KR101073090B1 - 중성자 산란용 시료유지 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중성자 산란용 시료유지 장치에 관한 것으로서, 중성자가 입사되어 표면에 반사·투과되며 특히 중성자가 투과를 잘하는 실리콘 소재로 마련된 실리콘 슬랩(Silicon Slab);과, 상기 실리콘 슬랩 반사면과 접촉하며, 내부에 시료 수용액을 수용할 수 있는 환형의 수용부재;와, 중심부에 상기 실리콘 슬랩과 시료 수용부재가 수용되는 공간이 형성되며, 측면에 중성자가 투과되는 공간을 형성한 원통형의 하우징;과, 상기 하우징 상부에 고정되며, 상기 수용부재와 밀착되는 하우징 커버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 따라서, 본 발명의 목적은 조사되는 중성자의 충분한 반사율을 유지할 수 있는 두께의 실리콘 슬랩(Silicon slab)을 사용하여 입사되는 중성자 빔의 크기와 시료의 크기를 최대한 일치시킬 수 있으며, 하우징을 알루미늄으로 구성하여 중성자에 의해 발생되는 감마선의 영향을 적게 받으며, 하우징 내부에 냉각수 순환로를 형성함으로써, 온도를 안정적으로 유지할 수 있다.
중성자, 산란, 반사율, 측정장치

Description

중성자 산란용 시료유지 장치 {SAMPLE MAINTENANCE APPARATUS USING NEUTRON SCATTERING MEASUREMENT}
본 발명은 중성자 반사율 측정에 사용되는 시료유지 장치에 관한 것으로서, 특히, 실리콘 슬랩 내부 경계면에 중성자를 산란시켜서 실리콘 슬랩 표면 위의 시료에 대한 나노구조를 관찰할 수 있는 중성자 반사율 측정장치에 관한 것이다.
광학적 반사, 굴절, 산란 등의 원리를 이용한 중성자 산란용 시료유지 장치는 연선물질, 자성물질, 고분자 및 생체물질 등의 표면구조와 계면에 관련된 연구에 폴넓게 사용되고 있다.
중성자 산란 측정장치는 중성자 교유의 투과력과 매질과의 반응성을 이용하여, 대상물질의 표면에서 반사되어 산란되는 중성자선의 양을 측정함으로써, 대상물질의 기본구조 및 나노구조 등을 측정할 수 있다.
특히, 중성자의 특성 때문에 중성자 산란 측정장치는 원자번호의 차이가 거의 없는 물질들을 구분할 수 있으며, 수소, 탄소 등과 같이 전자수가 작은 물질의 구조분석에 탁월한 효과가 았다.
또한, 최근 활발히 연구가 진행중인 유전공학 분야에도 이용되며, 고분자 등 의 탄소, 수소 화합물의 구조분석을 위해서도 많이 쓰인다.
중성자는 계면에 입사한 중성자의 입사각이 임계각보다 작은 경우에 전반사를 하게 되며, 임계각보다 작은 경우에는 1보다 작은 반사율을 가지게 되는데 이러한 반사율은 입사하는 중성자의 파장이나, 시료의 입사각에 의존한다..
일반적으로 중성자 산란 측정장치는 시료에 입사각을 고정하고 파장을 변화시키거나 반대로 파장을 고정하고 입사각을 변화시키는 방법을 이용한다.
이러한 중성자 산란 측정장치에 사용되는 중성자 산란용 시료유지 장치는 중성자의 특성상 입사되는 중성자 빔의 크기와 시료의 크기를 최대한 일치시킬 필요가 있으며, 충분한 반사율 측정을 위해 입사되는 슬랩에 대한 충분한 공간이 필요하다.
또한, 많은 금속 재료의 경우 중성자가 조사된 후 감마선이 발생하므로 감마선을 발생하지 않는 소재로 장치를 구성할 필요가 있다.
또한, 조사되는 중성자에 의하여 측정장치의 온도가 상승하기 때문에 측정장치의 온도를 안정적으로 유지할 수 있도록 구성되는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 조사되는 중성자의 충분한 반사율을 유지할 수 있는 두께의 실리콘 슬랩(Silicon slab)을 사용하여 입사되는 중성자 빔의 크기와 시료의 크기를 최대한 일치시킬 수 있는 중성자 산란용 시료유지 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 하우징을 알루미늄으로 구성하여 중성자에 의해 발생되는 감마선을 방사하지 않는 중성자 산란용 시료유지 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 하우징 내부에 냉각수 순환로를 형성함으로써, 온도를 안정적으로 유지할 수 있는 중성자 산란용 시료유지 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적은 본 발명에 따라, 중성자가 입사되어 표면에 반사·투과되는 투명 실리콘 소재로 마련된 실리콘 슬랩(Silicon Slab);과, 상기 실리콘 슬랩 반사면과 접촉하며, 내부에 시료 수용액을 수용할 수 있는 환형의 수용부재;와, 중심부에 상기 실리콘 슬랩과 시료 수용부재가 수용되는 공간이 형성되며, 측면에 중성자가 투과되는 공간을 형성한 원통형의 하우징;과, 상기 하우징 상부에 고정되며, 상기 수용부재와 밀착되는 하우징 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자 산란용 시료유지 장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 하우징은 내부에 온도를 안정적으로 일정하게 유지하는 냉각수가 순환하는 냉각수로가 형성되며, 외부에 냉각수 유입부와 냉각수 유출부가 형성 될 수 있다.
또한, 상기 하우징 커버는 중심부에 원형 공간부가 형성되며, 본 원형 공간부에 상기 수용액의 치환상태를 관찰할 수 있는 투명소재의 수용액 관찰부재가 추가로 포함될 수 있다.
또한, 상기 하우징 및 하우징 커버는 알루미늄(Al)으로 마련될 수 있다.
바람직하게는, 상기 하우징 및 하우징 커버는 표면을 테프론(Teflon) 코팅 또는 아노다이징으로 표면처리될 수 있다.
여기서, 상기 실리콘 슬랩은 10mm 내지 20mm 범위의 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 수용부재는 상부와 하부에 수용액이 유출되는 것을 방지하는 기밀수단을 추가로 포함하며, 본 기밀수단과 대응되는 형상의 홈이 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 조사되는 중성자의 충분한 반사율을 유지할 수 있는 두께의 실리콘 슬랩(Silicon slab)을 사용하여 입사되는 중성자 빔의 크기와 시료의 크기를 최대한 일치시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 하우징을 알루미늄으로 구성하여 중성자에 의해 발생되는 감마선의 영향을 적게 받는 효과가 있다.
또한, 하우징 내부에 냉각수 순환로를 형성함으로써, 온도를 안정적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치에 대하여 설명하면 다음과 같다
도 1은 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치의 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치의 분해 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치의 중성자가 입사하여 산란되는 것을 나타낸 단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치의 하우징 하부를 도시한 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치의 하우징 하부를 도시한 단면도이다
도 1 및 도 2를 참조하면, 중성자가 입사되어 표면에 반사·투과되는 투명 실리콘 소재로 마련된 실리콘 슬랩(400)(Silicon Slab)과, 상기 실리콘 슬랩(400) 반사면과 접촉하며, 내부에 시료 수용액을 수용할 수 있는 환형의 수용부재(200)와, 중심부에 상기 실리콘 슬랩(400)과 시료 수용부재(200)가 수용되는 공간이 형성되며 측면에 중성자가 투과되는 공간을 형성한 원통형의 하우징(100)과, 상기 하우징(100) 상부에 고정되며, 상기 수용부재(200)와 밀착되는 하우징 커버(300)를 포함한다.
상기 실리콘 슬랩(400)(Silicon Slab)은 상기 중성자가 입사되어 투과되는 부분으로, 중성자가 투과되기 용이한 원통형의 투명 실리콘 소재로 마련된다.
상기 중성자는 도 3을 참조하면, 빔 형태로 상기 실리콘 슬랩(400)을 투과하는데 이러한 중성자 빔의 크기는 중성자 크기의 특성상 보통 30ㅧ1mm 정도의 크기를 갖는 빔이 입사된다.
여기서, 상기 중성자는 실리콘 슬랩(400) 표면에서 반사하게 되는데 이때 상기 실리콘 슬랩(400)의 표면에 위치한 시료의 나노구조를 중성자의 반사각을 통해서 관찰하게 된다.
따라서, 상기 실리콘 슬랩(400)은 상기 중성자 빔이 실리콘 슬랩(400)에 입사하여 반사되어 나가기 위한 충분한 공간이 필요하며 이러한 공간이 형성되기 위한 실리콘 슬랩(400)의 두께는 10mm 내지 20mm 범위 가지도록 형성될 수 있다.
상기와 같은 범위의 두꺼운 실리콘 슬랩(400)을 사용하는 이유는 기울어져 들어오는 중성자 빔이 시료에 조사되는 크기와 시료의 크기를 최대한 일치시킬 필요가 있기 때문이다.
한편, 상기 시료는 수용액 형태로 상기 실리콘 슬랩(400) 표면에 접촉하여 위치하며, 수용 공간이 형성된 수용부재(200) 내부에 수용된다.
여기서, 상기 수용액은 중성자 빔에 대한 콘트라스트(Contrast)를 높이기 위해서는 물(H2O)를 중수(D2O)로 치환하여 사용된다.
상기 수용부재(200)는 내부에 상기 시료가 용해된 수용액을 수용할 수 있는 공간이 형성된 환형의 금속부재로 일측은 상기 실리콘 슬랩(400)과 밀착되고, 타측은 상기 하우징 커버(300)와 밀착된다.
여기서, 상기 수용부재(200)는 밀착된 상기 실리콘 슬랩(400)과 하우징 커버(300) 사이의 간극으로 수용액이 유출되는 것을 방지하기 위한 기밀수단(250)을 추가로 포함하여 구성된다.
상기 기밀수단(250)은 상기 수용부재(200)의 상부와 하부에 각각 위치하며, 상기 수용부재(200)의 상부와 하부에는 상기 기밀수단(250)과 대응되는 형상의 홈이 형성되도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 기밀수단(250)은 액체를 확실히 밀봉할 수 있는 밀착소재로 이루어진 오링(O-ring)으로 마련될 수 있다.
하우징(100)은 상기 중성자 산란용 시료유지 장치의 외형을 형성하며, 도 2에 도시된 바와 같이 중심부에 상기 실리콘 슬랩(400)과 수용부재(200)가 수용되는 공간이 형성되도록 마련된다.
또한, 상기 하우징(100)은 상부에는 상기 하우징 커버(300)가 부착되도록 하는 체결수단(310)이 결착되는 하우징 체결공(130)이 형성되며, 측면에는 중성자가 투과되는 상기 실리콘 슬랩(400)이 노출되는 공간(140)이 형성된다.
상기 하우징(100)은 상기 중성자 산란용 시료유지 장치의 온도를 안정적으로 일정하게 유지하기 위하여 내부에 냉각수가 순환되도록 구성하였다.
즉, 상기 냉각수의 온도를 조절하여 하우징(100) 내부에 고루 순환하도록 함으로써, 온도를 안정적으로 일정하게 유지하고 손쉽게 온도를 제어할 수 있도록 하였다.
상기 하우징(100)은 상기 중성자 산란용 시료유지 장치의 온도를 안정적으로 일정하게 유지하기 위하여 내부에 냉각수가 순환되도록 구성하였다.
즉, 상기 냉각수의 온도를 조절하여 하우징(100) 내부에 고루 순환하도록 함으로써, 온도를 안정적으로 일정하게 유지하고 손쉽게 온도를 제어할 수 있도록 하 였다.
따라서, 상기 하우징(100)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 내부에 상기 냉각수가 순환하는 냉각수로(150)가 형성되며, 외부에 냉각수 유입부(110)와 냉각수 유출부(120)가 형성된다.
여기서, 상기 냉각수로(150)는 도 5에 도시된 바와 같이, 하우징(100) 일측벽 외부에 형성된 상기 냉각수 유입부(110)로부터 시작하여 일측벽 내부 전체를 상기 냉각수가 고루 순환하고, 하우징(100) 하부를 관통한 후 하우징 타측벽 내부 전체를 고루 순환한 후 상기 타측벽에 형성된 냉각수 유출부(120)를 통해 냉각수가 배출될 수 있도록 형성된다.
또한, 상기 하우징(100)은 가벼우면서 열방출이 용이하고, 부식성에 강하며, 특히 중성자와 반응하지 않는 소재인 알루미늄(Al)으로 마련된다.
바람직하게는, 알루미늄으로 이루어진 상기 하우징(100) 표면을 테프론(Teflon) 코팅 또는 아노다이징으로 처리하여 상기와 같은 부식성이나 중성자 반응성을 더욱 향상시키도록 할 수 있다.
하우징 커버(300)는 상기 하우징(100) 상부에 위치하여 하우징(100)과 고정되며, 하부에는 상기 수용부재(200)와 밀착된다.
상기 하우징 커버(300) 상측에는 상기 하우징(100)과 고정하도록 하는 다수의 체결수단(310)과 본 체결수단(310)이 관통하여 결착되는 하우징 커버 체결공(330)이 형성된다.
한편, 하우징 커버(300)는 중심부에 원형 공간부가 형성되며, 본 원형 공간 부에 상기 수용액의 치환상태를 관찰할 수 있는 기믹구조인 수용액 관찰부재가 추가로 포함된다.
여기서, 상기 수용액 관찰부재는 하우징 커버(300)에 형성된 상기 수용액 관찰부재(350)는 투명소재의 유리판으로 마련되는데, 이는 실험 시료를 제작하면서 관찰하기 용이하도록 하기 위함이다.
특히, 상기 수용액 관찰부재(350)가 상기와 같이 투명 유리판으로 마련됨으로써, 중성자 이용시 콘트라스트(Contrast)를 높이기 위해서 물(H2O)를 중수(D2O)로 치환해야 하는데 이러한 치환상태를 용이하게 관찰할 수 있다.
또한, 상기 하우징 커버(300)는 가벼우면서 열방출이 용이하고, 부식성에 강하며, 특히 중성자와 반응하지 않는 소재인 알루미늄(Al)으로 마련된다.
바람직하게는, 알루미늄으로 이루어진 상기 하우징 커버(300) 표면을 테프론(Teflon) 코팅 또는 아노다이징으로 처리하여 상기와 같은 부식성이나 중성자 반응성을 더욱 향상시키도록 할 수 있다.
상기 본 명세서에 기재된 내용 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예 뿐만 아니라 도면에 도시된 형상 및 구성은 본 발명의 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 발명의 출원시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 중성자 산란용 시료유지 장치의 분해 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치의 중성자가 입사하여 산란되는 것을 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치의 하우징 하부를 도시한 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 중성자 산란용 시료유지 장치의 하우징 하부를 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 하우징 110 : 냉각수 유입부
120 : 냉각수 유출부 150 : 냉각수로
200 : 수용부재 250 : 기밀수단
300 : 하우징 커버 400 : 실리콘슬랩

Claims (7)

  1. 중성자 반사율 측정에 사용되는 시료유지 장치에 있어서,
    중성자가 입사되어 표면에 반사 또는 투과되는 투명 실리콘 소재로 마련된 원통형의 실리콘 슬랩(Silicon Slab);과,
    상기 중성자가 상기 실리콘 슬랩에 입사되어 반사되는 반사면과 접촉하며, 내부에 시료 수용액을 수용할 수 있는 환형의 수용부재;와,
    중심부에 상기 실리콘 슬랩과 시료 수용부재가 수용되는 공간이 형성되며, 측면에 중성자가 투과되는 공간을 형성한 원통형의 하우징;과,
    상기 하우징 상부에 고정되며, 상기 수용부재와 밀착되는 하우징 커버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중성자 산란용 시료유지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 내부에 온도를 안정적으로 일정하게 유지하는 냉각수가 순환하는 냉각수로가 형성되며, 외부에 냉각수 유입부와 냉각수 유출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 중성자 산란용 시료유지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하우징 커버는 중심부에 원형 공간부가 형성되며, 본 원형 공간부에 상기 수용액의 치환상태를 관찰할 수 있는 투명소재의 수용액 관찰부재가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 중성자 산란용 시료유지 장치.
  4. 제1항에 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하우징 및 하우징 커버는 알루미늄(Al)으로 마련되는 것을 특징으로 하는 중성자 산란용 시료유지 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 하우징 및 하우징 커버는 표면을 테프론(Teflon) 코팅 또는 아노다이징으로 표면처리되는 것을 특징으로 하는 중성자 산란용 시료유지 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 슬랩은 10mm 내지 20mm 범위의 두께를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 중성자 산란용 시료유지 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수용부재는 상부와 하부에 수용액이 유출되는 것을 방지하는 기밀수단을 추가로 포함하며, 본 기밀수단과 대응되는 형상의 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 중성자 산란용 시료유지 장치.
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