스파크 유도 플라즈마 분광 시스템의 최적화 개발과 우주탐사용 암석 분석 연구 = A study on an optimal configuration for spark-induced breakdown spectroscopy and minerals analysis aimed at planetary analysis

국문 초록 (Abstract)

스파크 유도 플라즈마 분광법 (SIBS)은 전기 스파크를 사용하여 강력한 플라즈마를 유도한 후 원자 방출 스펙트럼 신호를 수집하는 방법이다. 스파크는 고전압과 낮은 전류량으로 인한 전기적 방전으로, 전극 사이의 매질에 인가된 전압이 전극을 둘러싼 주변의 항복 전압보다 높을 때 발생한다. 이 연구는 우주 탐사에 활용되는 기존의 레이저 유도 분해 분광법 (LIBS)를 대체하여 SIBS를 사용할 수 있는지의 가능성을 보기 위해 진행되었다. 과거에는 SIBS를 사용하여 부피가 큰 고체 샘플을 대상으로 실험하는 것이 성공적이지 않았기 때문에, 본 연구에서는 전극 위치 및 전극 재료의 SIBS의 최적화 연구가 수행되었다. LIBS를 사용할 때에 비해 SIBS의 검출 한계 (LOD)가 78에서 20ppm으로 최대 4배 향상되어 있음을 볼 수 있었다. 생성된 플라즈마의 더 높은 에너지로 인해, SIBS에 의한 신호 세기는 동일한 분광계 설정에서 LIBS보다 3 배 정도 높았다. 우주탐사에 활용될 시 필요한 SIBS의 최적화 설정을 위해 전극 재료를 변경하고 전극의 최적 위치를 찾는 연구도 수행되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Spark-induced breakdown spectroscopy (SIBS) utilizes an electric spark for inducing a strong plasma for collecting atomic emissions. The spark is an electric discharge characterized by a high voltage and low current, which occurs when the applied voltage between electrodes is higher than the breakdown voltage of the ambient surrounding the electrodes. This study analyses the potential for complementing a compact SIBS over conventional laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) in discriminating rocks and soils for planetary missions. Targeting bulky solids using SIBS has not been successful in the past, and therefore a series of optimizations of electrode positioning and electrode materials was performed in this work. The limit of detection (LOD) was enhanced up to 4 times from when LIBS was used, showing a change from 78 ppm to 20 ppm from LIBS to SIBS. Within the same CCD gate delay time and width, the signal intensity by SIBS was substantially higher than LIBS in three orders of magnitude due to the bigger energy of plasma generated. Changing the electrode material and locating the optimum position of the electrodes were considered for optimizing the current SIBS set up being tested for the planetary origin.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 실험 재료 및 방법 4
• 2.1 샘플 제작과정 4
• 2.1.1. 광물 샘플 준비 과정 4
• 2.1.2. 펠렛 샘플 제작과정 6
• 2.2 실험 원리와 장치 8
• 2.2.1. 실험 셋업 8
• 2.2.2. 소형화 SIBS 장치 10
• 2.2.3. 전극 위치 및 재질에 대한 최적화 실험 셋업 12
• 제 3 장 실험 결과 15
• 3.1 고체 샘플 분석에서의 SIBS 활용 15
• 3.2 검량곡선과 스펙트럼에서의 SIBS와 LIBS 비교 17
• 3.3 전극 배치 및 재질에 대한 최적화 실험 결과 22
• 3.4 우주탐사에 활용될 SIBS의 가능성 29
• 제 4 장 결론 31
• 참고문헌 32
• Abstract 37
• 표목차
• 표 2.1 광물 샘플의 화학적 정보 및 대표 스펙트럼 피크 5
• 표 2.2 각 실험 샘플과 설정에 따른 여러 유형의 SIBS 셋업 6
• 표 2.3 사용된 네 가지 전극 재질의 구성 정보 및 녹는점 13
• 표 3.1 Ca 스펙트럼 라인에서의 SIBS 와 LIBS 의 비교표 21
• 그림목차
• 그림 2.1 고체 샘플을 분석하기 위한 (a) SIBS (b) LIBS 의 실험 도식 10
• 그림 2.2 실제 제작한 소형 SIBS 장치 11
• 그림 2.3 소형 MCU 알고리즘에 대한 전기 신호의 시간에 따른 그림 12
• 그림 2.4 샘플 표면과의 원거리, 전극 간격, 각도 변화 및 펠렛 샘플에 행해진 실험 도식 14
• 그림 3.1 SIBS 실험 결과로 나온 광물분석 스펙트럼 16
• 그림 3.2 각 분광 방법으로 실험한 광물 샘플의 방출 스펙트럼 (SIBS : 빨간색, LIBS : 남색) 18
• 그림 3.3 CaCO3 분석에서의 SIBs 와 LIBS 의 SNR 스펙트럼 19
• 그림 3.4 Ca II (393.366 nm) 스펙트럼 라인에서의 SIBS 와 LIBS 검량곡선 20
• 그림 3.5 여러 종류의 다른 전극 재료를 사용하여 파이라이트 (FeS2) 샘플의 플라즈마 방출 스펙트럼 23
• 그림 3.6 Olivine ((Mg,Fe)2SiO4) 광물 샘플에 대한 전극 간격 거리 실험 (1 ∼ 5 mm) 24
• 그림 3.7 Aragonite (CaCO3) 광물 샘플에 대한 전극 간격 거리 실험 (1 ∼ 5 mm) 25
• 그림 3.8 Olivine ((Mg,Fe)2SiO4) 광물 샘플에 대한 원거리 실험 (-1 ∼ 3 mm) 26
• 그림 3.9 Aragonite (CaCO3) 펠렛 샘플에 대한 전극 간격 거리 실험 (1 ∼ 2 mm) 27
• 그림 3.10 Olivine ((Mg,Fe)2SiO4) 광물 샘플에 대한 전극 각도 변화 실험 (0 ∼ 60°) 29