KR101098124B1 - 멀티가스 감시 및 검출 시스템 - Google Patents
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Abstract
유독 화학 물질이 있는지를 확인하기 위해, 주변 공기를 감시하는 분광 검출 시스템이 설명된다. 시스템은 각종 신경 및 발포성 약품뿐만 아니라 유독성 공업 약품을 포함한 광범위한 화학 성분을 낮은 또는 서브 ppb(part per billion) 레벨로 검출 및 구별할 수 있는 컴팩트하고 휴대형인 다중 가스 분석기일 수 있다. 시스템은 알람 에러(예컨대, 잘못된 포지티브 또는 네거티브)를 최소화하고, 높은 특수성을 제공하며, 응용에 따라 수초 내지 수분 정도의 응답 시간으로 동작할 수 있다. 시스템은, FTIR(Fourier Transform Infrared) 분광계, 가스 샘플 셀, 검출기, 내장 프로세서, 디스플레이, 전원 공급 장치, 공기 펌프, 가열 소자, 및 샘플을 수집하기 위한 공기 흡입구를 가진 다른 구성 요소 및 외부 장치들과의 인터페이스를 위한 전자 통신 포트를 가진, 전적으로 자체 포함형인 분석기일 수 있다.
유독 화학 물질, 주변 공기, 알람 에러, 응답 시간
Description
본 발명은 일반적으로 흡수 분광계에 관한 것으로, 특히 화학전 약품, 유독성 공업 약품, 및 주변 공기에서 발견될 수 있는 다른 트레이스 화합물의 트레이스량을 검출하는 것에 관한 것이다.
분광학(spectroscopy)은 전자기 방사선과 샘플(예컨대, 가스, 고체 및 액체 중 하나 이상을 포함함) 간의 상호 작용에 관한 연구이다. 방사선이 특별한 샘플과 반응하는 방식은 샘플의 특성(예컨대, 분자 조성)에 좌우된다. 일반적으로, 방사선이 샘플을 통과함에 따라, 특정 방사 파장이 샘플 내의 분자에 의해 흡수된다. 흡수되는 방사선의 특정 파장은 특정 샘플 내의 각각의 분자에 특유하다. 방사선의 어느 파장이 흡수되는지를 식별함으로써, 샘플 내에 존재하는 특정 분자를 식별하는 것이 가능하다.
적외선 분광학(Infrared spectroscopy)은, 예컨대, 샘플 내의 분자의 타입 및 개별 분자들의 농도가 샘플(예컨대, 가스, 고체, 액체 또는 그 조합)을 적외선 전자기 에너지를 노출시킴으로써 결정되는 분광학의 특별한 분야이다. 일반적으로, 적외선 에너지는 약 0.7 μm(주파수 14,000 cm-1)와 약 1000 μm (주파수 10 cm-1) 사이의 에너지의 파장을 가진 전자기 에너지로 간주된다. 적외선 에너지는 샘플을 통과하여 향하게 되고, 에너지는 샘플 내의 분자와 상호 작용한다. 샘플을 통과하는 에너지는 검출기(예컨대, 전자기 검출기)에 의해 검출된다. 다음에, 검출된 신호는 예컨대, 샘플의 분자 조성 및 샘플 내의 특정 분자의 농도를 결정하는데 사용된다.
한가지 특별한 타입의 적외선 분광계가 FTIR(Fourier Transform Infrared) 분광계이다. 이 분광계는 다양한 분야, 예컨대, 공기 품질 감시, 폭발물 및 생물학적 약품 검출, 반도체 처리, 및 화학 약품 생산에 사용된다. FTIR 분광계에 대한 다른 응용은 사용자가 샘플 내에 존재하는 분자를 구별하고 다른 분자들의 농도를 결정할 수 있도록 하기 위해 다른 검출 감도를 필요로 한다. 일부 응용에서는, 샘플 내의 개별 분자들의 농도를 약 1 ppb(part per billion) 이내까지 식별하는 것이 필요하다. 산업 응용은 점점 더 나은 감도를 요구함에 따라, 기존의 분광학 시스템의 최적화 및 새로운 분광학 구성 요소의 이용을 통해, 시스템은 샘플 내의 분자의 점점 더 낮은 농도를 반복 가능하게 그리고 신뢰성 있게 분석할 수 있다.
본 발명은 각종 실시예에서, 주변 공기와 같은 가스 샘플에서 유독 화학 물질을 모니터링 및/또는 검출하는 분광 검출 시스템을 특징으로 한다. 시스템은 각종 CWA(chemical warfare agent), 유독성 유기 화합물(toxic organic compound; TOC), 및 유독성 공업 약품(toxic industrial chemical; TIC)을 포함한 광범위한 화학 성분을 낮은 또는 서브 ppb( part per billion) 레벨로 검출 및 구별할 수 있는 컴팩트하고 휴대형인 다수의 가스 분석기일 수 있다. 시스템은 알람 에러(예컨대, 잘못된 포지티브 또는 네거티브)를 최소화하고, 높은 특수성을 제공하며, 응용에 따라 수초 내지 수분 정도의 응답 시간으로 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 시스템은 건물 점유자를 보호하기에 충분한 고속 민감성 위협 경보를 제공하고 또한 적응형 인프라구조 시스템이 오염 물질의 존재에 반응하도록 하기 위해 건물의 공기 처리 시스템에서 전개될 수 있는 절제된 자동화 유닛으로서 패키징될 수 있다. 일 실시예에서, 유닛은, FTIR 분광계, 가스 샘플 셀, 검출기, 내장 프로세서, 디스플레이, 전원 공급 장치, 공기 펌프, 가열 소자, 및 샘플을 수집하기 위한 공기 흡입구를 가진 다른 구성 요소 및 외부 장치들과의 인터페이스를 위한 전자 통신 포트를 가진, 전적으로 자체 포함형인 분석기일 수 있다.
일 양태에서, 본 발명은 트레이스 가스 측정 가능 장치를 특징으로 한다. 이 장치는 제1 방사빔의 소스, 및 상기 소스로부터 상기 제1 방사빔을 수신하고 간섭 신호를 포함하는 제2 방사빔을 형성하는 간섭계를 포함한다. 샘플 셀이 간섭계와 광학적으로 연통하고, 샘플 셀은 샘플 셀의 제1 단부에 오목형 반사 시야면 그리고 상기 시야면에 샘플 셀의 제2 단부에 실질적으로 구형인 오목 반사 대물면을 포함한다. 상기 대물면과 시야면은 대립 관계에 있고, 대물면은 상기 시야면과 대물면 각각에서 다수의 반사를 통해 상기 샘플 셀을 통과하여 전파되는 상기 제2 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점 일치를 증가시키는 원통형 구성요소를 포함한다. 상기 장치는 또한 상기 셀 샘플을 통과하여 가스의 샘플의 흐름을 형성하는 흐름 메커니즘, 상기 샘플 셀과 광학적으로 연통하는 냉각식 검출기, 상기 냉각식 검출기와 전기적으로 연통하는 프로세서를 포함한다. 상기 냉각식 검출기는 상기 샘플 셀 내의 샘플을 통과하여 전파되는 간섭 신호를 수신하고, 상기 프로세서는 상기 간섭 신호로부터 상기 샘플 내의 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정한다. 상기 소스, 상기 간섭계, 상기 샘플 셀, 상기 냉각식 검출기 및 상기 프로세서는 하우징에 배치될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법을 특징으로 한다. 이 방법은 접힌 경로를 형성하기 위해 제1 단부에 있는 시야면 및 대립 관계로 제2 단부에 있는 대물면을 포함하는 샘플 셀을 포함하는 휴대형 흡수 분광계를 제공하는 단계, 및 주변 공기의 샘플을 상기 셀 샘플을 통과하여 흘리는 단계를 포함한다. 주변 공기의 샘플에서 약 500 ppb 미만의 농도를 가진 트레이스 가스를 검출하기 위해 상기 샘플 셀 내에서 전파되는 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위하여 상기 접힌 경로에서 상기 샘플 셀의 부피와 방사빔의 통로수가 최적화될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법을 특징으로 한다. 이 방법은 실질적으로 밀폐된 샘플 셀을 포함하는 흡수 분광계를 제공한다. 상기 샘플 셀은 상기 샘플 셀을 통과하도록 방사빔을 지향시키기 위해 제1 단부에 시야면 그리고 제2 단부에 대립 관계로 대물면을 포함한다. 주변 공기의 샘플을 통과하여 전파되는 방사빔의 제1 신호가 상기 샘플 셀 내에서 제1 압력으로 측정된다. 상기 샘플 셀은 제2 압력이 될 때까지 주변 공기로 압력이 가해지고, 제2 압력으로 주변 공기의 샘플을 통과하여 전파되는 방사빔의 제2 신호가 측정된다. 트레이스 가스의 존재를 나타내는 신호를 결정하기 위해 상기 제1 신호와 상기 제2 신호가 조합된다.
각종 실시예에서, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호는 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정하기 위해 조합될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일은 상기 샘플 영역에서 상기 샘플을 통과하여 전파되는 간섭 신호로부터 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일은 샘플 셀내 샘플을 통하여 전파되는 간섭 신호로부터 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 샘플 셀에 압력을 가함으로써 상기 트레이스 가스의 흡수 프로파일의 진폭이 베이스라인 신호에 대해 증가될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 광학 시스템으로부터 오염 물질을 제거하는 방법을 특징으로 한다. 이 방법은 흡수 분광계의 적어도 하나의 샘플 영역에서 오염 물질의 농도를 결정하는 단계, 및 상기 오염 물질의 농도가 오염 값을 초과하면, 상기 오염 물질을 제거하기 위해 상기 샘플 영역을 정화 온도까지 가열하는 단계를 포함한다. 상기 샘플 영역을 가열하면서 상기 오염 물질의 농도가 감시되고, 상기 오염 물질의 농도가 정화 값에 도달할 때 상기 샘플 영역의 가열을 줄이거나 정지할 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 트레이스 가스 측정 가능 장치를 특징으로 한다. 이 장치는 소스로부터 제1 방사빔을 수신하고 간섭 신호를 포함하는 제2 방사빔을 형성하는 간섭계, 상기 간섭계와 광학적으로 연통하는 샘플 셀, 상기 셀 샘플을 통과하여 가스의 샘플의 흐름을 형성하는 흐름 메커니즘, 적어도 상기 샘플 셀을 가열하는 모듈, 상기 샘플 셀과 광학적으로 연통하는 검출기, 및 상기 검출기 및 상기 모듈과 전기적으로 연통하는 프로세서를 포함한다. 상기 검출기는 상기 샘플 셀 내의 샘플을 통과하여 전파되는 간섭 신호를 수신한다. 상기 프로세서는 상기 간섭 신호로부터 상기 샘플 내의 오염 물질의 농도를 결정하고, 상기 샘플 셀 내의 오염 물질의 농도가 오염 값을 초과하면 상기 오염 물질을 제거하기 위해 상기 샘플 셀을 정화 온도까지 가열하도록 상기 모듈에게 시그널링하고, 상기 모듈이 상기 샘플 셀을 가열하는 동안 상기 오염 물질의 농도를 감시하고, 상기 오염 물질의 농도가 정화 값에 도달하면 상기 샘플 셀의 가열을 줄이거나 정지하도록 상기 모듈에게 시그널링한다.
다른 예에서, 상기 양태들 중 어느 양태 또는 여기서 설명되는 장치 또는 방법은 다음과 같은 특징들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 각종 실시예에서, 상기 트레이스 가스는 약 500 ppb 미만의 농도를 갖고 있다. 일 실시예에서, 상기 트레이스 가스는 약 10 ppb와 약 50 ppb 사이의 농도를 갖고 있다. 일 실시예에서, 상기 하우징은 휴대형이고, 상기 가스의 샘플을 포함하는 주변 공기의 흡입용 구멍을 정의한다. 상기 구멍은 상기 샘플 셀과 유체 통신할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 샘플 셀은 약 0.8 리터 미만의 부피를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 샘플 셀은 약 5 미터와 약 12 미터 사이의 경로 길이를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 장치는 상기 휴대형 하우징 내에 배치되어, 적어도 상기 샘플 셀을 약 40°C와 약 180°C 사이의 온도까지 가열시키는 가열 소자를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 하우징은 건물용 공기 처리 시스템에 장착 가능하다. 알람은 상기 공기 처리 시스템 내의 오염 물질의 존재를 경보하기 위해 소리를 낼 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스의 샘플은 분당 약 3 리터보다 큰 유량으로 상기 샘플 셀을 통과하여 흐른다. 상기 샘플 셀은 약 10 초의 시간 간격으로 약 80%와 약 95% 사이의 가스 교환율을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 가스의 샘플은 화학전 약품, 유독 무기 화합물, 또는 유독성 유기 화합물을 포함한다. 상기 장치는, 사린, 타분, 소만, 유황 겨자, 및 VX 중 적어도 하나의 약 50 ppb에 대해 약 20 초 미만의 응답 시간을 가질 수 있다.
각종 실시예에서, 상기 트레이스 가스를 검출하기 위해 제1 흡수 스펙트럼을 제1 해상도로 측정할 수 있고, 보다 높은 해상도로 제2 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있다. 일부 실시예에서, 트레이스 가스를 검출하기 위해 제1 감도로 제1 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있고, 보다 높은 감도로 제2 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있다.
각종 실시예에서, 시야면은 오목 반사면을 포함할 수 있고, 상기 대물면은 실질적으로 구형인 오목 반사면을 포함할 수 있다. 상기 대물면은 상기 샘플 셀의 접힌 경로를 통과하여 전파되는 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점 일치를 증가시키는 원통형 구성요소를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 샘플 영역에서 상기 샘플을 통과하여 전파되는 간섭 신호로부터 상기 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정할 수 있다.
본 발명의 다른 양태 및 이점은 예컨대 본 발명의 원리를 예시하는 다음의 도면, 상세한 설명, 및 청구의 범위로부터 명백해질 것이다.
상기한 본 발명의 이점은 다른 이점과 함께 첨부 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 보다 잘 이해될 것이다. 도면에서, 동일 참조 문자는 일반적으로 서로 다른 도면들 전체에 걸쳐서 동일한 부분을 나타낸다. 도면은 반드시 일정한 비례로 작성된 것은 아니며, 전반적으로 본 발명의 원리에 대신 중점을 둔다.
도 1은 본 발명에 따라 가스 샘플 내의 트레이스 가스를 감시 및/또는 검출하는 예시적인 검출 시스템의 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 예시적인 광학 구성의 개략도.
도 3은 본 발명에 따라 샘플을 샘플 셀에 도입시키는 예시적인 흐름 시스템의 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 경로 길이/NEA 대 샘플 셀의 광학 표면들 사이의 통로수의 그래프.
도 5는 본 발명에 따라 예시적인 검출 시스템에 트레이스 가스를 입력하는 동안의 트레이스 가스의 농도 대 시간의 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 일련의 측정을 위한 시간 라인을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따라 가스 샘플에서 트레이스 가스를 감시 및/또는 검출하 기 위한 예시적인 검출의 평면도.
도 8은 본 발명에 따라 가스 샘플 내의 트레이스 가스를 감시 및/또는 검출하기 위한 예시적인 검출의 일부 구성 요소들의 평면도.
도 1은 가스 샘플 내의 트레이스 가스를 감시 및/또는 검출하는 예시적인 장치(10)의 블록도를 도시한다. 장치(10)는 사린(sarin), 타분(tabun), 소만(soman), 유황 겨자(sulfur mustard), 및 VX 신경 가스와 같은 물질의 트레이스양을 검출하는데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 고체 또는 액체 물질의 증기가 검출될 수 있다. 장치(10)는 흡수 분광계 및/또는 FTIR(Fourier Transform Infrared) 분광계일 수 있다. 예시된 실시예에서, 장치(10)는 소스(14), 간섭계(18), 샘플 셀(22), 가스 샘플(26)의 소스, 검출기(30), 프로세서(34), 디스플레이(38), 및 하우징(42)을 포함한다. 각종 실시예에서, 장치(10)는 가능하다면 잘못된 포지티브(positives) 또는 네거티브(negatives)를 줄이면서 짧은 시간 기간 내에 가스의 트레이스량을 검출하기 위해 사용될 수 있다.
각종 실시예에서, 소스(14)는 방사빔(예컨대, 적외선 방사빔)을 제공할 수 있다. 소스(14)는 레이저 또는 인코히어런트(incoherent) 소스일 수 있다. 일 실시예에서, 소스는 흑체 복사(blackbody radiation)를 발생하기 위해 약 1000°C까지 가열되는 불활성 고체인 글로바(glowbar)이다. 글로바는 실리콘 카바이드로 형성될 수 있고, 전기적으로 전원 공급될 수 있다. 시스템의 스펙트럼 범위는 약 600 cm-1과 약 5000 cm-1 사이일 수 있다. 시스템의 해상도는 2 cm- 1와 약 4 cm-1 사이일 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 트레이스 가스의 검출시 트레이스 가스의 보다 높은 해상도 스펙트럼을 기록할 수 있다. 더 높은 해상도 스펙트럼은 트레이스 가스의 식별을 도울 수 있다.
각종 실시예에서, 방사 소스(14) 및 간섭계(18)는 단일 계기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 간섭계(18)는 당해 분야에서 통상적으로 알려진 마이켈슨(Michelson) 간섭계이다. 일 실시예에서, 간섭계(18)는 MKS 인스트루먼츠, 인코포레이티드(미국 메사츄세츠 윌밍톤 소재)에서 입수 가능한 BRIK 간섭계이다. BRIK 간섭계는 입력 방사선을 분리 및 조합하는 조합기, 방사선을 변조하는 가동식 코너 큐브(moving corner cube), 중앙 버스트(center burst)를 식별하는데 사용되는 백색광 소스, 및 코너 큐브의 속도를 감시하는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)를 포함할 수 있다. BRIK 간섭계는 열적 변화뿐만 아니라 경사 및 측방향 움직임 에러의 영향을 받지 않을 수 있으며, 이는 간섭계의 내구성(ruggedness)을 개선시킬 수 있다.
일 실시예에서, 간섭계(18)는 방사 소스, 고정식 미러, 이동식 미러, 광학 모듈, 및 검출기 모듈(예컨대, 검출기(30))을 포함하는 모듈일 수 있다. 간섭계 모듈은 그 소스에 의해 생성되어 샘플(예컨대, 샘플 셀(22) 내에 포함된 샘플(26))을 투과하는 모든 광학 주파수들을 측정할 수 있다. 방사선은 방사선을 두 빔, 즉 제1 신호 및 제2 신호로 분리할 수 있는 광학 모듈(예컨대, 광 분리기)로 향한다. 이동식 미러는 전자기 에너지의 이들 두 초기에 실질적으로 동일한 빔들 간의 가변 경로 길이차를 생성한다. 이동식 미러는 통상 일정 속도로 이동되거나 지나간다. 제1 신호가 제2 신호와는 다른 거리(이 실시예에서, 이동식 미러의 이동에 기인함)를 이동한 후, 제1 신호 및 제2 신호는 광학 모듈에 의해 재조합될 수 있고, 이에 따라 두 빔의 간섭에 의해 변조되는 세기를 가진 라디오메트릭(radiometric) 신호가 생성된다. 이 간섭 신호는 샘플을 통과하여 검출기에 의해 검출된다. 다른 샘플들(예컨대, 고체, 액체, 또는 가스)의 존재는 검출기에 의해 검출되는 방사선의 세기를 변조시킬 수 있다. 그러므로, 검출기의 출력은 샘플에 의해 생성된 전자기 신호의 변조뿐만 아니라 고정식 미러와 이동식 미러의 상대 위치들에 의해 형성되는 광학 경로차에 따라 가변의 시간 종속 신호이다. 이 출력 신호는 간섭도(interferogram)로서 설명될 수 있다.
간섭도는 수신된 에너지세기 대 이동식 미러의 위치의 도면으로 표현될 수 있다. 당업자는 간섭도를 시간의 함수인 신호로 본다. 간섭도는 이동식 미러의 변위에 의해 생성되는 가변 광학 경로차의 함수이다. 이동식 미러의 위치는 통상 그리고 바람직하게 일정 속도로 지나가므로, 당업자는 간섭도를 "시간 영역" 신호로 본다. 간섭도는 소스에 의해 방출되어 샘플을 통과하는 에너지의 모든 파장의 합으로 이해될 수 있다. 푸리에 변환(Fourier Transform; FT)이라는 수학적 과정을 이용하여, 컴퓨터 또는 프로세서는 간섭도를, 샘플을 통과하여 흡수 또는 투과되는 광의 특성인 스펙트럼으로 변환할 수 있다. 개별 타입의 분자는 에너지의 특정 파장을 흡수하기 때문에, 간섭도 및 대응 스펙트럼에 기초하여 샘플에 존재하는 분자(들)를 결정하는 것이 가능하다. 유사한 방식으로, 샘플에 의해 흡수되거나 통과되는 에너지의 크기가 샘플 내의 분자(들)의 농도를 결정하는데 이용될 수 있다.
각종 실시예에서, 간섭계는 간섭 신호를 형성하는데 사용되지는 않는다. 광학 신호를 기록하는 데는 흡수 분광계가 사용되며, 트레이스 종(trace species)에 관한 정보는 샘플링 영역을 통과하여 전송되는 신호로부터 도출된다. 예컨대, 흡수 스펙트럼 또는 시차 스펙트럼(differential spectrum)이 이용될 수 있다.
각종 실시예에서, 샘플 셀(22)은 접힌 경로 및/또는 다중 경로 흡수 셀일 수 있다. 샘플 셀(22)은 광학 구성 요소들의 시스템을 수용하는 알루미늄 하우징을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 셀(22)은 미국 특허 제 5,440,143 호에 기재된 바와 같이 접힌-경로 광학 분석 가스 셀이며, 이 공보는 참고 문헌으로서 여기에 포함된다.
각종 실시예에서, 가스의 샘플(26)의 소스는 주변 공기일 수 있다. 샘플 셀(22) 또는 가스 샘플링 시스템은 주변 공기를 수집하여 샘플 셀(22)의 샘플링 영역에 도입시킬 수 있다. 가스의 샘플은 샘플 셀(22)의 입구(46) 및 출구(50)를 포함하는 흐름 시스템을 사용하여 미리 결정된 유량으로 샘플 셀(22)에 도입될 수 있다.
각종 실시예에서, 검출기(30)는 적외선 검출기일 수 있다. 일부 실시예에서, 검출기(30)는 냉각식 검출기이다. 예컨대, 검출기(30)는 한제(cryogen) 냉각식 검출기 (예컨대, MCT(mercury cadmium telluride) 검출기), 스털링(Stirling) 냉각식 검출기, 또는 펠티어(Peltier) 냉각식 검출기일 수 있다. 일 실시예에서, 검출기는 DTGS(deuterated triglycine sulfate) 검출기이다. 일 실시예에서, 검출기는 트레이스 가스를 검출하는 데 필요한 감도를 제공할 수 있는 16-μm 컷오프(cutoff)를 가진 0.5 mm 스털링-냉각식 MCT 검출기이다. 스털링-냉각식 MCT 검출기의 상대 응답도(relative responsitivity)(즉, 파장의 함수로서의 응답도의 비)는 관심 있는 메인 파장 영역(예컨대, 8.3-12.5 μm)에 걸쳐 적어도 80%이다. 또한, 스털링-냉각식 MCT 검출기의 D* 값은 적어도 3x1010cm Hz1 /2 W-1일 수 있다. D*는 검출기 잡음 등가 전력과 활성 요소 영역의 제곱근의 곱의 역으로 정의될 수 있다.
프로세서(34)는 검출기(30)로부터 신호를 수신하고, 트레이스 가스를 그 스펙트럼 지문에 의해 식별하거나 샘플 내의 특별한 물질에 대한 상대 또는 절대 농도를 제공할 수 있다. 프로세서(34)는, 예컨대, 퍼스널 컴퓨터상에서 구동되는 신호 처리 하드웨어 및 정량적 분석 소프트웨어일 수 있다. 프로세서(34)는 처리 유닛 및/또는 메모리를 포함할 수 있다. 프로세서(34)는 샘플 내의 다수의 가스들의 농도를 계산하면서 연속적으로 스펙트럼을 획득 및 처리할 수 있다. 프로세서(34)는 트레이스 가스의 아이덴티티(identity), 트레이스 가스의 스펙트럼, 및/또는 트레이스 가스의 농도와 같은 정보를 디스플레이(38)에 전송할 수 있다. 프로세서(34)는 스펙트럼 농도 시간 기록을 그래픽 및 표 형태로 저장하고 측정된 스펙트럼 및 나머지 스펙트럼을 저장할 수 있으며, 이들은 마찬가지로 디스플레이될 수 있다. 프로세서(34)는 추후에 재처리 또는 검토하기 위해 각종 다른 데이터를 수 집 및 저장할 수 있다. 디스플레이(38)는 음극선관 디스플레이, 발광 다이오드(light emitting diode; LED) 디스플레이, 평판 스크린 디스플레이, 또는 당해 분야에 알려진 다른 적합한 디스플레이일 수 있다.
각종 실시예에서, 하우징(42)은 휴대이거나 강하거나 가벼운 검출 시스템을 제공하도록 되어 있을 수 있다. 하우징(42)은 핸들(handle)을 포함할 수 있고 및/또는 풀카트(pullcart) 또는 손수레(handtruck)와 같은 운송 기구에 쉽게 고정될 수 있다. 하우징(42)은 운반되거나 떨어지는 경우 광학 구조의 미스정렬 또는 구성 요소의 파손에 견디기에 충분히 강할 수 있다. 각종 실시예에서, 장치(10)의 무게는 40 파운드 정도로 작을 수 있다. 일 실시예에서, 장치(10)는 전적으로 자체 포함형(self-contained)이다(예컨대, 샘플을 수집하고, 스펙트럼을 기록하고, 스펙트럼을 처리하고, 샘플에 관한 정보를 디스플레이하는 데 필요한 모든 구성 요소들을 하우징(42) 내에 포함하고 있음).
도 2는 장치(10)와 함께 사용될 수 있는 광학 구성의 실시예를 도시한다. 소스(14)(예컨대, 글로바)로부터의 방사빔은 제1 미러(52)에 의해 간섭계(18) (예컨대, 브롬화칼륨 광 분리기 포함)로 향한다. 방사빔은 포물면 미러(54)(parabolic mirror; PM)에 의해 제1 접이식 미러(58)로 향하여 샘플 셀(22)로 입력된다. 방사빔은 샘플 셀을 나와 제2 접이식 미러(62)에 의해 타원형 미러(66)(elliptic mirror; EM)로 향하고, 타원형 미러(66)는 방사빔을 검출기(30)로 보낸다.
한가지 대표적인 실시예에서, 포물면 미러(54)는 약 105.0 mm의 유효 초점 거리, 약 89.62 mm의 모(parent) 초점 거리를 가질 수 있고, 약 74.2 mm의 오프 센터(off center) 값을 가질 수 있다. 포물면 미러(54)의 직경은 약 30.0 mm일 수 있고, 반사각은 약 45°일 수 있다.
일 실시예에서, 타원형 미러(66)는 약 112.5의 장 반축(major semi-axis), 약 56.09의 단 반축(minor semi-axis), 및 약 7.11°의 타원의 경사각을 가질 수 있다. 타원형 미러(66)의 직경은 약 30.0 mm일 수 있고, 반사각(chief ray)은 약 75°일 수 있다.
각종 실시예에서, 제1 접이식 미러(58)는 약 25 mm의 직경을 가질 수 있고, 제2 접이식 미러(62)는 약 30 mm의 직경을 가질 수 있다.
미러 및 광학 구조는 금 코팅, 은 코팅, 또는 알루미늄 코팅을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 타원형 및 포물면 미러는 금으로 코팅되고, 평판 접이식 미러는 은으로 코팅된다.
각종 실시예에서, 샘플 셀은 대물면(objective surface; 74) 및 시야면(field surface; 78)을 포함할 수 있다. 대물면(74)은 실질적으로 구형 및 오목형일 수 있다. 시야면(78)은 오목형일 수 있고, 대물면(74)과 대립 관계로 위치될 수 있다. 대물면(74)은 두 면(74, 78) 사이에서 전파되는 방사빔의 쓰루풋(throughput)을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점의 일치를 증가시키는 적어도 하나의 원통형 구성요소를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 대물면(74)은 복수의 실질적으로 구형이고 오목형인 반사 대물면을 포함할 수 있고, 각 면은 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점의 일치를 증가시키는 원통형 구성요소를 포함할 수 있다. 대물면(들)의 곡률 중심(들)은 시야면(78)의 뒤에 위치될 수 있다. 적어도 하나의 평면에서 초점 일치를 증가시킴으로써, 왜곡, 비점수차, 구형 수차, 및 코마(coma)가 더 잘 제어될 수 있고, 더 높은 쓰루풋가 실현될 수 있다. 원통형 구성요소가 추가되면, 하나의 평면에서 유효 곡률 반경이 감소되어, 반사면에 입사하는 광이 직교 평면에서 초점에 더 잘 접근할 수 있다. 일 실시예에서, 대물면(74)은 위에 포개어져 두 직교 평면에서 다른 곡률 반경을 제공하는 원통형 구성요소를 갖고 있다. 대물면(74)은 도넛과 유사한 외형을 가질 수 있다.
샘플 셀(22)의 전체 경로 길이는 약 5 m와 약 15 m 사이일 수 있으나, 응용에 따라 더 길고 짧은 경로 길이가 이용될 수 있다. 하나의 구체적인 실시예에서, 샘플 셀(22)은 대물면(74)와 시야면(78) 사이에서 약 48개의 전체 통로 수로 인해 약 10.18 m의 전체 경로 길이를 갖고 있다. 샘플 셀(22)의 광학 구조는 0.5-mm 검출기 및 1 스테라디안 수용각(steradian collection angle)에 대해 최적화될 수 있다. 검출기 광배율은 약 8:1일 수 있다. 대물면(74)과 시야면(78)은 800 cm-1과 1200 cm-1 사이에서 약 98.5%의 공칭 반사율을 가진 금 코팅층을 가질 수 있다. 샘플 셀의 내부 부피는 약 0.2 L와 약 0.8 L 사이일 수 있지만, 응용에 따라 더 크고 작은 부피들이 사용될 수 있다. 하나의 구체적인 실시예에서, 부피는 약 0.45 L이다.
일 실시예에서, 방사빔을 샘플 셀(22)을 향하게 하여 샘플 셀(22)을 통과시 키고, 샘플 셀(22)의 입구 슬릿 상에 방사빔을 포커싱하고, 및/또는 방사빔을 검출기로 향하게 하도록 하는데 사용되는 미러 및 광학 구조는, 방사선의 쓰루풋을 최대화하고 검출 시스템의 감도를 개선시킬 수 있는 샘플 셀의 광학 특성들을 매칭시키도록 최적화될 수 있다.
예컨대, 일 실시예에서, 적절히 정렬된 광학 구성은 약 88.8%의 효율을 를 가질 수 있다. 여기서 사용되는 바와 같이, 효율은 이미지 영역(image square)에 부딪히는 광선들의 수 대 방사 각도 범위 내의 방출 광선들의 전체 수의 비일 수 있다. 일 실시예에서, 접이식 미러(58, 62) 및 검출기(30)의 위치는 조절 가능하며, 이에 따라 간섭계(18), 포물면 미러(54), 샘플 셀(22), 및 검출기(30) 간의 각종 기계적인 허용 오차를 보상할 수 있다. 일 실시예에서는, 쓰루풋을 최적화하기 위해 다음의 공칭 (설계된) 광학 거리들이 이용될 수 있다.
· 약 21.39 mm의 검출기에서 타원형 미러까지의 거리(X1).
· 약 132.86 mm의 타원형 미러에서 접이식 미러까지의 거리(X2).
· 약 70.00 mm의 접이식 미러에서 샘플 셀(필드 미러의 표면)까지의 거리(X3).
· 약 10181.93 mm의 샘플 셀 경로 길이.
· 약 70 mm의 샘플 셀에서 접이식 미러까지의 거리(X4).
· 약 35 mm의 접이식 미러에서 포물면 미러까지의 거리(X5).
도 3은 샘플을 샘플 셀(22)에 도입시키기 위한 예시적인 흐름 시스템(82)의 실시예를 도시한다. 흐름 시스템(82)은 가스 라인(110)에 의해 연결된 필터(86), 흐름 센서(90), 선택적 가열 소자(94), 가스 셀(22), 압력 센서(98), 밸브(102), 및 펌프(106)를 포함한다. 화살표들은 흐름의 방향을 나타낸다. 흐름 시스템(82) 구성 요소들 중 하나 이상은 정화(decontamination) 온도와 CWA 및 TIC의 부식 성질에 견디기 위해, 예컨대, 테플론(Teflon), 스테인레스 강, 및 칼레츠(Kalrez)와 같은 웨트 부품(wetted parts)을 포함할 수 있다.
필터(86)는 모트 코포레이션(Mott Corporation)(미국 코네티컷 파밍스톤 소재)에서 입수 가능한 인라인 2 μm 스테인레스 강 필터일 수 있다. 흐름 센서(90)는 스테인레스 강 wetted parts를 포함하는 매스(mass) 흐름 센서, 예컨대, 맥밀란 컴퍼니(McMillan Company; 미국 텍사스 조지타운 소재)에서 입수 가능한 흐름 센서일 수 있다. 가열 소자(94)는 왓로우 일렉트릭 매뉴팩쳐링 컴퍼니(Watlow Electric Manufactuing Company)(미국 미주리 세인트 루이스 소재)에서 입수 가능한 라인 히터일 수 있다. 압력 센서(98)는 MKS 인스트루먼츠(미국 메사츄세츠 윌밍톤 소재)에서 입수 가능한 바라트론(Baratron) 압력 센서일 수 있다. 밸브(102)는 스테인레스 강일 수 있고, 테프론 o-링, 예컨대, 스와겔록(Swagelok; 오하이오 솔론 소재)에서 입수 가능한 밸브를 포함할 수 있다. 가스 라인(110)은 스와겔록에서 입수 가능한 3/8'' 직경의 배관일 수 있다.
펌프(106)는 가열식 헤드를 가진 "마이크로(micro)" 격막 펌프일 수 있다. 에어 디멘젼스, 인코포레이티드(Air Dimensions, Inc.; 미국 플로리다 디어필드 비치 소재)에서 입수 가능한 Dia-Vac B161 펌프가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 하그레이브스 테크놀로지 코포레이션(Hargraves Technology Corporation; 미국 노쓰 캐롤리나 무어스빌 소재)에서 입수 가능한 소형 격막 펌프가 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 펌프(106)는 공기를 배출하기 위해 샘플 셀(22)로부터 다운 스트림에 위치될 수 있다. 결과적으로, 분석기의 내부 구성 요소들을 오염시킬 위험을 최소화하기 위해 시스템 내에서의 누출은 분석기 안으로 밀려들어가지 않고 분석기로부터 떨어질 수 있다. 또한, 펌프의 엘라스토머과 연관된, 의도하지 않은 화학 반응의 원하지 않는 제품이 샘플 셀(22)로 들어가는 것이 방지될 수 있다.
각종 실시예에서, 흐름 시스템(82)을 통한 유량은 2 L/min과 10 L/min사이일 수 있지만, 응용에 따라서는 더 많고 적은 유량이 이용될 수 있다. 일 실시예에서, 유량은 3 L/min와 6 L/min 사이이다. 샘플의 압력은 약 1 atm일 수 있지만, 응용에 따라서 더 높고 낮은 압력이 유지될 수 있다. 일부 실시예에서, 샘플 셀은 최고 4 atm과 같은 상승된 압력에서 동작될 수 있다. 샘플 셀의 동작 온도는 약 10°C와 약 40°C 사이일 수 있지만, 응용에 따라 더 높고 낮은 온도가 유지될 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 샘플을 약 40°C와 약 180°C까지 가열시키는 가열 소자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 온도는 장치를 정화시키기 위해 약 150°C까지 증가될 수 있다.
각종 실시예에서, 샘플 셀 경로 길이는 약 5 m와 약 12 m 사이일 수 있다. 시야면과 대물면 사이의 간격은 가스 샘플링 유량에 의해 제한될 수 있다. 일 실시예에서, 16 cm 간격 및 32개의 통로를 가진 5.11-미터 샘플 셀은 약 0.2 L의 내부 부피를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 동일한 통로수에 대해, 32개의 통로와 함께 20.3 cm 간격은 약 0.4 L의 부피를 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 25.4 cm 간격은 약 0.6 L의 부피를 가질 수 있다. 적어도 10 초마다 "신선한" 주변 가스를 충분히 공급할 수 있는 유량이 결정될 수 있으나, 보다 작은 샘플링 레이트가 달성될 수 있다. 각종 실시예에서, 유량(예컨대, 2 L/min과 10 L/min 사이)은 가스의 최적 교환율을 제공하기 위해 최적화될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에서, 가스의 교환율은 20 초의 검출 시간 간격으로 적어도 80%이다. 일 실시예에서, 가스의 교환율은 10 초의 검출 시간 간격으로 약 80%와 약 95%사이이다.
경로 길이/NEA 비는 검출 시스템의 감도를 정량화하는 메트릭(metric)으로서 사용될 수 있으며, 여기서 경로 길이는 미터를 단위로 하여 측정된 샘플 셀의 전체 빔 경로 길이이고, NEA는 흡광 단위(absorbance units; AU)로 측정된 잡음 등가 흡광이다. 감도가 검출 시스템의 비-체계적 에러(랜덤 잡음이라고도 함. 예컨대 검출기 및 전자 잡음)에 의해 제한된다면, 검출 한계는 경로 길이/NEA 비에 반비례할 수 있다. 예컨대, 비가 2배가 되면, ppb 또는 mg/m3 단위의 특별한 샘플의 검출 한계는 반감되게 된다. 따라서, 이는 감도 성능을 위한 적합한 정량화 메트릭(quantification metric)이다. 이 메트릭은 예컨대, 가스 여압(pressurization) 및 콜드 트랩핑(cold trapping)과 같은 진보된 샘플링 기술로 인해 감도 개선을 고려하지 않는다.
검출기 및 디지털화 잡음과 같은 제한 시스템 잡음을 고려하면, 경로 길이/NEA 비는 각종 시스템 구성에 대해 최적화될 수 있다. 최적화될 수 있는 파라미 터는 유량, 샘플 셀 부피, 광학 경로 길이, 샘플 셀을 통한 통로수, 광학 구성, 미러 반사율, 미러 반사 물질, 및 사용된 검출기를 포함한다. 예컨대, 최적의 검출기는 크기, 비용 및 사용 기간의 제약 내에서 가장 높은 D* 값 및 속도(보다 낮은 응답 시간)을 가진 검출기이다.
검출기 잡음 제한형 분광계의 경우에, 감도 또는 경로 길이/NEA 비는 D* 값에 비례한다. 검출기 대역폭은 최대 스캔 속도를 결정할 수 있고, 최대 스캔 속도는 허용된 측정기간 내에서 수행될 수 있는 데이터 평균화의 최대 횟수를 결정한다. 검출기 또는 전자 잡음 제한형 시스템의 경우, 감도는 일반적으로 평균 스캔수의 제곱, 또는 예컨대, 이들 스캔을 수행하는 시간에 따라 증가한다. 일 실시예에서, 스털링(Stirling)-냉각식 검출기는 적어도 1.5x105 m/AU의 경로 길이/NEA 감도비를 제공할 수 있다. DTGS 검출기는 비용이 낮고 관리가 필요 없는 수명으로 인해 저가의 대안을 제공할 수 있지만, 보다 작은 D* 값을 를 가질 수 있고 보다 느릴 수 있다.
경로 길이/NEA 값은 시야면과 대물면 간의 거리 및 이들 표면들 사이의 통로들의 수를 최적화함으로써 결정될 수 있다. 도 4는 각종 표면 간격, 예컨대, 6.3 인치 (16.0 cm), 8 인치 (20.3 cm) 및 10 인치 (25.4 cm)에 대해 경로 길이/NEA의 그래프를 미러 반사의 함수로서 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 최대 경로 길이/NEA 값은 약 92개의 통로에서 발생된다. 그러나, 92개의 통로에서, 미러 표면에서의 반사 손실로 인해 광의 25%만이 투과된다. 하나의 구체적인 실시예에서, 샘플 셀은 약 50%와 약 60% 사이의 투과율을 갖고 있다. 98.5%의 미러 반사율의 경우, 60% 투과율은 도 4에서 수직 라인에 의해 표현되는 약 32개의 통로에 대응한다. 50% 투과율은 약 48개의 통로에 해당한다. 표 1은 샘플에서 트레이스 가스를 검출하기 위한 샘플링 시스템을 제공하는 파라미터들의 예시적인 조합을 나타낸다.
표 1. 샘플에서 트레이스 가스를 검출하는 샘플링 시스템을 제공하는 파라미터들의 예시적인 조합.
| 시스템 | 표면 간격 (cm) |
통로 수 | 전체 경로 길이(m) | 경로 길이/NEA (m/AU) | 셀 부피(L) | 유량1(L/m) | 유량2(L/m) | |
| A | 16.0 | 32 | 5.11 | 1.4 x 105 | 0.2 | 2 | 3 | |
| B | 20.3 | 32 | 6.5 | 1.8 x 105 | 0.4 | 4 | 6 | |
| C | 25.4 | 32 | 8.1 | 2.3 x 105 | 0.6 | 6 | 9 | |
| D | 16.0 | 48 | 7.7 | 1.9 x 105 | 0.3 | 3 | 4.5 | |
| E | 21.1 | 48 | 10.18 | 2.5 x 105 | 0.5 | 5 | 7.5 | |
| F | 25.4 | 48 | 12.2 | 3.0 x 105 | 0.8 | 8 | 12 | |
1 10 초 간격의 80%의 가스 교환율에 대한 유량.
2 10 초 간격의 90%의 가스 교환율에 대한 유량.
경로 길이/NEA 비는 농도의 검출 한계(mg/m3 또는 ppb(parts per billion))로 변환될 수 있다. 이러한 변환에 이용되는 방법은 기대된 피크 흡광 크기와 기대된 NEA 값 간의 비교이다. 장치(10)는 약 500 ppb 미만의 농도를 가진 사린, 타분, 소만, 유황 겨자, 및 VX 신경 가스와 같은 물질의 트레이스 량을 검출하는데 사용될 수 있다. 각종 실시예에서, 농도는 약 10 ppb와 약 500 ppb 사이일 수 있지만, 시스템 및 응용에 따라 더 높고 낮은 농도가 검출될 수 있다. 일부 실시예에서, 농도는 종(species)에 따라 5 ppb과 약 50 ppb 사이일 수 있다. 예컨대, 장치(10)는 약 8.6 ppb와 약 30 ppb 사이의 농도를 가진 사린의 트레이스량; 약 12.9 ppb와 약 39 ppb 사이의 농도를 가진 타분의 트레이스량; 약 7.3 ppb와 약 22.8 ppb 사이의 농도를 가진 타분의 트레이스량; 약 36.7 ppb와 약 370.6 ppb의 사이의 농도를 가진 유황 겨자의 트레이스량; 또는 약 12.9 ppb와 약 43.9 ppb 사이의 농도를 가진 VX 신경 가스의 트레이스량을 검출할 수 있다.
샘플 셀 내에의 신선한 가스 공급의 증가의 척도인 가스 재생률(gas renewal rate)은 경로 길이/NEA 비와 결합될 수 있어, 검출 시스템 응답 시간이 "Z 초에 검출된 가스 Y의 X mg/m3 (또는 ppb)"로 명시될 수 있다. 검출 시스템 응답 시간은 측정 시간 및 계산 시간(예컨대, 약 5 초)을 포함한다. 표 2는 사린, 타분, 소만, 유황 겨자, 및 VX 신경 가스와 같은 각종 약품에 대한 예시적인 검출 시스템 응답 시간을 도시한다.
표 2. 본 발명의 검출 시스템을 사용하여 측정된 트레이스 가스에 대한 예시적인 검출 시스템 응답 시간.
| 트레이스 가스 | 10 ppb에 대한 응답시간 | 20 ppb에 대한 응답시간 | 30 ppb에 대한 응답시간 | 50 ppb에 대한 응답시간 |
| 사린 | 15.4 | 12 | 8.7 | 7.5 |
| 타분 | 22.6 | 12.6 | 10.2 | 8.4 |
| 소만 | 13.7 | 9.6 | 8.3 | 7.2 |
| 유황 겨자 | 60 | 37.5 | 21.4 | 13.8 |
| VX 신경 가스 | 22.6 | 12.6 | 10.2 | 8.4 |
도 5는 스텝 프로파일 입력을 이용한 트레이스 가스의 농도 대 시간의 그래프이다(예컨대, 트레이스 가스가 측정 사이클 초기에 샘플 셀로 들어감). 측정 기간 "A"는 데이터가 수집되고 및/또는 간섭도가 기록될 시간이다. 계산 기간 "B"는 간섭도가 스펙트럼으로 변환될 때이고, 스펙트럼 분석은 알람 레벨 및/또는 농도 값을 결정하는데 이용되는 데이터를 생성하기 위해 수행된다.
도 6은 일련의 측정을 위한 시간 라인을 도시한다. 약품 1은 샘플 셀로 들어가며, 측정 기간 1을 이용하여 검출된다. 간섭도가 계산 기간 1 동안 분석된다. 약품 2가 측정 기간 1 동안 샘플 셀로 들어간다. 약품 2가 충분히 강하면, 측정 기간 1의 나머지 부분 동안 검출될 수 있다. 약품 2가 검출 가능하지 않으면, 후속 측정 기간, 예컨대, 측정 기간 2 동안에 검출되고, 간섭도는 다음의 계산 기간, 예컨대, 계산 기간 2 동안 분석된다.
일 실시예에서, 판독값(readings)은 고정된 미리 결정된 간격으로 시간 분리될 수 있다. 각종 실시예에서, 간격은 약 1 초와 약 1 분 사이일 수 있지만, 응용에 따라 더 작거나 큰 간격이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 간격은 약 5 초, 약 10 초, 또는 약 20 초이다. 그러므로, 응답 시간은 이 간격뿐만 아니라 약품이 검출 시스템에 의해 검출 가능한 시간에 좌우된다.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 트레이스 가스의 검출, 위협 레벨, 하루 중의 시간, 약품에 의해 영향을 받을 수 있는 방 또는 건물 내에 있는 사람들의 수, 특별한 측정 응용 또는 시나리오, 또는 그 조합과 같은 외부 인자에 기초하는 하나 이상의 파라미터를 채택할 수 있다. 예컨대, 높은-위협 조건에서는, 검출 시간을 최소화하고 트레이스 약품의 검출 가능성을 최대화하기 위해 보다 작은 간격이 이용될 수 있다. 낮은 위협 상황에서는, 보다 큰 간격이 사용될 수 있으며, 이는 검출 시스템 수명을 유지하고 알람 에러(잘못된 포지티브 또는 네거티브)의 가능성을 감소시킬 수 있다.
또한, 특별한 약품에 대해 문턱 레벨을 초과하는 개별 측정은, 추가적인 측정들이 보다 짧은 시간 내에 행해질 수 있도록 간격을 감소시키기 위해 검출 시스템을 트리거시킬 수 있다. 각종 실시예에서, 제1 스펙트럼은 제1 해상도 또는 감도로 기록될 수 있다. 오염 물질이 검출되면, 제2 스펙트럼은 더 높은 해상도 또는 감도로 기록될 수 있다. 또한, 검출기는 더 높은 온도에서 작동하는 대기 모드를 가질 수 있고, 이에 따라 그 감도가 증가한다. 외부 인자에 의해 트리거될 때, 검출기의 온도가 증가하여 그 감도를 향상시킨다.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 외부 인자 또는 인지된 위협에 기초하여 스캔 수를 변화시킬 수 있다. 예컨대, 증가된 수의 스캔은 검출 시스템의 감도를 개선시키기 위해 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 이들 추가적인 스캔을 기록하면서 보다 높은 해상도로 동작할 수 있다. 일 실시예에서, 각 스캔은 증가된 수의 평균 또는 개별 스캔을 포함할 수 있다.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 단지 보다 빠른 속도로 스캔할 수 있도록 스펙트럼의 낮은 주파수 영역(예컨대, 1300 cm-1 미만)을 디지털화한다. 전자 필터 또는 검출기 응답 기능이, 에이리어싱(aliasing)이 방지 또는 최소화되도록 보다 높은 주파수 영역(예컨대, 1300 cm-1보다 큼)을 제거하기 위해 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 검출 시스템은 스펙트럼의 일부분에서의 트레이스 가스의 존재를 검출할 수 있다. 스펙트럼의 제2 부분이, 트레이스 가스의 존재를 확인하고 및/또는 트레이스 가스의 농도 레벨을 결정하기 위해 분석될 수 있다.
일 실시예에서, 검출 시스템은 컴팩트하고 자체 포함형인 다중 가스 분석기로서 패키징될 수 있다. 예컨대, 검출 시스템은 공기 품질을 기록, 차트화, 분석 및 보고하기 위한 진단 도구일 수 있다. 도 7 및 도 8은 트레이스 가스를 위해 공기 품질, 예컨대, 주변 공기를 감시하기 위한 예시적인 검출 시스템을 도시한다. 도 7을 참조하면, 검출 시스템은 하우징(42'), 제1 디스플레이(38'), 제2 디스플레이(38''), 가스 입구(46'), 가스 출구(50'), 및 외부 장치들에의 연결을 위한 포트(118)를 포함한다.
하우징(42')은 상부 패널(122), 측면 패널(126), 및 바닥 패널(130)(도 8에 도시됨)을 포함하는 3차원 직사각형 상자일 수 있다. 상부 패널(122)은 측면 패널(126)에서 경첩 식으로 이동될 수 있으며, 이에 따라 하우징(42')은 서비스를 위해 개방될 수 있다. 상부 패널(122)의 외부 표면은 제1 디스플레이(38') 및 이에 부착 또는 내장된 제2 디스플레이(38'')를 포함할 수 있다. 제1 디스플레이(38')는, 예컨대, 터치 스크린 디스플레이를 가진 액정 디스플레이(LCD)일 수 있다. 제1 디스플레이(38')는 검출 시스템을 동작시키기 위한 명령을 수신할 수 있고, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 디스플레이할 수 있다. 제2 디스플레이(38'')는 예 컨대, 위협 레벨, 알람 상태, 및/또는 검출 시스템 건강 상태를 나타내기 위해 점등되는 일련의 LED를 가진 발광 다이오드(LED) 디스플레이일 수 있다. 예컨대, 제2 디스플레이(38'')는 알람 상태를 나타내는 제1 일련의 녹색, 황색 및 적색 LED, 및 센서 건강 상태를 나타내기 위해 분리된 제2 일련의 녹색, 황색 및 적색 LED를 포함할 수 있다. 각종 실시예에서, 하우징(42')은 주변 공기의 흡입을 위한 구멍을 정의할 수 있다. 구멍은 샘플 셀 내에서의 검출을 위해 가스의 샘플을 흐름 시스템에 도입시키는데 사용될 수 있다.
도 8은 상부 패널(122)이 경첩식으로 이동하여 개방될 때의 상부 패널(122) 및 바닥 패널(130)의 내부를 도시한다. 바닥 패널은 하우징 광학 구성 요소를 위해 광학 상자(134)를 포함하는 내부 샤시를 포함한다. 광학 상자(134)는 알루미늄 쉘(shell)(예컨대, 6061-T6)로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 광학 상자(134)는 밀폐 상자이다. 도 8 에 예시된 바와 같이, 광학 상자(134)는 소스(14'), 간섭계(18'), 샘플 셀(22'), 검출기(30'), 포물면 미러(54'), 제1 접이식 미러(58'), 제2 접이식 미러(62'), 타원형 미러(66'), 대물면(74'), 및 시야면(78')을 포함한다. 광학 상자(134)는 또한 가스 흐름을 조절하는 밸브(138), 압력 센서(98'), 펌프(106'), 및 가스 라인(110) 및 연결을 위한 부속(142)을 포함하는 흐름 시스템을 포함할 수 있다. 각종 구성 요소용의 전원 공급 장치(146) 및 팬(150)이 또한 바닥 패널(130)에 부착될 수 있다. 검출 시스템은 정지 공기에서 동작될 수 있고, 팬(150)은 시스템의 내부 온도를 유지할 수 있다. 바닥 패널(130)은 또한 상부 패널(122)과의 인터페이스를 위해 커넥터(154)를 포함한다.
도 8에 예시된 바와 같이, 상부 패널(122)은 이에 부착된 전자 구성 요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 상부 패널(122)은 데이터 획득 모듈(158), 미러 움직임 제어 모듈(162), 단일 보드 컴퓨터(166), 전력 분배 모듈(170), 및 하드 드라이브(172)를 포함할 수 있다. 데이터 획득 모듈(158)은 전치 증폭기, 아날로그-디지털 변환기, 및 데이터 획득 보드를 포함할 수 있다. 전치 증폭기는 검출기(30')로부터 수신되는 아날로그 신호를 증폭할 수 있다. 아날로그 신호는 아날로그-디지털 변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환될 수 있다. 데이터 획득 보드는 넷버너(Netburner; 미국 캘리포니아 샌디에고 소재)에서 입수 가능한 넷버너 프로세서 보드일 수 있다. 단일 보드 컴퓨터(166)는 윈도우를 구동하고 GUI를 사용자에게 제공하는, 당장 입수 가능한 PC 마더보드일 수 있다.
전력 분배 모듈(170)은 전력을 처리하여 시스템 내의 다른 모듈들에 분배할 수 있고, 검출 시스템의 기능을 감시하기 위해 사용되는 건강 및 상태 센서를 구현할 수 있다. 예컨대, 전력 분배 모듈(170)은 AC 전력을 시스템 전원 공급 장치(146) 및 팬(150)에 분배할 수 있고, 온도 제어기(174), 예컨대, 뒤어 인스트루먼츠 인코포레이티드(Dwyer Instruments, Inc.; 인디애나 미시건 시티 소재)에서 입수 가능한 러브 컨트롤스(Love controls)를 제어할 수 있다. 전력 분배 모듈(170)은 또한 샘플 셀 압력, 공기 필터를 가로지르는 차동 압력, 샘플 셀 온도, 및 검출기 온도를 감시하고, 출력을 A/D 변환하고, 결과를 다시 단일 보드 컴퓨터(166)에 전달한다. 전력 분배 모듈(170)은 또한 단일 보드 컴퓨터(166)로부터의 명령에 따라 스털링 냉각식 검출기의 쿨러 모터를 제어할 수 있다. 상부 패 널(122)은 또한 샘플 셀 온도 전송기를 포함할 수 있다.
상부 패널(122)에 부착되어 데이터의 실시간 분석을 가능하게 할 수 있는 모듈을 사용하여 데이터 처리가 수행될 수 있다. 스펙트럼 라이브러리는 약 300 및 약 400 가스 사이의 스펙트럼 지문을 포함할 수 있지만, 스펙트럼이 기록됨에 따라 보다 많은 가스들이 추가될 수 있다. 데이터 처리는 MATLAB 또는 C++와 같은 표준 컴퓨터 프로그래밍 언어로 수행될 수 있다. 기록된 스펙트럼은 가스 농도, 나머지 스펙트럼, 및/또는 잘못된 알람율을 계산하기 위한 스펙트럼 후-처리를 위해 MATLAB에 전달될 수 있다. 각종 실시예에서, 검출 시스템은 잘못된 알람이 해마다 대략 6번 미만이 되도록 동작할 수 있다. 잘못된 알람은 잡음, 변칙적인 스펙트럼 효과, 분석 코드, 모델 에러, 스펙트럼 라이브러리의 에러, 또는 알려지지 않은 간섭(interferent)에 기인할 수 있다.
컴퓨터 소프트웨어는 그래픽 원격 제어 능력을 가진 자바 기반 플랫폼상에서 동작할 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어는, 사용자 로그인, 웹 기반 GUI, 알람 트리거링, 및/또는 검출 시스템으로부터 원격 위치될 수 있는 클라이언트 컴퓨터에 대한 이더넷 인터페이스를 포함한 표준 서비스들을 통합할 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어는 원격 건강 및 제어 진단을 수행할 수 있다. 또한, 포트(118)는 데이터 처리 및 데이터 분석을 수행할 수 있는 시스템을 독립형 컴퓨터에 연결하는데 사용될 수 있다.
하우징(42')은 50G 충격에 견디도록 설계된다. 일 실시예에서, 하우징(42')은 약 406 mm의 길이 및 약 559 mm의 폭을 가질 수 있다. 매스(mass) 검출 시스템 은 약 20 kg일 수 있다. 하우징(42')은 벽, 이동식 카트, 또는 손수레 상에 장착될 수 있고, 수동으로 또는 기계적인 리프팅 장치를 사용하여 운반하기 위한 핸들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 하우징은 건물용 공기 처리 시스템의 일부로서 장착될 수 있다. 검출기가 오염 물질의 존재를 감지하면, 오염 물질을 설명하기 위해 개선 조치가 취해질 수 있다. 예컨대, 알람은 건물에서 철수시키기 위해 소리를 울릴 수 있고, 또는 오염 물질을 공공 지역으로부터 제거하거나 트레이스 가스를 허용가능 레벨까지 줄이기 위해 공기 처리 시스템에서의 공기 흐름이 증가할 수 있다.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 오염이 있는 경우에 시스템을 정화하기 위해 상승 온도에서 동작할 수 있다. 상기 시스템은, 전자 구성 및 광학 구성 요소를 포함한 나머지 구성 요소를 약 70°C 아래로 유지하면서 샘플 셀 및 흐름 시스템은 약 150°C과 약 200°C 사이의 온도까지 가열될 수 있도록, 구성될 수 있다. 예컨대, 약 150°까지 가열되는 구성 요소는 전자 구성의 손상 및 광학 구성 요소의 재정렬 또는 손상을 방지하기 위해 주변 구성 요소로부터 절연될 수 있다. 상승 온도에서의 샘플 셀 및 흐름 시스템의 동작은 오염 물질의 탈거를 가속시킬 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 시스템이 정화되는 동안 동작할 수 있으며, 이에 따라 정화의 진행이 감시될 수 있다. 일 실시예에서, 검출 시스템은 정화 동안에 질소 가스 또는 주변 공기로 정화된다. 가스는 습기(예컨대, 약 30% 이상의 상대 습기)를 포함할 수 있다. 각종 실시예에서, 시스템은 약 2 시간 미만으로 정화되어, 서비스에 복귀될 준비를 할 수 있다.
일 실시예에서, 검출 시스템의 오염 물질의 농도가 결정될 수 있고, 오염 물질의 농도가 오염 값을 초과하면, 적어도 샘플 영역은 오염 물질을 제거하기 위해 정화 온도까지 가열될 수 있다. 샘플 영역을 가열하면서 오염 물질의 농도가 감시될 수 있고, 오염 물질의 농도가 정화 값에 도달하면, 가열이 감소 또는 멈출 수 있다. 오염 값은 검출 시스템의 성능을 나타내는 물질의 농도일 수 있다. 정화 값은, 검출 시스템이 오염 물질의 영향을 받지 않고 동작할 수 있는 물질의 농도일 수 있다.
각종 실시예에서, 검출 시스템의 샘플 셀은 상승 압력에서 동작할 수 있다. 경로 길이/NEA 비는 변화하지 않을 수 있지만, 검출 시스템의 감도는, 트레이스 가스 샘플의 더 많은 양이 동일 경로 길이를 가진 샘플 셀에 존재함에 따라 개선될 수 있다. 또한, 이는 베이스라인에 대해 보다 큰 흡수 신호를 발생할 수 있다. 압력은 샘플 셀 부피를 변하지 않게 유지하면서 유량을 증가시킴으로써 상승할 수 있다.
시야면 및 대물면은 압력이 상승할 때 이들의 위치가 실질적으로 변하지 않고 유지되도록 고정 장착될 수 있다. 예컨대, 시야면 및 대물면은 이들 표면을 고정하기 위해 막대(rod) 상에 장착될 수 있다. 또한, 샘플 셀은 실질적으로 밀폐될 수 있다. 샘플 셀에서의 대물면 및 시야면은, 포지티브(positive) 압력이 상승 압력에서의 변형을 방지하기 위해 시야면 및 대물면의 각각의 후면에 가해질 수 있도록 샘플 가스로 감싸질 수 있다. 각종 실시예에서, 압력은 1 atm과 약 10 atm 사이일 수 있다. 일 실시예에서, 압력은 4 atm이다.
일부 실시예에서, 두 별개 압력에서 신호들이 측정될 수 있고, 이들 신호들의 비를 취할 수 있다. 신호들의 비는 베이스라인 잡음을 제거하고, 감도를 향상시키고, 및/또는 베이스라인 신호에 대한 트레이스 가스의 흡수 프로파일의 진폭을 증가시킬 수 있다.
샘플 셀에서 제1 압력으로 주변 공기의 샘플을 통과하여 전파되는 방사빔의 제1 신호가 측정된다. 샘플 셀은 제2 압력까지 주변 공기가 압입된다. 주변 공기의 샘플을 통과하여 전파되는 방사빔의 제2 신호가 샘플 셀에서 제2 압력으로 측정된다. 트레이스 가스의 존재를 나타내는 신호를 결정하기 위해 제1 신호 및 제2 신호가 조합될 수 있다. 예컨대, 상기 신호들은 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 얻기 위해 조합될 수 있다. 일 실시예에서, 방사빔은 간섭 신호를 포함할 수 있다. 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일은 간섭 신호로부터 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 제1 압력은 약 1 atm이고, 제2 압력은 약 1 atm과 10 atm 사이이다. 하나의 구체적인 실시예에서, 제1 압력은 약 1 atm이고, 제2 압력은 약 4 atm이다.
각종 실시예에서, 압력이 증가할 때 샘플 셀의 광학 정렬은 실질적으로 변하지 않고 유지되기 때문에, 제1 신호는 제2 신호에 대한 베이스라인 신호로서 사용된다. 일부 실시예에서, 베이스라인 신호가 측정되어, 제1 신호 및 제2 신호 둘 다에 대한 베이스라인 신호로서 사용된다.
각종 실시예에서, 흐름 시스템은 관심 있는 가스 샘플을 그 포화 온도 아래로 냉각시킴으로써 포집하는 냉각봉(cold finger)을 포함할 수 있다. 많은 휘발성 물질은 -75°C의 온도에서 또는 그 온도 아래에서 응축된다. 일 실시예에서, 극저 온 냉각 트랩(cryogenic cold trap)은 샘플 셀로부터의 가스 출구에 형성된다. 지정된 시간 기간 또는 수집 기간 후, 포집된 가스 또는 포집된 가스들은 가열에 의해 급속히 증발되거나 샘플 셀 안으로 다시 "순식간에 전달(flashed)"될 수 있으며, 스펙트럼 측정이 행해질 수 있다. 이 기술은 샘플 셀을 기압에 유지하면서 대략 크기 또는 2만큼 목표 가스량을 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 더 긴 시간 간격으로 순식간에 전달되도록 하면서 시간 간격 이후에, 예컨대, 약 10 초마다 연속적인 흐름 측정이 수행될 수 있다.
각종 실시예에서, 검출 시스템은 장파 통과 필터를 포함할 수 있다. A/D 변환기로 인한 잡음은 검출기로 인한 잡음과 동일 크기일 수 있다. 장파 통과 필터를 포함시키면 더 높은 파수(wavenumber) 영역을 차단할 수 있으며, 간섭도 센터 버스트(centerburst) 크기의 감소를 통해 디지타이저 동적 범위 요건을 감소시킴으로써 감소를 향상시킬 수 있다. 광학 필터 없이 검출기의 동적 범위는 약 600 cm-1과 약 5000 cm- 1사이일 수 있다. 목표로 하는 유독 물질들 중 다수가 1500 cm-1 미만으로 검출 가능하므로, 감도를 얻기 위해 장파 통과 필터를 사용하여 1500 cm-1보다 높은 스펙트럼은 제거될 수 있다. 예컨대, 약 1667 cm-1에서 컷오프를 가진 상용의 표준 장파 통과 필터의 경우, 경로 길이/NEA 비에서의 이득은 약 20% 내지 약 30% 일 수 있다. 또한, 장파 통과 필터를 사용하면, 검출기가 보다 높은 이득, 예컨대, 특별한 검출기로 달성 가능한 최고 이득으로 동작하도록 함으로써 검출 시스 템의 신호대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 각종 실시예에서, MCT 검출기 또는 DTGS 검출기와 같은 저감도 검출기가 스펙트럼을 보다 높은 주파수 영역에 기록하는 데 사용될 수 있다.
본 발명은 특정 실시예에 대해 특별히 도시 및 설명되었지만, 첨부된 청구의 범위에 의해 정의되는 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부 구성의 각종 변화가 행해질 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명에 따라, 화학전 약품, 유독성 공업 약품, 및 주변 공기에서 발견될 수 있는 다른 트레이스 화합물의 트레이스량을 검출할 수 있다.
Claims (37)
- 트레이스 가스 측정 가능 장치로서,제1 방사빔의 소스;상기 소스로부터 상기 제1 방사빔을 수신하고 간섭 신호를 포함하는 제2 방사빔을 형성하는 간섭계;상기 간섭계와 광학적으로 연통하는 샘플 셀로서, 상기 샘플 셀의 제1 단부에 오목형 반사 시야면을 그리고 상기 시야면에 대향하는 관계로 상기 샘플 셀의 제2 단부에 실질적으로 구형인 오목 반사 대물면을 포함하고, 상기 대물면은 상기 시야면과 대물면 각각에서 다수의 반사를 통해 상기 샘플 셀을 통과하여 전파되는 상기 제2 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점 일치를 증가시키는 원통형 구성요소를 가진 샘플 셀;상기 샘플 셀을 통과하여 주변 공기의 샘플의 흐름을 형성하는 흐름 메커니즘;상기 샘플 셀과 광학적으로 연통하는 냉각식 검출기로서, 상기 샘플 셀 내의 샘플을 통과하여 전파되는 간섭 신호를 수신하는 냉각식 검출기;상기 냉각식 검출기와 전기적으로 연통하는 프로세서로서, 상기 간섭 신호로부터 상기 주변 공기의 샘플 내의 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정하는 프로세서; 및상기 소스, 상기 간섭계, 상기 샘플 셀, 상기 흐름 메커니즘, 상기 냉각식 검출기 및 상기 프로세서가 배치되는 하우징을 포함하고,여기서 샘플 셀의 부피와 제2 방사빔의 반사 수가 주변 공기 샘플 중에 500 ppb 미만의 농도를 갖는 트레이스 가스를 검출하도록 최적화된 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서,상기 냉각식 검출기는 제2 방사빔의 제1 신호를 측정하고, 후속적으로 제2 방사빔의 제2 신호를 측정하고, 상기 프로세서는 트레이스 가스의 존재를 나타내는 신호를 결정하는 제1 신호 및 제2 신호를 조합하는 것인 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제2항에 있어서,상기 트레이스 가스는 10 ppb와 50 ppb 사이의 농도를 가진 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서,상기 하우징은 휴대형이고, 상기 가스의 샘플을 포함하는 주변 공기의 흡입용 구멍을 정의하며, 상기 구멍은 상기 샘플 셀과 유체 연통하는 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서,상기 하우징은 건물용 공기 처리 시스템에 장착되는 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제5항에 있어서,상기 공기 처리 시스템 내의 오염 물질의 존재를 경보하는 알람을 더 포함하는 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서,상기 샘플 셀의 부피는 0.8 리터 미만인 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서,상기 가스의 샘플은 분당 3 리터보다 큰 유량으로 상기 샘플 셀을 통과하여 흐르는 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서,상기 샘플 셀은 5 미터와 12 미터 사이의 경로 길이를 포함하는 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서,상기 샘플 셀은 10 초의 시간 간격으로 80%와 95% 사이의 가스 교환율을 가진 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서,상기 가스의 샘플은 화학전 약품, 유독성 무기 화합물, 또는 유독성 유기 화합물을 포함하는 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 장치는 50 ppb의 사린, 타분, 소만, 유황 겨자, 및 VX 중 적어도 하나에 대해 20 초 미만의 응답 시간을 가진 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 하우징 내에 배치되어, 적어도 상기 샘플 셀을 40℃와 180℃ 사이의 온도까지 가열시키는 가열 소자를 더 포함하는 트레이스 가스 측정 가능 장치.
- 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법으로서,접힌 경로를 형성하기 위해 제1 단부에 있는 시야면 및 대립 관계로 제2 단부에 있는 대물면을 포함하는 샘플 셀을 포함하는 휴대형 흡수 분광계를 제공하는 단계;주변 공기의 샘플을 상기 셀 샘플을 통과하여 흘리는 단계; 및주변 공기의 샘플에서 500 ppb 미만의 농도를 가진 트레이스 가스를 검출하기 위해 상기 샘플 셀 내에서 전파되는 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위하여 상기 접힌 경로에서 상기 샘플 셀의 부피와 방사빔의 통로수를 최적화하는 단계를 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제14항에 있어서,상기 시야면은 오목 반사면을 포함하고, 상기 대물면은 구형인 오목 반사면을 포함하며, 상기 대물면은 상기 샘플 셀의 접힌 경로를 통과하여 전파되는 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점 일치를 증가시키는 원통형 구성요소를 가진 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제14항에 있어서,상기 샘플 영역에서 상기 샘플을 통과하여 전파되는 간섭 신호로부터 상기 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정하는 단계를 더 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제14항에 있어서,상기 트레이스 가스를 검출하기 위해 제1 흡수 스펙트럼을 제1 해상도로 측정하는 단계; 및제1 해상도보다 큰 제2 해상도로 제2 흡수 스펙트럼을 측정하는 단계를 더 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제14항에 있어서,상기 트레이스 가스를 검출하기 위해 제1 감도로 제1 흡수 스펙트럼을 측정하는 단계; 및제1 감도보다 높은 감도로 제2 흡수 스펙트럼을 측정하는 단계를 더 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제14항에 있어서,상기 샘플 영역이 10 초의 시간 간격으로 80%와 95% 사이의 가스 교환율를 갖도록 상기 샘플을 흘리는 단계를 더 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제14항에 있어서,상기 샘플 영역을 40℃과 약 180℃ 사이의 온도까지 가열하는 단계를 더 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법으로서,밀폐된 샘플 셀을 포함하는 흡수 분광계를 제공하되, 상기 샘플 셀은 상기 샘플 셀을 통과하도록 방사빔을 지향시키기 위해 제1 단부에 시야면 그리고 제2 단부에 대물면을 대향하는 관계로 포함하는 단계;상기 샘플 셀 내에서 제1 압력으로 주변 공기의 샘플을 통과하여 전파되는 방사빔의 제1 신호를 측정하는 단계;제2 압력이 될 때까지 주변 공기로 상기 샘플 셀에 압력을 가하는 단계;상기 샘플 셀 내에서 제2 압력으로 주변 공기의 샘플을 통과하여 전파되는 방사빔의 제2 신호를 측정하는 단계; 및상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 조합하여 트레이스 가스의 존재를 나타내는 신호를 결정하는 단계를 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제21항에 있어서,상기 시야면은 오목 반사면을 포함하고, 상기 대물면은 구형인 오목 반사면을 포함하며, 상기 대물면은 상기 샘플 셀의 접힌 경로를 통과하여 전파되는 방사빔의 쓰루풋을 최대화하기 위해 적어도 하나의 평면에서 초점 일치를 증가시키는 원통형 구성요소를 가진 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제21항에 있어서,상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 조합하여 상기 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정하는 단계를 더 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제21항에 있어서,상기 방사빔은 간섭 신호를 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제24항에 있어서,상기 샘플 셀 내의 샘플을 통과하여 전파되는 상기 간섭 신호로부터 상기 트레이스 가스에 대한 흡수 프로파일을 결정하는 단계를 더 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 제23항에 있어서,상기 샘플 셀에 압력을 가함으로써 베이스라인 신호에 대해 상기 트레이스 가스의 흡수 프로파일의 진폭을 증가시키는 단계를 더 포함하는 트레이스 가스를 광학적으로 측정하는 방법.
- 검출 시스템으로부터 오염 물질을 제거하는 방법으로서,검출 시스템의 흡수 분광계의 하나의 샘플 영역에서 오염 물질의 농도를 결정하는 단계;상기 오염 물질의 농도가 오염 값을 초과하면, 상기 검출 시스템으로부터 상기 오염 물질을 제거하기 위해 상기 검출 시스템을 정화 온도까지 가열하는 단계;상기 검출 시스템을 가열하면서 흡수 분광계의 샘플 영역 중의 상기 오염 물질의 농도를 감시하는 단계; 및상기 오염 물질의 농도가 정화 값에 도달할 때 상기 검출 시스템의 가열을 줄이거나 정지하는 단계를 포함하는 검출 시스템으로부터 오염 물질을 제거하는 방법.
- 트레이스 가스 측정 가능 검출 시스템으로서,소스로부터 제1 방사빔을 수신하고 간섭 신호를 포함하는 제2 방사빔을 형성하는 간섭계;상기 간섭계와 광학적으로 연통하는 샘플 셀;상기 셀 샘플을 통과하여 가스의 샘플의 흐름을 형성하는 흐름 메커니즘;상기 검출 시스템을 가열하는 모듈;상기 샘플 셀과 광학적으로 연통하는 검출기로서, 상기 샘플 셀 내의 샘플을 통과하여 전파되는 간섭 신호를 수신하는 검출기;상기 검출기 및 상기 모듈과 전기적으로 연통하는 프로세서를 포함하고,상기 프로세서는 상기 간섭 신호로부터 상기 샘플 내의 오염 물질의 농도를 결정하고, 상기 샘플 셀 내의 오염 물질의 농도가 오염 값을 초과하면 상기 검출 시스템으로부터 상기 오염 물질을 제거하기 위해 상기 검출 시스템을 정화 온도까지 가열하도록 상기 모듈에게 시그널링하고, 상기 모듈이 상기 검출 시스템을 가열하는 동안 상기 오염 물질의 농도를 감시하고, 상기 오염 물질의 농도가 정화 값에 도달하면 상기 검출 시스템의 가열을 줄이거나 정지하도록 상기 모듈에게 시그널링하는 트레이스 가스 측정 가능 검출 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 프로세서는 검출 파라미터의 제1 값에서 트레이스 가스의 존재를 결정하고, 검출 파라미터의 제2 값에서 트레이스 가스를 확인하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 검출 파라미터는 하나 이상의 해상도, 스펙트럼 범위, 스캔 간격 또는 스캔 수인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 프로세서는 검출 파라미터의 제2 값에서 트레이스 가스의 농도를 결정하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 검출 파라미터는 해상도이고, 상기 프로세스는 제1 해상도에서 트레이스 가스의 존재를 결정하고, 제1 해상도보다 높은 제2 해상도에서 트레이스 가스를 확인하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 검출 파라미터는 스펙트럼 범위이고, 상기 프로세서는 제1 스펙트럼 범위에서 트레이스 가스의 존재를 결정하고, 제2 스펙트럼 범위에서 트레이스 가스를 확인하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 검출 파라미터는 스캔 간격이고, 상기 프로세서는 제1 스캔 간격으로 트레이스 가스의 존재를 결정하고, 제1 스캔 간격보다 낮은 제2 스캔 간격을 사용하여 트레이스 가스를 확인하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 검출 파라미터는 스캔의 수이고, 상기 프로세서는 제1 스캔수를 사용하여 트레이스 가스의 존재를 결정하고, 제1 스캔수보다 높은 제2 스캔수를 사용하여 트레이스 가스를 확인하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 샘플 셀의 부피와 제2 방사빔의 반사 수가 주변 공기 샘플 중에 500 ppb 미만의 농도를 갖는 트레이스 가스를 검출하기 위해 최적화되도록 상기 샘플 셀의 부피는 0.2 내지 0.8 리터 사이에서 변하고, 광학 경로 길이는 5 미터 내지 12 미터 사이에서 변하고, 주변 공기의 샘플은 분당 3리터 이상의 유량으로 샘플 셀을 통과하여 흐르는 것인 장치.
- 제14항에 있어서, 샘플 셀의 부피와 제2 방사빔의 반사 수가 주변 공기 샘플 중에 500 ppb 미만의 농도를 갖는 트레이스 가스를 검출하기 위해 최적화되도록 상기 샘플 셀의 부피는 0.2 내지 0.8 리터 사이에서 변하고, 광학 경로 길이는 5 미터 내지 12 미터 사이에서 변하고, 주변 공기의 샘플은 분당 3리터 이상의 유량으로 샘플 셀을 통과하여 흐르는 것인 방법.
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