KR101196225B1 - 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기 - Google Patents

Abstract

2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기를 개시한다. 상기 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기는 중성자가 이동되는 진공 공간이 형성된 중성자 유도관 및 상기 공간을 향한 면에는 중성자 반사 박막이 피복된 다수의 편극 초거울들로 형성된 몸체부를 포함하며, 상기 다수의 편극 초거울들 각각은 일정한 간격으로 이격되며, 몸체부 내부에 중성자 빔이 출력되는 방향과 동일한 방향으로 형성되며 원뿔형 모양으로 형성되어, 상기 중성자 빔으로부터 스핀-업의 편극 중성자와 스핀-다운의 편극 중성자를 분리하는 것을 특징으로 한다.

Description

2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기{a neutron polarizing cavity using double a polarizing neutron mirror}

본 발명은 중성자 편극기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기에 관한 것이다.

본 발명은 냉중성자원으로 부터 발생한 냉중성자를 40m~100m 이상 떨어진 실험동내의 편극중성자가 필요로 하는 중성자소각산란장치에 100%에 근접한 편극중성자를 공급하는 편극 중성자 캐버티(Cavity)에 관련한다.

중성자는 일부물질을(Gd, Mn) 제외한 대부분 원소들에 양(+)의 산란길이밀도를 갖는다. 이는 전자파(가시광선영역)와 달리 중성자들의 입사방향과 물질면 사이의 입사각이 매질 속에서의 굴절각 보다 크다는 것을 의미한다.

중성자와 X-선의 이런 특수한 성질은 이상적인 물질 표면에 이들이 임계각 이내로 입사할 때 전반사할 수 있다는 것을 말한다.

일반적으로 중성자거울로는 니켈을 이용하는데, 이는 중성자를 반사시킬 수 있는 능력의 기준인 산란길이밀도가 니켈이 가장 높기 때문이다.

주기적인 결정면들의 반복구조는 중성자, 전자, X-선 등을 회절 시키는 데, 인위적으로 두 개의 서로 다른 물질을 주기적으로 반복시킨 박막구조에서도 이 회절현상을 볼 수 있다. 반복되는 다층박막들의 두께 변화를 통하여 회절된 선폭을 임계각까지 넓힐 수 있는데 이를 중성자 초거울(neutron super mirror)라 한다.

도 1은 일반적으로 적용되는 초거울(Super-Mirror)의 TEM을 측정하여 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 일반적으로 적용되는 단색기 및 초거울의 입사각에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 도면에서 도시하고 있는 바와 같이, 계면에 입사한 중성자는 입사각(θ)이 임계각보다 작은 경우에 전반사를 하게 되고, 계면에 입사한 중성자는 입사각(θ)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 3은 일반적인 합금 구성비를 이용한 편극 초거울의 산란밀도의 예를 나타낸 그래프이고, 도 4는 일반적인 편극초거울의 원리를 나타내는 예시도이다.

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's Peak)가 발생하는 각이 변화하며, 박막 두께 변화의 간격을 조절하여 브래그 피크(Bragg's Peak)가 연속되게 발생할 수 있으므로 이를 이용하여 초거울을 제작할 수 있다.

이는 물질의 산란 길이 밀도를 나타낸 도 3에서 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 4에서 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 3에서 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.

도 3 및 도 4를 참조하면, 강자성 물질들을 이용하면 중성자를 편극화 시킬 수 있다. 중성자는 자신의 자기모우멘트 때문에 자기장 하에서 스핀방향이 자기장의 방향과 평행하게 스핀-업(spin-up)과 스핀-다운(spin-down) 두 형태로 정렬된다. 이 두 가지의 중성자 스핀은 자기화된 물질에 각각 다른 산란능력을 지니며, 이 성질을 이용하여 중성자들을 편극화를 시킬 수 있다. 박막제작에 이용되는 2개의 물질 중 하나는 자성물질 또 다른 하나는 비자성물질을 이용하여 중성자의 입사각을 선택하면 산란길이밀도가 다른 중성자들은 반사와 투과로 편극화가 된다.

편극 중성자거울 또는 유도관 제작에는 여러 물질을 이용할 수 있는데, 대표적인 예가 강자성 물질인 Fe과 Co의 합금과 Si을 이용하는 경우다. 이 편극초거울에서 FeCo합금과 같은 자기물질은 자기장내에서 자기화 되며, 자기장에서 정렬된 중성자 스핀 “up", "down" 에 각각 다른 산란 거리 밀도를 가진다. FeCo-Si 의 다층박막에서 FeCo의 스핀 down 의 산란거리 밀도가 비자성체인 Si의 산란거리 밀도와 부합되기 때문에 down 중성자는 두 박막의 차를 인식하지 못하고 초거울 임계각 아래에서 전부 투과되고, 스핀 “up" 은 회절과 전반사에 의해 모두 반사된다. 이러한 원리로 중성자를 편극시킬 수 있다.

하지만 편극 중성자 유도관의 경우 단지 하나의 중성자 스핀 상태만을 이용하기 때문에, 중성자 효율면에서 단지 50%만을 이용하는 단점이 있다. 박막 제조 시 기판의 거칠기, 박막성장 시 막간의 확산(diffusion)등에 의해 박막 질의 저하로 업 스핀 중성자는 100% 반사되지 않고 일부 업 스핀 중성자들이 투과되어 완벽환 편극화를 저해한다.

이런 형태의 중성자 편극 초거울은 관형태의 중성자유도관의 내부에 추가로 설치되어 중성자소각 산란장치에 이용된다.

하지만 중성자 반사율 측정결과에 따라 종래의 기술에 따르면 편극률이 90% 정도이기 때문에 일부 업-스핀(up-spin) 중성자가 편극 중성자 거울을 통과하여 100% 편극률을 얻을 수 없는 문제점을 가지고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 편극중성자 거울을 배치 구조를 다르게 하여 편극률을 최대로 높일 수 있는 방법을 제시하고자 한다.

또한, 편극률을 높일 수 있는 편극 중성자 초거울의 구조를 제시하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기는 외부에서 공급되는 중성자 빔로부터 스핀-업(spin-up)의 편극 중성자 또는 스핀-다운(spin-down)의 편극 중성자를 분리할 수 있는 편극 중성자 편극기에 있어서, 중성자가 이송되는 진공 공간을 내부에 형성하고, 상기 공간을 향한 면에는 중성자 반사 박막이 피복된 중성자 초 거울로 이루어진 몸체부 및 상기 몸체부 내부에 복수 개의 편극 초거울인 편광부재를 포함한다.

상기 몸체부는 길이방향에 대한 단면이 사각형이며, 복수 개의 상기 편광부재들 각각은 동일한 각으로 접혀진 사각판형으로서, 상기 몸체부를 가로막도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 편광부재는 단면이 V자형인 것을 특징으로 한다.

상기 편광부재의 접히는 각도는 상기 몸체부로 진입하는 상기 중성자 빔의 파장에 따라 대응되는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체부는 상기 중성자 빔이 적어도 두번 이상 편광부재를 통해 반사되도록 구성되며, 상기 반사된 중성자(스핀-업 중성자 및 스핀-다운 중성자)는 높은 편극률을 갖는 편극중성자가 도출되는 것을 특징으로 한다.

상기 몸체부 내에 피복된 다층박막 또는 초거울은 Ni/Ti가 교차 적층되어 형성되며, 상기 몸체부 내로 유입되는 중성자를 스핀-업(spin-up)의 편극 중성자 또는 스핀-다운(spin-down)의 편극 중성자로 분리시켜 이송되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 복수개의 편광 부재들 각각은 중성자 파장에 따라 일정한 간격으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 편광부재들 각각은 동일한 M값을 가지며, 상기 M값은 상기 복수의 편광부재들 각각의 이격거리에 따라 가변되는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 편광부재들 각각은 Co/Cu 또는 Ni/Ti가 박막으로서 피복되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 동일한 M값을 코팅한 편극중성자 거울을 V-shape 전후반에 추가로 배치하면 모든 중성자가 적어도 두번 편극중성자 거울을 만나게 되므로 편극률이 90%정도인 편극중성자를 이용할 경우 99%의 편극률을 또한 95%일 경우 99.75%의 편극률을 만들수 있다.

또한, 복수개의 편극중성자 거울의 배치에 따라 상기 편극기 길이의 증가 없이 동일한 M값의 편극중성자 거울로도 높은 편극률을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적으로 적용되는 초거울(Super-Mirror)의 TEM을 측정하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적으로 적용되는 단색기 및 초거울의 입사각에 따른 반사율을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 3은 일반적인 합금 구성비를 이용한 편극 초거울의 산란밀도의 예를 나타낸 그래프이다.
도 4는 일반적인 편극초거울의 원리를 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 편극 중성자 편극기의 단면도를 나타낸 예시도를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 중성자 편극기의 단면를 나타낸 예시도이다.
도 7은 이중 V자형 편극 중성자 거울의 박막 M값의 변화를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 편극 중성자 거울 간의 간격에 따른 파장별 편극률을 나타낸 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~부","~기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 편극 중성자 편극기의 단면도를 나타낸 예시도를 나타낸다.

도 6은 도 5에 도시된 중성자 편극기의 단면를 나타낸 예시도이다. 도 7은 이중 V자형 편극 중성자 거울의 박막 M값의 변화를 나타낸 예시도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 편극 중성자 거울 간의 간격에 따른 파장별 편극률을 나타낸 그래프이다.

도 5에 도시된 바와같이, 본 발명의 편극 중성자 편극기(30)는 몸체부(10) 및 복수개의 편광부재(20)들을 포함한다.

도 5를 참조하면, 상기 몸체부(예컨대, 중성자 편극기)(10)는 중성자가 이송되는 진공 공간이 내부에 형성되고, 상기 공간을 향한 면에는 중성자 반사 박막(예컨대, 다층 박막)이 피복된 중성자 초 거울로 구성된다.

상기 중성자 초거울(20)은 다양한 두께를 갖는 니켈(Ni) 박막과 티타늄(Ti) 박막의 이중막 구조로 이루어지도록 형성될 수 있으며, 동일한 두께를 갖는 니켈(Ni) 박막과 티타늄(Ti) 박막만을 소정 갯수로 적층하여 반복 구조형태의 단색기 구조로 형성된 후, 각기 다른 두께로 형성되는 단색기 구조들을 적층 및 증착하여 제작할 수 있다.

또한, 동일한 두께로만 제작되는 니켈(Ni) 박막과 티타늄(Ti) 박막끼리만을 반복구조형태로 형성하여 다양한 두께를 갖는 다수개의 단색기를 형성한 후 각기 다른 두께를 갖는 각각의 단색기들을 상호 적층 및 증착하여 초거울을 제작할 수도 있다.

즉, 반복구조형태를 갖되, 각기 다른 전체 두께를 갖는 각각의 단색기에서 니켈(Ni) 박막과 티타늄(Ti) 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(Ni) 박막과 티타늄(Ti) 박막의 반복구조형태를 갖는 단색기의 반사율은 반복수계산식과 반치폭 계산식에 의하여 계산하고, 계산된 반복수와 반치폭에 의해 바로 옆에 위치할 피크의 위치가 결정된다.

도 5를 참조하면, 상기 복수 개의 편광부재(20)들 각각은 상기 몸체부 내에 형성되며, V자형으로 형성되는 편극 중성자 초거울일 수 있다.

보다 구체적으로는, 복수 개의 상기 편광부재(20)들 각각은 동일한 각으로 접혀진 사각판형으로서, 상기 몸체부(10)를 가로막도록 구성되록 V자형으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 복수 개의 편광 부재들 각각(20)은 중성자 파장에 따라 일정한 간격으로 배열되도록 형성된다.

상기 편광부재(20)의 접히는 각도는 상기 몸체부로 진입하는 상기 중성자 빔의 파장에 따라 대응되도록 형성될 수 있다.

예를들어, 동일한 M값을 갖는 복수의 편극 중성자 거울을 일정한 간격으로 배치하면, 모든 중성자(스핀-업 중성자 또는 스핀-다운 중성자)는 적어도 두번 편극중성자 거울을 만나게 된다.

참고로, 도 6 내지 도 8을 참조하면, 중성자 초거울(20)은 파장 0.475를 기준으로 니켈(Ni) 전반사각이 0.5도일 때 두 배인 1도까지 반사시킬 수 있는 거울을 M2급 초거울 3배인 1.5도까지 반사시킬 수 있는 거울을 M3급 초거울이라 한다.

이때, M2급 경우 총 박막수가 80~100층 정도이며, M3급의 경우 기하급수적으로 증가하여 약800~1000층 정도의 적층구조를 갖는다.

상기 복수의 편광부재들 각각은, 동일한 M값을 가지며, 상기 M값은 상기 복수의 편광부재들 각각의 이격거리에 따라 가변될 수 있다.

예를들어, 2000mm 길이의 몸체부(예컨대, 편극기)에 V자 형의 편극중성자 거울이 설치될 경우 중성자유도관과 편극중성자거울간의 각도는 0.716, M2급의 편극중성자 거울일 경우 파장 0.36nm 이상의 중성자만을 편극화 시킬 수 있다.

또한, 몸체부(예컨대, 편극기) 내에 V자형 이중 편극중성자 거울을 삽입하려할 때 유도관 길이가 증가할 수 있는 공간제약이 발생할 수 있다.

이를 극복하기 위해선 편극 중성자 M값을 올리는 방법을 쓰는데, 이 경우 몸체부(예컨대, 편극기)의 길이를 동일하게 2000mm로 만들기 위해선 편극중성자 거울의 M값을 2배 즉 M=4의 거울로 대체하였다.

이때, M=2의 중성자 초거울의 박막수가 80~100층인데 반해 M=4의 초거울은 박막수가 4000~6000층으로 공정상 용이하지 않음을 발견하였다. 이를 극복하기 위하여 복수개의 이중의 V자형 편극 초거울들을 일정한 간격으로 배치함으로써 편극 중성자의 편극률을 향상시킬 수 있었다.

따라서, 본 발명에 따르면 몸체부(예컨대, 중성자 편극기) 내에 동일한 M값을 코팅한 편극중성자 거울을 V자형으로 형성한 후, 복수개 배치하도록 구성하여, 모든 중성자가 적어도 두번 편극중성자 거울을 만나게 함으로써 편극률이 90%정도인 편극중성자를 95%의 이상의 편극률을, 또는 편극률이 95%일 경우 99.75%의 편극률이 생성되는 효과를 갖는다.

또한, 복수개의 편극중성자 거울의 배치에 따라 상기 편극기 길이의 증가 없이 동일한 M값의 편극 중성자 거울로도 높은 편극률을 얻을 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10: 몸체부 20: 편광부재
30: 편극기

Claims (10)

1. 외부에서 공급되는 중성자 빔로부터 스핀-업(spin-up)의 편극 중성자 또는 스핀-다운(spin-down)의 편극 중성자를 분리할 수 있는 편극 중성자 편극기에 있어서,
   중성자가 이송되는 진공 공간을 내부에 형성하고, 상기 공간을 향한 면에는 중성자 반사 박막이 피복된 중성자 초 거울로 이루어진 몸체부; 및
   상기 몸체부 내부에 복수 개의 편극 초거울인 편광부재를 포함하며,
   상기 몸체부는,
   상기 중성자 빔이 상기 편광부재를 통해 반사되어 중성자가 도출되도록 구성되며, 상기 편광부재의 접히는 각도는 상기 몸체부로 진입하는 상기 중성자 빔의 파장에 따라 대응되는 것을 특징을 하는 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 몸체부는 길이방향에 대한 단면이 사각형이며, 복수 개의 상기 편광부재들 각각은 동일한 각으로 접혀진 사각판형으로서, 상기 몸체부를 가로막도록 구성되는 것을 특징으로 하는 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 편광부재는 단면이 V자형인 것을 특징으로 하는 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 몸체부 내에 피복된 다층박막 또는 초거울은
   Ni/Ti가 교차 적층되어 형성되며, 상기 몸체부 내로 유입되는 중성자를 스핀-업(spin-up)의 편극 중성자 또는 스핀-다운(spin-down)의 편극 중성자로 분리시켜 이송되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 복수개의 편광 부재들 각각은 중성자 파장에 따라 일정한 간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 편광부재들 각각은,
   동일한 M값을 가지며, 상기 M값은 상기 복수의 편광부재들 각각의 이격거리에 따라 가변되는 것을 특징으로 하는 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 복수의 편광부재들 각각은 Co/Cu 또는 Ni/Ti가 박막으로서 피복되는 것을 특징으로 하는 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 편광부재들 각각은 FeCo/Si 또는 Ni/Ti가 박막으로서 피복되는 것을 특징으로 하는 2중 편극 중성자 거울을 이용한 중성자 편극기.

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