[논문]TX-선을 이용한 행성표면 분석기술과 향후 연구동향

김경자; 이주희; 이승렬; 심은섭

[국내논문] TX-선을 이용한 행성표면 분석기술과 향후 연구동향
X-ray Spectroscopy for Planetary Surface Analysis and Future Trend 원문보기

암석학회지 = The journal of the petrological society of korea, v.19 no.4 = no.62, 2010년, pp.245 - 254

김경자 (한국지질자원연구원 국토지질연구본부) , 이주희 (한국항공우주연구원 우주응용 및 미래기술센터) , 이승렬 (한국지질자원연구원 국토지질연구본부) , 심은섭 (한국항공우주연구원 우주응용 및 미래기술센터)

초록
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오늘날 X-선을 이용한 표면탐사기술은 널리 활용되는 기술의 하나이다. 또한 X-선 측정기술은 행성표면탐사를 위한 연구에서도 궤도선 및 주행장치 탑재용 과학장비로서도 성공적으로 활용된 예가 여러 차례 있었다. 우리나라는 2020년경 궤도선 및 착륙선을 이용한 달 탐사계획을 추진하고 있으며, 이에 맞추어 궤도 및 착륙선 탑재용 우선 순위 과학장비의 개발 및 달에 관한 기초연구를 해야 하는 실정이다. 따라서 X-선 측정기술을 이용한 행성탐사의 현황 및 이 분야의 기술 발전 전망에 대한 고찰을 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Technology of surface investigation using X-ray is one of widely used technology nowadays. This technique has been numerously used for planetary surface investigations for both orbital and rover scientific instruments. Korea has a plan to send an orbiter and lander to the Moon by the early 2020s. Therefore, the time has come for Korean researchers to develop major scientific instruments and start to do research on basic research for the Moon. Because of this situation, we firstly investigate X-ray technology, which is essential as one of core techniques of planetary remote sensing from the orbit and ground. This paper presents the current status of planetary exploration using X-ray techniques and new development of worldwide X-ray technology which could be adapted for prospective planetary missions.

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문제 정의

이러한 관점에서 많은 과학탐사장비 중에서 상대적으로 소형화가 가능하고 달 표면의 원소분석과 광물자원분석이 가능한 장비들중에서 X-선을 이용한 원격탐사장비가 적합한 후보 중에 하나로 생각된다. 이번 논평에서는 지금까지 X-선 탐사장비를 이용한 행성탐사 연구동향 및 기술개발동향을 살펴보고 한국형 달 탐사에 적합한 과학탐사장비 중 하나로 가능성을 제안하고자 한다.
챤드라얀-1(Chandrayaan-1) XRS: 챤드라얀-1에 탑재된 XRS는 가구야에 탑재된 것과 유사한 것으로 유럽우주연합(European Space Agency, ESA)에서 제작하여 제공하였다. 이 C1XS 계측기는 태양에서 자연적으로 발생하는 X-선을 방사원으로 하여 달 표면에 분포하는 Mg, Al, Si, Ca, Fe, Ti 원소들의 특성을 조사하여 달의 기원과 진화에 대한 여러 의문점을 해결하고자 탑재되었다. 이 계측기는 최근에 개발된 SCD(Swept Charge Device) X-선 센서들을 낮은 프로파일(low profile) 금/구리 집중기(Collimator) 뒤에 장착하고, 알루미늄/폴리카보네이트로 된 얇은 막의 필터를 사용한 분광기로, X-선 탐지, 분광력, 공간 측정, 상온 측정이 가능한 시스템이다.

제안 방법

이후 지난 반세기 동안, 1969년 아폴로(Apollo) 11호에 의한 인류 최초의 유인 달 탐사를 포함하여, 약 40여 차례에 걸쳐 성공적인 달 탐사를 수행하였다. 또한 약 40여 차례에 걸친 화성탐사를 포함하여, 목성형 행성들과 그 위성들, 소행성, 혜성, 나아가 태양계 가장 바깥 경계부에 이르기까지 태양계 전반에 걸친 다양한 행성탐사활동을 수행하였다. 인류가 우주에서 성취한 놀라운 성과와 이를 가능케한 우주 기술의 진보는 반대로 지구의 탄생과 생명의 기원 등과 같은 근본적인 과학적 의문점을 밝히고, 태양계의 일원으로 지구시스템의 변화과정을 이해하여 효율적인 지구촌 개발과 보존을 통한 인류 전체의 삶의 질을 향상시키는데 널리 활용되고 있다.
아폴로 형광 X-선 분석기(Apollo X-ray Fluorescence Spectrometer): 초기 행성탐사 시기에 X-선 계측기를 이용하여 성공적인 탐사를 수행한 경우는 아폴로 15와 16 프로그램이다. 아폴로에 탑재된 XRF 분석기는 110 km 궤도에서 태양이 방출하는 고에너지 X-선이 달 표면의 원소와 반응하여 방출되는 형광X-선을 측정하였다. 아폴로 XRF 계측기는 Ar, CO₂, He의 3가지 기체들로 채워진 선형계수기(proportional counter)를 이용하여 달 표면에 분포하는 Mg, Al, Si 원소의 분포특성을 조사하였다.
아폴로에 탑재된 XRF 분석기는 110 km 궤도에서 태양이 방출하는 고에너지 X-선이 달 표면의 원소와 반응하여 방출되는 형광X-선을 측정하였다. 아폴로 XRF 계측기는 Ar, CO₂, He의 3가지 기체들로 채워진 선형계수기(proportional counter)를 이용하여 달 표면에 분포하는 Mg, Al, Si 원소의 분포특성을 조사하였다. 달 표면에 분포하는 원소들의 K X-선 피크(peak)의 분해능은 원소들에 따라 다르다.
달 표면에 분포하는 원소들의 K X-선 피크(peak)의 분해능은 원소들에 따라 다르다. 따라서 아폴로 XRF 분석기는 주요 원소에 해당되는 K X-선의 선형계수기의 에너지 특성 분리를 위하여, 선택된 필터를 사용하였다(Table 1). Mg 필터를 사용한 경우 현저하게 Al과 Si가 흡수 된 것을 알 수 있으며, Al 필터를 사용한 경우 Si를 선택적으로 흡수하는 것을 알 수 있다.
아폴로 15와 16에 의한 XRF는 원소 분석을 위해서 Be 윈도우(window)를 통과한 Mg, Al, Si 원소에서 방출되는 K X-선이 선형계수기 내의 Ar에 의해 100% 흡수된다고 가정하고 태양 X-선의 변화와 달에서 방출되는 Mg, Al, Si 원소의 K X-선을 측정하여 태양활동에 따른 달 표면의 Al/Si, Mg/Si, Mg/Al의 상대적 원소비를 달 면적의 약 10%에 대하여 조사하였다(Fig. 3과 4). Fig.
알파선원을 이용한 현장 화학분석 방법의 대표적인 적용사례는 미국의 달 미션인 서베이어(Surveyor)이다. 서베이어 V와 VI의 경우는 100 mCi가 넘는 알파선원 ²⁴²Cm (반감기=163일)를 이용하여 알파입자에 노출된 샘플로부터 산란되는 알파입자를 측정하여 달 표면의 화학성분 분석을 수행하였다. 일반적으로 행성표면에서 얻은 X-선 스펙트럼 자료는 실험실에서 다양한 지질시료에 대해 미리 측정한 분석자료와 비교를 통해 화학성분을 구하게 되는데, Fig.
초기의 미국의 달 탐사 프로그램이 Apollo 17로 종결된 후 미국은 화성탐사에 주력하였으며, 30여 차례 넘게 궤도선, 착륙선, 로버선을 화성으로 보냈다. 특별히 로버탐사의 경우 서베이어와 유사하게 APXS를 탑재하였으며, 바이킹 미션(Toulmin et al., 1976) 이후 ²⁴⁴Cm을 이용한 알파입자 X-선 분석기의 개량을 통해 중량저감, 감도증가, 백그라운드저감, 측정원소범위 증가, 측정한계 보완 등에 주력하여, 패스파인더(Pathfinder), 화성 탐사 로버(Mars Ex-ploration Rover, MER), 화성 사이언스 랩(Mars Science Laboratory, MSL)에 개량된 APXS를 탑재하게 되었다. Table 4는 미국의 화성미션과 관련 있는 X-선 분광기에 대한 대표적인 특성을 보여준다.
여러 차례에 걸친 성공적인 현장 X-선 탐사를 통해 화성 표면의 토양 및 암석에 대한 화학성분을 조사할 수 있었으며, 이들 자료를 이용하여 화성표면의 화학적 특성을 밝히고 지구, 달, 운석 등과 비교하여 많은 행성지질학적 성과들을 이루었다. 패스파인더의 APXS 연구팀은 현장에서 구한 화성 표면의 화학성분이 화성 운석에서 구한 값들과 잘 일치함을 제시하였으며, 지구 암석의 성분과 비교를 통해, 화성 표면이 지구의 해양이나 지표 암석 보다 약 2배가량 FeO가 많음을 밝혔다(Table 4).
12은 패스파인더의 소조너(Sojourner)에 부착된 APXS를 보여준다. 소조너는 화성표면을 이동하면서 여러 암석의 성분을 조사를 하였다. Fig.

대상 데이터

챤드라얀-1(Chandrayaan-1) XRS: 챤드라얀-1에 탑재된 XRS는 가구야에 탑재된 것과 유사한 것으로 유럽우주연합(European Space Agency, ESA)에서 제작하여 제공하였다. 이 C1XS 계측기는 태양에서 자연적으로 발생하는 X-선을 방사원으로 하여 달 표면에 분포하는 Mg, Al, Si, Ca, Fe, Ti 원소들의 특성을 조사하여 달의 기원과 진화에 대한 여러 의문점을 해결하고자 탑재되었다.
7. 서베이어 5와 6 착륙지와 아폴로 11 착륙지점 (http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/lunar/moon_landing_map.jpg).

성능/효과

달 표면의 Al, Mg, Si 분포특성과 달의 지질학적 특성을 비교해보면 상대적으로 Al이 풍부한 사장석으로 구성된 회장암이 넓게 분포하는 하이랜드(highland) 지역에는 Al이 높게 나타나며, Mg 성분이 우세한 현무암이 주로 분포하는 저지대 분지에는 상대적으로 Mg가 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 아폴로 15, 16에 사용된 XRF 탐사 결과는 달 표면에 분포하고 있는 암석과 광물의 특성을 조사하는데 성공적인 결과를 도출할 수 있음을 지시한다.
달 표면의 Al, Mg, Si 분포특성과 달의 지질학적 특성을 비교해보면 상대적으로 Al이 풍부한 사장석으로 구성된 회장암이 넓게 분포하는 하이랜드(highland) 지역에는 Al이 높게 나타나며, Mg 성분이 우세한 현무암이 주로 분포하는 저지대 분지에는 상대적으로 Mg가 높게 나타나는 것을 알 수 있다. 따라서 아폴로 15, 16에 사용된 XRF 탐사 결과는 달 표면에 분포하고 있는 암석과 광물의 특성을 조사하는데 성공적인 결과를 도출할 수 있음을 지시한다.
달 탐사 이래 X-선을 이용한 행성탐사 분석기술은 알파입자-양성자-X-선분광기(Alpha Particle with a proton mode, X-ray Spectroscopy)시스템에서 APXS로 단순화 되었고, 또한 X-선 측정 영역도 확장되어 MSL의 APXS의 경우 MER의 APXS 보다 향상된 감도로, 더 빠른 시간 내에, 그리고 보다 질량수가 높은 원소를 추가 분석할 수 있게 되었다. Fig.

후속연구

우리나라가 계획 중인 달 탐사활동은 외국에 비해 상대적으로 소규모로 진행될 것으로 예상된다. 따라서 과학적, 실용적 임무에 부합하면서 한국형 발사체에 적합한 핵심장비의 선정과 개발이 필요할 것으로 생각된다. 이러한 관점에서 많은 과학탐사장비 중에서 상대적으로 소형화가 가능하고 달 표면의 원소분석과 광물자원분석이 가능한 장비들중에서 X-선을 이용한 원격탐사장비가 적합한 후보 중에 하나로 생각된다.
최근 개발된 X-선 성분분석기술은 알파선원을 이용하지 않고 X-선 방출기를 겸한 XRF 분석기로서 향후 행성탐사에 적극 활용될 것으로 전망된다. 최근 암텍(Amptek Inc.
X-선 유출량(flux)은 초당 10⁸ 이며 이는 2 mCi 방사선원과 비슷하다고 볼 수 있다. 방사선원을 다루는 것을 꺼려하는 연구자들에게 암텍이 제공하는 이 시스템은 향후 각광 받을 수 있을 것으로 전망된다. 이 X-선 발생장치는 파이로일렉트릭 결정체가 가열되어 전자를 방출하고 이 전자들이 표적(target) 물질인 구리판에 도달 했을 때 X-선을 방출하도록 설계되어 있으며, Be 윈도우는 X-선이 통과되도록 도와주는 역할을 한다(Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	X-선의 파장과 에너지의 특징은 무엇인가?	Rontgen)에 의해 처음 발견된 이후 오늘날까지 의학 및 자연과학 분야에서 가장 많이 이용되는 연구활용기술 중의 하나이다. X-선은 0.01에서 10 nm의 파장을 가진 자외선보다 짧은 전자기파로 에너지는 120 eV에서 120 keV의 범위를 가진다. X-선은 투과력에 따라 “약(soft)” X-선(0.
	행성탐사는 무엇을 통해 이루어지는가?	행성탐사는 궤도선(orbiter), 착륙선(lander) 그리고 로버선(rover)을 통해 이루어지거나, 달 탐사와 같이 유인 탐사(manned mission)를 통해 이루어진다. 행성탐사선은 과학적 목적에 따라 다양한 과학탐사장비를 탑재한다.
	태양계 전반에 걸친 다양한 행성탐사활동은 어떻게 활용되고 있는가?	또한 약 40여 차례에 걸친 화성탐사를 포함하여, 목성형 행성들과 그 위성들, 소행성, 혜성, 나아가 태양계 가장 바깥 경계부에 이르기까지 태양계 전반에 걸친 다양한 행성탐사활동을 수행하였다. 인류가 우주에서 성취한 놀라운 성과와 이를 가능케한 우주 기술의 진보는 반대로 지구의 탄생과 생명의 기원 등과 같은 근본적인 과학적 의문점을 밝히고, 태양계의 일원으로 지구시스템의 변화과정을 이해하여 효율적인 지구촌 개발과 보존을 통한 인류 전체의 삶의 질을 향상시키는데 널리 활용되고 있다.

참고문헌 (11)

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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