KR102283038B1 - 엑스선 튜브 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고출력의 엑스선 튜브에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 엑스선 튜브는 절연 케이스, 상기 절연 케이스의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드 전극, 상기 절연 케이스의 타측에 상기 캐소드 전극과 대향하도록 배치되고, 상기 캐소드에서 방출된 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟을 구비한 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 게이트 전극 및 상기 에미터에서 방출된 전자의 관통을 위해 다수의 관통홀들이 형성된 절연성 기판, 상기 절연성 기판의 상면 및 하면에 각각 형성된 상부 전극 및 하부 전극 및 상기 관통홀들의 내주면에 형성된 이차전자 방출층들을 포함하고, 상기 하부 전극은 상기 게이트 전극으로 사용되는 것을 특징으로 한다. 상술한 구조를 엑스선 튜브에 적용함으로써, 고출력의 엑스선 튜브를 구현할 수 있다. 또한, 에미터를 캐소드 전극 표면상에 벌크(bulk)형상으로 형성하여 제조 공정의 단순화시킬 수 있고, 제조 공정의 난이도를 하향 시킬 수 있다.

Description

엑스선 튜브{X-RAY TUBE}
본 발명은 엑스선 튜브에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에미터로부터 방출된 전자를 전자 증폭 플레이트로 제어 및 증폭시키고, 애노느 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 방출시키는 고출력 엑스선 튜브에 관한 것이다.
일반적으로, 엑스선(X-ray) 튜브는 의료 진단용이나 비파괴 검사용 또는 화학분석용 등 다양한 검사장치 또는 진단장치에 응용되어 폭넓게 사용되고 있다.
종래의 엑스선 튜브는 전자 방출원으로 텅스텐 소재의 열음극을 사용하며, 고전압으로 텅스텐 필라멘트를 가열하여 전자를 방출시키고, 방출된 전자를 애노드 전극 측의 타겟에 충돌시켜 엑스선을 발생시키는 열음극 방식의 구조를 갖는다.
그러나, 열음극 방식의 엑스선 튜브는 전자 방출을 위해 텅스텐 필라멘트를 1000도 이상의 고온으로 상승시켜야 하므로, 전자를 방출시키기 위해 많은 전력이 소모되며, 발생되는 전자가 스파이럴 구조를 갖는 텡스텐 표면에서 무작위로 방출되기 때문에 엑스선 방출 효율이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제점을 고려하여, 최근에는 냉음극 전자 방출원으로 탄소나노튜브(CNT) 등의 나노 구조물을 이용한 전계방출형 엑스선 튜브에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
종래의 전계방출형 엑스선 튜브는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 전계방출형 엑스선 튜브(100)는 세라믹 재질의 진공 튜브(110) 내에 캐소드 전극(120), 게이트 전극(140), 및 애노드 전극(130)을 구비하고 있으며, 캐소드 전극(120)의 표면에 CNT 등의 나노 구조물로 형성된 에미터(122)로부터 방출된 전자가 게이트 전극(140)에 의해 여기 및 가속되어 애노드 전극(130) 상에 형성된 타겟(132)에 충돌하여 엑스선이 발생되는 구성을 갖는다.
이러한 탄소나노튜브 기반의 전계방출형 엑스선 튜브(100)는 열음극 방식의 엑스선 튜브에 비하여 전압의 인가만으로 전자 방출이 가능하고, 방출되는 전자가 탄소나노튜브의 길이 방향을 따라 방출되기 때문에 애노드 전극 측의 타겟을 향한 전자의 방향 지향성이 우수하여 엑스선 방출 효율이 향상된다.
그러나, 상술한 구조의 전계방출형 엑스선 튜브(100)의 경우 에미터(122)가 도 1에 도시된 바와 같이 캐소드 전극(120) 표면 전체에 형성되는 경우, 에미터(122)에서 방출되는 전자가 게이트 전극(140)에 형성되는 게이트 홀(142) 이외의 부분에서 게이트 전극(140)을 통과하지 못하고 게이트 전극(140)에 부딪혀 누설 전류가 발생하며, 누설 전류에 의해 전자 방출 효율이 낮아지는 문제가 발생하였다.
종래에는 이러한 누설 전류의 발생을 방지하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 에미터(124)를 미세패터닝하여 게이트 전극(140)에 형성된 게이트 홀(142)에 대응되는 위치에만 형성되도록 미세패터닝된 에미터(124)와 게이트 홀(142)을 얼라인(Align) 시켰다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이 게이트 홀(142)에 대응되는 위치에만 에미터(124)가 형성되도록 에미터(124)를 미세패터닝하고 얼라인(align)시키는 공정은 난이도가 높고 정확하게 게이트 홀(142)과 에미터(124)를 얼라인(align)시키는 것이 어려워 전계방출형 엑스선 튜브 제조공정을 복잡하게 하는 문제가 발생한다.
또한, 최근에는 엑스선 튜브를 치과 치료 등의 의료용으로 사용하기 위해서 고출력 및 소형화가 요구되고 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 게이트 홀(142)에 대응되는 위치에만 에미터(124)가 형성되는 경우 에미터 전체 면적이 감소하여 에미터(124)에서 방출되는 전자량이 감소되고 이에 따라 개별 에미터당 부담해야 할 전자량이 증가되어 수명의 감소를 유발할 수도 있다. 이에 따라 고출력 엑스선 튜브를 제조하기 위해서는 에미터에서 방출되는 전자량을 증가시키기 위해 엑스선 튜브의 사이즈를 크게 형성하거나, 에미터에 고전압을 인가하는 등의 방법을 활용하였다. 이는 엑스선 튜브의 소형화와 에미터 수명 및 안정성측면의 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 감안한 것으로써, 단순하고 쉬운 제조공정으로 치과 등 의료용의 엑스선 발생장치에 장착되는 고출력을 구현할 수 있는 소형 엑스선 튜브를 제공한다.
본 발명의 일 특징에 따른 엑스선 튜브는 절연 케이스, 상기 절연 케이스의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드 전극, 상기 절연 케이스의 타측에 상기 캐소드 전극과 대향하도록 배치되고, 입사되는 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟을 제공하는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 게이트 전극 및 상기 에미터에서 방출된 전자의 관통을 위해 다수의 관통홀들이 형성된 절연성 기판, 상기 절연성 기판의 상면 및 하면에 각각 형성된 상부 전극 및 하부 전극, 상기 관통홀들의 내주면에 형성된 이차전자 방출층들을 포함하는 전자 증폭 플레이트로 이루어진 엑스선 튜브에 있어서, 상기 하부 전극은 상기 게이트 전극으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 에미터는 상기 전자 증폭 플레이트의 관통홀들과 대응되는 미세패턴들을 형성하지 않고 벌크 영역으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 에미터는 상기 전자 증폭 플레이트의 다수의 관통홀들과 대응되는 영역보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 관통홀들의 직경 및 길이는 상기 전자 증폭 플레이트의 게인이 102 ~ 104 이 되도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기 이차전자 방출층은 Al2O3, MgO 및 SiO2 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전자 증폭 플레이트의 상부 전극은 외부에서 인가되는 전압인 것을 특징으로 한다.
상기 에미터는 탄소나노튜브와 같은 나노구조체로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 특징에 따른 엑스선 튜브는 절연 케이스, 상기 절연 케이스의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드 전극, 상기 절연 케이스의 타측에 상기 캐소드 전극과 대향하도록 배치되고, 입사되는 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟을 제공하는 애노드 전극, 상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 게이트 전극 및 상기 에미터에서 방출된 전자의 관통을 위해 다수의 관통홀들이 형성된 절연성 기판, 상기 절연성 기판의 상면 및 하면에 각각 형성된 상부 전극 및 하부 전극 및 상기 관통홀들의 내주면에 형성된 이차전자 방출층들을 포함하는 전자 증폭 플레이트로 이루어진 엑스선 튜브에 있어서, 상기 전자 증폭 플레이트는 복수개로 형성되고, 상기 복수개의 전자 증폭 플레이트 중 상기 에미터 전극과 가장 인접한 전자 증폭 플레이트의 하부 전극이 상기 게이트 전극으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기 에미터는 상기 전자 증폭 플레이트들의 관통홀들과 대응되는 미세패턴들을 형성하지 않고 벌크 영역으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 에미터는 상기 전자 증폭 플레이트의 다수의 관통홀과 대응되는 영역보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 전자 증폭 플레이트들 중 상기 에미터와 가장 인접한 전자 증폭플레이트의 하부 전극은 상기 게이트 전극으로 사용되며 나머지 전극들은 외부에서 인가되는 전압인 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 전자 증폭 플레이트들 각각의 관통홀들의 직경 및 길이는 상기 전자 증폭 플레이트의 전체 게인이 102 ~ 104 이 되도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기 이차전자 방출층은 Al2O3, MgO 및 SiO2 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 에미터는 탄소나노튜브와 같은 나노구조체로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와 같은 엑스선 튜브에 따르면, 에미터에서 방출되는 전자가 전자 증폭 플레이트를 통과하면서 내부 충돌에 의해 다량의 이차전자를 발생시켜 고출력의 엑스선 튜브를 구현할 수 있다.
또한, 에미터를 캐소드 전극 표면 전체 또는 일정 영역 전체에 벌크(Bulk)형상으로 형성하여도 에미터에서 방출된 전자가 게이트 전극에 부딪혀 발생하는 누설 전류보다 전자 증폭 플레이트에 의해 발생되는 이차전자가 많기 때문에 에미터를 게이트 홀에 대응되는 위치에만 형성하기 위한 미세패터닝 공정과 얼라인 공정이 불필요하여 엑스선 튜브의 제조 공정이 단순화된다.
도 1 내지 도 2는 종래의 엑스선 튜브를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 전자 증폭 플레이트를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 3에 도시된 관통홀의 직경 및 거리를 나타낸 도면이다.
도 7는 본 발명의 한 실시예에 따른 엑스선 튜브를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8는 도 7에 도시된 전자 증폭 플레이트를 나타낸 단면도이다.
도 9는 다단 전자 증폭 플레이트의 게인을 나타낸 도면이다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브(100)는 절연 케이스(110), 캐소드 전극(120), 애노드 전극(130), 전자 증폭 플레이트(150) 및 금속 구조물(162, 164)을 포함한다.
절연 케이스(110)는 원통 형상의 튜브 형태로 형성되며, 세라믹, 유리 또는 실리콘 등의 절연성 물질로 형성된다. 절연 케이스(110)은 절연성 물질로 형성되어 캐소드 전극(120)과 애노드 전극(130)을 서로 전기적으로 절연시킨다.
캐소드 전극(120)은 절연 케이스(110)의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터(122)를 포함한다. 캐소드 전극(120)은 절연 케이스(110)의 일측에 결합되어 절연 케이스(110)의 일측을 밀폐시키거나, 또는 밀폐된 절연 케이스(110)의 내부에 배치된 구조를 가질 수 있다.
에미터(122)는 전자를 방출하는 전자 방출원으로 캐소드 전극(120) 상에 형성된다. 에미터(122)는 별도의 기판에 형성되어 캐소드 전극(120)에 결합되거나, 또는 캐소드 전극(120)의 표면에 직접 형성될 수 있다. 에미터(122)는 예를 들어, 탄소나노튜브와 같은 다수의 나노 구조물로 형성될 수 있다. 탄소나노튜브로 에미터(122)를 형성할 경우, 캐소드 전극(120)의 표면에 화학기상증착법(CVD)을 이용하여 다수의 탄소나노튜브를 직접 성장시키거나, 탄소나노튜브 페이스트를 도포한 후 소성하는 등의 방법으로 형성할 수 있다.
에미터(122)는 캐소드 전극(120)의 표면에 벌크(Bulk) 형상으로 형성된다. 벌크 형상 에미터(122)란 캐소드 전극(120) 표면에 소단위 군집 형태로 형성되는 것이 아니라 캐소드 전극 표면 일정 영역 전체에 에미터가 형성되는 것을 의미한다. 이때, 일정 영역은 적어도 전자 증폭 플레이트(150)에 형성된 관통홀(152a)을 모두 포함하는 영역이다.
에미터(122)가 벌크 형상으로 형성되면 에미터 전체 면적이 증가되어 같은 전압하에서 에미터(122)로부터 방출되는 전자량이 증가되며, 이는 개별 에미터의 방출량 부담이 감소되어 수명이 크게 증가되는 효과를 가지게 된다.
애노드 전극(130)은 절연 케이스의 타측에 캐소드 전극(120)과 대향하도록 배치된다. 애노드 전극(130)은 절연 케이스(110)의 타측에 결합되어 절연 케이스(110)의 타측을 진공 밀폐시키거나, 또는 밀폐된 절연 케이스(110)의 내부에 배치된 구조를 가질 수 있다.
외부 회로로부터의 전압 인가에 의해, 캐소드 전극(120)과 애노드 전극(130) 사이에는 수십에서 수백 kV에 달하는 높은 전위차가 형성된다. 따라서, 에미터(122)에서 방출된 전자는 캐소드 전극(120)과 애노드 전극(130) 사이의 전위차에 형성된 전계효과에 의해 애노드 전극(130) 방향으로 가속된다.
애노드 전극(130)은 캐소드 전극(120) 측으로부터 입사되는 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟(132)을 제공한다. 이를 위해, 애노드 전극(130)의 타겟면에는 엑스선의 방출을 위한 별도의 타겟(132)을 형성시켜 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 방출하게 된다.
본 실시예에서의 엑스선 튜브는 한 개의 전자 증폭 플레이트(150)로 구성되고, 전자 증폭 플레이트(150)는 캐소드 전극(120)과 애노드 전극(130) 사이에 배치되어 에미터(122)의 방출 전자를 제어하며, 에미터(122)의 출력을 증폭시키는 역할을 수행한다.
전자 증폭 플레이트(150)의 하부 전극(156)을 종래 엑스선 튜브의 게이트 전극으로 사용하여 에미터(122)에서 방출되는 전자를 제어한다. 즉, 외부 회로로부터 전자 증폭 플레이트(150)의 하부 전극(156)에 전압이 인가되면 캐소드 전극(120)과 전자 증폭 플레이트(150)의 하부 전극(156) 사이에는 높은 전위차가 형성된다. 상기 전위차에 형성된 전계효과에 의해 전자 증폭 플레이트(150) 방향으로 에미터(122)로부터 방출된 전자가 가속되어 전자 증폭 플레이트(150)를 통과하도록 제어될 수 있다.
한편, 에미터(122)에서 방출된 전자가 전자 증폭 플레이트(150)를 통과하면서 이차전자가 발생되어 에미터 출력이 증폭된다. 즉, 에미터(122)에서 방출된 전자가 전자 증폭 플레이트(150)에 형성된 다수의 관통홀(152a)을 통과하면서 일어나는 내부 충돌에 의해 에미터(122)에서 방출되는 전자보다 많은 이차전자가 발생된다.
이때, 캐소드 전극(120)의 표면 전역 또는 일정 영역에 벌크 형상으로 형성되는 에미터(122)에서 방출되는 전자 중 일부 전자가 관통홀(152a)을 통과하지 못하고 전자 증폭 플레이트(150) 표면에 부딪혀 누설전류가 발생하더라도 전자 증폭 플레이트(150)의 관통홀(152a)을 통과하면서 내부충돌에 의해 발생하는 이차전자가 누설 전류보다 많아 엑스선 튜브의 에미터 출력(관전류)가 고출력을 유지할 수 있다.
즉, 전자 증폭 플레이트(150)에 의한 충분한 게인을 가지는 증폭된 전자량을 애노드 전극(130)방향으로 방출시킬 수 있고, 다시 말해 벌크 에미터(122)에서 초기에 방출되는 전자량을 낮게 유지해도 충분하므로 누설전류의 량은 극히 미미하게 발생되게 된다.
금속 구조물은 전자 증폭 플레이트(150)의 하부와 결합되는 하부 금속 구조물(162)과 전자 증폭 플레이트(150)의 상부와 결합되는 상부 금속 구조물(164)을 포함한다.
하부 금속 구조물(162)과 상부 금속 구조물(164)은 외부 회로와 연결되어 외부 회로로부터 전압을 인가 받고, 인가 받은 전압을 전자 증폭 플레이트(150)의 하부 전극(156) 및 상부 전극(154)에 전압을 인가한다.
또한, 하부 금속 구조물(162)과 상부 금속 구조물(164)은 전자 증폭 플레이트(150)가 캐소드 전극(120)의 표면에 형성된 에미터(122) 상부에 배치되도록 전자 증폭 플레이트(150)를 지지하는 역할을 수행한다.
전자 증폭 플레이트(150)는 하부 금속 구조물(162)과 상부 금속 구조물(164) 사이에 억지 끼움 등의 체결 방법으로 체결될 수도 있고, 전극 도포, 나사, 볼트, 클램프 등의 체결 수단을 이용하여 체결될 수도 있다. 전자 증폭 플레이트(150)와 하부 금속 구조물(162) 및 상부 금속 구조물(164)은 위에서 상술한 체결 방법 외에도 다양한 체결 방법에 의해 체결될 수 있다.
하부 금속 구조물(162) 및 상부 금속 구조물(164)의 구조 및 형성되는 위치는 도 3에 도시된 구조 및 위치 외에도 전자 증폭 플레이트(150)의 하부 전극(156)과 상부 전극(154)에 전압을 인가할 수 있고, 전자 증폭 플레이트(150)가 에미터(122) 상부에 위치되도록 지지 및 고정할 수 있는 구조 및 위치라면 어떠한 구조 및 위치라도 사용가능하다. 일예로, 도 4와 같이 하부 금속 구조물(162)과 상부 금속 구조물(164)이 절연케이스(110)를 관통하도록 형성될 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 전자 증폭 플레이트를 나타낸 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 관통홀의 직경 및 거리를 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 전자 증폭 플레이트(150)는 에미터(122)에서 방출된 전자의 관통을 위해 다수의 관통홀(152a)이 형성된 절연성 기판(152), 절연성 기판(152)의 상면과 하면에 각각 형성된 상부 전극(154) 및 하부 전극(156), 관통홀(152a)의 내주면에 형성된 이차전자 방출층(158)을 포함할 수 있다. 여기서, 관통홀(152a)은 원통 형상으로 형성될 수 있으며, 이차전자 방출층(158)은 금속 산화물 또는 불화물로 구성할 수 있으며 최종적으로 이차전자 방출 계수를 고려하여 금속 산화물 또는 불화물을 선택된다. 본 발명에서는 가급적 이차전자 방출계수가 큰 Al2O3, MgO, SiO2, La2O3 등의 산화물이나, CaF2, MgF2 등의 불화물을 이용한다.
전자 증폭 플레이트(150)의 상부 전극(154)과 하부 전극(156) 사이에 전압을 인가하면, 절연성 기판(152)의 관통홀(152a) 내부로 입사되는 전자가 이차전자 방출층(158)과 충돌한 후, 상부 전극(154)과 하부 전극(156) 사이의 전위차에 의해 2차전자와 함께 가속되어 관통홀(152a) 밖으로 방출된다.
전자 증폭 플레이트(150)의 하부 전극(156)에는 에미터(122)에서 방출되는 전자를 제어할 수 있도록 캐소드 전극(120)에 인가되는 캐소드 전압보다 큰 전압이 인가되고, 상부 전극(154)에는 전자 증폭 플레이트(150)를 통해 전자가 증폭될 수 있도록 하부 전극(156)에 인가되는 전압보다 큰 전압이 인가된다.
한편, 전자 증폭 플레이트(150)의 게인은 하기 수학식 1에 의해 결정된다.
[수학식 1]
게인 = exp G*(L/d)
(여기서, G는 이차전자 방출층의 이차전자 방출계수이며, d는 관통홀의 직경, L은 관통홀의 거리를 나타낸다.)
수학식 1에서 알 수 있듯이, 전자 증폭 플레이트(150)의 게인은 이차전자 방출층(158)의 이차전자 방출계수와, 관통홀(152a)의 직경(d)에 대한 거리(L)의 비(L/d)에 영향을 받는다.
통상적으로, 엑스선 튜브의 에미터(122)의 출력은 약 1mA 정도이나, 비파괴 검사 및 의료용 영상진단기기에서는 응용에 따라 약 100mA ~ 300mA 정도의 고출력이 요구되고 있다. 이를 고려하여, 관통홀(142a)의 직경(d) 및 길이(L)는 전자 증폭 플레이트(150)의 게인이 102 ~ 104 이 되도록 설정되는 것이 바람직하다.
이러한 조건을 만족하기 위하여, 관통홀(152a)의 직경(d)에 대한 거리(L)의 비(L/d)는 약 20 ~ 40 정도로 형성되는 것이 바람직하며, 이를 위해, 직경(d)은 약 5 ~ 100um, 거리(L)는 약 0.2 ~ 2mm 정도로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 이차전자 방출층(148)은 약 0.1 ~ 1 정도의 이차전자 방출계수를 갖는 것이 바람직하며, 이를 만족하는 물질로 Al2O3, MgO, SiO2 등의 물질을 이용할 수 있다.
이와 같이, 게인이 102 ~ 104 이 되는 전자 증폭 플레이트를 엑스선 튜브에 적용함으로써, 치과 및 의료용 등의 영상진단분야 및 비파괴검사 분야 등의 응용분야에 적합한 고출력의 엑스선 튜브를 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 상기 전자 증폭 플레이트를 복수로 구성될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고출력 엑스선 튜브의 구조 및 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 튜브를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 8은 도 7에 도시된 2단 전자 증폭 플레이트를 나타낸 단면도이며, 도 9는 2단 전자 증폭 플레이트의 게인 값을 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 엑스선 튜브는 도 1의 실시예에 따른 튜브에 제 2 전자 증폭 플레이트 및 제 2 금속 구조물을 더 포함할 수 있다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 제 2 전자 증폭 플레이트(170)는 다수의 관통홀(172a)이 형성된 절연성 기판(172), 절연성 기판(172)의 상면과 하면에 각각 형성된 상부 전극(174) 및 하부 전극(176), 관통홀(172a)의 내주면에 형성된 이차전자 방출층(178)을 포함할 수 있다.
제 2 금속 구조물은 제 2 전자 증폭 플레이트(170)의 하부 전극(176)과 결합되는 하부 금속 구조물(182)과 제 2 전자 증폭 플레이트(170)의 상부 전극(174)과 결합되는 상부 금속 구조물(184)을 포함하고, 제 2 금속 구조물의 하부 금속 구조물(182)과 상부 금속 구조물(184)은 외부 회로로부터 전압을 인가 받아 제2 전자 증폭 플레이트(170)의 하부 전극(176)과 상부 전극(174)에 전압을 인가하는 역할을 수행한다. 또한, 하부 금속 구조물(182)과 상부 금속 구조물(184)은 제 2 전자 증폭 플레이트(170)가 에미터(122)와 전자 증폭 플레이트(150)의 상부에 위치되도록 지지 및 고정시키는 역할을 수행한다.
본 실시예에 따른 엑스선 튜브처럼 전자 증폭 플레이트가 전자 증폭 플레이트(150) 및 제 2 전자 증폭 플레이트(170) 2단으로 구성되는 경우 전자 증폭 플레이트(150) 1단으로 구성되는 경우보다 높은 게인 값을 얻을 수 있다. 이는 에미터(122)에서 방출되는 전자가 전자 증폭 플레이트(150)뿐만 아니라 제 2 전자 증폭 플레이트(170)에서도 내부 충돌이 일어나 전자 증폭 플레이트(150) 1단에서 발생하는 이차 전자보다 많은 이차 전자가 발생되기 때문이다. 이때, 제 2 전자 증폭 플레이트(170)에서도 이차 전자를 발생시키기 위해 제 2 전자 증폭 플레이트(170)의 하부 전극(176)에 인가되는 전압은 전자 증폭 플레이트(150)의 상부 전극(154)에 인가되는 전압보다 높은 전압이 인가되고, 제 2 전자 증폭 플레이트(170)의 상부 전극(174)에는 하부 전극(176)에 인가되는 전압보다 높은 전압이 인가된다.
본 실시예에서는 전자 증폭 플레이트가 전자 증폭 플레이트(150) 및 제 2 전자 증폭 플레이트(170) 2단의 구조로 이루어져 이차전자를 발생시키는 것으로 예시되어 있으나, 사용자가 요구하는 전자 방출량에 따라 2단 이상의 전자 증폭 플레이트 구조로 이차 전자를 발생시킬 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 전자 증폭 플레이트의 게인은 전자 증폭 플레이트(150) 1단의 게인보다 전자 증폭 플레이트(150) 및 제 2 전자 증폭 플레이트(170)으로 구성된 2단 전자 증폭 플레이트의 게인이 높고, 2단 전자 증폭 플레이트 구조보다 3단 전자 증폭 플레이트의 게인이 높다. 이는, 에미터에서 방출되는 전자가 모든 전자 증폭 플레이트의 내부 충돌에 의해 다량의 이차 전자가 발생하기 때문이다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 엑스선 튜브 110 : 절연 케이스
120 : 캐소드 전극 122, 124 : 에미터
130 : 애노드 전극 132 : 타겟
140 : 게이트 142 : 게이트 홀
150 : 전자 증폭 플레이트 152 : 절연성 기판
152a : 관통홀 154 : 상부 전극
156 : 하부 전극 158 : 이차전자 방출층
162 : 하부 금속 구조물 164 : 상부 금속 구조물
170 : 전자 증폭 플레이트 172 : 절연성 기판
172a : 관통홀 174 : 상부 전극
176 : 하부 전극 178 : 이차전자 방출층
182 : 하부 금속 구조물 184 : 상부 금속 구조물

Claims (14)

  1. 절연 케이스;
    상기 절연 케이스의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드 전극;
    상기 절연 케이스의 타측에 상기 캐소드 전극과 대향하도록 배치되고, 상기 캐소드에서 방출된 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟을 구비한 애노드 전극;
    상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 게이트 전극; 및
    상기 에미터에서 방출된 전자의 관통을 위해 다수의 관통홀들이 형성된 절연성 기판, 상기 절연성 기판의 상면 및 하면에 각각 형성된 상부 전극 및 하부 전극 및 상기 관통홀들의 내주면에 형성된 이차전자 방출층들을 포함하는 전자 증폭 플레이트로 이루어진 엑스선 튜브에 있어서,
    상기 하부 전극은 상기 게이트 전극으로 사용되고,
    상기 에미터는 상기 전자 증폭 플레이트의 관통홀들과 대응되는 미세패턴들을 형성하지 않고 벌크 영역으로 이루어지며,
    상기 전자 증폭 플레이트의 하부와 결합되는 하부 금속 구조물과, 상기 전자 증폭 플레이트의 상부와 결합되는 상부 금속 구조물을 포함하는 금속 구조물을 더 포함하고,
    상기 하부 금속 구조물과, 상기 상부 금속 구조물은 외부 회로로부터 인가 받은 전압을 상기 전자 증폭 플레이트의 상기 하부 전극과 상기 상부 전극에 인가하는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에미터는 상기 전자 증폭 플레이트의 다수의 관통홀들과 대응되는 영역보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브
  4. 제1항에 있어서,
    상기 관통홀들의 직경 및 길이는 상기 전자 증폭 플레이트의 게인이 102 ~ 104 이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이차전자 방출층은 Al2O3, MgO, SiO2, La2O3 등의 산화물이나, CaF2, MgF2 등의 불화물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극에는 상기 하부 전극에 인가되는 전압보다 높은 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에미터는 탄소나노튜브와 같은 나노구조체로 이루어진 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브.
  8. 절연 케이스;
    상기 절연 케이스의 일측에 배치되고, 전자 방출을 위한 에미터가 형성된 캐소드 전극;
    상기 절연 케이스의 타측에 상기 캐소드 전극과 대향하도록 배치되고, 상기 캐소드에서 방출된 전자와의 충돌에 의해 엑스선을 발생시키는 타겟을 구비한 애노드 전극;
    상기 캐소드 전극과 상기 애노드 전극 사이에 배치된 게이트 전극; 및
    상기 에미터에서 방출된 전자의 관통을 위해 다수의 관통홀들이 형성된 절연성 기판, 상기 절연성 기판의 상면 및 하면에 각각 형성된 상부 전극 및 하부 전극 및 상기 관통홀들의 내주면에 형성된 이차전자 방출층들을 포함하는 복수의 전자 증폭 플레이트들로 이루어진 엑스선 튜브에 있어서,
    상기 복수개의 전자 증폭 플레이트들 중 상기 에미터와 가장 인접한 전자 증폭 플레이트의 하부 전극이 상기 게이트 전극으로 사용되고,
    상기 에미터는 상기 전자 증폭 플레이트들의 관통홀들과 대응되는 미세패턴들을 형성하지 않고 벌크 영역으로 이루어지며,
    상기 전자 증폭 플레이트의 하부와 결합되는 하부 금속 구조물과, 상기 전자 증폭 플레이트의 상부와 결합되는 상부 금속 구조물을 포함하는 금속 구조물을 더 포함하고,
    상기 하부 금속 구조물과, 상기 상부 금속 구조물은 외부 회로로부터 인가 받은 전압을 상기 전자 증폭 플레이트의 상기 하부 전극과 상기 상부 전극에 인가하는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 에미터는 상기 전자 증폭 플레이트의 다수의 관통홀과 대응되는 영역보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수개의 전자 증폭 플레이트 중 상기 에미터와 가장 인접한 전자 증폭플레이트의 하부 전극에는 상기 캐소드 전극에 인가되는 전압보다 높은 전압이 인가되고, 상기 복수개의 전자 증폭 플레이트들 중 상기 애노드 전극과 가장 인접한 전자 증폭 플레이트의 하부 전극에는 상기 애노드 전극에 인가되는 전압보다 낮은 전압이 인가되며,
    상기 복수개의 전자 증폭 플레이트들에 형성된 하부 전극과 상부 전극에는 상기 애노드 전극에 인접할수록 높은 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 전자 증폭 플레이트들 각각의 관통홀들의 직경 및 길이는 상기 전자 증폭 플레이트들의 전체 게인이 102 ~ 104 이 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 이차전자 방출층은 Al2O3, MgO, SiO2, La2O3 등의 산화물이나, CaF2, MgF2 등의 불화물 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 에미터는 탄소나노튜브와 같은 나노구조체로 이루어진 것을 특징으로 하는 엑스선 튜브.
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