KR101916711B1 - 전계 방출 엑스선 소스를 이용한 엑스선 발생 장치 - Google Patents

전계 방출 엑스선 소스를 이용한 엑스선 발생 장치 Download PDF

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Abstract

치과 진단용 또는 의료용의 엑스선 발생 장치로서, 카본나노튜브로 이루어진 전자 방출원을 이용하여 요구되는 출력 조건을 충족하면서도 충분한 수명과 성능 안정성을 제공할 수 있는 엑스선 발생 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는, 다수의 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극, 엑스선 타겟면을 갖는 애노드 전극, 및 게이트 전극을 포함하는 전계 방출 엑스선 소스; 및, 상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 게이트 전극에 각각 인가되는 구동신호를 생성하는 구동회로부를 포함하고, 상기 게이트 전극에 의해서 상기 다수의 전자 방출원에 형성되는 전계는 10 내지 20 V/㎛ 이고, 상기 전자 방출원의 전류밀도는 200 내지 250 mA/cm2 범위를 갖는다.

Description

전계 방출 엑스선 소스를 이용한 엑스선 발생 장치{X-Ray Generating Device Using Field Emission X-Ray Source}
본 발명은 전계 방출 엑스선 소스 장치를 이용한 엑스선 발생 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 냉음극 측의 전자 방출원으로부터 방출되어 가속된 전자를 애노드 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 방출하는 전계 방출 엑스선 소스와 이를 이용한 엑스선 발생 장치에 관한 것이다.
일반적으로 질병진단을 위하여 의료기관에서 사용되는 종래의 엑스선 소스 장치는 엑스선을 발생시키기 위한 전자 방출원으로 텅스텐 소재의 열음극을 사용하고 있으며, 고전압으로 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 방출시키고 방출된 전자를 애노드 전극 측의 타켓에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 구조로 되어 있다.
하지만, 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치는 전자를 발생시키는 데에 많은 전력이 소모되며, 발생되는 전자가 스파이럴 구조를 갖는 텅스텐 표면에서 무작위로 방출되기 때문에 엑스선 방출 효율이 극히 낮은 실정이다. 또한 텅스텐 필라멘트의 가열 및 냉각을 위해 일정시간의 인터벌(interval)이 요구되며, 펄스형태로 엑스선을 방출시키는 것이 어려워 필요 이상의 다량의 엑스선이 조사되어 이용에 제약이 있었다.
이러한 종래의 열음극 엑스선 소스 장치의 문제점을 해결하고자 최근에는 냉음극 전자 방출원으로 탄소나노튜브(CNT) 등 나노 구조물을 이용한 엑스선 소스 장치에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 탄소나노튜브를 이용한 엑스선 소스 장치는 종래의 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치와는 달리 전자 방출 메카니즘이 전계 방출(electric field emission) 방식으로서, 기존의 열전자 방출 방식과 다르다. 탄소나노튜브 기반의 엑스선 소스 장치는 텅스텐 필라멘트 기반의 열음극 엑스선 소스 장치에 비해 낮은 전압의 인가로 전자 방출이 가능하고, 방출되는 전자가 탄소나노튜브의 길이방향을 따라 방출되기 때문에 애노드 전극 측의 타켓을 향한 전자의 방향지향성이 우수하여 엑스선 방출 효율이 매우 높다. 또한 펄스형태의 엑스선을 방출시키는 것이 용이하여 저선량으로 엑스선 영상획득이 가능할 뿐만 아니라 엑스선 동영상의 촬영이 가능하여 치과 임플란트 검사 등과 같은 치과 치료용으로 활용 가능성이 매우 높다.
이제까지 알려진 전계 방출 엑스선 소스(Field Emission X-ray Source)는 3극관 또는 4극관 구조로서, 진공 용기 내의 캐소드(cathode) 전극 상에 설치된 전자 방출원(emitter)과 그에 인접하게 설치된 게이트(gate) 전극을 구비하고, 게이트 전극과 전자 방출원 사이에 형성된 전계에 의해 전자가 방출되도록 구성된다. 게이트 전극은 메쉬(mesh) 형태나 전자 방출원의 배열에 따라 다수의 홀이 배열된 금속판 형태를 갖는다. 전자 방출원(emitter)으로부터 방출된 전자 빔(electron beam)이 이러한 메쉬 구조 또는 다수의 홀을 통과하여 진행하면, 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 형성된 전계에 의해 전자를 수~수십 kV로 가속하여 애노드 측에 설치된 엑스선 타겟(target)에 타격시켜 엑스선이 방출되도록 한다. 그리고 필요하다면 애노드 전극과 게이트 전극 사이에 하나 이상의 집속(focusing) 전극을 추가하여 전자 빔이 애노드 전극의 한 영역으로 집속되도록 하기도 한다.
국제특허공개공보 WO2017/003236 (2017.01.05)
본 발명은 전계 방출 엑스선 소스를 이용한 엑스선 발생 장치에서 카본나노튜브로 이루어진 전자 방출원을 이용하여 치과 진단용 또는 의료용의 엑스선 발생 장치를 구성함에 있어서, 요구되는 출력 조건을 충족하면서도 충분한 수명과 성능 안정성을 제공할 수 있는, 엑스선 발생 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
전술한 과제의 해결을 위하여, 본 발명에 따른 엑스선 발생 장치는, 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극, 엑스선 타겟면을 갖는 애노드 전극, 및 게이트 전극을 포함하는 전계 방출 엑스선 소스; 및, 상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 게이트 전극에 각각 인가되는 구동신호를 생성하는 구동회로부를 포함하고, 상기 전자 방출원에 의해 형성되는 전계는 10 내지 20 V/㎛ 이고, 전류밀도는 200 내지 250 mA/cm2 이다.
상기 전자 방출원의 전계방출면적은 0.0063~0.0212 cm2 일 수 있다.
상기 전자 방출원은 복수의 도트 패턴을 포함하고, 상기 도트 패턴의 수는 20~30, 개별 도트 패턴의 지름은 200~300㎛, 도트 패턴 간 사이 간격은 200~300㎛ 일 수 있다.
상기 게이트 전극과 상기 다수의 전자 방출원 사이의 평균 거리는 250~350㎛일 수 있다.
전술한 엑스선 발생 장치에 있어서, 엑스선 발생 시에 상기 게이트 전극에 인가되는 구동신호의 전압은 3 ~ 5.7 kV일 수 있다.
또한, 엑스선 발생 시에 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이의 관전류는 2.5~3 mA 일 수 있다.
본 발명에 따르면, 전계 방출 엑스선 소스를 이용한 엑스선 발생 장치에서 카본나노튜브로 이루어진 전자 방출원을 이용하여 치과 진단용 또는 의료용의 엑스선 발생 장치로서, 요구되는 출력 조건을 충족하면서도 충분한 수명과 성능 안정성을 제공할 수 있는, 엑스선 발생 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 엑스선 발생 장치에서 전계 방출 엑스선 소스의 구성을 개략적으로 보인다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 엑스선 발생 장치에서 전계 방출 엑스선 소스 구동회로부의 구성을 개략적으로 보인다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스에서 전자 방출원을 보인다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전계방출 엑스선 소스에서 전류밀도와 전기장 세기의 범위를 보인다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명이 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있는 것이라는 점은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 엑스선 발생 장치에서 전계 방출 엑스선 소스의 구성을 개략적으로 보인다.
본 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스(100)는 튜브형의 스페이서(10)와 상기 스페이서(10)의 일단에 접합된 애노드 전극(20)을 포함한다. 상기 스페이서(10)를 사이에 두고 상기 애노드 전극(20)의 반대편에는 캐소드 전극(40)이 배치된다. 상기 캐소드 전극(40) 상에 전자 방출원이 배치되는데, 상기 전자 방출원은 별도의 에미터 기판(41)에 마련되어 캐소드 전극(40)에 결합 될 수도 있고, 캐소드 전극(40) 표면에 직접 형성될 수도 있다. 상기 전자 방출원은 예컨대 카본나노튜브(CNT)와 같은 다수의 나노 구조물을 이용한 것일 수 있다. 카본나노튜브(CNT)를 이용한 전자 방출원의 경우 상기 에미터 기판(41) 또는 캐소드 전극(40) 표면에 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 다수의 카본나노튜브를 직접 성장시키거나, 카본나노튜브 페이스트를 도포한 후 소성하는 등의 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 캐소드 전극(40)에 인접하게 게터(getter)전극(45)이 구비될 수 있다. 게터전극(45)는 에이징 또는 작동 중에 상기 진공 용기(10) 내부에서 발생한 가스를 포집하여 진공도를 유지하는 기능을 한다.
스페이서(10)는 세라믹, 유리 또는 실리콘 등의 절연 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 알루미나 세라믹스와 같은 소재로 만들어질 수 있다. 상기 스페이서(10)가 절연 물질로 이루어짐에 따라 전계 방출 엑스선 소스(100)는 상기 애노드 전극(20) 및 상기 캐소드 전극(40)이 서로 전기적으로 절연된다. 한편, 상기 스페이서(10)의 일 측, 좀 더 구체적으로 상기 애노드 전극(20)에 가까운 일 측에는 상기 스페이서(10) 내부에서 발생한 엑스선(XB)이 그 외부로 원활하게 방출되도록 하는 윈도우가 마련될 수도 있다.
상기 전자 방출원이 형성된 에미터 기판(41)과 상기 애노드 전극(20)의 사이에는 게이트 전극(50)이 배치될 수 있다. 게이트 전극(50)은 전자 방출원에 가깝게 배치되어 전자 방출을 일으키는 전계를 형성한다. 게이트 전극(50)은 전자 빔(E)이 통과할 수 있도록 다수의 게이트 홀(51)이 형성된 얇은 금속판 또는 금속 메쉬(mesh)의 형태로 구비될 수 있다. 상기 게이트 전극(50)은 도전성의 금속 재료로 형성되며, 예컨대 코바(Kovar), 구리(Cu) 또는 스테인레스스틸(SUS)로 형성될 수 있다. 여기서, 코바는 알루미나 세라믹스 또는 유리 등의 비금속 소재와 열팽창율이 유사하여 튜브형 스페이서(10)와의 안정적인 기밀성 접합에 유리하고, 스테인레스스틸도 상대적으로 열팽창율이 낮은 편이다. 전술한 캐소드 전극(40) 또는 에미터 기판(41) 역시 코바(Kovar)로 형성될 수 있다.
또한 게이트 전극(50)과 애노드 전극(20) 사이에는 전자 빔(E)을 집속하기 위한 전계를 형성하는 집속 전극(60)이 배치될 수 있다. 애노드 전극(20)은 전자 방출원이 배치된 캐소드 전극(40)과 수십에서 수백 kV에 달하는 높은 전위차를 형성하여 가속 전극으로서의 역할을 수행함과 동시에 상기 전자 방출원으로부터 방출되어 가속된 전자의 충돌에 의해 엑스선을 방출하는 엑스선 타켓의 역할을 겸한다. 이를 위해 애노드 전극(20)은 스페이서(10)의 내부에서 전자 빔(E)이 진행하는 방향에 대해 비스듬하게 경사진 엑스선 타겟면(21)을 갖는다. 상기 엑스선 타겟면(21)에는 별도의 타겟 부재가 배치될 수 있다. 상기 타겟 부재는 가속된 전자 빔(E)의 타격에 의해 엑스선을 방출하는 텅스턴(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 크롬(Cr), 철(Fe), 은(Ag), 탄탈륨(Ta) 또는 이트륨(Y) 등으로 이루어질 수 있는데, 융점이 높고 엑스선 방출 효율이 우수한 텅스텐(W)이 주로 적용된다.
한편, 전술한 캐소드 전극(40), 게이트 전극(50), 및 애노드 전극(20)은 각각 구동회로부(30)와 연결된다. 상기 캐소드 전극(40), 게이트 전극(50), 및 애노드 전극(20)에는 상기 구동회로부(30)로부터 전압, 전류 또는 그 파형이 적절하게 제어된 구동신호를 인가된다. 이하에서는 상기 구동회로부(30) 및 상기 구동신호에 대해 좀 더 자세히 살펴본다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 엑스선 발생 장치에서 전계 방출 엑스선 소스 구동회로부의 구성을 개략적으로 보인다.
본 실시예에 따르면 엑스선 발생 장치는, 직류 전원을 공급하는 전원공급부(110)와, 주 제어부(120), 구동회로부(30), 및 전계방출 엑스선 소스(100)을 포함한다. 상기 전계방출 엑스선 소스(100)는 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극(40), 엑스선 타겟면을 갖는 애노드 전극(20), 및 게이트 전극(50)을 포함한다. 상기 게이트 전극(50)은 전자빔이 통과할 수 있도록 다수의 홀이 형성된 얇은 금속판 또는 금속 메쉬(mesh)의 형태를 갖는 평면부와, 상기 평면부와 연결된 그 둘레가 길이 방향으로 확장되어 집속 전계를 형성하는 집속부를 포함할 수 있다. 이 경우 별도의 집속 전극은 생략될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 상기 전계방출 엑스선 소스(100)의 구동을 위해서는 애노드 전극(20)에 제 1 구동전압으로서 약 55~70kV, 바람직하게는 약 65kV의 제 1 고전압(VH), 게이트 전극(50)에 제 2 구동전압으로서 약 3kV 내지 5.7kV의 제 2 고전압(VM), 그리고 캐소드 전극(40)에 제 3 구동전압으로서 약 0V의 그라운드 레벨 저전압(VL)의 구동신호가 인가된다. 전술한 각 전극에 이러한 구동신호가 인가될 때 상기 전자빔이 충분히 가속되어 애노드 전극(50)의 엑스선 타겟면에 충돌하면서 엑스선이 방출된다.
상기 구동회로부(30)는 상기 전원공급부(110)로부터 소정 전압의 직류 전원을 공급받아 그 전압을 변환하는 전압 변환부(31)를 포함하고, 주 제어부(120)로부터 제어 신호를 받아 상기 전압 변환부(31)의 작동을 제어하는 구동신호 제어부(32)를 포함한다. 상기 전원공급부(110)는 예컨대 약 24V의 직류 전원을 상기 구동회로부(30)에 제공하는데, 이를 위해 외부 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 어댑터(111), 직류 전원인 배터리(112) 또는 이들 모두를 포함할 수 있다. 또한, 이들 전원의 연결 또는 충전 상태에 따라 적절한 전원을 선택하는 회로를 포함할 수 있다.
상기 구동신호 제어부(32)는 상기 전압 변환부(31)에서 전술한 직류 전원을 이용하여 상기 제 1 고전압(VH), 제 2 고전압(VM), 및 저전압(VL)의 구동신호를 생성하여 각각의 출력단자에 제공하도록 이를 제어한다. 상기 구동신호 제어부(32)는 예를 들면, 전술한 세 가지 전압 레벨의 구동신호를 생성하기 위한 설정 값을 제공한다든지, 전압 변환을 위해 직류를 교류로 변환하는 데에 필요한 스위칭 신호를 제공하는 등의 기능을 수행한다. 또한, 상기 구동신호 제어부(32)는 출력되는 구동신호인 상기 제 1 고전압(VH) 및/또는 제 2 고전압(VM) 신호를 피드백하여 그 전압이 제어 의도에 맞게 출력되도록 제어하는 전압 제어부(321)를 포함하여 구성된다.
또한, 본 실시예에 따른 상기 구동신호 제어부(32)는 상기 애노드 전극(20)과 상기 게이트 전극(50)에 온(ON) 신호, 즉 제 1 고전압(VH) 및 제 2 고전압(VM)의 구동신호가 인가되는 동안 상기 애노드 전극(20)과 상기 캐소드 전극(40) 사이의 관전류, 즉 제 1 고전압(VH) 출력단자와 저전압(VL) 출력단자 사이의 전류 값이 일정하게 유지되도록 하는 전류 제어부(322)를 포함한다. 상기 캐소드 전극(40)과 상기 애노드 전극(20) 사이에 전자빔의 가속을 위한 충분한 전위차가 형성된다는 전제하에서는 방출되는 엑스선량, 좀 더 구체적으로 단위 시간당 엑스선량은 관전류 값에 비례하기 때문에, 관전류 값을 일정하게 유지함으로써 방출되는 엑스선량이 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다. 이러한, 전류 제어부(322)는 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전계 방출 엑스선 소스에서 전자 방출원을 보인다.
본 도면은 전술한 에미터 기판(41) 상에 전자 방출원(411)이 배치된 형태와 그 면적비 등을 예시한다.
일례로 전자 방출원은 다수의 도트 패턴의 형태로서 복수의 열을 따라 일정하게 배치되되, 상하 열 사이의 도트 패턴은 서로 엇갈려 배치될 수 있다. 이때, 개별 도트 패턴은 지름 200~300㎛, 바람직하게는 250㎛, 도트 패턴 간 간격은 200~300㎛, 바람직하게는 250㎛, 도트 패턴의 수는 20~30, 바람직하게는 25개가 될 수 있다.
한편, 본 도면에 개시된 정보와 전술한 구동신호에 관한 정보를 이용하면 상기 전자 방출원(411)과 게이트 전극 사이에 형성되는 전계(단위: V/㎛)와 해당 전계 조건하에서 상기 전자 방출원(411)에서 방출되는 전자빔의 전류밀도(단위: mA/cm2)를 알 수 있다. 단순하게 생각하면 약한 전계에서 높은 전류밀도로 전자를 방출하는 전자 방출원의 성능이 우수한 것으로 평가될 수 있으나, 전자 방출원의 동작 안정성과 구동 신호에 의한 전자 방출 개시 여부 및 관전류 제어의 정확성, 그리고 수명 등을 종합적으로 고려하여 안정적인 성능을 구현할 수 있는 적절한 범위를 찾는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따르면, 엑스선 방출 시에 전계 방출 엑스선 소스(100)의 관전류는 2.5~3 mA 범위에서 제어될 수 있다. 다수의 전자 방출원(411)의 전계방출면적의 합 Ea는, 전자 방출원(411) 도트(dot)의 지름이 200~300㎛, 바람직하게는 250㎛, 그 수가 20~30, 바람직하게는 25개라 가정할 때, Ea는 전자방출원(411) 도트의 면적*수량으로 정의될 수 있고, 그 값은 0.0063~0.00212cm2, 바람직하게는 0.0123 cm2 를 나타낼 수 있다.
그리고 전류밀도는 2.5~3 mA를 상기 Ea 값으로 나눈 118 mA/cm2 내지 476 mA/cm2 , 바람직하게는 200~250 mA/cm2 범위의 값을 가지게 된다.
한편, 이때 전술한 게이트 전극에 인가된 전압이 3 ~ 5.7 kV이고, 상기 게이트 전극으로부터 상기 전자 방출원(411) 사이의 설계상의 거리가 250~350㎛, 바람직하게는 약 300㎛ 이므로, 상기 전자 방출원(411)에 인가된 전계(electric field)는, 약 10 ~ 20 V/㎛ 이다.
실제 전계 방출 엑스선 소스에서는 전자 방출원의 전계방출면적이나 게이트 전극과 전자 방출원 사이의 거리에서 약간의 오차가 생길 수 있으나, 본 실시예에 따르면, 전자 방출원과 게이트 전극 사이의 전계가 10 ~ 20 V/㎛이고, 약 전류밀도가 약 200 내지 250 mA/cm2 일 때, 안정적인 성능과 제어 가능성 그리고 내구성이 확보되는 것으로 확인되었다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전계방출 엑스선 소스에서 전류밀도와 전기장 세기의 범위를 보인다. 앞서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 실시예를 통해 확인된 적절한 전류밀도와 전기장 세기의 범위를 그래프 상에 표현한 것이다.
이 같은 본 발명에 따른 전계 방출 엑스선 소스를 이용한 엑스선 발생 장치는 인체 또는 동물의 진단용 X선 촬영장치에 적합한 특성을 보인다.
일례로 본 발명에 따른 전계 방출 엑스선 소스를 이용한 엑스선 발생 장치는 치열 내 치아의 일부와 치근단 등의 구강 내 촬영을 위한 포터블 X선 촬영장치, 치열 및 그 주변 조직의 배치관계를 평면적으로 보여주는 파노라마 X선 촬영장치, 악궁 및 두부의 3차원 구조를 보여주는 CT 촬영장치 등의 치과용 X선 촬영장치 내지는 유방에 대한 2차원 또는 단층합성 X선 촬영을 위한 맘모그라피 장치에 사용 가능한데, 특히 포터블 X선 촬영장치의 경우에 매우 효과적일 수 있다.
100: 전계 방출 엑스선 소스
10: 스페이서 20: 애노드 전극
30: 구동회로부 40: 캐소드 전극
41: 에미터 기판 411: 전자 방출원
50: 게이트 전극

Claims (6)

  1. 전자 방출원을 갖는 캐소드 전극, 엑스선 타겟면을 갖는 애노드 전극, 및 게이트 전극을 포함하는 전계 방출 엑스선 소스; 및,
    상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 게이트 전극에 각각 인가되는 구동신호를 생성하는 구동회로부를 포함하고,
    상기 전자 방출원에 의해 형성되는 전계는 10 내지 20 V/㎛ 이고, 전류밀도는 200 내지 250 mA/cm2 이며,
    상기 전자 방출원은 상기 캐소드 전극의 일부 영역에 복수의 열을 따라 서로 엇갈려 배치되는 복수의 도트 패턴을 포함하고,
    상기 전자 방출원의 전계방출면적은 0.0063~0.0212 cm2 인,
    엑스선 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 도트 패턴의 수는 20~30, 개별 도트 패턴의 지름은 200~300㎛, 도트 패턴 간 간격은 200~300㎛ 인, 엑스선 발생 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 게이트 전극과 상기 복수의 도트 패턴 사이의 평균 거리는 250~350㎛인, 엑스선 발생 장치.
  5. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    엑스선 발생 시에 상기 게이트 전극에 인가되는 구동신호의 전압은 3 ~ 5.7 kV인, 엑스선 발생 장치.
  6. 제 1 항, 제 3 항 및 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    엑스선 발생 시에 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이의 관전류는 2.5~3 mA인, 엑스선 발생 장치.
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