KR20050088991A - 레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 방법 및 장치 - Google Patents

레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 방법 및 장치 Download PDF

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꼬미싸리아 아 레네흐지 아또미끄
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Abstract

본 발명은 액체의 표면에 포커싱된 펄스 레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 방법은, 분석 구역이, 다음 레이저 펄스가 발생하기 전에, 제1 레이저 펄스로부터 생기는, 가스에 부유하는 플라스마의 잔류물을 제거하기에 충분한 속도 및 단면적을 가지는 층류 가스 흐름에 의해 스위프되는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR SPECTROSCOPY OF THE OPTICAL EMISSION OF A LIQUID EXCITED BY A LASER}
본 발명은 레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 방법 및 장치에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 광학 방사 분광에 의한 화합물의 분석은, 그 화합물의 다양한 성분에 고유한 방사선을 생성하는 레이저 빔에 의하여 분석되는 화합물에 인가되는 에너지 입력을 사용할 수 있으며, 이에 따라 다양한 성분 및 그들 각각의 농도를 식별하는 것이 가능하게 되었다.
보다 상세하게는, 이러한 에너지 입력은 분석되는 화합물에 존재하는 화학 원소로 이루어진 플라스마(plasma)를 생성하고, 그것의 발광 복사(luminous radiation)는 그 성분들의 특성에 고유한 주파수 광선으로 이루어지고, 반면에 그 세기는 그 성분의 농도에 의해 결정된다.
이러한 방법은 분석을 신속하게 수행할 수 있게 하는데, 그 이유는 액체 내의 여러 원소들의 농도 결정이 동시에 수행되기 때문이다.
또한, 이 방법은 화합물에 대하여 최소한의 사전준비를 필요로 하며, 100만분의 1(1ppm) 만큼의 미량의 농도에서 그 성분들을 검출하기 위한 분석 해상도(analysis resolution)를 획득할 수 있게 한다.
또한, 이 방법은 최소량의 유해 방출물 또는 폐기물을 발생하도록 하는데, 그 이유는 재생(recycling) 또는 제거에 관하여 고려되기 전에 소량의 화합물만이 분석되기 때문이다.
그러나, 이러한 분석은 분석되는 화합물이 레이저 빔의 충격에 의해 물리적으로 변형된 경우에 복잡하다. 이것은, Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy, 2002년 7월 31일, vol.57, No.7, 1141 내지 1153 페이지에 공개된 Messrs. Charfi and Harith에 의한 "Panoramic Laser-induced Breakdown Spectrometry of Water" 명칭의 문헌[1]에 기재되어 있는 바와 같이, 화합물이 액체이고, 레이저 빔이 액체 표면에 인가되는 경우에 그러하다.
실제로, 이 문헌에 기재되어 있는 바와 같이, 액체 표면상의 레이저 빔의 1 펄스의 충격은, 한편, 혼탁(opacity)에 의해 레이저 빔의 다음 펄스를 감쇠시키고, 상호작용(interaction)으로부터 생기는 복사를 측정하는 광학 시스템에 대한 오염원인 스플래시(splash)와, 다른 한편, 빔의 초점을 흐르게 하는 것으로서, 분석되는 액체의 표면에서의 웨이브렛(wavelet) 및 충격파(shock wave)를 생성한다.
이제, 이러한 스플래시의 일부는 분석되는 액체의 분사물(jet)과 상호작용하기 전에 광 에너지의 필수요소를 저지시키고, 이것은 분석되는 액체의 조성이 일정하더라도, 측정되는 광학 방사의 변경을 야기한다.
그 부분에 대해서, 분석되는 액체의 표면에서의 웨이브렛 및 충격파는 레이저 빔의 초점을 흐르게 하고, 이것은 또한 이 액체 상에서 광선 빔에 의해 충격받은 표면에 의해 방사되는 복사를 변경한다.
다시 말하면, 분사물 외부의 스플래시 및 표면에서의 방해(disturbance)는 일련의 분석 사이에 측정의 분리(separation)를 증가시키고, 이에 따라 분석의 정확도를 감소시킨다.
이들 이질성(inhomogeneity)을 제한하기 위해서는, 앞서 언급한 문헌에 기재된 바와 같이, 표면상의 빔의 충격을 제한하기 위해 액체의 표면을 기준으로 레이저 빔을 경사지게 함으로써 처리 조건을 최적화하는 것이 가능하다.
또한, 분석되는 액체의 표면에서의 웨이브렛을 다시 제한하기 위해서 0.2Hz 정도의 저주파수의 반복(repetition) 또는 순환(recurrence)이 이용되는 반면, 이러한 문제점을 갖지 않는 고체에 대한 분석은 10 내지 20Hz의 순환 주파수에서 수행된다.
이러한 표면 문제점은, Analytical Chemistry 1994, 66, 929 내지 936 페이지에 공개된 명칭, "Distribution of sodium and potassium within individual human erythrocytes by pulsed laser vaporization in a sheath flow"의 문헌[2]에서 Nai-Ho Cheung and Edward S. Yeung에 의해 언급된 것과 같은 분석을 방해할 수 있다.
이 문헌에는, 광학 방사 분광과 연결된 레이저 여기(excitation) 또는 제거(ablation)를 이용하여, 셀(cell)로부터 유출된 액체(110)의 분석을 허용하는 장치(100)(도1)가 제안되어 있고, 이 액체는 그 표면상에 레이저 빔의 정확한 포커싱(focusing)을 허용하기 위해서 매우 소량으로 이용가능하다는 어려움이 있다.
이 액체(110)의 분석을 허용하기 위해, 보다 큰 사이즈의 덕트(114)의 벽과 접촉해 있는 덕트(112) 내의 모세관 현상(capillarity)에 의해 액체(110)가 수송되고, 이 제2 덕트(114)는 셀로부터 유출되는 액체(110)를 운송하는 액체(116)를 수송한다.
덕트(112)는 모세관 현상에 의해, 분석되는 액체(110)가 덕트(114)로부터 유출되는 액체(116)의 표면에 있도록, 분석되는 액체(110)를 덕트(114)의 벽에 기대어 세워서 가져온다.
따라서, 액체(110)와 액체(116)의 액체 혼합물인 액체(118)의 표면에 있는 화합물의 분석은 액체(110)의 분석을 야기한다.
전술한 문제점을 해결할 필요없이 액체의 분석을 수행하기 위해서는, 1990년 5월 15일에 공개된 미국특허 제4,925,307호, 명칭, "Apparatus and method for spectrochemical analysis of liquids using the laser spark"의 문헌[3]에 David A. Cremers, Leon J. Radziemski, Thomas R. Loree에 의해 기재되어 있는 바와 같이, 분석되는 액체의 내부로 복사하는 플라스마를 발생시키는 것이 알려져 있다.
이 문헌에서, 저자는 액체의 표면상의 레이저 빔의 포커싱에 내재하는, 액체의 분석과 관련하여 전술한 문제점들을 언급하고 있으며, 제1 레이저의 도움으로, 처리되는 액체의 내부에 플라스마를 발생시키는 것, 즉, 액체의 내부로 레이저 빔을 포커싱함으로써 이 액체를 분석하는 것을 제안하고 있다.
제2 단계에서, 플라스마에 포커싱된 제2 레이저가 빛의 방사를 생성하고, 이를 분석하여 그 측정을 수행한다.
이러한 절차는 광의 정확한 위치측정(positioning) 및 레이저 빔의 복잡한 동기화를 요구하는 문제점을 수반한다.
다시 말하면, 이 방법은 시스템의 완벽한 기계적 안정성을 요구하며, 높은 복잡성 및 비용을 나타낸다.
또한, 레이저 여기로 시작하는 분광에 의한 광학 분석은, 분석되는 즉, 레이저 빔을 받는 생성물(product)이 특정한 가스 환경에 있는 경우에 개선될 수 있다고 알려져 있다.
예를 들면, Analytica Chimica Acta 199(1995), 401 내지 405 페이지에 Yoshiro Ito, Osamu Ueki, Susumu Nakamura에 의해 제출된 명칭, "Determination of Colloidal Iron in water by laser-induced breakdown Spectroscopy"의 문헌[4]에서, 저자는 후자의 레이저 빔 여기에 의해 생성된 방사의 분광을 개선하기 위해 액체의 헬륨, 공기 또는 아르곤 환경의 특성을 비교하고 있다.
이 문헌에서, 저자는 액체(206)에서 레이저에 의해 발생된 플라스마로부터의 광선의 방사에 대한 영향이 연구되고 있는 가스(208)에 의해 추후 포위되는 액체(206)를 운반하는 덕트(202)를 포함하는 장치(200)(도2)의 이용을 기술하고 있다. 레이저 빔은 이 액체의 표면에 대해 직각을 이룬다.
분석되는 액체를 분사물(jet) 형태로 흐르게 하는 것에 의해, 이 장치는 레이저 빔이 각각의 레이저 펄스에서 이 액체의 다른 부분에 충돌하게 하여, 웨이브렛 및 충격파의 영향을 제한한다.
또한, 셀의 콘테이너(container) 벽을 오염시키는 문제 없이 분석이 이루어지며, 그 이유는 액체가 덕트의 배출구에서만 분석되기 때문이다.
이 문헌에 따르면, 아르곤(Ar) 또는 헬륨(He) 환경이 신호 세기에 대하여 서로 다른 영향을 주는 것으로 판명되었는데, 아르곤은 신호 세기를 증가시키는 반면에, 헬륨은 신호 세기를 감소시킨다.
또한, 이 문헌은, 분석되는 신호의 특성 및 정확성에 중요한 플라스마의 온도가 그것을 둘러싸는 가스의 어떠한 낮은 열전도성에도 불구하고 높게 유지될 수 있다고 개시하고 있다.
본 발명은, 전술한 모든 종래기술에 있어서, 분석되는 액체의 분사물과 레이저빔 펄스의 상호작용으로부터 생기는 플라스마는 전 방향으로 매우 높은 속도로 미세방울(microdroplet)을 격렬하게 던지는데, 이것은 측정에 매우 방해를 주어 분석의 정확성에 해를 입힌다는 사실로부터 기인한다.
실제로, 제1 레이저 빔에 의해 형성된 플라스마 주위에 액체의 미세방울이 부유하기 때문에, 이 미세방울은 그 표면상에서 레이저 빔의 임의의 새로운 사용을 방해한다.
그 다음, 액체의 표면에 인가되는 레이저 빔의 다양한 펄스는 선행 펄스에 의해 발사된 미세방울에 의해 산만하게 감쇄되고, 연속적인 액체의 분석은 이들 미세방울에 의해 야기된 차이를 보인다. 즉, 분석의 반복성 및 정확성이 이들 미세방울에 의해 제한받게 된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조로 한, 하기의 비-한정적인 실시예의 상세한 설명을 통해서 명백해질 것이다.
도1 및 도2는 여기(excitation) 레이저를 이용한 광학 방사의 분광 분석을 위한 공지된 장치를 도시한 도면.
도3은 제거 셀(ablation cell) 즉, 본 발명에 따른, 여기 레이저를 이용한 광학 방사의 분광 분석을 위한 장치를 상세하게 도시한 도면.
도4는 도3에 도시된 장치의 일 실시예를 도시한 도면.
본 발명은 이러한 어려움을 해결하는 것을 목적으로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은 액체의 표면에 포커싱된(focused) 펄스 레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 방법을 제공하며, 이 방법은, 분석 구역(analysis zone)이, 후속의 펄스 레이저가 발생하기 전에, 제1 펄스 레이저로부터 생기는, 가스에 부유하는 플라스마의 잔류물을 제거하기에 충분한 속도 및 단면적을 가지는 층류 가스 흐름(laminar gas flow)에 의해 스위프(sweep)되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 가스는 이전의 플라스마 잔류물을 스위프하는 기능을 하며, 표면이 안정화된 액체 상에 경합(contention)을 일으키고, 이것은 분석의 반복성에도 기여한다.
이와 달리, 분석되는 액체가 변경되더라도, 이들 액체 중 하나가 다른 액체와 매우 다른 점성을 갖는 경우를 제외하고는, 가스 환경이 결정되고 광선의 포커싱(focusing)이 달성되면, 렌즈의 조정도, 장치 배치의 조정도 더이상 필요하지 않다. 분석 동안 이러한 조정이 없으면, 분석의 반복성이 증가하게 된다.
또한, 잔류물을 제거하기 위한 가스는 분석이 수행될 때에 발생되는 복사를 개선하는 가스 중에서 선택되는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명은 액체의 표면에 포커싱된 펄스 레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 방법에 관한 것으로, 이 표면을 포함하는 분석 구역 주위에 가스가 배치되고, 이 가스에는 분석되는 표면에 평행인 층류 스위핑 동작(laminar sweeping movement)이 주어지며, 이러한 동작은 이전의 레이저 펄스에 의해 생성된 플라스마의 가스 내의 잔류물을 제거하기에 충분한 속도를 가지며, 가스에 부유하는 플라스마의 잔류물을 제거하기에 충분한 단면적을 갖는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 분석 구역의 액체와 근접하게 배치된 가스는 이 액체의 자유표면 상에 경합 효과를 일으킨다.
가스의 속도는 분석되는 액체의 다음의 특성 즉, 온도, 점성, 유속, 그 흐름의 난류(turbulent) 또는 층류(laminar)성 중 적어도 하나에 따라 결정된다.
가스의 층류에 의해 스위프되는 단면적은 다음의 특성 즉, 플라스마의 팽창 속도, 레이저 펄스의 반복 속도, 측정의 정확성 중 적어도 하나에 따라 결정된다.
액체는 분석 구역 내에서 흐르는 것이 바람직하다.
일 실시예에 있어서, 가스는 분석할 액체를 운반하는 덕트(duct)를 포위하는 덕트를 통해서 분석 구역으로 운반된다.
사용된 가스는 예를 들면, 아르곤 또는 헬륨이다.
분석되는 액체와 레이저 빔 사이의 상호작용의 플라스마에 의해 발생되는 복사는 바람직한 실시예에 있어서, 레이저 빔과 공선적으로(colinearly) 수집된다.
분석 구역 및 분석될 액체의 분사물과 그것을 둘러싸는 가스의 분사물을 발생시키기 위한 수단은, 위험물 또는 유해 환경(hostile environment)을 포함하여 그것들을 가둘 수 있는 밀폐된 챔버(chamber) 내로 옮겨질 수 있다. 이 경우, 분석되는 액체와 레이저 빔 사이의 상호작용의 플라스마에 의해 방출되는 복사의 공선성(colinearity)은 특히 장점적이고, 단지 하나의 인클로저(enclosure) 포트의 사용을 허용한다.
바람직하게는, 레이저 빔은 분석되는 유체의 표면에 의해 형성된 평면을 기준으로 90도 이외의 각도로 기울어진다.
액체가 흐르고 있을 때, 분사물에 대한 레이저 빔의 충격점은 덕트로부터 액체의 배출구에 근접한 것이 바람직하다. 예를 들면, 이 거리는 물에 대하여 5 내지 15mm 이다. 실제로, 액체의 흐르는 속도에 따른 소정 거리 후에, 분사물은 불안정해지고, 이에 따라 분기한다.
또한, 본 발명은 액체의 표면에 포키싱된 펄스 레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 장치에 관한 것이다. 이 광학 방사 분광 장치는, 적어도 1Gw/cm2 의 파워 밀도를 갖는 간섭성 광 펄스를 발생하기 위한 레이저, 적어도 1cm의 길이로, 분석될 액체의 층류 분사물(laminar jet)을 발생하기 위한 수단, 분석될 액체의 표면에 평행인 층류 가스 분사물을 발생시켜, 이와 연결되어, 제1 펄스 레이저로부터 생기는, 가스에 부유하는 플라스마의 잔류물을 제거하기 위한 수단, 분석 구역 내의 레이저 빔을 분석되는 액체 분사물의 표면에 포커싱하기 위한 수단, 분석되는 액체 분사물과 레이저의 광 펄스의 상호작용으로부터 생기는 광을 수집하기 위한 수단, 분석되는 액체의 방사선이 발견되는 주파수 범위내에서 동작하고, 광섬유 빔에 의해 수집된 상호작용 광을 받아들이도록 갖추고 있는 분광기, 분석되는 액체를 분사 형태로 유포하기 위한 수단, 및 분석되는 액체에 대해 접선방향으로 흐르기 전에 가스를 분사 형태로 유포하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 분석되는 액체에 의해 방사되는 광을 수집하기 위한 수단은, 이 광이 여기 레이저 빔과 공선적으로 수집되는 것이고, 장치는 분석될 액체가 발견되는 밀폐된 인클로저(air-tight enclosure)와 층류 가스 분사물을 발생시키기 위한 수단을 갖고, 여기 레이저 빔과 수집된 광의 방향의 공선성은 레이저 빔과 수집된 광을 위해 단지 하나의 인클로저(enclosure) 포트의 사용을 허용한다.
이하, 도3을 참조하여 설명되는 장치(300)는, 액체(301)의 표면에 포커싱된 레이저 빔(303)에 의하여 발생되는 광학 방사 분광에 의한 액체(301)의 분석에 대한, 본 발명에 따른 방법의 수행을 가능하게 한다.
이러한 목적을 위해, 액체의 표면에서의 레이저 빔의 충격에 의해 발생되는 방해(disturbance)가 최소화되도록, 이 액체 표면을 포함하는 분석 구역(304) 내에서의 가스(309)에 대하여 속도 및 유속 특성이 주어진다. 가스(309)의 속도 및 유속은 미세방울을 제거하기에 충분히 높은 값으로 되어 있어야 한다. 그러나, 이 속도 및 유속은 액체 분사물의 흐름을 방해하지 않도록 소정의 한계값을 초과해서는 안된다. 장치에 공급되는 가스의 압력을 제어하여 속도 및 유속을 조정한다.
유해 환경을 포함하고 한정할 수 있는 인클로저로 배출될 수 있는 제거 셀(300)은, 분석될 액체(301)를 분석 구역(304), 즉, 후술되는 레이저 빔이 포커싱되는 액체(301)의 표면을 포함하는 구역으로 향하게 하는 덕트(duct)(302)를 포함한다.
이 액체 덕트(302)는, 질소 또는 아르곤과 같은 가스(309)를 가져오는 덕트(310)에 연결하기 위해 지지대(306)를 교차한다. 이 지지대(306)는 가스(309)가 액체 덕트(302)의 사방으로 분산되도록 하며, 가스(309)가 덕트(302)와 동축이면서 덕트(302)를 포위하는 덕트(313)를 통해서 배출될 수 있도록 한다. 이 덕트(313)는 직경이 D1인 구멍(3131)을 통해 내보내고, 액체 덕트(302)는 직경이 D2인 구멍(3021)을 통해 내보낸다. 지지대(306)의 내부에는, 가스가 분석 구역(304)을 향하여 방출되도록 하기 위해서 지지대 내의 덕트(302)의 가장자리(end)와 주입(inlet) 덕트(310) 사이에 놓이는 정도로, 실링 수단(sealing means)(312)이 덕트(313)와 액체 덕트(302) 사이에 놓여 있다.
덕트(302)는 직경(D2)이 0.1mm인 배출구(3021)를 갖는 파스퇴르 피펫(Pasteur popette)이고, 덕트(313)는 내부 직경(D1)이 10mm인 튜브(tube)이다.
가스(309)의 속도 및 유속(본 실시예에서의 압력)은 이 가스가 구역(304) 내에서 분석될 액체(301)의 분사물을 빗나가게 하거나 변동시키는 한계값을 초과해서는 안되며, 그 한계값을 초과하면, 레이저 빔의 초점을 흐리게 하고 정확한 분석을 하지 못하게 한다. 분석될 액체와 가스의 각각의 쌍에 대하여 실험적으로 이 한계값을 결정하는 것은 용이하다. 예를 들면, 분석될 액체와 가스가 공기 또는 질소인 경우, 그 한계값은 1 bar이다.
액체가 물이고, 가스가 공기 또는 질소인 경우, 이러한 효과는 0.15의 대기압력(Pambient)보다 큰 압력(Pgas)인 1 bar, 바람직하게는 0.2 bar에서 가스를 입구 덕트(310)에 제공하는 것에 의해 획득된다.
스캐닝(scanning)의 이러한 효과는 용액의 물리적 특성과 가스의 물리적 특성 특히, 점성에 적합되어야 한다. 예를 들면, 분석될 액체가 67.6 cst의 100EF로 시네마틱(cinematic) 점성을 갖는 오일인 경우, 가스 입구 덕트(310)에 요구되는 압력은 대기압력보다 큰 0.4 bar에 도달해야 한다.
가스 압력이 이들 조건을 충족하는 경우, 이 가스는 경합 효과에 의해 분사물을 안정화시키고, 플라스마 주위에 형성된 미세방울을 분석 구역(304)으로부터 내보내어, 다른 광 펄스가 도달한 경우에 미세방울이 액체에 대한 레이저의 작용을 방해하지 않게 하고, 이것은 이들 펄스가 적어도 1초 간격이기 때문에 중요하다.
방해의 이러한 감소로 인해, 대기압력에서 가스를 이용하는 것에 비해 약 100배만큼 신호대잡음비(signal-to-noise ratio)를 개선시킬 수 있게 되었다. 이러한 개선은, 오퍼레이터(operator)에 의해 선택된 양태(modality)에 따라, 레이저 펄스의 동일 반복 속도에 대한 측정의 정확성 및 반복성의 현저한 개선과 레이저가 허용하는 정도로의 레이저 펄스의 반복 속도의 현저한 개선 양쪽 모두에 있어서 인식되며, 이와 함께, 덜 중요하지만, 이들 파라미터 각각의 개선에 있어서도 인식된다.
분석 구역(304)에서, 층류의 가스(309)는 레이저 빔 펄스의 충격을 가한 후에 부유하는 미세방울을 제거하고, 분석되는 액체(301)의 표면을 안정화시킨다.
마지막으로, 이 실시예에서 설명된 장치는 밀접하게 관련된 콘텍스트(context)에 공지된 배열을 나타낸다. 특히, 정지한 액체(liquid at rest)에 대하여 레이저 빔은 이 액체의 표면을 기준으로 90도 이외의 각도로 기울어질 수 있어 레이저 빔에 의해 야기되는 방해를 제한할 수 있다는 것이 알려져 있다. 본 실시예에서, 이 각도는 60도보다 크고, 90도보다 작다.
또한, 분석되는 액체는 분석 구역에서 흐르기 때문에, 레이저 빔에 의해 액체에 형성된 기포가 이 흐름에 의해 이 구역으로부터 제거된다.
이 실시예에서, 액체(301)는, 동작 개시시 한쪽 단부가 액체(301) 내로 삽입되는 덕트(316)를 구비하고 있는 용기(vessel)(314)에 수집된다.
덕트(316)는 펌프(418)(도4)에 연결되어 있어, 액체(301)를 재순환시키는 것이 가능하여, 분석을 수행하기 위한 액체의 제한된 양만을 이용할 수 있다.
또한, 레이저의 초점 및 방사를 기록하기 위한 광학 시스템의 초점은 분석 전반에 걸쳐 고정될 수 있다. 그래서, 분석 장치는 특히 안정적이 되고, 이에 따라 분석의 반복성이 개선된다.
전술한 바와 같이, 가스(309)는 매우 반복가능하고 안정적인 플라스마를 획득할 수 있게 해준다. 그래서, 수 분 주기로, 10Hz 내지 20Hz, 또는 그 이상 범위의 레이저의 반복 또는 순환 주파수를 이용하는 것이 가능하다. 이것은, 높은 분광 축적 주기를 획득할 수 있게 하고, 이에 따라 신호대잡음비를 개선할 수 있게 한다.
도4에 도시된 장치는 1064nm의 기본 파장으로 빔을 방사하는 레이저(402)를 포함하며, 여기에 이 파장을 532nm로 가져오는 주파수 2배기(frequency doubler)가 추가되어 있다. 또한, 이 장치는 분석 구역(304)에서 분석될 액체의 표면 상에 레이저 빔을 조준 및 포커싱하기 위해 유리 색선별 거울(glass dichroic mirror)(404), 수정 색선별 거울(quartz dichroic mirror)(406) 및 수렴 렌즈(convergent lens)(408)를 포함하고 있다.
이 실시예에서, 레이저(402)는 파장이 1064nm인 Nd-YAG 레이저이고, 주파수 2배기에 의해 532nm로 감소되어, 7나노초 주기의 펄스를 방사한다. 또한, 2 내지 30 ns 정도의 임의의 펄스 속도는, 분석을 위한 분사물에 가해지는 특정 전력이 적어도 1 Gw/cm2 이기만 하다면 적절하다.
이전 플라스마 잔류물의 가스로부터의 제거와 분석되는 액체의 표면 안정화를 고려하여, 레이저는 10Hz 내지 20 Hz의 순환(recurrent) 주파수로 동작할 수 있어 소정 주기 동안 여러번의 분석을 수행할 수 있으며, 이에 따라, 이 분석의 반복성을 개선할 수 있다.
또한, 수정 색선별 거울(406)이 자외선 범위의 분석 광선의 전송을 가능하게 한다는 것에 주목해야 한다.
이 분석 구역 내의 플라스마에 의해 방출되는 복사선은, 단일 렌즈로 형성된 수렴 렌즈(408), 거울(406), 그리고 단일 렌즈로 형성된 수렴 광학 렌즈(410)를 거쳐서, 단일 광섬유로 정리될 수 있는 광섬유 번들(420)에 이르기까지 유도된다. 스플리트 섹션/번들 트랜스포머(split section/bundle transformer)라 불리는 광섬유 번들은, 거의 원형의 광점(light spot)을 수집하는 것을 가능하게 하고, 수집한 광점을 손실이 거의 없이 분광계의 입력 슬롯으로 인가한다. 이들 광섬유 물질은 분석되는 액체에 의해 방사된 광선 전체의 전송을 허용해야 한다.
광섬유 번들(420)은 본원에서는 직경이 1밀리미터이고 길이가 약 10미터인 실리카(silica)로 된 단일 광섬유로 정리된다.
종래기술의 장치(도2)와 달리, 이 광섬유는 분석 구역(304)에 입사하는 레이저 빔과 동일한 축을 따라 플라스마에 의해 방사되는 상호작용의 스펙트럼을 수집하고, 이것은 신호를 수립하는 것에 기여한다. 실제로, 이러한 공선성은 레이저 빔의 충격점의 위치가 플라스마의 영향하에서 변하는 경우에 신호의 존재를 유지할 수 있게 해준다.
이러한 특징은 레이저 빔이 액체의 표면에 대해 수직이 아닌 경우에 수집되는 광을 최대로 한다. 또한, 이러한 특징은, 파선(broken line)에 의해 표시된 보호 및 한정 인클로저(409)의 오직 하나뿐인 포트(407)를 통해서 수집된 광 스펙트럼 및 여기 레이저 빔을 전달할 가능성 때문에, 진공 또는 원자핵(nuclear) 환경과 같은 유해 환경에서의 장치의 사용을 돕는다.
원자력 산업에 이용되는 방사능 용액에 대한 응용 분야는 특별 허가된 것이다. 이 경우, 이 인클로저(409)는 핵 산업의 "핫 셀(hot cell)"의 벽을 나타내고, 포트(407)는 수정으로 만들어지는 것이 좋다.
광섬유에 의한 광의 수집은 원격으로 작동하는 것을 허용하고, 그 장치의 사용자가 방사능(또는 유독 즉, 액세스가 어려운) 용액이 처리되는 구역에 가까이 갈 필요가 없게 해준다. 따라서, 분석이 위험물에 관한 것이거나 유해 환경에서 수행되어야 하는 경우에는, 라인(409)에 의해 정의되는 제거 셀(430)을 유해 환경에 놓이게 하고, 오퍼레이터에게 안전한 환경에 그 장치의 나머지를 두는 것이 가능하다.
이들 용액 중에서 임의의 조정을 하지 않고 다른 용액의 분석을 수행할 수 있다는 것이 특히 장점이다. 분광계에서의 직접 포커싱이 가능하지만, 조정이 보다 복잡해진다.
그 다음, 이 복사선은 방사 스펙트럼을 기록하는 컴퓨터(424)에 연결된 체르니 터너(Czerny Turner) 분광계 또는 소위 스케일(scale) 분광계와 같은 분광계(422)에 의해 분석되어, 이들 데이터를 처리한다.
체르니 터너 기하학적 분광계는 최적의 조정으로, 4nm의 동시 액세스를 위한 스펙트럼 윈도우(spectrum window)로 250nm 내지 650nm의 스펙트럼 범위를 스캔(scan)하는 것을 가능하게 한다.
스케일 분광계는 체르니 터너 기하학적 분광계와 동일한 용액을 갖지만, 그 스펙트럼 윈도우는, 선택된 조정으로, 200 내지 850nm의 파장 범위를 커버한다.
광선 강화기(light intensifier)에 의해 우선되는, CCD 카메라를 구비한 이러한 스케일 분광계는 시작할 때 캘리브레이션(calibration)될 수 있는데, 그 이유는 검출기에 어떠한 움직이는 부분(moving part)도 존재하지 않기 때문이다.
이 경우, 펄스 발생기는 레이저 펄스와 관련하여 선택된 지연으로, 카메라에 의해 녹화된 복사선을 측정하기 위한 시간의 윈도우를 시작할 수 있게 한다.
분광계(422)는 데이터 수집 및 처리 소프트웨어를 구비한 컴퓨터(424)의 도움으로 제어된다.
다양한 용액의 분석은 제약(pharmaceutical), 전기 및 에너지 산업과 같은 매우 많은 산업 영역 및 유해 환경에서 매우 중요하다. 원자력 에너지 처리에 있어서 방사능 용액의 분석은 특별 허가된 응용 분야(privileged application) 중 하나이다.

Claims (12)

  1. 액체의 표면에 포커싱된(focused) 펄스 레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 방법에 있어서,
    분석 구역(analysis zone)은, 후속의 펄스 레이저가 발생하기 전에, 제1 펄스 레이저로부터 생기는, 가스에 부유하는 플라스마의 잔류물을 제거하기에 충분한 속도 및 단면적을 가지는 층류 가스 흐름(laminar gas flow)에 의해 스위프(sweep)되는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 층류 가스 흐름은 상기 액체의 자유표면 상에 경합 효과(contention effect)를 일으키는
    방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스의 속도는 분석되는 상기 액체의 다음의 특성 즉, 온도, 점성, 유속, 그 흐름의 난류(turbulent) 또는 층류(laminar)성 중 적어도 하나에 따라 결정되는
    방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층류 가스 흐름에 의해 스위프되는 상기 단면적은 다음의 특성 즉, 상기 플라스마의 팽창 속도, 상기 레이저 펄스의 반복 속도, 측정의 정확성 중 적어도 하나에 따라 결정되는
    방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체는 상기 분석 구역 내에서 흐르는
    방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스는 분석되는 상기 액체의 덕트(duct)를 포위하는 덕트를 통해서 상기 분석 구역으로 운반되는
    방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 상기 액체의 표면에 의해 형성된 평면을 기준으로 90도 이외의 각도로 기울어지는
    방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 상기 액체의 표면에 의해 형성된 평면을 기준으로 60도보다 큰 각도로 기울어지는
    방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 레이저 빔에 의한 여기(excitation) 후에 상기 액체에 의해 방사되는 빔은 상기 레이저 빔과 공선적으로(colinearly) 수집되는
    방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스는 아르곤 또는 헬륨인
    방법.
  11. 액체의 표면에 포커싱된 펄스 레이저에 의해 여기된 액체의 광학 방사 분광 장치에 있어서,
    적어도 1Gw/cm2 의 파워 밀도를 갖는 간섭성 광 펄스를 발생하기 위한 레이저;
    적어도 1cm의 길이로, 분석될 액체의 층류 분사물(laminar jet)을 발생하기 위한 수단;
    분석될 상기 액체의 상기 표면에 평행인 층류 가스 분사물을 발생시켜, 이와 연결되어, 제1 펄스 레이저로부터 생기는, 상기 가스에 부유하는 플라스마의 잔류물을 제거하기 위한 수단;
    상기 분석 구역 내의 상기 레이저 빔을 분석되는 상기 액체 분사물의 표면에 포커싱하기 위한 수단;
    분석되는 상기 액체 분사물과 상기 레이저의 광 펄스의 상호작용으로부터 생기는 광을 수집하기 위한 수단;
    분석되는 상기 액체의 방사선이 발견되는 주파수 범위내에서 동작하고, 광섬유 빔에 의해 수집된 상기 상호작용 광을 받아들이도록 갖추고 있는 분광기;
    분석되는 상기 액체를 분사 형태로 유포하기 위한 수단; 및
    분석되는 상기 액체에 대해 접선방향으로 흐르기 전에 상기 가스를 분사 형태로 유포하기 위한 수단
    을 포함하는 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    분석될 상기 액체의 방사광을 수집하기 위한 수단은, 이 광이 여기 레이저 빔과 공선적으로 수집되는 것이고,
    상기 장치는 분석될 상기 액체가 발견되는 밀폐된 인클로저(air-tight enclosure)와 상기 층류 가스 분사물을 발생하기 위한 수단을 갖고,
    상기 여기 레이저 빔과 상기 수집된 광의 방향의 공선성은 상기 레이저 빔과 상기 수집된 광을 위해 단지 하나의 인클로저 포트의 사용을 허용하는
    장치.
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