X선관에 필라멘트가 들어오던 날

방사선의 역사와 사람 · X선이 의료 장비가 되기까지 ② · 주인장

X선관을 바꾼 사람의 연구실에서, 처음부터 환자의 뼈 사진만 들여다보고 있었던 것은 아닙니다. 윌리엄 데이비드 쿨리지는 전구 속에 들어갈 금속선을 연구했습니다. 오래 빛나면서도 가공하기 좋은 필라멘트를 만드는 일이었습니다.

전구와 X선관. 한쪽은 방을 밝히고, 다른 쪽은 몸 안을 살펴봅니다. 쓰임새는 멀어 보이지만 두 장치 안에는 유리, 진공, 뜨겁게 달군 금속이라는 공통점이 있었습니다. 쿨리지의 이야기는 그 사이를 건너갑니다.

자료 사진 1. 1917년 출판된 《The Nature of Matter and Electricity》의 쿨리지관 사진입니다. 왼쪽에서 음극 쪽 구조가 들어오고, 오른쪽에서 들어온 양극 끝의 비스듬한 표적이 유리구 안에 보입니다. 1913년 최초 시제품 자체를 촬영한 사진이라고 단정하지 않았습니다. 출처: D. F. Comstock·L. T. Troland, 190쪽 도판 5 / Wikimedia Commons. 저작권 보호기간이 만료된 자료이며, Commons에 배포된 이미지 그대로 사용했습니다.

잘 휘어지는 텅스텐 선이 그렇게 놀라운 일이었을까요?

쿨리지는 1905년 제너럴 일렉트릭, GE의 연구소에 들어갔습니다. 당시 전구에 쓸 텅스텐 필라멘트는 이미 개발되고 있었지만, 가공이 까다롭고 잘 부러지는 문제가 있었습니다. 빛을 잘 내는 재료를 찾는 것과, 그것으로 실제 제품을 만드는 것은 다른 과제였습니다. [1]

그는 텅스텐을 여러 단계로 가공해 구부릴 수 있는 가느다란 선으로 만드는 방법을 발전시켰습니다. 스미스소니언의 설명에는 작은 일화도 나옵니다. 1909년 쿨리지가 만든 선을 본 독일의 전구 발명가 프리츠 블라우가, 그것이 무엇인지 거듭 물었다는 쿨리지의 회고입니다. 텅스텐이라고 설명해도 선뜻 믿기 어려웠던 것입니다. 이 기술을 쓴 GE의 전구는 1910년 판매되기 시작했습니다. [1]

잘 부러지던 금속을 가는 선으로 만들기까지, 얼마나 많은 시도가 필요했을까 싶습니다. 열을 견디는 금속이 있어도, 원하는 모양으로 만들고 장치 속에서 반복해 작동시킬 수 있어야 했습니다. 전구를 위한 그 경험이 X선관으로 이어집니다.

초기 X선관에는 ‘남겨 둔 기체’라는 변수가 있었습니다

앞선 글의 초기 방전관은 관 안의 희박한 기체와 그 이온화 과정에 기대어 전자의 흐름을 만들었습니다. 기체가 얼마나 남아 있는지가 작동에 영향을 주었고, 사용하면서 관의 상태도 달라졌습니다. 전자가 얼마나 흐르는지와 X선의 성질을 원하는 대로 맞추기가 쉽지 않았습니다. [2]

의료진 입장에서는 곤란한 문제였습니다. 어제 쓸 만한 사진을 얻었다고 오늘도 같은 결과가 보장되는 것은 아니었습니다. 원하는 사진을 찍기 전에, 관이 제대로 작동하는지부터 살펴야 했을 것입니다.

1913년 등장한 쿨리지관의 중요한 변화는 전자의 공급원을 뜨거운 필라멘트로 바꾸고, 관 안을 높은 진공으로 만든 것입니다. 기체 방전에 의존하던 방식에서 벗어나, 가열한 금속에서 나오는 전자를 이용했습니다. [2, 3]

필라멘트가 하는 일과 고전압이 하는 일

금속을 충분히 가열하면 일부 전자가 표면을 벗어날 수 있습니다. 이를 열전자 방출이라고 합니다. 쿨리지관의 음극에서는 텅스텐 필라멘트에 전류를 흘려 가열했습니다. 이렇게 공급된 전자는 음극과 양극 사이의 높은 전압에 의해 양극 쪽으로 가속됩니다. [2]

사진 속 유리구 안의 비스듬한 금속 표적은 그 전자를 받는 쪽입니다. 전자가 표적에서 상호작용하며 에너지를 잃는 과정에서 X선이 생깁니다. 필라멘트를 밝게 달군 빛이 그대로 X선으로 바뀌는 것은 아닙니다. 필라멘트는 전자를 공급하고, 가속된 전자가 표적에 들어가는 과정에서 X선이 만들어집니다. [2, 3]

이 구조를 이해하면 촬영 장치의 조절 항목도 조금 다르게 보입니다.

조절하는 것 관 안에서 주로 달라지는 것

필라멘트의 가열	방출되는 전자의 양에 영향을 줍니다.
관전압(kVp)	전자가 얻을 수 있는 에너지와 X선의 에너지 분포에 영향을 줍니다.
관전류(mA)와 조사 시간	관을 흐르는 전하의 양을 정하며, 다른 조건이 같을 때 X선량과 관계됩니다.

여기서 필라멘트를 데우는 전류와 관을 건너가는 전자의 흐름인 관전류는 서로 다른 전류입니다. 또한 관전압은 X선의 에너지뿐 아니라 발생량에도 영향을 줍니다. ‘kVp는 질만, mA는 양만’이라는 말로는 이 관계를 다 담기 어렵습니다. 이 관에서 달라진 점은 전자의 공급과 가속을 각각 조절할 수 있게 되었다는 것입니다. [3, 4]

자료 사진 2. 폴란드 오폴레의 X선관 박물관에서 2019년에 촬영한 여러 음극 조립체입니다. 금속 몸체에 나 있는 홈과 그 안의 가는 구조를 살펴보면, 전자를 내보내고 모으는 부품이 어떻게 만들어졌는지 볼 수 있습니다. 쿨리지의 1913년 시제품 사진은 아니며, 개별 부품의 제작연대는 이 사진만으로 특정하지 않았습니다. 사진: Antonín Ryska / Wikimedia Commons · CC BY-SA 4.0. 배포 이미지 그대로 사용했습니다.

특허를 내지 않은 뢴트겐, 특허가 남아 있는 쿨리지

1편에서 뢴트겐이 특허를 확보하지 않은 선택을 살펴봤습니다. 그런데 쿨리지의 관을 조사하면 실제 특허 문서를 만나게 됩니다. 뢴트겐의 발견이 공개된 뒤, 그 발견을 실제 장치로 만드는 사람들은 또 다른 선택을 했던 셈입니다.

아래 문서의 제목은 ‘Vacuum Tube’, 진공관입니다. 윗부분에는 1913년 5월 9일 출원, 1916년 10월 31일 특허 등록이라는 날짜가 적혀 있습니다. 등록번호는 US 1,203,495입니다. 가열 회로가 연결된 음극 구조와 여러 변형이 도면에 남아 있습니다. [5]

자료 도면 3. 쿨리지의 미국 특허 US1203495 첫 페이지입니다. 사진 1과 좌우 배치가 다르므로 방향을 바꾸어 읽어야 합니다. 이 도면에서는 음극의 가열 구조가 오른쪽에 있습니다. 출처: 특허 원문과 공개 PDF. 1916년 공개된 역사 문헌의 첫 페이지를 변형 없이 렌더링했습니다.

1913년에는 그의 논문도 《Physical Review》에 발표되었습니다. 제목에 들어간 ‘pure electron discharge’라는 표현은 당시의 차이를 잘 드러냅니다. 기체 방전에 기대던 관에서, 가열한 음극이 공급하는 전자를 이용하는 관으로 옮겨 가고 있었던 것입니다. [6]

관의 등장 연도와 특허 문서의 연도가 달라 잠깐 헷갈릴 수 있습니다. ‘1913년에 등장한 관’과 ‘1916년에 등록된 특허’는 서로 모순되는 기록이 아닙니다.

전자를 더 잘 보내게 되자, 받는 쪽이 뜨거워졌습니다

새 관이 등장했다고 옛 관이 곧바로 사라진 것은 아닙니다. ORAU 박물관은 기체 방전관이 이후에도 한동안 제작되고 사용되었다고 설명합니다. 새 관이 발표된 뒤에도 현장의 장비가 바뀌기까지는 시간이 걸렸습니다. [3]

그럼에도 이제 장치 제작자에게는 전자의 공급과 가속을 다루는 더 안정적인 출발점이 생겼습니다. 남은 문제는 전자가 도착하는 곳이었습니다. 표적에 전달되는 에너지의 대부분은 열이 됩니다. 전자를 많이 보내면 유용한 X선과 함께 표적이 감당할 열도 늘어납니다. [2, 4]

전구 속 가는 금속선에서 시작한 이야기가 여기까지 왔습니다. 이제 시선을 필라멘트의 반대편으로 옮겨 보겠습니다. 그곳의 금속판은, 훗날 가만히 서 있지 않고 돌아가기 시작합니다.

다음 편: 왜 X선관 속 금속판은 돌아갈까.

참고 자료

1. Smithsonian, Lighting A Revolution: William D. Coolidge. 텅스텐 가공, 블라우와의 대화에 관한 쿨리지의 회고, 전구의 상품화 연혁.
2. University of Queensland Physics Museum, Coolidge X-ray Tube. 열전자 방출과 기체관의 차이.
3. ORAU Museum, Coolidge X-Ray Tubes. 관의 구조, 제어와 보급 과정.
4. IAEA, Diagnostic Radiology Physics: A Handbook for Teachers and Students, 2014, 제5장. 발생 원리와 출력·열의 관계.
5. W. D. Coolidge, US1203495A: Vacuum-tube. 출원일·등록일 및 원도면.
6. W. D. Coolidge, A Powerful Röntgen Ray Tube with a Pure Electron Discharge, Physical Review 2, 409–430, 1913. 제목·발행정보를 확인했으며, 물리 설명은 위 박물관 자료와 IAEA 교재를 함께 참조했습니다.