KR100964094B1 - 펨토초 전자 빔 발생 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

펨토초 전자 빔 발생 장치 및 방법이 개시된다.
음극(cathode)을 통하여 발생되는 전자를 양극(anode)으로 토출하여 전자 빔을 발생하는 전자 빔 발생 장치에 있어서, 상기 음극의 일측에 구비되어 입사되는 레이저를 통과시키는 투과창, 상기 투과창에서 발생된 상기 전자의 위치에 대응하여 상기 양극 상에 형성되는 핀홀, 및 상기 음극의 일측에 구비되어 전기장을 발생함으로써 상기 전자를 가속함과 동시에 상기 핀홀로 집중시키는 포커싱 수단을 포함함으로써, 음극에 위치한 포커싱 수단에 의하여 생성된 전기장에 의하여 전자가 핀홀로 집중됨과 동시에 가속됨으로써 펨토초의 전자 빔을 발생시킬 수 있는 효과를 가진다.
양극, 음극, 펨토초, femtosecond, 전자 빔

Description

펨토초 전자 빔 발생 장치 및 방법{Apparatus and method for generating femtosecond electron beam}
본 발명은 전자 빔 발생 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펨토초의 전자 빔을 발생시킬 수 있는 펨토초 전자 빔 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
과학기술이 발전함에 따라 현대과학에서는 물체의 화학적 또는 물리학적 특성을 파악하기 위하여 전자총을 사용하고 있다. 전자총이란 전자를 가늘게 빔 형상으로 발생시키는 것으로서, 전자 현미경, 진행 파관, 브라운관, 사이클로트론 등에 구비되어 물체의 특성을 파악하는데 이용된다.
종래의 전자총은 일반적으로 음극(cathode)에서 발생된 전자를 그리드(grid)를 이용하여 가속시키고 양극(anode)에 형성된 핀홀(pinhole)로 통과시킨 후, 상기 핀홀을 통과한 전자를 마그네틱 렌즈(magnetic lens) 등을 이용하여 집중시킴으로써 전자 빔을 발생시켰다.
그러나 이와 같이 그리드 및 마그네틱 렌즈 등을 이용하여 전자를 집중시키고 가속시킬 경우, 상기 그리드 및 마그네틱 렌즈 등의 길이(length)로 인하여 전 자총의 길이 또한 길어지게 된다. 전자총의 길이가 길어지게 되면 음극과 샘플(sample)간의 거리 또한 길어지게 되는데, 음극과 샘플간의 거리가 길어지게 되면 공간전하 효과(space charge effect)로 인하여 전자 빔의 길이(duration; 펄스 길이 또는 펄스 폭)가 길어지게 되는 문제가 발생한다.
한편 마그네틱 렌즈는 고품질의 전자 빔을 발생시킬 수 있을 만큼 안정적으로 전류를 공급하기 어렵고, 마그네틱 렌즈를 냉각하기 위한 별도의 냉각수가 필요하다는 점, 마그네틱 렌즈의 광학수차(optical aberration) 등으로 인하여 전자총의 제작이 복잡해짐과 동시에 고품질의 전자 빔을 발생시키기 어렵다는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점들로 인하여 종래의 전자총은 피코초(picosecond) 단위(10-12)의 길이를 가지는 전자 빔을 발생시킬 수는 있었으나, 펨토초의 전자 빔을 발생하기는 어려웠다. 따라서, 보다 다양한 물질의 특성을 파악하기 위하여 펨토초(femtosecond) 단위(10-15)의 길이를 가지는 전자 빔 발생 장치 및 방법이 요구되는 실정이다.
본 발명의 목적은 제작이 용이하면서 펨토초(femtosecond) 단위의 길이를 가지는 전자 빔을 발생시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전자 빔 발생 장치는 음극(cathode)을 통하여 발생되는 전자를 양극(anode)으로 토출하여 전자 빔을 발생하는 전자 빔 발생 장치에 있어서, 상기 음극의 일측에 구비되어 입사되는 레이저를 통과시키는 투과창; 상기 투과창에서 발생된 상기 전자의 위치에 대응하여 상기 양극 상에 형성되는 핀홀; 및 상기 음극의 일측에 구비되어 전기장을 발생함으로써 상기 전자를 가속함과 동시에 상기 핀홀로 집중시키는 포커싱 수단을 포함한다.
여기서 상기 포커싱 수단은 정전 렌즈(electrostatic lens)일 수 있다.
상기 정전 렌즈는 상기 음극과 샘플 간의 거리가 1cm일 때, 상기 음극과 55도의 각도를 이루도록 구비될 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 전자 빔 발생 방법은 음극(cathode)을 통하여 발생되는 전자를 양극(anode)으로 토출하여 전자 빔을 발생하는 전자 빔 발생 방법에 있어서, 상기 음극의 일측에 전기장을 발생하는 포커싱 수단을 위치시켜 상기 음극에 형성된 투과창에서 발생된 전자를 상기 전기장을 이용하여 가속시키고 집중시키는 단계; 및 상기 가속되고 집중된 전자를 상기 양극에 형성된 핀홀을 통하여 토출시키는 단계를 포함한다.
여기서 상기 포커싱 수단은 정전 렌즈(electrostatic lens)일 수 있다.
상기 정전 렌즈는 상기 음극과 샘플 간의 거리가 1cm일 때, 상기 음극과 55도의 각도를 이루도록 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 펨토초 전자 빔 발생 장치는 정전렌즈(Electro-static lens)와 같은 포커싱 수단을 음극(cathode)의 일측에 구비하여 음극(cathode)에서 발생한 전자를 핀홀(pinhole)로 집중시킴과 동시에 가속함으로써, 보다 용이하게 고품질의 펨토초 전자 빔을 발생시킬 수 있는 효과를 가진다.
이하에서는 첨부 도면 및 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 참고로, 하기 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하였다.
도 1은 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치의 사시도이고, 도 2는 본 실시예에 따른 펨토초 전자 빔 발생 장치에서 음극으로부터의 거리에 따른 전기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
먼저 도 1을 참조하면 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치는 하우징(h), 음극(cathode)(100), 투과창(150), 포커싱 수단(200), 양극(anode)(300) 및 핀홀(pinhole)(350)을 포함한다.
전자 빔을 발생하기 위하여 상기 전자 빔 발생 장치에 전압을 부가하면 상기 전압에 의해 상기 전자 빔 발생 장치의 하우징(h) 일측에는 음극(100)이 형성되고, 상기 음극(100)에 대응되는 위치에는 양극(300)이 형성된다. 여기서, 상기 하우징(h)은 음극 및 양극을 용이하게 형성하기 위하여 유전 부재(dielectric material)로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전자 빔 발생 장치의 내부에서 발생된 전자(10)는 상기 음극(100)을 통하여 상기 하우징(h) 내부로 입사된다. 이때, 상기 음극(100)의 일측에는 금속 물 질이 코팅된 투과창(150)이 구비되어 상기 전자(10)가 하우징(h) 내부에서 용이하게 발생되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 투과창(150)은 석영, 유리, 수정 등으로 형성될 수 있다.
포커싱 수단(200)은 상기 투과창(150)을 통하여 발생된 전자를 집중시키고 가속시키는 역할을 수행한다. 보다 구체적으로 상기 포커싱 수단(200)은 일 예로서 정전렌즈(electrostatic lens)일 수 있는데, 이는 도 2에 도시된 바와 같이 방사방향(radial direction)으로 전기장(Ez)을 생성하여 상기 투과창(150)을 통하여 입사된 레이저(L)가 투과창 표면에 코팅된 금속 물질과 충돌하여 전자(10)를 발생시키면 이를 양극(300)에 형성된 핀홀(350)로 집중시키고 가속시키는 역할을 수행한다.
상기 양극(300)은 상기 전자 빔 발생 장치에 전압이 부가되면 음극(100)에 대응되는 위치에 형성되는 것으로서, 핀홀(350)을 포함한다.
상기 핀홀(350)은 상기 투과창(150)을 통하여 발생되는 상기 전자(10)의 위치에 대응하여 상기 양극(300) 상에 형성되는데, 상기 포커싱 수단(200)에 의하여 집중되고 가속된 전자(10)는 상기 핀홀(350)을 통과하여 샘플(400)에 조사된다.
이때 핀홀(350)에서는 포커싱 효과를 감소시키는 방사형의 전기장(Er)이 생성되는데, 일 예로 상기 핀홀(350)이 음극(100)으로부터 5mm의 위치에 형성할 경우 상기 전기장의 세기(Er)는 도 2에서 나타나는 바와 같이 측정된다.
따라서 음극(100)과 포커싱 수단(200) 사이의 각도(θ)를 조절하여 전기장의 세기(Ez)를 조절함으로써 전자(10)가 집중되는 양을 조절할 수 있다.
일 예로 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치의 음극과 샘플 간의 거리(z)가 1cm일 때 음극과 포커싱 수단 간의 각도(θ)를 55도로 형성하면, 상기 샘플(400)에는 78fs의 길이를 가지는 전자 빔이 조사되게 된다.
이와 같은 과정을 통하여 상기 핀홀(350)을 통하여 전자 빔 발생 장치의 외부로 토출된 전자 빔은 펨토초의 길이를 가지게 된다. 상기 전자 빔을 샘플(400)에 조사하면 회절을 일으키게 되고 이를 측정하여 다양한 물질의 성질을 파악할 수 있다.
이하 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치의 포커싱 수단(200)에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
상기 포커싱 수단(200)은 상기 음극(100)의 일측에 형성될 수 있는데, 이와 같은 경우 음극에 구비된 투과창(150)을 통과하여 하우징(h) 내부로 입사된 레이저(L)가 투과창에 코팅된 금속 물질과 충돌하여 발생시킨 전자(10)는 상기 전기장(Ez)에 의하여 발생되면서부터 집중됨과 동시에 가속되게 된다.
종래의 전자 빔 발생 장치는 음극에는 전자를 가속하기 위한 그리드를 구비하고 양극 또는 상기 양극의 외측(양극으로부터 샘플 방향)에는 전자를 집중하기 위한 마그네틱 렌즈와 같은 포커싱 수단을 구비함에 따라, 상기 그리드 및 마그네틱 렌즈의 길이로 인하여 전자 빔 발생 장치의 길이 또한 구조적으로 길어지게 된다.
그러나, 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치는 상기 포커싱 수단(200)이 상기 음극(100)의 일측에 구비되어 전자를 가속시킴과 동시에 집중시킴으로써 그리드와 같은 별도의 구성이 필요하지 않음에 따라, 상기 전자 빔 발생 장치의 음극과 양극 사이의 길이(d)를 5mm 정도로 짧게 제작할 수 있다. 따라서, 음극과 샘플과의 거리(z)를 최소화할 수 있는 구조를 갖는다.
따라서, 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치는 피코초 단위의 전자 빔 보다 길이(duration)가 짧은 펨토초의 전자 빔을 발생시킬 수 있는 구조를 갖는다.
이하 음극에서의 초기 레이저(L)의 길이를 30fs, 양극과 음극 사이의 전압을 30kV, 양극과 음극 사이의 거리(d)를 5mm, 정전렌즈와 음극 사이의 각(θ)을 55도, 음극의 반지름을 2.5mm로 각각 설정하였을 때를 예를 들어 설명하기로 한다.
도 3은 본 실시예에 따른 펨토초 전자 빔 발생 장치에서 음극으로부터의 거리에 따라 측정된 전자 빔의 크기(size)를 나타내는 그래프이다.
전자 빔의 다이버전스(divergence)는 전자 빔의 크기 변화를 통하여 측정할 수 있고, 상기 전자 빔의 크기는 반치폭(FWHM: Full Width at Half Maximum)으로 나타낼 수 있다. 도면에서는 각각 음극에서 116, 163 및 233μm의 크기로 발생된 전자 빔의 크기를 음극으로부터의 거리(z)에 따라 측정한 결과가 도시되어 있다.
각 전자 빔의 크기는 포커싱 수단(200)에서 발생한 전기장(Ez)에 의하여 집중되어 점차 작아지다가, 음극으로부터의 거리(z)가 0.5cm에 근접하면서부터 핀홀(350)에서 발생하는 전기장(Er)으로 인하여 급격하게 커진다.
도면을 참조하면 음극에서 163μm의 크기를 가지는 전자 빔(원형으로 표기)은 0.745mrad의 다이버전스값을 가진다. 이러한 낮은 다이버전스는 샘플에서 산란된 전자가 크게 퍼지지 않고 디텍터(미도시)로 갈 수 있음을 의미한다. 그리고, 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치는 샘플(400)을 음극(100)으로부터 1cm의 거리에 위치시킬 경우 샘플의 위치에서 전자들이 샘플에 입사할 때 수직으로 입사할 수 있도록 전자를 발생시킬 수 있으므로, 종래의 전자 빔 발생 장치보다 크기가 작은 고품질의 전자 빔을 발생시킬 수 있음을 알 수 있다.
그러므로 레이저(L)의 길이가 30fs, 전자의 개수가 2000개 내지 4000개, 샘플이 음극에서 1cm 거리에 위치할 경우, 전자들이 샘플에 수직으로 입사하기 위하여 상기 포커싱 수단(200)의 각도(θ)를 상기 음극과 55도 이루도록 하면 샘플의 위치에서는 100fs이하의 전자 빔이 발생된다.
전자 빔의 다이버전스값이 클 수록 회절실험 시 측정되는 원형패턴(ring pattern)이 흐려지게 되는데(blurring), 이는 정확한 물체의 성질을 파악하기 어렵게 만든다. 그러므로 상기 원의 선명도를 통해 전자 빔의 품질을 측정할 수 있다.
도 4a는 본 실시예에 따른 펨토초 전자 빔 발생 장치에서 음극으로부터의 거리에 따라 측정된 전자 빔의 길이를 나타내는 그래프이고, 도 4b는 도 4a의 부분 확대도이다.
도면에서 나타나는 바와 같이 본 실시예에 따른 전자 빔 발생 장치는 음극으로부터 거리(z)가 1cm일 때 각각 2000개, 3000개 및 4000개의 전자로 전자 빔을 발생하였을 경우, 전자 빔의 길이가 수십 펨토초로 측정됨을 알 수 있다.
3000개의 전자로 발생된 전자 빔의 경우, 음극으로부터의 거리(z)가 1cm일 때 78fs로 측정되었다.
그러므로, 본 실시예에 따른 펨토초 전자 빔 발생 장치는 포커싱 수단이 음극에 위치함에 따라 전자가 발생할 때 가속됨과 동시에 집중되어 펨토초의 전자 빔을 발생시킬 수 있다.
또한, 그리드와 같은 별도의 가속 수단이 필요하지 않음에 따라 전자총의 길이가 짧아지게 되고 음극과 샘플간의 거리(z) 또한 짧아지게 되므로 보다 간단한 구성으로도 고품질의 전자 빔을 발생시킬 수 있다.
도 5a, 5b 및 5c는 각각 다이버전스값이 '0', 0.745mrad 및 3.5mrad인 전자 빔을 회절시켰을 때 생성되는 원형패턴을 나타낸다.
도면에 나타나는 바와 같이 전자 빔의 다이버전스값이 0.745mrad일 경우 다이버전스값이 '0'인 전자 빔과 품질 상 차이가 나지 않는다. 그러나 다이버전스값이 3.5mrad일 경우 흐려짐 현상으로 인하여 내측의 두개의 원형패턴을 구분하기 어려움을 알 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 전자빔 발생장치는 도면을 참조하면 음극에서 163μm의 크기를 가지는 전자 빔(원형으로 표기)은 0.745mrad의 다이버전스값을 가지므로, 고품질의 전자 빔이 발생됨을 알 수 있다.
이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범 위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 실시예에 펨토초 전자 빔 발생 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 펨토초 전자 빔 발생 장치에서 음극으로부터의 거리에 따른 전기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 실시예에 따른 펨토초 전자 빔 발생 장치에서 음극으로부터의 거리에 따라 측정된 전자 빔의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 본 실시예에 따른 펨토초 전자 빔 발생 장치에서 음극으로부터의 거리에 따라 측정된 전자 빔의 길이를 나타내는 그래프이고, 도 4b는 도 4a의 부분 확대도 이다.
도 5a, 5b 및 5c는 각각 다이버전스값이 '0', 0.745mrad 및 3.5mrad인 전자 빔을 회절시켰을 때 생성되는 원형패턴을 나타낸다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 전하 100: 음극
150: 투과창 200: 포커싱 수단
300: 양극 350: 핀홀
400: 샘플

Claims (6)

  1. 레이저가 입사되어, 전자를 발생시키는 음극(cathode);
    상기 전자를 전자 빔으로써 토출시켜, 상기 전자 빔을 샘플에 조사시키는 양극(anode);
    상기 음극에 구비되어, 금속물질로 코팅되고, 입사되는 상기 레이저가 투과되면서 상기 금속물질과의 충돌을 통해 상기 전자를 발생시키는 투과창;
    방사 방향으로 생성된 전기장을 이용하여 상기 전자를 가속시키는 동시에 포커싱 하는 정전렌즈(electrostatic lens); 및
    상기 양극에 형성되고, 상기 전자가 입사되어 상기 전자 빔으로써 상기 샘플로 토출시키는 핀홀을 포함하는 전자 빔 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기장의 세기를 조절하여 상기 전자가 포커싱되는 양을 조절하기 위해, 상기 음극과 상기 정전렌즈 간의 각도가 조절되는 전자 빔 발생 장치.
  3. 삭제
  4. 음극(cathode)을 통하여 발생되는 전자를 양극(anode)으로 토출하여 전자 빔을 발생하는 전자 빔 발생 방법에 있어서,
    금속물질로 코팅된 투과창에 레이저가 투과되면서 상기 금속물질과의 충돌을 통해 전자를 발생시키는 단계;
    정전 렌즈에 의해 방사방향으로 전기장을 발생하는 단계;
    상기 전기장을 이용하여 상기 전자를 가속시키는 동시에 포커싱하는 단계;
    상기 전자를 상기 양극에 형성된 핀홀을 통하여 전자 빔으로써 샘플로 토출시키는 단계를 포함하는 전자 빔 발생 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기장의 세기를 조절하여 상기 전자가 포커싱되는 양을 조절하기 위해, 상기 음극과 상기 정전렌즈 간의 각도를 조절하는 단계를 더 포함하는 전자 빔 발생 방법.
  6. 삭제
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