x선의 성질 - 필터, x선의 발생

1. 필터

 

 많은 x선 회절 실험에는 가능한 단색에 가까운 방사선이 필요하다. 하지만 높은 전압에서 작동하는 x선 관에서 나오는 x선은 연속 스펙트럼도 포함한다. K 흡수 단이 target 물질의 파장 중간에 있는 재료로 만든 필터를 빔이 통과하면 K 선 강도보다, 원하지 않는 성분의 강도가 감소할 수 있다. Z가 30 부근인 금속에서, 그러한 재료는 원자번호가 target 금속의 것보다 하나 작을 것이다. 구리 target(Z=29)에서 나온 필터하지 않은 빔과 필터한 빔의 스펙트럼 일부가 니켈 필터(Z=29)의 질량흡수계수의 곡선과 함께 있다. 필터가 두꺼울수록 투과 빔에서 K 선들의 강도 비는 더 작아진다. 하지만 필터가 아무리 둒워도, K 선을 완벽하게 필터할 수는 없기 때문에 사용자는 수반하는 K 선의 피할 수 없는 강도 감소를 최소로라는 범위에서 적당히 억제하여야 한다. 필터 재료들은 대부분 얇은 박 모양으로 쓰인다. 만일 지정한 금속을 안정한 박의 모양으로 얻는 것이 가능하지 않으면, 그 금속의 산화물이 쓰일 수 있다. 분말의 금속 산화물을 적당한 결합제와 혼합하고 뒀다는 종이 위에 얇게 바르는데, 단위면적 당 필요한 금속의 질량은 조금씩 차이가 있다.

 

2. x선의 발생

 

 고속 전자가 금속 target에 충돌할 때마다 x선이 발생하므로, x선 관은 전자 발생원, 높은 가속전압, 금속 target을 포함해야 한다. 더욱이, 전자의 대부분 운동에너지가 target 내에 서열로 전환하기 때문에, target은 용해되지 않도록 언제나 물로 냉각한다. 모든 x선 관은 두 개의 전극을 포함하는데, 몇 개의 예외가 있지만, 양극은 접지해있고, 회절 작업을 위해 음극은 보통 30,000~50,000V 정도의 높은음 전압이 걸려 있다. x선 관은 전자의 발생 방식에 따라서 두 가지 종류로 나뉜다. 소량의 기체(부분 진공으로 된 관 내에 있는 잔류 기체)의 이온화로 전자를 방생시키는 가스관과 전자 발생원이 가열 필라멘트인 필라멘트 관으로 구분된다. 가스관은 현재 쓰이지 않는다. 필라멘트 관은 1913년도에 처음 발명되었다. 이 관은 진공인 유리관으로 되어 있고, 유리관은 한쪽 끝에 있는 양극에서 다른 끝에 있는 음극을 절연하며, 음극은 텅스텐 필라멘트이고, 양극은 물로 냉각하는 구리 블록이며, 이 블록은 한끝에 작은 삽입물로서 원하는 target 금속을 포함한다. 고전압 변압기의 한 도선은 필라멘트에 접속하여 있고 다른 하나는 접지하여 있고, target은 자체 수랭 연결로 접지하여 있다. 필라멘트는 약 3 amp의 필라멘트 전류로 가열하여 전자를 방출하는데, 전자는 관에 걸린 높은 전압으로 target에 급속히 끌려간다. 필라멘트 주변에는 필라멘트와 같이 높은 음 전압이 걸려 있는 작은 금속 컵이 있다. 그 결과 컵은 전자를 쫓아내고, 초점이라 부르는 target의 좁은 영역에 모이게 한다. x선은 초점에서 모든 방향으로 나오며, x선 관의 집에 있는 두 개 이상의 창을 통해 관에서 빠져나온다. 이 창은 진공이 세지 않게 해야 하지만, x선에 매우 투명해야 하므로, 보통 창을 베릴륨으로 만든다.

 

 전자의 흐름은 한 방향으로만 일어나야 하므로 x선 관에는 반드시 직류를 사용해야 한다고 생각할 수도 있으나, 실제로 x선 관 자체의 정류작용 때문에 변압기와 같은 교류전원에서 실제로 x선 관이 작동하는 것이 가능하다. 필라멘트가 타깃에 대하여 음으로 되어 있는 반 주기에서 전류가 존재한다. 그 반대의 반 주기에서 필라멘트는 양으로 되어 있으나, 단지 필라멘트는 전자를 방출시킬 수 있을 만큼만 충분하게 뜨겁기 때문에, 어떤 전자도 흐를 수 없다. 따라서 비록 더 정교한 회로는 정류관, 평활 축전기, 전압안정기를 포함하는 것이 지금은 기본이나, 간단한 회로만으로도 많은 장치에서는 충분하다. 미소전류계는 필라멘트에서 타깃으로 흐르는 전자의 흐름인 관 전류를 측정한다. 이 전류는 필라멘트의 가감저항기로 조절할 수 있다. 이 가감저항기는 필라멘트 변압기의 출력전압을 조절한다. 이 전압은 필라멘트 전류를 결정하고 차례로 필라멘트의 온도와 초당 방출하는 전자의 수를 결정한다. 필라멘트에 단지 약 5볼트를 거는 것이 필요하기 때문에, 비록 필라멘트 변압기는 저전압 내림 변압기이지만 그 자체 접지에 비해 높게 음 전압이 있으며, 절연을 잘해야 한다.

 두 가지 종류의 필라멘트 관이 있다. 밀봉형과 분해 가능 형. 밀봉형 관은 공장에서 진공으로 만들고, 밀봉한다. 고진공 펌프 장치가 필요하지 않기 때문에 작동하기 매우 쉬운 종류이다. 하지만, 이관은 필요한 타깃 물질만큼 많은 관이 필요하기 때문에 결론적으로 사용하기엔 비싸다. 그리고 관의 수명을 필라멘트의 수명이 결정한다. 요즈음 특수한 목적을 위해서만 사용하는 분해 가능 형의 x선 관에서 필라멘트와 타깃은 모두 교환을 위해 접근할 수 있다. 타버린 필라멘트를 바꿀 수 있고, 타깃을 원하는 대로 교체할 수 있다. 하지만 분해 가능 형 관은 작동하는 동안 연속으로 펌프를 해야 하고, 원하는 진공을 얻기 위해서는 확산 펌프와 기계식 펌프가 둘 다 필요하다.

필라멘트 전구

 오래된 가스관은 작동하기가 까다롭기는 하나, 타깃 물질은 다른 금속과 전혀 오염하지 않기 때문에 사용할 수 있는 가장 순수한 방사선을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또 한편으로는 일부 텅스텐이 때때로 필라멘트에서 증발하여 타깃을 증착하기도 하면, 그 텅스텐은 타깃 금속 고유의 특성인 방사선은 물론 L 방사선을 방출한다. 텅스텐의 L 여기전압은 기껏해야 10,200볼트이다.