KR101716860B1 - 엑스선 형광분석 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 엑스선 형광분석 장치에 관한 것으로서, 엑스선을 발생하는 엑스선 발생부; 엑스선 발생부에 이격 배치되어 시료를 고정하는 시료 고정부; 및 엑스선 발생부와 시료 고정부 사이에 배치되며, 시료에 조사되어 시료에서 발생하는 형광 엑스선을 검출하는 엑스선 검출기;를 포함하며, 엑스선 검출기는 시료에서 발생하는 형광 엑스선의 검출면적이 증대되도록 엑스선의 투과 경로를 따라 엑스선이 통과되도록 엑스선 검출기를 관통하여 배치되는 안내홀을 구비한다.
본 발명에 의하면, 일 방향을 따라 엑스선 발생부, 엑스선 검출기 및 시료 고정부를 배치하고, 엑스선 검출기에 엑스선이 통과할 수 있는 안내홀을 형성함으로써 형광 엑스선이 엑스선 검출기에 극대화 되어 조사되도록 하여 엑스선 검출기의 효율 및 내구성을 증대시킬 수 있다.

Description

엑스선 형광분석 장치{A X-ray fluorescence spectrometer}
본 발명은 엑스선 형광분석 장치에 관한 것으로서, 시료에 엑스선을 조사하여 시료에서 반사되는 형광 엑스선을 검출하여 시료의 특성을 분석할 수 있는 엑스선 형광분석 장치에 관한 것이다.
최근 세계적으로 환경 친화적인 제품의 요구와 소비의 자원 순환형 구조증대에 따라 제품을 생산하는 모든 과정에서 소재를 정성/정량 분석할 수 있는 측정 장비의 개발이 이루어지고 있다.
그 중에서도 엑스선을 이용한 엑스선 형광분석 장치는 측정할 물질을 비파괴적으로 분석하여 물질의 전처리 과정을 최소화 하고 짧은 시간에 측정할 물질의 정보를 획득 할 수 있는 것으로서, 엑스선에 시료를 조사한 후 시료에서 발생되는 형광 엑스선을 검출하여 제품 생산 및 수입검사에 널리 활용되고 있는 기술이다.
이러한 엑스선 형광분석 장치는 시료에 엑스선을 조사하는 엑스선 조사부, 시료를 엑스선 조사부에서 조사되는 엑스선이 조사되는 시료를 고정하는 시료 고정부, 시료에서 발생하는 형광 엑스선을 검출하는 엑스선 검출기 및 형광 엑스선을 분석하는 판독부 등을 구비할 수 있다.
그러나, 엑스선 형광분석 장치는 엑스선 조사부가 시료 고정부에 대해서 비스듬하게 위치하여 배치되고, 엑스선 검출기는 시료 고정부의 일측면에 배치되어 형광 엑스선을 검출할 수 있도록 배치된다. 하지만, 엑스선 조사부, 시료 고정부 및 엑스선 검출기의 기하학적 배열형상이 서로 비스듬하게 배치되어 있어 엑스선 검출기에서 검출할 수 있는 형광 엑스선의 면적이 제한되고 있으며, 검출면적을 최대화하기 위하여 시료와의 거리를 가깝게 할 수 있으나 기하학적 구조상 시료에 접근시키는데 한계를 갖는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1241007호 (엑스선을 이용한 박막층의 두께 측정 방법 및 장치, 2013년 03월 04일)
본 발명의 목적은 시료에서 조사되어 발생한 형광 엑스선이 엑스선 검출기에 극대화 되어 조사될 수 있도록 하여 엑스선 검출기의 효율 및 내구성을 증대시킬 수 있는 엑스선 형광분석 장치를 제공하는데 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치는 엑스선을 발생하는 엑스선 발생부; 엑스선 발생부에 이격 배치되어 시료를 고정하는 시료 고정부; 및 엑스선 발생부와 시료 고정부 사이에 배치되며, 시료에 조사되어 시료에서 발생하는 형광 엑스선을 검출하는 엑스선 검출기;를 포함하며, 엑스선 검출기는 시료에서 발생하는 형광 엑스선의 검출면적이 증대되도록 엑스선의 투과 경로를 따라 엑스선이 통과되도록 엑스선 검출기를 관통하여 배치되는 안내홀을 구비한다.
여기서, 엑스선 검출기는 엑스선 조사방향에 수직으로 배치되는 윈도우를 지지하는 프레임을 포함하고, 안내홀은 프레임의 내측에서 엑스선 발생부에서 조사된 엑스선의 투과 경로에 교차하는 방향으로 돌출되는 돌출부에 의해서 지지된다.
여기서, 프레임은 안내홀을 중심으로 원형 또는 다각형 형상으로 형성되고, 시료 고정부를 향하여 프레임의 내주면에 윈도우가 배치된다.
여기서, 안내홀은 엑스선의 종류에 따라 안내홀의 직경을 조정할 수 있는 가변형 콜리메이터를 구비한다.
여기서, 가변형 콜리메이터는 돌출부의 돌출방향을 따라 복수개 배치되어 시료에 조사되는 엑스선의 크기를 조정할 수 있다.
여기서, 원도우의 전면에는 거울이 배치되고, 거울은 시료 고정부에 조사되는 시료의 상태가 확인되도록 엑스선의 투과 경로에 대해서 40 ~ 50도 기울어져 배치되며, 거울의 일측면에 이격되어 배치되어, 거울로 투영되는 시료의 상태를 확인하는 카메라를 구비한다.
본 발명에 의한 엑스선 형광분석 장치는 일 방향을 따라 엑스선 발생부, 엑스선 검출기 및 시료 고정부를 배치하고, 엑스선 검출기에 엑스선이 통과할 수 있는 안내홀을 형성함으로써 형광 엑스선이 엑스선 검출기에 극대화 되어 조사되도록 하여 엑스선 검출기의 효율 및 내구성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 작용상태를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 엑스선 검출기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 엑스선 검출기의 정면도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 엑스선 검출기의 변형예이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 가변형 콜리메이터의 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
엑스선 형광분석 장치는 소재의 물질 분석을 위한 비파괴 방법(disruption - free method)을 수행할 수 있는 장치이다. 따라서 엑스선 형광분석 방법은 엑스선 형광분석 장치를 이용하여 소재에 엑스선을 조사하고 소재에서 방출되는 형광 엑스선을 검출하며, 이를 정량적으로 판단함으로써 재료의 촉매, 비정질 재료 등의 원자 및 전자구조에 관한 정보 또는 재료의 도금 두께 등 다양한 특성을 파악할 수 있는 것으로서, 본 발명에서는 엑스선 형광분석 장치에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 작용상태를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치는 엑스선 발생부(100), 시료 고정부(200) 및 엑스선 검출기(300)를 포함하여 구성된다.
엑스선 형광분석 장치의 엑스선 발생부(100), 시료 고정부(200) 및 엑스선 검출기(300)는 일 방향을 따라 연속해서 배치된다. 이로 인해서, 엑스선 형광분석 장치의 구조를 콤팩트하게 설계할 수 있다.
엑스선 발생부(100)는 진공상태 튜브내의 가열된 음극(필라멘트)에서 방출되는 열전자가 음극과 양극사이에 걸리는 전압에 의해 가속되고 양극에 출동하여 엑스선을 발생시키는 장치이다. 필라멘트에서 발생된 열전자는 양극에 걸어준 + 고전압에 의하여 가속되어 타켓에 부딪치게 된다. 엑스선 튜브는 높은 열을 발생시키므로 절연성과 열을 방출하기 위해 절연유를 넣는다. 엑스선 발생부(100)는 공지된 기술로서 상기와 같이 간단하게 설명한 것으로서 이하에서 더욱 구체적인 설명은 생략한다.
시료 고정부(200)는 엑스선 발생부(100)에 이격 배치되어 시료(S)를 고정하는 역할을 한다. 시료 고정부(200)는 시료(S)를 고정하기 위해서 내부에 고정 홈(미도시)이 형성될 수 있는 것으로서, 시료(S)를 고정할 수 있는 형상이면 다양하게 선택적으로 적용될 수 있다.
엑스선 검출기(300)는 엑스선 발생부(100)와 시료 고정부(200) 사이에 배치된다. 엑스선 검출기(300)는 시료(S)에서 발생하는 형광 엑스선(Fluorescent X-rays, FXR)의 검출면적이 증대되도록 엑스선(XR)의 투과 경로를 따라 엑스선(XR)이 통과되도록 엑스선 검출기(300)를 관통하여 배치되는 안내홀(320)을 구비한다.
엑스선 검출기(300)는 엑스선(XR) 조사방향에 수직으로 배치되는 윈도우(311)를 지지하는 프레임(310) 및 안내홀(320)을 구비한다. 안내홀(320)은 프레임(310)의 내측에서 엑스선 발생부(100)에서 조사된 엑스선(XR)의 투과 경로를 교차하는 방향으로 돌출되는 돌출부(321)에 의해서 지지된다.
안내홀(320)은 엑스선 검출기(300)를 관통하여 배치되어 엑스선 이동경로를 최적화하고, 시료 고정부(200)에서 발생된 형광 엑스선(FXR)이 엑스선 검출기(300)에 형성된 윈도우(311)의 전면에 조사되도록 함으로서 형광 엑스선(FXR) 검출면적을 극대화시킬 수 있다.
원도우(311)의 전면에는 거울(313)이 배치된다. 거울(313)은 시료 고정부(200)에 조사되는 시료(S)의 상태를 확인할 수 있도록 엑스선(XR)의 투과 경로에 대해서 40 ~ 50도 기울어져 배치되어 시료를 관찰할 수 있다. 이때, 카메라(510)는 거울(313)로 투영된 시료(S)의 상태를 확인할 수 있도록 거울(313)의 일측면에 이격 배치된다. 카메라(510)를 통해서 획득되는 이미지는 후술하는 디스플레이부(500)에 표시될 수 있으며 저장되어 분석될 수 있다.
엑스선 형광분석 장치는 신호 처리부(400) 및 디스플레이부(500)를 더 포함할 수 있다.
신호 처리부(400)는 엑스선 검출기(300)를 통해 검출된 형광 엑스선(FXR)의 신호를 아날로그/디지털 변환기(A/D converter)에 의해 에너지로 변환하고, 해당하는 에너지 영역을 구분하여 시료 구성 원소별 형광 엑스선(FXR)의 발생정도를 수 마이크로세크(㎲ec) 단위로 샘플링하여 해당 에너지별 카운터(counter)에 적재하는 방법으로 각 원소별 형광 엑스선을 측정할 수 있다.
또한, 엑스선 검출기(300)에서 검출된 신호는 멀티채널 분석기(multi channel analyzer)를 통해 각 채널별로 분류된다. 이렇게 분류된 신호는 연산처리기(processor)에 의해 원소별 분류 및 스펙트럼 분석을 통해 정량(quantitative)이 분석된다.
디스플레이부(500)는 신호 처리기(400)를 통해 원소별 정량 및 정성 분석 정보를 사용자가 식별 가능하도록 표시하는 장치로서, 원소의 시료 함량을 그래프나 수치로 직접 확인 가능하게 하고, 검출시간 및 검출조건 등을 표시할 수 있으며, 카메라(510)에서 촬영된 이미지를 디스플레이 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 엑스선 검출기의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 엑스선 검출기의 정면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하여 엑스선 형광분석 장치의 엑스선 검출기에 대해서 더욱 구체적으로 설명한다.
엑스선 검출기(300)는 전술한 바와 같이, 시료(S)에서 발생한 형광 엑스선(FXR)을 검출하여 시료(S)의 특성을 분석하는 것으로서, 프레임(310), 안내홀(320) 및 내부전극(330)을 구비한다.
프레임(310)은 엑스선 조사방향의 역방향으로 함몰영역(312)을 형성하며, 함몰 영역(312)의 전면에 엑스선 조사방향에 수직으로 배치되는 윈도우(311)를 지지한다. 이때, 윈도우(311)는 시료 고정부(200)를 향하여 배치되어 시료(S)에서 발생된 형광 엑스선(FXR)이 투과되도록 할 수 있으며, 함몰 영역(312)의 내부가 진공상태가 되도록 프레임(310)의 내주면에 결합된다.
안내홀(320)은 형광 엑스선(Fluorescent X-rays, FXR)의 검출면적이 증대되도록 엑스선(XR)의 투과 경로를 따라 엑스선 검출기(300)를 관통하여 배치된다.
돌출부(321)는 프레임(310)의 내측에서 엑스선 발생부(100)에서 조사된 엑스선의 투과 경로에 교차하는 방향으로 돌출되어 안내홀(320)과 일체로 형성될 수 있다. 돌출부(321)는 안내홀(320)이 윈도우(311)의 중앙에 위치할 수 있도록 윈도우(311)의 중앙의 위치에서 일방향을 따라 일정길이 연장되어 돌출된다. 이로 인하여 안내홀(320)은 돌출부(321)의 종단에 인접하여 배치되어, 윈도우(311)의 중앙에 위치할 수 있다.
이와 같이, 안내홀(321)은 투과되는 엑스선(XR)이 윈도우(311)의 중앙에 배치됨으로써 시료(S)에 조사되어 반사되는 형광 엑스선(FXR)의 반사각을 극대화시킬 수 있다. 즉, 윈도우(311)의 전면을 검출면적으로 활용하여 검출 효율을 증대시킴으로써 효율적으로 형광 엑스선(FXR)을 획득할 수 있다. 또한, 안내홀(320)은 돌출부(321)의 돌출방향을 따라서 복수개 형성되어 시료에 조사되는 엑스선의 크기를 조정할 수 있다.
안내홀(320)에는 엑스선 발생부(100)에서 조사된 엑스선의 크기를 조정할 수 있도록 가변형 콜리메이터(322)가 구비될 수 있으며, 이하에서 더욱 구체적으로 설명한다.
함몰 영역(312)에는 내부전극(313)이 배치된다. 내부전극(313)은 안내홀(320)로 인해서 함몰 영역(312)에 굴절되도록 배치됨으로써, 윈도우(311)를 통해 투과된 형광 엑스선에 내부전극(313)을 통하여 고전압(hight-voltage)이 인가되도록 하여 검출효율을 높일 수 있다. 이와 같이, 내부전극(313)은 안내홀(320)을 감싸면서 함몰 영역(312)에 배치됨으로써, 형광 엑스선(FXR)과 접촉면적이 증대되어 형광 엑스선(FXR)의 분석을 더욱 정확하게 할 수 있다. 내부전극(313)에 전력이 인가될 수 있도록 피드스루(314)가 프레임(310)의 일단에 연결되어 외부로 돌출 형성된다.
본 실시예에서 돌출부(321)는 하측에서 상측으로 돌출되어 안내홀(320)을 지지하도록 형성되었으나, 엑스선(XR)의 투과 경로에 교차하는 방향이면 프레임(310)의 내측 어느 위치에서도 돌출되어 형성될 수 있다.
이와 같은 구현은, 엑스선 검출기(300)가 엑스선 발생부(100)와 시료 고정부(200) 사이에 배치되며, 엑스선 검출기(300)를 관통하여 배치되는 안내홀(320)을 통해 구현되는 것으로서, 시료 고정부(200)에서 반사되는 형광 엑스선(FXR)의 검출 효율을 극대화할 수 있다. 또한, 이러한 검출 효율의 증가로 인해서, 엑스선 발생부(100)의 부하를 줄임으로써 엑스선 발생부(100)의 내구성을 증대시킬 수 있다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 엑스선 검출기의 변형예이다.
도 4는 돌출부(321)의 변형 실시예로서, 안내홀(320)을 중심으로 프레임(310)의 내주면을 향하여 방사 방향으로 지지되는 복수의 돌출부(321)를 구비할 수 있다. 이와 같이 돌출부(321)가 안내홀(320)을 중심으로 방사방향으로 배치되면, 형광 엑스선의 검출면적을 더욱 증대시킬 수 있으므로 형광 엑스선(FXR)의 검출 효율을 극대화할 수 있다.
도 5는 프레임(310)의 변형예로서, 프레임(310)의 외주 형상이 원형으로 형성된 것을 나타내는 도면이다. 이와 같이 프레임(310)이 원형으로 형성되면 시료에서 발생하는 형광 엑스선이 윈도우(311)의 전면을 향하게 됨으로써 엑스선 검출기의 검출 효율을 증대시킬 수 있다. 안내홀(320)은 도 4에 도시된 바와 같이 안내홀(320)을 중심으로 방사방향으로 형성되는 돌출부(321)를 적용할 수도 있다. 프레임(310)이 원형으로 형성된 경우에도 사각형으로 형성된 프레임의 기술적 특징을 모두 포함하고 있는 것은 자명한 사실이며, 중복되는 구성요소에 대한 설명은 생략한다. 본 발명에서 엑스선 검출기의 형상을 사각형 및 원형으로 설명하였으나, 그 형상이 이에 제한되지 않으며 다각형 형상으로도 형성될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 형광분석 장치의 가변형 콜리메이터의 개념도이다.
도 6을 참조하여 설명하여 설명하며, 안내홀(320)에는 가변형 콜리메이터(322)가 배치된다. 콜리메이터는 엑스선 발생부에서 조사된 엑스선이 시료의 조사 면적에 해당하는 부분만큼 전달되게 하고, 나머지 부분은 차단하여 주변의 구성에 의해서 측정의 영향을 주지 않도록 하는 것이다.
이때, 안내홀(320)에는 직경을 가변적으로 변경할 수 있는 가변형 콜리메이터(322)가 적용된다. 가형 콜리메이터(322)는 안내홀(320)에 전방 및 후방에 배치되어 엑스선 발생부(100)에서 조사된 엑스선의 크기를 조정할 수 있다. 이때, 가변형 콜리메이터(322)는 전방 및 후방에 조리개 필터로 형성되어 직경을 용이하게 조정할 수 있다.
조리개 필터는 조사되는 엑스선의 종류에 따라 직경을 선택적으로 조정할 수 있으며, 바람직하게는 0.1 ~ 0.3mm 이내로 조정될 수 있다. 조리개 필터는 측정이 완료된 후에 자동으로 필터를 닫음으로써 엑스선이 불필요하게 투과되는 것을 방지하여 분석결과의 신뢰성을 증대시킬 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명이 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
S : 시료 XR : 엑스선
FXR : 형광 엑스선 100 : 엑스선 발생부
200 : 시료 고정부 300 : 엑스선 검출기
310 : 프레임 320 : 안내홀
321 : 돌출부 322 : 가변형 콜리메이터
330 : 전극

Claims (6)

  1. 엑스선을 발생하는 엑스선 발생부;
    상기 엑스선 발생부에 이격 배치되어 시료를 고정하는 시료 고정부; 및
    상기 엑스선 발생부와 상기 시료 고정부 사이에 배치되며, 상기 시료에 조사되어 상기 시료에서 발생하는 형광 엑스선을 검출하는 엑스선 검출기;를 포함하며,
    상기 엑스선 검출기는,
    상기 시료에서 발생하는 상기 형광 엑스선의 검출면적이 증대되도록 상기 엑스선의 투과 경로를 따라 상기 엑스선이 통과되도록 상기 엑스선 검출기를 관통하여 배치되는 안내홀을 구비하는 엑스선 형광분석 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엑스선 검출기는,
    상기 엑스선 조사방향에 수직으로 배치되는 윈도우를 지지하는 프레임을 포함하고,
    상기 안내홀은,
    상기 프레임의 내측에서 상기 엑스선 발생부에서 조사된 엑스선의 투과 경로에 교차하는 방향으로 돌출되는 돌출부에 의해서 지지되는 엑스선 형광분석 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프레임은,
    상기 안내홀을 중심으로 원형 또는 다각형 형상으로 형성되고, 상기 시료 고정부를 향하여 프레임의 내주면에 상기 윈도우가 배치되는 엑스선 형광분석 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 안내홀은,
    상기 엑스선의 종류에 따라 상기 안내홀의 직경을 조정할 수 있는 가변형 콜리메이터를 구비하는 엑스선 형광분석 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가변형 콜리메이터는,
    상기 돌출부의 돌출방향을 따라 복수개 배치되어 상기 시료에 조사되는 상기 엑스선의 크기를 조정하는 엑스선 형광분석 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 윈도우의 전면에는 거울이 배치되고, 상기 거울은 상기 시료 고정부에 조사되는 시료의 상태가 확인되도록 엑스선의 투과 경로에 대해서 40 ~ 50도 기울어져 배치되며,
    상기 거울의 일측면에 이격되어 배치되어, 상기 거울로 투영되는 상기 시료의 상태를 확인하는 카메라를 구비하는 엑스선 형광분석 장치.
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