KR20080068293A - 단일모드 엑스선 도파로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엑스선 다층박막을 이용한 단일모드 도파 엑스선 광도파로 제조 방법에 관한 것이다.

유리기판에 도파로의 크래딩에 해당하는 다층박막을 적층하고 상기 박막에 단일모드 조건을 만족하는 스페이서를 증착한 후 상기 하부크래딩과 동일한 조건으로 증착된 다층 박막을 마주 겹쳐 엑스선 단일모드 도파로를 제조한다.

엑스선 단일모드 도파로, 엑스선 다층박막거울, 엑스선 도파로

Description

엑스선 단일모드 도파로 제조 방법 {Fabrication method of single-mode X-ray waveguide}

10 : 하부 엑스선 다층 박막

20 : 상부 엑스선 다층 박막

30 : 스페이서

40 : 엑스선 도파로

11 : 하부 엑스선 다층박막

21 : 상부 엑스선 다층박막

50 : 마스크

60 : 스페이서 증착물질

본 발명은 두 장의 엑스선 다층 박막 사이에 도파로 두께를 결정하는 스페이서를 끼우고 두 엑스선 다층 박막을 겹쳐서 엑스선 도파로를 제작하는 방법이다. 엑스선 은 파장이 짧고 투과력이 강하여 입사각이 작은 경우 대부분의 엑스선 광자를 반사하지 못하고 투과한다. 그러나 입사각이 커져 임계각 이상에서는 엑스선 반사율이 급격히 증가한다.

기존의 가시광선 영역 또는 광통신 영역의 도파로에서 단일모드 도파조건은 다음과 같이 주어진다.

여기서 d는 도파로의 두께, λ는 엑스선 파장, m은 모드 수, n₁은 코어의 굴절률, n₂는 크래딩의 굴절률이다. 단일모드인 경우 모드 수 m이 1로 주어지므로

로 상기 식이 기술된다.

상기 계산식에 의해 주어진 도파로 재질의 굴절률과 도파되는 입사 엑스선의 파장에 따라 단일모드 도파가 가능한 도파로 두께가 결정된다. 엑스선 도파로에서도 상기 계산식을 적용하여 도파로를 결정할 수 있다. 엑스선 반사 거울은 두 다른 물질을 교대로 증착하여 이중 다층 박막을 제조하는 엑스선 다층 박막 반사거울이 있다. 또한 두 다른 재료를 교대로 증착하면서 각각의 박막 두께를 점차 변화시켜 만든 엑스선 슈퍼 거울도 있다. 상기 기술한 동일한 두께를 교대로 적층한 다층 박막은 특정 엑스선 에너지, 즉 특정 파장을 반사한다. 또한 상기 엑스선 슈퍼 거울은 두께가 다른 두 물질을 교대로 두께를 감소시켜가며 적층한 다층 박막으로 넓은 영역의 엑스선 영역대에 높은 반사율을 얻을 수 있다. 상기 기술한 두 종류의 다층 박막 엑스선 거울의 재료는 원자 질량이 큰 물질과 작은 물질을 교대로 표면의 평평도가 좋은 박막 기판에 증착하여 제조한다. 이렇게 증착되어 제조된 다층 박막은 상대적으로 작은 입사각에서도 큰 반사율을 얻을 수 있다. 상기 다층 박막으로부터 고반사율을 얻을 수 있는 것은 다층 박막의 각각 계면으로부터 반사되는 위상 차가 보강간섭을 일으킴으로써 가능해진다.

그러므로 다층 박막에 입사되는 엑스선 광선이 각각의 계면에서 반사되면서 반사되는 두 파의 위상차가 보강간섭을 일으키는 조건을 충족하는 입사각에서는 반사율이 급격히 증가하게 된다. 반대로 두 계면에서 반사되어 상쇄간섭을 일으키는 조건의 입사각에서는 반사율이 매우 낮게 된다. 그러므로 입사각의 각도를 조절하면 다층 박막으로부터 최대 반사광을 얻을 수 있다.

상기 다층 박막으로부터 반사되는 엑스선 광은 다층 박막에서 반사되면 큰 발산각으로 방사되어 단위 면적당 단위 시간당 광자량에 해당되는 광자밀도는 감소하게 되어 영상 획득이나 측정에 더 많은 노출 시간이 요구되는 단점을 가지게 된다. 상기 빔 퍼짐에 의한 광자밀도 소실의 단점을 극복하기 위하여 곡면 반사 거울을 사용하나 이 곡면거울은 1차원에서만 엑스선 빔을 집속 시킬 수 있는 단점이 있어 두 축에 각각의 곡면 엑스선 반사경을 사용하는 경우도 있으나 반사율이 감소한다는 단점이 있다.

기존의 엑스선 도파로는 기판 위에 반사막, 즉 클래딩층을 증착하고 도파로가 될 박막을 증착한 후 도파로 층 상부에 클래딩층을 수 나노미터 증착하여 엑스선 도파로를 제조한다.

상기 방법으로 제조된 도파로의 코어 재료는 베릴륨을 사용한다. 상기 재료는 엑스선 흡수가 적은 물질이지만 엑스선은 도파로의 길이 방향으로 수십 밀리미터 도파해 가기 때문에 베릴륨과 같이 엑스선 광자에 투명한 매질이라도 흡수 및 산란으로 인한 엑스선 광자 감쇄가 발생하게 된다.

상기한 반사거울 또는 엑스선 도파로는 입사되는 엑스선의 모드가 형성되지 않거나 모드가 형성되어도 모드수가 수백 수천 개에 이르러 출구에서 방사되는 엑스선을 이용하여 영상을 실현하고자 할 경우 영상의 해상도를 떨어진다.

본 발명에서 이루고자 하는 단일모드 엑스선 도파로는 엑스선이 도파로를 통과하며 단 하나의 모드만이 형성되어 도파하게 되고 이는 엑스선의 가간섭성이 뛰어난 엑스선 모드만 도파하게 된다. 상기 기술과 같이 단일모드로 가간섭성이 우수한 엑스선 광을 영상에 이용하면 영상의 해상도가 회절의 한계, 즉 파장 크기에까지 도달할 수 있는 장점을 가지게 된다. 즉 8 KeV의 에너지를 가진 엑스선은 파장이 1.15

엑스선 영상도 이론적으로 1.15

해상도를 갖게 된다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 엑스선 다층박막 2개를 단일도파가 가능한 두께의 스페이서를 사이에 두고 겹쳐 엑스선 단일모드 도파로를 제조하는 방법이다. 상기 엑스선 다층박막 반사거울, 즉 슈퍼미러는 두 개의 각기 다른 재료를 기판 위에 교대로 연속해서 적층하여 제조한다. 상기 두 개의 다른 재료 중 하나는 원자 질량이 큰 원소와 또 다른 재료는 원자질량이 작은 재료를 사용한다. 텅스텐(W), 실리콘(Si)를 예로 들 수 있다.

두 개의 재료는 스퍼터링 장치 내에서 교대로 적충하게 되고 이때 두께는 박막이 증착되는 단계별로 점차 짧은 시간 동안 증착해서 박막의 두께를 점차적으로 감소시킨다.

상기 기술한 방법에 의해 제작된 엑스선 다층 박막 거울은 반사율이 특정 입사각에서 매우 높고, 넓은 엑스선 파장 영역에서 사용이 가능하다는 장점이 있다.

그러나 평면 반사 거울은 입사된 빔이 반사면으로 반사되면서 퍼져 나가게 된다. 즉 단위 면적당 엑스선 광자수는 감소하게 되어 영상 획득용, 또는 계측기 용으로 사용하기 곤란하다. 이런 단점을 보완하기 위한 곡면을 가진 엑스선 반사거울은 가격이 매우 비싸고 촛점길이가 상대적으로 길어 장치에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.

본 발명에서는 기존의 엑스선 도파로가 제조하기 어렵고 특히 코어층이 공기층으로 구성하고자 할 경우 제조가 매우 어렵다는 단점을 보완하며 기존의 엑스선 도파로의 구조에 쓰이는 코어물질을 베릴륨등 엑스선 감쇄가 적은 물질을 사용하여 엑스선 손실을 감소시킨다.

본 발명으로 제조된 단일모드 엑스선 도파로의 출력 엑스선은 도파모드수가 1개로 가간섭성이 우수한 엑스선이다. 이렇게 가간섭성이 우수한 단일모드 도파로의 출구단에 시료를 위치하여 엑스선 영상을 획득할 경우 가간섭성이 우수하므로 상기 영상의 해상도는 이론적으로 회절 한계까지 도달할 것이다. 즉 영상의 해상도는 파장 크기와 같게 되어 8 KeV에너지를 가진 엑스선을 예로 들면 상기 엑스선의 파장인 1.15

초극미세크기까지 식별이 가능하게 된다.

본 발명의 구성은 도1과 같이 하부 엑스선 다층박막(10)과 상층 다층박막(20)사이에 스페이서(30)로 구성되어 있다. 상기 도1은 하부 다층박막(10)이 상층 다층박막(20)보다 길게 구성되어 있어 엑스선 입사광이 하부 다층박막(10)에서 반사한 후 엑스선 도파로로 입사하는 구조를 가지고 있다. 도2와 같은 구조의 엑스선 도파로는 상기 도1과 같이 하부 다층박막(11)과 상부 다층박막(21) 사이에 스페이서(30)로 구성되어 있다. 상기 스페이서(30)은 쐐기 모양 또는 일정 두께를 갖는 두 가지를 사용할 수 있다. 일정 두께에 의한 도파로는 도4에 도식되어 있다. 상기 도2 구조를 가진 엑스선 도파로는 입사 엑스선을 직접 입사로에 입사시킬 수 있는 구조를 갖는다.

< 실시예 >

본 발명에서 구현하고자 하는 단일모드 도파 엑스선 도파로는 점진적 두께 변화를 갖는 텅스텐(W)과 실리콘(Si)을 주기적으로 적층하여 제조하고 하부 하층 박막(10) 측면부에 단일모드 도파가 가능한 두께의 스페이서(30)를 증착하여 형성하고 상기 스페이서 상단에 다층박막(20)을 겹쳐 단일모드 엑스선 도파로를 제조한다.

스페이서의 두께는 파장과 다층박막과 공기의 굴절률에 따라 상기 기술한 계산식 에 의해 주어진다. 8 KeV에서 173 nm의 두께를 가지는 스페이서를 스퍼터링 방법으로 증착한다.

도2는 본 발명에서 구현하는 단일모드 엑스선 도파로 제작 공정을 모식화 한 것이다.

본 발명은 엑스선 다층박막을 제조하고 하층부 반사 박막, 즉 하층부 크래딩위에 스페이서를 증착한 후 상층부 크래딩을 겹쳐 단일모드 도파가 가능한 엑스선 도파로를 제조한다.

본 발명에서 구현하는 단일모드 도파로는 단일모드로 가간섭성이 우수하고 가간섭성이 우수한 광원을 사용한 영상 획득 및 계측은 광원의 결맞음성으로 인하여 광원의 회절한계까지도 측정함으로써 해상도를 높일 수 있다. 그러므로 상기 단일모드 엑스선 광도파로를 이용한 영상 획득 시 도파되는 엑스선 광원의 회절한계는 엑스선 파장이 수

정도이므로 본 발명에서 구현되는 엑스선 도파로에 의해 얻어진 해상도 또한 수

정도가 된다.

그러므로 상기 발명에 의한 효과는 엑스선에 의해 불투명 재료 또는 생체 재료 등 기존 전자현미경, 광학현미경으로 측정이 어려운 시료에 내부 형상에 대한 나노급 해상도를 갖는 영상의 획득이 가능하게 된다.

Claims (3)

1. 두개의 엑스선 반사거울은 스페이서를 사이에 두고 겹쳐 엑스선 단일모드 도파로를 제조하는 방법
2. 청구항 1의 스페이서의 두께는 엑스선 파장과 도파로 재료의 굴절률에 따라 단일모드 도파조건을 만족하는 두께임
3. 엑스선은 공기층의 도파로를 따라 도파하는 엑스선 단일모드 도파로임

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