제이미크론 X-Ray 측정기 기초 원리 2009.03.23. 품질팀.

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1 제이미크론 X-Ray 측정기 기초 원리 품질팀

2 X선이 어떤 물질에 복사되면 그 물질의 원소가 가지고 있는 독특한 X선이 방출되는 데 이것을
Ⅰ. 측정원리 X선이 어떤 물질에 복사되면 그 물질의 원소가 가지고 있는 독특한 X선이 방출되는 데 이것을 “형광 X선”이라 함. 이 형광 X선을 확인하면 물질의 원소가 무엇인지 알 수 있으며 또한 그 양을 측정하여 두께가 어느 정도인지 알 수 있음.

3 여기법(Excitation Method)
Ⅰ. 측정원리 이미 도금 두께를 알고 있는 샘플과 측정샘플을 비교하여 정확한 도금 두께를 측정 할 수 있음. 여기법(Excitation Method) 도금 층에서 나오는 형광 X선이 도금 두께가 두꺼워지면 증가하므로 도금층의 형광X선량을 측정하는데 쓰임. 흡수법(Absoption Method) 도금층이 두꺼워지면 하지에서 나오는 형광 X선이 줄어들고 형광 X선이 도금층에 흡수될 때 사용하며 하지의 X선량을 측정하는데 쓰임. 위 두 가지 방식을 이용하여 파고변별기라는 회로에서 전기적으로 도금두께 또는 하지의 형광X선 강도에 비례하는 만큼의 Pulse를 출력하고 이 펄스의 수를 계측함에 따라 도금 두께 측정 됨.

4 방출된 에너지 양은 물질의 두께와 상관관계를 가지고 있음.
Ⅰ. 측정원리 방출된 에너지 양은 물질의 두께와 상관관계를 가지고 있음. 만약, 도금층의 밀도가 같다고 가정 시 방사된 금속의 고유 에너지 량은 도금층의 두께에 비례 함. 다양한 물질들과 원자의 수, 입사광선의 충격으로 방출된 에너지층은 각 금속 별로 다르게 나타남.

5 2. 두 물질간의 피크치가 가까운 경우 낮은 쪽의 -16%를 에너지 범위로 설정하는 등의 방식으로 계산
Ⅱ. X선 에너지 설정 1. 도금과 하지의 스펙트럼 피크치가 30%이상 떨어진 경우 측정 대상물(도금은 여기법, 하지는 흡수법)의 스펙트럼 피크치의 ±16%를 에너지 범위로 설정 2. 두 물질간의 피크치가 가까운 경우 낮은 쪽의 -16%를 에너지 범위로 설정하는 등의 방식으로 계산

6 Ⅱ. X선 에너지 설정

7 Ⅲ. 계기 내부 구조

8 ① 고압 발생 장치(High Voltage Generator)
Ⅲ. 계기 내부 구조 ① 고압 발생 장치(High Voltage Generator) 1) 측정물의 도금에서 형광X선을 발생시키기 위해 X 선을 조사할 에너지를 발생시킴. 2) 보통 Sn(29.2KeV)의 경우 30KeV이상 필요하나 X선의 발생 효율과 기술적 어려움으로 45~50KeV를 사용 ② X선 Tube 진공 상태 튜브내의 가열된 음극 필라멘트에서 방출되는 열전자가 음극과 양극 사이에 걸린 높은 전압(30~50KV)에 의해 가속되고 양극에 충돌, X선 발생. [Process#1] 필라멘트에서 열전자 발생 고전압에 의해 가속 타겟에 충돌(운동에너지가 X선으로 변환) X선 발생 윈도우 외 차폐 됨. [Process #2] 높은 열 발생 절연유(Insulation Oil)에 X Ray Tube를 넣음.

9 튜브 안에서 필라멘트에서 금속으로 이루어진 타겟(양극)으로 방출된 전자의 충격을 최대로 방사시키는 역할 수행
Ⅲ. 계기 내부 구조 ③ 타겟(양극) 튜브 안에서 필라멘트에서 금속으로 이루어진 타겟(양극)으로 방출된 전자의 충격을 최대로 방사시키는 역할 수행 <Theory> 가속전자의 대부분은 양극과의 1회 충돌로 완전히 정지하지 않으므로 일정한 파장을 갖는 X선을 발생시키지 못하고 연속적인 Spectrum분포를 갖게 되며 한편 불연속적인 에너지 Spectrum을 가지게 됨. 가속전자가 타겟을 때릴 때 타겟 원자의 내부전자를 여기시키며 빈 자리를 만들고 그 빈자리를 외곽 전자가 채우면서 X선이 발생됨(형광 X선) 이때 발생되는 X선 에너지는 가속 전자의 운동에너지에 해당되며 높은 전압일 수록 짧은 파장의 X선이 발생됨

10 1) 타겟에서 발생한 X선을 일정한 면적으로 측정 샘플에 조사시키는 역할
Ⅲ. 계기 내부 구조 ④ 콜리메타(Collimator) 1) 타겟에서 발생한 X선을 일정한 면적으로 측정 샘플에 조사시키는 역할 2) 측정 후 X선 튜브를 막는 Shutter역할도 겸함. ⑤ 윈도우(Window) X선이 외부로 잘 통과 되어 나오도록 해주며 X선 튜브 내부를 진공상태로 유지시켜 줌.

11 Ⅲ. 계기 내부 구조 ⑥ 필터(Filter) 형광 X선 도금두께 측정기에서는 검출기로서 비례계수관을 사용하므로 분해능이 16% 정도임. 따라서 아연 위 동, 은 위의 니켈 등 근접한 에너지의 X선을 분리해 내기 위해 금속 박막을 이용한 필터를 사용, 한 쪽의 특수 X선을 선택적으로 흡수시키는 데 사용. 예) Ni/Cu의 경우… 필터 사용시 동의 Spectrum은 1/20으로 감소하며 Ni의 spectrum은 1/2로 감소하게 됨. 니켈이 동의 영향을 덜 받으므로 측정이 가능하게 됨. Filter: Co

12 ⑦ 비례 계수관(Proportional Counter)
Ⅲ. 계기 내부 구조 ⑦ 비례 계수관(Proportional Counter) 측면에 창이 있는 원통형관이 사용 됨. 낮은 에너지 범위의 물질을 측정: 개방형 비례 계수관 사용 측정하는 에너지 범위에 따라 밀봉하는가 스 의 종류를 다르게 함. - Ar - Xe 측정값의 평가치를 얻기 위해 시편으로부터 형광X선을 검출 전기적인 신호로 바뀌게 됩.

13 비례계수관에서 발생되는 펄스는 매우 작은 신호로서 저소음, 직진성, 고속성, 온도안정성, 고증폭율이 요구됨.
Ⅲ. 계기 내부 구조 ⑧ 증폭기(AMP) 비례계수관에서 발생되는 펄스는 매우 작은 신호로서 저소음, 직진성, 고속성, 온도안정성, 고증폭율이 요구됨. 1차 증폭기에서 약 1,000배에 가깝게 증폭되며 2차 증폭기에서 안정된 출력을 보냄. ⑨ 카운터회로(Counter Board) 출력 펄스는 임의로 방출되기 때문에 일정시간의 펄스량에 의해 측정정도가 정해짐. 따라서 카운터 회로에 의해 일정시간내의 펄스량을 측정하고 이를 컴퓨터로 전송하여 데이터로 출력하게 됨.

14 ⑩ 파고분석기(Wave height difference apparatus)
Ⅲ. 계기 내부 구조 ⑩ 파고분석기(Wave height difference apparatus) 물질의 종류에 따라 다른 스펙트럼을 분석하므로서 어떤 물질인지 판별, 스펙트럼의 범위를 설정하여 원하는 출력 펄스만을 선택하는 회로 다중작업이 가능하므로 단층, 복층 피막, 합금비등의 동시 측정 가능.

15 Ⅳ. 참고 ◆ X-Ray 보통 X선관이라고 하는 일종의 진공방전관을 써서 고전압 하에서 가속한 전자를 금속판에 충돌시켜 발생시킨다. 1895년 뢴트겐이 진공 방전 연구도중 우연히 발견한 것으로, 물질에 대하여 이상한 투과력을 가진 점, 음극선과 달리 전기장이나 자기장을 주어도 진로를 굽히지 않는점, 거울이나 렌즈에서도 쉽게 반사나 굴절을 일으키지 않는 점 등, 그 정체를 알 수 없는 데서 X선이라고 하였다.

16 ◆ X-Ray의 성질 ◆ 형광 X-Ray Ⅳ. 참고
X선은 빛과 같은 전자기파의 일종이지만, 파장이 가시광선의 수천분의 1, 즉 물질 내의 원자간의 거리와 거의 같은 정도의 짧은 것이므로 빛과는 다른 성질이 있다. 빛에 비해 에너지가 크기 때문에 물질에 대한 형광작용이 강하여 물질을 통과하면 그 통로에 닿는원자, 분자를 이온화하는 등 빛에서는 볼 수 없는 작용이 있다. 또 물질에 대한 강한 투과력도 X선의 성질이다. 그러나 X선을 흡수하는 정도는 물질에 따라 다르며, 밀도가 높은 물질일수록 X선은 투과하기 어렵다. ◆ X-Ray의 성질 ◆ 형광 X-Ray X선이 고체, 특히 금속에 부딪치면 투과 X선 이외에 물질에서 새로운 X선이 발생하는데 그것을 2차 X선, 형광 X선이라고 한다. 이 2차 X선은 그 원소에 특유한 특성 X선을 포함한다. 따라서 그 파장으로 물질의 원소 종류를 알 수 있으므로 화합물, 합금 등의 원소 분석에 이용된다.