KR900005329B1 - 레이저광을 이용한 무리물 분석장치 - Google Patents

레이저광을 이용한 무리물 분석장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

레이저광을 이용한 무기물 분석장치
제1도는 종래의 무기물 분석장치를 보인 블록도.
제2도는 본 발명의 무기물 분석장치를 보인 블록도.
제3a, b도는 본 발명의 무기물 분석장치에 의한 GDL을 보인 설명도로서, (a)는 GDL의 종단면도. (b)는 (a)의 A-A선 단면도.
제4a, b도는 종래의 무기물 분석장치 및 본 발명의 분석장치에 의하여 샘플이 깍인 상태를 보인 설명도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
4 : 컴퓨터 5 :고압공급부
6 : 아르곤가스공급부 7 : 배기펌프
21 : 램프전압발생기 22 : 구동부
23 : 레이저발생기 23A-23D : 레이저광
24 : 콜리메이터 25 : 빔스프리터
26,30 : 검출기 27,31 : 증폭 및 아날로그/디지탈변환기
28,28A : 화이버관 291 : 애노드
291A,293B : 원통체 291B : 원판형두부
292,293 : 절연체 292A,292B,293A : 통공
272C : 요입부 2920,292E :유입통로
292F : 공간부 273C,293C' : 레이저광통로
293D,293D' : 집속렌즈 29E : 배기통로
294 : 캐소드 294A,294A',294B : 통로
295 :샘플
본 발명은 무기물 원소의 농도(Concentration)를 측정 즉. 금속무기물을 분석하는데 적당한 무기물 분석장칙에 관한 것으로, 특히 레이저광을 이용하여 원소의 농도에 따른 강도(Intensity)를 측정하는 레이저광을 이용한 무기물 분석장치에 관한 것이다.
종래의 무기물 분석장치는 제1도에 도시한 바와 같이 샘플(11)을 분산시켜 발산 빛을 출력하는 GDL(1) 즉, 상기 GDL(1)에서 발산된 빛을 스펙트럼 분해하여 각 원소의 공명주파수(resonance frequency)의 강도를 측정하는 분광계(2)와, 상기 분광계(2)의 출력신호를 증폭하고 디지탈신호로 변환하여 컴퓨터(4)에 입력시키는 증폭 및 아날로그/디지탈변환기부(3)와, 상기 컴퓨터(4)의 제어로 상기 GDL(1)에 고압 및 아르곤가스를 각기 공급하는 고압공급부(5) 및 아르곤가스공급부(6)와, 상기 컴퓨터(4)외 제어로 상기 GDL(1) 및 분광계(2)의 공기를 배기시켜 진공상태로 만드는 배기펌프(7)로 구성되어 있다.
그리고 상기한 GDL(1)온 샘플(11)과 윈도우(12)로 밀폐되고, 샘플(11)과 윈도우(12)의 사이에는 캐소드(13), 절연체(14), 애노드(15) 및 절연체(16)가 순차적으로 개재되고 상기한 분광이(2)는 GDL(1)에서 발산된 빛(17)을 통과시키는 윈도우(21)와, 상기 윈도우(21)를 통과한 빛(17)을 집속시키는 집속렌즈(22)와, 상기 집속렌즈(22)에 의해 집속되어 입구슬로트(23)를 통과한 빛(17)을 공명주파수에 따라 회절시키는 격자(Grating)(24)와, 상기 격자(24)에 의해 회절된 빛(17)을 경직하는 출구슬로트(25) 및 PMT(Photo Multiplier Tube)(26)로 구성되어 있다.
이와같이 구성된 종래의 무기물 분석장치는 GDL(1)의 샘플(11)의 위치에 측정할 원소의 농도를 알고있는 표준샘플을 설치하고, 컴퓨터(4)로 배기펌프(7)를 제어하여 GDL(1) 및 분광계(2)를 진공상태로 만듬과 아울러 고압공급부(5) 및 아르곤가스공급부(6)를 제어하여 GDL(1)에 고압을 인가하고 아르곤가스를 유입시키면, GDL(1)의 캐소드(13)와 애노드(15)의 사이에는 공급된 고압에 의해 전기장이 형성되면서 아르곤가스가 샘플(11) 즉, 표준샘플 방향으로 가속되어 충돌되고, 그 층들에 따라 표준샘플에서 원소가 분리되며, 그 분리된 원소는 GDL(1)내의 아르곤가스 및 전자이온등과 충돌되면서 여기(excit)되며, 그 여기된 원소들은 기저(Ground)상태로 환원되면서 원소의 공명주파수에 해당하는 빛(17)을 방출하게 되며, 이와같은 동작은 샘플(11)의 각 원소에 대해 반복하여 각 원소의 공명주파수를 포함한 빛(17)이 GDL(1)로부터 윈도우(12)를 통해 발산된다.
그리고, GDL(1)에서 발산된 빛(17)은 분광계(2)의 윈도우(21)를 통하고, 집속렌즈(22)에 의해 집속되어 입구슬로트(23)를 통해 격자(24)에 입사되므로 격자(24)는 빛(17)을 공명주파수에 따라 회절시키시키고, 그 회절된 빛(17)은 측정하고자 하는 원소의 공명주파수의 강도를 측정하기 위하여 빛(17)의 진행경로에 설치된 출구슬로트(25) 및 PMT(26)에 의해 공명주파수 별로 강도가 측정된다.
즉, 측정할 원소의 수가 N종류라 하고, GDL(1)에 설치한 표준샘플이 그 N종류의 원소를 포함한 합금이라고 가정하면, GDL(1)에서 발산된 빛(17)에 그 N종류의 공명주파수 v1, v2,……,vn을 포함하고 있고, 그 빛(17)은 분광계(2)의 격자(24)에 의해 공명주파수 별로 각기 다른 각도로 회절되며, 이때 회절된 v1, v2,……,vn의 진행경로에 설치된 PMT(26)가 v1, v2,……,vn의 강도 I1,I2,……,In를 측정하게 된다.
그리고, PMT(26)에 의해 측정된 공명주파수 v1, v2,……,vn의 강도에 I1,I2,……,In은 증폭 및 아날로그/디지탈변환기(31)(32),‥‥‥,(3M)를 통해 증폭되고, 디지탈신호로 변환된 후 컴퓨터(4)에 저장되고, 여기서, I1,I2,……,In은 농도를 알고 있는 원소를 포함한 표준샘플에 의한 강도로서, 각 원소의 알려진 농도의 강도이다.
이와같이 하여 표준샘플의 측정이 완료되면, 샘플(11)의 위치에 원소의 농도를 측정할 측정샘플을 놓고, 상기의 과정을 수행하여 측정하면, 그 측정샘플의 원소의 농도에 상당하는 강도 I'1,I'2,……,I'n 이 측정되어 컴퓨터(4)에 입력되므로 컴퓨터(4)는 표준샘플의 강도 I1,I2,……,In과 측정샘플의 강도 I'1,I'2,‥‥‥1'n를 비교하여 측정샘플의 알려지지 않은 원소의 농도를 측정하게 된다.
그러나, 이와같은 종래의 무기물 분석장치는 빛을 각 공명진동수별로 분석하기 위하여 고가의 분광계를 필요로 함은 물론 분광계의 내부압력을 일정하게 유지시키기 위하여 배기펌프를 계속 구동시켜야 되므로 많은 전력이 소모될 뿐만아니라 샘플과 일정간격을 유지하는 애노드의 전위가 높아 제4a도에 도시한 바와 같이 샘플이 불균일하게 깍이는 결함이 있었다.
본 발명은 이와같은 종래의 결함을 감안하여, 분광계를 사용하지 않고, 레이저광을 이용하여 원소의 농도를 측정함은 물론 샘플이 불균일하게 깍이는 것을 방지하게 창안한 것으로, 이를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
제2도는 본 발명 무기물 분석장치의 회로도로서, 이에 도시한 바와 같이 컴퓨터(4)의 제어로 배기펌프(7)가 GDL(29)을 배기시켜 진공상태로 만듬과 아울러 고압공급부(5) 및 아르곤가스공급부(6)가 고압 및 아르곤가스를 공급하게한 무기물 분석장치에 있어서, 상기 컴퓨터(4)의 제어로 램프 전압을 발생하는 램프전압발생기(21)와, 상기 램프전압발생기(21)의 출력전압에 따라 레이저발생기(23)가 가변되는 주파수로 레이저광(23A)을 출력하게 하는 구동부(22)와, 상기 레이저광(23A)을 평행광으로 변환하는 클리메이터(24)와, 상기 클리메이터(24)를 통과한 레이저광(23A)을 기준용 레이저광(23B) 및 분석용레이저광(23C)으로 2분할하는 빔스프리터(25)와, 상기 기준용레이저광(25B)을 검출하는 검출기(26)와. 상기 검출기(26)외 출력신호를 증폭하고 디지탈신호로 변환하여 컴퓨터(4)에 입력시키는 증폭 및 아날로그/디지탈변환기(27)와, 상기 분석용레이저광(23C)을 GDL(29)로 전송하고 GDL(29)에서 레이저광(23D)을 출력시키는 화이버(fiber)관 (28)(2aA)과, 상기 화이버관(28A)을 통과한 레이저광(230)을 검출하는 검출기(30)와, 상기 검출기(30)의 출력신호를 증폭하고 디지탈 신호로 변환하여 컴퓨터(4)에 입려시키는 증폭 및 아날로그/디지탈변환기(31)로 구성하였다.
그리고 GDL(29)은 제3a, b도에 도시한 바와 같이 원통체(291A)의 상부에 원판형 두부(291B)를 형성하여 애노드(291)를 형성하고 원통형절연체(792)에 상기 원통체(291A)가 끼워지는 통공(292A)(292B)을 형성함과 아울러 절연체(292)외 상면에 요입부(292C)를 형성하여 상기 두부(291B)가 끼워지게 하고, 절연체(292)의 중간부에는 아르곤가스가 유입되는 유입통로(292D)를 형성함과 아올러 유입통로(292D) 하부의 통공(292B)의 내경을 통공(292A)의 내경보다 크게하여 유입통로(292E)를 형성하며, 절연체(292)의 저면에는 일정크기의 공간부(292F)를 형성하는 한편, 상기 절연체(292)의 하부에 고정되는 원판형 절연체(293)의 중앙부에 상기 원통체(291A)의 직경(ø1)보다 내경(ø2)이 작은 통공(273A)을 형성함과 아울러 원통체(293B)틀 하향 돌출시키고, 그 원통체(293B)에는 레이저광통로(293C) (293C')를 형성하며 그 통로(293C)(293C')에 집속렌즈(293D)(293D')를 설치함과 아울러 배기통로(293E)를 형성하고, 원통체(293B)가 끼워지는 캐소드(294)에 상기 통로(293C)(293C')(293E)와 연통되는 통로(294A)(294A')(294B)를 형성하고 절연체(293) 및 캐소드(294)외 하부에는 샘플(295)을 설치하여 구성한 것이다.
이와같이 구성된 본 발명은 컴퓨터(4)로 고압공급부(5) 및 아르곤가스공급부(6), 배기펌프(7)를 제어하여 구동시키면, 배기펌프(7)는 GDL(29)의 내부공기를 배기통로(293E)(294B)를 통해 배기시켜 진공상태로 만들고, 아르곤가스공급부(6)는 유입통로(292D)(292E)를 통해 공간부(292F)로 아르곤가스를 공급하며, 고압공급부(5)는 애노드(291)와 캐소드(294)의 사이에 고압을 공중하게 된다.
이와같은 상태에서 컴퓨터(4)의 제어로 램프전압발생기(21)를 구동시키면, 램프전압발생기(21)는 램프전압을 출력, 출력전압을 서서히 증가시키는 것을 일정주기로 반복하면서 출력하고, 그 출력한 랜프전압에 따라 구동부(22)는 레이저발생기(23)틀 구동시켜 래이저발생기(23)는 일정주기로 주파수를 가변시키면서 레이저광(23A)을 출력하게 된다.
이와같이 레이저발생기(23)가 레이저장(23A)을 출력하면, 그 출력한 레이저광(23A)은 클리메이터(24)를 통해 평행광으로 변환되고 빔스프리터(25)를 통해 기준용레이저광(23B) 및 분석용 레이저광(23C)로 2분할된 후 기준용레이저광(23B)은 검출기(26)에 의해 검출되고 증폭 및 아날로그/디지탈변환기(27)를 통해 증폭되고 디지탈신호로 변환되어 컴퓨터(4)에 입력 즉, 컴뮤터(4)에 기준용레이저광(23B)의 강도 I0가 입력되며, 분석용레이저광(23C)은 화이버관(28)을 통해 GDL(29)로 들어가게 된다.
그리고 GDL(29)은 상기와같이 공급된 고압 및 아르곤가스에 의해 애노드(291)와 캐소드(294)의 사이에서 글로우방전이 발생되어 샘플(295)에서 원소가 증발되고, 화이버관(28)을 통한 분석용레이저광(23C)은 통로(294A)(293C) 및 집속렌즈(293D)를 통해 GDL(29)의 내부로 입사되며, 이때 분석용래이저광(23C)의 파장은 램프전압밭생기(21)의 출력전압에 따라 가변되어 램프전압발생기(21)의 출려전압이 최대일 경우에 레이저광(23C)외 파장 즉, 주파수는 최소인 Vmin로 되고, 최저일 경우에는 주와수는 최대인 Vmax로 된다.
여기서, 측정할 원소의 수가 N이라 하고 각 원소의 공명주파수는 v1, v2,……,vn이라 하며, Vmin ＜ v1,v2,……,vn.＜ Vmax 의 조건을 만족한다고 가정하고 레이저광(23C)의 주파수가 Vmin에서 Vmax까지 변화하면서 각 원소의 공명주파수 v1, v2,……,vn와 일치될 때 각 원소는 레이저판(23C)에 의해 여기 즉, 레이저광(23C)에서 에너지를 흡수하여 레이저광(23C)의 강도 I1은 I11,I12,……,I1n로 감소되고, 그 감소된 레이저광(23D)의 강도 I11,I12,……,I1n은 집속렌즈(293D') 및 통로(293C')(294A'), 화이버관(28A)을 통해 검출기(30)가 검출하고, 그 검출한 강도 I11,I12,……I1n은 증폭 및 아날로그/디지탈 변환기(31)를 통해 증폭되고 디지탈신호로 변환되어 컴퓨터(4)에 입력된다.
이와같이 컴퓨터(4)에 디지탈신호로 변환된 레이저광(23B)(23D)이 입력되면, 컴퓨터(4)는 그 입력된 레이저광(23B)의 강도 I1와 레이저광(23D)의 강도 I11,I12,……,I1n을 비교하여 원소의 농도에 따른 강도 감소비
Figure kpo00001
을 구할수 있게되고, 이와 같은 동작을 원소의 농도를 알고있는 표준샘플과 원소의 농도를 측정하고자 하는 측정샘플에 대하여 수행하면, 표준샘플의 강도 감소비 I'1,I'2,……,I'0n와 측정샘플의 강도 감소비 I"1,I"2,……,I"0n를 구할 수 있고, 그 강도 감소비 I'1,I'2,……,I'0n 및 I"1,I"2,……I"0n을 비교하면 특정샘플의 농도를 구할 수 있다.
그리고, 상기에서 표준샘플을 측정할 경우의 레이저광(23C)의 강도 I'1와 측정샘플을 측정할 경우의 레이저광(23C)의 강도 I"1이 다르더라도 강도 감소비 I'1.I'2,……,I'0n 및 I"1,I"2,……,I"0n는 상대적인 강도 감소비이므로 원소의 농도는 정확히 측정할 수 있다.
그리고 GDL(29)은 유입통로(292D)를 통해 유입된 아르곤가스가 애노드(291)와 캐소드(294)의 사이에 도달하기 전에 이온화를 돕는 공간부(292F) 및 유입통로(292D)에서 아르곤가스의 입자충돌이 발생하여 아르곤가스가 이온화되되고, 애노드(291)의 원통체(291A)의 직경(ø1)보다, 절연체(293)의 통공(293A)의 내경(ø2)이 작으므로 애노드(291)의 에지부위(291c)의 전위가 높아 발생하게 되는 샘플(295)의 불균일한 깍임이 방직되고, 샘플(295)은 제5도의 (b)에 도시한 바와 같이 균일하게 깍이게 된다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 고가의 분광계를 사용하치 않고 원소를 분석하므로 제품의 크기를 소형화함은 물론 생산원가를 절감할 수 있고 계속적으로 배기펌프를 구동시키지 않아도 되어 많은 전력을 절약할 수 있으며, 샘플의 불균일한 깍임을 방지하여 원소의 농도를 매우 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 컴퓨터(4)의 제어로 배기펌프(T)가 GDL(29)을 배기시킴과 아울러 고압공급부(5) 및 아르곤가스공급부(6)가 고압 및 아르곤가스를 공급하게 한 무기물 분석장칙에 있어서, 상기 컴퓨터(4)의 제어로 램프전압을 출력하는 램프전압발생기(21)와, 상기 램프전압발생기(21)의 출력전압에 따라 레이저 발생기(23)를 구동시켜 일정주기로 주파수가 가변되는 레이저광(23A)을 출력하게 하는 구동부(22)와, 상기 레이저광(23A)을 평행광으로 만드는 클리메이터(24), 기준용 및 분석용레이저광(23B)(23C)으로 2분할 하는 빔스프리터(25)와, 상기 레이저광(23C)을 GDL(29)로 전송하고 GDL(29)에서 레이저팡(23D)을 출력시키는 화이버관(28)(28A)과, 상기 레이저광(23B)(23D)을 검출하는 검출기(26)(30)와, 상기 검출기(26)(30)의 출력신호를 증폭시하고 디지탈신호로 변환하여 상기 컴퓨터(4)에 입력시키는 증폭 및 아날로그/디긱탈변환기(27)(31)로 구성함을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 무기물 분석장치.
  2. 제1항에 있어서, GLD(29)은 원통체(291A)의 상부에 원판형두부(291B)를 형성하여 애노드(291)를 형성하고, 원통형절연체(292)에 상기 원통체(291A) 및 두부(271B)가 끼워지는 통공(292A,292B) 및 요입부(292C)를 형성하고 절연체(292)의 중간부에는 아르곤가스가 유입되는 유입통로(292D)를 형성함과 아울러 그 유입통로(292D) 하부의 통공(292B)의 내경을 통공(292A)의 내경보다 크게하여 유입통로(292E)를 형성하며, 절연채(292)의 저면 중앙부에는 일정크기의 공간부(292F)를 형성하는 한편. 상기 절연체(292)의 하부 고정되는 원판형절연체(293)의 중앙부에 상기 원통체(291A)의 직경(ø1)보다 내곁(ø2)의 작은 통공(293A)을 형성함과 아울러 원통체(293B)를 하향돌출시키고, 그 원통체(293B)에는 레이저광(23C)(23D)이 전송 및 출력되는 레이저광통로(293C)(293C')를 형성하여 그 통로(293C)(293C')에 집속렌즈(293D)(293D')를 설치함과 아울러 배기통로(293E)를 형성하고 원통체(293B)가 끼워지는 원판형 캐소드(294)에 상기 통로(293C)(293C')(293E)와 연통되는 통로(294A)(294A')(294B)를 형성하고, 절연체(293) 및 캐소드(294)의 하부에는 샘플(295)을 설치하여 구성함을 특징으로 하는 레이저광을 이용한 무기물 분석장치.
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