관측장비의 이해 ① X-ray diffraction(XRD)_Kα 와 Kβ

지난 포스팅에는 X-ray자체가 어떻게 생기는지에 대해서 알아봤습니다! 혹시 궁금하신 분이 계신다면 아래 글을 참
고 해주세요! https://vanshy.tistory.com/6
오늘은 이제 X-ray에서 Kα X-선과 Kβ X-선이 모두 나오면 ,Kα X-선만을 얻어내는지에 대해 알아보겠습니다.

 

관측장비의 이해 ① X-ray diffraction(XRD)

 

 Kα 와 Kβ란 무엇인가?

 

이전 글의 마무리에서 말씀드렸던  Kα 와 Kβ 중  Kα만 따로 쓰는 방법은 제목에서도 알 수 있듯 fillter를 사용해서 입니다. 우선  Kα 와 Kβ가 무엇이고 어떻게 다른지부터 알아야겠죠? 이는 특성 X-선이 발생할때 방출되는 X-선입니다. 특성 X-선(characteristic X-rays)은 타겟 원자의 내부 전자 껍질에서 전자가 제거되었을 때 발생합니다. 이 공백을 상위 껍질의 전자가 채우면서 특정 에너지를 가진 X-선을 방출하는데, 이 과정에서 발생하는 X-선을 특성 X-선이라고 합니다. 대표적으로 Kα와 Kβ X-선이 있습니다.  Kα의 경우 L 껍질의 전자가 K 껍질의 공백을 채울 때 발생하고, Kβ는 M 껍질의 전자가 K 껍질의 공백을 채울 때 발생합니다.

Characteristic X-ray

Kα는  Kβ보다 에너지가 낮습니다. 그런데 우리는 XRD에 사용하기 위해 그 에너지와 wavelength가 명확한 한개의 X-선만이 필요하고 intensity가 더 강한 Kα만을 필요로 해서 fillter를 사용해줘 Kα만을 추출해서 사용하는 것입니다. 

 

 Kα 와 Kβ_ x-ray fillter

 

 X-선 필터는 특정 에너지의 X-선을 흡수하도록 설계된 물질입니다. 이 필터는 Kα  X-선은 통과시키고, Kβ X-선을 흡수하여 제거하는 역할을 합니다.

1. 필터 선택: Kα 와 Kβ X-선 사이의 에너지 차이를 고려하여 적절한 필터 재료와 두께를 선택합니다. 선택된 필터 재료는 Kβ X-선의 에너지보다 약간 낮은 에너지에서 높은 흡수율을 가지지만, Kα  X-선의 에너지 범위에서는 상대적으로 낮은 흡수율을 가져야 합니다.
2. 필터의 배치: X-선 소스와 검출기 사이에 필터를 배치합니다. 이 때, X-선 소스에서 방출된 X-선은 필터를 통과하게 됩니다.
3. K베타 X-선의 흡수: 필터가 Kβ X-선의 대부분을 흡수하면서, Kα  X-선은 상대적으로 적게 흡수되어 필터를 통과합니다.
4. 결과: 결과적으로 검출기에 도달하는 X-선은 Kα X-선이 주를 이루게 되며, Kβ X-선은 대부분 제거됩니다.

그럼 이런 의문점이 생기실 수 있습니다.  

"  Kα 와 Kβ가 그렇게 에너지 차이가 많이나는 것도 아닌데  Kα는 아예 흡수가 안되는게 말이 되나?" 

아주 합리적인 의구심이고 실제로도  Kα 역시 일부 흡수가 됩니다. 하지만  Kα 와 Kβ사이의 intensity 차이가 매우 극명하게 나타나게 됩니다. 이를 그래프로 보면 아래와 같습니다.

filter를 사용하지 않은  경우                                                             filter를 사용한 경우

 

이처럼 그 차이가 극명해져, 우리가 원하는 wavelengt의 X-선인 Kα X-선만을 얻을 수 있습니다. 

 

긴 글 읽어주셔서 감사하고 다음글에는 본격적으로 XRD의 peak를 결정하는 요소와 특징에 대해 알아보겠습니다!