1. X선의 에너지(파장)
X선은 빛과 같은 전자기파입니다. 가시광선에 비해 파장이 1/1000 이하인 영역의 전자기파를 X선이라고 부릅니다(※１).
전자기파의 에너지는 파장의 역수에 해당합니다. 즉, 에너지 판별은 이른바 파장 판별이며, 가시광선에서 컬러 필터로 파장을 선택하는 것과 같습니다. 가시광선용 디지털 카메라 등에서는 컬러 필터로 RGB(적·녹·청)를 각각 기록하여 컬러 이미지를 표현합니다. X선에서도 파장을 필터링할 수 있다면 이 파장 영역의 컬러화(파장 정보의 취득 및 활용)가 가능해집니다.
일반적으로 산업용이나 의료용으로 사용되는 X선원이 방출하는 X선의 파장은 100pm(피코미터) 이하입니다. 물체를 구성하는 원자 간 거리보다 짧은 파장이기 때문에 물질을 투과하는 능력이 매우 높은 전자기파입니다. 이처럼 매우 짧은 파장에 대해서는 가시광선에서 사용하는 것과 같은 파장 선택형 컬러 필터가 존재하지 않으므로, 같은 방법으로는 파장 판별을 할 수 없습니다.
2. X선의 에너지 판별
X선 영역에서 파장을 판별하려면 광전 효과(※２)로 발생한 전하의 수가 입사 X선의 에너지에 비례한다는 점을 이용하는 방법이 있습니다. X선은 매우 높은 에너지를 지니고 있기 때문에 포토다이오드 내에서 수천~수만 개의 전하를 생성합니다. 예를 들어 CdTe 센서에 60keV의 X선이 입사하면 13,500개의 전하가 생성되고, 120keV의 X선이 입사하면 약 27,000개의 전하가 생성됩니다. 이처럼 입사한 X선과 포토다이오드의 응답 신호가 비례 관계에 있으므로, 전하를 정확하게 셀 수 있다면 X선의 에너지를 알 수 있습니다. 이 기술은 입사한 X선의 포톤(광자)을 세기 때문에 ’포톤 카운팅(Photon Counting)’이라고 불립니다.
CdTe 센서를 채용한 측정계에서 에너지 분해능 2keV 정도로 방사성 동위원소(Am241)를 측정하면 아래와 같은 스펙트럼(세로축: 방사선의 수, 가로축: 방사선의 에너지)을 얻을 수 있습니다.
그림 1: Am241의 스펙트럼
에너지 판별이 가능한 X선 카메라의 데이터량
포톤 카운팅 방식에서는 X선의 빈도와 에너지라는 두 가지 정보를 얻을 수 있기 때문에 그만큼 정보량이 많아집니다. 예를 들어 가시광선의 경우 RGB 각각의 이미지를 취득하고, 가법 혼색 원리에 따라 색 정보를 계산하여 풀컬러를 구현하므로 정보량은 다음과 같습니다. 가시광선 이미지의 데이터량 = 8bit * 3색 * 픽셀 수 반면 X선의 경우 필요한 에너지가 세 가지로 한정되지 않으므로, 예를 들어 8개 에너지가 필요한 경우 정보량은 다음과 같습니다. X선 이미지의 데이터량 = 16bit * 8에너지 * 픽셀 수 픽셀 수는 가시광선 DSLR 카메라의 경우 1,500만~6,000만 화소이고, X선 카메라는 20x20cm에 0.1mm 피치인 경우 400만 화소이므로, 가시광선 카메라의 절반 정도에서 비슷한 수준의 데이터량이 됩니다.
※그림 1의 에너지 분해능으로 취득하는 경우 8에너지 부분이 75에너지(150keV/2keV)가 되므로, 가시광선 카메라보다 데이터량이 한 자릿수 정도 커집니다.
3. X선의 에너지 활용
X선 에너지 정보의 활용 방법 중 하나로 재료 식별이 있습니다. X선 CT 촬영 시 에너지 정보를 동시에 취득하면 원자번호와 밀도를 산출할 수 있어 재료를 직접 식별할 수 있는 기술입니다. 두 가지 에너지를 취득하여 구현할 수 있기 때문에 Dual Energy X-ray CT(DECT, DXCT)라고 불리며, 에너지를 활용한 촬영 방법 중 가장 활발하게 연구되고 있습니다. 더 나아가 다수의 에너지를 활용하는 촬영 방법을 Spectral CT라고 하며, 방사선 핵의학 연구 분야 등에서 활용 방법이 보고되고 있습니다.
X선 촬영에서 센서가 취득하는 값(픽셀 값)은 그림 2와 같이 촬영 방법에 따라 그 의미와 정보의 차원이 달라집니다. 이른바 단순 촬영인 X선(뢴트겐) 촬영에서는 픽셀 값이 촬영 대상의 감쇠계수와 투과 길이를 곱한 값이 되므로, 서로 다른 재료라도 두께와의 조합에 따라 완전히 같은 픽셀 값이 될 수 있어 재료의 차이를 구별할 수 없습니다. CT 촬영에서는 전체 둘레를 촬영하고 재구성하여 단층 영상을 얻을 수 있으므로, 투과 길이 정보가 픽셀 단위로 분해되어 픽셀 값은 감쇠계수를 나타내게 됩니다. 이에 따라 뢴트겐 영상과 비교하면 감쇠계수가 서로 다른 촬영 대상의 식별 능력이 크게 향상됩니다. CT 촬영에 에너지 정보를 활용하면 감쇠계수를 다시 원자번호로 분해할 수 있습니다. 그 원리는 앞서 설명한 바와 같이, 적어도 두 가지 에너지로 촬영함으로써 물질별 감쇠계수의 차이를 산출할 수 있으므로 원자번호를 추정할 수 있다는 것입니다.
그림 2: 각 촬영 방법에서 화소 값의 의미
감쇠계수
원자번호 추정을 위한 계산의 핵심은 감쇠계수이며, 이는 재료마다 각 에너지에서 서로 다른 반응을 보입니다. 일례로 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W)의 0~300keV 감쇠계수를 그림 3에 나타냅니다.
그림 3: 각 물질의 선감쇠계수
재료 식별 사례
DECT의 원리를 활용하여 모의 폭약을 검지한 촬영 사례가 아래 이미지입니다(그림 4). 왼쪽 그림의 CT 영상(감쇠계수 매핑)에서는 어떤 물체도 화소 값에 큰 차이가 없어 조밀도만 알 수 있지만, 오른쪽 그림의 밀도(전자 밀도)로 보면 폭발물(모의 폭약)만 전자 밀도가 뚜렷하게 다르다는 것을 알 수 있습니다.
그림 4: 재료 식별 사례(위험물 검지)
참고 문헌
※１: 빛 지도(일본 문부과학성)
※２: 광전 효과(Wikipedia)