KR100345322B1 - 방사광 소각 산란 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방사광 소각산란 측정장치에 관한 것으로서, 방사광 소각산란 측정장치는, 입력 방사광이 통과하면서 그 구조를 분석할 소정 시료와 반응하여 산란되고 그 산란된 신호가 출력되는 빔 라인; 빔 라인을 통과하는 방사광을 제어하기 위해 빔 라인의 소정 부분들을 제어하는 빔 라인 통제부; 빔 라인을 통과한 산란된 방사광 신호를 검출하는 신호 검출부; 빔 라인 통제부와 통신하고, 신호 검출부로부터 수신한 신호를 저장 및 디스플레이하는 주제어부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 주제어부에서 측정과 관련된 모든 장치를 일괄적으로 제어하고 산란 데이터 분석에 필요한 데이터를 실시간으로 측정함으로써 실험의 정확도를 높이고 고분자의 구조분석에 필요한 소각산란 실험을 용이하게 실시할 수 있다.

Description

방사광 소각 산란 측정장치{Synchrotron X-ray small-angle scattering apparatus}
본 발명은 방사광 가속기 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방사광의 소각산란 측정 및 표시가 보다 정확하게 행해 지도록 하나의 주제어부에서 산란 측정 및 그에 필요한 일괄 제어가 가능한 방사광 소각산란 측정 장치에 관한 것이다.
방사광, 특히 x선은 가시광선으로는 얻을 수 없는 작은 구조에 관한 정보를 제공한다. x선 소각 산란 방법은 고분자의 구조분석에 있어서 주요한 방법중 하나이다. 이러한 방사광 소각산란 방법은 방사광 가속기와 같은 장치에서 이뤄지며, 종래에는 이러한 소각산란 실험을 실시할 때, 여기에 요구되는 여러 종류의 제어 및 데이터 획득등을 각각 별개의 장치들에서 담당하였다. 이 장치들은 매킨토시나 IBM 호환 컴퓨터들을 기반으로 만들어졌다. 그러나, 최근 컴퓨터 기술이 발전함에 따라 고해상도의 비트맵 디스플레이 시스템을 구비하고 있는 고성능 저가 컴퓨터가 나타나게 되었고, 이에 따라 한 대의 컴퓨터를 이용하여 방사광 소각 산란 실시 관련 여러 제어 및 측정 장치들을 보다 정확하게 감지하고 제어하는 측정 시스템이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 한 대의 컴퓨터를 이용하여 방사광소각 산란 실시 관련 여러 제어 및 측정 장치들을 보다 정확하게 감지하고 제어하여 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있는 방사광 소각산란 측정장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 방사광 소각산란 측정장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 방사광 소각산란 측정장치의 상세 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...빔 라인 101...광차폐막
102...베릴륨 윈도우 103...제1슬릿
104...감쇄기 105...제2슬릿
106...제1이온화실 107...시료대
108...제2이온화실 109...빔 가이드
110...빔 라인 통제부 111...스테핑 모터
112...스테핑모터 드라이브 113...스테핑모터 제어기
114...온도 조절기 115...RS 232 인터페이스
116...CCD 검지기 117...냉각장치
118...CCD 검지기 제어기 120...신호검출부
130...주제어부 200...스테핑 모터 구동부
210...고압전력 공급기 220...전류증폭기
230...아날로그/디지털 변환기 240...온도조절부
상기 과제를 수행하기 위한, 방사광 소각산란 측정장치는, 입력 방사광이 통과하면서 그 구조를 분석할 소정 시료와 반응하여 산란되고 그 산란된 신호가 출력되는 빔 라인; 상기 빔 라인을 통과하는 방사광을 제어하기 위해 상기 빔 라인의 소정 부분들을 제어하는 빔 라인 통제부; 상기 빔 라인을 통과한 상기 산란된 방사광 신호를 검출하는 신호 검출부; 상기 빔 라인 통제부와 통신하고, 상기 신호 검출부로부터 수신한 신호를 저장 및 디스플레이하는 주제어부를 포함함을 특징으로 한다.
상기 빔 라인은, 입력된 방사광원을 개폐하기 위한 광차폐막; 상기 광차폐막을 통과해 들어온 방사광선의 초점을 맞추기 위한 슬릿; 상기 슬릿을 지난 방사광 신호의 세기를 조절할 수 있는 감쇄기; 상기 감쇄기를 지난 방사광 신호에 대해 상기 방사광이 활성될 수 있는 기체로 채워져 있어 상기 방사광이 통과할 때 이온화 되어, 통과한 방사광선의 세기가 전기적으로 측정될 수 있게 하는 제1이온화실; 상기 제1이온화실을 통과한 방사선이 반응할 시료가 놓여지는 시료대; 상기 방사선이 상기 시료와 반응하여 산란된 신호를 활성화 시키는 기체로 채워져 있어 상기 산란 신호가 통과할 때 이온화 되어, 통과한 산란 신호의 세기가 전기적으로 측정될 수 있게 하는 제2이온화실; 및 상기 제2이온화실을 통과한 산란된 빔이 통과하는 빔가이드를 구비함이 바람직하다.
상기 빔 라인 통제부는, 상기 광차폐막의 개폐를 제어하기 위한 스테핑 모터 구동부; 상기 제1, 제2이온화실에 전기장을 형성하기 위한 고전압 전력을 공급하는 고압전력공급기; 상기 제1, 제2이온화실에서 생성된 전류를 입력받아 증폭시키는 전류증폭기; 상기 전류증폭기로부터의 출력값을 디지털 변환하여 상기 주제어부로 입력시키는 아날로그/디지털 변환기; 및 상기 주제어부의 명령에 따라 상기 시료대의 온도를 조절하는 온도조절부를 구비함이 바람직하다.
상기 신호 검출부는, 상기 산란빔 가이드를 통과한 산란광을 검출하는 CCD 검지기; 상기 CCD 검지기를 냉각시키는 냉각장치; 및 상기 CCD 검지기와 상기 냉각장치를 제어하는 CCD 검지기 제어기를 구비함이 바람직하다.
상기 주제어부는, 상기 스테핑 모터 구동부를 제어하고, 상기 아날로그/디지털 변환기로부터 데이터를 획득하여 방사광의 세기를 산출, 저장 및 표시하고, 상기 온도조절부에 온도조절 명령을 내리고, 상기 신호검출부의 냉각온도를 제어하고 신호검출부로부터 수신한 데이터를 저장 및 디스플레이하는 컴퓨터임이 바람직하다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 방사광 소각산란 측정장치의 블록도로서, 방사광 소각산란 측정장치는, 빔 라인(100), 빔 라인 통제부(110), 신호 검출부(120) 및 주제어부(130)로 구성된다. 빔 라인(100)은 입력 방사광이 통과하면서 그 구조를 분석할 소정 시료와 반응하여 산란되고 그 산란된 신호가 출력되는 통로로서, 빔라인의 소정 위치마다 방사광을 제어하고 측정하기 위한 구성 요소들(미도시)을 포함한다. 빔 라인 통제부(110)는, 빔 라인(100)을 통과하는 방사광을 제어하기 위해 빔 라인에 포함된 상술한 구성 요소들을 제어한다. 신호 검출부(120)는 빔 라인(100)을 통과한 최종 방사광 신호를 검출한다. 주제어부(130)는 빔 라인 통제부(110)와 통신하여 각종 제어 명령을 전달하고, 빔 라인 통제부(110)로부터 얻은 데이터를 처리하며, 신호 검출부(120)로부터 수신한 신호를 저장 및 디스플레이한다. 여기서 사용되는 방사광은 방사광 가속기를 통해 만들어진 광으로서, 특히 시료와 반응하여 산란됨으로써 시료에 대한 분자 구조 정보를 제공하는 x선임이 바람직하다.
도 2는 도 1의 방사광 소각산란 측정장치의 상세 구성도이다. 빔 라인(100)에는 광차폐막(101), 베릴륨 윈도우(102), 제1슬릿(103), 감쇄기(104), 제2슬릿(105), 제1이온화실(106), 시료대(107), 제2이온화실(108) 및 빔 가이드(109)의 구성요소들이 포함된다. 광차폐막(101)은 입력된 방사광원을 통과시키거나 통과를 막기 위해 개폐하기 위한 것이다. 베릴륨 윈도우(102)는 x선을 선택적으로 통과시킬 수 있는 것으로, 만일 이 측정장치에 사용되는 방사광이 x선이 아니면 사용될 필요가 없다. 제1슬릿(103)은 광차폐막(101) 및 베릴륨 윈도우(102)를 통과해 들어온 방사광의 크기를 조절하기 위한 것이다. 감쇄기(104)는 제1슬릿(103)을 지난 방사광 신호의 세기를 조절할 수 있는 장치이다. 제2슬릿(105)은 세기가 조절된 방사광의 초점을 다시 맞추기 위한 것이다. 제1이온화실(106)은 감쇄기(105)를 지난 방사광 신호에 대해 방사광이 활성될 수있는 기체(가령 x선에 대해 x선이 활성될 수 있는 기체)로 채워져 있어 방사광이 통과할 때 이온화 되어, 통과한 방사광선의 세기를 전기적으로 측정가능하게 한다. 이는 제1이온화실(106)에 형성된 전기장을 방사선(또는 x선)이 통과할 때 그 방사선에 의해, 이온화실 내부의 이온들이 전기장을 따라 이동하면서 전류를 생성하기 때문에 가능하다. 시료대(107)는 방사광(또는 x선)과 반응할 시료(분자구조를 분석하고자 하는 오브젝트)가 놓여지는 곳으로 방사광이 시료대(107)를 통과하면서 시료에 반응하여 산란된다. 제2이온화실(108)은 소정 시료와 반응하여 산란된 신호의 세기를 제1이온화실(106)에서의 원리와 같은 방식으로 측정가능하게 한다. 빔 가이드(109)는 제2이온화실(108)로부터의 산란된 빔이 통과하는 가이드로서 와의 산란현상에 의해 산란빔의 세기가 감쇠되는 것을 막기 위해 진공상태로 되어 있다. 빔 라인(100)에 포함된 구성요소들을 제어하는 빔 라인 통제부(110)에는, 스테핑 모터(111), 스테핑 모터 드라이브(112) 및 스테핑 모터 제어기(113)를 포함한 스테핑 모터 구동부(200), 고압전력공급기(210), 전류증폭기(220), 아날로그/디지털 변환기(230) 및 온도조절기(114) 및 RS 232 인터페이스(115)를 포함한 온도조절부(240)가 포함된다. 스테핑 모터 구동부(200)는 광차폐막(101)의 개폐를 제어하기 위한 것이다. 스테핑 모터 구동부(200)의 스테핑 모터 제어기(113)는 스테핑 모터(111)를 구동하기 위해 PPMC-103C 스테핑 모터 인공지능 제어칩을 내장하여 다양한 움직임 조절 명령을 수행할 수 있다. PPMC-103C는 사용하기 편리하면서도 필수적인 특징을 다 갖추고 있는 유명한 로보틱스 칩 중의 하나이다. 주제어부(130)로부터 명령이 한번 PPMC-103C로 전달되면, 주제어부(130)의 자원을 더 이상 사용하지 않아도 필요할 때 명령이 수행되는 상태를 관찰할 수 있다. 이것은 본 발명의 측정장치에 매우 적합한 것이다. 스테핑 모터의 동작 모드와 변수를 미리 설정한 후 더 이상 스테핑 모터를 제어할 필요없이 측정 도중 다른 장치들을 제어할 수 있다. 따라서 본 장치에서는 전체 장치를 다중 작업 모드로 구동할 수 있으며 측정장치의 작동효율을 높일 수 있다. 광차폐막(101)의 개폐 시간을 줄이기 위해 가속/감속 작동도 할 수 있다. 스테핑 모터는 처음에 가속으로 작동이 되고 일정한 속도에 이르면 그 속도를 유지하다가 목표치가 가까워오면 감속을 하게된다. 고압전력공급기(210)는 상기 제1, 제2이온화실(106, 108)에 전기장을 형성하기 위한 고전압 전력을 공급한다. 전류증폭기(220)는 제1, 제2이온화실(106, 108)로부터 각각 검출한, 시료와 반응하기 직전의 방사광의 세기와 시료와 반응하여 산란된 방사광 신호의 세기를 증폭한다. 아날로그/디지털 변환기(230)는 전류증폭기(220)에서 증폭한 아날로그 상태의 전류 신호를 디지털 신호로 변환하고 그 값을 주제어부(140)로 출력한다. 이때 아날로그/디지털 변환기(230)는 한 샘플링 신호를 12bit의 디지털 신호로 변환함이 바람직하다. 온도조절부(240)는 시료대의 온도를 조절하는 장치로서, 프로그램이 가능한 온도조절기(114)를 두어 시료대의 온도를 일정하게 유지시키거나 원하는 온도로 증감시킬 수 있고, 이것은 RS 232 인터페이스(115)를 통해 주제어부(130)로부터 제어 명령를 받을 수도 있다. 신호 검출부(120)는 산란빔 가이드를 통과한 산란광을 검출하는 CCD 검지기(116), CCD 검지기(116)를 냉각시키는 냉각장치(117) 및 CCD 검지기(116)와 냉각장치(117)를 제어하는 CCD 검지기 제어기(118)를 포함한다. 현재 CCD 기술에 기반을 둔 많은 x선검출기가 개발되어 오고 있으며, 상업적으로도 활용되고 있다. 가속기 실험에서 CCD 검지기는 몇가지 사항을 만족시켜야 한다. 먼저, (1)작고, 간단하고 가벼워야 하고, (2) 컴퓨터와 연결하여 사용시 전기적으로나 열적으로 용이하게 연결이 가능해야 하고, (3) 검지기를 측정대위에서 움직이게 만드는 선형이동기에 부착하기 용이해야 한다. 본 발명에서는 구경이 38.1mm인 프린스톤 인스트루먼트(Princeton Insturment)사에서 제작한 광섬유 테이퍼형(fiber optic taper type)의 x선 검출 검지기를 사용함이 바람직하다. 테이퍼의 전면에는 인이 발라져 있다. 인, 테이퍼, CCD는 모두 x선을 통과시킬 수 있는 베릴륨 윈도우로 싸여진 진공 분위기내에 위치하고 있다. CCD 검지기는 1152X1242개의 화소로 구성되어 있으며 화소의 크기는 22.5X22.5이다. CCD 검지기의 최대 해상도는 CCD 검지기의 화소크기와 광학장치에 의해 좌우되기 때문에 고분자 연구에 있어서 상기 해상도를 가진 CCD가 바람직하다. 빔 가이드(109)를 통과한 신호에 대해 CCD 검지기(116)에서 검출한 데이터는 CCD 검지기 제어기(118)를 통해 이미지 데이터로 만들어진다. CCD 검지기 제어기(118)는 가령 프린스톤 인스트루먼트사에서 제작한 고성능의 모델 ST-138임이 바람직하며, 이 CCD 검지기 제어기(118)는 두 개의 아날로그/디지털 변환기(미도시)를 제공한다. 이 중 한 아날로그/디지털 변한기는 빠른 속도로 최적화된 화상을 수신하기 위한 것이고, 나머지 하나는 높은 정확도로 최적화된 이미지를 수신하기 위한 것이다. CCD 검지기 제어기(118)는 또한 주제어부(130)의 메모리로 고속(가령 1MHz) DMA 데이터 전송을 가능하게 한다. 전송율은 가령 화소당 16비트에 이를 수 있다. CCD 검지기(116)는 CCD 검지기 제어기(118)에 의해 제어되는 냉각장치(117)를 통해 냉각이 된다. 일반적으로 주위의 열 때문에 발생하게 되는 CCD의 암전류(dark current)는 온도에 대한 지수함수로 매 섭씨 4 내지 7도 마다 두배가 된다. 상온에서는 전자의 열적 생성율이 높아서 x 선이 없는 상태에서 짧은 노출시간만으로도 화소의 포화가 일어날 수 있다. 이러한 원치않는 정보를 방지하기 위해 CCD 검지기는 반드시 저온에서 작동되어야 한다. 일반적으로 CCD는 액체질소 시스템으로 섭씨 영하 100도 이하의 온도로 내리거나, 열전기적 냉각 기구로 섭씨 영하 80도 이하의 온도로 냉각하게 된다. 본 발명에서는 후자의 경우를 택하여져 실제 실험되었다. 이런 설치를 하면 CCD 검지기의 이동에 무리가 없게 할 수 있고, CCD의 온도를 안정하게 유지할 수 있으며, CCD 검지기의 냉각기와 CCD 센서에 방사능의 주입을 줄일 수 있다. 주제어부(130)는, 스테핑 모터 구동부(200)를 제어하고, 상기 아날로그/디지털 변환기(230)로부터 데이터를 획득하여 방사광의 세기를 산출, 저장 및 표시하고, 온도조절부(114)에 온도조절 명령을 내리고, 신호검출부(120)의 냉각온도를 제어하고 신호검출부(120)로부터 수신한 데이터를 저장 및 디스플레이하는 컴퓨터이다.
본 발명에 의하면, 주제어부에서 측정과 관련된 모든 장치를 일괄적으로 제어하고 산란 데이터 분석에 필요한 데이터를 실시간으로 측정함으로써 실험의 정확도를 높이고 고분자의 구조분석에 필요한 소각산란 실험을 용이하게 실시할 수 있다.

Claims (9)

  1. 입력된 방사광원을 개폐하기 위한 광차폐막, 상기 광차폐막을 통과해 들어온 방사광선의 초점을 맞추기 위한 슬릿, 상기 슬릿을 지난 방사광 신호의 세기를 조절할 수 있는 감쇄기, 상기 감쇄기를 지난 방사광 신호에 대해 상기 방사광이 활성될 수 있는 기체로 채워져 있어 상기 방사광이 통과할 때 이온화 되어, 통과한 방사광선의 세기가 전기적으로 측정될 수 있게 하는 제1이온화실, 상기 제1이온화실을 통과한 방사선이 반응할 시료가 놓여지는 시료대, 상기 방사선이 상기 시료와 반응하여 산란된 신호를 활성화 시키는 기체로 채워져 있어 상기 산란 신호가 통과할 때 이온화 되어, 통과한 산란 신호의 세기가 전기적으로 측정될 수 있게 하는 제2이온화실, 및 상기 제2이온화실을 통과한 산란된 빔이 통과하는 빔 가이드를 포함하는 빔 라인;
    상기 광차폐막의 개폐를 제어하기 위한 스테핑 모터 구동부, 상기 제1, 제2이온화실에 전기장을 형성하기 위한 고전압 전력을 공급하는 고압전력공급기, 상기 제1, 제2이온화실에서 생성된 전류를 입력받아 증폭시키는 전류증폭기, 상기 전류증폭기로부터의 출력값을 디지털 변환하여 상기 주제어부로 입력시키는 아날로그/디지털 변환기, 및 상기 주제어부의 명령에 따라 상기 시료대의 온도를 조절하는 온도조절부를 포함하는 빔 라인 통제부;
    상기 산란빔 가이드를 통과한 산란광을 검출하는 CCD 검지기, 상기 CCD 검지기를 냉각시키는 냉각장치, 및 상기 CCD 검지기와 상기 냉각장치를 제어하는 CCD 검지기 제어기를 포함하는 신호 검출부; 및
    상기 빔 라인 통제부와 통신하고, 상기 신호 검출부로부터 수신한 신호를 저장 및 디스플레이하는 주제어부를 포함함을 특징으로 하는 방사광 소각산란 측정장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 아날로그/디지털 변환기는 아날로그 신호를 12비트의 디지털 신호로 변환하는 12비트 A/D 변환기임을 특징으로 하는 방사광 소각산란 측정장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스테핑 모터 구동부는,
    스테핑 모터를 구동하기 위해 PPMC-103C 스테핑 모터 인공지능 제어칩이 내장된 스테핑 모터 제어기를 포함함을 특징으로 하는 방사광 소각산란 측정장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 온도조절부는,
    상기 시료대의 온도를 조절하는 온도조절기; 및
    상기 주제어부와 상기 온도조절기가 통신할 수 있도록 RS-232 시리얼 인터페이스를 구비함을 특징으로 하는 방사광 소각산란 측정장치.
  7. 삭제
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 항에 있어서, 상기 주제어부는,
    상기 스테핑 모터 구동부를 제어하고, 상기 아날로그/디지털 변환기로부터 데이터를 획득하여 방사광의 세기를 산출, 저장 및 표시하고, 상기 온도조절부에 온도조절 명령을 내리고, 상기 신호검출부의 냉각온도를 제어하고 신호검출부로부터 수신한 데이터를 저장 및 디스플레이하는 컴퓨터임을 특징으로 하는 방사광 소각산란 측정장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 방사광은 x선광임을 특징으로 하는 방사광 소각산란 측정장치.
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