KR102054746B1 - 엑스선 소스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제조비용과 불량률을 낮출 수 있는 엑스선 소스의 구조에 관한 것으로, 캐소드와 상기 캐소드의 일면에 위치하며 전자선을 방출하는 에미터부를 포함하고, 상기 에미터부는 에미터 기판과 상기 에미터 기판 상에 형성된 에미터로 구성되며, 상기 에미터 기판은 상기 캐소드에 기계적으로 고정된 것을 특징으로 하는 엑스선 소스.
상술한 바와 같이 구성된 엑스선 소스는, 에미터가 형성된 기판을 캐소드에 기계적으로 결합함으로써, 캐소드와 에미터를 접합하는 브레이징 공정 또는 용접 공정을 생략하여 엑스선 소스의 제조 공정을 단순화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 캐소드와 에미터를 접합하는 브레이징 공정 또는 용접 공정을 생략함으로써, 브레이징 또는 용접 공정에 필요한 정렬용 현미경과 용접장비 등을 사용하지 않기 때문에 공정비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

엑스선 소스{X-RAY SOURCE}

본 발명은 엑스선 소스에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 제조비용과 불량률을 낮출 수 있는 엑스선 소스의 구조에 관한 것이다.

현재 상용되고 있는 엑스선 소스는 진공 튜브 내부에 캐소드와 애노드가 설치되어 있고 캐소드에서 발생된 전자가 캐소드와 애노드 사이에 인가되는 고전압에 의해 가속되어 애노드의 타깃에 충돌하면서 엑스선이 발생하는 현상을 이용하고 있다.

이와 같이 캐소드에서 전자를 발생시키는 종래의 대표적인 엑스선 소스로서는 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 발생시키는 열전자 방출 음극 구조를 갖는 엑스선 소스를 들 수 있다. 이러한 열전자 방출 음극 구조를 갖는 엑스선 소스의 경우 캐소드의 구조가 관전류를 형성하는 전자빔이 집속되도록 되어 있고, 캐소드의 필라멘트를 가열하는 단순한 방법으로 전자를 방출시킬 수 있으며 가열온도를 조절함으로써 관전류를 용이하게 조절할 수 있다는 등의 장점이 있어서 널리 사용되고 있다.

그러나 상술한 종래의 열전자 방출 현상을 이용하는 엑스선 소스의 경우 텅스텐 필라멘트의 가열이 반복됨에 따라서 필라멘트의 열화가 진행되어 전자 방출 특성을 변화하게 하고 엑스선 소스의 수명을 제한하며, 열전자를 방출시키기 위해 필라멘트를 가열할 때 생기는 열적 문제 때문에 필라멘트 및 집속부에서 발생하는 탈기체(outgas) 및 내부 가열로 인해 튜브 내부의 진공도가 떨어지며, 필라멘트의 가열 시 증발된 텅스텐이 타깃 표면, 진공 튜브 내벽 등에 증착되어 고압 절연을 저하시키고 투과 방사선량을 감소시키는 등의 문제점이 발생한다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 최근에는 열전자 방출 현상을 대신하여, 높은 전기장을 인가하였을 때 전자가 고체 표면의 전위 장벽(일함수)을 넘어서 방출되는 전계 방출 현상을 이용하는 엑스선 소스에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 일함수가 금속재료에 비해 낮고 전자 방출 전압이 1 ~ 3 V/㎛로서 다른 금속 팁보다 수십 배 정도 낮은 탄소 나노튜브(carbon nanotube) 등의 나노구조물질을 전자 방출원(에미터)의 재료로서 이용하는 엑스선 소스에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

도 5 일반적인 전계 방출형 엑스선 소스의 구조를 나타내는 도면이다.

전계 방출형 엑스선 소스(100)은 상기한 엑스선 소스의 기본 구조와 같이, 진공튜브(160) 내에 캐소드(110)와 애노드(120) 및 게이트(130)를 구비하고 있으며, 캐소드(110) 표면에는 위치하는 에미터부(140)에서 방출된 전자가 게이트(130)에 의해서 집속되어 애노드(120) 표면에 위치하는 타깃(150)에 충돌하여 엑스선이 발생한다. 도시된 엑스선 소스는 반사형 엑스선 소스로서 발생된 엑스선이 투과창(170)을 통해서 외부로 발산하는 구조이다.

에미터부(140)는 상기한 것과 같이 탄소 나노튜브 등의 재질인 에미터를 에미터 기판의 표면에 증착 또는 성장시킨 것이며, 이를 캐소드(110)에 접합하여 사용하는 것이 일반적이다. 이와 같은 접합과정은 일반적으로 에미터부(140)와 캐소드(110)를 정렬한 뒤에 브레이징 또는 용접(일반적으로 스팟 용접)을 실시하는데, 이는 현미경과 용접기 그리고 정밀 작업을 위한 작업자가 필요하기 때문에 공정비용을 높이는 원인이 된다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 캐소드의 표면 자체에 탄소 나노튜브를 성장시키는 기술도 고안되었으나, 캐소드의 재질 및 형태로 인하여 탄소 나노튜브 성장 공정이 원활히 수행되지 못하는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 10-2009-0012910

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 제조비용과 불량률을 낮출 수 있는 엑스선 소스의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 엑스선 소스는, 엑스선을 발생시키는 엑스선 소스로서, 캐소드와 상기 캐소드의 일면에 위치하며 전자선을 방출하는 에미터부를 포함하고, 상기 에미터부는 에미터 기판과 상기 에미터 기판 상에 형성된 에미터로 구성되며, 상기 에미터 기판은 상기 캐소드에 기계적으로 고정된 것을 특징으로 하는 엑스선 소스.

이때, 에미터 기판의 양 측면이 각각 삽입되는 결합홈이 형성된 체결부를 포함하여 기계적으로 고정함으로써, 종래에 에미터부를 브레이징 또는 용접하는 것에 비하여 제조비용과 불량률을 낮출 수 있다.

상기한 체결부는 캐소드에 일체로 돌출 형성된 구조일 수 있다.

또한, 에미터 기판이 볼록하게 돌출된 형상으로 결합홈에 양 측면이 삽입될 수 있으며, 이때 캐소드의 표면을 볼록하게 돌출된 형상으로 구성하여 에미터 기판의 하면이 캐소드의 표면에 접촉하도록 할 수 있다.

그리고 에미터 기판이 오목하게 합입된 형상으로 결합홈에 양 측면이 삽입될 수 있으며, 이때 캐소드의 표면을 오목하게 함입된 형상으로 구성하여 에미터 기판의 하면이 캐소드의 표면에 접촉하도록 할 수 있다.

상술한 바와 같이 구성된 엑스선 소스는, 에미터가 형성된 에미터 기판을 캐소드에 기계적으로 결합함으로써, 캐소드와 에미터를 접합하는 브레이징 공정 또는 용접 공정을 생략하여 엑스선 소스의 제조 공정을 단순화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 캐소드와 에미터를 접합하는 브레이징 공정 또는 용접 공정을 생략함으로써, 브레이징 또는 용접 공정에 필요한 정렬용 현미경과 용접장비 등을 사용하지 않기 때문에 공정비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

그리고 캐소드와 게이트를 결합하는 2차 브레이징 공정이 에미터와 캐소드의 브레이징 또는 용접 부위에 영향을 미쳐, 에미터와 캐소드 사이의 정렬이 틀어지는 문제가 없기 때문에 엑스선 소스의 불량률이 감소하고 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

나아가 브레이징 및 전기적 안정화 처리 시에 브레이징 필러에 의해서 발생하는 탈기체 현상으로 인한 진공도 저하 문제가 없기 때문에 엑스선 소스의 불량률이 감소하고 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 엑스선 소스의 캐소드와 에미터부의 체결구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 엑스선 소스의 캐소드와 에미터부의 체결구조를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 엑스선 소스의 캐소드와 에미터부의 체결구조를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 네 번째 실시예에 따른 엑스선 소스의 캐소드와 에미터부의 체결구조를 나타내는 모식도이다.
도 5 일반적인 전계 방출형 엑스선 소스의 구조를 나타내는 도면이다.

본 발명의 엑스선 소스는 전계방출형 엑스선 소스로서, 기판과 기판 상에 형성된 에미터로 구성되는 에미터부를 캐소드에 접착하지 않고 기계적으로 체결하는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 에미터와 캐소드의 체결 구조를 제외한 나머지 구조는 일반적인 엑스선 소스의 구조를 모두 적용할 수 있고, 에미터와 캐소드의 체결 구조를 제외한 나머지 구조는 본 발명의 기술적 특징을 해치지 않는 범위에서 자유롭게 변형하여 사용할 수 있으므로, 에미터부와 캐소드의 체결구조를 제외한 나머지 부분의 구조에 대한 설명은 생략한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 소스의 캐소드와 에미터부의 체결구조에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 엑스선 소스의 캐소드와 에미터부의 체결구조를 나타내는 모식도이다.

본 실시예의 엑스선 소스는 에미터 기판(142)과 그 상면에 형성된 에미터(144)로 구성된 에미터부(140)와 캐소드(110)를 기계적으로 체결하기 위한 체결부(146)를 더 포함하며, 체결부(146)에는 에미터 기판(142)의 측면이 삽입되는 결합홈(148)을 구비하고 있다.

체결부(146)는 일례로 에미터 기판(142)의 측면을 가이드하도록 캐소드(110)의 일면으로부터 돌출된 하나 이상의 돌기 형상일 수 있고, 그 내면에 결함홈(148)이 형성되어 에미터 기판(142)의 측면이 끼워 고정되도록 한다.

전계방출형 엑스선 소스의 에미터는 탄소 나노튜브 등의 나노구조물질을 실크스크린과 같은 스크린 프린팅 또는 CVD 등의 방법으로 기판의 표면에 형성할 수 있으며, 본 실시예의 에미터부도 이러한 종래의 방법을 모두 사용할 수 있다.

다만, 본 실시예에서는 에미터 기판(142)의 측면을 체결부(146)의 결합홈(148)에 삽입할 수 있도록 최소한의 유연성을 갖는 재질을 에미터 기판(142)으로 사용하며, 물리적 힘을 이용하여 에미터 기판(142)을 휘게 한 뒤에 그 측면을 결합홈(148)에 삽입하여 캐소드(110)와 체결한다.

이때, 결합홈(148)에 측면이 삽입된 에미터 기판(142)이 볼록한 형태를 유지하도록, 에미터 기판(142)의 길이를 결합홈(148) 사이의 간격보다 길게 구성함으로써, 에미터부(140)가 결합홈(148)에 더욱 강력하게 고정시키는 동시에 에미터 기판(142)과 캐소드(110)의 전기적 연결의 신뢰성을 강화시킬 수 있다. 또한, 도면에서는 체결부(146)를 강조하기 위하여 캐소드(110)와 분리되어 있는 구조로 도시하였으나 이에 특정되는 것은 아니고, 캐소드(110)에서 일체형으로 돌출된 구조의 체결부를 형성하는 것도 가능하다.

도 2는 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 엑스선 소스의 캐소드와 에미터부의 체결구조를 나타내는 모식도이다.

본 발명의 두 번째 실시예는 결합홈(148)에 측면이 삽입된 에미터 기판(142)이 오목한 형태를 유지하는 방법으로 에미터부(140)와 캐소드(110)를 기계적으로 체결하는 것을 제외하고는 상기한 첫 번째 실시예의 체결구조와 동일하다.

상기한 첫 번째 체결구조를 위해서는 에미터 기판(142)의 양쪽에서 압력을 가하여 결합홈(148)이 위치한 간격보다 에미터 기판(142)의 측면의 간격을 좁게 하여 동시에 삽입하거나, 에미터 기판(142)의 한쪽 측면을 먼저 삽입한 뒤에 다른 쪽 측면을 삽입하는 방법으로 체결하여야 한다. 반면에, 두 번째 실시예의 체결구조는 에미터 기판(142)을 체결부(146)의 위쪽에 위치시킨 상태에서 위쪽에서 압력을 가하는 방법으로 에미터 기판(142)의 측면을 결합홈(148)에 삽입할 수 있기 때문에 체결 공정이 간편해지는 장점이 있다.

도 3은 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 엑스선 소스의 캐소드와 에미터부의 체결구조를 나타내는 모식도이다.

본 발명의 세 번째 실시예는 볼록한 형태의 에미터 기판(142)의 하면에 위치하는 캐소드(110)의 표면이 볼록한 형태로 구성되어, 에미터 기판(142)의 하면과 캐소드(110)의 표면이 접촉하는 것을 제외하고는 상기한 첫 번째 실시예의 체결구조와 동일하다.

상기한 첫 번째 실시예에 따른 체결구조는 에미터 기판(142)과 캐소드(110)의 접촉 면적이 작기 때문에 엑스선 소스의 동작과정에서 발열의 문제가 발생할 수도 있다.

세 번째 실시예의 체결구조는 이러한 단점을 해결하기 위하여, 캐소드(110)의 표면을 볼록한 곡면으로 형성함으로써, 에미터 기판(142)의 하면과 캐소드(110)의 표면이 접촉하도록 구성하였다. 이때, 캐소드(110)의 표면에 실버 페이스트 등을 도포할 수 있다.

도 4는 본 발명의 네 번째 실시예에 따른 엑스선 소스의 캐소드와 에미터부의 체결구조를 나타내는 모식도이다.

본 발명의 네 번째 실시예는 오목한 형태의 에미터 기판(142)의 하면에 위치하는 캐소드(110)의 표면이 오목한 형태로 구성되어, 에미터 기판(142)의 하면과 캐소드(110)의 표면이 접촉하는 것을 제외하고는 상기한 두 번째 실시예의 체결구조와 동일하다.

상기한 두 번째 실시예에 따른 체결구조는 에미터 기판(142)과 캐소드(110)의 접촉 면적이 작기 때문에 엑스선 소스의 동작과정에서 발열의 문제가 발생할 수도 있다.

세 번째 실시예의 체결구조는 이러한 단점을 해결하기 위하여, 캐소드(110)의 표면을 오목한 곡면으로 형성함으로써, 에미터 기판(142)의 하면과 캐소드(110)의 표면이 접촉하도록 구성하였다. 이때, 캐소드(110)의 표면에 실버 페이스트 등을 도포할 수 있다.

이상 결합홈이 형성된 결합부에 에미터 기판(142)의 측면을 삽입하여 체결하는 구조에 대하여 설명하였으며, 이들 중에 세 번째와 네 번째 체결구조는 첫 번째와 두 번째 체결구조에서 에미터 기판과 캐소드의 접촉 면적이 작은 것을 해결하기 위하여 캐소드의 표면 형상을 변경한 것이다.

이때, 첫 번째와 두 번째 체결구조에서 에미터 기판의 하면과 캐소드 표면 사이의 이격된 공간에 별도의 전도성 재질을 위치시키는 방법을 적용하여, 캐소드의 표면 형상을 변경하지 않고 에미터 기판과 캐소드 표면 사이의 전기적 연결을 넓힐 수도 있다.

앞서 설명한 것과 같이, 본 발명의 엑스선 소스는 도 5에 도시된 일반적인 엑스선 소스의 구성요소를 모두 포함하고 있으며, 에미터부와 캐소드를 기계적으로 체결하는 것을 제외한 제조공정도 동일하다.

우선, 본 발명의 엑스선 소스는 기계적 체결구조를 적용함으로써, 종래에 에미터부를 캐소드의 표면에 브레이징 또는 용접으로 접착했던 것에 비하여 상대적으로 단순화된 공정으로 캐소드 및 엑스선 소스를 제조할 수 있는 효과가 있다. 또한, 종래에 에미터부를 캐소드의 표면에 브레이징 또는 용접으로 접착하는 공정에서는 에미터를 정확한 위치에 정렬하여 용접을 해야 하기 때문에 정렬용 현미경과 용접장비 등이 필요하였으나, 상기한 실시예의 체결구조는 이러한 장비를 사용하지 않기 때문에 공정비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

그리고 에미터부가 부착된 캐소드와 게이트 및 애노드를 진공튜브에 결합하는 과정에서 진공 브레이징 공정과 전기적 안정화 공정을 수행하며, 이러한 진공 브레이징 공정과 전기적 안정화 공정에서는 사용되는 열에 의해서 캐소드가 가열된다.

이때, 종래와 같이 브레이징 또는 용접으로 에미터부를 접착한 경우에는 상기한 열에 의해서 에미터부의 정렬이 틀어지는 경우가 발생하고, 이는 최종적으로 제조된 엑스선 소스의 불량을 유발하여 제품의 신뢰성을 떨어뜨리는 원인이 된다. 이에 비하여, 상기한 실시예의 체결구조는 열에 의해서 에미터부의 정렬이 틀어지는 문제가 발생하지 않기 때문에 엑스선 소스의 불량률이 감소하고 제품의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 종래와 같이 브레이징 또는 용접으로 에미터부를 접착한 경우에는 필러를 사용하는 것이 일반적이고, 이러한 필러는 상기한 진공 브레이징 공정 및 전기 안정화 공정에서 전해진 열에 의해서 탈기체(out-gassing)현상을 일으켜 엑스선 소스의 진공도를 떨어뜨려 엑스선 소스의 불량을 유발하는 원인이 된다. 상기한 실시예의 체결구조는 필러에 의한 문제가 발생하지 않기 때문에 엑스선 소스의 불량률이 감소하고 제품의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 엑스선 소스 110: 캐소드
120: 애노드 130: 게이트
140: 에미터부 142: 에미터 기판
144: 에미터 146: 체결부
148:결합홈 150: 타깃
160: 진공 튜브 170: 투과창

Claims (4)

1. 엑스선을 발생시키는 엑스선 소스로서,
   진공 튜브;
   상기 진공 튜브 내에 위치하는 캐소드와 애노드;
   상기 애노드에 위치하며 전자의 충돌로 X-선을 방출하는 타깃; 및
   상기 캐소드에 위치하며 전자를 방출하는 에미터부를 포함하고,
   상기 에미터부는 에미터 기판과 상기 에미터 기판 상에 형성된 에미터로 구성되며,
   상기 캐소드에 형성되어 상기 에미터 기판이 끼움 결합되는 체결부를 더 포함하는 엑스선 소스.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 체결부는, 상기 에미터 기판의 측면이 삽입되는 결합홈이 형성되어 상기 캐소드의 일면으로부터 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 엑스선 소스.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 에미터 기판은 상기 캐소드의 일면으로부터 볼록하게 돌출되거나 오목하게 함입된 형상으로 고정되는 것을 특징으로 하는 엑스선 소스.
4. 삭제

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