01. X-ray tube: X선 발생 원리

지난 글 XRD의 역사에서 뢴트겐이 X-ray를 발견한 내용의 연장선으로 X-ray tube의 X선 발생 원리에 대해 알아보겠습니다.

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 Crookes tube (크룩스 관)

왼쪽 이미지는 뢴트겐이 X-ray를 발견할 당시 사용한 crookes tube(크룩스 관)입니다. 뢴트겐은 당시 활발하게 연구되던 음극선 연구를 위해 음극선 발생장치인 크룩스 관과 형광스크린을 사용하고 있었습니다. 연구 도중 뢴트겐은 투명한 크룩스 관에서 발생하는 빛을 막기위해 검은 종이로 감싸고 실험을 진행하던 중에 형광스크린이 빛을 발산하는 것을 관찰했습니다. 분명 실험실 안의 불을 모두 껏는데 말이죠.
검은 종이로 감싸진 크룩스 관의 전원을 끄면 사라지고 키면 나타나니 뢴트겐의 호기심을 자극했습니다. 책으로도 막아보고 나무판자로도 막아보았지만 형광스크린은 빛이 났고, 아내의 손을 투과해 손뼈를 관측한 순간 뢴트겐은 확신했습니다. 새로운 광선을 발견했다는 것을요. 이것이 X-ray tube의 발전의 시작이였습니다.

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X-ray tube

X-ray tube는 크룩스 관부터 시작해 쿨리지관, 회전양극 X선 튜브... 등 기술이 발전하며 내구성, 출력, 안정성 측면에서 많은 발전이 이루어졌지만 기본원리는 모두 위 이미지와 동일합니다.

X-ray tube의 구성은 위와 같이 1. 음극(Cathode), 2. 양극(Anode), 3. 진공관(Vacuum tube), 4. 고전압 전원으로 구성됩니다.  
 
X-ray tube 작동 원리
     1. 음극의 필라멘트 가열 및 열전자 방출(thermal emission)이 발생
- 필라멘트는 6~12V 정도의 저전압을 공급하여 가열됩니다.
- 열전자: 필라멘트의 전자들이 충분히 열에너지를 흡수 후 물질의 표면에서 방출된 자유 전자
- 필라멘트은 주로 높은 융점과 적절한 전기적 특성을 가진 텅스텐(W, tungsten)을 사용
            (W, 융점: 약 3422도)
 
     2. 전자 구름 형성 및 가속
- 방출된 열전자는 음전하로 인해 필라멘트 주위에 전자 구름을 형성
- 튜브 내 고전압을 걸어주어 열전자를 양극으로 가속하며 매우 높은 속도로 전자 이동 발생
- 가속전압, kV: 전자의 속도, 투과력과 비례 
- 관전류, mA: X선의 양, 밝기와 비례
- 금속 타겟마다 적절한 kV, mA 기준이 존재
 
     3. 전자 충돌 및 X선 방출
- 가속된 전자들은 양극에 있는 금속 타겟(e.g., Cu, Mo...) 표면에 충돌
- 가속된 전자와 금속 내부 전자들과 상호작용

 
- 위 과정은 (a), (b), (c) 순서이며 특성 X선(Charateristic X-ray)가 생성되는 과정입니다.
- 가속 전자가 금속 내부 전자를 튕겨내고, 빈자리를 더 높은 에너지 준위에 있던 전자가 내려오며 차이만큼 X선 방출
- 특성 X선은 금속 타겟 원소에 따라 고유한 에너지 스펙트럼을 가진다.
- 제동 방사선(Bremsstrahlung)도 방출되며, 가속 전자가 금속 원자핵 주변을 지나갈때 방향이 바뀌며 감속이 발생할때 운동에너지가 X선의 형태로 방출되는 것

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