X선의 종류(제동 X선과 특성 X선)

우리가 의료분야에서 진단, 산업 분야에서 검사에 사용하는 X선은 입사 전자가 어떻게 표적 물질과 충돌하는지에 따라 2가지 종류로 나뉩니다. 입사 전자가 양극 물질과 상호작용하여 두 가지 형태의 X선을 만들어 내는데 하나는 제동 X선이고 또 다른 하나는 특성 X선입니다.

 

이것은 X선 관에서 방출되는 X선을 분광기로 분석하여 보면 두 종류의 다른 스펙트럼으로 구성된 것을 통해 알 수 있는데 에너지 범위가 연속적으로 나타나는 것을 연속 스펙트럼이라고 하고 특정 에너지 준위의 선스펙트럼이 겹쳐 있습니다. 이때 제동 X선은 연속 스펙트럼의 형태를 띠고 특성 X선은 선스펙트럼의 형태를 띱니다. 이번 글에서는 X선의 종류에 해당하는 제동 X선과 특성 X선에 대해 알아보겠습니다.

 

X선의 종류(제동 X선과 특성 X선)

 

제동 X선

 

 

X선의 종류 중 하나인 제동 X선은 고속으로 움직이는 입사 전자가 표적 물질의 원자핵에 접근하면서 발생합니다. 이 과정에서 표적 물질의 원자핵 내부에 존재하는 양전하가 입사 전자의 음전하를 강하게 끌어당기는 힘을 발휘합니다. 이에 따라 입사 전자는 원래의 진행 방향에서 벗어나며 휘어지게 되고, 이 과정에서 전자가 손실하는 에너지와 동등한 에너지를 지닌 방사선이 방출되게 됩니다.

 

이러한 방사선을 우리는 제동 X선이라고 부르며, 제동 X선은 그 특성상 연속 스펙트럼을 형성합니다. 연속 스펙트럼이 형성되는 이유는 표적에 도달하는 전자들이 갖는 에너지가 서로 다르기 때문입니다. 더불어 이 전자들이 X선 광자 에너지로 변환될 때 발생하는 비율 또한 다양하므로 연속 X선이라고도 불립니다.

 

전자가 표적에 충돌하며 자신의 최대 에너지를 모두 잃게 되는 순간, 방출되는 X선의 광자 에너지는 최대치에 도달하며, 이때 생성되는 X선의 파장을 최단파장이라고 합니다. X선 관에서 방출되는 광자들은 이러한 최단파장을 갖는 경우가 드물며, 대부분은 다양한 에너지 크기를 갖게 됩니다. 그중에서도 가장 빈번하게 나타나는 에너지 크기를 갖는 파장을 최강파장이라고 부릅니다.

 

추가로, 열전자가 표적에 충돌하는 것만으로 에너지를 잃는 것이 아니라, X선 관 내부의 다양한 구조물에 의해서도 에너지를 소모할 수 있습니다. 이러한 현상을 고유 여과라고 하며, 이는 X선 관 내부에서 발생하는 중요한 현상 중 하나입니다. X선 관에서 방출되는 X선의 에너지는 이 고유 여과 과정을 통해 최솟값을 갖게 되며, 이 최솟값을 갖는 에너지에서 발생하는 X선의 파장을 최장파장이라고 합니다. 이러한 다양한 과정을 통해 X선은 의학적 진단 및 연구에서 중요한 역할을 하게 됩니다.

 

제동 X선은 의료 영상 진단과 치료 과정에서 필수적인 역할을 합니다. 이 X선은 X선 튜브 내에서 전자가 양극을 향해 가속될 때 발생하며, 그 과정에서 전자가 감속하면서 에너지를 방출하는데, 이때 방출된 에너지가 바로 제동 X선입니다. 이러한 제동 X선의 에너지 분포는 양극의 물질 종류와는 무관하게 오로지 가속전압의 크기에 의존하며, 가속전압이 높을수록 더 높은 에너지의 X선이 생성됩니다. 그러나 이 과정에서 생성되는 X선은 연속적인 에너지 스펙트럼을 형성하고, 그 결과 저 에너지 X선이 대량으로 존재하게 되며, 이에 따라 진단 이미지의 품질이 저하할 수 있습니다.

 

저 에너지 X선은 피사체에 의해 쉽게 흡수되어 환자의 피폭선량을 불필요하게 증가시키는 문제를 일으킬 수 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해, 의료 분야에서는 X선 경로에 부가 여과 판을 추가하여 사용합니다. 이 여과 판은 저 에너지 X선 광자를 효과적으로 차단하여, 제동 X선의 평균 에너지를 상승시키는 역할을 합니다. 이를 통해 피사체의 흡수율을 줄이고, 환자의 피폭 위험을 감소시키면서도 필요한 진단 정보를 획득할 수 있는 고화질의 이미지를 얻는 것이 가능해집니다.

 

부가 여과 판의 재질 선택은 중요한 요소 중 하나입니다. 알루미늄은 그 우수한 여과 능력과 비용 효율성 덕분에 널리 사용되는 재질입니다. 알루미늄 여과 판은 저 에너지 X선을 효과적으로 제거하면서도, 진단에 필수적인 높은 에너지 X선은 보존할 수 있어, 진단 및 치료 과정에서의 이미지 품질과 안전성을 동시에 증가시킵니다. 이처럼 의료 영상 진단 및 치료에서 제동 X선과 부가 여과 판의 적절한 사용은 환자의 안전과 진단 정확성을 높이는 데 핵심적인 요소입니다.

 

 

특성 X선

 

 

X선의 종류 중 나머지 하나인 음극에서 방출되어 빠르게 가속된 입사 전자가 표적 물질의 원자와 충돌하는 순간, 흥미로운 물리적 현상이 일어납니다. 이 과정에서 입사 전자는 표적 물질 원자의 내부 궤도에 있는 전자와 상호작용하게 되며, 이 충돌로 입사 전자는 감속되며 그 진행 방향이 변화합니다. 동시에, 내부 궤도의 전자는 충돌로 에너지를 획득하게 되어, 에너지 준위가 상대적으로 높은 외부 궤도로 이동하게 됩니다.

 

원자의 궤도는 원자핵 주변을 도는 전자들의 에너지 상태를 나타냅니다. 원자핵과 전자 사이의 인력과 전자의 운동 에너지 때문에 발생하는 반발력이 균형을 이룰 때, 전자는 특정한 에너지 준위를 가지며 원자핵 주변의 궤도를 형성합니다. 이러한 궤도는 에너지 준위에 따라 다양하게 존재하며, 전자는 이 중 하나의 궤도에서 원자를 구성합니다.

 

입사 전자와 표적 물질 원자의 내부 궤도 전자와의 상호작용으로 발생하는 또 다른 현상은 내부 궤도의 전자가 원자 밖으로 이탈하는 것입니다. 이에 따라 내부 궤도에 전자가 부족해지며, 원자는 불안정한 상태에 놓이게 됩니다. 이 불안정한 상태를 안정화하기 위해, 외부 궤도의 전자가 에너지를 잃으면서 내부 궤도로 이동하게 됩니다.

 

이 과정에서 발생하는 에너지는 X선의 형태로 방출되며, 이를 특성 X선이라고 부릅니다. 특성 X선의 발생은 빛의 선 스펙트럼과 유사한 현상으로 볼 수 있으며, 두 궤도 간의 에너지 차이가 클수록 방출되는 X선의 주파수도 높아지는 특징을 가집니다.

 

이러한 현상을 종합해 보면, 음극에서 가속된 입사 전자가 표적 물질의 원자와 충돌하여 전자의 에너지 상태 변화를 유발하고, 이에 따라 발생하는 불안정한 상태를 극복하기 위해 전자가 궤도 간 이동을 하면서 X선을 방출하는 과정이 일어납니다. 이 과정에서 생성되는 X선의 특성은 내부 궤도와 외부 궤도 간의 에너지 차이에 의해 결정되며, 이 에너지 차이가 클수록 더 고주파의 X선이 생성되는 특성을 보입니다. 이는 물질의 구조를 분석하거나 진단하는 데 중요한 역할을 하는 기술로 활용됩니다.