KR20210080023A

KR20210080023A - 초고속 전자회절 장치

Info

Publication number: KR20210080023A
Application number: KR1020190172374A
Authority: KR
Inventors: 정영욱; 비노쿠로프 니콜라이; 김현우; 이기태; 장규하; 백인형
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-06-30
Also published as: KR102300008B1; JP7102495B2; US11728125B2; US20210193429A1; JP2021099338A

Abstract

본 발명은 초고속 전자회절 장치에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치는, 소정의 전자빔 펄스를 방출하는 광전자총; 상기 광전자총에서 방출된 전자빔의 진행 방향을 소정 각도 변경하여 방출하는 휨부; 및 상기 휨부에서 방출된 전자빔에 의해 분석되기 위한 시료가 포함되는 시료부를 포함할 수 있다.

Description

초고속 전자회절 장치{ULTRAFAST ELECTRON DIFFRACTION APPARATUS}

본 발명은 초고속 전자회절 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고주파 광전자총에서 발생하는 전자빔의 상태를 조절하는 초고속 전자회절 장치에 관한 것이다.

엑스선이나 전자빔과 같이 파장이 짧은 전자기파 또는 물질파를 이용하면, 사용자는 원자나 분자의 구조를 직접 관찰할 수 있다. 이에 대한 대표적인 기술이 전자현미경이다.

이러한 기술에 더하여 시료를 자극하는 펌핑광과 변화된 시료의 원자와 분자구조를 관측하는 프로브 빔인 전자빔이나 엑스선을 모두 아주 짧은 시간 동안 발생시켜 활용하면 시료의 구조변화도 측정할 수 있다. 시료의 구조변화를 측정할 때 시분해 회절기술을 사용하는데, 일반적으로 펌핑광은 극초단의 레이저 광원을 이용하고, 프로브 빔으로는 엑스선이나 전자빔과 같은 높은 에너지의 전자기파 또는 물질파를 사용한다.

최근, 4세대 방사광인 엑스선 자유전자 레이저(X-ray free-electron laser, X-FEL)와 상대론적 전자를 사용하는 초고속 전자회절(ultrafast electron diffraction, UED) 기술을 활용하는 경우, 시료의 구조변화를 원자나 분자 단위에서 약 100펨토초(fs)의 시간 정밀도로 관측할 수 있다.

상기와 같은 엑스선 자유전자 레이저 및 초고속 전자회절 기술은 원자와 분자의 구조변화를 읽는 도구로 각각 극초단 엑스선 또는 극초단 전자빔을 사용한다. 엑스선 자유전자 레이저 기술은 생체 물질이나 복합체와 같이 거대 분자나 두꺼운 시료의 연구에 적합하고, 초고속 전자회절 기술은 크기가 작은 분자나 박막, 기체상태 등과 같은 연구에 적합하다. 즉, 엑스선 자유전자 레이저 및 초고속 전자회절 기술은 상호보완적인 역할로 이용할 수 있다.

상기 기술들 모두 시간정밀도와 빔의 밝기를 향상시키는 것이 주요한 기술적인 과제이다. 시간정밀도를 향상시키기 위해서는, 사용하는 전자빔들의 펄스폭을 더 짧게 만들고 펄스 상호간의 시간흔들림을 줄여야한다. 또한, 전자빔의 밝기를 향상시키기 위해서는, 단일 펄스 엑스선의 출력과 전자빔의 전하량을 증가시켜야 한다.

초고속 전자회절에서 프로브로 사용하는 전자빔 펄스를 아주 짧게 만드는 것은 펄스 내에 모여 있는 음의 전하를 가지는 전자들이 서로 밀치는 힘인 공간전하력(space charge force)에 의해 제한된다. 전자빔의 밝기를 높이기 위해 더 많은 전자들을 사용하면 전자들의 공간전하력의 효과가 더욱 커짐에 따라 작은 거리를 진행하더라도 전자빔의 펄스 길이가 급격히 증가하는 문제가 발생한다.

전자빔의 운동에너지를 증가시켜 전자의 속도가 빛의 속도에 가까울수록 공간전하력은 줄어든다. 가속에너지가 너무 높아지면 장치의 크기가 급격히 커지기 때문에 대체로 고주파 광전자총에서 발생시키는 전자빔의 에너지(예컨대, 수백만 전자볼트(MeV))가 적정하다고 알려져 있다. 그리고 기존 기술들은 전자빔 펄스가 공간전하력에 의해 증가하는 것을 최소화하기 위해 초고속 전자회절 장치는 짧은 직선형 구조를 사용하고 있다. 또한, 일부의 초고속 전자회절 장치는 전자빔을 압축하기 위해 고주파 공동을 추가로 사용하는 경우도 있다. 이렇게 고주파 공동을 사용하여 전자빔을 압축하는 경우, 고주파 공동의 온도 변화와 고주파 전기장의 불안정성으로 인해 전자빔에 가해지는 고주파의 위상이 변하는 문제가 있다. 이 경우, 전자빔이 시료에 도달하는 시간흔들림이 커지므로 전체적으로 시간정밀도가 나빠지는 문제가 있다.

그리고 고주파 광전자총과 직선형 구조를 사용하는 초고속 전자회절 장치는, 약 100펨토초의 전자빔 펄스를 얻기 위해 10펨토쿨롱(fc) 이하의 낮은 전자빔 밝기를 사용해야 하는 문제가 있다. 또한, 이렇게 직선형 구조를 사용하는 경우, 한 개의 빔라인으로 구성됨에 따라 다수의 이용자가 사용할 때, 매번 실험장치를 새로 설치하여 사용해야 하는 문제가 있다.

일본 공개특허 제2018-146265호 (2018.09.20.)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 시간정밀도, 빔 밝기, 빔라인 수 등의 제한을 해결할 수 있고, 고주파 광전자총에서 발생하는 전자빔의 상태를 조절할 수 있는 초고속 전자회절 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치는, 소정의 전자빔 펄스를 방출하는 광전자총; 상기 광전자총에서 방출된 전자빔의 진행 방향을 소정 각도 변경하여 방출하는 휨부; 및 상기 휨부에서 방출된 전자빔에 의해 분석되기 위한 시료가 포함되는 시료부를 포함하고, 상기 휨부를 통해 전자빔의 진행 방향이 소정 각도 변경됨에 따라 상기 시료부에 상기 전자빔이 가지는 상기 소정의 펄스가 압축된 상태로 도달할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치는, 시간 간격을 두고 전자빔을 독립적으로 복수 회 방출하는 광전자총; 상기 광전자총에서 방출된 전자빔의 진행 방향을 소정 각도 변경하여 방출하는 휨부; 및 상기 휨부에서 방출된 전자빔에 의해 분석되기 위한 시료가 포함되는 시료부를 포함하고, 상기 광전자총의 고주파 위상 선택과 상기 휨부를 통해 전자빔의 각도가 변경됨에 따라 상기 시료부에 독립적으로 방출된 복수 개의 전자빔들의 평균에너지 변화에 대한 시간흔들림이 상쇄된 상태로 도달할 수 있다.

본 발명에 의하면, 물질의 원자나 분자의 구조와 운동을 동시에 측정할 수 있으며, 시간정밀도를 종래에 비해 개선하면서 전자빔의 밝기를 종래에 비해 약 100배 정도까지 향상시킬 수 있다.

특히, 고주파 광전자총을 사용할 때, 전자빔과 레이저 빔이 시료에 도달하는 시간의 상대적인 차이가 흔들리는 것을 원천적으로 상쇄할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 고주파 광전자총을 사용하는 초고속 전자회절 기술의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 초고속 전자회절 기술에서 고주파 공동을 사용하여 전자빔을 압축하는 기술을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치를 동일한 평면상에 구성한 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치에서 빔라인이 90도인 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치에서 전자빔을 압축할 때의 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치에서 광전자총에서 발생한 전자빔이 시료에 도달하는 시간흔들림을 상쇄하는 상태를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치에서 암전류의 제거 및 펌핑광의 입사궤적을 일치시키는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치를 공간상에 구성한 것을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 다음의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명이 명료해지도록 생략할 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명한다.

도 1을 참조하여, 초고속 전자회절 기술에 대해 보다 상세하게 설명한다. 먼저, 엑스선 자유전자 레이저 기술은 길이가 약 1km 이상이고, 건설비만 수천억 원에서 1조 원 이상 소요되는 초대형 과학 시설을 이용한다. 그에 반해 초고속 전자회절 기술은 수 미터의 크기로 실험실에 설치할 수 있다. 초고속 전자회절 기술은 구현하기 위한 장비도 수십억 원을 넘지 않아 엑스선 자유전자 레이저 기술에 비해 상대적으로 매우 경제적인 기술이다. 초고속 전자회절 기술의 개발 핵심은 엑스선 자유전자 레이저 기술과 비교하여 동등한 시간 및 밝기 성능을 얻는 것이다.

따라서 도 1에 도시된 바와 같이, 초고속 전자회절 장치(1)는, 시료를 향해 전자빔(12)을 방출하는 광전자총(110)을 포함하고, 광을 방출하는 광원부를 포함한다. 이때, 광원부에 방출된 광은 두 개의 펨토초 레이저 펄스로 분기되며, 하나의 펨토초 레이저 펄스는 자외선(21)으로 파장 변환되어 광전자총(110)으로 입사된다. 광전자총(110)은 입사된 자외선(21)을 이용하여 프로브로 사용되는 전자빔 펄스를 생성하여 전자빔(12)을 방출한다. 그리고 다른 하나의 펨토초 레이저 펄스는 시료에 조사되어 시료를 펌핑(여기 또는 자극)하는데 사용된다. 이렇게 시료에 조사되는 펌핑광(23)의 경로를 조절하면, 펌핑 이후에 시료 내의 원자와 분자들의 시간적인 구조 변화를 관측할 수 있다.

엑스선 자유전자 레이저 기술 및 초고속 전자회절 기술에서는, 모두 시간정밀도 및 전자빔(12)의 밝기를 향상시키는 것이 중요한데, 시간정밀도 또는 시간분해능

는 수학식 1과 같이 표현된다.

[수학식 1]

여기서,

는 펌핑광(23)의 펄스폭(펄스의 시간단위 길이)이며,

는 프로브인 전자빔(또는 엑스선)의 펄스폭이고,

는 펌핑광(23)과 프로브인 전자빔이 시료에 도달하는 시간의 흔들림(timing jitter)이며,

는 시료에서의 전자빔과 자외선(21) 사이의 속도 차이에 의한 유효 펄스폭 증가를 나타낸다.

고주파 가속기를 사용하는 엑스선 자유전자 레이저 기술과 상대론적 초고속 전자회절 기술에서

를 줄이는 것이 어려운 것으로 알려져 있다.

그리고 전자빔(12)의 밝기는 펄스 속에 포함된 광자나 전자의 수에 따라 결정되는데, 일반적으로 엑스선 자유전자 레이저 기술은 단일 펄스에 약 10¹²개의 광자를 포함하기 때문에 단일 펄스로 물질의 구조 변화를 관측하는 것이 가능하다.

한편, 하전입자인 전자는 엑스선에 비해 산란능이 대략 십만 배에서 백만 배 정도 강력하기 때문에 펄스 당 약 10⁶개의 전자가 포함되면 엑스선 자유전자 레이저 기술과 같은 성능을 발휘할 수 있다. 그런데, 하전입자인 전자가 아주 작은 시공간에 일정 이상 모이면, 서로 밀치는 공간전하력이 강력하게 발생하고, 이 때문에 전자빔(12)의 특성이 나빠지고, 급격히 펄스폭이 커지는 문제가 발생할 수 있다.

그에 따라 현재까지 개발된 상대론적 초고속 전자회절 기술은 고주파 광전자총(110)에서 약 100팸토초의 펄스폭을 가진 전자빔(12)을 발생시키고, 전자빔(12)의 직선 경로에서 가능하면 가까운 위치에 시료를 배치하여 전자빔(12)의 퍼짐 현상을 최소화하도록 개발된 장치를 이용한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 초고속 전자회절 기술에 따른 장치는, 전자빔(12)의 펄스폭이 커지는 정도와 단일 펄스에 얼마나 많은 전자가 포함되어 있는 지가 중요한 요소로 작용한다.

전자빔(12)에 전자가 펄스 당 약 105개 이상이 포함되거나 전자빔(12)이 수십 펨토쿨롱(fC) 이상이 되면, 전자빔(12)은 약 1m를 진행하더라도 급격히 펄스폭이 커진다. 그에 따라 도 2에 도시된 바와 같이, 고주파 공동(30)을 이용하여 전자빔(12)을 압축하는 기술이 이용된다. 고주파 공동(30)은 도시된 바와 같이, 두 개가 이용될 수 있으며, 두 개의 고주파 공동(30)을 이용하여 전자빔(12) 진행 방향에서 앞 측에서 이동하는 전자를 감속시키고, 전자빔(12) 진행 방향에서 뒤 측에서 이동하는 전자를 가속시킨다. 이렇게 전자빔(12)의 전자에 대한 가속 및 감속의 정도를 전자의 펄스 내 종축 위치에 따라 선형적으로 형성시킨다. 이러한 전자빔(12)의 속도분포를 양의 처프(positive chirp)라 한다.

따라서 전자빔(12)은 일정 거리 동안 진행하면서, 앞에서 진행하는 전자가 상대적으로 천천히 움직이고, 뒤에서 진행하는 전자가 상대적으로 빠르게 움직여 소정의 시점에 전자들이 모일 수 있다. 이렇게 전자들이 모이는 것을 속도압축(velocity compression) 또는 탄도압축(ballistic compression)이라 한다.

상기와 같이, 속도압축이나 탄도압축에 이용되는 고주파 공동(30)은 온도나 환경에 따라 고주파 위상이 변할 수 있으며, 그로 인해 전자빔(12)이 시료에 도달하는 시간의 흔들림을 증가시킬 수 있다.

그에 따라 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치(1)를 이용한다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치(1)는, 광전자총(110), 광원부, 휨부(120, 140), 제1 사중극자석 모듈(130), 제2 사중극자석 모듈(132), 시료부(150) 및 검출부(160)를 포함한다. 이때, 휨부(120, 140)는 주휨부(120) 및 보조휨부(140)를 포함한다. 이러한 보조휨부(140)는 다수 개 제공될 수 있으며, 하나의 주휨부(120)와 연동될 수 있다. 또한, 초고속 전자회절 장치(1)는, 다수의 빔라인을 포함한다.

광전자총(110)은, 펄스 RF 신호를 사용하여 소정의 에너지를 갖는 전자빔을 방출한다. 본 실시예에서, 광전자총(110)에서 방출되는 전자빔은 약 2MeV 내지 4MeV의 에너지를 가지며, 전자빔 전하량(bunch charge)은 약 1pC 이고, 전자빔의 길이(bunch duration)는 약 100fs 이다. 본 실시예에서, 광전자총(110)에서 방출된 전자빔의 크기가 약 150㎛ 내지 500㎛이고, 전자빔의 길이가 약 50fs 내지 300fs일 때, 전하량은 약 0.1pC 내지 5pC일 수 있다.

광원부는 광전자총(110)에서 프로브로 사용하는 전자빔 펄스를 생성하기 위한 자외선(21)을 방출하고, 또한, 시료를 펌핑(여기, 자극)하기 위한 펌핑광(23)을 시료부(150) 측으로 방출한다. 이때, 광원부는 하나의 광을 분기하고, 분기된 광 중 어느 일부를 자외선(21)으로 파장 변환하여 광전자총(110) 측으로 방출하고, 분기된 광 중 다른 일부를 펌핑광으로서 보조휨부(140)에 입사시켜 시료부(150) 측으로 진행하게 한다.

본 실시예에서, 광원부에서 분기되어 자외선(21)으로 방출되는 광은 광전자총(110)으로 직접 조사될 수 있다. 그리고 분기된 다른 광은 펌핑광(23)으로 시료부(150) 측으로 방출되는데, 펌핑광(23)은 휨부(120, 140)를 통해 시료부(150)측으로 방출될 수 있다. 이에 대한 자세한 내용은 후술한다.

주휨부(120)는 광전자총(110)의 후단에 배치되며, 광전자총(110)에서 방출된 전자빔이 조사된다. 주휨부(120)는 이극자석으로 구성되고, 이극자석의 자기장 세기의 조절이 가능하다. 따라서 주휨부(120)에 포함된 이극자석은 영구자석 또는 전자석으로 구성될 수 있다. 또한, 주휨부(120)의 형상은, 원형, 사각형 형상 또는 그 외의 다른 형상으로 형성될 수 있다.

주휨부(120)는 광전자총(110)으로부터 조사된 전자빔의 각도를 인가된 자기장의 세기에 따라 변경한다. 본 실시예에서, 주휨부(120)는 소정의 평면상에서 예컨대, 전자빔을 약 0도, 22.5도, 45도 및 67.5도 등의 각도로 변경할 수 있다. 여기서, 평면상에서 변경된 각도(θ)는 도 3에 도시된 바와 같이, 전자빔이 방출되는 방향(예컨대, 제4 빔라인(BL4))을 기준으로 각도가 변경된 전자빔이 방출되는 방향 사이의 각도이다.

제1 사중극자석 모듈(130)은, 일 측이 주휨부(120)를 향하고, 타 측이 보조휨부(140)를 향하도록 배치된다. 제1 사중극자석 모듈(130)은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 주휨부(120)와 보조휨부(140) 사이에 배치되는 세 개의 사중극자석을 포함할 수 있으며, 주휨부(120)에서 방출된 전자빔을 집속하는 역할을 한다. 즉, 제1 사중극자석 모듈(130)은 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈의 역할을 한다.

보조휨부(140)는 제1 사중극자석 모듈(130)과 연결되며, 제1 사중극자석 모듈(130)에서 방출된 전자빔을 수신하여 각도를 변환한 이후에 방출한다. 이때, 보조휨부(140)는 주휨부(120)와 마찬가지로 이극자석으로 구성되고, 이극자석의 자기장 세기의 조절이 가능하다. 이를 위해 보조휨부(140)에 포함된 이극자석은 영구자석 또는 전자석으로 구성될 수 있다. 그리고 보조휨부(140)의 형상은, 원형, 사각형 형상 또는 그 외의 다른 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 보조휨부(140)는 다수 개 제공될 수 있으며, 다수 개의 보조휨부(140) 중 적어도 일부의 보조휨부(140)는 서로 다른 가상의 평면상에 놓이도록 구성될 수 있다.

보조휨부(140)는 제1 사중극자석 모듈(130)으로부터 방출된 전자빔의 각도를 인가된 자기장의 세기에 따라 변경한다. 본 실시예에서, 소정의 평면상에서 예컨대, 전자빔을 약 0도, 22.5도, 45도 및 67.5도 등의 각도로 변경할 수 있다. 본 실시예에서, 보조휨부(140)에서 변경하는 전자빔의 각도는 주휨부(120)에서 변경하는 전자빔의 각도와 동일할 수 있다.

예컨대, 주휨부(120)에서 22.5도의 각도로 전자빔의 각도를 변환하면 보조휨부(140)도 동일하게 22.5도의 각도로 전자빔의 각도를 변환할 수 있다. 그에 따라 시료부(150)가 배치되는 빔라인은 광전자총(110)에서 방출된 전자빔의 방향과 45도의 각도를 가질 수 있다.

본 실시예에서, 보조휨부(130)는 필요에 따라 생략될 수 있 다. 이 경우에는 주휨부(120)에서 방출된 전자빔의 진행 방향이 전자빔의 최종적인 진행 방향이 된다.

제2 사중극자석 모듈(132)은 일 측이 보조휨부(140)에 연결되고, 타 측이 시료부(150)에 연결된다. 본 실시예에서, 제2 사중극자석 모듈(132)은 세 개가 구비되며, 보조휨부(140)에서 방출된 전자빔을 집속하는 역할을 한다.

시료부(150)는 내부에 시료가 배치되고, 제2 사중극자석 모듈(132)을 통해 방출되는 전자빔이 조사된다. 본 실시예에서, 시료부(150)에는 전자빔과 함께 앞서 설명한 펌핑광(23)이 함께 입사될 수 있다.

검출부(160)는 시료부(150)를 통과한 전자빔이 검출된다. 이를 위해 검출부(160)는 검출되는 전자빔을 이용하여 시료부(150)에 포함된 시료를 분석할 수 있다.

빔라인(BL1 내지 BL7)은, 본 실시예에서, 보조휨부(140), 제2 사중극자석 모듈(132), 시료부(150) 및 검출부(160)가 배치된 라인으로 정의하며, 빔라인(BL1 내지 BL7)은 직선 형상을 가질 수 있다. 다시 말해, 빔라인(BL1 내지 BL7)은 보조휨부(140)로부터 방출된 전자빔은 시료부(150)를 향해 직선으로 진행하도록 구성될 수 있다. 따라서 광전자총(110)에서 방출된 전자빔은 주휨부(120) 및 보조휨부(140)에서 각각 각도가 변경된 다음 빔라인(BL1 내지 BL7)을 통해 직선 형상으로 시료부(150)를 거쳐 검출부(160)까지 진행할 수 있다.

본 실시예에서, 예를 들어, 빔라인(BL6)이 90도로 꺾인 상태일 때, 광전자총(110)에서 발생된 전자빔이 약 3.1MeV이고, 빔라인(BL6)의 길이가 3.2m인 경우, 전자빔의 에너지 분포가 ??61eV/fs를 만족해야 한다. 이 경우 빔라인(BL6)의 길이는 2m 내지 5m일 수 있고, 이때 전자빔이 가지는 소정의 펄스가 압축되기 위해 전자빔이 가지는 에너지 분포 범위는 -60 eV/fs ㅁ 15%일 수 있다.

이는 광전자총(110)에서 방출된 전자빔이 주휨부(120) 및 보조휨부(140)를 거쳐 진행 방향이 회전됨에 따라 전자빔이 압축됨과 동시에 시간흔들림이 상쇄되는데, 전자빔이 최대로 압축되면서 시간흔들림이 상쇄되는 위치에 시료부가 배치되어야 하기 때문이다. 따라서 전자빔의 에너지 분포 범위 및 휨부(120, 140)의 휘어진 정도에 따라 빔라인의 길이가 설정될 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는, 초고속 전자회절 장치(1)는 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 빔라인을 가지도록 구성되는데, 이때, 도 4 및 도 5를 참조하여, 광전자총(110)에서 방출된 전자빔을 압축(compression)하는 것에 대해 설명한다.

광원부에서 방출된 광을 분기하여 파장 변환된 자외선(21)이 광전자총(110)에 입사되면 전자빔들이 발생하고, 전자빔들 간에는 전하밀도에 의해 서로 밀치는 공간전하력이 작용한다. 예컨대, 100fs의 펄스폭과 0.5mm의 직경을 가진 전자빔 공간에 약 1pC의 전하를 발생시키면, 전자빔의 앞쪽에 위치한 전자들은 서로의 반발력 때문에 더 빠르게(에너지가 커지고) 움직이고, 뒤쪽에 위치한 전자들은 더 느리게(에너지가 작아지게) 움직인다. 이러한 속도 분포를 음의 처프(negative chirp) 상태라 한다.

이때, 전자빔이 도 4에 도시된 바와 같이, 전자빔이 소정의 각도(예를 들어 90도)를 갖는, 휨부(120, 140)를 통과하면, 앞쪽에 배치된 속도가 빠른 전자들은 휨부(120, 140)의 바깥쪽의 상대적으로 긴 경로(곡률 반경이 큰 경로)로 움직이며, 뒤쪽에 배치된 속도가 느린 전자들은 휨부(120, 140) 안쪽의 상대적으로 짧은 경로(곡률 반경이 작은 경로)로 움직인다. 그에 따라 전자빔의 상대적인 위치 분포가 달라지는데, 속도가 느린 전자들이 상대적으로 짧은 경로로 이동하여 속도가 빠른 전자들보다 앞에 위치하고 속도가 빠른 전자들이 긴 경로로 이동하여 속도가 느린 전자들보다 뒤에 위치하게 된다. 이렇게 상태가 변경된 것을 양의 처프(positive chirp) 상태라 한다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따르면 고주파 공동과 같이 고주파 전기장을 가해주지 않고도, 전자빔이 휨부(120, 140)를 통과하는 것으로 양의 처프 상태가 될 수 있다.

따라서 전자빔은 주휨부(120) 및 보조휨부(140)를 거쳐 직선 형상의 빔라인을 따라 이동하면서 전자들의 속도 차이 때문에 자연스럽게 모든 전자들이 진행할수록 동일한 위치가 되도록 이동한다. 다시 말해, 휨부(120, 140)에서 방출된 직후에는 느린 속도의 전자들이 빠른 속도의 전자들보다 앞에서 진행하지만, 직선 형상의 빔라인을 통해 진행함에 따라 빠른 속도의 전자들이 느린 속도의 전자들을 따라 잡아 서로 간의 위치 차이가 거의 없게 진행하게 된다. 이렇게 전자들의 서로 간의 위치 차이가 없게끔 이동하는 것을 속도 압축(velocity compression) 또는 탄도 압축(ballistic compression)이라 한다. 다시 말해, 전자들은 휨부(120, 140)를 거친 후 직선 형상의 빔라인을 통해 진행함으로써 서로 동일하거나 소정 범위 오차 내의 상대적 위치를 가지며 이동하게 된다. 그리고 전자빔의 전자들(전자빔의 펄스)이 가장 압축된 지점에 시료를 포함하는 시료부(150)가 배치된다.

이때, 도 5의 (a)에 도시된 그래프는 광전자총(110)에서 전자빔이 방출된 위치(A)에서 전자빔이 음의 처프 상태를 나타낸 것이고, 도 5의 (b)에 도시된 그래프는 주휨부(120) 및 보조휨부(140)를 거쳐 전자빔의 각도가 변경된 위치(B)에서 전자빔이 양의 처프 상태를 나타낸 것이다. 그리고 도 5의 (c)에 도시된 그래프는, 시료부(150)의 위치(C)에서 전자빔의 펄스가 가장 압축된 상태를 나타낸 것이다.

그리고 시료부(150)를 통과한 전자빔은 그 이후에 펄스폭이 증가한다. 하지만, 펄스폭이 가장 압축된(가장 줄어든) 지점에서 시료의 구조정보에 따라 전자들이 회절이 이루어지며, 그 상태로 검출부(160)에 검출된다.

또한, 본 실시예에서, 도 4 및 도 6을 참조하여, 초고속 전자회절 장치(1)가 광전자총(110)에서 발생한 시간흔들림을 상쇄시키는 기능에 대해 설명한다.

광전자총(110)은 시간 간격을 두고 전자빔을 독립적으로 복수 회 방출하도록 구성된다. 이러한 독립적인 전자빔은 이론적으로는 일정한 평균 운동에너지를 가져야 하지만, 실제로는 서로 다른 평균에너지를 가진다. 이처럼 전자빔이 서로 다른 평균에너지를 가지면, 광전자총(110)에서 발생한 전자빔이 시료에 도달하는 시간 또한 달라질 수 있다. 광전자총(110)이 전자빔을 발생시킴에 있어서 여러 가지 요인으로 인해 고주파의 위상과 자외선(21)이 입사하는 시간이 흔들릴 수 있다. 특히, 광전자총(110)의 온도의 변화, 입력 고주파의 위상과 출력의 흔들림 등이 이러한 전자빔 펄스의 평균 운동에너지가 달라지는 주된 원인이 될 수 있다. 초고속 전자회절 장치(1)가 직선형 구조인 경우, 이러한 평균 운동에너지의 변화는 전자빔 펄스가 시료에 도달하는 시간의 흔들림이 되며, 직선 구간의 길이가 길수록 시간흔들림은 커진다. 전자빔의 평균 운동에너지 변화로 전자빔 펄스가 광전자총(110)에서 빠져 나오는 시간이 달라진다. 하지만, 본 실시예에서와 같이, 휨구조를 가지는 초고속 전자회절 장치는, 이러한 전자빔 펄스의 평균 운동에너지 변화가 있더라도 전자빔이 시료에 도달하는 시간흔들림을 완전히 상쇄할 수 있다. 광전자총(110)에서 발생된 평균에너지가 높은 전자빔은 광전자총을 빠르게 빠져나오지만, 반대로 휨구조에서 긴 경로를 지나므로 상대적으로 더 많은 시간이 소요된다. 따라서 이 두 시간이 서로 상쇄됨에 따라 광전자총(110)의 위상 기울기를 조절하면 광전자총(110)에서 발생한 평균 운동에너지의 변화가 있더라도 전자빔이 시료에 도달하는 시간흔들림이 없는 조건을 실현할 수 있다.

도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 광전자총(110)에서 전자빔이 방출된 위치(A)에서 전자빔의 평균적인 에너지 분포가 상대적으로 중간 상태인 #1, 평균적인 에너지 분포가 상대적으로 높은 #2, 평균적인 에너지 분포가 상대적으로 낮은 #3의 기준 시점에 대한 방출 시점을 비교하면, #2의 전자빔이 상대적으로 빠른 시점에 방출되었고, #3의 전자빔이 상대적으로 느린 시점에 방출되었으며, #1이 기준 시점에 방출된 것을 확인할 수 있다.

그리고 도 6의 (b)에 도시된 그래프는 도 6의(a)에 도시된 동일 전자빔이 주휨부(120) 및 보조휨부(140)를 거쳐 전자빔의 각도가 변경된 위치(B)에서 전자빔의 에너지 분포를 나타낸다. 따라서 전자빔의 평균적인 에너지 분포가 상대적으로 중간 상태인 #1, 평균적인 에너지 분포가 상대적으로 높은 #2, 평균적인 에너지 분포가 상대적으로 낮은 #3의 기준 시점에 대한 방출 시점을 비교하면, #2의 전자빔이 상대적으로 느린 시점에 시작되고, #3의 전자빔이 상대적으로 빠른 시점에 시작되며, #1이 기준 시점에 시작된 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광전자총(110)으로부터 전자빔들이 독립적으로 복수 회 방출될 당시에는, 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)와 같이 각각의 전자빔들 간에 고주파 위상의 변화 등에 의해 평균 운동에너지의 변화가 존재하더라도, 이러한 전자빔들이 광전자총(110)을 빠져 나오는 시간차이와 휨부(120, 140)를 지나고 직선 형상을 가지는 빔라인을 지나가는 시간차이를 서로 상쇄시켜 각각의 전자빔들이 시료에 도달하는 시간흔들림을 원천적으로 없앨 수 있다. 다시 말해, 기준 시점보다 빠른 시점에 방출된 전자빔은 평균적으로 높은 에너지 분포를 가지므로 휨부(120, 140)를 지나면서 긴 경로(곡률 반경이 큰 경로)를 따라 이동하여 휨부(120, 140)에서 상대적으로 늦게 방출된다. 따라서 기준 시점보다 빠른 시점에 방출된 전자빔은 기준 시점에 방출된 전자빔이 광전자총(110)으로부터 방출되어 시료부(150)까지 도달하는데 소요된 시간과 동일한 시간이 소요될 수 있다. 또한, 기준 시점보다 느린 시점에 방출된 전자빔은 평균적으로 낮은 에너지 분포를 가지므로 휨부(120, 140)를 지나면서 짧은 경로(곡률 반경이 작은 경로)를 따라 이동하여 휨부(120, 140)에서 상대적으로 빨리 방출된다. 따라서 기준 시점보다 느린 시점에 방출된 전자빔은도 기준 시점에 방출된 전자빔이 광전자총(110)으로부터 방출되어 시료부(150)까지 도달하는데 소요된 시간과 동일한 시간이 소요될 수 있다.

상기와 같이, 광전자총(110)에서 방출된 전자빔의 평균 운동에너지가 변하면 광전자총(110)을 빠져나오는 시간이 달라지지만, 주휨부(120) 및 보조휨부(140)에서 전자빔을 각각 회전시킴에 따라 시료부(150)까지 전자빔이 도착하는 시간의 차이를 상쇄시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서, 도 7을 참조하여, 광전자총(110)에서 발생하는 암전류(33)를 제거하는 기능에 대해 설명한다.

광전자총(110)은 자외선(21)이 입사되는 순간에만 전자빔이 발생한다. 하지만, 자외선(21)이 입사되지 않더라도 가속 전기장이 있는 경우, 광음극의 미세한 나노 굴곡이나 이물질 등으로 인해 낮은 전류의 전자빔이 발생할 수 있다. 이렇게 광전자총(110)에서 발생된 낮은 전류의 전자빔이 암전류(33)이다. 암전류(33)는 전자빔에 비해 전류값이 낮지만 긴 시간 동안 방출되기 때문에 무시하지 못할 정도의 잡음이 될 수 있다.

전자회절 무늬를 촬영하는 검출부(160)인 ICCD 또는 EMCCD의 촬영 시간이 수 나노초에서 수 마이크로초이고, 전자빔이 발생하는 시간은 1피코초보다 짧은 시간에 발생하지만, 암전류(33)는 지속적으로 방출되기 때문이다. 따라서 암전류(33)을 제거하기 위해 도 7에 도시된 바와 같이, 전자빔만 통과할 수 있는 필터부(122)를 배치할 수 있다. 본 실시예에서, 주휨부(120) 및 보조휨부(140)를 통해 전자빔이 회전됨에 따라 에너지와 공간필터 기능이 포함될 수 있다. 따라서 필터부(122)가 적절한 위치에 배치되는 경우, 암전류(33)의 대부분이 제거될 수 있다. 본 실시예에서, 필터부(122)는 주휨부(120)의 후단에 배치된 것으로 설명하지만, 필요에 따라 시료부(150)의 전단에 추가로 설치될 수 있다. 또한, 필터부(122)는 광전자총(110)과 휨부(120, 140) 사이에 배치될 수 있고, 또한, 필요에 따라 주휨부(120)와 보조휨부(140) 사이에 배치될 수 있다.

또한, 도 7을 참조하여, 펌핑광(23)과 전자빔의 입사 궤적을 일치시켜 시간 성능을 향상시키는 것에 대해 설명한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 전자빔을 회전시킬 때, 전자빔의 진행 방향과 펌핑광(23)의 진행 방향을 일치시킬 필요가 있다. 이를 위해 전자빔의 진행 방향에 일치하도록 펌핑광(23)의 입사 각도를 일치시키면 전자빔과 펌핑광(23)의 진행 방향이 일치하여 시료를 통과할 때, 시간정밀도가 안 좋아지는 요소를 제거할 수 있다.

특히, 상대론적인 에너지의 전자빔을 사용하는 경우, 전자빔의 속도는 빛의 속도에 거의 도달하기 때문에 속도차이에 의해 발생하는 전자빔 펄스폭의 확대 효과를 최소화할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 초고속 전자회절 장치(1)를 공간상에 구성한 것에 대해 설명한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 하나의 광전자총(110)의 하부에 하나의 주휨부(120)가 배치된다. 그리고 주휨부(120)의 하부 일 측에 다수 개의 보조휨부(140)가 배치될 수 있으며, 다수의 보조휨부(140)의 외측 방향에 각각 다수 개의 시료부(150)가 배치되어 다수 개의 빔라인이 배치될 수 있다. 따라서 도시된 바와 같이, 다수 개의 빔라인은 광전자총(110)과 주휨부(120)를 연장한 가상의 선과 약 90도의 각도를 가질 수 있다.

이때, 광전총, 주휨부(120), 하나의 보조휨부(140) 및 하나의 시료부(150)의 배치를 보면, 도 4에 도시된 평면상에서의 배치와 동일할 수 있다. 본 실시예에서, 다수의 빔라인이 90도의 각도를 가지는 것으로 설명하지만, 각 빔라인은 필요에 따라 다른 각도를 가지도록 변형될 수 있으며, 공간상에 빔라인이 배치됨에 따라 각 빔라인은 독립적으로 각도가 설정될 수 있다.

또한, 다수의 빔라인이 모두 90도 각도를 가짐에 따라 각 빔라인에서 전자빔의 분산을 완벽하게 상쇄할 수 있다.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이므로, 본 발명이 상기 실시예에만 국한되는 것으로 이해돼서는 안 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어야 할 것이다.

12: 전자빔
21: 자외선
23: 펌핑광
30: 고주파 공동
33: 암전류
110: 광전자총
120: 주휨부
122: 필터부
130: 제1 사중극자석
132: 제2 사중극자석
140: 보조휨부
150: 시료부
160: 검출부

Claims

소정의 전자빔 펄스를 방출하는 광전자총;
상기 광전자총에서 방출된 전자빔의 진행 방향을 소정 각도 변경하여 방출하는 휨부; 및
상기 휨부에서 방출된 전자빔에 의해 분석되기 위한 시료가 포함되는 시료부를 포함하고,
상기 휨부를 통해 전자빔의 진행 방향이 소정 각도 변경됨에 따라 상기 시료부에 상기 전자빔이 가지는 상기 소정의 펄스가 압축된 상태로 도달하는,
초고속 전자회절 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 휨부는 주휨부 및 다수 개의 보조휨부를 포함하고,
상기 주휨부를 통과하여 다수 개의 상기 보조휨부 각각을 통해 방출되는 상기 전자빔은 서로 다른 각도의 진행 방향을 갖는,
초고속 전자회절 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 휨부는 다수 개이고,
다수 개의 상기 휨부는 전자빔이 서로 다른 경로를 따라 이동되도록 배치된,
초고속 전자회절 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 휨부는 주휨부 및 다수 개의 보조휨부를 포함하며,
다수 개의 상기 보조휨부 중 적어도 일부는 상기 주휨부로부터 소정 거리 이격된 가상의 평면상에 배치된,
초고속 전자회절 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 휨부로부터 방출된 전자빔은 상기 시료부를 향해 직선으로 진행하도록 구성되는,
초고속 전자회절 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 시료부는 상기 휨부에서 방출된 전자빔이 최대로 압축되는 범위의 위치에 배치된,
초고속 전자회절 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 광전자총은 시간 간격을 두고 전자빔을 독립적으로 복수 회 방출하도록 구성되고,
상기 시료부는 독립적으로 방출된 복수 개의 전자빔들이 상기 휨부에서 방출된 전자빔의 평균에너지 변화에 대한 시간흔들림이 상쇄되는 범위의 위치에 배치된,
초고속 전자회절 장치.
제 5 항에 있어서,
레이저를 방출하는 광원부를 더 포함하고,
상기 광원부에서 방출된 레이저로부터 분기된 어느 일부는 상기 광전자총으로 입사되고,
상기 광원부에서 방출된 레이저로부터 분기된 다른 일부는 펌핑광으로서 상기 휨부에 입사하는,
초고속 전자회절 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 휨부는 주휨부 및 보조휨부를 포함하고,
상기 펌핑광은 상기 보조휨부로 입사하여, 상기 보조휨부로부터 방출된 전자빔을 따라 상기 시료부로 진행하는,
초고속 전자회절 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 광원부는 상기 광전자총에 입사시키기 위해 상기 레이저에서 분기된 일부를 자외선으로 파장 변환하여 방출하는,
초고속 전자회절 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 휨부는 주휨부 및 보조휨부를 포함하고,
상기 주휨부와 상기 보조휨부 사이에 배치되며, 상기 주휨부에서 방출된 전자빔을 집속하는 제1 사중극자석 모듈을 더 포함하는,
초고속 전자회절 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 휨부는 주휨부 및 보조휨부를 포함하고,
상기 보조휨부 및 시료부 사이에 배치되며, 상기 보조휨부에서 방출된 전자빔을 집속하는 제2 사중극자석 모듈을 더 포함하는,
초고속 전자회절 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광전자총과 휨부 사이에 배치되고, 상기 광전자총에서 전자빔과 함께 방출되는 암전류를 필터링하는 필터부를 더 포함하는,
초고속 전자회절 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광전자총에서 방출된 전자빔의 에너지는 2MeV 내지 4MeV인,
초고속 전자회절 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 광전자총에서 방출된 전자빔의 크기는 150㎛ 내지 500㎛이고, 전자빔의 길이는 50fs 내지 300fs이며, 전자빔의 전하량은 0.1pC 내지 5pC인,
초고속 전자회절 장치.
시간 간격을 두고 전자빔을 독립적으로 복수 회 방출하는 광전자총;
상기 광전자총에서 방출된 전자빔의 진행 방향을 소정 각도 변경하여 방출하는 휨부; 및
상기 휨부에서 방출된 전자빔에 의해 분석되기 위한 시료가 포함되는 시료부를 포함하고,
상기 광전자총의 주파수 위상의 선택과 상기 휨부를 통한 전자빔의 각도 변경에 따라, 상기 시료부에 독립적으로 방출되고 서로 다른 평균에너지를 가지는 복수 개의 전자빔들이 시간흔들림이 상쇄된 상태로 도달하는,
초고속 전자회절 장치.