KR101901185B1 - X선장치 및 이를 구비한 ct장비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 X선장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 4면이 밀봉되고 내부가 고진공인 진공박스(3); 각 전자방출유닛이 진공박스(3) 일단의 박스벽 상에 서로 독립적으로 선형 어레이로 배열되어 장착된 복수의 전자방출유닛; 금속으로 구성되고, 진공박스(3) 내 타단에 장착되고 길이방향에서 전자방출유닛의 그리드가 있는 평면과 평행하고 폭방향에서 전자방출유닛의 그리드가 있는 평면과 소정의 협각을 형성하는 양극(2); 고압전원(702), 필라멘트전원(704), 그리드제어장치(703) 및 제어시스템(701)을 구비하는 전원 및 제어시스템(7)을 구비하고, 전자방출유닛(1)은 가열 필라멘트(101); 가열 필라멘트(101)와 연결되는 음극(102); 가열 필라멘트(101)의 양단으로부터 인출되는 필라멘트 리드(105); 음극(102)과 대향하는 방식으로 음극(102) 상부에 배치되는 그리드(103); 개구를 구비하고 음극(102)과 가열 필라멘트(101)를 둘러싸는 절연 지지대(104); 절연 지지대(104)의 하단 가장자리에 연결되는 연결 고정부재(109)를 구비하고, 필라멘트 전원(704)과 필라멘트 리드(105)가 연결되는 X선장치에 관한 것이다.

Description

X선장치 및 이를 구비한 CT장비{X-RAY DEVICE AND CT EQUIPMENT HAVING X-RAY DEVICE}
본 발명은 분산형 X선을 생성하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 X선 광원장비에 있어서, 복수의 독립적인 전자방출유닛을 배치하고 그리드로 전자방출유닛을 제어하는 것을 통하여 예정된 순서에 따라 초점위치를 변환시키는 X선을 생성하는 그리드 제어 분산형 X선장치 및 이를 구비하는 CT장비에 관한 것이다.
일반적으로, X선 광원은 X선을 생성하는 설비를 의미하고, 통상적으로 X선 관, 전원 및 제어 시스템, 냉각과 차폐 등 보조장치로 구성되고, 핵심은 X선 관이다. X선 관은 통상적으로 음극, 양극, 유리 또는 세라믹 케이스로 구성된다. 음극은 직열식 나선 텅스텐 필라멘트로, 작동시 전류로 고온상태까지 가열되어 열전자 방출 전자빔 전류(thermionic-emission electron beam current)를 생성하고, 음극은 선단이 슬릿(slit)된 금속커버에 의하여 둘러싸이고 금속 커버는 전자를 집속시킨다. 양극은 구리 단면에 인서트된 텡스텐 타겟으로, 작동시 양극과 음극 사이에 고압을 인가하여 음극에서 발생한 전자가 전기장의 작용하에서 가속 운동하여 양극으로 날아가서 타겟면을 충격하여 X선을 발생시킨다.
X선은 비파괴 검사, 안전 점검, 의학 진단과 의료 등의 분야에서 광범위하게 응용되고 있다. 특히, X선의 고투과 성능을 이용하여 제작된 X선 투시 영상화 장비는 사람들의 일상생활의 여러 방면에서 중요한 역할을 하고 있다. 그와 같은 장비는 초기에는 필름형 평면 투시 영상화 장비이고, 현재는 디지털화, 다 시각이면서 고해상도의 입체 영상화 장비이며, 그 예는 고화질의 3차원 입체 도형 또는 절편 이미지를 획득할 수 있는 CT(computed tomography)이고, 이는 진보되고 고급적인 응용이다.
현재의 CT 장비에서 X선 소스와 디텍터(detector)는 슬립링(slip ring)에서 움직여야 하고, 검사 속도를 향상시키기 위하여 통상적으로 X선 소스와 디텍터의 움직임 속도가 매우 빠르기 때문에, 장비 전체의 신뢰성과 안정성이 저하된다. 또한 움직임 속도의 제한으로 인해, CT의 검사 속도도 제한된다. 따라서 CT 장비에서 위치의 이동 없이 다 시각의 X선을 발생시킬 수 있는 X선 소스가 필요하다.
종래의 CT 장비에서의 슬립링에 의해 야기되는 신뢰성, 안정성 문제와 검사 속도 문제 및 양극 타겟점(anode target spot)의 열저항(thermal resistance) 문제를 해결하기 위하여, 선행 특허문서에서 다양한 방법이 제공되었다. 예를 들어, 회전 타겟(rotating target) X선 소스는 양극 타겟의 과열 문제를 일정 정도 해결할 수 있으나, 그 구조가 복잡하고, 또한 X선을 발생하는 타겟점(target spot)이 X선 소스 전체에 비하여 여전히 하나의 특정된 타겟점 위치이다. 예를 들어, 어떤 기술에서는 고정 불변한 X선 소스의 다 시각을 구현하기 위하여, 하나의 원주에 긴밀히 배열된 복수의 독립적인 종래의 X선 소스로 X선 소스의 움직임을 대체하는 것으로서, 이는 다 시각을 구현할 수 있지만, 원가가 높고, 부동한 시각의 타겟 간격이 커서 화질(입체 해상도)이 매우 낮다. 또한 특허 문서 1(US4926452)에서 분산형 X선을 생성하는 광원 및 방법을 제시하였으며, 양극 타겟이 매우 넓은 면적을 구비하여 타겟의 과열 문제가 완화되고, 또한 타겟점 위치가 원주에 따라 변화되어 다 시각을 형성할 수 있다. 또한, 특허문서 1은 가속화된 고에너지 전자빔을 스캔하여 편향시키는 것을 수행하는 것으로, 비록 이는 제어하기 힘들고 타겟점 위치가 분리되지 않고 또한 반복성이 약한 문제가 존재하지만, 여전히 분산형 광원을 발생할 수 있는 유효적인 방법이다. 또한 예를 들어, 특허문서 2(US20110075802)와 특허문서 3(WO2011/119629)에서는 분산형 X선을 발생하는 광원 및 방법이 제시되었으며, 양극 타겟이 매우 큰 면적을 구비하여 타겟 과열 문제를 완화시키고, 또한 타겟점 위치는 분산되어 고정되고 어레이식으로 배열되어 다 시각을 형성할 수 있다. 또한, 냉음극(cold cashode)으로 탄소 나노 튜브를 사용하고, 냉음극을 어레이식으로 배열하여 음극-그리드 사이의 전압으로 전계 방출을 제어함으로서, 매개 음극이 순서에 따라 전자를 방출하도록 제어하고, 양극에서 상응한 순서위치에 따라 타겟점을 충격함으로서 분산형 X선 소스를 형성한다. 하지만, 생산 공정이 복잡하고 탄소 나노 튜브의 방출 성능과 수명이 낮은 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 광원을 이동하지 않고도 다 시각(multiple viewing angles)을 생성할 수 있어 구조의 단순화, 시스템 안정성, 신뢰성의 향상, 검사 효율의 향상에 유리한 그리드 제어 분산형(grid-controlled distributed) X선장치 및 이를 구비한 CT장비를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 4면이 밀봉되고 내부가 고진공인 진공박스; 각각 상기 진공박스 내 일단의 박스벽 상에 서로 독립적으로 선형 어레이 형식으로 배열되어 장착된 복수의 전자방출유닛; 상기 진공박스 내의 타단에 장착되고 길이방향에서 상기 전자방출유닛의 그리드가 있는 평면과 평행되고, 폭방향에서 상기 전자방출유닛의 그리드가 있는 평면과 소정의 협각을 갖는 양극(anode); 상기 양극과 연결되는 고압전원, 상기 복수의 전자방출유닛의 각각과 연결되는 필라멘트 전원, 상기 복수의 전자방출유닛의 각 그리드와 연결되는 그리드 제어장치, 각 전원을 제어하는 제어시스템을 구비한 전원 및 제어시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 그리드 제어 분산형 X선장치를 제공한다. 그 중, 상기 전자방출유닛은 가열 필라멘트; 상기 가열 필라멘트와 연결되는 음극(cathode); 상기 가열 필라멘트의 양단으로부터 인출되고 상기 필라멘트 전원과 연결되는 필라멘트 리드(filament leads); 상기 음극과 대향하는 방식으로 상기 음극의 상부에 배치되는 그리드; 개구를 갖고 상기 가열 필라멘트와 상기 음극을 둘러싸는 절연 지지대(insulating support); 상기 절연 지지대의 하단 가장자리에 연결되고 상기 진공박스의 박스벽과 밀봉 연결되는 연결 고정부재(connecting and fixing element)를 구비한다. 상기 그리드는 금속으로 제조되고 중간에 홀이 형성된 그리드 프레임; 금속으로 제조되고 상기 그리드 프레임의 상기 홀의 위치에 고정된 그리드 메쉬; 상기 그리드 프레임으로부터 인출되고 상기 그리드 제어장치와 연결되는 그리드 리드(grid lead)를 구비한다. 상기 그리드는 상기 음극과 대향하는 방식으로 상기 절연 지지대의 상기 홀에 배치되고, 상기 필라멘트 리드와 상기 그리드 리드는 상기 절연 지지대를 관통하여 상기 전자방출유닛으로부터 외부로 인출된다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 양극과 상기 고압전원의 케이블을 연결시키고, 상기 진공박스에서 상기 양극에 근접한 일단의 측벽에 장착된 고압전원 연결장치; 상기 가열 필라멘트와 상기 필라멘트 전원을 연결하기 위한 필라멘트전원 연결장치(filament power supply connecting devices); 상기 전자방출유닛의 상기 그리드와 상기 그리드 제어장치를 연결하기 위한 그리드제어장치 연결장치(grid control device connecting devices)를 더 구비한다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 그리드의 상기 홀의 중심은 상기 음극의 중심과 얼라이멘트되고(aligned), 상기 홀의 형상은 상기 음극의 형상과 대응된다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 절연 지지대는 원기둥형이고, 상기 그리드 프레임, 상기 음극 및 상기 그리드 메쉬는 원형이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 절연 지지대는 원기둥형이고, 상기 그리드 프레임, 상기 음극 및 상기 그리드 메쉬는 직사각형이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 절연 지지대는 직육면체형이고, 상기 그리드 프레임, 상기 음극 및 상기 그리드 메쉬는 원형이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 절연 지지대는 직육면체형이고, 상기 그리드 프레임, 상기 음극 및 상기 그리드 메쉬는 직사각형이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 그리드 메쉬는 평면형, 구면형 또는 U형 그루브형이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 진공박스는 유리 또는 세라믹으로 제조된 것이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 진공박스는 금속재료로 제조된 것이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 전원 및 제어시스템에 포함되는 진공전원; 상기 진공박스의 측벽에 장착되고, 상기 진공전원을 이용하여 작동하여 상기 진공박스 내의 고진공을 유지시키는 진공장치를 더 구비한다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 복수의 전자방출유닛은 직선형 또는 분단 직선형(segmental straight line)으로 배열된 것이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 복수의 전자방출유닛은 원호형 또는 분단 원호형(segmental arc)으로 배열된 것이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 복수의 전자방출유닛의 배열 간격은 균일한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 복수의 전자방출유닛의 배열 간격은 불균일한 것이다.
또한, 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 상기 그리드 제어장치는 컨트롤러, 부 고압모듈(negative high-voltage module), 정 고압모듈(positive high-voltage module) 및 복수의 고압 스위치소자(high-voltage switching elements)를 포함하되, 상기 복수의 고압 스위치소자는 각각 적어도 1개의 제어단, 2개의 입력단 및 1개의 출력단을 포함하며, 각 단자 사이의 내압(withstand voltage)은 적어도 상기 부 고압모듈과 상기 정 고압모듈이 구성한 최대전압보다 커야 하며, 상기 부 고압모듈은 상기 복수의 고압 스위치소자 각각의 1개 입력단에 안정적인 부 고압(negative high voltage)을 제공하고, 상기 정 고압모듈은 상기 복수의 고압 스위치소자 각각의 다른 1개 입력단에 안정적인 정 고압(positive high voltage)을 제공하며, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 고압 스위치소자 각각을 독립적으로 제어하고, 상기 그리드 제어장치는 복수의 제어신호 출력채널을 더 구비하며, 상기 고압 스위치소자들 중의 1개의 출력단은 상기 제어신호 출력채널들 중의 1개와 연결된다.
또한, 본 발명에서는 상술한 그리드 제어 분산형 X선장치를 X선 소스(X-ray source)로 사용하는 CT장비를 제공한다.
본 발명은 주요하게 하나의 광원장비에서 특정한 순서에 따라 주기적으로 초점 위치를 변환시키는 X선을 생성하는 그리드 제어 분산형 X선장치를 제공한다. 본 발명의 전자방출유닛은 열음극(thermionic cathodes)을 사용하여 기타 설계에 비해 방출전류가 크고 수명이 길며, 기술이 성숙된 장점을 구비하고, 복수의 전자방출유닛은 각각 독립적으로 진공박스에 고정되어 장착이 간단하고, 제어가 원활하고 정비가 편리하며; 그리드의 제어를 통하여 각 전자방출유닛의 작동 상태를 제어하여 상태전환이 신속하고 정확하며 여러 가지 작동상태를 원활하게 조합할 수 있으며; 스트립형의 큰 양극으로 설계하여 양극의 과열문제를 효과적으로 완화시켜 광원출력의 향상에 유리하며; 전자방출유닛은 직선으로 배열되어 전체적으로 직선형인 분산형 X선장치로 구성될 수 있고, 전자방출유닛은 고리 모양으로 배열되어 전체적으로 고리 모양인 분산형 X선장치로 구성될 수 있어, 다양한 사용조건을 만족시킬 수 있고, 응용이 원활하며; 그리드를 사용하여 전압을 제어하는 설계를 통하여 각 전자방출유닛에서 생성한 전자빔이 자동 집속효과를 갖도록 하고, 작은 타겟점(target spot)을 얻는다. 기타 분산형 X선 광원설비에 비하여 본 발명은 전류가 크고, 타겟점이 작으며, 타겟위치 분포가 균일하고, 반복성(repeatability)이 우수하며, 출력전력이 높고, 구조가 간단하며, 제어가 편리하며, 원가가 낮다.
본 발명의 분산형 X선 광원을 CT장비에 적용할 경우, 광원을 이동할 필요가 없이 다 시각을 생성할 수 있어 슬립링(slip ring) 움직임을 생략할 수 있으며, 구조의 단순화, 시스템의 안정성, 신뢰성의 향상 및 검사 효율의 향상에 유리하다.
도 1은 본 발명에 따른 그리드 제어 분상형 X선장치의 구조를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전자방출유닛의 구조를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 원기둥형 전자방출유닛 구조의 평면도로서, (a)는 원형 그리드 홀인 경우를 나타낸 것이고, (b)는 직사각형 그리드 홀인 경우를 나타낸 것이다.
도 4는본 발명에 따른 직육면체형 전자방출유닛 구조의 평면도로서, (a)는 원형 그리드 홀인 경우를 나타낸 것이고, (b)는 직사각형 그리드 홀인 경우를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 음극 구조를 나타낸 예시도로서, (a)는 평면 원형인 음극을 나타낸 것이고, (b)는 평면 직사각형인 음극을 나타낸 것이며, (c)는 구면 원호형인 음극을 나타낸 것이며, (d)는 원기둥면형인 음극(cylindrical cambered-surface cathode)을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 그리드 메쉬 구조를 나타낸 예시도로서, (a)는 평면형 그리드 메쉬를 나타낸 것이고, (b)는 구면형 그리드 메쉬를 나타낸 것이며, (c)는 U형 그루브형 그리드 메쉬를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 직선으로 배열된 분산형 X선장치 내부에서 전자방출유닛과 양극의 배치관계를 나타낸 정면 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 직선으로 배열된 분산형 X선장치 내부에서 전자방출유닛과 양극의 배치관계를 나타낸 측면 예시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 그리드 제어장치의 구조를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 그리드 제어를 통한 자동 집속(automatic focusing)을 나타낸 예시도이다.
도 11은 본 발명에 따른 원호형 그리드 제어 분산형 X선장치 내부의 전자방출유닛과 양극의 배치관계를 나타낸 예시도로서, (a)는 원호의 중심으로부터 관찰한 도면이고, (b)는 원호의 일단으로부터 관찰한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 그리드 제어 분산형 X선장치의 구조를 나타낸 예시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 전자방출유닛의 구조를 나타낸 예시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 그리드 제어 분산형 X선장치는 전자방출유닛(1)(적어도 2개, 이하에서 구체적으로 전자방출유닛(11, 12, 13, 14....)이라 함), 양극(2), 진공박스(3), 고압전원 연결장치(4), 필라멘트전원 연결장치(5), 그리드 제어장치 연결장치(6)와 전원 및 제어시스템(7)을 포함한다. 또한, 전자방출유닛(1)은 가열 필라멘트(101), 음극(102), 그리드(103), 절연 지지대(104), 연결 고정부재(109)로 구성된다. 복수의 전자방출유닛(1)은 한 직선 상에 배열되고, 양극(2)은 전자방출유닛(1)의 배열과 대응되는 스트립(strip)형상이고, 양극(2)은 복수의 전자방출유닛(1)이 배열되어 형성된 직선과 평행되고, 고압전원 연결장치(4)는 진공박스(3)의 박스벽 상에 장착되고 진공박스(3)와 전체적으로 밀봉된 구조를 구성한다.
전자방출유닛(1)은 수요에 따라 전자빔을 생성하기 위한 것이고, 진공박스(3) 내의 일단의 박스벽(여기에서 하단이라 정의함; 도 1 참조)에 장착되고, 연결 고정부재(109)를 사용하여 진공박스(3)의 벽과 전체적으로 밀봉된 구조를 구성하나 이에 한정되지 않으며, 전자방출유닛(1)을 진공박스(3)에 장착할 수만 있다면 기타 방식으로 장착할 수도 있다. 또한, 각 전자방출유닛(1)의 음극단(cathode end)(가열 필라멘트(101), 음극(102), 그리드(103)를 포함)은 진공박스 내부에 위치하고, 각 전자방출유닛(1)의 리드단(lead end)(필라멘트 리드(105), 그리드 리드(108), 연결 고정부재(109)를 포함)은 진공박스 외부에 위치하나 이에 한정되지 않으며, 기타 방식일 수도 있다. 또한, 도 2는 전자방출유닛(1)의 구조를 나타낸 것으로서, 전자방출유닛(1)은 가열 필라멘트(101), 음극(102), 그리드(103), 절연 지지대(104), 필라멘트 리드(105), 연결 고정부재(109)를 포함하고, 그리드(103)는 그리드 프레임(106), 그리드 메쉬(107), 그리드 리드(108)로 구성된다. 음극(102)은 가열 필라멘트(101)에 연결되고, 가열 필라멘트(101)는 일반적으로 텅스텐 필라멘트를 사용하고, 음극(102)은 일반적으로 전자의 열방출 성능이 강한 재료를 사용하는데, 예를 들면 산화바륨(BaO), 스캔데이트(Scandate), 란타늄 헥사보라이드(lanthanum hexaboride) 등을 사용한다. 절연 지지대(104)는 가열 필라멘트(101)와 음극(102)을 둘러싸고 전자방출유닛(1)의 하우징에 해당되는 바, 절연재료를 사용하고 일반적으로 세라믹을 사용한다. 필라멘트 리드(105)는 절연 지지대(104)를 관통하여 전자방출유닛(1)의 하단으로 인출되며(이에 한정되지 않으며, 전자방출유닛(1)의 외부로 인출되는 것이면 됨), 필라멘트 리드(105)와 절연 지지대(104) 사이는 밀봉된 구조이다. 그리드(103)는 절연 지지대(104)의 상단(즉, 절연 지지대(104)의 개구에 배치됨)에 장착되어 음극(102)에 대향하고, 그리드(103)와 음극(102)의 중심은 상하로 정렬되는 것이 바람직하다. 또한, 그리드(103)는 그리드 프레임(106), 그리드 메쉬(107), 그리드 리드(108)를 포함하며, 또한 그리드 프레임(106), 그리드 메쉬(107), 그리드 리드(108)는 모두 금속으로 제조되며, 일반적으로, 그리드 프레임(106)은 스테인리스 스틸 재료이고 그리드 메쉬(107)는 몰리브덴 재료이며, 그리드 리드(108)는 코발(kovar)(합금) 재료이다. 그리드 리드(108)는 절연 지지대(104)를 관통하여 전자방출유닛(1)의 하단으로 인출되며(이에 한정되지 않으며, 전자방출유닛(1)의 외부로 인출되는 것이면 됨) 그리드 리드(108)와 절연 지지대(104) 사이는 밀봉된 구조이다.
또한, 구제척으로 그리드(103)의 구조에 있어서, 그 몸체는 하나의 금속판(예를 들면, 스테인리스 스틸 재료), 즉 그리드 프레임(106)이고, 그리드 프레임(106)의 중간에 홀이 형성되고, 상기 홀의 형상은 사각형 또는 원형 등일 수 있으며, 상기 홀의 위치에 메탈 메쉬(예를 들면, 몰리브덴 재료), 즉 그리드 메쉬(107)가 고정되고, 금속판의 어느 위치에서 한 가닥의 리드(예를 들면, 코발 합금 재료), 즉 그리드 리드(108)를 인출하여 그리드(103)를 하나의 전위(potential)에 연결시킬 수 있다. 또한, 그리드(103)는 음극(102)의 직 상방에 위치하고 그리드(103)의 상기 홀의 중심은 음극(102)의 중심에 얼라이멘트되고(즉, 상하가 일직선에 위치함), 홀의 형상은 음극(102)의 형상에 대응되며, 홀의 크기는 일반적으로 음극(102)의 면적보다 작다. 그러나, 전자빔이 그리드(103)를 통과할 수만 있다면, 그리드(103)의 구조는 상술한 구조로 한정되지 않는다. 또한, 그리드(103)와 음극(102)은 절연 지지대(104)에 의하여 상대적 위치가 고정된다.
또한, 구체적으로 연결 고정부재(109)의 구조는, 바람직하게는 그 몸체가 원형 나이프 엣지 플랜지(circular knife edge flange)이고, 중간에는 홀이 형성되며, 상기 홀의 형상은 사각형 또는 원형 등일 수 있고 홀의 위치는 절연 지지대(104)의 하단 가장자리와 밀봉되도록 연결되는데, 예를 들면 용접 연결될 수 있다. 나이프 엣지 플랜지의 가장자리에는 나사홀이 형성되어 볼트 연결에 의하여 전자방출 유닛(1)을 진공박스(3)의 박스벽에 고정시킬 수 있으며, 나이프 엣지와 진공박스(3)의 박스벽 사이에 진공 밀봉되도록 연결한다. 이는 탈부착이 용이한 구조로서, 복수의 전자방출유닛(1) 중의 어느 하나가 고장이 발생할 경우, 용이하게 교체할 수 있다. 특히, 연결 고정부재(109)의 성능은 절연 지지대(104)와 진공박스(3) 사이의 밀봉연결을 구현하는 것이고, 금속 플랜지로 연결되는 용접, 또는 유리 고온용융에 의한 밀봉연결, 또는 세라믹의 금속화 후에 금속과의 용접 등의 방식과 같은 여러가지 구현 방식이 있다.
또한, 전자방출유닛(1)은 원기둥형 구조일 수 있으며, 즉 절연 지지대(104)는 원기둥형이고 음극(102), 그리드 프레임(106), 그리드 메쉬(107)는 동시에 원형 또는 동시에 직사각형일 수 있다. 도 3은 원기둥형의 전자방출유닛(1)의 평면도이고, 그중 (a)는 음극(102), 그리드 프레임(106), 그리드 메쉬(107)가 동시에 원형직사각형인 구조를 나타내고, (b)는 음극(102), 그리드 프레임(106), 그리드 메쉬(107)가 동시에 직사각형인 구조를 나타낸다. 또한, 원형 음극에 있어서, 음극(102)의 표면에서 생성한 전자의 더욱 우수한 집속효과를 달성하기 위하여 일반적으로 음극(102)의 표면을 구면 원호형(예를 들면 도 5c에 도시된 형상)으로 제조한다. 음극(102)의 표면 직경은 일반적으로 수mm인 바, 예를 들면, 직경은 2mm이고, 그리드 프레임(106)에 장착된 그리드 메쉬(107)의 홀의 직경은 일반적으로 수mm인 바, 예를 들면, 직경은 1mm이다. 또한, 그리드(103)로부터 음극(102)의 표면까지의 거리는 일반적으로 영점몇mm 내지 수mm인 바, 예를 들면 2mm이다. 또한, 직사각형 음극에 있어서, 음극(102) 표면에서 생성하는 전자의 더욱 우수한 집속효과를 달성하기 위하여 일반적으로 원기둥면이 바람직하며, 이는 좁은 변(narrow side) 방향의 전자빔을 추가로 집속시키는데 유리하다. 일반적으로 원호면 길이는 수mm 내지 수십mm이고, 폭은 수mm인 바, 예를 들면, 길이는 10mm이고, 폭은 2mm이다. 그리드 메쉬(107)는 상응하게 직사각형이고, 바람직하게는 폭은 1mm이고, 길이는 10mm이다. 도 5는 음극(102)이 각각 평면 원형, 평면 직사각형, 구면 원호형, 원기둥면형 등 4가지 경우인 구조를 나타낸 것이다.
또한, 전자방출유닛(1)은 직육면체형 구조일 수도 있는 바, 즉 절연 지지대(104)는 직육면체이고, 음극(102), 그리드 프레임(106), 그리드 메쉬(107)는 동시에 원형 또는 동시에 직사각형일 수 있다. 도 4는 직육면체형의 전자방출유닛(1)의 평면도이고, 그 중, (a)는 음극(102), 그리드 프레임(106), 그리드 메쉬(107)가 동시에 원형 구조인 것을 나타낸 것이고, (b)는 음극(102), 그리드 프레임(106), 그리드 메쉬(107)가 동시에 직사각형 구조인 것을 나타낸 것이다. 특히, 도 3 및 도 4 중의 사선 무늬는 다양한 여러 부재들을 구분하기 위하여 도시된 것으로, 단면도를 표시하는 것이 아니다.
또한, 구체적으로, 그리드 메쉬(107)의 구조에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 평면형이거나 구면형이거나 U형 그루브형일 수 있으며, 바람직하게 구면형이다. 이는 구면형의 그리드 메쉬는 전자빔이 더욱 우수한 집속효과를 갖도록 하기 때문이다
또한, 양극(2)은 스트립형 금속으로서 진공박스(3) 내부의 타단(여기서 상단이라 정의하며, 도 1 참조)에 장착되고, 도 7에 도시된 바와 같이, 길이방향(도1, 7 중의 좌우방향)에서 전자방출유닛(1)의 배열선(arrangement line)과 평행으로 되고, 폭방향에서 양극(2)의 표면은 전자방출유닛(1)의 표면이 있는 평면과 작은 협각(a small included angle)을 형성하는데, 이 협각은 일반적으로 몇 도 내지 몇 십도이며(도 8 참조), 대표적으로는 약 15도이다. 양극(2) 상에 정(positive) 고압전압을 인가하며, 일반적으로 수십 kV 내지 수백 kV를 인가하며, 대표적으로 180kV를 인가하여 양극(2)과 전자방출유닛(1) 사이에 평행되는 고전압 전기장을 형성하여 그리드 메쉬를 관통한 전자빔이 고전압 전기장의 작용 하에서 가속되어 전기장 방향의 역방향으로 움직여서 최종적으로 양극(2)을 충격하여 X선을 생성한다. 또한, 양극(2)은 내고온 텅스텐 금속 또는 텅스텐 합금 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 도 7과 도 8 중의 전자방출유닛(1)은 진공박스(3)의 내부에 있고 전자방출유닛(1)의 형상이 원기둥형인 경우만 나타낸 것이다.
또한, 전원 및 제어시스템(7)은 제어시스템(701), 고압전원(702), 그리드 제어장치(703), 필라멘트 전원(704) 등을 포함한다. 고압전원(702)은 진공박스(3)의 박스벽 상에 장착된 고압전원 연결장치(4)를 통해 양극(2)과 서로 연결된다. 그리드 제어장치(703)는 그리드 제어장치 연결장치(6)를 통하여 각 그리드 리드(108)와 각각 연결되고, 일반적으로 전자방출유닛(1)의 개수와 같은 개수의 독립적인 그리드 리드(108)를 구비하며, 그리드제어장치(703)의 출력 라인 개수는 그리드 리드(108)의 개수와 동일하다. 그리드제어장치 연결장치(6)는 일반적으로 커넥터(connector)를 구비하는 케이블이고, 개수는 그리드 리드(108)의 개수와 동일하고, 내전압 성능이 적어도 3kV인 동축선(coaxial cables)인 것이 바람직하다. 필라멘트 전원(704)은 필라멘트전원 연결장치(5)를 통하여 각 필라멘트 리드(105)와 각각 연결된다. 필라멘트전원 연결장치(5)는 일반적으로 커넥터를 구비하는 케이블이고, 바람직하게 복수의 2심 케이블(two-core cables)이며, 개수는 전자방출유닛(1)의 개수와 동일하며, 바람직하게는 필라멘트 전원(704)의 출력회로의 개수도 전자방출유닛(1)의 개수와 동일하여 일대일로 대응할 수 있고, 각 전자방출유닛(1)의 필라멘트 전력의 크기를 조절하고 독립적으로 제어할 수 있다. 또한, 제어시스템(701)은 고압전원(702), 그리드 제어장치(703), 필라멘트 전원(704) 등의 작동상태를 제어한다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 그리드 제어장치(703)는 컨트롤러(70301), 부(negative) 고압모듈(70302), 정(positive) 고압모듈(70303) 및 복수의 고압 스위치소자(switch 1, switch 2, switch 3, switch 4, …)를 포함한다. 복수의 고압스위치소자마다 적어도 1개의 제어단(control end)(C), 2개의 입력단(In 1 및 In 2) 및 1개의 출력단(Out)을 포함하며, 각 단자 사이의 내전압(withstand voltage)은 적어도 부 고압모듈(70302)과 정 고압모듈(70303) 사이의 최대전압보다 커야 한다(즉, 부 고압측에서 －500V 출력하고 정 고압측에서 +2000V 출력할 경우, 각 단자 사이의 내전압은 적어도 2500V보다 커야 한다). 컨트롤러(70301)는 멀티패스(multipath)의 독립적인 출력이 있고, 각 라인은 1개의 고압 스위치소자의 제어단에 연결된다. 부 고압모듈(70302)은 안정적인 부 고압출력을 제공하는 바, 일반적으로 부의 수백볼트를 제공하며, 그 범위는 0V에서 －10kV일 수 있으며, －500V가 바람직하다. 또한, 상기 부 고압모듈은 각 고압 스위치소자의 1개의 입력단에 연결된다. 또한, 정 고압모듈(70303)은 안정적인 정 고압출력을 제공하는 바, 일반적으로 정의 수천볼트를 제공하며, 그 범위는 0V에서 +10kV일 수 있으며, +2000V가 바람직하다. 또한, 상기 정 고압모듈은 각 고압 스위치소자의 다른 1개의 입력단에 연결된다. 각 고압 스위치소자의 출력단은 각각 제어신호 출력채널(channel 1, channel 2, channel 3, channel 4, …)에 연결되고, 멀티패스 제어신호로 합류하여 출력한다. 컨트롤러(70301)는 각 고압 스위치소자의 작동상태를 제어하여 각 출력채널의 제어신호가 부 고압이거나 정 고압이 되도록 한다.
또한, 전원 및 제어시스템(7)은 사용 조건에 따라 필라멘트 전원(704)의 각 출력회로의 전류크기를 조절하여, 각 가열 필라멘트(101)가 음극(102)에 대한 가열 온도를 조절할 수 있고, 각 전자방출유닛(1)의 방출전류 크기를 변화시킬 수 있으며, 최종적으로 매회의 X선 방출의 강도를 조절할 수 있다. 또한, 그리드 제어장치(703)의 각 출력채널의 정 고압 제어신호의 강도를 조절하여 각 전자방출유닛(1)의 방출전류 크기를 변화시킬 수 있으며, 최종적으로 매회의 X선 방출의 강도를 조절할 수 있다. 또한, 각 전자방출유닛(1)의 작동타임 시퀀스와 조합 작동모드를 프로그래밍하여 원활하게 제어할 수 있다.
또한, 진공박스(3)는 4면이 밀봉된 캐비티(cavity)를 가지는 하우징이고, 그 내부는 고진공이며, 하우징은 유리 또는 세라믹 등의 절연재료로 구성될 수 있다. 진공박스(3)의 하단(도 1 참조)에 복수의 전자방출유닛(1)이 장착되고, 이런 전자방출유닛(1)은 직선으로 배열되며, 상단에(도 1 참조) 스트립형의 양극(2)이 장착되고, 양극(2)은 길이방향에서 전자방출유닛(1)과 평행하다. 진공박스(3) 내부의 공간은 전자빔이 전기장에서 운동함에 있어서 충분하며 그 어떤 차단도 발생하지 않는다. 진공박스(3) 내의 고진공은 고온 배기 가스로(high-temperature exhaust lehr) 내에서 베이킹 및 배기(baking and venting)를 통해 얻은 것이고, 진공도는 일반적으로 10-3Pa보다 우수하고, 바람직하게 10-5Pa보다 우수하다.
또한, 진공박스(3)의 하우징은 금속재료가 바람직하고, 금속재료를 사용할 경우, 전자방출 유닛(1)은 그 연결 고정부재(109)에 의해 진공박스(3)의 벽에 나이프 엣지 플랜지의 밀봉방식으로 연결되고, 양극(2)은 절연 지지재료를 이용하여 진공박스(3) 내에 고정되어 장착되며, 진공박스(3)의 하우징은 전자방출유닛(1) 및 양극(2)과 충분한 거리를 유지하여 고압 점화를 발생시키지 않을뿐만 아니라 전자방출유닛(1)과 양극(2) 사이의 전기장 분포에도 실질적인 영향을 주지 않는다.
또한, 고압전원 연결장치(4)는 양극(2)과 고압전원(702)의 케이블 연결에 사용되고, 진공박스(3) 내의 양극(2)과 근접한 일단 측벽에 장착된다. 고압전원 연결장치(4)는 일반적으로 내부에 금속 기둥을 갖는 원추형 세라믹 구조이고, 일단은 양극(2)과 연결되고, 타단은 진공박스(3)의 박스벽과 밀접하게 연결되어 함께 진공 밀봉구조를 형성한다. 고압전원 연결장치(4) 내부의 금속기둥은 양극(2)과 고압전원(702)의 케이블 커넥터가 회로 연결되도록 한다. 일반적으로 고압전원 연결장치(4)와 케이블 커넥터 사이는 플러그 가능한 구조로 설계한다.
또한, 본 발명의 그리드 제어 분산형 X선장치는 진공장치(8)를 더 포함할 수 있고, 진공장치(8)는 진공펌프(801)와 진공밸브(802)를 포함하며, 진공장치(8)는 진공박스(3)의 측벽에 장착된다. 진공펌프(801)는 진공전원(705)의 작용 하에서 작동되고, 진공박스(3) 내의 고진공을 유지시킨다. 일반적으로, 그리드 제어 분산형 X선장치가 작동시 전자빔이 양극(2)을 충격하면 양극(2)은 열을 방출하여 소량의 기체를 방출하여, 진공펌프(801)를 사용하여 그 기체를 빠른 속도로 펌핑할 수 있어 진공박스(3) 내부의 고진공도를 유지시킨다. 진공펌프(801)는 진공 이온펌프를 사용하는 것이 바람직하다. 진공밸브(802)는 일반적으로 고온 베이킹을 감당할 수 있는 순금속(total-metal) 진공밸브, 예를 들면, 순금속 수동 게이트밸브(all metal manual gate valve)를 선택하여 사용할 수 있다. 진공밸브(802)는 일반적으로 폐쇄(close) 상태이다. 상응하게 그리드 제어 분산형 X선장치의 전원 및 제어시스템(7)은 진공장치(8)의 진공전원(Vacc PS）(705)을 더 포함한다.
특히, 본 발명의 그리드 제어 분산형 X선장치는 고진공 상태에서 작동하며, 고진공을 얻고 유지하는 방법으로는 양극(2)을 진공박스(3) 내에서 장착시키고, 고압전원 연결장치(4) 및 진공장치(8)는 진공박스(3)의 벽에서 밀봉 연결되며, 진공박스(3)의 하단의 전자방출유닛의 연결위치(connection parts)를 먼저 블라인드 플랜지(blind flanges)로 밀봉하여 진공박스(3)를 전체적으로 하나의 밀봉구조를 형성하도록 하고; 다음으로, 이 구조를 진공로(vacuum furnace)에서 베이킹을 통해 기체를 제거하고, 진공밸브(802)를 외부의 진공 흡입시스템(external vacuum sucking system)에 연결하며, 그 목적은 각 부재의 재료가 흡착한 기체를 제거하기 위한 것이며; 다음으로, 상온의 청결한 환경에서 진공밸브(802)로부터 진공박스(3) 내에 질소가스를 주입시켜 보호환경을 형성한 후 전자방출유닛의 연결위치의 블라인드 플랜지를 오픈하여 전자방출유닛을 하나씩 장착하고; 모든 전자방출유닛의 장착 완료 후, 진공밸브(802)를 외부 진공 흡입시스템에 연결하여 배기하고, 재차 베이킹 배기하여 진공박스(3) 내부가 고진공으로 되도록 하고; 베이킹 배기과정에서 각 전자방출유닛의 음극을 활성화시킬 수 있으며; 베이킹 배기 완료 후 진공밸브(802)를 닫아 진공박스(3) 내부가 고진공을 유지하도록 하며; 그리드 제어 분산형 X선장치의 작동과정에서, 양극이 방출한 소량의 기체는 진공펌프(801)에 의하여 제거함으로써 진공박스(3) 내부의 고진공도를 유지시키는 것이다. 어느 전자방출유닛이 손상되거나 수명을 다하여 교체해야 할 경우, 진공밸브(802)로부터 진공박스(3) 내부에 질소가스를 주입시켜 보호하고; 가장 짧은 시간 내에 교체하고자 하는 전자방출유닛을 탈착하고 새로운 전자방출유닛을 장착하며; 진공밸브(802)는 외부의 진공 흡입장비와 연결시켜 진공박스(3)를 진공으로 펌핑하여; 진공박스(3) 내부가 다시 고진공 상태로 되면 진공밸브(802)를 닫아 진공박스(3) 내부를 고진공 상태로 유지시킨다.
특히, 그리드 제어장치(703)가 인접한 전자방출유닛 중의 한 개의 전자방출유닛의 그리드 상태만 개변시켜서 같은 시각에 인접한 전자방출유닛에서 한 개만 전자를 방출하여 전자빔을 형성할 경우, 해당 전자방출유닛의 그리드의 양측의 전기장은 해당 전자빔에 대해 자동 집속시키는 효과를 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 도면 중에서 전자방출유닛(1)과 양극(2) 사이의 화살표는 전자의 운동방향(전력선 역방향)을 나타낸다. 도 10에 있어서 양극(2)은 고전압 +160kV이고, 큰 전기장의 전자방출유닛(1)과 양극(2) 사이의 화살표는 모두 전자방출유닛(1)으로부터 양극(2)을 가리키는 바, 즉 전자방출유닛(1)에서 전자빔을 방출하기만 하면 전자빔은 모두 양극(2)으로 운동하게 된다. 전자방출유닛(1) 표면의 국부 전기장 상태를 관찰하면, 인접한 전자방출유닛(12, 13, 14) 중에서 전자방출유닛(13)의 그리드(103)의 전압을 －500V로부터 +2000V로 개변시키면 전자방출유닛(13)은 전자방출 상태로 변하고 인접한 전자방출유닛(12)과 전자방출유닛(14)의 그리드(103)의 전압은 여전히 －500V이고, 만약 전자방출유닛(12, 14)에서 전자방출이 이루어지면 전자는 전자방출유닛(12)과 전자방출유닛(14)의 그리드(103)로부터 전자방출유닛(13)의 그리드(103)로 운동하나, 전자방출유닛(12, 14)에서 전자방출이 이루어지지 않았기에 전자방출유닛(13)에서 방출된 전자빔은 전자방출유닛(13)으로부터 인접한 전자방출유닛(12)과 전자방출유닛(14)의 방향을 가리키는 전기장의 작용에 의하여 압박되어 자동 집속효과를 가진다.
또한, 특히 본 발명의 그리드 제어 분산형 X선장치는 직선형이거나 원호형으로 배열되어 여러 응용 요구를 만족시킬 수 있다. 도 11에서는 본 발명에 따른 원호형 그리드 제어 분산형 X선장치의 진공박스 내부의 전자방출유닛과 양극의 배치관계를 나타낸 예시도로서, (a)는 원호의 중심에서 관찰한 도면이고, (b)는 원호의 일단에서 관찰한 도면이다. 특히, 도 11 중의 전자방출유닛(1)은 진공박스(3) 내부의 부분만 나타낸 것이고, 전자방출유닛(1)의 형상은 직육면체형인 것을 나타낸 것이다. 전자방출유닛(1)은 한 개의 평면에서 원주방향을 따라 배치되고 배치된 라디안(radian)의 크기는 수요에 따라 결정될 수 있다. 양극(2)은 전자방출유닛(1)의 상방에 배치되는 것으로 내부가 높고 외부가 낮은 원추면 구조이며, 즉 원호방향에서 전자방출유닛(1)이 있는 원호와 평행하며, 원호의 축선방향에서 전자방출유닛(1) 상면과 작은 협각을 형성하여 원호형 지붕구조와 유사하다. 전자빔은 전자방출유닛(1)의 상면에서 방출되어 양극(2)과 전자방출유닛(1) 사이의 고전압 전기장에 의해 가속되어 최종적으로 양극(2)을 충격하여 양극(2)에서 원호형으로 배열된 X선 타겟점을 형성하고, 유용한 X선의 방출방향은 원호의 중심(O)을 향한다. 원호형 그리드 제어 분산형 X선장치의 진공박스(3)에 있어서, 그 내부의 전자방출유닛(1)의 배치와 양극(2)의 형상은 대응되게 원호형이거나 환형으로 된다. 원호형 분산형 X선장치의 방출된 X선은 모두 원호의 원심(circle center)(O)을 가리키고 방출선 소스(ray source)의 원형 배열의 상황에 적용할 수 있다.
또한, 특히 유의할 것은 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 그리드와 전자방출유닛은 분리된 구조일 수 있다.
또한, 특히 유의할 것은 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 각 전자방출유닛의 배열은 직선형일 수 있고, L형 또는 U형 등과 같은 분단 직선형(segmental straight line)일 수 있으며, 그 외에 호형 또는 분단 호형(segmental arc), 예를들면 여러 직경의 호형 부분이 연결되어 형성된 곡선이거나 직선 부분과 호형 부분의 조합 등일 수 있다.
또한, 특히 유의할 것은 그리드 분산형 X선장치에 있어서, 각 전자방출유닛의 배열 간극은 균일할 수도 있고 불균일할 수도 있다.
실시예
(시스템 구성)
도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 그리드 제어 분산형 X선장치는 복수의 전자방출유닛(1), 양극(2), 진공박스(3), 고압전원 연결장치(4), 필라멘트전원 연결장치(5), 그리드제어장치 연결장치(6), 진공장치(8)와 전원 및 제어시스템(7)으로 구성된다. 복수의 전자방출유닛(1)은 선형 어레이 방식(linear array)으로 배치되어 진공박스(3)의 하단의 박스벽에 장착되고, 전자방출유닛(1)의 음극단은 진공박스 내부에 위치하고, 전자방출유닛(1)의 리드단은 진공박스 외부에 위치하며, 각 전자방출유닛(1)은 서로 독립되고, 스트립 형태의 양극(2)은 진공박스(3) 내의 상단에 장착되고, 선형 배열의 방향에서 양극(2)과 전자방출유닛(1)은 서로 평행하며, 선형 배열의 수직 단면에서 양극(2)과 전자방출유닛(1)의 상면은 작은 협각을 형성한다. 고압전원(high-voltage power supply) 연결장치(4)는 진공박스(3)의 상단에 장착되고 내부가 양극(2)과 연결되고, 외부는 플러그 가능한 형식으로 고전압 케이블에 연결된다. 필라멘트전원 연결장치(5)는 각 전자방출유닛(1)의 필라멘트 리드(105)를 필라멘트 전원(704)에 연결시킨다. 그리드제어장치 연결장치(6)는 각 전자방출유닛(1)의 그리드 리드(108)를 그리드 제어장치(703)에 연결시킨다. 진공장치(8)는 진공박스(3)의 측벽에 장착되고, 진공펌프(801)와 진공밸브(802)를 포함한다. 전원 및 제어시스템(7)은 제어시스템(701), 고압전원(high-voltage power supply)(702), 그리드 제어장치(703), 필라멘트 전원(704), 진공전원(705) 등의 복수의 모듈을 포함하고, 전력 케이블 및 제어 케이블을 통하여 시스템의 복수의 전자방출유닛(1)의 가열 필라멘트(101), 그리드(103), 양극(2) 및 진공장치(8) 등의 부재와 서로 연결된다.
(작동원리)
본 발명의 그리드 제어 분산형 X선장치에 있어서, 전원 및 제어시스템(7)은 필라멘트 전원(704), 그리드 제어장치(703) 및 고압전원(702)을 제어한다. 필라멘트 전원(704)의 작용 하에서, 가열 필라멘트(101)는 음극(102)을 고온(예를 들면, 500~2000℃)방출 상태까지 가열시켜 음극(102)의 표면에 대량의 전자를 생성시킨다. 그리드 제어장치(703)는 각 그리드(103)가 예를 들면 －500V인 부 전압상태가 되도록 하고, 각 전자방출유닛(1)의 그리드(103)와 음극(102) 사이에 부 전기장을 형성시켜서 전자가 음극(102)의 표면에 구속된다. 고압전원(702)은 양극(2)이 매우 높은 정 고압이 되도록 하여, 일반적으로 정의 수십kV 내지 수백kV이며, 전자방출유닛(1)과 양극(2) 사이에 정의 가속 전기장을 형성시킨다. X선 생성이 필요할 경우, 전원 및 제어시스템(7)은 명령 또는 미리 설치된 프로그램에 따라 그리드 제어장치(703)의 어느 하나의 출력을 부 전압으로부터 정 전압으로 전환시키며, 또한 타임 시퀀스에 따라 각 출력신호를 변환시킨다. 예를 들면, 시점 1(time 1)에서 그리드 제어장치(703)의 출력채널(channel 1a)은 －500V로부터 +2000V로 변하고, 이에 대응되는 전자방출유닛(11) 내부에서 그리드(103)와 음극(102) 사이의 전기장은 정의 전기장으로 되어 전자는 음극(102)의 표면에서 그리드(103)로 움직이면서 그리드 메쉬(107)를 관통하여, 전자방출유닛(11)과 양극(2) 사이의 정의 전기장에 진입하여 가속되여 고 에너지로 변하며, 최종적으로 양극(2)을 충격하여 양극(2) 상에 타겟점(target spot)(21)을 형성하고, 타겟점(21)의 위치에서 X선을 방출시킨다. 시점 2에서 그리드 제어장치(703)의 출력채널(channel 1b)은 －500V로부터 +2000V로 변하고, 이에 대응되는 전자방출유닛(12)은 전자를 방출하여 양극(2) 상에 타겟점(22)을 형성하고, 타겟점(22)의 위치에서 X선을 방출시킨다. 시점 3에서 그리드 제어장치(703)의 출력채널(channe1 3)은 －500V로부터 +2000V로 변하고, 이에 대응되는 전자방출유닛(13)은 전자를 방출하여 양극(2) 상에 타겟점(23)을 형성하고, 타겟점(23)의 위치에서 X선을 방출시킨다. 이러한 방식으로 유추하여, 다음에 타겟점(24)의 위치에서 X선을 방출시키고, 다음에 타겟점(25)의 위치에서 X선을 방출시키며, 상기와 같이 순환적으로 반복한다. 따라서 전원 및 제어시스템(7)은 그리드 제어장치(703)를 통하여 각 전자방출유닛(1)이 특정한 타임 시퀀스에 따라 차례로 작동되도록 하여 전자빔을 방출하고, 양극(2)의 다른 위치에서 X선을 번갈아 생성하여 분산형 X선 소스로 된다.
또한, 양극(2)이 전자빔의 충격을 받아 방출한 기체는 진공펌프(801)에 의하여 리얼타임으로 펌핑되어 배출하고 진공박스(3) 내부는 고진공을 유지하며, 이는 장기간의 안정적인 가동에 유리하다. 전원 및 제어시스템(7)은 설정된 프로그램에 따라 각 부재를 구동하여 조화롭게 작동하도록 각 전원을 제어하는 이외에 통신 인터페이스와 맨-머신 인터페이스(Man Machine Interface)를 통하여 외부의 명령을 수신할 수 있고, 시스템의 핵심 파라미터를 수정 및 설정하여 프로그램을 업데이트하고 자동적으로 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 그리드 제어 분산형 X선장치를 CT장비에 적용하여 시스템 안정성 및 신뢰성이 우수하고 검사 효율이 높은 CT장비를 얻을 수 있다.
(효과)
본 발명은 주요하게 하나의 광원장비에서 특정된 순서에 따라 주기적으로 초점위치를 변환시키는 X선을 생성하는 그리드 제어 분산형 X선장치를 제공한다. 본 발명의 전자방출유닛은 열음극을 사용하여 기타 설계에 비하여 방출 전류가 크고 수명이 길며, 기술이 성숙된 장점을 구비하며; 복수의 전자방출유닛은 각각 독립적으로 진공박스에 고정되어 장착이 간단하고, 제어가 원활하며, 정비가 편리하며; 그리드에 대한 제어를 통하여 각 전자방출유닛의 작동상태를 제어하여 상태전환이 신속하고 정확하며, 여러가지 작동상태를 원활하게 조합할 수 있으며; 스트립형의 큰 양극으로 설계하여 양극의 과열문제를 효과적으로 완화시켜 광원출력의 향상에 유리하며; 전자방출유닛은 직선으로 배열되여 전체적으로 직선형인 분산형 X선장치로 구성될 수 있으며, 또는 전자방출유닛은 고리모양으로 배열되어 전체적으로 고리모양인 분산형 X선장치로 구성될 수도 있어서 다양한 사용조건을 만족시킬 수 있고, 응용이 원활하며; 그리드를 사용하여 전압을 제어하는 설계는 전자방출유닛에서 생성된 전자빔이 자동 집속효과를 갖도록 하고, 작은 타겟점을 얻는다. 기타 분산형 X선 광원장비에 비하여 본 발명은 전류가 크고, 타겟점이 작으며, 타겟위치 분포가 균일하고, 반복성이 우수하며, 출력 전력이 높고, 구조가 간단하며, 제어가 편리하며, 원가가 낮다.
또한, 본 발명의 그리드 분산형 X선광원을 CT장비에 적용할 경우, 광원을 이동할 필요 없이 다 시각의 X선을 생성하여 슬립링 움직임을 생략할 수 있고, 구조의 단순화, 시스템의 안정성, 신뢰성의 향상 및 검사효율의 향상에 유리하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지의 범위 내에서 상술한 실시방식에 대해 다양한 조합 및 다양한 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
1: 전자방출유닛 2: 양극
3: 진공박스 4: 고압전원 연결장치
5: 필라멘트전원 연결장치 6: 그리드제어장치 연결장치
7: 전원 및 제어시스템 8: 진공박스
E: 전자빔 X: X선
101: 가열 필라멘트 102: 음극
103: 그리드 104: 절연 지지대
105: 필라멘트 리드 106: 그리드 프레임
107: 그리드 메쉬 108: 그리드 리드
109: 연결 고정부재 701: 제어 시스템
702: 고압전원 703: 그리드 제어장치
70301: 컨트롤러 70302: 부 고압모듈
70303: 정 고압모듈 704: 필라멘트 전원
801: 진공펌프 802: 진공밸브

Claims (19)

  1. 4면이 밀봉되고 내부가 고진공인 진공박스;
    가열 필라멘트, 상기 가열 필라멘트와 연결되는 음극, 상기 음극과 대향되게 상기 음극의 상부에 배치되는 그리드를 포함하고, 각각 상기 진공박스 내의 일단의 박스벽 상에 서로 독립적으로 선형 어레이(linear array) 방식으로 배열되어 장착된 복수의 전자방출유닛; 및
    금속으로 구성되고, 상기 진공박스 내의 타단에 장착되고 길이방향에서 상기 전자방출유닛의 그리드가 있는 평면과 평행하고, 폭방향에서 상기 전자방출유닛의 그리드가 있는 평면과 소정의 협각을 형성하는 양극;을 포함하고
    상기 그리드는, 금속으로 제조되고 중간에 홀이 형성되는 그리드 프레임; 금속으로 제조되고 상기 그리드 프레임의 상기 홀의 위치에 고정된 그리드 메쉬; 및 상기 그리드 프레임으로부터 인출되는 그리드 리드를 구비하는 것을 특징으로 하는 X선장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 X선장치는, 상기 양극과 연결되는 고압전원, 상기 복수의 전자방출유닛각각과 연결되는 필라멘트 전원, 상기 복수의 전자방출유닛의 각각과 연결되는 그리드 제어장치 및 각 전원을 제어하는 제어시스템을 구비하는 전원 및 제어시스템을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 X선장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자방출유닛은, 상기 가열 필라멘트의 양단으로부터 인출되고 상기 필라멘트 전원과 연결되는 필라멘트 리드; 개구를 구비하고 상기 가열 필라멘트와 상기 음극을 둘러싸는 절연 지지대; 상기 절연 지지대의 하단 가장자리에 연결되는 연결 고정부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 X선장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 그리드는 상기 음극과 대향하는 방식으로 상기 절연 지지대의 상기 개구에 배치되고,
    상기 필라멘트 리드와 상기 그리드 리드는 상기 절연 지지대를 관통하여 상기 전자방출유닛으로부터 외부로 인출되고,
    상기 연결 고정부재는 상기 진공박스의 박스벽과 밀봉 연결되는 것을 특징으로 하는 X선장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 절연 지지대는 원기둥형이고, 상기 그리드 프레임, 상기 음극 및 상기 그리드 메쉬는 원형인 것을 특징으로 하는 X선장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 절연 지지대는 원기둥형이고, 상기 그리드 프레임, 상기 음극 및 상기 그리드 메쉬는 직사각형인 것을 특징으로 하는 X선장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 절연 지지대는 직육면체형이고, 상기 그리드 프레임, 상기 음극 및 상기 그리드 메쉬는 원형인 것을 특징으로 하는 X선장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 절연 지지대는 직육면체형이고, 상기 그리드 프레임, 상기 음극 및 상기 그리드 메쉬는 직사각형형인 것을 특징으로 하는 X선장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 그리드 메쉬는 평면형, 구면형 또는 U형 그루브형인 것을 특징으로 하는 X선장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 진공박스는 유리 또는 세라믹으로 제조된 것을 특징으로 하는 X선장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 진공박스는 금속재료로 제조된 것을 특징으로 하는 X선장치.
  12. 제2항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서
    상기 양극과 상기 고압전원의 케이블을 연결시키고 상기 진공박스의 상기 양극에 근접한 일단의 측벽에 장착된 고압전원 연결장치;
    상기 가열 필라멘트와 상기 필라멘트 전원을 연결하기 위한 필라멘트전원 연결장치;
    상기 전자방출유닛의 상기 그리드와 상기 그리드 제어장치를 연결하기 위한 그리드제어장치 연결장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 X선장치.
  13. 제2항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서
    상기 전원 및 제어시스템에 포함되는 진공전원;
    상기 진공박스의 측벽에 장착되고 상기 진공전원을 이용하여 작동하며 상기 진공박스 내의 고진공을 유지시키는 진공장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 X선장치.
  14. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 전자방출유닛은 직선형 또는 분단 직선형(segmental straight line)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 X선장치.
  15. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 전자방출유닛은 원호형 또는 분단 원호형(segmental arc line)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 X선장치.
  16. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 전자방출유닛의 배열 간격은 균일한 것을 특징으로 하는 X선장치.
  17. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 전자방출유닛의 배열 간격은 불균일한 것을 특징으로 하는 X선장치.
  18. 제2항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 그리드 제어장치는 컨트롤러, 부 고압모듈(negative high-voltage module), 정 고압모듈(positive high-voltage module) 및 복수의 고압 스위치소자(high-voltage switching elements)를 포함하고,
    상기 복수의 고압 스위치소자는 각각 적어도 1개의 제어단, 2개의 입력단 및 1개의 출력단을 포함하며, 상기 단자 사이의 내전압(withstand voltage)은 적어도 상기 부 고압모듈과 상기 정 고압모듈이 구성한 최대전압보다 크고,
    상기 부 고압모듈은 상기 복수의 고압 스위치소자 각각의 1개 입력단에 안정적인 부 고압(negative high voltage)을 제공하고,
    상기 정 고압모듈은 상기 복수의 고압 스위치소자 각각의 다른 1개 입력단에 안정적인 정 고압(positive high voltage)을 제공하며,
    상기 컨트롤러는 상기 복수의 고압 스위치소자 각각을 독립적으로 제어하고,
    상기 그리드 제어장치는 복수의 제어신호 출력채널을 더 구비하며,
    상기 고압 스위치소자의 한 개의 출력단은 상기 제어신호 출력채널 중의 1개와 연결되는 것을 특징으로 하는 X선장치.
  19. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항의 X선장치를 X선 소스(X-ray source)로 사용하는 것을 특징으로 하는 CT장비.
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