KR20030026781A

KR20030026781A - 원격제어 실시간 우라늄 농도검출 장치 및 방법.

Info

Publication number: KR20030026781A
Application number: KR1020010061270A
Authority: KR
Inventors: 강신원
Original assignee: 강신원
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-09-27
Publication date: 2003-04-03

Abstract

본 발명은 우라늄 형광의 초기치를 이용한 원격 제어 실시간 우라늄 농도의 검출을 위한 장치 및 방법에 관한 내용으로, 보다 구체적으로 여기 광원인 레이저, 광섬유와 아날로그 신호처리기 및 optode를 사용 및 설계/제작하여 구현하였으며, 데이터 처리는 A/D 변환기와 컴퓨터에 의하여 이루어진다. 본 장치는 아날로그 신호처리기, A/D 변환기 및 컴퓨터를 사용하여 온도변화와 lifetime quencher들에 거의 영향을 받지 않는 형광 초기치를 유도하고, 유도한 우라늄 형광 초기치를 우라늄 농도 검출에 사용하였다. 본 장치를 사용하여 측정한 우라늄 농도 대 형광 강도에서 우수한 직선성을 보였다. 실온에서 ±5℃ 정도의 온도 변화에서는 거의 오차를 보이지 않았다. 온도변화가 보다 심한 범위(19℃∼45℃)와 lifetime quencher에 의한 실험에서는 형광의 초기치 유도에 의하여 얻은 데이터의 변화가 ±5% 이내의 오차를 보였다.

Description

원격제어 실시간 우라늄 농도검출 장치 및 방법.{An apparatus for detecting remote control real-time uranium concentration and its method.}

종래의 우라늄 농도 측정 방법은 시료 채취에 의한 분석법을 주로 사용하였으며, 또 다른 방법으로 플로우 셀을 사용하여 시료를 시스템 내부로 끌어와서 측정하는 방법을 사용하였다. 또한 형광의 lifetime 감쇄는 표준 용액 첨가법에 의하여 분석하는 방식을 사용하여 해결하였다.

본 원격제어 우라늄 실시간 형광 분석 장치는 광섬유와 optode를 사용하여 측정하고자 하는 시료에 접근이 용이하고, 우라늄 형광의 초기치를 유도하여 분석에 사용함으로써 온도변화와 lifetime quencher에 거의 영향을 받지 않는 우라늄 형광을 얻어 분석에 이용함으로써 보다 정확한 우라늄 농도를 검출할 수 있다.

우라늄 형광은 온도가 높아지면 우라늄 이온의 충돌이 심하여 형광의 lifetime 이 감소하고, 또한 다양한 우라늄 형광의 quencher에 의하여 우라늄 형광의 수명이 감소한다. 우라늄 형광이 온도변화와 lifetime quencher의 존재에도 불구하고 형광의 초기치는 일정하므로 이를 이용하여 우라늄의 농도를 검출하는데 사용한다면 시료 내에 존재하는 형광 방해물질이나 온도 변화의 영향을 받지 않고 비교적 정확한 분석을 할 수 있다. 따라서 본원에서는 형광의 초기치 유도 방법(아날로그 적분기, A/D 변환기, 소프트웨어 및 컴퓨터를 이용)을 채용함으로써 우라늄 농도를 측정함에 있어서 온도 변화와 lifetime quencher들에 의한 영향을 배제하고 보다 정확하게 신속하게 실시간으로 우라늄 농도를 검출하고 감시하는 장치 및 방법을 이루는데 있다. 또한 광섬유와 optode를 이용하여 원격제어 우라늄 실시간 형광 분석 장치를 구현함에 의하여 측정하고자 하는 시료에 용이하게 접근할 수 있게 하는데 또 다른 발명의 목적이 있다.

도1은 우라늄 형광의 초기치 유도 방법.

도2는 원격 제어 실시간 우라늄 농도 감시 장치.

도3은 우라늄 형광의 감지를 위한 optode

형광의 초기치는 quencher나 온도의 영향을 받지 않아 형광 신호의 정량적 분석에 아주 중요하다. 따라서 형광의 초기치를 유도하여 형광의 정량적 분석에 사용함이 바람직하다. 아날로그 회로에 의한 형광의 초기치 유도에 대하여 기술한다. 형광신호의 감쇄는 도 1과 같이 일반적으로 지수함적으로 감소한다. 일반적인 지수함수는 아래와 같다.

여기서 I는 시간 t에서의 형광 강도이다.

I_o는 시간 영에서의 형광강도이다.

도 1에서 d는 지연시간이고, g는 적분시간이다. 그림에서 첫 번째 적분면적인 S₁은 아래 수식과 같이 주어진다.

두 번째 적분 면적 S₂는

식(2-2)를 식(2-3)으로 나누면,

식(2-2)에 식(2-4)를 대입하면,

수식(5)에서 I_o는 quenching의 영향을 받지 않는다.

질소레이저와 광섬유를 이용한 원격제어에 의한 실시간 우라늄 형광의 측정 장치는 도 2과 같다. 실험장치의 광원은 소형 밀폐된 질소레이저이고, 초당 펄스의 반복율을 7 pps 로 고정하여 사용하였다. 광원의 파장은 337.1 nm 의 UV 광을 발생한다. 종래의 광원에 비해 본 질소레이저는 짧고 강한 펄스와 단색광을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 질소레이저에 의하여 출력된 빔은 볼록 렌즈에 의하여 집광되어 전송용 광섬유를 통해서 샘플 속에 담겨 있는 optode에 전송된다. 전송된 레이저빔은 optode 내의 오목거울에 의하여 집광되며, 집광된 레이저 빔은 시료속의 우라늄 이온을 여기시키고 여기된 이온은 기저 상태로 떨어지면서 우라늄 이온만이 가지는 고유한 형광을 발생하게 된다. 발생된 형광은 optode내의 오목거울에 의하여 집광되어 수신용 광섬유에 의하여 분석장치의 본체와 분석용 컴퓨터가 있는 형광 분석용 시스템으로 되돌아 온다. 분석용 시스템으로 돌아온 형광은 볼록 렌즈와 녹색파장의 빛만을 통과시키는 green filter(Melles Griot, 490nm＜ λ＜580 nm)를 통과하여 PM(Photomultiplier) tube(Hamamatsu TV Co., Ltd. Type 1P 28A)에 의하여 검출된 전하가 만든 전류로 변환된다. 여기서 green filter는 Rayleigh 와 Raman scattering을 줄이는 역할을 해 준다. 검출된 전류는 적당한 저항값에 의하여 전압으로 변환되며, 전압으로 변환된 신호는 전치증폭기를 통해서 증폭된다. 증폭된 신호는 두 개의 아날로그 적분기를 사용하여 형광 신호중 두 구간에서 적분되어 컴퓨터 인터페이스보드를 통해서 컴퓨터에 전송된다. 또한 전치 증폭기에서 증폭된 신호는 오실로스코우프로 형광 신호의 건전성을 확인할 수 있게 하였다. 컴퓨터에 전송된 데이터는 앞서 설명한 형광의 초기치 유도 알고리즘을 사용하여 형광의 초기치를 유도하고 유도된 형광 초기치를 이용하여 우라늄 농도를 실시간으로 분석한다. 신호분석시 측정 오차를 최소화하기 위하여 30 개의 레이저 펄스의 방전으로부터 얻은 형광 신호의 데이터를 합하고 이를 평균한 값을 사용하였다.

가. 질소레이저

우라늄 형광 분석 장치의 광원으로 사용된 질소레이저(Laser Science Inc.)의 크기는 9.75"×4.5"×2.5"로 소형ㆍ경량이며 12V로 동작이 가능하다. 개스 공급을 위한 장치나 냉각 펌프등의 부가 시설이 필요 없어 사용이 간편하다. 레이저의 펄스폭은 3 ns이고 출력은 40 kW이고 펄스 반복율은 1∼20 pps 까지 가능하며 외부에서 펄스를 인가하여 동작시킬 수 있다. 레이저가 3∼10 pps 로 동작시 출력의 안정도는 ±3 %로 출력의 안정도에 대한 보정이 따로 필요없다.

나. PM tube

형광의 검출에 이용된 1P28A PM tube 각 dynode 사이의 저항들은 nonlinear response를 줄이고 펄스형⁵⁾에 적합하게 변형하여 사용하였다. 즉, 마지막 4단의 dynode들 사이에서 발생한 많은 전자들에 의하여 형성되는 공간 전하의 영향을 줄이기 위하여 커패시터를 저항과 병렬로 연결하여 dynode 전압의 변동을 줄이므로써 PM tube의 전류 이득을 일정하게 유지시켜 주었다. PM tube 의 동작 전압은 -800V로 고정하여 사용하였다.

다. 전치 증폭기

PM tube에서 발생한 전류는 다소 미약하므로 이를 전치 증폭기(pre-amplifier)에 의하여 증폭된다. PM tube에서 발생한 전류를 전압으로 변환하는데 사용한 저항은 PM tube의 출력 임피던스의 시정수를 결정하는 저항값에 따라 달라지며, 이득과 주파수대역폭의 관계를 고려하여 1 kΩ으로 고정하고 사용하였다. 저항값이 크면 이득은 증가하나 주파수대역폭과 signal-to-noise 비에서 불리하다. 전치 증폭기는 신호증폭과 임피던스 변환을 동시에 하게 된다. 전치증폭기를 구성하고 있는 op-amp. 는 low noise와 응답 속도가 빠른 BB3550을 사용하였다. 본 op-amp. 는 입력 임피던스가 10¹¹ Ω이상이고, 입력과 출력 임피던스의 비가 10⁹이상으로 잡음에 강하다.

마. 적분회로

앞서 설명한 전치증폭기에서 반전 증폭된 신호는 아날로그 스위치인 IC14066에서 지연시간 d만큼 지난후 적분시간 g만큼 형광신호를 받아들여 축적하는 적분기에 입력된다. 적분기는 LF356 op-amp., CMOS 아날로그 스위치 및 누설전류가 적은 MF(metalized film) 커패시터로 구성하였다. LF356 op-amp. 는 입력단에 FET로 구성되어 있어 입력 임피턴스가 매우 커서 잡음에 의한 영향을 거의 받지 않는 장점이 있다. CMOS 아날로그 스위치는 입력포트에 FET 소자를 기지고 있어 입력 임피던스가 1GΩ이상으로 잡음에 영향을 최소화하였다. 또한 적분된 값을 리세트시켜 다음신호를 받을 준비하기 위한 스위칭 수단과 적분시간을 결정하는데 사용하였다.

바. 인터페이스 보드

우라늄 샘플에서 발생한 형광은 PM tube와 전치증폭기를 거쳐서 일정 지연시간이 경과된 후 두 개의 적분구간에서 적분기에 의하여 형광신호의 일부분 구간에서 적분이 이루어진다. 앞서 설명한 형광신호의 두 적분값은 A/D 변환기에 의하여 디지틀 신호로 변환된다. 형광신호의 적분값은 앞서 유도한 형광의 초기치 유도를 위한 알고리즘(식2-5)을 이용하여 형광의 초기치를 얻는데 사용된다. 인터페이스 보드의 또 다른 기능은 질소레이저를 동작시키는데 사용되는 펄스를 발생하는 것이다. 즉, DIO(digital input/output)의 기능을 사용하여 초당 펄스의 수와 한번의 시료분석을 위하여 사용될 펄스의 수를 제어하는데 사용한다. 한 개의 A/D 변환기를 이용하여 여러 개의 신호를 처리할 수 있게 구성된 A/D 변환기의 특성은 표 1과 같다.

사. 컴퓨터

범용 IBM-PC의 메인 보드의 slot에 인터페이스 보드를 설치하였고, 아날로그 신호를 처리하는 장치와는 케이블을 사용하여 연결하였다. 프로그램은 범용 BASIC 언어와 어셈블러 언어를 사용하여 메뉴형식으로 작성하였다.

표 1. A/D 변환기의 특성.

본 발명은 우라늄 형광의 초기치를 이용한 원격 제어 실시간 우라늄 농도의 검출을 위한 장치 및 방법에 관한 내용으로, 보다 구체적으로 여기 광원인 레이저, 광섬유와 아날로그 신호처리기 및 optode를 사용 및 설계/제작하여 구현하였으며, 데이터 처리는 A/D 변환기와 컴퓨터에 의하여 이루어진다. 본 장치는 아날로그 신호처리기, A/D 변환기 및 컴퓨터를 사용하여 온도변화와 lifetime quencher들에 거의 영향을 받지 않는 형광 초기치를 유도하고, 유도한 우라늄 형광 초기치를 우라늄 농도 검출에 사용하였다. 본 장치를 광섬유 및 optode를 사용하여 측정하고자하는 시료에 용이하게 접근할 수 있는 장점이 있다. 또한 본원발명은 형광의 초기치 유도 방법(아날로그 적분기, A/D 변환기, 소프트웨어 및 컴퓨터를 이용)을 채용하여 우라늄 농도를 측정함에 의하여 온도 변화와 lifetime quencher에 의한 영향을 배제함으로써 보다 정확하게 신속하게 실시간으로 우라늄 농도를 검출하고 감시할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

Claims

용액 상태의 시료에서 우라늄 농도를 실시간으로 감시하는 장치에 있어서,

미지의 시료에 섞여 있는 우라늄 이온을 여기시키기 위한 질소 레이저와,

상기 질소레이저의 발진을 위하여 필요한 펄스를 발생시키는 디지틀 출력신호(Digital Output Pulse)와,

상기 디지틀 출력신호에 의하여 발진된 질소 레이저에 의하여 발생한 레이저 빔을 전송하는 레이빔 전송용 광섬유와,

상기 광섬유를 통하여 전송된 레이저 빔을 집광하고, 집광된 레이저 빔에 의하여 발생된 우라늄 형광을 집광하는 광센서(optode)와,

상기 광센서에 의하여 집광된 형광을 분석용 시스템으로 전송하는 형광 수신용 광섬유와,

상기 수신용 광섬유에 의하여 전송된 미량의 형광을 감지하는 광증배관과,

상기 광증배관에 의하여 검출된 전류신호를 전압신호로 바꾸어 증폭하는 전치 증폭기와,

상기 전치 증폭기를 통해서 나온 신호의 두 구간에서 신호의 일부분을 적분하는 두 개의 아날로그 적분기와,

상기 두 개의 아날로그 적분기에서 적분한 값을 디지틀 신호로 변환하는 A/D 변환기와,

컴퓨터를 구비하고 상기 변환된 디지틀 신호를 이용하여 형광의 초기치를 유도하는 연산처리부과,

상기 연산 처리부에서에서 얻은 형광의 초기치를 이용하여 우라늄 농도를 연산하여 컴퓨터의 모니터에 표시하는 연산 결과부를 구비함을 특징으로하는 원격제어 실시간 우라늄 농도 검출장치.
제1항에 있어서,

Optode는 레이저 빔 전송용 광섬유, 형광 수신용 광섬유 및 레이저 빔과 형광을 집광하는 오목거울로 구성됨을 특징으로하는 원격제어 실시간 우라늄 농도 검출장치.
용액 상태의 시료에서 우라늄 농도를 실시간으로 감시하는 방법에 있어서,

상기 질소레이저의 발진을 위하여 필요한 펄스를 발생시키는 디지틀 출력신호(Digital Output Pulse)와,

미지의 시료에 섞여 있는 우라늄 이온을 여기시키기 위하여 레이저 발진용 디지틀 출력신호를 발생하고 발생한 디지틀 펄스를 이용하여 질소 레이저를 작동시켜 레이저 빔을 발생하는 단계와,

상기 발생된 레이저 빔을 레이저 빔 전송용 광섬유로 시료가 존재하는 optode로 전송하는 단계와,

상기 전송된 레이저 빔에 의하여 발생된 우라늄 형광을 오목거울로 집광하여 형광 수신용 광섬유로 집속하는 단계와,

상기 집속된 형광을 형광 수신용 광섬유를 통하여 분석용 시스템으로 전송하는 단계와,

상기 수신용 광섬유에 의하여 전송된 미량의 형광을 광증배관를 통하여 검출하는 단계와,

상기 광증배관에 의하여 검출된 전류신호를 전압신호로 변환하는 단계와,

상기 변환된 전압 신호를 전치 증폭기를 통하여 증폭하는 단계와,

상기 전치 증폭기를 통해서 나온 신호를 두 개의 아날로그 적분기로 신호의 두 구간에서 적분하는 단계와,

상기 두 개의 아날로그 적분값을 A/D 변환기를 사용하여 디지틀 신호로 변환하는 단계와,

상기 변환된 디지틀 신호를 이용하여 형광의 초기치를 유도하는 연산 단계과,

상기 연산 수단에 의하여 얻은 형광의 초기치를 이용하여 우라늄 농도를 연산하여 컴퓨터의 모니터에 표시하는 표시단계를 구비함을 특징으로하는 원격제어 실시간 우라늄 농도검출 방법.