흡수 효과를 증가시켜 LOG(Laser-opto galvanic effect)에 의한 전기신호 및 흡수에 의한 레이저광 세기의 감소 효과가 강화되어 측정 분자의 농도 측정 한계를 증가시킬 수 있고 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 기술과 복합적으로 사용하여 넓은 영역대의 농도 측정이 가능한 가스농도 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-precision gas measuring device, and more particularly, by increasing the path by using a multi-pass gas cell to increase the absorption effect by the measurement molecules present on the path (LOG) -The reduction effect of the laser light intensity due to the absorption of the electrical signal and absorption by the opto galvanic effect can be increased to increase the limit of measurement of the concentration of the measuring molecule, and it can be used in combination with the Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) technology. It relates to a gas concentration measuring device capable of measuring the concentration.
일반적으로, 광흡수 효과를 이용하여 가스 성분의 농도를 측정하는 기술로는 LOG(Laser-opto galvanic effect) 기술과 TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 기술 등이 알려져 있다. 이러한 각 기술은 측정 분자의 광 흡수 효과를 이용한다는 측면에서는 기본적으로 같지만, 신호 발생의 원리는 서로 다르다.In general, laser-opto galvanic effect (LOG) technology and Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) technology are known as techniques for measuring the concentration of gas components using light absorption effects. Each of these techniques is basically the same in terms of exploiting the light absorption effects of the measurement molecules, but the principles of signal generation are different.
도 1은 종래의 가스농도 측정장치인 LOG장치를 도시한 개략도이다.1 is a schematic diagram showing a LOG device which is a conventional gas concentration measuring apparatus.
도 1을 참조하면, 일반적인 LOG 장치는 레이저 광원(11)과, 가스관(13), 전극(14a,14b), 전류계(15), 압력계(16) 등으로 이루어진다. 이때 가스관(13)의 두 전극(14a,14b) 사이에서 방전이 일어날 때 레이저 광(12)이 지나가면, 방전 영역에서 생성된 이온화에 의한 임피던스가 변화함으로써 전기적인 신호의 세기가 변화된다. 즉, 레이저광 경로에서 존재하는 분자에 의한 흡수에 의해 임피던스가 변하기 때문에 방전 영역에서 광경로에 따른 신호의 세기가 변화하고 이를 검출하여 가스의 농도를 측정한다.Referring to FIG. 1, a general LOG device includes a laser light source 11, a gas pipe 13, electrodes 14a and 14b, an ammeter 15, a pressure gauge 16, and the like. At this time, when the laser light 12 passes when the discharge occurs between the two electrodes 14a and 14b of the gas pipe 13, the intensity of the electrical signal is changed by changing the impedance due to the ionization generated in the discharge region. That is, since the impedance is changed by absorption by the molecules present in the laser light path, the intensity of the signal according to the optical path in the discharge region is changed and the concentration of the gas is detected by detecting the intensity.
이와 같이 LOG 기술을 이용한 분광 분석적인 측정 기술은 파장 가변 레이저를 이용해서 미세 농도의 각종 원자, 분자 및 활성기(radical)의 측정/분석에 적용되고 있는 기술로서, 실험실적으로는 ppb 농도 수준까지의 측정 정밀도를 갖고 있다. 그리고 LOG 기술의 주 원리는 가스 셀내에 양단 전극(14a,14b)에 전압을 인가하여 전기 방전을 발생시키고, 방전 영역내에서 존재하는 원자, 분자, 활성기(radical)들을 이온화시킴으로써 양단 전극 사이에 일정한 전기적 신호가 발생되는데, 이때 외부에서 원자, 분자, 활성기(radical)가 흡수할 수 있는 레이저 광(12)이 입사되면 광흡수에 의한 분자의 여기에 의해 방전 영역에서의 이온화정도가 달라지고, 이것에 의해 외부 회로에 흐르는 전류값(A)이 변화되어 결국 전기적 신호의 세기 변화로 나타난다. LOG방식은 이 변화의 세기(Signal)를 측정하여 가스 농도를 정량적으로 측정할 수 있는 기술인데, 종래에는 가스관에서 레이저 광의 경로가 한번 지나가는 형태로 구성되어 있어 정밀도에 한계가 있었다.As described above, the spectroscopic measurement technique using the LOG technique is a technique applied to the measurement / analysis of various atoms, molecules, and radicals at a fine concentration using a wavelength tunable laser. It has a measurement accuracy. The main principle of the LOG technique is to apply a voltage to the electrodes 14a and 14b in the gas cell to generate an electric discharge, and to uniformize the electrodes between the electrodes by ionizing atoms, molecules, and radicals existing in the discharge region. An electrical signal is generated. At this time, when the laser light 12 that can be absorbed by atoms, molecules, and radicals is incident from the outside, the degree of ionization in the discharge region is changed by excitation of molecules by light absorption. This changes the current value A flowing through the external circuit, resulting in a change in the intensity of the electrical signal. The LOG method is a technology capable of quantitatively measuring the gas concentration by measuring the intensity of the change, but in the past, the laser light path in the gas pipe is configured to pass once.
도 2는 종래의 가스농도 측정장치인 TDLAS 장치를 도시한 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing a TDLAS device which is a conventional gas concentration measuring device.
도 2를 참조하면, TDLAS 장치는 다이오드 레이저(21)와, 아이소레이터(22), 전반사 거울(23), 가스 셀(24), 렌즈(25), 광검출기(26), 파장계(27), 광분활기(29)로 이루어져 가스 셀(24)내에 존재하는 가스의 농도를 레이저 광의 세기를 이용하여 측정하였다. 즉, TDLAS장치는 가스 셀(24)내에 존재하는 분자의 흡수에 의한 레이저 광 세기의 감소를 측정하여 농도를 측정하는 장치이다. 따라서 다중 경로 가스관을 이용하면 광경로를 증가시키는 효과가 있어 단일 경로에 의한 광흡수에 따른 측정법보다 민감도가 우수하다.2, the TDLAS device includes a diode laser 21, an isolator 22, a total reflection mirror 23, a gas cell 24, a lens 25, a photodetector 26, a wavelength meter 27, The concentration of the gas which consists of the optical splitter 29 and exists in the gas cell 24 was measured using the intensity of a laser beam. That is, the TDLAS device is a device for measuring the concentration by measuring a decrease in laser light intensity due to absorption of molecules present in the gas cell 24. Therefore, the use of a multi-path gas pipe has the effect of increasing the optical path, which is more sensitive than the measurement method based on light absorption by a single path.
이러한 TDLAS 기술은 파장 가변이 가능한 다이오드 레이저(21)를 이용하여 가스 셀(24)내에 존재하는 측정 분자의 흡수 파장을 선택한 후 입사시켜 광 경로에 존재하는 분자의 농도만큼 레이저 광(28)이 흡수되어 가스 셀(24)을 지나온 광의 세기가 입사광의 세기보다 낮게 측정되는 것을 이용한다. TDLAS는 이러한 세기 변화를 측정함으로써 가스 셀내에 존재하는 가스 성분의 농도를 측정하는 기술이다.This TDLAS technology selects an absorption wavelength of a measurement molecule present in the gas cell 24 using a diode laser 21 having a variable wavelength, and then enters the laser by absorbing the laser light 28 by the concentration of the molecule present in the optical path. Thus, the intensity of light passing through the gas cell 24 is measured to be lower than the intensity of incident light. TDLAS is a technique for measuring the concentration of gas components present in a gas cell by measuring this change in intensity.
그런데 상기에서 기술한 종래 가스농도 측정기술은 레이저 흡수 원리를 이용하지만 신호 발생 원리가 다르기 때문에 복합적으로 사용된 예가 없다. 특히, 종래에 LOG 장치는 신호의 민감도를 증가시키기 위하여 주로 방전 양단 전극의 모양이나 구조 혹은 인가 전압의 형태를 바꾸거나 무전극 방전형태로 연구되어 왔고, TDLAS는 레이저 광과 흡수 분자와의 상호작용의 경로를 증가시키는 것이 결국 민감도를 증가시키는 중요한 요인이 되므로 광의 다중 경로셀을 이용하여 광경로를 증가시킴으로써 측정 민감도를 높이는 기술 위주로 개발되었다.By the way, the above-described conventional gas concentration measurement technique uses the laser absorption principle, but there is no combined example because the signal generation principle is different. In particular, in order to increase the sensitivity of the signal, the LOG device has been studied mainly by changing the shape or structure of the electrode on both ends of the discharge or the shape of the applied voltage, or in the form of electrodeless discharge, and TDLAS interacts with laser light and absorbing molecules. Increasing the path of the light source is an important factor to increase the sensitivity, so it was developed mainly to increase the measurement sensitivity by increasing the light path using the multi-path cell of light.
본 발명은 가스 성분을 초정밀/광대역(측정 농도 영역: ppm∼ppt) 범위에서 측정할 수 있도록 기존의 LOG 시스템에서 측정 민감도를 증가시키기 위하여 레이저광의 경로를 증가시킬 수 있는 다중 경로 가스관을 이용하고, 다중 경로를 용이하도록 하기 위하여 무전극 RF 유도 방전을 사용하며, TDLAS 기술과 복합적으로 사용되는 단일 장치를 구성함으로써 측정의 정확성과 민감도를 향상시키는 레이저 다중경로 가스관을 이용한 가스농도 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention uses a multi-path gas pipe that can increase the path of the laser light in order to increase the measurement sensitivity in the existing LOG system to measure the gas component in the ultra-precision / wide band (measurement concentration range: ppm to ppt) range, It provides a gas concentration measuring device using a laser multipath gas pipe that uses electrodeless RF induction discharge to facilitate multipath and improves the accuracy and sensitivity of measurement by constructing a single device combined with TDLAS technology. There is a purpose.
이러한 본 발명의 장치는 기존의 TDLAS 기술에서 주로 사용된 다중경로 가스 셀을 LOG 기술에 접목하기 위해 무전극 방전 LOG 기술을 사용하고, 방전 영역내에서 광 경로를 증가시킴으로써 보다 많은 이온화 균형의 변화를 야기시켜 측정 민감도를 향상시킨 것이다. 또한 TDLAS 기술과 복합적으로 사용되어 기존 기술에 비해 측정 농도의 범위를 넓힐 수 있다.The apparatus of the present invention uses the electrodeless discharge LOG technology to combine the multipath gas cells mainly used in the conventional TDLAS technology with the LOG technology, and increases the ionization balance by increasing the optical path in the discharge region. To increase the measurement sensitivity. It can also be used in combination with TDLAS technology to broaden the range of measurement concentrations compared to existing technologies.
도 1은 종래의 가스농도 측정장치인 LOG장치를 도시한 개략도,1 is a schematic diagram showing a LOG device which is a conventional gas concentration measuring apparatus,
도 2는 종래의 가스농도 측정장치인 TDLAS장치를 도시한 개략도,Figure 2 is a schematic diagram showing a TDLAS device which is a conventional gas concentration measuring apparatus,
도 3은 본 발명에 적용되는 비어-램버트 흡수 원리를 설명하기 위해 도시한 개념도,3 is a conceptual diagram illustrating the beer-lambert absorption principle applied to the present invention;
도 4는 본 발명에 적용되는 RF 방전 셀내의 전자밀도 분포를 도시한 도면,4 is a diagram showing an electron density distribution in an RF discharge cell to which the present invention is applied;
도 5는 본 발명에 따른 가스농도 측정장치의 전체 구성을 도시한 블럭도,5 is a block diagram showing the overall configuration of a gas concentration measuring apparatus according to the present invention;
도 6은 본 발명에 따른 가스농도 측정장치의 동작 순서도.6 is an operation flowchart of a gas concentration measuring apparatus according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
510: 광원부 520: 보정부510: light source unit 520: correction unit
530: 측정부 540: 분석 컴퓨터530: measuring unit 540: analysis computer
501: 레이저 광 502,503,512: 광분활기501: laser light 502, 503, 512: optical splitter
504,521,534,: 전반사 거울 505: 파장 측정기504,521,534 ,: total reflection mirror 505: wavelength meter
506: 신호처리보드 511: 다이오드 레이저506: signal processing board 511: diode laser
513,525,537: 렌즈 514,526,538: 광검출기513,525,537: Lens 514,526,538: Photodetector
522: 표준 가스관 527,539: 파장분활기522: standard gas pipe 527, 539: wavelength splitter
523,532: 가스입력부 524,533: 가스출력부523,532: gas input unit 524,533: gas output unit
531: 다중경로 가스관 535: 코일531: multipath gas pipe 535: coil
536: RF전원536: RF power
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 광원부; 상기 광원부로부터 입사된 광을 분할하는 광분활기; 표준가스가 입출력되며, 상기 광분활기에 의해 분할된 광이 통과되는 표준 가스관; 상기 표준 가스관을 거친 광을 집중시켜 전기적인 신호로 변환하기 위한 보정용 광검출수단; 측정대상 가스가 입출력되며, 상기 광분활기에 의해 분할된 광이 전반사되어 다중 경로로 통과하고, 고주파신호가 인가되어 내부에 방전이 일어나도록 된 다중경로 가스관; 상기 다중경로 가스관을 통해 흐르는 전류신호를 검출하여 LOG방식으로 가스 농도를 측정하기 위한 전류검출수단; 상기 다중경로 가스관을 통과한 광을 집광하여 전기적인 신호로 변환하여 TDLAS방식으로 가스농도를 측정하기 위한 측정용 광검출수단; 및 상기 전류검출수단과 측정용 광검출수단 및 보정용 광검출수단으로부터 입력된 신호를 분석하여 상기 측정 대상 가스의 농도를 계산하는 신호처리수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the apparatus of the present invention, the light source; An optical splitter dividing light incident from the light source unit; A standard gas pipe through which standard gas is input and output, and the light divided by the optical splitter passes; Correction light detecting means for concentrating light passing through the standard gas pipe and converting the light into an electrical signal; A multipath gas pipe in which a gas to be measured is input and output, the light split by the optical splitter is totally reflected and passed through a multipath, and a high frequency signal is applied to cause discharge to occur therein; Current detecting means for detecting a current signal flowing through the multi-path gas pipe and measuring gas concentration in a LOG method; Measuring light detecting means for condensing the light passing through the multi-path gas pipe and converting the light into an electrical signal to measure the gas concentration by a TDLAS method; And signal processing means for calculating a concentration of the gas to be measured by analyzing signals input from the current detecting means, the measuring light detecting means, and the correcting light detecting means.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명에 적용되는 비어-램버트 흡수 원리를 설명하기 위해 도시한 개념도이고, 도 4는 본 발명에 적용되는 RF 방전 셀내의 전자밀도 분포를 도시한 도면이다.3 is a conceptual diagram illustrating a via-lambert absorption principle applied to the present invention, and FIG. 4 is a diagram illustrating an electron density distribution in an RF discharge cell applied to the present invention.
본 발명에 적용되는 레이저 흡수 분광 기술의 원리는 도 3에 도시된 바와 같이, 비어 램버트 (Beer-Lambert) 식에 기초한다. 즉, 어떤 매체(가스, 액체등)에 세기가 I0인 광이 입사하여 길이 L을 진행한 다음 나온 광의 세기 I와의 관계를 나타내는 비어-램버트(Beer-Lambert) 식은 다음 수학식1과 같이 표현된다.The principle of the laser absorption spectroscopy technique applied to the present invention is based on the Beer-Lambert equation, as shown in FIG. 3. That is, a Beer-Lambert equation representing a relationship with the intensity I of the light emitted after the light having the intensity I 0 is incident on a medium (gas, liquid, etc.) and proceeds to the length L is expressed as Equation 1 below. do.
여기서, σ(v)N=a(v)는 매개체에 흡수되는 분광 흡수 계수[cm-1]이고, N은 단위 체적당 흡수 분자의 수, L은 흡수 경로[cm], 그리고 I0는 입사되는 광의 세기, I는 매개체를 진행하여 빠져 나온 광의 세기를 나타낸다.Where σ (v) N = a (v) is the spectral absorption coefficient [cm −1 ] absorbed by the mediator, N is the number of absorption molecules per unit volume, L is the absorption path [cm], and I 0 is incident The intensity of light, I, represents the intensity of light exiting through the medium.
상기 수학식 1에서 알 수 있는 것처럼 광경로 길이(L)가 길수록 광경로에 존재하는 분자에 의한 흡수가 많아지며, 이것은 광에너지 흡수에 의한 원자/분자들의 높은 에너지 준위로의 전이 확률이 많아짐을 의미하며, 결국 이온화 확률이 많아지는 것으로 나타난다. 따라서 LOG 신호의 크기가 증가하는 효과를 주기 때문에 광경로의 증가는 측정 민감도를 증가시키는 효과를 나타낸다. 즉, 동일한 길이의 가스셀을 사용하는 경우에 가스 셀내에서 광경로를 증가시키는 광학계가 설치된 다중경로 셀을 이용하는 경우에 단일경로를 이용하는 가스셀에 비하여 측정 민감도가 우수함을 알 수 있다.As can be seen from Equation 1, the longer the optical path length (L) is, the greater the absorption by the molecules present in the optical path, which indicates that the probability of the transition of atoms / molecules to high energy levels by optical energy absorption increases. In the end, the probability of ionization increases. Therefore, the increase of the optical path has the effect of increasing the measurement sensitivity since the LOG signal has the effect of increasing the magnitude. That is, it can be seen that the measurement sensitivity is superior to the gas cell using a single path when using a multipath cell provided with an optical system that increases the optical path in the gas cell when using the same length gas cells.
도 4는 이와 같은 셀내의 다중경로를 만들기 위해 셀(보통 유리관: 42) 바깥에 도선(44)을 감아 고주파인 RF 전압을 인가시키면 셀(42) 내에 방전이 발생되고, 그 방전 영역내에 도 4의 오른쪽 그래프(48)에서 볼 수 있듯이 이온화된 전자 밀도(n0)가 중심에서 관 직경(r0) 방향으로 발생된다. 따라서 방전 영역(46)내에 존재하는 원자들과 광과의 접촉도를 증가시키기 위하여 셀내에 무전극 방전을 만드는 것이 유리하다. 또한 I와 I0의 비를 이용하여 분자의 농도(N)를 측정하는 TDLAS 기술과 병행하여 사용하기 때문에 ppb 이상의 농도 측정에는 TDLAS를 이용하고, 보다 정밀한 측정(〈ppb)에는 LOG 기술을 사용함으로써 넓은 측정 영역대의 측정 장비로서 활용될 수 있다.FIG. 4 shows that discharge is generated in the cell 42 by applying a high frequency RF voltage by winding the conducting wire 44 outside the cell (usually glass tube: 42) to make such a multipath in the cell. As can be seen in the right graph 48 of the ionized electron density (n 0 ) is generated in the direction of the tube diameter (r 0 ) from the center. Therefore, it is advantageous to make an electrodeless discharge in the cell in order to increase the contact between the atoms present in the discharge region 46 and the light. In addition, TDLAS is used to measure the concentration of molecules (N) using the ratio of I and I 0. Therefore, TDLAS is used to measure concentrations above ppb, and LOG technology is used to measure more precisely (<ppb). It can be used as measuring equipment in a wide measuring range.
도 5는 본 발명에 따른 가스농도 측정장치의 전체 구성을 도시한 블럭도이다.5 is a block diagram showing the overall configuration of a gas concentration measuring apparatus according to the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 LOG/TDLAS 복합 장치는 측정 분자가 흡수 할 수 있는 파장의 빛을 내는 광원부(510)와, 보정을 위한 표준 가스관부(520), 레이저가 조사되는 측정 가스관부(530), 그리고 분석 컴퓨터(540)를 포함하는 신호처리 계통으로 이루어진다.Referring to FIG. 5, the LOG / TDLAS composite device according to the present invention includes a light source unit 510 emitting light having a wavelength absorbed by a measurement molecule, a standard gas pipe unit 520 for correction, and a measurement gas irradiated with a laser. It consists of a signal processing system including a pipe part 530 and an analysis computer 540.
광원부(510)는 λ1파장의 레이저 광(501)을 발생하는 다이오드 레이저(511)와 이 레이저 광(501)을 2개로 분할하는 광분활기(512), 광분활기(512)를 통해 분리된 광을 집중하는 렌즈(513)와 렌즈(513)에 의해 집중된 광을 전기적인 신호로 변환하는 광검출기(514), λ2파장의 레이저광을 발생하는 다이오드 레이저(511)와 이 레이저 광을 2개로 분할하는 광분활기(512), 광분활기(512)를 통해 분리된 광을 집중하는 렌즈(513)와 렌즈(513)에 의해 집중된 광을 전기적인 신호로 변환하는 광검출기(514), 레이저광을 광섬유로 결합하는 광섬유결합기(515), 광섬유(516), 광섬유의 광을 평행광으로 출사하는 빔 평행기(517), 아이소레이터(518)로 이루어진다.The light source unit 510 includes a diode laser 511 for generating a laser light 501 having a wavelength of λ 1, an optical splitter 512 for splitting the laser light 501 into two, and light split through the optical splitter 512. A lens 513 that concentrates the light and a photodetector 514 that converts the light concentrated by the lens 513 into an electrical signal, a diode laser 511 that generates laser light having a wavelength of λ 2 , and the laser light The optical splitter 512 for dividing, the lens 513 for concentrating the light separated by the optical splitter 512, the photodetector 514 for converting the light concentrated by the lens 513 into electrical signals, and the laser light An optical fiber combiner 515, an optical fiber 516, a beam parallelizer 517 and an isolator 518 that emit light of the optical fiber as parallel light.
그리고 광원부(510)에서 출사되는 레이저 광(501)은 광분활기(502)에 의해 분리된 후 하나는 전반사 거울(504)에 의해 전반사되어 파장 측정기(505)로 입력된 후 파장이 측정된다. 광분활기(502)의 다른 레이저 광은 다시 광분활기(503)에 의해 2로 분할된 후 하나는 측정을 위한 다중경로 가스관부(530)으로 입사되고, 다른하나는 농도 보정을 위한 표준 가스관부(520)로 입사된다.After the laser light 501 emitted from the light source unit 510 is separated by the light splitter 502, one is totally reflected by the total reflection mirror 504 and input to the wavelength meter 505, and then the wavelength is measured. The other laser light of the optical splitter 502 is again divided into two by the optical splitter 503 and then one is incident to the multipath gas pipe 530 for the measurement, and the other is the standard gas pipe for the concentration correction ( 520 is incident.
표준 가스관부(520)에서는 광분활기(503)에 의해 분할된 레이저 광이 전반사 거울(521)에서 전반사되어 표준 가스관(522)을 통과한 후 파장분활기(527)에서 파장이 분리되어 렌즈(525)에서 집광되고 광검출기(526)에서 전기적인 신호로 검출된다. 이때 표준가스관(522)에는 가스입력부(523)를 통해 표준 가스가 입력된 후 가스 출력부(524)를 통해 출력된다.In the standard gas pipe 520, the laser light split by the light splitter 503 is totally reflected by the total reflection mirror 521, passes through the standard gas pipe 522, and then the wavelength is separated by the wavelength splitter 527, thereby separating the lens 525. ) And is detected as an electrical signal in photodetector 526. In this case, the standard gas is input to the standard gas pipe 522 through the gas input unit 523 and then output through the gas output unit 524.
다중경로 가스관부(530)에서는 광분활기(503)를 통해 다중경로 가스관(531)으로 입사된 광이 다중경로 가스관(다중경로 가스셀이라고도 한다; 531) 내에서 전반사 거울(534)들에 의해 수회 전반사되어 다양한 경로를 거친 후 파장분활기(539)에서 파장이 분리되어 렌즈(537)를 통해 광 검출기(538)로 집광되어 전기적인 신호로 변환된다. 이때, 다중경로 가스관(531)에는 코일(535)이 감겨있고 이 코일(535)에 RF전원(536)이 인가되어 있으며, 측정 대상인 가스는 가스입력부(532)로 입력되어 RF 신호에 의해 방전되어 이온화된 후 가스 출력부(533)로 출력된다. 그리고 가스의 농도를 LOG방식으로 측정하기 위한 전기적인 신호(SLOG)는 신호처리보드(506)로 전달되고, TDLAS방식으로 농도를 측정하기 위해 광 검출기(526,538)에서 검출된 신호(STDLAS)는 신호처리보드(506)를 통해 분석컴퓨터(540)로 입력된다.In the multipath gas conduit 530, light incident to the multipath gas conduit 531 through the light splitter 503 is received several times by the total reflection mirrors 534 in the multipath gas conduit (also called a multipath gas cell) 531. After total reflection and various paths, the wavelength is separated by the wavelength splitter 539, and the light is concentrated by the photodetector 538 through the lens 537 and converted into an electrical signal. At this time, the coil 535 is wound around the multi-path gas pipe 531, and the RF power 536 is applied to the coil 535. The gas to be measured is input to the gas input unit 532 and discharged by the RF signal. After being ionized, it is output to the gas output part 533. And the electrical signal (S LOG ) for measuring the concentration of the gas in the LOG method is transmitted to the signal processing board 506, the signal (S TDLAS ) detected by the photo detectors (526,538) to measure the concentration in the TDLAS method Is input to the analysis computer 540 through the signal processing board 506.
분석 컴퓨터(540)는 신호처리보드(506)를 통해 보정부(520)와 측정부(530)의 광검출기(526,538)의 전기적인 신호 데이터를 입력받고, 파장측정기(505)로부터파장 정보를 입력받으며, 광원부(510)의 광 검출기(514)로부터 광원의 세기를 입력받아 전체 농도 측정과정을 처리하고, 처리결과를 데이터베이스로 관리한다. 즉, 분석 컴퓨터(540)는 도 6에 도시된 바와 같이, 보정이 필요하면 소정의 보정 절차를 수행하고(S1,S2), 측정이 요청되면 초정밀 측정인지(ppb 이하)를 판단하여 초정밀 측정이면 LOG방식으로 측정하고(S3,S4), 그렇지 않으면(ppm∼ppb) TDLAS방식으로 측정한다(S5). 그리고 측정한 결과는 화면상에 표시하거나 프린터로 출력함과 아울러 데이터베이스로 저장 관리한다(S6).The analysis computer 540 receives electrical signal data of the compensator 520 and the photo detectors 526 and 538 of the measurement unit 530 through the signal processing board 506, and inputs wavelength information from the wavelength meter 505. In response to the input of the intensity of the light source from the light detector 514 of the light source unit 510 to process the entire concentration measurement process, and manages the processing result in a database. That is, as shown in FIG. 6, the analysis computer 540 performs a predetermined calibration procedure when correction is necessary (S1, S2), and when the measurement is requested, it is determined whether it is an ultra precision measurement (ppb or less) and the ultra precision measurement. Measured by LOG method (S3, S4), otherwise measured by TDLAS method (S5). The measured results are displayed on the screen or output to a printer and stored and managed by a database (S6).
이와 같은 LOG/TDLAS 복합장치의 구성 요소중 본 발명의 주요 핵심은 측정 민감도를 높이고 측정 영역대를 경제적으로 선택할 수 있는 다중경로 가스셀(531)을 채택한 RF-방전관 부분이다. 다중경로 가스셀(531)은 기존의 레이저광의 단일 경로를 사용하는 LOG 시스템에 비하여 다중경로를 사용하는 가스관으로 구성되어 있다. 따라서 광원(510)에서 나온 빛이 다중 경로 가스관(531)에서 전기 방전 영역을 통과하며, 이때 분자의 흡수에 의해 이온의 균형이 깨지면서 전기 신호(SLOG)가 발생되며, 또한 통과된 빛의 세기는 분자에 의해 흡수된 만큼 감소되어 광 검출기(538)에서 측정되어 전기적 신호(STDLAS)로 발생된다.Among the components of the LOG / TDLAS composite device, the main core of the present invention is the RF-discharge tube portion that adopts the multipath gas cell 531 which increases the measurement sensitivity and economically selects the measurement range. The multipath gas cell 531 is composed of a gas pipe using a multipath as compared to a LOG system using a single path of a conventional laser light. Therefore, the light from the light source 510 passes through the electric discharge region in the multi-path gas pipe 531, at which time the balance of ions is broken by the absorption of molecules, and an electrical signal S LOG is generated. Is reduced as absorbed by the molecules and measured at the photodetector 538 to generate an electrical signal S TDLAS .
즉, 기존의 LOG 장치에서는 측정 민감도를 높이기 위해서 인가전압 및 전극의 형태등을 개선하는데 주안점을 두었지만 본 발명의 장치는 레이저 광(501)의 경로를 증가시키기 위하여 TDLAS 장치에서 사용되는 다중경로 가스관(531)을 채택하여 광 흡수 경로를 증가시켜 이온 농도를 증가시키는 효과를 얻으며, TDLAS와의 복합 적용으로 TDLAS 장치의 단순성을 첨가하였다. 이와 같이 본 발명은 LOG장치와 TDLAS장치를 복합적으로 이용함으로써 측정 영역에 따른 경제적 선택(TDLAS: ppm∼ppb, LOG:〈ppb)을 할 수 있는 이점이 있다.That is, in the conventional LOG device, the emphasis was placed on improving the applied voltage and the shape of the electrode in order to increase the measurement sensitivity, but the device of the present invention is a multi-path gas pipe used in the TDLAS device to increase the path of the laser light 501. (531) is adopted to increase the light absorption path to increase the ion concentration, and to add the simplicity of the TDLAS device in combination with TDLAS. As described above, the present invention has an advantage of making economical selection (TDLAS: ppm to ppb, LOG: <ppb) according to the measurement area by using the LOG device and the TDLAS device in combination.
이어서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 측정장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.Next, the operational effects of the measuring apparatus of the present invention configured as described above are as follows.
먼저, 다이오드 레이저(511)는 측정 분자의 흡수 파장(λ1,λ2)의 빛을 내고 광분활기(beam splitter)(512)는 각각의 레이저광의 세기를 10%와 90%의 비로 나눈 다음 10%는 렌즈(513)를 통하여 레이저 광 세기에 대한 보정을 위하여 광 검출기(514)로 입사된다.First, the diode laser 511 emits light at the absorption wavelengths λ 1 and λ 2 of the measurement molecule, and the beam splitter 512 divides the intensity of each laser light by a ratio of 10% and 90%, and then 10 The% is incident through the lens 513 to the photo detector 514 for correction for the laser light intensity.
이어 두 개 분자를 동시에 측정하기 위해 각 다이오드 레이저(511)에서 나온 두 개의 레이저광(λ1,λ2)은 광섬유 결합기(fiber coupler: 515)에 의해 합쳐져서 광섬유(516)를 통해 진행한 다음 광섬유(516)에서 나온 광은 빔 평행기(517)를 거쳐 일정한 직경을 갖는 광으로 진행한다. 아이소레이터(isolator:518)는 자신을 거쳐 출사된 광이 이후 광학계의 표면에 반사되어 다시 역으로 다이오드 레이저(511)로 입사되어 레이저의 불안정을 유도하는 것을 막기 위해 설치되어 있다.Subsequently, two laser beams λ 1 and λ 2 from each diode laser 511 are combined by a fiber coupler 515 and proceed through the optical fiber 516 to measure two molecules simultaneously. Light exiting 516 travels through the beam parallelizer 517 to light having a constant diameter. An isolator 518 is provided to prevent the light emitted through it from being reflected on the surface of the optical system and then incident back to the diode laser 511 to induce instability of the laser.
광분활기(502)에서 분리된 일부 광은 파장 측정을 위해 파장 측정기(wavemeter: 505)로 진행하고, 일부 광은 농도 보정용 가스관(522)으로 입사된다.Some of the light separated by the optical splitter 502 proceeds to a wavelength meter 505 for wavelength measurement, and some light is incident to the concentration correction gas pipe 522.
본 발명의 주요 구성원인 LOG/TDLAS 복합 가스관(531)으로 입사된 광은 전반사경(534)들에 의해 다중경로 가스관(531)에서 다중 경로(multi-path)로 진행한다. 이때 RF 펄스 발생기(536)에서 발생된 고주파 전압에 의해 가스관(531)을 감은 전선(535)에 의해 유리관(531) 내부에 전기 방전이 일정하게 발생한다. 측정하고자 하는 가스를 가스관 주입구(532)를 통하여 주입하고 배출관(533)을 통하여 펌프를 이용 배출시켜 가스관 내부의 압력을 일정하게 유지시켜준다.Light incident to the LOG / TDLAS composite gas pipe 531, which is a major member of the present invention, travels in a multi-path in the multipath gas pipe 531 by means of total reflection mirrors 534. At this time, the electric discharge is constantly generated inside the glass tube 531 by the wire 535 wound around the gas tube 531 by the high frequency voltage generated by the RF pulse generator 536. The gas to be measured is injected through the gas pipe inlet 532 and discharged using a pump through the discharge pipe 533 to maintain a constant pressure inside the gas pipe.
전기 방전 영역내에 있는 분자들은 전기방전 에너지에 의해 이온화되어 일정한 전기적 신호의 크기(전압세기 크기)로 나타나며, 이때 레이저광의 파장이 분자의 흡수선과 일치하면 분자는 광에너지에 의해 높은 준위로 이동하게 되고, 이것은 이온화의 확률을 높여주어 전기 신호의 크기를 변화시킨다. 이와 같은 전기 신호(SLOG)의 변화를 측정하여 가스관 내부에 존재하는 분자의 농도를 측정한다.Molecules in the electrical discharge region are ionized by the electric discharge energy and appear as the magnitude of a constant electrical signal (voltage intensity). If the wavelength of the laser beam coincides with the absorption line of the molecule, the molecules are moved to a high level by the light energy. This increases the probability of ionization, changing the magnitude of the electrical signal. By measuring the change of the electrical signal (S LOG ), the concentration of molecules present in the gas pipe is measured.
가스관을 통과한 광은 가스관 내부에 존재하는 측정하고자 하는 분자의 흡수선과 일치하면 그 양에 따라 광이 흡수되어 그 세기가 감소가 되고, 결국 감소된 광의 세기는 파장분활기(539)에서 파장이 분리되어 렌즈(537)를 통과한 다음 광 검출기(538)로 측정된다. 광 검출기(538)에서 측정된 전기 신호(STDLAS)는 컴퓨터(540)에서 분석, 처리된다. 이와 같이 다중경로 가스관(531)에 입사하기 전의 광의 세기와 통과한 후의 광의 세기의 비를 측정하여 가스관 내에 존재하는 분자의 농도를 측정한다.When the light passing through the gas pipe coincides with the absorption line of the molecule to be measured in the gas pipe, the light is absorbed according to the amount of the light, and the intensity of the light decreases. It is separated and passed through lens 537 and then measured with photodetector 538. The electrical signal S TDLAS measured by the photo detector 538 is analyzed and processed by the computer 540. As such, the ratio of the intensity of light before entering the multipath gas pipe 531 and the intensity of light after passing is measured to measure the concentration of molecules present in the gas pipe.
그리고 LOG방식에 의한 전기 신호(전압의 크기)(SLOG)와 TDLAS에 의해 측정된 전기 신호(전압의 크기)(STDLAS)는 동일 신호처리보드(506)를 이용하여 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환되어 컴퓨터(540)에서 처리된다.The electrical signal (voltage magnitude) (S LOG ) by the LOG method and the electrical signal (voltage magnitude) (S TDLAS) measured by TDLAS are converted into analog signals using the same signal processing board 506. Is converted and processed in the computer 540.
이와 같은 본 발명의 가스농도측정장치를 초정밀 실시간 가스 분석 장치에 적용한 예를 보면 다음과 같다.An example in which the gas concentration measuring apparatus of the present invention is applied to an ultra-precision real-time gas analyzing apparatus is as follows.
본 발명의 장치는 초정밀 민감도(∼ppt)와, 넓은 다이나믹 측정 영역(ppm∼ppt)을 갖으며, 민감도를 높이기 위하여 다중 경로 가스관을 채택하였기 때문에 데이터 처리 시간이 수초에서 수분 이하로 짧고, 이에 따라 실시간 초정밀 측정이 필요한 가스 공정을 모니터링하는 장치로 사용될 수 있다. 따라서 본 발명의 장치는 다음 표 1과 같이 환경/분석, 유해가스 처리 플랜트, 반도체 제조, 자동차 분야 등에 적용될 수 있다.The device of the present invention has a high precision sensitivity (~ ppt), a wide dynamic measurement range (ppm to ppt), and adopts a multi-path gas pipe to increase the sensitivity, so that the data processing time is short from several seconds to less than several minutes. It can be used as a device to monitor gas processes that require real time ultra-precision measurements. Therefore, the apparatus of the present invention can be applied to the environment / analysis, hazardous gas treatment plant, semiconductor manufacturing, automotive field, etc. as shown in Table 1.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 농도 측정장치는 다중 경로 가스셀(multi-pass gas cell)을 이용하여 경로를 증가시킴으로써 경로상에 존재하는 측정 분자에 의한 흡수 효과를 증가시켜 LOG(Laser-opto galvanic effect)에의한 전기 신호 및 흡수에 의한 레이저광 세기의 감소 효과가 강화되어 측정 분자의 농도 측정 한계를 증가시킬 수 있고, TDLAS(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) 기술과 복합적으로 사용하여 넓은 영역대의 농도 측정에 경제적인 장치로 사용 가능한 효과를 제공한다. 즉, 본 발명은 측정 민감도를 증가시키기 위해 TDLAS에서 사용되는 다중 경로 가스관을 이용하여 측정 민감도를 증가시켰으며, LOG기술을 TDLAS 기술과 복합적으로 사용함으로써 가스 측정 농도 범위에서 ppm에서 ppb 영역에서는 시스템이 비교적 간단한 TDLAS 기술을 이용하고 민감도가 ppb 이하인 경우에는 LOG 기술을 사용함으로써 선택의 폭을 경제적으로 할 수 있다.As described above, the gas concentration measuring apparatus according to the present invention increases the absorption effect by the measurement molecules present on the path by increasing the path by using a multi-pass gas cell (Laser -The reduction effect of the laser light intensity due to the electrical signal and absorption by the opto-galvanic effect can be increased to increase the limit of measurement of the concentration of the measuring molecule, and it can be used in combination with the TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) technology. It provides an effect that can be used as an economical device for measuring the concentration of the bar. That is, the present invention increases the measurement sensitivity by using the multi-path gas pipe used in TDLAS to increase the measurement sensitivity, and the system is used in the ppm to ppb region in the gas measurement concentration range by using the LOG technology in combination with the TDLAS technology. If a relatively simple TDLAS technique is used and the sensitivity is below ppb, then the LOG technique can be used to make the choice more economical.
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