XRAY 이론

Xray란

파장이 10-11~10-9m 사이인 전자기파

물질에 대하여 강한 투과력을 가짐

특히 물질의 밀도에 따라 투과율이 달라져 이 원리를 이용하여 생체 내부를 촬영하는 의료장비와 산업용 비파괴검사장비 등으로 활용

• 전리방사선(Ionized radiation) : 물질을 구성하고 있는 원자의 궤도전자를 밖으로 튀겨내는 현상인 전리현상을 일으키는 방사선
  ex) Ø알파입자, 베타입자, 중성자, 전자, 양성자, 감마선, X-ray 등

• 비전리방사선 (Non-ionizing radiation) : 전리현상을 일으키지 않는 방사선
  ex) 태양광선, 자외선, 적외선, 가시광선 등

특징

• 사진작용
  형광작용 - ZnS, CdS, NaI 등에 조사 시키면 형광을 발생 시킨다.
  이온화작용
  높은 투과력
  진공중에서 빛과 같은 속도로 진행.
  회절(Diffraction) 현상을 갖고 있다.
  굴절률이 거의 1이다.

• 특성 X선 : 가속되어진 전자가 궤도전자와 상호작용하여 방출시켜 생긴 공공에 외각전자가 전이하며 발생된다. 외각전자가 전이할 때, 그 에너지 차만큼 전자파가 방출되는데, 이 방출되는 전자파를 특성X선이라 한다

• 연속 X선 : 가속되어진 전자가 원자핵 부근에서 쿨롱힘에 의해 감속되면서 그 감속된 차만큼 전자파를 방출하게 된다. 이 현상을 제동복사라 하며 방출되는 방사선을 제동복사선 또는 연속 X선이라고 한다.

1. 음극(cathode)에 전류를 흘려주면 전자들(electron beam)이 방출. (이 때, 방출된 전자는 운동을 하지 않는다.)

2. 양극(anode)과 음극(cathode)에 전압을 걸면 음극에서 나온 전자가 양극쪽으로 운동. (높은 전압을 걸수록 운동이 가속화 된다.)

3. 가속화된 전자가 양극(anode)의 target 금속과 충돌.

4. 음극(cathode)에서 나온 전자가 target 금속의 원자와 상호작용하며 X-ray가 발생.

X-ray Tube 구성요소

X-ray Tube 연관 용어

관전압 (Tube Voltage, kVp)

• 정의: 캐소드–애노드 사이의 전압
  전자가 캐소드에서 방출되어 애노드로 가속되는 에너지를 결정

• 역할: 전자의 운동 에너지 결정 → 타겟에서 생성되는 X-ray의 에너지(관통력) 결정
  관전압이 높을수록 전자 속도가 빨라지고, X-ray의 에너지와 관통력이 증가

• 일반 범위:
  의료용: 40~150 kV
  산업용/검사용: 80~300 kV 이상
  에너지가 클수록: 고속 전자 → 고에너지(X선) 생성

• 관전압은 X-ray tube에서 발생하는 X-ray의 최대 에너지 값에 제한 조건으로 작용

관전류 (Tube Current, mA)

• 정의: 단위 시간당 흐르는 전자 수 (정확히는 전하량)
  역할: 생성되는 X-ray의 양(세기, intensity) 결정
  전류 증가 시 전자가 많아져 X-ray도 많아짐 → 영상 밝기 증가
  일반 범위: 수 mA ~ 수백 mA (산업용 기준)

• X-ray 튜브를 통해 흐르는 전자의 양, 즉 캐소드에서 애노드로 이동하는 전자의 수. 필라멘트에 흐르는 전류
  관전류가 높을수록 더 많은 열전자가 발생

그리드 (Grid)

• 역할: 전류 제어 (Gate 역할)
  전류(전자 흐름)을 제어하는 전극

• 제어 방식: 음전압 인가 시 전자 빔 차단

• 그리드 전압을 변화시켜 관전류(Anode Current)의 크기를 조절 가능
  보통 음의 전압(예: -50V ~ 0V) 를 가지며, 양전압이 되면 과전류 발생 가능

필라멘트 (Filament)

• 역할: 열전자 방출을 통해 자유 전자를 생성
  소재: 주로 텅스텐(W), 또는 LaB₆, CeB₆ (열방출 효율 높음)
  전원 인가: 수 V, 수 A (보통 25V / 36A)
  기능 대상: 캐소드 내부 구성요소로, 전자 방출의 핵심

• X-ray 튜브의 캐소드 부분에 위치한 가는 금속 코일.
  전류를 흘려 필라멘트를 가열하여 열전자(thermal electron) 방출
  열전자가 방출되면 전자들이 관전압에 의해 애노드로 가속되어 X-ray를 생성

• 보통 진공관 내부의 필라멘트(Heater)를 가열하기 위한 전압 공급선
  필라멘트가 가열됨으로써 전자 방출을 유도함

캐소드 (Cathode)

• 정의: 전자를 발생시키는 음극
  구성요소: 필라멘트 + 전자 포커싱 구조
  전압: 일반적으로 지면(GND) 또는 음극 전위 (–kV) 로 설정

• 기능:
  전자 방출, 전자 빔 형성 및 애노드 쪽으로 가속

• 진공관에서 전자 방출이 일어나는 전극
  필라멘트와 전기적으로 연결되어 있으며, 기준 전압 역할
  캐소드 전압을 제어하여 전류 흐름을 조절

전자의 흐름: 음극 → 양극
전류의 흐름: 양극 → 음극

Anode (아노드)

• 정의: 전자가 충돌하여 X-ray를 발생시키는 양극

• 구성:
  타겟(Target): 텅스텐(W), 몰리브데넘(Mo), 구리(Cu) 등
  열 분산 구조: 정지형(static) or 회전형(rotating)

• 역할:
  전자 충돌 → 감속 → X-ray (브레믈룽, 특성 X선)
  열의 대부분 (90% 이상)을 흡수하므로 냉각 설계 필수

• 아노드는 전자들이 모이는 곳으로 높은 전압이 걸림
  Anode 전압이 높을수록 전자 흐름이 강해짐

요약

구성 요소	기능 요약	주요 대상/역할
관전압 (Tube Voltage, kV)	전자 가속 에너지	전자 에너지 결정 → X-ray 에너지(강도) 결정
관전류 (Tube Current, mA)	전자 수량 → X-ray 세기 결정	방사선량, 영상 밝기와 직접 연관
필라멘트 (Filament)	전자 발생: 열전자 방출 (Thermionic emission)	전자 방출 원 → 캐소드에 포함됨
그리드 (Grid)	전자 흐름 제어 (on/off or pulsing)	빠른 차단 및 타이밍 제어
캐소드 (Cathode)	음극: 전자 공급 원	필라멘트 포함, 전자를 발생시켜 애노드로 전달
애노드 (Anode)	양극: 전자 충돌 → X-ray 생성	타겟 물질 존재 (W, Mo, Cu 등), 열발산 필요

상호작용

관전압 상승

항목	변화
전자 가속도	상승
X-ray 최대 에너지 (관통력)	증가 (더 딥하게 침투 가능)
관통력	증가 (금속, 뼈, 콘크리트 관통 가능)
X-ray 스펙트럼의 평균 에너지	증가
타겟 발열	급격히 증가 (냉각 설계 중요)
영상 대비 (Contrast)	↓ (조직 간 흡수 차이 줄어듦)

관전류 상승

항목	변화
열전자 수	증가
애노드 충돌 전자 수	증가
X-ray 발생량 (세기, intensity)	증가
영상 밝기	↑
타겟 열부하	상당히 증가 (냉각 매우 중요)
조직 대비 영향	없음 (세기만 변화)

필라멘트 전압 상승

항목	효과
필라멘트 온도	상승
열전자 방출량	증가
관전류 가능량 (mA)	증가
X-ray 세기	증가
발열 및 필라멘트 수명	급감 (증발 가속)
스페이스 차지 효과	심화 (저전압에서 전류 포화)

그리드 전압 (음전압) 증가

항목	효과
전자 차단 능력	향상
관전류	감소 (또는 차단)
X-ray 발생	감소/정지
타이밍 정밀도	향상 (Fast Gate 가능)
동작 마진	줄어듦 (너무 높으면 완전 차단 어려움)

요약

제어 요소	주 대상	조정 결과	부작용/주의
필라멘트 전압	전자 방출량	관전류↑ → X-ray 세기↑	수명↓, 방출 안정성↓
그리드 전압	전자 게이팅	전자 흐름 차단/허용	오프 전압 불충분 시 누설
관전압	전자 에너지	X-ray 에너지↑ → 관통력↑	대비↓, 안전이슈↑
관전류	전자 수량	X-ray 세기↑ → 밝기↑	타겟 과열, 열 스트레스↑

X-ray Tube의 종류

진공 확보 방법에 따른 구분

• Closed tube
  제조과정에서 진공 형성 후 진공밀봉 처리함
  내부부품 교체 불가능
  고장 시 모든 set 교환

• Open tube
  시스템에 장착된 진공 펌프를 이용하여 진공 형성
  Closed tube에 비해 더 높은 배율, 더 좋은 Resolution 구현.
  Target과 Filament 등 소모품 교체 가능하며 반 영구적 사용 가능

동작 개요

• 필라멘트 전압이 가해지면, 필라멘트가 가열되어 전자를 방출하게 됨.

• 캐소드는 필라멘트에서 방출된 전자들이 출발하는 전극으로, 기준 전압을 형성.

• 그리드(Grid Voltage) 를 적절한 값으로 조절하여 전자 흐름(전류)을 제어.
  그리드가 음전압이면 전자 흐름이 제한됨.
  그리드가 0V 또는 양전압이면 전자 흐름이 증가하여 관전류 증가.

• 아노드(Anode) 는 높은 전압을 걸어 전자들을 끌어당김.
  아노드 전압을 높이면 전자 흐름이 증가하고, 그리드 전압을 낮추면 전류가 제한
  전류 흐름에 따라 탭 전압(Tap Voltage) 가 변화하며, 이는 측정을 위한 포인트

측정 방법

• 관전류 측정 : Anode와 Cathode 사이의 전류를 샘플링 저항(Rsense) 또는 전류 프로브로 측정
• 그리드 전압 측정 : 오실로스코프로 Grid-to-Cathode 전압을 확인.
• 필라멘트 전압 측정 : 필라멘트 양단의 전압을 직접 측정.

Ref
https://www.hellot.net/news/article.html?no=24205
https://www.seceng.co.kr/technology/xray_principle/
https://yooshinchoi.com/2020/10/02/triode-vacuum-tube-3%EA%B7%B9-%EC%A7%84%EA%B3%B5%EA%B4%80/
http://www.techvalley.co.kr/service/x-ray.php