KR101746411B1 - 고순도 cvd 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고순도 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로 내부에서 조사 시험 중 고속 중성자 및 열 중성자를 포함한 중성자 검출을 위한 소자로 고순도 CVD 다이아몬드 후막을 이용하고 상기 CVD 다이아몬드 후막의 양면에 전극 형성 후 각 전극에 MI 케이블을 연결하여 소형 캡슐 형태로 밀봉된 구조로 형성되어, 신호 재연성과 검출 효율이 높은 고순도 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고순도 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 및 이의 제조방법{A neutron detector for Irradiation Test using high purity CVD diamond and a method for manufacturing the same}

본 발명은 고순도 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로 내부에서 조사 시험 중 고속 중성자 및 열 중성자를 포함한 중성자 검출을 위한 소자로 고순도 CVD 다이아몬드 후막을 이용하고 상기 CVD 다이아몬드 후막의 양면에 전극 형성 후 각 전극에 MI 케이블을 연결하여 소형 캡슐 형태로 밀봉된 구조로 형성되며, 신호 재연성과 검출 효율이 높은 고순도 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

현재, 연구용 원자로에서 핵연료/재료 조사시험 및 중성자 핵변환 도핑(NTD; Neutron Transmutation Doping) 수행 시 열 중성자를 측정하기 위한 검출기로 SPND(Self Powered Neutron Detector)를 사용하고 있다. 그러나, SPND는 베타선 붕괴에 의해 발생되는 전자를 수집함에 따라 붕괴 반감기가 존재하여 실시간 신호 측정이 어려우며, 재료의 핵변환으로 인해 사용 수명에 한계가 있다.

또한, 현재 고속 중성자를 측정할 수 있는 방사선 검출기로 플루토늄(Pu) 혹은 고농축 우라늄을 사용하여 제작된 Fission Chamber가 알려져 있으나, 조사시험에 사용하기 위해서는 핵물질을 사용해야 하고, 또한 원자로 노심에 적용하기에는 검출기의 크기가 커 장착이 어렵다는 제약 조건이 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 방사선 검출기의 소자인 CVD 다이아몬드(1)는 외부로부터 고속 중성자 뿐만 아니라 엑스선, 감마선, 자외선 등과 같이 고 에너지가 입사되면 격자 내에 이온화된 전자(Electronic)와 정공(Hole)이 발생되고, 외부 계장선을 통해 바이어스 전압을 인가하면 전자는 양극(2)으로 정공은 음극(3)으로 이동하여 작은 전류가 흐르게 된다. 따라서 이때 발생되는 전류를 측정함으로써 방사선 선량을 검출할 수 있게 된다.

CVD 다이아몬드는 고에너지 밴드 갭, 높은 캐리어 이동도, 짧은 캐리어 수명, 가혹한 환경에서의 내구성 및 높은 열전도와 같은 우수한 특성을 갖고 있어 일찌감치 방사선 검출기 소자로 사용되고 있다. 또한 SPND의 에미터는 중성자 핵반응에 의해서 다른 물질로 변화되지만, CVD 다이아몬드는 중성자 영향에 의한 물질 변환 특성이 없으며 CVD 다이아몬드 검출기는 실리콘 검출기에 비해서 100배 이상의 방사능 손상에 강하다고 알려져 있다.

초기 다이아몬드 방사선 검출기의 사용은 천연 다이아몬드를 사용하였으나 가격이 고가이며 다이아몬드 내에 포함된 불순물의 영향으로 신호 재연성의 문제가 있었다. 이후 고온 고압에 의한 재연성이 있는 다이아몬드가 합성되고 나아가 CVD 기상 합성에 의한 다결정 CVD 박막 제조와 고순도 단결정 CVD 제조 기술이 개발되어 비로소 신호 재연성과 검출 효율이 높은 방사선 검출기를 만들 수 있게 되었다.

현재 CVD 다이아몬드 검출기는 방사선장의 다양한 선량율에 따른 선형적 응답 특성과 높은 감도의 효율로 인해 방사선 도시메터(Dosimeter)로 응용되고 있으며, 양성자 가속기 및 핵 융합시설에서도 방사선 검출기로 활용되고 있지만 원자로에서 사용하기 위해서는 사용되는 검출기 부품의 내방사성과 구조의 소형화 및 외부 냉각수와의 밀봉 등이 완벽하게 보장되어야 한다.

한편, 이와 관련된 기술이 일본공개특허 제 2005-260008호에 개시된 바 있으며, 상기 종래기술은 다이아몬드를 이용하여 상부 면에 2개의 전극을 만들어 방사선을 검출하는 방법 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일본공개특허 제 2005-260008호("방사선 검출기 및 그 제조 방법", 공개일 : 2005.09.22)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 중성자 검출을 위한 소자로서 고순도 CVD 다이아몬드 후막을 이용하여 검출기를 제작함으로써 신호 재연성과 검출 효율이 높은 고순도 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기는 소정 두께의 후막형 CVD(Chemecal Vapor Deposition) 다이아몬드, 및 상기 CVD 다이아몬드의 상면과 하면에 각각 형성되는 상부 전극 및 하부 전극을 포함하는 CVD 다이아몬드 소자; 상기 CVD 다이아몬드 소자가 장착되며, 절연체로 형성되는 홀더; 내부에 일정 공간이 형성되어 상기 CVD 다이아몬드 소자 및 상기 홀더를 수용하며, 상기 내부 공간을 외부로부터 밀폐시키는 하우징; 및 상기 상부 전극 및 하부 전극에 각각 연결되어 바이어스 전압을 인가하며, 상기 하우징을 관통하여 외부로 연장 형성되는 신호선;을 포함하여 이루어질 수 있다.

또, 상기 상부 전극은 및 상기 하부 전극은 가돌리늄(Gd)으로 이루어져, 에너지 변환을 위한 변환 박막의 역할도 겸할 수 있다.

또, 상기 하우징은 내부에 일정 공간이 형성되되 양단이 개방되는 외통; 상기 외통의 일단에 체결되며, 상기 신호선이 관통되는 홀이 형성되는 상부 플러그; 및 상기 외통의 타단에 체결되는 하부 플러그;를 포함하며, 상기 외통의 내부 공간이 외부로부터 밀폐되도록 모든 연결 부분이 용접 밀봉될 수 있다.

아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 검출기는 상기 하우징에는 외부 가스 유입을 위한 핀 홀이 형성되되, 상기 핀 홀은 상기 하우징 내부에 가스 충전 후 밀봉될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 제조방법은 소정 두께의 후막형 CVD 다이아몬드가 준비되는 a)단계; 마스크 집합체를 이용하여 상기 CVD 다이아몬드의 상면과 하면에 각각 전극이 증착 형성된 CVD 다이아몬드 소자가 제작되는 b)단계; 상기 CVD 다이아몬드 소자가 절연체로 이루어진 홀더에 장착되는 c)단계; 상기 각 전극에 바이어스 전압 인가를 위한 신호선이 연결되는 d)단계; 상기 홀더가 하우징 내부 공간에 수용된 후 상기 공간이 외부로부터 밀폐되는 e)단계; 및 상기 하우징에 형성된 핀 홀을 통해 상기 하우징 내부 공간이 가스 충전된 후 상기 핀 홀이 밀봉되는 f)단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

이때, 상기 마스크 집합체는 상기 CVD 다이아몬드가 고정되도록 상기 CVD 다이아몬드의 크기에 대응되는 제 1관통 홀이 적어도 하나 이상 형성된 중간 마스크; 상기 제 1관통 홀보다 작은 크기의 제 2관통 홀이 적어도 하나 이상 형성된 상부 마스크; 상기 제 1관통 홀보다 작은 크기의 제 3관통 홀이 적어도 하나 이상 형성된 하부 마스크; 및 상기 중간 마스크, 상부 마스크 및 하부 마스크가 놓여지는 마스크 지지대;를 포함하여 이루어질 수 있다.

마지막으로, 상기 b)단계는 상기 중간 마스크의 상기 제 1관통 홀에 상기 CVD 다이아몬드가 고정되는 b-1)단계; 상기 제 2관통 홀이 상기 CVD 다이아몬드의 상면 중앙에 위치되도록 상기 상부 마스크가 상기 중간 마스크 상부에 배치되는 b-2)단계; 상기 제 3관통 홀이 상기 CVD 다이아몬드의 하면 중앙에 위치되도록 상기 하부 마스크가 상기 중간 마스크 하부에 배치되는 b-3)단계; 상기 3개의 마스크가 마스크 지지대 상에 놓여져 증착 장비 내로 투입되며, 전도성이 있는 물질이 상기 제 2관통 홀을 통해 상기 CVD 다이아몬드의 상면에 증착되어 상부 전극이 형성되는 b-4)단계; 및 상기 3개의 마스크가 상하 반전된 상태로 마스크 지지대 상에 놓여져 증착 장비 내로 투입되며, 전도성이 있는 물질이 상기 제 3관통 홀을 통해 상기 CVD 다이아몬드의 하면에 증착되어 하부 전극이 형성되는 b-5)단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 중성자 검출기는 중성자 검출을 위한 소자로서 CVD 다이아몬드 후막을 이용함으로써, 원자로와 같은 가혹한 환경에서도 높은 내구성과 빠른 응답 속도를 가질 수 있는 장점이 있다.

또한, CVD 다이아몬드의 상면과 하면의 각 가장자리 둘레 영역에는 전극이 형성되지 않도록 하고 하부 전극의 면적을 상부 전극보다 작게 형성하여, 바이어스 인가 시 상부 전극과 하부 전극의 단락(short)을 방지할 수 있는 장점이 있다.

또, 본 발명은 열 중성자 측정을 위한 에너지 변환 물질로 붕소(B), 리튬(Li) 또는 가돌리늄(Gd)을 이용함으로써 고속 중성자뿐만 아니라 열 중성자 동시 측정이 가능하며, 특히 종래와 달리 에너지 변환 물질로 핵물질이 사용되지 않아 사용에 제약이 없고 출력 신호 특성이 매우 안정적인 장점이 있다. 아울러, 전극 형성 시 가돌리늄(Gd)을 이용할 경우, 전극 역할과 동시에 에너지 변환 박막의 역할도 가능함에 따라 별도의 변환 박막 형성 공정을 진행하지 않아도 열 중성자 측정을 위한 검출기를 제작할 수 있는 장점이 있다.

또한, 소형의 캡슐 형태로 밀봉 제작됨에 따라 연구용 원자로 내에서도 사용 목적 별로 다수의 검출기 설치가 가능하며, 외부 냉각수로부터 보호가 가능한 장점이 있다.

도 1은 CVD 다이아몬드의 중성자 측정 원리를 설명하기 위한 개략구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중성자 검출기의 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중성자 검출기의 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 CVD 다이아몬드 소자의 사시도 및 단면도(A-A').
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변환 박막을 포함한 CVD 다이아몬드 소자의 사시도 및 단면도(B-B').
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 홀더에 장착된 CVD 다이아몬드 소자의 사시도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 마스크 집합체의 분해사시도.
도 8 및 9는 본 발명의 일실시예에 따른 조립된 마스크 집합체의 사시도 및 단면도(C-C').

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중성자 검출기(1000)의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중성자 검출기(1000)의 단면도(A-A')이고, 도 4는 상기 중성자 검출기에 포함된 CVD 다이아몬드 소자(100)의 사시도 및 단면도(B-B'), 도 5는 변환 박막을 포함한 CVD 다이아몬드 소자(100)의 사시도 및 단면도, 도 6은 홀더에 장착된 CVD 다이아몬드 소자(100)의 사시도이다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 중성자 검출기(1000)는 CVD 다이아몬드 소자(100), 홀더(200), 하우징(300), 및 신호선(400)을 포함하여 이루어진다.

도 4에 도시된 것처럼, CVD 다이아몬드 소자(100)는 소정 두께의 후막형 CVD(Chemecal Vapor Deposition) 다이아몬드(110), 및 CVD 다이아몬드(110)의 상면과 하면에 각각 형성되는 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)을 포함한다.

따라서, 외부로부터 고속 중성자와 같은 고 에너지가 CVD 다이아몬드로 조사되면 조사되는 중성자 선량에 비례하여 CVD 다이아몬드의 격자 내에서 전자와 정공이 여기되며, CVD 다이아몬드(110)의 상하면에 형성된 각 전극(120)을 통해 바이어스 전압을 인가하면 앞서 여기된 전자와 정공이 각 전극으로 이동됨에 따라 전류가 발생된다. 이때, 전류를 측정함으로써 중성자 선량을 검출할 수 있게 된다.

각 전극(120)은 증착률이 높은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 등과 같은 금속 재료를 진공증착(Evaporator)하거나, 스퍼터링(Sputtering) 장비를 사용하여 증착함으로써, 오믹 접촉(Ohmic contact)을 형성하도록 하는 것이 중요하다. 오믹 접촉이란 양방향 전기 전도성을 갖는 낮은 저항의 옴성 접촉으로, 전극(120)이 CVD 다이아몬드(110)와 오믹 접촉되면 외부 바이어스 인가 시 누설 전류가 최소가 되어 검출 특성이 향상된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 CVD 다이아몬드 소자(100)가 오믹 접촉된 상하면의 박막 전극(120)만으로 구성되면, 다이아몬드는 고 에너지와 반응함에 따라, 고 에너지인 고속 중성자만을 검출할 수 있다. 즉, 에너지가 낮은 열 중성자는 변화없이 다이아몬드를 그냥 투과하여 검출이 불가능하다.

따라서, 열 중성자를 측정하기 위해 CVD 다이아몬드 소자(100)는 열 중성자의 고속 중성자의 에너지로 변환시킬 수 있는 변환 박막(130)을 포함해야 한다. 이때, 변환 박막(130)으로는 열 중성자의 흡수 단면적이 큰 붕소(B), 리튬(Li), 가돌리늄(Gd) 등의 물질이 사용된다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 CVD 다이아몬드 소자(100)는, 소자의 외면을 둘러싸도록 형성되어 붕소(B) 또는 리튬(Li) 중 어느 하나 이상의 물질을 포함하는 변환 박막(130)이 더 형성된다.

변환 박막이 저 에너지의 중성자를 높게 이온화된 입자로 에너지를 변환시키는 역할을 함에 따라, 도 5에 도시된 CVD 다이아몬드 소자(100)는 고속 중성자 및 열 중성자를 모두 검출할 수 있게 된다.

만약, 열 중성자만 검출하려고 한다면, 도 4에 도시된 CVD 다이아몬드 소자(100)를 이용하여 고속 중성자를 측정하고, 동시에 도 5에 도시된 변환 박막(130)이 구비된 CVD 다이아몬드 소자(100)를 이용하여 고속 중성자와 열 중성자를 모두 측정하며, 두 측정치의 차이를 계산하면 열 중성자 선량을 추출할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 CVD 다이아몬드 소자(100)에서 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)이 가돌리늄(Gd)으로 형성하여, 전극 역할뿐만 아니라 에너지 변환 역할을 하는 변환 박막의 역할도 동시에 겸할 수 있도록 한다.

상술한 것처럼 에너지 변환 물질로 비도전성 재료인 붕소(B)나 리튬(Li)을 사용할 경우 별도의 변환 박막(130)을 형성해야 하는데, 실제 CVD 다이아몬드를 감싸도록 변환 박막을 형성하는 공정이 복잡하고 어려워, 검출기 제작 시 재료 특성상 수율이 낮은 문제가 있다. 반면, 본 발명에서는 열 중성자 측정을 하고자 할 경우, 도전성을 갖는 재료인 가돌리늄(Gd)으로 전극(120)으로 형성하여 별도로 변환 박막을 형성할 필요가 없는 장점이 있다.

또, 본 발명에 있어서 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)은 각각 CVD 다이아몬드(110)의 상면과 하면의 둘레 영역을 제외한 중앙 영역에 형성된다. 이상적으로 전극(120)은 CVD 다이아몬드의 상면과 하면에 전체적으로 형성될 때, 가장 중성자 검출 효율이 우수하나, 실제로 CVD 다이아몬드는 두께가 0.5mm 내외로 얇은 막이기 때문에 마스크를 이용하여 전극(120)을 증착 형성함에 있어서, 증착 시 입자들이 CVD 다이아몬드의 옆면에 일부 증착되기도 한다. 이는 각 전극을 통해 바이어스 전압 시 두 전극을 단락시키는 문제를 발생시킨다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 CVD 다이아몬드(110)의 상면과 하면의 각각 가장자리 둘레 영역에는 전극(120)이 형성되지 않도록 하는 것이다. 이때, 도시된 바와 같이 하부 전극(122)의 면적을 상부 전극(121)보다 작게 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 상술한 바와 같이 전극(120) 형성 공정의 한계가 존재함에 따라 상부 전극(121)과 하부 전극(122)의 단락(short)을 더욱 확실하게 방지하기 위함이다. 검출 효율에 있어서도 상부 전극(121)의 면적은 중성자 검출 면적(Coverage)과 직결됨에 따라 가능한 한 크게 형성하는 것이 바람직하며 하부 전극(122)의 면적은 상부 전극과 단락이 되지 않도록, 상기한 구조가 가장 바람직하다고 할 수 있다.

구체적인 예로, CVD 다이아몬드(110) 후막이 두께가 0.5mm, 수평 단면이 3 × 3mm 사이즈인 경우 상부 전극(121) 박막은 2.8 × 2.8mm 이상으로 형성되는 것이 가장 바람직하며, 하부 전극(122) 박막은 2 × 2mm의 사이즈로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 홀더(200)는 CVD 다이아몬드 소자(100)가 장착되는 구성으로, 도 6에 도시된 것처럼 중공된 중앙 부분에 CVD 다이아몬드 소자(100)가 장착되도록 하는 판재 형상일 수 있다. 홀더(200)는 CVD 다이아몬드 소자(100)를 상하면이 노출되도록 고정시키되, 알루미나 절연체로 이루어져 고정된 CVD 다이아몬드 소자(100)가 하우징(300)과 전기적으로 연결되지 않도록 하는 구조이면 어떠한 형상이든 제한 없이 적용 가능하다.

도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 하우징(300)은 금속 재질로 내부에 일정 공간(S)이 형성되어 CVD 다이아몬드 소자(100)가 장착된 홀더(200)를 수용하며, 상기 내부 공간(S)이 외부로부터 완전히 밀폐되도록 구성되는 소형 캡슐 형태로, 외통(310), 상부 플러그(320) 및 하부 플러그(330)를 포함하여 이루어질 수 있다.

외통(310)은 내부에 일정 공간이 형성되되 양단이 개방된 구조로 원통 형상일 수 있으며, 내부에 홀더(200)가 위치되는 구성이다. 상부 플러그(320)는 외통(310)의 일단에 체결되고 신호선(400)이 관통되는 홀(321)이 형성되며, 하부 플러그(330)는 외통(310)의 타단에 체결된다.

이때, 외통(310)와 체결되는 상부 플러그(320) 및 하부 플러그(330)의 연결 부위, 또 상부 플러그(320)와 신호선(400)의 연결 부위는 모두 정밀 용접하여 밀봉시켜야 한다. 본 발명의 방사선 검출기(1000)는 냉각수가 흐르는 원자로 노심에 적용되기 때문에, 측정 시 검출기 외부의 냉각수로부터 보호하기 위해서는 외통(310) 내부 공간이 외부로부터 완전히 밀폐되어야 하기 때문이다.

마지막으로, 신호선(400)은 CVD 다이아몬드(110) 상하면에 형성된 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)과 각각 연결되며, 상기 하우징(300)을 관통하여 외부로 연장 형성되어 전극에 바이어스 전압을 인가하는 역할을 한다. 신호선(400)으로는 내열성이 우수한 MI(Mineral Insulated) 케이블을 사용한다. MI 케이블은 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)과 각각 연결되는 두 가닥의 도선인 제 1도선(410) 및 제 2도선(420)을 통해 바이어스 전압을 인가하며, 발생된 전류를 검출한다. 이때 제 1도선(410) 및 제 2도선(420)은 각 전극(120)과 실버 에폭시로 연결될 수 있으며, 각각 절연체로 감싸져 있다. 또한 제 1도선(410) 및 제 2도선(420)은 내열성 확보를 위해 금속 재질의 외통(430)으로 둘러싸여 구성된다.

또, 도 3에 도시된 것처럼, 하우징(300)에는 외부 가스 유입을 위한 핀 홀(340)이 형성된다. 핀 홀(340)을 통해 하우징(300) 내부 공간을 진공 상태로 만든 후 헬륨(He) 등의 가스를 충전하며, 충전 후 밀봉시킨다. 최종적으로, 하우징(300) 내부는 헬륨 가스가 채워져 밀봉되어 있으므로 추후 헬륨 누설검사를 통해 불량이나 손상 여부를 파악할 수 있게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 중성자 검출기(1000) 제조방법은 크게 5 단계로 이루어질 수 있다.

가장 먼저, a)단계에서 소정 두께의 후막형 CVD 다이아몬드(110)를 준비하며, 이어지는 b)단계에서 마스크 집합체(500)를 이용하여 CVD 다이아몬드(110)의 상면과 하면에 각각 전극(120)을 증착 형성하여, CVD 다이아몬드 소자(100)를 제작한다.

이때 사용되는 마스크 집합체(500)는 중간 마스크(510), 상부 마스크(520), 하부 마스크(530) 및 마스크 지지대(540)를 포함하여 구성된다. 도 7에 본 발명의 일실시예에 따른 마스크 집합체(500)의 분해사시도를 도시하였으며, 도 8 및 9에 조립된 마스크 집합체(500)의 사시도 및 단면도(C-C')를 도시하였다.

도시된 바와 같이, 중간 마스크(510)에는 CVD 다이아몬드(110)의 크기에 대응되는 제 1관통 홀(510a)이 적어도 하나 이상 형성된 구조로, 상기 제 1관통 홀(510a)에 CVD 다이아몬드(110)가 고정된다. 도면상에는 제 1관통 홀(510a)을 4개 형성하였으나 이는 필요에 따라 얼마든지 변경가능하다.

상부 마스크(520)는 상기 제 1관통 홀(510a)보다 작은 크기의 제 2관통 홀(520a)이 적어도 하나 이상 형성된 구조이며, 하부 마스크(530) 또한 제 1관통 홀(510a)보다 작은 크기의 제 3관통 홀(530a)이 적어도 하나 이상 형성된 구조이다. 더욱 바람직하게는 제 3관통 홀(530a)이 제 2관통 홀(520a)보다 작은 크기인 것이 좋다.

마지막으로, 마스크 지지대(540)는 상부에 상기 중간 마스크(510), 상부 마스크(520) 및 하부 마스크(530)가 놓여져 고정되도록 하는 구성이다. 도 7 및 도 9에 도시된 것처럼, 마스크 지지대(540) 상부에는 내측으로 함몰된 홈이 형성되되, 상기 홈의 가장자리 부분에는 단턱이 형성되어 상기 마스크(510, 520, 530)가 걸림 고정되도록 한다. 단턱을 기준으로 상측 홈과 하측 홈으로 구분하면, 상측 홈의 수평 단면적은 마스크의 수평 단면적에 대응되어 마스크가 상측 홈에 수용되도록 형성되며, 하측 홈의 수평 단면적은 마스크의 수평 단면적보다 작게 형성된다.

상술한 바와 같은 구조의 마스크 집합체(500)를 이용하여 CVD 다이아몬드(110)에 전극(120)은 형성하는 상기 b)단계는 다음과 같은 세부 단계들로 나뉠 수 있다.

먼저, b-1)단계는 중간 마스크(510)의 제 1관통 홀(510a)에 CVD 다이아몬드(110)를 고정하는 단계이다. 이후, 상부 마스크(520)를 중간 마스크(510) 상부에 배치하되, 배치 시 제 2관통 홀(520a)의 중심이 제 1관통 홀(510a)의 중심과 일직선상에 위치하도록 해야 한다. 즉, 제 2관통 홀을 CVD 다이아몬드(110)의 상면 중앙에 위치시키는 것이다. 이어서, 하부 마스크(530)를 중간 마스크(510) 하부에 배치하며, 이때에도 제 2관통 홀(520a)의 중심이 제 1관통 홀(510a)의 중심과 일직선상에 위치하도록 한다(도 9 참고).

이어지는 b-4)단계에서 상술한 바와 같이 배치된 3개의 마스크(510, 520, 530)를 마스크 지지대(540) 상에 올려놓고 증착 장비 내로 투입하여 증착을 수행하면, 전도성이 있는 물질이 제 2관통 홀(520a)을 통해 CVD 다이아몬드(110)의 상면에 증착되어 상부 전극(121)이 형성된다. 또한, 하부 전극(122) 형성을 위해 상기 3개의 마스크(510, 520, 530)를 상하 반전된 상태로 마스크 지지대(540) 상에 올려놓고 증착을 수행하면, 마찬가지로 제 3관통 홀(530a)을 통해 상기 CVD 다이아몬드(110)의 하면에 하부 전극(122)이 증착 형성된다.

상술한 세부 과정을 통해 CVD 다이아몬드(110)의 상하면에 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)이 형성된 CVD 다이아몬드 소자(100)가 제작된다. 이때, 상부 전극(121)은 제 2관통 홀(520a)의 크기에 대응되는 크기로, 하부 전극(122)은 제 3관통 홀(530a)의 크기에 대응되는 크기로 형성된다. 이를 위해 마스크(510, 520, 530) 상의 제 2관통 홀(520a) 및 제 3관통 홀(530a)을 제 1관통 홀(510a)보다 작은 크기로 형성하고, 특히 제 3관통 홀(530a)을 제 2관통 홀(520a)보다 작게 형성함에 따라 도 4에 도시된 바와 같이 크기가 다른 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)을 형성할 수 있다. 따라서 상술한 바와 같이 CVD 다이아몬드 소자(100)의 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)으로 바이어스 인가 시 두 전극이 단락되는 것을 방지할 수 있게 된다.

만약, 열 중성자와 고속 중성자의 선량을 모두 측정할 수 있는 검출기를 제작하기 위해서는 상기 b)단계 이후에 CVD 다이아몬드 소자(100)의 외면을 둘러싸는 변환 박막(130)을 형성하는 b')단계를 더 수행할 수 있다. 여기서 변환 박막(130)은 상술한 바와 같이 에너지 변환을 위한 박막이다.

또는, 상기 b)단계에서 전극(120)을 가돌리늄(Gd)으로 형성한다면, 별도로 b')단계를 더 수행하지 않아도 열 중성자와 고속 중성자의 선량을 모두 측정할 수 있는 장점이 있다.

이어서, CVD 다이아몬드 소자(100)를 절연체로 이루어진 홀더(200)에 장착하는 c)단계를 수행하고, CVD 다이아몬드 소자(100)의 각 전극(120)에 바이어스 전압 인가를 위한 신호선(400)을 실버 에폭시를 이용하여 연결하는 d)단계를 수행하여, 도 6에 도시된 구조물을 제작한다.

이후 e)단계에서 상기 홀더(200)가 하우징(300)의 내부 공간에 수용되도록 배치한 후 상기 공간을 외부로부터 밀폐시킨다. 구체적으로, 상기 하우징(300)이 외통(310), 상부 플러그(320) 및 하부 플러그(330)로 구성되면, 외통(310) 내부 공간에 도 6에 도시된 구조물을 배치한 후 외통(310)의 양단에 상부 플러그(320) 및 하부 플러그(330)를 체결한다. 이때, 상부 플러그(320)에 형성된 신호선 관통 홀(321)을 통해 신호선(400)의 일부가 위부로 나오도록 하고 상기 내부 공간이 완전히 밀폐되도록 모든 연결 부위들을 용접한다.

마지막으로, f)단계에서 하우징(300)의 핀 홀(340)을 통해 하우징(300) 내부 공간에 진공을 형성하며, 이어서 헬륨 가스를 충전한 후 핀 홀(340)을 밀봉시킨다.

상술한 바와 같은 단계들을 통해 제작된 본 발명의 중성자 검출기(1000)는 중성자 검출을 위한 소자로서 CVD 다이아몬드 후막을 이용함으로써, 원자로와 같은 가혹한 환경에서도 높은 내구성과 빠른 응답 속도를 가질 수 있는 장점이 있다.

아울러, 종래에는 연구용 원자로에서 핵연료나 재료의 조사 시험 시 고속 중성자와 열 중성자를 함께 측정하기 어려웠으나, 본 발명은 열 중성자 측정을 위한 에너지 변환 물질로 붕소(B), 리튬(Li) 또는 가돌리늄(Gd)을 이용함으로써 고속 중성자뿐만 아니라 열 중성자 동시 측정이 가능하며, 특히 종래와 달리 에너지 변환 물질로 핵물질이 사용되지 않아 사용에 제약이 없고 출력 신호 특성이 매우 안정적인 장점이 있다. 아울러, 전극 형성 시 가돌리늄(Gd)을 이용할 경우, 전극 역할과 동시에 에너지 변환 박막의 역할도 가능함에 따라 별도의 변환 박막 형성 공정을 수행하지 않아도 열 중성자 측정을 위한 검출기를 제작할 수 있는 장점이 있다.

또한, 소형의 캡슐 형태로 밀봉 제작됨에 따라 연구용 원자로 내에서도 사용 목적 별로 다수의 검출기 설치가 가능하며, 외부 냉각수로부터 보호가 가능하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 중성자 검출기
100 : CVD 다이아몬드 소자
110 : CVD 다이아몬드 120 : 전극
121 : 상부 전극 122 : 하부 전극
130 : 변환 박막
200 : 홀더
300 : 하우징
310 : 외통 320 : 상부 플러그
321 : 신호선 관통 홀 330 : 하부 플러그
340 : 핀 홀
400 : MI 케이블
410 : 제 1 도선 420 : 제 2 도선
430 : 외통
500 : 마스크 집합체
510 : 중간 마스크 520 : 상부 마스크
530 : 하부 마스크 540 : 마스크 지지대

Claims (8)

1. 소정 두께의 후막형 CVD(Chemecal Vapor Deposition) 다이아몬드(110), 및 상기 CVD 다이아몬드의 상면과 하면에 각각 형성되는 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)을 포함하는 CVD 다이아몬드 소자(100);
   상기 CVD 다이아몬드 소자(100)가 장착되며, 절연체로 형성되는 홀더(200);
   내부에 일정 공간이 형성되어 상기 CVD 다이아몬드 소자(100) 및 상기 홀더(200)를 수용하며, 상기 내부 공간을 외부로부터 밀폐시키는 하우징(300); 및
   상기 상부 전극(121) 및 하부 전극(122)에 각각 연결되어 바이어스 전압을 인가하며, 상기 하우징(300)을 관통하여 외부로 연장 형성되는 MI 케이블 신호선(400)을 포함하여 이루어지며,
   상기 상부 전극(121) 및 하부 전극(121)은 CVD 다이아몬드(110)의 둘레 영역을 제외한 중앙에 형성되는 것을 특징으로 하는 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 상부 전극(121)은 및 상기 하부 전극(122)은,
   가돌리늄(Gd)으로 이루어져, 에너지 변환을 위한 변환 박막의 역할도 겸하는 것을 특징으로 하는 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 하부 전극(122)은,
   상기 상부 전극(121)보다 면적이 작은 것을 특징으로 하는 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 하우징(300)은,
   내부에 일정 공간이 형성되되 양단이 개방되는 외통(310);
   상기 외통(310)의 일단에 체결되며, 상기 신호선(400)이 관통되는 홀(321)이 형성되는 상단 플러그(320); 및
   상기 외통(310)의 타단에 체결되는 하단 플러그(330);
   를 포함하며,
   상기 외통(310)의 내부 공간이 외부로부터 밀폐되도록 모든 연결 부분이 용접 밀봉되는 것을 특징으로 하는 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 하우징(300)에는 외부 가스 유입을 위한 핀 홀(340)이 형성되되,
   상기 핀 홀(340)은 상기 하우징 내부에 가스 충전 후 밀봉되는 것을 특징으로 하는 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기.
   
6. a) 소정 두께의 후막형 CVD 다이아몬드가 준비되는 단계;
   b) 마스크 집합체를 이용하여 상기 CVD 다이아몬드의 상면과 하면에 각각 전극이 증착 형성된 CVD 다이아몬드 소자가 제작되는 단계;
   c) 상기 CVD 다이아몬드 소자가 절연체로 이루어진 홀더에 장착되는 단계;
   d) 상기 각 전극에 바이어스 전압 인가를 위한 신호선이 연결되는 단계;
   e) 상기 홀더가 하우징 내부 공간에 수용된 후 상기 공간이 외부로부터 밀폐되는 단계; 및
   f) 상기 하우징에 형성된 핀 홀을 통해 상기 하우징 내부 공간이 가스 충전된 후 상기 핀 홀이 밀봉되는 단계;를 포함하여 이루어지며,
   상기 마스크 집합체는,
   상기 CVD 다이아몬드가 고정되도록 상기 CVD 다이아몬드의 크기에 대응되는 제 1관통 홀이 적어도 하나 이상 형성된 중간 마스크;
   상기 제 1관통 홀보다 작은 크기의 제 2관통 홀이 적어도 하나 이상 형성된 상부 마스크;
   상기 제 1관통 홀보다 작은 크기의 제 3관통 홀이 적어도 하나 이상 형성된 하부 마스크; 및
   상기 중간 마스크, 상부 마스크 및 하부 마스크가 놓여지는 마스크 지지대;
   를 포함하여 이루어지는 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 제조방법.
   
7. 삭제
8. 제 6항에 있어서,
   상기 b)단계는,
   b-1) 상기 중간 마스크의 상기 제 1관통 홀에 상기 CVD 다이아몬드가 고정되는 단계;
   b-2) 상기 제 2관통 홀이 상기 CVD 다이아몬드의 상면 중앙에 위치되도록 상기 상부 마스크가 상기 중간 마스크 상부에 배치되는 단계;
   b-3) 상기 제 3관통 홀이 상기 CVD 다이아몬드의 하면 중앙에 위치되도록 상기 하부 마스크가 상기 중간 마스크 하부에 배치되는 단계;
   b-4) 상기 3개의 마스크가 마스크 지지대 상에 놓여져 증착 장비 내로 투입되며, 전도성이 있는 물질이 상기 제 2관통 홀을 통해 상기 CVD 다이아몬드의 상면에 증착되어 상부 전극이 형성되는 단계; 및
   b-5) 상기 3개의 마스크가 상하 반전된 상태로 마스크 지지대 상에 놓여져 증착 장비 내로 투입되며, 전도성이 있는 물질이 상기 제 3관통 홀을 통해 상기 CVD 다이아몬드의 하면에 증착되어 하부 전극이 형성되는 단계;
   를 포함하여 이루어지는 CVD 다이아몬드를 이용한 조사 시험용 중성자 검출기 제조방법.

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