회절기 측정 - 비례 계수기, Geiger 계수기

지난 게시글에 이어 회절 기의 종류에 알아보도록 하겠다.

3. 섬광 검출기

 섬광 검출기는 x선이 어떠한 물질이, 형광 스크린에서처럼 가시광으로 형광을 발산하게 하는 능력을 활용하는 회 절기이다. 이 검출기에서 발광량은 x선 강도에 비례하며, 광전관을 사용하여 측정이 가능하다. 발광량이 적기 때문에, 광전자 증배관이라 일컬어지는 특별한 종류의 광전관을 측정할 수 있는 출력 전류를 얻기 위해 사용해야 한다.

 x선을 검출하기 위해서는 일반적으로 사용되는 물질은 소량의 탈륨으로 활성화한 요오드화나트륨 결정이다. 이 나트륨 결정은 x선 충돌에 의해 보랏빛을 방출한다. 이 방출에 관해 상세히 설명하자면, 흡수한 x선은 약간의 원자를 이온화하여, 즉 NaI의 가전 자대에서 전도도 대로 약간 전자의 상태를 높인다. 그렇게 되면 이 전자는 에너지의 일부를 Tl+ 이온으로 옮긴다. 여 기한 이온이 바닥 상태로 돌아올 때 빛이 나온다. 발광 결정은 광전자 증배관에 접합하여 알루미늄 은박을 사용하여 외부 광을 차단한다. 흡수한 x선 광자마다 한번 번쩍이는 섬광이 결정에서 발생하고 이 광은 광전자 증배관을 통과하여 들어가게 된다. 그다음 광전음극에서 다수의 전자를 방출하게 되는데, 이 음극은 일반적으로 세슘-안티모니 금속 간 화합물로 만든 광에 민감한 재료이다. 그런 다음에는 방출 전자는 수 개의 금속 다이 노드 중 첫 번째 것에 끌려가게 되는데, 각 다이 노드를 앞에 있는 것에 비해 약 100볼트 더 높은 플러스인 전위차에 있게 유지하고, 최종 다이 노드를 측정 회로에 연결한다. 첫 번째 다이 노드에 도달할 때를 가정하면, 광전음극에서 나온 각 전자는 두 개의 전자를 금속 표면에서 때려낸다. 그렇게 되면 이 전자는 두 번째 다이 노드로 끌려가고, 그 각각은 전자를 두 개 더 때려내고 그렇게 계속 반복된다. 실제로 각 다이 노드에서 이득은 4 또는 5이고 일반적으로 최소한 10개의 다이 노드가 있다. 만약에 다이 노드 당 이득이 5이고 10개의 다이 노드가 있다고 가정한다면, 증폭률은 5의 10승 = 10의 7승이다. 그렇기 때문에 결정에서 한 개의 x선 양자의 흡수는 최종 다이 노드에서 아주 많은 수의 전자가 모이는 결과를 가져오며, Geiger 펄스와 거의 크기가 비슷한, 즉 수 볼트의 펄스를 발생시킨다. 게다가 이 모든 과정은 1마이크로초 이내에 발생하기 때문에 섬광 검출기는 손실 없이 카운트 당 10의 5승 초만큼 빠른 속도로 작동할 수 있다. 정확한 검출기 전압을 비례 계수기에서 사용하는 방법으로, 계수율 대 전압을 그려서 찾을 수 있다.

 

 비례 계수기에서처럼 섬광 검출기에서 발생한 펄스는 흡수한 x선 양자의 에너지에 비례한 크기를 지니게 된다. 그렇지만, 어떤 양자 에너지에 대응하는 펄스의 크기는 전형적인 비례 계수기와 섬광 검출기에 대해 보인 것과 같이 윤곽이 훨씬 덜 뚜렷하다. 그러한 결과로서 섬광 검출기로 펄스의 크기를 기초로 하여 서로 다른 파장의 x선 양자를 선별한다는 것이 더 어렵다. 섬광 검출기의 효율은 일반적인 파장 범위 전체에 대해 100%에 비슷하다. 이러한 이유는, 실질적으로 입사한 양자가 비교적 얇은 결정에서조차 모두 흡수해버리기 때문이다.

전류 차단기

4. 반도체 검출기

 1960년대에 처음 개발된 반도체 검출기는, 흡수한 x선 에너지에 비례한다. 또한 에너지 분해 능력이 다른 어떠한 검출기보다도 더 좋은 펄스를 발생시킬 수 있다. 이러한 특성은 분광학에서 매우 중요하게 작용한다. 하지만 비용과 편의성을 포함하는 여러 이유를 고려했을 때는 반도체 검출기의 오늘날 사용은 극히 드물다. 오히려 비례나 섬광 검출기가 널리 사용되는 편이다. 반도체 검출기에는 실리콘과 게르마늄이 둘 다 사용된다. 게르마늄은 더 심하고, 따라서 더 좋은 흡수체이기 때문에 감마선과 경질 x선 검출기로 사용되며, 실리콘은 x선용으로 사용된다. 원래 둘 다 소량의 리튬을 함유하기 때문에 당연하게, silly와 jelly로 불린다. 게르마늄 검출기는 현재 고순도 게르마늄 검출기로 대체하고 있으며, 이것은 Li의 표류나 저온에서 보안을 요구하지 않는다. 상온에서도 리튬의 이동되는 게르마늄에서는 매우 높아서 리튬 구 배도를 나쁘게 하는 특징이 있다.

 순수한 실리콘 결정은 진성 반도체라고 할 수 있다. 이 실리콘은 특히 낮은 온도에서 전기 저항도가 매우 높다. 이러한 이유는 소수의 전자가 에너지 갭을 넘어서 전도대로 열적 여기 하기 때문이다. 하지만 입사 빔은 여기를 일으킬 수 있으며 전도대에 자유전자와 가전 자대에 자유 전공을 만든다. 그러므로 한 개의 x선 양자의 흡수는 약 1000개 수준의 전자-정공의 쌍을 만든다. 만약에 고전압이 실리콘 결정의 반대면 사이에 걸리게 된다면, 전자와 정공은 이 면으로 외부 회로에 작은 펄스를 생성하면서 쓸려가게 될 것으로 예상할 수 있다. 

 실리콘이 진성 물질해야 함은 본질적이다. 이는 주게 불순물에서 자유전자를 함유하는 n형이나 받게 불순물에서 자유 전공을 포함하는 p형이어서는 절대 안 된다. 어느 형에서도 일반적인 농도에서 자유 전하 운반자는 x선으로 발생한 소수의 운반자를 압도시킬 것이다.

 

 반도체 물리학에 관한 모든 내용을 제쳐두고 간단히 설명하자면, Si(Li) 검출기는 차이가 하나다. 바로 고체 이온화 상자이다. 기체 이온화 상자 위에 입사하는 x선은 일정한 전류를 발생시킨다. Si(Li) 검출기에서의 전류는 개별적인 펄스를 흐르는데 전압이 매우 높아서 검출기를 전하 운반자가 없게, 다음에 입사하는 광자가 새로운 운반자를 만들기 전에 쓸어가기 때문이다. Si(Li) 검출기의 주요한 단점은, x선이 없는 경우에도, 진성 구역에서 전자의 열적 여기로 생겨 검출기에 흐르는 일정한 전류를 최소화하기 위해서는 액체 질소의 온도를 -196도에서 작동시켜야 한다는 것이다.