[2] 하위 레벨 설계
(2.1) 렌즈
자기 렌즈는 코일(copper wire)과 이 주변을 감싸는 차폐 덮게(Soft-iron casing)으로 이루어져 있다. 폴 피스(Pole piece)란 원통형 렌즈 내부에 차폐 덮게의 틈이다.
렌즈 외부에는 자기장이 형성되면 전자가 이에 영향을 받아 원하지 않는 결과가 나타날 수 있기 때문에 렌즈 코일을 차폐 덮게로 감싸줘서 자기장이 외부로 흘러나가지 않게 해야 한다. 이러한 차폐덮게는 투자율이 크다. 또한, 차폐 덮에에 의해 만들어진 폴 피스로 자기장이 더 집속되는 효과를 얻을 수 있다.
(2.2)차폐 덮게
처음에는 강자성체인 Mn-zn 페라이트를 우리가 원하는 치수대로 가공해서 사용하려고 했지만 가공 업체에 문의한 결과 가공이 불가능하였다. 그래서 찾던 중에 강자성체인 퍼멀로이 시트지를 구할 수 있었고 알맞은 규격의 페라이트 코어를 발견해서 이것들을 조합해서 쓰려고 한다. 페라이트 코어에 코일을 감은 후, 그 주변을 퍼멀로이 시트지로 감쌀 것이다.
위의 자기 렌즈 3개를 똑같이 만들어서 집속렌즈 2개와 대물렌즈 1개로 사용할 것이다.
(2.2.2) 페라이트 코어
페라이트는 철과 달리 포화 자기장이 그다지 높지 않기 때문에 비교적 작은 자기장이 필요할 때 사용된다.
페라이트의 가장 큰 특징은 절연체라는 점이다. 페라이트는 강자성 절연체로서 고주파 전자기장 속에서 와상전류를 거의 만들지 않기 때문에 마이크로파 시스템 같은 분야에 유용하게 쓰일 수 있다.
페라이트의 가장 큰 특징은 절연체라는 점이다. 페라이트는 강자성 절연체로서 고주파 전자기장 속에서 와상전류를 거의 만들지 않기 때문에 마이크로파 시스템 같은 분야에 유용하게 쓰일 수 있다.
페라이트에는 소프트 페라이트와 하드 페라이트가 있는 데 우리는 히스테리시스 손실이 적은 소프트 페라이트를 써야 한다. 여기서 히스테리시스 곡선은 자기장이 과거 상태에 현재 상태가 의존하는 것으로 이것이 강하면 우리가 원하는 데로 자기장을 발생시키기 어렵다.
(2.2.3) 퍼멀로이 시트지
퍼멀로이에 탄성 한계 이상의 응력을 가하면 자기적 성질이 매우 급격하게 변하기 때문에, 절대 구부리면 안 된다. 만일 기계적인 변형이 가해지면 그로 인해 발생하는 전위(dislocation)나 슬립 띠(slip band)등의 효과 때문에 투자율이 크게 감소해서 도메인 벽들이 더 이상 쉽게 움직이지 않는다. 물론, 손상된 퍼멀로이를 고온에서 단련시키면 다시 높은 투자율을 회복할 수 있다.
(2.3) 코일
코일은 진공에서도 버티고 내열성을 가지고 있는 도선을 써야한다. 에나멜 동선을 사용하면 고진공에서 아웃게싱(outgassing)이 일어나 가상 누설이 일어나기 때문에 이것은 사용하지 않기로 하였다.
2. 예상 전류
<출처 - 얇은 렌즈 조합을 이용한 집속 렌즈 시스템 설계>
위 표는 논문 "얇은 렌즈 조합을 이용한 집속 렌즈 시스템 설계"에서 나온 것이다. 집속 렌즈 CL_1의 반배율을 0.05, 초점거리를 4.19로 하고 집속 렌즈 CL_2의 반배율을 0.02, 초점 거리를 1.56으로 설정했을 때, 가속 전압에 따라 코일에 흘러야 하는 전류를 계산한 것이다. 가속 전압이 커질 수록 전류는 커져야 하는 데, 위 표에서 나타난 최대 전류값이 약 1.5A였다. 그래서 우리 회로도 1.5A 정도의 고전류를 흘릴 수 있도록 설계했다.
3. 회로
(1)전체 회로
위 회로도는 하나의 렌즈에 대한 회로다. 입력(V2)은 0~5V의 아날로그 전압이고 출력은 코일(L1)에 흐르는 전류다. 출력은 입력에 선형적으로 비례하도록 하였다. 최대 3A의 전류를 코일에 흘려줄 수 있도록 설계했다. 제너다이오드는 소자를 보호하기 위해 사용했다.
(2) OP-AMP
2Channel
Supply Range: Vs = += 4.5V ~ +-24V
(3) R5
권선 저항기 - 섀시 탑재 15W 5 Ohms 5% (고주파에는 취약)
최대 필요한 전류를 2A라고 한다면 5V * 2A = 10W. 전력을 충분히 견딜 수 있다.
설계 할 때 3A까지 안 올라가도록 설계 해야 한다.
(4) Depletion mode N-channel mosfet
(5) 제너 다이오드
회로 보호용으로 코일과 모스펫을 보호하기 위해 사용한다.
4. 렌즈의 위치 결정하기
[정의]
CL1: 집속렌즈1
CL2: 집속렌즈2
OL: 대물렌즈
반배율: 렌즈에서 빔사이즈를 축소시키는 비율
우리 렌즈 시스템에서 최대 반배율: 976nm / 100um = 1/102
최소 반배율: (976nm)*78 / 100um = 1 /1.3
|
전자총에서 나오는 소스 사이즈는 100um이다.
프로브 사이즈는 기본 픽셀의 50%크기로 설정 해야 한다. 최소 프로브 사이즈는 픽셀 한 변의 길이가 1.95um일 때는 976nm(1.95um * 0.5)이다. 최대 Magnification은 78배이고 이 때의 프로브 사이즈는 76.128um이다.
다음과 같이 반배율을 설정 했을 때 렌즈 사이의 거리를 구해보자.
OL의 반배율: 1/2
CL1의 반배율: 1/5
CL2의 반배율: 1/10
최대 반배율: 1/100
OL의 b는 렌즈 밖에 위치해 한다. 그리고 OL과 시료 사이의 거리는 30mm 정도 간격을 띄워줘야 하기 때문에 OL의 b는 55mm가 된다. OL의 반배율이 1/2 이므로 a는 110mm가 된다.
CL이 차지는 공간을 보자.
CL1의 b는 10mm, a는 50mm이다. 렌즈는 렌즈 중심을 기준으로 위로 25mm, 아래로 25mm의 공간을 차지한다. 렌즈 중심으로부터 위로는 50mm, 아래로는 25mm가 필요하다. ( 50mm 안에는 애노드 플래이트가 위치한다.)
CL2의 b는 5mm, a는 50mm이다. 렌즈는 렌즈 중심을 기준으로 위로 25mm, 아래로 25mm이다. CL2의 a안에 빈 공간을 추정해보자. 먼저 a안에 있는 것들을 살펴보면 CL1 안에 들어가 있는 부분이 15mm,CL1을 내부 프레임에 고정 시킬 고정판의 두께가 5mm, CL2의 렌즈 윗부분 25mm까지 해서 CL1과 CL2 사이의 빈 공간은 50-15-5-25mm = 5mm이다.
5. 배율이 예상대로 설정되는지 확인하기 (수식대로 되는가 확인)
Beam source에서 렌즈까지의 거리가 a 이다. M을 1/20로 만들어보자. b = a*M 이다. b지점에 형광판을 둔다. 전류를 조절하여 형광판에 가장 작은 원이 생기도록 한다. 이 때의 전류가 M(1/20)에 대응하는 전류이기 때문에 컨트롤러에서 인가해주는 전압으로부터 이 전류를 계산할 것이다. 그 다음, f를 초점 공식으로 
구하면 
(Vo : 가속전압) 에서 k’을 찾을 수 있다.
구하면 (Vo : 가속전압) 에서 k’을 찾을 수 있다.
M을 1/10으로 가정하면 f가 결정 되고, 그러면 수식으로 대응하는 I를 찾을 수 있다. 형광판을 1/10에 해당하는 b의 위치에 둔 후, 수식으로 계산했던 전류 값을 인가한다. 계산 전류 값이 잘 맞는지 확인하기 위해서, 전류를 미세하게 조절하면서 형광판에 제일 작은 원이 나올 때의 전류를 구하고 이것이 계산했던 전류 값과 같은지 확인한다.
6. 렌즈를 프레임에 고정시키기
렌즈를 프레임의 사각 기둥에 고정시키기 위해서 고정판 두 개를 사용할 것이다. 하나는 렌즈의 아래를 받쳐주고 하나는 렌즈의 중심을 맞춰주기 위해서 사용한다.
댓글 없음:
댓글 쓰기