KR101221001B1 - 분산각을 조절하기 위한 코팅물질 또는 초거울을 증착한 Ｓｉ 웨이퍼를 이용한 고효율 중성자 콜리메이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중성자 콜리메이터(neutron collimator)에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 요구되는 분산각을 얻기에 적절한 코팅 물질을 선택하여 Si 웨이퍼에 증착하고, 그러한 Si 웨이퍼를 이용함으로써, 종래기술의 콜리메이터에 비하여 목적하는 빔의 분산각을 정교하게 조절 가능한 콜리메이터 및 그 제조방법이 제공되며, 또한, 기존의 일반적인 초거울 적층방법 대신에 반전(Reverse) 적층방법을 이용하여 중성자 수득율을 높임으로써, 종래기술의 콜리메이터에 비하여 보다 고효율의 콜리메이터 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

분산각을 조절하기 위한 코팅물질 또는 초거울을 증착한 Ｓｉ 웨이퍼를 이용한 고효율 중성자 콜리메이터{A high efficient neutron collimator using Si-wafers coated with coating materials for adjusting dispersion angle or supermirrors}

본 발명은 중성자 콜리메이터(neutron collimator)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 반사체를 증착한 Si 웨이퍼(wafer)를 이용하는 종래의 콜리메이터에 있어서, 반사체로 이용되는 기존의 FeCo 및 Ni 대신에, 목적하는 빔의 분산각에 따라 여러 가지 물질을 선택하여 Si 웨이퍼에 증착함으로써, 분산각을 정교하게 조절 가능한 중성자 콜리메이터에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 종래의 초거울을 이용한 중성자 콜리메이터에 있어서, 초거울을 반전(Reverse) 형태로 적층하여 고효율의 콜리메이터를 제작하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 분광학과 기하학 및 물리광학 분야의 전문적인 측정에 있어서는, 점광원에서 나오는 발산광을 평행광으로 바꾸어 빛을 평행하게 만드는 것이 필요하다.

또한, 방사선 분야에 있어서는, X선, 감마선, 핵입자들의 빔을 특별한 목적에 맞도록 빔의 크기, 각(角) 퍼짐의 정도를 조절하는 흡수장치가 요구되며, 이를 위해, 일반적으로, 콜리메이터 또는 시준기라 불리는 장치가 사용된다.

이러한 콜리메이터와 관련하여, 광원에서 나오는 발산광을 평행광으로 바꾸는 장치에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 본 발명의 발명자 등에 의해 출원된 등록특허 제10-0576921호(2006.04.27. 등록)에 기재된 바와 같은 "고광도의 평행빔 생성장치"가 있다.

더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0576921호의 고광도 평행빔 생성장치는, 미러(mirror)의 적절한 배치를 통해 고광도의 평행빔을 생성함으로써 종래의 장치보다 효과적으로 엑스선(x-ray), 중성자 빔 등의 광도를 증가하는 동시에 분산을 줄이는 장치에 관한 것이다.

이를 위해, 상기한 등록특허 제10-0576921호의 고광도 평행빔 생성장치는, 1차 타원의 일 초점에 배치되는 광원, 상기 광원으로부터 입사된 빔을 반사시키도록 상기 1차 타원상에 배치되는 오목 미러로서 상기 1차 타원의 경계면 모양을 가진 1차 미러, 상기 1차 미러에서 반사된 빔의 경로에 배치되는 볼록 미러로서 상기 볼록 미러에 입사되는 빔들의 입사지점의 접선들간의 각도 차이가 상기 1차 미러에 입사되는 빔들의 입사지점의 접선들간의 각도 차이의 1/2이 되게 하는 2차 타원의 경계면 모양을 가진 2차 미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 고광도의 평행빔 생성 장치를 개시하고 있다.

그러나 상기한 등록특허 제10-0576921호의 고광도 평행빔 생성장치는, 기존에 존재하는 거울을 적절히 배치하여 이루어지는 것으로, 거울 자체는 기존에 없던 전혀 새로운 기술내용은 아니었다.

이에 대하여, 반사율이 99.9% 이상의 고 반사율 거울로서, 레이저 자이로, 자유전자 레이저, 양자광학, 레이저 간섭형 중력파 안테나, 공동 광자감쇠 분광 분석기 등 많은 분야에서 핵심 부품으로 활용되는 초거울(super-mirror)을 이용하는 방법이 제안되었다.

즉, 상기한 바와 같은 초거울을 이용한 종래기술의 예로서, 예를 들면, 본 발명의 발명자 등에 의해 출원된 등록특허 제10-0636794호(2006.10.13. 등록)에 기재된 바와 같은 "2개의 편극 중성자 초거울을 이용한 편극 중성자 반사율측정 장치"가 있다.

더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0636794호에 기재된 2개의 편극 중성자 초거울을 이용한 편극 중성자 반사율측정 장치는, 종래의 편극 중성자 반사율 측정 장치에 사용하는 스핀 반전기(spin flipper)는 운용 및 장치구성이 복잡하고, 중성자선의 강도가 급격히 감소하는 문제점을 해결하기 위해, 종래의 스핀 반전기와 동일한 기능을 수행하면서도 구조와 그 운용이 간단한 한편, 중성자선을 평행하게 만들어 분산을 억제하여 중성자선의 극단적인 강도 저하를 방지하고자 하는 것이다.

이를 위해, 상기한 등록특허 제10-0636794호는, 중성자원으로부터 중성자들을 안내하며 외부자장 하에서 중성자들의 스핀을 업과 다운으로 정렬하는 중성자 유도관과, 상기 중성자 유도관으로부터 나온 중성자들을 단색화하는 단색기와, 상기 단색기에서 단색화되어 특정파장을 가지며 스핀 업과 스핀 다운 중성자를 포함하는 중성자선으로부터 스핀 업 중성자를 반사하는 제1 편극 중성자 초거울과 스핀 다운 중성자를 반사하는 제2 편극 중성자 초거울을 이용하여 시료에 입사되는 스핀형태를 결정하는 스핀 선택기와, 상기 스핀 선택기로부터 선택되어 나온 하나의 스핀 형태의 중성자선의 폭을 줄여 시료에 입사시키는 슬릿과, 상기 시료에서 반사되는 중성자선을 스핀 형태에 따라 반사 또는 투과시키기 위하여 초거울을 사용하는 분석기 및 상기 시료를 투과한 중성자와 상기 분석기를 투과 또는 반사한 중성자를 검출하여 반사율을 측정하는 검출기를 포함하는 편극 중성자 반사율 측정 장치를 개시하고 있다.

아울러, 상기한 바와 같은 초거울을 이용한 반사율 측정 장치에 있어서, 초거울 대한 종래기술의 예로서는, 예를 들면, 본 발명의 발명자 등에 의해 출원된 등록특허 제10-0825914호(2008.04.22. 등록)에 기재된 "중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법"이 있다.

더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-0825914호의 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법은, 종래의 제작방식으로 제조된 초거울은 반사율이 낮아 많은 변형 공식들이 제시되고 있으며, 이러한 변형 공식들은 박막 코팅 시 정교한 박막의 두께 제어가 필요하고, 특정 부위에 추가적인 박막 코팅 작업이 어렵다는 문제점을 해결하기 위해, 동일한 두께를 가지는 니켈 박막과 티타늄 박막들만으로 적층된 반복구조 형태의 단색기 구조들의 조합을 이용하여 여러 가지 다른 두께의 단색기 구조들의 집합체를 형성함으로써, 단색기에 의한 피크(peak)의 중첩되는 양을 조절하여 반사율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 초거울의 제작시 일부 단색기를 제거하여 단색빔 인출이 용이한 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법을 제공하고자 하는 것이다.

이를 위해, 상기한 등록특허 제10-0825914호의 중성자 단색기 구조를 이용한 중성자 초거울 제작방법은, 다양한 두께를 가지는 니켈 박막과 티타늄 박막의 이중막 구조를 다수 개 형성하되, 동일한 두께를 가지는 니켈 박막과 티타늄 박막을 소정 개수로 교차 적층하여 반복구조 형태의 단색기를 각각 형성한 후 각기 다른 두께로 형성된 단색기들을 적층 및 증착하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 종래, 발산광을 평행빔으로 바꾸는 평행 빔 생성장치 및 초거울에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔으며, 여기서, 종래의 콜리메이터의 보다 상세한 구성에 대하여 설명하면 다음과 같다.

즉, 상기한 바와 같이, 중성자원 또는 X선원에서 발생한 각 빔은 선원으로부터 방사형으로 퍼져나가게 되며, 그러한 높은 분산각을 지닌 빔을 물질 구조분석에 이용하기 위하여는 빔의 분산을 최대한 억제하여야 한다.

이를 위해, 종래에는, 일반적으로, 슬릿(Slit) 이나 콜리메이터(collimator)를 이용하여 왔으며, 여기서, 콜리메이터의 경우, 얇은 금속막, 또는, 유리, 마일러(mylar; 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 테레프탈산염으로 만들어진 다용도 플라스틱 필름의 상표명)와 같은 물질에 X선 또는 중성자 흡수물질(Gd, B 등)을 코팅한 후 일정하게 배열한다.

즉, 도 1을 참조하면, 도 1은 종래의 일반적인 마일러 등의 블레이드(blade)를 이용한 콜리메이터의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.

더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 일정한 간격으로 배치된 흡수막을 통과하는 빔은 일정한 분산각도를 가진다.

즉, 예를 들면, 블레이드(blade) 사이 간격이 5mm이고, 콜리메이터 길이가 500mm인 경우는, 다음과 같다.

tanθ = 5/500, θ = 0.57 : = 34분

여기서, 이러한 종류의 솔러 콜리메이터(soller collimator)의 경우, 얇은 블레이드 자체의 두께로 인한 빔의 손실이 발생하며, 또한, 빔 통과경로의 공기 입자들과의 빔의 충돌로 인해 자연적으로 빔의 분산이 커져 또한 빔 손실이 발생하게 된다.

아울러, 또 다른 단점은, 낮은 분산각으로서, 예를 들면, 7분 정도의 빔을 얻기 위해서는 블레이드간 간격이 1mm인 콜리메이터의 길이가 500mm 정도여야 한다.

또한, 측정 분해능을 높이기 위서는 블레이드의 간격을 1mm 이하로 정렬해야 하나, 이는, 현실적으로, 위에서 언급한 바와 같이 블레이드 자체의 두께로 인한 빔 손실이 높아 현실적으로 불가능하다.

즉, 일반적으로, 중성자의 경우는, 몇 가지 물질을 제외한 거의 모든 물질에 대하여 높은 투과력을 가지며, 이러한 중성자의 성질 때문에, 중성자 차폐구조물은 X선 차폐물보다 훨씬 거대하고 복잡하다.

특히, Si, Zr 및 Al에 대한 중성자의 낮은 흡수 단면적(cross section)으로 인해, 이러한 물질들은 수십 cm의 두께로도 중성자를 거의 차단하지 못한다.

따라서, 이러한 높은 투과성을 이용하여, 비교적 쉽게 구할 수 있는 Si 웨이퍼(wafer)에 Gd 등과 같은 중성자 흡수 물질을 코팅한 후, 중성자 흡수 물질이 코팅된 Si 웨이퍼를 겹쳐서 이용하는 방법이 제안되었다.

즉, 상기한 바와 같이 중성자 흡수 물질이 코팅된 Si 웨이퍼를 이용할 경우, 빔의 이동경로가 Si 웨이퍼 내부를 통과하므로, 공기에 의한 추가 분산을 억제할 수 있다.

아울러, Si 웨이퍼를 이용하는 콜리메이터에 대한 종래기술의 다른 예로서, Si 웨이퍼에 중성자 초거울을 코팅하는 기술이, 독일의 Thomas Krist에 의해 제안된 바 있다.

즉, 상기한 바와 같이, 기초 및 응용과학 분야의 물질구조 분석에 널리 이용되는 중성자 또는 X선을 이용한 실험장치의 경우에 있어서, 정밀한 측정을 위해서는 빔의 분산을 최대한 억제하는 것이 요구되며, 이를 위해, 종래에는, 단색 빔을 뽑아내는 단결정과 콜리메이터를 이용하였다.

여기서, 중성자 또는 X선의 분산이 너무 작을 경우 강도(intensity) 가 낮아지는 단점으로 인해, 장치 및 실험 목적에 따라 적절히 분산을 조절하여 이용해야 하며, 종래의 콜리메이터의 경우는, 측정 샘플에 입사하기 전과 중성자 검출지역에 설치하여 이용하지만, 대부분의 정밀한 콜리메이터는 그 자체로도 크기가 거대하여 설치공간 확보에 어려움이 있었다.

또한, 상기한 Thomas Krist에 의해 제안된 기술내용은, 중성자 초거울 코팅을 두께가 얇은 것부터 두꺼운 순서로 증착하기 때문에, 빔의 분산이 예측치와 달리 넓어 실제로 이용하기에는 용이하지 않다는 문제가 있다.

상기한 바와 같이, 현재, 중성자 투과가 뛰어난 Si 웨이퍼에 중성자 반사체로 알려져 있는 Ni 및 초거울을 증착하여 사용하는 방법들이 연구되고 있으나, 기존의 방법들은, 중성자 반사성질을 고려하지 않아 정교한 콜리메이터 제작에 어려움이 있었다.

따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 종래에 비하여 목적하는 빔의 분산각을 정교하게 조절 가능하게 하는 동시에, 보다 고효율인 콜리메이터 및 그 제작방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 중성자를 이용한 산란장치에 널리 이용하는 일반적인 솔러 콜리메이터(soller collimator)에 있어서, 기존에 사용되는 흡수체로서 Gd 등과 같은 물질 이외에, 요구하는 분산각을 얻기 위해 그 목적에 따라 코팅 물질을 선택하여 Si 웨이퍼에 증착하여 이용함으로써, 목적하는 빔의 분산각을 정교하게 조절 가능한 콜리메이터 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 중성자 초거울을 이용한 Si 웨이퍼 콜리메이터의 경우에 있어서, 두께가 얇은 것부터 두꺼운 순서로 증착하는 기존의 일반적인 초거울 적층방법 대신에, 반전(Reverse) 적층방법을 이용하여 중성자 수득율을 높임으로써, 보다 고효율의 콜리메이터 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, Si 웨이퍼(Si wafer)와, X선 또는 중성자를 흡수하기 위해 상기 Si 웨이퍼의 표면에 증착되는 반사층(reflecting layer)을 포함하고, 상기 반사층이 증착된 Si 웨이퍼를 일정 간격으로 적어도 하나 이상 배열하여 구성되며, 상기 반사층은, 목적하는 빔의 분산각에 따라 상기 반사층에 증착되는 코팅물질을 선택하여 상기 Si 웨이퍼에 증착함으로써 분산각을 조절 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 중성자 콜리메이터(neutron collimator)가 제공된다.

여기서, 상기 코팅물질은, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag, Al, Si, SiO₂ 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 Si 웨이퍼의 표면에 증착되는 초거울(super mirror) 및 상기 초거울의 표면에 증착되는 중성자 흡수층을 포함하고, 상기 Si 웨이퍼의 표면에 상기 초거울 및 상기 중성자 흡수층을 차례로 적층한 후, 상기 초거울 및 상기 중성자 흡수층이 적층된 Si 웨이퍼를 적어도 하나 이상 적층하여 구성되며, 상기 Si 웨이퍼에 상기 초거울을 증착시, 두꺼운 박막부터 얇은 박막의 순서대로 반전(Reverse) 형태로 증착함으로써, 중성자의 수득률을 향상시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 중성자 콜리메이터가 제공된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 요구되는 분산각을 얻기에 적절한 코팅 물질을 선택하여 Si 웨이퍼에 증착하고, 그러한 Si 웨이퍼를 적층하여 이용함으로써, 목적하는 빔의 분산각을 정교하게 조절 가능한 콜리메이터 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 기존의 일반적인 초거울 적층방법 대신에 반전 적층방법을 이용하여 중성자 수득율을 높임으로써, 보다 고효율의 콜리메이터 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 일반적인 마일러(mylar) 등의 블레이드(blade)를 이용한 콜리메이터의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 중성자의 전반사 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 유리기판 위에 코팅된 FeCo 합금에 의한 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 4는 일정한 두께의 니켈과 티타늄을 반복적으로 적층하여 발생시킨 브래그 피크(bragg peak)를 나타내는 도면이다.
도 5는 중성자 초거울의 적층된 모습을 TEM으로 측정한 사진이다.
도 6은 초거울을 이용한 경우와 그렇지 않은 경우의 반사율을 각각 나타내는 그래프이다.
도 7은 초거울에 입사하는 빔의 각도에 따른 반사 형태를 나타내는 도면이다.
도 8은 Si 웨이퍼에 초거울을 증착하여 제조된 콜리메이터의 구조를 개략적으로 나타내는 개념도이다.
도 9는 도 8에 나타낸 바와 같은 기존의 초거울 적층방식으로 제조된 콜리메이터에서의 빛의 반사경로를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초거울 적층방식으로 제조된 콜리메이터에서의 빛의 반사경로를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 초거울을 증착한 Si 웨이퍼를 이용하는 콜리메이터의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 초거울 또는 빔의 분산각을 조절하기 위한 코팅물질을 증착한 Si 웨이퍼를 이용한 고효율 중성자 콜리메이터의 상세한 내용에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, Si 웨이퍼에 기존의 반사체로 이용되는 FeCo 및 Ni 대신에 요구되는 빔의 분산각에 따라 여러 가지 물질을 선택하여 증착함으로써, 빔의 분산각을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 낮은 분산각을 얻기 위해, 중성자 투과율이 높으면서 동시에 임계각이 낮은 물질로 Si 웨이퍼를 대체하고, 코팅물질은 낮은 임계각의 물질을 이용하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명은, Si 웨이퍼에 중성자 초거울 증착시, 기존의 방법 대신 반전(Reverse) 형태로 증착하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 분산각을 조절하기 위한 코팅물질 또는 초거울을 증착한 Si 웨이퍼를 이용한 고효율 중성자 콜리메이터의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

먼저, 도 2를 참조하면, 도 2는 중성자의 전반사 특성을 설명하기 위한 도면으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 임계각보다 작은 각도로 입사하는 중성자는 전반사 하게 된다.

즉, 중성자는, 예를 들면, Ti, Mn, V 등과 같은 일부 물질을 제외하고, 물질의 입사면에 임계각 내로 입사할 때 전반사 되는 성질이 있으며, 이러한 성질을 이용하면 중성자를 반사시킬 수 있다.

더 상세하게는, 이러한 성질은 대부분의 물질이 양의 중성자 산란길이 밀도(neutron scattering length density)를 가지기 때문이며, 이러한 중성자의 굴절률은 이하의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, λ는 파장(wave length)이고, b_c는 산란길이(scattering length)이며, N_at는 원자 밀도(atomic density)이고, N_at×b_c는 산란길이 밀도(scattering length density)이며, P = g×s 이고, s는 원자당 자기 모멘트(magnetic moment/atom)이며, g는 0.27 x 10^-12cm/Bohr 이다.

상기한 [수학식 1]에 있어서, 중성자가 입사할 경우, 대부분의 물질에서 굴절율은 1 보다 작은 값을 나타낸다.

또한, 이하의 [수학식 2]를 이용하면, 여러 가지 물질의 중성자 산란길이 밀도를 이용하여 전반사가 가능한 임계각을 계산할 수 있다.

여기서, θ_c는 임계각(critical angle)이다.

아울러, 상기한 바와 같은 [수학식 2]를 이용하여, 다양한 물질에 대하여 파장 0.475nm에서 전반사가 일어날 수 있는 임계각 계산하여 얻어진 결과를 이하의 [표 1]에 나타내었다.

물질(Material)	산란길이 밀도(Scattering length density) (mm-2)	임계각(Critical angle)/0.475nm
Cr	303.12	0.26	15.6min.
Fe	800.93	0.4346	26.0min.
Co	226.45	0.2310	13.8min.
Ni	940.44	0.471	28.3min.
Cu	652.41	0.392	23.52min.
Mo	429.92	0.318	19.08min.
Ag	402.06	0.307	18.42min.
Al	208.00	0.2214	13.218min.
Si	207.28	0.2210	13.26min
SiO2	347.50	0.286	17.17min.

계속해서, 도 3을 참조하면, 도 3은 유리기판 위에 코팅된 FeCo 합금에 의한 반사율을 나타내는 도면이다.

즉, 종래, Thomas krist에 의해 제시된 Si 웨이퍼를 이용한 콜리메이터의 경우, 반사층(reflecting layer)으로서, 일반적으로 널리 이용되는 중성자 반사체중 하나인 FeCo 합금을 두께 0.26mm, 길이 75mm 실리콘 웨이퍼에 증착시킨 후, 이를 여러 장 겹쳐 제작하였다.

더 상세하게는, 실리콘 웨이퍼 자체의 두께 및 길이에 의한 분산각은 arctan = 0.26/75mm = 0.19도 = 11min.이다.

여기서, 종래의 방법과 같이 FeCo를 이용하면, 자체의 반사각이 분산각보다 2배 이상인 물질을 이용함으로써, 강도(intensity)는 두 배가 되나 분산은 4배가 되어, 낮은 분산각을 필요로 하는 곳에는 이용할 수 없다는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 이 경우, Si 웨이퍼 자체의 반사각을 고려하지 않아, Si 웨이퍼가 상기한 75mm보다 길고 두께가 얇다고 하더라도, 중성자 흡수체인 Gd만을 코팅하여도 분산각이 낮아지지는 않는다.

즉, Si 웨이퍼를 이용할 경우, 낮은 분산각을 얻기 위해 Si 웨이퍼의 길이를 임의로 길게 하더라도, Si의 임계각 때문에 낮은 분산각은 얻을 수 없다.

더 상세하게는, 예를 들면, 두께가 0.25mm이고, 길이가 100mm인 Si 웨이퍼의 경우, 분산각은 약 1min.이나, Si 반사 임계각이 0.221도이므로, 분산은 여전히 13.26min.이다.

상기한 바와 같이, 종래의 Si 웨이퍼를 이용한 콜리메이터의 기본적인 개념은, 중성자 광학에서 단순한 반사체로 알려진 FeCo 또는 Ni을 이용하여 중성자의 이송을 극대화하는 동시에, 어느 정도의 분산을 허용하는 방법이라 할 수 있다.

이에 대하여, 본 발명은, 중성자 반사체로 알려진 물질 외에 기타 다른 물질을 선택적으로 코팅함으로써, 중성자 산란장치에서 필요한 분산각 및 높은 중성자 수득율을 동시에 얻는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

즉, 더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기한 [수학식 1], [수학식 2] 및 [표 1]을 참조하여 상기에 설명한 바와 같은 내용으로부터, 웨이퍼 크기에 의한 분산각 및 Si의 고유의 임계각을 고려하여 Si의 임계각보다 조금 높은 임계각을 가지는 물질을 코팅함으로써, 목적하는 빔의 분산각을 정밀하게 조정가능하도록 한다.

즉, [표 1]에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, Co를 코팅물질로 이용하면, 종래기술의 방법에서의 조건과 동일한 Si 웨이퍼에서 14분짜리 콜리메이터를 만들 수 있다.

또한, 동일한 방법으로, [표 1]에 나타낸 내용을 참조하여, 박막 증착이 가능한 여러 물질의 임계각을 이용하여 20분, 30분 등의 콜리메이터 제작이 가능하다.

아울러, 더욱 낮은 분산각을 얻기 위해, Si 웨이퍼를 중성자 투과율이 높으면서 동시에 임계각이 낮은 물질로 대체하고, 코팅 물질은 낮은 임계각의 물질을 이용하면, 1~2분의 콜리메이터 제작도 가능하다.

다음으로, 본 발명의 다른 실시예로서, 중성자 초거울을 증착한 Si 웨이퍼를 이용하는 콜리메이터의 경우에 대하여 설명한다.

즉, 종래, 예를 들면, 상기한 Thomas krist에 의해, Ni 임계각을 2배 이상 높이는 다층 박막구조중 하나인 중성자 초거울을 Si 웨이퍼에 증착하는 방법이 제시된바 있으며, 이 방법의 경우, 분산각이 80분 이상으로 상당히 높고, 높은 강도(intensity)를 요구하는 장치에 이용이 가능하다.

더 상세하게는, 중성자 초거울은, 주기적인 결정면들의 반복구조가 중성자, 전자, X선 등을 회절시키는 원리를 이용하여, 인위적으로 두 개의 서로 다른 물질을 주기적으로 반복시킨 박막구조를 이용하여 제작한다.

즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 일정한 두께의 니켈과 티타늄을 반복적으로 적층하여 발생시킨 브래그 피크(bragg peak)를 나타내고 있다.

여기서, 반복되는 다층 박막들의 두께 변화를 통하여 회절된 선 폭을 임계각까지 넓힐 수 있으며, 이와 같이 니켈의 전반사각을 2배 이상 넓힐 수 있는 거울을 초거울(super mirror)이라 한다.

즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 중성자 초거울의 적층된 모습을 TEM으로 측정한 사진으로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 일반적으로, 중성자 초거울은, 낮은 박막으로부터 시작하여 점차 박막의 두께를 두껍게 증착하여 형성한다.

아울러, 도 6을 참조하면, 도 6은 상기한 바와 같은 초거울을 이용한 경우와 그렇지 않은 경우의 반사율을 각각 나타내는 도면으로, 도 6에 나타낸 바와 같이, 초거울을 이용하면 단색기의 경우에 비해 임계각과 반사율이 향상됨을 알 수 있다.

계속해서, 도 7을 참조하면, 도 7은 초거울에 입사하는 빔의 각도에 따른 반사 형태를 나타내는 도면이다.

더 상세하게는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 초거울에 입사하는 빔의 각도가 낮을 때는, 상부의 두꺼운 박막에 의해 상대적으로 높은 입사각의 중성자는 박막 내부 깊숙한 곳에서 반사되어, 임계각을 확장시킬 수 있다.

그러나 높은 입사각이라 하더라도, 통상 0.7 ~ 1.0도 정도이므로, 따라서 중성자가 통과하는 경로(path way)가 길어, 중성자는 높은 흡수계수(Si의 수천 배)를 지닌 박막 물질에 의해 흡수된다.

또한, 도 8 내지 도 10을 참조하면, 도 8은 상기한 바와 같은 Si 웨이퍼에 초거울을 증착하여 제조된 콜리메이터의 구조를 개략적으로 나타내는 개념도이다.

즉, 도 8에 나타낸 바와 같이, 초거울이 코팅된 Si 웨이퍼를 이용한 종래의 콜리메이터(80)는, Si 웨이퍼(81)의 상하 표면에 초거울(82)을 코팅한 후, 이와 같이 초거울(82)이 코팅된 Si 웨이퍼(81)를 여러 겹 적층하여 구성된다.

또한, 도 9를 참조하면, 도 9는 도 8에 나타낸 바와 같은 기존의 초거울 적층방식으로 제조된 콜리메이터에서의 빛의 반사경로를 나타내는 도면이다.

즉, 도 9에 나타낸 바와 같이, 종래의 초거울 적층방식은, 얇은 박막부터 두꺼운 박막의 순서대로 적층하나, 이와 같이 종래의 방식대로 초거울을 코팅한 Si 웨이퍼를 이용하는 콜리메이터의 경우, 웨이퍼 내부에 입사된 중성자가 Si 웨이퍼 표면에 코팅된 초거울에 입사하는 형태이므로, 상기한 바와 같이 일반적인 방법대로 얇은 박막부터 적층하게 되면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 박막과 Si 웨이퍼의 경계에서 낮은 분산각의 중성자는 흡수되고, 높은 분산각의 중성자만 반사되게 된다.

이에 대하여, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초거울 적층방식으로 제조된 콜리메이터의 빛의 반사경로를 나타내는 도면이다.

즉, 도 10에 나타낸 바와 같이, 기존의 방식대로 초거울을 적층하지 않고 본 발명의 실시예에 따라 두꺼운 박막부터 얇은 박막의 순서대로 적층하게 되면, 낮은 분산을 지닌 중성자는 보존되고, 높은 입사각의 중성자는 점차 소멸된다.

더 상세하게는, 도 11을 참조하면, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 초거울을 증착한 Si 웨이퍼를 이용한 중성자 콜리메이터(110)의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.

즉, 도 11에 나타낸 바와 같이, Si 웨이퍼(111)와, 초거울(112) 및 중성자 흡수층(113)을 Si 웨이퍼(111)의 표면에서부터 차례로 적층하여, 본 발명에 따른 고효율 중성자 콜리메이터(110)를 구성할 수 있다.

여기서, 초거울(112)의 증착방법은, 상기한 바와 같이 두꺼운 박막부터 얇은 박막의 순서대로 적층하고, 중성자 흡수층(113)은, 예를 들면, Gd층으로 구성할 수 있다.

따라서 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 초거울 적층방식으로 콜리메이터를 구성하면, 종래의 방식과 비교하여 콜리메이터의 끝에서 전달되는 중성자의 총량은 같더라도 분산이 뛰어난 장점이 있다.

상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 분산각을 조절하기 위한 코팅물질 또는 초거울을 증착한 Si 웨이퍼를 이용한 고효율 중성자 콜리메이터를 구현할 수 있으며, 따라서 본 발명에 따르면, 목적하는 빔의 분산각을 얻기에 적절한 코팅 물질을 선택하여 Si 웨이퍼에 증착함으로써 분산각을 정교하게 조절 가능한 콜리메이터 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 기존의 일반적인 초거울 적층방법 대신에 두꺼운 박막부터 얇은 박막의 순서대로 적층하여 중성자 수득율을 높임으로써, 보다 고효율의 콜리메이터 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 분산각을 조절하기 위한 코팅물질 또는 초거울을 증착한 Si 웨이퍼를 이용한 고효율 중성자 콜리메이터의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

80. 초거울이 코팅된 Si 웨이퍼를 이용한 종래의 콜리메이터
81. Si 웨이퍼 82. 초거울
110. 초거울을 증착한 Si 웨이퍼를 이용한 중성자 콜리메이터
111. Si 웨이퍼 112. 초거울
113. 중성자 흡수층

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. Si 웨이퍼와,
   상기 Si 웨이퍼의 표면에 증착되는 초거울(super mirror) 및
   상기 초거울의 표면에 증착되는 중성자 흡수층을 포함하고,
   상기 Si 웨이퍼의 표면에 상기 초거울 및 상기 중성자 흡수층을 차례로 적층한 후, 상기 초거울 및 상기 중성자 흡수층이 적층된 Si 웨이퍼를 적어도 하나 이상 적층하여 구성되며,
   상기 Si 웨이퍼에 상기 초거울을 증착시, 두꺼운 박막부터 얇은 박막의 순서대로 반전(Reverse) 형태로 증착함으로써, 중성자의 수득률을 향상시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 중성자 콜리메이터.
   

Images