KR20190050934A - 원소 농도를 측정하기 위한 파지형 분석기 및 방법 - Google Patents

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로만 비류코브
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올레그 멜로바츠키
안드레이 레즈니코브
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Abstract

원소 농도 측정의 개시된 방법 및 파지형 분석기는 레이저 생성 펄스에 의해 생성된 고온의 고도로 이온화된 플라즈마의 스펙트럼 분석에 기초한다. 높은 펄스 에너지 및 짧은 펄스 지속 기간으로 인해, 중성 원자 라인뿐만 아니라 고강도의 단일 및 다중 하전 이온 라인이 여기된다. 개시된 분석기의 펄스 레이저 소스는 0.1 내지 50 k㎐의 펄스 반복률, 0.01 내지 1.5 ns의 펄스 지속 기간, 100 내지 1000 uJ의 펄스 에너지에서 1.5-1.6 신호 파장으로 신호 광의 펄스 열을 출력하도록 구성되고, 1-60 ㎛으로 변하는 샘플의 표면 상의 빔 스폿을 갖는다. 전술한 파라미터는 고온의 고도로 이온화된 플라즈마(플라즈마)를 유도하기에 충분한 20 GW/cm2 레이저 파워 밀도를 제공하며, 이는 0.01%까지의 검출 한계로 이중 하전 이온 라인 CIII을 사용하여 탄소강 내의 탄소 농도를 측정하고, 0.01% 미만의 검출 한계로 탄소강에 일반적으로 존재하는 다른 원소를 측정한다.

Description

원소 농도를 측정하기 위한 파지형 분석기 및 방법
본 발명은 레이저 유도 분해 분광분석(laser induced breakdown spectroscopy)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 파지형 장치로 고온의 고도로 이온화된 플라즈마의 레이저 유도 분해 분광분석에 기초한 원소 농도 측정 방법에 관한 것이다.
화학 원소 조성의 파지형 분석기는 물질에 대한 현장의 신속한 정량 분석(field express quantitative analysis)을 제공할 수 있기 때문에 매우 널리 사용되는 도구이다. 현재 상업적으로 이용 가능한 대부분의 파지형 장치에는 엑스레이 형광(XRF)과 레이저 분해 분광분석(LIBS)의 두 가지 대체 기술이 사용된다.
XRF 방법은 keV x-선 방사에 의해 여기된 x-선 영역에서의 특징적 형광 스펙트럼의 검출에 기초한다. XRF 기술이 높은 성숙도를 가지며, 더 일반적으로 사용되지만, Z가 12 미만인 원소를 검출할 수 없고 위험한 이온화 방사선을 사용한다는 두 가지 주요 단점이 있다.
LIBS 방법은 샘플 표면에 집광된 고 에너지 레이저 펄스를 사용하여 UV, 가시 광선 및 근적외선 스펙트럼 영역에서 특징적인 원자 및 이온 스펙트럼을 조사하는 플라즈마 기둥을 생성한다. 이러한 스펙트럼을 측정하고 분석하여 샘플의 원소 조성에 대한 정량적 정보를 제공한다. LIBS 방법은 수소(H)에서 우라늄(U)까지의 원소의 농도를 측정하는 데 사용할 수 있다. 대부분의 원소의 농도는 낮은 검출 한계(10 ppm에 이름)로 결정될 수 있다.
그러나 탄소(C)와 같은 원소가 있는데, 이는 철(Fe) 합금 내부에서 측정하기 어려우며, 그 이유는 C 방출 라인이 Fe 매트릭스와 비-탄소 불순물 관련 신호에 의해 차폐되기 때문이다. 현재 세계에서 제조된 대부분의 Fe 합금은 탄소 농도가 물질 특성의 중요한 파라미터인 탄소강이다. 따라서 0.05%보다 좋은 검출 한계를 갖는 C 농도 측정은 많은 산업 용례에서 매우 중요하다. 강철에서 C 농도를 측정할 수 있는 파지형 분석기에 대한 상당한 수요가 있다. XRF와 LIBS를 모두 기반으로 하는 상업적으로 이용 가능한 파지형 분석기는 C를 검출할 수 없거나 Fe 합금에 대한 검출 한계가 매우 높기 때문에 그러한 작업에 사용할 수 없다.
종래의 LIBS 접근법은 플라즈마 생성을 위해 10s mJ 에너지 1-10 나노초(ns)의 펄스를 사용한다. 그러나 이러한 접근법은 특정 단점이 없는 것이 아니다. 우선, mJ 레벨 레이저는 일반적으로 1-20 ㎐의 낮은 반복률을 가지고 있다. 이러한 낮은 반복률은 측정 당 평균화 횟수를 제한하며, 이는 차례로 신호 대 잡음비의 개선을 제한한다. 다른 단점은 mJ 펄스가 상당히 큰 부피의 플라즈마를 생성한다는 것인데, 이는 일부 방출 라인(특히 이온 라인)의 재흡수 및 이들 라인의 검출 강도의 현저한 감소와 관련된다.
종래의 LIBS 시스템의 또 다른 단점은 플라즈마 생성의 체계가 원소 방출 라인을 차폐하는 전자 연속체로부터의 강한 신호를 수반한다는 사실에 기인한다. 차폐 문제를 해결하기 위해 연속체 기여를 감소시키는 것을 돕는 스트로브스코픽(stroboscopic) 또는 게이트식(gated) 검출을 사용해야 한다. 유감스럽게도, 스트로브스코픽 또는 게이트식 검출은 또한 검출된 방출 광의 사용 가능한 양을 감소시킨다.
검출 감도는 펄스 에너지 및 펄스 형상 조작의 증가(예를 들어, 이중 펄스 여기를 구비)에 의해 개선될 수 있다. 탄소의 1 ppm 검출 한계는 100mJ 이중 펄스 레이저로 입증되었지만, 그 전체 치수는 파지형 장치의 모든 적합한 크기를 훨씬 초과한다.
파지형 분석기에서 오늘날까지 실현된 최대 펄스 에너지는 1 ns의 펄스 지속 기간 및 10-50 ㎐ 반복률에서 6 mJ이다(SciAps, Inc의 LIBS 파지형 분석기의 Z 라인). Z-500 분석기는 DUV 193 또는 175 ㎚ CI 원자 라인의 분석에 의해 C 농도를 측정할 수 있다고 보고되었다. 200 ㎚ 미만의 파장에서 공기에 의한 강한 DUV 흡광도 때문에 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스가 사용되었다.
몇몇 상업용 파지형 LIBS 원소 분석기에 사용된 다른 접근법은 1-5 k㎐ 반복률로 방출되는 1-2 나노초 펄스를 사용하고 10-30 uJ 에너지를 전달하는 것을 포함한다. 이 경우 매우 강한 집광이 사용된다. 이러한 파라미터는 플라즈마 온도를 낮추어 일반적으로 이온 방출 라인 중 일부가 스펙트럼에 존재하지 않게 한다.
물질의 원소 농도를 신뢰성있게 측정할 수 있는 능력 외에도 LIBS 기반 파지형 분석기에는 다음과 같은 특징이 또한 있어야 한다: 한 손으로 작동하기에 충분하게 가볍고 컴팩트해야 함; 사용된 레이저 방사선은 눈-안전 파장 범위에 있는 것이 바람직함; 레이저는 클래스 I이어야함; 분석기는 유지 보수가 적고 사용하기 용이하여야 하며, 퍼지 가스를 사용하지 않는 것이 바람직함.
레이저 펄스에 의해 생성된 고온의 고도로 이온화된 플라즈마의 스펙트럼 분석에 기초한 원소 농도 측정의 개시된 방법 및 파지형 분석기는 공지된 방법 및 장치의 특정 단점을 극복한다. 개시된 파지형 분석기는 중성 원자 라인 이외에 고강도의 단일 및 다중 하전 이온 라인을 여기시키도록 구성된 펄스 레이저 소스를 포함한다. 이 분석기는 높은 신호 대 잡음비를 허용하는 시스템 파라미터 그룹으로 특별히 구성되어 있고, 이는 검출 한계를 현저히 감소시키며 높은 정밀도의 농도의 원소 농도 측정을 제공한다. 개시된 파지형 분석기의 사용은 플라스틱, 유전체 및 투명한 샘플을 포함하는 고체 상태 물질에서 수소(H)에서 우라늄(U)까지 원소의 정량 분석을 제공할 수 있다. 파지형 분석기의 가장 매력적인 특징 중 하나는 0.01%까지, 그리고, 심지어 그 미만까지의, 탄소강의 현장 농도 분석 및 강철 등급 결정을 제공하는 그 구조이다.
본 개시내용의 일 양태에 따르면, 파지형 분석기는 1.5 내지 1.6 ㎚ 범위에서 변하는 신호 광 파장에서 가우시안(TEMoo) 강도 프로파일을 갖는 레이저 빔을 방출하는 고 에너지 펄스 레이저 소스를 포함한다. 펄스에 의해 전달되는 에너지는 분석 대상 물질의 표면에 플라즈마를 생성할만큼 충분히 높다. 개시된 분석기는 물질의 원하는 구역을 가로질러 레이저 빔을 스위핑하는 스캐너, 검출된 데이터를 처리하기 위한 적어도 하나의 분광계 및 시스템을 더 포함한다.
제1 양태의 개시된 파지형 분석기의 다른 양태는 단일 및 다중 하전 이온 라인의 증가된 검출 강도를 유도하는, 플라즈마를 생성시키는 시스템 파라미터의 최적화와 관련된다. 시스템 파라미터는 펄스 에너지, 펄스 지속 기간, 초점 중간부 직경, 초점 위치 스캐닝 체계, 레이저 펄스 반복률 및 분광계 분해능을 포함한다. 파지형 분석기의 최적화된 구조는 검출 한계를 현저히 감소시키고 파지형 장치에 의한 원소 농도 측정의 정밀도를 향상시킨다.
이 양태에 따르면, 펄스 레이저 소스는 0.1-50 k㎐의 반복률로 0.01-1.5 ns 파장 범위의 펄스를 출력하도록 구성된다. 펄스 각각은 50 내지 1000 uJ 사이에서 변화하는 펄스 에너지를 특징으로 한다. 집광된 레이저 빔은 처리 대상 물질의 조사된 표면 상에 1 내지 60 ㎛ 범위의 빔 중간부 직경을 갖는다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 상기 개시된 양태 중 임의의 양태의 레이저 소스의 펄스 에너지는 매우 높아서, 강한 신호 대 잡음비가 복잡한 게이팅 시스템에 대한 필요성을 제거한다. 파지형 분석기의 분광계는 170-800 ㎚ 스펙트럼 범위에서 1-200 피코미터(pm) 분해능 범위를 유지하도록 작동한다.
전술한 양태 중 임의의 양태의 파지형 분석기는 2-5 k㎐의 반복률에서 및 100 uJ의 펄스 에너지에서 0.3-0.4 ns 펄스를 출력하도록 구성될 때 플라즈마 생성을 최적화하는 데 특히 유용하다. 그렇게 구성된 분석기는 샘플 표면 상에 50 um 중간부 직경을 갖는 가우시안 빔을 출력하고, 200-400 ㎚의 범위에서 0.1 ㎚의 스펙트럼 분해능을 갖는다. 200-400 ㎚ 스펙트럼 범위는 탄소강에 일반적으로 존재하는 원소의 비-게이트식(non-gated) 검출에 특히 적합하다.
본 개시내용의 또 다른 양태에서, 전술한 양태 중 임의의 양태의 파지형 분석기는 샘플의 원하는 구역을 조사하면서 빔이 구역 내부의 동일한 위치에 단 한번만 입사되도록 레이저 빔을 조작하는 스캐너로 구성된다. 즉, 펄스는 샘플의 표면 상에서 절대 중첩되지 않는다.
전술한 양태 중 임의의 양태의 스캐너는 각각 편심 장착된 샤프트를 갖는 다수의 전기 모터로 구성된다. 모터는 텔레스코프와 같은 빔 확장기에 결합되어 텔레스코프의 출력 렌즈에 워블링(wobbling) 모션을 적용하여 샘플 위의 동일한 위치에 두 번 조사되는 것을 방지한다.
또 다른 양태에 있어서, 전술한 양태 중 임의의 양태의 파지형 분석기는 0.01%까지의 그리고 그 미만의 검출 한계로 이중 하전 이온 라인 CIII 229.687을 사용하여 측정된 탄소강 내의 탄소 농도를 검출하도록 동작한다.
개시내용은 또한 전술한 양태들 각각에 개시된 파지형 분석기 및 이들의 임의의 가능한 조합에 의해 원소 농도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
본 개시내용은 이하의 도면을 수반하는 상세한 설명에서 더 상세히 후술된다.
도 1은 개시된 파지형 원소 분석기의 도면이다.
도 2는 도 1의 파지형 원소 분석기의 블록도이다.
도 3은 하우징이 부분적으로 제거된 도 1의 파지형 분석기의 도면이다.
도 4는 도 1의 파지형 분석기의 레이저 소스의 광학적 개요이다.
도 5는 도 1의 파지형 원소 분석기의 스캐너 유닛의 도면이다.
도 6은 도 4의 스캐너의 실시예 중 하나의 개략도이다.
도 7은 Fe 매트릭스 배경 소거 후 0.45%의 C를 갖는 탄소강 샘플의 방출 스펙트럼이다.
도 8은 4 탄소강 인증 표준 샘플에 대한 CIII 229.687 ㎚ 라인 강도 대 탄소 농도(Fe 질량에 대한 C의 비율)이다.
도 9는 개시된 파지형 원소 분석기에 의해 방출된 펄스의 컴퓨터 생성 이미지이다.
이제 본 개시내용을 상세하게 설명할 것이다. 가능한 경우, 동일하거나 유사한 부품 또는 단계를 나타내기 위해 도면 및 설명에서 동일 또는 유사한 참조 번호가 사용된다. 도면은 단순화된 형태로 되어 있으며 정확한 크기비에 따르지는 않는다. 컴퓨터 생성 이미지. 용어 "결합" 및 유사한 용어는 반드시 직접적이고 즉각적인 연결을 의미하지는 않으며, 중간 요소 또는 장치를 통한 연결도 포함한다.
개념적으로, 원소 검출의 감도를 증가시키기 위해, 플라즈마 생성의 체계는 도 1 내지 도 6의 개시된 분석기에 의해 최적화된다. 최적화된 플라즈마는 단일 및 다중 하전 이온 라인의 검출 강도를 증가시킨다.
특히 도 1을 참조하면, 개시된 분석기(10)는 아래에 개시되는 바와 같이 다수의 컴포넌트를 수용하는 하우징(12) 내에 패키징되고 약 이(2) 킬로그램의 중량을 갖는다. 분석기(10)는 1.5-1.6 um의 눈 안전 파장 범위에서 작동하는 1M 클래스 레이저 소스로 구성된다.
도 2 및 도 3은 다음 방식으로 동작하는 부분적으로 개방된 분석기(10)의 블록도를 도시한다. 특히 도 2를 참조하면, 프로세스 제어 블록(PCB)(16)은 배터리(18)에 의해 에너지가 공급되고, 비디오 카메라(20), 스캐너 유닛(22), 광원(24), 서모스탯 PCB(26), 레이저 펌프 다이오드 PCB(28), 레이저 트리거 버튼(14) 및 마이크로프로세서(32)와 직접 전기 통신한다.
분석기(10)가 작동 준비가 되면, 분석기(10)의 단부편(34)(도 3)은 분석 대상 샘플의 표면(36)(도 2)과 표면-대-표면 접촉하게 된다. 그 후, 사용자는 트리거 버튼(14)을 눌러 도 2의 레이저 펌프 다이오드 또는 다이오드들(38)에 에너지를 공급하여 930-950 ㎚ 내의 파장에서 멀티모드 서브-펌프 광을 방출한다. 서브-펌프 광은 1050 내지 1060 ㎚ 범위의 파장에서 실질적으로 단일 모드의 펄스 방사선- 신호 광 -을 출력하는 펄스 레이저(40)에 결합된다. 신호 광은 빔 확장기 또는 텔레스코프(42)를 통해 그리고 그후 샘플의 표면(36) 상에 신호 광을 집광하도록 구성된 집광 렌즈 시스템(44)을 통해 추가로 안내된다.
표면(36) 상의 원하는 빔 스폿은 USB 허브(48)를 통해 마이크로프로세서(32)로부터 신호를 수신하는 압전 작동기에 의해 집광 시스템(44)을 변위시킴으로써 실현된다. 집광 시스템(44)은 표면(36)을 향하여 그리고 표면(36)으로부터 멀리 신호 광의 전파 방향을 따라 안내된다.
빔 집광 동안, 스캐너 유닛(22)은 신호 광의 각도 변위를 초래하는 모션을 텔레스코프(42)에 제공하도록 활성화된다. 신호 광이 표면(36) 상의 구역을 스위핑함에 따라, 오토-포커싱 시스템은 신호 광의 각도 위치에 관계 없이 구역 내에 원하는 빔 스폿을 갖도록 동작한다.
표면의 조사 동안, 신호 광에 의해 스위핑된 구역은 일반적으로 단일 또는 다중 발광 다이오드(LED)로 구성된 광원(24)에 의해 조명된다. 전체 프로세스는 비디오 카메라(20)에 의해 영상화된다.
생성된 고온의 고도로 이온화된 플라즈마의 방사선은 수집된 플라즈마를 하나 이상의 파이버 도파로(54)(도 3)에 결합하는 광 수집 시스템(50)에 의해 수집된다. 파이버 도파로는 수집된 플라즈마 광을 공지된 방식으로 전달된 방사선을 분석하는 하나 이상의 분광계(52)로 안내한다. 분광-분석 결과는 추가로 점점 더 정량화된다.
시스템 파라미터의 최적화는 예컨대 고온 플라즈마를 초래하며, 이 고온 플라즈마는 공지된 포터블 분석기로는 관찰할 수 없었던 것으로 믿어지는 0.01%까지의 검출 한계로 탄소강 중의 탄소 농도가 도 7에 도시된 바와 같은 이중 하전 이온 라인 CIII 229.687을 사용하여 측정될 수 있게 한다. 도 8은 4 탄소강 인증 표준 샘플에서 측정된 탄소 농도에 대한 CIII 229.687 ㎚ 라인 강도의 의존성을 도시한다. 선형 적합(linear fit)도 표시되어 있다. 선형 적합의 결정 계수(R2)는 0.999와 같다.
특히, 임계 플라즈마를 생성할 수 있는 분석기(10)는 2 내지 5 k㎐의 펄스 반복률로 펄스 열을 출력하도록 구성된다. 각각의 펄스는 폭 0.3-0.4 ㎚ 펄스 폭 및 펄스 에너지 100 uJ로 출력되며 샘플 표면에 50 um 가우시안 빔 중간부 직경을 형성한다. 생성된 플라즈마로, 분석기는 200-400 ㎚ 파장에서 0.1 ㎚의 스펙트럼 분해능으로 비-게이트식 검출을 제공하도록 동작한다. 매 펄스에 의해 새로운 스폿으로부터의 플라즈마 생성을 허용하는 빔 스캐닝 체계가 분석기(10)의 원하는 작동에 중요하다.
나노초미만 펄스 지속 기간, 100 uJ 펄스 에너지 및 긴밀한 집광의 조합은 표면에 ~20 GW/cm2 레이저 파워 밀도를 제공한다. 또한, 보다 긴 펄스와 비교하여, 최적화된 펄스 지속 기간은 여기 구역으로부터 더 낮은 열 소산을 제공하고, 따라서 더 높은 온도의 플라즈마를 유도한다. 이러한 조건에서 생성된 플라즈마는 강한 이온 라인을 갖고, 전자 연속체가 억제되므로 게이트식 검출이 필요하지 않는다. 100 uJ 펄스 에너지, 비-게이트식 검출 및 높은 펄스 반복률은 1 초 미만의 측정 시간 동안 검출기에서 충분히 높은 총 광자 플럭스를 제공한다. 단일 펄스 및 전술한 빔 스캐닝 체계를 갖는 플라즈마의 생성은 신호 광이 항상 샘플에 집광될 수 있게 한다. 사용된 0.1 ㎚의 스펙트럼 분해능은 대부분의 원소에 대해 라인 분리에 충분했다. 특히 탄소강에 일반적으로 존재하고 Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Ti, V, Cu, Al을 포함하는 다른 원소의 농도 측정은 이러한 원소에 대해 0.01% 미만의 검출 한계로 수행될 수 있다. 200-400 ㎚의 파장 범위는 탄소강에 공통적인 원소에 적합하지만, H에서 U까지의 모든 원소에 대한 보다 다기능의 분석을 위해서는 170 내지 약 800 ㎚의 더 큰 파장 범위가 필요하다. 본 발명의 분석기가 사용될 때 퍼지 가스는 필요하지 않다.
CIII 229.687 ㎚ 라인 강도를 검출하는 분석기(10)의 능력은 특히 레이저(40) 및 스캐너(22)와 텔레스코프(42)의 조합에 의한 결과이다. 이들 컴포넌트는 하기에서 보다 상세하게 설명된다.
레이저(40)의 광학적 개요를 도시한 도 2 및 도 4를 참조하면, 레이저의 광학적 개요는 파이버 지지체(56)를 구비한 피그테일 펌프 레이저 다이오드(38)를 포함한다. 940 ㎚ 파장의 펌프 광은 이득 매체(62) 상에 입사하는 펌프 광에 대해 투명한 입력 반사 요소(60) 및 2-렌즈 콘덴서(58)를 통해 전파하도록 파이버로부터 방출된다. 이득 매체(62)는 1020-1040 ㎚ 펌프 파장 범위의 펌프 광을 생성하는 Yb:YAG 크리스털을 포함한다. 입력 반사 거울(60)은 입력 거울(60)과 출력 거울(64) 사이에 한정된 펌프 레이저 공동을 갖는 펌프 레이저의 고 반사율 거울을 한정한다.
나노초미만 펄스의 형성은 펄스 레이저 기술에서 통상적인 기술자에게 잘 공지된 방식으로 레이저를 모드-고정하도록 구성된 하나 또는 다중 광학 흡수기(OA)(66)를 펌프 레이저 공동에 배치함으로써 실현된다. 바람직하게는, OA(66)는 Cr:YAG 크리스털로 구성된다.
펌프 광은 편광되지 않으므로 편광을 획득하기 위해 처리되어야 한다. 편광된 광을 얻는 한 가지 가능성은 공지된 방식으로 Cr:YAG 크리스털을 절단하는 것이다. 다른 가능성은 별도의 편광기 컴포넌트(68)를 사용하는 것이다. 1030 ㎚ 파장의 편광된 펌프 광은 편광된 펌프 광을 중간 거울(72)에 집광시키는 포지티브 수렴 렌즈(70)에 입사된다.
중간 거울(72) 및 출력 커플러(64)는 비선형 크리스털(74)을 갖는 광학 파라메트릭 발진기(OPO)의 공진기를 형성한다. 비선형 크리스털(74)은 1030 ㎚에서 펌프 광에 의해 펌핑될 때, 이 개요에서 1500 내지 1600 ㎚ 사이에서 변하는 신호 광 파장에서 신호 광의 펄스를 출력하도록 구성된다. 크리스털(74)은 KTP, KTA, RTP 또는 RTA 크리스털으로부터 선택될 수 있으며, 비-임계 동기화(non-critical synchronism)를 위해 절단된다.
공진기를 참조하면, 중간 거울(72)은 1500-1600 펌프 파장에서 100% 반사성이며 펌프 파장에서 완전히 투명하다. 신호 광은 1.5-1.6 ㎛ 파장(0.2- 0.3% 반사율)에서 부분적으로 투명하고, 1030 ㎚ 펌프 파장에서 100% 반사성인 출력 커플러(64)를 통해 공진기로부터 아웃 커플링된다. 광 신호 펄스는 도 9에 도시되어 있다.
Yb:YAG 크리스털은 Nd:YAG 크리스털에 비해 특정 장점이 있다. 예를 들어, Yb:YAG 크리스털은 Nd:YAG 크리스털과 비교하여 낮은 히트(hit)를 생성한다. Nd:YAG에 비해 Yb:YAG의 다른 장점은 본 개시내용의 범위에서 필요한 그 높은 파워 밀도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 스캐너 유닛(22)은 텔레스코프와 조합하여, 나중에 긴밀하게 집광될 수 있도록 신호 광 빔을 확대하고, 이 빔을 시간 경과에 따라 제어 가능하게 편향시켜 신호 광의 펄스가 분석 대상 샘플의 표면에 중첩되지 않게 하도록 구성된다. 이 유리한 특징은 하나 또는 다중 전동기(76)의 편심 모션이 텔레스코프 유닛(42)의 렌즈(78)로 옮겨지는 구조에 의해 실현된다. 결과적으로, 분석기(10)의 단부편이 다시 샘플에 긴밀하게 가압되는 동안, 렌즈(78)는 각도 변위되어 샘플의 표면상의 특정 구역을 가로질러 신호 광을 안내한다. 신호 광의 각각의 펄스는 절대 동일한 위치를 두 번 조사하지 않으면서 구역 내에서 플라즈마를 생성한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 스캐너는 장치의 프레임(90)에 단단히 장착된 지지체(84)를 더 포함한다. 렌즈(78)를 포함하는 빔 확장 광학장치를 수납하는 텔레스코프 유닛의 원통형 슬리브(84)가 탄성 링(88)에 의해 지지체(86)에 장착된다. 탄성 링은 실리콘과 같은 물질로 만들어지며 환경적 요인에 관계 없이 그 특성과 형상을 보전한다. 슬리브(84)는 캔틸레버(82)에 의해 전동기(76)에 고정된다.
슬리브(84), 캔틸레버(83) 및 모터(76)를 포함하는 전술한 운동학적 스킴(scheme)은 그에 인가된 힘에 응답하여 그 초기 위치로부터 특정 각도로 지지체(86)에 대해 탄성적으로 변위될 수 있다. 힘이 중단됨에 따라, 슬리브(84)는 탄성 링(88)에 의해 생성된 탄성력에 응답하여 초기 위치로 복귀한다. 레이저(40)는 프레임(90)에 변위 가능하게 고정되기 때문에, 레이저 빔은 지지체(86)에 대해 움직이지 않는다.
슬리브(84)가 그 초기 위치에 있는 경우, 즉 스캐닝이 없다면, 신호 광의 방향은 텔레스코프의 모든 광학 컴포넌트의 광학 축과 일치하며, 레이저 빔은 동일한 위치에 유지된다. 일단 슬리브(84)가 특정 각도로 변위되면, 레이저로부터 표면까지의 거리 및 빔 입사각 모두가 변하고, 이는 레이저 빔의 그 초기 위치로부터의 편향을 초래한다.
슬리브(84)를 변위시키는 힘은 편심 전동기(76)의 회전 중에 나타나는 관성력 뿐이다. 이 힘은 모터의 샤프트로부터 캔틸레버(82)를 통해 슬리브(84)로 전달된다. 상전압(constant voltage)이 전동기(76)에 인가됨에 따라, 관성력도 일정하고 슬리브(84)는 일정한 각도로 편향된다. 이러한 조건 하에서, 레이저 빔은 인가된 전압에 의해 정의된 일정한 직경의 원을 중심으로 움직인다.
인가된 전압의 진폭이 특정 기준에 따라 시간에 따라 변화하기 시작함에 따라, 레이저 빔의 편향의 크기 또한 시간에 따라 변한다. 결과적으로, 기준에 따라, 레이저 빔의 변위는 샘플의 표면 상에 형성된 원형 구역 내에서 나선형, 계단형 및 다른 것과 같은 상이한 궤적을 가질 수 있다.
신호 광의 방출 펄스의 반복률에 따라 전압을 제어 가능하게 변화시킴으로써, 원하는 직경을 갖는 영역을 가로질러 샘플의 표면 상에 레이저 빔의 균일한 분포를 얻는 것이 가능하다.
첨부 도면을 참조하여 개시된 분석기 및 방법을 설명하였지만, 개시된 구조는 도면에 도시된 정확한 구현예에 한정되지 않으며 다양한 변형, 수정 및 적응이 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 범위 또는 사상을 벗어나지 않으면서 통상의 숙련자에 의해 이루어질 수 있다.

Claims (14)

  1. 파지형 분석기를 이용하여 원소 농도를 측정하는 방법이며,
    펄스 레이저에 에너지를 공급하여 각각의 펄스가 0.01 내지 1.5 ns의 지속 기간 및 50 내지 1000 uJ의 펄스 에너지를 갖는 펄스 열을 0.1 내지 50 k㎐의 펄스 반복률로 출력하는 단계;
    분석 대상 샘플에 레이저 빔을 집광시켜 원하는 파장 범위의 특징적 스펙트럼을 조사하는 고온의 고도로 이온화된 플라즈마를 생성하는 단계;
    샘플의 구역을 가로질러 집광된 레이저 빔을 스캐닝하여 단일 펄스에 의해 구역 내의 각각의 위치에서 플라즈마를 생성함으로써 샘플 상에 레이저 빔을 연속적으로 집광하는 단계;
    분광계에서 플라즈마 방사선을 수집하여 신호 출력을 생성하는 단계; 및
    신호 출력을 처리함으로써 샘플에 존재하는 원소의 농도를 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 집광된 레이저 빔은 실질적으로 회절이 제한되고, 1.5-1.6 nm 파장 범위에서 방출되며, 샘플의 표면 상에 5 내지 60 ㎛ 범위의 빔 스폿을 갖는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 하나의 분광계는 1 내지 200 피코미터 범위의 분해능 및 170 내지 800 ㎚의 원하는 파장 범위를 갖는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소강 내의 탄소 농도는 약 0.01%의 검출 한계로 이중 하전 이온 라인 CIII를 사용하여 측정되고, 탄소강에 전형적으로 존재하는 다른 원소의 농도는 0.01% 미만의 검출 한계로 측정되고, 상기 다른 원소는 Si, Mn, Cr, Ni, Mo, Ti, V, Cu 및 Al을 포함하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 등급을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 원소 농도의 측정 결과를 표시하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 스캐닝 중에 집광된 레이저 빔을 오토-포커싱하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 원소 농도를 측정하는 파지형 분석기이며,
    0.1 내지 50 k㎐의 펄스 반복률의 신호 파장에서 신호 광의 펄스 열을 출력하도록 구성된 펄스 레이저 소스로서, 광 신호의 펄스는 각각 0.01 내지 1.5 ns의 지속 기간 및 50 내지 1000 uJ의 펄스 에너지를 갖는, 펄스 레이저 소스;
    각 펄스가 충돌하고, 특징적 스펙트럼을 조사하는 고온의 고도로 이온화된 플라즈마(플라즈마)를 레이저 유도하도록 샘플에서 초점 스폿에 신호 광의 펄스를 집광하기 위해 전파 경로를 따라 제어 가능하게 변위 가능한 집광 렌즈(또는 렌즈 조합체)로서, 초점 스폿은 5 내지 60 ㎛ 범위에서 변하는, 집광 렌즈(또는 렌즈 조합체);
    단일 펄스에 의해 각각의 조사된 표면 위치에서 플라즈마를 생성시키도록 샘플의 표면을 가로질러 집광된 빔을 스위핑하도록 구성된 스캐너;
    플라즈마로부터 광을 수광하고, 스펙트럼을 설명하는 정보를 생성하며 그리고 신호 출력을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 분광계; 및
    신호 출력을 처리하여 샘플에 존재하는 원소의 농도를 측정하는 프로세서를 포함하는, 파지형 분석기.
  9. 제8항에 있어서, 레이저 소스는
    패시브 Q-스위치 레이저(passively Q-switched laser)를 포함하고, 패시브 Q 스위치 레이저는
    기본 파장에서 펌프 광을 출력하고 기본 파장에서 고 반사성인 입력 거울을 구비하는 이테르븀(Yb) 도핑된 고체 상태 이득 매체;
    기본 파장에서 고 반사성이며 입력 거울과 함께 기본 광에 대한 레이저 공동을 한정하는 출력 커플러;
    펌프 광의 펄스를 생성하도록 구성되고 입력 거울과 출력 커플러 사이의 레이저 공동에 위치하는 포화 가능한 흡수기; 및
    포화 가능한 흡수기에 인접하여 위치되고 그리고 기본 파장에서 투명한 제2 거울과 출력 커플러 사이에 형성되는 공진기로 구성되는 광학 파라메트릭 발진기(OPO)로서, OPO는 공진기 내에 배열되어 기본 광을 기본 파장보다 긴 신호 파장에서 신호 광으로 주파수-변환하는 비선형 크리스털을 갖고, 제2 거울은 신호 파장에서 고 반사성이며, 출력 커플러는 신호 파장에서 부분적으로 투명한 광학 파라메트릭 발진기를 포함하는, 파지형 분석기.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 940 내지 950 ㎚ 범위의 서브-펌프 파장에서 Yb 도핑된 고체 상태 이득-매체를 펌핑하는 펌프 소스를 더 포함하며, Yb 도핑된 고체 상태 매체는 1020-1050 ㎚ 범위의 기본 파장에서 작동하는 Yb:YAG 크리스털을 포함하고, 광학 흡수기는 Cr:YAG 크리스털이며, 비선형 크리스털은 1500 내지 1600 ㎚ 범위의 신호 파장을 생성하는 비-임계 매칭된 KTP, KTA, RTP 또는 RTA인, 파지형 분석기.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 포화 가능한 흡수기는 블리칭시(bleached) 기본 파장을 편광시키기 위해 110°절단부를 갖는 Cr:YAG 크리스털인, 파지형 분석기.
  12. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 빔 확장기-스캐너 유닛을 더 포함하며, 스캐너 유닛에는 빔 확장기 출력에서 확장되는 신호 광이 충돌하고,
    빔 확장기-스캐너 유닛은
    광학 컴포넌트를 포함하는 빔 확장기 튜브,
    축을 중심으로 회전 가능한 샤프트를 갖는 빔 확장기 튜브에 장착된 적어도 하나의 전동기,
    축에 대해 모터의 각도 변위를 유발하기 위해 샤프트에 장착된 비균형(편심) 중량체,
    레이저 섀시에 고정된 고정 장착부, 및
    고정 장착부와 빔 확장기 튜브 사이에 위치된 탄성 커플러를 포함하고,
    전동기 입력 전압 값에 따라, 빔 확장기 튜브는 레이저 출력 빔 축에 대한 그 각도 위치가 변하여 빔 방향 변화를 초래하는, 파지형 분석기.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 스캐닝의 패턴은 모터에 인가된 전압 및 전압 인가 시간의 함수인, 파지형 분석기.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 패턴은 표면 상에 초점 스폿들의 균등한 분포를 제공하는, 파지형 분석기.
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