KR102165886B1 - 엑스선 발생기 및 그것의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 엑스선 발생기는, 음의 고전압 및 필라멘트 전류를 생성하는 열전자 방출형 엑스선 발생기, 애노드 전극이 접지되며, 상기 음의 고전압을 사용하여 캐소드 전극을 바이어스하는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기, 그리고 상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 게이트 전극에 제공되는 출력 전압으로 생성하고, 상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 캐소드 전극에 흐르는 방출 전류의 레벨을 특정 레벨로 고정시키는 전계 방출 전류 제어부를 포함한다.

Description

엑스선 발생기 및 그것의 구동 방법{X-RAY GENERATOR AND DRIVING METHOD THEREOF}
본 발명은 엑스선 발생기에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기 및 그것을 안정적으로 구동하기 위한 구동 방법에 관한 것이다.
엑스선(X-Ray)을 생성하기 위해서는 진공 튜브 내에서 방출되는 전자를 가속하고, 가속된 전자를 애노드(Anode) 전극에 타격하는 방식을 사용하다. 전자를 방출하는 방식으로는 크게 열전자 방출형(Thermal Electron Emission)과 전계 전자 방출형(Field Electron Emission)이 사용되고 있다. 통상의 엑스선 튜브는 진공 유리관 내의 필라멘트를 가열하는 열전자 방출형을 가장 많이 사용하고 있다. 최근 들어, 디지털 제어가 쉬운 전계 전자 방출형의 엑스선 튜브에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
상용화된 열전자 방출형 엑스선 발생기(Generator)는 전자 방출원인 텅스텐 필라멘트에 흐르는 전류를 제공하기 위한 전류원을 사용한다. 이와 달리, 전계 전자 방출형 엑스선 발생기는 금속 팁 또는 탄소나노튜브에 고전압을 인가하여 전자를 방출시킨다. 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(또는 튜브)는 캐소드(Cathode) 전극을 접지하고, 게이트(Gate)와 애노드(Anode) 전극에 양전압(Positive Voltage)을 인가하여 구동한다.
하지만, 비파괴 검사 장비에 적용되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기는 타깃(Target)이 외부로 노출되어 있거나, 애노드 전극에서 발생한 열을 효과적으로 제거해 주어야 한다. 이 경우에는, 애노드 전극을 접지와 연결하고 게이트와 캐소드 전극에 음전압(Negative Voltage)을 인가해야 한다. 이러한 방식으로 엑스선 발생기를 구동하기 위해서는 음의 고전압과, 이를 기준으로 음의 고전압보다 소정의 레벨 높은 전압을 발생시켜야 한다. 따라서, 애노드 전극을 접지하는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 구동 방법은 절연과 안정성을 고려하면 굉장히 구현이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 전계 전자 방출형 엑스선 발생기를 안정적으로 구동하는 엑스선 발생기와 그것의 구동 방법을 제공할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 엑스선 발생기는, 음의 고전압 및 필라멘트 전류를 생성하는 열전자 방출형 엑스선 발생기, 애노드 전극이 접지되며, 상기 음의 고전압을 사용하여 캐소드 전극을 바이어스하는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기, 그리고 상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 게이트 전극에 제공되는 출력 전압으로 생성하고, 상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 캐소드 전극에 흐르는 방출 전류의 레벨을 특정 레벨로 고정시키는 전계 방출 전류 제어부를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 엑스선 발생기는, 애노드 전극이 접지되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기, 그리고 소스 전류를 제공받아 음의 고전압을 기준으로 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 게이트 전극에 제공되는 출력 전압을 생성하고, 상기 소스 전류를 이용하여 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 캐소드 전극에 흐르는 방출 전류를 제어하는 전계 방출 전류 제어부를 포함한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 애노드 전극이 접지되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 구동 방법은, 열전자 방출형 엑스선 발생기로부터 음의 고전압 및 필라멘트 전류를 제공받는 단계, 상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 게이트 전극에 제공되는 출력 전압을 생성하는 단계, 상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 캐소드 전극에 흐르는 방출 전류를 제어하기 위한 전류 제어 전압을 생성하는 단계, 및 상기 출력 전압을 상기 게이트 전극에 제공하고, 상기 전류 제어 전압을 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 캐소드 전극에 상기 음의 고전압을 전달하기 위한 트랜지스터의 게이트-소오스 전압으로 인가하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 열전자 방출형 엑스선 발생기의 전원 소스를 이용하여 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 구동 및 전계 방출 전류의 용이한 제어가 가능하다. 따라서, 애노드 전극이 접지되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기를 매우 안정적으로 구동할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 엑스선 발생기의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 열전자 방출형 엑스선 발생기의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 3은 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 전계 방출 전류 제어부(300a)에서 음의 고전압(NHV)을 기준으로 게이트 전극에 제공되는 전압을 생성하는 방법을 보여주는 회로도이다.
도 5는 본 발명의 전계 방출 전류 제어부(300b)에서 캐소드 전극에 흐르는 방출 전류(Ie)의 크기를 제어하는 방법 및 장치를 보여주는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전계 방출 전류 제어부(300)의 구성을 보여주는 회로도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)로의 전원 공급 방법을 간략히 보여주는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 엑스선 발생기(10)의 구동 특성을 예시적으로 보여주는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시 예에 따른 엑스선 발생기(10)의 방출 전류(Ie)와 게이트 전압의 안정적인 출력을 보여주는 그래프이다.
아래에서는, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다. 이하에서는 본 발명은 열전자 방출형 엑스선 발생기로 전계 전자 방출형 엑스선 발생기를 간단하고 안정적으로 구동하기 위한 수단 및 방법이 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시 예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다. 특히, "음의 고전압(Negative voltage)"이란 용어는 접지 레벨(0V)보다 낮은 레벨을 의미한다.
도 1은 본 발명에 따른 엑스선 발생기의 구성을 간략히 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 엑스선 발생기(10)는 열전자 방출형 엑스선 발생기(100), 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200), 그리고 전계 방출 전류 제어부(300)를 포함한다.
열전자 방출형 엑스선 발생기(100)는 음극인 필라멘트에 전류를 흘려 열전자를 방출하는 구조를 포함한다. 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)는 음의 고전압 발생기(110), 그리드 전압 발생기(130), 그리고 필라멘트 전류 발생기(150)를 포함할 수 있다. 음의 고전압 발생기(110)는 필라멘트 또는 음극(또는, 캐소드 전극)에 음의 고전압(Negative High Voltage: 이하, NHV)을 제공하기 위한 음의 고전압 발생기(110)를 포함할 수 있다. 그리고 그리드 전압 발생기(130)는 방출된 열전자를 제어하기 위한 그리드 전극에 제공될 그리드 전압(Vgrd)을 생성한다. 그리고 필라멘트 전류 발생기(150)는 열전자의 방출을 위한 필라멘트 전류(If)를 생성하여 필라멘트에 제공한다. 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)에는 이 밖에도 다양한 레벨의 전원 소스들이 사용될 수 있으나, 이러한 구성들은 본 발명의 카테고리를 벗어나는 구성이므로 이것들에 대한 설명은 생략하기로 한다.
전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)는 접지 전압(또는 0V)으로 접지되는 애노드(Anode) 전극(미도시)을 갖는다. 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)는 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 제공되는 음의 고전압(NHV), 그리드 전압(Vgrd)을 제공받을 수 있다. 그리고 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)에서 발생되는 방출 전류(Ie)는 전계 방출 전류 제어부(300)에 의해서 안정적이고 용이하게 제어될 수 있다.
전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 애노드 전극은 접지될 수 있다. 그리고 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 캐소드 전극(210)은 음의 고전압(NHV)으로 바이어스된다. 더불어, 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 게이트 전극(250)에는 캐소드 전극(210)에 대해 특정 레벨 높은 게이트-캐소드 전압이 제공된다. 그러면, 게이트 전극(250)과 캐소드 전극(210) 사이에 발생하는 전계에 의해서 전자들이 방출된다. 이때, 초점 전극(230)에는 전자 빔의 집속을 위해 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 제공되는 그리드 전압(Vgrd)이 집속 전압으로 인가될 수 있다.
전계 방출 전류 제어부(300)는 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)의 필라멘트 전류 발생기(150)로부터 제공되는 필라멘트 전류(If)를 전류 소스로 제공받는다. 전계 방출 전류 제어부(300)는 필라멘트 전류(If)를 사용하여 캐소드 전극(210)에 흐르는 방출 전류(Ie)를 제어하고, 게이트 전극(250)에 인가되는 게이트 전압을 생성할 수 있다. 먼저, 전계 방출 전류 제어부(300)는 필라멘트 전류(If)를 사용하여 직류 전압을 생성한다. 그리고 전계 방출 전류 제어부(300)는 생성된 직류 전압을 승압하여 게이트 전극(250)에 제공할 수 있다. 여기서, 직류 전압과 승압된 전압은 모두 음의 고전압(NHV)을 기준으로 특정 레벨 높은 전압들이다. 더불어, 전계 방출 전류 제어부(300)는 필라멘트 전류(If)를 사용하여 직류 전압을 생성하고, 생성된 직류 전압을 이용하여 방출 전류(Ie)의 레벨을 제어할 수 있다. 이러한 전계 방출 전류 제어부(300)의 기능은 후술하는 도 4에서 상세히 설명될 것이다.
본 발명의 엑스선 발생기(10)에 따르면, 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)의 음의 고전압(NHV)과 필라멘트 전류(If)를 사용하여 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 구동 전압 및 전류를 제어하거나 제공할 수 있다. 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 애노드 전극을 접지와 연결하고 게이트 전극(250)과 캐소드 전극(210)에는 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 제공되는 음의 고전압(NHV)을 제공할 수 있다. 더불어, 전계 방출 전류 제어부(300)를 통해서 에미터에서 방출되는 전자들에 기인한 방출 전류(Ie)의 제어가 가능하다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따르면, 애노드 전극이 접지되어야 하는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)에 간단하고도 안정적인 구동 전원의 제공이 가능하다.
도 2는 도 1의 열전자 방출형 엑스선 발생기의 구성을 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)는 음의 고전압 발생기(110), 양의 고전압 발생기(120), 그리드 전압 발생기(130), 음극선 튜브(140), 그리고 필라멘트 전류 발생기(150)를 포함할 수 있다.
음의 고전압 발생기(110)는 음극선 튜브(140) 내의 필라멘트(141)에 제공될 음의 고전압(NHV)을 생성한다. 음의 고전압 발생기(110)는 수 kV 내지 수백 kV의 음의 고전압(NHV)을 생성하여 필라멘트(141)의 음극 전위를 제공한다.
양의 고전압 발생기(120)는 애노드(145)에 양의 고전압(Positive High Voltage: PHV)을 제공한다. 필라멘트(141)가 구성하는 음극과 애노드(145)가 구성하는 양극 간의 전위차에 의해서 진공 상태인 음극선 튜브(140) 내에서 방출 전자가 가속될 수 있다.
그리드 전압 발생기(130)는 방출 전자를 제어하기 위한 그리드(143)에 제공되는 그리드 전압(Vgrd)을 생성한다. 그리드 전압 발생기(130)는 상대적으로 낮은 양전압 레벨의 그리드 전압(Vgrd)을 생성한다. 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)에서는 그리드 전압(Vgrd)의 레벨에 따라 애노드(145)에 도달하는 방출 전자의 양이 결정된다.
음극선 튜브(140)는 고진공을 제공하기 위한 유리관과, 유리관 내에 구비되는 필라멘트(141), 그리드(143) 그리고 애노드(145)를 포함한다. 필라멘트(141)는 음극(또는 캐소드 전극)을 구성하며, 필라멘트 전류(If)에 의해서 고온으로 가열된다. 필라멘트(141)는 고온 상태에서 열전자(Thermal electron)를 방출하게 되고, 방출된 열전자는 음극선 튜브(140)의 음극과 양극간 전위차에 의해서 가속된다. 필라멘트(141)는 일반적으로 용융점이 높고 기화점이 높은 텅스텐과 같은 재질로 구성될 수 있다. 그리드(143)는 필라멘트(141)에서 방출되어 애노드 전극(154)으로 이동하는 열전자의 속도나 양을 제어한다. 그리드(143)는 보통 필라멘트(141) 부근에 배치하고, 텅스텐이나 몰리브덴 등의 재질로 나선 또는 격자 형태로 형성될 수 있다. 애노드(145)는 고속으로 가속된 열전자 빔이 충돌하여 엑스선을 방출하는 전극 또는 타깃(Target)을 포함한다. 애노드(120)는 양의 고전압을 제공받는다.
필라멘트 전류 발생기(150)는 음극선 튜브(140)의 필라멘트(141)에 방출 전류를 생성하여 제공한다. 필라멘트 전류(If)가 필라멘트(141)에 흐를 때, 열 에너지가 발생하고, 발생된 열 에너지에 의해서 열전자가 방출될 수 있다.
이상에서는 음의 고전압 발생기(110), 그리드 전압 발생기(130), 필라멘트 전류 발생기(150)를 포함하는 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)의 구조가 간략히 설명되었다. 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)에서는 열전자의 방출과 엑스선의 생성을 위해 이들 음의 고전압 발생기(110), 그리드 전압 발생기(130), 그리고 필라멘트 전류 발생기(150)가 구비된다. 본 발명에서는 이런 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)의 전원 소스들을 사용하여 애노드 전극이 접지되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)를 용이하게 구동할 수 있다.
도 3은 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 간략한 구조를 예시적으로 보여주는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)는 캐소드 전극(210), 진공 용기(220), 초점 전극(230), 게이트 전극(250), 그리고 애노드 전극(270)을 포함할 수 있다. 여기서, 애노드 전극(270)은 투과형 구조를 예시로 하였으나, 엑스선이 타깃에서 반사되어 방출되는 반사형 구조일 수도 있다. 초점 전극(230) 및 게이트 전극(250)은 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 진공 용기(220) 내부에 매쉬 형태로도 형성될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
캐소드 전극(210)은 진공 용기(220)의 일 단부에 제공된다. 캐소드 전극(210)의 내측에는 고전계에 의해서 전자를 방출하기 위한 전자 방출 에미터(215)가 형성된다. 전자 방출 에미터(215)는 금속 팁이나 탄소나노튜브, 또는 가열에 의해 탄소나노튜브의 산화기와 화학적, 물리적 접착이 가능한 자성 또는 비자성 나노 금속 분말을 캐소드 전극(210)의 평면에 증착하여 형성할 수 있다. 전자 방출 에미터(215)의 형성 방법은 이에 국한되지 않으며, 다양한 재료나 증착 방식에 따라 형성될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
특히, 전자 방출 에미터(215)에서 전자가 방출되어야 하기 때문에 애노드 전극(270)에서 캐소드 전극(210) 방향으로 고전계가 형성되어야 한다. 본 발명의 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 애노드 전극(270)은 접지되는 구조를 전제로 한다. 따라서, 게이트 전극(250) 및 애노드 전극(270)에서 캐소드 전극(210) 방향으로의 고전계를 제공하기 위해 캐소드 전극(210)에는 음의 고전압(Negative High Voltage: NHV)이 제공되어야 한다. 음의 고전압(NHV)은 예를 들면 직류 형태나 펄스 형태로도 제공될 수도 있을 것이다.
초점 전극(230)에 제공되는 제어 전압에 의해서 전자 방출 에미터(215)로부터 방출된 전자가 집속될 수 있다. 방출된 전자의 집속은 초점 전극(230)에 제공되는 전압에 의해 형성되는 전계에 의해서 이루어진다. 즉, 초점 전극(230)이 형성하는 전계에 의해서 전자빔에 대한 렌즈 효과가 제공될 수 있다. 초점 전극(230)의 형태는 다양하게 제공될 수 있으며, 진공 용기(220)의 내부, 또는 외부에서 다양한 목적에 따라 다양한 형태로 형성될 수 있다. 특히, 초점 전극(230)에 제공되는 전압은 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)에서 사용되는 그리드 전압(Vgrd)이 사용될 수 있다. 즉, 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 제공되는 그리드 전압(Vgrd)이 초점 전극(230)에 직접적으로 인가되거나, 또는 그리드 전압(Vgrd)의 레벨을 가변한 후에 초점 전극(230)에 인가할 수 있을 것이다.
게이트 전극(250)은 캐소드 전극(210)과의 상대적인 전위차를 제공하여 전자 방출 에미터(215)로부터 전자를 방출시키기 위한 전계를 제공하기 위한 구조이다. 게이트 전극(250)과 캐소드 전극(210) 사이의 전위차(ΔV)에 의해서 게이트 전극(250)으로부터 캐소드 전극(210) 방향으로 전계가 형성된다. 따라서, 전자 방출을 위한 전계의 크기는 전위차(ΔV)와 게이트 전극(250)과 캐소드 전극(210) 사이의 간격의 함수가 된다. 게이트 전극(250)은 예를 들면 복수의 홀들이 형성되는 매쉬 형태로 제공될 수 있다. 하지만, 게이트 전극(250)은 매쉬 이외의 다양한 형태로 형성될 수 있음은 잘 이해될 것이다.
애노드 전극(270)은 방출된 전자가 가속되어 충돌할 때의 에너지에 의해서 엑스선이 방출되는 타깃 및 전극으로 제공된다. 애노드 전극(270)은 방열판이나 냉각수 등을 포함하는 냉각 장치에 연결되어 전자 빔의 타격에 의해 발생하는 열을 쉽게 냉각할 수 있도록 접지(0V로)될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)가 예시적으로 설명되었다. 비파괴 검사 장비로서 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)가 사용되는 경우에는 애노드 전극(270)의 타깃 부분이 외부로 노출되기 때문에 애노드 전극(270)은 접지되는 것이 바람직하다. 더불어, 애노드 전극(270)에서 발생한 열을 효과적으로 제거하고자 할 경우에도 애노드 전극(270)이 접지되는 것이 바람직하다. 애노드 전극(270)이 접지되는 경우, 게이트 전극(250)과 캐소드 전극(210)에는 음의 고전압(NHV)이 인가되어야 한다. 이러한 전원을 제공하기 위해서는 음의 고전압(NHV)이 캐소드 전극(210)에 제공되어야 하며, 이를 기준으로 방출 전계를 제공하기 위한 게이트 전극(250)에 인가될 전압이 생성되어야 한다. 따라서, 절연과 안정성이 보장된 전원을 구성하는 것이 용이하지 않다. 본 발명의 전계 방출 전류 제어부(300)는 애노드 전극(270)이 접지되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)에 높은 안정성을 갖는 전원을 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전계 방출 전류 제어부(300a)에서 음의 고전압(NHV)을 기준으로 게이트 전극에 제공되는 전압을 생성하는 방법을 예시적으로 보여주는 회로도이다. 도 4를 참조하면, 전계 방출 전류 제어부(300a)는 음의 고전압(NHV)을 기준으로 필라멘트 전류(If)를 사용하여 게이트 전압(NHV+ΔV)을 생성할 수 있다. 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다.
전계 방출 전류 제어부(300a)는 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 필라멘트 전류(If)를 제공받는다. 전계 방출 전류 제어부(300a)는 필라멘트 전류(If)를 저항(R1)에 인가하여 수 V의 입력 전압(Vin)으로 변환한다. 그리고 전계 방출 전류 제어부(300a)는 수 V의 입력 전압(Vin)을 DC-DC 컨버터(310)를 사용하여 수 kV의 출력 전압(Vout)으로 변환한다. 여기서, 입력 전압(Vin) 및 출력 전압(Vout)은 각각 음의 고전압(NHV)을 기준으로 표시된 상대적인 양의 전압이다. 예를 들면, 음의 고전압(NHV)이 -200kV 라 가정하면, 노드(N0)의 전위는 (-200kV + Vin)이 될 것이다. 따라서, 노드(N0)의 절대적인 전위는 음의 고전압(NHV)보다 입력 전압(Vin)만큼만 높을 뿐이다. 그리고 출력 전압(Vout)은 음의 고전압(NHV)보다 수 kV 높은 레벨의 음전압이 될 것이다. 출력 전압(Vout)은 앞서 설명된 캐소드 전극(210)과 게이트 전극(250) 사이의 전압(ΔV)일 수 있다.
결국, 필라멘트 전류(If)를 통해서 생성되는 입력 전압(Vin) 및 출력 전압(Vout)은 모두 음의 고전압 발생기(110)에서 제공되는 음의 고전압(NHV)에 대해 상대적으로 높은 전압 레벨을 갖는다. 따라서, 입력 전압(Vin) 및 출력 전압(Vout)은 접지 레벨(0V)의 기준에서는 여전히 음전압 범주에 속할 수 있다. 이러한 레벨 관계는 후술하는 그래프들을 통해서 상세히 설명될 것이다.
이상에서 음의 고전압(NHV)을 기준으로 게이트 전압(NHV+ΔV)을 생성하는 방법 및 장치가 설명되었다. 필라멘트 전류(If)를 사용하여 안정적으로 그리고 용이하게 게이트 전압(NHV+ΔV)이 생성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 전계 방출 전류 제어부(300b)에서 캐소드 전극(210, 도 3 참조)에 흐르는 방출 전류(Ie)의 크기를 제어하는 방법 및 구성을 예시적으로 보여주는 회로도이다. 도 5를 참조하면, 전계 방출 전류 제어부(300b)는 저항(R2), 제너 다이오드(ZD), 그리고 NMOS 트랜지스터(TR)를 포함할 수 있다. 전계 방출 전류 제어부(300b)는 이들 구성들을 사용하여 음의 고전압(NHV)을 기준으로 필라멘트 전류(If)를 사용하여 방출 전류(Ie)의 레벨을 안정적으로 제어할 수 있다.
전계 방출 전류 제어부(300b)는 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 필라멘트 전류(If)를 제공받는다. 전계 방출 전류 제어부(300b)는 필라멘트 전류(If)를 저항(R2)에 인가하여 다이오드 전압(Vz)으로 변환할 수 있다. 전계 방출 전류 제어부(300b)는 다이오드 전압(Vz)의 레벨을 일정하게 유지시켜 주기 위한 제너 다이오드(ZD)를 포함한다. 제너 다이오드(ZD)는 저항(R2)과 병렬로 연결되어 필라멘트 전류(If)를 사용하여 생성된 다이오드 전압(Vz)을 일정한 레벨로 유지시킬 수 있다. 생성된 다이오드 전압(Vz)은 음의 고전압(NHV)을 기준으로 일정 레벨 높아진 전압이다.
생성된 다이오드 전압(Vz)은 NMOS 트랜지스터(TR)의 게이트 단(G)에 제공된다. 그리고 NMOS 트랜지스터(TR)의 소오스 단(S)은 음의 고전압(NHV) 레벨로 바이어스될 것이다. 이러한 바이어스 조건에서, 음의 고전압(NHV) 및 게이트 전압이 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 캐소드 전극(210) 및 게이트 전극(250)에 제공되면, 전계가 발생하고 전자 방출 에미터(215)에서는 전자가 방출된다. 이때 방출되는 전자에 대응하는 방출 전류(Ie)가 캐소드 전극(210)에 흐를 것이다. 하지만, 방출 전류(Ie)의 크기는 NMOS 트랜지스터(TR)의 게이트-소스 전압(Vgs)에 의존적이다. NMOS 트랜지스터(TR)의 게이트-소스 전압(Vgs)은 제너 다이오드(ZD)에 의해서 제어되는 다이오드 전압(Vz)의 레벨로 유지될 수 있다. 따라서, 방출 전류(Ie)의 크기는 제너 다이오드(ZD)의 사양 및 NMOS 트랜지스터(TR)의 사양 선택을 통해서 결정될 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전계 방출 전류 제어부(300)의 예시적 구성을 보여주는 회로도이다. 도 6을 참조하면, 전계 방출 전류 제어부(300)는 필라멘트 전류(If)를 사용하여 게이트 전극(250, 도 3 참조)에 제공되는 게이트-캐소드 전압(Vgc)을 생성할 수 있다. 그리고 전계 방출 전류 제어부(300)는 필라멘트 전류(If)를 사용하여 캐소드 전극(210, 도 3 참조)을 통해서 흐르는 방출 전류(Ie)를 안정적으로 제어할 수 있다.
전계 방출 전류 제어부(300)는 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 필라멘트 전류(If)를 제공받는다. 전계 방출 전류 제어부(300)는 필라멘트 전류(If)를 저항(R3)에 인가하여 입력 전압(Vin)으로 변환한다. 입력 전압(Vin)은 음의 고전압(NHV)에 대해 상대적으로 높은 전압이다. 즉, 제 2 노드(N2)의 전위는 음의 고전압(NHV) 레벨로 유지되고, 제 1 노드(N1)의 전위는 음의 고전압(NHV)에 대해 입력 전압(Vin)만큼 높은 레벨이 될 것이다.
입력 전압(Vin)은 DC-DC 컨버터(310)에 제공된다. DC-DC 컨버터(310)는 입력 전압(Vin)을 출력 전압(Vout)으로 승압한다. 출력 전압(Vout)은 게이트 전극(250)에 제공될 수 있다. DC-DC 컨버터(310)의 입력 전압(Vin)과 출력 전압(Vout) 모두 음의 고전압(NHV)보다 수 V 내지 수 kV 높은 레벨로 제공될 수 있을 것이다. 결국, 출력 전압(Vout)은 필라멘트 전류(If)의 크기로 제어될 수 있음을 알 수 있다. 출력 전압(Vout)은 필라멘트 전류(If)에 대해 선형적으로 가변되기 때문에, 필라멘트 전류(If)의 제어를 통해서 음의 고전압(NHV)을 기준으로 용이하게 게이트-캐소드 전압을 제공할 수 있다.
더불어, 전계 방출 전류 제어부(300)는 안정적인 방출 전류(Ie)를 제공하기 위하여, 저항(R4), 제너 다이오드(ZD), 그리고 NMOS 트랜지스터(TR)를 포함할 수 있다. 각각 직렬 연결된 저항(R4)과 제너 다이오드(ZD)는 입력 전압(Vin)을 분배(Divide)한다. 그리고 입력 전압(Vin)이 제너 다이오드(ZD)에 의해서 분배된 다이오드 전압(Vz)이 NMOS 트랜지스터(TR)의 게이트-소오스(Gate-Source) 전압으로 제공된다. 그리고 NMOS 트랜지스터(TR)의 드레인 단(D)은 캐소드 전극(210)에 연결된다.
상술한 조건에서, 캐소드 전극(210)에는 음의 고전압(NHV)이 제공되고, 게이트 전극(250)에는 출력 전압(Vout)이 제공되면, 전자 방출 에미터(215)에는 전자들의 방출이 시작된다. 전자들의 방출에 따라 생성되는 방출 전류(Ie)는 NMOS 트랜지스터(TR)의 드레인(D) 측으로 유입될 것이다. 하지만, NMOS 트랜지스터(TR)의 게이트-소오스 전압의 레벨이 다이오드 전압(Vz)으로 유지됨에 따라 NMOS 트랜지스터(TR)의 채널 사이즈는 고정된 상태를 유지할 것이다. 따라서, 방출 전류(Ie)의 레벨은 제너 다이오드(ZD)의 특성에 따라 안정적인 값으로 고정될 수 있다. 결국, 필라멘트 전류(If)의 크기를 조정하여 게이트 전압의 레벨과 방출 전류(Ie)의 크기 조정이 가능하다.
이상의 설명에 따르면, 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 특성에 따라 전계 방출 전류 제어부(300)의 제반 파라미터들이 용이하게 선택될 수 있다. 즉, 전계 방출 전류 제어부(300)에 포함되는 DC-DC 컨버터(310)의 승압비, 제너 다이오드(ZD)의 항복 전압, NMOS 트랜지스터(TR)의 사이즈 등은 요구되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 특성에 따라 선택될 수 있을 것이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 구동을 위한 전원 공급 방법을 간략히 보여주는 순서도이다. 도 6 내지 도 7을 참조하여, 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 전원을 제공하기 위한 전계 방출 전류 제어부(300)의 동작이 순차적으로 기술될 것이다.
S110 단계에서, 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 음의 고전압(NHV), 그리드 전압(Vgrd), 그리고 필라멘트 전류(If)를 공급받는다. 여기서, 그리드 전압(Vgrd)에 대한 전계 방출 전류 제어부(300)의 전달 동작은 앞선 실시 예의 설명에서 상세히 기술되지 않았다. 그리드 전압(Vgrd)은 전계 방출 전류 제어부(300)에서의 별도의 처리없이 직접적으로 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)로 제공될 수 있다. 더불어, 그리드 전압(Vgrd)은 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 초점 전극(230)에 제공되기 위하여 전계 방출 전류 제어부(300)나 다른 수단에 의해서 조정될 수도 있음은 잘 이해될 것이다.
S120 단계에서, 전계 방출 전류 제어부(300)는 필라멘트 전류(If)를 사용하여 입력 전압(Vin)을 생성한다. 즉, 전계 방출 전류 제어부(300)는 전압 생성을 위한 저항에 필라멘트 전류(If)를 인가하여 입력 전압(Vin)으로 생성할 수 있다. 입력 전압(Vin)은 음의 고전압(NHV)을 기준으로 상대적인 전압을 의미한다. 즉 입력 전압(Vin)은 음의 고전압(NHV)보다 수 V 또는 수십 V 높은 레벨을 의미한다.
S130 단계에서, 전계 방출 전류 제어부(300)는 입력 전압(Vin)을 승압하여 게이트 전극(250)에 제공하기 위한 출력 전압(Vout)으로 출력한다. 즉, 입력 전압(Vin)은 DC-DC 컨버터(310)에 입력되어 승압된 출력 전압(Vout)으로 출력될 것이다. 입력 전압(Vin) 및 출력 전압(Vout) 모두 음의 고전압(NHV)을 기준으로 수 V 내지 수 kV 높은 값들이 될 것이다.
S140 단계에서, 전계 방출 전류 제어부(300)는 입력 전압(Vin)을 전압 분배하거나 제너 다이오드(ZD)와 같은 정전압 소자를 사용하여 전류 제어 전압(Vz)을 생성한다. 전류 제어 전압(Vz)은 캐소드 전극(210)에 음의 고전압(NHV)을 전달하는 NMOS 트랜지스터(TR)의 게이트-소오스 전압으로 제공될 수 있다.
S150 단계에서, 음의 고전압(NHV)을 캐소드 전극(210)에, 출력 전압(Vout)을 게이트 전극(250)에, 그리고 그리드 전압(Vgrd)을 초점 전극(230)에 인가하면 전자 방출 에미터(215)에서 전자들이 방출되기 시작할 것이다. 그리고 전자 방출 에미터(215)에서 방출되는 전자들에 기인한 방출 전류(Ie)는 전류 제어 전압(Vz)에 의해서 고정된 레벨을 유지하게 될 것이다.
이상에서는 본 발명의 실시 예에 따른 애노드 전극(270)이 접지되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)에 전원을 공급하는 방법이 간략히 설명되었다. 먼저, 열전자 방출형 엑스선 발생기(100)로부터 음의 고전압(NHV), 필라멘트 전류(If), 그리드 전압(Vgrd)을 제공받는다. 그리고 필라멘트 전류(If)를 사용하여 음의 고전압(NHV)을 기준으로 소정의 레벨 상승된 출력 전압(Vout)과 전류 제어 전압(Vz)를 생성한다. 출력 전압(Vout)은 게이트 전극(250)에 제공되고, 음의 고전압(NHV)은 캐소드 전극(210)에 제공된다. 그리고 전류 제어 전압(Vz)은 음의 고전압(NHV)을 캐소드 전극(210)에 전달하는 트랜지스터의 게이트-소오스 전압으로 사용된다. 이러한 본 발명의 전원 공급 방식을 사용하면, 애노드 전극(270)이 접지되는 형태의 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200)의 전원을 효율적으로, 그리고 안정적으로 제공할 수 있다.
도 8은 본 발명의 엑스선 발생기(10)의 구동 특성을 예시적으로 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 입력 전류(Iin)는 전계 방출 전류 제어부(300)에 입력되는 전류를 의미한다. 즉, 입력 전류(Iin)는 필라멘트 전류(If)일 수 있다. 입력 전류(Iin)의 크기에 따라 입력 전압(Vin)의 변화를 나타내는 곡선(410), 출력 전압(Vout)의 변화를 나타내는 곡선(420), 그리고 방출 전류(Ie)의 크기를 나타내는 곡선(430)이 각각 도시되어 있다.
곡선(410)에 따라면, 0.3A 이상의 입력 전류(Iin) 범위에서 입력 전압(Vin)은 입력 전류(Iin)에 대해 선형적으로 증가하는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 입력 전압(Vin)에 대해 특정 승압율로 승압된 출력 전압(Vout)도 입력 전류(Iin)에 대해 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 이러한 출력 전압(Vout)의 형태는 곡선(420)으로 표현되어 있다.
더불어, 곡선(430)을 참조하면, 방출 전류(Ie)는 0.3A 이상의 입력 전류(Iin) 범위에서는 안정적인 레벨을 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 이 구간에서 입력 전류(Iin)의 크기가 변하더라도 방출 전류(Ie)는 거의 500㎂ 레벨을 유지하고 있음을 확인할 수 있다.
상술한 도면을 참조하면, 본 발명의 전계 방출 전류 제어부(300)에 의한 안정적인 게이트-캐소드 전압과 방출 전류(Ie)의 제어가 가능함을 의미한다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시 예에 따른 엑스선 발생기(10)의 방출 전류(Ie) 게이트 전압의 안정적인 출력을 보여주는 그래프이다. 도 9a는 필라멘트 전류(If)를 고정하였을 때, 시간의 경과에 따른 게이트 전압과 방출 전류(Ie)의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 9b는 필라멘트 전류(If)를 고정하였을 때 음의 고전압(NHV)의 레벨 변화에 따른 게이트 전압과 방출 전류(Ie)의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9a를 참조하면, 시간의 경과에 따른 게이트-캐소드 전압(Vout)과 방출 전류(Ie)의 레벨 변화가 도시되어 있다. 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200, 도 3 참조)의 애노드 전극(270)을 접지하고, 필라멘트 전류(If)를 0.5A로 고정적으로 제공한 경우에 게이트-캐소드 전압(Vout)이 시간의 변화에 따라 곡선(510)으로 도시되어 있다. 그리고 동일 조건에서 시간의 경과에 따라 방출 전류(Ie)의 레벨의 변화를 보여주는 곡선(520)이 도시되어 있다. 결국, 필라멘트 전류(If)가 고정적으로 제공되면, 시간에 관계없이 일정한 레벨의 게이트-캐소드 전압(Vout)이 제공될 수 있으며, 방출 전류(Ie)도 타깃 레벨을 유지할 수 있음을 보여준다.
도 9b를 참조하면, 전계 전자 방출형 엑스선 발생기(200, 도 3 참조)의 애노드 전극(270)을 접지하고, 필라멘트 전류(If)를 0.5A로 고정시키고, 음의 고전압(NHV)을 순자적으로 가변한 경우의 전압 및 전류 특성이 도시되어 있다. 이때, 캐소드 전극(210)과 게이트 전극(250) 사이의 게이트-캐소드 전압(Vout)은 곡선(530)에 나타난 바와 같이 약 2.0kV를 일정하게 유지함을 알 수 있다. 그리고 음의 고전압(NHV)의 레벨 변화에 대해서 방출 전류(Ie)의 레벨도 곡선(540)에 도시된 것과 같이 일정한 값을 유지한다.
이상의 본 발명의 전계 방출 전류 제어부(300)에 따르면, 필라멘트 전류(If)가 고정적으로 제공되면, 음의 고전압(NHV)을 기준으로 시간에 관계없이 일정한 레벨의 게이트-캐소드 전압(Vout)이 제공될 수 있음을 알 수 있다. 더불어, 방출 전류(Ie)도 안정적으로 제공될 수 있음을 확인할 수 있다.
위에서 설명한 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 예들이다. 본 발명에는 위에서 설명한 실시 예들뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경하거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들도 포함될 것이다. 또한, 본 발명에는 상술한 실시 예들을 이용하여 앞으로 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다.

Claims (19)

  1. 음의 고전압 및 필라멘트 전류를 생성하는 열전자 방출형 엑스선 발생기;
    접지되는 애노드 전극을 포함하고, 상기 음의 고전압을 사용하여 캐소드 전극을 바이어스하는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기; 그리고
    상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 게이트 전극에 제공되는 출력 전압으로 생성하고, 상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 캐소드 전극에 흐르는 방출 전류의 레벨을 특정 레벨로 고정시키는 전계 방출 전류 제어부를 포함하는 엑스선 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전계 방출 전류 제어부는 상기 필라멘트 전류를 입력 전압으로 변환하기 위한 제 1 저항을 포함하는 엑스선 발생기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전계 방출 전류 제어부는 상기 입력 전압을 상기 출력 전압으로 승압하는 DC-DC 변환기를 포함하는 엑스선 발생기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전계 방출 전류 제어부는:
    상기 입력 전압을 정전압의 전류 제어 전압으로 변환하는 정전압 소자; 및
    상기 전류 제어 전압에 응답하여 상기 음의 고전압을 상기 캐소드 전극에 전달하는 스위치 소자를 포함하는 엑스선 발생기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전계 방출 전류 제어부는 상기 입력 전압을 전압 분배하기 위한 제 2 저항을 포함하고, 상기 정전압 소자는 상기 제 2 저항에 직렬 연결되는 엑스선 발생기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위치 소자는 상기 음의 고전압을 상기 캐소드 전극에 전달하는 트랜지스터로 제공되며, 상기 전류 제어 전압은 상기 트랜지스터의 게이트-소오스 전압으로 제공되는 엑스선 발생기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 정전압 소자는 제너 다이오드인 것을 특징으로 하는 엑스선 발생기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기는 상기 열전자 방출형 엑스선 발생기의 그리드 전압을 초점 전압으로 제공받는 엑스선 발생기.
  9. 애노드 전극이 접지되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기; 그리고
    소스 전류를 제공받아 음의 고전압을 기준으로 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 게이트 전극에 제공되는 출력 전압을 생성하고, 상기 소스 전류를 이용하여 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 캐소드 전극에 흐르는 방출 전류를 제어하는 전계 방출 전류 제어부를 포함하되,
    상기 소스 전류는 열전자 방출형 엑스선 발생기의 필라멘트 전류인 것을 특징으로 하는 엑스선 발생기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전계 방출 전류 제어부는 제 1 저항을 사용하여 상기 소스 전류를 상기 음의 고전압보다 높은 입력 전압으로 변환하는 엑스선 발생기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전계 방출 전류 제어부는 상기 입력 전압을 상기 출력 전압으로 승압하는 DC-DC 변환기를 포함하는 엑스선 발생기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전계 방출 전류 제어부는, 상기 입력 전압을 분배하기 위한 제 2 저항과, 상기 제 2 저항에 직렬 연결되는 제너 다이오드를 포함하는 엑스선 발생기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전계 방출 전류 제어부는 상기 음의 고전압을 상기 캐소드 전극에 전달하기 위한 NMOS 트랜지스터를 포함하며, 상기 제너 다이오드의 양단에 분배된 전압이 상기 NMOS 트랜지스터의 게이트-소오스 전압으로 제공되는 엑스선 발생기.
  14. 삭제
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기는 상기 열전자 방출형 엑스선 발생기의 그리드 전압을 제공받아 초점 전극에 제공하는 엑스선 발생기.
  16. 애노드 전극이 접지되는 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 구동 방법에 있어서:
    열전자 방출형 엑스선 발생기로부터 음의 고전압 및 필라멘트 전류를 제공받는 단계;
    상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 게이트 전극에 제공되는 출력 전압을 생성하는 단계;
    상기 필라멘트 전류를 변환하여 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 캐소드 전극에 흐르는 방출 전류를 제어하기 위한 전류 제어 전압을 생성하는 단계; 및
    상기 출력 전압을 상기 게이트 전극에 제공하고, 상기 전류 제어 전압을 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 캐소드 전극에 상기 음의 고전압을 전달하기 위한 트랜지스터의 게이트-소오스 전압으로 인가하는 단계를 포함하는 구동 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 출력 전압을 생성하는 단계는:
    저항을 이용하여 상기 필라멘트 전류를 입력 전압으로 변환하는 단계; 및
    상기 입력 전압을 승압하여 상기 출력 전압으로 생성하는 단계를 포함하는 구동 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전류 제어 전압을 생성하는 단계에서 상기 전류 제어 전압은 상기 입력 전압을 분배하고 분배된 전압을 제너 다이오드를 사용하여 정전압으로 생성하는 구동 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 열전자 방출형 엑스선 발생기의 그리드 전압을 제공받아 상기 전계 전자 방출형 엑스선 발생기의 초점 전극에 제공하는 단계를 더 포함하는 구동 방법.
KR1020160066717A 2016-05-25 2016-05-30 엑스선 발생기 및 그것의 구동 방법 KR102165886B1 (ko)

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