[2] 하위 레벨 설계
1.Corona ring
코로나 링은 신틸레이터의 ITO전극에 고전압을 인가 주어서 이차전자를 가속시키는 역할을 하고, 동시에 신틸레이터를 라이트 가이드에 고정시키는 역할도 한다. 이 코로나 링은 황동 파이프나 금속 박으로 만들고 신틸레이터와 라이트 가이드를 고정해주는 방법을 생각해보았다.
하지만 신틸레이터의 ITO 전극에 직접 고전압을 인가할 수 있기 때문에 코로나 링을 사용하지 않을 것이다.
2. Scintilator
신틸레이터의 구조는 그림과 같이 고전압을 인가하기 위한 ITO(Indium thin oxide)부분과 이차전자를 광신호로 전환하는 형광 분말(Scintillation powder), 기판역할을 수행하는 유리(Glass)로 구성된다.
신틸레이터에서 ITO는 그저 이차 전자를 가속시키는 역할을 하기 위한 전기장을 생성하는 용도이다. 따라서 ITO의 저항은 그다지 중요하지 않다. 반면 ITO의 광투과율은 중요한 파라미터이므로 광투과율이 높으면 더 양질의 영상을 얻을 수 있겠다.
시료에서 발생한 이차전자는 코로나 링으로부터 고전압을 인가받은 ITO층으로 가속되어 형광 분말층에 부딪혀 광신호로 전환된다. 발생한 광신호는 라이트 가이드로 전달된다. 따라서 양질의 영상을 얻기 위해서는 전자-광자 변환 효율이 높은 형광물질을 사용한 신틸레이터를 쓰는 것이 도움이 된다. 보통 NaI(TI) 신틸레이터가 감마선에 대해 검출 효율이 높고 광전 효과가 크기 때문에 가장 널리 이용된다고 한다. 실제로 NaI가 형광 감쇠 시간이 가장 작고 형광 효율이 높은 것을 확인했다.
적당한 신틸레이터를 고르기 위해서는 해당 신틸레이터의 형광 스펙트럼이 PMT의 특성과 일치해야 한다. 우리가 사용할 PMT 중의 하나인 R6095모델의 파장에 따른 응답을 나타내면 오른쪽 같다. 보다시피 R6095모델은 420나노미터의 파장에서 가장 효율이 좋다. 그럼 NaI신틸레이터의 스펙트럼은 어떨까? 그림처럼 NaI 신틸레이터도 420나노미터 인근에서 가장 형광 강도가 높은 것을 알 수 있다. 따라서 우리는 NaI(TI)형 신틸레이터를 사용할 것이다.
이 신틸레이터는 국내에서 구매하기가 어려우므로 eBay를 이용하여 구매할 예정이다.
출처 : ebay
직경 30mm
높이 40mm
작년 충북대 팀과 동일한 종류의 신틸레이터를 찾았다.
또 다른 신틸레이터를 찾았다.
3. Light Guide
온갖 경매사이트를 뒤져봤지만 마땅한 라이트 가이드를 찾기 힘들다. 충북대 팀은 코셈에서 5만원에 구매. 만약 신틸레이터의 모든 광자가 라이트 가이드로 들어가게 만드려면 신틸레이터와 라이트가이드의 규격이 일치해야 할 것이다.
라이트 가이드 구매에 대해서 코셈에 문의 해보았다. 두 가지 종류의 라이트 가이드가 있었다.
14mm*75mm : 350,000
14mm*22mm : 200,000
두 장비 모두 현재 코셈 장비에 들어가고 있는 장비이며 두 장비 사이에 파이는 단순히 길이 차이만 있을 뿐 다른 사양상의 차이는 없다고 한다. 또한, 라이트 가이드를 신틸레이터, PMT와 연결을 해야하기 때문에 마운트 시킬 수 있는 구조를 물어보았다. 그랬더니 공개할 수 없다고 하였다.
4. PMT
HAMAMATSU사에 따르면 SEM에 사용하기 적절한 PMT의 종류로 위의 5가지를 꼽았다. 이는 낮은 다크카운트와 작은 사이즈에 기반한 결과이다. 다크카운트는 무엇인가? 쉽게 말해서 다크카운트는 오차와 같은 개념이다. 다크카운트는 시간 당 방출되는 전자의 개수로 표현되며 원하지 않게 세어지는 전자의 개수로 볼 수 있다. 이 다크카운트는 온도가 낮을수록 낮아지는데 이게 PMT에 쿨러가 있는 이유이다.
모델명
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애노드 다크커런트
(평균/최대)[nA]
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사이즈 (세로/직경)
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가격
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R6095
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2 / 10
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112 / 28.5
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$199.99
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R6094
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2 / 10
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92 / 28.5
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같이 찾아보자
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R12421
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0.5 / 2
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43 / 13.5
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같이 찾아보자
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R9880U-110
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1 / 10
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20 / 17.5
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같이 찾아보자
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R9880U-210
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1 / 10
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20 / 17.5
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같이 찾아보자
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다른 $50 정도의 모델은 100정도 세로크기에 4/20 정도의 다크커런트를 가진다.
평균적인 애노드 커런트의 크기는 0.1mA정도이다. 다크커런트는 작을 수록 좋고 진공 챔버의 공간이 협소한 만큼 크기도 작아야 한다. 만약 이 PMT 중 하나를 구매했을 시 소켓 구매도 고려해야 한다.
PMT를 동작시키기 위해서는 각 다이노드에 동일한 전압을 걸어서 전자가 각 다이노드를 지날 때 동일하게 가속되도록 해야 한다. 그래서 각 다이노드에 동일한 전압을 걸어주는 전압 분배 회로를 구성해서 연결해 주어야 한다. 아니면 소켓을 쓰던가. 근데 소켓이 비싸다. 이때 사용하는 회로에서 저항과 커패시터는 진공용을 구매해야 할 것 같다.
ebey에서 PMT를 찾았다.
5. 부품 연결
16mm 신틸레이터, 14mm 라이트 가이드, 15mm PMT를 산다고 할 때 이것들을 연결하는 구조적 문제가 있다. 여기에 진공용 고무 오링을 사용해서 문제를 해결하려고 한다.
G계열(고정용)의 내경 9mm, 두께 3.1mm
(주현이 이거 뭔말인지 모르겠다)이것으로 신틸레이터를 감싸면 15.2mm가 되어서 PMT에 꼭 맞을 것으로 예상한다.
6. 전류-전압 증폭 회로
100nA의 작은 전류에는 큰 교류 성분의 노이즈가 실려 있기 마련이다. 따라서 증폭기에 절연성이 좋은 무극성 콘덴서를 병렬으로 연결하여 LPF처럼 동작하게 하고, 작은 전류를 컨트롤러가 인식할 수 있는 전압 데이터로 증폭 할 것이다.
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