KR102589779B1 - 방사선 발생 장치 및 방사선 발생 방법 - Google Patents

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Abstract

상전도의 가속관과 비교하여 전력 효율을 향상시키면서 소형화를 도모한다. 도전성을 갖는 통 형상의 하우징 및 하우징의 내부에 있어서 유전체로 이루어지는 복수의 셀을 중심부의 개구부가 복수의 셀의 배열 방향으로 연속하도록 배열한 가속 공동을 구성하는 가속관(3)과, 가속관(3)에 고주파 전력을 공급하는 RF 증폭기(2)와, 가속관(3)에 있어서의 각 셀의 개구부를 통과하는 하전 입자를 발사하는 전자총(1)을 구비한다.

Description

방사선 발생 장치 및 방사선 발생 방법
본 발명은, 방사선 발생 장치 및 방사선 발생 방법에 관한 것이다.
공업 분야에 있어서의 비파괴 검사나, 의료 분야에 있어서의 검사 또는 방사선 치료 등의 용도로 X선(방사선)이 사용되고 있다. X선은, 가속한 전자를 타깃에 조사함으로써 제동 X선(예를 들어, 에너지 100keV 정도)으로서 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 인체의 투시 화상과 같이, 검사 대상물의 밀도가 비교적 낮고, 혹은 검사 대상물의 두께가 비교적 얇은 등에서는, 상기 제동 X선을 사용하는 X선 관구를 적용 가능하다.
예를 들어, 특허문헌 1에서는, 가속 에너지가 되는 고주파 전력의 대부분을 고주파 손실이 작은 유전체 중에 보유 지지함으로써, 도전 손실을 저감하고, 전력 효율을 높이는 가속 공동 및 가속기(가속관)에 대하여 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2017-117730호 공보
상술한 X선 관구에서 발생시키는 X선에서는, 검사 대상물의 밀도가 높고 투시 방향의 두께가 두꺼운 경우 등, 투과력이 부족하다. 이 결과, 충분한 화상 콘트라스트의 정보가 얻어지지 않는 문제가 있다.
그런데, Ir-192 등의 방사성 동위 원소로부터 발생하는 감마선은, 상술한 에너지 100keV 정도의 제동 X선과 비교하여 높은 투과력을 갖지만, 전원 공급을 끊으면 X선의 발생이 정지하는 X선 관구와 비교하여, 방사성 동위 원소는 보다 신중한 취급이 필요하다.
또한, 무산소 구리의 공진 공동을 사용하는 상전도의 가속관이 일반적으로 사용되고 있다. 이 상전도의 가속관은, X선의 에너지가 높고(1MeV 이상), 투과력이 높지만, 높은 투과력을 갖는 충분한 출력의 X선이 얻어지는 것만큼의 평균 전류를 갖는 전자를 출력하기 위해서는, 높은 전력(예를 들어, 최고 출력 3MW로 평균 출력 3kW)의 고주파 전력을 가속관에 공급하는 것이 필요하고, 클라이스트론이나 마그네트론 등의 대전력 RF원과, 이것을 구동하는 고전압 전원이 필요하다. 그러나, 이와 같은 대전력 RF원이나 고전압 전원은, 상술한 에너지 100keV 정도의 제동 X선을 발생하는 X선 관구와 비교하여 대형이고, 차량 탑재형으로 하는 등의 가반성이 나쁘다.
본 발명은, 상술한 과제를 해결하는 것이고, 상전도의 가속관과 비교하여 전력 효율을 향상시키면서 소형화를 도모할 수 있는 방사선 발생 장치 및 방사선 발생 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 형태에 관한 방사선 발생 장치는, 도전성을 갖는 통 형상의 하우징 및 상기 하우징의 내부에 있어서 유전체로 이루어지는 복수의 셀을 중심부의 개구부가 상기 복수의 셀의 배열 방향으로 연속하도록 배열한 가속 공동을 구성하는 가속관과, 상기 가속관에 고주파 전력을 공급하는 RF 증폭기와, 상기 가속관에 있어서의 각 상기 셀의 개구부를 통과하는 하전 입자를 발사하는 전자총을 구비한다.
본 발명의 일 형태에 관한 방사선 발생 장치에서는, 상기 RF 증폭기는, 최대 출력이 100kW 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 관한 방사선 발생 장치에서는, 상기 RF 증폭기는, 최대 출력이 10kW 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 관한 방사선 발생 장치에서는, 상기 RF 증폭기의 출력 전력을 일정하게 제어하고, 상기 전자총에 있어서의 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 제어하는 제어부를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 관한 방사선 발생 장치에서는, 상기 전자총은, 캐소드 히터 전압에 의해 상기 하전 입자를 방출하는 캐소드와, 그리드 전압에 의해 상기 하전 입자를 가속하는 그리드를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 그리드 전압의 온 시간을 제어함으로써 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 형태에 관한 방사선 발생 장치에서는, 상기 전자총은, 캐소드 히터 전압에 의해 상기 하전 입자를 방출하는 캐소드와, 상기 캐소드와의 사이의 전위차에 의해 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 인출하여 전자 빔으로 하는 애노드를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 인가하는 전압의 온 시간을 제어함으로써 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 제어하는 것이 바람직하다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 형태에 관한 방사선 발생 방법은, 도전성을 갖는 통 형상의 하우징 및 상기 하우징의 내부에 있어서 유전체로 이루어지는 복수의 셀을 중심부의 개구부가 상기 복수의 셀의 배열 방향으로 연속하도록 배열한 가속 공동을 구성하는 가속관과, 상기 가속관에 고주파 전력을 공급하는 RF 증폭기와, 상기 가속관에 있어서의 각 상기 셀의 개구부를 통과하는 하전 입자를 발사하는 전자총을 사용하고, 상기 RF 증폭기의 출력 전력을 일정하게 하면서, 상기 전자총에 있어서의 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 변화시킨다.
본 발명에 따르면, 일반적인 무산소 구리의 공진 공동을 사용하는 상전도의 가속관과 비교하여 몇배에서 10배 정도가 높은 Q치를 실현할 수 있는 가속관을 사용하고 있다. 이 때문에, 본 발명에 따르면, 전력 효율을 향상시킬 수 있고, 높은 에너지 및 출력의 X선을 얻을 수 있다. 그리고, 본 발명은 클라이스트론이나 마그네트론 등의 대전력 RF원 및 이것을 구동하는 고전압 전원 대신에, RF 증폭기 및 당해 RF 증폭기를 구동하는 비교적 저전압의 전원을 사용해도 상전도의 가속관을 사용한 경우보다도 높은 에너지 및 출력의 X선을 얻을 수 있다. 이 때문에, 본 발명에 따르면, 상기 대전력 RF원 및 고전압 전원을 사용한 경우와 비교하여, 소형화를 도모할 수 있고, 차량 탑재형으로 하는 등 가반성을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 발명은, 높은 전력 효율로, 전원 구성을 간소화할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치를 도시하는 개략 구성도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치의 전자총을 도시하는 개략 구성도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치의 가속관을 도시하는 개략 구성도이다.
도 4는, 가속관의 셀수와 무전하 Q치의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치의 작용의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본 발명의 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치의 작용의 일례를 나타내는 그래프이다.
이하에, 본 발명에 따른 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 실시 형태에 있어서의 구성 요소에는, 당업자가 치환 가능하고 또한 용이한 것, 혹은 실질적으로 동일한 것이 포함된다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치를 도시하는 개략 구성도이다. 도 2는, 본 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치의 전자총을 도시하는 개략 구성도이다. 도 3은, 본 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치의 가속관을 도시하는 개략 구성도이다. 도 4는, 가속관의 셀수와 무전하 Q치의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 1에 도시하는 방사선 발생 장치는, 방사선의 일종인 X선을 발생하는 것으로, 전자총(1)과, RF(Radio Frequency) 증폭기(2)와, 가속관(3)과, 타깃(4)과, 제어부(5)를 갖는다.
전자총(1)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 히터(11)와, 캐소드(12)와, 애노드(13)와, 그리드(14)를 갖는다. 히터(11)는, 캐소드(12)를 가열하는 것으로, 필라멘트(11a)와, 필라멘트(11a)에 전압을 인가하는 전원(11b)으로 구성된다. 캐소드(12)는, 히터(11)로 가열됨으로써, 히터(11)와는 반대측의 면으로부터 전자(하전 입자)를 방사한다. 애노드(13)는, 캐소드(12)와의 사이의 전위차에 의해 캐소드(12)로부터 방출된 전자(하전 입자)를 인출하여 발사하고 전자 빔(B)으로 한다. 그리드(14)는, 정부의 전압의 인가에 의해, 캐소드(12)로부터 방사된 전자가 애노드(13)에 의해 인출되는 것을 허용하거나, 전자가 애노드(13)에 의해 인출되는 것을 저지하거나 한다. 전자총(1)에 있어서 인출된 전자 빔(B)은, 가속관(3)에 입사된다.
RF 증폭기(2)는, 가속관(3)에 증폭한 고주파 전력(마이크로파)을 공급한다. 본 실시 형태의 RF 증폭기(2)는, 최대 출력이 100kW 이하의 반도체 증폭기가 적용된다.
본 실시 형태의 가속관(3)은, 도 3에 도시하는 고주파 가속 공동(가속 공동)을 구성한다. 가속관(3)은, 고주파 가속 공동에 RF 증폭기(2)로부터 고주파 전력을 공급함으로써, 고주파 가속 공동에 전자총(1)으로부터 입사한 전자 빔(B)을 가속시킨다. 이 고주파 가속 공동을 구성하는 가속관(3)은, 원통 형상의 하우징(31)과, 하우징(31)의 내부에 배치되는 유전체로 이루어지는 복수의 셀(32)을 구비한다.
하우징(31)은, 원통 형상의 원통부(31a) 및 원통부(31a)의 양쪽 측단부에 마련되는 원판 형상의 단부판(31b)을 갖는다. 하우징(31)은, 예를 들어 도전성이 높은 금속 재료이고, 무산소 구리 등의 순금속, 스테인리스에 은 도금 또는 구리 도금이 실시된 재료 등이다. 또는, 하우징(31)은, 경우에 따라서는, 은 도금 또는 구리 도금이 실시된 세라믹스 등의 유전체를 사용할 수도 있다. 이러한 금속제의 재료, 또는, 금속제의 도금이 실시된 유전체를 사용함으로써, 하우징(31)의 표면은, 도전성이 확보된다. 각 단부판(31b)은, 원판 형상의 중심에 원 형상의 개구부(31ba)가 형성되어 있다. 개구부(31ba)는, 전자 빔(B)이 통과한다.
셀(32)은, 하우징(31)의 내부에서, 하우징(31)의 일측의 단부판(31b)으로부터 타측의 단부판(31b)까지, 전자 빔(B)의 빔 축(Ba)의 연장 방향에 직렬로 배치된다. 셀(32)은, 원통부(32a)와 원판부(32b)와 원환부(32c)를 갖는다.
원통부(32a)와 원판부(32b)와 원환부(32c)는, 유전체이며, 표면에는 금속 코팅 등을 실시하지 않고 사용된다. 셀(32)에 사용되는 유전체는, 유전 손실이 낮은 유전체이고, 알루미나나 사파이어 등의 세라믹스이다. 본 실시 형태에 있어서, 셀(32)에 사용되는 유전체의 유전 손실을 나타내는 지표인 tanδ(유전 정접)는, 예를 들어 1×10-3 이하의 범위이다.
또한, 저유전 손실의 유전체로서, 유전 손실이 실온에서 7.5×10-6 정도라고 하는 낮은 값을 갖는 세라믹스(고순도 알루미나)의 개발 예가 있다(Applied Physics Letters, (미국), 2002, Vol. 81, No.26, p.5021-5023). 또한, 저손실 유전체의 고주파 특성에 관한 선행 연구에 있어서, 예를 들어 사파이어의 tanδ가, 온도 T[K]5에 비례하고, 실온에서 tanδ=10-5의 것이, 80K에서는 tanδ=10-7까지 감소한다는 실험 결과가 있다(Physics LettersA, (네덜란드), 1987, Vol. 120, No.6, p.300-305).
원통부(32a)는, 원통 형상의 중심축이 하우징(31)의 원통부(31a)의 중심축(전자 빔(B)의 빔 축(Ba))과 동축 상에 배치된다. 원통부(32a)는, 직경이 하우징(31)의 원통부(31a)의 직경보다도 작다. 원통부(32a)의 직경은, 모든 셀(32)에 있어서 동일해도 되고, 단부측이 중간부측보다도 크게 설정되는 등 셀(32)마다 달라도 된다. 원통부(32a)의 단부에 원판부(32b)가 접속된다.
원판부(32b)는, 중심에 원 형상의 개구부(32ba)가 형성된 판상 부재이다. 개구부(32ba)의 직경은, 원통부(32a)의 직경보다도 작다. 개구부(32ba)는, 복수의 셀(32)의 배열 방향에 마련되어 전자 빔(B)이 통과한다. 원판부(32b)의 면 상에 대하여 수직 방향에 원통부(32a)가 설치된다. 또한, 원판부(32b)는, 하우징(31)의 단부판(31b)으로부터 이격한 위치에 배치되고, 원통부(32a)가 단부판(31b)과 접촉한다. 또한, 복수의 셀(32)은, 모든 셀(32)이 원통부(32a)와 원판부(32b)를 구비하는 것은 아니고, 원통부(32a)만 또는 원판부(32b)만의 경우도 있다.
원환부(32c)는, 셀(32)의 제조상의 사정이나, 지지 구조의 안정화를 위해, 원통부(32a)의 내측에 마련되는 원판부(32b)의 연장 상이며, 원통부(32a)의 외측에 마련된다. 셀(32)은, 원판부(32b)와 원환부(32c)가 일체화된 부재에 대하여 원통부(32a)를 접속할 수 있다. 또한, 원판부(32b)를, 원환부(32c)를 통해 하우징(31)의 내주면에서 지지할 수 있다.
이 가속관(3)은, 통과하는 전자 빔(B)의 빔 축(Ba)의 근방에 가속 방향의 전기장이 형성된다. 셀(32)의 원판부(32b)의 판면이 빔 축(Ba)에 대하여 수직 방향이 되도록, 개구부(32ba)를 갖는 원판부(32b)가 원통부(32a)의 내측에 설치된다. 이에 의해, 원판부(32b)의 개구부(32ba)의 내측에서, 빔 축(Ba)의 연장 방향으로 가속 전기장을 집중시키는 것이 가능하게 되고, 션트 임피던스를 높일 수 있다.
하우징(31) 내에 있어서 배치되는 셀(32)의 원통부(32a)의 내경이나 외경, 원판부(32b) 사이의 간격, 원판부(32b)의 개구부(32ba)의 내경, 하우징(31)의 원통부(31a)의 내경 등이 조정됨으로써, 가속관(3)의 내부에 여진되는 가속 모드의 전자장 분포가 조정된다. 또한, 원통부(32a)에 의해, 전자 빔(B)이 통과하는 빔 축(Ba)의 부근에 고주파 전력이 축적되는 것이 가능하게 된다. 그 결과, 하우징(31)의 단부판(31b)의 금속 표면에 대하여 평행한 방향으로 발생하는 고주파 자장을 저감화하고, 금속 표면에서의 도체 손실을 줄인다.
예를 들어, 셀(32)이 5개 배치되는 경우, 도 4에 도시하는 바와 같이, Q치는 약 60,000이 되고, 실온에서 일반적인 무산소 구리의 공진 공동을 사용하는 상전도의 가속관과 비교하여 몇배 이상이 높은 Q치를 실현할 수 있다. 이 때문에, 본 실시 형태의 가속관(3)은, 실온에서 상전도의 가속관보다도 높은 전력 효율을 갖는다. 상전도의 가속관은, 구리제인 경우, Q치가 10,000 정도이다. 도 4는, 셀(32)의 수가 많을수록 Q치가 높아지는 경향이 있는 것을 나타내고 있다. 이것은, 셀(32)의 수가 많을수록 가속관(3)이 빔 축(Ba)의 연장 방향으로 길어지고, 가속관(3) 내에서 손실되는 에너지의 비율이 적어지기 때문이다. 도 4에 도시한 Q치의 결과를 유도하는 연산은, 계산 프로그램(Poisson Superfish: 로스앨러모스 국립 연구소(http://laacg.lanl.gov/laacg/services/download_sf.phtml))에 의해 행하였다.
계산 조건에는, 셀(32)의 원통부(32a)와 원판부(32b)에 있어서의 유전체로서, 상술한 고순도 알루미나의 물성값을 사용하고, 하우징(31)에 있어서의 금속으로서, 무산소 구리의 물성값을 사용하였다. 셀(32)의 원통부(32a)의 내경이나 외경, 하우징(31)의 내경을 변화시켜서, 가속관(3) 내에 소정의 공진 주파수의 π 모드의 전자장 분포가 여진되도록, 가속관(3)의 구조를 시뮬레이션함으로써, 원통부(32a)의 내경이나 외경 및 하우징(31)의 내경을 산출하였다. 그리고, 산출된 구조를 사용하여, Q치를 연산하였다. π 모드란, 원판부(32b)로 끼워진 빔 축(Ba)을 포함하는 각 진공 부분에 있어서, 위상이 180° 어긋난 공진 전기장이 교호로 배열하는 모드를 말한다.
Q치는 하기 식으로 표시된다.
Q=(2πf·U)/(P_loss)
여기서,
U: 고주파 가속 공동에 축적된 전자파의 에너지
P_loss: 고주파 가속 공동 내에서 손실된 전자파의 에너지(전자파의 1주기당)
f: 전자파의 주파수
이다.
또한, 상술한 가속관(3)의 예에서는, 원환부(32c)가 원판부(32b)의 판면의 연장 상에 마련되는 경우에 대하여 설명했지만, 이 경우에 한정되지 않는다. 즉, 원환부(32c)는, 각 원판부(32b)에 대응하여 마련될 필요는 없고, 원판부(32b)보다도 적은 수로 배치되어도 되고, 원판부(32b)의 연장 상이 아닌, 원판부(32b)의 연장 상에서 어긋난 위치에 마련되어도 된다. 즉, 원환부(32c)는, 원통부(32a) 및 원판부(32b)를 지지할 수 있도록, 하우징(31)의 내주면과 원통부(32a)의 외주면 사이에 배치되어 있으면 된다.
또한, 본 실시 형태에 따른 가속관(3)은, 하우징(31)의 단부판(31b)에 인접하는 셀(32)에 있어서, 빔 축(Ba)의 주위에 원통부(32d)가 마련되어 있어도 된다. 원통부(32d)는, 단부판(31b)의 개구부(31ba) 및 원판부(32b)의 개구부(32b)a의 내경과 동일한 내경을 갖고, 일단부가 하우징(31)의 단부판(31b)에 접속되고, 타단부가 원판부(32b)에 접속된다. 원통부(32d)는, 원통부(32a)와 원판부(32b)와 원환부(32c)와 마찬가지로 유전체이다. 원통부(32d)를 더 마련함으로써, 하우징(31)의 단부판(31b)에 있어서 금속 표면에 대하여 평행한 방향에 발생하는 고주파 자장을 더 저감화할 수 있다. 원통부(32d)를 마련하지 않는 형태와 비교하여 약 2배가 높은 Q치를 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 가속관(3)은, 도면에는 명시하지 않지만, 셀(32)에 있어서 직경이 다른 원통부(32a)가 복수, 동심원상으로 마련되어 있어도 된다. 이에 의해, 가속관(3)의 고주파 가속 공동은, 높은 차원의 모드를 가속 모드로 사용할 수 있다. 또한, 그 결과, Q치를 더욱 높게 할 수 있다. 직경이 다른 원통부(32a)는, 하우징(31)의 단부판(31b)에 인접하는 2개의 셀(32)로서 마련되고, 중심축이 동축 상에 배치되어서 단부판(31b)에 접근할수록 직경이 커지도록 마련된다. 가속 모드의 차수가 n일 때, 원통부(32a)는 n-1개 마련된다. 즉, 가속 모드 차수가 2일 때, 원통부(32a)는 1개 마련되고, 가속 모드 차수가 3일 때 직경이 다른 원통부(32a)는 2개 마련된다. 이 직경이 다른 원통부(32a)를 갖는 셀(32)에 있어서 원통부(32d)를 마련해도 된다.
타깃(4)은, 가속관(3)에 의해 가속된 가속 전자(B')가 조사되는 금속(액체 금속)을 갖고, 당해 금속에 가속 전자(B')가 충돌함으로써 제동 X선을 발생시킨다.
제어부(5)는, 예를 들어 컴퓨터이고, 전자총(1)에 있어서의 가속관(3)으로의 전자 빔(B)의 입사 타이밍이나, 입사 듀티(입사 시간 비율)를 제어하거나, RF 증폭기(2)에 있어서의 가속관(3)으로 공급하는 고주파 전력의 출력을 제어하거나 함으로써, 방사선 발생 장치를 통괄적으로 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 방사선 발생 장치는, 일반적인 무산소 구리의 공진 공동을 사용하는 상전도의 가속관과 비교하여 몇배에서 10배 정도가 높은 Q치를 실현할 수 있는 가속관(3)을 사용하고 있다. 이 때문에, 본 실시 형태의 방사선 발생 장치에 의하면, 전력 효율을 향상시킬 수 있고, 높은 에너지 및 출력의 X선을 얻을 수 있다. 그리고, 본 실시 형태의 방사선 발생 장치는, 클라이스트론이나 마그네트론 등의 대전력 RF원 및 이것을 구동하는 고전압 전원 대신에, 상술한 RF 증폭기(2) 및 당해 RF 증폭기(2)를 구동하는 비교적 저전압의 전원을 사용해도 상전도의 가속관을 사용한 경우보다도 높은 에너지 및 출력의 X선을 얻을 수 있다. 이 때문에, 본 실시 형태의 방사선 발생 장치에 의하면, 상기 대전력 RF원 및 고전압 전원을 사용한 경우와 비교하여, 소형화를 도모할 수 있고, 차량 탑재형으로 하는 등 가반성을 향상시킬 수 있다. 즉, 본 실시 형태의 방사선 발생 장치는, 높은 전력 효율로, 전원 구성을 간소화할 수 있다.
본 실시 형태의 방사선 발생 장치에서는, 전자총(1)은, 중량이 5kg 내지 20kg, 체적이 φ100mm×200mm 내지 φ250mm×500mm 정도이고, RF 증폭기(2)는, 중량이 20kg 내지 100kg, 체적을 바닥 면적으로 하여 19인치 랙 사이즈에 기초하여 높이 200mm 내지 2m 정도이고, 가속관(3)은, 중량이 30kg 내지 80kg, 체적이 φ100mm×300mm 내지 φ200mm×800mm 정도이고, 타깃(4)은, 중량이 5kg 내지 15kg, 체적이 φ50mm×100mm 내지 φ100mm×200mm 정도이고, 제어부(5)는, 체적이 600mm×800mm×1800mm 정도이다. 따라서, 차량 등의 이동체에 적재할 수 있는 가반성을 가질 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 방사선 발생 장치에서는, RF 증폭기(2)는, 최대 출력이 100kW 이하임으로써, 소형화에 크게 기여할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 방사선 발생 장치에서는, RF 증폭기(2)는, 최대 출력이 10kW 이하임으로써, 소형화에 더 크게 기여할 수 있다.
도 5는, 본 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치의 작용의 일례를 나타내는 그래프이다.
본 실시 형태의 방사선 발생 장치에서는, 제어부(5)에 의해, RF 증폭기(2)의 출력 전력을 일정하게 제어하고, 전자총(1)에 있어서의 전자 빔(B)의 입사 듀티(입사 시간 비율)를 제어한다. 구체적으로, 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, RF 증폭기(2)의 출력 전력을 일정하게 하면, 시간의 경과와 함께 가속관(3)의 고주파 가속 공동 내에 축적되는 전자파의 축적 에너지(V)가 상승한다. 제어부(5)는, 축적 에너지(V)가 소정 높이가 된 타이밍에서 전자총(1)에 있어서의 전자 빔(B)을 가속관(3)의 고주파 가속 공동 내에 입사한다. 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)에서는, 전자 빔(B)의 입사 타이밍을 (1) 내지 (3)으로 나타내고 있다. 전자총(1)에 있어서의 전자 빔(B)의 입사는, 제어부(5)에 있어서, 그리드(14)에 인가하는 그리드 전압을 온/오프 제어함으로써 행하여진다.
도 5의 (a)에서는, 전자총(1)에 있어서의 전자 빔(B)의 입사 듀티(D)를 비교적 작게 낮추어서 제어하고, 도 5의 (b)에서는, 전자총(1)에 있어서의 전자 빔(B)의 입사 듀티(D)를 비교적 크게 높여서 제어한 예를 도시하고 있다. 전자총(1)에 있어서의 전자 빔(B)의 입사 듀티(D)는, 제어부(5)에 있어서, 그리드(14)에 인가하는 그리드 전압의 온 시간을 제어함으로써 행하여진다.
도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 전자 빔(B)의 입사 듀티(D)를 낮추면, 이 입사 듀티(D)에 의해 가속관(3)의 고주파 가속 공동 내에 축적된 전자파의 축적 에너지(V)의 소비가 작다. 이 때문에, 가속관(3)의 고주파 가속 공동 내에 보다 높은 고주파 전력이 축적된 상태에서 전자 빔(B)을 입사하게 된다. 이 때문에, 높은 에너지의 가속 전자(B')를 얻을 수 있고, X선의 에너지가 비교적 커지도록 변화시킬 수 있다.
한편, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, 전자 빔(B)의 입사 듀티(D)를 높이면, 이 입사 듀티(D)에 의해 가속관(3)의 고주파 가속 공동 내에 축적된 전자파의 축적 에너지(V)의 소비가 크다. 이 때문에, 가속관(3)의 고주파 가속 공동 내의 고주파 전력의 축적이 억제된 상태에서 전자 빔(B)을 입사하게 된다. 이 때문에, 낮은 에너지의 가속 전자(B')를 얻을 수 있고, X선의 에너지가 비교적 작아지도록 변화시킬 수 있다. 이 도 5의 (b)의 경우, 가속 전자(B') 에너지는 낮아지지만, 평균 전류는 높아진다.
이와 같이, 본 실시 형태의 방사선 발생 장치에서는, RF 증폭기(2)의 출력 전력을 일정하게 제어하고, 전자총(1)에 있어서의 전자 빔(B)의 입사 시간 비율을 제어하는 제어부(5)를 구비한다. 또한, 본 실시 형태의 방사선 발생 방법에서는, RF 증폭기(2)의 출력 전력을 일정하게 하면서, 전자총(1)에 있어서의 전자 빔(B)의 입사 시간 비율을 변화시킨다.
따라서, 가속관(3)에 의해 가속되는 가속 전자(B')의 에너지를 변화시킬 수 있고, 타깃(4)에서 발생하는 X선의 에너지를 변화시킬 수 있다. 즉, RF 증폭기(2)의 출력 전력을 일정하게 유지한 채로, 검사 대상물이나 용도에 맞추어, X선의 에너지를 변화시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 방사선 발생 장치에서는, 제어부(5)는, 전자총(1)에 있어서의 그리드(14)의 전압 온 시간을 제어함으로써 전자 빔(B)의 입사 시간 비율을 제어하는 것이 바람직하다.
전자총(1)에 있어서는, 상술한 바와 같이, 캐소드(12)가 히터(11)로 가열됨으로써 전자를 방사하기 위해서, 히터(11)의 필라멘트(11a)에 전압을 인가하는 전원(11b)을 온오프 제어로 온이 되는 시간 비율을 제어함으로써, 전자 빔(B)의 입사 시간 비율을 제어할 수 있지만, 가열에 기인하기 위해서, 전자의 방사량이 안정되는 데 시간을 요한다. 이 점, 그리드(14)의 전압을 온오프 제어하면, 캐소드(12)에서 방사하고 있는 전자가 애노드(13)에 의해 인출되는 것을 제어할 수 있기 때문에, 전자의 방사량이 안정된다. 따라서, 전자총(1)의 캐소드(12)로부터의 출력 전류의 최댓값을 일정하게 한 채로, 입사 듀티(D)를 변화시킨다. 이 때문에, 전자총(1)의 운전 조건(캐소드 히터 전압이나, 그리드 전압)을 일정하게 하면서, 그리드 전압의 온/오프 타이밍만 제어하여 전압의 온이 되는 시간 비율을 제어하면 되기 때문에, 빠른 에너지의 전환에 대하여 대응할 수 있다.
또한, 그리드(14)가 없는 2극관 구조의 전자총의 경우, 출력 전류량의 조정은 히터 전원(11b)의 출력 전류값에 의해 캐소드(12)의 온도를 변화시켜서 행하기 때문에, 짧은 시간으로 전류값을 전환하는 것이 어렵지만, 본 실시 형태에 따르면, 히터 전원(11b)의 출력 전류는 개략 일정하게 한 채로 캐소드(12)와 애노드(13) 사이에 인가하는 전압의 온오프 제어를 행함으로써 온이 되는 시간 비율에 의해 에너지의 전환을 행할 수 있다.
도 6은, 본 실시 형태에 따른 방사선 발생 장치의 작용의 일례를 나타내는 그래프이다.
본 실시 형태의 방사선 발생 장치에서는, 상술한 바와 같이, 일반적인 무산소 구리의 공진 공동을 사용하는 상전도의 가속관과 비교하여 몇배에서 10배 정도가 높은 Q치를 실현할 수 있는 가속관(3)을 사용하고 있다.
여기서, 가속관 내에 소정 펄스의 고주파 전압(P)을 투입하기 시작하고 나서부터 일정한 레벨까지 축적 에너지(V)가 축적될 때까지의 필링 타임에 대해서, 도 6에 도시한다. 도 6에 있어서, 고주파 전압(P)은, 소정 펄스로 투입된다. 상전도의 가속관에 있어서의 고주파 전압(P)이 투입되고 나서의 필링 타임(T1)을 도 6에 파선으로 나타낸다. 또한, 본 실시 형태의 가속관(3)에 있어서의 고주파 전압(P)이 투입되고 나서의 필링 타임(T2)을 도 6에 실선으로 나타낸다. 상전도의 가속관의 필링 타임(T1)은, 예를 들어 1μs 이하이지만, 본 실시 형태의 가속관(3)의 필링 타임(T2)은, 예를 들어 몇μs 이상으로 길다. 따라서, 축적 에너지(V)가 최대로 축적된 시점에서의 그리드 전압의 온오프 타이밍 제어를 하기 쉬워진다. 이 결과, 전자총(1)에 있어서의 그리드(14)의 전압을 온오프 제어함으로써의 전자 빔(B)의 입사 듀티(D)의 제어를 용이하게 실시할 수 있다.
1: 전자총
11: 히터
11a: 필라멘트
11b: 전원
12: 캐소드
13: 애노드
14: 그리드
2: RF 증폭기
3: 가속관
31: 하우징
31a: 원통부
31b: 단부판
31ba: 개구부
32: 셀
32a: 원통부
32b: 원판부
32ba: 개구부
32c: 원환부
32d: 원통부
4: 타깃
5: 제어부

Claims (7)

  1. 도전성을 갖는 통 형상의 하우징 및 상기 하우징의 내부에 있어서 유전체로 이루어지는 복수의 셀을 중심부의 개구부가 상기 복수의 셀의 배열 방향으로 연속하도록 배열한 가속 공동을 구성하는 가속관과,
    상기 가속관에 고주파 전력을 공급하는 RF 증폭기와,
    상기 가속관에 있어서의 각 상기 셀의 개구부를 통과하는 하전 입자를 발사하는 전자총과,
    상기 RF 증폭기의 출력 전력을 일정하게 제어하고, 상기 전자총에 있어서의 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 제어하는 제어부를
    구비하고,
    상기 전자총은, 캐소드 히터 전압에 의해 상기 하전 입자를 방출하는 캐소드와, 그리드 전압에 의해 상기 하전 입자를 가속하는 그리드를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 캐소드 히터 전압 및 상기 그리드 전압을 일정하게 하면서, 상기 그리드 전압의 온 시간을 제어함으로써 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 제어하는, 방사선 발생 장치.
  2. 도전성을 갖는 통 형상의 하우징 및 상기 하우징의 내부에 있어서 유전체로 이루어지는 복수의 셀을 중심부의 개구부가 상기 복수의 셀의 배열 방향으로 연속하도록 배열한 가속 공동을 구성하는 가속관과,
    상기 가속관에 고주파 전력을 공급하는 RF 증폭기와,
    상기 가속관에 있어서의 각 상기 셀의 개구부를 통과하는 하전 입자를 발사하는 전자총과,
    상기 RF 증폭기의 출력 전력을 일정하게 제어하고, 상기 전자총에 있어서의 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 제어하는 제어부를
    구비하고,
    상기 전자총은, 캐소드 히터 전압에 의해 상기 하전 입자를 방출하는 캐소드와, 상기 캐소드와의 사이의 전위차에 의해 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 인출하여 전자 빔으로 하는 애노드를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 캐소드의 히터에 있어서의 히터 전원의 출력 전류를 일정하게 하면서, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 인가하는 전압의 온 시간을 제어함으로써 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 제어하는, 방사선 발생 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 RF 증폭기는, 최대 출력이 100kW 이하인, 방사선 발생 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 RF 증폭기는, 최대 출력이 10kW 이하인, 방사선 발생 장치.
  5. 도전성을 갖는 통 형상의 하우징 및 상기 하우징의 내부에 있어서 유전체로 이루어지는 복수의 셀을 중심부의 개구부가 상기 복수의 셀의 배열 방향으로 연속하도록 배열한 가속 공동을 구성하는 가속관과, 상기 가속관에 고주파 전력을 공급하는 RF 증폭기와, 캐소드 히터 전압에 의해 하전 입자를 방출하는 캐소드 및 그리드 전압에 의해 상기 하전 입자를 가속하는 그리드를 포함하고, 상기 가속관에 있어서의 각 상기 셀의 개구부를 통과하는 하전 입자를 발사하는 전자총을 사용하고,
    상기 RF 증폭기의 출력 전력을 일정하게 하면서, 상기 전자총에 있어서의 상기 캐소드 히터 전압 및 상기 그리드 전압을 일정하게 하면서, 상기 그리드 전압의 온 시간을 제어함으로써 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 변화시키는, 방사선 발생 방법.
  6. 도전성을 갖는 통 형상의 하우징 및 상기 하우징의 내부에 있어서 유전체로 이루어지는 복수의 셀을 중심부의 개구부가 상기 복수의 셀의 배열 방향으로 연속하도록 배열한 가속 공동을 구성하는 가속관과, 상기 가속관에 고주파 전력을 공급하는 RF 증폭기와, 캐소드 히터 전압에 의해 하전 입자를 방출하는 캐소드 및 상기 캐소드와의 사이의 전위차에 의해 상기 캐소드로부터 방출된 전자를 인출하여 전자 빔으로 하는 애노드를 포함하고, 상기 가속관에 있어서의 각 상기 셀의 개구부를 통과하는 하전 입자를 발사하는 전자총을 사용하고,
    상기 RF 증폭기의 출력 전력을 일정하게 하면서, 상기 전자총에 있어서의 상기 캐소드의 히터에 있어서의 히터 전원의 출력 전류를 일정하게 하면서, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 인가하는 전압의 온 시간을 제어함으로써 상기 하전 입자의 입사 시간 비율을 변화시키는, 방사선 발생 방법.
  7. 삭제
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