KR101948909B1 - 휴대형 엑스선관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휴대형 엑스선관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고정양극에 음극을 함께 같은 방향으로 설치함으로써 엑스선관의 구조적 부피를 줄여 소형 경량화가 가능한 휴대형 엑스선관에 관한 발명으로서,
휴대형 엑스선관에 있어서, 상기 휴대형 엑스선관은, 양극을 통해 전달되는 열을 전도 및 방출하기 위한 양극 히트싱크와, 상기 양극 히트싱크의 상부에 형성되는 양극과, 상기 양극 상단 경사면에 형성되는 형성되는 양극 타겟으로 구성되는 양극부; 상기 양극 히트싱크에 형성된 음극부 관통홀을 통해 관통장착되어 상기 양극과 나란하게 설치되는 음극부; 및 상기 양극과 음극부를 진공으로 밀봉하기 위해 상기 히트싱크에 고정 장착되는 진공벌브;로 구성되고, 상기 양극 타겟을 통해 방출되는 X선은 상기 양극의 설치방향과 같이 상 방향으로 조사되는 것을 특징으로 하는 휴대형 엑스선관을 제공한다.

Description

휴대형 엑스선관{Portable X-ray Tube}
본 발명은 휴대형 엑스선관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고정양극에 음극을 함께 같은 방향으로 설치함으로써 엑스선관의 구조적 부피를 줄여 소형 경량화가 가능한 휴대형 엑스선관에 관한 발명이다.
의료영상에서 가장 많이 쓰이는 엑스선관 (X-ray tube)는 고온으로 가열된 필라멘트로부터 열전자를 방출시켜 이를 타겟금속 표면에 충돌시켜 얻는다. 이러한 엑스선은 인체 조직에 관한 다양한 정보를 환자와 의사에게 제공한다. 하지만 엑스선은 피폭으로 인한 인체유해성을 가지고 있기 때문에 최소한의 방사선 피폭을 통하여 해상도가 높은 의료영상을 획득하는 것이 중요하다. 이러한 엑스선의 이중성을 개선하기 위하여 필터(Filter), 제너레이터(Generator), 디텍터(Detector), 영상처리 알고리즘에 관한 연구가 활발히 진행되어왔다.
하지만, 엑스선 영상질(Image quality)을 가장 근본적으로 결정하는 요인은 열전자빔이 타겟 금속에 충돌할 때 형성되는 초점 크기 (Focal spot size)이다. 이러한 초점의 크기가 작을수록, 밀도가 높을수록 반음영(Penumbra)이 적은 고해상도의 영상을 구현해 낼 수 있다. 초점 크기는 엑스선관의 다양한 사양 (Specification)에서 영향을 받으며, 이러한 연구는 90년대 초반부터 진행되어왔다. 1937년 N. C. Beese는 필라멘트 형상과 위치에 따른 초점 크기를 연구하였고, 1974년 E. L. Chaney은 관전류와 관전압에 따른 초점을 연구하였으며, 2004년 Siemens사는 CT용 엑스선관에서 두 개의 자석을 이용하여 초점의 위치를 조절하는 기술을 개발하였다.
2000년대에 들어서 컴퓨터 처리속도의 발달과 유한요소 분석인 FEA (Finite element analyze)와 Monte Carlo 방법과 같은 시뮬레이션 (Simulation) 기법이 발전하면서, 이를 이용한 초점에 관한 연구가 진행되어 왔다. 시뮬레이션 프로그램을 통하여 눈에 보이지 않은 전자빔 (Electron beam)의 경로와 형태 (shape)를 예측 할 수 있으며, 엑스선관의 다양한 변수에 대하여 효과적으로 결과를 예상할 수도 있다. FEA를 이용하여 2014년에는 GE Global Research에서 관전압과 관전류에 따른 초점의 변화를 연구하였으며, 2015년에 T. D. LEE은 CNT(Carbon nanotube) 엑스선관에서 발생하는 점자빔의 초점 특성을 연구하였다.
엑스선의 저선량, 고화질의 의료 영상 확보는 방사선 피폭량의 감소 및 고화질의 영상 획득은 의료 진단 영상 분야의 화두로서, 현재 다수의 업체에서 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 정보통신기술의 발전으로 인하여 여러 분야에 융합되어 사용자 편의를 향상시키고 있으며, 의료 영상 분야에서도 ICT(Information convergent technology) 기술 융합에 의한 무선 영상 전송 및 원격 기기 조작 등에 관한 연구개발이 진행되고 있다. 야외 진단장비/검사장비의 수요의 급증 및 요구조건의 특징으로는 긴급재난, 군부대 수요, 위험물 현장검사 등 야외에서 발생되는 불특정하고 다양한 진단 및 검사상황에 대응해야 되는 수요가 급증하고 있는 상황이다. 또한, 삶의 질이 높아지고, 의료서비스의 수요가 고급화되면서 원격진료 및 재택 진료가 검토되고 있는 상황에서 고급화된 휴대형 엑스선 진단장비의 미래 시장변화에 대응할 필요가 있다. 이러한 야외에서 발생되는 불특정하고 다양한 엑스선 진단 및 검사상황에 효과적으로 적용되어야 한다. 엑스선 진단기기가 휴대가 용이하도록 소형·경량이어야 하고 있는 불특정하고 다양한 상황에 대응하기 위해서는 고출력·고에너지 조건을 갖추어야 한다.
도 1은 종래의 엑스선관의 구조에 관한 도면이다. 도면에 도시된 바와 같이, 양극(11)과 음극 집속관(14)이 서로 반대방향으로 배치되고, 음극 필라멘트(13)에서 발사된 전자가 양극타겟(12)에 충돌하면서 발생되는 X선은 엑스선 조사방향으로 조사되는 구조를 가지고 있었다. 양극(11)과 음극 집속관(14)은 유리벌브(16)로 봉인되어져 있으며, 유리벌브(16)는 양극의 하부에서 코바 어댑터(17)에 의해 양극(11)에 고정 장착된다. 음극 필라멘트(13)로 전원을 공급하기 위한 음극 전극스템(15)이 연결되고, 음극 전극스템(15)으로 전원이 공급된다. 또한, 양극(11)은 타겟에 전자가 부딪히면서 발생된 열을 축적하여 외부로 전도방출하는 역할을 하고, 양극 타겟(12)은 가속된 전자가 충돌하면서 X선을 발생시키는 역할을 하며, 음극 필라멘트(13)는 가열시 열전자를 방출하는 역할을 수행하고, 음극 집속관(14)은 전자빔을 집속하여 초점을 형성하며, 음극 전극스템(15)은 필라멘트에 전원 및 고전압을 인가하여 준다. 유리벌브(16)는 진공을 유지하도록 형성되며, 유리와 금속은 코바 어댑터로 진공기밀 접합을 하여 유리벌브(16) 내부가 진공으로 형성된다.
상기의 종래기술과 같이 양극과 음극이 서로 반대방향에 설치되고, 그에 따라 엑스선의 조사방향도 양극과 음극과 직교하는 방향으로 진행되기 때문에 소형·경량화가 쉽지 않다는 문제점이 있었다.
(문헌 1) 공개특허공보 10-2011-0078148 (문헌 2) 등록특허공보 10-1300904 (문헌 3) 등록특허공보 10-1442623 (문헌 4) 공개특허공보 10-2017-0024057
본 발명은 양극과 음극을 같은 방향으로 설치함으로써 엑스선관을 구조적으로 단순화시켜, 소형·경량이면서 고출력·고에너지의 엑스선을 제공할 수 있는 휴대형 엑스선관을 제공함을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 휴대형 엑스선관에 있어서, 상기 휴대형 엑스선관은, 양극을 통해 전달되는 열을 전도 및 방출하기 위한 양극 히트싱크와, 상기 양극 히트싱크의 상부에 형성되는 양극과, 상기 양극 상단 경사면에 형성되는 양극 타겟으로 구성된 양극부; 상기 양극 히트싱크에 형성된 음극부 관통홀을 통해 관통장착되어 상기 양극과 나란하게 설치되는 음극부; 상기 양극과 음극부를 진공으로 밀봉하기 위해 상기 양극부와 음극부를 커버하도록 설치되는 진공벌브; 및 상기 양극 히트싱크의 외주면에 일측이 결합되고 타측은 상기 진공벌브에 결합되는 코바 어댑터;로 구성되고, 상기 양극 타겟을 통해 방출되는 X선은 상기 양극의 설치방향과 같이 상 방향으로 조사되며, 상기 코바 어댑터는 열방출을 위해 외측으로 주름져 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대형 엑스선관을 제공한다.
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본 발명에서 양극 히트싱크에는 진공벌브의 진공배기를 위한 진공배기홀이 형성되고, 상기 진공배기홀에는 진공배기후 밀봉되는 진공배기관이 장착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 음극부는, 양극 타겟으로 가속된 열전자를 방출하기 위해 상기 양극 타겟을 마주보도록 설치되는 음극 필라멘트; 상기 음극 필라멘트가 내측으로 형성된 홈에 장착되어 상기 음극 필라멘트에서 방출되는 전자빔을 집속하기 위한 음극 집속관; 상기 음극 집속관의 하부에 연결되는 음극 전극스템; 상기 음극 전극스템의 하부에 연결되는 음극 고전압절연부싱; 상기 음극 고전압절연부싱의 하부에 연결되는 전원케이블; 및 상기 음극 전극스템과 상기 음극 고전압절연부싱을 감싸는 음극지지관;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 음극지지관은 음극부 관통홀을 통해 관통되고, 하단은 상기 음극부 관통홀에 내측 코바 어댑터로 고정설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 음극지지관은, 유리 또는 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 진공벌브는, 유리 또는 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 세라믹으로 된 진공벌브의 상부에는 베릴륨(Be) 창이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 양극과 음극을 같은 방향으로 설치함으로써 엑스선관을 구조적으로 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 양극과 음극이 같은 방향에 설치되기 때문에, 관련 어셈블리의 설치가 단순해져서 소형·경량화가 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 양극 히트 싱크의 열용량이 크기 때문에 고출력·고에너지의 엑스선을 제공할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 엑스선관의 구조도.
도 2는 본 발명에 따른 엑스선관의 구조도.
도 3은 본 발명에 따른 엑스선관의 다른 실시예의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 엑스선관의 또 다른 실시예의 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 음극부의 음극집속관과 음극 필라멘트를 모델링한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 음극 필라멘트에서 열전자 방출을 표현한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 음극 필라멘트에서 방출되는 열전자 빔의 궤적 분포를 Y-Z 평면에 표시한 도면.
도 8은 Y축에 따라 변하는 열전자 빔의 전류밀도 분포를 표시한 도면.
도 9는 열분포 해석을 위해 구리 양극에 텅스텐 타겟을 모델링한 도면
도 10은 타겟의 표면 전도 분포에 따른 열 분석도면.
도 11은 양극, 음극 필라멘트 및 음극 집속관과 전자빔의 모델링 형상.
도 12는 도 11에 따른 형상의 전자빔 밀도의 폭과 길이를 표현한 도면.
도 13은 양극, 음극 필라멤트, 음극 집속관 및 필라멘트 쉴드판과 전자빔의 모델링 형상.
도 14는 도 13에 따른 형상의 전자빔 밀도의 폭과 길이를 표현한 도면.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하는 것은 아니다.
우선, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 여러 실시예에 있어서 기술적 특징이 동일한 구성에 대하여는 동일한 부호를 사용함을 미리 밝혀둔다.
도 1은 종래의 엑스선관의 구조도이고, 도 2는 본 발명에 따른 엑스선관의 구조도이고, 도 3은 본 발명에 따른 엑스선관의 다른 실시예의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 엑스선관의 또 다른 실시예의 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 음극부의 음극집속관과 음극 필라멘트를 모델링한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 음극 필라멘트에서 열전자 방출을 표현한 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 음극 필라멘트에서 방출되는 열전자 빔의 궤적 분포를 Y-Z 평면에 표시한 도면이고, 도 8은 Y축에 따라 변하는 열전자 빔의 전류밀도 분포를 표시한 도면이고, 도 9는 열분포 해석을 위해 구리 양극에 텅스텐 타겟을 모델링한 도면이고, 도 10은 타겟의 표면 전도 분포에 따른 열 분석도면이고, 도 11은 양극, 음극 필라멘트 및 음극 집속관과 전자빔의 모델링 형상이고, 도 12는 도 11에 따른 형상의 전자빔 밀도의 폭과 길이를 표현한 도면이고, 도 13은 양극, 음극 필라멤트, 음극 집속관 및 필라멘트 쉴드판과 전자빔의 모델링 형상이고, 도 14는 도 13에 따른 형상의 전자빔 밀도의 폭과 길이를 표현한 도면이다.
엑스선관을 활용방안 측면에서 소형 경량화 및 설치의 간소화를 위해 휴대형 엑스선 진단장비의 특성상 이동성을 높이기 위한 분해, 재조립 내지는 접힘, 펼침 등이 필요하다. 휴대형·고출력 기능에 최적화된 특수사양의 엑스선관 설계기술 확립을 위해 양극의 열분포 해석과 양극 형상 및 구조설계가 필요하다. 특히 음극 집속관 설계를 위한 전자빔 궤적계산을 위해 필라멘트 형상 및 구조설계와 열방출 특성 최적조건 설정이 요구된다. 엑스선관의 음극과 양극이 평행하게 같은 방향으로 배치되어 고전압 절연구조 및 엑스선 누설방지 차폐구조의 사이즈를 줄이면 모노탱크 구조가 소형·경량이 가능하다.
이러한 관점에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 휴대형 엑스선관(100)을 상세히 설명하기로 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 휴대형 엑스선관(100)은, 양극부(110)와, 음극부(120) 및 양극부와 음극부를 감싸며 진공을 형성하는 진공벌브(101)와, 진공벌브를 양극부(110)에 고정 설치하기 위한 코바 어댑터(102)로 구성된다.
구체적으로 양극부(110)는, 양극 히트싱크(113)와, 양극 히트싱크(113)의 상부에 상측으로 길게 형성되는 양극(111)과, 양극(111)의 상단에 경사면을 형성하고 상기 경사면에 형성되는 양극 타겟(112)으로 구성된다. 양극(111)과 양극 히트싱크(113)는 무산소동으로 형성되고, 양극 타겟(112)은 텅스텐으로 형성된다. 양극 타겟(112)은 양극 상단의 경사면에 형성되는데, 타겟의 방향은 음극 필라멘트에서 조사되는 열 전자빔이 충돌 후 반사되도록 음극 필라멘트를 마주보도록 양극이 설치된다. 양극 히트싱크(113)는 양극 타겟에 전자빔이 충돌하면서 발생되는 열을 저장 및 방출하는 역할을 수행한다. 따라서 고출력 및 고에너지가 구현되기 위해서는 양극 히트싱크(113)의 열용량이 커야 한다. 본 발명에 따른 양극 히트싱크(113)는 양극과 별도로 형성되고, 넓은 판의 형태로 형성되기 때문에 열용량이 크고, 그에 따라 고출력 및 고에너지의 구현이 가능하다. 양극 히트싱크(113)는 절연유에 함침되어 저장된 열을 방출하게 된다. 양극 히트싱크(113)에는 진공배기홀(114)과 음극부 관통홀(116)이 형성된다. 진공벌브(101)를 양극 히트싱크(113)에 코바 어댑터(102)를 이용하여 장착한 후 진공배기를 위해 진공배기홀(114)이 필요하며, 진공배기후에는 진공배기관(115)의 단부를 밀봉하게 된다. 양극 히트싱크(113)에 부착되는 코바 어댑터(102)는 열방출을 위해 외측으로 주름지도록 형성될 수 있다.
음극부(120)는, 음극 필라멘트(121)와, 음극 필라멘트(121)가 장착되며 음극 필라멘트(121)에서 조사되는 열 전자빔을 집속하는 음극 집속관(122)과, 음극 집속관(122)의 하부에 전원 공급을 위한 전극스템(123)과, 전극스템(123)으로 전원을 공급하면서 고전압을 절연하기 위해 전극스템(123)의 하부에 형성되는 고전압절연부싱(124)과, 고전압절연부싱(124) 내부로 삽입되어 전극스템(123)과 연결되는 전원케이블(125)과, 음극 집속관(122)의 하부에 상기 전극스템(123)을 감싸면서 형성되는 음극지지관(127)과, 고전압절연부싱(124)의 하단에서 확관부(126)가 형성되어 음극지지관(127)을 고전압절연부싱(124)에 고정하는 내측 코바 어댑터(128)로 구성된다. 음극 필라멘트(121)은 음극 집속관(122)에 홈을 형성하고, 상기 홈에 장착되는 구조를 가진다. 따라서, 홈을 형성함으로써 차폐막(shield plate)으로서의 역할을 수행할 수 있다. 내측 코바 어댑터(128)는 양극 히트싱크(113)에 일측이 부착되는 코바 어댑터(117)에 부착된다. 그에 따라, 음극부(120)는 양극 히트싱크(113)에 고정 설치된다. 또한, 음극은 고전압절연부싱(124)과 음극지지관(127)에 의해 양극과 절연된다. 따라서 고전압의 공급이 가능하다.
진공벌브(101)는 유리 또는 세라믹으로 형성될 수 있다. 또한, 음극지지관(127)도 유리 또는 세라믹으로 형성될 수 있다. 양극 및 양극 히트싱크는 무산소동으로 이루어짐이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 휴대형 엑스선관(100')에 관한 다른 실시예이다. 도 3의 실시예는 도 2의 도면과 동일하나, 음극지지관(127)을 확관(129)하였다는 점에서 차이점을 가질 뿐이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 휴대형 엑스선관(100")에 관한 또 다른 실시예이다. 도 4에서는 진공벌브(101')를 세라믹으로 형성한 점에서 차이점을 가지고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 진공벌브(101')는 열 방출을 위해 주름진 형태(101-2')로 이루어질 수 있다. 또한, 세라믹으로 이루어진 진공벌브(101')에는 X선이 통과될 수 있는 베릴륨(Be)창(101-1')이 형성된다. 다른 구성들은 실질적으로 다른 실시예와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
다음으로 도 5 내지 도 14를 참조하여, 본 발명에 따른 엑스선관을 실험데이터와 더불어 설명하기로 한다. 소형·경량의 요구조건에 만족하기 위해서는 출력의 한계는 있고, 출력의 요구조건에 만족하기 위해서는 중량의 한계가 있다. 목표 사양으로 출력과 해상도에서 외국 제품보다 우수한 사양으로 설정하기 위해 전압은 160 kV 그리고 초점이 1.5 mm이다. 휴대형 소형·고출력 사양에 최적화된 엑스선관이 핵심적인 요소를 가지도록, 도 2처럼 진공벌브(101) 내에 양극 타겟(112), 음극 필라멘트(121), 음극 집속관(122)으로 구성된다.
본 발명에 따른 엑스선관의 실험을 위해, 유한요소 해석법 프로그램을 이용하였다. 상기 프로그램을 이용하여 엑스선관의 음극집속관(122) 전자빔 성능과 해상도 분석은 유한요소법으로 분할 표시하고, 엑스선관의 집속관 모델링과 모양설계 및 구체적인 좌표를 설정하여 전자빔 궤적을 시뮬레이션하였다. 엑스선 집속관의 필라멘트로부터 방출하는 열전자 궤적은 전자밀도 분포함수에 따라 양극에 도달할 때 실초점으로 집속되고, 양극 타겟에 부딪쳐서 유효 초점 크기로 엑스선을 발생시킨다. 전자빔 실초점 크기는 엑스선 집속관의 모양을 결정짓는 폭, 길이, 높이를 조절하여 줄일 수 있다.
소형·고출력 기능에 최적화된 특수사양의 엑스선관 개발을 위해 새로운 음극, 양극구조에서 타겟 초점면의 초점사이즈가 폭 1.5 mm × 길이 5.5 mm가 되도록 음극 집속관 형상을 모델링(타겟 각도 16°, 조사방향 실효초점 1.5 mm × 1.5 mm)하였다. 각각의 모델링에 대해서 상기 프로그램을 이용하여 전자빔 궤적계산을 하였다. 타겟 초점면에서 초점사이즈가 폭 1.5 mm, 길이 4.5 mm 되게 형상 및 치수를 마련했다.
음극 집속관 모델링을 위해 타겟 초점면 초점사이즈를 폭 1.5 mm, 길이 4.5 mm로 설정하였다. 음극 집속관 형상 모델링에서 타겟각도 16°이고, 조사방향의 실효초점 1.5 mm × 1.5 mm, 최대 관전압 160 kV, 최대 관전류 70 mA, 최대출력 3.5 kW로 하였다. 도 5는 음극 집속관과 필라멘트를 모델링한 도면이다. 음극 집속관 표면에서부터 4단계 아래 중앙에 필라멘트를 고정하였다. 유한개의 요소를 분할하여 대표하는 접점을 정한 후, 연립 1차방정식에 근사시킨 유한요소법으로 필라멘트에 열전자가 빔 방출을 마주보는 양극 타겟 평면에 도달시켰다.
도 6은 열전자 빔 방출을 상기 프로그램으로 전산 모사한 모양을 보여주고 있다. 도 7은 전자기 유한요소 해석 및 분석방법을 이용하여 음극 집속관에서 필라멘트의 위치를 고정시켜, 엑스선관의 열전자의 방출 궤적을 전산모사 한 전자빔 궤적 분포를 Z-Y 평면상에 도시한 것이다. 전류분포를 살펴보면 보라색 전자빔 궤적은 -9.823×10-9 A와 하늘색 전자빔 궤적은 -6.783×10-8 A를 가짐을 알 수 있다. 도 8은 Y-축에 따라 변하는 전류밀도 분포를 보여주었다. 보라색 전자빔 전류값 -9.823×10-9 A와 하늘색 전자빔 전류값 -6.623×10-8 A를 띠고 전류밀도 0에서 -1.4×10-3 A/m2 범위 안에서 미세초점 크기에 해당하는 40㎛를 나타나게 된다. 이러한 타겟에 도달하는 극초점 크기와 전류밀도 분포는 고분해능 특성을 가지므로, 맘모용 (Mammography) 엑스선관으로 활용 가능하게 된다.
최대 출력 3.5 kW를 가했을 때 텅스텐 타겟의 용융점(Melting point)에 도달하는지, 또는 녹지 않고 버틸 수 있는지를 확인하는 열 분포 해석이 가능하도록 양극 모델을 도 9에 표시하였다. 양극 설계를 위한 열해석으로 모노탱크를 소형화하기 위한 엑스선관의 양극형상에 대해서 열 해석하여 양극의 최적의 열조건을 찾아내어 본 발명을 완성했다.
양극 열해석을 위한 시뮬레이션 조건은 양극전압 50 kV, 음극 집속관과 음극 필라멘트(텅스텐) 사이 전압 - 50kV, 음극 집속관 둘레 24mm, 타겟 각도 16°, 텅스텐 필라멘트의 온도와 일함수(Work function)는 각각 2000K, 4.5eV로 하였다. 한편, 양극과 음극 집속관 사이의 거리는 13mm이며, 양극과 차폐막인 실드(Shield) 사이의 거리는 9.5 mm ~ 10 mm로 정하였다. 타겟 초점 열 입력조건인 3kW와 0.5sec 이고, 타겟 온도는 850℃, 경과 시간은 1분 후 열분포를 도 10과 같이 나타내었다.
음극 집속관의 필라멘트에 전류를 흘려서 2000K ~ 4000K의 고온을 만들 때 필라멘트에 열전자가 만들어진다. 음극부와 양극부에 인가한 전압차에 의해 전하 운반자로 가속되는 열전자의 에너지는 위치에너지 장벽인 일 함수를 넘어 음극 필라멘트 표면에서 방출된다. 생성된 열전자들은 높은 전압에 이끌려 대전된 양극으로 향하고, 인가된 전압에 비례하는 에너지를 갖고 양극 타겟에 도달한다. 고에너지를 갖는 열전자는 타겟에 부딪쳐 전자를 빼내게 되고, 전자가 나간 자리를 채우는 과정을 거친다.
전자기 유한요소 해석 및 분석방법을 이용하여 엑스선관의 필라멘트에서 발생하는 열전자의 방출 궤적과 텅스텐 양극 타겟에서의 퍼짐관의 모형에 따른 초점 변화를 시뮬레이션한 해석모델은 도 11 및 도 12에 도시되어 있다. 도 11은 음극과 양극, 전자빔의 크기인 길이 Y축과 폭 Z축을 나타낸 것이다. 필라멘트의 재질은 텅스텐으로 하였고 일함수는 4.5 eV, 온도는 2000K, 음극에 걸리는 전압은 40kV로 정하였다. 전자기 유한요소 해석 프로그램을 통해 얻은 데이터는 일정한 전압과 관전류에서 음극 집속관의 형태를 변화시켜 텅스텐 타겟에서 전자의 초점변화를 비교 분석하는데 사용하였다.
한 개의 해석 모델에는 중앙에 한 개의 필라멘트가 들어갔으며 한쪽 필라멘트는 초점의 퍼짐 현상을 5mm를 목표로 설계하였다. 필라멘트를 일직선으로 하여 시뮬레이션을 한 결과 X축의 초점 양끝 부분이 중앙을 중심으로 균형을 유지하지 않음을 알 수 있었다. 시뮬레이션 결과 퍼짐 분포가 도 12(a)의 X축으로 폭 퍼짐길이는 불균일한 전자빔 분포를 갖는 1.5 mm로, 도 12(b)의 Y축으로 전자빔 폭 퍼짐은 길이 퍼짐 분포와 마찬가지로 한쪽으로 치우친 분포를 띠며 4.5 mm로 길게 나타났다.
도 11 및 도 12에서 알 수 있듯이 시뮬레이션 결과 길이와 폭의 방향 전자빔 분포는 한쪽으로 치우쳐 나타나 있다. 폭 방향 전자빔 퍼짐 분포는 도 12(a)의 X축으로 중심점에서 왼쪽부분인 -1.8 mm에서 -0.4 mm까지 한쪽으로 치우친 분포이다. 마찬가지로 길이 방향 전자빔 퍼짐분포는 도 12(b)의 Y축으로 중심점에서 왼쪽부분인 -4.5 mm에서 0까지 한쪽으로 치우친 분포이다. 한쪽방향으로 치우친 전자빔 분포는 도 5 내지 도 8처럼 양극 타겟의 열해석을 볼 때, 분균일하게 온도를 유지하게 되므로 일정한 엑스선 생성에 어려움을 갖게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 도 13 및 도 14는 음극 차폐막(shield plate)을 포함시킨 양극과 음극의 엑스선관을 3차원 축에서 모델링하여 전자빔의 크기인 길이 Y축과 폭 Z축을 나타낸 것이다.
도 14(a)와 도 14(b)에서 보여 주듯이, 양끝 부분이 중앙을 중심으로 균형을 유지하고 있음을 알 수 있었다. 시뮬레이션 결과 퍼짐 분포가 도 14(a)의 X축으로 폭 퍼짐 길이는 불균일한 전자빔 분포를 갖는 1.5 mm로, 도 14(b)의 Y축으로 전자빔 폭 퍼짐은 길이 퍼짐 분포와 마찬가지로 균형이 있는 중심에서부터 고르게 분포를 띠며 4.5 mm로 길게 나타났다. 이러한 결과는 전자빔 초점을 균형있게 타겟에 충돌시킬 때 고출력 및 해상도 향상에 기여할 것으로 판단된다.
또한, 모바일 장비에 근접하여 작동하거나 포터블 장비를 휴대하고 작동시 산란 엑스선 및 자체 누설 엑스선 (50 mR/h 이하 허용치 규정)에 의한 피폭에 노출되어 있으나, 본 발명에 따른 휴대형 엑스선관은, 적정한 거리로 떨어져서 리모트 컨트롤러 또는 모바일 PC를 이용하여 원격제어를 할 수 있으므로, 작동자가 엑스선 피폭을 피할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며, 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.
100, 100', 100" : 엑스선관
101 : 진공벌브 102 : 코바 어댑터
110 : 양극부 111 : 양극
112 : 양극 타겟 113 : 양극 히트싱크
114 : 진공배기홀 115 : 진공배기관
116 : 음극부 관통홀 117 : 코바 어댑터
120 : 음극부 121 : 음극 필라멘트
122 : 음극 집속관 123 : 음극 전극스템
124 : 음극 고전압절연부싱 125 : 전원 케이블
126 : 음극 고전압절연부싱 확대부 127 : 음극지지관
128 : 내측 코바 어댑터 129 : 음극지지관 확관부

Claims (9)

  1. 휴대형 엑스선관에 있어서,
    상기 휴대형 엑스선관은,
    양극을 통해 전달되는 열을 전도 및 방출하기 위한 양극 히트싱크와, 상기 양극 히트싱크의 상부에 형성되는 양극과, 상기 양극 상단 경사면에 형성되는 양극 타겟으로 구성된 양극부;
    상기 양극 히트싱크에 형성된 음극부 관통홀을 통해 관통장착되어 상기 양극과 나란하게 설치되는 음극부;
    상기 양극과 음극부를 진공으로 밀봉하기 위해 상기 양극부와 음극부를 커버하도록 설치되는 진공벌브; 및
    상기 양극 히트싱크의 외주면에 일측이 결합되고 타측은 상기 진공벌브에 결합되는 코바 어댑터;로 구성되고,
    상기 양극 타겟을 통해 방출되는 X선은 상기 양극의 설치방향과 같이 상 방향으로 조사되며, 상기 코바 어댑터는 열방출을 위해 외측으로 주름져 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대형 엑스선관.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극 히트싱크에는 진공벌브의 진공배기를 위한 진공배기홀이 형성되고, 상기 진공배기홀에는 진공배기후 밀봉되는 진공배기관이 장착되는 것을 특징으로 하는 휴대형 엑스선관.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음극부는, 상기 양극 타겟으로 가속된 열전자를 방출하기 위해 상기 양극 타겟을 마주보도록 설치되는 음극 필라멘트; 상기 음극 필라멘트가 내측으로 형성된 홈에 장착되어 상기 음극 필라멘트에서 방출되는 전자빔을 집속하기 위한 음극 집속관; 상기 음극 집속관의 하부에 연결되는 음극 전극스템; 상기 음극 전극스템의 하부에 연결되는 음극 고전압절연부싱; 상기 음극 고전압절연부싱의 하부에 연결되는 전원케이블; 및 상기 음극 전극스템과 상기 음극 고전압절연부싱을 감싸는 음극지지관;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대형 엑스선관.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 음극지지관은 상기 음극부 관통홀을 통해 관통되고, 하단은 상기 음극부 관통홀에 내측 코바 어댑터로 고정되어 설치되는 것을 특징으로 하는 휴대형 엑스선관.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 음극지지관은, 유리 또는 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대형 엑스선관.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 진공벌브는, 유리 또는 세라믹으로 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대형 엑스선관.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 세라믹으로 된 진공벌브의 상부에는 베릴륨(Be) 창이 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대형 엑스선관.
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