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X선 회절 분석기(X-Ray Diffractometer, XRD)

X선 회절장치(X-Ray Diffractometer, XRD)

X선 회절장치(X-Ray Diffractometer, XRD)는 시료의 상태에 따라서 분말법용과 단결정용 으로 분류할 수 있다.
전자의 경우는 Debye-Scherrer Camera, 후자의 경우는 Weissenberg Camera, 단결정 자동 X선 회절장치(X-Ray Diffractometer, XRD) 등이있다.

또, X선 회절장치(X-Ray Diffractometer, XRD)는 X선(X-Rays)의 검출 방법에 따라서, Film을 사용하는 사진법에 의한 것과 Counter(검출기)를 이용하는 Counter법에 의한 것으로 분류할 수 있다.
전자는 Debye-Scherrer Camera(Powder Camera), Laue Camera, 후자는 Diffractometer 가 있다.

Counter에 의해 자동기록방식을 이용한 X선 회절계(X-Ray Diffractometer, XRD)를 디프랙토메타(Diffractometer)라고 하며, 주로 분말법용 으로 이용한다.

1. 구성

Diffractometer는 크게 나누어서 X선(X-Rays)을 발생 시키는 X선 발생장치(X-Ray Generator, XG), 각도 2q를 측정하는 고니오메터(Goniometer), X선 강도(X-Rays Intensity)를 측정하는 계수기록장치(Electronic Circuit Panel, ECP), 이러한 것들을 제어하고 연산을 하는 제어연산장치(Control/Data Processing Unit, Computer) 의 4 부분으로 되어있다.

2. X선 발생장치(X-Ray Generator)

1) X선관(X-ray Tube)

X선관(X-ray Tube)은 열전자 2극 진공관의 일종이다.
가열된 음극(일반적으로 텅스텐 필라멘트를 사용한다) 으로부터 나온 열전자를 가속시켜 Target(대음극)에 충돌하면서 X선(X-rays)이 방사된다.

Target을 향한 전자의 흐름은 일반적으로 넓게 퍼지므로 Wehnelt 원통(Wehnelt cylinder)에 적당한 전장을 걸어서, 전자 흐름의 발산을 막고 Target 위에 필요한 크기의 집점을 만든다.
X선(X-rays)은 Target 표면으로 부터 여러방향으로 방사된다.
보통, Target 근처의 관벽에 창(Window)이 있어, 이 창을 통하여 X선(X-rays)이 관 외부로 나오게 된다.

(1) Sealed-off X-ray Tube 와 Demountable X-ray Tube

a. Sealed-off X-ray Tube(밀폐형 Tube)

X선관(X-ray Tube)

백열전구 와 같이 진공 Type 으로 사용법이 간편하다.
열전자를 방출하는 텅스텐(Tungsten) 필라멘트(Filament)의 수명을 길게하고, Target 표면의 오염을 방지하기 위하여, 내부는 10-7 ~ 10-8 Torr (1.33 X 10-5 ~ 10-6 Pa [Pascal]) 의 고진공 으로 되어 있다.

X선관의 단면도

일반적으로 X선 회절(X-ray Diffraction)용 으로는, Normal focus (Target 위의 집점 크기가 1 mm X 10 mm), Fine focus (0.4 mm X 8 mm), Long fine focus (0.4 mm X 12 mm), Broad focus (2 mm X 12 mm) 의 4 종류가 있으며, Normal focus 를 가장 많이 사용한다.

그 외에 잔류응력 측정장치용, Cut 면 측정장치용 등 여러가지가 있다.
형광 X선 분석장치(Fluorescence X-ray Analyser)에는 용량이 크고(집점 크기가 크다) Window 까지의 거리가 짧은 Tube를 사용한다.

b. Demountable X-ray Tube(조립식(개방식) Tube)

Rotating Anode

위의 그림은 대용량 X선관(X-ray Tube)의 하나인 회전 대음극 X선관(Rotating Anode X-ray Tube)으로 관 내부의 공기를 진공펌프에 의하여 빼내어 사용한다.
이와같은 X선관은 밀폐형 X선관(X-ray Tube)에서 얻을 수 없는 대용량 X선원(X-ray Source)을 필요로하는 경우나, 미소한 집점을 필요로하는 경우에 사용한다.
다음 그림과 같이 Target부분은 드럼(Drum)형태로 되어 있으며 고속으로 회전 시킨다.
전자 Beam은 항상 냉각되어 있는 Target면에 부딪히며 아주 강한 X선(X-rays)을 얻을 수 있도록 만들어져 있다.
밀폐형 X선관(X-ray Tube)에서 허용부하가(Target 원소, Focus size 등에 좌우됨) 2KW 전후인것에 반해, 이 방식은 18KW가 보통이며, 90KW가 되는것도 시판되고 있다.

Rotating Anode 원리

미소집점(0.1 mm X 1 mm 이하)은 밀폐형 X선관(X-ray Tube)에서 얻을 수 없으므로 조립식을 이용한다.
필라멘트에서 발생된 전자를 전자석에 의하여 미소집점을 Target위에 만드는 방식과, 미소집점 전용의 전자총을 사용하는 것도 있다.
전자는 아주 작은 집점이나 투과형 Target가 얻어지는 장점이 있고, 후자는 X선(X-rays)의 휘도(Brilliance)가 높은 특징이 있다.
이러한 미소집점 X선 발생장치(X-ray Generator)는 Lang Camera, Micro Laue Camera 등의 Camera 전용으로 사용하기도 한다.

(2) 냉각

전자가 가지고 있는 Energy의 0.1 % 정도는 X선으로 변환 되지만, 대부분은 열로 변환되어 없어진다.
이러한 이유로 Target표면을 물로 냉각 시킨다.
표면과 물의 열교환율을 높이기 위하여 물을 제트 상태로 공급한다.
이물질이 냉각수에 포함되어 있는 경우는 막히므로 Filter로 여과하여 사용한다.
밀폐형 X선관(X-ray Tube)에는 내부에 Filter(철망)가 있으므로 정기적으로 Filter를 청소하여 사용한다.

(3) X선관(X-ray Tube)의 창(Window)

X선(X-rays)이 외부로 나오도록 되어있는 창은 X선을 잘 통과 시켜야 하며, 고진공에 잘 견뎌야 한다.
이 창의 재료로는 Be 이 아주 좋은 재료이다.
0.25 mm 두께의 Be 의 X선(X-rays) 투과율은 CuKa는 95 %, CrKa는 80 % 정도 이다.
Be 이 산화되면, 맹독성의 BeO 로 변화되며, 이러한 경우 창에 직접적으로 손을 대면 안된다.

(4) X선관(X-ray Tube)의 Take-off Angle

X선(X-rays)이 외부로 나오는 각도(Take-off Angle)는 3 ~ 12o 가 가능하지만, 보통 6o 에 고정하여 사용한다.

Take-off Angle

Take-off Angle은 Glancing Angle 이라고도 한다.
Target 상의 실제집점(Focus on the target, Real focus)의 크기를 W, Take-off Angle 을 a 라고 하면, 실효집점의 크기는 W sin a 로 표시할 수 있다.
a = 6o 인 경우 실효집점의 크기는 약 1/10 이 된다.

Line Beam 과 Point Beam

X선 Beam의 종류는 Line 과 Point 두 종류가 있으며, X선(X-rays) Beam의 단면형태에 따라서 구별한다.
Line Beam은 Target상의 집점의 길이방향과 직각방향으로 나오는 Beam이며, Slit을 사용하여 Diffractometer 에 이용한다.
이와 반대로, Point Beam은 집점의 길이방향으로 나오는 Beam이며, Pin hole 에 Collimator를 사용하여 X선 Camera에 이용한다.

밀폐형 X선관(X-ray Tube)의 Normal focus 의 Traget상의 집점(실제집점 크기) 크기는 1 mm X 10 mm 이고, Take-off Angle 6o의 경우, 실효집점의 크기는 Line Beam 이 0.1 mm X 10 mm, Point Beam 이 1 mm X 1 mm 가 된다.

(5) X선관(X-ray Tube)의 수명

수명은 Target의 오염, Target의 파손, 진공불량, Filament의 단선 등의 원인으로 좌우된다.
Filament의 단선으로 수명이 다하는 경우는 드물며, Target의 오염(Contamination)으로 사실상 사용 불가능한 경우가 많다.
오염은 장시간 사용에 의한 Filament의 텅스텐 등이 Target 표면에 부착되어 일어난다.
이때 오염물질에 의한 특성 X선(Fluorescence X-Ray 예를들면 WLa)이 Target의 특성 X선(Characteristic X-rays)과 같이 나타난다.
Target의 특성X선에 대한 오염물질에 의한 특성 X선(Characteristic X-rays)의 강도가 1 % 정도가 될때를 수명이 다했다고 본다.

2) 고전압 발생장치(High Voltage Generator)

고전압 발생장치로 부터 High Voltage Cable 을 통하여 X선관(X-ray Tube)에 음의 고전압이 공급된다.
밀폐형 X선관(X-ray Tube)에는 20 ~ 60 KV 의 전압과 최대 50 mA 의 전류, Rotating Anode 에는 20 ~ 60 KV 의 전압과 최대 300 mA 의 전류를 사용하는 것이 보통이다.

고전압 발생장치는 고전압(승압) Trans, 정류회로, 평활회로, 전압안정회로, 전류안정회로 등으로 구성되어 있다.
소용량의 것은 단상 양파정류 평활화(Constant potential) 방식을, 대용량의 것은 3상 전파정류 방식을 사용한다.

Camera법의 경우는 측정각도범위 전체를 동시에 측정 하므로, 측정중에 발생하는 X선강도(X-rays Intensity)가 약간 불안정해도 별 문제가 없으나, 일반적인 Diffractometer는 측정각도 범위를 Counter로 순차적으로 주사(Scan)하므로 발생된 X선강도(X-rays Intensity)가 충분히 안정되지 않으면 안된다.
그러므로, Diffractometer는 전압, 전류를 모두 안정 시키기 위하여 제어회로가 장치에 내장되어 있다.

전압, 전류의 안정도는 발생장치의 종류에 따라 + 0.1 % 에서 + 0.01% 의 것이 보통이다.
통상 X선회절(X-ray Diffraction)의 측정에는 + 0.1 % 의 안정성을 가지고 있으면 충분하다.
측정조건을 고려하여 보면, X선원 으로부터 시료를 거쳐 Counter 까지의 통과거리는 30 ~ 40 cm 정도가 되는것이 보통이다.
40 cm 라고 하면, 기온 1oC 의 변화에 X선강도(X-rays Intensity)는 CuKa의 경우 0.16 %, CrKa의 경우 1.55 % 의 변화가 나타난다.
따라서, + 0.1 % 의 안정도 이상을 요구하는 경우는, 측정하기 위한 환경조건을 동일하게 하지 않으면 안된다.

3) 각종 보안회로

X선 발생장치(X-ray Generator)의 보호 및 인체의 안전을 위하여 각종 보안장치가 구성되어 있어야 한다.

(1) 단수 (Water cut-out limiter)

냉각수의 단수나 이물질에 의해 냉각수 통로가 막혔을 경우, Target의 과열을 방지하기 위하여 장치의 전원을 차단하는 동작을 한다.
물의양이 적을 경우 종래에는 수압으로 간접적으로 검출하였으나, 최근에는 수량을 직접적으로 검출한다.
또한, 수압이 너무 높은 경우에도 동작하도록 되어 있다.

(2) 과부하 (Over Load Limiter, OLL)

각 Target의 허용부하 이상의 부하가 발생하면 장치의 전원을 차단하는 동작을 한다.

(3) 고전압 (High Voltage Limiter, HVL)

고전압 출력이 사용하는 X선관의 최고전압을 초과하는 경우 장치의 전원을 차단하는 동작을 한다.

(4) 저전압 (Low Voltage Limiter, LVL)

X선관(X-ray Tube)의 Filament 보호용 으로, Filament 가열용 출력이 Filament 정격을 초과하는 경우 장치의 전원을 차단하는 동작을 한다.

(5) 경고등 (Warning Light)

X선(X-rays)을 발생 시키고 있을때, 이를 표시하고 경고하기 위하여 켜진다.

(6) Shutter

안전을 위하여 X선 Shutter는 2중으로 되어 있다.
전자기(Electro-Magnetic) Shutter 를 열었어도, 수동 Shutter가 닫혀 있으면, 전자기(Electro-Magnetic) Shutter 는 열리지 않는다.
전자기(Electro-Magnetic) Shutter 가 열려도 표시등이 켜지게 되어 있다.

(7) X선(X-rays) 누출방지 (Radiation Enclosure)

인체의 안전을 위하여 사용하는 것으로, X선(X-rays)이 발생되고 있을때 Cover 를 열면 X선(X-rays)이 꺼지도록 되어있다.

3. 고니오메타(Goniometer)

1) 집중법의 기본원리

다음 그림과 같이 Diffractometer 의 광학계의 원리도를 표시 하였다.
시료가 작거나 X선이 투과하는 시료의 경우느 Collimator를 사용한 평행 Beam 법이 이용되나, 일반적으로는 집중법이 이용된다.
집중법은 평행 Beam 법에 비하여 분해능이 좋고 회절 X선의 강도가 강하다.

평행 Beam 법 (Parallel Beam Method)

집중법(Focusing Method)의 원리

위 그림과 같이 집점원(Focusing circle, 집중원, Rowland circle)을 가상하고, 이 집점원에 접하는 곡면위의 시료에 의한 회절(Diffraction)을 보자.
집점원위에 있는 X선원(X-ray Source) 으로부터 발산된 X선을 시료에 입사시켜, 시료로 부터의 회절 X선(Diffracted X-ray)은 집점원 위에있는 Receiving slit 에 집중된다.

2) 고니오메타(Goniometer)

Goniometer의 광학계는 다음 그림과 같다.

Goniometer의 기본구조

(1) Diffractometer 는 일반적으로 X선원(X-ray Source) S 로 부터 Line focus 를 사용한다.
Target 상의 1 mm X 10 mm 의 Normal focus X선관(X-ray Tube)을 사용하여 Take-off Angle 을 6o 라 하면, 실효폭은 0.1 mm 가 되며, 0.1 mm X 10 mm 의 넓은 띠 모양의 X선원(X-ray Source)이 된다.

Point focus 를 사용하는 것은 Micro-Diffractometer, Fiber Specimen 등 여러가지가 있다.

(2) S 로 부터 발산된 X선(X-rays)은 첫번째 Slit 에 의하여 발산각이 제한되어 시료에 조사된다.
이 Slit 을 Divergence Slit (DS) 이라고 하며, 1/6, 1/2, 1, 2, 4o 의 발산각을 가지고있는 것을 사용하며, Setting 용으로 0.05 mm 폭을 가진것도 있다.

(3) 시료에서 회절된 X선(Diffracted X-ray)은 F 에 집중되며, 이 위치에 두번째 Slit 인 Receiving Slit (RS) 이 있다.
0.15, 0.3, 0.6 mm 의 폭을 가진 것을 사용한다.

(4) 세번째 Slit은 공기등에 의해 산란되어 시료이외의 위치에서 들어오는 산란 X선이, 검출기에 들어가지 않도록 하기위해서 사용하는 Scattering Slit (SS) 이다.
SS 는 DS 와 같은 발산각을 가진것을 사용한다.

(5) S1, S2 는 Soller Slit 이라고 하며, 얇은 금속판을 일정한 간격으로 여러겹 겹쳐놓은 것으로, 입사X선(Incident X-ray) 및 회절선(Diffracted X-ray)이 수직방향으로 발산하는 것을 제한한다.

Debye ring 과 수직발산

위 그림과 같이 세로로 긴 Line focus 로부터 발생된 X선(X-rays)은 입사측의 Solar Slit S1 에 의해, 입사X선의 수직발산되어 생기는 여러개의 Debye ring 들의 세로방향의 중첩을 적게 만들어 준다.
Solar Slit S2 는 Debye ring 들의 중심부분에서 나오는 것만 통과 시킨다.

X선(X-rays)의 발산 때문에 여러개의 Debye ring이 형성되는 Umbrella effect 가 생긴다
2q = 90o 에서는 Debye ring 이 수직으로 나타나므로 Umbrella effect 에 의한 회절선의 Shift 가 생기지 않으나, 2q 가 저각(또는 고각)이 되면 회절선이 저각(또는 고각)으로 Shift 하게 된다.

2q 에 따라 Debye ring 의 다른점

(6) Bragg Brentano

표준 집중법은 다음 두가지의 조건을 만족해야 한다.

a. X선원(X-ray Source)에서 Goniometer 중심(시료표면 위치) 까지의 거리와 Goniomter 중심에서 Receiving Slit 까지의 거리가 같아야 한다.
이 길이를 Goniometer의 반경이라 하며, 예를들어 185 mm 이다.

b. 시료는 고운 분말로 만들어 Sample holder 에 넣고, 표면이 집점원에 접하도록 놓는다.
집점원(Focusing circle)은 X선원, Goniometer 의 회전 중심, Receiving Slit 의 3점을 연결하는 가상적인 원으로, 반경은 다음 그림과 같이 회전각 2q 에 따라서 변한다.

Diffractometer 원과 집중원

집중법 광학계

시료면이 항상 집점원에 접하게 놓아두고, Direct Beam 의 중심과 시료면과의 각도 (q), Direct Beam 의 중심과 회절X선(Diffracted X-ray)과의 각도 (2q) 의 비율이 항상 1:2 를 유지하도록 한다.
이것을 만족하도록 하기 위하여, 시료와 Receiving Slit 이 회전축에 대하여 1:2 의 속도비로 회전(배각회전) 되도록 되어 있다.

시료표면과 입사X선(Incident X-ray)이 이루는 각 q 와 시료표면과 회절X선(Diffracted X-ray)이 이루는 각 q 가 항상 같게 되게 배각회전을 하는 경우, 다음 그림과 같이 시료표면에 평행한 격자면을 가지고 있는 결정이 Bragg 식 을 만족했을 때 회절(Diffraction)이 일어난다.

회절(Diffraction)조건을 만족하는 결정입자

결정의 방향이 Random 하게 되어있지 않고, 특정한 hkl 면이 시료표면에 평행하게 되어 있는 경우(선택배향이 되어 있는 경우)는, 이 hkl 면에 의한 회절강도(Diffraction Intensity)는 Random 한 경우보다 강하게된다.

4. 계수 기록 장치

1) 구성

회절X선(Diffracted X-Ray)은 Slit System 을 통과하여 X선(X-Rays) 검출부에 들어가며, 이곳에서 전기적인 신호로 변환된다.

X선(X-Rays)광량자는 검출기(Detector)에 의해 전기적인 Pulse 로 변환되며, 이 Pulse 는 Pre-Amplifier 에 의하여 Impedance(전압의 전류에 대한 비율) 가 변환되고, Main-Amplifier 에 의하여 증폭된다.
증폭된 Pulse 는 파고분석기(Pulse Height Analyser, PHA) 에 들어가, 필요없는 파고(Pulse Height)를 전기적으로 제거하여 Scaler 로 들어간다.

Scaler는 X선(X-Rays)의 세기를 설정한 계수시간(Fixed Time 또는 Preset Time)내에 도달한 Pulse 갯수를 세기 위해서 사용한다.
Scaler 동작의 설정시간(Preset Time)은 Timer에 의해 결정하며, Scaler 로 읽은 계수값은 Digital 양으로 출력한다.

2) 검출기 (Detector)

Diffractometer 의 검출기로는 일반적으로 비례계수관(Proportional Counter, PC) 이나 신틸래이션 계수관(Scintillation Counter, SC) 이 사용된다.
이전에는 가이거 계수관(Geiger-Muller Counter, GMC)이 많이 사용 되었으나, 계수직선영역(Linear Region of Counting Rate)이 좁고 수명이 짧아 현재는 사용하지 않는다.

(1) 비례계수관(Proportional Counter, PC)

1개의 X선(X-Rays) Photon 이 관속에 몇개의 이온을 만들고, 음의 전하(전자) 는 양극심선 으로, 양의 전하는 음극으로 움직인다.
두극 사이의 전압이 낮은 경우에는 전극까지 움직이는 도중에 이온은 재결합 하여, 이온 대부분이 전극까지 도달하지 못한다(재결합 영역).

전압을 높히면 전리함 영역으로 들어간다.
이 영역 에서는 이온화에 의해서 만들어진 이온들의 재결합 기회는 무시할 정도로 적어, 모두 전극에 모인다.
이 영역 에서는 모이는 전하는 전극전압과 관계없이 포화영역이 되며, 전리함은 이 영역에서 사용한다.

다음에 전압을 더 높이면, 전리전류는 다시 증가된다.
발생된 이온들의 전자는 양극에 도달하기 까지 충분히 가속되어 가스 원자에 충돌하여 다시 이온화를 일으킨다.
다시 이 2차 전리작용으로 만들어진 전자가 또다른 전리작용을 하여 많은 수의 전자가 생겨, 최후에 전극에 도달할 때까지(0.2 ~ 0.5 msec 의 짧은 시간동안) 전자증배가 일어난다.
이러한 전자의 증배 현상을 Electron Avalanche 라고 한다.

2차 전자의 발생은 광자를 방출(자외선의 발생) 시킨다.
이 광자에 의한 광전효과로 전자수는 증가된다.
이 현상을 가스증폭(Gas Amplification) 이라고 한다.
1개의 1차전자가 양극에 도달하기 까지 충돌에 의해 생긴 전자수의 평균을 n, 광전효과에 의해 광전자가 만들어질 확율을 g 라 하면, 1개 전자증배로 생기는 자외선 으로 발생되는 광전자의 수는 gn 이 되므로, 최초 1개의 전자가 여러번의 전자증배로 만들어지는 기체증폭도 M 은

M = n + gn2 + g2n3 + .... = n
--------
1 - gn

이 되며, gn < 1 이면 M 은 유한값을 가지므로, 전리전류는 처음의 입사입자에 의해 만들어진 이온들의 수에 비례하게 된다.
이러한 범위에서 사용하는 계수관을 비례계수관 이라고 한다.
실제로 사용하는 비례계수관 에서는 gn < < 1 인 전압범위로, M = ~ n 이 된다.

다음에 양극전압을 더 높이면, gn 은 다시 증가되어 1 에 가까워진다.
이때 양극에 도달하는 전자는 막대한 수가 되며(입사X선의 Energy와 관계없이), 일정한 값이 된다.
이것이 가이거 영역으로, 가이거 계수관에는 이영역을 사용한다.
가이거 계수관 에서 출력되는 Pulse 의 파고는 크지만, 입사 입자의 Energy 에는 무관하므로, 입자가 가지고 있는 Energy (선의 종류) 를 알수 없다.

다음 그림은 비례계수관(PC) 에 일정강도의 단색X선이 입사될때 계수관에 가해진 전압을 변화 시키면서 계수율의 변화 특성을 나타냈다.

(a) 정상적인 계수관
(b) 특성이 나빠진 계수관

비례계수관의 계수율 변화

계수율의 증가가 거의 없는 영역을 Plateau 라 한다.
일반적으로 Plateau 가 끝나는곳 부터 계수율은 증가하며, 이것은 증폭이 너무 커서 잡음이 선별기(Discriminator) Level 을 넘어 가서 생긴다.
PC 의 전압은 Plateau 의 중심부분 또는, 낮은곳 으로부터 1/3 정도의 전압을 사용한다.
정기적으로 특성을 점검하여 최적전압을 사용하며, 필요 이상으로 강한 X선을 입사 시키지 않고, 강한 기계적인 충격을 주지 않고, 심선부근에는 계수되지 않는 Dead zone 이 있으므로 Counter 의 방향에 주의하여 사용하여야 한다.

(2) 신틸래이션 계수관(Scintillation Counter, SC)

비례계수관은 Gas의 이온화를 이용한 계수관 이지만, 신틸래이션 계수관(Scintillation Counter, SC)은 고체의 발광작용(형광)을 이용한 계수관 이다.
신틸래이션 계수관의 구조는 다음 그림과 같다.

A: Be 1: 음극(Photo Cathode)
B: 발광체(Scintillator, NaI) 2 ~ 14: Dynode
C: 빛이 통과하지 않는 재료 15: 양극
D: 광전자 증배관(Photo Multiplier)

신틸래이션 계수관 (SC) 의 구조

발광체 (Scintillator) 에는 미량의 Tl 으로 활성화된 NaI 단결정이 일반적으로 사용된다.
Scintillator 는 X선에 의해 여기되어 청보라색의 빛을 내며, 이 미약한 빛을 광전자증배관 (Photo Multiplier, Photo Tube) 을 사용하여 증폭한다.
Scintillator 의 청보라색의 빛이 광전자증배관의 광전면 (Photo Cathode) 에 부딫혀, 광전자 (1차전자) 를 방출하며, 이 광전자를 10 단정도의 Dynode 에 의해 기하급수적으로 증가 (약 106 배) 시켜, 비례계수관과 같은정도 (수 mV) 의 Pulse 로 출력된다.

Scintillator 의 발광양은 입사X선 광량자의 Energy 에 비례하므로 Energy 선별이 가능하다.
Energy 분해능은 비례계수관 보다 나쁘다.
잡음이 비교적 많고, X선의 파장이 3 이상이 되면, Signal 의 파고가 잡음과 거의 같아 구별이 어렵다.

계수관의 계수효율은 변환된 Pulse 의 수를 입사X선 광량자의 수 에서 뺀 값으로 표시하며, 계수효율의 Graph 를 다음 그림에 표시했다.

계수관길이 (mm)Window 재료
Giger Ar 550 mmHg100Mica 0.013 mm
Proportional Xe 320 mmHg20Mica 0.013 mm + Be 0.13 mm
Scintillation NaI(Tl)1Be 0.13 mm

Counter 의 계수효율 (계산값)

SC 는 X선회절(X-Ray Diffraction)에 사용하는 파장영역에서 대부분 100 % 부근이고, 계수효율의 점에서 아르곤(Ar) PC 보다 좋다.

3) 계수관의 Energy 분해능과 파고분석기

(1) Energy 분해능

다음 그림은 일정한 Energy 를 가지고 있는 X선(단색X선, Monochromated X-Rays) 에 의해 얻어지는 Pulse 의 파고값을 파고분석기에 의하여 분석한 파고분포곡선 (Pulse Height Distribution Curve) 이다.

비례계수관에 의한 파고분포곡선

h 를 계수관의 Energy 분해능 (Energy Resolution) 이라고 하면, h 는 다음식으로 표시된다.

h = e X 100 (%)
-----
E

h: Energy 분해능
e: 파고의 반가폭
E: 평균 파고값

평균파고값(Mean Pulse Height Value) E 는 계수관에 걸리는 전압, 증폭기의 이득에 따라서 다르고, Energy 분해능은 일정 X선에 대하여 거의 일정하다.

단색X선(Monochromated X-Rays)을 계수관에 입사 시켜도 발생되는 파고값은 분산이 생기게 된다.
이것은 X선(X-Rays) 광량자가 1차전자로 변환되는 과정이 Random 하게 일어나므로, 통계적인 분산 나타난다.

예를들어 아르곤 비례계수관에 CuKa (8 KeV) 의 광량자를 입사 시켜 발생되는 1차전자는 약 300 개 이며, 그 통계적인 분산은 300 = 17 개로 약 6 % 가 된다.
실제는 전장의 불균일성 등으로 인하여 Energy 분해능은 20 % 전후가 된다.
SC 는 광전자증배관의 광전자면 에서 생기는 1차전자의 수는 CuKa 에서 10 ~ 15 개 이며, 분산은 30 ~ 40 % 가 되며, 실제로 측정되는 Energy 분해능은 40 ~ 60 % 가 된다.

(2) Escape Peak

입사X선(Incident X-Rays)의 에너지가 계수관의 광량자 흡수체(예를들어 Ar Gas)의 흡수단 에너지 보다 크면, 파고분포곡선에 Escape Peak 가 나타난다.
Escape Peak 의 위치는 다음식으로 나타낼 수 있다.

Escape Peak 의 Energy = 입사X선(Incident X-Rays)의 Energy - 흡수체의 특성X선(Characteristic X-Rays) Energy

예를들어, 아르곤 (ArKa 2.96 KeV) 을 사용한 비례계수관에 CuKa (약 8 KeV) 가 입사되는 경우, CuKa 의 Escape Peak 에너지는 약 5 KeV 에 상당한다.
만약 8 KeV 가 파고값 1 V (PHA 의 Base line 200) 에 조정 되었다면, Escape Peak 는 약 0.625 V (PHA 125) 의 위치에 나타난다.

다른 예를들면, NaI (IKa 28.6 KeV) 를 사용한 Scintillation Counter 에 40 KeV 의 연속X선(Continuous X-Rays)이 입사되는 경우, CuKa (약 8 KeV) 가 1 V (PHA 200) 에 조정 되었다면, 연속X선(Continuous X-Rays)의 Escape Peak 는 11.4 KeV 에 해당하는 1.43 V (PHA 286) 에 나타난다.

Escape Peak 는 실제의 회절측정 결과에도 (에너지가 큰 연속X선(Continuous X-Rays)에 의해) 2q 가 5 ~ 15o 부근에 Broad 한 Peak 가 확인된다.

위의 두번째 예 에서, SC + PHA 의 조합을 하여, 다음 그림과 같이 시료에 의해 회절된 단파장측의 연속X선에 의한 Escape Peak 가 PHA 의 Window 를 통과하여 Pulse 가 된 경우, Escape Peak 가 생긴다.
관전압을 요오드의 Ka 의 여기전압 (33.2 KV) 이하로 하거나, Monochromator 를 사용하면 Escape Peak 는 회절 결과에는 나타나지 않는다.

실선은 Kb Filter 를 사용하지 않은 경우
점선은 Kb Filter 를 사용한 경우

단결정시료(d 가 일정)에 PHA 를 사용하지 않은 경우

단결정시료(d 가 일정)에 Kb Filter 및 PHA 를 사용한경우

다결정시료에 Kb Filter 및 PHA 를 사용하지 않은 경우

다결정시료에 Kb Filter 및 PHA 를 사용한경우

S-PC 는 SC 와 달리, 단파장 및 장파장의 연속X선(Continuous X-Rays)에 대하여 계수효율이 나쁘므로, Counter 자체가 사용하지 않는 연속X선(Continuous X-Rays)을 Count 하지 못한다.
이러한 이유로 S-PC 는 PHA 를 보통 생략한다.
이 경우, Escape Peak 는 회절결과에 나타나지 않는다.

(3) 파고분석기 (Pulse Height Analyzer, PHA)

검출기에 들어간 X선(X-Rays)은 완전한 단색이 아니므로, 시료에서 회절(Diffraction)된 특성X선(Characteristic X-Rays) 외에, 연속X선(Continuous X-Rays), 시료로 부터의 형광X선(Fluorescence X-Rays) 등 필요없는 X선(X-Rays)도 포함되어 있다.
검출기에 생긴 파고(Pulse Height)가 입사X선의 에너지에 비례하는 것을 이용하여 파고분별을 하며, 필요한 Pulse 신호를 전기적으로 Cut 시키는 파고분석기 (Pulse Height Analyzer, PHA) 가 있다.

다음 그림과 같이 검출기에 생긴 Pulse 의 평균파고는 입사X선(Incident X-Rays)의 에너지에 비례한다.

파고값의 선택

PHA 를 Target 의 특성X선(Characteristic X-Rays), 예를들어 CuKa 가 통과 하도록 설정하면, CuKa 와 파장이 다른 대부분의 X선(X-Rays)을 Cut 시킬 수 있다.
위의 그림에서 대부분의 CuKa 는 PHA 를 통과 하지만, MoKa, CrKa 에 해당하는 X선(X-Rays)은 PHA 를 통과하지 못한다.

SC 에 생긴 수 mV 의 Pulse 는 비례증폭기로 증폭되어, 선별기(Discriminator) 에 들어가 파고선별이 된다.

다음 그림과 같이 파고선별기에는 2개의 선별기가 있으며, 낮은 Level 을 하한선별기(Lower Level Discriminator), 높은 Level 을 상한선별기(Upper Level Discriminator) 라고 한다.

파고선별기

파고가 낮은 Pulse 1 은 하한선별기에 의해, 파고가 높은 3 은 상한선별기에 의해 출력되지 않고, 2 는 Level A 에는 동작하나, Level B 에는 동작하지 않는다.

PHA 의 입력 Pulse

상한, 하한 Level 사이의 폭 (Window, Channel width)) 을 충분히 작고 일정하게 하여, 하한의 Level (Base line) 을 연속적으로 변화 시키면서 측정하면, 다음 그림과 같이 입사X선(Incident X-Rays)의 파고분포를 얻을 수 있다.
이것을 미분곡선(Diffrential Curve) 이라고 한다.

미분곡선
(2q 를 회절 Peak 위치에 고정)

상한 Level 이 없이 하한 Level (Base line) 을 연속적으로 변화시켜, 하한 Level 보다 높은 파고를 측정하면, 입사X선(Incident X-Rays)의 파고분포를 얻을 수 있다.
이것을 적분곡선(Integral Curve) 이라고 한다.
다음 그림은 미분곡선과 적분곡선의 상호 관계를 표시한다.

미분곡선 과 적분곡선

다음 그림은 일정강도의 단색X선(Monochromated X-Rays)을 계수관에 입사 시키며, Base line, Window 를 일정하게 했을때의 HV - 계수효율곡선을 표시한다.
이 그림은 위 그림을 반대로 그린것과 같다.

HV - 계수효율곡선

다음 그림들은 PHA 의 동작을 잘 알기 쉽고, 이해하기 쉬운 구체적인 예를 표시 했다.

각 특성X선(Characteristic X-Rays)의 서로다른 적분곡선
(INT, 관전압 = 30 KV, HV = 850 V)

각 특성X선(Characteristic X-Rays)의 서로다른 미분곡선
(DIFF X 0.1, Window = 100, 관전압 = 30 KV, HV = 850 V)

Main Amp 의 Coarse Gain 에 의한 파고값의 이동
(DIFF X 0.1, Window = 100, Cu Target, 30 KV, HV = 850 V)

HV 에 의한 파고값의 이동
(DIFF X 0.1, Window = 100, Cu Target, 30 KV)

Window 의 크게 작게 함에 의한 파고값의 이동
(Cu Target, 30 KV, HV = 850 V)

또, 오해하기 쉬운점에 대하여 다음과 같이 표시 했다.

a) 파고와 X선강도(X-Rays Intensity)를 혼동하지 말아야 한다.
파고는 Pulse 전압의 크기이며, X선강도(X-Rays Intensity)는 단위시간 동안 생긴 Pulse 의 수 이다.

b) 평균파고는 X선(X-Rays) 광량자가 가지고있는 Energy 에 비례한다.(l 에는 역비례 한다.)
또, 파고는 광전자증배관에 걸리는 HV 및 Main Amp 의 Gain (이득) 에 따라서 변한다.

c) 증폭에 의하여 X선강도(X-Rays Intensity)가 증가되지 않는다.
증폭은 계수회로에 의한 Pulse 의 계수를 용이하게 하는것 이므로, Pulse 파고를 크게하는 것이 아니다.
X선강도(X-Rays Intensity)는 단위시간 동안의 Pulse의 수 이므로, Counter 에 들어온 X선(X-Rays)량이 일정하면, X선(X-Rays) 광량자의 흡수의 총합 (양자계수효율) 에 의한 결과이다.

d) 계수회로내의 1개의 Pulse는 1 msec 정도의 시간적 간격을 갖고 있다.
X선(X-Rays)의 계수율이 20000 cps (추가회로를 넣으면 약 200,000 cps) 정도이상 으로되면, 각 Pulse 의 중첩으로 X선(X-Rays)의 수가 떨어진것 처럼 보인다.

5. 장치 취급상의 주의점

1) 전반적인 주의점

(1) X선(X-Rays)은 전리작용을 일으키고, 인체에는 유해하므로, X선(X-Rays)에 노출되지 않도록 충분히 주의하여 작업하는 것이 중요하다.

a) 작업자는 Film Badge 를 착용한다.
b) 방호기구를 사용한다.
c) Direct Beam 의 진행을 막는다.(Pb 1 mm 에 해당하는 이상의 것)
d) Shutter 의 개폐를 확인한다.
e) X선이 나오는 곳은 전원이 OFF 되었을때 외에는 만지지 않는다.
f) 2인 이상이 동시에 작업중에는 X선조사를 서로 확인한다.
g) 피폭사고, 장치의 이상을 확인한 경우에는 속히 전원을 끄고 장치의 관리자에게 연락한다.

(2) 각종 보안회로의 설정을 필요없이 변경하지 않는다.

(3) 장치가 설치되어 있는 방은 온도 Control 이 가능면 좋다.
각도 및 강도의 정밀측정을 하기 위해서는 항온실이 필요하다.

(4) 장치의 설명서를 충분히 읽고 사용한다.

2) X선관 (X-ray Tube)

(1) 처음 사용하는 X선관(X-ray Tube) 또는 장기간 사용하지 않은 X선관(X-ray Tube)은 Aging 하여 사용한다.
매일 사용하는 경우에도 전압, 전류를 급하게 변화 시키지 않는다.

(2) X선관(X-ray Tube)의 허용부하, 허용전류 이하에서 사용한다.

(3) X선관(X-ray Tube)의 교환, Focus 를 바꾼경우에는 냉각수가 잘 흐르는지 확인한다.

(4) X선관(X-ray Tube)에 충격을 주지 않는다.

(5) X선관(X-ray Tube)의 Window 는 매우 약하므로 건드리지 않도록 한다.

(6) 방전방지 유리 부분을 맨손으로 만지지 않는다.
유리부분은 Silicon 처리가 되어 있으므로 휘발성 용제로 닦는다.

3) 고전압 발생부분

(1) X선 발생장치(X-ray Generator)의 고압부분의 보수점검을 할 때에는 전원을 끄고, 가지고있는 전하를 충분히 접지시켜 방전시키고, 고전압 회로에 대하여는 지식을 가지고 있는 사람이 작업한다.

(2) 보통 고전압 부분은 주위가 덮혀 있으나, 덮혀 있지 않은 경우에는 접근하지 않는다.

(3) 고전압 Cable 은 X선관(X-ray Tube)과 같이 고전압이 걸리므로 방전사고가 없도록 항상 깨끗이 보존할 필요가 있다.

4) Goniometer

(1) Goniometer 는 정밀기계 이므로 Counter Arm, 시료축 등에 강한 힘을 가하지 않는다.
예를들어, Counter Arm 을 잡고 Goniometer 를 이동하거나, Counter Arm 의 회전을 못하게 하는 힘을 가하거나, 무거운 것을 Counter Arm 에 올려놓지 않는다.

(2) Goniometer 주위에 시료가 떨어지는 것은 좋지 않으므로, 사용후 항상 깨끗하게 청소해 둔다.

5) 계수 기록 장치

(1) Counter 에 너무 강한 X선(X-rays) (40,000 cps 이상) 을 장시간 입사 시키지 않는다.
Direct Beam 은 아주 강하므로 입사되지 않도록 한다.
강한 X선(X-rays)은 계수관의 수명을 단축시킨다.

(2) 계수관은 기계적인 충격에 약하므로 떨어트리지 않고, 강한 진동을 가하지 않도록 한다.