KR101923837B1

KR101923837B1 - 양극, 및 이를 이용한 x선 발생관, x선 발생 장치, 및 방사선촬영 시스템

Info

Publication number: KR101923837B1
Application number: KR1020177003618A
Authority: KR
Inventors: 야스오 오하시; 가즈유키 우에다
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2018-11-29
Also published as: RU2017105143A3; RU2668085C2; CN106537549B; US20170213686A1; CN108933072A; EP3428948A1; TWI593316B; TW201605294A; CN106537549A; TWI666973B; EP3170195A1; TW201731347A; CN108933072B; RU2017105143A; MY180971A; SG11201610312QA; JP6598538B2; EP3428948B1; EP3170195B1; JP2016029646A

Abstract

결합재(8)의 두께는 관상 양극 부재(6)의 중심 축선(P)에 직교하는 반경 방향으로 변화하며, 결합재(8)는 중심 축선(P)을 따르는 방향으로 타겟층(9)을 지지하는 투과 기판(7)과 관상 양극 부재(6)를 결합하기 위해 사용된다. 따라서, 중심 축선(P)에 따른 방향에서 결합재(8)의 둘레방향 인장 응력이 경감되는 영역이 형성되어, 결합재(8)에서 크랙이 발생하는 것을 방지한다.

Description

양극, 및 이를 이용한 X선 발생관, X선 발생 장치, 및 방사선촬영 시스템{ANODE, AND X-RAY GENERATING TUBE, X-RAY GENERATING APPARATUS, AND RADIOGRAPHY SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은, X선 발생관에 사용되며 투과형 타겟을 구비한 양극에 관한 것이며, 또한 상기 양극을 구비한 X선 발생관, 상기 X선 발생관을 구비한 X선 발생 장치, 및 상기 X선 발생 장치를 구비한 방사선촬영 시스템에 관한 것이다.

투과형 타겟을 구비한 투과형 X선 발생관이 공지되어 있다. 투과형 타겟은, 전자선이 타겟에 입사되는 측과 반대측으로부터 방출되는 X선을 이용한다. 투과형 X선 발생관은, 타겟을 X선 발생관의 단창으로서 구비할 수 있다. 이러한 투과형 X선 발생관은, 방사각이 넓어질 수 있고, 방열성이 높아질 수 있으며, X선 발생 장치가 소형화될 수 있는 유리한 특징을 갖는다. 이러한 투과형 X선 발생관에서의 타겟은, 타겟의 주연에 형성된 은 브레이징 재료 등의 결합재를 통해 관상 양극 부재에 기밀 결합되어 있다.

특허문헌 1에는, 개구 직경에 분포를 갖는 관상 양극 부재와, 상기 관상 양극 부재에 보유지지된 투과형 타겟을 구비한 투과형 X선 발생관이 개시되어 있다.

이러한, 투과형 타겟을 단창으로서 구비한 X선 발생관에서, X선 발생 동작을 반복함으로써, 원하는 관전류를 얻을 수 없고, 따라서 필요한 X선 출력을 확보하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 안정된 X선 출력을 얻을 수 있는 투과형 X선 발생관이 요구되어 오고 있다.

일본 특허 출원 공개 제2013-51153호

그러나, X선 발생관에서, 일반적으로 X선 방출 동작과 그 정지가 반복된다. 이 X선 발생관의 동작-정지 사이클에서, 투과 기판과 결합재 사이에서 열수축량에 차이가 발생한다. 그로 인해, 투과 기판에 대하여 그 둘레를 따라 접촉하는 결합재에는 둘레방향 인장 응력이 작용한다. 인장 응력이 결합재의 인장 강도를 초과하고, 결합재에 크랙이 발생하고, X선 발생관에 진공 누설이 발생하는 경우가 있다.

본 발명의 목적은, 결합재를 통해 함께 결합된 투과형 타겟과 관상 양극 부재를 구비한 양극에서, X선 발생관의 동작-정지 사이클에 수반하는 진공 누설의 발생을 억제하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 신뢰성이 높은 양극을 구비하고 안정된 X선 출력을 얻을 수 있는 X선 발생관을 제공하는 것 및 신뢰성이 높은 X선 발생 장치 및 방사선촬영 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면,

투과형 타겟으로서,

전자선의 조사에 의해 X선을 발생시키는 타겟층과,

상기 타겟층을 지지하고, 상기 타겟층에서 발생한 X선을 투과시키는 투과 기판

을 갖는, 투과형 타겟과,

관 내주에서 상기 투과 기판을 지지하는 관상 양극 부재를 구비하고,

상기 투과 기판의 측면과 상기 관상 양극 부재의 관 내주가 결합재에 의해 함께 결합되며,

상기 결합재는 상기 관상 양극 부재의 관 축선을 따르는 방향으로 변화하는 두께를 갖는, 양극이 제공된다.

본 발명의 제2 양태에 따르면,

관상 절연관과,

상기 절연관의 일단부에 장착된 음극과,

상기 절연관의 다른 단부에 장착된 양극과,

상기 절연관 내에 배치되고 상기 음극에 접속된 전자 방출원을 구비하며,

상기 양극은 본 발명의 제1 양태의 양극인, X선 발생관이 제공된다.

본 발명의 제3 양태에 따르면,

본 발명의 제2 양태의 X선 발생관과,

상기 X선 발생관의 음극 및 양극에 관 전압을 인가하기 위한 구동 회로를 구비하는, X선 발생 장치가 제공된다.

본 발명의 제4 양태에 따르면,

본 발명의 제3 양태의 X선 발생 장치와,

상기 X선 발생 장치로부터 방출되고, 피검체를 투과한 X선을 검출하는 X선 검출 장치와,

상기 X선 발생 장치와 상기 X선 검출 장치를 일체식으로 제어하는 시스템 제어 장치를 구비하는, 방사선촬영 시스템이 제공된다.

본 발명에 따른 양극에서, 타겟의 투과 기판과 관상 양극 부재를 결합하고 있는 결합재는, X선 발생관의 동작-정지 사이클에서 발생하는 둘레 방향의 압축 응력이 경감되는 영역을 가지며, 크랙의 발생이 억제된다. 따라서, 상기 양극을 사용한 X선 발생관에서, X선을 방출하는 구동에 의한 진공 누설의 발생이 억제되고, 신뢰성 높은 X선 발생관이 제공된다. 또한, 상기 X선 발생관을 각각 사용하는 신뢰성 높은 X선 발생 장치 및 신뢰성 높은 방사선촬영 시스템이 제공된다.

본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 도면을 참고한 예시적인 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 X선 발생관의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 X선 발생관의 양극의 부분 확대 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 양극의 결합재에서 발생하는 압축 응력을 도시하는 부분 평면도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 양극의 관상 양극 부재의 중심 축선을 따른 부분 단면도이며 도 1b의 확대도이다.
도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 양극의 관상 양극 부재의 중심 축선을 따라 취한 부분 단면도이며 도 1b의 확대도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 양극의 결합재 내에서의 왜곡의 크기를 도시하기 위한 결합재의 단면도이며 관상 양극 부재의 중심 축선을 따라 취한 단면도이다.
도 3b는 결합재에서 발생하는 압축 응력의 경감 영역을 도시하는 단면도이며 관상 양극 부재의 중심 축선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 양극의 구조와 압축 응력 경감 효과를 개략적으로 도시하는 단면도이며 관상 양극 부재의 중심 축선을 따라 취한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 양극의 구조 및 압축 응력 경감 효과를 개략적으로 도시하는 단면도이며 관상 양극 부재의 중심 축선을 따라 취한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 X선 발생 장치의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방사선촬영 시스템의 구조를 개략적으로 도시하는 블록도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다. 본 명세서에서 특별히 도시 또는 기재되지 않는 부분에는 상기 기술 분야의 주지 또는 공지 기술이 적용된다는 것을 유의하라.

<X선 발생관>

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 X선 발생관의 구조를 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 X선 발생관(102)은, 관상 절연관(3)과, 상기 절연관(3)의 일단부에 장착된 음극(2)과, 그 다른 단부에 장착된 양극(1)과, 상기 절연관 내에 배치되고 음극(2)에 접속된 전자 방출원(5)을 구비하고 있다.

전자 방출원(5)은 전자 방출원(5a)을 구비하고 있다. 양극(1)은 상기 전자 방출원(5a)에 대향하는 위치에 타겟(10)을 구비하고 있다. 본 발명에 따르면, 타겟(10)은 전자선(11)의 조사에 의해 X선을 발생시키는 타겟층(9)과, 상기 타겟층(9)에서 발생한 X선을 투과시키는 투과 기판(7)을 구비한 투과형 타겟이다. 양극(1)은, 또한 관상이며 그 관 내주에서 타겟(10)의 투과 기판(7)을 지지하는 관상 양극 부재(6)를 구비한다. 이 경우, 상기 관상 양극 부재(6)는 양극판(4)을 통해 절연 관(3)의 다른 단부에 장착된다. 관상 양극 부재(6)와 투과 기판(7)은 결합재(8)를 통해 서로 결합되어 있다.

이러한 구조에서, 음극(2)과 양극(1) 사이에 관 전압이 인가되면, 전자 방출원(5a)으로부터 전자선(11)이 방출되고, 상기 전자선(11)이 타겟층(9)에 입사하여 X선(12)을 발생시킨다.

전자선(11)에 포함되는 전자는, 전자 방출원(5)과 타겟(10) 사이의 전계에 의해, X선(12)을 발생시키는데 필요한 입사 에너지를 갖도록 가속된다. 가속 전계는, 후술하는 구동 회로로부터 출력되는 관 전압(Va)에 의해 음극 전위에 전자 방출원(5)을 규정하고 양극 전위에 타겟(10)을 규정함으로써 X선 발생관(102) 내의 밀폐 공간에 형성된다.

본 발명에 따른 X선 발생관(102)의 동체는, 음극 전위에 규정되는 전자 방출원(5)과 양극 전위에 규정되는 타겟(10) 사이의 전기적인 절연을 도모하는 목적으로 형성되는 절연관(3)에 의해 형성된다. 절연관(3)은, 유리 재료나 세라믹 재료 등의 절연성 재료로 형성된다. 절연관(3)은 또한 전자 방출원(5)과 타겟층(9) 사이의 간격을 규정하는 기능을 갖는다.

X선 발생관(102) 내의 공간은 전자 방출원(5)이 기능하도록 감압된다. X선 발생관(102)의 내부는, 10^-8 Pa 이상 10^-4 Pa 이하의 진공도를 갖는 것이 바람직하며, 전자 방출원(5)의 수명의 관점에서는, 진공도는 10^-8 Pa 이상 10^-6 Pa 이하인 것이 더 바람직하다. X선 발생관(102)은, 진공 용기로서, 이러한 진공도를 유지하기 위한 기밀성과 대기압에 대한 내구성을 갖는 것이 바람직하다. X선 발생관(102)의 내부는, 배기관(도시하지 않음)을 통해 진공 펌프(도시하지 않음)를 사용하여 진공을 형성한 후에, 배기관을 밀봉함으로써 감압될 수 있다. 또한, X선 발생관(102)의 내부에는, 진공도의 유지를 목적으로, 게터(getter)(도시하지 않음)를 배치해도 된다.

전자 방출원(5)은, 타겟(10)의 타겟층(9)에 대향하도록 배치된다. 전자 방출원(5)으로서는, 예를 들어 텅스텐 필라멘트, 함침형 캐소드와 같은 열음극, 또는 카본 나노 튜브 등의 냉음극을 사용할 수 있다. 전자 방출원(5)은, 전자선(11)의 빔 직경, 전자 전류 밀도, 및 온/오프 제어를 목적으로, 그리드 전극 및 정전 렌즈 전극(도시하지 않음)을 구비할 수 있다.

<양극>

도 1b는, 도 1a에 도시된 양극(1)의 부분 확대 단면도이다. 양극(1)은 본 발명의 실시예에 따른 양극이다. 본 발명에 따른 양극에서, 타겟(10)은, 상기 타겟(10)의 지지 부재인 관상 양극 부재(6)의 관 내주를 타겟(10)에 구비되는 투과 기판(7)의 측면에 결합재(8)를 통해 결합함으로써 지지되어 있다.

본 발명에 따른 타겟(10)은 투과 기판(7)과 타겟층(9)을 구비한 투과형 타겟이다. 타겟층(9)은, 타겟층에 함유되는 재료와 그 두께를, 관 전압(Va)과 함께 적절히 선택함으로써, 필요한 선종을 방출하는 X선 발생원이 되도록 형성된다. 타겟층의 재료로서는, 예를 들어 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐 등의 원자 번호 40 이상인 금속 재료가 함유될 수 있다. 타겟층(9)은, 투과 기판(7) 상에 증착 또는 스퍼터링 등의 임의의 성막 방법에 의해 형성될 수 있다.

투과 기판(7)은, 베릴륨, 천연 다이아몬드, 또는 인공 다이아몬드 등의 X선 투과성이 높고 내열성이 높은 재료로 형성된다. 이들 중, 방열성, 재현성, 균질성, 비용 등의 관점에서, 고온 고압 합성법 또는 화학적 증착에 의해 형성된 인공 다이아몬드가 바람직하다. 투과 기판(7)은, 타겟층(9)에서 발생한 X선을 X선 발생관(102) 밖으로 취출하기 위한 투과창으로 작용할뿐만 아니라, 다른 부재와 함께 진공 용기를 형성하는 부재로서도 작용한다.

투과 기판(7)은, 직경 2 mm 이상 10 mm 이하인 디스크 형상인 것이 바람직하다. 투과 기판(7)에는, 필요한 초점 직경이 형성될 수 있는 타겟층(9)이 형성된다. 또한, 투과 기판(7)을 직육면체 형상으로 하는 경우에는, 전술한 직경의 범위는, 직육면체의 면의 짧은 변의 길이와 긴 변의 길이로 치환될 수 있다. 또한, 투과 기판(7)의 두께는 0.3 mm 이상 4.0 mm 이하인 것이 더 바람직하다. 이에 의해, 대기압에 대한 내구성을 유지하면서도, X선(12)의 투과성을 확보할 수 있다.

관상 양극 부재(6)는, 타겟층(9)의 양극 전위를 규정하는 기능을 가질뿐만 아니라 타겟(10)을 지지하는 기능도 갖는다. 관상 양극 부재(6) 전극(도시하지 않음)에 의해 타겟(10)에 전기적으로 접속된다. 또한, 관상 양극 부재(6)와 타겟(10)의 투과 기판(7)은 결합재(8)를 통해 함께 결합된다.

구성요소들은 예를 들어 은 브레이징 재료, 금 브레이징 재료, 또는 구리 브레이징 재료, 땝납 등과 같은 다양한 종류의 브레이징 재료인 결합재(8)를 통해 함께 결합된다. 이들 중, 진공 용기가 고온에서 가열되는 경우에도 재용융이 일어나지 않을 정도로 충분히 높은, 비교적 낮은 브레이징 온도에서 브레이징될 수 있는 은 브레이징 재료가 바람직하다.

또한, 관상 양극 부재(6)는, 고 비중의 재료로 형성됨으로써 X선을 차폐하는 기능을 가질 수 있다. 관상 양극 부재(6)를 소형화하는 관점에서, 관상 양극 부재(6)를 형성하는 재료는, 질량 감쇠 계수와 밀도의 곱이 큰, 질량 감쇠 계수(μ/ρ[m²/kg])와 밀도([kg/m³])를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 추가적인 소형화의 관점에서, 관상 양극 부재(6)를 형성하는 재료로서는, 타겟층(9)으로부터 발생하는 X선(12)의 종류에 기초하여, 고유의 흡수단 에너지를 갖는 금속 원소를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 관상 양극 부재(6)는, 구리, 은, 몰리브덴, 탄탈륨, 텅스텐 등으로 이루어지는 1종 또는 2종 이상의 합금으로 형성될 수 있으며, 타겟층(9)에 함유되는 타겟 금속과 동일한 금속 원소를 함유할 수 있다.

관상 양극 부재(6)는, 타겟층(9)을 둘러싸는 관 형상이며, 따라서 타겟층(9)으로부터 방출된 X선(12)의 방출 각의 범위를 규정하는 순방향 차폐 부재로서 기능한다. 관상 양극 부재(6)는 원통형인 것이 바람직하다. 또한, 관상 양극 부재(6)는, 타겟층(9)으로부터 전자 방출원(5)을 향해서, 반사 및 후방산란된 전자(도시하지 않음) 또는 후방산란된 X선(도시하지 않음)이 도달하는 범위를 제한하는 후방 차폐체로서 기능한다.

[제1 실시예 ]

본 발명의 제1 실시예에 따른 양극(1)에 대해서 설명한다. 본 경우는, 관상 양극 부재(6)가 원통형이고, 타겟(10)의 투과 기판(7)이 평면도에서 관상 양극 부재(6)의 내주와 동심원인 디스크 형상으로 되어 있는 경우이다. 도 1b에 도시한 바와 같이, 본 발명의 양극에서, 관상 양극 부재(6)의 중심 축선(P)(이하, "중심 축선(P)"이라 칭한다)을 따르는 방향에서 결합재(8)의 두께가 변화하고 있다. 본 발명에서, 결합재(8)의 두께란, 관상 양극 부재(6)의 중심 축선(P)에 직교하는 방향에서의 결합재(8)의 폭, 즉 본 경우에서는 관상 양극 부재(6)의 반경 방향의 결합재(8)의 폭이며, 도 1b의 지면의 횡 방향의 폭이라는 것을 유의하라. 결합재(8)는 중심 축선(P)을 중심으로 하는 둘레 방향에서 균일한 두께를 갖는다.

또한, 관상 양극 부재(6)는 환상 결합재(8)를 통해 투과 기판(7)과 결합되어 있다. 결합재(8)는, 관상 양극 부재(6)의 관 축선(Q)을 둘러싸도록 관 축선(Q)을 따라 연장된다. 본 발명의 작용 메커니즘은, 관 축선(Q)을 따라서 압축 응력 성분을 국소적으로 형성함으로써, 관 축선(Q)을 둘러싸는 환상 결합재(8)를 따라 발생하는 인장 응력을 경감하는 데에 있다.

여기서 관상 양극 부재(6)의 중심 축선(P)은 관상 양극 부재(6)의 관 축선(Q)의 일부라고 말할 수도 있다. 따라서, 관상 양극 부재(6)의 중심 축선(P)만이 도시되어 있으며, 관상 양극 부재(6)의 관 축선(Q)의 도시는 생략되어 있다.

본 발명에서는, 결합재(8)의 두께를 변화시키기 위해서, 각각 결합면이 되는 투과 기판(7)의 측면(7a) 또는 관상 양극 부재(6)의 내주면(6a) 중 하나를 중심 축선(P)에 대하여 경사지게 한다. 도 1b는, 투과 기판(7)의 측면(7a)을 경사지게 하며, 중심 축선(P)을 따라 타겟층(9)으로부터 투과 기판(7)을 향하는 방향에서 결합재(8)의 두께가 감소되는 경우의 도시이다. 도 1b는, 중심 축선(P)에 직교하는 방향의 투과 기판(7)의 단면적이 중심 축선(P)을 따라 타겟층(9)으로부터 투과 기판(7)을 향하는 방향에서 증가하는 형태의 도시이다.

본 발명에서는, 중심 축선(P)을 따르는 방향으로 결합재(8)의 두께 분포를 형성함으로써, 투과 기판(7)과 관상 양극 부재(6)가 함께 결합될 때 또는 X선이 방출될 때에 발생하는 결합재(8)의 크랙 발생이 억제된다. 이 작용 메커니즘에 대해서 도 2a 내지 도 2c, 도 3a 및 도 3b를 참고하여 설명한다.

도 2a 내지 도 2c는, 고온의 결합재(8)가 냉각되었을 때에 상기 결합재(8)에 발생하는 인장 응력을 도시하는 개략도이다. 도 2a는 도 1b를 지면의 상방으로부 본 부분 평면도이며, 도 2b 및 도 2c는 도 1a의 확대도이다. 도 2a 내지 도 2c를 참고하면, z 방향은 중심 축선(P)을 따르는 방향이고, θ 방향은 중심인 중심 축선(P)을 환 형상으로 둘러싸는 둘레 방향이며, R은 중심 축선(P)으로부터 방사상으로 연장되는 반경 방향이다.

도 2a에 도시한 바와 같이, 고온의 결합재(8)의 온도가 저하되면, 투과 기판(7)과 결합재(8)의 열팽창계수가 "투과 기판(7)<결합재(8)"의 관계에 있기 때문에, 그 차이에 의해 결합재(8)에 θ 방향으로 인장 응력(21)이 작용한다. 인장 응력(21)이, 결합재(8)의 전체 둘레에 작용하는 것에 의해, 결합재(8)에 크랙이 발생하게 되는 것으로 추정된다.

도 2b에 도시한 바와 같이, R 방향에 대해서도, 결합재(8)에는 인장 응력(22)이 작용하고, 결합재(8) 내에 왜곡이 발생한다. 투과 기판(7) 및 관상 양극 부재(6)는 결합재(8)의 열팽창계수보다 작은 열팽창계수를 갖기 때문에, 결합재(8)는 R 방향으로 수축할 수 없다. 따라서, 인장 응력(22)이 저감될 수 없다.

또한, 도 2c에 도시된 바와 같이, 인장 응력(23)이 z 방향으로도 작용한다. 그러나, z 방향의 결합재(8)의 양 단부는 개방되어 있고 투과 기판(7) 및 관상 양극 부재(6)에 구속되어 있지 않기 때문에, 결합재(8)는 z 방향으로 수축할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 결합재(8)는 왜곡(31)이 0인 면(25)을 복귀면으로 하여 수축한다. 면(25)으로부터의 거리가 증가함에 따라, 왜곡(31)이 커진다. 따라서, 결합재(8)의 z 방향의 수축 후의 단부 각각은, 도 3a에서 32a 및 32b로 나타낸 바와 같이, 내측으로 인입된 곡면이 된다.

z 방향의 결합재(8)의 수축은, 푸와송비에 따라서 θ 방향의 인장 응력을 경감시킨다. 응력(σ)은, 결합재(8)의 영률(E(Pa)) 및 왜곡률(ε)의 곱으로 표현되는데, 즉 σ=Eε이다. 따라서, 응력(σ)의 경감량은 왜곡이 큰 z 방향의 결합재(8)의 양 단부에서 커져서 θ 방향의 인장 응력을 경감시킨다. 이 경우, 본 발명에 따르면, 결합재(8)는 z 방향으로 두께 분포를 가지며, 따라서 z 방향의 수축에 의해 경감된 응력(σ)의 양은 변화한다.

z 방향의 왜곡이 0인 면(25)은, 결합재(8)가 관상 양극 부재(6)의 투과 기판(7)의 측면(7a) 및 내주면(6a)에 구속되어 있는 결합 영역의 길이 및 결합재(8)가 구속되어 있지 않은 개방 영역의 길이에 의해 결정된다. 구체적으로, 도 2c에 도시하는 중심 축선(P)을 포함하는 가상 평면에서, z 방향에서 왜곡이 0인 면(25)은, 면(25)의 한쪽에서의 결합 영역의 길이와 개방 영역의 길이 사이의 차가 면(25)의 다른 쪽에서의 결합 영역의 길이와 개방 영역의 길이 사이의 차와 동일해지는 면이다. 도 2c에 도시된 경우에는, a+c-e=b+d-f 및 a/b=c/d이다. 따라서, 본 발명에 따르면, 결합재(8)의 두께가 보다 두꺼운 측에서 왜곡이 커지고, 수축에 의한 압축 응력(σ)도 따라서 커져서, θ 방향의 인장 응력이 보다 크게 경감된다. 도 3a 및 도 3b를 참고하면, 파선으로 둘러싸인 영역(33)이 θ 방향의 인장 응력이 보다 크게 경감되는 영역이다.

구체적으로, 결합재(8)는, 결합재(8)의 둘레방향 인장 응력(21)의 경감을 목적으로, 관상 양극 부재(6)의 관 축선을 따르는 방향 중 적어도 한쪽에서 압축 응력 성분을 발생시키는 단면 형상(예를 들어, 다른 단면의 면적과 상이한 면적을 갖는 단면 형상)을 갖는다.

관상 양극 부재(6)의 관 축선을 따르는 방향에서, 본 실시예의 결합재(8)의 양 단부면은 다른 부재와는 접촉하지 않거나, 작은 강성을 갖는 얇은 판으로 덮이거나, 결합재(8)의 열팽창계수보다 큰 열 팽창 계수를 갖는 다른 부재와 접촉한다는 것을 유의하라.

본 발명에서는, z 방향에서 결합재(8)에 θ 방향의 인장 응력이 크게 경감되는 영역을 형성함으로써, 그 결합재(8)의 영역에서의 크랙의 발생을 억제할 수 있다.

또한, 도 3b에 도시한 바와 같이, 이 경우에는, 결합면인 투과 기판(7)의 측면(7a)이 경사져 있기 때문에, 결합재(8)가 수축하려고 하는 힘에 의해 상기 측면(7a)에는 상기 측면(7a)의 법선 방향을 따르는 화살표 34로 나타낸 바와 같은 힘이 작용한다. 상기 힘은 측면(7a)에서 R 방향을 따르는 화살표 34a로 나타낸 방향과 z 방향을 따르는 화살표 34b로 나타낸 방향으로 나뉠 수 있다. 화살표 34b로 나타낸 방향은, 투과 기판(7)이 변형에 유연한 방향이다. 따라서, 화살표 34b로 나타낸 방향의 결합재(8)의 변형은 θ 방향의 결합재(8)의 인장 응력을 더 경감시킨다.

또한, 본 발명에 따른 양극(1)이 X선 발생관(102)에 장착될 때에는, 타겟층(9)이 X선 발생관(102) 내부를 향해 지향된다. X선 발생관(102)의 내부는 감압되고, 그 외부는 이하에서 설명하는 바와 같이 절연성 유체가 충전된 상태에 있다. 따라서, X선 발생관(102)의 외부는 X선 발생관(102)의 내부보다 압력이 더 높다. 그로 인해, X선 발생관(102)의 내부와 외부 사이의 압력 차에 의해, 도 3b에 도시한 화살표 34b의 방향의 힘이 투과 기판(7)에 작용하고, 따라서 결합재(8)를 더 압축시키는 힘이 작용한다. 결과적으로, θ 방향의 결합재(8)의 인장 응력이 더 경감된다.

본 발명에 따르면, θ 방향으로 결합재(8)에 작용하는, 인장 응력을 경감하는 작용은 X선 발생관(102)의 내부에서 보다 크게 작용한다. 따라서, 결합재(8)의 두께 분포는, z 방향에서 타겟층(9)으로부터 투과 기판(7)을 향해서 두께가 감소하도록 형성하는 것이 바람직하다.

결합재(8)의 두께 분포가, 도 1a 내지 도 3b에 도시한 실시예에서와 같이, z 방향에서 타겟층(9)으로부터 투과 기판(7)을 향해서 두께가 감소하도록 설정되는 형태는, 관상 양극 부재(6)의 내주면(6a)을 경사지게 함으로써도 실시될 수도 있다. 도 4는 이러한 본 발명의 실시예의 단면도이다. 이 경우에서도, 도 1a 내지 도 3b에 도시된 경우와 마찬가지로, θ 방향의 인장 응력이 보다 경감되는 영역(36)이 결합재(8)의 두께가 두꺼운 측에 형성된다. 이 경우에서도, 결합재(8)의 수축에 의해 내주면(6a)의 법선 방향을 따르는 화살표 35로 나타낸 힘이 관상 양극 부재(6)의 내주면(6a)에 작용한다. 힘의 방향은 화살표 35a 및 화살표 35b로 나타낸 방향으로 나뉠 수 있다. 그러나, 화살표 35b의 방향의 힘이 관상 양극 부재(6)에 작용해도, 관상 양극 부재(6)는 결합재(8)를 압축하는 방향으로 이동하지 않기 때문에, 도 3b에 나타낸 바와 같은, 투과 기판(7)이 결합재(8)를 압축하는 작용은 얻어질 수 없다. 또한, 투과 기판(7)의 측면(7a)이 중심 축선(P)에 평행하기 때문에, X선 발생관(102)의 내부와 외부 사이의 압력의 차에 의해 투과 기판(7)이 결합재(8)를 압축하는 작용도 얻어질 수 없다.

그러나, 도 4에 도시된 경우에는, 투과 기판(7)과 관상 양극 부재(6) 사이의 결합면의 길이의 차이에 의한 효과가 얻어진다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 경우에는, 중심 축선(P)을 포함하는 가상 평면에서, 투과 기판(7)의 측면(7a)의 길이(g)가 관상 양극 부재(6)의 결합재(8)와의 결합 영역의 길이(h)보다 짧다. 투과 기판(7), 관상 양극 부재(6), 및 결합재(8)의 일반적인 재료의 조합에서는, 열팽창계수는 "투과 기판(7)<관상 양극 부재(6)<결합재(8)"의 관계를 만족하고, 투과 기판(7)의 결합 영역에서의 열팽창계수의 차보다 관상 양극 부재(6)의 결합 영역에서의 열팽창계수의 차가 작다. 도 4에 도시된 경우에서는, 열팽창계수의 차에 기인하는 결합재(8)의 박리나 크랙의 발생과 같은 손상이 보다 관찰되기 쉬운 투과 기판(7)의 결합 영역이 관상 양극 부재(6)의 결합 영역보다 짧기 때문에, 반대의 경우에 비하여 결합재(8)의 손상이 관찰되기가 어렵다.

본 발명에 따르면, 상기 효과를 얻기 위한 재료의 조합은, 투과 기판(7)용 다이아몬드, 관상 양극 부재(6)용 텅스텐 또는 구리, 및 결합재(8)용 브레이징 재료이다.

본 발명에 따르면, 결합재(8)의 θ 방향의 인장 응력이 보다 크게 경감되는 영역(33, 36)은, X선 발생관(102)의 신뢰성의 향상의 관점에서, X선 발생관(102)의 내부에 보다 가까운 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 결합재(8)의 두께는, 관상 양극 부재(6)의 중심 축선(P)을 따르는 방향 및 타겟층(9)으로부터 투과 기판(7)을 향하는 방향으로 감소하는 것이 바람직하다.

또한, 본 경우에서, 결합재(8)의 최박부 두께(tmin)에 대한 최후부의 두께(tmax)의 비(tmax/tmin)는, 제조 효율 및 효과의 관점에서, 1.05 이상 1.90 이하가 바람직하고, 1.20 이상 1.70 이하가 보다 바람직하다. 도 1a 내지 도 3b에 도시된 형태에서는, 도 2c에 나타낸 e 및 f가 각각 tmin 및 tmax이다.

[제2 실시예 ]

도 5는, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 양극의 구조를 개략적으로 도시하는 부분 단면도이다. 본 실시예에서는, 투과 기판(7)은 타겟층(9)을 지지하는 지지면(7b)을 갖고 있다. 또한, 관상 양극 부재(6)는 투과 기판(7)을 지지하는 관 내주를 갖고 있다. 또한, 본 실시예의 관상 양극 부재(6)는, 관 내주로부터 관 반경 방향으로 내측으로 돌출하는 환상 돌출부(41)를 갖고 있으며, 이것이 도 1a 내지 도 3b를 참고하여 설명한 제1 실시예와의 본 실시예의 관상 양극 부재의 차이점이다. 환상 돌출부(41)는, 지지면(7b)의 주연에 대향하는 좌면((bearing surface; 41a)을 갖고 있다. 결합재(8)는, 측면(7a)과 관 내주(6a) 사이의 관 축선 방향으로 연장하는 관 축 방향의 간극으로부터, 지지면(7b)의 주연과 좌면(41a) 사이의 관 반경 방향으로 연장되는 관 반경 방향 간극(영역(43))까지 연장되어 있다. 본 경우에, 관상 양극 부재(6)는 원통형이며, 따라서 환상 돌출부(41)의 내경은 관 내주의 내경보다 작다는 것을 유의하라.

도 3a 및 도 3b를 참고하여 설명한 바와 같이, 수축 과정에 있는 결합재(8)에 의해 상기 측면(7a)의 법선 방향을 따르는 화살표 44로 나타낸 힘이 투과 기판(7)의 경사진 측면(7a)에 작용하고, 화살표(44b)로 나타낸 힘이 투과 기판(7)에 작용한다. 도 3b에 도시된 경우와 마찬가지로, 화살표 44는 화살표 44a로 나타낸 수평 방향의 힘 성분과 화살표 44b로 나타낸 수직 방향의 힘 성분의 결과적인 힘을 나타낸다는 것을 유의하라. 결합재(8)가 수축하는 과정에 있을 때, 투과 기판(7)이 타겟층(9) 측에 눌리고, 투과 기판(7)의 지지면(7b)의 주연이 좌면(41a)에 대해 결합재(8)를 가압한다. 여기서, 지지면(7b)의 주연에 의해 가압되는 결합재(8)에 의해, 결합재(8)의 푸와송비에 따라서 압축 응력이 θ 방향으로 작용하고, 따라서 영역(43)에서 θ 방향으로 발생하는 인장 응력이 경감된다.

또한, 도 5에 도시된 경우에서는, 도 3b를 참고하여 설명한, X선 발생관(102)의 내부와 외부 사이의 압력차에 의한 θ 방향의 인장 응력 경감 작용도 얻어진다. 또한, 도 4에 도시된 경우와 마찬가지로, 투과 기판(7)의 결합 영역의 길이(g1+g2) 보다 관상 양극 부재(6)의 결합 영역의 길이(h1+h2)가 긴 경우, 및 투과 기판(7), 관상 양극 부재(6) 및 결합재(8)의 조합에서의 열팽창계수가 "투과 기판(7)<관상 양극 부재(6)<결합재(8)"의 관계를 만족하는 경우, 결합재(8)의 손상을 저감할 수 있다.

본 예에서는, 결합재(8)의 θ 방향의 인장 응력이 보다 크게 경감되는 영역(43)이, X선 발생관(102)의 내부에 가까운 위치에 형성되기 때문에, X선 발생관(102)의 신뢰성이 더 향상될 수 있다.

본 경우에서도, 투과 기판(7)의 측면(7a)과 관상 양극 부재(6)의 내주면(6a)이 서로 대향하는 영역에서, 결합재(8)의 최박부의 두께(tmin)에 대한 최후부의 두께(tmax)의 비(tmax/tmin)는, 제조 효율 및 효과의 관점에서, 1.05 이상 1.90 이하가 바람직하고 1.20 이상 1.70 이하가 보다 바람직하다.

상술한 제1 및 제2 실시예에서, 관상 양극 부재(6)는 둘레 방향에서 연속성이 높은 원통 형상으로서 설명되었지만, 본 발명에 따른 관상 양극 부재(6)는 원통 형상으로 한정되지 않는다. 단면이 다각형 형상(도시하지 않음)인 개구를 갖는 형태도 본 발명의 범위 내에 있다. 본 발명에 따르면, 관상 양극 부재가 원통형인 경우, 관 축선 방향을 따르는 결합재의 두께 분포에 의한 인장 응력의 감소 효과가 둘레 방향 전체에 걸쳐 생성될 수 있기 때문에 바람직하다.

<X선 발생 장치>

도 6은, 본 발명의 실시예에 다른 X선 발생 장치의 구조를 나타내는 개략적인 단면도이다. 본 발명에 다른 X선 발생 장치(101)는, 본 발명에 따른 양극(1)을 사용하는 X선 발생관(102)과, 상기 X선 발생관(102)의 음극(2)과 양극(1)에 관 전압을 인가하는 구동 회로(103)를 구비하는 특징을 갖는다.

본 경우에서는, X선 발생 장치(101)는, X선 투과창(121)을 갖는 수납 용기(120) 내에, X선원인 본 발명의 X선 발생관(102) 및 X선 발생관(102)의 음극(2)과 양극(1)의 사이에 인가되는 관 전압을 출력하는 구동 회로(103)를 갖고 있다.

X선 발생관(102) 및 구동 회로(103)를 내장한 용기(120)는, 용기로서의 충분한 강도를 갖고, 방열성이 우수한 것이 바람직하고, 그 재료로서는, 황동, 철, 또는 스테인리스강 등의 금속재료가 적합하게 사용된다.

본 경우에서는, 용기(120) 내의 X선 발생관(102)과 구동 회로(103)를 배치하기 위해 필요한 공간 이외의 공간이 절연성 유체(109)로 충전된다. 액체 또는 기체일 수 있는 절연성 유체(109)는, 전기 절연성을 갖고, 용기(120) 내에 전기적 절연성을 유지하는 역할과, X선 발생관(102)의 냉각 매체로서의 역할을 한다. 절연성 액체가 사용되는 경우에는, 광유, 실리콘유, 또는 퍼플루오로계 오일 등의 전기 절연유를 사용하는 것이 바람직하다.

<방사선촬영 시스템>

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 방사선촬영 시스템의 구조를 개략적으로 도시하는 블록도이다.

시스템 제어 장치(202)는, X선 발생 장치(101) 및 다른 관련된 장치를 협력 방식으로 제어한다. 구동 회로(103)는, 시스템 제어 장치(202)의 제어 하에, X선 발생관(102)에 각종 제어 신호를 출력한다. 제어 신호에 의해, X선 발생 장치(101)로부터 방출되는 X선(12)의 방출 상태가 제어된다. X선 발생 장치(101)로부터 방출된 X선(12)은, 피검체(204)를 투과해서 X선 검출 장치(206)에 의해 검출된다. X선 검출 장치(206)는, 검출된 X선(12)을 화상 신호로 변환하고 화상 신호를 신호 처리부(205)에 출력한다. 신호 처리부(205)는, 시스템 제어 장치(202)의 제어 하에, 화상 신호에 미리결정된 신호 처리를 가하고, 처리된 화상 신호를 시스템 제어 장치(202)에 출력한다. 시스템 제어 장치(202)는, 처리된 화상 신호에 기초하여, 표시 장치(203)에 화상을 표시시키기 위해서 표시 신호를 표시 장치(203)에 출력한다. 표시 장치(203)는, 표시 신호에 기초하여 피검체(204)의 화상을 스크린에 표시한다.

[참조 부호 리스트]

1: 양극, 2: 음극, 3: 절연관, 5: 전자 방출원, 5a: 전자 방출원, 6: 관상 양극 부재, 6a: 관상 양극 부재의 내주면, 7: 투과 기판, 7a: 투과 기판의 측면, 7b: 투과 기판의 지지면, 8: 결합재, 9: 타겟층, 10: 투과형 타겟, 11: 전자선, 12: X선, 41: 환상 돌출부, 41a: 좌면, 101: X선 발생 장치, 102: X선 발생관, 103: 구동 회로, 202: 시스템 제어 장치, 204: 피검체, 206: X선 검출 장치

본 발명을 예시적인 실시예를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시예로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구항의 범위는 이러한 모든 변형 및 동등한 구조와 기능을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.

본 출원은 2014년 7월 18일에 출원된 일본 특허 출원 공개 제2014-147338호 및 2015년 7월 3일에 출원된 일본 특허 출원 제2015-134263호의 이점을 향유하며, 이들 문헌은 그 전체가 본원에 참조로 통합된다.

Claims

X선 발생관용 양극(anode)이며,
투과형 타겟으로서,
전자선의 조사에 의해 X선을 발생시키는 타겟층과,
상기 타겟층을 지지하고, 상기 타겟층에서 발생한 X선을 투과시키는 투과 기판
을 갖는, 투과형 타겟과,
관 내주에서 상기 투과 기판을 지지하는 관상 양극 부재를 포함하고,
상기 투과 기판의 측면과 상기 관상 양극 부재의 관 내주가 결합재에 의해 함께 결합되어 있으며,
상기 결합재는, 상기 관상 양극 부재의 관 축선을 따르는 방향으로 변화하는 두께를 갖는, X선 발생관용 양극.
제1항에 있어서, 상기 결합재의 두께는, 상기 관상 양극 부재의 관 축선을 따르는 방향, 및 상기 타겟층으로부터 상기 투과 기판을 향하는 방향으로 감소하는, X선 발생관용 양극.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 투과 기판은 상기 타겟층을 지지하는 지지면을 갖고,
상기 관상 양극 부재는, 상기 투과 기판을 지지하는 관 내주로부터 내측으로 돌출하는 환상 돌출부를 갖고, 상기 환상 돌출부는 상기 지지면의 연부에 대향하는 좌면(bearing surface)을 가지며,
상기 결합재는 상기 측면과 상기 관 내주 사이의 관 축 방향의 간극으로부터 상기 좌면과 상기 지지면의 주연 사이의 관 반경 방향의 간극까지 연장되는, X선 발생관용 양극.
제1항에 있어서,
상기 결합재의 두께는, 상기 관상 양극 부재의 관 축선을 따르는 방향, 및 상기 타겟층으로부터 상기 투과 기판을 향하는 방향으로 감소하며,
상기 관상 양극 부재의 관 축선에 직교하는 상기 투과 기판의 단면적이, 상기 관상 양극 부재의 관 축선을 따르는 방향 및 상기 타겟층으로부터 상기 투과 기판을 향하는 방향으로 증가하는, X선 발생관용 양극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 투과 기판, 상기 관상 양극 부재, 및 상기 결합재의 열팽창계수가 투과 기판<관상 양극 부재<결합재의 관계를 만족하는, X선 발생관용 양극.
제5항에 있어서, 상기 관상 양극 부재의 관 축선을 포함하는 가상 평면에서, 상기 투과 기판과 상기 결합재 사이의 결합 영역의 길이가, 상기 관상 양극 부재와 상기 결합재 사이의 결합 영역의 길이보다 짧은, X선 발생관용 양극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결합재는 브레이징 재료를 포함하는, X선 발생관용 양극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 투과 기판은 다이아몬드를 포함하는, X선 발생관용 양극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관상 양극 부재는 텅스텐과 구리 중 하나를 포함하는, X선 발생관용 양극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결합재의 최박부의 두께(tmin)에 대한 최후부의 두께(tmax)의 비(tmax/tmin)가 1.05 이상 1.90 이하이며, 상기 결합재는 상기 투과 기판의 측면과 상기 관상 양극 부재의 관 내주가 서로 대향하는 영역에 배치되는, X선 발생관용 양극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 결합재의 최박부의 두께(tmin)에 대한 최후부의 두께(tmax)의 비(tmax/tmin)가 1.20 이상 1.70 이하이며, 상기 결합재는 상기 투과 기판의 측면과 상기 관상 양극 부재의 관 내주가 서로 대향하는 영역에 배치되는, X선 발생관용 양극.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 관상 양극 부재는 원통형이며, 상기 투과 기판은 디스크 형상인, X선 발생관용 양극.
X선 발생관이며,
관상 절연관과,
상기 절연관의 일단부에 장착된 음극(cathode)과,
상기 절연관의 다른 단부에 장착된 양극과,
상기 절연관 내에 배치되고 상기 음극에 접속된 전자 방출원을 구비하며,
상기 양극은 제1항 또는 제2항의 양극을 포함하는, X선 발생관.
X선 발생 장치이며,
제13항의 X선 발생관과,
상기 X선 발생관의 음극 및 양극에 관 전압을 인가하기 위한 구동 회로를 포함하는, X선 발생 장치.
방사선촬영 시스템이며,
제14항의 X선 발생 장치와,
상기 X선 발생 장치로부터 방출되고, 피검체를 투과한 X선을 검출하는 X선 검출 장치와,
상기 X선 발생 장치와 상기 X선 검출 장치를 일체식으로 제어하는 시스템 제어 장치를 포함하는, 방사선촬영 시스템.
X선 발생관용 양극이며,
투과형 타겟으로서,
전자선의 조사에 의해 X선을 발생시키는 타겟층과,
상기 타겟층을 지지하고, 상기 타겟층에서 발생한 X선을 투과시키는 투과 기판
을 갖는, 투과형 타겟과,
관 내주에서 상기 투과 기판을 지지하는 관상 양극 부재를 포함하고,
상기 투과 기판의 측면과 상기 관상 양극 부재의 관 내주가 결합재에 의해 함께 결합되고,
상기 결합재는, 상기 결합재의 둘레방향 인장 응력이 경감되도록, 상기 관상 양극 부재의 관 축선을 따르는 방향들 중 하나 이상의 방향으로 압축 응력 성분을 발생시키는 단면 형상을 갖는, X선 발생관용 양극.
X선 발생관이며,
관상 절연관과,
상기 절연관의 일단부에 장착된 음극과,
상기 절연관의 다른 단부에 장착된 양극과,
상기 절연관 내에 배치되고 상기 음극에 접속된 전자 방출원을 포함하며,
상기 양극은 제16항의 양극을 포함하는, X선 발생관.
X선 발생 장치이며,
제17항의 X선 발생관과,
상기 X선 발생관의 음극 및 양극에 관 전압을 인가하기 위한 구동 회로를 포함하는, X선 발생 장치.
방사선촬영 시스템이며,
제18항의 X선 발생 장치와,
상기 X선 발생 장치로부터 방출되고, 피검체를 투과한 X선을 검출하는 X선 검출 장치와,
상기 X선 발생 장치와 상기 X선 검출 장치를 일체식으로 제어하는 시스템 제어 장치를 포함하는, 방사선촬영 시스템.