KR102612224B1 - 노출되지 않은 전극을 갖는 가스 방전 셀 내에서 추적 가스의 광학 검출 - Google Patents

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Abstract

추적 가스 감지 장치는 방전 공간(30)을 한정하는 셀 벽(14)을 구비한 가스 방전 셀(12), 방전 공간(30) 내로의 추적 가스 입구(16), 방전 셀 내로 방사선을 방출하기 위해 방전 셀의 제1 측면 상에 방사선 공급원(26)을 구비한 분광기 장치, 방전 공간(30)을 통해 방사선 공급원(26)에 의해 방사된 방사선을 검출하기 위해 제1 측면의 반대쪽 방전 셀의 제2 측면 상의 방사선 검출기(28) 및 방전 셀 내에서 플라스마를 생성하기 위해 방전 셀의 대향 측면 상의 전극을 포함하며, 상기 전극은 노출되지 않은 플라스마 전극인 것을 특징으로 한다.

Description

노출되지 않은 전극을 갖는 가스 방전 셀 내에서 추적 가스의 광학 검출
본 발명은 추적 가스의 광학 검출에 관한 것으로, 특히, 가스 방전 셀 내에서 미량 가스와 추적 가스의 광학 검출을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
방전 셀은 가스 방출 공간을 둘러싸는 외부 셀 벽을 갖는다. 방전 셀은 추적 가스가 방전 공간 내로 유입되는 추적 가스 입구를 포함한다. 분광기 장치는 방전 셀 내에서 모든 형태의 방사선 흡수 또는 굴절률을 측정하기 위해 사용한다. 방전 셀의 일 측면 상에, 가스 방전 공간 안으로 및 가스 방전 공간을 통해 방사선을 방출하기 위한 방사선 공급원이 위치한다. 상기 방전 셀의 반대쪽에는, 방사선이 방출 공간을 통해 이동했을 때 방사선 공급원으로부터 방사선을 검출하기 위한 방사선 검출기가 위치한다.
누출 탐지 및 미량 가스와 추적 가스 감지용 장치와 장비는 진공, 식품, 석유 화학, 의료, 제약, 원자력 또는 운송과 같은 다양한 산업의 기술적 요구 사항을 해결한다.
광 흡수 분광법의 원리를 이용하는 광 가스 센서는 공지되어 있다. 미리 선택된 파장의 레이저 빔은 버퍼 가스로 채워진 플라스마 셀 공간을 통해 전파된다. 레이저 빔은 단일 경로 빔 또는 다중 경로 빔일 수 있다. 버퍼 가스는 단일 성분 가스 또는 아르곤, 헬륨, 질소 등과 같은 복수 성분의 가스 혼합물일 수 있다. 광학 검출기는 미량/추적 가스 분자 및 그 농도 표시로 플라스마 셀 공간 내의 방사선과 가스의 상호 작용을 기록한다.
방전 셀은 가스 방출 공간을 둘러싸는 외부 셀 벽을 갖는다. 방전 셀은 추적 가스가 방전 공간 내로 유입되는 추적 가스 입구를 포함한다. 분광기 장치는 방전 셀 내에서 모든 형태의 방사선 흡수 또는 굴절률을 측정하기 위해 사용한다. 방전 셀의 일 측면 상에, 가스 방전 공간 안으로 및 가스 방전 공간을 통해 방사선을 방출하기 위한 방사선 공급원이 위치한다. 상기 방전 셀의 반대쪽에는, 방사선이 방출 공간을 통해 이동했을 때 방사선 공급원으로부터 방사선을 검출하기 위한 방사선 검출기가 위치한다.
누출 탐지 및 미량 가스와 추적 가스 감지용 장치와 장비는 진공, 식품, 석유 화학, 의료, 제약, 원자력 또는 운송과 같은 다양한 산업의 기술적 요구 사항을 해결한다.
광 흡수 분광법의 원리를 이용하는 광 가스 센서는 공지되어 있다. 미리 선택된 파장의 레이저 빔은 버퍼 가스로 채워진 플라스마 셀 공간을 통해 전파된다. 레이저 빔은 단일 경로 빔 또는 다중 경로 빔일 수 있다. 버퍼 가스는 단일 성분 가스 또는 아르곤, 헬륨, 질소 등과 같은 복수 성분의 가스 혼합물일 수 있다. 광학 검출기는 미량/추적 가스 분자 및 그 농도 표시로 플라스마 셀 공간 내의 방사선과 가스의 상호 작용을 기록한다.
본 발명은 방전 셀 내에서 플라스마를 발생시키기 위해 노출되지 않은 플라스마 전극을 사용하는 아이디어에 기초한다. "노출되지 않은(unexposed)"이란 전극이 방전 셀 내의 가스 또는 가스 혼합물에 직접 노출되지 않음을 의미한다. 오히려, 상기 전극은 유리 또는 다른 유형의 유전체 장벽일 수 있는 전기 절연재와 같은 물질에 의해 가스 방전 공간으로부터 분리된다. 유도 결합, 마이크로파 또는 무선 주파수 또한 방전 셀 내의 가스로부터 전극을 분리하는 데 사용될 수 있다. 유전체 장벽 방전 플라스마 셀은 복잡하지 않고 비용이 적게 들기 때문에 특히 바람직하다.
방전 셀의 추적 가스 입구는 각각의 추적 가스 또는 추적 가스 성분들에 대해 선택적인 가스 선택 막(membrane)을 포함할 수 있다. 막은 추적 가스의 유입 및/또는 유출을 제어할 수 있도록 열 활성화 섹션이나 부재를 포함할 수 있다. 상기 열 활성화 섹션은 화학 기상 증착(CVD) 보로포스포실리케이트 글래스(BPSG)의 열적 재유동 막으로 평탄화 및/또는 캡핑된 열적으로 치밀화된 스핀온글래스(SOG) 절연체의 층에 의해 달성될 수 있다. 막은 열적으로 활성화되어 제어할 수 있는 가스의 유동을 촉진할 수 있다.
또는, 본 발명은 가스 성분을 분리하기 위한 가스 선택 막으로 스핀온글래스(SOG) 웨이퍼를 사용함으로써 가스 공간 또는 가스 유동으로부터 가스 성분을 분리하는 방법에 관한 것이다. 가스 공간은 정적이거나 동적일 수 있으며, 무한이거나(자유롭거나) 하우징 또는 파이프로 둘러싸여 캡슐화될 수 있다. 웨이퍼는 실리카 산화물 반도체일 수 있다. 막은 상기 및/또는 하기 설명에 따라 조정 및/또는 사용될 수 있다.
방사선 공급원은 레이저 다이오드, 방사선 방출 다이오드 또는 필요한 스펙트럼 범위의 방출 특성을 갖는 임의의 다른 방사선 공급원일 수 있다.
바람직하게는, 방전 셀 공간은 방전 공간을 한정하는 작은 내부 치수를 갖는다. 특히, 방사선 공급원으로부터 방전 공간을 통해 방사선 검출기로 이동하는 방사선 빔의 방향에 대해 측면 방향 면의 방전 공간 단면은 폭이 3mm 미만일 수 있고, 바람직하게는 방전 셀이 작은 방전 갭을 형성하도록 0. 3mm와 1mm 사이의 범위일 수 있다.
방전 셀은 버퍼 가스로 채워진 정적 셀일 수 있다. 또는, 방전 셀은 버퍼 가스 공급원에 연결된 버퍼 가스 입구 및 회전형 베인 펌프와 같은 펌프에 연결될 수 있는 버퍼 가스 출구를 갖는 유동 통과(flow-through) 셀일 수 있다.
바람직하게는, 추적 가스는 여기 상태에서의 검출을 위해 더 높은 에너지 상태로 여기될 수 있다. 여기 상태는 준안정 상태가 아닐 수 있다. 추적 가스는 버퍼 가스 또는 플라스마 전자의 여기 상태와 상호 작용으로 여기 상태를 얻을 수 있다.
본 발명의 장치는 추적 가스 모니터, 추적 가스 누출 검출기 또는 추적 가스 누출 스니퍼로 사용될 수 있다.
플라스마 전자의 밀도는 셀 벽에 선택적으로 증착된 적어도 하나의 유전체로부터 방출된 전자로 높아질 수 있다. 유전체는 높은 이차 전자 방출 속도 및/또는 외부에 배치된 소스로부터의 UV 방사선에 의해 생성된 광 전자로 특징되는 산화 마그네슘 또는 다른 유사한 물질일 수 있다.
감지 장치는 특히 헬륨, 수소 또는 네온의 누출 스니퍼로 이용될 수 있으며, 방전 셀 내의 플라스마 가스 혼합물은 주변 헬륨 및 네온, 아르곤, 질소 또는 산소나 그들의 비례 혼합물로 구성 또는 포함한다.
상기 장치는 헬륨, 수소, 네온, 질소 또는 산소 누출 검출기로 이용될 수 있으며, 여기서 추적 가스는 정제된 혼합물이거나 대기 성분을 포함할 수 있고, 플라스마 가스 혼합물은 헬륨, 수소, 네온, 아르곤, 질소 또는 산소나 그들의 비례 혼합물과 같은 재충전이 가능하거나 압력이 유지되는 가스를 포함한다.
추가적인 광 방사선 공급원은 임계 플라스마 파라미터에 대한 방전 셀 내의 배경 가스 성분들의 영향(들)을 정량화하기 위해 사용될 수 있다.
각각의 전극 뒤에, 즉 방전 셀의 반대쪽에 적어도 하나의 자석이 셀 벽 상의 플라스마 전자의 손실을 최소화 또는 감소시키기 위해 위치할 수 있다.
도 1은 제1 실시예의 개략도를 도시하며,
도 2는 제2 실시예의 개략도를 도시하며,
도 3은 제3 실시예의 개략도를 도시하며,
도 4는 제4 실시예의 개략도를 도시하며,
도 5는 제5 실시예의 개략도를 도시하며,
도 6은 제6 실시예의 개략도를 도시하며,
도 7A는 막 장치 실시예의 개략도를 도시하며,
도 7B는 막 장치에 대한 추가 실시예의 개략도를 도시하며,
도 7C는 막 장치의 또 다른 실시예의 개략도를 도시하며,
도 8은 일 실시예의 사시도를 도시하며,
도 9는 다른 실시예의 사시도를 도시하며,
도 10은 또 다른 실시예의 사시도를 도시한다.
다음에서, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에서, 가스 방전 셀(12)은 글래스 셀을 형성하는 글래스로 만들어진 셀 벽(14)을 갖는다. 추적 가스 입구(16)는 추적 가스 선택 막(19)이 수용되는 입구 하우징(18)을 구비한다. 추적 가스 입구(16)는 추적 프로브에 연결된 밸브(22)를 구비한 라인(20)에 추가로 연결된다. 라인(20)은 교정 목적을 위해 교정된 누출(leak)에 연결된 또 다른 밸브(24)에 연결된다.
분광기 장치는 레이저 다이오드 형태의 방사선 공급원(26)을 포함한다. 방사선 공급원(26)은 방전 셀(12)의 제1 단부에 위치한다. 제1 단부의 반대쪽인 제2 단부에는 방사선 검출기(광 셀)(28)가 위치한다. 방사선 공급원(26)에 의해 방출된 방사선은 방전 셀로 들어가 셀 벽(14)으로 둘러싸인 방출 공간(30)을 통해 계속 이동하고, 반대쪽 단부에서 방전 셀을 떠나 방사선 검출기(28)에 도달하여 감지된다.
2개의 전극(32)은 방전 셀(12)의 대향하는 측면들 상에 추가로 위치한다. 글래스 셀 벽(14)은 전극(32)과 방전 공간(30) 사이에 배치되기 때문에 전극은 방전 셀(12) 내의 가스에 노출되지 않는다.
전극(32)은 전압 발생기(34)에 의해 제공되는 킬로헤르츠 또는 MHz 범위의 주파수에서 AC 고전압을 공급받는다.
버퍼 가스 공급원(36)은 버퍼 입구 라인(40)과 버퍼 입구 밸브(43)를 경유하여 방전 셀(12)의 버퍼 가스 입구(38)에 연결된다. 버퍼 가스 입구(38)를 통해 방전 공간(30)으로 들어가는 버퍼 가스는 방전 셀(12)을 통해 유동하고 광 검출기(28)와 인접한 셀(12)의 단부에서 버퍼 가스 출구(42)를 통해 셀을 떠난다. 버퍼 가스 출구(42)로부터, 버퍼 가스는 버퍼 가스 출구 라인(44)과 버퍼 가스 출구 밸브(46)를 통해 가스를 버퍼 가스 공급원(36)으로부터 셀(12)을 통해 펌핑하는 회전형 베인 펌프(48)로 유도된다.
도 2의 실시예는 방전 셀에 버퍼 가스 입구와 버퍼 가스 출구가 없는 정적 셀이라는 점에서 도 1의 실시예와 다르다. 오히려, 버퍼 가스는 방전 공간(30) 내에 유지된다. 추적 가스 입구(16)의 하우징(18)은 진공 라인(50)과 밸브(52)를 경유하여 터보 펌프(44)와 다이아프램 펌프(46)로 구성된 펌프 장치에 연결된다.
도 3에 따른 실시예는 진공 라인(50)과 진공 밸브(52)가 도 2의 펌프 시스템보다는 다이어프램 펌프에만 연결된다는 점에서 도 2에 따른 실시예와 다르다. 또한, 가스 입구(16)의 하우징(18)은 제2 진공 라인(58)과 제2 진공 밸브(60)를 경유하여, 필터(64)를 경유하여 제2 진공 라인(58)과 제2 진공 밸브(60) 및 가스 입구의 하우징(18)을 통해 펌핑되는 펌핑 가스의 공급원(62)에 연결되고, 이어서 제1 진공 라인(50)과 제1 진공 밸브(52)를 경유하여 다이아프램 펌프(56)에 연결된다. 펌핑 가스는 가스 입구 하우징(18) 내의 막을 통과하도록 유도된다.
도 4의 실시예 또한 버퍼 가스 입구와 버퍼 가스 출구가 없는 정적 가스 방전 셀(12)을 구비한다. 전극(32)은 메가헤르츠 주파수 범위의 AC 전압을 전극(32)에 공급하는 무선 주파수 전력 발생기(62)에 전기적으로 접속된다.
가스 방전 셀(12)은 주변 헬륨 및 네온, 아르곤, 질소 또는 산소를 포함하는 버퍼 가스 혼합물을 함유한다. 여기 상태의 버퍼 가스 혼합물은 전극(32)을 경유하여 공급된 무선 주파수 전력으로부터 기인한다.
가스 방전 셀(12)의 가스 입구(16)는 그 외벽이 열 활성화 박편을 포함한 막(19)에 의해 형성되는 하우징(18)을 구비하며, 그 예는 도 7A, 도 7B 및 도 7C에서 더 상세히 도시한다. 유사한 막이 도 5와 도 6의 실시예에서도 사용된다. 하우징(18)은 수소 게터(64)를 더 포함한다.
도 5의 실시예는 가스 방전 셀(12)이 리필 밸브(67)를 경유하여 버퍼 가스 리필 용기(66)에 연결되는 버퍼 가스 입구(38)를 포함한다는 점에서 도 4의 실시예와 다르다. 버퍼 가스 출구는 제공되지 않는다. 버퍼 가스는 헬륨, 수소, 네온, 아르곤, 질소 또는 산소일 수 있다.
도 4의 실시예와 또 다른 차이점은 막(19)을 포함한 가스 입구 하우징(18)의 일부가 누출 시험 중인 진공 챔버의 형태로 배기된 시험 대상(68)에 연결된다는 것이다. 시험 대상(68)의 외부는 새는 곳(70)을 통해 시험 대상(68) 내로 들어가는 추적 가스로 분무될 수 있다. 또는, 새는 곳(70)을 통해 들어가는 주변 가스는 추적 가스로 사용될 수 있다. 시험 대상(68) 내로 들어간 추적 가스는 막(19)과 추적 가스 입구(16)를 통해 가스 방전 셀(12)로 들어간다. 막(19)은 도 4에 대해 전술한 바와 같이 그리고 도 7A~7C에 더 상세히 도시한 바와 같이 열 활성화 박편을 구비한다.
도 6의 실시예는 가스 방전 셀(12)이 버퍼 가스 용기에 연결되는 버퍼 가스 입구(38)가 없다는 점에서 도 5의 실시예와 다르다. 오히려, 방전 셀(12)은 아르곤, 질소 또는 산소일 수 있는 버퍼 가스로 미리 채워지며, 방전 셀(12) 내에서 여기된다. 전극(32)은 또한 무선 주파수 전력 발생기(62)에 의해 공급된 메가헤르츠 범위의 무선 주파수 AC 전압에 의해 전력이 공급된다.
도 7A, 7B 및 7C는 각각 도 4, 5 및 6에 사용된 막(19)의 실시예를 도시하며, 각각은 열 활성화 박편을 구비한다. 도 7A에서, 두께가 30 ~ 200nm 범위에서 열적으로 치밀화된 스핀온글래스막(72)이 다공성 지지체(74) 상에 코팅된다. 도 7B에서, 추가적인 보로포스포실리케이트 유리 층(76)은 화학 기상 증착을 통해 스핀온글래스막(72) 상에 코팅된다.
도 7C의 실시예에서, 스핀온글래스막(72)과 그 막(72) 상부의 보로포스포실리케이트 글래스막(76)을 지지하는 다공성 지지 막(74)은 지지 구조체(78) 위에 코팅된다. 다공성 지지 막(74)은 기공 크기가 3 ~ 70nm 범위의 예컨대 주석과 백금이 도핑된 스핀온글래스막일 수 있다.
도 8은 도 1 방전 셀(12)의 사시도를 도시한다. 방전 셀(12)은 하나의 경로 셀로 배열된다. 즉, 단일 레이저 빔(80)이 셀을 통해 방사선 공급원(26)으로부터 광 검출기(28)로 유도된다. 전극의 길이는 50mm이며, 레이저 빔(80) 방향의 측면 방향 면 셀 단면의 외부 치수는 폭이 3mm, 높이가 2mm이다.
도 9는 방전 셀(12)이 10개의 경로 셀, 즉 10개의 레이저 빔(80)이 셀(12)을 통해 병렬로 유도되는 실시예를 도시한다. 미러(82)는 방사선 빔(80)을 반사할 수 있다. 미러(82)는 도 9에 도시되지 않은 광 검출기 반대쪽 셀 단부의 방사선 공급원으로 고려될 수 있다. 도 9에서 셀의 폭은 도 8의 3mm가 아닌 15mm이다.
도 10은 가스 방전 셀(12)이 셀(12)을 완전히 둘러싼 관형 전극(32)으로 둘러싸인 큐브로 형성되는 100개의 경로 셀을 도시한다. 가스 방출 공간(30)의 단면은 링 형상이다.

Claims (27)

  1. 추적 가스 감지 장치에 있어서,
    방전 공간(30)을 한정하는 셀 벽(14) 및 상기 방전 공간(30) 내로의 추적 가스 입구(16)를 구비하되, 상기 추적 가스입구에는 열적으로 치밀화된 스핀온글래스(SOG) 절연막을 포함하는 가스 선택 막(19)이 구비되는 가스 방전 셀(12),
    상기 방전 셀 내로 광을 방출하는 방출 셀의 제1 측면 상의 방사선 공급원(26) 및 상기 방전 공간(30)을 통해 상기 방사선 공급원(26)에 의해 방출된 방사선을 검출하는 상기 제1 측면의 반대쪽 상기 방전 셀의 제2 측면 상의 방사선 검출기(28)를 구비하는 분광기 장치 및
    상기 방전 셀 내에 플라스마를 발생하는 상기 방전 셀의 대향되는 측면 상의 전극(32)을 포함하고, 상기 전극(32)은 노출되지 않은 플라스마 전극(32)인 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    전기 절연재는 각 전극과 상기 가스 방전 공간(30) 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    각 전극은 상기 전기 절연재에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전기 절연재는 상기 셀 벽의 일부인 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 방전 셀(12)은 유전체 장벽 방전 셀인 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극(32)은 AC 전원에 의해 전력이 공급되는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방전 공간(30)은 버퍼 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼 가스는 아르곤을 포함하는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스 방전 셀(12)은 버퍼 가스 입구(38)와 버퍼 가스 출구(42)를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 방전 공간(30)은 단면 폭이 상기 방사선 공급원(26)으로부터 상기 방사선 검출기(28)로 이동하는 방사선의 방향에 대해 측면 방향 면이 10㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 스핀온글래스 절연막은 화학 기상 증착(CVD) 보로포스포실리케이트 글래스(BPSG)의 열적 재유동 막으로 평탄화 또는 캡핑 되는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 가스 방전 셀(12) 벽의 적어도 일부의 내면은 유전체 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가스 방전 셀(12)의 전자는 유도성 또는 마이크로파 소스와 같은 고주파 소스에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 추가 방사선 공급원(26)은 플라스마 파라미터에 대한 배경 가스 성분의 영향을 정량화하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 자석은 상기 셀 벽(14) 상의 플라스마 전자 손실을 최소화 또는 감소시키기 위해 상기 가스 방전 공간(30)에 대향하는 각 전극 뒤에 위치하는 것을 특징으로 하는 추적 가스 감지 장치.
  16. 가스 성분을 분리하기 위한 가스 선택 막으로 스핀온글래스(SOG) 웨이퍼를 사용하여 가스로부터 가스 성분을 분리하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 SOG 웨이퍼는 실리카 산화물 반도체인 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 웨이퍼는 열적으로 치밀화된 스핀온글래스 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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