KR101696250B1 - 다중 비구면 미러를 이용한 집속형 중성자 유도관 - Google Patents

Abstract

본원발명은 중성자 집속 장치에 관한 것으로, 하나의 초점을 공유하면서 중성자 유도관의 일단의 상측 및 하측에 각각 구비되는 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러; 및 상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러를 포함하고, 상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러는 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 하는 중성자 집속 장치를 개시한다.

Description

다중 비구면 미러를 이용한 집속형 중성자 유도관{A FOCUSING NEUTRON GUIDE USING MULTICHANNEL NON SPHERICAL MIRRORS}

본원발명은 다중 비구면 미러를 이용하여 중성자를 집속시킬 수 있는 중성자 집속 장치 및 중성자 유도 시스템에 관한 것이다.

본원발명은 중성자 유도 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 냉 중성자 원(Cold Neutron Source)으로부터 발생한 중성자의 손실을 최소화하면서 상기 중성자들을 멀리 떨어진 장치로 분리 및 이송시켜 상기 중성자들을 각각 필요에 따른 연구에 사용할 수 있도록 해주는 중성자 유도 시스템에 관한 것이다.

중성자 유도 시스템으로 가장 널리 활용되고 있는 것은 중성자 유도관(Neutron Guides)이다. 상기 중성자 유도관은 냉 중성자 원으로부터 발생된 냉 중성자(Cold Neutron)를 진공 상태에서 전반사되도록 하여 일정 거리만큼 떨어진 실험 장치로 중성자의 손실을 최소화하면서 이송시키기 위한 초거울(Super Mirrors)을 내면에 구비한 안내관이다. 상기 중성자 유도관은 일반적으로 냉 중성자 원으로부터 40 m 내지 100 m 이상 떨아진 실험동 내의 다른 실험 장치로 상기 중성자를 최대한 많이 보내는 것(최소한의 중성자 손실 상태)을 목적으로 고안되었다.

상기 중성자 유도관 내면에 구비되는 초거울은 상기 중성자들이 상기 중성자 유도관의 내부에서 전반사되어 상기 중성자 유도관의 일 단부를 향하여 이동할 수 있게 도와준다.

이를 위하여 상기 초거울은 자성체인 FeCo, Co 또는 비자성체인 Si, Ti, Cu 등의 물질들이 선택적으로 다층 코팅되어 상기 중성자들의 반사면인 박막이 누적 적층되어 있는 형태로 형성된다.

상기 중성자 유도관은 내면에 위와 같이 박막 코팅 형성되어 있는 초거울을 구비함으로써 그 내측으로 상기 중성자들이 임계 각도 내에서 전반사되어 이동하도록 해준다. 즉, 상기 중성자들이 전반사되는 있는 성질을 이용하여 상기 중성자들의 손실을 최소화하면서 이동, 즉 수송시킬 수 있도록 해준다.

x-선도 상기 중성자 유도관과 동일한 원리인 전반사 원리를 이용하여 이송될 수 있다.

위와 같이 상기 중성자 유도관을 통해 이송되어 온 중성자들은 물질 구조 분석을 위해 다양한 실험 장치에서 광범위하게 이용될 수 있다. 다만, 상기 중성자들을 효율적으로 이용하기 위해서는 일정한 샘플 위치에서 상기 중성자들이 집중될 것이 요구된다.

이를 위해 상기 중성자 유도관의 단부에는 포물선(parabolic) 또는 타원(elliptical)의 형상을 갖는 비구면 미러가 구비됨으로써 상기 중성자들을 집속하는 역할을 하기도 한다.

또한, x-선 역시 위와 동일한 원리를 이용하여 일정한 샘플 위치에서 x-선의 플럭스 증가를 유도할 수 있다.

상기 광원으로부터 발생된 중성자 또는 x-선을 광섬유와 같은 상기 중성자 유도관 또는 x-선 유도관을 통하여 이송하는 경우, 상기 비구면 미러(포물선 미러 또는 타원 미러)에 입사하는 빔의 각도는 0 내지 4 도 정도의 영역에 분포되게 된다.

이 때 상기 포물선 미러 또는 타원 미러 등 여러 비구면 미러들 중 한 종류의 비구면 미러만을 이용할 경우에는 전반사시킬 수 있는 빔의 입사각의 범위가 매우 좁기 때문에 빔의 손실률이 매우 높은 편이다. 즉, 빔의 이송률이 낮아지게 된다.
종래의 기술로는 일본 공개특허공보 특개평10-332895호(1998.12.18.) 및 공개특허공보 제10-2011-0029328호(2011.03.23.) 등이 있다.

본원발명은 상기 중성자 유도관의 단부에서 상기 중성자의 손실을 최소화하면서 상기 중성자를 목적하는 곳(샘플 위치)에 집속시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본원발명은 상기 유도관의 단부에서 방출되는 x-선 평행 빔 및 포인트 빔의 손실을 최소화하면서 상기 x-선을 목적하는 곳(샘플 위치)에 집속시키는 것을 목적으로 한다.

즉, 상기 중성자 유도관의 단부에서 다양한 입사각으로 입사되는 중성자 또는 x빔을 최소한의 손실로 집속시키는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 본원발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본원발명의 일 실시예에 따르는 중성자 집속 장치는 하나의 초점을 공유하면서 중성자 유도관의 일단의 상측 및 하측에 각각 구비되는 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러; 및 상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러를 포함하고, 상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러는 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본원발명과 관련된 다른 실시예에 따르면, 상기 중성자 집속 장치는 상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 중성자 유도관의 일단의 좌측 및 우측에 구비되는 좌측 포물선 미러 및 우측 포물선 미러; 및 상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 좌측 포물선 미러 및 우측 포물선 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 좌측 타원 미러 및 우측 타원 미러를 더 포함하고, 상기 좌측 타원 미러 및 우측 타원 미러는 상기 좌측 포물선 미러 및 우측 포물선 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본원발명과 관련된 또 다른 실시예에 따르면, 상기 중성자 집속 장치는 상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 하나 이상의 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러를 더 포함하고, 상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러는 상기 초점을 기준으로 외측에 구비되는 타원 미러일수록 내측에 구비되는 타원 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본원발명과 관련된 또 다른 실시예에 따르면, 상기 중성자 집속 장치는 상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 좌측 타원 미러 및 우측 타원 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 하나 이상의 좌측 및 우측 타원 미러를 더 포함하고, 상기 좌측 및 우측 타원 미러는 상기 초점을 기준으로 외측에 구비되는 타원 미러일수록 내측에 구비되는 타원 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본원발명과 관련된 또 다른 실시예에 따르면, 상기 중성자 집속 장치는 상기 초점은 상기 중성자 유도관의 길이 방향을 따르는 중심축 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본원발명과 관련된 또 다른 실시예에 따르면, 상기 중성자 유도 시스템은 중성자 유도관; 및 중성자 집속 장치를 포함하고, 상기 중성자 집속 장치는 하나의 초점을 공유하면서 중성자 유도관의 일단의 상측 및 하측에 각각 구비되는 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러; 및 상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러를 포함하고, 상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러는 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본원발명은 상기 중성자 유도관의 단부에서 방출되는 중성자 또는 x-선으로 이루어진 평행 빔 및 포인트 빔을 목적하는 곳(샘플 위치)에 최소한의 손실로 집속시킬 수 있게 해준다.

즉, 상기 중성자 유도관의 단부에서 다양한 입사각으로 입사되는 빔을 최소한의 손실로 집속시킬 수 있게 해준다.

도 1은 본원발명의 일 실시예에 따른 중성자 유도 시스템으로서, 중성자 유도관의 단부의 상측 및 하측에 각각 중첩적으로 구비되는 포물선 미러 및 타원형 미러를 도시한 개념도이다.
도 2a는 한 층만 니켈로 코팅한 표면을 갖는 중성자 유도관으로 중성자를 입사시켰을 때 전반사되는 입사각을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 니켈과 티타늄을 동일 두께로 번갈아 코팅함으로써 다층의 코팅층이 형성된 표면을 갖는 중성자 유도관으로 중성자를 입사시켰을 때 전반사되는 입사각을 나타낸 그래프이다.
도 2c는 니켈과 티타늄을 다층 코팅할 때 코팅 박막의 두께를 점진적으로 두껍게 함으로써 코팅 형성된 표면을 갖는 중성자 유도관으로 중성자를 입사시켰을 때 상기 중성자가 전반사되는 입사각이 현저하게 커진 것을 나타내고 있는 그래프이다.
도 3은 중성자 유도관이 중성자를 전반사시키면서 이송시키는 모습을 개략적으로 도시한 개념도이다.
도 4는 x-선이 발생되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 타원 미러의 두 초점 중 하나의 초점에 스팟 광원이 놓여져 있을 경우 다른 초점으로 빔이 집속되는 모습을 도시한 개념도이다.
도 6은 스팟 광원에서 방출된 x-선이 포물선 미러를 통해 평행 빔의 형태로 변환되는 모습을 도시한 개념도이다.
도 7은 포물선 미러를 이용하여 빔을 집속하는 경우 집속된 빔의 이동 경로를 도시한 개념도이다.
도 8은 타원 미러를 이용하여 빔을 집속하는 경우 집속된 빔의 이동 경로를 도시한 개념도이다.
도 9는 포물선 및 타원 미러를 중첩적으로 적용한 이중 미러 구조로 빔을 집속하는 경우에 집속된 빔이 이동하는 경로를 도시한 개념도이다.
도 10은 초점을 기준으로 최내측의 상측 및 하측에 각각 포물선 미러를, 그 외측에 순차로 상측 및 하측에 각각 2겹의 타원 미러를 중첩적으로 적용한 다중 미러 구조로 빔을 집속하는 경우 집속되는 빔의 이동 경로를 도시한 개념도이다.
도 11은 높이 100 mm, 길이 1,000 mm인 중성자 유도관을 이용하는 경우, 샘플 위치인 300 mm 지점에 빔을 집속시키기 위해 설치하여야 하는 포물선 미러를 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 높이 100 mm, 길이 1,000 mm인 중성자 유도관을 이용하는 경우, 샘플 위치인 300 mm 지점에 빔을 집속시키기 위해 설치하여야 하는 타원 미러를 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 13은 높이 100 mm, 길이 1,000 mm인 중성자 유도관을 이용하는 경우, 도 11 및 도 12에 도시된 미러들과 충돌하지 않는 내측 타원 미러를 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 14는 높이 100 mm, 길이 1,000 mm인 중성자 유도관을 이용하는 경우, 도 11, 도 12 및 도 13에 도시된 미러들이 중첩적으로 적용되어 있는 상태를 시뮬레이션한 개념도이다.

이하, 본원발명의 다중 비구면 미러를 이용한 중성자 유도 장치에 대하여 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

본 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되고, 본 발명의 기술적 사항에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본원발명을 더욱 구체적으로 설명할 것이다.

도 1은 본원발명의 일 실시예에 따른 중성자 유도 시스템(200)을 도시하고 있는 개념도이다. 상기 중성자 유도 시스템(200)은 중성자 유도관(10) 및 상기 중성자 유도관(10)의 일 단부의 상측 및 하측에 각각 중첩적으로 구비되는 포물선 미러(111, 112) 및 타원형 미러(121, 122, 131 및 132)를 포함한다.

먼저, 중성자(n)는 중성자 원(미도시)으로부터 발생하게 된다. 이렇게 발생된 중성자(n)들은 다양한 실험을 수행하는데 이용될 수 있는데, 이를 위해서는 상기 중성자(n)들이 다양한 실험을 수행할 수 있는 각각의 실험 장치가 설치되어 있는 위치까지 이송되어야 한다. 이 때 상기 중성자가 이동하여야 하는 총 이송 거리는 대략 40 m 내지 100m에 이른다.

상기 중성자(n)들을 이송하는데 있어서 일반적으로 널리 사용하는 방법은 상기 중성자 유도관(10)을 이용하는 것이다.

상기 중성자 유도관(10)은 상기 중성자 원으로부터 발생된 중성자(n)들이 상기 중성자 유도관(10)의 내면에 코팅되어 있는 물질의 표면으로 입사될 때 코팅 물질의 임계각 내로 입사하게 되는 경우 전반사되는 성질을 이용한다. 즉, 상기 중성자(n)들은 상기 중성자 유도관(10)의 내부에서 계속해서 전반사되면서 이송되는 것이다.

도 3에는 상기 중성자 유도관(10)이 중성자(n)를 전반사시키면서 이송시키는 모습이 개략적으로 도시되어 있다.

일반적인 중성자 유도관(10)은 상기 중성자(n)들이 효율적으로 전반사되면서 이송되도록, 내면이 니켈(Ni)로 코팅되어 있다. 그러나, 한 층만 코팅하여 제작된 중성자 유도관(10)은 상기 중성자(n)들을 전반사시킬 수 있는 임계각이 그리 크지 않다. 이 때문에 상기 임계각을 벗어나는 각도로 진입되는 중성자(n)들은 전반사되지 못하고 그대로 손실되게 된다. 결국 한 층만 코팅하여 제작된 중성자 유도관(10)은 이송 효율(중성자들을 이송할 수 있는 정도를 나타내는 지표)이 크게 떨어진다.

따라서 위와 같은 문제점을 극복하기 위해 한 층만 코팅을 하는 것이 아니라 다층으로 코팅을 한 중성자 유도관(10)이 활용되게 되었다. 위와 같이 다층으로 코팅을 하게 되면, 한 층만 코팅을 한 것보다 임계각이 커지게 되어 상기 중성자(n)의 이송 효율을 높일 수 있다. 즉, 상기 중성자(n)의 이송 손실을 줄여줄 수 있다.

도 2a는 한 층만 니켈로 코팅한 표면을 갖는 중성자 유도관(10)으로 중성자(n)를 입사시켰을 때 전반사되는 입사각을 나타낸 그래프이다.

도 2b는 니켈과 티타늄(Ti)을 동일 두께로 번갈아 코팅하여 다층의 코팅층을 형성시킨 표면을 갖는 중성자 유도관(10)으로 중성자(n)를 입사시켰을 때 전반사되는 입사각을 나타낸 그래프이다.

도 2c는 니켈과 티타늄을 다층 코팅할 때 코팅 박막의 두께를 점진적으로 두껍게 하여 형성시킨 표면을 갖는 중성자 유도관(10)으로 중성자(n)를 입사시켰을 때 전반사되는 입사각이 현저하게 커진 것을 나타낸 그래프이다.

보다 구체적으로, 두 개의 서로 다른 물질을 동일 두께로 반복 적층하면, 인위적인 2차원의 주기적 구조로 인하여 회절 peak가 생성된다.

도 2c에 도시되어 있는 중성자 초거울은 바로 위와 같은 원리를 활용하여 상기 중성자(n)가 전반사가능한 최대 입사각(임계각)을 커지게 만든 것이다.

즉, 상기 중성자 초거울은 니켈과 티타늄을 번갈아 적층함에 있어서 박막의 두께에 변화를 주어 임계각을 확장할 수 있게 해준다. 상기 중성자 초거울은 위와 같은 구조를 가짐으로써 상기 니켈의 전반사각의 2배, 3배, 4배에 해당하는 입사각으로 입사된 중성자(n)들을 전반사시킬 수 있게 된다.

이와 같이 설계된 중성자 초거울들은 각각 니켈의 전반사각의 몇 배에 해당하는 입사각으로 입사된 중성자(n)까지 전반사시킬 수 있느냐에 따라서 M2(2배), M3(3배), M4(4배) 등으로 불리운다.

한편, 상기 중성자 유도관(10)을 통해 이송되어 온 중성자(n)들을 각각의 실험 장치들에서 효율적으로 이용하기 위해서는 상기 중성자(n)들을 상기 중성자 유도관(10)의 일 단부 부분에서 집속되도록 하여야 한다.

이를 위해, 최근에는 기존에 널리 사용되던 일반적인 직선형 경통 형태의 중성자 유도관(10)의 일 단부에 포물선 또는 타원 등의 한 종류의 비구면 미러를 적용함으로써 포인트 빔 또는 평행 빔과 같은 형태로 중성자(n)를 집속시키는 방법들을 활용하기도 하였다.

그러나 본원발명은 상기 중성자 유도관(10)의 일 단부에 포물선 미러 또는 타원 미러 중 한 종류의 비구면 미러만을 적용하는 것이 아니라, 포물선 미러 및 타원 미러 등 두 가지 형태의 비구면 미러(블레이드)들이 동일한 위치의 초점(F)을 공유하면서 중첩적으로 구비되도록 함으로써 집속되는 중성자(n)의 양을 현저하게 향상시켜준다.

본원발명의 비구면 미러를 구성하는 중성자 초거울은 니켈(Ni)과 티타늄(Ti)을 번갈아 적층하고 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 니켈과 티타늄을 번갈아 코팅한 중성자 초거울을 이용하면, 상기 중성자(n)가 전반사될 수 있는 최대 입사각을 오직 니켈만으로 코팅되어 있는 면의 입사각보다 2 내지 5 배 이상으로 증가시킬 수 있게 된다.

도 1을 참조하면, 본원발명은 포물선 및 타원 형태의 중성자 초거울들을 동일한 위치에 초점(F)을 공유하도록 중첩적으로 구비시킴으로써 중성자(n)를 집속시킨다.

x-선 또는 중성자(n)의 경우 빛보다 훨씬 짧은 파장을 갖기 때문에 높은 에너지를 지니고 있다. 일반적으로 물성 분석에 필요한 파장 영역은 0.6 ~ 5 Å(옹스트롬)이며, x-선 또는 중성자(n)의 전반사 여부는 입사각, 파장 및 미러에 코팅된 물질의 종류 등의 여러가지 요인에 의하여 결정된다.

특히, 상기 미러에 코팅되는 물질로는, X-선을 이송하고자 하는 경우에는 원자번호가 높은 물질이면서 흡수가 낮은 물질을 이용하게 되며, 중성자(n)를 이송하고자 하는 경우에는 일반적으로 니켈(Ni)을 이용하게 된다. 상기 중성자 초거울은 굴절률이 높은 물질과 낮은 물질을 번갈아 적층 코팅하여 인위적으로 회절 피크(peak)를 만들게 되고, 상기 회절 피크(peak)의 폭을 확장시킴으로써 니켈의 전반사각을 확장하게 된다.

중성자(n)의 파장이 4.75 Å일 때 니켈만으로 코팅된 면에서의 중성자(n)의 전반사각은 약 0.5 도 정도로 매우 작다. 즉, 중성자(n)의 입사각이 0.5 도를 초과하는 경우, 니켈 한 가지로만 코팅되어 있는 중성자 초거울을 이용하게 되면 상기 중성자(n)를 전반사시키지 못하지만, 니켈과 티타늄이 번갈아 함께 코팅되어 있는 중성자 초거울을 이용하게 되면 적게는 2 배에서 많게는 7 배까지 상기 중성자(n)를 전반사시킬 수 있는 입사각을 확장할 수 있게 된다.

도 4는 x-선이 발생되는 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

이하에서는 도 4를 참조하면서 x-선이 생성되는 과정에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

x-선을 발생시키는 장치는 일반적으로 이하의 단계들을 거치게 된다.

먼저, 필라멘트에 고전압을 걸어준다. 고전압으로 인해 상기 필라멘트에서 전자가 방출되면, 상기 방출된 전자가 금속 타겟으로 입사된다. 상기 입사된 전자는 금속 타겟에서 감속되며, 이때 특정 물질의 에너지 준위를 갖는 다른 전자가 자신의 괘도에서 이탈하게 된다. 그러면 위에서 이탈된 전자보다 더 고준위를 갖는 전자가 상기 이탈된 전자의 빈 괘도를 채우게 된다. 바로 이때 위에서 괘도가 바뀐 전자가 종전에 위치하고 있던 고준위와 새로이 위치하게 된 저준위 사이의 에너지 차이만큼 에너지가 남게 되고, 이 에너지가 x-선으로 발생되어 방출되는 것이다.

위와 같은 단계를 거쳐 생성된 x-선은 거리의 제곱에 반비례하여 그 양이 급속히 줄어들게 된다. 따라서 앞서 생성된 x-선을 효과적으로 컨트롤하기 위해서는 x-선을 방출시키는 금속 타켓으로부터 x-선이 분산되는 것을 최대한 억제시킬 필요가 있다.

일반적으로 위와 같이 생성된 x-선의 분산을 억제시키는 방법으로는 상기 포물선 미러를 사용하여 x-선을 평행 빔 형태로 변형시키는 방법과, 상기 타원 미러를 사용하여 x-선을 한 포인트로 집속시키는 방법 등이 있을 수 있다. 또한, 본원발명과 같이 상기 포물선 미러와 타원 미러를 중첩적으로 적용시키는 방법도 고려해볼 수 있다.

도 5는 타원 미러의 두 초점 중 하나의 초점에 스팟(spot) 광원이 놓여져 있을 경우 다른 초점(F)으로 빔이 집속되는 모습을 도시한 개념도이다.

도 6은 스팟 광원에서 방출된 x-선이 포물선 미러를 통해 평행 빔의 형태로 변형되는 모습을 도시한 개념도이다.

상기 스팟 광원으로부터 방출된 빔은 상기 스팟으로부터 방사형으로 분산된다. 상기 분산되는 빔의 손실을 줄이기 위해서, 위와 같이 방출되는 빔의 분산 방향을 평행한 방향으로 변환시켜 평행 빔으로 바꾸어 주는 경우가 많다. 포물선 미러는 위와 같이 스팟 광원으로부터 방사형으로 발산되는 빔을 평행 빔으로 변환시켜주는데 활용된다.

상기 도 5 및 도 6을 참조하면, 하나의 스팟에서 생성된 x-선이 각각 타원 및 포물선 미러를 거침으로써 하나의 포인트로 빔이 집속되거나 평행 빔으로 재생성되는 모습을 확인할 수 있다.

그러나 도 4에서도 확인할 수 있는 바와 같이, 전자를 발생시키는 필라멘트(광원)의 두께 및 금속 타겟으로 입사하는 전자들의 분산 등의 요인을 고려하면, 완벽한 포인트 또는 라인 형태의 광원은 실제로 존재하기 힘들다는 것을 알 수 있다.

또한, 원자로 기반의 중성자 원은 다수의 번들 형태로 구성된 우라늄 봉들로 이루어져 있을 뿐 아니라 중성자의 이송을 위해 중성자 유도관(10)을 이용할 경우, 수십 미터 이상 상기 중성자 유도관(10) 내부를 통해 전반사되어 이송된 중성자(n)들의 광원을 정의하는 것은 용이하지 않다.

이 때문에 위와 같은 과정으로 이송되어 온 중성자(n)를 집속하기 위해서 포물선 또는 타원 미러를 각각 따로 적용하는 방법만으로는 중성자 수율이 현저히 떨어질 수밖에 없다.

도 7은 포물선 미러(111, 112)를 이용하여 빔을 집속하는 경우 집속된 빔의 이동 경로를 도시한 개념도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 중성자 유도관(10)의 단부에서 동일한 초점(F)을 공유하도록 상측 및 하측에 각각 포물선 미러(111, 112)를 적용하는 경우, 상기 반사면과 평행하게 진행하는 중성자(n)들은 상기 포물선 미러(111, 112)에 전반사되어 집속된다. 그러나 상기 반사면과 평행하게 입사되는 빔보다 입사각이 작은 경우는 초점(F)의 오른편에, 입사각이 큰 경우는 왼편에 각각 반사되게 되기 때문에 다소 퍼짐 현상이 발생하게 된다.

또한, 상기 포물선 미러(111, 112)에 코팅된 초거울의 상태(M 값)에 따라서 전반사가 가능한 최대 입사각의 크기가 달라지게 된다. 만약 상기 중성자(n)가 전반사가 가능한 최대 입사각보다 큰 각도로 입사할 경우 전반사되지 않고 그대로 투과되게 된다.

즉, 상기 중성자 유도관(10)을 통과하는 모든 중성자(n)들을 집속시키는 것은 매우 어렵다. 또한, 앞서 살펴본 바와 같이 중성자 유도관(10)의 길이 방향과 평행하게 입사되는 중성자(n)의 입사각과 큰 차이가 나지 않는 중성자(n)들만 전반사가 가능하다.

이 때문에 상기 중성자 유도관(10)의 단부에서 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러(111, 112)를 통해 집속되는 중성자(n)의 수율은 생각보다 높지 않다.

도 8은 타원 미러(121, 122)를 이용하여 빔을 집속하는 경우 집속된 빔의 이동 경로를 도시한 개념도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 상기 중성자 유도관(10)의 일 단부에 동일한 초점(F)을 공유하도록 상측 및 하측에 각각 타원 미러(121, 122)를 적용하는 경우에는, 상기 중성자 유도관(10)을 통과하는 중성자(n)들 중에서 가상의 한 점(가상의 스팟 광원으로 생각할 수 있는 임의의 스팟)으로부터 상기 타원 미러(121, 122)로 입사되는 중성자(n)들만을 집속시킬 수 있기 때문에, 상기 타원 미러(121, 122)를 통해 전반사될 수 있는 중성자(n)들의 최대 입사각은 상기 포물선 미러(111, 112)를 통해 전반사될 수 있는 중성자(n)들의 최대 입사각과 비교할 때 상대적으로 더 크다. 이로 인해, 상기 타원 미러(121, 122)는 상기 포물선 미로보다 상대적으로 높은 M 값이 요구된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 가상의 한 점으로부터 출발하는 중성자(n)의 입사각과 큰 차이가 나지 않는 중성자(n)들은 상기 상측 및 하측 타원 미러(121, 122)를 통해 전반사될 수 있다. 타원 미러(121, 122)가 포물선 미러(111, 112)보다 상대적으로 중성자(n)의 수율이 높지만, 상기 중성자(n)들의 퍼짐 현상 때문에 집속되는 중성자(n)의 양은 포물선 미러(111, 112)와 큰 차이가 없게 된다.

도 9는 포물선 미러 및 타원 미러(111, 112, 121 및 122)를 중첩적으로 적용한 이중 미러 구조로 빔을 집속하는 경우에 집속된 빔이 이동하는 경로를 도시한 개념도이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 본원발명의 일 실시예에 따르는 중성자 집속 장치(100)는 두 타입(포물선 및 타원) 미러(111, 112, 121 및 122)의 초점(F)들이 모두 공유되도록 한다. 따라서, 모든 미러의 초점(F)은 동일한 위치에 놓여지게 된다. 또한, 평행 빔의 형태로 입사되는 중성자(n)들은 상기 포물선 미러(111, 112)에 의해 전반사되고, 포인트 빔의 형태로 입사되는 중성자(n)들은 상기 타원 미러(121, 122)에 의해 전반사된다.

본원발명의 중성자 집속 장치(100)는 이러한 구조를 채택함으로써 집속되는 빔의 강도를 상기 두 가지 종류의 미러 중 한 가지 종류만을 구비한 경우에 비하여 두 배 이상으로 향상시키고자 한다.

본원발명의 일 실시예에 따르는 중성자 집속 장치(100)에 구비되는 상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러(121, 122)는 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러(111, 112)보다 다층으로 코팅된 높은 M 값을 가진 초거울로 형성된다.

도 9에서 평행 빔은 적색으로 도시되어 초점(F)으로 집속되는 것을 확인할 수 있으며, 포인트 빔은 청색으로 도시되어 동일한 초점(F)으로 집속되는 것을 확인할 수 있다.

본원발명의 일 실시예에 의하면, 타원 미러보다 입사각이 작은 평행 빔의 집속에 이용되는 포물선 미러에는 상대적으로 낮은 M 값을 갖는 초거울을 코팅하고, 타원 미러에는 상대적으로 높은 M 값을 갖는 초거울을 코팅한다. 또한, 두 미러(타원 및 포물선 미러)의 초점(F)이 일치되도록 중첩적으로 이중 배치하면, 각각의 미러를 한 가지만 설치한 경우와 비교하였을 때 중성자(n)의 수율은 두 배가 될 것이다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 초점(F)을 기준으로 내측에 포물선 미러(111, 112)가 먼저 배치되며, 외측에 타원 미러(121, 122)가 배치된다. 그 이유는 상기 타원 미러(121, 122)의 중성자(n) 입사각이 상기 포물선 미러(111, 112)보다 더 크기 때문에 상기 타원 미러(121, 122)의 M 값이 상기 포물선 미러(111, 112)의 M 값보다 상대적으로 커야하기 때문이다.

한편, 보다 높은 효율의 빔 집속을 위해서, 상기 초점(F)을 기준으로 가장 내측에 평행 빔의 집속을 위한 포물선 미러(111, 112)를 설치한 후 상기 초점(F)을 공유하는 여러 장의 타원 미러(121, 122, 131 및 133)을 중첩적으로 설치할 수 있다. 본원발명의 일 실시예에 의하면, 앞서 살펴본 구조를 통해 빔 집속 효율을 계속 증가시킬 수 있다

도 10은 초점을 기준으로 최내측의 상측 및 하측에 각각 포물선 미러를, 그 외측에 순차로 상측 및 하측에 각각 2겹의 타원 미러를 중첩적으로 적용한 다중 미러 구조로 빔을 집속하는 경우 집속되는 빔의 이동 경로를 도시한 개념도이다.

이하에서는 도 10을 참조하면서 중첩적으로 다중 적용된 비구면 미러들을 활용한 중성자 집속 장치(100)를 설명한다.

본원발명의 일 실시예에 따른 중성자 집속 장치(100)는 하나의 초점(F)을 기준으로 할 때 최내측에, 상기 초점(F)을 공유하면서 상측 및 하측에 각각 구비되는 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러(111, 112)를 포함한다. 또한, 상기 중성자 집속 장치(100)는 상기 초점(F)과 동일한 초점을 공유하면서, 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러(111, 112)의 외측에 중첩적으로 각각 구비되는 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러(121, 122)를 포함한다. 또한, 상기 중성자 집속 장치(100)는 상기 초점(F)과 동일한 초점을 공유하면서, 상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러(121, 122)의 외측에 중첩적으로 각각 구비되는 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러(131, 132)를 더 포함한다.

상기 미러들(111, 112, 121, 122, 131 및 132)은 상기 초점(F)을 기준으로 할 때 상기 초점(F)에서 더 멀게 위치하는 미러일수록 상대적으로 더 큰 M 값을 갖는 초거울로 형성되어 있다.

앞서 살펴본 바와 같은 중첩적인 구조를 갖는 비구면 미러(111, 112, 121, 122, 131 및 132)들을 활용한 중성자 집속 장치(100)를 활용하게 되면, 단층의 비구면 미러만을 활용하거나 단층의 비구면 미러들을 순차적으로 활용한 중성자 집속 장치들에 비하여 현저하게 향상된 중성자 집속 효율을 획득할 수 있다.

이상에서는 비구면 미러들이 상기 중성자 유도관(10)의 길이 방향 중심축을 기준으로 하였을 때 상측 및 하측에만 구비되는 중성자 집속 장치에 대하여 살펴보았다.

본원발명의 또 따른 실시예에 따른 중성자 집속 장치(100)는 앞서 살펴본 상측 및 하측에 구비되는 포물선 및 타원 미러(111, 112, 121 및 122)에 더하여 좌측 및 우측에 구비되는 포물선 및 타원 미러(미도시)를 더 구비할 수 있다. 여기서 좌측 또는 우측이란, 중성자 유도관의 상측 또는 하측에 대응되는 위치를 의미하는 것으로 중성자 유도관의 내부를 바라보았을 때, 중성자 유도관의 중심축을 기준으로 좌측 또는 우측을 의미하는 것이다. 즉, 좌측 및 우측에 구비되는 포물선 및 타원 미러들(미도시)은 중성자 유도관의 중심축의 연장선을 기준으로 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러와 교차되는 방향으로 상기 중성자 유도관의 일단의 좌측 및 우측에 각각 위치될 것이다. 물론 추가로 좌측 및 우측에 구비되는 포물선 및 타원 미러들(미도시)은 상기 초점(F)과 동일한 위치의 초점을 공유하며, 상기 초점(F)을 기준으로 하였을 때 더 외측에 위치하는 미러일수록 상대적으로 더 큰 M 값을 가지는 초거울로 형성되어 있다.

본원발명의 또 따른 실시예에 따른 중성자 집속 장치(100)는 앞서 살펴본 상측 및 하측에 구비되는 한 층의 포물선 미러 및 두 층의 타원 미러(111, 112, 121, 122, 131 및 132)에 더하여 좌측 및 우측에 구비되는 한 층의 포물선 미러 및 두 층의 타원 미러(미도시)를 더 구비할 수 있다. 물론 추가로 좌측 및 우측에 구비되는 한 층의 포물선 미러 및 두 층의 타원 미러들(미도시)은 상기 초점(F)과 동일한 위치의 초점을 공유하며, 상기 초점(F)을 기준으로 하였을 때 더 외측에 위치하는 미러일수록 상대적으로 더 큰 M 값을 가지는 초거울로 형성되어 있다.

앞서 살펴본 실시예들의 중성자 집속 장치(100)가 중성자(n)를 집속시키는 초점(F)은 일반적으로 상기 중성자 유도관의 길이 방향을 따르는 중심축 상에 위치하는 경우가 많을 것이다. 그러나 본원발명의 초점(F)의 위치는 이에 한정되는 것이 아니라 앞서 살펴본 비구면 미러들의 초점을 다른 위치로 조정함에 따라 다양한 위치로 변경될 수 있다.

또한, 상기 비구면 미러들을 몇 개의 조합으로 나눔으로써 각각의 조합마다 서로 다른 초점을 갖도록 할 수도 있을 것이다. 이렇게 되면 필요한 만큼의 중성자(n)를 나누어 집속시킴으로써 다양한 실험을 수행할 수 있게 된다.

본원발명의 중성자 유도 시스템(200)은 상기 중성자 유도관(10)과 앞서 살펴본 중성자 집속 장치(100)를 포함한다.

도 11은 높이 100 mm, 길이 1,000 mm인 중성자 유도관을 이용하는 경우, 샘플 위치인 300 mm 지점에 빔을 집속시키기 위해 설치하여야 하는 포물선 미러를 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 11을 참조하여 중성자 초거울의 M 값을 얼마로 제작하여야 하는지 산출하여 본다.

중성자 입사 방향 상부 위치인 한 점(p/2 + 1000 + 300, 50)을 지나는 포물선공식은 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1을 p에 대하여 정리하여 보면 수학식 2와 같이 정리된다.

근의 공식을 이용하여 p 값을 구해보면 수학식 3과 같다. 또한, 수학식 4에서와 같이 초점(F)의 좌표 역시 함께 알 수 있다.

또한, (300 + 0.48, T)의 좌표를 이용하여 T 값을 산출하여 보면 이하와 같다.

상기 수학식 5 및 6에 의해 T 값이 계산된다.

결국 중성자 유도관의 출구 위치에서의 높이는 수학식 7에서와 같이 계산된다.

이제 접선의 방정식을 이용하여 기울기 m 및 M 값을 구해보면, 수학식 8 내지 11과 같다.

즉, 높이 100 mm의 중성자 유도관은 48.04 mm 로 축소되며 가장 높은 입사각(T 위치) 2.29 도로 입사되는 중성자의 전반사를 위해 중성자 초거울을 M 값 4.6으로 코팅하여야 한다.

도 12은 높이 100 mm, 길이 1,000 mm인 중성자 유도관을 이용하는 경우, 샘플 위치인 300 mm 지점에 빔을 집속시키기 위해 설치하여야 하는 타원 미러를 선택하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

높이 100 mm의 중성자 유도관의 일단에 위치되어야 할 타원 미러의 구성을 알기 위해서는 이하의 수학식 12 내지 20을 이용할 수 있다.

즉, 높이 100 mm인 중성자 유도관의 일단에 타원 미러를 구비하는 경우, 높이는 64 mm로 줄어들어 상기 포물선 미러의 높이 48 mm와 비교할 때 그 차이가 약 16 mm 정도 발생함을 확인할 수 있다.

이하에서는 도 13을 참조하여 상기 포물선 미러와 타원 미러 사이에 임의의 타원 미러를 더 추가하는 방법을 설명한다.

높이 48 mm 포물선 미러 및 높이 64 mm 타원 미러 사이의 임의 높이를 선택하면[예를 들어, 높이 100 mm, 길이 1000 mm인 중성자 유도관의 일단에 타원 미러를 구비하는 경우, 상기 타원 미러의 높이(출구)를 56 mm로 가정하면], 다음과 같이 계산할 수 있다.

이하에서는 점 (d, 50)의 위치에서의 식을 유도한다.

이하에서는 점 (d+1000, 28)의 위치에서의 식을 유도한다.

수학식 28 및 29를 수학식 26 및 27에 대입하면 이하와 같다.

여기서, 상기 수학식 30을 정리하면 이하와 같다.

또한, 상기 수학식 31을 정리하면 이하와 같다.

상기 수학식 33을 정리하면 이하와 같다.

상기 d 값을 수학식 30에 대입하여 계산하면 이하와 같다.

따라서, 위 수학식들에 의하여, a, b 및 c 값을 구해보면,

가 된다.

결국 상기 수학식 36에 나타나 있는 타원 미러의 수식이 결정되게 된다.

상기 수학식 36의 타원 미러를 앞서 살펴본 포물선 미러 및 외측 타원 미러와 함께 도시하여 보면 도 14와 같다. 따라서, 도 14에 도시된 바와 같이 상기 포물선 미러와 외측 타원 미러 사이에 추가로 새로운 타원 미러를 삽입할 수 있게 된다. 도 14를 참조하면, 이들 미러는 모두 동일한 위치의 초점을 공유하고 있음을 확인할 수 있다.

여기서, d 값을 정하는 공식을 정리하면 이하와 같다.

앞서 설명에 활용하였던 길이 1000 mm, 높이 100 mm 중성자 유도관을 예로 들어 수학식 37에 대하여 설명한다.

상기 수학식 37에서 D 값은 1000 mm, I 값은 50 mm, O 값은 내측 미러부터 각각 24 mm, 28 mm 및 32 mm이며, T 값은 300 mm가 대입되게 된다.

여기서, d 값을 계산해냄으로써 상기 내측 및 외측 타원 미러가 중성자 출구측 위치에서 상기 포물선 미러의 포지션과 충돌하지 않도록 할 수 있다.

10 : 중성자 유도관 123 : 좌측 타원 미러(내측)
100 : 중성자 집속 장치 124 : 우측 타원 미러(내측)
111 : 상측 포물선 미러 131 : 상측 타원 미러(외측)
112 : 하측 포물선 미러 132 : 하측 타원 미러(외측)
113 : 좌측 포물선 미러 133 : 좌측 타원 미러(외측)
114 : 우측 포물선 미러 134 : 우측 타원 미러(외측)
121 : 상측 타원 미러(내측) 200 : 중성자 유도 시스템
122 : 하측 타원 미러(내측) F : 초점

Claims (6)

1. 하나의 초점을 공유하면서 중성자 유도관의 일단의 상측 및 하측에 각각 구비되는 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러;
   상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러;
   상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 상기 중성자 유도관의 중심축의 연장선을 기준으로 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러와 교차되도록 상기 중성자 유도관의 일단의 좌측 및 우측에 각각 위치되는 좌측 포물선 미러 및 우측 포물선 미러; 및
   상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 좌측 포물선 미러 및 우측 포물선 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 좌측 타원 미러 및 우측 타원 미러를 포함하고,
   상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러는 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되며,
   상기 좌측 타원 미러 및 우측 타원 미러는 상기 좌측 포물선 미러 및 우측 포물선 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 하는 중성자 집속 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 중성자 집속 장치는,
   상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 하나 이상의 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러를 더 포함하고,
   상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러는 상기 초점을 기준으로 외측에 구비되는 타원 미러일수록 내측에 구비되는 타원 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 하는 중성자 집속 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 중성자 집속 장치는,
   상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 좌측 타원 미러 및 우측 타원 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 하나 이상의 좌측 및 우측 타원 미러를 더 포함하고,
   상기 좌측 및 우측 타원 미러는 상기 초점을 기준으로 외측에 구비되는 타원 미러일수록 내측에 구비되는 타원 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 하는 중성자 집속 장치.
5. 제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 초점은 상기 중성자 유도관의 길이 방향을 따르는 중심축 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 중성자 집속 장치.
6. 중성자 유도관; 및
   중성자 집속 장치를 포함하고,
   상기 중성자 집속 장치는,
   하나의 초점을 공유하면서 중성자 유도관의 일단의 상측 및 하측에 각각 구비되는 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러;
   상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러;
   상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 상기 중성자 유도관의 중심축의 연장선을 기준으로 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러와 교차되도록 상기 중성자 유도관의 일단의 좌측 및 우측에 각각 위치되는 좌측 포물선 미러 및 우측 포물선 미러; 및
   상기 초점과 동일한 위치의 초점을 공유하면서, 각각 상기 초점을 기준으로 상기 좌측 포물선 미러 및 우측 포물선 미러의 외측에 중첩적으로 구비되는 좌측 타원 미러 및 우측 타원 미러를 포함하고,
   상기 상측 타원 미러 및 하측 타원 미러는 상기 상측 포물선 미러 및 하측 포물선 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되며,
   상기 좌측 타원 미러 및 우측 타원 미러는 상기 좌측 포물선 미러 및 우측 포물선 미러보다 다층으로 코팅된 초거울로 형성되는 것을 특징으로 하는 중성자 유도 시스템.

Images