KR101737399B1 - 세라믹 재질을 갖는 x선관의 스템부 접합 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X선 조사창이 상단부에 형성되어 있고 하단부가 개방되어 있는 세라믹 재질의 X선관의 하단부에 유리 또는 이와 동등한 물리적 화학적 성질을 갖는 재질의 스템부를 접합시킴과 아울러 X선관 내부의 진공도를 직접 진공 배기 방식에 의하여 조성할 수 있도록 한 "세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법"에 관한 것이다.
본 발명에서 제안하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법을 사용하는 경우 다음과 같은 이점이 있다.
1. 유리관을 사용하던 기존의 X선관 대신에 충격에 강하고 내열성이 우수한 세라믹관으로 대체하였다.
2. 세라믹관과 이질적인 성질을 갖는 유리 재질 스템부를 세라믹관의 하단부에 접합시킬 수 있다.
3. 상압 환경하에서 직접 진공 배기 방식으로 세라믹관의 진공을 형성함으로써 세라믹관의 하단부에 유리 재질 스템부를 형성하기 위해 진공 체임버 내부에서 진공 브레이징 공정을 수행하던 기존 공정에 비하여 양질의 진공 상태 구현이 가능하도록 하였다.

Description

세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법{Method for welding the stem onto the ceramic X-ray tube}

본 발명은 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 X선 조사창이 상단부에 형성되어 있고 하단부가 개방되어 있는 세라믹 재질의 X선관의 하단부에 유리 또는 동등 이상의 재질을 갖는 스템부를 접합시킴과 아울러 X선관 내부의 진공도를 직접 진공 배기 방식에 의하여 조성할 수 있도록 한 "세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법"에 관한 것이다.

일반적으로, 물질투과성에 따라서 얇은 공기층에 의해서도 쉽게 흡수되는 투과성이 낮은 방사선을 연엑스선이라 하고, 륀트겐 등에 사용하는 투과성이 높은 것을 경엑스선이라 한다.

연엑스선의 에너지는 경엑스선에 비해 수십분의 일 정도로 낮고, 직접 조사에 의한 영향 또한 훨씬 적다.

이러한 연엑스선과 경엑스선의 특성을 구분하여 설명하면 표 1과 같다.

구분	파장	에너지	용도
연X선	1~10Å	1~10keV	분석용, 정전기 제거
경X선	0.01~1Å	10~1000keV	의료용, 공업용

알려진 바와 같이, 연엑스선 발생기의 연엑스선은 가속된 전자가 금속 타겟(Be)에 충돌하면 발생되는 것이므로, 연엑스선 발생기는 전자를 고속으로 가속시키는 고전압 발생장치와 타켓으로 구성되어있다.

전극에 인가되는 전압을 가속전압(target voltage) 이라고 하면, 충돌할 때의 전자의 운동에 에너지 E는 다음과 같은 식으로 표시된다.

E=eV=(1/2)mv²

여기서,

e: 전자전하량(-1.602X10^-19C)

m: 전자질량(9.109X10^-31kg)

V: 가속전압

v:전자속도.

알려진 바와 같이, 전자의 운동에너지는 타켓과 충돌할 때 대부분 열로 변하고 약 1% 정도의 에너지만이 연엑스선으로 발산되고, 연엑스선 발생 효율은 다음과 같은 식으로 표시된다.

발생 효율=1.1X10^-9ZV

여기서, Z 는 타겟 물질의 원자 번호이다.

이러한 연엑스선 조사식은 대전체 중화에 필요한 이온 및 전자를 대전 물체 주위의 가스분자 및 원자의 광자흡수에 의하며 이온을 생성하는 방식으로 이루어지며, 이러한 연엑스선 조사식의 특징은 고농도의 이온 및 전자를 생성할 수 있기 때문에 단시간 내에 정전기 제거가 가능하고 또한 잔류 정전압을 거의 0 V로 유지할 수 있으며, 대기압 상태의 불활성 가스 분위기에서도 정전기 제거가 가능하다는 장점이 있어 정전기 제거로 널리 활용되고 있다.

알려진 바와 같이, 코로나 방전식 정전기 제거장치에서는 이온의 이송을 위하여 별도의 송풍장치가 필요하나, 연엑스선 조사식 정전기 제거장치는 무풍 상태의 분위기 속에서도 제전할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 연엑스선 조사식 정전기 제거장치는 에너지가 높기 때문에(파장은 약 1.3Å 이하) 산소분자 또는 원자도 신속히 이온화할 수 있어 오존의 발생을 거의 유발하지 않는다는 이점도 있다.

도 1에는 본 출원인이 생산하여 시판중인 연엑스선 이오나이저 중에서 고전압발생기와 연결되어 연엑스선을 조사하는 X선관(X-ray tube)의 일예가 도시되어 있다.

도 2 및 도 3에는 도 1에 도시된 X선관의 정면도와 배면도가 각각 추가로 도시되어 있다(참고로, 집속관 역할을 하는 원통형의 캐소드 내부에는 코바 와이어와 연결되는 필라멘트가 존재하나 본 도면에서는 도시되지 아니하였다).

도 1에 도시된 바와 같이, X선관은 유리관(100)과, 유리관의 일측 종단부에 결합되는 X선 방사부(200: Be 등의 금속 타겟 포함; "X선 조사창"이라고도 함), 유리관(100)의 타측 종단부에 접합되는 유리 또는 유리 또는 이와 동등한 정도의 물리적 화학적 성질을 갖는 재질(이하 유리 재질이라 한다)을 갖는 스템부(300)를 포함한다.

또한, 도 1에 도시된 X선관은 유리관 내부에 위치하여 전자를 집속시키는 역할을 수행하는 원통형의 캐소드(110: 집속관이라고도 함), 고전압 발생기(도시되지 않음)에서 출력되는 약 -1k~-60kV의 전압이 인가되는 도전 와이어(120: 코바 와이어(kovar wire)), 유리관(100) 내부로 삽입된 도전 와이어(120)를 상호 연결시키는 유리 재질의 클립부(130), 일측이 원통 형상의 캐소드(110) 외측에 부착되고 타측이 유리관(100) 내벽에 밀착되어 캐소드(110)를 지지하는 가이드 스프링(140), 유리관(100) 내부의 진공 상태를 유지하기 위한 게터(150: getter) 등과 같은 구성 요소를 더 포함하며, X선관의 내부는 직접 진공 배기 방식에 의하여 제어된 소정의 진공도를 유지하고 있다.

그런데, 종래의 X선관 제작시 일반적으로 사용되는 유리관은 외부 충격에 약하고 경년 변화에 따라 열 충격 내지 열 안정성이 떨어짐은 물론 소형화 함에 있어 일부 제약이 있어 왔다.

이러한 이유로 인하여 유리관을 대체할 수 있는 세라믹관을 이용하여 X선관을 제조하는 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.

그런데, 세라믹관을 사용하는 경우 세라믹관과 유리 스템부를 상호 접합시키기 위해 소정의 진공도를 유지한 진공 쳄버 내에서 진공 브레이징(Vacuum Brazing) 공정을 수행하게 되는데, 진공 브레이징 공정시 발생되는 불순물 등에 의하여 세라믹관의 진공도가 소정치에 도달하지 않는 경우가 빈번하게 발생하고 이는 결과적으로 소정의 내부 진공도를 유지 못하는 등의 X선관의 수율 저하로 이어지는 문제점을 초래하였다.

1. 특허출원번호 : 제10-2013-0047924호, 발명의 명칭 : "X선관 튜브 구조"

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 세라믹관으로 제작되는 X선관의 내부 진공도를 진공 쳄보 내에서 수행하지 않고, 직접 진공 배기 (vacuum evacuation) 공정을 수행하여 제어하는 방법을 제안하고자 한다.

또한, 본 발명에서는 유리관을 사용하던 종래의 X선관 대신에 세라믹관을 사용하는 X선관을 제공함으로써 X선관의 경도를 높임과 아울러 열 충격에 강하고 열 안정성이 상대적으로 우수하며 초소형화가 가능한 X선관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상단부에 조사창이 형성되어 있는 세라믹관의 하단부에 세라믹과는 이질적인 조직 특성을 갖는 유리 스템부를 접합시키는 방법을 제안하고자 한다.

본 발명에서 제안하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법은 (a) 원통형의 세라믹관을 준비하는 단계; (b) 중공이 형성되어 있는 대략 평판 환형 구조인 유리 스템부와, 상기 유리 스템부의 가장자리를 관통하는 복수개의 금속 와이어와, 상기 금속 와이어 사이에 연결되어 열전자를 방출하는 역할을 수행하는 필라멘트와, 상기 필라멘트에서 방출된 열전자를 집속하기 위한 원통형의 집속관과, 상기 집속관의 외측에 접합되는 게터와, 유리 스템부의 중공에 연결되어 있는 원통 유리 재질 관으로 이루어진 필라멘트 어셈블리를 준비하는 단계; (c) 상기 세라믹관의 상단부에 중공이 형성된 환형 형상의 금속 플랜지를 접합시키고 하단부에 중공이 형성된 환형 형상의 금속 스템부를 접합시키는 단계; (d) 상기 금속 플랜지의 중공을 통하여 상기 세라믹관 내부로 상기 필라멘트 어셈블리를 삽입하여 상기 필라멘트 어셈블리의 상기 유리 스템부를 세라믹관의 금속 스템부에 안치 후 열처리 공정에 의하여 상기 유리 스템부와 상기 금속 스템부를 접합시키는 단계; (e) 상기 금속 스템부와 상기 필라멘트 어셈블리의 상기 유리 스템부를 열처리 공정에 의하여 상호 접합시키는 단계; (f) 상기 세라믹관의 상단부에 위치한 상기 금속 플랜지상에 Be 등과 같은 금속 타겟이 접합된 스테인레스 스틸 플랜지를 접합시켜 X선 조사창을 형성하는 단계; (g)상기 필라멘트 어셈블리의 상기 원통 유리 재질 관을 통하여 상기 세라믹관 내부를 진공 배기시켜 상기 세라믹관의 내부를 소정 진공도로 조성하는 단계; (h)상기 원통 유리 재질 관의 일측을 가열하여 봉지하는 단계로 이루어진다.

이러한 본 발명의 기술적 사상은 위에서 설명한 공정 이외에 상단부에 X선 조사창이 형성되어 있고, 하단부의 가장 자리에 중공이 형성된 금속 스템부가 접합되어 있으며, 상기 금속 스템부 내측에 상기 금속 스템부와 접합되는 유리 재질 스템부를 갖는 필라멘트 어셈블리를 안치시킨 상태에서, 상기 유리 재질 스템부의 중앙을 관통하는 원통 유리 재질 관을 통하여 상기 세라믹관 내부를 진공 배기시켜 상기 세라믹관의 내부를 소정 진공도로 조성한 다음 상기 원통 유리 재질 관의 일측을 가열하여 봉지하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합하는 모든 방법에 적용된다.

본 발명에서 제안하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법을 사용하는 경우 다음과 같은 이점이 있다.

1. 유리관을 사용하던 기존의 X선관 대신에 충격에 강하고 내열성이 우수한 세라믹관으로 대체하였다.

2. 세라믹관과 이질적인 성질을 갖는 유리 또는 동등 이상의 물질로 이루어진 스템부를 세라믹관의 하단부에 접합시킬 수 있다.

3. 상압 환경하에서 직접 진공 배기 방식으로 세라믹관의 진공을 형성함으로써 세라믹관의 하단부에 유리 스템부를 형성하기 위해 진공 체임버 내부에서 진공 브레이징 공정을 수행하던 기존 공정에 비하여 양질의 진공 상태 구현이 가능하도록 하였다.

도 1 내지 도 3은 종래 X선관의 일예이다.
도 4는 본 발명에서 제작하고자 하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 단면 구조도이다.
도 5는 원통 유리 재질 관의 일측을 봉지 처리하여 제작한 세라믹관을 갖는 X선관의 단면도를 도시한 도면이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에서 제작하고자 하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 구조도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법을 실시하기 위해서 먼저 중공이 형성되어 있는 원통형의 세라믹관을 준비한다.

참고로, 본 발명에서는 Al₂O₃ 재질의 세라믹을 사용하였으나 이는 일 실시예에 불과한 것으로 Al₂O₃ 와 유사한 강도와 내열성 등을 갖는 다양한 종류의 절연성 세라믹은 본 발명의 세라믹관으로 사용 가능하다.

다음, 중공이 형성되어 있는 환형 타입의 스테인레스 스틸 재질의 플랜지 상부에 원형 타입의 금속 타겟(예컨대, Be, W, Ag, P, Ti, Rh 등)을 안치시킨 후 소정 온도 범위에서 진공 용접(vaccum brazing)을 실시하여 상호 접합시킨 후, 스테인레스 스틸 재질의 플랜지를 중공이 형성된 환형 타입의 금속 플랜지에 안착시킨 다음, 레이저 용접(lazer welding)을 실시하여 스테인레스 스틸 재질의 플랜지와 금속 플랜지(본 발명의 경우 Kovar 플랜지)를 상호 접합시킨다.

본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 위와 같은 공정에 의하여 형성된 세라믹과 상부 구조를 X선 조사창이라고 칭하기로 한다. 즉, X선 조사창은 세라믹관 상부에 금속 타겟, 스테린레스 스틸 재질의 플랜지, 및 금속 플랜지가 순차적으로 상호 결합되어 있는 구성 요소이다.

다음, X선 조사창을 세라믹관의 상단부에 대향하여 안치시킨 후, X선 조사창의 최하부에 위치하는 금속 플랜지(Kovar 플랜지)의 외주부와 접하는 세마믹관의 상단부를 메탈라이징 공정에 의하여 상호 접합시킴과 아울러, 세라믹관의 하단부에 또 다른 금속 플랜지를 안치시켜 위와 동일한 메탈라이징 공정에 의하여 상호 접합시킨다.

참고로, 설명의 편의를 위해 본 발명에서는 세라믹관의 상단부에 접합된 플랜지는 "금속 플랜지"라 칭하고, 세라믹관의 하단부에 접합된 금속 플랜지는 그 기능성을 강조하기 위하여 "금속 스템부"로 칭하기로 한다.

다음, 본 발명에서는 필라멘트 어셈블리를 준비한다.

본 발명에서 설명하는 전자선 발생 기구인 필라멘트 어셈블리는 중공이 형성되어 있는 환형 구조인 유리 재질 스템부와, 유리 재질 스템부의 가장자리를 관통하는 복수개의 금속 와이어와, 금속 와이어 사이에 연결되어 열전자를 방출하는 역할을 수행하는 필라멘트와, 필라멘트에서 방출된 열전자를 집속하기 위한 원통형의 집속관과, 집속관의 외측에 접합되는 게터와, 유리 재질 스템부의 중공에 일체로 연결되어 있는 원통 유리 재질 관으로 이루어진다.

여기서, 본 발명의 필라멘트로 사용되는 금속 재료에는 W, W와 Re(레듐)의 합금, W와 ThO₂(이산화토륨)의 합금 등이 포함될 수 있으며, 이는 열전자 방출 효율, 필라멘트의 내구성 등을 고려한 것이다.

또한, 본 발명에 사용되는 유리 재질 스템부와 원통 유리 재질 관의 재료로는 봉규산 유리, SiO₂(석영 유리), UV Glass 등을 포함할 수 있다.

위에서 설명한 이러한 필라멘트 어셈블리의 구조는 정전기 제거 장치에 일반적으로 널리 사용되고 있고 있으므로 추가적인 설명은 생략하기로 한다.

다음, 위에서 준비한 필라멘트 어셈블리를 세라믹관의 상부에서 하부 방향으로 삽입하면서 필라멘트 어셈블리의 유리 재질 스템부의 외주면이 세라믹관의 하단부에 접합되어 있는 중공이 형성되어 있는 금속 스템부의 내주면상에 안착되도록 한 후 열처리 공정을 실시하여 유리스템부의 외주면과 금속 스템부의 내주면을 상호 접합시킨다.

다음, 본 발명의 X선관을 완성하기 위해서 세라믹관의 내부를 예컨대 10^-6 ~ 10^-7 Torr 정도의 고진공 상태를 만들어야 한다.

이를 위해 본 발명에서는 필라멘트 어셈블리의 하측에 위치하는 원통 유리 재질 관을 진공 펌프와 연동시킨 후, 진공 펌프를 가동시키는 공정을 수행한다.

세라믹관의 내부 진공도가 설계자가 원하는 진공도에 도달하면, 원통 유리 재질 관의 일측을 가열하여 봉지 처리함으로써 세라믹관의 내부 진공도가 유지되도록 한다. 이를 직접 진공 배기(direct vaccum evacuation) 방식이라 한다.

참고로, 도 5는 원통 유리 재질 관의 일측을 봉지 처리하여 제작한 세라믹관을 갖는 X선관의 단면도를 도시한 도면의 일예이다.

본 발명에 있어서, 위와 같은 직접 진공 배기 방식에 의하여 X선관의 바디를 구성하는 세라믹관의 내부 진공도를 제어하는 경우, 소정 진공도를 갖는 진공 체임버 내부에서 세라믹관의 하단부에 평판형 유리 재질 스템부를 열처리 공정에 의하여 상호 접합시키는 방식과 비교하여 불순물의 개입 가능성이 낮기 때문에 상대적으로 고진공 상태를 만들 수 있다는 이점이 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 유리관을 세라믹관으로 대체한 종래 X선관의 경우 세라믹관의 하단부에 스템부를 형성하기 위하여 평판형의 비절연성 재료를 소정의 진공도를 갖는 진공 체임버 내에거 열처리 공정에 의하여 접합시켰다. 그러나, 이러한 종래의 스템부 형성 방법은 진공 체임버 내부에서 실시되는 열처리 공정시 발생한 불순물들로 인하여 완성된 X선관의 내부 진공도가 원하는 진공도를 갖지 못하는 단점이 있었다.

이에 본 발명에서는 진공 체임버 내부에서 스템부를 형성하는 공정 대신에 상압하에서 원통 유리 재질 관을 통하여 직접 진공 배기 가능하도록 하는 위와 같은 제조 공정을 실시함으로써 유리관 및 유리 재질 스템부로 이루어진 종래의 X선관과 실질적으로 동일한 고진공 상태의 유지가 가능하도록 하여 제품의 신뢰성을 유지할 수 있도록 함은 물론 유리관으로 제작된 기존 X선관과 대비하여 충격에 강하고 내열성이 우수한 세라믹관을 이용한 X선관의 제작이 가능하도록 하였다.

지금까지 설명한 본 발명에 따른 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법의 기술적 사상을 전체적으로 요약하면 다음과 같다.

1. 본 발명에서는 상압 환경하에서 직접 진공 배기 방식으로 세라믹관의 진공을 형성함으로써 세라믹관의 하단부에 유리 재질 스템부를 형성하기 위해 진공 체임버 내부에서 진공 브레이징 공정을 수행하던 기존 공정에 비하여 양질의 진공 상태 구현이 가능하도록 하였다.

2. 또한, 본 발명에서는 유리관을 사용하던 기존의 X선관 대신에 충격에 강하고 내열성이 우수한 세라믹관으로 대체한 상태에서 세라믹관과 이질적인 성질을 갖는 유리 재질 스템부를 세라믹관의 하단부에 접합 가능하도록 하였다.

Claims (5)

1. 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법으로서,
   (a) 원통형의 세라믹관을 준비하는 단계;
   (b) 중공이 형성되어 있는 환형 구조인 유리 재질 스템부와, 상기 유리 재질 스템부의 가장자리를 관통하는 복수개의 금속 와이어와, 상기 금속 와이어 사이에 연결되어 열전자를 방출하는 역할을 수행하는 필라멘트와, 상기 필라멘트에서 방출된 열전자를 집속하기 위한 원통형의 집속관과, 상기 집속관의 외측에 접합되는 게터와, 유리 재질 스템부의 중공에 연결되어 있는 원통 유리 재질 관으로 이루어진 필라멘트 어셈블리를 준비하는 단계;
   (c) 상기 세라믹관의 상단부에 중공이 형성된 환형 형상의 금속 플랜지를 접합시키고 하단부에 중공이 형성된 환형 형상의 금속 스템부를 접합시키는 단계;
   (d) 상기 금속 플랜지의 중공을 통하여 상기 세라믹관 내부로 상기 필라멘트 어셈블리를 삽입하여 상기 필라멘트 어셈블리의 상기 유리 재질 스템부를 세라믹관의 금속 스템부에 안치 후 열처리 공정에 의하여 상기 유리 재질 스템부와 상기 금속 스템부를 접합시키는 단계;
   (e) 상기 금속 스템부와 상기 필라멘트 어셈블리의 상기 유리 재질 스템부를 열처리 공정에 의하여 상호 접합시키는 단계;
   (f) 상기 세라믹관의 상단부에 위치한 상기 금속 플랜지상에 금속 타겟이 접합되어 있는 스테인레스 스틸 플랜지를 접합시켜 X선 조사창을 형성하는 단계;
   (g)상기 필라멘트 어셈블리의 상기 원통 유리 재질 관을 통하여 상기 세라믹관 내부를 진공 배기시켜 상기 세라믹관의 내부를 소정 진공도로 조성하는 단계;
   (h)상기 원통 유리 재질 관의 일측을 가열하여 봉지하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속 타겟은 Be, W, Ag, P, Ti, 및 Rh 중의 어느 하나일 수 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 필라멘트는 필라멘트로 사용되는 금속 재료는 W, W와 Re(레듐) 합금, 및 W와 ThO₂(이산화토륨) 합금 중 어느 하나일 수 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 유리 재질 스템부는 봉규산 유리, SiO₂(석영 유리), UV Glass 중 어느하나로 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 세라믹 재질을 갖는 X선관의 스템부 접합 방법.
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