KR20060120700A - 공동 링-다운 분광법을 이용한 미량 기체 분석 장치 및방법 - Google Patents
공동 링-다운 분광법을 이용한 미량 기체 분석 장치 및방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20060120700A KR20060120700A KR1020067013369A KR20067013369A KR20060120700A KR 20060120700 A KR20060120700 A KR 20060120700A KR 1020067013369 A KR1020067013369 A KR 1020067013369A KR 20067013369 A KR20067013369 A KR 20067013369A KR 20060120700 A KR20060120700 A KR 20060120700A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- gas
- cell
- light
- light source
- impurities
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 238000000180 cavity ring-down spectroscopy Methods 0.000 title claims description 7
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 title 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 87
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 90
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 238000004847 absorption spectroscopy Methods 0.000 description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 2
- BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N bis(2-ethylhexyl) phthalate Chemical compound CCCCC(CC)COC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCC(CC)CCCC BJQHLKABXJIVAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013213 extrapolation Methods 0.000 description 1
- 239000012467 final product Substances 0.000 description 1
- 238000000883 frequency modulation spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 238000000050 ionisation spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000004867 photoacoustic spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000012306 spectroscopic technique Methods 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
- G01N21/39—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using tunable lasers
- G01N2021/391—Intracavity sample
Abstract
기체 상의 불순물을 분석하기 위한 장치 및 방법이 제공된다. 이 장치는 불순물을 가진 제 1 기체를 함유한 제 1 셀(208) 및 불순물이 없는 제 2 기체를 함유한 제 2 셀(210)을 포함한다. 제 1 광빔(201a)은 제 1 셀(208)에 연결되고 제 2 광빔(201b)은 제 2 셀(210)에 연결된다. 제 1 검출기(214)는 제 1 셀(208)의 출력부에 연결되고 제 1 셀(208) 내에서 제 1 광빔의 감쇠율에 기초한 제 1 신호를 생성한다. 제 2 검출기(216)는 제 2 셀(210)의 출력부에 연결되고 제 2 셀(210) 내에서 제 2 광빔의 감쇠율에 기초한 제 2 신호를 생성한다.
Description
본 발명은 일반적으로 흡수 분광법(absorption spectroscopy)에 관한 것이고, 특히 공동 링-다운 분광법(cavity ring-down spectroscopy)을 이용하여 기체에서 미량 물질(trace species)을 검출하는데 직접 이용된다.
도면을 참조하면, 유사한 도면 번호들은 유사한 요소를 나타내며, 도 1은 로그 스케일(logarithmic scale)로 전자기파 스펙트럼을 도시한다. 분광학은 스펙트럼을 연구한다. 스펙트럼의 다른 부분들에 관련된 과학과는 달리, 광학은 가시광선과 가시광 인접광 - 약 1mm에서 약 1nm까지의 파장에서 연장하는 유용한 스펙트럼의 매우 좁은 부분을 포함한다. 가시광 인접광은 적색보다 더 적색을 띠는 색(적외선) 및 보라색보다 더 보라색을 띠는 색(자외선)을 포함한다. 그 범위는, 통상적인 재료로 만들어진 대부분의 렌즈와 거울에 의해 다루어질 수 이는 가시도(visibility)의 양단까지 연장된다. 종종 재료의 광특성에 대한 파장 의존도가 고려되어야 한다.
흡수형 분광법은 높은 민감도, 수 마이크로 초 정도의 응답시간, 유해물질로부터의 면역성, 및 연구 중인 물질 이외의 분자 물질로부터의 제한된 간섭을 제공 한다. 여러 분자 물질이 흡수형 분광법에 의해 검출되고 식별될 수 있다. 기체 상태에서는, 물질이 한 세트의 날카로운 스펙트럼 선들에 집중된 흡수 강도를 갖기 때문에, 이러한 방법의 민감도와 선택도가 최적화된다. 좁은 스펙트럼 선은 대부분 간섭 물질을 식별하는데 사용될 수 있다.
많은 산업 공정에서, 기체 흐름 및 액체가 흐르는 데 있어서 미량 물질(trace species)의 농도는 높은 속도와 정확도로 측정되고 분석될 수 있어야 한다. 오염 물질의 농도가 종종 최종 생산물의 품질에 중대한 영향을 미치기 때문에 이러한 측정과 분석이 필요하다. N2, O2, H2, Ar 및 He과 같은 가스가 예를 들어 직접회로를 제조하는데 사용되며, 이러한 가스 내의 불순물의 존재 - 비록 십억 분율(parts per billion, ppb) 수준일지라도 - 해로우며 작동 회로의 수율을 감소시킨다. 따라서, 물이 분광적으로 모니터링될 수 있을 정도의 상대적으로 높은 민감도가 반도체 산업에서 사용되는 고순도 가스의 제조자에게 중요하다. 다른 산업적 응용예에서 다양한 불순물이 검출되어야 한다. 또한, 액체에서 고유의 또는 의도적으로 배치된 불순물의 존재가 최근 특히 중요하다.
분광학은 고순도 가스의 기체 상태 오염물질을 백만분율(ppm) 레벨로 검출할 수 있게 한다. ppb 레벨에서의 검출 민감도는 소정의 경우에서 획득 가능하다. 따라서, 몇몇 분광학적 방법이 가스 내에서의 정량적인 오염 물질의 모니터링과 같은 응용예에 적용되었으며, 통상적인 긴 경로길이 셀(long pathlength cell)에서의 흡수 측정, 광음향 분광학, 진동수 변조 분광학, 및 공진기 내부 레이저 흡수 분광 학(intracavity laser absorption spectroscopy)을 포함한다. 이러한 방법은 레만(Lehmann)의 미국 특허 제 5,528,040호에서 논의된 몇몇 특징을 갖는데, 이 특징은 상기 방법을 사용하기 어렵게 만들며 산업적 응용에 있어 비실용적이게 한다. 따라서, 그 방법은 대체로 실험적인 연구에 국한되어 왔다.
이와 반대로, 연속발진 공동 링-다운 분광법(continuous wave-cavity ring-down spectroscopy, CW-CRDS)은 과학, 산업 공정 제어, 및 대기 미량 기체 검출에 대한 응용에 있어 중요한 분광학적 기술이었다. CW-CRDS는 통상적인 방법이 부적절한 민감도를 가지는 저흡광도에서 탁월한 광학적 흡수를 측정하기 위한 기술로서 증명되어 왔다. CW-CRDS는 하이-피네스(high-finesse) 광 공진기의 광자의 평균 수명을 관찰 가능한 흡수-민감도로 이용한다.
통상적으로, 공진기는 한 쌍의 협대역의 초고 반사율 유전체 거울로 형성되는데, 안정한 광 공진기를 형성하기 위해 적절하게 구성된다. 레이저 펄스가 거울을 통해 공진기 내부로 주입되어 평균 수명을 겪게 되는데, 상기 평균 수명은 광자 왕복 운동 통과(round-trip transit) 시간, 공진기의 길이, 흡수 단면적과 물질의 수밀도(number density), 및 고유 공진기 손실(intrinsic resonator loss)(회절 손실이 무시 가능한 경우 진동수-의존 거울 반사율로부터 대부분 발생됨)을 나타내는 인자에 의존한다. 따라서, 광학적 흡수의 결정은 통상적인 전력-비율 측정으로부터 감쇠 시간의 측정으로 전환된다. CW-CRDS의 궁극적인 민감도는 고유 공진기 손실의 크기에 의해 결정되는데, 이는 초저손실 광학계의 제조를 가능하게 하는 수퍼폴리싱(superpolishing)과 같은 기술로 최소화될 수 있다.
도 1B는 기체에서 불순물을 분석하기 위한 종래의 CW-CRDS 장치(120)를 도시한다. 도 1B에서 불순물을 함유한 기체는 공동 링-다운 셀(108)로 주입된다. 공동 링-다운 셀(108)은 불순한 기체로 가득 차 있고, 셀(108)에 연결된 압력 조절기(112)는 셀 내에서 일정한 압력을 유지한다.
광(101)은 레이저(100)로부터 방출되고, 이는 불순물의 흡수 진동수와 일치하는 예정된 진동수로 조정된다. 광(101)은 렌즈(또는 렌즈 시스템)(102)에 의해 모아지고 초점이 맞춰지며, 결과적인 광빔(101a)은 링-다운 셀(108)로 연결된다. 일단 셀(108)에 연결되면, 광빔(101a)은, 안정한 광공진기로서 작동하고 광학적 여기를 일으키는 반사경(124, 125)과 접촉한다. 이때 레이저는 차단된다. 거울이 셀(108) 안에서 광을 반사할 때, 광의 일부는 셀(108)에서 기체에 의해 흡수된다. 이러한 링-다운 신호는 시간에 따라 감쇠한다.
링-다운 셀(108)에 연결된 출력 검출기(114)는 셀에서 링-다운 율을 측정한다. 출력 신호(115)는 셀(108)에서 링-다운 율을 나타내고 프로세서(118)로 전달된다. 이때 프로세서(118)는 링-다운 율을 해석하고, 불순물의 흡수선의 피크에서 셀(108)에서의 링-다운 율을 기준선에서 링-다운 율과 비교함에 의해 불순물의 농도를 계산하며, 이 경우 흡수는 발생하지 아니한다.
종래의 CW-CRDS는 피크 또는 기준선 배경에서 어떠한 간섭이 없다면, 기체에서 불순물의 농도를 정확하게 측정할 수 있는데, 예를 들어 불활성 기체가 캐리어 기체이고 물이 불순물인 시스템에서 그러하다. 그러나 많은 기체 시스템에서, 캐리어 기체 및 불순물은 겹치는 스펙트럼 특징을 가진다. 이러한 겹치는 스펙트럼 특징이 발생하는 경우에, 간섭이 없는 피크 또는 기준선이 없고 종래의 CW-CRDS를 사용하여 불순물의 농도가 정확하게 측정될 수 없다.
다른 종래 시스템에서, 셀에서 광의 강도는 기체에서 불순물을 결정하는데 사용된다. 이러한 기술의 일례가 우(Wu) 등의 미국 특허 제 6,040,915호이다. 그러나 이 시스템은 단점이 있는데, 이는 레이저로부터 셀로 그리고 셀로부터 검출기로의 공간이 신호에 영향을 미치는 것이다. 광빔 경로에서 불일치 또는 변경이 있다면 측정 오차가 발생할 수 있다. 또한, 습기가 검출될 때, 빔 경로는 정화되어야 하는데, 일반적으로 고순도 질소를 사용하여 외부 간섭을 감소시킨다. 이러한 정화는 작동 비용을 증가시킨다. 또한, 탐지기 및 증폭기에서의 불일치는 측정 오차를 일으킨다. 광의 강도를 이용한 측정 시스템에서의 다른 단점은, 굴절될 때 두 빔에서 에탈론(etalon) 효과가 취소에 대한 것과 유사해야 한다는 것이다.
종래 시스템의 단점을 극복하기 위해, CW-CRDS를 이용항 기체에서 미량 물질을 분석하기 위한 향상된 시스템 및 방법이 제공된다.
발명의 목적을 달성하기 위해 그리고 이 목적의 견지에서, 본 발명은 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치 및 방법을 제공한다. 이 장치는 불순물을 가진 제 1 기체를 적어도 부분적으로 함유한 제 1 셀과 불순물을 갖지 않은 제 2 기체를 적어도 부분적으로 함유한 제 2 셀을 포함한다. 광 분할기는 광원에 광학적으로 연결되고 광을 제 1 광빔 및 제 2 광빔으로 분할한다. 제 1 광빔은 제 1 셀의 입력부에 연결되고 제 2 광빔은 제 2 셀의 입력부에 연결된다. 제 1 검출기는 제 1 셀의 출력부에 연결되고 제 1 셀 내에서 제 1 광빔의 감쇠율에 기초한 제 1 신호를 생성한다. 또한, 제 2 검출기는 제 2 셀의 출력부에 연결되고 제 2 셀 내에서 제 2 광빔의 감쇠율에 기초한 제 2 신호를 생성한다. 불순물의 농도는 제 1 감쇠율 및 제 2 감쇠율 사이의 차이에 기초하여 결정된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 프로세서는 제 1 검출기 및 제 2 검출기에 연결되고, 제 1 신호 및 제 2 신호를 수신하고 처리하며, 이에 의해 불순물의 농도를 결정한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 제 1 광빔 및 제 2 광빔은 동일한 파장을 갖는다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 제 1 셀 내의 제 1 기체의 압력과 제 2 셀 내의 제 2 기체의 압력이 거의 동일하다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 광을 방출하는 광원이 CW 레이저를 포함한다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 불순물의 농도는 기체의 불순물의 흡수선의 피크에서 링-다운 율을 불순물이 없는 기준선 링-다운 율에 비교함에 의해 결정된다.
본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 상기 방법은 불순물을 함유한 제 1 기체를 제 1 셀의 적어도 일부분으로 주입하는 단계; 불순물이 없는 제 2 기체를 제 2 셀의 적어도 일부분으로 주입하는 단계; 광원으로부터 광을 방출하는 단계; 광원으로부터의 광을 제 1 및 제 2 빔으로 분할하는 단계; 광의 제 1 빔을 제 1 셀로 배향시키는 단계; 광의 제 2 빔을 제 2 셀로 배향시키는 단계; 제 1 셀에서 광의 제 1 빔의 감쇠율을 측정하는 단계; 제 2 셀에서 광의 제 2 빔의 감쇠율을 측정하는 단계; 및 제 1 및 제 2 셀에서의 감쇠율 사이의 차이에 기초하여 기체에서 불순물의 농도를 결정하는 단계를 포함한다.
이전의 일반적 설명 및 이후의 상세한 설명은 본 발명의 예시이고 본 발명을 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 가장 잘 이해된다. 관행에 따라, 도면의 여러 특징은 일정한 스케일로 도시되지 않음이 강조된다. 반대로, 여러 특징의 치수는 명료함을 위해 확장 또는 축소된다. 도면에는 이하의 도가 포함된다:
도 1A는 로그 스케일 상에서의 전자기 스펙트럼을 도시한다.
도 1B는 하나의 링-다운 셀을 이용하는 선행 기술인 CRDS 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 제 1 예시적 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제 2 예시적 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 제 3 예시적 실시예를 도시한다.
도 2는 본 발명의 제 1 예시적 실시예를 도시한다. 도 2에서 어날라이트(analyte)와 같은 불순물을 함유하는 가스가 링-다운 셀(208)로 주입되고, 불순물 이 없는 가스가 링-다운 셀(210)로 주입된다. 공동 링-다운 셀일 수 있으나 이에 제한되지 않는, 링-다운 셀(208, 210)은 개별적인 가스로 채워질 수 있거나 또는 상기 가스는 셀을 통해 가스를 흐르게 함에 의해 주입될 수 있다. (공동 링-다운 분광법의 상세한 설명은 여기서 제공되지 않으며, 그 기술은 당업자에게 잘 알려져 있다.) 일 예시적 실시예에서, 압력 조절기(212)는 셀(208, 210)의 각각에 연결되고, 이에 의해 셀 내에서 거의 동일한 압력을 유지시킨다.
광(201)은 예를 들어 CW 레이저와 같은 조정 가능한 광원(200)으로부터 방출된다. 광원(200)은 불순물의 흡수 진동수와 일치하는 예정된 진동수로 조정된다. 광(201)은 렌즈와 같은 기구(202)에 의해 모아져 초점이 맞춰지고, 광원(200)에 광학적으로 연결된 빔 분할기(204)에 의해 분할된다. 광(201)은 동일한 파장을 가진 두 개의 거의 동일한 빔(201a, 201b)으로 분할된다. 거의 동시에, 제 1 광빔(201a)은 제 1 링-다운 셀(208)로 연결되고, 제 2 광빔(201b)은 제 2 링-다운 셀(210)로 연결된다. 일단 각각의 셀(208, 210)로 연결되면, 광빔(201a, 201b)은 안정된 광공진기(optical resonator)로서 작용하고 광여기(optical excitation)를 일으키는 반사경(224, 225)과 접촉한다. 이때 광원은 차단된다. 거울은 셀(208, 210) 내부에서 광을 반사하고, 광의 일부는 셀에서 가스에 의해 흡수된다. 이러한 링-다운 신호는 시간에 따라 감쇠한다.
제 1 셀에 연결된 제 1 출력 검출기(214) 및 제 2 셀에 연결된 제 2 출력 검출기(216)는 각각의 셀에서 서로 독립적으로 감쇠율(decay rate)을 측정한다. 출력 신호(215, 217)는 개별적으로 셀(208, 210)에서의 감쇠율을 나타내고, 이는 프 로세서(218)로 제공된다. 이때 프로세서(218)는 감쇠 신호를 해석하고 제 1 셀(208)에서의 감쇠율 및 제 2 셀(210)에서의 감쇠율 사이의 차이를 결정하여 불순물의 농도를 계산한다.
도 3은 본 발명의 제 2 예시적 실시예를 도시하고, 이를 통해 가스에서 어날라이트와 같은 불순물이 검출될 수 있다. 도 3과 관련하여, 유사한 기능을 수행하는 요소는 제 1 예시적 실시예와 관련하여 설명될 것이고, 동일한 참조 번호를 사용할 것이다. 도 3의 실시예는 도 2와 관련하여 상기에서 설명된 실시예와 거의 동일하고, 차이는 광(201)이 하프 미러(half mirror, 304)에 의해 동일한 파장을 가진 거의 동일한 광빔(201a, 201b)으로 분할되는 것이며, 하프 미러는 빔의 일부(201b)를 통과시키고, 제 1 링-다운 셀(208)을 향하는 빔의 잔존하는 일부(201a)를 반사시킨다. 이때 빔의 여과된 일부는 제 2 링-다운 셀(210)로 거울(306)에 의해 반사된다(필요하다면). 다른 모든 태양에서, 이 예시적 실시예는 제 1 예시적 실시예와 유사하다.
도 4는 본 발명의 제 3 예시적 실시예를 도시한다. 도 4와 관련하여, 유사한 기능을 수행하는 구성요소는 제 1 예시적 실시예와 관련하여 설명될 것이고 동일한 참조 번호를 사용할 것이다. 이 실시예는 각각 서로 다른 불순물을 갖는 다수의 가스를 분석하고 이러한 불순물이 없는 기준 가스에 대한 불순물의 농도를 결정하기 위한 공정을 제공한다. 도 4의 실시예는 도 2와 관련하여 상기에서 설명된 실시예와 거의 동일하다. 차이는 광이 빔 분할기(404)에 의해 동일한 파장을 가진 다수의 빔으로(이 특별한 예에서는 4개) 분리되는 것이다. 광빔(201a, 201b, 201c, 201d)이 셀을 통해 통과하고 개별적인 감쇠율이 검출기(214, 216)에 의해 측정된 후, 프로세서(418)는 서로 독립적으로 제 1 셀에서의 감쇠율 및 다른 셀에서의 감쇠율의 차이를 계산함에 의해 각각의 가스에서 분순물의 레벨을 결정한다. 이러한 예시적 실시예는 단파장(single wavelength)의 광을 제공하는 하나의 광원(200)과 관련하여 설명되지만, 본 발명은 이러한 것에 제한되지 아니한다. 또한 이 광원이 다양한 진동수를 갖는 광을 생성할 수 있고, 이에 의해 도 2와 대해 상기에서 설명된 것과 같은 독립적인 쌍의 시스템이 분할기(404)에 연결될 수 있으며, 분할기(404)는 예를 들어 제 1 진동수의 광을 셀의 제 1 쌍에 제공하고 제 2 진동수의 광을 셀의 제 2 쌍에 제공할 수 있음을 고려해야 한다.
본 발명은 다양한 가스 시스템에 응용 가능하고, 시스템 내에서 더욱 정확성을 제공한다는 점에서 종래 기술을 능가하는 장점을 가지며, 이 경우 불순물을 함유한 가스는 스펙트럼 특징을 가지고, 이는 불순물의 스펙트럼 특징과 겹쳐진다. 제한없는 실시예는 불순물이 물을 함유한 암모니아일 것이다. 또한, 본 발명에서는 광이 셀을 들어오고 나갈 때 광의 강도를 약화시키는 외부 간섭이 제거되는데 이는 링-다운 율이 강도가 아니라 시간에 기초하여 불순물의 농도를 측정하기 때문이며, 이것도 종래 기술을 능가하는 장점이다. 결과적으로 이중-셀 조정 가능한 다이오드 레이저 흡수 분광기(TDLAS)와 다르게, 본 발명은 광원 및 셀 사이에 그리고 셀 및 검출기 사이에 빔 패스(path)를 필요로 하지 않고, 수증기를 검출하는데 사용될 때 고순도 질소로 정화된다. 또한, 본 발명은 빔의 변화, TDLAS 시스템의 감도를 제한하는 검출기에서의 불일치, 및 에탈론(etalon) 효과로부터 초래되는 비 틀림에 의해 영향받지 않는다.
종래 기술보다 뛰어난 또 다른 장점으로서, 본 발명의 다른 실시예는 기준선 링-다운 율 또는 불순물이 없는 링-다운 율과 피크 흡수선을 비교하는 능력을 포함한다. 또 다른 장점은 피크 파장으로 추정(extrapolation)을 가능하게 하는 오프 피크(off peak) 위치에서 측정된 기준선 링-다운 율을 측정하는 능력이다. 대안적으로, 강도 및 선형 정보를 가진 전체 피크 프로파일(profile)을 측정함에 의해 불순물의 농도가 선형을 맞춤에 의해 결정된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관하여 여기서 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 도시된 상세한 설명에 제한되도록 의도된 것은 아니다. 또한, 다양한 개조가 본 발명으로부터 벗어나지 아니하고 청구 범위의 동등물의 범위 내에서 상세하게 이루어질 수 있다.
Claims (25)
- 기체에서 불순물을 분석하기 위한 방법으로서,상기 불순물을 함유한 제 1 기체를 제 1 셀의 일부 또는 전부로 주입하는 단계;상기 불순물이 없는 제 2 기체를 제 2 셀의 일부 또는 전부로 주입하는 단계;광원으로부터 광을 방출하는 단계;상기 광원으로부터의 광을 제 1 빔 및 제 2 빔으로 분할하는 단계;상기 광의 제 1 빔을 상기 제 1 셀로 배향시키는 단계;상기 광의 제 2 빔을 상기 제 2 셀로 배향시키는 단계;상기 제 1 셀에서 상기 광의 제 1 빔의 감쇠율(decay rate)을 측정하는 단계;상기 제 2 셀에서 상기 광의 제 2 빔의 감쇠율을 측정하는 단계; 및상기 제 1 및 제 2 셀에서의 감쇠율 사이의 차이에 기초하여 상기 기체에서 상기 불순물의 농도를 결정하는 단계를 포함하는,기체에서 불순물을 분석하기 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 셀 및 상기 제 2 셀 내에서 거의 동일한 압력을 유지시키는 단계 를 추가로 포함하는,기체에서 불순물을 분석하기 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 광의 제 1 빔 및 상기 광의 제 2 빔이 동일한 파장을 갖는 것을 특징으로 하는,기체에서 불순물을 분석하기 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 광원을 예정된 주파수로 조정하는 단계를 추가로 포함하는,기체에서 불순물을 분석하기 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서,공동 링-다운 분광법(cavity ring-down spectroscopy)을 이용하여 상기 제 1 및 제 2 기체를 분석하는 단계를 추가로 포함하는,기체에서 불순물을 분석하기 위한 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 셀이 상기 제 1 기체로 채워지고 상기 제 2 셀이 상기 제 2 기체로 채워지는 것을 특징으로 하는,기체에서 불순물을 분석하기 위한 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 기체가 상기 제 1 셀을 통해 흐르고 상기 제 2 기체가 상기 제 2 셀을 통해 흐르는 것을 특징으로 하는,기체에서 불순물을 분석하기 위한 방법.
- 제 5 항에 있어서,상기 제 1 셀이 상기 제 1 기체로 채워지고 상기 제 2 기체가 상기 제 2 셀을 통해 흐르는 것을 특징으로 하는,기체에서 불순물을 분석하기 위한 방법.
- 광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치로서,상기 불순물을 가진 제 1 기체를 부분적으로 또는 전체적으로 함유한 제 1 셀;상기 불순물이 없는 제 2 기체를 부분적으로 또는 전체적으로 함유한 제 2 셀;상기 광원으로부터의 광을 제 1 광빔 및 제 2 광빔으로 분할하기 위해 상기 광원에 광학적으로 연결된 분할기;상기 제 1 셀 내에서 상기 제 1 광빔의 제 1 감쇠율(decay rate)에 기초한 제 1 신호를 생성하고 상기 제 1 셀의 출력부에 연결된 제 1 검출기; 및상기 제 2 셀 내에서 상기 제 2 광빔의 제 2 감쇠율에 기초한 제 2 신호를 생성하고 상기 제 2 셀의 출력부에 연결된 제 2 검출기를 포함하고,상기 제 1 광빔이 상기 제 1 셀의 입력부로 연결되고 상기 제 2 광빔이 상기 제 2 셀의 입력부로 연결되며,상기 불순물의 농도가 상기 제 1 및 제 2 감쇠율 사이의 차이에 기초하여 결정되는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 검출기에 연결된 프로세서(processor)를 추가로 포함하고, 상기 프로세서가 상기 제 1 및 제 2 신호를 수신하고 처리하여 상기 불순물의 농도를 결정하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 1 광빔 및 상기 제 2 광빔이 동일한 파장을 갖는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 1 검출기가 상기 제 1 셀에서 상기 제 1 광빔의 감쇠율을 측정하는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 2 검출기가 상기 제 2 셀에서 상기 제 2 광빔의 감쇠율을 측정하는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 1 셀에서 상기 제 1 기체의 압력과 상기 제 2 셀에서 상기 제 2 기체의 압력이 거의 동일한 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 기체가 암모니아를 포함하고, 상기 불순물이 물을 포함하는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 9 항에 있어서,광을 방출하는 상기 광원이 CW 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 16 항에 있어서,상기 레이저는 조정 가능한 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 9 항에 있어서,상기 제 1 및 제 2 셀이 각각 공동 링-다운 분광법(cavity ring-down spectroscopy) 셀을 포함하는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 18 항에 있어서,상기 불순물의 농도는 상기 기체의 불순물의 흡수선의 피크에서의 링-다운 율을 상기 불순물이 없는 기준선 링-다운 율과 비교함에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 18 항에 있어서,상기 기준선 링-다운 율의 농도가 피크 파장으로의 추정에 기초하여 오프-피크(off-peak) 프로파일(profile)에서 측정되는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 18 항에 있어서,상기 불순물의 농도가 강도 및 선형 정보를 가진 전체 피크 프로파일의 측정에 기초하여 결정되고, 상기 불순물의 농도가 상기 선형 구조를 맞춤에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 18 항에 있어서,상기 제 1 셀이 상기 제 1 기체로 채워지고, 상기 제 2 셀이 상기 제 2 기체로 채워지는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 18 항에 있어서,상기 제 1 기체가 상기 제 1 셀을 통해 흐르고 상기 제 2 기체가 상기 제 2 셀을 통해 흐르는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 제 18 항에 있어서,상기 제 1 셀이 상기 제 1 기체로 채워지고 상기 제 2 기체가 상기 제 2 셀을 통해 흐르는 것을 특징으로 하는,광원을 이용하여 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
- 기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치로서,상기 불순물을 함유한 제 1 기체를 제 1 셀로 주입하고 상기 불순물이 없는 제 2 기체를 제 2 셀로 주입하기 위한 수단;상기 제 1 및 제 2 셀로 광을 방출하기 위한 수단;상기 제 1 및 제 2 셀에서 상기 광의 개별적인 감쇠율을 결정하기 위한 수단; 및상기 제 1 셀 및 상기 제 2 셀에서 상기 개별적인 감쇠율 사이의 차이에 기초하여 상기 기체에서 상기 불순물의 농도를 결정하기 위한 수단을 포함하는,기체에서 불순물을 분석하기 위한 장치.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10/727,929 | 2003-12-03 | ||
| US10/727,929 US20050122523A1 (en) | 2003-12-03 | 2003-12-03 | Device and method of trace gas analysis using cavity ring-down spectroscopy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20060120700A true KR20060120700A (ko) | 2006-11-27 |
Family
ID=34633590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020067013369A KR20060120700A (ko) | 2003-12-03 | 2004-12-01 | 공동 링-다운 분광법을 이용한 미량 기체 분석 장치 및방법 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20050122523A1 (ko) |
| EP (1) | EP1692489A1 (ko) |
| JP (1) | JP2007513351A (ko) |
| KR (1) | KR20060120700A (ko) |
| CN (1) | CN1890555A (ko) |
| TW (1) | TW200526942A (ko) |
| WO (1) | WO2005057189A1 (ko) |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE602005011398D1 (de) * | 2005-02-22 | 2009-01-15 | Siemens Ag | Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Spurengasen |
| US7541586B2 (en) | 2006-11-10 | 2009-06-02 | The George Washington University | Compact near-IR and mid-IR cavity ring down spectroscopy device |
| US7569823B2 (en) | 2006-11-10 | 2009-08-04 | The George Washington University | Compact near-IR and mid-IR cavity ring down spectroscopy device |
| DE102006014278B3 (de) * | 2006-03-28 | 2007-06-14 | Basf Ag | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Gesamtsauerstoffgehaltes und/oder des Gesamtkohlenstoffgehaltes in Ammoniak |
| US7679059B2 (en) * | 2006-04-19 | 2010-03-16 | Spectrasensors, Inc. | Measuring water vapor in hydrocarbons |
| US7612885B2 (en) * | 2006-12-22 | 2009-11-03 | Honeywell International Inc | Spectroscopy method and apparatus for detecting low concentration gases |
| US8040518B2 (en) * | 2008-10-07 | 2011-10-18 | Entanglement Technologies, Inc. | Cavity enhanced trace gas detection gradiometer |
| US8198590B2 (en) * | 2008-10-30 | 2012-06-12 | Honeywell International Inc. | High reflectance terahertz mirror and related method |
| US7864326B2 (en) | 2008-10-30 | 2011-01-04 | Honeywell International Inc. | Compact gas sensor using high reflectance terahertz mirror and related system and method |
| JP5475341B2 (ja) * | 2009-06-24 | 2014-04-16 | 日本電信電話株式会社 | 多波長同時吸収分光装置および多波長同時吸収分光方法 |
| WO2013119320A1 (en) * | 2012-02-10 | 2013-08-15 | Adelphi University | High finesse optical cavity detection of trace gas species using multiple line integrated absorption spectroscopy |
| CN103674891B (zh) * | 2013-12-02 | 2017-02-01 | 中国科学院安徽光学精密机械研究所 | 基于双腔式腔衰荡技术的大气no3自由基浓度测量系统 |
| CN104251841A (zh) * | 2014-07-01 | 2014-12-31 | 中国医学科学院生物医学工程研究所 | 基于光腔衰荡光谱的多样本呼吸分析仪 |
| US9952101B2 (en) | 2014-12-02 | 2018-04-24 | Hamamatsu Photonics K.K. | Spectrometry device and spectrometry method |
| CN105699326A (zh) * | 2016-02-29 | 2016-06-22 | 西安邮电大学 | 一种氧气浓度监测装置和方法 |
| CN108562551B (zh) * | 2018-04-11 | 2020-11-17 | 黑龙江工程学院 | 一种探测器精确测量二氧化硫气体浓度的方法 |
| JP7393767B2 (ja) * | 2018-11-21 | 2023-12-07 | 積水メディカル株式会社 | 光発生装置並びにそれを用いた炭素同位体分析装置及び炭素同位体分析方法 |
| CN112285025B (zh) * | 2020-10-26 | 2021-11-30 | 北京航空航天大学 | 基于tdlas检测的反射式探头装置及检测系统 |
| CN113702302A (zh) * | 2021-08-28 | 2021-11-26 | 武汉东泓华芯科技有限公司 | 一种基于光腔衰荡光谱技术的气体检测装置及方法 |
| CN115598266A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-01-13 | 山东非金属材料研究所（Cn） | 一种惰性气体分析方法 |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4848904A (en) * | 1988-02-16 | 1989-07-18 | Applied Biosystems Inc. | Dual beam multichannel spectrophotometer with a unique logarithmic data converter |
| US5528040A (en) * | 1994-11-07 | 1996-06-18 | Trustees Of Princeton University | Ring-down cavity spectroscopy cell using continuous wave excitation for trace species detection |
| US5841533A (en) * | 1995-09-01 | 1998-11-24 | Innovative Lasers Corporation | Intracavity laser spectroscopy for high sensitivity detection of contaminants in gas |
| JPH10281988A (ja) * | 1997-04-09 | 1998-10-23 | Nippon Sanso Kk | ガス分析方法及びガス分析装置 |
| US5973864A (en) * | 1997-10-21 | 1999-10-26 | Trustees Of Princeton University | High-finesse optical resonator for cavity ring-down spectroscopy based upon Brewster's angle prism retroreflectors |
| JP3459564B2 (ja) * | 1998-03-11 | 2003-10-20 | 日本酸素株式会社 | ガスの分光分析装置および分光分析方法 |
| US6084682A (en) * | 1998-04-15 | 2000-07-04 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Cavity-locked ring down spectroscopy |
| JP3336256B2 (ja) * | 1998-07-02 | 2002-10-21 | 日本酸素株式会社 | レーザ光によるガスの分光分析方法 |
| US6466322B1 (en) * | 1998-12-31 | 2002-10-15 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Swept continuous wave cavity ring-down spectroscopy |
| US6233052B1 (en) * | 1999-03-19 | 2001-05-15 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Analog detection for cavity lifetime spectroscopy |
| US7173706B2 (en) * | 1999-07-02 | 2007-02-06 | Otago Innovation Limited | Apparatus and method for gas sensing |
| US6452680B1 (en) * | 2000-02-03 | 2002-09-17 | Informed Diagnostics, Inc. | Cavity ring down arrangement for non-cavity filling samples |
| US20030210398A1 (en) * | 2002-05-13 | 2003-11-13 | Robert Augustine | System and method for controlling a light source for cavity ring-down spectroscopy |
-
2003
- 2003-12-03 US US10/727,929 patent/US20050122523A1/en not_active Abandoned
-
2004
- 2004-11-09 TW TW093134073A patent/TW200526942A/zh unknown
- 2004-12-01 KR KR1020067013369A patent/KR20060120700A/ko not_active Application Discontinuation
- 2004-12-01 JP JP2006542706A patent/JP2007513351A/ja not_active Abandoned
- 2004-12-01 CN CNA2004800357282A patent/CN1890555A/zh active Pending
- 2004-12-01 WO PCT/US2004/040215 patent/WO2005057189A1/en not_active Application Discontinuation
- 2004-12-01 EP EP04812668A patent/EP1692489A1/en not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW200526942A (en) | 2005-08-16 |
| US20050122523A1 (en) | 2005-06-09 |
| CN1890555A (zh) | 2007-01-03 |
| JP2007513351A (ja) | 2007-05-24 |
| EP1692489A1 (en) | 2006-08-23 |
| WO2005057189A1 (en) | 2005-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20060120700A (ko) | 공동 링-다운 분광법을 이용한 미량 기체 분석 장치 및방법 | |
| US4081215A (en) | Stable two-channel, single-filter spectrometer | |
| JP4693409B2 (ja) | キャビティリングダウン分光法用の光源を制御するためのシステム及び方法 | |
| US6075252A (en) | Contaminant identification and concentration determination by monitoring the temporal characteristics of an intracavity laser | |
| US7570360B1 (en) | Optical absorption spectrometer and method for measuring concentration of a substance | |
| US6483589B1 (en) | Laser spectroscopy system | |
| US20050122520A1 (en) | Apparatus and method for improved analysis of liquids by continuous wave-cavity ring down spectroscopy | |
| JP4790949B2 (ja) | 分析装置 | |
| JPH0599845A (ja) | 半導体レーザーを用いた水分分析装置 | |
| US7796261B2 (en) | Spectrophotometer | |
| US20050062972A1 (en) | System and method for cavity ring-down spectroscopy using continuously varying continuous wave excitation | |
| US20060072117A1 (en) | Resonator-amplified absorption spectrometer | |
| US20040107764A1 (en) | System and method for measuring trace gases | |
| EP0900365B1 (en) | An environmentally insensitive optical sensor with improved noise cancellation | |
| EP1295106B1 (en) | Non-dispersive ir measurement of gases using an optical filter | |
| JP2006125919A (ja) | 分光分析装置及び分光分析方法 | |
| JPH07151685A (ja) | 非分散形赤外線ガス分析計 | |
| Kessler et al. | Near-IR diode-laser-based sensor for parts-per-billion-level water vapor in industrial gases | |
| Paldus et al. | High-sensitivity detectors based on cavity ring-down spectroscopy | |
| SU979885A1 (ru) | Устройство дл лазерно-спектроскопического абсорбционного анализа | |
| CN117451665A (zh) | 一种基于腔衰荡光谱的多种气体检测装置 | |
| JP2021156853A (ja) | ガス分析装置 | |
| Grisar et al. | Oxygen Measurement with GaAIAs Diode Lasers | |
| Tan et al. | Through the looking glass and what cavity ringdown found there | |
| Nikolaev et al. | Measurement of small gas impurity with application of multichannel diode laser spectroscopy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| WITN | Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid |