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문제 정의
- 지금까지 Soft X-ray 현미경, 초음파현미경, 중성자현미경에 대한 기술개발 및 현황을 소개하였다. 초음파현미경, Soft X-ray현미경 및 중성자현미경에 대하여 Hybrid 이용자 지원 체계를 구축하여 나노 및 Bio 물질 내부구조 비파괴 분석기술을 확립하여 지원하고자 한다.
제안 방법
- 넓은영역의 파장을 발생하는 고체 탄달을 타깃으로 하는 레이저 플라즈마 광원으로 Wolter형 거을조명과 결상광학계로 하여 100 nm의 분해능을갖는 영상을 획득하였다. 쌍타원 거울을 대안 광학렌즈로, 존 플에이트를 대물렌즈로 사용하여 2.88 nm의 파장을 이용하는액체 질소 타깃 레이저 플라즈마 광원으로 약 50 nm의 분해능을 갖는 시스템이 개발되었다.
- Bio 재료 및 나노재료의 표층부, 내부접합면, 내부구조에서 반사되어 나오는 초음파의 임피더스 및 주파수 특성을 분석하여 미소영역에서 탄성적 성질 변화를 ‘현미경’과 같은 음향 이미지를 얻어 분석한다.
- Gadox는 반대로 높은 Gd의 높은 흡수단면적으로 10㎛ 층 두께로 90% 정도의 중성자를 흡수하지만 아주 작은 광자를 발생시킨다. J. Glodo와 J. S. Brenizer 등은 Gd2O2S에 Tb나 Pr을 도핑한 섬광체에 대한 광자 산출량을 연구하였다. 도핑 재료, 밀도, 입자 크기, 두께, 분말량, 기판의 종류 및 중성자 스펙트럼에 따라서 광자 방출량을 정량적으로 평가할 수 있다.
- 또한 대안으로 open beam에서 섬광체의 조성 물질, 두께에 값의 변수값을 직접적으로 측정할수 있다. 알고 있는 중성자속을 가지고 통계적으로 중성자 및 광자들의 균형적 관계성을 평가할수 있다.
- 그림 18-19처럼 HZB CoNRad 검출기로 사용되었던 Nikon AF-S 105 mm F/2.8 VR Micro Nikkor Nikon 200 mm f/4 AF-Micro Nikkon을 사용 중성자현미경을 개발하였다. 105 mm Nikon AF-S lens는 수동으로 구경을 조절하는 기능이 없어 f/2.
- 구형 AF lens는 f/4에서 f/32까지 조절이 가능하다. 렌즈와 카메라를 지지하는 구조물 판은 손으로 lens의 구경을 조절하도록 설계되었다.
- 지금까지 Soft X-ray 현미경, 초음파현미경, 중성자현미경에 대한 기술개발 및 현황을 소개하였다. 초음파현미경, Soft X-ray현미경 및 중성자현미경에 대하여 Hybrid 이용자 지원 체계를 구축하여 나노 및 Bio 물질 내부구조 비파괴 분석기술을 확립하여 지원하고자 한다.
대상 데이터
- 소형 Soft X-ray 현미경에 대한 연구는 존 플에이트 회절 광학소자와 레이저 플라즈마를 이용한 연구가 대부분이다. 넓은영역의 파장을 발생하는 고체 탄달을 타깃으로 하는 레이저 플라즈마 광원으로 Wolter형 거을조명과 결상광학계로 하여 100 nm의 분해능을갖는 영상을 획득하였다. 쌍타원 거울을 대안 광학렌즈로, 존 플에이트를 대물렌즈로 사용하여 2.
- 최근에는 허용 가능한 중성자 개수를 유지하면서 분해능을 높이기 위하여 섬광체를 되도록 얇게 제작하고 있다. P43 형태의 Gd2O2S:Tb 분말의 얇은 섬광체 Gadox는 고분해능 중성자 영상에 사용되었다. 섬광체의 두께 감소는 전환한 입자의 진행에 제약으로 영상의 흐림을 초래한다.
- /ZnS) 1개당 광자가 1000개에서 100,000개까지 방출되는 광자 방출비를 가지고 있어 높은 정도의 광자를 수집할 필요가 없다. 100 mm 광학렌즈(1:1 확대비, 0.35 m 거리, 55 mm 입구 반경)는 5% 정도의 광자를 수집한다. 그러나 낮은 광자 방출을 갖는 섬광체 (Gadox) 같은 것들은 영상질에 광자수가 영상질을 저하시키는 장애 요소가 되지 않도록 하여야 한다.
- 하나는 NRF로 70 μm 정도의 분해능을 얻을 수 있는 디지털 CT가 개발되어 운영중이다. 중성자현미경 영상 촬영을 위한 빔 포트는 노외중성자 조사시설(ENF: external neutron irradiated facility)) 이다. 특히 ENF는 그림 24 및 표 2와 같이 조사시설이 중성자 속이 1.
이론/모형
- 그래서 소위 macro-scope 설계라는 개념을 동원한다. 높은 개구수의 대물렌즈와 광의 평행성을 유지하는 상업적인 망원렌즈를 이용하는 infinity corrected optics 방식을 사용한다. 확대 배율 (Magnification), M = fi/fo은 대물 랜즈(fo)의 초점거리에 대한 대안렌즈(fi)의 초점 거리의 비율이다.
성능/효과
- 연구용 원자로 하나로 중성자영상장치는 다양한 디지털검출기와 넓은 중성자빔(30 cm × 35 cm) 등을 보유하여 연료전지, 리튬이온전지, turbine blade 등 큰 시료들을 연구 개발하는데 성공적이었다.
- 30-50μm 분해능을 가졌던 검출기 구성들이 중성자현미경 기술을 통해서 8.7 μm 분해능 성능을 보였다.
- 이러한 것은 광자 방출 지역에서 방출된 광자들은 Lambertian 분포를 이룬다. PSI 및 FRM-2에서 개발한 얇은 섬광체의 장점을 이용하여 중성자 영상분야에서 분해능이 향상되는 결과를 낳았다.
후속연구
- 그렇지만 개발한 초음파현미경은 조직내에 암세포가 있을 때 조직에서 돌아오는 초음파 스펙트럼이 변하기 때문에 이러한 특성 변화를 영상화하면 실시간으로 암의 조직을 검사 할 수 있다. 앞으로 동물 및 식물의 병리적진단에 활용되리라 기대된다.
- 사이클로트론 X-ray와 Tomography에 기초한 결과들은 최근 회절분야 및 sub-micro 분해능에 이용되고 있다. 앞으로 중성자 영상분야에서 이러한 현미경광학이 기술 적용을 위하여 PSI, NIST, HZB에서 기술 개발을 시도하고 있다. 빔의 분산, 섬광체 판, 광학부품들에 의하여 영상의 흐림 발생하는 간접적 섬광체 방법에서 고분해능을 얻기 위한 최대의 제약점은 CCD 카메라의 pixel 크기이다.
- 단지 좀 더 완성된 model이나 모의 실험을 통하여 합리적인 대표값을 찾을 수가 있다. 또한 대안으로 open beam에서 섬광체의 조성 물질, 두께에 값의 변수값을 직접적으로 측정할수 있다. 알고 있는 중성자속을 가지고 통계적으로 중성자 및 광자들의 균형적 관계성을 평가할수 있다.
- S:Tb과 확대 배율 렌즈를 이용하여 중성자 현미경 prototype-1을 개발하였다. 렌즈를 주문 제작하여 prototype-2을 개발할 예정이다. 그림 16-17처럼 SAP(particles of super absorbent polymers)의 이동 현상을 영상화 하였다.
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