KR101754277B1 - 아노드 전극을 구비하는 엑스선 튜브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엑스선 튜브에 관한 것으로, 전자빔과의 충돌로써 엑스선이 발생되는 아노드 전극, 및 상기 아노드 전극이 배치되며 상기 아노드 전극으로부터 발생된 엑스선이 투과하는 윈도우를 포함한다. 상기 아노드 전극은 상기 아노드 전극을 관통하는 채널을 포함하고, 상기 전자빔은 상기 채널의 내부로 제공되어 상기 엑스선을 생성할 수 있다.

Description

아노드 전극을 구비하는 엑스선 튜브{X-ray tubes having anode electrodes}

본 발명은 엑스선 튜브에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 채널이 형성된 아노드 전극을 갖는 엑스선 튜브에 관한 것이다.

일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 투과형 아노드 구조를 갖는 엑스선 튜브(9)는 윈도우(10) 상에 배치된 아노드 전극(11)을 포함한다. 전자빔이 아노드 전극(11)에 충돌되어 엑스선이 발생되고, 발생된 엑스선은 윈도우(10)을 통과하여 엑스선 튜브(9)의 외부로 방출된다. 엑스선의 흡수를 억제하기 위해 아노드 전극(11)의 두께를 최소화하는 것이 일반적이다.

엑스선 이미지의 품질을 높이기 위해 엑스선 타겟, 즉 아노드 전극(11)에 충돌되는 가속 전자빔을 집속시켜 엑스선의 포컬 스팟(focul spot)의 크기를 줄이는 것이 필요하다. 그런데, 좁은 면적(예: 마이크로미터 내지 나노미터급)으로 집속된 고에너지 전자빔이 아노드 전극(11)에 충돌할 때, 아노드 전극(11)이 열에 의해 손상을 입을 염려가 있을 수 있다.

이처럼 투과형 아노드 구조의 경우 높은 관전류(tube current)와 높은 가속 전압 그리고 장시간의 엑스선 방출을 만족시키기 어려울 수 있다. 이에 따라, 열에 의한 손상을 최소화할 수 있는 엑스선 튜브의 개선된 구조의 필요성이 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술상의 필요성에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 열에 의한 손상을 최소화하거나 없앨 수 있는 엑스선 튜브를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 엑스선 튜브는 하나 혹은 그 이상의 미세한 채널들이 형성된 아노드 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브는: 전자빔과의 충돌로써 엑스선이 발생되는 전극: 및 상기 전극이 배치되며, 상기 전극으로부터 발생된 엑스선이 투과하는 윈도우를 포함하고, 상기 전극은 상기 전극을 관통하는 채널을 포함하고, 상기 전자빔은 상기 채널의 내부로 제공되어 상기 엑스선을 생성할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 전극은 상기 전자빔이 입사되는 방향의 하면과 상기 윈도우가 배치되는 상면을 포함하고, 상기 채널은 상기 하면에서부터 상기 상면까지 연장되어 상기 전극을 완전히 관통할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 채널은 상기 하면에서의 입구와 상기 상면에서의 출구를 포함하고, 상기 입구에서부터 상기 출구로 갈수록 폭이 작아질 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 채널은 상기 입구에서부터 상기 출구를 향해 연장된 경사진 내측벽을 갖는 원뿔대 형태의 하부 채널 그리고 상기 하부 채널로부터 연장되고 수직한 내측벽을 갖는 원기둥 형태의 상부 채널을 포함하는 하이브리드 구조를 가지며, 상기 전자빔은 상기 하부 채널의 경사진 내측벽과 충돌하여 상기 엑스선을 생성할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 채널은 상기 하면에서의 입구와 상기 상면에서의 출구를 포함하고, 상기 입구에서부터 상기 출구로 갈수록 폭의 변화가 없을 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 채널은 상기 입구에서부터 상기 출구를 향해 연장된 수직 측벽을 갖는 원기둥 형태의 단일 구조를 가지며, 상기 전자빔은 상기 수직 측벽과 충돌하여 상기 엑스선을 생성할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 채널은 상기 수직 측벽을 갖는 복수개의 홀들을 포함할 수 있다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 튜브는: 외부를 향하는 상면과 진공 상태의 내부를 향하는 하면을 갖는 엑스선 윈도우; 및 상기 엑스선 윈도우의 하면 상에 제공되고 상기 내부 공간으로부터 진행되어 오는 전자빔과의 충돌로써 엑스선을 발생시키는 엑스선 타겟을 포함하고, 상기 엑스선 타겟은 상기 전자빔의 상기 엑스선 윈도우로의 진행 경로를 제공하는 채널을 포함할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 채널은 상기 엑스선 타겟을 관통하는 적어도 하나의 홀을 포함하고, 상기 적어도 하나의 홀은 상기 내부 공간을 향해 개방된 입구와 상기 엑스선 윈도우를 향해 개방된 출구를 가질 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 홀은 상기 입구에 비해 상기 출구의 크기가 작은 관통홀을 포함할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 관통홀은 상기 입구로부터 상기 출구로 이어진 직선 형태의 경사진 내측벽과 수직한 내측벽을 포함하고, 상기 전자빔은 상기 경사진 내측벽과 충돌하여 상기 관통홀로부터 벗어나 방출되는 국부적으로 포커싱된 엑스선을 생성할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 홀은 상기 입구의 크기와 상기 출구의 크기가 동일한 복수개의 관통홀들을 포함할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 관통홀들은 각각 상기 입구로부터 상기 출구로 이어진 직선 형태의 수직한 내측벽을 포함하고, 상기 전자빔은 상기 수직한 내측벽과 충돌하여 상기 복수개의 관통홀들로부터 벗어나 방출되는 평행한 엑스선을 생성할 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 상기 엑스선 타겟은 다결정 혹은 단결정의 금속을 포함할 수 있다.

상기 특징을 구현할 수 있는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 엑스선 튜브는: 대기 상태의 외부를 향하는 상면과 진공 상태의 내부 공간을 향하는 하면을 갖는 엑스선 윈도우와; 상기 엑스선 윈도우의 하면 상에 제공되고 상기 내부 공간으로부터 진행되어 오는 전자빔과의 충돌로써 엑스선을 발생시키는 금속 타겟과; 그리고 상기 금속 타겟을 관통하여 상기 전자빔의 상기 외부로의 진행 경로를 따라 연장된, 그리고 상기 전자빔과 충돌되는 내측벽을 갖는 적어도 하나의 채널을 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 금속 타겟은 상기 엑스선 윈도우의 하면과 접하는 상면과 그 반대면인 하면을 포함하고, 상기 적어도 하나의 채널은 상기 금속 타겟의 하면을 향해 개방되어 상기 내부 공간과 이어진 입구와 상기 금속 타겟의 상면을 향해 개방되어 상기 엑스선 윈도우의 상면 일부를 노출시키는 출구를 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 채널은 직경이 상기 입구에서부터 상기 출구로 갈수록 커지는 원뿔대 혹은 쐐기 형상의 하부 채널 그리고 상기 하부 채널로부터 연장되고 직경의 변화가 없는 원기둥 형태의 상부 채널이 조합된 하이브리드 구조의 홀을 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 채널은 상기 입구의 직경과 상기 출구의 직경이 동일한 원기둥 형상의 복수개의 홀들을 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 금속 타겟은 텅스텐(W) 혹은 몰리브덴(Mo)을 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 상기 엑스선 윈도우는 베릴륨(Be)을 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 미세한 채널의 내벽에 전자빔이 충돌하여 엑스선이 발생될 수 있어, 전자빔이 아노드 전극의 어느 한 점에 집속되는 경우에 비해 에너지 밀도가 낮아질 수 있다. 이에 따라 아노드 전극의 열에 의한 손상이 최소화되거나 없어질 수 있다.

도 1은 일반적인 엑스선 튜브를 도시한 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브를 도시한 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 일부를 도시한 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 튜브를 도시한 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 일부를 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명에 따른 아노드 전극을 구비하는 엑스선 튜브를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명과 종래 기술과 비교한 이점은 첨부된 도면을 참조한 상세한 설명과 특허청구범위를 통하여 명백하게 될 것이다. 특히, 본 발명은 특허청구범위에서 잘 지적되고 명백하게 청구된다. 그러나, 본 발명은 첨부된 도면과 관련해서 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 수 있다. 도면에 있어서 동일한 참조부호는 다양한 도면을 통해서 동일한 구성요소를 나타낸다.

(제1 실시예)

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브를 도시한 단면도이다. 도 2b는 도 2a의 일부를 도시한 단면도이다.

도 2a를 참조하면, 엑스선 튜브(91)는 전자빔의 충돌에 의해 엑스선이 발생되는 액스선 타겟인 아노드 전극(110)을 포함하는 투과형 아노드 구조일 수 있다. 전자빔이 이동하는 경로를 제공하는 엑스선 튜브(91)의 내부 공간(115)은 진공 상태로 유지될 수 있다. 엑스선 튜브(91)는 진공 펌프가 장착된 진공 용기 혹은 진공 밀봉된 용기로 구성될 수 있고, 이에 따라 그 내부 공간(115)이 진공 상태로 유지될 수 있다. 엑스선 튜브(91)의 바깥(105)은 일반적으로 대기 상태일 수 있다.

아노드 전극(110)은 엑스선 윈도우(100)의 내표면(100s)에 증착 공정(예: 스퍼터링)으로 형성된 금속, 가령 텅스텐(W)이나 몰리브덴(Mo)을 포함할 수 있다. 아노드 전극(110)은 다결정 금속을 포함할 수 있다. 다른 예로, 아노드 전극(110)은 엑스선 발생효율을 향상시키기 위해 단결정 금속을 포함할 수 있다.

윈도우(100)는 엑스선 튜브(91)의 내부 공간(115)이 진공 상태를 유지하면서 엑스선이 통과할 때 엑스선의 흡수가 적게 일어날 수 있는 원자번호가 낮은 물질, 가령 베릴륨(Be)을 포함할 수 있다. 높은 에너지(예: 수십 kV 내지 수백 kV)로 가속된 전자빔이 아노드 전극(110)과 충돌하여 엑스선이 발생될 수 있다. 엑스선은 윈도우(100)를 통하여 엑스선 튜브(91)의 바깥(105)으로 방출될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 아노드 전극(110)은 열에 의한 손상이 최소화되거나 없앨 수 있도록 구성될 수 있다. 예컨대, 아노드 전극(110)은 아노드 전극(110)을 관통하는, 즉 전자빔의 진행 경로를 따라 연장된 채널(120)을 포함할 수 있다. 채널(120)은 내부 공간(115)을 향해 열려져 있고 내부 공간(115)과 이어지는 입구는 큰 직경(R1)을 가지며 윈도우(110)를 향해 열려져 있고 윈도우(110)의 내표면(100s) 일부를 노출시키는 출구는 작은 직경(R2<R1)을 가질 수 있다.

예컨대, 채널(120)은 도 2b에 도시된 것처럼 원기둥 형태를 갖는 상부 채널(120a)과 원뿔대(truncated cone) 혹은 쐐기(wedge) 형태를 갖는 하부 채널(120b)이 연결된 하이브리드 구조(hybrid structure)를 갖는 미세 홀일 수 있다. 원기둥 형태를 갖는 상부 채널(120a)은 실질적으로 수직한 내측벽을 가지며, 원뿔대 형태를 갖는 하부 채널(120b)은 일직선 형태로 연장된 경사진 내측벽을 가질 수 있다.

채널(120)의 크기 내지 형태는 아노드 전극(110)의 물질 내지 전자빔 에너지 등을 고려하여 적절히 설정될 수 있다. 아노드 전극(110)의 두께(T)는 채널(120)의 높이(H) 및/또는 직경들(R1,R2)을 고려하여 적절히 선택될 수 있다.

다른 예로, 채널(120)은 입구의 직경(R1)과 출구의 직경(R2)이 실질적으로 동일한 원기둥 형태일 수 있다. 또 다른 예로, 아노드 전극(110)은 2개 혹은 그 이상의 채널들(120)을 포함할 수 있다.

도 2b를 참조하면, 가속된 전자빔이 내부 공간(115)에서 이동하여 채널(120)로 입사되고, 입사된 전자빔이 채널(120)의 내측벽, 더욱 자세하게는 하부 채널(120b)의 경사진 내측벽과 충돌하므로써 엑스선이 발생되고, 발생된 엑스선은 상부 채널(120a)을 통과하여 윈도우(100)를 통해 바깥(105)으로 방출될 수 있다.

일례에 따르면, 마이크로미터 이하, 가령 나노미터 범위로 집속된 포컬 스팟을 갖는 엑스선이 방출될 수 있다. 엑스선의 포컬 스팟 크기는 도 2a에 도시된 채널(120), 더욱 자세하게는 상부 채널(120a)의 작은 직경(R2)에 주로 의존할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전자빔은 비교적 넓은 면적을 갖는 채널(120)의 내측벽에 충돌하므로 어느 한 점에 집속되는 경우에 비해 에너지 밀도가 낮아질 수 있다. 이에 따라 아노드 전극(110)은 열에 의한 손상이 최소화되거나 없어질 수 있다.

(제2 실시예)

도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 튜브를 도시한 단면도이다. 도 3b는 도 3a의 일부를 도시한 단면도이다. 이하에선 제1 실시예와 상이한 점에 대해 상설하고 동일한 점에 대해서는 생략하거나 개설한다.

도 3a를 참조하면, 엑스선 튜브(92)는 윈도우(100)의 내표면(100s)에 증착된 엑스선 타겟으로서의 아노드 전극(110)을 포함하는 투과형 아노드 구조일 수 있다. 일례에 따르면, 아노드 전극(110)은 아노드 전극(110)을 관통하는 복수개의 채널들(120)을 포함할 수 있다. 엑스선 튜브(92)의 내부 공간(115)은 진공 상태로 유지될 수 있고, 엑스선 튜브(92)의 바깥(105)은 일반적으로 대기 상태일 수 있다.

높은 에너지(예: 수십 kV 내지 수백 kV)로 가속된 전자빔이 채널들(130)로 제공되어 엑스선이 발생될 수 있다. 엑스선은 윈도우(100)를 통하여 엑스선 튜브(92)의 바깥(105)으로 방출될 수 있다.

채널들(120) 각각은 입구의 직경(R1)과 출구의 직경(R2)이 실질적으로 동일한 원기둥 형태를 갖는 단일 구조(unitary single structure)를 가질 수 있다. 원기둥 형태의 채널들(120)은 각각 일직선 형태로 수직 연장된 내측벽을 가질 수 있다.

다른 예로, 채널들(120) 각각은 출구의 직경(R2)이 입구의 직경(R1)보다 작은 쐐기 형태를 갖는 단일 구조, 혹은 도 2b에 도시된 것과 동일하거나 유사하게 원기둥 형태와 쐐기 형태가 조합된 하이브리드 구조(hybrid structure)를 가질 수 있다. 전자빔의 에너지 및/또는 아노드 전극(110)의 물질에 따라 채널(120)의 직경(R1,R2) 및 아노드 전극(110)의 두께(T)를 적절히 설정할 수 있다.

도 3b를 참조하면, 가속된 전자빔이 내부 공간(115)에서 이동하여 채널들(120)로 입사되고, 입사된 전자빔이 채널들(120)의 내벽을 타격하므로써 엑스선이 발생되고, 발생된 엑스선은 윈도우(100)를 통해 바깥(105)으로 방출될 수 있다. 일례에 따르면, 평행한 엑스선이 방출될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 전자빔은 비교적 넓은 면적을 갖는 채널들(120)의 내벽에 충돌하므로 어느 한 점에 집속되는 경우에 비해 에너지 밀도가 낮아질 수 있다. 이에 따라 아노드 전극(110)은 열에 의한 손상이 최소화되거나 없어질 수 있다.

이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

1. 전자빔과의 충돌로써 엑스선이 발생되는 전극: 및
   상기 전극이 배치되며, 상기 전극으로부터 발생된 엑스선이 투과하는 윈도우를 포함하고,
   상기 전극은 상기 전극을 관통하는 채널을 포함하고,
   상기 전자빔은 상기 채널의 내부로 제공되어 상기 엑스선을 생성하고,
   상기 엑스선은 상기 채널을 통해서만 상기 윈도우 바깥으로 방출되는 엑스선 튜브.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전극은 상기 전자빔이 입사되는 방향의 하면과 상기 윈도우가 배치되는 상면을 포함하고,
   상기 채널은 상기 하면에서부터 상기 상면까지 연장되어 상기 전극을 완전히 관통하는 엑스선 튜브.
3. 제2항에 있어서,
   상기 채널은 상기 하면에서의 입구와 상기 상면에서의 출구를 포함하고, 상기 입구에서부터 상기 출구로 갈수록 폭이 작아지는 엑스선 튜브.
4. 제3항에 있어서,
   상기 채널은 상기 입구에서부터 상기 출구를 향해 연장된 경사진 내측벽을 갖는 원뿔대 형태의 하부 채널 그리고 상기 하부 채널로부터 연장되고 수직한 내측벽을 갖는 원기둥 형태의 상부 채널을 포함하는 하이브리드 구조를 가지며,
   상기 전자빔은 상기 하부 채널의 경사진 내측벽과 충돌하여 상기 엑스선을 생성하는 엑스선 튜브.
5. 제2항에 있어서,
   상기 채널은 상기 하면에서의 입구와 상기 상면에서의 출구를 포함하고, 상기 입구에서부터 상기 출구로 갈수록 폭의 변화가 없는 엑스선 튜브.
6. 제5항에 있어서,
   상기 채널은 상기 입구에서부터 상기 출구를 향해 연장된 수직 측벽을 갖는 원기둥 형태의 단일 구조를 가지며,
   상기 전자빔은 상기 수직 측벽과 충돌하여 상기 엑스선을 생성하는 엑스선 튜브.
7. 제6항에 있어서,
   상기 채널은 상기 수직 측벽을 갖는 복수개의 홀들을 포함하는 엑스선 튜브.
8. 외부를 향하는 상면과 진공 상태의 내부를 향하는 하면을 갖는 엑스선 윈도우; 및
   상기 엑스선 윈도우의 하면 상에 제공되고 상기 내부 공간으로부터 진행되어 오는 전자빔과의 충돌로써 엑스선을 발생시키는 엑스선 타겟을 포함하고,
   상기 엑스선 타겟은 상기 전자빔의 상기 엑스선 윈도우로의 진행 경로를 제공하는 채널을 포함하고,
   상기 엑스선은 상기 채널을 통해서만 상기 엑스선 윈도우 바깥으로 방출되는 엑스선 튜브.
9. 제8항에 있어서,
   상기 채널은 상기 엑스선 타겟을 관통하는 적어도 하나의 홀을 포함하고,
   상기 적어도 하나의 홀은 상기 내부 공간을 향해 개방된 입구와 상기 엑스선 윈도우를 향해 개방된 출구를 갖는 엑스선 튜브.
10. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 홀은 상기 입구에 비해 상기 출구의 크기가 작은 관통홀을 포함하는 엑스선 튜브.
11. 제10항에 있어서,
    상기 관통홀은 상기 입구로부터 상기 출구로 이어진 직선 형태의 경사진 내측벽과 수직한 내측벽을 포함하고,
    상기 전자빔은 상기 경사진 내측벽과 충돌하여 상기 관통홀로부터 벗어나 방출되는 국부적으로 포커싱된 엑스선을 생성하는 엑스선 튜브.
12. 제11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 홀은 상기 입구의 크기와 상기 출구의 크기가 동일한 복수개의 관통홀들을 포함하는 엑스선 튜브.
13. 제12항에 있어서,
    상기 관통홀들은 각각 상기 입구로부터 상기 출구로 이어진 직선 형태의 수직한 내측벽을 포함하고,
    상기 전자빔은 상기 수직한 내측벽과 충돌하여 상기 복수개의 관통홀들로부터 벗어나 방출되는 평행한 엑스선을 생성하는 엑스선 튜브.
14. 제8항에 있어서,
    상기 엑스선 타겟은 다결정 혹은 단결정의 금속을 포함하는 엑스선 튜브.
15. 대기 상태의 외부를 향하는 상면과 진공 상태의 내부 공간을 향하는 하면을 갖는 엑스선 윈도우와;
    상기 엑스선 윈도우의 하면 상에 제공되고 상기 내부 공간으로부터 진행되어 오는 전자빔과의 충돌로써 엑스선을 발생시키는 금속 타겟과; 그리고
    상기 금속 타겟을 관통하여 상기 전자빔의 상기 외부로의 진행 경로를 따라 연장된, 그리고 상기 전자빔과 충돌되는 내측벽을 갖는 적어도 하나의 채널을 포함하고,
    상기 엑스선은 상기 적어도 하나의 채널을 통해서만 상기 엑스선 윈도우 바깥으로 방출되는 엑스선 튜브.
16. 제15항에 있어서,
    상기 금속 타겟은 상기 엑스선 윈도우의 하면과 접하는 상면과 그 반대면인 하면을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 채널은 상기 금속 타겟의 하면을 향해 개방되어 상기 내부 공간과 이어진 입구와 상기 금속 타겟의 상면을 향해 개방되어 상기 엑스선 윈도우의 상면 일부를 노출시키는 출구를 포함하는 엑스선 튜브.
17. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 채널은 직경이 상기 입구에서부터 상기 출구로 갈수록 작아지는 원뿔대 혹은 쐐기 형상의 하부 채널 그리고 상기 하부 채널로부터 연장되고 직경의 변화가 없는 원기둥 형태의 상부 채널이 조합된 하이브리드 구조의 홀을 포함하는 엑스선 튜브.
18. 제16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 채널은 상기 입구의 직경과 상기 출구의 직경이 동일한 원기둥 형상의 복수개의 홀들을 포함하는 엑스선 튜브.
19. 제15항에 있어서,
    상기 금속 타겟은 텅스텐(W) 혹은 몰리브덴(Mo)을 포함하는 엑스선 튜브.
20. 제15항에 있어서,
    상기 엑스선 윈도우는 베릴륨(Be)을 포함하는 엑스선 튜브.

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