방사선 발생장치

방사선 발생장치

방사선 발생장치란 인공적으로 방사선을 방출하도록 만든 것으로서 전기에너지 또는 특정 핵반응을 방사선 방출 에너지원으로 사용한다. 대표적인 방사선 발생장치는 하전입자를 전기장으로 가속하여 높은 에너지를 부여하고 이를 직접 방출하거나 표적 물체에 흡수시켜 2차 방사선(주로 X선)을 내도록 한 장치들로서 X선 장치와 콕크로프트-왈튼, 반데그라프, 전자 선형가속기, 사이클로트론, 베타트론 등의 가속기가 있다. 특수한 발생장치로는 D-T, D-D 융합반응을 이용한 중성자 발생장치가 있다.

X선 발생장치

방사성물질로부터 X선이 방출되기도 하지만 뢴트겐이 발견했고 널리 사용되는 X선원은 인공적으로 X선을 방출하도록 만든 X선 장치이다. X선장치는 X선 관과 고전압 발생장치, 냉각장치, 제어장치 등으로 구성된다.
X선 관은 진공관 내에 열전자(뜨거운 금속 표면에서 방출되는 전자)를 내도록 필라멘트로 가열되는 음극과 방출된 전자가 가속되어 부딪치도록 높은 전압으로 대전 된 양극 표적을 설치한 것이다. 표적 물질로는 보통 원자번호가 크고(원자번호 Z=74) 융점(3400ºC)이 높은 텅스텐이 사용되지만 용도에 따라 로듐(Rh, Z=45)이나 몰리브덴(Mo, Z=42)도 사용된다. 전자가 표적에 입사되면 전자와 표적 원자의 상호작용에 의하여 전자파인 X선이 방출된다. 일반적 X선 장치에서 방출되는 X선은 대체로 제동복사선이지만 약간의 특성 X선도 함께 방출된다. 제동 복사선은 감속의 정도가 임의적이므로 방출 X선도 임의의 에너지(전자의 초기에너지보다는 작아야 함)를 갖는 연속 에너지 스펙트럼을 갖게 되지만, 특성 X선은 원자의 전자각 에너지 준위가 핵종에 따라 지정되어 있기 때문에 방출 X선도 특정한 값을 갖는 단색 전자파이다.
X선 발생장치의 방출 X선 스펙트럼은 전자를 가속하는 관전압과 표적 물질에 의해 결정된다. 대체적인 스펙트럼의 모양은 관전압에 의해 결정되고 표적 물질에 따라 부분적으로 변동이 있다. 당연히 관전압이 높으면 스펙트럼이 고에너지 쪽으로 이동한다. X선 관을 흐르는 전류는 스펙트럼의 강도를 변화시킬 뿐 기본적인 모양을 바꾸지는 않는다. 방출 X선의 강도는 대체로 표적물질의 원자번호 Z와 하전입자의 에너지 E의 곱에 비례한다. 일반적인 X선 관의 X선 변환효율(전자의 에너지가 X선의 에너지로 바뀌는 비율)은 0.5~1% 정도이다.
실용 X선 빔의 에너지 스펙트럼은 사용하는 필터에 따라 변화가 생긴다. 대개 X선 관은 유리나 알루미늄으로 된 진공관이므로 이 벽도 본질적인 필터의 역할을 한다. 추가로 필터가 필요한 경우에는 X선 빔이 방사되는 다이어프램에 구리나 알루미늄 등으로 제작된 필터를 첨가한다. 필터는 주로 낮은 에너지의 연질 X선을 흡수하게 된다. 이런 이유로 이론상으로는 에너지가 0에 가까운 X선이 많이 발생되지만 실제에서는 중간 에너지의 부분이 불룩한 모양을 갖는다. 특히 인체에 X선을 사용할 경우 투과력이 미약한 연질 X선은 방사선 사진이나 암세포 살상 작용에 기여하지 못하고 노출된 피부조직에만 피해를 줄 수 있으므로 목적에 맞는 필터로 걸러주는 것이 필요하다.
X선 발생장치는 목적에 따라 특성 X선을 주로 방출하도록 제작하기도 하고 제동 복사선을 주로 방출하도록 제작하기도 한다. 의료용 및 공업용 X선은 제동 복사선에 의한 연속 스펙트럼을 사용하는 것이며 특성 X선은 결정 분석 등 특별한 목적에만 사용된다. 제동 복사선에 의한 X선은 필라멘트 전류를 증가시키면 열전자의 방출이 증가되어 관전류(음극에서 양극으로 흐르는 전자의 양에 의한 전류)가 증가되고 이에 비례하여 X선의 방출량이 증가한다. 한편 음극과 양극 간의 전위차(관전압)를 증가시키면 가속되는 전자의 에너지가 커져서 높은 에너지의 X선이 방출된다. 따라서 용도에 따라 관전압과 관전류를 조정하여 필요한 성질을 갖는 X선을 발생시킬 수 있다.
통상 관전압은 kVp 또는 KVCP로 나타내는데 kVp는 killo volt peak의 약호로서 맥류형으로 인가되는 고전압의 최대치를 말하며 KVCP는 Killo Volt Constant Poteneial의 약호로서 높은 주파수 펄스를 사용함으로써 거의 일정한 고전압이 인가된다. kVp로 표기된 X선 장치에서 X선의 방출은 사용 전원의 위상(단상 또는 삼상)과 주파수에 따라서도 달라진다. 인가전압 외에도 X선의 출력은 관전류과 관계된다. 관전류는 mA 단위로 나타낸다. 관전압을 고정하고 관전류만 K 배 증가시키면 방출되는 X선의 최대 에너지 강도는 K 배 증가한다. 그러나 관전압을 K 배 증가시키면 방출되는 X선의 최대 에너지가 K 배 증가함은 물론 제동복사 효율의 향상으로 X선 양도 증가하여 출력은 대략 K^2에 비례하여 증가한다.
X선회절 분석기(XRD)처럼 단색 특성 X선을 이용하려는 장치에서 X선 관은 제동복사선 방출을 억제하기 위해 상대적으로 낮은 원자번호의 얇은 표적을 사용한다. 이러한 X선 관은 대개 낮은 출력으로 운전되므로 일체형 고정표적형이다.
현대 X선 발생장치는 용도에 따라 다양한 외관을 가지며 잠재적인 방사선 위험도 크게 다르다. XRD나 X선 형광 분석기(XRF)처럼 저출력이고 인터로크가 있는 캐비넷에 내장되어 있어 거의 본질적으로 안전한 것이 있는가 하면, 전산화 단층촬영기(CT)를 포함하여 병원에서 널리 이용되는 X선 촬영 장치나 형광투시 장치와 같은 중형도 있고, 선형가속기를 이용하는 암치료용 X선 빔 발생장치처럼 대형도 있다.