KR20040065673A - 고광도의 평행빔 생성 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미러(mirror)의 적절한 배치를 통해 고광도의 평행빔을 생성하는 장치에 관한 것으로, 1차 타원의 일 초점에 배치되는 광원; 광원으로부터 입사된 빔을 반사시키도록 1차 타원상에 배치되는 오목 미러로서, 1차 타원의 경계면 모양을 가진 1차 미러; 1차 미러에서 반사된 빔의 경로에 배치되는 볼록 미러로서, 볼록 미러에 입사되는 빔들의 입사지점의 접선들간의 각도 차이가, 1차 미러에 입사되는 빔들의 입사지점의 접선들간의 각도 차이의 1/2이 되게 하는 2차 타원의 경계면 모양을 가진 2차 미러;를 구비하는 것을 특징으로 하며, 나아가 1차 미러는 1차 타원의 단축상의 꼭지점에 배치되거나, 공간의 활용을 위해 1차 타원의 타 초점측의 장축상의 꼭지점과 단축상의 꼭지점 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 고광도의 평행빔 생성 장치를 제공함으로써, 빔의 광도 증대와 동시에 평행빔의 생성이 가능하도록 하였다.

Description

고광도의 평행빔 생성 장치 {DEVICE FOR GENERATING PARALLEL BEAM WITH HIGH FLUX}

본 발명은 미러(mirror)의 적절한 배치를 통해 고광도의 평행빔을 생성하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 현존하는 광학부품들의 효율적인 배치를 통하여 종래의 장치보다 더 효과적으로 엑스레이(x-ray), 중성자 빔 등의 광도를 증가하는 동시에 분산을 줄이는 장치에 관한 것이다.

가시광선, 엑스레이, 중성자 등은 인위적인 파장 선택이 가능하여 고체의 원자 배열, 반도체, 광학소자, 생화학 등의 분야에서 구조 분석에 널리 이용된다. 도 1과 같이, 빛은 한 광원으로부터 방사형으로 퍼져 나가기 때문에 빛의 광도(flux)는 관측자 위치와의 거리 제곱에 반비례한다. 이는 물질의 구조 분석을 위한 시료 및 검출기 위치에서 그 광도가 현저하게 감소함을 의미한다(도 2). 도 2는 일반적인 단순 슬릿(slit)형 엑스레이 반사계(reflectometer)를 도시한 것이다.

또한, 라인 포커싱(line focusing, 예:반사계, 박막 측정용) 및 포인트 포커싱(point focusing, 예:4원회절(Four circle diffraction), 단결정 측정용)에 필요한 슬릿을 이용하면 빔의 광도는 더 감소하게 된다.

따라서, 세계 유명 연구소들이나 장비 회사들은 빔의 광도를 높이는 동시에빔의 분산(divergence)을 줄이는 연구를 계속하고 있는 실정이다. 특히 중성자 산란 분야에서는 특정 파장을 갖는 중성자 빔의 광도를 증가하기 위하여 냉중성자원 및 중성자 가이드 등을 이용한다.

도 3은 독일 브루커사(BRUKER)에서 제공하는 괴벨(Goebel) 미러(엑스레이 미러의 일종)를 이용해 평행빔을 만드는 방법을 도시한 것이다. 도 3a는 괴벨 미러의 배치를, 도 3b는 괴벨 미러를 이용하여 평행빔을 만드는 원리를, 도 3c는 괴벨 미러를 이용한 반사율 측정 결과를 도시한 것이다. 이 방법을 사용할 경우 보통 단순형 엑스레이 분석 장치보다 광도가 약 20배 이상 증가하여 현재 널리 이용되고 있다.

이 괴벨 미러는 쌍곡선 형태의 기하()를 가지고 있다. 괴벨 미러가 쌍곡선 중심에 접근할 수록 빔의 광도를 높일 수 있지만, 빔 배치상 엑스레이 선원에 완전히 근접할 수 없어 고광도의 완전한 밀집형 선형빔(선형빔 < 0.1mm)의 생성이 어렵다는 문제가 있다.

더욱이, 중성자를 발생시키는 원자로에서는 쌍곡선 중심(중성자 선원) 가까이에 중성자 미러의 접근이 용이하지 않고, 또 원거리에서 미러를 이용해 빔을 반사시킬 경우 빔의 분산으로 인하여 필요한 미러의 크기가 증가하므로 광도의 이점은 거의 없다고 할 수 있다.

또 다른 방법은 도 4a 및 도 4b에 도시한 것과 같은 모세관(capillary tube)을 이용하는 것으로, 이 방법은 넓은 각에서 분산되는 빔을 집속시킬 수 있고 평행빔을 만들기도 쉬워 중성자와 엑스레이 모두에 응용될 수 있으며, 관의 지름을 작게 하여 협소한 장소에서 사용할 수도 있다. 그러나, 가는 관을 통과하는 중성자나 엑스레이가 다중반사로 인하여 강도가 떨어지고, 관내로 입사하는 빔의 양이 미세관의 두께에 의존하므로 효율(efficiency)이 10-50%에 불과하다. 좁은 공간의 활용을 위해 가는 관의 지름(약 5-50마이크로미터)과 자체 두께의 극소화가 효율을 높이는 중요인자이며, 엑스레이 옵티컬 시스템사(X-ray optical system inc.)가 이런 종류의 모세관을 개발하여 시판하고 있으나 너무 고가이다.

세번째 방법은 결정격자를 단계적 이물질로(Si→Ge) 대치하여 격자 크기를 조절함으로써 빔을 집속시키거나 평행빔을 만드는 것으로, 결정 성장시 완벽한 제어가 필요하다. 이러한 문제를 해결했다는 보고가 있으나 (A.Erko, F.Schaerfers, W.Gudat, N.V.Abrosimov, S.N.Rossolenko, V.Alex, W.Schroeder. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A374(1996) 408) 여전히 기술적인 어려움이 있으며, 또한 결정에서 회절된 빔은 반사된 빔보다 광도가 훨씬 약하기 때문에 이용에 어려움이 있다고 할 것이다.

도 5는 단계적(graded) 결정을 이용한 빔의 집속화와 평행빔을 만드는 방법을 보여준다. 도 5a 및 도 5b는 단계적 결정을 단순 응용한 것으로, 각각 광각(wide-angle) 미러와 포커싱(focusing) 미러를 도시한 것이다. 한편, 도 5c내지 도 5e는 비대칭(asymmetric) 단계적 결정의 경우로, 각각 좁은 빔 컨디셔너(narrow beam conditioner), 대칭 콜리메이터(symmetrical collimator), 종국 콜리메이터(ultimate collimator)를 도시한 것이다. (P.Petrashen, A.Erko, Graded SiGe crystals as X-ray collimators, Nuclear Instruments and Methode in Physics research A 467-468(2001) 358-361)

이 방법을 사용하면 결정 성장을 통하여 격자의 크기가 변하기 때문에 물리적인 힘을 가해서 결정을 구부릴 필요가 없고 결정 자체가 하나의 포커싱 벤더(focusing bender) 역할을 하며, 결정을 원하는 방향으로 잘라서 입사각을 조절함으로서 평행빔을 만들 수 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여, 미러의 타원형 배치를 통해 종래의 장치보다 더 효과적으로 엑스레이, 중성자 빔 등의 광도를 증가시키는 동시에 분산을 줄여 평행빔을 생성하는 새로운 장치를 제공함을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 타원체형 미러를 이용하여 평행집속 초점빔을 생성하는 고광도의 평행빔 생성 장치를 제공함을 목적으로 한다.

도 1은 빛의 방사 원리를 도시한 도면,

도 2는 일반적인 단순 슬릿형 엑스레이 반사계의 구성을 도시한 도면,

도 3은 브루커사의 괴벨 미러를 이용하여 평행빔을 만드는 방법을 도시한 도면,

도 4는 엑스레이 옵티컬 시스템사의 모세관을 이용하는 방법을 도시한 도면,

도 5는 단계적 SiGe 결정의 빔 집속화와 평행화 방법을 도시한 도면,

도 6은 타원의 구조를 도시한 도면,

도 7은 본 발명에 따른 평행빔 생성 원리를 도시한 도면,

도 8은 도 7의 2차 미러 부분을 확대 도시한 도면,

도 9는 라인 포커싱 원리를 도시한 도면,

도 10은 포인트 포커싱 원리를 도시한 도면,

도 11은 중성자 미러의 배치를 도시한 도면,

도 12는 도 11의 예에서 공간 활용을 위해 배치를 다르게 한 경우를 도시한 도면.

본 발명은 상기 목적을 위하여, 1차 타원의 일 초점에 배치되는 광원; 상기 광원으로부터 입사된 빔을 반사시키도록 상기 1차 타원상에 배치되는 오목 미러로서, 상기 1차 타원의 경계면 모양을 가진 1차 미러; 상기 1차 미러에서 반사된 빔의 경로에 배치되는 볼록 미러로서, 상기 볼록 미러에 입사되는 빔들의 입사지점의 접선들간의 각도 차이가, 상기 1차 미러에 입사되는 빔들의 입사지점의 접선들간의 각도 차이의 1/2이 되게 하는 2차 타원의 경계면 모양을 가진 2차 미러;를 구비하는 것을 특징으로 하는 고광도의 평행빔 생성 장치를 제공한다.

또한, 상기 1차 미러는 상기 1차 타원의 단축상의 꼭지점에 배치되거나, 공간의 활용을 위해 상기 1차 타원의 타 초점측의 장축상의 꼭지점과 단축상의 꼭지점 사이에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 2차 타원의 타원 파라미터 a'(장축 길이의 1/2), b'(단축 길이의 1/2), e'(중심에서 초점까지의 거리)는 다음 수학식

에 의하여 구하고, 여기서 a, b는 상기 1차 타원의 타원 파라미터, P는 상기 1차 미러의 입사지점들간의 최대 거리, S는 상기 2차 미러의 입사지점들간의 최대 거리인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 평행집속 초점빔을 생성하는 고광도의 평행빔 생성 장치에 있어서, 4개의 타원형 미러 대신 2개의 타원체(ellipsoid)형 미러를 사용하는 것을 특징으로 하는 고광도의 평행빔 생성 장치를 제공한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 발명의 근본 원리는 타원형 배치를 이용하는 것으로, 가장 기본적인 실시예는 2개의 타원형 미러로 구성되는 것이다.

도 6에서와 같이, 타원에서는 하나의 초점에서 발생된 빔이 타원에 반사된 후 항상 다른 초점으로 향하게 된다. 여기서 F1, F2가 타원의 초점이며, F1에서 발생한 빔이 타원의 경계면에서 반사되어 F2로 향함을 볼 수 있다. a, b, e는 타원 파라미터로, 각각 장축 길이의 1/2, 단축 길이의 1/2, 타원 중심과 초점간의 거리를 나타낸다.

도 7은 타원형 미러를 이용해 평행빔을 생성하는 원리를 개략적으로 도시한 것으로, 본 발명에 따른 평행빔 생성장치는 광원과 두 미러로 구성된다. 광원은 타원의 일 초점(71)에 배치되며, 도시된 예에서는 왼쪽 초점에 배치하였다. 1차 미러는 1차 타원(72)상에 배치되는데, 이 실시예에서는 점 ①, ②, ③ 부분에 걸쳐 배치되었으며, 2차 미러는 2차 타원(73)상의 점 ④, ⑤, ⑥ 부분 걸쳐 배치된다.

1차 타원(72)의 타원 파라미터 a, b, e를 각각 100mm, 50mm, 86.6mm로 하였을 때, 1차 타원(72)의 왼쪽 초점에서 점 ①, ②, ③으로의 입사각은 좌측과 우측 초점간의 기준선(x축)과 각각 32, 30, 28도가 된다.

1차 미러는 상기한 바와 같이 1차 타원(72)상의 입사 위치에 배치되고, 1차타원의 경계면 모양인 타원형 오목 미러이다. 1차 미러의 점 ①, ②, ③에서 반사된 후 우측 초점을 향하는 각각의 빔은 x축과 28, 30, 32도를 이룬다. 이는 점 ①과 ③에서의 접선과 x축과 평행한 점 ②의 접선이 각각 2도의 각도를 이루기 때문이다. 또한, 이는 각각의 점들(점 ①, ②, ③)에서의 접선과 왼쪽 초점으로부터의 입사각은 항상 30도를 이룸을 의미한다.

평행빔을 생성하기 위해서는 1차 타원(72)의 우측 초점으로의 빔의 경로에 다른 미러(2차 미러)를 배치하여야 한다. 2차 미러는 2차 타원(73)상에 배치되고, 2차 타원(73)의 경계면 모양인 볼록 미러이다. 1차 반사에서는 1차 타원(72)의 오목한 부분에서 반사를 시킨 반면, 2차 반사에서는 2차 타원(73)의 볼록한 부분에서 반사를 시키게 된다. 도면은 2차 미러를 74의 타원 형태로 다른 위치에 배치할 수도 있음을 보여준다.

평행빔을 생성하기 위한 2차 미러의 타원 파라미터 a', b', e'는 다음 수학식 1에 의해 구할 수 있다.

여기서 P는 점 ①-③ 까지의 거리이고, S는 점 ④-⑥ 까지의 거리이다.

상기 수학식과 같이, 타원의 장축과 단축에 2를 곱하면 점 ④와 ⑥에서의 접선들이 점 ⑤에서의 접선과 이루는 각이 각각1도가 되므로(오차는 무시), 점 ⑤에서 반사된 빔과 평행을 이루게 된다.

즉, 1차 타원(72)상의 점 ①, ②, ③에서의 접선들간의 각도차가 2차 타원(73)상의 점 ④, ⑤, ⑥에서의 접선들간의 각도차의 2배가 되도록 타원의 모양을 정하면 된다. 이 방법을 통하여 원하는 평행집속 선형빔(parallel line beam) 폭의 조정이 가능하며 앞에서 설명한 괴벨 미러의 단점인 공간상의 제약을 해결할 수 있다. 도 8은 2차 미러가 배치되는 부분을 확대해서 그린 것으로, 점 ④, ⑤, ⑥에서의 접선들간의 각도 차가 1도임을 알 수 있다.

도 9는 평행집속 선형빔(line beam)을, 도 10은 평행집속 초점빔(point beam)을 생성하는 방법을 도시한 것이다.

초점빔의 경우, 3,4번째 거울을 1,2번째 거울에 90도 차이를 두어 배치하여, 두 번의 반사에 의해 생성된 선형빔을 집속화된 선형빔의 수직방향으로 집속화시켜 초점빔을 형성한다. 따라서, 타원형 미러를 이용할 경우 4개의 미러가 필요하다(도 10a).

그러나, 중성자나 엑스레이 미러의 경우 빔의 광도는 반사할 때마다 조금씩 감소하므로 각 반사에 의한 광도의 손실을 줄이는 방법이 필요하다. 본 발명에서는 도 10b에 도시된 바와 같이, 2개의 타원형 미러를 1개의 타원체(Ellipsoid)형 미러로 대치하여 4번의 반사를 2번으로 줄일 수 있도록 하였다. 엑스레이미러(Mo/Si, W/C, W/Si) 및 중성자 미러(⁵⁸Ni, Ni/Ti)는 두 물질의 반복적인 다층 박막구조이므로 표면 거칠기와 경계면의 불완전성에 의하여 반사율의 감소를 가져올 수 있으나, 최근에는 박막코팅기술의 발전으로 90% 이상의 반사율의 달성이 가능하다.

일반적인 타원체의 공식은이다. 빔의 분산량이 z축 방향에서도 동일하다면 타원체의 공식은이고, x축과 z축 방향으로 같은 곡률을 가진 1차 타원체형 미러를 제작할 수 있으며, 2차 미러도 타원형 미러와 동일하게 계산하여 제작할 수 있다. x축과 z축 방향에서 빔의 분산량이 다르면 일반적인 타원체 공식에 의한 1차 타원체형 미러에 의해 빔을 초점화시킨 후, 2차 미러의 분산에 의해 평행빔을 만들 수 있다. 2차 미러의 타원체 파라미터를 구하는 공식은 상기 수학식 1을 확장하여 다음과 같이 정할 수 있다.

도 11과 12는 원자로 주위에서 중성자 미러 또는 수퍼미러(F. Mezei, Comm.Phys. 1, 81 (1976), F. Mezei und P. Dagleish, Comm. Phys.2, 41 (1977))를 이용하여 빔을 선형빔으로 만들기 위한 배치도이다.

도 11a는 미러를 타원의 y축에 좌우대칭인 형태로 배치한 경우로서, 중성자원에서 수평공후단까지의 거리가 3000mm, 중성자 수퍼미러(Ni/Ti, 3M, 4.75Å 기준, 최대 완전반사각 약 3도)의 크기가 382mm인 경우를 도시한 것이고, 도 11b는 미러가 배치된 부분을 확대한 것이다.

이와 같은 경우, 1차 미러로 반사된 빔으로부터 반대쪽에 2차 미러를 놓아 빔을 집속하기 위해서 공간이 많이 필요하므로, 1차 미러를 오른쪽 초점 가까이 배치함으로써 공간 활용 문제를 해결할 수 있다.

도 12a는 공간 활용을 위해 배치를 달리한 예로서, 1차 미러를 타원의 오른쪽 부분에 배치하여 1차 미러와 2차 미러간의 간격을 더 좁게 한 것이다. 타원의 단축으로부터 1000mm 거리에 배치되어 있는 것이 1차 중성자 미러(121)이고, 우측 상부에 배치된 것이 2차 중성자 미러(122)이며, 왼쪽의 초점에 선원이 배치된다. 도 12b는 미러가 배치된 부분을 확대한 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 미러의 새로운 기하학적 배치를 통하여 빔의 라인 포커싱과 포인트 포커싱을 가능토록 하므로, 빔의 광도 증대와 동시에 평행빔의 생성이 가능하다는 효과가 있다.

특히 중성자를 이용한 분광장치에서는, 광원(핵분열 유닛)으로의 접근이 용이하지 않으며 중성자는 엑스레이에 비해 상대적으로 낮은 광도를 가지고 있기 때문에, 본 발명에 따른 평행빔 생성 장치가 필수적이라 하겠다.

중성자는 자신의 특별한 성질(자기 모멘트, 주기율표에 의존하지 않는 불규칙한 산란길이밀도(scattering length density)) 때문에 엑스레이보다 물질 분석에 장점이 있음에도 불구하고, 저광도로 인하여 측정시간이 엑스레이보다 길어지는 단점이 있다. 그러나 본 발명에 따른 미러의 배치에 의해 중성자 광도를 증가할 수 있으므로 더 많은 이용자들을 중성자 분광창치로 유도할 수 있을 것이다.

이 방법은 현존하는 분광장치 중 회절(diffraction), 반사광 측정(reflectometry), 고해상도 회절(high resolution diffraction), 단결정(single crystal)에서 약산란(weakly scattering)하는 단백질(proteins) 등에 이용될 것이며, 위에서 설명한 모세관 기술과 함께 이용되면 훨씬 효과적이다.

Claims (5)

1. 미러의 타원형 배치를 통해 고광도의 평행빔을 생성하는 장치에 있어서,

   1차 타원의 일 초점에 배치되는 광원;

   상기 광원으로부터 입사된 빔을 반사시키도록 상기 1차 타원상에 배치되는 오목 미러로서, 상기 1차 타원의 경계면 모양을 가진 1차 미러;

   상기 1차 미러에서 반사된 빔의 경로에 배치되는 볼록 미러로서, 상기 볼록 미러에 입사되는 빔들의 입사지점의 접선들간의 각도 차이가, 상기 1차 미러에 입사되는 빔들의 입사지점의 접선들간의 각도 차이의 1/2이 되게 하는 2차 타원의 경계면 모양을 가진 2차 미러;를 구비하는 것을 특징으로 하는 고광도의 평행빔 생성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 1차 미러는 상기 1차 타원의 단축상의 꼭지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 고광도의 평행빔 생성 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 1차 미러는 상기 1차 타원의 타 초점측의 장축상의 꼭지점과 단축상의꼭지점 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 고광도의 평행빔 생성 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 2차 타원의 타원 파라미터 a'(장축 길이의 1/2), b'(단축 길이의 1/2), e'(중심에서 초점까지의 거리)는 다음 수학식

   에 의하여 구하고, 여기서 a, b는 상기 1차 타원의 타원 파라미터, P는 상기 1차 미러의 입사지점들간의 최대 거리, S는 상기 2차 미러의 입사지점들간의 최대 거리인 것을 특징으로 하는 고광도의 평행빔 생성 장치.
5. 평행집속 초점빔을 생성하는 고광도의 평행빔 생성 장치에 있어서,

   4개의 타원형 미러 대신 2개의 타원체(ellipsoid)형 미러를 구비하여 초점빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 고광도의 평행빔 생성 장치.