Calibration-free real-time organic film thickness monitoring technique by reflected X-Ray fluorescence and compton scattering measurement

Park, Junghwan,Choi, Yong Suk,Kim, Junhyuck,Lee, Jeongmook,Kim, Tae Jun,Youn, Young-Sang,Lim, Sang Ho,Kim, Jong-Yun Korean Nuclear Society 2021 Nuclear Engineering and Technology Vol.53 No.4

Most thickness measurement techniques using X-ray radiation are unsuitable in field processes involving fast-moving organic films. Herein, we propose a Compton scattering X-ray radiation method, which probes the light elements in organic materials, and a new simple, non-destructive, and non-contact calibration-free real-time film thickness measurement technique by setting up a bench-top X-ray thickness measurement system simulating a field process dealing with thin flexible organic films. The use of X-ray fluorescence and Compton scattering X-ray radiation reflectance signals from films in close contact with a roller produced accurate thickness measurements. In a high-thickness range, the contribution of X-ray fluorescence is negligible, whereas that of Compton scattering is negligible in a low-thickness range. X-ray fluorescence and Compton scattering show good correlations with the organic film thickness (R² = 0.997 and 0.999 for X-ray fluorescence and Compton scattering, respectively, in the thickness range 0-0.5 mm). Although the sensitivity of X-ray fluorescence is approximately 4.6 times higher than that of Compton scattering, Compton scattering signals are useful for thick films (e.g., thicker than ca. 1-5 mm under our present experiment conditions). Thus, successful calibration-free thickness monitoring is possible for fast-moving films, as demonstrated in our experiments.

Thin Film Characterization via Synchrotron X-ray Experiments: XRR-TXRF, GIWAXS, 3D RSM

조인화,김효정 한국진공학회 2022 Applied Science and Convergence Technology Vol.31 No.6

X-ray is an essential probe for observing, from the nano to atomic scale, the physical and chemical properties of thin films, such as film thickness, electron densities, and features related to crystal structures. In particular, bright and collimated synchrotron (SR) X-rays have enabled various in situ experiments combined with multiple measurements of X-rays and other probes. In this report, we provide basic information on SRrelated X-ray experiments, such as X-ray reflectivity-Total reflection X-ray fluorescence, Grazing incidence wide-angle X-ray scattering, and 3-dimensional reciprocal space mapping, for thin film research.

경 X선 형광분석을 위한 모세관 광학소자 제작

조형욱,박병훈,김용민,최철희,최성희,김기홍,천권수 한국방사선학회 2011 한국방사선학회 논문지 Vol.5 No.5

경 X선 형광분석 기법에 사용되는 X선 튜브는 X선의 휘도가 낮아 분석의 정밀도가 떨어지고 분석 시간 또한 오래 걸린다. 모세관 집광소자를 이용하면 X선 휘도의 이득(gain)을 최소 10 이상 얻을 수가 있다. 모세관 광학소자는 8.4keV의 텅스텐 특성방사선을 효율적으로 집광할 수 있도록 설계되었다. 파이렉스 유리로 된 모세관 모재를 풀러 (puller)를 이용하여 45 g의 추에 650˚의 온도를 가하여 모세관 광학소자를 제작하였다. 모세관 광학소자의 제작은 총 460분이 소요되었으며 제작된 모세관 광학소자의 길이는 87 mm, X선 입사부의 직경은 300 ㎛, 출구부의 직경은 192 ㎛로 제작되었다. 제작된 모세관 광학소자를 경 X선 형광분석에 적용하면 황(S)과 같은 경원소 검출의 정밀도를 높일 수 있을 것이다. An X-ray tube used an X-ray fluorescence analysis system has a low X-ray photon intensity which results in reducing measurement accuracy and increasing exposure time. These shortages can be overcame by using a monocapillary optics. A monocapillary optics was optimally designed for focusing the characteristic X-ray of tungsten (8.4 keV). The monocapillary optics can achieve a gain of 10 at the least. The monocapillary optics was fabricated by using puller and pyrex glass, raw material. In fabrication, a weigh of 45g and a temperature of 650˚ was loaded. The total fabrication time was 460 minutes. The fabricated capillary had 87 mm in length and maximum diameter of 300 ㎛ and minimum diameter of 192 ㎛. When the fabricated monocapillary optics is applied to an X-ray fluorescence analysis system, the detection accuracy for soft elements, for example sulfur (S), will be improved.

경 X선 형광분석을 위한 모세관 광학소자 제작

조형욱(Hyungwook Cho),박병훈(Byunghoon Park),김용민(Yongmin Kim),최철희(Chulhee Choi),최성희(Seonghee Choi),김기홍(Kihong Kim),천권수(Kwonsu Chon) 한국방사선학회 2011 한국방사선학회 논문지 Vol.5 No.6

경 X선 형광분석 기법에 사용되는 X선 튜브는 X선의 휘도가 낮아 분석의 정밀도가 떨어지고 분석 시간 또한 오래 걸린다. 모세관 집광소자를 이용하면 X선 휘도의 이득(gain)을 최소 10 이상 얻을 수가 있다. 모세관 광학소자는 8.4keV의 텅스텐 특성방사선을 효율적으로 집광할 수 있도록 설계되었다. 파이렉스 유리로 된 모세관 모재를 풀러 (puller)를 이용하여 45 g의 추에 650˚의 온도를 가하여 모세관 광학소자를 제작하였다. 모세관 광학소자의 제작은 총 460분이 소요되었으며 제작된 모세관 광학소자의 길이는 87 ㎜, X선 입사부의 직경은 300 ㎛, 출구부의 직경은 192㎛로 제작되었다. 제작된 모세관 광학소자를 경 X선 형광분석에 적용하면 황(S)과 같은 경원소 검출의 정밀도를 높일수 있을 것이다. An X-ray tube used an X-ray fluorescence analysis system has a low X-ray photon intensity which results in reducing measurement accuracy and increasing exposure time. These shortages can be overcame by using a monocapillary optics. A monocapillary optics was optimally designed for focusing the characteristic X-ray of tungsten (8.4 keV). The monocapillary optics can achieve a gain of 10 at the least. The monocapillary optics was fabricated by using puller and pyrex glass, raw material. In fabrication, a weigh of 45g and a temperature of 650˚ was loaded. The total fabrication time was 460 minutes. The fabricated capillary had 87 ㎜ in length and maximum diameter of 300 ㎛ and minimum diameter of 192 ㎛. When the fabricated monocapillary optics is applied to an X-ray fluorescence analysis system, the detection accuracy for soft elements, for example sulfur (S), will be improved.

Establishment of the Monoenergetic Fluorescent X-ray Radiation Fields

Jang-Lyul Kim,Bong-Hwan Kim,Si-Young Chang,Jae-Ki Lee 대한방사선방어학회 1998 방사선방어학회지 Vol.23 No.1

Establishment of the Monoenergetic Fluorescent X-ray Radiation Fields

Chang,Si-Young,Kim,Bong-Hwan,Kim,Jang-Lyul,Lee,Jae-Ki 대한방사선 방어학회 1998 방사선방어학회지 Vol.23 No.1

한국원자력연구소 교정시설에 설치되어 있는 MG325 X-선 발생장치와 ISO-4037에서 제시하고 있는 라디에이터 및 필터 8종을 조합하여 8.6 keV 까지의 단일 에너지 형광 X-선을 제작하였다. 1차 X-선에 의하여 라디에이터에서 발생된 형광 X-선중 K를 필터를 사용하여 제거한 후 단지 K만의 형광 X-선 스펙트럼을 고순도 평판형 반도체검출기와 휴대용 다중파고분석기로 분석하였으며 35 cc 전리함을 이용하여 이때의 선량률 (air kerma rates)를 측정하여 계산결과와 비교하였다. 또한 방사선장의 균일도분포를 전리함과 사진현상을 통하여 결정하였으며, 산란 X-선의 영향도 측정하여 실제 적용가능성을 검토하였다. 실험결과 순도가 90% 이상되는 8.6 keV 부터 75 keV 까지의 단일에너지 형광 X-선을 얻었으며 라디에이터 중심으로부터 43 cm 위치에서의 선량률은 1.91 mGy/h(라디에이터 : Au, 필터 : W)로 부터 54.2 mGy((라디에이터 : Mo, 필터 : Zr) 까지였다. 선량률은 측정지점에서 방사선장의 유효면적은 12 cm ×12 cm로 계측기의 교정이나 개인선량계의 조사에 전혀 문제가 없음을 확인하였고 산란방사선의 영향도 3% 이하였다. Using a combination of an X-ray generator installed radiation calibration laboratoryof Korea Atomic Energy Research Institute (DAERI) and a series of 8 radiators and filters described in ISO-4037, moneoenergetic fluorescent X-ray from 8.6 keV to 75 keV were produced. This fluorescent X-rays generated by primary X-rays from radiator were discriminated K lines with the aid of filter material and the only K X-rays were analyzed with the high purity Ge detector and portable MCA. The air kerma rates were measured with the 35 cc ionization chamber and compared with the calculationa results, and the beam uniformity and the scattered effects of radiation fields were also measured. The beam purities were more than 90 % for the energy range of 8.6 keV to 75 keV and the air kerma rates were from 1.91 mGy/h (radiator : Au, filter : W) to 54.2 mGy (radiator : Mo, filter : Zr) at 43 cm from center of the radiator. The effective area of beam at the measurement point of air kerma rates was 12 cm ×12 cm and the influence of scattered radiation was less than 3 %. The fluorescent X-rays established in this study could be used for the determination of energy response of the radiation measurement devices and the personal dosemeters in low photon energy regions.

40㎸용 투과 양극형 x-ray tube의 개발 및 특성분석

김성수(Sung-Soo Kim),김도윤(Do-yun Kim) 한국진공학회(ASCT) 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.3

휴대용 XRF(X-Ray Fluorescence) 장치에 적용할 수 있는 40 ㎸용 투과 양극형 W-Target tube와 Rh-Target tube를 개발하고 특성을 조사하였다. 특성 x-ray의 에너지와 연속 x-ray의 선량특성은 알려진 결과와 잘 일치함을 확인하였고, 최대 선량을 추출하기 위한 양극금속 박막의 최적 두께는 W-target tube의 경우 약 2,6 ㎛, Rh-target tube의 경우 약 2,7 ㎛ 임을 밝혀내었다. 또한 관전압 40 ㎸, 관전류 60 μA로 30분 동안 연속적으로 작동시켰을 때 양극에서의 온도는 50℃를 넘지 않아 휴대용 XRF장치에 적용할 수 있음을 확인하였다. Tungsten and rhodium target tube for a 40 ㎸ x-ray transmission anode was developed to apply to the hand-held XRF(X-Ray Fluorescence) apparatus and its characteristics were evaluated. From the measurement of the energy distribution and dose of x-ray, it was confirmed that our results were good agreements with the known ones. The optimum thickness of metal film deposited on Be window to extract the maximum dose were 2.6 ㎛. and 2.7 ㎛ in case of W-target tube and Rh-target tube, respectively. When it was continuously worked during 30 min. at 40 ㎸ in tube voltage and at 60 μA in tube current, the temperature at target did not exceed 50℃. Our results reveals that the 40 ㎸ x-ray transmission anode tube can be applied to the hand-held XRF apparatus.

이중 적층 구조 표적을 갖는 투과형 엑스선관의 몬테카를로 전산모사

천권수 한국방사선학회 2023 한국방사선학회 논문지 Vol.17 No.1

엑스선형광분석은 비파괴적으로 시료에 포함된 원소와 농도를 분석할 수 있는 기법으로 과학 및 산업 분야에 광범위하게 사용되고 있다. 다양한 물질을 포함한 혼합물 또는 화합물 분석의 정밀도 향상을 위해 10 keV 근방의 저에너지와 20 keV 근방의 에너지 영역에 높은 강도 분포를 갖는 엑스선관이 요구된다. 두 에너지 영역에서 높은 강도 분포를 갖는 스펙트럼을 얻기 위하여 9.65 keV의 특성엑스선을 가지는 텅스텐과 17.48 keV의 몰리브덴 두 물질을 적층한 구조의 표적을 가지는 투과형 엑스선관을 몬테카를로 전산모사를 통해 스펙트럼을 분석하였다. W-Mo 구조의 표적을 통해 10 keV와 20 keV 근방의 강한 강도를 갖는 특성엑스선을 얻었다. 또한 4 μm 두께의 Mo-W multilayers 구조의 표적을 통해 최적의 강도 분포를 갖는 스펙트럼을 얻을 수 있음을 확인하였다. 다양한 표적 물질을 선택 조합하고 두께 최적화를 통해 원하는 에너지 대역에서 높은 강도 분포를 갖는 스펙트럼을 얻는 것이 가능하다.

Pinhole X-ray fluorescence imaging of gadolinium and gold nanoparticles using polychromatic X-rays: a Monte Carlo study

Jung, Seongmoon,Sung, Wonmo,Ye, Sung-Joon Dove Medical Press 2017 International journal of nanomedicine Vol.12 No.-

<P>This work aims to develop a Monte Carlo (MC) model for pinhole K-shell X-ray fluorescence (XRF) imaging of metal nanoparticles using polychromatic X-rays. The MC model consisted of two-dimensional (2D) position-sensitive detectors and fan-beam X-rays used to stimulate the emission of XRF photons from gadolinium (Gd) or gold (Au) nanoparticles. Four cylindrical columns containing different concentrations of nanoparticles ranging from 0.01% to 0.09% by weight (wt%) were placed in a 5 cm diameter cylindrical water phantom. The images of the columns had detectable contrast-to-noise ratios (CNRs) of 5.7 and 4.3 for 0.01 wt% Gd and for 0.03 wt% Au, respectively. Higher concentrations of nanoparticles yielded higher CNR. For 1×10<SUP>11</SUP> incident particles, the radiation dose to the phantom was 19.9 mGy for 110 kVp X-rays (Gd imaging) and 26.1 mGy for 140 kVp X-rays (Au imaging). The MC model of a pinhole XRF can acquire direct 2D slice images of the object without image reconstruction. The MC model demonstrated that the pinhole XRF imaging system could be a potential bioimaging modality for nanomedicine.</P>

형광 X-선 스펙트럼의 잡음 특징 분석

이재환(Lee, Jae-Hwan),천선일(Chon, Sun-Il),양상훈(Yang, Sang-Hoon),박동선(Park, Dong-Sun) 한국산학기술학회 2012 한국산학기술학회논문지 Vol.13 No.5

형광 X-선 스펙트럼을 분석 방법은 RoHS 성분 및 중금속 함량 분석 등 여러 분야에 응용이 가능하며 비교 적 빠른 시간 안에 함량 분석 결과를 얻을 수 있다. 형광 X-선 스펙트럼에는 잡음 및 여러 요인이 포함되어 있어 분 석 정확도를 떨어뜨린다. 본 논문에서는 여러 요인 중 잡음의 특징을 분석하여 형광 X-선 스펙트럼 분석의 정확도를 높이고자 한다. 형광 X-선 스펙트럼은 산탄잡음(푸아송 잡음)의 특징을 가지고 있으며, 따라서 작은 신호에서는 잡음 의 크기가 상대적으로 크고, 큰 신호에서는 잡음의 크기가 상대적으로 작은 특징을 가지고 있다. 기존에 잡음을 분석 하고 제거하는 방법 및 알고리즘은 이러한 특징을 반영하지 않은 일반적인 목적으로 사용되는 방법으로 일반적인 알 고리즘을 사용하여 잡음을 제거하게 되면 왜곡된 결과를 얻게 된다. 정확한 잡음 분석을 기반으로 효율적인 잡음 제 거 알고리즘을 설계할 수 있고, 또한 높은 정확도의 원소 함량 분석 결과를 기대할 수 있다. X-ray fluorescence spectrum analysis method can be applied in many areas, including concentration analysis of RoHS elements and heavy metals etc. and we can get analysis results in a relatively short time. Because X-ray fluorescence spectrum has noises and several artifacts that lowers the accuracy of the analysis. This paper analyzes the characteristics of the noise of the X-ray fluorescence spectrum to increase the accuracy of analysis. X-ray fluorescence spectrum have the characteristics of shot noise (Poisson noise), so the noise size is relatively large in the small signal portion and the noise the size is relatively small in the large part of the signal. Existing methods of analysis and to remove noises is a method for general purposes algorithm. Since these algorithm does not reflect these noise characteristics, we get distorted analysis result. We can design efficient noise remove algorithm based on the accurate noise analysis method, and we expect high accuracy results of the elemental concentration analysis result.