KR101214404B1 - Ｘ―선관에서 발생되는 전자 빔 성형을 위한 게이트―집속 전극 일체형 전극구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Ｘ-선관에서 발생되는 전극구조에 관한 것으로, 전자를 방출하는 나노구조 물질로 이루어진 나노 에미터; 상기 나노 에미터와 소정거리 이격되어, 상기 나노 에미터로부터 방출된 상기 전자의 일부 또는 전체를 추출하는 그리드 전극; 및 상기 그리드 전극의 일부에 결합되어, 추출된 상기 전자로 구성된 전자 빔을 양극에 집속시키고, 상기 전자 빔의 형태를 가변시키는 가변장치를 포함하는 집속 전극을 포함하는 전자 빔 성형을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극구조에 관한 것이다.

Description

Ｘ―선관에서 발생되는 전자 빔 성형을 위한 게이트―집속 전극 일체형 전극구조{gate-focusing electrodes integrated electrodes structure for X-ray tube based on nano-structured material}

본 발명은 전계 방출 나노물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조에 관한 것으로, 구체적으로는 X-선관에서 발생되는 전자 빔의 형태를 성형할 수 있는 게이트-집속 전극 일체형 전극구조를 제공하기 위한 것이다.

현재 사용되고 있는 X-선관은 진공 밀봉된 벌브 내부에 음극부와 양극부가 설치되어 있고, 음극부에서 발생된 전자가 음극부와 양극부 사이에 인가되는 고전압에 의해 가속되어 양극부의 타깃에 충돌하면서 X-선이 발생하는 현상을 이용하고 있다.

이와 같이, 음극부에서 전자를 발생시키는 종래의 대표적인 X-선관으로서는 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 발생시키는 열전자 방출 음극 구조를 갖는 X-선관을 들 수 있다.

그러나, 이러한 열전자 방출 현상을 이용하는 X-선관의 경우, 텅스텐 필라멘트가 고온으로 가열됨에 따라 필라멘트의 열화가 진행되어 전자 방출 특성이 변화하게 하고, X-선관의 수명을 제한한다. 또한, 열전자를 방출시키기 위해 텅스텐 필라멘트의 고온 가열시 증발된 텅스텐이 타깃 표면, 진공 챔버 내벽 등에 증착되어 고압 절연을 저하시키고 투과 방사선량을 감소시키는 등의 문제점이 발생한다.

이에, 최근에는 열전자 방출 현상 대신 높은 전기장을 인가하였을 때 전자가 고체 표면의 전위 장벽(일함수)을 넘어 방출되는 전계 방출 현상을 이용하는 X-선관에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 전자 방출 전압이 1~3 V/㎛로서 다른 금속 팁보다 수십 배 정보 낮은 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 전자 방출원의 재료로서 이용하는 X-선관에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 탄소나노튜브 기반의 X-선관을 위한 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 탄소나노튜브 기반의 X-선관을 위한 전극 구조는 전자를 방출하는 탄소나노튜브(112)로 구성된 CNT 에미터(110), 그리드 전극 또는 게이트부(120), 절연체(130) 및 집속 전극(140)을 포함한다. 그리드 전극과 게이트는 동일한 의미로 본 명세서에서 혼용되어 사용될 수 있다.

종래 기술에 따른 X-선관의 동작 원리를 간단하게 설명하면 다음과 같다. 전압이 인가되면, CNT 에미터(110) 위에 전계가 형성되어 그 형성된 전계에 따라 CNT 에미터(110)에서 전자가 방출된다. 게이트부(120)는 CNT 에미터(110)와 소정거리 이격되어, CNT 에미터(110)로부터 방출된 전자의 일부 또는 전체를 추출한다. 집속 전극(140)은 추출된 전자를 양극(도시되지 않음)에 집속시키고, 이때 전자가 양극에 충돌되면서 X-선을 발생시키게 된다.

이처럼, 게이트부(120)와 집속 전극(140) 간 일정 거리를 유지하며 분리될 수 있도록 절연체(130)가 게이트부(120)와 집속 전극(140) 사이에 삽입되는데, 절연체(130)의 사용으로 인해 X-선관의 제조 단가가 높아질 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 것과 같은, 음극, 양극, 게이트부 및 집속 전극을 사용하는 탄소나노튜브 기반의 X-선관의 경우, 집속성능을 향상시키는 반면 관전류 향상을 위해 게이트부의 인가전압을 상승시키는 경우 초점크기가 상당히 큰 폭으로 변화하게 되고, 초점크기 변화에 따른 X-선 영상의 화질저하가 발생될 수 있다는 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 그리드 전극과 집속 전극을 결합시켜 일체화시키고, 집속 전극에서 전자 빔의 형태를 성형할 수 있는 가변장치를 포함하는 전극구조를 제안한다.

또한, 본 발명은 전자 빔의 가변 장치로 집속 전극의 개구 구조를 이용하여 전자 빔의 가로방향 및 세로방향 압축 비율을 상이하게 조정함으로써, 보다 간편한 전자 빔 가변장치를 제안한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 Ｘ-선관에서 발생되는 전자 빔 성형을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극구조는 전자를 방출하는 나노구조 물질로 이루어진 나노 에미터; 상기 나노 에미터와 소정거리 이격되어, 상기 나노 에미터로부터 방출된 상기 전자의 일부 또는 전체를 추출하는 그리드 전극; 및 상기 그리드 전극의 일부에 결합되어, 추출된 상기 전자로 구성된 전자 빔을 양극에 집속시키고, 상기 전자 빔의 형태를 가변시키는 가변장치를 포함하는 집속 전극을 포함한다.

이때, 상기 집속 전극에서 집속되는 상기 전자 빔은 상기 가변장치를 통해 가로방향 및 세로방향으로 동일 또는 상이한 비율로 압축될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 가변장치는 상기 집속 전극에서 상기 전자 빔이 통과되는 개구 영역이고, 상기 개구 영역의 가로방향의 크기와 세로방향의 크기를 조정하여 형성될 수 있다.

바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 집속 전극의 개구 영역은 직사각형 또는 타원형으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 그리드 전극과 상기 집속 전극은 물리적으로 결합되어 일체로 형성될 수 있다.

상기 실시형태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.

본 발명에 따르면, 전자 빔의 가변 장치로 집속 전극의 개구 구조를 이용하여 전자 빔의 가로방향 및 세로방향 압축 비율을 상이하게 조정함으로써, 보다 간편하게 전자 빔을 성형할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전자 빔 성형에 따라 X-선의 초점 크기는 일정하게 유지하면서도 나노 에미터의 전자방출면적을 증가시켜 방출전류의 크기를 늘리거나 나노 에미터의 수명을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 탄소나노튜브 기반의 X-선관을 위한 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예와 관련된 전계 방출 나노구조 물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예와 관련된 전계 방출 나노구조 물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조를 이용하여 X선이 발생되는 구조의 일 예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 나노구조 물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조에서 집속 전극의 단면을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 나노구조 물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조에서 전자의 이동 경로의 일 예를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.

본 발명은 X-선관에서 발생되는 다양한 형태의 전자 빔의 초점성능 변화를 조정할 수 있도록 전자 빔의 형태를 성형할 수 있는 전극구조를 제안하고자 한다.

도 2는 본 발명의 실시예와 관련된 전계 방출 나노구조 물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 전계 방출 나노구조 물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조는 전자를 방출하는 나노구조 물질로 이루어진 나노 에미터(210), 그리드 전극 또는 그리드 전극(220) 및 집속 전극(230)을 포함하여 구성될 수 있다.

나노 에미터(210)는 기판(211)과 나노구조 물질(212)로 이루어지는데, 기판(211)은 금속 또는 실리콘 등의 재질을 이용하여 형성될 수 있다. 그리고, 소정 전압의 인가에 따라 전자를 방출하는 나노구조 물질(212)은 탄소나노튜브(carbon nano tube), 그래핀(graphene), nano-fiber, nano-rod, nano-needle nano-pin 등을 의미할 수 있다. 이러한 나노구조 물질 중 특히, 탄소나노튜브를 일예로 들어 설명하면, 탄소나노튜브는 전자방출 전압이 1~3 V/㎛정도로 인가하면 전자가 방출되므로, 다른 금속 팁보다 수십 배 정도 낮아 전자 방출원의 재료로서 널리 사용되고 있다.

그리드 전극(220)은 나노 에미터(210)로부터 방출된 전자의 일부 또는 전체를 추출할 수 있다. 그리드 전극(220)의 일 예로, 전자의 일부 또는 전체를 추출하기 위하여 그물망의 형태이면서 고전압 인가가 가능한 금속 재질의 그물망 또는 상용화된 수 ㎛ 수준의 전선을 그물처럼 엮어서 제작한 금속 재질의 그물망 또는 포토 에칭이나 레이저 가공을 통해 수 ㎛ 수준의 금속에 원과 같은 홀을 뚫어 제작한 금속 재질의 그물망일 수 있다.

집속 전극(230)은 그리드 전극(220)의 일부에 결합되어 집속 전극(230) 주변에 형성된 전계에 의해 추출된 전자를 양극(240)에 집속시킬 수 있다. 특히, 집속 전극(230)은 그리드 전극(220)의 일부에 결합하며, 종래와 같이 그리드 전극(220)과 집속 전극(230) 사이에 절연체를 넣어 결합하거나 또는 도 2에 도시된 것처럼 용접 등의 물리적 방법으로 결합할 수 있다.

도 2에 도시된 것과 같은 전극구조에 따라, 기판(211)은 접지하고 그리드 전극(220)에는 양의 전압을 인가함으로써, 기판(211)과 그리드 전극(220) 사이의 전압차에 의하여 기판(211)상의 나노물질 구조(212)로부터 전자 빔을 발생시킬 수 있다. 이와 같이 발생된 전자 빔은 집속 전극(230)에 의해 집속되어 양극부(240)로 진행되고, 집속되어 방출되는 전자 빔은 양극부(240)에서 수용되며, 양극부(240)의 금속 경사면에 충돌된 전자 빔은 X선을 발생시킬 수 있다.

도 3은 상기 도 2에 도시된 나노구조 물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조를 이용하여 X선이 발생되는 구조의 일 예를 나타내는 단면도이다.

도 3을 참조하면, 나노물질 구조로부터 발생된 전자 빔은 집속 전극을 거쳐 양극부(240)로 진행하며, 이때 양극부(240)에 충돌하는 전자 빔의 단면은 집속 전극의 개구 형태(예, 원형)에 따라 직경(D)의 원형으로 나타날 수 있다. 그리고, 전자 빔과 양극부(240)간의 충돌에 의해 발생되는 X선의 실효초점 크기(d)는 전자 빔의 직경(D)과 수학식 1과 같은 관계가 성립된다.

상기 수학시 1에서 양극부(240)와 X선이 이루는 각도(θ)는 미리 설정된 값(예를 들어, θ=13.5°)이므로 초점 크기(d)는 전자 빔의 직경 크기(D)에 비례하게 된다. X-선관에서 전자 빔의 직영(D)이 작아지면 X선의 초점 크기(d)도 작아지고, X-선 화상이미지에 대한 선예도(sharpness)가 커지게 된다. 반면, 전자 빔의 직경(D)이 커지게 되면 양극부(240)에서 전자 충돌면적이 커지게 되고 X선의 초점 크기(d)도 커지게 된다. X-선 초점 크기(d)는 소정의 크기 이하로 유지하면서 나노 에미터(210)의 전자방출면적을 증가시킬 수 있으면 에미터의 전자방출 부하량이 감소하여 에미터의 수명을 증가시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 X-선관을 위한 전계 방출 전극구조에서는 나노 에미터에서 발생된 전자 빔을 집속하여 양극부로 진행하도록 하는 집속 전극에서 전자 빔이 통과하는 개구 영역을 조정하여 초점 크기를 조정하도록 하고자 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 나노구조 물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조에서 집속 전극의 단면을 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 것처럼, 나노 에미터(210)에서 발생되는 전자 빔 단면 형태(410)는 원 형태(circle beam), 타원 형태(elliptical beam), 정사각 형태(square beam), 직사각 형태(rectangular beam) 등 다양하게 구현될 수 있다.

이와 같이 다양한 형태의 전자 빔을 집속하는 집속 전극(230)은 전자 빔의 형태를 가변시키는 가변장치(231)를 포함한다. 전자 빔 가변장치는 집속 전극(230)에서 양극부(240)로 진행되는 전자 빔의 가로방향과 세로방향의 압축 비율을 임의적으로 조절하며, 가변장치(231)의 일 예로 집속 전극(230)의 개구 영역이 될 수 있다. 도 4에 도시된 것처럼, 집속 전극(230)의 개구부를 가로방향 크기와 세로방향 크기를 임의적으로 조정하여 다양한 크기의 타원형 구조 또는 직사각형 구조(231a 내지 231c)로 형성하여, 양극부(240)에 충돌하는 전자 빔의 단면 모양을 자유롭게 조절할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조에 따르면, 도 4에 도시된 것처럼 나노 에미터(210)에서 발생되는 전자 빔 단면 형태(410)와 상관없이 달리 집속 전극의 가변장치(231)에 따라 양극부(240)에 충돌되는 전자 빔을 타원형태 또는 직사각 형태(420)로 성형할 수 있다. 사용자는 X-선의 초점 크기를 조정하기 위해 종래 X-선의 초점 크기 조정을 위해 나노 에미터(210)에서 발생되는 전자 빔의 크기 및 형태를 조정하던 방법과 달리, 다양한 가변장치(231)를 포함하는 집속 전극(230) 중 원하는 형태의 전자 빔을 성형할 수 있는 집속 전극(230)을 선택하여 탈착함으로써 초점 크기를 조정할 수 있다.

이와 같이, 집속 전극에서 양극부로 도달하는 전자 빔의 단면 모양을 구현자가 임의적으로 조정할 수 있도록 함으로써, X-선의 초점 크기는 일정하게 유지하면서도 나노 에미터의 전자방출면적을 증가시킬 수 있어 방출전류의 크기를 늘리거나 나노 에미터의 수명을 증가시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계 방출 나노구조 물질 기반의 X-선관을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극 구조에서 전자의 이동 경로의 일 예를 나타내는 도면이다.

구체적으로, 도 5는 상기 도 2에 도시된 그리드 전극(220)과 집속 전극(230)이 일체화된 전극구조에서, 양극(240)의 전압이 70kV, 그리드 전극(220)의 전압이 3kV, 타원형 나노 에미터(210)의 장경이 5.0mm, 단경이 2.0mm인 조건하에 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 이하, 도 5에 도시된 집속 전극(230)은 도면에 도시되지는 않았으나 그리드 전극과 일체화된 형태임을 가정한다.

도 5의 (a)를 참조하면, 상기 조건에서 나노 에미터(210)에서 방출된 전자는 집속 전극(230)을 통해 집속되고, 집속 전극(230)을 통과하면서 집속 전극(230) 주변에 형성된 전계에 의해 양극에 집속되는 것을 확인할 수 있다.

이때, 집속 전극(230)의 개구 구조(231)에 따라 양극(240)으로 도달되는 전자 빔의 단면 모양이 달라지게 된다. 예를 들어, 집속 전극의 개구 구조(231)를 도 4에 도시된 직사각형 형태(231a) 또는 타원 형태(231b)로 구성하는 경우, 나노 에미터(210)에서 발생되는 전자 빔의 단면 구조와 상관없이 집속 전극(230)을 통과하는 전자 빔은 도 5의 (b)에 도시된 것처럼 세로방향의 전자 빔 단면 크기와 도 5의 (c)d에 도시된 것처럼 가로방향의 전자 빔 단면 크기가 다르게 조정될 수 있다.

상술한 본 발명의 실시예에 따라 게이트와 집속 전극을 결합시켜 일체화함으로써 집속 전극의 형태를 변화시켜 전계를 변화시킬 수 있고, 집속 전극에서 전자 빔이 통과하는 개구부분의 구조를 사용자가 용이하게 변형하여 전자 빔 단면을 성형함으로써 X-선관의 효율성을 더욱 증가시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상이 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 전자를 방출하는 나노구조 물질로 이루어진 나노 에미터;
   상기 나노 에미터와 소정거리 이격되어, 상기 나노 에미터로부터 방출된 상기 전자의 일부 또는 전체를 추출하는 그리드 전극; 및
   상기 그리드 전극의 일부에 결합되어, 추출된 상기 전자로 구성된 전자 빔을 양극에 집속시키고, 상기 전자 빔의 형태를 가변시키는 가변장치를 포함하며, 상기 가변장치는 상기 전자 빔이 통과되는 개구 영역이고, 상기 개구 영역의 가로방향의 크기와 세로방향의 크기를 조정하여 형성되는 것을 특징으로 하는 집속 전극; 을 포함하는, Ｘ-선관에서 발생되는 전자 빔 성형을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극구조.
2. 제1항에 있어서,
   상기 집속 전극에서 집속되는 상기 전자 빔은, 상기 가변장치에 해당하는 집속 전극 개구 영역의 조정을 통해 가로방향 및 세로방향으로 동일 또는 상이한 비율로 압축되는 것을 특징으로 하는, Ｘ-선관에서 발생되는 전자 빔 성형을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극구조.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 집속 전극은, 여러 집속 전극 중 원하는 형태의 전자 빔을 성형할 수 있는 개구 영역이 형성된 집속 전극을 부착할 수 있는 것을 특징으로 하는, Ｘ-선관에서 발생되는 전자 빔 성형을 위한 게이트-집속 전극 일체형 전극구조.

Images