방사선이란?
우라늄, 플루토늄과 같은 원자량이 매우 큰 원소들은 핵이 너무 무겁기 때문에 상태가 불안정해 스스로 붕괴를 일으킨다. 이러한 원소들이 붕괴하여 다른 원소로 바뀌게 될 때 몇 가지 입자나 전자기파를 방출하는데 이것이 바로 방사선이다. 방사선을 내놓는 원소를 방사성 원소라고 하며 이렇게 방사선을 내놓는 능력을 방사능이라고 한다.
이러한 원소가 붕괴할 때 나오는 방사선은 α(알파)선, β(베타)선, γ(감마)선 세 가지다. 하지만 일반적으로 방사선이라고 할 때는 이 세 가지뿐만 아니라 X선, 중성자선 같은 다른 입자나 전자기파를 합쳐서 언급하는 경우가 많다. 방사선은 α(알파)선, β(베타)선, 중성자선과 같이 운동하는 입자인 입자선(粒子線)과 X선, γ(감마)선과 같은 전자기파, 이 두 가지로 크게 구분할 수 있다.
그림 1. 전자기파 스펙트럼
X-Ray란?
우리가 일반적으로 의료나 산업부문에서 물체의 형상을 검사하기 위해 사용하는 X선 또는 X-Ray는 파장이 10nm(10×10-9m)∼0.01nm 영역이며, 주파수는 30PHz(30×1015 Hz)∼30EHz(30×1018 Hz)영역인 전자기파의 형태를 말한다. 이는 자외선보다 짧은 파장의 영역이다.
‘X선’은 알 수 없는 유형의 방사선을 의미하며, 독일의 물리학자 R¨ontgen이 1895년 11월 8일 처음 발견하여 이름 붙였기 때문에 그의 이름을 따 R¨ontgen선으로 부르기도 한다. X선은 강력한 에너지를 보유하므로 투과성이 강해 물체의 내부를 볼 수 있으므로 의료 분야 및 비파괴 검사에서 중요하게 사용된다.
X선은 투과력에 따라 분류되며, 전자의 가속 전압이 약 0.12∼12 keV 대에서 발생하는 경우 0.1nm 이상의 파장을 형성하며 연(軟)X선이라 칭하고, 가속 전압이 약 12∼120 keV, 혹은 그 이상의 고압 영역에서 발생하는 경우 0.1nm 이하의 파장을 가지며 경(硬)X선으로 부른다.
발생 원리를 설명하기위해 그림2(b)에 X-Ray 발생장치의 개념도를 도시하였다.
그림 2. 제동 복사와 특성 복사
그림에서 보듯, 필라멘트에 특정 전압을 인가하면 열전자가 발생한다. 이는 우리가 이전에 사용하던 전구에서 전기를 공급하면 필라멘트가 가열되고 열전자가 발생되어 빛이 나오는 원리와 동일하다. 그 열전자는 (-) 극성을 갖는 하전입자이다. 우측에 쐐기 형상의 경사면을 갖는 타깃 부에 (+) 전압을 인가하면 열전자를 끌어당기는 역할을 한다.
필라멘트 측을 캐소드, 타깃 측을 애노드라 칭하기도 하며, 이 전위차가 흔히 말하는 X-Ray 발생장치의 가속전압이 된다. 가속된 전자, 즉 하전입자가 타깃 물체에 고속으로 충돌하면 전자의 운동에너지가 X-Ray와 열로 변환된다. X-Ray의 발생 효율은 타깃의 원자 번호와 가속전압에 비례하며 다음 식으로 구할 수 있다.
e = 1.1×10-9 ZV
여기서 e는 X선의 발생효율, Z는 Target 원소의 원자번호, 그리고 V는 전자의 가속전압을 의미한다.
효율은 보통 2% 미만이며, 98%이상이 열로 변환되고, 1% 남짓한 부분이 X-Ray라는 높은 에너지를 보유한 매우 짧은 파장의 전자기파로 변환된다. 이 X-Ray는 제동복사와 특성복사 현상에 의해 발생하며, 제동복사에 의해 얻어지는 연속 X-Ray로 투시 영상을 획득할 수 있다. 특성 X-Ray는 물질의 원소를 규명하는데 사용한다.
제동 복사(Bremsstrahlung)는 독일어로 “제동하다”라는 뜻의 Bremsen과 “복사”라는 뜻의 Strahlung의 조어이다. 하전입자가 원자핵 근처를 통과할 때, 핵의 전기장에 의해 진로가 휘게 되고 하전입자는 가속도를 얻어 전자기 복사를 발생시킨다. 복사에너지에 대해서는 스펙트럼이 하전입자와 원자핵의 충돌방법에 따라 하전입자가 전(全)운동에너지를 방출하는 경우부터 에너지가 제로에 이르기까지 연속적으로 분포한다.
복사의 확률은 가속도의 제곱에 비례하므로, 하전입자질량의 제곱에는 반비례한다. 따라서 전자 및 양전자와 같은 가벼운 입자에 의한 제동복사가 뚜렷하게 일어난다. 또한 타깃인 원자핵은 무거운 쪽이 복사가 크다.
특성 복사(Characteristic radiation)의 메커니즘은 다소 복잡하다. 물질에 전자와 같은 입자나 빛이 입사해 전자껍질을 이루고 있는 원자의 전자와 반응하여 에너지를 전달하는 경우를 생각해 보자. 외부에서 공급된 에너지로 인해 내부의 전자가 더 높은 에너지 준위로 전이가 일어나고 이내 다시 본래 준위로 돌아가게 되는데, 이 때 높은 에너지 준위와 본래의 낮은 에너지 준위의 에너지 차만큼의 에너지는 전자기파로 발생한다.
이러한 전자기 복사를 특성 복사라 일컫는데, 제동 복사와는 달리 물질마다 다른 에너지 준위 차에 따라 개개 물질의 특성적인 방출 스펙트럼을 보이기 때문에 특성 복사라 이름 붙여졌다. 또한 에너지 준위 차는 특정한 값을 가지기 때문에 방출 스펙트럼에 비연속적으로 분포한다. 아울러 이러한 물질마다 다른 스펙트럼을 보이는 특성을 이용해 물질의 조성을 분석하기도 한다.
X-Ray 기술의 역사
우리가 알고 있는 X-Ray 기술의 역사는 R¨ontgen이 실험 중에 우연히 미지의 광선을 발견한 데서 시작한다. 그런데 좀 더 깊게 살펴보면 R¨ontgen은 X-Ray를 발견한 것이지만 X-Ray tube의 발전은 1876년 Crookes tube의 역사까지 거슬러 올라간다.
Crookes가 Crookes tube를 개발해 특허 등록한 1876년부터 X-Ray가 발견된 1895년까지를 제1기, 1895년부터 cathode에 필라멘트를 장착하여 대용량의 음극선을 나오게 할 수 있는 Coolidge tube가 개발된 1916년까지가 제2기, 그리고 Coolidge tube가 개발된 1916년 이후의 현재 X선 기기시대를 제3기로 볼 수 있다.
그림 3. A Crookes tube. 전자는 직선의 궤적을 그리며 좌측의 캐소드로 부터 이동하는 현상을 shadow cast에서
우측 벽의 십자 표시에 형광 작용을 일으키는 현상을 구현하여 가시화 하였다. 애노드는 바닥에 위치하고 있다.
1. 제1기…X선 역사(1876년∼1895년)
R¨ontgen의 명성에 가려서 잊혀 진 과학자가 Crookes이다. 영국의 위대한 과학자로서, X선 발견을 R¨ontgen이 하는 바람에 아쉽게도 좋은 발견의 기회를 놓쳤지만, 음극선의 정체는 전자라는 사실을 연구해 원자물리학을 창시했으며 1897년에 작위를 받았다.
독일의 Geissler가 폭 3cm 정도, 길이 수십 cm의 유리관의 양측에 알루미늄 판 전극을 삽입한 후 전기를 가하는 장치를 발명했다. 이 Geissler tube를 가지고 연구하던 Crookes는 진공도가 낮아 공기 입자가 많이 남아 있는 경우는 거의 전기를 통하지 않지만 진공도를 높이면 방전을 한다는 사실을 알아냈다. 이후 이러한 유형의 모든 진공음극관을 Crookes tube라고 통칭했다.
1895년 11월 5일 R¨ontgen은 간단한 Crookes tube를 종이로 싼 뒤에 전류를 통하여 음극선 실험을 하고 있었는데, 상당히 떨어진 곳에 있던 백금시안화바륨을 칠한 종이가 형광을 발하는 것을 보게 됐는데, 이것이 바로 X선 역사의 시작이다.
그림 4. Coolidge X선 tube. cathode는 왼쪽, anode는 오른쪽, X선은 아래로 방사됨
2. 제2기…X선 역사(1895년∼1916년)
R¨ontgen이 처음부터 X선을 발견하려고 실험을 한 것은 아니었다. 당시에 연구 대상으로 가장 주목을 받고 있던 간단한 Crookes tube를 이용해 음극선을 실험하던 중, 우연히 형광작용을 하는 X선을 발견한 것이다.
사실 Crookes도 실험하는 도중에 사진 건판이 흔히 감광되는 것을 알고 있었지만 메이커에 불평하는 편지를 보내 불량품으로 교환받곤 했다.
여기서 X선을 발명하였다고 하는 것이 아니라 발견하였다고 하는 이유는 당시에 Crookes tube 제작법은 전 세계적으로 널리 알려져 있고 또 에디슨과 같이 연구하던 Tesla가 직류승압기인 Tesla coil을 개발한 상태라 실험실에서 쉽게 tube를 만들 수 있었기 때문이다.
따라서 R¨ontgen은 특허신청을 하지 않고 누구나 쉽게 이용할 수 있게 인류를 위해 자신의 경험과 지식을 공개했고, 이 공로를 인정받아 제1회 노벨물리학상을 받게 된다. 당시만 해도 X선에 대한 정확한 지식은 거의 없었기 때문에 X선 촬영을 하는 자체가 의사와 환자 모두에게 흥미있는 일이었으며 서로 사교와 사업의 수단으로 이용되기도 했다.
초기에는 방사선 차폐장치도 없이 환자를 촬영해 의사와 환자가 모두 직접 방사선에 노출되는 경우가 흔했다. 당시에 환자에 대한 서비스는 요즘보다 훨씬 좋았던 것 같다. 초기 X선 tube 중에는 내부에 인광(phosphorus) 물질을 칠하여 약간 자줏빛이 도는 것이 있는데, 이는 X선 촬영을 하는 순간 음극선이 나와 형광색을 띠어 환자를 즐겁게 해 주기도 했다. Crookes tube와 X선 tube는 초기에 주로 독일의 Pressler사가 많이 생산했으며, 그 외 전 세계적으로 다양하게 생산됐다.
3. 제3기…X선 역사(1916년∼현재)
Crookes tube 형태의 X선 tube는 관 전류의 양이 적을 뿐 아니라 조절도 어려운 단점이 있었다. 이에 1916년에는, cathode에 필라멘트가 부착되어 더 많은 관 전류를 흘릴 수 있는 새로운 X선 tube가 Coolidge에 의해 개발되어 현재의 X선 tube의 기본 모형이 됐다.
현재는 크게 Closed tube와 Open tube로 구조가 구분된 상태로 개발이 되어 450kV 까지 관 전압이 가능하고, nano-focus라고 하여 focal spot size가 수백 나노 단위까지 집속하도록 발전되어 있다. 여러 분야에서 용도에 맞게 적절한 관 전압, 관 전류, focal spot size의 튜브가 쓰이고 있다.
X-Ray의 기본 성질
X-Ray의 파장은 원자크기 정도로 작아서 결정마다 고유한 회절무늬를 형성한다. 또한 에너지가 크기 때문에 물질에 대한 형광작용이 강하고 물질을 쉽게 투과할 수 있으며, 이 때 물질을 이온화시키는 특징이 있다.
투과 시에는 물질의 밀도나 원자에 따라 투과율이 달라져 형광체에 충돌하는 에너지가 상이해 진다. 이 원리를 이용한 X-Ray 촬영 장치는 생체 내부를 촬영하는 의료장비와 일반 산업분야에 활용되는 비파괴 검사장비등으로 널리 사용된다.
높은 가속전압일수록 짧은 파장의 X선이 발생되며 X선의 파장이 짧으면 물체의 투과율이 커지고 화면의 밝기가 개선된다.
I = hc/eV = 12,396/V(Volt) Å
여기서 e는 전자의 전하량, h는 플랑크 상수, 그리고 c는 빛의 속도를 나타낸다.
파장이 0.1nm 미만 범위의 X-Ray를 경 X-Ray라 하며, 이는 일반 산업용 및 의료용 투과영상을 얻는데 사용한다. 또한 0.1∼10nm 범위의 X-Ray는 연 X-Ray라 부르며, 광전자 분광학등 표면 나노 구조물의 전자물성 연구에 활용한다. 연 X-Ray의 경우 진공 등 특수 환경을 요구한다.
대형물일수록 내부 구조를 관찰하려면 투시 깊이가 깊어짐과 함께 파장이 짧아야 하므로 가속 전압이 높은 X-Ray 발생장치를 사용해야 한다.
전자 산업용으로는 보통 90∼130KeV 급의 밀폐 형 튜브와 120∼160KeV 급의 개방형 튜브가 많이 사용된다. 이는 일반적으로 SMT 공정의 Soldering 불량을 검사하거나, 반도체 패키징 공정의 Bonding Wire 검사, Molding 후 Void검사, POP 공정의 접합부 결함검사 등의 용도로 활용된다. X-Ray가 검사해야 할 투시 깊이가 최대 160keV 정도라면 대부분의 전자 제품의 검사에는 충분하다는 의미이다.
그림 5는 X-Ray의 가속전압과 투과 깊이의 관계를 나타낸 것이다.
그림 5. X-Ray의 가속전압과 투과 깊이의 관계
160KeV로 가속해 발생시킨 X-Ray는 알루미늄 7cm를 투과할 수 있으며, 500KeV로 가속한 경우 30cm두께의 알루미늄을 투과할 수 있다. 한편, 1000mm이상의 알루미늄을 투과해서 관찰하려면 6MeV 이상의 강력한 X-Ray를 발생시키는 선형가속기를 사용해야 한다.
시 영상을 선명하게, 혹은 밝게 관찰하기 위해서는 X-Ray의 강도가 충분해야 한다. 여기서 X-Ray의 강도(Intensity)는 화면의 대조도(Contrast)와 관련되며 단위시간당 광양자수로 IV2Z에 비례한다. 또한 밝고 선명한 영상을 얻기 위해서는 가속 전압이 높아야 하며, 동일 가속전압의 튜브에서는 전류량이 높아야 양질의 영상을 얻을 수 있다.
보통 200㎂내외의 관 전류가 필요하고, 특수한 경우에 1mA 정도의 대용량 관 전류가 필요한 경우가 있다. X-Ray 발생장치를 선정하는 1차적인 기준은 가속 전압과 관 전류임을 인식하고, 필요한 용도와 영상의 품질에 대응할 수 있도록 적정히 선정해야 한다.
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