시준기
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1. 개요
시준기는 헨리 케이터가 발명한 장치로, 광학, 방사선, 군사 등 다양한 분야에서 활용된다. 광학 시준기는 광학 장치의 보정 및 정렬에 사용되며, 방사선 시준기는 X선, 감마선, 중성선 등의 방사선 빔을 필터링하여 이미징에 활용된다. 군사적으로는 총기 조준경 및 화포의 간접 사격에 사용되며, 정확한 조준을 돕는다. 시준기의 공간 해상도는 구멍의 길이, 지름, 물체와의 거리를 통해 계산할 수 있다.
헨리 케이터는 실용 천문학에 큰 공헌을 한 부유식 시준기를 발명했다. 그는 1825년 1월에 자신의 발명품에 대해 보고했다.[1] 케이터는 보고서에서 카를 프리드리히 가우스와 프리드리히 베셀의 이 분야에 대한 이전 연구를 언급했다.
광학에서 시준기는 광원 또는 이미지와 함께 곡면 거울이나 렌즈를 사용하여 빛을 평행하게 만드는 장치이다. 초점에 맞춰진 대상체를 무한대로 복제하여 시차를 거의 또는 전혀 없앨 수 있다. 조명에서 시준기는 일반적으로 비이미징 광학의 원리를 사용하여 설계된다.[2]
X선 광학, 감마선 광학 및 중성자 방사선 광학에서 '''시준기'''는 특정 방향으로 이동하는 광선만 통과하도록 걸러내는 장치이다. 렌즈를 사용하여 방사선을 이미지로 초점을 맞추기 어렵기 때문에 X선, 감마선 및 중성자 이미징에 사용된다. 원자력 발전소의 방사선 검출기에도 사용되어 방향 감도를 높인다.
2. 역사
3. 광학 시준기
광학 시준기는 다른 광학 장치를 보정하고,[3] 모든 요소가 광축에 정렬되었는지 확인하며, 요소를 적절한 초점에 맞추거나, 쌍안경이나 총신 및 조준경과 같은 두 개 이상의 장치를 정렬하는 데 사용될 수 있다.[4] 측량 카메라의 경우 기준점을 설정하여 주점을 정의하도록 시준할 수 있으며, 이는 사진 측량법에서 사용된다.
시준기 조준경은 십자선이나 다른 레티클이 초점에 있는 간단한 광학 시준기인데, 조준경으로 사용된다. 관찰자는 레티클의 이미지만 볼 수 있으며, 두 눈을 뜨고 시준기 조준경을 한 눈으로 보거나, 한 눈을 뜨고 머리를 움직여 조준경과 대상을 번갈아 보거나, 한 눈으로 조준경과 대상을 동시에 부분적으로 보아야 한다.[5] 빔 분할기를 추가하면 관찰자가 레티클과 시야를 볼 수 있어 반사식 조준경이 만들어진다.
시준기는 레이저 다이오드와 CO2 절단 레이저에 사용될 수 있다. 충분히 긴 간섭 길이를 가진 레이저 소스의 적절한 시준은 전단 간섭계로 확인할 수 있다.
3. 1. 광학 시준기의 조정
광학 기기 제조 및 조절에는 완전한 평행 광선, 즉 무한대에 있는 점 광원을 광원으로 간주할 수 있는 광선군을 만드는 시준기가 사용된다. 이는 광학계를 구성하는 렌즈나 거울을 정확하게 기울임 없이 조립하거나 초점 위치를 조정하는 데 사용된다.
초점 조절은 사양대로의 초점 거리가 되도록 조정하는 것이며, 어떤 대상물에 대해서도 초점이 맞도록 조정하는 것을 의미한다. 일반적인 망원경이나 카메라 렌즈의 경우, 초점 거리는 무한대에 초점을 맞춘 상태로 나타내며, 무한대에서 근거리에 이르기까지 초점이 맞아야 한다. 이러한 조정이 충분한 정밀도로 이루어지지 않으면 초점이 맞지 않는 경우가 발생할 수 있으며, 망원경의 접안 렌즈나 카메라의 렌즈를 교환할 수 없게 된다.
과거에는 평행 광선을 만드는 광학계와 대물 쪽에 놓인 광원에 쓰인 패턴을 육안으로 확인하여 조정하는 방식이 일반적이었지만, 최근에는 레이저 광선을 이용한 방식도 널리 사용되고 있다.[3]
4. 방사선 시준기 (X선, 감마선, 중성자)
오른쪽 그림은 Söller 시준기가 중성자 및 X선 장치에서 어떻게 사용되는지 보여준다. 상단에는 시준기가 없는 상황이, 하단에는 시준기가 있는 상황이 나타나 있다. 두 경우 모두 방사선원은 오른쪽에 있고, 이미지는 왼쪽에 있는 회색 판에 기록된다.
시준기가 없으면 모든 방향의 광선이 기록된다. 예를 들어, 시료 상단(그림 오른쪽)을 통과했지만 아래쪽으로 이동하는 광선이 판 하단에 기록될 수 있다. 그 결과 이미지는 매우 흐릿하고 불분명해진다.
하단 그림에는 시준기(파란색 막대)가 추가되었다. 시준기는 납과 같이 들어오는 방사선을 막는 재료로 만들어진다. 시준기에는 작은 구멍이 많이 뚫려 있거나, ENGIN-X와 같이 중성자의 경우 여러 층의 중성자 흡수 물질(예: 가돌리늄)과 중성자 투과 물질(예: 공기, 알루미늄)이 번갈아 배치된 샌드위치 구조로 되어 있을 수 있다. 샌드위치가 회전하는 부품의 일부라면 굽은 형태일 수 있다. 이를 통해 시준뿐만 아니라 에너지 선택도 가능하다. 시준기의 곡률과 회전은 특정 에너지의 중성자만 통과시킨다. 구멍과 거의 평행하게 이동하는 광선만 통과하고, 다른 광선은 판 표면이나 구멍 측면에 부딪혀 흡수된다. 이를 통해 광선이 판의 적절한 위치에 기록되어 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
형광 X선 분석 장치 등에서는 원자핵 또는 분자선 실험, 측정 시 빔을 가늘게 조여 입자의 경로를 평행하게 한다.
4. 1. 방사선 시준기의 활용
산업 방사선 촬영에서 이리듐-192, 코발트-60과 같은 감마 방사선원을 사용하는 시준기(빔 제한 장치)는 재료의 결함을 검사하기 위한 방사선 사진을 생성하는 데 활용된다. 이러한 시준기는 대부분 텅스텐으로 만들어지며, 원치 않는 방사선을 절반으로 줄이는 반값층(HVL) 수에 따라 등급이 매겨진다. 예를 들어, 4 HVL 텅스텐 시준기는 가장 얇은 벽이 약 1.32cm 두께이며, 통과하는 방사선 강도를 88.5% 감소시킨다. 시준기는 방출된 방사선이 시료와 X선 필름을 향해 자유롭게 이동하도록 하면서, 작업자를 향하는 등 바람직하지 않은 방향으로 방출되는 대부분의 방사선을 차단하는 역할을 한다.
4. 2. 방사선 시준기의 한계
시준기는 해상도를 향상시키지만, 입사 방사선을 차단하여 세기를 감소시키기도 한다. 이는 높은 감도가 필요한 원격 감지 장치에는 바람직하지 않은 단점으로 작용할 수 있다. 이러한 이유로, 화성 오디세이의 감마선 분광계는 비시준 장치이다. 대부분의 납 시준기는 입사 광자의 1% 미만을 통과시킨다.[1] 시준기를 전자적 분석으로 대체하려는 시도가 있었다.
4. 3. 방사선 치료에서의 시준기
방사선 치료에 사용되는 선형 가속기에는 시준기(빔 제한 장치)가 사용된다. 시준기는 기기에서 방출되는 방사선 빔의 모양을 형성하는 데 도움을 주며 빔의 최대 조사 범위를 제한할 수 있다.
선형 가속기의 치료 헤드는 1차 및 2차 시준기로 구성된다. 1차 시준기는 전자 빔이 수직 방향에 도달한 후에 위치하며, 광자를 사용할 때는 X선 타겟을 통과한 후에 배치된다. 2차 시준기는 평탄화 필터(광자 치료용) 또는 산란 호일(전자 치료용) 뒤에 위치하며, 치료 범위를 확대하거나 최소화하도록 움직일 수 있는 두 개의 조로 구성된다.
다엽 시준기(MLC)는 방사선 치료에서 치료 범위를 국소화하기 위해 빔의 모양을 더욱 형성하는 데 사용된다. MLC는 약 50~120개의 무거운 금속 시준기 판으로 구성되어 있으며, 원하는 조사 범위 모양을 형성하기 위해 제자리로 미끄러져 들어간다.
5. 군사적 이용
콜리메이터는 평행 광선을 얻을 수 있다는 특성을 이용하여 총이나 화포의 조준기로 사용된다.
소총의 경우, 기존 조준기는 조준점(프런트 사이트), 조준구(리어 사이트), 목표 3점을 봐야 했지만, 콜리메이터는 내부에 있는 레티클을 목표에 맞추기만 하면 되므로 조준이 훨씬 쉽고 정확하다. 또한, 보는 위치가 조금 어긋나도 정확하게 조준할 수 있다는 장점이 있다.[6]
한국군의 경우, K2 소총을 비롯한 다양한 화기에 도트 사이트 형태의 조준경(PVS-11K)이 보급되어 운용되고 있다. 이는 콜리메이터의 원리를 이용한 것으로, 신속하고 정확한 조준을 가능하게 하여 전투력 향상에 기여하고 있다.
5. 1. 간접 사격에서의 활용
화포를 설치할 때 방향반(Aiming Circle, 방위 자침을 사용하여 정확한 방위각을 측정하는 장치) 등을 사용하여 사향을 부여하고, 포 측에 콜리메이터를 설치하여 사격 시 조준점으로 사용한다.[6]과거에는 표간(푯대)을 세워 원근을 맞춰 조준했지만, 콜리메이터를 사용하면 준비 시간 단축과 정밀도 향상이 가능하다.
포신이 방위각 0밀(1밀은 원둘레를 6400등분)을 향하는 상태에서, 포에 탑재된 파노라마 안경을 오른쪽 1600밀로 향하게 한다. 파노라마 안경의 레티클 중앙선과 콜리메이터 중앙선이 일치하도록 콜리메이터를 설치한다. 이후 사격으로 포신을 좌우로 움직이더라도, 파노라마 안경을 1600밀로 향한 상태에서 포신을 돌려 콜리메이터 중앙선을 다시 조준하면 포신을 0밀로 되돌릴 수 있다.
사격 시에도 마찬가지로, 포신을 0밀에서 50밀로 향해 사격하려면, 파노라마 안경을 1600밀에서 1550밀(포신을 향하려는 방향과 반대 방향)로 향한 상태에서 포신을 움직여 파노라마 안경의 레티클 중앙선을 콜리메이터 중앙선으로 맞추면 포신은 50밀을 향하게 된다.
사격 반동으로 화포가 뒤로 밀려 콜리메이터 중앙선을 볼 수 없게 되어도, 콜리메이터는 평행 광선을 내므로, 콜리메이터 레티클의 숫자와 파노라마 안경 레티클의 숫자를 일치시키면 정확한 사격이 가능하다. 단, 후퇴 거리가 커 콜리메이터 경통 내부가 보이지 않으면 화포 사향 부여와 콜리메이터 설치를 다시 해야 한다. 콜리메이터 숫자 좌우를 혼동하면(예: 오른쪽 5밀과 왼쪽 5밀) 전혀 다른 방위각으로 포신이 향할 수 있으므로 주의해야 한다.
1km 떨어진 목표 사격 시 방위각을 1밀 잘못 맞추면 탄착은 1m 벗어나고, 10km 거리에서는 10m 벗어난다. 콜리메이터를 화포 어느 방향으로 설치할지는 화포 특성에 따라 다르며, 정해진 것은 없다.
6. 공간 해상도 계산
평행 구멍 시준기의 공간 해상도는 구멍의 길이, 지름, 물체와의 거리를 통해 계산할 수 있다. 구멍 길이 , 구멍 지름 , 영상화된 물체까지의 거리 를 가진 평행 구멍 시준기의 공간 해상도는 다음 공식을 통해 구한다.
:
여기서 유효 길이는 다음과 같이 정의된다.
:
여기서 는 시준기를 만드는 데 사용된 재료의 선형 감쇠 계수이다.
참조
[1]
간행물
The Description of a Floating Collimator. By Captain Henry Kater.
https://archive.org/[...]
Phil. Trans.
1825-01-13
[2]
서적
Introduction to Nonimaging Optics, Second Edition
https://books.google[...]
CRC Press
[3]
웹사이트
Collimators and Auto Collimators
http://www.rondexter[...]
Ron Dexter
[4]
웹사이트
WIPO "Magnetic lightweight collimator"
https://web.archive.[...]
2007-12-18
[5]
간행물
Elementary optics and applications to fire control instruments
https://archive.org/[...]
United States. Army. Ordnance Dept
1921-05
[6]
문서
陸上自衛隊仕様書 照準コリメータⅡ型
https://www.mod.go.j[...]
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