[X-ray] X-ray 기초_2. X-ray 발생 원리와 종류 (characteristic X-ray, bremsstrahlung X-ray)

이번 게시글에서는 이전에 살펴본 이온화(ionization)와 여기(excitation)등의 사전지식을 토대로 X-ray를 어떻게 발생시키는지와 X-ray 종류에 대해서 살펴보겠습니다.

 

X-ray 발생원리

X-ray를 발생시키는 원리는 아래와 같습니다.

1. 음극(cathode)에 전류를 흘려주면 전자들(electron beam)이 방출. (이 때, 방출된 전자는 운동을 하지 않는다.)

2. 양극(anode)과 음극(cathode)에 전압을 걸면 음극에서 나온 전자가 양극쪽으로 운동.

(높은 전압을 걸수록 운동이 가속화 된다.)

3. 가속화된 전자가 양극(anode)의 target 금속과 충돌.

4. 음극(cathode)에서 나온 전자가 target 금속의 원자와 상호작용하며 X-ray가 발생.

 

즉, X-ray를 발생시키기 위해서는 전자와 가속, 그리고 충돌시킬 target 금속이 필요합니다.

이 때, 전자를 target금속에 충돌시키는 과정에서 막대한 열이 발생합니다.

따라서 target 금속으로는 주로 열에 강한 텅스텐을 이용합니다.

 

X-ray가 발생하는 과정을 애니메이션으로 그려보면 아래와 같습니다.

동그란 파란 원이 전자를 의미하고, 노란색 지렁이가 발생한 X-ray를 의미합니다.

 

위와 같은 과정으로 발생한 X-ray는 크게 2가지 종류가 있으며,

위의 3번 과정에서 전자가 금속과 충돌할 때 발생하는 2가지 과정에 의하여 종류가 나뉘게 됩니다.

아래 설명부터는 음극에서 나온 전자 = 굴러들어온 전자(energetic electron)라고 하겠습니다.

 

* 보통 X-ray tube에 걸어주는 전류는 50~1,200mA, 전압은 30~150kVp 정도입니다.

 

X-ray의 종류

1. characteristic X-ray

굴러들어온 전자가 K-shell에 박혀있던 전자와 부딪혀서 excitation 혹은 ionization을 시키면

K-shell에 빈 공간을 L, M, N-shell등에 박혀있던 전자가 채우게 됩니다 (=relaxation).

 

이 과정에서 electromagnetic photon의 형태로 에너지가 방출되는데 이것이 characteristic X-ray입니다.

* characteristic이라는 이름이 붙은 이유는 무엇일까요?

각 원자마다 전자껍질간의 에너지준위차이가 distinguishable합니다.

따라서 characteristic이라는 이름을 붙인것입니다!

2. bremsstrahlung X-ray

굴러들어온 전자가 원자의 핵과 interaction하면서 발생합니다.

 

좀 더 자세히 말하자면, 굴러들어온 전자가 핵 주변을 지날 때,

핵 주변의 positive charge로 인하여 굴러들어온 전자가 핵쪽으로 휘게 됩니다.

이 때, 속도가 느려지면서 운동에너지의 일부가 방출되는데

이 방출되는 에너지의 형태가 역시 electromagnetic photon의 형태이며 이것이 bremsstrahlung X-ray입니다.

X-ray 발생 원인의 대부분은 바로 이 bremsstrahlung X-ray입니다.

 

* 그렇다면 만약 굴러들어온 전자가 핵과 직접 부딪히면 어떻게 될까요?

굴러들어오던 전자의 운동에너지와 동일한 에너지의 전자가 방출됩니다.

이 때 발생하는 X-ray 에너지는 가장 큰 에너지를 가집니다.

이런 경우가 아닌 모든 경우에서는 방출에너지, 즉 발생하는 X-ray의 에너지가

굴러들어오던 전자의 운동에너지보다는 작습니다.

 

위의 두 가지 X-ray는 아래 그림과 같이 다른 energy(wavelength) 대역을 가집니다.

아래 그래프는 두 가지 작용으로 인하여 어떤 energy(x축)를 가진 X-ray가 많이 생성되는가(y축=intensity)를 나타냅니다.

Bremsstrahlung X-ray는 energy가 continuous한 모양을 갖습니다.

왜냐하면, 굴러들어온 전자가 원자핵에 의하여 꺾이는 정도가 continuous하기 때문입니다.

 

반대로 chracteristic X-ray는 굴러들어온 전자가 박혀있던 전자와 부딪힐때만 발생하기 때문에,

그래프에서 discrete하며, 튀는 모양을 보입니다.

 

* 좀더 자세히 그래프를 분석해보자면,

가장 높은 에너지를 갖는 경우(x축의 우측부분)는 굴러들어온 전자가 원자핵과 완전히 충돌하는 경우입니다.

이는 잘 발생하지 않으므로 intensity가 낮은걸 확인할 수 있습니다. (즉, rare한 사건이죠.)

이보다 작은 에너지를 갖는 경우는 위보다 덜 rare하니까 더 많이 발생하다가 (intensity가 증가하다가)

어느 지점 이하로는 (위 그래프의 경우 x=0.05부분) X-ray의 에너지가 너무 작아져서 anode에 흡수되게 됩니다.

사실, 일부러 작은 에너지의 X-ray는 없애려 하는데요. 이를 filtration이라고 합니다.

X-ray의 에너지가 작으면 작을수록 더 흡수되기 쉬우므로 에너지가 작을수록 intensity가 감소합니다.

 

 

요약하자면,

characteristic X-ray는 굴러들어온 전자가 박혀있던 전자와 부딪히면서 발생하는 X-ray이며,

bremsstrahlung X-ray는 굴러들어온 전자가 원자의 핵에 의해서 운동방향이 바뀌면서 발생하는 X-ray입니다.

 

다음 게시글에서는 X-ray가 물체에 부딪혔을 때, 어떠한 상호작용을 하며 이미지에 어떠한 영향을 끼치는지,

X-ray측정을 어떻게 하는지에 대하여 살펴보겠습니다.

피드백과 질문은 항상 환영합니다. 감사합니다.

---

References

Jerry L. Prince, Jonathan M.Links 『Medical imaging signals and systems』, Pearson (2006)

https://srebba.tistory.com/entry/X%EC%84%A0-%EB%B0%9C%EC%83%9D-Production-of-Xrays-Xray-Tube-1

https://www.youtube.com/watch?v=YDTQPxDZ4zU