KR101094136B1 - 복사열에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초전기 결정에 복사열을 조사하여 가열, 냉각 과정에서 결정의 양단면에 유되되는 표면전하와 엑스선 타깃 간의 전위차에 의한 가속 전자빔 및 엑스선 발생장치의 냉각 유체에 의해 냉각하는 방법이다. 복사열을 조사에 의한 가열 속도와 동일한 냉각속도로 초전기 결정의 온도 변화를 유도하여 초전기 결정 양 단면의 길이방향과 직경 방향으로의 온도 편차를 최소화함으로써 종래 기술에서 사용하는 초전기 결정의 크기 한계 및 구조 한계를 극복하여 유도되는 표면전하의 수의 증가에 따른 전위차를 증가시켜 고에너지 전자빔 및 이 전자빔을 이용한 엑스선 발생장치의 성능을 향상 시킨다.
Description
본 발명은 복사열에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치에 관한 것으로, 특히, 냉각 장치를 구비한 복사열에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치에 관한 것입니다.
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초전기 현상이란 초전기 결정을 분극 방향에 수직한 방향으로 결정을 절단하고 이 결정에 일정 열을 가하면 결정 양단면에 극성이 다른 표면 전하가 유도되어 유도 자발 분극되는 현상이다.
이방성 결정인 초전기 결정은 평형상태에서 분극되어 외부 전기장이 가해지 않은 상태에서도 총 쌍극자 모멘트의 값이 존재한다. 초전기 결정을 분극 방향에 수직한 방향으로 절단하면 절단면 양단면에 극성이 다른 표면 전하가 유도되어 외부 전기장이나 온도변화가 없는 상태에서 자발분극(Ps)이 존재한다. 이러한 초전기 결정에 열을 인가하면 온도 변화를 유도하면 자발분극의 변화(ΔPs)가 생기고 이를 초전기 효과(pyroelectric effect)라고 한다. 상기 초전기 효과는 전자를 방출하거나 유효한 방사선을 발생시키기 충분히 큰 전계를 형성한다. 상기 전계는 유도된 표면 전하에 비례한다. 단위면적당 표면 전하의 크기는 초전기 결정을 가열하면 때 ΔPs=γΔT로 주어진다. 여기서 γ는 초전기 상수이고 ΔT 초전기 결정의 온도 변화이다. 초전기 결정에 유도되는 표면전하량은 온도변화에 비례하여 증가함을 알 수 있다.
이방성 결정인 초전기 결정은 평형상태에서 분극되어 외부 전기장이 가해지 않은 상태에서도 총 쌍극자 모멘트의 값이 존재한다. 초전기 결정을 분극 방향에 수직한 방향으로 절단하면 절단면 양단면에 극성이 다른 표면 전하가 유도되어 외부 전기장이나 온도변화가 없는 상태에서 자발분극(Ps)이 존재한다. 이러한 초전기 결정에 열을 인가하면 온도 변화를 유도하면 자발분극의 변화(ΔPs)가 생기고 이를 초전기 효과(pyroelectric effect)라고 한다. 상기 초전기 효과는 전자를 방출하거나 유효한 방사선을 발생시키기 충분히 큰 전계를 형성한다. 상기 전계는 유도된 표면 전하에 비례한다. 단위면적당 표면 전하의 크기는 초전기 결정을 가열하면 때 ΔPs=γΔT로 주어진다. 여기서 γ는 초전기 상수이고 ΔT 초전기 결정의 온도 변화이다. 초전기 결정에 유도되는 표면전하량은 온도변화에 비례하여 증가함을 알 수 있다.
초전기 표면전하에 단면적을 곱한 값이 되므로, 초전기 결정 단면의 전체 전하는 Q= γΔTA이며 여기서 A는 단면적이다. 이렇게 유도된 표면 전하에 의한 전위차는 V=Q/C 가 된다.
초전기 결정과 타깃으로 구성된 장치에서의 전기장의 크기는
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또한 두 개의 초전기 결정을 각기 다른 전하가 유도되게 배열된 장치에서 전기장의 크기는
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초전기 결정에 의해 형성되는 전기장은 식(1)에서 보는 바와 같이 초전기 결정과 타깃의 거리 (dgap)가 짧을수록 전기장이 증가하고 또한 식(2)에서 보는바와 같이 두 결정의 거리(dgap)가 가까울수록 초전기 결정의 길이(L)가 길수록, 온도변화가 클수록 유도되는 전기장은 크게 된다.
초전기 결정의 단면에 전하를 유도하기 위해 가열 또는 냉각 시 초전기 결정의 열전도율이 커야 열전달을 원활히 할 수 있다. 그러나 대표적인 초전기 결정의 열전도율은LiTaO3의 경우 45 mJ/cm-sec 로 건물의 단열재를 쓰이는 유리섬유와 비슷한 정도이다. 일반적으로 LiTaO3이외의 초전기 결정도 LiTaO3와 유사한 열 특성을 가지고 있다. 상기한 초전기 결정의 열특성으로 인하여 종래 기술에서 사용되는 초전기 결정의 가열방법인 저항가열 또는 열전효과장치 (thermoelectric cooling device:TEC)에 의한 열전도 방법으로 가열할 경우 열원 접촉 단면과 그 반대면 사이의 온도편차를 가져온다.
이러한 열전도에 의한 온도 상승-강하는 결정의 열전도율에 따라 결정되고 결정을 길이 방향으로 연결할 경우 양단면 간 온도편차는 더욱 커져 결과적으로 초전기 결정의 길이가 길어짐에도 표면전하가 증가하지 않게 된다.
종래 기술은 전위차를 증가시키기 위하여 두 개의 초전기 결정의 단면에 유도되는 전하의 극성이 다른 면을 마주하게 함으로써 전위차를 증가시키고 있다 이러한 개념은 전위차를 2배까지 증가시킬 수 있는 한계를 갖는다. 이러한 한계를 극복하기 어려운 이유는 길이가 긴 초전기 결정을 사용하거나 두 결정을 결정의 길이 방향으로 직렬 연결시킬 경우 기존의 접촉식 저항 가열법에 의한 가열 방법으로는 결정의 길이 방향의 온도 편차가 증가되고 초전기 결정 양단면의 온도편차는 전위차 증가를 둔화 시키거나 감소시키는 결과를 초래한다.
상기 기술한 전하 증가의 둔화 또는 감소 현상을 극복하는 방법은 복사열 조사에 의한 비접촉식 가열로 초전기 결정을 직렬로 연결하여 전위차를 증가시키는 방법이 있다.
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종래의 초전기 결정 가열방법은 저항가열에 의한 접촉식 방법으로 열전달이 열전도에 의존하기 때문에 상기 초전기 결정의 열적 특성이 낮은 초전기 결정과 열원 접촉면과 그 반대면 사이의 온도편차가 초전기 결정의 길이가 길수록 큰 편차를 가져온다. 이러한 온도차 증가는 전위차를 증가를 현저히 둔화시키거나 일정 길이 이상에서는 감소시키는 결과를 초래한다.
열유도에 의한 초전기 결정 장치의 전위차를 증가시키고 엑스선 발생 장치의 성능을 향상 시키기 위한 목적으로 초전기 결정의 크기를 크게 하거나 장치의 구성을 용이하게 하기 위해서는 종래 기술에서 사용되는 열전도 방식으로는 초전기 결정 양 단면의 온도 편차를 줄이기가 어렵다.
복사열 조사에 의한 가열 방법은 복사열이 초전기 결정에 침투되므로 초전기 결정의 내부와 외부를 동시에 가열함으로써 열전도도가 작은 초전기 결정을 길이 방향과 축 방향으로 균일하게 가열할 수 있어 초전기 결정의 크기 한계를 극복하여 표면 전하 유도가 증가되고 이에 따라 고전위차를 얻게 된다.
초전기 결정이 냉각되는 과정에서는 반대 극성의 전하가 방출되는데 냉각속도를 가열 속도와 동일하게 하기 위해서는 복사열 가열법에 적절한 냉각법과 장치가 요구된다.
복사열 조사에 의한 가열 방법은 복사열이 초전기 결정에 침투되므로 초전기 결정의 내부와 외부를 동시에 가열함으로써 열전도도가 작은 초전기 결정을 길이 방향과 축 방향으로 균일하게 가열할 수 있어 초전기 결정의 크기 한계를 극복하여 표면 전하 유도가 증가되고 이에 따라 고전위차를 얻게 된다.
초전기 결정이 냉각되는 과정에서는 반대 극성의 전하가 방출되는데 냉각속도를 가열 속도와 동일하게 하기 위해서는 복사열 가열법에 적절한 냉각법과 장치가 요구된다.
종래의 초전기 결정을 가열방법은 저항가열 및 열전효과장치(TEC)에 의한 접촉식 방법으로 열전달이 열전도에 의존하기 때문에 열용량 및 열전도도가 작은 초전기 결정의 열원 접촉면과 그 반대면 사이의 온도편차가 초전기 결정의 길이가 길수록 큰 편차를 가져온다. 이러한 온도편차는 전위차 증가를 현저히 둔화시키거나 (초전기 결정의 길이가) 일정 길이 (10mm) 이상에서는 감소시키는 결과를 초래한다.
이를 극복하는 방법은 초전기 결정 내에서의 열전달을 열전도가 아닌 복사에 의한 열전달 방법을 사용하여야 한다. 또한 가열된 초전기 결정의 냉각 과정이 복사열 가열시와 동일하거나 빨라야 한다. 이러한 요구를 만족하기 위하여 초전기 결정 주위에 냉각 유체를 흘려보내어 냉각속도를 빠르게 또는 원하는 냉각속도를 얻는다. 적외선 램프 또는 태양광을 집속한 복사열원과 냉각 유체에 의한 냉각 방법을 적용하여 비접촉 방법으로 종래 기술에서 사용되는 길이보다 긴(20 mm 이상) 초전기 결정 또는 길이 방향으로 직렬 연결된 초전기 결정의 길이 축 방향으로의 온도 편차를 최소화하며 가열함으로써 종래 기술의 한계를 극복한다.
또한, 본 발명은 밀폐되는 용기 형상으로 형성되고, 상단에 엑스선 투과창이 설치되고, 상기 엑스선 투과창에 상응하는 내측 면에 엑스선 타깃이 부착되는 진공-냉각 용기;
분극 축에 수직하게 절단되어 절단된 일 단면이 상기 엑스선 타깃을 향하도록 상기 진공-냉각 용기 내부에 설치되는 초전기 결정; 및
상기 초전기 결정의 주위를 감싸도록 형성되어 상기 초전기 결정에 복사열을 조사하여 상기 초전기 결정의 상기 단면에 전하가 유도되어 상기 엑스선 타깃을 향해 방사하도록 하는 복사열 조사장치를 포함하고,
상기 진공-냉각 용기의 상기 밀폐되는 용기 형상은, 내벽과 외벽 사이에 중공이 형성된 이중벽으로 형성되고, 상기 외벽에는 상기 중공으로 통하는 적어도 2개의 냉각 유체 입출력구가 형성되어 상기 냉각유체 입출력구를 통해 상기 중공에 냉각유체를 주입 및 배출하는 엑스선 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 밀폐되는 용기 형상으로 형성되고, 상단에 엑스선 투과창이 설치되고, 상기 엑스선 투과창에 상응하는 내측 면에 엑스선 타깃이 부착되는 진공-냉각 용기;
분극 축에 수직하게 절단되어 절단된 일 단면이 상기 엑스선 타깃을 향하도록 상기 진공-냉각 용기 내부에 설치되는 초전기 결정; 및
상기 초전기 결정의 주위를 감싸도록 형성되어 상기 초전기 결정에 복사열을 조사하여 상기 초전기 결정의 상기 단면에 전하가 유도되어 상기 엑스선 타깃을 향해 방사하도록 하는 복사열 조사장치를 포함하고,
상기 진공-냉각 용기의 상기 밀폐되는 용기 형상은, 내벽과 외벽 사이에 중공이 형성된 이중벽으로 형성되고, 상기 외벽에는 상기 중공으로 통하는 적어도 2개의 냉각 유체 입출력구가 형성되어 상기 냉각유체 입출력구를 통해 상기 중공에 냉각유체를 주입 및 배출하는 엑스선 발생 장치를 제공한다.
본 발명은 초전기 결정에 복사열을 조사하여 초전기 결정의 온도를 증가시키고 이에 적절히 초전기 결정을 냉각하여 초전기 결정의 길이가 길고 단면적이 넓은 초전기 결정에서도 길이 방향 및 축방향의 온도 편차를 최소화하여 길이 및 단면적 증가에 의한 유도 표면전하가 증가되고 이로 인하여 전기장이 증가하는 결과를 얻게 된다. 상기 전기장의 증가는 전자 및 이온 가속 성능을 향상 시키게 되어 이 장치를 이용한 엑스선 발생, 성능을 크게 향상시킬 것이다.
또한, 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는 냉각장치를 포함하여 가열된 초전기 결정의 냉각 시 가열 시간과 같은 빠르기로 엑스선 발생 장치의 냉각이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치에 의하면, 냉각 장치의 유체 입출력구를 통해 냉각유체를 용이하고 신속하게 배출 및 주입이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는 냉각장치를 포함하여 가열된 초전기 결정의 냉각 시 가열 시간과 같은 빠르기로 엑스선 발생 장치의 냉각이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치에 의하면, 냉각 장치의 유체 입출력구를 통해 냉각유체를 용이하고 신속하게 배출 및 주입이 가능하게 된다.
도 1 은 본 발명에 따른 냉각 장치가 포함된 초전기 결정 엑스선 발생 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면,
도 2 는 종래 기술에 의한 저항 가열법에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 도면, 및
도 3 은 본 발명에 따른 냉각 장치가 포함된 초전기 결정 전자빔 발생 장치의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 는 종래 기술에 의한 저항 가열법에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치를 개략적으로 도시한 도면, 및
도 3 은 본 발명에 따른 냉각 장치가 포함된 초전기 결정 전자빔 발생 장치의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.
초전기 결정(pyroelectric crystal)은 비등방성 결정으로 일정 평형상태에서 외부 전기장의 인가가 없어도 분극이 되어 있던 쌍극자 모멘트를 일정 값을 갖는다.
이 초전기 결정을 분극 축의 수직하게 절단하면 이 절단면의 한 면에 표면 양전하가 다른 한 면에 표면 음전하가 대전된다. 이렇게 외부전계와 온도변화 없이도 결정의 분극 값을 자발분극(spontaneous polarization)이라 한다. 이런 초전기 결정에 열을 가하여 초전기 결정의 온도를 변화시키면 자발분극 값이 변화되는데 이런 현상을 초전기 현상(pyroelectrie effect)라고 한다. 초전기 현상에 의해 대전된 표면 전하는 큰 전자기장을 형성하게 되는데, 상기 전기장에 의한 전위차는 전자를 방출하게 되고 대표적인 초전기 결정인 LiTaO3의 경우 직경 10 mm 길이 10 mm인 초전기 결정에 의해 형성되는 전위차는 약 100 keV정도이다.
초전기 결정에 의한 고에너지 발생장치의 실용화를 위해서는 성능을 응용단계로 향상시키기 위해서는 유도 표면전하의 증가가 필수적이다. 표면전하를 증가시키기 위해서는 초전기 결정의 온도변화를 크게 하거나 단면적과 길이를 크게 하는 방법이 있다.
온도 변화를 크게 하는 방법은 결정의 특성에 의해 결정되고 그 한계 값을 갖는다. 즉, 결정의 온도를 퀴리(Curie) 온도 이상으로 가열할 경우, 초전기 결정의 초전기성은 영구적으로 소멸된다. 대표적인 초전기 결정인 BaTiO3의 Curie 온도는 393 K(절대온도), LiTaO3는 813-970 K, LiNbO3는 1488K이다. 즉, LiTaO3결정은 540℃ 이상으로 가열할 경우 초전기성을 잃게 된다. 그러나 대부분의 초전기 결정의 열용량는 470J/kg·K 이며 열전도율은 45 mJ/cm-sec로 작아 초전기 결정의 온도를 결정 양단면 및 축방향의 온도 편차 없이 Curie온도 까지 상승시키기에 제한이 있다.
도 2는 종래 기술인 저항가열법에 의한 엑스선 발생 장치의 예를 보이고 있다. 종래 기술에서는 초전기 결정(10)의 길이 및 단면적을 크게 하면 표면전하의 유도를 크게 할 수 있으나 길이를 길게 했을 경우, 초전기 결정(10)은 온도 특성으로 인하여, 열원(110)과 접촉된 면과 그렇지 않은 면과의 온도 차가 커지게 된다. 이러한 온도편차는 표면전하의 수가 일정 길이 이상에서 더 이상 증가하지 않는 원인이다. 현재 연구 결과로서 10 mm 이상의 길이에서는 표면 전하가 증가하지 않는 것으로 보고되고 있다. 또한 단면적을 크게 하였을 경우, 초전기 결정의 표면과 중심부의 온도 차가 발생하고 이에 따라 표면 전하의 증가가 둔화되어 초전기 결정의 길이가 10 mm보다 길어도 발생되는 에너지가 증가하지 않게 된다. 따라서 엑스선 에너지 또한 증가하지 않게 된다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도 1 은 본 발명에 따른 냉각 장치가 포함된 초전기 결정 엑스선 발생 장치의 일 실시예를 개략적으로 도시한 도면으로 도시하는 바와 같이, 본 발명에 의한 엑스선 발생 장치는 초건기 결정(10), 복사선 조사장치(30), 진공-냉각 용기(50), 엑스선 타깃(80)을 포함한다.
진공-냉각 용기(50)는 밀폐 용기 형상으로 상단에 발생된 엑스선이 투과할 수 있도록 베리릴륨으로 ㅎ형성되는 엑스선 방출창(70)이 형성되며, 용기 내부에는 초전기 결정(10)이 설치된다. 진공-냉각 용기(50)는 초전기 결정(10)이 내부에 설치된 후 진공펌프 연결구(60)를 통해 내부를 진공 시키는 것이 바람직하다. 진공-냉각 용기(50) 내부의 진공도는 10-4 ~ 10-3 Torr로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 진공-냉각 용기(50)는 내벽과 외벽 사이에 중공이 형성된 이중벽으로 형성되고, 상기 외벽에는 상기 중공으로 통하는 적어도 2개의 냉각 유체 입출력구(40)가 형성되어 상기 냉각유체 입출력구(40)를 통해 상기 중공에 냉각 유체(20)를 주입 및 배출한다. 냉각 유체는 물을 포함한 일반적인 냉각수, 가스 및 압축가스를 포함한다.
도 1에 도시된 엑스선 발생 장치에서는 엑스선 타깃(80)이 진공-냉각 용기(50) 내부의 엑스선 방출창(70) 앞에 위치한다. 엑스선 타깃은 투과형 또는 반사형으로 구성될 수 있고, 도 1의 엑스선 타깃(80)은 투과형으로 타깃의 두께는 유도된 전위차와 타깃을 구성하는 물질에 따라 선택하되, 수 마이크로미터인 것이 바람직하다. 엑스선 방충창(70)은 도 1에 도시된 바와 같이 초전기 결정(10)의 축방향으로 진공-냉각 용기(50) 상단에 형성되는 것이 바람직하다. 엑스선 방출창(70)은 엑스선이 투과하는 물질인 베릴륨으로 형성된다.
초전기 결정(10)은 분극 축방향이 길이 방향인 기둥 형상으로 형성되고, 분극 축 방향에 수직하게 절단되어 절단된 일 단면이 상기 진공-냉각 용기(50) 내의 엑스선 타깃(80)을 향하여 설치된다.
복사열 조사장치(30)는 초전기 결정(10) 둘레에서 초전기 결정(10)을 조사할 수 있도록 설치된다. 복사열 조사장치(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 진공 용기(30) 외부에 설치될 수도 있고, 도시되지는 않았지만 진공 용기 내부에서 설치되어 초전기 결정(10)을 조사할 수도 있다. 복사열 조사장치(30)는 초전기 결정(10)을 조사하여 초전기 결정(20)의 온도가 실온으로부터 약 110℃에 도달할 때까지 상승시킨다.
도 1에 도시된 엑스선 발생장치는, 초전기 결정(10) 둘레를 나선형으로 둘러싸는 나선형 복사열 조사장치(30)를 포함한다. 나선형 복사열 조사장치(30)는 나선형으로 형성된 적외선 램프로 구성될 수 있다. 진공 용기(50) 외부에서 초전기 결정(10) 둘레를 감싸는 구조를 가진 실시예이다. 상기 나선형 복사열 조사장치(30)는 도시되지 않은 직선형 복사열 조사장치보다 초전기 결정의 길이 방향과 축방향으로의 온도 균일성이 우수하다.
상기와 같이 구성된 엑스선 발생 장치는 복사열 조사장치(30)를 이용하여 초전기 결정(10)을 가열하여 엑스선을 발생시키는 실시일 예로 초전기 결정(10) 단면에 유도되는 전하가 표면에 결집하여 높은 전위차를 형성하고 이들 전하가 엑스선 타깃(80) 쪽으로 방사되어 전하가 엑스선 타깃과 충돌하여 엑스선을 발생하게 된다. 이때 엑스선 타깃(80)의 두께는 수 마이크로미터 이다. 상기 타깃의 두께와 유도된 전위차와 타깃 물질에 따라 다른 값을 갖는다. 초전기 결정(10)을 진공-냉각 용기(50) 내부에 장치하고 진공도를 10-4 ~ 10-3 Torr로 유지하면서 복사열원(30)에 전기에너지를 인가하여 초전기 결정(10)의 온도를 상승시킨다.
진공-냉각 용기(50)는 외벽과 내벽으로 이루어진 이중 유리로 만드는 것이 바람직하다. 가열 전 냉각유체 입출력구(40)를 통해 진공-냉각 용기(50)의 이중벽 사이의 중공을 채우고 있는 냉각 유체를 배출하여 복사열 조사장치(30)에서 방출되는 복사열이 큰 손실 없이 초전기 결정(10)에 전달되도록 한다. 초전기 결정의 온도는 실온으로부터 섭씨 110도까지 증가시키는 것이 바람직하다. 이때 초전기 결정(10)의 양단면의 온도차는 도 2와 같은 종래의 기술에서 적용하고 있는 접촉식 가열원(110)으로 가열한 경우에서보다 결정 양 단면의 온도편차가 매우 작게 된다. 초전기 결정 양단면의 온도편차의 최소화는 결정의 길이를 길게 할 경우 더욱 효과적으로 표면전하를 유도하게 된다. 결과적으로 복사열에 의한 가열방법은 초전기 결정에 의해 형성되는 전기장을 결정의 길이 증가에 비례하여 증가하게 하여 가속전압을 증가시키고 이를 이용한 엑스선 발생 장치의 성능을 크게 향상시켜 상용화가 가능하게 될 것이다.
초전기 결정(10)의 냉각 시 냉각 유체(20)를 유체 입출력구(40)를 통하여 이중벽 사이의 중공으로 주입하여 초전기 결정을 냉각시키는 것이 바람직하다. 상기 냉각 유체는 물을 포함하는 냉각 액체 또는 냉각 가스 중 하나를 선택하는 것이 바람직하다.
진공-냉각 용기(50)는 밀폐 용기 형상으로 상단에 발생된 엑스선이 투과할 수 있도록 베리릴륨으로 ㅎ형성되는 엑스선 방출창(70)이 형성되며, 용기 내부에는 초전기 결정(10)이 설치된다. 진공-냉각 용기(50)는 초전기 결정(10)이 내부에 설치된 후 진공펌프 연결구(60)를 통해 내부를 진공 시키는 것이 바람직하다. 진공-냉각 용기(50) 내부의 진공도는 10-4 ~ 10-3 Torr로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 진공-냉각 용기(50)는 내벽과 외벽 사이에 중공이 형성된 이중벽으로 형성되고, 상기 외벽에는 상기 중공으로 통하는 적어도 2개의 냉각 유체 입출력구(40)가 형성되어 상기 냉각유체 입출력구(40)를 통해 상기 중공에 냉각 유체(20)를 주입 및 배출한다. 냉각 유체는 물을 포함한 일반적인 냉각수, 가스 및 압축가스를 포함한다.
도 1에 도시된 엑스선 발생 장치에서는 엑스선 타깃(80)이 진공-냉각 용기(50) 내부의 엑스선 방출창(70) 앞에 위치한다. 엑스선 타깃은 투과형 또는 반사형으로 구성될 수 있고, 도 1의 엑스선 타깃(80)은 투과형으로 타깃의 두께는 유도된 전위차와 타깃을 구성하는 물질에 따라 선택하되, 수 마이크로미터인 것이 바람직하다. 엑스선 방충창(70)은 도 1에 도시된 바와 같이 초전기 결정(10)의 축방향으로 진공-냉각 용기(50) 상단에 형성되는 것이 바람직하다. 엑스선 방출창(70)은 엑스선이 투과하는 물질인 베릴륨으로 형성된다.
초전기 결정(10)은 분극 축방향이 길이 방향인 기둥 형상으로 형성되고, 분극 축 방향에 수직하게 절단되어 절단된 일 단면이 상기 진공-냉각 용기(50) 내의 엑스선 타깃(80)을 향하여 설치된다.
복사열 조사장치(30)는 초전기 결정(10) 둘레에서 초전기 결정(10)을 조사할 수 있도록 설치된다. 복사열 조사장치(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 진공 용기(30) 외부에 설치될 수도 있고, 도시되지는 않았지만 진공 용기 내부에서 설치되어 초전기 결정(10)을 조사할 수도 있다. 복사열 조사장치(30)는 초전기 결정(10)을 조사하여 초전기 결정(20)의 온도가 실온으로부터 약 110℃에 도달할 때까지 상승시킨다.
도 1에 도시된 엑스선 발생장치는, 초전기 결정(10) 둘레를 나선형으로 둘러싸는 나선형 복사열 조사장치(30)를 포함한다. 나선형 복사열 조사장치(30)는 나선형으로 형성된 적외선 램프로 구성될 수 있다. 진공 용기(50) 외부에서 초전기 결정(10) 둘레를 감싸는 구조를 가진 실시예이다. 상기 나선형 복사열 조사장치(30)는 도시되지 않은 직선형 복사열 조사장치보다 초전기 결정의 길이 방향과 축방향으로의 온도 균일성이 우수하다.
상기와 같이 구성된 엑스선 발생 장치는 복사열 조사장치(30)를 이용하여 초전기 결정(10)을 가열하여 엑스선을 발생시키는 실시일 예로 초전기 결정(10) 단면에 유도되는 전하가 표면에 결집하여 높은 전위차를 형성하고 이들 전하가 엑스선 타깃(80) 쪽으로 방사되어 전하가 엑스선 타깃과 충돌하여 엑스선을 발생하게 된다. 이때 엑스선 타깃(80)의 두께는 수 마이크로미터 이다. 상기 타깃의 두께와 유도된 전위차와 타깃 물질에 따라 다른 값을 갖는다. 초전기 결정(10)을 진공-냉각 용기(50) 내부에 장치하고 진공도를 10-4 ~ 10-3 Torr로 유지하면서 복사열원(30)에 전기에너지를 인가하여 초전기 결정(10)의 온도를 상승시킨다.
진공-냉각 용기(50)는 외벽과 내벽으로 이루어진 이중 유리로 만드는 것이 바람직하다. 가열 전 냉각유체 입출력구(40)를 통해 진공-냉각 용기(50)의 이중벽 사이의 중공을 채우고 있는 냉각 유체를 배출하여 복사열 조사장치(30)에서 방출되는 복사열이 큰 손실 없이 초전기 결정(10)에 전달되도록 한다. 초전기 결정의 온도는 실온으로부터 섭씨 110도까지 증가시키는 것이 바람직하다. 이때 초전기 결정(10)의 양단면의 온도차는 도 2와 같은 종래의 기술에서 적용하고 있는 접촉식 가열원(110)으로 가열한 경우에서보다 결정 양 단면의 온도편차가 매우 작게 된다. 초전기 결정 양단면의 온도편차의 최소화는 결정의 길이를 길게 할 경우 더욱 효과적으로 표면전하를 유도하게 된다. 결과적으로 복사열에 의한 가열방법은 초전기 결정에 의해 형성되는 전기장을 결정의 길이 증가에 비례하여 증가하게 하여 가속전압을 증가시키고 이를 이용한 엑스선 발생 장치의 성능을 크게 향상시켜 상용화가 가능하게 될 것이다.
초전기 결정(10)의 냉각 시 냉각 유체(20)를 유체 입출력구(40)를 통하여 이중벽 사이의 중공으로 주입하여 초전기 결정을 냉각시키는 것이 바람직하다. 상기 냉각 유체는 물을 포함하는 냉각 액체 또는 냉각 가스 중 하나를 선택하는 것이 바람직하다.
도 3은 냉각 장치를 구비한 고에너지빔 발생 장치에 관한 것으로, 복사열 조사장치(30)로 초전기 결정(10)을 가열하여 고에너지빔(예를 들어, 전자빔(90))을 발생시키는 장치에 관한 것이다. 도 1과 동일한 구성에서 엑스선 타깃(80)을 포함시키지 않으면, 엑스선 방출창(70)을 통해 에너지 빔이 방사된다. 고에너지빔이 발생하는 것을 제외하고는 도 1의 엑스선 발생장치와 구성 및 작용 효과가 동일하므로 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 엑스선 발생 장치는 빠르고 용이하게 냉각 유체를 주입 및 배출 시킬 수 있도록 이중관 형태로 제작되어, 초전기 결정(10)을 가열하고자 하는 경우에는 이중벽 사이의 중공에서 냉각 유체(20)를 배출시켜 복사열 손실 없이 빠르게 가열할 수 있고, 냉각 시에는 냉각 유체를 빠르게 주입하여 냉각되는 과정에서는 이중관 사이에 반대 극성의 전하가 방출되는데 냉각속도를 가열 속도와 동일하게 할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 엑스선 발생 장치는 빠르고 용이하게 냉각 유체를 주입 및 배출 시킬 수 있도록 이중관 형태로 제작되어, 초전기 결정(10)을 가열하고자 하는 경우에는 이중벽 사이의 중공에서 냉각 유체(20)를 배출시켜 복사열 손실 없이 빠르게 가열할 수 있고, 냉각 시에는 냉각 유체를 빠르게 주입하여 냉각되는 과정에서는 이중관 사이에 반대 극성의 전하가 방출되는데 냉각속도를 가열 속도와 동일하게 할 수 있다.
10 : 초전기 결정
20 : 냉각 유체
30 : 복사선 가열 장치
40 : 냉각 유체 입출력구
50 : 진공-냉각용기
60 : 진공 펌프 연결구
70 : 엑스선 방출창
80 : 엑스선 타깃
90 : 전자빔
100 : 엑스선
110 : 저항가열 장치
20 : 냉각 유체
30 : 복사선 가열 장치
40 : 냉각 유체 입출력구
50 : 진공-냉각용기
60 : 진공 펌프 연결구
70 : 엑스선 방출창
80 : 엑스선 타깃
90 : 전자빔
100 : 엑스선
110 : 저항가열 장치
Claims (3)
- 엑스선 발생 장치에 있어서,
밀폐되는 용기 형상으로 형성되고, 상단에 엑스선 투과창이 설치되고, 상기 엑스선 투과창에 상응하는 내측 면에 엑스선 타깃이 부착되는 진공-냉각 용기;
분극 축에 수직하게 절단되어 절단된 일 단면이 상기 엑스선 타깃을 향하도록 상기 진공-냉각 용기 내부에 설치되는 초전기 결정; 및
상기 초전기 결정의 주위를 감싸도록 형성되어 상기 초전기 결정에 복사열을 조사하여 상기 초전기 결정의 상기 단면에 전하가 유도되어 상기 엑스선 타깃을 향해 방사하도록 하는 복사열 조사장치를 포함하고,
상기 진공-냉각 용기의 상기 밀폐되는 용기 형상은, 내벽과 외벽 사이에 중공이 형성되는 이중벽으로 형성하고, 상기 외벽에는 상기 중공으로 통하는 적어도 2개의 냉각 유체 입출력구를 형성하여, 상기 냉각유체 입출력구를 통해 상기 중공에 냉각유체를 주입 및 배출하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 냉각 유체는 물을 포함하는 냉각 액체 또는 압축가스를 포함하는 냉각 가스 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 냉각 유체는 상기 초전기 결정을 상기 복사열 조사장치로 가열하고자 하는 경우 상기 중공으로부터 배출되고, 냉각하고자 하는 경우 상기 중공으로 상기 냉각유체를 주입하는 것을 특징으로 하는 엑스선 발생 장치.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020100083752A KR101094136B1 (ko) | 2010-08-30 | 2010-08-30 | 복사열에 의한 초전기 결정 엑스선 발생 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|
| KR101094136B1 true KR101094136B1 (ko) | 2011-12-14 |
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ID=45506311
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| Country | Link |
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| KR (1) | KR101094136B1 (ko) |
Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| US20020126185A1 (en) * | 2000-03-24 | 2002-09-12 | Masami Murai | Piezoelectric element and manufacturing method and manufacturing device thereof |
| JP2004079304A (ja) * | 2002-08-14 | 2004-03-11 | Hamamatsu Photonics Kk | Ｘ線管 |
| US20080142717A1 (en) * | 2005-01-03 | 2008-06-19 | The Regents Of The University Of California | Method and apparatus for generating nuclear fusion using crystalline materials |
-
2010
- 2010-08-30 KR KR1020100083752A patent/KR101094136B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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