KR102041212B1 - 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템 - Google Patents

엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템 Download PDF

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현상원
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허환
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Abstract

일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템은, 측정하고자 하는 샘플 타겟을 지지하기 위한 타겟 지지부; 상기 샘플 타겟에 입사시키기 위한 레이저 펄스를 생성하는 레이저 펄스 생성부; 상기 레이저 펄스가 상기 샘플 타겟을 통과하여 발생된 2차 광선의 진행 경로 상에 위치하며, 상기 2차 광선에 자기장을 인가함으로써 상기 2차 광선에 포함된 전자빔의 스펙트럼을 측정하기 위한 전자빔 스펙트럼 측정부; 및 상기 2차 광선의 진행 경로 상에 위치하며, 상기 2차 광선에 전기장을 인가함으로써 상기 2차 광선에 포함된 이온빔의 스펙트럼을 측정하기 위한 이온빔 스펙트럼 측정부를 포함하고, 상기 전자빔 스펙트럼 측정부는, 상기 전자빔을 상기 2차 광선의 진행 경로로부터 벗어나게 하고, 상기 이온빔 스펙트럼 측정부는, 상기 이온빔을 상기 2차 광선의 진행 경로로부터 벗어나게 할 수 있다.

Description

엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템{MEASUREMENT SYSTEM FOR X-RAY SPECTROSCOPY AND IMAGING}
아래의 설명은 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템에 관한 것이다.
강력한 레이저 펄스를 샘플에 조사할 경우, 플라즈마가 형성되고 플라즈마의 강력한 전자기장에 의해 샘플의 원자 및 전자를 격렬하게 흔들어 엑스선을 비롯한 각종 이온 및 전자들이 매우 높은 에너지를 갖는 빔 형태로 가속될 수 있다. 특히, 레이저 펄스의 조사를 통해 발생된 엑스선은 기존의 엑스선 관이나 방사광 가속기에서 얻어지는 엑스선과 달리 결맞음성(Coherency)이 매우 우수하고, 그 시간폭이 매우 짧으므로, 원자나 분자에서 일어나는 전자의 운동을 탐구하는데 매우 유용한 특성을 갖는다.
또한, 엑스선은 파장 또는 투과능에 따라 상대적으로 파장이 길고 투과능이 작은 연엑스선(soft X-ray)과 상대적으로 파장이 짧고 투과능이 큰 경엑스선(hard X-ray)으로 구별되고, 그 투과능 및 파장의 차이에 따라 연엑스선 및 경엑스선을 통해 측정하는 방식과 장치가 상이할 수 있다.
이러한 레이저 펄스 및 플라즈마의 상호 작용을 통해 발생하는 연엑스선, 경엑스선, 전자빔 및 이온빔의 분광 스펙트럼을 측정함으로써, 측정하고자 하는 샘플을 보다 효과적이고, 정확하게 측정할 수 있을 것이다.
하지만, 레이저 펄스의 조사에 의해 방출되는 연엑스선, 경엑스선, 전자빔 및 이온빔은 모두 상이한 특성을 가지고 있으므로, 각각의 연엑스선, 경엑스선, 전자빔 및 이온빔 서로 개별적인 장치에 의해 측정되어야 했으며, 동일한 파장을 갖는 광원을 사용 하더라도 측정 대상에 따라서 측정 방식의 차이가 존재하였다.
이와 같이 연엑스선, 경엑스선, 전자빔 및 이온빔 각각의 측정은 모두 상이한 측정 장치 및 방식에 의해 수행되어야 했으므로, 이들을 동시에 측정하는 것은 거의 불가능하였으며, 동시 측정이 가능하더라도 동일한 지점 내에서 측정한 결과를 획득하기는 어려움이 존재하였다.
따라서, 레이저 펄스의 조사를 통해 방출되는 연엑스선, 경엑스선, 전자 및 이온들을 하나의 측정 시스템을 통해서 동시에 또는 연속적으로 측정할 뿐만 아니라, 동일한 지점 및 동일한 시점에서의 샘플의 성분을 측정할 수 있는 장치의 필요성이 증대되고 있는 실정이다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템을 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템은, 측정하고자 하는 샘플 타겟을 지지하기 위한 타겟 지지부; 상기 샘플 타겟에 입사시키기 위한 레이저 펄스를 생성하는 레이저 펄스 생성부; 상기 레이저 펄스가 상기 샘플 타겟을 통과하여 발생된 2차 광선의 진행 경로 상에 위치하며, 상기 2차 광선에 자기장을 인가함으로써 상기 2차 광선에 포함된 전자빔의 스펙트럼을 측정하기 위한 전자빔 스펙트럼 측정부; 및 상기 2차 광선의 진행 경로 상에 위치하며, 상기 2차 광선에 전기장을 인가함으로써 상기 2차 광선에 포함된 이온빔의 스펙트럼을 측정하기 위한 이온빔 스펙트럼 측정부를 포함하고, 상기 전자빔 스펙트럼 측정부는, 상기 전자빔을 상기 2차 광선의 진행 경로로부터 벗어나게 하고, 상기 이온빔 스펙트럼 측정부는, 상기 이온빔을 상기 2차 광선의 진행 경로로부터 벗어나게 할 수 있다.
상기 전자빔 스펙트럼 측정부는, 상기 2차 광선의 진행 경로를 기준으로 대향하도록 배치되는 한 쌍의 마그넷을 구비하는 자기장 생성부를 포함하고, 상기 이온빔 스펙트럼 측정부는, 상기 2차 광선의 진행 경로를 기준으로 대향하도록 배치되는 한 쌍의 전극을 구비하는 전기장 생성부를 포함할 수 있다.
상기 2차 광선의 진행 경로를 기준으로, 상기 자기장 생성부는 상기 전기장 생성부보다 상류측에 위치할 수 있다.
상기 한 쌍의 전극이 이격된 방향은 상기 한 쌍의 마그넷이 이격된 방향과 동일할 수 있다.
상기 자기장 생성부는, 상기 2차 광선에 포함된 전자빔을 상기 2차 광선의 진행 경로로부터 80° 내지 90° 사이로 편향시킬 수 있다.
상기 전자빔 스펙트럼 측정부는, 상기 자기장 생성부로부터 편향된 전자빔을 가시화하기 위한 관측 필름; 및 상기 관측 필름을 통과하는 전자빔의 스펙트럼을 측정하는 전자빔 스펙트럼 측정 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 이온빔 스펙트럼 측정부는, 상기 2차 광선에 포함된 이온빔을 반사시키면서, 상기 2차 광선에 포함된 엑스선은 상기 2차 광선의 진행 경로를 따라 통과시키기 위한 중공이 형성된 홀 미러; 및 상기 홀 미러에서 반사된 이온빔의 스펙트럼을 측정하는 이온빔 스펙트럼 측정 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 이온빔 스펙트럼 측정부는, 상기 2차 광선의 진행 경로를 기준으로, 상기 홀 미러 및 전기장 생성부 사이에 배치되고, 상기 전기장 생성부에서 분광된 이온빔의 스펙트럼을 가시화할 수 있도록, 형광체가 도포된 마이크로 채널 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템은, 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선을 측정하는 엑스선 측정부를 더 포함하고, 상기 엑스선 측정부는, 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선을 분광시켜 발생하는 엑스선의 스펙트럼을 측정하는 엑스선 스펙트럼 측정부; 또는 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선을 이용하여 이미징 타겟의 이미징을 수행하는 엑스선 이미지 측정부를 포함할 수 있다.
상기 엑스선 스펙트럼 측정부는, 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선 중 파장이 1nm 이상의 연엑스선을 분광시켜 발생하는 스펙트럼을 측정하는 연엑스선 스펙트럼 측정부; 또는 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선 중 파장이 1nm 미만의 경엑스선을 분광시켜 발생하는 스펙트럼을 측정하는 경엑스선 스펙트럼 측정부를 포함하고, 상기 엑스선 이미지 측정부는, 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선 중 파장이 1nm 이상의 연엑스선을 이용하여 이미징을 수행하는 연엑스선 이미지 측정부; 또는 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선 중 파장이 1nm 미만의 경엑스선을 이용하여 이미징을 수행하는 경엑스선 이미지 측정부를 포함할 수 있다.
상기 엑스선 측정부는, 상기 연엑스선 스펙트럼 측정부, 경엑스선 스펙트럼 측정부, 연엑스선 이미지 측정부 및 경엑스선 이미지 측정부 중 적어도 2개 이상의 측정부가 설치되어 상기 적어도 2개 이상의 측정부를 선택적으로 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선의 진행 경로 상에 위치시킬 수 있는 가이드 레일을 더 포함할 수 있다.
상기 가이드 레일은 원호 형상을 가지고, 상기 가이드 레일이 회전함에 따라서, 상기 적어도 2개 이상의 측정부가 선택적으로 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선의 진행 경로 상에 위치될 수 있다.
일 실시 예의 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템에 의하면, 단일의 측정 시스템을 통해 결맞음성이 우수한 연엑스선 또는 경엑스선을 이용한 분광 스펙트럼 또는 이미징을 연속적으로 측정할 수 있으므로, 측정의 효율성 및 정확성을 향상시킬 수 있다.
일 실시 예의 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템에 의하면, 샘플 타겟으로부터 방출되는 엑스선의 측정과 동시에 상기 샘플 타겟의 동일 지점에서 방출되는 전자빔 스펙트럼 및 이온빔의 스펙트럼을 측정하는 것이 가능하다.
일 실시 예의 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템에 의하면, 연엑스선 또는 경엑스선을 이용하는 분광 스펙트럼 측정 장치 또는 이미징 측정 장치의 종류를 간단하게 교체할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템의 광학 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템의 2차 광선의 진행 경로를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 연엑스선 스펙트럼 측정부를 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 경엑스선 스펙트럼 측정부를 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 연엑스선 이미지 측정부를 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 경엑스선 이미지 측정부를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템의 블록도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 엑스선 측정부를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 엑스선 측정부의 동작을 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템의 블록도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템의 광학 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템의 2차 광선의 진행 경로를 나타내는 도면이고, 도 3 내지 도 6은 일 실시 예에 따른 엑스선 측정부를 나타내는 도면이고, 도 7은 일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템의 블록도이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템(1)은, 레이저 펄스 생성부(11), 포물 반사경(12), 타겟 지지부(13), 콜리메이터(14), 전자빔 스펙트럼 측정부(15), 이온빔 스펙트럼 측정부(16), 엑스선 측정부(17) 및 제어부(18)를 포함할 수 있다.
레이저 펄스 생성부(11)는, 측정하고자 하는 샘플 타겟(3)에 높은 에너지를 갖는 레이저 펄스를 출력할 수 있다. 예를 들어, 레이저 펄스 생성부(11)에서 출력되는 레이저 펄스는 매우 짧은 펄스 폭을 갖는 펨토초 레이저와 같은 초단파 레이저 펄스일 수 있다.
포물 반사경(12)은, 레이저 펄스 생성부(11)로부터 생성되는 레이저를 타겟 지지부(13)를 향해 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 포물 반사경(12)은 레이저 펄스 생성부(11)에서 생성된 레이저 펄스를 타겟 지지부(13)에 배치된 샘플 타겟(3)을 향해 집속시킬 수 있다.
타겟 지지부(13)는 측정할 샘플 타겟(3)을 수용할 수 있다. 예를 들어, 타겟 지지부(13) 상에 배치된 샘플 타겟(3)은, 레이저 펄스 생성부(11)에서 생성되고 포물 반사경(12)을 통해 집속되는 높은 에너지의 레이저 펄스에 의해 조사될 수 있고, 이를 통해, 레이저 펄스가 샘플 타겟(3)에 조사되는 부분에서 이온화에 의한 플라즈마가 형성되어, 그로부터 형성되는 전자기장이 샘플 타겟(3)의 원자 및 전자를 격렬하게 진동 시킬 수 있다.
이에 따라, 강력한 레이저 펄스 및 플라즈마의 상호작용에 의해 샘플 타겟(3)으로부터 결맞음성(coherent)이 우수한 엑스선이 방출될 수 있고, 동시에 중성자, 양성자, 전자 및 이온과 같은 입자들이 빔(beam)의 형태로 가속될 수 있다. 예를 들어, 샘플 타겟(3)에서 발생하는 각종 입자빔들과 엑스선 등의 전자기파들을 "2차 광선(B_L)"이라 할 수 있다.
콜리메이터(14)는, 샘플 타겟(3)으로부터 발생한 2차 광선(B_L)의 진행 경로 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 콜리메이터(14)는, 2차 광선(B_L)을 입사받아 2차 광선(B_L)의 진행 방향을 제한시킬 수 있다.
예를 들어, 콜리메이터(14)를 통과한 2차 광선(B_L)의 진행 방향에 따라 후술할 전자빔 스펙트럼 측정부(15), 이온빔 스펙트럼 측정부(16) 및 엑스선 측정부(17)가 순차적으로 배치될 수 있다.
전자빔 스펙트럼 측정부(15)는, 2차 광선(B_L) 중 전자로 형성되는 전자빔(B_E)을 분광시킬 수 있고, 분광되는 전자빔(B_E)이 생성하는 스펙트럼을 측정할 수 있다.
예를 들어, 전자빔 스펙트럼 측정부(15)는, 자기장 생성부(151), 관측 필름(152), 제 1 집속 렌즈(153) 및 전자빔 측정 센서(154)를 포함할 수 있다.
자기장 생성부(151)는, 2차 광선(B_L)의 진행 방향의 수직한 방향으로 서로 대향하도록 배치된 한 쌍의 마그넷일 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 마그넷은 영구자석 혹은 전자석으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전자석의 경우 한 쌍의 마그넷에 인가되는 전류에 의해 한 쌍의 마그넷이 이격되어 있는 사이 공간에는 자기장이 형성될 수 있다.
예를 들어, 2차 광선(B_L)은 한 쌍의 마그넷 사이의 공간을 통과할 수 있고, 그 사이 공간에서 형성된 자기장에 의해, 2차 광선(B_L) 중 전하를 띄는 전자빔(B_E) 및 이온빔(B_I)을 에너지의 크기에 따라 편향시키는 로렌츠 힘이 형성될 수 있다.
이 중, 질량이 상대적으로 가벼운 전자로 형성된 전자빔(B_E)은, 로렌츠 힘에 의해 자기장의 방향과 수직한 방향으로 편향 시킬 수 있고, 그 편향되는 각도는 자기장 생성부(151)에 형성된 자기장의 세기 및 전자빔(B_E)의 에너지의 크기에 따라 결정될 수 있다.
예를 들어, 2차 광선(B_L)에 포함된 이온빔(B_I)도 자기장의 영향에 따라 그 진행 방향이 편향될 수 있지만, 이온은 상대적으로 전자보다 훨씬 무겁기 때문에, 편향되는 정도가 작으므로, 자기장 생성부(151)에서 이온빔(B_I)이 편향되는 방향은 2차 광선(B_L)의 초기 진행 방향으로부터 크게 벗어나지 않을 수 있다.
예를 들어, 자기장 생성부(151)에 의해 편향되는 전자빔(B_E) 중, 상대적으로 높은 에너지를 갖는 전자빔(B_E)은 그보다 낮은 에너지를 갖는 전자빔(B_E) 보다 편향되는 정도가 작을 수 있다. 이에 따라, 자기장 생성부(151)를 통과하는 전자빔(B_E)은 그 에너지의 크기에 따라 분광되는 스펙트럼을 형성할 수 있다.
예를 들어, 2차 광선(B_L) 중 자기장 생성부(151)에 의해 편향되는 전자빔(B_E)이 샘플 타겟(3)으로부터 방출되는 2차 광선(B_L)의 진행 경로와 형성하는 각도는 45°보다 클 수 있다. 예를 들어, 2차 광선(B_L)으로부터 편향되는 전자빔(B_E)이 형성하는 각도는 80° 내지 90°일 수 있다.
위의 구조에 의하면, 전자빔(B_E)의 진행 경로를 2차 광선(B_L)의 진행 경로로부터 크게 벗어나도록 할 수 있기 때문에, 자기장 생성부(151)에서 편향되는 전자빔(B_E) 및 자기장 생성부(151)를 통과하는 나머지 2차 광선(B_L) 사이의 전자기적인 상호작용을 최소화할 수 있다.
더불어, 분광되는 전자빔(B_E)의 각도를 45° 보다 훨씬 큰 80° 내지 90° 사이로 형성함으로써, 자기장 생성부(151)의 한 쌍의 마그넷의 모서리 부분에서 전자빔(B_E)이 만곡되는 "에지 효과(edge effect)"의 발생을 방지할 수 있다.
관측 필름(152)은, 자기장 생성부(151)로부터 분광된 전자빔(B_E)의 스펙트럼을 가시적으로 관측 가능한 형태로 형성할 수 있다.
제 1 집속 렌즈(153)는, 분광된 전자빔(B_E)의 스펙트럼을 전자빔 측정 센서(154)를 향해 집속시킬 수 있다.
전자빔 측정 센서(154)는, 분광된 전자빔(B_E)의 스펙트럼을 측정하는 CCD 이미지 센서일 수 있다. 예를 들어, 관측 필름(152) 및 제 1 집속 렌즈(153)를 통과한 전자빔(B_E)의 스펙트럼은 전자빔 측정 센서(154)의 이미지 센서에 입사되어 촬영될 수 있다.
이온빔 스펙트럼 측정부(16)는, 전자빔 스펙트럼 측정부(15)의 자기장 생성부(151)를 통과한 2차 광선(B_L) 중 이온으로 형성되는 이온빔(B_I)을 분광시킬 수 있고, 분광된 이온빔(B_I)이 생성하는 스펙트럼을 측정할 수 있다.
예를 들어, 이온빔 스펙트럼 측정부(16)는, 전기장 생성부(161), 마이크로 채널 플레이트(162), 홀 미러(163), 제 2 집속 렌즈(164) 및 이온빔 측정 센서(165)를 포함할 수 있다.
전기장 생성부(161)는, 2차 광선(B_L)의 진행 방향에 수직한 방향으로 서로 대향하도록 배치된 한 쌍의 전극일 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 전극 사이 공간에는 제어부(18)에 의해 인가되는 전류의 크기에 비례하는 전기장이 형성될 수 있다.
따라서, 전기장 생성부(161)에 입사되는 이온빔(B_I)은 전기장과의 상호작용에 따라 한 쌍의 전극이 이격되는 방향으로 로렌츠 힘이 형성되어 상기 방향에 따라 분광될 수 있다. 예를 들어, 이온빔(B_I) 중 상대적으로 에너지가 큰 이온 입자일수록 전기장에 의해 편향되는 정도가 에너지가 작은 부분보다 작을 수 있으므로, 전기장 생성부(161)를 통과하는 이온빔(B_I)은 그 에너지의 크기에 따라 분광되는 스펙트럼을 형성할 수 있다.
예를 들어, 자기장 생성부(151)의 한 쌍의 마그넷이 이격된 방향은 전기장 생성부(161)의 한 쌍의 전극이 이격된 방향과 동일할 수 있다. 이에 따라, 이온빔(B_I)이 분광되는 방향은 자기장 생성부(151)에서 전자빔(B_E)이 분광되는 방향과 수직일 수 있다.
위의 구조에 의하면, 샘플 타겟(3)으로부터 출력되는 2차 광선(B_L)에 포함되어 있던 이온빔(B_I)이 자기장 생성부(151) 및 전기장 생성부(161)를 통과하면서, 각각에 형성된 자기장 및 전기장에 의해 인가받는 로렌츠 힘의 방향이 서로 수직하게 형성될 수 있으므로, 추후 이온빔 측정 센서(165)에서 촬영되는 이온빔(B_I)의 스펙트럼을 통해, 이온빔(B_I)이 전기장 또는 자기장에 의해 분광되는 정도를 개별적으로 파악할 수 있다.
마이크로 채널 플레이트(162)는, 2차 광선(B_L)의 진행 경로 상에서 자기장 생성부(151)의 후방에 위치할 수 있다. 마이크로 채널 플레이트(162)는, 자기장 생성부(151)에서 분광된 이온들의 스펙트럼을 가시적인 형태로 만들어주는 형광체를 포함할 수 있다.
홀 미러(163)는, 일부에 중공이 형성된 반사경일 수 있다. 예를 들어, 홀 미러(163)는, 전기장 생성부(161)를 통과하는 2차 광선(B_L)의 진행 경로상에 배치되어, 입사되는 2차 광선(B_L) 중 이온빔(B_I)을 소정의 각도로 반사하여 2차 광선의 진행 경로로부터 벗어나게 함으로써, 이온빔(B_I)을 제 2 집속 렌즈(164) 및 이온빔 측정 센서(165)를 향해 방출시킬 수 있다. 예를 들어, 홀 미러(163)에 형성된 중공은, 샘플 타겟(3)으로부터 발생한 2차 광선(B_L)의 진행 경로가 홀 미러(163)를 통과하는 부분에 형성될 수 있다.
위의 구조에 의하면, 홀 미러(163)에 입사되는 2차 광선(B_L) 중, 이온빔(B_I)은 앞선 자기장 생성부(151) 및 전기장 생성부(161)에 의해 2차 광선(B_L)의 초기 진행 방향으로부터 편향되어 홀 미러(163)의 중공 부분으로 입사 되지 못하기 때문에, 이온빔(B_I)은 홀 미러(163)에서 이온빔 측정 센서(165)를 향해 반사될 수 있다.
반면, 2차 광선(B_L)에 포함되어 있는 엑스선은 전자기장에 의한 영향을 받지 않기 때문에, 2차 광선(B_L)의 초기 진행 방향과 동일한 진행 방향을 계속 유지할 수 있으므로, 결과적으로, 홀 미러(163)에 입사된 엑스선은 홀 미러(163)의 중공 부분을 통과하여 후속 진행 경로에 위치한 엑스선 측정부(17)를 향해 조사될 수 있다.
제 2 집속 렌즈(164)는, 홀 미러(163)를 통해 반사된 이온빔(B_I)을 이온빔 측정 센서(165)를 향해 집속시킬 수 있다.
이온빔 측정 센서(165)는, 분광된 이온빔(B_I)의 스펙트럼을 측정하는 CCD 이미지 센서일 수 있다. 예를 들어, 형광체를 포함하는 마이크로 채널 플레이트(162) 및 제 2 집속 렌즈(164)를 통과하는 이온빔(B_I)의 스펙트럼은 이온빔 측정 센서(165)의 이미지 센서에 입사되어 촬영될 수 있다.
엑스선 측정부(17)는, 홀 미러(163)를 통과한 엑스선을 분광하여 엑스선이 분광된 스펙트럼을 측정할 수 있다. 예를 들어, 엑스선 측정부(17)는 홀 미러(163)를 통과한 엑스선을 이용하여 이미징 타겟(4)의 이미징을 수행할 수 있다.
예를 들어, 엑스선 측정부(17)는, 연엑스선 스펙트럼 측정부(171), 경엑스선 스펙트럼 측정부(172), 연엑스선 이미지 측정부(173) 및 경엑스선 이미지 측정부(174) 중 하나의 측정부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 연엑스선 스펙트럼 측정부(171) 또는 경엑스선 스펙트럼 측정부(172)를 "엑스선 스펙트럼 측정부"라 통칭할 수 있고, 연엑스선 이미지 측정부(173) 또는 경엑스선 이미지 측정부(174)를 "엑스선 이미지 측정부"라 통칭할 수 있다.
연엑스선 스펙트럼 측정부(171)는, 홀 미러(163)를 통과한 엑스선 중 파장이 1nm 이상의 연엑스선을 분광하여 발생되는 연엑스선의 스펙트럼을 측정할 수 있다.
예를 들어, 연엑스선 스펙트럼 측정부(171)는 미러(1711), 슬릿(1712), 회절 격자(1713) 및 제 1 엑스선 측정 센서(1714)를 포함할 수 있다.
미러(1711)는, 홀 미러(163)를 통과한 엑스선을 집속시킬 수 있다. 미러(1711)로는 예를 들어, 토로이덜 미러(toroidal mirror) 혹은 실린더형 미러(cylindrical mirror)를 이용할 수 있다.
슬릿(1712)은, 미러(1711)를 통과한 엑스선을 회절 격자(1713)를 향해 통과시킬 수 있다.
회절 격자(1713)는, 슬릿(1712)을 통과한 엑스선을 분광하여 그 중 파장이 1nm 이상의 대역을 갖는 연엑스선이 형성하는 스펙트럼을 제 1 엑스선 측정 센서(1714)를 향해 방출할 수 있다.
제 1 엑스선 측정 센서(1714)는, 회절 격자(1713)로부터 분광된 연엑스선 스펙트럼의 이미지를 촬영하는 CCD 이미지 센서일 수 있다.
경엑스선 스펙트럼 측정부(172)는, 홀 미러(163)를 통과한 엑스선 중 파장이 1nm 미만의 경엑스선을 분광시켜 발생하는 경엑스선의 스펙트럼을 측정할 수 있다.
예를 들어, 경엑스선 스펙트럼 측정부(172)는 분광 크리스탈(1721) 및 제 2 엑스선 측정 센서(1722)를 포함할 수 있다.
분광 크리스탈(1721)은, 홀 미러(163)를 통과한 엑스선을 브래그 법칙(bragg's law)에 따른 브래그 반사(bragg reflection)을 통해 파장이 1nm 미만의 경엑스선의 대역을 분광시키는 브래그 크리스(bragg crystal)탈 일 수 있다. 예를 들어, 분광 크리스탈(1721)은, 분광된 경엑스선 스펙트럼을 제 2 엑스선 측정 센서(1722)를 향해 방출할 수 있다.
제 2 엑스선 측정 센서(1722)는, 분광 크리스탈(1721)로부터 분광된 경엑스선 스펙트럼의 이미지를 촬영하는 CCD 이미지 센서일 수 있다.
연엑스선 이미지 측정부(173)는, 홀 미러(163)를 통과한 엑스선 중 파장이 1nm 이상의 연엑스선을 이용하여 이미징 타겟(4)의 이미징을 수행할 수 있다.
예를 들어, 연엑스선 이미지 측정부(173)는 다층 미러(1731), 제 1 샘플 홀더(1732) 및 제 3 엑스선 측정 센서(1733)를 포함할 수 있다.
다층 미러(1731)는, 홀 미러(163)를 통과하는 엑스선을 입사받아 그 중 파장이 1nm 이상의 연엑스선을 이미징을 측정할 이미징 타겟(4)이 배치된 제 1 샘플 홀더(1732)로 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 다층 미러(1731)는 몰리브덴(Mo) 및 규소(Si)를 포함하는 물질로 형성된 다층 박막 거울(multilayer mirror)일 수 있다.
제 1 샘플 홀더(1732)는, 다층 미러(1731)로부터 출력되는 연엑스선을 통해 이미징을 수행할 이미징 타겟(4)을 지지할 수 있다.
제 3 엑스선 측정 센서(1733)는, 이미징 타겟(4)에 연엑스선이 조사 된 이후, 이미징 타겟(4)에서 연엑스선이 부분적으로 흡수, 산란 및 투과되어 형성하는 이미지를 촬영하는 CCD 이미지 센서일 수 있다.
경엑스선 이미지 측정부(174)는, 홀 미러(163)를 통과한 엑스선 중 파장이 1nm 미만의 경엑스선을 이용하여 이미징을 수행할 수 있다.
예를 들어, 경엑스선 이미지 측정부(174)는 모세 튜브(1741), 제 2 샘플 홀더(1742) 및 제 4 엑스선 측정 센서(1743)를 포함할 수 있다.
모세 튜브(1741)는, 길고 미세한 채널을 구비하여 엑스선 중 파장이 1nm 미만의 경엑스선의 전반사가 이루어지는 도파관일 수 있다. 예를 들어, 홀 미러(163)를 통과하여 모세 튜브(1741)의 일단에 입사된 엑스선은 모세 튜브(1741)의 타단에서 경엑스선으로 출력되어 제 2 샘플 홀더(1742)를 향해 조사될 수 있다.
제 2 샘플 홀더(1742)는, 모세 튜브(1741)로부터 출력되는 경엑스선을 통해 이미징을 수행할 이미징 타겟(4)을 지지할 수 있다.
제 4 엑스선 측정 센서(1743)는, 이미징 타겟(4)에 경엑스선이 조사 된 이후, 이미징 타겟(4)에서 경엑스선이 부분적으로 흡수, 산란 및 투과되어 형성하는 이미지를 촬영하는 CCD 이미지 센서일 수 있다.
엑스선 측정부(17)에 의하면, 사용자는 사용하고자 하는 엑스선의 종류 및 측정 방식에 따라서, 연엑스선 스펙트럼 측정부(171), 경엑스선 스펙트럼 측정부(172), 연엑스선 이미지 측정부(173) 또는 경엑스선 이미지 측정부(174) 중 하나의 측정부를 홀 미러(163)를 통과하는 2차 광선(B_L) 또는 엑스선의 진행 경로 상에 선택적으로 설치할 수 있다.
제어부(18)는, 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템(1)의 작동을 제어할 수 있고, 각각의 측정부의 측정 센서를 통해 측정된 영상 신호에 기초하여, 샘플 타겟(3)으로부터 방출되는 전자빔, 이온빔 및 엑스선의 스펙트럼 이미지를 생성할 수 있다.
예를 들어, 제어부(18)는 샘플 타겟(3)으로부터 방출되는 연엑스선을 이미징 타겟(4)에 조사하여 이미징 타겟(4)의 엑스선 회절 또는 홀로그래픽 이미지를 형성할 수 있다. 예를 들어, 제어부(18)는, 이미징 타겟(4)에 경엑스선을 조사한 후, 굴절율의 차이로 기인한 엑스선의 위상의 차이를 대조한 이미지를 형성할 수 있다.
예를 들어, 제어부(18)는, 레이저 펄스 생성부(11)를 구동하여 초단파 레이저 펄스를 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(18)는, 레이저 펄스 생성부(11)로부터 출력되는 레이저 펄스의 펄스 폭을 비롯한 레이저 펄스의 에너지의 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어, 제어부(18)는, 자기장 생성부(151)에 전류를 인가하여 자기장 생성부(151)에 자기장을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제어부(18)는 자기장 생성부(151)에 형성되는 자기장의 방향 및 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어, 제어부(18)는, 전기장 생성부(161)에 전류를 인가하여 전기장 생성부(161)에 전기장을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제어부(18)는 전기장 생성부(161)에 형성되는 전기장의 방향 및 크기를 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템(1)에 의하면, 하나의 측정 시스템을 통해 샘플 타겟(3)의 동일한 지점 상의 전자빔 스펙트럼 이미지, 이온빔 스펙트럼 이미지 및 엑스선 스펙트럼 이미지를 동시에 측정할 수 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 엑스선 측정부를 나타내는 도면이고, 도 9는 일 실시 예에 따른 엑스선 측정부의 동작을 나타내는 도면이고, 도 10은 일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템의 블록도이다.
도 8 내지 도 10에 도시된 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템(2)은 도 1 내지 도 7에 도시된 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템(1)의 엑스선 측정부(17)와는 다른 실시 예의 엑스선 측정부(27)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 8 내지 도 10에 도시된 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템(2)은, 도 1 내지 도 7에 도시된 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템(1)의 구성 요소들 중에서 엑스선 측정부(17) 및 제어부(18)의 구성이 교체 또는 변경 것으로 이해되어도 무방하기 때문에, 전술한 참조 부호를 갖는 구성 요소에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
예를 들어, 엑스선 측정부(27)는 가이드 레일(271), 레일 구동부(272), 연엑스선 스펙트럼 측정부(171), 경엑스선 스펙트럼 측정부(172), 연엑스선 이미지 측정부(173) 및 경엑스선 이미지 측정부(174)를 포함할 수 있다.
가이드 레일(271)은, 홀 미러(163)를 통과하는 엑스선의 진행 경로의 일 구간에서 이동 가능하게 설치되는 레일(rail)형 부재일 수 있다.
예를 들어, 가이드 레일(271)은 연엑스선 스펙트럼 측정부(171), 경엑스선 스펙트럼 측정부(172), 연엑스선 이미지 측정부(173) 및 경엑스선 이미지 측정부(174) 중 적어도 2 개 이상의 측정부가 설치될 수 있다.
예를 들어, 상기 2 개 이상의 측정부는 가이드 레일(271)의 이동 방향에 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 따라서, 가이드 레일(271)이 이동함으로써, 2개 이상의 측정부 중 하나의 측정부가 홀 미러(163)를 통과하는 엑스선의 진행 경로 상에 선택적으로 위치될 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 2개 이상의 측정부가 가이드 레일(271) 상에서 슬라이딩 가능하도록 설치될 수도 있다.
예를 들어, 가이드 레일(271)은, 도 8 및 9와 같이 원호 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 연엑스선 스펙트럼 측정부(171), 경엑스선 스펙트럼 측정부(172), 연엑스선 이미지 측정부(173) 및 경엑스선 이미지 측정부(174)는 가이드 레일(271)의 원호 방향에 따라 이격되어 설치될 수 있다.
위의 구조에 의하면, 가이드 레일(271)을 회전시킴으로써, 각각의 측정부를 엑스선의 진행 경로 상에 선택적으로 위치시킬 수 있다.
레일 구동부(272)는, 가이드 레일(271)을 이동 또는 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 각각의 측정부가 가이드 레일(271)의 길이 방향에 따라 슬라이딩 하는 구성을 가질 경우, 레일 구동부(272)는, 각각의 측정부를 가이드 레일(271)을 따라 슬라이딩 시킬 수 있다.
제어부(28)는, 도 1 내지 도 7에 도시된 제어부(18)가 수행하는 제어 구성을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어부(28)는 레일 구동부(272)를 구동하여 가이드 레일(271)을 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 제어부(28)는, 레일 구동부(272)를 구동함으로써, 가이드 레일(271)에 설치된 연엑스선 스펙트럼 측정부(171), 경엑스선 스펙트럼 측정부(172), 연엑스선 이미지 측정부(173) 및 경엑스선 이미지 측정부(174) 중 적어도 2개 이상의 측정부를 홀 미러(163)를 통과하는 엑스선의 진행 경로 상에 위치시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(28)는 홀 미러(163)를 통과하는 엑스선의 진행 경로 상에 배치된 엑스선 측정부(27)의 종류에 따라 해당 엑스선 측정부(27)의 엑스선 측정 센서를 통해 전달받은 영상 신호를 통해 가시적인 이미지를 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템(2)에 의하면, 가이드 레일(271)의 이동 또는 회전을 통해 엑스선의 종류, 측정 대상 또는 측정 방식에 따라 엑스선 측정부(27)의 종류를 측정 도중에도 신속하고 간단하게 교체할 수 있다.
위의 구조에 의하면, 샘플 타겟(3)의 동일한 지점에서 방출되는 연엑스선 스펙트럼 및 경엑스선 스펙트럼을 짧은 시간 내에 연속적으로 측정할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (12)

  1. 측정하고자 하는 샘플 타겟을 지지하기 위한 타겟 지지부;
    상기 샘플 타겟에 입사시키기 위한 레이저 펄스를 생성하는 레이저 펄스 생성부;
    상기 레이저 펄스가 상기 샘플 타겟을 통과하여 발생된 2차 광선의 진행 경로 상에 위치하며, 상기 2차 광선에 자기장을 인가함으로써 상기 2차 광선에 포함된 전자빔의 스펙트럼을 측정하기 위한 전자빔 스펙트럼 측정부;
    상기 2차 광선의 진행 경로 상에 위치하며, 상기 2차 광선에 전기장을 인가함으로써 상기 2차 광선에 포함된 이온빔의 스펙트럼을 측정하고, 상기 2차 광선에 포함된 이온빔을 반사시키면서, 상기 2차 광선에 포함된 엑스선은 상기 2차 광선의 진행 경로를 따라 통과시키기 위한 중공이 형성된 홀 미러와, 상기 홀 미러에서 반사된 이온빔의 스펙트럼을 측정하는 이온빔 스펙트럼 측정 센서를 구비하는 이온빔 스펙트럼 측정부; 및
    상기 홀 미러를 통과하는 엑스선을 측정하는 엑스선 측정부를 포함하고,
    상기 전자빔 스펙트럼 측정부는, 상기 전자빔을 상기 2차 광선의 진행 경로로부터 벗어나게 하고,
    상기 이온빔 스펙트럼 측정부는, 상기 이온빔을 상기 2차 광선의 진행 경로로부터 벗어나게 하고,
    상기 엑스선 측정부는,
    상기 홀 미러를 통과하는 엑스선 중 파장이 1nm 이상의 연엑스선을 분광시켜 발생하는 스펙트럼을 측정하는 연엑스선 스펙트럼 측정부와, 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선 중 파장이 1nm 미만의 경엑스선을 분광시켜 발생하는 스펙트럼을 측정하는 경엑스선 스펙트럼 측정부와, 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선 중 파장이 1nm 이상의 연엑스선을 이용하여 이미징을 수행하는 연엑스선 이미지 측정부와, 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선 중 파장이 1nm 미만의 경엑스선을 이용하여 이미징을 수행하는 경엑스선 이미지 측정부 중 적어도 2 개 이상의 측정부; 및
    상기 연엑스선 스펙트럼 측정부, 경엑스선 스펙트럼 측정부, 연엑스선 이미지 측정부 및 경엑스선 이미지 측정부 중 적어도 2개 이상의 측정부가 설치되어 상기 적어도 2개 이상의 측정부를 선택적으로 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선의 진행 경로 상에 위치시킬 수 있는 가이드 레일을 포함하는 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자빔 스펙트럼 측정부는, 상기 2차 광선의 진행 경로를 기준으로 대향하도록 배치되는 한 쌍의 마그넷을 구비하는 자기장 생성부를 포함하고,
    상기 이온빔 스펙트럼 측정부는, 상기 2차 광선의 진행 경로를 기준으로 대향하도록 배치되는 한 쌍의 전극을 구비하는 전기장 생성부를 포함하는 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 2차 광선의 진행 경로를 기준으로, 상기 자기장 생성부는 상기 전기장 생성부보다 상류측에 위치하는 것을 특징으로 하는 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극이 이격된 방향은 상기 한 쌍의 마그넷이 이격된 방향과 동일한 것을 특징으로 하는 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 자기장 생성부는, 상기 2차 광선에 포함된 전자빔을 상기 2차 광선의 진행 경로로부터 80° 내지 90° 사이로 편향시키는 것을 특징으로 하는 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 전자빔 스펙트럼 측정부는,
    상기 자기장 생성부로부터 편향된 전자빔을 가시화하기 위한 관측 필름; 및
    상기 관측 필름을 통과하는 전자빔의 스펙트럼을 측정하는 전자빔 스펙트럼 측정 센서를 더 포함하는 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 이온빔 스펙트럼 측정부는,
    상기 2차 광선의 진행 경로를 기준으로, 상기 홀 미러 및 전기장 생성부 사이에 배치되고, 상기 전기장 생성부에서 분광된 이온빔의 스펙트럼을 가시화할 수 있도록, 형광체가 도포된 마이크로 채널 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가이드 레일은 원호 형상을 가지고,
    상기 가이드 레일이 회전함에 따라서, 상기 적어도 2개 이상의 측정부가 선택적으로 상기 홀 미러를 통과하는 엑스선의 진행 경로 상에 위치되는 것을 특징으로 하는 엑스선 분광 및 이미징 측정 시스템.
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