X선 관의 구조(유리관, 음극, 양극, X선관 용기)

열음극 X선 관은 고전압의 전기장에 의해 고속으로 가속된 전자를 양극 표적에 충돌시켜서 X선을 발생하는 2극 진공관으로서 목적에 따라 X선의 강도와 에너지를 제어할 수 있습니다. X선 관의 구조는 열전자를 방출하는 음극과 표적 물질인 양극, 고진공도 상태인 유리관, 관용기로 이루어져 있습니다. 이번 글에선 X선 관의 내부 구조인 유리관, 음극, 양극, X선관 용기에 대해 알아보겠습니다.

 

X선 관의 구조(유리관, 음극, 양극, X선관 용기)

 

유리관

 

 

두 전극을 봉입 후에 유리관은 진공상태로 합니다. 진공으로 하는 이유는 관내에 가스가 존재하면 열전자가 양극으로 이동할 때 가스 분자와 상호작용(전리작용)으로 2차 전자가 발생하는데, 발생한 2차 전자도 1차 전자(열전자)와 함께 가속되어 양극으로 이동합니다. 2차 전자의 발생은 임으로 조절할 수 없기에 양극에 도달하는 전자의 양 즉, 관 전류가 변하게 됩니다. 또한 상호 작용으로 인하여 에너지를 잃은 1차 전자들과 저에너지를 가진 2차 전자들이 양극에 도달하기 때문에 발생하는 X선의 에너지도 변합니다. 따라서 X선 관을 고진공 상태로 함으로써 전자의 양과 속도를 조절할 수 있으므로 X선의 양과 에너지를 조절할 수 있습니다.

 

X선 관의 크기와 모양은 전극 사이의 전기방전을 막기 위해서 특별히 설계됩니다. X선 관을 작동하는 동안 유리와 연결 도선이 가열되어 전극의 봉입 부분의 접착이 파괴되면 진공상태가 유지되지 않습니다. 따라서 유리는 내열성이 높고 열팽창계수가 금속과 같으며 X선의 흡수가 적은 물질을 사용합니다.

 

 

음극

 

 

음극은 필라멘트와 집속 통으로 이루어집니다. 필라멘트는 열전자의 발생원으로서 코일 상태로 감은 텅스텐 선입니다. 일반적으로 필라멘트의 전자방출은 온도가 증가함에 따라 많아지는데, 필라멘트의 종류나 표면 상태에 따라 차이가 있습니다. 열전자 방출 물질인 음극 필라멘트가 갖추어야 할 요건은 가열 전력 1W에 대한 열전자 방출 전류가 커야 하고 동작 온도에 있어서 기계적으로 견고해야 하며 전기적으로 안정해야 하고 수명이 길어야 합니다.

 

텅스텐은 아주 가는 선이라 할지라도 강도가 높고 용융점이 높으며 가 화성이 낮아 필라멘트의 재질로 사용됩니다. 그러나 필라멘트는 가열로 인해 기화되어 가늘어지므로 전원연결을 끊어 놓으며, 장시간 가열되면 안 됩니다. 오랫동안 사용한 X선관 유리 내면은 필라멘트의 기화뿐만 아니라 양극 물질의 기화에 의해서 청동색으로 착색됩니다. 유리 내면에 증착된 텅스텐 금속이 여과 판의 역할을 하므로 X선 질을 경화시킬 수 있으며, 유리 내면에 금속의 존재로, 관 전압이 높을 때 전극과 유리 사이에 아크방전의 가능성이 증가합니다.

 

X선 관은 단일필라멘트 또는 이중필라멘트로 되어 있습니다. 이중필라멘트라도 둘 중에서 하나만을 선택하여 사용합니다. 필라멘트의 크기는 X선 초점의 크기를 결정하는 중요한 요소입니다. 초점 크기는 X선 사진의 질에 영향을 주며, 주로 노출량이 많을 때는, 대 필라멘트, 노출량이 적을 때는 소 필라멘트를 이용합니다.

 

 

양극

 

 

양극은 전압을 걸어 주었을 때 양 전위가 되는 부분으로서 전자가 충돌해서 X선을 발생하는 표적과 그 부속 부분으로 구성되어 있습니다. X선 관의 양극에는 고정 양극과 회전 양극, 두 종류가 있다. 고정 양극은 구리로 둘러싸인 텅스텐 판으로 구성되어 있습니다. 갑자기 대용량의 X선을 노출하면 충격을 방지하기 위해 순간적으로 회전 전원을 바꾸어서 가속하는 장치도 있습니다. 회전의 원동력은 유도전동기에서 제공됩니다. 유리관 밖에서 둘러싸고 있는 고 정자 코일에서의 자기장으로 전류를 유도해 유리관 내에 있는 유도전동기의 회전자를 돌림으로써 텅스텐 원반이 회전하게 됩니다.

 

회전 양극 관의 열 제거는 새로운 문제로서 고정 양극 관의 열 제거와는 다릅니다. 고정 양극 관에서는 텅스텐표적에서 발생한 열을 흡수와 전도에 의해서 구리로 된 양극으로 전달하지만, 회전 양극 관에서는 발생한 열은 진공을 통하여 유리관 벽에 복사하여 주위의 기름과 관용기로 전달합니다.

 

만일 회전 양극 관에서 양극 부분에 열이 흡수되면 베어링이 팽창되거나 붙어버리게 되어 회전에 문제가 생깁니다. 따라서 텅스텐 원반과 베어링 사이에 있는 회전축의 재질로는 용융점이 높고 열전도율이 낮은 몰리브덴을 사용하여 열이 전달되지 않도록 합니다.

 

회전 양극과의 수명은 전자가 충돌하는 텅스텐 표적물질의 표면 상태에 따라 다릅니다. 거칠한 저지 면에서는 산란성이 많이 발생할 뿐만 아니라 흡수량도 증가하므로 결국 X선의 출력이 감소합니다. 단시간 동안 노출하면서 양극을 고속 회전시키면 급격한 가열과 냉각으로 텅스텐 원반 내면까지 열이 전도되지 않고, 또한 원반 표면에서 바로 냉각이 되므로 원반 표면과 내면의 열팽창이 달라집니다.

 

 

X선관 용기

 

 

X선관 내에서 가열된 텅스텐 필라멘트에서 방출된 전자는 고전압으로 가속되어 음극과 마주 보는 양극의 표면에 충돌합니다. X선은 이 충돌 부분에서 발생하여 임의의 방향으로 복사됩니다.

 

이 중에서 추출하기 쉬운 방향의 일부 X선을 이용하고 다른 방향의 것은 차폐 용기에 의해서 차단되어 불필요한 X선의 외부 노출을 줄입니다. 즉 X선 관은 X선관 용기에 넣어서 사용해야 합니다. X선관 용기를 사용함으로써 불필요한 X선의 방출 방지뿐만 아니라 X선 관의 보호 및 고전압으로부터의 위험도 방지할 수 있습니다.

 

관용기 내에는 기름이 가득 채워져 있는데, 이 기름은 전기적 절연유 및 열의 냉각 유의 역할을 합니다. 온도상승에 의한 기름의 부피 변화는 관용기 내부의 한쪽 끝에 있는 금속이나 합성고무로 된 주름통을 사용하여 조절합니다. 온도가 상승하여 기름이 팽창하면 주름통의 부피가 줄어들고, 냉각되면 다시 주름통의 부피가 증가합니다. 지속적인 노출 때문에 X선 관이 과부하가 걸려 기름이 어느 온도 이상이 되면 주름통에서 연결된 스위치가 끊어져 X선의 발생이 차단됩니다.