KR101139776B1

KR101139776B1 - 입자계수기용 또는 형광검출장비용 빔 덤퍼

Info

Publication number: KR101139776B1
Application number: KR1020110132029A
Authority: KR
Inventors: 최기봉; 하연철; 김덕호
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: EP2602645A1; EP2602645B1

Abstract

본 발명에 따른 입자계수기용 또는 형광검출장비용 빔 덤퍼는, 광학 챔버의 일측에 설치된 빔형성부로부터 조사된 빔을 덤핑하기 위해 빔형성부와 마주보도록 광학 챔버의 타측에 장착하는 입자계수기용 또는 형광검출장비용 빔 덤퍼로서, 광학 챔버에 고정하는 몸체와, 몸체 중앙부에 관통형성된 삽입구멍에 끼워넣는 초점렌즈 조립체와, 초점렌즈 조립체의 광축이 핀홀을 지나도록 몸체 후면에 형성된 오목부에 삽입하는 핀홀 조립체와, 핀홀 조립체 후면에 고정하는 하우징과, 초점렌즈 조립체의 광축에 직교하는 기준면에 대해 일정한 각도로 경사지도록 하우징의 후면에 고정하는 광원출력검출기를 포함하여 구성되며, 핀홀을 통과한 빔이 광원출력검출기에 점점 가까워짐에 따라 빔 폭이 점차 퍼지도록 핀홀 조립체와 하우징의 중앙부에는 공동이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

입자계수기용 또는 형광검출장비용 빔 덤퍼 {A beam dumper for a particle counter or a fluorescence detector}

본 발명은, 고출력 빔(예컨대, 고출력의 강한 광원(光源)에서 조사된 광선이나 레이저 빔)이 미세 입자에 조사되었을 때 생성되는 미약한 광신호의 세기와, 고출력 빔의 세기를 둘 다 검출해야 하는 입자계수기나 형광검출장비 등에 적합한 빔 덤퍼에 관한 것이다.

광선을 흡수하는데 이용되는 빔 덤퍼(beam dumper)는, 광선흡수로 인해 발생되는 열의 소산뿐 아니라, 빛의 반사(reflection)와 산란(scattering)을 어떻게 감소시키느냐가 설계시의 주요 관심사이다.

일반적으로, 단일 평면으로 빔을 덤핑(dumping)하는 것은, 직접 반사(direct reflection)가 효과적으로 감소할 수 있다 할지라도, 몇몇 응용장치에서는 대량의 광선을 감당하지 못할 만큼 산란시킬 수 있다.

그래서 레이저 빔을 이용하는 입자계수기나 형광검출장비에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 알루미늄으로 된 원뿔체(11)의 내면에, 흑체(black interior)(12)가 부착되거나 코팅된 빔 덤퍼(10)를 이용하였다. 그러나 흑체(12)라 해도 빛의 반사를 완전히 차단할 수는 없기 때문에, 반사광과 잡광(stray light, 미광이라고도 함)이 발생하였다.

당연한 것이지만, 이러한 반사광과 잡광은, 미약한 광신호의 세기를 잘못 측정하게 한다.

따라서, 고출력 빔이 미세 입자에 조사되었을 때 생성되는 미약한 광신호를 검출함과 아울러, 고출력 빔의 세기도 검출해야 하는 입자계수기나 형광검출장비에서는, 반사광과 잡광을 얼마만큼 제거할 수 있느냐가 장치의 성능을 좌우한다.

원뿔체 형태의 빔 덤퍼가 갖고 있는 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 강한 광원에서 조사되는 빔의 세기와, 미세 입자가 빔을 통과할 때 생기는 미약한 광신호의 세기를 둘 다 측정하는 입자계수기 또는 형광검출장비에서 사용하기에 적합한 빔 덤퍼를 제공함에 목적이 있다.

더 구체적으로는, 빔 덤퍼의 후단(後端)에 장착되는 광원출력검출기의 표면에서 반사된 반사광과, 빔 덤퍼 내에서 반사와 산란에 의해 생긴 잡광이, 입자계수기나 형광검출장비의 광학 챔버에 입사되지 않게 함으로써, 광학 챔버에 장착되어 있는 다른 검출기(예컨대, 산란광검출기나 형광검출기)로 이들 반사광과 잡광이 유입되어 측정의 정확도가 저하되는 일이 없도록 한, 새로운 형태의 빔 덤퍼를 제공함에 목적이 있다.

따라서, 본 발명의 빔 덤퍼에 의하면, 광원출력검출기의 표면에서 반사된 반사광과, 빔 덤퍼 내에서 발생한 잡광이 광학 챔버에 유입되지 않으므로, 광학 챔버에 장착되는 다른 검출기의 신호대잡음비(신호와 잡음의 에너지 비)를 개선할 수 있고, 측정의 정확도를 높일 수 있다.

상기 과제가 해결될 수 있도록 구성된 본 발명의 빔 덤퍼는, 광학 챔버의 일측에 설치된 빔형성부로부터 조사된 빔을 덤핑하기 위해 빔형성부와 마주보도록 광학 챔버의 타측에 장착하는 입자계수기용 또는 형광검출장비용 빔 덤퍼로서, 광학 챔버에 고정하는 몸체와, 몸체의 중앙부에 관통형성된 삽입구멍에 끼우는 초점렌즈 조립체와, 초점렌즈 조립체의 광축(光軸)이 핀홀을 지나도록 몸체의 후면에 형성된 오목부에 삽입하는 핀홀 조립체와, 핀홀 조립체의 후면에 고정하는 하우징과, 초점렌즈 조립체의 광축에 직교하는 기준면에 대해 일정 각도로 경사지도록 하우징의 후면에 고정하는 광원출력검출기를 포함하여 구성되며, 핀홀 조립체의 핀홀을 통과한 빔이 광원출력검출기에 점점 가까워짐에 따라 빔 폭이 점차 퍼지도록 핀홀 조립체와 하우징의 중앙부에는 공동( cavity )이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 핀홀 조립체는, 전면(前面)의 중앙부에 핀홀이 관통형성된 캡과, 캡의 외측 둘레와 몸체의 후면에 오목하게 형성된 오목부의 내측 둘레 사이에 끼우는 다수의 블록과, 캡의 후면에 접하도록 설치하는 단부부재(端部部材)로 구성되고, 몸체의 둘레에는, 몸체 후면에 형성된 오목부 내에서 캡의 위치가 조절 가능하게 하는 다수의 위치조절구가 일정 간격으로 관통결합되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 핀홀 조립체의 캡에 형성되는 핀홀은, 핀홀을 통해 입사되는 빔의 진행경로를 따라 지름이 점차 커지도록 관통형성되고, 핀홀 조립체의 단부부재에 형성되는 구멍은, 핀홀을 통해 입사되는 빔의 진행경로를 따라 지름이 점차 커지도록 관통형성되며, 하우징에 형성되는 구멍은, 핀홀을 통해 입사되는 빔의 진행경로를 따라 지름이 점차 작아지게 관통형성되는 것이 바람직하다.

이상과 같은 구성에 따르면, 광원출력검출기의 표면에서 반사된 반사광과 빔 덤퍼 내에서 생긴 잡광은 빔 덤퍼의 공동 내에서 거의 소멸하여 입자계수기나 형광검출장비의 광학 챔버로는 입사되지 않다.

따라서 고출력의 광원으로부터 조사된 빔(예컨대, 레이저 빔)의 세기는 광원출력검출기에 의해 정확히 측정할 수 있고, 미세 입자가 빔을 통과할 때 생기는 미약한 광신호의 세기는 광학 챔버에 설치된 다른 검출기를 통해 정확하게 측정할 수 있다.

도 1은 종래 구성에 따른 원뿔체(cone) 형태의 빔 덤퍼를 나타낸 개략도.
도 2a는 본 발명에 따른 빔 덤퍼가 장착되는 일 실시예의 입자계수기를 개략적으로 나타낸 결합 사시도.
도 2b는 본 발명에 따른 빔 덤퍼가 장착되는 일 실시예의 입자계수기를 개략적으로 나타낸 분해 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 빔 덤퍼의 분해도.
도 4는 본 발명에 따른 빔 덤퍼의 외관을 나타낸 조립도.
도 5a는 본 발명에 따른 빔 덤퍼가 광학 챔버의 후방측에 장착된 상태를 나타낸 단면도.
도 5b는 도 5a의 A-A선 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 빔 덤퍼의 작용 원리를 설명하기 위해 나타낸 도면.

이하, 본 발명에 따른 빔 덤퍼의 구성이 첨부도면에 의거하여 구체적으로 설명된다. 여기서 본 발명의 빔 덤퍼는, 형광검출장비에도 적용될 수 있는데, 일반적으로, 형광검출장비와 입자계수기는, 형광신호측정부의 존재 여부로 구분될 뿐이므로, 형광검출장비에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

먼저, 첨부된 도 2a와 2b를 참조하여 본 발명에 따른 빔 덤퍼가 장착되는 입자계수기의 구성에 대해 개략적으로 설명한다.

도 2a와 2b에 나타나 있듯이, 본 발명의 빔 덤퍼(100)가 장착되는 입자계수기는, 광학 챔버(220)를 중심으로, 광학 챔버(220)의 상하측에 설치되는 입자도입부(210) 및 입자토출부(도시하지 않음)와, 광학 챔버(220)의 전후측에 설치되는 빔형성부(230) 및 빔 덤퍼(100)와, 광학 챔버(220)의 좌우측 중 어느 일측(도면에서는 좌측)에 설치되는 광측정부(240)로 구성되어 있다.

이러한 구성의 입자계수기에서는, 입자도입부(210)를 통해, 대기 중의 미세 입자가 일정 유량의 공기와 함께 광학 챔버(220)의 내부로 유입되는데, 이때, 빔형성부(230)에서 빔 덤퍼(100) 쪽으로 조사된 레이저 빔을 통과하는 미세 입자에 의해 광학 챔버(220) 내에 산란광이 발생한다. 그리고 이 산란광을 광측정부(240)가 검출함으로써, 대기 중 미세 입자의 농도가 측정된다. 미세 입자가 생물 입자인 경우에는, 산란광과 함께 형광도 발생하므로, 이러한 형광을 검출하면, 대기 중 생물 입자의 농도를 측정할 수 있다.

도면으로 다시 돌아가서, 도 3 내지 6에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 빔 덤퍼(100)는, 광학 챔버(220)의 후면(後面)에 나사로 고정하는 몸체(110)와, 몸체(110)의 중앙부에 관통형성된 삽입구멍(111)에 끼우는 초점렌즈 조립체(120)와, 삽입구멍(111)이 중심에 위치하도록 몸체(110)의 전면(前面)에 오목하게 형성하는 장착홈(112)과, 장착홈(112)에 삽입고정하는 윈도우(140)와, 초점렌즈 조립체(120)의 외측 둘레에 끼워져 윈도우(140)로 덮이는 고정링(130)과, 삽입구멍(111)이 중심에 위치하도록 몸체(110)의 후면에 오목하게 형성한 오목부에 끼우는 핀홀 조립체(150)와, 몸체(110) 후단(後端)에 나사로 고정하는 하우징(160)과, 하우징(160)의 후단(後端)에 나사로 고정하는 광원출력검출기(180)와, 광원출력검출기(180)의 후면 중앙부에 형성된 환형홈에 끼우는 밀폐링(190)과, 광원출력검출기(180)의 후면에 고정하는 덮개판(170)으로 이루어져 있다.

도 5a에 도시된 것처럼, 광학 챔버(220)의 좌측과 우측에 서로 다른 광신호(예컨대, 산란광과 형광)를 검출하는 광측정부(240)(250)가 각각 설치되어도 좋다.

초점렌즈 조립체(120)는, 초점렌즈로서 볼록렌즈(121)를 사용하여 레이저 빔이 핀홀 조립체(150)의 핀홀(154)(예컨대, 지름 0.3㎜)을 통과할 수 있도록 한다.

핀홀 조립체(150)는, 전면(前面)의 중앙부에 핀홀(154)이 관통형성된 원통형 캡(151)과, 캡(151)의 외측 둘레와 몸체(110) 후면에 오목하게 형성된 오목부의 내측 둘레 사이에 끼우는 다수(예컨대, 4개)의 블록(152)과, 캡(151)의 후면에 접하도록 설치하는 단부부재(153)로 이루어져 있다.

핀홀(154)은, 캡(151)의 전면 쪽으로 다가갈수록 지름이 줄어드는 형태로 형성되어 있다.

단부부재(153)는, 전면 쪽 지름보다 후면 쪽 지름이 더 큰 구멍이 중앙에 관통형성되어 있는데, 이 구멍의 전면 쪽 지름은, 캡(151)의 후면에 오목하게 형성된 오목부의 안지름과 같다.

다음으로, 몸체(110)의 둘레에는 다수(예컨대, 4개)의 위치조절구(113)가 일정 간격으로 관통결합되어 있다. 이 위치조절구(113)에는, 캡(151)의 둘레 쪽으로 블록(152)을 누르는 스프링(114)이 구비되어 있어, 위치조절구(113)를 풀거나 죔에 따라, 몸체(110) 후면의 오목부 내에서, 캡(151)의 위치가 조절 가능하다.

또한, 하우징(160)은 중앙에 구멍이 뚫려 있는데, 이 구멍의 전면 쪽 지름은 후면 쪽에서 관찰되는 지름보다 더 크다. 하우징의 전면 쪽에서 관찰되는 이 구멍의 지름은, 단부부재(153)의 중앙에 관통형성된 구멍의 후면 쪽 지름과 같다.

또, 하우징(160)의 후면(後面)은, 광축에 직교하는 기준면에 대해 일정한 각도(θ)(예컨대, 10°)로 기울어져 있다.

광원출력검출기(180)는, 광학 챔버(220)의 전후측에 설치되는 빔형성부(230)와 빔 덤퍼(100)가 일렬로 정렬되지 않았거나 빔형성부(230)에 이상이 있어 레이저 빔의 세기에 변동이 생기면, 이 변동을 검출하여, 경고장치(도시하지 않음)를 통해 경고를 발생시킨다. 광원출력검출기(180)로는 포토다이오드(photodiode)가 이용 가능하다.

이어서, 본 발명에 따른 빔 덤퍼(100)의 작용효과를 설명한다.

우선, 본 발명의 빔 덤퍼(100)는, 일부의 부품은 끼워 맞추기를 하고 일부의 부품은 나사로 고정하여 일체화한 것이므로, 부품 간 분해결합이 용이하고, 입자계수기에 장착하기도 편리하다.

또, 몸체(110)의 전면(前面)과 광학 챔버(220)의 후면(後面)에 형성된 개구(開口) 사이를 윈도우(140)와 고정링(130)으로 밀폐시켰기 때문에, 광학 챔버(220)의 내부압력이 유지됨은 물론, 레이저 빔이 통과하는 빔 덤퍼(100)의 내부경로(또는 내부공간)가 외부와 차단되어, 외부로부터 광학 챔버(220)나 빔 덤퍼(100)의 내부로, 공기나 빛이 유입되지 않는다. 따라서 측정의 정확도와 신뢰도가 향상된다.

또한, 본 발명의 빔 덤퍼(100)는, 빔형성부(230)에서 조사된 레이저 빔(입사빔)이 광학 챔버(220)의 전?후면에 형성된 개구와 윈도우(140)를 지나, 초점렌즈 조립체(120)의 볼록렌즈(121)를 통해, 핀홀 조립체(150)의 캡(151)의 전면에 뚫려 있는 지름 0.3㎜의 핀홀(154)을 거쳐, 광원출력검출기(180)에 도달되도록 구성되어 있다. 게다가, 광원출력검출기(180)의 표면은, 입사빔의 진행경로(광축)에 수직한 기준면(161)에 대해 10°가량 경사져 있다. 이러한 구성에 의해, 레이저 빔의 세기를 측정하는 과정에서, 입사빔의 일부가 광원출력검출기(180)의 표면으로부터 반사되더라도, 반사빔이 입사빔과는 다른 경로가 반사되어, 핀홀(154)로 직진하는 반사빔의 양은 현저히 줄어들게 된다.

이에 대해, 더 구체적으로 설명하면, 도 6에 나타나 있는 것처럼, 입사빔은 초점렌즈 조립체(120)의 볼록렌즈(121)를 통해 핀홀 조립체(150)의 핀홀(154)로 모여지는데, 이 핀홀(154)을 통과한 입사빔은, 핀홀(154)의 뒤쪽으로 빔 덤퍼(100)의 내부에 형성된 공동(101)을 지나면서 광원출력검출기(180)에 점점 가까워짐에 따라 빔 폭이 점차 퍼지게 된다.

이렇게 해서 빔 폭이 넓어진 입사빔이 광원출력검출기(180)에 도달되면, 입사빔의 세기가 광원출력검출기(180)에 의해 검출됨과 아울러, 입사빔의 일부가 광원출력검출기(180)의 표면에서 반사된다.

광원출력검출기(180)의 표면에서 반사된 반사빔은, 핀홀 조립체(150)에 가까워질수록 빔 폭이 더욱 넓어져 핀홀(154)의 지름보다 20배 이상 퍼지게 된다.

광원출력검출기(180)로서 실리콘 소재의 포토다이오드를 사용한다는 전제 하에, 입사빔이 포토다이오드의 표면에 수직(90°)으로 입사할 때는 반사율이 30% 정도이지만, 일정한 각도(90°-10°=80°)로 경사져서 입사할 때는 반사율이 0.075%밖에 되지 않는다. 빔의 가우시안 분포를 감안하면, 빔의 에너지는 0.2% 정도이다.

본 발명의 빔 덤퍼(100)에 따르면, 광원출력검출기(180)의 표면에서 반사된 반사빔의 대부분은 핀홀(154)을 통과하지 않다. 또, 반사빔이 핀홀(154)을 지나는 경우에도 가우시안 분포의 외곽 세기가 낮은 지역을 통과하게 되므로, 지극히 적은 양의 에너지만 광학 챔버(220)로 유입될 뿐이다.

그 결과, 광원출력검출기(180)의 표면에서 반사된 반사광과 빔 덤퍼(100) 내에서 발생한 잡광이 광학 챔버(220)의 내부로 거의 유입되지 않아, 광학 챔버(220)에 장착된 다른 검출기(예를 들면, 광측정부(240)(250))의 신호대잡음비(신호와 잡음의 에너지 비)가 개선됨과 아울러 입자계수기나 형광검출장비의 측정의 정확도와 신뢰도가 향상된다.

100...빔 덤퍼 101...공동
110...몸체 111...삽입구멍
112...장착홈 113...위치조절구
114...스프링 120...초점렌즈 조립체
121...볼록렌즈 130...고정링
140...윈도우 150...핀홀 조립체
151...캡 152...블록
153...단부부재 154...핀홀
160...하우징 161...기준면
170...덮개판 180...광원출력검출기
190...밀폐링 210...입자도입부
220...광학 챔버 230...빔형성부
240...광측정부 250...광측정부

Claims

광학 챔버의 일측에 설치된 빔형성부로부터 조사되는 빔을 덤핑하기 위해 빔형성부와 마주보도록 광학 챔버의 타측에 장착하는 입자계수기용 빔 덤퍼로서,
광학 챔버에 고정하는 몸체와;
몸체의 중앙부에 관통형성된 삽입구멍에 끼워넣는 초점렌즈 조립체와;
초점렌즈 조립체의 광축이 핀홀을 지나도록, 몸체의 후면에 형성된 오목부에 삽입하는 핀홀 조립체와;
핀홀 조립체의 후면에 고정하는 하우징과;
초점렌즈 조립체의 광축에 직교하는 기준면에 대해 일정한 각도로 경사지도록, 하우징의 후면에 고정하는 광원출력검출기; 를 포함하여 구성되며,
핀홀 조립체의 핀홀을 통과한 빔이, 광원출력검출기에 점점 가까워짐에 따라 빔 폭이 점차 퍼지도록, 핀홀 조립체와 하우징의 중앙부에는 공동이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 입자계수기용 빔 덤퍼.
제1항에 있어서,
핀홀 조립체는,
전면(前面)의 중앙부에 핀홀이 관통형성된 캡과,
캡의 외측 둘레와 몸체의 후면에 오목하게 형성된 오목부의 내측 둘레 사이에 끼우는 다수의 블록과,
캡의 후면에 접하도록 설치하는 단부부재로 구성되어 있으며,
몸체의 둘레에는, 몸체의 후면에 형성된 오목부 내에서 캡의 위치가 조절 가능하게 하는 다수의 위치조절구가 일정한 간격으로 관통결합되어 있는 것을 특징으로 하는 입자계수기용 빔 덤퍼.
제2항에 있어서,
핀홀 조립체의 캡에 형성된 핀홀은, 핀홀을 통해 입사되는 빔의 진행경로를 따라 지름이 점차 커지도록 관통되어 있고,
핀홀 조립체의 단부부재에 형성된 구멍은, 핀홀을 통해 입사되는 빔의 진행경로를 따라 지름이 점차 커지도록 관통되어 있으며,
하우징에 형성된 구멍은, 핀홀을 통해 입사되는 빔의 진행경로를 따라 지름이 점차 작아지게 관통되어 있는 것을 특징으로 하는 입자계수기용 빔 덤퍼.
광학 챔버의 일측에 설치된 빔형성부로부터 조사되는 빔을 덤핑하기 위해 빔형성부와 마주보도록 광학 챔버의 타측에 장착하는 형광검출장비용 빔 덤퍼로서,
광학 챔버에 고정하는 몸체와;
몸체의 중앙부에 관통형성된 삽입구멍에 끼워넣는 초점렌즈 조립체와;
초점렌즈 조립체의 광축이 핀홀을 지나도록, 몸체의 후면에 형성된 오목부에 삽입하는 핀홀 조립체와;
핀홀 조립체의 후면에 고정하는 하우징과;
초점렌즈 조립체의 광축에 직교하는 기준면에 대해 일정한 각도로 경사지도록, 하우징의 후면에 고정하는 광원출력검출기; 를 포함하여 구성되며,
핀홀 조립체의 핀홀을 통과한 빔이, 광원출력검출기에 점점 가까워짐에 따라 빔 폭이 점차 퍼지도록, 핀홀 조립체와 하우징의 중앙부에는 공동이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 형광검출장비용 빔 덤퍼.
제4항에 있어서,
핀홀 조립체는,
전면(前面)의 중앙부에 핀홀이 관통형성된 캡과,
캡의 외측 둘레와 몸체의 후면에 오목하게 형성된 오목부의 내측 둘레 사이에 끼우는 다수의 블록과,
캡의 후면에 접하도록 설치하는 단부부재로 구성되어 있으며,
몸체의 둘레에는, 몸체의 후면에 형성된 오목부 내에서 캡의 위치가 조절 가능하게 하는 다수의 위치조절구가 일정한 간격으로 관통결합되어 있는 것을 특징으로 하는 형광검출장비용 빔 덤퍼.
제5항에 있어서,
핀홀 조립체의 캡에 형성된 핀홀은, 핀홀을 통해 입사되는 빔의 진행경로를 따라 지름이 점차 커지도록 관통되어 있고,
핀홀 조립체의 단부부재에 형성된 구멍은, 핀홀을 통해 입사되는 빔의 진행경로를 따라 지름이 점차 커지도록 관통되어 있으며,
하우징에 형성된 구멍은, 핀홀을 통해 입사되는 빔의 진행경로를 따라 지름이 점차 작아지게 관통되어 있는 것을 특징으로 하는 형광검출장비용 빔 덤퍼.