KR101968808B1 - 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 방사선이 분석 셀(16)을 통해 안내될 수 있는 적외선 방사선원(12), 분석 셀(16) 안으로 안내될 수 있는 샘플 가스 유동, 분석 셀 내에서 나타나는 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있는 검출기(22), 및 고온 측(68)과 저온 측(70)을 갖는 펠티어 냉각 소자(66)를 포함하며, 저온 측(70)은 적외선 방사선원(12) 또는 검출기(22)와 열 전도성 접촉 상태에 있고 고온 측은 히트싱크(46)와 열 전도성 접촉 상태에 있는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 그러나, 적외선 방사선원의 열잡음 때문에 측정 부정확성이 종종 나타난다. 이러한 측정 부정확성을 방지하기 위해, 본 발명에 따른 히트싱크(46)는 회전-속도-조절된 팬(38)에 의해 냉각된다.
Description
본 발명은, 방사선이 분석 셀(analysis cell)을 통해 안내되도록 맞추어진 적외선 방사선원(infrared radiation source), 분석 셀 안으로 안내되도록 맞추어진 샘플 가스 유동, 분석 셀 내에서 나타나는 흡수 스펙트럼이 측정되도록 맞추어진 검출기, 및 고온 측과 저온 측을 갖는 펠티어 냉각 소자(Peltier cooling element)를 포함하며, 저온 측은 적외선 방사선원 또는 검출기와 열 전도성 접촉 상태에 있고 고온 측은 히트싱크(heat sink)와 열 전도성 접촉 상태에 있는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치, 및 샘플 가스 유동이 유동하는 분석 셀 안으로 적외선 방사선원의 방사선이 안내되며, 분석 셀을 빠져나가는 방사선의 흡수 스펙트럼이 검출기에 의해 측정되고 샘플 가스 유동에서 가스의 농도가 컴퓨팅 유닛 내에서 흡수 스펙트럼에 기초하여 계산되며, 적외선 방사선원 또는 검출기는 펠티어 냉각 소자에 의해 냉각되는, 그러한 장치의 도움으로 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.
적외선 분광법은 개별 가스 성분의 농도를 측정하기 위한 알려진 방법이다. 가장 흔한 방법은 푸리에 변환 적외선 분광계 또는 비분산형 적외선 센서와 관련이 있다. 소형 고출력 반도체 레이저의 개발로, 레이저 분광법에 기초한 가스 분석기는 점점 더 확립되어 왔다. 양자 폭포 레이저(quantum cascade laser)와 같은, 새로운 레이저 유형은 중적외선 범위(medium infrared range)에서 레이저 분광법에 혁신을 일으킨다.
모든 이들 분석 방법은 적외선 빔으로 샘플 가스의 조사 중에 흡수되는 특정 주파수 범위에 의존한다. 적외선 방사선은 흡수에 의해 진동하도록 유도되는 분자 결합의 진동 레벨의 범위 내에 놓인다. 이를 위한 전제조건은 분자 내에서 이미 존재하거나 생성되도록 조정되는 쌍극자 모멘트(dipole moment)이다. 상이한 진동 상태는 상이한 광학 주파수의 적외선 방사선의 흡수 손실을 초래한다. 따라서, 샘플 가스가 특정 분자의 존재에 대해 검사될 수 있고 샘플 가스 내에서 그 농도가 측정될 수 있도록, 투과(transmission)에서의 스펙트럼은 가스의 개별 흡수선 특성을 포함한다.
양자 폭포 레이저로, 일산화이질소(dinitrogen monoxide), 일산화질소(nitrogen monoxide), 이산화질소(nitrogen dioxide), 이산화탄소(carbon dioxide), 일산화탄소(carbon monoxide) 및 암모니아와 같은, 특히 내연 기관의 배기 가스 내에 존재하는 오염물질 분자와, 그 농도가 측정될 수 있다.
보통의 레이저-분광 시스템은 방사선원으로서 레이저를 포함하며, 그것의 방사선은 광 경로를 통해 가스 셀(gas cell) 안으로 안내된다. 이 가스 셀 내에서 빔은 적합한 거울 구성을 통해 반복해서 반사된다. 동시에, 샘플 가스 유동이 이 가스 셀 안으로 도입되며, 레이저의 방사선은 상기 샘플 가스 유동을 관통하고 광 주파수(optical frequency)에 해당하는 분자를 여기시킨다. 이러한 여기(excitation)로 인해 각 주파수의 에너지가 흡수된다. 투과된 빔의 세기는 스펙트럼 내에서의 이 위치에서 감소한다. 흡수 자체는 정확히 정의되지 않고 온도 및 압력 변화로 인해 확장(broadening)의 적용을 받는다. 이러한 방식으로 변화된 스펙트럼을 갖는 빔은 측정 셀(measuring cell)을 빠져나가고 검출기에 입사하며, 이를 통해 변화된 주파수 대역이 평가되어서 특정 물질의 존재와 그 농도가 측정되는 것을 가능하게 한다. 샘플 가스 유동은 일반적으로 하류 진공 펌프를 통해 운반된다.
농도가 측정될 때, 스펙트럼 내에서의 흡수 특성이 평가되며 그리고/또는 분석된다. 이러한 특성은 일반적으로 흡수 가스의 선 스펙트럼으로 지칭된다. 오랫동안 양자 폭포 레이저는 단지 0 ℃ 아래의 온도 범위에서만 신뢰성 있게 작동될 수 있었다. 비록, 레이저 결정(laser crystal)의 설계가 변경되었고 고온 양자 폭포 레이저로 지칭되는, 새로운 세대의 양자 폭포 레이저가 15 내지 40 ℃의 보통의 주변 온도에서 작동되도록 맞추어지지만, 반도체 층들로 구성된 양자 폭포 레이저는 측정 과정에서 높은 열 손실과 그에 따라 온도 상승을 초래하는 것으로 밝혀졌다. 양자 폭포 레이저를 신뢰성 있게 냉각시키기 위한 가장 간단한 방법으로, 레이저를 규정된 온도 범위 내에 유지시키려고 하는 펠티어 냉각 소자가 사용된다. 생성된 열이 방산되지 않아서 레이저의 작동 온도가 측정 중 변화하는 경우, 필요한 교정 파장의 변화가 일어나고 그 결과 온도와 함께 증가하는 전하 캐리어(charge carrier)의 열 운동으로 인해 부정확한 측정 결과가 얻어진다. 이러한 이유로 양자 폭포 레이저의 온도 변동은 이상적으로는 ＋－5 mK로 감소되어야 한다.
US 2011/0173870 A1 에는, 히트싱크의 역할을 하는 금속 플레이트에 장착되며 상기 히트싱크의 반대 측은 펠티어 냉각 소자의 저온 측과 연결되어서 레이저로부터의 열이 금속 플레이트를 통해 방산될 수 있는, 양자 폭포 레이저의 구성이 기술되어 있다. 레이저의 증폭 매체에는 조절 목적으로 온도 센서가 배치되며 이를 통해 레이저의 온도가 측정되고 조절된다. 조절은 펠티어 소자에 공급된 전력 또는 레이저 파워의 변화를 통해 이루어진다.
그러나, 그러한 조절은, 펠티어 냉각 소자의 고온 측이 주변 온도의 변동에 놓여서 영구적인 조절이 요구되기 때문에 정상 상태가 일어날 수 없다는 점에서, 불리하다. 이것은 요구되는 것보다 종종 더 큰 온도 변동과 그에 따라 검출기 신호 내에 존재하는 잡음(noise)을 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래의 설계와 비교하여, 양자 폭포 레이저에서 온도 변동을 최소화함으로써 측정 결과가 추가로 향상된, 적외선 흡수에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 조절 및 측정은 간단하고 저렴하게 실현되도록 의도된다.
이러한 목적은 주 청구항 1의 특징을 갖는 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치 및 주 청구항 14에 따른 장치를 이용하는 방법에 의해 달성된다.
히트싱크가 속도-조절된 팬(speed-regulated fan)에 의해 냉각된다는 사실로 인해 펠티어 냉각 소자의 고온 측에서의 온도와 그에 따라 펠티어 냉각 소자의 저온 측에서의 온도는 레이저의 일정한 파워 손실에서 일정하게 유지될 수 있는데 왜냐하면 그 온도는 더 이상 주변 온도, 즉 펠티어 냉각 소자의 열이 방산되는 온도에 의존하지 않기 때문이다. 따라서, 팬(fan)에 의해 실현되는 냉각 효과는 주변 온도가 상승할 때 회전 속도를 증가시킴으로써 본질적으로 일정하게 유지될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에서, 펠티어 냉각 소자의 고온 측은 속도-조절된 팬에 의해 적어도 간접적으로 냉각된다. 이론적으로 이러한 냉각은 직접적으로 수행될 수 있지만, 열 전도성으로 연결되는 히트싱크에 의해 일반적으로 수행된다. 팬의 속도 조절을 통해 펠티어 냉각 소자의 파워 변화없이 열 방산이 조절될 수 있는 것이 중요하다.
팬의 회전 속도 조절은 바람직하게는 펄스 폭 변조를 통해 이루어진다. 따라서, 팬의 회전 속도는 펄스 폭 변조 신호를 변화시킴으로써 조절된다. 이러한 조절은 제어 시스템 내로 구현하기 용이하고 전력 소비를 줄인다.
유리한 실시형태에서, 적외선 방사선원은 펠티어 냉각 소자의 저온 측과 열 전도성으로 연결되는 금속 플레이트에 배치된다. 이것은 우수한 열 전이를 보장하며, 동시에, 예를 들어 금속 플레이트에 나사로 결합함으로써, 레이저의 신뢰성 있는 고정이 실현된다. 또한, 이러한 플레이트에는 레이저를 위한 상응하는 고정 장치가 제공될 수 있다. 또한, 펠티어 냉각 소자 상에서 완전 대면 접촉이 보장되는데, 그것은 올바른 사용을 위해 요구된다.
바람직하게는, 온도 센서가 펠티어 냉각 소자의 고온 측의 온도와 본질적으로 일치하는 온도를 측정하며, 그 온도 센서는 팬의 전자 컴퓨팅 유닛과 전기적으로 연결된다. 따라서, 조절은 펠티어 냉각 소자의 고온 측에서의 온도의 함수로서 이루어지며, 그것은 팬을 통한 조절에 의해 일정하게 유지될 수 있다.
또한, 또 다른 온도 센서가 펠티어 냉각 소자의 저온 측의 온도와 본질적으로 일치하는 온도를 측정하며, 그 온도 센서는 펠티어 냉각 소자의 전자 조절 유닛과 전기적으로 연결된다. 따라서, 전류의 세기를 조절함으로써 일정한 온도가 레이저 칩에서 형성된다. 이러한 조절은 매우 좁은 한도 내에서 이루어지는데 왜냐하면 팬이 고온 측을 일정한 온도로 유지하기 때문이다. 이러한 2-단계 조절은 매우 작은 온도 변동이 달성되는 것을 가능하게 한다.
적외선 방사선원은 레이저 칩(laser chip)을 포함하며, 그것은 유리하게는 홀더에 의해 고정되며 금속 플레이트와 열 전도성 접촉 상태에 있다. 이에 따라 레이저의 설치는 간단해진다.
바람직하게는, 금속 플레이트는 구리 플레이트인데, 왜냐하면 구리는 매우 우수한 열 전도도를 나타내어서 반도체 칩으로부터의 열이 방산하기 쉽기 때문이다.
또 다른 실시형태에서, 히트싱크는 펠티어 냉각 소자의 반대 방향을 향하는 하부측에 리브(rib)를 포함하며, 리브는 열 교환 표면을 증가시켜서 더 많은 열이 공기 유동을 통해 방산될 수 있다.
특히 바람직한 실시형태에서, 광학 소자들은 분석 셀 외부의 광학 플레이트 상에 배치되며, 광학 플레이트는 히트싱크와 펠티어 냉각 소자의 고온 측 사이에 열 전도성으로 배치된다. 따라서, 전체 빔 경로는 열잡음(thermal noise)을 줄이기 위해 대체로 일정한 온도로 유지될 수 있다.
이러한 실시형태에서, 온도 센서는 펠티어 냉각 소자에 가까이 인접하여 광학 플레이트의 상부측에서의 온도를 측정한다. 이러한 온도는 직접 열 전도성 부착으로 인해 펠티어 냉각 소자의 고온 측의 온도와 본질적으로 일치한다. 동시에, 펠티어 냉각 소자의 고온 측의 온도의 조절이 영향을 받는 일 없이 광학 플레이트가 일정한 온도로 유지될 수 있다는 것이 보장된다. 온도 센서는 광학 플레이트에 장착하기 용이하다.
바람직하게는, 장치는 하우징(housing)을 포함하며, 하우징의 주위로부터 팬은 주변 공기를 흡입한다. 하우징 내에는 안내 몸체(guiding body)가 배치되며 그것은 공기 유동을 히트싱크의 하부측으로 안내한다. 냉각은 그에 따라 분석기 외부로부터의 주변 공기를 가지고 수행된다. 추가적인 냉각 소자는 제공될 필요가 없다.
회전 팬 임펠러(rotating fan impeller) 영역에서 작업 시 작업 인원이 부상당하는 것을 방지하기 위해 그리고 전자기 내성(electromagnetic tolerance)을 향상시키기 위해, 공기 입구 슬롯(air inlet slot)이 제1 측벽에서 하우징에 형성되고 공기 출구 슬롯(air outlet slot)이 반대측에서 형성되며, 공기 입구 슬롯은 본질적으로 팬의 둘레에 걸쳐 형성되고 공기 출구 슬롯은 하우징의 바닥과 히트싱크의 하부측 사이에 걸쳐 형성된다. 이것은 냉각 공기 유동이 전체 광학 플레이트를 따라 안내되는 결과로 나타난다. 그에 따라 광학 플레이트의 영역 내에서 하우징 내부의 온도 구배는 대체로 회피된다.
다양한 구성요소들 사이에서 우수한 열 전도도를 보장하기 위해, 2개 이상의 구성요소들, 즉, 히트싱크, 광학 플레이트, 펠티어 냉각 소자, 금속 플레이트는 열 전도성 페이스트를 통해 서로 연결된다. 이것은 갭(gap)을 가로질러 열 전도가 대체로 손실 없이 일어나는 것을 보장해서, 예를 들어, 펠티어 냉각 소자의 고온 측과 광학 플레이트는 본질적으로 동일한 온도를 가지며, 즉, 동일한 양의 열이 양쪽 부분으로부터 방산하게 된다.
유리하게는, 적외선 방사선원은 양자 폭포 레이저이며, 그것은 중적외선 범위에서 특히 우수한 측정 결과를 제공한다.
방법과 관련하여, 주변 공기가 팬에 의해 히트싱크를 따라 운반되는 경우가 따라서 유리하다. 따라서, 냉각을 보장하기 위한 추가적인 예비책이 취해질 필요가 없어서, 분석기는 저렴하게 제조되고 작동될 수 있다.
히트싱크가 30 ℃ 내지 50 ℃ 사이의 범위에 이르는 일정한 값으로, 특히 40 ℃로, 조절되는 경우가 특히 바람직하다. 보통의 작동 온도에 비해, 이러한 증가된 작동 온도는 주변 공기에 의해 작동되는 팬이 일정한 작동 온도를 유지하기 위해 충분한 열을 항상 방산할 수 있다는 것을 보장한다. 또한, 이러한 조절은 주변 온도가 변하는 경우에도 신뢰성 있게 작동한다.
추가 실시형태에서, 전류는 펠티어 냉각 소자에 일정하게 공급된다. 레이저는 스위치가 켜진 후 일정한 양의 열을 공급하며, 다른 한편으로, 동일한 양의 열이 속도-조절된 팬을 통해 방산될 수 있기 때문에, 펠티어 냉각 소자에 이러한 일정한 전류 공급을 이용하는 것이 가능하며, 그것에 의해 제어 회로는 간단해진다.
펠티어 냉각 소자로의 전류 공급은 바람직하게는 펠티어 냉각 소자의 플레이트들 사이에서 20 내지 40 K의 일정한 온도 차이가 존재하도록 조절되며, 그것은 다른 일정한 작동 상태에 의해 추가로 가능하게 된다. 이것은 레이저의 일정한 온도를 보장하기 위한 간단한 조절로 결과한다.
따라서, 가스의 농도 및 존재가 높은 정확도 및 재현가능성으로 그리고 대체로 열잡음 없이 측정될 수 있는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 가스의 농도를 측정하기 위한 장치 및 방법이 제공되는데, 왜냐하면 ＋－5 mK 미만의 온도 변동을 갖는 일정한 경계 상태가 달성되기 때문이다. 또한, 그러한 조절 시스템을 갖춘 레이저는 종래의 구성에 비해 제조하고 설치하기에 용이하고 저렴하다.
적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 본 발명에 따른 장치의 일 예시적인 실시형태가 양자 폭포 레이저에 기초하여 도면에서 도시되며, 본 발명에 따른 방법과 함께 이하에서 설명된다.
본 발명에 의하면, 온도 변동을 최소화함으로써 측정 결과가 추가로 향상된, 적외선 흡수에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 조절 및 측정은 간단하고 저렴하게 실현된다.
도 1은 샘플 가스 유동에서 가스의 농도를 측정하기 위한 본 발명에 따른 장치의 개략적인 평면도를 도시한다.
도 2는 구성요소들이 부착된 양자 폭포 레이저의 구조의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 장치의 사시도를 도시한다.
도 2는 구성요소들이 부착된 양자 폭포 레이저의 구조의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 장치의 사시도를 도시한다.
적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 본 발명에 따른 장치는 본 예시적인 실시형태에서 양자 폭포 레이저 흡수 분광기(quantum cascade laser absorption spectrometer)로서 구성된다. 이것은 하우징(10)으로 구성되며, 그 안에는 반도체 층들로 구성된 양자 폭포 레이저(12)가 적외선 방사선원으로서 배치되며, 그것은 연속적으로 또는 펄스화된 방식으로 작동될 수 있고, 특히 중적외선 범위에서, 방사선을 방출한다. 그것은 전류 구동기(current driver)(14)를 통해 제어된다.
레이저(12)의 빔은 복수의 거울(18)을 통해 분석 셀(16)의 챔버(chamber)(20) 안으로 안내되거나 또는 대안적으로 거울(18)을 통해 검출기(22)에 직접 안내되며, 검출기는 MCT(mercury cadmium telluride, 수은 카드뮴 텔루라이드) 검출기일 수 있으며, 예를 들어, 그것은 중적외선 범위에서 광기전 검출(photovoltaic detection)에 특히 적합하고 거기에서 입사 광양자(incident light quantum)는 측정가능한 광전류(photocurrent)로 직접 변환된다. 챔버(20) 내에서 이러한 빔은 물체 또는 필드 거울(field mirror)(24)에서 반복해서 반사되며 그에 따라 챔버(20) 내로 운반되는 샘플 가스를 관통한다. 방출된 광 밴드의 특정 주파수 범위에서 이것은 빔의 흡수로 이어지며, 그것은 특정 분자들의 존재 및 농도의 특성이다. 빔은 물체 또는 필드 거울(24)에서 반복해서 반사된 후, 그것은 분석 셀(16)을 빠져나가며 후속 거울(26)을 통해 검출기(22)에 다시 공급된다.
이들 거울 중 하나는 접이식 거울(folding mirror)(28)로서 구성되어서, 그 위치에 따라, 기준 레이저 빔의 역할을 하는 양자 폭포 레이저(12)의 레이저 빔은 기준 가스원(reference gas source) 및/또는 기준 가스 큐벳(reference gas cuvette)(29)을 통해 검출기(22) 쪽으로 진행하거나, 또는 빔은, 설명된 바와 같이, 분석 셀(16)을 통과해서 지나간다.
샘플 가스는 진공 펌프(30)에 의해 운반되며, 그것의 도움으로 샘플 가스 유동은 챔버(20) 안으로 흡입된다. 전체 빔 경로는 가스로, 일반적으로 질소로, 퍼징되며, 그것은 측정 결과의 위조를 피하기 위해 측정될 가스의 어떠한 분자도 포함하지 않는다.
분석 셀(16)에서는 샘플 가스 입구 분기(sample gas inlet branch)(34)가 규정되며, 그것은 도시되지 않은 호스(hose)를 통해, 예를 들어, 내연 기관의 배기 가스 덕트와 같은, 샘플 가스원과, 또는 이미 희석된 샘플 가스를 함유하는 공급원과, 연결된다. 그에 따라, 진공 펌프(30)를 통해 샘플 가스는 샘플 가스 덕트(36)와 챔버(20)를 통해 입구 분기(34)에서 진공 펌프(30)로 흡입된다.
검출기(22)에 의해 측정된 광학 주파수 대역은 흡수된 방사선에 의해 생성된 갭(gap)들을 포함하며, 상기 갭들의 크기 및 깊이는 이러한 주파수 범위를 흡수하는 가스의 농도의 척도이다. 해당 변환은 람베르트-베르의 법칙(Lambert-Beer law)을 이용하여 컴퓨팅 유닛(37)에 의해 종래의 방법으로 수행된다. 레이저(12)의 방출 파장은 가스 성분의 특정 흡수 선의 흡수 범위가 선택적으로 스위핑될 수 있도록 조절될 수 있으며, 이에 의해 다른 가스 성분들에 대한 교차 감도(cross sensitivity)를 피할 수 있다. 이에 따라, 약 10 ㎛ 의 파장 범위에서의 갭은, 예를 들어, 암모니아가 존재하는 경우에 나타난다.
그러나, 신뢰가능한 측정은 샘플 가스 유동에서 측정될 분자의 예상되는 농도와 빔의 경로 길이 사이에서 적절한 조정의 경우에만 가능해서 희석되지 않거나 또는 희석된 샘플 가스 유동이 사용되어야 한다는 것이 고려되어야 한다. 또한, 측정 조건은 일정하게 유지되어야 한다.
특히, 온도 변동에 의해 야기되는 열잡음을 방지하기 위해 양자 폭포 레이저(12) 및/또는 검출기(22)는 안정적인 온도에서 작동되는 것이 필요하다.
본 발명에 따르면, 이는 속도-조절된 팬(38)에 의해 달성된다. 이러한 팬(38)은 하우징(10)의 제1 측벽(40)에 배치되고 이 측벽(40)에서의 도시되지 않은 공기 입구 슬롯을 통해 터널(42) 안으로 주변 공기를 흡입하며, 터널은 판금벽(sheet metal wall) 형태의 안내 몸체(44)에 의해 규정된다. 터널(42)의 높이는 감소하고 터널은 히트싱크(46) 아래에서 끝나며, 그것의 하부측(48)을 따라 팬에 의해 흡입된 그리고 냉각 목적의 역할을 하는 주변 공기가 유동한다. 더 큰 열 교환 표면을 제공하기 위해, 리브(50)가 히트싱크(46)의 하부측(48)에 규정되며, 리브는 유동 방향으로 이어진다. 공기는 공기 출구 슬롯(52)을 통해 하우징(10)을 빠져나가며, 공기 출구 슬롯은 제1 측벽(40)에 대향하는 측벽(54)에서 규정되며 하우징의 바닥(56)에서 히트싱크(46)의 하부측(48)까지 이어진다.
히트싱크(46)는 그것의 상부측(58)에 배치되는 광학 플레이트(60)에 대면하여 고정되어서 광학 플레이트(60)에서 히트싱크(46) 쪽으로 우수한 열 방산이 가능하게 된다. 광학 플레이트(60)는 광학 소자들의 캐리어(carrier)로서 기능하며, 광학 소자들은 거울(18, 24, 26, 28), 검출기(22) 및 양자 폭포 레이저(12)로 구성되고 광학 플레이트(60)의 상부측(62)에 고정된다.
광학 플레이트(60)에는 레이저 하우징(64)이 나사에 의해 고정된다. 레이저 하우징(64)의 하부측은 펠티어 냉각 소자(66)를 규정하며, 그것은, 고온 측(68)이 광학 플레이트(60)에 대면하여 고정되고 저온 측(70)이 구리 블록(copper block)(72)에 대면하여 고정되도록, 고정된다. 펠티어 냉각 소자(66), 광학 플레이트(60) 및 구리 블록(72) 사이에서 열 전도를 최적화하기 위해, 고정은 바람직하게는 얇게 도포되는 열 전도성 페이스트를 통해 접착함으로써 수행된다. 양자 폭포 레이저(12)의 레이저 칩(74)은 홀더(76)를 통해 구리 블록(72)에 고정된다. 시준 렌즈(75)와 같은, 나머지 광학 레이저 소자들은 레이저 하우징(64) 내에 통상의 방식으로 배치된다. 레이저 하우징(64)으로부터 전기 연결 접촉부가 이어지며, 그것을 통해 레이저 칩(74)과 펠티어 냉각 소자(66)에 전류가 공급된다. 조절은 안내 몸체(44)에 배치되는 전자 조절 유닛(82)에 의해 통상의 방식으로 수행된다.
레이저 칩(74)이 작동하게 되는 경우, 0 ㎃ 및 약 400 ㎃ 사이의 범위에 이르는 램프(ramp) 형태로 전류가 먼저 공급되어서 특정 주파수 스펙트럼을 따라 광 빔이 생성된다. 결과적인 파워 손실은 일정한 경계 조건에서 본질적으로 일정하다. 생성된 열을 방산하기 위해 펠티어 냉각 소자(66)에 직류 전압이 또한 공급된다. 24 V 의 직류 전압 및 0.5 A 의 전류에서, 예를 들어, 펠티어 냉각 소자(66)의 고온 측(68)과 저온 측(70) 사이에 약 30 켈빈(Kelvin)의 온도 차이가 나타난다. 조절은 이제, 레이저 칩(74)에 근접해서 레이저 하우징(64) 내에 장착되는 온도 센서(80)를 통해 검출되는, 그리고 그에 따라 펠티어 소자의 저온 측(70)에서 우세한 온도와 본질적으로 일치하는, 온도가, 펠티어 냉각 소자(66)에서 전류의 세기를 조절함으로써 조절 유닛(82)을 통해, 예를 들어, 11 ℃ 로 조절되도록, 수행된다. 이를 위해, 온도 센서(80)는, 예를 들어, Pt100으로서 구성된다.
레이저 칩(74)에서 ＋－5 mK 의 범위 내에서 작은 온도변화를 보장하기 위해서, 펠티어 냉각 소자(66)에서 전류의 세기만을 통한 조절은 종종 충분하지 않다. 이러한 이유로, 추가적인 온도 센서(81)가 광학 플레이트(60)에서 레이저 하우징(64)에 가까이 인접하여 배치되며, 상기 온도 센서에 의해 측정되는 온도는 우수한 열 전도성 부착물로 인해 펠티어 냉각 소자(66)의 고온 측에서의 온도와 본질적으로 일치한다. 온도 센서(81)의 측정된 값은 전자 컴퓨팅 유닛(37)에 제공되며, 그것을 통해 팬(38)의 회전 속도는 팬을 제어하기 위해 사용되는 변조된 펄스 폭을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.
펠티어 냉각 소자(66)의 저온 측(70)에 열 전도성 부착물과 구리 블록(72)에 대면하는 부착물로 인해 펠티어 냉각 소자(66)의 저온 측(70)에서의 온도와 본질적으로 일치하는, 예를 들어, 11 ℃ 의 일정한 레이저 온도를 유지하기 위해서, 펠티어 냉각 소자(66)의 고온 측(68)에서의 온도는 온도 센서(81)의 도움으로, 예를 들어, 40 ℃ 에서 일정하게 유지된다. 따라서, 29 켈빈의 일정한 온도 차이가 펠티어 냉각 소자(66)에 전류 공급에 의해 조절된다. 광학 플레이트(60)에 펠티어 소자(66)의 고온 측(68)의 대면 부착과 히트싱크(46)에 그것의 열 전도성 부착으로 인해, 40 ℃ 의 이러한 온도는, 적어도 펠티어 냉각 소자(66)에 인접하는 영역에서 히트싱크(46)와 광학 플레이트(60)에서 또한 우세하고, 펠티어 냉각 소자(66)에 인접하는 광학 플레이트(60)의 표면에서 온도 센서(81)에 의해 측정되는 온도와 일치한다. 이러한 온도는 종래의 조절에 비해 더 높지만, 고온 측(68)에서 작동 온도에서의 이러한 증가는 히트싱크(46)에서 공기 유동을 통해서만 히트싱크(46)에서의 열 방산의 조절에 의해 이 위치에서의 온도를 일정하게 유지하는 가능성을 제공하는데, 왜냐하면 열 방산을 일으키는 공기 유동은 팬(38)의 회전 속도 조절에 의해 완전히 제어될 수 있기 때문이다. 따라서, 거의 정상-상태 온도 조건을 형성하는 것이 가능하며, 그것은 단지 ＋－5 mK 의 범위 내에서 변화하는 레이저(12)의 온도로 결과한다.
이것은, 종래 구성에 비해, 주변 공기의 가열과 펠티어 소자의 고온 측의 결과적인 가열로 인한 펠티어 소자의 재조정이 매우 좁은 한도 내에서만 요구된다는 것을 의미한다. 이에 따라, 레이저의 온도 조절은 더 안정적으로 되며, 이에 의해 열잡음이 감소된다. 이것은, 결국, 흡수된 방사선의 측정과 그에 따라 가스의 농도의 측정의 더 높은 정확도의 결과로 나타난다.
본 발명은 설명된 예시적인 실시 형태들에 제한되지 않으며 본 청구항의 청구범위에 속하는 다양한 변형 형태들이 가능하다. 이러한 장치는 양자 폭포 레이저에서의 사용에 특히 적합하다. 물론, 펄스 폭 변조 외에도 조절 목적을 위한 팬의 다른 제어 방식이 고려가능하다. 이러한 온도 제어를 검출기에 적용하는 것이 또한 고려가능하다.
Claims (21)
- 방사선이 분석 셀(16)을 통해 안내되도록 조정된, 적외선 방사선원(12),
상기 분석 셀(16) 안으로 안내되도록 조정된, 샘플 가스 유동,
상기 분석 셀(16) 안에서 일어나는 흡수 스펙트럼이 측정되도록 조정된, 검출기(22),
고온 측(68) 및 저온 측(70)을 구비하며, 상기 저온 측(70)은 상기 적외선 방사선원(12) 또는 상기 검출기(22)와 열 전도성 접촉 상태에 있고 상기 고온 측은 히트싱크(46)와 열 전도성 접촉 상태에 있는, 펠티어 냉각 소자(66),
를 포함하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치에 있어서,
상기 히트싱크(46)는 속도-조절된 팬(38)에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
팬(38)의 회전 속도 조절은 펄스 폭 변조에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
적외선 방사선원(12)은, 펠티어 냉각 소자(66)의 저온 측(70)과 열 전도성으로 연결된, 금속 플레이트(72)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
온도 센서(81)가, 펠티어 냉각 소자(66)의 고온 측(68)에서의 온도와 본질적으로 일치하는, 온도를 측정하며, 상기 온도 센서(81)는 팬(38)의 전자 컴퓨팅 유닛(37)과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
또 다른 온도 센서(80)가, 펠티어 냉각 소자(66)의 저온 측(70)에서의 온도와 본질적으로 일치하는, 온도를 측정하며, 상기 온도 센서(80)는 펠티어 냉각 소자(66)의 전자 조절 유닛(82)과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제3항에 있어서,
적외선 방사선원(12)은, 홀더(76)에 의해 고정되고 금속 플레이트(72)와 열 전도성 접촉 상태에 있는, 레이저 칩(74)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제3항에 있어서,
금속 플레이트(72)는 구리 블록인 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
히트싱크(46)는 펠티어 냉각 소자(66)의 반대 방향을 향하는 하부측에 리브(50)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
광학 소자들(12, 18, 22, 24, 26, 28)은, 펠티어 냉각 소자(66)의 고온 측(68)과 히트싱크(46) 사이에 열 전도성으로 배치되는, 광학 플레이트(60)에서 분석 셀(16)의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제9항에 있어서,
온도 센서(81)는 펠티어 냉각 소자(66)에 가까이 인접하여 광학 플레이트(60)의 상부측(62)에서의 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
상기 장치는 하우징(10)을 포함하며 그 주위로부터 팬(38)이 주변 공기를 흡입하며, 상기 하우징(10) 내에는 히트싱크(46)의 하부측(48)으로 공기 유동을 안내하는 안내 몸체(44)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제11항에 있어서,
하우징(10)에서 제1 측벽(40)에 공기 입구 슬롯이 그리고 대향 측벽(54)에 공기 출구 슬롯(52)이 규정되며, 상기 공기 입구 슬롯은 본질적으로 팬(38)의 둘레에 걸쳐 형성되고 상기 공기 출구 슬롯(52)은 상기 하우징(10)의 바닥(56)과 히트싱크(46)의 하부측(48) 사이에 걸쳐 형성되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제9항에 있어서,
구성요소들 히트싱크(46), 광학 플레이트(60), 펠티어 냉각 소자(66), 금속 플레이트(72) 중 둘 이상은 열 전도성 페이스트에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제1항에 있어서,
적외선 방사선원(12)은 양자 폭포 레이저인 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 장치. - 제1항에 따른 장치를 이용하여 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 방법에 있어서, 적외선 방사선원(12)의 방사선은 샘플 가스 유동이 유동하는 분석 셀(16) 안으로 안내되며, 그 결과 상기 분석 셀(16)을 빠져나가는 방사선의 흡수 스펙트럼이 검출기(22)에 의해 측정되며, 컴퓨팅 유닛(37) 내에서 샘플 가스 유동에서 가스의 농도가 흡수 스펙트럼에 기초하여 계산되며, 상기 적외선 방사선원(12) 또는 상기 검출기(22)는 펠티어 냉각 소자(66)에 의해 냉각되며,
상기 펠티어 냉각 소자(66)의 고온 측(68)은 속도-조절된 팬(38)에 의해 적어도 간접적으로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 방법. - 제15항에 있어서,
팬(38)의 회전 속도는 펄스 폭 변조 신호의 변화에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 방법. - 제15항에 있어서,
팬(38)에 의해 주변 공기가, 펠티어 냉각 소자(66)와 열 전도성으로 연결된, 히트싱크(46)를 따라 운반되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 방법. - 제15항에 있어서,
히트싱크(46)는 30 ℃ 내지 50 ℃ 사이의 범위에 이르는 일정한 값으로 조절되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 방법. - 제18항에 있어서,
히트싱크(46)는 40 ℃의 일정한 값으로 조절되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 방법. - 제15항에 있어서,
펠티어 냉각 소자(66)로의 전류 공급은 본질적으로 일정한 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 방법. - 제20항에 있어서,
펠티어 냉각 소자(66)로의 전류 공급은 상기 펠티어 냉각 소자(66)의 고온 측(68)과 저온 측(70) 사이에서 20 내지 40 K의 일정한 온도 차이가 형성되도록 조절되는 것을 특징으로 하는, 적외선 흡수 분광법에 의해 샘플 가스 유동에서 적어도 하나의 가스의 농도를 측정하기 위한 방법.
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