Particle beam is the most widely used particle monitoring and size measurement device. The most popular method widely used to generate particle beam is the use of an aerodynamic lens, which is a single or a series of concentric orifice installed inside a circular tube. Aerodynamic lens uses the particles inertia to confine the particles in the narrow region and obtain high particle concentration. The high particle concentration is needed to improve the particle detection sensitivity. However, the width of the particle beam is limited by the given flow condition and particle size in aerodynamic lens. Therefore the particle concentration is also limited.
In this study, the radiation pressure was applied to the aerodynamic lens to overcome the limits of the aerodynamic lens. The holed plano-convex lens orifice was used instead of the conventional metal plate orifice. By lens orifice, particles were formed particle beam aerodynamically and radiation pressure was introduced to particle beam simultaneously. Ar-Ion CW laser and pulsed Nd-YAG laser were used to apply the radiation pressure and He-Ne laser was used to visualize the particle beam. The light scattered images of the particle beam were captured by digital camera with expose time 3.2 seconds. After the image processing, the particle beam width was measured. In experiments, PSL particle was used and three different particle sizes of 2.5㎛, 1.0㎛ and 0.5㎛ were used for orifice Reynolds number range of between 300 and 700.
The particle beam width got smaller with increased particle size and Reynolds number due to particle inertia effects without the radiation pressure. With Ar-Ion CW laser, the particle beam width was reduced. The maximum reductions of the particle beam width were 16 %, 11.4 % and 9.6 % for particle size 2.5㎛, 1.0㎛ and 0.5㎛ respectively. And small particles made narrower particle beam than one of the large particle with radiation pressure. The radiation pressure effects were increased with increased particle size and decreased Reynolds number. The particle beam width reduction was not proportional to the laser power due to the distortion of the laser beam intensity profile. With pulsed Nd-YAG laser, which had 30 Hz pulse rate, the particle beam width was not changed due to relatively long pulse rate.
Based on the study, aerodynamic particle beam generator width a radiation pressure is proposed, and is demonstrated to work well in these experimental conditions.
입자빔은 입자의 관찰과 입자크기 측정에 널리 사용되는 장치이다. 입자빔을 생성시키는 일반적인 방법으로 한 개 혹은 여러 개의 동심축을 가지는 오리피스를 원형관에 설치하는 공기역학적 렌즈가 있다. 공기역학적 렌즈는 입자의 관성을 이용하여 입자 흐름을 좁은 영역에 한정시켜 높은 입자 수 농도를 가지는 입자빔을 생성한다. 입자의 관측 정밀도를 높이기 위해 높은 입자 수 농도가 요구된다. 그러나 공기역학적 렌즈를 이용할 경우 주어진 유동조건과 입자의 크기에 대해 입자빔의 폭이 한계값을 가지게 된다. 따라서 공기역학적 렌즈를 이용할 경우 얻을 수 있는 입자의 수 농도가 제한이 된다.
본 실험에서는 광압을 이용하여 공기역학적 렌즈가 가지는 한계를 극복하였다. 구멍이 뚫린 평면-볼록 렌즈를 일반적인 금속 평판 오리피스 대신 사용하였다. 실험 장치는 렌즈에 의해 입자는 공기역학적으로 입자빔을 형성하게 되고 동시에 광압을 받을 수 있게 설계되었다. 광압을 주기위해 Ar-Ion 연속 발진 레이져와 Nd-YAG 펄스 레이져가 사용되었다. 그리고 He-Ne 레이져가 입자빔의 가시화에 사용되었다. 입자빔의 산란 이미지는 디지털 카메라의 노출시간을 3.2초로 하여 얻었다. 얻어진 입자빔의 이미지를 이미지 처리과정을 거쳐 입자빔의 폭을 측정하였다. 실험에 사용된 입자는 직경 크기 2.5 μm, 1.0 μm 그리고 0.5 μm의 PSL 입자가 실험에 사용되었다. 그리고 오리피스 레이놀즈 수의 범위가 300 에서 700 사이인 유동 조건에서 실험을 하였다.
광압이 없을 경우 입자빔의 폭은 레이놀즈 수가 커질수록 그리고 입자가 커질수록 작아졌다. Ar-Ion 연속 발진 레이져로 광압을 가하였을 경우 입자빔의 폭이 줄어들었다. 입자빔 폭의 최대 감소는 각각 입자 크기 2.5 μm, 1.0 μm 그리고 0.5 μm에 대해 16 %, 11.4% 그리고 9.6 % 였다. 그리고 광압이 존재할 경우 작은 입자로 큰 입자보다 작은 폭의 입자빔을 형성시키는 것이 가능하였다. 광압의 효과는 입자 클수록 그리고 레이놀즈 수가 작을수록 크게 나타났다. 입자빔 폭의 감소는 오리피스로 사용된 렌즈에 의한 레이져 빛의 강도 분포의 왜곡에 의해 이론과 달리 레이저 출력에 비례하지 않았다. 30 Hz 의 펄스 간격을 가지는 Nd-YAG 펄스 레이져를 사용할 경우 상대적으로 입자의 속도보다 펄스 간격이 길어 광압의 효과를 관찰할 수 없었다.
본 연구를 통하여 광압을 이용한 공기역학적 입자빔 생성 장치가 제안되었고, 본 연구의 실험 조건에서 광압을 이용할 경우 좋은 성능을 보인다는 것이 입증되었다.
