KR102646637B1 - 엑스선 소스용 전압변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인버터에서 출력되는 교류전압을 엑스선 소스의 구동전압으로 변환하는 전압변환장치 및 이를 이용한 엑스선 소스 구동장치로서, 상기 전압변환장치는 복수의 전압변환부를 포함하고, 상기 전압변환부는 각각 상기 인버터에 연결되고 서로 병렬 연결되는 1차측 권선을 포함하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 2차측에 연결되고 서로 직렬 연결되어 상기 엑스선 소스와 연결되는 정류회로를 포함하는 것을 특징을 한다.

Description

엑스선 소스용 전압변환장치{Voltage converter for X-ray source}
본 발명은 전압변환장치 및 이를 이용한 엑스선 소스 구동장치로서, 특히 출력전압 내지는 엑스선 소스에 인가되는 구동전압의 크기를 자유롭게 조절할 수 있는 엑스선 소스용 전압변환장치에 관한 것이다.
엑스선 촬영장치는 촬영대상을 투과한 엑스선을 감지하여 촬영대상의 내부구조에 대한 엑스선 영상을 구현하는 장치를 말한다.
이러한 엑스선 촬영장치는 엑스선을 생성해서 촬영대상에 조사하는 엑스선 발생장치를 포함하고, 엑스선 발생장치는 엑스선 소스(엑스선 튜브 또는 엑스선 관) 및 이의 구동을 위한 구동장치를 포함한다. 엑스선 발생장치는 의료, 치과용이나 비파괴 검사용, 화학분석용 등 다양한 부분에 활용되고 있다.
종래의 엑스선 소스는 고전력으로 텅스텐 필라멘트를 가열해서 열전자를 방출시키는 열음극 방식이 일반적이었으나 최근에는 열음극 대비 실온 구동 및 빠른 스위칭이 가능하다는 장점이 부각되면서 탄소나노소스(CNT) 등의 나노 구조물로 이루어진 냉음극 방식의 전자 방출원을 사용하는 전계방출형 엑스선 소스의 보급이 급속히 이루어지고 있다.
전계방출형 엑스선 소스(이하, 엑스선 소스)는 도 1에 도시한 바와 같이 캐소드 전극(C)과 애노드 전극(A)에 엑스선 출력 전압인 구동전압을 인가하고, 게이트 전극(G)에 인가되는 게이트 전압으로 에미터(E)의 전자방출(e)을 유도함으로써 에미터(E)에서 방출된 전자를 애노드 전극(A) 측의 타겟에 고속 충돌시켜 엑스선을 생성한다.
그리고 엑스선 소스 구동장치는 엑스선 소스의 구동전압을 생성하기 위한 것으로 인버터, 트랜스포머, 승압회로를 포함하고, 상기 승압회로는 콕-크로프트 월턴(cockcroft-walton) 등의 N배 배압회로를 사용하는 것이 일반적이다.
그러나 N배 배압회로의 특성 상 시간적 딜레이가 발생하고, 전류 손실이 크며, 출력 전압인 구동전압의 크기를 임의로 조절하기 어렵다는 단점이 있기 때문에 이를 개선할 필요가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0012585호 대한민국 공개특허공보 제10-2022-0039933호
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위한 발명으로써, 본 발명의 주요 목적은 시간적 딜레이를 줄이고 전류 손실을 최소화하면서도 출력전압의 크기를 임의로 조절할 수 있는 엑스선 소스용 전압변환장치 및 이를 이용한 엑스선 소스 구동장치를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 소스 구동장치는,
교류전압을 출력하는 인버터; 상기 교류전원으로 엑스선 소스의 구동을 위한 구동전압을 생성하는 전압변환장치를 포함하고, 상기 전압변환장치는 복수의 전압변환부를 포함하고, 상기 전압변환부는 각각, 상기 인버터에 연결되고 서로 병렬 연결되는 1차측 권선을 포함하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 2차측에 연결되고 서로 직렬 연결되어 상기 엑스선 소스와 연결되는 정류회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 엑스선 소스는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고,
상기 구동전압은 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 전압인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전압변환부는 개별로 모듈화된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 전압변환부는 제 1 내지 제 n 개이고, 상기 인버터와 제 1 트랜스포머의 1차측 권선, 상기 제 1 내지 제 n 트랜스포머의 1차측 권선, 상기 제 1 내지 제 n 정류회로, 제 1 정류회로의 출력단의 제 1 극성과 상기 엑스선 소스, 제 n 정류회로의 출력단의 제 2 극성과 상기 엑스선 소스 중 적어도 하나는 커넥터로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 정류회로는 전파 정류 회로 또는 전파 배전압 정류회로인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전압변환장치는, 인버터에서 출력되는 교류전압을 엑스선 소스의 구동전압으로 변환하는 전압변환장치로서, 상기 전압변환장치는 복수의 전압변환부를 포함하고, 상기 전압변환부는 각각, 상기 인버터에 연결되고 서로 병렬 연결되는 1차측 권선을 포함하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 2차측에 연결되고 서로 직렬 연결되어 상기 엑스선 소스와 연결되는 정류회로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 전압변환장치 및 이를 이용한 엑스선 소스 구동장치는 전압변환부의 수량에 따라 출력전압 내지는 엑스선 소스의 구동전압을 임의로 조절할 수 있는 것은 물론 시간적 딜레이가 없고 전류 손실이 적다는 장점이 있다.
도 1은 엑스선 소스의 구조와 전원공급의 관계를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 엑스선 소스 구동장치의 구성 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 전압변환장치의 구성 예시도.
도 4와 도 5는 도 3에 도시한 정류회로의 구성 예시도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 설명한다. 실시예를 통해 본 발명의 기술적 사상이 좀 더 명확하게 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 이하에 설명된 실시예에 한정되는 것이 아니라 본 발명이 속하는 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 한편 동일한 도면 부호는 동일한 특성을 갖는 구성요소임을 나타내는 것으로서, 한 도면에 관한 설명에서 언급된 것과 동일한 도면 부호를 갖는 구성요소에 대한 설명은 다른 도면에 대한 설명에서는 생략될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 전압변환장치를 이용한 엑스선 소스 구동장치(200)의 구성도를 예시한 것이다.
도 2를 참조하면, 엑스선 소스는 전자 방출원(에미터)을 갖는 캐소드 전극(C), 타겟을 갖는 애노드 전극(A), 캐소드 전극(C)과 애노드 전극(A) 사이의 게이트 전극(G)을 포함하는 전계방출형 엑스선 소스(300, 이하 엑스선 소스)일 수 있다. 참고로, 전계방출형 엑스선 소스(300)는 일례로 세라믹 등 절연재질의 하우징에 의해 캐소드 전극(C), 게이트 전극(G), 및 애노드 전극(A)이 차례로 대향 고정되어 하우징 내부의 진공 공간에서 게이트 전극(G)을 사이에 두고 캐소드 전극(C)의 에미터와 애노드 전극(A)의 타겟이 서로 대향 배치될 수 있다. 그리고 애노드 전극(A)과 캐소드 전극(C)에 구동전압이 인가되고, 게이트 전극(G)에 게이트 전압이 인가되면, 캐소드 전극(C)의 에미터로부터 전자가 방출되고, 방출된 전자는 캐소드 전극(C)과 애노드 전극(A) 간의 전위차로 인해 애노드 전극(A) 측으로 가속되어 타겟에 충돌함으로써 엑스선이 출력되는 구성을 갖는다.
도 2에서는 전계방출형 엑스선 소스(300)를 편의상 애노드 전극(A), 게이트 전극(G), 캐소드 전극(C)으로 단순화하여 도시하였지만, 공지된 여러 형상 및 구조의 전계방출형 엑스선 소스를 포함할 수 있다. 또한 도 2에서는 편의상 전계방출형 엑스선 소스를 예로 들었지만, 이는 하나의 예시일 뿐 이에 국한되지 않는다. 즉, 본 발명은 열음극 엑스선 소스에도 충분히 적용 가능함은 이하의 설명을 통해 당업자라면 쉽게 이해할 수 있다.
한편, 엑스선 소스 구동장치(200)는 전원 공급부(100)로부터 공급되는 전압으로 엑스선 소스(300)의 애노드 전극(A), 캐소드 전극(C), 게이트 전극(G)에 각각 인가되는 애노드 전압, 캐소드 전압, 게이트 전압을 출력한다. 이때, 애노드 전압과 캐소드 전압의 전위 레벨은 엑스선 소스의 구동전압이 된다.
전원 공급부(100)는 배터리로부터 공급되는 전원이나, 전원 어댑터로부터 전원 케이블을 통해 공급된 전원을 이용하여 엑스선 소스 구동장치(200)에 소정 전압의 전원을 제공한다.
엑스선 소스 구동장치(200)는 상기 전원 공급부(100)로부터 전원을 공급받아 애노드 전극(A), 캐소드 전극(C), 게이트 전극(G)으로 각각 인가되는 애노드 전압, 캐소드 전압, 게이트 전압을 생성하여 출력한다.
이러한 엑스선 소스 구동장치(200)는 엑스선 소스의 구동전압, 즉 애노드 전극(A)과 캐소드 전극(C)에 각각 인가되는 애노드 전압과 캐소드 전압 간의 전위 레벨에 해당하는 구동전압을 생성하는 전압변환장치(210)와, 게이트 전극(G)에 인가되는 게이트 전압을 생성하는 게이트 전압생성장치(220)을 포함할 수 있다.
전압변환장치(210)는 캐소드-애노드 간 전압, 즉 구동전압 생성을 위한 것으로, 도 2에 도시한 바와 같이 제1인버터(211), 제1인버터(211)와 엑스선 소스 사이에 구비되는 복수의 전압변환부(213-1, 213-2,…213-N)를 포함할 수 잇다.
한편, 게이트 전압생성장치(220)는 제2인버터(222), 제2트랜스포머(224), 배전압회로(226)로 구성될 수 있다. 배전압회로(226)는 입력 전압을 n배의 전압으로 승압하는 n배 전압 정류회로 또는 코크로프트 배전압회로로 구성될 수 있다. 상기 제2인버터(222)는 전원부(100)로부터 입력된 전원을 교류전압으로 변환하여 출력하고, 제2트랜스포머(224)는 제2인버터(222)에서 출력된 전압을 1차 승압하며, 배전압회로(226)는 제2트랜스포머(224)의 2차측 전압을 배압하여 게이트 전극(G)에 인가할 수 있다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전압변환장치(210)의 구성에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 전압변환장치(210)의 구성도를 예시한 것이며, 도 4와 도 5는 도 3에 도시한 정류회로를 예시한 것이다. 앞서 도 2와 함께 참조한다.
전압변환장치(210)는 전원 공급부(100)에서 공급되는 입력전원을 소정의 교류전압으로 변환하는 제1인버터(211)와, 제1인버터(211)와 엑스선 소스 사이에 개재되는 복수의 전압변환부(213-1, 213-2, 213-3,…213-n)를 포함한다.
그리고 복수의 전압변환부(213-1, 213-2, 213-3,…213-n)는 각각 트랜스포머(T1, T2, T3,…Tn)와 정류회로(R1,R2, R3,…Rn)를 포함하되, 트랜스포머(T1, T2, T3,…Tn)의 1차측 권선은 서로 병렬 연결되어 제1인버터(211)에 연결되고, 트랜스포머(T1, T2, T3,…Tn)의 2차측은 각각의 정류회로(R1,R2, R3,…Rn)와 연결되며, 정류회로(R1,R2, R3,…Rn)는 서로 직렬 연결되어 엑스선 소스(300)에 연결된다.
그 결과 복수의 전압변환부(213-1,213-2,213-3,…213-n)는 그 수만큼 배압된 전압을 구동전압(Vg)으로 출력한다.
참고로, 전압변환부가 n개인 경우를 가정하면, 제 1 정류회로(R1)의 제 1 극성 출력단은 엑스선 소스(300)의 애노드 전극(A) 또는 캐소드 전극(C) 중 하나에 연결되고, 제 1 정류회로(R1)의 제 2 극성 출력단은 제2 정류회로(R2)의 제 1 극성 출력단에 되는 방식으로 전단 정류회로의 제 2 극성 출력단이 후단 정류회로의 1 극성 출력단에 순차적으로 연결되어 각각의 정류회로(R1,R2,R3,…Rn)는 직렬 연결되며, 마지막의 제 n 정류회로(Rn)의 제2극성 출력단은 엑스선 소스(300)의 애노드 전극(A) 또는 캐소드 전극(C) 중 나머지 하나에 연결될 수 있다.
이때, 각각의 전압변환부(213-1,231-2,231-3…231-n)는 개별 칩의 형태로 모듈화 될 수 있고, 제 1 인버터(211)와 제1 전압변환부(213-1)의 제 1 트랜스포머(T1)의 1차측 권선, 제 1 내지 제 n 트랜스포머의 1차측 권선(T1,T2,T3,…Tn), 상기 제 1 내지 제 n 정류회로(R1,R2,R3,…Rn), 제 1 정류회로(R1)의 제 1 극성 출력단과 엑스선 소스(300), 제 n 정류회로(Rn)의 제 2 극성 출력단과 엑스선 소스(300) 중 적어도 하나는 커넥터로 연결될 수 있다.
즉, 제1인버터(211)는 전원공급보드에 배치되고, 하나 이상의 전압변환부를 커텍터로 연결하는 방식이 될 수도 있다.
한편, 정류회로(R1,R2,R3…Rn)는 모든 종류의 정류회로를 사용할 수 있지만, 도 4에 도시한 전파 정류회로와 도 5에 도시한 전파 배전압 정류회로를 사용하는 것이 적절하다. 예를 들어 전압변환부(213-1,213-2,213-3,…213-n) 및 정류회로(R1,R2,R3…Rn)의 수를 n이라 하면, 이들은 서로 직렬 연결되므로 전파 정류회로는 n배, 배전압 정류회로는 2n배, 3배 배전압 정류회로는 3n배로 승압된 전압을 엑스선 소스의 구동전압으로 출력할 수 있다.
이하 상술한 바와 같은 구성을 포함하는 전압변환장치(210)의 동작을 부연 설명하면, 전원 공급부(100)에서 공급되는 입력 전원은 제1인버터(211)에서 교류전압으로 변환되고, 제1인버터(211)의 교류전압은 서로 병렬 연결된 복수개의 전압변환부(213-1,213-2,213-3,…213-n)의 트랜스포머(T1,T2,T3,…Tn)의 1차측 권선에 각각 공급되며, 각 트랜스포머(T1,T2,T3,…Tn)는 제1인버터(211)의 출력 전압을 1차 승압하여 2차측 권선으로 각각 출력한다.
그리고 각 트랜스포머(T1,T2,T3,..Tn)의 2차측 권선에 연결된 정류회로(R1,R2,R3,…Rn)는 각각의 트랜스포머(T1,T2,T3,..Tn)에서 1차 승압된 전압을 직류전압으로 정류 및 배압하여 출력한다. 이때 정류회로는 서로 직렬 연결되므로 최종의 출력전압인 엑스선 소스의 구동전압은 정류회로의 수만큼 또는 정류회로가 배전압 정류회로인 경우에는 그 수에 각각의 배압율을 곱한 값으로 가산된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 전압변환장치(210)는 전압변환부(213-1,213-2,213-3,…213-n)의 연결 조합을 통해 구동전압을 임의로 조절할 수 있는 효과를 제공한다.
이상 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 인버터에서 출력되는 교류전압으로 엑스선 소스의 구동전압을 생성하는 전압변환장치로서,
    상기 전압변환장치는 각각 모듈 형태로 개별화된 복수 개의 전압변환부를 포함하고,
    상기 전압변환부 각각은 입력단, 상기 입력단에 연결된 1차측 권선 및 2차측 권선을 포함하는 트랜스포머와, 상기 2차측 권선과 연결되고 제1, 제2극성 출력단을 갖는 정류회로를 포함하며,
    상기 전압변환부 각각의 상기 입력단은 상기 인버터에 각각 병렬 연결되고, 상기 전압변환부 각각의 제1극성 출력단은 상기 엑스선 소스 또는 이웃하는 전압변환부의 제2극성 출력단에 연결되며, 상기 전압변환부 각각의 제2극성 출력단은 각각 이웃하는 전압변환부의 제1극성 출력단 또는 상기 엑스선 소스에 연결됨을 특징으로 하는 엑스선 소스용 전압변환장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 소스는 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함하고,
    상기 구동전압은 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이의 전압인 엑스선 소스용 전압변환장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류회로는 전파 정류 회로 또는 전파 배전압 정류회로인 엑스선 소스용 전압변환장치.
  6. 삭제
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