KR20050028762A - 나노분말을 함유하는 하이브리드 타겟을 이용한 연질엑스선 발생 장치 - Google Patents

나노분말을 함유하는 하이브리드 타겟을 이용한 연질엑스선 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엑스선(X-ray) 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 액체 용매, 가스 또는 액화 가스에 분산시킨 나노분말을 함유하는 시료 타겟을 이용하여 마이크로 크기의 연질 엑스선(soft X-ray)을 발생시킬 수 있도록 한 연질 엑스선 발생 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는: 액체 용매, 가스 또는 액화 가스에 분산된 하나 이상의 나노분말을 함유하는 시료 타겟; 고출력 레이저 또는 펄스 방전을 발생시키기 위한 플라즈마 에너지 공급 시스템; 및 시료 타겟에 플라즈마 에너지 공급 시스템으로부터 제공되는 에너지를 집속함으로써 고온 플라즈마를 발생시켜, 플라즈마 내의 고가 이온들의 전이에 의하여 엑스선을 생성하도록 하는 엑스선 발생부를 포함한다.

Description

나노분말을 함유하는 하이브리드 타겟을 이용한 연질 엑스선 발생 장치{APPARATUS FOR GENERATING SOFT X-RAY USING HYBRID TARGET CONTAINING NANO-PHASE PARTICLE}
본 발명은 엑스선(X-ray) 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 액체 용매, 가스 또는 액화 가스에 분산시킨 나노분말을 함유하는 시료 타겟을 이용하여 마이크로 크기의 연질 엑스선(soft X-ray)을 발생시킬 수 있도록 한 연질 엑스선 발생 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
연질 엑스선(soft X-ray)이란 연 엑스선, 무른 엑스선 등으로 별칭되기도 하는 파장 10-1~10nm 정도 범위의 비교적 쉽게 물질에 흡수되고 투과능이 작은 엑스선을 말한다. 이와는 대조적으로 파장이 짧고 투과능이 큰 엑스선을 경질 엑스선이라 한다.
종래에 주로 사용되어 왔던 싱크로트론과 같은 방사광 가속기에서 발생하는 엑스선(X-ray)을 이용한 엑스선 광원은 높은 평균 출력을 제공하기는 하나, 그 규모가 거대하고 복잡하여 제작 비용이 많이 들고 설치 장소가 한정되므로 생명 과학, 의학 및 반도체 제조 공정 등의 다양한 분야에 활용되기가 어렵고, 이용자들이 자유롭게 사용하는데 한계가 있다.
또한, 목표물(target)에 가속 전자를 조사해서 엑스선을 발생시키는 방식의 장치가 사용되고 있으며, 고출력의 장치를 구현하기 위하여 Mo, W, Cu, Ag, Ni, Co, Cr, Fe, Ti, Rh 등 금속 재료로 이루어진 타겟과, 다이아몬드 등의 고열전도성 재료로 이루어진 기판을 갖는 대음극 구조를 지닌 엑스선 발생 장치 등이 제안되어 있다(대한민국 특허 제172,651호).
또한, 모세관 방전(capillary discharge)(대한민국 특허 제1997-9743호)이나 X-pinch, Z-pinch(대한민국 특허 제1993-1322호)와 같은 전기 펄스 방전을 이용하는 엑스선 광원들도 제안되어 있다. 이와 같은 광원들에서는 일반적으로 매우 얇은 금속선(thin wire)을 폭발시켜 사용하기 때문에, 매번 사용할 때마다 금속선을 재장착해야 되므로 연속적으로 엑스선을 발생시키는 것이 매우 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 고전압 및 고전류에 의한 금속선의 폭발로 인하여 많은 금속 파편들이 발생되어 엑스선 광학 시스템을 손상시키거나 이물질이 코팅되는 등의 부작용을 발생시키는 문제점을 갖고 있다.
한편, 고출력 레이저와 고체 타겟을 사용하는 방식의 엑스선 광원도 제안되어 있는데, 이들은 주로 구리(Cu)나 알루미늄(Al), 또는 플라스틱과 같은 고체 시료를 타겟으로 하고, 그에 엑시머(excimer) 레이저나 Nd:YAG 레이저와 같은 강한 출력의 광을 수십 마이크로미터의 크기로 집속시켜 발생되는 레이저 유도 플라즈마(laser-induced plasma)를 이용하고 있다. 그런데, 이와 같은 레이저 유도 플라즈마를 이용한 발생 장치에서도, 금속이나 플라스틱과 같은 타겟(target)에 레이저광을 집속시켜 유도된 플라즈마와의 상호 작용에 의하여 연질 엑스선을 발생시키는 과정중에, 많은 시료 파편(debris)들이 발생되어 엑스선 광원을 집속시키기 위한 광학 시스템에 코팅되거나 그에 손상을 주게 되는 문제점이 존재한다. 또한, 발생된 시료 파편들에 의한 미세 먼지(fine plume)가 집속되는 레이저 광을 재흡수하므로 엑스선 광원의 발생 효율이 극히 저조하게 되는 문제점이 있다.
그리고, 전술한 바와 같은 엑스선 발생 장치들은 엑스선을 발생시키기 위하여 소모성 타겟(예를 들면, 고체 타겟, 금속선 등)들을 사용하기 때문에 비경제적이고, 이의 교체에 시간이 소요되며, 또한 작동시 특정한 한 종류의 타겟만을 사용하기 때문에 발생되는 엑스선은 그에 의하여 결정되는 특정한 스펙트럼만을 갖게 되는 한계가 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 액체 용매, 가스 또는 액화 가스 등에 분산된 하나 이상의 나노분말을 시료 타겟(본 발명자는 이를 '하이브리드(hybrid) 형 타겟'으로 명명함)으로 이용하는 새로운 방식의 다기능성이고 친 환경적이며 콤팩트한 연질 엑스선 광원을 제안하고자 한다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 시료 파편을 발생시키지 않으며 상대적으로 큰 효율을 얻을 수 있는 하이브리드 형태의 시료 타겟을 사용하는 연질 엑스선 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 고체 시료 등과 같은 소모성 타겟을 사용하지 않으며, 사용된 시료를 수집하여 재사용함으로서, 반영구적으로 사용할 수 있고, 교체 작업의 필요가 존재하지 않고, 연속적으로 사용할 수 있는 연질 엑스선 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제4 목적은 엑스선 광원의 강도, 휘도, 스펙트럼을 사용하고자 하는 용도에 맞게 쉽게 제어할 수 있어 사용하고자 하는 용도에 맞는 다양한 스펙트럼을 갖는 다기능성 맞춤형의 엑스선 발생 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는: 액체 용매, 가스 또는 액화 가스에 분산된 하나 이상의 나노분말을 함유하는 시료 타겟; 고출력 레이저 또는 펄스 방전을 발생시키기 위한 플라즈마 에너지 공급 시스템; 및 상기 시료 타겟에 상기 플라즈마 에너지 공급 시스템으로부터 제공되는 에너지를 집속함으로써 고온 플라즈마를 발생시켜, 상기 플라즈마 내의 고가 이온들의 전이에 의하여 엑스선을 생성하도록 하는 엑스선 발생부를 포함한다.
여기서, 바람직하게는 상기 엑스선 발생 장치는: 상기 나노분말이 분산된 액체 용매, 가스 또는 액화 가스를 저장하고 이를 상기 시료 타겟으로 사용될 수 있도록 제공하는 저장부; 및 상기 저장부로부터 제공되는 상기 나노분말이 분산된 액체 용매, 가스 또는 액화 가스를 처리하여, 하나 이상의 나노분말을 함유하는 에어로졸(aerosol) 상태로 변환시키는 에어로졸 발생부를 더 포함하며, 상기 시료 타겟은 상기 에어로졸 발생부에 의하여 공급되는 상기 에어로졸인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 엑스선 발생 장치는: 사용된 상기 에어로졸을 수집하여 상기 저장부로 다시 보낼 수 있는 에어로졸 수집/순환부를 더 포함할 수 있다. 그에 따라 시료 타겟의 교환이 필요없이 연속적인 엑스선 공급이 가능하게 된다.
여기서, 상기 나노분말은 나노(nano) 크기의 카본 나노 튜브, 세라믹 분말 및 금속성 분말 중 적어도 한 종류를 포함하는 것일 수 있다.
또한, 상기 나노분말을 분산시키기 위한 액체 용매는 알코올(alcohol), 증류수(distilled water), 우레아 용액(urea solution), 수산화암모늄(ammonium hydroxides), 플로로카본 (fluorocarbon) 중 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
바람직하게는 상기 엑스선 발생 장치로부터 발생하는 상기 엑스선의 강도 및 스펙트럼은 상기 에어로졸의 크기, 상기 나노분말의 농도 및 상기 나노분말을 구성하는 물질의 성분을 조정함에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 에어로졸의 크기는 상기 변환부에서의 진동주파수, 유속, 상기 에어로졸이 흘러나오는 모세관의 크기 중 하나 이상을 제어함으로써 제어 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 엑스선 발생 장치는 레이저 시트와 카메라 시스템을 더 포함하도록 구성되어, 레이저 유도 형광법에 의하여 상기 에어로졸의 크기가 실시간 모니터링 가능하도록 할 수가 있다.
또한, 상기 엑스선 발생 장치는 엑스선 검출기 및 분광기를 더 포함하여, 발생된 엑스선의 강도와 스펙트럼을 실시간으로 분석 가능하도록 할 수도 있다.
이러한 구성에 따른 본 발명의 엑스선 발생 장치는, 나노(nano) 크기의 금속성 분말이나 세라믹, 탄소나노튜브 등과 같은 나노분말을 액체 용매, 가스, 액화 가스 등에 분산시킨 하이브리드(hybrid) 형태의 액체 타겟을 사용함으로써, 시료 파편을 발생시키지 않기 때문에 깨끗한 친환경적인 작업 환경을 제공하며, 금속성 나노분말과 더불어 엑스선 효율이 좋은 매질을 사용하므로 상대적으로 높은 엑스선 광원 효율을 제공할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 의하여 사용하고자 하는 목적에 따라 다양한 스펙트럼을 갖는 엑스선을 발생시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따른 엑스선 발생 장치의 구성 및 동작을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는 저장부(100), 에어로졸 발생부(110), 레이저 시스템(120), 카메라 시스템(130), 분광기(140), 컴퓨터 시스템(150), 에어로졸 수집/순환부(160) 및 진공 챔버(170)를 구비한다.
본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는 금속, 세라믹, 탄소나노튜브 등과 같은 고체 나노분말을 함유하는 마이크로미터 크기의 에어로졸(aerosol)을 시료 타겟으로 사용하며, 그에 레이저 광을 집속하여 에너지를 공급함으로써 형성된 레이저 유도 플라즈마(laser-induced plasma)로부터 엑스선 광원이 발생되도록 한 장치로서, 이하 이를 구비하는 각 구성요소에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 저장부(100)는 나노 크기(nano size)의 나노분말을 액체 용매에 분산시킨 하이브리드 형태의 시료 타겟을 저장하는 장치로서, 상기 나노분말이 분산된 액체 시료 타겟을 에어로졸 발생부(110)로 전달하게 된다. 이때, 상기 나노분말은 구리, 알루미늄, 금, 은 등의 금속성 나노분말, 혹은 알루미늄 나이트라이드(AIN), 티타늄나이트라이드(TiN), 카본나노튜브(C60) 등과 같은 세라믹, 반도체 등의 나노분말 중의 어느 하나가 될 수 있으며, 다양한 스펙트럼을 얻고자 하는 등의 특정 필요에 따라서는, 이들 중 두 가지 이상의 종류를 혼합한 혼합 분말이 사용될 수도 있다. 또한, 이와 같은 나노분말을 분산시키기 위한 액체 용매로써는 에타놀(Ethanol)이나 메타놀 (Methanol) 등의 알코올(Alcohol), 우레아 용액(Urea Solution), 증류수(Distilled Water), 수산화 암모늄(Ammonium Solution), 플로로카본(Fluorocarbon) 등과 같은 다양한 액체 중의 하나나 또는 이들 중 둘 이상의 혼합 용액을 사용할 수 있다.
에어로졸 발생부(110)는 상기 용액 저장부(100)로부터 전달된 액체 시료 타겟을 이용하여 알루미늄, 구리, 금, 은과 같은 금속이나 세라믹, 탄소나노튜브와 같은 나노분말을 함유하는 에어로졸(aerosol)(180)을 발생시킨다. 이때 발생되는 에어로졸(180)의 크기는 대략 10~500㎛이며, 그 크기는 조절가능하다. 이때 에어로졸 발생부의 여러 변수들, 예를 들면 진동주파수, 유체속도, 에어로졸이 흘러나오는 모세관의 크기 등의 다양한 변수를 제어함으로써 다양한 크기의 에어로졸을 만들 수 있다. 도 2는 에어로졸 발생부(110)로부터 만들어진 에어로졸(180)을 레이저 유도 형광법을 이용하여 가시화시킨 사진으로서, 금속, 세라믹, 탄소나노튜브 등과 같은 고체 나노분말을 함유하는 마이크로미터 크기의 에어로졸을 나타내고 있다. 이때 측정된 에어로졸의 크기는 약 200㎛이다. 이와 같이 상기 에어로졸 발생부로부터 발생된 에어로졸에 고출력 레이저에 의한 강한 에너지를 집속시킴으로써 레이저 유도 플라즈마(laser-induced plasma)를 발생시키게 된다.
일반적으로, 강도(intensity)가 1013-1015 W/㎠인 레이저를 금속이나 액체, 가스 타겟에 조사하면 시료 타겟이 이온화되어 많은 전자들이 발생되고, 발생된 전자들은 다시 레이저의 전기장에 의해 더더욱 가속되어 주위의 이온들과 충돌 재결합 과정, 전자 충돌 여기 과정, 내각 전자의 광이온화 과정, 상대적으로 불안정한 준안정(metastable) 상태, 다광자(multi-photon) 현상 등을 통하여 엑스선을 발생하게 된다. 엑스선은 대략 파장이 0.1nm~30nm영역에 이르는 파장이 매우 짧은 전자기파를 일컬으며, 그 에너지는 대략 40eV~12KeV의 범위를 가지며, 가시광선과 비교해 볼때 대략 20-6000배 높은 에너지를 갖는다. 또한, 엑스선은 원자 번호가 상대적으로 큰 원소(주로 금속물질)들의 고가 이온들이 복사 전이할 때 발생되며, 따라서 엑스선 광원을 발생시키기 위해서는 많은 양의 고가 이온들을 만들어주는 고온 플라즈마 환경이 필요하다. 따라서, 펄스폭이 수 나노초(ns) 이하인 고강도의 집속된 레이저는 물질과의 충돌시 매우 짧은 시간동안 고온 고압의 플라즈마를 형성하기 때문에 이를 에너지 전달 수단으로 사용하여 연질 엑스선을 발생하는 것이 가능하게 된다.
한편, 본 실시예의 엑스선 발생 장치에 사용되는 레이저 시스템(120)은 1013-1015 W/㎠의 고출력 레이저로서 수 ns의 짧은 펄스가 발생하도록 구성되는 것이 바람직하며, 엑시머(excimer) 레이저, Nd:YAG 레이저, 혹은 펨토초(fs) 티타늄 사파이어 레이저와 같은 고출력 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 에어로졸 발생부(110)로부터 발생된, 나노분말을 함유하는 에어로졸에 레이저 펄스를 집속시켜, 순간적으로 고온 고압의 레이저 유도 플라즈마가 발생되도록 한다. 이때, 레이저 유도 플라즈마 내의 전자들은 레이저 펄스 동안 더욱 가열됨과 동시에 레이저의 강력한 전기장에 의하여 가속되어 높은 에너지를 갖게 되면, 주위의 이온과 충돌하여 연(soft) 엑스선을 발생하게 된다.
레이저 출력을 일정하게 유지하였을 경우, 발생된 엑스선의 강도, 휘도, 스펙트럼선은 사용된 하이브리드(hybrid)형 에어로졸의 특성, 즉 사용된 액체 용매 및 나노분말의 물리적 화학적 특성에 따라 달라지게 되며, 또한 에어로졸의 크기, 즉 사용된 액체와 나노분말의 농도(concentration)에 의존하게 된다. 도 3a 및 도 3b는 발생된 레이저 유도 플라즈마의 형태를 나타낸 것으로서, 플라즈마의 크기는 각각 240㎛과 340㎛으로 측정된다.
이렇게 발생된 연질 엑스선은 진공 챔버(170)내에 설치되어 있는 엑스선 광학 시스템을 통해 집속되어 광섬유 등으로 구성되어 있는 엑스선 beam line을 걸쳐 엑스선 광원 응용 시스템에 전달된다. 또한, 진공 챔버 내의 압력을 적정한 수준으로 유지하기 위하여 진공 챔버에 펌프 시스템이 장착되는 것이 바람직하다.
한편, 에어로졸의 크기와 나노분말의 농도는 발생하는 엑스선 광원의 강도 및 스펙트럼과 밀접한 관계가 있기 때문에, 이들의 측정이 가능한 것이 바람직하다. 에어로졸의 크기 측정을 위해서는 레이저 유도 형광법(laser-induced fluorescence)이 사용될 수 있으며, 이를 위해서 레이저 시트(상술한 플라즈마 발생을 위한 에너지 공급용 레이저 시스템(120)과는 별개임) 및 카메라 시스템(130)이 사용될 수 있다. 또한, 카메라를 통하여 에어로졸과 레이저의 상호 작용으로 발생되는 레이저 유도 플라즈마가 가시화될 수 있으며, 분광기 (spectrograph;140)는 엑스선 검출기(145)에서 검출된 엑스선의 파장 또는 에너지 분포를 구하기 위한 장치이며, 컴퓨터 시스템(150)은 상기 분광기(140)에 의하여 검출된 엑스선 광원을 분석하기 위하여 사용된다.
상기 에어로졸 발생부(110)는 레이저 시스템(120), 분광기(140), 및 카메라 시스템(130)과 시간적으로 동기(synchronization)되도록 구성될 수 있다. 분광기(140) 등을 통하여 측정된 출력 엑스선의 강도 및 스펙트럼 데이터를 참조하여 원하는 엑스선의 강도 및 스펙트럼을 얻을 수 있도록 저장부(100) 내의 용액 중에 함유된 나노 입자의 농도를 변화시키거나, 에어로졸의 크기를 변화시키는 등의 제어가 가능하게 된다. 에어로졸의 크기는 에어로졸 발생부(110)의 여러 변수들, 예를 들어, 진동 주파수, 유속, 에어로졸이 흘러나오는 모세관의 크기 등을 제어함으로써 실시간 관측 및 제어가 가능하다.
한편, 본 실시예에 따른 엑스선 발생 장치의 에어로졸 수집/순환부(160)는 사용된 에어로졸을 재활용할 수 있도록 다시 수거하여 연속적으로 에어로졸 발생부(110)로 보내주는 장치로서, 상기 에어로졸 발생부와 함께 구성되어 본 발생 장치를 경제적이며 반영구적으로 사용할 수 있도록 한다. 이와 같은 에어로졸 수집/순환부(160)를 사용함으로써, 본 발명에 따른 엑스선 발생 기술은 종래의 다른 방법들과는 달리 엑스선 광원을 발생시키기 위한 타겟을 자주 바꾸지 않고 장기간 반영구적으로 사용할 수 있게 될 뿐만 아니라 장치 내에서 재활용이 가능하도록 하게 되는 유리한 장점을 지닌다.
이상의 실시예에서는 플라즈마 발생을 위한 에너지 공급 수단으로써 고출력 레이저를 사용하는 경우를 중점적으로 설명하였지만, 고출력 레이저에 의한 레이저 유도 플라즈마(laser-induced plasma) 뿐만 아니라, 전기적 에너지 공급 방식에 의한 펄스 방전을 통하여 고온 플라즈마를 발생시키고 이를 통하여 엑스선을 얻는 경우도 상술한 레이저 시스템(120)을 제외한 모든 부분의 구성이 동일하게 적용될 수 있을 것이며, 나노분말을 소정 분산시킨 시료 타겟을 사용하는 한, 본 발명의 범위를 벗어나지 못하는 것임은 당업자에게는 당연하다.
또한, 상술한 실시예에서는 하이브리드 형 시료 타겟의 한 예로써, 액체 용매에 나노분말을 분산시키고, 이를 사용하여 나노분말을 함유하는 에어로졸을 발생시켜 시료 타겟으로 사용하는 경우를 중점적으로 설명하고 있지만, 본 발명의 기술적 사상은 그에 한정되는 것이 아니며, 나노분말을 가스 또는 액화 가스 등의 다양한 다른 매질에 분산시켜 이를 시료 타겟으로 사용하는 경우도 본 발명의 한 변형에 지나지 않게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 나노분말을 함유하는 하이브리드형 액체 제트 타겟을 이용한 연질 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예의 장치는 저장부(200), 하이브리드형 액체 제트 타겟 발생부(210), 레이저 시스템(220), 하이브리드형 액체 제트 타겟 수집/순환부(260)와, 검출 및 제어를 위한 카메라 시스템(230), 검출기(245), 분광기(240) 등을 포함한다.
하이브리드형 액체 제트 타겟이란, 나노 분말이 분산된 액체 용매를 에어로졸의 형태로 분사하여 타겟으로 사용하는 상술한 실시예와는 달리, 나노 분말이 분산된 액체 용매를 도 4에 도시된 바와 같이 직접 분사하고 이와 같이 분사된 액체 용매인 하이브리드형 액체 제트(280)를 타겟으로 사용하는 경우를 나타낸다. 이 경우에도 고출력 레이저나 또는 전기적 펄스 에너지를 상기 액체 제트(280)의 일부 영역에 공급하여 국부적인 고온 플라즈마를 발생시키게 되고, 그 플라즈마 내의 고가 이온들의 전이에 의하여 엑스선이 발생되게 된다.
이러한 하이브리드형 액체 제트 타겟(280)은 수집/순환부(260)에서 다시 수거되어 발생부(210)로 보내어져 재사용된다. 분사되는 액체 제트(280)의 두께는 약 10-500um 범위인 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 나노분말을 함유하는 하이브리드형 가스 제트 타겟을 이용한 연질 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 본 실시예는 나노분말을 가스에 분산시켜 저장부(300)에 저장하고, 이를 하이브리드형 가스 제트 타겟 발생부(310)에서 분사하며, 분사된 가스 제트(380)를 엑스선 발생을 위한 타겟으로 사용하는 구성으로 되어 있다. 여기서도 역시 국부적인 고온 플라즈마를 발생시키기 위하여 가스 제트의 일부분에 레이저나 전기적 펄스의 인가를 통하여 플라즈마 발생 에너지를 공급하게 된다. 또한, 사용되는 가스의 종류는, 제논(Xe), 네온(Ne), 아르곤(Ar) 등이 사용될 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니며, 질소(N2), 산소 등 기타 어떠한 가스라도 사용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 나노분말을 함유하는 하이브리드형 액화 가스 제트 타겟을 이용한 연질 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 블록도이다. 본 실시예는 액화된 상태의 가스에 나노분말을 분산시키고 이를 저장부(400)에 저장하며, 이를 하이브리드형 액화 가스 제트 타겟 발생부(410)를 통하여 분사하고, 이와 같이 분사된 액화 가스 제트(480)를 타겟으로 사용하여 엑스선을 발생시키게 되는 구성으로 되어 있다. 이러한 구성을 통하여 사용된 타겟 물질을 용이하게 다시 수집/순환시켜 재활용이 가능하도록 하는 것이 가능하게 되며, 본 실시예에서도 마찬가지로, 액화 가스가 어떠한 종류의 가스를 액화시킨 것인가에는 특별한 제약이 존재하지 않는다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명에 따른 나노분말을 함유하는 하이브리드 형태의 시료 타겟을 이용한 다기능성이며 콤팩트한 마이크로 규모의 연질 엑스선 발생 장치는 시료 파편(debris)을 거의 발생시키지 않고 시료 타겟의 연속적 활용이 가능한 친환경적인 엑스선 광원으로서, 주로 생명과학 및 의학 분야에 있어서 필수적인 연구인 유전자 연구에 사용되는 엑스선 현미경(X-ray microscopy)이나 바이오 홀로그래피(bio-holography)를 목적으로 사용될 수 있다. 또한, 산업 분야에 있어서도 현재 반도체 노광(lithography) 기술에서 사용되고 있는 엑시머 레이저에 의한 반도체 선폭을 50nm 이하로 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 반도체 노광 기술에 응용할 수 있다. 또한, 박막 구조 분석이나 고온 고압 상태의 플라즈마의 물리화학적 특성을 연구하는 기초적인 연구 등에도 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 나노분말을 함유하는 하이브리드형 타겟을 이용한 연질 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 엑스선 발생 장치의 에어로졸 발생부로부터 발생된 마이크로미터 크기의 에어로졸을 레이저 유도 형광법에 의하여 가시화시킨 사진.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 한 실시예에 따른 엑스선 발생 장치에 의해 나노분말을 포함하는 에어로졸과 레이저의 상호 작용에 의하여 발생된 마이크로미터 크기의 레이저 유도 플라즈마를 가시화시킨 사진들로서, 레이저 유도 플라즈마의 크기는 각각 240㎛, 340㎛임.
도 4는 본 발명의 다른 한 실시예에 따른 나노분말을 함유하는 하이브리드형 액체 제트 타겟을 이용한 연질 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 블록도.
도 5는 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 나노분말을 함유하는 하이브리드형 가스 제트 타겟을 이용한 연질 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 블록도.
도 6은 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 나노분말을 함유하는 하이브리드형 액화 가스 제트 타겟을 이용한 연질 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 용액 저장부 110 : 에어로졸 발생부
120 : 레이저 시스템 130 : 카메라 시스템
140 : 분광기 150 : 컴퓨터 시스템
160 : 에어로졸 수집/순환부 170 : 진공 챔버
180 : 에어로졸

Claims (9)

  1. 액체 용매, 가스 또는 액화 가스에 분산된 하나 이상의 나노분말을 함유하는 시료 타겟;
    고출력 레이저 또는 펄스 방전을 발생시키기 위한 플라즈마 에너지 공급 시스템; 및
    상기 시료 타겟에 상기 플라즈마 에너지 공급 시스템으로부터 제공되는 에너지를 집속함으로써 고온 플라즈마를 발생시켜, 상기 플라즈마 내의 고가 이온들의 전이에 의하여 엑스선을 생성하도록 하는 엑스선 발생부를 포함하는 엑스선 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엑스선 발생 장치는
    상기 나노분말이 분산된 액체 용매, 가스 또는 액화 가스를 저장하고 이를 상기 시료 타겟으로 사용될 수 있도록 제공하는 저장부; 및
    상기 저장부로부터 제공되는 상기 나노분말이 분산된 액체 용매, 가스 또는 액화 가스를 처리하여, 하나 이상의 나노분말을 함유하는 에어로졸(aerosol) 상태로 변환시키는 에어로졸 발생부를 더 포함하며,
    상기 시료 타겟은 상기 에어로졸 발생부에 의하여 공급되는 상기 에어로졸인 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  3. 제1항 또는 제2항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 엑스선 발생 장치는 사용된 상기 에어로졸을 수집하여 상기 저장부로 다시 보낼 수 있는 에어로졸 수집/순환부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  4. 제1항 또는 제2항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노분말은 나노(nano) 크기의 카본 나노 튜브, 세라믹 분말 및 금속성 분말 중 적어도 한 종류를 포함하는 것임을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  5. 제1항 또는 제2항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노분말을 분산시키기 위한 액체 용매는 알코올(alcohol), 증류수(distilled water), 우레아 용액(urea solution), 수산화암모늄(ammonium hydroxides), 플로로카본 (fluorocarbon) 중 적어도 하나를 포함하는 것임을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  6. 제1항 또는 제2항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 엑스선 발생 장치로부터 발생하는 상기 엑스선의 강도 및 스펙트럼은 상기 에어로졸의 크기, 상기 나노분말의 농도 및 상기 나노분말을 구성하는 물질의 성분을 조정함에 의해 제어 가능한 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  7. 제1항 또는 제2항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어로졸의 크기는 상기 변환부에서의 진동주파수, 유속, 상기 에어로졸이 흘러나오는 모세관의 크기 중 하나 이상을 제어함으로써 제어 가능한 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  8. 제1항 또는 제2항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 엑스선 발생 장치는 레이저 시트와 카메라 시스템을 더 포함하여, 레이저 유도 형광법에 의하여 상기 에어로졸의 크기가 실시간 모니터링 가능한 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
  9. 제1항 또는 제2항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 엑스선 발생 장치는 엑스선 검출기 및 분광기를 더 포함하여, 발생된 엑스선의 강도와 스펙트럼을 실시간으로 분석 가능한 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
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KR101223811B1 (ko) * 2010-12-31 2013-01-17 부산대학교 산학협력단 급격하게 세기가 증가하는 레이저 펄스를 이용한 고출력 극초단 엑스선 펄스의 발생 방법

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