과학과 공학사이에서

몇가지 X-ray 튜브에 쓰이는 소재에관한 궁금증을 풀어 보도록 하죠

X선 튜브는 전기적 에너지를 열과 X선의 형태로 변환시키는 에너지 변환장치이다. 이것을 기억하고 시작합시다.

(1) 왜 튜브속은 진공상태인가?

양극과 음극사이의 전위차를 조절해서 X선 에너지의 크기를 조절가능하다고 했습니다. 그런데 만약 튜브안에 다른 기체가 있다면 전자나 X선이 다른 기체들과 충돌하면 어떻게 될까요? 기체분자와 충돌시 전자는 운동에너지를 잃게 되고 양극까지 도달해서도 X선을 생성할 만큼의 에너지가 없는 전자의 비율이 커질 수 있습니다. 그래서 에너지효율 문제와 직결됩니다. 일반적으로 진공수준(vacuum level) 이 높을수록 운동에너지 유지한 채로 양극까지 도달하는 전자의 비율이 높아집니다. 일반적으로 튜브속의 진공수준은 ~  torr 입니다.

 (2) 왜 충돌부분의 소재(target material)로써 텅스텐을 쓸까요?

1.높은 녹는점(High melting point): 전자의 충돌로 인해 소재의 온도는 높아집니다. 소재의 녹는점이 낮다면 녹아내리게되고 물리적 변형이 일어나게 됩니다. 그러므로 녹는점은 높은 소재가 필요합니다.

2.높은 원자번호(high atomic number) : 전자의 에너지가 X선으로 변환하는 비율은 양극소재의 원자번호(the atomic number of the anode material)와 전자의 에너지정도에 의해 결정됩니다. 원자번호가 높을수록 변환 비율이 높아집니다.(이유는 다음 전자껍질(Shell) 이야기를 다룰 때 언급하도록 하죠.)

3.높은 열전도성(good thermal conductivity): 열전도성이 높으면 열을 좀 더 신속하게 방출하기 때문에 열전도성을 고려한것입니다. 현재 충돌부분 소재로써의 텅스텐은 열전도성이 더 좋은 합금(텅스텐-레늄)으로 대체되었습니다.

4. 높은 증발온도( high vaporization temperature) : 만약 소재가 열에 의해 기체로 변해(증발) 할 경우 유리관 벽에 응고되어 버리는 경우가 생깁니다. 이 경우를 sun-burning or sun-tanning of tube라 합니다. 오래된 형광등에 생기는 검은 점도 소재의 증발과 응고에 의해 생긴 것입니다. 그러므로 가능한한 높은 온도에서도 증발하지 않는 소재가 필요합니다.

(3) Focusing cup의 역할은 무엇이며 어떤 소재로 되어있을까요?

필라멘트에서 나온 전자들은 음의 전하를 가지므로 서로 반발하게되고 펴지려는 성질을 가집니다 (repel each other and spread out). 그래서 focusing cup을 이용해 전자의 움지이는 방향을 컨트롤하는 것이죠. Focusing cup은 음의 전하로 대전되있습니다. 그래서 전자의 흐름을 일정한 방향과 좁은 영역으로 인도하게 하는 역할을 합니다. 밑의 그림을 보시죠. 

그리고 Focusing cup은 보통 몰리브덴(molybdenum) 소재로 만듭니다. 니켈로도 만듭니다.

X선을 이용하기 위해서는 X선을 만드는게 우선이죠. X선 생성에서는 보통 진공튜브와 원형가속기를 이용합니다. 이번 포스트에서는 가장 단순하고 오래된 방법인 진공튜브에 대해 알아보도록 합시다.

진공관 (vacuum tube or x-ray tube) 안쪽에 음극과 양극을 가깝게 놓고 음극의 필라멘트에 열을 가할 경우 음극에서 전자가 나옵니다. 전자는 음의 전하를 가지므로 양극을 향해 가속하게 되고 양극에충돌합니다. 이 충돌로 인해 X선이 나오게 됩니다.

위의 튜브는 윌리엄 쿨리지(William Coolidge)가 발명해서 쿨리지관(Coolidge x-ray tube)이라고 합니다.

쿨리지관은 장점중 하나는  X선의 강도와 에너지 크기를 독립적으로 조절가능 하다는 것입니다. 음극과 양극에 높은 전위차( high voltage potential difference)를  걸어 줄 경우 방출된 전자는 양극으로 이동할 때 높은 속도를 가지게 되고, 이로인해 높은 운동에너지가 양극에 전달됩니다. 그래서 X선 또한 큰 에너지를 가지게 됩니다. 

그러면 음극에 높은 전류를 가하면 어떻게 될까요? 높은 전류를 음극의 온도를 더 높게 만들어 줍니다. 그래서 더 많은 전자가 방출되게 됩니다.

어떻게 하면 높은 전위차를 형성하게 만들고 낮은 전류를 흐르게 할 수 있을까요? 답은 V= I * R 입니다. 전기저항이 낮은 Resistor를 쓰면 되겠죠.

빛의 에너지 크기와 강도의 차이 구분이 잘 안되신다면?

사람은 빛을 인식할 때  빛의 밝기(brightness)와 색깔(color)을 구분합니다. 빛의 밝기는 빛의 강도(Intensity)와 관련이 있고 빛의 색은 파장의 길이(wavelength)와 관련이 있습니다. ( 빛의 밝기는 광자(photon)의 숫자와 관련 된다는 것을 떠올리신다면 쉽게 이해될것입니다.)

위의 튜브구조를 보시면 아시겠지만, 정말 단순합니다. 그런데 X선 튜브를 통해 X선을 생성할 경우 에너지 효율이 1%가 안 됩니다. 99%의 에너지는 열에너지 형태로 방출되고 나머지 에너지가 X선의 형태로 방출됩니다. 그리고 튜브는 유리로 만들어져 있는데 열에 인해 파열된다는 단점도 있습니다.

그리고 이 진공관을 오랜시간 연속적으로 사용할 경우  양극의 금속(target metal)에 물리적 변형(deformation)이 나타납니다. 그래서 X선을 한 쪽으로 모이지 않고 흩어지게(disperse) 된다는 단점이 있습니다. 왜 이런 변형이 일어날까요? 음극에서 방출된 전자가 양극을 향해 날라가면서 양극 금속의 한 곳에 집중적으로 충돌합니다. 위에서 언급한듯 전자는 높은 열에너지를 가지고 있어서 열에너지에 의해 양극의 금속에 변형이 이루어 집니다.

이런 문제점들을 해결하기 위해 여러 시도가 이루어 졌고 다음과 같은 부분적인 혁신이 이루어 집니다.

바로 양극을 회전하게 만드는 겁니다.(Rotating anode)

양극이 회전함에따라 충돌 부분이 한 곳에 집중적으로 이루어지는 문제가 해결되었습니다.

실제 모델을 끝으로 이 포스트를 마치고  다음 포스트에서 X선 튜브에 관한 일반적인 궁금증을 해결해 보도록 하죠.

X선을 이용한 응용기술들이 다방면에 쓰이고 있습니다. 그 중에 이번에 알아 볼 것은 형광 X선 ( X-ray Fluorescence)과 오제이전자(Auger Electron)입니다. 먼저 X선의 특징에 대해 알아보죠.

X선은 투과율이 좋습니다. 이 특징을 응용한 사례가 바로 병원에서의 엑스레이 촬영이죠.

엑스레이 사진에서 보듯 X선은 우리 몸속의 조직을 통과합니다. X선이 물질을 통과할때 X선의 강도는 감소합니다. 뼈과 같은 밀도가 높은 물질의 경우 통과하지 못해서 못합니다. 만약 뼈가 부러졌을경우 그 틈으로 X선이 통과하게 되고 그로 인해 엑스레이 필름에 나타나게 되죠.

위의 사진은 X선을 처음 발견한 빌헬름 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen)이 자기 아내의 손을 X선으로 찍은겁니다. 이것이 바로 인류 최초의 의학적인 X선응용입니다. ( Hand with ring; the first medical x-ray taken on 22 December 1895) 

X선은 비교적 높은 에너지를 가지고 있습니다. X선은 Hard X-rays 과 Soft X-rays 로 나눠어지는데 보통 10,000 일렉트론 볼트(10keV) 이상의 에너지를 가지면 Hard라 칭합니다. 에너지의 크기는 파장에 반비례합니다. 그림에서 보시다시피 X선의 파장이 짧은 편에 속한다는 것을 알수 있죠.

이제 본격적으로 형광X선에 대해알아보죠.

X선을 임의의 물체에 쏘게 되면은 3가지의 다른 현상을 관찰할 수 있습니다. 물체를 통과하거나(transmitted) 튕겨나오는 (scattered) 것은 쉽게 추측가능하죠. 그런데 의외로 형광빛의 방출또한 관찰됩니다.

이 형광빛은 어디에서 온 걸까요? 이것을 이해하기 위해선 먼저 원자의 구조에 대해 알아야 합니다. 원자핵(양성자&중성자)는 중간에 자리잡고 있고 상대적으로 매우 가벼운 전자는 이 무거운 입자들를 중심으로 인공위성이 지구를 돌듯 돌고 있습니다.

XRF의 원리

X-선의 입자가 원자핵이나 전자와 충돌할때 산란(scattering)이 일어납니다. 보통 원자핵과의 충돌은 산란이 일어납니다; 원자핵이 무겁기 때문이죠. 그러면 가벼운 전자와 충돌하면 어떻게 될까요? 사실 전자는 양성자사이의 전기적힘에 의해 묶여있었는데 외부의 힘, X선과의 충돌 에너지가 더 클 경우, 전자는 원자에서 떨어져 나가게 됩니다. 이 현상을 광전효과 (Photoelectric effect) 라 합니다. 전자가 떨어져 나가면은 빈공간이 남게 되는데 이것을 Vacancy 라고 합니다. 이 vacancy는 또 다른 외곽에 머물던 전자가 이동을 하며 채우게 됩니다. 이 때 에너지 차이로 발생하는데 잉여에너지가 빛의 형태로 방출됩니다.

좀 더 말하자면, 외곽의 전자가 vacancy를 채울때 발생되는 에너지 차이는 빛의 형태로 방출되는 경우도 있고 또 다른 전자가 원자로 부터 방출되는 경우도 있습니다. 전자(former)의 경우가 바로 형광 X선( Fluorescent radiation or secondary x-ray also known as characteristic radiation)이 방출되는 현상입니다. 후자의 경우 튀어나오는 전자( secondary electron)를 오제이전자( Auger electron) 라고 합고 이런 현상을 Auger emission process라 합니다. (처음에 튀어나온 것 이후에 또 다른 전자가 튀어 나왔기에 secondary라 한겁니다.)

Auger Effect

이 정도만 알고 다음장 (X선 발생방법)으로 넘어갑시다.