KR101762872B1 - 박막 증착으로 제조된 방사선 계측용 g-m 계수관 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

박막 증착으로 제조된 방사선 계측용 G-M 계수관 및 이의 제조방법이 개시된다.
본 발명은 음극관을 증착 및 열처리함으로써, G-M 계수관에 충진되는 할로겐가스 등의 충진가스의 화학반응 및 전자사태(electron avalanche)를 억제할 수 있도록 높은 일함수(Work Function)를 가지는 음극관 내측면을 구성하고, 양질의 플래토우( Plateau) 특성이 나타나는 효과가 있다.

Description

박막 증착으로 제조된 방사선 계측용 G-M 계수관 및 이의 제조 방법{GEIGER-MULLER COUNTER FOR RADIATION MEASUREMENT MANUFACTURED BY SPUTTERING AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 음극관 내측면을 박막 증착 후 열처리함으로써, 가이거 뮐러 계수관(이하 'G-M 계수관')에 충진되는 소멸가스의 화학반응 및 과도한 전자사태(electron avalanche)를 능동적으로 억제할 수 있도록 높은 일 함수(Work Function)를 가지는 음극관 내측면을 구성하고, 양질의 플래토우(Plateau) 특성이 나타나는 G-M 계수관 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
1940년대 이후 핵분열반응을 이용한 원자력발전 기술과 함께 방사선 피폭과 방사성 물질의 오염확산을 감시하기 위한 방사선계측기술에 대한 연구가 활발해지면서 점차 비파괴산업, 의료시설, 동위원소 취급기관, 가속기시설, 방사성 폐기물처리장, 환경감시, 민간분야까지 다양한 종류의 방사선검출기가 개발되어 폭넓게 활용되고 있다. 1928년 가이거(Geiger)와 그의 제자 뮐러(Muller)가 개발한 G-M 계수관은 알파선, 베타선, 감마선 측정이 가능하고, 신호처리가 간단하면서도 감도가 우수하여 방사선 관련 산업전반에 걸쳐 가장 널리 사용되고 있다.
G-M 계수관의 성능과 수명은 제조공정에 의해 전적으로 결정되는데, 계수관의 성능을 평가하는 중요한 지표로 플래토우(Plateau) 기울기를 자주 이용한다. 플래토우 기울기는 G-M 계수관의 출력(또는 계수율)이 운전전압에 따라 크게 변하지 않는 완만한 구간(플래토우 구간)에서 운전 전압을 100V 증가시켰을 때 계수율의 증가율에 해당한다.
하기 도 1은 G-M 계수관의 전형적인 플래토우 곡선을 나타낸다. 정상적인 G-M 계수관의 특성은 인가전압이 증가하여도 계수율 변화가 완만하게 나타난다. 만약 플래토우 구간의 기울기가 급격히 상승하거나, 플래토우 구간의 길이가 짧아지면 양질의 G-M 계수관이라 할 수 없을 뿐만 아니라, 방사선 계측시 노이즈 또는 가짜 펄스(Spurious Pulse)가 측정되어 잘못된 정보를 제공할 수 있는 문제점이 있다.
즉, 양질의 G-M 계수관은 플래토우 구간의 기울기가 가능한 완만하고, 플래토우 구간의 길이가 긴 것으로서, G-M 계수관을 구동할 때 발생하는 물리적, 화학적 문제점을 이해함으로써, 플래토우 구간이 길고, 플래토우 구간의 기울기를 완만하게 만드는 것이 매우 중요하다.
보다 구체적으로, G-M 계수관에 인가전압을 가할 때, 입사방사선에 의해 G-M 계수관 내부 충진가스는 전리되고 가속된 전자에 의해 가스증폭(전자사태)이 발생하고 여기된 가스에서 발생하는 자외선의 전리 현상으로 전 영역에 걸친 연쇄적인 전자사태를 통해 G-M 방전을 유발한다.
한편, 전자사태 과정에서 발생한 양이온은 전자에 비해 질량이 1000배 이상 크기 때문에 이동속도가 느려 양극 주변에서 이온구름을 형성함으로써 음극관과 양극 사이의 전기장을 차폐하여 전자사태를 중단시키고 G-M 방전이 종료된다. 이후에도 양이온은 음극관에 도달하여 음극관 내측면에서 전자를 떼어내고 자신은 중화되는데 이 과정에서 잉여에너지(양이온의 이온화에너지 - 일 함수 에너지)에 해당하는 광자가 발생하며, 상기 광자의 에너지가 음극관의 일함수 에너지보다 큰 경우 음극관표면에서 전자가 전리되어 양극으로 가속되며 또 다른 전자사태를 유발하여 입사하는 방사선과 무관한 연속 G-M 방전펄스가 발생한다. 그러나 G-M 계수관은 측정된 하나의 방사선에 대해 단일한 G-M 방전 펄스신호가 출력되어야 하기 때문에 연속 방전되는 물리적인 현상을 소거(Quenching)할 필요가 있다.
이러한 필요성을 충족시키기 위하여, 외부소거법(External Quenching)과 내부소거법(Internal Quenching)을 이용할 수 있다.
외부소거법은 외부 회로에 큰 값의 저항(Resistor)을 설치하는 방법을 말한다. 그러나 분해시간이 긴 결점이 있어 실시간 방사선 검사에 용이하지 않기 때문에, 지극히 낮은 계수율에 한해서만 사용되고 있다.
내부소거법은 충진가스인 불활성가스(He, Ne, Ar 등)에 소멸가스를 소량 혼합하는 방법을 말한다.
소멸가스로는 유기가스(에탄올, 포름산 에틸(Ethyl-formate), 메탄 등) 또는 할로겐가스(Cl, Br 등)가 이용될 수 있다. 전자사태 중에 발생한 충진가스의 양이온은 소멸가스와 충돌하여 전하교환을 통해 중성화되고, 소멸가스의 양이온이 음극관에 도달하게 된다. 소멸가스는 자외선을 잘 흡수하는 성질이 있어 음극관 내측면에서 중화되더라도 상기 자외선에 의한 전리가 억제되어 연속방전이 발생하지 않게 된다. 이렇게 소멸가스는 연속방전을 억제하는 역할을 수행하지만 소멸가스의 양이 너무 많으면 G-M방전을 유도하는 전자사태 중의 자외선을 흡수하기 때문에 증폭도가 떨어져 검출효율이 감소하는 문제점이 발생한다. 따라서 소멸가스의 조성비가 G-M 계수관의 안정적인 운전을 결정하는 중요한 요소가 된다.
종래 기술은 양질의 플래토우 구간을 가지기 위하여, 유기가스를 소멸가스로 하여 내부소거법을 구현하였지만, 유기가스를 소멸가스로 하는 경우, 방전 시 마다 분자가 해리(Dissociation)되고, 다시 재결합(Recombination)하지 않아 그 수명이 매우 짧은 단점이 있기 때문에, 휴대용이나 거치형에 주로 적용되는 G-M 계수관에 적용하는 것은 상업적으로 용이하지 않았다.
또한, 할로겐가스를 소멸가스로 사용하는 경우는 유기가스를 소멸가스로 하는 경우와 다르게 해리된 후 자발적 재결합(Spontaneous Recombination)을 하여 소멸가스의 분자 수가 감소하지 않아 매우 긴 수명 특성을 가진다. 또한, 할로겐가스를 소멸가스로 사용할 경우, 낮은 동작전압으로 G-M 계수관을 운전할 수 있기 때문에 현재 상업용 G-M 계수관은 할로겐가스만 소멸가스로 이용하고 있다.
그러나 할로겐가스를 소멸가스로 사용할 때에는 내부 금속(음극관, 양극)과 화학반응을 일으켜 방사선검출기로서 수명이 줄어드는 문제점을 가지고 있다.
즉, 양질의 G-M 계수관을 제조하기 위해서 소멸가스가 연속방전하는 물리적 자연현상을 효과적으로 억제해야 하는 역할이 중요한데, 그 문제점은 다음과 같다.
첫째, 소거(Quenching)역할을 하기 위해 소멸가스로서, 할로겐가스가 극미량 혼합되어 사용되는데, 그 할로겐가스가 G-M 계수관 음극관 내측면과 화학 반응하여 음극관을 부식시키고 할로겐가스가 음극관 내측면에 흡착되어 소멸가스의 조성비가 바뀔 수 있다는 점이다.
둘째, 소멸가스가 부족해지는 경우 음극관 내측면에서 양이온의 중화현상에서 발생하는 자외선을 효과적으로 흡수하지 못하기 때문에 음극관 내측면에서 광전효과에 의해 발생한 전자가 또 다른 전자사태를 유발시켜 연속방전을 종료할 수 없다는 점이다.
셋째, 상술한 소멸가스가 부족하게 될 경우, 소멸가스가 전자사태에서 발생하는 자외선을 흡수하는 역할이 줄어듦에 따라 과다한 가스증폭이 발생하고, 이에 따라 동작전압에 따른 계수율 증가 폭도 상승하여 플래토우 구간이 좁아지고 플래토우 기울기가 증가한다는 점이다. 이로 인해 G-M 계수관의 운전이 불안정해지고 수명이 줄어드는 현상이 발생하게 된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0091794호(2011.08.12 공개)
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 첫 번째 목적은 음극관 내측면과 양극에 박막을 증착하고, 열처리함으로써, 일함수 에너지가 높은 막을 형성하고, 양질의 플래토우 구간을 가지는 박막 증착으로 제조된 방사선 계측용 G-M 계수관 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그리고 본 발명의 두 번째 목적은 할로겐가스가 G-M 계수관 음극관 내측면 및 양극과 화학 반응하여 G-M 계수관 내부의 소멸가스 조성비가 변질되지 않게 함으로써 연속방전이 억제되어 안정된 운전을 수행하며 긴 수명을 제공할 수 있는 박막 증착으로 제조된 방사선 계측용 G-M 계수관 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 첫 번째 내지 두 번째 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 양극 및 음극관을 포함하는 방사선 계측용 G-M 계수관에 있어서, 상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 박막을 증착하고, 산소 분위기에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 방사선 계측용 G-M 계수관을 제공한다.
상기 방사선 계측용 G-M 계수관에 있어서, 상기 음극관의 내측면 및 양극에 TiN(Titanium Nitride)을 증착할 수 있다.
상기 방사선 계측용 G-M 계수관에 있어서, 상기 음극관의 내측면 및 양극에 Cr(Chrome)을 증착하고, 상기 음극관의 내측면 및 양극에 증착된 Cr(Chrome)을 산소 분위기에서 열처리하여 Cr(Chrome) Oxide로 만드는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 방사선 계측용 G-M 계수관은 상기 방사선 계측용 G-M 계수관에 충진가스 및 소멸가스를 포함하는 전체가스를 주입하며, 상기 충진가스는 불활성가스이며, 상기 소멸가스는 할로겐가스인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 충진가스는 상기 전체가스의 90 내지 99.9 % 이며, 상기 소멸가스는 상기 전체가스의 0.1 내지 10 % 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 양극 및 음극관을 포함하는 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법에 있어서, 상기 음극관의 내측면 및 양극에 박막을 증착하는 단계 및 상기 음극관의 내측면 및 양극을 열처리하는 단계를 포함하는 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법을 제공한다.
상기 음극관의 내측면 및 양극에 박막을 증착하는 단계는 상기 음극관의 내측면 및 양극에 TiN(Titanium Nitride)을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 음극관의 내측면 및 양극에 박막을 증착하는 단계는 상기 음극관의 내측면 및 양극에 Cr(Chrome)을 증착하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 음극관의 내측면 및 양극을 산소 분위기에서 열처리하는 단계는 상기 음극관의 내측면 및 양극에 증착된 Cr(Chrome)을 산소 분위기에서 열처리하여 Cr(Chrome) Oxide로 만드는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법은 방사선 계측용 G-M 계수관에 충진가스 및 소멸가스를 포함하는 전체가스를 주입하는 단계를 더 포함하며, 상기 충진가스는 불활성가스이며, 상기 소멸가스는 할로겐가스인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 충진가스는 상기 전체가스의 90 내지 99.9% 이며, 상기 소멸가스는 상기 전체가스의 0.1 내지 10 % 인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 방사선 계측용 G-M 계수관에 의하면, 첫 번째로 양질의 플래토우 구간을 가지는 방사선 계측용 G-M 계수관을 제공할 수 있는 효과가 있다.
그리고 두 번째로 할로겐가스를 소멸가스로 사용하여 소멸가스가 해리된 후 자발적 재결합(Spontaneous Recombination)을 하여 소멸가스의 분자 수가 감소하지 않아 매우 긴 수명 특성을 가지는 방사선 계측용 G-M 계수관을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 세 번째로 할로겐가스가 G-M 계수관의 음극관 내측면과 화학 반응되어 내부의 소멸가스 또는 충진가스가 변질되는 것을 방지하고, 여기, 재결합 등에 의해 발생하는 광자가 음극관 내측면에 부딪혀 광전효과라는 물리적 현상을 통해 전자를 발생시키고, 광전효과에 의해 발생한 전자가 또 다른 전자사태(2차 전자사태)를 유발시키는 것을 방지함으로써, 연속방전을 방지할 수 있는 방사선 계측용 G-M 계수관을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관으로서, 플래토우 특성을 설명하기 위한 플래토우 곡선을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관의 측단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예의 플래토우 특성을 나타내기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 사용자의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부”, “…기”, “…단”, “모듈”, “장치” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 실시 예들에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명의 실시 예에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 실시예들의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 실시예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예들의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 발명의 실시 예에서, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, ‘모듈’ 혹은 ‘부’는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하며, 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의‘모듈’ 혹은 복수의‘부’는 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 ‘모듈’ 혹은 ‘부’를 제외하고는 적어도 하나의 모듈로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서로 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
그리고 명세서 전체에서 방사선 계측용 G-M 계수관은 방사선 계측용 가이거-뮐러 계수관을 의미하는 것이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관의 분해사시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관의 평면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관의 측단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관은 윈도우(11), 양극(12), 음극관(13), 캡(14), 배기관(15), 전극(16) 및 절연체(17)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 윈도우(11)는 알파, 베타, 감마선 등 방사선의 투과에 효율적인 백운모(Muscovite) 재질로 형성될 수 있다.
또한, 윈도우(11)는 직경 50mm 기준 면적밀도(Area Density)가 0 초과 5mg/Cm2 이하일 수 있다.
그리고 윈도우(11)의 두께는 0 초과 0.01mm일 수 있다.
이러한 윈도우(11)에 의하여 방사선 검출 해상도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
양극(12)은 캐소드(cathode)의 역할을 수행할 수 있다.
음극관(13)은 애노드(anode)의 역할을 수행할 수 있다.
음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 대하여 전해 또는 바렐 연마 중 어느 하나의 폴리싱 공정이 수행될 수 있다.
특히, 음극관(13)의 내측면에 대하여 폴리싱 공정을 수행하지 않을 경우, 음극관(13) 내측면의 요철이 제거되지 않기 때문에, 방사선 계측용 계수관 내부에서 방전 시 음극관(13) 내측면의 요철에 높은 전위가 집중되는 문제가 발생하기 때문이다.
그리고 양극(12) 및 음극관(13)은 탄소강(carbon steel) 또는 스테인레스강(Stainless steel)의 재질로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 양극(12) 및 음극관(13)이 탄소강의 재질로 형성될 경우, 탄소강의 탄소 함유량이 0 초과 0.5 % 이하이어야 할 것이다.
이는 탄소강에 탄소가 0.5%를 초과하여 함유될 경우, 충진가스와 화학작용을 일으켜 이산화탄소(CO2)를 생성하고, 생성된 이산화탄소에 의해 충진가스가 변질될 수 있기 때문이다.
따라서, 탄소강의 경우 S20, S35C 및 S45C 규격 중 어느 하나일 수 있다.
그리고, 양극(12) 및 음극관(13)이 스테인레스강의 재질로 형성될 경우, 스테인레스강은 AISI 명칭기준으로 300 또는 400 시리즈 중 오스테나이트(Austenite) 계열과 페라이트(Ferrite) 계열 중 어느 하나일 수 있다.
음극관(13)의 내측면에 박막 또는 후막을 증착하고, 박막 또는 후막이 증착된 이후, 음극관(13)의 내측면을 열처리할 수 있다.
양극(12) 또한, 음극관(13)의 내측면과 마찬가지로, 양극(12)에 박막 또는 후막이 증착되고, 박막 또는 후막이 증착된 이후, 양극(12)을 열처리할 수 있다.
다만, 양극(12)의 경우, 음극관(13)의 내측면에 증착되는 두께보다 얇게 증착되어야 할 것이다.
이는 양극(12)의 구조적인 특성상 음극관(13)의 내측면에 증착되는 두께보다 두껍게 증착될 경우, 박리현상이 발생할 수 있기 때문이다.
보다 구체적으로, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 TiN(Titanium Nitride)을 증착할 수 있다.
그리고 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 Cr(Chrome)을 증착할 수 있다.
또한, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 TiN(Titanium Nitride) 또는 Cr(Chrome)(19)을 증착하는 것은, 진공 증착 방식이 이용될 수 있다.
보다 구체적으로, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 TiN(Titanium Nitride)을 증착할 때, 반응성 마그네트론 스퍼터링(Reactive Magnetron Sputtering) 방법을 사용할 수 있다.
또한, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 Cr(Chrome)을 증착할 때, 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 방법을 사용할 수 있다.
음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 TiN(Titanium Nitride)을 증착하기 위하여, 반응성 마그네트론 스퍼터링 방식이 이용될 수 있으며, 공정압력은 0.3 내지 0.6 Pa 일 수 있고, 방전가스인 Ar에 대하여 반응가스인 N의 중량부는 1 내지 1.5일 수 있다.
그리고 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 TiN(Titanium Nitride)을 증착하기 위하여, 반응성 마그네트론 스퍼터링 방식을 이용할 때, 파워밀도(Power Density)는 5 내지 15W/Cm2로 DC 파워를 인가하여 TiN(Titanium Nitride)이 증착되는 두께를 0.5 내지 1.5㎛가 되도록 할 수 있다.
음극관(13)의 내측면에 TiN(Titanium Nitride)이 증착된 부분(18)은 도 4를 통해 확인할 수 있다.
음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 TiN(Titanium Nitride)이 증착된 이후, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 Cr(Chrome)을 증착할 수 있다. 이 경우, 진공 증착 방식이 이용될 수 있으며, 바람직하게는 진공 증착 방식 중에서 마그네트론 스퍼터링(Magnetron Sputtering) 방법을 이용할 수 있다.
음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 Cr(Chrome)을 증착하기 위하여, Ar 분위기 가스로 공정압력은 0.3 내지 0.6 Pa 일 수 있다.
그리고 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 마그네트론 스퍼터링 공정방식을 통해 Cr(Chrome)을 증착할 때, 파워밀도(Power Density)는 7 내지 18W/Cm2로 DC 파워를 인가하여 Cr(Chrome)이 증착되는 두께를 0.5 내지 1.5㎛가 되도록 할 수 있다.
음극관(13)의 내측면에 Cr(Chrome)이 증착된 부분(19)은 도 4를 통해 확인할 수 있다.
음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 Cr(Chrome) 이 증착된 이후, 음극관(13) 내측면을 산소 분위기에서 열처리할 수 있으며, 마찬가지로 양극(12)을 산소 분위기에서 열처리할 수 있다.
음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 Cr(Chrome) 이 증착된 이후, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 증착된 Cr(Chrome)을 산소 분위기에서 열처리하여 Cr(Chrome) Oxide로 만들 수 있다.
음극관(13)의 내측면 및 양극(12)의 산소 분위기에서 열처리 온도는 300 내지 600 ℃ 일 수 있다. 그리고 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)의 산소 분위기에서 열처리 시간은 30 내지 60 분일 수 있으며, 이를 통해 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 증착된 Cr(Chrome)을 Cr(Chrome) Oxide로 만들 수 있다.
즉, 상술한 산소 분위기에서의 열처리에 의하여 도 4에서 확인할 수 있는 음극관(13)의 내측면에 Cr(Chrome)이 증착된 부분(19)이 Cr(Chrome) Oxide로 될 수 있다.
대기 중에서 열처리를 할 경우, Cr(Chrome) Oxide가 아닌 질화 크롬이 더 많이 생성되기 때문에, 본 발명의 일 실시예와 같이 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 Cr(Chrome) 이 증착된 이후, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 증착된 Cr(Chrome)을 산소 분위기에서 열처리하는 것이다.
또한, Cr(Chrome) Oxide를 만드는 방법과 관련하여, Cr(Chrome)을 타겟으로 하여, Ar에 O₂반응가스를 주입하는 반응성 스퍼터링 방법으로 Cr(Chrome) Oxide를 제조할 수 있다.
하지만, 상술한 반응성 스퍼터링 방법으로 Cr(Chrome) Oxide를 제조할 경우, O₂가 Cr(Chrome)과 반응하지 않고 빈자리(Void formation) 현상이 발생하여 Cr(Chrome)이 증착되는 부분이 발생할 수 있다.
이는 음극관(13) 내측면에서 광전효과로 인해 연속방전이 발생할 수 있다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예와 같이 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 Cr(Chrome)을 증착하고, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 증착된 Cr(Chrome)을 산소 분위기에서 열처리하는 것이 균일하게 Cr(Chrome) Oxide를 제조할 수 있고, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 열처리를 진행한 이후, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)을 냉각할 수 있으며, 보다 구체적으로, 공냉 방식을 이용하여, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)을 냉각할 수 있다.
전극(16) 및 절연체(17)는 결합함으로써, 피드스루를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 10-6 Torr 이하의 압력에서도 방사선 계측용 G-M 계수관 내부의 충진가스 및 소멸가스가 누출되지 않도록 전극(16) 및 절연체(17)가 결합하여 피드스루를 형성할 수 있다.
그리고 전극(16)의 일측과 양극(12)의 일측은 용접을 통하여 연결될 수 있다.
또한, 전극(16)은 스테인레스강의 재질로 형성될 수 있으며, 절연체(17)는 세라믹 계열로 형성될 수 있다.
그리고 절연체(17)는 0 초과 3 KV 이하에서 절연 기능을 수행할 수 있다.
방사선 계측용 G-M 계수관 내부에 충진가스 및 소멸가스를 포함하는 전체가스를 주입할 수 있다.
전체가스의 총 압력은 50 내지 200 Torr일 수 있다.
충진가스는 불활성가스로서, He, Ne 및 Ar 중 적어도 하나일 수 있으며, 소멸가스는 할로겐가스로서, F, Cl, Br 및 I 중 적어도 하나일 수 있다.
보다 구체적으로, 충진가스는 Ar 및 Ne를 포함할 수 있으며, Ar에 대하여 Ne의 중량부가 99일 수 있다.
그리고 충진가스는 전체가스의 90 내지 99.9 % 일 수 있으며, 소멸가스는 전체가스의 0.1 내지 10 % 일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예의 플래토우 특성을 나타내기 위한 도면이다.
도 5를 참고할 때, 실시예 1 및 2는 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)을 증착 및 열처리한 방사선 계측용 G-M 계수관의 플래토우 특성을 나타낸 것이다.
도 5와 관련하여 플래토우 구간의 기울기는 하기 수학식 1을 통해 도출될 수 있다.
Figure 112017011382366-pat00001
상기 수학식 1에서 θ는 플래토우 구간의 기울기를 의미하고, Vt는 시동 전압(threshold voltage)을 의미하며, Vu는 상한 전압(upper voltage)를 의미하고, R1은 Vt 시점의 계수값을 의미하며, R2는 Vu 시점의 계수값을 의미한다.
실시예 1은 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 TiN(Titanium Nitride)이 1㎛ 증착되고, Cr(Chrome)은 1㎛ 증착되며, 열처리는 산소 분위기에서 400℃로 40분 수행된 방사선 계측용 G-M 계수관이며, 실시예 1의 플래토우 특성은 약 450V의 플래토우 구간이 형성되고, 플래토우 구간의 기울기는 약 13 (%/100V) 임을 알 수 있다.
실시예 2는 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 TiN(Titanium Nitride)이 1㎛ 증착되고, Cr(Chrome)은 0.8㎛ 증착된 것으로, 열처리는 산소 분위기에서 400℃로 40분 수행된 방사선 계측용 G-M 계수관이며, 실시예 2의 플래토우 특성은 약 400V의 플래토우 구간이 형성되고, 플래토우 구간의 기울기는 약 13.4 (%/100V) 임을 알 수 있다.
비교예 1 및 2는 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)을 증착 및 열처리하는 것이 아니라 종래의 방식인 화학처리를 수행한 방사선 계측용 G-M 계수관의 플래토우 특성을 나타낸 것이다.
비교예 1은 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)을 30℃의 37.2%(100g 내에 있는 염화수소의 그램수)의 염산(HCl)에 담그는 것으로 화학처리를 수행한 방사선 계측용 G-M 계수관의 플래토우 특성으로서, 비교예 1의 플래토우 특성은 약 200V의 플래토우 구간이 형성되고, 플래토우 구간의 기울기는 약 29.5 (%/100V) 임을 알 수 있다.
비교예 2는 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)을 30℃의 23.2%(100g 내에 있는 염화수소의 그램수)의 염산(HCl)에 담그는 것으로 화학처리를 수행한 방사선 계측용 G-M 계수관의 플래토우 특성으로서, 비교예 2의 플래토우 특성은 약 100V의 플래토우 구간이 형성되고, 플래토우 구간의 기울기는 약 46.6 (%/100V) 임을 알 수 있다.
상술하였듯이, 플래토우 구간의 기울기가 가능한 완만하고 길이가 긴 것이 양질의 방사선 계측용 G-M 계수관이므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 실시예 1 및 실시예 2가 비교예 1 및 비교예 2에 비하여 플래토우 구간의 길이가 길고, 기울기가 완만한바, 실시예 1 및 실시예 2에 따른 방사선 계측용 G-M 계수관이 비교예 1 및 비교예 2에 따른 방사선 계측용 G-M 계수관보다 양질의 방사선 계측용 G-M 계수관임을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예인 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참고하면, 양극 및 음극관을 포함하는 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법은 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 박막을 증착하는 단계(S630)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 박막을 증착하는 단계(S630)는 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 TiN(Titanium Nitride)을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 박막을 증착하는 단계(S630)는 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 Cr(Chrome)을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 박막을 증착한 이후, 양극 및 음극관을 포함하는 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법은 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)을 산소 분위기에서 열처리하는 단계(S631)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)을 산소 분위기에서 열처리하는 단계는 음극관(13)의 내측면 및 양극(12)에 증착된 Cr(Chrome)을 산소 분위기에서 열처리하여 Cr(Chrome) Oxide로 만드는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 양극 및 음극관을 포함하는 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법은 방사선 계측용 G-M 계수관에 충진가스 및 소멸가스를 포함하는 전체가스를 주입하는 단계(S632)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 충진가스는 불활성기체일 수 있으며, 소멸가스는 할로겐가스일 수 있다.
그리고, 충진가스는 전체가스의 90 내지 99.9%일 수 있고, 소멸가스는 전체가스의 0.1 내지 10% 일 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 박막 증착으로 제조된 방사선 계측용 G-M 계수관 및 이의 제조 방법의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한판 상기 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 실시 예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
11: 윈도우 12: 양극
13: 음극관 14: 캡
15: 배기관 16: 전극
17: 절연체 18: TiN(Titanium Nitride)이 증착된 부분
19: Cr(Chrome)이 증착된 부분

Claims (10)

  1. 양극 및 음극관을 포함하는 방사선 계측용 G-M 계수관에 있어서,
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 대하여 전해 및 바렐 연마 중 어느 하나의 폴리싱 공정이 수행되고,
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 박막을 증착하는 것으로,
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 박막을 증착하는 것은
    상기 폴리싱 공정이 수행된 이후 상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 TiN(Titanium Nitride)을 증착하고,
    상기 TiN(Titanium Nitride)이 증착된 이후, 상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 Cr(Chrome)을 증착하고, 상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 증착된 Cr(Chrome)을 산소 분위기에서 열처리하여 Cr(Chrome) Oxide로 만들며,
    상기 양극에 증착된 상기 TiN(Titanium Nitride)의 두께는 상기 음극관의 내측면에 증착된 상기 TiN(Titanium Nitride)의 두께보다 얇으며,
    상기 양극에 증착된 상기 Cr(Chrome)의 두께는 상기 음극관의 내측면에 증착된 상기 Cr(Chrome)의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 방사선 계측용 G-M 계수관.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방사선 계측용 G-M 계수관에 충진가스 및 소멸가스를 포함하는 전체가스를 주입하며,
    상기 충진가스는
    불활성가스이며,
    상기 소멸가스는
    할로겐가스인 것을 특징으로 하는 방사선 계측용 G-M 계수관.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충진가스는
    상기 전체가스의 90 내지 99.9 중량% 이며,
    상기 소멸가스는
    상기 전체가스의 0.1 내지 10 중량% 인 것을 특징으로 하는 방사선 계측용 G-M 계수관.
  6. 양극 및 음극관을 포함하는 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법에 있어서,
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 전해 및 바렐 연마 중 어느 하나의 폴리싱 공정을 수행하는 단계;
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 박막을 증착하는 단계;및
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극을 산소 분위기에서 열처리하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 박막을 증착하는 단계는
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 TiN(Titanium Nitride)을 증착하는 단계;및
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 Cr(Chrome)을 증착하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극을 산소 분위기에서 열처리하는 단계는
    상기 음극관의 내측면 및 상기 양극에 증착된 Cr(Chrome)을 산소 분위기에서 열처리하여 Cr(Chrome) Oxide로 만드는 단계;
    를 포함하되,
    상기 양극에 증착된 상기 TiN(Titanium Nitride)의 두께는 상기 음극관의 내측면에 증착된 상기 TiN(Titanium Nitride)의 두께보다 얇으며,
    상기 양극에 증착된 상기 Cr(Chrome)의 두께는 상기 음극관의 내측면에 증착된 상기 Cr(Chrome)의 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    방사선 계측용 G-M 계수관에 충진가스 및 소멸가스를 포함하는 전체가스를 주입하는 단계;
    를 더 포함하며,
    상기 충진가스는
    불활성가스이며,
    상기 소멸가스는
    할로겐가스인 것을 특징으로 하는 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법.

  10. 제9항에 있어서,
    상기 충진가스는
    상기 전체가스의 90 내지 99.9 중량% 이며,
    상기 소멸가스는
    상기 전체가스의 0.1 내지 10 중량% 인 것을 특징으로 하는 방사선 계측용 G-M 계수관 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2007067311A2 (en) 2005-12-02 2007-06-14 Alis Corporation Ion sources, systems and methods
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JP2016142539A (ja) 2015-01-29 2016-08-08 下原 定次郎 ガイガーミュラー計数管

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