KR102195101B1 - X선관 - Google Patents
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Abstract
홀더 샤프트로부터 방사되는 불필요한 X선을 저감시켜서 선명한 X선 화상을 얻을 수 있는 X선관을 제공한다. 전자 빔 B를 발생시키는 전자원(12)과, 해당 전자 빔 B를 가속됨과 함께 전자 빔 B를 통과시키는 구멍(13a)을 갖는 애노드(13)와, 해당 애노드(13)의 구멍(13a)을 통과한 전자 빔 B를 통과시키는 통로를 형성하는 통 형상의 홀더 샤프트(14)와, 해당 홀더 샤프트(14)의 주위에 배치되어 전자 빔 B를 수렴하는 자기 렌즈(17)와, 홀더 샤프트(14)에 연결된 타깃 홀더(15)와, 해당 타깃 홀더(15) 내에 배치되어서 전자 빔 B가 충돌하는 타깃(16)과, 타깃 홀더(15)에 배치되고, 타깃(15)으로부터 발생한 X선을 외부로 취출하기 위한 조사 창(15b)을 갖고, 홀더 샤프트(14)의 내벽이 카본재로 형성되도록 하여, 전자 빔 B가 홀더 샤프트(14)에 닿았을 때에 발생하는 X선을 저감한다.
Description
본 발명은, X선 발생 장치에서 사용하는 X선관에 관한 것으로, 특히 미소 초점으로부터 조사를 행하는 X선관에 관한 것이다.
검사 대상물의 미세한 내부 구조를 투시 X선이나 X선 CT에 의해 비파괴 검사할 때에, 흐려짐이 없는 선명한 X선 화상을 얻기 위하여 미소 초점을 갖는 X선관을 사용한 마이크로 포커스 X선 검사 장치가 사용되고 있다. 마이크로 포커스 X선 검사 장치 등에 사용하는 X선관은, 자기 렌즈에 의해 ㎛ 레벨까지 좁힌 전자 빔을 타깃에 조사함으로써 작은 X선 초점을 실현하고 있다(특허문헌 1 참조).
이러한 마이크로 포커스 X선 검사 장치에 사용되는 X선관의 구성 일례를 도 3에 도시한다. 진공 게이지 G 및 터보 분자 펌프 TMP가 설치되어, 고진공 배기된 진공 챔버(11) 내에서 부전압이 인가되어 음극이 되는 필라멘트(전자원)(12)로부터, 접지된 애노드(13)를 향하여 전자 빔 B가 출사된다. 애노드(13)의 중앙에는 구멍(13a)이 설치되어 있고, 전자 빔 B는 가속되어 애노드(13)의 구멍(13a)을 통과하고, 추가로 이 구멍(13a)에 연통 접속된 원통형의 홀더 샤프트(14)를 통과하여 타깃 홀더(15) 내에 배치된 타깃(16)에 조사된다. 타깃 홀더(15)의 외측은 수냉 기구(15a)(공랭 기구여도 됨)로 냉각하고 있다.
홀더 샤프트(14)의 외측에는, 전자 빔 B를 수렴하는 자기 렌즈(17), 방향을 조정하는 편향기(18)가 설치되어 있고, 홀더 샤프트(14)를 통과하는 전자 빔 B는 자기 렌즈(17)에 의해 ㎛ 레벨까지 좁혀져서, 타깃(16) 상의 X선 초점에 포커스된다.
타깃(16)은 자기 렌즈(17)의 선단측에 마련되지만, 초점을 작게 좁히도록 하기 위해서는 자기 렌즈(17)의 선단 부분을 완전히 축 대칭형으로 할 필요가 있다. 자기 렌즈(17)에 고정 구멍 등의 고정부를 설치하면 대칭성이 무너지기 때문에, 홀더 샤프트(14)는 애노드(13)측에서 플랜지(19)를 개재하여 O링 시일(20)에 의해 기밀하게 고정하고 있다.
전자 빔 B가 통과하는 홀더 샤프트(14)는 내경 10mm 정도이고, 이 홀더 샤프트(14)에는 자화되기 어려울 것, 방열성을 가질 것, 또한 전자 빔 B가 내벽에 닿으면 국소적으로 고온이 되기 때문에 고융점일 것이 요구되고 있다. 그리고, 이들 요구를 충족시키는 재료로서 텅스텐 합금이 사용되고 있다.
즉, 텅스텐은 융점이 3685K이고 비자성인 중금속이고, 전자 빔에 의한 국소적인 온도 상승에 대해서도 충분히 내성을 갖는다. 단, 단체 금속이면 가공성이 떨어진다는 점에서 가공 용이함을 부여하기 위해 텅스텐 합금으로 하여 사용하고 있다. 또한, 타깃 홀더(15)에 대해서도 X선 조사창 이외의 방향으로부터의 X선의 출사를 방지하는 관점에서 텅스텐 합금을 사용하고 있고, 타깃 홀더(15)와 홀더 샤프트(14)는 경납땜으로 고정하고 있다.
그런데, 상술한 X선관에서는, 전자 빔 B가 홀더 샤프트(14)의 내벽에 닿지 않도록 통과시키는 것이 바람직하기는 하지만 실제로는 곤란하고, 홀더 샤프트(14) 내를 통과하는 전자 빔 B는, 그 중 일부가 홀더 샤프트(14)의 내벽에 닿아서 X선이 발생한다.
이미 설명한 바와 같이, 홀더 샤프트(14)에는 텅스텐 합금이 사용되고 있다. 그리고, 전자 빔이 양극에 닿았을 경우의 양극에서의 X선 발생 효율은, 양극 재료의 원자 번호에 의존한다는 것이 알려져 있다. 텅스텐은 중금속이기 때문에, 원자 번호가 비교적 크고, 텅스텐 합금이어도 상당량의 X선이 발생한다.
전자 빔 B가 닿음으로써 홀더 샤프트(14)의 내벽으로부터도 X선이 발생하면, 가령 자기 렌즈(17)로 전자 빔 B를 수렴시켜도, 타깃(16) 상의 X선 초점으로부터 방사된 X선뿐만 아니라, 홀더 샤프트(14)의 내벽으로부터 발생한 X선의 일부도 X선 조사창으로부터 출사하게 되고, 그 결과, X선 검사 등에서 얻어지는 X선 화상은 불선명하여 흐릿한 화상이 된다.
그래서 본 발명은, 홀더 샤프트로부터 방사되는 불필요한 X선을 저감시켜서 선명한 X선 화상을 얻을 수 있는 X선관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 본 발명에 따른 X선관은, 전자 빔을 발생시키는 전자원과, 해당 전자 빔을 가속함과 함께 상기 전자 빔을 통과시키는 구멍을 갖는 애노드와, 해당 애노드의 구멍을 통과한 전자 빔을 통과시키는 통로를 형성하는 통 형상의 홀더 샤프트와, 해당 홀더 샤프트의 주위에 배치되어 상기 전자 빔을 수렴하는 자기 렌즈와, 상기 홀더 샤프트에 연결된 타깃 홀더와, 해당 타깃 홀더 내에 배치되어서 상기 전자 빔이 충돌하는 타깃과, 상기 타깃 홀더에 배치되어서 상기 타깃으로부터 발생한 X선을 외부로 취출하기 위한 조사 창을 갖는 X선관이며, 상기 홀더 샤프트는 내벽이 카본재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 카본재에는, 구체적으로는 그래파이트, 다이아몬드, 카본 나노 물질(카본 나노 튜브)과 같은 융점(승화점)이 높은 재료가 이용 가능하다.
본 발명에 따르면, 홀더 샤프트의 내벽이 카본재로 형성되어 있다. 일반적으로, X선의 발생 효율 A는 다음 식 (1)로 부여된다.
발생 효율 (A)=C×Z×V ···(1)
여기서, C: 상수(1.1×10-9), Z: 양극의 원자 번호, V: 관 전압
그리고, 텅스텐의 원자 번호는 74, 카본의 원자 번호는 6이다. 관 전압이 일정(예를 들어 100kV)하면, 전자는 0.814％, 후자는 0.066％이고, 원자 번호의 크기에 비례하여 모든 관전압에서 발생 효율이 1/10 이하로 변화한다.
따라서, 텅스텐에 비하여 원자 번호가 충분히 작은 카본을 사용함으로써, 전자 빔이 홀더 샤프트에 닿았을 때에 발생하는 X선량을 대폭으로 저감할 수 있다. 게다가 융점이 텅스텐에 필적(텅스텐은 3685K)하고, 진공 중에서의 승화점도 3915K 이상이고, 국소적으로 고온이 되어도 충분한 내성을 갖고 있다.
상기 발명에 있어서, 상기 카본재는 카본 함유율이 99.9％ 이상(질량비)인 것이 바람직하다.
불순물을 포함하는 카본재로 형성한 홀더 샤프트는, 벽면에 전자 빔이 닿으면 국소적으로 고온이 되고, 융점이 낮은 불순물은 진공 중에서 승화하여 진공도가 악화된다. 이 현상은 X선관에 있어서는 방전의 원인이 되어 X선관의 안정성이 손상되는 요인이 된다. 따라서, 카본 함유율을 99.9％ 이상으로 하여, 융점 및 승화점이 낮은 카본 이외의 불순물을 최대한 적게 함으로써, 안정되게 X선을 조사시킬 수 있다.
또한, 상기 발명에 있어서, 상기 카본재는 열 이방성을 갖는 그래파이트이고, 양호 열전도 방향을 상기 홀더 샤프트의 축 방향으로 향하게 하는 것이 좋다.
이것에 의하면, 홀더 샤프트에 발생한 열을 타깃 홀더에 전달시켜서 방열함으로써, 방열이 효율적으로 행하여지게 된다.
특히, 그래파이트를 사용하는 경우에는, 양호 열전도 방향의 열전도율이 1000W/(m·K) 이상이 되는 것이 얻어진다. 구체적으로는, 예를 들어 가부시키가이샤 서모그래피 디크스제의 인조 그래파이트인 PYROID(등록 상표)의 그레이드 HT(카본 함유율 99.999질량％, 밀도 2.22g/㎤)를 사용함으로써, 양호 열전도 방향의 열전도율을 1700W/(m·K)로 할 수 있으므로, 효율적으로 방열시킬 수 있다.
또한, 상기 발명에 있어서, 상기 홀더 샤프트의 내벽의 카본재는, 적어도 애노드측의 일부의 외벽을 비자성 또한 상기 카본재보다 고강도의 커버로 덮음과 함께 당해 커버를 개재하여 유지되게 해도 된다.
카본재는 취성을 갖는다. 그 때문에, 적어도 고정 부분이 되는 애노드측의 외벽을 비자성으로 홀더 샤프트의 카본재보다도 고강도의 커버로 덮도록 함으로써, 이 부분에서 안전하게 홀더 샤프트를 고정할 수 있게 된다.
당해 커버에 사용하는 재료로서는, 구체적으로는 티타늄, 또는 홀더 샤프트의 카본재보다도 고강도의 그래파이트(예를 들어 도요 탄소제 고강도 그래파이트)를 사용할 수 있다.
본 발명에 따르면, 전자 빔을 통과시키는 홀더 샤프트의 내벽을 카본재로 했으므로, 전자 빔이 닿았을 때에 발생하는 X선량을 대폭으로 저감할 수 있고, 게다가 적어도 종래와 동일한 정도 이상의 열적인 내성을 유지시킬 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태인 X선관의 전체 구성을 도시하는 도면.
도 2는, 도 1의 X선관의 특징적 부분을 도시하는 도면.
도 3은, 마이크로 포커스 X선의 조사를 행하는 X선관의 종래예를 도시하는 도면.
도 2는, 도 1의 X선관의 특징적 부분을 도시하는 도면.
도 3은, 마이크로 포커스 X선의 조사를 행하는 X선관의 종래예를 도시하는 도면.
이하, 본 발명에 따른 X선관의 실시예에 대하여 도면을 사용하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 마이크로 포커스 X선 검사 장치에 사용되는 X선관의 전체 구성을 도시하는 도면이고, 도 2는 그 홀더 샤프트 부분을 포함하는 특징적인 구조 부분의 확대도이다. 또한, 도 3에서 설명한 것과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 첨부하고 있다.
본 발명에 따른 X선관은, 진공 게이지 G 및 터보 분자 펌프 TMP가 설치되고, 고진공 배기된 진공 챔버(11) 내에 부전압이 인가되어 음극이 되는 필라멘트(전자원)(12)가 배치되어 있다. 필라멘트(12)로부터는, 접지된 애노드(13)를 향하여 전자 빔 B가 출사된다. 애노드(13)의 중앙에는 구멍(13a)이 설치되어 있고, 전자 빔 B는 가속되어서 애노드(13)의 구멍(13a)을 통과하고, 추가로 이 구멍(13a)에 연통 접속된 원통형의 홀더 샤프트(14)를 통과하여 타깃 홀더(15) 내에 배치된 타깃(16)에 조사된다. 타깃 홀더(15)의 외측은 수랭 기구(15a)(공랭 기구여도 됨)로 냉각하고 있다.
홀더 샤프트(14)의 외측에는, 전자 빔 B를 수렴하는 자기 렌즈(17), 방향을 조정하는 편향기(18)가 설치되어 있고, 홀더 샤프트(14)를 통과하는 전자 빔 B는 자기 렌즈(17)에 의해 ㎛ 레벨까지 좁혀져서, 타깃(16) 상의 X선 초점에 포커스된다.
본 실시 형태의 X선관에서는, 홀더 샤프트(14)는 자기 렌즈(17)에 둘러싸인 선단측의 홀더 샤프트(14a)(내경 φ10mm, 길이 160mm 정도)와, 편향기(18)에 둘러싸인 근원측의 홀더 샤프트(14b)로 분할되어 있다. 근원측 홀더 샤프트(14b)는, 도 3에 도시한 종래 구조의 홀더 샤프트(14)와 동일한 텅스텐 합금이 사용되고, 플랜지(19)를 개재하여 진공 챔버(11)에 O링 시일(20)을 개재하여 고정 지지하고 있다.
선단측 홀더 샤프트(14a)와의 연결 부분에는, 선단측 홀더 샤프트(14a)의 내벽에 단차부(14c)가 형성되어 있고, 이 단차부(14c)에 O링 시일(20)을 개재시켜서 기밀하게 접속하고 있다.
선단측 홀더 샤프트(14a)는 통 형상의 카본재, 바람직하게는 퓨어 카본이 사용되고 있다. 구체적으로는, 가부시키가이샤 서모그래피 디크스제 인조 그래파이트, PYROID의 그레이드 HT(카본율 99.999％, 밀도 2.22g/㎤, 열전도율이 1700)W/(m·K))를 사용하여, 그 양호 열전도 방향이 선단측 홀더 샤프트(14a)의 축 방향(길이 방향)이 되도록 가공하고 있다.
즉 진공 중이어도 양호 열전도 방향을 따라서 열이 전달되고, 타깃 홀더(15)의 수냉 기구(15a)를 이용하여 효율적으로 방열하도록 하고 있다.
타깃 홀더(15)(텅스텐 합금)와 선단측 홀더 샤프트(14a)(카본재)의 접속 부분은 경납땜하고 있다. 또한, 카본재가 그래파이트인 경우에는, 후술하는 커버(21)와의 접합 부분도 포함하여, 여러가지 금속과의 접합이 가능한 콤포로이드의 기술로 접합할 수도 있다.
선단측 홀더 샤프트(14a)의 애노드(13)에 가까운 측의 단부 근방에는, 선단측 홀더 샤프트(14a)의 외측에 티타늄 등의 비자성 재료로 카본재보다 고강도의 커버(21)가 설치되어 있다. 커버(21)의 외주면 일부에는 커트면(D 커트면)(21a)이 형성되고, 커버(21)에 지지되는 샤프트 고정부(22) 및 샤프트 고정용의 나사(23)를 커트면(21a)에 맞닿음으로써, 타깃 홀더(15)의 일부에 설치한 X선 조사창(15b)의 방향에 출사 방향이 향하도록 고정함과 함께, 그 위치에서 회전이 어긋나지 않도록 하고 있다.
또한, 상기의 커버(21)와 같이 선단측 홀더 샤프트(14a)의 일부를 덮는 것이 아닌, 자기 렌즈(17)에 둘러싸이는 부분도 포함한 선단측 홀더 샤프트(14a)의 전체를 덮는 커버로 해도 된다.
이와 같이, 적어도 전자 빔 B가 닿기 쉬운 영역의 선단측 홀더 샤프트(14a)의 내벽을 카본재인 그래파이트로 함으로써, 가령 전자 빔이 닿았다고 해도 X선의 발생 효율을 억제하여 불필요한 X선의 발생을 저감시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
예를 들어, 상기 실시예에서는 자기 렌즈(17)에 둘러싸인 선단측 홀더 샤프트(14a)와, 편향기(18)에 둘러싸인 근원측 홀더 샤프트(14b)로 분할하고, 선단측 홀더 샤프트(14a)만을 카본재를 포함하는 것으로 했지만, 전체가 카본재를 포함하는 하나의 홀더 샤프트(14)로 해도 된다. 이 경우에는 애노드(13)에 가까운 측의 홀더 샤프트(14) 단부 근방의 외측에 비자성 재료를 포함하는 커버(21)를 설치하고, 도 3에 도시한 종래예와 동일하게 플랜지(19)로 진공 챔버(11)에 고정 유지하면 된다.
본 발명은, 마이크로 포커스 X선 검사 장치 등에 사용되는 X선관에 이용할 수 있다.
11: 진공 챔버
12: 필라멘트(전자원)
13: 애노드
14: 홀더 샤프트
14a: 선단측 홀더 샤프트
14b: 근원측 홀더 샤프트
14c: 단차부
15: 타깃 홀더
15a: 수냉 기구
15b: X선 조사창
16: 타깃
17: 자기 렌즈
18: 편향기
19: 플랜지
20: O링 시일
21: 커버
21a: 커트면
B: 전자 빔
12: 필라멘트(전자원)
13: 애노드
14: 홀더 샤프트
14a: 선단측 홀더 샤프트
14b: 근원측 홀더 샤프트
14c: 단차부
15: 타깃 홀더
15a: 수냉 기구
15b: X선 조사창
16: 타깃
17: 자기 렌즈
18: 편향기
19: 플랜지
20: O링 시일
21: 커버
21a: 커트면
B: 전자 빔
Claims (4)
- 전자 빔을 발생시키는 전자원과, 해당 전자 빔을 가속함과 함께 상기 전자 빔을 통과시키는 구멍을 갖는 애노드와, 해당 애노드의 구멍을 통과한 전자 빔을 통과시키는 통로를 형성하는 통 형상의 홀더 샤프트와, 해당 홀더 샤프트의 주위에 배치되어 상기 전자 빔을 수렴하는 자기 렌즈와, 상기 홀더 샤프트에 연결된 타깃 홀더와, 해당 타깃 홀더 내에 배치되어서 상기 전자 빔이 충돌하는 타깃과, 상기 타깃 홀더에 배치되어서 상기 타깃으로부터 발생한 X선을 외부로 취출하기 위한 조사 창을 갖는 X선관이며,
상기 홀더 샤프트는 내벽이 카본재로 형성되며,
상기 카본재는 열 이방성을 갖는 그래파이트이고, 양호 열전도 방향을 상기 홀더 샤프트의 축 방향으로 향하게 한 X선관. - 전자 빔을 발생시키는 전자원과, 해당 전자 빔을 가속함과 함께 상기 전자 빔을 통과시키는 구멍을 갖는 애노드와, 해당 애노드의 구멍을 통과한 전자 빔을 통과시키는 통로를 형성하는 통 형상의 홀더 샤프트와, 해당 홀더 샤프트의 주위에 배치되어 상기 전자 빔을 수렴하는 자기 렌즈와, 상기 홀더 샤프트에 연결된 타깃 홀더와, 해당 타깃 홀더 내에 배치되어서 상기 전자 빔이 충돌하는 타깃과, 상기 타깃 홀더에 배치되어서 상기 타깃으로부터 발생한 X선을 외부로 취출하기 위한 조사 창을 갖는 X선관이며,
상기 홀더 샤프트는 내벽이 카본재로 형성되며,
상기 홀더 샤프트의 내벽의 카본재는, 적어도 애노드측의 일부의 외벽을 비자성 또한 상기 카본재보다 고강도의 커버로 덮음과 함께 당해 커버를 개재하여 유지되는 X선관. - 삭제
- 삭제
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