X선의 발생 과정(열전자 방출, 전자의 가속, 전자와 표적 물질의 상호작용)

이전 글에선 X선의 발견과 특성에 대해 알아봤습니다. 이렇게 발견한 X선을 의료나 산업 등의 분야에 활용하기 위해선 X선을 만드는 장치가 있어야 합니다. 이번 시간에서는 X선을 만드는 장치에서 X선이 발생하는 과정을 알아보겠습니다.

 

X선의 발생 과정(열전자 방출, 전자의 가속, 전자와 표적 물질의 상호작용)

 

 

X선은 고속으로 가속된 하전입자가 물질 내에서 상호작용하여 발생하게 됩니다. X선을 발생시키기 용이할 뿐 아니라 쉽게 가속 시킬 수 있는 하전입자는 전자이므로 X선 관에선 전자가 가속해 텅스텐 표적에 충돌하여 X선을 발생시킨다. X선의 발생순서는 크게 열전자 방출, 전자의 가속, 고속전자와 표적물질의 상호작용 순으로 나뉩니다.

 

 

열전자 방출

 

 

X선을 발생시키는 물질은 전자입니다. 전자를 얻는 방법은 금속 물질에 빛을 쏘는 방법, 강한 전장이나 강한 자장을 거는 방법, 열을 가하는 방법 등이 있습니다. 이들 중에서 일반적으로 X선 발생에 이용되는 전자는 열을 가하여 열음극의 금속에서 자유전자를 방출시키는 방법을 사용합니다.

 

X선 관은 진공의 유리관 내에 음극(cathode)과 양극(anode)이 있는 2극 관입니다. 음극은 주로 텅스텐 필라멘트로 되어 있으며 양극은 텅스텐 판으로 이루어진 표적(target)입니다. 텅스텐 필라멘트에 전류가 흘러 가열되면 텅스텐 금속 내에 있는 많은 자유전자가 열에너지를 충분히 흡수하여 금속 표면에서 방출됩니다. 이렇게 해서 방출되는 전자를 ‘열전자’라고 하고 방출에 사용하는 물체를 열음극이라고 합니다. 열전자 방출은 에디슨이 발견했으며, 후에 영국의 물리학자 리처드슨(O. W. Richardson) 이 체계적으로 연구했기 때문에 에디슨 효과 또는 리처드슨 효과라고도 합니다.

 

이때 가열로 인해 방출된 전자는 필라멘트 주위에 생성되어 음전하의 전자운을 형성하는데 이것을 공간전하라고 합니다. 생성된 전자운은 필라멘트 주위에 머무르며 필라멘트에서 공간전하 이상의 충분한 열에너지를 얻을 때까지 다른 전자가 필라멘트로부터 방출되는 것을 억제합니다. 이러한 필라멘트로부터 전자의 방출을 억제하는 효과를 공간전하 효과라고 합니다.

 

필라멘트가 방출 온도까지 가열되면 재빨리 평형상태에 도달합니다. 평형상태(equilibrium state)란 필라멘트로부터 전자가 방출되면, 그만큼의 전자를 다시 포획하여 음전하와 양전하의 균형이 맞는 상태를 의미합니다. 평형상태에서는 항상 필라멘트로 되돌아오는 전자의 수와 방출된 전자의 수가 같아서 결과적으로 공간전하에 남아있는 전자의 수가 일정해지며 전자의 수는 필라멘트의 온도, 즉, 필라멘트 가열 전류에 의해서만 결정됩니다.

 

양극과 음극 사이에 고전압이 가해지면 열전자가 양극 표적으로 고속으로 이동합니다. 이때 필라멘트에서 표적으로 이동하는 전자의 양을 관 전류라 합니다. 관 전류의 양이 증가하면 필라멘트에서 표적으로 이동하는 열전자의 양이 많아지게 되어 X선량이 증가합니다. X 선 관의 관 전류의 단위는 mA를 사용합니다.

 

 

전자의 가속

 

 

음극의 필라멘트에서 발생한 열전자를 양극 쪽으로 가속 시키려면 전압을 가해줘야 하는데 전자의 질량이 매우 작으므로 운동에너지를 높이기 위해 고전압을 가해줘야 합니다. 고전압에 의해 음극 필라멘트 주위의 전자운을 형성한 전자들이 고에너지를 얻어 양극 쪽으로 이동하는데 음극과 양극 사이의 전위차( 전압 )가 클수록 전자의 운동에너지가 증가합니다. 의료용 X선을 진료에 사용할 땐 30~150KV의 고전압을 사용하며 X선의 관 전압은 X선 관에 가해지는 최대 전압으로 표시합니다.

 

이같이 진공방전관 내의 음극이 가열되어 방출된 열전자가 관 전압에 의해서 가속된 고속전자의 흐름을 음극선(cathode ray)이라 합니다. 음극선은 일정한 질량과 전하를 가지는 전자의 흐름이므로 자기장 또는 전기장이 가해지면 진행 방향이 굴곡져집니다.

 

X선 광자의 에너지는 가속된 전자의 에너지에 비례하고 전자에너지는 관 전압에 비례합니다. 여기서 관 전압이란 전자가 가속하기 위해서 X선 관에 가해진 최대 전압을 말하며, 전자에너지는 그로 인해 광자와 같은 입자가 얻게 되는 에너지를 의미합니다.

 

하지만 관 전압(최대 전압)을 가해도 전압의 특성상 전압이 같은 크기로 일정하게 가해지는 것이 아니라 최젓값에서 최댓값까지 주기적으로 변화하면서 가해지기 때문에, 모든 입자가 동일한 전자에너지를 얻지 못합니다. 따라서 최대 에너지를 얻게 된 전자가 표적 물질과 충돌해 원자핵과의 상호작용으로 에너지를 전부 전달하면 최대 에너지를 갖는 X선 광자가 방출됩니다.

 

 

전자와 표적 물질의 상호작용

 

 

음극과 양극 사이에서 가속된 전자가 표적 물질(target material)과 충돌하면 물질과 상호작용을 하는데 크게 충돌 상호작용과 복사 상호작용으로 나뉩니다. 고속으로 입사된 전자는 표적 물질 원자의 궤도전자와 충돌하여 궤도전자를 방출시키고 원자 내의 전자들이 전이되어 전자기파를 발생합니다. 이 전자기파를 특성 X선이라 합니다.

 

입사 전자가 표적물질의 궤도전자와 충돌했을 때 일어나는 현상이므로 이 작용을 충돌 상호작용이라 하고, 입사 전자의 운동에너지 손실을 충돌손실(collision loss)이라 할 수 있습니다. 또한 고속의 입사 전자가 원래의 진행 방향이 바뀌어 저지당하므로 속도가 줄어들어 운동에너지를 잃습니다. 전자가 잃은 운동에너지는 X선 광자로서 방출됩니다.

 

이같이 입사 전자의 입사 방향이 저지되면서 발생하므로 제동복사선, 제동방사선 또는 저지선이라고 불리며, 이러한 현상을 제동복사라 합니다. 또한 방출되는 X선의 에너지는 관 전압에 의한 상한치를 가지고 다양하게 분포되므로 이 X선을 연속 X선이라고 합니다. 일반적으로 X선이라 하면 제동 복사선을 말하는 것입니다. 제동복사에 의한 연속선이 발생하므로 이 작용을 복사 상호작용이라 하고, 입사 전자의 운동에너지 손실을 복사손실(radiation loss)이라 합니다.