엑스레이 소스와 모노크로메이터 기능

 

1. 엑스레이 소스 정의 및 기능

: 광전자를 발생시키기 위한 X선의 원천

 

X-ray는 anode에 고에너지 전자를 충돌시킴으로써 생성됩니다.

전자는 일반적으로 전기적으로 가열된 cathode인 텅스텐 필라멘트의 형태로 열원에서 방출되지만 초점 X선 단색계(focusing X-ray monochromators)에서는 더 높은 전류 밀도(밝기) 때문에 란타넘 헥사보라이드(LaB₆) 방출기가 사용됩니다.

 

Anode로부터 방출되는 X선의 효율은 X선 광자에너지(photon energy)에 대한 전자 에너지(electron energy)에 의해 결정됩니다.

예를 들어, 전자에너지가 4 keV에서 10 keV로 증가하면 알루미늄 anode의 AlKa(1486.6 eV) 광자 플럭스(photon flux)가 5배 이상 증가합니다.

주어진 에너지에서 X-ray anode의 광자 플럭스는 anode에 부딪히는 전자 전류에 비례합니다.

최대 anode 전류는 anode에서 발생하는 열이 방출될 수 있는 효율에 의해 결정됩니다.

이러한 이유로, X선 anode는 일반적으로 수랭식입니다.

 

XPS용 anode 재료의 선택에 따라 생성되는 X-ray 전이 에너지가 결정됩니다.

주기율표의 모든 원소(H, He 제외)에서 강렬한 광전자 피크를 들뜨게 하기에 충분한 광자에너지를 가져야 합니다. 또한 스펙트럼을 과도하게 넓히지 않는 자연스러운 X선 선폭을 가져야 합니다.

가장 많이 사용되는 anode material은 알루미늄과 마그네슘입니다. 이들은 각각 Al Ka 1486.6 eV와 MgKa 1253.6 eV 에너지에 해당합니다.

 

cf) XRD의 경우 필라멘트는 높은 음의 전위(negative potential)에 있고 양극은 접지(ground)에 있습니다.

XPS의 경우 필라멘트는 접지 또는 근처에 있고 양극은 10~15 kV의 높은 양의 전위(positive potential)에 있습니다.

 

 2. X-ray monochromators 기능

X선 모노크로메이터의 목적은 결정격자에서 회절을 이용하여 좁은 X선 선을 생성하는 것입니다.

X선은 평행한 결정면에 θ 각도로 부딪치고 같은 각도로 반사됩니다.

X선이 이동한 거리는 반사되는 결정면에 따라 다릅니다.

그림1은 X선이 각각 반사되는 두 개의 인접한 결정면을 보여줍니다.

평면 사이의 거리가 d이면 경로 길이의 차이는 2dsinθ입니다.

만약 이 거리가 파장의 정수와 같다면 X선은 보강 간섭을 일으키고 그렇지 않으면 상쇄 간섭이 발생합니다. 이것은 잘 알려진 Bragg 방정식입니다.

nλ = 2dsinθ

n: 회절차수, λ: X선 파장, d: 결정격자 간격, θ: 브래그 각도(회절 각도)

 

< 그림1. Diffraction of X-rays at a quartz crystal >

브래그법칙 Bragg's law

 

현재 시중에서 판매되는 모든 X선 모노크로메이터는 XPS의 경우 회절격자로 quartz crystal(일반적으로 (1010)결정면)을 사용합니다.

일반적으로 XPS 기기의 모노크로메이터는 AlKa 방사선에 사용되며 수정 격자의 간격은 1차 반사가 편리한 각도에서 발생함을 의미합니다.

그러나 다른 재료와 다른 회절 차수가 사용되기도 합니다.

 

Quartz는 상대적으로 불활성이고 UHV 조건과 호환되며 올바른 모양으로 구부리거나 연마할 수 있고 격자 간격이 AlKa 방사선에 편리한 회절각을 제공하기 때문에 편리한 재료입니다.

 

XPS 분광계에서 X선 모노크로메이터를 사용하는 데는 여러 가지 이유가 있습니다.

 

1) 단색 방사선을 사용하는 주요한 이유는 다음과 같습니다.

예를 들어 AlKa의 경우 X선 선폭이 0.9 eV에서 약 0.25 eV로, AgLa의 경우 2.6 eV에서 1.2 eV로 감소합니다. X선 선폭이 좁을수록 XPS 피크가 좁아지고 결과적으로 화학적 상태 정보가 더 좋아집니다.

 

2) X선 스펙트럼의 불필요한 부분, 즉 위성 피크와 bremsstrahlung 연속체도 제거됩니다.

 

3) 최대 감도를 위해 트윈 애노드 X선 소스는 일반적으로 샘플에 최대한 가깝게 배치합니다. 그 결과 세심한 주의가 필요한 샘플의 표면을 손상하거나 변형할 수 있는 소스 영역의 복사열에 노출됩니다.

모노크로메이터를 사용하면 이 열원이 샘플에서 멀리 떨어져 있으며 열로 인한 손상을 방지할 수 있습니다.

 

4) 모노크로메이터를 사용하여 X선을 작은 영역에서 초점을 맞출 수 있습니다. 이것은 작은 면적의 XPS가 높은 감도로 수행될 수 있음을 의미합니다.

 

5) 포커싱 모노크로메이터를 사용하는 것은 분석 대상 시료의 영역만 X선에 노출되는 것을 의미합니다.

따라서 많은 샘플이 분석을 기다리는 동안 X선이 샘플을 손상할 위험 없이 분광계에 로드될 수 있습니다.

마찬가지로, 동일한 섬세한 주의가 필요한 샘플에 대해 여러 포인트 분석을 수행할 수 있습니다.

샘플 표면의 X선 spot 크기는 애노드 전자의 spot 크기와 거의 동일합니다.

따라서 전자 소스의 초점을 변경하여 분석영역을 변경할 수 있습니다.