KR101118222B1 - 전자파-입자선 분광방법 및 전자파-입자선 분광 장치 - Google Patents

전자파-입자선 분광방법 및 전자파-입자선 분광 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목되는 특정 입자선, 전자파 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체구성 원자의 반도에 대하여 내성이 있고, 검출수단의 방사선피폭에 대해서도 종래의 에너지 분해 기술에 비해 강한 내성을 갖는 분광 기능이 열화되기 어려운 전자파-입자선 분광방법 및 전자파-입자선 분광 장치에 관한 것으로, 분광 장치(10)는 입사 스펙트럼의 강도를 라플라스 변환하는 라플라스 변환필터(11)와, 상기 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출하는 검출 소자(15)와, 검출된 입사 스펙트럼의 투과 강도를 역 라플라스 변환하여, 라플라스 변환필터(11)에 입사된 입사 스펙트럼의 입사 강도를 산출하는 연산장치(17)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자파-입자선 분광방법 및 전자파-입자선 분광 장치{ELECTROMAGNETIC WAVE/PARTICLE BEAM SPECTROSCOPY AND ELECTROMAGNETIC WAVE/PARTICLE BEAM SPECTROSCOPE}
본 발명은 전자파-입자선 분광방법 및 전자파-입자선 분광 장치에 관한 것이다.
소정의 에너지 분해능을 갖는 종래의 분광법은 전자파, 입자선에 의한 고체의 전자여기 혹은 광의 간섭효과를 응용하고 있다. 이들 원리에 기초하여 펄스파고 분석기, 초전도 검출기, 및 분광결정, 회절격자가 이미 실용화되어 있다.
현행의 반도체 검출기 등 지금까지 개발되어 온 에너지 변별법은 회로계의 변별시간 내에 수광되는 광자, 입자의 수를 1개 이하로 제한하여 수광 에너지를 전자 펄스로 변환하여 파고능을 검출하도록 되어 있다. 즉, 파고분석인 경우, 파고 변별회로의 처리능력으로 계수율이 결정된다. 실제로는 에너지 분해능을 결정하는 파고 정밀도와 계수율은 서로 길항하며, 최신의 고계수율 디지털 파고분석기에서는 최고 계수율 설정으로 1초당 250 k카운트, 5 keV에서의 분해능은 150 eV이다. 250 k카운트의 계수율은 자기장 밀폐 고온 플라즈마의 전자온도나 중원소 불순물의 수송을 평가할 경우, 20 msec의 시간 분해능에 상당한다. 또, 초전도 검출기의 경우 는 광자 1개의 에너지를 온도 상승으로 변환하기 때문에, 파고 분석과 마찬가지로 계수율에 제한이 있다.
또, X선 스펙트럼 계측 기술에서의 에너지 분해능 개선은 파장 정도의 미세구조를 보다 고정밀도로 형성하거나, 혹은 여기자 에너지가 낮은 물질을 수광소자로 하여 초저온 냉각에 의한 열잡음의 저감에 의해 달성되었다.
본건 발명의 전자파-입자선 분광방법 및 전자파-입자선 분광 장치는 기존의 종래 기술의 분광법 및 분광 장치와는 원리적으로 다르기 때문에, 선행기술을 조사하였으나 유사 기술은 찾을 수 없었다.
(발명의 개시)
상기와 같은 이유에서 파고 분석이나 초전도 검출기의 경우에는 용이하게 고계수율로 할 수 없다는 문제가 있다. 또, 회절 격자나 분광 결정은 분해능이 크고 에너지 분해능은 좋으나, 반대로 측정 범위는 매우 좁아 1종류의 원자로부터 방사되는 특성 X선 전부를 포착하는 것이 힘들다.
또, 종래의 분광 방법이나 분광 장치는, 전자 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목되고 있는 특정 입자선, 전자파 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체 구성 원자의 반도(反跳)와 검출수단의 방사선 피폭에 대해 내성이 없어, 차폐하지 않으면 분광기능이 열화되기 쉽다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 측정하는 전자파 혹은 입자선에 대해 수광소자로의 입사 개수를 제한하지 않고, 고계수율이며 측정 에너지 범위를 폭 넓게 포착할 수 있는 전자파-입자선 분광방법을 제공하는 것에 있다. 또, 본 발명의 목적은 전자 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목되고 있는 특정 입자선, 전자파 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체 구성 원자의 반도에 대해 내성이 있고, 검출수단의 방사선 피폭에 대해서도 종래의 에너지 분해기술에 비해 강한 내성을 갖는 분광기능이 열화되기 어려운 전자파-입자선 분광방법을 제공하는 것에 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은 전자파 혹은 입자선의 입사 스펙트럼에 대해, 고계수율로 할 수 있고, 측정 에너지 범위를 폭 넓게 포착할 수 있는 전자파-입자선 분광 장치를 제공하는 것에 있다. 또, 본 발명의 다른 목적은 전자 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목되고 있는 특정 입자선, 전자파 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체구성 원자의 반도에 대해 내성이 있고, 검출 수단의 방사선 피폭에 대해서도 종래의 에너지 분해기술에 비해 강한 내성을 갖는 분광기능이 열화되기 어려운 전자파-입자선 분광 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 태양(態樣)은, 입사 스펙트럼을 라플라스 변환 필터에 입사하여 상기 입사 스펙트럼의 강도를 라플라스 변환하는 제 1 단계와, 상기 라플라스 변환 필터를 투과하여, 라플라스 변환된 스펙트럼을 수광하고 이 스펙트럼의 투과 강도를 검출수단에 의해 검출하는 제 2 단계와, 상기 검출된 스펙트럼의 투과 강도를 역 라플라스 변환하여, 상기 라플라스 변환 필터로 입사된 입사 스펙트럼의 강도를 산출하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광방법을 요지로 하는 것이다.
여기서, 본 발명의 전자파-입자선 분광방법은 종래의 기존 분광 방법과는 동작 원리가 전혀 다르다.
우선, 제 1 단계에서는, 입사 스펙트럼의 강도를 하드웨어인 라플라스 변환 필터에 의해 라플라스 변환한다. 다음에, 제 2 단계에서는, 라플라스 변환된 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출수단에 의해 검출한다. 제 3 단계에서는, 검출수단에 의해 검출된 투과 강도를 역 라플라스 변환함으로써, 라플라스 변환 필터에 입사한 입사 스펙트럼의 강도를 산출한다.
라플라스 변환 필터는, 구체적으로는 입사 스펙트럼의 감쇠체를 포함하고, 상기 감쇠체에서의 입사 스펙트럼의 광축 상의 질량을 연속적으로 변화시키면서, 감쇠체를 투과한 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출수단에 의해 측정, 즉 검출한다.
종래의 X선 스펙트럼 계측 기술에서의 에너지 분해능의 개선은, 파장 정도 크기의 미세구조를 보다 고정밀도로 형성하거나 또는 여기자 에너지가 낮은 물질을 수광소자로 하여 초저온 냉각에 의한 열잡음의 저감으로 달성하였다. 그에 비해, 본 발명의 분광 방법에 의한 에너지 분해능은 라플라스 변환의 적분 정밀도와 투과 강도의 통계오차에 의존한다. 따라서, 본 발명의 분광 방법에서는, 라플라스 변환 필터, 즉 광학소자를 대형화하여 질량변화를 보다 완만하게 하면 에너지 분해능이 향상된다. 즉, 광학소자를 대형화하여 제조하기 쉽게 하면 반대로 분광 정밀도가 향상되어 에너지 분해능이 개선된다는 큰 특징이 있다. 예를 들면 반도체 X선 검출기와 본 발명의 방법을 비교하면, 본 발명의 분광 방법은 광원 강도가 강해짐에 따라 에너지 분해능이 동시에 향상된다. 따라서, 대강도 광원에 대하여 유리한 분광 방법이다.
본 분광법은 전자파로는 전체 영역, 즉, 전파에서부터 X선, γ선까지의 영역, 입자선으로는 소립자, 전자, 원자핵, 원자, 분자 등의 흐름을 완전히 동일 원리로 분광한다. 또한, 입자로는 양전자, 반양자, 반중성자 등의 반물질도 포함한다.
전자파, 입자선이 물질에 입사하면 광축 상의 투과 강도는 입사 강도에 비해 감쇠한다. 그 감쇠 비율은 감쇠체를 구성하는 물질과 전자파, 입자선의 종류와 에너지에 의존한다. 본 분광법은 이러한 의존성의 차이에서 주목되는 전자파 또는 입자선에 의해 검출수단에 발생한 신호만을 선택적으로 추출할 수 있기 때문에, 주목되는 전자파 및 입자선 이외에 의해 발생한 교란 신호에 대하여 내성을 갖는다. 또한, 감쇠체에 입사한 전자파, 입자선과 감쇠체와의 물리적 상호작용에 대해서는, 감쇠체 구성 원자?분자에서의 광전자 흡수, 감쇠체 구성 원자?분자?원자핵?전자에 의한 산란을 들 수 있고, 감쇠체 구성 원자핵, 전자파의 경우에는 전자의 전기장에 의한 쌍 생성, 입자선의 경우에는 감쇠체 구성 원자핵에 의한 포획을 들 수 있다. 또한, 입자선이 양전자, 반양자 등의 반물질이면 감쇠체 구성 원자핵, 전자에 의한 쌍 소멸도 들 수 있다.
도 18은, 예를 들면 구리를 감쇠체로 하였을 경우의 구리의 흡수계수를 세로축으로 하고, 가로축을 광자 에너지로 한 경우의 흡수계수의 차트이다. 상기 세로축 및 가로축은 대수축(對數軸)이다. 도면에 나타난 바와 같이, 입사광이 감쇠할 경우, 감쇠하는 이유로는 원자핵 전기장에 의한 쌍 생성, 전자의 전기장에 의한 쌍 생성, 광전흡수, 비간섭성 산란, 간섭성 산란과 같이 여러 가지가 있다. 또, 광 에너지의 레벨에 따라 그 감쇠의 이유가 상이하다.
예를 들면, 구리의 흡수계수는 에너지가 103 ~ 105 eV 범위에서는, 광전흡수가 총합과 동일하다. 즉, 이 레벨 에너지에서의 흡수계수는 광전흡수에 의한 것이 된다. 한편, 구리의 흡수계수는 에너지가 107 eV를 초과할 경우에는 원자핵 전기장에 의한 쌍 생성이 흡수계수의 대부분을 차지한다.
(본 발명의 원리)
이하, 본 발명의 전자파-입자선 분광방법의 수학적 원리와 물리학적 원리를 도 2를 참조하여 설명한다.
본 발명의 전자파-입자선 분광방법에서는, 입사하는 전자파 또는 입자선의 총 에너지량을 측정하는 검출수단을 라플라스 변환 필터의 후방에 설치하여 투과 강도를 측정한다. 단색광인 입사광의 에너지를 E로 하고, 감쇠체(200)의 두께를 t로 하면, 감쇠체(200)로부터 나오는 출사광의 출력신호(I(t))는 입사광의 입사 강도(I0(E))와 감쇠체(200)의 흡수계수(α(E)), 검출기의 검출효율(f(E))을 이용하여 수학식 1에 의해 주어진다. 상기 검출수단으로는 예를 들면 반도체 검출기가 있다.
따라서, 입사하는 전자파 또는 입자선이 스펙트럼인 경우에는 수학식 2로 나타낼 수 있다. 또, 수학식 2는 X선 영역에서의 감쇠체(200)의 흡수계수(α(E))가 수학식 4와 같이 고정밀도로 a, b를 상수로 하여 멱승함수로 근사할 수 있는 물리학적 사실에 귀착하면, 검출기의 검출효율 f(E) = E로 한 경우, 수학식 3과 같이 라플라스 변환에 귀착한다. f(E) = E는 반도체 검출기의 예이다. 상기 감쇠체로는 예를 들면 금속이 있다. 또, a, b는 라플라스 변환 필터의 감쇠체에 고유한 상수이다. 따라서, 감쇠체(200)의 흡수계수(α(E))도 감쇠체에 고유한 값이다.
따라서, 입사 스펙트럼의 강도, 즉 입사 강도는 역 라플라스 변환식인 수학식 5에 의해 일의적으로 구할 수 있음이 수학적으로 증명된다. 식 중의 i는 허수단위, c는 임의의 양의 실수이다. 그러나, 수학식 5는 수학적 엄밀해(嚴密解)임에도 불구하고 사용할 수 없다. 왜냐하면 측정값 I(t)는 실수의 두께(t)에 대한 실수값이며, 수학식 5는 복소수의 두께(t)에 대한 복소수값 I(t)을 요구하고 있다. 임의의 I(t)에 대해 함수형을 찾아내는데도 적분구간 c ± i∞에서 고정밀도를 확보할 수 있다는 보장은 없기 때문에, 수학식 6과 같이 수득된 측정값을 직접 적분하는 방법으로 해결한다.
Figure 112009069949785-pct00001
Figure 112009069949785-pct00002
Figure 112009069949785-pct00003
Figure 112009069949785-pct00004
Figure 112009069949785-pct00005
즉, 수학식 6 및 수학식 8은 역변환의 실용식이다.
특히, 수학식 8은 소위 멜린 변환으로, 측정값을 일단 복소수의 파속(波束)으로 분해한다. 수학식 6은 발명자가 독자적으로 이끌어낸 적분 방정식의 수학식 2의 수학적 엄밀해이며, 적분으로 파속을 다시 정리하여 입사 스펙트럼을 구성한다. 멜린 변환에 의해 실수의 측정값으로부터 입사 스펙트럼을 구할 수 있을 뿐만 아니라, 수학식 2의 수학적 엄밀해로서 입사 스펙트럼을 흡수계수(α(E))로 나타낼 수 있다.
또, 수학식 6은 물리학 분야에서 발명자가 처음으로 발견한 것으로, 본 분광 방법 실용화의 중요한 근거가 된다. 수학식 9중의 Γ은 감마함수이다. 또, 수학식 6의 적분은 파수(波數) 0의 푸리에 성분만을 구하는 경우와 동일한 값이다.
수학식 9에서 정의된 G(s)는 물리학적으로 설명하면, 감쇠체를 투과한 에너지(E)에서의 단위강도 선스펙트럼의 파속을 의미한다. 따라서, 수학식 6의 적분 기호 내의 나눗셈은 입사 스펙트럼의 에너지(E)에서의 강도산출을 의미한다.
Figure 112009069949785-pct00006
Figure 112009069949785-pct00007
Figure 112009069949785-pct00008
Figure 112009069949785-pct00009
실용식인 수학식 6, 7, 8, 및 9로부터 본 분광방법의 특성을 이끌어낼 수 있다. 우선, 수학식 8에서 구하는 스펙트럼의 정밀도는 측정오차가 작고 측정 중 감 쇠체(200)의 두께(t)의 변화가 미세할수록 좋은 것을 알 수 있다. 또, 도 2에 도시한 바와 같이, 감쇠체(200)의 두께(t)가 커질수록 I(t)가 감쇠하여 작아지고 통계오차가 늘어난다. "s"는 c-i∞부터 c+i∞까지 변화되는 적분변수이다.
그러나, ts-1항의 s가 복소수이기 때문에, 감쇠체(200)의 두께(t)가 커지면 높은 주파수에서 플러스 마이너스가 역전되어 적분되므로, g(s)로의 통계오차의 축적 기여는 감쇠체(200)의 두께(t)가 작은 경우에 비하여 작다. 수학식 7과 수학식 6은 감쇠체(200)의 흡수계수(α(E))가 에너지에 대해 변화하는 영역에서 분광이 가능함을 나타내고 있다.
상기 흡수계수(α(E))의 에너지에 대한 변화가 단조롭지 않은 에너지영역에서의 분광에는 주의가 필요하다. 우선 흡수가 크게 변화되는 곳인 흡수단에 대해서는 흡수계수(α(E))의 미분값이 급격하게 변하여, 계산 정밀도의 저하를 피하려면 흡수계수(α(E))의 고정밀도 데이터가 필요하다. 더 나아가, 분광할 수 없는 영역도 발생할 가능성이 있다. 에너지가 각각 다른 n개의 무한히 좁은 선스펙트럼 [에너지 Ei(i = 1, 2, … n), 강도 Ii(i = 1, 2, … n)]에 대하여 수학식 6을 변형하면, 수학식 10이 수득된다. δ은 델타함수이다.
Figure 112009069949785-pct00010
즉, δ(E-Ei)가 아니라, δ(ln(α(E))-ln(α(Ei)))d/dE(ln(α(E))-ln(α(Ei)))가 되어, α(Ei) = α(Ej) (i≠j)가 되는 흡수계수가 동등한 다른 에너지간에서 계산 결과가 혼합된다. 즉, 이러한 경우에는 배타적 분광 영역이 존재하고, 어느 한쪽의 스펙트럼 성분의 입사를 금지하면 된다. 실제의 배타적 분광 영역은 후술하는 도 3과 같이 흡수단 부근에 있음이 도시된다. 또, 자명한 사항으로, 라플라스 변환 필터에 의한 1회 분광을 수행하는 시간 내에서의 광원의 스펙트럼 강도는 일정하여야 한다.
도 3은 니켈인 경우를 나타내고 있으며, 1 keV 부근의 X선 영역에서는 L흡수단과 M흡수단 사이의 0.8 ~ 8.0 keV에서 분광이 가능하다. 니켈의 0.8 ~ 8.0 keV 구간에서의 흡수계수는 함수 aEb(a = 8.29 × 1012, b = 2.63)로 변화하고 분광이 가능한 것을 알 수 있다. 다만, 보다 광범위한 분광 영역을 구할 경우, 흡수단 근방에서 흡수계수가 동등해지는 에너지대(도면 중, A1과 A2 영역)가 배타적 분광 영역이 된다. 따라서, 어느 한쪽 스펙트럼 성분의 입사를 금지하도록 하면 된다.
여기서, 감쇠체에서의 입사 스펙트럼의 광축 상의 질량이 연속적으로 변화된다는 것은, 입사 스펙트럼의 광축 상의 질량이 시간적으로 연속하여 변화되는 경우와, 동일 시간 내에서는 질량이 변화되지 않고 감쇠체가 형상적으로 변화되는 경우를 포함한다는 취지이다. 감쇠체에서의 입사 스펙트럼의 광축 상의 질량이 시간적으로 변화된다는 것은, 예를 들면 단수 또는 복수의 검출수단으로 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출하도록 하고, 입사 스펙트럼의 광축 상의 감쇠체의 질량을 연속적으로 직선적으로 변화시키는 경우이다.
한편, 동일 시간 내에서는 질량이 변화되지 않고 형상적으로 변화되는 경우란, 예를 들면 감쇠체가 고체인 경우, 감쇠체의 두께를 연속하여 리니어하게 변화하도록 형성해 두고, 이 두께가 변화하는 방향으로 복수의 검출수단을 병설하여 이 검출수단으로 두께가 변화되는 각 부위의 감쇠체를 투과한 투과광의 강도, 즉 투과 강도를 동시에 검출하는 경우이다.
상기 감쇠체는 전자파의 파장이나 입자선의 종류에 따라 고체, 액체 또는 기체로 나누어 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 고체의 감쇠체로는 구리, 니켈, 가돌리늄, 알루미늄 등을 들 수 있다. 액체의 감쇠체로는 갈륨을 들 수 있다. 기체의 감쇠체로는 아르곤을 들 수 있다.
여기서, 감쇠체가 고체일 때, 감쇠체에서의 입사 스펙트럼의 광축 상의 질량을 연속적으로 변화시킬 경우, 예를 들면 그 고체의 두께를 연속적으로 변화시킬 경우에는 라플라스 변환의 변수변환은 감쇠체의 두께 치수축과 스펙트럼의 에너지축이 서로 변환되는 변수에 해당한다.
또, 감쇠체가 액체일 때, 그 깊이를 연속적으로 변화시킬 경우, 라플라스 변환의 변수변환은 감쇠체의 깊이 치수축과 스펙트럼의 에너지축이 서로 변환되는 변수에 해당한다. 나아가, 감쇠체가 기체인 경우, 그 밀도를 연속적으로 변화시킬 경우에 라플라스 변환의 변수변환은 감쇠체의 밀도축과 스펙트럼의 에너지축이 서로 변환되는 변수에 해당한다.
그런데, 상기 라플라스 변환 필터는 자체 질량에 따라 입사 스펙트럼을 감쇠 하는 감쇠체를 포함하고, 상기 제 2 단계에서는, 상기 입사 스펙트럼의 광축 상의 상기 감쇠체의 질량이 연속적으로 변화되는 상태에서 상기 검출수단으로 상기 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 입사 스펙트럼의 광축 상의 감쇠체의 질량이 연속적으로 변화되는 상태에서 검출수단으로 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출함으로써, 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있다.
또, 상기 제 2 단계에서는, 상기 입사 스펙트럼의 광축 상의 상기 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시키는 질량변경수단으로 변경시키는 것이 바람직하다.
또, 이렇게 하면, 질량변경수단으로 입사 스펙트럼의 광축 상의 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시켜서 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있다.
감쇠체가 고체인 경우, 예를 들면 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 감쇠체의 질량이 시간적으로 연속적으로 변화되도록 감쇠체를 이동함으로써 구현할 수 있다. 감쇠체가 액체인 경우, 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 감쇠체의 질량을 연속적으로 변화시키려면, 감쇠체의 깊이를 시간적으로 연속적으로 변화시키면 된다. 감쇠체가 기체인 경우, 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 감쇠체의 질량을 연속적으로 변화시키려면, 감쇠체의 밀도를 시간적으로 연속적으로 변화시키는, 즉 기체의 압력을 시간적으로 연속적으로 변화시키면 된다. 또한, 액체, 기체인 경우, 용기 내에 광축 방향으로 이동할 수 있는 검출기를 두고, 액체, 기체를 통과하는 광축의 길이를 연속적으로 변화시킬 수도 있다.
또, 상기 감쇠체의 상기 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 질량이, 이 광축과 교차하는 방향에서 리니어, 즉 직선적으로 연속적으로 변화되도록 설치되는 것이 바람직하고, 상기 질량변경수단이, 상기 라플라스 변환 필터와 상기 검출수단 중 적어도 어느 한쪽을 상기 광축과 교차하는 방향으로 상대적으로 이동시키는 것이 바람직하다.
적어도 어느 한쪽을 상대적으로 이동시킨다는 것은, 라플라스 변환 필터만을 이동시킬 수도 있고, 또는 검출수단만을 이동시킬 수도 있으며, 또는 양쪽을 이동시킬 수도 있음을 나타낸다.
이렇게 함으로써, 감쇠체의 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 질량이 이 광축과 교차하는 방향에서 리니어하게 변화되도록 설치되어 있으며, 질량변경수단이 라플라스 변환 필터와 검출수단을 광축과 교차하는 방향으로 상대적으로 이동시켜서, 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있다.
또, 상기 라플라스 변환 필터는 자체 밀도에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 기체로 이루어지는 감쇠체를 갖춘 기실(氣室)을 구비하고, 상기 질량변경수단이 상기 라플라스 변환 필터의 상기 검출수단에 대향하는 부위에서의 상기 감쇠체의 압력을 연속적으로 변화시킴으로써, 이 기체의 밀도를 연속적으로 변경시키는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 감쇠체가 기체인 경우, 그 입사 스펙트럼의 광축 상의 질량을 변화시키기 위해서는 기실에서의 기체의 압력을 변화시킴으로써 그 밀도를 변화시키면 된다.
이렇게 함으로써, 라플라스 변환 필터는 자체 밀도에 따라 스펙트럼을 감쇠 하는 기체로 이루어지는 감쇠체를 갖춘 기실을 구비하고, 제 2 단계에서는, 라플라스 변환 필터의 검출수단에 대향하는 부위에서의 감쇠체의 압력을 연속적으로 변화시킨다. 이 결과, 기체의 밀도를 연속적으로 변경시킴으로써, 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있다.
또, 상기 제 1 단계의 상기 감쇠체가 강자성체로, 상기 입사 스펙트럼의 광축에 대하여 소정의 방향을 이루는 자기장이 인가된 상태에서 상기 입사 스펙트럼을 입사하고, 제 3 단계에서 산출된 입사 스펙트럼의 강도에 기초하여 편극 스펙트럼의 강도를 산출하는 제 4 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
즉, 감쇠체가 강자성체이며, 자기장이 입사 스펙트럼의 광축과 소정 방향을 이루는 방향으로 인가되어 자화되었을 때와 같이, 감쇠체의 흡수계수가 전자파, 입자선의 편극에 대하여 의존성을 나타내는 경우에는 제 4 단계에서 편극 성분의 각각을 구할 수 있다. 여기에서는 감쇠체로서 자화된 강자성체를 사용할 경우, 감쇠체의 흡수계수가 전자파 및 입자선의 편극에 대하여 의존성을 나타낸다.
수학식 11에서 수학식 14 중의 +와 -는 편극을 나타낸다. 또한, I±(E)은 편극 스펙트럼, J±(t)은 라플라스 변환 필터를 통과한 투과 강도이다. 특히, X선 편광분광의 경우, 흡수단에서의 자기원 이색성뿐만 아니라, 내각(內殼) 전자의 이산(離散)적인 여기상태와 연속적 여기상태의 간섭에 의한 Fano 효과에 의해 흡수단으로부터 떨어진 영역에서도 자기원 이색성이 잔존하는 효과도 이용할 수 있다. 흡수단에서는 100% 정도의 자기원 이색성을 나타내는 경우도 있으나, Fano 효과에 의한 잔존은 5% 이하로 감소한다. 그러나, 편광도가 높은 고휘도광이나 또는 일정한 광원이라면 수학식 11을 이용하여 각 편광성분의 스펙트럼을 평가할 수 있다. 다만, 자기원 이색성은 흡수단에서 플러스 마이너스가 반전할 수 있다. 부호가 반전하는 에너지값을 넘은 경우, 어느 한쪽 영역에서의 스펙트럼 입사를 금지하는 것이 바람직하다.
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이렇게 함으로써, 감쇠체의 흡수계수가 전자파, 입자선의 편극에 대하여 의 존성을 나타내는 경우에는 편극 성분의 각각을 구할 수 있는 전자파-입자선 분광방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 제 2 태양에 의하면, 입사 스펙트럼을 입사하여 상기 입사 스펙트럼의 강도를 라플라스 변환하는 라플라스 변환 필터와, 상기 라플라스 변환된 스펙트럼을 수광하여 이 스펙트럼의 투과 강도를 검출하는 검출수단과, 상기 검출된 스펙트럼의 투과 강도를 역 라플라스 변환하고, 상기 라플라스 변환 필터에 입사한 입사 스펙트럼의 강도를 산출하는 역 라플라스 변환 수단을 포함하는 것을 특징으로 한 전자파-입자선 분광 장치가 제공된다.
이렇게 하면, 전자파 또는 입자선의 입사 스펙트럼에 대하여, 고계수율로 측정 에너지 범위를 폭넓게 포착할 수 있다. 또, 전자(電磁) 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목되는 특정 입자선, 전자파 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체구성원자의 반도에 대하여 내성이 있고, 검출수단의 방사선 피폭에 대해서도 종래의 에너지 분해 기술에 비해 강한 내성을 가져 분광 기능이 열화되기 어려운 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다. 또, 종래의 반도체 검출기, 초전도 검출기 및 결정, 회절격자의 동작, 성능을 보증할 수 없는 환경에서도 보수가 불필요하며 안정적으로 성능을 확보할 수 있고, 장래 수행되는 고온 플라즈마 핵 융합 실험을 위한 전자파-입자선 분광방법으로서 크게 기대할 수 있는 장치가 된다.
상기 라플라스 변환 필터는 자체 질량에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 감쇠체를 포함하고, 상기 입사 스펙트럼의 광축 상의 상기 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속 적으로 변화시키는 질량변경수단을 구비하는 전자파-입자선 분광 장치로 하는 것이 바람직하다.
감쇠체가 고체인 경우, 예를 들면 질량변경수단은 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시키도록 감쇠체를 이동함으로써 구현할 수 있다.
또, 감쇠체가 액체인 경우, 상기 질량변경수단은 감쇠체의 깊이를 시간적으로 연속적으로 변화시킴으로써 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시킬 수 있다.
감쇠체가 기체인 경우, 예를 들면 질량변경수단은 감쇠체의 밀도를 시간적으로 연속적으로 변화시키는, 즉 기체의 압력을 연속적으로 변화시킴으로써 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시킬 수 있다.
또, 감쇠체가 액체 또는 기체인 경우, 용기 내에 광축 방향으로 이동할 수 있는 검출기를 두고, 액체, 기체를 통과하는 광축의 길이를 연속적으로 변화시킴에 의해서도 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시킬 수 있다. 이렇게 하면, 질량변경수단으로 입사 스펙트럼의 광축 상의 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시켜서, 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있는 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다.
또, 상기 라플라스 변환 필터는 자체 질량에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 감쇠체를 포함하고, 상기 감쇠체가 입사 스펙트럼의 광축에 교차하는 방향으로 질량이 변화되도록 구성되며, 상기 검출수단은 상기 입사 스펙트럼의 광축에 교차하는 방향에 걸쳐서 배치될 수도 있다.
이와 같이, 라플라스 변환 필터는 자체 질량에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 감쇠체를 포함하고, 감쇠체가 입사 스펙트럼의 광축에 교차하는 방향으로 질량이 변화되도록 구성되고, 검출수단이 입사 스펙트럼의 광축에 교차하는 방향에 걸쳐서 배치됨으로써, 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있는 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다.
또, 전자파-입자선 분광 장치에 있어서, 상기 감쇠체의 상기 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 질량이, 이 광축과 교차하는 방향에서 리니어하게 변화되도록 설치되는 것이 바람직하고, 상기 질량변경수단이 상기 라플라스 변환 필터와 상기 검출수단을 상기 광축과 교차하는 방향으로 상대적으로 이동시키는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 감쇠체의 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 질량이 이 광축과 교차하는 방향에서 리니어하게 변화되도록 설치되어 있고, 질량변경수단이 라플라스 변환 필터와 검출수단을 광축과 교차하는 방향으로 상대적으로 이동시키기 때문에, 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있는 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다.
또, 전자파-입자선 분광 장치에서의 상기 라플라스 변환 필터는 자체 밀도에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 기체로 이루어지는 감쇠체를 갖춘 기실을 구비하고, 상기 질량변경수단은 라플라스 변환된 스펙트럼을 수광할 때에 시간적으로 연속적으로 상기 기실 내의 압력을 변화시키는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 라플라스 변환 필터는 자체 밀도에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 기체로 이루어지는 감쇠체를 갖춘 기실을 구비하고, 라플라스 변환 필터의 검출수단에 대향하는 부위에서의 감쇠체의 압력을 연속적으로 변화시킨다. 이 결과, 기체의 밀도를 연속적으로 변경시키는 압력가변수단을 구비함으로써, 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있는 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다.
또, 전자파-입자선 분광 장치는 상기 감쇠체가 강자성체로 구성되고, 나아가, 상기 입사 스펙트럼의 광축에 대하여 소정 방향을 이루는 자기장을 인가하여 상기 강자성체를 자화하는 자기장 부여 수단과, 역 라플라스 변환 수단으로 수득된 입사 스펙트럼의 강도에 기초하여 편극 스펙트럼의 강도를 산출하는 편극 스펙트럼 강도 연산 수단을 구비하는 것이 바람직하다.
또, 이렇게 하면, 감쇠체의 흡수계수가 전자파, 입자선의 편극에 대하여 의존성을 나타낼 경우, 편극 성분의 각각을 구할 수 있는 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다.
또, 상기 검출수단과 상기 감쇠체 사이에, 상기 검출수단에 상기 스펙트럼의 투과광이 결상되도록 하기 위하여 핀홀이 배치되는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 핀홀로 투과광이 검출수단에 결상되므로, 결상된 화상을 검출수단으로 검출할 수 있다.
또, 상기 검출수단은 무냉각 검출수단인 것이 바람직하다. 이렇게 하면, 무냉각 검출수단으로 투과광을 검출할 수 있기 때문에, 냉각 장치가 필요하지 않으며, 분광 장치의 비용 저감과 소형 경량화를 도모할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전자파 또는 입자선의 입사 스펙트럼에 대하여 고계수율로 측정 에너지 범위를 폭넓게 포착할 수 있다. 또, 본 발명에 따르면, 전자 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목하는 특정 입자선, 전자파 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체구성 원자의 반도에 대하여 내성이 있고, 검출수단의 방사선 피폭에 대해서도 종래의 에너지 분해 기술에 비해 강한 내성을 가져 분광 기능이 열화되기 어려운 전자파-입자선 분광방법을 제공할 수 있다.
이것은 라플라스 변환 필터는 X선 파장보다 월등하게 큰 벌크 구조를 이용하기 때문에 기계적 파괴나 왜곡에 비교적 강하고, 나아가 다광자 검출을 수행하기 때문에 입사량을 크게 취할 수 있어 수광 에너지는 매우 크며, 따라서, 대강도 광원 또는 대강도 입자원에 대해 라플라스 변환 필터 후방의 검출수단에서 검출하는 신호는 전기적 잡음보다도 훨씬 크기 때문이다.
또, 검출수단으로서 원자핵이 무거운 중금속이나 반도체 화합물을 이용할 수 있으며, 이 경우, Si(Li)나 Ge에 비해 고속 중성자의 반도에 의한 영향은 적고, 잡음을 비교적 낮게 억제할 수 있다. 본 발명에 사용하는 검출수단은 반도체 검출기나 초전도 검출기와는 달리 냉각이 불필요하기 때문에 장기간에 걸친 검출수단의 방사선 피폭에 의한 방사화 이외에 교체가 필요한 보수는 없다. 또한, 소형 경량화가 가능하므로 교체 및 폐기 처리의 부담을 경감할 수 있다.
또, 종래의 분광 결정이나 회절 격자를 사용하는 측정인 경우도 냉각이 불필요하나, 진동에 의한 미세한 분광각의 차이가 측정 결과에 영향을 미치기 쉽다는 문제가 있다. 이 이유는 분산능이 매우 크기 때문이다. 또한, 종래의 분광 결정이나 회절 격자는 방사선에 대한 내성이 낮다. 이 이유는, 종래의 분광 결정이나 회절 격자에서는, X선을 분광하기 위하여 필요한 고체구조는 원자 1개에서 10개 단위로 구성되어 있으며, 검출수단의 방사 피폭과 반도의 영향을 직접 받기 쉽기 때문이다. 그에 비하여, 본 발명에서는 이러한 진동에 대하여 악영향을 받는 일이 없다. 또한, 본 발명에서는 방사선의 영향을 받기 어렵다.
이렇게 하여, 본 발명에서는 종래의 반도체 검출기, 초전도 검출기 및 결정, 회절 격자의 동작, 성능을 보장할 수 없는 환경에서도 보수가 불필요하고 안정적으로 성능을 확보할 수 있다. 이 점에서 때문에, 장래 수행되는 고온 플라즈마 핵 융합 실험을 위한 전자파-입자선 분광방법으로써 크게 기대할 수 있는 기술이다.
도 1은 일실시형태의 분광 장치의 개략도이다.
도 2는 물질에 대한 전자파, 입자선의 투과 설명도이다.
도 3은 니켈의 흡수 스펙트럼이다.
도 4는 σ=0.01인 경우의 해석영역을 나타낸 설명도이다.
도 5는 라플라스 변환 필터에 의한 분광 그래프이다.
도 6은 도 5의 확대도이다.
도 7은 σ를 크게 한 경우에서의 해석결과의 분광 그래프이다.
도 8은 플라즈마 X선 분광으로 응용예를 나타내고, 불순물 입자의 수송 평가를 목적으로 한 측정장치의 모식적 배치도이다.
도 9는 아르곤 특성 X선 휘도지름 분포도이다.
도 10은 플라즈마로부터 방사되는 X선 스펙트럼이다.
도 11은 아르곤 도달시간의 실측지름 분포도이다.
도 12는 라플라스 변환 필터 작성장치의 개략도이다.
도 13은 비교예에서의 일반적인 CCD에 의한 경(硬)X선 CCD에 의한 화상이다.
도 14는 X선 스펙트럼을 라플라스 변환한 화상이다.
도 15는 제 3 실시형태의 전자파-입자선 분광 장치의 개략도이다.
도 16은 제 4 실시형태의 전자파-입자선 분광 장치의 개략도이다.
도 17은 제 5 실시형태의 전자파-입자선 분광 장치의 개략도이다.
도 18은 구리의 흡수계수를 나타낸 차트이다.
도 19는 직선편광에서의 수직편광 및 수평편광의 설명도이다.
도 20은 원편광에서의 오른방향 회전 및 왼방향 회전의 설명도이다.
도 21은 입자에서의 상향 스핀, 하향 스핀의 설명도이다.
도 22는 자기원 이색성인 경우의 자기장 인가의 설명도이다.
도 23은 자기선 이색성인 경우의 자기장 인가의 설명도이다.
(제 1 실시형태)
이하, 본 발명의 전자파-입자선 분광방법 및 전자파-입자선 분광 장치를 구체화한 제 1 실시형태를 도 1을 참조하여 설명한다. 전자파-입자선 분광 장치를 이하 단지 분광 장치라 한다.
도 1에 도시한 바와 같이 분광 장치(10)는, 라플라스 변환필터(11)와, 검출수단으로서의 검출 소자(15)와, 역 라플라스 변환 수단으로서의 연산장치(17)와, 표시 수단으로서의 표시장치(18)를 구비하고 있다. 상기 검출 소자(15)는 라플라스 변환필터(11)를 사이에 두고 광원과 반대측에 배치되어 있다. 본 실시형태에서 검출 소자(15)는 X선을 검출 가능하다.
라플라스 변환필터(11)는 원통 모양의 기체(基體)(12)와 기체(12)의 반 정도의 원주면에 증착된 감쇠체(14)를 구비하고 있다. 기체(12)는 예를 들면 양단이 도시하지 않은 베어링으로 지지되어 그 축심과 같은 축의 회전축(13)을 중심으로 회전 가능하게 되어 있다. 또, 기체(12)는 모터(19) 및 감속기(20)를 통하여 작동 연결되고, 상기 모터(19)의 구동에 의해 상기 회전축(13)을 중심으로 일정 속도로 회전한다.
감쇠체(14)는 고체 금속으로 이루어지고, 기체(12) 원주면의 둘레 방향의 반 정도에 걸쳐서 증착되어 있다. 그러나 감쇠체(14)의 기체(12)에 대한 형성은 증착에 한정되는 것은 아니며, 다른 방법으로 수행될 수도 있다. 상기 금속의 종류는, 측정하는 전자파의 파장이나 입자선의 종류에 따라 설치된다. 예를 들면 금속으로 구리를 들 수 있으나, 이 금속에 한정되는 것은 아니다. 가장 두꺼운 증착 두께는 감쇠체로서 천이금속을 재료로 하는 경우에는 100㎛ 단위이다. 감쇠체로서의 증착재는 천이금속의 특성 X선 스펙트럼을 측정할 경우, 1 keV 에서 9 eV 사이에 흡수단이 없는 구리가 최적이다.
감쇠체(14)의 증착 두께, 즉 층 두께는 일정하게 경사져서 작성된다. 그리 고, 라플라스 변환필터(11)는 상기 모터(19)에 의해 일정한 각속도로 회전된다. 이 결과, 감쇠체(14)의 층 두께가 가장 얇은 지점과 두꺼운 지점은 180°이간되므로, 1회전, 즉 360°회전으로 2회 분광할 수 있게 된다.
이렇게 하여, 라플라스 변환필터(11)가 상기 회전축(13) 주위로 일정한 각속도로 회전할 때에, 광축(16) 상에서 감쇠체(14)의 층 두께는 리니어하게 변화된다. 즉, 감쇠체(14)는 입사 스펙트럼의 광축(16) 상에서의 층 두께, 즉 질량이 라플라스 변환필터(11)의 회전에 수반하여 광축(16)과 교차하는 방향에서 리니어하게 연속적으로 변화되도록 설치된다.
여기서, 라플라스 변환필터(11)를 회전 구동시키는 상기 모터(19)는 질량변경수단에 상당한다. 이 실시형태에서는 질량변경수단으로써 상기 모터(19)를 사용하였으나, 상기 모터(19)에 한정되는 것은 아니고, 다른 구동원으로 치환할 수도 있다. 모터(19)에 의한 라플라스 변환필터(11)의 회전속도는 정속도일 수도 있고, 가변속도일 수도 있으나, 후의 연산 처리를 간단히 하기 위해서는 정속도가 바람직하다.
또, 도 1에 도시한 바와 같이 감쇠체(14) 내에는 상기 회전축(13) 상의 광축 상에 핀홀(21)이 설치되어 있다. 도시하지 않은 광원으로부터 입사하는 전자파로서의 X선 스펙트럼은 핀홀(21)에 의해 조여져서 상기 검출 소자(15)에 입사한다. 상기 핀홀(21)은 검출 소자(15) 상에 화상 형성하기 위한 것이다. 화상 형성이 필요하지 않은 경우에는 핀홀(21)을 생략할 수 있다.
검출 소자(15)는 예를 들면 반도체 검출기로 이루어지고, 구체적으로는 X선 검출기로서 일반적인 CCD(Charge Coupled Device)로 이루어진다. 여기서, 본 실시형태에서는 검출 소자(15)에 냉각 설비를 설치하지 않은 무냉각 검출수단에 상당한다. 본 실시형태에서는 검출수단에 이 냉각 장치를 갖지 않는 점이 종래의 에너지 분해 기술과 다르다.
예를 들면 종래 기술의 초전도 검출기는 광자 1개의 에너지를 온도 상승으로 변환하였다. 이 때문에, 종래의 초전도 검출기는 열 노이즈를 피하기 위해, 환경온도를 초저온으로 할 필요가 있다. 이 때문에, 종래의 초전도 검출기는 액체헬륨 등에 의한 냉각 설비가 필요하다. 그러나, 본 실시형태에서는 이러한 대규모 냉각 설비는 필요로 하지 않는 점에 특징이 있다.
연산장치(17)는 컴퓨터로 이루어지고, 검출 소자(15)가 검출, 즉 측정한 입사 스펙트럼의 투과 강도를 입력한다. 본 실시형태에서는 회전축(13)이 1회전, 즉 360°회전하는 시간을 분광 시간, 즉 검출 시간으로 한다. 따라서, 본 실시형태의 분광 장치는 이 분광 시간으로 1회전하여 2회 분광할 수 있다.
연산장치(17)는 이 분광 시간에 검출한 입사 스펙트럼의 투과 강도를 역 라플라스 변환하여, 라플라스 변환필터(11)에 입사된 입사 스펙트럼의 입사 강도(I0(E))를 상기 실용식인 수학식 6을 이용하여 연산하고, 산출한 결과인 입사 스펙트럼의 강도를 표시장치(18)에 표시한다.
본 실시형태의 경우, 특성 X선 스펙트럼의 강도를 연산하기 위해, 도시하지 않은 키보드 등의 입력장치로, 연산장치(17)에 흡수계수(α(E)) 및 에너지(E)가 입 력된다. 에너지(E)에 대해서는, 구체적으로 에너지(E)에 대한 흡수계수(α(E))를 알고 있는 에너지 영역에서 자유롭게 선택 입력할 수 있으며, 예를 들면 구리를 이용하여 1 keV에서 9 keV까지의 특성 X선을 10 eV 마다 분광하고자 하는 경우, E = {1010, 1020, 1030, ……, 9000}을 입력한다. 이렇게 하여, 측정하고자 하는 스펙트럼의 에너지(E) 영역이 미리 입력된다.
그리고, 상기한 바와 같이 구성된 분광 방법 및 분광 장치(10)는 하기의 특징이 있다.
(1) 본 실시형태의 분광 방법에서, 제 1 단계는 특성 X선의 입사 스펙트럼을 라플라스 변환필터(11)에 입사하고, 상기 입사 스펙트럼의 강도를 라플라스 변환한다. 다음 제 2 단계는, 라플라스 변환필터(11)를 투과하고, 라플라스 변환된 입사 스펙트럼을 수광하여, 이 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출 소자(15)(검출수단)로 검출한다. 이어지는 제 3 단계에서는, 상기 검출된 스펙트럼의 투과 강도를 역 라플라스 변환하여, 라플라스 변환필터(11)에 입사된 입사 스펙트럼의 입사 강도(I0)를 산출한다.
이 결과, 본 실시형태의 분광 방법에서는 특성 X선의 입사 스펙트럼을 폭넓게 포착할 수 있다. 또, 본 실시형태의 분광 방법은 전자 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목되는 특정 입자선, 전자파 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체 구성 원자의 반도에 대하여 내성이 있으며, 검출수단의 방사 피폭에 대해서도 종래의 에너지 분해 기술에 비해 강한 내성을 갖는 분광 기능이 열화되기 어려운 효과가 있다.
(2) 본 실시형태의 분광 방법에서, 라플라스 변환필터(11)는 자체 질량에 따라 입사 스펙트럼을 감쇠, 즉 흡수하는 감쇠체(14)를 포함하도록 구성되어 있다. 또, 제 2 단계에서는 입사 스펙트럼의 광축(16) 상의 감쇠체(14)의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시키는 모터(19)(질량변경수단)에 의해 변경시킨다.
이 결과, 모터(19)에 의해 라플라스 변환필터(11)를 검출 소자(15)에 대하여 시간적으로 연속적으로 상대적으로 이동함으로써, 입사 스펙트럼의 광축(16) 상의 감쇠체(14)의 질량을 연속적으로 리니어하게 변화시킬 수 있다. 이 감쇠체(14)의 질량을 연속적으로 리니어하게 변화시킴으로써 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있다.
본 실시형태의 분광 방법에서, 모터(19)(질량변경수단)에 의해 입사 스펙트럼의 광축(16) 상의 감쇠체(14)의 두께, 즉 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시켜서 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있다.
(3) 본 실시형태의 분광 방법에서는, 감쇠체(14)의 입사 스펙트럼의 광축(16) 상에서의 층 두께, 즉 질량이 이 광축(16)과 교차하는 방향에서 리니어, 즉 연속적으로 변화되도록 설치되어 있다. 그리고, 모터(19)(질량변경수단)가 라플라스 변환필터(11)를 검출 소자(15)(검출수단)에 대하여 광축(16)과 교차하는 방향으로 상대적으로 이동시킨다. 이 결과, 입사 스펙트럼을 바람직하게 라플라스 변환할 수 있다.
(4) 본 실시형태의 분광 장치(10)는 입사 스펙트럼의 강도를 라플라스 변환하는 라플라스 변환필터(11)와, 상기 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출하는 검출 소자(15)와, 검출된 입사 스펙트럼의 투과 강도를 역 라플라스 변환하여, 라플라스 변환필터(11)에 입사된 입사 스펙트럼의 입사 강도(I0)를 산출하는 연산장치(17)를 구비한다.
이 결과, 본 실시형태의 분광 방법은 특성 X선의 입사 스펙트럼을 폭넓게 포착할 수 있다. 또, 본 실시형태의 분광 방법은 전자 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목하는 특정 입자선, 전자파 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체구성 원자의 반도에 대하여 내성이 있으며, 검출수단의 방사 피폭에 대해서도 종래의 에너지 분해 기술에 비해 강한 내성을 갖는 분광 기능이 열화되기 어려운 효과가 있다.
(5) 본 실시형태의 분광 장치(10)는 X선의 입사 스펙트럼을 폭넓게 포착할 수 있고, 특히 다른 물질의 특성 X선을 동시에 측정할 수 있다. 또, 본 실시형태의 분광 장치(10)는 전자 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목되는 특정 입자선, 전자파 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체구성 원자의 반도에 대하여 내성이 있고, 검출수단의 방사 피폭에 대해서도 종래의 에너지 분해 기술에 비해 강한 내성을 갖는 분광 기능이 열화되기 어려운 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다.
(6) 본 실시형태의 분광 장치(10)는 모터(19)(질량변경수단)에 의해 입사 스펙트럼의 광축(16) 상의 감쇠체(14)의 층 두께, 즉 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시켜서 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있는 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다.
(7) 본 실시형태의 분광 장치(10)는 감쇠체(14)의 입사 스펙트럼의 광축(16) 상에서의 층 두께, 즉 질량이 광축(16)과 교차하는 방향에서 리니어하게 변화되도록 설치되고, 모터(19)(질량변경수단)가 라플라스 변환필터(11)를 검출 소자(15)(검출수단)에 대하여 광축(16)과 교차하는 방향으로 상대적으로 이동시킨다. 이 때문에, 본 실시형태의 분광 장치(10)는 입사 스펙트럼을 라플라스 변환할 수 있는 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다.
(8) 본 실시형태의 분광 장치(10)는 핀홀(21)에 의해 투과광이 검출 소자(15)(검출수단)에 결상되도록 함으로써, 결상된 화상을 검출 소자(15)로 검출할 수 있다.
(9) 본 실시형태의 분광 장치(10)는 검출 소자(15)를 냉각하지 않고 투과광을 검출할 수 있기 때문에 냉각 장치가 필요하지 않아, 분광 장치(10)의 비용 절감 및 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(10) 본 실시형태에서, 라플라스 변환필터(11)는 모터(19), 즉 구동원에 의해 회전시킴으로써 1회전으로 2회 분광할 수 있다. 따라서, 이 회전속도, 즉 각속도를 제어함으로써 시간 분해능을 향상시킬 수 있다. 또, 라플라스 변환필터(11)의 분광 성능으로는 상기 시간 분해능과, 원소의 특성 X선을 구별할 수 있는 에너지 분해능을 양립하여 확보할 수 있다.
여기서, 실제 계산예에 대해 설명한다.
(계산예)
입사 스펙트럼은 전술한 바와 같이 수학적 엄밀해인 수학식 6을 이용하여 구 할 수 있다. 그러나, 실제 해석은 계산기를 이용한 유한영역에서의 수치연산이 되기 때문에, 수학식 6의 무한영역의 적분을 실행할 수는 없다. 이 때문에, 유한영역에서의 수치해석을 구현하기 위해, 수학식 6 대신 적분영역을 유한화할 수 있는 수학식 15를 이용한다. 수학식 6과 수학식 15는 수학식 16과 같이, 연산 영역의 파라미터(σ)가 0인 경우 수학적으로 동등해진다. 여기서 "σ"은 연산 영역을 결정하기 위한 파라미터이며, σ = 0은 연산 영역이 무한한 것을 의미한다.
Figure 112009069949785-pct00015
Figure 112009069949785-pct00016
여기서 입사 스펙트럼(F(E))을 델타함수(δ(E-E0))로 나타내면, 수학식 17이 수득된다. 해석 결과 σ의존성을 스펙트럼이 판명한 입사광을 이용하여 구하면 수학식 18이 된다.
Figure 112009069949785-pct00017
Figure 112009069949785-pct00018
Figure 112009069949785-pct00019
연산 영역의 파라미터(σ)를 0으로 하면, 수학식 18에서 수학식 20이 수득된다.
Figure 112009069949785-pct00020
나아가, X가 단조감소 또는 증가인 경우, 수학식 20에서 수학식 21이 수득되며, I0(E)는 수학식 17에서 나타내는 F(E)와 동등해진다.
Figure 112009069949785-pct00021
전술한 바와 같이, σ = 0은 연산 영역이 무한한 것을 의미하나, 연산 영역을 유한하게 함에 따른 해석 결과(Iσ(E))의 입사 스펙트럼(F(E))과의 차이는 수학 식 18에 의해 평가할 수 있다. σ = 0.01로 하면 연산 영역은 ±500이 된다(도 4 참조).
σ = 0.01로 하여 일반적인 PC에 의해 해석한 결과는 도 5에 도시된다. 도 6은 도 5의 5000 eV 부근의 확대도이다. 입사 스펙트럼으로는 선폭이 무한히 좁고 강도는 동등한 5010 eV와 7010 eV의 2개의 선스펙트럼을 상정하였다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, σ을 유한하게 하여 해석 영역을 유한하게 한 결과, 해석 후의 선폭이 유한화되는 것을 알 수 있다. 선폭이 유한화되는 것은 수학식 18의 exp[-(X/σ)2]항에서 발생한다. 여기서, 연산 영역의 파라미터(σ)를 지나치게 크게 하면, 수학식 18의 exp(X/c)항에 의해, 해석 결과는 입사선 스펙트럼의 에너지나 강도 모두 재현하지 않는 것을 알 수 있다(도 7 참조).
해석 결과의 선폭 및 에너지 위치와 흡수계수의 관계는 수학식 18에서 구할 수 있다. 수학식 18의 피적분 함수를 수학식 22와 같이 Kσ(E)로 하여, X를 E-E0 주위에서 테일러 전개하면 수학식 23이 수득된다.
Figure 112009069949785-pct00022
Figure 112009069949785-pct00023
유한해석에 의해 생긴 선폭의 판독 오차를 △E로 하면, 수학식 23의 가우스 함수의 항에서 수학식 24가 되는 것을 알 수 있다.
Figure 112009069949785-pct00024
본 계산예에서, X선 영역에서의 물질의 흡수계수는 α(E) = aE-b가 되고, 니켈을 감쇠체로 한 경우에는 b = 2.63이 된다. 따라서, β(E) = -b/E가 되므로 σ = 0.01로 하면 E/△E = 263이 된다. 즉, 흡수계수의 에너지에 대한 상대적 변화와 수치연산을 수행하는 범위로부터 판독의 상대 오차를 얻을 수 있다. 단, 수학식 24의 판독 상대 오차는 수치연산에 의한 한계값이며, 그 한계값을 구현하려면 스펙트럼 폭이 매우 좁은 고분해능 단색광원으로 교정실험을 수행하는 것이 바람직하다.
종래의 에너지 연속 가변 단색광원의 분해능은 E/△E = 8000 정도로, 본 계산예에 의한 해석을 일반적인 PC로 수치연산할 때의 분해능보다도 1자리수 이상 커서, 실제로 교정실험을 수행하는 것이 가능하다. 도 5는 라플라스 변환필터(11)에 의해 광자인 입사 스펙트럼을 라플라스 변환하였을 경우를 상정했을 때의 계산예를 도시한 것이다. 도면에서 가로축이 광자 에너지, 세로축이 스펙트럼 강도이다.
이 계산예는 5010 eV와 7010 eV에 있는 무한히 좁은 강도가 동등한 2개의 선스펙트럼에 대한 것이다. 즉, 도 5에서 분해능에 상당하는 선폭은 40 eV이다. 따라서, 검출 소자(15)는 광자수를 측정하는 것을 전제로 하므로, 검출효율(f(E))은 1로 한다. 실제 계산에서는 적분이 유한합이 되기 때문에, 엄밀하게는 완전한 간섭에 의해 소멸되어야 할 선스펙트럼이 없는 영역에서 강도가 남는 경우가 있다.
상기 계산예의 계산 조건으로는 0 keV와 10.0 keV 사이를 균등 100분할, 필터 감쇠체의 층 두께를 균등 10000분할로 하고 있다.
(제 2 실시형태)
본 실시형태는 제 1 실시형태의 하드 구성은 거의 동일하기 때문에, 동일 구성 또는 대응하는 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여한다.
제 2 실시형태는 감쇠체의 흡수계수가 전자파, 입자선의 편극에 대하여 의존성을 나타내는 경우에 있어서의 입사 스펙트럼의 편극 성분을 구하는 실시형태이다.
직선편광의 경우, 도 19에 나타내는 바와 같이 광의 진행 방향, 즉 광축에 대하여 수직편광과 수평편광이 있으며, 이 성분을 편극으로서 측정할 수 있다. 또, 원편광의 경우, 도 20에 나타내는 바와 같이 광의 진행 방향, 즉 광축을 중심으로 하여 오른방향 회전 및 왼방향 회전이 있고, 이 오른방향 회전 및 왼방향 회전의 성분을 편극으로서 측정할 수 있다. 입자선의 경우, 도 21에 나타내는 바와 같이 자기장을 건 상태에서, 입사하는 입자(250)의 상향 스핀 및 하향 스핀의 확률을 추정할 수 있다.
자기장 부여 수단은 영구자석이나 또는 전자석으로 구성할 수 있다. 도 22 및 도 23은 입사 광자의 예를 나타내고 있다.
도 22에 나타낸 바와 같이, 입사측을 N으로 하고 출사측을 S로 하는 자기장을 형성하도록 자기장 부여 수단을 배치하여 입사 스펙트럼의 광축(16)과 동일한 방향으로 자기장을 인가시킬 수 있다.
또, 도 23에 나타낸 바와 같이, N, S가 입사 스펙트럼의 광축(16)과 수직이 되도록 자기장 부여 수단을 배치하여 자기장을 상기 광축(16)에 수직하게 인가시킬 수 있다.
전술한 광축(16)에 대하여 자기장, 즉 일정 자기장이 걸리는 방향, 즉 광축과 동일한 방향 및 광축(16)에 수직인 방향은 청구항 5, 청구항 10에서의 소정 방향에 상당한다.
이 때문에, 제 2 실시형태에서는 전자파, 입자선의 편극에 대하여 의존성을 나타내는 강자성체로서의 니켈이 감쇠체(14)로서 기체(12)에 증착된다. 감쇠체(14)의 층 두께는 제 1 실시형태와 동일하게 형성된다. 강자성체로는 니켈 이외에 가돌리늄 등을 들 수 있으며, 물론 니켈, 가돌리늄 이외의 강자성체를 대신할 수도 있다.
그리고, 제 2 실시형태에서는, 연산장치(17)가 검출 소자(15)에 의해 검출된 투과 강도(J±(t))에 기초하여 수학식 11을 사용하여 편극 스펙트럼을 산출한다. 연산장치(17)는 편극 스펙트럼 강도 연산 수단에 상당한다.
수학식 11은 수학식 12 ~ 14에 기초한 것으로, 수학식 11에서 역 라플라스 변환, 즉 실용적으로는 멜린 변환이 수행된다. 또, 투과 강도(J±(t))는 입사 강도의 라플라스 변환식이며, 그것을 나타내는 것이 수학식 14이다.
그리고, 제 2 실시형태도 제 1 실시형태와 동일하게, 도시하지 않은 입력장치로 연산장치(17)에 흡수계수(α(E)) 및 측정하고자 하는 스펙트럼의 에너지(E)의 영역이 미리 입력된다.
(편극 측정의 극성반전 방법에 대해)
여기서, 편극 측정의 극성반전 방법에 대해 설명한다.
도 22에 나타내는 바와 같이 입사광자의 진행 방향, 즉 광축(16)과 동일한 방향 또는 도 23에 나타내는 바와 같이 입사광자의 진행 방향, 즉 광축(16)에 수직방향으로 일정 자기장을 걸어서, 강자성체인 감쇠체(14)를 자화시켜 1회째의 라플라스 변환을 수행한다. 그 후, 상기 일정 자기장의 자기장 강도를 일정하게 유지하면서 그 자기장의 방향을 180°반전하여 2회째의 라플라스 변환을 수행한다. 그들 결과는 극성이 반전되어 수학식 14의 J±(t)를 얻을 수 있다. 이 경우의 입사광자는 예를 들면 입자선, X선을 제외한 다른 광자를 의미한다. 이 경우, 입사광자의 광축과 동일한 방향으로 일정 자기장을 걸었을 경우, 도 22에 나타내는 바와 같이 자기원 이색성에 의한 원편광을 특정할 수 있다. 여기서, 극성반전은 180°자기장 반전이다. 1회째와 2회째의 분광 중에는 입사 스펙트럼 강도가 일정하여야 한다. 또, 도 23에 나타내는 바와 같이 입사광자의 광축에 수직방향으로 일정 자기장을 걸었 을 경우, 자기선 이색성에 의한 직선편광을 특정할 수 있다.
수직편광과 수평편광의 비율을 확인하고자 하는 경우, 자기장 반전의 예외로서 하기와 같이 수행한다.
(자기장 반전의 예외)
자기선 이색성의 이용에 따라 수직편광과 수평편광을 구별하여 분광할 수 있다. 또한, 도 19에 나타내는 바와 같이 상기 수직편광과 수평편광은 편광면이 90°어긋나 있다.
우선, 도 23에 나타내는 바와 같이, 입사 스펙트럼의 진행 방향, 즉 광축에 수직방향에 일정 자기장을 걸어, 강자성체인 감쇠체를 자화시켜 1회째의 라플라스 변환을 수행한다. 그 후, 상기 일정 자기장의 자기장 강도를 일정하게 유지하면서 자기장의 방향을 광축을 중심으로 90°회전하여 2회째의 라플라스 변환을 수행한다. 그들 결과는 극성이 반전되어 수학식 14의 J±(t)를 얻을 수 있다. 1회째와 2회째의 분광 중에는 입사 스펙트럼 강도가 일정하여야 한다.
이렇게 하여, 감쇠체(14)로서 강자성체인 니켈을 이용하면 자기원 이색성 또는 자기선 이색성에 의한 편광 특정이 가능해진다.
그리고, 상기한 바와 같이 구성된 분광 방법 및 분광 장치(10)는 하기의 특징이 있다.
(1) 제 2 실시형태의 분광 방법은 제 4 단계에서, 감쇠체(14)의 흡수계수(α(E))가 전자파, 입자선의 편극에 대하여 의존성을 나타내는 경우, 편극 성분의 각각을 구하도록 되어 있다. 이 때문에, 전자파, 입자선의 편극에 대하여 의존성을 나타낼 경우, 편극 성분의 각각을 구할 수 있다.
(2) 제 2 실시형태에서는, 감쇠체(14)의 흡수계수(α(E))가 전자파, 입자선의 편극에 대하여 의존성을 나타낼 경우, 편극 성분의 각각을 구할 수 있는 전자파-입자선 분광 장치를 제공할 수 있다.
(응용예)
다음에, 응용예를 도 8 ~ 11을 참조하여 설명한다.
응용예로는 핵융합 과학연구소의 대형 헬리컬 장치에서의 X선 계측을 들 수 있다. 도 8은 불순물 입자의 수송 평가를 목적으로 한 분광 장치(10)의 모식적 배치도이다. 상기 제 1 실시형태와 동일 구성에 대해서는 동일한 부호를 부여한다. 그리고 응용예에서는 검출 소자(15)로서 1차원 반도체 어레이, 즉 1차원 다소자형 검출기를 채용하였다. 도면 중 "22"는 연산장치(17)에 접속된 기억장치이다.
도시하지 않은 대형 헬리컬 장치의 플라즈마는 특성 X선의 휘도가 높고, 검출 소자(15)의 1차원 다소자형 검출기를 이용하면 분광 장치(10)로서 에너지 분해능, 공간 분해능 및 시간 분해능이 동시에 양립하여 수송 평가를 수행할 수 있다. 도 8에 있어서, 도시하지 않은 대형 헬리컬 장치에는 가열 장치로 가열되는 플라즈마(P)에 대하여 아르곤 등의 불순물을 입사하기 위한 불순물 입사장치(25)가 설치된다.
이 응용예에서는 분광 장치(10)의 측정으로, X선 스펙트럼 공간분포의 시간변화가 측정되고, 그 결과를 불순물 수송의 평가에 이용할 수 있다. 또, 플라즈 마(P)는 원환면(torus) 모양이며, 단면 중심에서 최외각을 향한 지름방향을 따라 수송 분포를 평가할 수 있다.
도 9 ~ 11은 종래 방법에 의해 수득된 데이터이다.
도 9는 대형 헬리컬 장치의 전형적인 플라즈마로부터 방사되는 아르곤 특성 X선(3.2 keV)의 휘도지름 분포이다. 가로축은 규격화된 플라즈마의 지름좌표이며, 0이 플라즈마 중심, 1이 플라즈마 최외각에 상당한다. 1.5 s시에 플라즈마(P) 중에 입사된 아르곤 기체는 플라즈마(P)의 최외각에서 서서히 플라즈마(P)의 중심을 향하여 확산되어 간다. 측정 중의 전자온도분포는 일정하고, X선 강도는 아르곤 절대량에 비례한다. 여기에서 "지름"이란 원환면 모양의 플라즈마(P)의 단면중심에서 최외각을 향하는 좌표이다. 도 9와 같이 가장 강도가 강한 경우의 X선 휘도는 1012 photons/㎤/s에 육박하고, 에너지 분해능을 150 eV로 하면 시간 분해능을 10 msec정도로 할 수 있다.
도 10은 대형 헬리컬 장치의 전형적인 플라즈마로부터 방사되는 X선 스펙트럼이며, 종래의 반도체 X선 펄스 파고분석기로 측정한 것이다.
대형 헬리컬 장치에서 발생하는 전형적인 플라즈마로부터 방사되는 2.5 keV에서 10 keV까지의 X선 스펙트럼을 K로 나타낸다. 전자의 제동 방사에 의한 연속 스펙트럼 이외에 플라즈마에 불순물로서 포함되는 천이금속과 아르곤의 특성 X선이 측정된다. 특히 원자 번호가 두개 차이 나는 천이금속 Cr, Fe의 특성 X선은 서로 1 keV 정도 떨어져 있다.
종래는, 검출기로서 반도체 X선 펄스 파고분석기를 이용하여, 계수율에 한계가 있기 때문에, 두께 t1 ㎜ 베릴륨 평판 필터와 0.5 ㎜의 직경을 갖는 핀홀을 구비한 판을 광축상 직렬로 서로 사이를 두어 2개 나열함으로써 콜리미터로써 사용하여 입사광의 강도를 현격하게 떨어뜨린다. 도 10중, FL은 베릴륨 평판 필터의 투과율을 나타낸다. 베릴륨 평판 필터의 흡수계수로 보정하면 실제의 아르곤 특성 X선 강도는 Fe(철)과 비교하여 2자리수 정도 크다. 도 10의 경우, 500 eV의 에너지 분해능에서 원자 번호가 서로 이웃하는 천이금속의 특성 X선을 충분히 구별할 수 있다.
도 11은 정량적 수송 평가에 필요한 입자 플라즈마(P)의 최외각으로부터 플라즈마(P)의 지름방향의 각 지점에 도달할 때까지의 시간분포이다. 도면에 있어서, 가로축이 공간축, 세로축이 시간축이며, 측정 장치는 에너지 분해능 이외에 공간 분해능과 시간 분해능이 동시에 양립되어야 하는 것을 알 수 있다. 도 11에 나타내는 바와 같이 플라즈마(P)의 지름에 대하여 포물선상의 의존성을 나타낸다. 플라즈마(P)의 최외각에 가까울수록 전자온도가 낮고 특성 X선 강도가 약하기 때문에 측정정밀도가 저하되는 것을 확인할 수 있다.
여기서, 수송 평가란 확산계수와 대류속도를 구하는 것인데, 그들이 도달 시간의 경사에 의존하기 때문에, 도 11과 같이 공간, 시간에 대하여 다수의 측정점이 필요하다.
종래는 X선 펄스 파고분석기를 이용하여 수송 평가를 수행했기 때문에 시간 분해능과 공간 분해능이 양립되지 않고, 동일 방전 조건의 플라즈마를 10회 정도 실시하여 도달 시간의 지름분포를 측정한다. X선 펄스 파고분석기의 경우, 계수율의 한계로 전자의 제동 방사 강도가 특히 강한 저에너지측의 스펙트럼 강도를 베릴륨 평판 필터로 내려야 한다. 도 10에 도시한 바와 같이 아르곤 특성 X선은 3.2 keV로 에너지가 낮고, 강도는 2자리수 내려간다. 실제로 도 11의 SN비는 X선 펄스 파고분석기의 계수율 부족으로 1/10, 즉 1/100 평방근이 된다.
응용예의 분광 장치(10)는 라플라스 변환 필터를 이용하기 때문에, 적어도 입사 강도를 내리는 평판 필터는 필요없고, X선 펄스 파고분석기의 10배, 즉 100 평방근의 SN비 이상으로 수송 평가를 수행할 수 있다.
특히 플라즈마 주변부에서의 수송 해석 정밀도가 향상된다. 또, 고시간분해의 다소자형 검출기를 이용하면 1회 방전으로 수송 평가를 수행할 수 있다.
(라플라스 변환 필터의 작성 방법)
다음에, 라플라스 변환 필터의 작성 방법을 도 12를 참조하여 설명한다.
도 12에 나타낸 바와 같이, 여기에서의 라플라스 변환 필터는 원반형 증착 기반(31)을 베이스로 사용한다.
초고진공 챔버(100)는 상부에 도시하지 않은 모터에 의해 회전 구동되는 기판냉각 홀더(110)를 구비하는 동시에 초고진공에 도달하는 진공처리가 가능하게 이루어져 있다. 또, 초고진공 챔버(100)는 내부의 내용물을 추출가능한 에어록(120)을 구비하고 있다. 초고진공이란, 예를 들면 10-8 Pa에 달하는 진공분위기이다.
원반형 증착 기반(31)은 초고진공 챔버(100) 내의 기판냉각 홀더(110)에 지 지된 상태로 하는 동시에, 원반형 증착 기반(31)의 반원부분을 셔터(40)로 가려서 숨긴 상태로 한다. 그리고, 오퍼레이터는 원반형 증착 기반(31)의 중심을 회전 중심으로 하여 일정 속도로 기판냉각 홀더(110)를 도시하지 않은 모터를 구동하여 반회전시킨다. 이 때 모터의 회전 구동의 제어는 증착용 구동 제어장치(150)에 의해 수행된다.
이 반회전 중에 초고진공 챔버(100) 내에 설치된 전자빔 증착로(130)에서 증발한 천이금속이 셔터(40)로 가려지지 않은 부분에 증착됨으로써, 증착 두께가 상기 회전한 방향에서 연속적으로 변화되는 라플라스 변환 필터가 작성된다. 즉, 원반형 증착 기반(31)의 반원부분에서 증착 두께가 상기 회전한 방향에서 연속적으로 변화되는 부분이 형성된다.
완성된 라플라스 변환 필터의 감쇠체의 층 두께가 가장 얇은 지점과 가장 두꺼운 지점은 회전 방향에서 180°이간되어 있기 때문에, 이 라플라스 변환 필터는 1회전, 즉 360°회전으로 2회 분광할 수 있다. 가장 두꺼운 증착 두께는 천이금속을 재료로 할 경우 100㎛ 단위이다.
증착재로는 천이금속의 특성 X선 스펙트럼을 측정할 경우, 1 keV에서 9 keV 사이에 흡수단이 없는 구리가 최적이나, 구리에 한정되는 것은 아니다.
(라플라스 변환 필터의 실시예)
이하, 라플라스 변환 필터의 실시예를 설명한다.
도 13은, X선의 검출기로서, 20 keV 이상의 경X선에 감도가 있는 펠티에 냉각 사양의 일반적인 경X선을 이용한 화상으로, 피사체는 LHD 플라즈마를 X선 광원 으로 하여 촬상한 것이며 비교예가 된다.
도 14는 비교예와 동일한 피사체를 라플라스 변환 필터를 통하여 촬상한 것의 화상이다.
이 실시예에서의 플라즈마 광원의 20 keV 이상의 경X선 강도는 원래 약하며, 데이터는 필터가 두꺼워짐에 따라 투과 강도가 감소하는 것을 나타내고 있다. 그러나, 반대로 강도가 낮은 신호라도 전혀 전자 노이즈, 방진 대책을 실시하지 않았음에도 불구하고 안정적으로 공간 분해능이 양립하는 X선 스펙트럼 계측이 가능함이 확인되었다.
실시예의 라플라스 변환 필터의 크기는 50 × 30 ㎟ 라플라스 변환 필터로 하고, 감쇠체는 알루미늄을 사용하여 절삭에 의해 작성된 것이다. 이 경우의 감쇠체의 두께는 50 ㎛ ~ 500 ㎛이다.
또, 도 13, 도 14 에 있어서, 좌우에 촬상된 세로선은 플라즈마를 보기 위한 창의 프레임이다.
(제 3 실시형태)
다음에, 제 3 실시형태를 도 15를 참조하여 설명한다. 또, 본 실시형태를 포함하여 이하의 실시형태에서는 라플라스 변환 필터의 구성이 달라지기 때문에, 제 1 실시형태와 동일 구성에 관해서는 동일한 부호를 부여하여 그 설명을 생략한다. 또, 본 실시형태를 포함하여 도 15 ~ 도 17에서는 설명의 편의상, 표시장치(18)는 생략된다.
라플라스 변환 필터(60)는 감쇠체로서의 액체(64)를 수용하는 패키지(62)를 구비하고 있다. 패키지(62) 형상은 직방체, 입방체, 또는 원통 등의 단면형상이 높이 방향으로 동일한 형상이 바람직하다. 그리고, 패키지(62) 내에는 액체(64)가 펌프(66)를 통해 매초 일정 유량의 유입이 가능하다.
감쇠체로서의 액체(64)는 갈륨 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시형태에서 분광 시간은 패키지(62) 내에 높이 0부터 소정 높이까지 액체(64)가 도달할 때까지의 시간으로 한다. 이 시간 중에, 입사 스펙트럼의 강도가 라플라스 변환된다. 제 3 실시형태에서는 펌프(66)가 질량변경수단에 상당한다. 또, 연산장치(17)에서의 연산은 제 1 실시형태와 동일하므로 설명을 생략한다. 이 경우, 실용식인 수학식 6, 7, 8, 및 9에 있어서, "t"를 감쇠체의 두께 대신, 감쇠체인 액체의 깊이로 대체할 수 있다.
(제 4 실시형태)
다음에, 제 4 실시형태를 도 16을 참조하여 설명한다.
라플라스 변환 필터(70)는 감쇠체로서의 기체(74)를 밀봉하는 패키지(72)를 구비하고 있다. 패키지(72)의 형상은 바닥벽이 평판으로 직방체, 입방체, 또는 원통 등의 단면형상이 높이 방향으로 동일한 것이 바람직하다. 패키지(72)는 기실에 상당한다. 그리고, 패키지(72) 내에는 감쇠체로서의 기체(74)가 펌프(76)를 통해 매초 일정 유량의 유입이 가능하다. 펌프(76)는 압력가변수단에 상당한다.
감쇠체로서의 기체(74)로는 아르곤 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시형태에서 분광 시간은 패키지(72) 내에 압력이 저압에서 소정 압력까지 고압이 될 때까지, 기체(74)가 달할 때까지의 시간으로 한다. 이 시간 중에 입사 스펙트럼의 강도가 라플라스 변환된다. 제 4 실시형태에서는, 펌프(76)가 질량변경수단에 상당한다. 또, 연산장치(17)에서의 연산은 제 1 실시형태와 동일하므로 설명을 생략한다. 이 경우, 수학식인 실용식 6, 7, 8, 및 9에서, "t"를 감쇠체의 두께 대신, 감쇠체의 질량, 즉 밀도로 대체할 수 있다.
(제 5 실시형태)
다음에, 제 5 실시형태를 도 17을 참조하여 설명한다. 본 실시형태는, 공간 1차원 방향으로 강도가 똑같은 광원의 경우를 상정한 것이다.
즉, 1차원 방향으로 감쇠체(14)의 질량이 연속 변화하도록 도 17 에 나타내는 바와 같이 단면이 삼각형인 감쇠체(14), 즉 정지형 광학소자를 작성해도 에너지축을 감쇠체(14)의 두께 치수축으로 변환할 수 있다. 기체(12)는 본 실시형태에서 전자파-입자선이 통과 가능한 재질의 평판이다.
또, 검출수단으로는 상기 1차원 방향으로 배치된 1차원 반도체 어레이로 이루어진다. 이렇게 구성된 분광 장치(10)는 제 1 실시형태와 달리, 라플라스 변환필터(11)를 회전시키지 않기 때문에, 분광 시간은 매우 짧은 시간에서 스펙트럼 강도를 측정할 수 있다.
그리고, 상기 실시형태를 다음과 같이 변경할 수 있다.
○ 제 1 실시형태에서는, 검출 소자(15)를 단수로 하였으나, 검출 소자(15)를 라플라스 변환필터(11)의 후방에 많이 배치하면, 공간 분해능, 제 1 실시형태의 (10)에서 서술한 시간 분해능, 에너지 분해능도 모두 합친 능력을 얻을 수 있다.
또, 검출 소자(15)를 라플라스 변환필터(11)의 후방에 많이 배치하면, 광원강도가 제 1 실시형태와 동등할 경우, 에너지 분해와 시간 분해능은 길항한다.
○ 또, 예를 들면 대형 헬리컬 장치에서 발생시킨 플라즈마로, 휘도 1012photons/㎤/s의 플라즈마 X선 광원으로 할 경우, 검출 소자(15)의 직경 0.5㎜, 시선의 각도확산 1.0 × 10-6 스테라디안으로 하면, 플라즈마 적도면에서의 시선의 확산은 12㎜에 상당하게 된다.
그리고, 직경 150 ㎜의 원반 라플라스 변환 필터를 설치하여, 원반중심을 회전중심으로 하여 도시하지 않은 모터로 회전시키도록 하고, 이 원반의 반원면에 회전 방향으로 감쇠체를 리니어하게 층 두께가 변화되도록 증착한다. 그리고, 이 라플라스 변환 필터를 20 msec 주기, 즉 1회전으로 2회 분광할 수 있게 하여 회전시키면 에너지 분해능은 150 eV가 되고, 시간 분해능으로서 10 msec 마다 스펙트럼 측정을 할 수 있다.
도 1의 실시형태에서는, 라플라스 변환필터(11)를 회전시키고, 검출 소자(15)를 고정하였으나, 라플라스 변환필터(11)를 고정하고, 검출 소자(15)와 도시하지 않은 광원을 일정한 각속도로 동기하여 회전시키도록 할 수도 있다.
도 1의 실시형태에서는 X선 스펙트럼의 분광을 수행하기 위한 분광 장치(10)로서 설명하였으나, 중성자선 등의 입자선의 분광을 수행하기 위한 분광 장치로 기능하기 위해서 감쇠체의 재질을 변경할 수 있다. 예를 들면 감쇠체로 고체의 경우 붕소를 사용하거나, 또는 감쇠체로 기체의 경우 수소를 사용함으로써, 중성자선 등의 입자선의 분광을 수행할 수 있다.
이 경우의 전자파-입자선 분광방법에 의하면, 입사 스펙트럼 강도를 제한할 필요가 없기 때문에, 고계수율로 할 수 있다. 또, 전자 노이즈, 진동, 대음향, 열 및 주목되는 특정 입자선 이외의 입자선, 전자파에 의해 발생하는 전기적 잡음, 기계적 파괴 및 고체구성 원자의 반도에 대하여 내성이 있고, 검출수단의 방사 피폭에 대해서도 종래의 에너지 분해 기술에 비해 강한 내성을 갖는 분광 기능이 열화되기 어려운 효과가 있다.
도 1의 상기 실시형태에서는, 검출 소자(15)에 냉각 장치를 설치하지 않도록 했으나, X선 검출기로서 펠티에 냉각 사양의 일반적인 CCD를 사용할 수도 있다. 그러나, 냉각 장치로서 대규모 냉각 장치를 필요로 하지 않는다.
제 3 실시형태에서는, 패키지(62) 내에서 액체(64)를 증량하도록 펌프(66)를 구동하였으나, 패키지(62) 내에 소정 높이까지 액체(64)를 미리 담아 두고, 그 상태에서 펌프(66)를 통하여 매초 일정량 토출시키도록 할 수도 있다.
제 4 실시형태에서는, 패키지(72) 내에서 기체(74)를 증압하도록 펌프(76)를 구동하였으나, 패키지(72) 내에 소정 압력까지 기체(74)를 미리 충전해 두고, 그 상태에서 펌프(76)를 통하여 매초 일정량 토출시켜서 감압하도록 할 수도 있다.
11: 라플라스 변환 필터 12: 기체
13: 회전축 14: 감쇠체
15: 검출 소자(검출수단, 무냉각 검출수단)
16: 광축
17: 연산장치(역 라플라스 변환 수단, 편극 스펙트럼 강도연산 수단)
18: 표시장치(표시 수단)
19: 모터(질량변경수단) 60: 라플라스 변환 필터
66: 펌프(질량변경수단) 70: 라플라스 변환 필터
72: 패키지(기실) 76: 펌프(압력가변수단)

Claims (14)

  1. 입사 스펙트럼을 라플라스 변환 필터에 입사하여, 상기 입사 스펙트럼의 강도를 라플라스 변환하는 제 1 단계와,
    상기 라플라스 변환 필터를 투과하여, 라플라스 변환된 입사 스펙트럼을 수광 하고, 이 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출수단에 의해 검출하는 제 2 단계와,
    상기 검출된 스펙트럼의 투과 강도를 역 라플라스 변환하여, 상기 라플라스 변환 필터로 입사된 입사 스펙트럼의 강도를 산출하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라플라스 변환 필터는 자체 질량에 따라 입사 스펙트럼을 감쇠하는 감쇠체를 포함하고,
    상기 제 2 단계에서는, 상기 입사 스펙트럼의 광축 상의 상기 감쇠체의 질량이 연속적으로 변화되는 상태에서 상기 검출수단에 의해 상기 입사 스펙트럼의 투과 강도를 검출하는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 단계에서는, 상기 입사 스펙트럼의 광축 상의 상기 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시키는 질량변경수단으로 변경시키는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 감쇠체의 상기 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 질량이 이 광축과 교차하는 방향에서 리니어하게 변화되도록 설치되어 있고,
    상기 질량변경수단이 상기 라플라스 변환 필터와, 상기 검출수단 중 적어도 어느 한쪽을 상기 광축과 교차하는 방향으로 상대적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 라플라스 변환 필터는 자체 밀도에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 기체로 이루어지는 감쇠체를 갖춘 기실을 구비하고,
    상기 질량변경수단이 상기 라플라스 변환 필터의 상기 검출수단에 대향하는 부위에서의 상기 감쇠체의 압력을 연속적으로 변화시킴으로써, 이 기체의 밀도를 연속적으로 변경시키는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광방법.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 단계에서의 감쇠체가 강자성체로, 상기 입사 스펙트럼의 광축에 대하여 소정 방향을 이루는 자기장이 인가된 상태에서 상기 입사 스펙트럼을 입사하고,
    제 3 단계에서 산출된 입사 스펙트럼의 강도에 기초하여, 편극 스펙트럼의 강도를 산출하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광방법.
  7. 입사 스펙트럼을 입사하여, 상기 입사 스펙트럼의 강도를 라플라스 변환하는 라플라스 변환 필터와,
    상기 라플라스 변환된 스펙트럼을 수광하여, 이 스펙트럼의 투과 강도를 검출하는 검출수단과,
    상기 검출된 스펙트럼의 투과 강도를 역 라플라스 변환하여, 상기 라플라스 변환 필터로 입사된 입사 스펙트럼의 강도를 산출하는 역 라플라스 변환 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 라플라스 변환 필터는 자체 질량에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 감쇠체를 포함하고,
    상기 입사 스펙트럼의 광축 상의 상기 감쇠체의 질량을 시간적으로 연속적으로 변화시키는 질량변경수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 라플라스 변환 필터는 자체 질량에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 감쇠체를 포함하고,
    상기 감쇠체가 입사 스펙트럼의 광축에 교차하는 방향으로 질량이 변화되도록 구성되며,
    상기 검출수단은 상기 입사 스펙트럼의 광축에 교차하는 방향에 걸쳐서 배치 되는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 감쇠체의 상기 입사 스펙트럼의 광축 상에서의 질량이 이 광축과 교차하는 방향에서 리니어하게 변화되도록 설치되고,
    상기 질량변경수단이 상기 라플라스 변환 필터와 상기 검출수단을 상기 광축 과 교차하는 방향으로 상대적으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 라플라스 변환 필터는 자체 밀도에 따라 스펙트럼을 감쇠하는 기체로 이루어지는 감쇠체를 갖춘 기실을 구비하고,
    상기 질량변경수단이 라플라스 변환된 스펙트럼을 수광할 때, 시간적으로 연속적으로 상기 기실 내의 압력을 변화시키는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광 장치.
  12. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 감쇠체가 강자성체로 구성되고,
    상기 입사 스펙트럼의 광축에 대하여 소정 방향을 이루는 자기장을 인가하여 상기 강자성체를 자화하는 자기장 부여 수단과,
    역 라플라스 변환 수단에서 수득된 입사 스펙트럼의 강도에 기초하여, 편극 스펙트럼의 강도를 산출하는 편극 스펙트럼 강도 연산 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광 장치.
  13. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출수단과 상기 감쇠체 사이에, 상기 검출수단에 상기 스펙트럼의 투과광이 결상되도록 하기 위한 핀홀이 배치되는 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광 장치.
  14. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출수단이 무냉각 검출수단인 것을 특징으로 하는 전자파-입자선 분광 장치.
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