[논문]주사전자현미경에서 가속전압의 안정성 연구

배문섭; 오상호; 조양구; 이확주

주사전자현미경에서 가속전압의 안정성 연구
A Study on the Stability of the Accelerating Voltages in Scanning Electron Microscopy 원문보기

한국전자현미경학회지 = Korean journal of electron microscopy, v.34 no.1, 2004년, pp.51 - 59

배문섭 (한국표준과학연구원 물질량 표준연구부) , 오상호 (한국표준과학연구원 물질량 표준연구부) , 조양구 (한국표준과학연구원 물질량 표준연구부) , 이확주 (한국표준과학연구원 물질량 표준연구부)

초록
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주사전자현미경(SEM)에서 전자를 발생시키는 전자총 부분의 고압발생 장치를 설계 제작하고 그 안정성을 시험하였다. 고전압을 발생시키는 switching 주파수는 고압트랜스의 1차 측 임피던스와 인덕턴스에 matching 되는 주파수에서 최적의 전압 안정도가 유지되었다. 1차 측의 고압트랜스의 turn 수가 적으면 인덕턴스가 낮으므로 최적적인 matched switching 주파수가 높은 쪽으로 올라간다. 최대 출력 전압은 -30 kV 이상 출력되었으나 안정도는 출력전압이 -5 kV에서 10 kV 범위에서 가장 좋게 나타났다. 23.8 kHz에서 출력파형의 흔들림 없었고 DC 고전압 출력 또한 최고의 안정도을 보였다. 이때 도출된 전압 안정도는 ${\pm}0.002%$였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The high acceleration voltage system used in scanning electron microscope were designed and manufactured to test its stability. The Cockcroft-Walton circuits are used both in the cathode voltage up to -30 kV and in the Wehnelt cylinder of -2 kV. The operating voltage of 6 V was applied to the heating of the filament. The wave forms which are formed in the second leg of the high voltage transformer were observed in the oscilloscope with 2 V of DC input. When the high voltages were in the range between 5 kV and 12 kV, the highest value of the stabilities of the generated voltages was obtained as 0.002%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

SEM은 가속전압 이 lkV에서 30kV에 걸쳐 가변 전압을 사용하므로 SEM 장비 의 사용 중에 안정된 가속전압을 인가하는 것은 아주 중요하다. 본 연구에서는 SEM에서 가속전압 발생장치를 제작하고 이에 따른 전압 안정성을 검토하고자 한다.
: 1992). 본 연구에서는 아카시 제품 ISI-SR -50의 장비를 사용하여 새로이 설계된 고전압 발생 장치를 장착하고 안정성에 관한 연구룰 수행하였다. 설계 제작된 내용은 다음과 같다.

제안 방법

8과 같이 구성하였다. HV Control Boards 외부의 DC 전압(0~6 V) 입력에 비례한 고전압을 출력시킬 수 있도록 구성하였다. 이때 발생되는 고전압의 출력 범위와 안정도을 측정하기 위해 고압 트랜스의 2차 측 단자의 파형과 고전압 발생 회로의 최종 출력전압을 측정하였다.
Controller는 전류나 전압 또는 Power를 PWM (pulse width modula tion)의 Duty 제어나 Amplitude의 제 어를 통하여 고전압을 가변시키기도 하고 안정화를 시키기도 한다. SEM 에서는 약한 전류를 사용하고 전압제어가 우선적이므로 이러한 기능을 기본으로 본 연구에서는 Fig. 7과같은 세 가지 구성요소 I, II, III 블록으로 구성 된 고전압 안정화 전원장치를 구현하였다. I로 표시한 블록에서는 PWM용 파형을 만들어내는 oscillator와 설정된 전압 값을 감지해주는 mixer, comparator로 구성되고 Ⅱ 블록에서는 고압과 전류 파형을 만드는 변압기와 전류 booster로 구성되고 III 블록에서는 고압발생 cockcroft-Waltoii 회로를 이용하여 5 배압의 -30kV 발생, Wehmelt cylinder에 2kV bias 전압을 7배압으로 가해주는 회로와 filament에 6V를 가해주기 위한 회로로 구성되어 있다.
이때 발생되는 고전압의 출력 범위와 안정도을 측정하기 위해 고압 트랜스의 2차 측 단자의 파형과 고전압 발생 회로의 최종 출력전압을 측정하였다. 고압 트랜스의 2차 측 단자의 파형을 관찰하기 위해 HV-Scope Probe(1000 : 1, tektronicx: P6015A, 최대 40 kV)를 롱하여 Oscilloscope에 연결하였고, 최종 DC 전압은 HV- DVM Probe (1000 : 1, FLIKE, 최대 40kV)로 연결하여 5 1/2 Digit의 Digital Multimeter (FLUKE 87 IV)로 측정하였다.
인가하도록 설계를 하였다. 또 발생한 고전압의 안정성을 위해 2중으로 Feedback을 구성하였다. 안정 된 고전압을 얻기 위해 일차적으로 75 V의 DC 전압을 가변시키는 transistor의 Emitter 전압을 Feedback으로 구성하였고 또 고전압 출력을 500 의 저항을 동하여 이중으로 Feedback을 구성하여 설계 제작을 하였다.
본 연구에서 설계 제작된 고전압 전원은 Bias 인가전압 (2kV) 과 Filament 구동전압(6V) 이 -30kV의전압과 중첩되어 야 하고 늪은 안정 도가 요구되므로일반적으로 판매되는 고전압 전원과 구별된다.
본 연구에서는 TTL (transistor and transistor logic)로 Switching 주파수를 발생시키고 고출력의 transistor을 이용하여 고전압 발생용 트랜스의 1차 측에 Switching 전압을 인가하도록 설계를 하였다. 또 발생한 고전압의 안정성을 위해 2중으로 Feedback을 구성하였다.
또 발생한 고전압의 안정성을 위해 2중으로 Feedback을 구성하였다. 안정 된 고전압을 얻기 위해 일차적으로 75 V의 DC 전압을 가변시키는 transistor의 Emitter 전압을 Feedback으로 구성하였고 또 고전압 출력을 500 의 저항을 동하여 이중으로 Feedback을 구성하여 설계 제작을 하였다.
HV Control Boards 외부의 DC 전압(0~6 V) 입력에 비례한 고전압을 출력시킬 수 있도록 구성하였다. 이때 발생되는 고전압의 출력 범위와 안정도을 측정하기 위해 고압 트랜스의 2차 측 단자의 파형과 고전압 발생 회로의 최종 출력전압을 측정하였다. 고압 트랜스의 2차 측 단자의 파형을 관찰하기 위해 HV-Scope Probe(1000 : 1, tektronicx: P6015A, 최대 40 kV)를 롱하여 Oscilloscope에 연결하였고, 최종 DC 전압은 HV- DVM Probe (1000 : 1, FLIKE, 최대 40kV)로 연결하여 5 1/2 Digit의 Digital Multimeter (FLUKE 87 IV)로 측정하였다.
출력전압의 안정도을 파악하기 위해 10kV의 전압을 발생시키도록 DC 입력 전압을 2 V로 고정한 상태에서 Switching 주파수를 가변시키면서 고압 트랜스의 2차 측 단자의 파형을 관찰하였다. 10.

성능/효과

11에 각각 나타내었다. 그 결과 23.8kHz에서 출력파형의 흔들림 없었고 DC 고전압 출력 또한 최고의 안정 도을 보였다. Table 1 은 0.
002%였다. 5 kV에서 12kV 범위에서 최고의 안정도를 보였으나 이외의 범위에서는 안정도가 떨어지는 결과를 얻었다. 이를 해결하기 위해서 Feedback Loop의 안정도 범위를 넓혀야 하고, 이에 따라 발생하기 쉬운 발진을 없애는 것이 가장 중요한 관건이라 생각된다.
고전압을 발생시키는 switching 주파수는 고압 트랜스의 1차 측 임피던스와 인덕턴스에 matching 되는 주파수에서 최적의 전압 안정도가 유지되었다. 1차 측의 고압트랜스의 turn 수가 적으면 인덕턴스가 낮으므로 최적적인 matched switching 주파수가 높은 쪽으로 을라간다.
11에 각각 나타내었다. 그 결과 23.8kHz에서 출력파형의 흔들림 없었고 DC 고전압 출력 또한 최고의 안정 도을 보였다. Table 1 은 0.
따라서 설계된 시스템에 matching 되는 최적 주파수를 우선적으로 조정하는 것이 필요하다. 실험 결과 최대 출력 전압은 -30kV 이상 출력되었으나 안정도는 출력전압이 -5kV에서 10kV 범위에서 가장 좋게 나타났다. 23.
최대 출력 전압은 -30kV 이상 출력되었으나 안정도는 출력전압이 -5kV에서 10kV 범위에서 가장 좋게 나타났다. 이때 도출된 전압 안정도는 ±0.

참고문헌 (4)

Agrawal JP: Power electronic systems theory and design, Prentice Hall, pp. 471 484, 2001
Billings KH: Switchmode power supply handbook, 2nd ed., McGraw Hill, chapter 3, pp. 64 107, 1999
Goldstein Jl, Newbery DE, Echlin P, Joy DC, Romig, Jr. AD, Lyman CE, Fiori C, Lifshin E: Scanning electron microscopy and X ray analysis, Plenum Press, 2nd eds., pp . 21 67, 1992
Orloff J: Handbook of charged particle optics, CRC press, pp. 363 402, 1997

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