초록 ▼

본 연구는 천연가스의 주성분인 $CH_4$ 가스를 레이저를 사용하여 비접촉식으로 검출하는 방법을 연구목적으로 하였다. $CH_4$ 가스는 적외선 영역에서 4 개의 흡수선을 가지고 있음을 스펙트럼 분석을 통하며 밝혔다 4개의 흡수선 줌에서 비교적 강한 흡수특성을 갖는 3.39 ㎚와 7.6 ㎚ 대역을 선택하였다 7.6 ㎚ 경우는 대기중에 존재하는 수증기의 흡수대역과 일치하며 또한 적절한 광원이 없다. 따라서 3.39 ㎚ 대역의 흡수특성을 이용하여 누출된 천연가스의 농도를 측정하였다. $C

본 연구는 천연가스의 주성분인 $CH_4$ 가스를 레이저를 사용하여 비접촉식으로 검출하는 방법을 연구목적으로 하였다. $CH_4$ 가스는 적외선 영역에서 4 개의 흡수선을 가지고 있음을 스펙트럼 분석을 통하며 밝혔다 4개의 흡수선 줌에서 비교적 강한 흡수특성을 갖는 3.39 ㎚와 7.6 ㎚ 대역을 선택하였다 7.6 ㎚ 경우는 대기중에 존재하는 수증기의 흡수대역과 일치하며 또한 적절한 광원이 없다. 따라서 3.39 ㎚ 대역의 흡수특성을 이용하여 누출된 천연가스의 농도를 측정하였다. $CH_4$ 가스에 대해서 강한 흡수 특성을 갖는 3.39 ㎚ 파장을 갖는 He-Ne 레이저와 $CH_4$ 가스에 대해서 흡수특성을 갖지 않는 3.5 ㎚ 파장을 갖는 He-Xe 레이저를 사용하여 흡수특성의 차이를 검출하는 방법으로 $CH_4$ 가스의 농도를 측정하였다. 측정 농도는 100∼300 ppm의 $CH_4$ 가스를 측정하였다.
측정에 사용되는 레이저의 파장과 출력안정화가 측정의 정밀도에 많은 영향을 주었다. 따라서 광음향효과, 광전류효과를 이용하여 레이저의 주파수와 출력을 안정화하였다. 이때 출력 안정도는 50배 이상 향상되었고, 주파수 안정도는 $10^{-7}$으로 향상됨을 확인하였다. 광음향효과를 이용하여 도플러 현상에 의해서 발생되는 미세한 변이 주파수를 검출하는 방법을 개발하였다 본 방법으로 약 50 ㎑의 광주파수 변위를 측정하였으며, 이를 laser Doppler velocimetry에 응용하여 회전체의 속도를 비접촉식으로 측정하였다.

Abstract ▼

Laboratory measuring systems for detection and measurement of gas concentration have been developed. These systems are used for a detection of $CH_4$ gases, the absorption lines of which are at the generation wavelengths of He-Ne lasers. The works concerned both remote sensing systems and

Laboratory measuring systems for detection and measurement of gas concentration have been developed. These systems are used for a detection of $CH_4$ gases, the absorption lines of which are at the generation wavelengths of He-Ne lasers. The works concerned both remote sensing systems and "in situ"ones. Especially remote monitoring is possible due to radiation lines of these lasers in, so-called, atmospheric windows. Applying DIAL (differential absorption lidar) methodology, prototype devices for measurements of methane concentration were designed and systems for remote detection of NH₃, $SF_{6}$ and toxic agents are tested in laboratory now. The measured concentrations of methane in air on the level below 10 ppm based on reflection of laser radiation from natural objects, a measuring range of the device is 10 m. The applied retroreflector increases measuring range up to 50 m.
Laser optical power stabilization of the radio frequency excited $CO_2$ slab laser using the opto-Hertzian effect generated from the laser itself is achieved on the peak of the Doppler broadened gain curve. The opto-Hertzian signal was generated by a modulation of the optical flux circulating inside the laser cavity from a variation in the cavity length caused by the vibrations of the PZT. The opto-Hertzian signal is directly coupled from a RF discharge chamber via a loop antenna into a detector and applied to a lock-in stabilizer as an reference signal. The power stability of a RF excited slab laseris estimated to be better then 2 %.
We stabilized the frequency and power of a CW radio frequency excited $CO_2$ laser on the peak of the Doppler broadened gain curve using the photoacoustic effect generated from the laser itself. The condenser microphone is installed in the radio frequency discharge chamber to detect a photoacoustic signal. The photoacoustic signal is feed to a lock-in stabilizer as an reference signal for a stabilization. The frequency stability isestimated to be better then $5.4{\times}10^{-8}$ at the P(20) line. The stabilized output variation was reduced 9.3 %, compared to 100 % from a free running laser.
A new laser Doppler velocimeter employing a $CO_2$ laser has been developed by using its photo acoustic effect. A change in the pressure of a discharge, induced by mixing of a returned wave with an originally existing - wave inside the cavity, is employed to detect the Doppler frequency shift. We found that a Doppler frequency shift as much as 34 ㎑ was detected, and also a good linear relationship between the velocity and the Doppler frequency shift was obtained.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 보고서 초록 ...3
• 요약문 ...4
• SUMMARY ...8
• CONTENTS ...10
• 목차 ...11
• 제 1 장 연구개발과제의 개요...12
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...14
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...17
• 제 1 절 서론...17
• 제 2 절 메탄 분자의 분광학적 특성...17
• 제 3 절 원격탐지를 위한 복사 에너지원의 선택...22
• 제 4 절 차별 흡수법을 통한 메탄 농도 측정...29
• 제 5 절 측정이론...31
• 제 6 절 측정 장치 구성 및 측정...54
• 제 7 절 측정 결과 및 평가...66
• 제 8 절 고전압 방전식 레이저 안정화...79
• 제 9 절 고주파 여기식 레이저 안정화...93
• 제 10 절 고주파 여기식 슬랩 CO₂ 레이저 안정화...108
• 제 11 절 광음향효과에 의한 차주파수 검출...123
• 제 12 절 부록...135
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...155
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...163
• 제 6 장 기술요약...168
• 제 7 장 참고문헌...174