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KR20190088463A - 샘플을 식별하는 ｘｒｆ 시스템과 방법 - Google Patents

샘플을 식별하는 ｘｒｆ 시스템과 방법 Download PDF

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KR20190088463A
KR20190088463A KR1020197011142A KR20197011142A KR20190088463A KR 20190088463 A KR20190088463 A KR 20190088463A KR 1020197011142 A KR1020197011142 A KR 1020197011142A KR 20197011142 A KR20197011142 A KR 20197011142A KR 20190088463 A KR20190088463 A KR 20190088463A
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야일 그로프
지마 키슬레브
나다브 요란
하가이 알론
모르 카플린스키
Original Assignee
소레크 뉴클리어 리서치 센터
시큐리티 매터스 엘티디.
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Abstract

본 발명은 샘플에 지지되는 적어도 하나의 마커를 탐지하는 XRF 시스템의 동작을 제어하는 제어시스템과 방법에 관한 것이다. 이 제어시스템은 샘플에 지지되는 상기 적어도 하나의 물질에 관한 물질관련 데이터를 포함한 입력데이터를 받는 데이터입력 유틸리티; 및 입력데이터를 분석하고, 샘플의 소정 구역에 도달하고 이 구역의 체적에 흡수되는 1차 X선의 양을 최대화하면서 상기 구역에서 방출되어 XRF 시스템의 디텍터에 도달하는 2차방사선의 분량을 최대화하도록 XRF 시스템의 작동조건들을 최적화하는 최적의 기하학적 특성을 결정하며, XRF 시스템의 기하학적 특성을 조절하도록 XRF 시스템에 대한 작동 데이터를 생성하는 데이터 처리분석기를 포함한다.

Description

샘플을 식별하는 ＸＲＦ 시스템과 방법
본 발명은 X선 형광(XRF; X-Ray Fluorescence) 기술 분야에 관한 것으로, 구체적으로는 XRF 시스템과 방법에 관한 것이다.
XRF 시스템은 샘플의 화학적 조성을 분석하는데 널리 사용된다. XRF 시스템은 X선 소스의 고에너지 1차방사선에 샘플을 노출시켜, 탐지하고 분석할 샘플로부터 X선 형광반응을 일으킨다. 이 샘플의 각각의 원소는 고유 지문인 고유 세트의 특성 형광 X선을 낸다. X선 형광분석기는 새플내 여러 원소들에서 방출된 특성 X선들의 스펙트럼을 분석해 샘플의 화학조성을 결정한다.
현재 사용되는 대부분의 XRF 시스템들은 ED(Energy Dispersive) 및 WD(Wavelength Dispersive)의 2가지 분광기에 속해있다. 이런 2가지 시스템들은 X선 소스, 광학계, 디텍터를 포함하는 다양한 구성의 XRF 툴 배열들을 이용한다.
본 발명은 샘플의 각종 물질들의 농도를 측정하는 새로운 XRF 시스템/분석기를 제공한다. 본 발명의 XRF 시스템은 샘플에 매립되거나 지지된 하나 이상의 마커의 물질조성(농도)를 측정하는데 특히 유용하다. 이런 마커는 샘플의 적어도 한 부분에 위치하는데, 예를 들면 샘플의 표면에 부착되어, 샘플의 필름/코팅을 이루는 다층구조를 형성할 수 있다.
XRF 시스템은 휴대할 수 있게 소형이고, X선이나 감마선 소스(X선 튜브), X선 디텍터, 방사선 조준 광학계(예; 조준기)를 포함할 수 있으며, 본 발명의 경우 에너지 분산 XRF 시스템일 수 있다.
본 발명에 의하면 XRF 시스템의 기하학적 특성들은 시스템 성능을 개선/최적화하도록 선택되고, 샘플 표면의 물질 조성을 판독하는데 특히 중요하다. 이런 기하학적 형상은 X선 소스로부터 샘플의 소정 표면 구역(즉, 마커가 있을 것 같은 표면 구역)까지의 거리, 이런 표면 구역에서 디텍터(탐지면)까지의 거리, 방사채널의 각도방향(X선 소스로부터 나가는 1차 X선 빔과 샘플 표면이 이루는 각도), 및 수집/탐지 채널의 각도방향(샘플에서 디텍터를 향하는 2차 X선과 샘플 표면이 이루는 각도) 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
시스템의 이런 변수/특성의 조절은 측정할 마커 재료의 타입과 마커를 샘플에 부착하거나 매립하는 방법/방식에 맞게 실행된다.
본 발명의 휴대형 XRF 시스템의 구성은 아래와 같은 발명자들의 이해를 기초로 한다. 소형/휴대형 XRF 시스템, 특히 배터리 작동식 XRF 시스템의 효율과 정확도를 제한하는 요인들 중의 하나는 XRF 시스템의 복사원인 이미터나 X선 튜브에서 방출된 소정 파장의 방사선의 강도를 결정하는 동력이 제한되는데 있다. 따라서, 농도를 측정하고 있는 특정 물질(예; 마커 물질)과 샘플을 여기하고, 샘플에서 나오는 2차방사선을 탐지하는데 있어서 고효율을 얻는 것이 아주 중요하다. 즉, (i) 샘플에 도달하고 샘플에서 흡수되는 1차 X선의 양, 특히 측정할 원소/마커에 의해 흡수되는 방사선 분량을 최적화/최대화하고, (ii) 측정된 원소에서 방출되어 디텍터에 도달하는 2차방사선(소스에서 나오는 방사선에 응답해 방출되는 방사선)의 분량을 최적화/최대화하는 것이 목표이다.
샘플에 지지된 마커 구조를 판독하는데 XRF 시스템을 사용하는데 있어서, 샘플에 도착하고 샘플에 흡수되는 1차 X선의 양을 최대화하려면 샘플의 표면 구역의 원하는 체적(즉, 마커가 존재하거나 존재할 것 같은 체적)에 1차방사선이 가능한 많이 갇히게 해야 한다. 이 경우, 이런 체적에 1차방사선이 흡수되는 확률이 증가하고 이 체적을 통해 샘플 안으로 1차방사선이 침투할 확률은 감소된다.
본 발명의 XRF 시스템에서, 소스-샘플-디텍터 형상은 전술한 (i), (ii) 요인들을 최적화하도록 조절된다. 샘플의 평면에 대한 X선 소스와 디텍터의 기하학적 세팅이 최적화된 본 발명의 휴대형 XRF 시스템/분석기는 방사-탐지 과정의 효율을 개선하여, 식별/인증 결과값들의 정확도를 높인다.
따라서, 본 발명은 샘플을 측정하는 XRF 시스템의 동작조건들을 제어하는 제어시스템을 제공한다. 이 제어시스템은 데이터 입출력 유틸리티(소프트웨어/하드웨어), 메모리 유틸리티 및 데이터 처리분석 모듈을 갖춘 컴퓨터 시스템이 일반적이다. 데이터 처리분석 모듈은 측정할 마커에 관한 마커관련 데이터를 포함한 입력데이터를 받고, 이를 처리해 마커를 측정하기 위한 XRF 시스템의 최적의 동작조건들을 형성하는 시스템의 최적의 기하학적 특성드을 결정하며, XRF 시스템의 기하학적 특성들을 조절하기 위한 대응 출력데이터를 생성하도록 미리 프로그램된다.
마커관련 데이터는 샘플에서의 마커의 위치, 및/또는 마커 위치의 표면구역의 측방 사이즈, 및/또는 측정할 체적을 이루는 마커 구조의 두께를 포함할 수 있다. 전술한 것처럼, 조절가능한 기하학적 특성/변수는 X선 소스와 샘플평면 사이의 거리, 탐지면과 샘플평면 사이의 거리, 방사채널과 탐지채널의 각도방향 중의 적어도 하나를 포함한다.
제어시스템(이것의 데이터 처리분석 유틸리티)가 XRF 시스템에 의해 감지되는 측정데이터를 받을 수도 있다.
샘플평면이나 샘플의 관심구역에 대해 소스-디텍터 형상을 조절할 수 있는 XRF 시스템은 샘플의 표면에서 탐지할 재료(이하 '마커'라 함)의 적어도 일부에 관한 정보의 적어도 일부가 알려진 경우 특히 효율적이고, 마커를 샘플에 부착하는 방식을 알고 있을 때 더 효율적이다. 마커는 샘플을 마킹하고 식별/인증하거나 (샘플에 관한) 정보를 코딩하기 위해 샘플에 첨가되거나 부착되는 재료일 수 있다. 한편, 마커가 샘플 표면에 원래부터 존재했었지만 그 토입이나 위치가 적어도 일부라도 알려진 공지의 재료일 수도 있다.
XRF의 주어진 형상에 대해, X선 소스에서 샘플에 도달하는 1차 X선의 강도를 X선 소스의 방출단부/평면의 산란 인터페이스(산란판)을 이용해 높일 수 있음을 발견했다. 산란 인터페이스의 구성은 탐지할 마커 원소/물질에 맞게 선택할 수 있다. X선 소스에서 방출된 1차방사선은 산란판에 도달하고 산란판의 물질에 흡수되어, 산란판으로부터 다양한 과정(광전효과, 콤프톤, 레일리산란)을 통해 방출된 2차방사선의 상당량은 샘플을 향해 방출된다. 따라서, 산란판 어셈블리의 구성(물질조성과 방향)은 산란판에서 나오는 2차방사선의 파장과 방사경로의 방향에 맞게 선택된다.
본 발명의 제어시스템은 샘플에 지지되는 적어도 하나의 물질을 탐지하기 위해 XRF 시스템의 동작을 제어하고,
샘플에 지지되는 상기 적어도 하나의 물질에 관한 물질관련 데이터를 포함한 입력데이터를 받는 데이터입력 유틸리티; 및
입력데이터를 분석하고, 샘플의 소정 구역에 도달하고 이 구역의 체적에 흡수되는 1차 X선의 양을 최대화하면서 상기 구역에서 방출되어 XRF 시스템의 디텍터에 도달하는 2차방사선의 분량을 최대화하도록 XRF 시스템의 작동조건들을 최적화하는 최적의 기하학적 특성을 결정하며, XRF 시스템의 기하학적 특성을 조절하도록 XRF 시스템에 대한 작동 데이터를 생성하는 데이터 처리분석기를 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 하나 이상의 마커를 탐지하는데 사용된다. 따라서, 본 발명에 대해 아래와 같이 설명하겠지만, 이는 어디까지나 예를 든 것일 뿐이다.
마커에 관한 마커관련 데이터가 샘플에서의 상기 적어도 하나의 마커의 위치, 상기 적어도 하나의 마커가 위치한 샘플의 표면구역의 측방 치수, 및 상기 체적을 형성하는 상기 적어도 하나의 마커 구조의 두께 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게, 최적화될 XRF 시스템의 기하학적 특성은 XRF 시스템의 1차방사선 방출면과 샘플평면 사이의 거리, XRF 시스템의 탐지면과 샘플평면 사이의 거리, XRF 시스템에 의해 형성되는 방사채널의 각도방향, 및 XRF 시스템에 의해 형성되는 탐지채널의 각도방향 중의 적어도 2개를 포함할 수 있다. 이런 기하학적 특성이 XRF 시스템에 사용할 X선 소스의 방출단부의 산란판 어셈블리의 구성을 포함할 수도 있다.
본 발명은 또한, 샘플에 지지되는 적어도 하나의 물질의 탐지에 사용되는 XRF 시스템에 있어서: 샘플평면을 향해 1차방사선을 방출하는 X선 소스; 샘플에서 나오는 2차방사선을 탐지하는 디텍터; 및 컨트롤러를 포함하고; 컨트롤러는 작동데이터를 받아 XRF 시스템의 기하학적 특성을 조절하며; 기하학적 특성은 X선 소스의 1차방사선 방출면과 샘플평면 사이의 거리, 디텍터의 탐지면과 샘플평면 사이의 거리, X선 소스에 의해 형성되는 방사채널의 각도방향, 및 디텍터에 의해 형성되는 탐지채널의 각도방향 중의 적어도 2개를 포함하는 XRF 시스템도 제공한다.
X선 소스가 방출단부의 산란판 어셈블리를 포함할 수 있다. 산란판 어셈블리는 1차방사선은 흡수하고 원하는 파장의 2차방사선은 샘플평면의 소정 구역을 향해 방출한다.
본 발명은 또한, 샘플에 지지되는 적어도 하나의 마커의 탐지에 사용되는 XRF 시스템에 있어서: 샘플평면을 향해 1차방사선을 방출하는 X선 소스; 및 샘플에서 나오는 2차방사선을 탐지하는 디텍터;를 포함하고, X선 소스가 방출단부의 산란판 어셈블리를 포함하고, 상기 산란판 어셈블리는 1차방사선은 흡수하고 원하는 파장의 2차방사선은 샘플평면의 소정 구역을 향해 방출하는 XRF 시스템도 제공한다.
이런 XRF 시스템은 작동데이터를 받아 XRF 시스템의 기하학적 특성을 조절하는 컨트롤러를 더 포함하고; 기하학적 특성은 X선 소스의 1차방사선 방출면과 샘플평면 사이의 거리, 디텍터의 탐지면과 샘플평면 사이의 거리, X선 소스에 의해 형성되는 방사채널의 각도방향, 디텍터에 의해 형성되는 탐지채널의 각도방향, 및 X선 소스에 사용될 산란판 어셈블리의 구성 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 샘플에 지지되는 적어도 하나의 물질을 탐지하도록 샘플에 대한 XRF 측정들에 사용하는 방법에 있어서:
샘플에서의 상기 적어도 하나의 물질의 위치, 상기 적어도 하나의 물질이 위치한 샘플의 표면구역의 측방 치수, 및 상기 샘플의 원하는 흡수 체적을 형성하는 상기 적어도 하나의 물질의 구조의 두께 중의 적어도 하나를 포함하는, 상기 적어도 하나의 물질에 대한 물질관련 데이터를 제공하는 단계;
물질관련 데이터를 분석하고, XRF 시스템의 작동조건들을 최적화하도록 샘플에 대한 XRF 측정에 사용할 XRF 시스템의 최적의 기하학적 특성들을 결정하여, 상기 원하는 흡수 체적에 도달하여 이 체적에 흡수되는 1차 X선의 양을 최대화하고, 상기 체적에서 방출되어 XRF 시스템의 디텍터에 도달하는 2차방사선의 분량을 최대화하는 단계; 및
XRF 시스템의 1차방사선 방출면과 샘플평면 사이의 거리, XRF 시스템의 탐지면과 샘플평면 사이의 거리, XRF 시스템에 의해 형성되는 방사채널의 각도방향, XRF 시스템에 의해 형성되는 탐지채널의 각도방향, 및 XRF 시스템의 방출단부의 산란판 어셈블리의 구성 중의 적어도 하나를 포함하는 XRF 시스템의 기하학적 특성을 조절하도록, XRF 시스템의 컨트롤러에 제공할 작동데이터를 생성하는 단계를 포함하는 방법도 제공한다.
도 1A는 XRF 시스템의 기하학적 특성들을 제어/최적화/조절하기 위한 본 발명의 제어시스템의 블록도;
도 1B는 XRF 시스템의 기하학적 특성들을 제어/최적화/조절하기 위한 본 발명의 방법의 순서도;
도 2A~C는 XRF 시스템의 기하학적 특성의 3가지 예의 개략도;
도 3A~B는 시스템 형상 선택 원리를 보여주는 도면들.
본 발명은 휴대용 XRF 시스템의 작동조건을 최적화하여 이 시스테ㅈ의 성능을 제어하고 최적화하는 새로운 제어시스템과 방법을 제공한다. 최적화할 작동조건에는 샘플의 평면에서의 조사구역의 크기(스폿 사이즈), 조사구역에서 흡수되는 상대적 1차 방사선량(즉, 방출된 방사선과 조사구역에 흡수된 방사선의 비), 및 감지된 2차 방사선량이 있다. XRF 시스템의 기하학적 특성을 적절히 조절하면 작동조건이 최적화된다.
도 1A~B는 블록도와 순서도로서, 샘플상의 하나 이상의 마커를 측정(식별/인증)하기 위해 XRF 시스템(12)의 작동조건을 최적화하도록 이 시스템의 기하학적 특성을 제어/조절하는 제어시스템(10)의 구성과 동작을 보여준다. 최적화될 XRF 시스템(12)은 X선 소스인 이미터(12A)와 디텍터(12B)를 포함하고, 이미터는 샘플평면(SP)에 조사할 구역에 대한 1차 방사채널인 방사선조사 채널(IC)을 형성하고, 디텍터는 상기 구역에 대한 2차 방사채널인 탐지채널(DC)을 형성한다.
제어시스템(10)은 컴퓨터 시스템 역할을 하고 데이터입력 유틸리티(10A), 데이터출력 유틸리티(10B), 메모리(10C) 및 데이터 처리분석기(10D)와 같은 메인 기능 유틸리티들을 포함한다. 제어시스템(10)은 XRF 시스템(12)이 측정할 마커에 관한 마커관련 데이터(MRD; marker-related data)를 받아 메모리(10C)에 저장하고, 최적화될 XRF 시스템(12)의 요소/유닛에 관한 일부 데이터를 (각각의 저장 유틸리티에 접속하는 등의 방법으로) 받을 수도 있다. 데이터 처리분석기(10D)는 마커관련 데이터(MRD)를 분석하고, 샘플평면(SP) 전체나 일부에 대한 X선 소스와 디텍터(12A~B)의 수용과 배향을 위한 최적의 기하학적 특성/변수(GP)를 결정한다. 예컨대, 입력데이터에 주어진 기하학적 변수들이 들어있어, 처리분석기(10D)는 이런 변수들에 대한 조절값들을 나타내는 출력데이터를 결정하고 출력한다.
출력데이터(GP)는 적절히 포맷된 다음 XRF 시스템의컨트롤러(14)에 보내진다. 컨트롤러(14)는 XRF 시스템(10)이나 제어시스템(10)의 일부이거나, 컨트롤러(14)의 각종 모듈들이 XRF 시스템(12)과 제어시스템(10) 사이에 분포될 수도 있다. 제어시스템(12)이 XRF 시스템과의 데이터통신(예; 적당한 무선통신)에 적당한 통신 유틸리티를 갖출 수도 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 동일한 제어시스템이 XRF 시스템에서 구한 측정데이터를 분석할 수도 있다. XRF 분석기(16)는 XRF 시스템(12)이나 제어시스템(10)의 일부이거나, 그 소프트웨어 모듈들이 2개 시스템 사이에 적절히 분포될 수 있다.
제어시스템(10)이 통신망을 통해 접속되고 웹사이트와 관련된 독립 시스템일 수도 있다. 따라서, 제어시스템(10)은 네트웍을 통해 받은 요구나 요청에 대한 XRF 시스템의 최적의 기하학적 특성들을 구성(즉, XRF 시스템을 위한 연산 세팅/조건들을 정의)한 다음, 최적화된 기하학적 특성들을 생성해 XRF 시스템측에 전송할 수 있다. XRF 시스템의 컨트롤러는 수신된 기하학적 특성들을 분석하고 가각의 시스템 변수를 조절한다.
전술한 것처럼, 마커관련 데이터(MRD)는 샘플에서의 마커의 위치 및/또는 마커 위치의 표면부의 측방 사이즈 및/또는 측정할 체적을 정의하는 마커 구조의 두께를 포함할 수 있다. 조절가능한 기하학적 특성/변수는 X선 소스와 샘플평면 사이의 간격, 탐지면과 샘플평면 사이의 간격, 방사채널과 탐지채널의 각도방향 중의 적어도 하나를 포함한다. 이때문에, 샘플에서 소스와 디텍터까지의 간격에 대해, 출력소스 평면이나 방출평면, 탐지면, 샘플평면과 같은 변수들을 고려해야만 한다.
경우에 따라서는, 마커가 전혀 국부화되지 않고 샘플 전체에 비교적 일정한 농도로 제시된다. 하나 이상의 마커들의 농도를 탐지하고 측정하기에 최적의 소스-샘플-디텍터 형상이 마커들의 타입과 조합에 맞게 설정된다. 예컨대, 가벼운 요소들을 측정하려면, 이미터(소스)와 좀더 중요하게는 디텍터(탐지면)를 가능한 샘플 표면에 가까이 두는 것이 유리하다. 이런 구성은 한편으로는 1차 빔이 조사되는 (디텍터가 판독하거나 '보는') 면적(스폿 사이즈)을 줄일 수 있다. 따라서, 무거운 요소들을 측정하려면, 이미터와 샘플 사이의 간격이나 디텍터와 샘플 사이의 간격을 늘인 구간에서 스폿 사이즈를 늘이는 것이 좋을 것이다.
예컨대, 마커들이 샘플 표면의 제한구역에 국한될 수 있다. 분명한 것은, 이 경우 샘플내 마커로부터 최적의 X선 반응을 얻으려면, 방사선조사가 이루어지고 디텍터가 판독하는 조인트 구역이 마커가 있는 제한구역과 일치(대부분 오버랩)되어야 한다. 구역이 넓을수록 미표시된 샘플이 많아져, 마커로부터 탐지된 신호의 SNR(신호대 잡음비)가 줄어들지만, 구역이 좁으면 2차 방사선이 적어져 SNR이 줄어든다. 따라서, 마커가 있는 제한구역을 정확히 커버하도록 (각도를 조절해) 이미터와 디텍터를 수용하고 배향하는 것이 최적의 기하학적 세팅일 것이다.
한편, 마커가 샘플의 표면 전체나 상당히 넓은 부분에 부착되되 소정의 작은 두께의층상 구조(마커층)로 한정될 수도 있다. 이 경우, 마커로부터 최적의 응답신호를 구하려면, 1, 2차 방사선들의 전파축선들의 방향을 이미터에서 나오는 1차 방사선 광자들이 마커층을 투과하지 않는 각도를 향하도록, 즉 유입되는 광자들(대부분의 광자들)이 마커가 들어있는 층 내부의 원자들에 흡수되고 마커 원자들이 없는 층 너머의 원자들에는 흡수되지 않는 각도를 향하도록 해야 한다.
세번째 예로, 상대적으로 좁은 층과 제한구역 둘다에 마커가 국한될 수도 있다. 이 경우, 소스-샘플-디텍터 형상의 최적화는 양쪽 모두 고려해야 한다.
이하는 전술한 기하학적 변수/특성의 최적화와 이런 최적화 고려사항을 보여주는 예들이다.
기하학적 고려
- 소스와 디텍터 둘다에 보이는 조인트 영역의 사이즈 대 샘플로부터의 소스와 디텍터의 간격
샘플에 흡수되는 방사선량(광자수)는 1차 방사선이 조사되는 샘플의 표면적(이미터에 보이는 표면적)의 사이즈와 같이 성장한다. 또, 샘플의 피폭구역에서 방출되고 디텍터에서 탐지되는 2차방사선의 강도는 디텍터에서 보이는 피폭된 표면의 사이즈(즉, 디텍터에 도달하는 2차방사선을 방출하는 샘플의 표면적)과 같이 성장한다. 이미터와 디텍터의 주어진 뷰필드(FOV; field of views)에 대해, 즉 방사선 방출과 수집의 입체각도들에 대해, 샘플평면에 대해 낮은 각도로 방사채널(이미터에서 샘플까지의 1차방사선 전파경로)을 배향하면 피폭구역의 사이즈가 늘어난다. 마찬가지로, 샘플평면에 대해 낮은 각도로 탐지채널(디텍터까지의 2차방사선 전파경로)을 배향하면 디텍터에서 보이는 구역의 유효 사이즈가 커진다. 한편, 샘플평면에 대해 낮은 각도로 방사채널과 탐지채널을 배향하면 이미터에서 샘플까지 1차방사선이 지나는 거리와, 샘플에서 디텍터까지 2차방사선이 지나는 거리가 늘어난다.
이와 관련해, 도 2A~C는 샘플에 대한 소스와 디텍터의 다른 수용과 방사채널과 탐지채널의 다른 각도방향을 보여준다. 도 2A~B에서 보듯이, 샘플평면에 대한 방사채널과 탐지채널의 주어진 각도 α와 β에 대해, 샘플평면에서 소스(방출면)과 디텍터(탐지면)까지의 거리 ds와 dd가 늘어나면 피폭구역(IR)의 사이즈(스폿 사이즈)가 줄어든다. 도 2B~C에서 알 수 있듯이, ds와 dd를 유지하고 α와 β가 줄면 피폭구역(IR)의 사이즈가 커진다.
ds와 dd가 늘어나면 손실이 늘어나는데 이는 대기압의 공기가 방사선(1차와 2차 둘다)의 일부를 흡수하기 때문이다. 공기에 흡수되는 방사선 분량은 주로 방사선의 파장(에너지)으로 결정된다. 원자수가 20 이하로 낮은 원소들에서 방출된 저에너지 방사선에 대해, 수밀리 정도의 공기로도 통과하는 방사선의 거의 모두를 흡수하기에 충분하다. 수밀리 정도의 공기는 파장이 짧은 고에너지 방사선을 비교적 적은 분량만 흡수한다. 결과적으로, 샘플(특히 샘플내 마커)에서 흡수되는 1차방사선의 강도와 마커에서 디텍터까지의 2차방사선의 강도를 최대로 하는 최적의 각도는 농도를 측정해야 하는 특정 마커 요소에 좌우된다.
무거운 원소를 측정하기 위해서는, 샘플에서 디텍터까지의 거리 dd를 늘여 샘플내에 존재하는 가벼운 원소에서 생기는 탐지된 방사선의 강도를 줄이는 것이 좋을 것이다. 이 경우, 배경 방사선과 아티팩트 피크들이 줄어드는데, 이는 무거운 원소들의 고에너지 광자들이 거리의 영향을 적게 받고, 측정된 스펙트럼의 신호대 잡음비가 개선되기 때문이다.
- 샘플 내부의 경로와 마커의 타입과 조립
샘플에 매립된 하나 이상의 마커들의 (상대적이거나 절대적인) 농도들을 측정하려면, 이런 마커에 의한 인입 X선의 흡수율을 높여 하나 이상의 특성 파장들에서의 2차 방사선의 방출을 늘이는 것이 중요하다. 즉, 마커에서 흡수되는 X선 광자수, 특히 샘플내 존재하는 다른 물질에 의한 흡수를 늘이는 것이 목표이다. 유입 광자가 마커에서 흡수될 확률을 높이려면, 마커들이 집중된 구역에서의 샘플 내부의 방사선 경로가 늘어나야 한다.
마커가 샘플의 외층에 있거나 예상될 경우, 예컨대 마커가 샘플 표면에 부착되어 (마커와 다른 물질들을 포함한) 코팅이나 필름이 샘플 표면에 형성될 때, 이미터에서 나오는 X선의 경로를 가능한한 마커들이 존재하는 샘플 부분에 한정하는 것이 바람직하다. 즉, 코팅 내부에서 방사선을 흡수할 확률을 높이면서도 유입 광자가 코팅을 통해 샘플 안으로 침투할 확률을 줄이는 것이 바람직하다. 도 3A에 의하면, 샘플을 향한 1차방사선의 진입 각도를 낮추면 샘플 표면의 코팅 내부에서의 광자의 경로가 늘어날 수 있음을 알 수 있는바, α2<α1이면 코팅을 통과하는 1차방사선의 경로 길이가 늘어난다.
샘플 내부에서의 X선 광자의 경로길이는 샘플의 물질 조성에 좌우된다. 주어진 파장의 유입 1차 X선 빔이 샘플 내부에서 거리 x를 주행한 뒤의 복사강도(I)는 아래와 같다:
I = I 0 exp(-μ s ρx)
여기서 I 0는 샘플 표면에서의 1차방사선의 강도, ρ는 샘플의 밀도, μ s 는 샘플 전체의 질량흡수계수이다. 질량흡수계수 μ s 는 아래와 같다:
μ s = ∑μ i C i
이때 μ i 는 샘플내 특정 원소의 질량흡수계수이고, C i 는 이 원소의 농도이며, 샘플내 존재하는 모든 물질이나 관련 부분의 합이다. 따라서, 주어진 파장의 포톤이 샘플에 흡수되기 전에 샘플 내부에서 움직이는 평균 거리는 샘플의 조성에 좌우된다.
산란판 이용
본 발명에 의하면, X선 이미터의 방출 단부나 방출면에 산란 인터페이스(산란판)을 사용하면 이미터에서 샘플에 도착하는 1차 X선의 강도가 증가한다. X선 소스장치가 방출면 정면의 방사채널에 위치한 조준 광학계를 이용할 수 있다. 본 발명의 XRF 시스템은 이런 조준기 대신이나 조준기와 함께 산란 인터페이스를 이용할 수 있다.
일반적으로 사용되는 XRF 시스템에서, 방출된 X선 빔의 방향은 소정의 좁은 각도범위 밖에서 방출되는 모든 방사선을 흡수하는 조준기에 의해 설정되어, 대부분의 전체 방출된 방사선을 배제한다. 조준기의 재료는 대부분 광전효과와 콤프톤 산란 때문에 여러 과정을 통해 2차방사선을 방출하기는 해도, 조준기의 구조와 디자인 때문에 이런 2차방사선 전부는 이 재료에 흡수되어 샘플에 전혀 도착하지 않는다.
도 1A에
의하면, 조준에 의한 강도손실을 줄여 결국 이미터의 1차방사선의 강도를 높이려면, X선 소스의 방출단부에 적어도 하나의 인터페이스나 산란판 어셈블리(18)를 배치한다. 도 3B에 도시한 것처럼, 산란판 어셈블리(18)를 방출단부에 배치한 X선 소스 유닛(12A)의 예를 보면, 산란판에 도착하는 1차방사선이 산란판의 재료에 흡수되기는 해도, 산란판의 디자인 때문에 다양한 과정(광전효과, 콤프톤, 레일리산란)을 통해 방출된 2차방사선의 상당량은 샘플을 향해 방출된다. 즉, 도 3B와 같은 산란판의 디자인 때문에, 산란판에서 방출되는 2차방사선의 상당량이 (조준기가 있는 경우처럼 장치에 재흡수되지 않고) 이미터에 의해 피폭되는 샘플 표면 부위에 도달할 수 있다.
산란판 어셈블리는 2차방출을 늘이기 위해 광전효과와 콤프톤 산란을 위해 큰 단면적을 갖는 인터페이스를 제공하는 것이 바람직하다.
어떤 경우에는, XRF 시스템(12)의 산란판 어셈블리(18)가 여러개이고 이미터에 조립되며, 어셈블리 각각이 적용되는 분야가 다를 수 있다. 예컨대, 특정 파장대역의 2차방사선을 방출하는 산란판 어셈블리의 재료는 특별한 소정의 마커의 측정에 사용될 수 있다. 이런 산란판 어셈블리들은 각각 이미터 단부에 착탈 가능하게 설치될 수 있어, 교체가 가능하다. 한편, 공통의 지지구조에 산란판 어셈블리들을 여러개 설치하고, 이 지지구조를 이미터 단부에 착탈할 수 있도록 함으로써, 필요한 산란판 어셈블리를 (방사선 전파경로 밖에 있는) 미사용 상태에서 전파경로에 있는 사용상태로 선택적으로 옮길 수도 있다.

Claims (14)

  1. 샘플에 지지되는 적어도 하나의 물질을 감지하기 위한 XRF(X-ray Fluorescent) 시스템의 동작을 제어하는 제어시스템에 있어서:
    샘플에 지지되는 상기 적어도 하나의 물질에 관한 물질관련 데이터를 포함한 입력데이터를 받는 데이터입력 유틸리티; 및
    입력데이터를 분석하고, 샘플의 소정 구역에 도달하고 이 구역의 체적에 흡수되는 1차 X선의 양을 최대화하면서 상기 구역에서 방출되어 XRF 시스템의 디텍터에 도달하는 2차방사선의 분량을 최대화하도록 XRF 시스템의 작동조건들을 최적화하는 최적의 기하학적 특성을 결정하며, XRF 시스템의 기하학적 특성을 조절하도록 XRF 시스템에 대한 작동 데이터를 생성하는 데이터 처리분석기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 물질이 샘플에 지지되는 마커와 관련된 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 물질관련 데이터가 샘플에서의 상기 적어도 하나의 물질의 위치, 상기 적어도 하나의 물질이 위치한 샘플의 표면구역의 측방 치수, 및 상기 체적을 형성하는 상기 적어도 하나의 물질의 구조의 두께 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 최적화할 XRF 시스템의 상기 기하학적 특성이 XRF 시스템의 1차방사선 방출면과 샘플평면 사이의 거리, XRF 시스템의 탐지면과 샘플평면 사이의 거리, XRF 시스템에 의해 형성되는 방사채널의 각도방향, 및 XRF 시스템에 의해 형성되는 탐지채널의 각도방향 중의 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 기하학적 특성이 XRF 시스템에 사용되는 X선 소스의 방출단부의 산란판 어셈블리의 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 데이터 처리분석기가 XRF 시스템에서 탐지된 측정데이터를 처리하고 상기 마커를 식별하는 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 하나에 있어서, 소정 구역에 도달하는 1차 X선의 양을 최대화할 때 상기 적어도 하나의 물질이 존재하는 샘플의 표면 구역의 상기 체적에 1차방사선이 가능한 많이 갇히도록 하여, 상기 체적에 1차방사선이 흡수될 확률을 높이고 상기 체적을 통해 1차방사선이 샘플을 투과할 확률은 줄이는 것을 특징으로 하는 제어시스템.
  8. 샘플에 지지되는 적어도 하나의 물질의 탐지에 사용되는 XRF 시스템에 있어서:
    샘플평면을 향해 1차방사선을 방출하는 X선 소스;
    샘플에서 나오는 2차방사선을 탐지하는 디텍터; 및
    컨트롤러;를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 작동데이터를 받아 XRF 시스템의 기하학적 특성을 조절하며;
    상기 기하학적 특성은 X선 소스의 1차방사선 방출면과 샘플평면 사이의 거리, 디텍터의 탐지면과 샘플평면 사이의 거리, X선 소스에 의해 형성되는 방사채널의 각도방향, 및 디텍터에 의해 형성되는 탐지채널의 각도방향 중의 적어도 2개를 포함하는 것을 특징으로 하는 XRF 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 물질이 샘플에 지지되는 마커와 관련된 것을 특징으로 하는 XRF 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 X선 소스가 방출단부의 산란판 어셈블리를 포함하고, 상기 산란판 어셈블리는 1차방사선은 흡수하고 원하는 파장의 2차방사선은 샘플평면의 소정 구역을 향해 방출하는 것을 특징으로 하는 XRF 시스템.
  11. 샘플에 지지되는 적어도 하나의 마커의 탐지에 사용되는 XRF 시스템에 있어서:
    샘플평면을 향해 1차방사선을 방출하는 X선 소스; 및
    샘플에서 나오는 2차방사선을 탐지하는 디텍터;를 포함하고,
    상기 X선 소스가 방출단부의 산란판 어셈블리를 포함하고, 상기 산란판 어셈블리는 1차방사선은 흡수하고 원하는 파장의 2차방사선은 샘플평면의 소정 구역을 향해 방출하는 것을 특징으로 하는 XRF 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 작동데이터를 받아 XRF 시스템의 기하학적 특성을 조절하는 컨트롤러를 더 포함하고; 상기 기하학적 특성은 X선 소스의 1차방사선 방출면과 샘플평면 사이의 거리, 디텍터의 탐지면과 샘플평면 사이의 거리, X선 소스에 의해 형성되는 방사채널의 각도방향, 디텍터에 의해 형성되는 탐지채널의 각도방향, 및 X선 소스에 사용될 산란판 어셈블리의 구성 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 XRF 시스템.
  13. 샘플에 지지되는 적어도 하나의 물질을 탐지하도록 샘플에 대한 XRF 측정들에 사용하는 방법에 있어서:
    샘플에서의 상기 적어도 하나의 물질의 위치, 상기 적어도 하나의 물질이 위치한 샘플의 표면구역의 측방 치수, 및 상기 샘플의 원하는 흡수 체적을 형성하는 상기 적어도 하나의 물질의 구조의 두께 중의 적어도 하나를 포함하는, 상기 적어도 하나의 물질에 대한 물질관련 데이터를 제공하는 단계;
    상기 물질관련 데이터를 분석하고, XRF 시스템의 작동조건들을 최적화하도록 샘플에 대한 XRF 측정에 사용할 XRF 시스템의 최적의 기하학적 특성들을 결정하여, 상기 원하는 흡수 체적에 도달하여 이 체적에 흡수되는 1차 X선의 양을 최대화하고, 상기 체적에서 방출되어 XRF 시스템의 디텍터에 도달하는 2차방사선의 분량을 최대화하는 단계; 및
    XRF 시스템의 1차방사선 방출면과 샘플평면 사이의 거리, XRF 시스템의 탐지면과 샘플평면 사이의 거리, XRF 시스템에 의해 형성되는 방사채널의 각도방향, XRF 시스템에 의해 형성되는 탐지채널의 각도방향, 및 XRF 시스템의 방출단부의 산란판 어셈블리의 구성 중의 적어도 하나를 포함하는 XRF 시스템의 기하학적 특성을 조절하도록, XRF 시스템의 컨트롤러에 제공할 작동데이터를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 물질이 샘플에 지지되는 마커에 관련된 것을 특징으로 하는 방법.
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