KR20100057419A - Composite ion analyzer - Google Patents

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KR20100057419A
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Abstract

PURPOSE: A composite ion analyzer is provided to reduce the test time by analyzing and measuring the ion energy in real time using the ion time-of-flight. CONSTITUTION: A composite ion analyzer(100) comprise a flash generating member(5), a Thomson parabola ion analyzer, and an ion time-of-flight analyzer. The flash generating member selectively passes only some ion to an ion source(4). The Thomson parabola ion analyzer measures the distance that the ion passing the flash generating member is deviated by the electromagnetic field. The ion time-of-flight analyzer measures the time-of-flight of the ion using the flash generated by the ion colliding with the flash generating member. The flash generating member comprises a first through-hole. Some ion of the ion source passes the first through-hole.

Description

복합 이온분석기 {COMPOSITE ION ANALYZER}Complex Ion Analyzer {COMPOSITE ION ANALYZER}

본 발명은 이온분석기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입사되는 이온의 물리적 특성을 이용하여 이온의 성질을 분석하는 이온분석기에 관한 것이다.The present invention relates to an ion analyzer, and more particularly, to an ion analyzer for analyzing the properties of ions using the physical properties of the incident ions.

종래의 톰슨포물선 이온분석기는, 전기장과 자기장을 평행하게 인가하고, 이 전기장과 자기장에 수직인 방향으로 이온을 입사시켜서, 전기장과 자기장으로부터 일정한 거리에 위치한 검출기로 측정하는 구조로 제작된다.The conventional Thomson parabolic ion analyzer has a structure in which an electric field and a magnetic field are applied in parallel, ions are incident in a direction perpendicular to the electric field and the magnetic field, and measured by a detector located at a predetermined distance from the electric field and the magnetic field.

이때, 이온은 전기장에 평행한 방향으로 편향되면서 동시에 자기장에 수직인 방향으로 편향된다. 이온이 편향되는 거리는 이온의 에너지가 높을수록 작으므로, 편향된 거리를 이용하여 이온의 에너지를 측정할 수 있다. 또한, 전기장에 의해 편향된 거리와 자기장에 의해 편향된 거리 사이에는 포물선의 방정식이 만족되는데, 이온의 종류에 따라 각기 다른 포물선이 그려지므로, 이를 이용하여 이온의 종류를 분석할 수 있다.At this time, the ions are deflected in a direction parallel to the electric field while being deflected in a direction perpendicular to the magnetic field. Since the distance at which the ions are deflected is smaller as the energy of the ions is higher, the energy of the ions can be measured using the deflected distance. In addition, the parabolic equation is satisfied between the distance deflected by the electric field and the distance deflected by the magnetic field. Since different parabolas are drawn according to the type of ions, the type of ions can be analyzed using this.

톰슨포물선 이온분석기에서 이온의 검출기로는 일반적으로 고체 핵비적 검출기인 CR39와 광여기 냉광(photo-stimulated luminescence)을 이용하는 영상판이 사용된다.In the Thomson parabolic ion analyzer, ions are generally used as the detector for the ions using CR39, which is a solid nucleus detector, and an image plate using photo-stimulated luminescence.

다만, 종래의 경우 CR39로 검출된 이온을 분석하려면, 수산화나트륨을 사용하여 CR39를 에칭하고, 이온에 의해 생긴 홈(pit)을 광학 현미경으로 관찰해야 하므로, 검출에서 분석까지 몇 시간이 소요된다. 또한, 영상판의 경우도 영상판 판독기를 이용하여 분석해야 하므로 검출에서 분석까지 몇 십 분이 소요된다. 따라서, 여러 가지 실험조건을 변화시키면서, 양성자 및 이온을 발생시키는 실험을 수행하는 경우, 실시간 분석이 어려워 실험 수행에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.However, in order to analyze ions detected by CR39 in the related art, it is necessary to etch CR39 using sodium hydroxide and observe a pit caused by ions with an optical microscope, so it takes several hours from detection to analysis. In addition, the image plate also needs to be analyzed using an image plate reader, so it takes several minutes from detection to analysis. Therefore, when performing experiments that generate protons and ions while varying various experimental conditions, there is a problem that it takes a long time to perform the experiment because the real-time analysis is difficult.

이를 극복하기 위해, 실시간 분석이 가능한 MCP(microchannel plate), 형광판(phosphor), CCD 영상장치 등을 결합한 검출 시스템이 톰슨포물선 이온분석기에 사용되기도 하지만, 이 경우 분석기 안을 고진공으로 유지해야 하고, 제작비용이 비싸다는 문제점이 있었다.To overcome this, detection systems incorporating microchannel plates, phosphors, CCD imaging devices, etc., capable of real-time analysis, are used in the Thomson parabolic ion analyzer, but in this case, the analyzer must be kept at a high vacuum and manufacturing cost There was a problem of this expensive.

본 발명에서는 톰슨포물선 이온분석기의 장점을 이용하면서도, 이온의 에너지를 측정하고자 하는 경우 에너지 스펙트럼을 실시간으로 측정할 수 있는 복합 이온분석기를 제공하기 위함이다.In the present invention, while using the advantages of the Thomson parabolic ion analyzer, it is to provide a complex ion analyzer that can measure the energy spectrum in real time to measure the energy of ions.

또한, 한 이온선원의 특성을 분석하기 위해 서로 다른 원리로 작동되는 두 개의 이온분석기를 동시에 구비하도록 하여, 분석의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 복합 이온분석기를 제공하기 위함이다.In addition, to provide a complex ion analyzer that can improve the reliability of the analysis by having two ion analyzers operating on different principles at the same time to analyze the characteristics of one ion source.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이온입사장치, 입사되는 이온의 일부가 부딪히고 일부의 이온은 통과할 수 있도록 형성되며 상기 이온이 부딪히면 섬광을 발산하는 섬광발생부재, 상기 섬광발생부재에서 발산되는 섬광을 이용하여 이온을 분석하는 제1 이온분석기, 그리고 상기 섬광발생부재를 통과하는 이온을 분석하는 제2 이온분석기를 포함하는 복합 이온분석기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is an ion incidence device, a part of the incident ions hit and a part of the ions are formed so as to pass through a flash generating member for emitting a flash when the ions hit, in the flash generating member Provided is a complex ion analyzer including a first ion analyzer for analyzing ions using divergent flashes, and a second ion analyzer for analyzing ions passing through the flash generating member.

여기서, 상기 섬광발생부재는 이온의 일부가 통과할 수 있는 제1 통공을 구비하도록 구성될 수 있다.Here, the flash generating member may be configured to have a first through hole through which some of the ions can pass.

이때, 상기 섬광의 진행 경로를 전환시키는 반사체를 더 포함하여, 상기 섬광은 상기 반사체에 의해 상기 제1 통공을 통과한 이온과 서로 다른 경로를 형성하면서 상기 제1 이온분석기로 입사될 수 있다.In this case, the flash may further include a reflector for switching the path of the flash, and the flash may be incident to the first ion analyzer while forming a path different from the ions passing through the first hole by the reflector.

그리고, 상기 반사체는 이온이 통과할 수 있는 제2 통공을 구비하여, 상기 섬광발생부재를 통과한 이온이 상기 제1 통공 및 제2 통공을 거쳐 상기 제2 이온분석기로 입사될 수 있다.The reflector may include a second through hole through which ions may pass, and ions passing through the flash generating member may be incident to the second ion analyzer through the first through second hole.

따라서, 상기 제1 통공 및 제2 통공은 상기 이온입사장치에서 이온이 입사되는 입사부와 나란하게 설치되는 것이 바람직하다..Therefore, it is preferable that the first through holes and the second through holes are installed in parallel with the incident part where the ions are incident in the ion incident device.

이를 위하여, 상기 제1 통공, 제2 통공 및 상기 입사부의 정렬 상태를 점검할 수 있는 정렬검사장치를 더 포함하여 구성될 수 있다.To this end, the first through hole, the second through hole and the alignment inspection device that can check the alignment state of the incident portion may be further configured.

이때, 상기 정렬검사장치는 상기 입사구과 대향되는 위치에 서로 마주보도록 설치되고, 상기 제1 통공 및 제2 통공을 관통하는 방향으로 레이저를 조사하여 정렬상태를 측정하도록 구성될 수 있다. 그리고, 상기 정렬검사장치는 상기 제2 이온분석기와 일체로 구성하는 것도 가능하다.In this case, the alignment inspection apparatus may be installed to face each other at a position opposite to the entrance hole, and may be configured to measure the alignment state by irradiating a laser in a direction penetrating the first and second apertures. In addition, the alignment inspection apparatus may be configured integrally with the second ion analyzer.

여기서, 상기 제1 통공, 제2 통공 또는 입사구 중 적어도 어느 하나의 수직 또는 수평 방향의 위치를 조절할 수 있는 위치조절장치를 구비하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable to include a position adjusting device which can adjust the position of at least one of the first through hole, the second through hole or the entrance hole in the vertical or horizontal direction.

한편, 나아가, 상기 제1 이온분석기는 이온이 기 설정된 거리를 비행하는데 걸리는 시간을 측정하여 이온의 에너지 스펙트럼을 분석하도록 구성될 수 있다.On the other hand, the first ion analyzer may be configured to analyze the energy spectrum of the ions by measuring the time taken for the ions to fly a predetermined distance.

이때, 상기 제1 이온분석기는 이온이 발생한 시점부터 상기 섬광발생부재에 도달하는 각각의 시간을 측정하여 이온의 에너지를 분석할 수 있다.In this case, the first ion analyzer may analyze the energy of the ions by measuring each time reaching the scintillator member from the time when the ions are generated.

그리고, 상기 제1 이온분석기는 각각의 섬광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 섬광검출기를 포함하여 구성될 수 있다.The first ion analyzer may include a scintillation detector for detecting each scintillation and converting the scintillation into an electrical signal.

이때, 상기 제1 이온분석기는, 상기 각각의 섬광이 상기 섬광발생부재로부터 발산되는 위치에 따라 상기 섬광검출기 상에 서로 다른 위치로 결상시키는 렌즈를 더 포함하는 것이 바람직하다.In this case, the first ion analyzer may further include a lens for forming images on different positions on the scintillator according to the position where the respective scintillation diverges from the scintillator.

또한, 상기 제1 이온분석기는 상기 렌즈를 통과하는 섬광의 파장 또는 세기 등을 조절할 수 있는 광특성조절부를 더 포함할 수 있다.In addition, the first ion analyzer may further include an optical characteristic adjusting unit for adjusting the wavelength or intensity of the flash light passing through the lens.

예를 들어, 상기 광특성조절부는 상기 렌즈와 상기 섬광검출기 사이에 설치되는 밴드패스 필터(Band Pass Filter)와 감광필터를 포함하여 구성될 수 있다.For example, the optical characteristic adjusting unit may include a band pass filter and a photosensitive filter installed between the lens and the scintillation detector.

한편, 상기 제2 이온분석기는, 이온이 전기장 또는 자기장을 통과하면서 편향되는 거리를 측정하여, 상기 이온의 에너지와 종류를 분석하는 장치일 수 있다.On the other hand, the second ion analyzer may be a device for analyzing the energy and type of the ion by measuring the distance that the ion is deflected while passing through the electric or magnetic field.

여기서, 상기 제2 이온분석기는 상기 전자기장으로 유입되는 이온의 크기를 제한할 수 있는 콜리메이터를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.Here, the second ion analyzer is preferably configured to further include a collimator that can limit the size of the ions flowing into the electromagnetic field.

한편, 상기 섬광발생부재는 플라스틱 신틸레이터를 포함하여 이루어질 수 있다.On the other hand, the flash generating member may comprise a plastic scintillator.

또한, 상기 섬광발생부재의 전방에는, 낮은 에너지를 갖는 전자가 상기 섬광발생부재로 부딪히는 것을 방지하기 위하여, 상기 전자를 외측 방향으로 유도하는 편향자석을 더 포함하여 구성되는 것도 가능하다.In addition, the front side of the flash generating member may further include a deflection magnet for guiding the electrons outward in order to prevent the electrons having low energy from hitting the flash generating member.

나아가, 상기 섬광발생부재의 전면은 상기 섬광발생부재로 적외선, 가시광선 또는 자외선이 유입되는 것을 차단할 수 있도록 금속 코팅처리가 이루어지는 것이 바람직하다.In addition, the front surface of the flash generating member is preferably made of a metal coating so as to block the inflow of infrared rays, visible light or ultraviolet rays into the flash generating member.

한편, 본 발명의 목적은 이온선원을 섬광으로 변환하는 신틸레이터, 상기 신틸레이터에서 발생되는 섬광을 이용하여 이온의 비행시간을 측정하는 이온 비행시 간 분석기, 이온선원이 전자기장을 통과하면서 편향되는 거리를 분석하는 톰슨포물선 이온분석기를 포함하는 복합 이온분석기에 의해서도 달성될 수 있다.Meanwhile, an object of the present invention is a scintillator for converting an ion source into a flash, an ion flight time analyzer for measuring a flight time of ions using the flash generated by the scintillator, and a distance at which the ion source is deflected while passing through an electromagnetic field. It can also be achieved by a complex ion analyzer including a Thomson parabolic ion analyzer for analyzing the.

여기서, 상기 신틸레이터는 상기 이온선원 중 일부의 이온이 통과할 수 있는 제1 통공이 형성되도록 구성될 수 있다.Here, the scintillator may be configured to form a first through hole through which ions of a portion of the ion source can pass.

그리고, 상기 신틸레이터에 부딪히는 이온에 의해 발생되는 섬광은 상기 신틸레이터의 후측에 구비되는 반사체에 의해 경로가 전환되어 상기 이온 비행시간 분석기로 유입되도록 구성될 수 있다.In addition, the flash generated by the ions hitting the scintillator may be configured to be switched to the ion flight time analyzer by changing a path by a reflector provided at the rear side of the scintillator.

또한, 상기 제1 통공을 통과한 이온은 상기 반사체의 내측에 형성되어 있는 제2 통공을 통과하여 상기 톰슨포물선 이온분석기로 유입되도록 구성될 수 있다.In addition, the ions passing through the first through holes may pass through the second through holes formed inside the reflector to be introduced into the Thomson parabolic ion analyzer.

본 발명에 의할 경우, 이온의 에너지를 측정하는 경우 이온의 비행시간을 이용하여 이를 실시간으로 분석하는 것이 가능한 바, 종래에 비하여 실험시 요구되는 시간을 현저하게 단축시킬 수 있다.According to the present invention, when measuring the energy of ions it is possible to analyze this in real time using the flight time of ions, it is possible to significantly shorten the time required for the experiment compared to the prior art.

또한, 이온의 에너지 측정시, 하나의 이온선원에 대하여 두 개의 이온분석기에 의해 상이한 원리로 측정이 이루어지는 바, 각각의 측정치가 일치함을 확인할 수 있고, 이온의 종류도 분석할 수 있으므로, 종래에 비해 이온 특성 측정의 신뢰도가 개선된다.In addition, in the measurement of the energy of ions, two ion analyzers measure the ion source on different principles. Therefore, it is possible to confirm that the measured values coincide and to analyze the type of ions. In comparison, the reliability of the ion characteristic measurement is improved.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 복합 이온분석기(100)의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the composite ion analyzer 100 according to the present invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 이온분석기의 내부 단면을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the internal cross section of the composite ion analyzer according to the preferred embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 이온분석기는 상기 복합 이온분석기 내측으로 이온을 입사시키는 이온입사장치(1), 그리고 입사되는 이온을 분석하기 위한 제1 및 제2 이온분석기(110, 120)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1, the complex ion analyzer according to the present invention includes an ion incident apparatus 1 for injecting ions into the complex ion analyzer, and first and second ion analyzers 110 for analyzing incident ions. , 120).

여기서, 상기 이온입사장치(1)는, 분석의 대상이 되는 이온선원(4)이 소정의 속도를 갖고 입사부(1a)를 통해 상기 복합 이온분석기(100) 내측으로 입사되게 하는 장치이다. 이때, 이온입사장치(1)는 별개의 장치에서 생성되는 이온을 입사시키도록 구성되는 것도 가능하고, 직접 이온을 생성함과 동시에 이를 입사시키도록 구성되는 것도 가능하다.Here, the ion incidence device 1 is a device that allows the ion beam source 4 to be analyzed to enter the complex ion analyzer 100 through the incidence part 1a at a predetermined speed. In this case, the ion incidence device 1 may be configured to inject ions generated in a separate device, or may be configured to generate ions directly and to incident them.

본 실시예에 따른 이온입사장치(1)는, 극초단 고출력 레이저를 이용하여 이온을 발생시키도록 구성될 수 있다. 얇은 두께를 갖는 표적에 극초단 고출력 레이저를 작은 초점으로 집속하면, 플라즈마 방사광, 엑스선, 전자 및 이온을 모두 발생시킬 수 있다. 이때, 레이저를 집속하는 광학 부품과 표적은 진공으로 형성되는 표적챔버(미도시) 안에 설치될 수 있다. 따라서, 상기 표적챔버로 극초단 고출력 레이저를 조사하면, 이온선원을 포함한 모든 선원이 동시에 발생할 수 있다. 그리고, 이때 발생되는 이온선원(4)은 이온입사장치(1)의 입사부(1a)를 통해 복합 이온분석기(100)의 내부로 입사될 수 있다.The ion incident apparatus 1 according to the present embodiment may be configured to generate ions using an ultra-high power laser. By focusing ultra-high-power lasers at a small focal point on thin targets, plasma radiation, X-rays, electrons and ions can all be generated. At this time, the optical component and the target for focusing the laser may be installed in a target chamber (not shown) formed by a vacuum. Therefore, when the ultra-high power laser is irradiated to the target chamber, all the sources including the ion source can be generated at the same time. The ion beam source 4 generated at this time may be incident into the complex ion analyzer 100 through the incident part 1a of the ion incident apparatus 1.

본 실시예에서 사용되는 극초단 고출력 레이저는, 펄스의 시간폭이 매우 짧으므로, 발생되는 엑스선, 전자, 이온선원도 피코초 정도의 아주 짧은 시간폭을 갖 는다. 따라서, 본 실시예에서는 서로 다른 에너지를 갖는 이온들이 동시에 순간적으로 발생하는 것으로 간주할 수 있다.The ultra-short high-power laser used in this embodiment has a very short time span of pulses, and thus the generated X-rays, electrons, and ion beam sources have a very short time span of about picoseconds. Therefore, in this embodiment, it can be regarded that ions having different energies are generated instantaneously at the same time.

다만, 이는 일 실시예에 불과할 뿐 다른 장치를 이용하여 이온을 입사시키는 것도 물론 가능하다. 예를 들어, 기존의 입자 가속기의 이온빔 포트를 이용하여 이온을 발생시켜 입사시키는 구성 또한 가능하다. 다만, 이 경우는 본 실시예와 달리 서로 다른 에너지를 갖는 이온들이 연속적으로 발생되는 이온선원에 해당할 것이다.However, this is only one embodiment, and of course, it is also possible to inject ions using another device. For example, a configuration is also possible in which ions are generated by using an ion beam port of a conventional particle accelerator. However, in this case, unlike the present embodiment, it will correspond to an ion source in which ions having different energies are continuously generated.

한편, 본 발명에 의할 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 이온입사장치(1)에 의해 입사되는 이온은, 제1 및 제2 이온분석기(110, 120)에 의해 동시에 분석될 수 있다.Meanwhile, according to the present invention, as shown in FIG. 1, ions incident by the ion incident apparatus 1 may be simultaneously analyzed by the first and second ion analyzers 110 and 120. .

일반적인 이온분석기에 비해, 본 발명에서는 하나의 이온선원(4)에 대하여 두 개의 이온분석기(110, 120)가 각각의 분석방법을 적용하여 이온의 특성을 분석할 수 있다.Compared to a general ion analyzer, in the present invention, two ion analyzers 110 and 120 may apply respective analysis methods to one ion source 4 to analyze characteristics of ions.

이 경우, 각각의 이온분석기가 갖는 장점을 취함과 동시에 단점을 보완할 수 있다. 그리고, 각각의 이온분석기가 분석할 수 있는 이온의 성질이 서로 상이한 경우, 한 번의 실험으로 다양한 이온의 성질을 분석할 수 있다. 한편, 각 이온분석기가 각각의 분석방법으로 이온의 동일한 성질을 분석하더라도, 한 번의 측정으로 신뢰도 높은 결과를 얻을 수 있는 장점이 있다.In this case, the advantages of each ion analyzer can be taken and the disadvantages can be compensated for. In addition, when the ions that each ion analyzer can analyze are different from each other, the properties of various ions can be analyzed in one experiment. On the other hand, even if each ion analyzer analyzes the same properties of the ions by the respective analysis method, there is an advantage that can be obtained with high reliability in one measurement.

본 발명에서는 이러한 복합 이온분석기(100)를 구성하기 위하여, 입사되는 이온선원(4)의 일부가 부딪히면서 섬광을 발생시키고, 일부는 이를 통과할 수 있도 록 설치되는 섬광발생부재를 포함할 수 있다. 이때, 상기 섬광발생부재(5)는 부딪히는 이온의 에너지를 이용하여 섬광을 발산하도록 구성되는 것도 가능하고, 별도의 형광물질을 포함하여 이온이 부딪히면 섬광을 발산하도록 구성될 수도 있다.In the present invention, in order to configure such a complex ion analyzer 100, a part of the incident ion source (4) is incident to generate a flash, a part may include a flash generating member installed to pass through it. In this case, the flash generating member 5 may be configured to emit a flash by using the energy of the ions hitting, or may be configured to emit a flash when the ions hit, including a separate fluorescent material.

즉, 입사된 이온은, 섬광발생부재(5)에 의해 부딪혀 섬광을 발산하는 이온과, 섬광발생부재(5)를 부딪히지 않고 통과하는 이온으로 나누어질 수 있다. 그리고, 제1 이온분석기(110)는 섬광을 이용하여 이온의 특성을 분석하고, 제2 이온분석기(120)는 섬광발생부재를 통과하는 이온을 직접 이용하여 이온의 특성을 분석하는 것이 가능하다.That is, the incident ions may be divided into ions which are hit by the flash generating member 5 and emit flashes, and ions which pass without hitting the flash generating member 5. In addition, the first ion analyzer 110 analyzes the characteristics of the ions by using the flash, and the second ion analyzer 120 may analyze the characteristics of the ions by directly using the ions passing through the scintillation generating member.

이하에서는, 본 발명에 의한 구체적인 구성을, 도 1을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the specific structure by this invention is demonstrated in detail with reference to FIG.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 일측에 이온입사장치(1)가 위치하고, 이온입사장치(1)로부터 이온이 진행하는 방향으로 경로를 형성하는 비행용 진공튜브(2)가 구비될 수 있다.As shown in FIG. 1, in this embodiment, the ion incidence device 1 is positioned on one side, and a flying vacuum tube 2 is formed to form a path in a direction in which ions travel from the ion incidence device 1. Can be.

그리고, 진공튜브(2)의 내측에 형성되는 이온의 경로 상에 전술한 섬광발생부재(5)가 설치될 수 있다. 그리고, 상기 섬광발생부재(5)는 이온이 부딪히는 경우 섬광을 발생할 수 있도록 구성되는 것이 바람직하고, 본 실시예에서는 일예로서 플라스틱 신틸레이터(5)를 이용할 수 있다.In addition, the above-described flash generating member 5 may be installed on a path of ions formed inside the vacuum tube 2. In addition, the scintillation generating member 5 is preferably configured to generate scintillation when ions collide with each other. In this embodiment, the plastic scintillator 5 may be used as an example.

여기서, 이온선원 중 일부 이온이 플라스틱 신틸레이터(5)에 부딪히면, 신틸레이터(5) 안에 있는 전자와 이온 사이에 인력이 작용한다. 이때, 전자의 여기가 이루어지면서 신틸레이터(5)는 섬광을 방출할 수 있다.Here, when some ions of the ion source hit the plastic scintillator 5, an attractive force acts between the electrons and the ions in the scintillator 5. At this time, as the electrons are excited, the scintillator 5 may emit flashes.

한편, 본 발명에 따른 섬광발생부재(5)는 진행하는 이온의 일부가 부딪히지 않고 통과할 수 있도록 형성되는 바, 섬광발생부재(5)는 진공튜브(2) 내측에 형성되는 이온의 진행 경로 중 소정부위를 차단하지 않는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. On the other hand, the flash generating member 5 according to the present invention is formed so that a portion of the traveling ions pass without hitting, the flash generating member 5 is a path of the ions formed inside the vacuum tube (2) It is desirable to have a shape that does not block a predetermined portion.

따라서, 본 실시예에서는 플라스틱 신틸레이터(5)의 내측에 일부의 이온이 통과할 수 있는 제1 통공(5a)이 형성될 수 있다.(도 2 참조) 따라서, 플라스틱 신틸레이터(5)에 도착한 이온빔의 일부는 제1 통공(5a)을 통과하여 진행하고, 나머지는 플라스틱 신틸레이터(5)에 부딪혀서 섬광으로 변환될 수 있다.Therefore, in the present embodiment, a first through hole 5a through which some ions can pass may be formed inside the plastic scintillator 5. (See FIG. 2) Thus, the plastic scintillator 5 arrives. A portion of the ion beam travels through the first through hole 5a, and the other may be converted into flash by hitting the plastic scintillator 5.

여기서, 플라스틱 신틸레이터(5)는 엑스선, 전자, 이온 모두에 대하여 섬광을 방출할 수 있다. 특히, 낮은 에너지를 갖는 전자의 경우 이온과 유사한 속도를 가질 수 있는 바, 제1 이온분석기(110)에 의해 구별이 곤란할 수 있다. 따라서, 낮은 에너지를 가진 전자를 차단하기 위하여, 상기 신틸레이터(5)의 전방에 이온이 진행하는 경로의 외측으로 편향자석(12)을 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 낮은 에너지를 갖는 전자는 진공튜브(2)를 따라 진행하면서 외측 방향으로 편향되어 상기 플라스틱 신틸레이터(5)에 도달하는 것을 방지할 수 있다. Here, the plastic scintillator 5 may emit flashes for all of X-rays, electrons, and ions. In particular, in the case of electrons having a low energy may have a speed similar to that of ions, it may be difficult to distinguish the first ion analyzer 110. Therefore, in order to block electrons with low energy, it is preferable to provide the deflection magnet 12 in front of the scintillator 5 to the outside of the path where the ions travel. In this case, electrons having low energy can be prevented from reaching the plastic scintillator 5 by deflecting outward while traveling along the vacuum tube 2.

본 실시예에서는 중앙에 통공이 형성되는 플라스틱 신틸레이터를 사용하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이 이외에도 이온이 부딪히는 경우 섬광을 발산할 수 있는 다른 구성을 이용하는 것도 물론 가능하며, 섬광발생부재(5)의 형상 또한 본 실시예와 다르게 구성하여 일부의 이온을 통과하도록 실시하는 것도 가능하다.In this embodiment, a plastic scintillator having a through hole formed in the center is used, but the present invention is not limited thereto. In addition to this, it is also possible to use another configuration that can emit flash when ions collide with each other, and the shape of the flash generating member 5 may also be configured differently from the present embodiment so as to pass some ions.

한편, 상기 섬광발생부재(5)를 통과한 이온은, 입사시의 속도를 유지한 상태로 계속 진행하고, 섬광발생부재(5)에 부딪히는 이온에 의해 발생되는 섬광도 상기 이온이 진행하는 방향으로 발산될 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 섬광 및 상기 섬광발생부재(5)를 통과하는 이온이 각각 제1 이온분석기(110) 및 제2 이온분석기(120)로 각각 유입되도록 서로 다른 경로 형성하는 것이 바람직하다.On the other hand, the ions passing through the flash generating member 5 continue to maintain the speed at the time of incidence, and the flash generated by the ions striking the flash generating member 5 also moves in the direction in which the ions travel. Can diverge. Therefore, in the present embodiment, it is preferable to form different paths such that the flash and the ions passing through the flash generating member 5 flow into the first ion analyzer 110 and the second ion analyzer 120, respectively.

본 실시예에서는, 상기 플라스틱 신틸레이터(5)의 후측으로 진공튜브(2)와 연결되는 진공챔버(3)가 형성되고, 상기 진공챔버(3)의 내측에 섬광의 경로를 전환시키는 반사체(6)를 설치할 수 있다. 여기서, 반사체(6)의 표면은 광학적으로 우수하게 연마되는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 반사율이 높은 금속으로 코팅처리 될 수 있다. 따라서, 플라스틱 신틸레이터(5)에 형성된 섬광의 공간적인 영상을 왜곡하지 않으면서, 섬광의 반사율을 극대화할 수 있다.In the present embodiment, a vacuum chamber 3 connected to the vacuum tube 2 is formed on the rear side of the plastic scintillator 5, and the reflector 6 which switches the path of flashing light inside the vacuum chamber 3. ) Can be installed. Here, the surface of the reflector 6 is preferably optically excellently polished, and more preferably may be coated with a metal having high reflectance. Therefore, the reflectance of the glare can be maximized without distorting the spatial image of the glare formed on the plastic scintillator 5.

한편, 상기 반사체(6)는 섬광의 경로를 전환시키되, 플라스틱 신틸레이터(5)를 통과한 이온이 진행하던 방향을 따라 상기 반사체(6)를 통과할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. 본 실시예에 따른 반사체(6)는 상기 이온의 진행 경로에 대응되는 위치에 제2 통공(6a)을 구비할 수 있다. 따라서, 상기 제1 통공(5a)을 통과한 이온은 입사시의 속도를 유지한 상태로 제2 통공(6a)을 통과하여 제2 이온분석기(120)로 유입될 수 있는 것이다.On the other hand, the reflector 6 is preferably formed so as to pass through the reflector 6 in the direction in which the ions passing through the plastic scintillator 5, while switching the path of the flash. The reflector 6 according to the present exemplary embodiment may include the second through hole 6a at a position corresponding to the path of movement of the ions. Accordingly, the ions passing through the first through hole 5a may be introduced into the second ion analyzer 120 through the second through hole 6a while maintaining the speed at the time of incidence.

이처럼, 이온입사장치(1)에서 입사되는 이온선원(4)은, 플라스틱 신틸레이터(5)를 거치면서 섬광과 이를 통과하는 일부의 이온으로 분리되고, 반사체에 의해 각각 제1, 제2 이온분석기(110, 120)에 유입될 수 있다.As such, the ion beam source 4 incident from the ion incidence device 1 is separated into a flash and some ions passing through the plastic scintillator 5, and the first and second ion analyzers are respectively reflected by a reflector. Can flow into (110, 120).

이하에서는, 제1, 제2 이온분석기(110, 120)의 구성에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, the configuration of the first and second ion analyzers 110 and 120 will be described in detail.

우선, 본 실시예의 제1 이온분석기(110)는 상기 반사체(6)로부터 유입되는 섬광을 이용하여 이온의 성질을 분석하는 것으로, 구체적으로는 이온의 비행시간을 분석하여 이온의 특성을 분석하는 기능을 수행한다. 일반적으로 이온은 자신이 갖는 에너지에 대응되는 속도로 공간을 진행하므로, 이온이 일정 거리를 비행하는 시간을 측정하여 이온의 에너지를 측정할 수 있다. 따라서, 하나의 이온선원에 에너지가 각기 다른 이온들이 포함되어 있는 경우, 이들의 비행시간을 각각 산출하여 이온선원의 에너지 스펙트럼을 측정할 수 있다.First, the first ion analyzer 110 according to the present embodiment analyzes the properties of ions using the flash flowing from the reflector 6. Specifically, the first ion analyzer 110 analyzes the flight time of the ions to analyze the characteristics of the ions. Do this. In general, since the ions advance the space at a speed corresponding to the energy they have, the energy of the ions can be measured by measuring the time for which the ions fly a certain distance. Therefore, when one ion source contains ions with different energies, the energy spectrum of the ion source can be measured by calculating their flight times.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 제1 이온분석기(110)는 유입되는 섬광을 검출하는 섬광검출기(9) 및 이를 이용하여 비행시간을 측정하는 비행시간 측정장치(11)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1, the first ion analyzer 110 according to the present embodiment includes a flash detector 9 for detecting incoming flash and a flight time measuring device 11 for measuring flight time using the same. Can be configured.

여기서, 상기 섬광검출기(9)는 내부에 형성되는 광전음극으로 섬광이 도달하면, 각각의 섬광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 광전자 증배관으로 구성될 수 있다. 이때, 고전압 전원장치(10)를 이용하여 상기 광전자 증배관에 고전압을 인가하면, 섬광에 의해 생긴 광전자의 수를 수 만 배 이상으로 증폭하는 것이 가능하다.The scintillation detector 9 may be configured as a photomultiplier tube that detects each scintillation and converts the scintillation into an electrical signal when the scintillation reaches the photocathode formed therein. At this time, when a high voltage is applied to the photomultiplier using the high voltage power supply 10, it is possible to amplify the number of photoelectrons generated by the flash by tens of thousands or more.

그리고, 상기 비행시간 측정장치(11)는 오실로스코프를 이용하여 구성될 수 있다. 따라서, 상기 오실로스코프는 상기 광전자 증배관(9)으로부터 증폭된 전기적 신호를 검출하여 이온의 비행시간을 측정할 수 있다. The flight time measuring device 11 may be configured using an oscilloscope. Therefore, the oscilloscope can measure the flight time of ions by detecting the electrical signal amplified from the photomultiplier tube (9).

따라서, 본 실시예의 제1 이온분석기(110)에 의할 경우, 서로 다른 에너지를 갖는 복수개의 이온들이 동시에 순간적으로 발생하여 비행을 시작하면, 상기 각각의 이온들이 제1 이온분석기(110)에 도달하는 시간을 감지하여 각 이온들의 에너지를 파악하는 것이 가능한 바, 실시간으로 이온의 에너지 스펙트럼을 측정하는 것이 가능하다.Therefore, according to the first ion analyzer 110 of the present embodiment, when a plurality of ions having different energies are instantaneously generated and start to fly, the respective ions reach the first ion analyzer 110. It is possible to determine the energy of each ion by sensing the time to be measured, it is possible to measure the energy spectrum of the ion in real time.

한편, 본 실시예에 따른 제1 이온분석기(110)는 상기 반사체(6)로부터 광전자 증배관으로 섬광이 진행하는 경로 상에 렌즈(7)를 구비할 수 있다. 여기서, 상기 렌즈(7)는, 각각의 섬광이 상기 플라스틱 신틸레이터(5)에서 발산되는 위치에 따라 상기 광전자 증배관의 광전 음극 상에서 서로 다른 위치로 결상시키는 역할을 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 플라스틱 신틸레이터(5)에서 서로 다른 위치에 형성되는 섬광 a와 b는 렌즈(7)를 통과하면서 상기 광전자 증배관 상에 a'와 b'로 서로 다른 위치에 결상되는 것이 가능하다.On the other hand, the first ion analyzer 110 according to the present embodiment may be provided with a lens 7 on the path of the flash from the reflector 6 to the photomultiplier tube. Here, the lens 7 may serve to form an image at different positions on the photocathode cathode of the photomultiplier tube according to the position where each flash is emitted from the plastic scintillator 5. For example, as shown in FIG. 2, the flashes a and b formed at different positions in the plastic scintillator 5 pass through the lens 7 to each other at a 'and b' on the photomultiplier tube. It is possible to image at different locations.

따라서, 상기 플라스틱 신틸레이터(5)에서 섬광이 발산되는 위치와 세기는 상기 입사된 이온의 공간적인 분포에 해당하는 바, 본 실시예에 의한 제1 이온분석기(110)는 상기 이온선원의 공간적인 분포를 파악할 수 있다.Therefore, the position and intensity at which the flash is emitted from the plastic scintillator 5 correspond to the spatial distribution of the incident ions. Know the distribution.

한편, 상기 제1 이온분석기(110)는 상기 렌즈(7)를 통과하는 섬광을 포함하는 모든 빛의 파장과 세기를 조절할 수 있는 광특성조절부(8)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 상기 렌즈(7)와 광전자 증배관(9) 사이에 복수개의 광학필터로 구성되는 광특성조절부(8)를 구비할 수 있다. On the other hand, the first ion analyzer 110 may further include an optical characteristic control unit 8 that can adjust the wavelength and intensity of all the light including the flash passing through the lens (7). In the present exemplary embodiment, the optical characteristic adjusting unit 8 including the plurality of optical filters may be provided between the lens 7 and the photomultiplier tube 9.

이때, 플라스틱 신틸레이터(5)에서 방출되는 섬광의 파장만을 선택적으로 투 과시킬 수 있도록 밴드패스 필터(Band Pass Filter)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 밴드패스 필터의 경우, 이온입사장치(1)에서 이온선원(4)과 함께 발생되는 적외선, 섬광과 파장이 다른 가시광선, 자외선 등이 반사체(6)에 의해 반사되어 광전자 증배관(9)에 유입되는 것을 차단하고, 이온에 의해 발생된 섬광만을 선택적으로 통과시키는 역할을 수행할 수 있다.In this case, a band pass filter may be included to selectively transmit only the wavelength of the flash emitted from the plastic scintillator 5. Here, in the case of the band pass filter, the infrared ray, the visible light having a different wavelength from the flash and the ultraviolet light generated together with the ion ray source 4 in the ion incidence device 1 are reflected by the reflector 6, so that the photomultiplier tube ( 9) can block the flow, and selectively pass only the flash generated by the ions.

다만, 상기 밴드패스 필터를 구비하더라도, 이온과 함께 발생하고 파장이 섬광과 같은 가시광선은 차단할 수 없는 바, 도 2에 도시된 바와 같이 플라스틱 신틸레이터(5)의 전면을 얇은 두께를 갖는 금속코팅(5b)으로 처리를 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 금속코팅(5b)이 이온선원(4)과 함께 플라스틱 신틸레이터(5)로 입사할 수 있는 모든 파장의 적외선, 가시광선, 자외선을 차단하는 역할을 한다.However, even if the bandpass filter is provided, the visible light such as generated with ions and the wavelength of the flash can not be blocked, as shown in Figure 2 metal coating having a thin thickness on the entire surface of the plastic scintillator (5) It is preferable to process by (5b). In this case, the metal coating 5b serves to block infrared rays, visible rays, and ultraviolet rays of all wavelengths that may enter the plastic scintillator 5 together with the ion beam source 4.

여기서, 상기 광특성조절부(8)는 상기 밴드패스 필터 이외에도, 유입되는 섬광의 세기를 오실로스코프(11)로 측정하기에 적당한 정도로 조절할 수 있는 감광필터(attenuation filter)를 포함하도록 구성하는 것도 가능하며, 이외에도 다양한 광학 필터를 이용하여 광전자 증배관(9)으로 유입되는 섬광의 특성을 제어하는 것이 바람직하다.Here, in addition to the band pass filter, the optical characteristic adjusting unit 8 may be configured to include an attenuation filter that can adjust the intensity of the incoming glare to an appropriate level to be measured by the oscilloscope 11. In addition, it is preferable to control the characteristics of the flash flowing into the photomultiplier tube 9 using various optical filters.

상기와 같은 제1 이온분석기(110)를 이용하여 상기 이온의 특성을 분석하는 과정은 다음과 같다.The process of analyzing the characteristics of the ions using the first ion analyzer 110 as described above is as follows.

서로 다른 에너지를 갖는 이온들이 한 위치에서 동시에 순간적으로 발생한 후, 상기 이온입사장치(1)로부터 입사된다고 가정하고, 운동 에너지가

Figure 112008080534484-PAT00001
인 이온이 거리
Figure 112008080534484-PAT00002
을 진행하여 플라스틱 신틸레이터(5)에 도착하는데 소요되는 시간, 즉 비행 시간이
Figure 112008080534484-PAT00003
일 때, 이온의 에너지
Figure 112008080534484-PAT00004
와 비행시간
Figure 112008080534484-PAT00005
사이에는 다음의 식이 만족된다.It is assumed that after ions having different energies are instantaneously generated at one location at the same time, they are incident from the ion incident apparatus 1, and the kinetic energy is
Figure 112008080534484-PAT00001
Phosphorus ion distance
Figure 112008080534484-PAT00002
The time it takes to reach the plastic scintillator 5, i.e. the flight time
Figure 112008080534484-PAT00003
When is the energy of ions
Figure 112008080534484-PAT00004
And flight time
Figure 112008080534484-PAT00005
In between, the following equation is satisfied.

Figure 112008080534484-PAT00006
---- <1>
Figure 112008080534484-PAT00006
---- <1>

Figure 112008080534484-PAT00007
---- <2>
Figure 112008080534484-PAT00007
---- <2>

여기서

Figure 112008080534484-PAT00008
는 빛의 속도이고,
Figure 112008080534484-PAT00009
은 이온의 정지질량 에너지이다. 수소 원자의 이온인 양성자에 대해
Figure 112008080534484-PAT00010
은 938.272 MeV이다. 위 <1> 식에 의하면, 비행시간은 이온의 운동 에너지와 정지질량 에너지의 비율에 의해서 결정된다. here
Figure 112008080534484-PAT00008
Is the speed of light,
Figure 112008080534484-PAT00009
Is the static mass energy of the ion. About proton which is ion of hydrogen atom
Figure 112008080534484-PAT00010
Is 938.272 MeV. According to the above equation, the flight time is determined by the ratio of the kinetic energy of the ion and the static mass energy.

상기 플라스틱 신틸레이터(5)에서 이온이 섬광으로 변화하는데 소요되는 시간, 오실로스코프(11)의 응답시간 등은 모두 나노초 이하의 시간을 갖는 바, 수십 나노초 이상의 시간을 갖는 비행시간을 측정하여 이온의 에너지를 측정하는 것이 가능하다.In the plastic scintillator 5, the time required for the ions to change to flash, the response time of the oscilloscope 11, etc., all have a time of less than nanoseconds. It is possible to measure.

위 <2> 식을 이용하여 비행시간을 이온의 에너지로 변환하면, 이온의 에너지에 대한 함수로 전기신호의 세기를 측정할 수 있다. 이때 전기신호는 이온의 입자 수에 비례하지만, 그 비례상수(즉 검출 시스템의 반응도)는 이온의 종류와 에너지에 따라 다른 값을 가진다. 만일 이 비례상수를 안다면 이온의 에너지에 따라서 변화하는 이온의 입자수를 측정할 수 있다. 이와 같이 측정한 것을 절대 교정된 이온의 에너지 스펙트럼이라 한다.By converting the flight time into the energy of ions using the above equation, the intensity of the electrical signal can be measured as a function of the energy of the ions. At this time, the electrical signal is proportional to the number of particles of ions, but the proportional constant (that is, the reactivity of the detection system) has a different value depending on the type and energy of the ions. If we know this proportionality constant, we can measure the particle number of the ion that changes according to the energy of the ion. This measurement is called the energy spectrum of the absolute calibrated ion.

전술한 바와 같이, 도 1과 2의 렌즈는, 플라스틱 신틸레이터(5)에 입사하는 이온의 공간적인 세기분포를 광전자 증배관에 결상하는 역할을 한다. 따라서 플라스틱 신틸레이터(5) 앞에 적당한 모양의 구멍을 가진 가리개(aperture)를 설치하여, 들어오는 이온빔의 공간적인 영역을 제한하면, 이온빔에서 위치에 따라 변화하는 에너지 스펙트럼을 측정할 수 있다. 예를 들어 도 2에서, 적당한 가리개를 사용하여 플라스틱 신틸레이터의 a 부분에만 이온이 입사하도록 만들면, a 부분에 해당하는 이온의 에너지 스펙트럼만을 측정할 수 있게 된다. 따라서 하나의 이온선원이 위치에 따라 다른 에너지 스펙트럼을 갖는 경우, 본 실시예에 따른 제1 이온분석기(110)는 그 변화를 측정할 수 있다.As described above, the lens of FIGS. 1 and 2 serves to form a spatial intensity distribution of ions incident on the plastic scintillator 5 in the photomultiplier tube. Therefore, by installing an aperture having an appropriately shaped hole in front of the plastic scintillator 5, and limiting the spatial region of the incoming ion beam, it is possible to measure the energy spectrum that changes with the position in the ion beam. For example, in FIG. 2, if an ion is incident only on the a portion of the plastic scintillator using a suitable shader, only the energy spectrum of the ion corresponding to the a portion can be measured. Therefore, when one ion source has a different energy spectrum according to the position, the first ion analyzer 110 according to the present exemplary embodiment may measure the change.

한편, 본 실시예에 따른 제2 이온분석기(120)는, 기 설정된 전기장과 자기장을 통과할 때 이온이 편향되는 양을 측정하여, 상기 이온의 에너지 또는 종류를 분석하는 이온분석기로 구성될 수 있다. 이는, 종래의 톰슨포물선 이온분석기와 유사한 구성에 해당하며, 본 실시예의 경우 콜리메이터(collimaor)(13), 변위유도기(14) 및 이온검출기(16)를 포함하여 구성될 수 있다.On the other hand, the second ion analyzer 120 according to the present embodiment, by measuring the amount of ions deflected when passing through a predetermined electric field and magnetic field, may be configured as an ion analyzer for analyzing the energy or type of the ions. . This corresponds to a configuration similar to a conventional Thomson parabolic ion analyzer, and in the present embodiment, may include a collimator 13, a displacement inducer 14, and an ion detector 16.

상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 변위유도기(14)는 진행하는 이온에 강제적으로 수직 또는 수평방향의 변위를 유도하기 위한 것으로, 전극(14a) 및 자극(14b)으로 구성될 수 있다. 전극(14a)은 양극과 음극으로 구성되며, 양극과 음극사이에는 고전압 전원장치(15)로부터 수 kV의 전압이 인가될 수 있다. 또한, 자극(14b)은 N극과 S극으로 구성되며, 이들에 의한 자기장의 세기는 수 백 mT로 설정될 수 있다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the displacement inductor 14 is for inducing a displacement in a vertical or horizontal direction forcibly to the traveling ions, and may be composed of an electrode 14a and a magnetic pole 14b. have. The electrode 14a includes an anode and a cathode, and a voltage of several kV may be applied from the high voltage power supply device 15 between the anode and the cathode. Further, the magnetic pole 14b is composed of the north pole and the south pole, and the intensity of the magnetic field by them can be set to several hundred mT.

그리고, 상기 변위유도기(14)는 전기장의 방향과 자기장의 방향이 평행하도 록 상기 전극(14a)과 자극(14b)을 배치하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 본 실시예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 두 전극(14a)을 내측에 서로 마주보도록 배치하고, 그 외측에 N극과 S극을 배치할 수 있다. 따라서 상기 전극(14a)은 외부에 있는 자극(14b)에 의해 발생하는 자기장이 통과할 수 있는 재질로 구성되고, 각각의 전극(14a)과 자극(14b) 사이에는 절연체(미도시)를 삽입하여, 전극(14a)에 인가된 전류가 자극(14b)을 통해 흐르는 것을 방지하는 것이 바람직하다.In addition, the displacement inductor 14 preferably arranges the electrode 14a and the magnetic pole 14b such that the direction of the electric field and the direction of the magnetic field are parallel to each other. To this end, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the two electrodes 14a may be disposed to face each other on the inside, and the N pole and the S pole may be disposed on the outside thereof. Accordingly, the electrode 14a is made of a material through which a magnetic field generated by an external magnetic pole 14b can pass, and an insulator (not shown) is inserted between each electrode 14a and the magnetic pole 14b. It is preferable to prevent the current applied to the electrode 14a from flowing through the magnetic pole 14b.

한편, 이온검출기는 상기 변위유도기(14)에 의해 형성되는 전기장과 자기장으로 변위가 유도된 이온을 검출하는 검출기로서, 이를 분석하면 이온의 변위를 측정할 수 있다. 본 실시예의 경우 상기 이온검출기(16)는 CR39와 영상판을 이용하여 구성할 수 있다. CR39는 수 마이크로미터 정도에 이르는 공간 분해능을 갖고, 상기 영상판은 수십 마이크로미터 정도의 공간 분해능을 가질 수 있다. 따라서, 이온검출기(16)는 변위유도기(14)로부터 일정한 거리가 떨어진 위치에 설치되어, 이온의 변위를 수십 마이크로미터 정도의 정밀도로 측정할 수 있다.On the other hand, the ion detector is a detector for detecting the ions induced by the electric field and the magnetic field formed by the displacement inductor 14, the analysis can measure the displacement of the ions. In the present embodiment, the ion detector 16 may be configured using a CR39 and an image plate. The CR39 has a spatial resolution of several micrometers, and the image plate may have a spatial resolution of several tens of micrometers. Therefore, the ion detector 16 is provided at a position away from the displacement inductor 14 by a certain distance, so that the displacement of the ions can be measured with an accuracy of about tens of micrometers.

한편, 제2 이온분석기(120)의 이온 에너지 분석능력은 이온검출기(16)의 공간 분해능과 더불어, 이온선원(4)의 공간적인 크기에 의해서도 결정될 수 있다. 따라서 본 실시예의 제2 이온분석기(120)는 이온선원(4)의 공간적인 크기를 제한할 수 있는 콜리메이터(13)를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 콜리메이터(13)는 측정하려고 하는 이온이 통과할 수 없는 재질과 두께를 갖는 금속판으로 구성될 수 있고, 이온이 통과할 수 있는 작은 구멍이 형성될 수 있다.On the other hand, the ion energy analysis capability of the second ion analyzer 120 may be determined by the spatial size of the ion ray source 4 in addition to the spatial resolution of the ion detector 16. Therefore, the second ion analyzer 120 of the present embodiment preferably includes a collimator 13 capable of limiting the spatial size of the ion source 4. The collimator 13 may be formed of a metal plate having a material and a thickness through which ions to be measured cannot pass, and a small hole through which ions can pass may be formed.

이때, 전술한 바와 같이 제2 이온분석기(120)를 이용하여 이온의 변위를 측 정하는데, 전기장과 자기장 안에서 이온의 운동은 상대론적인 운동 방정식을 이용하여 해석할 수 있다. 이온의 운동 에너지

Figure 112008080534484-PAT00011
가 이온의 정지질량 에너지에 비해 아주 작고(즉,
Figure 112008080534484-PAT00012
), 자기장에 의해 일어나는 원 운동의 반경인 라모 반경(Larmor radius)
Figure 112008080534484-PAT00013
(=
Figure 112008080534484-PAT00014
)이 자극의 길이에 비해 아주 크다면(즉,
Figure 112008080534484-PAT00015
), 이온검출기(16) 상에서 이온이 도착하는 위치
Figure 112008080534484-PAT00016
Figure 112008080534484-PAT00017
는 다음의 방정식으로 근사될 수 있다. In this case, the displacement of the ions is measured using the second ion analyzer 120 as described above, and the motion of the ions in the electric and magnetic fields may be analyzed using a relativistic equation of motion. Kinetic energy of ions
Figure 112008080534484-PAT00011
Is very small compared to the static mass energy of
Figure 112008080534484-PAT00012
), Larmor radius, which is the radius of circular motion caused by the magnetic field
Figure 112008080534484-PAT00013
(=
Figure 112008080534484-PAT00014
) Is very large relative to the length of the stimulus (i.e.
Figure 112008080534484-PAT00015
), Where the ions arrive on the ion detector 16
Figure 112008080534484-PAT00016
Wow
Figure 112008080534484-PAT00017
Can be approximated by the equation

Figure 112008080534484-PAT00018
-- <3>
Figure 112008080534484-PAT00018
-<3>

Figure 112008080534484-PAT00019
--- <4>
Figure 112008080534484-PAT00019
--- <4>

Figure 112008080534484-PAT00020
----- <5>
Figure 112008080534484-PAT00020
----- <5>

Figure 112008080534484-PAT00021
----- <6>
Figure 112008080534484-PAT00021
----- <6>

여기서

Figure 112008080534484-PAT00022
는 자기장에 의해 편향되는 방향으로 이온의 편향거리이고,
Figure 112008080534484-PAT00023
는 전기장에 의해 편향되는 방향으로 편향거리이다.
Figure 112008080534484-PAT00024
Figure 112008080534484-PAT00025
의 원점은 전기장과 자기장이 인가되지 않았을 때 이온이 이온검출기(16)에 도달하는 위치이다.
Figure 112008080534484-PAT00026
는 이온의 전하,
Figure 112008080534484-PAT00027
은 이온의 질량이고,
Figure 112008080534484-PAT00028
Figure 112008080534484-PAT00029
는 인가된 전기장과 자기장의 세기이다. 도 2와 같이,
Figure 112008080534484-PAT00030
는 전기장과 자기장이 인가되는 공간에서 전극(14a)과 자극(14b)의 길이이고,
Figure 112008080534484-PAT00031
는 전기장과 자기장 인가되지 않는 공간에서 전극(14a)과 자극(14b)의 끝으 로부터 이온검출기(16)까지의 거리이다.here
Figure 112008080534484-PAT00022
Is the deflection distance of ions in the direction deflected by the magnetic field,
Figure 112008080534484-PAT00023
Is the deflection distance in the direction deflected by the electric field.
Figure 112008080534484-PAT00024
Wow
Figure 112008080534484-PAT00025
The origin of is the position where the ions reach the ion detector 16 when the electric and magnetic fields are not applied.
Figure 112008080534484-PAT00026
Is the charge of the ion,
Figure 112008080534484-PAT00027
Is the mass of ions,
Figure 112008080534484-PAT00028
Wow
Figure 112008080534484-PAT00029
Is the strength of the applied electric and magnetic fields. As shown in Figure 2,
Figure 112008080534484-PAT00030
Is the length of the electrode 14a and the magnetic pole 14b in the space where the electric and magnetic fields are applied,
Figure 112008080534484-PAT00031
Is the distance from the ends of the electrodes 14a and the magnetic poles 14b to the ion detector 16 in the space where electric and magnetic fields are not applied.

위의 <5> 식에 의할 경우, 두 편향거리

Figure 112008080534484-PAT00032
Figure 112008080534484-PAT00033
사이에는 포물선의 방정식이 만족될 수 있고, 이온의 질량을 전하로 나눈 값(
Figure 112008080534484-PAT00034
에 따라 각각 다른 포물선이 그려질 수 있다. 따라서 이온의 질량과 전하를 알고 있는 경우 두 편향거리를 측정하면, <3>식과 <4>식으로부터 이온의 에너지를 측정하는 것이 가능하다.According to the above <5> equation, two deflection distances
Figure 112008080534484-PAT00032
Wow
Figure 112008080534484-PAT00033
In between, the parabolic equation can be satisfied and the mass of ions divided by the charge (
Figure 112008080534484-PAT00034
Different parabolas can be drawn. Therefore, if the mass and charge of ions are known, the two deflection distances can be measured, whereby the energy of the ions can be measured from the equations <3> and <4>.

도 3은 이온검출기(16)로 검출되는 양성자와 탄소 이온의 톰슨포물선들과 세 개의 직선(점선)을 보여주고 있다. 인가된 전기장의 세기는

Figure 112008080534484-PAT00035
=320V/mm, 자기장의 세기는
Figure 112008080534484-PAT00036
=0.16 T, 전극과 자극의 길이는
Figure 112008080534484-PAT00037
=100mm, 전극과 자극의 끝에서 이온검출기까지의 거리는
Figure 112008080534484-PAT00038
=200mm를 가정하였다.FIG. 3 shows Thomson parabolas of proton and carbon ions detected by ion detector 16 and three straight lines (dotted lines). The intensity of the applied electric field
Figure 112008080534484-PAT00035
= 320V / mm, the field strength is
Figure 112008080534484-PAT00036
= 0.16 T, the length of electrode and stimulus
Figure 112008080534484-PAT00037
= 100mm, the distance from the electrode and the tip of the pole to the ion detector
Figure 112008080534484-PAT00038
Assume = 200 mm.

위의 <3> 식에 의하면

Figure 112008080534484-PAT00039
가 일정한 값을 갖는 수직선과 톰슨포물선이 만나는 교점(도 3에서 원형의 점)은 이온의 운동량을 전하로 나눈 값(
Figure 112008080534484-PAT00040
)이 같은 점에 해당하므로, 이 수직선을 전하당 등운동량 선(constant momentum-to-charge line)이라고 한다. 그리고, 위의 <4>식에 의하면
Figure 112008080534484-PAT00041
가 일정한 값을 갖는 수평선과 톰슨포물선이 만나는 교점(도 3에서 삼각형 점)은 이온의 운동 에너지를 전하로 나눈 값(
Figure 112008080534484-PAT00042
)이 같은 점에 해당하므로, 이 수평선을 전하당 등에너지 선(constant energy-to-charge line)이라 한다. 상기 제<6> 식은 직선의 방정식을 나타내며, 직선의 기울기가 이온의 질량과 전하에는 무관하고 속도에만 반비례한다. 따라서, 두 편향거리의 원점에서 임의의 방향으로 그린 직선과 톰슨포물선이 만나는 교점(도 3에서 사각형 점)은 이온의 속도가 같은 점에 해당하므로 등속도 선(constant velocity line)이라 한다.According to the above <3> equation
Figure 112008080534484-PAT00039
The intersection point (circular point in Fig. 3) where a vertical line having a constant value and a Thompson parabola is equal to the momentum of the ion divided by the charge (
Figure 112008080534484-PAT00040
) Is the same, so this vertical line is called a constant momentum-to-charge line. And, according to <4> above
Figure 112008080534484-PAT00041
The intersection point of the horizontal line where Thomson's parabola meets with a constant value (the triangle point in FIG. 3) is the kinetic energy of the ion divided by the charge (
Figure 112008080534484-PAT00042
) Is the same, so this horizontal line is called a constant energy-to-charge line. Equation (6) represents an equation of a straight line, and the slope of the straight line is independent of mass and charge of ions and is inversely proportional to speed. Therefore, the intersection point (square point in FIG. 3) where a straight line drawn in an arbitrary direction and a Thomson parabola meets at the origin of two deflection distances corresponds to a point where ions have the same velocity and thus is called a constant velocity line.

상기 제2 이온분석기(120)에 의할 경우, 이온의 질량과 전하를 별도로 측정할 수는 없지만, 이들의 비율은 측정하는 것이 가능하다. 즉, <3> 에서 <6>의 식들로부터 질량을 전하로 나눈 값(

Figure 112008080534484-PAT00043
)은 다음의 식을 만족한다.In the case of the second ion analyzer 120, the mass and charge of the ions cannot be measured separately, but the ratio thereof can be measured. That is, the mass divided by the charge from the equations <3> to <6> (
Figure 112008080534484-PAT00043
) Satisfies the following equation.

Figure 112008080534484-PAT00044
-- <7>
Figure 112008080534484-PAT00044
-<7>

이를 참고할 경우,

Figure 112008080534484-PAT00045
값이 같은 전하당 등운동량 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(원형 점)의
Figure 112008080534484-PAT00046
값은
Figure 112008080534484-PAT00047
에 비례한다.
Figure 112008080534484-PAT00048
값이 같은 전하당 등에너지 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(삼각형 점)의
Figure 112008080534484-PAT00049
값은
Figure 112008080534484-PAT00050
의 제곱근에 비례한다. 그리고, 속도가 일정한 등속도 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(사각형 점)의
Figure 112008080534484-PAT00051
값과
Figure 112008080534484-PAT00052
값은 모두
Figure 112008080534484-PAT00053
에 비례한다.In reference to this,
Figure 112008080534484-PAT00045
Of the intersection (circular point) where the equi-molecular line per charge and the Thompson parabola meet
Figure 112008080534484-PAT00046
The value is
Figure 112008080534484-PAT00047
Proportional to
Figure 112008080534484-PAT00048
Of the intersection (triangle point) where the equi energy-charged line and the Thompson parabola meet
Figure 112008080534484-PAT00049
The value is
Figure 112008080534484-PAT00050
Proportional to the square root of. And the intersection of the constant velocity line and the Thomson parabola
Figure 112008080534484-PAT00051
Value and
Figure 112008080534484-PAT00052
All values
Figure 112008080534484-PAT00053
Proportional to

도 3과 같이, 질량이 같고 전하가 다른 탄소 이온들에 대해 그려진 톰슨포물선들에서 위의 특성을 확인할 수 있다. 즉, 전하당 등운동량 선과 톰슨포물선들이 만나는 교점(원형점)의

Figure 112008080534484-PAT00054
값은 전하에 반비례하고, 전하당 등에너지 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(삼각형 점)의
Figure 112008080534484-PAT00055
값은 전하의 제곱근에 비례한다. 그리고, 등속도 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(사각형 점)의
Figure 112008080534484-PAT00056
Figure 112008080534484-PAT00057
값은 모두 전하에 비례하므로, 각 교점들이 등간격으로 배열되어 있다.As shown in FIG. 3, the above characteristics can be confirmed in thomson parabolas drawn for carbon ions having the same mass and different charges. That is, the intersection of the equimolar moment lines and the Thomson parabola
Figure 112008080534484-PAT00054
The value is inversely proportional to the charge, and the value of the intersection (triangle point)
Figure 112008080534484-PAT00055
The value is proportional to the square root of the charge. And the intersection of the constant velocity line and the Thomson parabola
Figure 112008080534484-PAT00056
Wow
Figure 112008080534484-PAT00057
The values are all proportional to the charge, so each intersection is arranged at equal intervals.

여러 종류의 이온들이 포함되어 있는 경우에는 위 특성을 이용하여 같은 종류의 이온에 해당하는 톰슨포물선들끼리 분류할 수 있다. 만일 종류를 알고 있는 이온(예를 들어, 양성자)의 톰슨포물선이 종류를 모르는 이온의 톰슨포물선과 함께 얻어졌다면, 다음의 식을 이용하여 종류를 모르는 이온의 질량과 전하의 비율을 측정하는 것이 가능하다.If several types of ions are included, the above characteristics can be used to classify Thomson parabolas corresponding to the same type of ions. If a Thomson parabola of known ions (eg, protons) is obtained with a Thomson parabola of unknown ions, it is possible to measure the ratio of mass and charge of ions of unknown kind using the following equation: Do.

Figure 112008080534484-PAT00058
------ <8>
Figure 112008080534484-PAT00058
------ <8>

Figure 112008080534484-PAT00059
------ <9>
Figure 112008080534484-PAT00059
------ <9>

Figure 112008080534484-PAT00060
------- <10>
Figure 112008080534484-PAT00060
------- <10>

여기서,

Figure 112008080534484-PAT00061
의 첨자가 붙은 값은 종류를 알고 있는 기준이 되는 이온의 톰슨포물선에 해당하는 값이고,
Figure 112008080534484-PAT00062
의 첨자가 붙은 값은 종류를 모르는 이온에 해당하는 값이다. <8> 식은 전하당 등에너지 선과 톰슨포물선들이 만나는 교점의
Figure 112008080534484-PAT00063
값들을, <9> 식은 전하당 등운동량 선과 톰슨포물선들이 만나는 교점의
Figure 112008080534484-PAT00064
값들을 이용해 질량과 전하의 비율을 측정할 때 사용될 수 있다. 그리고 <10> 식은 등속도 선과 톰슨포물선들이 만나는 교점의
Figure 112008080534484-PAT00065
Figure 112008080534484-PAT00066
값을 이용해 질량과 전하의 비율을 측정하는데 사용될 수 있다.here,
Figure 112008080534484-PAT00061
The value with the superscript is the thomson parabola of the ion that is the type of reference.
Figure 112008080534484-PAT00062
Values with a superscript are equivalent to ions of unknown type. <8> The equation shows the intersection of the charge-energy isoelectric line and the Thomson parabola.
Figure 112008080534484-PAT00063
Values are expressed as the intersection of the equimolar lines and the Thomson parabola
Figure 112008080534484-PAT00064
The values can be used to determine the ratio of mass to charge. And <10> is the intersection of the constant velocity line and the Thomson parabola
Figure 112008080534484-PAT00065
Wow
Figure 112008080534484-PAT00066
The value can be used to determine the ratio of mass to charge.

이처럼, 제2 이온분석기(120)는 직접 도달하는 이온을 분석하여 이온의 특성을 분석하는 바, 입사부(1a)에서 제2 이온분석기(120) 사이에 설치되는 각각의 구성요소들이 이온이 진행할 수 있는 경로를 형성하도록 정밀하게 정렬될 필요가 있다. 즉, 이온선원이 이온입사장치(1)의 입사부(1a)로부터 입사되어, 플라스틱 신틸 레이터(5)의 제1통공(5a), 반사체(6)의 제2통공(6a), 콜리메이터(13)의 구멍을 지나 변위유도기(14)의 전극(14a)의 중심을 통과하도록 구성되어야 한다.As such, the second ion analyzer 120 analyzes the ions that arrive directly to analyze the characteristics of the ions, so that the respective components installed between the second ion analyzer 120 at the incident part 1a may move. It needs to be precisely aligned to form a path that can be. That is, the ion beam source is incident from the incident portion 1a of the ion incidence device 1, so that the first through hole 5a of the plastic scintillator 5, the second through hole 6a of the reflector 6, and the collimator 13 And through the center of the electrode 14a of the displacement inductor 14.

따라서, 본 발명은 상기 구성요소들 간의 정렬상태를 점검하기 위한 정렬검사장치(17)를 포함하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상기 입사부(1a), 제1 통공(5a), 제2 통공(6a) 및 콜리메이터(13)의 구멍 등이 모두 일직선상에 위치하도록 정렬되었는지 여부를 점검할 수 있다.Therefore, the present invention preferably includes an alignment inspection device 17 for checking the alignment between the components. As a result, it is possible to check whether or not the incident part 1a, the first through hole 5a, the second through hole 6a, the collimator 13, and the like are all aligned in a straight line.

본 실시예의 정렬검사장치(17)는 직진성이 우수한 레이저를 이용하여 구성될 수 있다. 그리고, 입사부(1a)와 대향되는 위치에 마주보도록 설치되어 이온이 진행하는 경로로 레이저를 조사하도록 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 정렬검사장치(17)는 진공 유지용 유리판(18)을 통하여 진공챔버(3) 내측으로 레이저를 조사할 수 있으며, 이때 레이저는 이온이 진행하는 경로의 역방향으로 조사되면서 경로를 형성하는 각각의 구성요소들의 정렬상태를 점검하는 것이 가능하다. The alignment inspection apparatus 17 of this embodiment can be configured using a laser having excellent straightness. And, it may be installed so as to face at a position opposite to the incident portion (1a) can be configured to irradiate the laser in the path of the ion proceeds. As shown in FIG. 1, the alignment inspection apparatus 17 may irradiate a laser into the vacuum chamber 3 through the glass plate 18 for maintaining the vacuum, and the laser irradiates in the reverse direction of the path through which the ions travel. It is then possible to check the alignment of the individual components forming the path.

본 실시예에서는 전술한 바와 같이 이온의 진행 경로 역방향으로 레이저를 조사할 수 있도록 상기 정렬검사장치(17)가 제2 이온분석기(120)와 일체로 구성하였다. 하지만, 이는 하나의 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.In this embodiment, the alignment inspection apparatus 17 is integrally formed with the second ion analyzer 120 so as to irradiate the laser in the reverse direction of the ion path as described above. However, this is only one embodiment, and the present invention is not limited thereto.

한편, 본 발명은 각각의 구성요소가 이온 및 섬광의 진행경로를 정확하게 형성할 수 있도록, 각각의 구성요소의 위치를 조절할 수 있는 위치조절장치(19)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 따라서, 정렬검사장치(17)로 점검을 한 결과 정렬상태가 어긋난 것으로 판단되는 경우, 해당 구성요소를 상하좌우로 이동 또는 회전시켜 정렬상태를 보정할 수 있다.On the other hand, the present invention preferably further includes a position adjusting device 19 that can adjust the position of each component so that each component can accurately form the path of the ion and flash. Therefore, when it is determined that the alignment is out of alignment as a result of the inspection by the alignment inspection device 17, the alignment state may be corrected by moving or rotating the corresponding component up, down, left, and right.

본 실시예에 따른 복합 이온분석기(100)는 진공튜브(2)와 진공챔버(3)에 각각 제1, 제2 이온분석기(110, 120)가 조립된 후, 이를 이온입사장치(1)의 일측에 조립하도록 구성된다. 이때, 상기 진공튜브(2), 진공챔버(3) 및 제1, 제2 이온분석기(110, 120)는 정렬 점검이 완료된 상태로 조립될 수 있다. 따라서, 이온입사장치(1)의 일측으로 최종적으로 조립이 이루어지면, 상기 위치조절장치(19)는 상기 입사부(1a)와 이외의 다른 구성요소 일체와의 위치 관계를 조절할 수 있다.In the composite ion analyzer 100 according to the present embodiment, after the first and second ion analyzers 110 and 120 are assembled in the vacuum tube 2 and the vacuum chamber 3, the ion incidence apparatus 1 It is configured to assemble on one side. In this case, the vacuum tube 2, the vacuum chamber 3 and the first and second ion analyzers 110 and 120 may be assembled in a state where alignment check is completed. Therefore, when the assembly is finally made to one side of the ion incidence device 1, the position adjusting device 19 can adjust the positional relationship between the incidence portion (1a) and the other components.

따라서, 본 실시예의 위치조절장치(19)는 이온이 입사되는 입사부(1a)와 대비하여, 이온 및 섬광이 진행 경로를 형성하는 일체의 다른 구성요소들의 위치를 일괄적으로 조절하는 것이 가능하다.Accordingly, the position adjusting device 19 of the present embodiment can collectively adjust the positions of any other components in which ions and flashes form a traveling path, in contrast to the incident portion 1a on which ions are incident. .

이처럼, 본 실시예에서는 각각의 구성요소의 위치를 일괄적으로 조절할 수 있는 위치조절장치(19)를 이용하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이 외에도, 섬광발생부재(5), 반사체(6), 콜리메이터(13), 변위유도기(14) 등의 각각의 구성요소의 위치를 개별적으로 조절할 수 있도록 하는 것도 가능하며, 개별 조절 및 일괄 조절 모두 가능하도록 구성되는 것도 물론 가능하다.As such, in the present embodiment, the position adjusting device 19 which can adjust the position of each component collectively is used, but the present invention is not limited thereto. In addition, it is also possible to individually adjust the position of each component of the flash generating member 5, the reflector 6, the collimator 13, the displacement guide 14, etc., both individual and collective adjustment It is of course also possible to be configured to be possible.

따라서, 실험을 수행하기에 앞서 정렬검사장치(17)를 이용하여 각 구성요소의 정렬상태를 검사한 후, 정렬상태가 어긋난 경우 상기 각 구성요소의 위치조절장치를 이용하여 정렬상태를 조절하는 것이 가능하다.Therefore, before performing the experiment, after checking the alignment state of each component using the alignment inspection device 17, if the alignment state is misaligned to adjust the alignment state by using the position adjustment device of each component It is possible.

이와 같이, 본 발명은 하나의 이온선원을 두 개의 이온분석기를 통해 동시에 분석하는 것이 가능한 바, 각각의 이온분석기의 장점을 동시에 가지면서 단점을 보 완할 수 있는 복합 이온분석기를 제공할 수 있다.As such, the present invention can analyze a single ion source at the same time through two ion analyzers, and can provide a complex ion analyzer capable of supplementing the disadvantages while simultaneously having the advantages of each ion analyzer.

그 일예로서, 본 실시예에서는 이온의 비행시간을 이용하는 분석기와 전자기장에 의해 이온이 편향되는 원리를 이용하는 분석기를 구성하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이 이외에도, 이온선원의 물리적 특성(질량, 전하, 속도)을 직접 이용하는 이온분석기와 이온으로부터 발생되는 섬광을 이용하는 이온분석기를 결합한 복합 이온분석기라면 본 발명의 기술적 사상에 해당함은 자명하다.As an example, in the present embodiment, an analyzer using a flight time of ions and an analyzer using a principle in which ions are deflected by an electromagnetic field are configured, but the present invention is not limited thereto. In addition, it is obvious that the technical idea of the present invention is a complex ion analyzer that combines an ion analyzer that directly uses physical properties (mass, charge, and velocity) of an ion source and an ion analyzer that uses flashes generated from ions.

이하에서는 본 실시예를 이용하여 수행한 실험의 일예에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, an example of an experiment performed using the present embodiment will be described.

도 4의 (a) 실선은, 비행거리가

Figure 112008080534484-PAT00067
= 1.65 m일 때, 양성자의 에너지에 따른 비행시간을 보여준다. (b) 실선은, 자기장의 세기가 B = 0.16 T, 자극의 길이가
Figure 112008080534484-PAT00068
= 100 mm, 자극의 끝에서 이온 검출기까지의 거리가
Figure 112008080534484-PAT00069
= 200 mm일 때, 자기장에 의해 편향되는 방향으로 양성자의 편향거리
Figure 112008080534484-PAT00070
를 보여준다. 양성자의 에너지가 작으면 작은 에너지의 변화에도 비행시간과 편향거리가 크게 변하지만, 양성자의 에너지가 크면 이들의 변화가 작아진다. 따라서 양성자의 에너지가 클수록 에너지 측정의 분해능이 낮아지게 된다.(A) Solid line of FIG. 4 shows that
Figure 112008080534484-PAT00067
= 1.65 m, it shows the flight time according to the proton energy. (b) the solid line indicates that the magnetic field strength is B = 0.16 T and the magnetic pole length is
Figure 112008080534484-PAT00068
= 100 mm, the distance from the end of the stimulus to the ion detector
Figure 112008080534484-PAT00069
= 200 mm, deflection distance of the proton in the direction deflected by the magnetic field
Figure 112008080534484-PAT00070
Shows. If the energy of the protons is small, the flight time and the deflection distance change greatly even with the change of small energy, but if the energy of the protons is large, their changes are small. Therefore, the higher the energy of the proton, the lower the resolution of the energy measurement.

도 5는 본 실험시 제1 이온분석기에 의하여 측정된 결과이다. 본 실험에서는 극초단 고출력 레이저빔을 두께가 12.5 ㎛인 폴리이미드(polyimide) 표적에 집속하여 이온을 발생시키고, 표적에서 1.65 m(비행거리 L) 떨어진 위치에 플라스틱 신틸레이터를 설치한다. 도 5의 [A]는 광전자 증배관과 오실로스코프로 측정한 전기신 호(PMT voltage)를 비행시간의 함수로 그린 것이다. 비행시간의 0은 표적에 레이저빔이 도착한 시각이다. 양성자이외의 선원인 플라즈마 방사광, 엑스선 및 전자에 의한 전기신호는 시각 5.5 ns에서부터 세기가 증가하기 시작한다. 이것은 양성자이외의 선원이 빛의 속도로 1.65 m를 진행하는 데 소요되는 시간이다. 한편 양성자 신호는 시각 92.00 ns에서부터 측정되기 시작하는데, 이는 발생된 양성자의 최대 에너지가 1.683 MeV임을 의미한다(도 4 참조).Figure 5 is the result measured by the first ion analyzer in this experiment. In this experiment, the ultra-high power laser beam is focused on a polyimide target having a thickness of 12.5 μm to generate ions, and a plastic scintillator is installed at a distance of 1.65 m (flying distance L) from the target. [A] of FIG. 5 shows an electric signal (PMT voltage) measured by a photomultiplier tube and an oscilloscope as a function of flight time. Zero flight time is the time the laser beam arrived at the target. Intensity of electric signals by plasma radiation, X-rays and electrons other than protons starts to increase from 5.5 ns. This is the time it takes for non-proton sources to proceed 1.65 m at the speed of light. On the other hand, the proton signal starts to be measured from time 92.00 ns, which means that the maximum energy of protons generated is 1.683 MeV (see FIG. 4).

한편, 도 5의 [B]는 양성자 에너지의 함수로 그려진 광전자 증배관의 전기신호이다. 비행시간을 양성자의 에너지로 변환하여 가로축 데이터를 계산하였다. 양성자 에너지의 변화에 대한 비행시간의 변화율(dt/dT)을 광전자 증배관의 전기신호에 곱하고, 이것을 플라스틱 신틸레이터가 양성자를 측정하는 입체각(dΩ)으로 나누어 세로축 데이터를 계산하였다. 양성자 에너지에 따라 변하는 검출 시스템의 반응도가 고려되지 않았으므로, 엄밀하게 말하여 [B]는 양성자 에너지 스펙트럼이 아니다. 그러나 한 양성자 에너지에 대하여, 전기신호의 세기는 양성자의 입자수에 비례한다. 전기신호의 잡음 수준을 고려했을 때 발생한 양성자의 최대 에너지는 [A]에서 얻은 결과와 잘 일치한다.On the other hand, [B] of FIG. 5 is an electrical signal of the photomultiplier tube drawn as a function of proton energy. The transverse axis data was calculated by converting the flight time into proton energy. The vertical axis data was calculated by multiplying the rate of change (dt / dT) of the flight time with respect to the change in proton energy by the electric signal of the photomultiplier and dividing it by the solid angle (dΩ) measured by the plastic scintillator. Strictly speaking, [B] is not the proton energy spectrum, since the reactivity of the detection system that varies with proton energy is not taken into account. However, for one proton energy, the intensity of the electrical signal is proportional to the number of particles of the proton. Considering the noise level of the electrical signal, the maximum energy of the protons is in good agreement with the results obtained in [A].

도 6은 제2 이온분석기에 의해 측정된 양성자의 톰슨포물선을 보여준다. 인가된 전기장의 세기는 240 V/mm이고, 자기장의 세기는 0.16 T이다. 가운데 직선은 전극에 고전압 전원을 연결하지 않고 얻은 것이고, 위와 아래의 포물선은 전극에 가해지는 전원의 극성을 바꾸어 얻은 것이다. 이온검출기로는 영상판이 사용되었다. 6 shows the Thomson parabola of protons measured by a second ion analyzer. The strength of the applied electric field is 240 V / mm and the strength of the magnetic field is 0.16 T. The middle straight line is obtained without connecting a high voltage power supply to the electrode, and the upper and lower parabolas are obtained by changing the polarity of the power applied to the electrode. Image plates were used as ion detectors.

영상판으로 얻은 도 6의 톰슨포물선을 분석한 결과가 도 7에 있다. 이온에 노출된 영상판을 영상판 판독기로 분석하면, 광여기 냉광(photo-stimulated luminescence, PSL) 값을 측정할 수 있다. 도 7의 [A]는, 자기장에 의해 편향되는 방향으로 양성자의 편향거리

Figure 112008080534484-PAT00071
에 따라 변하는 광여기 냉광을 보여준다. 양성자가 편향거리
Figure 112008080534484-PAT00072
=21.387 mm에서부터 검출되기 시작하므로, 발생된 양성자의 최대 에너지는 1.685 MeV이다(도 4 및 편향거리와 양성자 에너지의 관계식 참조).The result of analyzing the Thomson parabola of FIG. 6 obtained by the image plate is shown in FIG. 7. By analyzing an image plate exposed to ions with an image plate reader, a photo-stimulated luminescence (PSL) value can be measured. Fig. 7A shows the deflection distance of the protons in the direction deflected by the magnetic field.
Figure 112008080534484-PAT00071
The light changes depending on the cold light here. Proton Deflection Distance
Figure 112008080534484-PAT00072
Since the detection starts from = 21.387 mm, the maximum energy of protons generated is 1.685 MeV (see FIG. 4 and the relation between deflection distance and proton energy).

도 7의 [B]는, 양성자 에너지의 함수로 그려진 광여기 냉광을 보여준다. 편향거리를 양성자의 에너지로 변환하여 가로축 데이터를 계산하였다. 양성자 에너지의 변화에 대한 편향거리의 변화율(dx/dT)을 광여기 냉광에 곱하고, 이것을 영상판 판독기의 공간 분해능에 해당하는 양성자빔 측정의 입체각(dΩ)으로 나누어 세로축 데이터를 계산하였다. 양성자 에너지에 따라 변하는 영상판의 반응도가 고려되지 않았으므로, 엄밀하게 말하여 [B]는 양성자 에너지 스펙트럼이 아니다. 광여기 냉광의 잡음 수준을 고려했을 때 발생한 양성자의 최대 에너지는 [A]에서 얻은 결과와 잘 일치한다. [B] of FIG. 7 shows photoexcitation cold light drawn as a function of proton energy. The transverse axis data were calculated by converting the deflection distance into proton energy. The vertical axis data was calculated by multiplying the rate of change of the deflection distance (dx / dT) with respect to the change in proton energy by photoexcitation cold light and dividing it by the solid angle (dΩ) of the proton beam measurement corresponding to the spatial resolution of the image plate reader. Strictly speaking, [B] is not the proton energy spectrum because the responsiveness of the image plate that changes with the proton energy is not taken into account. Considering the noise level of photoexcitation, the maximum energy of protons is in good agreement with the results obtained in [A].

제1 이온분석기로 얻은 도 5의 결과와 제2 이온분석기로 얻은 도 7의 결과는, 두 분석기를 동시에 사용하여 측정한 것이다. 두 분석기로 얻은 양성자의 최대 에너지가 잘 일치하고 있으며, 각각의 [B]에 있는 세로축의 전기신호와 광여기 냉광의 세기가 양성자 에너지에 따라 매우 유사한 모양으로 변하고 있다. 이러한 사실은 두 이온분석기로 측정한 이온의 특성이 잘 일치함을 의미하므로, 각각의 분석기로 측정된 특성의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 그리고, 도 6의 톰슨포물선을 보 면 발생하는 이온이 양성자 한 종류만 있음을 알 수 있다. 따라서 제1 이온분석기로 얻은 전기신호는 양성자만에 의해 생기는 것임을 확신할 수 있다. 이와 같이 제2 이온분석기는, 이온의 종류를 분석할 수 없는 제1 이온분석기의 단점을 보완해 준다.The result of FIG. 5 obtained by the first ion analyzer and the result of FIG. 7 obtained by the second ion analyzer are measured by using both analyzers simultaneously. The maximum energy of the protons obtained by the two analyzers is in good agreement with each other, and the electric signals on the longitudinal axis of each [B] and the intensity of photoexcitation are different depending on the proton energy. This fact means that the characteristics of the ions measured by the two ion analyzers are in good agreement, and thus the reliability of the properties measured by the respective analyzers can be improved. And, looking at the Thompson parabola of Figure 6 it can be seen that there is only one type of proton generated. Therefore, it can be assured that the electrical signal obtained by the first ion analyzer is generated only by protons. As such, the second ion analyzer compensates for the shortcomings of the first ion analyzer which cannot analyze the type of ions.

도 8은 극초단 고출력 레이저빔을 두께가 5 ㎛인 구리 표적에 집속하였을 때 발생하는 이온을 제2 이온분석기로 측정한 것이다. 제1 이온분석기를 함께 사용하지 않고, 제2 이온분석기만으로 측정한 결과이다. 양성자뿐만 아니라 이온화 정도가 다른 탄소 이온들이 함께 발생되었다. 발생하는 양성자의 최대 에너지는 2.2 MeV 정도이다. 탄소 이온의 최대 에너지는, 도 8에 수평선으로 그려진 전하당 등에너지 선으로부터 계산할 수 있다.

Figure 112008080534484-PAT00073
이온의 경우, 그 전하가 양성자에 비해 4배나 크고, 양성자의 에너지 0.5 MeV에 해당하는 전하당 등에너지 선까지 방출되므로,
Figure 112008080534484-PAT00074
이온의 최대 에너지는 2 MeV 정도이다. 한편 탄소 이온들이 가지는 최대 속도에 해당하는 등속도 선이 도 8에 점선으로 표시되어 있다. 이 등속도 선은 에너지가 0.2 MeV 이상인 양성자의 톰슨포물선과 만나지 않는다. 따라서 이 이온선원을 제1 이온분석기로 분석할 경우, 에너지 0.2 MeV 이상에서 생기는 전기신호는 양성자만에 의한 것이라는 결론을 내릴 수 있다.8 is a second ion analyzer measuring ions generated when the ultra-high power laser beam is focused on a copper target having a thickness of 5 μm. This is the result measured only by the second ion analyzer without using the first ion analyzer together. Not only protons but also carbon ions with different degrees of ionization were generated. The maximum energy of protons generated is about 2.2 MeV. The maximum energy of the carbon ions can be calculated from the isoenergy lines per charge drawn in the horizontal lines in FIG. 8.
Figure 112008080534484-PAT00073
In the case of ions, the charge is four times larger than that of the proton, and is emitted up to the isoenergy line per charge corresponding to 0.5 MeV of proton energy.
Figure 112008080534484-PAT00074
The maximum energy of the ion is about 2 MeV. Meanwhile, the constant velocity line corresponding to the maximum velocity of carbon ions is indicated by a dotted line in FIG. 8. This isoline does not meet the Thomson parabola of protons with energy above 0.2 MeV. Therefore, when the ion source is analyzed by the first ion analyzer, it can be concluded that the electric signal generated at the energy of 0.2 MeV or more is due to only the protons.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 이온분석기의 내부 단면을 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing the internal cross section of the composite ion analyzer according to a preferred embodiment of the present invention;

도 2는 본 실시예의 제1 이온분석기 및 제2 이온분석기의 상세구조와 이온 및 섬광의 경로를 대략적으로 도시한 개략도.Fig. 2 is a schematic diagram showing the detailed structure of the first ion analyzer and the second ion analyzer and the path of ions and flashes of this embodiment.

도 3은 이온검출기에서 검출되는 양성자 및 탄소의 톰슨포물선을 도시한 그래프,3 is a graph showing the Thomson parabola of protons and carbon detected in the ion detector,

도 4는 본 실시예에 따른 이온의 에너지별 비행시간과 편향거리를 나타낸 그래프;4 is a graph showing flight time and deflection distance for each energy of an ion according to the present embodiment;

도 5는 제1 이온분석기에서 측정된 값을 이용하여 분석된 이온의 특성을 도시한 그래프;5 is a graph showing the characteristics of ions analyzed using the values measured in the first ion analyzer;

도 6은 제2 이온분석기에서 측정된 이온의 톰슨포물선을 도시한 그래프;FIG. 6 is a graph showing Thomson parabola of ions measured in a second ion analyzer; FIG.

도 7은 도 6을 이용하여 분석된 이온의 특성을 도시한 그래프;7 is a graph showing the characteristics of ions analyzed using FIG. 6;

도 8은 극초단 고출력 레이저를 구리표적에 집속한 경우 제2 이온분석기에서 측정되는 이온의 톰슨포물선을 도시한 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing Thomson parabola of ions measured by a second ion analyzer when an ultra-high power laser is focused on a copper target.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명><Description of Signs of Major Parts of Drawings>

1 : 이온입사장치 5 : 섬광발생장치1: ion incidence device 5: scintillation generating device

6 : 반사체 7 : 렌즈6: reflector 7: lens

17 : 정렬검사장치 100 : 복합 이온분석기17: alignment inspection device 100: complex ion analyzer

110 : 제1 이온분석기 120 : 제2 이온분석기110: first ion analyzer 120: second ion analyzer

Claims (20)

이온선원에 대하여 일부의 이온만을 선택적으로 통과시키는 섬광발생부재;A flash generating member for selectively passing only a part of ions with respect to the ion beam source; 상기 섬광발생부재를 통과하는 이온이 전자기장에 의해 편향되는 거리를 측정하는 톰슨포물선 이온분석기; 그리고,A Thomson parabolic ion analyzer that measures a distance at which ions passing through the scintillator are deflected by an electromagnetic field; And, 상기 섬광발생부재에 부딪히는 이온에 의해 발생되는 섬광을 이용하여, 이온의 비행시간을 측정하는 이온 비행시간 분석기;를 포함하는 복합 이온분석기.And an ion flight time analyzer that measures the flight time of ions using the flash generated by the ions hitting the flash generating member. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 섬광발생부재는 상기 이온선원 중 일부의 이온이 통과할 수 있는 제1 통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The flash generating member is a composite ion analyzer, characterized in that the first through-hole is formed through which the ions of the ion source can pass. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 섬광발생부재에 부딪히는 이온에 의해 발생되는 섬광은 상기 섬광발생부재의 후측에 구비되는 반사체에 의해 경로가 전환되어 상기 이온 비행시간 분석기로 유입되는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The flash generated by the ions hitting the flash generating member is converted into a path by a reflector provided on the rear side of the flash generating member is introduced into the ion flight time analyzer, characterized in that the flow. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 제1 통공을 통과한 이온은 상기 반사체의 내측에 형성되는 제2 통공을 통과하여 상기 톰슨포물선 이온분석기로 유입되는 것을 특징으로 하는 복합 이온분 석기.The ion passing through the first hole is passed through the second hole formed inside the reflector, the composite ion analyzer, characterized in that flowing into the Thomson parabolic ion analyzer. 입사되는 이온의 일부가 부딪히고 일부의 이온은 통과할 수 있도록 형성되며, 상기 이온이 부딪히면 섬광을 발산하는 섬광발생부재;A part of the incident ions hit and a part of the ions are formed so as to pass, and when the ions hit a flash generating member for emitting a flash; 상기 섬광발생부재에서 발산되는 섬광을 이용하여 이온의 특성을 분석하는 제1 이온분석기; 그리고,A first ion analyzer for analyzing the characteristics of ions using the flash emitted from the flash generating member; And, 상기 섬광발생부재를 통과하는 이온의 특성을 분석하는 제2 이온분석기;를 포함하는 복합 이온분석기.And a second ion analyzer for analyzing the characteristics of the ions passing through the flash generating member. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 섬광발생부재는 이온의 일부가 통과할 수 있는 제1 통공을 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The scintillation generating member has a first ion through which a portion of the ion can pass. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 섬광의 진행 경로를 전환시키는 반사체를 더 포함하여,Further comprising a reflector for switching the path of progress of the flash, 상기 섬광은 상기 반사체에 의해 상기 제1 통공을 통과한 이온과 서로 다른 경로를 형성하면서, 상기 제1 이온분석기로 입사되는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The flash is incident on the first ion analyzer by forming a different path from the ions passing through the first hole by the reflector. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 반사체는 이온이 통과할 수 있는 제2 통공을 구비하여, 상기 섬광발생부재의 제1 통공을 통과한 이온이 상기 제2 통공을 거쳐 상기 제2 이온분석기로 입사되는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The reflector has a second hole through which ions can pass, and the ion passing through the first hole of the scintillation generating member is incident to the second ion analyzer through the second hole. . 제8항에 있어서,The method of claim 8, 상기 제1 통공 및 제2 통공은 상기 이온이 입사되는 입사부와 나란하게 설치되는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The first hole and the second hole is a composite ion analyzer, characterized in that installed in parallel with the incident portion where the ions are incident. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 제2 이온분석기로 이온이 도달하는 경로를 형성하는 각 구성요소의 정렬상태를 측정할 수 있는 정렬검사장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.And an alignment tester capable of measuring an alignment state of each component forming a path through which the ions reach the second ion analyzer. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 정렬검사장치는 상기 제1통공, 제2 통공 및 상기 입사부의 정렬 상태를 점검하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The alignment inspection device is a complex ion analyzer, characterized in that for checking the alignment state of the first through the second hole and the incident portion. 제10항에 있어서,The method of claim 10, 상기 정렬검사장치는 상기 입사부와 대향되는 위치에 설치되어, 상기 이온이 진행하는 경로를 따라 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The alignment inspection device is installed at a position opposite to the incident portion, the composite ion analyzer, characterized in that for irradiating the laser along the path of the ions. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 이온 또는 섬광이 진행하는 경로를 형성하는 각 구성요소들의 위치를 일괄적으로 조절할 수 있는 위치조절장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.Complex ion analyzer, characterized in that it further comprises a position control device for collectively adjusting the position of each component forming the path of the ion or flash. 제9항에 있어서,10. The method of claim 9, 상기 이온 또는 섬광이 진행하는 경로를 형성하는 각 구성요소들의 위치를 개별적으로 조절할 수 있는 위치조절장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.And a position adjusting device capable of individually adjusting positions of the components forming the path through which the ions or flashes travel. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제1 이온분석기는 이온이 기 설정된 거리를 비행하는데 걸리는 시간을 측정하여 이온의 에너지 스펙트럼을 분석하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The first ion analyzer is a complex ion analyzer, characterized in that for analyzing the energy spectrum of the ion by measuring the time it takes for the ion to fly a predetermined distance. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 제1 이온분석기는 이온이 발생하는 시점부터 상기 섬광발생부재에 도달하는 시간을 측정하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The first ion analyzer is a composite ion analyzer, characterized in that for measuring the time to reach the scintillation generating member from the point of generation of ions. 제15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 제1 이온분석기는 각각의 섬광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 섬광검출기 및 이온의 비행시간을 측정하는 비행시간 측정장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The first ion analyzer is a complex ion analyzer characterized in that it comprises a flash detector for detecting each of the flash to convert to an electrical signal and a flight time measuring device for measuring the flight time of the ion. 제17항에 있어서,The method of claim 17, 상기 제1 이온분석기는, 상기 각각의 섬광이 상기 섬광발생부재로부터 발산되는 위치에 따라 상기 섬광검출기 상의 서로 다른 위치로 결상시키는 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.And the first ion analyzer further comprises a lens for imaging each of the flashes at different positions on the flash detector according to a position at which the flash is emitted from the flash generating member. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제2 이온분석기는 기 설정된 전기장과 자기장을 통과할 때 이온이 편향되는 양을 측정하여, 상기 이온의 에너지 스펙트럼과 종류를 분석하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The second ion analyzer is a composite ion analyzer, characterized in that for measuring the energy spectrum and type of the ion by measuring the amount of ions deflected when passing through a predetermined electric and magnetic fields. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 제2 이온분석기는 상기 전자기장으로 유입되는 이온의 공간적인 크기를 제한할 수 있는 콜리메이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 이온분석기.The second ion analyzer further comprises a collimator that can limit the spatial size of the ions flowing into the electromagnetic field.
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