KR100328969B1

KR100328969B1 - 한 원자의 직접영상화 및 분해능의 검출기

Info

Publication number: KR100328969B1
Application number: KR1019990001694A
Authority: KR
Inventors: 송순달
Original assignee: 송순달
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2002-03-20
Also published as: KR20000051324A

Abstract

본 발명은 한원자의 직접영상화 및 분해능의 검출기에 관한 것으로 한원자를 자기장 필터로 구성된 이온광학필터를 통해 다른 독립적인 질량의 이온으로 분리해서 상,하 양분되고 구멍이 뚫린 각이온의 비행시간 검출기를 통해 표면원자를 선별 선택한 이온의 비행시간 측정 차이값의 신호를 발생시켜 검출기의 형광면에 빛을 발산하는 영상을 얻고, 각이온의 비행시간 측정장치를 통해 기록되는 실험값으로 각원자 및 종류를 식별할 수 있다.

Description

한 원자의 직접 영상화 및 분해능의 검출기{DETECTOR FOR DIRECT IMAGING AND RESOLUTION OF THE ATOM}

본 발명은 측정 신뢰도를 높인 원자분해능의 검출기에 관한 것이다.

현재까지 종래의 원자분해 검출기 들은 원자분해능에 도달하지 못하였다. 검출기에 사용되는 차넬은 2차 전자 증폭기로 2차원적인 전자검출 및 전자증폭을 할 수 있다. 차넬은 전자 뿐만 아니라, 이온, 진공자외선(Vacuum-Ultra-Violet light), 엑스레이, 감마 레이에 감응이 잘되며 넓은 전자파영역의 허용범위를 가지고, 상(Image) 증폭 분야나, 고속감응의 광 증배관, 그리고 분석 기기 들에 폭 넓은 응용분야를 가진 유용한 기기이다. 차넬의 구조와 전류이득곡선을 도 4 내지 도5에 나타내는데 전압에 따른 전류이득 곡 선에서 보면 전류이득 률은 평상 전압이 증가하면 할수록 이득은 대수적으로 증가한다. 차넬에 따른 부품으로는 형광막과 아노드(Anode) 가 있다. 예를 들면 직경 50mm의 차넬은 판 두께가 0.80mm, 차넬 직경이 20um 경사각은 8°에 이른다. 여기서 전극으로 사용하는 재료는 니켈-크롬(Ni-Cr) 이다.

전기적인 특성은 1000볼트(V)의 전압에, 진공이 1×10^-6토르(torr)에 이르고, 상온에서 판의 저항이 100메가옴(M Ohm) 이면, 어두운 전류(Dark current) 가 5×10^-13(A/cm²) 보다 작고, 전류이득(Current gain) 은 10⁴이상 된다.

작동원리는 도 5에 나타낸 바와같이 차넬의 입력 쪽과 출력 쪽에 전압이 가해지면 차넬 벽을 따라 전압 기울기가 생긴다. 입사된 전자가 입력 쪽 벽에 부딪치면 많은 수의 2차 전자가 생성된다. 이 2차 전자는 전압 기울기에 의해 가속되고 초기속도에 의해 결정되는 타원형 궤도를 따라 운동한다. 반대 쪽 벽에 부딪칠 때마다 2차 전자를 계속 방출하고, 이런 방법으로 차넬의 출력 쪽을 따라 계속 전자 숫자가 증폭된다. 출력 쪽에 나타나는 전자의 전류는 대수 함수적 결과를 나타낸다.

차넬을 두 겹 붙인 세브론(Chevron)타입에 아노드를 연결하는 방법으로는 도 7에 나타내는 바와같이 아노드를 어스 시키는 방법과 도 8에 나타내는 바와같이 용도에 따라 아노드에 최고 2kV를 가할 수 있는 연결 방법이 있다.

이상은 현재까지 원자분해검출기에 사용하고 있는 차넬들을 설명하였으며, 본 발명은 여기에서 더 나아가 차넬을 사용하여 한 원자 분해능의 검출기와 원자의 직접영상화를 얻는 방법을 제공하고 있다. 각 원자의 종류 및 구성성분을 분석함으로서 반도체산업, 초전도체산업 그리고 신소재 개발 산업에 이바지하는 바가 큰 검출기를 발명하는데 있다.

개개의 원자의 종류를 식별하고 영상화하기 위한 물리적인 기본 원리는 검출기의 신뢰성과 이를 뒷받침할 수 있는 이론적인 해석이 중요하다. 입자의 에너지는 가해준 전압과 전하량의 곱과 같고 이것은 결국 입자의 운동에너지와 같다. 수식으로 표현하면 다음과 같다.

E= e ×U

= 1/2mv²

그러므로 입자의 속도(V)는

입자의 비행시간(t)는 비행거리(L)와 속도(v)에 관계되므로, 즉

t = L / v

이다. 결과적으로 비행시간은 아래와 같이 입자질량의 제곱근에 비례하는 값이다.

비행시간을 정확히 측정하면 입자를 구별할 수 있게 된다. 본 발명은 여기 에다 덧 붙혀 단순 렌즈와 자기장-질량필터로 구성된 이온 광학필터 (렌즈와 ExB필터)을 이용하여 입자들을 검출기에 서로 다른 독립적인 질량으로 분리해서 검출기에서 증명할 수 있는 독특한 방법을 채택하였다.

비행시간 차이측정에 필요한 신호를 검출기의 반쪽 면에 검출할 때 자동일치측정이라 하고, 여기서는 이온2 그리고 이온3 이 관계된다.

검출기의 다른 반쪽에 출발, 정지로 검출되는 이온들의 정보는 이온1, 이온2 그리고 이온1,이온3 과 관계되는 것은 역일치측정이라 한다. 이온의 비행시간 차이를 정의하기 위해서는 이온광학을 시도하여, 이온의 공간적인 분포는 이온의 운동 에너지에 따른 렌즈의 영향으로 구별 할 수 있다. 여기서 자기장 질량 필터는 -2kV에서 +2kV까지 조절 가능하며 최대 전류는 3암페아(A)에 이른고 전체 길이는 40밀리미터(mm) 이른다.

본 발명의 목적은 한 원자를 식별할 수 있고, 각 원자의 영상화와, 종류를 구별할 수 있는 검출기를 얻는 것을 목적으로 한다. 이 검출기는 반도체, 초전도체, 신소재개발을 위한 중요한 정보를 원자현상에서 얻어, 이 결과 기초산업이 발전하고 전 분야의 산업발전에 기여하고자 한다.

한 원자를 자기장 필터로 구성된 이온광학필터를 통해 서로 다른 독립적인 질량의 이온으로 분리해서 상,하로 양분되고 구멍이 뚫린 각이온의 비행시간 검출기를 통해 표면원자를 선별, 선택한 이온의 비행시간 측정신호를 발생시켜 검출기의 형광면에는 빛을 발산하는 영상을 얻고, 비행시간 측정장치를 통해 기록되는 실험값으로 각개원자 및 종류를 식별한다.

도 1은 본 발명을 이용한 각 원자 영상촬영 및 종류분석 방법도

도 2는 마이크로차넬판(Micro Channel Plate; )의 기본 회로 구성도

도 3은 본 발명의 실험 값으로 각개 원자 및 종류를 식별할 수 있는 회로 구성도도 4는 마이크로차넬판을 일부 절개하여 보인 구조도도 5는 입사전자가 양면의 차넬벽에 부딪히면서 증폭하는 상태를 나타낸 예시도도 6은 전류이득곡선도 7은 세브론차넬에 아노드를 어스시키는 일예를 나타낸 회로도도 8은 세브론차넬의 아노드에 2 킬로볼트(KV)를 연결시키는 일예를 나타낸 회로도도면의 중요부분에 대한 부호의 설명1 : 차넬 1a,1b : 차넬플레이트 1c : 형광판2 : 차넬의 위반족 2a : 차넬의 위반쪽에 뚫린 구멍2b : 차넬의 아래 반쪽에 뚫린 구멍 4 : 이온광학필터4a : 단순렌즈 4b : 자기장 질량필터 5 : 증폭기6 : 분리기 7 : 계수기 8 : 시간계수변환기9 : 오실로그래프

원자의 종류 및 성분분석을 검출기의 신뢰도가 한 차원 높은 방법으로 하기 위해, 차넬(1)을 위 반쪽(2)과 아래 반쪽(3)으로 분리해서 비행시간을 분석함으로 이를 이룰수 있다. 이온들의 비행시간 측정은 단순렌즈(4a)와 자기장질량필터(4b)로 구성된 이온광학필터(4)를 사용하여 이온1, 이온2 그리고 이온3의 종류를 분석한다.

차넬에 구멍(2a)(3a)을 내어서(Atom-probe) 표면원자를 선별, 선택할 수 있고, 영상을 얻을 수도 있다. 신호의 펄스 폭이 하나의 차넬에서 1나도세크(ns) 이하 에서 부터 10나도세크(ns)에 이르므로 검출기의 증명확률성의 정확도가 원자의 작용단면적의 정의에 부합된다.측정장치구조는 도 2에 나타낸 바와같이 두겹의 차넬 플레이트(Hamamatsu, 직경 50mm)(1a)(1b)와 하나의 형광판(1c)으로 구성되는 세브론 차넬의 검출기로 구성되고, 전압공급은 차넬 플레이트(1b)의 출력에 (+)고전압을 걸고, 차넬 플레이트(1a)의 앞쪽에 -50볼트에서 +50볼트의 변한할 수 있는 전압을 걸어준다. 이 전압은 2차 전자를 억제하는 수단이며, 두 차넬 사이는 고 저항(R₁)을 걸어주고, 이 저항으로 인하여 차넬사이는 약 100볼트(V)의 전압강하가 생긴다. 이 때문에 전자구름은 차넬 플레이트(1a)에서 차넬 플레이트(1b)로 오직 몇몇 카날로만 입사되며, 이들은 형광 막에 빛을 내고, 높은 증폭이 이루어진다. 검출기 앞쪽은 2개의 차단 막(1.5mm＆8mm)이 있어 부분적으로 이온의 흐름을 차단할 수 있다. 형광면은 2개의 같은 면적의 영역으로 나누어지고, 전기적으로 서로 격리되어 있다. 형광면의 밑판 유리에는 전도성의 산화 아연 층을 입히고, 중간부분에서 전기적으로 분리하였다. 차넬 플레이트(1b)의 뒷편과 형광면의 앞쪽에는 폴리아미드층을 넣어 여분의 산란전자를 억제하는 효과를 낸다.대략 10⁶개의 터넬을 가진 차넬(1) 앞면에 한 개의 이온이 들어오면 하나 또는 많은 전자들이 이 차넬벽 에서 생성된다. 대략 6-8도의 경사를 지닌 차넬 안에서는 전자들이 1kV의 전압에 의해 가속되어 차넬 벽에 부딪히고 또다시 계속해서 부딪쳐 전자들을 발산한다. 차넬 플레이트(1a)와 차넬 플레이트(1b)에서 계속 증폭된 전자는 형광면에서 빛을 발산하고, 콘덴서(C₁)(C₂)에 연결되어 이 전하펄스를 검출기(1)에 보낸다. 검출기까지의 전체 걸리는 시간은 아주 짧아서 약 100피크세크(ps)에 이른다.도 3은 비행시간 측정장치를 나타낸다. 비행시간 측정에서 출발신호는 빠른 고압 광 다이오드 신호이다. 이 두 개의 분리된 검출기 신호는 분리되어 증폭기(EGG)(5)에서 증폭되고, 분리기(디스크리미나토;DI)(6)를 지나서 님(NIM)펄스로 변환된다. 계수기(7)는 전체이온의 개수 가 기록된다. 비행시간 측정에는 2개의 시간계수변환기(Time-to-digital converter,TDC)(8)를 사용하고, 이것은 시간분해능 2ns/차넬의 성능의 것을 사용한다. 분리기(6)의 출구는 2개의 분리된 이온 신호가 존재하고, 이는 각각의 시간계수변화기(TAC)(Canberra, 2143 ,2145)(8)에서 데이터가 읽혀지며, 오실로그래프(VKA)(Tracor Northern ; TN 7200)(9)에 의해 기록된다.

이때 자동일치는 검출기의 반쪽에 출발, 정지선호로 시간계수변환기(TAC)의 시간측정이 같은 출발신호로 정지되지 않도록 해야된다. 이는 출발신호의 진행시간 지연이 몇 나도세크(ns)에 해당되므로 케이블지연으로 확실히 할 수 있다. 여기서 이온쌍들을 똑같은 관계 즉, 질량/전하량 (m/q)으로도 증명할 수 있다. 이 장치의 몇 가지 특징으로는

1). 높은 이득 과 적은 잡음 2). 고속시간반응 3). 자기장에 무관

4).적은 전력소모 5). 한 원자 분해능 6). 원자의 직접적인 영상화 7). 진공에서 400℃ 까지 가열 가능하여 초고 진공에 알맞은 장점을 들 수 있다.

이 검출기의 응용분야는

1). 상 증폭(Image intensifier) 2). 전자현미경(Electron microscope) 3). 장전자현미경(Field ion microscope) 4). 아톰프로브(Atom prode) 5). LEED, MEED, etc 6). 에너지분석기 7). 질량분석기 등등에 이용 가능하다.

한 종류나 개 개 원자 및 복합 원자들을 차넬를 사용하여 영상화하고, 분류 측정할 수 있어, 반도체산업, 기초과학 및 재료개발분야에 응용하여 다목적인 효과를 높이고, 산업발전에 기여하는 효과가 있다.

Claims

한원자를 자기장 필터로 구성된 이온광학필터를 통해 다른 독립적인 질량의 이온으로 분리해서 상,하 양분되고 구멍이 뚫린 각이온의 비행시간 검출기를 통해 표면원자를 선별 선택한 이온의 비행시간 측정 차이값의 신호를 발생시켜 검출기의 형광면에 빛을 발산하는 영상을 얻고, 각이온의 비행시간 측정장치를 통해 기록되는 실험값으로 각개원자 및 종류를 식별 할수 있게 구성한 것을 특징으로 하는 한원자의 직접영상화 및 분해능의 검출기