KR100526049B1 - 탄소나노튜브를 이용한 열중성자 이미지 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 열중성자 이미지 측정장치에 관한 것으로서, 그 목적은 열중성자에 대한 검출감도가 높으면서도 해상도와 콘트라스트가 높고, 응답시간이 빠른 열중성자 이미지 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 구성은 열중성자 이미지 측정장치에 있어서, 저항성 기판(2)의 하부면에 성장된 탄소나노튜브(4a)의 바깥면에 열중성자와 핵반응을 일으키고 전자를 방출하는 중성자전환자(4b)가 형성된 탄소나노튜브(4)와, 상기 중성자전환자에서 방출된 전자를 증폭하고 전계 전자방출에 의한 노이즈를 방지하기 위해 상기 중성자나노튜브의 출력단에 약간 이격되어 설치되는 마이크로챈널 플레이트(4)와, 상기 마이크로챈널 플레이트에서 증폭된 전자를 형광물질에 충돌시켜서 가시광으로 변환시켜 중성자선속분포영상을 가시영상으로 표시하기 위해 상기 마이크로챈널 플레이트의 출력단에 약간 이격되어 설치되는 형광표시스크린(8)과, 상기 형광표시스크린의 기판으로 구성되며 상기 형광표시스크린에서 출력된 가시광을 광이미지센서로 전달하는 출력창(9)과, 상기 탄소나노튜브, 마이크로챈널 플레이트, 형광표시스크린, 출력창이 내장되는 진공용기(10)로 구성된 것을 그 기술적 특징으로 한다.

Description

탄소나노튜브를 이용한 열중성자 이미지 측정장치{A thermal neutron image device using carbon-nanotube}

본 발명은 고효율, 고분해능 특성을 지닌 탄소나노튜브(Carbon Nanotube : CNT)를 이용하여 고감도로 열중성자 영상을 실시간으로 얻을 수 있는 열중성자 이미지 측정장치에 관한 것으로서, 특히 입사된 열중성자가 탄소나노튜브를 통과하면서 탄소나노튜브의 외면에 형성된 중성자전환자(neutron converter)와 반응하여 2차전자방출을 유도하고, 방출된 2차전자를 증폭 및 가속시켜 형광표시 스크린(phosphor display screen)에서 중성자 영상을 얻도록 하여 원자력, 비파괴, 물질구조연구 분야 등에 적용할 수 있는 고감도 중성자 이미지 측정장치에 관한 것이다.

종래의 열중성자이미지 측정장치는 주로 중성자와 검출기 내의 물질이 반응하여 하전입자를 방출하는 핵반응을 이용하며, 그 종류로는 ³He를 이용한 MWPC(Multiwire-Proportional Counter), ¹⁵⁷Gd/CsI다층막을 이용한 MSGC(Micro-Strip Gas Chamber), ⁶Li을 이용하는 반도체 및 섬광체 검출기 등이 있다. 이들 중 기체형 중성자검출기는 위치분해능(해상도)이 떨어지고 고체형 중성자검출기는 대면적의 검출기 제작이 어렵고, 가격이 고가인 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 열중성자에 대한 검출감도가 높으면서도 해상도와 콘트라스트가 높고, 응답시간이 빠른 열중성자 이미지 측정장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 입사되는 중성자의 검출효율을 증가시키기 위해 입사되는 중성자의 길이방향으로 기판면에 수직으로 성장된 탄소나노튜브의 외면에 중성자전환자가 형성되고, 상기 중성자전환자에서 방출된 전자를 전자수집 전극 방향으로 가속하고 증폭시키기 위한 전압인가수단과 마이크로챈널 플레이트가 설치되고, 상기 마이크로챈널 플레이트 하부에서 중성자 선속분포를 가시광으로 출력하는 형광표시스크린이 설치되고, 상기 형광표시스크린의 가시광을 수집하게 되는 이미지센서를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 열중성자 이미지측정장치를 제공함으로써 달성된다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 중성자전환자가 형성된 탄소나노튜브를 이용하여 입사된 열중성자와 핵반응을 일으켜 이차전자방출을 유도하고, 방출된 전자를 증폭 및 가속한 후 형광표시스크린에 의해 중성자 선속분포영상을 구현하는 것을 기술적 사상의 핵심으로 한다.

도 1a는 본 발명에 따른 중성자전환자가 형성된 탄소나노튜브의 개념도를 도시하고 있는데, 도시된 바와 같이 입사중성자의 길이방향으로 저항성 기판(2) 하부면에 수직으로 탄소나노튜브(4a)가 성장되고, 상기 탄소나노튜브의 바깥면에는 중성자와 핵반응하여 전자를 방출하는 중성자전환자(4b)가 형성되어있고 이를 중성자이미지 측정장치에 이용한다.

상기 저항성 기판(2)의 상부면에는 표류전극(3)이 형성되고, 상기 기판(2)의 하부면에는 촉매금속막을 형성하고 상기 탄소나노튜브가 수직으로 증착되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 탄소나노튜브(4a)는 직경(D)이 약 10-100㎚이고, 그 길이(L)는 입사중성자에 대한 검출효율을 높이기 위하여 약 10-100㎛ 정도인 것이 바람직하다. 상기 탄소나노튜브는 중성자를 전자로 변환하기 위한 중성자전환자의 견고한 지지대 역할을 한다.

상기 중성자전환자 물질로는 붕소(B), 리튬(Li), 가돌리늄(Gd) 리튬화합물, 질소(N)화합물 중의 어느 하나이거나 입사하는 중성자와 (n, α) 혹은 (n, p) 핵반응을 일으킬 수 있는 물질 중의 어느 하나로 형성된 것이 바람직하다.

한편 상기 중성자전환자(4b)를 형성할 수 있는 다른 물질로는 우라늄(U), 우라늄화합물, 플루토늄, 플루토늄화합물 중의 어느 하나이거나 입사하는 중성자와 핵분열반응을 일으키는 물질 중의 어느 하나일 수 있다.

상기 중성자전환자(4b)에 입사된 중성자는 주로 (n, α) 혹은 (n, p) 핵반응 또는 핵분열반응을 일으키며 α입자(⁴He), 양성자(proton), 핵분열생성물 등의 하전입자(16)를 방출시킨다. 도1a에서는 중성자전환자 물질을 리튬(Li)으로 형성한 경우의 예이며 입사된 중성자와 ⁶Li(n, α)³H 핵반응을 일으켜 2.73 MeV의 ³H와 2.05 MeV의 α입자가 생성되어 서로 반대 방향으로 탄소나노튜브 사이를 진행하게 된다. 상기 질소와 중성자의 (n, p) 핵반응식은 아래와 같다.

⁶Li + ¹n → ³H(2.73 MeV) + α(2.05 MeV)

상기 중성자전환자는 입사중성자의 길이방향으로 저항성 기판면에 수직으로 성장된 탄소나노튜브 주위로 코팅이 되어 있어, 입사된 중성자에 대해 긴 중성자반응경로를 제공함으로써 중성자에 대한 검출효율을 높일 수 있다.

입사중성자가 중성자전환자에 포획될 때 생성된 상기 하전입자(16)는 인근의 탄소나노튜브 사이를 통과하며 중성자전환자(4b) 및 탄소나노튜브(4a)와 비탄성 충돌을 하며 다수의 2차전자(secondary electron, e_s)를 생성하며, 상기 2차전자는 다시 중성자변환자 내부에서 전리현상을 일으키며 다수의 전자를 생성할 수 있다.

상기 중성자전환자의 두께는 전자의 비정(range)을 고려하여 바람직하게는 10 ∼ 100㎚ 정도로서 상기 2차전자들 중 일부 전자(5)는 중성자전환자의 표면장벽에너지를 뛰어넘고 탄소나노튜브들 사이의 열린 통로로 방출된다. 상기 방출된 이차전자의 운동에너지는 수eV ∼ 수십eV로 매우 낮기 때문에 저항성 기판(2)면에 수직으로 형성된 표류전기장을 따라 탄소나노튜브의 선단 하부로 이동하게 된다.

도 1b는 본 발명에 따른 중성자전환자가 형성된 탄소나노튜브의 다른 개념도를 도시하고 있는데, 중성자전환자 물질로는 가돌리늄(Gd)이거나 입사하는 중성자와 (n, γ) 핵반응을 일으킬 수 있는 물질 중의 어느 하나로 형성된 것이 바람직하다.

상기 중성자전환자(4b)에 입사된 중성자는 (n, γ) 핵반응을 일으키며 γ-선(15)을 방출하고 인근 탄소나노튜브의 중성자전환자에 흡수되어 광전자(photoelectron) 혹은 컴프턴전자(compton electron) 등의 하전입자(16)를 방출시킨다.

상기 하전입자는 인근의 탄소나노튜브 사이를 통과하며 중성자전환자(4b) 및 탄소나노튜브(4a)와 비탄성 충돌을 하며 다수의 2차전자(secondary electron, e_s)를 생성하며, 상기 2차전자는 다시 중성자전환자 내부에서 전리현상을 일으키며 다수의 전자를 생성할 수 있다.

상기 탄소나노튜브를 이용한 본 발명의 열중성자 이미지 측정장치는 도 2에서 보는 바와 같이, 중성자전환자가 형성된 탄소나노튜브(4)와

상기 중성자전환자에서 방출된 전자를 증폭하고 전계 전자방출에 의한 노이즈를 방지하기 위해 상기 중성자나노튜브의 출력단에 약간 이격되어 설치되는 마이크로챈널 플레이트(4)와,

상기 마이크로챈널 플레이트에서 증폭된 전자를 형광물질에 충돌시켜서 가시광으로 변환시켜 중성자선속분포영상을 가시영상으로 표시하기 위해 상기 마이크로챈널 플레이트의 출력단에 약간 이격되어 설치되는 형광표시스크린(8)과,

상기 형광표시스크린의 기판으로 구성되며 상기 형광표시스크린에서 출력된 가시광을 광이미지센서로 전달하는 출력창(9)과,

상기 탄소나노튜브, 마이크로챈널 플레이트, 형광표시스크린, 출력창이 내장되는 진공용기(10)로 구성된다.

상기 진공용기(10)의 내부 진공도는 10^-6torr 이하로 하는 것이 좋다.

상기 탄소나노튜브가 형성된 저항성 기판(2)의 상부면에는 탄소나노튜브 사이로 방출된 전자를 효과적으로 전송하기 위해 탄소나노튜브의 길이 방향으로 표류전장(drift electric field)이 걸리도록 표류전극(3)과 전압인가수단(11)을 부가시키는 것이 바람직하다.

상기 형광표시스크린(8)의 마이크로챈널 플레이트와 마주보는 면에는 상기 마이크로챈널 플레이트로 부터 방출된 전자를 가속시켜 형광표시스크린에 충돌시키도록 하는 형광전극(7)을 형성하는 것이 효과적이다.

이와 같은 구성의 본 열중성자 이미지 측정장치에는 상기 출력창(9)에서 출력된 가시광을 검지하여 전기적인 영상신호로 변환하기 위해서 상기 출력창(9)에 연결시켜서 이미지센서를 설치할 수 있다.

본 발명은 상기 이미지센서를 자체에 구비하여 형성하는 것도 가능할 뿐 만 아니라, 상기 이미지센서를 포함하지 않고 구성하여 용도에 따라 적절한 이미지센서부와 결합하여 사용할 수 있을 것이다.

상기 이미지센서는 CCD(charge-coupled-device) 또는 CMOS 등의 통상적인 고체이미지센서를 사용하는 것이 바람직하며, 이외에도 촬상관을 사용할 수 도 있을 것이다.

상기 이미지센서에 연결되도록 컴퓨터에 의해서 처리되는 통상적인 이미지처리부를 구비할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작동원리를 설명하면, 입사된 열중성자에 의해 탄소나노튜브의 선단에서 방출된 전자는 마이크로챈널 플레이트(6)의 채널로 유입되며 전자증폭이 일어난다.

마이크로챈널 플레이트의 공급전압 1000V내외에서 마이크로챈널 플레이트의 이득(gain)은 10⁴정도이다.

한편 탄소나노튜브는 2㎸/㎜이상의 전장에서 전계방출에 의한 전자방출을 유도하여 노이즈를 발생할 수 있는데 형광전극(7)과 탄소나노튜브 사이에 마이크로챈널 플레이트가 있어서 이를 방지할 수 있다.

마이크로챈널에서 방출된 전자는 형광전극(7)에 인가된 5㎸이상의 전위차에 의해 가속되고 형광표시스크린(8)과 충돌하여 가시광을 발생시킨다.

가시광으로 변환된 중성자선속분포영상은 출력창(9)을 통과한 후 광섬유테이퍼(tapered fiber optics)나 릴레이렌즈를 이용하여 영상을 축소함으로써 CCD(charge-coupled-device) 또는 CMOS 등의 소형의 이미지센서에서 기록될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 열중성자 이미지 측정장치의 개략적인 단면도를 도시하고 있는데, 광섬유플레이트(fiberoptic plate)로 형성된 출력창(9)과 이미지센서 사이(17)에 광섬유테이퍼(13)로 결합되어 있어서 광손실을 최소화 할 수 있다.

상기 출력창에서 출력된 광은 광섬유테이퍼로 전달되고 상기 광섬유테이퍼에서 축소된 영상이 상기 이미지센서(17)로 전달되어 영상정보가 기록된다.

도 4는 본 발명에 따른 열중성자 이미지 측정장치의 다른 실시예의 단면도를 도시하고 있는데, 상기 출력창(9)은 유리 등으로 구성되고, 상기 출력창 하부에 이격되어 초점을 맞추기 위한 릴레이렌즈(14)가 설치되고, 릴레이렌즈 하부에 이격되어 전달된 광을 기록하기 위한 이미지센서(17)가 설치된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은 탄소나노튜브의 외면에 중성자를 포획하고 전자를 방출할 수 있는 중성자전환자를 형성하여 입사된 중성자를 효과적으로 전자로 방출할 수 있도록 하며, 이를 이용하여 열중성자 이미지측정을 정밀하게 행할 수 있도록 하여, 중성자 영상의 신뢰성을 크게 높일 수 있게 된다는 장점을 가진 유용한 발명으로 비파괴검사, 원자로, 물성연구등과 같은 산업분야에서 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

도 1a는 본 발명에 따른 중성자전환자가 형성된 탄소나노튜브의 개념도이고,

도 1b는 본 발명에 따른 중성자전환자가 형성된 탄소나노튜브의 다른 개념도이며,

도 2는 본 발명에 따른 탄소나노튜브를 이용한 열중성자 이미지 측정장치의 개념도이고,

도 3은 본 발명에 따른 열중성자 이미지 측정장치의 개략단면도이며,

도 4는 본 발명에 따른 열중성자 이미지 측정장치의 다른 개략단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 중성자 (2) : 저항성 기판

(3) : 표류전극 (4a) : 탄소나노튜브

(4b) : 중성자전환자 (5) : 방출된 이차전자

(6) : 마이크로챈널 플레이트 (8) : 형광표시스크린

(9) : 출력창 (11) : 전압인가수단

(12) : 가시광 (13) : 광섬유테이퍼플레이트(FOP)

(14) : 릴레이렌즈 (15) : 감마선

(16) : 하전입자

Claims (5)

1. 저항성 기판의 하부면에 성장된 탄소나노튜브와, 상기 중성자나노튜브의 출력단에 이격되어 설치되는 마이크로챈널 플레이트와, 상기 마이크로챈널 플레이트의 출력단에 이격되어 설치되는 형광표시스크린과, 상기 형광표시스크린에서 출력된 가시광을 광이미지센서로 전달하는 출력창과, 상기 탄소나노튜브, 마이크로챈널 플레이트, 형광표시스크린, 출력창이 내장되는 진공용기로 구성되는 통상의 이미지 측정장치를 포함하여 열중성자 이미지 측정장치를 구성하되,

   상기 탄소나노튜브는 저항성 기판(2)의 하부면에 성장된 탄소나노튜브(4a)의 바깥면에 열중성자와 핵반응을 일으키고 전자를 방출하는 중성자전환자(4b)가 형성되도록 구성하고,

   상기 중성자전환자 물질은 붕소(B), 리튬(Li), 가돌리늄(Gd) 리튬화합물, 질소(N)화합물, 입사하는 중성자와 (n, α), (n, p), 및 (n, γ) 핵반응 중의 어느 한 반응을 일으킬 수 있는 물질로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성하거나 또는 우라늄(U), 우라늄화합물, 플루토늄, 플루토늄화합물, 입사하는 중성자와 핵분열반응을 일으키는 물질로 이루어진 군중에서 선택된 어느 하나로 형성된 것 중에서 선택하여 중성자를 검출토록 구성한 한 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 열중성자 이미지 측정장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서;

   상기 탄소나노튜브의 저항성 기판(2)의 상부면에는 탄소나노튜브의 길이 방향으로 표류전장이 걸리도록 표류전극(3)과 전압인가수단(11)이 부가된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 열중성자 이미지 측정장치.
5. 제 1항에 있어서;

   상기 출력창(9)에는 이미지센서가 연결되고, 상기 이미지센서와 연결되어 이미지신호를 처리하는 이미지처리부를 더 부가하여 구성된 것을 특징으로 하는 열중성자 이미지 측정장치.