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광 계수 방식의 라만 라이다 시스템을 이용한 원격 수소 가스 농도 계측 방법에 대한 연구
Study of a Method for Measuring Hydrogen Gas Concentration Using a Photon-counting Raman Lidar System 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.30 no.3, 2019년, pp.114 - 119  

최인영 (한국원자력연구원 양자광학연구부) ,  백성훈 (한국원자력연구원 양자광학연구부) ,  차정호 ((주)한국원자력기술 기술연구소) ,  김진호 ((주)한국원자력기술 기술연구소)

초록
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본 논문은 원격으로 수소 가스의 계측이 가능한 광 계수 방식의 소형 라만 라이다 시스템 개발에 관한 것이다. 수소 가스에 의한 라만 신호는 매우 미약한 신호로서, 신호 대 잡음비가 매우 낮다. 광 계수기는 광 판별기를 갖고 있어, 레이저에 의하여 발생한 배경 신호의 전기적 잡음을 제거할 수 있는 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 출력이 낮은 레이저와 광 계수기를 이용하여 소형의 라만 라이다 시스템을 개발하였다. 개발된 광 계수 방식의 라만 라이다 시스템의 원격 수소 가스 검출 능력을 증명하기 위하여 수소 가스 농도를 조절할 수 있는 가스 챔버를 이용하여 수소 가스 농도 측정 실험을 수행하였다. 그 결과 10 m 거리에서 최소 0.65 vol.%의 수소 가스 농도 검출이 가능하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper discusses the development of a Raman lidar system for remote detection and measurement of hydrogen gas by using a photon counter. The Raman signal of the hydrogen gas is very weak and has a very low signal-to-noise ratio. The photon counter has the advantage of improving the signal-to-noi...

주제어

#라만 라이다 시스템   #수소 가스   #원격 계측   #측정 알고리즘   #라만 산란 신호  

표/그림 (12)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 라만 라이다 시스템의 소형화에 관한 것으로, 3 µJ의 출력을 갖는 반도체 여기 방식의 마이크로 칩 펄스 레이저와(파장 355nm), 광 계수기를 이용한 소형 라만 라이다 시스템을 설계 및 개발하였다.
  • 본 연구에서는 수소 가스 원격 계측을 위한 라만 라이다 시스템의 소형화 연구로서, 기존 개발된 수소 가스 원격 계측용 라만 라이다 시스템에 비하여 아주 작은 3 µJ의 출력과 10kHz의 반복률을 갖는 소형 레이저를 이용한 레이저 전송 시스템과 광 계수 장치를 이용하여 수소 가스에 의한 라만 산란 신호 검출장치를 개발하였다. 또한 개발된 광 계수 방식의 라만 라이다 시스템을 이용하여 원격으로 수소 가스 검출 및 정량적 농도 측정을 위한 실험을 수행한 결과 10m 거리에서 0.
  • 수소 가스 원격 측정을 위해 개발된 광 계수 방식 라만 라이다 시스템의 수소 가스 검출 능력을 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 수소 가스의 경우, 공기보다 밀도가 낮고, 폭발성이 매우 강함으로 폭발 및 연소를 방지하기 위하여 산소를 차단할 수 있으며 분압 조절을 통하여 수소 가스의 농도를 조절할 수 있는 가스 챔버를 이용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수소 가스란? 수소 가스는 신 ‧ 재생 에너지원 중 하나로서, 에너지의 발생 과정에서 오염물질의 배출이 거의 없는 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 특히 친환경 자동차로 최근 많은 연구가 진행 중인 연료전지 자동차의 에너지원으로서, 점차 수요가 증가할 것으로 예상된다.
수소 가스의 단점은? 특히 친환경 자동차로 최근 많은 연구가 진행 중인 연료전지 자동차의 에너지원으로서, 점차 수요가 증가할 것으로 예상된다. 그러나 수소 가스는 낮은 점화 에너지를 갖고 있으며, 폭발성과 화염 전파성이 매우 큰 위험한 물질 중의 하나이다. 따라서 안전한 수소 가스의 산업적 이용을 위해선, 수소 가스의 누출 감지 및 제거하는 기술이 필수적으로 요구된다.
친환경 자동차로 최근 많은 연구가 진행 중인 연료전지 자동차의 에너지원으로 이용되는 것은? 수소 가스는 신 ‧ 재생 에너지원 중 하나로서, 에너지의 발생 과정에서 오염물질의 배출이 거의 없는 친환경 에너지원으로 각광받고 있다. 특히 친환경 자동차로 최근 많은 연구가 진행 중인 연료전지 자동차의 에너지원으로서, 점차 수요가 증가할 것으로 예상된다.
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참고문헌 (9)

  1. R. N. Verem'ev, V. E. Privalov, and V. G. Shemanin, "Optimization of a semiconductor lidar for detecting atmospheric molecular iodine and hydrogen," Tech. Phys. 45, 636-640 (2000). 

    상세보기 crossref

  2. E. I. Voronina, V. E. Privalov, and V. G. Shemanin, "Proving hydrogen molecules with a laboratory Raman lidar," Tech. Phys. Lett. 30, 178-179 (2004). 

  3. A. J. Ball, "Investigation of gaseous hydrogen leak detection using Raman scattering and laser induced breakdown spectroscopy," M. S. Thesis, University of Florida (2005). 

  4. Z. Rovert and B. Nick, "Wide area and distributed hydrogen sensors," International Conference on Hydrogen Safety (2009). 

  5. H. Nynomiya, S. Yeashima, and K. Ickawa, "Raman lidar system for hydrogen gas detection," Opt. Eng. 49, 0943110-09430115 (2007). 

  6. Y. Noguchi, T. Shiina, K. Noguchi, T. Fukuchi, H. Ninomiya, I. Asahi. S. Sugimoto, and Y. Shimamoto, "Detection of low concentration hydrogen gas by compact Raman lidar," in Proc. International Quantum Electronics Conference and Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (Australia, Aug. 2011), pp. 846-847. 

  7. I. Asahi, S. Sugimoto, H. Ninomiya, T. Fukuchi, and T. Shiina, "Remote Sensing of hydrogen gas concentration distribution by Raman lidar," Proc. SPIE 8526, 852601-852608 (2012). 

  8. I. Y. Choi, S. H. Baik, N. G. Park, H. Y. Kang, J. H. Kim, and N. J. Lee, "Development of a Raman lidar system for remote monitoring of hydrogen gas," Korean J. Opt. Photon. 28, 166-171 (2017). 

  9. I. Y. Choi, S. H. Baik, J. Y. Lim, J. H. Cha, and J. H. Kim, "Development of on-axis Raman lidar system for remotely measuring hydrogen gas at long distance," Korean J. Opt. Photon. 29, 119-1251 (2018). 

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