KR102666726B1 - 엑스선 튜브의 고속 스위칭 방법 및 이를 수행하는 장치 - Google Patents
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Abstract
엑스선 튜브의 고속 스위칭 방법 및 이를 수행하는 장치가 개시된다. 다양한 실시예에 따른 엑스선 튜브의 고속 스위칭 방법은 복수의 스위칭 소자에 관한 제어 신호 및 상기 엑스선 튜브의 관전류에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자의 닫힘 상태를 제어하는 동작과 상기 닫힘 상태에 기초하여 상기 엑스선 튜브가 엑스선을 방출하도록 상기 엑스선 튜브를 제어하는 동작을 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자는 상기 엑스선 튜브의 캐소드에서 서로 병렬 연결된 것일 수 있다.
Description
본 발명의 다양한 실시예들은 엑스선 튜브의 고속 스위칭 방법 및 이를 수행하는 장치에 관한 것이다.
엑스선(X-ray)은 전자파의 일종으로 직진성과 투과성 및 물질 특성에 따른 흡수특성 차이 등으로 많은 분야에서 비파괴검사 수단으로 쓰이고 있다. 엑스선 튜브는 엑스선을 발생하는데 있어 핵심부품으로 주로 필라멘트타입, CNT타입으로 나뉜다.
필라멘트 타입 엑스선 튜브 및 CNT 타입 엑스선 튜브 이용시 고속 펄싱(pulsing) 등 고속 관전류 제어를 필요로 하는 상황에서 관전류 측정 및 제어는 쉽지 않을 수 있다. 또한, 튜브 타입에 따라 상이한 관전류 용량으로 인해 각기 다른 타입의 엑스선 튜브 동작시 각각의 튜브에 적합한 전원 제어 장치를 사용해야 하는 불편함이 있으며, 튜브 불량 또는 아크 발생시 과도한 관전류 및 엑스선 튜브의 임피던스 감소로 인하여 전원 제어 장치 등이 손상될 수 있다.
위에서 설명한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
엑스선 튜브에 인가되는 전압(예: 필라멘트 가열용 전원, Anode 인가 전원 및 Gate 인가 전원 등)을 스위칭하여 고속 펄싱하는 경우에는 아래와 같은 문제점이 있다. 필라멘트 가열용 전원의 경우에는 필라멘트의 특성 상 고속 스위칭이 어려울 수 있다. Anode 인가 전원 및 Gate 인가 전원의 경우에는 전압의 크기가 수kV ~ 수백 kV에 달하여 Anode 인가 전원의 스위칭 주파수는 수 kHz로 제한될 수 있다. Gate 인가 전원의 스위칭 주파수는 수십 kHz 로 스위칭이 가능하지만, 연속적으로 인가되는 Anode 전압에 의해 방출되는 엑스선의 정확한 단속이 어렵게 되므로 엑스선 쵤영물에 잔상으로 인한 해상도 저하, 엑스선 과다 노출, 불필요한 에너지의 소모 등이 발생될 수 있어 펄싱 주파수는 수 kHz 제한되고 있다. 이에, 엑스선 튜브에 인가되는 전압을 스위칭하지 않고도 엑스선 튜브에 대하여 고속 펄싱을 수행하는 기술이 요구될 수 있다.
다양한 실시예들은 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자를 이용하여, 엑스선 튜브 타입 및 관전류 특성과 무관하게 엑스선 튜브에 대하여 안정적으로 고속 펄싱을 수행하는 기술을 제공할 수 있다.
다만, 기술적 과제는 상술한 기술적 과제들로 한정되는 것은 아니며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 엑스선 튜브의 고속 스위칭 방법은 복수의 스위칭 소자에 관한 제어 신호 및 상기 엑스선 튜브의 관전류에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자의 닫힘 상태를 제어하는 동작과 상기 닫힘 상태에 기초하여 상기 엑스선 튜브가 엑스선을 방출하도록 상기 엑스선 튜브를 제어하는 동작을 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자는 상기 엑스선 튜브의 캐소드에서 서로 병렬 연결된 것일 수 있다.
상기 닫힘 상태를 제어하는 동작은 상기 복수의 스위칭 소자 각각에 연결된 전류 제한 회로의 부하 크기를 조정하여 상기 관전류의 제한값을 제어하는 동작을 포함할 수 있다.
상기 닫힘 상태를 제어하는 동작은 상기 관전류의 크기에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자 중 상기 닫힘 상태를 온(on)으로 제어할 스위칭 소자의 개수를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
상기 닫힘 상태를 제어하는 동작은 상기 복수의 스위칭 소자의 닫힘 상태를 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 소자 그룹별로 교차하여 전환하는 동작을 포함할 수 있다.
상기 닫힘 상태를 제어하는 동작은 상기 엑스선 튜브의 관전류에 기초하여 생성된 상기 복수의 스위칭 소자의 출력단 전압과, 상기 제어 신호에 대응하는 상기 복수의 스위칭 소자의 입력단 전압을 비교하여 상기 닫힘 상태를 결정하는 동작을 포함할 수 있다.
상기 엑스선 튜브는 필라멘트 타입 엑스선 튜브 및 CNT 타입 엑스선 튜브 중 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 전류 제한 회로의 양 끝단 간의 전압에 기초하여 상기 엑스선의 관전류를 안정화시키는 동작을 더 포함할 수 있다.
상기 안정화시키는 동작은 상기 전류 제한 회로에 흐르는 관전류의 크기에 따른 전압이 상기 전류 제한 회로에 대응하는 스위칭 소자의 턴온 전압에서 상기 대응하는 스위칭 소자의 출력단 및 입력단 간의 전압과 균형을 이루어 상기 전류 제한 회로에 흐르는 관전류를 안정화시키는 동작을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 엑스선 튜브의 고속 스위칭을 위한 고속 스위칭 장치는 복수의 스위칭 소자에 관한 제어 신호와 상기 엑스선 튜브의 관전류에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자의 닫힘 상태를 제어하는 프로세서와 상기 닫힘 상태에 기초하여 상기 엑스선 튜브가 엑스선을 방출하도록 상기 엑스선 튜브를 제어하는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자는 상기 엑스선 튜브의 캐소드에서 서로 병렬 연결된 것일 수 있다.
상기 프로세서는 상기 복수의 스위칭 소자 각각에 연결된 전류 제한 회로의 부하 크기를 조정하여 상기 관전류의 크기를 제어할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 관전류의 크기에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자 중 상기 닫힘 상태를 온(on)으로 제어할 스위칭 소자의 개수를 결정할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 복수의 스위칭 소자의 닫힘 상태를 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 소자 그룹별로 교차하여 전환할 수 있다.
상기 복수의 스위칭 소자는 상기 엑스선 튜브의 관전류에 기초하여 생성된 상기 복수의 스위칭 소자의 출력단 전압과, 상기 제어 신호에 대응하는 상기 복수의 스위칭 소자의 입력단 전압을 비교하여 상기 닫힘 상태를 결정할 수 있다.
상기 엑스선 튜브는 필라멘트 타입 엑스선 튜브 및 CNT 타입 엑스선 튜브 중 어느 하나인 것일 수 있다.
상기 전류 제한 회로는 상기 전류 제한 회로의 양 끝단 간의 전압에 기초하여 상기 엑스선의 관전류를 안정화시킬 수 있다.
상기 전류 제한 회로는 상기 전류 제한 회로에 흐르는 관전류의 크기에 따른 전압이 상기 전류 제한 회로에 대응하는 스위칭 소자의 턴온 전압에서 상기 대응하는 스위칭 소자의 출력단 및 입력단 간의 전압과 균형을 이루어 상기 전류 제한 회로에 흐르는 관전류를 안정화시킬 수 있다.
도 1은 다양한 실시예에 따른 시스템의 블록도이다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 고속 스위칭 장치의 회로도이다.
도 3은 다양한 실시예에 따른 제1 스위칭 소자에 연결된 제1 전류 제한 회로의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다양한 실시예에 따른 시스템의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 시스템의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 고속 스위칭 장치의 회로도이다.
도 3은 다양한 실시예에 따른 제1 스위칭 소자에 연결된 제1 전류 제한 회로의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다양한 실시예에 따른 시스템의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 시스템의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 다양한 실시예에 따른 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 시스템(10)은 고속 스위칭 장치(100), 제1 전원(200), 제2 전원(300), 및 엑스선 튜브(400)를 포함할 수 있다. 시스템(10)은 각 구성(예: 고속 스위칭 장치(100), 제1 전원(200), 제2 전원(300), 엑스선 튜브(400))을 활용하여 엑스선 튜브(400)의 튜브 타입 및 관전류 특성과 무관하게 고속 스위칭 장치(100)의 고속 스위칭을 수행함으로써 엑스선 튜브(400)에 대하여 고속 펄싱을 수행하는 기술을 제공할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 고속 스위칭 장치(100)는 도 2에서 후술한 바와 같이 엑스선 튜브(400)의 캐소드(420) 단에 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자에 기초하여 엑스선 튜브(400)의 엑스선 방출을 제어할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 제1 전원(200)은 애노드(anode) 전원을 공급하는 직류 전원이고, 인버터, 변압기, 및 고압 생성을 위한 배압 회로를 포함할 수 있다. 제1 전원(200)는 엑스선 튜브(400)의 애노드(410) 단 사이에 애노드 저항(415)을 두고 연결될 수 있다. 애노드 저항(415)은 엑스선 튜브(400)를 구동시킬 때의 안전 장치로서, 엑스선 튜브(400) 내의 아크(arc)가 생성될 경우 최대 관전류를 제한할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 제2 전원(300)은 엑스선 튜브(400)의 타입이 필라멘트 타입인 경우에는 도 4에서 후술한 바와 같이 필라멘트 전원일 수 있다. 필라멘트 전원은 필라멘트에 교류 전압을 공급하기 위한 교류 전원일 수 있다. 제2 전원(300)은 엑스선 튜브(400)의 타입이 CNT 타입인 경우에는 게이트 전원으로서 자유 전자의 방출을 가속시켜 관전류가 증폭되도록 고압의 직류 전압을 공급하는 직류 전원이고, 인버터, 변압기, 및 고압 생성을 위한 배압 회로를 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 엑스선 튜브(400)는 내부가 진공으로 밀봉된 것으로서, 내부에서 전자가 가속하여 애노드(410) 단에 충돌한 결과 발생한 엑스선을 방출할 수 있다. 엑스선 튜브(400)의 양 단 중 어느 하나는 제1 전원(200)으로부터 고압 전원을 공급받는 애노드(410) 단이고, 다른 하나는 고속 스위칭 장치(100)의 상단이 연결되는 캐소드(420) 단일 수 있다. 엑스선 튜브(400)의 타입은 필라멘트 타입이거나 CNT 타입일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 엑스선 튜브(400)의 타입이 필라멘트 타입인 경우에는 엑스선 튜브(400)는 필라멘트를 포함할 수 있다. 필라멘트는 전류가 흐르면 쥬울(Joule)열에 의해 필라멘트의 온도가 상승하고, 필라멘트의 온도가 일정 온도 이상에 도달하면 엑스선 튜브(400) 내부의 진공 공간에 자유 전자를 방출할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 엑스선 튜브(400)의 타입이 필라멘트 타입인 경우에는 도 4에서 후술한 바와 같이 제2 전원(300)은 엑스선 튜브(400)에 포함된 필라멘트의 양 단과 연결될 수 있다. 이때, 필라멘트의 양 단 중 어느 하나는 엑스선 튜브(400)의 캐소드(420) 단이고, 해당 캐소드(420) 단에서 고속 스위칭 장치(600)와도 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 시스템(10)은 엑스선 튜브(400)의 타입이 CNT(carbon nano tube) 타입인 경우에는 도 5에서 후술한 바와 같이 제2 전원(300) 및 엑스선 튜브(400) 사이에 게이트 저항(350)을 더 포함할 수 있다. 게이트 저항(350)은 엑스선 튜브(400)를 구동할 때의 안전 장치로서, 엑스선 튜브(400) 내부에 과도한 관전류가 생성되지 않도록 제한할 수 있다. 엑스선 튜브(400) 엑스선 튜브(400)의 타입이 CNT(carbon nano tube) 타입인 경우에는 제2 전원(300)의 음극은 제1 전원 및 고속 스위칭 장치(100)의 접지된 단자와 함께 접지되고, 제2 전원(300)의 양극은 게이트 저항(350)의 엑스선 튜브(400)와 연결된 단이 아닌 다른 단에 연결될 수 있다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 고속 스위칭 장치의 회로도이다.
도 2를 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 고속 스위칭 장치(100)는 복수의 구동 회로(예: 게이트 드라이브 회로)(120-1~120-n), 복수의 스위칭 소자(예: NMOSFET)(130-1~130-n), 구동 전원(예: 게이트 드라이브 전원)(140), 복수의 전류 제한 회로(150-1~150-n), 및 복수의 션트 저항(170-1~170-n)을 포함할 수 있다(단, n은 1보다 큰 자연수임). 고속 스위칭 장치(100)는 각 구성(예: 복수의 구동 회로(예: 게이트 드라이브 회로)(120-1~120-n), 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n), 구동 전원(예: 게이트 드라이브 전원)(140), 복수의 전류 제한 회로(150-1~150-n), 및 복수의 션트 저항(170-1~170-n))을 활용하여 관전류의 제한값을 용이하게 변경 및 증가시키고, 스위칭 속도를 크게 증가시키면서도 엑스선 튜브(예: 도 1의 엑스선 튜브(400))에 대하여 안정적으로 고속 펄싱을 수행할 수 있다. 고속 스위칭 장치(100)는 엑스선 튜브(400)의 캐소드(420) 극에 연결된 것일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 복수의 구동 회로(예: 게이트 드라이브 회로)(120-1~120-n)는 대응하는 고속 스위칭 장치(100)에 포함된 프로세서(미도시)로부터 수신한 제어 신호에 기초하여 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n) 각각에 구동 신호를 전달할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)는 제1 전원(예: 도 1의 제1 전원(200))이 캐소드(420) 극을 통하여 접지(190)와 폐회로를 구성하거나 개방(open)되도록 닫힘 상태(예: 온(on), 오프(off))를 결정할 수 있다. 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)는 프로세서(미도시)가 생성한 제어 신호 및 엑스선 튜브(400)의 관전류에 기초하여 닫힘 상태가 제어될 수 있다. 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)는 닫힘 상태에 기초하여 엑스선 튜브(400)가 엑스선을 방출하도록 엑스선 튜브(400)를 제어할 수 있다. 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)는 엑스선 튜브(400)의 캐소드에서 서로 병렬 연결된 것일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)는 엑스선 튜브(400)의 관전류에 기초하여 생성된 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)의 출력단 전압(예: NMOSFET의 게이트 단(132-1))과, 제어 신호에 대응하는 복수의 스위칭 소자의 입력단(예: NMOSFET의 소스 단(131-1)) 전압을 비교하여 닫힘 상태가 온 및 오프 중 어느 하나로 결정되는 것일 수 있다.
도 2에서는 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)가 NMOSFET인 경우를 예로 들어 설명하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)는 동일한 기능을 수행하는 다른 스위칭 소자일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 캐소드(420) 단에 연결된 단일 스위칭 소자에 기초하여 고속 펄싱을 수행하는 경우에는 단일 스위칭 소자를 엑스선 촬영 장치에 수용시키기 위하여 단일 스위칭 소자의 크기가 소형으로 제한되고, 단일 스위칭 소자의 전류 사양 상의 한계가 있어 엑스선 튜브(400)의 관전류 크기를 크게 증가시킬 수 없을 수 있다. 반면, 고속 스위칭 장치(100)는 캐소드(420) 단에서 서로 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)에 기초하여 고속 펄싱을 수행하므로 관전류의 제한 값을 증가시키면서도 안정적으로 스위칭 속도를 증가시킴으로써 고속 펄싱을 수행할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 프로세서(미도시)는 제어 신호 및 엑스선 튜브(400)의 관전류에 기초하여 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)의 닫힘 상태를 제어할 수 있다. 프로세서(미도시)는 도 3에서 후술한 바와 같이, 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n) 각각에 연결된 전류 제한 회로(150-1~150-n)의 부하 크기를 조정하여 엑스선 튜브(400)의 관전류의 제한값을 제어할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 프로세서(미도시)는 엑스선 튜브(400)에서 나온 관전류의 크기에 기초하여 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n) 중 닫힘 상태를 온(on)으로 제어할 스위칭 소자의 개수를 결정할 수 있다. 캐소드(420) 단에 연결된 단일 스위칭 소자에 기초하여 고속 펄싱을 수행하는 경우에는 관전류의 제한값이 단일 스위칭 소자의 사양에 종속될 수 있다. 반면, 고속 스위칭 장치(100)는 캐소드(420) 단에서 서로 병렬 연결된 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)에 기초하여 고속 펄싱을 수행하므로, 관전류의 제한값을 단일 스위칭 소자의 사양과 독립적으로 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 고속 스위칭 장치(100)는 온(on)으로 제어할 스위칭 소자의 개수에 따라 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)에 대하여 제어 신호를 선택적으로 인가함으로써 관전류의 제한값을 임의로 배가할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 프로세서(미도시)는 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)의 닫힘 상태를 스위칭 소자 그룹별로 교차하여 전환할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(미도시)는 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)에 대하여 구동에 관한 제어 신호를 인터리빙 (interleaving) 방식으로 인가함으로써 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)의 닫힘 상태를 스위칭 소자 그룹별로 교차하여 전환할 수 있다. 스위칭 소자 그룹은 하나 이상의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(미도시)는 스위칭 소자 그룹의 개수를 최대로 증가시킴으로써 스위칭 속도를 최대로 증가시키고자 하는 경우에는 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n) 각각을 하나의 스위칭 소자 그룹으로서 교차하여 닫힘 상태를 전환시킬 수 있다. 이에 따라, 프로세서(미도시)는 고속 펄싱을 위한 스위칭 속도를 증가시킬 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 구동 전원(예: 게이트 드라이브 전원)(140)은 복수의 스위칭 소자(130-1~130-n)를 구동하기 위한 것일 수 있다. 복수의 션트 저항(170-1~170-n))은 관전류를 감지하기 위한 것일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 복수의 전류 제한 회로(150-1~150-n) 각각은 하나 이상의 저항으로 구성할 수도 있고 저항과 동일한 역할을 하는 소자이거나 회로일 수 있다. 복수의 전류 제한 회로(150-1~150-n) 각각은 복수의 전류 제한 회로(150-1~150-n) 각각의 부하 크기를 결정하는 저항 셀렉터를 포함하고, 저항 셀렉터는 프로세서(미도시)로부터 부하 크기를 결정하기 위한 신호를 수신할 수 있다.
도 3은 다양한 실시예에 따른 제1 스위칭 소자에 연결된 제1 전류 제한 회로의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따르면, 제1 전류 제한 회로(150-1)는 복수의 관전류 제한 저항(예: 저항 R1 내지 저항 Rn) 및 저항 셀렉터(resistor selector)(151-1)를 포함할 수 있다. 복수의 전류 제한 회로(150-1~150-n)은 각각 제1 전류 제한 회로(150-1)와 실질적으로 동일할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 복수의 관전류 제한 저항(예: 저항 R1 내지 저항 Rn)은 관전류 발생에 따라 출력단(예: 도 2의 NMOSFET의 게이트 단(132-1)) 전압 및 입력단(예: NMOSFET의 소스 단(131-1)) 전압의 차이를 감소시킴으로써, 일정 크기(예: 관전류의 제한값) 이상의 관전류가 발생할 경우에는 제1 전류 제한 회로(150-1)에 연결된 제1 스위칭 소자(130-1)의 닫힘 상태가 오프(off)되도록 할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 복수의 관전류 제한 저항(예: 저항 R1 내지 저항 Rn)은 관전류의 크기가 일정 이상 커지는 것을 방지하므로 관전류를 안정화시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 전류 제한 회로(150-1)는 제1 전류 제한 회로(150-1)의 양 끝단(예: 제1 노드(152), 제2 노드(153)) 간의 전압에 기초하여 엑스선의 관전류를 안정화시킬 수 있다. 제1 전류 제한 회로(150-1)는 제1 전류 제한 회로(150-1)에 흐르는 관전류의 크기에 따른 전압(예: 제1 전류 제한 회로(150-1) 및 제1 션트 저항(170-1)의 양 끝단 전압)이 제1 전류 제한 회로(150-1)에 대응하는 스위칭 소자(예: 제1 스위칭 소자(130-1))의 턴온 전압에서 제1 스위칭 소자(130-1)의 출력단(131-1) 및 입력단(131-2) 간의 전압과 균형을 이루어 제1 전류 제한 회로(150-1)에 흐르는 관전류를 안정화시킬 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 출력단(131-1) 및 입력단(131-2) 간의 전압의 크기는 제1 전류 제한 회로(150-1)에 흐르는 관전류의 크기, 및 제1 전류 제한 회로(150-1)와 제1 션트 저항(170-1)의 양 끝단 간의 전압과 반비례할 수 있다. 제1 스위칭 소자(130-1)는 출력단(131-1) 및 입력단(131-2) 간의 전압의 크기가 제1 스위칭 소자(130-1)의 턴온 전압보다 큰 경우에만 켜지므로, 제1 전류 제한 회로(150-1)에 흐르는 관전류의 크기가 일정 크기에 도달하면 제1 스위칭 소자(130-1)는 꺼질 수 있다. 제1 전류 제한 회로(150-1)는 제1 전류 제한 회로(150-1)와 제1 션트 저항(170-1)의 양 끝단 간의 전압과 반비례하는 출력단(131-1) 및 입력단(131-2) 간의 전압의 크기를 이용하여 제1 전류 제한 회로(150-1)에 흐르는 관전류의 크기를 제1 스위칭 소자(130-1)의 턴온 전압에 대응하는 일정 크기 이하로 안정화할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 제1 전류 제한 회로(150-1)는 턴온 전압을 기준으로 켜지거나 꺼지는 제1 스위칭 소자(130-1)와 상호작용하여, 출력단(131-1) 및 입력단(131-2) 간의 전압의 크기는 턴온 전압의 크기이고 제1 전류 제한 회로(150-1)와 제1 션트 저항(170-1)의 양 끝단의 전압의 크기는 펄스 전원의 크기에서 턴온 전압의 크기를 뺀 값인 지점에서 균형을 이룰 수 있다. 제1 전류 제한 회로(150-1)와 제1 션트 저항(170-1)의 양 끝단 간의 전압의 크기는 출력단(131-1) 전압에서 입력단(131-2) 전압을 뺀 값으로 수렴하므로, 제1 전류 제한 회로(150-1)는 제1 전류 제한 회로(150-1)의 부하 크기를 조정하여 제1 전류 제한 회로(150-1)에 흐르는의 관전류의 크기를 원하는 크기로 제어할 수 있다.
도 3에서는 설명의 편의를 위하여 복수의 전류 제한 회로(150-1~150-n) 중에서 가장 좌측의 제1 전류 제한 회로(150-1)와 제1 전류 제한 회로(150-1)에 흐르는 관전류, 제1 스위칭 소자, 및 제1 션트 저항(170-1)를 예로 들어 설명하였지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 도 3에서 설명한 제1 전류 제한 회로(150-1) 및 이에 대응하는 소자 간의 관계는 복수의 전류 제한 회로(150-1~150-n) 각각 및 이에 대응하는 소자들 간의 관계에도 적용 가능할 수 있다. 이에, 고속 스위칭 장치(100)는 복수의 전류 제한 회로(150-1~150-n) 각각에 흐르는 관전류를 안정화시킴에 따라 각각에 흐르는 관전류의 합인 엑스선 튜브의 관전류도 안정화시킬 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 저항 셀렉터(151-1)는 복수의 저항 중 하나만 선택하여 회로에 연결시키는 multiplexer의 기능을 수행할 수 있다. 제1전류 제한 회로(150-1)의 부하 크기는 저항 셀렉터(151-1)가 선택한 저항값에 따라 결정되고, 이에 따라 관전류의 제한값은 결정될 수 있다. 저항 셀렉터(151-1)는 고속 스위칭 장치(예: 도 1의 고속 스위칭 장치(100))에 포함된 프로세서(미도시)로부터 전류 제한 회로(150-1)의 부하의 크기를 결정하기 위한 신호를 수신할 수 있다.
도 4는 다양한 실시예에 따른 시스템의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 시스템(60)은 도 1의 시스템(10)과 동일하게 동작할 수 있다. 시스템(60)은 시스템(10)의 제1 전원(200)이 애노드 전원(예: 애노드 전원(610))이고, 제2 전원(300)이 필라멘트 전원(예: 필라멘트 전원(620))이며, 엑스선 튜브(400)가 필라멘트 타입 엑스선 튜브(예: 필라멘트 타입 엑스선 튜브(640))인 경우일 수 있다. 애노드 전원(610)은 애노드(641) 단에 고압 전원을 공급하는 직류 전원이고, 필라멘트 타입 엑스선 튜브(640)의 애노드(641) 단과 애노드 저항(630)을 사이에 두고 연결될 수 있다. 애노드 저항(630)은 필라멘트 타입 엑스선 튜브(640)를 구동시킬 때의 안전 장치로서, 필라멘트 타입 엑스선 튜브(640) 내의 아크(arc)가 생성될 경우 최대 관전류를 제한할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 필라멘트 전원(620)은 필라멘트(645)에 교류 전압을 공급하기 위한 교류 전원일 수 있다. 필라멘트 전원(620)은 필라멘트(645)의 양 단과 연결되고, 필라멘트(645)의 양 단 중 어느 하나는 필라멘트 타입 엑스선 튜브(640)의 캐소드(642) 단이고, 해당 캐소드(642) 단에서 고속 스위칭 장치(600)와도 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 필라멘트 타입 엑스선 튜브(640)는 필라멘트(645)를 포함하고, 필라멘트(645)에 전류가 흐름에 따라 쥬울(Joule)열에 의해 필라멘트(645)의 온도가 상승하여 일정 온도 이상에 도달하면 필라멘트(645)는 엑스선 튜브(400) 내부의 진공 공간에 자유 전자를 방출할 수 있다. 필라멘트 타입 엑스선 튜브(640)는 내부에서 가속된 전자가 애노드(641) 단에 충돌한 결과 발생한 엑스선을 방출할 수 있다. 필라멘트 타입 엑스선 튜브(640)의 양 단 중 어느 하나는 애노드(641) 단이고, 다른 하나는 고속 스위칭 장치(600)의 상단과 연결되는 캐소드(642) 단일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 고속 스위칭 장치(600)는 도 1의 고속 스위칭 장치(100)와 실질적으로 동일할 수 있다. 시스템(60)은 고속 스위칭 장치(600)에 기초하여 필라멘트 타입 엑스선 튜브(640)의 관전류의 제한값을 용이하게 변경하고, 고속 펄싱을 위한 스위칭 속도를 증가시키면서도 안정적으로 고속 펄싱을 수행할 수 있다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 시스템의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 시스템(70)은 도 1의 시스템(10)과 동일하게 동작할 수 있다. 시스템(70)은 시스템(10)의 제1 전원(200)이 애노드 전원(예: 애노드 전원(710))이고, 제2 전원(300)이 게이트 전원(예: 게이트 전원(720))이며, 엑스선 튜브(400)가 CNT 타입 엑스선 튜브(예: CNT 타입 엑스선 튜브(740))인 경우일 수 있다. 애노드 전원(710)은 애노드(741) 단에 고압 전원을 공급하는 직류 전원이고, CNT 타입 엑스선 튜브(740)의 애노드(741) 단과 애노드 저항(730)을 사이에 두고 연결될 수 있다. 애노드 저항(730)은 CNT 타입 엑스선 튜브(740)를 구동시킬 때의 안전 장치로서, CNT 타입 엑스선 튜브(740) 내의 아크(arc)가 생성될 경우 최대 관전류를 제한할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 게이트 전원(720)은 자유 전자의 방출을 가속시켜 관전류가 증폭되도록 CNT 타입 엑스선 튜브(740)의 게이트(746) 단에 고압의 직류 전압을 공급하는 직류 전원일 수 있다. 게이트 전원(720)의 음극은 애노드 전원(710) 및 고속 스위칭 장치(700)의 접지된 단자와 함께 접지되고, 게이트 전원(720)의 양극은 게이트 저항(745)의 CNT 타입 엑스선 튜브(740)와 연결된 단이 아닌 다른 단에 연결될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 시스템(70)은 게이트 전원(720) 및 CNT 타입 엑스선 튜브(740) 사이에 게이트 저항(745)을 포함할 수 있다. 게이트 저항(745)은 CNT 타입 엑스선 튜브(740)를 구동할 때의 안전 장치로서, CNT 타입 엑스선 튜브(640) 내부에 과도한 관전류가 생성되지 않도록 제한할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 고속 스위칭 장치(700)는 도 1의 고속 스위칭 장치(100)와 실질적으로 동일할 수 있다. 시스템(70)은 고속 스위칭 장치(700)에 기초하여 CNT 타입 엑스선 튜브(740)의 관전류의 제한값을 용이하게 변경하고, 고속 펄싱을 위한 스위칭 속도를 증가시키면서도 안정적으로 고속 펄싱을 수행할 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 저장할 수 있으며 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
위에서 설명한 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 또는 복수의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (16)
- 엑스선 튜브의 고속 스위칭 방법에 있어서,
복수의 스위칭 소자에 관한 제어 신호 및 상기 엑스선 튜브의 관전류에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자의 닫힘 상태를 제어하는 동작; 및
상기 닫힘 상태에 기초하여 상기 엑스선 튜브가 엑스선을 방출하도록 상기 엑스선 튜브를 제어하는 동작
을 포함하고,
상기 닫힘 상태를 제어하는 동작은,
상기 복수의 스위칭 소자 각각에 연결된 전류 제한 회로의 부하 크기를 조정하여 상기 관전류의 제한값을 제어하는 동작
을 포함하고,
상기 복수의 스위칭 소자는,
상기 엑스선 튜브의 캐소드에서 서로 병렬 연결된 것인, 고속 스위칭 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 닫힘 상태를 제어하는 동작은,
상기 관전류의 크기에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자 중 상기 닫힘 상태를 온(on)으로 제어할 스위칭 소자의 개수를 결정하는 동작
을 포함하는, 고속 스위칭 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 닫힘 상태를 제어하는 동작은,
상기 복수의 스위칭 소자의 닫힘 상태를 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 소자 그룹별로 교차하여 전환하는 동작
을 포함하는, 고속 스위칭 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 닫힘 상태를 제어하는 동작은,
상기 엑스선 튜브의 관전류에 기초하여 생성된 상기 복수의 스위칭 소자의 출력단 전압과, 상기 제어 신호에 대응하는 상기 복수의 스위칭 소자의 입력단 전압을 비교하여 상기 닫힘 상태를 결정하는 동작
을 포함하는, 고속 스위칭 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 엑스선 튜브는,
필라멘트 타입 엑스선 튜브 및 CNT 타입 엑스선 튜브 중 어느 하나인 것인, 고속 스위칭 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전류 제한 회로의 양 끝단 간의 전압에 기초하여 상기 엑스선의 관전류를 안정화시키는 동작
을 더 포함하는, 고속 스위칭 방법.
- 제7항에 있어서,
상기 안정화시키는 동작은,
상기 전류 제한 회로에 흐르는 관전류의 크기에 따른 전압이 상기 전류 제한 회로에 대응하는 스위칭 소자의 턴온 전압에서 상기 대응하는 스위칭 소자의 출력단 및 입력단 간의 전압과 균형을 이루어 상기 전류 제한 회로에 흐르는 관전류를 안정화시키는 동작
을 포함하는, 고속 스위칭 방법.
- 엑스선 튜브의 고속 스위칭을 위한 고속 스위칭 장치에 있어서,
복수의 스위칭 소자에 관한 제어 신호와 상기 엑스선 튜브의 관전류에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자의 닫힘 상태를 제어하는 프로세서; 및
상기 닫힘 상태에 기초하여 상기 엑스선 튜브가 엑스선을 방출하도록 상기 엑스선 튜브를 제어하는 복수의 스위칭 소자
를 포함하고,
상기 프로세서는,
상기 복수의 스위칭 소자 각각에 연결된 전류 제한 회로의 부하 크기를 조정하여 상기 관전류의 제한값을 제어하고,
상기 복수의 스위칭 소자는,
상기 엑스선 튜브의 캐소드에서 서로 병렬 연결된 것인, 고속 스위칭 장치.
- 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 관전류의 크기에 기초하여 상기 복수의 스위칭 소자 중 상기 닫힘 상태를 온(on)으로 제어할 스위칭 소자의 개수를 결정하는, 고속 스위칭 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 복수의 스위칭 소자의 닫힘 상태를 하나 이상의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 소자 그룹별로 교차하여 전환하는, 고속 스위칭 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 복수의 스위칭 소자는,
상기 엑스선 튜브의 관전류에 기초하여 생성된 상기 복수의 스위칭 소자의 출력단 전압과, 상기 제어 신호에 대응하는 상기 복수의 스위칭 소자의 입력단 전압을 비교하여 상기 닫힘 상태를 결정하는, 고속 스위칭 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 엑스선 튜브는,
필라멘트 타입 엑스선 튜브 및 CNT 타입 엑스선 튜브 중 어느 하나인 것인, 고속 스위칭 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 전류 제한 회로는,
상기 전류 제한 회로의 양 끝단 간의 전압에 기초하여 상기 엑스선의 관전류를 안정화시키는, 고속 스위칭 장치.
- 제9항에 있어서,
상기 전류 제한 회로는,
상기 전류 제한 회로에 흐르는 관전류의 크기에 따른 전압이 상기 전류 제한 회로에 대응하는 스위칭 소자의 턴온 전압에서 상기 대응하는 스위칭 소자의 출력단 및 입력단 간의 전압과 균형을 이루어 상기 전류 제한 회로에 흐르는 관전류를 안정화시키는, 고속 스위칭 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220078931A KR102666726B1 (ko) | 2022-06-28 | 2022-06-28 | 엑스선 튜브의 고속 스위칭 방법 및 이를 수행하는 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220078931A KR102666726B1 (ko) | 2022-06-28 | 2022-06-28 | 엑스선 튜브의 고속 스위칭 방법 및 이를 수행하는 장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240001958A KR20240001958A (ko) | 2024-01-04 |
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| US20150063546A1 (en) * | 2013-08-30 | 2015-03-05 | General Electric Company | Apparatus and methods to control an electron beam of an x-ray tube |
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