X-Ray 발생장치에서 투시 영상의 해상도를 좌우하는 Focal Spot Size는 어떻게 결정되며, 제품의 확대 배율은 open tube와 closed tube에서 차이가 나는 이유가 무엇인지에 관한 의문은 발생장치의 구조를 파악하면 알 수 있다.
오픈튜브
X-Ray 발생 원리는 open tube와 closed tube 모두 유사하지만, 내부 구조는 상당 부분 차이가 있다. 우선 micro-focus open tube의 경우, 지름이 150mm 내외, 길이가 500∼600mm 정도이며, 고압 발생장치를 제외한 총 무게가 40Kg 전후로 부피가 크고 무게가 많이 나가는 특징이 있다.
고압 발생장치 일체형 모델의 경우에는 60Kg을 상회한다. 그림 1의 우측 그림에서 보듯이 내부 구조에 대해 핵심 유닛을 중심으로 간단하게 설명하고자 한다.
그림 1. 쎄크의 Open tube(Transmission Type) 외관 및 내부구조
이는 튜브의 하단에 위치하며, 광원으로 쓰이는 열전자를 발생시키는 Cathode Filament와 그 상부에 (+)전압이 인가되어 열전자를 가속시켜주는 Anode, 가속된 전자 빔을 집속하고 초점을 확보하는 Electro Magnetic Lens, 전자빔이 충돌하여 X-Ray를 발생시키는 Target 부로 구분할 수 있다.
그 밖에 High Voltage Generator로부터 튜브에 160∼ 225 kV의 고압을 인가하기 위한 구조물로 Receptacle 부가 튜브의 최 하단에 위치하며, 고전압 발생장치로부터 인출된 고압 케이블이 이 부분에 연결된다. 튜브 내부에는 Cathode와 Anode 사이에 Grid Unit이 위치하는데, 이는 튜브의 관 전류를 제어하기 위하여 필요하다. 관 전류는 발생장치로 획득한 영상의 밝기를 좌우한다. Deflection Lens는 전자 빔의 위치를 조정하고, X-Ray 영상에서의 수차를 최소화하는 기능을 한다.
Cathode Filament
Cathode Filament는 Tungsten(W)과 같은 금속에 전압을 걸어 높은 온도로 가열시킴으로써, 표면 원자에 구속되어 있던 전자들이 원자핵의 구속에서 벗어나 진공 중으로 이탈되도록 한다.
Open Tube에서는 200㎛ 선경의 끝이 V자 형상을 한 헤어 핀 형태의 필라멘트가 일반적으로 사용되며, 그림 2의 우측에 표시되어 있다.
그림 2. Cathode Filament의 종류
이 경우 전형적인 작동 온도는 2700°K이고, 10-5 Torr의 진공 환경에서 300∼1500시간 정도 사용이 가능하다. 온도를 높이면 전자방출 밀도는 증가하나 사용 수명이 감소한다. 필라멘트의 수명이 다하면 튜브의 Anode 하단 부를 개방하여 필라멘트를 교체할 수 있으며, 다시 결합하고 튜브의 우측 하단부에 장착된 터보 펌프를 가동하면 원래의 진공도가 확보된다.
따라서 주기적으로 필라멘트만 교환해주면, 고해상도의 영상획득 능력, 즉 1∼5㎛의 focal spot을 유지한 상태로 정밀 분석 장비용 Source로써 반영구적으로 사용할 수 있다.
한편 nano-focus open tube의 경우에는 전자 빔의 직경을 최소화하고 단위 면적당 발생하는 전자 밀도를 높이기 위해 LaB6 Tip을 사용한다. 이는 텅스텐보다 훨씬 낮은 온도인 1400∼2000°K 영역에서 더욱 많은 양의 전자를 발생시키는 특징을 갖는다.
또한 10-8 Torr 이상의 고진공에서 정상 작동하며 초 고해상도의 영상을 획득할 수 있는 200nm의 focal spot을 가능하게 한다. Closed Tube는 그림 2의 좌측에 나타냈으며, 두 가지 형태의 Cathode에서 열전자를 방출시킨다. focal spot은 open tube에 비하여 큰 단점이 있지만, 수명이 5000∼15000시간 이상으로 매우 길다.
최근 신 개념의 튜브로 600nm 미만의 focal spot을 유지하며 15000시간 이상의 수명을 보증하는 open tube가 쎄크에 의해 개발, 조만간 출시될 예정이다.
Electro Magnetic Lens
Electro Magnetic Lens는 N회 감은 코일에 전류를 흘려서 자기장을 형성시켜주는 원통형의 전자석 구조이다. 이는 전자가 자기장에 의해 휘어지는 성질을 이용하여 전자 빔을 모아주는 볼록 렌즈의 역할을 한다.
그림 3의 상단 우측을 보면, Source에서 Focal Point 방향으로 광축을 따라 나선형의 궤적을 그리며 이동하는 전자 빔과 코어(Iron Shroud)에 동 선을 감아 전류를 흘림으로써 Magnetic Lens Field가 형성된다는 것과, 여기에 형성된 자기장이 전자 빔을 집속하는 방향으로 작용하는 것을 알 수 있다.
그림 3. 산업용 X-Ray 검사장비의 구조 및 외관
X-Ray 영상의 해상도를 좌우하는 Focal Spot Size는 여러 가지 요인에 의해 미세화 될 수 있다. 특히 튜브 내부에 구성되는 Cathode Filament, 영상의 수차를 최소화시켜주는 Align/Deflection Coil, Condenser Lens와 Objective Lens의 성능을 포함한 전자 빔 광학계의 집속 능력에 의해 결정적으로 좌우된다.
우수한 집속 성능을 확보하기위하여 튜브 제조사는 정교한 시뮬레이션 작업을 통해 전자 빔 광학계를 최적화 시키려는 노력과, 튜브의 온도 변화에 대한 열적 내구성을 확보하기 위한 소재를 선정, 효율적인 냉각 방법을 찾아내는데 주력하고 있다.
현재 상용화된 튜브의 경우 일본의 Hamamatsu사 제품이 250nm, Tohken사 제품이 400nm, 한국의 쎄크 제품이 200nm의 focal spot을 기록한 바 있다. Tohken사는 100nm 해상도의 영상을 관련 학술지에 발표한 바 있으나 판매는 하지 않는 것으로 알려져 있다.
튜브의 내부는 고 진공을 유지시켜 전자 빔의 경로 및 전자 총 등에서 공기 입자를 제거함으로써 전자의 평균 자유 경로를 증가시킨다. 또한 Filament와 Anode 사이의 고전압 방전을 방지하며 수증기나 외부 유기물로부터 발생한 Gas에 의한 오염을 방지하는 역할을 한다. 진공을 확보하기위하여 10-2 Torr까지의 Rough Pumping은 Rotary Pump를 사용하며, Turbo 혹은 Diffusion Pump를 이용하여 10-5∼10-7 Torr의 고진공을 얻는다.
Target
Cathode와 Anode Target 간에 인가된 고전압의 전위차에 의해 Filament에서 발생한 전자가 고속으로 가속된다. 이후 가속된 전자 빔이 Target에 충돌하면 그 지점에서 물체를 투과할 만큼 높은 에너지를 갖는 X-Ray가 발생된다.
그러나 X-Ray는 발생 효율이 2% 미만으로 매우 낮기 때문에 대부분의 전자 빔이 보유하고 있던 운동에너지가 열로 변화되어 소멸된다. 따라서 Target에서 발생되는 열을 효율적으로 제거해주는 방법을 찾아야 한다.
현재는 주로 냉각수를 공급해서 강제 냉각하는 방법과 팬을 이용해서 공기를 강제 순환시키는 방법, 그리고 자연 대류를 이용하는 방법이 사용된다.
일반적인 open tube는 그림 4에서 보듯이 Target을 투과하며, X-Ray가 발생하는 투과 형(transmission)과 전자 빔이 튜브 내부에 위치한 Target 부를 맞고 방사되는 형태로 X-Ray가 발생되는 반사 형으로 구분된다.
그림 4. Target의 종류와 형태별 확대 배율
투과 형 open tube에서는 공기의 자연 대류에 의한 공랭이 이루어지고, 반사 형 open tube, closed tube는 냉각수에 의한 강제 냉각이 이루어진다. 또한 타겟에서 발생된 열을 신속하게 제거하기 위하여 Diamond 등 열전도 특성이 우수한 재질을 채택한 튜브들이 최근에 출시되고 있다.
한편, X-Ray가 발생되는 focal spot이 타겟 표면에 형성되기 때문에 기하학적 확대 배율은 sample이 얼마나 타겟에 근접할 수 있는가에 의해 좌우된다. 이후 closed tube에 대해 설명하겠지만, 이는 sample을 10mm 내외의 거리까지만 타겟에 근접시킬 수 있는 반면, open tube는 0.25mm까지도 가능하다.
예를들어 focal spot에서 Detector까지의 거리가 800mm라고 하면 이론적으로 open tube는 3200배, closed tube는 80배의 확대 성능을 갖는 것이다. 타겟에서 발생되는 X-Ray가 퍼져 나가는 각도를 Beam Cone Angle 혹은 Beam Angle이라 하는데, 이는 산업용 X-Ray 검사 시스템의 구조를 결정하는 중요한 요소 중에 하나이다.
open tube의 경우 투과 형이 약 120° 내외로 가장 넓고, micro focus closed tube는 일반적으로 39°, wide angle type인 경우 60°내외이다. manipulator의 동작이 sample을 X-Ray 조사 영역에서 위치가 결정되도록 세심하게 고려해야 한다.
High Voltage Generator
High Voltage Generator는 open tube에 일체형으로 구성되는 경우와 분리되어 별도의 유닛으로 구성되는 경우가 있다. 일본의 하마마쯔와 쎄크의 160kV 200uA급 튜브는 일체형으로 구성되어 있고, 기타 제품이나 관 전압 225kV급 이상 혹은 관 전류 1mA 이상의 비교적 대용량의 전원 공급 장치는 분리형으로 되어있다.
X-ray 발생을 위한 전원은 가속 전압(kV), 캐소드(Cathode) 전압 및 그리드 전압이 필요하다. 가속전압은 열전자를 타겟 부에 충돌시켜 X-ray를 얻기 위한 전위차를 말하며, 캐소드 전압은 X-ray을 발생시키기 위한 열전자를 생성해 주는 전압을 말한다. 또한 그리드 전압은 이 때 생성된 전자의 양을 제어해서 발생시키는 X-ray의 선량을 원하는 형태로 조정할 수 있는 전압을 말한다.
고전압 발생장치(High Voltage Generator)는 전자기 유도(Electromagnetic Induction)라고 불리는 과정을 통해 낮은 전압을 고전압으로 변환시키는 기능을 하는데, 승압 Transformer, 정류회로, 전압 안정회로, 전류 안정회로 등으로 구성된다.
그림 5. High Voltage Generator의 외관과 구조
closed tube
closed tube는 open tube에 비해 크기가 외관 기준으로 대략 150×120×300mm 내외로 작고, 무게도 10Kg 전후로 경량이다. 그림 6에서 우측의 육면체 형태의 케이스 상면을 보면 원형의 돌출부를 볼 수 있다.
그림 6. micro focus closed tube의 외관과 구조
이곳이 X-Ray가 발생되는 윈도우 유닛이며, 그 하단부에 좌측의 그림과 같은 소형 closed tube 구조물이 들어있다. 튜브의 길이는 불과 80mm 가량에 불과하고, 나머지 부위에는 Target을 냉각하는 냉각수와 고압 발생장치가 내장되어 있다.
그림 6의 좌측 구조도를 살펴보면 Anode target이 기둥처럼 세워져 있고, 상부에는 전자 빔이 충돌해서 X-Ray를 발생시키도록 텅스텐 코팅처리 되어있다.
하부는 냉각수에 잠겨서 타깃에서 발생된 열이 신속하게 배출될 수 있도록 도와준다. 전자 빔 광학계는 Cathode, Grid, Electro Static Lens, Anode Target으로 이루어지며 매우 작은 공간에 구성되어 있다. 전자 빔을 집속하는 Electro Static Lens는 매우 작고, 단순한 구조로 되어있으며, 전자 빔을 미세 빔으로 집속하기에는 한계가 있다.
일반적으로 5㎛ 내외가 가장 정밀한 제품이며, 최근 focal spot 3㎛의 제품이 개발되고 있다. 구조적 특성 때문에 sample을 Target에 근접시키는데 한계가 있어서 수 십 배의 확대배율을 내며, 빔 조사각도 39°가 일반적이다. 마지막으로 표 1에 X-Ray Tube의 종류별 특성을 정리했다.
표 1. Closed Tube와 Open Tube의 특성 비교
전승원 쎄크
