[2] 하위 레벨 설계

[2] 하위 레벨 설계

1.Filament

처음에는 직접 제작 할려고 하였으나, 스팟웰더를 구할 수 없어 판매하는 제품을 살 예정이다.

2.Wehnelt cap

Filament의 규격에 맞추어 제작 할 것이다. 황동 판과 황동 기둥을 사서 용접을 맡기려고 한다.

(1)황동 판

<출처  http://kc-global.co.kr/product/detail.html?product_no=3176282&cate_no=1353&display_group=1&cafe_mkt=naver_ks&mkt_in=Y&ghost_mall_id=naver&ref=naver_open&NaPm=ct%3Dis32xptc%7Cci%3De0fdb7d3ab7775c256846c6f502781f019e0755a%7Ctr%3Dslsl%7Csn%3D256786%7Chk%3D55090efe6b74e75b8c55e84b127c4f4802a09156 >

(2)황동 기둥

<출처 - http://itempage3.auction.co.kr/DetailView.aspx?ItemNo=A582943758&frm3=V2#product_comment

>

3.Anode

Welhnel cap에서 쓰는 같은 황동판을 사서 중간에 구멍을 뚫어 제작 할 예정이다.

size: 2mm * 100mm * 100mm hole(1.5mm)

4 회로

Bias 회로를 제작하기 힘들다면 High Voltage Power Supply 2개를 사용하여 Filament와 Wehnelt cap에 각각 고전압을 걸어주어 Bias 전압을 만들 것이다.

(1) 전압 공급기

실제 전압 공급기에는 Floating 전압과 DC전압의 합에 최대 제한이 있다. 그래서 동아리방에 있는 전압 공급기를 Filament DC전압 공급으로 사용할 수 없다  

위 그림에서는 Output 단자에서 최대 240V를 견딜 수 있다. 따라서 DC 40V + floating 200V 해서 최대 전압 240V를 나타낸다. 그래서 우리는 고전압을 견딜 수 있는 power supply를 사용해야 한다.

동아리 방에 있는 power supply는 약 30V 출력 밖에 내지 못한다. 우리는 고전압이 필요하기 때문에  고전압 전압 공급기를 물리과에서 빌렸다.

위의 전압공급기의에는 AC단자가 있는 데 이것은 견딜 수 있는 Floating 전압이 크기 때문에  이를 이용하여 Filament에 DC 열전압을 공급해 줄 것이다.

-ac 단자의 주파수 측정

측정 이유 : Filament에 DC 전압을 주는 회로를 만들 때 주파수 값을 알아야지 AC를 DC로 바꿔주는 회로에서 RC값을 결정 할 수 있다.

측정 결과

주파수 : 60Hz  

Vpp : 18.2V

실효값 : 6.3V

AC 6.3V라고 supply에 표시가 되어있는데 이 값이 실효값을 나타낸다.

위의 AC단자를 이용하여 Filament에 DC를 공급해주는 회로는 다음과 같이 할 것이다.  Filament 에 DC를 공급해야 하는데 우리가 사용하는 power supply는 AC가 출력으로 나와서 DC로 바꿔주는 회로를 사용해야 한다. 그래서 이 회로가 AC를 DC로 바꿔주는 회로다.

R4의 값을 조절하면 입력 Voltage 값을 조절 할 수 있다.

R4 = 2.5k ~ 5.4k -> Vo = 1 ~ 2 V

(2) 고전압 케이블

<출처: http://furniture.freeship.co.kr/goods/content.asp?guid=2768893&NaPm=ct%3Dir3q77rk%7Cci%3Dd93fd259aa33226bca719aac515c16f282633d3b%7Ctr%3Dslsl%7Csn%3D293552%7Chk%3D22d8969858b6a5d0b19a6dfe3f234d35f424a810

5. Filament와 Wehnelt cap 사이의 거리 결정

<출처 : OPTIMISING THE PERFORMANCE OF A TUNGSTEN HAIRPIN SCANNING ELECTRON MICROSCOPE 저자 :S.K. Chapman* Protrain, Buckingham, U.K.>

Figure1은 전자총의 구성이고 Figure2은 Filament와 Wehnelt cap 사이의 거리에 따른 분해능을 나타낸다.

Figuer1을 보면 Emission Current 측정 방법이 나온다.

Figuer2을 보면 Filament와 Wehnelt cap 사이의 거리가 280um일 때 7.5nm의 큰 분해능을 보이므로 우리는 500um 정도로 하여도 충분할 것으로 보여진다.

6. Bias Voltage 결정

우리의 전자현미경에서 적절한 Bias Voltage를 정하기 위해서 논문 "열전자방사형 주사전자 현미경 전자광학계의 유한요소해석 저자: 박근, 정현우, 김동환, 장동영"를 참고하였다. 논문에서 Bias Voltage에 따른 Beam radius와 Emision current는 아래 표와 같이 나왔다.

위의 실험에서 사용한 전자총의 수치 Filament : -15kV wehnelt cap : -15.5kV Filament tip to anode : 10.2mm Bias Voltage : - 500V -> filament tip에서 beam의 교차점 사이의 거리 : 0.8mm -> beam radius : 141.24um

Bias Voltage 작아지면 Beam radius는 커진다. 반면에 Bias Voltage가 커지면 Emission current는 작아진다. 분해능을 좋게 하기 위해서는 Beam radius는 작게 해야하고 Emission current는 100uA가 적절하다고 한다.

일단, 우리는 적절한 바이어스를 -500V로 생각하고 고전압 전압공급기를 조절하면서 최적의 Bias Voltage를 찾을 것이다.

7. 프로브 전류 측정 방법

프로브 전류를 측정하기 위해서는 도체(sample holder)와 부도체(insulator)로 구성된 홀더 위에 센서(tungsten wire)를 결합하여 피코 암페어 측정기로 측정하는 방법이 있다.

<출처 : 집속 전자빔에서 프로브 전류에 따른 전자빔 직경 측정에 관한 연구

김승재*, 김동환+, 오세규++, 양경선+++, 정광오++++>

8/17 세미나에서 프로브 전류를 측정하는 방법에 대해 전문 박사님께 여쭈어본 결과 Faraday cup을 만들라고 하셨다. 홀더위에 센서는 올릴 필요가 없다고 하셨다.

8. 전자총 제작 시 디버깅 과정

[Filament heating 확인] Tip이 빨갛게 달아오를 때까지 Filament 전류를 증가시킨다. 이 전류를 측정하는 방법을 고민해야 한다.

[Beam currnet 확인] 형광 물질을 이용하여 눈으로 관찰한다. 고전압 장치를 이용해서 Filamet와  Wenhelt cap에 각각 고전압을 걸어준 후, Filament에 전류를 흘려준다.

[최적 Bias 전압 찾기] 이 전압을 측정하고 가변하는 방법 고민