KR102351207B1

KR102351207B1 - Sensor Apparatus to Detect Explosives Trace in Fluids

Info

Publication number: KR102351207B1
Application number: KR1020210029767A
Authority: KR
Inventors: 안기석
Original assignee: 주식회사 샤카드
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-01-14
Also published as: KR20210113097A

Abstract

본 발명은 폭발물 감지 센터 장치에 관한 것으로서, 변화 무쌍한 외부 환경에서도 휴대할 수 있으면서 빠르게 검출 작동을 하고 정확히 유체 속 극미량 폭발물질과 종류를 식별할 수 있는 장치를 제공할 수 있다. The present invention relates to a device for detecting explosives, and it is possible to provide a device capable of quickly detecting and accurately identifying trace explosive substances and types in a fluid while being portable even in an ever-changing external environment.

Description

유체 속 폭발물질 탐지 센서 장치{Sensor Apparatus to Detect Explosives Trace in Fluids}Sensor Apparatus to Detect Explosives Trace in Fluids

본 발명은 유체 속 폭발물질을 탐지하는 센서 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휴대가 편하면서 민감도가 매우 높은 폭발물 탐지 센서 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a sensor device for detecting explosive substances in a fluid, and more particularly, to an explosive detection sensor device that is convenient to carry and has very high sensitivity.

폭발물로 사용되는 대표적인 화합물은 니트로기를 갖으며, 이들 니트로 방향족 화학물질은 트라이나이트로톨루엔 계열(Trinitrotoluene, TNT계열), 씨클로트리메틸렌트리니트라민(Cyclotrimethylene-trinitraine, Cyclonite 일명 RDX계열), 펜타에리트리톨 테트라니트레이트 계열(Pentaerythritol tetranitrate, PETN계열)이 대표적이다. 니트로기 방향족 화학물질을 검출하는 다양한 방법으로, 이온 이동도 분석법(Ion-mobility Sectrometry), 형광 변화를 이용하는 센서 등이 개발되어 왔으나, 각각의 검출 방법들은 그 장점과 단점 및 운용 상의 한계를 가지고 있다. Representative compounds used as explosives have a nitro group, and these nitroaromatic chemicals include trinitrotoluene (TNT-based), cyclotrimethylene-trinitrane (Cyclotrimethylene-trinitraine, Cyclonite, also known as RDX-based), and pentaerythritol. The tetranitrate series (Pentaerythritol tetranitrate, PETN series) is representative. As various methods for detecting nitro group aromatic chemicals, ion-mobility spectrometry (Ion-mobility Sectrometry), sensors using fluorescence change, etc. have been developed, but each detection method has its advantages, disadvantages, and operational limitations. .

특히 니트로기 폭발물 검출에 있어, 형광을 이용하는 센서는 측정 장치 구현이 용이하여 대표적 화학센서로 많이 응용되고 있는데, 특히 형광의 변화를 측정함에 있어 보다 간단하게 장치가 구현되면서도, 온도, ph와 같은 주위 환경에 덜 민감한 형광 센서에 대한 요구가 계속되고 있다. In particular, in detecting nitro explosives, a sensor using fluorescence is widely applied as a representative chemical sensor because it is easy to implement a measuring device. There is a continuing need for fluorescent sensors that are less sensitive to the environment.

이와 관련하여, 국내공개특허 10-2020-0027761호는 '니트로기 폭발물 탐지용 센서 장치' 를 제안하나, 휴대할 수 있는 고민감도 센서 장치를 제공하지 못한다. In this regard, Korean Patent Laid-Open No. 10-2020-0027761 proposes a 'sensor device for detecting nitrogi explosives', but does not provide a portable high-sensitivity sensor device.

또한, 국내등록특허 10-1387493호는 '폭발물 검출용 센서 및 그 제조 방법' 에 관한 것이나, 이 역시 휴대하면서도 민감도가 매우 높은 센서 장치를 제공하는데는 한계가 있다. In addition, Korean Patent No. 10-1387493 relates to 'a sensor for detecting explosives and a method for manufacturing the same', but there is a limit in providing a sensor device with very high sensitivity while being portable.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 1) 반응을 유도하는 광원이 반응 물질을 유도하고 나서는 반응을 검출하는 방향으로 입사되지 않도록 방지할 수 있는 프리즘을 형성하여 민감도와 정확도를 크게 높이는 센서장치를 구현하고, 2) 프리즘을 소형화하여 휴대할 수 있는 폭발물 검출장치를 제공하며, 3) 폭발 물질 유무 뿐 아니라 그 폭발 물질이 어떤 계열의 폭발물인지를 식별할 수 있는 폭발물 검출 장치를 제공하는 데에 목적이 있다. The technical problem to be solved by the present invention is 1) a sensor device that greatly increases sensitivity and accuracy by forming a prism that can prevent a light source that induces a reaction from being incident in a direction for detecting a reaction after inducing a reaction substance 2) to provide a portable explosive detection device by miniaturizing a prism, and 3) to provide an explosive detection device that can identify not only the presence or absence of explosive substances but also what type of explosive the explosive substance is. There is this.

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본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한 폭발물질 탐지 센서 장치는, 흡입부(100), 광원부(200), 프리즘부(300), 반응부(400), 제1측정부(500), 제2측정부(501), 배출부(600)를 포함한다.
흡입부(100)는 폭발물이 섞여 있는 유체가 흡입되는 입구이며, 흡입부(100)는 반응부(400)와 연결되고, 반응부(400)를 중심으로 프리즘부(300)와 제1측정부(500)가 위 아래로 배치된다.
일 측면에서, 본 발명에 따른 폭발물 감지 방법은 폭발물과 함께 유체가 흡입부(100)로 유입되어 광원부(200)의 광에 반응하여 형광 상태를 가지며, 형광 상태의 광량이 변화되는 폭발물 탐지용 물질층을 이루고 반응이 발생하는 반응부(400), 광원부(200)의 광을 여기 에너지로만 사용하고 노이즈로서는 작용하지 않게 하는 프리즘부(300), 소광 현상을 측정하는 제1측정부(500)와 광원의 강도(intensity)변화를 모니터링하는 제2측정부(501)로 구성될 수 있다.
프리즘부(300)는 광원부(200)로부터 조사되는 빛이 에바네슨트파를 발생시켜 반응부(400)에서 반응을 일으키게는 하되 프리즘 각도에 의하여 가이드 및 방향이 유도되어 빛이 신호로서만 작용하고 반응을 관측하는 방향으로는 노이즈로 작용하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여, 실험을 통하여 프리즘부(300)의 각도와 형태를 구현해 내었다. 또한, 프리즘부(300)는 광원부(200)로부터 빛이 입사되는 입사면(301)과, 코팅면(305), 광원부(200)로부터 입사면(301)으로 입사된 빛이 코팅면(305)에 에바네슨트파를 발생시킨 후 유도되어 빠져 나가는 투과면 (306), 광원의 강도(intenstity)변화를 모니터링하는 제2측정부(501)가 위치될 수 있는 관측면(307)으로 구성될 수 있다. 코팅면(305)에는 프리즘 초자의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가짐으로서 에바네슨트파를 발생시킬 수 있는 두께의 금으로 코팅된 금코팅층(302)이 형성될 수 있고, 금코팅층(302) 위에 대역필터코팅층(303)이 형성되고, 대역필터 코팅층(303) 위에 폭발물질 반응 형광물질을 도포한 제1도포층(304)이 구비될 수 있다. Explosive material detection sensor device for achieving the above object of the present invention, the suction unit 100, the light source unit 200, the prism unit 300, the reaction unit 400, the first measurement unit 500, the second measurement It includes a unit 501 and a discharge unit 600 .
The suction unit 100 is an inlet through which the fluid mixed with the explosive is sucked, the suction unit 100 is connected to the reaction unit 400 , and the prism unit 300 and the first measurement unit are centered around the reaction unit 400 . 500 is placed up and down.
In one aspect, in the explosive detection method according to the present invention, a fluid is introduced into the suction unit 100 together with the explosive to have a fluorescence state in response to the light of the light source unit 200, and the amount of light in the fluorescence state changes. A reaction unit 400 that forms a layer and a reaction occurs, a prism unit 300 that uses the light from the light source unit 200 only as excitation energy and does not act as noise, a first measurement unit 500 that measures the extinction phenomenon, The second measurement unit 501 may be configured to monitor the change in intensity of the light source.
The prism unit 300 causes the light irradiated from the light source unit 200 to generate an evanescent wave to cause a reaction in the reaction unit 400, but guide and direction are induced by the angle of the prism, so that the light acts only as a signal and reacts. It is characterized in that it is formed so as not to act as noise in the direction of observing.
To this end, the angle and shape of the prism part 300 were implemented through an experiment. In addition, the prism unit 300 includes an incident surface 301 on which light is incident from the light source 200 , a coating surface 305 , and a coating surface 305 on which light incident from the light source 200 to the incident surface 301 is applied. It may be composed of a transmission surface 306 that is induced and exits after generating an evanescent wave, and an observation surface 307 on which a second measurement unit 501 monitoring a change in intensity of the light source can be located. . A gold coating layer 302 coated with gold of a thickness capable of generating an evanescent wave by having a refractive index lower than the refractive index of the prism glass may be formed on the coating surface 305 , and a band filter coating layer on the gold coating layer 302 . A 303 is formed, and a first coating layer 304 coated with an explosive material-reacting fluorescent material may be provided on the band filter coating layer 303 .

표면 플라즈마 공명현상과 소광 현상을 단일체 프리즘 체계로 결합하고, 소형화하였기 때문에, 변화 무쌍한 외부 환경에서도 휴대할 수 있으면서 빠르게 검출 작동을 하고 정확히 유체 속 극미량 폭발물질과 종류를 식별할 수 있는 장치를 제공할 수 있다. Because the surface plasma resonance phenomenon and quenching phenomenon are combined into a single prism system and miniaturized, it is possible to provide a device capable of quickly detecting and accurately identifying trace explosive substances and types in a fluid while being portable even in ever-changing external environments. can

도1은 본 발명의 일실시 예에 따른 유체 속 폭발물질을 측정하는 센서 구조의 개략도이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 프리즘부를 도시한 도면이다.
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 폭발물질과 반응시 형광체의 발광지속시간을 측정하여 나타낸 그래프이다. 본 그래프에서의 시간 단위는 ns(nano second, 나노초)이다.
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 폭발물질(TNT)입자와 형광체의 반응시 나타나는 소광 반응 파장 측정 그래프이다. 폭발물질(TNT)의 입자의 상대적인 농도를 달리했을 때의 형광 스펙트럼의 변화를 나타내는 것으로 농도에 따라 형광 피크치가 감소되는 것으로 TNT 입자의 양을 정량 분석 할 수 있다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 폭발물질 중 특히 TNT 분자와 형광물질의 전자 쌍공명 결합시 나나타는 3D구조를 나타낸 것이다.
도6은 본 발명에 따라 개발된 제품의 공인기관 시험 성적서이다.
도7은 본 발명에 따라 개발된 제품의 공인기관 시험 장면에 대한 것으로, TNT 탐지 센서가 부착된 장비를 공인기관 시험용 챔퍼에 넣고 일정온도에서 일정시간이 경과한 후에 밀봉된 매설 TNT에서 분출한 니트로증기를 사진과 같이 감지하여 수치화한 것이다.
도8은 본 발명의 일실시예에 따른 폭발물질 탐지 센서 장치가 구현된 예이다.
도9는 본 발명의 프리즘부 글라스 관련 투과율과 광학적 특징을 나타내는 표이다.
도10은 도2에 대하여 광선의 방향을 표시하여 설명한 도면이다. 1 is a schematic diagram of a sensor structure for measuring an explosive material in a fluid according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a prism unit according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the measurement of the duration of light emission of a phosphor upon reaction with an explosive material according to an embodiment of the present invention. The unit of time in this graph is ns (nano second, nanosecond).
4 is a graph showing an extinction reaction wavelength measured during a reaction between explosive material (TNT) particles and a phosphor according to an embodiment of the present invention. It represents the change in the fluorescence spectrum when the relative concentration of the explosive material (TNT) particles is different, and the fluorescence peak value decreases according to the concentration.
5 shows a 3D structure that appears when electron pair resonance is coupled between a TNT molecule and a fluorescent material among explosive materials according to an embodiment of the present invention.
6 is an official test report of a product developed according to the present invention.
7 is a test scene of a product developed according to the present invention, in which equipment with a TNT detection sensor is put into a chamfer for testing at an authorized institution, and after a certain time has elapsed at a certain temperature, nitro ejected from the sealed buried TNT The vapor was detected and quantified as in the photo.
8 is an example in which an explosive material detection sensor device according to an embodiment of the present invention is implemented.
9 is a table showing the transmittance and optical characteristics of the prism part glass of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating the direction of the light beam with respect to FIG. 2 .

본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한 폭발물질 탐지 센서 장치는, 흡입부(100), 광원부(200), 프리즘부(300), 반응부(400), 제1측정부(500), 제2측정부(501), 배출부(600)를 포함한다.
흡입부(100)는 폭발물이 섞여 있는 유체가 흡입되는 입구이며, 흡입부(100)는 반응부(400)와 연결되고, 반응부(400)를 중심으로 프리즘부(300)와 제1측정부(500)가 위 아래로 배치된다.
일 실시예로, 본 발명에 따른 폭발물 감지 방법은 폭발물 입자와 함께 유체가 흡입부(100)로 유입되고, 광원부(200)의 광중 일부가 에바네슨트파를 형성하여 형광물질을 도포한 제1도포층(304)에 반응하여 형광 상태를 가질 때, 폭발물 입자와 형광물질의 입자가 반응하여 형광 상태의 광량이 변화되도록 하는 폭발물 탐지용 물질층(302,303,304)을 가지는 반응부(400), 광원부(200)의 광을 여기 에너지로만 사용하고 노이즈로서는 작용하지 않게 하는 전반사면을 가지는 프리즘부(300), 소광 현상을 측정하는 제1측정부(500)와 상기 광원부(200) 광원의 강도(intensity)의 미세한 변화를 측정하여 제1측정부(500)에 피드백시켜 노이즈로 작용할 수 있는 광원의 미세한 변화를 필터링할(제거할) 수 있도록 모니터링하는 제2측정부(501)로 구성될 수 있다.
프리즘부(300)는 광원부(200)로부터 조사되는 빛이 에바네슨트파를 발생시켜 반응부(400)에서 반응을 일으키게는 하되 프리즘 각도에 의하여 가이드 및 방향이 유도되어 빛이 신호로서만 작용하고 반응을 관측하는 방향으로는 노이즈로 작용하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여, 실험을 통하여 프리즘부(300)의 각도와 형태를 구현해 내었다. 에바네슨트파를 발생시키려면 광원부(200)에서의 광이 코팅면(305)로 진행할 때 내부전반사(Total Internal Reflection)가 일어나야 한다.
즉, 광원부(200)로부터 광선이 코팅면(305)으로 진행할 때 코팅면의 법선과 입사광선이 이루는 각을

, 프리즘의 굴절률을

, 프리즘 바로 아래 금코팅층(302)의 굴절률을

라고 하면, 아래 그림에서와 같이

로 계산되는

를 내부전반사 임계각이라 하는데, 현재 본 발명의 프리즘에서 아래그림의

가

>

를 성립하면 내부 전반사가 일어나고 에바네슨트파를 발생시킬 조건이 된다. 도2에 기재된 바에 따라, 광원(200)에서 광선이 입사면(301)로부터 입사하면 405nm이하의 빛(400nm±12.5)을 투과시키는 필터를 지나기 때문에 코팅면(305)에 입사하는 광선의 파장은 최대 약 405nm가 된다. 405nm 파장에서 금코팅층(302)은 두께에 따라 굴절률

는 1.2~1.7 사이의 분포를 갖는다. 예를 들어, 금코팅층(302)이 40nm 두께에서는 굴절률이 1.2 정도이다. 프리즘부(300)의 재질이 쿼츠라면 굴절률

=1.47 정도이므로, 임계각

=

54.7도 정도가 되고, 54.7도 이상의 각으로 입사하면 광원에서 입사된 약 400nm 파장의 광선 대부분을 전반사시킬 수 있게 된다. 이처럼, 전반사를 하면, 전반사를 하는 면에 가깝게 접근된 면은 에바네센트파 커플링(evanescent wave coupling)현상에 의해 대역필터코팅층(303)의 굴절률이 금코팅층(302)의 굴절률보다 높게 하여, 에바네센트파가 대역필터코팅층(303)으로 전달이 될 수 있게 하고 이 전달된 광선이 제1도포층(304)의 형광물질과 반응을 하여 형광 빛을 발산하게 할 수 있게 된다.
따라서, 프리즘(300)에서 광원(200)에서의 400nm±12.5nm 파장의 광선이 임계각

보다 큰 각으로 입사하면 프리즘(300)의 아주 얇은 금코팅층(302)이 있는 면에서는 광선이 거의 대부분 전반사하여 프리즘의 관측면(307)(일부는 영역이 적은 투과면(306)을 통하여 프리즘 밖으로 나갈 수도 있음)을 투과하여 프리즘 밖으로 나가버린다. 프리즘(300)의 아주 얇은 금코팅층(302)이 있는 전반사 면의 폭발물 탐지용 물질층을 이루는 금코팅층(302), 대역필터코팅칭(303), 제1도포층(304)은 에바네센트파를 발생시키는 조건과 에바네센트파 커플링(evanescent wave coupling)조건(프리즘(300)의 굴절률

, 금코팅층(302)의 굴절률을

, 대역필터코팅층(303)의 굴절률

라하면

>

,

>

)의 굴절률 분포를 가지기 때문에 일부 광선은 제1도포층(304)의 형광체와 반응하여 발광을 하게 된다. 즉 광원(200)에서 프리즘의 전반사 입사면(305)에 입사하는 광선을 대부분 전반사 조건을 만족하도록 입사시켜 대부분 전반사 시켜 버리고, 제1도포층(304)에 노이즈로 작용하지 않도록 일부만 에바네슨트파 형태로 제1도포층(304)의 형광물질과 반응하게 하는 것이다.
부연컨대, 프리즘(300)에서 광원(200)에서의 400nm±12.5nm 파장의 광선이 임계각

보다 큰 각으로 입사하면 프리즘(300)의 아주 얇은 금코팅층(302)이 있는 코팅면(305)에서 광선이 거의 대부분 전반사하여 프리즘의 관측면(307)로 입사(일부는 직접 투과면(306)으로 입사하기도 한다)하게 되어 광원의 입사광 강도(intensity)를 모니터링 하는데 사용하고, 프리즘의 관측면(307)으로 사용하지 않는 면으로 진행하는 광선은 다시 전반사시키도록 관측면(307)과 코팅면(305) 사이의 각도를 1도 내지 20도의 각도로 제한할 필요가 있다.

위 그림은 관측면(307)이 있는 프리즘 면과 코팅면(305) 사이의 각도를 30도를 했을 경우의 실시예인데, 광선5는 코팅면(305)에서 전반사 조건을 성립시키지 않기 때문에 형광 발광에 노이즈로 작용할 것이다. 광선6은 코팅면(305)에서는 전반사 하지만 관측면(307)이 있는 프리즘면과 코팅면(305) 사이의 각도가 30도가 되기 때문에 관측면(307)이 있는 프리즘면에서는 전반사 조건을 성립시키지 않기 때문에 관측면(307)이 있는 프리즘면을 굴절하여 관측면(307)이 있는 프리즘면을 통과하여 프리즘 밖으로 나가게 된다. 일정한 영역을 광원 모니터링을 위한 관측면(307)으로 하여야 하므로, 관측면(307)이 있는 프리즘면과 코팅면(305)사이의 각도가 20도 이상일 경우 관측면(307) 길이가 코팅면 길이의 60 내지 69%가 되는 것을 특징을 가지지 못하게 된다.
따라서 아래 그림과 같이 관측면(307)과 코팅면(305) 사이의 각도가 대략 20도 이내로 제한될 때 관측면 길이가 코팅면길이의 60 내지 69%가 되는 것을 특징을 가지게 됨을 확인할 수 있다. 이러한 사항이 도시된 아래그림을 도10에서 확인할 수 있다.

만약 관측면(307)과 코팅면(305) 사이의 각도가 너무 작아서 관측면 길이가 관측면(307)의 영역에서 작아서 관측면 길이가 코팅면 길이의 60 내지 69%가 되는 것을 특징을 성립시키지 못하면 아래 그림과 같이 프리즘 커팅면을 설정하여 커팅을 하면 관측면길이가 코팅면길이의 60 내지 69%가 되는 것을 특징을 성립시킬 수 있게 된다.
일 실시예로서, 프리즘부(300)의 초자가 합성 쿼츠, 쿼츠, 사파이어, BK 7 유리일 경우 실험을 통하여 코팅면(305)과 관측면(307)의 가장 최적의 각도가 17. 74도임을 확인할 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 상기 그림에서, 광선1은 코팅면(305)과 관측면(307)에 각각 전반사하여 직접 투과면(306)으로 입사하는 광선을 보여준다. 광선2는 코팅면(305)과 관측면(307)을 2번씩 전반사하여 투과면(306)으로 입사하는 광선을 보여준다. 광선3는 코팅면(305)을 1번 전반사하여 괸측면(307)으로 입사하는 광선을 보여준다.
광선4는 코팅면(305)에의 입사각이 임계각보다 너무 커서 전반사를 할 수 없게 된 광선이다. 이 때는 제1도포층(304)에 노이즈로 작용하지 않게 하기 위해 코팅면(305)의 광원에 가까운 쪽부터 코팅면(305)에의 입사각이 임계각에 이르는 영역까지는 광선이 코팅면(305)을 통과하지 못하도록 흡수코팅층 또는 100% 반사코팅층을 유지할 필요가 있다.
광선3과 광선4는 광원을 모니터링할 수 있는 관측면 길이 내로 입사된다.
광선 1과 광선2는 관측면(307)과 코팅면(305) 사이의 각도가 대략 1~20도 이내로 제한될 때 나타나는 전반사 광선이기 때문에 모니터링 광선으로 형성되지 않고 모두 투과면(306)으로 배출된다.
프리즘(300)의 아주 얇은 금코팅층(302)이 있는 전반사 면의 폭발물 탐지용 물질층을 이루는 금코팅층(302), 대역필터코팅층(303), 제1도포층(304)은 에바네센트파를 발생시키는 조건과 에바네센트파 커플링(evanescent wave coupling)조건 (프리즘(300)의 굴절률

, 금코팅층(302)의 굴절률을

, 대역필터코팅층(303)의 굴절률

라하면

>

,

>

)의 굴절률 분포를 가지기 때문에
일부 광선은 제1도포층(304)의 형광체와 반응하여 발광을 하게 된다. 즉 광원( 200)에서 프리즘의 전반사 입사면(305)에 입사하는 광선을 대부분 전반사 조건을 만족하도록 입사시켜 대부분 전반사 시켜 버리고(제1도포층(304)에 노이즈로 작용하지 않도록) 일부만 에바네슨트파 형태로 제1도포층(304)의 형광물질과 반응하게 되는 것이다.
본 발명에서, 프리즘부(300)의 재질은 굴절률이 404.65nm에서 1.4696 인 광학 용 합성 쿼츠 글라스(Suprasil 등급)으로 구비될 수 있다
코팅면(305)에는 프리즘보다 굴절률이 낮은 얇은 금코팅층(302)을 형성할 수 있고, 금코팅층(302)위에 대역필터코팅층(303)이 형성되고, 대역필터코팅층(303)위에 폭발물질 반응 형광물질을 도포한 제1도포층(304)이 형성될 수 있는데, 상기 대역필터코팅층은 502nm±36nm 또는 520nm로 구비될 수 있으며, 제1도포층은 6ppm 으로 구비될 수 있다.
이미 언급된 바와 같이, 입사면(301)에도 빛이 분산되지 않은 채 프리즘 안으로 입사될 수 있도록 400nm±12.5nm 로 short band pass filter 가 코팅 처리될 수 있다.
프리즘부(300)는 합성 쿼츠, 쿼츠, 사파이어, BK 7 유리로 구비될 수 있다.
광원부(200)로부터 입사된 빛이 제1도포층에 입사되어 광에 따라 에너지를 받아 여기(excitation)되어 형광 상태를 유지할 수 있으며, 폭발물 입자를 포함한 공기가 유입되면 폭발물 입자는 제1도포층(304)으로터 전자를 뺏게 된다. 이에 따라 제1도포층(304)은 형광 상태에서 일부가 소광 상태로 전이되어 광량이 변화되며, 이러한 광량 변화가 제1측정부(500)에서 측정될 수 있다.
제1측정부(500)은 반응부(400)에 접하는 부분에 제1특정파장 투과필터층(502), 광 파이버 집광 렌즈(503), 제2특정 파장 투과필터층(504), 포토다이오드(505)로 구성될 수 있다.
또한 광원부(200)의 광원의 강도(intensity) 미세한 변화를 측정하여 제1측정부(500)에 피드백시켜 노이즈로 작용할 수 있는 광원의 미세한 변화를 필터링할(제거할) 수 있도록 모니터링하는 제2측정부(501)가 추가로 구성될 수 있다. Explosive material detection sensor device for achieving the above object of the present invention, the suction unit 100, the light source unit 200, the prism unit 300, the reaction unit 400, the first measurement unit 500, the second measurement It includes a unit 501 and a discharge unit 600 .
The suction unit 100 is an inlet through which the fluid mixed with the explosive is sucked, the suction unit 100 is connected to the reaction unit 400 , and the prism unit 300 and the first measurement unit are centered around the reaction unit 400 . 500 is placed up and down.
In one embodiment, in the explosive detection method according to the present invention, a fluid is introduced into the suction unit 100 together with explosive particles, and a part of the light from the light source unit 200 forms an evanescent wave to form a first application of a fluorescent material. The reaction unit 400 and the light source unit 200 having the explosive

detection material layers

302, 303, and 304 so that the amount of light in the fluorescent state is changed by reacting the layer 304 with the explosive particles and the particles of the fluorescent material to have a fluorescence state. ) of the prism unit 300 having a total reflection surface that uses only the excitation energy and does not act as noise, the first measuring unit 500 measuring the extinction phenomenon, and the light source unit 200 of the intensity of the light source The second measurement unit 501 may include a second measurement unit 501 that measures minute changes and feeds them back to the first measurement unit 500 to filter (remove) minute changes in the light source that may act as noise.
The prism unit 300 causes the light irradiated from the light source unit 200 to generate an evanescent wave to cause a reaction in the reaction unit 400, but guide and direction are induced by the angle of the prism, so that the light acts only as a signal and reacts. It is characterized in that it is formed so as not to act as noise in the direction of observing.
To this end, the angle and shape of the prism part 300 were implemented through an experiment. In order to generate the evanescent wave, total internal reflection must occur when the light from the light source 200 travels to the coating surface 305 .
That is, when the light ray from the light source 200 travels to the coating surface 305 , the angle between the normal of the coating surface and the incident ray

, the refractive index of the prism

, the refractive index of the gold coating layer 302 just below the prism

, as shown in the figure below

calculated as

is called the critical angle of total internal reflection, and in the prism of the present invention,

go

>

If is established, total internal reflection occurs and becomes a condition for generating an evanescent wave. As described in FIG. 2, when a light ray from the light source 200 is incident from the incident surface 301, the wavelength of the light incident on the coating surface 305 is up to about 405 nm. At a wavelength of 405 nm, the refractive index of the gold coating layer 302 depends on the thickness.

has a distribution between 1.2 and 1.7. For example, when the gold coating layer 302 has a thickness of 40 nm, the refractive index is about 1.2. If the material of the prism part 300 is quartz, the refractive index

= on the order of 1.47, so the critical angle

=

It becomes about 54.7 degrees, and when it is incident at an angle of 54.7 degrees or more, it is possible to totally reflect most of the rays of about 400 nm wavelength incident from the light source. In this way, when total reflection is performed, the refractive index of the band filter coating layer 303 is higher than the refractive index of the gold coating layer 302 due to the evanescent wave coupling phenomenon on the surface close to the surface on which the total reflection occurs. The evanescent wave can be transmitted to the band filter coating layer 303 and the transmitted light can react with the fluorescent material of the first application layer 304 to emit fluorescent light.
Therefore, in the prism 300 , the light beam with a wavelength of 400 nm±12.5 nm from the light source 200 has a critical angle

When incident at a larger angle, most of the light rays are totally reflected on the surface of the prism 300 with the very thin gold coating layer 302, and the light rays are transmitted out of the prism through the observation surface 307 of the prism (some of which is transmitted through the transmission surface 306 with a small area). through the prism) and exits the prism. The gold coating layer 302, the band filter coating 303, and the first coating layer 304 forming the explosive detection material layer on the total reflection surface on which the very thin gold coating layer 302 of the prism 300 is located is an evanescent wave. Conditions for generating and evanescent wave coupling conditions (refractive index of the prism 300 )

, the refractive index of the gold coating layer 302

, the refractive index of the band filter coating layer 303

If you say

>

,

>

), some light rays react with the phosphor of the first coating layer 304 to emit light. That is, most of the light rays incident on the total reflection incident surface 305 of the prism from the light source 200 are incident to satisfy the total reflection condition, and most of them are totally reflected, and only a part of the light source is in the form of an evanescent wave so as not to act as noise on the first coating layer 304 . to react with the fluorescent material of the first application layer 304 .
In other words, in the prism 300 , the light beam with a wavelength of 400 nm±12.5 nm from the light source 200 has a critical angle

When incident at a larger angle, almost all of the light rays are totally reflected from the coated surface 305 with the very thin gold coating layer 302 of the prism 300 and are incident on the observation surface 307 of the prism (some are directly transmitted through the surface 306). is used to monitor the intensity of the incident light of the light source, and the observation surface 307 and the coating surface ( 305), it is necessary to limit the angle between 1 and 20 degrees.

The above figure is an example when the angle between the prism surface with the observation surface 307 and the coating surface 305 is 30 degrees. Since the light beam 5 does not establish the total reflection condition in the coating surface 305, fluorescence is emitted. will act as noise. Light 6 is totally reflected on the coating surface 305, but the total reflection condition is not established on the prism surface with the observation surface 307 because the angle between the prism surface with the observation surface 307 and the coating surface 305 is 30 degrees. For this reason, the prism surface with the observation surface 307 is refracted, passes through the prism surface with the observation surface 307 and goes out of the prism. Since a certain area should be used as the observation surface 307 for light source monitoring, when the angle between the prism surface where the observation surface 307 is located and the coating surface 305 is 20 degrees or more, the length of the observation surface 307 is equal to the length of the coating surface. It is not characterized by being 60 to 69%.
Therefore, as shown in the figure below, when the angle between the observation surface 307 and the coating surface 305 is limited to within about 20 degrees, it can be confirmed that the observation surface length is 60 to 69% of the coating surface length. The figure below showing these details can be seen in FIG. 10 .

If the angle between the observation surface 307 and the coated surface 305 is too small, the observation surface length is small in the area of the observation surface 307, so that the observation surface length is 60 to 69% of the coated surface length. If not, as shown in the figure below, if the cutting surface is set and cut, the length of the observation surface becomes 60 to 69% of the length of the coating surface.
As an embodiment, when the glass of the prism part 300 is synthetic quartz, quartz, sapphire, or BK 7 glass, the most optimal angle between the coating surface 305 and the observation surface 307 is 17. 74 degrees through an experiment. can be checked
Specifically, in the above figure, the light beam 1 is totally reflected on the coating surface 305 and the observation surface 307 , respectively, and shows a light beam directly incident on the transmission surface 306 . Ray 2 shows a light beam incident on the transmission surface 306 after total reflection of the coating surface 305 and the observation surface 307 twice. Light beam 3 shows a light beam incident on the side surface 307 after total reflection of the coating surface 305 once.
The ray 4 is a ray whose incident angle on the coating surface 305 is too large than the critical angle, so that total reflection cannot be performed. At this time, in order not to act as a noise on the first application layer 304 , the light beam passes through the coating surface 305 from the side close to the light source of the coating surface 305 to the area where the incident angle on the coating surface 305 reaches the critical angle. It is necessary to maintain an absorption coating layer or a 100% reflective coating layer to prevent it from happening.
Ray 3 and Ray 4 are incident within the length of the viewing plane through which the light source can be monitored.
Since the rays 1 and 2 are total reflection rays that appear when the angle between the observation surface 307 and the coating surface 305 is limited to within approximately 1 to 20 degrees, they are not formed as monitoring rays and are both emitted to the transmission surface 306 .
The gold coating layer 302, the band filter coating layer 303, and the first coating layer 304 forming the explosive detection material layer on the total reflection surface with the very thin gold coating layer 302 of the prism 300 emits evanescent waves. Conditions for generating and evanescent wave coupling conditions (refractive index of the prism 300 )

, the refractive index of the gold coating layer 302

, the refractive index of the band filter coating layer 303

If you say

>

,

>

) because it has a refractive index distribution of
Some light rays react with the phosphor of the first application layer 304 to emit light. That is, most of the light rays incident on the total reflection incident surface 305 of the prism from the light source 200 are incident to satisfy the total reflection condition and are mostly totally reflected (so as not to act as noise on the first coating layer 304), and only a part of the evanescent wave It will react with the fluorescent material of the first application layer 304 in a form.
In the present invention, the material of the prism part 300 may be provided with optical synthetic quartz glass (Suprasil grade) having a refractive index of 1.4696 at 404.65 nm.
A thin gold coating layer 302 having a lower refractive index than that of a prism can be formed on the coating surface 305 , a band-pass filter coating layer 303 is formed on the gold coating layer 302 , and explosive material reaction fluorescence on the band-pass filter coating layer 303 . A first application layer 304 coated with a material may be formed. The band filter coating layer may have a thickness of 502 nm±36 nm or 520 nm, and the first application layer may have a thickness of 6 ppm.
As already mentioned, the short band pass filter may be coated with 400 nm±12.5 nm so that light can be incident into the prism without being dispersed even on the incident surface 301 .
The prism unit 300 may be made of synthetic quartz, quartz, sapphire, or BK 7 glass.
The light incident from the light source unit 200 is incident on the first coating layer, receives energy according to the light, is excited, and can maintain a fluorescence state. 304) will take electrons from it. Accordingly, a portion of the first application layer 304 is transferred from a fluorescent state to a quenched state to change the amount of light, and this change in the amount of light may be measured by the first measurement unit 500 .
The first measurement unit 500 includes a first specific wavelength transmission filter layer 502 , an optical fiber condensing lens 503 , a second specific wavelength transmission filter layer 504 , and a photodiode 505 in a portion in contact with the reaction unit 400 . can be composed of
In addition, the second measurement of monitoring so that minute changes in the intensity of the light source of the light source unit 200 are measured and fed back to the first measurement unit 500 to filter (remove) minute changes in the light source that may act as noise The unit 501 may be further configured.

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100: 흡입부
200: 광원부
300: 프리즘부
301: 입사면
302: 금코팅층
303: 대역필터코팅층
304: 제1도포층
305: 코팅면
306: 투과면
307: 관측면
400: 반응부
500: 제1측정부
501: 제2측정부
502: 제1특정파장 투과필터층
503: 광 파이버 집광 렌즈
504: 제2특정 파장 투과필터층
505: 포토다이오드
600: 배출부100: suction unit
200: light source unit
300: prism part
301: incident surface
302: gold coating layer
303: band filter coating layer
304: first application layer
305: coated surface
306: transmissive surface
307: observation plane
400: reaction unit
500: first measurement unit
501: second measurement unit
502: first specific wavelength transmission filter layer
503: optical fiber condensing lens
504: second specific wavelength transmission filter layer
505: photodiode
600: discharge unit

Claims

유체 속 폭발물질을 탐지하는 센서 장치로서, 흡입부, 광원부, 프리즘부, 반응부, 제1측정부, 제2측정부를 포함하되,
상기 프리즘부는 광원부로부터 빛이 입사되는 입사면과, 코팅면, 투과면, 관측면으로 구성되며,
상기 입사면에 400nm

12.5 필터를 구비하여 400nm 파장의 광선이 입사면에 투과되고, 상기 프리즘부는 초자가 합성 쿼츠, 쿼츠, 사바이어, BK 7 유리 중 어느 하나로 구비되고,
상기 코팅면에는 금코팅층, 대역필터코팅층, 폭발물질 반응 형광물질을 도포한 제1도포층이 구비된 것을 특징으로 하고,
상기 관측면과 코팅면은 1도 내지 20도의 각도를 이루며, 관측면의 관측면 길이는 코팅면의 코팅면 길이의 60 내지 69%가 되는 것을 특징으로 하는 유체 속 폭발물질 탐지 센서 장치
A sensor device for detecting explosive substances in a fluid, comprising a suction unit, a light source unit, a prism unit, a reaction unit, a first measurement unit, and a second measurement unit,
The prism unit is composed of an incident surface on which light is incident from the light source unit, a coating surface, a transmission surface, and an observation surface,
400 nm on the incident surface

A 12.5 filter is provided so that light of a wavelength of 400 nm is transmitted through the incident surface, and the prism part is provided with any one of super-self-synthetic quartz, quartz, savior, and BK 7 glass,
The coating surface is characterized in that a gold coating layer, a band filter coating layer, and a first coating layer coated with an explosive material reaction fluorescent material are provided,
The observation surface and the coated surface form an angle of 1 to 20 degrees, and the length of the observation surface of the observation surface is 60 to 69% of the coated surface length of the coated surface.

제1항에 있어서, 상기 관측면과 코팅면이 이루는 각도를 17. 74로 구비한 것을 특징으로 하는 유체 속 폭발물질 탐지 센서 장치
[Claim 2] The sensor device for detecting explosive substances in fluid according to claim 1, wherein an angle between the observation surface and the coating surface is 17.74.

제1항에 있어서, 상기 제1측정부는 제1특정파장투과필터층, 광 파이버 집광 렌즈, 제2특정파장투과필터층, 포토다이오드로 구성된 것을 특징으로 하는 유체 속 폭발물질 탐지 센서 장치According to claim 1, wherein the first measurement unit Explosive substance detection sensor device in the fluid, characterized in that consisting of a first specific wavelength transmission filter layer, an optical fiber condensing lens, a second specific wavelength transmission filter layer, and a photodiode.

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