KR101284018B1 - 중성자 빔 위상차 영상 획득 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중성자 빔 위상차 영상을 획득하기 위한 중성자 빔 위상차 영상장치에 관한 것으로 2차원 중성자 광원 격자를 이용하여 중성자 광원을 시료에 조사하고 시료를 투과 한 중성자 빔을 격자형 나이프 에지 필터에 의해 위상 신호를 여과함으로써 중성자 위상차 영상을 획득하는 중성자 빔 위상차 영상장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 중성자 빔 위상차 영상 장치에 관한 것으로, 특히 광원 격자를 통과하여 결맞음성이 향상된 중성자 빔을 집속하여 시료에 조사하고 투과된 중성자 빔을 나이프 에지 격자(knife-edge grating)에 의해 분리하여 위상차 영상을 획득하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 위상차 영상 획득 장치는 결맞음성이 좋은 광원을 이용하여야 한다. 그런데, 중성자 빔은 전자기파의 특성상 투과력이 강하고 전기적으로 중성을 띠고 있어 전자빔과 같이 전자기 렌즈로 중성자를 집속하는 것이 불가능하다. 따라서, 중성자 빔 위상차 영상장치로 최근 개발되고 있는 중성자 격자 간섭계는 광원 전단에 광원 격자를 설치하여 광원의 결맞음성을 간섭계 시스템에서 요구하는 사양을 충족시켜 중성자 빔 위상차 영상을 획득할 수 있도록 하고 있다.
이러한 중성자 격자 간섭계 장치의 핵심 소자로는 중성자 빔의 결맞음성을 향상시키는 광원 격자, 이 광원 격자를 투과한 중성자 빔의 위상을 분리하는 빔분할 격자, 및 위상이 분리되어 시료에 조사하여 투과된 중성자빔을 해석하는 해석격자가 있다.
상기 해석격자로는 도 1에 도시된 바와 같은 론치 격자(Ronchi grating) 타입이 많이 사용되는데, 론치 격자 타입은 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 실리콘 기판을 론치 격자(110)로 식각하여 형성된 격자 골에 중성자 흡수물질인 가돌리늄(gadolinium:Gd)(120)을 채워넣어 형성된다. 즉, 기존의 중성자 격자 간섭계의 흡수 격자를 개략적으로 도시한 것으로, 실리콘 기판을 론치 격자 형태로 식각한 다음 격자와 격자 사이의 홈에 가돌리늄(Gd)가 채워져 형성되는 흡수격자이다. 이러한 기존의 중성자 흡수격자는 제조시 격자는 높은 가로세로비(high aspect ratio)로 즉, 반주기:격자높이 비를 1:3 이상으로 형성하여야 하는 기술적 곤란성을 가지고 있고, 중성자 흡수물질인 Gd를 수 내지 수십 마이크로미터 간격의 격자 사이의 홈에 균일하게 채우는데 기술적으로 곤란하여 해석격자가 불균일하게 구성되고 이에 따라 왜곡된 위상차 영상이 얻어지는 문제점이 있다.
또한, 일반적인 격자 간섭계는 광원의 결맞음성 조건을 충족시키기 위해 중성자 광원과 빔분할 격자 사이를 1m 이상 이격하여 설치하여야 하므로 장치의 컴팩트화가 불가능한 문제점이 있다. 그리고, 격자 간섭계의 핵심 부품인 빔분할 격자와 해석격자는 광원의 파장에 따라 사양을 다르게 조절하여 제작하여야 하는데, 격자 간격과 광원 파장에 따른 격자 높이를 일치시켜 제조하는 데 어려움으로 인하여 해상도를 향상시키는 데 제한이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광원과 검출기 간의 거리를 최소화하면서 광원의 결맞음성이 위상 영상 획득 조건을 만족시키며, 간섭계 구성 부품인 격자의 제조가 용이하며 영상의 후처리가 간편한 중성자 빔 위상차 영상장치를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명에 따르면, 중성자 빔을 방사하는 중성자 광원; 상기 중성자 광원으로부터 이격되어 상기 중성자 빔의 진행방향에 설치되며 소정 폭의 스트라이프가 가로 세로 방향으로 교차되는 격자 형상으로 형성되어 상기 스트라이프의 교차로 인해 형성되는 복수 개의 홀이 2차원으로 배열되는 광원 격자; 및 상기 광원 격자로부터 이격되어 상기 중성자 빔의 진행방향에 설치되며, 소정 폭의 스트라이프가 가로 세로 방향으로 교차되는 격자 형상으로 형성되고, 상기 스트라이프의 단부가 칼날 형상이고 일면에 중성자 흡수물질이 증착되는 나이프-에지 필터를 포함하는 중성자 빔 위상차 영상장치를 제공한다.
상기 광원 격자의 일면에 중성자 흡수물질이 증착될 수 있다.
상기 나이프-에지 필터는 상기 광원 격자로부터 상기 광원 격자에 포함되는 상기 홀의 초점 거리(f)만큼 이격되어 배치되는 것이 바람직하다.
상기 초점 거리는 
이고, 여기서 d는 상기 광원 격자의 상기 홀의 직경이고, f는 상기 홀에 의한 초점거리, λ는 상기 중성자빔의 파장이다.
상기 광원 격자의 상기 홀은 핀홀 렌즈이고, 상기 나이프-에지 필터 또는 광원 격자의 상기 중성자 흡수물질은 가돌리늄(Gd)인 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 중성자 광원의 휘도를 유지하기 위해 광원과 검출기 간의 거리를 최소화하면서 광원의 결맞음성이 위상 영상 획득 조건을 만족시키며, 간섭계 구성 부품인 격자의 제조가 용이하며 영상의 후처리가 간편한 중성자 격자 간섭계를 제공할 수 있다.
도 1 은 종래의 론치 격자(Ronchi grating)의 일 실시예를 나타낸 도면;
도 2 및 3 은 종래의 론치 격자형 중성자빔 해석격자의 단면도 및 사시도;
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 빔 위상차 영상 장치를 개략적으로 나타낸 도면;
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 격자 또는 나이프 에지 필터의 격자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면;
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 격자 또는 나이프 에지 필터의 격자를 개략적으로 나타낸 사시도; 그리고
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 위상차 영상 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2 및 3 은 종래의 론치 격자형 중성자빔 해석격자의 단면도 및 사시도;
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 빔 위상차 영상 장치를 개략적으로 나타낸 도면;
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 격자 또는 나이프 에지 필터의 격자의 단면을 개략적으로 나타낸 도면;
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 격자 또는 나이프 에지 필터의 격자를 개략적으로 나타낸 사시도; 그리고
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 위상차 영상 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하에서, 도 4 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 빔 위상차 영상 장치의 구성을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 중성자 빔 위상차 영상장치는 중성자 광원(10), 광원 격자(20), 나이프-에지 필터(knife-edge filter)(30), 광변조 소자(40), 시료(50), 검출기(60)를 포함한다. 도면 부호 50은 측정하고자 하는 시료를 나타낸다.
중성자 광원(10)은 중성자 빔을 방사하는 광 소스이다. 중성자 광원(10)은 파장 0.433㎚인 냉중성자를 사용할 수 있다.
광원 격자(20)는 소정 폭의 복수의 스트라이프가 가로 세로 방향으로 소정 간격으로 격자 타입으로 형성되고, 상기 복수의 스트라이프의 교차에 의해 형성되는 2차원으로 배치되는 복수 개의 홀을 포함하며, 상기 중성자 광원으로부터 상기 중성자의 진행 방향으로 이격되어 배치된다. 상기 복수개의 홀은 핀홀 렌즈 역할을 한다. 도 7에는 나이프 에지 필터(30)만 단부가 칼날 형상으로 도시되지만 도면은 개략적으로 표현된 것으로, 상기 광원 격자(20)의 상기 스트라이프도 양 단부가 칼날 형상으로 형성될 수 있다.
나이프-에지 필터(30)는 소정 폭의 복수의 스트라이프가 가로 세로 방향으로 소정 간격으로 배치되는 격자형으로 형성되며, 상기 나이프-에지 필터(30)의 스트라이프는 도 7에 도시되는 바와 같이 양 단부가 칼날 형상으로 형성되고, 상기 광원 격자로부터 상기 중성자 진행 방향으로 이격되어 배치된다.
본 발명에 의한 나이프-에지 필터(30)와 광원 격자(20)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 금속 격자의 일면에 중성자 흡수물질이 증착되어 흡수 격자 역할을 하게 된다. 중성자 흡수물질은 가돌리늄(Gd)이 바람직하며, 이빔(e-beam) 증착, 스프터 코팅, 스핀 코팅, 또는 FIB 중 선택된 어느 하나 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. 격자 상에 가돌리늄의 증착으로 격자 형상의 박막이 형성되고 이러한 가돌리늄 박막은 박막의 형성이 용이하며 박막의 두께가 균일하게 형성할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 제조 공정이 용이하고 흡수 격자의 균일성이 우수한 중성자 흡수 격자를 제공할 있는 장점이 있다. 도 5 및 6에는 가돌리늄이 검출기(CCD, 60)를 향하는 쪽에 증착되는 실시예가 도시되지만 중성자 흡수물질은 어느 쪽에 증착되어도 좋다.
나이프-에지 필터(30)는 시료(50)에서 굴절되는 중성자 빔을 직진하는 빔과 분리하는 역할을 하는 것으로, 필터로 작용하기 위해서는 중성자 빔이 집속되는 초점거리에 위치하여야 한다.
본 발명에 따른 중성자 빔 위상차 영상장치의 작동을 실시예를 예로 설명한다.
중성자빔 광원(10)은 파장(λ)이 4.33x10-10 m 인 냉 중성자가 방사되고, 광원 격자(20)는 격자 폭이 6.0 ㎛이고 격자와 격자 사이의 간격이 19.0 ㎛ 인 그물형 격자 형상으로 격자에 의해 생성되는 홀의 직경이 19㎛가 되고, 가로 세로 6㎛ 이격된 복수의 홀이 2차원으로 배치되는 핀홀 어레이 렌즈가 형성된다.
나이프 에지 필터(30)는 광원 격자(20)와 동일한 사양으로 격자형으로 형성하되, 단부는 도 7에 도시된 바와 같이 칼날형으로 형성한다. 나이프-에지 필터(40)는 핀홀 어레이 렌즈의 초점거리만큼 광원 격자(30)에서 이격된 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 핀홀 렌즈의 초점거리(f)는 다음 수학식 1으로 구할 수 있다.
여기서, d는 핀홀의 직경, f는 초점거리, λ는 입사되는 중성자의 파장이다.
따라서, 핀홀 직경이 19x10-6m, 중성자의 파장이 4.33x10-10 m 이면, 촛점거리 f는 77.3mm이다.
그러므로, 나이프 에지 필터(30)는 광원 격자(20)로부터 77.3mm 이격된 위치에 배치한다.
상기와 같이 구성된 나이프-에지 필터(30)는 투과빔과 굴절빔을 여과, 시료(50)에 의해 굴절되는 중성자 빔을 나이프-에지 필터(40)가 직진하는 중성자 빔과 분리한다. 시료(50)와 나이프-에지 필터(30) 사이의 거리는 시료에 따라 다른 값으로 설정하지만 1 내지 5 mm 범위에서 영상을 획득할 수 있다.
광변조 소자(40)는 입사되는 중성자빔을 가시광선 영역의 광으로 변환하는 단결정을 포함하는 것이 바람직하다. 광변조 소자(40)는 나이프-에지 필터(40)로부터 소정 거리에 고정되는 것이 바람직하고, 상기 거리는 2mm 내외가 바람직하다. 검출기(60)는 광변조 소자(30) 표면에 초점이 맞추어진 광학 현미경에 장착되는 것으로 CCD(charge coupled device)를 사용하는 것이 바람직하다. 검출기(60)는 입사되는 중성자의의 세기를 측정하고 이 데이터를 후처리하여 위상차 영상을 획득할 수 있다.
상기와 같이 중성자 빔 위상차 영상장치를 구성하고 시료(50)를 나이프-에지 필터(40) 앞에 위치시킨 다음 위상차 영상을 획득하는 방법을 실시예를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
광원 격자(20), 시료(50), 나이프-에지 필터(30)를 광축에 정렬시키되, 나이프-에지 필터(30)는 광원 격자(20)로부터 광원 격자의 핀홀의 초점거리만큼 이격시켜 배치하고, 시료를 광축 방향으로 미세하게 조정하여 검출기(60)에 나타난 영상이 선명해진 위치에 시료를 고정하고, 나이프-에지 필터(30)를 광축에서 빼낸 상태에서 흡수 영상(Iabs)을 컴퓨터에 저장한다.
나이프-에지 필터(30)를 광축에 원위치시킨 다음, 도 4의 x 축 방향과 y 축 방향으로 필터(30)를 소정 간격 이동하며 각각의 영상을 검출기(CCD,60)로 획득하여 저장한다. 1회 이동거리는 광원 격자 주기를 n으로 나눈 값이 되고, n은 이동 회수가 된다. 이 과정에서 측정되는 강도 I+(x,y)는 나이프-에지 필터(30)의 이동방향에서 측정되는 강도이며 I-(x,y)는 나이프-에지 필터(30)의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도이다. 각각의 이동에 따른 강도 측정시 이 두 값, I+(x,y)와 I-(x,y)가 동시에 검출기(60)에 관측되고 이 영상이 수치로 컴퓨터에 저장된다. 도 1 은 1회 이송할 경우 관측된 영상을 나타내고, 도 4는 x 축과 y 축 방향으로 각 5회 이동할 경우 관측된 영상을 나타낸다. 도 4의 실시예에서 1회 이동 거리는 광원 격자(30) 주기의 1/5인 3.8㎛가 되고, 총 25회의 측정값을 얻게 되고, 이를 수학식 2로 표시할 수 있다.
따라서, 위상차 영상은 다음 수학식 3에 따라 연산 된다.
영상 후처리는 일반적인 차트 형식의 데이터를 처리하는 스프레드 시트 프로그램으로 CCD 영상을 수치로 전환하여, 수학식 3에 의하여 영상화하여 최종 위상차 영상을 얻을 수 있게 된다.
10 : 중성자 광원 20 : 광원 격자(핀홀 렌즈 어레이)
30 : 나이프-에지 필터 40 : 광변조 소자
50 : 시료 60 : 검출기
100 : 빔 진행방향 110 : 격자
120 : 중성자 흡수체 130 : 금속 격자
30 : 나이프-에지 필터 40 : 광변조 소자
50 : 시료 60 : 검출기
100 : 빔 진행방향 110 : 격자
120 : 중성자 흡수체 130 : 금속 격자
Claims (7)
- 중성자 빔 위상차 영상 장치에 있어서,
중성자 빔을 방사하는 중성자 광원;
상기 중성자 광원으로부터 이격되어 상기 중성자 빔의 진행방향에 설치되며 소정 폭의 스트라이프가 가로 세로 방향으로 교차되는 격자 형상으로 형성되어 상기 스트라이프의 교차로 인해 형성되는 복수 개의 홀이 2차원으로 배열되는 광원 격자; 및
상기 광원 격자로부터 이격되어 상기 중성자 빔의 진행방향에 설치되며, 소정 폭의 스트라이프가 가로 세로 방향으로 교차되는 격자 형상으로 형성되고, 상기 스트라이프의 단부가 칼날 형상이며, 일면에 중성자 흡수물질이 증착되는 나이프-에지 필터를 포함하는 중성자 빔 위상차 영상장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 나이프-에지 필터는 상기 광원 격자로부터 상기 광원 격자에 포함되는 상기 홀의 초점 거리(f)만큼 이격되어 배치되는 중성자 빔 위상차 영상 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 초점 거리는,
(여기서 d는 상기 광원 격자의 상기 홀의 직경이고, f는 상기 홀에 의한 초점거리, λ는 상기 중성자 빔의 파장)인 중성자 빔 위상차 영상장치. - 제 1 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광원 격자의 상기 홀은 핀홀 렌즈인 중성자 빔 위상차 영상장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광원 격자의 일면에 중성자 흡수물질이 증착되는 중성자 빔 위상차 영상장치. - 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 중성자 흡수물질은 가돌리늄(Gd)인 중성자 빔 위상차 영상장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 광원 격자의 양 단부는 칼날 형상으로 형성되는 중성자 빔 위상차 영상장치.
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| KR1020120035234A KR101284018B1 (ko) | 2012-04-05 | 2012-04-05 | 중성자 빔 위상차 영상 획득 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101284018B1 true KR101284018B1 (ko) | 2013-07-09 |
Family
ID=48996916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120035234A KR101284018B1 (ko) | 2012-04-05 | 2012-04-05 | 중성자 빔 위상차 영상 획득 장치 |
Country Status (1)
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|---|---|
| KR (1) | KR101284018B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101755153B1 (ko) | 2016-04-26 | 2017-07-06 | 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 | 3차원 영상의 생성 방법 및 장치 |
| CN116145083A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-05-23 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种硅基中子光栅镀钆的制备工艺 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002340738A (ja) | 2001-05-14 | 2002-11-27 | Asahi Optical Co Ltd | 光学部材検査装置 |
| KR100764003B1 (ko) | 2005-01-05 | 2007-10-08 | 한국과학기술원 | 렌즈 없는 칩위의 광학 현미경 및 이를 이용한 영상 획득시스템 |
| KR20110129302A (ko) * | 2010-05-25 | 2011-12-01 | 단국대학교 산학협력단 | 엑스선 직렬 격자 간섭계 |
-
2012
- 2012-04-05 KR KR1020120035234A patent/KR101284018B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20110129302A (ko) * | 2010-05-25 | 2011-12-01 | 단국대학교 산학협력단 | 엑스선 직렬 격자 간섭계 |
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|---|
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| KR101755153B1 (ko) | 2016-04-26 | 2017-07-06 | 단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단 | 3차원 영상의 생성 방법 및 장치 |
| CN116145083A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-05-23 | 西安稀有金属材料研究院有限公司 | 一种硅基中子光栅镀钆的制备工艺 |
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