감쇠와 투과란 무엇인가?

X-ray Beam이 물질을 지나면 일부 광자는 물질과 상호작용하여 흡수되거나 진행 방향에서 벗어나도록 산란됩니다. 이처럼 원래 방향으로 진행하던 1차 X-ray의 수 또는 세기가 감소하는 현상을 감쇠(Attenuation)라고 합니다.

반대로 물질과 상호작용하지 않고 통과한 1차 X-ray는 투과 성분을 이룹니다. 따라서 동일한 입사 X-ray 조건에서도 재질이나 두께가 달라지면 Detector에 도달하는 투과 신호가 달라질 수 있습니다. 실제 검사 시스템에서는 산란된 X-ray 일부가 Detector에 도달할 수도 있으므로, 측정 신호는 단순한 1차 투과 성분만으로 결정되지 않을 수 있습니다.

Beer–Lambert 법칙과 감쇠계수

단일 에너지의 좁은 X-ray Beam이 균일한 물질을 통과하고 산란선의 재유입을 무시할 수 있는 이상적인 조건에서는, 상호작용하지 않고 남는 1차 X-ray의 세기는 두께에 따라 지수적으로 감소합니다. 이 관계는 I = I₀ exp(−μx) 형태의 Beer–Lambert 법칙으로 표현할 수 있습니다.

여기서 I₀는 입사 X-ray 세기, I는 두께 x를 통과한 뒤의 1차 X-ray 세기, μ는 선형 감쇠계수(Linear Attenuation Coefficient)입니다. μ가 클수록 같은 두께에서 X-ray가 더 빠르게 감쇠합니다. 선형 감쇠계수는 밀도의 영향을 받기 때문에, 물질 간 기본 데이터를 비교할 때는 밀도로 나눈 질량 감쇠계수(Mass Attenuation Coefficient, μ/ρ)도 널리 사용됩니다.

무엇이 X-ray 감쇠를 결정하는가?

X-ray의 감쇠 정도는 하나의 요소만으로 결정되지 않습니다. 광자 에너지, 물질의 원소 조성, 밀도와 두께가 함께 영향을 줍니다. 동일한 물질이라도 두께가 증가하면 1차 투과 X-ray는 감소하며, 동일한 두께라도 재질이 달라지면 감쇠 정도가 달라집니다.

총 감쇠계수는 X-ray와 물질 사이에서 일어나는 여러 상호작용의 영향을 합한 값입니다. NIST XCOM은 Coherent Scattering, Incoherent(Compton) Scattering, Photoelectric Absorption 등의 부분 상호작용 계수와 총 감쇠계수를 광자 에너지와 물질별로 제공합니다. 각 상호작용의 상대적 비중은 에너지와 물질 조성에 따라 달라집니다.

산업용 X-ray 검사에서의 의미

산업용 X-ray 검사는 위치별 투과 신호의 차이를 이용해 제품 내부 구조와 이물질을 영상화합니다. 제품보다 더 크게 X-ray를 감쇠시키는 부분은 Detector에 도달하는 1차 신호를 감소시키며, 이러한 차이가 영상 대비를 만드는 중요한 원인이 됩니다. 다만 최종 영상의 밝기와 대비는 Detector 응답, 산란선, 보정 및 영상 처리 방식에도 영향을 받습니다.

실제 X-ray Tube는 단일 에너지가 아니라 여러 에너지의 광자로 구성된 연속적인 스펙트럼을 발생시킵니다. 감쇠계수는 광자 에너지에 따라 달라지므로 물질을 통과하는 동안 낮은 에너지 성분이 상대적으로 더 많이 제거되어 Beam의 에너지 분포가 변할 수 있습니다. 이러한 Beam Hardening 때문에 실제 산업용 검사에서는 하나의 μ 값만으로 모든 투과 조건을 완전히 설명할 수 없으며, Source 조건과 제품 두께, Detector 응답을 함께 고려해야 합니다.