KR102312207B1 - 엑스선 소스 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents

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Abstract

엑스선 소스는 엑스선이 통과하는 차폐 채널을 포함하는 캐소드; 상기 캐소드의 상부면에 형성되고, 상기 차폐 채널의 주위에 배열된 에미터; 상기 캐소드와 마주하도록 위치되고, 전자빔이 집속되는 아노드 타겟을 포함하는 아노드; 및 상기 캐소드와 상기 아노드의 사이에 위치되고 상기 에미터와 대응되는 위치에 게이트 홀을 포함하는 게이트 전극을 포함한다.

Description

엑스선 소스 및 이를 포함하는 장치{X-RAY SOURCE AND APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 엑스선 소스에 관한 것으로, 보다 상세히는 방사각 조절이 가능한엑스선 튜브 및 이를 포함하는 장치에 관한 것이다.
엑스선 튜브는 캐소드, 캐소드 상에 형성된 에미터 및 아노드를 포함한다. 에미터에서 방출된 전자가 아노드와 캐소드 간의 전압 차에 의해 가속되어 아노드를 향해 이동하고, 전자빔이 아노드 타겟에 충돌하면 전자의 운동 에너지가 엑스선으로 변환되어 방출된다. 즉, 엑스선이 방출된다. 종래의 엑스선 튜브는 방출된 엑스선이 전방위로 방사되기 때문에, 엑스선의 방사각을 조절하기 위한 방법이 요구된다.
본 발명의 일 실시예는 방사각 조절이 가능한 엑스선 소스를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 복수의 엑스선 소스가 어레이 형태로 배열된 엑스선 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스는 엑스선이 통과하는 차폐 채널을 포함하는 캐소드; 상기 캐소드의 상부면에 형성되고, 상기 차폐 채널의 주위에 배열된 에미터; 상기 캐소드와 마주하도록 위치되고, 전자빔이 집속되는 아노드 타겟을 포함하는 아노드; 및 상기 캐소드와 상기 아노드의 사이에 위치되고 상기 에미터와 대응되는 위치에 게이트 홀을 포함하는 게이트 전극을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소자는 엑스선이 통과하는 차폐 채널을 포함하는 캐소드, 상기 캐소드의 상부면에 형성되고 상기 차폐 채널의 주위에 배열된 에미터, 상기 캐소드와 마주하도록 위치되고 전자빔이 집속되는 아노드 타겟을 포함하는 아노드, 및 상기 캐소드와 상기 아노드의 사이에 위치되고 상기 에미터와 대응되는 위치에 게이트 홀을 포함하는 게이트 전극을 포함하는 복수의 엑스선 소스를 포함하고, 상기 복수의 엑스선 소스는 어레이 형태로 배열된다.
캐소드의 차폐 채널을 이용하여 엑스선의 방사각을 임의로 조절할 수 있다. 따라서, 엑스선의 방사각을 좁혀 준평행한 엑스선을 생성할 수 있다. 또한, 엑스선의 방사각을 넓혀 평면 엑스선 또는 토모그래피가 가능한 엑스선을 생성할 수 있다.
또한, 차폐 채널에 의해 방사각 조절이 가능한 복수의 엑스선 소스들을 어레이 형태로 배열함으로써, 행렬 제어가 가능한 멀티 엑스선 소스를 제공할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 방사각 조절 원리를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 에미터 배열 방식을 설명하기 위한 도면으로, 도 3a는 레이아웃을 나타내고 도 3b는 단면도를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 구조를 나타낸 사시도로서, 엑스선 튜브를 제작하기 위한 설계도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소자의 사시도로서, 도 5a는 엑스선 소스의 내부 구조를 나타낸 사시도이고, 도 5b는 엑스선 소스 어레이를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 엑스선 소스 소자의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스 소자의 활용 예를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 전자빔 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스는 캐소드(11), 에미터(12), 게이트 전극(13), 집속 전극(14) 및 아노드(15)를 포함한다.
캐소드(11)는 엑스선이 통과하는 차폐 채널(CH)을 포함한다. 차폐 채널(CH)은 캐소드(11)를 두께 방향으로 관통하는 개구부일 수 있으며, 캐소드(11)의 두께에 따라 차폐 채널(CH)의 길이가 결정된다. 캐소드(11)의 물질은 엑스선의 에너지, 엑스선 소스의 구조, 엑스선 차폐 정도를 고려하여 결정될 수 있다.
또한, 차폐 채널(CH)의 형태는 엑스선의 방사각, 차폐 채널(CH)을 통과하여 감지기에 도달하는 엑스선의 직경을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 차폐 채널(CH)의 단면은 원형, 타원형, 사각형, 다각형 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 입구와 출구의 폭이 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 캐소드(11)는 하나의 차폐 채널(CH)을 포함하거나, 복수의 차폐 채널(CJ)을 포함할 수 있다.
아노드(15)는 캐소드(11)와 마주하도록 위치되며, 캐소드(11)와 소정 거리 이격되어 캐소드(11)의 상부에 위치될 수 있다. 아노드(15)는 전극(15B) 및 전극(15B)에 부착된 아노드 타겟(15A)을 포함할 수 있다. 아노드 타겟(15A)은 전자 빔이 충돌하여 엑스선을 발생시킬 수 있는 물질을 포함하며, 예를 들어, 텅스텐, 몰리브덴, 구리 등을 포함한다.
에미터(12)는 캐소드(11) 상에 형성되며, 차폐 채널(CH)의 주변에 배열된다. 예를 들어, 에미터(12)는 열전자원이나 전계방출전자원일 수 있다. 또한, 에미터(12)는 도트 어레이 형태로 배열될 수 있다.
게이트 전극(13)은 캐소드(11)의 상부에 위치되고, 에미터(12)와 대응되는 위치에 게이트 홀을 포함할 수 있다. 캐소드(11) 상에 복수의 에미터들(12)이 형성되는 경우, 게이트 전극(13)이 복수의 게이트 홀들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 게이트 전극(13)은 메쉬 형태를 가질 수 있다. 또한, 게이트 전극(13)은 엑스선이 통과하기 위한 개구부를 포함할 수 있다.
집속 전극(14)은 게이트 전극(14)과 아노드(15)의 사이에 위치될 수 있고, 게이트 전극(13)과 마찬가지로 엑스선이 통과하기 위한 개구부를 포함할 수 있다. 집속 전극(14)은 아노드(15)에 도달하는 전자빔의 직경을 조절하는 역할을 한다. 따라서, 집속 전극(14)에 의해 아노드(15)에 도달하는 전자빔의 직경을 조절함으로써, 방출되는 엑스선의 방사각을 조절할 수 있다.
참고로, 본 도면에는 도시되지 않았으나, 엑스선 소스는 튜브 구조를 가질 수 있으며, 캐소드(11)와 아노드(15)의 사이에 진공 분위기를 유지하기 위한 절연 스페이서가 위치될 수 있다. 또한, 게이트 전극(13) 또는 집속 전극(14)은 생략할 수 있다.
전술한 바와 같은 구조에 따르면, 에미터(12)로부터 방출된 전자가 아노드(15)를 향해 가속되어 게이트 전극(13) 및 집속 전극(14)의 개구부를 통과한다. 또한, 전자빔(E-beam; 16)이 아노드 타겟(15A)에 충돌하여 엑스선(x-ray; 17)을 발생시킨다. 발생된 엑스선(17)은 전방향으로 방출될 수 있는데, 그 중 일부가 캐소드(11)의 차폐 채널(CH)을 통과한다. 즉, 차폐 채널(CH)이 필터가 되어 소정 각도로 방사된 엑스선(17)만을 통과시키고, 이를 통해, 준평행한 엑스선(17A)을 생성할 수 있다. 따라서, 차폐 채널(CH)의 길이, 폭 등을 제어하여, 차폐 채널(CH)을 통과하는 엑스선(17)의 세기 및 방사 형태를 조절할 수 있다. 즉, 엑스선(17)의 방사각을 조절할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 캐소드(11)가 하나의 차폐 채널(CH)을 포함할 수 있다. 도 1b를 참조하면, 캐소드(11)가 상하로 위치된 복수의 차폐 채널들(CH1, CH2)을 포함할 수 있다. 도 1b는 캐소드(11)가 제1 차폐 채널(CH1)을 포함하는 제1 플레이트(11A) 및 제2 차폐 채널(CH2)을 포함하는 제2 플레이트(11B)를 포함하는 경우를 도시하였다. 이러한 경우, 방사된 엑스선이 제1 차폐 채널(CH1) 및 제2 차폐 채널(CH2)을 차례로 통과하게 된다. 또한, 제1 차폐 채널(CH1)과 제2 차폐 채널(CH2)는 상하로 중첩되도록 위치되며, 동일한 형태를 갖거나 상이한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 차폐 채널(CH1)에 비해 제2 차폐 채널(CH2)이 좁은 폭을 가질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 차폐 채널(CH1, CH2)의 위치, 형태, 크기 등을 조절함으로써, 엑스선(17)의 방사각을 더욱 세밀하게 조절할 수 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 방사각 조절 원리를 설명하기 위한 단면도로서, 설명의 편의를 위해, 아노드 타겟(15A), 캐소드(11), 차폐 채널(CH) 및 감지기(20)를 중심으로 도시하였다.
각 도면에서, d1은 아노드 타겟(15A)에 집속되는 전자 빔의 직경, 즉, 포컬 스팟의 직경을 나타낸다. d2는 차폐 채널(CH)의 출구 직경을 나타내고, d3는 차폐 채널(CH)의 입구 직경을 나타낸다. l1은 아노드 타켓(15A)의 표면으로부터 차폐 채널(CH)의 출구까지의 거리를 나타낸다. l2는 차폐 채널의 거리를 나타낸다. L은 차폐 채널(CH)의 출구로부터 감지기(20)의 표면까지의 거리를 나타낸다. θ는 아노드 타겟(15A)에서 방출되는 엑스선의 방사각을 나타낸다. 또한, D는 차폐 채널(CH)을 통과하여 감지기(20)에 도달하는 엑스선의 직경(D)을 나타낸다.
이하에서는, 차폐 채널(CH)의 출구 직경(d2)이 입구 직경(d3)과 같거나 입구 직경(d3)에 비해 작은 경우(d3≥≥d2), 포컬 스팟의 직경(d1)에 따라 아노드 타겟(15A)에서 방출되는 엑스선의 방사각(θ) 및 차폐 채널(CH)을 통과하여 감지기(20)에 도달하는 엑스선의 직경(D)이 어떻게 결정되는지 수학식을 참고하여 살펴보도록 한다.
도 2a 및 수학식 1을 참조하면, 포컬 스팟의 직경(d1)이 0에 근접할 정도로 작은 값을 갖는 경우, 방출되는 엑스선의 방사각(θ) 및 감지기(20)에 도달하는 엑스선의 직경(D)이 차폐 채널(CH)의 출구 직경(d2)에 따라 결정됨을 알 수 있다.
Figure 112016032398916-pat00001
수학식 2는 유의미한 포컬 스팟 직경의 최대값(d1max)를 산출하기 위한 것이다. 앞서 설명했듯이, 집속 전극을 이용하여 포컬 스팟의 직경(d1)을 조절할 수 있다. 또한, 포컬 스팟의 직경(d1)이 커질수록 방출되는 엑스선의 방사각(θ)이 증가된다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 방출된 엑스선 중의 일부만이 차폐 채널(CH)을 통과할 수 있기 때문에, 차폐 채널(CH)을 통과할 수 있는 엑스선의 방사각(θ)에 한계가 있다. 따라서, 차폐 채널(CH)의 입구 직경(d3) 및 출구 직경(d2)에 따라 포컬 스팟의 최대 직경(d1max)이 결정되며, 수학식 2를 이용하여 산출할 수 있다.
Figure 112016032398916-pat00002
도 2b 및 수학식 3을 참조하면, 포컬 스팟의 직경(d1)이 d1max보다 작은 값을 갖는 경우, 방출되는 엑스선의 방사각(θ) 및 감지기(20)에 도달하는 엑스선의 직경(D)이 차폐 채널(CH)의 출구 직경(d2)에 따라 결정됨을 알 수 있다.
Figure 112016032398916-pat00003
도 2c 및 수학식 4를 참조하면, 포컬 스팟의 직경(d1)이 d1max인 경우, 방출되는 엑스선의 방사각(θ) 및 감지기(20)에 도달하는 엑스선의 직경(D)이 차폐 채널(CH)의 입구 직경(d1) 및 출구 직경(d2)에 따라 결정됨을 알 수 있다.
Figure 112016032398916-pat00004
따라서, 엑스선 소스의 구조, 특히, 차폐 채널(CH)의 입구 직경(d3) 및 출구 직경(d2)에 따라 엑스선의 방사각을 조절할 수 있다. 예를 들어, 엑스선이 좁은 각도로 방출되도록 좁은 방사각을 갖는 엑스선 소스를 제작할 수 있고, 이러한 엑스선 소스를 어레이 형태로 구성하여 면발광 엑스선 소자를 제작할 수 있다. 또한, 넓은 방사각을 갖는 엑스선 소스를 제작하여, 컴퓨터 단층촬영(CT), 토모그래피 등에 이용할 수 있다.
도 3a 및 도 3b은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 에미터 배열 방식을 설명하기 위한 도면으로, 도 3a는 레이아웃을 나타내고 도 3b는 단면도를 나타낸다.
도 3a를 참조하면, 에미터(12)는 캐소드의 차폐 채널(CH)의 주변에 배열되며, 차폐 채널(CH)과 상대적으로 인접한 제1 에미터(12A) 및 차폐 채널(CH)로부터 상대적으로 이격된 제2 에미터(12B)를 포함한다. 게이트 전극(13)은 제1 에미터(12A)와 대응되는 위치에 형성된 제1 게이트 홀(13A), 제2 에미터(12B)와 대응되는 위치에 형성된 제2 게이트 홀(13B) 및 엑스선이 통과하기 위한 개구부(13C)를 포함한다. 여기서, 개구부(13C)는 차폐 채널(CH)과 대응되는 위치에 형성되며, 차폐 채널(CH)과 유사한 형태 및 크기를 가질 수 있다.
그런데, 차폐 채널(CH)에 대응되는 위치에는 에미터(12)가 존재하지 않기 때문에, 집속된 전자빔의 중앙 부위가 상대적으로 낮은 밀도를 가질 수 있다. 따라서, 전자빔의 중앙과 외곽이 균일한 밀도를 가질 수 있도록, 에미터(12)의 배열을 조절할 수 있다. 예를 들어, 제1 에미터(12A)가 제1 게이트 홀(13A) 내에 위치하되, 제1 에미터(12A)의 중심축과 제1 게이트 홀(13A)와 중심축이 오프셋되어 제1 에미터(12A)가 차폐 채널(CH)에 인접하도록 배열한다. 그리고, 제2 에미터(12B)는 제2 게이트 홀(13B)과 중심축이 일치하도록 배열한다. 이를 통해, 전자 빔의 중앙 밀도를 증가시켜, 전자 빔이 균일한 밀도를 갖도록 할 수 있다. 이때, 차폐 채널(CH)과 에미터(12) 간의 거리에 따라, 에미터(12)의 축과 게이트 홀(13)의 축이 오프셋 된 정도를 상이하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 거리가 가까울수록 오프셋 값을 증가시키고, 거리가 멀수록 오프셋 값을 감소시킨다. 이를 통해, 전자 빔의 편향 정도를 세밀하게 조절할 수 있다. 단, 누설전류가 유발되지 않도록, 에미터(12)의 위치를 조절해야 한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 구조를 나타낸 사시도로서, 엑스선 튜브를 제작하기 위한 설계도이다.
도 4a를 참조하면, 엑스선 튜브는 캐소드(41), 아노드(42), 절연 스페이서(44), 집속 전극(45), 게이트 전극(46), 엑스선 윈도우(47), 에미터(48), 게터(49), 나사 탭(51) 및 필러 오버플로우 트렌치(52)를 포함하거나, 일들 중 일부를 포함할 수 있다.
캐소드(41)는 캐소드 전극(41A), 캐소드 시트(41B), 제1 차폐 플레이트(41C) 및 제2 차폐 플레이트(41D)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 차폐 플레이트(41C, 41D)는 제1 및 제2 차폐 채널을 각각 포함하며, 제1 및 제2 차폐 채널은 앞서 도 1a 내지 도 3a를 참조하여 설명한 다양한 형태 및 크기를 가질 수 있다. 이와 같이, 캐소드(41)가 복수 개의 차폐 플레이트(41C, 41D)를 포함하는 경우, 복수 개의 차폐 플레이트(41C, 41D)이 어긋나지 않도록 정렬에 주의해야 한다. 캐소드 시트(41B)는 캐소드 전극(41A)의 상부면에 부착될 수 있고, 캐소드 시트(41B)에 나노 에미터(48)가 부착될 수 있다.
아노드(42)는 아노드 전극(42A) 및 아노드 타겟(42B)을 포함할 수 있다. 아노드 타겟(42B)은 아노드 전극(42A)의 하부면에 부착될 수 있다. 캐소드(41)와 아노드(42)가 마주하여 위치되고, 아노드(42)가 캐소드(41)의 상부에 위치될 수 있다.
게이트 전극(46)은 캐소드(41)와 아노드(42) 사이에 위치되고, 게이트 전극(46A) 및 게이트 메쉬(46B)를 포함할 수 있다. 게이트 메쉬(46B)는 에미터(48)의 어레이에 대응되는 위치에 형성된 게이트 홀들을 포함할 수 있다. 집속 전극(45)은 아노드(42)와 게이트 전극(46)의 사이에 위치되고, 집속 전극(45A) 및 집속 메쉬(45B)를 포함할 수 있다. 집속 메쉬(45B)는 에미터(48)의 어레이에 대응되는 위치에 형성된 홀들을 포함할 수 있다. 게이트 메쉬(46B)와 집속 메쉬(45B)는 에미터(48)의 어레이와 1:1로 대응된 홀을 포함하도록 제작될 수 있고며, 독립적으로 전압을 인가할 수 있다. 또한, 게이트 메쉬(46B)와 집속 메쉬(45B)는 제1 및 제2 차폐 플레이트(41C, 41D)의 제1 및 제2 차폐 채널에 대응되는 개구부를 포함할 수 있다.
아노드(42)의 외면에 나사탭(51)이 형성될 수 있고, 아노드 타겟(42B)과 아노드 전극(42A)의 사이에 필러 오버플로우 트렌치(52)가 형성될 수 있다. 필러 오버플로우 트렌치(52)는 진공 브레이징 공정으로 아노드 타겟(42B)을 아노드 전극(42A)에 접합하는 과정에서, 금속 재질의 브레이징 필러가 넘쳐 오염이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.
엑스선 튜브는 진공 밀봉된 형태로 제작될 수 있다. 예를 들어, 브레이징 필러를 각 캐소드 전극(41, 42, 45, 46)과 절연스페이서(44)의 사이에 삽입한 후, 고온 진공 조건에서 밀봉하여 엑스선 튜브를 제작한다. 이때, 진공도 확보를 위해 비휘발성 게터(49)가 삽입될 수 있다. 게터(49)는 다른 전극과의 간섭을 피하는 위치에 장착될 수 있으며, 예를 들어, 캐소드(41)의 하부에 위치될 수 있다.
엑스선 튜브 내의 진공을 유지하기 위해, 엑스선 튜브의 일단에 엑스선 윈도우(47)를 설치할 수 있다. 엑스선 윈도우(47)는 엑스선을 투과시키는 물질로 형성할 수 있으며, 엑스선 윈도우(47)의 물질로 베릴륨(Be)과 같이 엑스선의 흡수를 최소화하는 물질을 선택할 수 있다. 또는, 엑스선 윈도우(47)의 물질로 필터 기능을 갖는 금속, 금속산화물 등의 물질을 선택할 수 있다.
절연 스페이서(44)는 캐소드(41)와 아노드(42) 사이에 위치되며, 튜브 형태를 가질 수 있다. 절연 스페이서(44)는 금속 필러 혹은 액티브 필러를 써서 밀봉 할 수 있는 물질로 형성되며, 예를 들어, 산화알루미늄(Al2O3), 사파이어, 질화 실리콘 등을 포함한다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브는 아노드 타겟(42B)의 표면이 오목한 형태의 곡면을 가질 수 있으며, 이를 통해, 방출되는 엑스선의 세기를 증가시킬 수 있다.
전자빔이 아노드 타겟(42B)에 충돌하는 지점이 포컬 스팟이 되며, 엑스선은 포컬 스팟으로부터 전방위로 방사된다. 이때, 아노드 타겟(42B)의 표면으로부터 수직으로 방출되는 엑스선의 세기가 가장 강하다. 반면에, 아노드 타겟(42B)의 표면으로부터 측면으로 방사되는 엑스선은 아노드 타겟(42B)의 물질에 일부 흡수되기 때문에, 상대적으로 세기가 약하다. 즉, 전자빔이 충돌하는 아노드 타겟(42B)의 면적이 증가될수록 차폐 플레이트(41C)의 차폐 채널로 입사되는 엑스선의 세기가 감소하게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 아노드 타겟(42B)의 표면이 차폐 채널에 대응되는 위치를 중심으로 한 곡률을 갖도록, 아노드 타겟(42B)의 표면을 오목한 형태로 가공한다. 이를 통해, 아노드 타겟(42B)의 중심 뿐만 아니라 주변 영역에서 방출되는 엑스선의 세기도 증가시킬 수 있다.
참고로, 본 도면에서는 캐소드(41)가 하나의 차폐 플레이트(41C)를 포함하는 경우에 대해 도시하였으나, 캐소드(41)가 복수 개의 차폐 플레이트(41C)를 포함하는 것도 가능하다. 또한, 그 외의 구조는 앞서 도 4a를 참조하여 설명한 것과 동일하다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소자의 사시도로서, 도 5a는 엑스선 소스의 내부 구조를 나타낸 사시도이고, 도 5b는 엑스선 소스 어레이를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스 소자는 하나의 엑스선 소스를 단위 구조로 형성된다. 즉, 복수의 엑스선 소스를 어레이 형태로 배열함으로써 엑스선 소자를 제작할 수 있다. 여기서, 각각의 엑스선 소스는 독립적인 진공 상태를 갖도록 개별 밀봉된다. 또한, 엑스선 소스는 캐소드(41), 아노드(42), 절연 스페이서(44), 집속 전극(45), 게이트 전극(46), 엑스선 윈도우(47) 및 에미터(48)를 포함하고, 캐소드(41)는 차폐 채널(CH)을 포함한다. 엑스선 소스는 앞서 도 1a 내지 도 4b를 참조하여 설명한 구조를 가질 수 있다.
이러한 구조에 따르면, 에미터(48)에서 방출된 전자빔이 게이트 전극(46)과 집속 전극(45)을 통과하여 아노드 타겟(42B)에 충돌하고, 방출된 엑스선이 캐소드(41)의 차폐 채널(CH)을 통해 방출된다. 이때, 집속 전극(45)에 의해 아노드 타겟(42B)에 도달하는 전자빔의 직경을 조절하고, 전자빔의 직경 및 차폐 채널(CH)의 형태에 따라 엑스선의 방사각이 조절된다. 따라서, 특정 방사각을 갖는 엑스선을 방출할 수 있다.
또한, 복수개의 엑스선 튜브를 어레이 형태로 배열함으로써, 엑스선 튜브에서 방출된 엑스선 또한 어레이 형태가 될 수 있다. 특히, 각각의 엑스선 튜브에서 방출되는 전자빔의 세기를 개별적으로 조절함으로써, 방출되는 엑스선의 세기를 공간적으로 조절할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 평판형 엑스선 소스 소자의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스 소자는 복수의 엑스선 소스를 어레이 형태로 배열하여 제작할 수 있으며, 복수의 엑스선 소스를 포함하는 어레이를 단위 구조로 한다. 각각의 어레이는 캐소드(61), 에미터(62), 게이트 전극 (63), 집속 전극 (64) 및 아노드 (65)를 포함한다. 여기서, 캐소드(61), 게이트 전극 (63), 집속 전극 (64) 및 아노드 (65)는 플레이트 형태로 형성된다.
캐소드(61)는 플레이트를 두께 방향으로 관통하는 복수의 차폐 채널들(CH)을 포함하고, 차폐 채널들(CH)의 주변에 에미터(62)가 형성된다. 게이트 전극(63) 및 집속 전극(64)은 차폐 채널들(CH)에 대응되는 위치에 개구부들을 포함한다.
이러한 구조에 따르면, 하나의 캐소드(61)에 차폐 채널들(CH)을 어레이 형태로 배열함으로써, 복수 개의 엑스선 소자를 하나의 플레이트에 구현할 수 있다. 앞서 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명한 엑스선 소스 소자는 단위 구조인 엑스선 소스가 각각 밀봉된다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 엑스선 소스 소자는 하나의 플레이트에 엑스선 소스를 집적시키므로, 어레이 단위로 엑스선 소스를 밀봉을 하여 제작이 간편하다. 또한, 각각의 엑스선 소스 어레이에 포함된 캐소드(61)를 전기적으로 분리함으로써, 어레이 단위로 방출되는 엑스선의 세기를 조절할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스 소자의 활용 예를 나타낸 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 엑스선 소스 어레이(100)가 좁은 방사각의 엑스선을 방출한다. 이러한 경우, 엑스선 소스 어레이(100)로부터 방출된 준평행 엑스선이 피사체(300)를 거쳐 감지기(200)에 도달한다.
도 7b를 참조하면, 엑스선 소스 어레이(100)가 넓은 방사각의 엑스선을 방출한다. 이러한 경우, 복수의 엑스선 소스에서 방출되는 엑스선으로부터 복수의 이미지를 얻을 수 있다. 또한, 이웃한 엑스선 소스에서 방출된 엑스선으로부터 얻어진 이미지들은 일부가 중첩되므로, 이를 통해 토모그래피를 구성할 수 있다.
도 7c 및 도 7d를 참조하면, 엑스선 소스 어레이(100)에 포함된 엑스선 소스를 선택적으로 구동한다. 이때, 감지기(200)에 도달하는 엑스선이 겹치지 않도록 엑스선 소스를 선택한다. 예를 들어, 홀수 번째로 배열된 엑스선 소스로부터 제1 이미지를 얻고, 짝수 번째로 배열된 엑스선 소스로부터 제2 이미지를 얻는다. 여기서, 제1 이미지와 제2 이미지는 일부가 중첩되므로, 중첩된 이미지들을 합성하여 2차원 엑스선 이미지를 생성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 소스의 전자빔 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 아노드 전압(Va)이 30 kV, 게이트 전압(Vg)이 2.5kV로 고정된 상태에서 포커스 전압(Vf)을 0.3 kV, 0.5kV, 1kV, 3kV, 5kV로 변화시킬 경우, 아노드 타겟에 도달하는 전자빔의 직경이 약 0.7mm에서 5mm로 변하는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 포커스 전압(Vf)을 조절하여 전자빔의 직경을 용이하게 조절할 수 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님에 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 알 수 있을 것이다.
11: 캐소드 12: 에미터
13: 게이트 전극 14: 집속 전극
15: 아노드 15A: 아노드 타겟

Claims (17)

  1. 엑스선이 통과하는 차폐 채널을 포함하는 캐소드;
    상기 캐소드의 상부면에 형성되고, 상기 차폐 채널의 주위에 배열된 에미터;
    상기 캐소드와 마주하도록 위치되고, 전자빔이 집속되는 아노드 타겟을 포함하는 아노드;
    상기 캐소드와 상기 아노드의 사이에 위치되고 상기 에미터와 대응되는 위치에 게이트 홀을 포함하는 게이트 전극; 및
    상기 게이트 전극과 상기 아노드 사이에 위치된 집속 전극
    을 포함하는 엑스선 소스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차폐 채널은 상기 캐소드를 두께 방향으로 관통하고, 입구와 출구가 동일한 폭을 갖는
    엑스선 소스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 차폐 채널은 상기 캐소드를 두께 방향으로 관통하고, 입구가 출구에 비해 큰 폭을 갖는
    엑스선 소스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아노드 타겟에 집속되는 전자빔의 직경을 조절하여, 상기 아노드 타겟에서 방출되는 엑스선의 방사각을 결정하는
    엑스선 소스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 아노드 타겟 에서 방출되는 엑스선의 방사각(θ) 및 상기 차폐 채널을 통과하여 감지기에 도달하는 엑스선의 직경(D)은 다음의 수학식을 만족하고,
    Figure 112021048775503-pat00005

    여기서, d1은 상기 아노드 타겟에 집속되는 전자빔의 직경을 나타내고, d2는 상기 차폐 채널의 출구 직경을 나타내고, d3는 상기 차폐 채널의 입구 직경을 나타내고, l1은 상기 아노드 타겟으로부터 상기 차폐 채널의 출구까지의 거리를 나타내고, L은 상기 차폐 채널의 출구로부터 상기 감지기까지의 거리를 나타내는
    엑스선 소스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 차폐 채널을 통과하여 감지기에 도달하는 엑스선은 다음의 수학식을 만족하고,
    Figure 112016032398916-pat00006

    여기서, d1max는 상기 아노드 타겟에 집속되는 전자빔의 최대 직경이고, l1은 상기 아노드 타겟으로부터 상기 차폐 채널의 출구까지의 거리를 나타내고, l2는 상기 차폐 채널의 거리를 나타내고, d2는 상기 차폐 채널의 출구 직경을 나타내고, d3는 상기 차폐 채널의 입구 직경을 나타내는
    엑스선 소스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 아노드 타겟에서 방출되는 엑스선의 방사각(θ) 및 상기 차폐 채널을 통과하여 감지기에 도달하는 엑스선의 직경(D)은 다음의 수학식을 만족하고,
    Figure 112021048775503-pat00007

    여기서, d1은 상기 아노드 타겟에 집속되는 전자빔의 직경을 나타내고, d1max는 상기 아노드 타겟에 집속되는 전자빔의 최대 직경이고, d2는 상기 차폐 채널의 출구 직경을 나타내고, d3는 상기 차폐 채널의 입구 직경을 나타내고, l1은 상기 아노드 타겟으로부터 상기 차폐 채널의 출구까지의 거리를 나타내고, L은 상기 차폐 채널의 출구로부터 상기 감지기까지의 거리를 나타내는
    엑스선 소스.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 아노드 타겟에서 방출되는 엑스선의 방사각(θ) 및 상기 차폐 채널을 통과하여 감지기에 도달하는 엑스선의 직경(D)은 다음의 수학식을 만족하고,
    Figure 112016032398916-pat00008

    여기서, d1은 상기 아노드 타겟에 집속되는 전자빔의 직경을 나타내고, d2는 상기 차폐 채널의 출구 직경을 나타내고, d3는 상기 차폐 채널의 입구 직경을 나타내고, l2는 상기 차폐 채널의 거리를 나타내고, L은 상기 차폐 채널의 출구로부터 상기 감지기까지의 거리를 나타내는
    엑스선 소스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드는,
    상기 엑스선이 통과하는 제1 차폐 채널을 포함하는 제1 플레이트; 및
    상기 제1 차폐 채널을 통과한 엑스선이 통과하는 제2 차폐 채널을 포함하는 제2 플레이트를 포함하는
    엑스선 소스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 차폐 채널은 상기 제1 차폐 채널에 비해 좁은 폭을 갖는
    엑스선 소스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 아노드의 타겟의 표면이 오목한 형태를 갖는
    엑스선 소스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 에미터은 상기 차폐 채널과 상대적으로 인접한 제1 에미터와 상기 차폐 채널로부터 상대적으로 이격된 제2 에미터를 포함하고, 상기 게이트 홀은 상기 제1 에미터와 대응되는 제1 게이트 홀 및 상기 제2 에미터와 대응되는 제2 게이트 홀을 포함하고, 상기 제2 에미터와 상기 제2 게이트 홀은 중심축이 일치하고, 상기 제1 에미터는 상기 차폐 채널에 치우쳐 위치하는
    엑스선 소스.
  13. 삭제
  14. 엑스선이 통과하는 차폐 채널을 포함하는 캐소드, 상기 캐소드의 상부면에 형성되고 상기 차폐 채널의 주위에 배열된 에미터, 상기 캐소드와 마주하도록 위치되고 전자빔이 집속되는 아노드 타겟을 포함하는 아노드, 상기 캐소드와 상기 아노드의 사이에 위치되고 상기 에미터와 대응되는 위치에 게이트 홀을 포함하는 게이트 전극을 포함하는 복수의 엑스선 소스 및 상기 게이트 전극과 상기 아노드 사이에 위치된 집속 전극을 포함하고,
    상기 복수의 엑스선 소스는 어레이 형태로 배열된
    엑스선 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 엑스선 소스는 각각 밀봉된
    엑스선 소자.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 캐소드, 상기 아노드 및 상기 게이트 전극은 플레이트 형태를 갖고, 상기 캐소드는 복수의 차폐 채널을 포함하는
    엑스선 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 엑스선 소스에 포함된 캐소드는 어레이 별로 전기적으로 분리되고, 어레이 단위로 제어되는
    엑스선 소자.
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