KR19980030972A - X-레이 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 X-레이 발생기에 관한 것으로서, 기판 위에 스트라이프상으로 형성된 다수의 음극과, 상기 음극 위에 마련되되 상기 상기 음극과 전기적으로 분리된 다수의 마이크로팁 및 상기 마이크로팁 상부에 상기 음극과 소정각도로 교차되도록 스트라이프상으로 배치되어 상기 음극에 대해 소정의 양의 바이어스 전압이 가해지는 다수의 게이트전극을 구비한 전계전자방출기; 및 상기 게이트전극에 대해 양의 바이어스 전압이 인가되는 것으로서, 상기 게이트전극과 음극사이에 형성되는 전계에 의해 상기 마이크로팁으로부터 방출된 전자가 충돌되는 타켓을 구비한다. 따라서, 전계전자방출기로부터 전자방출에 필요한 소비전력이 낮아 지고, 그로인해 전원공급장치가 소규모화 됨으로써 장치의 소형화를 꾀할 수 있고, 예열시간이 필요없어 가동에 필요한 응답속도가 빠른 장점을 갖는다.

Description

X-레이 발생기

본 발명은 X-레이 발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전계효과에 의해 전자를 방출시키고, 방출된 전자를 타겟(target)에 가속 충돌 시키도록 구조되어 소비전력이 저감되고, 응답특성이 향상된 X-레이 발생기에 관한 것이다.

X-레이 발생기는 X-레이광선을 발생시키는 장치로서, 발생된 X-레이를 분석하고자 하는 대상물에 입사시킨 후, 검출되는 스펙트럼을 분석하여 결정구조를 분석하는 회절분석계(diffractometer)등 다양한 응용분야에 이용되고 있다.

도 1은 종래의 X-레이 발생기의 구조를 나타내보인 도면이다.

이를 참조하면, 종래의 X-레이 발생기는 본체 내부의 공간부(10)에 마련되어 전자를 방출시키는 열전자방출기(20)와 열전자방출기(20)와 대향되는 위치에 마련된 타켓(11) 및 타켓(11)으로부터 방사되는 X-레이를 투과시키는 투광창(13)이 마련된 구조를 갖는다.

그러나, 종래의 X-레이 발생기에 채용된 열전자방출기(20)는 열전자를 방출할 수 있도록 필라멘트(21)와 상기 필라멘트(21)를 가열시키는 가열기(미도시)가 마련된 구조로 형성되어 있기 때문에, X-레이를 발생시키기 위해서는 필라멘트(21)를 소정온도로 가열시키기 위한 예열시간이 필요하다. 따라서 사용가능상태로 되기까지의 예열시간이 길기 때문에 사용중간의 비사용기간동안에도 장치를 가동상태로 유지해야 하기 때문에 전력낭비가 발생되고, 필라멘트(21)에 공급되는 전력에 대한 열전자 방출효율이 낮아 일정수준 이상의 인텐서티(intensity)로 유지되는 X-레이를 발생시키기 위해 필요한 전원공급장치가 인텐서티에 비례해 대형화되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 예열방식구조를 개선하여 X-레이를 발생시키기 위해 필요한 준비시간을 저감시키고, 전자방출에 필요한 소비전력을 저감시켜 전력효율을 증대시킨 X-레이 발생기를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 X-레이 발생기의 구조를 나타내 보인 도면.

도 2는 본 발명에 따른 X-레이 발생기의 구조를 나타내보인 도면.

도 3은 도 2의 A부분을 확대해 보인 부분발췌 절개 사시도.

도 4는 도 3의 일부부분을 나타내보인 단면도이다.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11, 31: 타켓13, 33: 투광창

20; 열전자방출기21: 필라멘트

34: 냉각수 공급관40: 전계전자방출기

41: 전계방출부42: 집속부

43: 기판44: 음극

45: 저항층46: 마이크로 팁

47: 절연층48: 게이트 전극

49: 관통공

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 X-레이 발생기는 기판 위에 스트라이프상으로 형성된 다수의 음극과, 상기 음극 위에 마련되되 상기 상기 음극과 전기적으로 분리된 다수의 마이크로팁 및 상기 마이크로팁 상부에 상기 음극과 소정각도로 교차되도록 스트라이프상으로 배치되어 상기 음극에 대해 소정의 양의 바이어스 전압이 가해지는 다수의 게이트전극을 구비한 전계전자방출기; 및 상기 게이트전극에 대해 양의 바이어스 전압이 인가되는 것으로서, 상기 게이트전극과 음극사이에 형성되는 전계에 의해 상기 마이크로팁으로부터 방출된 전자가 충돌되는 타켓;을 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

상기 게이트 전극과 상기 타겟 사이에 상기 마이크로팁으로부터 방출된 전자를 상기 타겟 방향으로 집속시키기 위해 적어도 하나 이상의 그리드 전극을 갖는 집속부가 더 구비되는 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 X-레이 발생기를 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 X-레이 발생기의 구조를 나타내보인 도면이다.

이를 참조하면, X-레이 발생기는 본체 내부의 공간부(35)에 전계방출부(41)와 집속부(42)가 구비된 전계전자방출기(40)와 전계전자방출기(40)에서 방출된 전자가 가속 진행되는 방향에 마련된 타겟(31)을 주요구성요소로 갖는다. 여기서 상기 공간부(35)는 진공으로 유지된다.

타겟(31)의 재료로는 예리한 선스펙트럼을 발생시키고, 열전도가 좋으면서 융점이 높은 구리가 주로 적용되고, 소망하는 파장대역에 따라 구리 이외의 타 재료도 선택된다. 구리로 된 타겟(31)을 전자로 때려줄 때 1.5418Å 대역의 파장에서 강한 선스펙트럼을 발생한다.

타겟(31)으로 채용된 구리의 경우 가속된 전자의 충돌에 의해 흡수된 에너지가 구리의 내각전자를 들뜨게 하고, 들뜬 내각 전자가 에너지가 낮은 궤도로 천이하면서 발생되는 X-레이는 투광창(33)을 통해 진행되고, 진행방향에 위치된 분석대상물에 입사된다. 상기 투광창(33)은 베릴리움(beryllium)의 재료로 적용되는 것이 바람직하다. 또한 타겟(31)로부터 출사된 광의 스펙트럼선중 특정 파장대역만을 이용하고자 할 때는 투광창(31)의 전, 후방에 모노크로메터(monochromator, 미도시)와 같은 단색화 장치를 도입하면된다.

타겟(31)으로부터 전자충돌에 의해 흡수된 에너지중 X-레이 발생에 기여하지 않는 소비에너지에 의해 발생되는 온도상승을 조절할 수 있도록 상기 타겟(31) 주위로 연통되는 냉각수 공급관(34)을 포함하는 방열기가 구비되어 있다. 냉각수 순환에 의한 방열은 가속된 전자가 연속적으로 타겟(31)에 충돌시 발생되는 온도상승을 일정레벨로 유지시킴으로서, 타겟(31)으로부터 발생되는 X-레이의 발생효율을 증가시키고 시간의 경과와 관계없이 안정적인 스펙트럼선을 유지시킨다.

본 발명에 특징이 있는 전계전자방출기(40)는 전계에 의해 전자가 방출되도록 구조된 전계방출부(41)와 전계방출부(41)로부터 방출된 전자를 타켓트 방향으로 집속시키는 집속부(42)를 갖는다. 여기서 하나이상의 그리드 전극으로 구성된 집속부(42)와 전계방출부(41) 사이에 형성되는 전위차는 전계방출부(40)로부터 방출되는 전자가 분산되지 않고 타겟(31)방향으로 전자가 진행되면서 그 집속밀도가 증가되도록 결정된다.

도 3은 도 2의 A부분을 확대해 보인 부분발췌 절개 사시도이고,

도 4는 도 3의 일부부분을 나타내보인 단면도이다.

이를 참조하여 전계방출부의 구조를 상세하게 설명한다.

전계방출부(41)는 기판(43) 위에 스트라이프 상으로 형성된 다수의 음극(44)과 저항층(45)이 형성되고, 저항층(45)의 상부에는 마이크로 팁(46)이 형성되고, 음극(44)과 저항층(45)이 형성하는 평면의 상부에는 절연층(47)과 게이트전극(48)이 마련된 구조를 갖는다. 상기 절연층(47)과 상기 게이트(48)사이에는 마이크로 팁(46)의 첨두가 노출되도록 관통공(49)이 형성되어 있다. 상기 게이트 전극(48)들은 스트라이프 상의 음극(44)들과 배열 방향이 서로 교차되게 형성되어 있다.

이상과 같은 구조의 전계방출부(41)는 스트라이프 상의 음극(44)들과 게이트 전극(48)들 사이의 전위차에 의해 유도된 전계에 의해 그 첨두에 전하분포가 밀집된 마이크로 팁(46)으로부터 전자 방출이 이루어진다.

도시된 실시예에서는 도시의 편의상 마이크로 팁(46)의 개수가 제한되어 표시되었지만, 실제로는 이보다 많은 수의 마이크로 팁이 형성된다. 마이크로 팁(46)들은 소정의 원뿔 형상을 가지며, 음극(44)의 상부에서 소정 갯수가 모여서 하나의 군을 이루고 있고, 이 단위군이 매트릭스상으로 배열된다. 이 단위군에 형성되는 마이크로팁의 개수 및 전체 군의 개수는 요구되는 X-레이의 인텐서티와 관련되어 결정된다. 따라서, 인가되는 전계를 고려하여 필요한 전자빔전류를 얻기위해 유구되는 마이크로팁의 개수를 결정하면된다.

이상과 같은 구조를 가진 전계전자방출기(40)가 채용된 X-레이 발생기의 동작을 설명한다.

먼저, 게이트전극(48)과 음극(44) 사이에 소정전압 예컨대 90내지 100볼트의 전위차가 유지되고, 음극(44)과 타켓(31) 사이에 20 내지 30킬로볼트의 전위차가 유지되도록 공급전원이 셋팅된다. 이와 같이 형성된 전계에 의해 마이크로 팁(46)당 발생되는 전자빔전류가 60nA정도 되기 때문에 3A이상의 전자빔 전류룰 얻기위해 필요한 마이크로팁의 배열 개수는 약 50,000개 된다.

이와 같이 형성된 전계에 의해 먼저 게이트전극(48)과 마이크로 팁(46) 사이에서 유도된 1차 전계에 의해 전자가 방출된다. 이때 게이트전극(48)과 음극(44)사이로 누설되는 전류는 수 nA정도로 대단히 적다. 방출된 전자는 타켓(31)과의 사이에 1차 전계 보다 상대적으로 높게 형성된 2차 전계에 의해 타겟(31)을 향해 가속되면서, 마이크로 팁(46)들로부터 타겟(31)으로의 가속된 전자 비임 방출이 이루어진다. 이러한 전자 비임은 집속부(42)에 가이드되어 타겟(31)에 집중되어 가속되고, 타켓(31)의 표면에 충돌된 후, 타겟(31)의 내각전자 여기에 의해 X-레이가 발생된다.

따라서, 종래의 필라멘트 채용에 의한 열전자 방출로부터 유도된 X-레이 발생기에 비해 응답속도가 빠르고, 전계효과에 의해 전자가 방출됨으로써 소비전력이 낮아지는 장점이 있다.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 X-레이 발생기가 제공되어, 전자방출에 필요한 소비전력이 낮아 지고, 그로인해 전원공급장치가 소규모화 됨으로써 장치의 소형화를 꾀할 수 있고, 예열시간이 필요없어 가동에 필요한 응답속도가 빠른 장점을 갖는다.

Claims (5)

1. 기판 위에 스트라이프상으로 형성된 다수의 음극과, 상기 음극 위에 마련되되 상기 상기 음극과 전기적으로 분리된 다수의 마이크로팁 및 상기 마이크로팁 상부에 상기 음극과 소정각도로 교차되도록 스트라이프상으로 배치되어 상기 음극에 대해 소정의 양의 바이어스 전압이 가해지는 다수의 게이트전극을 구비한 전계전자방출기; 및

   상기 게이트전극에 대해 양의 바이어스 전압이 인가되는 것으로서, 상기 게이트전극과 음극사이에 형성되는 전계에 의해 상기 마이크로팁으로부터 방출된 전자가 충돌되는 타켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 X-레이 발생기.
2. 제1항에 있어서 상기 타겟으로부터 방출된 상기 X-선중 소정파장대역의 단색광만 필터링하는 모노크로미터가 더 구비된 것을 특징으로 하는 X-레이 발생기.
3. 제1항에 있어서, 타겟으로부터 발생되는 온도를 조절할 수 있도록 상기 타겟주위로 연통되는 냉각수 공급관을 포함하는 방열기가 더 구비된 것을 특징으로 하는 X-레이 발생기.
4. 제1항에 있어서, 상기 전계전자방출기는 상기 마이크로팁으로부터 방출된 전자를 상기 타겟 방향으로 집속시키기 상기 케이트 전극과 상기 타겟 사이의 소정위치에 소정의 전위차가 유도되도록 적어도 하나 이상의 그리드 전극을 갖는 집속부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 X-레이 발생기.
5. 제1항에 있어서, 상기 타겟의 재료는 구리인 것을 특징으로 하는 X-레이 발생기.