전자빔 용융시 발생되는 X선 및 산란된 X선의 에너지 및 비율 > 기술 및 AS상담

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전자빔 용융 시 발생되는 X선은 주로 제동복사(Bremsstrahlung)에 의해 발생하며, 연속적인 에너지 분포를 갖습니다.

90 keV 전자빔을 사용하는 경우 X선의 에너지는 0~90 keV의 연속적인 범위에 분포합니다. 일반적으로 낮은 에너지의 X선이 많이 발생하고, 에너지가 높아질수록 발생 확률이 감소합니다. 따라서 90 keV X선이 발생할 확률은 극히 낮으며, 90 keV는 발생 가능한 X선의 최대 에너지입니다. 입사 전자가 원자핵 근처에서 매우 큰 감속을 받아 자신의 운동에너지를 거의 전부 하나의 광자에 전달하는 극히 드문 경우에 최대 에너지인 90 keV에 가까운 X선이 발생할 수 있습니다.

즉, 90 keV 전자빔을 이용한 용융 시 X선의 에너지 분포는 낮은 에너지 영역에서 높은 발생량을 보이고, 90 keV에 가까워질수록 발생량이 급격히 감소하는 연속 스펙트럼으로 볼 수 있습니다.

제동복사 X선의 평균 에너지는 일반적으로 전자빔 에너지의 약 1/3 정도로 보는 것이 적절하며, 실제 평균 에너지는 표적 물질, 전자빔의 입사조건 및 X선의 여과·흡수 조건 등에 따라 달라집니다. 따라서 90 keV 전자빔의 경우 평균 X선 에너지는 대략 30 keV 전후로 생각할 수 있으며, 필터링이나 챔버 벽을 통과한 후에는 스펙트럼이 달라질 수 있습니다.

발생된 X선이 챔버의 철(Fe)과 충돌하면 주로 다음 세 가지 상호작용이 일어날 수 있습니다.

광전효과(Photoelectric absorption) – 비탄성, X선 에너지의 흡수
콤프턴 산란(Compton scattering) – 비탄성, 일부 에너지를 전자에 전달
레이리 산란(Rayleigh scattering) – 탄성, 광자 에너지가 거의 변하지 않음

이러한 상호작용의 상대적인 확률은 X선 에너지와 물질의 종류에 따라 달라지므로, 90 keV 전자빔이라고 해서 모든 X선의 상호작용 비율을 90 keV에서의 한 가지 값으로 정할 수는 없습니다. 실제 제동복사 스펙트럼에는 0~90 keV의 다양한 에너지 X선이 존재하기 때문입니다. NIST XCOM은 철을 포함한 물질에 대해 광전효과, 비탄성(콤프턴) 및 탄성(레이리) 산란의 에너지별 단면적을 제공합니다.

따라서 90 keV 단일 에너지 X선이 철에 입사한다고 가정할 경우에는 다음과 같이 이해하는 것이 좋습니다.

산란 X선의 에너지

*레이리 산란: 레이리 산란은 탄성 산란이므로 산란 전후의 광자 에너지가 거의 동일합니다.
90 keV → 약 90 keV. 즉, 레이리 산란된 X선은 에너지 손실이 거의 없습니다.

*콤프턴 산란: 콤프턴 산란에서는 산란각에 따라 X선의 에너지가 달라집니다.
90 keV X선의 경우 산란 후 광자 에너지는 약 76.6~90 keV 범위가 됩니다.
- 전방에 가깝게 산란 → 약 90 keV, 큰 각도로 산란 → 에너지가 감소, 180° 후방산란 → 약 76.6 keV

실제 전자빔 용융에서는

90 keV 전자빔
→ 0~90 keV의 연속적인 제동복사 X선 발생
→ 철 챔버와 상호작용
→ 일부는 광전흡수
→ 일부는 콤프턴 산란
→ 일부는 레이리 산란
→ 산란·흡수 과정에서 X선 스펙트럼이 다시 변화
하는 과정입니다.