KR20240009760A - 동위원소 대역 필터를 이용한 동위원소비 측정장치 - Google Patents

동위원소 대역 필터를 이용한 동위원소비 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특정 기체로 채워진 기체 셀을 이용한 대역 필터에 대한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소의 탄소 동위원소 중 하나를 기반으로 하는 기체 셀에 대한 것이다. 이는 이산화탄소 내에서 탄소 동위원소 간의 농도비를 측정할 수 있는 측정장치에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 하나 이상의 광원이 포함되는 광원부와, 상기 광원부로부터 조사된 광 경로 상에 위치되고, 가스주입구와 가스배출구가 구비되는 샘플가스 셀과, 상기 샘플가스 셀을 통과한 광 경로상에 위치되고, 제1 동위원소를 포함하는 기체가 존재하는 밀폐공간이 형성되는 제1 대역필터와, 상기 제1 동위원소와 같은 원소의 다른 동위원소인 제2 동위원소를 포함하는 기체가 존재하는 밀폐공간이 형성되는 제2 대역필터가 구비되는 기체 셀 대역필터부 및 상기 기체 셀 대역필터를 통과한 광 경로상에 구비되고, 인입되는 광량을 전기적 신호로 측정하는 광수광부를 포함한다. 제1 동위원소는 13C이며, 제2 동위원소는 12C이다.

Description

동위원소 대역 필터를 이용한 동위원소비 측정장치{isotope ratio measuring device using isotope notch filter}
본 발명은 특정 기체로 채워진 기체 셀을 이용한 대역 필터에 대한 것으로, 보다 상세하게는 이산화탄소의 탄소 동위원소 중 하나를 기반으로 하는 기체 셀에 대한 것이다. 이는 이산화탄소 내에서 탄소 동위원소 간의 농도비를 측정할 수 있는 측정장치에 적용될 수 있다.
탄소 동위원소에 기반한 CO2를 이용한 호흡진단법은 체내에 인위적으로 13C 기반 표지자를 투여한 후 발생하는 호흡의 13CO2와 12CO2의 농도 비율 변화를 측정함으로써 병증의 유무를 진단한다. 현재 일반적으로 13CO2와 12CO2의 농도비 측정에 사용하는 방법은 광 흡수 기반 분광 시스템으로, 광대역 광원의 넓은 방출 파장을 13CO2와 12CO2의 흡수 스펙트럼 영역 별로 분리하여 개별 동위원소의 광흡수량을 측정하여 상대 농도비를 측정하고 있다.
종래의 방식은 광대역 광원에서 방출되는 넓은 스펙트럼 중 각 동위원소 별 흡수 스펙트럼 대역을 분리하기 위하여 다층박막 형태의 대역 필터를 사용한다. 각 대역필터를 통과한 12CO2와 13CO2의 흡수 스펙트럼에 해당하는 빛이 호흡 등의 측정 대상 기체를 통과하면 기체와의 상호작용에 의해 해당 스펙트럼의 에너지가 기체에 흡수되게 된다. 그 이후에 수광부에 도달하는 광의 세기가 달라지는 것을 이용하여 13CO2/12CO2의 상대 농도 변화를 관측하게 된다.
CO2의 경우 중적외선 영역에서 4.1 - 4.6 μm 파장 대역에 강한 흡수 스펙트럼이 존재한다. 다층박막 형태의 대역 필터의 경우 λ/4 두께를 갖는 박막을 반복적으로 적층하여 코팅하여야 하는데, 중적외선 영역은 가시광 및 근적외선 등의 광학 시스템이 많이 이용되는 파장에 비해 파장이 길어서 박막의 두께가 두꺼워져 균등한 코팅이 어렵고, 이에 따라 가공된 대역 필터의 주요 스펙인 중심 파장 및 대역폭이 일정한 품질로 가공되기가 어려운 문제가 있다.
현재 시판되는 다층박막 형태의 대역필터의 경우 위와 같은 4 μm 대역에서 중심파장은 40-50 nm, 대역폭의 경우 10-20 nm 수준의 공차가 존재하므로, 원하는 영역에서 정밀한 대역필터를 제작하기에 어려움이 있다. 또한, 13CO2와 12CO2의 흡수 스펙트럼이 서로 겹쳐져 있는 영역에서는 기존의 필터로는 각각의 파장영역을 선택적으로 완벽히 구별하는 것이 불가능하다는 문제가 있다. 이는 분광학적 측정에서 이용가능한 이산화탄소의 흡수스펙트럼의 영역을 한정 짓게 되며, 최종적으로 신호대 잡음비가 감소하는 단점이 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하는 대역필터의 개발이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-0436320호 (2004.06.07)
본 발명은 위와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 특정 기체를 고순도로 주입한 기체 셀을 파장 추출용 대역 필터로 이용하여 동위원소의 농도비를 측정하는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 기체 셀 대역 필터를 활용한 동위원소의 농도비 측정장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 하나 이상의 광원이 포함되는 광원부와, 상기 광원부로부터 조사된 광 경로 상에 위치되고, 가스주입구와 가스배출구가 구비되는 샘플가스 셀과, 상기 샘플가스 셀을 통과한 광 경로상에 위치되고, 제1 동위원소를 포함하는 기체가 존재하는 밀폐공간이 형성되는 제1 대역필터와, 상기 제1 동위원소와 같은 원소의 다른 동위원소인 제2 동위원소를 포함하는 기체가 존재하는 밀폐공간이 형성되는 제2 대역필터가 구비되는 기체 셀 대역필터부 및 상기 기체 셀 대역필터를 통과한 광 경로상에 구비되고, 인입되는 광량을 전기적 신호로 측정하는 광수광부를 포함한다. 제1 동위원소는 13C이며, 제2 동위원소는 12C이다.
본 발명은 위와 같은 기체 셀 대역필터를 포함하는 동위원소비 측정장치를 통하여, 기체 고유의 흡수 스펙트럼을 이용하여 원하는 파장에서 정밀한 대역필터를 구성할 수 있고, 동위원소의 흡수 스펙트럼이 겹쳐 있는 영역에서도 기체 셀에 포함된 특정한 동위원소의 파장만을 효과적으로 추출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 위와 같은 동위원소비 측정장치를 통하여, 호흡진단을 위한 탄소 동위원소의 비율을 정밀하고 효율적으로 측정 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실예에 따른 동위원소비 측정장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동위원소비 측정장치에 포함된 대역필터의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동위원소비 측정장치에 포함된 대역필터의 단면도이다.
도 4는 2200 내지 2600cm-1 파장범위에서 CO2의 동위원소의 흡수선 그래프이다.
도 5는 3000cm-1 파장범위에서 CO2의 동위원소의 흡수선 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명하도록 한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경 또는 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
광대역 광원에서 방출되는 넓은 스펙트럼 중 동위 원소 별 흡수 스펙트럼 대역을 분리하기 위하여 다층 박막 형태의 대역필터를 사용하는 것이 일반적이다.
그리고, 대부분의 기체에서 흡수 스펙트럼이 강한 파장은 ro-vibrational mode가 존재하는 중적외선 영역이다. 일 예로서, CO2의 경우 4.1 - 4.6 μm 영역에 흡수 스펙트럼이 존재한다.
중적외선 영역의 경우, 가시광선 및 근적외선과 같이 광학 시스템에서 많이 이용되는 파장에 비하여 파장이 긴 특징이 있고, 이러한 특징상 다층 박막 형태의 대역필터에서 박막의 두께가 두꺼워져서 균등한 코팅이 어렵다. 따라서, 일정한 품질로 가공되기 어렵다는 문제가 있다.
또한, 중적외선 영역에서 위와 같은 품질의 문제상, 공차가 비교적 큰 다층 박막 대역필터를 사용하게 된다. 만일, 광대역 광원을 이용하여 동위원소의 파장 대역을 분리하고자 하는 경우에는, 동위원소의 특성상, 흡수 스펙트럼이 서로 겹쳐져 있는 영역이 형성되고, 앞서 언급한 공차와 비교하여 비교적 좁은 범위에서 동위원소의 흡수영역이 형성되므로, 흡수 스펙트럼이 겹쳐있는 영역에서는 각각의 파장영역을 완벽히 구별하는 것이 불가능하다.
특히 이산화탄소의 경우 탄소 동위원소인 12C와 13C를 포함하는 CO2의 흡수스펙트럼은 그 사이의 간격이 수백 MHz(~ pm) 수준으로 좁게 형성이 되어, 기존 다층박막 형태의 대역필터로는 분리가 불가능하다. 기존에는 이 같은 문제를 회피하기 위하여, 서로 영역이 겹치지 않는 흡수 스펙트럼만을 측정에 이용하고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하여, 광대역 파장에서 측정에 이용하는 흡수 스펙트럼의 영역을 넓히고, 서로 겹쳐진 영역 또한 측정에 이용하여 신호대 잡음비의 향상을 기대할 수 있는 기체 셀 기반의 대역필터(1)를 포함하는 동위원소비 측정장치(100)를 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 동위원소비 측정장치의 개략적인 구성을 도시한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동위원소비 측정장치에 포함된 기체 셀 기반의 대역필터의 사시도를, 도 3은 단면도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예는, 하나 이상의 광원이 포함되는 광원부(2)와, 상기 광원부(2)로부터 조사된 광 경로 상에 위치되고, 가스주입구와 가스배출구가 구비되며 샘플가스가 주입되는 샘플가스 셀(3)과, 상기 샘플가스 셀(3)을 통과한 광 경로상에 위치되고, 제1 동위원소를 포함하는 기체가 존재하는 밀폐공간(20)이 형성되는 제1 대역필터(1A)와, 상기 제1동위원소와 같은 원소의 다른 동위원소인 제2 동위원소를 포함하는 기체가 존재하는 밀폐공간(20)이 형성되는 제2 대역필터(1B)가 구비되는 기체 셀 대역필터부 및 상기 기체 셀 대역필터부를 통과한 광 경로상에 구비되고, 인입되는 광량을 전기적 신호로 측정하는 광수광부(4)를 포함한다.
본 발명은 샘플 가스에 들어있는 동위원소의 상대적인 숫자를 비교하기 위하여, 측정하고자 하는 동위원소의 수만큼 광 경로를 설정할 수 있다. 일 예로서, 2개의 광경로를 가진 경우로 설명한다.
광원부(2)는 샘플 가스가 흡수하는 영역의 광을 방출할 수 있는 모든 광원을 포함하고, LED와 같은 광대역 광원을 사용할 수 있다.
일 실시예로서, 동위원소의 수에 따라 2개 각각의 광원을 구비한다. 그러나 1개의 광원으로 회절격자, 광분배기 등의 광학적 기구에 따라 분배하여 측정할 수도 있다.
이하 광원부(2)에서 조사되는 광의 경로에 따라 샘플가스 셀(3), 기체 셀 대역필터부 및 광수광부(4)가 위치된다.
광원부(2)에서 조사된 광은 제1 광학렌즈(7)를 통과한다. 제1 광학렌즈(7)를 통하여 광원부(2)에서 조사된 광을 평행광으로 조절 할 수 있다. 제1 광학렌즈(7)를 통과한 광은 샘플가스 셀(3)로 향한다.
샘플가스 셀(3)은 측정하고자 하는 기체가 주입되는 셀이다. 가스 주입구와 가스 배출구가 각각 구비되어 있고, 측정하고자 하는 샘플 가스가 인입된다.
가스 주입구는 샘플가스를 샘플가스 셀(3) 내부로 샘플가스를 주입하기 위한 구성이고, 가스 배출구는 측정이 완료된 가스를 셀 외부로 유출시키기 위한 구성이다. 이렇게 주입구와 배출구를 함께 구비하게 되면 측정하고자 하는 가스의 연속적인 측정이 가능하다.
그리고 샘플가스 셀(3)의 형태는 측정하고자 하는 동위원소의 흡수 스펙트럼의 세기에 따른 길이비의 차이가 존재하는 L자 형태일 수 있으나, 이러한 형상에 한정되지 않는다.
상기 제1 광학렌즈(7)를 통과한 광은 샘플 가스 셀(3)에 형성된 제1 윈도우를 통하여 셀의 내부로 인입되고 상기 샘플가스에 의하여 특정 파장이 흡수된다. 흡수된 파장은 샘플가스에 포함되어 있는 성분에 따라 달라진다.
특정 파장이 흡수된 광은 샘플가스 셀의 제2 윈도우를 통해 샘플가스 셀(3)의 외부로 통과된다.
상기 샘플가스 셀(3)을 통과한 광은 제2 광학렌즈(8)를 통하여 다시 굴절되고, 한 곳으로 집중된다. 집중된 광은 대역필터(1)를 구비하는 기체 셀 대역필터부로 향한다.
기체 셀 대역필터부는 대역필터(1)를 여러 개 포함하고 있는 구성으로서, 제1 대역필터(1A)와 하나 이상의 제2 대역필터(1B)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예로서, 샘플 가스에 포함된 동위원소의 비율을 측정하기 위한 목적으로서, 광 경로가 비율을 측정하고자 하는 동위원소의 수만큼 형성된다. 예시로서 2개의 광경로를 갖는 경우로 한다. 그러나 광 경로의 수는 그 이상으로 설정될 수도 있다.
제1 대역필터(1A)는 밀폐공간(20)을 형성하는 케이스(10)를 포함한다.
케이스(10)는 적어도 일부가 투명하게 형성되고, 이 부분을 통하여 광이 통과하는 광 윈도우(40)가 형성된다. 즉, 상기 광이 제1 대역필터(1A)를 통과할 수 있도록, 광이 통과되는 광 윈도우(40)는 투명하게 형성될 수 있다.
그리고 광 윈도우(40)는 상기 케이스가 안쪽으로 인입되어 형성될 수 있으며, 밀폐공간(20)에서 광 윈도우(40)의 위치가 대칭되도록 형성될 수도 있다.
상기 케이스(10)는 원통형으로 형성될 수 있다. 원통형으로 구성되는 경우 진공 환경을 구축하는 것이 용이한 효과가 있다. 그러나 특정 형태에 한정되지는 않는다.
상기 케이스(10)의 내부에는 동위원소를 포함하는 기체가 포함된다. 제1 대역필터(1A)를 지나는 광 경로를 제1 광경로라고 한다. 제1 광경로를 통하여 샘플 가스에서 제2 동위원소의 비율을 측정한다.
그러므로, 제1 대역필터(1A)에 포함된 기체는 제2 동위원소와 같은 원소이나 다른 동위원소인 제1 동위원소를 포함한다. 케이스(10)의 내부 기체인 제1 동위원소가 포함된 기체는 높은 순도로 포함되어 있어야 한다.
즉, 제2 동위원소로 구성된 기체도 포함될 수 있으나, 제 1 동위원소를 포함하여 구성된 기체의 수가 제2 동위원소가 포함된 기체의 수보다 더 많은 수로 구성되어 있어야 한다.
제2 대역필터(1B)는 또다른 밀폐공간(20)을 형성하는 케이스(10)를 포함한다.
제2 대역필터(1B)를 지나는 광경로를 제2 광경로라고 할 수 있다.
상기 제1 대역필터(1A)와 마찬가지로, 케이스(10)는 적어도 일부가 투명하게 형성되거나 광학적으로 광이 통과할 수 있도록 형성된 광 윈도우(40)를 포함한다. 제2 광경로는 광원부(2)로부터 조사되어 제2대역필터(1B)의 광 윈도우(40)를 통과한다.
즉, 상기 광이 제2 대역필터(1B)를 통과할 수 있도록, 상기 광 윈도우(40)는 제2 광경로를 따라서 케이스(10)에서 인입되는 부분 및 인입된 광이 통과하는 부분에 형성된다.
상기 케이스(10)는 원통형으로 구성될 수 있으며, 진공으로 형성되는 경우 진공 환경을 구축하는데 용이한 효과가 있다. 그러나 특정 형태에 한정되지 않는다.
상기 케이스(10)의 내부에는 동위원소를 포함하는 기체가 포함된다. 제2 대역필터(1B)에는 제1 대역필터(1A)에 포함된 제1 동위원소와 다른 제2 동위원소가 포함된다. 제2 대역필터(1B)의 밀폐공간(20)에는 제2 동위원소가 포함된 기체는 높은 순도로 포함되어 있어야 한다.
즉, 제1 동위원소가 포함된 기체도 포함될 수 있으나, 제2 동위원소가 포함된 기체의 수가 제1 동위원소가 포함된 기체의 수보다 더 많은 기체로 구성되어 있어야 한다.
상기와 같이 구성되어, 제2 광경로로 샘플가스에 포함된 제1 동위원소의 비율을 측정할 수 있다.
그러므로, 제1 광경로와 제2 광경로에서 광은 서로 다른 동위원소가 높은 순도로 포함된 제1 대역필터(1A)와 제2 대역필터(1B)를 각각 통과한다.
제1 대역필터(1A) 및 제2 대역필터(1B)의 상기 케이스(10)에는 일측에 형성된 포트(30)를 더 포함할 수 있다. 상기 포트(30)를 통하여 밀폐공간(20)에 주입되는 기체의 양을 조절할 수도 있다.
상기 밀폐공간(20)에 존재하는 기체의 물리적 구성이 동일하다면, 기체의 양을 조절하는 경우, 밀폐공간(20)의 크기는 일정하므로, 기체의 압력이 달라지게 된다.
이 경우, 내부에 인입된 기체가 흡수하는 흡수 스펙트럼의 형태가 달라지게 되므로, 흡수되는 필터링의 세기 및 필터링 대역폭의 조절이 가능하다. 또한 기체 셀의 온도를 조절하여, 내부 기체의 온도를 변화 시키면 흡수 스펙트럼의 중심 파장의 이동이 가능하다. 이는 필터링의 세기, 대역폭, 중심파장의 이동이 가능한 광학필터(Tunable Optical Filter)로서 사용 가능한 효과가 있다.
상기와 같이 필터링의 세기, 대역폭 및 중심파장의 이동이 가능한 광학필터로 사용하기 위하여, 제1 대역필터(1A)는 제1 동위원소를 포함한 기체 용기(70)와 펌프(5), 진공 게이지(6)를 더 포함하고, 제2 대역필터(1B)는 제2 동위원소를 포함한 기체 용기(60)와 펌프(5), 진공 게이지(6)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 그리고, 제1 대역필터(1A) 및 제2 대역필터(1B)에 내부의 밀폐공간(20)의 개폐를 위한 조절밸브가 더 포함될 수도 있다.
제1 대역필터(1A) 및 제2 대역필터(1B)의 상기 케이스(10)에는 제1 광경로 또는 제2 광경로에 따라 위치를 조절하기 위하여 결합구(11)를 더 포함한다. 결합구(11)를 통하여 직접적으로 위치를 변경 및 고정할 수도 있고, 위치 조절을 위한 구조물을 결합시킬 수도 있다.
상기 기체 셀 대역필터부를 통과한 광의 경로 상에 위치되는 광수광부(4)를 통하여 인입되는 광량을 전기적 신호로 측정할 수 있다.
광수광부(4)에서 인입된 광량의 변화를 전기적 신호로 도출할 수 있다. 예를 들면 전압차로서 인식할 수 있다.
기준으로 삼고자 하는 기체(reference gas)를 상기 샘플가스 셀(3)에 주입하여 획득한 측정한 값을 기준으로 할 수 있다. 그 이후에 측정하고자 하는 기체를 상기 샘플가스 셀(3)에 주입한 후 측정하여 광수광부(4)에서 획득한 값으로 변화를 알 수도 있다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 광수광부(4)에서 측정된 측정값으로 상기 제1 동위원소와 상기 제2 동위원소의 비율이 계산되는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
제1 대역필터(1A)와 제2 대역필터(1B)는 서로 다른 동위원소를 포함하고 있으므로, 상기 제1 대역필터(1A)를 통과한 광수광부(4)의 측정값인 제1 측정값과 제2 대역필터(1B)를 통과한 광수광부(4)의 측정값인 제2 측정값을 비교하여 동위원소의 비율을 계산할 수 있다.
제2 대역필터(1B)는 동위원소의 수에 따라 그 수를 변경할 수 있으므로 2개 이상의 동위원소가 존재하는 경우에도 본 발명의 실시예에 따른 동위원소비 측정장치(100)를 사용하여 측정할 수 있다.
본 발명의 일 예로서, 광 경로를 조절할 수 있도록 반사체(미도시)를 더 포함할 수 있다. 광 경로를 길게 또는 짧게 형성하는 경우, 기체에 의하여 흡수되는 정도가 다르게 되므로, 반사체가 더 포함되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 동위원소비 측정장치(100)에 위치된 샘플가스 셀(3)은 내부에 진공의 환경이 구축된 후 측정하고자 하는 측정가스가 인입되어야 한다. 이를 통하여 공기에 의한 측정 오류 등이 방지된다.
샘플가스 용기(50)가 샘플가스 셀(3)에 연결되어 구성될 수 있다. 이 경우, 관을 통해 연결된 펌프(5)를 통하여 샘플가스 셀(3)의 내부를 진공 환경으로 제작한 후에 주입할 수 있다.
또한, 가스주입구 또는 가스 배출구 개폐하기 위한 조절밸브(9A, 9B)도 포함된다. 조절밸브(9A, 9B)는 샘플가스 셀(3)의 가스 주입구 또는 가스 배출구 상에 위치될 수도 있다.
도 4와 도 5는 이산화탄소의 파장에 대한 흡수선을 도시한다. 12CO2와 13CO2 각각의 흡수선을 도시한다. 도 4는 2000 내지 2600cm-1의 파장범위에서 도시하고, 도 5는 2300cm-1부근의 파장 범위를 자세하게 도시한 그래프이다.
일 예로서, 측정하고자 하는 동위원소가 C일때, 동위원소가 포함된 기체는 CO2이고, 제1 대역필터(1A)와 제2 대역필터(1B)에 포함되는 기체의 제1 동위원소는 13C, 제2 동위원소는 12C일 수 있다.
기존의 다층박막기반의 광학 대역필터는 특정 파장영역을 선택하여 구별하는 방식으로 12CO2와 13CO2의 흡수스펙트럼이 있는 영역을 선택하여, 해당 영역에서의 광량 변화를 통해 동위원소의 비율을 계산하게 된다.
13CO2와 12CO2의 호흡 내 농도 차이를 이용하여 병증을 진단하는 흡수 분광 기반 호흡진단에서 13CO2와 12CO2를 측정하는 파장영역을 구별하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 기체 셀 대역필터부는 13CO2와 12CO2의 흡수 스펙트럼이 위치하는 파장대역의 차이를 이용하며, 각 파장 대역에서의 CO2 기체에 의한 광량 변화를 기반으로 동위원소의 비율을 계산한다.
CO2의 ro-vibrational mode가 존재하는 중적외선 영역에서는 12CO2의 경우 2300-2400 cm-1 영역, 13CO2의 경우 2200-2300 cm-1 영역에서 흡수 스펙트럼이 존재한다.
제1 광경로는 제2 동위원소를 포함하는 12CO2를 측정하고자 하는 경로일 수 있다. 제 1 광경로를 따라서, 제1 동위원소인 13C를 포함하는 13CO2의 수가 12CO2의 수보다 많은 제1 대역필터(1A)가 구비된다.
이렇게 구비됨으로써, 제1 광경로에서는 제1 대역필터(1A)에 13CO2가 높은 순도로 포함되어 있어 제1 대역필터(1A)에서 13CO2가 흡수선을 이루는 파장에서 노치 필터(notch filter)로서 작용한다.
그러므로 측정하고자 하는 12CO2의 흡수선과 인접한 파장영역인 13CO2에 의해서 흡수되는 파장성분을 제거할 수 있고, 결과적으로 12CO2의 흡수 스펙트럼에 의해 감쇠하는 광량만을 측정할 수 있다. 이는, 측정시 인접한 13CO2의 흡수스펙트럼에 의한 측정 값의 오차를 줄여, 12CO2와 상호작용에 의해 감쇠하는 광량만을 보다 정확히 측정할 수 있다.
제2 광경로는 제1 동위원소가 포함된 13CO2를 측정하고자 하는 경로일 수 있다. 제2 광경로를 따라서, 제2 동위원소인 12C를 포함하는 12CO2의 수가 13CO2의 수보다 많은 제2 대역필터(1B)가 구비된다.
이렇게 구비됨으로써, 제2 광경로에서는 제2 대역필터(1B)에 12CO2가 높은 순도로 포함되어 있어 제2 대역필터(1B)에서 12CO2가 흡수선을 이루는 파장에서 노치 필터(notch filter)로서 작용한다.
그러므로 측정하고자 하는 13CO2의 흡수선과 인접한 파장영역인 12CO2에 의해서 흡수되는 파장성분을 제거하고, 결과적으로 13CO2의 흡수 스펙트럼에 의해 감쇄하는 광량만을 측정하여 13CO2와 상호작용에 의해 감쇠하는 광량만을 보다 정확히 측정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 예에 따른 측정장치(100)는 동위원소비 측정 감도(Sensitivity)가 개선된다.
도 4에 따르면, 12CO2와 13CO2는 지나가는 경로의 길이에 따라서 흡수되는 정도의 차이가 발생하는 것을 알 수 있다.
이러한 특성을 이용하여, 제1 대역 필터(1A) 또는 제2 대역필터(1B)에서 형성되는 광 경로를 변경하여 흡수되는 정도를 변경할 수도 있다. 즉, 광학적 구성을 통하여 광경로를 조절하거나, 제1 대역필터(1A) 또는 제2 대역필터(1B)에 형성되는 물리적인 밀폐공간(20)의 크기를 조절하여 광경로를 변경할 수도 있다.
특히, 광원부(2)에 형성되는 광원이 LED 광원과 같은 광대역 광원의 경우, 2300 cm-1 영역에서 12CO2와 13CO2의 흡수선이 겹쳐져 있기 때문에 일반적으로 사용되는 LED 광원에서 높은 광량이 출력되는 파장영역임에도 불구하고 측정에 사용되기가 어려운 문제점이 있다.
도 5에 따르면, 12CO2와 13CO2의 흡수 스펙트럼은 인접한 영역에서 서로 겹쳐지지만, 흡수선을 확대하였을 때 개별 흡수 스펙트럼은 분리가 가능한 것을 알 수 있다.
이를 이용하여, 본 발명의 일 실시예와 같은 대역필터(1)는 촘촘히 붙어있는 흡수 스펙트럼 필요한 영역만을 추출할 수 있고, 따라서 보다 많은 광량을 측정에 이용할 수 있는 효과를 제공한다.
상기와 같은 중적외선 영역에서의 동위원소 흡수선이 겹쳐져서 형성되는 문제점과 본 발명의 일실시예와 같은 기체 셀 대역필터부를 포함하여 동위원소비 측정장치(100)를 활용하면 언급한 문제점을 해결할 수 있다. 또한 이러한 특성은 탄소 동위원소의 동위원소비 측정에 한정되지 않는다.
예를 들면, 이산화탄소(CO2)뿐만 아니라, 물(H2O)의 수소 동위원소를 이용한 원자로 운행시 중수의 누출 검지 등에도 본 발명의 일 실시예에 따른 동위원소 검출 시스템이 사용 가능하다.
이상에서는 본 발명을 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상의 변화 없이 통상의 기술자에 의해서 변형되어 실시될 수 있음은 물론이다.
100: 동위원소비 측정장치
1: 대역필터
1A: 제1 대역필터
1B: 제2 대역필터
2: 광원부
3: 샘플가스 셀
4: 광수광부
5: 펌프
6: 진공 게이지
7: 제1 광학렌즈
8: 제2 광학렌즈
9A, 9B: 조절밸브
10: 케이스
20: 밀폐공간
30: 포트
40: 광 윈도우

Claims (7)

  1. 하나 이상의 광원이 포함되는 광원부;
    상기 광원부로부터 조사된 광 경로 상에 위치되고, 가스주입구와 가스배출구가 구비되는 샘플가스 셀;
    상기 샘플가스 셀을 통과한 광 경로상에 위치되고, 제1 동위원소를 포함하는 기체가 존재하는 밀폐공간이 형성되는 제1 대역필터와, 상기 제1 동위원소와 같은 원소의 다른 동위원소인 제2 동위원소를 포함하는 기체가 존재하는 밀폐공간이 형성되는 제2 대역필터가 구비되는 기체 셀 대역필터부; 및
    상기 기체 셀 대역필터부를 통과한 광 경로상에 구비되고, 인입되는 광량을 전기적 신호로 측정하는 광수광부;를 포함하는 동위원소비 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 대역필터 및 상기 제2 대역필터는,
    밀폐공간을 형성하는 케이스와,
    상기 케이스에는 상기 광 경로상에는 광이 통과할 수 있는 광 윈도우를 더 포함하는 동위원소비 측정장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기체 셀 대역필터부에는,
    측정하고자 하는 동위원소가 포함된 기체가 존재하고,
    상기 제1 대역필터에 포함된 기체는
    상기 제1 동위원소를 포함하는 기체의 수가 상기 제2 동위원소를 포함하는 기체의 수보다 많으며,
    상기 제2 대역필터에 포함된 기체는
    상기 제2 동위원소를 포함하는 기체의 수가 상기 제1 동위원소를 포함하는 기체의 수보다 많도록 이루어지는 동위원소비 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 동위원소가 포함된 기체가 CO2이고,
    상기 제1 동위원소는 13C이며, 상기 제2 동위원소는 12C인 동위원소비 측정장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 광수광부에서 측정된 측정값으로 상기 제1 동위원소와 상기 제2 동위원소의 비율이 계산되는 제어부를 더 포함하는 동위원소비 측정장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 케이스는 원통형으로 형성되고,
    상기 케이스의 일측에 형성된 포트를 포함하며, 상기 포트를 통하여 상기 기체의 양을 조절하는 동위원소비 측정장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 LED 광원을 포함하는 동위원소비 측정장치.
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