KR100903022B1 - Ｘ선 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 용기의 내부에 마련된 필라멘트로부터 방출되는 열전자가 충돌되어 X선을 방출하는 X선 발생용 양극에 관한 것으로서, 상기 필라멘트와 마주하는 X선 방출면에는 상기 필라멘트 마주하게 돌출변이 마련되어 X선의 선폭을 줄일 수 있다.

X선, 선형, 선폭, 포인트형, 방출면, 돌출변

Description

Ｘ선 발생장치{X RAY GENERATION APPARATUS}

도 1은 일반적인 X선 발생용 양극을 개략적으로 나타낸 사시도,

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 발생장치를 개략적으로 나타낸 분해 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 A부분에 대한 일부 절개 상세도,

도 3은 도 2a의 결합 사시도,

도 4는 도 3에 도시된 X선 발생장치를 Ⅳ-Ⅳ를 따라 절개한 단면도,

도 5a는 도 2a에 도시된 X선 발생용 양극을 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 X선 발생용 양극의 측면도,

도 6a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 X선 발생용 양극을 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 X선 발생용 양극의 측면도,

도 7a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 X선 발생용 양극을 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 7b는 도 7a에 도시된 X선 발생용 양극의 측면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100; 진공 용기 102; 진공 펌프용 포트

104; 시창구 110; 음극

114; 필라멘트 120; 양극

122; X선 방출면 124,224; 돌출변

126a, 126b; 제1곡면, 제2곡면 130; 차폐부재

134; 슬릿 136; 슬릿 조절부재

136a, 136b; 제1플레이트, 제2플레이트

본 발명은 X-선 분광기의 눈금 맞추기(calibration)등 다양한 X선 응용분야에서 활용될 수 있는 X선 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선폭이 감소된 X선 또는 포인트형 X선을 발생시킬 수 있는 X선 발생장치에 관한 것이다.

X-선이 처음 발견된 것은 1895년 독일의 물리학자 뢴트겐(Roentgen)에 의해서였다. 그 당시에는 물체의 내부를 알아보는 방사선 사진(radiograph)의 용도로 사용되었다. 이어, 1912년 독일의 라우에(Laue)에 의해 X-선 회절실험이 성공하였다. 그 결과, 결정은 그 면 간격 정도의 파장을 가진 X선을 쪼이면 반사한다는 X선 회절법이 확립되었다. 같은 해 영국의 브래그(Bragg)는 이를 다른 각도로 해석하여 라우에(Laue)가 사용했던 수식보다 더욱 간단한 수식으로 회절에 필요한 조건을 제시하여 브래그 법칙(Bragg's law)으로 나타내었다.

X-선은 충분한 에너지를 가진 하전된 입자가 갑자기 정지될 때 발생하는데, 통상적으로, 전자의 공급원과 2개의 금속 전극을 가지는 X-선관(X-ray tube)속에서 만들어지는 것이 일반적이다. 두 개의 전극사이에 수만 볼트의 높은 전압이 걸려 있으면 이것에 의해 전원의 음극쪽에서 전자가 방출되어 전원의 양극쪽에 있는 금속 타겟(metal target)에 고속으로 충돌되면서 X-선이 방사된다.

상기 X선의 방출 스펙트럼에는 연속 스펙트럼과 선스펙트럼이 있다. 즉, X-선에는 연속 스펙트럼을 나타내는 연속 X-선(continuous X-ray 또는 white X-ray)과 선 스펙트럼을 나타내는 특성 X-선(characteristic X-ray) 2종류가 있다. 연속 X-선은 전자가 타겟에 충돌하면서, 전자가 가지고 있던 운동에너지 일부가 X선(X-rays) 광양자로 변화되면서 생기는 제동방사(Bremsstrahlung)에 의한 것으로서, "백색 복사선" 또는 "Bremsstrahlung"이라고도 불린다.

최근에는 X선의 활용범위가 확대되면서 다양한 형상의 X선 형태를 방출할 수 있는 X선 발생장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 특히 X선의 선폭을 줄이려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 포인트형 X선을 발생시킬 수 있는 X선 발생장치에 대한 연구도 진행되고 있는 상황이다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 사용되는 양극(1)으로 선형 X선 또는 포인트형 X선을 발생시키는 것이 어려울 뿐만 아니라 선형 X선을 발생시키더라도 선폭을 줄이는 것은 더욱 어렵다.

본 발명은 상술한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 선형 X선의 선폭을 줄일 수 있는 X선 발생장치를 제공하는데 목적이 있다.

삭제

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 X선 발생용 양극은 진공 용기의 내부에 마련된 필라멘트로부터 방출되는 열전자가 충돌되어 X선이 방출하는 것으로, 상기 필라멘트와 마주하는 X선 방출면에는 상기 필라멘트 마주하게 돌출변이 마련된다.

한편, 상술한 바와 같은 목적은 전류 피드스루에 연결되며, 열전자를 방출하는 필라멘트가 설치된 음극; 및 전압 피드스루에 연결되며, 방출된 상기 열전자가 충돌되어 X선을 방출하는 양극을 포함하며, 상기 필라멘트와 마주하는 상기 양극의 X선 방출면에는 상기 필라멘트와 마주하는 돌출변이 마련된 것을 특징으로 하는 X선 발생장치에 의해서도 달성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 X선 방출면은 상기 돌출변으로부터 상기 X선 가장자리 방향으로 경사진 제1곡면과 제2곡면을 포함하고, 상기 제1곡면과 상기 제2곡면 및 상기 돌출변은 X선 방출방향으로 기울어진다.

상기 음극와 상기 양극은 진공 용기 내부에 마련되며, 상기 진공 용기의 일측에는 상기 진공 용기 내부를 진공으로 형성하기 위한 진공 펌프가 부착되는 진공 펌프용 포트가 형성되며, 상기 진공 용기의 타측에는 상기 양극으로부터 발생된 X선을 외부로 통과시키는 시창구가 마련된다. 상기 시창구는 베릴륨 또는 폴리프로필렌 수지 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같은 X선 발생장치는 상기 필라멘트를 감싸도록 배치되며, 상기 열전자가 통과되는 개방부가 형성된 차폐부재를 포함하며, 상기 개방부에는 상기 열전자의 통과 면적을 조절할 수 있도록 슬릿 조절부재가 마련된다.

상기 슬릿 조절부재는 제1플레이트; 및 상기 제1플레이트와 일정 간격 이격되어 슬릿을 형성하는 제2플레이트를 포함하며, 상기 슬릿의 간격을 조절할 수 있도록 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트 중 적어도 어느 하나는 상기 차폐부재에 이동가능하게 설치된다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 X선 방출면은 상기 돌출변으로부터 상기 X선 방출면의 가장자리 방향으로 하향 경사진 제1경사면과 제2경사면; 및 상기 제1경사면과 상기 제2경사면 각각으로부터 상기 X선 방출면의 가장자리 방향으로 상향 경사진 제3경사면과 제4경사면을 포함하며, 상기 돌출변은 상기 필라멘트와 나란하게 형성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 양극의 X선 방출면은 함몰된 구면으로 형성된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 발생장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 2a 내지 도 5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 발생장치는 진공 용기(100)와, 음극(110)과, 양극(120) 및 차폐부재(130)를 포함한다.

상기 진공 용기(100)는 상기 음극(110)과 상기 양극(120) 및 차폐부재(130)를 진공상태에서 지지한다. 상기 진공 용기(100)는 네 방향 진공 용기로서, 하측에 는 상기 음극(110)이 설치되고 상측에는 상기 양극(120)이 설치된다. 또한, 상기 진공 용기(100)의 좌측에는 상기 진공 용기(100) 내부를 진공상태로 유지하기 위한 진공펌프가 부착되는 진공 펌프용 포트(102)가 형성되고, 상기 진공 용기(100)의 우측에는 상기 양극(120)으로부터 발생된 X선이 투과되는 시창구(104)가 형성된다. 이러한 진공 용기(100)는 내부의 진공도를 10^{- 5}토르(Torr) 이하로 유지되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 상기 진공 용기(100)를 네 방향 진공 용기인 것을 예시하였으나, 내부에 진공상태를 유지할 수 있는 한 다양한 형상의 용기가 이용될 수 있다.

상기 시창구(104)는 상기 양극(120)으로부터 발생된 X선을 진공 용기(100) 외부로 투과시키기 위한 것으로서, 베릴륨이나 폴리프로필렌(polypropylene) 수지로 제작될 수 있으나, 특정에너지 이상의 X선만 투과될 수 있도록 그 두께 및 재질은 변경될 수 있다. 또한, 상기 시창구(104)는 낮은 에너지의 X선이 통과시킬 수 있도록하기 위해 삭제가 가능한 구성이며, 상기 시창구(104)가 생략된 경우 상기 X선은 안내덕트를 통해 소요되는 장소로 안내된다.

상기 음극(110)은 상기 진공 용기(100) 내부에 전류 피드스루(current feedthrough, 112)와 전기적으로 연결되게 설치되며, 일측에는 필라멘트(114)가 설치된다. 상기 필라멘트(114)는 열전자를 발생시키기 위한 것으로서, 토륨이 코팅된 텅스텐 선으로 제작될 수 있다. 본 실시예에서는 지름이 0.5mm이고 길이가 약 25mm 인 토륨이 코팅된 텅스텐 선으로 필라멘트(114)를 제작하였다.

상기 양극(120)은 전압 피드스루(128)에 전기적으로 연결되며, 상기 필라멘 트(114)와 마주하도록 상기 진공 용기(100)에 설치된다. 상기 양극(120)은 상기 필라멘트(114)와 마주하는 면에 X선 방출면(122)이 형성된다. 상기 X선 방출면(122)은 상기 필라멘트(114)로부터 발생된 열전자가 충돌하며, 상기 열전자의 충돌에 의해 X선이 발생한다. 상기 X선 방출면(122)은 X선이 출사되는 방향(X축 방향)으로 기울어져 있으며, 상기 필라멘트(114)와 마주하게 돌출변(124)이 형성된다. 보다 구체적으로 상기 필라멘트(114)와 상기 돌출변(124)을 Y축에 수직한 평면에 투영하면, 동일 선상에 투영된다. 또한, 상기 X선 방출면(122)은 상기 돌출변(124)으로부터 상기 X선 방출면(122) 가장자리로 경사진 제1곡면(126a)과 제2곡면(126b)을 포함한다. 즉, 상기 X선 방출면(122)은 상기 제1곡면(126a)과 상기 제2곡면(126b)이 중앙부로 솟아올라 서로 만나게 되어 돌출변(124)이 형성된다. 상기 X선 방출면(122)이 X축 방향으로 기울어져 있기 때문에, 상기 제1곡면(126a)과 상기 제2곡면(126b) 및 상기 돌출변(124)은 X축 방향인 상기 X선 방출방향으로 기울어져 있다.

본 실시예에서는 상기 양극(120)이 지름이 40mm인 구리(Cu)봉으로 제작되었고, X선 방출면(122)은 X선 방출방향(X축 방향)으로 20도 기울어지게 제작되었으며, 10kV 이상의 고전압이 상기 양극(120)에 인가되었다. 그러나, 본 실시예와 달리 상기 양극(120)은 구리 이외에도 크롬(Cr), 철(Fe), 코발트(Co), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 망간(Mn), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 또는 로듐(Rh) 등으로 제작될 수 있다.

이와 같은 구성을 가지는 양극(120)에 필라멘트(114)로부터 방출된 열전자가 충돌하면 양극(120)으로부터 Cu Kα, Cu Kβ 그리고 제동복사 X-선이 발생한다. 돌 출변이 없는 평편한 양극 구조를 갖는 종래의 경우 양극면 전체에 필라멘트에서 방출된 열전자가 충돌할 확률이 높으나, 본 발명과 같이 날카로운 돌출변(124)을 가지는 양극의 경우 가장 높은 전기장이 돌출변(124)에만 형성되어 필라멘트에서 방출된 열전자는 대부분 양극의 돌출변(124)에 집중된다. 따라서 방출되는 X선은 선집속되며, 선집속된 X-선의 선폭을 매우 작게 줄일 수 있다. 본 실시예에서는 선폭이 0.1mm 이하까지 줄일 수 있었다.

상기 차폐부재(130)는 상기 필라멘트(114)를 감싸도록 상기 진공 용기(100)에 설치되며, 상기 양극(120)과 마주하는 면에는 필라멘트(114)로부터 방출된 열전자가 통과되도록 개방부(132)가 마련된다. 상기 개방부(132)에는 상기 열전자가 통과되는 슬릿(134)이 형성되며, 상기 슬릿(134)은 슬릿 조절부재(136)에 의해 그 크기가 조절된다. 상기 슬릿(134)은 상기 필라멘트(114)가 배치된 방향으로 형성된다. 즉, 상기 슬릿(134)과 상기 필라멘트(114)를 열전자가 방출되는 방향(Y축 방향)과 수직한 평면에 투영할 경우 일치되도록 상기 슬릿(134)은 형성된다.

상기 슬릿 조절부재(136)에 의해 슬릿(134)의 크기가 최적화될 수 있도록 슬릿(134)의 크기가 조절할 수 있게 되어 X선의 선폭을 더욱 줄일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 차폐부재(130)는 진공 용기(100)와 같은 전위, 즉 접지되어 있어서, 슬릿(134)의 크기를 조절하면 필라멘트(114)에서 방출되는 열전자가 양극(120)에 집중(focusing)되는 전기장을 가지게 된다. 따라서, 상기 돌출변(124)과 상기 음극(110) 사이에 형성되는 전기장의 세기가 강해지고 이에 의해 양극(120)의 돌출변(124)에 더욱 강하고 더욱 가는 폭을 가지고 열전자가 집중된다. 따라서, X선의 선폭을 더욱 가늘어지고 X선의 세기는 더욱 강해진다.

상기 슬릿 조절부재(136)는 상기 개방부(132)의 일측에 고정된 제1플레이트(136a)와, 상기 제1플레이트(136a)와 협력하여 슬릿(134)을 형성하며 상기 차폐부재(130)의 반지름 방향으로 이동가능한 제2플레이트(136b)를 포함한다. 그러나 본 실시예와 달리 열전자가 통과되는 슬릿(134)의 크기를 조절할 수 있는 한 상기 슬릿 조절부재(136)는 구조가 다양하게 변경될 수 있을 것이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극(220)의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극(220)은 본 발명의 일 실시예와 달리 X선 방출면(222)이 X선 출사 방향(X축 방향)으로 기울어지지 않았다. 보다 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극(220)의 X선 방출면(222)은 돌출변(224)과, 상기 돌출변(224)으로부터 양측 각각으로 경사진 제1경사면(226a) 및 제2경사면(226b)과, 상기 제1경사면(226a) 및 상기 제2경사면(226b) 각각으로부터 X선 방출면(222)의 가장자리 방향으로 상향 경사진 제3경사면(228a) 및 제4경사면(228b)을 포함한다. 이와 같은 구성에 의해 상기 돌출변(224)은 상기 필라멘트(214)와 동일한 거리를 유지할 수 있게 되어 X선의 선폭을 줄일 수 있음은 물론 X선의 길이방향의 강도를 균일하게 유지할 수 있게 된다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극(320)을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 양극(320)의 X선 방출면(322)은 함몰된 구면으로 형성된다. 그리고, 상기 X선 방출면(322)의 곡률 중심은 필라멘 트(114)의 중심점에 위치한다. 즉, 상기 필라멘트(114)의 중심점으로부터 상기 X선 방출면(322)까지의 거리를 곡률로 하는 함몰된 형상의 구면이 상기 X선 방출면(322)에 형성된다. 따라서, 필라멘트(114)의 중심점으로부터 X선 방출면(322)의 거리는 X선 방출면(322)의 어느 지점에서나 동일하다. 이와 같은 구성에 의해 양극(320)으로부터 포인트형의 X선이 발생할 수 있게 된다.

이러한 구면으로 가공된 양극(320)의 곡률 반경 중심에 필라멘트(114)의 중심이 위치되는 경우 필라멘트(114)의 가장 높은 온도를 가지는 한 지점(필라멘트(114)의 중심)에서 양극(320)의 모든 면까지의 거리가 동일하며 따라서 필라멘트(114)에서 쳐다보는 전기장은 모두 같게 된다. 이러한 조건에서 발생되는 X-선은 한 점(point)에 집중하게 된다. 이러한 포인트형 X선은 X선 분광기 교정 (calibration)을 포함하여 많은 산업적 응용에 유용하게 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명에 의하면, X선 방출면에 돌출변을 형성하여 X선의 선폭을 줄일 수 있다. 또한, 돌출변과 필라멘트 사이의 거리가 돌출변의 위치에 따라 일정하도록 함으로써, X선의 선폭을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 선형 X선의 길이방향 강도를 균일하게 할 수 있다.

한편, 상기 돌출변과 마주하게 상기 음극에 슬릿이 형성되어 상기 돌출변과 상기 음극의 필라멘트와 상기 돌출변의 사이에 전기장의 세기를 증가시킬 수 있고, 이에 의해 X선의 선폭을 더욱 줄일 수 있을 뿐만 아니라 X선의 강도를 증가시킬 수 있게 된다.

또한, X선 방출면을 함몰된 구면으로 형성하고, 상기 구면의 곡률 중심을 필라멘트의 중심에 위치하도록 배치함으로써, 필라멘트의 중심으로부터 X선 방출면의 거리는 X선 방출면의 어느 지점에서나 거리를 동일하게 할 수 있고, 이에 의해 포인트형 X선을 방출할 수 있게 된다.

Claims (18)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 전류 피드스루에 연결되며, 열전자를 방출하는 필라멘트가 설치된 음극;

   전압 피드스루에 연결되며, 방출된 상기 열전자가 충돌되어 X선을 방출하는 양극;

   상기 필라멘트와 마주하는 상기 양극의 X선 방출면에 마련된 돌출변;

   상기 필라멘트를 감싸도록 배치되며, 상기 열전자가 통과되는 개방부가 형성된 차폐부재; 및

   상기 차폐부재에 상기 개방부의 크기를 조절하여 슬릿을 형성하는 슬릿 조절부재를 포함하며,

   상기 필라멘트와 상기 돌출변 사이의 형성된 전기장의 세기가 상기 필라멘트와 상기 X선 방출면의 다른 부분 사이에 형성된 전기장의 세기보다 크도록 상기 돌출변을 돌출되게 형성하고,

   상기 필라멘트와 상기 슬릿 및 상기 돌출변은 열전자 방출방향에 수직인 평면에 투영시 동일 선상에 투영되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 X선 방출면은 상기 돌출변으로부터 상기 X선 방출면의 가장자리 방향으로 함몰되게 형성된 제1곡면과 제2곡면을 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제1곡면과 상기 제2곡면 및 상기 돌출변은 X선 방출방향으로 기울어진 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
10. 제7항에 있어서,

    상기 X선 방출면은 상기 돌출변으로부터 상기 X선 방출면의 가장자리 방향으로 하향 경사진 제1경사면과 제2경사면; 및

    상기 제1경사면과 상기 제2경사면 각각으로부터 상기 X선 방출면의 가장자리 방향으로 상향 경사진 제3경사면과 제4경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
11. 제7항에 있어서,

    상기 음극와 상기 양극은 진공 용기 내부에 마련되는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 진공 용기의 일측에는 상기 진공 용기 내부를 진공으로 형성하기 위한 진공 펌프가 부착되는 진공 펌프용 포트가 형성되며,

    상기 진공 용기의 타측에는 상기 양극으로부터 발생된 X선을 외부로 통과시키는 시창구가 마련된 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 시창구는 베릴륨 또는 폴리프로필렌 수지 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
14. 삭제
15. 제7항에 있어서, 상기 슬릿 조절부재는,

    제1플레이트; 및

    상기 제1플레이트와 일정 간격 이격되어 상기 슬릿을 형성하는 제2플레이트를 포함하며,

    상기 슬릿의 간격을 조절할 수 있도록 상기 제1플레이트와 상기 제2플레이트 중 적어도 어느 하나는 상기 차폐부재에 이동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 X선 발생장치.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제

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