KR100382760B1 - 엑스선 전자 분광 분석기 - Google Patents

엑스선 전자 분광 분석기 Download PDF

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Abstract

엑스선(X-ray)을 이용한 전자 분광 분석기에 관해 개시되어 있다. 본 발명은 엑스선을 발생시키는 엑스선 발생 장치, 상기 엑스선이 조사되는 물체로부터 방출되는 하전 입자의 검출을 통해서 상기 물질에 대한 분석이 이루어지는 광학계, 상기 엑스선 발생 장치와 상기 광학계사이에 그 내부가 진공에 가까운 낮은 압력으로 유지되는 진공 벨로우즈 및 상기 엑스선 발생 장치와 상기 광학계 사이에 구비되어 있으면서 상기 엑스선 발생 장치로부터 방출되는 엑스선 이외의 다른 방출 요소가 상기 광학계에 유입되는 것을 제한하는 차폐 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기를 제공한다.

Description

엑스선 전자 분광 분석기{Electron spectroscopic analyzer using X-ray}
본 발명은 엑스선(X-ray) 전자 분광 분석기에 관한 것으로써, 자세하게는 엑스선 이용 효율을 높임과 동시에 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, 이하 S/N비라 함)를 증가시킬 수 있는 엑스선 전자 분광 분석기에 관한 것이다.
엑스선 전자 분광 분석기는 여러 산업 분야에 사용되고 있으며, 특히 반도체 재료나 촉매, 비정질 재료 등과 같은 산업 상 이용 물질들에 대한 원자 구조 및 원자 내 전자 배열 상태에 대한 정보를 얻는데 사용되고 있다.
현재 사용되고 있는 엑스선 전자 분광 분석기는 엑스선을 발생시키는 엑스선 발생 장치와 엑스선이 조사된 물체로부터 방출되는 전자의 신호를 측정하여 상기 물체에 대한 분석이 이루어지는 광학계로 구성되어 있다.
그런데, 현재 사용되고 있는 엑스선 전자 분광 분석기의 경우 엑스선 조사를 위한 물체가 놓여 있는 광학계가 대기 중에 놓여 있어서, 엑스선 발생 장치에서 발생된 엑스선이 상기 물체까지 도달되는 과정에서 대기중의 입자들에 의해 흡수된다. 특히, 소프트 엑스선의 경우 그 흡수율이 높아서 상기 물체에 대한 분석 자체가 불가능하다. 상기의 문제는 엑스선 발생장치와 광학계 사이를 그 내부가 진공에 가까운 낮은 압력으로부터 유지되는 진공 벨로우즈를 사용하여 연결함으로써 소프트 엑스선이 대기중의 입자들에 의해 흡수되는 것을 줄일 수 있다. 이 경우에, 엑스선 발생 장치에서 발생되는 엑스선은 엑스선 발생 시료에 가속시킨 전자를 충돌시킴으로써 발생되는데, 이 과정에서 여분의 전자들이 엑스선 발생 장치로부터 방출되어 광학계에 입사된다. 이에 따라, 상기 물체에 대한 분석 신호에 상기 엑스선 발생 장치로부터 방출된 전자에 기인한 신호도 포함되게 된다. 따라서, 상기 물체에 대한 전체 분석 신호에서 잡음 비중이 커지는, 곧 S/N비가 저하되는 문제가 발생된다.
따라서, 본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상술한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로서 엑스선의 이용 효율을 높임과 동시에 엑스선을 조사한 물체에 대한 분석 신호에서 S/N비를 높임으로써 물체에 대한 정확한 분석을 가능하게 하는 엑스선 전자 분광 분석기를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 엑스선 전자 분광 분석기의 평면도이다.
도 2는 도 1을 2-2'방향으로 절개한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 의한 엑스선 전자 분광 분석기에서 엑스선 발생 장치에서 방출되는 방출 요소와 자기장의 상호 작용을 나타낸 평편도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 엑스선 전자 분광 분석기의 평면도이다.
도 5는 도 4를 5-5'방향으로 절개한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 엑스선 전자 분광 분석기에 구비된 자석의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 7은 내지 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 의한 엑스선 전자 분광 분석기의 단면도이다.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 제4 실시예에 의한 다양한 엑스선 전자 분광 분석기의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제5 실시예에 의한 엑스선 전자 분광 분석기의 단면도이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 제6 실시예에 의한 엑스선 전자 분광 분석기의 단면도 또는 평면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예 및 종래 기술에 의한 엑스선 전자 분광 분석기의 성능 비교를 위해 실시한 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 기술적 사상을 이용하여 본 발명의 기술이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자가 고려할 수 있을 것으로 판단되는 엑스선 전자 분광 분석기의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
40:엑스선 발생 장치 50:광학계
60:진공 벨로우즈 90a, 90b:제1 및 제2 어퍼쳐
100, 112, 210, 260:자석 110, 220:수집부
120, 130, 140, 180:전원
150a, 150b, 160:제1 내지 제3 평판
170, 180:평판 190:어퍼쳐
250:병목부 B:자기장
e:엑스선 발생 장치에서 방출된 전자 G1, G2:제1 및 제2 그래프
X:엑스선 h, h1:홀
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 엑스선을 발생시키는 엑스선 발생 장치; 상기 엑스선이 조사되는 물체로부터 방출되는 하전 입자의 검출을 통해서 상기 물질에 대한 분석이 이루어지는 광학계; 상기 엑스선 발생 장치와 상기 광학계 사이에 그 내부가 진공에 가까운 낮은 압력으로 유지되는 진공 벨로우즈; 및 상기 엑스선 발생 장치와 상기 광학계 사이에 구비되어 있으면서 상기 엑스선 발생 장치로부터 방출되는 엑스선 이외의 다른 방출 요소가 상기 광학계에 유입되는 것을 제한하는 차폐 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기를 제공한다.
여기서, 상기 차폐 수단은 상기 벨로우즈 내부 또는 외부에 구비되어 있다.
상기 차폐 수단은 상기 벨로우즈 외부를 둘러싸는 형태로 구비되어 있다.
상기 차폐 수단은 상기 벨로우즈 외부 저면에 구비되어 있다.
상기 차폐 수단은 상기 벨로우즈와 상기 엑스선 발생 장치가 만나는 부분의안쪽이나 상기 벨로우즈와 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽에 선택적으로 구비되어 있다.
상기 벨로우즈 외부에 구비된 차폐 수단은 자석이다.
상기 벨로우즈와 상기 엑스선 발생 장치 또는 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽에 구비된 차폐 수단은 엑스선에 대해서는 투명한 반면, 상기 엑스선 발생 장치에서 발생되는 다른 방출 요소에 대해서는 불투명한 소정의 재질로 구성되고 소정의 두께를 갖는 평판이다. 이때, 상기 차폐 수단은 상기 벨로우즈와 상기 엑스선 발생 장치가 만나는 부분의 안쪽 및 상기 벨로우즈와 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽 중 선택된 어느 한 쪽에만 형성되어 있다.
상기 벨로우즈와 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽에 구비된 차폐 수단은 엑스선과 다른 방출 요소에게 투명하되, 상기 벨로우즈내에 상기 다른 방출 요소로부터 비롯되는 전기장과 동성의 전기장이 존재하도록 전원이 인가된 평판이다.
상기 벨로우즈와 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽에 구비된 차폐 수단은 중앙이 엑스선에 투명한 반면 둘레가 엑스선에 불투명한 어퍼쳐(aperture)로써, 상기 다른 방출 요소로부터 비롯되는 전기장과 동성의 전기장이 상기 벨로우즈내에 존재하도록 상기 전원이 인가되어 있다.
상기 벨로우즈와 상기 엑스선 발생 장치 및 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽에 구비된 차폐 수단의 각각은 엑스선 및 상기 엑스선 발생 장치로부터 방출되는 다른 방출 요소들에 대해 모두 투명할 정도의 두께를 갖는 얇은 평판이되, 각각을 합칠 경우, 상기 다른 방출 요소들에 대해 불투명한 평판이다.
상기 자석은 전자석으로써, 적어도 2개 이상의 독립된 전자석으로 구성되어 있다.
상기 자석과 상기 광학계 사이에 상기 벨로우즈와 일체가 되고 상기 다른 방출 요소 중에서 상기 자석에 의해 편향되는 요소의 수집을 위한 수집부가 구비되어 있다.
상기 벨로우즈와 상기 엑스선 발생 장치 및 상기 광학계가 각각 만나는 부분의 안쪽에 구비된 차폐 수단 중 하나는 엑스선에 대해 투명하면서 상기 다른 방출 요소에 대해서는 부분적으로 투명한 평판이고, 나머지 하나는 상기 어퍼쳐이다.
상기 벨로우즈 중간에 상기 다른 방출 요소가 상기 광학계로 유입되는 것을 제한하는 병목부가 구비되어 있다.
이와 같이 본 발명은 엑스선 발생 장치와 광학계 사이에 진공 벨로우즈 및 상기 진공 벨로우즈 내부 또는 외부에 상기 엑스선 발생 장치로부터 발생되는 엑스선외의 다른 방출 요소들, 특히 하전 입자들이 상기 광학계로 유입되는 것을 제한하거나 차폐할 수 있는 차폐 수단이 구비되어 있다. 따라서, 광학계에서 측정되는 신호중에서 S/N비를 높여 물체 분석의 정확성을 높일 수 있고, 엑스선 손실을 줄일 수 있으므로, 엑스선의 이용효율을 높일 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 엑스선 전자 분광 분석기를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
<제1 실시예>
도 1을 참조하면, 참조번호 40은 물체의 분석에 사용할 엑스선이 발생되는 엑스선 발생 장치이다. 그리고 50은 엑스선 발생 장치(40)와 대향하고 있는 광학계로서, 엑스선 발생 장치(40)로부터 발생되는 엑스선이 조사되는 분석 대상 물체로부터 방출되는 하전입자, 예컨대 전자에 대응하는 신호의 측정을 통해 상기 분석 대상 물체를 분석하는데 사용한다. 엑스선 발생 장치(40)와 광학계(50) 사이에 양자와 체결된 벨로우즈(bellows)(60)가 구비되어 있다. 벨로우즈(60)의 엑스선 발생 장치(40)와 접촉되는 부분에는 엑스선 방출구(미도시)가, 광학계(50)와 접촉되는 부분에는 엑스선 유입구(미도시)가 각각 포함되어 있다. 벨로우즈(60) 내부는 진공에 가까운 낮은 압력 상태로서, 엑스선 흡수요인의 하나가 되는 공기의 존재 비율이 극히 낮다. 따라서, 엑스선 발생 장치(40)로부터 발생되는 엑스선, 특히 소프트 엑스선 영역에 해당되는 엑스선이 광학계(50)에 도달되는 과정에서 흡수되는 비율을 크게 줄일 수 있다. 벨로우즈(60)와 엑스선 발생 장치(40)가 접촉되는 부분의 안쪽에 제1 어퍼쳐(aperture)(90a)가 구비되어 있다. 제1 어퍼쳐(90a)는 엑스선 발생 장치(40)로부터 엑스선 방출에 사용된 고 에너지의 열 전자가 밖으로 방출되는 것을 최소화하기 위해 준비할 수 있는 차폐 수단 중 하나이다. 제1 어퍼쳐(90a)의 재질은 전도성이 우수한 금속이다. 도 1을 2-2'방향을 따라 절개한 도 2를 참조하면, 제1 어퍼쳐(90a)의 엑스선 방출구에 대응하는 부분에 홀(h)이 형성되어 있다. 엑스선 이외에 상기한 열전자가 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출될 수 있으므로, 홀(h)의 직경은 엑스선 방출에 장애가 되지 않는 범위내에서 가능한 좁게 하는 것이 바람직하다. 제1 어퍼쳐(90a)에서 홀(h)을 제외한 다른 부분은 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 모든 방출 요소를 차단한다. 벨로우즈(60)와 광학계(50)가 접촉되는 부분의 안쪽에 제2 어퍼쳐(90b)가 구비되어 있다. 제2 어퍼쳐(90b)는 엑스선 발생 장치(40)로부터 엑스선 이외의 다른 방출 요소가 방출된 경우, 그 방출 요소가 광학계(50)에 유입되는 것을 최소화하기 위해 준비할 수 있는 차폐 수단 중 하나이다. 제2 어퍼쳐(90b)는 제1 어퍼쳐(90a)와 달리 그 재질이 절연성 물질이다. 제2 어퍼쳐(90b)의 중앙에도 제1 어퍼쳐(90a)의 홀(h)에 대응하는 홀(h1)이 형성되어 있다.
제1 및 제2 어퍼쳐(90a, 90b)만으로 종래의 문제점을 해소하려는 본 발명의 소기의 목적은 달성할 수 있으나, 엑스선 이외의 다른 방출 요소들, 특히 열전자에 대한 차폐 효과를 높여 분석 대상물을 보다 정확하게 해석할 수 있는 명확한 결과를 얻기 위해서, 엑스선 발생 장치(40)와 광학계(50) 사이에 제1 및 2 어퍼쳐(90a, 90b) 이외의 제3의 차폐 수단을 구비하는 것을 고려할 수 있다. 제1 및 제2 어퍼쳐(90a, 90b) 사이의 벨로우즈(60) 저면에 구비된 자석(100)은 상기한 제3의 차폐 수단의 하나이다. 자석(100)은 벨로우즈(60) 내에서 광학계(50)로 향하는 하전 입자, 특히 열전자의 진행 방향이 광학계(50) 이외의 다른 방향으로 변화되게 하는 자기장을 갖고 있는 것이라면, 그 형태나 종류에 제한을 두지 않는다. 따라서, 자석(100)은 상기한 조건을 만족한다는 가정 하에, 영구 자석 또는 전자석이다.
제1 어퍼쳐(90a)를 통과한 엑스선 및 다른 방출 요소는 벨로우즈(60)를 따라 평행하게 광학계(50)로 진행한다고 볼 수 있으므로, 벨로우즈(60)내에서 자기장과다른 방출 요소 사이에 가장 큰 상호 작용이 일어나기 위해서 상기 자기장은 상기 다른 방출 요소와 수직하게 존재하는 것이 바람직하다. 그러므로, 벨로우즈(60) 내에서 자기장이 상기 다른 방출 요소와 수직하게 존재할 수 있다면, 곧 자기장이 벨로우즈(60)를 수직하게 통과할 수만 있다면, 자석(100)은 벨로우즈(60)의 저면 뿐만 아니라 측면 또는 상면에 있을 수도 있고, 두 면에 동시에 있을 수도 있다.
한편, 제2 어퍼쳐(90b)는 절연성 물질로 구성되므로, 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 다른 방출 요소(X'), 특히 하전 입자가 제2 어퍼쳐(90b)에 충돌되면서 제2 어퍼쳐(90b)의 상기 하전입자가 충돌된 부위에 전하가 축적되는 차지-업(charge-up) 현상이 나타난다. 이것으로 인해, 상기 하전입자가 엑스선 발생에 사용된 열전자인 경우, 제2 어퍼쳐(90b)에 열전자와 동일한 극성인 음의 전하가 축적되어 제2 어퍼쳐(90b) 주위에 전기장(이하, 편의 상 '음의 전기장'이라 한다)이 존재하게 된다. 곧, 제2 어퍼쳐(90b)는 상기 음의 전기장의 근원이 된다.
이와 같이, 상기 하전입자와 제2 어퍼쳐(90b)의 충돌에 의해 제2 어퍼쳐(90b) 주위에 음의 전기장이 존재하므로, 엑스선 발생 장치(40)로부터 광학계(50)로 입사되는 전자는 상기 음의 전기장에 반발되어 광학계(50)에 입사되는 것은 더욱 어렵게 된다.
<제2 실시예>
도 3에 도시한 바와 같이, 벨로우즈(60)내에서 벨로우즈(60)에 수직한 상향 자기장(B)에 벨로우즈(60)에 평행한 엑스선(X) 및 전하를 갖는 다른 방출 요소(X')가 입사되는 경우, 엑스선(X)은 입사할 때와 동일한 방향으로 자기장 영역(R)을 벗어나지만, 다른 방출 요소(X')는 자기장 영역(R)에 들어서면서 진행 방향에 수직한 방향으로 자기력을 받아서 상기 다른 방출 요소(X')의 입사시의 속도 및 자기장(B)의 세기에 따라 자기장 영역(R) 내에서 또는 자기장 영역(R)을 벗어나서 벨로우즈(60) 벽과 출동하게 된다. 이렇게 자기장을 이용함으로서, 벨로우즈(60)를 통해 광학계(50)에 입사되는 하전입자 등을 차단할 수 있지만, 고 에너지를 갖는 하전입자와 벨로우즈(60) 벽의 충돌에 따른 벨로우즈(60) 벽이 손상될 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 의한 전자 분광 분석기는 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이(도 4의 경우, 편의 상 자석은 도시되지 않음), 자기장 영역(R)을 통과한 다른 방출 요소(X')가 벨로우즈(60) 벽과 부딪치는 부분에 상기 다른 방출 요소(X')를 수집할 수 있는 수집부(110)를 구비한다. 수집부(110)는 자기장 영역(R) 밖에 구비하는데, 이는 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 다른 방출 요소(X')가 고 에너지를 갖는 것을 고려할 때, 다른 방출 요소(X')는 자기장 영역(R)을 벗어나서 벨로우즈(60) 벽과 충돌된다고 볼 수 있다. 다른 방출 요소(X')의 에너지가 낮아서 자기장 영역(R)내에서 벨로우즈(60) 벽과 충돌되는 경우, 자기장(B)의 세기를 약하게 하던가, 자기장 영역(R)의 폭을 좁게 하여 다른 방출 요소(X')가 수집부(110)로 편향되게 할 수 있다. 이 경우에 자석(100)은 영구자석 보다는 전자석이 바람직하다.
이와 같이, 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 다른 방출 요소(X')의 에너지에 따라 자기장 영역(R)의 폭을 변화시키기 위해, 자석을 복수개의 독립된 요소로 구성한 다음, 각 독립된 요소를 선택적으로 사용할 수 있다.
예를 들면, 6에 도시한 바와 같이 자석(112)을 독립된 제1 내지 제3 전자석 (112a, 112b, 112c)으로 구성하고, 각 전자석을 엑스선 발생 장치(40)로부터 발생되는 다른 방출 요소(X')의 에너지에 따라 선택적으로 이용하면, 자석(112)의 자기장 영역(R)을 증감시킬 수 있다. 곧, 제1 내지 제3 전자석(112a, 112b, 112c) 모두에 전원을 인가하는 경우, 자기장 영역(R)은 최대가 되고, 어느 한 자석(예컨대, 제1 전자석(112a))에만 전원을 인가하는 경우, 자기장 영역(R)은 최소가 된다.
<제3 실시예>
벨로우즈(60)내에 인위적으로 전기장이 존재하게 하는 것을 특징으로 한다.
도 7을 참조하면, 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 하전 입자가 광학계(50)에 입사되는 것을 차폐하기 위한 수단으로써, 벨로우즈(60)내에 제1 및 제2 어퍼쳐(90a, 90b)가 구비되어 있는 전자 분광 분석기에서, 제2 어퍼쳐(90b)에 전원(120)이 인가되어 있다. 전원(120)은 벨로우즈(60)내에 음의 전기장이 존재하도록 인가된 것이다.
이와 같이, 제2 어퍼쳐(90b)에 외부 전원을 연결함으로써, 하전 입자들의 충돌에 의해 제2 어퍼쳐(90b)가 손상되는 것을 방지하면서 상기 하전 입자들이 광학계(50)에 유입되는 것이 방지된다.
도 8을 참조하면, 상기 차폐 수단으로써, 벨로우즈(60)내에 제1 및 제2 어퍼쳐(90a, 90b)가 구비되어 있고, 벨로우즈(60)외부에 상기 하전 입자의 편향을 위한 자석(100 또는 112)이 구비되어 있는 전자 분광 분석기에서, 제2 어퍼쳐(90b)에 전원(130)이 인가되어 있다.
도 9를 참조하면, 상기 차폐 수단으로써, 벨로우즈(60)외부에 상기 하전 입자의 편향을 위한 자석(112)이 구비되어 있고 벨로우즈(60)내부에는 제2 어퍼쳐(90b)만 구비되어 있는 전자 분광 분석기에서, 제2 어퍼쳐(90b)에 전원(140)이 인가되어 있다.
<제4 실시예>
엑스선 발생 장치(40)로부터 발생되는 엑스선과 다른 방출 요소들 간의 투과율 차이를 이용한 것으로써, 제1 및 제2 어퍼쳐(90a, 90b) 대신에 엑스선에 대해서 투명한 평판을 사용한 것이 특징이다.
도 10을 참조하면, 벨로우즈(60)의 엑스선 발생 장치(40)와 접촉되는 부분의 안쪽에는 제1 평판(150a)이, 광학계(50)와 접촉되는 부분의 안쪽에는 제2 평판(150b)이 각각 구비되어 있다. 제1 및 제2 평판(150a, 150b) 중 어느 하나의 평판은 엑스선 및 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 다른 방출 요소에 대해 모두 투명하다. 하지만, 제1 및 제2 평판(150a, 150b) 모두를 합치는 경우, 즉 제1 및 제2 평판(150a, 150b)이 붙어 있는 경우, 상기 엑스선에 대해서만 투명하다. 따라서, 엑스선은 제1 평판(150a)을 통과해서 제2 평판(150b)을 통과할 수 있으나, 상기 다른 방출 요소들, 특히 하전 입자들은 제1 평판(150a)을 통과하는 과정에서 제1 평판(150a)을 구성하는 입자들과의 상호작용으로 많은 에너지를 소모하게 된다. 이 결과, 제1 평판(150a)을 통과한 하전 입자들은 제2 평판(150a)을 통과할 만큼 충분한 에너지를 갖고 있지 않으므로, 상기 하전 입자들이 제1 평판(150a)을 통과했다고 하더라도 제2 평판(150b)에 의해 차단된다.
제1 및 제2 평판(150a, 150b)의 상기한 바와 같은 선택적 성질은 제1 및 제2 평판(150a, 150b)의 재질 및 두께에 의해 결정된다.
제1 및 제2 평판(150a, 150b)의 재질이 동일한 경우, 엑스선은 투과시키면서 하전입자들은 차단하는데 필요한 평판의 최소 두께가 Tmin이라면, 제1 및 제2 평판(150a, 150b)의 두께는 각각 Tmin/2인 것이 바람직하다. 하지만, 제1 및 제2 평판(150a, 150b) 전체의 두께를 Tmin으로 유지하면서 제1 평판(150a)의 두께를 Tmin/2보다 작게 하고 제2 평판(150b)의 두께를 Tmin/2보다 크게 하거나 그 반대로 할 수 있다.
제1 및 제2 평판(150a, 150b)의 재질이 다른 경우, 예컨대 제1 평판(150a)이 소정의 물질 밀도를 갖는 평판이고, 제2 평판(150b)이 제1 평판(150a)보다 물질 밀도가 높은 평판인 경우, 제1 평판(150a)의 두께가 제2 평판(150b)의 두께보다 두꺼운 것이 바람직하다.
한편, 제1 및 제2 평판(150a, 150b)을 양자를 합친 두께에 해당하는 두께를 갖는 하나의 평판(이하, '제3 평판'이라 한다)으로 대체할 수 있다. 이러한 예는 도 11에서 볼 수 있다.
구체적으로, 도 11의 (a) 및 (b)를 참조하면, 제3 평판(160)은 엑스선 발생 장치(40)와 벨로우즈(60)가 접촉되는 부분의 안쪽에 구비되어 있거나(a), 광학계(50)와 벨로우즈(60)가 접촉되는 부분의 안쪽에(b) 구비되어 있다.
도 12를 참조하면, 제1 및 제2 평판(150a, 150b) 사이에 제1 평판(150a)을통과한 하전 입자가 광학계(50)에 입사되지 않도록 편향시키는 자석(112)이 구비되어 있다.
또, 도 13을 참조하면, 벨로우즈(60) 외부에 하전 입자를 편향시키는 자석(112)이 구비되어 있고, 자석(112)과 광학계(50) 사이의 벨로우즈(60) 안쪽에 제3 평판(160)이 구비되어 있다.
이와 같이, 제1 및 제2 평판(150a, 150b) 또는 제3 평판(160)과 자석(112)을 함께 구비함으로써, 상기 하전 입자에 대한 차폐 효과는 더욱 높아진다.
<제5 실시예>
도 14에 도시한 바와 같이, 평판(170)에 전원(180)을 인가하여 벨로우즈(60) 내에 전기장을 있게 한 경우이다. 이때, 평판(170)은 제4 실시예의 제2 평판(150b) 및 제3 평판(160) 중 선택된 어느 하나이다. 벨로우즈(60)의 생략된 부분에 제1 평판(150a) 또는 제1 어퍼쳐(90a)가 구비되어 있을 수 있고, 하전 입자를 편향시키기 위한 수단으로 자석(112) 등이 더 구비되어 있을 수 있다.
<제6 실시예>
제1 내지 제5 실시예를 조합한 실시예들 중의 하나로써, 제1 및 제2 어퍼쳐(90a, 90b) 중의 하나와 제1 및 제2 평판(150a, 150b) 중의 어느 하나에 자석을 선택적으로 구비한 전자 분광 분석기에 대한 것이다.
구체적으로, 도 15를 참조하면 엑스선 발생 장치(40)와 벨로우즈(60)가 접촉되는 부분의 안쪽에 평판(180)이 구비되어 있다. 평판(180)은 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 엑스선에 대해 투명한 반면, 다른 방출 요소, 특히 하전입자에 대해서는 부분 투명하거나 불투명한 것으로, 제4 실시예에서 설명한 바 있는 제1 및 제2 평판(150a, 150b) 중의 어느 하나이다. 그리고 광학계(50)와 벨로우즈(60)가 접촉되는 부분의 안쪽에 어퍼쳐(190)가 구비되어 있다. 어퍼쳐(190)는 평판(180)을 통과한 상기 하전 입자가 광학계(50)에 입사되는 것을 방지하기 위한 것으로써, 제1 실시예에서 설명한 바 있는 제2 어퍼쳐(99b)이다.
또, 도 16을 참조하면 평판(180)과 어퍼쳐(190) 사이의 벨로우즈(60) 외부에 평판(180)을 통과한 하전 입자를 편향시키는 자석(200)이 구비되어 있다. 자석(200)은 조건에 따라 영구자석도 사용할 수 있으나, 전자석인 것이 바람직하다.
또, 도 17을 참조하면, 엑스선 발생 장치(40)와 벨로우즈(60)가 접촉되는 부분의 안쪽에 평판(180)이 구비되어 있고, 평판(180)과 광학계(50) 사이의 벨로우즈(60) 외부에 벨로우즈(60)를 수직으로 관통하는 자기장을 있게 하는 자석(210)이 구비되어 있으며, 자석(210)과 광학계(50) 사이에 자석(210)에 의해 편향되는 하전 입자들의 수집을 위한 수집부(220)가 구비되어 있다. 수집부(220)는 벨로우즈(60)와 일체화되어 있다. 여기서, 참조부호 B는 자석(210)에 의한 상향 자기장이고, X 및 e는 각각 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출된 엑스선 및 전자를 나타낸다. 엑스선(X)은 전하를 갖지 않으므로, 자기장(B)에 영향을 받지 않고 곧장 광학계(50)로 입사됨을 알 수 있고, 전자는 자기장(B)과의 상호 작용에 의해 수집부(220)로 편향됨을 알 수 있다.
한편, 도 3 실시예처럼 도 15 및 도 16에 도시한 전자 분광 분석기의 어퍼쳐(190)에 전원을 인가하여 벨로우즈(60) 내부에 전기장이 있게 함으로써, 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 하전 입자에 대한 차폐 효과를 높일 수 있다.
<실험예>
계속해서, 상기 제1 내지 제6 실시예에 의한 전자 분광 분석기 중, 선택된 어느 하나, 바람직하게는 제1 실시예에 의한 전자 분광 분석기(도 2 참조)를 사용하여 물체를 분석한 실험예를 설명한다.
본 실험예에서 분석 대상 물체로써 구리(Cu)를 사용하였으며, 1.5kW(30kV, 50mA)의 파워(power)를 갖는 엑스선 발생 장치를 구비하는 종래의 전자 분광 분석기 및 7.5kW(30kV, 250mA)의 파워(power)를 갖는 엑스선 발생 장치를 구비하는 본 발명의 제1 실시예에 의한 전자 분광 분석기를 각각 사용하였다.
도 18에서, 제1 그래프(G1)는 종래 기술을 적용하였을 때의 결과를, 제2 그래프(G2)는 본 발명의 제1 실시예에 의한 전자 분광 분석기를 사용하였을 때의 결과를 각각 나타낸다. 도면에서 가로축은 분석 대상 물체에 조사되는 엑스선의 에너지를, 세로축은 상기 엑스선 조사에 의해 상기 분석 대상 물체로부터 방출되는 전자에 대응하는 신호의 단위 시간당 측정 횟수로써, 좌측은 제2 그래프(G2)에 대한 것이고, 우측은 제1 그래프(G1)에 대한 것이다.
제1 및 제2 그래프(G1, G2)를 참조하면, 종래의 전자 분광 분석기에 구비된 엑스선 발생 장치의 파워가 본 발명의 그것에 비해 1/5 정도로 작음에도 불구하고, 광학계에서 측정한 상기 구리로부터 방출되는 전자에 대응하는 전자 신호를 측정한 결과는 종래 기술에서 더 크게 나타났다.
이러한 결과는 본 발명의 경우, 측정되는 신호가 구리로부터 방출된 전자들에 의한 신호인 반면, 종래 기술의 경우, 구리로부터 방출되는 전자들의 신호에 엑스선 발생 장치로부터 방출되어 유입된 전자들의 신호가 합쳐지기 때문에 나타난다.
또, 분석 대상 물체인 구리는 8.981 킬로 전자 볼트(KeV)의 케이(K) 흡수단(absorption edge)을 갖는다. 따라서, 구리에 이 값에 대응하는 에너지 값을 갖는 엑스선이 조사되는 경우, 엑스선의 흡수가 증가되고, 구리로부터 상기 값을 갖는 전자들의 방출이 증가되어 광학계에서 단위시간당 측정되는 전자수도 크게 증가되므로, 조사되는 엑스선의 에너지 값이 8.981KeV가 되면서 그래프에 이에 대한 징후가 나타나야 한다.
그런데, 제1 그래프(G1)에서는 어디에서도 이러한 징후를 찾아볼 수 없는 반면, 제2 그래프(G2)에서는 조사 엑스선의 에너지 값이 8.98KeV가 되면서 단위시간당 측정되는 전자 신호가 대폭 증가되는 징후가 나타났다.
제1 그래프(G1)에서 상기 징후가 나타나지 않는 것은 엑스선의 에너지 값이 8.98KeV일 때 방출되는 전자들에 대한 측정 신호가 엑스선 발생 장치로부터 광학계에 계속 입사되는 고 에너지의 전자들의 신호와 섞여 버리기 때문이다. 따라서, 종래의 경우에는 8.98KeV의 엑스선의 조사에 의해 구리로부터 방출되는 전자의 수가 엑스선 발생 장치로부터 유입되는 전자수에 비해 대폭 증가되지 않는 한, 전체 측정 신호에서 구리로부터 방출되는 전자 신호만을 구분하기는 어려워진다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 엑스선 발생 장치와 광학계 사이에 벨로우즈와 동일한 기능을 갖되 상기 벨로우즈와 다른 형태의 부재를 고려할 수 있을 것이다. 예컨대, 도 19에 도시한 바와 같이 벨로우즈(60a) 중간 지점에 병목부(250)가 있으며, 병목부(250)둘레를 자석(260)이 감싸는 형태의 전자 분석 분광기를 고려할 수도 있을 것이다. 자석(260)으로는 영구 자석을 사용할 수도 있으나, 전자석이 바람직하다. 병목부(250)에 의해 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 엑스선외의 다른 방출 요소는 차단 될 수 있고, 상기 다른 방출 요소, 예컨대 전자가 병목부(250) 사이를 통과하는 경우에도 자석(260)으로 인해 병목부(250) 사이에 자기장이 존재하므로, 그의 진행 방향은 광학계(50)에서 다른 방향으로 편향될 것이다.
한편, 엑스선 발생 장치(40)로부터 방출되는 하전 입자가 병목부(250)와 충돌됨에 따라 병목부(250)가 가열될 수 있으므로, 이를 식히기 위해 전자석(260)과 병목부(250) 사이에 냉각 수단을 구비할 수도 있을 것이다. 이외에도 제1 내지 제6 실시예에 의한 전자 분광 분석기를 조합한 보다 다양한 전자 분광 분석기도 고려할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 엑스선 발생 장치와 광학계 사이에 그 내부가 진공에 가까운 낮은 압력으로 유지되는 진공 벨로우즈가 구비되어 있다. 따라서 벨로우즈내에서 대기에 의한 엑스선 흡수 손실을 줄일 수 있어 엑스선의 이용 효율을높일 수 있다. 또, 상기 벨로우즈 내부 또는 외부에 상기 엑스선 발생 장치로부터 발생되는 엑스선이외의 다른 방출 요소들, 특히 하전 입자들이 상기 광학계로 유입되는 것을 제한하거나 차단할 수 있는 수단이 구비되어 있다. 따라서, 전자 분광 분석기의 광학계 내에서 측정되는 신호의 S/N비를 높여 물체 분석의 정확성을 높일 수 있다.

Claims (13)

  1. 엑스선(X-ray)을 발생시키는 엑스선 발생 장치;
    상기 엑스선이 조사되는 물체가 포함되어 있고, 상기 엑스선 조사에 의해 상기 물체로부터 방출되는 하전입자의 검출을 통해서 상기 물체에 대한 분석이 이루어지는 광학계;
    상기 엑스선 발생 장치와 상기 광학계 사이에 그 내부가 진공에 가까운 낮은 압력으로 유지되는 진공 벨로우즈; 및
    상기 엑스선 발생 장치와 상기 광학계 사이에 구비되어 있으면서 상기 엑스선 발생 장치로부터 방출되는 엑스선 이외의 다른 방출 요소가 상기 광학계에 유입되는 것을 제한하는 차폐 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 차폐 수단은 상기 벨로우즈 내부 또는 외부에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 차폐 수단은 상기 벨로우즈 외부 저면에 구비된 자석인 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 차폐 수단은 상기 벨로우즈와 상기 엑스선 발생 장치가 만나는 부분의 안쪽 및 상기 벨로우즈와 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽 중에서 적어도 어느 한쪽에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 벨로우즈와 상기 엑스선 발생 장치 및 상기 광학계가 각각 만나는 부분의 안쪽에 구비된 차폐 수단 중 적어도 어느 하나는 엑스선에 대해 투명한 반면, 상기 다른 방출 요소에 대해서는 부분적으로 투명한 평판인 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 벨로우즈와 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽에 구비된 평판에 상기 다른 방출 요소로 인해 존재하는 전기장과 동성의 전기장이 상기 벨로우즈내에 존재하도록 전원이 인가되어 있는 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 벨로우즈와 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽에 구비된 차폐 수단은 중앙에 홀이 형성되어 있고, 그 둘레가 엑스선 및 다른 방출 요소에 대해 불투명한 어퍼쳐(aperture)인 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 어퍼쳐에 상기 엑스선 발생 장치로부터 방출되는 엑스선외의 다른 방출 요소로부터 비롯되는 전기장과 동성의 전기장이 상기 벨로우즈내에 존재하도록 전원이 인가되어 있는 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 벨로우즈와 상기 광학계가 만나는 부분의 안쪽에 구비된 차폐 수단은 상기 엑스선에 대해 투명한 반면, 상기 엑스선 발생 장치로부터 방출되는 다른 방출 요소들에 대해서는 불투명한 평판인 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 자석은 전자석으로써, 적어도 2개 이상의 독립된 전자석으로 구성된 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 자석과 상기 광학계 사이에 상기 벨로우즈와 일체가 되고 상기 다른 방출 요소 중에서 상기 자석에 의해 편향되는 요소의 수집을 위한 수집부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  12. 제 7 항에 있어서, 상기 벨로우즈와 상기 엑스선 발생 장치 및 상기 광학계가 각각 만나는 부분의 안쪽에 구비된 차폐 수단 중 하나는 엑스선에 대해 투명하면서 상기 다른 방출 요소에 대해서는 부분적으로 투명한 평판이고, 나머지 하나는 상기 어퍼쳐인 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 벨로우즈 중간에 상기 다른 방출 요소가 상기 광학계로 유입되는 것을 제한하는 병목부가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 엑스선 전자 분광 분석기.
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