[1] 상위 레벨 설계

[1] 상위 레벨 설계

1.검출기의 구조 및 원리

Faraday cage는 300V의 전압을 인가하여 시료에서 튀어나오는 이차전자를 검출기로 끌어오는 역할을 한다.

Corona ring은 보통 10kV정도의 전압이 인가되어 검출기로 모아진 이차전자를 가속시키는 역할을 한다. 에

Scintilator는 형광물질로서 이차전자가 이것에 부딪치면 광자가 발생한다.

Light Guide는 발생한 광자를 안전하게 PMT로 이동시키는 역할을 한다.

PMT는 광전효과를 이용하여 받아온 광자에서 전자를 추출해내고 튀어나온 전자는 여러번의 Dynode를 거치면서 증폭되어 측정가능한 범위의 전류를 만들어준다.

2. 검출 신호의 증폭

검출기는 이차전자들을 검출하여 측정 가능한 수준의 전류로 바꾸어준다. 이렇게 얻어진 전류 데이터들은 일반적으로 0.1mA 정도로  프로세서가 인식하기에 아주 작기 때문에 OP-AMP를 이용한 증폭기를 통해 전압 형태로 출력해야 한다. 그 후 출력 전류는 프로세서로 전달되고 이 신호에 따라 프로세서는 모니터 상의 알맞은 좌표에 그레이 색상을 나타내게 된다.

3. 증폭 신호를 프로세서에 전달하는 방식

PMT는 광자로 변환된 이차전자를 광전 효과에 의해 다시 전자로 바꾼 뒤 이 전자들을 여러 단계를 거쳐 증폭시켜주는 역할을 한다. 이런 PMT의 출력으로는 애노드 단자의 음의 전류로 나타난다. PMT의 출력은 전자 한 다발이 들어오면 펄스 형태의 출력을 나타내며 이런 펄스들의 합이 애노드의 출력으로 나타나므로 강한 빛에서는 더 많은 펄스들의 합으로 나타나 더 강한 음의 전류를 보이고 약한 빛에서는 적은 펄스들의 합이므로 더 적은 음의 전류로 나타난다. 이런 PMT의 출력을 분석하는데는 아날로그 방식과 포톤 카운팅 이라 불리는 디지털 방식이 있다.

(1) 아날로그 방식

아날로그 방식이란 PMT에서 나타나는 출력 신호들의 평균 값을 측정하는 방식이다.

위 사진은 아날로그 방식의 블록 다이어그램과 각각의 빛에서 PMT신호를 나타낸 것이다. 블록 다이어그램에서 보면 출력 신호를 DC반전 증폭기를 통해 통과시킨 뒤 잡음의 영향을 줄이기 위해 LPF를 통과시키고 ADC를 지난 뒤 컨트롤러에서 인식한다. PMT 신호 그림에서 보다시피 강한 빛에서 강한 신호를 나타내고 약한 빛에서는 상대적으로 약한 빛을 나타낸다. 아주 약한 빛에서는 출력 신호가 거의 보이지 않고 낮은 SNR을 보이므로 노이즈에 의한 영향이 커서 부정확한 결과를 출력하기도 한다.

이 방식에서는 PMT에 인가되는 전압을 조절하면 쉽게 PMT의 이득을 변경할 수 있다. 따라서 비교적 넓은 측정 범위를 보인다.

(2)디지털(광자 계수) 방식

디지털 방식은 아날로그 방식과 달리 출력 펄스들 중 특정 값 이상의 펄스들의 개수를 세는 방식이다.

위 블록 다이어그램을 보면 PMT의 출력을 AC와 DC성분을 한꺼번에 증폭시킨 후, Discriminator로 통과시킨다. Discriminator이란 입력 펄스 신호들 중에 특정 값 이상의 피크 값을 가진 펄스를 골라내어 그것들을 일정한 피크 값의 펄스들로 바꾸는 역할을 하는 회로이다. 이 신호는 Pulse shaper로 들어가 원하는 형태의 펄스로 변형 된 뒤, 이 펄스를 카운터로 센다. 카운팅 된 펄스의 개수가 많을수록 강한 신호로 인식하고 적을수록 약한 신호로 인식하게 된다. 이런 광자 계수법의 장점으로는 펄스의 개수를 세기 때문에 잡음의 영향을 덜 받아 SNR이 낮은 아주 작은 빛에서도 비교적 정확한 측정을 할 수 있고 공급되는 전압이 바뀌어도 일정한 특성을 보이는 구간이 존재해서 특정 구간에서는 공급 전압이 불안정해도 안정한 특성을 보인다.

(3)아날로그 방식 VS 디지털 방식 결정하기

오른쪽의 그래프는 디지털 모드의 특성을 나타낸 그래프이다. 그리고 왼쪽의 그래프는 공급 전압의 변화에 대해서 아날로그 방식과 디지털 방식의 안정성을 보여주고 있다.

디지털 방식은 공급 전압의 변화에 따른 출력 신호의 변화가 크지 않은 특정한 구간이 보인다. 이런 특성 때문에 공급 전압의 변화에도 포토 카운팅 방식은 안정적인 출력을 보이고 아날로그 방식은 공급 전압의 변화에 따른 PMT의 이득 변화가 큰 영항을 미쳐 불안정한 출력특성을 나타낼 수도 있다. 즉, 아날로그 방식은 공급 전압의 변화에 따른 PMT의 이득 변화가 커서 공급전압이 불안정 할 때 불안정한 출력을 보이고 디지털 방식은 공급 전압의 변화에도 PMT이득에 큰 영향이 없어 공급 전압이 불안정해도 안정적인 출력을 보인다.

하지만 이런 특징은 오히려 단점으로 동작하기도 한다. 만약 형광 신호가 커서 PMT가 포화되는 지점에서는 아날로그 방식의 경우 그냥 공급 전압을 조절하여 PMT이득을 낮추면 측정이 가능하지만 디지털 방식은 PMT의 이득을 바꾸기 위해서는 슬릿 폭을 조절하거나 필터를 써야 하는 물리적인 방법을 이용해야 해서 번거롭다. 또한 디지털 방식의 측정 구간이 아날로그 방식보다 짧다는 단점도 있다.

[그림 8]을 보면 파란색 실선의 디지털 방식보다 빨간색 점선의 아날로그 방식이 선형적 측정 구간이 더 큰 것을 알 수 있다. 그리고 아주 약한 빛에서는 디지털 방식이 측정하기 좋은 것임을 알 수 있다. 따라서 우리는 위 특성들을 고려하여 PMT측정을 아날로그 방식으로 할지 디지털 방식으로 할지 결정해야 한다.

주로 디지털 방식은 매우 약한 빛에서 출력이 좋기 때문에 생체 신호를 분석하는 용도로 많이 쓰여서 의료 기기에서 많이 쓰인다고 한다. 우리는 전자 현미경 제작에서 매우 약한 빛을 정확하게 측정해서 나타내는 것 보다 측정 범위를 넓게 하는 것이 좋다고 판단해서 아날로그 방식을 쓰기로 결정 했다.

4. 검출율에 영향을 미치는 요소

200만원이라는 한정된 예산과 진공 챔버 안에 모든 장치를 넣어야하는 한정된 공간에서 검출기를 어떻게 효과적으로 제작할 수 있을까? 실제로 검출기의 크기가 그리 작은 편이 아니라 더욱 더 공간 문제에 중요성을 두고 고려했다.

먼저, 어느 정도 공간을 차지하는 페러데이 케이지를 없앨 수 있는지 조사해보았다.

실제로 논문에 의하면 패러데이 케이지가 없는 경우가 더 이차전자(SE)의 수집률이 좋은 것으로 나타났다. 하지만 BSE를 검출하기 위해서는 패러테이 케이지를 반드시 써야한다.  

다음으로, 검출기에서 신틸레이터를 어느 부분에 고정시키는 것이 좋을 지를 알아보았다. 논문에 의하면 검출기 커버에서 신틸레이터의 위치가 어디냐에 따라 이차전자 수집률이 다른 것으로 나타났다.

위 그래프는 페러데이 케이지가 없을 때, 신틸레이터가 검출기 커버에서 5mm 정도 들어가 있으면 이차전자를 가장 잘 검출할 수 있다는 것을 보여준다.

위 그림은 검출기 커버에서 신틸레이터가 어디에 위치하느냐에 따라 달라진 영상의 밝기를 보여주고 있다. 이차전자의 수집률에 따라서 영상의 밖기에 큰 차이가 나타나기 때문에 우리는 이차전자 수집율이 높은 최적의 위치에 검출기를 달아야 할 것이다.

다음은 검출기와 시료 사이의 각도에 대한 관계이다.

검출기의 각도는 45도부터 90도까지 수집율의 큰 변화가 나타나지 않기 때문에 45도 이상 되는 각도면 충분할 것이다.

5. PMT 하우징

PMT는 아주 작은 빛도 검출할 수 있는 소자이므로 외부의 빛을 완벽히 차단시켜주어야 한다. 따라서 PMT를 둘러싸는 하우징 작업이 필요하다. 또한 코로나 링에 높은 전압이 갑자기 걸리게 되면 진공챔버가 순간적으로 불안전해 질 수 있고, 따라서 PMT와 진공 챔버를 전기적으로 분리 시키는 역할도 수행해야 한다. 그래서 PMT하우징은 절연체소재로 구성해서 접지시켜주어야 한다.

6. SIPM

PMT에 관한 조사를 진행하던 중, SiPM이 최근 PMT를 대체하고 있다는 댓글을 발견하고 SiPM이 무엇일까 찾아보기 시작하였다. SiPM (or SPM)은 실리콘으로 구성한 PMT로 일반 PMT보다 우수한 특성을 가지고 있다. 아래 표를 보면 SIPM이 낮은 동작 전압, 더 높은 기계적 견고성, PMT와 달리 외부 빛에 노출되어도 되고, 크기도 더 작으며, 자장에 대한 감도가 없어 자장의 영향도 받지 않는다는 것을 알 수 있다. 하지만 SIPM을 PMT에 비해 Noise가 크다.

조금 더 조사가 필요하지만 SiPM은 아래와 같은 구조가 병렬적으로 분포되어 해당 부위에 도달하는 광자의 개수를 세는 방식인 것 같다.

7. ADC 샘플링 속도

Detector System에서 2차 전자 신호를 영상 신호로 변환하기 위한 ADC 샘플링 속도는 초당 영상 정보 갱신 속도에 의해서 결정된다.

검출기에서 I_sample 속도로 ADC 샘플링을 처리할 때  초당 영상 프레임 수는 다음과 같이 정해지는 데, 그 과정을 역으로 하여 시스템에서 요구되는 ADC 샘플링 속도를 구할 수 있게 된다.

2차 전자 신호가 디지털 변환을 위한 샘플링 시간에 의해서 가로 방향 영상의 해상도를 곱하면 가로 방향 스캔신호의 주시기 결정된다. 세로 방향 스캔신호의 주기는 가로 방향 스캔신호에 세로방향 영상 해상도를 곱하면 된다. 한 프레임의 영상을 만들기 위해 세로 방향 주사신호 주기의 역수인 주파수는 초당 영상 갱신 횟수와 같다.