KR19980051192A - 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 및 방법 - Google Patents

레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 아르곤 분위기에서 레이저 플라즈마를 발생시켜서 플라즈마 복사선의 세기를 안정적으로 크게하고, 플라즈마 복사선을 검출하는 시점에서 집관용 비축타원형 거울을 사용함으로써, 색수차 오차를 해소하고 많은 양의 복사선을 받아 보다 측정능력을 향상시킬 수 있도록 하는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치는 측정할 시편인 합금강을 포함하고 진공분위기 또는 아르곤 분위기를 만드는 진공챔버와, 상기 진공챔버에서 나온 플라즈마 복사선을 하나의 초점에서 받고 다른 하나의 초점으로 분광기에 보내는 집광용 비축타원형 거울을 구비하고, 본 발명에 의한 합금강 성분 측정방법은 합금강을 아르곤(Ar)가스로 채워진 진공챔버안에 놓고 상기 합금강에 레이저를 집광시키고, 상기 레이저에 의해서 가열된 합금강으로부터 발생된 플라즈마의 복사선을 집광용 비축 타원형 거울를 이용하여 타원형 거울의 한쪽 초점에서 받아 다른 한쪽 초점으로 반사시키는 단계를 포함하여, 보다 측정능력을 향상시킬 수 있는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정방법을 제공하는 것이다.

Description

레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 및 방법
본 발명은 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 아르곤 분위기에서 레이저 플라즈마를 발생시켜서 플라즈마 복사선의 세기를 안정적으로 크게하고, 플라즈마 복사선을 검출하는 시점에서 집관용 비축타원형 거울을 사용함으로써, 색수차 오차를 해소하고 많은 양의 복사선을 받아 측정능력을 향상시킬 수 있도록 하는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 합금강의 성분을 분석하기 위해서는 습식분석, ICP(inductively coupled plasma), 질량분석기 등을 통하여 성분을 분석하였으나 이 방법은 시편채취의 어려움, 시편가공의 불편함, 분석시간의 지연 등으로 불편한 점이 많았다. 레이저 플라즈마를 이용한 성분분석 방법은 실시간 분석이 가능하며 소량분석에 아주 용이하다.
습식분석은 분석하고자 하는 시편을 채취후 녹여서 각 성분을 축출하여 질량차이로 성분비를 분석하는 방법이다. 또한 ICP는 시편을 채취하여 녹인 후 고온으로 플라즈마를 발생시켜 분광분석을 통하여 성분비를 분석하는 방법이다. 그러나 종래의 방법을 사용하는 경우에는 중금속이나 핵연료같이 시편 채취가 어려울 뿐만 아니라 시편을 가공 및 녹이는 일이 불편하고 분석시간도 오래 걸리는 단점이 있다. 또한 대량 생산체제하에서는 실시간으로 성분을 분석할 수가 없다.
레이저 플라즈마 성분측정 방법은 레이저를 액체나 고체 시편에 조사시켜 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마에서 나오는 빛을 분석하면 시편의 성분을 측정할 수 있다. 균일한 성분비율로 구성된 시편에서 발생되는 플라즈마 복사선의 세기의 비는 그 시편의 성분비와 선형적인 관계를 가지므로 분광분석을 통하여 시편의 성분비를 알아낼 수 있다.
레이저 플라즈마 성분측정 방법은 고출력 레이저를 표적물질의 표면에 입사하었을때 발생된 플라즈마 빛을 분광하는 방법으로서 시편이 고체, 액체, 기체상태에 관계없이 분석이 가능하며 시편을 특별히 가공할 필요가 없고 데이터 처리가 간편하므로 실시간으로 성분을 분석할 수 있다. 따라서 경제적, 기술적 파급효과는 크다.
도 1은 종래의 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 개략도를 나타낸 것이다. Nd:glass 레이저발생기(12)에서 방출된 레이저 빔은 집광용렌즈(13a)를 통하여 합금강(14)에 집광된다. 집광된 레이저 빔에 의하여 플라즈마가 발생되고 플라즈마에서 방출된 복사선은 집광용 렌즈(13b)와 슬릿(15)을 통하여 분광기(16)및 광검출기(17)로 보내진다. 광검출기의 데이터는 A/D변환기(19)를 거쳐서 컴퓨터(20)를 통해 분광라인을 분석하게 된다. 여기서 미설명 부호인 18은 펄스발생기로서 상기 광검출기(17)의 게이트(gate)를 열어주는 역할을 한다.
이와같은 종래의 방법에서는 플라즈마 발생시 주위의 공기와 반응하여 플라즈마 복사세기가 안정된 값을 갖기가 어렵다. 또한 플라즈마에서 방출되는 복사선을 집광용 렌즈로 집광시키면 렌즈에 대한 색수차 오차가 생기고, 많은 양의 플라즈마 복사선을 받기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고 개선점을 달성하기 위해 안출한 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 아르곤 분위기에서 레이저 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 복사선의 세기를 안정적으로 크게 할 수 있는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강성분 측정장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마 복사선을 검출하는 시점에서 집관용 비축타원형 거울을 사용함으로써, 색수차 오차를 해소하고 많은 양의 복사선을 받아 측정능력을 향상시킬 수 있는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로써, 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치는 Nd:glass레이저발생기에 전원을공급하고 펄스발생기에 펄스레이저 동기신호를 보내는 레이저 전원공급장치와, 합금강에 조사할 레이저빔을 출력시키는 Nd:glass레이저 발생기와, 상기 Nd:glass레이저발생기에서 출력된 레이저빔을 두갈래로 나누어 하나는 레이저 에너지측정기에 보내고 다른 하나는 거울에 보내는 빛살가르개와, 상기 빛살가르개를 통과한 레이저빔의 합금강까지 가는 거리를 조절하는 거울과, 상기 거울을 통과한 레이저빔을 합금강에 집광시키는 집광용 렌즈와, 상기 합금강을 포함하고 진공분위기를 만드는 진공챔버와, 상기 진공챔버에서 나온 플라즈마 복사선을 하나의 초점에서 받고 다른 하나의 초점으로 분광기에 보내는 집광용 비축타원형 거울과, 상기 집광용 비축타원형 거울에서 반사된 복사선의 양을 조절하는 슬릿과, 상기 복사선의 정해진 파장만 선택하여 광검출기에 보내는 분광기와, 상기 분광기에서 출력된 복사선을 A/D변환기에 보내는 광검출기와, 상기 광검출기로부터 받은 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D번환기와, 상기 A/D변환기의 출력신호를 계산과정을 통하여 합금강의 성분함량을 모니터로 출력하는 컴퓨터와, 상기 전원공급장치로부터 펄스레이저의 동기신호를 받아 광검출기의 게이트를 열어주는 펄스발생기를 구비하여, 보다 측정능력을 향상시킬 수 있는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치를 제공하는 것이다.
또한, 이와같은 기술적인 과제를 달성하기 위한 다른 기술적인 수단으로써, 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정방법은 합금강을 아르곤(Ar)가스로 채워진 진공챔버안에 놓고 상기 합금강에 레이저를 집광시키고, 상기 레이저에 의해서 가열된 합금강으로부터 발생된 플라즈마의 복사선을 집광용 비축 타원형 거울를 이용하여 타원형 거울의 한쪽 초점에서 받아 다른 한쪽 초점으로 반사시키는 단계를 포함하여, 보다 측정능력을 향상시킬 수 있는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정방법을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치의 개략도이다.
도 3은 공기의 압력과 아르곤의 압력에 따른 플라즈마 복사선의 세기와 플라즈마생존기간을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예인 알루미늄대 아연의 성분비에 따른 플라즈마 복사선의 세기를 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 레이저 전원공급장치 22 : Nd:glass 레이저발생기
23 : 빛살 가르개 24,25 : 거울
26 : 집광용 렌즈 27 : 진공챔버
28 : 시편(합금강) 29 : 집광용 비축 타원형 거울
30 : 슬릿 31 : 분광기
32 : 광검출기 33 : A/D 변환기
34 : 컴퓨터 35 : 펄스발생기
36 : 진공펌프 37 : 레이저 에너지측정기
이하, 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치를 수행하기 위한 장치의 구성을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치의 개략도이다.
본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치는 Nd:glass레이저 발생기(22)에 전원을 공급하고 펄스발생기(45)에 펄스레이저 동기신호를 보내는 레이저 전원공급장치(21)와, 합금강(28)에 조사할 레이저빔을 출력시키는 Nd:glass레이저발생기(22)와, 상기 Nd:glass레이저발생기(22)에서 출력된 레이저빔을 두갈래로 나누어 하나는 레이저 에너지측정기(37)에 보내고 다른 하나는 거울(24,25)에 보내는 빛살가르개(23)와, 상기 빛살가르개(23)를 통과한 레이저빔의 합금강까지 가는 거리를 조절하는 거울(24,25)과, 상기 거울(24,25)을 통과한 례이저빔을 합금강(28)에 집광시키는 집광용 렌즈(26)와, 상기 합금강(28)을 포함하고 진공분위기를 만드는 진공챔버(27)와, 상기 진공챔버(27)에서 나온 플라즈마 복사선을 하나의초점에서 받고 다른 하나의 초점으로 분광기(31)에 보내는 집광용 비축타원형 거울(29)과, 상기 집광용 비축타원형 거울(29)에서 반사된 복사선의 양을 조절하는 슬럿(30)과, 상기 복사선의 정해진 파장만 선택하여 광검출기에 보내는 분광기(31)와, 상기 분광기에서 출력된 복사선을 A/D변환기(33)에 보내는 광검출기(32)와, 상기 광검출기(32)로부터 받은 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D변환기(33)와, 상기 A/D변환기(33)의 출력신호를 계산과정을 통하여 합금강의 성분함량을 모니터로 출력하는 컴퓨터(34)와, 상기 전원공급장치(21)로부터 펄스레이저의 동기신호를 받아 광검출기(32)의 게이트(gate)를 열어주는 펄스발생기(35)로 구성된다.
상기 진공챔버(27)는 아르곤(Ar)가스로 채워지면 플라즈마를 활성화시켜 복사선의 세기를 크게 만들 수있다.
여기서, 도면중 미설명부호인 진공펌프(36)는 상기 진공챔버(27)를 진공으로 만드는 역할을 하고, 레이저 에너지측정기(37)는 측정할 때마다 레이저의 에너지를 측정하여 레이저 에너지의 변화를 보상해 준다.
이하, 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정방법의 구성을설명한다. 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정방법은 합금강을 아르곤(Ar)가스로 채워진 진공챔버안에 놓고 상기 합금강에 레이저를 집광시키고, 상기 레이저에 의해서 가열된 합금강으로부터 발생된 플라즈마의 복사선을 집광용 비축 타원형 거울을 이용하여 타원형 거울의 한쪽 초점에서 받아 다른 한쪽초점으로 반사시키는 단계를 포함하여 구성된다.
이와같이 구성된 본 발명의 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치에 따른 동작을 첨부도면 도 2에 의거하여 하기에 상세히 설명한다. 도 2는 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치의 개략도이다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
Nd:glass 레이저발생기(22)에서 방출된 레이저 빔은 빛살가르개(23)와 두개의 거울(24,25)과 집광용렌즈(26)를 통해 진공챔버(27)안에 있는 합금강(28)에 집광시킨다. 집광된 레이저 빔에 의하여 합금강(28)은 가열, 증발과정을 거쳐 플라즈마를 발생시킨다. 챔버(27)안에는 불활성 기체인 아르곤이 들어 있어 레이저 플라즈마와 반응을 안할 뿐만 아니라 플라즈마를 활성화시켜 플라즈마 복사선의 세기를 크게 만든다. 합금강의 원소들로 구성된 플라즈마는 점점 식으면서 복사선을 방출하게된다. 플라즈마에서 방출된 복사선은 집광용 비축타원형 거울(29)과 슬릿(30)을 통하여 분광기(41)에 집광되게 된다. 집광용 비축타원형 거울(29)은 한 초점이 플라즈마가 발생하는 지점이고 또하나 초점은 분광기의 입구로 하는 두개의 초점을 가진 거울이다. 상기 거울을 사용하므로써 렌즈의 색수차에 대한 초점오차를 줄일수 있고 많은 양의 플라즈마 복사선의 세기를 분광기에 집광시킬 수 있다. 분광기(31)에 들어온 복사선은 정해진 파장만 광검출기(32)에 보내져 아날로그/디지탈변환기(33)을 통하여 컴퓨터(34)로 입력되고 계산과정을 통하여 합금강의 성분함량을 모니터로 출력하게 된다.
도 3은 공기의 압력과 아르곤의 압력에 따른 플라즈마 복사선의 세기와 플라즈마 생존기간을 나타내는 그래프이다. 도 3은 본 발명에 의해 측정된 공기의 압력과 아르곤의 압력에 따른 플라즈마 복사선의 세기를 시간에 따라 측정한 것이다. 아르곤의 압력이 100 Torr 인 경우 공기 대기압이나 공기압 100 Torr 보다 복사선의 세기도 커지며 생존시간도 상대적으로 길어짐을 알 수 있다.
이하, 본 발명에 의한 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치 및 방법의 바람직한 실시예를 침부한 도면을 참초하여 설명한다.
* 실시예
도 4는 본 발명의 실시예인 알루미늄대 아연의 성분비에 따른 플라즈마 복사선의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 4는 알루미늄이 소량 들어 있는 아연합금강에 대해 성분비와 플라즈마 복사선 세기비를 나타낸 것으로서 알루미늄 성분의 함량이 증가할수록 복사선의 세기도 증가하는 선형적인 관계를 보여주고 있다. 따라서 분석하고자 하는 성분의 복사선 세기를 측정하면 이에 선형적으로 대응되는 성분함량을 측정할 수 있다.
상술한 바와같은 본 발명에 따르면, 플라즈마 복사선의 세기를 안정적으로 크게할 수 있고, 또한, 본 발명에 의한 다른 효과는 색수차 오차를 해소할 수있고, 많은양의 플라즈마 복사선을 받아 합금강 성분 측정능력을 향상시키는 효과가 있다.
이상의 설명은 단지 본 발명의 일실시예에 대한 설명에 불과하며, 본 발명은 그 구성과 기술적 사상의 범위내에서 다양한 변경 및 개조가 가능하다.

Claims (3)

  1. 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치에 있어서, Nd:glass레이저발생기에 전원을 공급하고 펄스발생기에 펄스레이저 동기신호를 보내는 레이저 전원공급장치(21)와, 합금강에 조사할 레이저빔을 출력시키는 Nd:glass레이저발생기(22)와,상기 Nd:glass레이저발생기에서 출력된 레이저빔을 두갈래로 나누어 하나는 레이저 에너지측정기에 보내고 다른 하나는 거울에 보내는 빛살가르개(23)와, 상기 빛살가르개를 통과한 레이저빔의 합금강까지 가는 거리를 조절하는 거울(24,25 )과, 상기 거울을 통과한 레이저빔을 합금강에 집광시키는 집광용 렌즈(26)와, 상기 합금강을 포함하고 진공분위기를 만드는 진공챔버(27)와, 상기 진공챔버에서 나온 플라즈마 복사선을 하나의 초점에서 받고 다른 하나의 초점으로 분광기에 보내는 집광용 비축타원형 거울(29)과, 상기 집광용 비축타원형 거울에서 반사된 복사선의 양을 조절하는 슬릿(30)과,상기 복사선의 정해진 파장만 선택하여 광검출기에 보내는 분광기(31)와, 상기 분광기에서 출력된 복사선을 A/D변환기에 보내는 광검출기(32)와, 상기 광검출기로부터 받은 신호를 디지탈 신호로 변환하는 A/D변환기(33)와, 상기 A/D변환기의 출력신호를 계산과정을 통하여 합금강의 성분함량을 모니터로 출력하는 컴퓨터(34)와, 상기 전원공급장치로부터 펄스레이저의 동기신호를 받아 광검출기의 게이트(gate)를 열어주는 펄스발생기(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 진공챔버(27)는 아르곤(Ar)가스로 채워져 플라즈마를 활성화 시키는 것을 특징으로 하는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정장치.
  3. 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정방법에 있어서, 합금강을 아르곤(Ar)가스로 채워진 진공챔버안에 놓고 상기 합금강에 레이저를 집광시키고, 상기 레이저에 의해서 가열된 합금강으로부터 발생된 플라즈마의 복사선을 집광용 비축 타원형 거울을 이용하여 타원형 거울의 한쪽 초점에서 받아 다른 한쪽 초점으로 반사시키는 것을 특징으로 하는 레이저 플라즈마를 이용한 합금강 성분 측정방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20030053101A (ko) * 2001-12-22 2003-06-28 주식회사 포스코 알루미늄 합금의 레이저 유도 플라즈마 측정장치

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