X 선
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X선(X-ray, X radiation)은 자외선보다 파장이 짧고 광자 에너지가 높은 전자기파로, 물질을 이온화할 수 있는 전리 방사선이며 의료 영상, 비파괴검사, 보안검색, 결정구조 분석과 천문학 등에 널리 이용된다.
X선은 전자기 스펙트럼에서 일반적으로 자외선과 감마선 사이에 위치한다. NASA는 대표적인 X선 범위를 약 0.03~3 nm로 설명하며, 다른 분류에서는 약 0.01~10 nm 정도의 범위를 사용하기도 한다.[1]
X선의 파장은 원자 크기와 비슷하거나 더 작을 정도로 짧으며, 이에 따라 광자 하나의 에너지가 가시광선이나 자외선보다 훨씬 높다.
광자의 에너지는 다음과 같다.
- E = hf = hc / λ
- E : 광자 에너지
- h : 플랑크 상수
- f : 주파수
- c : 빛의 속도
- λ : 파장
따라서 파장이 짧을수록 광자 하나의 에너지가 커진다.
NASA는 전자기 스펙트럼을 감마선 → X선 → 자외선 → 가시광선 → 적외선 → 마이크로파 → 전파의 순서로 에너지가 낮아지는 연속적인 전자기 복사 영역으로 설명한다.[2]
X선의 X는 발견 당시 정체를 알 수 없는 새로운 복사라는 의미에서 붙여졌다.
1895년 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen)이 새로운 투과성 방사선을 발견하고 미지수를 뜻하는 X를 사용해 X-Strahlen이라고 불렀다.[3]
독일어권 등에서는 발견자의 이름을 따서 뢴트겐선(Röntgen radiation)이라고 부르기도 한다.
뢴트겐은 1895년 독일 뷔르츠부르크 대학교에서 저압 방전관의 음극선을 연구하고 있었다.
1895년 11월 8일, 방전관을 검은 판지로 가려 가시광선이 나오지 않도록 했음에도 약 2 m 떨어진 바륨 플라티노사이아나이드 형광판이 빛나는 현상을 관찰했다.[3]
그는 새로운 복사가
- 검은 종이를 통과하고
- 여러 물질을 서로 다른 정도로 통과하며
- 사진 건판을 감광시키고
- 뼈와 금속은 연조직보다 잘 통과하지 못한다
는 사실을 확인했다.
뢴트겐은 아내 안나 베르타의 손을 촬영하여 뼈와 반지가 나타나는 유명한 초기 X선 사진을 만들었다.[3]
이 발견의 공로로 뢴트겐은 1901년 제1회 노벨 물리학상을 단독 수상했다.[4]
현대적인 X선 발생 장치에서는 보통 전자를 높은 전압으로 가속한 뒤 금속 표적에 충돌시킨다.
IAEA는 진단용 X선관에서 고에너지 전자가 두꺼운 금속 표적과 충돌하면서 감속되고, 이 과정에서 주로 제동복사와 특성 X선이 발생한다고 설명한다.[5]
전형적인 X선관(X-ray tube)은 다음과 같은 구조를 가진다.
- 음극(Cathode) : 전자를 방출한다.
- 고전압 전원 : 전자를 높은 에너지로 가속한다.
- 양극·표적(Anode/Target) : 가속된 전자가 충돌한다.
- 진공관 : 전자가 공기와 충돌하지 않고 이동할 수 있게 한다.
- 차폐 및 창 : 필요한 방향으로 X선이 나오도록 한다.
의료용 X선관의 표적에는 원자번호가 높고 높은 온도를 견딜 수 있는 텅스텐이 많이 사용된다. IAEA는 전자가 정전기적으로 가속된 뒤 텅스텐과 같은 높은 원자번호의 양극에 충돌하면서 제동복사와 특성 X선을 발생시키는 구조를 설명하고 있다.[6]
X선관에 공급된 전자의 운동에너지 가운데 상당 부분은 열로 변환되고 일부만 X선으로 전환되므로 양극의 열 관리가 중요하다.
제동복사(Bremsstrahlung)는 고속 전자가 원자핵 근처를 지나면서 전기력에 의해 진행 방향이나 속도가 변할 때 방출하는 전자기 복사이다.
Bremsstrahlung은 독일어로 '제동 복사'를 뜻한다.
IAEA는 고에너지 전자가 원자핵의 쿨롱장에 의해 궤도가 휘어지면서 운동에너지 일부를 전자기 복사로 방출한다고 설명한다.[5]
전자가 원자핵에 얼마나 가까이 접근했는지 등에 따라 잃는 에너지가 달라지므로 제동복사는 하나의 특정 에너지만 가지는 것이 아니라 연속적인 X선 에너지 스펙트럼을 만든다.
X선관의 전압이 높을수록 전자가 얻을 수 있는 최대 운동에너지가 커지므로 발생 가능한 X선의 최대 광자 에너지도 증가한다.
특성 X선(Characteristic X-ray)은 원자 내부 전자의 에너지 준위 전이에서 발생한다.
고에너지 전자가 표적 원자의 안쪽 전자를 튕겨내면 빈자리가 발생한다. 이후 바깥쪽 궤도의 전자가 이 빈자리를 채우면서 두 에너지 준위의 차이에 해당하는 에너지를 X선 광자로 방출한다.[5]
외부 껍질 전자
↓
내부 전자 빈자리
↓
에너지 차이 → X선 방출
전자 껍질의 에너지 차이는 원소마다 다르므로 방출되는 X선 에너지도 원소별로 특징적이다.
이 때문에 특성 X선 스펙트럼을 측정하면 물질에 어떤 원소가 들어 있는지 분석할 수 있다.
이 원리는 X선 형광 분석(X-ray fluorescence; XRF) 등에 활용된다.
X선은 에너지에 따라 연질 X선(Soft X-ray)과 경질 X선(Hard X-ray)으로 구분하기도 한다.
NASA의 한 분류에서는 약 10 keV 이하를 연질 X선, 그보다 높은 에너지를 경질 X선으로 설명한다.[7]
| 구분 | 일반적인 특성 |
|---|---|
| 연질 X선 | 상대적으로 낮은 에너지, 긴 파장 |
| 경질 X선 | 상대적으로 높은 에너지, 짧은 파장, 일반적으로 투과력이 높음 |
다만 연질·경질 X선을 나누는 에너지 기준은 분야별로 다르므로 10 keV가 절대적인 경계는 아니다.
X선과 감마선은 모두 높은 에너지를 가진 전자기파이며 파장과 에너지 범위가 서로 겹칠 수 있다.
전통적으로는 발생 기원을 기준으로 구별한다.
| 구분 | 대표적인 발생 원인 |
|---|---|
| X선 | 전자의 감속, 원자 전자의 에너지 준위 전이 |
| 감마선 | 원자핵의 에너지 준위 전이, 핵반응·방사성 붕괴 |
IAEA는 X선에는 전자의 감속에서 나오는 제동복사와 원자 전자의 에너지 준위 전이에서 나오는 특성 X선이 포함된다고 정의한다.[8]
따라서
- X선보다 에너지가 높으면 감마선이다
라고 단순하게 정의하면 정확하지 않다.
일부 고에너지 X선은 일부 감마선보다 에너지가 더 높을 수 있다.
천문학처럼 방사선의 발생 원인을 직접 구분하기 어려운 분야에서는 관측 에너지 범위를 기준으로 X선과 감마선을 편의상 나누기도 한다.
X선은 광자 에너지가 충분히 높아 원자나 분자로부터 전자를 떼어낼 수 있는 전리 방사선이다.
NASA는 X선과 감마선 및 일부 고에너지 자외선을 원자를 이온화할 수 있는 전자기 복사로 설명한다.[9]
따라서 생체 조직에 흡수되면
- 원자와 분자의 이온화
- 화학결합 손상
- 활성산소 생성
- DNA 손상
등이 발생할 수 있다.
이러한 성질은 방사선 피폭의 원인이 되는 동시에 암 치료와 같은 의료적 활용의 기반이 되기도 한다.
X선이 물질을 통과할 때 모든 광자가 그대로 지나가는 것은 아니다.
일부는
- 흡수
- 산란
- 투과
된다.
NIST는 X선과 감마선의 물질 내 상호작용을 계산할 때 광전 흡수, 산란, 전자-양전자 쌍생성 등의 과정을 고려하고 있다.[10]
X선 영역에서는 특히 광전 효과와 컴프턴 산란이 중요하다.
X선 광자가 원자에 완전히 흡수되면서 전자를 방출시키는 현상이다.
입사한 X선 광자는 사라지고 그 에너지가 전자의 운동에너지와 결합에너지 등에 전달된다.
광전 효과는 원자번호가 높은 물질에서 상대적으로 강하게 나타나며 의료영상에서 뼈나 조영제 등이 높은 대비를 나타내는 데 중요한 역할을 한다.
X선 광자가 전자에 에너지 일부를 전달한 뒤 더 낮은 에너지를 가진 상태로 방향을 바꾸어 진행하는 현상이다.
X선 광자 + 전자 → 산란된 X선 광자 + 반동 전자
컴프턴 산란은 영상의 대조도를 떨어뜨리는 산란선의 주요 원인이 될 수 있으며 방사선 차폐와 선량 계산에서도 중요하다.
X선이 물질 속을 진행하면서 흡수되거나 산란되어 원래 방향으로 진행하는 광자의 수가 감소하는 것을 감쇠(Attenuation)라고 한다.
단순한 좁은 X선 빔에서는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- I = I₀e-μx
- I₀ : 입사 X선 강도
- I : 투과 후 강도
- μ : 선형 감쇠계수
- x : 물질의 두께
NIST는 X선·감마선 등의 물질 투과와 에너지 흡수 계산에 사용되는 질량 감쇠계수와 질량 에너지흡수계수를 원소 및 여러 물질에 대해 제공한다.[11]
감쇠 정도는 다음 등에 따라 달라진다.
- X선의 에너지
- 물질의 원자번호
- 밀도
- 두께
- 화학적 구성
따라서 'X선이 얼마나 잘 통과하는가'는 X선이라는 이름만으로 정해지는 것이 아니다.
X선의 가장 대표적인 응용은 의료 영상이다.
FDA는 방사선 촬영, 투시촬영 및 CT가 모두 X선을 인체에 통과시킨 뒤 조직에 의해 흡수·산란되고 남은 X선을 검출하는 기본 원리를 이용한다고 설명한다.[12]
인체의 각 조직은 X선을 서로 다른 정도로 감쇠시킨다.
| 대상 | 일반적인 X선 투과 특성 | 영상에서의 경향 | ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 공기 | 매우 잘 통과 | 어둡게 | 지방 | 비교적 잘 통과 | 비교적 어둡게 | 연조직·물 | 중간 | 회색 | 뼈 | 많이 흡수 | 밝게 | 금속 | 매우 많이 흡수 | 매우 밝게 |
따라서 흉부 X선에서는 공기가 많은 폐와 뼈·심장 등 사이에 대비가 발생한다.
방사선 촬영(Radiography)은 X선을 인체에 한 방향으로 조사하고 투과된 X선을 검출하여 2차원 투영 영상을 만드는 방식이다.
FDA는 방사선 촬영에서 인체 내부 구조에 의해 X선 일부가 흡수 또는 산란되고 남은 X선 패턴을 필름이나 전자 검출기에 기록한다고 설명한다.[13]
대표적인 촬영은 다음과 같다.
- 흉부 X선
- 골절 검사
- 치과 X선
- 복부 촬영
컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography; CT)은 X선원과 검출기를 환자 주위로 회전시키면서 여러 방향의 X선 투영 데이터를 얻은 뒤 컴퓨터로 단면 영상을 재구성한다.
일반 X선 촬영이 구조가 겹쳐 보이는 2차원 투영 영상이라면 CT는 신체 내부의 단면과 3차원 구조를 보다 자세히 표현할 수 있다.
FDA는 CT가 환자 주위에서 다수의 X선 영상을 촬영하고 이를 컴퓨터로 단면 영상으로 재구성하며, 일반적인 단순 방사선 촬영보다 높은 방사선량을 수반한다고 설명한다.[12]
투시촬영(Fluoroscopy)은 X선을 연속적 또는 반복적으로 조사해 내부 구조의 움직임을 실시간에 가깝게 관찰하는 기술이다.
다음과 같은 용도로 사용된다.
- 혈관 중재시술
- 카테터 삽입
- 스텐트 시술
- 조영제의 이동 관찰
- 정형외과적 시술
FDA는 복잡한 중재시술처럼 투시 시간이 길어질 경우 비교적 높은 피부 방사선량이 발생할 수 있다고 설명한다.[12]
유방촬영술(Mammography)은 비교적 낮은 에너지의 X선을 이용해 유방 조직을 촬영하는 기술이다.
연조직 사이의 작은 밀도 차이를 구별하기 위해 일반적인 골격 X선 촬영과 다른 에너지와 촬영 조건을 사용한다.
연조직은 서로 비슷한 X선 감쇠 특성을 보여 단순 X선만으로 구별하기 어려운 경우가 있다.
이때 원자번호가 높은 물질을 포함한 조영제를 사용하면 X선 감쇠 차이를 크게 만들 수 있다.
대표적으로
- 요오드 조영제
- 황산바륨
등이 사용된다.
CT의 혈관·장기 조영이나 위장관 검사에서 이러한 원리를 이용한다.
X선 촬영과 MRI는 내부를 영상화한다는 공통점이 있지만 물리적 원리는 완전히 다르다.
| 구분 | X선·CT | MRI | |||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 에너지원 | X선 | 강한 자기장과 RF 전자기파 | 전리 방사선 | 사용함 | 사용하지 않음 | 뼈 관찰 | 우수 | 상대적으로 제한적 | 연조직 대비 | CT에서 우수 | 매우 우수 | 촬영 속도 | 비교적 빠름 | 일반적으로 더 오래 걸림 | 주요 위험 요소 | 전리 방사선 피폭 | 강한 자기장, RF 가열 등 |
어느 검사가 더 좋은지는 검사하려는 부위와 질환에 따라 달라진다.
초음파는 전자기파가 아니라 물질의 진동이 전달되는 기계적 파동이다.
따라서 X선처럼 전리 방사선을 사용하지 않는다.
초음파는 연조직과 태아, 혈류 등을 실시간으로 관찰하는 데 유리하지만 공기나 뼈를 통과하기 어렵다는 제한이 있다.
의료용 X선은 전리 방사선이므로 불필요한 노출은 줄이는 것이 원칙이다.
FDA는 전리 방사선이 DNA를 손상시킬 수 있으며 X선 촬영에 따른 주된 장기적 위험은 방사선으로 인한 암 위험이 소폭 증가할 가능성이라고 설명한다.[12]
다만 의학적으로 필요한 X선 검사는 일반적으로 얻을 수 있는 진단·치료상의 이익이 방사선 위험보다 크다.[12]
의료방사선 방호에서는 크게 두 가지 원칙이 중요하다.[12]
정당화(Justification)
- 검사를 통해 얻을 수 있는 이익이 방사선 위험보다 커야 한다.
- 필요 없는 촬영은 시행하지 않는다.
- 적합한 경우 초음파나 MRI처럼 전리 방사선을 사용하지 않는 대안을 고려한다.
최적화(Optimization)
- 진단에 필요한 영상 품질을 얻을 수 있는 범위 안에서 방사선량을 최소화한다.
- 흔히 ALARA(As Low As Reasonably Achievable) 원칙으로 표현한다.
어린이는 성인보다 방사선에 더 민감하므로 촬영 조건을 체격과 검사 목적에 맞게 조정하는 것이 특히 중요하다.[12]
X선을 감쇠시키기 위해서는 높은 밀도와 높은 원자번호를 가진 물질이 효과적으로 사용될 수 있다.
대표적인 차폐재는 다음과 같다.
- 납
- 텅스텐
- 콘크리트
- 철강
병원의 X선 촬영실 벽과 문, 장비 차폐부에는 촬영 조건에 맞는 차폐 구조가 사용된다.
그러나 '납 몇 mm면 모든 X선을 막는다'는 식으로 말할 수는 없다. 필요한 두께는 X선 에너지, 조사 방향과 장비 출력 등에 따라 달라진다.
X선 역시 물질을 통과할 가능성을 가진 광자이므로 실제 차폐에서는 완전히 차단한다기보다 허용 가능한 수준까지 감쇠시키는 개념을 사용한다.
흔히 X선이 '살은 통과하고 뼈는 통과하지 못한다'고 설명하지만 엄밀하게는 정도의 차이이다.
X선은 연조직에서도 일부 흡수되고 뼈도 일부 X선을 통과시킨다.
그러나 뼈에는 칼슘 등 상대적으로 원자번호가 높은 원소가 많이 포함되어 있으며 밀도도 높기 때문에 같은 두께의 연조직보다 X선을 강하게 감쇠시킨다.
그 결과 검출기에 도달하는 X선의 양에 차이가 발생해 영상에서 뼈와 연조직을 구별할 수 있다.
FDA는 X선 영상에서 신체 내부 구조가 X선을 서로 다른 정도로 흡수·산란하는 차이를 이용한다고 설명한다.[12]
X선은 물체를 파괴하지 않고 내부를 검사하는 방사선 비파괴검사에도 사용된다.
검사 대상에 X선을 통과시키고 반대쪽에서 투과 강도를 측정하면 내부의
- 균열
- 기공
- 용접 결함
- 이물질
- 조립 불량
등을 발견할 수 있다.
금속 부품, 항공기 부품, 전자부품, 배터리, 용접부 등의 검사에 이용된다.
의료용 X선과 원리는 비슷하지만 검사 대상과 필요한 투과력에 따라 더 높은 에너지의 X선이 사용될 수 있다.
공항과 물류시설의 수하물 검색에도 X선이 널리 이용된다.
가방 안의 물체마다 X선 흡수 특성이 다른 점을 이용해 내부 구조와 밀도 등의 정보를 영상으로 표현한다.
현대 공항 보안 검색에서는 단순한 2차원 X선 장비뿐 아니라 여러 방향에서 투영 데이터를 얻어 3차원 영상을 재구성하는 CT 방식의 수하물 검색기도 사용된다.[14]
보안검색 장비에서 표시되는 색은 실제 X선의 색이 아니다. X선은 사람의 눈으로 볼 수 없기 때문에 물질의 감쇠 특성 등을 작업자가 쉽게 구별할 수 있도록 소프트웨어가 임의의 색으로 나타낸 것이다.
X선의 파장은 원자 사이의 거리와 비슷한 수준이므로 결정 구조 분석에 매우 유용하다.
규칙적인 결정 격자에 X선을 조사하면 원자 배열에 의해 X선이 특정 방향으로 강하게 간섭하는 X선 회절(X-ray Diffraction; XRD)이 발생한다.
NIST는 X선 회절을 결정 내부의 주기적인 원자 배열과 비슷한 파장을 가진 X선이 회절하는 현상으로 정의한다.[15]
대표적으로 브래그 법칙을 이용하여 회절 조건을 설명할 수 있다.
- nλ = 2d sinθ
- n : 회절 차수
- λ : X선 파장
- d : 결정면 사이 거리
- θ : 입사각
회절 각도를 측정하면 결정 내부의 원자 간격과 결정구조를 분석할 수 있다.
XRD는 다음 분야에서 널리 사용된다.[16]
- 반도체
- 금속
- 세라믹
- 광물
- 박막
- 배터리 소재
- 의약품
- 재료공학
X선의 에너지 분포를 측정하면 물질의 원소 조성과 전자 구조를 분석할 수 있다.
대표적인 기법에는 다음이 있다.
- X선 형광 분석(XRF)
- X선 광전자 분광법(XPS)
- 에너지 분산형 X선 분광법(EDS/EDX)
- 파장 분산형 X선 분광법(WDS)
특성 X선의 에너지가 원소마다 다르다는 점을 이용하면 시료를 구성하는 원소를 식별할 수 있다.
전자현미경의 EDS 분석도 전자빔을 시료에 조사하여 발생한 특성 X선을 분석하는 방식이다.
고에너지 전자가 자기장에 의해 진행 방향을 바꿀 때 강력한 전자기 복사를 방출한다. 이를 이용해 매우 밝고 정밀한 X선 광원을 만드는 시설이 싱크로트론 방사광원이다.
실험실용 X선관보다 강도가 매우 높고 파장 조절이 가능하므로
- 단백질 구조 분석
- 반도체 분석
- 나노구조 분석
- 재료 내부 응력 측정
- 화학 반응의 실시간 관찰
등에 사용된다.
NIST 역시 싱크로트론 기반의 고강도 단색 X선을 이용한 XRD 장비를 재료 구조 분석에 운영하고 있다.[16]
우주에는 매우 높은 온도나 에너지를 가진 천체 현상에서 X선이 방출된다.
대표적인 X선원은 다음과 같다.[1]
- 블랙홀 주변의 강착원반
- 중성자별
- 펄서
- 초신성 잔해
- 매우 뜨거운 은하단 가스
- 태양 코로나
수백만 ℃에 이르는 매우 뜨거운 플라스마는 강한 X선을 방출할 수 있다.[1]
지구 대기는 우주에서 오는 X선의 대부분을 흡수하므로 X선 천문학에는 주로 우주망원경을 사용한다.[1]
대표적인 X선 우주망원경으로 NASA의 찬드라 X선 관측선(Chandra X-ray Observatory)이 있다.
일반적인 가시광선 망원경처럼 X선을 거울에 거의 수직으로 입사시키면 효과적으로 반사시키기 어렵다.
따라서 X선 망원경에서는 X선을 거울 표면에 매우 얕은 각도로 입사시키는 경사 입사(Grazing incidence) 방식이 사용된다.
NASA는 X선 망원경이 X선을 얕은 각도로 반사시켜 검출기에 집중시키는 방식을 사용한다고 설명한다.[1]
X선은 인공 장비에서만 발생하는 것은 아니다.
태양과 여러 천체가 자연적으로 X선을 방출한다.
그러나 지표에서 자연적인 우주 X선에 직접 노출되는 양이 적은 중요한 이유는 지구 대기가 대부분의 X선을 흡수하기 때문이다.[9]
고도가 높아질수록 우주방사선 환경이 달라지며 항공기 승무원이나 우주비행사에 대해서는 별도의 방사선 노출 관리가 필요하다.
초기 X선 촬영에서는 사진 건판이나 필름을 사용했다.
현대 의료영상에서는 대부분 디지털 검출기를 사용한다.
X선이 검출기에 도달하면
- 직접 전기 신호로 변환하거나
- 먼저 가시광선으로 변환한 뒤 전기 신호로 바꾸는 방식
등으로 영상을 얻는다.
디지털 영상은 필름에 비해 영상 처리, 저장, 전송, 확대 및 대조도 조절이 쉽다는 장점이 있다.
의료기관에서는 이러한 영상을 PACS 등을 이용해 저장·전송할 수 있다.
X선은 사람의 눈으로 볼 수 없으므로 X선 자체에는 사람이 직접 볼 수 있는 색이 없다.
천문학의 X선 사진이나 의료·보안용 X선 영상에서 나타나는
- 파란색
- 녹색
- 노란색
- 빨간색
등은 X선의 실제 색이 아니다.
검출된 X선의
- 에너지
- 세기
- 물질의 감쇠량
등을 사람이 알아보기 쉽도록 가시적인 색에 대응시킨 의사색상(False color)이다.
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