KR20100057419A - Composite ion analyzer - Google Patents
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Abstract
Description
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
이하에서는, 제1, 제2 이온분석기(110, 120)의 구성에 대하여 구체적으로 살펴보도록 한다.Hereinafter, the configuration of the first and
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
서로 다른 에너지를 갖는 이온들이 한 위치에서 동시에 순간적으로 발생한 후, 상기 이온입사장치(1)로부터 입사된다고 가정하고, 운동 에너지가 인 이온이 거리 을 진행하여 플라스틱 신틸레이터(5)에 도착하는데 소요되는 시간, 즉 비행 시간이 일 때, 이온의 에너지 와 비행시간 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
---- <1> ---- <1>
---- <2> ---- <2>
여기서 는 빛의 속도이고, 은 이온의 정지질량 에너지이다. 수소 원자의 이온인 양성자에 대해 은 938.272 MeV이다. 위 <1> 식에 의하면, 비행시간은 이온의 운동 에너지와 정지질량 에너지의 비율에 의해서 결정된다. here Is the speed of light, Is the static mass energy of the ion. About proton which is ion of hydrogen atom 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
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
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
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
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
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
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
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 가 이온의 정지질량 에너지에 비해 아주 작고(즉, ), 자기장에 의해 일어나는 원 운동의 반경인 라모 반경(Larmor radius) (= )이 자극의 길이에 비해 아주 크다면(즉, ), 이온검출기(16) 상에서 이온이 도착하는 위치 와 는 다음의 방정식으로 근사될 수 있다. In this case, the displacement of the ions is measured using the
-- <3> -<3>
--- <4> --- <4>
----- <5> ----- <5>
----- <6> ----- <6>
여기서 는 자기장에 의해 편향되는 방향으로 이온의 편향거리이고, 는 전기장에 의해 편향되는 방향으로 편향거리이다. 와 의 원점은 전기장과 자기장이 인가되지 않았을 때 이온이 이온검출기(16)에 도달하는 위치이다. 는 이온의 전하, 은 이온의 질량이고, 와 는 인가된 전기장과 자기장의 세기이다. 도 2와 같이, 는 전기장과 자기장이 인가되는 공간에서 전극(14a)과 자극(14b)의 길이이고, 는 전기장과 자기장 인가되지 않는 공간에서 전극(14a)과 자극(14b)의 끝으 로부터 이온검출기(16)까지의 거리이다.here Is the deflection distance of ions in the direction deflected by the magnetic field, Is the deflection distance in the direction deflected by the electric field. Wow The origin of is the position where the ions reach the
위의 <5> 식에 의할 경우, 두 편향거리 와 사이에는 포물선의 방정식이 만족될 수 있고, 이온의 질량을 전하로 나눈 값(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 Wow In between, the parabolic equation can be satisfied and the mass of ions divided by the charge ( 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 =320V/mm, 자기장의 세기는 =0.16 T, 전극과 자극의 길이는 =100mm, 전극과 자극의 끝에서 이온검출기까지의 거리는 =200mm를 가정하였다.FIG. 3 shows Thomson parabolas of proton and carbon ions detected by
위의 <3> 식에 의하면 가 일정한 값을 갖는 수직선과 톰슨포물선이 만나는 교점(도 3에서 원형의 점)은 이온의 운동량을 전하로 나눈 값()이 같은 점에 해당하므로, 이 수직선을 전하당 등운동량 선(constant momentum-to-charge line)이라고 한다. 그리고, 위의 <4>식에 의하면 가 일정한 값을 갖는 수평선과 톰슨포물선이 만나는 교점(도 3에서 삼각형 점)은 이온의 운동 에너지를 전하로 나눈 값()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 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 ( ) Is the same, so this vertical line is called a constant momentum-to-charge line. And, according to <4> above 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 ( ) 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()은 다음의 식을 만족한다.In the case of the
-- <7> -<7>
이를 참고할 경우, 값이 같은 전하당 등운동량 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(원형 점)의 값은 에 비례한다. 값이 같은 전하당 등에너지 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(삼각형 점)의 값은 의 제곱근에 비례한다. 그리고, 속도가 일정한 등속도 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(사각형 점)의 값과 값은 모두 에 비례한다.In reference to this, Of the intersection (circular point) where the equi-molecular line per charge and the Thompson parabola meet The value is Proportional to Of the intersection (triangle point) where the equi energy-charged line and the Thompson parabola meet The value is Proportional to the square root of. And the intersection of the constant velocity line and the Thomson parabola Value and All values 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 값은 전하에 반비례하고, 전하당 등에너지 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(삼각형 점)의 값은 전하의 제곱근에 비례한다. 그리고, 등속도 선과 톰슨포물선이 만나는 교점(사각형 점)의 와 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 The value is inversely proportional to the charge, and the value of the intersection (triangle point) The value is proportional to the square root of the charge. And the intersection of the constant velocity line and the Thomson parabola Wow 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.
------ <8> ------ <8>
------ <9> ------ <9>
------- <10> ------- <10>
여기서, 의 첨자가 붙은 값은 종류를 알고 있는 기준이 되는 이온의 톰슨포물선에 해당하는 값이고, 의 첨자가 붙은 값은 종류를 모르는 이온에 해당하는 값이다. <8> 식은 전하당 등에너지 선과 톰슨포물선들이 만나는 교점의 값들을, <9> 식은 전하당 등운동량 선과 톰슨포물선들이 만나는 교점의 값들을 이용해 질량과 전하의 비율을 측정할 때 사용될 수 있다. 그리고 <10> 식은 등속도 선과 톰슨포물선들이 만나는 교점의 와 값을 이용해 질량과 전하의 비율을 측정하는데 사용될 수 있다.here, The value with the superscript is the thomson parabola of the ion that is the type of reference. 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. Values are expressed as the intersection of the equimolar lines and the Thomson parabola 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 Wow 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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 = 1.65 m일 때, 양성자의 에너지에 따른 비행시간을 보여준다. (b) 실선은, 자기장의 세기가 B = 0.16 T, 자극의 길이가 = 100 mm, 자극의 끝에서 이온 검출기까지의 거리가 = 200 mm일 때, 자기장에 의해 편향되는 방향으로 양성자의 편향거리 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 = 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 = 100 mm, the distance from the end of the stimulus to the ion detector = 200 mm, deflection distance of the proton in the direction deflected by the magnetic field 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 에 따라 변하는 광여기 냉광을 보여준다. 양성자가 편향거리 =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. The light changes depending on the cold light here. Proton Deflection Distance 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. 이온의 경우, 그 전하가 양성자에 비해 4배나 크고, 양성자의 에너지 0.5 MeV에 해당하는 전하당 등에너지 선까지 방출되므로, 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. 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. 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
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