X-Ray 기본원리
1. X선이란?
1) 발생원리
빠른 속도로 진행하는 전자가 금속 원자의 영향으로 급속하게 감속되거나 또는 정지하는 경우, 원래의 전자가 가지고 있던 운동 에너지가 전자기파의 형태로 변환됩니다. 이 전자기파를 “X선(X-Ray)”이라고 정의합니다.
진공 중에서 X선의 파장(wavelength)은 10-8m ~ 10-11 m, 즉 10 nm(나노미터) ~ 10 pm(피코미터)입니다. 이 파장대는 자외선 보다는 짧고 감마선보다는 짧은 영역입니다. 이를 주파수(frequency)로 환산해서 보면 3 X 1016 Hz ~ 3 X1019 Hz, 즉 30 PHz(페타헤르츠) ~ 30 EHz(엑사헤르츠)이며, 광자의 에너지 단위로 환산하면 124 eV (일렉트론볼트)~ 124 keV(7킬로일렉트론볼트)가 됩니다.
이 X선을 최초로 발견한 사람은, 독일의 물리학자인 뢴트겐(Wilheim Conrad Roentgen, 1845~1923)입니다. 뢴트겐은, 다양한 종류의 진공관을 가지고 여러 가지 실험을 진행하던 도중에, 어떠한 빛이 나올 수 없도록 완전하게 밀봉된 진공관 밖에 있는 형광물질이 밝게 빛나는 현상을 1985년에 발견하고, 이를 알 수 없는 선이라는 뜻에서 “X-ray(X선)”라고 이름 붙여 발표하였습니다. 이 X선을 발견한 공로로 뢴트겐은 1901년 최초의 노벨 물리학상을 수상합니다. 또한, 뢴트겐은 X선을 최초로 발견하였을 뿐만 아니라, 부인의 손을 최초로 X선 촬영하여 신체 내부의 영상을 획득한 사람입니다.
<X선을 발견한 뢴트겐과 최초로 촬영된 X선의 영상>
2) X선의 종류
① Hard X-ray와 Soft X-Ray
Hard X-ray라고 하는 것은 5 keV보다 높은 에너지 영역의 X선을, Soft X-Ray라고 하는 것은 5 keV보다 낮은 에너지 영역의 X선을 말합니다. 투과 능력으로 보면, 에너지가 높은 Hard X-Ray가 더 좋습니다. 따라서, 의료용 X-Ray 투과 영상기기 및 혹은 공항/항만의 보안용 X-Ray 영상기기, 물질 분석기기에 사용되는 것은 주로 Hard X-Ray입니다.
② 특성 X선과 제동 방사 X선
특성 X선은 X선 스펙트럼을 보았을 때, 좁고 강한 peak로 나타나며, 제동 방사 X선은 특성 X선 아래에 넓은 에너지 영역에 걸쳐서 나타나는 X선입니다.
<특성 X선과 제동 방사 X선의 구분>
- 특성 X선 (Characteristic X-Ray)
-
모든 원소는, 원자핵(nucleus)과 전자(electron)로 구성된 원자(atom)가 구성 단위이며, 이 때 전자는 정해진 에너지 값을 가진 궤도(obital)를 따라 움직이고 있습니다. 외부에서 hv의 강한 에너지를 가진 전자기파가 입사하여 궤도 안쪽의 전자가 에너지를 얻게 되면 높은 에너지를 가진 궤도로 올라가게 됩니다. 이렇게 된 상태를, 전문용어로 원자가 “여기상태(excited state)”가 되었다고 합니다. 여기상태는, 에너지가 높아 불안정한 상태이므로 안정화된 상태인 기저상태(ground state)로 변화하기 위하여 에너지를 감소시키는 방향으로 hv’ 에너지를 원자 외부로 방출하여야 합니다. 방출된 에너지가 전자기파의 형태로 나타날 경우, 그 전자기파의 에너지는 원자 궤도간의 에너지 값의 차이만큼의 값을 나타내며, 이는 원소 고유의 값입니다.
일반적으로, 전자가 높은 에너지의 L 궤도에서 낮은 에너지의 K 궤도로 이동할 경우, 고유한 특성 X선을 나타나게 된다고 알려져 있습니다. 특성 X선은 정해진 에너지 값을 항상 가지고 있기 때문에, XRD(X-ray Diffraction, X선 회절분석)나 XRF(X-Ray Fluorescence, X선 형광분석)와 같은 물질 분석에 주로 사용되고 있습니다.
<특성 X선의 방출 원리>
- 제동 방사 X선 (Bremsstahlung)
-
외부에서 강한 에너지를 가지고 이동하는 전자가 원자핵의 영향으로 방향을 전환하면서 운동 에너지를 감소할 경우, 감소된 에너지가 전자기파의 형태로 방출되는 것이 제동 방사 X선입니다.
제동 방사 X선은 특성 X선과는 다르게 넓은 에너지 영역에 걸쳐 연속적으로 나타나며, 주로 사용되는 분야는 의료용 혹은 산업용 X-Ray 영상기기에 사용됩니다.
<제동 방사 X선의 방출 원리>
3) 요약
① X선 / X-Ray
빠른 속도로 진행하는 전자가 금속 원자의 영향으로 급속하게 감속하거나 정지하는 경우, 전자가 가지고 있던 운동에너지가 전자기파의 형태로 변화되어 방출되는 것
뢴트겐이 최초로 발견 → 노벨상 수상
② 특성 X선 : 좁고 강한 에너지 영역, 물질의 특성, 물질 분석기기에 사용
제동 방사 X선 : 넓은 에너지 영역, 영상기기에 사용
2. 전자기파 (Electromagnetic Wave)
1) 특징
<제동 방사 X선의 방출 원리>
“전기장(electric field, E)과 “자기장(magnetic field, B)”의 한 쌍이, 주기적으로 세기가 변화하면서 k방향으로 에너지를 전파하는 파동 현상을 말합니다.
전자기파의 진행 방향과 전기장/자기장의 세기의 변화 방향이 서로 직각 방향이므로, “횡파(transverse wave)”의 특성을 나타내게 됩니다. 또한, 전자기파도 파동이므로, “반사(reflection)”, “굴절(refraction)”, “회절(diffraction)”, “간섭(interferometry)”와 같은 일반적인 파동의 특성을 모두 나타내게 됩니다.
공기가 매개체인 음파의 경우에 공기가 없는 우주공간에서는 음파가 전달되지 않는 것처럼, 일반적인 파동은 매개체가 없으면 파동이 전달되지 않습니다. 그러나, 전자기파는 매개체가 없어도 공간 속을 전파해가는 특이한 성질을 보입니다. 한마디로, 공간 자체가 매개체라고 할 수 있는 것입니다. 또한, 전자기파의 경우에 그 속도는 항상 3 X 108m/s 값을 가집니다.
2) Spectrum 구분
| Class | Frequency | Wavelength |
|---|---|---|
| 라디오파 / radio wave | ~ 10^8 Hz | ~ 1 m |
| 마이크로파 / microwave | ~ 10^10 Hz | ~ 1 cm |
| 적외선 / infrared | ~ 10^14 Hz | ~ 10 um |
| 가시광선 / visible light | ~ 10^15 Hz | 400 nm ~ 700 nm |
| 자외선 / ultraviolet | ~ 10^16 Hz | ~ 100 nm |
| X선 / x-ray | ~ 10^18 Hz | ~ 1 nm |
| 감마선 / gamma-ray / γ ray | ~ 10^19 Hz | ~ 0.01 nm |
<전자기파의 Spectrum>
3) 요약
① 전기장과 자기장의 변화가 횡파의 형태로 공간 속을 전달
② 반사, 굴절, 회절, 간섭 현상
③ 속도는 항상 3 X 108m/s
3. 방사선 (Radiation)
1) 넓은 의미의 방사선 = 물리학적인 의미
- 파동
-
라디오파 (radio wave), 마이크로파 (microwave), 가시광선 (visible light), 적외선 (infrared),
자외선 (ultraviolet), x선 (x-ray), 감마선 (γ-ray)과 같은 모든 전자기파
입자 : 알파선 (α-ray), 베타선 (β-ray), 중성자선 (neutron), 등
알파선 : 헬륨 원자핵, (+) 전하
베타선 : 전자, (-) 전하
2) 좁은 의미의 방사선 = 전리 방사선 (Ionization Radiation)
<역자승의 법칙>
X-Ray 장비
1. X-ray Tube
1) 일반적인 X-ray tube의 구조 및 작동 원리
① 텅스텐으로 만들어진 필라멘트 C에 Uh 전압을 가하면, 필라멘트 C에 전류가 흐르면서 가열됩니다. Uh 전압을 가하는 것과 동시에, 필라멘트 C를 음극(cathode) 전극으로 하고 금속판 A를 양극(anode) 전극으로 하여 수kV ~ 수십kV의 고전압을 가합니다.
② 가열된 필라멘트 C에서 에너지를 얻은 열전자(thermal electron)가 tube로 방출되는데 방출된 전자는 고전압에 따라 가속됩니다.
③ 방출된 전자가 진행할 수 있도록, tube의 내부는 진공상태를 유지합니다. 일반적으로 진공 tube 내의 기압은 대기압보다 약 10억분의 1 정도로 낮습니다.
④ 고전압으로 가속된 전자는 양극 전극인 금속판 A에 충돌하는데 이때 전자가 가지고 있던 운동에너지가 빛에너지와 열에너지로 변환됩니다.
⑤ 전자의 운동에너지가 빛에너지로 바뀐 것이 X-ray입니다.
⑥ X-ray 가 조사되는 동안 발생하는 열을 외부로 방출하기 위하여 공냉식 또는 수냉식 냉각시스템이 반드시 필요합니다.
<일반적인 X-ray Tube의 구조>
2) X-ray Tube 연관 용어
① 관전압 (Tube Voltage)
일반적으로 필라멘트 C와 금속 양극 전극 A사이에 걸리는 고전압 Ua를 “관전압”이라고 합니다. 관전압은 X-ray tube에서 발생하는 X-ray의 최대 에너지 값에 제한 조건으로 작용하는데, 예를 들어 X-ray tube에 걸리는 관전압이 30kV라고 하면 그 tube에서 발생하는 X-ray의 최대 에너지는 30 keV를 넘을 수 없습니다.
② 관전류 (Tube Current)
필라멘트 C에 흐르는 전류를 “관전류”라고 합니다. 관전류는 필라멘트 C에 전류가 많이 흐를수록 더 많은 열전자가 발생하므로 관전류 값이 높을수록 X-ray의 발생량이 많아지게 되는데, 이것이 X-ray의 출력을 결정합니다.
3) X-ray Tube의 종류
① 진공 확보 방법에 따른 구분
- Closed tube
- Tube의 제작 단계에서 미리 진공을 확보하여 밀봉한 구조를 가지고 있는 X-ray tube를 ‘Closed tube’라고 합니다. 따라서 Tube를 파괴하지 않고는 내부 부품에 대한 접근은 불가능하므로, 문제가 발생할 경우 전체를 교환해야 합니다.
- Open tube
- 외부에서 진공펌프를 사용하여 Tube의 진공을 유지하는 구조를 가지고 있는 Tube를 ‘Open Tube’라고 합니다. Tube 내부 부품, 특히 Target이나 필라멘트에 문제가 발생하였을 때 교체가 가능하므로 유지보수의 측면에서 유리합니다.
② 고열 방지 방법 – Rotating Anode Tube
전자의 충돌 및 감속에 따라 발생하는 엄청난 고열의 영향으로 금속 양극 전극에 변형이 발생하는 것을 막기 위하여, 넓은 원판형의 금속 양극을 회전시키는 구조를 Tube의 내부에 가지고 있습니다. 이처럼 회전하는 양극은, 특정 부분에 전자의 에너지가 집중되지 않으므로 전극의 수명이 향상되는 효과를 가져오게 됩니다.
2. Detector
1) Gas-filled detector
비활성 가스로 가득 찬 Tube의 원통형 외벽을 음극과 연결하고 중심 금속선을 양극에 연결한 후, 양 전극 사이에 수백 kV의 전압을 가해준 상태에서, 방사선이 들어오면 비활성 가스를 전리시켜, (+) 전하를 가진 양이온과 (-) 전하를 가진 전자로 분리됩니다. 이렇게 분리된 양이온과 전자를 “이온 쌍(Ion pair)”이라고 하는데, 양이온은 음극으로 전자는 양극으로 전압에 의해 가속되면서 이동하다가 전극에 충돌한 그 순간에 전류 Pulse가 나타나게 됩니다. 이러한 전류 Pulse의 수를 세는 방법으로 방사선의 세기를 확인하는 장비를 통칭하여 “Gas-filled detector”라고 부릅니다.
① Ionization chamber
비활성 가스로 가득 찬 Tube에 방사선이 입사하여 비활성 가스를 전리시킨 후, 생성된 양이온은 음극으로 전자는 양극으로 각각 이동하는데, 이렇게 직접적으로 이온 쌍이 전극에 도달할 때 발생하는 전류 Pulse를 측정하여 그 수를 셈으로써 방사선의 세기를 측정합니다. Ionization chamber 전압보다 낮은 전압이 걸리면 전리된 이온과 전자가 전극에 도달하지 못하고 다시 결합하게 되어 방사선을 측정할 수 없습니다. 방사선의 세기가 강하면 측정되는 Pulse의 수도 증가하는데 이를 수치화 하여 방사선의 세기를 측정합니다.
<Gas-Filled Detector의 구조>
② Proportional counter
구조적으로는 Ionization chamber와 같지만 양 전극에 걸리는 전압은 Ionization chamber보다 높게 가해줍니다. 방사선이 Tube에 입사하면 가스 원자를 전리하여 양이온과 전자의 이온 쌍을 생성하는 것도 Ionization chamber와 동일합니다. 전리된 전자가 가해준 고전압에 의하여 계속 가속되다가, 양극의 근처에 오게 되면 이온의 운동 에너지가 다시 가스 원자를 전리시키는 강도에 도달하게 됩니다. 따라서, 양극 주변에서 전리현상이 연쇄반응으로 진행되어 많은 수의 이온 쌍을 생성하게 되는데, 이를 ‘Townsend avalanche’라고 부릅니다. 이러한 과정으로 생성된 이온 쌍이 전극에 도달하여 생성되는 전류 Pulse의 수를 모두 셈으로 방사선을 측정합니다. 여기서 양이온이 가속되는 구간을 “Ion drift region”이라고 하고, 가속된 이온에 의해 연쇄반응이 일어나는 구간을 “Aavalanche Region”이라고 합니다. 방사선이 가지고 있는 에너지에 비례하여 이온 쌍이 생성되므로 방사선의 에너지를 확인할 수 있습니다. 따라서, Gas-filled detector 중에서 유일하게 분광학(spectroscopy)에 적용할 수 있는 Detector로, XRD와 같은 물질 분석 장비에 사용될 수 있습니다. 방사선에 대한 반응 정도를 높이기 위하여, 비활성 가스 90%에 10% 메탄을 혼합한 “P-10″가스를 주로 사용합니다.
③ Geiger-Muller counter (GM Counter)
독일의 물리학자인 Hans Geiger(1882~1945)가 1908년에 측정 원리를 제안하였고, 독일의 물리학자인 Walther Muller(1905~1979)가 1928년에 Geiger의 원리를 활용한 실용적인 형태의 계측기를 발명하였습니다. 이를 두 사람의 이름을 붙여 “Geiger-Muller counter”라고 합니다. 구조적으로는 Ionization chamber나 ProportionalcCounter와 같습니다만, 양 전극에 걸리는 전압이 Proportional counter 보다 높습니다. 이 보다 높은 전압을 양 전극에 가하면 그 에너지에 의하여 방사선이 존재하지 않더라도 가스가 전리되게 됩니다. 따라서 이 보다 높은 전압을 가하는 조건에서는 방사선을 측정할 수 없습니다. 방사선이 Tube에 입사하면 가스 원자를 전리하여 양이온과 전자의 이온 쌍을 생성합니다. 양 전극에 가해준 전압이 높기 때문에 가속된 이온 쌍이 충돌하면서 강한 자외선을 방출하게 되고 그 자외선이 다시 가스와 반응하여 전리 작용을 일으켜 대량의 이온 쌍을 발생시킵니다. 즉, proportional counter에서는 중심부 양극의 주변에서만 Avalanche region이 존재함에 비하여 GM counter에서는 Tube 전체가 민감한 Avalanche region이 되는 셈입니다. 방사선의 세기가 강하면 측정되는 Pulse의 수도 증가하는데, 이를 수치화 하여 방사선의 세기를 측정합니다.
2) Scintillation detector
① 영상증배관(Image Intensifier)
영상증배관의 Scintillation 물질에 의하여 X선이 가시광선으로 전환된 후, 광전관(Photocathode)에 의하여 전자로 다시 변환됩니다. 변환된 전자는, 주변의 초점 회로(Focusing electrode)에 의하여 모이면서, 광전관과 양극(Anode) 사이에 걸린 DC 전압에 의하여 가속됩니다. 형광 물질이 도포되어 있는 Screen에 전자가 도달하면, 다시 가시광선의 이미지가 재현되는데, 재현된 이미지를 CCD Camera로 촬영하면 2차원의 전자 이미지를 얻을 수 있습니다.
② 평판 검출기(Flat Panel Detector)
평판 검출기의 scintillation 물질에 의하여 X선이 가시광선으로 전환된 후, 아래의 photo-diode array에 전달되어 2차원의 전자 이미지를 획득할 수 있습니다.
<영상증배관의 구조 / 평판 검출기의 구조>
3. Manipulator
1) 정의
제품 혹은 Tube / Detector를 원격으로 움직이게 하는 장치를 “Manipulator”라고 합니다. 구동 Motor와 축, 기어 등의 구동부와 움직임의 정도를 확인하는 Sensor부로 구성되어 전체의 움직임을 제어합니다.
2) 종류
① 이동 (Transition)
원리적으로, 3차원 공간에서의 모든 움직임은 x축, y축, z축의 각각의 움직임을 조합함으로써 구현할 수 있습니다. 이러한 조합은, 시료를 올려놓는 Stage, Tube, Detector에 각각 적용할 수 있습니다.
② 회전 (Rotation)
3차원 공간에서의 회전 운동을 분류하면, x축을 회전축으로 하는 ω축(omega 축), y축을 회전축으로 하는 χ축(chi 축), z축을 회전축으로 하는 φ축(phi 축)으로 분리될 수 있습니다. 주로 Stage에 사용되는 축은, 시료를 Tilt를 할 수 있는 χ축입니다.
③ C-arm
X-ray Tube와 Detector의 거리가 고정된 조건아래에서 자유로운 움직임을 통한 측정이 가능한 구조입니다. 주로 의료용 장비에서 많이 사용되었으나 현재는 산업용에서도 사용되고 있습니다.
4. Shielding
1) 피폭 및 차폐
① 방사선이 가지고 있는 높은 에너지가 원인이 되어 인체에 피해를 주는 상황을 “피폭(exposure)”이라고 합니다.
② 방사선이 인체 및 환경에 피해를 주는 것을 막기 위하여, 방사선을 흡수 혹은 산란시켜 그 영향을 감소시키는 것을 “차폐(shielding)”라고 합니다. 일반적으로 차폐 물질로는 사용되는 물질은 납(Pb)입니다만, 에너지가 높은 방사선의 경우에는 콘크리트를 사용하여 방호 구조물을 건축하기도 합니다.
2) 피폭 방사선량의 측정 단위 : Sv (Sievert)
① 방사선의 종류와 상관없이 방사선이 생물에 미치는 영향을 나타내는 단위로, 1979년 국제 표준 단위계로 선정되었습니다. 1Sv는 일반적으로 사용하기에 너무 큰 량이므로, “mSv” 혹은 “μSv”를 주로 사용합니다. (1 Sv = 1,000 mSV = 1,000,000 μSv, 1 mSv = 1,000 μSv)
② 방사선의 생물학적 효과를 연구한 스웨덴의 Rolf Maximilian Sievert (1896 ~ 1966)을 기념하여 이름 붙여졌습니다.
3) 피폭 선량의 기준
① 자연 방사선에 의한 한국인의 평균 선량 - 연간 2.8 mSv
② 일반인의 선량한도 = 연간 1 mSv (단, 자연 방사선에 의한 피폭 및 의료목적에 의한 피폭은 제외합니다.)
③ 방사선 작업 종사자의 연간 선량한도 - 5년간 100mSv를 넘지 않는 범위에서 연간 50mSv
주주게시판
