[논문 리뷰] Fast Switching Dual Fabry-Perot Cavity Optical Refractometry - Methodologies for Accurate Assessment of Gas Density

Isak Silander, Thomas Hausmaninger외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 03.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 이중 레이저-락드 공진기와 빠른 순차 측정을 이용하여 기체 밀도 및 유량 측정에서 드리프트 유도 오차를 제거하는 빠른 스위칭 이중 파브리-페로 공진기 광간섭도측정법(FS-DFPC-OR)을 제안한다. 이 기법은 온도 안정화 조건이 아닌 환경에서도 최소한의 온도 의존성과 소규모 누출에 대한 높은 민감도를 바탕으로 개방계 및 폐쇄계 모두에서 정확하고 드리프트 없는 평가를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Dual Fabry-Perot cavity based optical refractometry (DFPC-OR) has a high potential for assessments of gas density. However, drifts of the FP cavity often limit its performance. We show that by the use of two narrow-linewidth fiber lasers locked to two high finesse cavities and Allan-Werle plots that drift-free DFPC-OR can be obtained for short measurement times (for which the drifts of the cavity can be disregarded). Based on this, a novel strategy, termed fast switching DFPC-OR (FS-DFPC-OR), is presented. A set of novel methodologies for assessment of both gas density and flow rates (in particular from small leaks) that are not restricted by the conventional limitations imposed by the drifts of the cavity are presented. The methodologies deal with assessments in both open and closed (finite-sized) compartments. They circumvent the problem with volumetric expansion, i.e. that the gas density in a measurement cavity is not the same as that in the closed external compartment that should be assessed, by performing a pair of measurements in rapid succession; the first one serves the purpose of assessing the density of the gas that has been transferred into the measurement cavity by the gas equilibration process, while the 2nd is used to automatically calibrate the system with respect to the relative volumes of the measurement cavity and the external compartment. The methodologies for assessments of leak rates comprise triple cavity evacuation assessments, comprising two measurements performed in rapid succession, supplemented by a 3rd measurement a certain time thereafter. A clear explanation of why the technique has such a small temperature dependence is given. It is concluded that FS-DFPC-OR constitutes a novel strategy that can be used for precise and accurate assessment of gas number density and gas flows under a variety of conditions, in particular non-temperature stabilized ones.

연구 동기 및 목표

• 공진기 드리프트로 인한 이중 파브리-페로 공진기 간섭도측정의 성능 제한을 극복하기 위해.
• 온도 안정화 조건이 아닌 환경에서도 정확한 기체 밀도 및 유량 평가를 가능하게 하기 위해.
• 폐쇄된 구획 내 체적 팽창 문제를 해결하기 위해 쌍측 측정을 이용해 상대 체적을 결정하기 위해.
• 삼중 공진기 진공 처리 기법을 활용해 소규모 기체 누출을 감지하기 위한 방법론을 개발하기 위해.
• 내재된 설계와 校정을 통해 간섭도측정의 온도 의존성을 최소화하기 위해.

제안 방법

• 고정밀도 파이버 레이저 두 대를 고피로도 파브리-페로 공진기에 락킹하여 안정적이고 드리프트 없는 작동을 가능하게 한다.
• 기체 평형 상태 측정과 시스템 校정 상태 측정 사이의 빠른 스위칭을 수행한다.
• 짧은 측정 시간 동안 드리프트 없는 성능을 확인하기 위해 Allan-Werle 플롯을 적용한다.
• 측정 공진기와 외부 구획 사이의 상대 체적 비율을 결정하기 위해 연속적인 쌍측 측정을 수행한다.
• 두 번의 빠른 연속 측정과 지연 후 세 번째 측정을 포함한 삼중 측정 프로토콜을 사용하여 누출률을 평가한다.
• 이중 공진기 구성의 내재된 온도 비민감성 덕분에 열적 드리프트 영향을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 파브리-페로 공진기 간섭도측정에서 공진기 드리프트를 효과적으로 완화하는 방법은 무엇인가? 이를 통해 정확한 기체 밀도 측정이 가능해지는가?
• RQ2 체적이 유한한 폐쇄계에서 체적 팽창이 발생하더라도, 어떤 측정 전략이 기체 수밀도를 정확하게 평가하는 데 기여하는가?
• RQ3 광간섭도측정을 통해 소규모 기체 누출을 고감도로 감지하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 제안된 시스템에서 낮은 온도 의존성의 근본 원인은 무엇이며, 이를 어떻게 안정된 작동에 활용하는가?
• RQ5 온도 안정화를 요구하지 않고도 고정밀 측정을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• Allan-Werle 플롯을 통한 확인 결과, FS-DFPC-OR 방법은 짧은 측정 시간 동안 드리프트 없는 작동을 달성한다.
• 측정 공진기와 외부 구획 간 체적 비율을 校정하기 위해 빠른 순차 측정 쌍을 사용함으로써, 개방계 및 폐쇄계 모두에서 기체 수밀도를 정확히 결정할 수 있다.
• 두 번의 빠른 측정과 지연 후 세 번째 측정을 포함한 삼중 공진기 진공 처리 프로토콜을 통해 누출률을 고감도로 평가할 수 있다.
• 두 레이저-락드 공진기의 차등 반응 덕분에 시스템은 최소한의 온도 의존성을 보이며, 이는 열적 드리프트를 내재적으로 보상한다.
• 온도 안정화 조건이 아닌 환경에서도 효과적이므로, 현장 및 산업 현장 응용에 적합하다.
• 이 방법은 시스템 기하학적 구조에 대한 사전 지식 없이도 소규모 누출에서 유래하는 기체 유량을 정밀하고 정확하게 평가할 수 있다.