XRF(X-Ray Flourescene spectroscopy)분석장치는 전압과 전류를 X-Ray에 인가하여 샘플에 엑스선을 조사한뒤 반응된 형광에너지를 각 에너지 대역별로 카운트하여 에너지 스펙트럼을 획득하는 장치를 뜻합니다. XRF의 구성장치는 크게 X-Ray tube, detector, 레이저 초점설정기 등으로 구성됩니다. 이번 포스팅에서는 XRF 분석장치의 구성장치인 X-Ray tube에 대해 자세히 알아보겠습니다.
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1. X-Ray 발생 원리
출처 : techvalley
필라멘트에 고전압을 가하면 전류가 흐르면서 가열되는데, 가열된 필라멘트에서 에너지를 얻은 열전자가 tube로 방출되게 됩니다. 고전압으로 가속된 전자는 양극 전극인 금속판에 충돌하는데 이 때 전자가 가지고 있던 운동에너지가 빛에너지와 열에너지로 전환됩니다. 전자의 운동에너지가 빛에너지로 바뀐것이 X-Ray입니다.
2. voltage range
tube operation 전압이 높아지면 X-Ray output range가 비례하여 높아지게 됩니다. 따라서 x-ray tube의 voltage range는 검사 가능한 에너지 스펙트럼의 범위를 결정하며, voltage range는 시료의 두께 및 성분에 따라 결정해야합니다.
ex) 50kV -> 50keV
또한 전압이 증가하면 전자의 가속 속도가 빨라져 동일 측정 시간동안 X-ray intensity 가 늘어나고 측정 원소에 대한 형광 X선의 cps가 증가하게 됩니다.
3. Beam current
필라멘트의 전류는 X-ray tube의 타겟에서 반응하는 전자의 양을 조절하여 X-Ray 광 intensity를 결정하는 역할을 합니다. 전압과 전류 모두 측정 원소에 대한 형광 X선 intensity에 영향을 미치지만, 전압은 Target의 전자 가속속도와 에너지 범위에 영향을 미치고, 전류는 반응 전자의 양에 영향을 미칩니다.
따라서 동일 전압에서는 전류가 높을수록 cps가 증가하며, 동일 전류에서는 전압이 높을 수록 에너지 스펙트럼의 범위와 cps가 증가합니다. 일반적으로 X-Ray tube의 관 전류는 150mA(전력 4kW)를 넘어서는 안됩니다.
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4. Target
X-Ray tube의 타겟으로 사용되는 anode material은 Cu, Mo, Cu, Fe, Cr, W, Rh 등이 있습니다. 원자번호가 클수록 동일 전압에서 측정가능한 에너지 범위가 크며 백금함유량 검사에 주로 사용되는 target은 Mo과 W입니다.
5. Anode angle
Anode angle이 클수록 focal spot이 커지며, focal spot 클수록 cps가 증가합니다.
출처 : radiologykey
6. 콜리메이터 (collimator)
타겟에서 발생한 X선을 일정한 면적으로 측정 샘플에 조사시키는 역할을 합니다. 또한 측정 종료후 X선 튜브를 막는 셔터의 역할도 겸하고 있습니다.
7.X선의 스펙트럼
X선은 아래 그림과 같이 진공관 내에서 음극의 필라멘트를 가열시켜 방출된 열전자가 음극과 양극 사이에 인가된 높은 전압에 의해 가속되어, 양극에 충돌하여 전자의 운동에너지가 X선과 열에너지로 변환되는 과정에서 생성됩니다. 이때 표적에 충돌하는 전자의 에너지 중 대부분은 열로 소비되며, 약 0.1% 만이 X선으로 변환됩니다. X선의 발생은 2가지 과정에 의해 일어나는데, 제동복사에 의한 연속 X선과 충돌손실에 의한 특성 X선이 있습니다.
X-Ray tube의 음극관 내의 target 으로는 보통 X선을 잘 발생시키는 Cr, Fe, Co, Ni, W 등의 고저항 재료들이 주로 사용됩니다. 표적에 충돌하는 전자는 원자핵의 전기장에 의해서 진행을 방해받게 되는데, 이때 전자가 가지고 있는 운동에너지의 일부가 X선 광양자로 변화되는 제동방사에 의해 소량의 X선이 방사됩니다. 이 X선은 보통 연속적인 파장을 가지고 있기 때문에 연속 X선 또는 제동 X선 이라 합니다.
한편 운동에너지의 다른 일부는 표적물질 원자 내에서 궤도에 잡혀있는 전자를 쫓아내거나 높은 준위로 들뜨게 함으로써 에너지를 잃게 되고, 들뜬 전달이 높은 궤도에서 낮은 궤도로 전자가 떨어지면서 X선이 방사되는데 이 X선은 궤도간의 에너지 차에 의해서 특정한 파장을 갖게 됩니다. 이처럼 전자가 원자에 출동하였을 때 운동에너지가 Target전자를 속박하는 최소한의 가속전압(여기전압)을 넘을 때 발생하는 X선을 특성 X선이라고 합니다.
연속 X선은 발생 intensity가 가속 전압, 전류에 비례하고 특성 X선은 발생 intensity가 가속 전압, 전류에 비례하나 원자번호에는 반비례하게 됩니다.
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