새로운 고해상도 X-선 분광계

NIST 과학자들이 첨단 고온 초전도체와 고효율 태양광 전지 등을 포함하여, 고대하던 장비와 물질의 실현을 가속할 수 있는 기술을 선보였다. 새로운 고해상도 X-선 분광계는 서반구에서 가장 밝은 싱크로트론 X-선 빔을 생성하는 대규모 설비인 고급 광자원(Advanced Photon Source, APS)에 설치되었다. 고에너지 방사선을 방출하는 싱크로트론에 의해 생성되는 전자는 저장 링을 궤도하면서, X-선 빔을 사용하여, 특정한 유형의 물질을 관찰한다. 표본은 빔 라인에 배치되고, 검출기는 표본에 산란하거나, 그것을 통과하는 X-선 광자를 기록한다. 여기서 나온 데이터는 화학의 미묘한 측면이나 구조, 그리고 심지어는 물질의 전기 역학까지 드러내면서 잠재적 개발자에게는 중요한 정보를 제공한다. “기존의 기술이 가진 주요한 문제 중 하나는 검출기 효율성이 일반적으로 5~10% 범위라는 것이다. 즉, 약 90%의 광자를 그냥 지나쳐 버린다는 의미이다. 또한, 그들은 약한 입체각 범위를 가지는 경향이 있다. X-선 빔은 공간적으로 광범위하며, 만약 당신이 작은 검출기를 배치하면, 시스템을 효율적으로 활용할 수 없다”고 물리 측정 연구소의 양자 전기 및 포토닉스 부서의 Daniel Swetz가 말했다.

따라서 Swetz와 Joel Ullom, 그리고 NIST 연구진은 새로운 차세대 상전이 센서(transition edge sensors, TESs)를 설계하고 제작하였다. 이 장비는 거의 100%의 X-선 광자를 검출하며, 물질 연구를 위한 주요 에너지 범위에서 광자 간의 에너지 차이를 결정할 수 있다. 이러한 능력은 현재의 최첨단 검출기보다 50배나 더 우수하며, 다른 유형의 분광계로는 쉽게 측정할 수 없는 전자나 화학적 구조에 관한 고도의 상세한 정보를 제공한다. 광학 물리나 천문학 분야에서 매우 유용하면서도, 익숙한 기술인 TES 검출기는 금속 박막을 거의 절대 영도에 가깝게 냉각한다. 이것은 막을 초전도와 정상적 상태 간의 모서리에 놓이게 한다. 이 막은 높은 광자 저지능을 가지며, 물질 흡수체 밑에 배치된다. 입사 광자가 그것의 에너지를 흡수체에서 증착하면, 열은 TES 막의 온도를 초전도 임계 온도 이상으로 올리며, 그것의 저항은 증가한다. 그 결과 나오는 전기 신호는 광자 에너지에 비례하게 된다.

고해상도 X-선 TES 검출기는 UIIom과 동료의 초기 연구 이후, 약 15년 동안 사용됐다. 이것은 현재 상태에 이르기까지 많은 기술적 혁신을 더해갔다. 초당 수백의 계수율로 다중 고에너지 X-선을 기록하기 위해서는, 물질이 시간이 지나도 안정되어야 하고, 다수의 광자를 흡수해야 한다. 또한, 공간적으로 균일하며, 매우 좁은 임계 전이 범위를 가져야 한다. 그 결과, TES 검출기는 약 0.1 mm2 로서, 무려 그들 중 240개가 배열에 배치되었으며, 현재 23 mm2의 집열 면적을 제공한다. 현재의 NIST TES 검출기는 100mK에서 작동하도록 설계되었으며, 300nm 두께의 몰리브덴 및 구리의 초전도 이 중층을 사용한다. 이러한 장비는 콜로라도 볼더에 있는 최첨단 NIST 미세제조 설비에서 제작된다. 또한, NIST 연구진은 센서 내에 충분한 동적 범위가 있음을 확인했으며, 이는 X-선 광자의 고에너지로 과부하가 되지 않게 한다. 연구진은 X-선 흡수체의 역할을 위하여, 매우 얇은 비스무트층을 이 센서의 상단에 배치함으로써, 흡수 속성을 조정하는 방법을 고안했다.

2012년, 최초의 NIST TES X-선 분광계가 Randy Doriese와 기타 NIST 과학자들에 의해 미국 브룩헤븐 국립 연구소의 국립 싱크로트론 광원(National Synchrotron Light Source, NSLS)에 설치되었다. 이 첫 번째 장비의 성공은 NIST와 일리노이 대학, 아르곤 국립 연구소와의 협업을 이끌었고, 이들은 APS에 개발 중인 새로운 빔 라인을 위한 두 번째 TES 분광계를 구축했다. 이 두 번째 장비는 올해 가을 설치되었으며, 현재 과학 캠페인이 진행 중이다. NSLS에서, TES 설치는 입체각 범위와 효율성을 극적으로 향상시켰다. “재료 과학 측정에서 이 도구는 특별히 중요하다. 왜냐하면, 표본의 도펀트 양이 당신이 보고자 하는 광자의 수에 영향을 끼치기 때문이다. 높은 효율성으로, 당신은 좀 더 희석된 표본을 관찰할 수 있다. 그리고 물론, 만약 이것이 100배의 집적 효율성을 가진다면, 당신은 100배 더 빠른 측정을 할 수 있을 것”이라고 Swetz가 말했다.

고강도 APS에서의 목표는 다소 다르다. “밝은 빔 라인에서, 효율성은 확실히 바람직하다. 하지만 당신이 정말 필요한 것은 신호와 배경을 분리하는 능력이다. 이 검출기의 장점 중 하나는 다른 모든 광자로부터 에너지를 구별할 수 있으며, 이는 우리가 측정에서 대부분의 노이즈를 제거할 수 있는 원인”이라고 Swetz가 말했다. NIST TES 시스템은 또한 X-선 분광계에서 시간 분해 측정이라는 또 다른 중요한 역할을 한다. “사람들은 차세대 광전지와 같이, 전하가 물질을 이동하는 방식에 대한 역학을 이해하고자 한다. 그러나 우리는 왜 그들의 변환 효율이 그렇게 낮은지를 이해하지 못한다. 만약 당신이 정적 측정만을 가지고 있다면, 어디에 에너지가 손실되는지 알지 못할 것이다. 그러나 만약 당신이 충분히 민감한 검출기를 가지고 있다면, 당신은 표본을 시간 안에 검사할 수 있다. 당신이 빛을 이용하여, 감광성 물질을 여기하면, 전자는 이동하기 시작한다. 그리고 그것을 여러 시간 단계로 X-선에 부딪히게 한다. 그렇게 함으로써, 당신은 전하가 어디로 가는지, 왜 그것이 손실되는지를 이해할 수 있을 것이다. 그리고 아마도 당신은 광전지의 변환 효율을 강화하기 위하여, 물질을 재설계할 수 있을 것”이라고 Swetz가 말했다. 이러한 새로운 시스템의 성공으로, NIST는 싱크로트론과 다른 X-선 물질 분석 설비에 있는 고해상도 X-선 분광계의 수요 증가를 기대하고 있다고 프로젝트를 이끌고 있는 UIIom이 말했다. ”X-선은 물질 분석을 위한 가장 강력한 도구 중 하나이다. 그리고 고도로 효율적인 X-선 검출기는 대규모의 밝은 X-선 소스를 구축하는 것보다 훨씬 더 비용 효율적”이라고 그는 말했다.

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 새로운 고해상도 X-선 분광계