KR20180061276A - 샘플링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

에어로졸을 검출하기 위해 샘플을 분석 장치에 제공하는 검출기 입구는 분석 장치에 의해 샘플링되는 가스 유체의 흐름을 흡입하는 흡입구; 혼합 영역; 흡입구로부터 혼합 영역으로 가스 유체의 흐름의 제 1 부분을 운반하는 제 1 도관; 흡입구로부터 혼합 영역으로 가스 유체의 흐름의 제 2 부분을 운반하는 제 2 도관; 및 제 1 부분을 제 2 부분보다 더 많이 가열하도록 구성된 히터를 포함하며, 검출기 입구는 혼합 영역에서 제 1 부분을 제 2 부분과 조합하도록 구성된다.

Description

샘플링 장치 및 방법

본 개시(disclosure)는 검출 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 이온 이동도 분광계 및 질량 분광계와 같은 분광계 기반의 검출기와 같은 검출기용 증기 샘플을 획득하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

가스 유체로 운반될 수 있는 에어로졸(aerosol)을 증발시키는 방법 및 장치가 본 명세서에 제공된다. 가스 유체는 에어로졸, 증기 및 미립자를 포함할 수 있다. 에어로졸을 증발시키기 위해 가스 유체를 가열하는 방법이 본 명세서에 제공된다. 이러한 방법 및 장치는 분광법, 예를 들어 이온 이동도 분광법 및 질량 분광법에서 특정 응용을 찾을 수 있다.

일부 검출기는 공기와 같은 가스 유체의 스트림을 검출기 입구로 "흡입(inhaling)"하고 관심 물질을 검출하는 분석 장치로 공기를 샘플링하여 동작한다. 흡입된 공기 스트림은 핀홀, 모세관 또는 멤브레인 입구와 같은 샘플링 입구를 사용하여 검출기 입구에서 샘플링될 수 있다. 일부 분석 장치 및 특히 일부 이온 이동도 분광계는 증기 및 가스의 분석에 적합하다. 이러한 분석 장치는 마약, 폭발물 및 화학 작용제(chemical warfare agent)와 같은 관심 물질을 검출하도록 구성될 수 있다. 따라서, 검출 감도 및 이러한 검출기의 신뢰성은 중요한 문제일 수 있다.

일부 관심 물질은 에어로졸을 포함할 수 있다. 증기 또는 가스와 대조적으로, 에어로졸은 가스에서 현탁된 고체 또는 액체의 입자를 포함한다. 물질이 주위 온도에서 낮은 증기압을 갖는 경우, 증기의 존재에 의존하는 검출기는 해당 물질을 포함하는 에어로졸을 검출하지 못할 수 있다.

본 개시의 양태 및 실시예는 청구 범위에 제시되고, 관련된 기술적 문제를 처리하는 것을 목표로 한다.

이제, 본 개시의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명될 것이다.

도면에서, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타내는데 사용된다.

도 1은 검출기에 결합된 검출기 입구를 도시한다.
도 2는 도 1의 검출기 입구의 예를 도시한다.
도 3은 도 1의 검출기 입구의 예를 도시한다.
도 4는 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 검출기 입구에 사용하기에 적합한 유체 도관의 예시도를 도시한다.
도 5는 도 1, 도 2 또는 도 3에 도시된 바와 같은 검출기 입구에 결합된 이온 이동도 분광계의개략적 단면도를 도시한다.
도 6은 본 명세서에 설명된 검출기 입구에 사용될 수 있는 플레넘(plenum)을 통한 단면의 평면도를 도시한다.
도 7은 도 6에 도시된 플레넘의 단면도를 도시한다.
도 8은 도 6 및 도 7의 플레넘을 통한 가스 유체의 흐름에 의해 운반되는 미립자의 분포를 도시한다.
도 9는 본 명세서에 설명된 검출기 입구에 사용될 수 있는 다른 플레넘을 통한 단면의 평면도를 도시한다.
도 10은 원통형 흐름 통로를 갖는 검출기 입구의개략도를 도시한다.
도 11은 도 10의 라인 'B'를 따라 미립자의 공간 분포를 도시한다.
도 12는 도 10의 라인 'B'에서의 도 10의 검출기 입구의 단면도를 도시한다.
도 13은 도 6의 검출기 입구를 갖는 검출기의 예를 도시한다.
도 14는 도 10의 검출기 입구를 갖는 검출기의 예를 도시한다.
도 15는 도 6의 검출기 입구를 갖는 검출기의 다른 예를 도시한다.
도 16은 도 10의 검출기 입구를 갖는 검출기의 다른 예를 도시한다.

본 개시의 실시예는 관심 물질을 검출하기 위해 샘플을 검출기에 제공하는 검출기 입구에 관한 것이다. 질량 분광계 및 이온 이동도 분광계와 같은 검출기는 증기를 이온화하여, 관심 물질을 검출하기 위해 그 증기로부터 생성된 이온을 분석하도록 구성될 수 있다. 이러한 검출기는 테스트되는 환경으로부터의 가스 유체의 흐름을 흡입하여, 이러한 흐름으로부터 샘플을 취하도록 구성될 수 있다. 그런 다음, 샘플은 관심 물질의 존재를 검출하도록 테스트될 수 있다. 가스 유체는 공기, 증기 및 에어로졸과 같은 가스, 예를 들어 유체 내에 현탁된 고체 또는 액체 입자를 포함할 수 있다.

본 개시의 실시예는 흡입된 흐름의 일부를 그 흐름의 나머지 부분보다 더 많이 가열한 다음, 흡입된 흐름의 가열된 부분을 나머지 흐름과 혼합하여 나머지 흐름에 의해 운반되는 에어로졸을 증발시키는 것에 관한 것이다. 그 후, 샘플 증기는 가스 유체의 혼합된 가열된 흐름으로부터 취해져 검출기에 제공될 수 있다.

도 1은 환경으로부터 가스 유체의 샘플을 획득하기 위한 2개의 포트를 갖는 흡입구(intake)를 포함하는 검출기 입구(1)를 도시한다. 검출기 입구는 또한 제 1 포트를 검출기 입구의 혼합 영역에 링크하는 제 1 도관(2)을 포함한다. 제 2 도관(4)은 제 2 포트를 혼합 영역(6)에 링크한다. 따라서, 제 1 도관 및 제 2 도관은 환경으로부터 검출기 입구의 혼합 영역 내로의 가스 유체의 흐름을 위한 별개의 경로를 제공한다. 예를 들어, 이것은 검출기 입구의 흡입 포트로부터 혼합 영역으로의 평행한 (반드시 기하학적으로 평행한 것보다는 오히려 대체적인 의미에서의) 별개의 흐름 경로를 제공한다. 따라서, 검출기 입구의 흡입 포트로 유입되는 가스 유체의 흐름의 제 1 부분은 제 1 도관을 통해 흐름으로써 혼합 영역에 도달할 수 있고, 흐름의 제 2 부분은 제 2 도관을 통해 흐름으로써 혼합 영역에 도달할 수 있다. 그 후, 이러한 흐름의 제 1 부분 및 제 2 부분은 혼합 영역에 도달할 시에 재조합될 수 있다.

검출기 입구는 또한 히터(18)를 포함한다. 히터(18)는 가스 유체의 흐름의 제 1 부분(14)이 가스 유체의 흐름의 제 2 부분(16)보다 더 많이 가열되도록 가스 유체의 흐름의 제 1 부분(14)을 가열하도록 구성된다. 예를 들어, 히터는 제 1 도관 내에, 예를 들어 적어도 부분적으로 그 내부에, 예를 들어 제 1 도관으로부터 혼합 영역으로의 출구에 배치될 수 있다. 이러한 일부 예에서, 제 1 도관의 하나 이상의 내부 벽은 히터를 포함할 수 있다. 히터는 필라멘트 히터와 같은 저항성 히터, 예를 들어 멤브레인 히터를 포함할 수 있다. 히터의 다른 예는 적외선과 같은 방사선 소스를 포함한다.

도 1에 도시된 검출기 입구는 선택적이지만 필터를 포함할 수 있다. 포함되는 경우, 이러한 필터는 가스 유체의 흐름의 제 1 부분에 의해 운반되는 적어도 일부 미립자의 통과를 억제하기 위해 배치된다. 예를 들어, 필터는 흡입구와 히터 사이의 제 1 도관 내에 배치될 수 있다. 제 2 도관은 제 1 도관보다 넓을 수 있으며, 예를 들어, 더 큰 흐름 단면을 가질 수 있다. 혼합 영역(6)에서, 가스 유체의 제 1 부분은 제 2 도관(4)에 의해 운반되는 가스 유체(14)의 흐름의 제 1 부분과 조합된다.

검출기 입구는 또한 배기구(exhaust)(12) 및 팬 또는 펌프와 같은 이동기(mover)를 포함할 수 있다. 이동기가 포함될 때, 흡입구로부터 검출기 입구를 통해 배기구로의 가스 유체의 흐름을 제공하도록 배치될 수 있다. 핀홀 개구와 같은 샘플링 입구(8)는 배기구와 제 1 도관으로부터의 출구 사이의 위치에서 가스 유체의 흐름의 샘플을 획득하기 위해 검출기 입구에 배치된다. 예를 들어, 샘플링 입구는 혼합 영역(6)으로부터 샘플을 획득하도록 배치될 수 있다. 샘플링 입구는 검출기 입구로부터 샘플을 취하여 검출기에 제공하여 검출기가 가스 유체의 흐름에 의해 운반되는 관심 물질을 검출할 수 있도록 배치된다.

도 1에 도시된 검출기 입구는 에어로졸이 관심 물질을 포함하는지를 검출하는 검출기에 의한 분석을 위해 에어로졸을 준비하도록 동작될 수 있다. 따라서, 동작 중에, 가스 유체의 흐름은 검출기 입구로 유입되고 두 부분으로 분리된다. 흐름의 제 1 부분은 제 1 도관을 따라 통과할 수 있고, 흐름의 제 2 부분은 제 2 도관을 따라 통과할 수 있다. 흐름의 제 1 부분은 예를 들어 흐름의 제 2 부분보다 더 뜨겁도록 흐름의 제 1 부분보다 더 많이 가열될 수 있다. 흐름의 제 1 부분의 온도는 적어도 선택된 관심 물질을 증발시킬만큼 충분히 뜨거울 수 있다. 예를 들어, 흐름의 제 1 부분은 적어도 150℃, 예를 들어 적어도 200℃, 예를 들어 적어도 400℃의 온도로 가열될 수 있다. 그 후, 가스 유체의 흐름의 제 1 부분은 흐름의 제 2 부분을 가열하도록 흐름의 제 2 부분과 혼합된다. 샘플의 제 1 부분이 충분히 가열될 수 있음으로써, 혼합 영역의 온도는 흐름의 제 2 부분에서 운반되는 선택된 관심 물질의 에어로졸이 적어도 부분적으로 증발되도록 충분히 고온이도록 한다. 예를 들어, 히터는 혼합 영역 내의 흐름의 온도가 적어도 150℃, 예를 들어 적어도 200℃이도록 동작될 수 있다.

그 후, 샘플은 샘플링 입구에 의해 혼합된 가열된 흐름으로부터 취해져 검출기에 제공된다. 예를 들어, 샘플링 입구는 흐름의 제 1 부분과 흐름의 제 2 부분의 혼합으로 인해 흐름의 온도가 상승되는 영역에서 혼합된(재조합된) 흐름으로부터 샘플을 취하도록 동작될 수 있다.

도 1에 도시된 실시예가 2개의 흡입 포트를 갖는 것으로 설명되지만, 일부 실시예에서 검출기 입구는 제 1 및 제 2 도관에 의해 혼합 영역에 링크된 단일의 공통 흡입구를 포함할 수 있다.

이러한 일례는 도 2에 도시된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 검출기 입구는 가스 유체의 제 1 부분을 가스 유체의 제 2 부분으로부터 분리시키고, 제 1 도관을 통해 제 1 부분을 통과시키도록 배치된다. 그 후, 흐름의 제 1 부분은 혼합 영역에서 제 2 부분과 재조합될 수 있다. 제 1 부분과 제 2 부분의 혼합은 제 2 부분에 의해 운반되는 에어로졸을 증발시킬 수 있다.

유체의 흐름의 두 부분이 재조합되는 방식은 흐름의 두 부분의 균일한 혼합을 촉진하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 제 1 부분은 노즐을 사용하여 제 2 부분에 제공될 수 있다. 이러한 노즐은 가열된 유체의 분사를 제공하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 가열된 유체의 흐름의 제 1 부분은 흐름의 제 2 부분보다 빠른 속도를 가질 수 있다. 이것은 제 1 도관을 따라 가스 유체의 흐름의 제 1 부분을 이동시키기 위한 부가적인 이동기(예를 들어, 펌프, 벨로우즈 또는 팬)를 제공함으로써 달성될 수 있다.

혼합을 촉진하는 다른 방식은 흐름의 제 1 부분이 흐름의 제 2 부분과 상이한 방향으로 이동하도록 할 수 있다. 예를 들어, 이것은 흐름의 제 2 부분을 가로지르는 방향으로 제공될 수 있다. 특히, 비직선형(예를 들어 둥근) 섹션 흐름 통로와 관련하여, 이것은 혼합 영역에서 순환 또는 나선형 흐름을 야기할 수 있다.

이러한 방식으로 동작할 수 있는 검출기 입구의 일례는 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시된 검출기 입구(1)에서, 검출기 입구는 퍼널부(funnel portion)(5)를 포함한다. 퍼널부는 퍼널의 정점(apex)보다 넓은 퍼널의 기저부(base)를 갖는 정점 및 기저부를 포함한다. 퍼널의 기저부는 퍼널 벽을 통해 퍼널의 정점에 결합된다. 제 1 도관(2)은 퍼널의 기저부의 일 측면에 위치되고, 제 2 도관은 퍼널의 축을 따라 퍼널의 기저부로부터 연장함으로써, 유체는 퍼널의 축을 따라 제 2 도관으로부터 흐르도록 한다. 제 1 도관으로부터의 유체의 흐름이 제 2 도관으로부터의 유체의 흐름과 혼합하는 혼합 영역(5)은 퍼널의 정점에 위치된다.

유체의 흐름이 제 1 도관으로부터의 퍼널을 퍼널부로 유입함에 따라, 퍼널 벽은 유체를 제 1 도관으로부터 퍼널의 축에 대한 순환 경로로 지향시킨다. 제 1 도관으로부터 수용된 퍼널의 유체는 혼합 영역쪽으로 퍼널의 정점을 향해 이동하고, 퍼널의 정점을 향해 이동할 때 퍼널의 축 주위를 순환한다. 제 1 도관으로부터의 순환 유체는 혼합 영역(6)에서 제 2 도관으로부터의 유체와 혼합한다. 제 1 도관으로부터 유래한 순환 경로로 흐르는 가열된 유체를 제 2 도관으로부터의 유체와 혼합하는 것은 제 2 도관으로부터의 유체에 운반된 에어로졸을 증발시키고, 혼합 유체의 순환 흐름을 유도할 수 있다. 그 후, 순환하는 가열된 유체는 도 1 및 도 2를 참조하여 상술한 바와 같이 혼합 영역으로부터 샘플링 입구를 향해 통과한다.

상술한 실시예 중 어느 실시예에서, 샘플링 입구(8)는 혼합 영역으로부터의 증기 샘플을 수집하도록 배치될 수 있다. 다시 말하면, 샘플링 입구는 흐름의 두 부분의 혼합에 의해 온도가 상승되는 가스 유체의 흐름 영역으로부터 샘플을 수집할 수 있다. 예를 들어, 샘플링 입구(8)는 흐름의 제 1 부분과 흐름의 제 2 부분이 혼합되는 지점의 50mm 미만의 하류에 배치될 수 있다. 예를 들어, 이것은 30mm 미만, 예를 들어 20mm 미만, 예를 들어 10mm 미만으로 배치될 수 있다.

상술한 바와 같이, 제 1 도관 및 제 2 도관 중 적어도 하나는 혼합 영역 주위에 가스 유체의 순환 흐름을 제공하도록 구성될 수 있다. 순환 흐름은 샘플링 입구(8)를 둘러쌀 수 있다. 이러한 순환 흐름은 노즐을 사용하고/하거나 도 3을 참조하여 설명된 바와 같은 퍼널 구조체를 사용하여 제공될 수 있다.

이러한 실시예는 가스 유체의 흐름이 샘플링 입구(8)를 막히게 하거나 검출기에 대한 오염 또는 손상을 유발하도록 입구를 통해 검출기로 운반되는 미립자를 포함할 때 특히 유용할 수 있다.

도 6은 혼합 영역이 검출기 입구의 플레넘에 배치되는 검출기 입구의 예를 도시한다. 샘플링 입구(8)는 이러한 플레넘(57) 내의 샘플링 체적(52)으로부터 샘플을 취하도록 배치된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 검출기 입구는 플레넘(57) 주위에 가스 유체의 순환 흐름을 생성하고 샘플링 입구(8)를 둘러싸도록 배치된 플레넘(57)의 만곡된 벽과 같은 흐름 디렉터(director)(51)를 포함한다. 이러한 순환 흐름은 원심 분리(centrifuging) 효과를 제공하여 유체에 의해 운반되는 미립자의 공간 분포를 변화시킬 수 있음으로써, 더 많은 미립자가 샘플링 체적(52)으로 운반되는 것보다 플레넘(57)의 벽에 더 가깝게 운반된다. 그러나, 증기는 플레넘(57)을 샘플링 체적(52) 내로 확산시킬 수 있다. 이것은 샘플링 체적(52)에 들어가지 않고 샘플링 입구(8)를 지나 운반된 미립자의 상대적 비율을 증가시킬 수 있다.

도 6은 흐름 입구(54), 흐름 출구(56) 및 플레넘(57)을 포함하는 검출기 입구의 일부를 도시한다. 플레넘(57)으로의 흐름 입구(54)는 도 1, 도 2 및 도 3 중 어느 하나를 참조하여 상술한 제 1 도관 및 제 2 도관 모두로부터의 유출에 의해 제공될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 플레넘(57)은 내부 표면(59)을 갖는 만곡된 벽을 포함한다. 상술한 바와 같이, 핀홀과 같은 샘플링 입구(8)는 플레넘(57) 내의 샘플링 체적(52)으로부터 샘플을 획득하도록 배치된다.

도 7은 도 6의 검출기 입구의 단면도를 도시한다. 도 7에서, 샘플링 입구(8)는 플레넘(57)의 중심 영역으로부터 가스 유체의 샘플을 수집하도록 배치될 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 도 6에서, 플레넘(57)은 평면으로 보여지고, 흡입된 흐름의 경로는 도면의 평면과 정렬된다. 이 도면에서, 플레넘(57)은 둥근 형상을 가지며, 예를 들어 원형이다. 샘플링 입구(8)는 이러한 둥근 형상의 플레넘(57)의 중간에 배치될 수 있으며, 예를 들어 이것은 플레넘(57)의 벽으로부터 균등하게 이격될 수 있다.

도 6에 도시된 흐름 입구(54) 및 흐름 출구(56)는 상이한 방향으로 정렬된다. 흐름 입구(54) 및 흐름 출구(56)는 모두 플레넘(57)에 결합되며, 따라서 플레넘(57)은 본 예에서 검출기 입구(1)를 통해 유체의 경로의 굴곡부(bend)에 위치한다. 플레넘(57)에서, 가스 유체의 흐름은 흐름 입구(54)에서 플레넘(57)을 통해 흐름 출구(56)로 흐를 때 방향을 변경한다.

도 1, 도 2 또는 도 3에 도시된 검출기 입구는 필터를 포함할 수 있다. 이러한 필터는 가스 유체의 흐름의 제 1 부분에 의해 운반되는 적어도 일부 미립자의 통과를 억제하기 위해 배치된다. 예를 들어, 필터는 흡입구와 히터 사이의 제 1 도관 내에 배치될 수 있다. 가스 유체의 흐름의 제 1 부분은 흐름에 의해 운반되는 미립자의 적어도 일부를 제거하기 위해 필터링될 수 있다.

플레넘(57)은 벽의 내부 표면(59)에 의해 바운딩된 내부 체적을 포함한다. 도시된 바와 같이, 벽의 표면은 만곡될 수 있으며, 예를 들어 벽의 내부 표면(59)의 곡률은 흐름 입구(54)로부터 흐름 출구(56)로의 흡입된 흐름의 경로에서 굴곡부를 제공하도록 배치될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 플레넘(57)의 흐름 단면은 흐름 입구(54)의 흐름 단면보다 클 수 있다. 이와 관련하여, 흐름 단면은 가스 유체의 흐름 방향을 가로지르는 면적을 지칭한다. 예를 들어, 플레넘(57)은 흐름 입구(54)가 플레넘(57)을 만나는 흐름 경로의 브로드닝(broadening)을 제공할 수 있다. 이것은 플레넘(57)에 들어갈 때 가스 유체의 흐름을 늦추도록 작용할 수 있다. 도 7의 예시에서, 흐름 출구(56)는 흐름 입구(54)보다 큰 흐름 단면을 갖는 것으로 평면에 도시되어 있다. 이것은 흐름 출구(56)에서 플레넘(57)으로부터 유출되는 가스 유체에서 더 느린 흐름 속도를 제공하는 한가지 방법이다. 출구에서 더욱 느린 흐름 속도를 제공하면 플레넘(57) 주위에 순환 흐름의 생성을 촉진할 수 있다.

상술한 바와 같이, 흐름 입구(54)는 가스 유체를 플레넘(57) 내로 지향시키도록 배치된다. 플레넘(57)은 샘플링 입구(8)의 한 측면을 지나서 플레넘(57)에 의해 제공된 굴곡부의 외부 주위의 제 1 흐름 경로와, 샘플링 입구(8)의 다른 측면을 지나서 굴곡부(58)의 내부 주위에 되돌아가는 제 2 흐름 경로를 포함한다. 따라서, 샘플링 입구(8)를 플레넘(57)의 중간 내에 또는 그 부근에 위치시킴으로써, 샘플링 입구(8)를 둘러싸는 유체의 순환 흐름이 유도될 수 있다. 이러한 순환 흐름은 샘플링 입구(8)가 샘플을 획득하는 샘플링 체적(52)에 진입하지 않고 샘플링 입구(8)를 지나서 운반된 미립자의 상대적 비율을 증가시키기 위해 유체에 의해 운반되는 미립자의 공간 분포를 변화시킬 수 있다. 흐름 출구(56)는 가스 유체의 흐름이 흐름 입구(54)를 통해 들어간 속도보다 낮은 속도로 플레넘(57)을 빠져 나가도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 흐름 출구(56)는 동일한 체적 유량의 가스 유체가 입구를 통하는 것처럼 출구를 통해 흐르도록 할 수 있는 큰 흐름 단면을 제공할 수 있지만, 더욱 낮은 속도(예를 들어, 더욱 낮은 유량과는 반대되는 더욱 낮은 속력)로 제공할 수 있다. 이것은 가스 유체가 굴곡부(58) 내부 상의 샘플링 입구(8)를 지나 되돌아 흐르는 경향을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예에서, 유체는 플레넘(57) 내로 흐를 수 있고, 그 후 흐름은 샘플링 입구(8)의 한 측면 주위에서 만곡되고, 흐름 출구(56)에서 느리게 흐르는 유체에 의해 흐름 출구(56)로 완전히 진입하는 것이 억제되며, 샘플링 입구(8)의 다른 측면 상의 샘플링 입구(8)를 지나 되돌아 흐름으로써 플레넘(57)에서 적어도 부분적으로 재순환된다. 이것은 플레넘(57)을 통한 흐름 방향을 가로지르는 축에 대해 순환하는 순환 흐름을 제공할 수 있다.

도 6의 장치의 동작 시에, 가스 유체의 흐름은 흡입되어 제 1 도관 및 제 2 도관을 통과한다. 흐름의 제 1 부분은 이러한 두 도관으로부터의 유출이 혼합되기 전에, 플레넘(57) 내로 흐름으로써(상술한 바와 같이, 제 1 도관 및 제 2 도관은 흐름 입구(54)를 통해 플레넘 내로 흐름을 제공할 수 있음) 제 2 부분보다 더 많이 가열된다. 이러한 혼합된 가열된 흐름은 플레넘(57)을 통해 흐름 출구(56)로 흐른다. 플레넘(57)은 흡입된 가스 유체의 이러한 흐름의 방향의 변경, 예를 들어 흐름 입구(54)로부터의 흐름 방향의 굴곡부를 제공한다. 이러한 굴곡부의 외부는 만곡되는 플레넘(57)의 벽에 의해 제공된다. 이것은 흡입된 유체의 흐름 방향을 변경시키고, 플레넘(57)을 통해 흐를 때 샘플링 입구(8) 주위에서 유체 흐름을 굴곡시킨다. 흐름 출구(56)에 도달할 때, 가스 유체의 일부는 흐름 출구(56)를 통해 플레넘(57)을 빠져 나가지만, 일부는 흐름 출구(56)를 지나 흐르고 플레넘(57)에 잔류하므로, 오히려 스트림에서의 와전류의 방식으로 굴곡부(58)의 내부 상에서 샘플링 입구(8)의 다른 측면을 지나 되돌아 안내된다. 이것이 샘플링 입구(8)를 지나 되돌아 흘러서 흐름 입구(54)로 다시 되돌아 가면, 이러한 역류는 흐름 입구(54)에서 플레넘(57)에 도달하는 추가의 흐름을 재결합할 수 있다. 따라서, 이러한 동일한 사이클은 다시 시작되고, 이러한 재결합된 흐름의 일부는 재순환되지만, 일부는 출구(4)를 통해 빠져 나간다. 따라서, 가스 유체의 흐름의 적어도 일부에 대해, 이러한 실시예는 일정한 단면의 직선 파이프를 따른 동일한 흐름에 비해 샘플링 입구(8) 주위의 가스 유체의 체류 시간을 증가시킬 수 있다.

따라서, 유체의 적어도 일부는 흐름 출구(56)를 통해 플레넘(57)을 빠져 나가기 전에 샘플링 입구(8)를 둘러싸는 만곡된, 예를 들어 적어도 부분적으로 원형 흐름 경로에서 플레넘(57) 주위로 흐를 수 있다. 도 7에서, 이러한 순환 흐름은 입구 및 출구를 통해 가스 유체의 벌크(bulk) 흐름 방향을 가로지르는, 예를 들어 수직인 회전축에 대해 순환한다는 것을 알 수 있다.

이러한 순환 흐름은 샘플링 입구(8) 주위에 원심 분리 효과를 제공할 수 있으며, 이는 흐름에 의해 운반되는 미립자가 플레넘(57)의 벽을 향해, 예를 들어 샘플링 입구(8)로부터 멀리 떨어져 이동하도록 하는 경향이 있다. 이것은 가스 유체 내의 미립자의 비율이 가스 유체 흐름의 다른 영역에 대해 고갈되는 순환 흐름의 회전축을 향한 영역, 예를 들어 플레넘(57)의 벽에 더 가까운 유체 흐름 영역을 제공한다. 그러나, 흐름에 의해 운반되는 증기는 플레넘(57) 주위에서 이러한 고갈된 영역으로 자유롭게 확산된다. 따라서, 본 개시의 방법은 샘플링 입구(8)를 막히게 하거나 입구를 통해 들어가 검출기를 오염시킬 수 있는 미립자의 수를 감소시키기 위해 이러한 고갈된 영역으로부터 가스 유체의 샘플을 수집하는 단계를 포함한다.

도 6에 도시된 바와 같이 라인 A를 따른 미립자의 분포 및 샘플링 볼륨(52)은 도 8의 플롯에 도시되어 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 미립자의 수(예를 들어, 단위 체적 당 수)는 벽의 표면으로부터의 거리의 함수로서 감소한다. 예를 들어, 미립자의 수는 샘플링 체적(52)을 향하여 낮아지고 굴곡부(58)의 내부로부터 떨어지게 된다. 상술한 바와 같이, 원심 분리 효과는 미립자가 플레넘(57)의 벽을 향해 이동하도록 하고, 이러한 이동은 벽으로부터 샘플링 체적(52)을 향한 거리를 갖는 미립자의 수의 변화로 이어진다. 도 8에 도시된 미립자의 분포는 벽의 표면과 샘플링 체적(52) 사이의 영역에 비해 굴곡부(58)의 내부와 샘플링 체적(52) 사이의 영역에서 더 적은 수의 미립자를 도시한다. 임의의 특정 이론에 구속되기를 바라지 않고, 벽의 표면과 샘플링 체적(52) 사이의 영역 내의 유체의 일부는 굴곡부(58)의 내부와 샘플링 체적(52) 사이의 영역으로 통과하고, 따라서 굴곡부(58)의 내부와 샘플링 체적(52) 사이의 유체는 더 큰 원심 분리 효과를 겪을 수 있고, 따라서 더욱 적은 미립자를 포함할 수 있는 것으로 믿어진다. 그러나, 이러한 분포는 예일 뿐이라는 것을 이해할 것이다.

벽의 곡률은 검출기 입구(1)의 내부 표면상의 미립자의 충돌을 감소시키도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 벽의 곡률 반경은 유체의 흐름을 위한 부드러운 경로를 제공하도록 벽의 상이한 부분에서 상이할 수 있다. 예를 들어, 흐름 입구(54)에 인접한 벽의 제 1 부분 및 유체 출구(56)에 인접한 벽의 제 2 부분은 둘 다 제 1 부분을 제 2 부분에 결합시키는 벽의 부분보다 더 큰 곡률 반경을 갖는다. 곡률 반경의 변화는 흡입된 가스 유체의 흐름 방향의 점진적인 변화로 이어진다. 이것은 가스 유체에 의해 운반되는 미립자 및 에어로졸이 플레넘의 벽에 충돌하여 축적되는 경향을 감소시킬 수 있다.

도 9는 도 6을 참조하여 상술한 것과 같은 검출기 입구의 예를 도시한다. 그러나, 도 9에서, 흐름 입구(54)는 유체 출구(56)와 동일한 방향으로 정렬된다. 그러나, 흐름 출구(56)는 흐름 입구(54)로부터 오프셋된다. 도 9에 도시된 예에서, 흐름 출구(56)는 흐름 입구(54)로부터 횡 방향으로 이격되어 있으며, 예를 들어, 이것은 유체 흐름의 방향을 가로지르는 방향으로 이격되어 있다. 이러한 예에서, 유체의 적어도 일부는 흐름 입구(54)에 평행한 방향으로 흐름 출구(56)를 통해 플레넘(57)을 빠져 나가기 전에 샘플링 입구(8)를 둘러싸는 플레넘(57) 주위에서 원으로 흐를 수 있다. 도 9에 도시된 예에서, 흐름 출구(56)는 흐름 입구(54)에 대한 플레넘(57)의 대향 측면 상에 위치된다. 따라서, 가스 유체는 흐름 입구(54)로부터 플레넘(57) 내로 흐를 때와 동일한 방향으로 흐름 출구(56)를 통해 플레넘(57)에서 흐를 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 흐름 출구(56)는 또한 흐름 입구(54)와 동일한 플레넘(57)의 측면 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 플레넘(57)은 U-굴곡부에서의 선회부(turn)에 위치될 수 있다. 이러한 및 다른 예는 가스 유체의 흐름 방향을 가로지르는 축에 대해 회전하는 순환 흐름을 제공한다.

검출기 입구의 다른 구성이 또한 제공될 수 있다. 플레넘(57) 내의 유체의 순환 흐름은 또한 흐름 방향에 정렬된 축에 대해 순환할 수 있다. 이것은 도 3을 참조하여 상술한 퍼널 구성에 의해 제공될 수 있다. 다른 구성이 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 흐름의 제 1 부분과 흐름의 제 2 부분의 혼합이 이루어지는 플레넘(57)은 유체가 흐름할 수 있도록 배치된 원기둥과 같은 도관 또는 흐름 통로를 포함할 수 있다.

이러한 구성에서, 순환 흐름의 회전축은 흐름 통로의 길이 방향 축과 정렬될 수 있다. 이러한 일례는 도 10에 도시되어 있다.

도 10에 도시된 예에서, 제 1 도관 및 제 2 도관으로부터의 가열된 유체가 혼합되는 혼합 영역은 흐름 통로(72) 내에 배치된다. 흐름 통로(72)는 가스 유체의 흐름 방향과 평행한 축에 대해 회전하는 순환 흐름을 제공하도록 배치된다. 상술한 바와 같이, 이러한 순환 흐름은 흐름 내의 미립자의 공간적 분포의 변동을 제공할 수 있음으로써, 비교적 많은 미립자가 흐름 통로(72)의 벽(70)에 더욱 가까운 흐름에 의해 운반된다. 미립자의 수는 또한 흐름 통로(72)의 벽(70)으로부터의 간격의 함수로서 감소한다.

더욱 상세하게는, 도 10은 흐름 통로(72), 흐름 입구(64), 제 1 흐름 출구(66) 및 제 2 흐름 출구(68)를 갖는 검출기 입구를 도시한다. 흐름 통로(72)는 벽(70), 흐름 통로(72)의 벽(70)의 내부 표면 상에 배치된 핀(62)의 형태의 흐름 디렉터, 샘플링 체적(74) 및 샘플링 입구(8)를 포함한다. 도 12는 도 10에서의 B로 표시된 라인에서 취해진 도 10의 흐름 통로(72)의 단면을 도시한다.

도 10 및 도 12에 예시된 예에서, 흐름 통로(72)는 재료 블록으로 절단되고, 파이프 또는 튜브와 같이 둘러싸인 채널과 같은 도관을 포함한다. 흐름 통로(72)는 벌크 흐름 방향을 규정한다. 흐름 입구(64)는 이러한 흐름 통로(72)의 일부를 포함할 수 있다. 제 1 흐름 출구(66) 및 제 2 흐름 출구(68)는 흐름 입구(64)로부터 흐름 통로(72)를 따라 분리되고, 트렁크(trunk)의 축으로부터 멀어지는 방향으로 트렁크로부터 연장된다. 예를 들어, 흐름 출구(66, 68)는 흐름 통로(72)로부터 분기될 수 있다. 예를 들어, 이것은 흐름 통로(72)에 대해 비스듬히 배치될 수 있다. 이것은 흐름 통로(72)로 가로질러 (예를 들어, 수직으로) 배치되는 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예에서는 흐름 통로(72)의 방향과 적어도 부분적으로 정렬될 수 있다. 예를 들어, 흐름 통로(72) 및 흐름 출구는 Y 형상으로 배치될 수 있다. 도 10에 도시된 예에서, 제 1 흐름 출구(66) 및 제 2 흐름 출구(68)는 트렁크로부터 상이한 방향으로 연장되며, 예를 들어, 제 1 흐름 출구(66)는 제 2 흐름 출구(68)에 의해 운반되는 유체의 흐름과 반대 방향으로 가스 유체의 흐름을 운반하도록 배치될 수 있다.

도 10에서, 흐름 디렉터는 흐름 통로(72)의 내부 벽(70)으로부터 연장되는 핀(62)을 포함한다. 핀(62)은 흐름 통로(72) 주위에서 이를 따라 나사산 방식으로 나선형 경로와 정렬될 수 있다. 흐름 디렉터로서 작용하기 위해, 이러한 핀(62)은 흐름 통로(72)를 통해 흐르는 유체의 적어도 일부의 경로 내에 있다. 도시된 예에서, 흐름 디렉터는 흐름 통로(72)의 벽(70)에 결합되는 2개의 핀(62)의 형태이다. 단일 핀 또는 더 많은 수의 핀(62)이 또한 사용될 수 있다. 핀(62)은 흐름 통로(72)를 따라 나선형(예를 들어 코르크스크류(corkscrew)) 경로의 적어도 일부와 정렬되는 얇고 긴 구조체를 포함한다면 연속적일 필요가 없다. 핀(62)은 나선형 경로를 따라 흐름 통로(72)의 내부 벽(70)에 의해 운반될 수 있으며, 나선의 축은 흐름 통로(72)와 정렬되며, 예를 들어 나선형 경로는 흐름 통로(72)와 동축이 될 수 있다. 핀(62)은 흐름 통로(72)의 벽(70)에 고정될 수 있으며, 예를 들어, 흐름 통로(72)는 핀(62)과 일체로 형성될 수 있다. 핀(62)은 흐름 통로(72)의 벽(70)으로부터 적어도 10 미크론 연장될 수 있다.

흐름 통로(72)는 흐름 입구(64)로부터 샘플을 수용하도록 배치된다. 흐름 통로(72)의 벽(70)의 내부 표면상의 핀(62)은 유체가 흐름 통로(72)에서 벌크 흐름 방향과 정렬되는 회전축을 갖는 순환 흐름(63)으로 흐르도록 유체의 흐름 방향을 변경하기 위해 배치된다. 샘플링 입구(8)는 샘플링 체적(74)으로부터 샘플을 획득하기 위해 배치되며, 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 샘플링 입구(8)는 샘플링 체적(74)의 중심에 위치될 수 있다.

도 12는 도 10의 흐름 통로(72)의 단면도를 도시한다. 도 12는 흐름 통로(72)와 동축이고, 유체 흐름(20)에 의해 둘러싸인 샘플 체적을 도시한다. 흐름 경로(63)는 벽(70)의 내부 표면을 따르고 핀(62)에 의해 반시계 방향으로 지향되는 유체의 순환 흐름을 갖는 도 10 및 도 12에 도시된다.

동작 중에, 가스 유체는 흐름 통로(72)를 통한 흐름 입구(64)를 통해 제 1 유체 출구(66) 및 제 2 유체 출구(68)의 밖으로 흡입된다. 흐름 통로(72)의 내부 벽(70)으로부터 연장되는 흐름 디렉터는 흐름 통로를 통한 가스 유체의 흐름 방향을 변경시킨다. 유체가 흐름 통로를 따라 이동함에 따라, 방향의 변경은 예를 들어 건 배럴(gun barrel)의 라이플링(rifling)이 배럴을 따라 이동하는 불릿(bullet)에 순환 운동을 유도하는 방식으로 유체의 흐름이 흐름 통로의 축을 둘러싸도록 유체에 회전을 제공한다. 가스 유체는 제 1 유체 출구(66) 및 제 2 유체 출구(68)를 향해 이동하는 동안 흐름 통로의 축에 대해 계속하여 회전한다. 그 후, 가스 유체는 제 1 유체 출구(66) 및 제 2 유체 출구(68)를 통해 흐름 통로를 빠져나간다.

도 10 및 도 12에 도시된 순환 유체 흐름 경로(63)는 흐름 통로를 따른 흐름 방향에 대응하는 축을 갖는 나선형 흐름 경로이다. 흐름 경로는 핀(62)의 배치에 의해 제공될 수 있다. 게다가 또는 대안으로서, 제 1 도관(도 1에서 참조) 및 제 2 도관 중 적어도 하나로부터의 가스 유체의 흐름은 예를 들어 제트 또는 노즐을 사용하여 흐름 통로(72) 내의 이러한 경로(63)를 따라 지향될 수 있다. 도 10 및 도 12에 도시된 배치에서, 핀(62)은 흐름 통로의 축과 동축인 축을 갖는 나선형 패턴을 형성하도록 배향된 핀을 갖는 흐름 통로의 표면상에 배치된다. 따라서, 유체는 흐름 통로(72)를 따라 핀(62)의 방향에 따라 나선형 경로로 지향된다. 도 10 및 도 12에 도시된 예에서, 핀은 유체 흐름에 대하여 반시계 방향 나선형으로 배치되며, 따라서 유체가 흐름 통로를 따라 흐를 때, 유체 핀은 유체를 반시계 방향으로 회전시킨다.

흐름 통로 내의 유체의 순환 흐름은 유체에 의해 운반되는 미립자의 공간 분포를 변화시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 순환 흐름은 미립자가 흐름 통로(72)의 벽을 향해 이동하도록 하는 순환 흐름의 원심 분리 효과로 샘플링 체적(74)에 들어가지 않고 샘플링 입구(8)를 지나 운반된 미립자의 상대적 비율을 증가시킬 수 있다. 벽을 향한 미립자의 이동은 미립자의 비율을 낮추므로, 샘플링 체적에서 증기의 비율을 더 높게 한다.

도 10에 도시된 예에서, 유체의 순환 흐름의 성질은 핀(62)의 배치에 의해 결정된다. 예를 들어, 유체가 흐름 통로(72)의 주어진 길이에 대한 흐름 통로(72)의 축을 둘러싸는 횟수는 흐름 통로(72)의 벽(70) 상의 핀(62)의 위치에 의해 결정된다. 흐름 통로(62)의 길이를 따라 더 많은 회전 수를 갖는 핀, 예를 들어 더욱 작은 피치를 갖는 나선형으로 배치되는 핀의 배치는 가스 유체가 흐름 통로의 길이를 따라 이동할 때 흐름 통로의 축에 대해 유체의 더 많은 사이클로 이어질 수 있다.

라인 B 및 샘플링 체적(24)을 따른 미립자의 분포는 도 11의 플롯에 도시되어 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 미립자의 수는 흐름 통로의 벽(70)으로부터 샘플링 입구로 감소한다. 상술한 바와 같이, 원심 분리 효과는 미립자가 벽(70)을 향해 이동하도록 하고, 이것은 흐름 통로(72)의 축으로 위치되는 샘플링 체적(74)에서의 미립자의 수를 감소시킨다.

샘플링 입구(8)는 검출기 입구(1)에 결합될 수 있고, 샘플링 입구(8) 주위에서 샘플링 체적(74, 52)으로부터 유체의 샘플을 수집하는데 적합할 수 있다. 샘플러(도시되지 않음)는 샘플을 분석 장치에 제공하기 위해 샘플링 입구(8)를 통해 샘플링 체적(74, 52)보다 작은 선택된 체적의 유체를 끌어당기도록 구성된다. 샘플러는 전기 기계식 액추에이터, 예를 들어 솔레노이드 구동식 액추에이터, 및/또는 샘플링 체적(74, 52)으로부터 샘플링 입구(8)를 통해 분석 장치로 증기를 전달하도록 배치된 기계식 펌프를 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 일부 예에서, 제 1 도관은 필터(50) 및 히터(18)를 모두 포함할 수 있다. 유체는 포트로부터 필터(50)를 통해 히터(18)를 향해 도관으로 흐른다. 그 후, 유체는 히터를 통해 검출기 입구로 통과한다. 필터는 그리드(grid)와 같은 메시(mesh) 또는 탱글드 니트(tangled knit)의 필라멘트를 포함할 수 있다. 이러한 필터는 적어도 0.5 미크론의 입자 크기를 갖는 미립자의 통과를 억제하도록 구성될 수 있다.

가스 유체의 흐름의 가열된 제 1 부분은 혼합 영역(6)으로 흐르고, 가스 유체의 흐름의 제 2 부분과 혼합하여 가스 유체의 흐름의 제 2 부분의 온도에 대해 혼합된 유체의 온도를 상승시킨다. 이러한 혼합은 도 10에 도시된 흐름 통로(72)에서 일어날 수 있다. 핀(62)에 부가하여, 또는 핀(62)에 대한 대안으로서, 흐름의 제 1 부분 및 흐름의 제 2 부분 중 하나 또는 둘 다는 흐름 통로(72)의 벽(70) 주위에 순환 흐름을 제공하도록 선택된 방향으로의 흐름 통로(72)에 제공된다. 예를 들어, 흐름의 하나 또는 두 부분은 대각선으로 (예를 들어, 흐름 통로(72)의 축에 대해 비스듬히) 원통형일 수 있는 흐름 통로(72)의 내부 벽(70)을 따라 제공될 수 있다. 따라서, 흐름은 통로를 따라 벌크 흐름의 방향과 정렬되는 축 주위에 순환하는 통로를 따라 나선형으로 될 수 있다.

상술한 바와 같이, 제 1 도관 및 제 2 도관은 가스 유체의 흐름을 흐름 통로(72) 내로 제공할 수 있다. 흐름의 제 1 부분이 가열되기 때문에, 흐름의 제 2 부분의 온도의 증가는 가스 유체의 흐름의 제 2 부분에 의해 운반되는 에어로졸의 증기화로 이어질 수 있다. 흐름 통로(72)(또는 경우에 따라 플레넘(57)) 주위의 순환 흐름은 두 가지 목적을 제공한다. 한편으로는 샘플링 체적(74)의 영역에서 가스 유체의 체류 시간을 적어도 약간 증가시키는 역할을 할 수 있고, 다른 한편으로는 샘플링 입구(8)를 둘러싸는 것으로 제공하는 원심 분리 효과는 샘플링 입구(8)의 오염 및 막힘을 방지하는 역할을 한다.

도 1에 예시된 예에서, 히터(18)는 제 1 도관(2)에서 필라멘트 히터를 통과하는 가스 유체의 흐름을 가열하도록 구성된 필라멘트 히터이다. 다른 종류의 히터가 사용될 수 있다. 가스 유체의 증기화 온도는 가스 유체의 조성에 의존한다. 예를 들어, 더욱 낮은 온도에서 증발하는 화학 물질을 포함하는 유체는 가스 유체 내의 에어로졸로부터 증기를 생성시키기 위해 혼합 영역(6)의 온도를 낮추도록 요구할 수 있다. 혼합 영역 내의 온도는 가스 유체의 흐름의 제 1 부분의 유량 및/또는 가스 유체의 흐름의 제 1 부분의 온도를 변경함으로써 제어될 수 있다.

일례에서, 제어기는 히터(18)에 결합되어 가스 유체의 흐름의 제 1 부분의 온도를 변화시키기 위해 히터의 가열 전력을 제어한다. 제어기는 또한 제 1 도관을 통해 유체의 유량을 제어하도록 구성될 수 있다. 유량을 변경하면 유체가 히터와 접촉하는 시간을 변화시키고, 가스 유체의 온도를 변경하며, 제 1 도관으로부터 혼합 영역으로 진입하는 유체의 체적을 변화시킬 것이다. 제 1 도관으로부터 혼합 영역으로 진입하는 유체의 체적을 증가시키는 것은 제 2 도관으로부터의 유체에 대한 제 1 도관으로부터의 유체의 비율을 증가시키고, 혼합 영역 내의 유체의 온도를 증가시킬 것이다.

도 5는 분광계(28)를 포함하는 장치(22)를 도시한다. 분광계(28)는 도 1의 검출기 입구(1)에 결합된다.

도 5에서, 분광계(28)는 샘플링 포트(8)에 의해 검출기 입구(1)에 결합되는 이온 이동도 분광계를 포함하고, 샘플이 이온화될 수 있는 반응 영역(46)을 포함한다. 샘플링 포트(8)는 분광계(28)로의 입구로부터 샘플을 획득하기 위해 동작될 수 있다.

도 5에서와 같이, 게이트 전극 조립체(42)는 드리프트 챔버(36)로부터 반응 영역(46)을 분리시킬 수 있다. 드리프트 챔버(36)는 게이트 전극 조립체(42)로부터 드리프트 챔버(36)의 대향 단부를 향하는 검출기(30)를 포함한다. 드리프트 챔버(36)는 또한 드리프트 가스 입구(32)와, 드리프트 챔버(36)를 따라 검출기(30)로부터 게이트(42)를 향해 드리프트 가스의 흐름을 제공하도록 배치된 드리프트 가스 출구(40)를 포함한다.

샘플링 포트(8)는 입구(1)로부터 분광계(28)의 반응 영역(46)으로 공기를 샘플링하도록 동작될 수 있다. 반응 영역(46)은 샘플을 이온화하는 이온화기(44)를 포함한다. 도 5에 도시된 예에서, 이온화기(44)는 전극을 포함하는 코로나 방전 이온화기를 포함한다.

드리프트 챔버(36)는 또한 드리프트 가스의 흐름에 대해 이온을 검출기(30)를 향해 이동시키기 위해 드리프트 챔버(36)를 따라 전기장을 인가하는 드리프트 전극(38, 34)을 포함한다.

일 실시예에서, 제어기(24)는 샘플링 포트(8)를 제어하여, 선택된 시간 주기 동안 입구로부터 적어도 하나의 초기 샘플을 획득하고, 잔류물(residue)의 존재를 테스트하기 위해 초기 샘플을 분석하도록 구성된다. 이러한 테스트에 기초하여, 제어기(24)는 선택된 시간 주기를 연장하거나 단축할 수 있다.

도 13은 샘플링 입구(8)를 통해 검출기 입구(51)에 결합된 검출기(86)를 도시하고, 도 14는 샘플링 입구(8)를 통해 검출기 입구(60)에 결합된 검출기(86)를 도시한다. 검출기(86)는 샘플링 입구(8) 및 분석 장치(84)를 통해 유체의 샘플을 획득하도록 배치된 샘플러(82)를 포함한다.

분석 장치(84)는 샘플링 입구(8)로부터 수용된 샘플을 분석하여, 예를 들어 샘플에서 하나 이상의 관심 화학 물질을 결정하도록 구성된다. 도 13 및 도 14에 도시된 분석 장치(84)는 질량 분광계를 포함한다. 질량 분광계는 이온화기, 이온 가속기, 빔 포커서(beam focusser), 자석, 및 증기 샘플에 대한 질량 분광 분석을 수행하도록 배치된 패러데이 콜렉터(faraday collector)를 포함할 수 있다.

도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 제어기(80)는 분석 장치, 흐름 제공자 및 샘플러(82)를 제어하도록 결합된다. 제어기(80)는 프로세서 및 검출기(86)의 동작을 위한 명령어를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다.

도 15 및 도 16은 분석 장치가 이온 이동도 분광계(90)를 포함하지만 도 13 및 도 14에 도시된 장치와 동일한 검출기(86)를 도시한다. 도 15의 이온 이동도 분광계(90)는 샘플링 입구(8)에 의해 검출기 입구(51)에 결합된다. 샘플러(82)는 샘플링 입구(8)를 통해 유체의 샘플을 획득하고, 이를 이온 이동도 분광계(90)에 제공하도록 배치된다. 도 13 및 도 14의 예에서와 같이, 제어기(80)는 프로세서와, 검출기(86)의 동작을 위한 명령어를 저장하는 메모리를 포함할 수 있다. 또한, 도 13 및 도 14에서와 같이, 샘플러(82)는 전기 기계식 액추에이터, 예를 들어 솔레노이드 구동식 액추에이터, 및/또는 (도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이) 샘플링 체적(52, 74)으로부터 샘플링 입구(8)를 통해 분석 장치로 증기를 전달하도록 배치된 기계식 펌프를 포함할 수 있다.

게이트 전극 조립체(96)는 반응 영역(58)을 드리프트 챔버(104)로부터 분리시킬 수 있다. 게이트 전극 조립체(96)는 Bradbury-Nielsen 또는 Tyndall-Powell 게이트를 제공하도록 배치될 수 있는 적어도 2개의 전극의 조립체를 포함할 수 있다. 드리프트 챔버(104)는 이온을 검출하기 위해 게이트 전극 조립체(96)로부터 드리프트 챔버(104)의 대향 단부를 향한 콜렉터(98)를 포함할 수 있다. 드리프트 챔버는 또한 드리프트 가스 입구(106)와, 이온 콜렉터(32)로부터 게이트(96)를 향하여 드리프트 챔버(38)를 따른 드리프트 가스의 흐름을 제공하도록 배치된 드리프트 가스 출구(108)를 포함한다. 샘플러(82)는 샘플링 입구(8)를 통해 (도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 도 10, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이) 샘플링 체적(52, 74)으로부터 유체를 획득하도록 제어기(80)에 의해 동작될 수 있다. 샘플러(82)는 또한 획득된 샘플을 분광계(68)의 반응 영역(102)에 제공하도록 동작될 수 있다. 도 15 및 도 16에 도시된 반응 영역은 샘플을 이온화하는 이온화기(100)를 포함한다. 이온화기(100)는 코로나 방전 이온화기를 포함할 수 있다. 드리프트 챔버(104)는 드리프트 가스의 흐름에 대해 이온을 콜렉터(98)를 향해 이동시키기 위해 드리프트 챔버(104)를 따라 전기장을 인가하는 드리프트 전극(92, 94)을 포함할 수 있다.

도 15 및 도 16의 장치가 2개의 드리프트 전극(92, 94)을 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 일부 실시예는 2개 이상의 드리프트 전극을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 개시의 검출기 입구는 먼지 및 오염물이 널리 퍼진 적대적인 환경에서 사용될 수 있는 휴대용 디바이스에서 특정 응용을 발견한다. 이러한 검출기 입구는 도 13 및 도 14의 질량 분광계와 도 15 및 도 16의 이온 이동도 분광계(90)와 같은 다양한 분석 장치, 다른 종류의 분석기, 분광계 및/또는 크로마토그래피 장치와 함께 사용될 수 있다. 게다가, 검출기 입구(51, 60)는 상이한 구성을 가질 수 있다.

상술한 일부 예에서, 흐름 디렉터는 단일 흐름 입구 및 단일 흐름 출구를 포함한다. 다른 예에서, 흐름 디렉터는 하나 이상의 흐름 입구 및 하나 이상의 흐름 출구를 포함할 수 있다. 일례에서, 흐름 디렉터는 흐름 입구보다 더 많은 흐름 출구를 포함한다. 이러한 입구 및 출구의 흐름 단면은 흐름 출구의 전체 흐름 단면이 흐름 입구의 전체 흐름 단면적보다 크도록 선택될 수 있다.

상술한 예에서, 흐름 디렉터의 표면은 유체의 순환 흐름을 유도하도록 유체의 흐름을 지향시킨다. 흐름 디렉터는 또한 순환 흐름을 생성하도록 부가적인 가스 유체를 흐름으로 지향시키도록 구성된 부가적인 유체 경로를 포함할 수 있다. 부가적인 유체 경로는 가스 유체의 순환 흐름을 생성하기 위해 유체의 흐름 경로를 변경시키는 흐름 디렉터 내로 유체를 도입하도록 배치되는 하나 이상의 유체 제트를 포함할 수 있다.

도 10 및 도 12에 도시된 예에서, 핀(62)은 유체의 흐름이 흐름 통로(72)를 따라 나선형 경로 내에 있도록 나선형 배치로 흐름 통로(72)의 벽(70) 상에 배치된다. 핀(62)은 나선형이 아닌 경로로 흐름 통로(72)를 따라 유체의 순환 운동을 유도하도록 나선형 패턴과 다른 패턴으로 표면상에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 핀(62)은 적어도 부분적으로 예를 들어 콘 모양의 나선형(cone shaped spiral)으로 테이퍼링될 수 있다. 핀(62)은 유체를 반시계 방향 나선형 경로로 지향시키도록 배치되고, 핀(62)은 또한 유체가 시계 방향 나선형 경로로 흐르도록 시계 방향 나선형 패턴으로 배치될 수 있다.

도 10 및 도 12에 도시된 예에서, 핀(62)은 흐름 통로(72)의 벽(70) 상에 배치된다. 나선형 패턴은 나선의 길이를 따라 균일한 피치(pitch)를 가질 수 있다. 나선은 흐름 통로(72)의 적어도 일부, 예를 들어 흐름 통로(72)의 모두를 따라 연장될 수 있다. 나선형 핀(62)의 피치는 또한 흐름 통로(72)의 길이를 따라 변할 수 있으며, 예를 들어 핀(62)의 피치는 흐름 통로(72)의 일부에서 감소될 수 있으므로, 유체가 흐름 통로(72)의 주어진 길이에 대해 흐름 통로(72)의 축에 대해 더욱 회전하도록 순환 흐름이 있다.

도 10 및 도 12에 예시된 예에서, 흐름 디렉터는 흐름 통로(72)의 벽(70)으로부터 연장되는 핀(62)을 포함한다. 흐름 디렉터는 또한 유체를 순환 경로로 지향시키기 위해 흐름 통로(72)의 벽(70) 내의 홈을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 홈은 예를 들어 너트의 나사산과 같은 방식으로 흐름 통로(72)의 벽(70) 상의 톱니형(indented) 영역일 수 있다.

도 10 및 도 12에 예시된 예에서, 핀은 흐름 통로(72)의 벽(70)으로부터 연장된다. 핀은 또한 흐름 통로의 다른 부분으로부터 연장될 수 있으며, 예를 들어, 핀은 흐름 입구 및/또는 흐름 출구로부터 흐름 통로로 연장될 수 있다.

도 10 및 도 12에 예시된 예에서, 제 1 유체 출구(66) 및 제 2 유체 출구(68)는 흐름 통로(72)를 가로질러 위치된다. 제 1 유체 출구(66) 및/또는 제 2 유체 출구(68)는 또한 흐름 방향과 적어도 부분적으로 정렬될 수 있으며, 예를 들어, 제 1 유체 출구(66) 및/또는 제 2 유체 출구(68)는 흐름 통로(72)에 대해 45도로 배향될 수 있다.

도 10 및 도 12에 예시된 예에서, 흐름 통로(72)는 폭이 20mm 미만일 수 있다. 예를 들어, 이는 폭이 10mm 미만, 예를 들어 5mm 미만, 예를 들어 2mm 미만, 예를 들어 1.5mm 미만, 예를 들어 1mm 미만, 예를 들어 0.75mm 미만, 예를 들어 0.5mm 미만, 예를 들어 0.4mm 미만, 예를 들어 0.3mm 미만, 예를 들어 0.2mm 미만, 예를 들어 0.1mm 미만일 수 있다.

도 10 및 도 12에 예시된 예에서, 흐름 통로(72)는 폭이 적어도 10 미크론, 예를 들어 폭이 적어도 0.1 mm일 수 있다. 예를 들어, 이는 폭이 적어도 0.2mm, 예를 들어 적어도 0.3mm, 예를 들어 적어도 0.4mm, 예를 들어 적어도 0.5mm, 예를 들어 적어도 0.75mm, 예를 들어 적어도 1mm, 예를 들어 적어도 1.5mm, 예를 들어 적어도 2mm, 예를 들어 적어도 5mm일 수 있다.

검출기 입구는 순환 흐름 주위에서 가스 유체를 이동시키는 이동기를 더 포함할 수 있다. 이동기는 흐름 통로(72) 또는 플레넘(57)의 벽(70)의 내부 표면 주위에 제트와 같은 가스 유체의 부가적인 흐름을 송풍(blow)하도록 배치될 수 있다.

검출기 입구는 플레넘(57) 내의 가스 유체를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다. 히터는 유체의 흐름을 가열하기 위해, 예를 들어 흐름에 의해 운반되는 에어로졸을 증발시키도록 가스 유체를 가열하기 위해 구성될 수 있다. 일례에서, 히터는 흐름 입구, 흐름 통로(72) 및/또는 플레넘(57) 내에 위치된다. 히터는 필라멘트 히터, 예를 들어 멤브레인 히터(membrane heater)와 같은 저항성 히터를 포함할 수 있다. 히터의 예는 또한 적외선 광원을 포함한다.

도 6 및 도 9에 도시된 예에서, 흐름 입구(54)는 흐름 출구(56)보다 작은 흐름 단면적을 갖는다. 흐름 입구(54)는 또한 흐름 출구(56)와 동일한 흐름 단면을 가질 수 있다. 일부 예에서, 이는 흐름 출구(56)보다 큰 흐름 단면을 가질 수 있다.

도 6 및 도 9에 도시된 예에서, 순환 흐름은 벌크 흐름 방향을 가로지르는 회전축에 대해 순환한다. 순환 흐름은 또한 벌크 흐름 방향을 가로지르는 방향과 다른 방향인, 예를 들어 벌크 흐름 방향에 정렬되는 회전축에 대해 순환할 수 있다.

본 명세서에서 설명된 검출기 입구는 호스 또는 파이프와 같은 도관의 배치인 것으로 도시되어 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 이것은 또한 채널 및 플레넘(57)에 의해 제공될 수 있고, 플레넘(57)은 재료의 블록으로 절단된 다음 둘러싸인다. 이러한 실시예에서, 본 명세서에 설명된 흐름 통로(72) 및 입구는 원형 단면을 가지지 않을 수 있다.

또한, 본 발명의 임의의 양태에서 설명되고 정의된 다양한 특징의 특정 조합은 독립적으로 구현 및/또는 공급 및/또는 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다른 예 및 변형은 본 개시와 관련하여 당업자에게 명백할 것이다.

상술한 예에서, 제 1 도관 및 제 2 도관으로부터의 가스 유체의 흐름은 샘플링 입구(8)를 지나서 검출기 입구를 따라 유체의 흐름을 배기구(12)로 유도한다. 검출기를 따른 가스 유체의 흐름은 또한 공기 이동기, 예를 들어 펌프, 팬, 또는 벨로우즈와 같이 입구를 통해 공기의 흐름을 끌어들이기에 적합한 임의의 디바이스에 의해 유도될 수 있다. 제 1 도관(2) 및 제 2 도관(4)은 각각 재료의 블록으로 절단되고, 예를 들어 관형 흐름 경로를 제공하도록 둘러싸인 채널에 의해 제공될 수 있으며, 도관은 또한 파이프 또는 튜브, 예를 들어 호스에 의해 제공될 수 있다.

Claims (28)

1. 에어로졸을 검출하기 위해 샘플을 분석 장치에 제공하는 검출기 입구에 있어서,
   상기 분석 장치에 의해 샘플링되는 가스 유체의 흐름을 흡입하는 흡입구;
   혼합 영역;
   상기 흡입구로부터 상기 혼합 영역으로 상기 가스 유체의 흐름의 제 1 부분을 운반하는 제 1 도관;
   상기 흡입구로부터 상기 혼합 영역으로 상기 가스 유체의 흐름의 제 2 부분을 운반하는 제 2 도관; 및
   상기 제 1 부분을 상기 제 2 부분보다 더 많이 가열하도록 구성된 히터를 포함하며,
   상기 검출기 입구는 상기 혼합 영역에서 상기 제 1 부분을 상기 제 2 부분과 조합하도록 구성되는, 검출기 입구.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가스 유체의 흐름의 제 1 부분으로부터 적어도 일부 미립자를 제거하도록 구성된 필터를 포함하는, 검출기 입구.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 히터는 상기 혼합 영역에서의 상기 가스 유체의 흐름의 제 2 부분에서 운반되는 에어로졸을 증발시키도록 선택된 온도로 상기 가스 유체의 흐름의 제 1 부분을 가열하도록 구성되는, 검출기 입구.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 히터는 상기 혼합 영역에서의 상기 가스 유체의 온도가 100℃ 내지 400℃의 범위에 있도록 구성되는, 검출기 입구.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   샘플링 입구는 상기 혼합 영역으로부터의 증기의 샘플을 수집하도록 배치되는, 검출기 입구.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관 중 적어도 하나는 상기 혼합 영역 주위에 가스 유체의 순환 흐름을 제공하도록 구성되는, 검출기 입구.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
   상기 제 1 도관 및 상기 제 2 도관 중 적어도 하나는 상기 순환 흐름이 상기 샘플링 입구를 둘러싸도록 구성되는, 검출기 입구.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 히터는 상기 제 1 도관 내에 배치되고, 예를 들어 상기 제 1 도관의 표면은 상기 히터를 운반하고, 예를 들어 상기 히터는 멤브레인 히터를 포함하는, 검출기 입구.
9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 필터는 0.5 미크론보다 큰 크기를 갖는 미립자의 통과를 방지하도록 구성된 메시를 포함하는, 검출기 입구.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 유체의 흡입된 흐름의 감지된 온도에 기초하여 상기 히터를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하는, 검출기 입구.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 영역 내의 샘플링 체적으로부터 상기 가스 유체의 샘플을 수집하고, 상기 샘플을 상기 분석 장치에 제공하도록 배치된 샘플링 입구를 더 포함하며, 상기 샘플링 체적 내의 상기 가스 유체는 미립자를 포함하는, 검출기 입구.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 혼합 영역은 상기 샘플링 체적 및 상기 샘플링 입구를 포함하는 플레넘 내에 배치되고; 상기 검출기 입구는 상기 샘플링 입구를 둘러싸는 상기 플레넘 주위에 상기 가스 유체의 순환 흐름을 생성하여, 상기 샘플링 체적에 입력하지 않고 상기 샘플링 입구를 지나 운반되는 상기 미립자의 상대 비율을 증가시키도록 상기 유체에 의해 운반되는 상기 미립자의 공간 분포를 변화시키도록 배치된 흐름 디렉터를 포함하는, 검출기 입구.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 흐름 디렉터는 상기 순환 흐름이 상기 플레넘의 만곡된 벽의 내부 표면을 따르도록 배치된 상기 플레넘의 만곡된 벽을 포함하는, 검출기 입구.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 흐름에 의해 운반되는 미립자의 공간 분포를 변화시키는 것은 상기 플레넘의 만곡된 벽으로부터의 거리에 따라 상기 미립자의 상대 비율을 감소시키는 것을 포함하는, 검출기 입구.
15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플레넘은 상기 가스 유체의 흐름을 흐름 방향으로 지향시키도록 배치되고, 상기 순환 흐름이 상기 흐름 방향과 정렬되는 회전축에 대해 순환하도록 구성되는, 검출기 입구.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 플레넘은 원기둥을 포함하고, 상기 회전축은 상기 원기둥의 길이 방향 축과 정렬되는, 검출기 입구.
17. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 흐름 디렉터는 상기 플레넘으로의 흐름 입구 및 상기 플레넘으로부터의 흐름 출구를 포함하고, 상기 흐름 입구 및 상기 흐름 출구는 상기 원기둥의 길이 방향 축의 방향으로 이격되는, 검출기 입구.
18. 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흐름 디렉터는 상기 플레넘에서의 나선형 경로와 정렬된 구조체를 포함하며, 예를 들어, 상기 구조체는 상기 플레넘의 벽에 핀 또는 홈을 포함하는, 검출기 입구.
19. 제 11 항에 있어서,
    상기 플레넘은 상기 순환 흐름이 상기 흐름 방향을 가로지르는 회전축에 대해 순환하도록 상기 유체의 흐름을 흐름 방향으로 지향시키기 위해 배치되는, 검출기 입구.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 흐름 디렉터는 상기 플레넘으로의 흐름 입구 및 상기 플레넘으로부터의 흐름 출구를 포함하고, 상기 흐름 출구는 상기 입구로부터 상기 플레넘으로의 흐름 방향을 가로지르는 방향으로 흐름을 운반하도록 정렬되는, 검출기 입구.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 흐름 출구는 상기 흐름 출구를 통한 흐름이 상기 흐름 입구를 통한 흐름보다 느리도록 구성되고, 상기 흐름 입구는 상기 흐름 출구보다 작은 단면을 갖는, 검출기 입구.
22. 제 12 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흐름 디렉터는 상기 순환 흐름을 제공하도록 배치된 이동기를 포함하며, 예를 들어, 상기 이동기는 상기 플레넘의 벽의 내부 표면 주위에 가스 유체의 제트를 송풍하도록 배치되는, 검출기 입구.
23. 검출기에 있어서,
    관심 물질을 검출하는 분석 장치와 가스 유체의 샘플을 상기 분석 장치에 제공하도록 배치된 제 12 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 따른 검출기 입구를 포함하는, 검출기.
24. 관심 물질의 검출을 가능하게 하는 가스 유체의 흐름을 준비하는 방법에 있어서,
    상기 흐름의 제 1 부분으로부터 가스 유체의 흐름을 획득하여 상기 흐름의 제 1 부분을 가열하는 단계;
    상기 흐름의 제 2 부분을 가열하기 위해 상기 흐름의 제 1 부분을 상기 흐름의 제 2 부분과 혼합하는 단계를 포함하는, 가스 유체의 흐름을 준비하는 방법.
25. 제 24 항에 있어서,
    제 1 도관을 통해 상기 흐름의 제 1 부분을 통과시키고, 상기 제 1 도관으로부터 분리되는 제 2 도관을 통해 상기 흐름의 제 2 부분을 통과시키는 단계를 포함하며, 상기 샘플의 제 1 부분은 상기 제 1 도관에서 가열되는, 가스 유체의 흐름을 준비하는 방법.
26. 제 25 항에 있어서,
    가스 유체를 검출기 입구의 흡입구로 흡입하고, 상기 가스 유체의 제 1 부분을 상기 가스 유체의 제 2 부분으로부터 분리시키며, 상기 제 1 도관을 통해 상기 제 1 부분을 통과시키고, 상기 제 2 도관을 통해 상기 제 2 부분을 통과시켜 상기 가스 유체를 상기 제 1 부분 및 상기 제 2 부분이 조합되는 혼합 영역에 제공하는 단계를 포함하는, 가스 유체의 흐름을 준비하는 방법.
27. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
    적어도 일부 미립자를 제거하기 위해 상기 가스 유체의 제 1 부분을 필터링하는 단계를 더 포함하는, 가스 유체의 흐름을 준비하는 방법.
28. 제 24 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 부분을 상기 제 1 부분과 혼합함으로써 상기 제 2 부분에 의해 운반되는 에어로졸을 증발시키는 단계를 포함하는, 가스 유체의 흐름을 준비하는 방법.

Images