X-ray Source

뢴트겐에 의해 X-ray가 처음 발견된 이후 X-ray와 관련된 과학기술은 비약적 발전을 이루었고, 현대에서 X-ray를 이용한 분석 및 활용은 첨단 연구에서부터 일상 생활에까지 다양한 분야에 스며들어 있습니다. X-ray는 전자기파의 일종으로 가시광선과 자외선 너머의 10 ~ 0.01nm 영역의 파장을 가집니다. X-ray를 생성시키는 방법은 크게 (1) 튜브 타입과, (2) 방사광 가속기를 이용하는 것이 있습니다.

X-ray 튜브

기본원리

진공관의 음극에서 방출된 전자가 높은 전기장에 의해 가속되어 양극에 있는 금속 target과 충돌을 일으킵니다. 이때 전자가 가진 운동에너지의 99%는 충돌에 의한 열의 현태로 전환되지만, 그 중 1% 이내의 에너지가 X-ray 형태로 전환되어 방출됩니다.

타겟과의 충돌에 의해 유입된 높은 에너지의 전자는 물질 내부 원자핵 근처를 지나가면 원자핵과의 전자기적인 상호작용에 의해 전자의 운동속도가 느려지고, 경로가 굽어지게 되어, 결국에는 정지하는데, 이때 전자의 운동에너지는 그 만큼의 손실이 발생하게 되고 그 손실에 해당하는 만큼이 X-ray로 방출되며 이를 Bremsstahlung X-ray라고 합니다. Bremsstahlung은 독일어로 "braking radiation"을 의미하고, X-ray tube에서 발생하는 X-ray의 대략 80%가 Bremsstahlung X-ray입니다. 한편 물질 내 높은 에너지로 유입된 전자 중 일부는 원자 내 속껍질 전자(Inner shell electron)와 충돌을 일으켜, 이 전자가 원자와의 결합을 깨고 탈출하게 만듭니다. 원자 내에 전자가 탈출하고 남은 자리에는 정공 (hole)이 형성되고, 이때 바깥 껍질 전자 (Outer shell electron)가 속껍질 내 정공과 결합을 하게 되어, 그 때 가진 에너지를 X-ray로 방출한 것을 특성 엑스선 (Characteristic X-ray)라 합니다. 원자들 마다 내부 전자의 에너지 준위가 다르므로 특성 엑스선의 에너지는 원자 마다 특징적인 값을 가집니다.

X-ray 스펙트럼

X-ray튜브 타입에서 생성되는 X-ray스펙트럼은 Broad한 Bremsstahlung에 Sharp한 Characteristic x-ray가 결합된 형태로 전자의 가속전압 및 타겟 금속물질의 종류에 따라 달라집니다. 따라서 활용에 쓰이는 X-ray가 broad한 스펙트럼이 필요한지, 아니면 sharp한 에너지 분포가 필요한지, 그리고 필요한 X-ray 에너지에 따라 전자 가속조건과 Target 물질이 결정됩니다.

방사광 가속기

기본원리

고전 전자기학에서 전하를 가진 입자가 가속운동을 하면 전자기파를 발생시킵니다. 균일한 자기장 속을 자기장과 수직한 방향으로 입사하는 하전 입자는 로렌츠힘을 받아 원운동을 하게 되는데, 이때 원운동 하는 하전입자가 충분히 가속하여 빛의 속도에 가까워지면 상대론적 효과에 의해 원운동 궤적의 접선 방향으로 강한 전자기파를 발생시키고 이를 Synchrotron Radiation이라 합니다. 대부분의 방사광 가속기는 전자를 가속시켜 이를 통해 얻어지는 X-ray를 활용합니다. 원형으로 구축되는 가속기는 전자가 가속되어 원운동을 하는 저장링과 접선 방향으로 방출되는 X-ray를 이용하는 여러 개의 빔라인으로 구성되어 있습니다.

방사광 가속기 X-ray의 특징

Synchrotron Radiation을 X-ray 광원으로 쓰는 경우 일반적 Lab 용 X-ray Tube에 비해 다음과 같은 특징적인 장점을 가집니다.

• 1) Synchrotron radiation이 일반 X-ray tube에 대해 갖는 가장 큰 장점은 광원으로서의 X-ray 밝기가 작게는 수만 배에서 수백만 배 크다는 것이다. 광원이 강할수록 분석의 정확성, 확장성, 적용성 등 많은 강점을 가집니다.
• 2) Synchrotron Radiation의 파장 특성은 넓은 영역의 파장에 대해 완만히 분포된 특성을 가집니다. 따라서 UV에서 Hard X-ray까지 원하는 파장 영역을 선택적으로 활용할 수 있습니다. 장점과 같은 것으로 이를 이용하여 다양한 특화된 특성 분석이 가능케 해줍니다.
• 3) Synchrotron에서 나오는 전자기파는 결맞음(Coherent)과 편광 특성(polarized)을 가지고 있습니다. 이는 X-ray tube와 비교했을 때 마치 일반 전구의 빛 대비 레이저가 가지는 장점과 같은 것으로 이를 이용하여 다양한 특화된 특성 분석이 가능케 해줍니다.
• 4) Synchrotron radiation은 아주 짧은 형태의 펄스파를 구현 할 수 있습니다.

이를 이용하여 화학 반응과 같이 아주 짧은 시간에 발생하는 재료의 특성 변화를 관찰할 수 있습니다.(Time resolved analysis).

방사광 가속기의 종류

원형가속기에서의 Synchrotron radiation의 기초 형태에서 광원의 특성을 향상시키기 위해 Wiggler, Undulator가 사용되고 있으며, 선형가속기에서는 Laser와 같은 특성을 갖는 X-ray를 만들 수 있습니다. (Free electron laser).

Sigray FAAST (Fine Anode Array Source Technology)

기존 튜브 타입 X-ray source에서 X-ray의 flux를 증가시키기 위해서는 전자의 전력량(가속전압과 전류)을 증가시켜야 합니다. 그러나 전력량을 과도하게 올리면, 전자 충돌에 의한 열에 타겟 금속이 녹는 현상이 생기고, 이것은 튜브 타입에서 X-ray flux가 한계를 가지는 가장 큰 제한 요인이 되고 있습니다. 이를 극복하기 위해 Sigay가 개발한 방법은 열전도율이 높은 다이아몬드(구리 대비 4배)를 기판에 금속재료의 micro-pattern을 구축하여 이를 타겟으로 사용하는 것 입니다.

이러한 디자인을 통해 더 많은 전력량을 인가할 수 있어, 기존의 micro-focus x-ray tube나 rotating anode x-ray tube에 비해 10~50 배 강한 X-ray flux를 달성하였습니다. 또한 FAAST source는 아래와 같은 부가적인 장점을 가지고 있습니다.