엑스선

뢴트겐이 찍은 그의 부인 손의 엑스선 사진 (반지 포함)

엑스선(X-ray, X-radiation, X선, 엑스레이)은 파장이 10 ~ 0.01 nm이며 주파수는 3 × 10¹⁶Hz에서 3 × 10¹⁹Hz 사이인 전자기파다. 이는 자외선보다 짧은 파장의 영역이다. 독일의 물리학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐(Wilhelm Conrad Röntgen)이 처음 발견하여 이름 붙였으며 그의 이름을 따라 뢴트겐선으로도 부르기도 한다. 뢴트겐은 이 발견으로 최초의 노벨 물리학상을 수상했다. 엑스선은 투과성이 강하여 물체의 내부를 볼 수 있으므로 의료 분야 및 비파괴 검사 등에 널리 쓰인다.

개요

엑스선은 빠른 전자를 물체에 충돌시킬 때 투과력이 강한 복사선(전자기파)으로 방출된다. 엑스선은 자외선보다 짧은 파장의 영역이고 감마선보다 긴 파장의 영역에 속한다. X선과 감마선을 파장의 길이로 구별하는 것은 사실상 어렵다기보단 의미가 없다. X선과 감마선은 에너지가 아니라 발생 원인으로 구별하는 것뿐이며 겹치는 영역이 있다. 더 쉽게 말하자면 낮은 에너지의 감마선도 있고 마음만 먹으면 메가전자볼트(MeV) 단위의 X선도 낼 수 있다. X선과 감마선을 구별하는 중요한 차이는 발생원에 의한 차이이며 에너지 분포가 어떠한가에 따라서도 구별할 수 있다. 전자기파의 파장별 분류는 단순히 임의적으로 구분된 것일 뿐이며 말그대로 파장의 길이(바꿔 말하면 에너지 혹은 진동수)가 다르다는 것 외에는 본질적으로 아무런 차이도 없다는 사실이다. 특히 X선과 감마선의 경우엔 심지어 파장이 겹치기까지 하는데 이는 X선과 감마선을 발견할 당시 이들이 전자기파인 줄조차 몰랐기 때문이다. X-ray라는 이름 자체도 일단 발견은 했는데 그 정체를 알 수 없어서 미지의 x를 넣은 것이다. 당시 시대가 양자역학은커녕 물질파 가설이나 광전 효과가 발표되기 수십 년 전이었으니 결론적으로 말하자면 똑같은 것을 몇몇의 우연이 겹쳐 그저 다르게 명명한 것뿐이라고 해도 과언이 아닐 정도다. 흔히 방사선을 분류할 때는 엑스선과 감마선을 구분하지 않는다.

엑스선은 가시광선보다 투과력이 높아 의학에서 몸속 사진을 찍는데 쓰이며 파장이 짧아 물질의 구조를 알아내는데 쓰인다. 우리가 흔히 빛이라고 하는 가시광선은 전자기파로 일반화할 수 있다. 가시광선보다 파장이 짧은 전자기파는 대개 파장이 긴 순서대로 자외선, 엑스선, 그리고 감마선으로 분류한다. 파장이 짧으면 전자기파의 에너지가 커지고 투과력이 높아진다. 엑스선 자체도 가지고 있는 에너지 크기에 따라 파장이 0.1 ~ 0.2 나노미터보다 길면 무른 엑스선(저에너지 엑스선, soft X-ray), 짧으면 굳은 엑스선(고에너지 엑스선, hard X-ray)으로 세분한다. 엑스선은 투과력이 높아 피부 세포는 잘 투과하지만 뼈조직은 잘 투과하지 못하므로 뼈 사진을 찍는데 쓰인다. 그러나 피부도 완전히 투과하지는 못하고 투과하는 정도가 각 기관마다 미세하게 다르므로 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography, CT)에도 엑스선을 활용한다. 이보다 더 투과력이 높은 분야(건물 비파괴 검사)에는 파장이 더 짧은 감마선을 사용한다. 엑스선은 파장이 0.01 ~ 10 나노미터로 원자의 크기 정도이다. 따라서 이를 원자에 산란(scattering)시키면 원자의 배열에 대한 정보를 주므로 고체 결정이나 분자의 원자구조를 탐구할 수 있다. 브래그 산란 등을 통하여 고체의 원자구조를 밝혀낼 수 있고 디옥시리보핵산(DNA)의 구조를 알아내는데도 엑스선 산란 사진을 이용하였다. X선은 이온화선(ionizing radiation)으로 DNA와 같은 분자에서 이온을 떼어낼 수 있다. 의사들 사이에서는 X선 사진보다는 뢴트겐 사진이라고 더 많이 불린다. 미국과 일본에서 많은 영향을 받은 국내 의학계, 특히 방사선학이라고 불리는 의료 방사선 관련 학문은 일본에서 많은 발전이 있었으며 일본에서는 방사선학 대신에 뢴트겐 학이라는 이름을 많이 사용한다. 방사선을 다루는 학문에서는 유독 일본에서 유래한 단어가 많은 것도 이 때문이며 요즈음은 X선, X레이라고 더 많이 하지만 아직 일본에서 유학을 하고 온 사람이나 그런 스승 혹은 상관 밑에서 수학한 의사들을 중심으로 간간이 쓰인다.

성질

엑스선의 파장의 한계는 분명하게 정의되어 있지 않으나 보통 10⁻¹⁰m의 수백 배에서 수백만 분의 1의 파장의 빛을 엑스선이라 부르고 있다. 엑스선은 엑스선의 발생 방법에 따라 2가지 종류가 있다. 하나는 제동 복사에 따라 만들어지는 연속 엑스선으로서 전자가 원자나 원자핵에서 받는 쿨롱 힘에 의해 갑자기 진로가 바뀔 때에 발생하는 엑스선이다. 다른 하나는 특성 엑스선으로서 원자 속의 깊은 에너지 준위에 있는 전자가 제외되었을 때 그 공백을 메우려고 바깥쪽 궤도에서 전자가 이동할 때 발생하는 엑스선이다.

엑스선은 매우 빠르게 움직이는 전자가 무거운 원자에 충돌할 때 발생한다. 가열된 음극 필라멘트로부터 나온 전자는 양극 표적을 향해서 가속된다. 이때 전자의 최종 속도는 전자가 얻은 운동 에너지가 전기장에 의해서 전자에 한 일(단위: 전자볼트)과 같다고 놓음으로써 계산할 수 있다. 이 전자의 운동에너지는 충돌시 대부분 열로 전환되며 단지 1% 미만의 에너지만이 엑스선을 발생시키는데 이용된다. 양극의 역할을 하는 표적으로는 보통 크로뮴, 철, 코발트, 니켈, 구리, 몰리브데넘, 텅스텐 등을 쓴다. 표적에 도달한 고속의 전자는 원자핵의 쿨롱 장에 의해서 강하게 굴곡되어 저지당한다. 이때 전자의 운동 에너지 중 일부가 제동 복사로 방사되는데 이것이 바로 엑스선이다. 이런 종류의 엑스선의 스펙트럼은 연속적이므로 이를 연속 엑스선이라고 한다.

한편 전자는 표적 원자의 궤도 전자를 쫓아내든지 아니면 높은 준위로 들뜨게 함으로써 운동 에너지 가운데 일부를 잃는데 이에 따라 높은 궤도로부터 낮은 궤도로 전자가 떨어지면서 엑스선이 방사된다. 이 엑스선은 궤도 사이의 에너지 차에 의해 주어지는 불연속적인 스펙트럼을 가진다. 그러므로 이 엑스선을 특성 엑스선이라 부른다. 엑스선을 투과력에 따라 분류할 수도 있다. 약 0.12 ~ 12 킬로전자볼트는 연엑스선(soft X-ray), 약 12 ~ 120 킬로전자볼트는 경엑스선(hard X-ray)으로 부른다.

특성 엑스선 계열

특성 엑스선은 원자 궤도 사이의 에너지 차에 관계되는 것으로 그 파장은 표적으로 사용된 원소에 따라 다르지만 엑스선관에 걸어준 전압과는 관계없다. 특성 엑스선의 스펙트럼은 파장이 짧은 쪽으로부터 K, L, M 등 계열이 있다. 고속 전자가 원자에 충돌하면 핵에 가까운 내측각의 전자가 튕겨나가 빈 자리를 만들고 이 궤도에 외측의 각을 차지하고 있던 전자가 떨어져 채워진다. 에너지가 높은 궤도에서 낮은 궤도로 천이한 전자는 이 에너지 차이를 전자기파로 방사하고 이것이 특성 엑스선이 된다. 외측 각의 전자가 K 각으로 천이할 때에 방사되는 엑스선이 K계열의 스펙트럼을 만든다. 같은 방법으로 L계열, M계열로 계속되고 이 순서로 파장이 길어진다.

K각의 빈자리가 L각으로부터의 전자에 의해 채워져 생기는 엑스선을 Kα선, M각의 전자에 의해 재워져 생기는 엑스선을 Kβ선이라고 말한다. Kβ선은 Kα선보다 파장이 조금 짧다. 또 L각은 LⅠ, LⅡ, LⅢ, M각은 MⅠ, M Ⅱ, MⅢ, MⅣ, MⅤ 이라고 하는 미세 에너지 준위를 갖고 있다. Kα선은 Kα1, Kα2의 이중선으로 구성되어 있으나 Kα1은 LⅢ각에서의 천이, Kα2는 LⅡ각에서의 천이에 의해 생긴다. 이들의 천이 확률은 약 2:1로 이것이 Kα1, Kα2의 강도비이다.

예를 들어 필라멘트 관에서의 엑스선 발생을 생각해 보자. 이 관은 진공인 유리관으로 되어있고 유리관은 한쪽 끝에 있는 양극에서 다른 끝에 있는 음극을 절연하며 음극은 텅스텐 필라멘트이고 양극은 물로 냉각하는 구리 블록이며 이 블록은 한끝에 작은 삽입물로서 원하는 목표물 금속을 포함한다. 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 가열시키면 열전자가 발생을 하고 그 전자에 전압을 가해서 가속을 시킨다. 가속된 전자는 타깃에 부딪히고 운동 에너지 공식 E=eV=mv²/2에 의해서 목표물에 부딪힌 열전자의 속도가 줄어들면 줄어든 속도만큼 파장이 생기게 된다. 파장이 짧을수록 에너지가 높다. 이로써 엑스선이 발생하고 발생된 엑스선 중에서 특성 엑스선을 뽑아서 재료 분석에 사용한다. 목표물이 달라지면 전자 구조도 달라지며 따라서 특성 엑스선의 파장도 달라진다. 즉 특성 엑스선은 목표 물질에 따라 다르며 이로써 목표 물질의 구조를 분석할 수 있다.

엑스선 관

엑스선을 발생시키기 위한 진공관을 엑스선관(X線管)이라 한다. 엑스선관은 음극에서 튀어나온 전자를 양의 전압이 걸린 양극(대음극)까지 달리게 하여 가속시켜서 에너지가 커진 전자를 양극판에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 장치이다.

금속/세라믹 엑스선관

금속/세라믹 엑스선관은 관의 재질을 유리 대신 금속과 세라믹 절연체로 만든 엑스선관이다. 다음과 같은 장점이 있다.

• 초점에 벗어난 방사선의 양이 적음

가속된 전자가 양극의 목표물 이외의 금속 표면과 작용하여서 생기는 것으로 주 발생원은 양극으로부터 후방 산란된 전자에 의해 생기는데 이 산란된 전자가 2차적으로 양극과 부딪히면서 엑스선을 발생시킨다. 금속 표면의 전하는 접지되어 있므로 전자에 비해서 상대적으로 양전하를 가지므로 엑스선관의 접지된 금속벽으로 초점에 벗어난 전자들을 끌어당김으로써 초점에 벗어난 방사선을 줄인다.

• 더 긴 수명 및 더 높은 관전류를 쓸 수 있음

텅스텐이 엑스선관 벽에 침착되면 전극으로 작용하여 유리벽과 필라멘트 사이에서 아킹(arcing)을 일으켜 문제가 되나 금속 엑스선관은 접지되어 있으므로 텅스텐이 침착되어도 접지된 것에 영향을 미치지 않아 특히 혈관 촬영과 같이 관전류가 높은 경우에도 유리관보다 더 오래 쓸 수 있다. 양극의 열 저장 능력이 크기 때문에 즉 연속적으로 노출하였을 때에도 금속 표면을 통해 oil로의 열전도가 더 효율적으로 이루어지고 냉각도 더 잘 되므로 좀 더 높은 관전류를 사용할 수 있다.

입자가속기를 이용한 발생

스위스 제네바 근방의 유럽입자물리학연구소(CERN)에서 만든 입자 가속 및 충돌기인 거대 하드론 충돌기(Large Hadron Collider:LHC)만큼 거대한 건 아니더라도 일반적으로 사용하기엔 엄청나게 큰 그 입자가속기이다.

1세대 X선 발생기

물리학자들이 원형으로 입자가속기를 만든 이유는 원형이 기하학적으로 아름다워서가 아니다. 원형 가속기의 경우 같은 라인을 돌리면서 하전 입자를 계속 가속시킬 수 있지만 선형가속기의 경우 계속해서 가속을 시키기 위해선 같은 선형 가속기를 쭈욱 연결해 놓아야 하기 때문에 큰 에너지를 필요로 하는 실험에서 하전 입자를 원하는 만큼 가속시키려면 가속기의 길이가 대책 없이 길어지기 때문이다. 원형으로 가속시킬 경우 싱크로트론 복사가 발생하여 에너지를 잃어버리게 되는데 이는 특히 질량이 아주 가벼운 하전입자인 전자에 있어서 큰 문제가 된다. 따라서 현재 양성자나 이온 등의 실험 연구등에서는 원형가속기의 가장 발전된 형태인 싱크로트론에서 이뤄지지만 전자의 충돌에 관한 실험 연구 등은 선형가속기로 이뤄지고 있다. 따라서 선형가속기는 전자가속기라고도 불린다. 전술된 싱크로트론 복사는 전영 역대에서 발생할 수 있으며 인위적으로 조절하는 것도 가능하다. 즉 원형가속기를 전자의 충돌 실험이나 연구 등에 이용하는 것은 불가능하지만 전자를 원형가속기에 넣어 각종 전자기파를 뽑아내는 용도로 사용할 수 있다는 것이다.

2세대 X선 발생기 - 방사광 가속기

2세대 방사광 가속기에서 빛이 발생하는 대략적인 모식도. 전자들이 휨자석(Bending Magnet)을 통과하면서 접선 방향으로 빛을 발생시킨다. 일반적인 방법으로는 강하게 만들기 어려운 전자기파(X선, 마이크로파)를 발생시키는 용도로 사용하게 된다.

3세대 X선 발생기

2세대 X선 발생기는 단순히 입자가속기를 말 그대로 방사광 가속기라는 "이름"만 붙인 것이나 다름이 없었다. 가속기 내부에서 전자가 원운동을 하면서 나오는 빛은 접선 방향으로 딱 한 번만 발생하는 빛이었고 이는 물론 일반적인 X선 발생기와는 비교도 못할 만큼 세기가 크긴 했지만 과학자들은 이 빛을 조금 더 세게 만들고 싶었다. 그래서 나온 아이디어가 위에서 보여준 휨자석(Bending Magnet)을 연속으로 여러 개 위치시켜 한 방향으로 접선을 여러 개 만들어 빛을 더욱 세게 만들자는 것이었다. 이 아이디어는 입자 가속기에서 전자가 회전하지 않는 부분에서도 사용할 수 있었기 때문에 방사광 가속기의 가동 효율(실험이 가능한 빔라인 개수 증가)에도 도움이 되었고, 추가적인 성질도 발견이 되어서 결과적으로는 성공적인 아이디어라고 할 수 있었다. 현재 우리나라에 있는 가속기 중 포항공대에 있는 가속기도 이 3세대 방사광 가속기로 쓰인다. 방사광 가속기는 센 빛이 나온다는 것도 있지만, 그 외에도 발생하는 에너지 범위(파장 범위)를 조절할 수 있다든가 X선 관에서는 가지고 있지 않은 "결맞음성"을 가지고 있다든가 하는 특징 때문에 많은 과학자가 연구에 쓰고 있다.

4세대 가속기

3세대와 4세대의 가장 큰 차이점은 X선의 발생 원리가 다르다는 것이다. 3세대 가속기가 전자빔을 싱크로트론의 궤도를 따라 원형으로 가속시켜 발생하는 X선을 사용한다면 4세대 가속기는 전자빔을 길게 배치된 Wiggler 구조를 따라 진행시키며 발생하는 X선을 물리적으로 증폭, 조정하는 형태로 만들어진다. 이러한 구조로 인해 4세대 가속기는 흔히 X선 자유 전자 레이저(XFEL; X-ray free electron laser)라고도 알려져 있다. 4세대 가속기는 구조상 선형으로 길게 직진하기 위해 수백 m에서 km 단위에 이르는 긴 공간이 필요하며, 전자빔이 그 거리를 지나가는 동안 시공간적 결맞음을 유지하기 위한 많은 기술적 작업들도 요구된다. 때문에 4세대 가속기는 상당한 자본 투자가 요구되는 국가 기간산업이며 과학기술 선진국으로 분류되는 소수 국가들만이 가동 중이다.

대한민국의 PAL-XFEL은 2013년 5월 9일 기공식을 하였고 2014년 12월 완공하였으며 2015년도 후반기까지 테스트를 거쳐 2016년 10월부로 공식적인 가동을 개시하였다. 들어간 추경 예산은 약 4,000억 원으로 상당히 저렴하게 건설한 편이다. 이는 가속기 부지가 이미 포항공대 내부 부지이기 때문에 땅값을 아낀 것에 더해 이미 미국과 일본, 유럽 등지에서 근무하던 한국인 과학자들 및 해당 지역 과학자들과의 국제 교류 등을 통해 기술적인 비용을 많이 절약한 덕이다.

4세대 X선원이 3세대 가속기에 비해 갖는 장점은 높은 선속(flux)과 시공간적 결맞음(spatiotemporal coherence)이다. 4세대 가속기들도 저마다 작동 원리가 다르고 나름의 노하우도 갖추고 있기 때문에 일괄적으로 비교하긴 어렵지만 대체로 평균적인 선형 가속기의 X선은 평균적인 현역 싱크로트론 가속기에 비해 약 1,000배 정도 강한 밝기와 정밀한 시간적 결맞음을 갖는다. 때문에 기존에 X선의 공간분해능 문제로 한계가 있던 이미징이나 생체분자의 구조 결정학 분야, 그리고 시분해능 문제가 있는 원자, 분자 물리학 단계에서 주요한 역할을 하는 설비이다. 반면 전자빔의 재활용이 불가하여 작동 유지비용이 천문학적으로 비싸지고 선형 구조 상 빔라인의 수를 많이 확보하기 어려우며 별도의 노하우를 적용하지 않으면 빔의 공간적인 위치나 프로파일이 불안정한 등 한계점이 있는지라, 과학 연구뿐 아니라 산업적인 용도로도 줄곧 쓰이는 3세대 싱크로트론 가속기에 비해 가성비가 좋은 시설이라 보기는 어렵다.

분석

1912년 막스 폰 라우에(Max Theodor Felix von Laue)의 예상에 입각해서 파울 크니핑(Paul Knipping) 등이 결정격자(結晶格子)에 의한 엑스선의 회절 무늬(라우에 점 무늬)를 얻게 되었으며 그 후 브래그가 엑스선 간섭에 관한 브래그 법칙을 유도하였고 1913년에 드디어 엑스선 분광기를 고안함으로써 엑스선을 결정 구조 분석에 이용하게 되었다.

브래그 법칙

브래그는 결정에 의한 엑스선의 간섭상으로부터 결정 내부의 원자 배열 상태를 추정하는 기초적인 관계식을 수립하였다. 결정 내부에 서로 평행인 원자의 배열면을 생각하고 엑스선이 이 면에서 산란된다고 하면 평행 평면의 간격을 d, 엑스선의 파장을 λ라 했을 때, 엑스선의 입사각(入射角) θ가

의 관계를 만족시킬 경우, 첫째 면에서 산란된 엑스선과 둘째 면에서 산란된 엑스선이 서로 간섭하여 반사각 θ, 즉 입사 엑스선에 대하여 2θ라는 방향으로 강력한 반사 엑스선을 발생하여 거기에 둔 필름에 간섭에 의한 점무늬를 만든다.

이것을 브래그 반사, 이 관계를 브래그 조건, 이 때의 엑스선의 입사각을 브래그 각(角)이라 하고, 엑스선의 파장을 알고 있으면 간섭상의 위치로부터 브래그 각 θ를 구할 수 있고 평행평면의 간격 d를 알 수 있다. 일반적으로 결정 안에서는 원자가 바둑판 무늬처럼 규칙적으로 배열되어 있어 이러한 평행 평면을 얼마든지 선정할 수 있으므로 한 결정에 대하여 여러 각도에서 이것을 실시하면 결정의 입체적인 원자 배열의 모습(결정의 형태, 면간격 등)을 알 수 있다.

브래그의 법칙을 만족하여 엑스선 간섭상을 얻는 데는 사용되는 회절법은 라우에 법, 회전 결정법, 분말 결정법 등 세 방법이 있다.

라우에 법

라우에 법은 독일의 물리학자인 라우에가 1912년에 발명한 방법으로 엑스선에 의한 결정 구조의 해석법의 발단이 되었다. 이 방법은 단결정의 작은 조각에 연속 엑스선의 가느다란 빔을 조사하여 결정의 뒤쪽에 나타나는 빔과 수직이 되는 면안에 생기는 회절상을 사진으로 찍는 방법이다. 회절상에 나타나는 반점의 배치는 결정 구조에 의한 특유의 것으로서 라우에 반점이라 불리고 있다. 어떠한 방향으로 반점이 생기느냐 하는 문제는 각각의 격자면에 대해 브래그 법칙에 의해 결정된다.

엑스선 관에서 나온 연속 스펙트럼인 백색 엑스선을 고정한 단결정에 맞춘다. 따라서 브래그각을 결정내의 모든 조의 면에 대하여 고정하고 각 조의 면은 특정한 d와 각의 값에 대하여 브래그 법칙을 만족하는 엑스선 파장을 선택하여 회절하는 것이다. 엑스선원, 결정, 필름 내의 상대 위치에 따라 투과 라우에 법과 배면 반사 라우에 법이 있다.

회전 결정법

단결정을 특정한 결정축의 한 방향이나 결정학적으로 중요한 결정축이 단색 X-선에 수직이 되도록 올려두고 주위에 일정한 속도로 회전시키면서 축에 수직 방향에서 단색광인 엑스선을 조사하고 결정이 회전함에 따라 엑스선을 브래그각으로 받아들인 결정 격자면으로부터의 반사 엑스선을 회전축 주위에 둔 원통상 필름에 닿게 하여 사진을 만든다. 결정이 단 하나의 축 주위로만 회전하기 때문에 브래그각은 모든 조의 결정면에서 0˚와 90˚ 사이의 모든 가능한 각이 되지는 않는다. 그러므로 모든 조가 회절 빔을 만들 수 있는 것은 아니다.

분말 결정법

조사하고자 하는 결정을 먼저 매우 고운 분말로 크기를 줄이거나 푸석푸석하거나 굳게 뭉친 미세한 입자 형태로 만든다. 이것을 정위치에 놓고 엑스선을 조사하여 주위에 둔 원통상 필름에 간섭상이 찍히도록 한다. 이때 분말의 모든 결정립들은 작은 결정이거나 작은 결정들의 집합체로서 입사빔에 대하여 무질서한 방향으로 배향한다. 따라서 분말 덩어리는 하나의 축 주위가 아닌 모든 가능한 축 주위로 회전하는 단결정과 사실상 같다.

용도

의료용 X선

인간의 폐의 X선 사진

X선 발견 초기에는 일부 물질들을 제외하고 투과성이 높은 특성을 이용하여 좀처럼 보기 어려웠던 인체 내부를 투사해 의료용으로 사용하였고 이 용도는 오늘날까지 이어지게 된다. X선을 주로 다루는 의학 분야는 영상의학과이다. 투시검사, 혈관조영 검사, CT검사 등 여러 분야에서 이용된다.

물성분석용

• X선 회절 분석(X-Ray Diffraction, XRD): 결정구조를 가진 물질을 분석하는 데 이용한다. X선의 파장이 결정의 크기와 비슷한 대역이라 상호작용을 잘 하기 때문이다. 특정 물질을 정성분석하는 분말 X선 회절 분석(powder XRD, PXRD), 단결정의 결정 구조를 밝혀내는 단결정 X선 회절 분석(single crystal XRD), 입자의 크기 분포를 정량적으로 측정하는 X선 소각 산란(Small Angle X-ray Scattering, SAXS) 등이 있다. 주요 제조사로는 Bruker (독일), Rigaku (일본) 등이 꼽힌다.
• X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS): X선으로 내각 전자를 들뜨게 하여 가전자로 만들고, 그 가전자가 진공 중으로 광전자로 방출되는 현상을 이용하여 원소분석 및 화학 결합에 대한 정보를 얻는 방법이다.
• 특성 X선 분광법(Charaterstic X-ray Spectroscopy): 물질 표면의 구성 원소를 정성 및 정량적으로 분석하는 방법으로 외부 자극에 의해 전자가 궤도에서 이탈되면, 그 이탈한 빈자리를 채우기 위해 더 높은 준위에 있던 전자가 빈자리로 내려오면서 그 에너지 차이를 빛(X선)으로 방출하게 되고, 이를 각 원소의 특성 X선과 대조하여 어떤 원소가 포함되어 있는가를 분석하는 방법이다. 일반적으로 주사 전자현미경(SEM)이나 투과전자현미경(TEM) 혹은 전자탐침분석기(EPMA)에 부착되어 검출기로 사용되거나, X선 형광분석기 (X-ray fluorescence analyzer, XRF) 시스템의 검출기로 사용된다. 차이점은 전자로 전자를 이탈시키느냐 (SEM/TEM/EPMA), 아니면 X선으로 전자를 이탈시키느냐(XRF)에 있으며, 일반적으로 XRF는 넓은영역을 관찰하고, 전자현미경류의 경우 좁은 영역을 관찰하거나 원소 mapping에 용이하다. 방식에 따라 에너지 분산식 (Energy dispersive)과 파장 분산식(Wavelength dispersive)로 나뉜다. Oxford Instrument, Thermo Fisher Scientific, Ametek(EDAX), JEOL, Bruker, Rigaku 등이 주로 생산한다.
• 에너지 분산 X선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS) : 특성 X선을 Silicon drift detector로 에너지에 따라 검출한다. 신호를 받아들이는 양이 크므로 분석시간이 짧고 전자현미경 조건에서 사용이 가능하므로 SEM이나 TEM에 부착돼서 주로 사용된다. 그러나 WDS에 비해서 정량분석의 정확도가 떨어진다.
• 파장 분산 X선 분광법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, WDS): 특성 X선을 단결정을 통과시켜 특정 파장에 해당하는 X선만을 받아낸다. 모든 X-ray를 동시에 받아내는 EDS와 달리, 단결정을 회전시키면서 특정 파장에 해당하는 X-ray만을 순차적으로 받아들이는 방식으로 분석시간이 EDS에 비해 월등히 오래 걸리므로 불편하지만, 훨씬 정확한 정량분석 결과를 산출한다.
• X선 형광분석기(X-ray fluorescence analyzer, XRF) : EDS 또는 WDS 방식으로 시료의 원소를 정성/정량분석한다.

산업 및 기타 용도

공항 X선 수화물 검사 스캐너

• X선 사진 식각(X-ray lithography): 리소그래피의 한 방법으로 X선은 자외선에 비해서도 훨씬 짧은 파장을 가지기 때문에 더 미세한 기판을 용이하게 깎을 수 있으나 X선 자체가 방사선이라는 약점(위험성)을 안고 있다. 이 경우는 광원의 낮은 회절율(높은 직진성)을 이용한 기술이다. X선이라고 분류하기는 애매하나 EUVL(Extreme UltraViolet Lithography, 극자외선 리소그래피)에 사용되는 자외선의 파장이 13.5 nm로, X선에 거의 근접한 파장을 갖는 자외선이다.

부품이나 용접 부분에 엑스선 촬영을 실시해 부품, 용접 부위의 무결성을 검사하는데 이용할 수 있다. 또한 공항 안전 수하물 스캐너는 수하물의 내부를 엑스선으로 쪼아 투영함으로써 위험 물질이나 무기 등을 찾을 수 있다. 엑스선은 파장이 짧은 전자기파이기 때문에 물질을 잘 통과한다. 엑스선의 회절을 이용하여 물질의 구조를 결정하거나 조영제를 사용하여 인체 내부의 이상을 알아보는 등 응용 범위는 매우 넓다. 또 엑스선과 우라늄의 방사능의 발견이 도화선이 되어 20세기의 원자 물리학의 발전이 시작되었다.

인체에 미치는 영향

X선은 엄연한 방사선이다. 에너지가 약한 자외선도 피부암을 유발할 가능성을 높이는데 에너지가 높아서 뼛속까지 투과하는 X선은 당연히 암을 유발할 가능성이 있다. 다만 일반인이라면 자외선처럼 사람들이 항상 피폭되고 있는 것도 아니고 대부분 기껏해야 일 년에 한 번 맞을까 말까 하기 때문에 현실적으로 무시해도 되는 정도이므로 신경쓰지 않는 것일 뿐이다. 짧은 기간에 반복적으로 여러 번 맞게 되면 당연히 위험할 수 있다. 단 장비 설정 오류로 X선을 찍으려던 환자가 그야말로 X선에 구워지는 바람에 사망자가 발생한 사례도 있긴 하다. 게다가 애초에 방사선과 암 발생은 확률적이다. 방사선을 조사받은 수치인 조사선량이 높아진다고 암 발생률이 무한정 높아지는 것도 아니고, 오히려 X선보다 스트레스, 음주, 흡연 등의 다른 발암 원인을 걱정하는 게 낫다. 즉 여러 번 많이 조사받으면 당연히 암에 걸릴 확률은 높아지겠지만 꼭 암에 걸리는 건 아니다. 그러나 임산부 같은 경우는 방사능에 특히 취약한 태아를 보호하기 위해 X선 촬영은 무조건 피해야만 한다. 이는 태아 같은 경우 방사선에 상당히 민감하기 때문인데 임신한 개월 수에 따라 또 나뉘어진다. 우선 착상기에 방사선을 조사받을 경우 죽으면 당연히 유산되는 것이고 살게 될 경우에는 다른 영향은 나타나지 않는다. 기관 형성기의 경우 이때 방사선 조사를 받게 되면 기형이 된다. 방사선은 활발히 분열하는 세포에 영향을 더 많이 준다. 그러기에 막 기관이 형성되어 분열하는 시기인 이때 기형이 발생한다. 태아기의 경우 태아 상태에서는 이미 기관들이 다 형성되었으므로 기형은 나타나지 않는다. 하지만 조사를 받으면 출산 때 태아의 체중이 감소하고 발육 지연이 일어난다.

직업적인 이유로 X선을 많이 다뤄야 하는 사람은 다르다. 의료인은 물론 입자 가속기 등을 다루는 연구실에서도 언제든지 X선 피폭의 위험이 있다. 그래서 납을 채워 넣은 앞치마(에이프런)를 입곤 하는데 외과계열 의사나 간호사 등이 귀찮다고 안 입었다가 나중에 피부암이 발병하는 등의 경우가 있다. 보통 주기적으로 x-ray 혹은 CT 촬영실에 출입하는 보건인력은 대부분 방사선피폭량측정기를 옷에 지니고 다닌다. 보통 CT를 찍는 환자의 경우 상태가 불량한 경우가 많기 때문에 의사, 간호사, 응급구조사 등은 CT촬영 시 환자 옆에서 상태를 계속해서 확인하는 경우가 많기 때문에 더욱 위험하다. CRT 모니터는 구조상 X선을 발생시키기에 이를 자폐하기 위해 납이나 바륨이 들어간 두꺼운 유리를 사용한다. 아울러 CT 촬영실에는 CT촬영 시 "조영제"를 사용하는 경우 반드시 조영제 주입 전(정맥주사) 피부반응 검사를 해야 하기 때문에 보통 방사선사와 더불어 간호사가 상주한다.

엑스선 촬영을 할 때 피폭을 조금이나마 줄이고 싶은 위키러들은 촬영 전에 납 앞치마를 요구하고 어지간한 엑스선 촬영 시설에서는 피폭 방지를 위한 방호 도구를 갖추고 있으며 폐 엑스레이 촬영 시 납 앞치마를 요구하면 하반신(생식기 부분)을 가릴 수 있도록 준비해 준다.

참고자료

• 〈엑스선〉, 《위키백과》
• 〈X선〉, 《나무위키》
• 〈엑스선〉, 《네이버 지식백과》
• "X-ray", Wikipedia

같이 보기

• 자외선
• 감마선
• 전자
• 가시광선

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