엑스선관

3. 엑스선관의 물리학

모든 진공관과 마찬가지로, 엑스선관은 진공 속으로 전자를 방출하는 음극과 전자를 수집하는 양극으로 구성되어 있으며, 이를 통해 관 내에서 빔이라고 불리는 전류가 흐른다. 음극과 양극 사이에는 30~150킬로볼트(kV)의 높은 전압(관전압)이 걸려 전자를 가속시킨다. 엑스선 스펙트럼은 양극 재료와 가속 전압에 따라 달라진다.^[4]

음극에서 나온 전자는 주로 텅스텐, 몰리브덴 또는 구리로 만들어진 양극 재료와 충돌한다. 이 충돌로 인해 양극 재료 내의 다른 전자, 이온, 핵이 가속된다. 생성된 에너지의 약 1%는 엑스선 형태로 방출되며, 이는 주로 전자 빔의 경로에 수직 방향으로 방출된다. 나머지 에너지는 열로 방출된다. 시간이 지나면서 텅스텐은 타겟에서 관 내부 표면(유리 표면 포함)으로 증착된다. 이는 관을 서서히 어둡게 하여 엑스선 빔의 질을 저하시키는 것으로 알려져 있었다. 기화된 텅스텐은 "창" 위의 외피 내부에 응축되어 추가적인 필터 역할을 하며, 관의 열 복사 능력을 감소시킨다.^[5] 결국, 텅스텐 침전물이 충분히 전도성을 갖게 되면 높은 전압에서 아크가 발생할 수 있다. 아크는 음극에서 텅스텐 침전물로, 그리고 양극으로 이동한다. 이러한 아크는 엑스선 창 내부 유리에 "균열"을 일으킨다. 시간이 지남에 따라 관은 낮은 전압에서도 불안정해져 교체가 필요하게 된다. 이 시점에서 관 어셈블리("관 헤드"라고도 함)는 엑스선 시스템에서 제거되고 새로운 관 어셈블리로 교체된다.

엑스선 광자를 생성하는 두 가지 효과는 일반적으로 '특성 효과'와 제동 복사 효과 (독일어 ''bremsen''(제동)과 ''Strahlung''(방사선)의 합성어)라고 불린다.^[6]

시스템에서 방출되는 광자 에너지 범위는 가해지는 전압을 변경하고 다양한 두께의 알루미늄 필터를 설치하여 조절할 수 있다. 알루미늄 필터는 엑스선 빔 경로에 설치되어 "연성"(soft, 비관통) 방사선을 제거한다. 방출되는 엑스선 광자의 수, 즉 선량은 전류 흐름과 노출 시간을 조절하여 제어한다.

4. 유형

크룩스관은 가열된 열음극 필라멘트 대신 관 내의 잔류 공기를 이온화하여 X선을 생성하는 데 필요한 전자를 생성했기 때문에 부분적인 진공 상태였다. 약 10⁻⁶ ~ 5×10⁻⁸ 기압(0.1 ~ 0.005 Pa)의 공기가 채워진 유리 구로 구성되었다. 관의 한쪽 끝에는 알루미늄 음극 판이, 다른 쪽 끝에는 백금 양극 표적이 있었다. 양극 표면은 X선이 관의 측면을 통해 방사되도록 각을 이루었다. 음극은 오목하여 전자가 양극의 작은 (~1 mm) 지점에 집중되어 X선의 점광원에 근사하게 되어 더 선명한 이미지를 얻을 수 있었다. 관에는 세 번째 전극인 대음극이 양극에 연결되어 있었다.

작동을 위해, 몇 킬로볼트에서 최대 100kV에 이르는 직류 전압이 양극과 음극 사이에 가해졌으며, 이는 일반적으로 유도 코일 또는 더 큰 관의 경우 정전기 기계로 생성되었다.

크룩스관은 신뢰성이 낮았다. 시간이 지남에 따라 잔류 공기가 관 벽에 흡수되어 압력이 감소했다. 이로 인해 관의 전압이 증가하여 '더 강한' X선을 생성하다가 결국 관의 작동이 중단되었다. 이를 방지하기 위해 '연화기' 장치가 사용되었다. 주 관의 측면에 부착된 작은 관에는 가열 시 소량의 가스를 방출하여 적절한 압력을 복원하는 운모 슬리브 또는 화학 물질이 들어 있었다.

관의 유리 덮개는 X선이 구조에 영향을 미쳐 사용 중에 검게 변색되었다.

4. 1. 쿨리지관 (열음극관)

4. 2. 회전 양극관

4. 3. 미소초점 엑스선관

5. 진공관에서 엑스선 생성의 위험성

참조

_[1] 서적 Modern Diagnostic X-Ray Sources, Technology, Manufacturing, Reliability Taylor and Francis, CRC Press
_[2] 특허 Coolidge 1913-05-09
_[3] 논문 William David Coolidge (1873–1975). Biography with special reference to X-ray tubes https://journals.via[...] 2023-01-17
_[4] 웹사이트 X-ray and Elemental-Analysis https://www.bruker.c[...]
_[5] 논문 cf., Half-Value-Layer Increase Owing to Tungsten Buildup in the X-ray Tube: Fact or Fiction 1986-09
_[6] 웹사이트 An Etymological Dictionary of Astronomy and Astrophysics - English-French-Persian https://dictionary.o[...] 2024-08-23
_[7] 웹사이트 X-Ray Tube Heating and Cooling http://sprawls.org/p[...] 2019-05-19
_[8] 웹사이트 X-Ray Tube Heating and Cooling http://www.sprawls.o[...] 2021-12-01
_[9] 웹사이트 X-ray tube https://patents.goog[...] 2019-05-19
_[10] 논문 Electron beam melting in microfocus x-ray tubes 1986
_[11] 논문 A 9 keV electron-impact liquid-gallium-jet x-ray source 2008
_[12] 논문 Phase-contrast x-ray imaging with a liquid-metal-jet-anode microfocus source 2007
_[13] 웹사이트 We want you to know about television radiation https://www.fda.gov/[...] Center for Devices and Radiological Health, US FDA 2007-12-24
_[14] 웹사이트 An informal history of X-ray protection http://repairfaq.ece[...] sci.electronics.repair FAQ 2007-12-24
_[15] 웹사이트 Voltage of a Television Picture Tube http://hypertextbook[...] 2016-08-11
_[16] 뉴스 When Televisions Were Radioactive https://www.theatlan[...] 2020-12-11
_[17] 웹사이트 Television Radiation https://www.fda.gov/[...] 2019-02-09
_[18] 서적 X線CT―産業・理工学でのトモグラフィー実践活用 共立出版 2019-02-05