KR100825914B1 - 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법 - Google Patents

중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중성자 유도관을 형성하는 초거울의 제작방법에 관한 것으로, 냉중성자 유도관의 박막(Thin Film) 제조 및 분광장치 분야에서 광범위하게 사용되는 중성자 초거울을 다양한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막으로 제작하되, 동일한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막들만으로 적층된 반복구조형태의 단색기 구조들의 조합을 이용한다. 여러 가지 다른 두께의 단색기 구조들의 집합체를 형성함으로써 단색기에 의한 피크(peak)의 중첩으로 초거울의 제작이 가능함은 물론, 중첩되는 양을 조절하여 반사율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 초거울의 제작 시 일부 단색기를 제거하여 단색빔 인출이 용이하며, 반사형 단색기가 아닌 투과형 단색기의 제작이 용이하여 특정 파장의 인출을 위한 필터의 제작이 가능한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법을 제공하기 위한 것으로서, 그 기술적 구성은 내부에 중성자를 갖는 중성자 유도관을 형성하는 초거울 제작방법에 있어서, 다양한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막의 이중막 구조를 다수개 형성하되, 동일한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막을 소정갯수로 교차 적층하여 반복구조형태의 단색기를 각각 형성한 후 각기 다른 두께로 형성된 단색기들을 적층 및 증착하는 것을 특징으로 한다.
중성자, 중성자 유도관, 초거울, 반복구조형태, 니켈 박막, 티타늄 박막, 단색기, 두께, 전반사각, 반복수, 반치폭

Description

중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법{Neutron supermirror fabrication with using neutron monochromator bundle}
도 1은 일반적으로 적용되는 중성자 유도관의 외관 구조를 개략적으로 나타내는 사시도,
도 2는 일반적으로 적용되는 중성자 유도관의 각 유닛들을 개략적으로 나타내는 사시도,
도 3은 일반적으로 적용되는 단색기(Monochromator)의 원리를 개략적으로 나타내는 도면,
도 4는 일반적으로 적용되는 초거울(Super-Mirror)의 TEM을 측정하여 개략적으로 나타내는 도면,
도 5는 일반적으로 적용되는 단색기 및 초거울의 입사각에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프,
도 6, 도 7은 일반적으로 적용되는 편극 초거울의 원리를 개략적으로 나타내는 도면,
도 8은 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의하여 제작된 초거울을 개략적으로 나타내는 도면,
도 9는 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의하여 제작된 초거울의 일 실시예에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의하여 제작된 초거울의 다른 실시예에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의하여 제작된 초거울의 또 다른 실시예에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프,
도 12는 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의하여 제작된 초거울이 적용되는 단색빔 필터의 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프.
본 발명은 중성자 유도관 및 중성자 거울에 이용되는 초거울의 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉중성자 유도관의 박막(Thin Film)의 제조 및 분광장치 분야에서 광범위하게 사용되는 중성자 초거울을 다양한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막으로 제작하되, 동일한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막들만 으로 적층된 반복구조형태의 단색기 구조들의 조합을 이용한다. 여러 가지 다른 두께의 단색기 구조들의 집합체로 초거울을 제작하는 것으로, 단색기에 의한 회절 피크(peak)의 중첩을 이용한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로, 중성자는 가돌리늄(Gd : Gadolinium) 및 망간(Mn : manganese)과 같은 일부 물질을 제외한 대부분의 원소들에 양(+)의 산란길이 밀도를 갖는다.
이는 가시광선 영역의 전자파와 달리 중성자들의 입사 방향과 물질면 사이의 입사각이 매질 속에서의 굴절각보다 크다는 것을 의미하며, 중성자와 X-선의 특수한 성질은 이상적인 물질 표면에 이들이 임계각 이내로 입사할 때 전반사할 수 있다는 것을 의미한다.
여기서, 중성자가 물질에 입사할 때 대부분의 물질에서 굴절률이 n<1이며, 이는 중성자가 임계각(critical angle) 이내로 입사할 때 전반사한다는 것을 의미하며, 이러한 성질을 이용하여 입사 중성자들을 반사시키는 것을 중성자 거울이라고 하며, 이들을 정교하게 10㎛ 이하의 오차로 접합하여 만든 관을 중성자 유도관이라 지칭한다.
최근, 기존의 단층 박막의 니켈 중성자 유도관은 중성자 수득률을 2~4배 이상으로 높일 수 있는 다층박막구조인 초거울로 대체되고 있다.
이렇게 물질에 입사하는 중성자의 굴절률은,
Figure 112006084271899-pat00001
로 나타낼 수 있으며,
여기서, λ : wave length(파장)를 나타내고, bc : scattering length(산란 길이)를 나타내며, Na : atomic density(원자 밀도)를 나타낸다.
한편, P = g × s 이며,
여기서, s : magnetic moment(자기 모멘트)/atom 을 나타내고, g : 0.27 × 10-12 cm/Bohr 을 나타낸다.
상술한 바와 같은 계산법에 의하여 임계각보다 작은 각도로 입사하는 중성자는 전반사하게 된다.
도 1 및 도 2에서 도시하고 있는 바와 같이, 중성자 유도관(Neutron Guides, 100)은 냉중성자원으로부터 발생된 냉중성자를 진공상태에서 일정거리에 위치하는 실험장치로 중성자를 손실없이 이동시키기 위하여 니켈 또는 초거울(Super-Mirror)이 증착된 관을 지칭한다.
여기서, 중성자 유도관(100)은 대략 40~100m의 전체 길이를 갖되, 다수개의 유도관 유닛(110)들을 직렬로 연결하여 원하는 길이를 형성한다.
이러한 중성자 유도관(100)을 구성하는 유도관 유닛(110)은 각각 대략 1m의 길이를 갖는 반사율이 매우 우수한 초거울 기판(112)들이 사각 단면의 박스 형상으로 다수개 조립된다.
따라서, 이러한 유도관 유닛(110)들은 각각 박막적층된 초거울 기판(112) 들로 인하여 그 내측에서 중성자가 임계각도내로 전반사하는 구조로 이루어진다.
한편, 상기 유도관 유닛(110)들은 그 전, 후방측의 유도관 유닛(110)들에 정밀하게 연결되어 중성자의 이송 중에 발생될 수 있는 손실을 최소화하기 위하여 각각의 전, 후 입출구의 크기 오차 및 정렬 오차가 10㎛ 이내로 유지되는 것이 바람직하다.
이렇게 실험장치까지 중성자를 손실없이 이송하기 위하여 중성자의 수율을 높이기 위한 초거울이 적용되는 중성자 유도관은 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)을 번갈아 적층하여 제작하며, 이로 인해 중성자를 반사하는 니켈(Ni)을 코팅처리하여 제작하는 중성자 거울보다 전반사각(임계각)을 2배 이상 늘리게 된다.
여기서, 주기적인 결정면들의 반복 구조는 중성자, 전자, X-선 등을 회절시키는데 이들을 이용해 하나의 파장을 인출하는데도 이용한다.
이러한 초거울에는 기존의 Ni-단일막을 이용하여 제작하는 중성자 거울 대신 니켈(Ni)과 티타늄(Ti) 층을 반복하여 제작하는 Ni/Ti 비자성 초거울(Non- Magnetic Super-Mirror)과 편극 중성자 생성을 위하여 FeCo/Si, FeCoV/TiZr, Co/Cu 또는 FeCo/Ge 등의 막을 이용한 편극 초거울(Polarizing Super-Mirror)이 있다.
도 3은 일반적으로 적용되는 단색기(Monochromator)의 원리를 개략적으로 나 타내는 도면이고, 도 4는 일반적으로 적용되는 초거울(Super-Mirror)의 TEM을 측정하여 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 5는 일반적으로 적용되는 단색기 및 초거울의 입사각에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프로서, 일반적으로 적용되는 Ni/Ti 단색기(Monochromater)와 Ni/Ti 초거울(Super-Mirror)의 원리를 나타낸다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 계면에 입사한 중성자는 입사각(θi)이 임계각보다 작은 경우에 전반사를 하게 되고, 계면에 입사한 중성자는 입사각(θi)이 임계각보다 클 경우에 투과하게 된다.
즉, 가시광선과는 달리 중성자(일부 물질은 제외, 예를 들면 Ti, Mn, Gd, H, V, Li)나 X-선은 굴절률이 1보다 작으므로 입사하는 중성자나 X-선이 임계각(Critical Angle)보다 작을 때 전반사하게 된다.
여기서, 반사율은 입사선과 반사선의 절대 강도의 비를 나타내며, 최대치 1(전반사)에서 0까지의 값을 가진다.
이때, 두 개의 서로 다른 물질을 일정한 두께로 반복하여 형성된 박막은 회절빔을 생성하게 되는데 이를 브래그 피크(Bragg Peak)라 하며, 단색기는 이와 같은 브래그 피크가 일어나는 파장을 이용한다.
또한, 이와 같은 단색기의 원리를 이용하여 초거울을 제작할 수 있다.
도 6, 도 7은 일반적으로 적용되는 편극 초거울의 원리를 개략적으로 나타내 는 도면이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 산란 길이 밀도의 차이가 큰 두 개의 서로 다른 박막에 두께의 변화를 주어 반복적으로 증착하면 박막의 두께에 따라 브래그 피크(Bragg Peak)가 발생하는 각이 변화하며, 박막 두께 변화의 간격을 조절하여 브래그 피크(Bragg Peak)가 연속되게 발생할 수 있으므로 이를 이용하여 초거울을 제작할 수 있다.
이는 물질의 산란 길이 밀도를 나타낸 도 6에서 도시하고 있는 바와 같이, 편극 중성자 초거울(Polarizing Neutron Super-Mirror)은 자기장하에서 스핀 업과 스핀 다운으로 정렬된 중성자의 산란 길이 밀도(SLD, Scattering Length Density)가 다른 물질을 이용하여 만들어진다.
예를 들면, 철(Fe)와 코발트(Co)의 성분비를 89 : 11로 하면 철-코발트(FeCo) 합금의 스핀 다운 중성자의 산란 길이 밀도가 실리콘(Si)의 산란 길이 밀도와 동일하게 되므로, 철-코발트(FeCo) 합금과 실리콘(Si)의 막을 중첩시킨 경우, 편극 중성자의 경로를 도시한 도 7에서 도시하고 있는 바와 같이, 스핀 다운 중성자는 철-코발트철(FeCo) 합금과 실리콘(Si)의 두 개의 막을 구분하지 못하고, 투과하게 되지만 스핀 업 중성자는 브래그 회절 현상으로 인해 반사하게 된다.
이와 반대로, 코발트(Co)와 구리(Cu)는 도 6에서 도시하고 있는 바와 같은 산란 길이 밀도를 가지므로 스핀 업 중성자는 코발트(Co)와 구리(Cu)의 막을 구분하지 못하고 투과하지만, 스핀 다운 중성자는 코발트(Co)와 구리(Cu)의 경계면에서 반사하게 된다.
이와 같이, 철-코발트(FeCo) 합금과 실리콘(Si)의 막 또는 코발트(Co)와 구리(Cu)의 막을 중첩시킴으로써 편극 중성자 초거울을 제작할 수 있으며, 이는 철-코발트-바나듐(FeCoV) 합금과 티타늄-지르코늄(TiZr) 합금의 막 또는 철-코발트(FeCo)와 게르마늄(Ge)의 막에서도 동일하게 적용될 수 있다.
여기서, 초거울을 제작하기 위해서는 다양한 물질들이 적용되나, 일반적으로 굴절률이 높은 물질과 굴절률이 낮은 물질을 선택하여 적용하고, 현재 굴절률에 차이를 갖는 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)이 가장 널리 적용된다.
이때, 니켈(Ni)과 티타늄(Ti) 한 주기의 두께를 d(i)라 할 경우, 초거울의 두께 계산 식은
Figure 112006084271899-pat00002
이며,
Figure 112006084271899-pat00003
Figure 112006084271899-pat00004
를 나타내고,
Figure 112006084271899-pat00005
Figure 112006084271899-pat00006
Figure 112006084271899-pat00007
으로 나타난다.
상술한 바와 같은 계산식에 의해 초거울을 제작하였으나, 반사율이 낮아 많은 변형 공식들이 제시되고 있으며, 이러한 변형 공식들은 초거울을 형성하는 박막들의 두께가 점차적으로 변화하기 때문에 박막 코팅 시 정교한 박막의 두께 제어가 필요하고, 고입사각에 따른 반사율을 향상시키기 위하여 특정 부위에 추가적인 박막 코팅 작업이 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 냉중성자 유도관의 박막(Thin Film) 제조 및 분광장치 분야에서 광범위하게 사용되는 중성자 초거울을 다양한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막으로 제작하되, 동일한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막들만으로 적층된 반복구조형태의 단색기 구조들의 조합을 이용한다. 여러 가지 다른 두께의 단색기 구조들의 집합체를 형성함으로써 단색기에 의한 피크(peak)의 중첩되는 양을 조절하여 반사율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 초거울의 제작 시 일부 단색기를 제거하여 단색빔 인출이 용이한 중성 자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 그 내부에 중성자를 갖는 중성자 유도관을 형성하는 초거울의 제작방법에 있어서, 다양한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막의 이중막 구조를 다수개 형성하되, 동일한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막을 소정갯수로 교차 적층하여 반복구조형태의 단색기를 각각 형성한 후 각기 다른 두께로 형성된 단색기들을 적층 및 증착하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 반복구조형태를 갖는 상기 니켈 박막과 티타늄 박막의 갯수를 조절하여 반사율을 제어한다.
여기서, 동일한 두께를 갖되, 니켈 박막과 티타늄 박막의 반복구조형태를 갖는 단색기의 반사율을 반복수 계산식과 반치폭 계산식에 의하여 계산하고, 계산된 반복수 및 반치폭에 의해 피크의 위치를 결정한다.
이때, 상기 반복수 계산식은,
Figure 112006084271899-pat00008
Rm(max) : 중성자 단색기(Monochromater)의 최대 반사율, N : 박막의 반복 횟수, m : 차수, d: 박막의 두께
여기서, 구조 인자(Structure factor) Fm은,
Figure 112006084271899-pat00009
fa (A층의 산란길이밀도, scattering length density): bAρA,,
여기서, bA 는 A 물질의 산란길이, ρA 는 A 물질의 원자밀도 (atomic density)이다.
fb (B층의 산란길이밀도, scattering length density): bBρB,
여기서, bB 는 B 물질의 산란길이, ρB 는 B 물질의 원자밀도 (atomic density)이다.
s : fractional thickness of A layer,
이때, 두개의 박막 두께가 동일할 경우, m이 홀수이면,
Figure 112006084271899-pat00010
여기서, 경계면의 확산(Interface diffusion)을 고려하면,
Figure 112006084271899-pat00011
이며,
첫번째 피크(peak)의 반사율(Reflection)만을 고려하면,
Figure 112006084271899-pat00012
이고,
반사율(R)을 포화 반사율(Rs : Reflectivity Saturation)로 대체하면,
Figure 112006084271899-pat00013
Figure 112006084271899-pat00014
Figure 112006084271899-pat00015
Figure 112006084271899-pat00016
이다.
한편, 상기 Rs(포화 반사율) 값이 가변적으로 적용가능하다.
그리고, 상기 반치폭 계산식은,
임의의 단색기(monochromator)의 1st order Bragg peak의 위치(θi)에서 흡수(β)를 무시할 경우,
Figure 112006084271899-pat00017
으로 나타나고, λ는 중성자 파장, δ는 굴절률의 실수부이다.
이때, 1st order Bragg peak 반치폭(FWHM)은,
Figure 112006084271899-pat00018
Figure 112006084271899-pat00019
으로 나타나며,
이때, θ : incident angle(입사각), △d : thickness error(두께 에러)를 나타내고,
Figure 112006084271899-pat00020
바로 옆에 위치할 브래그 피크(Bragg peak)의 위치는,
Figure 112006084271899-pat00021
이며,
Figure 112006084271899-pat00022
이다.
여기서, 상기 △d(thickness error, 두께 에러)가 가변적으로 적용가능하다.
더불어, 상기 브래그 피크(Bragg peak)들간의 중첩되는(overlap) 양인 △θ × T(T : max1~0)가 가변적으로 적용가능하다.
이때, 특정 파장을 인출하기 위하여 상기 니켈 박막과 티타늄 박막의 반복구조형태로 형성되는 다수개의 단색기 중 특정 파장을 반사하는 단색기를 제거한다.
한편, 그 내부에 중성자를 갖는 중성자 유도관을 형성하는 초거울 제작방법에 있어서, 니켈 박막과 티타늄 박막으로 구성된 이중막을 적층하여 형성하되, 일정 두께의 이중막이 소정갯수씩 적층되는 반복구조의 형태로 제작하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 반복구조형태를 갖는 상기 니켈 박막과 티타늄 박막의 갯수를 조절 하여 반사율을 제어한다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
도 8은 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의해 제작된 초거울을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의해 제작된 초거울의 일 실시예에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이고, 도 10은 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의해 제작된 초거울의 다른 실시예에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이고, 도 11은 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의해 제작된 초거울의 또 다른 실시예에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이고, 도 12는 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의하여 제작된 초거울이 적용되는 단색빔 필터의 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법은 다양한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막의 이중막 구조를 다수개 형성하되, 동일한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막만을 소정갯수로 교차 적층하여 반복구조형태의 단색기 구조를 각각 형성한 후 각기 다른 두께로 형성되는 단색기 구조들을 적층 및 증착하여 초거울을 제작한다.
상기한 바와 같이, 동일한 두께로만 제작되는 니켈 박막과 티타늄 박막끼리 만을 반복구조형태로 형성하여 다양한 두께를 갖는 다수개의 단색기를 형성한 후 각기 다른 두께를 갖는 각각의 단색기들을 상호 적층 및 증착하여 초거울을 제작한다.
이때, 각각의 단색기를 이루는 니켈 박막과 티타늄 박막의 갯수는 4~5개의 반복구조형태로 이루어지는 것이 바람직하며, 동일한 두께의 니켈 박막과 티타늄 박막의 반복구조형태를 갖는 단색기를 형성하되, 각 단색기의 전체 두께는 니켈의 전반사 각도에 가깝도록 근접하면서 제작하는 것이 바람직하다.
즉, 반복구조형태를 갖되, 각기 다른 전체 두께를 갖는 각각의 단색기에서 니켈 박막과 티타늄 박막의 갯수를 조절하여 그 전체 두께를 조절함으로써 니켈의 전반사 각도에 가깝도록 반사율을 제어한다.
상기한 바와 같이, 전체 두께가 각기 다른 단색기들을 반복구조형태로 적층 및 증착하여 피크(peak)가 중첩되는 초거울을 제작함으로써 전체 단색기들의 반복구조 갯수를 조절하여 반사율을 향상시킬 수 있다.
이를 위하여, 동일한 두께를 갖되, 니켈 박막과 티타늄 박막의 반복구조형태를 갖는 단색기의 반사율은 반복수 계산식과 반치폭 계산식에 의하여 계산하고, 계산된 반복수와 반치폭에 의해 바로 옆에 위치할 피크(peak)의 위치를 결정한다.
여기서, X-선의 경우, 모든 물질에서 n이 1보다 작으며, 중성자의 경우, 몇몇 물질을 제외한 대부분의 물질에서 n이 1보다 작기 때문에 X-선의 굴절률은,
Figure 112006084271899-pat00023
이고,
Figure 112006084271899-pat00024
이며,
Figure 112006084271899-pat00025
로 나타난다.
여기서, λ : 파장을 나타내며, ｒo : 전자 반지름(2.82 × 10-13)을 나타내고, ρe :
Figure 112006084271899-pat00026
atomic density을 나타내며, μn : 선형 흡수 계수를 나타낸다.
한편, 중성자의 굴절률은,
Figure 112006084271899-pat00027
이고,
Figure 112006084271899-pat00028
이며,
Figure 112006084271899-pat00029
로 나타난다.
이때, λ : 파장을 나타내며, ｂρn : scattering length density(산란길이밀도)를 나타내며, μn : 선형 흡수 계수를 나타낸다.
여기서, 니켈(Ni) 박막과 티타늄(Ti) 박막의 반복구조형태를 갖는 단색기의 반복층(periodic layer) 반사율이 원하는 반사율이 나오도록 하기 위한 반복수 계산식은 다음과 같다.
먼저, 박막 구조의 중성자 단색기(Monochromator)의 최대 반사율은
Figure 112006084271899-pat00030
로 나타낼 수 있으며,
이때, Rm (max) : 중성자 단색기(Monochromater)의 최대 반사율을 나타내고, N : 박막의 반복 횟수를 나타내며, m : 차수를 나타낸다.
그리고, 구조적인 인자(Structure factor) Fm 은,
Figure 112006084271899-pat00031
fa (A층의 산란길이밀도, scattering length density): bAρA,,
여기서, bA 는 A 물질의 산란길이를 말한다.
산란길이란 중성자가 물질에 입사되어 산란되는 정도를 나타내는 단위이며, 각 원소의 동위원소들은 다른 산란길이를 갖기 때문에 모두 더해줍니다.
예를 들어 니켈은 자연에서 3가지 정도의 동위원소가 발견되다고 가정하면, 니켈A가 90%, 니켈 B 타입의 동위원소가 7%, 그리고 C타입은 3%라고 하고, 각각의 니켈의 중성자산란길이(scattering length)가 1xE-7(A타입), 7xE-7(B타입), 3xE-7(C타입)이라 하면 니켈의 산란길이는
(90% x 1xE-7)+ (7% x 7xE-7) + (3% x 3xE-7) = 니켈의 산란길이 bA
ρA 는 A 물질의 원자밀도 (atomic density)라 불리우는데, 원자 또는 분자들이 덩어리(Bulk)를 이룰 때, 조밀하게 만들어질 수 있지만, 기포 등이 존재하는 경우들을 고려하여, 물질의 구성상태를 표현한 단위이다.
두개의 단위를 곱하여 bAρA 산란길이밀도(scattering length density)라 명하며, 입사된 중성자를 산란시키는 능력 또는 반사시키는 능력을 나타낸다.
여기서 빛(light)을 다루는 일반광학과 비슷하게 중성자를 잘 반사시키는 물질과(굴절율이 낮은물질) 덜 반사시키는 물질(굴절률이 높은물질) bBρB 을 조합해서(번갈아 쌓는 방법 :다층박막, multilayer) 중성자 초거울을 만드는 것이다.
마찬가지로, fb (B층의 산란길이밀도, scattering length density): bBρB이며, bB 는 B 물질의 산란길이, ρB 는 B 물질의 원자밀도 (atomic density)이다.
s : fractional thickness of A layer를 나타낸다.
한편, 두개의 박막 두께가 동일할 경우, m이 홀수이면,
Figure 112006084271899-pat00032
이고,
여기서, 경계면의 확산(Interface diffusion)을 고려하면,
Figure 112006084271899-pat00033
이다.
이렇게, 두개의 박막 두께가 동일하고, m이 홀수일 경우, 첫번째 peak의 반사율(reflection)을 고려하면,
Figure 112006084271899-pat00034
이다.
이때, 반사율(R)을 포화 반사율(Rs)로 대체하면,
Figure 112006084271899-pat00035
Figure 112006084271899-pat00036
Figure 112006084271899-pat00037
Figure 112006084271899-pat00038
와 같이, 니켈 박막과 티타늄 박막을 이루는 단색기를 통하여 원하는 반사율을 갖는 박막의 반복 횟수를 구할 수 있다.
한편, 두 개의 박막 두께가 동일할 경우, m이 짝수이면, │Fm│= 0이 된다.
여기서, 상기 Rs(포화 반사율) 값이 가변적으로 적용가능하다. 즉, 포화 반사율을 0.9, 0.99, 0.999 등으로 가변적으로 적용하여 원하는 반사율의 박막 반복 횟수를 구할 수 있다.
한편, 니켈(Ni) 및 티타늄(Ti) 반복층(periodic layer)의 반사율이 원하는 반사율이 나오도록 반폭치 계산식은 다음과 같다.
임의의 단색기(monochromator)의 1st order Bragg peak 위치 θi 는 흡수 β를 무시할 경우,
Figure 112006084271899-pat00039
으로 나타나며, λ는 중성자 파장, δ는 굴절률의 실수부이다.
이때, 1st order Bragg peak 반치폭(FWHM)은,
Figure 112006084271899-pat00040
Figure 112006084271899-pat00041
으로 나타나며,
이때, θ : incident angle(입사각)을 나타내고, △d : thickness error(두께 에러)를 나타낸다.
Figure 112006084271899-pat00042
한편, 바로 옆에 위치할 브래그 피크(Bragg peak)의 위치는
Figure 112006084271899-pat00043
이며,
이로 인해, 브래그 피크(Bragg peak)의 위치에 해당하는 두께는
Figure 112006084271899-pat00044
로 나타난다.
이렇게 상기 반치폭 계산법을 계속적으로 반복(iteration)함으로써 d1의 위 치가 니켈 거울 전반사각에 가깝도록 접근시키면 초거울이 완성된다.
이러한 방법에 의하여 △d(thickness error, 두께 에러) 및 상기 브래그 피크(Bragg peak)들간의 중첩되는(overlap) 양인 △θ × T(T : max1~0) 등의 파라메터(Parameter)를 가변적으로 적용하여 니켈 거울의 전반사각에 가깝도록 접근시키면서 초거울을 완성시킨다.
상기한 바와 같이, 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법을 통한 반복수 계산법 및 반치폭 계산법에 의하여 제작된 초거울 박막의 반사율은 도 9에서 도시하고 있는 바와 같이, 초거울의 포화 반사율(Rs)을 0.99, △d : 0, T : 1, 파장 0.475nm, 총 30회를 반복하여 m = 2 상태의 초거울을 제작할 경우, 단색기의 반복수 및 반치폭에 의하여 초거울로의 입사각에 따른 반사율이 0.5°의 전반사 각도 옆에 가깝도록 피크(peak)가 위치된다.
또한, 초거울의 포화 반사율(Rs)을 0.999, △d : 1.5, T : 0.7, 파장 0.475nm, 총 61회를 반복하여 m = 2 또는 m = 3 상태의 초거울을 각각 제작할 경우, 단색기의 반복수 및 반치폭에 의하여 도 10, 도 11에서 도시하고 있는 바와 같이, 초거울로의 입사각에 따른 반사율이 0.5°의 전반사 각도 옆에 근접되도록 피크(peak)가 위치한다.
즉, 다수개의 단색기들이 적층 및 증착되어 초거울을 이루되, 니켈 박막과 티타늄 박막의 반복구조형태로 형성되고, 그 전체 두께가 각기 다른 각각의 단색기 들에 의하여 피크(peak)가 겹쳐짐으로써 입사되는 모든 파장을 반사하도록 단색기의 두께를 조절하고, 겹쳐지는 양을 조절하여 입사되는 중성자의 반사율이 도 10과 도 11에서 도시하고 있는 바와 같이 향상된다.
여기서, 본 발명에 의한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법에 의하여 제작된 초거울은 특정 파장의 인출을 위한 필터(Filter)로의 제작이 가능하다.
즉, 단색빔 인출을 위하여 반복구조형태로 적층 및 증착되는 단색기들 중 특정 파장을 반사하는 단색기를 반사형 단색기(Monochromator)가 아닌 투과형 단색기(Monochromator)로 교체함으로써 특정 파장만을 얻을 수 있다.
이때, 특정 파장을 인출하기 위하여 상기 니켈 박막과 티타늄 박막의 반복구조형태로 형성되는 다수개의 단색기 중 특정 파장을 반사하는 단색기를 제거함으로써 특정 파장만을 얻도록 이루어지는 것도 바람직하다.
상기한 바와 같이, 특정 파장만을 얻음으로써 분산이 증가하는 효과를 감소시킬 수 있으며, 단색빔 파장폭(△λ)의 조절이 용이하다.
상기한 바와 같이, 투과형 단색기(Monochromator)로 제작하기 위하여 초거울의 포화 반사율(Rs)을 0.999, △d : 1.5, T : 0.7, 파장 0.475nm, 총 61회를 반복하여 m = 3 상태의 초거울을 이용한 단색빔 필터를 제작할 경우, 도 12에서 도시하고 있는 바와 같이, 초거울을 이루는 단색기들 중 특정 파장을 반사하기 위한 반사형 단색기 대신 투과형 단색기를 적용함으로써 특정 파장만을 투과시켜 사용할 수 있다.
즉, 다수개의 단색기들로 이루어지는 초거울에서 각각의 파장을 반사하는 단색기들 중 특정 파장만을 반사하는 소정의 단색기를 투과형 단색기로 교체적용함으로써 나머지 파장들은 반사시키고, 특정 파장만을 투과형 단색기로 투과하여 사용가능하다.
여기서, 니켈 박막과 박막과 티타늄 박막으로 구성된 이중막을 적층하여 형성하되, 일정 두께의 이중막이 소정갯수씩 적층되는 반복구조의 형태로 함으로써 초거울을 제작하는 것도 가능하며, 이때에도 반복구조형태를 갖는 상기 니켈 박막과 티타늄 박막의 갯수를 조절하여 반사율을 제어하도록 이루어지는 것이 바람직하다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위내에 기재된 범주내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 냉중성자 유 도관의 박막(Thin Film) 제조 및 분광장치 분야에서 광범위하게 사용되는 중성자 초거울을 다양한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막으로 제작하되, 동일한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막들만을 적층하여 반복구조형태의 단색기 구조들을 형성한 후 각기 다른 두께로 제작된 단색기 구조를 상호 적층 및 증착함으로써 단색기에 의한 피크(peak)의 중첩이 가능하고, 중첩되는 양을 조절하여 반사율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 초거울의 제작 시 일부 단색기를 제거하여 단색빔 인출이 용이하며, 반사형 단색기가 아닌 투과형 단색기의 제작이 용이하여 특정 파장의 인출을 위한 필터의 제작이 가능하다는 등의 효과를 거둘 수 있다.

Claims (11)

  1. 그 내부에 중성자를 갖는 중성자 유도관을 형성하는 초거울 제작방법에 있어서,
    다양한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막의 이중막 구조를 다수개 형성하되, 동일한 두께를 갖는 니켈 박막과 티타늄 박막을 소정갯수로 교차 적층하여 반복구조형태의 단색기를 각각 형성한 후 각기 다른 두께로 형성된 단색기들을 적층 및 증착하는 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  2. 제1항에 있어서,
    반복구조형태를 갖는 상기 니켈 박막과 티타늄 박막의 갯수를 조절하여 반사율을 제어하는 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  3. 제1항에 있어서,
    동일한 두께를 갖되, 니켈 박막과 티타늄 박막의 반복구조형태를 갖는 단색기의 반사율을 반복수 계산식과 반치폭 계산식에 의하여 계산하고, 계산된 반복수 및 반치폭에 의해 피크의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반복수 계산식은,
    Figure 112007095024977-pat00045
    Rm(max) : 중성자 단색기(Monochromater)의 최대 반사율, N : 박막의 반복 횟수, m : 차수, d: 박막의 두께
    여기서, 구조 인자(Structure factor) Fm은,
    Figure 112007095024977-pat00046
    fa (A층의 산란길이밀도, scattering length density): bAρA,,
    여기서, bA 는 A 물질의 산란길이, ρA 는 A 물질의 원자밀도 (atomic density),
    fb (B층의 산란길이밀도, scattering length density): bBρB,
    여기서, bB 는 B 물질의 산란길이, ρB 는 B 물질의 원자밀도 (atomic density),
    s : fractional thickness of A layer,
    이때, 두개의 박막 두께가 동일할 경우, m이 홀수이면,
    Figure 112007095024977-pat00047
    여기서, 경계면의 확산(Interface diffusion)을 고려하면,
    Figure 112007095024977-pat00048
    이며,
    첫번째 피크(peak)의 반사율(Reflection)만을 고려하면,
    Figure 112007095024977-pat00049
    이고,
    반사율(R)을 포화 반사율(Rs : Reflectivity Saturation)로 대체하면,
    Figure 112007095024977-pat00050
    Figure 112007095024977-pat00051
    Figure 112007095024977-pat00052
    Figure 112007095024977-pat00053
    인 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 Rs(포화 반사율) 값이 가변적으로 적용가능하다는 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 반치폭 계산식은,
    임의의 단색기(monochromator)의 1st order Bragg peak의 위치(θi)에서 흡수(β)를 무시할 경우,
    Figure 112007095024977-pat00054
    으로 나타나고, λ는 중성자 파장, δ는 굴절률의 실수부,
    이때, 1st order Bragg peak 반치폭(FWHM)은,
    Figure 112007095024977-pat00055
    Figure 112007095024977-pat00056
    으로 나타나며,
    이때, θ : incident angle(입사각), △d : thickness error(두께 에러)를 나타내고,
    Figure 112007095024977-pat00057
    바로 옆에 위치할 브래그 피크(Bragg peak)의 위치는,
    Figure 112007095024977-pat00058
    이며,
    Figure 112007095024977-pat00059
    인 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 △d(thickness error, 두께 에러)가 가변적으로 적용가능한 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 브래그 피크(Bragg peak)들간의 중첩되는(overlap) 양인 △θ × T(T : max1~0)가 가변적으로 적용가능하다는 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  9. 제1항에 있어서,
    특정 파장을 인출하기 위하여 상기 니켈 박막과 티타늄 박막의 반복구조형태로 형성되는 다수개의 단색기 중 특정 파장을 반사하는 단색기를 제거하는 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  10. 그 내부에 중성자를 갖는 중성자 유도관을 형성하는 초거울 제작방법에 있어서,
    니켈 박막과 티타늄 박막으로 구성된 이중막을 적층하여 형성하되, 일정 두께의 이중막이 소정갯수씩 적층되는 반복구조의 형태로 제작하는 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법.
  11. 제10항에 있어서,
    반복구조형태를 갖는 상기 니켈 박막과 티타늄 박막의 갯수를 조절하여 반사율을 제어하는 것을 특징으로 하는 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제 작방법.
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