KR100690457B1 - Ｘ선 측정 및 검사용 복합체 - Google Patents

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Abstract

몇몇 분석 스테이션에서 X선 범위에서의 연구를 동시에 실시하기 위해 고안된 복합체는 발산하는 X선의 광원(1), 분석 스테이션(5)쪽으로 이동하는 방사선 채널 및 스펙트럼, 회절 및 다른 연구들, 물체의 내부 구조의 이미지 형성, X선 리소그래피등을 위한 이들 장치의 기구를 동시에 포함하고 있다. 방사선은 준평행광선(4)으로서 분석 스테이션(5)를 향하여 전송되며, 채널 벽으로부터 다수의 X선 외부전반사를 이용하는 곡선형 채널의 팩키지로써, 표현되는 X선 하프렌즈(2)에 의해 형성된다. 각각의 하프렌즈는 X선 광원(1)의 발산하는 방사의 한부분(3)을 포집한다. X선관은 광원(1)의 바람직한 타입이다. 몇몇 분석 스테이션(5)를 향하도록 된 방사선의 광선(35)은 또한 이들 장치용으로 일반적으로 사용되는 하프렌즈(2)에 의하여 얻을 수 있다. 상기 하프렌즈의 출력 광선(4)은 상기 광선(4) 전파방향에 대한 각도에서 초기 광선(4)의 경로에 놓인 단색화장치(33)에 의해 몇 개의 광선으로 나누어진다. 상기 단색화장치(33)는 초기 광선의 횡단면의 한 부분(34)을 차단한다. 특별한 경우에 있어서, 복합체는 분석 스테이션(8) 중 하나의 입력부에 위치한 영역(22)에 광원 방사선의 초점을 맞추는 X선 풀 렌즈(6)를 포함할 수 있다. X선 렌즈를 사용할 경우 분석 스테이션의 X선 사용자에게 방사광원이 싱크로트론 또는 싱크로트론 스토리지 링인 복합체에 못지않은 밝기를 제공한다.
X선, 싱크로트론, 스토리지 링, 레지스트, 광원, 모노크로매터, 하프렌즈, 풀렌즈

Description

Ｘ선 측정 및 검사용 복합체{X-ray measuring and testing complex}
본 발명은 X선을 사용하여 기질, 물질을 검사하고 연구하는 기술 및 장치에 관한 것이다.
X선을 사용한 연구를 실시하고 동시에 몇 가지 분석장치를 검사하기 위한 복합체는 알려져 있다. 모든 분석장치에서 일반적으로 방사광원은 그러한 복합체에서 사용된다. 상기 광원은 싱크로트론, 또는 더 현대적인 복합체에서 스토리지 링을 나타낸다. 싱크로트론(synchrotron) 또는 스토리지 링(storage ring)에서 발산하는 싱크로트론 방사는 분석적인 장치(워크스테이션)로 이동된다. 특별한 연구 또는 검사를 실시하는데 요구되는 스펙트럼 밴드는 꽤 넓은 싱크로트론 방사로부터 추출된다(이런 경우, 본 발명은 X선 범위의 상기 밴드와 관련이 있다). 각각의 분석장치 기구의 구성요소는 한가지 타입 혹은 다른 타입의 연구 및 검사에서 그것의 특수성에 따라 정의된다.
그러나 스토리지 링을 포함한 싱크로트론 방사 광원은 수백만 달러에 달하는비용이 드는 매우 복잡한 주요 구조물로 알려져 있다. 따라서, 방사 스펙트럼이 X선 영역을 포함하는 스토리지 링은 50m 지름 정도이다(Synchrotron Radiation. Ed. by K. Kunts. Moscow, "Mir", 1981,p.80).
상기 구조물의 거대한 크기를 고려하여 상기 싱크로트론 방사 광원이 이용될 때, 가장 복잡한 문제는 채널을 링 주변으로부터 떨어져 있는 분석장치로 이동시키는 싱크로트론 방사와 각각의 분석장치의 실험량에서 견딜만한 진공 레벨을 유지시키는 것이다. 분석장치에서의 진공 저하는 어큐뮬레이터 자체 뿐만 아니라 모든 장치에서 그것과 연결된 장치의 활동을 중지시킬 수 있다(Synchrotron Radiation. Ed. by K. Kunts. Moscow, "Mir", 1981,p.80).
진공 안에서 실시되어야 하는 싱크로트론 또는 스토리지 링으로부터 발산되는 좁은 직선 빔으로부터 분석장치의 수에 따라 어떤 빔을 추출 및 형성하는 X선은 그레이징 미러 또는 크리스탈의 시스템에 의해서 해결될 수 있는 심각한 과업이다. 언급한 범위의 채널을 사용할 때, 특히 중요한 단계는 수직면의 너비가 mrad의 단위로 형성된 각 빔의 위치의 조절과 유지가 보증되어야 한다는 것이다. 따라서 40m 거리에서 빔이 10mm 미만으로 놓여진다면, 분석장치의 틈에 따라서 강도의 1 또는 2위의 순서가 상실된다(Synchrotron Radiation. Ed. by K. Kunts. Moscow, "Mir", 1981,p.85).
상기 크기의 싱크로트론과 스토리지 링에 있어서, 싱크로트론 또는 가속기와 더불어 일하는 직원과 분석장치의 연구 직원의 방사선 보호와 관련된 문제를 해결하는 것 역시 어렵다.
적어도, 싱크로트론 또는 스토리지 링을 기초로 한 복합체는 너무 비싸고, 단지 몇몇 정부만이 그 건물에 자금을 공급할 수 있다. 따라서 극히 소수만이 있으며, 지난 수십 년 간 정부들은 그런 복합체를 세우기 위해 서로 연합해야만 했 다. 싱크로트론 방사의 유럽 센터는 그러한 복합체의 한 예이다(그레노블, 프랑스).
싱크로트론 방사에 대한 상기의 단점에도 불구하고, 오늘날 그들은 어떤 분석장치를 위해 동시에 필요한 작업 범위내에서 좁은 직선 방사의 분광면을 얻을 수 있도록 하며, 연구 및 실험 목적을 충족시키는 실제로 유일한 타입의 광원이다.
따라서, 싼 가격의 광원을 사용할 경우, 분석장치의 입력구에서 높은 광도의 방사를 얻을 수 있으며 과학자들과 기술자들이 이용할 수 있는 복합체를 만드는 것이 매우 중요하다.
본 발명은 상기의 단점이 없는 복합체의 생성을 제공한다(거대한 크기, 매우 높은 가격, 진공 유지의 문제, 방사선 안정의 제공, 방사선이 분석장치로 이동될 때 어떤 빔의 형성 및 조절).
본 발명은 다수개의 분석장치에서 동시에 X선범위내에서 연구가 가능한 측정 및 검사 복합체에 관한 것으로, 공지된 것처럼 상기 복합체는 방사광원, 분석스테이션으로 방사선을 전송시키는 채널 및 분석 스테이션 (분석장치)을 포함한다.
여기서 분석 스테이션이란 분석수단에 대응되는 단어로 사용한다.
공지된 것과 달리, 본 발명에 따른 복합체는 방사광원으로 발산하는 X선광원과; 채널 벽을 통한 다수의 X선 외부전반사를 이용하는 곡선형 채널들의 팩키지 (총체)인 X 선렌즈를 포함하면서, 분석 스테이션으로 방사선을 전송하는 각각의 채널을 포함한다.
상기 X선렌즈는 광원의 발산하는 X선의 일부 방사선부를 포집할 수 있고, 상기 X선을 준평행광선으로 변환할 수 있도록 배치된다. X선관, 레이저 또는 플라즈마 광원은 발산하는 X선의 광원으로서 사용될 수도 있다.
따라서, 상기 형태의 기술적 결과는 광원으로서 싱크로트론 또는 스토리지 링의 우선선택권, 특히 상기의 광원으로서 표준 X선관의 사용에 대한 우선선택권, X선을 분석 스테이션로 전송하는 좁은 직선의 준평행광선을 형성하고 추출하는 방사를 위한 X선 렌즈의 우선선택권에 기인하여 본 발명에 의해 제공된다.
게다가, 복합체는 채널 벽을 통한 다수의 X선 외부전반사를 이용하는 곡선형 채널들의 총체인 X선렌즈를 더 포함할 수 있다. 상기 렌즈는 광원의 발산하는 X선중 하나의 방사부를 포집할 수 있도록 배치될 뿐만아니라, 분석 스테이션은 X선 초점영역과 연구중인 목적물의 요구부분(X선을 필요로 하는 부분)을 일치시킬 수 있을 뿐만아니라, 연구중인 목적물의 위치 조정이 가능하도록 만들어진다.
X선관의 발산하는 X선이 본 발명에 따른 복합체에서 광원으로 사용될 때, 상기 X선관은 다른 타입의 양극(anode)으로 만들어질 수 있다. 특히, 미세초점(microfocal), 관통(through), 복합(complex), 텅스텐(tungsten)양극으로 만들어 질 수 있다. 폭넓은 입체각에서 발산하는 방사선을 생성하기 위해서 미세초점 양극 또는 관통양극으로 된 X선관을 사용하는 것이 바람직히다.
양극의 한 부분을 이루는 화학적요소에 대하여 다른 방사 스펙트럼 라인을 얻기 위해서는 복합양극으로 된 X선관을 사용하는 것이 바람직하고; 열제거 향상에 기인해 보다 고밀도를 얻기 위해서는 회전양극으로 된 X선관을 사용하는 것이 바람직하고; 광대역의 X선 생성을 위해서는 텅스텐 양극으로 된 X선을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 복합체가 발산하는 X선광원(source)으로써 회전, 복합, 또는 텅스텐 양극으로 된 X선관을 포함하는 경우에, 상기 복합체는 적어도 하나의 단색화장치(monochromater)를 더 포함할 수 있다.
그러한 경우에, 하나의 X선렌즈에 의해 형성되는 준평행광선은 적어도 2개의 분석 스테이션에 X선을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 복합체의 구성요소인 분석 스테이션이 스펙트럼 연구용으로 고안될 경우에는, 연구중인 샘플의 위치를 조정(고정)하기 위한 수단과; 샘플에 여기된 방사선을 검출하는 검출기와; 상기 검출기 출력부에 연결되는 스펙트럼 채널과; 및 상기 스펙트럼 채널 출력부에 연결되는 정보처리 및 이미지화 수단을 포함한다.
상기와 같은 분석 스테이션은 복합체의 구성요소인 X선렌즈의 출력초점영역부에 놓여지고, 상기 X선렌즈는 광원의 발산(산란)하는 X선의 하나의 방사부를 포집할 수 있는 위치에 놓여지고, 상기 방사선을 초점에 모을수 있도록 만들어진다.
또한, 상기 분석 스테이션은 상기 X선렌즈의 초점부분과 연구중인 샘플의 요구부분(샘플의 X선 조사가 필요한 부분)을 일치시킬 수 있도록 만들어져야 한다.
방사선의 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션은 특히 다음의 가능성을 갖는다.
만약 상기 분석 스테이션이 스펙트럼 연구용으로 고안된다면, 분석 스테이션은 채널 벽으로부터 다수의 X선 외부전반사를 이용하는 곡선형 채널의 팩키지인 X선 렌즈를 포함하며, 상기 X선렌즈는 방사선의 준평행광선을 한데 모을 수 있도록 배치되고 제조된다. 또한, 상기 분석 스테이션은 연구되는 샘플의 요구부분(X선이 필요한 부분)이 X선의 초점 부위와 일치하도록 위치를 정하는 수단을 포함하고 있다. 게다가, 주어진 분석 스테이션은 연구되는 샘플에서 여기된 방사선의 검출기, 검출기의 출력부로 연결된 스펙트럼 채널 및 스펙트럼 채널의 출력부로 연결된 정보처리와 이미지화를 위한 수단을 포함하고 있다.
본 발명에 따른 복합체의 일부이며 방사선의 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션이 회절 연구용으로 고안되는 경우에는, 상기 분석 스테이션은 빔 전송방향에 관하여 연구중인 샘플의 위치와 방향을 조절하기 위한 수단, 샘플상에 회절되는 방사선을 검출하는 검출기; 연구되는 샘플과 검출기의 상대적인 위치를 조절하기 위한 수단; 및 검출기의 출력부로 연결된 정보처리와 이미지화를 위한 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 복합체의 일부이며 방사선의 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션이 물체의 내부 구조의 이미지 형성용으로 고안된 경우에는, 상기 분석 스테이션은 이미지 시각화와 등록을 위한 수단을 가지며 연구중인 목적물을 통과하여 지나가는 방사선의 검출기 및 물체의 위치를 정하기 위한 수단을 포함한다.
본 발명에 따른 복합체의 일부이며 방사선의 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션이 X선 리소그래피(lithography)용으로 고안된 경우에는, 상기 분석 스테이션은 마스크의 위치를 조정하기 위한 수단과, 표면에 레지스트(resist)가 도포된 레지스트 층을 가진 기판의 위치를 조정하기위한 수단을 포함하며, 기판의 위치를 조정하기 위한 수단은 마스크의 위치를 조정하기 위한 수단의 뒤쪽에 놓이게 된다.
본 발명은 도면으로 설명된다.: 즉,
도 1은 본 발명 복합체의 주요 부분의 구성과 상대적인 위치를 나타낸 것이다.
도 2는 X선 렌즈의 분리된 채널을 따라 다수의 X선 외부전반사를 갖는 X선 전파를 나타낸 것이다.
도 3은 분산하는 방사선을 한데 모으기 위한 X선 렌즈를 도식화한 것이다 ("풀" 렌즈).
도 4는 발산하는 방사선을 준평행광선으로 변환시키기 위한 X선 렌즈를 도식화한 것이다("하프" 렌즈).
도 5는 광원의 방사가 광원의 발산하는 방사을 한데 모으는 풀(full) X선 렌즈에 의해 상기 장치로 이동되는 경우에서, 스펙트럼 연구를 위해 고안된 분석 스테이션기구의 구성과 상대적인 위치를 나타낸 것이다.
도 6은 하프(half) 렌즈에 의해 형성된 준평행광선이 분석 스테이션로 전송되는 경우와 동일함을 나타낸 것이다.
도 7은 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션의 기구의 구성과 상대적인 위치를 나타내며, 상기 분석 스테이션은 회절 연구용으로 고안된 것임을 나타낸 것이다.
도 8은 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션의 기구의 구성과 상대적인 위치를 나타내며, 상기 분석 스테이션은 물체의 내부 구조의 이미지 형성을 위해 고안된 것임을 나타낸 것이다.
도 9는 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션의 기구의 구성과 상대적인 위치를 나타내며, 상기 분석 스테이션은 X선 리소그래피를 위해 고안된 것임을 나타낸 것이다.
도 10은 어떤 분석 스테이션로 전송되는, 여러부분으로 갈라지는 준평행광선을 위해 모노크로매터를 사용하는 경우, 본 발명에 따른 복합체의 구성요소를 배치한 변형된 실시예를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 복합체(도 1)는 분석 스테이션(워크스테이션)(5)를 위한 일반 X선 광원인 X선관의 광원(1)를 포함하고, 각각은 연구, 측정 또는 검사의 한정된 형태에서 분석 스테이션의 특수성에 따라 기구의 구성성분을 갖는다.
X선 렌즈(2)(분석 스테이션 5의 수에 따라)는 X선관의 광원(1)에 의해 형성된 방사에 해당하는 입체각 내에 놓인다. 각각의 상기 렌즈는 입체각(3)내에서 X선관의 광원(1)의 방사부 일부를 포집하고, 상기 렌즈에 의해 흡수된 발산하는 방사선을 준평행광선(4)으로 변환시킨다. 렌즈의 입력면 부분에서 부터 X선렌즈(2)의 초점영역은 서로 일치되고, 가능한 어느곳에서든 X선 튜브(1)의 출력 유효구경의 중심과 일치된다.
각 X 선렌즈(2)의 출력 광선(4)은 해당 분석 스테이션(5)에 입력 유효구경으로 향하게 된다. 분석 스테이션(5)는 접근 가능성을 고려하여 선택되는 일정거리만큼 X선 렌즈(2)에서 이격되어 놓여진다. (분석 스테이션 장착 지역에서 광선들 간의 거리는 기구와 직원 위치를 고려하여 충분히 떨어져 있어야 한다).
발산하는 X선을 준평행광선으로 변환할 수 있도록 제조된 X선 렌즈(2)는 상기 렌즈에 의해 형성된 준평행광선(4) 뿐만아니라, 광원(X선관(1))로부터 분석 스테이션(워크스테이션)(5)로 X선을 전송하는 채널을 형성한다.
또한, 특별한 경우에 있어서 복합체는 연구중인 목적물에 작용하는 X선의 특성을 정확하게 요구하는 특수화된 분석 스테이션(8)의 입력부에 미리 정해진 장소인 작은공간으로 X선렌즈에 의해 흡수된 X선관의 발산하는 방사선의 초점을 맞추는 하나 또는 그 이상의 X선렌즈(6)를 포함할 수 있다.
입체각(7)은 도 1의 렌즈(6)의 X선의 초점이 맞춰진 출력 빔에 대응한다. 렌즈(2)와 유사하지만 반대방향으로 향하는 렌즈(5)를 분석 스테이션 방향으로 결합함에 의해, X선 튜브의 즉각적인 방사 지역에서 초점 렌즈(6)을 포함하지 않는 복합체에서 상기에서 언급한 것에 상응하는 것이 얻어질 수 있다. 그러한 렌즈는 X선 준평행광선(4)을 초점이 맞춰진 것으로 변환시킨다.
X선관의 광원(1)의 직선 X선으로부터 분석 스테이션의 직원 보호는 준평행광선(4)의 단면 크기의 구멍을 가지는 스크린(9)에 의해 이루어진다. 보호용 스크린(9)은 X선 렌즈(2, 6)의 출력면 근처 뿐만 아니라 분석 스테이션(5, 8)(도 1이 이 경우를 나타냄) 가까이에 배치될 수 있다. 준 평행광선(4)의 길이가 몇 미터 또는 그 이상일 때, 스크린(9)의 크기는 첫 번째 경우{분석 스테이션(5, 8) 근처에 배치되는 경우}가 두 번째 경우{X선렌즈(2, 6)의 출력면 근처에 배치되는 경우}보다 상당히 크게된다. 그러나, 직원들에 대한 X선과의 광원(1)의 직사 방사 작용 가능성에 대한 보호용 스크린 생산 오류에 대한 더 많은 조치가 고려되어야 한다.
본 발명 복합체의 가장 중요한 구성요소는 X선 렌즈이며, 이는 기술적인 결과를 얻을 수 있도록 하는 용도(기능)때문이다. 구성요소들은 상기 발명의 상세한 설명에 제시되어 있다.
X선을 조절하기 위한(발산하는 방사선을 한데 모으며, 발산하는 방사로부터 평행유동을 형성하며, 평행 방사선을 한데 모으는 것 등등) 일차 렌즈는 벽(11)으로부터 다수의 X선 외부전반사가 일어나고; 방사선을 전송하는 곡선형 채널(10)(도 2)의 팩키지로 표현된다. 도 2에서 다각형 라인(12)은 방사선이 X선 렌즈의 채널(10)을 따라 전파될 때, X선의 분리된 양자에 의한 다수의 X선 외부전반사의 과정을 나타내고 있다. 그러한 렌즈는 렌즈 길이를 따라 한정된 거리에 위치한 지지구조의 구멍이나 세포를 통과하는 한 세트의 모세관 또는 다수의 모세관으로서 만들어진다(V.A. Arkadiev, A.I. Kolomiitsev, M.A. Kumakhov, et al. Broadband X-ray optics with wide angle aperture. Uspekhi Phisicheskikh nauk, 1989, volume 157, issue 3 pp. 529-537; USA patent NO. 5,192,869(published 09.03.93)). 만약 렌즈가 발산하는 방사선의 촛점을 맞추기위해 고안되었다면, 대체로 렌즈는 중배가 불룩한 통(barrel) 모양이며(즉, 양쪽면으로 갈수록 좁아짐), 만약 발산하는 방사선을 준평행광선으로 변환하거나 혹은 그러한 방사선을 촛점을 맞추기 위해 고안되었다면, 중배가 불룩한 통의 반을 자른 것과 같은 모양(half-barrel)이다(즉, 한쪽끝만 좁아짐).
앞으로, "풀”렌즈와 "하프”렌즈에 해당하는 용어들은 구조상의 실시예에서 설명되는 것과는 다른 렌즈를 포함하여 상기 두가지 타입(barrel, half-barrel)의 렌즈를 칭할때 사용된다. 본 발명이 설명될 때 하기에서 적절한 명칭이 사용된다.
렌즈는 이웃하는 방사선 전송 채널의 벽이 렌즈 전체길이를 따라 서로 접촉하고 있으며, 채널 그 자체는 길이에 따라 다양하며 렌즈의 총 횡단면과 같은 법칙에 따라 변하는 횡단면을 갖는다고 알려져 있다(V.M. Andreevsky, M.V. Gubarev, P.I. Zhidkin, M.A. kumakhov, A.V.Niskin, I.Yu. Ponomarev, Kh.Z. Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All-Union Conference on Interaction of Radiation with Solids. Book of Abstracts(May 15-9, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR, pp. 177-178; USA patent No. 5,570,408(published 29.10.96)). 그러한 채널을 가진 "풀" 렌즈와 "하프" 렌즈는 도 3과 도 4에서 각각 도식화하였다.
"풀"렌즈(도 3)는 해당 면들로부터 그들의 왼쪽과 오른쪽 끝이 왼쪽(13)과 오른쪽(14) 촛점지역에서 수렴하도록 곡선형 채널을 가지며, 그 크기는 각 채널 차수의 지름이다. "풀"렌즈의 주변에 가까이 위치한 채널들은 대칭의 세로 축과 일치하는 광학 축(15) 가까이에 위치한 채널보다 더 휘어져 있다. 발산하는 X선을 한데 모으기 위하여 점과 유사한 점 광원은 촛점영역중 한 곳에 있어야 하며, 곧이어 초점 맞추기는 다른 촛점영역에서 실시된다.
도 4에 나타나듯이 발산하는 방사가 왼쪽으로부터 "하프" 렌즈 위로 도달할때, 상기 렌즈는 발산하는 방사선을 오른쪽 표면으로부터 방출하는 준평행광선으로 변환시킨다. "하프" 렌즈의 광학 축(15)으로부터 다른 거리에서 다양하게 존재하는 채널의 굴곡으로 인해 "하프" 렌즈의 촛점지역(16)에서 채널의 왼쪽 끝의 연장 교차점을 가지게 된다. 따라서 촛점영역(16)은 발산하는 X선의 유사 점광원의 위치와 일치해야한다; 또한, "하프"렌즈의 채널은 출력 면(도 4의 오른쪽)에서 서로 평행하다. 준평행광선의 X선이 도 4에 따라 "하프" 렌즈의 오른쪽 면에 도달할 때 상기 방사는 왼쪽 면에 놓여있는 촛점영역(16)으로 초점이 맞추어진다.
직사 X선을 형성하는 광원(X선관)을 사용하기 때문에, 서술된 복합체에서 광원의 방사로부터 X선 범위의 방사를 추출하는 어떤 수단을 사용할 필요가 없다. 또한, 채널을 지나 분석 스테이션을 향해 전송되는 방사선의 추출 및 분산을 위한 특별한 수단 또는 기술을 요구하지 않는다. 렌즈의 촛점지역의 주변을 X선관 광원의 방사에 효과적인 구조적 중심으로 제공하는 거리에서 X 선관의 광원(1)으로부터 나오는 방사의 지역에서 X 선렌즈(2, 6)를 놓는 것으로 충분하다.
또한, 분석 스테이션(5, 8)로의 경로에서 형성된 광선(X선 광선 4, 7)의 필요 궤도를 유지하기 위한 어떤 특별한 수단을 사용할 필요가 없다. X선관의 광원(1)과 X 선렌즈(2, 6)의 상대적인 기구 고정으로 충분하다. X선관의 광원(1)과 X선 렌즈 (2, 6)의 특징은 안정하다는 것과 첫 번째 적절한 설치 후에 어떤 조정 없이 실행할 수 있는 것이다.
전송되는 준평행광선의 길이 즉, X선 렌즈의 출력면과 분석 스테이션 사이의 거리가 몇 미터를 초과하지 않을 때(이 거리는 분석 스테이션의 기구의 편리한 장착과 직원들을 위하여 충분하다), X선의 감쇄와 발산은 중요하지 않다. 그러므로 방사의 전송은 방출(전송)을 위한 어떠한 노력없이 공기 매체에서 직접적으로 가능하다. 이러한 사실 때문에 본 발명에 따른 복합체에는 진공을 유지에 관한 어떠한 문제도 없다.
스크린 (9)의 수단에 의해 실행되는 방사능 보호는 구조적으로 매우 간단하고 낮은 동력의 X선관1에서 보통의 구조물에 의해 제공될 수 있다( 상당히 만족스러울 수 있다는 사실이 하기에 보여질 것이다.)
분석 스테이션의 직원에 의해 매개변수가 바뀌어질 수 없는 방사선의 펄스(pulse) 특성을 가진 싱크로트론과는 상반되게, X선관 방사는 계속적일수 있을 뿐만아니라, 바람직한 매개변수를 가진 펄스에 의한 방사가 가능하다. 계속적인 방사에서 작업할 가능성 때문에, 펄스에 의한 방사에서 적합하지 않은 연구가 본 발명의 복합체에서 실시될 수 있다.(예를 들어, 계속적인 방사와 동일하게, 펼스에 의한 방사는 보통의 세기이기 때문에, 펄스시 높은 세기에 의해 초래되는 연구중인 매개물에서 비선형 효과의 연계가 가능하다.)
본 발명 복합체의 일부인 분석 스테이션은 다수의 다른 기초 및 응용 과제를 해결하기 위해 고안될 수 있다. 예를 들면, 단일물, 복합체 및 단백질 크리스탈의 회절학과 지형학, 초점이 맞춰진 X선 광선에 의한 X선 형광 분석, 의학적인 응용에서 생물제재를 포함하는 다른 물체의 내부 구조의 이미지 형성, 신규 물질과 의약의 분석, 칩(chip)의 분석, 표면의 특징과 품질 등.
본 발명 복합체의 일부인 분석 스테이션을 스펙트럼 연구용으로 고안될 경우에는, 연구중인 샘플 (목적물)(18)의 위치를 조정하기 위한 수단과;
상기 샘플에서 여기된 방사선을 검출하는 검출기(19);
검출기(19)의 출력부에 연결된 스펙트럼 채널(20); 및
상기 스펙트럼 채널(20)의 출력부에 연결된 정보 처리와 이미지화를 위한 수단(21)을 포함한다(도 5).
그러한 분석 스테이션(8)는 복합체의 구성요소(도 1에서 보여지는 것처럼) X선 풀 렌즈(6)의 출력 촛점영역(22)에 위치하고, 상기 렌즈는 광원(1)의 발산하는 X선의 방사부 일부를 포집할 수 있도록 위치가 정해지고, 상기 방사의 초점을 맞출 수 있도록 만들어진다.
연구중인 샘플의 위치를 조정하는 수단(17)은 연구중인 샘플(18)의 요구 부분(X선이 필요한 부분)을 풀 렌즈(6)의 출력 촛점영역(22)(도 1과 도 5에서 오른쪽의 것)과 일치시킬 수 있도록 제공되어야 한다. 정보처리 및 이미지화를 위한 수단(21) 뿐만 아니라 스펙트럼 채널의 구성에 관한 정보(증폭기, 위치 제파기, 다중채널 진폭 분석기, 등등)는 특히 다음의 서적에서 제공된다: R. Volsdet. Applied spectrometry of X-ray. Moscow, Atomizdat, 1977, chapter 2. 스펙트럼 연구의 중요한 응용 분야는 상기 샘플에서 다른 화학적 요소들의 양적인 내용을 평가함으로서 샘플의 구성요소를 결정하는 것이다.
상기에서 설명한 것과 유사하게 분석 스테이션은 준평행X선을 사용할 수 있고, 또한 그 광선은 하프렌즈(2)(도 1)중 하나에 의해서 형성된다. 이러한 목적을 위해서는 하프렌즈(23)(도 6을 보면, 도 6에서 그러한 하프렌즈와 추가물 포함하는 장치(5)를 나타냄)로 도 5에서 보여지는 장치(8)를 완성하는 것으로 충분하다. 하프렌즈(23)의 촛점지역(24)은 풀 렌즈의 출력 촛점영역의 역할을 한다.
본 발명 복합체의 일부이며 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션(5)가 회절학 연구용으로 고안되는 경우에는, 분석 스테이션은 광선(4) 전파 방향에 따라 연구되는 샘플(18)의 위치와 방향을 조정할 수 있는 수단(17)과;
연구중인 샘플에서 회절되는 방사선의 검출기(19)와;
연구중인 샘플(18)과 검출기(19)의 위치를 상대적으로 조절할 수 있는 수단(25); 및 검출기(19)의 출력부와 연결된 정보처리와 이미지화를 위한 수단(26)을 포함한다.
검출기와 연구되는 샘플의 상대적인 위치를 조절하기 위한 수단(25)과 광선(4)전파방향에 따라 연구되는 샘플의 위치와 방향을 조정할 수 있는 수단(17)은 높은 각도 정밀도를 제공해야만 하며, 상기 수단들은 방위측정 메카니즘으로써 만들어진다. 그러한 분석 스테이션의 주요 응용 분야는 크리스탈 샘플의 연구이다.
본 발명 복합체의 일부이고 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션(5)가 물체의 내부 구조의 이미지 형성을 위해 고안되는 경우에는, 상기 장치는 목적물(18)의 위치를 조정하기 위한 수단(17)과 목적물을 통하여 통과되는 방사선을 검출하는 검출기(27)를 포함한다(도 8).
가장 간단한 경우에 빛으로부터 필름을 포장하고 보호하는데 있어서 보통 X선 필름이 상기 검출기로서 이용된다. 상기 필름은 그것이 개발된 후에 이미지 등록의 수단으로서 이미지 시각화의 수단으로서 동시에 작용하고 있다. 본 발명 복합체의 분석 스테이션에서 응용된 이미지 형성에 대한 다른 도해도 있다. 예를 들면 유럽출원 No. EP 0 742 150(published 31.07.96).
본 발명 복합체의 일부이고 준평행광선이 전송되는 분석 스테이션(5)가 리소그래피용으로 고안되는 경우에는, 상기 장치는 마스크(29)의 위치를 조정하기 위한 수단(28)과, 표면에 레지스트(resist)가 도포된 레지스트층을 가진 기판(31)의 위치를 조정하기위한 수단(30)을 포함하며, 상기 기판의 위치를 조정하기 위한 수단은 마스크의 위치를 정하기 위한 상기 수단의 뒤쪽에 놓이게 된다. 보다 복잡한 도해는, 예를 들면 미국특허 No. 5,175,755에 있다(published 29.12.92).
X선 풀렌즈와 하프렌즈의 이용을 포함하는 분석 스테이션 구조의 수많은 다른 예시들은, 이를테면 미국특허 No. 5,497,008(published 05.03.96)와 유럽특허 No. EP 0 555376(published 18.03.98)에 묘사되어 있다.
튜브의 양극이 텅스텐으로 만들어진다면, 텅스텐 방사는 다소 광대역이고 세기가 강하기 때문에 단색화장치에 의해 다양한 파장을 추출할 수 있다. 어떤 화학적 요소들로 만들어진 복합체 타깃이 양극으로 사용된다면, 단색화장치는 복합체 양극의 특색있는 방사선의 하나 또는 다른 파장을 선택적으로 추출할 것이다.
사용상 발산하는 X선의 광원 타입을 선택하는 것은 특히 해결 과제에 따라결정된다. 따라서, 소프트 X선 밴드의 레이저와 플라즈마 광원의 방사는 생물학, 의학에서 현미경으로 연구가 수행될 때 사용될 수 있다. 게다가, 충분한 동력을 가진 X선관 뿐만아니라 그러한 광원(레이저와 플라즈마)들도 X선 리소그래피(접촉과 투사 모두)와 LIGA-기술적 과제가 해결되는 분석 스테이션(워크스테이션)를 포함한 복합체에서 사용될 수 있다.
관의 양극, X선 렌즈와 분석 스테이션의 위치를 정하기 위한 다양한 구조의 사용은 X선관의 타입에 달려있다.
각 분석 스테이션이 단지 분석 스테이션을 위해서만 방사 광선을 형성하는 X선 렌즈와 대응할 경우, 상기에서 설명되고 도 1에 나타나는 구조는 또한 가능한 것중 하나이다. 이러한 구조에서는 예를 들면, 관통 양극 또는 미세초점 양극을 가진 관을 사용하는 것이 바람직하다. 그러한 관 (튜브)은 실제적으로 반공간(half-space)에서 방사하고, 그러므로 대다수의 하프와 풀 렌즈는 상기 관 방사의 입체각내에 위치될 수 있다.
도 10은 회전양극을 가진 관(위치 1은 그것을 편리하게 나타낸다.)으로 만들어진 X선 광원에 대한 광범위한 특성이 있는 다른 구조를 나타내고 있다. 상기 관이 사용될 경우, 방사 광원은 선형이다. 상기 관은 두 개의 출력 창을 가진다. X선 광학 장치는 이러한 두 개의 창에서 발산하는 방사만을 받아들일 수 있다. 몇 개(5-10)의 단색화장치(33)는 분석 스테이션들에서 수많은 작업이 가능하도록 하프렌즈(2)에 의해 형성된 준평행광선(4)의 경로상에서 다른 각도로 배치된다. 상기 모노크로매터는 하프렌즈(2)로부터 발산하는 초기 광선(4)의 횡단면의 다른 부분(34)을 차단하고, 상기 초기 광선(4)의 반사된 부분(35)을 분석 스테이션(5)로 나아가게 한다. 크리스탈 평면에 평행하지 않은 절단면을 가진 크리스탈과 층 구조는 단색화장치(33)로 사용될 수 있다. 단색화장치의 타입과 하프렌즈로부터 방출되는 X선 광선 방향에 대해 상대적인 방향각은 상기 단색화장치에 회절된 광선 부분의 요구되는 평행정도에 따라 결정된다.
따라서, X선관이 발산하는 방사의 광원으로서 사용될 때, 방사선을 분석 스테이션로 전송하는 채널은 다음의 파트로 나뉠 수 있다:
도 1에 나타나는 구조에서 :
- X선관의 광원(1)(더 정확하게 상기 관의 양극)과 X선렌즈(2, 6)의 입력면(입체각(3)의 범위내) 사이의 공간;
- X선 렌즈(2) 또는 (6)의 채널;
- X선 렌즈(2) 또는 (6)의 출력면과 분석 스테이션(5) 또는 (8)(렌즈 (2)의 출력광선인 준평행관선(4)의 횡단면 또는 X 선렌즈(6)의 출력광선에 대응하는, 입체각(7)의 범위내)사이의 공간;으로 구분할수 있으며,
도 10에 나타나는 구조에서는 :
- X선관의 광원(1)(더 정확하게 상기 관의 양극)와 X선 렌즈(2)(입체각(3)의 범위내에서)의 입력면 사이 공간;
- X선 렌즈(2)의 채널;
- X선 렌즈(2)의 출력면과 단색화장치(33)(렌즈(2)의 출력광선 (준평행광선)(4) 부분(34)의 횡단면의 범위내) 사이의 공간;
- 단색화장치(33)와 분석 스테이션(5)(단색화장치에 의해 반사되는 광선(35)의 횡단면의 범위내)사이의 공간으로 구븐할 수 있다.
본 발명에 따른 구조물 복합체의 일부인 최신 싱크로트론과 X선관 방사의 매개변수를 비교해보자.
Synchrotron Radiation. Ed. by K. Kunts. Moscow, "Mir", 1981, p20)의 도 15에는 영국의 싱크로트론 "도리스(Doris)"(E=2GeV, 전류는 300mA임)에 대한 방사 휘도 곡선이 나타나 있다. 상기 도면에서 볼 수 있듯이, 이 싱크로트론은 대략 10 keV정도 즉, 좁은 입체각이 1 mrad이고, 좁은 스펙트럼 범위가 1eV일 때, 1010 foton/s eV(mrad)2을 방사하고, "도리스"는 일초당 1010 광자수를 방사한다. 1W 동력의 X선관은 동일 시간당 대략 3 X 1011 의 등방성의 광자를 방사한다. 이러한 광자는 약 10 eV폭의 스펙트럼 범위에서 유사 단색화 광자이다. 이와 상응하게, 10kW 동력의 관은 1초당 3 X 1015 의 광자를 방사한다.
약 3 mrad의 각 발산을 가지고 준평행하게 이동되는 하기의 광자의 양은 본 발명에 따른 복합체에서 사용되고, 발산하는 방사를 준평행광선으로 변환시키는 X선 하프렌즈에 의해서 발생될 수 있다:
N = 3 X 1010 X α X π(Δθ3)2 /4πphot/s X (3mrad)2 X 10eV,
단, Δθ3 는 하프렌즈에 의한 X선관의 방사 포집의 유효구경이고,
α는 하프렌즈의 전달계수이다.
Δθ3 = 0,1 rad, α = 0,3 인 것을 고려할 경우,
N = 2,5 X 1011 X phot/c X eV X (mrad)2,
즉, 광학과 결합된 10kW의 평균 동력의 본 발명 복합체에 따른 X선관은 '도리스'의 25배가 주는 강도를 스펙트럼과 각 범위에서 준다. 단지 400W의 튜브 동력의 본 발명에 따른 복합체에서 싱크로트론 '도리스'와 동일한 약 10keV 방사 밀도를 획득하는 것이 가능하다는 것은 분명하다. 따라서, 그러한 관 및 심지어는 보다 강력한 관이 과학적 연구에서, 예를 들면 회절학에서 널리 사용된다.
오늘날에는 30-100kW 동력의 회전양극을 가진 관이 생산되고 자유롭게 팔리고 있다. 발전기를 포함하는 상기 관의 가격은 약 100,000 USD, 즉 싱크로트론의 가격보다 약 3배정도 낮다.
제시된 해결책을 사용함에 있어서 효율성과 유용성은 상기 계산에서 분명하게 나와있다.
종래의 수단과 비교하여 비교적 단순함과 저 비용의 차원에서 볼 때, 본 발명의 복합체는 다양한 분야의 전문가들이 사용할 수 있고, 분석 스테이션의 입력구에서 방사선의 수용가능한 광도를 제공하는 X선의 연구, 검사와 측정등의 많은 응용에 사용할 수 있다. 앞으로 상기 복합체는 크고 작은 물리 실험실에서 널리 응용될 것으로 보인다.

Claims (27)

  1. 방사 광원, 분석 스테이션으로 방사선을 전송하기 위한 채널 및 특수한 종류의 측정 또는 테스트를 위하여 대응하는 장치의 배열을 가지는 각각의 분석 스테이션을 포함하는 복합체에 있어서,
    상기 복합체는 방사광원으로서 발산하는 X선의 광원 (1)과,
    X 선렌즈에 의하여 형성된 방사빔과 함께 분석 스테이션 (5)으로 전송하기 위하여 X선 렌즈 (2)로 각각의 상기 채널을 이루고,
    상기 X 선 렌즈는 채널 벽 (11)을 통한 다수의 X선 외부 전반사를 이용하는 곡선형 채널 (10)의 패키지로 이루어지고,
    상기 X선렌즈는 광원 (1)의 발산하는 X선 중에 하나의 방사부를 포집할 수 있고, 포집된 방사부를 준평행광선(quasi parallel beam)(4)으로 변환시킬 수 있도록 만들어져 배치되며,
    각각의 X선 렌즈의 출력빔은 분석 스테이션의 입력 유효구멍에 향하게 되고,
    각각의 분석시스템은 다른 X 선 렌즈에 의하여도 형성되고, X선빔 사이의 선택된 거리에 따라 X 선렌즈에 대응되게 위치되며, 그 거리는 분석 스테이션의 장치 및 직원의 위치시키기 충분하게 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 다수의 분석 스테이션에서 동시에 X선 범위내에서 연구가 가능한 X선 측정 및 검사용 복합체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복합체는 채널 벽을 통한 다수의 X선 외부전반사를 이용하는 곡선형 채널의 팩키지이면서, 광원 (1)의 발산하는 X선중에 하나의 방사부를 포집할 수 있고, 상기 발산된 방사선을 초점에 모을 수 있도록 만들어져 배치되는 X선렌즈 (6)로 구성되고,
    상기 복합체는 추가 X 선렌즈 (6)의 출력초점영역 (22)과 연구중인 목적물 (18)의 X선 조사부분을 일치시키기 위해 연구중인 목적물의 위치를 조정할 수 있도록 만들어지고 상기 X선렌즈 (6)의 출력초점영역부에 배치되는 분석 스테이션을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 X선 렌즈의 출력초점영역부에 배치되고, 스펙트럼 연구를 수행하게 되는 상기 분석 스테이션은,
    연구중인 샘플에서 여기된 방사선을 검출하는 검출기와;
    상기 검출기의 출력부에 연결되는 스펙트럼 채널과;
    상기 스팩트럼 채널의 출력부에 연결되고 정보처리와 정보의 이미지화를 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복합체는 발산하는 X선의 광원으로서 X선관를 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 방사 광원, 분석 스테이션으로 방사선을 전송하기 위한 채널 및 특수한 종류의 측정 또는 테스트를 위하여 대응하는 장치의 배열을 가지는 각각의 분석 스테이션을 포함하는 복합체에 있어서,
    상기 복합체는 방사광원으로서 발산하는 X선의 광원으로 이루어지고,
    X 선 렌즈는 채널 벽을 통한 다수의 X선 외부 전반사를 이용하는 곡선형 채널의 패키지로 이루어지며,
    상기 X선렌즈는 광원의 발산하는 X선 중에 하나의 방사부를 포집할 수 있고, 포집된 방사부를 준평행광선(quasi parallel beam)으로 변환시킬 수 있도록 만들어져 배치되며,
    상기 복합체는 다수개의 단색화장치로 이루어지고, 각각의 단색화 장치는 상기 한쌍의 준평행광선을 출력하고 반사할수 있도록 위치되며,
    방사 전송을 위한 상기 채널은 상기 다수개의 단색화장치, 빔 및 X 선 렌즈에 의하여 형성된 방사빔과 함께 상기 x 선 렌즈에 의하여 형성되고, 분석 스테이션에 대응하는 입력 유효구멍으로 향하도록 한 것을 특징으로 하는 다수의 분석 스테이션에서 동시에 X선범위내에서 연구가 가능한 X선 측정 및 검사용 복합체.
  11. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합체는 발산하는 X선의 광원으로서 플라즈마 또는 레이저 X선 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제 4항에 있어서,
    회절연구를 수행하게 되는 적어도 하나의 분석 스테이션은 연구중인 샘플을 준평행광선의 전파방향에 따라 위치와 방향을 조절할 수 있는 수단과;
    연구중인 샘플에 회절되는 방사선을 검출하는 검출기와;
    상기 검출기와 연구중인 샘플의 위치를 상대적으로 조절할 수 있는 수단과;
    상기 검출기의 출력부에 연결되고 정보처리 및 정보의 이미지화를 위한 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  17. 제 4항에 있어서,
    목적물의 내부구조의 이미지형성을 수행하는 적어도 하나의 분석 스테이션은 목적물의 위치를 조절할 수 있는 수단과;
    이미지를 등록하고 시각화할 수 있는 수단을 포함하면서, 상기 목적물을 통해 통과된 방사선을 검출하는 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  18. 삭제
  19. 제 4항에 있어서,
    스펙트럼 연구를 수행하게 되는 적어도 하나의 분석 스테이션은 방사선의 준평행광선 초점을 맞출수 있게 만들어져 배치되고, 채널 벽을 통한 다수의 X선 외부전반사를 이용하는 곡선채널의 팩키지인 X선렌즈와;
    연구중인 샘플의 요구부분(X선 조사가 필요한 부분)을 X선초점영역에 일치시키기 위해 연구중인 샘플의 위치를 조정할 수 있는 수단과;
    연구중인 샘플에 여기된 방사선을 검출하는 검출기와;
    상기 검출기의 출력부에 연결되는 스펙트럼 채널과;
    상기 스펙트럼 채널에 연결되는 테이터 전송과 이미지화를 위한 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  20. 제 10항에 있어서,
    회절연구를 수행하게 되는 적어도 하나의 분석 스테이션은 연구중인 샘플을 준평행광선의 전파방향에 따라 위치와 방향을 조절할 수 있는 수단과;
    연구중인 샘플에 회절되는 방사선을 검출하는 검출기와;
    상기 검출기와 연구중인 샘플의 위치를 상대적으로 조절할 수 있는 수단과;
    상기 검출기의 출력부에 연결되고 정보처리 및 정보의 이미지화를 위한 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  21. 제 10항에 있어서,
    목적물의 내부구조의 이미지형성을 수행하는 적어도 하나의 분석 스테이션은 목적물의 위치를 조절할 수 있는 수단과;
    이미지를 등록하고 시각화할 수 있는 수단을 포함하면서, 상기 목적물을 통해 통과된 방사선을 검출하는 검출기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  22. 삭제
  23. 제 10항에 있어서,
    스펙트럼 연구를 수행하게 되는 적어도 하나의 분석 스테이션이 만들어져 배치되고, 채널 벽을 통한 다수의 X선 외부전반사를 이용하는 곡선채널의 팩키지인 X선렌즈와;
    연구중인 샘플의 요구부분(X선 조사가 필요한 부분)을 X선초점영역에 일치시키기 위해 연구중인 샘플의 위치를 조정할 수 있는 수단과;
    연구중인 샘플에 여기된 방사선을 검출하는 검출기와;
    상기 검출기의 출력부에 연결되는 스펙트럼 채널과;
    상기 스펙트럼 채널에 연결되는 테이터 전송과 이미지화를 위한 수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 X선 측정 및 검사용 복합체.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
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