방사광, 방사광원, 휘도의 뜻

현재는 절판된 [방사광과학입문]을 요약합니다.

 

제1편 방사광과 그 이용

제1장 방사광원과 특성

1.1 방사광원과 밝기

• 방사광

• 빛의 속도에 매우 가깝게 빠른 속도로 운동하는 전자(또는 양전자)가 방향을 바꿀 때, 운동궤도곡선의 접선방향으로 방출하는 좁은 퍼짐의 빛

• 방사광원

• X-선, 자외선, 가시광, 적외선에 이르는 광범위한 파장영역을 망라하는 강력한 빛을 마련하기 위한 전자 가속장치와 기타 시설
• 넓은 파장영역을 망라하는 우수한 질의 광원이며 넓은 분광영역에서 원하는 파장의 강력한 단색광(monochromatic light)을 선택하여 시료에 쪼일 수 있다는 파장가변성(wavelength tunability)이란 특성을 가짐
• 이러한 특성 때문에 방사광은 빛과 물질과의 상호작용을 통해서 물질과 생체의 미세구조를 규명하는 데 매우 유용한 연구수단을 제공함.

• 광자

• 빛의 입자적 성질
• 빛을 에너지 알맹이로 생각할 때 사용하는 표현
• 광자의 에너지를 E, 빛의 속도를 c, 파장을 λ, 플랑크 상수를 h 라 하면 광자의 에너지는 E = hc/λ = hν
• ν 는 파의 떨기수(진동수)
• 광자의 에너지를 eV 단위로서 나타내며, 이때 광자의 에너지와 Å 단위로 나타냄
• 광자의 에너지와 파장과의 변환관계는 hν(eV) = 1.23969 × 10⁴ / λ (Å)

• 단위변환

• 파장영역대별 명칭

대역명청	광자에너지	파장
경X-선 (Hard X-ray)	6.2 keV ~ 124 keV	2 Å ~ 0.1 Å
연X-선 (Soft X-ray)	413 eV ~ 6.2 keV	300 Å ~ 2 Å
진공자외선 (VUV: Vacuum UltraViolet)	6.2 eV ~ 6.2 keV	2000 Å ~ 2 Å
극자외선 (EUV: Extreme UltraViolet)	12.4 eV ~ 6.2 keV	1000 Å ~ 2 Å
가시광 (Visible)	1.65 eV ~ 3.1 eV	7500 Å ~ 4000 Å
적외선 (Infrared)	~1.24×10-3 eV ~ 1.65 eV	~1000 μm ~ 0.75 μm

• 휘도, 밝기

• 빛의 밝기를 나타내는 척도
• 휘도(또는 밝기) = (방출되는 광자의 수) / { (단위시간) (단위면적) (단위입체각) }
• 밝기의 단위 photons · s^-1 · mm^-2 · mrad^-2
• Flux 가 같더라도 빛을 발생시키는 광원의 크기가 작고 빛의 퍼짐이 작을수록 휘도는 큰 값을 가짐

• 분광휘도 (Spectral Brightness)

• Spectral band width 당 밝기를 의미함
• 관례 상 Δλ/λ = 0.1% 의 spectral band width 또는 파장 폭에 속하는 빛의 밝기로 정의됨
• Spectral Brightness
  = (방출되는 광자의 수) / { (단위시간) (단위면적) (단위입체각) (Spectral Brightness Δλ/λ = 0.1%) }
  단위 : photons · s^-1 · mm^-2 · mrad^-2 · (Δλ/λ = 0.1%)^-1
• 예를 들면 λ = 100 Å 에서의 분광휘도를 말할 떄는 Δλ = 0.1 Å 의 spectral brightness 당 휘도를 말함
• 분광휘도와 휘도는 방사광원의 특성을 나타내는 중요한 파라미터 분광윤곽(spectral profile)은 어느 방사광 센터나 반드시 명시되어 있어 방사광 이용자들이 실험을 수행하는데 참고 자료가 됨

• 빛띠다발 (Spectral Flux)

• 광원으로부터의 방출 퍼짐이나 광원의 크기에 민감하지 않은 분야를 위한 표현
• Spectral Flux = (방출되는 광자의 수) / { (단위시간) (단위 수평각) (0.1% spectral band width) }
  단위 : photons · s^-1 · mm^-2 · mrad^-2 · (Δλ/λ = 0.1%)^-1
• 모든 수직퍼짐각에 대한 방출이 모두 포함되어 있음