KR101434821B1

KR101434821B1 - 비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관

Info

Publication number: KR101434821B1
Application number: KR1020140038054A
Authority: KR
Inventors: 박래준
Original assignee: 주식회사엑스엘
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2014-08-26
Also published as: WO2015152490A1

Abstract

본 발명에 따른 비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관(100)은 중공의 벌브 구조체(110); 상기 벌브 구조체(110)의 상단부에 장착되는 음극 집속관 모듈(120); 상기 음극 집속관 모듈(120)의 하부에 배치되는 회전 양극 모듈(130); 상기 회전 양극 모듈(130)을 지지하는 동시에 상기 벌브 구조체(110)의 개방된 하부를 밀폐하는 지지 구조체(140); 상기 벌브 구조체(110)의 내부에 배치되는 금속 실린더(150); 및 상기 금속 실린더(150)의 표면 및 상기 금속 벌브(111)의 내면 상에 도포되는 비확산 게터(170);를 포함하고, 상기 금속 실린더(150)는 상기 벌브 구조체(110)의 내면으로부터 제1 이격거리(d1)를 유지하고, 상기 비확산 게터(170)는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 상기 금속 실린더(150)의 일면 또는 양면에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 엑스선관 작동시 바로 정격전력을 인가하여도 필라멘트 및 음극 집속관에서 발생되는 가스와 타겟에서 발생되는 가스에 대해서 고압전원이 인가되는 순간부터 인가되고 있는 동안 비확산 게터에 의한 흡착이 충분히 발휘되어 가스들에 의하여 급격히 압력이 증가하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 엑스선관이 봉입된 상태에서 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지할 수 있다.

Description

비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관{ROTARY ANODE TYPE X-RAY TUBE HAVING NON-EVAPORABLE GETTER}

본 발명은 엑스선관 봉입 후 내부의 고진공상태 유지를 위해 비확산 게터 구조물을 엑스선관 내에 장착하는 것으로서, 구체적으로는 중공의 벌브 내에 배치되는 음극 집속관 및 회전 양극 타겟 사이에 비확산 게터 도포용 금속 실린더를 배치하여 엑스선관 내의 진공도를 높이고자 하는 비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관에 관한 것이다.

일반적인 진공배기시스템은 진공배기하고자 하는 용기에 직접 진공펌프를 장착하면서 보조펌프를 직렬로 연결하여 사용한다. 그리고, 진공용기 및 진공배기라인의 재료는 알루미늄, 스테인레스 스틸, 석영 또는 파이렉스가 주로 이용되고 있다. 진공도 10^-3 Torr 정도의 중,저진공에 필요한 진공배기시스템은 부스터펌프와 로터리 펌프가 직렬로 연결되어 챔버에 부착하거나 로터리펌프를 단독으로 챔버에 부착하여 사용한다. 진공도 10^-4~ 10^-7Torr의 고진공에 필요한 진공배기시스템은 액체질소 냉각트랩이 부착된 오일확산펌프 또는 터보분자 펌프가 설치되고 보조펌프로서 로터리펌프와 같은 중, 저진공펌프가 직렬로 연결된다. 엑스선관 진공배기를 위해서는 10^-8~10^-11Torr의 초고진공 배기능력을 갖춘 진공시스템을 이용해야 하는데 크라이오펌프, 이온펌프 또는 터보펌프가 사용된다.

일반적인 엑스선관의 진공배기는 봉입 전 진공배기와 봉입 후 진공배기로 크게 두 단계로 이루어진다. 봉입 전 진공배기는 크라이오펌프 또는 이온펌프가 부착된 초고진공 배기시스템을 이용하여 이루어진다. 엑스선관의 진공배기와 같은 초고진공이 요구되는 진공공정에서는 극히 미량일지라도 산소나 수분은 제품의 성능에 악영향을 미친다. 특히 수분의 물리적 흡착 시간은 수 ms로서 불활성기체와 수소를 비롯한 기타 가스입자에 비해 대단히 길어서 진공공간 중에 오래 머물면서 복잡한 흡착양상을 연출하기 때문에 진공의 질을 떨어뜨리는 주원인을 제공한다.

진공용기 내의 수분을 짧은 시간 내에 배출하여 그 잔류량을 낮추기 위해서는 진공용기를 가열하여 수분의 물리적 흡착시간을 짧게 해주어야 한다. 수분탈착을 위한 진공용기의 가열은 일반적으로 150 ℃ 정도로 하지만, 진공시스템의 사양과 목표진공도에 따라서 가열온도를 다르게 할 수 있다. 엑스선관의 진공배기와 같은 초고진공을 목적으로 할 때 일반적인 진공배기공정의 순서는 1) 중,저진공배기, 2) 고진공배기, 3)진공용기 및 진공배기라인 가열상태 진공배기, 4) 가열된 진공용기가 냉각되기 전에 진공게이지와 같은 진공용기 내의 각종 발열소자 탈가스, 5) 베이스 진공배기 등과 같은 과정들로 이루어진다.

엑스선관의 진공배기를 위한 봉입 후의 진공배기는 진공 봉입된 엑스선관 내의 잔류가스를 줄이기 위해 게터(getter)를 사용하여 내부흡착을 통한 진공배기 과정으로 이루어진다. 주로 확산 게터를 이용하고 있으며 비확산 게터를 이용하는 경우도 있다. 확산 게터의 재료로서는 Ba, Ba-Al-Ni alloy 가 주로 쓰이고, 용도에 따라 Ca(미국특허 US6583559B1)이나 알칼리 금속 종류(미국특허 US4665343)가 쓰이기도 한다.

일반적으로 확산게터는 음극 배면에 장착되어 음극배선 사이에 전기적 접촉이 되지 않는 좁은 영역에 확산 코팅하여 이 코팅 층에서 잔류가스 흡착이 이루어 지도록 설계한다. 비확산 게터는 Zr, Ti, Ni 또는 이들을 베이스로 하는 다양한 합금이 이용되며 분말을 성형 후 소성과정을 통하거나 분말 압착과정을 통하여 다공질 구조로 성형하여 이용한다.

엑스선관에 게터를 적용한 선행기술들은 다음과 같은 예가 있다.

두 개의 비확산 게터를 진공봉입된 하우징 벌브 내에 양극과 인접한 위치와 음극부에 장착하는 구조가 있다. 양극이 고온상태가 되었을 때 양극에서 방사되는 고온의 방사열에 의해 흡착이 이루어지는 비확산 게터가 양극에 근접해서 장착되어 있고, 고온의 방사열에 의해 흡착이 이루어지는 비확산 게터가 음극부에 장착되어 엑스선관이 반복 작동되어 양극이 가열되었을 때 흡착이 이루어지는 게터시스템이 제시되었다(US005838761).

또한, 금속 하우징 벌브의 음극측 부위에 확산 게터시스템이 장착되어 있고, 엑스선관 외부에서 전원을 공급하므로서 접지되어 있는 금속하우징 내부의 넓은 영역에 확산게터를 도포하여 잔류가스흡착율이 향상되도록 하고, 또한 현장 사용중에 게터 도포층의 활성이 저하되는 즈음에 반복해서 게터를 확산시킬 수 있는 구조에 대한 예도 있다(미국특허 US6570959B1).

또한, 음극 상단부에 복수개의 확산게터가 장착되어 있으며 엑스선관 외부에서 선택적으로 확산게터 전원을 공급하여 음극상층부에 인접한 하우징 벌브의 제한된 영역에 반복해서 게터를 확산시킬 수 있는 구조에 대한 예도 있다(US6192106A1, US06192106B1).

또한, 캡 내부의 원형 홈에 비확산 게터를 다공성으로 소성시켜 성형을 하여 캡을 엑스선관 내부에 장착하는 구조로서, 비확산 게터를 엑스선관 내부 구조에 부착하면 조립작업공정 중의 대기중 가열로 인한 표면산화로 흡착포화상태에 이르게 되지만 진공 봉입 후 엑스선관 작동중에 발생되는 양극의 열로 인해 게터가 장착된 캡이 가열되면서 게터가 재활성화되어 잔류가스 흡착이 이루어지는 게터구조가 제시된 경우도 있다(US05509045).

이와 같이 진공봉입된 엑스선관의 고진공 상태를 유지하기 위한 다양한 방법이 제시되어 왔는데, 현재 사용되고 있는 엑스선관들은 여전히 봉입된 상태에서 봉입시의 잔류가스 및 탈가스에 의해 유입되는 가스, 필라멘트 가열시 발생되는 가스, 엑스선관 작동시 타겟에서 발생되는 탈가스에 의해 내부압력이 상승하여 사용시 작동제한요인들이 발생되고, 그 기능이 상실되는 경우도 발생된다.

봉입된 엑스선관은 지속적으로 발생되는 탈가스 때문에 내부압력이 증가되는데, 그 이유는 증착된 확산게터 또는 비활성화 상태에 있는 비확산게터가 탈가스에 의해 증가된 가스량을 다 흡착하지 못하기 때문이다. 더군다나 엑스선관을 작동시키기 위해서 필라멘트를 가열할 때 발생되는 가스와 전원을 인가하여 엑스선이 발생될 때 타겟에서 급격히 발생되는 가스가 더해져서 엑스선이 처음 발생될 때는 급격히 압력이 증가하게 된다. 일반적으로 엑스선관을 작동하는데 있어서 엑스선 발생 초기에 급격한 압력증가로 인해 방전현상이 발생되어 엑스선관의 기능이 상실되는 경우가 있기 때문에 이를 방지하기 위해서 현재 사용되는 엑스선관은 엑스선관에 정격전력을 인가하기 전에 저전력으로 일정시간 작동시켜서 가스발생을 완화시킴과 동시에 자체흡착에 의한 진공배기 기능을 이용해서 증가되어 있는 압력을 낮추는 에이징(aging) 과정을 거쳐야 된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 엑스선관을 작동하는 경우에 즉시 정격전력을 인가하더라도 발생되는 엑스선에 의한 비확산 게터의 활성화로 필라멘트 및 음극 집속관에서 발생되는 가스와 회전 양극 타겟에서 발생되는 가스의 흡착 기능이 충분히 발휘되어 엑스선관의 내부압력이 증가하는 것을 방지함으로써 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지할 수 있는 엑스선관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 엑스선관이 작동되는 동안 회전 양극이 고온상태가 되면 양극에서 방사되는 열에 의해 실린더 또는 벌브의 표면에 도포된 비확산 게터의 활성화로 가스흡착이 효과적으로 발휘되어 내부압력이 증가하는 것을 방지할 수 있는 엑스선관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 엑스선관이 작동되는 동안 양극의 온도가 상승되면 온도의 전도에 의한 비확산 게터의 활성화로 가스흡착이 효과적으로 발휘되어 내부압력이 증가하는 것을 방지할 수 있는 엑스선관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 엑스선관 작동시 에이징 과정을 생략하고 바로 정격 전력을 인가하여도 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지할 수 있는 엑스선관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관(100)은 중공의 벌브 구조체(110); 상기 벌브 구조체(110)의 상단부에 장착되는 음극 집속관 모듈(120); 상기 음극 집속관 모듈(120)의 하부에 배치되는 회전 양극 모듈(130); 상기 회전 양극 모듈(130)을 지지하는 동시에 상기 벌브 구조체(110)의 개방된 하부를 밀폐하는 지지 구조체(140); 상기 벌브 구조체(110)의 내부에 배치되는 금속 실린더(150); 및 상기 금속 실린더(150)의 표면 및 상기 벌브 구조체(110) 내면 상에 도포되는 비확산 게터(170);를 포함하고, 상기 금속 실린더(150)는 상기 벌브 구조체(110)의 내면으로부터 제1 이격거리(d1)를 유지하고, 상기 비확산 게터(170)는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 상기 금속 실린더(150)의 일면 또는 양면에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 벌브 구조체(110)는 상부를 구성하는 금속 벌브(111), 상기 금속 벌브(111)의 하부 방향에 배치되며 벌브 연결체(112)에 의해 결합되는 유리 벌브(113) 및 진공배기를 위하여 상기 금속 벌브(111) 상에 배치되는 진공배기관 봉입부(115)를 포함하며, 상기 금속 실린더(150)는 상기 금속 벌브(111)의 내부에 배치된다.

상기 금속 실린더(150)는 상기 금속 벌브(111)와 제1 이격거리(d1)를 유지하는 제1 금속실린더(150a) 및 상기 제1 금속실린더(150a)와 제2 이격거리(d2)를 유지하는 제2 금속실린더(150b)를 포함하며, 상기 금속실린더(150a,150b)의 양면 및 상기 금속 벌브(111)의 내면에 비확산 게터(170)가 소성 또는 증착된다.

상기 제1 이격거리(d1)는 4mm 내지 6mm 이다.

상기 금속실린더(150)는 동, 니켈 및 순철을 포함한 그룹 중 어느 하나를 이용한 얇은 판 형태이다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관은 중공의 벌브 내에 배치되는 음극 집속관 및 회전 양극 타겟 사이에 비확산 게터 도포용 금속 실린더를 배치함으로서 엑스선관 작동시 바로 정격전력을 인가하여도 필라멘트 및 음극 집속관에서 발생되는 가스와 타겟에서 발생되는 가스에 대해서 고압전원이 인가되는 순간부터 인가되고 있는 동안 상기 비확산 게터에 의한 흡착이 충분히 발휘되어 위와 같은 가스들에 의하여 급격히 압력이 증가하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 엑스선관이 봉입된 상태에서 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 엑스선관에 따르면, 엑스선관 작동시 에이징 과정을 생략하고 바로 정격 전력을 인가하여도 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지함으로써, 산업용 또는 의료용 등으로 응용하여 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관의 단면도,
도 2는 회전 양극 엑스선관에 장착된 비확산 게터 도포용 금속 실린더의 단면도,
도 3은 단수로 이루어진 금속 실린더 양면 및 금속 벌브 내면에 도포된 비확산 게터의 분포 형태를 보이는 도면, 및
도 4는 복수로 이루어진 금속 실린더 양면 및 금속 벌브 내면에 도포된 비확산 게터의 분포 형태를 보이는 도면이다.

본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지할 수 있는 비확산게터의 분포 형태에 특징이 있는 엑스선관을 제공하기 위한 목적으로 하는 것이지만 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 반응 과정에서 발생하는 불순물을 함유한 가스를 흡착하는 과정을 통해서 내부의 청정도를 향상하게 하는 구조에도 적용이 가능할 수 있다.

본 발명인 비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관은 필요에 따라 일체형으로 제조되거나 각각 분리되어 제조될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관(100)의 전체적인 구조

도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 비확산게터를 갖는 회전 양극형 엑스선관의 구조 및 기능을 살핀다.

먼저, 회전 양극형 엑스선관(100)은 벌브 구조체(110), 벌브 구조체(110)의 상단에 장착되는 음극 집속관 모듈(120), 음극 집속관 모듈(120)의 하부에 배치되는 회전 양극 모듈(130), 회전 양극 모듈(130)을 지지하는 동시에 벌브 구조체(110)의 개방된 하부를 밀폐하는 지지 구조체(140), 벌브 구조체(110)의 내부에 배치되는 금속 실린더(150), 벌브 구조체(110)의 일면에 장착되는 윈도우(160), 및 금속 실린더(150)의 표면 상에 도포되는 비확산 게터(170)를 포함한다.

벌브 구조체(110)는 상부를 구성하는 금속 벌브(111), 금속 벌브(111)의 하부 방향에 배치되며 벌브 연결체(112)에 의해 결합되는 유리 벌브(파이렉스 벌브,113) 및 진공배기를 위한 진공배기관 봉입부(115)를 포함한다. 금속 벌브(111)의 재질은 동 성분을 포함하는 것이 바람직하다.

벌브 구조체(110)는 음극 집속관 모듈(120) 및 회전 양극 모듈(130)을 절연상태로 지지하고 내부 진공이 유지될 수 있도록 기밀을 유지시키는 기능을 한다.

벌브 구조체(110)에서 전체를 금속으로만 하지 않는 것은 음극 및 양극 사이의 고압 절연 문제가 있어서 벌브 전체 또는 일부를 절연체인 유리 또는 세라믹으로 사용하게 된다.

본 발명에서는 엑스선관(100)의 내부가 진공 상태이므로 절연 내압이 유지될 수 있도록 하기 위해서 벌브 구조체(110)의 하부를 유리 벌브(113)로 유지하게 된다. 유리 벌브(113)는 절연체로서 세라믹으로 대체 가능하다.

음극 집속관 모듈(120)은 음극 집속관(121), 음극 집속관(121)의 하단부에 배치되는 음극 필라멘트(122), 음극 집속관(121)의 상하로 관통하는 부위에 배치되는 절연관(123), 절연관(123) 내부를 통해 음극 필라멘트(122)에 접속되는 전극 스템(124), 음극집속관(121)을 금속 벌브(111)에 고정하기 위한 코바 어댑터(125) 및 스템 고정체(126)를 포함한다.

음극 집속관(121)은 음극 필라멘트(122) 및 필라멘트 지지대(미도시)를 지지함과 동시에 음극 필라멘트(122) 가열시 방출되는 열전자를 가속시킨 전자빔을 회전양극 타겟(133)에 직경 크기 정도의 일정한 사이즈로 집속시키는 기능을 한다.

음극 필라멘트(122)는 필라멘트 히팅 전원이 인가되는 지지전극에 의해 지지되고, 지지전극을 통하여 인가되는 히팅 전원에 의해 가열되어 열전자를 방출하는 전자원 기능을 한다.

회전 양극 모듈(130)은 회전양극 로터(131), 회전양극 로터(131)의 상부 중앙에 배치되는 회전축(132), 및 회전축(132)의 상부단에 고정되는 디스크 타입의 회전양극 타겟(133)을 포함한다.

회전양극 타겟(133)은 가속된 전자빔이 충돌할 때 엑스선을 발생시키는 기능을 한다. 회전양극 로터(131)는 회전양극 타겟(133)을 지지하고 회전양극 타겟(133) 초점에서 발생된 열을 흡수하여 저장함과 동시에 외부로 전도하여 방출시키는 기능을 하며, 고전압이 인가되는 양극의 역할을 한다.

회전 양극 모듈(130)은 엑스선 발생시 회전양극 타겟(133이 회전함으로써 전자빔 충돌 영역이 타겟면 상에 원형 트랙으로 형성되어 높은 출력의 엑스선을 발생시킬 수 있다.

지지 구조체(140)는 벌브 구조체(110)의 개방된 하단부를 밀폐하게 하는 지지캡(141) 및 지지캡(141)의 상부단 중앙에 배치된 상태에서 회전양극 로터(131)의 하단부를 지지하는 지지축(143)을 포함한다.

금속실린더(150)는 금속 벌브(111)의 내부에 소정 거리 이격된 상태로 배치되는 것으로서 일정 두께로 소성 도포된 비확산 게터(170)가 그 내면 및 외면에 도포된다. 금속실린더(150)의 상부단에는 접지용 전극 스템(151)이 연결되고, 접지용 전극 스템(151)에는 접지 배선(153)이 연결된다. 접지용 전극 스템(151)은 금속 벌브(111)에 고정된다. 비확산 게터가 도포되는 금속실린더(150)는 엑스선이 방사되는 방사창(152)이 형성된 구조이다. 상기 방사창(152)은 엑스선이 조사될 수 있도록 원형 홀(hole)로 형성된다.

회전 양극형 엑스선관(100)의 접지용 전극 스템(151) 및 접지용 배선(153)은 비확산 게터 도포용 금속실린더(150)에 발생된 정전하를 배출하는 기능을 한다.

회전 양극형 엑스선관(100) 내부의 기체는 봉입되기 전에 진공 시스템을 이용하여 소정의 배기 공정을 통하여 배출된 후 봉입되므로 써 엑스선관 내부는 진공 상태가 유지될 수 있으며, 엑스선관 작동시 진공상태에 따라 엑스선관의 기능과 성능이 좌우된다.

금속실린더(150)의 재질은 동, 니켈 및 순철 등을 포함한 그룹 중 어느 하나를 이용한 얇은 판의 형상으로 이용한다.

윈도우(160)는 윈도우 고정구(162)를 통해 금속 벌브(111)에 고정 설치된다. 음극 집속관 모듈(120)에서 방출된 열전자가 양극에 인가된 고전압에 의해 가속되어 회전 양극 타겟(133)에 충돌할 때 엑스선이 발생되며 엑스선은 윈도우(160)를 투과해 금속 벌브(111) 외부로 일정 각도로 조사된다.

도 3을 참조하여 비확산 게터(170)의 배치구조의 일 실시예를 설명한다.

금속실린더(150)는 금속 벌브(111)와 제1 이격거리(d1)를 유지한 상태에서, 금속실린더(150)의 양면 및 금속 벌브(111)의 내면에 비확산 게터(170)가 소성 또는 증착되는 형태를 갖는다.

여기에서, 제1 이격거리(d1)는 잔류가스가 유통될 수 있도록 4mm 내지 6mm 이며, 5mm 인 것이 바람직하다. 이는 너무 넓으면 내부 공간제한이 있고, 너무 좁게 밀착되어 있으면 잔류가스 유통이 제한되어 흡착율이 제한된다는 사항을 고려한 것이다.

또한, 잔류가스 흡착율은 비확산 게터(170)의 도포 면적에 비례하므로 도포면적을 넓게 하는 동시에, 금속실린더(150)의 양면을 이용하는 것이 유리하고, 잔류가스 흡착율은 잔류가스 접촉 표면적에 비례하므로 다공질 소성 형태로 하는 것이 바람직하다.

비확산 게터(170)는 또한 게터 특성을 가지는 물질을 직접 다공성 구조로 밴드 또는 실린더 형태로 만들어 금속 실린더(150)의 해당 위치에 장착하여 사용할 수 있다.

비확산 게터(170)의 재료는 금속, 합금, 또는 다공성 금속 화합물의 분말을 다공성 구조로 도포한 형태를 포함하는데, 예를 들어, Zr, Ni, Ti, Ba 과 같은 단일 금속, 또는 Zr-Al 합금, Zr-V-Fe 합금 등을 다공성 구조로 복수 층으로 직접 도포하거나 밴드 또는 실리더 형태로 제작되는 것을 포함한다.

한편, 벌브 구조체(110) 중 유리 벌브(113)의 내측으로도 비확산 게터 구조물이 배치될 수 있는데, 이 경우에 유리 벌브(113)의 내면에 직접 접촉하는 상태로 비확산 게터 소성막을 형성하는 것이 아니라 유리 벌브(113)의 내측으로 이격거리를 두고 진공 절연층을 둔 상태에서 비확산 게터 소성막을 형성하는 것이 바람직하다.

양극-음극에 고전압이 인가되는 경우에 유리 벌브(113) 내면에 금속 코팅막 또는 소성막이 형성되어 있음으로 인해서 통전되는 상황이 발생할 수 있는데, 본 발명의 벌브 구조체(110)에서 유리 벌브(113)의 경우는 양극-음극에 인가된 고전압에 대한 절연 기능을 하게 된다.

도 4를 참조하여 비확산 게터(170)의 배치구조의 다른 실시예를 설명한다.

금속실린더(150)는 복수개로 장착하는 것이 가능한데, 이는 실린더 장착 개수를 증가하는 경우에는 비확산 게터 도포 면적 및 잔류가스 접촉 표면적이 넓어져 잔류가스 흡착율이 높아지는 이점이 있다.

제1 금속실린더(150a)는 금속 벌브(111)와 제1 이격거리(d1)를 유지하고, 제2 금속실린더(150b)는 제1 금속실린더(150a)와 제2 이격거리(d2)를 유지한다. 이 상태에서, 금속실린더(150a,150b)의 양면 및 금속 벌브(111)의 내면에 비확산 게터(170)가 소성 또는 증착되는 형태를 갖는다.

여기에서, 제1 이격거리(d1) 및 제2 이격거리(d2)는 잔류가스가 유통될 수 있도록 4mm 내지 6mm 이며, 5mm 인 것이 바람직하다. 이는 너무 넓으면 내부 공간제한이 있고, 너무 좁게 밀착되어 있으면 잔류가스 유통이 제한되어 흡착율이 제한된다는 사항을 고려한 것이다.

실험예

봉입된 엑스선관의 내부 진공변화를 관찰하는 것은 대단히 어려운 문제이므로 내부에 비확산 게터를 장착했을 때와 장착하지 않았을 때의 진공도의 변화에 대한 정확한 비교자료를 도출하기 위해서 엑스선관이 봉입되기 전의 진공배기 시스템에 장착된 상태에서 진공배기 시스템의 진공게이지의 변화를 비교 실험하였다.

실험모델은 도 1과 같이 회전양극 엑스선관(100)에 금속 실린더(150) 1개가 장착되어 있을 때이고, 진공시스템은 6˝크라이오펌프가 주배기펌프로 사용된다. 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착한 엑스선관과 장착하지 않은 엑스선관을 각각 1개씩을 진공시스템에 장착한 상태에서 진공시스템 및 엑스선관을 베이킹을 하여 베이스 진공도가 2×10^-9 Torr가 유지되도록 한다.

이후, 진공배기 시스템의 진공배기 속도는 일정하여 2×10^-9 Torr의 진공이 유지된다.

비교 실험은 위와 같은 진공배기를 수행하면서 음극 필라멘트(122)에 히팅전원을 인가하고, 음극은 접지 상태, 양극은 고전압 +50kV를 인가하였고, 관전류는 20mA가 되도록 필라멘트 히팅전원을 조정하였다. 처음 시작할 때 양극 온도는 실내온도인 21℃ 였고, 각각의 실행 전원인가 시간에서 고전압 전원인가 전의 양극의 온도는 100℃가 되도록 지연시간을 충분히 두고 고전압을 전원인가를 하였다. 이때 양극의 온도는 비접촉식 적외선 온도측정기로 모니터링 하였다.

실험결과 엑스선관 내부에 비확산 게터를 도포하지 않았을 때는 [표 1]과 같고, 비확산 게터를 도포했을 때는 [표 2]와 같았다.

이와 같은 결과는 진공배기시스템의 성능, 엑스선관 내의 부품과 재료의 청정상태, 엑스선관의 내부부품의 표면적 넓이와 표면상태, 도포된 비확산 게터의 소성 상태와 실린더의 표면적 넓이, 관전압 및 관전류에 따라 상이하게 도출될 수 있으나 엑스선관 내부에 비확산 게터를 장착하지 않은 엑스선관과 장착한 엑스선관에 대한 상대적 비교자료로써 활용될 수 있다.

비확산 게터가 장착되지 않은 엑스선관의 시간에 대한 진공도 변화

전원인가 시간	전원인가 후 진공도
전원인가 전	2 × 10^-9 Torr
전원인가 직후	2 × 10^-8 Torr
전원인가 5초 후	2 × 10^-7 Torr
전원인가 10초 후	2 × 10^-7 Torr
전원인가 15초 후	2 × 10^-7 Torr
전원인가 20초 후	2 × 10^-7 Torr

비확산 게터가 장착된 엑스선관의 시간에 대한 진공도 변화

전원인가 시간	전원인가 후 진공도
전원인가 전	2 × 10^-9 Torr
전원인가 직후	2 × 10^-10 Torr
전원인가 5초 후	2 × 10^-10 Torr
전원인가 10초 후	2 × 10^-10 Torr
전원인가 15초 후	2 × 10^-10 Torr
전원인가 20초 후	1 × 10^-10 Torr

이하에서는 본 발명에 따른 회전 양극형 엑스선관(100)의 작동 과정을 설명하기로 한다.

음극 필라멘트(122)를 가열하면 음극 필라멘트(122)에서 열전자가 방출되는데, 소정의 고전압이 인가된 회전 양극 모듈(130)과 접지 상태인 음극 집속관 모듈(120) 사이의 높은 전압 차에 의해 열전자가 가속되어 관전류를 형성하고, 음극 집속관(121)에 의하여 집속된 관전류 전자빔이 회전 양극 타겟(133)에 충돌하여 엑스선이 발생된다.

이때 일정 각도로 경사지게 배치된 회전 양극 타겟(133)의 충돌면에 의하여 엑스선은 윈도우(160)를 통해 가장 높은 세기로 방사된다.

이때, 앞서 기술한 바와 같이 일반적으로 기존에는 엑스선관을 작동시킬 때, 열전자를 발생시키기 위해 음극 필라멘트(122) 가열시 이 음극 필라멘트(122)에서 발생되는 가스(또는 파티클이나 이온)와 가속된 전자빔이 회전 양극 타겟(133)에 충돌할 때 회전 양극 타겟(133)에서 급격히 발생되는 가스가 엑스선관 내의 잔류가스압력을 급격히 상승시켜 엑스선관의 성능을 제한받게 하거나 기능을 상실하게 한다.

본 발명에서는 회전 양극형 엑스선관(100) 작동시 음극 집속관(121)과 회전 양극 모듈(130) 사이에 고압 전원이 인가될 때부터 고압전원이 인가되고 있는 동안 발생되는 엑스선에 의해 비확산 게터(170)의 가스 흡착율이 급상승하여 기존의 잔류가스에 엑스선관 작동시 순간적으로 발생되는 가스가 부가됨에도 불구하고 엑스선관의 기능을 안정적으로 유지할 수 있도록 하였다.

이를 위해서 회전 양극형 엑스선관(100)에서는 금속실린더(150)의 양면 및 금속 벌브(111)의 내면에 비확산 게터(170)가 소성 또는 증착된다. 비확산 게터(170)는 가스의 흡착에 유리하도록 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 금속실린더(150)의 양면에 도포하여 밴드(band)나 실린더(cylinder) 형태로 만들어, 원통형 금속 벌브(111)의 안쪽 벽면에 삽입하여 장착시킬 수 있다.

비확산 게터(170)는 위와 같이 금속실린더(150)의 양면 및 금속 벌브(111)의 내면에 소성 또는 증착되는 구조일 수도 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 음극 집속관(121)의 하부표면 회전 양극 타겟(133)의 표면 상에 다공성 물질을 스프레이 분사 또는 프린팅 기법 등으로 직접 도포하여 같은 기능을 발휘하도록 할 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전 양극형 엑스선관은 엑스선관 작동시 바로 정격전력을 인가하여도 필라멘트 및 음극 집속관에서 발생되는 가스와 타겟에서 발생되는 가스에 대해서 고압전원이 인가되는 순간부터 인가되고 있는 동안 비확산 게터에 의한 흡착이 충분히 발휘되어 가스들에 의하여 급격히 압력이 증가하는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 엑스선관이 봉입된 상태에서 엑스선관 작동에 필요한 고진공을 안정적으로 유지할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 회전 양극형 엑스선관
110 : 벌브 구조체
120 : 음극 집속관 모듈
130 : 회전 양극 모듈
140 : 지지 구조체
150 : 금속 실린더
160 : 윈도우
170 : 비확산 게터

Claims

중공의 벌브 구조체(110);
상기 벌브 구조체(110)의 상단부에 장착되는 음극 집속관 모듈(120);
상기 음극 집속관 모듈(120)의 하부에 배치되는 회전 양극 모듈(130);
상기 회전 양극 모듈(130)을 지지하는 동시에 상기 벌브 구조체(110)의 개방된 하부를 밀폐하는 지지 구조체(140);
상기 벌브 구조체(110)의 내부에 배치되는 금속 실린더(150); 및
상기 금속 실린더(150)의 표면 및 상기 벌브 구조체(110) 내면 상에 도포되는 비확산 게터(170);를 포함하고,
상기 금속 실린더(150)는 상기 벌브 구조체(110)와 제1 이격거리(d1)를 유지하는 제1 금속실린더(150a) 및 상기 제1 금속실린더(150a)와 제2 이격거리(d2)를 유지하는 제2 금속실린더(150b)를 포함하며,
상기 금속실린더(150a,150b)의 양면 및 상기 벌브 구조체(110)의 내면에 비확산 게터(170)가 소성 또는 증착되며,
상기 비확산 게터(170)는, 게터 특성을 갖는 물질을 다공성 구조로 상기 금속 실린더(150)의 일면 또는 양면에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
회전 양극형 엑스선관(100).
제 1 항에 있어서,
상기 벌브 구조체(110)는 상부를 구성하는 금속 벌브(111), 상기 금속 벌브(111)의 하부 방향에 배치되며 벌브 연결체(112)에 의해 결합되는 유리 벌브(113) 및 진공배기를 위하여 상기 금속 벌브(111) 상에 배치되는 진공배기관 봉입부(115)를 포함하며,
상기 금속 실린더(150)는 상기 금속 벌브(111)의 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는,
회전 양극형 엑스선관(100).
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제1 이격거리(d1)는 4mm 내지 6mm 인 것을 특징으로 하는,
회전 양극형 엑스선관(100).
제 1 항에 있어서,
상기 금속실린더(150)는 동, 니켈 및 순철을 포함한 그룹 중 어느 하나를 이용한 얇은 판 형태인 것을 특징으로 하는,
회전 양극형 엑스선관(100).