X-ray Tube의 기본 구조

일반적인 X-ray Tube는 진공 상태의 내부에 Cathode와 Anode를 배치한 구조입니다. Cathode에는 전자를 방출하는 Filament가 있으며, Anode에는 가속된 전자가 충돌하는 Target이 위치합니다.

Filament를 가열하면 열전자 방출(thermionic emission)에 의해 전자가 방출됩니다. Tube 내부를 진공으로 유지하는 것은 방출된 전자가 공기 분자와 불필요하게 충돌하지 않고 Anode 방향으로 가속될 수 있도록 하기 위해서입니다.

전자의 가속과 Target 충돌

Cathode와 Anode 사이에 높은 전위차를 인가하면 음전하를 가진 전자는 양전위의 Anode 방향으로 가속됩니다. 이때 Tube Voltage는 전자가 얻을 수 있는 운동에너지와 생성되는 X-ray 스펙트럼의 최대 광자 에너지에 직접적인 영향을 줍니다.

가속된 전자가 Target에 도달하면 운동에너지의 대부분은 열로 전환되고 일부가 X-ray로 변환됩니다. 이러한 열 부하 때문에 X-ray Tube에서는 Target 재질과 열 관리가 중요하며, Target에는 높은 원자번호와 높은 융점을 가진 Tungsten과 같은 재료가 널리 사용됩니다.

Bremsstrahlung과 Characteristic X-ray

Target에 입사한 전자가 원자핵의 전기장에 의해 감속되거나 진행 방향이 바뀌면 운동에너지의 일부가 X-ray 광자로 방출될 수 있습니다. 이를 Bremsstrahlung(제동복사)이라고 하며, 생성되는 광자는 연속적인 에너지 분포를 형성합니다.

또한 입사 전자가 Target 원자의 내부 전자껍질에 있는 전자를 제거하면 빈자리가 만들어질 수 있습니다. 더 높은 에너지 준위의 전자가 이 빈자리로 전이할 때 두 에너지 준위의 차이에 해당하는 X-ray가 방출되며, 이를 Characteristic X-ray라고 합니다. 따라서 Characteristic X-ray의 에너지는 Target을 구성하는 원소의 특성과 관련됩니다.

산업용 X-ray Source에서의 의미

X-ray Tube에서 실제로 방출되는 스펙트럼은 Bremsstrahlung에 의한 연속 스펙트럼과 Target 재질에서 발생하는 Characteristic X-ray가 함께 구성합니다. 이후 Tube Window와 필터 등의 영향을 거쳐 검사 대상에 사용되는 X-ray Beam이 형성됩니다.

산업용 검사에서는 Tube Voltage, Tube Current, Target 재질, 필터링 및 조사 형상 등이 X-ray Beam의 특성을 결정합니다. 일반적으로 Tube Voltage는 X-ray의 최대 광자 에너지와 에너지 분포에, Tube Current는 주로 발생하는 X-ray의 양에 영향을 줍니다. 실제 검사 영상에서 kV와 mA가 어떤 영향을 주는지는 다음 주제인 “kV와 mA란 무엇인가?”에서 별도로 다룹니다.