X선 이미지 검출기 개발 성공
멀티 포트 CCD 검출기로 센서의 고성능화
일본 이화학연구소와 고휘도광과학 연구센터에서 X선 자유전자레이저(XFEL)를 사용해 X선 이미징 검출기 ‘멀티 포트 CCD 검출기’를 개발했다. X선 자유전자레이저 시설을 지칭하는 ‘SACLA’의 XFEL 광은 대형 방사광 시설 ‘Spring-8’의 방사광보다 약 100억배 더 밝고 펄스폭도 약 1,000분의 1의 10펨토초 이하로 매우 짧으며 X선 파장을 모두 모으는 간접성 또한 지니고 있다. 이러한 SACLA는 미지의 X선 현상 발견이나 신약개발에 연결되는 단백질 구조분석 및 촉매 반응 메커니즘 등의 연구에 용이하게 사용된 바 있다. X선 이미지 검출기는 원자 레벨의 실시간 관측에 따른 기초과학 분야에서부터 레이저 단조(Laser Peening)에 의한 금속피로방지의 메커니즘 해명 등과 같은 분야까지 적용 가능해 폭넓게 연구 테마를 확장하도록 도울 것이다.
X선 이미지 검출기는 SACLA에서 발생된 X선 펄스가 시료에 투사될 때 투과하거나 회절하는 X선을 정확하게 추적하는 ‘눈’의 역할을 한다. SACLA 빛의 특성을 최대한으로 활용해 정밀한 계측을 실현하려면 1광자 이하의 미약한 신호에서 수천 광자가 넘는 강한 신호까지의 넓은 범위 모두에서 정확한 측정이 요구된다. 하지만 이런 높은 스펙을 만족시키는 검출기를 개발하기에는 아직 해결되지 못한 과제가 있었다.
방사선 내구성, 전하 수집방법 등의 남겨진 과제
첫 번째는 방사선에 대한 내구성이다. XFEL용 이미지 검출기에서 요구하는 성능을 실현하는 센서는 현 시점에서 반도체 센서밖에 없다. 하지만 반도체 센서는 민감하기 때문에 X선이 대량으로 투사되면 내부가 손상된다. XFEL에서 반도체 센서를 이용하는 경우 의료용 뢴트겐 촬영만 보더라도 약 1년간 1억회 이상의 X선에 노출되므로 사용이 불가능하다고 볼 수 있다.
두 번째 문제는 X선 광자를 검출할 때 전하를 모으는 X선 속성이다. X선은 센서의 플러스와 마이너스 전하를 변환시킨다. 마이너스 전하는 플러스 전극에, 플러스 전하는 마이너스 전극에 모여 전기신호로 검출되는 것이다. XFEL 시험에서는 수 펨토초(1펨토초=1,000조분의 1초)라는 극히 짧은 시간 내에 수많은 X선 광자가 검출기에 도달하기 때문에 센서에 대량의 전하가 동시 발생하게 된다. 그 결과 플러스와 마이너스 전하가 서로 끌어당겨 기존 반도체 센서에서 검출을 불가능하게 만든다.
세 번째로 1초간 60프레임이라는 고속촬영에 대응하는 문제다. XFEL은 1초간 60펄스의 X선을 발생시키지만 펄스 간 미묘한 차이도 전부 측정할 필요가 있기 때문에 전체를 정확하게 화상으로 검출할 필요가 있다. 하지만 검출기가 빠른 화상을 읽으려고 하면 과부하로 인해 노이즈가 발생한다.
네 번째는 넓은 면적의 이미지 영역 실현이다. X선은 간단히 굽어지지 않기 때문에 시료로부터 사방으로 방출되는 X선은 넓은 검출 면적을 이용해 한 번에 측정해야 한다. 그러나 이 또한 여의치 않아 XFEL을 적용한 이미지 검출기 개발은 어려운 상황에 있었다.
CCD 센서 도입해 검출 시스템 보완
이러한 과제를 해결하고자 본 연구개발에서는 특수한 금속, 절연체, 반도체(MIS) 구조를 가진 CCD 센서를 개발했다. 우선 연구팀은 X선을 방사할 때 일어나는 손상의 메커니즘을 실험으로 검증했다. MIS 구조를 가진 CCD 센서는 XFEL와 같은 고강도의 X선이 방사되는 환경에서 절연체에 대전된다. 산화물층을 가진 얇은 구조의 경우 XFEL 실험에서 요구하는 X선에 대해 1메가그레이의 매우 높은 내구성을 가지고 있음을 발견했다.
또한 특정 CCD 센서의 구조를 이용해 대량의 플러스, 마이너스 신호 전하를 발생시키면 센서 내부의 전하수집을 담당하는 전장이 붕괴되는 조건을 시뮬레이션했다. 실제 제조한 CCD 센서를 사용해 실험적으로 조건을 만족하는지 확인한 것이다. 이에 1광자에서 수천 광자까지 정확하게 측정 가능하다는 것을 검증했고 이 CCD 센서 구조로 매초 60회 촬영한 고속 동작에 대응이 가능한 설계를 수행했다. 그 결과 제조된 CCD 센서는 고속촬영 시에도 1광자도 놓치지 않고 검출 가능한 레벨까지 달성한 것뿐만 아니라 노이즈도 낮출 수 있었다.
한편 100×100㎜의 대면적 이미지 영역을 실현하기 위해 1개당 25×50㎜의 대형 센서를 8개 나란히 연결한 배선구조로 각각 센서의 끝을 극세화한 개발이 진행됐다. 이에 센서간의 간격을 0.3㎜ 이하로 줄일 수 있게 돼 센서 성능은 저하시키지 않으면서 방출된 X선을 추적할 수 있게 됐다. 이미지 검출 기술은 SACLA 발진 시 조정에 사용될 수 있고 이외에 센서에 배열 상태가 다른 4종류의 검출기 시스템으로 SACLA 시설을 정비해 8할 이상의 이용시험 과제에서 기반 검출기로 활용할 수도 있다.
센서의 고감도화, 소형화, 안정화
이 기술은 SACLA 기반 모든 실험을 도울 것이며 이후 센서의 감도 향상, 소형화, 안정화 등의 고성능을 실현에 한몫을 더할 것이다. 본 연구는 일본 문부과학성 X선자유레이저 이용추진 연구과제 ‘비선형 X선 라만분광법의 개척’의 일환으로 수행됐다.
출처 | Riken(www.riken.jp)
