X-ray

X-ray 기본원리

X선이란?

발생원리

빠른 속도로 진행하는 전자가 금속 원자의 영향으로 급속하게 감속되거나 또는 정지하는 경우, 원래의 전자가 가지고 있던 운동 에너지가 전자기파의 형태로 변환된다. 이 전자기파를 X선(X-ray)이라고 정의한다.

진공 중에서 X선의 파장(Wavelength)은 10 ~ 0.01 nm(나노미터) 이다. 이 파장대는 자외선 보다는 짧고 감마선 보다는 긴 영역이다. 이를 주파수(Frequency)로 환산해보면 주파수는 30 PHz(페타헤르츠) ~ 120 EHz(엑사헤르츠) 전자기파의 형태이다.

이 X선을 최초로 발견한 사람은 독일의 물리학자인 뢴트겐(Wilheim Conrad Roentgen, 1845~1923)이다. 1895년 뢴트겐은 크록스관을 이용하여 기체의 방전 현상을 연구하고 있을 때, 바륨을 바른 마분지가 발광하는 현상을 발견하고 이를 알 수 없는 선이라는 뜻에서 X선이라고 발표했다. 이 공로로 1901년 최초의 노벨 물리학상을 수상했다. 또한 인류 최초로 부인의 손을 X선 촬영하여 신체 내부의 영상을 획득했다.

X선의 종류

• Hard X-ray와 Soft X-ray

Hard X-ray는 5keV보다 높은 에너지 영역의 X선이며, 5keV보다 낮은 에너지 영역의 선을 Soft X-ray이다. 투과 능력은 에너지가 높은 Hard X-ray가 좋다. 따라서 의료용 X-ray 투과 영상기기나 공항/항만의 보안용 X-ray 영상기기, 물질 분석기기에 사용되는 것은 주로 Hard X-ray이다.

• 특성 X선과 제동 방사 X선

특성 X선은 X선 스펙트럼이 좁고 강한 peak로 나타나며 제동 방사 X선은 특성 X선 아래에 넓은 에너지 영역에 걸쳐서 나타나는 X선이다.

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 있다. 외부에서 hv의 강한 에너지를 가진 전자기파가 입사하여 궤도 안쪽의 전자가 에너지를 얻게 되면 높은 에너지를 가진 궤도로 올라가게 된다. 이 상태를 원자의 여기상태(excied state)라 한다. 여기상태는 에너지가 높아 불안정한 상태이므로 안정화된 상태인 기저상태(ground state)로 변화하기 위하여 에너지를 감소시키는 방향으로 hv² 에너지를 원자 외부로 방출해야 한다. 방출된 에너지가 전자기파의 형태로 나타날 경우 그 전자기파의 에너지는 원자 궤도간의 에너지 값의 차이만큼의 값을 나타내며 이는 원소 고유의 값이다.

일반적으로 전자가 높은 에너지의 L 궤도에서 낮은 에너지의 K 퀘도로 이동할 경우 고유한 특성의 X선을 나타낸다. 특성 X선은 정해진 에너지 값을 항상 가지고 있기 때문에 X선 회절분석(XRD, X-ray Diffraction)이나 X선 형광분석(XRF, X-ray Fluorescence)과 같은 물질 분석에 주로 사용된다.

제동 방사 X선 (Bremsstahlung)

제동 방사 X선은 외부에서 강한 에너지를 가지고 이동하는 전자가 원자핵의 영향으로 방향을 전환하면서 운동 에너지를 감소할 경우 감소된 에너지가 전자기파의 형태로 방출되는 것이다. 특성 X선과는 다르게 넓은 에너지 영역에 걸쳐 연속적으로 나타나며 주로 사용되는 분야는 의료용 혹은 산업용 X-ray 영상기기에 사용된다.

전자기파 (Electromagnetic Wave)

특징

전기장(electric field, E)과 자기장(magnetic field, B)의 한 쌍이 주기적으로 세기가 변화하면서 K 방향으로 에너지를 전파하는 파동 현상이다.

전자기파의 진행 방향과 전기장/자기장의 세기의 변화 방향이 서로 직각 방향이므로 횡파(transverse wave)의 특성을 나타낸다. 또한 전자기파도 파동이므로 반사(reflection), 굴절(refraction), 회절(diffraction), 간섭(interferometry)과 같은 일반적인 파동의 특성을 모두 나타낸다.

공기가 매개체인 음파의 경우에 공기가 없는 우주공간에서는 음파가 전달되지 않는 것처럼 일반적인 파동은 매개체가 없으면 파동이 전달되지 않는다. 그러나 전자기파는 매개체가 없어도 공간 속을 전파하는 특이한 성질을 보인다. 즉 공간 자체가 매개체가 된다고 할 수 있다. 또한 전자기파의 경우 3 X 108m/s의 속도를 유지하며 움직인다.

Spectrum 구분

방사선 (Radiation)

물리학적으로 넓은 의미의 방사선

• 물리학에서 방사선이란 입자 또는 파동이 공간 혹은 다른 물질을 매개체로 하여 에너지를 전달하는 과정을 말한다. 입자는 알파선(α-ray)¹, 베타선(β-ray)², 중성자선(neutron) 등이며, 파동은 라디오파(radio wave), 마이크로파(micro wave), 가시광선(visible light), 적외선(infrared), 자외선(ultraviolet), X선(X-ray), 감마선(γ-ray)과 같은 모든 전자기파이다.
• 방사선의 세기(intensity)는 방사선원으로부터의 거리(distance)의 제곱에 반비례하는 역자승의 법칙(inverse square law)을 따른다.

전리 방사선 (Ionization Radiation)

• 에너지가 높아 전리현상을 일으키는 방사선만을 한정한다. 법적으로 방사선이라고 하면 전리 방사선을 의미한다. 입자는 알파선(α-ray)¹, 베타선(β-ray)², 중성자선(neutron)이며, 전자기파는 X선(X-ray), 감마선(γ-ray)이 있다.

X-ray Equipment

X-ray Tube

일반적인 X-ray Tube의 구조 및 작동 원리

• 텅스텐으로 만들어진 필라멘트 C에 Uh 전압을 가하면 필라멘트 C에 전류가 흐르면서 가열된다. Uh 전압을 가하는 것과 동시에 필라멘트 C를 음극(cathode) 전극으로 하고 금속판 A를 양극(anode) 전극으로 하여 수 kV ~ 수십 kV의 고전압을 가한다.
• 가열된 필라멘트 C에서 에너지를 얻은 열전자(thermal electron)가 Tube로 방출되는데 방출된 전자는 고전압에 따라 가속된다.
• 방출된 전자가 진행할 수 있도록 Tube의 내부는 진공상태를 유지한다. 일반적으로 진공 Tube 내의 기압은 대기압보다 약 10억분의 1 정도로 낮다.
• 고전압으로 가속된 전자는 양극 전극인 금속판 A에 충돌하는데 이때 전자가 가지고 있던 운동 에너지가 빛에너지와 열에너지로 변환된다.
• 전자의 운동에너지가 빛에너지로 바뀐 것이 X-ray이다.
• X-ray가 조사되는 동안 발생하는 열을 외부로 방출하기 위하여 공냉식 또는 수냉식 냉각시스템이 반드시 필요하다.

X-ray Tube 연관 용어

• 관전압 (Tube Voltage) 일반적으로 필라멘트 C와 금속 양극 전극 A 사이에 걸리는 고전압 Ua를 관전압이라고 한다. 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 없다.
• 관전류 (Tube Current) 필라멘트 C에 흐르는 전류를 관전류라고 한다. 관전류는 필라멘트 C에 전류가 많이 흐를수록 더 많은 열전자가 발생하므로 관전류 값이 높을수록 X-ray의 발생량이 증가한다. 관전류를 제어함으로 X-ray의 출력을 결정한다.

X-ray Tube의 종류

• 진공 확보 방법에 따른 구분: Tube의 제작 단계에서 미리 진공을 확보하여 밀봉한 구조를 가지고 있는 X-ray Tube를 Closed Tube라고 한다. 따라서 Tube를 제거하지 않고는 내부 부품에 대한 접근은 불가능하므로 문제가 발생할 경우 전체를 교환해야 한다. 이러한 점을 보완하여 외부에서 진공펌프를 사용하여 Tube의 진공을 유지하는 구조를 가지고 있는 Tube를 Open Tube라고 한다. Tube 내부 부품 중 Target이나 필라멘트 등 교체시 용이하므로 유지보수 측면에서 유리하다.
• 회전 양극 Tube(Rotating Anode Tube)는 전자의 충돌 및 감속에 따라 발생하는 엄청난 고열의 영향으로 금속 양극 전극에 변형이 발생하는 것을 막기 위해 Tube의 내부에 넓은 원판형의 금속 양극을 회전시킨다. 이처럼 회전하는 양극은 특정 부분에 전자의 에너지가 집중되지 않으므로 전극의 수명이 길다.

Detector

가스로 채워진 디텍터 (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 분리된다. 분리된 양이온과 전자를 이온 쌍(Ion pair)이라고 한다. 이온 쌍은 각자의 방향(양이온 > 음극, 전자 > 양극)으로 전압에 의해 가속되어 이동하다가 전극에 충돌하는 순간에 전류 진동 (pulse)이 나타난다. 이러한 전류 진동의 수를 세는 방법으로 방사선의 세기를 확인하는 장비를 Gas-Filled Detector라고 한다.

• Ionization Chamber는 비활성 가스로 가득 찬 Tube에 방사선이 입사하여 비활성 가스를 전리시킨 후 생성된 이온 쌍은 각자의 방향(양이온 > 음극, 전자 > 양극)으로 이동하여 전극에 도달할 때 발생하는 전류 진동을 측정하여 그 수를 계산하여 방사선의 세기를 측정한다. Ionization Chamber 전압보다 낮은 전압이 걸리면 전리된 이온과 전자가 전극에 도달하지 못하고 다시 결합하게 되어 방사선을 측정할 수 없다. 방사선의 세기가 강하면 측정되는 진동의 수도 증가하는데 이를 수치화하여 방사선의 세기를 측정한다.
• Proportional Counter는 Ionization Chamber의 구조와 같지만 양 전극에 걸리는 전압을 높게 가하는 점은 다르다. 방사선이 Tube에 입사하면 가스 원자를 전리하여 양이온과 전자의 이온 쌍을 생성하는 것도 Ionization Chamber와 동일하다. 전리된 전자가 가해준 고전압에 의하여 계속 가속되다가 양극의 근처에 오게 되면 이온의 운동 에너지가 다시 가스 원자를 전리시키는 강도에 도달하게 된다. 따라서 양극 주변에서 전리현상이 연쇄반응으로 진행되어 많은 수의 이온 쌍을 생성하게 되는데 이를 Townsend Avalanche라고 한다. 이러한 과정으로 생성된 이온 쌍이 전극에 도달하여 생성되는 전류 진동의 수를 계산하여 방사선의 세기를 측정한다. 양이온이 가속되는 구간을 Ion Drift Region이라 하고 가속된 이온에 의해 연쇄반응이 일어나는 구간을 Avalanche Region이라고 한다. 방사선이 가지고 있는 에너지에 비례하여 이온 쌍이 생성되므로 방사선의 에너지를 확인할 수 있다. 따라서 Gas-Filled Detector 중에서 유일하게 분광학(spectroscopy)에 적용할 수 있으며 XRD와 같은 물질 분석 장비에 사용된다. 방사선에 대한 반응 정도를 높이기 위해 비활성 가스 90%에 10% 메탄을 혼합한 P-10 가스를 주로 사용한다.
• Geiger-Muller Counter (GM Counter)는 독일의 물리학자인 Hans Geiger(1882~1945)가 1908년 측정 원리를 제안하였고 독일의 물리학자인 Walther Muller(1905~1979)가 1928년에 Geiger의 원리를 활용한 실용적인 형태의 계측기를 발명했다. 이를 두 사람의 이름을 붙여 Geiger-Muller Counter라고 한다. Ionization Chamber나 Proportional Counter와 구조와 같지만 양 전극에 걸리는 전압이 Proportional Counter 보다 높다. 이 보다 높은 전압을 양 전극에 가하면 그 에너지에 의하여 방사선이 존재하지 않더라도 가스가 전리되게 된다. 따라서 이 보다 높은 전압을 가하는 조건에서는 방사선을 측정할 수 없다. 방사선이 Tube에 입사하면 가스 원자를 전리하여 양이온과 전자의 이온 쌍을 생성한다. 양 전극에 가해준 전압이 높기 때문에 가속된 이온 쌍이 충돌하면서 강한 자외선을 방출하게 되고 방출된 자외선은 다시 가스와 반응하여 전리 작용을 일으키며 대량의 이온 쌍을 발생한다. 즉 Proportional Counter는 중심부 양극의 주변에서만 Avalanche Region이 존재하지만 GM Counter는 Tube 전체가 민감한 Avalanche Region이 되는 것이다. 방사선의 세기가 강하면 측정되는 진동의 수도 증가하는데 이를 수치화하여 방사선의 세기를 측정한다.

섬광 디텍터 (Scintillation Detector)

• 영상증배관 (Image Intensifier)의 섬광(scintillation) 물질에 의하여 X선이 가시광선으로 전환된 후 광전관(photocathode)에 의하여 전자로 다시 변환된다. 변환된 전자는 주변의 초점 회로(focusing electrode)에 의하여 모이면서 광전관과 양극(amode) 사이에 걸린 DC 전압에 의하여 가속된다. 형광 물질이 도포되어 있는 화면(screen)에 전자가 도달하면 다시 가시광선의 이미지가 재현되는데 재현된 이미지를 CCD Camera로 촬영하여 2차원의 전자 이미지를 획득한다.
• 평판 검출기 (Flat Panel Detector)의 섬광 물질에 의하여 X선이 가시광선으로 전환된 후 Photodiode Array에 전달되어 2차원의 전자 이미지를 획득한다.

Manipulator

정의

제품 혹은 Tube/Detector를 원격으로 제어하는 장치를 Manipulator라고 한다. 구동 Motor와 축, 기어 등의 구동부와 움직임의 정도를 확인하는 센서부로 구성되어 전체의 움직임을 제어한다.

종류

• 이동 (Transition)은 3차원 공간(x, y, z)에서의 모든 움직임을 조합함으로써 구현이 가능하다. 이러한 조합은 시료를 올려놓는 Stage, Tube, Detector에 각각 적용할 수 있다.
• 회전 (Rotation)은 3차원 공간에서의 회전 운동이며 각 축(x, y, z)을 회전축으로 하는 ω축(omega), χ축(chi), φ축 (phi)이다. 주로 Stage에 사용되는 축은 시료를 Tilt 할 수 있는 χ축이다.
• C-arm은 X-ray Tube와 Detector의 거리가 고정된 조건에서 자유로운 움직임을 통해 측정이 가능한 구조이다. 주로 의료용 장비로 사용되었으나 현재는 산업용으로도 사용된다.

Shielding

피폭 및 차폐

• 방사선이 가지고 있는 높은 에너지가 원인이 되어 인체에 피해를 주는 상황을 피폭(exposure)이라고 한다.
• 방사선이 인체 및 환경에 피해를 주는 것을 막기 위하여 방사선을 흡수 혹은 산란시켜 그 영향을 감소시키는 것을 차폐(shielding)라고 한다. 일반적으로 차폐 물질로 사용되는 물질은 납(Pb)이지만 에너지가 높은 방사선의 경우에는 콘크리트를 사용하여 방호 구조물을 건축한다.

피폭 방사선량의 측정 단위: Sv (Sievert)

• 방사선의 종류와 상관없이 방사선이 생물에 미치는 영향을 나타내는 단위로 1979년 국제 표준 단위계로 선정되었다. 1 Sv는 일반적으로 사용하기에 너무 큰 량이므로 mSv 또는 μSv를 주로 사용한다. (1 Sv = 1,000 mSv = 1,000,000 μSv, 1 mSv = 1,000 μSv)
• 방사선의 생물학적 효과를 연구한 스웨덴의 Rolf Maximilian Sievertm(1896~1966)을 기념하여 정해진 명칭이다.

피폭 선량의 기준

• 자연 방사선에 의한 한국인의 평균 선량: 연간 2.8 mSv
• 일반인의 선량 한도: 연간 1 mSv (단 자연 방사선에 의한 피폭 및 의료목적에 의한 피폭은 제외)
• 방사선 작업 종사자의 연간 선량 한도: 5년간 100mSv를 넘지 않는 범위에서 연간 50 mSv