KR900005333B1

KR900005333B1 - 대기압 하에서 작동하는 글로우 방전관을 이용한 무기물 분석장치

Info

Publication number: KR900005333B1
Application number: KR1019870009481A
Authority: KR
Inventors: 양근영
Original assignee: 주식회사 금성사; 최근선
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1987-08-28
Publication date: 1990-07-27
Also published as: KR890004160A

Abstract

내용 없음.

Description

대기압 하에서 작동하는 글로우 방전관을 이용한 무기물 분석장치

제1도는 종래 무기물 분석장치의 구성도.

제2a, b도는 종래 무기물 분석장치의 작용을 설명하기 위한 설명도로서,

(a)는 GDL동작전의 샘플을 보인 종단면도.

(b)는 GDL동작후 샘플이 깍여진 형상을 보인 종단면도.

제3도는 본 발명 무기물 분석장치의 구성도.

제4도는 본 발명에 의한 GDL을 보인 분해사시도.

제5도는 동상의 체결상태 단면도.

제6a, b도는 램프전압 발생기에 의한 레이저빔의 주파수 가변상태를 보인 그래프로서,

(a)는 램프전압 발생기로부터의 전류모듈레이션 시그널을 보인 그래프.

(b)는 램프전압 발생기에 의한 반도체 레이저의 주파수 변화를 보인 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31 : 레이저 37 : 빔스프리터

38 : 글로우 방전관 49 : 트리거전극

50 : 알곤가스 주입공 51 : 애노드

52 : 하측절연체 52a : 돌출부

53,55 : 파이버 체결공 54 : 캐소드

54a : 요입부 56 : 샘플

57 : 알곤가스배출공

본 발명은 대기압 하에서 작동하는 글로우 방전관을 이용한 무기물 분석장치에 관한 것으로, 특히 금속분석에 적당하도록 한 무기물 분석장치에 관한 것이다.

종래의 무기물 분석장치는 제1도에 도시한 바와같이, 샘플(1)과 창(2)에 의하여 밀폐되어 샘플(1)을 증발시키는 GDL(Glow Discharge Lamping:글로우 방전관)(3)이 구비되고 GDL(3)로부터 방출한 빛을 그레이팅(Grating:회절판) (4)에 집속하는 집속렌즈(5), 그레이팅(4)에서 회절된 빛을 검지하는 슬릿(6) 및 PM튜브(Photomultiplier Tube:광전자 증배관) (7)를 내장한 스펙트로메타(Spectrometer:분광계) (8)가 구비되며, GDL(3)이 샘플(1)을 증발시키도록 GDL(3)에 고전압을 공급하는 고전압 전원공급기(9), GDL(3)내부에 알곤가스를 공급하는 알곤가스 공급시스템(10), GDL(3)의 내부압력을 낮추며 스펙트로메타(8)의 내부를 진공으로 만들어 공기입자에 의한 빛의 산란과 PM튜브(7)가 산화하는 것을 방지하는 진공펌프(11), 스펙트로메타(8)를 진공상태로 유지시키며 GDL(3)로부터 방출한 빛을 통과시키는 창(12), PM튜브(7)로부터의 아날로그신호를 증폭하고 디지탈신호로 바꾸어주는 아날로그/디지탈(A/D)변환 및 증폭기(13), 그리고 주변장치를 콘트롤하며 데이타를 분석하는 컴퓨터(14)로 구성되어 있다.

또한, 상기 GDL(3) 구조는 애노드(15),(16) 절연체(17), 캐소드(18) 및 창(2)로 구성되고, 스펙트로메타(8)에 내장된 슬릿(6)과 PM튜브(7)는 회절판(4)에 의해 회절된 여러파장들 중에서 분석에 필요한 파장들이 지나가는 빛의 경로에 위치하며 GDL(3)에서 캐소드(18)와 샘플(1)은 전기직으로 접촉되어 샘플(1)도 캐소드(18)역할을 한다. 도면에서 19는 입구축 슬릿이다.

이와같이 종래의 분석장치는 측정하고자 하는 원소의 농도를 알고 있는 표준샘플(1)을 GOL(3)에 부착하고 컴퓨터(14)의 콘트롤버스(20)에 의하여 조절되는 고전압공급기(9), 알곤시스템(10) 및 진공펌프(11)로 GDL(3)의 동작조건을 맞추고 동작시키면 고전압공급기(9)에 의해서 애노드(15)와 캐소드(18)(1)사이에 형성된 글로우방전(21)에 의한 전기장의 영향으로 알곤가스가 표준샘플(1)쪽으로 가속되어 충돌하면서 표준샘플(1)로부터 원자를 분리시키며 분리된 원자는 GDL(3)내의 알곤가스 전자, 이온 등과 충돌하면서 여기된다. 여기된 원자들은 여기된 상태로부터 기저상태로 환원하면서 원자의 공명주파수에 해당하는 빛(l)을 방출하게 된다. 표준샘플(1)을 구성하는 모든 원소들의 원자들이 이러한 과정을 반복하여 각 원소들의 공명주파수를 가지는 빛이 GDL(3)로부터 방출되고 방출된 빛은 창(12)을 통하여 집속렌즈(5)와 입구측 슬릿(19)을 거쳐 회절판(4)에 집속된다. 집속된 빛은 회절판(4)에 의해 파장별로 회절한다. 회절판(4)에 의해 회절된 빛은 측정하고자 하는 원소의 공명주파수의 강도를 측정하기 위해 빛이 지나가는 경로에 위치한 출구측 슬릿(6) 및 PM튜브(7)에 의하여 파장별로 강도가 측정된다.

즉, 측정하고자 하는 원소가 3종류라고 하고 표준샘플(1)이 3종류의 원소를 포함하는 합금이라고 하면 GDL(3)로부터 방출되는 빛에 이 원소들의 공영주파수 F₁,F₂,F₃를 가진 빛이 섞여 나오며, 이 빛은 스펙트로메타(8)내에 있는 회절판(4)에 의해 주파수별로 다른 각도를 가지고 회절한다. 이때 F₁,F₂,F₃외 빛이 회절되어 지나가는 경로에 위치한 PM튜브(7)가 강도를 측정한다.

PM튜브(7)에 의하여 측정된 강도 I₁,I₂,I₃는 A/D변환 및 증폭기(13)를 거쳐 증폭되고 디지탈신호로 바뀌어 컴퓨터(14)에 입력된다. 이때 강도 I₁,I₂,I₃는 농도를 알고 있는 원소를 포함한 표준샘플(1)에 의한 강도들이므로 각 원소들의 알려진 농도 C₁,C₂,C₃에 각각 해당하는 강도들이다. 표준샘플(1)에 의한 측정이 끝나면 표준샘플(1)을 제거한다. 그후 원소종류는 표준샘플(1)과 같으나 농도가 알려지지 않는 합금을 표준샘플(1)과 같은 과정으로 측정하면 알려지지 않은 원소의 농도 C₁',C₂',C₃'에 해당하는 강도 I₁',I₂',I₃'가 측정되어 컴퓨터(14)에 입력되고 컴퓨터(14)에 내장된 분석용 소프트웨어가 I₁,I₂,I₃와 I₁',I₂',I₃'를 비교하여 알려지지 않은 농도 C₁',C₂',C₃'의 값을 계산하므로서 측정하고자 하는 원소의 농도를 알아낼 수 있다.

그러나 종래의 무기물 분석장치는 빛을 파장별로 분석하기 위하여 고가의 정밀한 스펙트로메타(8)가 필요하며 스펙트로메타(8)안에 일정한 압력을 유지하기 위해 계속적인 진공펌프(11)의 가동이 필요하게 되어 전력상 손실이 크다. 또한, GDL(3)에서 방출하는 빛을 측정하기 위해 측정하고자 하는 원소의 수량만큼 PM튜브(7)가 필요하다.

뿐만 아니라, 종래장치의 GDL(3)은 샘플(1)과 애노드(15)사이외 간격이 매우 높을 정밀도를 가지고 유지되어야 GDL(3)의 양호한 동작이 가능하며, 샘플(1)과 일정한 간격을 유지하는 애노드(15) 테두리에 전위가 높아 제2도 (a)상태의 샘플(1)이 (b)와 같이 불균일하게 깍이는 결함이 있었다.

본 발명은 이와같은 종래의 결함을 해소하기 위하여 창안한 것으로, 이를 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도 내지 제5도에 도시한 바와같이, 파장을 가변할 수 있는 반도체 레이저등의 레이저(31)와, 레이저의 파장을 가변하고 레이저(31)를 동작시키는 레이저 구동서키트(32) 및 램프전압발생기(33), 레이저(31)의 발산빔을 평행광속으로 만드는 콜리메터(34), 레이저빔을 기준용 레이저빔(35)과 분석용 레이저빔(36)으로 만드는 빔 스프리터(Beam Splitter)(37), 레이저빔을 GDL(38)에 전달하고 또한 GDL(38)로부터 분석용검지기(39)에 전달하는 파이버(40). 분석용 검지기(39)와 기준용 검지기(41)와 각각 연결된 A/D변환 및 증폭기(42)(43), GDL(38)의 상태를 설정하는 고전압공급기(44), 알곤가스공급기(45), 그리고 주변장치를 콘트롤버스(46)에 의해 조정하고 데이타를 입려분석하는 컴퓨터(47)로 구성되어 있다.

본 발명에 의한 GDL(38)은 제4도 및 제5도와 같이 원통형 절연체(48)에 트리거(trigger) 전극(49)이 삽입되고, 상측절연체(48)의 주벽 하측부에 알곤가스 주입공(50)이 형성되며, 상측절연체(48)의 하부에는 그물형 애노드(51)가 고정됨과 아울러, 하측돌출부(52a)에 다수개의 파이버 체결공(53)이 양측으로 대향되게 형성된 하측절연체(52)가 상기 애노드(51)의 하부에 고정되고, 요입부(54a)에 다수개의 파이버 체결공(55)이 양측으로 대향되게 형성되는 동시에 다수개의 알곤가스 배출공(57)이 형성된 캐소드(54)가 하측절연체(52)의 하부에 고정되어 요입부(54a)에 돌출부(52a)가 삽입되고 체결공(53)(55)이 연통되게 되어 있으며, 캐소드(54)의 하측부에 샘플(56)이 고정되도록 되어 있다.

상기 애노드(51)와 전극(49) 사이의 거리는 애노드(51)와 캐소드(54)사이의 거리보다 가까우며 절연체(48)로 절연되어진다. 파이버 체결공(53)(55)은 애노드(51)와 샘플(56)사이에 위치하며, 알곤가스 배출공(57)은 파이버 체결공(53)(55)과 샘플(56)사이에 위치한다. 또한. 전극(49)과 캐소드(56)는 접지되며, 캐소드(54)와 샘플(56)은 전기적으로 접촉하여 샘플(56)도 캐소드(54)가 되게 되어 있다. 알곤 가스는 그물망으로 된 애노드(51)를 통하여 애노드(51)와 캐소드(54)사이에 주입된다.

이와같이 된 본 발명의 작용효과는 다음과 같다.

알곤가스는 GDL(38)에 알곤가스 주입공(50)을 통하여 주입하고 애노드(51)에 고전압공급기(44)로 고전압을 인가하면 애노드(51)와 전극(49) 사이의 거리가 애노드(51)와 캐소드(54)사이의 거리보다 훨씬 가까우므로 애노드(51)와 전극사이에서 매우 약한 트리거 방전(trigger discharge)이 발생하여 알곤 가스를 이온화시키고 트리거 방전에 의한 각유전자나 이온화된 알곤가스가 애노드(51)와 캐소드(54)사이에 형성된 주방전(beam discharge)인 글로우 방전에 의한 전기장의 영향으로 가속되어 샘플(56)과 충돌하고 이로 인하여 샘플(56)로부터 원자들이 떨어져 나와 여기되었다가 기저상태로 환원하면서 빛을 방출한다.

이때, 파장을 가변할 수 있는 레이저빔이 클리메터(34)를 거쳐 빔스프리터(37)에 외해 기준용 레이저빔(35)과 분석용 레이저빔(36)으로 분리되어 분석용 레이저빔(36)은 파이버(40)를 통하여 GDL(38)로 입사되고 기준용 레이저빔(35)은 검지기(41)로 각각 입사된다.

또한, 레이저(31)로부터 발생하는 레이저빔은 램프전압발생기(33)에 의하여 파장이 가변되어 램프전압발생기(33)의 출력전압이 최대일때 레이저빔의 주파수는 최소인 f_min(파장은 최대 : λ_max)이 되고 최저일 경우에는 주파수가 최대 f_max(파장을 최소 : λ_min)가 된다(제6도 참조).

만약 측정하고자 하는 원소가 n종류라 하고 각 원소의 공명주파수가 f₁,f₁,…,f_n이며, f_min〈f₁,f₂…,〈f_max와 같은 조건을 만족시킨다고 하면, 레이저빔의 주파수가 f_min으로부터 f_max까지 변화하면서 각 원소의 주파수 f₁,f₂…,f_n가 일치할 때 각 원소의 원자는 레이저빔에 의해서 여기된다. 즉, 레이저(31)로부터 에너지를 흡수하게 된다. 그러므로 원소의 원자에 의해 흡수되기전 레이저빔의 강도가 I₀라 하면 레이저빔의 주파수가 변함에 따라 각 원자에 의하여 에너지를 빼앗긴 후에 레이저빔의 강도는 I₁,I₂,…,In으로 감소한다.

원소의 종류와 농도를 알고 있는 표준샘플(56)을 캐소드(54)의 하부에 설치하고 동작시키면 표준샘플로부터 각 원소의 원자가 튀어나온다. 만약 원소가 3종류라하고 각 원소의 공명주파수가 f₁,f₂,f₃이며 f_min〈f₁,f₂,f₃〈f_max조건을 만족시킨다고 하면 레이저의 파장이 가변함에 따라 각 원자에 의해 강도가 감소된 레이저빔은 파이버(40)를 통해 검지기(39)에 검지되고 변환 및 증폭기(42)를 거쳐 컴퓨터(47)에 입력된다.

이때, 원소에 의한 감소된 레이저빔의 강도를 I₁,I₂,I₃라고 하고 GDL(38)을 통하지 않는 기준용 레이저빔(35)이 검지기(41), 변환 및 증폭기(43)를 거쳐 컴퓨터(47)에 입력되는 강도를 I₀라 하면 원자에 의해 흡수되지 않는 기준용 레이저빔(35)의 강도와 원자에 의해 흡수된 후의 분석용 레이저빔(36)의 강도의 비 I₁/I₀=I₁, I₂/I₀=I₂, I₃/I₀=I₃를 구할 수 있다. 즉, 원소의 알려진 농도 C₁,C₂,C₃에 의한 레이저빔의 강도 감소비를 구할 수 있다.

한편, 표준샘플(56)을 제거하고 원소의 종류는 표준샘플(56)과 같고 농도가 알려지지 않는 합금샘플을 표준샘플(56)과 같은 방법으로 측정하면, 알려지지 않은 원소의 농도 C₁',C₂',C₃'에 의한 레이저빔의 강도 감소비 I₁'/I₀'=I₁', I₂'/I₀'=I₂', I₃'/I₀'=I₃'를 구할 수 있고 컴퓨터(47)에 내장된 분석용 소프트웨어가 I₁, I₂, I₃와 I₁', I₂', I₃'를 비교하여 알려지지 않은 농도 C₁',C₂'.C₃'의 값을 구할 수 있다. 그리고 표준샘플 측정시의 원소의 원자에 의해 흡수되지 않은 레이저빔의 강도 I₀와, 농도가 알려지지 않은 샘플 측정시의 원소의 원자에 의해 흡수되지 않은 레이저빔의 강도 I₀'가 다르더라도 즉 I₀1$I₀'일때에도 상기 I₁, I₂, I₃및 I₁', I₂', I₃'는 상대적인 강도 감소비이므로 그 감소비로써 원소의 농도 값을 계산하여 정확한 원소의 농도를 측정할 수 있으므로 레이저의 장시간 사용시 레이저 파우어가 저하되어도 측정정확도에 영향을 주지 않는다.

상술한 바와같은 본 발명 무기물 분석장치는 종래와 같이 고가의 PM튜브를 사용하는 스펙트로메타를 사용할 필요가 없게 되어 제조원가가 절감되며, 또한 스펙트로메타 내부의 저압유지를 위하여 진공펌프론 계속적으로 가동시켜야 하는 진공유지작업이 불필요하게되어 전력 사용량이 절감된다. 또한 본 발명은 트리거전극을 사용하여 트리거 방전을 일으켜 애노드와 캐소드 사이에 균일한 글로우방전을 형성시키므로 종래장치에서 발생하는 샘플의 불균일한 깍임현상을 방지할 수 있다.

Claims

레이저(31)에서 발생되는 파장이 가변하는 레이저를 빔스프리터(37)에서 기준용 케이저빔과 분석용 레이저빔으로 나누고 분석용 레이저빔을 글로우 방전관(38)에 입사하여 측정원소 원자의 레이저빔 에너지 흡수에 의한 레이저의 감소된 강도와 기준용 빔의 강도를 비교하여 원소의 농도를 비교하여 원소의 농도를 측정하는 무기물 분석장치에 있어서, 상기 글로우 방전관(38)이 트리거 전극(49)과, 그 트리거전극(49)이 삽입지지되는 원통형 상측절연체(48)와, 그 상측절연체(48)와 돌출부(52a)를 가지는 하측절연체(52)사이에 고정되는 애노드(51)와, 요입부(54a)를 가지는 캐소드(54)와, 캐소드(54)의 하면에 고정되어 전기적으로 접속되는 샘플(56)로 구성되며, 상기 돌출부(52a)와 그가 삽입되는 요입부(54a)의 주벽에는 와이버 체결공(53)(55)이 양측으로 연통되게 형성됨과 아울러 요입부(54a)의 주벽에 수개의 알곤 배출공(57)이 형성되고 상기 상측 절연체(48)의 주벽 하측에는 알곤 주입공(50)이 형성되어 구성됨을 특징으로 하는 대기압 하에서 작동하는 글로우 방전관을 이용한 무기물 분석장치.
제1항에 있어서, 상기 애노드(51)가 그물망 형상의 전극인 것을 특징으로 하는 대기압 하에서 작동하는 글로우 방전관을 이용한 무기물 분석장치.
제1항에 있어서, 메인 글로우 방전관이 밭생하기 전에 트리거 방전이 발생하도륵 트리거 전극(49)과 애노드(51)사이의 거리보다 20-30배 먼 위치에 캐소드(56)가 위치하게 구성함을 특징으로 하는 대기압 하에서 작동하는 글로우 방전관을 이용한 무기물 분석장치.