회절기 측정 - 비례 계수기, Geiger 계수기

이번 글에서는 여러 가지 검출기의 작동과 성능을 고찰해보는 시간을 갖고자 한다.

1. 비례 계수기

 비례 계수기는 길이 약 10cm와 직경 2cm인 원통형 금속관(음극)으로 되어 있는데, 기체로 가득 차 있다. 한 가닥의 얇은 금속 선(양극)이 금속관의 축을 따라서 지나게 된다. 이 금속 선은 관과는 절연 관계에 있고, 양극과 음극 사이에 약 200볼트의 일정한 전위차가 있다고 가정한다. 원통의 한 끝은 x선에 아주 투명한 창으로 덮여 있는 모양새이다. 원통에 들어가는 x선 중에서 아주 적은 분량은 곧바로 원통을 통과하지만 흡수한다. 여기서 이 흡수는 기체의 원자에서 광전자와 Compton 되튐 전자의 방출을 수반하게 된다. 최종적인 결과로 기체의 이온화로 전자들이 발생하여 전기장의 영향을 받는 상황에서 양극인 선을 향하여 움직인다. 또한 기체 양이온들은 음극인 관을 향하여 움직인다. 약 200볼트 수준의 전위차에서 모든 전자와 이온은 전극 위에서 모일 것이고, 만일 x선 강도가 일정하면 저항 R을 지나는 매우 작은 일정한 전류가 있을 것이라고 예상할 수 있다. 이러한 전류가 x선 강도를 재는 단위이다. 이런 식으로 작동할 때, 이 장치는 이온화 상자라고 불린다. 이온화 상자는 최초의 Bragg 분광기에서 사용되었지만, 현재는 주로 특정 광원에서 입사 빔의 강도를 측정하는 데에 사용된다.

 

 만약 전압을 1000V 부근까지 올리게 되면, 이 이온화 상자는 비례 계수기로서 작동하도록 할 수 있다. 이러한 상황에서 새로운 현상이 발생하는데, 이를 다중 이온화 또는 기체 증폭(Gas amplification)이라고 부른다. 이때 전기장의 강도는 매우 높기 때문에 초기 이온화로 발생한 전자들이 양극선을 향해 가속도가 계속하여 커지면서 급속하게 가속하게 된다. 이는 전기장의 강도가 금속 선에 가까워지면서 증가하기 때문이다. 그렇기 때문에 전자는 충분한 에너지를 얻고, 다른 기체 원자로에서 전자를 때리면서 나오게 된다. 또한 이 전자는 교대로 이온화를 더 발생시키는데, 단 한 개의 x선 양자의 흡수로 인해 이온화한 원자의 수가 하나의 이온화 상자에서 이온화한 개수의 약 1000배에서 100000배가 될 때까지 계속하여 반복한다. 이러한 증폭의 결과로 전자의 진성 눈사태가 선을 때리고 외부 회로에서 쉽게 검출이 가능한 전류의 펄스를 발생시키게 된다. 이 펄스는 고저항 R1을 통해 빠져나가지만, 그 전에 전하가 순간적으로 capacitor C1에 보태져 C1에 연결한 계수율계나 계수 장치로 이를 검출한다. 동시에 기체 양이온들은 음극으로 움직이지만, 질량이 보다 크기 때문에 훨씬 낮은 속도로 진행하게 된다. 이러한 전체적인 과정은 매우 빠르게 일어나며 한 개의 x선 양자의 흡수로 촉발한다.

 

2. Geiger 계수기

 

 만약에 비례 계수기에서 전압을 1500V 수준까지 증가시키게 된다면, 이 기기는 Geiger 계수기로 작동할 것이다. 역사적인 측면에서 바라볼 때, Geiger 계수기는 첫 번째 전자식 계수기이다. 이것은 G-M 계수기로도 불린다.

 인가전압이 매우 높은 상태이기 때문에 어떠한 원자는 이온화할 뿐만 아니라, 다른 원자도 여기 상태로 올라가게 만들 수 있고 자외선 방출이 일어난다. 이 자외선 광자는 계수기를 고속으로 지나가면서(빛은 1/3 nano second 동안 10cm를 이동한다.), 다른 기체 원자와 음극관에서 전자를 때리며 떼어내려고 한다. 이러한 상황으로부터 발생한 모든 전자는 다른 전자의 눈사태를 촉발하게 시키고 그 최종 결과는 x선 양자가 관 어느 곳에서나 흡수할 때마다 엄청난 하나의 전자 눈사태가 양극선의 전장을 때리는 것이다. 이러한 결과로 기체 증폭 인자 A는 비례 계수기에서보다 매우 큰 숫자로 증폭하게 되며 그렇게 해서 만든 펄스의 크기는 약 1에서 10V 정도이다. 이것은 전치 증폭기가 계수기에서 필요하지 않다는 사실을 보여준다. 단점으로는 모든 펄스는 x선 양자의 에너지가 어떠한 크기이든 간에 크기가 같다.

 

 또한 Geiger 계수기는 느리다는 특징이 있다. 거의 모든 전자 눈사태도 마이크로초 이내에 양극선을 때리지만, 서행하는 양이온의 경우 음극에 도달하는데 약 200마이크로초가 소요된다. 따라서 전자 눈사태는 이 뒤에 양극선 주위 양이온의 원통형 외피를 남기게 된다. 이러한 이온 외피의 존재는 이것과 선 사이 전계를 Geiger 펄스를 발생시키는데 필요한 문지방 값 아래로 낮춘다. 이러한 이온 외피가 선에서 충분히 멀어져 갈 때쯤에 계수기는 들어오는 x선 양자에 반응하지 않는다. 만약에 이 양자가 매우 빠른 속도로 도착한다면, 당연히 모든 양자는 별개의 펄스를 발생시키지 못할 것이고, 계수기는 막히게 될 것이다. 분해시간은 매우 짧기 때문에 계수 손실은 수백 cps에서 시작한다. 다중식 계수기조차도 낮지 않다. 이러한 계수는 다수의 방을 나란히 보유하게 되는데, 각 방은 자체적인 양극선을 갖게 되며 하나의 방은 카운트를 기록할 수 있지만 다른 한 방은 반응하지 않는 주기에 있어야 한다. Geiger 계수기는 손실 없이 고속으로 계수하는 것이 불가능하기 때문에, 회절키에는 사용되지 않는다. 하지만 방사선 탐지기에서는 여전히 사용되고 있다.

 

다음 글에서는 이 글에 이어 섬광 검출기와 반도체 검출기에 대해 알아보도록 할 예정이다.