[논문]나노 계면분석을 위한 수평형 중성자 반사율 측정장치의 McStas 시뮬레이션 분석

권오선; 신관우

doi:10.5757/jkvs.2007.16.1.007

[국내논문] 나노 계면분석을 위한 수평형 중성자 반사율 측정장치의 McStas 시뮬레이션 분석
Analysis of Horizontal Neutron Reflectometer for Nanointerfaces Using McStas 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.16 no.1, 2007년, pp.7 - 14

권오선 (로드아일랜드주립대 물리학과) , 신관우 (서강대학교 화학과 및 바이오융합과정)

초록
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수평형 중성자 반사율 측정 장치는, 나노 박막의 두께와 구성성분, 표면의 거칠기 등 그 구조와 더불어 나노 박막의 동역학적인 거동을 연구하는데 긴요한 측정 장치이다. 특히, 수평형이기 때문에 액체시료의 자유표면을 유지하며 표면을 분석하는 것이 가능하다. 30 MW의 하나로의 열중성자원에 적합하도록 최적화하기 위하여, 몬테카를로 수치해석 방법을 적용한 McStas를 사용하여 장치의 각 부분에서의 중성자의 빔을 추적 계산하였고 그 결과의 해석과 그에 따른 설계변수결정을 기술하였다. 최적화 상태에서 단색파장이 ${\lambda}=2.5{\AA}$ 이고 $q<0.126{\AA}^{-1}$ 그리고 시료위치에서 $10^4n/cm^2/s$ 이상의 중성자빔의 세기를 얻었다. 본 장치가 설치 완료되면 국내에서 나노박막의 구조를 연구하는데 크게 기여할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new horizontal neutron reflectometer has been designed and now under construction at the HANARO, 30 MW research reactor, in Daejon, Korea. We performed simulations of neutron ray-tracing to evaluate the performance of all of the optical components of the instrument with a Monte Carlo technique using McStas. The feasible wavelength of the incident neutron beam is $2.5{\AA}$. It produces a q-range up to $0.126{\AA}^{-1}$ with a supermirror as a deflector. Our studies showed improvement of the performance of the guide tube and monochromators. Although the performance is limited in q-range, it promises to be the first reflectometer in Korea for the study of free surfaces, which is currently in demand.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 원자로에서 공급되는 중성자빔 선상에 놓이는 모든 반사율 측정 장치의 개별 부품들에 대하여중성자에 대한 광학적 성능을 예측하고 분석하였다. 확률론적인 몬테카르로(Monte Carlo) 수치해석 방법을 따른 전산코드 McStas(Monte Carlo Simulation of Triple Axis Spectrometer) [6]를 사용하여, 중성자빔 추적을 계산하여최적화된 반사율 측정 장치를 구현하였다.
확률론적인 몬테카르로(Monte Carlo) 수치해석 방법을 따른 전산코드 McStas(Monte Carlo Simulation of Triple Axis Spectrometer) [6]를 사용하여, 중성자빔 추적을 계산하여최적화된 반사율 측정 장치를 구현하였다. 본 논문에서 수평형 중성자 반사율 장치에 관한 기본적인 이론, 계산과 분석 및 McStas를 사용한 계산결과의 해석과 그에 따른 설계변수결정 기술에 관련된 연구결과를 설명하고자 한다.
앞서 기술하였듯이 이 중 단색기 시스템은 빔의 세기가 약해지는 단점이 있기는 하지만 빔의 발산도(divergence)를 줄이는 장점이 있다. 높은 mosaicity는 빔의 세기를 높여주기 때문에 최근에 개발되어 있는 128 arc min의 높은 mosaicity를 갖는 PG 결정을 이용하는 것을 검토하였다. 이전에 채택한 24 arc min의 mosaicity와 비교할 때, 그림 5에서와 같이 빔의 세기가 약 1.
또한 유도관의 상부의 초거울면에서 전반사한 빔은 적은 각도의 범위에서 움직이는 굴절기를 거치지 않고 직접적으로 시료에 도달할 가능성이 있다. 이러한 빔은 초거울면에서 전반사한 빔과 함께 시료에 함께 조사되어 빔의 위상차의 교란(incoherence)을 일으켜서시료에서의 등각 반사빔의 세기를 떨어뜨리기 때문에 이것을 제거한 즉, 두 수직 초거울만 시용화는 변경된 유도관을사용하는 방안을 검토할 수 있다. 두 가지 유도관에 대한 McStas의 빔의 발산도를 비교 계산한 결과를 그림 6에 나타내었다.

가설 설정

계면에 조사한 단색의 평면파. 박막을 완전평면으로 가정하였다. (a) 진공(또는 공기)에서 무한한 두께의 시료에 조사할 경우.
노심내의 감속재의 온도 T = 320 K에서 Maxwell분포를 이루며 열적평형 상태에 있는 중성자를 유도관을 통하여 뽑아 노심 밖의 ST3 빔 출구로 즉, 반사 장치의 입구로 공급된다(그림 1). 이를 McStas에서 모사하기 위하여, 실제원자로의 중성자세기 4X1013 n/cm²/s< 갖는 0.1 m의 반경의 2차원 원형 형태의 백색의 중성자원(white source)으로 가정하였다. 그리고 그림 2와 같이 거리 1.
이렇게 슬릿을 통과한 빔의 파장분포(spectrum)와 빔의 세기(intensity)와 발산(divergency)을 McStas에 내장된 가상의 파장 즉 정기와 위치민감형 검출기 PSD(position sensitive detector) 모듈을 써서 점검하면서 실제 중성자원에 근사되게 모사하였다. Monte Carlo 모사에서 중성자원을 좌표의 원점으로 하고 빔의 진행방향을 z-축, 수평과 높이방향을 각각 X-, y-축으로 가정하였다. S2를 통과한 빔의 세기를 파장의 함수로 측정한 결과를 그림 4에 나타내었다.
(b) 에서수직방향의 양끝에서 빔의 발산이 현저히 줄어드는 것을 볼 수 있다.

제안 방법

본 장치는 BNL의 H-9A을 기반으로 하여 30 MW의 하나로의 열중성자원에 적합하도록 개발되었다. 몬테카를로 수치해석 방법을 적용한 McStas를 사용하여 장치의 각 부분에서의 중성자의 빔을 추적 계산하였고 그 결과의 해석과 그에 따른 설계변수결정을 기술하였다. 최적화 상태에서 단색파장이 λ = 2.
장치의 설계는 미국 BNL에서 도입되는 H-9A 수평형 반사율 측정 장치 [5]를 모체로 하여 승]나로의 열중성자 공급관(ST3 beam port) 에 적합하고 보다 향상된 성능을 갖도록개량하였다. 본 논문은 원자로에서 공급되는 중성자빔 선상에 놓이는 모든 반사율 측정 장치의 개별 부품들에 대하여중성자에 대한 광학적 성능을 예측하고 분석하였다.
본 논문은 원자로에서 공급되는 중성자빔 선상에 놓이는 모든 반사율 측정 장치의 개별 부품들에 대하여중성자에 대한 광학적 성능을 예측하고 분석하였다. 확률론적인 몬테카르로(Monte Carlo) 수치해석 방법을 따른 전산코드 McStas(Monte Carlo Simulation of Triple Axis Spectrometer) [6]를 사용하여, 중성자빔 추적을 계산하여최적화된 반사율 측정 장치를 구현하였다. 본 논문에서 수평형 중성자 반사율 장치에 관한 기본적인 이론, 계산과 분석 및 McStas를 사용한 계산결과의 해석과 그에 따른 설계변수결정 기술에 관련된 연구결과를 설명하고자 한다.
S1 와 S2: 중성자원 슬릿, S3와 S4: 시료 슬릿, S5와 S6: 검출기 슬릿, S7: deflector 슬릿 그리고 M1과 M2: 단색기 쌍. Deflector가 빔을 시료에 조사하여 검출기로 입사각 스펙트럼의 함수로 반사율을 측정한다. 측정된 반사율을 해석하면 자유액체계면의 성질을 연구할 수 있다.
1 m의 반경의 2차원 원형 형태의 백색의 중성자원(white source)으로 가정하였다. 그리고 그림 2와 같이 거리 1.5 이와 3.4 m 떨어진 곳에 창의 크기가 각각 6.2 cmX12.0 cm와 5.0 cmX12.0 cm인 고정형 슬릿 Si과 S2를 한 쌍으로 배치하여 방사형의 빔을 리본형태의 빔으로 변환하고 단색기의 중심에 빔의 중심을 일치시켜 조사한다. 이렇게 슬릿을 통과한 빔의 파장분포(spectrum)와 빔의 세기(intensity)와 발산(divergency)을 McStas에 내장된 가상의 파장 즉 정기와 위치민감형 검출기 PSD(position sensitive detector) 모듈을 써서 점검하면서 실제 중성자원에 근사되게 모사하였다.
0 cm인 고정형 슬릿 Si과 S2를 한 쌍으로 배치하여 방사형의 빔을 리본형태의 빔으로 변환하고 단색기의 중심에 빔의 중심을 일치시켜 조사한다. 이렇게 슬릿을 통과한 빔의 파장분포(spectrum)와 빔의 세기(intensity)와 발산(divergency)을 McStas에 내장된 가상의 파장 즉 정기와 위치민감형 검출기 PSD(position sensitive detector) 모듈을 써서 점검하면서 실제 중성자원에 근사되게 모사하였다. Monte Carlo 모사에서 중성자원을 좌표의 원점으로 하고 빔의 진행방향을 z-축, 수평과 높이방향을 각각 X-, y-축으로 가정하였다.
여러 파장이 분포된 백색의 중성자원(white source)으로부터 단색빔(monochromatic neutron beam)을 얻기 위해서는 하나의 단색기를 사용하는 것이 강한 빔의 세기를얻기 위해서는 최선의 선택이 될 수 있으나, ST3 빔 출구와이를 덮고 있는 콘크리트 차폐체의 공간이 제약되어 있기때문에 빔의 진행방향을 바닥에서 높이방향으로 이동 (parallel translation)하는 것이 최적의 해결 방법임이 이전의 연구결과로 밝혀졌다 [8, 9], 그러므로 이 중 단색기 (60 mm X 30 mm X 2 mm, GE Advanced Materials, Co.) 시스템을 채택하였는데, 그림 2에서와 같이 두 Ml과 M2의 단색기를 선원으로부터 각각 6.142 cm 6.232 cm에놓고 빔의 진행 방향에 대하여 각각 q = 22.5°의 각도로 평행하게 기울여 빔의 높이를 22 cm 올렸다. 평행한 이 중 단색기 시스템의 또 다른 이점은 (q, f)-각도의 미세한 조정으로 빔의 발산을 현저히 줄일 수 있다.
서론에서 기술하였듯이 본 장치는, 시료표면에 대하여 입사각 스펙트럼(또는 q-스펙트럼)의 함수로 반사율을 측정한다. 그러므로 이 중 단색기 Ml과 M2를 이용하여 얻은 열중성자 단색 빔을 시료에 조사하기 위하여 빔의 방향을 변경하는 또 다른 반사기 (deflector) 가 필요하다.
한편 McStas 계산 결과에 따르면반사기의 회전각도가 매우 적으므로 반사기에 조사하기 전에 빔의 수직방향의 발산을 최대한 줄여야 하는 것으로 나타났다. 그러므로 슬릿 S7를 유도관과 초거울 반사기 사이에 설치하여 유도관에서 나오는 빔을 수평으로 퍼진 리본형태의 빔을 초거울 반사기에 조사시켜 시료슬릿 S3과 S4 와 연동하여 시료표면에 조사 할 빔의 footprint를 만든다.
전자를 사용할 때는 scanning시 변화하는 반사각에 따라 검출기가 수직방향으로 따라 움직이도록 되어 있다. 비탄성충돌에 의하여 빔의 진행 방향에서 날아오는 속중성자나선의 잡음(background)을 최대한 제거하기 위하여 검출기 입구를 제외한 곳을 붕소판과 Cd 막으로 씌워 차폐하였다. 차폐가 잘 되었을 경우 잡음은 1000초에 수 개 정도로 예상된다.
특히, 수평형은 액체시료의 자유표면을 유지 하며 표면을 분석하는 것이 가능하게 해준다. 본 장치는 BNL의 H-9A을 기반으로 하여 30 MW의 하나로의 열중성자원에 적합하도록 개발되었다. 몬테카를로 수치해석 방법을 적용한 McStas를 사용하여 장치의 각 부분에서의 중성자의 빔을 추적 계산하였고 그 결과의 해석과 그에 따른 설계변수결정을 기술하였다.

대상 데이터

본 반사장치는 30 MW의 HANARO 중성자원을 기반으로 설계되었다. 노심내의 감속재의 온도 T = 320 K에서 Maxwell분포를 이루며 열적평형 상태에 있는 중성자를 유도관을 통하여 뽑아 노심 밖의 ST3 빔 출구로 즉, 반사 장치의 입구로 공급된다(그림 1).

성능/효과

6 배로 높아지는 것을 볼 수 있다. 그러므로 높은 mosaicity를 갖는 PG 결정을 사용할 때는 이 중 단색기 시스템이 빔의 발산도의 큰 변화 없이 빔의 세기를 향상시키는 것을 확인 하였다.
한 쌍은 수평방향으로 다른 쌍은 수직방향(그림 2에서는 수직 쌍만을 보여 주었다)으로 움직이도록 되어 있는데, 3 mm 정확도로모터로 구동되며 각각 수직과 수평의 빔의 집속 형태를 만들고 빔의 발산을 줄여 시료표면(S3과 S4)이나 검출기(S5와 SQ 에 빔을 집속시킨다. 한편 McStas 계산 결과에 따르면반사기의 회전각도가 매우 적으므로 반사기에 조사하기 전에 빔의 수직방향의 발산을 최대한 줄여야 하는 것으로 나타났다. 그러므로 슬릿 S7를 유도관과 초거울 반사기 사이에 설치하여 유도관에서 나오는 빔을 수평으로 퍼진 리본형태의 빔을 초거울 반사기에 조사시켜 시료슬릿 S3과 S4 와 연동하여 시료표면에 조사 할 빔의 footprint를 만든다.

후속연구

126 A"1 그리고 시료위치에서 104 n/cm²/s 이상의 중성자 빔의 세기를 얻었다. 본 장치가 설치 완료되면 국내에서 나노박막의 구조를 연구하는데 크게 기여할 것이다. 그리고 수 년 내에 도입될 냉중성자원에 적용될 경우 더 넗은 q-범위가 가능해져서 본 장치를 이용하는 NT와 BT 연구는 더욱 활발해 질 것으로 예상된다.
168 A-1 까지 확장되고 빔의 세기는 약 10 배로 증가한다. 더욱이 앞으로 건설이 예정된 냉중성자빔원을 이용할 때는 더욱 넗은 q-값의 범위와 보다 높은 반사율을 갖는 장치로 성능이 향상될 것으로 기대된다.
본 장치가 설치 완료되면 국내에서 나노박막의 구조를 연구하는데 크게 기여할 것이다. 그리고 수 년 내에 도입될 냉중성자원에 적용될 경우 더 넗은 q-범위가 가능해져서 본 장치를 이용하는 NT와 BT 연구는 더욱 활발해 질 것으로 예상된다.

참고문헌 (9)

J. Penfold, et al., J. Chem. Soc. Faraday Trans. 93(22), 3899 (1997)

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T.P. Russel, Mat. Sci. Rep. 5, 171 (1990)

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M.J. Grundy, R.M. Richardson, S.J. Roser, J. Penfold and R.C. Ward, Thin Soild Film 159, 43 (1988)

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신관우, Polymer Science and Technology 15, 6 (2004)
E.M. Lee, C.F. Majkrzak, M. Elmiger and L. Passell, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 93, 75 (1994)

상세보기
http://nuetron.risoe.dk
G.E. Bacon, Neutron Diffraction, 3th Ed., (Clarendon Press, Oxford, 1975)
이종오 외, 한국진공학회지 14, 119 (2005)

원문보기 상세보기
C. O. Lee et al., Physica B 385-386, 1170 (2006)

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