X선 분광법
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X선 분광법은 X선 [1]방사선을 사용하여 물질의 특성을 파악하기 위한 여러 스펙트럼 분석 기술의 총칭이다.
특성 X선 분광법
원자 내부의 전자가 광자의 에너지로 들뜨면 더 높은 에너지 수준으로 이동한다.낮은 에너지 준위로 돌아오면, 이전에 들뜸에 의해 얻어진 에너지는 원소의 특징적인 파장을 가진 광자로 방출된다(원소당 여러 개의 특징적인 파장이 있을 수 있다).X선 방출 스펙트럼의 분석은 시료의 원소 조성에 대한 정성적 결과를 도출한다.표본의 스펙트럼을 알려진 조성 표본의 스펙트럼과 비교하면 정량적 결과가 나온다(흡수, 형광 및 원자 번호에 대한 일부 수학적 보정 후).원자는 전자(예를 들어 전자 현미경), 양성자(PIXE 참조), X선 빔(X선 형광 또는 최근 투과 XRT 참조)과 같은 하전 입자의 고에너지 빔에 의해 들뜨게 될 수 있습니다.이러한 방법을 사용하면 H, He 및 Li를 제외한 전체 주기율표의 원소를 분석할 수 있다.전자현미경법에서 전자빔은 X선을 들뜨게 한다.특징 X선의 스펙트럼 분석에는 에너지 분산 X선 분광법(EDS)과 파장 분산 X선 분광법(WDS)의 두 가지 주요 기술이 있다.X선 전송(XRT)에서eff 등가 원자 구성(Z)은 광전 및 콤프턴 효과에 기초해 포착된다.
에너지 분산형 X선 분광법
반도체 검출기가 들어오는 광자의 에너지를 측정하는 에너지 분산형 X선 분광계.검출기 무결성 및 분해능을 유지하려면 액체 질소 또는 펠티어 냉각으로 냉각해야 한다.EDS는 전자 현미경(분광학이 아닌 영상이 주요 작업인 경우) 및 저렴한 휴대용 XRF [citation needed]장치에 널리 사용된다.
파장 분산 X선 분광법
파장 분산형 X선 분광계에서는 단일 결정이 브래그의 법칙에 따라 광자를 회절시켜 검출기로 수집한다.회절결정과 검출기를 상대 이동시킴으로써 스펙트럼의 넓은 영역을 관찰할 수 있다.넓은 스펙트럼 범위를 관측하기 위해서는 4개의 다른 단일 결정 중 3개가 필요할 수 있다.EDS와 달리 WDS는 순차 스펙트럼 획득 방법이다.WDS는 EDS보다 속도가 느리고 분광계에서 샘플의 위치 결정에 더 민감하지만 스펙트럼 분해능과 감도가 우수합니다.WDS는 마이크로브(X선 미세 분석이 주요 작업인 경우) 및 XRF에 널리 사용됩니다. WDS는 브래그의 법칙을 사용하여 입사 X선의 평면 간 간격 및 파장과 같은 다양한 데이터를 계산하기 위해 X선 회절 분야에서 널리 사용됩니다.
X선 방출 분광법
1915년 노벨상 수상자인 윌리엄 로렌스 브래그와 윌리엄 헨리 브래그의 부자 과학팀은 X선 방출 분광학 [2]개발의 선구자였다.윌리엄 헨리 브래그가 개발한 분광계의 한 예로,[3] 아버지와 아들이 결정의 구조를 조사하기 위해 사용한 것을 런던 과학 박물관에서 볼 수 있다.그들은 고에너지 전자를 들뜸원으로 사용하여 많은 원소의 X선 파장을 고정밀로 측정했다.음극선관 또는 X선관은[4] 수많은 원소의 결정을 통해 전자를 통과시키는 데 사용되는 방법이었다.그들은 또한 그들의 분광계를 위해 많은 다이아몬드 줄 유리 회절 격자를 정성스럽게 제작했다.결정의 회절 법칙은 그들을 기리기 위해 브래그의 법칙이라고 불린다.
강렬하고 파장 조정 가능한 X선은 일반적으로 싱크로트론으로 생성됩니다.재료에서 X선은 입사빔에 비해 에너지 손실을 입을 수 있다.재등장 빔의 이러한 에너지 손실은 광학 영역에서 널리 사용되는 잘 알려진 라만 분광법에 대한 X선 유사체인 원자 시스템의 내부 들뜸을 반영한다.
X선 영역에는 전자 상태의 변화를 탐색하기에 충분한 에너지가 있습니다(궤도 간 전환. 이는 에너지 손실이 종종 회전 또는 진동 자유도 상태의 변화로 인해 발생하는 광학 영역과 대조적입니다).예를 들어 초연성 X선 영역(약 1keV 미만)에서는 결정장 들뜸이 에너지 손실을 일으킨다.
광자 인 광자 아웃 프로세스는 산란 이벤트로 간주될 수 있다.X선 에너지가 코어 레벨 전자의 결합 에너지와 일치할 때, 이 산란 과정은 여러 가지 크기만큼 공명적으로 강화됩니다.이러한 유형의 X선 방출 분광법은 종종 공명 비탄성 X선 산란(RIXS)이라고 한다.
코어 레벨의 궤도 에너지가 광범위하게 분리되기 때문에 특정 원자를 선택할 수 있습니다.코어 레벨 궤도의 공간적 범위가 작기 때문에 RIXS 프로세스는 선택된 원자 근처에 있는 전자 구조를 반영해야 한다.따라서, RIXS 실험은 복잡한 시스템의 국소 전자 구조에 대한 귀중한 정보를 제공하며, 이론적인 계산은 비교적 간단하게 수행할 수 있습니다.
인스트루먼트
초연성 X선 영역의 X선 방출 스펙트럼을 분석하기 위한 몇 가지 효율적인 설계가 있습니다.그러한 계측기의 장점은 스펙트럼 처리량이다. 즉, 검출된 강도와 스펙트럼 분해력의 곱이다.일반적으로 제품을 일정하게 유지하면서 특정 범위 내에서 이러한 매개 변수를 변경할 수 있습니다.
격자 분광계
일반적으로 분광계의 X선 회절은 결정에서 이루어지지만, 그레이팅 분광계의 경우 샘플에서 나오는 X선은 소스 정의 슬릿을 통과해야 하며, 그 후 광학 요소(미러 및/또는 그레이팅)가 파장에 따른 회절에 의해 그것들을 분산시키고 마지막으로 검출기를 그 초점에 배치한다.
구형 격자 마운트
헨리 아우구스투스 롤랜드 (1848–1901)는 회절과 포커스를 결합하는 단일 광학 요소, 즉 구면 격자를 사용할 수 있는 기구를 고안했습니다.X선의 반사율은 사용 소재에 관계없이 낮기 때문에 그레이팅에 대한 방목 입사율이 필요하며, 입사 각도가 몇 도일 때 매끄러운 표면에 충돌하는 X선 빔은 외부 전체 반사를 통해 기기 효율을 크게 높일 수 있다.
구면 격자의 반지름을 R로 나타냅니다.격자 표면의 중심에 접하는 반지름 R의 반을 가진 원을 상상해 보십시오.이 작은 원은 롤랜드 원이라고 불립니다.입구 슬릿이 이 원상의 어딘가에 있는 경우, 슬릿을 통과하여 격자에 부딪히는 빔은 특정 반사 빔과 모든 회절 순서의 빔으로 분할되어 같은 원의 특정 지점에 초점이 맞춰집니다.
평면 격자가 마운트
광학 분광계와 마찬가지로 평면 격자 분광계는 먼저 X선 광원에서 방출되는 발산 광선을 평행 광선으로 바꾸는 광학을 필요로 합니다.이는 포물선 미러를 사용하여 수행할 수 있습니다.이 거울에서 나오는 평행광은 (홈 거리가 일정한) 평면 격자에 같은 각도로 부딪혀 파장에 따라 회절된다.다음으로 제2의 포물선 미러는 회절된 광선을 일정한 각도로 수집하여 검출기 상에 화상을 생성한다.마이크로채널 광전자 증배판이나 X선 감응형 CCD칩 등의 2차원 위치 감응형 검출기를 이용하여 일정한 파장 범위 내의 스펙트럼을 동시에 기록할 수 있다(필름판도 사용할 수 있다).
간섭계
격자에서 발생하는 다중 빔 간섭 개념을 사용하는 대신 두 개의 광선이 단순히 간섭할 수 있습니다.이러한 2개의 강도를 어느 고정점에서 동일 선형으로 기록하고 상대위상을 변화시킴으로써 경로길이차이의 함수로서 강도스펙트럼을 얻는다.이는 주파수의 함수로서 푸리에 변환 스펙트럼과 동등하다는 것을 보여줄 수 있다.그러한 스펙트럼의 가장 높은 기록 가능한 주파수는 스캔에서 선택한 최소 단계 크기에 따라 달라지며 주파수 분해능(즉, 주파수 측면에서 특정 파형을 얼마나 잘 정의할 수 있는지)은 달성된 최대 경로 길이 차이에 따라 달라진다.후자의 기능은 X선 파장이 경로 길이 차이에 비해 작기 때문에 그레이팅 분광계보다 훨씬 더 콤팩트한 설계를 가능하게 합니다.
미국 X선 분광학의 초기 역사
네덜란드 아인트호벤에 본사를 둔 Philips Gloilampen Fabrieken은 전구 제조업체로 출발했지만, 빠르게 발전하여 현재는 전기 기기, 전자 기기 및 X-ray 장비를 포함한 관련 제품의 선두 제조업체 중 하나가 되었습니다.또한 세계 최대 규모의 R&D 연구소를 보유하고 있습니다.1940년 네덜란드는 히틀러의 독일에 의해 점령되었다.이 회사는 뉴욕 허드슨 강 어빙턴의 한 사유지에 R&D 연구소로 설립한 회사에 상당한 금액을 송금할 수 있었습니다. 네덜란드 회사는 전구에 대한 그들의 작업의 연장선상에서 변압기로 구동되는 의료용 X선 튜브 라인을 개발했습니다.이러한 X선 튜브는 과학적인 X선 기구에도 사용될 수 있지만, 후자에 대한 상업적 수요는 매우 적었다.그 결과 경영진은 이 시장을 개척하기 위해 네덜란드와 미국의 연구소에 개발 그룹을 설립했습니다.
박사님을 고용했어요미시간 대학의 교수이자 적외선 연구의 세계적 전문가인 Ira Duffendack은 연구소장을 맡고 직원을 고용합니다.1951년 그는 데이비드 밀러 박사를 연구 부국장으로 고용했다.밀러 박사는 St. Washington University에서 X선 계측에 관한 연구를 했다.더펜닥 박사는 또한 X선 회절 연구자로 잘 알려진 빌 패리쉬 박사를 X선 기구 개발 연구실장으로 고용했습니다.X선 회절 장치는 결정 분석을 위해 학술 연구 부서에서 널리 사용되었다.회절단위의 필수적인 구성 요소는 각도계로 알려진 매우 정확한 각도 측정 장치였다.그러한 유닛은 상업적으로 이용할 수 없었기 때문에, 각 수사관들은 그들만의 유닛을 만들려고 노력해야 했다.Dr. Parrish는 이것이 악기 시장을 창출하는 데 사용할 수 있는 좋은 장치라고 판단하여 그의 팀은 각도계를 제작하는 방법을 설계하고 배웠습니다.이 시장은 빠르게 발전했고 쉽게 구할 수 있는 튜브와 전원 공급 장치를 통해 완전한 회절 장치를 사용할 수 있게 되었고 성공적으로 판매되었습니다.
미국 경영진은 이 연구소가 제조단위로 전환되는 것을 원치 않아 X선 기기 시장을 더욱 발전시키기 위해 상업단체를 설립하기로 결정했다.1953년 Norelco Electronics는 뉴욕주 마운트 버논에서 X선 계측기의 판매 및 지원을 전담하는 회사로 설립되었습니다.여기에는 영업 직원, 제조 그룹, 엔지니어링 부서 및 애플리케이션 연구소가 포함되었습니다.밀러 박사는 연구실에서 엔지니어링 부서장으로 전근되었다.판매 직원은 매년 마운트 버논에 있는 학교, 덴버에 있는 학교, 샌프란시스코에 있는 학교 등 3곳을 후원했습니다.일주일간의 학교 커리큘럼에서는 X선 계측의 기본과 Norelco 제품의 구체적인 적용을 검토했습니다.교직원은 공학부의 멤버와 학술 컨설턴트였다.이 학교에는 학술 및 산업 R&D 과학자들이 많이 참석했다.엔지니어링 부서도 신제품 개발 그룹이었다.이 회사는 X선 분광기를 제품 라인에 매우 빠르게 추가했으며 이후 8년간 다른 관련 제품에 기여했습니다.
애플리케이션 랩은 필수적인 영업 도구였습니다.분광기가 빠르고 정확한 분석 화학 장치로 도입되었을 때, 그것은 광범위한 회의론에 부딪혔다.모든 연구시설에는 화학과가 있었고 분석 분석은 "습식 화학" 방식으로 이루어졌다.물리학 기기로 이 분석을 한다는 생각은 의심스럽다고 여겨졌습니다.이러한 편견을 극복하기 위해 영업 사원은 잠재 고객에게 "습식 방법"으로 고객이 하고 있는 작업을 요청했습니다.이 작업은 애플리케이션 연구소에 주어지고 X선 장치를 사용하여 얼마나 정확하고 빠르게 수행될 수 있는지 시연합니다.이것은 매우 강력한 판매 툴로 판명되었습니다.특히, 그 결과는 상업 및 학술 기관에 광범위하게 배포되어 동사가 매월 발행하는 기술 저널인 Norelco Reporter에 게재되었습니다.
X선 분광기는 고전압 전원장치(50kV 또는 100kV), 광대역 X선 튜브(통상 텅스텐 양극 및 베릴륨 창 포함), 시료 홀더, 분석 결정, 고니오미터 및 X선 검출 장치로 구성됩니다.이것들은 그림 1과 같이 배열되어 있다.
그림 1
튜브에서 방출되는 연속적인 X 스펙트럼은 시료를 조사하여 시료의 특징적인 스펙트럼 X선을 들뜨게 한다.92개의 소자는 각각 특징적인 스펙트럼을 방출한다.광학 스펙트럼과는 달리 X선 스펙트럼은 매우 단순합니다.가장 강한 선, 보통 Kalpha 선이지만 때로는 Lalpha 선으로도 원소를 식별할 수 있습니다.특정 라인의 존재는 원소의 존재를 나타내며, 강도는 시료의 특정 원소의 양에 비례한다.특성 라인은 Bragg 조건에 의해 주어진 각도로 분석기인 결정에서 반사됩니다.결정체는 모든 회절각 theta를 회전 샘플링하고 검출기는 해당 각도 2-theta를 회전합니다.민감한 검출기에서는 X선 광자가 개별적으로 계산됩니다.검출기를 각도를 따라 스테핑하여 알려진 시간 동안 제자리에 두면 각 각도 위치의 카운트 수가 라인 강도를 제공합니다.이러한 계수는 적절한 표시 장치에 의해 곡선에 표시될 수 있습니다.특징적인 X선은 특정 각도로 나오며, 모든 X선 스펙트럼 라인에 대한 각도 위치가 알려져 기록되기 때문에 샘플의 구성을 쉽게 찾을 수 있다.
몰리브덴 시료의 스캔 차트는 그림 2와 같다.왼쪽의 높은 피크는 12도의 두 세타에 있는 특징적인 알파선입니다.두 번째 및 세 번째 순서 행도 표시됩니다.
그림 2
알파 라인은 많은 산업 분야에서 유일한 관심 라인이기 때문에, 노렐코 X선 분광 계측기 라인의 최종 장치는 오토미터였다.이 장치는 원하는 시간 간격 동안 원하는 두 세타 각도에서 자동으로 읽도록 프로그래밍할 수 있습니다.
필립스는 오토미터가 도입된 직후 미국과 유럽에서 개발된 X선 기기 판매를 중단하고 아인트호벤 제품만 내놓기로 했다.
1961년 오토미터 개발 중 노렐코는 제트추진연구소로부터 하청을 받았다.연구소는 서베이어 우주선의 계기 패키지를 만들고 있었다.달 표면의 구성이 주요 관심사였고 X-선 탐지 기구를 사용하는 것이 가능한 해결책으로 여겨졌다.30와트의 전력 제한으로 작업하는 것은 매우 어려웠고, 장치가 제공되었지만 사용되지 않았습니다.나중에 NASA의 개발은 원하는 달 토양 분석을 할 수 있는 X선 분광 장치를 만들었다.
Norelco의 노력은 수그러들었지만 XRF 기구로 알려진 단위의 X선 분광학 사용은 계속 증가했다.NASA의 지원으로, 유닛은 마침내 핸드헬드 크기로 축소되어 널리 사용되고 있다.단위는 브루커, Thermo Scientific, Elvatech Ltd 및 SPECT에서 구할 수 있다.
기타 유형의 X선 분광법
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레퍼런스
- ^ "x ray spectroscopy" (PDF).
- ^ Stoddart, Charlotte (1 March 2022). "Structural biology: How proteins got their close-up". Knowable Magazine. doi:10.1146/knowable-022822-1. Retrieved 25 March 2022.
- ^ "Bragg X-ray spectrometer, England, 1910-1926". Science Museum Group Collection. 2022.
- ^ Fonda, Gorton R.; Collins, George B. (1931-01-01). "THE CATHODE RAY TUBE IN X-RAY SPECTROSCOPY AND QUANTITATIVE ANALYSIS". Journal of the American Chemical Society. 53 (1): 113–125. doi:10.1021/ja01352a017. ISSN 0002-7863.
